JP4702085B2 - 内燃機関の燃焼状態推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃焼状態推定装置に関し、特に、機関始動時に燃焼状態を推定する装置に適用して好適である。

従来、例えば特開平１１−１１７７８７号公報には、イオン電流により検出した燃焼状態に基づいて燃料の性状を判断する手法が開示されている。また、特開平７−２７０１０号公報には、機関始動時の回転数変化及び筒内への充填効率に基づいて燃料の性状を判断する手法が開示されている。

特開平１１−１１７７８７号公報 特開平７−２７０１０号公報

しかしながら、イオン電流、機関回転数などに基づく方法では、燃焼状態を正確に推定することは困難である。特に、機関始動時は、吸気管、筒内壁面への燃料の付着量が温度などの環境条件によって変化するため、燃料の霧化が変動し、筒内へ供給される燃料量にバラツキが生じる。また、筒内への吸入空気量も温度などの環境条件によってバラツキが生じる。更に、機関のフリクションも環境条件によってバラツキが生じる。特に、機関始動時は環境条件などの外乱の影響を受け易く、バラツキが生じやすいため、上記従来の技術では、これらのバラツキを考慮した上で燃焼状態を正確に推定することは困難である。

例えば、燃焼状態に基づいて燃料性状を判定する際に、軽質燃料使用時に重質燃料である旨の誤検出がなされてしまうと、燃料噴射量が過剰になり、エミッションが悪化することが想定される。また、重質燃料使用時に軽質燃料である旨の誤検出がなされてしまうと、燃焼に必要な燃料が足りなくなり、失火、エンジンストールを引き起こしたり、エミッション、ドライバビリティの悪化を招来することが想定される。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、内燃機関の燃焼状態を高精度に推定することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の燃焼状態を推定する装置であって、機関始動時のクランク角加速度の統計的分布を燃料の性状に応じて予め記憶する記憶手段と、機関始動時にクランク角加速度を算出する角加速度算出手段と、機関始動時に算出されたクランク角加速度を前記統計的分布に当てはめて、燃料の性状を推定する燃焼状態推定手段と、を備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、機関始動時に算出された前記クランク角加速度の前記統計的分布での分布状態を表す指標となる検出値を算出する検出値算出手段を有し、前記燃焼状態推定手段は、前記検出値に基づいて燃料の性状を推定することを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、前記記憶手段は、機関始動からの爆発回数毎に前記統計的分布を記憶し、前記検出値算出手段は、前記爆発回数毎の前記統計的分布に基づいて、前記爆発回数毎に算出された前記クランク角加速度のそれぞれから前記検出値を算出し、前記検出値の重み付き平均値を算出する重み付き平均値算出手段を備え、前記燃焼状態推定手段は、前記重み付き平均値に基づいて燃料の性状を推定することを特徴とする。

第４の発明は、第３の発明において、推定した燃料の性状と前記重み付き平均値とに基づいて、燃料噴射量を制御するための判定値を算出する判定値算出手段と、前記判定値に基づいて燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段と、を更に備えたことを特徴とする。

第５の発明は、第１〜第４の発明のいずれかにおいて、前記角加速度算出手段は、往復慣性質量による慣性トルクの平均値がほぼ０となるクランク角の区間での平均値として前記クランク角加速度を算出することを特徴とする。

第１の発明によれば、機関始動時に算出されたクランク角加速度を予め記憶された統計的分布に当てはめて燃料の性状を推定するため、外乱等による燃焼バラツキを考慮した上で燃料の性状を正確に推定することが可能となる。

第２の発明によれば、検出値を算出することにより、機関始動時に算出されたクランク角加速度の統計的分布における分布状態が明らかになるため、燃料の性状を推定することが可能となる。

第３の発明によれば、爆発回数毎に算出されたクランク角加速度のそれぞれから検出値を算出し、検出値の重み付き平均値を算出するため、機関始動時における少数の特異な角加速度挙動を吸収することが可能となり、誤判定が行われてしまうことを確実に抑止できる。

第４の発明によれば、推定した燃料の性状と重み付き平均値とに基づいて、燃料噴射量を制御するための判定値を算出することができる。従って、判定値に基づいて燃料噴射量を最適に制御することが可能となる。

第５の発明によれば、往復慣性質量による慣性トルクの平均値がほぼ０となる区間での平均値としてクランク角加速度を算出するため、往復慣性質量による慣性トルクが角加速度に与える影響を排除することができる。従って、角加速度に基づいて燃焼状態を正確に推定することが可能となる。

以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の各実施形態にかかる内燃機関の燃焼状態推定装置及びその周辺の構造を説明するための図である。内燃機関１０には吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２は、上流側の端部にエアフィルタ１６を備えている。エアフィルタ１６には、吸気温ＴＨＡ（すなわち外気温）を検出する吸気温センサ１８が組みつけられている。また、排気通路１４には排気浄化触媒３２が配置されている。

