(57)【要約】【課題】ドライバビリティの低下を抑えつつ、筒内圧の検出精度を容易に向上（維持）させることを可能とする、内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】圧縮上死点検出手段により得られる圧縮上死点に、内燃機関の燃焼室容積が最小となるクランク角度位置との偏差を表す予め設定されたクランク角度補正量を加算または減算することにより、圧縮上死点を補正して動的圧縮下死点を検出する動的圧縮上死点検出手段と、動的圧縮上死点を基準とし、単位角信号により特定される所定クランク角度毎に筒内圧のサンプリングを行う筒内圧サンプリング手段と、を備える内燃機関の制御装置。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
前記内燃機関の単位クランク角毎の単位角信号及び所定ピストン位置毎の基準角信号を検出するクランク角度位置検出手段と、
前記単位角度信号の所定時間内における発生数または前記基準角度信号の発生周期を計測することで、回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記基準角信号を基準とする単位角信号のカウントまたは基準角信号の出力タイミングとして、ピストンの圧縮上死点を検出する圧縮上死点検出手段と、
を有する内燃機関の制御装置において、
前記圧縮上死点検出手段により得られる圧縮上死点に、前記内燃機関の燃焼室容積が最小となるクランク角度位置との偏差を表す予め設定されたクランク角度補正量を加算または減算することにより、前記圧縮上死点を補正して動的圧縮下死点を検出する動的圧縮上死点検出手段と、
前記動的圧縮上死点を基準とし、前記単位角信号により特定される所定クランク角度毎に前記筒内圧のサンプリングを行う筒内圧サンプリング手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記クランク角度補正値は、前記回転速度に連関してテーブルに格納されてい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】
前記クランク角度補正量は、所定の演算式を用いて補正すると共に、前記内燃機関の冷却水温または潤滑油温等に代表される前記内燃機関の温度に基づいて前記所定の演算式における変数を設定することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
アイドル運転時における前記クランク角度補正量は、アイドル運転時の目標回転速度に連関して設定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
サンプリングされた筒内圧に基づいて点火時期を制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
サンプリングされた筒内圧に基づいて燃料の噴射時期または噴射タイミングの少なくともいずれか一方を制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の筒内圧を検出する制御装置に関し、特に筒内圧のサンプリングを行う際のクランク角度位置の精度を向上させるための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の内燃機関の制御装置では、所定のクランク角度位置毎に筒内圧のサンプリングを行うために、クランク角度位置を検出するクランク角センサを用いている。クランク軸に設けられたプレートに対峙して、電磁式または光学式のクランク角センサを設置することによりエッジを検出し、それによって得られるパルス信号に基づき内燃機関の回転速度やピストンの圧縮上死点位置が検出される。
【０００３】
しかしながら、プレートのエッジで与えられる静的な圧縮上死点と、暖気後の内燃機関で燃焼室容積が最小になる位置との間にズレがある。これは内燃機関のピストンに慣性力がかかる、連接棒両端のピストンピン／クランクピン軸受に隙間がある、サイドスラストの変化によりピストンが首を振る、というようなことが主な理由として挙げられる。
【０００４】
上記のズレにより、クランク角度位置に対する燃焼室容積にズレが生じるため、クランク角度位置θの関数として与えられる燃焼室容積Ｖの変化量ｄＶ／ｄθと、クランク角度位置毎にサンプリングされた筒内圧Ｐと、に基づき算出される平均有効圧が正確に演算できない可能性がある。筒内圧Ｐはクランク角度位置によって急激に変化するため、僅かなクランク角度位置のズレでも平均有効圧は大幅に変化してしまう。そのため、暖機後の内燃機関で燃焼室容積が最小になる位置を動的な圧縮上死点とし、その動的圧縮上死点を基準とする所定のクランク角度毎に前記筒内圧のサンプリングを正確に行うことが望まれている。
