WO2019043902A1 - 内燃機関のトルク推定方法及び内燃機関のトルク推定装置 - Google Patents

内燃機関のトルク推定方法及び内燃機関のトルク推定装置 Download PDF

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WO2019043902A1
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torque
combustion
ignition timing
engine
internal combustion
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鈴木　健児
健太郎 山野
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日産自動車株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D45/00—Electrical control not provided for in groups F02D41/00 - F02D43/00

Definitions

  • the present invention relates to a torque estimation method for an internal combustion engine and a torque estimation device for an internal combustion engine.
  • Patent Document 1 discloses a technique for calculating an actual torque (actual output torque) of an internal combustion engine in consideration of retard correction of the ignition timing of the internal combustion engine.
  • the actual torque of the internal combustion engine is determined using a target ignition timing calculated by performing at least one of retard correction in the case of activating the catalyst early and retard correction by knock control.
  • the output torque is calculated.
  • the combustion efficiency differs between stratified combustion and homogeneous combustion. Therefore, if the torque (engine torque) of the internal combustion engine is estimated without considering the combustion mode, there is a problem that the torque of the internal combustion engine can not be accurately estimated.
  • the combustion mode can be switched to stratified combustion or homogeneous combustion according to the operating condition, and the basic combustion torque calculated using the charging efficiency and the ignition timing correction calculated using the ignition timing
  • the engine torque is estimated using the quantity. Then, at least one of the basic combustion torque and the ignition timing correction amount is calculated according to the combustion mode of the internal combustion engine.
  • the engine torque can be accurately estimated regardless of the type of combustion, as compared to the case where the engine torque is estimated on the assumption of either one of the stratified combustion and the homogeneous combustion different in combustion efficiency. That is, regardless of the combustion mode of the internal combustion engine 1, the basic combustion torque can be accurately calculated, and the engine torque can be generally calculated with high accuracy.
  • Explanatory drawing which showed typically schematic structure of the internal combustion engine which can apply this invention.
  • the block diagram which shows the calculation process of an engine torque.
  • Explanatory drawing which showed typically a mode that the calculation map used when calculating basic combustion torque according to a combustion form was switched.
  • Explanatory drawing which showed typically a mode that the calculation map used when computing the optimal ignition timing was switched according to a combustion form.
  • Explanatory drawing which showed typically a mode that the calculation map used when calculating a torque decreasing rate according to a combustion form was switched.
  • the flowchart which shows the flow of control of the internal combustion engine which concerns on this invention.
  • FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a schematic configuration of an internal combustion engine 1 to which a torque estimation device and a torque estimation method according to the present invention can be applied.
  • the internal combustion engine 1 is mounted on a vehicle such as a car as a drive source, and has an intake passage 2 and an exhaust passage 3.
  • the intake passage 2 is connected to the combustion chamber 5 via an intake valve 4.
  • the exhaust passage 3 is connected to the combustion chamber 5 via an exhaust valve 6.
  • the internal combustion engine 1 has a first fuel injection valve 7 for directly injecting fuel into the combustion chamber 5 and a second fuel injection valve 8 for injecting fuel into the intake passage 2 on the upstream side of the intake valve 4 There is.
  • the fuel injected from the first fuel injection valve 7 and the second fuel injection valve 8 is ignited by the spark plug 9 in the combustion chamber 5.
  • an air cleaner 10 for collecting foreign matters in intake, an air flow meter 11 for detecting an intake air amount, and an electric throttle valve 13 whose opening degree is controlled by a control signal from a control unit 12; Is provided.
  • the air flow meter 11 is disposed upstream of the throttle valve 13.
  • the air flow meter 11 incorporates a temperature sensor, and can detect the intake temperature of the intake port.
  • the air cleaner 10 is disposed upstream of the air flow meter 11.
  • the exhaust passage 3 is provided with an upstream exhaust catalyst device 14 such as a three-way catalyst and a downstream exhaust catalyst device 15 such as a NOx trap catalyst.
  • the downstream side exhaust catalyst device 15 as a catalyst is disposed downstream of the upstream side exhaust catalyst device 14 as a catalyst.
  • the internal combustion engine 1 has a turbocharger 18 coaxially provided with a compressor 16 provided in the intake passage 2 and an exhaust turbine 17 provided in the exhaust passage 3.
  • the compressor 16 is disposed upstream of the throttle valve 13 and downstream of the air flow meter 11.
  • the exhaust turbine 17 is disposed upstream of the upstream exhaust catalyst device 14.
  • a recirculation passage 19 is connected to the intake passage 2.
  • One end of the recirculation passage 19 is connected to the intake passage 2 on the upstream side of the compressor 16 and the other end is connected to the intake passage 2 on the downstream side of the compressor 16.
  • An electric recirculation valve 20 capable of releasing the supercharging pressure from the downstream side of the compressor 16 to the upstream side of the compressor 16 is disposed in the recirculation passage 19.
  • the recirculation valve 20 it is also possible to use a so-called check valve which opens only when the pressure on the downstream side of the compressor 16 reaches a predetermined pressure or more.
  • an intercooler 21 is provided downstream of the compressor 16 to cool the intake air compressed (pressed) by the compressor 16 to improve the charging efficiency.
  • the intercooler 21 is located downstream of the downstream end of the recirculation passage 19 and upstream of the throttle valve 13.
  • the exhaust passage 3 is connected to an exhaust bypass passage 22 which bypasses the exhaust turbine 17 and connects the upstream side and the downstream side of the exhaust turbine 17.
  • the downstream end of the exhaust bypass passage 22 is connected to the exhaust passage 3 at a position upstream of the upstream exhaust catalyst device 14.
  • a motorized waste gate valve 23 for controlling the exhaust flow rate in the exhaust bypass passage 22 is disposed in the exhaust bypass passage 22.
