(57)【要約】【課題】高い精度で筒内ガス量を推定できる内燃機関の筒内ガス量推定装置を提供する。【解決手段】ディーゼルエンジンにおける筒内ガス量を以下の式（１）および式（２）により推定する（ＳＴ２）。  ガスの充填効率ηｖ＝Ａ×図示出力×排気量補正係数＋Ｂ  …（１）  筒内ガス量Ｇｃｙｌ＝ガスの充填効率ηｖ×行程容積の空気重量  …（２）  ・Ａ＝実験またはシミュレーションにより求められた機種毎に応じた定数  ・Ｂ＝５．２  ・排気量補正係数＝基準排気量／ガス量推定対象である内燃機関の排気量  この算出された筒内ガス量と計測された筒内ガス量との乖離が所定量を超えている場合、計測系に故障が生じていると判定する（ＳＴ６）。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮自着火式内燃機関の筒内に封入されたガスの量を推定する装置であって、
図示出力をパラメータとする以下の式（１）
ガスの充填効率＝Ａ×図示出力×排気量補正係数＋Ｂ  …（１）
・Ａ，Ｂ：実験またはシミュレーションにより求められた定数
・排気量補正係数＝基準排気量／ガス量推定対象である内燃機関の排気量
によってガスの充填効率を求め、
このガスの充填効率およびガス量推定対象である内燃機関の行程容積の空気重量をパラメータとする以下の式（２）
筒内ガス量＝ガスの充填効率×行程容積の空気重量  …（２）
によって、筒内ガス量を推定する構成となっていることを特徴とする内燃機関の筒内ガス量推定装置。
【請求項２】
請求項１記載の内燃機関の筒内ガス量推定装置において、
上記筒内ガス量の推定は、燃料消費率および排気エミッションがともに規制値を満たした範囲内での燃料噴射量で燃料噴射が行われる運転領域において行われる構成となっていることを特徴とする内燃機関の筒内ガス量推定装置。
【請求項３】
上記内燃機関には、筒内ガス量を計測するための計測系が設けられており、
請求項１または２記載の内燃機関の筒内ガス量推定装置によって推定された筒内ガス量と、筒内ガス量の計測値との乖離が所定量を越えている場合に、計測系に故障が発生していると判定するよう構成されていることを特徴とする故障診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンに代表される内燃機関の筒内ガス量（例えば圧縮行程において筒内に封入されていたガスの重量）を推定する筒内ガス量推定装置、および、推定された筒内ガス量に基づいて内燃機関の計測系（筒内ガス量を求めるための情報を取得するセンサ等の計測系）の故障診断を行う故障診断装置に係る。
【背景技術】
【０００２】
従来から周知のように、自動車用エンジンとして使用されるディーゼルエンジン（以下、単にエンジンと呼ぶ場合もある）では、排出ガス特性、燃料消費特性、燃焼安定性および動力性能等のエンジン特性がさまざまな要求を満たすべく、複雑な制御が行われる。
【０００３】
そして、上記要求を満たすためには、燃焼行程において理想的な燃焼を実現する必要があり、そのためには、圧縮行程時における筒内のガス量が適正に得られている必要がある。つまり、筒内のガス量を正確に推定しながらその適正化を図り、筒内の燃焼場において適切な当量比が確保されるようにしておく必要がある。
【０００４】
この筒内ガス量の推定手法としては、例えば計測された吸気量、吸気温度、吸気圧力等をパラメータとして筒内ガス量を求めるマップをエンジン制御用のＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）のＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）に記憶させておき、このマップから筒内ガス量を読み出すようにしている。
【０００５】
また、下記の特許文献１には、エンジン回転数と吸気管圧力とに基づいて筒内ガス量を推定することが開示されている。また、下記の特許文献２には、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）ガス量を筒内ガス量として算出することが開示されている。つまり、これら特許文献では、筒内ガス量を演算によって推定するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−３３０８２１号公報
【特許文献２】特開２０１１−４３１２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した如く、筒内ガス量をマップから求めるようにした場合、上記各パラメータ（吸気量、吸気温度、吸気圧力等）に応じた多数のマップ値を記憶させておく必要があり、上記ＥＣＵのＲＯＭに必要な記憶容量が大きくなってしまう。その結果、マップ値の取得作業の煩雑化や、記憶容量の大きなＲＯＭを必要とすることによるコストの高騰を招くものとなっていた。
【０００８】
また、近年、自動車の排気エミッション規制の強化にともない、燃焼行程でのＮＯｘ発生量やスモーク発生量を規制範囲内に抑えるべく、燃焼形態の改善を図る必要がある。そのため、上記特許文献の如く演算によって筒内ガス量を推定する場合において、より高い精度で筒内ガス量を推定可能とする推定手法が求められている。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高い精度で筒内ガス量を推定できる内燃機関の筒内ガス量推定装置、および、その推定された筒内ガス量に基づいて計測系の故障診断を行う故障診断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
