(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の筒内圧を検出する圧力センサと、
前記内燃機関の吸気行程での吸気管内圧を検出する手段と、
クランク角を検出する手段と、
前記クランク角に基づいてクランク角に応じた燃焼室容積を検出する手段と、
圧縮行程に設定される３位置のうち吸気弁を閉じた直後の第１位置では前記吸気管内圧に基づいて筒内圧を算出し、他の２つの位置のうち、前記第１位置に近い側の第２位置では、ポリトロープ変化を考慮して、前記第１位置での筒内圧と燃焼室容積および第２位置での燃焼室容積に基づいて筒内圧を算出し、前記第１位置から遠い側の第３位置では、ポリトロープ変化を考慮して、第２位置での筒内圧と燃焼室容積および第３位置での燃焼室容積を使用した算出式で筒内圧を算出する筒内圧算出手段と、
前記圧縮行程の３位置で前記圧力センサによって筒内圧検出信号を採取するサンプリング手段と、
前記筒内圧算出手段で算出された筒内圧および前記サンプリング手段で採取された実測筒内圧に基づいて、前記圧力センサによる筒内圧検出信号の感度補正係数と前記筒内圧検出信号のクランク角に対応したドリフト補正係数を含むオフセット量とを算出する補正値算出手段と、
前記感度補正係数と前記ドリフト補正係数を含むオフセット量とを使用して前記圧力センサによる筒内圧検出信号を補正するセンサ出力補正手段とを具備し、
前記補正値算出手段が、前記実測筒内圧に感度補正係数を乗算し、かつその乗算結果に、前記ドリフト補正係数を含むオフセット量を加算した値を、前記算出された筒内圧とする方程式を前記３位置のそれぞれについて設定し、これらの方程式を連立方程式にして、前記感度補正係数と前記ドリフト補正係数を含むオフセット量とを求めるように構成されていることを特徴とする内燃機関の筒内圧検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の筒内圧検出装置に関し、特に、筒内圧の測定精度を高めるための実測値補正手段を有する内燃機関の筒内圧検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の筒内圧により、その内燃機関の燃焼状態を判断できることが知られる。例えば、特許第２８３０３０５号公報には、少なくとも２点のクランク角位置における筒内圧検出信号とその２点のクランク角に対応する燃焼室容積とに基づいて、真の筒内圧に対する筒内圧検出信号のバイアス量を設定する手段を有する内燃機関の燃焼状態検出装置が記載されている。この装置では、前記バイアス量に基づいて筒内圧検出信号を補正して筒内圧を求める一方、非サンプリング期間においては非サンプリング期間の燃焼室容積と補正された筒内圧とに基づいて筒内圧を予測する。
【０００３】
また、内燃機関の筒内圧を検出するための圧電方式のセンサでは、ピロ効果つまり焦電効果に起因する出力ドリフトが発生するため、これを抑制する手段を有する装置が提案されている。例えば、特開平４−２９２５５５号公報には、予定のクランク角位置において圧力センサに接続されるチャージアンプの出力を短絡し、それによって零点のドリフトを累積させないようにした内燃機関の燃焼状態判定装置が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に記載された前者の装置では、サイクル毎（４サイクル機関ではクランク角度７２０度毎）に変化するバイアス量を補正することができる。しかし、この装置では、圧力センサの特性のばらつきや経時劣化等、圧力センサ自体の感度変化について配慮されておらず、さらなる改善が望まれている。
【０００５】
