(57)【要約】【課題】  信号処理回路が燃焼室内の圧力の変化速度に応じたセンサの出力値をコンデンサで積分し、これに基づいて燃焼室内の圧力を得る燃焼状態検出装置において、コンデンサの放電による積分回路の出力の減衰の影響を回避することである。【解決手段】  信号処理回路２の出力信号を受けるＥＣＵ３で、前記出力信号の今回のサンプリング値から前回のサンプリング値に係数を乗じた乗数値を減じて、これを前記燃焼室内圧力の変化量とする処理を実行し、減衰の影響のない燃焼室内圧力の変化量を得るようにする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室内の圧力の変化速度に応じた信号を出力する圧力検出手段と、
該圧力検出手段の出力信号に比例した電流が流入し、所定の時定数のもとで放電するコンデンサを備え、該コンデンサに蓄積された電荷量に応じた信号を前記燃焼室内の圧力検出信号として出力する信号処理手段と、
前記圧力検出信号の出力値を所定のサンプリング周期でサンプリングし、サンプリング値に基づいて燃焼状態を表す変数を演算する演算手段とを有する燃焼状態検出装置において、
前記演算手段は、前記圧力検出信号の出力値に対し、前記コンデンサの放電に基因した前記圧力検出信号の減衰による誤差を相殺する補正処理を行うことを特徴とする内燃機関の燃焼状態検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の内燃機関の燃焼状態検出装置において、前記補正処理は、今回のサンプリング値から前回のサンプリング値に係数を乗じた乗数値を減じて、これを前記燃焼室内圧力の変化量とする処理である内燃機関の燃焼状態検出装置。
【請求項３】
請求項１または２いずれか記載の内燃機関の燃焼状態検出装置において、前記演算手段は、前記燃焼室内圧力の変化量を積算し、積算値を燃焼室内圧力値とするように設定した内燃機関の燃焼状態検出装置。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の内燃機関の燃焼状態検出装置において、前記サンプリング周期は一定であり、前記係数は一定である内燃機関の燃焼状態検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の失火などの燃焼状態を検出する燃焼状態検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の制御は、内燃機関の実力を十二分に発揮すべく、また排気エミッションを低減すべく高度化しており、かかる高度な制御を実現する上で、内燃機関における混合気の燃焼状態の検出は、重要な技術となっている。すなわち、燃焼状態検出装置により知られた失火やノッキングの有無などが点火時期などの制御にフィードバックされて、燃焼状態が適正な状態に維持される。燃焼状態検出装置では、例えば燃焼室内の圧力を検出する圧力センサの検出信号に基づいて燃焼状態を判断する。
【０００３】
下記特許文献１には、ＴＤＣ前後の対称区間において燃焼室圧力をサンプリングし、ＢＴＤＣの区間における燃焼室圧力の積算値と、ＡＴＤＣの区間における燃焼室圧力の積算値との差分を求め，この差分を燃焼による圧力の上昇分とみなして、燃焼状態を判断するものが提案されている。
【特許文献１】特開平９−３２９０４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、圧力センサの本体部品として安価な圧電素子を用いたものがある。これは、検出しようとする圧力の変化速度に応じて電荷を発生させるもので、これを受ける信号処理回路として、圧電素子の出力信号に比例した電流が流入するコンデンサを備え、該コンデンサに蓄積された電荷量に応じた信号を前記燃焼室内の圧力検出信号として出力する積分回路が設けられる。該コンデンサに蓄積された電荷量は圧力の変化速度の積分値であり、前記圧力検出信号は、前記燃焼室内の圧力と対応する信号となる。前記コンデンサは次の検出に備えて所定の時定数のもとで放電する。かかる構成の圧力センサおよび信号処理回路を有する装置には次の問題があることが、本発明者らによりわかった。図７は燃焼室内圧力および前記積分回路の出力（アンプ出力）の挙動を示すもので、前記コンデンサの放電により信号処理回路から出力される圧力検出信号が減衰し、必ずしも燃焼室内圧力に追随しない。次のサンプリングまでの減衰量に比して燃焼による燃焼室内圧力上昇が十分ある場合にはよいが、特に燃焼が不完全で燃焼室内圧力が僅かしか上昇せず、上昇分が１回のサンプリング周期の間の減衰量によって相殺されてしまうような場合には、特許文献１のような技術を活かすことはできない。もはや燃焼状態を把握するのは困難となる。