エアフィルタ１６の下流には、エアフロメータ２０が配置されている。エアフロメータ２０の下流には、スロットルバルブ２２が設けられている。スロットルバルブ２２の近傍には、スロットル開度ＴＡを検出するスロットルセンサ２４と、スロットルバルブ２２が全閉となることでオンとなるアイドルスイッチ２６とが配置されている。

スロットルバルブ２２の下流には、サージタンク２８が設けられている。また、サージタンク２８の更に下流には、内燃機関１０の吸気ポートに燃料を噴射するための燃料噴射弁３０が配置されている。

内燃機関１０の各気筒はピストン３４を備えている。ピストン３４には、その往復運動によって回転駆動されるクランク軸３６が連結されている。車両駆動系と補機類（エアコンのコンプレッサ、オルタネータ、トルクコンバータ、パワーステアリングのポンプ等）は、このクランク軸３６の回転トルクによって駆動される。クランク軸３６の近傍には、クランク軸３６の回転角を検出するためのクランク角センサ３８が取り付けられている。また、エンジン１０のシリンダブロックには、冷却水温を検出する水温センサ４２が取り付けられている。

図１に示すように、本実施形態の燃焼状態推定装置はＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０には、上述した各種センサおよび燃料噴射弁３０に加えて、車速ＳＰＤを検出する車速センサ４４などが接続されている。

次に、図１のシステムにより内燃機関１０の燃焼状態を推定する方法を具体的に説明する。最初に、燃焼状態の推定に用いる数式について説明する。本実施形態では、以下の（１）式、（２）式を用いて燃焼状態の推定を行う。

（１）式、（２）式において、図示トルクＴ_ｉは、エンジンの燃焼によってクランク軸３６に発生するトルクである。ここで、（２）式の右辺は図示トルクＴ_ｉを発生させるトルクを示しており、（１）式の右辺は図示トルクＴ_ｉを消費するトルクを示している。

（１）式の右辺において、Ｊは混合気の燃焼等によって駆動される駆動部材の慣性モーメント、ｄω／ｄｔはクランク軸３６の角加速度、Ｔ_ｆは駆動部のフリクショントルク、Ｔ_ｌは走行時に路面から受ける負荷トルク、を示している。ここで、Ｊ×（ｄω／ｄｔ）はクランク軸３６の角加速度に起因する動的な損失トルク（＝Ｔ_ａｃ）である。フリクショントルクＴ_ｆは、ピストン３４とシリンダ内壁の摩擦など各嵌合部の機械的な摩擦によるトルクであって、補機類の機械的な摩擦によるトルクを含むものである。負荷トルクＴ_ｌは、走行時の路面状態などの外乱によるトルクである。本実施形態では、シフトギヤをニュートラルの状態にして燃焼状態を推定するため、以下の説明ではＴ_ｌ＝０とする。

また、（２）式の右辺において、Ｔ_ｇａｓはシリンダの筒内ガス圧によるトルク、Ｔ_{ｉｎｅｒｔｉａ}はピストン３４などの往復慣性質量による慣性トルクを示している。筒内ガス圧によるトルクＴ_ｇａｓは、シリンダ内の混合気の燃焼によって発生するトルクである。燃焼状態を正確に推定するためには、筒内ガス圧によるトルクＴ_ｇａｓを求める必要がある。

（１）式に示されるように、図示トルクＴ_ｉは、角加速度に起因する動的な損失トルクＪ×（ｄω／ｄｔ）、フリクショントルクＴ_ｆ、及び負荷トルクＴ_ｌの和として求めることができる。しかし、（２）式に示されるように、図示トルクＴ_ｉと筒内ガス圧によるトルクＴ_ｇａｓは一致しないため、図示トルクＴ_ｉから燃焼状態を正確に推定することはできない。

図２は、（２）式の各トルクとクランク角との関係を示す特性図である。図２において、縦軸は各トルクの大きさを、横軸はクランク角を示しており、図２中の一点鎖線は図示トルクＴ_ｉを、実線は筒内ガス圧によるトルクＴ_ｇａｓを、破線は往復慣性質量による慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}をそれぞれ示している。ここで、図２は４気筒の場合の特性を示したものであり、図２中のＴＤＣ、ＢＤＣは、４気筒のうちの１気筒のピストン３４が上死点（ＴＤＣ）、または下死点（ＢＤＣ）の位置にある場合のクランク角（０°，１８０°）を示している。内燃機関１０が４気筒の場合、クランク軸３６が１８０°回転する度に１気筒づつ爆発行程が行われ、１回の爆発毎に図２中のＴＤＣからＢＤＣまでのトルク特性が繰り返し現れる。

図２中の実線に示すように、筒内ガス圧によるトルクＴ_ｇａｓは、ＴＤＣからＢＤＣの間で急激に増加し、減少する。ここで、Ｔ_ｇａｓの急激な増加は、爆発工程で燃焼室内の混合気が爆発するためである。爆発後、Ｔ_ｇａｓは減少し、他の圧縮行程あるいは排気行程にある気筒の影響により、負の値を取る。そのクランク角がＢＤＣに達するとシリンダの容積変化が０となり、これによってＴ_ｇａｓは０の値を取る。