  • the waste gate valve 23 can bypass part of the exhaust gas led to the exhaust turbine 17 to the downstream side of the exhaust turbine 17, and can control the charging pressure of the internal combustion engine 1.
  • the internal combustion engine 1 can carry out exhaust gas recirculation (EGR) for introducing (recirculating) a part of the exhaust gas from the exhaust gas passage 3 into the intake gas passage 2 as EGR gas.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • An EGR passage 24 connected to the passage 2 is provided. One end of the EGR passage 24 is connected to the exhaust passage 3 at a position between the upstream side exhaust catalyst device 14 and the downstream side exhaust catalyst device 15, and the other end is on the downstream side of the air flow meter 11 and on the upstream side of the compressor 16. Is connected to the intake passage 2 at the following position.
  • the EGR passage 24 is provided with an electrically operated EGR valve 25 for controlling the flow rate of the EGR gas in the EGR passage 24 and an EGR cooler 26 capable of cooling the EGR gas.
  • Reference numeral 27 in FIG. 1 denotes a collector portion of the intake passage 2.
  • the internal combustion engine 1 has a variable compression ratio mechanism 34 capable of changing the mechanical compression ratio of the internal combustion engine 1 by changing the top dead center position of the piston 33 reciprocating in the cylinder bore 32 of the cylinder block 31. ing. That is, the internal combustion engine 1 can change the mechanical compression ratio by changing the sliding range of the piston 33 with respect to the inner circumferential surface 32 a of the cylinder bore 32. In other words, the internal combustion engine 1 can change the mechanical compression ratio by changing the sliding range of the piston 33 with respect to the cylinder.
  • the mechanical compression ratio is a compression ratio determined by the top dead center position and the bottom dead center position of the piston 33.
  • the piston 33 has a first piston ring 35 on the piston crown surface side, and a second piston ring 36 that is farther from the piston crown surface than the first piston ring.
  • the first piston ring 35 and the second piston ring 36 are so-called compression rings, which eliminate the gap between the piston 33 and the inner circumferential surface 32 a of the cylinder bore 32 and are used for air tightness.
  • the variable compression ratio mechanism 34 utilizes a double link type piston-crank mechanism in which a piston 33 and a crank pin 38 of a crankshaft 37 are linked by a plurality of links.
  • the variable compression ratio mechanism 34 includes a lower link 39 rotatably mounted on the crank pin 38, an upper link 40 connecting the lower link 39 and the piston 33, and a control shaft 41 provided with an eccentric shaft 41a.
  • a control link 42 connecting the eccentric shaft 41 a and the lower link 39 is provided.
  • the crankshaft 37 is provided with a plurality of journals 43 and crank pins 38.
  • the journal portion 43 is rotatably supported between the cylinder block 31 and the crank bearing bracket 44.
  • the upper link 40 is rotatably attached to the piston pin 45 at one end, and is rotatably connected to the lower link 39 by the first connection pin 46 at the other end.
  • One end of the control link 42 is rotatably connected to the lower link 39 by the second connection pin 47, and the other end is rotatably attached to the eccentric shaft portion 41 a of the control shaft 41.
  • the first connection pin 46 and the second connection pin 47 are press-fitted and fixed to the lower link 39.
  • the control shaft 41 is disposed parallel to the crankshaft 37 and rotatably supported by the cylinder block 31. More specifically, the control shaft 41 is rotatably supported between the crank bearing bracket 44 and the control shaft bearing bracket 48.
  • An oil pan upper 49 a is attached to the lower portion of the cylinder block 31. Further, an oil pan lower 49b is attached to the lower part of the oil pan upper 49a.
  • the rotation of the drive shaft 53 is transmitted to the control shaft 41 via the first arm 50, the second arm 51, and the intermediate arm 52.
  • the intermediate arm 52 connects the first arm 50 and the second arm 51.
  • the drive shaft 53 is located outside the oil pan upper 49 a and disposed in parallel with the control shaft 41.
  • the first arm 50 is fixed to the drive shaft 53.
  • An intermediate arm 52 is rotatably connected to the first arm 50 via a pin member 54a.
  • the intermediate arm 52 is rotatably connected to the second arm 51 whose other end is fixed to the control shaft 41 via the pin member 54 b.
  • the drive shaft 53, the first arm 50 and one end of the intermediate arm 52 are accommodated in a housing 55 mounted on the side surface of the oil pan upper 49a.
  • the drive shaft 53 is connected at one end to an electric motor 56 as an actuator via a reduction gear (not shown). That is, the drive shaft 53 can be rotationally driven by the electric motor 56.
  • the rotational speed of the drive shaft 53 is obtained by reducing the rotational speed of the electric motor 56 by the reduction gear.
  • the rotation of the electric motor 56 is controlled by the control unit 12 as a control unit so that the mechanical compression ratio of the internal combustion engine 1 becomes a compression ratio corresponding to the operating conditions.
  • the control unit 12 is a known digital computer provided with a CPU, a ROM, a RAM and an input / output interface.
  • the control unit 12 includes a crank angle sensor 61 for detecting a crank angle of a crankshaft 37, an accelerator opening sensor 62 for detecting an amount of depression of an accelerator pedal, and an oil temperature of engine oil, in addition to the detection signal of the air flow meter 11 described above. Detection signals of various sensors such as an oil temperature sensor 63 that detects the temperature, a water temperature sensor 64 that detects the cooling water temperature, and a boost pressure sensor 65 that detects the boost pressure (intake pressure) in the collector unit 27 are input. . The control unit 12 calculates the required load (engine load) of the internal combustion engine using the detection value of the accelerator opening sensor 62.
  • the crank angle sensor 61 can detect the engine speed of the internal combustion engine 1.
  • the water temperature sensor 64 detects the temperature of the cooling water in the water jacket 31 a in the cylinder block 31.
