筒内圧推定装置
【課題】筒内圧センサでは検出が困難な筒内圧の値を推定することができる筒内圧推定装置を提供する。
【解決手段】ＥＣＵ６０は、エンジン１０の膨張行程における筒内圧であるＰθと、当該筒内圧の時の筒内容積であるＶθと、ピストン上死点の筒内容積であるＶＴＤＣと、比熱比であるκと、κ＝（ｌｏｇＰθ−ｌｏｇＰ０）／（ｌｏｇＶθ−ｌｏｇＶＴＤＣ）で定まる関係と、に基づいて基準筒内圧であるＰ０を算出する。ＥＣＵ６０は、エンジン１０のピーク筒内圧に応じたクランク角であるピーククランク角を取得する。ＥＣＵ６０は、算出したＰ０と、取得したピーククランク角が上死点から離れるほど小さな値となるように定めた補正係数αと、に基づいて筒内圧の推定値を求める。
【解決手段】ＥＣＵ６０は、エンジン１０の膨張行程における筒内圧であるＰθと、当該筒内圧の時の筒内容積であるＶθと、ピストン上死点の筒内容積であるＶＴＤＣと、比熱比であるκと、κ＝（ｌｏｇＰθ−ｌｏｇＰ０）／（ｌｏｇＶθ−ｌｏｇＶＴＤＣ）で定まる関係と、に基づいて基準筒内圧であるＰ０を算出する。ＥＣＵ６０は、エンジン１０のピーク筒内圧に応じたクランク角であるピーククランク角を取得する。ＥＣＵ６０は、算出したＰ０と、取得したピーククランク角が上死点から離れるほど小さな値となるように定めた補正係数αと、に基づいて筒内圧の推定値を求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内圧推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特開２０１０−１３３３６７号公報に開示されているように、筒内圧センサの出力に基づいて筒内圧を検出し、この検出した筒内圧の値を内燃機関の制御に反映させる技術が知られている。具体的には、当該公報にかかる内燃機関では、直噴エンジンにおいて、筒内圧センサの出力に基づいて燃料噴射時期を変更することにより、プレイグニッションの抑制を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１３３３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
理想的には、通常燃焼時の筒内圧検出を含めたあらゆる場面での筒内圧検出が可能な筒内圧センサシステムを備えることが望ましい。内燃機関では通常燃焼以外にも異常燃焼が発生する場合があり、この異常燃焼では過大な筒内圧が発生してしまう。このような異常燃焼時のストレスはエンジンに大きな負荷をかけるものであるため、異常時の筒内圧についてもその最大筒内圧Ｐｍａｘの大きさを精度よく把握したい。
【０００５】
しかしながら、一般的には、筒内圧センサの設計上の都合等から、筒内圧センサの検出可能範囲（出力検出幅）は、通常燃焼に十分に対処できる程度のある一定の有限な範囲に設定される。異常燃焼における筒内圧に十分に対処可能な出力検出幅が確保されていない場合も想定され、この場合には筒内圧センサが異常燃焼時の過大な筒内圧を正確に検出することはできない。筒内圧が筒内圧センサの出力検出幅を超えた場合に筒内圧の値をどのように求めるかについての技術開発が未だ十分になされていないという実情があった。
【０００６】
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、筒内圧センサでは検出が困難な筒内圧の値を推定することができる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】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、筒内圧推定装置であって、
内燃機関に取り付けられた筒内圧センサ素子と、
前記内燃機関の膨張行程における筒内圧であるＰθと、当該Ｐθの時の筒内容積であるＶθと、ピストン上死点の筒内容積であるＶＴＤＣと、比熱比であるκと、κ＝（ｌｏｇＰθ−ｌｏｇＰ０）／（ｌｏｇＶθ−ｌｏｇＶＴＤＣ）で定まる関係と、に基づいて基準筒内圧であるＰ０を算出する算出部と、
前記内燃機関のピーク筒内圧に応じたクランク角であるピーククランク角を取得する取得部と、
前記算出部で算出したＰ０と前記取得部で取得したピーククランク角とに基づいて筒内圧の推定値を求める推定部と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、
前記推定部は、
前記取得部で取得したピーククランク角と前記算出部で算出したＰｏとの積を含む演算により、ピーク筒内圧の推定値を求めることを特徴とする。
【０００９】
第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記取得部は、
筒内圧の増大の途中において、前記筒内圧センサ素子の出力に基づく筒内圧が所定値となったときのクランク角を求める第１クランク角取得部と、
筒内圧の前記増大の後に前記筒内圧センサ素子の出力が平坦となった点のクランク角を求める第２クランク角取得部と、
前記筒内圧センサ素子の出力が平坦となった後に、前記筒内圧センサ素子の出力に基づく筒内圧が減少を開始したときのクランク角を求める第３クランク角取得部と、
前記筒内圧センサ素子の出力に基づく筒内圧が前記減少を開始した後に、前記筒内圧センサ素子の出力に基づく筒内圧が前記所定値となったときのクランク角を求める第４クランク角取得部と、
前記第１クランク角取得部で取得したクランク角と、前記第２クランク角取得部で取得したクランク角と、前記第３クランク角取得部で取得したクランク角と、前記第４クランク角取得部で取得したクランク角と、に基づいて、前記ピーククランク角を算出するピーククランク角算出部と、
を含むことを特徴とする。
【００１０】
第４の発明は、第１または第２の発明において、
前記取得部は、
筒内圧の増大中に、所定筒内圧から前記筒内圧センサ素子の出力が平坦となる前の区間における、前記筒内圧センサ素子の出力を取得する第１出力取得部と、
前記筒内圧センサ素子の出力が平坦となった状態から前記筒内圧センサ素子の出力が減少を開始した後、前記所定筒内圧となるまでの区間の、前記筒内圧センサ素子の出力を取得する第２出力取得部と、
前記第１出力取得部で取得した出力と前記第２出力取得部で取得した出力とに基づいて前記ピーククランク角を算出する算出部と、
を含むことを特徴とする。
【００１１】
第５の発明は、上記の目的を達成するため、筒内圧推定装置であって、
内燃機関の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
前記内燃機関の膨張行程における筒内圧と当該筒内圧の時の筒内容積とに基づいて、ＰＶ線図上における理想最大筒内圧を算出する算出手段と、
前記内燃機関のピーク筒内圧に応じたクランク角であるピーククランク角を取得する取得手段と、
前記算出手段で算出した前記理想最大筒内圧に対して、前記取得手段で取得したピーククランク角が上死点から離れるほど筒内圧を相対的に低く推定するように、筒内圧の推定値を算出する推定手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
第１の発明によれば、対数ＰＶ線図上における膨張行程での筒内圧と筒内容積の関係と、ピーククランク角と、を利用した演算により、筒内圧センサ素子が感知できない圧力域の筒内圧値を推定することができる。
【００１３】
第２の発明によれば、基準筒内圧ピーククランク角との積を用いることによりピーク筒内圧の推定計算を簡素化することができる。
【００１４】
第３の発明によれば、筒内圧センサ素子の出力が出力検出幅を超えて平坦となった場合に、平坦となる前後の出力とこれらの各出力に対応する各クランク角との間の関係から、幾何学的にピーククランク角を算出することができる。
【００１５】