一方、往復慣性質量による慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}は、筒内ガス圧によるトルクＴ_ｇａｓとはほとんどあるいは無視できるほど無関係に、ピストン３４など往復運動する部材の慣性質量によって発生する慣性トルクである。往復運動する部材は加減速を繰り返しており、Ｔ_{ｉｎｅｒｔｉａ}はクランクが回転していれば角速度一定の場合であっても常に発生する。図２中の破線に示すように、クランク角がＴＤＣの位置では往復運動する部材は停止しており、Ｔ_{ｉｎｅｒｔｉａ}＝０である。クランク角がＴＤＣからＢＤＣに向かって進むと、往復運動する部材が停止状態から運動し始める。この際、これらの部材の慣性によってＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}は負の方向に増加する。クランク角が９０°近傍に達した時点では、往復運動する部材が所定の速度で運動しているため、これらの部材の慣性によってクランク軸３６が回転する。従って、Ｔ_{ｉｎｅｒｔｉａ}はＴＤＣとＢＤＣの間で負の値から正の値へ変わる。その後、クランク角がＢＤＣまで到達すると往復運動する部材は停止し、Ｔ_{ｉｎｅｒｔｉａ}＝０となる。

（２）式に示されるように、図示トルクＴ_ｉは筒内ガス圧によるトルクＴ_ｇａｓと往復慣性質量による慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の和である。このため、図２の一点鎖線に示されるように、ＴＤＣとＢＤＣの間では、図示トルクＴ_ｉは混合気の爆発によるＴ_ｇａｓの増加によって増加し、一旦減少した後、Ｔ_{ｉｎｅｒｔｉａ}によって再び増加するという複雑な挙動を示している。

しかし、ＴＤＣからＢＤＣまでのクランク角１８０°の区間に着目すると、この区間での往復慣性質量による慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の平均値は０となる。これは、往復慣性質量を有する部材が、クランク角０°〜９０°近傍とクランク角９０°近傍〜１８０°で反対の動きをするためである。従って、（１）式および（２）式の各トルクをＴＤＣからＢＤＣまでの平均値として算出すると、往復慣性質量による慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}＝０として計算することができる。これにより、往復慣性質量による慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}が図示トルクＴ_ｉに与える影響を排除することができ、正確な燃焼状態を簡単に推定することが可能となる。

そして、ＴＤＣからＢＤＣまでの区間において各トルクの平均値を求めると、Ｔ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の平均値が０となるため、（２）式から、図示トルクＴ_ｉの平均値と筒内ガス圧によるトルクＴ_ｇａｓの平均値とが等しくなる。このため、図示トルクＴ_ｉに基づいて正確に燃焼状態を推定することができる。

更に、ＴＤＣからＢＤＣまでの区間でクランク軸３６の角加速度の平均値を求めると、この区間でのＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の平均値は０であるため、往復慣性質量が角加速度に与える影響を排除して角加速度を求めることができる。従って、燃焼状態のみに起因する角加速度を算出することができ、角加速度に基づいて正確に燃焼状態を推定することが可能となる。

次に、（１）式の右辺の各トルクを算出する方法を説明する。最初に、角加速度に起因する動的な損失トルクＴ_ａｃ＝Ｊ×（ｄω／ｄｔ）の算出方法を説明する。図３は、クランク軸３６の角加速度を求める方法を示す模式図である。図３に示すように、本実施形態では、クランク軸３６の回転の１０°毎にクランク角センサ３８からクランク角信号が検出される。

本実施形態の燃焼状態推定装置は、角加速度に起因する動的な損失トルクＴ_ａｃをＴＤＣからＢＤＣまでの平均値として算出する。このために、本実施形態の装置は、ＴＤＣとＢＤＣの２ヶ所のクランク角位置で角速度ω_０（ｋ），ω_０（ｋ＋１）をそれぞれ求め、同時にクランク軸３６がＴＤＣからＢＤＣまで回転する時間Δｔ（ｋ）を求める。

角速度ω_０（ｋ）を求める際には、例えば図３に示すように、クランク角がＴＤＣの位置から前後１０°ずつ回転している間の時間Δｔ_０（ｋ），Δｔ_１０（ｋ）をクランク角センサ３８から検出する。そして、時間Δｔ_０（ｋ）＋Δｔ_１０（ｋ）の間にクランク軸３６が２０°回転しているため、ω_０（ｋ）＝（２０／（Δｔ_０（ｋ）＋Δｔ_１０（ｋ）））×（π／１８０）を演算することによってω_０（ｋ）［ｒａｄ／ｓ］を算出できる。同様に、ω_０（ｋ＋１）を算出する際は、クランク角がＢＤＣの位置から前後１０°ずつ回転している間の時間Δｔ_０（ｋ＋１），Δｔ_１０（ｋ＋１）を検出する。そして、ω_０（ｋ＋１）＝（２０／（Δｔ_０（ｋ＋１）＋Δｔ_１０（ｋ＋１）））×（π／１８０）を演算することによってω_０（ｋ＋１）［ｒａｄ／ｓ］を算出できる。

