JP2005133694A

JP2005133694A - エンジンの作動状態測定方法

Info

Publication number: JP2005133694A
Application number: JP2003373516A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Tsuchiya; 一雄土屋; Tsunemichi Kahane; 常道賀羽
Original assignee: Tsukasa Sokken Co Ltd
Current assignee: Tsukasa Sokken Co Ltd
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【課題】圧力センサを使用せずに指圧信号を取り出すことができる信号検出手段を提供する
【解決手段】エンジン構造物の挙動を検出するセンサを燃焼室の燃焼ガスとは非接触にエンジン構造物に取り付け、センサからの信号を用いて筒内圧力の指圧波形瞬時値を得る。燃焼室内の燃焼ガスに接触する圧力センサを使用せず、燃焼ガスと非接触の力センサ、ギャップセンサ、加速度センサをエンジン構造物に取り付けて、筒内圧力と相関関係にあるエンジン構造物の挙動に関する信号から燃焼室内圧力を求めるので、圧力センサをシリンダヘッドに取り付ける必要をなくし、筒内圧力の導出ひいては図示平均有効圧の導出を容易にする。
【選択図】図１

Description

この発明はエンジンの状態測定方法及び測定装置に関するもので、特に自動車用エンジンにおける筒内圧力を簡易的に計測する技術に関するものである。

半導体技術の飛躍的な発展に伴い、自動車用エンジンのコンピュータ制御が広く行われるようになっている。このようなコンピュータ制御の一つの目的は燃費を改善することにあり、そのためにはエンジンを稀薄限界になるべく近い状態で運転することが必要である。

しかし、そのようなエンジン制御を行おうとするとき、制御目標である稀薄限界そのものが回転速度、負荷、大気状態などによって悪化するため、制御が困難であるという問題がある。また、稀薄限界を超えると、燃焼変動や失火の増加によってドライバビリティや排気特性が急激に変化することも大きな問題である。したがって、従来のような空燃比のみに着目したエンジン制御では制御目標を稀薄限界よりも過濃側に設定しており、高精度の制御は行われていないことが多い。

このため、ドライバビリティや排気特性をある水準に保ちながら、稀薄域での制御精度を上げるためには、エンジンの燃焼状態を直接示す、図示平均有効圧ＩＭＥＰをエンジン制御情報として用いることが有益であり、かつ望まれる。

この図示平均有効圧ＩＭＥＰは、Ｐを燃焼室内圧力、Ｖをその容積、Ｖｓを行程容積として以下のように定義される。
ＩＭＥＰ＝（１／Ｖｓ）∫Ｐｄｖ（１）
現在この筒内圧力Ｐを計測するためには燃焼室内に圧力センサを取り付けて計測を行うのが一般的である。この圧力センサはシリンダ構造物（シリンダブロックとシリンダヘッドの集合体をいう。この明細書において同じ）のシリンダヘッドに取り付けられて燃焼室内に差し込まれて、燃焼ガスと接触状態に置かれる。

また、ＩＭＥＰは式（１）を離散化した式（２）により算出されている。

ここに、Ｐ（ｊ）、Ｖ（ｊ）は１サイクル間で等間隔にｎ個サンプリングされた、基準としたクランク角から数えてｊ番口の圧力と容積を表す。

前述の通り、一般に圧力センサにより検知されるが、圧力センサを取り付けるシリンダヘッドはシリンダ毎に多数の吸気弁、排気弁、プラグが取り付けられていて、複雑な構造になっているので、空間取合の点から圧力センサをシリンダヘッドに取り付けるのは困難である。
ガスケット隙間に燃焼状態を検出するイオンセンサを配置することも考えられているが、この場合は、センサは燃焼ガスと接触する。

このようなことから圧力センサを使用せずに燃焼ガスと非接触で指圧信号を取り出すことができる信号検出技術の開発が望まれている。

特公８−２０３３９特開２００３−１８４６０５

この発明は上記の如き事情に基づいて圧力センサを使用せずに指圧信号を取り出すことができる信号検出方法を提供することを目的とするものである。

この目的に対応して、この発明のエンジンの作動状態測定方法は、エンジン構造物の挙動を検出するセンサを燃焼室の燃焼ガスとは非接触に前記エンジン構造物に取り付け、前記センサからの信号を用いて筒内圧力の指圧波形瞬時値を得ることを特徴としている。