筒内圧センサ素子の出力が出力検出幅を超えて平坦となった場合には、筒内圧増大区間と筒内圧減少区間で挟まれるその平坦区間内にピーク筒内圧（筒内圧のピーク値）が存在するはずであり、その平坦区間のクランク角領域内にピーククランク角が存在するはずである。平坦区間内において、シリンダ内の実際の筒内圧は、増大から減少へと転ずる連続的な変化を示すはずである。
第４の発明によれば、このような前提に立って、筒内圧増大時と筒内圧減少時におけるそれぞれの筒内圧センサ素子の出力特性から、平坦区間内におけるピーククランク角の位置を計算することができる。
【００１６】
第５の発明によれば、ＰＶ線図上における膨張行程での筒内圧と筒内容積の関係と、上死点に対するピーククランク角の関係と、を利用した演算により、筒内圧センサ素子が感知できない圧力域の筒内圧値を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態にかかる筒内圧推定装置の構成を、これを備えた内燃機関システム構成とともに示す図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる筒内圧推定装置の動作を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかる筒内圧推定装置における補正係数αの算出方法を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態にかかる筒内圧推定装置におけるピーククランク角θｐｍａｘの算出方法を説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態にかかる筒内圧推定装置における基準筒内圧Ｐ０の算出方法を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態に対する比較例の問題点を説明するための図である。
【図７】本発明の実施の形態に対する比較例の問題点を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかる筒内圧推定装置の構成を、これを備えた内燃機関システム構成とともに示す図である。本実施の形態のシステムは、火花点火式内燃機関としてのエンジン１０を備えている。エンジン１０の各気筒には、ピストン１２により燃焼室１４が画成されており、ピストン１２はエンジンのクランク軸１６に連結されている。また、エンジン１０の吸気通路１８には、アクセル開度等に基いて吸入空気量を調整する電子制御式のスロットルバルブ２０が設けられており、排気通路２２には排気浄化触媒２４が設けられている。また、各気筒には、燃料噴射弁２６，２８、点火プラグ３０、吸気バルブ３２、排気バルブ３４等が設けられている。なお、図１には１つの気筒のみを示しているが、エンジン１０は実際には複数の気筒を備える複数気筒内燃機関であり、自動車用内燃機関の動力として好適に用いられる。その複数の気筒の少なくとも一つには、下記に述べる筒内圧センサ４８が取り付けられている。
【００１９】
本実施の形態のシステムは、エンジン１０の運転状態の把握等のための各種センサを含むセンサ系統と、エンジン１０を制御するＥＣＵ(Electronic Control Unit)６０とを備えている。まず、センサ系統について説明すると、クランク角センサ４０は、クランク軸１６の回転に同期した信号を出力するもので、エアフローセンサ４２は吸入空気量を検出する。また、水温センサ４４は、エンジンの温度状態が反映される機関温度の一例として、エンジン冷却水の温度（エンジン水温）を検出し、吸気温センサ４６は吸気温度を検出する。
【００２０】
筒内圧センサ４８は、エンジン１０のシリンダ内の圧力（筒内圧）を検出するセンサである。筒内圧センサ４８は、公知の圧力センサ等により構成されたセンサ素子部を備えている。このセンサ素子部は、例えば筒内の空間に晒される円柱状の受圧部と、受圧部の基端側に固着された圧電素子（図示せず）とを備えている。そして、センサの作動時には、筒内圧が受圧部を介して圧電素子に作用し、圧電素子から筒内圧に応じた電圧信号が出力されるように構成されている。センサ系統には、この他にも、エンジン制御に必要な各種のセンサ（スロットルバルブ２０の開度を検出するスロットルセンサ、排気空燃比を検出する空燃比センサ等）が含まれている。
【００２１】
ＥＣＵ６０は、例えばＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリ等を含む記憶回路を備えた演算処理装置により構成されている。ＥＣＵ６０の入力側には、センサ系統の各センサが接続されており、ＥＣＵ６０の出力側には、スロットルバルブ２０、燃料噴射弁２６，２８、点火プラグ３０等を含む各種のアクチュエータが接続されている。また、ＥＣＵ６０は、クランク角に応じて変化する各種のデータを、当該クランク角と共に時系列データとして記憶する機能を備えている。この時系列データには、各センサの出力値、及び当該出力値に基いて算出される各種の指標、パラメータ等が含まれる。
【００２２】
そして、ＥＣＵ６０は、エンジンの運転情報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して運転状態を制御する。具体的には、クランク角センサ４０の出力に基いてエンジン回転数（機関回転数）とクランク角とを検出し、エアフローセンサ４２の出力に基いて吸入空気量を算出する。また、吸入空気量、エンジン回転数等に基いてエンジンの負荷（負荷率）を算出する。そして、クランク角に基いて燃料噴射時期や点火時期を決定し、これらの時期が到来したときには、燃料噴射弁２６や点火プラグ３０を駆動する。これにより、筒内で混合気を燃焼させ、エンジンを運転することができる。
【００２３】
ＥＣＵ６０は、筒内圧センサ４８の出力信号をクランク角度に同期させてＡＤ変換（アナログ／デジタル変換）することができるプログラムを備えている。これにより、任意のタイミングにおける筒内圧センサ４８出力値を取得し、これに基づいてクランク角θに応じた筒内圧の大きさＰθを検出することができる。また、ＥＣＵ６０には、クランク角センサ４０の出力に基づいて検出したクランク角から、筒内容積Ｖを計算するプログラムも備えている。クランク角が定まれば、これに応じてシリンダ内面およびピストン上面が形成する燃焼室の容積が決まるからである。このプログラムの実行により、ＥＣＵ６０は、任意のクランク角θにおける筒内容積の値Ｖθを算出することができる。
【００２４】
図２は、本発明の実施の形態にかかる筒内圧推定装置の動作を説明するための図である。図２には、２つの筒内圧センサ出力波形が図示されており、一つは正常燃焼の場合の筒内圧センサ出力波形であり、他の１つは異常燃焼の場合の筒内圧センサ出力波形である。
【００２５】
一般的に、筒内圧センサの検出可能範囲（出力検出幅）は、低圧での精度を保証するために通常燃焼時の筒内圧範囲に合わせて設定されている。このような状況下において異常燃焼により過大な筒内圧が発生すると、この過大な筒内圧を受けた筒内圧センサは、筒内圧に応じた出力信号を発することができない。自己の出力検出幅を超えているからである。この影響が、図２に現れている。すなわち、図２において、正常燃焼の場合の筒内圧センサ出力波形がそのピーク筒内圧を含めた連続的波形を描いているのに対し、異常燃焼の場合の筒内圧センサ出力波形はピーク付近に平坦な出力信号が認められる。この平坦な出力信号は、筒内圧センサの出力検出幅上限Ｐｕを超えるほどに大きな筒内圧（図２の破線の波形）が発生した結果として生じたものである。この平坦な出力信号は、筒内圧センサがもはや筒内圧に応じた出力信号（筒内圧に比例した出力信号）を発することができない状態にあることを示している。
【００２６】