【０００５】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、圧力検出信号の減衰の影響を受けることなく正確に燃焼状態を把握することのできる内燃機関の燃焼状態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】
請求項１記載の発明では、内燃機関の燃焼室内の圧力の変化速度に応じた信号を出力する圧力検出手段と、
該圧力検出手段の出力信号に比例した電流が流入し、所定の時定数のもとで放電するコンデンサを備え、該コンデンサに蓄積された電荷量に応じた信号を前記燃焼室内の圧力検出信号として出力する信号処理手段と、
前記圧力検出信号の出力値を所定のサンプリング周期でサンプリングし、サンプリング値に基づいて燃焼状態を表す変数を演算する演算手段とを有する燃焼状態検出装置において、
前記演算手段は、前記圧力検出信号の出力値に対し、前記コンデンサの放電に基因した前記圧力検出信号の減衰による誤差を相殺する補正処理を行うようにする。
【０００７】
コンデンサの放電に基因した前記圧力検出信号の減衰による誤差が相殺されるので、燃焼室内圧力の挙動を正確に監視することができる。
【０００８】
請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成において、前記補正処理は、今回のサンプリング値から前回のサンプリング値に係数を乗じた乗数値を減じて、これを前記燃焼室内圧力の変化量とする処理とする。
【０００９】
サンプリング周期が十分に短ければ、燃焼室内圧力の変化は、サンプリング時にステップ的に変化するものとみなせる。このとき、圧力検出信号の挙動は、前回のサンプリング値から、サンプリング周期に相当する時間をかけて減衰し、減衰後の値から前記燃焼室内圧力の変化に応じてステップ的に変化するというものになる。すると、燃焼室内圧力の変化に対応する圧力検出信号の変化量は、今回のサンプリング値から前記減衰後の前記前回のサンプリング値を減じたものとなる。
【００１０】
ここで、減衰割合は減衰時間すなわちサンプリング周期に応じたものとなるから、このサンプリング時間に応じた減衰割合を係数として設定しておけば、今回のサンプリング値から前回のサンプリング値に係数を乗じた乗数値を減じた値が、燃焼室圧力の変化に対応する。これにより、減衰の影響を受けることなく、燃焼状態を判断することができる。
【００１１】
請求項３記載の発明では、請求項１または２の発明の構成において、前記演算手段は、前記燃焼室内圧力の変化量を積算し、積算値を燃焼室内圧力値とするように設定する。
【００１２】
燃焼室内圧力の変化量を積算することで、燃焼室圧力値が得られることになる。
【００１３】
請求項４記載の発明では、請求項１ないし３の発明の構成において、前記サンプリング周期は一定であり、前記係数は一定であるものとする。  
【００１４】
圧力検出信号の減衰速度は、コンデンサの放電速度で規定され、放電速度はそのときのコンデンサの電荷量に比例する。したがって、減衰時間が同じであれば、燃焼室内圧力の大きさによらず、減衰割合は同じである。したがって、サンプリング周期を一定とすることで、減衰割合を表す前記係数を定数とすることができ、演算負荷が小さくて済み、実施が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の内燃機関の燃焼状態検出装置を図１に示す。内燃機関の燃焼室６０１の天井部を構成するシリンダヘッド６には、これを貫通して点火プラグ７のほか、圧力検出手段である圧力センサ１が設けてあり、その出力値は、シリンダヘッド６と図示しないピストンとで挟まれた燃焼室６０１内の圧力（以下，適宜、燃焼室内圧力という）の変化速度に応じたものとなる。圧力センサ１の出力信号を受けて信号処理手段である信号処理回路２が設けてある。
【００１６】