この発明のエンジンの作動状態測定方法では、燃焼室内の燃焼ガスに接触する圧力センサを使用せず、燃焼ガスと非接触の力センサ、ギャップセンサ、加速度センサをエンジン構造物に取り付けて、筒内圧力と相関関係にあるエンジン構造物の挙動に関する信号から燃焼室内圧力を求めるので、圧力センサをシリンダヘッドに取り付ける必要をなくし、筒内圧力の導出ひいては図示平均有効圧の導出を容易にする。

以下、この発明の詳細を一実施の態様を示す図面について説明する。
まずこの発明を単気筒エンジンに適用する場合について説明する。

図１及び図２において、１はこの発明のエンジンの作動状態測定方法を実施する場合に使用する測定装置である。測定装置１はエンジン構造体２に取り付けた挙動センサ３を備えている。エンジン構造体２はシリンダブロック４とシリンダヘッド５とを組み合わせたものでシリンダブロック４とシリンダヘッド５はガスケット６を挾んでボルト７で締結されている。

挙動センサ３はエンジン構造体２の挙動を検出するセンサである。検出の対象であるエンジン構造体２の挙動の種類としてはエンジン構造体２に作用する力の変化、シリンダブロック４とシリンダヘッド５との間のガスケット隙間８の変化、エンジン構造体２に作用する加速度の変化及びエンジン構造体の変形があり、それぞれの検出対象に対応して力を検出するための力センサ３ａがシリンダブロック４またはガスケット隙間８、特に好ましくはシリンダブロックとシリンダヘッドとを締結するボルトに取り付けられ、またはガスケット隙間８を検出するためのギャップセンサ３ｂがガスケット隙間８に取り付けられ、または加速度を検出するための加速度センサ３ｃがシリンダブロック４に取り付けられる。またシリンダブロックの変形を検出するためにギャップセンサ３ｂがシリンダブロックに取り付けられ、または、シリンダヘッドに作用する加速度を検出するために加速度センサ３ｃがシリンダヘッドに取り付けられる。それぞれのセンサ３ａ、３ｂ、３ｃは単独で使用され、または他のセンサと組み合わせて使用される。

このような測定装置１においてはエンジン構造体２の挙動、すなわちエンジン構造体２に作用する力、ギャップ、加速度またはエンジン構造体の変形をセンサ３ａ、３ｂまたは３ｃで検出する。エンジンの１サイクルの吸入、圧縮、爆発、排気の４行程において、シリンダ構造体における力、ギャップ、加速度及び変形は、筒内圧力と相関を持つので各センサの信号を利用して筒内圧力を導出し、図示平均有効圧を導出する。

（１）単気筒エンジンにおいて、筒内圧力の変化と力センサ、ギャップセンサ、加速度センサの相関を調べた。
（２）シリンダヘッドの力測定
シリンダヘッドと締め付けナットの間にロードワッシャを取り付ける。しかし、ロードワッシャを取り付け、エンジンを長時間回し続けるとロードワッシャの使用温度を超えてしまう恐れがある。また、ロードワッシャ仕様より使用温度範囲は、−１９６〜２００℃である。よって、この温度範囲で実験を行った。
（３）ガスケット隙間の測定
ギャップセンサを図示の位置にシリンダブロックに接着し、ヘッドガスケット隙間の変位を測定する。

ギャップセンサの接着位置はシリンダブロックの温度測定結果より図示の位置にした。ギャップセンサは、シリンダヘッドの変形を計測するために、シリンダヘッド上に取り付けてもよい。
（４）加速度、速度、変位の測定
ここでは、加速度ピックアップをシリンダブロックに接着した場合の圧力と加速度、速度、変位の測定をおこなった。運転条件は、２０００ｒｐｍ，荷重１．０ｋｇである。

シリンダブロックの温度測定結果よりシリンダブロックの温度は、約７０℃なので接着にはアラルダイトを使用した。アンプのフィルタの設定は、ハイパスフィルタ０．２Ｈｚ，ローパスフィルタ２０００Ｈｚである。
（５）図３、図４、図５に示すように、力センサ出力と加速度ピックアップ、ギャップセンサの出力と筒内圧力センサの出力とは良好な相関があることが判明したのでこれらのセンサ出力から筒内圧力を算出することができきる。
（６）図示平均有効圧については、本発明では行程サイクルに関連した角度でサンプリングした上述の筒内圧瞬時値内の基本波（振幅Ｃ₁、位相φ₁）、第２高調波（（振幅Ｃ₂、位相φ₂）をフィルタリングにより取り出して、式（３）または式（４）により演算して求めている。