−発明の解決原理−
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、燃焼行程時における図示出力を利用して、その燃焼行程開始前における筒内のガスの充填効率を求め、このガスの充填効率から筒内ガス量を高い精度で推定できるようにしている。また、この高い精度で推定された筒内ガス量を利用して内燃機関の計測系の故障診断を行うようにしている。
【００１１】
−解決手段−
具体的に、本発明は、圧縮自着火式内燃機関の筒内に封入されたガスの量を推定する装置を前提とする。この内燃機関の筒内ガス量推定装置に対し、図示出力をパラメータとする以下の式（１）
ガスの充填効率＝Ａ×図示出力×排気量補正係数＋Ｂ  …（１）
・Ａ，Ｂ：実験またはシミュレーションにより求められた定数
・排気量補正係数＝基準排気量／ガス量推定対象である内燃機関の排気量
によってガスの充填効率を求め、このガスの充填効率およびガス量推定対象である内燃機関の行程容積の空気重量をパラメータとする以下の式（２）
筒内ガス量＝ガスの充填効率×行程容積の空気重量  …（２）
によって、筒内ガス量を推定する構成としている。
【００１２】
このように、燃焼行程時における図示出力を利用して、その燃焼行程開始前における筒内のガスの充填効率を求め、このガスの充填効率から筒内ガス量を高い精度で推定できるようにしているため、筒内ガス量を高い精度で推定することが可能である。また、予め作成したマップから筒内ガス量を求める従来技術の場合、多数のマップ値を記憶させておく必要があることからＲＯＭに必要な記憶容量が大きくなってしまうといった課題があったが、本解決手段によれば、記憶容量の大きなＲＯＭを必要とすることがなく、コストの低廉化を図ることもできる。
【００１３】
また、上記式（１）および式（２）による筒内ガス量の推定を、燃料消費率および排気エミッションがともに規制値を満たした範囲内での燃料噴射量で燃料噴射が行われる運転領域において行うようにしている。
【００１４】
この運転領域にあっては、図示出力が、充填効率の変化に対して略線形となる。このため、ガスの充填効率（上記式（１）で求められるガスの充填効率）の算出精度を高く得ることができ、その結果、筒内ガス量を高い精度で推定することが可能になる。
【００１５】
上記推定された筒内ガス量を利用して、筒内ガス量を計測するための計測系の故障診断を行う装置として具体的には以下のものが挙げられる。上記内燃機関に、筒内ガス量を計測するための計測系が設けられており、上記解決手段に係る筒内ガス量推定装置によって推定された筒内ガス量と、筒内ガス量の計測値との乖離が所定量を越えている場合に、計測系に故障が発生していると判定する構成としたものである。
【００１６】
これにより、内燃機関に設けられた計測系の故障診断を高い信頼性をもって行うことが可能である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、燃焼行程時における図示出力を利用して、その燃焼行程開始前における筒内のガスの充填効率を求め、このガスの充填効率から筒内ガス量を推定している。これにより、筒内ガス量を高い精度で推定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態に係るエンジンおよびその制御系統の概略構成を示す図である。
【図２】ディーゼルエンジンの燃焼室およびその周辺部を示す断面図である。
【図３】ＥＣＵ等の制御系の構成を示すブロック図である。
【図４】エンジンの図示出力と筒内のガスの充填効率との関係を示す図である。
【図５】排気量が異なる複数のエンジンそれぞれにおける図示出力とガスの充填効率との関係を示す図である。
【図６】エンジン回転数と各トルクとの関係を示す概念図である。
【図７】実験装置上でエンジンを運転させた場合のエンジン回転数と正味トルクとの関係を示す図である。
【図８】燃料噴射量と正味トルクとの関係を示す図である。
【図９】汎用化された図示出力とガスの充填効率との関係を示す図である。
【図１０】計測系故障診断の手順を示すフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車に搭載されたコモンレール式筒内直噴型多気筒（例えば直列４気筒）ディーゼルエンジン（圧縮自着火式内燃機関）に本発明を適用した場合について説明する。
【００２０】
−エンジンの構成−
まず、本実施形態に係るディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）の概略構成について説明する。図１は本実施形態に係るエンジン１およびその制御系統の概略構成図である。また、図２は、ディーゼルエンジン１の燃焼室３およびその周辺部を示す断面図である。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態に係るエンジン１は、燃料供給系２、燃焼室３、吸気系６、排気系７等を主要部とするディーゼルエンジンシステムとして構成されている。
【００２２】
燃料供給系２は、サプライポンプ２１、コモンレール２２、インジェクタ（燃料噴射弁）２３、機関燃料通路２７等を備えて構成されている。
【００２３】