そこで、本実施形態にかかる筒内圧推定装置では、ＥＣＵ６０が、下記の式（１）に従って、出力検出幅上限Ｐｕを超える筒内圧の推定値を計算するように構築されている。
Ｐｍａｘ推定値 ＝ 補正係数α × 基準筒内圧Ｐ０ ・・・（１）
式（１）は、基準筒内圧Ｐ０に対して補正係数αを乗じて、筒内圧最大値Ｐｍａｘの推定値を算出する式である。詳細は後述するが、本実施の形態において、基準筒内圧Ｐ０とは、両対数ＰＶ線図上における理想的な最大筒内圧のことである。補正係数αは、基準筒内圧Ｐ０に乗ずるべき係数であり、ピーク筒内圧時のクランク角に応じて定めたものである。ピーク筒内圧時のクランク角を、「ピーククランク角」とも称し、θｐｍａｘとも表記する。以下、式（１）における、補正係数αと基準筒内圧Ｐ０の具体的な算出方法をそれぞれ説明する。
【００２７】
（補正係数α、ピーククランク角θｐｍａｘ）
図３は、本発明の実施の形態にかかる筒内圧推定装置における補正係数αの算出方法を説明するための図である。図４は、本発明の実施の形態にかかる筒内圧推定装置におけるピーククランク角θｐｍａｘの算出方法を説明するための図である。補正係数αは、エンジン１０のピーク筒内圧Ｐｍａｘに応じたクランク角θｐｍａｘを求め、このθｐｍａｘに所定の係数βを乗算することにより求めることができる（下記の式（２）参照）。
α ＝ β × θｐｍａｘ ・・・（２）
【００２８】
図３に示すように、本実施の形態では、補正係数αは、θｐｍａｘ＝０［ＡＴＤＣ］のときにピーク値を有している。そして、本実施の形態では、図３に示すように、補正係数αの値が、θｐｍａｘが０よりも大きくなるか或いは小さくなるほどにピーク値から減少するように、つまりθｐｍａｘが上死点から離れるほど小さくなるように、直線的に減少する特性に定められている。補正係数αは１．０未満の値であり、ＡＴＤＣ＝０のときに最大の値をとるように設定される。このように設定される理由は、点火プラグの点火時期を進角するとＴＤＣまではほぼ比例的にＰｍａｘが増大するためである。一方、図３における比例係数β（図３のグラフの傾き）は、エンジン１０の幾何学的な設計値で決まる値であり、極度の希薄燃焼や大量ＥＧＲ導入を行わなければ、運転条件によらずほぼ定数とみなすことができる値である。βは、個々の内燃機関の具体的構造に応じて実験等を行うことによりあらかじめ定めておくことができる。図３に示す特性は、あらかじめマップ等の形でＥＣＵ６０に記憶されているものとする。
【００２９】
本実施の形態では、ＥＣＵ６０が、ピーククランク角を、次の式（４）に従って計算する。式（３）は、図４に示すａ、ｂとθ１、θ２およびθｐｍａｘの関係をまとめた式であり、式（３）を変形してθｐｍａｘについて整理したものが式（４）である。
（θｐｍａｘ−θ１）／（θ２−θｐｍａｘ） ＝ ａ／ｂ ・・・（３）
θｐｍａｘ ＝ （ｂθ１−ａθ２）／（ａ＋ｂ） ・・・（４）
【００３０】
図４および上記の各式（３）、（４）において、各符号の意義は次のとおりである。θ１は、筒内圧の増大の後に筒内圧センサ４８の出力が平坦となった点のクランク角である。θａは、筒内圧の増大の途中における、筒内圧センサ４８の出力に基づく筒内圧が所定値（Ｐｕ−ΔＰ）となったときのクランク角である。ａは、θａからθ１までの間の角度である。θ２は、筒内圧センサ４８の出力が平坦となった後に、筒内圧センサ４８の出力に基づく筒内圧が減少を開始したときのクランク角である。θｂは、筒内圧センサ４８の出力に基づく筒内圧が減少を開始した後に、筒内圧センサ４８の出力に基づく筒内圧が所定値（Ｐｕ−ΔＰ）となったときのクランク角である。ｂは、θｂとθ２との間の角度である。
【００３１】
式（４）は、θａとθ１の差分であるａと、θ２とθｂの差分であるｂと、の比較に基づいて、幾何学的にピーククランク角θｐｍａｘを算出する式である。すなわち、筒内圧センサ４８の出力値は、図４の破線７０のように平坦な出力の前後の出力特性に応じた連続的な波形となると考えられる。そうすると、仮にａの大きさとｂの大きさが一致するとすれば破線７０はθｐｍａｘを中心軸とした対称形を描くと考えられ、図４のようにａ＜ｂとなれば破線７０のピーク位置つまりθｐｍａｘが相対的に紙面左方に位置することが幾何学的に理解できる。式（４）は、この考え方に基づいてθｐｍａｘを特定する数式の一例として本実施の形態において提供される数式である。
【００３２】
このように、本実施の形態にかかる筒内圧推定装置によれば、筒内圧センサ４８の出力が出力検出幅を超えて平坦となった場合に、平坦となる前後の出力とこれらの各出力に対応する各クランク角との間の関係から、幾何学的にピーククランク角を算出することができる。筒内圧センサ４８の出力が出力検出幅を超えて平坦となった場合には、筒内圧増大区間と筒内圧減少区間で挟まれるその平坦区間内にピーク筒内圧が存在するはずであり、その平坦区間のクランク角領域内にピーククランク角が存在するはずである。平坦区間内においても、シリンダ内の実際の筒内圧は、筒内圧増大から筒内圧減少へと転ずる連続的な変化（破線７０）を示すはずである。本実施の形態にかかる筒内圧推定装置によれば、このような前提に立って、筒内圧の増大時の特性と筒内圧の減少時の特性から、平坦区間内におけるピーククランク角の位置を計算することができる。
【００３３】
（基準筒内圧Ｐ０）
図５は、本発明の実施の形態にかかる筒内圧推定装置における基準筒内圧Ｐ０の算出方法を説明するための図である。図５は、ＰＶ線図を対数（ｌｏｇＰ、ｌｏｇＶ）で表したもの（両対数ＰＶ線図）である。図５には、正常燃焼の場合のＰＶ線と異常燃焼の場合のＰＶ線とがそれぞれ示されている。この基準筒内圧Ｐ０が、両対数ＰＶ線図において理想線上の最大筒内圧を意味するということが、図５から明らかである。本実施の形態では、図５に示すように膨張行程でポリトロープ変化を示すことを利用して、所定のクランク角θにおける点Ａの値（ｌｏｇＶθ、ｌｏｇＰθ）、すなわち図５のＰＶ線図における座標からＰ０を算出する。すなわち、ＥＣＵ６０が、下記の式（５）に従ってＰ０を算出する。
κ＝（ｌｏｇＰθ−ｌｏｇＰ０）／（ｌｏｇＶθ−ｌｏｇＶＴＤＣ） ・・・（５）
但し、Ｐθは、エンジン１０の膨張行程における筒内圧である。Ｖθは、当該筒内圧Ｐθの時の筒内容積である。ＶＴＤＣは、上死点での筒内容積である。κは、比熱比である。このように、式（５）は、エンジン１０の膨張行程における筒内圧（ｌｏｇＰθ）と当該筒内圧の時の筒内容積（ｌｏｇＶθ）とに基づいて、ＰＶ線図上における理想最大筒内圧Ｐ０を算出するものである。式（５）によれば、断熱膨張工程の任意の１点から、基準筒内圧Ｐ０を算出することができる。式（１）によれば、断熱膨張工程の任意の１点からこの基準筒内圧Ｐ０を計算し、Ｐｍａｘを推定することが可能となる。
【００３４】
最終的に、ＥＣＵ６０は、上記のようにして求めた補正係数αおよび基準筒内圧Ｐ０を用いて、式（１）に従ってＰｍａｘの推定値を計算する。
【００３５】
以上説明したように、本実施の形態にかかる筒内圧推定装置によれば、対数ＰＶ線図上における膨張行程での筒内圧と筒内容積の関係と、上死点とピーククランク角との間の関係と、を利用した演算により、筒内圧センサ４８が感知できない圧力域の筒内圧値を推定することができる。これにより、筒内圧センサ４８で検出困難な過大な筒内圧が発生し、出力検出幅の制約等の事情により筒内圧センサ４８で筒内圧検出ができないときであっても、筒内圧センサ４８で検出可能な筒内圧値からその過大な筒内圧の推定値を求めることができる。
【００３６】
なお、本実施の形態の利点を説明するため、以下、比較例を提示しつつ説明する。
