(57)【要約】  【課題】  エンジン水温によることなく、燃焼室付近の温度を推定する。  【解決手段】  温度推定装置は、エンジンの燃焼室内の圧力を検出する筒内圧力検出手段と、エンジンのモータリング圧力を推定する推定手段と、を備える。この温度推定装置は、エンジンの圧縮行程において、筒内圧力検出手段で検出される圧力とモータリング圧力との偏差が最小になるよう、検出される圧力を補正するための補正パラメータを同定する同定手段と、前記補正パラメータに基づいて前記筒内圧力検出手段の温度を推定する温度推定手段と、をさらに備える。エンジンの燃焼室付近にある筒内圧力検出手段の温度を、エンジン水温に依存することなく、筒内圧力検出手段による検出出力を補正する補正パラメータに基づいて推定することができる。エンジンが始動された後、エンジン水温が上昇するまでの期間においても、エンジン水温によることなく燃焼室付近の温度を推定することができる。   【選択図】図１
2007309261.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室内の圧力を検出する筒内圧力検出手段と、
前記内燃機関のモータリング圧力を推定する推定手段と、
前記内燃機関の圧縮行程において、前記筒内圧力検出手段で検出される圧力と前記モータリング圧力との偏差が最小となるよう、前記検出される圧力を補正する補正パラメータを同定する同定手段と、
前記補正パラメータに基づいて前記筒内圧力検出手段の温度を推定する温度推定手段と、
を備える内燃機関のための温度推定装置。
【請求項２】
前記モータリング圧力推定手段は、
前記内燃機関のクランク角度を検出するクランク角度検出手段と、
前記クランク角度検出手段で検出されるクランク角度に基づいて前記内燃機関の燃焼室の容積を算出する手段と、を備え、
前記算出された容積を含む演算式により前記モータリング圧力を推定する、
請求項１に記載の温度推定装置。
【請求項３】
前記内燃機関の始動時には、前記内燃機関の水温に変えて前記温度推定手段により推定される温度を用いて前記内燃機関の制御を行うよう構成された、請求項１に記載の温度推定装置を備えた内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の温度推定装置およびこれを用いた制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関（以下、エンジンという）のもろもろの制御に使われるパラメータの一つにエンジンの冷却水温がある。特許文献１には、エンジンブロックに設置された温度センサで検出されるエンジン水温が所定値（たとえば３３℃）より低いときは、燃料の霧化率が低く、吸気温度も低いと推定し、エンジン水温が高くなるにつれて、吸気温度の推定値を変更して、燃料噴射の制御を行うことが記載されている。
【特許文献１】特公平８−３０４４２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、エンジンの燃焼室付近の温度との関係では、冷却水の温度の変化には大きな時間遅れがあるので、エンジンが冷えている状態から始動されるとき、冷却水温が燃焼室付近の温度を反映するようになるまでに大きな時間遅れを生じる。
【０００４】
したがって、エンジン水温によることなく、燃焼室付近の温度を推定する技術が必要とされている。特に、エンジンが始動された後、エンジン水温が上昇するまでの期間において、エンジン水温によることなく燃焼室付近の温度を推定する技術が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明の温度推定装置は、エンジンの燃焼室内の圧力を検出する筒内圧力検出手段と、エンジンのモータリング圧力を推定する推定手段と、を備えている。この温度推定装置は、エンジンの圧縮行程において、筒内圧力検出手段で検出される圧力とモータリング圧力との偏差が最小になるよう、検出される圧力を補正するための補正パラメータを同定する同定手段と、前記補正パラメータに基づいて前記筒内圧力検出手段の温度を推定する温度推定手段と、をさらに備える。
【０００６】
この発明によると、エンジンの燃焼室付近にある筒内圧力検出手段の温度を、エンジン水温に依存することなく、筒内圧力検出手段による検出出力を補正する補正パラメータに基づいて推定することができる。
【０００７】
この発明の一形態（請求項２）では、モータリング圧力推定手段は、エンジンのクランク角度を検出するクランク角度検出手段と、このクランク角度検出手段で検出されるクランク角度に基づいてエンジンの燃焼室の容積を算出する手段と、を備え、算出された容積を含む演算式によりモータリング圧力を推定する。
【０００８】
