(57)【要約】【課題】内燃機関の筒内温度を低コストかつ高精度で推定することができる内燃機関の制御装置及び内燃機関の制御方法を提供する。【解決手段】内燃機関の筒内温度Ｔを推定して前記内燃機関を制御する内燃機関の制御装置において、前記内燃機関の表面に設けた振動センサで検出した振動を予め設定した時間の間で周波数分析して前記筒内における共鳴現象の共鳴周波数ｆｒを検出し、この検出した共鳴周波数ｆｒにより前記筒内温度Ｔを推定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の筒内温度を推定して前記内燃機関を制御する内燃機関の制御装置において、前記内燃機関の表面に設けた振動センサで検出した振動を予め設定した時間の間で周波数分析して筒内における共鳴現象の共鳴周波数を検出し、この検出した共鳴周波数により前記筒内温度を推定することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記筒内におけるボアの円周方向一次モードの共鳴現象の共鳴周波数と前記筒内温度の相関関係を予め設定したデータベースを備えるとともに、該データベースを基に、前記検出した共鳴現象の共鳴周波数から前記筒内温度を推定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
内燃機関の筒内温度を推定して前記内燃機関を制御する内燃機関の制御方法において、
前記内燃機関の表面に設けた振動センサで検出した振動を予め設定した時間の間で周波数分析して前記筒内における共鳴現象の共鳴周波数を検出する共鳴周波数検出ステップと、
前記筒内における共鳴現象の共鳴周波数と前記筒内温度の相関関係を予め設定したデータベースを基に、前記共鳴周波数検出ステップで検出した共鳴周波数から前記筒内温度を推定する筒内温度推定ステップとを有することを特徴とする内燃機関の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の筒内温度を低コストかつ高精度で推定することができる内燃機関の制御装置及び内燃機関の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、商用車等に搭載されるディーゼルエンジン等の内燃機関においては、内燃機関の燃料噴射装置等の機械的な要素に基づく燃料噴射特性のばらつきや経年劣化、さらには燃料性状の変化によって、内燃機関の燃焼状態にばらつきが生じ、内燃機関の動力性能、排気ガス性能、及び、騒音性能に影響を及ぼしている。そのため、自動車業界では、安定した動力性能、排気ガス性能、及び、騒音性能を確保するために、内燃機関の燃焼制御を高度化する取り組みが行われている。
【０００３】
この高度化の一つとして、燃焼制御や排気ガスの浄化制御等において、内燃機関の筒内（シリンダ内）の燃焼状態を検知若しくは推定してフィードバック制御するために、筒内の燃焼状態を高精度で検知若しくは推定する取り組みが行われている。例えば、内燃機関の筒内（シリンダ内）の圧力（筒内圧）を筒内圧センサでモニタしたり、内燃機関の振動をノックセンサ（ノッキングセンサ）で検知して、筒内の着火の状態を検知若しくは推定したりする技術開発が進められている。
【０００４】
これに関連して、内燃機関の排気ガスにおける所定成分の濃度の筒内温度依存性を利用して、内燃機関の筒内圧力と排気ガスにおける、窒素酸化物などの所定成分の検出濃度とに基づいて、排気濃度推定モデルを用いて内燃機関の筒内温度を推定したり、内燃機関のノックまたは自着火の開始時期の筒内温度依存性を利用して、内燃機関の筒内圧力とノックまたは自着火の検出開始時期とに基づいて、自着火時期推定モデルを用いて内燃機関の筒内温度を推定したりする内燃機関の状態量推定装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