上記サプライポンプ２１は、燃料タンクから燃料を汲み上げ、この汲み上げた燃料を高圧にした後、機関燃料通路２７を介してコモンレール２２に供給する。コモンレール２２は、高圧燃料を所定圧力に保持（蓄圧）する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各インジェクタ２３，２３，…に分配する。インジェクタ２３は、その内部に圧電素子（ピエゾ素子）を備え、適宜開弁して燃焼室３内に燃料を噴射供給するピエゾインジェクタにより構成されている。
【００２４】
吸気系６は、シリンダヘッド１５（図２参照）に形成された吸気ポート１５ａに接続される吸気マニホールド６３を備え、この吸気マニホールド６３に、吸気通路を構成する吸気管６４が接続されている。また、この吸気通路には、上流側から順にエアクリーナ６５、エアフローメータ４３、吸気絞り弁（ディーゼルスロットル）６２が配設されている。上記エアフローメータ４３は、エアクリーナ６５を介して吸気通路に流入される空気量に応じた電気信号を出力する。
【００２５】
排気系７は、シリンダヘッド１５に形成された排気ポート７１に接続される排気マニホールド７２を備え、この排気マニホールド７２に対して、排気通路を構成する排気管７３が接続されている。また、この排気通路には排気浄化ユニット７７が配設されている。この排気浄化ユニット７７には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒としてのＮＳＲ（ＮＯｘ  Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒(排気浄化触媒)７５およびＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｆｉｌｔｅｒ）７６が備えられている。なお、排気浄化ユニット７７としてＤＰＮＲ（Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ−ＮＯｘ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ）触媒を適用してもよい。
【００２６】
上記ＮＳＲ触媒７５は、排気中に多量の酸素が存在している状態においてはＮＯｘを吸蔵し、排気中の酸素濃度が低く、且つ還元成分（例えば燃料の未燃成分（ＨＣ））が多量に存在している状態においてはＮＯｘをＮＯ2若しくはＮＯに還元して放出する。ＮＯ2やＮＯとして放出されたＮＯｘは、排気中のＨＣやＣＯと速やかに反応することによってさらに還元されてＮ2となる。また、ＨＣやＣＯは、ＮＯ2やＮＯを還元することで、自身は酸化されてＨ2ＯやＣＯ2となる。即ち、ＮＳＲ触媒７５に導入される排気中の酸素濃度やＨＣ成分を適宜調整することにより、排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化することができるようになっている。本実施形態のものでは、この排気中の酸素濃度やＨＣ成分の調整を上記インジェクタ２３からの燃料噴射動作（ポスト噴射）や吸気絞り弁６２の開度制御によって行うようになっている。
【００２７】
また、ＤＰＦ７６は、例えば多孔質セラミック構造体で成り、排気ガスが多孔質の壁を通過する際に、この排気ガス中に含まれるＰＭ（Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｔｅｒ：微粒子）を捕集するようになっている。また、このＤＰＦ７６には、ＤＰＦ再生運転時に、上記捕集したＰＭを酸化・燃焼するための触媒（例えば白金等の貴金属を主成分とする酸化触媒）が担持されている。
【００２８】
ここで、エンジン１の燃焼室３およびその周辺部の構成について、図２を用いて説明する。この図２に示すように、エンジン本体の一部を構成するシリンダブロック１１には、各気筒（４気筒）毎に円筒状のシリンダボア１２が形成されており、各シリンダボア１２の内部にはピストン１３が上下方向に摺動可能に収容されている。
【００２９】
ピストン１３の頂面１３ａの上側には上記燃焼室３が形成されている。つまり、この燃焼室３は、シリンダブロック１１の上部に取り付けられたシリンダヘッド１５の下面と、シリンダボア１２の内壁面と、ピストン１３の頂面１３ａとにより区画形成されている。そして、ピストン１３の頂面１３ａの略中央部には、キャビティ（凹陥部）１３ｂが凹設されており、このキャビティ１３ｂも燃焼室３の一部を構成している。
【００３０】
上記ピストン１３は、コネクティングロッド１８によってエンジン出力軸であるクランクシャフトに連結されている。これにより、シリンダボア１２内でのピストン１３の往復移動がコネクティングロッド１８を介してクランクシャフトに伝達され、このクランクシャフトが回転することでエンジン出力が得られるようになっている。
【００３１】
また、燃焼室３に向けてグロープラグ１９が配設されている。このグロープラグ１９は、エンジン１の始動直前に電流が流されることにより赤熱し、これに燃料噴霧の一部が吹きつけられることで着火・燃焼が促進される始動補助装置として機能する。
【００３２】
上記シリンダヘッド１５には、上記吸気ポート１５ａおよび上記排気ポート７１がそれぞれ形成されていると共に、吸気ポート１５ａを開閉する吸気バルブ１６および排気ポート７１を開閉する排気バルブ１７が配設されている。また、シリンダヘッド１５には、燃焼室３の内部へ直接的に燃料を噴射する上記インジェクタ２３が取り付けられている。このインジェクタ２３は、シリンダ中心線Ｐに沿う起立姿勢で燃焼室３の略中央上部に配設されており、上記コモンレール２２から導入される燃料を燃焼室３に向けて所定のタイミングで噴射する。
【００３３】