この発明の制御装置（請求項３）は、エンジンの始動時に、エンジンの水温に変えて上記の温度推定手段により推定される温度を用いてエンジンの制御を行うよう構成されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態である空燃比制御装置の全体的構成を示すブロック図である。電子制御ユニット１０は、中央演算装置（CPU）を備えたコンピュータである。電子制御ユニットは、コンピュータ・プログラムを格納する読取専用メモリ（ROM）およびプロセサに作業領域を提供し、データおよびプログラムを一時記憶するランダムアクセス・メモリ（RAM）を備えている。入出力インタフェイス１１は、エンジンの各部から検出信号を受け取って、A/D（アナログ・ディジタル）変換を行って次の段階に渡す。また、入出力インタフェイス１１は、CPUの演算結果に基づく制御信号をエンジンの各部に送る。図１では、電子制御ユニットをこの発明に関連する機能を示す機能ブロックで示している。
【００１０】
まず図２を参照して、この発明の一実施形態におけるセンサ出力補正手法の原理を説明する。図２は、クランク角度-180度から180度の領域における気筒の燃焼室の圧力を示しており、およそクランク角度-180度から０度の範囲が圧縮行程であり、０度から180度までが膨張（燃焼）行程である。曲線１は、エンジンの１つの気筒のモータリング圧力（失火時の圧力）の推移を示し、曲線３は、同じ気筒において正常な燃焼が行われたときの筒内圧力の推移を示す。クランク角０度が上死点であり、モータリング圧力は上死点でピークとなり、燃焼時の筒内圧力（曲線３）は、上死点を過ぎた点火時点付近でピークとなる。
【００１１】
この実施形態では、圧縮行程において上死点に達する前の期間、たとえば図２に”a”で示す期間において、圧力検出手段（図１の筒内圧力センサ１２）の検出出力を補正する補正式のパラメータを同定する。黒色のドット５は、筒内圧力センサ１２による検出出力を示す。筒内圧力センサ１２は、エンジンの燃焼室という過酷な環境に置かれており、温度の影響、経年変化などによって特性が変化する。この実施形態では、筒内圧力センサ１２の検出出力がほぼモータリング圧力の曲線１上にくるよう、検出出力を補正する。こうして補正された検出出力を白色のドット７で示す。
【００１２】
検出出力の補正は、筒内圧力センサの検出出力PD(θ)に、補正式  PS = PD(θ)k1 + C1 を適用することによって行われる。k1  は補正係数であり、C1 は定数である。θはクランク角度である。この補正式の２つのパラメータk1およびC1は、圧縮行程の、たとえば図２に”a”で示す期間において、モータリング圧力の推定値PMと、筒内圧力センサの検出出力を上述の補正式によって補正した値PSとの差(PM−PS)の二乗が最小になるよう、最小二乗法により演算して算出される。
【００１３】
このように補正されるセンサ出力を利用して、気筒の燃焼状態を判定することができる。燃焼（膨張）行程において混合気の燃焼開始後、たとえば図２に”b”で示す期間において、筒内圧力センサ１２の出力を補正して得られる検出出力７（白色のドット）と、状態方程式で算出されるモータリング圧力PM（曲線１）との関係に基づいて、燃焼状態、たとえば、失火が生じたかどうかを判定する。例えば、PS/PMが予め定めたしきい値より小さいとき、失火が生じたと判定することができる。
【００１４】
再び図１を参照すると、筒内圧力センサ１２は、圧電素子であり、エンジンの各気筒（シリンダ）の点火プラグ付近に設けられている。圧力センサ１２は、気筒内の圧力に応じた電荷信号を出力する。この信号をチャージアンプ３１により電圧信号に変換して出力し、ローパスフィルタ３３を介して入出力インタフェイス１１に出力する。入出力インタフェイス１１は、圧力センサ１２からの信号をサンプリング部１３に送る。サンプリング部１３は、この信号を所定の周期、たとえば１０kHz分の１の周期でサンプリングし、サンプル値をセンサ出力検出部１５に渡す。
【００１５】
センサ出力補正部１７は、上述の補正式  PS = PD(θ)k1 + C1 に従って、センサ出力PD(θ)を補正する。センサ出力補正部１７は、補正されたセンサ出力値PSを燃焼圧力検出部４１に渡す。
【００１６】
一方において、燃焼室容積計算部１９は、クランク角θに応じた気筒の燃焼室の容積Vcを次の数式により計算する。
【数１】
2007309261.tif 000003
【００１７】
上の式で、mは、図３の関係から計算される、ピストン８の上死点からの変位を示す。rをクランク半径、l（エル）をコンロッド長とすると、λ=l/r である。Vdeadは、ピストンが上死点にあるときの燃焼室の容積、Apstnは、ピストンの断面積である。
【００１８】
一般に燃焼室の状態方程式は、次の（３）式で表されることが知られている。
【数２】
2007309261.tif 000004
【００１９】