図６および図７は、本発明の実施の形態に対する比較例の問題点を説明するための図である。燃焼割合（ＭＦＢ）が所定値となるときのクランク角度と最大筒内圧Ｐｍａｘとの間にリニアな相関が存在することを利用して、Ｐｍａｘを推定するという技術が考えられる。例えば、燃焼割合が５０％となるクランク角（以下、「ＣＡ５０」とも称す）と最大筒内圧との間の相関関係をあらかじめ調べておき、その相関関係に従って、今回のＣＡ５０の値に応じたＰｍａｘを推定するという技術である。しかしながら、この場合、下記に示す課題がある。
まず、空気量、Ａ／Ｆ、ＥＧＲ量などの各種運転条件によって上記相関関係が変化するため、運転条件に応じてマップ化しておく必要がある。図６に示すように、ばらつきに合わせて複数の相関特性７２、７４、７６をあらかじめマップ化しておくということである。このような手法では、運転条件に依存しない簡素な方法でＰｍａｘを検出したいという要求に対しては十分に応えることができない。この点、本実施の形態にかかる筒内圧推定装置によれば、運転条件（具体的には、機関回転数ＮＥ、負荷ＫＬ、Ａ／Ｆ）に応じて補正を行わなくともＰｍａｘの推定を精度よく行うことができる。
また、上記のように所定燃焼割合のクランク角とＰｍａｘの相関を利用する手法では、筒内圧センサにその出力検出幅を超えた筒内圧が与えられると、ＣＡ５０を正常に特定することが困難となる場合がある。これは、図７に模式的に示されている。すなわち、図７の実線のように燃焼時の筒内圧が筒内圧センサの出力検出幅に収まる燃焼（つまり通常燃焼）が実施された場合には、燃焼割合も正常に計算されて燃焼割合５０％のクランク角を正確に特定することができる。しかしながら、筒内圧センサの出力検出幅を超える過大な筒内圧が発生すると、燃焼割合の計算にも支障を来たし、図７の破線のように燃焼割合が計算され「誤検出」と付した点のクランク角をＣＡ５０として検出してしまう。また、ＣＡ５０の代わりに、ＣＡ１０（燃焼割合１０％のクランク角）やＣＡ２０（燃焼割合２０％のクランク角）などの５０％未満燃焼割合に基づいて同様の計算を行うことも考えられるが、ノイズやＥＣＵのＡ／Ｄ誤差による影響により、実際上、高精度での検出が困難である。また、燃焼の初期は混合気の状態によってばらつきが発生することも想定され、この点においてもＣＡ１０やＣＡ２０等に依拠することは不都合がある。本実施の形態にかかる筒内圧推定装置によれば、筒内圧センサの出力検出幅を超えた部分（図４の平坦な出力部分）のセンサ出力は使用せずにＰｍａｘを推定するので、上記の問題点は本実施の形態では抑制可能である。
【００３７】
本実施の形態にかかる筒内圧推定装置により、特に、過給ダウンサイズエンジンにおいて、異常燃焼を常時監視することでエンジンを確実に保護することができるという利点がある。また、本実施の形態にかかる筒内圧推定装置は、筒内圧センサの検出範囲を広げることなく（つまり性能を落とすことなく）、特殊な回路（例えば、低圧検出回路と高圧検出回路等）を追加しなくとも、一般的な出力検出幅を有する筒内圧センサを用いて実現することができる。
【００３８】
なお、上記の実施の形態では、筒内圧センサ４８の出力をＥＣＵ６０に入力して、ＥＣＵ６０上でＰｍａｘの計算を行ったが、本発明はこれに限られるものではない。つまり、上記の実施の形態では、前記第１の発明における「算出部」「取得部」「推定部」にかかる演算処理がＥＣＵ６０に集約されており、筒内圧センサ４８のセンサ素子部が前記第１の発明における「筒内圧センサ素子」に相当している。しかしながら、本発明は必ずしもＥＣＵ６０上での演算処理に限定されるものではなく、筒内圧センサおよびそのコントローラに上記の筒内圧推定機能を必要に応じて分担させてもよい。つまり、必ずしもＥＣＵ６０等の車両の主演算処理装置を必須構成とする形態に限らず、１つの筒内圧センサ（センサ本体およびコントローラ）として本発明にかかる筒内圧推定装置を提供してもよい。Ｐｍａｘを推定することで図２に示す破線７０に示す特性が推定的に把握できるため、ピーク筒内圧Ｐｍａｘのみならずピーク筒内圧以外の筒内圧を推定しても良い。本実施形態では、２つの燃料噴射弁２６、２８（ポート噴射弁および筒内噴射弁）を備えるエンジン１０に対して、本実施の形態にかかる筒内圧推定装置を搭載したが、本発明は必ずしもこのような燃料噴射系を有するエンジンに限られるものではない。ポート噴射弁と筒内噴射弁のいずれか一つのみを備えるエンジンであってもよい。また、気筒数や気筒の配列方式にも特に限定はない。
【符号の説明】
【００３９】
１０ エンジン
１２ ピストン
１４ 燃焼室
１６ クランク軸
１８ 吸気通路
２０ スロットルバルブ
２２ 排気通路
２４ 排気浄化触媒
２６、２８ 燃料噴射弁
３０ 点火プラグ
３２ 吸気バルブ
３４ 排気バルブ
４０ クランク角センサ
４２ エアフローセンサ
４４ 水温センサ
４６ 吸気温センサ
４８ 筒内圧センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内圧推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特開２０１０−１３３３６７号公報に開示されているように、筒内圧センサの出力に基づいて筒内圧を検出し、この検出した筒内圧の値を内燃機関の制御に反映させる技術が知られている。具体的には、当該公報にかかる内燃機関では、直噴エンジンにおいて、筒内圧センサの出力に基づいて燃料噴射時期を変更することにより、プレイグニッションの抑制を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１３３３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
理想的には、通常燃焼時の筒内圧検出を含めたあらゆる場面での筒内圧検出が可能な筒内圧センサシステムを備えることが望ましい。内燃機関では通常燃焼以外にも異常燃焼が発生する場合があり、この異常燃焼では過大な筒内圧が発生してしまう。このような異常燃焼時のストレスはエンジンに大きな負荷をかけるものであるため、異常時の筒内圧についてもその最大筒内圧Ｐｍａｘの大きさを精度よく把握したい。
【０００５】
しかしながら、一般的には、筒内圧センサの設計上の都合等から、筒内圧センサの検出可能範囲（出力検出幅）は、通常燃焼に十分に対処できる程度のある一定の有限な範囲に設定される。異常燃焼における筒内圧に十分に対処可能な出力検出幅が確保されていない場合も想定され、この場合には筒内圧センサが異常燃焼時の過大な筒内圧を正確に検出することはできない。筒内圧が筒内圧センサの出力検出幅を超えた場合に筒内圧の値をどのように求めるかについての技術開発が未だ十分になされていないという実情があった。
【０００６】
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、筒内圧センサでは検出が困難な筒内圧の値を推定することができる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】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、筒内圧推定装置であって、
内燃機関に取り付けられた筒内圧センサ素子と、
前記内燃機関の膨張行程における筒内圧であるＰθと、当該Ｐθの時の筒内容積であるＶθと、ピストン上死点の筒内容積であるＶＴＤＣと、比熱比であるκと、κ＝（ｌｏｇＰθ−ｌｏｇＰ０）／（ｌｏｇＶθ−ｌｏｇＶＴＤＣ）で定まる関係と、に基づいて基準筒内圧であるＰ０を算出する算出部と、
前記内燃機関のピーク筒内圧に応じたクランク角であるピーククランク角を取得する取得部と、
前記算出部で算出したＰ０と前記取得部で取得したピーククランク角とに基づいて筒内圧の推定値を求める推定部と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、
前記推定部は、
前記取得部で取得したピーククランク角と前記算出部で算出したＰｏとの積を含む演算により、ピーク筒内圧の推定値を求めることを特徴とする。