また、前記公報に記載された後者の装置では、長周期的な温度ドリフトを抑制することはできるが、短期的なドリフト、例えばサイクル内のドリフトは考慮されていない。したがって、短期的な圧力変化や温度変化の大きい条件下では正確に圧力を検出できないという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解消し、圧力センサ自体の感度変化や、温度変化等外部要因による圧力センサの出力ドリフトに関して、特に短期的な現象に配慮した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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、筒内圧を検出する圧力センサと、当該内燃機関の運転状態を代表する情報を検出する手段と、クランク角に応じた燃焼室容積を検出する手段と、前記運転状態を代表する情報および圧縮行程に設定される複数位置での燃焼室容積に基づいて、前記複数位置での筒内圧を算出する筒内圧算出手段と、前記複数位置で前記圧力センサによって筒内圧検出信号を採取するサンプリング手段と、前記筒内圧算出手段で算出された筒内圧および前記サンプリング手段で採取された実測筒内圧に基づいて、前記圧力センサによる筒内圧検出信号の感度補正係数およびオフセット量を算出する補正値算出手段と、前記感度補正係数およびオフセット量を使用して前記圧力センサによる筒内圧検出信号を補正するセンサ出力補正手段とを具備した点に第１の特徴がある。
【０００８】
内燃機関の圧縮行程では、燃焼室容積Ｖのｍ乗（ｍは定数）と燃焼室内（つまり筒内）圧力Ｐとの積が一定であるポリトロープ変化を示す。第１の特徴によれば、このポリトロープ変化に鑑み、圧縮行程の少なくとも２点で筒内圧を演算により求める。そして、この演算結果つまり少なくとも２位置での算出筒内圧と、同位置での圧力センサの検出信号とによって、筒内圧検出信号の感度補正係数およびオフセット量が算出される。そして、これら係数およびオフセット量によって補正された筒内圧検出信号により真の筒内圧を検出することができる。
【０００９】
また、本発明は、前記圧縮行程の複数位置として３位置が設定され、前記補正値算出手段が、さらに前記筒内圧検出信号のクランク角に対応したドリフト補正係数を算出するように構成され、前記センサ出力補正手段が、前記ドリフト補正係数をも含めて前記筒内圧検出信号を補正する点に第２の特徴がある。
【００１０】
第２の特徴によれば、前記算出筒内圧を３位置に関して求め、この３位置での算出筒内圧により、前記感度補正係数およびオフセット量に加えて、さらにドリフト補正係数を算出することができる。
【００１１】
また、本発明は、前記運転状態を代表する情報が、吸気行程での吸気管内圧であり、この吸気管内圧に基づいて前記複数位置のうち１位置での筒内圧が算出され、他の位置での筒内圧は、前記１位置の筒内圧に基づき、ポリトロープ変化を利用して算出される点に第３の特徴がある。第３の特徴によれば、吸気行程での吸気管内圧は、圧縮行程の初期の筒内圧に近似しているので、吸気管内圧を筒内圧と同値とみなせるか、または吸気管内圧に近似した予定値とするかできる。そして、圧縮行程の他の位置での筒内圧は、ポリトロープ変化を利用して算出できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明を詳細に説明する。まず、本発明の前提となる技術事項を説明する。図２は本発明の一実施形態に係る４サイクル内燃機関（以下、「エンジン」という）の要部構成を示す図である。エンジン１の筒（シリンダ）２には、吸気管３および排気管４が連結され、吸気管３のシリンダ側開口（吸気ポート）３ａには吸気弁５が配され、排気管４のシリンダ側開口（排気ポート）４ａには排気弁６が配される。シリンダ２内にはピストン７が収容され、ピストン７はコンロッド８を介してクランク軸９に連結される。ピストン７の上部とシリンダ２の壁面に囲まれた空間つまり燃焼室には、前記吸気弁５や排気弁６のほか、点火プラグ１０の電極が臨んでいる。
【００１５】