図２は圧力センサ１の構造を示すもので、略円筒形のハウジング１０６内には燃焼室６０１側よりダイアフラム１０２、プッシュロッド１０３、圧電素子１０１、電極プレート１０４、絶縁プレート１０５が格納されている。圧力センサ１の本体部分である圧電素子１０１は、圧電セラミックスの薄板を円形に成形した圧電層の両端面に電極層として銀ガラスのペーストを塗布し焼き付けた一般的なものである。圧電層の厚さ方向に歪が生じると、圧電層を挟む電極層に前記歪に応じた電荷が発生し、各電極層と導通するリード線より出力信号取り出されるようになっている。
【００１７】
ダイアフラム１０２はその外周部がハウジング１０６の内周面に溶接されて、ハウジング１０６の燃焼室６０１側の端部を閉鎖している。ハウジング１０６の他方の端部はハウジング１０６と螺結するキャップ１０７により閉鎖される。キャップ１０７がダイアフラム１０２との間に、前記プッシュロッド１０３、圧電素子１０１、電極プレート１０４、絶縁プレート１０５を挟み込むことにより、圧電素子１０１に一定の初期荷重を与えている。そして、ダイアフラム１０２が燃焼室内圧力に応じて圧力センサ１の軸方向にたわみ変形すると、この変形によりプッシュロッド１０３を介して圧電素子１０１が押圧される。圧電素子１０１の前記電極層に発生する前記電荷は燃焼室内圧力の変化速度に応じたものとなる。
【００１８】
図３は信号処理回路２の構成を示すもので、第１の積分回路部２１、第２の積分回路部２２、出力回路部２３からなる。積分回路部２１，２２はそれぞれ、オペアンプ２１１，２２１の入出力間に互いに並列にコンデンサ２１２および抵抗器２１３、コンデンサ２２２および抵抗器２２３を接続した構成のもので、時定数がコンデンサ２１２，２２２の容量および抵抗器２１３，２２３の抵抗値で規定される。第１の積分回路部２１では、圧電素子１の電荷量に比例した電流が流れ、電荷がコンデンサ２１２に蓄積される。第１の積分回路部２１の出力すなわちオペアンプ２１１の出力は、圧電素子１０１に蓄積された電荷量の積分値に比例した信号となる。
【００１９】
ここで、第１の積分回路部２１のコンデンサ２１２および抵抗器２１３で規定される時定数（２π×Ｒ1×Ｃ1）を５×１０-5（ｓｅｃ）とごく短く設定してあり、第１の積分回路部２１の出力は圧電素子１０１に発生した電荷量のごく短時間における平均に応じた出力となる。したがって、実質的には圧電素子１０１に発生した電荷量のその時点における値を示している。圧電素子１０１に発生する電荷量は検出しようとする圧力の変化速度に比例するから、第１の積分回路部の出力は、燃焼室圧力の変化速度に対応している。
【００２０】
第１の積分回路部２１の出力を入力とする第２の積分回路部２２は、そのコンデンサ２２２および抵抗器２２３で規定される時定数（２π×Ｒ2×Ｃ2）を、第1の積分回路部２１よりも十分に長い１（ｓｅｃ）に設定してあり、燃焼サイクル中における第１の積分回路部２１の出力、したがって燃焼室圧力の変化速度を積分して燃焼室圧力に応じた出力信号を生成するようになっている。
【００２１】
第2の積分回路２２の出力を入力とする出力回路部２３は、第2の積分回路２２の出力がハイパスフィルタ２３ａを経て増幅回路２３ｂのオペアンプ２３１の−入力端子に入力している。ハイパスフィルタ２３ａは抵抗器２３２およびコンデンサ２３３からなり、その時定数（２π×Ｒ3×Ｃ3）は２（ｓｅｃ）に設定してある。これにより直流成分を除去し、オペアンプ２３１の−入力端子への入力信号の零点の安定化を図っている。オペアンプ２３１の＋入力端子には抵抗器２３４，２３５で分割された基準電圧が入力しており、オフセットを調整する。
【００２２】
信号処理回路２の出力信号（以下，適宜、アンプ出力という）はエンジンコントロールユニット（以下，適宜、ＥＣＵという）３に入力するようになっている。ＥＣＵ３は、例えば、マイクロコンピュータを中心に構成され、クランク角センサ４を含む種々の内燃機関の運転状態の検出用のセンサからの信号に基づいて燃料噴射や点火の制御を行う。ＥＣＵ３ではまた、所定周期ごとにアンプ出力がサンプリングされ、アンプ出力のサンプリング値に基づいて燃焼状態を把握し、燃料噴射や点火の制御にフィードバックするとともに、異常時にはその旨を表示器５に表示する。表示器５はＬＥＤや液晶表示パネルなどが用いられ得る。
【００２３】
