JPWO2011036743A1 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

この発明は、筒内圧に基いてクランク角を速やかに検出しつつ、その検出誤差を低負荷な計算処理により容易に補償することを目的とする。ＥＣＵ５０は、所定角度Δθだけ離れた２つのクランク角での筒内圧Ｐn，Ｐn+1に基いて筒内圧比（Ｐn+1／Ｐn）を算出する。また、ＥＣＵ５０は、前記クランク角での筒内容積Ｖn，Ｖn+1により算出される容積比パラメータ（Ｖnκ／Ｖn+1κ）と、クランク角との関係を表すマップデータを備える。これにより、クランキング時には、筒内圧比とマップデータとに基いて、クランク角を従来の気筒判別よりも早期に検出することができる。また、筒内圧Ｐn，Ｐn+1に含まれるゲインを両者の除算により除去できると共に、マップデータを用いることにより指数演算等をなくして計算負荷を抑えることができる。

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、筒内圧に基いてクランク角を検出する構成とした内燃機関の制御装置に関する。

一般に、従来の内燃機関としては、クランク角センサとカム角センサとを用いて絶対的なクランク角（ピストンの位置）を検出する構成としたものが知られている。具体的には、クランク軸の回転に応じてクランク角センサから出力される信号と、カムシャフトの回転に応じてカム角センサから出力される信号とを比較し、所定の信号パターンの組み合わせが出現した時点を基準として、絶対的なクランク角を確定するものである。この方法によれば、内燃機関の始動時（クランキング時）には、クランク角が確定されるまでの間、即ち、所定の信号パターンの組み合わせが出現するまでの間に、クランク軸が約１８０〜３６０°にわたって回転する必要がある。そして、クランク角が確定された時点で、圧縮行程を迎える気筒が判別され、当該気筒に燃料噴射が開始される。

しかし、始動時には、クランキングを可能な限り短時間で完了することにより、良好な始動性を実現し、バッテリの消費電力を抑えたいという要求がある。このため、例えば特許文献１（日本特開２００８−１９６４１７号公報）に開示された従来技術では、上述の方法よりも早期に始動時の燃料噴射を開始するために、筒内圧に基いて圧縮行程中の気筒を判別する構成としている。この従来技術では、所定期間だけ離れた２つの時点における筒内圧の圧力差（ΔＰ）と、単位時間当りの筒内圧の変化量（dP／dt）とに基いて圧縮行程中の気筒を判別するようにしている。

また、他の従来技術として、特許文献２（日本特開２００５−１９４８９２号公報）に開示されているように、単位クランク角当りの筒内圧の変化量（dP／dθ）に基いて気筒判別を行う構成としたものも知られている。さらに、特許文献３（日本特開２０００−６４８９０号公報）に開示されているように、筒内圧の絶対値を用いて始動時の気筒判別を行う方法や、特許文献４（日本特開２００７−２９１９５５号公報）に開示されているように、筒内でＰＶ^κ＝一定という関係が成立することを利用して始動時にクランク角を求める方法等も知られている。

日本特開２００８−１９６４１７号公報 日本特開２００５−１９４８９２号公報 日本特開２０００−６４８９０号公報 日本特開２００７−２９１９５５号公報

ところで、上述した特許文献１乃至３の従来技術では、始動時の気筒判別やクランク角の検出を行うときに、筒内圧の絶対値を用いたり、各種のパラメータ（ΔＰ，dP／dt，dP／dθ）を用いる構成としている。しかしながら、筒内圧センサの検出圧力には誤差が生じ易いため、これらの従来技術では、気筒判別やクランク角の検出を正確に行うことができないという問題がある。以下、この点について説明する。

一般に、筒内圧センサの出力をＰとすれば、検出されるべき真の圧力Ｐtは、適切な値のゲインａとオフセットｂとを用いて、下記（１）式のように表すことができる。

Ｐt＝ａ×Ｐ＋ｂ ・・・（１）

しかし、ゲインａはセンサの劣化や個体差等により変動し易く、オフセットｂはセンサの熱歪み等により変動し易い。即ち、これらのパラメータａ，ｂが変動することにより、検出圧力に誤差が生じることになる。この結果、上述した筒内圧の絶対値やパラメータ（ΔＰ，dP／dt，dP／dθ）を用いる方法では、例えばセンサが劣化してゲインａが低下することにより、図６及び図７に示すような事態が生じることがある。図６は、筒内圧センサのゲインが低下した場合の出力変化を示す特性線図であり、図７は、ゲインが低下した場合のパラメータ（ΔＰ，dP／dθ）の変化を示す特性線図である。これらの図に示すように、ゲインａが低下した場合には、圧縮行程での筒内圧やパラメータのピーク値が気筒判別用の閾値を超えなくなり、気筒判別が正常に行われない可能性が生じる。しかも、オフセットｂの補正は比較的容易であるのに対し、ゲインａの補正は困難である。