点火プラグ１０の取り付け座には、シリンダ内圧つまり燃焼室内の圧力を検出する手段としての圧力センサ１１が設けられる。吸気管３には、燃料噴射弁１２、吸気圧センサ（ＰＢセンサ）１３，およびスロットル弁１４が配され、スロットル弁１４にはスロットル開度センサ１５が接続される。また、排気管４には、Ｏ２センサ１６が設けられる。さらに、クランク軸９の回転角度（クランク角）を検出するクランク角センサ１７が設けられる。
【００１６】
圧力センサ１１、吸気圧センサ１３、スロットル開度センサ１５、Ｏ２センサ１６、クランク角センサ１７の検出信号は、エンジン制御用電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）１８に供給される。燃料噴射弁１２には、ＥＣＵ１８から制御信号が供給されて開弁時間が制御される。
【００１７】
図３は、圧力センサ１１の取り付け態様を示すシリンダヘッドの断面図である。同図において、環状の圧電素子からなる圧力センサ１１は、シリンダヘッド２１の、点火プラグ装着凹部２２の底部に着座させられ、点火プラグ１０がシリンダヘッド２１に螺着されたときに、点火プラグ１０のシール面１０ａと凹部の底面とで挟まれて固定される。
【００１８】
上記構成において、圧力センサ１１の検出信号から真のシリンダ内圧を求めるための補正係数およびオフセット量は、次のように決定する。図４は、本発明の一実施形態で考慮されるポリトロープ変化領域を含むエンジンの１サイクル内における燃焼室容積Ｖとシリンダ内圧Ｐとの関係を示す指圧線図である。同図において、エンジン１の吸気弁５を閉じてから吸入された混合気が燃焼を開始するまでの期間つまり圧縮行程では、シリンダ２内の圧縮混合気とシリンダ２の壁面との熱交換により、安定した物理法則（ポリトロープ変化）に従って容積Ｖと圧力Ｐとが変化する。この状態の下では容積Ｖと圧力Ｐとは、「Ｐ×Ｖｍ＝一定」の関係にある。なお、この式において、ｍはポリトロープ指数であり、空気はｍ＝１．４、混合気はｍ＝１．３である。例えば、減速時などでは、燃料供給が断たれるので、空気のポロトロープ指数（ｍ＝１．４）が適合する。
【００１９】
また、圧力センサ１１の出力Ｓと真のシリンダ内圧Ｐとの関係は、Ｐ＝Ａ×Ｓ＋Ｂ…（式１）と置くことができる。但し、Ａは圧力センサ１１の感度補正係数、Ｂは圧力センサ１１の出力オフセット量（バイアス量）である。この「式１」に対応する真のシリンダ内圧Ｐと圧力センサ１１の出力Ｓとの関係を図５に示す。同図において、Ａは真のシリンダ内圧の勾配と検出出力の勾配との比である。
【００２０】
ポリトロープ変化を伴う圧縮行程において、少なくともクランク角３０度以上の間隔で設定された２点（クランク角θ1とθ2の位置）でシリンダ内圧を測定し、この２点での測定値を含む上記「式１」の連立方程式を立てる。そして、これを解いて補正係数Ａとオフセット量Ｂとを求める。なお、図４において、吸気行程の、ある１点での吸気圧はＰｂ、そのときの燃焼室容積はＶ0である。また、圧縮行程の、２カ所のサンプリング時点でのシリンダ内圧および燃焼室容積は、それぞれＰ1，Ｖ1、ならびにＰ2，Ｖ2である。
【００２１】
圧縮行程のクランク角θ1とθ2での圧力センサ１１の出力をそれぞれＳ1，Ｓ2とすると、真の圧力Ｐ1，Ｐ2は、「Ｐ1＝Ａ×Ｓ1＋Ｂ，Ｐ2＝Ａ×Ｓ2＋Ｂ」となり、この連立方程式を解くことにより、感度補正係数Ａとオフセット量Ｂとを得ることができる。
【００２２】
この連立方程式を解くためには、圧力センサ１１の検出信号Ｓ1とＳ2のほか、真のシリンダ内圧Ｐ1，Ｐ2が決定されなければならない。ここでは、真のシリンダ内圧Ｐ1，Ｐ2を、ポリトロープ変化を考慮して次のように推定する。まず、１つの測定点θ1は吸気弁５を閉じた直後の位置に設定する。この位置での燃焼室容積Ｖ1はクランク角センサ１７の出力に基づくピストンの位置とシリンダ２のボア（内径）により演算で求めることができる。また、その時のシリンダ内圧Ｐ1は、吸気弁５を閉じた直後であり、吸気圧と近似しているため、吸気行程におけるＰＢセンサ１３の出力信号に所定の微小値（実験により求められた値でよい）を加算するなどして予測できる。なお、測定点θ1でのシリンダ内圧は、吸気行程のＰＢセンサ１３の出力信号をそのまま使用してもよい。