【０００５】
クランク角度位置に対する筒内圧の検出精度を向上させるために、従来から、燃焼室に対する燃料の供給が停止された状態で検出される筒内圧のピークに対応したクランク角度位置を用いて、クランク角センサの検出値を補正するものが知られている（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。
かかる手法のもとでは、燃料の供給を停止させた状態で検出される筒内圧力のピークに対応したクランク角度位置が圧縮上死点ＴＤＣに相当するものとみなされる。そして、クランク角度位置と、圧縮上死点ＴＤＣに対応したクランク角センサの検出値との偏差（補正量）が求められ、この偏差を用いて、クランク角センサの検出値が補正（または学習）される。
【０００６】
また、筒内圧を検出する筒内圧センサの信号に所定のローパスフィルタをかけることにより、クランク角度位置に対する筒内圧を遅延させ、常に所望のクランク角度位置で筒内圧を検出することができる内燃機関の制御装置を提供している（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
また、点火時期を遅角させた際に、筒内圧センサの検出値に基づいて圧縮上死点に対応したクランク角の近似値を求めると共に、求めた近似値と圧縮上死点に対応したクランク角センサの検出値とに基づいてクランク角センサの補正量を算出している（例えば、特許文献４参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開平４−２３８２３３号公報
【特許文献２】特開平９−１９５８４４号公報
【特許文献３】特開２００１−２６３１５３号公報
【特許文献４】特開２００５−１８０３５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、内燃機関の運転中に燃焼室に対する燃料の供給を停止させることができるタイミングは限られており、上述の従来の手法のもとでは、そのようなタイミングにならない限り、クランク角センサの検出値が補正されないことになる。また、上述の従来の手法を採用するために任意のタイミングで燃料供給を停止させたのでは、内燃機関の発生トルクが変動してドライバビリティの低下を招いてしまうことになる。
【００１０】
また、特許文献３に記載の手法ではフィルタ処理により筒内圧センサ信号が減衰してしまい、筒内圧の検出精度が悪化してしまう可能性がある。
また、特許文献４に記載の手法では点火時期が遅角させられている場合しか補正量が算出されないため、補正量を常時算出することができないとともに、点火時期を遅角させる機会を必要最小限に抑えたとしてもドライバビリティの低下を招いてしまうことになる。
【００１１】
この発明は、ドライバビリティの低下を抑えつつ、筒内圧の検出精度を容易に向上（維持）させることを可能とする、内燃機関の制御装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、前記内燃機関の単位クランク角毎の単位角信号及び所定ピストン位置毎の基準角信号を検出するクランク角度位置検出手段と、前記単位角度信号の所定時間内における発生数または前記基準角度信号の発生周期を計測することで、回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記基準角信号を基準とする単位角信号のカウントまたは基準角信号の出力タイミングとして、ピストンの圧縮上死点を検出する圧縮上死点検出手段と、を有する内燃機関の制御装置において、前記圧縮上死点検出手段により得られる圧縮上死点に、前記内燃機関の燃焼室容積が最小となるクランク角度位置との偏差を表す予め設定されたクランク角度補正量を加算または減算することにより、前記圧縮上死点を補正して動的圧縮下死点を検出する動的圧縮上死点検出手段と、前記動的圧縮上死点を基準とし、前記単位角信号により特定される所定クランク角度毎に前記筒内圧のサンプリングを行う筒内圧サンプリング手段と、を備える。
【発明の効果】
【００１３】
この発明に係る内燃機関の制御装置の効果は、検出した内燃機関の回転速度に応じて圧縮上死点が補正され、補正された圧縮上死点を基準とする所定のクランク角度毎に筒内圧のサンプリングを行うので、回転速度の広い範囲で、筒内圧のサンプルタイミングを正確に設定し、回転速度に拘わらず常に所望のクランク角度位置で筒内圧を検出することが可能となることである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら、この発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、この実施の形態に係る内燃機関としては、ガソリン機関のエンジンが想定されている。
