(57)【要約】【課題】ノイズなどの不安定要素の影響を回避し、高精度に筒内圧を検出する内燃機関の筒内圧検出装置を提供する。【解決手段】本発明は、内燃機関の筒内圧に応じた電荷信号を出力する筒内圧センサと、電荷信号を増幅して電圧信号に変換するチャージアンプと、１燃焼サイクル中の所定タイミングでチャージアンプの出力を基準値にリセットするリセット手段と、内燃機関の運転状態を検出する検出手段と、を備える内燃機関の筒内圧検出装置を提供する。この装置において、リセット手段は、内燃機関の運転状態に応じてリセットのタイミングを変更する。この発明により、センサ出力の安定するタイミングでリセットを行うことが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の筒内圧に応じた電荷信号を出力する筒内圧センサと、
前記電荷信号を増幅して電圧信号に変換するチャージアンプと、
１燃焼サイクル中の所定タイミングで前記チャージアンプの出力を基準値にリセットするリセット手段と、
前記内燃機関の運転状態を検出する検出手段と、を備え、
前記リセット手段は、前記運転状態に応じて前記所定タイミングを変更する、
内燃機関の筒内圧検出装置。
【請求項２】
前記リセット手段は、前記検出手段の出力に基づいて前記電圧信号にノイズが多く含まれる運転状態であると判定した場合、前記ノイズの影響が最小となるよう前記所定タイミングを前記内燃機関の排気行程内に変更する、
請求項１に記載の内燃機関の筒内圧検出装置。
【請求項３】
リセット前後の前記チャージアンプの出力に基づき、前記リセット手段の異常を検知する異常検知手段をさらに備える、請求項１に記載の内燃機関の筒内圧検出装置。
【請求項４】
リセット前後の前記チャージアンプの出力に基づき、該出力を補正する補正手段をさらに備える、請求項１に記載の内燃機関の筒内圧検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の筒内圧検出装置に関し、より詳細には、ノイズなどの不安定要素の影響を回避して高精度に筒内圧を検出する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
筒内圧センサを用いた燃焼状態検出装置において、筒内圧センサの出力にドリフトが生じて蓄積すると、センサ出力と実際の筒内圧との相関が崩れてしまい正確な筒内圧検出が行えなくなるという問題があった。特許文献１では、内燃機関の１燃焼サイクルごとに、所定のタイミングで増幅器の出力をリセットするとともに、リセット前後の出力差に基づいて検出される筒内圧を補正する技術が開示されている。この技術により、筒内圧検出値と実際の筒内圧力との相関が保たれ、正確な筒内圧を検出することが可能となった。
【特許文献１】特開平7-280686号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特に高負荷高回転な運転状態において、多気筒内燃機関における他気筒でのバルブ着座の影響が増大し、筒内圧センサの検出出力にノイズが重畳することがある。この場合にリセットタイミングを所定クランク位置で固定すると、ノイズの影響によりリセット前後の出力差が正確ではなくなる可能性が高い。
【０００４】
このような条件下では、筒内圧センサに基づいた燃焼状態の検出処理や運転制御は、悪影響を受けることとなる。例えばセンサ出力を出力差に基づいて補正しても、補正された出力は不正確なものとなる。また、出力差に基づいてリセット異常を検知する場合も不正確なものとなる。
【０００５】
従って、本発明は、ノイズなどの不安定要素の影響を回避し、高精度に筒内圧を検出する内燃機関の筒内圧検出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】
【０００６】
