JP3165771B2

JP3165771B2 - エンジンの運転状態検出装置

Info

Publication number: JP3165771B2
Application number: JP35311393A
Authority: JP
Inventors: 昌和須貝; 昭出水; 秀昭片柴; 仁志井上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1993-12-28
Filing date: 1993-12-28
Publication date: 2001-05-14
Anticipated expiration: 2016-05-14
Also published as: JPH07197844A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、自動車に搭載さ
れた内燃機関の燃料噴射と点火時期制御を行うに際し、
特に燃焼室内の圧力（以下、筒内圧と称す）から燃料噴
射量と点火時期を演算し、空燃比及び点火時期を制御す
る際に必要な充填効率の演算、エンジンの定常、過渡の
判定等、エンジンの運転状態を検出する検出方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】筒内圧センサを用いた従来のエンジン運
転状態検出装置の例としては、種々のものがあるが、こ
こでは特願平３−３２３１０５号公報に開示されている
ものについて説明する。これは、エンジンの運転状態を
求めるために必要な所定のクランク角位置をクランク角
センサからの単位パルス（例えば１度信号または２度信
号）を計算して所定のクランク角位置を求め、筒内圧よ
りエンジンの運転状態を検出するものである。

【０００３】図１０は従来のエンジン制御装置を示す構
成図である。９１は４気筒エンジン本体であり、９１１
〜９１４に示す各シリンダに９１５〜９１８に示す燃焼
室内の圧力を計測する筒内圧センサが配設されている。
また、エンジン本体９１には図示しないクランクシャフ
トに接続されるリングギア９３に、各気筒の予め設定さ
れたエンジンの回転に同期する気筒識別信号とクランク
角を検出するクランク角センサ９４が設けられている。
このクランク角センサ９４はクランク角の基準単位毎に
基準位置パルス（４気筒エンジンは１８０度毎、６気筒
エンジンは１２０度毎）を出力し、また、単位角度毎
（例えば１度毎または２度毎）に単位角度信号を出力
し、制御装置９２(ＥＣＵ；マイクロコンピュータ内蔵)
においてクランク角センサ９４からの信号である単位信
号を計算してクランク角の位置を検出し、各筒内圧セン
サ９１５〜９１８の圧力値を演算しエンジンの運転状態
を検出するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のエンジン運転状
態検出装置におけるクランク角検出装置は、以上のよう
に構成されているので、筒内圧を圧縮行程中の所定の２
点間のクランク角位置を検出、または吸気行程中の所定
のクランク角位置を検出するには、クランク角センサに
よる単位角パルス信号（１度毎、又は２度毎）の制御装
置９２内部での計算が不可欠となる。この計算を行うた
め、制御装置９４内部のプログラムは、単位パルス信号
が１度毎の場合クランク角が１度変化する毎に、単位パ
ルス信号が２度毎の場合クランク角２度変化する毎に、
割り込み処理を実施しなければならずプログラムを複雑
化させているという問題点があった。

【０００５】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、圧縮行程中の所定の２点間のク
ランク角位置、吸気行程中の所定のクランク角位置、又
は点火時期に対応するクランク角位置を同一のクランク
角センサを用いて検出することによりセンサの機構を単
純化し安価なクランク角検出手段を用いたエンジンの運
転状態検出装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明に係
るエンジンの運転状態検出装置は、複数の気筒を有する
エンジンの回転に同期してエンジン燃焼室内の圧力（筒
内圧）を検出する圧力検出手段と、この圧力検出手段に
より圧力を検出する、圧縮行程中の少なくとも所定の２
点のクランク角位置、及び吸気行程中の所定のクランク
角位置を単位角度の検出によらず直接検出するクランク
角検出手段と、前記クランク角位置間の筒内圧力差を検
出してエンジンの充填効率を演算する充填効率演算手段
を備え、前記充填効率の演算をクランク角の所定周期毎
に処理すると共に、吸気行程中の圧力に基づいて吸気行
程中の平均圧力を演算し、この平均圧力によりエンジン
の運転状態を検出することを特徴とする。

