(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関におけるクランク角度と、当該前記クランク角度での時刻とを検出するクランク角度検出手段と、
所定のクランク角度間隔に基づき、前記クランク角度検出手段で検出した前記クランク角度と前記時刻とを補正するクランク角度補正手段と、
前記クランク角度補正手段で補正した前記クランク角度に対する前記時刻の関数を周期関数と見なせる形に変換し、当該前記関数に対して周波数空間における代数的微分を利用し、前記クランク角度を引数とするクランクの角速度及び角加速度を算出する角速度及び角加速度算出手段とを備える前記内燃機関における前記クランクの角速度及び角加速度算出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の角速度及び角加速度算出装置であって、
前記角速度及び角加速度算出手段は、窓関数を用いて前記関数を周期関数と見なせる形に変換することを特徴とする角速度及び角加速度算出装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の角速度及び角加速度算出装置であって、
前記角速度及び角加速度算出手段は、前記離散フーリエ変換の周波数成分のうち、所定の周波数より高い部分を帯域制限することを特徴とする角速度及び角加速度算出装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の角速度及び角加速度算出装置と、
前記クランク角度補正手段で補正した前記クランク角度と前記角速度及び角加速度算出装置で算出された前記クランクの前記角速度及び前記角加速度を、前記内燃機関のピストン、コネクティングロッド及び前記クランクを含む系の運動方程式に適用して前記クランクの軸トルクを算出する軸トルク算出手段とを備える前記内燃機関のトルク推定装置。
【請求項５】
請求項４に記載のトルク推定装置であって、
前記軸トルク算出手段は、前記コネクティングロッドを前記ピストン側と前記クランク側との２質点モデルとした前記運動方程式を用いることを特徴とするトルク推定装置。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載のトルク推定装置であって、
前記運動方程式がクランク軸周りの慣性モーメントと角加速度と外力トルクとの関係式と見なすことができる特異クランク角度において、前記運動方程式で算出されるトルクを外力トルクと推定する外力トルク推定手段をさらに備えたことを特徴とするトルク推定装置。
【請求項７】
請求項６に記載のトルク推定装置であって、
前記外力トルク推定手段で推定した前記外力トルクを、前記軸トルク算出手段で算出した前記軸トルクから減算することでガス圧トルクを算出するガス圧トルク算出手段をさらに備えたことを特徴とするトルク推定装置。
【請求項８】
請求項７に記載のトルク推定装置であって、
前記ガス圧トルク算出手段で算出した前記ガス圧トルクを、前記クランク角度の所定の範囲で積分することでガス圧仕事量を算出するガス圧仕事量算出手段をさらに備えたことを特徴とするトルク推定装置。
【請求項９】
請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の角速度及び角加速度算出装置で算出した前記角加速度、
請求項７に記載のトルク推定装置で算出した前記ガス圧トルク、
及び請求項８に記載のトルク推定装置で算出した前記ガス圧仕事量のうち少なくともいずれか１つを含む値に基づいて前記内燃機関の燃焼状態を推定する燃焼状態推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度及び角加速度算出装置、トルク推定装置、燃焼状態推定装置に係る発明であって、特に、内燃機関に係る角速度及び角加速度算出装置、トルク推定装置、燃焼状態推定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関であるエンジンを高精度に制御するためには、エンジンの燃焼状態を計測し、その計測結果をフィードバックさせて制御する方法が有効である。そのためには、エンジンの燃焼状態を正確に計測することが重要である。エンジンの燃焼状態を計測する方法としては、筒内圧センサによりシリンダー筒内圧を計測しトルクを算出する方法や、クランク角度センサ信号からガス圧トルクを推定する方法がある。