  • control unit 12 controls the fuel injection amount and fuel injection timing by the first fuel injection valve 7 and the second fuel injection valve 8, the ignition timing by the spark plug 9, the ignition timing of the throttle valve 13 based on detection signals of various sensors.
  • the opening degree, the opening degree of the recirculation valve 20, the opening degree of the waste gate valve 23, the opening degree of the EGR valve 25, the mechanical compression ratio of the internal combustion engine 1 by the variable compression ratio mechanism 34, etc. are optimally controlled. .
  • the control unit 12 switches between the two combustion modes in accordance with the operating state.
  • the two combustion modes are stratified combustion and homogeneous combustion. That is, the internal combustion engine 1 can switch the combustion mode to stratified combustion or homogeneous combustion.
  • stratified combustion fuel is injected during the compression stroke to form a rich mixture around the spark plug 9 and ignited.
  • homogeneous combustion fuel is diffused during the intake stroke to diffuse the fuel to form a homogeneous mixture in the combustion chamber 5 and ignited.
  • the control unit 12 also corresponds to a control unit that controls the combustion mode in the cylinder (in the combustion chamber 5).
  • control unit 12 controls the combustion mode of the internal combustion engine 1 if the operating state of the internal combustion engine 1 is an idle operating state. Control to achieve stratified combustion. Further, for example, when the upstream exhaust catalyst device 14 and the downstream exhaust catalyst device 15 do not need to be warmed up, the control unit 12 controls the combustion form of the internal combustion engine 1 to be homogeneous combustion.
  • the control unit 12 needs to warm up the upstream side exhaust catalyst device 14 and the downstream side exhaust catalyst device 15. It is determined that there is. That is, the control unit 12 corresponds to a determination unit that can determine whether the catalyst temperature of the upstream side exhaust catalyst device 14 and the downstream side exhaust catalyst device 15 is in a warmed-up state.
  • the engine torque can not be estimated accurately without considering the combustion mode.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the process of calculating the engine torque implemented in the control unit 12.
  • the basic combustion torque calculation unit 71 calculates the basic combustion torque using the charging efficiency and the engine speed.
  • the charging efficiency is calculated, for example, using an intake pressure (supercharging pressure), an accelerator opening degree, an intake temperature, and an engine speed.
  • the basic combustion torque calculation unit 71 switches (differentiates) a calculation map used when calculating the basic combustion torque according to the combustion mode of the internal combustion engine 1. That is, in the control unit 12, a stratification combustion torque calculation map used during stratified combustion and a homogeneous combustion torque calculation map used during homogeneous combustion are prepared (stored) in advance. Therefore, the basic combustion torque calculation unit 71 can calculate the basic combustion torque reflecting the difference between the thermal efficiency of stratified combustion and the thermal efficiency of homogeneous combustion.
  • the basic combustion torque is calculated from the charging efficiency and the engine speed according to the stratification combustion torque calculation map and the homogeneous combustion torque calculation map.
  • the MBT calculation unit 72 calculates MBT (Minimum advance for the best torque), which is the optimal ignition timing, using the charging efficiency and the engine speed.
  • the MBT is an ignition timing at which the output and the fuel consumption rate become the best.
  • the MBT calculation unit 72 switches (differentiates) the calculation map used when calculating the optimal ignition timing according to the combustion mode of the internal combustion engine 1. That is, in the control unit 12, the MBT calculation map for stratified combustion used at the time of stratified combustion and the MBT calculation map for homogeneous combustion used at the time of homogeneous combustion are prepared (stored) in advance. Therefore, the MBT calculation unit 72 can calculate the optimal ignition timing that reflects the difference between the thermal efficiency of stratified combustion and the thermal efficiency of homogeneous combustion.
  • the MBT calculation map for stratified combustion and the MBT calculation map for homogeneous combustion calculate the optimal ignition timing (MBT) from the charging efficiency and the engine speed.
  • the ignition timing correction amount calculation unit 73 calculates a torque reduction rate with respect to the retardation amount of the ignition timing from the optimum ignition timing calculated by the MBT calculation unit 72.
  • the ignition timing correction amount calculation unit 73 switches (uses) a calculation map used when calculating the torque reduction rate as the ignition timing correction amount according to the combustion mode of the internal combustion engine 1. That is, in the control unit 12, a correction amount calculation map for stratified combustion at the time of stratified combustion and a correction amount calculation map for homogeneous combustion at the time of homogeneous combustion are prepared (stored) in advance. Therefore, in the ignition timing correction amount calculation unit 73, the torque reduction rate with respect to the retardation amount of the ignition timing from the optimum ignition timing in stratified combustion, the torque reduction rate with respect to the retardation amount of the ignition timing from the optimum ignition timing with homogeneous combustion, It is possible to calculate the torque reduction rate that reflects the difference between
  • the stratification combustion correction amount calculation map and the homogeneous combustion correction amount calculation map calculate the torque reduction rate according to the retardation amount of the ignition timing from the optimum ignition timing.
  • the ignition timing of the internal combustion engine 1 is retarded from the optimal ignition timing, for example, when catalyst warmup of the upstream side exhaust catalyst device 14 and the downstream side exhaust catalyst device 15 is necessary or when knocking is detected.
  • the combustion torque correction unit 74 corrects the basic combustion torque calculated by the basic combustion torque calculation unit using the torque decrease rate to calculate the combustion torque.
  • the combustion torque is calculated by taking into consideration the torque correction by fuel cut (fuel cut) and the torque correction according to the air fuel ratio.
  • the fuel cut torque correction unit 75 calculates the torque correction amount by the fuel cut (fuel cut).
  • the torque correction amount corresponding to the air-fuel ratio is calculated by the A / F torque correction unit 76.
