内燃機関の燃焼エネルギー算出装置及び内燃機関
【課題】
新たにセンサを取り付けることなく、内燃機関の全回転域を含む領域で精度良く燃焼エネルギーを算出することができる内燃機関の燃焼エネルギー算出装置を提供することにある。
【解決手段】
上記課題を解決するために、クランク軸が所定角度変化するのに要する時間からクランク軸の回転速度を算出する回転速度算出手段と、回転速度算出手段で求めたクランク軸の回転速度のＡＣ成分から燃焼エネルギーを算出する内燃機関の燃焼エネルギー算出装置において、内燃機関の運転状況により燃焼エネルギーを補正する補正手段を備えた。この補正手段はトランスミッションのギヤ比および内燃機関の回転速度に応じて燃焼エネルギーを補正する。
新たにセンサを取り付けることなく、内燃機関の全回転域を含む領域で精度良く燃焼エネルギーを算出することができる内燃機関の燃焼エネルギー算出装置を提供することにある。
【解決手段】
上記課題を解決するために、クランク軸が所定角度変化するのに要する時間からクランク軸の回転速度を算出する回転速度算出手段と、回転速度算出手段で求めたクランク軸の回転速度のＡＣ成分から燃焼エネルギーを算出する内燃機関の燃焼エネルギー算出装置において、内燃機関の運転状況により燃焼エネルギーを補正する補正手段を備えた。この補正手段はトランスミッションのギヤ比および内燃機関の回転速度に応じて燃焼エネルギーを補正する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のクランク軸の回転速度に基づいて気筒毎の燃焼エネルギーを算出する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
機関クランク軸の回転角速度を検出し、該角速度の変化からトルク変動を推定するようにした内燃機関のトルク変動推定方法において、機関の運転状態が、クランク軸の固有振動による角速度の変化波形に比べて爆発１次の角速度の変化波形の方がトルクの変動を再現性よく顕著に表している第１の運転状態であるか、或いは爆発１次の角速度の変化波形に比べてクランク軸の固有振動による角速度の変化波形の方がトルクの変動を再現性よく顕著に表している第２の運転状態であるかを判断し、第１の運転状態であると判断されたときには、爆発行程開始時における角速度の最小値と爆発行程中における角速度の最大値との差からトルク変動を推定する、トルク変動推定方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３２４３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
背景技術で紹介したような従来技術では、爆発行程における角速度の変化からトルク変動を推定しているが、エンジンがクランク軸を回転させる１爆発あたりのエネルギーを正確に算出するためには、爆発行程において気筒内の圧力がする仕事と、圧縮行程において気筒内の圧力がされる仕事の両方を算出し、正味の仕事を算出する必要がある。また、トルクを求めるためには車輪側の慣性を考慮する必要がある。車輪側の慣性は、トランスミッションのギヤ比により変化するので、正確にトルクを求めるためにはギヤ比の影響を考える必要がある。さらに、エンジンの回転数によってもトルクは変化するので、正確にトルクを求めるためにはエンジンの回転数を考慮する必要がある。
【０００５】
本発明の目的は、以上の点を考慮してなされたものであり、新たにセンサを取り付けることなく、内燃機関の全回転域を含む領域で精度良く燃焼エネルギーを算出することができる内燃機関の燃焼エネルギー算出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、クランク軸が所定角度変化するのに要する時間からクランク軸の回転速度を算出する回転速度算出手段を備え、回転速度算出手段で求めたクランク軸の回転速度のＡＣ成分から燃焼エネルギーを算出する内燃機関の燃焼エネルギー算出装置において、内燃機関の運転状況により燃焼エネルギーを補正する補正手段を備えた。この補正手段はトランスミッションのギヤ比および内燃機関の回転速度に応じて燃焼エネルギーを補正する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、クランク角センサの情報をもとに算出した爆発毎の燃焼エネルギーをトランスミッションのギヤ比と内燃機関の回転数により補正することにしたので、コストアップすることなく、正確に燃焼エネルギーを求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明に係る実施例を説明する。
【実施例１】
【０００９】
本発明の実施形態に係る内燃機関の燃焼エネルギー算出装置について、図１〜図１０を参照しながら以下詳細に説明する。図１は、車両に搭載された内燃機関の概略構成図である。内燃機関は通常複数の気筒を含むが、図１はそのうちの１つの気筒に着目した図である。
【００１０】
