JP2008216223A - 筒内圧センサの出力補正装置及びこれを備えた筒内圧検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】筒内圧センサのオフセットドリフトを補正できる出力補正装置、及びこれを用いて内燃機関の筒内圧を精度良く検出できる筒内圧検出装置を提供する。
【解決手段】筒内圧検出装置１２は、ピエゾ抵抗素子１３８の抵抗の変化を電気信号として検出する検出回路部２００と、この電気信号を増幅して出力する増幅回路部２０１と、この出力値を補正する補正回路部２０２とを備えている。補正回路部２０２は、増幅回路部２０１の出力値を基準値にリセットするリセット制御部２０５と、そのタイミングを求めるリセットタイミング検出部２０６とから構成される。リセットタイミング検出部２０６は、増幅回路部２０１から出力される出力波形を基にその出力値の変化量を所定時間毎に測定し、これにより測定された変化量が所定値以下であるか否かを判定し、当該変化量が所定値以下と判定された場合においてリセット制御部２０５に対しリセット信号を出力する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、内燃機関の筒内圧を検出する筒内圧センサの出力補正装置及びこれを備えた筒内圧検出装置に関する。

近年、ディーゼルエンジンなどの内燃機関においては、燃費向上、排気ガス中のエミッションの低減等の要求に対応するため、電子制御により燃料噴射量を制御するなど燃焼状態に応じた緻密な運転制御を行うことが一般的となっている。

内燃機関の燃焼状態を把握するための１つの方法としてシリンダ内における圧力（以下、筒内圧という）を検出することが行われる。そのため、内燃機関には筒内圧センサが設けられ、筒内圧に応じた電気信号が出力される。

しかしながら、内燃機関のような急激な温度変化が起きる環境下では、温度等の因子による筒内圧センサの出力電圧のドリフト、いわゆるオフセットドリフトが回避できず、筒内圧を精度良く求めるためには当該ドリフトの補正が必須である。

このようなドリフトを補正する技術としては、例えば筒内圧センサの温度特性を基に、別途設置した温度センサの値から補正を行う技術（例えば特許文献１参照）や、内燃機関が備えるクランク角センサの検出信号を外部から入力し、所定のクランク角度に対応するタイミングで筒内圧センサの出力電圧を基準値にリセットして補正を行う技術（例えば特許文献２参照）が開示されている。
特開２００４−２５７８８８号公報 特開平７−２８０６８６号公報

温度センサを用いて補正を行う場合にはドリフト発生因子の温度を正確に検出する必要があるが、現実にはドリフト発生因子の近傍に温度センサを設置できないなど様々な要因で、正確な温度を測定できない場合が多い。そのため、その測定誤差がドリフトの補正に反映され、補正誤差として現われるおそれがある。さらに、ドリフト発生因子が複数存在する場合には、すべての因子に対応して複数の温度センサを設置しなければならないため、構成や補正処理の複雑化を招くとともに、これに係る回路規模が大きくなるおそれがある。

一方、クランク角センサを用いて補正を行う場合、クランク角センサからの信号を入力するための端子を出力補正装置側に別途設けなければならず、装置の大型化が懸念される。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、筒内圧センサのオフセットドリフトを補正できる出力補正装置、及びこれを用いて内燃機関の筒内圧を精度良く検出できる筒内圧検出装置を提供することにある。

以下、上記課題等を解決するのに適した各構成を項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する構成に特有の作用効果等を付記する。

構成１．本構成の出力補正装置は、
内燃機関の筒内圧又は内燃機関の筒内圧の変化率に応じて電気信号を出力する筒内圧センサの出力補正装置であって、
所定時間毎に前記筒内圧センサの出力値の変化量を測定する変化量測定手段と、
前記変化量が所定値以下であるか否かを判定する判定手段と、
前記変化量が所定値以下と判定された場合に、前記筒内圧センサの出力値を基準値にリセットするリセット手段とを備えたことを特徴とする。

