JP4272540B2 - 内燃機関の筒内圧検出装置 - Google Patents

Description

この発明は内燃機関の筒内圧検出装置に関する。

内燃機関の筒内圧センサとしては圧電素子が用いられているが、圧電素子は一般に焦電効果によって温度に対して出力特性が変化するため、長時間運転を続けていると、センサ出力がドリフトする不都合がある。

また、筒内圧センサは大気圧下での筒内圧を検出するために大気圧が変化すると検出された筒内圧も変化することから、下記に示す従来技術において、吸気管内圧力を検出するセンサの出力を利用し、吸気管内圧力が大気圧に近いクランク角度区間において検出された吸気管内圧力に基づいて検出筒内圧を補正する技術が提案されている。
特開平１１−１９３７４３号公報

しかしながら、吸気バルブには少なからず流体抵抗が存在することから、その前後に圧力差が生じ、筒内圧と吸気管内圧力との間にズレが発生する。特に、この傾向は機関回転数が上昇するにつれて顕著となる。その点、上記した従来技術においては、吸気管内圧力が大気圧に近いクランク角度区間における吸気管内圧力に基づいて筒内圧を補正するに止まっているため、筒内圧の補正精度において必ずしも満足できるものではなかった。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、機関回転数に応じた筒内圧と吸気管内圧力との間のズレを補償すると共に、併せて筒内圧センサに圧電素子を用いるときの焦電効果によるセンサ出力のドリフトを補償し、よって筒内圧を精度良く検出できるようにした内燃機関の筒内圧検出装置を提供することにある。

上記の目的を解決するために、請求項１にあっては、内燃機関の気筒に設けられて筒内圧の変化量を検出し、前記変化量を積分して前記筒内圧を算出する筒内圧算出手段、前記内燃機関の吸気管に設けられて吸気管内圧力を検出する吸気管内圧力検出手段、前記内燃機関のクランク角度を検出するクランク角度検出手段、前記クランク角度検出手段の出力に基づいて前記内燃機関の機関回転数を検出する機関回転数検出手段、前記クランク角度検出手段の出力に基づいて吸気バルブが開弁される所定のクランク角度区間にあるか否か判定するクランク角度区間判定手段、および前記所定のクランク角度区間にあると判定されるとき、前記検出された吸気管内圧力に前記検出された機関回転数が増加するほど減少するように設定される係数を乗じて得た積を前記筒内圧算出手段の算出値とすることで前記算出される筒内圧を補正する筒内圧補正手段を備える如く構成した。

請求項２に係る内燃機関の筒内圧検出装置にあっては、さらに、前記内燃機関の運転状態に応じて前記吸気バルブのリフト量を変更する可変吸排気バルブ機構を備えると共に、前記係数は、前記検出された機関回転数と前記可変吸排気バルブ機構によって変更される前記吸気バルブのリフト量に基づいて算出される如く構成した。

請求項１にあっては、吸気バルブが開弁される所定のクランク角度区間にあると判定されるとき、検出された吸気管内圧力に検出された機関回転数が増加するほど減少するように設定される係数を乗じて得た積を筒内圧算出手段の算出値とすることで算出される筒内圧を補正する如く構成した、即ち、筒内圧算出手段の出力を、吸気管内圧力のみならず、機関回転数に基づいても補正するように構成したので、筒内圧と吸気管内圧力との間にズレが発生し、そのズレが機関回転数に応じて変化するときも、それを良く補償して筒内圧センサの出力を補正することができると共に、併せて、筒内圧センサに圧電素子を用いるときも焦電効果によるセンサ出力のドリフトも補償することができ、よって筒内圧を精度良く検出することができる。

請求項２に係る内燃機関の筒内圧検出装置にあっては、前記係数は、検出された機関回転数と前記可変吸排気バルブ機構によって変更される前記吸気バルブのリフト量に基づいて算出される如く構成したので、上記した効果を一層良く得ることができる。即ち、可変吸排気バルブ機構を備えた内燃機関にあっては、例えば、ごく低負荷運転時のように吸気バルブのリフト量が非常に小さいときは、然らざる場合に比し、そこでの流体抵抗が増加し、同様に筒内圧と吸気管内圧力の差が増大するが、上記の如く、変更される吸気バルブのリフト量に基づいて筒内圧算出手段の出力を補正することで、それを良く補償して筒内圧センサの出力を補正することができ、請求項１で述べた効果に加え、可変吸排気バルブ機構を備えるときも、筒内圧を精度良く検出することができる。

