内燃機関の筒内圧推定装置
【課題】この発明は、筒内圧センサの出力がレンジオーバーする場合であっても、最大筒内圧を推定することのできる内燃機関の筒内圧推定装置を提供することを目的とする。
【解決手段】筒内圧が最大レンジを超える直前の第１クランク角度と、その後、最大レンジを下回った直後の第２クランク角度とを取得する。第１クランク角度及びその直前のＰＶκ値をそれぞれ取得し、最大レンジを越える直前のＰＶκ値の第１変化率を算出する。第２クランク角度及びその直後のＰＶκ値をそれぞれ取得し、最大レンジを下回った直後のＰＶκ値の第２変化率を算出する。レンジオーバーが発生している第１クランク角度から第２クランク角度までのクランク角区間のＰＶκ値を第１変化率と第２変化率とに基づいて直線補間する。直線補間したＰＶκ値をＶκで除算して、このクランク角区間における筒内圧を算出する。
【解決手段】筒内圧が最大レンジを超える直前の第１クランク角度と、その後、最大レンジを下回った直後の第２クランク角度とを取得する。第１クランク角度及びその直前のＰＶκ値をそれぞれ取得し、最大レンジを越える直前のＰＶκ値の第１変化率を算出する。第２クランク角度及びその直後のＰＶκ値をそれぞれ取得し、最大レンジを下回った直後のＰＶκ値の第２変化率を算出する。レンジオーバーが発生している第１クランク角度から第２クランク角度までのクランク角区間のＰＶκ値を第１変化率と第２変化率とに基づいて直線補間する。直線補間したＰＶκ値をＶκで除算して、このクランク角区間における筒内圧を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の筒内圧推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に開示されるように、筒内圧センサを備えた内燃機関が知られている。また、本公報には、点火前の所定クランク角における筒内圧や、筒内圧の上昇率が所定値以上の場合に、プレイグニッションが発生したと判断する判断処理が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１１７３２５号公報
【特許文献２】特開２００８−０６９７１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
筒内圧センサにより得られる最大筒内圧及びそのクランク角度は、計測が容易かつ機関の制御に有益な情報が得られることから、重要なパラメータとなっている。例えば、機関の出力（トルク）推定やＭＢＴ点火時期制御（最大トルクが発生する点火時期に制御）に用いられる。
【０００５】
しかし、近年、過給エンジンにおいては、突発的なプレイグニッションにより最大筒内圧が数十ＭＰａに達するため、従来数ＭＰａであった最大レンジ（計測上限値）を大幅に上げる必要に迫られている。しかしながら、最大レンジを大幅に上げれば、検出精度（最小分解能）が悪化し、筒内圧センサを使用する他制御の精度に悪影響を与えるようになってしまう。また、プレイグニッションにより発生する過大筒内圧は定量化が難しく、最大レンジを設定したとしても、それを越える筒内圧が発生するおそれがある。
【０００６】
そこで、最大レンジを必要以上に上げないこととし、プレイグニッション等により筒内圧センサの出力がレンジオーバー（上限張り付き）する場合に、最大筒内圧を推定できる手法が必要となった。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、筒内圧センサの出力がレンジオーバーする場合であっても、最大筒内圧を精度高く推定することのできる内燃機関の筒内圧推定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の筒内圧推定装置であって、
設定された最大レンジ以下の筒内圧を検出可能な筒内圧センサと、
所定のクランク角間隔で前記筒内圧センサにより検出される筒内圧をＰ、その検出時の筒内容積をＶ、筒内のガスの比熱比をκとした場合における、クランク角度とＰＶκ値との関係を算出するＰＶκ波形算出手段と、
筒内圧が前記最大レンジを超えるレンジオーバーが発生したか否かを判定するレンジオーバー判定手段と、
前記レンジオーバーが発生した場合に、筒内圧が前記最大レンジを超える直前の第１クランク角度と、その後、前記最大レンジを下回った直後の第２クランク角度とを取得するクランク角度取得手段と、
前記関係から前記第１クランク角度及びその直前のＰＶκ値をそれぞれ取得し、前記最大レンジを越える直前のＰＶκ値の変化率（以下、第１変化率という。）を算出する手段と、
前記関係から前記第２クランク角度及びその直後のＰＶκ値をそれぞれ取得し、前記最大レンジを下回った直後のＰＶκ値の変化率（以下、第２変化率という。）を算出する手段と、
前記関係のうち、前記レンジオーバーが発生している前記第１クランク角度から前記第２クランク角度までのクランク角区間を、前記第１変化率と前記第２変化率とに基づいて直線補間するＰＶκ波形補間手段と、