さらに、図１に示す如く、このエンジン１には、過給機（ターボチャージャ）５が設けられている。このターボチャージャ５は、タービンシャフト５１を介して連結されたタービンホイール５２およびコンプレッサホイール５３を備えている。コンプレッサホイール５３は吸気管６４内部に臨んで配置され、タービンホイール５２は排気管７３内部に臨んで配置されている。このためターボチャージャ５は、タービンホイール５２が受ける排気流（排気圧）を利用してコンプレッサホイール５３を回転させ、吸気圧を高めるといった所謂過給動作を行うようになっている。本実施形態におけるターボチャージャ５は、可変ノズル式ターボチャージャであって、タービンホイール５２側に可変ノズルベーン機構（図示省略）が設けられており、この可変ノズルベーン機構の開度を調整することにより、エンジン１の過給圧を調整することができる。
【００３４】
吸気系６の吸気管６４には、ターボチャージャ５での過給によって昇温した吸入空気を強制冷却するためのインタークーラ６１が設けられている。
【００３５】
また、エンジン１には、吸気系６と排気系７とを接続する排気還流通路（ＥＧＲ通路）８が設けられている。このＥＧＲ通路８は、排気の一部を適宜吸気系６に還流させて燃焼室３へ再度供給することにより燃焼温度を低下させ、これによってＮＯｘ生成量を低減させるものである。また、このＥＧＲ通路８には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路８を流れる排気流量を自在に調整することができるＥＧＲバルブ８１と、ＥＧＲ通路８を通過（還流）する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ８２とが設けられている。これらＥＧＲ通路８、ＥＧＲバルブ８１、ＥＧＲクーラ８２等によってＥＧＲ装置（排気還流装置）が構成されている。
【００３６】
−センサ類−
エンジン１の各部位には、各種センサが取り付けられており、それぞれの部位の環境条件や、エンジン１の運転状態に関する信号を出力する。
【００３７】
例えば、上記エアフローメータ４３は、吸気系６内の吸気絞り弁６２上流において吸入空気の流量（吸入空気量）に応じた検出信号を出力する。レール圧センサ４１はコモンレール２２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。スロットル開度センサ４２は吸気絞り弁６２の開度を検出する。吸気圧センサ４８は、吸気マニホールド６３に配置され、吸入空気圧力に応じた検出信号を出力する。吸気温センサ４９は、吸気マニホールド６３に配置され、吸入空気の温度に応じた検出信号を出力する。Ａ／Ｆ（空燃比）センサ４４ａ，４４ｂは、ＮＳＲ触媒７５の上流側および下流側にそれぞれ配設され、排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。なお、Ａ／Ｆセンサの配設位置としては、ＮＳＲ触媒７５の上流側のみであってもよいし、ＮＳＲ触媒７５の下流側のみであってもよい。排気温センサ４５ａ，４５ｂは、同じくＮＳＲ触媒７５の上流側および下流側にそれぞれ配設され、排気ガスの温度（排気温度）に応じた検出信号を出力する。なお、排気温センサの配設位置も、ＮＳＲ触媒７５の上流側のみであってもよいし、ＮＳＲ触媒７５の下流側のみであってもよい。
【００３８】
−ＥＣＵ−
ＥＣＵ１００は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータと入出力回路とを備えている。図３に示すように、ＥＣＵ１００の入力回路には、上記レール圧センサ４１、スロットル開度センサ４２、エアフローメータ４３、Ａ／Ｆセンサ４４ａ，４４ｂ、排気温センサ４５ａ，４５ｂ、吸気圧センサ４８、吸気温センサ４９が接続されている。さらに、入力回路には、エンジン１の冷却水温に応じた検出信号を出力する水温センサ４６、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号を出力するアクセル開度センサ４７、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力するクランクポジションセンサ４０などが接続されている。
【００３９】
一方、ＥＣＵ１００の出力回路には、上記サプライポンプ２１、インジェクタ２３、吸気絞り弁６２、ＥＧＲバルブ８１、および、上記ターボチャージャ５の可変ノズルベーン機構（可変ノズルベーンの開度を調整するアクチュエータ）５４が接続されている。
【００４０】
そして、ＥＣＵ１００は、上記した各種センサからの出力、その出力値を利用する演算式により求められた演算値、または、上記ＲＯＭに記憶された各種マップに基づいて、エンジン１の各種制御を実行する。
【００４１】
例えば、ＥＣＵ１００は、インジェクタ２３の燃料噴射制御として、パイロット噴射（副噴射）とメイン噴射（主噴射）とを実行する。
【００４２】
上記パイロット噴射は、インジェクタ２３からのメイン噴射に先立ち、予め少量の燃料を噴射する動作である。また、このパイロット噴射は、メイン噴射による燃料の着火遅れを抑制し、安定した拡散燃焼に導くための噴射動作であって、副噴射とも呼ばれる。
【００４３】