【００２３】
また、他の１つの測定点θ2は、圧縮行程の終端部つまり点火前の位置に設定する。この位置での燃焼室容積Ｖ2は燃焼室容積Ｖ1と同様、クランク角の関数としてクランク角センサ１７の出力に基づいて演算で求めることができる。そして、そのときのシリンダ内圧Ｐ2は、ポリトロープ変化を考慮して、Ｐ2＝Ｐ1×（Ｖ1/Ｖ2）ｍ  …（式２） により算出することができる。ここで使用するポリトロープ指数ｍは予め実験により決定しておく。こうして得られたシリンダ内圧Ｐ1，Ｐ2を使用して前記連立方程式を解くことができる。
【００２４】
連立方程式を解いて感度補正係数Ａとオフセット量Ｂとを算出したならば、これらを使用した「式１」により、任意のサンプリングタイミングにおける圧力センサ１１の検出出力を補正して真の圧力Ｐを求めることができる。なお、前記測定点θ1でのシリンダ内圧Ｐ1をＰＢセンサ１３の出力信号に基づいて推定したが、このＰＢセンサ１３の出力信号に限らない。例えば空燃比（Ｏ2センサの出力に基づいて得られる）やエンジンの冷却水温など、エンジン１の運転状態を代表するパラメータの関数として、圧縮行程の予定位置でのシリンダ内圧Ｐ1を予め設定しておくこともできる。
【００２５】
図１は、上記手法による圧力センサ１１の検出出力を補正するためのＥＣＵ１８の要部機能を示すブロック図である。同図において、圧力センサ１１の出力信号Ｓはセンサ出力補正部１９に入力される。この補正部１９では、圧力センサ１１の検出信号Ｓに感度補正係数Ａが乗算され、かつオフセット量Ｂが加算されて真のシリンダ内圧Ｐが補正される。前記感度補正係数Ａおよびオフセット量Ｂは補正値算出部２０において算出される。
【００２６】
クランク角検出部２４は、クランク角センサ１７の出力信号に基づき、圧縮行程に設定された２点に対応するクランク角θ1，θ2において検出信号ＣＡ1およびＣＡ2をそれぞれ出力する。この検出信号ＣＡ1，ＣＡ2に応答して、圧力センサ１１の検出信号Ｓ1，Ｓ2が補正値算出部２０に取り込まれる。また、検出信号ＣＡ1，ＣＡ2に応答して燃焼室容積算出部２５でクランク角θ1，θ2に対応する燃焼室容積Ｖ1，Ｖ2が算出される。
【００２７】
さらに、クランク角検出信号ＣＡ1は第１圧力算出部２６に入力され、これに応答してＰＢセンサ１３の検出信号Ｐｂが第１圧力算出部２６に取り込まれる。第１圧力算出部２６は検出信号Ｐｂに基づいてクランク角θ1でのシリンダ内圧を決定し、仮の内圧（以下、「算出内圧」という）Ｐ1として出力する。
【００２８】
前記燃焼室容積Ｖ1，Ｖ2ならびに算出内圧Ｐ1は、第２圧力算出部２７に入力され、この第２圧力算出部２７は、前記「式２」を使用してクランク角θ2でのシリンダ内圧を決定し、算出内圧Ｐ2として出力する。この算出内圧Ｐ2および前記算出内圧Ｐ1は補正値算出部２０に入力される。補正値算出部２０は、前記検出信号Ｓ1，Ｓ2ならびに算出内圧Ｐ2および前記算出内圧Ｐ1を含む前記連立方程式により、感度補正係数Ａおよびオフセット量Ｂを算出し、センサ出力補正部１９に出力する。
【００２９】
次に、上記技術を前提として、本発明の実施形態を詳細に説明する。本実施形態では、圧力センサ１１の１サイクル内での出力のドリフトを考慮する。図６は、１サイクルのシリンダ内圧変化を示す図である。同図に示すように、圧力センサ１１の検出出力Ｓは１サイクル内で次第に大きくなる短期的なドリフトを呈する。
【００３０】