【０００３】
クランク角度センサ信号からガス圧トルクを推定する方法については、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１では、クランク角度センサで計測したクランク角度から、所定のクランク角度範囲におけるクランク軸の平均角加速度を求め、当該平均角加速度と、予め求めておいたクランク軸周りの慣性モーメントと、予め記憶させてあるフリクショントルクとからガス圧トルクの平均値を推定する。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−６１３７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、筒内圧センサによりシリンダー筒内圧を計測しトルクを算出する方法では、耐久性やコストが問題となる。特許文献１で開示されている方法では、クランク軸の角加速度ではなく、所定のクランク角度範囲における平均角加速度を算出しており、ガス圧トルクの平均値しか推定できない。また、特許文献１で開示されている方法では、角速度をクランク角度から差分近似し、平均角加速度を所定の２つのクランク角度における角速度差から算出しているのみであるので、角加速度を算出することができない。
【０００６】
さらに、特許文献１で開示されている方法では、ガス圧トルクの推定に必要な外力トルクについて、当該外力トルクの一部であるフリクショントルクのみをエンジン回転数と冷却水温に対するマップとして予め記憶させて利用している。そのため、特許文献１で開示されている方法では、フリクショントルク以外の外力トルクが０であることが分かっている場合か、傾きセンサ等の他の計測手段によって負荷トルクが推定できる場合にのみガス圧トルクを測定でき、適用範囲が限定される。
【０００７】
そこで、本発明は、クランク角度センサ信号からクランク角速度及び角加速度を算出する角速度及び角加速度算出装置、ガス圧トルクとともに外力トルクを推定するトルク推定装置、燃焼状態を推定する燃焼状態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】
本発明に係る解決手段は、内燃機関におけるクランク角度と、当該クランク角度での時刻とを検出するクランク角度検出手段と、所定のクランク角度間隔に基づき、クランク角度検出手段で検出したクランク角度と時刻とを補正するクランク角度補正手段と、クランク角度補正手段で補正したクランク角度に対する時刻の関数を周期関数と見なせる形に変換し、当該前記関数に対して周波数空間における代数的微分を利用し、前記クランク角度を引数とするクランクの角速度及び角加速度を算出する角速度及び角加速度算出手段とを少なくとも備える内燃機関におけるクランクの角速度及び角加速度算出装置、トルク推定装置及び燃焼状態推定装置。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に記載の角速度及び角加速度算出装置、トルク推定装置及び燃焼状態推定装置は、クランク角度補正手段で補正したクランク角度に対する時刻の関数を周期関数と見なせる形に変換し、当該関数に対して周波数空間における代数的微分を利用し、クランク角度を引数とするクランクの角速度及び角加速度を算出するので、クランク角度センサ信号から精度の良いクランク角速度及び角加速度を算出する角速度及び角加速度算出装置、ガス圧トルクとともに外力トルクを推定するトルク推定装置、燃焼状態を推定する燃焼状態推定装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（実施の形態）
図１は、本実施の形態に係る燃焼状態推定装置を含む内燃機関の概略図である。図１に示す内燃機関は、４ストローク直列４気筒のエンジンを例として説明する。まず、図１に示すエンジン１０は、各気筒内にピストン２０を有し、ピストン２０の上方に燃焼室２３が形成される。
【００１１】
