JP2010106742A - 筒内圧測定装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
筒内圧センサの出力特性を補正する方法において、最大筒内圧力や着火時期を検出するために必要な測定範囲が筒内の燃焼周期の中で高い圧力領域であるのに対し、補正に用いる基準圧力の測定は吸気弁や排気弁が開いている時に行われるため、基準圧力が前記測定範囲から外れ、十分な補正精度を得られない。
【解決手段】
内燃機関の排気通路に設けられ、排気通路内の排気圧力を測定する排気圧力検出手段と、測定した排気圧力の時間履歴を記録する排気圧力記録手段と、記録した排気圧力の時間履歴より、排気圧力の脈動周期毎の最大値を検出する最大排気圧力検出手段と、検出した最大排気圧力を用いて燃焼周期毎の筒内圧の最大値を算出し、算出した筒内圧の最大値を基準圧力に用いるようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の筒内圧測定に関するものであり、特に筒内圧センサの出力特性を好適に補正する技術に関するものである。
内燃機関における燃焼制御には、筒内圧測定を行い、測定した圧力より吸気，圧縮，膨張，排気からなる１回の燃焼周期（サイクル）内での最大筒内圧力や着火時期を検出することによる気筒別の空燃比や燃料噴射タイミングのフィードバック制御が有効である。この気筒別フィードバック制御による空燃比や燃料噴射タイミングの最適化の効果をより高めるためには、より高精度な筒内圧測定が必要となる。このため、例えば特開平４−３１４９５１号公報においては、筒内圧力を検出する圧電素子タイプの圧力センサによって検出した吸気圧力と排気圧力を基準圧力に用いる補正技術が公開されている。
特開平４−３１４９５１号公報
上記従来技術に関して、筒内圧センサの出力特性を補正する方法において、１回の燃焼周期（サイクル）内の最大燃焼圧力や着火時期を検出するために必要な測定範囲が筒内の燃焼周期の中で高い圧力領域であるのに対し、補正に用いる基準圧力の測定は吸気弁や排気弁が開いている時に行われるため、基準圧力と前記の必要な測定範囲との乖離が大きくなり、十分な補正精度を得られないという課題があった。
本発明の目的は、十分な補正精度が得られる筒内圧測定装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の筒内圧測定装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、排気通路内の排気圧力を測定する排気圧力検出手段と、測定した排気圧力の時間履歴を記録する排気圧力記録手段と、記録した排気圧力の時間履歴より、燃焼周期によって発生する排気圧力の脈動周期毎の最大値を検出する最大排気圧力検出手段と、検出した最大排気圧力を用いて燃焼周期毎の筒内圧の最大値を算出する演算手段を備え、算出した筒内圧の最大値を基準圧力に用いるようにした。
本発明によれば、筒内圧の必要な測定範囲内での補正が可能となるため、筒内圧センサによる筒内圧測定精度の向上が可能となる。更に、筒内圧測定精度の向上により、気筒別の燃焼圧や着火時期検出の精度が向上し、エンジンのフィードバック制御により調節される気筒別の空燃比や着火時期をより目標状態に近づけることが可能となる。これにより、燃費，窒素酸化物，すす，騒音などの内燃機関の性能を高められる効果が期待できる。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
図１は本発明の第一の実施例にかかるエンジンの構成図を示している。図１中の１はエンジンである。
燃焼室８には、吸気弁１１より吸入空気と、インジェクタ５より燃料が導入され、混合気を形成する。混合気はピストン９による圧縮を経て爆発し、爆発によって混合気から既燃ガスに変化した排気が排気弁７より排出される。