内燃機関では、ピストン２が２往復する間に、吸気，圧縮，爆発，排気の４つのサイクルを実行する。上死点９から下死点１０に向かってピストン２が下降するのに同期して吸気弁３が開くと、スロットル４で絞られた空気，インジェクタ５から噴かれた燃料の混合気が気筒１内に流入する。ピストン２が下死点１０に達すると、吸気弁３は閉じ、ピストン２は上昇する。気筒１内に閉じ込められた空気はピストン２によって圧縮される。ピストン２が上死点９に達すると、点火プラグ６により気筒１内の混合気が着火され、爆発が始まる。爆発により発生したエネルギーはピストン２を押し下げ、ピストン２への圧力はクランク軸７に伝達され、クランク軸７を回転させるトルクとなる。
【００１１】
４つのサイクルにおける気筒１内の圧力である筒内圧Ｐiとクランク軸７の回転速度ωの関係を図２に示す。図２の一番上の図は第１気筒の筒内圧を示すものである。吸気行程では筒内圧は吸気管圧とほぼ同じか、若干低い。圧縮行程では、ピストン２が上死点に近づくにつれ圧力は大きくなる。爆発行程では、上死点９付近で点火されると、圧力はさらに増大し、この筒内圧力がピストン２を押し下げ体積が膨張し、圧力は徐々に低下し、大気圧に近づく。ピストン２が下死点１０に達すると排気行程が開始され、排気弁８が開き、気筒１内の排気ガスは排出される。このときの筒内圧は、大気圧とほぼ同じか、若干高い程度である。この４つのサイクルにおける、燃焼室の体積と圧力の関係は図３に示すようになり、燃焼エネルギーは図中の斜線で示される部分の面積で定義される。
【００１２】
気筒内の圧力がピストン２を押す力は、リンク機構であるコネクトロッド１１を通じてクランク軸７を回転させるトルクＴに変換される。通常、内燃機関は複数の気筒をもつので、クランク軸７を回転させるトルクは、図２の上から２番目の図の点線に示すような全ての気筒内圧力の和にほぼ比例する。１つのピストン２が仕事をし、他の３つのピストン２は仕事をされる。また、クランク軸７の回転加速度はトルクに比例するので、クランク軸７の回転加速度は図２の３番目の図のようになる。クランク軸７の回転速度ωは回転加速度を積分したものなので、位相が１／４波長ずれて図２の一番下の図となる。
【００１３】
例えば４気筒のエンジンであれば、爆発は４つの気筒で発生しており、爆発の大きさは気筒内の圧力で評価できるため、各爆発の燃焼エネルギーを求めるには４つの圧力センサが原理的に必要である。ところが、ここでは、クランク軸７の回転速度という一つの物理量から４つの気筒での燃焼エネルギーを求めようとしている。そのようなことが可能な理由を以下に示す。クランク軸７に同じ負荷が与えられる場合、トルクが大きくほど、クランク軸７の回転加速度も大きくなるので、回転速度の振幅は大きくなる。燃焼エネルギーは、クランク軸７の回転速度の振幅から求めることができる。
【００１４】
４気筒エンジンの４気筒分の筒内圧を重ねて書いたものが図２の２番目の図であるが、これをみると、燃焼エネルギーに密接に関係する圧縮行程の後半から爆発行程の前半にかけてのおのおのの気筒内圧力は、全気筒の圧力の合計とほぼ等しい。従って、クランク軸７の回転速度を回転加速度の極小点で分割し（１サイクル分の回転速度の信号が気筒数に分割される）、その区間を最も圧力が高い気筒に対応付ければ、爆発毎の爆発エネルギーを算出するためのセンサ情報が得られる。本発明は、このような考えに基づいて、内燃機関の爆発毎の燃焼エネルギーを求める装置である。
【００１５】
ＥＣＵ１２は、ＣＰＵ１３，ＲＯＭ１５，ＲＡＭ１６，入出力信号インターフェース１４から構成される。ＲＯＭ１５は、車両の様々な制御を実現するためのコンピュータ・プログラムおよびプログラムの実施に必要なマップを格納する読み取り専用メモリである。ＲＡＭ１６はＣＰＵ１３の演算のための作業領域を提供し、プログラムおよびデータを一時的に格納するランダムアクセスメモリである。
【００１６】
入出力インターフェース１４は、クランク軸回転速度センサ５３の信号を入力し、ＥＣＵ１２に送る。この信号は、ＥＣＵ１２で所定のプログラムによって処理され、入出力インターフェース１４を介して、インジェクタ５，点火プラグ６，スロットル４に制御信号として指令が送られる。
【００１７】
次に、クランク軸７の回転速度から燃焼エネルギーを推定する方法を図４を用いて説明する。図４は、本発明の内燃機関の燃焼エネルギー算出装置の構成を示すブロック図である。内燃機関の燃焼エネルギー算出装置は、クランク軸７の回転速度を検出する回転検出手段４０と、回転検出手段４０の検出結果をもとに回転速度を算出する回転速度算出手段４１と、クランク軸７の回転速度のＡＣ成分とＤＣ成分を算出するフィルタ４２と、フィルタ４２で求めた回転速度のＡＣ成分から爆発１次成分を抽出する爆発１次成分抽出手段４３と、図示しないトランスミッションのギヤ比とフィルタ４２で求めた回転速度のＤＣ成分とから求まる補正係数を備えた補正係数マップ４４と、補正係数マップ４４の補正係数をもとに爆発１次成分抽出手段４３で抽出した爆発１次成分を補正する補正手段４５と、補正手段４５で補正した爆発１次成分から燃焼エネルギーを算出する燃焼エネルギー算出手段４６とからなる。
【００１８】
回転検出手段４０は、例えば磁気センサであり、クランク軸７の回転によりパルスを発生する。クランク軸７の回転速度は回転検出手段４０で発生したパルス間隔の粗密によって表され、回転速度ωが早いときはパルスの間隔は短く、回転速度ωが遅いときはパルスの間隔は長くなる。
【００１９】
回転速度算出手段４１では、上記パルスを受け取る度に、今回のパルスと前回のパルスとの時間間隔Δｔを計測し、歯の間隔ΔθをΔｔで割ることで回転速度ω＝Δθ／Δｔを算出する。
【００２０】