このため、特許文献１乃至３の従来技術では、ゲインａの変動に十分に対処することができず、気筒判別やクランク角の検出が不正確になり易いという問題がある。しかも、始動時には、燃料噴射量（噴射時間）が外気温や水温等に応じて大きく変化するので、これらの処理が不正確であると、燃料の噴射タイミングも正確に設定することができず、始動性や始動時の排気エミッション等を向上させるのが難しくなる。

一方、特許文献４の従来技術では、所定期間だけ離れた２つの時点における筒内圧Ｐ1，Ｐ5と、これらの時点における筒内圧Ｖ1，Ｖ5と、比熱比κとに基いて、Ｐ1・Ｖ1^κ−Ｐ5・Ｖ5^κ＝０という式が成立するクランク角を求める。しかし、この従来技術では、所定の角度区間において、上記式が成立するか否かの判定処理を繰り返し実行する。つまり、特許文献４の従来技術では、指数演算を含む高負荷な計算処理が各気筒毎に何度も繰り返されることになるので、制御装置の計算負荷が増大し、その分だけ高性能の制御装置が必要になるという問題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、筒内圧に基いてクランク角を速やかに検出しつつ、その検出誤差を低負荷な計算処理により容易に補償することが可能な内燃機関の制御装置を提供することにある。

第１の発明は、内燃機関の少なくとも１つの気筒に設けられ、当該気筒の筒内圧を検出する筒内圧センサと、
内燃機関のクランク軸が回転した角度を検出する回転角度検出手段と、
前記クランク軸が任意のクランク角にあるときの筒内圧である第１の筒内圧と前記任意のクランク角から所定角度だけ回転したクランク角にあるときの筒内圧である第２の筒内圧とを検出し、前記第１，第２の筒内圧の比率を算出する圧力比算出手段と、
前記筒内圧の比率と前記クランク角との関係をデータ化することにより予め設定されたデータ手段と、
少なくとも前記筒内圧の比率と前記データ手段とに基いて前記任意のクランク角の角度値を検出するクランク角検出手段と、
を備えることを特徴とする。

第２の発明によると、前記データ手段は、前記任意のクランク角での筒内容積Ｖ_nと、前記任意のクランク角から前記所定角度だけ回転したクランク角での筒内容積Ｖ_n+1と、比熱比κとに基いて算出される容積比パラメータ（Ｖ_n ^κ／Ｖ_n+1 ^κ）または（Ｖ_n+1 ^κ／Ｖ_n ^κ）が前記筒内圧の比率と等しくなることを利用して、前記容積比パラメータと前記クランク角との関係をデータ化したものである構成としている。

第３の発明によると、前記クランク角検出手段は、吸気バルブが閉弁してから排気バルブが開弁するまでの全閉期間中にある気筒を利用して、前記クランク角の検出処理を行う構成としている。

第４の発明によると、前記クランク角検出手段は、前記筒内圧の比率が所定の基準値を超えたときに当該気筒が前記全閉期間中にあるものと判定する構成としている。

第５の発明によると、前記クランク角検出手段は、前記筒内圧の比率と、前記データ手段と、前記第１または第２の筒内圧の検出時点における前記筒内圧の増減傾向とに基いて、前記クランク角の検出処理を行う構成としている。

第６の発明は、前記筒内圧センサの検出圧力に含まれるオフセットを、前記筒内圧の比率を算出する前に除去するオフセット除去手段を備える構成としている。

第７の発明は、前記クランク角検出手段により検出されるクランク角に基いて、始動時の燃料噴射を行う始動噴射手段を備える構成としている。

第１の発明によれば、データ手段には、筒内圧の比率とクランク角との関係を予め設定しておくことができる。これにより、クランク角検出手段は、少なくとも筒内圧の比率とデータ手段とに基いてクランク角を検出（特定）することができ、この検出動作を従来の気筒判別よりも早期に完了することができる。従って、内燃機関のクランキング時には、特定されたクランク角に基いて行われる燃料噴射や点火等を速やかに開始することができる。これにより、内燃機関の始動性や始動時の排気エミッションを向上することができる。また、クランキングの時間を短縮化し、バッテリの消費電力を抑えることができる。

しかも、第１の発明によれば、クランク角の検出時に筒内圧の比率を用いるので、筒内圧の検出値に含まれるゲインを比率の算出時（除算の実行時）に容易に除去することができる。従って、筒内圧センサの劣化や使用環境の変化等によりゲインが変動したとしても、ゲインの影響を受けない比率に基いてクランク角を正確に検出することができ、その検出結果に誤差が生じるのを防止することができる。また、データ手段を用いたので、筒内圧の比率に基いてデータ手段を参照するだけの低負荷な処理により、クランク角を容易に算出することができる。即ち、クランク角の検出時に指数演算等の高負荷な処理が必要ないので、計算処理の負荷を抑えることができ、制御装置のコストダウンや消費電力の低減等を図ることができる。