このエンジンの状態を検出するため、吸気管１２に吸気圧センサ１３、排気管６に排気圧センサ４、インジェクタ５に筒内圧センサ１４、クランク軸にクランク角センサ１０、が備え付けられている。これらセンサより出力される信号は入出力および演算装置３に伝達され、入出力および演算装置３にて演算された結果の出力信号はエンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵ）２へ伝達され、ＥＣＵ２はエンジン運転条件に応じて、エンジン１の燃焼モードやその他の制御機構の制御量などを決定するものである。
図２は本発明に係る測定装置における測定方法の一例を示したものである。
図１の排気圧センサ４より出力される電圧信号の時間履歴を図１の入出力および演算装置３にて記録し、排気圧力の時間平均値１０１の検出および排気圧力の脈動周期毎の最大排気圧力１０２〜１０７の検出を図１の入出力および演算装置３にて行う。
図１の入出力および演算装置３は検出した排気圧力の時間平均値１０１と排気圧力の脈動周期毎に発生する最大排気圧力値を、後述する式９へ代入することで最大筒内圧を算出する。
本発明の測定方法における筒内圧計算の一例を述べる。
排気弁より発生する排気圧力の脈動振幅は排気圧センサ４に到達するまでに減衰する。つまり、排気弁７出口部における排気圧力の脈動周期毎の最大排気圧力と排気圧センサ４における排気圧力の脈動周期毎の最大排気圧力の間には、通路断面積比による圧力減衰の関係が存在する。ここで、排気管６内における圧力波を平面進行波とし、排気の粘性による減衰を無視できる場合、脈動振幅のエネルギは排気管６内にて同一と見なすことが出来るため、双方の排気圧力脈動振幅については減衰を考慮した以下の式が成立する。
Figure 2010106742
式１より、排気弁７出口における排気圧力の脈動周期毎の最大排気圧力は以下で表される。
Figure 2010106742
式２において、排気管６内における時間平均温度と時間平均圧力が均一であるとすると、排気弁７出口における排気圧力の脈動周期毎の最大排気圧力は以下の式にて算出できる。
Figure 2010106742
次に、排気弁７開直前の筒内圧と排気弁７出口における排気圧力の脈動周期毎の最大排気圧力の関係については、排気弁をオリフィスとみなし、排気弁開直前の燃焼室内ガス流速をゼロと仮定すれば、ベルヌーイの定理より以下の式が成立する。
Figure 2010106742
式３を式４に代入することで、排気弁７開直前の筒内圧は以下の式で算出できる。
Figure 2010106742
ここで、ｐ1MAXとｐAVG以外の項目を定数項として、以下の式を導く。
Figure 2010106742
定数１，定数２，定数３については、予め行う試験により最適値を算出しておくことで、他の要因による誤差影響の低減や計算処理負荷の低減を行うことが可能となる。
次に、最大筒内圧と排気弁７開直前の筒内圧の関係について、燃焼室内の断熱膨張であるとすると、ポアッソンの関係式より以下の式が成立する。
Figure 2010106742
式５を式７に代入することで、以下の式が成立する。
Figure 2010106742
ここで、ｐ1MAXとｐAVG以外の項目を定数項として、以下の式を導く。
Figure 2010106742
定数４，定数５，定数６については、予め行う試験により最適値を算出しておくことで、他の要因による誤差影響の低減や計算処理負荷の低減を行うことが可能となる。
図３は本発明に係る測定の実施方法の一例を示したフローチャートである。
本発明の測定方法は、周期的に測定と演算と出力を繰り返す。
最初に排気管６に取り付けられた排気圧力センサ４より出力される電圧信号を測定する（ブロック１００１）。
次にブロック１００１にて測定した電圧信号の時間履歴を記録する（ブロック１００２）。