直線補間したＰＶκ値をＶκで除算して、前記クランク角区間における筒内圧を算出する筒内圧算出手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明によれば、プレイグニッション等が生じた場合であってもクランク角とＰＶκ値との関係を表すＰＶκ波形の形状は、正常燃焼時に近い形状（ＰＶκ値そのものは異なる）となることに着目して、レンジオーバーが発生しているクランク角区間を直線補間する。この直線補間によりＰＶκ波形を精度高く補正できるため、レンジオーバーが発生しているクランク角区間においても最大筒内圧を精度高く推定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係るシステム構成を説明するための図である。
【図２】正常燃焼時の筒内圧波形（点火ＴＤＣ基準）を表す図である。
【図３】プレイグニッション等により、最大レンジを越える筒内圧が発生した場合の筒内圧波形（点火ＴＤＣ基準）を表す図である。
【図４】正常燃焼時における筒内圧波形とＰＶκ波形を示す図である。
【図５】プレイグニッション等によりレンジオーバー（上限張り付き）が生じた場合の筒内圧推定処理を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態１において、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１２】
実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
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図である。図１に示すシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、車両等に搭載され、その動力源とされる４サイクルエンジンである。図１に示す内燃機関１０は、直列４気筒型であるが、本発明では、気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではない。
【００１３】
内燃機関１０の各気筒には、燃料を筒内に直接噴射するインジェクタ１２が設けられている。なお、本発明は、このような筒内噴射式の内燃機関に限らず、吸気ポート内に燃料をポート噴射するポートインジェクタを備えたポート噴射式の内燃機関や、インジェクタ１２とポートインジェクタとを併用する内燃機関にも同様に適用可能である。また、内燃機関１０の各気筒には、筒内圧を検出するための筒内圧センサ１４や点火プラグ１５が設けられている。
【００１４】
内燃機関１０の各気筒には、吸気通路１６および排気通路１８が接続されている。吸気通路１６の下流端には、気筒内と吸気通路１６との間を開閉する吸気バルブ２０が設けられている。同様に、排気通路１８の上流端には、気筒内と排気通路１８との間を開閉する排気バルブ２２が設けられている。
【００１５】
内燃機関１０の各気筒から排出される排気ガスは、排気通路１８に流入する。内燃機関１０は、排気ガスのエネルギーによって過給を行うターボチャージャ２４を備えている。ターボチャージャ２４は、排気ガスのエネルギーによって回転するタービン２４ａと、このタービン２４ａに駆動されて回転するコンプレッサ２４ｂとを有している。タービン２４ａは、排気通路１８の途中に配置されており、コンプレッサ２４ｂは、吸気通路１６の途中に配置されている。
【００１６】
タービン２４ａの下流の排気通路１８には、排気ガス中の有害成分を浄化する触媒２６が設けられている。触媒２６としては、例えば、三元触媒を用いることができる。
【００１７】
吸気通路１６の入口付近には、エアクリーナ２８が設けられている。また、エアクリーナ２８の下流近傍には、吸入空気量を検出するエアフローメータ３０が設けられている。エアフローメータ４０の下流にはコンプレッサ２４ｂが設けられている。コンプレッサ２４ｂの下流には、インタークーラ３２が設けられている。
【００１８】
エアクリーナ２８を通って吸入された新気は、ターボチャージャ２４のコンプレッサ２４ｂで圧縮された後、インタークーラ３２で冷却される。インタークーラ３２の下流には、電子制御式のスロットルバルブ３４が設けられている。スロットルバルブ３４を通過した新気は、吸気通路１６下流部に形成されたサージタンク３６に流入される。サージタンク３６に流入された新気は、各気筒内に分配されて流入される。
【００１９】
本実施形態のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を更に備えている。ＥＣＵ５０の入力部には、上述した筒内圧センサ１４、エアフローメータ３０の他、クランク角度を検出するためのクランク角度センサ５２等の内燃機関１０の運転状態を検出するための各種センサが接続されている。ＥＣＵ５０は、各気筒の筒内圧センサ１４の出力を所定間隔でサンプリング、パラメータを算出する。ＥＣＵ５０は、クランク角度から、エンジン回転数や、ピストンの位置によって決まる筒内容積Ｖを算出する。
【００２０】
また、ＥＣＵ５０の出力部には、上述したインジェクタ１２、点火プラグ１５、スロットルバルブ３４等の内燃機関１０の運転状態を制御するための各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、上述した各種センサの出力に基づき、所定のプログラムに従って各種アクチュエータを作動させることにより、内燃機関１０の運転状態を制御する。
【００２１】