しかしながら、筒内圧をモニタする場合、内燃機関に筒内圧センサを設置する必要があり、この筒内圧センサは、燃焼圧センサとも呼ばれ、高温の燃焼室内に検出面が臨むように取付けられ、検出面が受ける圧力を圧電素子等に伝達し、この圧電素子等により電気信号に変換しているが、耐熱性が要求される等する結果、高価な装置となっているため、コストが増加してしまうという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１２７００４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明者は、エンジン振動の詳細な調査により、筒内温度によって変化する振動現象を分析して、筒内温度によって定量的に変化するエンジン振動成分を解明し、この筒内温度とエンジン振動成分との相関関係を求め、この相関関係から、非共振型ノックセンサで検出した振動を短時間毎に周波数分析して、筒内温度に追従して変化する筒内の共鳴現象の共鳴周波数を検出することで、この検出した共鳴現象の共鳴周波数から筒内温度を推定できるとの知見を得た。
【０００８】
更に、本発明者は、内燃機関には、ノッキング現象を検出するために、内燃機関の振動を検出するノックセンサが内燃機関に設けられており、そのうちのフラット型と呼ばれている非共振型ノックセンサは、内蔵する圧電素子により振動を電圧に変換しているため、共振周波数の振動を受けたときのみ信号を出力する共振型ノックセンサと異なり、様々な周波数と振動レベルに対応することができるので、共鳴現象の共鳴周波数の検出に使用できるとの知見を得た。
【０００９】
本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の筒内温度を低コストかつ高精度で推定することができる内燃機関の制御装置及び内燃機関の制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の制御装置は、内燃機関の筒内温度を推定して前記内燃機関を制御する内燃機関の制御装置において、前記内燃機関の表面に設けた振動センサで検出した振動を予め設定した時間の間で周波数分析して筒内における共鳴現象の共鳴周波数を検出し、この検出した共鳴周波数により前記筒内温度を推定するように構成される。
【００１１】
この構成によれば、筒内温度が変化すると燃焼室内の圧力及び密度が変化して、音波の伝搬速度が変化するので、筒内の共鳴現象の共鳴周波数が変化する。この筒内の共鳴現象の媒質は燃焼ガス（気体）で、その振動は圧力波（音波）であるが、この圧力波により励起された内燃機関の振動（エンジン振動）を振動センサで検出して、この振動データを短時間ＦＦＴ（高速フーリエ変換）あるいはウェーブレット変換等を用いて周波数分析することで、共鳴周波数を検出する。
【００１２】
つまり、比較的安価で、既に内燃機関に配置されている非共振型ノックセンサ等の振動センサで得られる信号を、短時間（予め設定した時間）毎に周波数分析するロジックを制御装置（電子制御装置、例えばＥＣＵ（Engine Control Unit））に追加することで、筒内における共鳴現象の共鳴周波数を検出することができ、この検出した共鳴周波数により筒内温度を低コストかつ高精度で推定することができるようになる。
【００１３】
その結果、筒内温度である燃焼温度を推定できるので、例えば、内燃機関の排気ガスに含まれるＮＯｘ量の制御等の制御対象に関する代用特性として、この筒内温度を使用することができるようになり、これにより、エンジン制御に利用可能な制御因子を増加することができ、内燃機関の制御の精度を改善することができる。
【００１４】
