WO2020174542A1 - エンジントルク推定装置、エンジントルク推定方法及びエンジン制御装置 - Google Patents

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WO2020174542A1
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engine
indicated torque
value
cylinder
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小川雅俊
曾根田弘光
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株式会社トランストロン
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    • F02D2200/1004—Estimation of the output torque

Definitions

  • the present invention relates to an engine torque estimation device, an engine torque estimation method, and an engine control device.
  • ⁇ Automobile gasoline engine and diesel engine control devices perform torque-based control that controls the engine with torque.
  • the required torque is set by the driver's accelerator operation or cruise control, the indicated torque that satisfies the required torque is calculated, and the injection amount of the injector is controlled so that the indicated torque can be reproduced.
  • Such engine control is feedforward control.
  • the injection amount of injectors in multiple cylinders of a multi-cylinder engine is controlled in the same way.
  • the indicated torques of the plurality of cylinders vary due to individual differences in the injectors of the plurality of cylinders, which causes deterioration of exhaust gas performance and fuel efficiency performance.
  • the indicated torque of each cylinder of the engine is estimated based on the sensor value (observed value, output value) of the crank angle sensor, and the injection amount of the injector of each cylinder is adjusted so that the estimated indicated torque of each cylinder matches the required torque.
  • Feedback control which controls separately, has been proposed.
  • the sensor value of the crank angle sensor is limited due to the limit of the measurement resolution by the crank angle sensor's extraction of the crank angle, the limit of the sampling cycle of the voltage output of the crank angle sensor, the disturbance such as the vibration in the engine in the high rotation range, etc. Contains different noise in each cylinder combustion cycle. Therefore, it is difficult to accurately estimate the indicated torque of each cylinder based on the sensor value of the crank angle sensor. For this reason, the feedback control based on the estimated indicated torque of each cylinder cannot be appropriately performed.
  • the object of the first aspect of the present embodiment is to provide an engine torque estimation device, an engine torque estimation method, and an engine control device that estimate the indicated torque of each cylinder with high accuracy.
  • a first aspect of the present embodiment is a torque estimation unit that calculates time series data of estimated indicated torque based on a crank angle extracted from an output of a crank angle sensor of an engine having a plurality of cylinders, and a cylinder-by-cylinder unit.
  • the estimated indicated torque related value extraction unit for extracting the related value of the estimated indicated torque for each cylinder from the time series data of the estimated indicated torque, and the related value of the estimated indicated torque corresponding to the related value of the estimated indicated torque.
  • the engine torque estimation device includes a correct answer value of the average indicated torque calculated from the in-cylinder state of the engine, and a correct answer value acquisition means of the average indicated torque for each cylinder.
  • the indicated torque of each cylinder can be estimated with high accuracy.
  • FIG. 1 It is a figure which shows schematic structure of an engine, an engine torque estimation apparatus, and an engine control apparatus. It is a figure which shows the structure of the engine torque estimation apparatus and engine control apparatus in this Embodiment. It is a figure of a flow chart which shows the contents of processing of an engine torque estimating device and an engine control device. It is a figure which shows an example of time series data of crank angle, time series data of crank angular velocity, estimated indicated torque, and a correct value of indicated torque. It is a figure which shows schematic structure of a 4-cylinder engine. It is a figure which shows the experiment of the engine for acquiring a conversion map or a conversion formula. It is a figure which shows the amplitude of estimated illustration torque.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an engine, an engine torque estimation device, and an engine control device.
  • the engine ENG is a gasoline engine or a diesel engine, and is installed in a vehicle that uses only the engine as a drive source, a hybrid vehicle that uses an engine and an electric motor as a drive source, and the like.
  • the engine ENG is provided with a crank angle sensor CA that detects the rotation angle of the crankshaft.
  • the engine torque estimation device and the engine control device 10 are composed of, for example, a microcomputer.
  • the microcomputer includes an arithmetic processing unit CPU, a main memory M_MEM, an auxiliary storage device 12 such as a nonvolatile memory, an interface IF with the outside, and a bus 11 connecting them.
  • the crank angle sensor CA is, for example, a sensor that detects the reference position and rotation angle of the crankshaft.
  • the sensor value detected by the crank angle sensor serves as a base signal for fuel injection control and ignition timing control in the electronic fuel injection system.
  • the magnetic flux received by the crank angle sensor changes due to the rotation of the rotor with protrusions (teeth) attached to the crankshaft. This change in magnetic flux is converted into a pulse signal of a rectangular wave and output.
  • the rotor is provided with a plurality of protrusions corresponding to the crank angle pitch, and has a missing tooth for detecting the top dead center.
  • an optical crank angle sensor detects light that penetrates between protrusions of a rotor, converts the light into a pulse signal of a rectangular wave, and outputs the pulse signal.
  • the engine torque estimation device including the microcomputer 10 inputs the crank angle extracted from the output pulse of the crank angle sensor CA, and the arithmetic processing unit CPU executes the engine torque estimation program in the auxiliary storage device 12, An estimated torque of each cylinder, for example, an estimated indicated torque is calculated.
  • the arithmetic processing unit CPU executes the engine control program in the auxiliary storage device 12 to determine the internal state of the engine such as the rotation speed of the engine ENG and the above estimation.
  • the injector injection amount of the engine for realizing the required torque is calculated based on the torque and the like, and the injector is drive-controlled.
  • FIG. 2 is a diagram showing configurations of an engine torque estimation device and an engine control device according to the present embodiment.
  • the engine torque estimation device 20 realizes each calculation unit, estimation unit, extraction unit, acquisition unit, and the like illustrated in FIG. 2 by the microcomputer executing the engine torque estimation program.
  • the engine control device 30 includes the engine torque estimation device 20, and the microcomputer executes the engine control program so that the torque feedback control unit 31, the torque feedforward control unit 34, and the injector commanded injection amount shown in FIG.
  • the determination unit 32, the target torque value setting unit 33, and the like are realized.
  • FIG. 3 is a flowchart showing the processing contents of the engine torque estimation device and the engine control device.
  • FIG. 3 shows the contents of processing of each calculation unit of the engine torque estimation device and the engine control device shown in FIG.
  • the engine torque estimation device 20 inputs the voltage output 20A of the crank angle sensor CA and extracts the time series data of the crank angle from the voltage output.
  • the time-series crank angular velocity calculation unit 21 monitors the pulsed voltage output 20A output by the crank angle sensor CA and calculates crank angle time-series data. Specifically, the time-series crank angular velocity calculation unit 21 crosses 0 volt when the voltage value output by the crank angle sensor rises and when the voltage value that the crank angle sensor outputs falls, so that the crank angle ⁇ (k) becomes a predetermined minute angle ⁇ . It is detected that the angle has advanced by (k). Then, the time-series crank angular velocity calculation unit 21 stores the time information t(k) and the following crank angle ⁇ (k), where k is the number of zero crosses.
  • time-series crank angular velocity calculation unit 21 differentiates the crank angle time-series data ⁇ (k) by time, and calculates the crank angular velocity time-series data 21A by the following formula (S21).
  • the time series torque estimating unit 22 estimates the time series data of the indicated torque based on the time series data of the crank angle and the time series data of the crank angular velocity, and outputs the time series data 22A of the estimated indicated torque. (S22).
  • the estimated indicated torque is calculated from the time series data of the crank angular velocity and the inertia moment J by the following formula.
  • the estimated indicated torque is calculated using a nonlinear Kalman filter, particularly an unscented Kalman filter, based on the time series data of the crank angle and the time series data of the crank angular velocity.
  • a nonlinear Kalman filter particularly an unscented Kalman filter
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of time-series data of crank angle, time-series data of crank angular velocity, estimated indicated torque, and a correct value of the indicated torque.
  • FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of a 4-cylinder engine. As shown in FIG. 5, the four-cylinder engine has four cylinders (cylinders) CL0-CL3 and a crankshaft 50 connected to pistons PS0-PS3 in each cylinder. The crankshaft 50 is provided with a rotor RT and a crank angle sensor CA. The teeth around the rotor RT are omitted.
  • a series of operations from intake of a mixture of air and fuel into a combustion chamber to combustion and exhaust of combustion gas is performed in a total of four strokes, with the piston rising and falling twice. Done.