以下、添付図面に即してこの発明に係る内燃機関の筒内圧検出装置を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、この発明の第１実施例に係る内燃機関の筒内圧検出装置を全体的に示す概略図である。

図１において、符号１０は４気筒の内燃機関（以下「エンジン」という。図１に１気筒のみ図示）を示す。エンジン１０の吸気管１２に配置されたスロットルバルブ１４の下流には、絶対圧センサ（吸気管内圧力検出手段）１６が配置され、吸気管内圧力（絶対圧）ＰＢＡに比例する出力を生じる。各気筒の吸気ポートの近傍にはインジェクタ２０が配置される。インジェクタ２０は燃料供給系を介して加圧燃料の供給を受けると共に、ＥＣＵ（電子制御ユニット）２２に電気的に接続され、駆動されて開弁するとき、供給された加圧燃料を噴射する。

各気筒には筒内圧（筒内圧検出手段）センサ２４が配置され、エンジン１０が位置する場所の大気圧に対する相対圧としての筒内圧（気筒内圧力）Ｐｃｙｌ−ｉ（ｉ：気筒）の変化量に相当する出力ｄＰを生じる。筒内圧センサ２４は、図２に示す如く、圧電素子からなるセンサ素子部２４ａと、そのセンサ素子部２４ａから生成された電圧を増幅して出力ｄＰを生じる増幅部２４ｂとからなる。より正確には、筒内圧Ｐｃｙｌ−ｉは後述する如く、この増幅部２４ｂの出力ｄＰをＡ／Ｄ変換して得られた値を積分することで算出される。

同図に示すように、シリンダヘッド２６のネジ孔２６ａには点火プラグ３０がねじ込まれて固定され、筒内圧センサ２４のセンサ素子部２４ａは、シリンダヘッド２６の点火プラグ取り付け座面２６ｂと点火プラグ３０の座金３０ａとの間にワッシャ３０ｂと共に挟まれて圧着固定される。

図１の説明に戻ると、エンジン１０のクランク軸３２の付近にはクランク角センサ（クランク角度検出手段）３４が配置され、所定のクランク角度で基準位置信号を、各気筒のＴＤＣあるいはその付近でＴＤＣ信号を出力すると共に、クランク角度１度ごとのクランク角度信号を出力する。また、エンジン１０の冷却水通路（図示せず）の付近には水温センサ３６が配置され、エンジン冷却水温ＴＷに応じた信号を出力する。

さらに、エンジン１０のシリンダヘッド２６の付近には公知の可変吸排気バルブ機構４０が設けられ、ＥＣＵ２２に制御されてエンジン回転数ＮＥおよび負荷（吸気管内圧力など）ＰＢＡに応じて吸気バルブと排気バルブ（共に図示せず）の開閉タイミング（位相）およびリフト量を変更する。

ＥＣＵ２２は、図３に示す如く、ＣＰＵ２２ａ，ＲＯＭ２２ｂ，ＲＡＭ２２ｃ，Ａ／Ｄ変換器２２ｄ，駆動回路２２ｅ，およびカウンタ２２ｆ，２２ｇを少なくとも備え、それらはバスで相互に接続される。

ＥＣＵ２２において、クランク角センサ３４が出力するクランク角度信号はカウンタ２２ｆ，２２ｇに入力される。カウンタ２２ｆはクランク角度信号の発生間隔をクロックパルスでカウントしてエンジン回転数ＮＥを検出すると共に、カウンタ２２ｇはクランク角度信号をカウントする。

クランク角センサ３４が出力する他の信号および絶対圧センサ１６などの他のセンサの出力はＥＣＵ２２に入力された後、Ａ／Ｄ変換器２２ｄを介してＲＡＭ２２ｃに格納される。カウンタ２２ｇにはクランク角センサ３４が出力する基準位置信号も入力され、その入力がある度、カウント値がリセットされる。

ＣＰＵ２２ａは後述するように筒内圧Ｐｃｙｌ−ｉを補正すると共に、ＲＯＭ２２ｂに格納されたプログラムに従って検出されたエンジン回転数ＮＥと吸気管内圧力ＰＢＡとから所定の特性に従って燃料噴射量を演算し、演算された燃料噴射量に基づいてインジェクタ２０を駆動して燃料を噴射させる。