ここに、Ｋ、ｈはエンジン諸元より定まる定数、ｎを１サイクル間のサンプルデータ数としてｍ＝ｎ／２である。またＰ（３６０ｊ／ｎｈ）、Ｐ（−３６０ｊ／ｎｈ）は、燃焼のＴＤＣを中心として前後３６０ｊ／ｎｈ度における上述の筒内圧瞬時値を表す。

図６は現在行われている筒内圧力センサからの信号により式（２）により求めた図示平均有効圧（ＩＭＥＰ）₀と上述の筒内圧瞬時値（力センサ）より式（３）から計算したＥｑｕｉｖａｌｅｎｔ（ＩＭＥＰ）_force（添字_forceは力センサを表す）との関係を示している。両者は比例関係にあることが分かる。図７は連続４５サイクル間の（ＩＭＥＰ）₀ とＥｑｕｉｖａｌｅｎｔ（ＩＭＥＰ）_forceを比較したもので、サイクル変動が大きな場合においても本発明の妥当性が確認できる。

図８、図９は図６、図７と同様な比較を、ギャップセンサによる上述の筒内圧瞬時値を用いて行った結果である。この場合も良好な相関が得られている。

（１）多気筒エンジンの場合について
上記実施例１は単気筒エンジンでの結果であり、実用化する上では多気筒エンジンで使用できることが重要である。ここでは力センサをエンジン構造体に取り付けて、その出力信号により、筒内圧力を導くことを検討した。図１０に示すように、力センサＬＷ１−ＬＷ５はシリンダブロック上において、両端のシリンダＣ１、Ｃ４の外側、および各シリンダの間に取り付けた。図１０に示す通り、多気筒エンジン（この例では４気筒）ではシリンダ順ではなくＣ１−Ｃ３−Ｃ４−Ｃ２順に爆発する。筒内圧力波形は気筒間干渉を受けて前記センサによる出力波形は正確に出力されない場合が考えられる。そこでクランク角度信号を利用したゲート信号を作り、この信号と各種センサの出力信号とにゲート回路を設けて、干渉による誤波形を除去するシステムを考案した。
クランク角度信号およびＴＤＣ信号で、ゲート回路を制御する。
ＬＷ１：シリンダブロック留め用ボルトに装着した力センサＮｏ１
ＬＷ２：シリンダブロック留め用ボルトに装着した力センサＮｏ２
ＬＷ４：シリンダブロック留め用ボルトに装着した力センサＮｏ４
ＬＷ５：シリンダブロック留め用ボルトに装着した力センサＮｏ５
ＬＷ３：力センサＮｏ３は存在しない。Ｎｏ３はボトルのみ
（動作原理）
通常４サイクルエンジンでは図１１のようにＴＤＣ信号は７２０度ごとに１パルスが出力される。この間に、クランク信号は７２０パルスが出力される。そこで図１２に示すように、ＴＤＣを基準として計数カウンタはゲート角度設定により任意のゲート角度を持つ信号を作成することが出来る。このゲート信号を高速電子スイッチに送り指圧信号をこの期間のみ出力させる機能を持たせる。図１３に示すようにこの信号は選択指圧信号とよび多気筒の干渉を受けない指圧信号である。図示平均有効圧を求める場合、（燃焼ＴＤＣを中心とした）このようなゲートを設けることで、１サイクル間の演算量を減少させ、演算の高速化が可能である。それは、式（４）から明らかなように、燃焼ＴＤＣ近傍の［Ｐ（３６０ｊ／ｎｈ）−Ｐ（−３６０ｊ／ｎｈ）］に比べ、吸気・排気行程のそれらの値は小さく、無視できるからである。図１４はゲートを設けた場合の図示平均有効圧計算値Ｐｉｍ（カッコ内の数字はゲート幅で、Ｐｉｍ（９０）は燃焼ＴＤＣを中心に±９０度のゲートを設けたことを意味する）と（ＩＭＥＰ）₀の関係を示している。ゲート幅を小さく設定しても良好な相関が得られていることが分かる。参考までに、同一データを用い、従来、行われていたゲート間の圧力の平均値Ｓｕｍ（Ｐ）／ｎ（ΣＰ／ｎの意味、カッコ内の数字は前述と同様ゲート幅）と（ＩＭＥＰ）₀との関係を図１５に示す。ゲート幅が小さくなるとばらつきが大きくなり、また曲線の傾きも小さい。図１４と図１５の比較から、本発明の優位性が明らかである。
（２）気筒間干渉補償法
前記補償法は図１１に示すように、ゲート回路により指圧信号取り出し期間を制御していたが気筒間干渉補償法はさらに積極的に指圧信号補償を行う回路である。
ＬＷ１：シリンダブロック留め用ボルトに装着した力センサＮｏ１
ＬＷ２：シリンダブロック留め用ボルトに装着した力センサＮｏ２
ＬＷ４：シリンダブロック留め用ボルトに装着した力センサＮｏ４
ＬＷ５：シリンダブロック留め用ボルトに装着した力センサＮｏ５
ＬＷ３：力センサＮｏ３は存在しない。Ｎｏ３はボトルのみ
力センサの出力が１／４になるのは４本のボルトを使用しているため。
（動作原理）
図１６に示すように、各種ＬＷ１〜ＬＷ５の信号を加減算すると気筒間の干渉による圧力値が相殺されて真の各気筒圧力が得られる。
図１０に示す通り４気筒シリンダブロックの発生力はＢ１１、Ｂ１２、Ｂ１４、Ｂ１５点においては図１７の通りである。Ｂ１１、Ｂ１５は気筒圧力Ｐ１、Ｐ４そのものが出力されるがＰ２、Ｐ３はＰ１およびＰ４の干渉がある。そこで真のＰ２、Ｐ３を求める手段として図１６に示す回路でＰ１、Ｐ４の出力を逆転してＢ１２出力（ＬＷ２、Ｐ２）との差分をとるとＰ２の真値が得られる。