この共鳴周波数と筒内温度との関係を予め実験などにより求めて、マップデータや関数などの形でデータベース化しておくことで、振動センサで検出した共鳴周波数からこれらのデータベースを基に筒内温度を推定することができる。なお、筒内の共鳴現象の共鳴周波数に影響を与えるパラメータとして、筒内温度以外にも、シリンダのボア径等の燃焼室の形状、燃料噴射量、ＥＧＲガスを含む吸気量、この燃料噴射量と吸気量から生じた燃焼ガスの気体密度及び圧力等があるので、これらを考慮して、データベース化しておく必要がある。
【００１５】
また、上記の内燃機関の制御装置において、前記筒内におけるボアの円周方向一次モードの共鳴現象の共鳴周波数と前記筒内温度の相関関係を予め設定したデータベースを備えるとともに、該データベースを基に、前記検出した共鳴現象の共鳴周波数から前記筒内温度を推定するように構成される。
【００１６】
この構成によれば、共鳴周波数が最も低いボアの円周方向一次モードを対象にするので、共鳴周波数の検出が容易となる。なお、このボアの円周方向一次モードでは、外周の振幅が高く、ボア中心線では振幅がゼロになり、ボア中心線を境に位相が反転する。
【００１７】
そして、この共鳴現象の共鳴周波数と筒内温度の相関関係を予め設定したデータベースを制御装置に備えておくことで、筒内温度の推定を正確かつ迅速に行うことができる。このデータベースは、例えば、マップデータまたは関数等の形で制御装置に記憶される。
【００１８】
なお、理論的には、シリンダ軸方向の共鳴モードも存在し、「円柱（シリンダ内の空間）の高さ」も振動に影響するが、共鳴現象は燃焼によって励起されるため、その燃焼による圧力波はピストンの上死点付近で起こるため、「円柱の高さ」言い換えれば、ピストンの位置の影響はあまり考えなくてよいことになる。
【００１９】
また、このシリンダ軸方向の共鳴現象による共鳴周波数は、径方向の共鳴現象による共鳴振動数よりも高いため、また、このシリンダ軸方向の共鳴現象によって生じるエンジン振動は比較的小さいため、さらに、ノックセンサを用いた場合にはノックセンサの検出精度が低く、このシリンダ軸方向の共鳴現象によって生じる振動は検出し難いため、このシリンダ軸方向の共鳴現象の共鳴周波数については、ここでは特に考慮する必要がなくなる。
【００２０】
また、上記の目的を達成するための内燃機関の制御方法は、内燃機関の筒内温度を推定して前記内燃機関を制御する内燃機関の制御方法において、前記内燃機関の表面に設けた振動センサで検出した振動を予め設定した時間の間で周波数分析して前記筒内における共鳴現象の共鳴周波数を検出する共鳴周波数検出ステップと、前記筒内における共鳴現象の共鳴周波数と前記筒内温度の相関関係を予め設定したデータベースを基に、前記共鳴周波数検出ステップで検出した共鳴周波数から前記筒内温度を推定する筒内温度推定ステップとを有することを特徴とする方法である。この方法によれば、上記の内燃機関の制御装置と同様の効果を奏することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の内燃機関の制御装置及び内燃機関の制御方法によれば、既にエンジン表面に設けられている、比較的安価な非共振型ノックセンサ等の振動センサで得られる信号を基に、予め設定した時間で周波数分析するロジックを制御装置に追加することで、筒内温度に追従して変化する筒内における共鳴現象の共鳴周波数を検出することができ、この検出した共鳴周波数により筒内温度を低コストかつ高精度で推定することができる。
【００２２】
その結果、筒内温度を代用特性にできる制御対象（例えば、内燃機関の排気ガスに含まれるＮＯｘの排出）について、エンジン制御に利用可能な制御因子を増加することができ、筒内の燃焼制御の精度を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】筒内の共鳴現象の共鳴周波数と筒内温度の関係を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関の制御装置及び内燃機関の制御方法について説明する。