【０００７】請求項１の発明においては、圧縮行程中の
２点のクランク角の位置、及び吸気行程中の所定のクラ
ンク角の位置を直接検出するクランク角検出手段を備
え、このクランク角検出手段の出力信号に基づいて筒内
圧センサからの圧力情報を検出し、エンジンの充填効
率、及び吸気行程中の平均圧力を演算処理することによ
り、エンジンの運転状態の検出を容易にする。

【０００８】請求項２記載の発明に係るエンジンの運転
状態検出装置は、複数の気筒を有するエンジンの回転に
同期してエンジン燃焼室内の圧力（筒内圧）を検出する
圧力検出手段と、この圧力検出手段により圧力を検出す
る圧縮行程中の少なくとも所定の２点のクランク角位
置、吸気行程中の所定のクランク角位置、エンジンの各
気筒への点火時期を制御するクランク角位置とを単位角
度の検出によらず直接検出するクランク角検出手段と、
前記クランク角位置間の筒内圧力差を検出してエンジン
の充填効率を演算する充填効率演算手段を備え、前記充
填効率の演算をクランク角の所定周期毎に処理すると共
に、吸気行程中の圧力に基づいて吸気行程中の平均圧力
を演算し、この平均圧力によりエンジンの運転状態を検
出し、また点火時期を検出することを特徴とする。

【０００９】請求項２の発明においては、圧縮行程中の
少なくとも２点のクランク角の位置、吸気行程中の所定
のクランク角の位置、エンジンの各気筒への点火時期を
検出するためのクランク角の位置を直接検出するクラン
ク角検出手段を備え、前記クランク角検出手段からの出
力信号に基づき、筒内圧力センサからの圧力情報を演算
処理したり、点火時期を検出したりするので、エンジン
の運転状態の検出が容易になると共に、クランク角検出
手段のシンプル化が図れる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、この発明を図に基づいて説
明する。図１はこの発明の機能ブロック図である。図１
において、Ｍ１は複数の気筒を有するエンジン、Ｍ２は
エンジンＭ１の各気筒に装着され、クランク角検出手段
Ｍ３の出力信号に基づいて各気筒の所定のクランク角で
のシリンダ内圧力（筒内圧）を検出する筒内圧検出手
段、Ｍ３はエンジンＭ１に接続されたクランク角検出手
段、Ｍ４は筒内圧検出手段Ｍ２とクランク角検出手段Ｍ
３からの情報によりエンジンの運転状態を検出するエン
ジン運転状態検出手段である。このエンジン運転検出手
段Ｍ４は、エンジンＭ１の各気筒に充填される空気量を
演算検出する充填効率検出手段Ｍ４１、エンジンＭ１の
定常、加速、減速等の運転状態を検出するエンジン定常
・過渡検出手段Ｍ４２により構成されている、Ｍ５はエ
ンジンの運転状態検出手段Ｍ４からの出力情報により、
エンジンＭ１の気筒毎の空燃比、点火制御時期等を演算
し、空燃比の調整、点火時期の調整等を行うエンジン制
御手段である。

【００１１】図２は図１を具体化した概略断面図であ
る。図において、１は吸入空気を浄化するエアークリー
ナ、２は吸入空気量を計測するエアーフローメータ、３
はスロットル弁、４は吸気マニホールド、５はシリン
ダ、６は機関の冷却水温を検出する水温センサ、７はカ
ム軸に取り付けられたディストリビュータであり、その
内部に図示しない点火時期を制御する第１のクランク角
センサが内蔵されている。８は排気マニホールド、９は
排気ガス成分濃度（例えば酸素濃度）を検出する排気セ
ンサ(例えばＯ₂センサ)、１０は燃料を噴射するインジ
ェクタ、１１はシリンダ５内の燃料と空気の混合気に対
して点火する点火プラグ、１２はシリンダ５内の燃焼圧
力を検出する筒内圧センサであり、その圧力検出部は例
えば金属製ダイヤフラム内に封入したシリコンオイル等
を介して圧力変換素子(半導体圧力センサ、圧電素子等)
が接続されている。１３はクランク軸に取り付けられた
プレートで、外周に図示しない筒内圧制御に必要な信号
を発生する信号歯が設けてある。１４はマグネティック
ピックアップ方式の第２のクランク角センサ、１５は制
御装置(ＥＣＵ)であり、内部には第２のクランク角セン
サ１４の出力の図示しない波形整形回路が含まれてい
る。