図１は、この発明の実施の形態に係る内燃機関を概略的に示す構成図である。
エンジン１の吸気系の上流に吸入空気流量を調整するために電子的に制御される電子制御式スロットルバルブ２が設けられている。また、電子制御式スロットルバルブ２の開度を測定するために、スロットル開度センサ３が設けられている。また、電子制御式スロットルバルブ２の上流には吸入空気流量を測定するエアフロセンサ４が設けられており、電子制御式スロットルバルブ２の下流のエンジン１側には、サージタンク５内の圧力を測定するインマニ圧センサ６が設けられている。
なお、エアフロセンサ４とインマニ圧センサ６に関しては、両方とも設けてもよいし、いずれか一方のみが設けられていてもよい。
【００１５】
また、サージタンク５には、電子制御式ＥＧＲバルブ７が接続されており、サージタンク５の下流の吸気通路には、燃料を噴射するインジェクタ８が設けられている。
なお、インジェクタ８はエンジン１のシリンダに直接噴射できるように設けられていてもよい。
【００１６】
また、エンジン１のシリンダ内には、シリンダ内の圧力を測定する筒内圧センサ９が設けられており、エンジン１のシリンダ内の混合気に点火するための点火コイル１０及び点火プラグ１１や、エンジンの回転速度やクランク角度位置を検出するために、クランク軸に設けられたプレートのエッジを検出するクランク角センサ１２がエンジン１に設けられている。
【００１７】
図２は、この発明の実施の形態に係る内燃機関の制御装置を概略的に示す構成図である。
エアフロセンサ４で測定された吸入空気流量と、インマニ圧センサ６で測定されたインマニ圧と、スロットル開度センサ３で測定された電子制御式スロットルバルブ２の開度とは、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」と称す）１３に入力される。
また、筒内圧センサ９で測定された筒内圧は筒内圧検出手段１９を介し、クランク角センサ１２より出力されるクランク軸に設けられたプレートのエッジに同期したパルス信号はクランク角度位置検出手段２０を介してＥＣＵ１３に入力される。
ＥＣＵ１３は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート及び記憶装置等を含むものである。ＥＣＵ１３は、記憶装置に記憶されている各種マップ等を用いると共に各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、電子制御式スロットルバルブ２、点火コイル１０、インジェクタ８等を制御する。
【００１８】
図３は、この発明の実施の形態に係る筒内圧検出手段１９及びクランク角度位置検出手段２０の構成図である。
筒内圧センサ９の信号は、積分回路を含み入力電圧を増幅するチャージアンプ１４と、所定遮断周波数より高い周波数成分を遮断するローバスフィルタ１５と、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路１６とで構成される筒内圧検出手段１９を介してＥＣＵ１３に入力される。
クランク角センサ１２の信号は、そのパルス信号の波形整形を行う波形整形回路１７と、単位クランク角毎の単位角度信号と所定ピストン位置毎の基準角度信号を出力する入力Ｉ／Ｆ回路１８とで構成されるクランク角度位置検出手段２０を介してＥＣＵ１３に入力される。
【００１９】
図４は、この発明の実施の形態に係るＥＣＵ１３内で実行される筒内圧情報の算出過程を示すブロック図である。
次に図４を参照しながら、この発明の実施の形態に係るＥＣＵ１３内で実行される筒内圧情報の算出過程の概要を説明する。
回転速度検出手段２１では、クランク角度位置検出手段２０により出力される信号を元に、単位角度信号の所定時間内における発生数、または、基準角度信号の発生周期を計測することで内燃機関の回転速度Ｎｅを検出する。
圧縮上死点検出手段２２では、基準角信号を基準とする単位角信号のカウント、または、基準角信号の出力タイミングとして、圧縮上死点ＴＤＣを検出する。
そして、動的圧縮上死点検出手段２３では、回転速度Ｎｅと圧縮上死点ＴＤＣとから動的圧縮上死点を算出する。この動的圧縮上死点検出手段２３については後述する。
筒内圧サンプリング手段２４では、動的圧縮上死点を基準として、単位角度信号により特定される所定クランク角度毎に、筒内圧検出手段１９により検出される筒内圧Ｐのサンプリングを行う。
筒内圧情報算出手段２５では、サンプリングされた筒内圧Ｐを元に図示平均有効圧に代表される筒内圧情報を算出し、その筒内圧情報を元に内燃機関の各種制御量（点火時期や燃料噴射タイミング等）を制御する。本実施の形態により、筒内圧情報の高精度な測定が可能になるため、内燃機関の前述の各種制御量を高精度に制御することが可能になる。