本発明は、内燃機関の筒内圧に応じた電荷信号を出力する筒内圧センサと、電荷信号を増幅して電圧信号に変換するチャージアンプと、１燃焼サイクル中の所定タイミングでチャージアンプの出力を基準値にリセットするリセット手段と、内燃機関の運転状態を検出する検出手段と、を備える内燃機関の筒内圧検出装置を提供する。この装置において、リセット手段は、内燃機関の運転状態に応じてリセットのタイミングを変更する。この発明により、センサ出力の安定するタイミングでリセットを行うことが可能となる。
【０００７】
本発明の一実施形態では、リセット手段は、検出手段の出力に基づいて電圧信号にノイズが多く含まれる運転状態であると判定した場合、ノイズの影響が最小となるよう所定タイミングを内燃機関の排気行程内に変更する。
【０００８】
本発明の一実施形態では、筒内圧検出装置は、リセット前後のチャージアンプの出力に基づき、リセット手段の異常を検知する異常検知手段をさらに備える。
【０００９】
本発明の一実施形態では、筒内圧検出装置は、リセット前後のチャージアンプの出力に基づき、該出力を補正する補正手段をさらに備える。
【００１０】
このように、リセットタイミングの変更時にノイズの影響を考慮して異常検知および補正を停止することにより、異常の誤判定を抑制するとともに、誤補正による出力ずれを抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態である筒内圧検出装置の構成を示すブロック図である。
【００１２】
筒内圧センサ１１は、圧電素子であり、内燃機関（本実施形態ではガソリンエンジン。以下「エンジン」と呼ぶ）の各気筒（シリンダ）の点火プラグ付近に設けられている。一般に、圧電素子は熱または赤外線などの光によって分極が変化して電荷の移動を発生させる。したがって、筒内圧センサ１１は、筒内圧に応じた電荷Qを出力する。
【００１３】
チャージアンプ１３は、筒内圧センサ１１の出力電荷Qを電圧信号Vに変換して増幅する。チャージアンプ１３の基本構成は、図２に示すように、オペアンプ２７の負入力に電荷Qを入力し、入出力間にコンデンサ２９（静電容量C）を接続したものである。チャージアンプ１３は、入力された電荷Qをコンデンサ２９に蓄積し、電圧V＝Q／Cを出力する。本実施形態では、エンジンの吸気行程や排気行程時のような大気に連通した状態での電圧を基準値と定め、この基準値が１ボルトの電圧を出力するように増幅率が調整されている。
【００１４】
ところで、筒内圧センサ１１に用いられている圧電素子は、上述のように熱や光によって電荷Ｑを発生させる性質を有する。エンジンの燃焼行程のような急激な温度変化が起きる環境では、焦電効果によって発生する電荷Ｑが出力電圧のドリフトを生じる。例えば、図３において点線で示すグラフ４３のように、出力電圧が一定の傾き４５で負方向に傾斜するようになる。このドリフトは、出力電圧と実際の筒内圧との間に誤差を生じるので、筒内圧に基づくエンジン制御に悪影響を与える。
【００１５】
そこで、チャージアンプ１３内のコンデンサ２９と並列にスイッチ３１を接続し、スイッチ３１をオン状態にすることでコンデンサ２９の電荷を放電する。コンデンサの放電によってチャージアンプ１３の入出力間の電位差がなくなり、ドリフトが解消される。以降、この処理を「リセット」と呼ぶ。リセット処理が実行されると、例えば図３のグラフ４３のような出力電圧が、グラフ４１のような状態へ回復する。本実施形態では、筒内圧センサ１１によって計測される筒内圧のドリフトを回避するため、エンジンの１燃焼サイクル毎に１度、チャージアンプ１３のリセットを実行する。リセットのタイミングは、後述するリセット制御部１７から送られる制御信号によって決められる。
【００１６】
再び図１を参照すると、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１５は、中央演算装置（ＣＰＵ）（図示せず）を備えたコンピュータである。ＥＣＵは、コンピュータ・プログラムを格納する読取専用メモリ（ＲＯＭ）（図示せず）、およびＣＰＵに作業領域を提供し、データおよびプログラムを一時記憶するランダムアクセス・メモリ（ＲＡＭ）（図示せず）を備えている。ＥＣＵ１５は、さらに、エンジンの各部から検出信号を受け取り、また、ＣＰＵの演算結果に基づく制御信号をエンジンの各部に送る、入出力インタフェイス（図示せず）を備えている。図１では、ＥＣＵ１５をこの発明に関連する機能を示す機能ブロックで示している。