図２は、正常燃焼時の筒内圧波形（点火ＴＤＣ基準）を表す図である。筒内圧は筒内圧センサ１４のセンサ出力値に応じて算出される。正常燃焼時の最大筒内圧は数ＭＰａであるところ、筒内圧センサ１４の最大レンジはそれ以上に設定されているため、正常燃焼時における最大筒内圧及びそのクランク角度を測定することができる。なお、最大レンジは、検出精度（最小分解能）の悪化防止の観点から、異常燃焼時に発生する過大筒内圧を検出できる程高くは設定されていない。
【００２２】
図３は、プレイグニッション等により、最大レンジを越える筒内圧が発生した場合の筒内圧波形（点火ＴＤＣ基準）を表す図である。図３の縦軸は、図２と異なり数十ＭＰａである。上述のような過給エンジンにおいては、突発的なプレイグニッション等の発生により最大筒内圧が数十ＭＰａに達することがある。最大レンジを越える筒内圧が発生した場合には、センサ出力値が最大レンジに張り付くため、レンジオーバーが発生しているクランク角区間の筒内圧を直接測定することはできない。よって、このクランク角区間に生じる最大筒内圧を直接測定することはできない。そこで、本実施形態のシステムでは、センサ出力値がレンジオーバーする場合であっても、最大筒内圧を精度高く推定することとした。
【００２３】
［実施の形態１における特徴的構成］
本実施形態における筒内圧推定処理について図４〜図６を用いて説明する。図４は、正常燃焼時における筒内圧波形とＰＶκ波形を示す図である。図４（Ａ）は、正常燃焼時の点火ＴＤＣ付近におけるクランク角度と筒内圧との関係を示す筒内圧波形を表している。図４（Ｂ）は、筒内圧をＰ、その検出クランク角度における筒内容積をＶ、筒内のガスの比熱比κとした場合におけるクランク角度とＰＶκ値との関係を示すＰＶκ波形を表している。図４（Ｂ）に示すＰＶκ波形は、図４（Ａ）の筒内圧波形にＶκを乗じて算出される。ＰＶκ値は発熱量の指標として用いられ、熱発生量（発熱量）≒ＰＶκの関係を有する。
【００２４】
図５は、プレイグニッション等によりレンジオーバー（上限張り付き）が生じた場合における筒内圧推定処理を説明するための図である。図５（Ａ）は、点火ＴＤＣ付近の筒内圧波形を表している。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の筒内圧波形にＶκを乗じたＰＶκ波形を表している。図５（Ａ）に示すように、センサ出力値が最大レンジ（計測上限値）に張り付く上限張り付きが発生すると、そのクランク角区間ｂ−ｃにおける筒内圧を直接測定できなくなる。
【００２５】
しかしながら、プレイグニッションが生じた場合であっても、ＰＶκ波形の形状は、正常燃焼時に近い形状（図４（Ｂ）、ただしＰＶκ値そのものは異なる。）となることが分かった。そこで、本実施形態のシステムでは、ＰＶκ波形のクランク角区間ｂ−ｃを、その区間前後のＰＶκ値の変化率を用いて直線補間することとする（図５（Ｂ））。
【００２６】
この直線補間について具体的に説明する。まず、筒内圧が最大レンジを超える直前に筒内圧を検出したクランク角度ｂと、その後、最大レンジを下回った直後に筒内圧を検出したクランク角度ｃとを取得する（図５（Ａ））。そして、クランク角度ｂとその直前に筒内圧を検出したクランク角度ａとにおけるＰＶκ値をそれぞれ取得する。この２点におけるクランク角とＰＶκ値とから、最大レンジを越える直前のＰＶκ値の変化率を傾きとする２点を通る直線６０を算出する（図５（Ｂ））。
【００２７】
同様に、クランク角度ｃとその直後に筒内圧を検出したクランク角度ｄとにおけるＰＶκ値をそれぞれ取得する。この２点におけるクランク角とＰＶκ値とから、最大レンジを下回った直後のＰＶκ値の変化率を傾きとする２点を通る直線６２を算出する（図５（Ｂ））。そして、図５（Ｂ）に示すように、直線６０と直線６２とでＰＶκ波形のクランク角区間ｂ−ｃを直線補間する。
【００２８】
そして、直線補間したクランク角区間ｂ−ｃのＰＶκ値をＶκで除算することにより、図５（Ｃ）に示すようなクランク角区間ｂ−ｃにおける筒内圧波形を得ることができる。このような手法によれば、レンジオーバーが発生したクランク角区間ｂ−ｃにおいて生じる最大筒内圧を推定することが可能となる。
【００２９】
図６は、上述の筒内圧推定処理を実現するために、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。図６に示すルーチンでは、まず、ステップＳ１００において、筒内圧センサ１４のセンサ出力値が所定クランク角毎（例えば数度毎）に検出され、センサ出力値に応じた筒内圧が算出される。少なくとも点火ＴＤＣ付近のセンサ出力値が含まれる。
【００３０】
ステップＳ１１０において、レンジオーバーが発生したか否かが判定される。例えば、センサ出力値が最大レンジに達しているクランク角区間がある場合には、レンジオーバーが発生したと判定する。レンジオーバーが発生していないと判定された場合には、本ルーチンの処理が終了される。
【００３１】
一方、レンジオーバーが発生したと判定された場合には、ステップＳ１２０において、レンジオーバー前後のクランク角度を取得する。具体的には、センサ出力値が前記最大レンジを超える直前の第１クランク角度と、その後、前記最大レンジを下回った直後の第２クランク角度とを取得する。具体的には、第１クランク角度は、図５（Ａ）のクランク角度ｂであり、第２クランク角度は、図５（Ａ）のクランク角度ｃである。
【００３２】