  • the friction torque correction unit 77 mechanical friction torque caused by mechanical friction of the internal combustion engine 1, pumping loss torque caused by the pumping loss of the internal combustion engine 1, and combustion torque calculated by the combustion torque correction unit 74
  • the engine torque is calculated by performing a correction taking into account the accessory load torque resulting from the load of the accessory 1. That is, in the present embodiment, the combustion torque correction unit 74 and the friction torque correction unit 77 constitute an engine torque calculation unit that calculates an engine torque. Then, the engine torque of the internal combustion engine 1 is calculated using the basic combustion torque and the torque reduction rate.
  • the mechanical friction torque is calculated by the engine mechanical friction torque calculation unit 78.
  • the pumping loss torque is calculated by the engine pumping loss torque calculation unit 79.
  • the accessory load torque is calculated by the accessory load torque calculation unit 80.
  • the accessory load torque is, for example, attributable to driving of an alternator, an air conditioner (A / C) and power steering.
  • An alternator load torque, an air conditioner load torque, and a power steering load torque are input to the accessory load torque calculation unit 80 of this embodiment. Then, the accessory load torque calculation unit 80 calculates accessory load torque based on these load torques.
  • the alternator load torque is calculated by the alternator load torque calculation unit 81.
  • the air conditioner load torque is calculated by the air conditioner load torque calculation unit 82.
  • the power steering load torque is calculated by the power steering load torque calculation unit 83.
  • the basic combustion torque calculation unit 71 calculates the basic combustion torque in accordance with the combustion mode of the internal combustion engine 1.
  • the engine torque can be estimated more accurately than in the case where the engine torque is estimated on the assumption of either one of the stratified combustion and the homogeneous combustion different in combustion efficiency. That is, regardless of the combustion mode of the internal combustion engine 1, the basic combustion torque can be accurately calculated, and the engine torque can be generally calculated with high accuracy.
  • the MBT calculation unit 72 calculates the optimal ignition timing according to the combustion mode of the internal combustion engine 1.
  • the ignition timing correction amount can be accurately calculated, and the engine torque can be generally calculated with high accuracy.
  • the ignition timing correction amount calculation unit 73 calculates the torque decrease rate as the ignition timing correction amount in accordance with the combustion mode of the internal combustion engine 1.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the flow of control in the present embodiment.