【００２５】
この実施の形態の内燃機関の制御装置は、内燃機関の筒内温度（シリンダ内の温度）Ｔを推定して内燃機関を制御する内燃機関の制御装置であり、内燃機関の表面に非共振型ノックセンサ等の振動センサを設けると共に、この振動センサで検出したエンジン振動の信号Ｓを予め設定した時間毎に周波数分析できるロジック、例えば、短時間高速フーリエ変換やウェーブレット変換等を搭載して構成される。
【００２６】
この振動センサは、各気筒に一つずつ設けると検出精度が向上するが、個数が増える分だけコストが上昇し、周波数分析の時間もかかるので、内燃機関に一つ設け、ロジック側を工夫して、この一つの振動センサで複数の気筒のセンシングを行うことが好ましい。
【００２７】
この振動センサにより、筒内で、燃焼ガスの圧力波（音波）により励起されたエンジン振動を信号Ｓに変換して、この信号Ｓを周波数分析する。周波数分析結果のうち、後述する共鳴周波数に対する影響因子により対象エンジンの円周方向一次モードが変化すると予測される周波数領域内において振動レベルが最大の周波数を筒内の共鳴現象の共鳴周波数ｆｒとして検出する。
【００２８】
この信号Ｓのサンプリング間隔Δｔｓに関しては、ボア径Ｄｂが小さい程、共鳴現象の共鳴周波数ｆｒが高くなるので短くする必要がある。例えば、ボア径Ｄｂが６０ｍｍφのディーゼルエンジンで筒内温度Ｔが１０００℃の場合には、円周方向一次モードの筒内の共鳴現象の共鳴周波数ｆｒは約９ｋＨｚになる。この約９ｋＨｚの波形を観測するために、その２倍以上のサンプリング周波数ｆｓが必要になるので、１８ｋＨｚ以上でサンプリングする必要がある。
【００２９】
一方、エンジン回転数Ｎｅの最高回転数Ｎｅｍａｘが４０００ｒｐｍの場合で、クランクアングル１ｄｅｇｒｅｅごとに共鳴周波数ｆｒのデータを得るためには、サンプリング周波数は２４ｋＨｚとなる。従って、例として、サンプリング周波数ｆｓを２４ｋＨｚとすれば、ボア径６０ｍｍのエンジンに対してエンジン回転数４０００ｒｐｍまで対応できることになる。
【００３０】
また、サンプリング継続時間ｔｓは、分析する期間を爆発上死点の前後１８０ｄｅｇｒｅｅ．ＣＡ（クランク角度）の１回転分とすると、低いエンジン回転数Ｎｅを考慮する必要があるので、エンジン回転数Ｎｅの最低回転数Ｎｅｍｉｎを６００ｒｐｍとすると、０．１ｓｅｃとなる。
【００３１】
従って、サンプリング間隔Δｔｓは、２０ｋＨｚ前後で、サンプリング継続時間ｔｓは、０．１ｓｅｃ前後が好ましいが、ボアの形状やエンジン回転数Ｎｅによって影響を受ける。そのため、ボア形状によって、基本的なサンプリング間隔Δｔｓとサンプリング継続時間ｔｓを設定し、エンジン回転数Ｎｅでこれらを補正することが好ましい。
【００３２】
また、周波数分析で求める周波数の範囲Δｆも、ボア径Ｄｂや筒内温度Ｔによって変化し、予め、筒内温度Ｔの大よその予測、言い換えれば、共鳴周波数ｆｒの大よその予測も可能であり、学習により予測精度も高まってくるので、エンジンの運転状態、例えばエンジン回転数Ｎｅと負荷Ｑ（または燃料噴射量ｑ）をベースにして、分析する周波数の範囲を予め設定しておき、周波数分析時に予測して分析する周波数範囲を狭めておくことで演算時間を短縮することが好ましい。
【００３３】
そして、この振動センサで検出した信号Ｓを短時間ＦＦＴ（高速フーリエ変換）あるいはウェーブレット変換等を用いて周波数分析することで、ボアの共鳴現象の共鳴周波数ｆｒを検出することができる。
【００３４】