また、エンジン１０には、吸気通路３０と排気通路３１とが連結している。吸入される空気は、吸気通路３０の上流端のエアフィルタ３２を通り、エアフローセンサ５２とスロットルバルブ３３を経由し、サージタンク３４に入る。スロットルバルブ３３の近傍には、スロットル開度を検出するスロットルセンサ５３が設置されている。サージタンク３４に入った空気は、吸気通路３０の下流端の吸気弁２５から、各気筒の燃焼室２３に吸入される。サージタンク３４の下流には、燃料を噴射する燃料噴射弁２７が配置されている。
【００１２】
燃焼室２３に吸入された空気と燃料噴射弁２７から噴射された燃料は、点火プラグ２４によって火花点火され、排気ガスが排気弁２６から排出される。排気ガスは、排気通路３１を通り排気浄化触媒３６で浄化された後に外部に排出される。燃焼室２３から排出された排気ガスの一部は、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）バルブ３５を通じて吸気通路３０に導入される。排気通路３１には、排気中の酸素濃度を検出する空燃比センサ５４が設置されている。
【００１３】
各気筒のピストン２０は、その往復運動を回転運動に変換するため、コネクティングロッド２１を介して、クランク軸２２に連結されている。クランク軸２２には、その回転角度を検出するために、クランク角度センサ５０が設置されている。また、各気筒には、冷却水温を検出する水温センサ５１が設置されている。
【００１４】
さらに、エンジン１０は、ＥＣＵ（Engine Control Unit）１１を備えており、当該ＥＣＵにエアフローセンサ５２、スロットルセンサ５３、空燃比センサ５４、クランク角度センサ５０、水温センサ５１、また、アクセル４０に設置されたアクセルセンサ５５などの各センサの出力が入力され、当該ＥＣＵが運転状態に応じて、吸入空気量、燃料噴射量、点火時期などを制御する。なお、ＥＣＵ１１には、クランク角度検出手段、クランク角度補正手段、角速度及び角加速度算出手段、軸トルク算出手段、外力トルク推定手段、ガス圧トルク算出手段、ガス圧仕事量算出手段、燃焼状態推定手段がプログラムとして保存され、実行される。
【００１５】
本実施の形態に係る燃焼状態推定装置を機能ブロックとして表した図を図２に示す。図２に示す燃焼状態推定装置には、クランク角度センサ５０から入力された信号に基づきクランク角度とそれに対応する時刻が検出されるクランク角度検出手段１と、クランク角度検出手段１で検出したクランク角度及び時刻を補正するクランク角度補正手段２と、クランク角度補正手段２の補正結果に基づきクランク角速度及び角加速度を算出する角速度及び角加速度算出手段３とを備えている。なお、図２に示すクランク角度検出手段１と、クランク角度補正手段２と、角速度及び角加速度算出手段３とにより角速度及び角加速度算出装置４が構成される。
【００１６】
さらに、図２に示す燃焼状態推定装置には、角速度及び角加速度算出手段３の算出結果に基づき、ピストン２０、コネクティングロッド２１及びクランク軸２２を含む系の運動方程式から軸トルクを算出する軸トルク算出手段５と、特異クランク角度における軸トルクから外力トルクを推定する外力トルク推定手段６と、軸トルク算出手段５と外力トルク推定手段６との結果に基づきガス圧トルクを算出するガス圧トルク算出手段７とを備える。なお、図２に示す角速度及び角加速度算出装置４と、軸トルク算出手段５、外力トルク推定手段６及びガス圧トルク算出手段７とを組み合わせることでトルク推定装置８が構成される。
【００１７】
また、図２に示す燃焼状態推定装置には、ガス圧トルク算出手段７の算出結果に基づき、ガス圧仕事量を算出するガス圧仕事量算出手段９ａと、角速度及び角加速度算出手段３、ガス圧トルク算出手段７及びガス圧仕事量算出手段９ａのそれぞれの算出結果のうち少なくともいずれか１つに基づいて内燃機関の燃焼状態を推定し、その推定結果を出力する燃焼状態推定手段９ｂとを備えている。
【００１８】
次に、図１及び図２に示した本実施の形態に係る燃焼状態推定装置が、クランク角速度及び角加速の算出、エンジンから出力されるトルクの推定、エンジンの燃焼状態の推定を実施する方法について具体的に説明する。具体的に、本実施の形態に係る燃焼状態推定装置の動作のフローチャートを図３に示す。