【００２０】
図５は、この発明の実施の形態に係る動的圧縮上死点検出手段２３、筒内圧サンプリング手段２４、及び筒内圧情報算出手段２５での手順を示すブロック図である。
次に図５を参照しながら、上述の動的圧縮上死点検出手段２３、筒内圧サンプリング手段２４、及び筒内圧情報算出手段２５について詳しく説明する。まず、動的圧縮上死点検出手段２３について説明する。
ブロックＢ１０１では、内燃機関の回転速度と、クランク角センサ１２の検出値から得られる上死点と燃焼容積が最小になる位置に対応したクランク角度位置との偏差（クランク角度補正量）と、の関係を予め実験等により求めてテーブルに設定しておくことにより、回転速度検出手段２１により検出される回転速度Ｎｅに対応するクランク角度補正量を上記テーブルから求める。また、アイドル運転時には回転速度Ｎｅの代わりに目標回転速度Ｎｅｔを用いることにより、アイドル運転時にも適用する。
【００２１】
次に、ブロックＢ１０２では、冷却水温に代表される内燃機関の温度と、クランク角度補正量との関係を温度補正係数として予め実験等により求めてテーブルに設定しておき、入力される冷却水温ＷＴに対応するクランク角度補正係数を出力する。
ブロックＢ１０３では、ブロックＢ１０１で得られるクランク角度補正量とブロックＢ１０２で得られる温度補正係数とを積算し、最終的なクランク角度補正量を演算する。
【００２２】
なお、ブロックＢ１０２では温度補正係数の代わりに温度補正値をテーブルに設定しておき、ブロックＢ１０３においてブロックＢ１０１で得られるクランク角度補正量とブロックＢ１０２で得られる温度補正値を加算もしくは減算し、最終的なクランク角度補正量を演算してもよい。
また、ブロックＢ１０２では、内燃機関の冷却水温の代わりに、潤滑油温を用いてもよい。
このように、クランク角度補正量を、冷却水温に代表される内燃機関の温度に基づいて補正することにより、クランク角度補正量をより一層真値に近づけることが可能となる。
【００２３】
続いて、ブロックＢ１０４では、圧縮上死点検出手段２２により検出される圧縮上死点と、ブロックＢ１０３で演算される最終的なクランク角度補正量とを加算または減算することにより、動的圧縮上死点を演算する。
このように、クランク角センサ１２の検出値から得られる上死点を、燃焼容積が最小になる位置に対応したクランク角度位置に補正することができる。
【００２４】
次に、筒内圧サンプリング手段２４について説明する。
ブロックＢ１０５では、ブロックＢ１０４の演算から得られる動的圧縮上死点と、クランク角度位置検出手段２０で検出される単位角度信号とによりクランク角度位置を補正することにより、補正後クランク角度位置θを得る。この補正後クランク角度位置θにおける圧縮上死点は、燃焼容積が最小になる位置と一致する。
次にブロックＢ１０６では、筒内圧検出手段１９により検出される筒内圧を、ブロックＢ１０５の演算から得られる補正後クランク角度位置θの所定値毎にサンプリングすることにより、サンプリング筒内圧Ｐを得る。
【００２５】
次に、筒内情報算出手段２５について説明する。
ブロックＢ１０７では、ブロックＢ１０５の演算から得られる補正後クランク角度位置θの関数として燃焼室容積Ｖが算出される。ここで、燃焼室容積Ｖは式（１）で表される理論式から算出してもよいし、クランク角度位置θを変数とするテーブルで予め設定してもよい。なお、式（１）において、Ｖｃは隙間容積、ｒはボア半径、Ｒはクランク半径、Ｌはコンロッド長を表す。
【００２６】
【数１】
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【００２７】
次に、ブロックＢ１０８では、燃焼室の容積変化量ｄＶ／ｄθを算出する。ここで、容積変化量ｄＶ／ｄθは式（３）で表される理論式から算出してもよいし、クランク角度位置θを変数とするテーブルで予め設定してもよい。
【００２８】
【数２】
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【００２９】
上記、補正後クランク角度位置θを変数とするテーブルで燃焼室容積Ｖ、または、容積変化量ｄＶ／ｄθを設定する場合は、テーブルの変数を前述した補正後クランク角度位置θの所定のサンプリング間隔に設定することで、テーブルの変数を削減できるとともに、補間による誤差なく算出することができる。
次に、ブロックＢ１０９では、ブロックＢ１０６の演算で得られるサンプリング筒内圧Ｐと、ブロックＢ１０８の演算で得られる容積変化量ｄＶ／ｄθとに基づき、図示平均有効圧Ｐｉに代表される筒内情報を算出する。ここで、図示平均有効圧Ｐｉの算出式は式（４）である。なお、Ｖａは行程容積を表す。
【００３０】
【数３】