図４はＥＣＵ３におけるサンプリング値に対する処理アルゴリズムを示すもので，ステップＳ１０１では、Ｐp ，Ｑ，Ｑa，Ｑbをそれぞれ初期値（＝０）にセットする。続くステップＳ１０２では、計測開始タイミングか否かを判定する。これはクランク角センサ４からの検出信号に基づいて知られる所定のクランク角になったか否かで判定される。ここで所定のクランク角は各気筒のＴＤＣよりも所定角度だけ進角した角度に設定される。
【００２４】
ステップＳ１０２が否定判断されると、ステップＳ１０２が繰り返されてクランク角が所定クランク角になるまで待機し、ステップＳ１０２が肯定判断されると、ステップＳ１０３に進む。
【００２５】
ステップＳ１０３では、サンプリング値Ｐをサンプリングし、ステップＳ１０４で、サンプリング値Ｐに基づいて、式（１）に従いＱを演算する。式（１）中、Ｃは定数であり、予めＥＣＵ３のＲＯＭに制御プログラムとともに記憶される。なお、後述するようにＱは現在の燃焼室内圧力に対応した値となっており、以下，燃焼室内圧力値Ｑという。
Ｑ＝Ｑ＋Ｐ−Ｃ×Ｐp・・・（１）
【００２６】
続くステップＳ１０５では、Ｐpを、ステップＳ１０３でサンプリングされたサンプリング値Ｐにより更新する。
【００２７】
ステップＳ１０６では、クランク角がＢＴＤＣか否かを判定する。肯定判断されると、ステップＳ１０７に進み、式（２）によりＱbを更新する。ステップＳ１０７の実行の後は、ステップＳ１０９に進む。
Ｑb＝Ｑb＋Ｑ・・・（２）
【００２８】
クランク角がＡＴＤＣでステップＳ１０６が否定判断されると、ステップＳ１０８に進み、式（３）によりＱaを更新する。ステップＳ１０８の実行の後は、ステップＳ１０９に進む。
Ｑa＝Ｑa＋Ｑ・・・（３）
【００２９】
したがって、ＱbはＢＴＤＣの区間における燃焼室内圧力値Ｑの積算値であり、ＱaはＡＴＤＣの区間における燃焼室内圧力値Ｑの積算値である。以下，適宜、ＱbをＢＴＤＣ燃焼室内圧力積算値Ｑbといい、ＱaをＡＴＤＣ燃焼室内圧力積算値Ｑaという。
【００３０】
ステップＳ１０９では、計測終了タイミングか否かを判定する。これはクランク角センサ４からの検出信号に基づいて知られる所定のクランク角になったか否かで判定される。ここで所定のクランク角はＴＤＣよりも所定角度だけ遅角した角度に設定される。ステップＳ１０９が否定判断されると、ステップＳ１０３に戻り、ステップＳ１０３〜Ｓ１０９の処理が繰り返される。ステップＳ１０９が肯定判断されると、計測終了としてステップＳ１１０に進む。ここで、ステップＳ１０３においてサンプリング値Ｐは予め設定した所定のサンプリング周期でサンプリングされたものであり、このサンプリング値Ｐにより燃焼室圧力値Ｑが更新されることになる（ステップＳ１０４）。そして、計測終了時には、クランク角がＴＤＣになるまでの燃焼室内圧力値Ｑが積算されてＢＴＤＣ燃焼室内圧力積算値Ｑbが得られ、クランク角がＴＤＣになるまでの燃焼室内圧力値Ｑが積算されてＡＴＤＣ燃焼室内圧力積算値Ｑaが得られる。
【００３１】
ステップＳ１１０では、ＡＴＤＣ燃焼室内圧力積算値ＱaからＢＴＤＣ燃焼室内圧力積算値Ｑbを減じた値（Ｑa−Ｑb）が予め設定したしきい値ΔＱthよりも小さいか否かを判定する。燃焼が強いほどＡＴＤＣの区間で圧力が上昇するから、減数値（Ｑa−Ｑb）も大きくなる。失火のようにごく僅かな燃焼しか生じない燃焼状態であれば、減数値（Ｑa−Ｑb）はごく小さな値となる。（Ｑa−Ｑb）がΔＱthよりも小さければステップＳ１１１で失火と判定してステップＳ１０１に戻る。（Ｑa−Ｑb）がΔＱthよりも大きければステップＳ１１１をスキップしてステップＳ１０１に戻る。失火と判定された場合は表示器５にその旨を表示する。
【００３２】
さて、本燃焼状態検出装置の作動について説明する。図５は燃焼室内圧力がステップ状に変化したときにアンプ出力がどのような挙動を示すかを表したもので，燃焼室内圧力が変化すると、圧電素子１０１の出力が燃焼室内圧力の変化に追随するが、アンプ出力は第２の積分回路部２２のコンデンサ２２２の電荷の放電により、減衰する。ここで、電荷量の減少速度はそのときの電荷量に比例する。したがって、相前後するタイミングで続けてアンプ出力をサンプリングする場合、サンプリング間隔すなわちサンプリング周期が同じであれば、相前後してサンプリングされるアンプ出力の比率は同じである。したがって、サンプリング周期が一定であれば、相前後するサンプリング値の減衰割合も同じということになる。図例は、アンプ出力が１つ前のサンプリング時の１／２になる時間が同じであることを示している。