【００１２】図３は同じく図１を具体化した概略構成図
である。図において、エンジン本体１００は気筒＃１，
＃２，＃３，＃４を有する４気筒の例を示しており、シ
リンダヘッド１０１には筒内圧センサ１２と点火プラグ
１１が各気筒に配設されており、各気筒に連通する吸気
ポートにインジェクタ１０が設置されている。また、エ
ンジン本体１００のクランクシャフトには、各気筒の予
め設定されたクランク角を検出する第２のクランク角セ
ンサ１４が設けられ、シリンダヘッド１０１内のカム軸
に連動する第１のクランク角センサ７０は、クランク角
の基準位置毎に気筒識別信号と点火制御用の点火周期信
号を発生する。制御装置(ＥＣＵ)１５は、例えばＣＰ
Ｕ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器、入出力等を有する
マイコン１６と、入力インターフェース(入力Ｉ／Ｆ)１
７と、出力インターフェース(出力Ｉ／Ｆ)１８等から構
成されており、この制御装置１５の入力Ｉ／Ｆ１７には
筒内圧センサ１２、クランク角センサ１４,７０、空燃
比センサ９等からの信号が入力され、この入力信号に基
づき所定の演算を行ってうエンジンの運転状態が検出さ
れ、制御装置１５の出力Ｉ／Ｆ１８を介してインジェク
タ１０、点火プラグ１１へ燃料噴射信号、点火信号を出
力し、空燃比及び点火時期等を制御する。

【００１３】発明の前提技術１．次に、この発明の前提技術１の動作原理について説明す
る。図４(ａ)は４ストローク４気筒エンジンの筒内圧の
波形を点火順序に従って上から＃１気筒、＃３気筒、＃
４気筒、＃２気筒と図示したものである。各図の横軸は
クランク角度であり、縦軸は各気筒の筒内圧〔Kg/cm²〕
を表している。図４(ｂ)はディストリビュータ７内に設
置された第１のクランク角センサ７０の出力波形を示
し、点火周期信号は例えば各気筒の圧縮の上死点（以下
ＴＤＣと称す）前６度を基準にして１８０度の周期で、
例えば１１０度のＬｏｗ区間（以下Ｌと称す）と７０度
のＨｉｇｈ区間（以下Ｈと称す）に振り分けられてい
る。気筒識別信号は＃１気筒のみに重なるタイミングで
Ｈ区間を出力し、これを参照して図示しない点火コイル
の通電を制御する。

【００１４】図４(ｃ)は第２のクランク角センサ１３に
より検出される出力信号であり、次に、このΔＰ計測用
クランク角センサ出力波形について説明する。この波形
は、筒内圧より内燃機関の吸入空気量の検出に用いる基
本信号である。即ち、圧縮行程中の所定の２点のクラン
ク角センサの信号に同期して筒内圧力差ΔＰを演算し、
この筒内圧力差ΔＰをエンジンの基準状態で得られる基
準筒内圧力差で正規化し、任意の基準状態における基準
充填効率で演算して充填効率を求め、エンジンの制御を
行うものである。なお、これら筒内圧力差を正規化して
充填効率を求める手法は、発明者らが提案した特願平５
−１５６９４２号に詳しく説明されている。