第２の発明によれば、筒内圧の比率が容積比パラメータ（Ｖ_n ^κ／Ｖ_n+1 ^κ）または（Ｖ_n+1 ^κ／Ｖ_n ^κ）と等しくなることを利用して、容積比パラメータとクランク角との関係、即ち、筒内圧の比率とクランク角との関係を予めデータ化しておくことができる。この場合、容積比パラメータとクランク角との関係は、内燃機関の構造から容易に確定することができる。従って、制御装置は、Ｖ_n ^κ等の指数演算を行わなくても、筒内圧の比率とデータ手段とに基いてクランク角を容易に算出することができる。

第３の発明によれば、吸気バルブが閉弁してから排気バルブが開弁するまでの全閉期間中には、筒内圧の比率と容積比パラメータとの相関性が特に高くなる。従って、全閉期間中の気筒において筒内圧の比率からクランク角を検出することにより、検出精度を高めることができる。

第４の発明によれば、筒内圧の比率は、１燃焼サイクルのうち圧縮行程中の１箇所でピーク値となる。従って、クランク角の検出前であっても、前記ピーク値が出現した気筒を検出した場合には、当該気筒が全閉期間中（より正確には、圧縮行程中）にあるものと判定することができ、その気筒でクランク角の検出処理を行うことができる。

第５の発明によれば、筒内圧の比率（または容積比パラメータ）とクランク角とが１対１で対応していない区間でも、筒内圧の増減傾向を加味すれば、両者を１対１で対応させることができる。従って、クランク角検出手段は、筒内圧の比率とデータ手段だけでなく、筒内圧の増減傾向も用いることにより、任意の区間でクランク角を正確に検出することができる。

第６の発明によれば、オフセット除去手段は、筒内圧の比率を算出する前に、筒内圧の検出値に含まれるオフセットを予め除去しておくことができる。これにより、筒内圧の比率は、検出圧力に含まれるゲイン及びオフセットの何れにも影響されないパラメータとなるので、クランク角の検出精度をより高めることができる。

第７の発明によれば、第１の発明によりクランク角を迅速かつ正確に検出することができるので、始動噴射手段は、このクランク角に基いて、始動時の燃料噴射を適切なタイミングで早期に開始することができる。これにより、内燃機関の始動性や始動時の排気エミッションを向上することができる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための全体構成図である。 内燃機関におけるクランク角と筒内圧との関係を示す特性線図である。 内燃機関におけるクランク角とＶ^κとの関係を示す特性線図である。 内燃機関における筒内圧比、容積比パラメータ及びクランク角の関係を示す特性線図である。 本発明の実施の形態１において、ＥＣＵにより実行される制御を示すフローチャートである。 筒内圧センサのゲインが低下した場合の出力変化を示す特性線図である。 筒内圧センサのゲインが低下した場合のパラメータ（ΔＰ，dP／dθ）の変化を示す特性線図である。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
以下、図１乃至図５を参照しつつ、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための全体構成図である。本実施の形態のシステムは、多気筒型の内燃機関１０を備えており、内燃機関１０の各気筒１２（１気筒のみ図示）には、ピストン１４の往復動作により拡大，縮小する燃焼室１６が設けられている。ピストン１４は、内燃機関１０のクランク軸１８に連結されている。

また、内燃機関１０は、各気筒１２に吸入空気を吸込む吸気通路２０と、各気筒１２から排気ガスを排出する排気通路２２とを備えている。吸気通路２０には、吸入空気量を検出するエアフローメータ２４と、電子制御式のスロットルバルブ２６とが設けられている。スロットルバルブ２６は、アクセル開度等に基いてスロットルモータ２８により駆動され、吸入空気量を増減させる。また、各気筒１２には、吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁３０と、燃焼室１６内の混合気に点火する点火プラグ３２と、吸気通路２０を燃焼室１６に対して開，閉する吸気バルブ３４と、排気通路２２を燃焼室１６に対して開，閉する排気バルブ３６とが設けられている。