上記構成１によれば、筒内圧センサの出力値すなわち筒内圧の所定時間内における変化量が所定値以下であれば当該出力値のリセット処理が行われる。つまり、内燃機関の燃焼サイクル（燃焼・排気・吸気・圧縮）のうちの吸気行程などのように、所定期間ほぼ一定圧となる状況下において定期的にリセット処理が行われることとなる。そして、吸気行程から圧縮行程へ移行していく過程のように次第に筒内圧の変化量が大きくなり、筒内圧の変化量が所定値を超えるようであれば、定期的に行われていたリセット処理が停止する。その後、燃焼行程を経て排気・吸気行程へ移行していき、筒内圧の変化量が所定値以下となると、再びリセット処理が開始される。

このような構成とすることにより、クランク角センサの情報を用いなくとも、吸気行程など筒内圧が最低となる燃焼サイクルの所望の時期においてリセット処理を行い、センサ出力のオフセットドリフトを適正に解消することができる。従って、クランク角センサからの信号入力用の端子などを別途備える必要もなく、出力補正装置の大型化を抑制できる。特に筒内圧センサと出力補正装置とを一体化した筒内圧検出装置を内燃機関に設置する場合、振動耐久性等を考慮して当該装置の小型化を図らねばならないため、その効果は大きい。また、上記構成では、温度を把握することなく、筒内圧センサの出力値を基準値にリセットすることでセンサ出力の補正を行っているため、別途温度センサを設ける必要もない。さらに、筒内圧の所定時間内における変化量を基にリセット処理を実行する構成は、複雑な演算処理を行うことなく、比較的小規模な回路規模で実現することができる。結果として、構成や補正処理を複雑化することなく、内燃機関の筒内圧を精度良く検出することができる。

構成２．本構成の出力補正装置は、上記構成１において、
前記筒内圧センサの出力値が所定の閾値を超えている場合、又は、所定の契機から所定期間内にある場合には、前記リセット手段による前記リセットを禁止する禁止手段を備えたことを特徴とする。

上記構成１のように、筒内圧の所定時間内における変化量を基にリセット処理を実行する構成においては、前記所定時間を比較的短く設定した場合、例えば燃焼行程中に筒内圧がピークに達し、筒内圧の変化量が小さくなった際にリセット処理が実行されてしまうおそれがある。これに対し、上記構成２の禁止手段を備えることにより、このような不具合を防止することができる。

構成３．本構成の筒内圧検出装置は、
内燃機関の筒内圧又は内燃機関の筒内圧の変化率に応じて電気信号を出力する筒内圧センサと、
上記構成１又は２に記載の出力補正装置とを備えたことを特徴とする。

上記構成３によれば、筒内圧センサと出力補正装置とを一体化することにより、内燃機関の限られた設置スペースの有効利用を図るとともに、利便性が向上する。また、この筒内圧検出装置をグロープラグ等に一体化した場合には、その作用効果をさらに高めることができる。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。先ずは本発明に係る筒内圧検出装置が取付けられる内燃機関の概略構成を４サイクルのディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）を例にして図２を参照しつつ説明する。図２は、エンジン制御システムの構成を示す概略図である。

エンジン１のシリンダ２には、吸気管３及び排気管４が連結されている。吸気管３と繋がるシリンダ２の吸気ポート３ａには吸気弁５が配設され、排気管４と繋がるシリンダ２の排気ポート４ａには排気弁６が配設されている。

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に連結されている。ピストン７の上部とシリンダ２の壁面に囲まれた空間、すなわち燃焼室２ａ内には、吸気弁５や排気弁６のほか、グロープラグ１０や燃料噴射ノズル１１の先端が臨んでいる。