このように算出されたωは上記パルスと同じ離散的な値であるので、フィルタ４２により、回転速度算出手段４１で算出された離散的な回転速度を図５に示すように連続的な回転速度に変換する。クランク軸７の回転速度は、図５に示すようにある振幅をもつ振動波形となり、ＤＣ成分にＡＣ成分が重畳している。回転速度のＤＣ成分は内燃機関の回転数であり、回転速度のＡＣ成分の振幅が爆発１次成分である。フィルタ４２では、回転速度のＡＣ成分とＤＣ成分を分解し、それぞれ爆発１次成分抽出手段４３，補正係数マップ４４で処理される。
【００２１】
爆発１次成分抽出手段４３では、クランク軸７の回転速度のＡＣ成分に基づいて、気筒の圧縮行程後半と爆発行程前半における最大回転速度と最小回転速度の差より爆発１次成分を求める。
【００２２】
ここで、燃焼エネルギーについて説明する。燃焼エネルギーＰcは図示平均有効圧（ＩＭＥＰ）で定義され、式（１）のように表すことができる。
【００２３】
【数１】
【００２４】
積分区間は、図３に示すように１燃焼サイクルに相当する区間であり、ピストン吸気行程の上死点から排気行程の上死点までのクランク軸７２０゜回転に対応する区間である。式（１）のＶcは１気筒の行程体積、ｄＶは１気筒の体積変化率、Ｐは筒内圧である。クランク軸が７２０゜回転する際、内燃機関は吸気，圧縮，爆発，排気の４つのサイクルを実行する。吸気と爆発サイクルにおいて、体積は時間とともに増加し、圧縮と排気サイクルにおいて、体積は時間とともに減少する。行程体積と筒内圧は図３に示すような関係があるので、式（１）を吸気，排気サイクルと圧縮，爆発サイクルに分けて積分することにすると、以下の式で表すことができる。
【００２５】
【数２】
【００２６】
ここで、Ｖ1は吸気と排気行程における体積変化、Ｐ1はＶ1に対応する筒内圧、Ｖ2は圧縮，爆発行程における体積変化、Ｐ2はＶ2に対応する筒内圧である。
【００２７】
また、式（１）は、クランク軸の回転角度θを用いて、式（３）のように示すことができる。
【００２８】
【数３】
【００２９】
内燃機関の体積を求める変数である気筒１の内径、上死点９と下死点１０の差であるストロークなどが一定であるため、ＶcおよびｄＶc／ｄθはθの関数である。積分変数θは、時間により単調に増加するので、式（３）を用いて０゜から７２０゜の積分区間を計算すると、燃焼エネルギーを容易に計算することができる。
【００３０】
次に爆発１次成分と燃焼エネルギーの関係を説明する。図６は異なる吸気管の圧力における時間とクランク回転速度の関係を示す。なお、図６に示す内燃機関の回転数はすべて同じである。内燃機関の吸気管の圧力が大気圧より低くなるほど吸気量は少なくなるため、燃焼エネルギーは小さくなる。また、図６に示すように、爆発１次成分が大きいほど、燃焼エネルギーは大きくなる。
【００３１】
次に内燃機関の回転速度を変えた場合の爆発１次成分と燃焼エネルギーの関係を図７を用いて説明する。図７によれば、燃焼エネルギーは爆発１次成分に比例する。また、同じ爆発１次成分に対応する燃焼エネルギーは、回転速度が速くなるほど、大きくなる。
【００３２】
燃焼エネルギーは、ピストン・クランク機構を介してクランク軸７の駆動トルクに変換される。燃焼エネルギーが大きくなるほど、変換されたクランク軸７の駆動トルクも大きくなる。駆動トルクは回転角加速度と回転慣性の積である。駆動トルクを求めるためにはピストン２，クランク軸７，トランスミッション，車輪などの慣性をクランク軸７の回転慣性に換算する必要がある。トランスミッションのギヤ比が小さくなると、クランク軸に換算された回転慣性は大きくなる。つまり、クランク軸に同じ駆動トルクを加えた場合、ギヤ比が小さくなるほど、回転加速度が小さくなるため、回転速度の振幅が小さくなり、爆発１次成分も小さくなる。トランスミッションのギヤ比を変えた場合の爆発１次成分と燃焼エネルギーの関係を図８に示す。燃焼エネルギーは爆発１次成分に比例し、同じ爆発１次成分に対応する燃焼エネルギーはギヤ比が小さくなるほど大きくなる。
【００３３】
以上のように、燃焼エネルギーは爆発１次成分に比例するが、内燃機関の回転速度とトランスミッションのギヤ比によりこの比例係数（グラフの傾き）が変化する。つまり、正確に燃焼エネルギーを求めるためには、内燃機関の回転速度とトランスミッションのギヤ比をもとに爆発１次成分を補正する必要がある。
【００３４】
そこで、本発明では内燃機関の回転速度とトランスミッションのギヤ比とから燃焼エネルギーを補正する補正係数を備えた補正係数マップ４４を設けることにした。
【００３５】
ある内燃機関の回転速度Ｎ０、あるトランスミッションのギヤ比Ｇ０のときの爆発１次成分に対する燃焼エネルギーの割合（基準傾き）をＫνとする。図７および図８のように、内燃機関の回転速度とトランスミッションのギヤ比により爆発１次成分に対する燃焼エネルギーの割合が変化する。この傾き（爆発１次成分に対する燃焼エネルギーの割合）を上記の基準傾きＫνで割った値を補正係数とすることにした。内燃機関の回転速度Ｎ1，Ｎ2，…Ｎsおよびトランスミッションのギヤ比Ｇ1，Ｇ2，…Ｇtの組み合わせにより補正係数ａij（ｉ＝１…ｔ，ｊ＝１…１…ｓ）を求め、図９に示すような補正係数マップ４４をあらかじめ作成し、ＲＯＭ１５に記憶させる。なお、燃焼エネルギーの精度を向上させるためには、内燃機関の回転速度を細かく分割し、補正係数マップ４４でマップ化した方がよい。