上記メイン噴射は、エンジン１のトルク発生のための噴射動作（トルク発生用燃料の供給動作）である。このメイン噴射での噴射量は、基本的には、エンジン回転数（エンジン回転速度）、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等の運転状態に応じ、要求トルクが得られるように決定される。例えば、エンジン回転数（クランクポジションセンサ４０の検出値に基づいて算出されるエンジン回転数；エンジン回転速度）が高いほど、また、アクセル操作量（アクセル開度センサ４７により検出されるアクセルペダルの踏み込み量）が大きいほど（アクセル開度が大きいほど）エンジン１のトルク要求値としては高く得られ、それに応じてメイン噴射での燃料噴射量としても多く設定されることになる。
【００４４】
具体的な燃料噴射形態の一例としては、ピストン１３が圧縮上死点に達する前に上記パイロット噴射（インジェクタ２３に形成された複数の噴孔からの燃料噴射）が実行され、燃料噴射が一旦停止された後、所定のインターバルを経て、ピストン１３が圧縮上死点近傍に達した時点で上記メイン噴射が実行されることになる。これにより燃料が自己着火によって燃焼し、この燃焼により発生したエネルギは、ピストン１３を下死点に向かって押し下げるための運動エネルギ（エンジン出力となるエネルギ）、燃焼室３内を温度上昇させる熱エネルギ、シリンダブロック１１やシリンダヘッド１５を経て外部（例えば冷却水）に放熱される熱エネルギとなる。
【００４５】
燃料噴射を実行する際の燃料噴射圧は、コモンレール２２の内圧により決定される。このコモンレール内圧として、一般に、コモンレール２２からインジェクタ２３へ供給される燃料圧力の目標値、即ち目標レール圧は、エンジン負荷（機関負荷）が高くなるほど、および、エンジン回転数（機関回転数）が高くなるほど高いものとされる。この目標レール圧は例えば上記ＲＯＭに記憶された燃圧設定マップに従って設定される。なお、本実施形態では、エンジン負荷等に応じて燃料圧力が３０ＭＰａ〜２００ＭＰａの間で調整されるようになっている。
【００４６】
なお、上述したパイロット噴射およびメイン噴射の他に、アフタ噴射やポスト噴射が必要に応じて行われる。これらの噴射の機能は周知である。特に、ポスト噴射は、ＮＯｘ還元処理、Ｓ被毒回復制御、ＤＰＦ再生処理に利用される。
【００４７】
また、ＥＣＵ１００は、エンジン１の運転状態に応じてＥＧＲバルブ８１の開度を制御し、吸気マニホールド６３に向けての排気還流量（ＥＧＲ量）を調整する。このＥＧＲ量は、予め実験やシミュレーション等によって作成されて上記ＲＯＭに記憶されたＥＧＲマップに従って設定される。このＥＧＲマップは、エンジン回転数およびエンジン負荷をパラメータとしてＥＧＲ量（ＥＧＲ率）を決定するためのマップである。
【００４８】
また、ＥＣＵ１００は、後述する筒内ガス量推定を行い、この推定した筒内ガス量に応じて計測系の故障診断を行う。以下、具体的に説明する。
【００４９】
−筒内ガス量推定−
本実施形態の特徴は、圧縮行程時における筒内のガス量（大部分が新気とＥＧＲガスとから成るガスの総重量）の推定にある。以下、筒内ガス量推定の概要について説明する。
【００５０】
筒内ガス量の推定は、ガス量推定対象であるエンジン１の行程容積の空気重量と、筒内におけるガスの充填効率（以下、単に「ガスの充填効率ηｖ」という）とを利用して行われる。また、このガスの充填効率ηｖは、燃焼行程時における図示出力と、排気量補正係数とを利用して求められる。これら図示出力および排気量補正係数の算出手法については後述する。
【００５１】
具体的に、ガスの充填効率ηｖは、以下の式（１）により算出され、また、筒内ガス量（筒内ガス量の推定値）Ｇｃｙｌは、以下の式（２）により算出される。
【００５２】
ガスの充填効率ηｖ＝Ａ×図示出力×排気量補正係数＋Ｂ  …（１）
筒内ガス量Ｇｃｙｌ＝ガスの充填効率ηｖ×行程容積の空気重量  …（２）
以下、上記式（１），（２）における各項について具体的に説明する。
【００５３】
（定数Ａ，Ｂ）
上記定数ＡおよびＢは実験またはシミュレーションにより求められた値である。
【００５４】
まず、定数Ａは、図示出力に対する充填効率の影響度合いを反映したエンジン固有の値である。図４は、あるエンジン（例えば排気量が１５００ｃｃのエンジン）における図示出力と充填効率との関係を示す図である。このように、図示出力は、充填効率の変化に対して略線形となっており、充填効率が高いほど図示出力も高くなる。そして、上述した如く、上記定数Ａは図示出力に対する充填効率の影響度合いを示すものであるため、エンジンの機種に応じて、吸気充填効率の変化に対する図示出力の変化割合は異なるものとなる。つまり、図４における直線の勾配はエンジンの機種に応じて異なる。
【００５５】
但し、この図４に示すように図示出力が充填効率の変化に対して略線形となるのは、燃料消費率および排気エミッション（ＮＯｘ発生量やスモーク発生量）がともに規制値を満たした範囲内での燃料噴射量で燃料噴射が行われる運転領域に限られる。言い換えると、燃料消費率および排気エミッションがともに規制値（予め設定された所定の規制値）を満たした範囲内での燃料噴射量で燃料噴射が行われる運転領域において上記定数ＡおよびＢを使用した式（１）によるガスの充填効率ηｖの算出が行われ、式（２）による筒内ガス量Ｇｃｙｌの算出が行われることになる。
【００５６】
図５は、排気量が互いに異なるエンジンそれぞれにおける図示出力と吸気充填効率との関係を示している。図中に実線で示す直線ｉは排気量が１５００ｃｃのエンジン、破線で示す直線iiは排気量が１８００ｃｃのエンジン、一点鎖線で示す直線iiiは排気量が２０００ｃｃのエンジン、二点鎖線で示す直線ivは排気量が２８００ｃｃのエンジンそれぞれにおける図示出力と吸気充填効率との関係を示している。このように、排気量が多いエンジンほど、同一充填効率であっても図示出力は高く得られることになる。このように、上記定数Ａは、エンジンの機種毎における吸気充填効率の変化に対する図示出力の変化割合を示す（エンジンの出力特性を示す）値である。