グロープラグ１０には、後述するようにシリンダ２の燃焼室２ａ内の圧力（以下、筒内圧という）を検出するための筒内圧検出装置１２が内蔵されている。また、クランク軸９にはその回転角度（クランク角）を検出するクランク角センサ１５が配設されている。筒内圧検出装置１２やクランク角センサ１５をはじめとする各種センサの検出信号は、エンジン制御用の電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）１８に入力される。そして、ＥＣＵ１８は、これらの検出信号とともに、スロットルセンサ１９から入力されるアクセルペダルの動きに比例した検出信号に基づき、燃料噴射ノズル１１からの燃料噴射量等を制御する。

そして、グロープラグ１０を通電して発熱させた状態で、燃料噴射ノズル１１から燃料を噴射すると、当該燃料に着火してエンジン１が始動する。

次に、本発明に係る筒内圧検出装置１２を内蔵したグロープラグ１０の構成及びその取付態様について図１を参照して説明する。図１は、グロープラグ１０が取付けられたシリンダヘッド２ｂの部分断面図である。

グロープラグ１０は、シリンタヘッド２ｂに形成されたプラグ取付孔２ｃに取付けられており、その先端側が燃焼室２ａ内に突き出すように位置決めされている。

グロープラグ１０は、軸線Ｃ方向に沿って延びる筒状の主体金具１００と、当該主体金具１００内に保持された導電性を有する棒状の中軸１０１と、当該中軸１０１の先端側に配置され、主体金具１００の先端部から外方へ突出した棒状のヒータ部材１０２とを有する。

主体金具１００の基端側外周面には、グロープラグ１０をシリンタヘッド２ｂのプラグ取付孔２ｃに固定するための雄ねじ部１１１と、そのネジ止めの際にレンチなどの工具を係合させる六角形状の工具係合部１１２とが形成されている。

主体金具１００の先端側には、ヒータ部材１０２が圧入保持された筒状のヒータ保持部材１１４と、当該ヒータ保持部材１１４と主体金具１００の先端部との隙間を塞ぐシール部材１１５とが設けられている。

ヒータ部材１０２の基端部は、導電性を有する筒状の電極部材１１６により中軸１０１の先端部と接続されている。

ヒータ部材１０２は、絶縁セラミックからなる基体１２０と、当該基体１２０に埋設された発熱素子１２１とから構成されている。発熱素子１２１は、一端部が電極部材１１６を介して中軸１０１と電気的に接続され、他端部がヒータ保持部材１１４を介して主体金具１００と電気的に接続されている。これにより、ヒータ部材１０２を昇温させる際、中軸１０１を通じて発熱素子１２１に供給された電流は、主体金具１００を通じてシリンタヘッド２ｂへ流れることとなる。

ヒータ保持部１１４は、自己潤滑性を有するグラファイトからなる保持部材１１９により、軸線Ｃ方向に変位可能な状態で保持されている。これにより、ヒータ保持部材１１４及びこれに圧入されたヒータ部材１０２は、燃焼室２ａ内の筒内圧の変化に応じて軸線Ｃ方向に変位する。

また、主体金具１００の軸孔１２５には円筒状のスライドパイプ１２６が摺動自在に配設されている。スライドパイプ１２６の先端は、ヒータ保持部材１１４の基端部に接続され、後端にはプッシュパイプ１２７が接続されている。従って、ヒータ保持部材１１４が変位した場合には、スライドパイプ１２６及びプッシュパイプ１２７も軸線Ｃ方向に変位することとなる。

プッシュパイプ１２７は、主体金具１００の基端部より突出しており、その周囲には主体金具１００の基端部との隙間を塞ぐＯリング１２９が嵌め込まれている。

主体金具１００の基端側には上述した筒内圧検出装置１２が設けられている。筒内圧検出装置１２の外郭は、その周囲を囲む筒状のハウジング１３１と、当該ハウジング１３１の基端側を塞ぐグロメット１３２とから構成されている。このグロメット１３２を介して、複数の接続線１３３が筒内圧検出装置１２の内部に引き込まれている。