ステップＳ１３０において、ステップＳ１００において所定クランク角度毎に検出した筒内圧から、検出クランク角毎のＰＶκ値が算出される。クランク角度とＰＶκ値とは、図５（Ｂ）のＰＶκ波形で表されるような関係を有する。ここで、図５（Ｂ）のクランク角区間ｂ−ｃにおけるＰＶκ値は、センサ出力値の上限張り付きが発生しているため正確ではない（図５（Ｂ）の線５８）。一方、クランク角区間ｂ−ｃ以外の区間におけるＰＶκ値は正確である。
【００３３】
ステップＳ１４０において、最大レンジを超える直前のＰＶκ値の変化率（傾き）を算出する。具体的には、まず、第１クランク角度（図５（Ｂ）のクランク角度ｂ）とその直前に筒内圧を検出したクランク角度（図５（Ｂ）のクランク角度ａ）とにおけるＰＶκ値をそれぞれ取得する。この２点におけるクランク角度とＰＶκ値とに基づいて、ＰＶκ値の変化率を傾きとし、この２点を通る直線（図５（Ｂ）の直線６０）を算出する。
【００３４】
ステップＳ１５０において、最大レンジを下回った直後のＰＶκ値の変化率（傾き）を算出する。具体的には、まず、第２クランク角度（図５（Ｂ）のクランク角度ｃ）とその直後に筒内圧を検出したクランク角度（図５（Ｂ）のクランク角度ｄ）とにおけるＰＶκ値をそれぞれ取得する。この２点におけるクランク角度とＰＶκ値とに基づいて、ＰＶκ値の変化率を傾きとし、この２点を通る直線（図５（Ｂ）の直線６２）を算出する。
【００３５】
ステップＳ１６０において、レンジオーバー前後の傾きを有する２直線により、センサ出力の上限張り付きが生じたクランク角区間のＰＶκ波形を直線補間する。具体的には、図５（Ｂ）に示すように、直線６０、６２により、上限張り付きが生じたクランク角区間を直線補間する。
【００３６】
ステップＳ１７０において、直線補間により補正されたＰＶκ値をＶκで除算して、上限張り付きが生じたクランク角区間における筒内圧を算出する。ステップＳ１８０において、当該クランク角区間における最大筒内圧及びそのクランク角を算出する。その後、本ルーチンの処理が終了される。
【００３７】
以上説明したように、図６に示すルーチンによれば、上限張り付きが生じるクランク角区間のＰＶκ波形を直線補間することができる。この直線補間によりＰＶκ波形を精度高く補間できるため、レンジオーバーが発生した場合であっても、最大筒内圧を精度高く算出することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、最大レンジを必要以上に高くせず検出精度を維持したまま、プレイグニッションが生じた場合であっても、精度高く最大筒内圧及びそのクランク角度を推定することができる。そのため、筒内圧センサ出力を用いる各種制御を好適に実現することができ、内燃機関やセンサの耐久性の確保や、燃費やエミッションの向上を図ることができる。
【００３８】
尚、上述した実施の形態１においては、筒内圧センサ１４が前記第１の発明における「筒内圧センサ」に相当している。また、ここでは、ＥＣＵ５０が、上記ステップＳ１１０の処理を実行することにより前記第１の発明における「レンジオーバー判定手段」が、上記ステップＳ１２０の処理を実行することにより前記第１の発明における「クランク角度取得手段」が、上記ステップＳ１３０の処理を実行することにより前記第１の発明における「ＰＶκ波形算出手段」が、上記ステップＳ１４０の処理を実行することにより前記第１の発明における「第１変化率を算出する手段」が、上記ステップＳ１５０の処理を実行することにより前記第１の発明における「第２変化率を算出する手段」が、上記ステップＳ１６０の処理を実行することにより前記第１の発明における「ＰＶκ波形算出手段」が、上記ステップＳ１７０の処理を実行することにより前記第１の発明における「筒内圧算出手段」が、それぞれ実現されている。
【符号の説明】
【００３９】
１０ 内燃機関
１２ インジェクタ
１４ 筒内圧センサ
１５ 点火プラグ
１６ 吸気通路
１８ 排気通路
２０ 吸気バルブ
２２ 排気バルブ
２４ ターボチャージャ
２４ａ タービン
２４ｂ コンプレッサ
２６ 触媒
３０ エアフローメータ
３４ スロットルバルブ
３６ サージタンク
４０ エアフローメータ
５２ クランク角度センサ
ａ、ｂ、ｃ、ｄ クランク角度
Ｐ 筒内圧
Ｖ 筒内容積
κ 比熱比
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の筒内圧推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に開示されるように、筒内圧センサを備えた内燃機関が知られている。また、本公報には、点火前の所定クランク角における筒内圧や、筒内圧の上昇率が所定値以上の場合に、プレイグニッションが発生したと判断する判断処理が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１１７３２５号公報
【特許文献２】特開２００８−０６９７１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
筒内圧センサにより得られる最大筒内圧及びそのクランク角度は、計測が容易かつ機関の制御に有益な情報が得られることから、重要なパラメータとなっている。例えば、機関の出力（トルク）推定やＭＢＴ点火時期制御（最大トルクが発生する点火時期に制御）に用いられる。
【０００５】