【００１９】
まず、図３に示すステップＳ１では、クランク角度検出手段１が、クランク角度センサ５０の信号からクランク角度θn（ｎ＝１，２，・・・，Ｎsample）に対する時刻ｔnを検出する。なお、Ｎsampleは標本数、クランク角度θnは累積角度を表すものとする。クランク角度センサ５０が計測するロータに欠け歯がなく、誤差もない場合には、クランク角度間隔θn+1−θnは一定値Δθ＝２π／Ｎpulse（Ｎpulseは欠け歯を含むロータの歯数）となる。しかし、実際のロータには、欠け歯や製造誤差などがあるため、予めクランク軸２２を１回転させて欠け歯以外の歯に対して、クランク角度θnを評価して求めておく。誤差を予め求めておくことができない場合でも、欠け歯以外の歯に対応したクランク角度θnを算出しておく。
【００２０】
次に、図３に示すステップＳ２では、クランク角度補正手段２がクランク角度θnとその時刻ｔnから、クランク角度間隔Δθのクランク角度<hat>θj（θj上に”＾”を載せた文字を文章中では<hat>θjと表記する）における時刻<hat>ｔj（ｔj上に”＾”を載せた文字を文章中では<hat>ｔjと表記する）を算出する。時刻<hat>ｔjの算出には、例えば公知の３次スプライン補間法を用いることができる。
【００２１】
次に、図３に示すステップＳ３では、角速度及び角加速度算出手段３が、所定のクランク角度範囲のクランク角度<hat>θjとその時刻<hat>ｔjから、クランク軸のクランク角速度及び角加速度を算出する。所定のクランク角度範囲は、エンジンが４ストロークエンジンでその気筒数がＮcylinderの場合、エンジン行程の周期性から４π／Ｎcylinder（radian）の整数倍であることが望ましい。所定のクランク角度範囲の標本数をＮscopeとし、標記の便宜上、所定のクランク角度範囲のクランク角度<hat>θjとその時刻<hat>ｔjのインデックスをｊ＝１，２，・・・，Ｎscopeとする。ただし、後の演算では、ｊ＝Ｎscope＋１のクランク角度<hat>θjとその時刻<hat>ｔjも利用可能とする。
【００２２】
次に、クランク軸のクランク角速度及び角加速度を算出する方法を具体的に説明する。まず、クランク角度を横軸、時刻を縦軸とした場合に、クランク角度<hat>θjとその時刻<hat>ｔjの点を通る関数ｔ（θ）を考え、数１のαを用いて数２と定義する。なお、数２は、エンジン工程の周期性から、所定のクランク角度範囲を周期とした周期関数と見なすことができる。
【００２３】
【数１】
0005026334.tif 000002
【００２４】
【数２】
0005026334.tif 000003
【００２５】
数２をθで微分して整理すると、クランク角度θの関数として角速度<dot>θ（θ）（θ上に”・”を載せた文字を文章中では<dot>θと表記する）を求めることができる。
【００２６】
【数３】
0005026334.tif 000004
【００２７】
実際の計算においては、ｘ（θ）の標本点ｘj＝<hat>ｔj−α<hat>θj（ｊ＝１，２，・・・，Ｎscope）からｄｘ（<hat>θj）／ｄθを求め、<dot>θ（<hat>θj）を算出する。なお、ｄｘ（<hat>θj）／ｄθは、ｘjの離散フーリエ変換をＸ（ω）（｜ω｜≦π／Δθ）とすると、ｉωＸ（ω）を逆離散フーリエ変換することにより求められる。ｉは虚数単位である。
【００２８】
クランク角度θにおける角加速度<2dot>θ（θ）（θ上に”・・”を載せた文字を文章中では<2dot>θと表記する）は、数４により求めることができる。なお、ｄ2ｔ（<hat>θj）／ｄθ2は、（ｉω）2Ｘ（ω）を逆離散フーリエ変換することにより求められる。
【００２９】
【数４】
0005026334.tif 000005
【００３０】
なお、数３及び数４を用いてクランク角速度及び角加速度を算出する場合において、Ｘ（ω）の高周波成分を帯域制限することも可能である。Ｘ（ω）の所定の周波数より高い周波成分（高周波成分）を帯域制限した場合、クランク角度センサ５０の誤差やノイズ成分を低減することができる。ここで、所定の周波数とは、クランク角速度及び角加速度の算出に影響を与えない周波数成分のうち高い側の周波数である。