【００３６】
補正手段４５では、補正係数マップ４４の燃焼エネルギーと爆発１次成分の傾きの補正係数に基づいて、爆発１次成分抽出手段４３で抽出した爆発１次成分を補正する。補正手段４５では、補正係数をａiν、爆発１次成分をＡとした場合、ａiν×Ａという計算を行う。
【００３７】
燃焼エネルギー算出手段４６では、補正手段４５で求められたａiν×Ａと上記の基準傾きＫνよりａiν×Ａ×Ｋνを計算する。このａiν×Ａ×Ｋνが内燃機関の回転速度とトランスミッションのギヤ比によって補正された燃焼エネルギーである。
【００３８】
以上のように、本発明の内燃機関の燃焼エネルギー算出装置は、正確に燃焼エネルギーを求めることができるので、この燃焼エネルギーから駆動トルクを容易に求めることができる。したがって、トルクベースで内燃機関を制御することが可能となる。
【００３９】
内燃機関のトルクの制御精度を向上させるためには、内燃機関の出力軸にトルクセンサを配置し、その計測結果に基づいて制御することが考えられる。しかし、トルクセンサは高コスト，取り付けスペースの観点からまだ量産化されていない。このことから、トルクセンサを用いずに、本発明のクランク軸の回転速度から駆動トルクを算出する手法が有効となる。
【００４０】
トルクベース内燃機関制御システムの構成を図１０を用いて説明する。トルクベース内燃機関制御システムのハードウェア構成は、従来内燃機関制御方式と同様であるが、制御方法が異なる。目標トルクと本発明の燃焼エネルギー算出装置より求めた算出トルクの偏差に応じてスロットル開度，点火時間，燃料量を制御する。
【００４１】
このように、本発明を用いる場合にはセンサを追加することなく、トルクベースで内燃機関を制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施例に係る内燃機関の構成概略を示す図。
【図２】気筒内圧とクランク軸の回転速度の関係を示す図。
【図３】内燃機関の燃焼室の体積と圧力の関係を示す図。
【図４】本発明の内燃機関の燃焼エネルギー算出装置の構成を示す図。
【図５】クランク軸の回転速度の時間変化を説明する図。
【図６】吸気圧を変えた場合のクランク軸回転速度の変化を説明する図。
【図７】内燃機関の回転速度を変えた場合の爆発１次成分と燃焼エネルギーの関係を示す図。
【図８】トランスミッションのギヤ比を変えた場合の爆発１次成分と燃焼エネルギーの関係を示す図。
【図９】本発明の補正係数マップを説明する図。
【図１０】本発明の内燃機関の燃焼エネルギー算出装置を用いた内燃機関の構成を示す図。
【符号の説明】
【００４３】
１ 気筒
２ ピストン
３ 吸気弁
４ スロットル
５ インジェクタ
６ 点火プラグ
７ クランク軸
８ 排気弁
９ ピストン上死点
１０ ピストン下死点
１１ コネクトロッド
１２ ＥＣＵ
１３ ＣＰＵ
１４ 入出力信号インターフェース
１５ ＲＯＭ
１６ ＲＡＭ
４０ 回転検出手段
４１ 回転速度算出手段
４２ ファイタ
４３ 爆発１次成分抽出手段
４４ 補正係数マップ
４５ 補正手段
４６ 燃焼エネルギー算出手段
６０ 目標トルク選択手段
６１ アクセル
６２ 自動変速機
６３ 車両制御
６４ トルク操作量演算手段
６５ 内燃機関
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のクランク軸の回転速度に基づいて気筒毎の燃焼エネルギーを算出する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
機関クランク軸の回転角速度を検出し、該角速度の変化からトルク変動を推定するようにした内燃機関のトルク変動推定方法において、機関の運転状態が、クランク軸の固有振動による角速度の変化波形に比べて爆発１次の角速度の変化波形の方がトルクの変動を再現性よく顕著に表している第１の運転状態であるか、或いは爆発１次の角速度の変化波形に比べてクランク軸の固有振動による角速度の変化波形の方がトルクの変動を再現性よく顕著に表している第２の運転状態であるかを判断し、第１の運転状態であると判断されたときには、爆発行程開始時における角速度の最小値と爆発行程中における角速度の最大値との差からトルク変動を推定する、トルク変動推定方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３２４３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
背景技術で紹介したような従来技術では、爆発行程における角速度の変化からトルク変動を推定しているが、エンジンがクランク軸を回転させる１爆発あたりのエネルギーを正確に算出するためには、爆発行程において気筒内の圧力がする仕事と、圧縮行程において気筒内の圧力がされる仕事の両方を算出し、正味の仕事を算出する必要がある。また、トルクを求めるためには車輪側の慣性を考慮する必要がある。車輪側の慣性は、トランスミッションのギヤ比により変化するので、正確にトルクを求めるためにはギヤ比の影響を考える必要がある。さらに、エンジンの回転数によってもトルクは変化するので、正確にトルクを求めるためにはエンジンの回転数を考慮する必要がある。
【０００５】