【００１７】
リセット制御部１７は、クランク角センサ２３からの入力に基づき、所定のクランク角度でチャージアンプ１３にリセットを行う制御信号を送る。リセットのタイミングは、燃焼圧や圧縮の影響を受けず、筒内圧が大気圧に近いタイミングが望ましい。本実施形態では、図３のＡ１，Ａ２で示すように、通常は吸気行程の開始直後においてリセット処理が実行される。このタイミングで実行されるリセット処理を、以降「通常リセット」と呼ぶ。
【００１８】
また、リセット制御部１７は、エンジンの運転状態に応じてリセットのタイミングを変更する。例えば、エンジンが高負荷高回転で運転しているとき、各気筒のバルブの着座ノイズが発生する。通常リセットのタイミングでは、筒内圧センサ１１の検出電圧に着座ノイズが重畳してしまい、後述する異常検出処理や出力補正処理に悪影響が生じてしまう。
【００１９】
そこで、高負荷高回転などのノイズの影響が大きい運転状態の場合、ノイズの影響を受けない運転領域にリセットタイミングを移行する。本実施形態では、ノイズの影響が少なく、燃焼圧や圧縮の影響がない時期として、エンジンの排気行程内にリセットのタイミングを変更する。このタイミングで実行されるリセット処理を、以降「強制リセット」と呼ぶ。強制リセットのタイミングは、例えば図３のＢ１、Ｂ２で示す位置である。
【００２０】
リセットのタイミングは、１燃焼サイクル毎にエンジンの運転状態に応じて選択される。本実施形態では、クランク角センサ２３からエンジン回転数NEと、吸気圧センサ２５から吸気圧Pｂがリセット制御部１７へ入力される。そして、エンジン回転数ＮＥおよび吸気圧Ｐｂの両者がそれぞれのしきい値を超えた場合、エンジンの運転状態が高負荷高回転であると判定され、リセットタイミングとして強制リセットが選択される。しきい値は例えば、エンジン回転数NEが2000rpm、吸気圧Pbが300mmHgである。
【００２１】
図３はエンジンの気筒内圧力を示す図である。リセット処理は、1燃焼サイクル中の所定のクランク角度において実行される。通常リセットでは、A1またはA2のタイミングでリセット処理が実行される。強制リセットでは、B1またはB2のタイミングでリセット処理が実行される。
【００２２】
また、リセット制御部１７は、後述する異常判定部１９および出力補正部２１に、通常リセットまたは強制リセットのうち選択されたリセットモードに関する情報を送る。
【００２３】
異常検知部１９は、リセット処理前後のチャージアンプ１３の出力電圧に基づき、リセット機能（チャージアンプ１３内のスイッチ３１）の機能異常を検知する。異常検知部１９は、チャージアンプ１３からの出力電圧から、リセット処理前の電圧Vreset_bfとリセット処理後の電圧Vreset_afとを記憶し、リセット処理前後の出力差D_resetを次の（１）式より算出する。                                                                                     
D_reset = Vreset_af − Vreset_bf                （１） 
【００２４】
通常、チャージアンプ１３の出力電圧のドリフト量は、図３に示すように、１燃焼サイクル毎にほぼ一定の大きさなので、リセット処理前後のセンサ出力差D_resetもある一定の範囲を超えることはないと考えられる。D_resetが大きな値を取る状況として考えられるのは、センサ出力にノイズが重畳した場合などであり、この場合、センサ出力の信頼性は低くなる。そこで、適切なリセット処理前後の出力差D_resetのしきい値を設定しており、しきい値を超えるとき、リセット処理に異常があると判定する。D_resetのしきい値は、例えば0.1ボルトである。
【００２５】