また、ＣＰＵ２２ａは、検出された筒内圧Ｐｃｙｌ−ｉから最適な燃焼となるように点火時期を演算し、演算された点火時期で点火装置４２を介して点火プラグ３０によって点火させる。さらに、ＣＰＵ２２ａは、エンジン回転数ＮＥと吸気管内圧力ＰＢＡ（負荷）に基づいて可変吸排気バルブ機構４０を制御し、吸、排気バルブの開閉タイミングとリフト量を可変に制御する。

次いで、この内燃機関の筒内圧検出装置の動作を説明する。

図４はその動作を示すフロー・チャートである。この動作は具体的には、ＥＣＵ２２のＣＰＵ２２ａが行う処理であり、所定のクランク角度、例えばクランク角度１度ごとに実行される。

以下説明すると、Ｓ１０において筒内圧センサ２４の出力ｄＰ（圧力変化量）を取り込み、前回（前回の図４フロー・チャートのプログラムループ時）までの筒内圧Ｐｃｙｌ−ｉに加算して今回の筒内圧Ｐｃｙｌ−ｉを算出する。前述の如く、ｉは気筒、例えば４気筒の中の第１気筒を意味する。筒内圧センサ２４は気筒ごとに配置されることから、その出力の補正も気筒ごとに行う。

次いでＳ１２に進み、クランク角度ＣＲＫが、ＣＲＫｍ以上でＣＲＫｎ未満の、あるクランク角度区間にあるか否か判断する。図５にそのクランク角度区間を「ＣＲＫ−Ｐｃｙｌｒｅｓ」と示す。図示の如く、このクランク角度区間ＣＲＫ−Ｐｃｙｌｒｅｓは吸気バルブが開弁される所定のクランク角度区間であり、より具体的には排気バルブが閉弁する直前であると共に、吸気バルブが開弁した直後から吸気バルブが閉弁する直前までの吸入行程にほぼ相当する区間を意味する。

尚、この区間に限定したのは、吸気バルブが開弁していることから、筒内圧が吸気管内圧力に比較的接近するためである。また、Ｓ１２においては、基準位置信号が入力される度にリセットされて１度ごとのクランク角度信号をカウントするカウンタ２２ｇのカウント値から判断する。

Ｓ１２で否定されるときは以降の処理をスキップすると共に、肯定されるときはＳ１４に進み、検出された吸気管内圧力（絶対圧）ＰＢＡとエンジン回転数ＮＥを取り込み、Ｓ１６に進み、取り込んだエンジン回転数ＮＥから図６にその特性を示すテーブルを検索して筒内圧リセット係数ｋＰｃｙｌ−ｉ―ｒｅｓを算出し、Ｓ１８に進み、Ｓ１４で取り込んだ吸気管内圧力ＰＢＡに算出した筒内圧リセット係数ｋＰｃｙｌ−ｉ―ｒｅｓを乗じ、よって得た積を筒内圧Ｐｃｙｌ−ｉとする。換言すれば、検出された吸気管内圧力ＰＢＡとエンジン回転数ＮＥとに基づいて筒内圧センサ２４の出力Ｐｃｙｌ−ｉを補正する。

図６に示す如く、筒内圧リセット係数ｋＰｃｙｌ−ｉ−ｒｅｓは、エンジン回転数ＮＥが零のとき、１．０（補正なし）に設定されると共に、エンジン回転数ＮＥが増加するにつれて減少し、例えば、４０００ｒｐｍにおいて０．７となるように設定される。

これは、吸気バルブの流体抵抗を無視すると、吸気管内圧力ＰＢＡが大気圧にあるとき、筒内圧はほぼ１：１の関係にあって等しいと考えられるが、前記した通り、吸気バルブには少なからぬ流体抵抗が存在することから、その前後に圧力差が生じて筒内圧と吸気管内圧力との間にズレが発生し、そのズレはエンジン回転数ＮＥが上昇するにつれて増加するため、筒内圧リセット係数ｋＰｃｙｌ−ｉ−ｒｅｓはエンジン回転数ＮＥが増加するほど減少するように設定される。