【００３１】
また、上記の算出方法では、所定のクランク角度範囲のクランク角速度及び角加速度を算出するため数２の周期関数を用いたが、本発明はこれに限られず、窓関数を利用して算出しても良い。具体的に説明すると、例えば、ｊ＝１，２，・・・，Ｎscopeにおけるクランク角速度及び角加速度を算出する際に、ｊ＝−Ｍ＋１，・・・，Ｎscope＋Ｍにおける<hat>θj，<hat>ｔjを利用する。なお、Ｍは適当な自然数である。
【００３２】
そして、ｘ（θ）の代わりに数５のｘ’（θ）を用いて、数５に数６で定義される窓関数を掛けて、数３及び数４によりｊ＝１，２，・・・，Ｎscopeにおけるクランク角速度及び角加速度を算出する。なお、数６におけるａとｄは適当な定数であり、例えばａ＝１０，ｄ＝４とすれば良い。数６に示すような窓関数を利用してクランク角速度及び角加速度を算出することにより、エンジンの回転数が急速に変化するような場合であっても、正確にクランク角速度及び角加速度を算出することができる。なお、窓関数を利用してクランク角速度及び角加速度を算出方法は、数５及び数６に限定されない。
【００３３】
【数５】
0005026334.tif 000006
【００３４】
【数６】
0005026334.tif 000007
【００３５】
角速度及び角加速度算出手段３により算出されたクランク角加速度の例を図４のグラフに示す。図４は、横軸がクランク角度で、縦軸がクランク角加速度をそれぞれ表しており、複数点火サイクルにわたるクランク角加速度を重ね書きしたグラフである。図４では、クランク角度が４０（degree）辺りに燃焼によるクランク角加速度のピークがあることが分かる。
【００３６】
次に、図３に示すステップＳ４では、軸トルク算出手段５がピストン２０、コネクティングロッド２１及びクランク軸２２を含む系の運動方程式から軸トルクを算出する。これにより、クランク軸２２周りの軸トルクを精度良く推定することができる。
【００３７】
次に、軸トルク算出手段５で利用する運動方程式について具体的に説明する。まず、問題を簡単にするため、１気筒分の運動方程式を考える。図６に、ピストン２０、コネクティングロッド２１及びクランク軸２２の模式図を示す。図６では、クランク軸２２が水平に設置され、その鉛直線上にピストン２０の上死点があるものとする。また、図６では、水平面内のクランク軸２２と直交する方向をｘ軸、鉛直方向をｙ軸とする。さらに、図６では、クランク角度をθ、コネクティングロッドの角度をφと表す。
【００３８】
また、ピストン２０の質量をｍp、コネクティングロッド２１の長さをｌ、質量をｍl、慣性モーメントをＩl、重心をＧl、重心Ｇlからクランクピン２８までの長さをρlｌとする。さらに、クランク軸２２のクランク半径をｒ、質量をｍr、慣性モーメントをＩr、重心をＧr、クランク軸２２の中心からクランク重心Ｇrまでの長さをρrｒとする。また、λ＝ｌ／ｒ、重力加速度をｇとする。
【００３９】
図６に示すピストン２０、コネクティングロッド２１及びクランク軸２２を含む系全体の運動エネルギーをＫ、ポテンシャルエネルギーをＵとして算出し、ラグランジアンＬ＝Ｋ−Ｕから数７に示すラグランジュ運動方程式を計算することで当該系の運動方程式が得られる。ここで、Ｑはガス圧トルク、Ｆはフリクショントルクなどの外力トルクをそれぞれ表している。
【００４０】
【数７】
0005026334.tif 000008
【００４１】
なお、系全体のクランク軸２２周りの慣性モーメントをＩ（θ）、重力によるポテンシャルエネルギーをＵg（θ）とすると、系全体の運動エネルギーＫ、ポテンシャルエネルギーＵ及び運動方程式は、それぞれ数８，数９，数１０と表すことができる。
【００４２】
【数８】
0005026334.tif 000009
【００４３】
【数９】
0005026334.tif 000010
【００４４】
【数１０】
0005026334.tif 000011
【００４５】
ここで、Ｇ（θ）＝∂Ｕg（θ）／∂θ 、Ｉ’（θ）＝ｄＩ（θ）／ｄθである。
【００４６】
数１０に示す運動方程式のＩ（θ）、Ｉ’（θ）、Ｇ（θ）は、それぞれ数１１，数１２，数１３と整理される。