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【００３１】
本実施の形態での筒内圧情報算出手段２５では図示平均有効圧Ｐｉを算出する場合の例を挙げたが、その代わりにエンジントルクの源となる実質的な熱量の生成速度を表す熱発生率や、一行程毎にシリンダに吸入される吸入空気の流量等を算出してもよい。
【００３２】
ブロックＢ１０９で算出される筒内情報を基に、点火時期や、燃料の噴射時期及び噴射タイミングのどちらか一方、もしくはその両方を制御することにより、従来の手法であるマップ制御に対し、適合作業を大幅に簡略化することができ、開発期間の大幅な短縮等を図ることができる。
【００３３】
本発明では、内燃機関の図示平均有効圧の高精度な測定を可能とするために、クランク角センサの検出値と燃焼室容積の関係や、これらと内燃機関の回転速度との関係に着目した。すなわち、燃焼室容積が最小になる位置に対応したクランク角度位置は、本来、ピストンの上死点に対応するはずであるが、クランク角センサを構成する各要素の取付け誤差等が全く無い場合であっても、燃焼室容積が最小になる位置は、図６に示されるように、クランク角センサにより得られる静的な上死点よりも後に現れる。このような現象は、内燃機関の運転中にはピストンに慣性力がかかる、連接棒両端のピストンピン／クランクピン軸受に隙間がある、サイドスラストの変化によりピストンが首を振る、というようなことが主な理由として考えられる。
【００３４】
さらに、内燃機関の回転速度が高い場合には、ピストンにかかる慣性力が大きくなり、クランク角センサの検出値に対するピストンの位相遅れの量が大きくなる。従って、内燃機関の回転速度が高いほど、クランク角センサの検出値から得られる上死点と、燃焼容積が最小になる位置に対応したクランク角度位置との偏差（ズレ量）は大きくなると考えられる。
【００３５】
また、従来の手法では、内燃機関の各種運転状態について、最適と思われる制御量を予め実験等により求めてマップ化しておき、実際の内燃機関の運転時に各マップ値を当てはめて内燃機関の制御を行うマップ制御が一般的であった。
これに対し、本発明の実施の形態では内燃機関運転時における筒内圧の情報を直接検出し、この検出された筒内圧情報を、予め定められた最適な状態に合わせ込むように各種制御量を制御するものである。この手法により、従来多大な時間と労力とが費やされていた各種マップの作成、即ち適合という作業を大幅に簡略化することができ、開発期間の大幅な短縮等を図れる利点がある。
【００３６】
また、本実施の形態により、検出した内燃機関の回転速度に応じて圧縮上死点が補正され、補正された圧縮上死点を基準とする所定のクランク角度毎に筒内圧のサンプリングを行うので、回転速度の広い範囲で、筒内圧のサンプルタイミングを正確に設定し、回転速度に拘わらず常に所望のクランク角度位置で筒内圧を検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明の実施の形態に係る内燃機関を概略的に示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態に係る内燃機関の制御装置を概略的に示す構成図である。
【図３】この発明の実施の形態に係る筒内圧検出手段及びクランク角度位置検出手段の構成図である。
【図４】この発明の実施の形態に係るＥＣＵ内で実行される筒内圧情報の算出過程を示すブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態に係る動的圧縮上死点検出手段、筒内圧サンプリング手段、及び筒内圧情報算出手段を示すブロック図である。
【図６】クランク角度位置と燃焼容積との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  エンジン、２  電子制御式スロットルバルブ、３  スロットル開度センサ、４  エアフロセンサ、５  サージタンク、６  インマニ圧センサ、７  ＥＧＲバルブ、８  インジェクタ、９  筒内圧センサ、１０  点火コイル、１１  点火プラグ、１２  クランク角センサ、１３  電子制御ユニット（ＥＣＵ）、１４  チャージアンプ、１５  ローパスフィルタ、１６  Ａ／Ｄ変換回路、１７  波形整形回路、１８  入力Ｉ／Ｆ回路、１９  筒内圧検出手段、２０  クランク角度位置検出手段、２１  回転速度検出手段、２２  圧縮上死点検出手段、２３  動的圧縮上死点検出手段、２４  筒内圧サンプリング手段、２５  筒内圧情報算出手段。
【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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