角速度ω_０（ｋ），ω_０（ｋ＋１）を求めた後は、（ω_０（ｋ＋１）−ω_０（ｋ））／Δｔ（ｋ）を演算し、ＴＤＣからＢＤＣまでクランク軸３６が回転する間の角加速度の平均値を算出する。

そして、角加速度の平均値を求めた後は、（１）式の右辺に従って、角加速度の平均値と慣性モーメントＪを乗算する。これにより、クランク軸３６がＴＤＣからＢＤＣまで回転する間の動的な損失トルクＪ×（ｄω／ｄｔ）の平均値を算出できる。なお、駆動部の慣性モーメントＪは、駆動部品の慣性質量から予め求めておく。

次にフリクショントルクＴ_ｆの算出方法を説明する。図４はフリクショントルクＴ_ｆと内燃機関１０の機関回転数（Ｎｅ）、冷却水温（ｔｈｗ）との関係を表したマップである。図４において、フリクショントルクＴ_ｆ、機関回転数（Ｎｅ）、冷却水温（ｔｈｗ）は、ＴＤＣからＢＤＣまでクランク軸３６が回転した場合の平均値である。また、冷却水温は、ｔｈｗ１→ｔｈｗ２→ｔｈｗ３の順に高温になる。図４に示すように、フリクショントルクＴ_ｆは機関回転数（Ｎｅ）が増えると増加し、また冷却水温（ｔｈｗ）が低くなると増加する傾向にある。図４のマップは、機関回転数（Ｎｅ）、冷却水温（ｔｈｗ）をパラメータとして可変し、ＴＤＣからＢＤＣまでクランク軸３６を回転させた際に発生するフリクショントルクＴ_ｆを測定し、その平均値を算出することで予め作成しておく。そして、燃焼状態を推定する際には、ＴＤＣからＢＤＣまでの区間における冷却水温の平均値、機関回転数の平均値を図４のマップに当てはめて、フリクショントルクＴ_ｆの平均値を求める。この際、冷却水温は水温センサ４２から、機関回転数はクランク角センサ３８からそれぞれ検出する。

クランク角の変動に伴うフリクショントルクＴ_ｆの挙動は非常に複雑であり、バラツキも大きい。しかし、フリクショントルクＴ_ｆの挙動は主としてピストン３４の速度に依存しているため、往復慣性質量による慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の平均値が０となる区間毎のフリクショントルクＴ_ｆの平均値はほぼ一定している。従って、往復慣性質量による慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の平均値が０となる区間（ＴＤＣ→ＢＤＣ）毎にフリクショントルクＴ_ｆの平均値を求めることで、複雑な瞬時挙動を示すフリクショントルクＴ_ｆを精度良く求めることができる。また、フリクショントルクＴ_ｆをこの区間毎の平均値とすることで、図４に示すマップを正確に作成することができる。

また、上述したようにフリクショントルクＴ_ｆには補機類の摩擦によるトルクが含まれる。ここで、補機類の摩擦によるトルクは、補機類が動作しているか否かによって値が異なる。例えば、補機の１つであるエアコンのコンプレッサには、エンジンの回転がベルト等によって伝達されており、エアコンが実際に動作していない状態であっても摩擦によるトルクが発生している。

一方、補機類を動作させた場合、例えばエアコンのスイッチをオン（ＯＮ）した場合は、エアコンを動作させていない状態に比べてコンプレッサで消費されるトルクは大きくなる。このため、補機類の摩擦によるトルクが大きくなり、フリクショントルクＴ_ｆの値も増大する。従って、フリクショントルクＴ_ｆを正確に求めるためには、補機類の動作状態を検出し、補機類のスイッチがオン（ＯＮ）している場合には、図４のマップから求めたフリクショントルクＴ_ｆの値を補正することが望ましい。

なお、極冷間始動時などにおいては、実際にフリクショントルクＴ_ｆが発生している部位の温度と冷却水温との差を考慮して、フリクショントルクＴ_ｆを補正することがより好適である。この場合、冷間始動後の機関始動時間、筒内流入燃料量等を考慮して補正を行うことが望ましい。

本実施形態では、以下に詳細に説明するように、上述の手法で算出した角加速度を用いて、統計的手法により燃料の性状（燃焼状態）を判定する。なお、以下の説明では、角加速度を用いて燃料性状を推定する手法を説明するが、図示トルクＴ_ｉを用いた場合であっても、角加速度を用いた場合と同様に燃料性状を判定することができる。

燃料の性状を判定する前提として、判定指標（確率密度分布差異）を予め取得しておく。この判定指標は、角加速度の分布の統計情報である。図５は、判定指標を取得する方法を模式的に示す図である。先ず、図５（Ａ）に示すように、所定の燃料性状の燃料（一例として、ここでは重質燃料とする）を用いて、内燃機関１０を複数回始動させ、機関始動時の最初の爆発行程における角加速度を複数回取得する。そして、図５（Ｂ）に示すように、取得した複数の角加速度を用いてヒストグラムを作成する。その後、図５（Ｂ）のヒストグラムを標準化し、図５（Ｃ）に示すように、判定指標となる検出値Ｇ_Ｆ統計情報（統計値Ｎ（μ，σ^２））を作成する。ここで、μは複数回取得された角加速度の平均値である。また、σ^２は複数取得された角加速度の分散である。