【０００９】
第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記取得部は、
筒内圧の増大の途中において、前記筒内圧センサ素子の出力に基づく筒内圧が所定値となったときのクランク角を求める第１クランク角取得部と、
筒内圧の前記増大の後に前記筒内圧センサ素子の出力が平坦となった点のクランク角を求める第２クランク角取得部と、
前記筒内圧センサ素子の出力が平坦となった後に、前記筒内圧センサ素子の出力に基づく筒内圧が減少を開始したときのクランク角を求める第３クランク角取得部と、
前記筒内圧センサ素子の出力に基づく筒内圧が前記減少を開始した後に、前記筒内圧センサ素子の出力に基づく筒内圧が前記所定値となったときのクランク角を求める第４クランク角取得部と、
前記第１クランク角取得部で取得したクランク角と、前記第２クランク角取得部で取得したクランク角と、前記第３クランク角取得部で取得したクランク角と、前記第４クランク角取得部で取得したクランク角と、に基づいて、前記ピーククランク角を算出するピーククランク角算出部と、
を含むことを特徴とする。
【００１０】
第４の発明は、第１または第２の発明において、
前記取得部は、
筒内圧の増大中に、所定筒内圧から前記筒内圧センサ素子の出力が平坦となる前の区間における、前記筒内圧センサ素子の出力を取得する第１出力取得部と、
前記筒内圧センサ素子の出力が平坦となった状態から前記筒内圧センサ素子の出力が減少を開始した後、前記所定筒内圧となるまでの区間の、前記筒内圧センサ素子の出力を取得する第２出力取得部と、
前記第１出力取得部で取得した出力と前記第２出力取得部で取得した出力とに基づいて前記ピーククランク角を算出する算出部と、
を含むことを特徴とする。
【００１１】
第５の発明は、上記の目的を達成するため、筒内圧推定装置であって、
内燃機関の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
前記内燃機関の膨張行程における筒内圧と当該筒内圧の時の筒内容積とに基づいて、ＰＶ線図上における理想最大筒内圧を算出する算出手段と、
前記内燃機関のピーク筒内圧に応じたクランク角であるピーククランク角を取得する取得手段と、
前記算出手段で算出した前記理想最大筒内圧に対して、前記取得手段で取得したピーククランク角が上死点から離れるほど筒内圧を相対的に低く推定するように、筒内圧の推定値を算出する推定手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
第１の発明によれば、対数ＰＶ線図上における膨張行程での筒内圧と筒内容積の関係と、ピーククランク角と、を利用した演算により、筒内圧センサ素子が感知できない圧力域の筒内圧値を推定することができる。
【００１３】
第２の発明によれば、基準筒内圧ピーククランク角との積を用いることによりピーク筒内圧の推定計算を簡素化することができる。
【００１４】
第３の発明によれば、筒内圧センサ素子の出力が出力検出幅を超えて平坦となった場合に、平坦となる前後の出力とこれらの各出力に対応する各クランク角との間の関係から、幾何学的にピーククランク角を算出することができる。
【００１５】
筒内圧センサ素子の出力が出力検出幅を超えて平坦となった場合には、筒内圧増大区間と筒内圧減少区間で挟まれるその平坦区間内にピーク筒内圧（筒内圧のピーク値）が存在するはずであり、その平坦区間のクランク角領域内にピーククランク角が存在するはずである。平坦区間内において、シリンダ内の実際の筒内圧は、増大から減少へと転ずる連続的な変化を示すはずである。
第４の発明によれば、このような前提に立って、筒内圧増大時と筒内圧減少時におけるそれぞれの筒内圧センサ素子の出力特性から、平坦区間内におけるピーククランク角の位置を計算することができる。
【００１６】
第５の発明によれば、ＰＶ線図上における膨張行程での筒内圧と筒内容積の関係と、上死点に対するピーククランク角の関係と、を利用した演算により、筒内圧センサ素子が感知できない圧力域の筒内圧値を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態にかかる筒内圧推定装置の構成を、これを備えた内燃機関システム構成とともに示す図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる筒内圧推定装置の動作を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかる筒内圧推定装置における補正係数αの算出方法を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態にかかる筒内圧推定装置におけるピーククランク角θｐｍａｘの算出方法を説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態にかかる筒内圧推定装置における基準筒内圧Ｐ０の算出方法を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態に対する比較例の問題点を説明するための図である。
【図７】本発明の実施の形態に対する比較例の問題点を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかる筒内圧推定装置の構成を、これを備えた内燃機関システム構成とともに示す図である。本実施の形態のシステムは、火花点火式内燃機関としてのエンジン１０を備えている。エンジン１０の各気筒には、ピストン１２により燃焼室１４が画成されており、ピストン１２はエンジンのクランク軸１６に連結されている。また、エンジン１０の吸気通路１８には、アクセル開度等に基いて吸入空気量を調整する電子制御式のスロットルバルブ２０が設けられており、排気通路２２には排気浄化触媒２４が設けられている。また、各気筒には、燃料噴射弁２６，２８、点火プラグ３０、吸気バルブ３２、排気バルブ３４等が設けられている。なお、図１には１つの気筒のみを示しているが、エンジン１０は実際には複数の気筒を備える複数気筒内燃機関であり、自動車用内燃機関の動力として好適に用いられる。その複数の気筒の少なくとも一つには、下記に述べる筒内圧センサ４８が取り付けられている。
【００１９】
本実施の形態のシステムは、エンジン１０の運転状態の把握等のための各種センサを含むセンサ系統と、エンジン１０を制御するＥＣＵ(Electronic Control Unit)６０とを備えている。まず、センサ系統について説明すると、クランク角センサ４０は、クランク軸１６の回転に同期した信号を出力するもので、エアフローセンサ４２は吸入空気量を検出する。また、水温センサ４４は、エンジンの温度状態が反映される機関温度の一例として、エンジン冷却水の温度（エンジン水温）を検出し、吸気温センサ４６は吸気温度を検出する。
【００２０】
筒内圧センサ４８は、エンジン１０のシリンダ内の圧力（筒内圧）を検出するセンサである。筒内圧センサ４８は、公知の圧力センサ等により構成されたセンサ素子部を備えている。このセンサ素子部は、例えば筒内の空間に晒される円柱状の受圧部と、受圧部の基端側に固着された圧電素子（図示せず）とを備えている。そして、センサの作動時には、筒内圧が受圧部を介して圧電素子に作用し、圧電素子から筒内圧に応じた電圧信号が出力されるように構成されている。センサ系統には、この他にも、エンジン制御に必要な各種のセンサ（スロットルバルブ２０の開度を検出するスロットルセンサ、排気空燃比を検出する空燃比センサ等）が含まれている。
【００２１】