この共鳴周波数ｆｒは、音波の伝搬速度Ｃｇに関係し、この音波の伝搬速度Ｃｇは、燃焼室内の圧力Ｐｇ及び密度ρｇの変化に応じて変化し、圧力Ｐｇ及び密度ρｇは、筒内温度Ｔに関係するので、特定のボア形状を持つ内燃機関に対して、予め実験などにより、図１に例示するような、筒内の共鳴現象の共鳴周波数ｆｒと筒内温度Ｔの相関関係を求めておき、この相関関係をデータベース化して、予め設定したデータベースをマップデータや関数の形で備えておくことで、筒内温度Ｔの推定を正確かつ迅速に行うことができるようになる。
【００３５】
なお、筒内の共鳴現象の共鳴周波数ｆｒに影響を与えるパラメータとして、筒内温度Ｔ以外にも、シリンダボア径Ｄｂ等の燃焼室の形状、燃料噴射量ｑ、ＥＧＲガスを含む吸気量Ｗｇから生じる燃焼ガスの気体密度ρｇ及び圧力Ｐｇ等があるので、これらを考慮して、データベース化しておくか、これらで共鳴周波数ｆｒから推定される筒内温度Ｔｅを補正する。
【００３６】
この共鳴現象としては、ボアの外周で振幅が高く、ボアの中心線では振幅がゼロになり、ボアの中心線を境に位相が反転する、円周方向一次モードを対象にする。このボアの円周方向一次モードの共鳴現象は、筒内のシリンダ軸方向の共鳴現象に比べて共鳴周波数ｆｒが低く、最も共鳴周波数ｆｒが低いので検出し易い。
【００３７】
また、実験的に求めた、筒内の共鳴現象の共鳴周波数ｆｒと筒内温度Ｔの相関関係に関しては、クランクアングル毎の共鳴周波数ｆｒの算出結果に対して周波数フィルタ（ローパスフィルタ）を通過させ、一時的な周波数の上昇部分を滑らかにして、共鳴周波数ｆｒと筒内温度Ｔとの関係を一対一対応にしておくことが好ましい。また、推定した筒内温度Ｔｅを用いて内燃機関の制御を実施しているときには、クランクアングル毎の共鳴周波数ｆｒをローパスフィルタを通過させて、その結果を次のサイクルにフィードバックする。これにより、筒内温度Ｔｅの推定精度を向上させる。
【００３８】
そして、内燃機関の表面に設けた振動センサで検出した振動を予め設定した時間の間で周波数分析して、筒内における共鳴現象の共鳴周波数ｆｒを検出し、筒内の共鳴現象の共鳴周波数ｆｒと筒内温度Ｔの相関関係を示すデータベースを参照して、この検出した共鳴周波数ｆｒにより筒内温度Ｔｅを推定する。
【００３９】
次に、本発明の実施の形態の内燃機関の制御方法について説明する。この内燃機関の制御方法は、内燃機関の筒内温度Ｔを推定して内燃機関を制御する内燃機関の制御方法であり、内燃機関の表面に設けた振動センサで検出した振動を予め設定した時間の間で周波数分析して筒内における共鳴現象の共鳴周波数ｆｒを検出する共鳴周波数検出ステップＳｆと、筒内における共鳴現象の共鳴周波数ｆｒと筒内温度Ｔの相関関係を予め設定したデータベースＢｄを基に、共鳴周波数検出ステップＳｆで検出した共鳴周波数ｆｒから筒内温度Ｔｅを推定する筒内温度推定ステップＳｔとを有することを特徴とする方法である。
【００４０】
上記の構成の内燃機関の制御装置及び内燃機関の制御方法によれば、既にエンジン表面に設けられている、比較的安価な非共振型ノックセンサ等の振動センサで得られる信号Ｓを基に、予め設定した時間で周波数分析するロジックを制御装置に追加することで、筒内温度Ｔに追従して変化する筒内における共鳴現象の共鳴周波数ｆｒを検出することができ、この検出した共鳴周波数ｆｒにより筒内温度Ｔｅを低コストかつ高精度で推定することができる。
【００４１】
また、その結果、筒内温度Ｔを代用特性にできる制御対象（例えば、内燃機関の排気ガスに含まれるＮＯｘの排出）について、エンジン制御に利用可能な制御因子を増加することができ、筒内の燃焼制御の精度を改善することができる。
【符号の説明】
【００４２】
Ｂｄ  共鳴振動数と筒内温度との関係のデータベース
ｆｒ  筒内の共鳴現象の共鳴周波数
Ｔ  筒内温度
【図１】
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