(３)式で、Gは、例えばエアフローメータ、またはエンジン回転数および吸気圧に基づいて得られる吸入空気量、Rは気体定数、Tは、例えば吸気温度センサ、またはエンジン水温などの運転状態に基づいて得られる吸気温度である。ｋは補正係数、Cは定数である。
【００２０】
本実施形態では、予めセンサ取り付け部の温度変化等の影響を受けない水晶圧電式の圧力センサを用いて燃焼室の圧力を実測し、この実測値を（３）式と対応させることによりｋの値ｋ0およびＣの値Ｃ0を求めておく。これを（３）式に代入して得られる次の（４）式を用いてモータリング圧力を推定する。
【数３】
2007309261.tif 000005
【００２１】
モータリング圧力推定部２０は、基本モータリング圧力計算部２１およびモータリング圧力補正部２２から構成される。基本モータリング圧力計算部２１が（３）式の中の基本項目である基本モータリング圧力GRT/Vを計算する。モータリング圧力補正部２２は、上述のようにして予め求められているパラメータk0およびC0を用いて、基本モータリング圧力を補正する。このパラメータk0およびC0は、吸気管圧力またはエンジン回転数などエンジンの負荷状態を表すパラメータに従って参照することができるテーブルとして用意されている。
【００２２】
なお、モータリング圧力推定部２０は、代替的に、基本モータリング圧力計算部２１のみで構成する形式でも良い。この場合、モータリング圧力ＰＭは、基本モータリング圧力計算部２１が算出した基本モータリング圧力GRT/Vである。
【００２３】
パラメータ同定部２３は、圧縮行程においてモータリング圧力推定部２０が算出するモータリング圧力推定値PMとセンサ出力補正部１７が出力する筒内圧力センサ１２に基づく筒内圧力PSとの誤差(PM-PS)が最小になるよう、最小二乗法によりセンサ出力を補正する補正式のパラメータk1およびC1を同定する。センサ出力検出部１５は、たとえば10kHz分の１の周期で圧力センサの出力をサンプリングし、クランク角度に同期したタイミングでサンプル値の平均値をセンサ出力値PD(θ)として、パラメータ同定部２３に渡す。パラメータ同定部２３は、気筒の圧縮行程において補正式のパラメータを同定する演算を実行する。モータリング圧力補正部から得られるクランク角度に応じたモータリング圧力推定値PM(θ)と、同じクランク角度におけるセンサ出力値PD(θ)に補正式PS = PD(θ)k1 + C1 を適用した値PSとの差の二乗、すなわち（PM(θ) - PD(θ)k1 - C1）2  が最小になる k1 および C1を既知の最小二乗法により求める。
【００２４】
PMの離散値をy(i)で表し、筒内圧力センサから得られる筒内圧力PDのサンプル値（離散値）をx(i)で表すと、X(i)T=[x(0), x(1), …,x(n)]、Y(i)T=[y(0), y(1), …,y(n)]と表される。誤差の離散値の二乗の和は、次の式（５）で表される。サンプル値は、10kHz分の１の周期でとられ、iの値は、たとえば100までとする。
【数４】
2007309261.tif 000006
【００２５】
このFの値を最小にするkおよびCを求めるには、F(k,C)のkおよびCに関する偏微分が０となるkおよびCを求めればよい。これを数式で表すと、次のようになる。
【数５】
2007309261.tif 000007
【００２６】
式(６)および(７)の右辺を整理すると、次のようになる。
【数６】
2007309261.tif 000008
【００２７】
これを行列で表現すると、次のようになる。
【数７】
2007309261.tif 000009
この式を逆行列を使って変形すると、次のようになる。
【数８】
2007309261.tif 000010
【００２８】
ここで、右辺の逆行列は、次の式で表される。
【数９】
2007309261.tif 000011
【００２９】
センサ出力補正部１７は、こうして同定されたパラメータを用いて燃焼行程においてセンサ出力を補正する。
【００３０】
補正部１７は、こうして同定されたパラメータを用いてセンサ出力PD（θ）を補正する。補正されたセンサ出力PS（θ）が燃焼圧力検出部４１に渡される。
【００３１】
燃焼圧力検出部４１は、エンジンの気筒において混合気が燃焼する際の純粋に燃焼によって生じる圧力PC（θ）を算出する。図２を参照すると、筒内圧力センサ１２の出力に基づいて検出される圧力PS（θ）（曲線３）は、燃焼がないときの気筒圧力であるモータリング圧力PM（θ）に、燃焼によって生じる圧力PC（θ）を加算したものになっている。したがって、PC（θ）=  PS（θ）- PM（θ）の演算式によりPC（θ）を算出することができる。
【００３２】
こうして求めたPC（θ）は、たとえば、本願出願人による特許出願2005-097518に記載されるように気筒ごとの空燃比制御に使われるほか、多様なエンジン制御に使われる。