筒内圧検出装置１２は、プッシュパイプ１２７の周囲を囲むように主体金具１００の基端部に取付けられた環状の基台１３５と、プッシュパイプ１２７の基端部に当接した状態で基台１３５に載置されたダイヤフラム部材１３６とを有している。

ダイヤフラム部材１３６は、薄肉のダイヤフラム部１３６ａを有しており、プッシュパイプ１２７に押されることにより変形する。さらに、ダイヤフラム部１３６ａにはピエゾ抵抗素子１３８が貼付けられており、ダイヤフラム部材１３６の変形によりピエゾ抵抗素子１３８の抵抗値が変化する。

また、ダイヤフラム部材１３６の基端側にはプリント基板１４０が配設されている。プリント基板１４０上には、ＩＣなどの電子部品が実装され、各種電子回路が形成されている。そして、燃焼室２ａ内の筒内圧の変化によって、ヒータ部材１０２が受けた圧力がピエゾ抵抗素子１３８に伝達されると、ボンディングワイヤ１４３を介してピエゾ抵抗素子１３８と接続されたプリント基板１４０上の検出回路部が、このピエゾ抵抗素子１３８の抵抗の変化を電気信号として検出する。この検出された電気信号は増幅回路部にて増幅され、筒内圧に比例した検出信号として外部に出力される。但し、この検出信号には温度等の因子によるドリフトが生じるため、プリント基板１４０上には、このドリフトを解消するための補正回路部も設けられている。このドリフトを解消する処理は、後述するように増幅回路部の出力値を基準値にリセットすることにより行われるため、以降、この処理のことを「リセット（リセット処理）」という。

なお、上述した複数の接続線１３３のうちの１本は、ヒータ部材１０２への電源供給用として中軸１０１の基端部と電気的に接続されている。他の接続線１３３は、プリント基板１４０と電気的に接続されており、検出信号の出力用又はプリント基板１４０への電源供給用として用いられる。

ここで、筒内圧検出装置１２の回路構成について図３を参照して説明する。図３は回路構成を示す機能ブロック図である。

筒内圧検出装置１２は、ピエゾ抵抗素子１３８の抵抗の変化を電気信号として検出する検出回路部２００と、この電気信号を増幅して出力する増幅回路部２０１と、この出力値を補正する補正回路部２０２とを備えている。このうち、ピエゾ抵抗素子１３８、検出回路部２００及び増幅回路部２０１により本実施形態における筒内圧センサが構成され、補正回路部２０２によりその出力補正装置が構成される。

補正回路部２０２は、増幅回路部２０１の出力値を基準値にリセットするリセット手段としてのリセット制御部２０５と、そのタイミングを求めるリセットタイミング検出部２０６とから構成される。

リセットタイミング検出部２０６は、増幅回路部２０１から出力される出力波形（筒内圧波形）を基にその出力値の変化量を所定時間毎に測定する変化量測定手段としての機能と、これにより測定された変化量が所定値以下であるか否かを判定する判定手段としての機能と、当該変化量が所定値以下と判定された場合においてリセット制御部２０５に対しリセット信号を出力するリセット信号出力手段としての機能とを有している。

そして、リセット制御部２０５は、上記リセット信号の入力に基づき、例えばスイッチ素子をオン状態にして増幅回路部２０１の増幅器に並列接続されたコンデンサの電荷を放電し、増幅器の入出力間の電位差をなくすことにより、上記リセット処理を行う。

次に補正回路部２０２にて行われる補正処理の流れについて図４，５を参照して説明する。図４は補正処理の流れを示すフローチャートであり、図５は増幅回路部２０１の出力波形を示した図である。但し、便宜上、図５ではドリフトがない場合の出力波形を示すとともに、エンジン１の燃焼サイクルと筒内圧との関連性が分かりやすいように横軸には時間ではなくクランク角をとり、縦軸には増幅回路部２０１の出力値に相当する筒内圧をとって示している。