図５（Ｃ）に示す判定指標によれば、重質燃料を用いた場合において、機関始動時の最初の爆発行程における角加速度のレベルが統計的に明らかになる。従って、機関始動時の最初の爆発行程での角加速度を求めることで、図５（Ｃ）の判定指標に基づいて燃料性状が重質であるか否かを判定することが可能となる。例えば、角加速度に基づいて図５（Ｃ）の判定情報から得られた検出値Ｇ_Ｆの値が図５（Ｃ）に示す判定値Ｔよりも大きい場合は、取得した角加速度が重質燃料の分布に属していると判断できるため、燃料の性状が重質であると判定することができる。同様にして、軽質燃料についても判定指標を取得しておくことで、機関始動時の最初の爆発行程での角加速度に基づいて、燃料の性状が軽質であるか否かを判定することが可能となる。

以上のような手法によれば、機関始動時の最初の爆発行程における角加速度に基づいて燃料性状を判定することができ、燃料性状に応じた燃料噴射量の増減を機関始動直後の早期に実施することができる。燃料噴射量を制御する際には、燃料性状が重質になるほど、吸気通路１２又は筒内壁面への燃料付着量が多くなり、燃料の霧化の度合いが低下するため、燃料性状が重質の場合ほど燃料噴射量を増量する制御を行う。これにより、燃料の性状に基づいて燃料噴射弁３０からの燃料噴射量を最適に制御することが可能となる。

また、判定の精度を向上するため、機関始動直後の複数回の爆発行程における角加速度を用いて燃料性状を判定しても良い。この場合は、機関始動時の２回目、３回目以降の爆発行程についても、図５の方法で判定指標を予め取得しておく。同様に、軽質燃料の判定指標についても、２回目、３回目以降の爆発行程の判定指標を予め取得しておく。図６は、燃料性状（重質、軽質）毎、および始動からの爆発回数毎に角加速度の分布を求めた判定指標を示す特性図である。燃料性状が軽質の場合は、重質の場合に比べて、吸気管の内壁面、筒内壁面への燃料の付着量が低減され、燃料の霧化が促進される。従って、図６において、燃料性状が軽質の場合の角加速度は、重質の場合の角加速度よりも大きな値となる。

図６の判定指標を用いて機関始動時に燃料性状を判定する際には、機関始動時の１回目、２回目、３回目・・・の爆発行程における角加速度を取得し、それぞれを図６の統計情報に当てはめる。そして、取得した角加速度が図６の軽質燃料、重質燃料の分布のいずれに属しているかを判定することで、燃料の性状を判別することができる。この場合、機関始動直後の複数回の爆発行程における角加速度を用いて燃料の性状が判定されるため、判定の精度を高めることができる。また、機関始動直後は回転数が上昇する過程の過渡運転状態であり、燃料の性状の影響が角加速度に現れ易いため、機関始動直後の角加速度に基づいて判定を行うことで、燃料性状を精度良く判定することが可能となる。

また、図６の判定指標では、軽質燃料と重質燃料の２種類の燃料性状の分布を作成しているが、燃料性状を更に細分化し、より多くの燃料性状についての分布を作成しておいても良い。これにより、様々な性状の燃料に対応した判定が可能となり、連続的に変化する燃料の性状のレベルをより精度良く求めることができる。例えば、軽質燃料と重質燃料の間の燃料性状を有する中間燃料についても分布を作成しておくことで、燃料の性状が重質燃料、軽質燃料、中間燃料のいずれであるかを判定することができる。

なお、図５（Ｃ）では、角加速度の分布をガウス分布に標準化しているが、統計情報を有効活用でき、燃焼形態を検出できる形であれば、図７に示すように、他の分布の形状に標準化しても良い。ここで、図７（Ａ）は、角加速度の分布の中心値の頻度が高くなるように図５（Ｃ）の分布を変形した例を示している。

また、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）は、分布を階段状に模式化した例を示している。例えば、重質燃料の分布を図７（Ｂ）に示す形状に設定した場合、角加速度がｕ_Ｆ１〜ｕ_Ｆ２の場合にのみ燃料性状が重質と判定され、それ以外の場合に重質判定が行われることを回避できる。従って、何らかの要因により角加速度のデータの精度が低下した場合などにおいても、重質判定を精度良く行うことができる。また、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）に示すように分布を階段状の形状に設定することで、燃料性状判定のマップを簡素に構成することが可能となる。

機関始動時は、温度などの環境条件によって、筒内へ供給される燃料量、吸入空気量などにバラツキが生じやすくなるが、本実施形態の手法によれば、バラツキを統計的、確率的に解析し、統計情報に基づいて判定処理を行うため、バラツキを考慮した上で燃料の性状、燃焼状態を正確に推定することが可能である。