そこで、本実施形態に係る装置には、ドリフトを考慮して前記オフセット量を補正する手段を設けた。真のシリンダ内圧Ｐは、前提技術に関して説明したように、Ｐ＝Ａ×Ｓ＋Ｂ…（式１）で表されるが、さらにオフセット量Ｂはドリフトを考慮すると、次式で表される。Ｂ＝Ｃ×θ＋Ｄ…（式３）。この式において、Ｃはドリフト補正係数、θはクランク角、Ｄは圧力センサ検出出力のオフセット量である。
【００３１】
図７はエンジンの１サイクル内における燃焼室容積Ｖとシリンダ内圧力Ｐとの関係を示す指圧線図であり、第２実施形態では、圧力センサ１１の検出出力補正のために圧縮行程の予定の３点（クランク角-α、０、α）でシリンダ内圧のサンプリングを行う。なお、各点は互いにクランク角で３０度以上の間隔を有する。同図において、各点のシリンダ内圧をそれぞれＰ-1、Ｐ0、Ｐ1とし、燃焼室容積をそれぞれＶ-1、Ｖ0、Ｖ1とする。
【００３２】
上記指圧線図において、クランク角-α、０、αにおける圧力センサ１１の検出出力をＳ-1、Ｓ0、Ｓ1とすると、次の連立方程式が成立する。「Ｐ-1＝Ａ×Ｓ-1＋Ｃ×-α＋Ｄ、Ｐ0＝Ａ×Ｓ0＋Ｄ、Ｐ1＝Ａ×Ｓ1＋Ｃ×α＋Ｄ」この連立方程式を解くことにより、補正値Ａ，Ｃ，Ｄを求めることができる。
【００３３】
上記連立方程式を解くためには、圧力センサ１１の検出信号Ｓ-1、Ｓ0、Ｓ1のほか、真のシリンダ内圧Ｐ-1，Ｐ0、Ｐ1が決定されなければならない。ここでは、真のシリンダ内圧Ｐ-1，Ｐ0、Ｐ1を、ポリトロープ変化を考慮して次のように推定する。まず、クランク角-αの測定点は吸気弁５を閉じた直後の位置に設定する。この位置での燃焼室容積Ｖ-1はクランク角センサ１７の出力に基づくピストンの位置とシリンダ２のボア（内径）により演算で求めることができる。また、その時のシリンダ内圧Ｐ-1は、吸気弁５を閉じた直後であり、吸気圧と近似しているため、ＰＢセンサ１３の出力信号に所定の微小値（実験により求められた値でよい）を加算するなどして予測できる。
【００３４】
また、クランク角０、クランク角αである測定点での燃焼室容積Ｖ0、Ｖ1は燃焼室容積Ｖ-1と同様、クランク角の関数としてクランク角センサ１７の出力に基づいて演算で求めることができる。そして、そのときのシリンダ内圧Ｐ0、Ｐ1は、ポリトロープ変化を考慮して、Ｐ0＝Ｐ-1×（Ｖ-1/Ｖ0）ｍ  …（式４）、 Ｐ1＝Ｐ0×（Ｖ0/Ｖ1）ｍ  …（式５）により算出することができる。ここで使用するポリトロープ指数ｍは予め実験により決定しておく。こうして得られたシリンダ内圧Ｐ-1、Ｐ0、Ｐ1を使用して前記連立方程式を解くことができる。
【００３５】
連立方程式を解いて感度補正係数Ａならびにオフセット量Ｂ、Ｄを算出したならば、これらを使用した「式１」、「式３」により、任意のサンプリングタイミングにおける圧力センサ１１の検出出力を補正して真の圧力Ｐを求めることができる。
【００３６】
なお、前記測定点（クランク角−α）でのシリンダ内圧Ｐ−１をＰＢセンサ１３の出力信号に基づいて推定したが、エンジン１の運転状態を代表するパラメータであれば、このＰＢセンサ１３の出力信号に限らない。
【００３７】
次に、本発明の関連技術を参考に説明する。図８は、圧力センサ１１の、焦電効果によるドリフトを含む検出出力を示す図である。同図に示すように、圧力センサ１１の検出出力はドリフトを有するので、このドリフトの蓄積を防止するため、予定の時点でドリフトをキャンセルするリセット操作を行う。
【００３８】
図９は、リセット操作を含む圧力センサ１１の検出出力を示す図である。同図に示すように、エンジンの１サイクル毎に、予定のリセットタイミングＲＴで圧力センサ１１の検出出力をゼロにリセットする。そして、このリセット操作前後の検出出力の差ΔＳに基づき、次式を使用してクランク角１度あたりの焦電量PEを算出する。PE＝ΔＳ/７２０…（式６）。なお、リセットタイミングＲＴは、リセット前後で圧力センサ１１の検出出力を読み込む必要から、シリンダ内圧の安定する吸気行程に設定される。
【００３９】