図４に示すように、エンジン１の始動直後など、ステップＳ１において先ずリセット処理を実行し、増幅回路部２０１の出力値を基準値Ｏとする。このステップＳ１で実行されるリセット処理を以降「通常リセット」という。

続くステップＳ２では、設定時間Ｔ１内における増幅回路部２０１の出力値の変化量｜ΔＰ｜が所定値Ｐｏを超えたか否かを判定する。ここで、変化量｜ΔＰ｜が所定値Ｐｏ以下である場合にはリセットタイミングＲとみなし、ステップＳ１に戻り、通常リセットを行う。つまり、増幅回路部２０１の出力値の変化量｜ΔＰ｜が所定値Ｐｏを超えるまで、設定時間Ｔ１毎に通常リセットが繰り返し行われることとなる。なお、本実施形態における設定時間Ｔ１としては、筒内圧検出装置１２が規定の精度を保つことのできる仕様範囲（例えばエンジン１の回転数６００ｒｐｍ〜４０００ｒｐｍの範囲）内で想定される最も速いエンジン１の回転数（例えば４０００ｒｐｍ）に合わせて、例えば０．００１秒が設定されている。

一方、ステップＳ２において、設定時間Ｔ１内の変化量｜ΔＰ｜が所定値Ｐｏを超えたと判定された場合には、ステップＳ３へ移行する。

ステップＳ３では、設定時間Ｔ１内の変化量｜ΔＰ｜が設定時間Ｔ２内に再度、所定値Ｐｏ以下となるか否かを判定する。ここで、設定時間Ｔ１内の変化量｜ΔＰ｜が設定時間Ｔ２内に所定値Ｐｏ以下となった場合にはリセットタイミングＲとみなし、ステップＳ１に戻り、通常リセットを行う。なお、本実施形態における設定時間Ｔ２としては、上記筒内圧検出装置１２の仕様範囲内で想定される最も遅いエンジン１の回転数（例えば６００ｒｐｍ）に合わせて、その１燃焼サイクル分に相当する時間（例えば０．２秒）が設定されている。ステップＳ１の通常リセットが適正に行われた場合でも、例えばドリフト量が大きい場合などには、設定時間Ｔ１内の変化量｜ΔＰ｜が設定時間Ｔ２内に再度、所定値Ｐｏ以下とならないこともある。このような場合には、ステップＳ３の判定に従いステップＳ４に移行し、リセット処理を実行する。このステップＳ４で実行されるリセット処理を以降「強制リセット」という。つまり、設定時間Ｔ１内の変化量｜ΔＰ｜が設定時間Ｔ２内に所定値Ｐｏ以下とならない場合には、強制リセットが繰り返し行われることとなる。

以上詳述したように、上記構成によれば、エンジン１の燃焼サイクル（燃焼・排気・吸気・圧縮）のうち、筒内圧が大気圧に近い状態で所定期間ほぼ一定圧となる排気行程や吸気行程にて設定時間Ｔ１毎に通常リセットが行われる。そして、圧縮行程へ移行し、次第に増幅回路部２０１の出力値の変化量｜ΔＰ｜が大きくなり、当該変化量｜ΔＰ｜が所定値Ｐｏを超えると、定期的に行われていた通常リセットが停止する。その後、燃焼行程を経て排気行程へ移行していき、増幅回路部２０１の出力値の変化量｜ΔＰ｜が所定値Ｐｏ以下となると、再び通常リセットが開始される。

このような構成とすることにより、クランク角センサ１５の情報を用いなくとも、吸気行程など筒内圧が最低となる燃焼サイクルの所望の時期においてリセット処理を行い、増幅回路部２０１のオフセットドリフトを適正に解消することができる。従って、クランク角センサ１５からの信号入力用の端子などを別途備える必要もなく、筒内圧検出装置１２（補正回路部２０２）の大型化を抑制できる。また、本実施形態では、温度を把握することなく、増幅回路部２０１の出力値を基準値にリセットすることで出力補正を行っているため、別途温度センサを設ける必要もない。さらに、増幅回路部２０１の出力値の変化量｜ΔＰ｜を基にリセット処理を実行する構成は、複雑な演算処理を行うことなく、比較的小規模な回路規模で実現することができる。結果として、構成や補正処理を複雑化することなく、エンジン１の筒内圧を精度良く検出することができる。