  • step S1 it is determined whether the combustion form of the internal combustion engine 1 is stratified combustion. In step S1, the process proceeds to step S2 in the case of stratified combustion, and proceeds to step S3 in the case of not being stratified combustion (in the case of homogeneous combustion).
  • step S2 engine torque is estimated by calculating estimated torque for stratified combustion. That is, the basic combustion torque calculation unit 71, the MBT calculation unit 72, and the ignition timing correction amount calculation unit 73 calculate the basic combustion torque, the optimal ignition timing, and the torque decrease rate using the map for stratified combustion.
  • step S3 the engine torque is estimated by calculating the estimated torque for homogeneous combustion. That is, the basic combustion torque calculation unit 71, the MBT calculation unit 72, and the ignition timing correction amount calculation unit 73 calculate the basic combustion torque, the optimal ignition timing, and the torque reduction rate using the homogeneous combustion map.
  • the basic combustion torque calculation unit 71, the MBT calculation unit 72, and the ignition timing correction amount calculation unit 73 switch the maps according to the combustion mode.
  • the map may be switched according to the combustion mode by at least one of the timing correction amount calculation unit 73.
  • the engine torque can be estimated with high accuracy regardless of the type of combustion, as compared to the case where the engine torque is estimated on the assumption of either one of the stratified combustion and the homogeneous combustion different in combustion efficiency.
  • the embodiment described above relates to a torque estimation method for an internal combustion engine and a torque estimation device for an internal combustion engine.

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Abstract

内燃機関のエンジントルクは、基本燃焼トルクと点火時期補正量を用いて算出される。内燃機関の燃焼形態が成層燃焼の場合には、成層燃焼用推定トルク演算でエンジントルクを推定する（ステップＳ２）。すなわち、基本燃焼トルク算出部、ＭＢＴ算出部及び点火時期補正量算出部において、成層燃焼用のマップを用いて、基本燃焼トルク、最適点火時期及びトルク低下率を算出する。内燃機関の燃焼形態が均質燃焼の場合には、均質燃焼用推定トルク演算でエンジントルクを推定する（ステップＳ３）。すなわち、基本燃焼トルク算出部、ＭＢＴ算出部及び点火時期補正量算出部において、均質燃焼用のマップを用いて、基本燃焼トルク、最適点火時期及びトルク低下率を算出する。

Description

内燃機関のトルク推定方法及び内燃機関のトルク推定装置
　本発明は、内燃機関のトルク推定方法及び内燃機関のトルク推定装置に関する。
　例えば、特許文献１には、内燃機関の点火時期のリタード補正を考慮して内燃機関の実トルク（実出力トルク）を算出する技術が開示されている。
　この特許文献１においては、触媒を早期に活性化させる場合のリタード補正や、ノック制御によるリタード補正の少なくともいずれか１つを行って算出された目標点火時期を用いて内燃機関の実トルク（実出力トルク）が算出されている。
　しかしながら、この特許文献１では、内燃機関の実トルクを算出するにあたって、内燃機関の燃焼形態（燃焼形式）が考慮されていない。
　成層燃焼と均質燃焼とでは、燃焼効率が異なる。そのため、燃焼形態を考慮せずに内燃機関のトルク（エンジントルク）を推定すると、内燃機関のトルクを精度よく推定できないという問題がある。
特開２００９－１３３２７６号公報
　本発明の内燃機関は、運転状態に応じて燃焼形態を成層燃焼または均質燃焼に切り替え可能であり、充填効率を用いて算出される基本燃焼トルクと、点火時期を用いて算出される点火時期補正量と、を用いてエンジントルクを推定する。そして、上記基本燃焼トルクと上記点火時期補正量の少なくとも一方は、内燃機関の燃焼形態に応じて算出される。
　本発明によれば、燃焼効率の異なる成層燃焼と均質燃焼のどちらか一方の燃焼を前提にエンジントルクを推定する場合に比べて、燃焼形態に関わらず精度よくエンジントルクを推定することができる。つまり、内燃機関１の燃焼形態に関わらず、精度良く基本燃焼トルクを算出することができ、総じて精度良くエンジントルクを算出することができる。
本発明が適用可能な内燃機関の概略構成を模式的に示した説明図。 エンジントルクの算出過程を示すブロック図。 燃焼形態に応じて基本燃焼トルクを算出する際に用いる算出マップを切り替える様子を模式的に示した説明図。 燃焼形態に応じて最適点火時期を算出する際に用いる算出マップを切り替える様子を模式的に示した説明図。 燃焼形態に応じてトルク低下率を算出する際に用いる算出マップを切り替える様子を模式的に示した説明図。 本発明に係る内燃機関の制御の流れを示すフローチャート。