しかし、近年、過給エンジンにおいては、突発的なプレイグニッションにより最大筒内圧が数十ＭＰａに達するため、従来数ＭＰａであった最大レンジ（計測上限値）を大幅に上げる必要に迫られている。しかしながら、最大レンジを大幅に上げれば、検出精度（最小分解能）が悪化し、筒内圧センサを使用する他制御の精度に悪影響を与えるようになってしまう。また、プレイグニッションにより発生する過大筒内圧は定量化が難しく、最大レンジを設定したとしても、それを越える筒内圧が発生するおそれがある。
【０００６】
そこで、最大レンジを必要以上に上げないこととし、プレイグニッション等により筒内圧センサの出力がレンジオーバー（上限張り付き）する場合に、最大筒内圧を推定できる手法が必要となった。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、筒内圧センサの出力がレンジオーバーする場合であっても、最大筒内圧を精度高く推定することのできる内燃機関の筒内圧推定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の筒内圧推定装置であって、
設定された最大レンジ以下の筒内圧を検出可能な筒内圧センサと、
所定のクランク角間隔で前記筒内圧センサにより検出される筒内圧をＰ、その検出時の筒内容積をＶ、筒内のガスの比熱比をκとした場合における、クランク角度とＰＶκ値との関係を算出するＰＶκ波形算出手段と、
筒内圧が前記最大レンジを超えるレンジオーバーが発生したか否かを判定するレンジオーバー判定手段と、
前記レンジオーバーが発生した場合に、筒内圧が前記最大レンジを超える直前の第１クランク角度と、その後、前記最大レンジを下回った直後の第２クランク角度とを取得するクランク角度取得手段と、
前記関係から前記第１クランク角度及びその直前のＰＶκ値をそれぞれ取得し、前記最大レンジを越える直前のＰＶκ値の変化率（以下、第１変化率という。）を算出する手段と、
前記関係から前記第２クランク角度及びその直後のＰＶκ値をそれぞれ取得し、前記最大レンジを下回った直後のＰＶκ値の変化率（以下、第２変化率という。）を算出する手段と、
前記関係のうち、前記レンジオーバーが発生している前記第１クランク角度から前記第２クランク角度までのクランク角区間を、前記第１変化率と前記第２変化率とに基づいて直線補間するＰＶκ波形補間手段と、
直線補間したＰＶκ値をＶκで除算して、前記クランク角区間における筒内圧を算出する筒内圧算出手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明によれば、プレイグニッション等が生じた場合であってもクランク角とＰＶκ値との関係を表すＰＶκ波形の形状は、正常燃焼時に近い形状（ＰＶκ値そのものは異なる）となることに着目して、レンジオーバーが発生しているクランク角区間を直線補間する。この直線補間によりＰＶκ波形を精度高く補正できるため、レンジオーバーが発生しているクランク角区間においても最大筒内圧を精度高く推定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係るシステム構成を説明するための図である。
【図２】正常燃焼時の筒内圧波形（点火ＴＤＣ基準）を表す図である。
【図３】プレイグニッション等により、最大レンジを越える筒内圧が発生した場合の筒内圧波形（点火ＴＤＣ基準）を表す図である。
【図４】正常燃焼時における筒内圧波形とＰＶκ波形を示す図である。
【図５】プレイグニッション等によりレンジオーバー（上限張り付き）が生じた場合の筒内圧推定処理を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態１において、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１２】
実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
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図である。図１に示すシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、車両等に搭載され、その動力源とされる４サイクルエンジンである。図１に示す内燃機関１０は、直列４気筒型であるが、本発明では、気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではない。
【００１３】
内燃機関１０の各気筒には、燃料を筒内に直接噴射するインジェクタ１２が設けられている。なお、本発明は、このような筒内噴射式の内燃機関に限らず、吸気ポート内に燃料をポート噴射するポートインジェクタを備えたポート噴射式の内燃機関や、インジェクタ１２とポートインジェクタとを併用する内燃機関にも同様に適用可能である。また、内燃機関１０の各気筒には、筒内圧を検出するための筒内圧センサ１４や点火プラグ１５が設けられている。
【００１４】
内燃機関１０の各気筒には、吸気通路１６および排気通路１８が接続されている。吸気通路１６の下流端には、気筒内と吸気通路１６との間を開閉する吸気バルブ２０が設けられている。同様に、排気通路１８の上流端には、気筒内と排気通路１８との間を開閉する排気バルブ２２が設けられている。