  • the piston makes two reciprocations in the cylinder, and the crankshaft makes two revolutions (720 degrees).
  • Each cylinder CL0-CL3 performs the steps of intake, compression, ignition (combustion), and exhaust by shifting 180 degrees, which is obtained by dividing one cycle in which the crankshaft 50 rotates twice (720 degrees) into four equal parts.
  • the time series data of the crank angle extracted from the voltage output of the crank angle sensor CA increases from 0 degree to 720 degrees with the passage of time on the time axis (horizontal axis).
  • the crank angular velocity AV obtained by differentiating the crank angle the crank angular velocity increases and decreases four times in synchronization with the ignition (combustion) process of each cylinder.
  • the ignition of cylinder CL0, the ignition of cylinder CL2, the ignition of cylinder CL3, and the ignition of cylinder CL1 occur in this order with a shift of 180 degrees, and each time the ignition occurs, the crank angular velocity reaches the maximum speed. Become.
  • crank angle time-series data and the crank angular velocity time-series data are different time-series data in the firing process of each cylinder, depending on the individual difference of each cylinder.
  • the time-series data of the estimated indicated torque calculated by the time-series torque estimating unit 22 becomes time-series data of different estimated indicated torque in the ignition process of each cylinder.
  • the indicated torque shown in FIG. 4 is an estimated value (broken line) of the indicated torque calculated by the above-described time-series torque estimating unit 22 from the time-series data of the crank angle and the time-series data of the crank angular velocity, and the actual torque in advance. It is the correct value (solid line) of the indicated torque calculated from the in-cylinder pressure of the in-cylinder pressure sensor provided in each cylinder in an experiment conducted by operating the engine.
  • a conversion map or a conversion formula between the estimated value of the indicated torque and the correct value of the indicated torque of each cylinder is acquired in an engine experiment performed in advance. As shown in FIG. 5, the conversion map or the conversion formula is acquired for each cylinder, and is also acquired for each engine rotation region as described later.
  • FIG. 6 is a diagram showing an experiment of an engine for acquiring a conversion map or a conversion formula.
  • the experimental real engine ENG is the engine shown in FIG. That is, the crankshaft 50 is provided with the crank angle sensor CA, and when the engine is rotated, the time series data CA0-CA3 of the crank angle is extracted from the voltage output of the crank angle sensor CA.
  • the experimental engine ENG is provided with in-cylinder pressure sensors CP0-CP3 in each cylinder CL0-CL3 for detecting a physical state in the cylinder, for example, in-cylinder pressure.
  • the engine mounted on the vehicle is not provided with the in-cylinder pressure sensor except for a high-class engine. This is because the cost increases and the deterioration over time of the in-cylinder pressure sensor becomes a problem.
  • the correct answer values R_TRK0-R_TRK3 of the average indicated torque of each cylinder are calculated.
  • the average indicated torque is calculated, for example, by integrating the time-series data of the indicated torque in the period of the ignition process and dividing by the time of the ignition process.
  • crank angle time-series data CA0-CA3 is extracted from the output of the crank angle sensor provided in the engine ENG and input to the Kalman filter CA_FLT.
  • the time-series data of the crank angle is extracted from the output of one crank angle sensor, but the crank angles of the four cylinders are each shifted by 180 degrees. By dividing the output into four, time series data CA0-CA3 of four crank angles can be obtained.
  • the Kalman filter CA_FLT calculates the estimated torque (estimated indicated torque) E_TRK, which is the state value of the engine, while inputting time-series data of the crank angle, as described later.
  • This estimated torque is shown by a broken line in FIG. Since the estimated torque is generated by sequentially firing (combusting) the four cylinders, the estimated indicated torque E_TRK calculated during the crank angle of 720 degrees is divided into four ignition processes by the four cylinders. The estimated indicated torques E_TRK0 to E_TRK3 for each of the four cylinders are extracted.
  • crank angle time-series data and the crank angular velocity time-series data calculated from them include the measurement resolution limit by crank angle extraction, the sampling cycle limit of the output of the crank angle sensor, the vibration in the engine in the high rotation region, etc. Noise is included due to disturbance or the like. In particular, at high rotation speeds, the vibration in the engine and the limit of the sampling period become remarkable, and the degree of the limit of the sampling period varies depending on the different rotation speed regions of the engine. The degree of their influence also differs depending on the individual difference of the four cylinders.
  • the estimated indicated torque of each cylinder estimated from the time-series data of crank angle and the time-series data of crank angular velocity includes different noises based on individual differences among a plurality of cylinders (individual differences among injectors, etc.). ..
  • the above-described engine experiment is performed in advance, and the estimated indicated torque amplitudes E_TRK_A0 to E_TRK_A3 for each of the four cylinders and the estimated indicated torque integrated values such as the estimated indicated torque integrated value are calculated.
  • a conversion map or conversion formulas MAP0 to MAP3 having correspondences between the related values and the correct answer values R_TRK0 to R_TRK3 of the average indicated torque are acquired in advance. This conversion map or conversion formula is acquired for each of the four cylinders. Further, as will be described later, the conversion map or the conversion formula is acquired for each cylinder for each engine rotation region.
  • the influence of noise included in the sensor value of the crank angle sensor is suppressed by adopting the amplitude of the estimated indicated torque as the related value of the estimated indicated torque.
  • FIG. 7 is a diagram showing the amplitude of the estimated indicated torque.
  • FIG. 7 shows the estimated indicated torque E_TRK# (# is the cylinder number 0-3) of a certain cylinder.
  • E_TRK# # is the cylinder number 0-3 of a certain cylinder.
  • One ignition cycle of the estimated indicated torque indicated by the broken line in FIG. 4 is extracted and shown in FIG. 7.
  • noise is generated in the sensor value before and after the missing tooth provided in the plurality of teeth of the rotor.
  • the integrated value of the estimated indicated torque is calculated, it is necessary to remove the noise due to the missing tooth by interpolation processing or the like, and even if such processing is performed, the generated noise may not be properly removed.
  • the cylinder-related torque-related value (amplitude) extraction unit 23 of FIG. 2 uses the estimated indicated torque amplitude E_TRK_A based on the difference between the maximum value MAX and the minimum value MIN of the estimated indicated torque E_TRK#. Extract #(23A) (S23). By extracting the amplitude E_TRK_A# (23A) of the estimated indicated torque, it is possible to significantly suppress the influence of noise generated by the missing tooth included in the estimated indicated torque E_TRK#.
  • the estimated indicated torque amplitude E_TRK_A# is extracted for each of the four cylinders.
  • the cylinder-specific average indicated torque acquisition unit 24 based on the cylinder-related torque-related value (amplitude) in FIG. 2 is the correct value R_TRK# of the average indicated torque for each cylinder for each estimated indicated torque amplitude E_TRK_A# for each cylinder.
  • Get (S24A) Specifically, the acquisition unit 24 determines the correct value R_TRK# of the average indicated torque corresponding to the estimated indicated torque amplitude E_TRK_A# (related value of the estimated indicated torque) based on the conversion map or the conversion formula calculated from the conversion map. get.
  • E_TRK_A# of the estimated indicated torque it is possible to appropriately suppress the noise due to the missing tooth of the crank angle sensor. Therefore, it is possible to increase the accuracy of the correct value R_TRK# of the average indicated torque corresponding to the amplitude E_TRK_A# of the estimated indicated torque acquired based on the conversion map or the conversion formula.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of a conversion map or a conversion formula.
  • the conversion map or the conversion formula MAP0 having the correspondence between the estimated indicated torque related value (amplitude) E_TRK_A# and the average indicated torque correct value R_TRK# is determined in advance by an experiment for rotating the engine.
  • -MAP3 is acquired for each of the four cylinders.
  • the conversion map or the conversion formula of each cylinder is acquired for each engine speed region. Specifically, in the experiment, the engine speed region is changed to obtain the conversion map or the conversion formulas MAP0-MAP3, respectively.
  • the horizontal axis of FIG. 8 corresponds to the related value of the estimated indicated torque, particularly the amplitude, and the vertical axis corresponds to the correct value of the average indicated torque.
  • the correct answer value of the average indicated torque is, for example, the correct answer value of the indicated torque calculated from the in-cylinder pressure sensor, and the integrated value in the ignition (combustion) process of each cylinder is calculated. It is calculated by dividing.