【００３３】
ところで、筒内圧力センサは、圧電セラミック素子であり、気筒内の燃焼圧力によって圧電素子の歪みが変化して生じる電荷の移動量をチャージアンプで電圧に変換するものである。この圧電素子の圧電定数、すなわち圧電素子にかかる力あたり発生する電荷、は温度が上昇するにつれて大きくなる。
【００３４】
図４は、このような温度特性と筒内圧力センサの出力の補正との関係を現す。前述したように、筒内圧センサの出力は、補正式PS=PD(θ)k1 + C1 に従って補正される。k1は、センサ出力をモデルであるモータリング圧力に適合するよう補正する比例係数であり、モデルフィッティング係数と呼ばれる。図４（A）は、筒内圧力センサの温度が十分高いときの挙動を示し、左の図の実線の波形がモータリング圧力を現し、点線の波形がセンサ出力PD(θ)を現す。図４（A）の右側の図の点線の波形は、上述の補正式により補正された筒内圧力PSを現す。
【００３５】
図４（B）は、エンジン始動後で筒内圧センサの温度が低いときの挙動を現す。左の図の実線の波形がモータリング圧力を現し、点線の波形がセンサ出力PD(θ)を現す。図４（B）の右の図の点線の波形は、上述の補正式により補正された筒内圧力PSを現す。このことからわかるように、係数k1は温度が低いほど大きな値をとる。
【００３６】
図５は、筒内圧力センサの温度とセンサ出力の低下率との関係を示す図である。エンジンが完全に暖気したときのエンジン水温の温度85℃を基準とし、センサ温度が低下するとき、センサ出力が低下する率を現している。この関係に基づいて、筒内圧力センサの出力の変化率からセンサ温度を求めることができる。この発明では、筒内圧力センサの出力の変化率に対応するパラメータとして、前述の補正係数k1を用いる。エンジンが十分暖気していない状態では、補正係数k1は、ほぼ温度に反比例して変化するから、係数k1の変化率からセンサ温度を求めることができる。
【００３７】
係数k1の変化率の平均値K1daveを、次のようにして求める。まず、エンジンが十分暖まっているとき（たとえば、エンジン水温が85℃以上のとき）、パラメータ同定部23が算出する各気筒のk1の値の学習値K1refh（各気筒）を算出する。次いで、各気筒についてk1の変化率、すなわち各気筒のk1とその気筒のK1refhとの比を求め、全気筒の変化率の和を算出し、この和を気筒数で割ることにより、係数k1の変化率の平均値K1daveを求める。
【００３８】
図６は、係数k1  の変化率の平均値K1daveと筒内圧力センサの温度との関係を示す。図１にもどると、温度推定部61は、パラメータ同定部23から渡される係数k1  からその変化率の平均値K1daveを算出し、電子制御ユニットのROMに記憶されている図６に対応するテーブルを参照して筒内圧力センサの温度を求める。
【００３９】
こうして求めた筒内圧力センサの温度は、エンジンの燃焼室付近の温度を現すから、エンジンの諸々の制御に使用することができる。たとえば、背景技術で示した特許文献１に記載される技術において、エンジン始動後のエンジン水温が十分上昇していない状態において、エンジン水温に代えて使用することができる。また、空燃比制御のためにこの温度を使用することができる。
【００４０】
以上、本発明を具体的な実施例について説明したが、本発明はこのような実施例に限定されるものではない。また、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンのいずれに対しても使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態である空燃比制御装置の全体的構成を示すブロック図である。
【図２】モータリング圧力曲線および燃焼時のセンサ出力の補正値の曲線を示す図である。
【図３】ピストン位置を計算するための概念図である。
【図４】モータリング圧力と筒内圧力センサ出力の補正処理との関係を示す図。
【図５】筒内圧力センサの温度とセンサ出力の低下率との関係を示す図。
【図６】筒内圧力センサ出力を補正する補正係数の変化率の平均値と、燃焼室付近の温度との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００４２】
１０  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
１２  筒内圧センサ
１５  センサ出力検出部
２０  モータリング圧力推定部
４５  平均着火遅れ算出部
４７  空燃比補正部
４９  燃料噴射量算出部
【図１】
2007309261.tif 000012
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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