【００３３】
サンプリング周期はごく短時間に設定されるので、燃焼室内圧力はサンプリング周期ごとに図５のごとくステップ的に変化するものと捉えることができる。式（１）の第３項Ｃ×Ｐpは前回のサンプリングで得られたアンプ出力が今回のサンプリングまでの間に減衰した後の値を示しており、Ｐ−Ｃ×Ｐpは、今回のサンプリングタイミングにおいてステップ的に燃焼室内圧力が変化した量に対応した変化量ということになる。この変化量を積算したものが現在の燃焼室圧力ということになる。
【００３４】
図６は、（ｎ−１）回目、ｎ回目、および（ｎ＋１）回目の連続するサンプリングにおいて、図４に示した処理の演算値がどう推移するかを示すもので，各値の添え字はサンプリングが何回目のものであるかを示している。ｎ回目のサンプリングにおいて、アンプ出力がＰn-1からＰnに変化するが、このうち、（ｎ−１）回目のサンプリング値Ｐn-1に相当する分は、（ｎ−１）回目のサンプリング時からｎ回目のサンプリング時にかけてＣ×Ｐn-1に減衰しているので、ｎ回目のサンプリング値Ｐnのうち、燃焼室内圧力の変化に対応した分は、Ｐn−Ｃ×Ｐn-1である。したがって、これを積算していけば、すなわち、（ｎ−１）回目のサンプリング時の燃焼室内圧力値Ｑn-1にＰn−Ｃ×Ｐn-1を加算すれば、ｎ回目のサンプリング時の燃焼室内圧力値Ｑnが得られることになる。同様に、（ｎ＋１）回目のサンプリングにおいて、アンプ出力がＰnからＰn+1に変化するが、（ｎ＋１）回目のサンプリング値Ｐn+1のうち、燃焼室内圧力の変化に対応した分は、Ｐn+1−Ｃ×Ｐnである。そしてこれをｎ回目のサンプリング時の燃焼室内圧力検出値Ｑnに加算することで、（ｎ＋１）回目のサンプリング時の燃焼室内圧力値Ｑn+1が得られることになる。そして、サンプリング周期が一定であるから、前回のサンプリングから今回のサンプリングにかけての減衰の程度を示す係数Ｃは、ｎ回目のサンプリングに対応する演算時と（ｎ＋１）回目のサンプリングに対応する演算時とで等しい。したがって、係数は定数でよいことになり、簡単である。
【００３５】
このように、本燃焼状態検出装置によれば、減衰による影響を受けることなく高精度で燃焼状態を検出することができる。
【００３６】
なお、失火か否かの判断において、ＢＴＤＣとＡＴＤＣとでそれぞれ燃焼室内圧力値Ｑを積算して、両者を比較しているが，ＢＴＤＣとＡＴＤＣとを代表するクランク角、例えば、ＴＤＣに対して同じクランク角だけ進角したクランク角と、遅角したクランク角とで燃焼室内圧力値を比較する、というのでもよい。
【００３７】
また、燃焼室内圧力値とともに、別の運転状態、例えばクランク角に基づいて燃焼状態を判断するパラメータ、例えば熱発生率や燃焼割合を演算するようにしてもよい。
【００３８】
また、Ｐ−Ｃ×Ｐpは前記のごとく前回のサンプリングから今回のサンプリングまでの燃焼室内圧力値の変化量であるから、燃焼室内圧力の上昇速度を表している。かかる。燃焼室内圧力の上昇速度に基づいて燃焼状態を判断するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の内燃機関の燃焼状態検出装置の構成図である。
【図２】前記燃焼状態検出装置を構成する圧力センサの断面図である。
【図３】前記燃焼状態検出装置を構成する信号処理回路の主要部の構成図である。
【図４】前記燃焼状態検出装置のＥＣＵで実行される制御内容を示すフローチャートである。
【図５】前記燃焼状態検出装置の作動を説明するタイミングチャートである。
【図６】前記燃焼状態検出装置の作動を説明する別のタイミングチャートである。
【図７】従来の技術の課題を説明する図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  圧力センサ（圧力検出手段）
１０１  圧電素子
２  信号処理回路（信号処理手段）
２２２  コンデンサ
３  ＥＣＵ（演算手段）
６０１  燃焼室
【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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【図７】
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