  • the engine speed can be obtained by acquiring the conversion map or the conversion formula for each of the engine speed regions of 1000 rpm, 1200 rpm, 1400 rpm, 1600 rpm, 1800 rpm, 2000 rpm, and 2400 rpm. Is higher, it is possible to suppress a decrease in conversion accuracy due to an increase in noise generated in the estimated indicated torque.
  • the engine speed range of 1000 rpm is, for example, a range of 1000 rpm or more and less than 1200 rpm.
  • the other rotation speed regions are similar regions.
  • the conversion map or conversion formula is a substantially linear linear function.
  • the conversion map has a correspondence between a plurality of related values (amplitude) of the estimated indicated torque and a plurality of correct values of the average indicated torque.
  • the conversion formula is a formula of a linear linear function in which the relevant value (amplitude) of the estimated indicated torque is the variable X and the correct value of the average indicated torque is the variable Y.
  • FIG. 9 is a diagram showing an integral value which is another example of the related value of the estimated indicated torque. Similar to FIG. 7, FIG. 9 shows the estimated indicated torque E_TRK# (# is the cylinder number 0-3) of a certain cylinder. One cycle of the estimated indicated torque indicated by the broken line in FIG. 4 is extracted and shown in FIG. 9.
  • the estimated indicated torque integrated value E_TRK_INT# is an integrated value during the ignition (combustion) process of the estimated indicated torque E_TRK#.
  • the estimated average indicated torque can be calculated by dividing this integrated value by the time of the ignition process.
  • the integrated value E_TRK_INT# of the estimated indicated torque and the estimated average indicated torque obtained by dividing the integrated value by time are the differences only in whether or not they are divided by time, and are data having the same meaning in the conversion map.
  • the conversion map of FIG. 8 or the horizontal axis of the conversion formula is replaced with the amplitude of the estimated indicated torque of FIG. 7, and the integrated value of the estimated indicated torque of FIG. 9 is used.
  • the acquisition unit 24 can acquire the correct answer value of the average indicated torque with high accuracy.
  • the torque feedback (FB) control unit 31 controls the fuel of each cylinder so that the correct answer value 24A of the average indicated torque for each cylinder matches the torque target value 33A output by the torque target value setting unit 33.
  • the injection amount 31A is calculated (S31). Specifically, the torque FB control unit 31 calculates the fuel injection amount 31A of each cylinder based on the difference between the torque target value 33A and the correct answer value 24A of the average indicated torque. This fuel injection amount 31A is based on feedback control.
  • the torque target value setting unit 33 sets the torque target value based on, for example, the driver request torque based on the accelerator operation amount by the driver, or the request torque output from the cruise control or the like.
  • the torque feedforward (FF) control unit 34 based on the engine internal state value 41A such as the number of revolutions from the engine ENG and the torque target value 33A output by the torque target value setting unit 33, injects fuel into all cylinders.
  • the amount 34A is calculated (S34). Specifically, the calculation is performed by referring to a map having the fuel injection amount of the feedforward corresponding to the combination of the engine speed and the target torque value.
  • the calculated feedforward fuel injection amount is an injection amount common to all cylinders.
  • the injector instruction injection amount determination unit 32 inputs the fuel injection amount 34A of the feedforward and the fuel injection amount 31A of each cylinder of the feedback, and, for example, by PID (Proportional Integrated Differential) control, the injector of each cylinder is injected.
  • the instructed injection amount (injection amount instruction value) 31A is determined.
  • the injector drive control unit 40 generates a drive signal 40A for driving the injector of each cylinder based on the injection amount instruction value 32A of each cylinder (S40).
  • the injector of each cylinder in the engine is driven by the drive signal 40A of each cylinder (S40).
  • the time series torque estimation unit 22 of FIG. 2 calculates an estimated value of the time series indicated torque using an unscented Kalman filter as the nonlinear Kalman filter.
  • the nonlinear Kalman filter will be specifically described below.
  • the time-series torque estimation unit 22 calculates the actual value ⁇ (k) of the crank angle acquired by the crank angle sensor CA and the pre-estimated value ⁇ ⁇ (k) of the crank angle calculated by the nonlinear Kalman filter described later.
  • the error between is calculated according to the following equation (4).
  • time-series torque estimation unit 22 calculates the error between the calculated crank angular velocity value ⁇ ⁇ (k) and the pre-estimated crank angular velocity value ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ (k) calculated by the nonlinear Kalman filter described later. Calculation is performed according to the following formula (5).
  • the state estimation value x(k) of the present embodiment includes the crank angle ⁇ (k), the crank angular velocity ⁇ ⁇ (k), and the indicated torque ⁇ (k), as shown in the following equation (6). ..
  • the crank function is calculated by the nonlinear function f and the nonlinear function h according to the following equations (7) and (8). Angle time series data and crank angular velocity time series data are calculated.
  • v(k) is system noise
  • ⁇ (k) is observation noise
  • y(k) is an observation value (output value).
  • the non-linear function f and the non-linear function h are functions including arbitrary coefficient functions, and in this embodiment, they are expressed by the non-linear equations shown in the following equations (9-1) to (9-4).
  • a iner ( ⁇ ) is a term related to the inertia of the piston crank mechanism in the engine
  • a gra ( ⁇ ) is a term related to the gravity of the piston crank mechanism.
  • a vel ( ⁇ ) is a term related to the angular velocity of the piston crank mechanism
  • a fr i ( ⁇ ) is a term related to friction of the piston crank mechanism.
  • a iner ( ⁇ ), a gra ( ⁇ ), a vel ( ⁇ ), and a fr i ( ⁇ ) are coefficient functions.
  • a iner_s ( ⁇ ) is a coefficient function of a term related to inertia in a single cylinder
  • a gra_s ( ⁇ ) is a coefficient function of a term related to gravity in a single cylinder
  • a vel_s ( ⁇ ) is a coefficient of a term related to angular velocity in a single cylinder. Is a function
  • afri_s ( ⁇ ) is a coefficient function of a term relating to friction in a single cylinder.
  • the mathematical expression calculation part of the coefficient function described above is replaced with a table expressing the relationship between the output value of the coefficient function and the ⁇ value.
  • the output values of items a iner ( ⁇ ) about the inertia, the output values of items a gra ( ⁇ ) about the gravity, the output values of items a vel (theta) relating to an angular velocity, and claim a fri Friction A table representing the relationship between the output value from ( ⁇ ) and the crank angle ⁇ is set in advance.
  • FIG. 10 is a diagram showing a flowchart of the arithmetic processing of the nonlinear Kalman filter in the present embodiment. The calculation processing of the nonlinear Kalman filter will be described below with reference to the flowchart.
  • the time-series torque estimation unit 22 sets the initial value x ⁇ (0) of the state estimation value x ⁇ (k) as shown in the following equation (10).
  • the time-series torque estimation unit 22 sets the initial value P(0) of the posterior error covariance matrix P 0 as shown in the following Expression (11). Further, the variance Q of system noise and the variance R of observation noise are set.
  • time-series torque estimation unit 22 repeatedly executes the following processing at every predetermined cycle.
  • k is 1 to 2, 3,. . . , N are repeated (S11).
  • the time-series torque estimation unit 22 determines from the state estimation value x ⁇ (k-1) one cycle before and the covariance matrix P(k-1) as sample points corresponding to the average value and the standard deviation.
  • 2n+1 sigma points ⁇ 0 and ⁇ i are calculated by the following equations (12) (sample points corresponding to average values) and (13) and (14) (sample points corresponding to standard deviation) (S12).
  • ( ⁇ P) i represents the i-th column of the square root matrix of the covariance matrix P.
  • weights w 0 and w i for each sigma point are calculated according to the following equations (15) and (16).
  • ⁇ is a scaling parameter.
  • Pre state estimate is calculated by the equation (19) or equation (20) x ⁇ - (k) and pre-error covariance matrix P - (k), respectively, referred as the estimated value of the first moment and the second moment To be done.
  • the estimated values of the first and second moments are accurate up to the second order term of Taylor series expansion of f(x(k),v(k)) for any nonlinear function. Since an error is added to the estimated value of the third or higher moment, ⁇ is a parameter for adjusting the influence of the error. If ⁇ is selected to be 0 or more, the semi-positive definiteness is guaranteed. Note that normally, ⁇ is often set to 0.