ＥＣＵ６０は、例えばＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリ等を含む記憶回路を備えた演算処理装置により構成されている。ＥＣＵ６０の入力側には、センサ系統の各センサが接続されており、ＥＣＵ６０の出力側には、スロットルバルブ２０、燃料噴射弁２６，２８、点火プラグ３０等を含む各種のアクチュエータが接続されている。また、ＥＣＵ６０は、クランク角に応じて変化する各種のデータを、当該クランク角と共に時系列データとして記憶する機能を備えている。この時系列データには、各センサの出力値、及び当該出力値に基いて算出される各種の指標、パラメータ等が含まれる。
【００２２】
そして、ＥＣＵ６０は、エンジンの運転情報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して運転状態を制御する。具体的には、クランク角センサ４０の出力に基いてエンジン回転数（機関回転数）とクランク角とを検出し、エアフローセンサ４２の出力に基いて吸入空気量を算出する。また、吸入空気量、エンジン回転数等に基いてエンジンの負荷（負荷率）を算出する。そして、クランク角に基いて燃料噴射時期や点火時期を決定し、これらの時期が到来したときには、燃料噴射弁２６や点火プラグ３０を駆動する。これにより、筒内で混合気を燃焼させ、エンジンを運転することができる。
【００２３】
ＥＣＵ６０は、筒内圧センサ４８の出力信号をクランク角度に同期させてＡＤ変換（アナログ／デジタル変換）することができるプログラムを備えている。これにより、任意のタイミングにおける筒内圧センサ４８出力値を取得し、これに基づいてクランク角θに応じた筒内圧の大きさＰθを検出することができる。また、ＥＣＵ６０には、クランク角センサ４０の出力に基づいて検出したクランク角から、筒内容積Ｖを計算するプログラムも備えている。クランク角が定まれば、これに応じてシリンダ内面およびピストン上面が形成する燃焼室の容積が決まるからである。このプログラムの実行により、ＥＣＵ６０は、任意のクランク角θにおける筒内容積の値Ｖθを算出することができる。
【００２４】
図２は、本発明の実施の形態にかかる筒内圧推定装置の動作を説明するための図である。図２には、２つの筒内圧センサ出力波形が図示されており、一つは正常燃焼の場合の筒内圧センサ出力波形であり、他の１つは異常燃焼の場合の筒内圧センサ出力波形である。
【００２５】
一般的に、筒内圧センサの検出可能範囲（出力検出幅）は、低圧での精度を保証するために通常燃焼時の筒内圧範囲に合わせて設定されている。このような状況下において異常燃焼により過大な筒内圧が発生すると、この過大な筒内圧を受けた筒内圧センサは、筒内圧に応じた出力信号を発することができない。自己の出力検出幅を超えているからである。この影響が、図２に現れている。すなわち、図２において、正常燃焼の場合の筒内圧センサ出力波形がそのピーク筒内圧を含めた連続的波形を描いているのに対し、異常燃焼の場合の筒内圧センサ出力波形はピーク付近に平坦な出力信号が認められる。この平坦な出力信号は、筒内圧センサの出力検出幅上限Ｐｕを超えるほどに大きな筒内圧（図２の破線の波形）が発生した結果として生じたものである。この平坦な出力信号は、筒内圧センサがもはや筒内圧に応じた出力信号（筒内圧に比例した出力信号）を発することができない状態にあることを示している。
【００２６】
そこで、本実施形態にかかる筒内圧推定装置では、ＥＣＵ６０が、下記の式（１）に従って、出力検出幅上限Ｐｕを超える筒内圧の推定値を計算するように構築されている。
Ｐｍａｘ推定値 ＝ 補正係数α × 基準筒内圧Ｐ０ ・・・（１）
式（１）は、基準筒内圧Ｐ０に対して補正係数αを乗じて、筒内圧最大値Ｐｍａｘの推定値を算出する式である。詳細は後述するが、本実施の形態において、基準筒内圧Ｐ０とは、両対数ＰＶ線図上における理想的な最大筒内圧のことである。補正係数αは、基準筒内圧Ｐ０に乗ずるべき係数であり、ピーク筒内圧時のクランク角に応じて定めたものである。ピーク筒内圧時のクランク角を、「ピーククランク角」とも称し、θｐｍａｘとも表記する。以下、式（１）における、補正係数αと基準筒内圧Ｐ０の具体的な算出方法をそれぞれ説明する。
【００２７】
（補正係数α、ピーククランク角θｐｍａｘ）
図３は、本発明の実施の形態にかかる筒内圧推定装置における補正係数αの算出方法を説明するための図である。図４は、本発明の実施の形態にかかる筒内圧推定装置におけるピーククランク角θｐｍａｘの算出方法を説明するための図である。補正係数αは、エンジン１０のピーク筒内圧Ｐｍａｘに応じたクランク角θｐｍａｘを求め、このθｐｍａｘに所定の係数βを乗算することにより求めることができる（下記の式（２）参照）。
α ＝ β × θｐｍａｘ ・・・（２）
【００２８】
図３に示すように、本実施の形態では、補正係数αは、θｐｍａｘ＝０［ＡＴＤＣ］のときにピーク値を有している。そして、本実施の形態では、図３に示すように、補正係数αの値が、θｐｍａｘが０よりも大きくなるか或いは小さくなるほどにピーク値から減少するように、つまりθｐｍａｘが上死点から離れるほど小さくなるように、直線的に減少する特性に定められている。補正係数αは１．０未満の値であり、ＡＴＤＣ＝０のときに最大の値をとるように設定される。このように設定される理由は、点火プラグの点火時期を進角するとＴＤＣまではほぼ比例的にＰｍａｘが増大するためである。一方、図３における比例係数β（図３のグラフの傾き）は、エンジン１０の幾何学的な設計値で決まる値であり、極度の希薄燃焼や大量ＥＧＲ導入を行わなければ、運転条件によらずほぼ定数とみなすことができる値である。βは、個々の内燃機関の具体的構造に応じて実験等を行うことによりあらかじめ定めておくことができる。図３に示す特性は、あらかじめマップ等の形でＥＣＵ６０に記憶されているものとする。
【００２９】
本実施の形態では、ＥＣＵ６０が、ピーククランク角を、次の式（４）に従って計算する。式（３）は、図４に示すａ、ｂとθ１、θ２およびθｐｍａｘの関係をまとめた式であり、式（３）を変形してθｐｍａｘについて整理したものが式（４）である。
（θｐｍａｘ−θ１）／（θ２−θｐｍａｘ） ＝ ａ／ｂ ・・・（３）
θｐｍａｘ ＝ （ｂθ１−ａθ２）／（ａ＋ｂ） ・・・（４）
【００３０】
図４および上記の各式（３）、（４）において、各符号の意義は次のとおりである。θ１は、筒内圧の増大の後に筒内圧センサ４８の出力が平坦となった点のクランク角である。θａは、筒内圧の増大の途中における、筒内圧センサ４８の出力に基づく筒内圧が所定値（Ｐｕ−ΔＰ）となったときのクランク角である。ａは、θａからθ１までの間の角度である。θ２は、筒内圧センサ４８の出力が平坦となった後に、筒内圧センサ４８の出力に基づく筒内圧が減少を開始したときのクランク角である。θｂは、筒内圧センサ４８の出力に基づく筒内圧が減少を開始した後に、筒内圧センサ４８の出力に基づく筒内圧が所定値（Ｐｕ−ΔＰ）となったときのクランク角である。ｂは、θｂとθ２との間の角度である。
【００３１】
式（４）は、θａとθ１の差分であるａと、θ２とθｂの差分であるｂと、の比較に基づいて、幾何学的にピーククランク角θｐｍａｘを算出する式である。すなわち、筒内圧センサ４８の出力値は、図４の破線７０のように平坦な出力の前後の出力特性に応じた連続的な波形となると考えられる。そうすると、仮にａの大きさとｂの大きさが一致するとすれば破線７０はθｐｍａｘを中心軸とした対称形を描くと考えられ、図４のようにａ＜ｂとなれば破線７０のピーク位置つまりθｐｍａｘが相対的に紙面左方に位置することが幾何学的に理解できる。式（４）は、この考え方に基づいてθｐｍａｘを特定する数式の一例として本実施の形態において提供される数式である。
【００３２】