次にブロック１００２にて記録した電圧信号にフィルタ演算処理を施し、不要なノイズ成分を除去する（ブロック１００３）。
次にブロック１００３にてノイズ成分が除去された電圧信号の脈動周期毎の最大値を検出する（ブロック１００４）。
次にブロック１００４にて検出した最大値を式９に代入し、燃焼周期毎の筒内圧の最大値を算出する（ブロック１００５）。
次にブロック１００５にて算出した燃焼周期毎の筒内圧の最大値を出力する（ブロック１００６）。
以上により、燃焼周期毎の最大筒内圧の取得が可能となる。
図４は本発明に係る測定の別の実施方法を示したフローチャートである。
本発明の測定方法は、周期的に測定と演算と出力を繰り返す。
ここで、１度に行われる測定の期間は複数の燃焼周期を含めることが望ましく、複数の燃焼周期を含めることで燃焼周期ごとの燃焼ばらつきによる誤差影響を低減させることができる。
また、複数気筒の内燃機関においては、１度に行われる測定の期間は、気筒数に燃焼周期を乗じた期間にすることで気筒間の筒内圧力偏差による誤差を低減させることができる。
最初にクランク角センサ１０の出力電圧を測定する（ブロック２１０１）。
次にブロック２１０１にて測定した出力電圧の時間履歴を記録する（ブロック２１０２）。
次にブロック２１０２にて記録した出力電圧の変化よりクランク角度を検出する（ブロック２１０３）。
次にブロック２１０３にて検出したクランク角度より、クランク角度毎の当該時刻を検出する（ブロック２１０４）。
次に筒内圧センサ１４より出力される電圧信号を測定する（ブロック２００１）。
次にブロック２００１にて測定した電圧信号の時間履歴を入出力および演算装置に記録する（ブロック２００２）。
次にブロック２００２にて記録した電圧信号にフィルタ演算処理を施し、不要なノイズ成分を除去する（ブロック２００３）。
次にブロック２００３にてノイズ成分が除去された電圧信号の単位換算を行い、電圧を圧力に換算する（ブロック２００４）。
次にブロック２００４にて単位換算された圧力の脈動波形において、圧力が最大となる時刻を検出する（ブロック２００５）。
次にブロック２００５にて検出した圧力が最大となる時刻と、ブロック２１０４にて検出したクランク角度毎の時刻を比較し、双方の時刻が最も近くなる時点のクランク角度をクランク角度１として検出する（ブロック２００６）。
次に排気圧センサ４より出力される電圧信号を測定する（ブロック２２０１）。
次にブロック２２０１にて測定した電圧信号の時間履歴を入出力および演算装置に記録する（ブロック２２０２）。
次にブロック２２０２にて記録した電圧信号にフィルタ演算処理を施し、不要なノイズ成分を除去する（ブロック２２０３）。
次にブロック２２０３にてノイズ成分が除去された電圧信号の時間平均値を算出する（ブロック２２０４）。
次にブロック２２０３にてノイズ成分が除去された電圧信号の脈動波形において、圧力が最大となる時刻を検出する（ブロック２２０５）。
次にブロック２２０５にて検出した圧力が最大となる時刻と、ブロック２１０４にて検出したクランク角度毎の時刻を比較し、双方の時刻が最も近くなる時点のクランク角度をクランク角度２として検出する（ブロック２２０６）。
次に筒内圧が最大となるクランク角度１と、当該の燃焼周期によって発生する排気圧力の脈動における排気圧力が最大となるクランク角度２の偏差が概ね一定となる基準クランク角度を設定する（ブロック２１０５）。
次に、燃焼周期毎のクランク角度１とクランク角度２の組合せを検出するため、ブロック２１０６にて検出した基準クランク角度とブロック２００６にて検出したクランク角度１の和と、ブロック２２０６にて検出したクランク角度２を比較し、双方の差が最も小さくなるクランク角度１とクランク角度２の組合せを検出する（ブロック２１０６）。
次にブロック２１０６にて検出した組合せのクランク角度１における最大筒内圧１を検出する（ブロック２００７）。