本発明の目的は、以上の点を考慮してなされたものであり、新たにセンサを取り付けることなく、内燃機関の全回転域を含む領域で精度良く燃焼エネルギーを算出することができる内燃機関の燃焼エネルギー算出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、クランク軸が所定角度変化するのに要する時間からクランク軸の回転速度を算出する回転速度算出手段を備え、回転速度算出手段で求めたクランク軸の回転速度のＡＣ成分から燃焼エネルギーを算出する内燃機関の燃焼エネルギー算出装置において、内燃機関の運転状況により燃焼エネルギーを補正する補正手段を備えた。この補正手段はトランスミッションのギヤ比および内燃機関の回転速度に応じて燃焼エネルギーを補正する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、クランク角センサの情報をもとに算出した爆発毎の燃焼エネルギーをトランスミッションのギヤ比と内燃機関の回転数により補正することにしたので、コストアップすることなく、正確に燃焼エネルギーを求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明に係る実施例を説明する。
【実施例１】
【０００９】
本発明の実施形態に係る内燃機関の燃焼エネルギー算出装置について、図１〜図１０を参照しながら以下詳細に説明する。図１は、車両に搭載された内燃機関の概略構成図である。内燃機関は通常複数の気筒を含むが、図１はそのうちの１つの気筒に着目した図である。
【００１０】
内燃機関では、ピストン２が２往復する間に、吸気，圧縮，爆発，排気の４つのサイクルを実行する。上死点９から下死点１０に向かってピストン２が下降するのに同期して吸気弁３が開くと、スロットル４で絞られた空気，インジェクタ５から噴かれた燃料の混合気が気筒１内に流入する。ピストン２が下死点１０に達すると、吸気弁３は閉じ、ピストン２は上昇する。気筒１内に閉じ込められた空気はピストン２によって圧縮される。ピストン２が上死点９に達すると、点火プラグ６により気筒１内の混合気が着火され、爆発が始まる。爆発により発生したエネルギーはピストン２を押し下げ、ピストン２への圧力はクランク軸７に伝達され、クランク軸７を回転させるトルクとなる。
【００１１】
４つのサイクルにおける気筒１内の圧力である筒内圧Ｐiとクランク軸７の回転速度ωの関係を図２に示す。図２の一番上の図は第１気筒の筒内圧を示すものである。吸気行程では筒内圧は吸気管圧とほぼ同じか、若干低い。圧縮行程では、ピストン２が上死点に近づくにつれ圧力は大きくなる。爆発行程では、上死点９付近で点火されると、圧力はさらに増大し、この筒内圧力がピストン２を押し下げ体積が膨張し、圧力は徐々に低下し、大気圧に近づく。ピストン２が下死点１０に達すると排気行程が開始され、排気弁８が開き、気筒１内の排気ガスは排出される。このときの筒内圧は、大気圧とほぼ同じか、若干高い程度である。この４つのサイクルにおける、燃焼室の体積と圧力の関係は図３に示すようになり、燃焼エネルギーは図中の斜線で示される部分の面積で定義される。
【００１２】
気筒内の圧力がピストン２を押す力は、リンク機構であるコネクトロッド１１を通じてクランク軸７を回転させるトルクＴに変換される。通常、内燃機関は複数の気筒をもつので、クランク軸７を回転させるトルクは、図２の上から２番目の図の点線に示すような全ての気筒内圧力の和にほぼ比例する。１つのピストン２が仕事をし、他の３つのピストン２は仕事をされる。また、クランク軸７の回転加速度はトルクに比例するので、クランク軸７の回転加速度は図２の３番目の図のようになる。クランク軸７の回転速度ωは回転加速度を積分したものなので、位相が１／４波長ずれて図２の一番下の図となる。
【００１３】
例えば４気筒のエンジンであれば、爆発は４つの気筒で発生しており、爆発の大きさは気筒内の圧力で評価できるため、各爆発の燃焼エネルギーを求めるには４つの圧力センサが原理的に必要である。ところが、ここでは、クランク軸７の回転速度という一つの物理量から４つの気筒での燃焼エネルギーを求めようとしている。そのようなことが可能な理由を以下に示す。クランク軸７に同じ負荷が与えられる場合、トルクが大きくほど、クランク軸７の回転加速度も大きくなるので、回転速度の振幅は大きくなる。燃焼エネルギーは、クランク軸７の回転速度の振幅から求めることができる。
【００１４】
４気筒エンジンの４気筒分の筒内圧を重ねて書いたものが図２の２番目の図であるが、これをみると、燃焼エネルギーに密接に関係する圧縮行程の後半から爆発行程の前半にかけてのおのおのの気筒内圧力は、全気筒の圧力の合計とほぼ等しい。従って、クランク軸７の回転速度を回転加速度の極小点で分割し（１サイクル分の回転速度の信号が気筒数に分割される）、その区間を最も圧力が高い気筒に対応付ければ、爆発毎の爆発エネルギーを算出するためのセンサ情報が得られる。本発明は、このような考えに基づいて、内燃機関の爆発毎の燃焼エネルギーを求める装置である。
【００１５】
ＥＣＵ１２は、ＣＰＵ１３，ＲＯＭ１５，ＲＡＭ１６，入出力信号インターフェース１４から構成される。ＲＯＭ１５は、車両の様々な制御を実現するためのコンピュータ・プログラムおよびプログラムの実施に必要なマップを格納する読み取り専用メモリである。ＲＡＭ１６はＣＰＵ１３の演算のための作業領域を提供し、プログラムおよびデータを一時的に格納するランダムアクセスメモリである。