なお、上述した実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。

（ａ）上記実施形態では、ピエゾ抵抗素子１３８等よりなる筒内圧センサと、補正回路部２０２等よりなる出力補正装置とが一体となった筒内圧検出装置１２を例示している。これに限らず、出力補正装置が筒内圧センサと別体に設けられた構成としてもよい。例えば、筒内圧センサの出力補正装置を電子制御ユニット（ＥＣＵ）１８に設けた構成としてもよい。また、筒内圧検出装置１２をグロープラグ１０とは別体で備えた構成としてもよい。

（ｂ）上記実施形態では、エンジン１の筒内圧を検出する感圧手段としてピエゾ抵抗素子１３８を採用しているが、これに限らず、圧電素子や金属抵抗式ひずみゲージなどオフセットドリフトが発生する他の感圧手段を採用した構成においても本発明は上記実施形態と同様の作用効果を奏する。

（ｃ）上記実施形態では、特に言及しなかったが、仮に設定時間Ｔ１を比較的短く設定した場合には、例えば燃焼行程中に筒内圧がピークに達し、増幅回路部２０１の出力値の変化量｜ΔＰ｜が小さくなった際に通常リセットが実行されてしまうおそれがある。このような不具合を防止するため、例えばリセットタイミング検出部２０６が、リセット制御部２０５に対しリセット信号を出力する処理を所定状況下においては停止する機能を備えた構成としてもよい。つまり、この機能によって本実施形態の禁止手段が構成される。一例としては、予め所定の圧力閾値を設定しておき、増幅回路部２０１の出力値が当該圧力閾値を超えている場合には、仮に上記ステップＳ２等で通常リセットを実行するための条件を満たしたとしても、リセット信号の出力を行わない構成が挙げられる。又は、通常リセットが定期的に複数回行われた後、最初に変化量｜ΔＰ｜が所定値Ｐｏを超えたと判定されたことを契機として、当該契機から所定期間内においては、リセット信号の出力を行わない構成としてもよい。

グロープラグが取付けられたシリンダヘッドの部分断面図である。 エンジン制御システムの構成を示す概略図である。 筒内圧検出装置の回路構成を示す機能ブロック図である。 補正処理の流れを示すフローチャートである。 増幅回路部の出力波形を示した図である。

符号の説明

１…エンジン、１０…グロープラグ、１２…筒内圧検出装置、１３８…ピエゾ抵抗素子、２０１…増幅回路部、２０２…補正回路部、２０５…リセット制御部、２０６…リセットタイミング検出部、Ｏ…基準値、ΔＰ…変化量、Ｒ…リセットタイミング。

Claims (3)

1. 内燃機関の筒内圧又は内燃機関の筒内圧の変化率に応じて電気信号を出力する筒内圧センサの出力補正装置であって、
   所定時間毎に前記筒内圧センサの出力値の変化量を測定する変化量測定手段と、
   前記変化量が所定値以下であるか否かを判定する判定手段と、
   前記変化量が所定値以下と判定された場合に、前記筒内圧センサの出力値を基準値にリセットするリセット手段とを備えたことを特徴とする出力補正装置。
2. 前記筒内圧センサの出力値が所定の閾値を超えている場合、又は、所定の契機から所定期間中にある場合には、前記リセット手段による前記リセットを禁止する禁止手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の出力補正装置。
3. 内燃機関の筒内圧又は内燃機関の筒内圧の変化率に応じて電気信号を出力する筒内圧センサと、
   請求項１又は２に記載の出力補正装置とを備えたことを特徴とする筒内圧検出装置。

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