このように、本実施の形態にかかる筒内圧推定装置によれば、筒内圧センサ４８の出力が出力検出幅を超えて平坦となった場合に、平坦となる前後の出力とこれらの各出力に対応する各クランク角との間の関係から、幾何学的にピーククランク角を算出することができる。筒内圧センサ４８の出力が出力検出幅を超えて平坦となった場合には、筒内圧増大区間と筒内圧減少区間で挟まれるその平坦区間内にピーク筒内圧が存在するはずであり、その平坦区間のクランク角領域内にピーククランク角が存在するはずである。平坦区間内においても、シリンダ内の実際の筒内圧は、筒内圧増大から筒内圧減少へと転ずる連続的な変化（破線７０）を示すはずである。本実施の形態にかかる筒内圧推定装置によれば、このような前提に立って、筒内圧の増大時の特性と筒内圧の減少時の特性から、平坦区間内におけるピーククランク角の位置を計算することができる。
【００３３】
（基準筒内圧Ｐ０）
図５は、本発明の実施の形態にかかる筒内圧推定装置における基準筒内圧Ｐ０の算出方法を説明するための図である。図５は、ＰＶ線図を対数（ｌｏｇＰ、ｌｏｇＶ）で表したもの（両対数ＰＶ線図）である。図５には、正常燃焼の場合のＰＶ線と異常燃焼の場合のＰＶ線とがそれぞれ示されている。この基準筒内圧Ｐ０が、両対数ＰＶ線図において理想線上の最大筒内圧を意味するということが、図５から明らかである。本実施の形態では、図５に示すように膨張行程でポリトロープ変化を示すことを利用して、所定のクランク角θにおける点Ａの値（ｌｏｇＶθ、ｌｏｇＰθ）、すなわち図５のＰＶ線図における座標からＰ０を算出する。すなわち、ＥＣＵ６０が、下記の式（５）に従ってＰ０を算出する。
κ＝（ｌｏｇＰθ−ｌｏｇＰ０）／（ｌｏｇＶθ−ｌｏｇＶＴＤＣ） ・・・（５）
但し、Ｐθは、エンジン１０の膨張行程における筒内圧である。Ｖθは、当該筒内圧Ｐθの時の筒内容積である。ＶＴＤＣは、上死点での筒内容積である。κは、比熱比である。このように、式（５）は、エンジン１０の膨張行程における筒内圧（ｌｏｇＰθ）と当該筒内圧の時の筒内容積（ｌｏｇＶθ）とに基づいて、ＰＶ線図上における理想最大筒内圧Ｐ０を算出するものである。式（５）によれば、断熱膨張工程の任意の１点から、基準筒内圧Ｐ０を算出することができる。式（１）によれば、断熱膨張工程の任意の１点からこの基準筒内圧Ｐ０を計算し、Ｐｍａｘを推定することが可能となる。
【００３４】
最終的に、ＥＣＵ６０は、上記のようにして求めた補正係数αおよび基準筒内圧Ｐ０を用いて、式（１）に従ってＰｍａｘの推定値を計算する。
【００３５】
以上説明したように、本実施の形態にかかる筒内圧推定装置によれば、対数ＰＶ線図上における膨張行程での筒内圧と筒内容積の関係と、上死点とピーククランク角との間の関係と、を利用した演算により、筒内圧センサ４８が感知できない圧力域の筒内圧値を推定することができる。これにより、筒内圧センサ４８で検出困難な過大な筒内圧が発生し、出力検出幅の制約等の事情により筒内圧センサ４８で筒内圧検出ができないときであっても、筒内圧センサ４８で検出可能な筒内圧値からその過大な筒内圧の推定値を求めることができる。
【００３６】
なお、本実施の形態の利点を説明するため、以下、比較例を提示しつつ説明する。
図６および図７は、本発明の実施の形態に対する比較例の問題点を説明するための図である。燃焼割合（ＭＦＢ）が所定値となるときのクランク角度と最大筒内圧Ｐｍａｘとの間にリニアな相関が存在することを利用して、Ｐｍａｘを推定するという技術が考えられる。例えば、燃焼割合が５０％となるクランク角（以下、「ＣＡ５０」とも称す）と最大筒内圧との間の相関関係をあらかじめ調べておき、その相関関係に従って、今回のＣＡ５０の値に応じたＰｍａｘを推定するという技術である。しかしながら、この場合、下記に示す課題がある。
まず、空気量、Ａ／Ｆ、ＥＧＲ量などの各種運転条件によって上記相関関係が変化するため、運転条件に応じてマップ化しておく必要がある。図６に示すように、ばらつきに合わせて複数の相関特性７２、７４、７６をあらかじめマップ化しておくということである。このような手法では、運転条件に依存しない簡素な方法でＰｍａｘを検出したいという要求に対しては十分に応えることができない。この点、本実施の形態にかかる筒内圧推定装置によれば、運転条件（具体的には、機関回転数ＮＥ、負荷ＫＬ、Ａ／Ｆ）に応じて補正を行わなくともＰｍａｘの推定を精度よく行うことができる。
また、上記のように所定燃焼割合のクランク角とＰｍａｘの相関を利用する手法では、筒内圧センサにその出力検出幅を超えた筒内圧が与えられると、ＣＡ５０を正常に特定することが困難となる場合がある。これは、図７に模式的に示されている。すなわち、図７の実線のように燃焼時の筒内圧が筒内圧センサの出力検出幅に収まる燃焼（つまり通常燃焼）が実施された場合には、燃焼割合も正常に計算されて燃焼割合５０％のクランク角を正確に特定することができる。しかしながら、筒内圧センサの出力検出幅を超える過大な筒内圧が発生すると、燃焼割合の計算にも支障を来たし、図７の破線のように燃焼割合が計算され「誤検出」と付した点のクランク角をＣＡ５０として検出してしまう。また、ＣＡ５０の代わりに、ＣＡ１０（燃焼割合１０％のクランク角）やＣＡ２０（燃焼割合２０％のクランク角）などの５０％未満燃焼割合に基づいて同様の計算を行うことも考えられるが、ノイズやＥＣＵのＡ／Ｄ誤差による影響により、実際上、高精度での検出が困難である。また、燃焼の初期は混合気の状態によってばらつきが発生することも想定され、この点においてもＣＡ１０やＣＡ２０等に依拠することは不都合がある。本実施の形態にかかる筒内圧推定装置によれば、筒内圧センサの出力検出幅を超えた部分（図４の平坦な出力部分）のセンサ出力は使用せずにＰｍａｘを推定するので、上記の問題点は本実施の形態では抑制可能である。
【００３７】
本実施の形態にかかる筒内圧推定装置により、特に、過給ダウンサイズエンジンにおいて、異常燃焼を常時監視することでエンジンを確実に保護することができるという利点がある。また、本実施の形態にかかる筒内圧推定装置は、筒内圧センサの検出範囲を広げることなく（つまり性能を落とすことなく）、特殊な回路（例えば、低圧検出回路と高圧検出回路等）を追加しなくとも、一般的な出力検出幅を有する筒内圧センサを用いて実現することができる。
【００３８】
なお、上記の実施の形態では、筒内圧センサ４８の出力をＥＣＵ６０に入力して、ＥＣＵ６０上でＰｍａｘの計算を行ったが、本発明はこれに限られるものではない。つまり、上記の実施の形態では、前記第１の発明における「算出部」「取得部」「推定部」にかかる演算処理がＥＣＵ６０に集約されており、筒内圧センサ４８のセンサ素子部が前記第１の発明における「筒内圧センサ素子」に相当している。しかしながら、本発明は必ずしもＥＣＵ６０上での演算処理に限定されるものではなく、筒内圧センサおよびそのコントローラに上記の筒内圧推定機能を必要に応じて分担させてもよい。つまり、必ずしもＥＣＵ６０等の車両の主演算処理装置を必須構成とする形態に限らず、１つの筒内圧センサ（センサ本体およびコントローラ）として本発明にかかる筒内圧推定装置を提供してもよい。Ｐｍａｘを推定することで図２に示す破線７０に示す特性が推定的に把握できるため、ピーク筒内圧Ｐｍａｘのみならずピーク筒内圧以外の筒内圧を推定しても良い。本実施形態では、２つの燃料噴射弁２６、２８（ポート噴射弁および筒内噴射弁）を備えるエンジン１０に対して、本実施の形態にかかる筒内圧推定装置を搭載したが、本発明は必ずしもこのような燃料噴射系を有するエンジンに限られるものではない。ポート噴射弁と筒内噴射弁のいずれか一つのみを備えるエンジンであってもよい。また、気筒数や気筒の配列方式にも特に限定はない。
【符号の説明】
【００３９】
１０ エンジン
１２ ピストン
１４ 燃焼室
１６ クランク軸
１８ 吸気通路
２０ スロットルバルブ
２２ 排気通路
２４ 排気浄化触媒
２６、２８ 燃料噴射弁
３０ 点火プラグ
３２ 吸気バルブ
３４ 排気バルブ
４０ クランク角センサ
４２ エアフローセンサ