  • the time-series torque estimation unit 22 calculates the pre-state estimated value x ⁇ ⁇ (k) according to the following equation (19) using the sigma points ⁇ i ⁇ (k) and the weights w i .
  • the time-series torque estimation unit 22 calculates the a priori error covariance matrix P ⁇ (from the sigma point ⁇ i ⁇ (k) and the a priori state estimated value x ⁇ ⁇ (k) according to the following equation (20). Calculate k).
  • b of the following formula (20) is a coefficient matrix of system noise.
  • the time-series torque estimation unit 22 calculates the output sigma point ⁇ i - (k) from the sigma point ⁇ i - (k) and the non-linear function f according to the following equation (24).
  • the time-series torque estimation unit 22 calculates the pre-output error covariance matrix from the output sigma point ⁇ i ⁇ (k) and the pre-output estimated value y ⁇ ⁇ (k) according to the following equation (26). Calculate P yy - (k).
  • the time-series torque estimation unit 22 calculates the following from the prior state/output error covariance matrix P xy ⁇ (k), the prior output error covariance matrix P yy ⁇ (k), and the variance R of the observed noise.
  • the Kalman gain g(k) is calculated according to the equation (28).
  • the time-series torque estimating unit 22 uses the Kalman gain g(k), the error ⁇ (k) regarding the crank angle, and the error ⁇ ⁇ (k) regarding the crank angular velocity, and the following equation (29) is used.
  • the state estimate x ⁇ (k) is estimated from the prior state estimate x ⁇ - (k).
  • the time series torque estimation unit 22 uses the prior error covariance matrix P ⁇ (k), the prior state/output error covariance matrix P xy ⁇ (k), and the Kalman gain g(k)
  • the posterior error covariance matrix P(k) used in the next update is calculated according to the equation (30).
  • the time-series torque estimation unit 22 estimates the torque generated in each cylinder based on the time-series data of the indicated torque ⁇ (k) in the state estimation value x ⁇ (k).
  • the time-series data of the estimated indicated torque generated in each cylinder is as shown by the estimated value indicated by the broken line in FIG.
  • the engine torque estimation device calculates the time series data of the estimated indicated torque based on the crank angle detected by the crank angle sensor, and calculates the time of the estimated indicated torque for each cylinder.
  • the estimated indicated torque related value for each cylinder is extracted from the series data, and the estimated indicated torque related value is converted from the in-cylinder state of the engine in correspondence with the estimated indicated torque related value based on a conversion map or a conversion formula.
  • the calculated correct answer value of the indicated torque is converted for each cylinder. Therefore, even if the crank angle detected by the crank angle sensor includes noise, the correct answer value of the average indicated torque can be calculated with high accuracy.
  • CA Crank angle sensor ENG: Engine 10: Engine torque estimation device and engine control device 20: Engine torque estimation device 22: Time-series torque estimation unit 23: Cylinder-specific torque related value (amplitude) extraction unit 24: Cylinder-related torque related value (amplitude) Cylinder-based average indicated torque acquisition unit 30: engine control device

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Abstract

高精度の平均図示トルクを算出する。複数の気筒を有するエンジンのクランク角度センサの出力から抽出されたクランク角度に基づいて、推定図示トルクの時系列データを算出するトルク推定部と、気筒別の推定図示トルクの時系列データから気筒別の推定図示トルクの関連値をそれぞれ抽出する推定図示トルク関連値抽出部と、推定図示トルクの関連値を、推定図示トルクの関連値に対応してエンジンの気筒内状態から算出した平均図示トルクの正解値に、気筒別に変換する、平均図示トルクの正解値取得手段と、を有する、エンジントルク推定装置。

Description

エンジントルク推定装置、エンジントルク推定方法及びエンジン制御装置
　本発明は、エンジントルク推定装置、エンジントルク推定方法及びエンジン制御装置に関する。
　自動車用のガソリンエンジンやディーゼルエンジンの制御装置は、エンジンをトルクで制御するトルクベース制御を行う。トルクベース制御では，ドライバのアクセル操作やクルーズコントロールなどから要求トルクを設定し，その要求トルクを満たす図示トルクを計算し、図示トルクを再現できるようインジェクタの噴射量を制御する。かかるエンジン制御は、フィードフォワード制御である。
　フィードフォワード制御では、多気筒エンジンの複数の気筒（シリンダ）のインジェクタの噴射量を同じように制御する。但し、複数の気筒それぞれのインジェクタの個体差により複数の気筒の図示トルクにばらつきが生じ、排ガス性能や燃費性能の悪化を招く要因となる。