次に、図８のフローチャートに基づいて、本実施形態のシステムにおける処理の手順について説明する。先ず、ステップＳ１では、始動直後にクランク軸３６の角加速度を算出する。ここでは、上述した方法により、ＴＤＣからＢＤＣまでの角加速度の平均値を算出する。

次のステップＳ２では、ステップＳ１で算出した角加速度を図６の判定指標に当てはめ、検出値Ｇ_Ｆを算出する。次のステップＳ３では、検出値Ｇ_Ｆに基づいて燃料の性状を判定する。次のステップＳ４では、燃料の性状に基づいて燃料噴射量を制御する。ステップＳ４の後は処理を終了する(RETURN)。

以上説明したように実施の形態１によれば、機関始動時に算出した角加速度に基づいて、統計的手法により燃料性状（燃焼状態）を正確に推定することができる。従って、燃料性状に基づいて内燃機関を最適に制御することが可能となり、排気エミッション、ドライバビリティを向上することが可能となる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２は、機関始動時に取得された角加速度に基づいて重み付き加算平均検出処理を施し、燃料性状の判定とともに、判定の確からしさを判定するものである。

図９は、燃料性状の確からしさを表す重み付きマップを示す特性図である。図９のマップは、実施の形態１で説明した標準化された図５（Ｃ）の判定指標において、平均値μ＝０、分散σ^２＝１として検出値Ｇ_Ｆを積分して検出値ｇ_Ｆを算出したものである。図５（Ａ）の角加速度のデータが重質燃料のデータである場合、図５（Ｃ）の判定指標から得られた図９のマップは重質燃料に対応したマップとなる。

図９において、横軸は角加速度ｕ_Ｆを表しており、縦軸は角加速度ｕ_Ｆの値に対応した検出値ｇ_Ｆを表している。図９では、平均値μ＝０、分散σ^２＝１としているため、検出値ｇ_Ｆは０から１までの値となる。そして、図９のマップが重質燃料に対応したマップである場合、重質燃料を燃焼させた際に最も頻度の高い角加速度ｕ_Ｆに対応する検出値ｇ_Ｆは０．５となる。

従って、機関始動時に角加速度ｕ_Ｆを求め、重質燃料に対応する図９のマップに当てはめた場合に、角加速度ｕ_Ｆに対応する検出値ｇ_Ｆが０．５に近い場合は、燃料が重質であると判断できる。そして、検出値が０．５に近い場合ほど、燃料が重質であることの確からしさが高いと判定することができる。

同様にして、軽質燃料についても、図５の手法を用いて判定指標となる統計情報を作成し、図９と同様のマップを作成しておく。これにより、機関始動時に角加速度ｕ_Ｆを求め、軽質燃料のマップに当てはめた場合に、角加速度ｕ_Ｆに対応する検出値ｇ_Ｆが０．５に近い場合は燃料が軽質であると判断でき、検出値ｇ_Ｆが０．５に近い場合ほど、燃料が軽質であることの確からしさが高いと判定することができる。

従って、図９のマップを重質燃料、軽質燃料の双方について作成しておくことで、機関始動時の角加速度に基づいて燃料の性状を判定できるとともに、燃料性状判定の確からしさを判定することが可能となる。従って、燃料性状の判定を高精度に行うことが可能となる。

なお、始動時に取得された角加速度の値は、原則として重質燃料または軽質燃料の分布の一方に属するため、軽質燃料のマップから算出された検出値ｇ_Ｆと重質燃料のマップから算出された検出値ｇ_Ｆの双方が０．５に非常に近い値となることはなく、一方の検出値ｇ_Ｆが０．５近傍の値である場合は、他方の検出値ｇ_Ｆは０．５から外れた値となる。従って、軽質燃料についての検出値ｇ_Ｆと重質燃料についての検出値ｇ_Ｆのうち、どちらの検出値ｇ_Ｆが０．５により近い値であるかを判定することで燃料の性状を判定することができ、また、その確からしさを判定することができる。

図５（Ｃ）の統計情報が機関始動時の最初の爆発行程における角加速度の分布を表すものである場合、これに対応する図９のマップによれば、最初の爆発行程で取得された角加速度に基づいて検出値ｇ_Ｆを算出することができ、検出値ｇ_Ｆに基づいて燃料性状及びその確からしさを判定することができる。同様にして、機関始動時の２回目以降の爆発行程における角加速度についても、軽質燃料、重質燃料のそれぞれについて、爆発回数に応じて図９のマップをそれぞれ作成しておくことで、２回目以降の爆発行程で取得された角加速度に基づいて燃料性状を判定することができ、また、燃料性状の確からしさを判定することができる。