４４ 水温センサ
４６ 吸気温センサ
４８ 筒内圧センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に取り付けられた筒内圧センサ素子と、
前記内燃機関の膨張行程における筒内圧であるＰθと、当該Ｐθの時の筒内容積であるＶθと、ピストン上死点の筒内容積であるＶＴＤＣと、比熱比であるκと、κ＝（ｌｏｇＰθ−ｌｏｇＰ０）／（ｌｏｇＶθ−ｌｏｇＶＴＤＣ）で定まる関係と、に基づいて基準筒内圧であるＰ０を算出する算出部と、
前記内燃機関のピーク筒内圧に応じたクランク角であるピーククランク角を取得する取得部と、
前記算出部で算出したＰ０と前記取得部で取得したピーククランク角とに基づいて筒内圧の推定値を求める推定部と、
を備えることを特徴とする筒内圧推定装置。
【請求項２】
前記推定部は、
前記取得部で取得したピーククランク角と前記算出部で算出したＰｏとの積を含む演算により、ピーク筒内圧の推定値を求めることを特徴とする請求項１に記載の筒内圧推定装置。
【請求項３】
前記取得部は、
筒内圧の増大の途中において、前記筒内圧センサ素子の出力に基づく筒内圧が所定値となったときのクランク角を求める第１クランク角取得部と、
筒内圧の前記増大の後に前記筒内圧センサ素子の出力が平坦となった点のクランク角を求める第２クランク角取得部と、
前記筒内圧センサ素子の出力が平坦となった後に、前記筒内圧センサ素子の出力に基づく筒内圧が減少を開始したときのクランク角を求める第３クランク角取得部と、
前記筒内圧センサ素子の出力に基づく筒内圧が前記減少を開始した後に、前記筒内圧センサ素子の出力に基づく筒内圧が前記所定値となったときのクランク角を求める第４クランク角取得部と、
前記第１クランク角取得部で取得したクランク角と、前記第２クランク角取得部で取得したクランク角と、前記第３クランク角取得部で取得したクランク角と、前記第４クランク角取得部で取得したクランク角と、に基づいて、前記ピーククランク角を算出するピーククランク角算出部と、
を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の筒内圧推定装置。
【請求項４】
前記取得部は、
筒内圧の増大中に、所定筒内圧から前記筒内圧センサ素子の出力が平坦となる前の区間における、前記筒内圧センサ素子の出力を取得する第１出力取得部と、
前記筒内圧センサ素子の出力が平坦となった状態から前記筒内圧センサ素子の出力が減少を開始した後、前記所定筒内圧となるまでの区間の、前記筒内圧センサ素子の出力を取得する第２出力取得部と、
前記第１出力取得部で取得した出力と前記第２出力取得部で取得した出力とに基づいて前記ピーククランク角を算出する算出部と、
を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の筒内圧推定装置。
【請求項５】
内燃機関の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
前記内燃機関の膨張行程における筒内圧と当該筒内圧の時の筒内容積とに基づいて、ＰＶ線図上における理想最大筒内圧を算出する算出手段と、
前記内燃機関のピーク筒内圧に応じたクランク角であるピーククランク角を取得する取得手段と、
前記算出手段で算出した前記理想最大筒内圧に対して、前記取得手段で取得したピーククランク角が上死点から離れるほど筒内圧を相対的に低く推定するように、筒内圧の推定値を算出する推定手段と、
を備えることを特徴とする筒内圧推定装置。
【請求項１】
内燃機関に取り付けられた筒内圧センサ素子と、
前記内燃機関の膨張行程における筒内圧であるＰθと、当該Ｐθの時の筒内容積であるＶθと、ピストン上死点の筒内容積であるＶＴＤＣと、比熱比であるκと、κ＝（ｌｏｇＰθ−ｌｏｇＰ０）／（ｌｏｇＶθ−ｌｏｇＶＴＤＣ）で定まる関係と、に基づいて基準筒内圧であるＰ０を算出する算出部と、
前記内燃機関のピーク筒内圧に応じたクランク角であるピーククランク角を取得する取得部と、
前記算出部で算出したＰ０と前記取得部で取得したピーククランク角とに基づいて筒内圧の推定値を求める推定部と、
を備えることを特徴とする筒内圧推定装置。
【請求項２】
前記推定部は、
前記取得部で取得したピーククランク角と前記算出部で算出したＰｏとの積を含む演算により、ピーク筒内圧の推定値を求めることを特徴とする請求項１に記載の筒内圧推定装置。
【請求項３】
前記取得部は、
筒内圧の増大の途中において、前記筒内圧センサ素子の出力に基づく筒内圧が所定値となったときのクランク角を求める第１クランク角取得部と、
筒内圧の前記増大の後に前記筒内圧センサ素子の出力が平坦となった点のクランク角を求める第２クランク角取得部と、
前記筒内圧センサ素子の出力が平坦となった後に、前記筒内圧センサ素子の出力に基づく筒内圧が減少を開始したときのクランク角を求める第３クランク角取得部と、
前記筒内圧センサ素子の出力に基づく筒内圧が前記減少を開始した後に、前記筒内圧センサ素子の出力に基づく筒内圧が前記所定値となったときのクランク角を求める第４クランク角取得部と、
前記第１クランク角取得部で取得したクランク角と、前記第２クランク角取得部で取得したクランク角と、前記第３クランク角取得部で取得したクランク角と、前記第４クランク角取得部で取得したクランク角と、に基づいて、前記ピーククランク角を算出するピーククランク角算出部と、
を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の筒内圧推定装置。
【請求項４】
前記取得部は、
筒内圧の増大中に、所定筒内圧から前記筒内圧センサ素子の出力が平坦となる前の区間における、前記筒内圧センサ素子の出力を取得する第１出力取得部と、
前記筒内圧センサ素子の出力が平坦となった状態から前記筒内圧センサ素子の出力が減少を開始した後、前記所定筒内圧となるまでの区間の、前記筒内圧センサ素子の出力を取得する第２出力取得部と、
前記第１出力取得部で取得した出力と前記第２出力取得部で取得した出力とに基づいて前記ピーククランク角を算出する算出部と、
を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の筒内圧推定装置。
【請求項５】
内燃機関の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
前記内燃機関の膨張行程における筒内圧と当該筒内圧の時の筒内容積とに基づいて、ＰＶ線図上における理想最大筒内圧を算出する算出手段と、
前記内燃機関のピーク筒内圧に応じたクランク角であるピーククランク角を取得する取得手段と、
前記算出手段で算出した前記理想最大筒内圧に対して、前記取得手段で取得したピーククランク角が上死点から離れるほど筒内圧を相対的に低く推定するように、筒内圧の推定値を算出する推定手段と、
を備えることを特徴とする筒内圧推定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−１０４３３４（Ｐ２０１３−１０４３３４Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４７６７５（Ｐ２０１１−２４７６７５）
【出願日】平成２３年１１月１１日（２０１１．１１．１１）
【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３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１１日（２０１１．１１．１１）
【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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