【００５７】
一方、上記定数Ｂは、図４に示す直線にあっては、図示出力が「０」になると仮定した場合における縦軸（充填効率軸）上の切片に対応する値である。この定数Ｂは何れの機種のエンジン１においても略同一の値となる。例えば、「０．５」となる。
【００５８】
以上のように、ガスの充填効率は図示出力に比例することになるため、以下の式（３）が成立する。
【００５９】
ガスの充填効率ηｖ∝Ａ×図示出力＋Ｂ  …（３）
（図示出力）
燃焼行程時における図示出力は、例えば実験装置（エンジンベンチ試験器）上でエンジン１を運転させることにより計測が可能である。つまり、ガスの充填効率を変化させながら図示出力を計測することが可能である。この場合における図示出力の計測手法については公知であるため、ここでの説明は省略する（例えば特開２００６−２３３２２４号公報、特開２００６−７７２５５号公報を参照）。
【００６０】
また、以下の手法によれば、車両走行中（実車の走行中）のエンジン運転状態から図示出力を算出することも可能である。
【００６１】
まず、上記クランクポジションセンサ４０の検出値に基づいて算出されるエンジン回転数、および、インジェクタ２３に対する噴射量指令値により指示される燃料噴射量をパラメータとする下記の式（４）により、図示トルク（式（４）中の「Ｄ×燃料噴射量」で求まる）の推定を行う。また、この式（４）では正味トルクの推定も可能である。
【００６２】
なお、ここでいう燃料噴射量は、エンジン１のトルク発生に寄与する燃料の量であって、具体的には、上記パイロット噴射およびメイン噴射の総量に相当する。また、メイン噴射での噴射量のみを、ここでいう燃料噴射量として規定するようにしてもよい。
【００６３】
また、エンジン１の正味トルクは、筒内での燃料の燃焼にともなって発生するトルクである上記図示トルクから、エンジン１のフリクショントルク、ポンピングロス、補機類の負荷トルク等の機械的な損失（以下、単に「機械損失」という）を減算（負の値を加算）したトルクである。つまり、正味トルクは、エンジン１から変速機（図示省略）に伝達されるトルクとして算出される。
【００６４】
このため、これらパラメータには以下の式（４）の関係が成立している。
【００６５】
正味トルク＝Ｃ×エンジン回転数＋Ｄ×燃料噴射量    …（４）
ここで、Ｃは実験またはシミュレーションにより求められた機種毎に応じた定数である。また、Ｄは燃料噴射量（ｍｍ3）から図示トルク（Ｎｍ）を得るための定数であって「５．２」となっている。この定数Ｄについては後述する。
【００６６】
上記機械損失は、エンジン回転数に比例する。つまり、エンジン回転数の上昇にともないエンジン１内部での摺動部分における機械損失は増大していく。このため、図６に示すエンジン回転数とトルクとの関係において、機械損失モデルとしては、原点を通り（エンジン回転数が「０」のとき、機械損失（負のトルク）も「０」である）、エンジン回転数が高くなるに従って負側に大きく（絶対値が大きく）なっていく。また、この機械損失はエンジン回転数に対して略線形となっている。
【００６７】
また、上記図示トルクは燃料噴射量に比例する。つまり、燃料噴射量が一定であればエンジン回転数が変化したとしても、図示トルクは変化することがない。これは、エンジン１の実用運転領域の範囲内における燃料噴射量では燃焼効率は殆ど変化しないためである。このため、図６に示すエンジン回転数とトルクとの関係において、燃料噴射量が一定であれば図示トルク（図示トルクモデル）は不変となっている。
【００６８】
そして、上述した如く正味トルクは、図示トルクから機械損失を減算（負のトルクを加算）したトルクであるため、図６にあっては、エンジン回転数が低い状況では、正味トルクが図示トルクに略一致しており、エンジン回転数が高くなるに従って、機械損失の増加にともない正味トルクは低下していく。この場合のエンジン回転数の上昇量に対する正味トルクの低下量（正味トルクの減少勾配）は、上記機械損失モデルにおける低下量（機械損失の増加勾配：負側の増加勾配）と一致している。このため、図６では、これら正味トルクモデルと機械損失モデルとは平行となっている。また、これら正味トルクモデルと機械損失モデルとの差は燃料噴射量によって決定される。つまり、燃料噴射量が多いほど、正味トルクモデルと機械損失モデルとの差は大きくなる。
【００６９】
以上のことを踏まえた上で、図示トルクおよび正味トルクの実験式について以下に説明する。
【００７０】
実験装置（エンジンベンチ試験器）上でエンジン１を運転させる場合のモータリングトルク（エンジン１を連続回転させるために必要なトルク）の実測値は、図７に示すエンジン回転数と正味トルクとの関係を示すグラフにあっては、原点（エンジン回転数が「０」）を通り、エンジン回転数が高くなるに従って負側に大きくなっていく直線に近似される。この場合、モータリングトルクは機械損失（摩擦トルク等）と見なされることになるので、以下の式（５）が成立する。
【００７１】
機械損失＝モータリングトルク推定値＝Ｃ×エンジン回転数    …（５）
Ｃは上述した如く、エンジンの機種毎に応じた（機種毎の機械損失に応じた）定数である。
【００７２】