　一方、エンジンの各気筒の図示トルクをクランク角度センサのセンサ値（観測値、出力値）に基づいて推定し、各気筒の推定図示トルクが要求トルクに一致するよう各気筒のインジェクタの噴射量を別々に制御するフィードバック制御が提案されている。
特開２０１０－１２７２１９号公報 特開２０１７－８２６６２号公報
カルマンフィルタの基礎、足立修一、丸田一郎著、東京電機大学出版局、ISBN 978-4-501-32891-0 C3055
　しかしながら、クランク角度センサのクランク角度抽出による測定分解能の限界、クランク角度センサの電圧出力のサンプリング周期の限界、高回転領域におけるエンジン内の振動などの外乱等に起因して、クランク角度センサのセンサ値には各気筒の燃焼サイクルで異なるノイズが含まれる。そのため、クランク角度センサのセンサ値に基づいて各気筒の図示トルクを正確に推定することは困難である。このような理由から、各気筒の推定図示トルクに基づくフィードバック制御を適切に行うことができない。
　そこで，本実施の形態の第1の側面の目的は、各気筒の図示トルクを高精度に推定するエンジントルク推定装置、エンジントルク推定方法及びエンジン制御装置を提供することにある。
　本実施の形態の第１の側面は、複数の気筒を有するエンジンのクランク角度センサの出力から抽出されたクランク角度に基づいて、推定図示トルクの時系列データを算出するトルク推定部と、気筒別の前記推定図示トルクの時系列データから気筒別の推定図示トルクの関連値をそれぞれ抽出する推定図示トルク関連値抽出部と、前記推定図示トルクの関連値を、前記推定図示トルクの関連値に対応して前記エンジンの気筒内状態から算出した平均図示トルクの正解値に、前記気筒別に変換する、平均図示トルクの正解値取得手段と、を有する、エンジントルク推定装置である。
　第１の側面によれば、各気筒の図示トルクを高精度に推定することができる。
エンジンとエンジントルク推定装置及びエンジン制御装置の概略構成を示す図である。 本実施の形態におけるエンジントルク推定装置及びエンジン制御装置の構成を示す図である。 エンジントルク推定装置及びエンジン制御装置の処理内容を示すフローチャートの図である。 クランク角度の時系列データとクランク角速度の時系列データと推定図示トルク及び図示トルクの正解値の一例を示す図である。 ４気筒エンジンの概略構成を示す図である。 変換マップまたは変換式を取得するためのエンジンの実験を示す図である。 推定図示トルクの振幅を示す図である。 変換マップまたは変換式の例を示す図である。 推定図示トルクの関連値の他の例である積分値を示す図である。 本実施の形態における非線形カルマンフィルタの演算処理のフローチャートを示す図である。
　図１は、エンジンとエンジントルク推定装置及びエンジン制御装置の概略構成を示す図である。エンジンENGは、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンであり、エンジンのみを駆動源とする車や、エンジンと電気モータを駆動源とするハイブリッド車などに搭載される。エンジンENGには、クランクシャフトの回転角を検出するクランク角度センサCAが設けられる。エンジントルク推定装置及びエンジン制御装置１０は、例えば、マイクロコンピュータにより構成される。マイクロコンピュータは、具体的に、演算処理部CPUと、メインメモリM_MEMと、不揮発性メモリ等の補助記憶装置１２と、外部とのインターフェースIFと、それらを接続するバス１１とを有する。
　クランク角度センサCAは、例えば、クランクシャフトの基準位置と回転角を検出するセンサである。クランク角度センサにより検出されるセンサ値は、電子燃料噴射システムにおいて、燃料噴射制御、点火時期制御のベース信号となる。 例えば、電磁式のクランク角度センサは、クランクシャフトに取り付けられた突起（歯）のあるロータの回転によりクランク角度センサが受ける磁束が変化する。この磁束の変化を、短形波のパルス信号に変換して出力する。ロータにはクランク角ピッチに対応して複数の突起が設けられ、上死点検出用に欠歯を有する。別の例では、光学式のクランク角度センサは、ロータの突起間を貫通する光を検出し、矩形波のパルス信号に変換して出力する。
　マイクロコンピュータ１０で構成されるエンジントルク推定装置は、クランク角度センサCAの出力パルスから抽出されるクランク角度を入力し、演算処理部CPUが補助記憶装置１２内のエンジントルク推定プログラムを実行して、各気筒の推定トルク、例えば推定図示トルク、を算出する。
　また、同様にマイクロコンピュータ１０で構成されるエンジン制御装置は、演算処理部CPUが補助記憶装置１２内のエンジン制御プログラムを実行して、エンジンENGの回転数などのエンジン内部状態や、上記の推定トルクなどに基づいて、要求トルクを実現するためのエンジンのインジェクタ噴射量を算出し、インジェクタを駆動制御する。
　図２は、本実施の形態におけるエンジントルク推定装置及びエンジン制御装置の構成を示す図である。図１で説明したとおり、エンジントルク推定装置２０は、マイクロコンピュータがエンジントルク推定プログラムを実行することで、図２に示される各計算部、推定部、抽出部、取得部などが実現される。また、エンジン制御装置３０は、エンジントルク推定装置２０を含み、マイクロコンピュータがエンジン制御プログラムを実行することで、図２に示されるトルクフィードバック制御部３１，トルクフィードフォワード制御部３４、インジェクタ指示噴射量決定部３２、トルク目標値設定部３３などが実現される。
　図３は、エンジントルク推定装置及びエンジン制御装置の処理内容を示すフローチャートの図である。図２に示したエンジントルク推定装置及びエンジン制御装置の各計算部等の処理の内容が図３に示される。
　エンジントルク推定装置２０は、クランク角度センサCAの電圧出力20Aを入力し、電圧出力からクランク角度の時系列データ（time series data）を抽出する。時系列のクランク角速度計算部２１は、クランク角度センサCAが出力するパルス状の電圧出力20Aをモニタリングし、クランク角度の時系列データ（time series data）を計算する。具体的には、時系列のクランク角速度計算部２１は、クランク角度センサが出力する電圧値が上昇するときと下降するときに０ボルトをクロスすると、クランク角度θ（ｋ）が所定の微小角度Δθ（ｋ）だけ進角したことを検出する。そして、時系列のクランク角速度計算部２１は、0クロスした回数をｋとすると、時刻情報ｔ（ｋ）と、以下のクランク角度θ（ｋ）を記憶する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　さらに、時系列のクランク角速度計算部２１は、クランク角度の時系列データθ（ｋ）を時間で微分して、クランク角速度の時系列データ21Aを以下の式により計算する（S21）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　次に、時系列のトルク推定部２２は、クランク角度の時系列データとクランク角速度の時系列データに基づいて、図示トルクの時系列データを推定し、推定図示トルクの時系列データ22Aを出力する(S22)。この推定方法のうち、第１の推定方法では、クランク角速度の時系列データと慣性モーメントJとから以下の式により推定図示トルクを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　第２の推定方法では、クランク角度の時系列データとクランク角速度の時系列データに基づいて、非線形カルマンフィルタ、特にアンセンテッドカルマンフィルタを用いて、推定図示トルクを算出する。第２の推定方法の非線形カルマンフィルタによる推定処理については、後で詳述する。
　図４は、クランク角度の時系列データとクランク角速度の時系列データと推定図示トルク及び図示トルクの正解値の一例を示す図である。図５は、４気筒エンジンの概略構成を示す図である。図５に示されるとおり、４気筒エンジンは、４つの気筒（シリンダ）CL0-CL3と、各気筒内のピストンPS0-PS3とそれぞれ接続されたクランクシャフト５０とを有する。クランクシャフト５０にはロータRTとクランク角度センサCAとが設けられる。ロータRTの周囲の歯は省略されている。
　４気筒エンジンは、空気と燃料の混合気を燃焼室へ取り込み燃焼し燃焼ガスを排気するまでの一連の動作（サイクル）が、ピストンの上昇と下降が２回ずつ、合わせて４回の行程で行われる。エンジンの1サイクルの間で、ピストンが気筒（シリンダ）内を２往復してクランクシャフトが２回転（７２０度）する。クランクシャフト５０が２回転（７２０度）する１サイクルを４等分した１８０度ずつずれて、各シリンダCL0-CL3は、吸入、圧縮、発火（燃焼）、排気の各工程を行う。
　クランク角度センサCAの電圧出力から抽出したクランク角度の時系列データは、時間軸（横軸）の時間経過に伴い、クランク角度CAが０度から７２０度に増加する。一方、クランク角度を微分して求められるクランク角速度AVの時系列データは、各シリンダの発火（燃焼）工程に同期して、クランク角速度の増大と減少が４回発生する。例えば、図５の例で、気筒CL0の発火、気筒CL2の発火、気筒CL3の発火、気筒CL1の発火が１８０度ずつずれてこの順番に発生し、発火のたびに、クランク角速度が最大速度になる。