【００１５】
内燃機関１０の各気筒から排出される排気ガスは、排気通路１８に流入する。内燃機関１０は、排気ガスのエネルギーによって過給を行うターボチャージャ２４を備えている。ターボチャージャ２４は、排気ガスのエネルギーによって回転するタービン２４ａと、このタービン２４ａに駆動されて回転するコンプレッサ２４ｂとを有している。タービン２４ａは、排気通路１８の途中に配置されており、コンプレッサ２４ｂは、吸気通路１６の途中に配置されている。
【００１６】
タービン２４ａの下流の排気通路１８には、排気ガス中の有害成分を浄化する触媒２６が設けられている。触媒２６としては、例えば、三元触媒を用いることができる。
【００１７】
吸気通路１６の入口付近には、エアクリーナ２８が設けられている。また、エアクリーナ２８の下流近傍には、吸入空気量を検出するエアフローメータ３０が設けられている。エアフローメータ４０の下流にはコンプレッサ２４ｂが設けられている。コンプレッサ２４ｂの下流には、インタークーラ３２が設けられている。
【００１８】
エアクリーナ２８を通って吸入された新気は、ターボチャージャ２４のコンプレッサ２４ｂで圧縮された後、インタークーラ３２で冷却される。インタークーラ３２の下流には、電子制御式のスロットルバルブ３４が設けられている。スロットルバルブ３４を通過した新気は、吸気通路１６下流部に形成されたサージタンク３６に流入される。サージタンク３６に流入された新気は、各気筒内に分配されて流入される。
【００１９】
本実施形態のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を更に備えている。ＥＣＵ５０の入力部には、上述した筒内圧センサ１４、エアフローメータ３０の他、クランク角度を検出するためのクランク角度センサ５２等の内燃機関１０の運転状態を検出するための各種センサが接続されている。ＥＣＵ５０は、各気筒の筒内圧センサ１４の出力を所定間隔でサンプリング、パラメータを算出する。ＥＣＵ５０は、クランク角度から、エンジン回転数や、ピストンの位置によって決まる筒内容積Ｖを算出する。
【００２０】
また、ＥＣＵ５０の出力部には、上述したインジェクタ１２、点火プラグ１５、スロットルバルブ３４等の内燃機関１０の運転状態を制御するための各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、上述した各種センサの出力に基づき、所定のプログラムに従って各種アクチュエータを作動させることにより、内燃機関１０の運転状態を制御する。
【００２１】
図２は、正常燃焼時の筒内圧波形（点火ＴＤＣ基準）を表す図である。筒内圧は筒内圧センサ１４のセンサ出力値に応じて算出される。正常燃焼時の最大筒内圧は数ＭＰａであるところ、筒内圧センサ１４の最大レンジはそれ以上に設定されているため、正常燃焼時における最大筒内圧及びそのクランク角度を測定することができる。なお、最大レンジは、検出精度（最小分解能）の悪化防止の観点から、異常燃焼時に発生する過大筒内圧を検出できる程高くは設定されていない。
【００２２】
図３は、プレイグニッション等により、最大レンジを越える筒内圧が発生した場合の筒内圧波形（点火ＴＤＣ基準）を表す図である。図３の縦軸は、図２と異なり数十ＭＰａである。上述のような過給エンジンにおいては、突発的なプレイグニッション等の発生により最大筒内圧が数十ＭＰａに達することがある。最大レンジを越える筒内圧が発生した場合には、センサ出力値が最大レンジに張り付くため、レンジオーバーが発生しているクランク角区間の筒内圧を直接測定することはできない。よって、このクランク角区間に生じる最大筒内圧を直接測定することはできない。そこで、本実施形態のシステムでは、センサ出力値がレンジオーバーする場合であっても、最大筒内圧を精度高く推定することとした。
【００２３】
［実施の形態１における特徴的構成］
本実施形態における筒内圧推定処理について図４〜図６を用いて説明する。図４は、正常燃焼時における筒内圧波形とＰＶκ波形を示す図である。図４（Ａ）は、正常燃焼時の点火ＴＤＣ付近におけるクランク角度と筒内圧との関係を示す筒内圧波形を表している。図４（Ｂ）は、筒内圧をＰ、その検出クランク角度における筒内容積をＶ、筒内のガスの比熱比κとした場合におけるクランク角度とＰＶκ値との関係を示すＰＶκ波形を表している。図４（Ｂ）に示すＰＶκ波形は、図４（Ａ）の筒内圧波形にＶκを乗じて算出される。ＰＶκ値は発熱量の指標として用いられ、熱発生量（発熱量）≒ＰＶκの関係を有する。
【００２４】
図５は、プレイグニッション等によりレンジオーバー（上限張り付き）が生じた場合における筒内圧推定処理を説明するための図である。図５（Ａ）は、点火ＴＤＣ付近の筒内圧波形を表している。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の筒内圧波形にＶκを乗じたＰＶκ波形を表している。図５（Ａ）に示すように、センサ出力値が最大レンジ（計測上限値）に張り付く上限張り付きが発生すると、そのクランク角区間ｂ−ｃにおける筒内圧を直接測定できなくなる。
【００２５】
しかしながら、プレイグニッションが生じた場合であっても、ＰＶκ波形の形状は、正常燃焼時に近い形状（図４（Ｂ）、ただしＰＶκ値そのものは異なる。）となることが分かった。そこで、本実施形態のシステムでは、ＰＶκ波形のクランク角区間ｂ−ｃを、その区間前後のＰＶκ値の変化率を用いて直線補間することとする（図５（Ｂ））。