　以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
　図１は、本発明に係るトルク推定装置及びトルク推定方法が適用可能な内燃機関１の概略構成を模式的に示した説明図である。
　内燃機関１は、駆動源として自動車等の車両に搭載されるものであって、吸気通路２と排気通路３とを有している。吸気通路２は、吸気弁４を介して燃焼室５に接続されている。排気通路３は、排気弁６を介して燃焼室５に接続されている。
　内燃機関１は、燃焼室５内に燃料を直接噴射する第１燃料噴射弁７と、吸気弁４上流側の吸気通路２内に燃料を噴射する第２燃料噴射弁８と、を有している。第１燃料噴射弁７及び第２燃料噴射弁８から噴射された燃料は、燃焼室５内で点火プラグ９により点火される。
　吸気通路２には、吸気中の異物を捕集するエアクリーナ１０と、吸入空気量を検出するエアフローメータ１１と、コントロールユニット１２からの制御信号によって開度が制御される電動のスロットル弁１３と、が設けられている。
　エアフローメータ１１は、スロットル弁１３の上流側に配置されている。エアフローメータ１１は、温度センサを内蔵したものであって、吸気導入口の吸気温度を検出可能となっている。エアクリーナ１０は、エアフローメータ１１の上流側に配置されている。
　排気通路３には、三元触媒等の上流側排気触媒装置１４と、ＮＯｘトラップ触媒等の下流側排気触媒装置１５と、が設けられている。触媒としての下流側排気触媒装置１５は、触媒としての上流側排気触媒装置１４の下流側に配置されている。
　また、この内燃機関１は、吸気通路２に設けられたコンプレッサ１６と排気通路３に設けられた排気タービン１７とを同軸上に備えたターボ過給機１８を有している。コンプレッサ１６は、スロットル弁１３の上流側で、かつエアフローメータ１１よりも下流側に配置されている。排気タービン１７は、上流側排気触媒装置１４よりも上流側に配置されている。
　吸気通路２には、リサーキュレーション通路１９が接続されている。リサーキュレーション通路１９は、その一端がコンプレッサ１６の上流側で吸気通路２に接続され、その他端がコンプレッサ１６の下流側で吸気通路２に接続されている。
　このリサーキュレーション通路１９には、コンプレッサ１６の下流側からコンプレッサ１６の上流側へ過給圧を解放可能な電動のリサーキュレーション弁２０が配置されている。なお、リサーキュレーション弁２０としては、コンプレッサ１６下流側の圧力が所定圧力以上となったときのみ開弁するようないわゆる逆止弁を用いることも可能である。
　また、吸気通路２には、コンプレッサ１６の下流側に、コンプレッサ１６により圧縮（加圧）された吸気を冷却し、充填効率を良くするインタクーラ２１が設けられている。インタクーラ２１は、リサーキュレーション通路１９の下流側端よりも下流で、スロットル弁１３よりも上流側に位置している。
　排気通路３には、排気タービン１７を迂回して排気タービン１７の上流側と下流側とを接続する排気バイパス通路２２が接続されている。排気バイパス通路２２の下流側端は、上流側排気触媒装置１４よりも上流側の位置で排気通路３に接続されている。排気バイパス通路２２には、排気バイパス通路２２内の排気流量を制御する電動のウエストゲート弁２３が配置されている。ウエストゲート弁２３は、排気タービン１７に導かれる排気ガスの一部を排気タービン１７の下流側にバイパスさせることが可能であり、内燃機関１の過給圧を制御可能なものである。
　また、内燃機関１は、排気通路３から排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路２へ導入（還流）する排気還流（ＥＧＲ）が実施可能なものであって、排気通路３から分岐して吸気通路２に接続されたＥＧＲ通路２４を有している。ＥＧＲ通路２４は、その一端が上流側排気触媒装置１４と下流側排気触媒装置１５との間の位置で排気通路３に接続され、その他端がエアフローメータ１１の下流側となりコンプレッサ１６の上流側となる位置で吸気通路２に接続されている。このＥＧＲ通路２４には、ＥＧＲ通路２４内のＥＧＲガスの流量を制御する電動のＥＧＲ弁２５と、ＥＧＲガスを冷却可能なＥＧＲクーラ２６と、が設けられている。なお、図１中の２７は、吸気通路２のコレクタ部である。
　また、内燃機関１は、シリンダブロック３１のシリンダボア３２内を往復動するピストン３３の上死点位置を変更することで内燃機関１の機械的圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構３４を有している。すなわち、内燃機関１は、シリンダボア３２の内周面３２ａに対するピストン３３の摺動範囲を変更することで機械的圧縮比を変更可能なものとなっている。換言すれば、内燃機関１は、シリンダに対するピストン３３の摺動範囲を変更することで機械的圧縮比を変更可能なものである。機械的圧縮比とは、ピストン３３の上死点位置と下死点位置とによって決まる圧縮比である。
　ピストン３３は、ピストン冠面側の第１ピストンリング３５、第１ピストンリングよりピストン冠面から離れた第２ピストンリング３６と、を有している。第１ピストンリング３５及び第２ピストンリング３６は、いわゆるコンプレッションリングであって、ピストン３３とシリンダボア３２の内周面３２ａとの隙間を無くし、気密保持のために用いられるものである。
　可変圧縮比機構３４は、ピストン３３とクランクシャフト３７のクランクピン３８とを複数のリンクで連係した複リンク式ピストン－クランク機構を利用したものである。可変圧縮比機構３４は、クランクピン３８に回転可能に装着されたロアリンク３９と、ロアリンク３９とピストン３３とを連結するアッパリンク４０と、偏心軸部４１ａが設けられた制御軸４１と、偏心軸部４１ａとロアリンク３９とを連結するコントロールリンク４２と、を有している。
　クランクシャフト３７は、複数のジャーナル部４３及びクランクピン３８を備えている。ジャーナル部４３は、シリンダブロック３１とクランク軸受ブラケット４４との間に回転可能に支持されている。
　アッパリンク４０は、一端がピストンピン４５に回転可能に取り付けられ、他端が第１連結ピン４６によりロアリンク３９と回転可能に連結されている。コントロールリンク４２は、一端が第２連結ピン４７によりロアリンク３９と回転可能に連結されており、他端が制御軸４１の偏心軸部４１ａに回転可能に取り付けられている。第１連結ピン４６及び第２連結ピン４７は、ロアリンク３９に対して圧入固定されている。
　制御軸４１は、クランクシャフト３７と平行に配置され、かつシリンダブロック３１に回転可能に支持されている。詳述すると、制御軸４１は、クランク軸受ブラケット４４と制御軸軸受ブラケット４８との間に回転可能に支持されている。
　シリンダブロック３１の下部には、オイルパンアッパ４９ａが取り付けられている。また、オイルパンアッパ４９ａの下部にはオイルパンロア４９ｂが取り付けられている。
　制御軸４１には、第１アーム５０、第２アーム５１及び中間アーム５２を介して駆動軸５３の回転が伝達されている。中間アーム５２は第１アーム５０と第２アーム５１とを連結する。駆動軸５３は、オイルパンアッパ４９ａの外側にあって制御軸４１と平行に配置されている。駆動軸５３には、第１アーム５０が固定されている。