【００４７】
【数１１】
0005026334.tif 000012
【００４８】
【数１２】
0005026334.tif 000013
【００４９】
【数１３】
0005026334.tif 000014
【００５０】
ここで、φ＝ｓｉｎ-1（（１／λ）ｓｉｎθ）である。
【００５１】
また、ガス圧トルクＱは数１４で表される。
【００５２】
【数１４】
0005026334.tif 000015
【００５３】
ここで、ｑ（ｔ）はピストン２０がガス圧により押される力である。
【００５４】
クランク軸２２を剛体とした４ストローク直列４気筒エンジンのＩ（θ），Ｉ’（θ），Ｇ（θ），Ｑは、数１１から数１４を利用して数１５から数１８のように導くことができる。
【００５５】
【数１５】
0005026334.tif 000016
【００５６】
【数１６】
0005026334.tif 000017
【００５７】
【数１７】
0005026334.tif 000018
【００５８】
【数１８】
0005026334.tif 000019
【００５９】
ここで、Ｉwはクランク軸２２に連結されたフライホイールの慣性モーメント、ｑk（ｔ）は第ｋ気筒目のピストン２０がガス圧により押される力である。
【００６０】
なお、上述した運動方程式は一例であり、軸トルク算出手段５において利用される運動方程式は上述した運動方程式に限定されない。例えば、図６に示したコネクティングロッド２１を、クランク側端部（大端部）とピストン側端部（小端部）との２点にのみ質量が存在する２質点モデルで近似した運動方程式が考えられる。運動方程式を２質点モデルで近似した場合、数１５から数１７は数１９から数２１に示す式に簡単化できる。
【００６１】
【数１９】
0005026334.tif 000020
【００６２】
【数２０】
0005026334.tif 000021
【００６３】
【数２１】
0005026334.tif 000022
【００６４】
ここで、ｍl1はクランク側端部（大端部）の質量、ｍl2はピストン側端部（小端部）の質量をそれぞれ表している。
【００６５】
軸トルク算出手段５では、クランク角度、クランク角速度及び角加速度の関数である数１０の左辺を軸トルクＴr（θ，<dot>θ，<2dot>θ）とし、角速度及び角加速度算出手段３で算出したクランク角速度及び角加速度を用いることで軸トルクＴr（θ，<dot>θ，<2dot>θ）を算出できる。
【００６６】
次に、図３に示すステップＳ５では、外力トルク推定手段６において特異クランク角度における軸トルクから外力トルクを推定する。これにより、フリクショントルクや走行負荷などの外力トルクを精度良く推定できる。
【００６７】
次に、外力トルクの推定方法について具体的に説明する。外力トルク推定手段６では、ピストンの上下死点であるクランク角度θ＝０，πにおいて、数１６,数１７,数１８式は０となり、数１０の運動方程式が数２２となることを利用している。
【００６８】
【数２２】
0005026334.tif 000023
【００６９】
そして、外力トルク推定手段６は、角速度及び角加速度算出手段３で算出したクランク角加速度を数２２に用いることで外力トルクＦを推定する。外力トルクＦの推定方法は、外力トルクＦを一定と仮定して複数のピストン２０の上下死点におけるクランク角加速度から算出した外力トルクを平均した値としても良いし、ピストン２０の上下死点におけるクランク角加速度から算出した外力トルクに対して、公知のカルマンフィルタなどを適用した値としても良い。また、外力トルクＦの別の推定方法として、特定気筒のピストン２０が上死点となるクランク角加速度から算出した外力トルクの値としても良い。
【００７０】