一方、本実施の形態のシステムは、クランク角センサ３８、筒内圧センサ４０等を含むセンサ系統と、内燃機関１０の運転状態を制御するＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０とを備えている。クランク角センサ３８は、本実施の形態の回転角度検出手段を構成するものであり、例えばクランク軸１８が１°ＣＡ回転する毎に１つのパルス信号を出力する。ＥＣＵ６０は、このパルス信号に基いてクランク軸１８が回転した角度（相対的な回転角）を検出することができる。また、センサ系統には、カムシャフトの回転角に応じた信号を出力するカム角センサ（図示せず）も含まれている。カム角センサは、クランク角センサ３８と共に一般的に公知なものである。ＥＣＵ５０は、クランク角センサ３８の出力信号とカム角センサの出力信号とを比較することにより、所定の信号パターンの組み合わせが出現した時点を基準としてクランク角の絶対的な角度値を確定し、気筒判別を行うことができる。

筒内圧センサ４０は、圧電素子や歪みゲージ等を用いた一般的な圧力センサにより構成されており、燃焼室１６内の圧力（筒内圧）を検出するものである。なお、本実施の形態では、内燃機関の各気筒１２にそれぞれ筒内圧センサ４０を設けた場合を例に挙げて説明する。しかし、本発明はこれに限らず、少なくとも１つの気筒に筒内圧センサ４０を設ければよいものであり、実施の形態に限定されるものではない。また、ＥＣＵ５０は、筒内圧センサ４０により任意のクランク角θでの筒内圧を検出し、その検出結果を時系列データＰ_n（n=1,2,3,…）として記憶する機能を有している。

さらに、センサ系統には、上述したセンサ３８，４０及びエアフローメータ２４の他に、車両や内燃機関の制御に必要な各種のセンサ（例えば内燃機関の冷却水の温度を検出する水温センサ、吸気通路２０の圧力を検出する吸気圧センサ、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ等）が含まれており、これらのセンサはＥＣＵ５０の入力側に接続されている。一方、ＥＣＵ５０の出力側には、スロットルモータ２８、燃料噴射弁３０、点火プラグ３２等を含む各種のアクチュエータが接続されている。そして、ＥＣＵ５０は、内燃機関の運転状態をセンサ系統により検出しつつ、各アクチュエータを駆動する。具体的には、センサ系統の出力に基いて、燃料の噴射量及び噴射時期、点火時期等を設定し、これらの設定内容に応じて各アクチュエータを駆動する。また、ＥＣＵ５０は、以下に述べる始動制御を実行する。

［実施の形態１の特徴］
始動制御は、内燃機関の始動時（クランキング時）において、クランク角センサとカム角センサの信号に基いて気筒判別が行われる以前に実行されるものである。そして、始動制御は、筒内圧に基いてクランク軸１８の絶対的な回転角（クランク角）を検出し、吸気行程中の気筒を判別するように構成されている。

まず最初に、筒内圧を用いたクランク角の検出原理について説明する。図２は、内燃機関におけるクランク角と筒内圧との関係を示す特性線図である。また、図３は、クランク角とＶ^κとの関係を示す特性線図である。ここで、筒内における圧力と容積の変化が断熱変化であると仮定すれば、筒内圧Ｐと筒内容積Ｖとの間には、下記の（２）式に示す関係が成立する。なお、この式中のκは比熱比であり、αは一定の定数である。

ＰＶ^κ＝α ・・・（２）

従って、図２及び図３において、任意のクランク角θ_nにおける筒内圧Ｐ_n及び筒内容積Ｖ_nと、このクランク角θ_nから所定角度Δθだけ回転したクランク角θ_n+1における筒内圧Ｐ_n+1及び筒内容積Ｖ_n+1との間には、下記の（３）式に示す関係が成立することになる。そして、この式を変形することにより、下記の（４）式を得ることができる。なお、以下の説明では、（Ｖ_n ^κ／Ｖ_n+1 ^κ）を容積比パラメータと称するものとする。

Ｐ_nＶ_n ^κ＝Ｐ_n+1Ｖ_n+1 ^κ＝α ・・・（３）

Ｐ_n+1／Ｐ_n＝Ｖ_n ^κ／Ｖ_n+1 ^κ ・・・（４）

図４は、上記（４）式に示す関係を実験的に確認したものであり、内燃機関における筒内圧の比率（以下、筒内圧比と称す）、容積比パラメータ及びクランク角の関係を示す特性線図である。この図に示すように、筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）と、容積比パラメータ（Ｖ_n ^κ／Ｖ_n+1 ^κ）とは、高い相関性を有している。特に、圧縮行程から膨張行程にかけて筒内が密閉される期間、即ち、吸気バルブ３４が閉弁してから排気バルブ３６が開弁するまでの全閉期間において、筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）と容積比パラメータ（Ｖ_n ^κ／Ｖ_n+1 ^κ）とは殆ど一致していることが判る。