　第１アーム５０には、中間アーム５２の一端がピン部材５４ａを介して回転可能に連結されている。中間アーム５２は、他端がピン部材５４ｂを介して制御軸４１に固定された第２アーム５１に回転可能に連結されている。
　駆動軸５３、第１アーム５０及び中間アーム５２の一端側は、オイルパンアッパ４９ａの側面に取り付けられたハウジング５５に収容されている。
　駆動軸５３は、一端が減速機（図示せず）を介してアクチュエータとしての電動モータ５６に連結されている。すなわち、駆動軸５３は、電動モータ５６により回転駆動可能となっている。駆動軸５３の回転数は、電動モータ５６の回転数を減速機により減速したものとなっている。
　電動モータ５６の駆動により駆動軸５３が回転すると、中間アーム５２が駆動軸５３に直交する平面に沿って往復運動する。そして、中間アーム５２の往復運動に伴い中間アーム５２と第２アーム５１との連結位置が揺動し、制御軸４１が回転する。制御軸４１が回転してその回転位置が変化すると、コントロールリンク４２の揺動支点となる偏心軸部４１ａの位置が変化する。つまり、電動モータ５６により制御軸４１の回転位置を変更することで、ロアリンク３９の姿勢が変化し、ピストン３３の上死点位置及び下死点位置の変化を伴って、内燃機関１の機械的圧縮比が連続的に変更される。
　電動モータ５６の回転は、内燃機関１の機械的圧縮比が運転条件に対応した圧縮比となるように、制御部としてのコントロールユニット１２によって制御されている。
　コントロールユニット１２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インターフェースを備えた周知のデジタルコンピュータである。
　コントロールユニット１２には、上述したエアフローメータ１１の検出信号のほか、クランクシャフト３７のクランク角を検出するクランク角センサ６１、アクセルペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ６２、エンジンオイルの油温を検出する油温センサ６３、冷却水温度を検出する水温センサ６４、コレクタ部２７における過給圧（吸気圧）を検出する過給圧センサ６５等の各種センサ類の検出信号が入力されている。コントロールユニット１２は、アクセル開度センサ６２の検出値を用いて、内燃機関の要求負荷（エンジン負荷）が算出する。
　クランク角センサ６１は、内燃機関１の機関回転数を検出可能なものである。
　水温センサ６４は、シリンダブロック３１内のウォータジャケット３１ａにおける冷却水の温度を検出している。
　そして、コントロールユニット１２は、各種センサ類の検出信号に基づいて、第１燃料噴射弁７、第２燃料噴射弁８による燃料噴射量及び燃料噴射時期、点火プラグ９による点火時期、スロットル弁１３の開度、リサーキュレーション弁２０の開度、ウエストゲート弁２３の開度、ＥＧＲ弁２５の開度、可変圧縮比機構３４による内燃機関１の機械的圧縮比、等を最適に制御している。
　また、コントロールユニット１２は、運転状態に応じて２つの燃焼形態を切り替えている。２つの燃焼形態とは、成層燃焼と均質燃焼である。つまり、内燃機関１は、燃焼形態を成層燃焼または均質燃焼に切り替え可能となっている。成層燃焼は、圧縮行程中に燃料を噴射させることで点火プラグ９の周囲に濃い混合気を形成して点火する。均質燃焼は、吸気行程中に燃料を噴射させることで燃料を拡散させ、燃焼室５内に均質な混合気を形成して点火する。つまり、コントロールユニット１２は、筒内（燃焼室５内）の燃焼形態を制御する制御部に相当するものでもある。
　コントロールユニット１２は、例えば、上流側排気触媒装置１４及び下流側排気触媒装置１５に触媒暖機の必要がある場合、内燃機関１の運転状態がアイドル運転状態であれば、内燃機関１の燃焼形態が成層燃焼となるように制御する。また、コントロールユニット１２は、例えば、上流側排気触媒装置１４及び下流側排気触媒装置１５に触媒暖機の必要がなければ、内燃機関１の燃焼形態が均質燃焼となるように制御する。
　コントロールユニット１２は、例えば、水温センサ６４で検出される冷却水温度が予め設定された水温閾値よりも低いときに、上流側排気触媒装置１４及び下流側排気触媒装置１５に触媒暖機の必要があると判定している。つまり、コントロールユニット１２は、上流側排気触媒装置１４及び下流側排気触媒装置１５の触媒温度が暖機された状態であるか否かを判定可能する判定部に相当する。
　ここで、燃焼形態が切り替えられる内燃機関１のエンジントルクを推定する場合、燃焼形態を考慮しなければ、精度よくエンジントルクを推定することはできない。
　そこで、本実施例では、コントロールユニット１２が燃焼形態を考慮してエンジントルクを演算する。図２は、コントロールユニット１２内で実施されるエンジントルクの算出過程を示すブロック図である。
　基本燃焼トルク算出部７１では、充填効率と機関回転数を用いて基本燃焼トルクを算出する。充填効率は、例えば、吸気圧（過給圧）、アクセル開度、吸気温度及び機関回転数を用いて算出される。
　基本燃焼トルク算出部７１は、図３に示すように、内燃機関１の燃焼形態に応じて基本燃焼トルクを算出する際に用いる算出マップを切り替え（使い分け）ている。すなわち、コントロールユニット１２には、成層燃焼時に使用する成層燃焼時用トルク算出マップと、均質燃焼時に使用する均質燃焼時用トルク算出マップと、が予め用意（記憶）されている。そのため、基本燃焼トルク算出部７１においては、成層燃焼の熱効率と均質燃焼の熱効率との差異を反映させた基本燃焼トルクを算出することができる。
　成層燃焼時用トルク算出マップ及び均質燃焼時用トルク算出マップは、充填効率と機関回転数から基本燃焼トルクを算出する。
　ＭＢＴ算出部７２では、充填効率と機関回転数を用いて、最適点火時期であるＭＢＴ（Minimum advance for the best torque）を算出する。ＭＢＴとは、出力や燃料消費率が最良となる点火時期である。
　ＭＢＴ算出部７２は、図４に示すように、内燃機関１の燃焼形態に応じて最適点火時期を算出する際に用いる算出マップを切り替え（使い分け）ている。すなわち、コントロールユニット１２には、成層燃焼時に使用する成層燃焼時用ＭＢＴ算出マップと、均質燃焼時に使用する均質燃焼時用ＭＢＴ算出マップと、が予め用意（記憶）されている。そのため、ＭＢＴ算出部７２においては、成層燃焼の熱効率と均質燃焼の熱効率との差異を反映させた最適点火時期を算出することができる。
　成層燃焼時用ＭＢＴ算出マップ及び均質燃焼時用ＭＢＴ算出マップは、充填効率と機関回転数から最適点火時期（ＭＢＴ）を算出する。
　点火時期補正量算出部７３では、ＭＢＴ算出部７２で算出された最適点火時期からの点火時期のリタード量に対するトルク低下率を算出する。
　点火時期補正量算出部７３は、図５に示すように、内燃機関１の燃焼形態に応じて点火時期補正量としてのトルク低下率を算出する際に用いる算出マップを切り替え（使い分け）ている。すなわち、コントロールユニット１２には、成層燃焼時に使用する成層燃焼時用補正量算出マップと、均質燃焼時に使用する均質燃焼時用補正量算出マップと、が予め用意（記憶）されている。そのため、点火時期補正量算出部７３においては、成層燃焼における最適点火時期からの点火時期のリタード量に対するトルク低下率と、均質燃焼における最適点火時期からの点火時期のリタード量に対するトルク低下率と、の差異を反映させたトルク低下率を算出することができる。