【００２６】
この直線補間について具体的に説明する。まず、筒内圧が最大レンジを超える直前に筒内圧を検出したクランク角度ｂと、その後、最大レンジを下回った直後に筒内圧を検出したクランク角度ｃとを取得する（図５（Ａ））。そして、クランク角度ｂとその直前に筒内圧を検出したクランク角度ａとにおけるＰＶκ値をそれぞれ取得する。この２点におけるクランク角とＰＶκ値とから、最大レンジを越える直前のＰＶκ値の変化率を傾きとする２点を通る直線６０を算出する（図５（Ｂ））。
【００２７】
同様に、クランク角度ｃとその直後に筒内圧を検出したクランク角度ｄとにおけるＰＶκ値をそれぞれ取得する。この２点におけるクランク角とＰＶκ値とから、最大レンジを下回った直後のＰＶκ値の変化率を傾きとする２点を通る直線６２を算出する（図５（Ｂ））。そして、図５（Ｂ）に示すように、直線６０と直線６２とでＰＶκ波形のクランク角区間ｂ−ｃを直線補間する。
【００２８】
そして、直線補間したクランク角区間ｂ−ｃのＰＶκ値をＶκで除算することにより、図５（Ｃ）に示すようなクランク角区間ｂ−ｃにおける筒内圧波形を得ることができる。このような手法によれば、レンジオーバーが発生したクランク角区間ｂ−ｃにおいて生じる最大筒内圧を推定することが可能となる。
【００２９】
図６は、上述の筒内圧推定処理を実現するために、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。図６に示すルーチンでは、まず、ステップＳ１００において、筒内圧センサ１４のセンサ出力値が所定クランク角毎（例えば数度毎）に検出され、センサ出力値に応じた筒内圧が算出される。少なくとも点火ＴＤＣ付近のセンサ出力値が含まれる。
【００３０】
ステップＳ１１０において、レンジオーバーが発生したか否かが判定される。例えば、センサ出力値が最大レンジに達しているクランク角区間がある場合には、レンジオーバーが発生したと判定する。レンジオーバーが発生していないと判定された場合には、本ルーチンの処理が終了される。
【００３１】
一方、レンジオーバーが発生したと判定された場合には、ステップＳ１２０において、レンジオーバー前後のクランク角度を取得する。具体的には、センサ出力値が前記最大レンジを超える直前の第１クランク角度と、その後、前記最大レンジを下回った直後の第２クランク角度とを取得する。具体的には、第１クランク角度は、図５（Ａ）のクランク角度ｂであり、第２クランク角度は、図５（Ａ）のクランク角度ｃである。
【００３２】
ステップＳ１３０において、ステップＳ１００において所定クランク角度毎に検出した筒内圧から、検出クランク角毎のＰＶκ値が算出される。クランク角度とＰＶκ値とは、図５（Ｂ）のＰＶκ波形で表されるような関係を有する。ここで、図５（Ｂ）のクランク角区間ｂ−ｃにおけるＰＶκ値は、センサ出力値の上限張り付きが発生しているため正確ではない（図５（Ｂ）の線５８）。一方、クランク角区間ｂ−ｃ以外の区間におけるＰＶκ値は正確である。
【００３３】
ステップＳ１４０において、最大レンジを超える直前のＰＶκ値の変化率（傾き）を算出する。具体的には、まず、第１クランク角度（図５（Ｂ）のクランク角度ｂ）とその直前に筒内圧を検出したクランク角度（図５（Ｂ）のクランク角度ａ）とにおけるＰＶκ値をそれぞれ取得する。この２点におけるクランク角度とＰＶκ値とに基づいて、ＰＶκ値の変化率を傾きとし、この２点を通る直線（図５（Ｂ）の直線６０）を算出する。
【００３４】
ステップＳ１５０において、最大レンジを下回った直後のＰＶκ値の変化率（傾き）を算出する。具体的には、まず、第２クランク角度（図５（Ｂ）のクランク角度ｃ）とその直後に筒内圧を検出したクランク角度（図５（Ｂ）のクランク角度ｄ）とにおけるＰＶκ値をそれぞれ取得する。この２点におけるクランク角度とＰＶκ値とに基づいて、ＰＶκ値の変化率を傾きとし、この２点を通る直線（図５（Ｂ）の直線６２）を算出する。
【００３５】
ステップＳ１６０において、レンジオーバー前後の傾きを有する２直線により、センサ出力の上限張り付きが生じたクランク角区間のＰＶκ波形を直線補間する。具体的には、図５（Ｂ）に示すように、直線６０、６２により、上限張り付きが生じたクランク角区間を直線補間する。
【００３６】
ステップＳ１７０において、直線補間により補正されたＰＶκ値をＶκで除算して、上限張り付きが生じたクランク角区間における筒内圧を算出する。ステップＳ１８０において、当該クランク角区間における最大筒内圧及びそのクランク角を算出する。その後、本ルーチンの処理が終了される。
【００３７】
以上説明したように、図６に示すルーチンによれば、上限張り付きが生じるクランク角区間のＰＶκ波形を直線補間することができる。この直線補間によりＰＶκ波形を精度高く補間できるため、レンジオーバーが発生した場合であっても、最大筒内圧を精度高く算出することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、最大レンジを必要以上に高くせず検出精度を維持したまま、プレイグニッションが生じた場合であっても、精度高く最大筒内圧及びそのクランク角度を推定することができる。そのため、筒内圧センサ出力を用いる各種制御を好適に実現することができ、内燃機関やセンサの耐久性の確保や、燃費やエミッションの向上を図ることができる。