一方、容積比パラメータ（Ｖ_n ^κ／Ｖ_n+1 ^κ）とクランク角θ_nとの間には、図４中に点線で示すように、燃焼室１６の形状や大きさ等に応じて定まる一定の関係があり、この関係は計算により予め求めておくことが可能である。従って、ＥＣＵ５０は、容積比パラメータ（Ｖ_n ^κ／Ｖ_n+1 ^κ）とクランク角θ_nとの関係をマップデータ等として予め保持していれば、前記（４）式に示す関係を前提として、筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）と前記マップデータとに基いて任意のクランク角θ_nの絶対的な角度値を検出することができる。始動制御は、この検出原理に基いて、以下の処理を行うように構成されている。

（筒内圧比の算出）
まず、ＥＣＵ５０は、筒内圧センサ４０の出力に基いて、任意のクランク角θ_nにおける第１の筒内圧Ｐ_nと、このクランク角θ_nから所定角度Δθだけ回転したクランク角θ_n+1における第２の筒内圧Ｐ_n+1とを検出し、筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）を算出する。ここで、所定角度Δθが過小である場合には、筒内圧Ｐ_n，Ｐ_n+1間の差分が小さくなり、筒内圧比の算出精度が低下する。また、所定角度Δθが過大である場合には、筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）を算出するのに必要な時間が長くなるため、制御の応答性が低下する。

従って、所定角度Δθは、例えば図４中において筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）が変化する速度（特性線の傾き）等を考慮して、筒内圧比の算出精度と応答性が両立するような適切な値に設定される。なお、図２及び図３には、所定角度Δθを６０°ＣＡに設定する場合を例示している。また、所定角度Δθは、クランク角θ_n，θ_n+1間の相対的な角度であるから、クランク角センサ３８の信号に基いて計測することができる。

また、筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）を算出する前には、後述の方法（１）〜（３）等により検出圧力に含まれるオフセットｂが取得される。そして、筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）は、検出圧力からオフセットｂを除去した後に算出される。また、検出圧力に含まれるゲインａは、筒内圧比の算出時にＰ_n+1とＰ_nとの除算により除去される。なお、ゲインａ及びオフセットｂは、前記（１）式により定義されるものである。従って、筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）は、ゲインａ及びオフセットｂの影響を受けないパラメータとして算出される。

（オフセットの取得および除去）
オフセットｂの取得および除去は、以下に例示する方法（１）〜（３）により行われる。これらの方法は一般的に公知なものであり、また本発明を限定するものではない。
（１）排気行程後の上死点において、筒内圧の検出値が既知である大気圧と等しくなるものとみなし、当該筒内圧の検出値と予め記憶しておいた大気圧とを比較することにより、オフセットｂを算出する。
（２）吸気行程において、筒内圧の検出値が吸気管圧と等しくなるものとみなし、当該筒内圧の検出値と吸気圧センサにより検出した吸気管圧とを比較することにより、オフセットｂを算出する。
（３）例えば日本特開平１１−８２１４８号公報等に記載されているように、ＰＶ^κ＝一定という関係を用いることにより、複数のクランク角で得られた筒内圧Ｐと筒内容積Ｖとに基いてオフセットｂを除去する。

（マップデータの参照）
このように算出された筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）は、容積比パラメータ（Ｖ_n ^κ／Ｖ_n+1 ^κ）のマップデータと比較される。ＥＣＵ５０には、容積比パラメータ（Ｖ_n ^κ／Ｖ_n+1 ^κ）とクランク角θ_nとの関係をデータ化したマップデータ（図４中に点線で図示）が予め記憶されている。このマップデータは、本実施の形態のデータ手段を構成するものであり、前記（４）式に示す関係を前提とすれば、筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）とクランク角θ_nとの関係をデータ化したものに相当している。

従って、ＥＣＵ５０は、任意のクランク角θ_nにおいて、筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）に基いて前記マップデータを参照することにより、当該クランク角θ_nの絶対的な角度値を検出することができる。このように、本実施の形態では、筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）とクランク角θ_nとの関係をマップデータとして予め設定している。このため、クランク角の検出時には、例えば特許文献４に記載された従来技術のように、指数演算を含むＶ_n ^κやＶ_n+1 ^κの算出処理を繰り返し行う必要がないので、ＥＣＵ５０の計算負荷を最小限に抑えることができる。

なお、上述したマップデータには、特定の筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）に対して２つのクランク角が対応している区間がある。即ち、例えば図４中に示す筒内圧比ｒに基いて前記マップデータを参照すると、２つのクランク角θ1，θ2が該当することになる。このような区間において、ＥＣＵ５０は、筒内圧Ｐ_nまたはＰ_n+1の検出時点における当該筒内圧の増減傾向（特性線の傾き）に基いて、検出されるべきクランク角がθ1，θ2の何れかであるかを特定する。