従って、かく設定された筒内圧リセット係数ｋＰｃｙｌ−ｉ−ｒｅｓを検出された吸気管内圧力ＰＢＡに乗じて得た積を筒内圧Ｐｃｙｌ−ｉとする、換言すればエンジン回転数ＮＥと吸気管内圧力ＰＢＡとから筒内圧センサ出力Ｐｃｙｌ−ｉを補正することにより、筒内圧Ｐｃｙｌ−ｉと吸気管内圧力ＰＢＡとの間にズレが発生し、そのズレがエンジン回転数ＮＥに応じて変化するときも、それを良く補償して筒内圧センサ２４の出力を補正することができると共に、併せて、筒内圧センサ２４に圧電素子を用いるときも焦電効果によるセンサ出力のドリフトも補償することができ、よって筒内圧Ｐｃｙｌ−ｉを精度良く検出することができる。

尚、上記において、Ｓ１２で肯定される度にＳ１４以降に進んでセンサ出力の補正（筒内圧の補正）が実行されるようにしたが、１回のみ実行するようにしても良く、あるいは筒内圧リセット係数ｋＰｃｙｌ−ｉ−ｒｅｓが複数個得られたとき、その平均値を求め、求めた平均値により筒内圧を補正するようにしても良い。

次いで、この発明の第２実施例に係る内燃機関の筒内圧検出装置の動作を説明する。

図７はその動作を示すフロー・チャートであり、第１実施例の図４に類似する図である。

第１実施例と相違する点に焦点をおいて説明すると、Ｓ１００からＳ１０４において図４フロー・チャートのＳ１０からＳ１４までと同様の処理を経た後、Ｓ１０６に進み、第１実施例で述べたと同様な筒内圧リセット係数ｋＰｃｙｌ−ｉ−ｒｅｓを算出する。第２実施例において、この係数は、エンジン回転数ＮＥと可変吸排気バルブ機構４０によって変更される吸気バルブのリフト量から図８にその特性を示すテーブルを検索して算出する。

次いで、Ｓ１０８に進み、Ｓ１０４で取り込んだ吸気管内圧力ＰＢＡに算出した筒内圧リセット係数ｋＰｃｙｌ−ｉ―ｒｅｓを乗じ、よって得た積を筒内圧Ｐｃｙｌ−ｉとする。換言すれば、検出された吸気管内圧力ＰＢＡとエンジン回転数ＮＥと可変吸排気バルブ機構４０によって変更される吸気バルブのリフト量とに基づいて筒内圧センサ２４の出力Ｐｃｙｌ−ｉを補正する。

図８に示す如く、筒内圧リセット係数ｋＰｃｙｌ−ｉ−ｒｅｓは、図６に示す筒内圧リセット係数ｋＰｃｙｌ−ｉ−ｒｅｓの特性と同様、エンジン回転数ＮＥが零のとき、１．０（補正なし）に設定されると共に、エンジン回転数ＮＥが増加するにつれて減少し、例えば、４０００ｒｐｍにおいて０．９から０．７の間となるように、即ち、変更されるリフト量が増加するにつれて増加するように設定される。

これは、前記した如く、可変吸排気バルブ機構４０を備えたエンジン１０にあっては、例えば、ごく低負荷運転時のように吸気バルブのリフト量が非常に小さいときは、然らざる場合に比し、そこでの流体抵抗が増加し、同様に筒内圧と吸気管内圧力の差が増大するためである。

従って、かく設定された筒内圧リセット係数ｋＰｃｙｌ−ｉ−ｒｅｓを吸気管内圧力ＰＢＡに乗じて得た積を筒内圧Ｐｃｙｌ−ｉとすることにより、エンジン回転数ＮＥの変動に関わらず、筒内圧Ｐｃｙｌ−ｉと吸気管内圧力ＰＢＡのズレを補償することができると共に、リフト量の変更に関わらず、筒内圧と吸気管内圧力のズレも補償することができる。その結果、可変吸排気バルブ機構４０を備えるときも、筒内圧を精度良く検出することができる。また、筒内圧センサ２４に圧電素子を用いるときも焦電効果によるセンサ出力のドリフトを補償して筒内圧を精度良く検出することができる点は、第１実施例と同様である。