【００１６】
入出力インターフェース１４は、クランク軸回転速度センサ５３の信号を入力し、ＥＣＵ１２に送る。この信号は、ＥＣＵ１２で所定のプログラムによって処理され、入出力インターフェース１４を介して、インジェクタ５，点火プラグ６，スロットル４に制御信号として指令が送られる。
【００１７】
次に、クランク軸７の回転速度から燃焼エネルギーを推定する方法を図４を用いて説明する。図４は、本発明の内燃機関の燃焼エネルギー算出装置の構成を示すブロック図である。内燃機関の燃焼エネルギー算出装置は、クランク軸７の回転速度を検出する回転検出手段４０と、回転検出手段４０の検出結果をもとに回転速度を算出する回転速度算出手段４１と、クランク軸７の回転速度のＡＣ成分とＤＣ成分を算出するフィルタ４２と、フィルタ４２で求めた回転速度のＡＣ成分から爆発１次成分を抽出する爆発１次成分抽出手段４３と、図示しないトランスミッションのギヤ比とフィルタ４２で求めた回転速度のＤＣ成分とから求まる補正係数を備えた補正係数マップ４４と、補正係数マップ４４の補正係数をもとに爆発１次成分抽出手段４３で抽出した爆発１次成分を補正する補正手段４５と、補正手段４５で補正した爆発１次成分から燃焼エネルギーを算出する燃焼エネルギー算出手段４６とからなる。
【００１８】
回転検出手段４０は、例えば磁気センサであり、クランク軸７の回転によりパルスを発生する。クランク軸７の回転速度は回転検出手段４０で発生したパルス間隔の粗密によって表され、回転速度ωが早いときはパルスの間隔は短く、回転速度ωが遅いときはパルスの間隔は長くなる。
【００１９】
回転速度算出手段４１では、上記パルスを受け取る度に、今回のパルスと前回のパルスとの時間間隔Δｔを計測し、歯の間隔ΔθをΔｔで割ることで回転速度ω＝Δθ／Δｔを算出する。
【００２０】
このように算出されたωは上記パルスと同じ離散的な値であるので、フィルタ４２により、回転速度算出手段４１で算出された離散的な回転速度を図５に示すように連続的な回転速度に変換する。クランク軸７の回転速度は、図５に示すようにある振幅をもつ振動波形となり、ＤＣ成分にＡＣ成分が重畳している。回転速度のＤＣ成分は内燃機関の回転数であり、回転速度のＡＣ成分の振幅が爆発１次成分である。フィルタ４２では、回転速度のＡＣ成分とＤＣ成分を分解し、それぞれ爆発１次成分抽出手段４３，補正係数マップ４４で処理される。
【００２１】
爆発１次成分抽出手段４３では、クランク軸７の回転速度のＡＣ成分に基づいて、気筒の圧縮行程後半と爆発行程前半における最大回転速度と最小回転速度の差より爆発１次成分を求める。
【００２２】
ここで、燃焼エネルギーについて説明する。燃焼エネルギーＰcは図示平均有効圧（ＩＭＥＰ）で定義され、式（１）のように表すことができる。
【００２３】
【数１】
【００２４】
積分区間は、図３に示すように１燃焼サイクルに相当する区間であり、ピストン吸気行程の上死点から排気行程の上死点までのクランク軸７２０゜回転に対応する区間である。式（１）のＶcは１気筒の行程体積、ｄＶは１気筒の体積変化率、Ｐは筒内圧である。クランク軸が７２０゜回転する際、内燃機関は吸気，圧縮，爆発，排気の４つのサイクルを実行する。吸気と爆発サイクルにおいて、体積は時間とともに増加し、圧縮と排気サイクルにおいて、体積は時間とともに減少する。行程体積と筒内圧は図３に示すような関係があるので、式（１）を吸気，排気サイクルと圧縮，爆発サイクルに分けて積分することにすると、以下の式で表すことができる。
【００２５】
【数２】
【００２６】
ここで、Ｖ1は吸気と排気行程における体積変化、Ｐ1はＶ1に対応する筒内圧、Ｖ2は圧縮，爆発行程における体積変化、Ｐ2はＶ2に対応する筒内圧である。
【００２７】
また、式（１）は、クランク軸の回転角度θを用いて、式（３）のように示すことができる。
【００２８】
【数３】
【００２９】
内燃機関の体積を求める変数である気筒１の内径、上死点９と下死点１０の差であるストロークなどが一定であるため、ＶcおよびｄＶc／ｄθはθの関数である。積分変数θは、時間により単調に増加するので、式（３）を用いて０゜から７２０゜の積分区間を計算すると、燃焼エネルギーを容易に計算することができる。
【００３０】
次に爆発１次成分と燃焼エネルギーの関係を説明する。図６は異なる吸気管の圧力における時間とクランク回転速度の関係を示す。なお、図６に示す内燃機関の回転数はすべて同じである。内燃機関の吸気管の圧力が大気圧より低くなるほど吸気量は少なくなるため、燃焼エネルギーは小さくなる。また、図６に示すように、爆発１次成分が大きいほど、燃焼エネルギーは大きくなる。
【００３１】
次に内燃機関の回転速度を変えた場合の爆発１次成分と燃焼エネルギーの関係を図７を用いて説明する。図７によれば、燃焼エネルギーは爆発１次成分に比例する。また、同じ爆発１次成分に対応する燃焼エネルギーは、回転速度が速くなるほど、大きくなる。
【００３２】