なお、外力トルク推定手段６の適用可能なエンジンは、４ストローク４気筒のエンジンに限定されない。具体的に説明すると、任意の気筒数のエンジンに関するラグランジアンＬを、クランク角度θと、クランク角速度<dot>θとの関数Ｌ（θ，<dot>θ）とする。そして、あるクランク角度θ*における微小変化量∂θに対して、ラグランジアンＬ（θ，<dot>θ）が対称性Ｌ（θ*＋∂θ，<dot>θ）＝Ｌ（θ*−∂θ，<dot>θ）を持つとき、クランク軸２２周りの慣性モーメントＩ（θ）及び重力ポテンシャルエネルギーＵg（θ）もともに対称性Ｉ（θ*＋∂θ）＝Ｉ（θ*−∂θ）、Ｕg（θ*＋∂θ）＝Ｕg（θ*−∂θ）を持つ。これは、対象とする系（上述の例ではピストン２０、コネクティングロッド２１及びクランク軸２２を含む系）の機構が、（θ*＋∂θ）から（θ*−∂θ）への変換に対して対称となるとき、明らかに満足されることになる。クランク角度θ*において対称性の条件が満足されるとき、クランク軸２２周りの慣性モーメントＩ（θ）と重力ポテンシャルエネルギーＵg（θ）のθに対する導関数Ｉ’（θ）とＧ（θ）は、それぞれクランク角度θ*において０となる。
【００７１】
４ストローク１気筒のエンジンにおけるクランク角度θ*は、θ*＝０，π（ピストン２０の上下死点）となる。さらに、ピストン２０の上下死点においては、ガス圧トルクＱも０となる。従って、上下死点における運動方程式は数２２となる。
【００７２】
なお、４ストローク直列４気筒のエンジンも４ストローク１気筒のエンジンと同様である。このように、運動方程式が慣性モーメントＩ（θ）とクランク角加速度<2dot>θと外力トルクＦとの関係式として記述されるクランク角度θ*を特異クランク角度と呼ぶ。外力トルク推定手段６では、この特異クランク角度θ*において数２２を利用して外力トルクＦを推定する。
【００７３】
また、数２２が厳密には成立しない場合であっても、数２２が近似的に成立する場合には、外力トルクＦを推定することが可能である。例えば、４ストローク直列６気筒のエンジンの場合、各ピストン２０の上死点となるクランク角度θ＝０，±２π／３で、Ｉ’（θ）＝０、Ｇ（θ）＝０となり、ガス圧トルクＱも十分小さな値となるため、数２２が近似的に成立する。数２２が近似的に成立するクランク角度も、本発明に係る外力トルク推定手段６では特異クランク角度という。
【００７４】
次に、図３に示すステップＳ６では、ガス圧トルク算出手段７が、軸トルク算出手段５で算出した軸トルクＴr（θ，<dot>θ，<2dot>θ）と、外力トルク推定手段６で推定した外力トルク<hat>Ｆとに基づきガス圧トルク<hat>Ｑを算出する。具体的には、ガス圧トルク<hat>Ｑは、軸トルクＴr（θ，<dot>θ，<2dot>θ）から推定した外力トルク<hat>Ｆを減算することで求められる。
【００７５】
ガス圧トルク算出手段７により算出されたガス圧トルクの一例を図５のグラフに示す。図５では、横軸がクランク角度、縦軸がトルクをそれぞれ表している。そして、図５では、ガス圧トルク算出手段７で算出したガス圧トルクＱ１と併せて、比較するためにクランク角度と一緒に計測した筒内圧から算出したガス圧トルクＱ２の値も示している。図５から分かるように、筒内圧から算出したガス圧トルクＱ２と、ガス圧トルク算出手段７で算出したガス圧トルクＱ１とは、精度良く一致している。
【００７６】
次に、図３に示すステップＳ７では、ガス圧仕事量算出手段９ａが、ガス圧トルク算出手段７で算出したガス圧トルク<hat>Ｑを所定のクランク角度範囲のクランク角度θに関して積分することでガス圧仕事量ＷQを算出する。これにより、所定のクランク角度範囲における燃焼状態を反映したガス圧仕事量ＷQを精度良く算出することができる。
【００７７】
次に、図３に示すステップＳ８では、燃焼状態推定手段９ｂが、角速度及び角加速度算出手段３で算出したクランク角加速度<2dot>θ、ガス圧トルク算出手段７で算出したガス圧トルク<hat>Ｑ、ガス圧仕事量算出手段９ａで算出したガス圧仕事量ＷQのうち少なくともいずれか１つを含む値に基づいて内燃機関の燃焼状態を推定する。
【００７８】
具体的に説明すると、燃焼状態推定手段９ｂは、ガス圧仕事量ＷQから内燃機関が燃焼により必要な仕事量が発生しているか、失火していないかを推定することができる。また、燃焼状態推定手段９ｂは、各気筒のガス圧仕事量ＷQを比較することにより、気筒間ばらつきを推定することもできる。さらに、燃焼状態推定手段９ｂは、ガス圧仕事量ＷQのＣＯＶ値（ガス圧仕事量ＷQの標準偏差を平均値で除した値）を算出することにより、内燃機関の燃焼ばらつきの大きさも推定することができる。
【００７９】