また、チャージアンプ１３の出力電圧のドリフトは、図３の点線で示すグラフ４３のように出力電圧を徐々に減少させていく。リセット処理によって、実線４１のように基準値が1ボルトを取る初期状態に修復される。ここで、基準値とは、上述のように、エンジンの吸気行程や排気行程時のような大気に連通した状態での電圧のことである。したがって、リセット処理が正常に実行されているならば、リセット処理後の出力電圧Vreset_afは基準値に近い値を取るはずである。そこで、リセット処理後の出力電圧Vreset_afの適切な範囲を予め設定しておき、所定範囲から外れるとき、リセット処理に異常があると判定する。本実施形態では、基準値が１ボルトとなるように設定されているので、出力電圧Vreset_af所定範囲は、例えば0.95＜Vreset_af＜1.05である。
【００２６】
なお、筒内圧センサ１１の温度が所定値以上のときには、異常検知は行われない。センサ温度が上昇すると、センサ出力の低圧力方向へのドリフトが増大して、誤検知する可能性が高いためである。本実施形態では、筒内圧センサ１１の温度として、エンジン冷却水の温度を計測する水温センサ（図示せず）の検出値を用いる。
【００２７】
出力補正部２１は、リセット処理前後のチャージアンプの出力電圧に基づき、出力電圧を補正する。上述のリセット処理によってセンサ出力電圧が基準値に戻されるので、ドリフト蓄積の問題は解消する。しかし、リセット処理の間では、ドリフトが徐々に進行しているので、特に次にリセット処理が行われる直前ではドリフト量が最大となり、実際の筒内圧との誤差も大きなものとなる。出力補正部２１は、リセット間のチャージアンプ１３の出力電圧も筒内圧と精度良く相関を取るように、出力電圧を補正する。
【００２８】
出力補正部２１は、リセット前後の出力差とリセット周期から、リセット処理間のドリフト変化率を推定し、推定した変化率を用いてセンサ出力を補正する。（１）式を用いて、リセット処理前後の出力差D_resetを求め、次の（２）式によりセンサ出力Ｖの補正出力Ｖｃを求める。
【数１】
2006329812.tif 000003
【００２９】
ここで、θは現在のクランク角度[deg]である。
【００３０】
図４は、リセット制御部１７における処理の流れを表すフローチャートである。この処理フローは、エンジンの１燃焼サイクルごとに実行される。
【００３１】
ステップＳ１０１において、エンジン回転数ＮＥが所定値以下であるかどうかを点検する。ＮＥが所定値以下ならばステップＳ１０５に進む。ＮＥが所定値以上ならばステップＳ１０３に進む。
【００３２】
ステップＳ１０３において、吸気圧Ｐｂが所定値以下であるかどうかを点検する。Ｐｂが所定値以下ならばステップＳ１０５に進む。Ｐｂが所定値以上ならばステップＳ１０７に進む。
【００３３】
ステップＳ１０１およびＳ１０３により、エンジン回転数ＮＥおよび吸気圧Ｐｂが共に所定値以上の場合はステップＳ１０７に進み、それ以外の場合はステップＳ１０５に進む。所定値は例えば、エンジン回転数NEが2000rpm、吸気圧Pbが300mmHgである。
【００３４】
ステップＳ１０５において、リセットのタイミングに通常リセットモードが選択される。通常リセットモードでは、吸気トップの位置でチャージアンプ１３のスイッチをオンにする制御信号を送るよう設定される。並行して、異常検知部１９によるリセット処理の異常検知と、出力補正部２１によるセンサ出力の補正処理が実行される。
【００３５】
ステップＳ１０７において、リセットのタイミングに強制リセットモードが選択される。強制リセットモードでは、リセットタイミングが排気行程に変更されたものに設定される。
【００３６】
図５は、異常検知部１９における処理の流れを表すフローチャートである。この処理フローは、エンジンの１燃焼サイクルごとに実行される。
【００３７】
ステップＳ２０１において、リセット異常フラグが１になっているかどうかを点検する。リセット異常フラグは初期状態で０に設定されている。異常フラグが１であることは、既にリセット異常の検知が行われていることを示す。フラグが１でなければステップＳ２０３に進む。既にセンサ異常フラグが１ならば処理を終了する。