上記焦電量を考慮すると、リセットタイミングＲＴを基準としたクランク角θに対応するドリフトを補正した真のシリンダ内圧Ｐは、次式により算出される。
Ｐ＝Ｓ−ΔＳ/７２０×θ…（式７）。
【００４０】
図１０は、参考技術における圧力センサ１１の、出力補正のためのＥＣＵ１８の要部機能を示すブロック図である。同図において、圧力センサ１１の検出出力はチャージアンプ２８で増幅された後、センサ出力補正部２９に入力される。センサ出力補正部２９は、焦電量算出部３０で算出されるクランク角１度あたりの焦電量PEにより、前記「式７」を使用して圧力センサ１１の出力に含まれるドリフトを解消するよう、チャージアンプ２８の出力を補正する。
【００４１】
リセットタイミング検出部３１はクランク角センサ１７の出力に基づいて、予定のリセットタイミング、すなわち吸気行程の予定のクランク角であるか否かを判別する。予定のリセットタイミングになったときに、リセット信号resetを出力してチャージアンプ２８の出力をゼロにリセットする。
【００４２】
焦電量算出部３０にはチャージアンプ２８の出力信号が供給されていて、リセット信号resetが入力されると、その時点でチャージアンプ２８からの入力は禁止される。すなわち、リセット信号resetが入力される直前のチャージアンプ２８の出力信号が焦電量算出部３０に保持される。この保持された信号は、エンジンの１サイクルでの焦電量（ドリフト）であり、焦電量算出部３０は、このドリフトを表す値ΔＳにより、前記「式６」を使用して、クランク角１度あたりの焦電量PEを算出する。焦電量PEはセンサ出力補正部２９に供給される。リセット信号resetはリセットタイミングを過ぎたときに消滅する。
【００４３】
なお、チャージアンプ２８は、公知のものを使用できるので、詳細な構成の説明は省略する。例えば、特開平４−２９２５５５号公報に開示されたチャージアンプを使用することができる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、オフセット量だけでなく、圧力センサの感度補正係数をも考慮して圧力センサの検出信号を補正することができる。すなわち、圧力センサの出力ドリフトの補正係数を算出し、この補正係数により圧力センサによる筒内圧検出信号のドリフトをクランク角に対応して補正することができる。したがって、サイクル内のドリフトも解消させることができる。
【００４５】
また、本発明によれば、算出筒内圧として吸気管内圧を利用し、簡便に補正値を算出することができる。
【００４７】
このように、本発明によれば、圧力センサで検出された筒内圧を、正確に補正して真の筒内圧を検出することができる。特に、１サイクル内のドリフトを簡便に解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の前提技術となる筒内圧検出装置の要部機能ブロック図である。
【図２】 本発明の前提技術となる筒内圧検出装置を含む内燃機関の要部構成を示す図である。
【図３】 圧力センサの取り付け態様を示すシリンダヘッドの要部断面図である。
【図４】 本発明の前提技術におけるシリンダ内圧と燃焼室容積との関係を示す指圧線図である。
【図５】 真のシリンダ内圧と圧力センサの検出出力との関係を示す図である。
【図６】 クランク角とシリンダ内圧との関係を示す図である。
【図７】 本発明におけるシリンダ内圧と燃焼室容積との関係を示す指圧線図である。
【図８】本発明の関連技術におけるドリフトを有する圧力センサの検出出力の変化を示す図である。
【図９】本発明の関連技術におけるドリフトがリセットされた圧力センサの検出出力の変化を示す図である。
【図１０】 本発明の関連技術に係る筒内圧検出装置の要部機能ブロック図である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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