次にブロック２１０６にて検出した組合せのクランク角度２における排気圧センサ４の出力電圧を検出する（ブロック２２０７）。
次にブロック２２０７にて検出した排気圧センサ４の出力電圧とブロック２２０４にて算出した出力電圧の時間平均値を式９に代入してクランク角度２における最大筒内圧２を算出する（ブロック２２０８）。
次にブロック２２０８で算出した最大筒内圧２からブロック２００７で検出した最大筒内圧１を差し引いた値を、一度の測定期間における燃焼周期回数分算出し、燃焼周期回数分の値の平均値を算出する（ブロック２１０７）。
次にブロック２００４にて換算した筒内圧にブロック２１０７で算出した平均値を加えた値を補正済の筒内圧として算出する（ブロック２１０８）。
次にブロック２１０８にて算出した補正済の筒内圧を出力する（ブロック２１０９）。
以上により、筒内圧センサ１４の出力特性を補正した筒内圧を取得することが可能となる。
図５は本発明の測定方法における筒内圧検出手段の出力特性を補正する補正手段の概要を示したものである。
図５上段の左図（ａ）は内燃機関の筒内圧力と燃焼室８容積の関係を示したものであり、従来の補正手段に用いる吸気圧と排気圧、計測対象となる着火時の筒内圧と最大筒内圧を示している。
図５上段の右図（ｂ）は筒内圧力と筒内圧検出手段の出力電圧の関係を示した筒内圧検出手段の出力特性であり、従来の補正手段に用いる吸気圧と排気圧、計測対象となる着火時の筒内圧と最大筒内圧を示している。
図５上段の従来の技術（ａ）（ｂ）においては、測定対象となる着火時の筒内圧と最大筒内圧に対して補正手段に用いる吸気圧と排気圧が乖離しており、補正手段に用いる圧力をより高い圧力にすることで、筒内圧検出手段における出力特性の補正精度を高めることが求められる。
このため、図５下段の本発明（ｃ）（ｄ）においては、補正手段に用いる圧力を最大筒内圧とすることで、筒内圧検出手段における出力特性の補正精度を高めることが可能となる。
図６は図４のブロック２１０５における基準クランク角度の概要を示したものである。上段の図（ａ）は内燃機関におけるクランク角度と筒内圧の一例を示したものである。下段の図（ｂ）は内燃機関におけるクランク角度と排気圧の一例を示したものである。
図６に示す通り、筒内圧と排気圧の波形にはクランク角度の位相ずれが生じている。これは、燃焼周期における筒内圧が排気管６へ伝達するまでの間に時間が掛かっているためであり、この時間の内訳は燃焼室８の膨張行程に掛かる時間と排気弁から排気圧センサへの圧力伝播時間である。ここで、燃焼室の膨張行程に掛かる時間は、主に排気弁７を開くクランク角度により決定される。また、排気弁７から排気圧センサ４への圧力伝播時間は排気弁７から排気圧センサ４までの距離と排気の音速により決定される。しかし、燃焼室８における膨張行程に掛かる時間に比べて排気弁７から排気圧センサ４への圧力伝播時間は十分に小さいため、排気脈動源の筒内圧脈動を判別する上では無視できる。
このため、上死点から排気弁開までのクランク角度を基準クランク角度と定めることで、実施例２のブロック２１０６における組合せの認識に必要な確度が得られる。
図７は図４のブロック２１０８における筒内圧センサ１４の出力特性を補正する方法についての一例を示したものである。横軸に筒内圧センサ１４の出力電圧、縦軸に筒内圧力を示している。筒内圧センサ１４の雰囲気温度の変化により、筒内圧センサ１４の出力特性にドリフトが生じた場合、本発明を用いて補正することが可能となる。最大筒内圧２と最大筒内圧１の圧力偏差を求め、これを筒内圧センサ１４の特性変化に伴う誤差であるとすれば、着火時の筒内圧として検出した補正前の筒内圧力に圧力偏差を加えて補正後の筒内圧力を算出する。これにより、筒内圧センサ１４の特性変化に伴う誤差を補正することが可能となる。
内燃機関用途に限らず、圧縮機などの往復運動機関やロータリー機関など、周期的に高圧ガスを排出する機器に適用できる。