また、燃焼状態推定手段９ｂは、ガス圧トルク<hat>Ｑからガス圧ピーク位置及びその大きさなどを算出することにより、点火タイミングが適正か否か、失火していないか否か、異常燃焼（ノッキングやプレイグニッション）が発生していないか否かを推定することができる。さらに、燃焼状態推定手段９ｂは、ガス圧トルク<hat>Ｑの変動量を算出することによっても異常燃焼を推定することができる。
【００８０】
また、燃焼状態推定手段９ｂは、クランク角加速度<2dot>θをガス圧トルク<hat>Ｑの代わりに利用することで、簡易的に燃焼状態を推定することができる。
【００８１】
上述のように、燃焼状態推定手段９ｂは、クランク角加速度<2dot>θ、ガス圧トルク<hat>Ｑ、ガス圧仕事量ＷQのうち少なくともいずれか１つの値、又はそれらを組み合わせた値に基づいて内燃機関の状態を把握することができる。
【００８２】
以上のように、本実施の形態に係る燃焼状態推定装置は、クランク角度検出手段１と、クランク角度補正手段２と、角速度及び角加速度算出手段３とを備える角速度及び角加速度算出装置４により精度の高いクランク角速度及び角加速度を算出することができる。なお、本実施の形態に係る燃焼状態推定装置では、筒内圧センサではなくクランク角度センサを用いて、精度良くクランク角速度及び角加速度を算出するので、耐久性が高く長寿命である。
【００８３】
また、本実施の形態に係る燃焼状態推定装置は、角速度及び角加速度算出装置４と、軸トルク算出手段５と、外力トルク推定手段６と、ガス圧トルク算出手段７とを備えるトルク推定装置８により精度の高い軸トルクＴr（θ，<dot>θ，<2dot>θ）、外力トルクＦ、ガス圧トルクＱを推定できる。さらに、本実施の形態に係る燃焼状態推定装置は、トルク推定装置８と、ガス圧仕事量算出手段９ａと、燃焼状態推定手段９ｂとを備え、内燃機関の状態を精度良く把握して、内燃機関の省エネルギー化、低排出ガス化を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃焼状態推定装置を含む内燃機関の概略図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る燃焼状態推定装置のブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る燃焼状態推定装置の動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態に係る燃焼状態推定装置で算出したクランク角加速度を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る燃焼状態推定装置で用いる運動方程式を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る燃焼状態推定装置で推定したガス圧トルクを示す図である。
【符号の説明】
【００８５】
１  クランク角度検出手段、２  クランク角度補正手段、３  角速度及び角加速度算出手段、４  角速度及び角加速度算出装置、５  軸トルク算出手段、６  外力トルク推定手段、７  ガス圧トルク算出手段、８  トルク推定装置、９ａ  ガス圧仕事量算出手段、９ｂ  燃焼状態推定手段、１０  エンジン、２０  ピストン、２１  コネクティングロッド、２２  クランク軸、２３  燃焼室、２４  点火プラグ、２５  吸気弁、２６  排気弁、２７  燃料噴射弁、２８  クランクピン、３０  吸気通路、３１  排気通路、３２  エアフィルタ、３３  スロットルバルブ、３４  サージタンク、３６  排気浄化触媒、４０  アクセル、５０  クランク角度センサ、５１  水温センサ、５２  エアフローセンサ、５３  スロットルセンサ、５４  空燃比センサ、５５アクセルセンサ。
【図１】
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【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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