【００１５】ここで、上記圧縮行程中の所定の２点を、
図５に示すように、θ１がＴＤＣ前９０度（以下ＢＴＤ
Ｃ９０°と称す）、θ２がＴＤＣ前４０度（ＢＴＤＣ４
０°と称す）なるようにすると、筒内圧力差ΔＰは下記
の(1)式で与えられる。

【００１６】 ΔＰ＝Ｐ（θ２）−Ｐ（θ１）・・・・・(1)

【００１７】そして、ここでは、上記クランク角θ１、
θ２の位置を点火順序（＃１気筒→＃３気筒→＃４気筒
→＃２気筒）に従って直接信号として検出するため、所
定形状(後述)のプレート１３を図２に示すクランク軸に
取り付け、このプレート１３に対向するクランク角セン
サ１４により、プレート１３の図示しない凹凸を検知し
て図４(ｃ)に示す筒内圧制御の基本波形を生成するよう
にする。

【００１８】図６(ａ)は図４(ｃ)に示す出力波形を生成
するプレート１３の形状の一例である。４サイクルエン
ジンにおいて各気筒が各１回爆発する周期を１サイクル
とすると、１サイクル間にクランク軸は２回転するの
で、＃１気筒と＃４気筒、又は＃３気筒と＃２気筒は、
プレート１３の同一区間の形状により信号を発生する。
図６(ｂ)は現行の気筒識別信号であり、図２のディスト
リビュータ７内の第１のクランク角センサ７０から発生
する。図６(ｃ)はマグネティクピックアップ方式のクラ
ンク角センサ１４からの出力波形であり、波形整形した
ものが図６(ｄ)に示される。例えば図６(ｄ)の波形にお
いて波形がＨからＬに変化するタイミングで筒内圧を計
測すれば、図２及び図３の制御装置１５において上記
(1)式に示す筒内圧力差ΔＰを演算してエンジンの運転
状態を示す充填効率が容易に算出できる。また、図６
(ｃ)の波形より図示しない回路により図６(ｅ)の波形を
作ることができる。

【００１９】発明の前提技術２．次に、この発明の前提技術２について説明する。図７は
各気筒の吸気行程中の平均圧力を計測するために設置さ
れるプレート１３の形状及びクランク角センサ１４によ
り出力される信号を示したものである。ここでは、吸入
行程中の３箇所の筒内圧を計測するようにし、クランク
角の計測位置はＢＴＤＣ１４０°、１３０°、１２０°
とする。なお、上記では吸入行程中の３箇所のポイント
を計測したが、ポイント数の増減、クランク角の位置は
任意に決定して良い。

【００２０】図７(ａ)は吸気行程中の３箇所の筒内圧を
計測するタイミングを発生するプレートの形状の一例で
ある。実施の形態１と同様、エンジン１サイクル間にク
ランク軸は２回転するので、＃１と＃４気筒または、＃
３と＃２気筒はプレートの同一区間の形状により信号を
発生する。図７(ｂ)は現行の気筒識別信号で図２及び図
３のディストリビュータ７内のクランク角センサ７０か
ら発生する。図７(ｃ)がマグネティクピックアップ方式
のクランク角センサ１４からの出力波形で、波形整形し
たものが図７(ｄ)に示される。例えば、図７(ｄ)の波形
において波形がＨからＬに変化するタイミングにて筒内
圧を計測すれば、各気筒の吸気行程中の３ポイントの筒
内圧が計測することができ、制御装置１５で演算するこ
とにより吸気行程中の平均圧力を演算し、エンジンの定
常、過渡等の運転状態を検出することができる。