【００３８】
ステップＳ２０３において、リセットのタイミングに通常リセットモードが選択されているかどうかを点検する。通常リセットモードならばステップＳ２０５に進む。強制リセットモードならば、リセット異常の検知を行わずに処理を終了する。
【００３９】
ステップＳ２０５において、センサ温度が所定値以下であるかどうかを点検する。センサ温度が上昇すると、センサ出力が低圧力方向にドリフトするために誤検知の可能性が高くなる。センサ温度が所定値以下ならばステップＳ２０７に進む。センサ温度が所定値以上ならば処理を終了する。
【００４０】
ステップＳ２０７において、リセット処理前後のセンサの出力差D_resetを計算する。センサ出力差D_resetは、（１）式により求められる。
【００４１】
ステップＳ２０９において、センサ出力差D_resetが所定値より大きいかどうかを点検する。センサ出力差D_resetが所定値より大きいならば、センサ出力にノイズが重畳したことなどにより、リセット処理に異常が発生したと判定されステップＳ２１５以降の異常検知処理に進む。センサ出力差D_resetが所定値以下ならば、ステップＳ２１１に進む。
【００４２】
ステップＳ２１１において、リセット処理後のセンサ出力Vreset_afが所定範囲内にあるかどうかを点検する。Vreset_afが所定範囲外であるならば、Vreset_afが基準値まで回復しておらず、リセット処理に異常があると判定されステップＳ２１５以降の異常検知処理に進む。Vreset_afが所定範囲内であるならば、ステップＳ２１３に進む。
【００４３】
以下、ステップＳ２１５以降の異常検知処理について説明する。
【００４４】
ステップＳ２１５において、異常検知カウンターが１つデクリメントされる。突発的なセンサの誤動作などによる誤った異常検知を避けるため、異常検知カウンターの初期値は１より大きい整数に設定されている。このため複数回異常検知されないとセンサ異常と検知されない。
【００４５】
ステップＳ２１７において、異常検知カウンターが０かどうかを点検する。異常検知カウンターが０であることは、カウンターの初期値で設定した所定回数だけセンサ異常判定が行われたことを示す。異常検知カウンターが０ならば、ステップＳ２１９に進む。異常検知カウンターが０でないならば、そのまま処理を終了する。
【００４６】
ステップＳ２１９において、リセット処理に何らかの異常があることが確定したので、異常フラグが１にセットされ、処理を終了する。
【００４７】
一方、ステップＳ２０９およびＳ２１１の処理の結果、リセット処理に異常がないと判断されると、ステップＳ２１３に進む。ステップＳ２１３において、異常検知カウンターが初期値にリセットされ、処理を終了する。
【００４８】
以上、本発明の具体的な実施例について説明したが、この発明はこのような実施例に限定されるものではない。本発明は、上記実施例のようにガソリンエンジンに適用する他に、ディーゼルエンジンにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態である筒内圧検出装置の構成を示すブロック図である。
【図２】チャージアンプ１３の一般的な構成を示す図である。
【図３】エンジン運転中の気筒内圧力の推移を示す図である。
【図４】リセット制御部１７における処理の流れを表すフローチャートである。
【図５】異常検知部１９における処理の流れを表すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５０】
１１  筒内圧センサ
１３  チャージアンプ
１５  ＥＣＵ
１７  リセット制御部
１９  異常検知部
２１  出力補正部
２３  クランク角センサ
２５  吸気圧センサ
【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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