【００３８】
尚、上述した実施の形態１においては、筒内圧センサ１４が前記第１の発明における「筒内圧センサ」に相当している。また、ここでは、ＥＣＵ５０が、上記ステップＳ１１０の処理を実行することにより前記第１の発明における「レンジオーバー判定手段」が、上記ステップＳ１２０の処理を実行することにより前記第１の発明における「クランク角度取得手段」が、上記ステップＳ１３０の処理を実行することにより前記第１の発明における「ＰＶκ波形算出手段」が、上記ステップＳ１４０の処理を実行することにより前記第１の発明における「第１変化率を算出する手段」が、上記ステップＳ１５０の処理を実行することにより前記第１の発明における「第２変化率を算出する手段」が、上記ステップＳ１６０の処理を実行することにより前記第１の発明における「ＰＶκ波形算出手段」が、上記ステップＳ１７０の処理を実行することにより前記第１の発明における「筒内圧算出手段」が、それぞれ実現されている。
【符号の説明】
【００３９】
１０ 内燃機関
１２ インジェクタ
１４ 筒内圧センサ
１５ 点火プラグ
１６ 吸気通路
１８ 排気通路
２０ 吸気バルブ
２２ 排気バルブ
２４ ターボチャージャ
２４ａ タービン
２４ｂ コンプレッサ
２６ 触媒
３０ エアフローメータ
３４ スロットルバルブ
３６ サージタンク
４０ エアフローメータ
５２ クランク角度センサ
ａ、ｂ、ｃ、ｄ クランク角度
Ｐ 筒内圧
Ｖ 筒内容積
κ 比熱比
【特許請求の範囲】
【請求項１】
設定された最大レンジ以下の筒内圧を検出可能な筒内圧センサと、
所定のクランク角間隔で前記筒内圧センサにより検出される筒内圧をＰ、その検出時の筒内容積をＶ、筒内のガスの比熱比をκとした場合における、クランク角度とＰＶκ値との関係を算出するＰＶκ波形算出手段と、
筒内圧が前記最大レンジを超えるレンジオーバーが発生したか否かを判定するレンジオーバー判定手段と、
前記レンジオーバーが発生した場合に、筒内圧が前記最大レンジを超える直前の第１クランク角度と、その後、前記最大レンジを下回った直後の第２クランク角度とを取得するクランク角度取得手段と、
前記関係から前記第１クランク角度及びその直前のＰＶκ値をそれぞれ取得し、前記最大レンジを越える直前のＰＶκ値の変化率（以下、第１変化率という。）を算出する手段と、
前記関係から前記第２クランク角度及びその直後のＰＶκ値をそれぞれ取得し、前記最大レンジを下回った直後のＰＶκ値の変化率（以下、第２変化率という。）を算出する手段と、
前記関係のうち、前記レンジオーバーが発生している前記第１クランク角度から前記第２クランク角度までのクランク角区間を、前記第１変化率と前記第２変化率とに基づいて直線補間するＰＶκ波形補間手段と、
直線補間したＰＶκ値をＶκで除算して、前記クランク角区間における筒内圧を算出する筒内圧算出手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の筒内圧推定装置。
【請求項１】
設定された最大レンジ以下の筒内圧を検出可能な筒内圧センサと、
所定のクランク角間隔で前記筒内圧センサにより検出される筒内圧をＰ、その検出時の筒内容積をＶ、筒内のガスの比熱比をκとした場合における、クランク角度とＰＶκ値との関係を算出するＰＶκ波形算出手段と、
筒内圧が前記最大レンジを超えるレンジオーバーが発生したか否かを判定するレンジオーバー判定手段と、
前記レンジオーバーが発生した場合に、筒内圧が前記最大レンジを超える直前の第１クランク角度と、その後、前記最大レンジを下回った直後の第２クランク角度とを取得するクランク角度取得手段と、
前記関係から前記第１クランク角度及びその直前のＰＶκ値をそれぞれ取得し、前記最大レンジを越える直前のＰＶκ値の変化率（以下、第１変化率という。）を算出する手段と、
前記関係から前記第２クランク角度及びその直後のＰＶκ値をそれぞれ取得し、前記最大レンジを下回った直後のＰＶκ値の変化率（以下、第２変化率という。）を算出する手段と、
前記関係のうち、前記レンジオーバーが発生している前記第１クランク角度から前記第２クランク角度までのクランク角区間を、前記第１変化率と前記第２変化率とに基づいて直線補間するＰＶκ波形補間手段と、
直線補間したＰＶκ値をＶκで除算して、前記クランク角区間における筒内圧を算出する筒内圧算出手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の筒内圧推定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−７９６１０（Ｐ２０１３−７９６１０Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２０３６４（Ｐ２０１１−２２０３６４）
【出願日】平成２３年１０月４日（２０１１．１０．４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月４日（２０１１．１０．４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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