この場合、機関始動時の１回目、２回目、３回目・・・ｎ回目の爆発行程で取得された角加速度ｕ_Ｆのそれぞれに基づいて、軽質燃料、重質燃料のそれぞれについて爆発回数に応じて作成された各マップから検出値ｇ_Ｆを求め、軽質燃料、重質燃料のそれぞれについて、以下の（３）式からｎ個の検出値ｇ_Ｆの重み付け平均値ｇ_Ｆ（ｎ）を求める。

この場合、平均値ｇ_Ｆ（ｎ）の値が０．５に近づくほど、平均値ｇ_Ｆ（ｎ）によって表される燃料性状の確からしさの精度が高くなる。例えば、重質燃料のマップから求めた検出値ｇ_Ｆの平均値ｇ_Ｆ（ｎ）の値が０．５に近い場合は、燃料が重質であり、その確からしさも非常に高いと判定することができる。従って、複数の角加速度に基づいて燃料性状の判定を行うことで、少数の特異な角加速度挙動を吸収して誤検出を抑えることができ、燃料性状およびその確からしさを高精度に判定することが可能となる。

次に、図１０のフローチャートに基づいて、実施の形態２における処理の手順について説明する。先ず、ステップＳ１１では、始動直後のｎ回の爆発行程のそれぞれにおいて、角加速度を取得する。次のステップＳ１２では、図９のマップを用いて、重み付き加算平均検出値処理を行う。具体的には、ステップＳ１１で取得した複数の角加速度を用いて、爆発回数に応じて作成された図９の軽質燃料、重質燃料の各マップから検出値ｇ_Ｆを求め、その平均値ｇ_Ｆ（ｎ）を算出する。

次のステップＳ１３では、ステップＳ１２で算出した平均値ｇ_Ｆ（ｎ）に基づいて、燃料性状、及びその確からしさを判定する。この際、平均値ｇ_Ｆ（ｎ）が０．５に近いほど、燃料性状の確からしさが高いと判定される。次のステップＳ１４では、ステップＳ１３で求めた燃料性状に基づいて、燃料噴射量を制御する。ステップＳ１４の後は処理を終了する(RETURN)。

以上説明したように実施の形態２によれば、機関始動時に取得された角加速度に基づいて燃料性状を求めることができ、更に、求めた燃料性状の確からしさを判定することができる。従って、燃料性状の判定の信頼性を更に向上することができ、燃料性状に基づいて内燃機関を最適に制御することが可能となる。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３は、燃料性状に基づいて燃料噴射量を決定する手法に関するものである。図１１は、実施の形態３において、検出値ｇ_Ｆに基づいて決定される判定値と、燃料噴射量との関係を規定したマップを示す特性図である。図１１に示すように、判定値が増加すると燃料噴射量が減少するようにマップが規定されている。

実施の形態３では、実施の形態２と同様の方法で、検出値ｇ_Ｆの重み付け平均値ｇ_Ｆ（ｎ）を求め、燃料の性状を判定する。そして、図１１に示すように、重み付け平均値ｇ_Ｆ（ｎ）に対応する判定値が決定される。

図１１に示すように、重質燃料に対応する図９のマップから算出された平均値ｇ_Ｆ（ｎ）が０．２〜０．８の場合は、平均値ｇ_Ｆ（ｎ）が０．５の近傍の値であるため、燃料が重質と判定される。同様に、軽質燃料に対応する図９のマップから算出された平均値ｇ_Ｆ（ｎ）が０．２〜０．８の場合は、平均値ｇ_Ｆ（ｎ）が０．５の近傍の値であるため、燃料が軽質と判定される。

そして、重質燃料、軽質燃料のマップから算出された平均値ｇ_Ｆ（ｎ）の値に応じて判定値の値が設定される。図１１の例では、重質燃料に対応する図９のマップから算出された平均値ｇ_Ｆ（ｎ）が０．２〜０．８の場合は、判定値が１〜５に設定され、燃料噴射量は一定値TAU1に設定される。また、軽質燃料に対応する図９のマップから算出された平均値ｇ_Ｆ（ｎ）が０．２〜０．８の場合は、判定値が７〜１１に設定され、燃料噴射量は一定値TAU2に設定される。また、判定値が５〜６の範囲であり、燃料性状が重質と軽質の中間であると判定される場合は、燃料噴射量がTAU1とTAU2の間で線形に変化するように設定される。

このように、平均値ｇ_Ｆ（ｎ）に所定範囲の幅をもたせ、その範囲内では、エミッションなどに影響が出ない範囲で燃料噴射量を一定値TAU1,TAU2に制御することで、燃料噴射量の制御を簡素に行うことが可能となり、燃料性状に応じた燃料噴射量の制御性を向上することができる。

図１２は、図１１のマップの他の例を示す模式図である。図１１のマップは、市場に流通している燃料の性状の割合等を考慮し、種々のタイプに変更することができる。ここで、図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）のマップは、重質燃料と軽質燃料の中間において、燃料噴射量を非線形に変化させることで、特に中間燃料における燃料噴射量をより緻密に制御するものである。