この図７に示す特性を有するエンジン１にあっては、定数Ｃは「−０．０３０８」となっている。この定数Ｃは、エンジン１の種類の固有の値であり、図７におけるモータリングトルクの変化を示す直線の傾きに相当する。つまり、エンジン１内部での摺動抵抗等が大きいほど定数Ｃの絶対値は大きな値となる。
【００７３】
そして、正味トルクは、図７にあっては、傾きが上記モータリングトルクと同一であり、トルクの大きさは燃料噴射量に比例する直線に近似される。つまり、各エンジン回転数それぞれの正味トルクは、燃料噴射量が多いほど高くなっており、且つエンジン回転数の変化に対して略線形となっている。
【００７４】
図７では燃料噴射量を異ならせた場合における正味トルクをａ〜ｄで示している。例えば、図中に実線で示す直線ａはパイロット噴射およびメイン噴射の総量が４０ｍｍ3である場合を、破線で示す直線ｂはパイロット噴射およびメイン噴射の総量が３５ｍｍ3である場合を、一点鎖線で示す直線ｃはパイロット噴射およびメイン噴射の総量が３０ｍｍ3である場合を、二点鎖線で示す直線ｄはパイロット噴射およびメイン噴射の総量が２５ｍｍ3である場合をそれぞれ示している。
【００７５】
以上のことから上記式（４）が成立し、この式（４）の右辺の第１項が、モータリングトルク推定値、つまり、エンジン１の機械損失に相当する値となる。つまり、この右辺の第１項が、エンジン回転数の変化にともなう正味トルクの減少勾配を決定する項となる。また、式（４）の右辺の第２項が図示トルクに相当する値となる。つまり、この右辺の第２項が、機械損失によって減少した正味トルクの燃料噴射量に応じた値を決定する項となる。
【００７６】
そして、この式（４）における定数Ｄは、燃料噴射量（ｍｍ3）と図示トルク（Ｎｍ）との相関を示す値であって、上述した如く「５．２」として得られている。この値は、燃料（軽油）が燃焼する際において単位燃料当たりに発生する図示トルクであって、図７における正味トルクの変化を示す直線にあっては、燃料噴射量が１ｍｍ3である場合での縦軸（正味トルク軸）上の切片に対応する。このため、この値は汎用的な値である。つまり、エンジン１の種類に関わらず、燃料噴射量と図示トルクとの間には、一定の関係式が成立することになる。
【００７７】
但し、この式（４）が成立するのは、燃料噴射量が所定量以下である運転領域に限られる。これは、燃料噴射量が所定量を超えた場合には、筒内での燃焼場において酸素不足を招いてしまい、燃料噴射量に応じた図示トルクが発生しない状況となるためである。つまり、燃料噴射量がこの所定量を超えた場合には、正味トルクの推定値と実際の正味トルクとの間にズレが生じることになる。従って、燃料噴射量の上記所定量（式（４）が成立する燃料噴射量の上限値）は、筒内での酸素不足を招かない範囲の燃料噴射量の最大値として規定されることになる。
【００７８】
図８は、このように燃料噴射量が所定量以下である範囲における燃料噴射量と正味トルクとの関係を示す図である。このように、燃料噴射量が所定量以下である場合、正味トルクは燃料噴射量の変化に対して略線形となっている。このため、図７に示す各噴射量毎の正味トルクを示す直線ａ〜ｄは互いに等間隔となっている。
【００７９】
以上のようにして推定された図示トルクを用いて図示出力を以下の式（６）によって算出する。この式（６）では、図示トルク（５．２×燃料噴射量）とエンジン回転数（ｒｐｍ）とをパラメータとして図示出力（ｋＷ）を算出する。
【００８０】
図示出力＝５．２×燃料噴射量×
（エンジン回転数×２π／６０）／１０００  …（６）
以上のようにして図示出力が算出される。
【００８１】
（排気量補正係数）
上記式（３）に示したように、ガスの充填効率ηｖは図示出力に比例する。しかしながら、ガスの充填効率ηｖの変化によって得られる図示出力は、エンジン１の排気量に応じて異なる（図５を参照）。このため、式（３）の右辺の第１項に排気量補正係数を乗算することで式（３）を汎用式化し、これを上記式（１）としている。
【００８２】
この排気量補正係数は、ガス量推定対象であるエンジン１の排気量に対し、予め設定された基準排気量の比（基準排気量／排気量）として求められる。この基準排気量は、充填効率と排気量との関係を規定する基準となる排気量であって、予め実験やシミュレーションによって、モデルとなるエンジン（例えば排気量が２０００ｃｃのエンジン）における充填効率と図示出力との関係（エンジンの固有値）を規定するものとして設定されている。つまり、この排気量補正係数は、モデルとなるエンジンの図示出力に対し、対象とするエンジンでの図示出力の比として与えられる。
【００８３】
以上のようにして、エンジンの種類に関わりなく、燃焼行程時における図示出力と、排気量補正係数とからガスの充填効率ηｖが求められる上記式（１）が与えられることになる。なお、図９は、汎用化された図示出力とガスの充填効率との関係を示す図である。
【００８４】
（行程容積の空気重量）
上記式（２）における行程容積の空気重量は、エンジン１の一つの気筒において、ピストン１３が下死点にあって筒内の空気が標準状態（例えば大気圧状態）である場合の空気重量である。つまり、この標準状態での空気重量に対して、上記（１）で算出されたガスの充填効率ηｖを乗算することによって実際に筒内に吸入されているガス量Ｇｃｙｌを上記式（２）によって算出することになる。
【００８５】
以上のようにして、行程容積の空気重量とガスの充填効率ηｖとを利用して筒内ガス量Ｇｃｙｌの推定が行われる。
【００８６】
−計測系故障診断−