　クランク角度の時系列データと、クランク角速度の時系列データは、各気筒の個体差に応じて、それぞれの気筒の発火工程で異なる時系列データとなる。その結果、時系列のトルク推定部２２が算出する推定図示トルクの時系列データは、各気筒の発火工程で、それぞれの異なる推定図示トルクの時系列データとなる。
　図４に示された図示トルクは、クランク角度の時系列データとクランク角速度の時系列データから、前述の時系列のトルク推定部２２が算出した図示トルクの推定値（破線）と、予め実際のエンジンを動作させて行った実験で、各気筒内に設けた筒内圧センサの筒内圧力から算出した図示トルクの正解値（実線）である。本実施の形態では、予め行われるエンジンの実験で、各気筒の、図示トルクの推定値と図示トルクの正解値の変換マップまたは変換式を取得する。図５に示されるとおり、変換マップまたは変換式は、各気筒毎に取得され、さらに後述するとおり、エンジンの回転領域別にも取得される。
　図６は、変換マップまたは変換式を取得するためのエンジンの実験を示す図である。実験用の実エンジンENGは、図５に示したエンジンである。すなわち、クランクシャフト５０にクランク角度センサCAが設けられ、エンジンを回転すると、クランク角度センサCAの電圧出力からクランク角度の時系列データCA0-CA3が抽出される。実験用のエンジンENGは、実際に車両に搭載されるエンジンと異なり、各気筒CL0-CL3に、気筒内の物理状態、例えば筒内圧力を検出する筒内圧センサCP0-CP3が設けられる。車両に搭載されるエンジンには、高級なエンジンを除いて、筒内圧センサは設けられない。コストアップであると共に筒内圧センサの経年劣化が問題になるからである。
　実験用のエンジンを回転させて、４つの気筒の筒内圧センサCP0-CP3それぞれから各気筒内の圧力P0-P3の時系列データを取得する。これら筒内圧力P0-P3それぞれから、４つの気筒にそれぞれ発生する４つの図示トルクの正解値が算出される。この図示トルクの正解値が図４に実線で示されている。
　気筒の発火（燃焼）工程での筒内圧力が高いほど、図示トルクが高くなる関係にあり、エンジンの気筒に対応して、筒内圧力から図示トルクを正確に算出することができる。
　そして、４つの図示トルクの正解値から、それぞれの気筒の平均図示トルクの正解値R_TRK0-R_TRK3が算出される。平均図示トルクは、例えば、図示トルクの時系列データを発火工程の期間で積分し、発火工程の時間で除算することで算出される。
　一方、エンジンENGに設けたクランク角度センサの出力から、クランク角度の時系列データCA0-CA3を抽出し、カルマンフィルタCA_FLTに入力する。クランク角度の時系列データは、１つのクランク角度センサの出力から抽出されるが、４気筒のクランク角度は、それぞれ１８０度ずつずれているので、１８０度のずれを考慮して、クランク角度センサの出力を４分割することで、４つのクランク角度の時系列データCA0-CA3が得られる。
　カルマンフィルタCA_FLTは、後述するとおり、クランク角度の時系列データを入力しながら、エンジンの状態値である推定トルク（推定図示トルク）E_TRKを算出する。この推定トルクは、図４に破線で示される。推定トルクは、４気筒が順番に発火（燃焼）することで生成されるので、クランク角度７２０度の間に算出される推定図示トルクE_TRKを、４気筒による４回の発火工程別に分割することで、４気筒それぞれの推定図示トルクE_TRK0～E_TRK3が抽出される。
　クランク角度の時系列データ及びそれから算出されるクランク角速度の時系列データには、クランク角度抽出による測定分解能の限界、クランク角度センサの出力のサンプリング周期の限界、高回転領域におけるエンジン内の振動などの外乱等に起因して、ノイズが含まれる。特に、高回転では、エンジン内の振動やサンプリング周期の限界が顕著になり、エンジンの異なる回転数領域に応じてサンプリング周期の限界の度合いが異なる。４気筒の個体差によってもそれらの影響度が異なる。また、また、クランク角度の時系列データとクランク角速度の時系列データから推定される各気筒の推定図示トルクは、複数の気筒の個体差（インジェクタの個体差など）に基づき、異なるノイズが含まれる。
　そこで、本実施の形態では、図６に示されるとおり、上記のエンジンの実験を予め実施し、４気筒それぞれの推定図示トルクの振幅E_TRK_A0～E_TRK_A3や推定図示トルクの積分値などの推定図示トルクの関連値と、平均図示トルクの正解値R_TRK0～R_TRK3のそれぞれの対応を有する変換マップまたは変換式MAP0～MAP3を取得しておく。この変換マップまたは変換式は、４気筒別々に取得する。また、後述するとおり、変換マップまたは変換式は、気筒毎に、エンジンの回転領域別にそれぞれ取得しておく。
　特に、本実施の形態では、推定図示トルクの関連値として、推定図示トルクの振幅を採用することで、クランク角度センサのセンサ値に含まれるノイズの影響を抑える。
　図７は、推定図示トルクの振幅を示す図である。図７には、ある気筒の推定図示トルクE_TRK#（＃は気筒番号0-3）が示される。図４に示した破線の推定図示トルクの一つの発火サイクルが抜粋して図７に示されている。クランク角度センサでは、ロータの複数の歯の中に設けられる欠歯の前後でセンサ値にノイズが発生する。推定図示トルクの積分値を算出した場合、欠歯によるノイズを補間処理などで除去する必要があり、かかる処理を行っても発生したノイズを適切に除去できない場合がある。
　それに対して、本実施の形態では、図２の気筒別トルク関連値（振幅）の抽出部２３が、推定図示トルクE_TRK#の最大値MAXと最小値MINの差分に基づき推定図示トルクの振幅E_TRK_A#(23A)を抽出する（S23）。推定図示トルクの振幅E_TRK_A#（23A）を抽出することで、推定図示トルクE_TRK#に含まれる欠歯により発生したノイズの影響を大幅に抑制することができる。推定図示トルク振幅E_TRK_A#は、４気筒それぞれについて抽出する。
　次に、図２の気筒別トルク関連値（振幅）に基づく気筒別平均図示トルクの取得部２４は、気筒別の推定図示トルク振幅E_TRK_A#それぞれに対する、気筒別の平均図示トルクの正解値R_TRK#（S24A）を取得する。具体的には、取得部２４は、変換マップまたは変換マップから算出した変換式に基づいて、推定図示トルク振幅E_TRK_A#（推定図示トルクの関連値）に対応する平均図示トルクの正解値R_TRK#を取得する。前述のとおり、推定図示トルクの振幅E_TRK_A#を抽出することで、クランク角度センサの欠歯によるノイズを適切に抑制できる。従って、変換マップまたは変換式に基づいて取得する推定図示トルクの振幅E_TRK_A#に対応する平均図示トルクの正解値R_TRK#の精度を高くできる。
　図８は、変換マップまたは変換式の例を示す図である。前述のとおり、本実施の形態では、予め行われるエンジンを回転させる実験で、推定図示トルクの関連値（振幅）E_TRK_A#と平均図示トルクの正解値R_TRK#の対応を有する変換マップまたは変換式MAP0-MAP3が、４気筒それぞれについて取得される。さらに、各気筒の変換マップまたは変換式は、エンジンの回転数領域別に取得される。具体的には、実験でエンジンの回転数領域を変更して、それぞれ変換マップまたは変換式MAP0-MAP3を取得する。
　図８の横軸は、推定図示トルクの関連値、特に振幅に対応し、縦軸は、平均図示トルクの正解値に対応する。平均図示トルクの正解値は、例えば、筒内圧センサから算出した図示トルクの正解値を、各気筒の発火（燃焼）工程での積分値を算出し、積分値を発火（燃焼）工程の時間で除算することで算出される。
　図８の変換マップまたは変換式の例に示されるとおり、推定図示トルクの振幅と平均図示トルクの正解値との間に線形性の関係があるので、この変換マップまたは変換式により、推定図示トルクの振幅に対して平均図示トルクの正解値を一義的に取得することができる。
　図８の変換マップまたは変換式の例に示されるとおり、エンジンの回転数の領域１０００ｒｐｍ、１２００ｒｐｍ，１４００ｒｐｍ，１６００ｒｐｍ，１８００ｒｐｍ、２０００ｒｐｍ、２４００ｒｐｍそれぞれの変換マップまたは変換式を取得することで、エンジン回転数が高くなると推定図示トルクに発生するノイズが大きくなることによる、変換精度の低下を抑制することができる。エンジンの回転数の領域１０００ｒｐｍは、例えば、１０００ｒｐｍ以上１２００ｒｐｍ未満の領域である。他の回転数の領域も同様の領域である。
　図８の例から分かるとおり、変換マップまたは変換式は、ほぼ線形一次関数である。変換マップは、推定図示トルクの関連値（振幅）の複数値と平均図示トルクの正解値の複数値との対応を有する。一方、変換式は、推定図示トルクの関連値（振幅）を変数Ｘとし、平均図示トルクの正解値を変数Ｙとする、線形一次関数の式である。
　図９は、推定図示トルクの関連値の他の例である積分値を示す図である。図９には、図７と同様に、ある気筒の推定図示トルクE_TRK#（＃は気筒番号0-3）が示される。図４に示された破線の推定図示トルクの一つのサイクルを抜粋して図９に示される。推定図示トルクの積分値E_TRK_INT#は、推定図示トルクE_TRK#の発火（燃焼）工程中の積分値である。この積分値を発火工程の時間で除算することで、推定平均図示トルクを算出できる。推定図示トルクの積分値E_TRK_INT#と、積分値を時間で除算した推定平均図示トルクは、時間で除算したか否かだけの違いであり、変換マップ内では同じ意味を持つデータである。