即ち、ＥＣＵ５０は、前記マップデータにより、筒内圧がクランク角θ1，θ2の位置でそれぞれ増大傾向にあるか、または減少傾向にあるかを識別することができる。従って、例えば筒内圧Ｐ_nまたはＰ_n+1を検出した時点での筒内圧の増減傾向と、マップデータ上におけるクランク角θ1，θ2での筒内圧の増減特性とを比較することにより、筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）がクランク角θ1，θ2の何れかに対応しているかを特定することができる。

また、筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）と容積比パラメータ（Ｖ_n ^κ／Ｖ_n+1 ^κ）との相関性は、前述したように、筒内が密閉される全閉期間において特に高くなる。このため、前記マップデータによるクランク角の検出は、全閉期間中にある気筒で行うのが好ましい。そこで、ＥＣＵ５０は、各気筒において、筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）が所定の基準値Ｓを超えたか否かを判定する。そして、筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）が基準値Ｓを超えた気筒が出現したときには、この気筒が全閉期間中にあるものと判定し、当該気筒の筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）に基いてクランク角の検出処理を行う。

ここで、筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）は、図４に示すように、１燃焼サイクルのうち圧縮行程中の１箇所でピーク値となる。基準値Ｓは、このピーク値を検出可能な値として予め設定されている。従って、ＥＣＵ５０は、例えばクランキング中に複数気筒のうち何れか１つの気筒で筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）が基準値Ｓを超えたときに、当該気筒の筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）に基いて上記方法によりクランク角の角度値を検出する。そして、検出したクランク角に基いて、各気筒における燃料の噴射開始時期を設定する。

（燃料の噴射開始時期の設定）
吸気ポート噴射の場合において、燃料噴射は、吸気バルブが閉弁するまでに終了する必要がある。従って、本実施の形態では、吸気バルブ３４の閉弁時期から逆算して燃料の噴射開始時期が決定される。具体的には、まず、内燃機関の状態（例えば吸気温度、水温、バッテリ電圧等）に基いて燃料の噴射量（噴射時間）が決定され、この噴射時間は、クランク角センサ３８により検出された機関回転数に応じて噴射角度に換算される。燃料の噴射開始時期は、各気筒における吸気バルブの閉弁時期から前記噴射角度を減算したクランク角であり、気筒毎に算出される。

そして、ＥＣＵ５０は、筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）により検出されたクランク角に基いて、何れかの気筒の噴射開始時期が到来する毎に、当該気筒の燃料噴射を開始する。具体的には、前述した全閉期間中の気筒において、筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）が特定気筒の噴射開始時期に対応する容積比パラメータ（Ｖ_n ^κ／Ｖ_n+1 ^κ）と一致したときに、当該特定気筒の燃料噴射を開始するように構成されている。

［実施の形態１を実現するための具体的な処理］
図５は、本発明の実施の形態１において、ＥＣＵにより実行される制御を示すフローチャートである。なお、図５に示すルーチンは、内燃機関の始動時にＥＣＵ５０の電源が投入されてから、クランク角センサとカム角センサの信号に基いて気筒判別が行われまでの間に繰り返し実行されるもので、当該気筒判別が行われた時点で終了されるものである。

図５に示すルーチンでは、まず、筒内圧センサ４０の検出圧力に含まれるオフゼットｂの値を取得する（ステップ１００）。この取得処理は、例えば前述の方法（１）〜（３）の何れかを用いて実行される。次に、クランキングが開始された時点で、吸気温度、水温、バッテリ電圧等に基いて燃料の噴射量（噴射時間）を確定する（ステップ１０２）。また、クランク角センサ３８の出力信号に基いてクランキング時の機関回転数を検出し、この検出結果に基いて前記噴射時間を噴射角度に換算する（ステップ１０４，１０６）。

そして、各気筒における吸気バルブ３４の閉弁時期（即ち、燃料噴射を終了すべきクランク角）から前記噴射角度を減算することにより、最適な噴射開始角度を気筒毎にそれぞれ算出する（ステップ１０８）。ＥＣＵ５０には、クランキング中における各気筒の吸気バルブ３４の閉弁時期が予め記憶されている。従って、これらの閉弁時期から前記噴射角度を減算することにより、個々の気筒毎に最適な噴射開始角度を得ることができる。

次に、ＥＣＵ５０は、図４に示すマップデータを用いて、前記噴射開始角度を容積比パラメータ（Ｖ_n ^κ／Ｖ_n+1 ^κ）に換算する（ステップ１１０）。これにより、各気筒の噴射開始角度は、それぞれ容積比パラメータ（Ｖ_n ^κ／Ｖ_n+1 ^κ）の具体的な数値に換算される。