本発明における測定に必要な機器の位置付けおよび接続構成を示した説明図である。 本発明の測定装置における測定方法の一例を示したものである。 本発明における測定の１つの実施方法を示したフローチャートである。 本発明における測定の別の実施方法を示したフローチャートである。 本発明の測定方法における筒内圧検出手段の出力特性を補正する補正手段の概要を示したものである。 図４のブロック２１０５における基準クランク角度の概要を示したものである。 筒内圧センサの出力特性を補正する方法についての一例を示したものである。
符号の説明
１ エンジン
２ ＥＣＵ
３ 入出力および演算装置
４ 排気圧センサ
５ インジェクタ
６ 排気管
７ 排気弁
８ 燃焼室
９ ピストン
１０ クランク角センサ
１１ 吸気弁
１２ 吸気管
１３ 吸気圧センサ
１４ 筒内圧センサ

Claims (2)

  1. 内燃機関の筒内圧を測定するための筒内圧測定装置において、
    内燃機関の排気通路に設けられ、排気通路内の排気圧力を測定する排気圧力検出手段と、
    測定した排気圧力の時間履歴を記録する排気圧力記録手段と、
    記録した排気圧力の時間履歴より、排気圧力の脈動周期毎の最大値を検出する最大排気圧力検出手段と、
    検出した最大排気圧力を用いて、燃焼周期毎の筒内圧の最大値を算出する演算手段を備え、
    算出した燃焼周期毎の筒内圧の最大値を出力することを特徴とする筒内圧測定装置。
  2. 内燃機関の筒内圧を測定するための筒内圧測定装置において、
    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と、
    検出したクランク角度の時間履歴を記録するクランク角度記録手段と、
    筒内圧を検出するための筒内圧検出手段と、
    検出した筒内圧の時間履歴を記録する筒内圧記録手段と、
    記録した筒内圧の時間履歴より、燃焼周期毎の筒内圧の最大値を検出する最大筒内圧１検出手段と、
    記録した筒内圧の時間履歴より、燃焼周期毎の筒内圧が最大となる時刻を検出する時刻１検出手段と、
    記録したクランク角度の時間履歴より、燃焼周期毎の筒内圧が最大となるクランク角度１を検出するクランク角度１検出手段と、
    内燃機関の排気通路に設けられ、排気通路内の排気圧力を検出する排気圧力検出手段と、
    検出した排気圧力の時間履歴を記録する排気圧力記録手段と、
    記録した排気圧力の時間履歴より、脈動周期毎の排気圧力の最大値を検出する最大排気圧力検出手段と、
    検出した最大排気圧力を用いて燃焼周期毎の筒内圧の最大値を算出する最大筒内圧２演算手段と、
    記録した排気圧力の時間履歴より、脈動周期毎の排気圧力が最大となる時刻を検出する時刻２検出手段と、
    記録したクランク角度の時間履歴より、脈動周期毎の排気圧力が最大となるクランク角度２を検出するクランク角度２検出手段と、
    クランク角度１と、クランク角度１の時点で最大となる筒内圧によって生じる排気圧力が最大となるクランク角度２の偏差が、複数の燃焼周期において、概ね一定となる基準クランク角度を定める基準クランク角度設定手段と、
    複数の燃焼周期において、基準クランク角度とクランク角度１の和と、クランク角度２を比較し、双方の差が最も小さくなるクランク角度１とクランク角度２の組合せを検出するクランク角度組合せ検出手段と、
    検出したクランク角度の組合せにおいて、クランク角度２における排気圧力より前記最大筒内圧２演算手段を用いて算出した最大筒内圧２と、クランク角度１における最大筒内圧１との圧力偏差を算出する演算手段と、
    算出した圧力偏差を用いて、前記筒内圧検出手段の出力特性を補正する補正手段を備えたことを特徴とする筒内圧測定装置。
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