燃焼エネルギーは、ピストン・クランク機構を介してクランク軸７の駆動トルクに変換される。燃焼エネルギーが大きくなるほど、変換されたクランク軸７の駆動トルクも大きくなる。駆動トルクは回転角加速度と回転慣性の積である。駆動トルクを求めるためにはピストン２，クランク軸７，トランスミッション，車輪などの慣性をクランク軸７の回転慣性に換算する必要がある。トランスミッションのギヤ比が小さくなると、クランク軸に換算された回転慣性は大きくなる。つまり、クランク軸に同じ駆動トルクを加えた場合、ギヤ比が小さくなるほど、回転加速度が小さくなるため、回転速度の振幅が小さくなり、爆発１次成分も小さくなる。トランスミッションのギヤ比を変えた場合の爆発１次成分と燃焼エネルギーの関係を図８に示す。燃焼エネルギーは爆発１次成分に比例し、同じ爆発１次成分に対応する燃焼エネルギーはギヤ比が小さくなるほど大きくなる。
【００３３】
以上のように、燃焼エネルギーは爆発１次成分に比例するが、内燃機関の回転速度とトランスミッションのギヤ比によりこの比例係数（グラフの傾き）が変化する。つまり、正確に燃焼エネルギーを求めるためには、内燃機関の回転速度とトランスミッションのギヤ比をもとに爆発１次成分を補正する必要がある。
【００３４】
そこで、本発明では内燃機関の回転速度とトランスミッションのギヤ比とから燃焼エネルギーを補正する補正係数を備えた補正係数マップ４４を設けることにした。
【００３５】
ある内燃機関の回転速度Ｎ０、あるトランスミッションのギヤ比Ｇ０のときの爆発１次成分に対する燃焼エネルギーの割合（基準傾き）をＫνとする。図７および図８のように、内燃機関の回転速度とトランスミッションのギヤ比により爆発１次成分に対する燃焼エネルギーの割合が変化する。この傾き（爆発１次成分に対する燃焼エネルギーの割合）を上記の基準傾きＫνで割った値を補正係数とすることにした。内燃機関の回転速度Ｎ1，Ｎ2，…Ｎsおよびトランスミッションのギヤ比Ｇ1，Ｇ2，…Ｇtの組み合わせにより補正係数ａij（ｉ＝１…ｔ，ｊ＝１…１…ｓ）を求め、図９に示すような補正係数マップ４４をあらかじめ作成し、ＲＯＭ１５に記憶させる。なお、燃焼エネルギーの精度を向上させるためには、内燃機関の回転速度を細かく分割し、補正係数マップ４４でマップ化した方がよい。
【００３６】
補正手段４５では、補正係数マップ４４の燃焼エネルギーと爆発１次成分の傾きの補正係数に基づいて、爆発１次成分抽出手段４３で抽出した爆発１次成分を補正する。補正手段４５では、補正係数をａiν、爆発１次成分をＡとした場合、ａiν×Ａという計算を行う。
【００３７】
燃焼エネルギー算出手段４６では、補正手段４５で求められたａiν×Ａと上記の基準傾きＫνよりａiν×Ａ×Ｋνを計算する。このａiν×Ａ×Ｋνが内燃機関の回転速度とトランスミッションのギヤ比によって補正された燃焼エネルギーである。
【００３８】
以上のように、本発明の内燃機関の燃焼エネルギー算出装置は、正確に燃焼エネルギーを求めることができるので、この燃焼エネルギーから駆動トルクを容易に求めることができる。したがって、トルクベースで内燃機関を制御することが可能となる。
【００３９】
内燃機関のトルクの制御精度を向上させるためには、内燃機関の出力軸にトルクセンサを配置し、その計測結果に基づいて制御することが考えられる。しかし、トルクセンサは高コスト，取り付けスペースの観点からまだ量産化されていない。このことから、トルクセンサを用いずに、本発明のクランク軸の回転速度から駆動トルクを算出する手法が有効となる。
【００４０】
トルクベース内燃機関制御システムの構成を図１０を用いて説明する。トルクベース内燃機関制御システムのハードウェア構成は、従来内燃機関制御方式と同様であるが、制御方法が異なる。目標トルクと本発明の燃焼エネルギー算出装置より求めた算出トルクの偏差に応じてスロットル開度，点火時間，燃料量を制御する。
【００４１】
このように、本発明を用いる場合にはセンサを追加することなく、トルクベースで内燃機関を制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施例に係る内燃機関の構成概略を示す図。
【図２】気筒内圧とクランク軸の回転速度の関係を示す図。
【図３】内燃機関の燃焼室の体積と圧力の関係を示す図。
【図４】本発明の内燃機関の燃焼エネルギー算出装置の構成を示す図。
【図５】クランク軸の回転速度の時間変化を説明する図。
【図６】吸気圧を変えた場合のクランク軸回転速度の変化を説明する図。
【図７】内燃機関の回転速度を変えた場合の爆発１次成分と燃焼エネルギーの関係を示す図。
【図８】トランスミッションのギヤ比を変えた場合の爆発１次成分と燃焼エネルギーの関係を示す図。
【図９】本発明の補正係数マップを説明する図。
【図１０】本発明の内燃機関の燃焼エネルギー算出装置を用いた内燃機関の構成を示す図。
【符号の説明】
【００４３】
１ 気筒
２ ピストン
３ 吸気弁
４ スロットル
５ インジェクタ
６ 点火プラグ
７ クランク軸
８ 排気弁
９ ピストン上死点
１０ ピストン下死点
１１ コネクトロッド
１２ ＥＣＵ
１３ ＣＰＵ
１４ 入出力信号インターフェース
１５ ＲＯＭ
１６ ＲＡＭ
４０ 回転検出手段
４１ 回転速度算出手段
４２ ファイタ
４３ 爆発１次成分抽出手段
４４ 補正係数マップ
４５ 補正手段
４６ 燃焼エネルギー算出手段
６０ 目標トルク選択手段
６１ アクセル
６２ 自動変速機
６３ 車両制御
６４ トルク操作量演算手段
６５ 内燃機関