　本実施の形態では、図８の変換マップまたは変換式の横軸を、図７の推定図示トルクの振幅に代えて、図９の推定図示トルクの積分値を使用する。このような変換マップまたは変換式を使用しても、取得部２４は、平均図示トルクの正解値を高い精度で取得することができる。
　図２に戻り、トルクフィードバック（FB）制御部３１は、気筒別の平均図示トルクの正解値24Aが、トルク目標値設定部３３が出力するトルク目標値33Aに一致するように、各気筒の燃料噴射量31Aを算出する（S31）。具体的には、トルクFB制御部３１は、トルク目標値33Aと平均図示トルクの正解値24Aの差分に基づいて、各気筒の燃料噴射量31Aを算出する。この燃料噴射量31Aは、フィードバック制御によるものである。ここで、トルク目標値設定部３３は、例えば、ドライバによるアクセルの操作量に基づくドライバ要求トルクや、クルーズコントロール等から出力される要求トルクに基づいてトルク目標値を設定する。
　一方、トルクフィードフォワード（FF）制御部３４は、エンジンENGからの回転数等のエンジン内部状態値41Aと、トルク目標値設定部３３が出力するトルク目標値33Aに基づいて、全気筒の燃料噴射量34Aを算出する（S34）。具体的には、エンジンの回転数とトルク目標値の組み合わせに対応してフィードフォワードの燃料噴射量を有するマップを参照して、算出する。算出するフィードフォワードの燃料噴射量は、全気筒に共通の噴射量である。
　次に、インジェクタ指示噴射量決定部３２は、フィードフォワードの燃料噴射量34Aと、フィードバックの気筒別の燃料噴射量31Aとを入力し、例えば、PID（Proportional Integral Differential）制御により、気筒別のインジェクタへの指示噴射量（噴射量指示値）31Aを決定する。そして、インジェクタ駆動制御部４０は、各気筒の噴射量指示値32Aに基づいて各気筒のインジェクタを駆動する駆動信号40Aを生成する（S40）。エンジン内の各気筒のインジェクタは、各気筒の駆動信号40Aにより駆動される（S40）。
　［カルマンフィルタ］
　本実施の形態では、図２の時系列のトルク推定部２２は、非線形カルマンフィルタとして、アンセンテッドカルマンフィルタを用いて時系列の図示トルクの推定値を算出する。以下、その非線形カルマンフィルタについて具体的に説明する。
　時系列のトルク推定部２２は、クランク角度センサCAにより取得されたクランク角度の実測値θ（ｋ）と、後述する非線形カルマンフィルタによって計算されたクランク角度の事前推定値θ＾－（ｋ）との間の誤差を、以下の式（４）に従って計算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　なお、ｋは更新回数の周期を表す。また、時系列のトルク推定部２２は、クランク角速度の計算値θ・（ｋ）と後述する非線形カルマンフィルタによって計算されたクランク角速度の事前推定値θ・＾－（ｋ）との間の誤差を、以下の式（５）に従って計算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　本実施の形態の状態推定値ｘ（ｋ）は、以下の式（６）に示されるように、クランク角度θ（ｋ）、クランク角速度θ・（ｋ）、及び図示トルクτ（ｋ）を含む。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　また、本実施の形態の非線形カルマンフィルタでは、上記式（６）に示される状態ベクトルが与えられたときに、以下の式（７）、（８）に従って、非線形関数ｆと非線形関数ｈとによってクランク角度の時系列データとクランク角速度の時系列データが計算される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　なお、ｖ（ｋ）はシステム雑音であり、ω（ｋ）は観測雑音であり、ｙ（ｋ）は観測値（出力値）である。非線形関数ｆと非線形関数ｈは、任意の係数関数を含む関数であり、本実施の形態では、以下の式（９－１）～（９－４）に示す非線形方程式によって表現される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　上記の式（９－１）～（９－４）に示す非線形の状態方程式では、式（６）に示した状態推定値ｘ（ｋ）の、現時刻の周期ｋのクランク角度の実測値θ（ｋ）、現時刻の周期ｋのクランク角速度の計算値θ・（ｋ）、及び現時刻の周期ｋのトルクの値τ（ｋ）が入力される。そして、次時刻の周期ｋ＋１のクランク角度θ（ｋ＋１）、次時刻の周期ｋ＋１のクランク角速度θ・（ｋ＋１）、及び次時刻の周期ｋ＋１のトルクτ（ｋ＋１）が予測される。
　なお、ａｉｎｅｒ（θ）はエンジンにおけるピストンクランク機構の慣性に関する項であり、ａｇｒａ（θ）はピストンクランク機構の重力に関する項である。また、ａｖｅｌ（θ）はピストンクランク機構の角速度に関する項であり、ａｆｒｉ（θ）はピストンクランク機構の摩擦に関する項である。ａｉｎｅｒ（θ）、ａｇｒａ（θ）、ａｖｅｌ（θ）、及びａｆｒｉ（θ）は、係数関数である。
　なお、４サイクル直列４気筒では、例えば，Ｎｏ．１気筒とＮｏ．４気筒とが同じピストン配置で同じ位相となり、また、Ｎｏ．２気筒とＮｏ．３気筒とが同じピストン配置で同じ位相となる。従って、慣性に関する項、重力に関する項、角速度に関する項、及び摩擦に関する項は、４サイクル直列４気筒を考慮し、以下の式（９－５）に示されるように、１８０度ずつ位相をずらして重ね合わせて表現される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　ａｉｎｅｒ＿ｓ（θ）は単気筒における慣性に関する項の係数関数であり、ａｇｒａ＿ｓ（θ）は単気筒における重力に関する項の係数関数であり、ａｖｅｌ＿ｓ（θ）は単気筒における角速度に関する項の係数関数であり、ａｆｒｉ＿ｓ（θ）は単気筒における摩擦に関する項の係数関数である。
　なお、本実施の形態では、上記の係数関数の数式演算部分を、その係数関数の出力値とθ値の関係を表現するテーブルに置き換えて計算する。具体的には、慣性に関する項ａｉｎｅｒ（θ）からの出力値、重力に関する項ａｇｒａ（θ）からの出力値、角速度に関する項ａｖｅｌ（θ）からの出力値、及び摩擦に関する項ａｆｒｉ（θ）からの出力値と、クランク角度θとの関係を表すテーブルが予め設定される。
　図１０は、本実施の形態における非線形カルマンフィルタの演算処理のフローチャートを示す図である。以下、フローチャートにしたがい、非線形カルマンフィルタの演算処理について説明する。
　［状態推定値の初期値設定（S10）］
　時系列のトルク推定部２２は、以下の式（１０）に示されるように、状態推定値ｘ^(ｋ)の初期値ｘ＾（０）を設定する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　次に、時系列のトルク推定部２２は、以下の式（１１）に示されるように、事後誤差共分散行列Ｐ０の初期値Ｐ（０）を設定する。また、システム雑音の分散Ｑと観測雑音の分散Ｒとが設定される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　［時間更新（S11）］
　次に、そして、時系列のトルク推定部２２は、所定の周期毎に以下の処理を繰り返し実行する。ここで、例えば、ｋは１から２，３，．．．，Ｎまで更新処理を繰り返す（S11）。
　［シグマポイントの計算（S12）］
　まず、時系列のトルク推定部２２は、１周期前の状態推定値ｘ＾（ｋ－１）と共分散行列Ｐ（ｋ－１）とから、平均値と標準偏差とに対応するサンプル点として、２ｎ＋１個のシグマポイントσ０，σｉを以下の式（１２）（平均値に対応するサンプル点）、（１３）（１４）（標準偏差に対応するサンプル点）により計算する（S12）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　ここで、（√Ｐ）ｉは、共分散行列Ｐの平方根行列のｉ番目の列を表す。また、各シグマポイントに対する重みｗ０，ｗｉが、以下の式（１５）、（１６）に従って計算される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　なお、κはスケーリングパラメータである。式（１９）や式（２０）で計算される事前状態推定値ｘ＾-（ｋ）や事前誤差共分散行列Ｐ-（ｋ）は、それぞれ、１次モーメントと２次モーメントの推定値と称される。その１次モーメントと２次モーメントの推定値は、任意の非線形関数についてｆ（ｘ（ｋ），ｖ（ｋ））のテイラー級数展開の２次の項までの精度がある。３次以上のモーメントの推定値については誤差が加わるため、κは、その誤差の影響を調整するためのパラメータである。κは０以上となるように選択すると半正定値性が保証される。なお、通常、κは０に設定されることが多い。
　［予測ステップ（S13）］
　次に、時系列のトルク推定部２２は、以下の式（１８）に従って、非線形関数ｆによりシグマポイントσｉを更新する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　次に、時系列のトルク推定部２２は、シグマポイントσｉ -（ｋ）と重みｗｉとにより、以下の式（１９）に従って、事前状態推定値ｘ＾-（ｋ）を計算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　次に、時系列のトルク推定部２２は、シグマポイントσｉ -（ｋ）と事前状態推定値ｘ＾-（ｋ）とから、以下の式（２０）に従って、事前誤差共分散行列Ｐ-（ｋ）を計算する。なお、以下の式（２０）のｂはシステムノイズの係数行列である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