　成層燃焼時用補正量算出マップ及び均質燃焼時用補正量算出マップは、最適点火時期からの点火時期のリタード量に応じてトルク低下率を算出する。
　内燃機関１の点火時期は、例えば、上流側排気触媒装置１４及び下流側排気触媒装置１５の触媒暖機が必要な場合や、ノッキングが検知された場合に、最適点火時期からリタードさせる。
　燃焼トルク補正部７４では、トルク低下率を用いて基本燃焼トルク算出部で算出された基本燃焼トルクを補正し、燃焼トルクを算出する。なお、燃焼トルク補正部７４では、フューエルカット（燃料カット）によるトルク補正及び空燃比に応じたトルク補正も加味して燃焼トルクが算出される。フューエルカット（燃料カット）によるトルク補正量は、燃料カットトルク補正部７５で算出される。空燃比に応じたトルク補正量は、Ａ／Ｆトルク補正部７６で算出される。
　フリクショントルク補正部７７では、燃焼トルク補正部７４で算出された燃焼トルクに対して、内燃機関１のメカニカルフリクションに起因するメカニカルフリクショントルク、内燃機関１のポンピングロスに起因するポンピングロストルク、内燃機関１の補機類の負荷に起因する補機負荷トルクを加味した補正を行ってエンジントルクを算出する。つまり、本実施例においては、燃焼トルク補正部７４とフリクショントルク補正部７７によって、エンジントルクを算出するエンジントルク算出部が構成されている。そして、内燃機関１のエンジントルクは、基本燃焼トルクとトルク低下率を用いて算出される。
　メカニカルフリクショントルクは、エンジンメカフリクショントルク算出部７８で算出される。
　ポンピングロストルクは、エンジンポンピングロストルク算出部７９で算出される。
　補機負荷トルクは、補機負荷トルク算出部８０で算出される。補機負荷トルクは、詳述すると、例えば、オルタネータ、エアコンディショナー（Ａ／Ｃ）及びパワーステアリングの駆動に起因するものである。本実施例の補機負荷トルク算出部８０には、オルタネータ負荷トルク、エアコンディショナー負荷トルク及びパワーステアリング負荷トルクが入力されている。そして、補機負荷トルク算出部８０は、これらの負荷トルクに基づいて補機負荷トルクを算出している。
　オルタネータ負荷トルクは、オルタネータ負荷トルク算出部８１で算出される。エアコンディショナー負荷トルクは、エアコンディショナー負荷トルク算出部８２で算出される。パワーステアリング負荷トルクは、パワーステアリング負荷トルク算出部８３で算出される。
　上述した実施例においては、基本燃焼トルク算出部７１が内燃機関１の燃焼形態に応じて基本燃焼トルクを算出している。
　そのため、燃焼効率の異なる成層燃焼と均質燃焼のどちらか一方の燃焼を前提にエンジントルクを推定する場合に比べて、精度よくエンジントルクを推定することができる。つまり、内燃機関１の燃焼形態に関わらず、精度良く基本燃焼トルクを算出することができ、総じて精度良くエンジントルクを算出することができる。
　また、ＭＢＴ算出部７２は、内燃機関１の燃焼形態に応じて最適点火時期を算出している。
　そのため、内燃機関１の燃焼形態に関わらず、精度良く点火時期補正量を算出することができ、総じて精度良くエンジントルクを算出することができる。
　さらに、点火時期補正量算出部７３は、内燃機関１の燃焼形態に応じて点火時期補正量としてのトルク低下率を算出している。
　そのため、内燃機関１の燃焼形態に関わらず、最適点火時期からの点火時期リタード量による熱効率変化を精度良く補正できるため、総じて精度良くエンジントルクを算出することができる。
　図６は、本実施例における制御の流れを示すフローチャートである。
　ステップＳ１では、内燃機関１の燃焼形態が成層燃焼であるか否かを判定する。ステップＳ１において、成層燃焼の場合にはステップＳ２に進み、成層燃焼ではない場合（均質燃焼の場合）には、ステップＳ３に進む。
　ステップＳ２では、成層燃焼用推定トルク演算でエンジントルクを推定する。すなわち、基本燃焼トルク算出部７１、ＭＢＴ算出部７２及び点火時期補正量算出部７３において、成層燃焼用のマップを用いて、基本燃焼トルク、最適点火時期及びトルク低下率を算出する。
　ステップＳ３では、均質燃焼用推定トルク演算でエンジントルクを推定する。すなわち、基本燃焼トルク算出部７１、ＭＢＴ算出部７２及び点火時期補正量算出部７３において、均質燃焼用のマップを用いて、基本燃焼トルク、最適点火時期及びトルク低下率を算出する。
　なお、上述した実施例においては、基本燃焼トルク算出部７１、ＭＢＴ算出部７２及び点火時期補正量算出部７３において、燃焼形態に応じてマップを切り替えているが、基本燃焼トルク算出部７１と点火時期補正量算出部７３の少なくとも一方で、燃焼形態に応じてマップを切り替えるようにしてもよい。
　この場合においても、燃焼効率の異なる成層燃焼と均質燃焼のどちらか一方の燃焼を前提にエンジントルクを推定する場合に比べて、燃焼形態に関わらず精度よくエンジントルクを推定することができる。
　また、上述した実施例は、内燃機関のトルク推定方法及び内燃機関のトルク推定装置に関するものである。

Claims (5)

  1. 　運転状態に応じて燃焼形態を成層燃焼または均質燃焼に切り替え可能な内燃機関のトルク推定方法であって、
    　充填効率を用いて算出される基本燃焼トルクと、点火時期を用いて算出される点火時期補正量と、を用いてエンジントルクを推定する内燃機関のトルク推定方法において、
    　上記基本燃焼トルクと上記点火時期補正量の少なくとも一方は、内燃機関の燃焼形態に応じて算出される内燃機関のトルク推定方法。
  2. 　上記基本燃焼トルクは、成層燃焼の熱効率と均質燃焼の熱効率との差異を反映して算出される請求項１に記載の内燃機関のトルク推定方法。
  3. 　上記点火時期補正量は、成層燃焼の最適点火時期と均質燃焼の最適点火時期との差異を反映して算出される請求項１または２に記載の内燃機関のトルク推定方法。
  4. 　上記点火時期補正量は、成層燃焼における最適点火時期からの点火時期のリタード量に対するトルク低下率と、均質燃焼における最適点火時期からの点火時期のリタード量に対するトルク低下率と、の差異を反映して算出される請求項３に記載の内燃機関のトルク推定方法。
  5. 　運転状態に応じて燃焼形態を成層燃焼または均質燃焼に切り替え可能な内燃機関のトルク推定装置において、
    　充填効率を用いて基本燃焼トルクを算出する基本燃焼トルク算出部と、
    　点火時期を用いて点火時期補正量を算出する点火時期補正量算出部と、
    　基本燃焼トルクと点火時期補正量を用いてエンジントルクを算出するエンジントルク算出部と、を有し、
    　上記基本燃焼トルク算出部と上記点火時期補正量算出部の少なくとも一方は、燃焼形態を考慮して基本燃焼トルクまたは点火時期補正量を算出する内燃機関のトルク推定装置。
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