次の処理では、まず各気筒で筒内圧Ｐ_n，Ｐ_n+1を検出し、その検出値から前記ステップ１００で求めたオフセットｂを除去する（ステップ１１２）。そして、オフセットｂを除去した後の筒内圧に基いて、各気筒の筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）を算出する（ステップ１１４）。続いて、これらの筒内圧比を前記基準値Ｓと比較することにより、全閉期間中の気筒を判別しつつ、当該全閉期間中の気筒の筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）がステップ１１０で求めた何れかの気筒の容積比パラメータ（Ｖ_n ^κ／Ｖ_n+1 ^κ）と一致するか否かを判定する（ステップ１１６）。この判定成立時には、特定のクランク角（ある気筒の噴射開始角度）が検出されたことになるので、該当する気筒の燃料噴射を開始する（ステップ１１８）。また、ステップ１１６の判定が不成立のときには、判定が成立するまでステップ１１２〜１１６の処理を繰り返す。

上述したように、本実施の形態によれば、筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）が容積比パラメータ（Ｖ_n ^κ／Ｖ_n+1 ^κ）と等しくなることを利用して、容積比パラメータとクランク角との関係、即ち、筒内圧比とクランク角との関係を予めマップデータにしておくことができる。この場合、容積比パラメータとクランク角との関係は、内燃機関の構造から容易に確定することができる。これにより、クランキング時には、少なくとも筒内圧比とマップデータとに基いてクランク角を検出（特定）することができ、この検出動作は、クランク角センサとカム角センサとを用いた従来の気筒判別よりも早期に完了することができる。

即ち、従来の気筒判別は、少なくともクランク軸が約１８０〜３６０°回転した後に完了するのに対し、本実施の形態によれば、例えば４気筒エンジンにおいてクランク軸が約４５°回転した時点でも、クランク角を特定することができる。従って、クランキング時には、特定されたクランク角に基いて行われる燃料噴射や点火等を速やかに開始することができる。特に、始動性への影響が大きい燃料噴射を、適切なタイミングで早期に開始することができる。これにより、内燃機関の始動性を高め、始動時の排気エミッションを向上することができる。また、クランキングの時間を短縮化し、バッテリの消費電力を抑えることができる。

しかも、クランク角の検出時に筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）を用いるので、筒内圧の検出値に含まれるゲインａを筒内圧比の算出時（除算の実行時）に容易に除去することができる。また、検出値に含まれるオフセットｂは、筒内圧比を算出する前に予め除去しておくことができる。従って、筒内圧比は、ゲインａ及びオフセットｂの何れにも影響されないパラメータとなるので、筒内圧センサ４０の劣化や使用環境の変化等によりゲインａ及びオフセットｂが変動したとしても、クランク角を常に正確に検出することができ、その検出値に誤差が生じるのを防止することができる。

また、本実施の形態では、マップデータを用いたので、筒内圧比に基いてマップデータを参照するだけの低負荷な処理により、クランク角を容易に算出することができる。即ち、ＥＣＵ５０は、クランク角の検出時にＶ_n ^κ等の高負荷な指数演算を行わなくてもよいので、計算処理の負荷を抑えることができ、制御装置のコストダウンや消費電力の低減等を図ることができる。

また、本実施の形態では、筒内圧比と容積比パラメータとの相関性が特に高くなる全閉期間中の気筒を利用してクランク角を検出するので、その検出精度をより一層高めることができる。しかも、筒内圧比が基準値Ｓを超えた気筒を全閉期間中と判定するので、クランク角の検出前であっても、ある気筒の筒内圧比が基準値Ｓを超えた場合には、当該気筒が全閉期間中（より正確には、圧縮行程中）にあるものと確実に判定することができる。

さらに、前記マップデータにおいては、筒内圧比（または容積比パラメータ）とクランク角とが１対１で対応していない区間でも、筒内圧の増減傾向を加味すれば、両者を１対１で対応させることができる。従って、ＥＣＵ５０は、筒内圧比とマップデータだけでなく、筒内圧の増減傾向も用いることにより、任意の区間でクランク角を正確に検出することができる。

なお、前記実施の形態では、図５中のステップ１１４が圧力比算出手段の具体例を示し、ステップ１１０，１１６がクランク角検出手段の具体例を示している。また、ステップ１００，１１２はオフセット除去手段の具体例を示し、ステップ１１８は始動噴射手段の具体例を示している。

また、実施の形態では、データ手段として、図４に示すマップデータを用いる構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、データ手段は、例えば図４中の特性線を数式化した関数式等であってもよい。

また、実施の形態では、筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）と容積パラメータ（Ｖ_n ^κ／Ｖ_n+1 ^κ）とが等しくなることを利用して、容積パラメータ（Ｖ_n ^κ／Ｖ_n+1 ^κ）とクランク角との関係をデータ化して用いる構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、単に筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）とクランク角との関係を実験等により求め、これを前記マップデータとして用いる構成としてもよい。