　次に、時系列のトルク推定部２２は、事前状態推定値ｘ＾-（ｋ）と事前誤差共分散行列Ｐ-（ｋ）とから、以下の式（２１）、（２２）、及び（２３）に従って、２ｎ＋１個のシグマポイントを再計算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
　次に、時系列のトルク推定部２２は、シグマポイントσｉ -（ｋ）と非線形関数ｆとから、以下の式（２４）に従って、出力のシグマポイントΨｉ -（ｋ）を計算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
　次に、時系列のトルク推定部２２は、出力のシグマポイントΨｉ -（ｋ）から、以下の式（２５）に従って、事前出力推定値ｙ＾-（ｋ）を計算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
　次に、時系列のトルク推定部２２は、出力のシグマポイントΨｉ -（ｋ）と事前出力推定値ｙ＾-（ｋ）とから、以下の式（２６）に従って、事前出力誤差共分散行列Ｐｙｙ -（ｋ）を計算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
　次に、時系列のトルク推定部２２は、事前状態推定値ｘ＾-（ｋ）、事前誤差共分散行列Ｐ-（ｋ）、出力のシグマポイントΨｉ -（ｋ）、及び事前出力推定値ｙ＾-（ｋ）から、以下の式（２７）に従って、事前状態・出力誤差共分散行列Ｐｘｙ -（ｋ）を計算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
　次に、時系列のトルク推定部２２は、事前状態・出力誤差共分散行列Ｐｘｙ -（ｋ）、事前出力誤差共分散行列Ｐｙｙ -（ｋ）、及び観測雑音の分散Ｒから、以下の式（２８）に従って、カルマンゲインｇ（ｋ）を計算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
　［フィルタリングステップ（S14）］
　次に、時系列のトルク推定部２２は、カルマンゲインｇ（ｋ）と、クランク角度に関する誤差Δθ（ｋ）と、クランク角速度に関する誤差Δθ・（ｋ）とを用いて、以下の式（２９）に従って、事前状態推定値ｘ＾-（ｋ）から状態推定値ｘ＾（ｋ）を推定する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000023
　次に、時系列のトルク推定部２２は、事前誤差共分散行列Ｐ-（ｋ）、事前状態・出力誤差共分散行列Ｐｘｙ -（ｋ）、及びカルマンゲインｇ（ｋ）を用いて、以下の式（３０）に従って、次回の更新時に利用する事後誤差共分散行列Ｐ（ｋ）を計算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000024
　そして、時系列のトルク推定部２２は、状態推定値ｘ＾（ｋ）のうちの図示トルクτ（ｋ）の時系列データに基づいて、各気筒で発生するトルクを推定する。各気筒で発生する推定図示トルクの時系列データについては、図４の破線で示した推定値に示すとおりである。前述したとおり、時系列のトルク推定部２２は、式（１２）乃至式（３０）の計算を、所定の周期ｋ＝１，２，３，...,Ｎまで繰り返す。以上、非線形カルマンフィルタを用いた図示トルクの推定値の算出処理の説明である。
　以上のとおり、本実施の形態によれば、エンジントルク推定装置が、クランク角度センサにより検出されるクランク角度に基づいて、推定図示トルクの時系列データを算出し、気筒別の推定図示トルクの時系列データから気筒別の推定図示トルクの関連値をそれぞれ抽出し、推定図示トルクの関連値を、変換マップまたは変換式に基づいて、推定図示トルクの関連値に対応してエンジンの気筒内状態から算出した平均図示トルクの正解値に、気筒別に変換する。したがって、クランク角度センサにより検出されるクランク角度にノイズが含まれていても、平均図示トルクの正解値を高精度に算出することができる。
CA：クランク角度センサ
ENG：エンジン
１０：エンジントルク推定装置及びエンジン制御装置
２０：エンジントルク推定装置
２２：時系列のトルク推定部
２３：気筒別トルク関連値（振幅）の抽出部
２４：気筒別トルク関連値（振幅）に基づく気筒別平均図示トルクの取得部
３０：エンジン制御装置

Claims (11)

  1. 　複数の気筒を有するエンジンのクランク角度センサの出力から抽出されたクランク角度に基づいて、推定図示トルクの時系列データを算出するトルク推定部と、
    　気筒別の前記推定図示トルクの時系列データから気筒別の推定図示トルクの関連値をそれぞれ抽出する推定図示トルク関連値抽出部と、
    　前記推定図示トルクの関連値を、前記推定図示トルクの関連値に対応して前記エンジンの気筒内状態から算出した平均図示トルクの正解値に、前記気筒別に変換する、平均図示トルクの正解値取得手段と、を有する、エンジントルク推定装置。
  2. 　前記平均図示トルクの正解値取得手段は、前記推定図示トルクの関連値を、前記推定図示トルクの関連値に対応して前記エンジンの気筒内状態から算出した平均図示トルクの正解値に、前記気筒別に加えてエンジン回転数別に変換する、請求項１に記載のエンジントルク推定装置。
  3. 　前記推定図示トルクの関連値は、前記推定図示トルクの時系列データにおけるクランクシャフトの回転の半周期内の最大値と最小値の差分である推定図示トルクの振幅である、請求項１に記載のエンジントルク推定装置。
  4. 　前記推定図示トルクの関連値は、前記推定図示トルクの時系列データにおけるクランクシャフトの回転の半周期分の積分値である、請求項１に記載のエンジントルク推定装置。
  5. 　前記平均図示トルクの正解値取得手段は、
    　前記推定図示トルクの関連値に対応して前記平均図示トルクの正解値を有する、前記気筒別の変換マップを参照して、前記推定図示トルクの関連値を前記平均図示トルクの正解値に、前記気筒別に、変換する、請求項３または４に記載のエンジントルク推定装置。
  6. 　前記平均図示トルクの正解値取得手段は、
    　前記推定図示トルクの関連値を入力し前記平均図示トルクの正解値を出力する、前記気筒別の変換式に基づいて、前記推定図示トルクの関連値を、前記平均図示トルクの正解値に、前記気筒別に、変換する、請求項３または４に記載のエンジントルク推定装置。
  7. 　前記変換マップまたは変換式は、前記気筒別に加えてエンジン回転数別の変換マップまたは変換式であり、
    　前記平均図示トルクの正解値取得手段は、前記気筒別に加えてエンジン回転数別に、前記変換する、請求項５または６に記載のエンジントルク推定装置。
  8. 　前記トルク推定部は、前記クランク角度の時系列データからクランク角速度の時系列データを算出し、前記クランク角速度の時系列データと前記エンジンの慣性モーメント情報に基づいて、前記推定図示トルクの時系列データを算出する、請求項１に記載のエンジントルク推定装置。
  9. 　前記トルク推定部は、前記クランク角度の時系列データと前記クランク角度の時系列データから算出されるクランク角速度の時系列データを観測値とし、前記クランク角度の時系列データと前記クランク角速度の時系列データと前記推定図示トルクとを状態推定値とする非線形カルマンフィルタに基づいて、時系列のタイミング毎に、前記状態推定値を推定する、請求項１に記載のエンジントルク推定装置。
  10. 　複数の気筒を有するエンジンのクランク角度センサの出力から抽出されたクランク角度に基づいて、推定図示トルクの時系列データを算出し、
    　気筒別の前記推定図示トルクの時系列データから気筒別の推定図示トルクの関連値をそれぞれ抽出し、
    　前記推定図示トルクの関連値を、前記推定図示トルクの関連値に対応して前記エンジンの気筒内状態から算出した平均図示トルクの正解値に、前記気筒別に変換する、エンジントルク推定方法。
  11. 　複数の気筒を有するエンジンのクランク角度センサの出力から抽出されたクランク角度に基づいて、平均図示トルクの正解値を、気筒別に算出するエンジントルク推定装置と、
    　前記気筒別の平均図示トルクの正解値が、要求トルクに一致するよう前記気筒別の燃料噴射量を決定する噴射量決定部とを有し、
    　前記エンジントルク推定装置は、
    　前記クランク角度センサの出力から抽出されたクランク角度に基づいて、推定図示トルクの時系列データを算出するトルク推定部と、
    　気筒別の前記推定図示トルクの時系列データから気筒別の推定図示トルクの関連値をそれぞれ抽出する推定図示トルク関連値抽出部と、
    　前記推定図示トルクの関連値を、前記推定図示トルクの関連値に対応して前記エンジンの気筒内状態から算出した平均図示トルクの正解値に、前記気筒別に変換する、平均図示トルクの正解値取得手段と、を有する、エンジン制御装置。
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