【００２１】発明の実施の形態１．次に、この発明の実施の形態１について説明する。この
発明の実施の形態１は、上記前提技術１と前提技術２を
組み合わせたものである。図８(ａ)は本実施の形態のク
ランク軸に設置されたプレート１３を示したもので、圧
縮行程中の任意の２点間の筒内差圧であるΔＰの計測用
のピックアップ用突起、及び吸気行程中の平均圧力計測
用のピックアップ用突起が形成されており、クランク角
センサ１４により所定クランク角が検出されるようにな
っている。なお前提技術１及び２同様、エンジン１サイ
クル間にクランク軸は２回転するので、＃１気筒と＃４
気筒、又は＃３気筒と＃２気筒はプレート１３の同一区
間の同一突起形状により信号を発生することができる。
この実施の形態では、プレート１３の突起はΔＰ計測用
としてＢＴＤＣ４０°及び９０°の位置に、吸気行程中
の平均圧力検出用としてＢＴＤＣ１２０°,１３０°,１
４０°の位置に形成している。図８(ｂ)は現行の気筒識
別信号であり、図２及び図３のディストリビュータ７内
のクランク角センサ７０から発生する。図８(ｃ)はマグ
ネティクピックアップ方式のクランク角センサ１４から
発生する出力波形であり、それを波形整形したものが図
８(ｄ)である。なお、その動作は前提技術１及び２と同
様であるので説明を省略する。

【００２２】発明の実施の形態２．次に、実施の形態２として、エンジンの運転状態を検出
するクランク角センサと、点火を制御する点火制御信号
を発生するクランク角センサを組み合わせた技術を説明
する。図９(ａ)に示すのがクランク軸に取付けられたホ
ール素子を用いたクランク角センサのプレート１３の形
状で、このプレート１３には所要の信号を発生させるた
め所定位置に穴があけられ、図示しない発光ダイオー
ド、フォトダイオードにより光の通過、遮断を検出して
信号を発生させる。

【００２３】本実施の形態のクランク角センサのプレー
ト１３は、その中心に最も近い円周(ィ)上に点火周期信
号を発生する穴を、円周上(ロ)にΔＰ計測用の穴を、円
周上(ハ)に吸気行程中の圧力計測用の穴を設置した。点
火周期信号は図９(ｃ)に示すように例えば各気筒の圧縮
行程のＢＴＤＣ６度を基準にして１８０度の周期で、例
えば１１０度のＬ区間と７０度のＨ区間に振り分けられ
ており、この点火周期信号と、図９(ｂ)に示すディスト
リビュータ７内のクランク角センサ７０により発生する
＃１気筒のみに重なるタイミングでＨ区間を出力する気
筒識別信号を参照して図示しない点火コイルの通電を制
御する。図９(ｄ)(ｅ)の波形は、それぞれΔＰ計測用の
信号、吸気行程中の圧力計測用の信号であり、前提技術
１及び２と同様である。

【００２４】その他の実施の形態．上記実施の形態では、エンジンの運転状態を検出するた
めのクランク角センサの出力として、エンジン圧縮行程
中の２点間の筒内差圧を計測するタイミング、及び吸気
行程中の３点の圧力を計測するタイミングの実施の形態
について説明したが、その他にエンジンの運転状態を検
出するために必要とするタイミングがあればプレートの
形状を変更して所要のクランク角のタイミングが発生す
ることにより、所定のクランク角の筒内圧よりエンジン
の運転状態を検出することができる。

【００２５】また、上記実施の形態では、エンジンの運
転状態を検出するためのクランク角センサをクランク軸
に取り付け、マグネティクピックアップ方式でプレート
の形状を検出して信号を発生していたが、リングギアの
円周上に所要の信号が発生するように信号歯を設けても
良い。また、クランク角センサはホール素子を用いたも
のにしても良く、クランク角センサの取り付け位置は図
示しないカムシャフトや、図２のディストリビュータ７
内に取り付けてもよい。