ＬＷ２出力＝（（ｆ１／４＋ｆ２／４）＋（−ｆ１／４））＝ｆ２／４
同様にＢ１４出力（ＬＷ４、Ｐ３）は
ＬＷ４出力＝（（ｆ３／４＋ｆ４／４）＋（−ｆ４／４））＝ｆ３／４
となる。
（まとめ）
以上の説明から明らかな通り、この発明によれば、圧力センサを使用せずに指圧信号を取り出すことができるエンジンの作動状態測定方法をうることができる。センサはエンジンの燃料ガスとは非接触であるので、センサの作動及び耐熱保護が確実であり、シールの必要もない。

エンジン構造物を示す縦断面説明図。シリンダブロックを示す平面説明図。筒内圧力と各種センサ出力を示すグラフ。クランク角とガスケット隙間、筒内圧力の関係を示すグラフ。クランク角と力、筒内圧力の関係を示すグラフ。Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ（ＩＭＥＰ）_forceと（ＩＭＥＰ）₀の関係を示すグラフ。Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ（ＩＭＥＰ）_forceと（ＩＭＥＰ）₀のサイクル変動を示すグラフ。Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ（ＩＭＥＰ）_gapと（ＩＭＥＰ）₀の関係を示すグラフ。Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ（ＩＭＥＰ）_gapと（ＩＭＥＰ）₀のサイクル変動を示すグラフ。シリンダブロックにおけるボルトの位置を示す説明図。誤波形除去システム回路を示すブロック図。ゲート回路を示すブロック図。信号系統を示す説明図。ＩＭＥＰの計算に対するゲートインターバルの影響を示すグラフ。 Σ｛（Ｐ）／ｎ｝の計算に対するゲートインターバルの影響を示すグラフ。出力計算回路を示す説明図。各シリンダブロックの出力を示すグラフ。

符号の説明

１測定装置
２エンジン構造体
３挙動センサ
４シリンダブロック
５シリンダヘッド
６ガスケット
７ボルト
８ガスケット隙間

Claims

エンジン構造物の挙動を検出するセンサを燃焼室の燃焼ガスとは非接触に前記エンジン構造物に取り付け、前記センサからの信号を用いて筒内圧力の指圧波形瞬時値を得ることを特徴とするエンジンの作動状態測定方法。
前記挙動を検出するセンサは、力センサ、ギャップセンサまたは加速度センサであることを特徴とする請求項１記載のエンジンの作動状態測定方法。
前記センサは力センサであって、前記力センサをシリンダブロックまたはエンジンシリンダブロックとシリンダヘッドとの間のガスケット隙間部に取り付けることを特徴とする請求項１記載のエンジンの作動状態測定方法。
前記力センサはシリンダブロックとシリンダヘッドを締結するボルトに取り付けることを特徴とする請求項３記載のエンジンの作動状態測定方法。
前記センサはギャップセンサであって、前記ギャックセンサをエンジンシリンダブロックとシリンダヘッドとの間のガスケット隙間部、シリンダブロックまたはエンジン構造体に取り付けることを特徴とする請求項１記載のエンジンの作動状態測定方法。
前記センサは加速度センサであって、前記加速度センサをエンジン構造体に取り付けることを特徴とする請求項１記載のエンジンの作動状態測定方法。