また、図１２（Ｃ）のマップは、燃料性状が重質と軽質の中間である中間燃料についてのみ図９のマップを設定した例を示している。すなわち、図１２（Ｃ）の例では、中間燃料に対応する図９のマップから算出された平均値ｇ_Ｆ（ｎ）が０．２〜０．８の場合は、燃料性状が重質と軽質の中間であると判定され、判定値が４〜７に設定される。そして、この場合、燃料噴射量は一定値TAU3に設定される。そして、平均値ｇ_Ｆ（ｎ）が０．２未満の場合は、判定値が４未満に設定され、判定値に対して線形に変化するように燃料噴射量の値が規定される。また、平均値ｇ_Ｆ（ｎ）が０．８を超える場合は、判定値が７よりも大きな値に設定され、判定値に対して線形に変化するように燃料噴射量の値が規定される。図１２（Ｃ）のマップによれば、重み付け加算平均処理を行う図９のマップを中間燃料についてのみ作成することで、平均値ｇ_Ｆ（ｎ）及び判定値に基づいて燃料噴射量を制御することができる。

次に、図１３のフローチャートに基づいて、本実施形態のシステムによる処理の手順について説明する。先ず、ステップＳ２１では、機関始動直後に角加速度を取得し、重み付け平均値ｇ_Ｆ（ｎ）を算出する。次のステップＳ２２では、重み付け平均値ｇ_Ｆ（ｎ）に基づいて、燃料性状の判定値を算出する。次のステップＳ２３では、燃料性状の判定値に基づいて、図１１のマップから燃料噴射量を算出する。次のステップＳ２４では、ステップＳ２３で算出された燃料噴射量に基づいて、燃料噴射量を制御する。ステップＳ２４の後は処理を終了する(RETURN)。

以上説明したように実施の形態３によれば、各燃料性状のマップ毎に算出された重み付け平均値ｇ_Ｆ（ｎ）から燃料性状を決定するための判定値を算出するため、判定値と燃料噴射量との関係を規定したマップに基づいて、燃料噴射量を最適に制御することが可能となる。

なお、上述した各実施形態では、機関始動時に取得した角加速度、図示トルクに基づいて燃料の性状を判定しているが、筒内圧、イオン電流など燃焼状態を表す特性値を用いて、上述の統計的処理を施すことにより、燃料の性状（燃焼状態）を推定しても良い。

本発明の各実施形態にかかる内燃機関の燃焼状態推定装置及びその周辺の構造を説明するための図である。 図示トルク、筒内ガス圧によるトルク及び往復慣性質量による慣性トルクと、クランク角との関係を示す特性図である。 クランク軸の角加速度を求める方法を示す模式図である。 フリクショントルクと機関回転数及び冷却水温との関係を表すマップを示す模式図である。 判定指標を取得する方法を模式的に示す図である。 燃料性状（重質、軽質）毎、および始動からの爆発回数毎に角加速度の分布を求めた判定指標を示す特性図である。 角加速度の分布を標準化する例を示す模式図である。 実施の形態１における処理の手順を示すフローチャートである。 燃料性状の確からしさを表す重み付きマップを示す特性図である。 実施の形態２における処理の手順を示すフローチャートである。 検出値ｇ_Ｆに基づいて決定される判定値と、燃料噴射量との関係を規定したマップを示す特性図である。 図１１のマップの他の例を示す模式図である。 実施の形態３における処理の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 内燃機関
３８ クランク角センサ
４０ ＥＣＵ

Claims (4)

1. 機関始動時の最初の爆発行程で生じるクランク角加速度の確率密度分布を表すデータであって、所定の性状を有する燃料を用いて内燃機関を複数回始動させつつ最初の爆発行程で生じるクランク角加速度を複数回取得して作成された統計的分布が、少なくとも１つの燃料性状について予め記憶された記憶手段と、
   機関始動時にクランク角加速度を算出する角加速度算出手段と、
   機関始動時の最初の爆発行程におけるクランク角加速度を前記統計的分布に当てはめて、当該クランク角加速度の前記統計的分布での分布状態を表す指標となる検出値を算出する検出値算出手段と、
   前記検出値に基づいて燃料の性状を推定する燃焼状態推定手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の燃焼状態推定装置。
2. 前記記憶手段は、機関始動からの爆発回数毎に前記統計的分布を記憶し、
   前記検出値算出手段は、前記爆発回数毎の前記統計的分布に基づいて、前記爆発回数毎に算出された前記クランク角加速度のそれぞれから前記検出値を算出し、
   前記検出値の重み付き平均値を算出する重み付き平均値算出手段を備え、
   前記燃焼状態推定手段は、前記重み付き平均値に基づいて燃料の性状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燃焼状態推定装置。
3. 推定した燃料の性状と前記重み付き平均値とに基づいて、燃料噴射量を制御するための判定値を算出する判定値算出手段と、
   前記判定値に基づいて燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段と、
   を更に備えたことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃焼状態推定装置。
4. 前記角加速度算出手段は、往復慣性質量による慣性トルクの平均値がほぼ０となるクランク角の区間での平均値として前記クランク角加速度を算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の燃焼状態推定装置。

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