【００２６】また、実施の形態２ではエンジンの運転状
態を検出し、かつ点火を制御するクランク角センサをク
ランク軸に取り付け、ホール素子方式のクランク角セン
サで形状を検出し信号を発生したが、リングギアの円周
上に所要の信号が発生するように信号歯を設けても良
い。また、クランク角センサはマグネティクピックアッ
プ方式を用いたものにしてもよい。更に、クランク角セ
ンサの取り付け位置は図示しないカムシャフトや、図２
のディストリビュータ７内に取り付けても、上記実施の
形態と同様の効果を奏する。

【００２７】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、エンジ
ンの運転状態を検出するための所定クランク角位置、す
なわち圧縮行程中の少なくとも所定の２点のクランク角
位置、吸気行程中の所定のクランク角位置、及びエンジ
ンの各気筒への点火時期を制御するクランク角位置を直
接検出するクランク角検出手段を設け、このクランク角
検出手段からの出力信号に基づき、筒内圧力センサから
の圧力情報を演算処理したり、点火時期を検出したりす
るので、エンジンの運転状態の検出が容易になると共
に、クランク角検出手段のシンプル化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態に係るエンジンの運転
状態検出装置を示す機能ブロック図である。

【図２】この発明の実施の形態に係るエンジンの概略
断面図である。

【図３】この発明の実施の形態に係るエンジンの概略
構成図である。

【図４】この発明の前提技術１の動作を説明するため
のタイムチャート図である。

【図５】この発明の前提技術１の動作説明に供するた
めの筒内圧図である。

【図６】この発明の前提技術１に係る回転センサ及び
そのタイムチャート図である。

【図７】この発明の前提技術２に係る回転センサ及び
そのタイムチャート図である。

【図８】この発明の実施の形態１に係る回転センサ及
びそのタイムチャート図である。

【図９】この発明の実施の形態２に係る回転センサ及
びタイムチャート図である。

【図１０】従来のエンジンの運転状態検出装置を示す
構成図である。

【符号の説明】

Ｍ１エンジン、Ｍ２筒内圧検出手段、Ｍ３クラン
ク角検出手段、Ｍ４エンジンの運転状態検出手段、Ｍ４
１充填効率検出手段、Ｍ４２エンジンの定常過渡検
出手段、Ｍ５エンジン制御手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者井上仁志尼崎市塚口本町８丁目１番１号三菱電機株式会社産業システム研究所内 (56)参考文献特開平５−125986（ＪＰ，Ａ) 特開平２−238149（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02D 41/00 - 45/00 395

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の気筒を有するエンジンの回転に同
期してエンジン燃焼室内の圧力（筒内圧）を検出する圧
力検出手段と、この圧力検出手段により圧力を検出す
る、圧縮行程中の少なくとも所定の２点のクランク角位
置、及び吸気行程中の所定のクランク角位置を単位角度
の検出によらず直接検出するクランク角検出手段と、前
記クランク角位置間の筒内圧力差を検出してエンジンの
充填効率を演算する充填効率演算手段を備え、前記充填
効率の演算をクランク角の所定周期毎に処理すると共
に、吸気行程中の圧力に基づいて吸気行程中の平均圧力
を演算し、この平均圧力によりエンジンの運転状態を検
出することを特徴とするエンジンの運転状態検出装置。
【請求項２】複数の気筒を有するエンジンの回転に同
期してエンジン燃焼室内の圧力（筒内圧）を検出する圧
力検出手段と、この圧力検出手段により圧力を検出する
圧縮行程中の少なくとも所定の２点のクランク角位置、
吸気行程中の所定のクランク角位置、エンジンの各気筒
への点火時期を制御するクランク角位置とを単位角度の
検出によらず直接検出するクランク角検出手段と、前記
クランク角位置間の筒内圧力差を検出してエンジンの充
填効率を演算する充填効率演算手段を備え、前記充填効
率の演算をクランク角の所定周期毎に処理すると共に、
吸気行程中の圧力に基づいて吸気行程中の平均圧力を演
算し、この平均圧力によりエンジンの運転状態を検出
し、また点火時期を検出することを特徴とするエンジン
の運転状態検出装置。