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランク軸が所定角度変化するのに要する時間からクランク軸の回転速度を算出する回転速度算出手段を備え、前記回転速度算出手段で求めたクランク軸の回転速度のＡＣ成分から燃焼エネルギーを算出する内燃機関の燃焼エネルギー算出装置において、
内燃機関の運転状況により燃焼エネルギーを補正する補正手段を備えたことを特徴とする内燃機関の燃焼エネルギー算出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関の燃焼エネルギー算出装置において、前記補正手段はトランスミッションのギヤ比および内燃機関の回転速度に応じて燃焼エネルギーを補正することを特徴とした内燃機関の燃焼エネルギー算出装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の内燃機関の燃焼エネルギー算出装置において、トランスミッションのギヤ比と内燃機関の回転速度に応じて燃焼エネルギーを補正する補正係数を備えた補正係数マップを有し、トランスミッションのギヤ比と内燃機関の回転速度に対応した補正係数を前記補正係数マップから選択し、燃焼エネルギーを補正することを特徴とした内燃機関の燃焼エネルギー算出装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関の燃焼エネルギー算出装置において、該内燃機関の各気筒の圧縮行程後半と爆発行程前半に対応するクランク軸回転速度の最大値と最小値の差から燃焼エネルギーを算出することを特徴とする内燃機関の燃焼エネルギー算出装置。
【請求項５】
アクセルペダルからの入力に応じてスロットル，インジェクタ，点火プラグの動作を制御し、出力を調整する内燃機関において、
クランク軸が所定角度変化するのに要する時間からクランク軸の回転速度を算出する回転速度算出手段と、前記回転速度算出手段で求めたクランク軸の回転速度のＡＣ成分から燃焼エネルギーを算出する燃焼エネルギー算出手段と、内燃機関の運転状況により燃焼エネルギーを補正する補正手段とを有し、前記燃焼エネルギー算出手段と前記補正手段とから求めた燃焼エネルギーより内燃機関の駆動トルクを算出し、この算出トルクとアクセルペダル入力の目標トルクの偏差からスロットル，インジェクタ，点火プラグを制御することを特徴とした内燃機関。
【請求項１】
クランク軸が所定角度変化するのに要する時間からクランク軸の回転速度を算出する回転速度算出手段を備え、前記回転速度算出手段で求めたクランク軸の回転速度のＡＣ成分から燃焼エネルギーを算出する内燃機関の燃焼エネルギー算出装置において、
内燃機関の運転状況により燃焼エネルギーを補正する補正手段を備えたことを特徴とする内燃機関の燃焼エネルギー算出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関の燃焼エネルギー算出装置において、前記補正手段はトランスミッションのギヤ比および内燃機関の回転速度に応じて燃焼エネルギーを補正することを特徴とした内燃機関の燃焼エネルギー算出装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の内燃機関の燃焼エネルギー算出装置において、トランスミッションのギヤ比と内燃機関の回転速度に応じて燃焼エネルギーを補正する補正係数を備えた補正係数マップを有し、トランスミッションのギヤ比と内燃機関の回転速度に対応した補正係数を前記補正係数マップから選択し、燃焼エネルギーを補正することを特徴とした内燃機関の燃焼エネルギー算出装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関の燃焼エネルギー算出装置において、該内燃機関の各気筒の圧縮行程後半と爆発行程前半に対応するクランク軸回転速度の最大値と最小値の差から燃焼エネルギーを算出することを特徴とする内燃機関の燃焼エネルギー算出装置。
【請求項５】
アクセルペダルからの入力に応じてスロットル，インジェクタ，点火プラグの動作を制御し、出力を調整する内燃機関において、
クランク軸が所定角度変化するのに要する時間からクランク軸の回転速度を算出する回転速度算出手段と、前記回転速度算出手段で求めたクランク軸の回転速度のＡＣ成分から燃焼エネルギーを算出する燃焼エネルギー算出手段と、内燃機関の運転状況により燃焼エネルギーを補正する補正手段とを有し、前記燃焼エネルギー算出手段と前記補正手段とから求めた燃焼エネルギーより内燃機関の駆動トルクを算出し、この算出トルクとアクセルペダル入力の目標トルクの偏差からスロットル，インジェクタ，点火プラグを制御することを特徴とした内燃機関。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−１６７９４９（Ｐ２００９−１６７９４９Ａ）
【公開日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−８６１５（Ｐ２００８−８６１５）
【出願日】平成２０年１月１８日（２００８．１．１８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月１８日（２００８．１．１８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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