上記の如く、この実施例においては、内燃機関（エンジン）１０の気筒に設けられて筒内圧の変化量を検出し、前記変化量を積分して前記筒内圧を算出する筒内圧算出手段（筒内圧センサ２４，ＥＣＵ２２）、前記内燃機関の吸気管１２に設けられて吸気管内圧力ＰＢＡを検出する吸気管内圧力検出手段（絶対圧センサ１６，ＥＣＵ２２）、前記内燃機関のクランク角度を検出するクランク角度検出手段（クランク角センサ３４，ＥＣＵ２２）、前記クランク角度検出手段の出力に基づいて前記内燃機関の機関回転数（エンジン回転数）ＮＥを検出する機関回転数検出手段（ＥＣＵ２２，カウンタ２２ｆ）、前記クランク角度検出手段の出力に基づいて吸気バルブが開弁される所定のクランク角度区間にあるか否か判定するクランク角度区間判定手段（ＥＣＵ２２，Ｓ１２，Ｓ１０２）、および前記所定のクランク角度区間にあると判定されるとき、前記検出された吸気管内圧力に前記検出された機関回転数が増加するほど減少するように設定される係数ｋＰｃｙｌ−ｉ−ｒｅｓを乗じて得た積を前記筒内圧算出手段の算出値とすることで前記算出される筒内圧を補正する筒内圧補正手段（ＥＣＵ２２，Ｓ１４からＳ１８，Ｓ１０４からＳ１０８）を備える如く構成した。

さらに、前記内燃機関の運転状態に応じて前記吸気バルブのリフト量を変更する可変吸排気バルブ機構４０を備えると共に、前記係数は、前記検出された機関回転数と前記可変吸排気バルブ機構によって変更される前記吸気バルブのリフト量に基づいて算出される（ＥＣＵ２２，Ｓ１０４からＳ１０８）如く構成した。

尚、上記において、筒内圧センサとして、出力を積分することで筒内圧を検出するようなタイプのセンサを使用したが、この発明はそれに限られるものではなく、積分出力を生じる、換言すれば、出力そのものが直ちに筒内圧に比例する値を示すような筒内圧センサを用いても良い。

また、上記において火花点火式のガソリンエンジンを例にとって説明したが、この発明はディーゼルエンジンにも妥当する。

さらに、車両用のエンジンを例にとって説明したが、この発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶用推進機関用エンジンにも適用が可能である。

この発明の第１実施例に係る内燃機関の筒内圧検出装置を全体的に示す概略図である。 図１に示す筒内圧センサのセンサ素子部の取り付けを示す説明断面図である。 図１に示すＥＣＵ（電子制御ユニット）の構成を詳細に示す説明ブロック図である。 図１に示す装置の動作を示すフロー・チャートである。 図４の処理で使用される所定のクランク角度区間を示す説明図である。 図４の処理で使用される筒内圧リセット係数の特性を示す説明グラフである。 この発明の第２実施例に係る内燃機関の筒内圧検出装置の動作を示す、図４と同様のフロー・チャートである。 図７の処理で使用される筒内圧リセット係数の特性を示す説明グラフである。

符号の説明

１０ エンジン（内燃機関）
１２ 吸気管
１６ 絶対圧センサ（吸気管内圧力検出手段）
２２ ＥＣＵ（電子制御ユニット）
２４ 筒内圧センサ（筒内圧検出手段）
３４ クランク角センサ（クランク角度検出手段）
４０ 可変吸排気バルブ機構

Claims (2)

1. ａ．内燃機関の気筒に設けられて筒内圧の変化量を検出し、前記変化量を積分して前記筒内圧を算出する筒内圧算出手段、
   ｂ．前記内燃機関の吸気管に設けられて吸気管内圧力を検出する吸気管内圧力検出手段、
   ｃ．前記内燃機関のクランク角度を検出するクランク角度検出手段、
   ｄ．前記クランク角度検出手段の出力に基づいて前記内燃機関の機関回転数を検出する機関回転数検出手段、
   ｅ．前記クランク角度検出手段の出力に基づいて吸気バルブが開弁される所定のクランク角度区間にあるか否か判定するクランク角度区間判定手段、
   および
   ｆ．前記所定のクランク角度区間にあると判定されるとき、前記検出された吸気管内圧力に前記検出された機関回転数が増加するほど減少するように設定される係数を乗じて得た積を前記筒内圧算出手段の算出値とすることで前記算出される筒内圧を補正する筒内圧補正手段、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の筒内圧検出装置。
2. さらに、
   ｇ．前記内燃機関の運転状態に応じて前記吸気バルブのリフト量を変更する可変吸排気バルブ機構、
   を備えると共に、前記係数は、前記検出された機関回転数と前記可変吸排気バルブ機構によって変更される前記吸気バルブのリフト量に基づいて算出されることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の筒内圧検出装置。

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