次に、上述の如く推定した筒内ガス量を利用した計測系の故障診断の手順について図１０のフローチャートに沿って説明する。このフローチャートはエンジン１の始動後、所定時間毎（例えば数ｍｓｅｃ毎）に実行される。
【００８７】
なお、ここでいう計測系とは、筒内ガス量を求めるための情報を取得するセンサ等の計測系であって、上記エアフローメータ４３等の機器の総称である。
【００８８】
まず、ステップＳＴ１において、上記計測系において計測された出力信号に基づく筒内ガス量計測値を取得する。
【００８９】
この計測系における筒内ガス量の計測手法としては、上記エアフローメータ４３からの出力信号に基づいて求められる新気量に、上記ＥＧＲバルブ８１の開度などから求められるＥＧＲガス量を加算するとともに、吸気系６での時間遅れ（例えばエアフローメータ４３で検出された新気が筒内に達するまでの時間遅れ）を考慮して筒内ガス量が求められる。なお、この時間遅れは、予め実験またはシミュレーションにより求められている。
【００９０】
また、吸気圧センサ４８からの出力信号に基づいて求められる吸入空気圧力（吸気マニホールド６３の内圧）から筒内ガス量を求めるようにしてもよい。この場合、以下の式（７）によって筒内ガス量が算出される。
【００９１】
筒内ガス量Ｇｃｙｌ＝Ｅ・吸入空気圧力＋Ｆ    …（７）
Ｅ、Ｆ：実験またはシミュレーションにより求められた定数
次に、ステップＳＴ２において、上記式（１）および式（２）を利用して推定筒内ガス量の算出を行う。
【００９２】
そして、ステップＳＴ３では、上記ステップＳＴ１で取得した筒内ガス量計測値と、上記ステップＳＴ２で算出した推定筒内ガス量との乖離量ΔＧｃｙｌを以下の式（８）によって算出する。
【００９３】
ΔＧｃｙｌ＝｜筒内ガス量計測値−推定筒内ガス量｜  …（８）
その後、ステップＳＴ４に移り、この乖離量ΔＧｃｙｌが所定乖離量α以下であるか否かを判定し、この乖離量ΔＧｃｙｌが所定乖離量α以下であって、ステップＳＴ４でＹＥＳ判定された場合には、ステップＳＴ５で、計測系は正常であると診断されてリターンされる。上記乖離量αとしては、実験またはシミュレーションによって適宜設定される。
【００９４】
一方、上記乖離量ΔＧｃｙｌが所定乖離量αを超えており、ステップＳＴ４でＮＯ判定された場合には、ステップＳＴ６で、計測系に故障が生じていると診断され、例えば、車室内のメータパネル上のＭＩＬ（警告灯）を点灯させて運転者に警告を促すと共に、上記ＥＣＵ１００に備えられたダイアグノーシスに異常情報が書き込まれることになる。
【００９５】
以上説明したように、本実施形態では、行程容積の空気重量とガスの充填効率ηｖとを利用して筒内ガス量を推定するようにしている。このため、筒内ガス量を高い精度で推定することが可能である。そして、この高い精度で推定された筒内ガス量を利用して計測系の故障診断を行うようにしているため、この故障診断も高い信頼性をもって行うことが可能である。
【００９６】
なお、本発明の発明者らは、本発明の汎用性を確認するために、他の機種のエンジン（排気量が異なるエンジン等）や異なる運転条件についても同様の筒内ガス量推定動作によって推定筒内ガス量と実際に計測された筒内ガス量とを比較する検証を行った。その結果、何れの機種および運転条件についても、高い精度で筒内ガス量が得られていることを確認している。
【００９７】
−他の実施形態−
以上説明した実施形態は、自動車に搭載される直列４気筒ディーゼルエンジンに本発明を適用した場合について説明した。本発明は、自動車用に限らず、その他の用途に使用されるエンジンにも適用可能である。また、気筒数やエンジン形式（直列型エンジン、Ｖ型エンジン、水平対向型エンジン等の別）についても特に限定されるものではない。
【００９８】
また、上記実施形態では、本発明に係る筒内ガス量推定装置を車載のＥＣＵ１００のＲＯＭに格納し、エンジン１の運転状態において筒内ガス量の推定を行うようにしていた。本発明はこれに限らず、実験装置（エンジンベンチ試験器）に上記筒内ガス量推定装置を備えさせ、エンジン１の設計段階において、この実験装置上でエンジン１を試験運転させる際に筒内ガス量の推定を行うといった使用形態に適用することも可能である。
【００９９】
また、上記実施形態では、通電期間においてのみ全開の開弁状態となることにより燃料噴射率を変更するピエゾインジェクタ２３を適用したエンジン１について説明したが、本発明は、可変噴射率インジェクタを適用したエンジンへの適用も可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明は、自動車に搭載されるディーゼルエンジンにおいて、筒内ガス量の推定に適用可能である。
【符号の説明】
【０１０１】
１      エンジン（内燃機関）
１２    シリンダボア
２３    インジェクタ（燃料噴射弁）
３      燃焼室
４０    クランクポジションセンサ
４３    エアフローメータ
８１    ＥＧＲバルブ
１００  ＥＣＵ
【図１】
2013224615.tif 000003
【図２】
2013224615.tif 000004
【図３】
2013224615.tif 000005
【図４】
2013224615.tif 000006
【図５】
2013224615.tif 000007
【図６】
2013224615.tif 000008
【図７】
2013224615.tif 000009
【図８】
2013224615.tif 000010
【図９】
2013224615.tif 000011
【図１０】
2013224615.tif 000012