また、実施の形態では、筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）と容積パラメータ（Ｖ_n ^κ／Ｖ_n+1 ^κ）との関係を用いる構成としたが、本発明では、これらの逆数である（Ｐ_n／Ｐ_n+1）および（Ｖ_n+1 ^κ／Ｖ_n ^κ）を筒内圧比および容積パラメータとして用いる構成としてもよい。

また、実施の形態では、全閉期間中の気筒で筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）からクランク角を検出する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、全閉期間以外の期間において、筒内圧比からクランク角を検出する構成としてもよい。

また、実施の形態では、図５中のステップ１００に示すように、クランキングが行われる毎に筒内圧センサ４０のオフセットｂを取得する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、図５に示すルーチンとは異なるタイミングでオフセットｂを取得し、これを記憶しておく構成としてもよい。具体的には、例えば一定の期間が経過したり、温度環境が変化した場合などに、オフセットｂを取得する構成としてもよい。さらに、実施の形態では、筒内圧センサ４０の検出圧力からオフセットｂを除去する構成としたが、本発明は、ゲインａを除去するだけでも効果を得ることができ、オフセットｂは除去しなくてもよい。

また、実施の形態では、筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）により検出されるクランク角に基いて、始動時の燃料噴射を行う構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、クランク角を用いる各種の制御に適用することができる。具体的には、例えば筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）により検出されるクランク角に基いて、点火時期を設定する構成としてもよい。

また、本実施の形態では、吸気ポート噴射を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、筒内噴射に適用してもよい。筒内噴射の場合には、始動時の燃料噴射を点火時期までに終了すればよいので、例えば各気筒の点火時期から逆算して燃料の噴射開始時期を決定すればよい。

さらに、実施の形態では、内燃機関１０の各気筒に筒内圧センサ４０を設ける構成としたが、本発明はこれに限らず、筒内圧センサは少なくとも１つの気筒に設ければよい。即ち、少なくとも１つの気筒で筒内圧比（Ｐ_n+1／Ｐ_n）によりクランク角を検出することができれば、実施の形態１とほぼ同様の効果を得ることができる。

１０ 内燃機関
１２ 気筒
１４ ピストン
１６ 燃焼室
１８ クランク軸
２０ 吸気通路
２２ 排気通路
２４ エアフローメータ
２６ スロットルバルブ
２８ スロットルモータ
３０ 燃料噴射弁
３２ 点火プラグ
３４ 吸気バルブ
３６ 排気バルブ
３８ クランク角センサ（回転角度検出手段）
４０ 筒内圧センサ
５０ ＥＣＵ

Claims (7)

1. 内燃機関の少なくとも１つの気筒に設けられ、当該気筒の筒内圧を検出する筒内圧センサと、
   内燃機関のクランク軸が回転した角度を検出する回転角度検出手段と、
   前記クランク軸が任意のクランク角にあるときの筒内圧である第１の筒内圧と前記任意のクランク角から所定角度だけ回転したクランク角にあるときの筒内圧である第２の筒内圧とを検出し、前記第１，第２の筒内圧の比率を算出する圧力比算出手段と、
   前記筒内圧の比率と前記クランク角との関係をデータ化することにより予め設定されたデータ手段と、
   少なくとも前記筒内圧の比率と前記データ手段とに基いて前記任意のクランク角の角度値を検出するクランク角検出手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記データ手段は、前記任意のクランク角での筒内容積Ｖ_nと、前記任意のクランク角から前記所定角度だけ回転したクランク角での筒内容積Ｖ_n+1と、比熱比κとに基いて算出される容積比パラメータ（Ｖ_n ^κ／Ｖ_n+1 ^κ）または（Ｖ_n+1 ^κ／Ｖ_n ^κ）が前記筒内圧の比率と等しくなることを利用して、前記容積比パラメータと前記クランク角との関係をデータ化したものである請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記クランク角検出手段は、吸気バルブが閉弁してから排気バルブが開弁するまでの全閉期間中にある気筒を利用して、前記クランク角の検出処理を行う構成としてなる請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記クランク角検出手段は、前記筒内圧の比率が所定の基準値を超えたときに当該気筒が前記全閉期間中にあるものと判定する構成としてなる請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記クランク角検出手段は、前記筒内圧の比率と、前記データ手段と、前記第１または第２の筒内圧の検出時点における前記筒内圧の増減傾向とに基いて、前記クランク角の検出処理を行う構成としてなる請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記筒内圧センサの検出圧力に含まれるオフセットを、前記筒内圧の比率を算出する前に除去するオフセット除去手段を備えてなる請求項１乃至５のうち何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記クランク角検出手段により検出されるクランク角に基いて、始動時の燃料噴射を行う始動噴射手段を備えてなる請求項１乃至６のうち何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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