JP2011163236A - 筒内圧検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点火方式が切り替え可能な内燃機関において、点火方式に関わらず検出精度を確保すると共に、検出値が高すぎることによる不具合を抑制することが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１は、点火方式を多点点火方式と１点点火方式とに切り替え可能なエンジンにおいて気筒の筒内圧を検出する装置である。筒内圧検出装置１は、筒内圧を測定し検出値信号を送出する筒内圧センサ１５と、筒内圧センサ１５の検出値信号を増幅するアンプ２１と、を備え、アンプ２１は、エンジンの点火方式が多点点火方式である場合には、エンジンの点火方式が１点点火方式である場合に比べて、検出値信号に対する増幅率を１／２に減少させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の筒内圧を検出する筒内圧検出装置に関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の筒内圧検出装置が知られている。この筒内圧検出装置は、筒内圧センサからの検出値信号を増幅する増幅手段を備えている。当該増幅手段では、内燃機関の吸気行程、圧縮行程、及び排気行程におけるアンプゲインが、燃焼行程時のアンプゲインに比較して高く設定される。

特開昭６１−００４９３５号公報

ここで、点火方式を多点点火方式と１点点火方式とに切り替え可能な内燃機関について考える。このような内燃機関においては、多点点火方式と１点点火方式との間で筒内圧のピーク値に差がある。従って、筒内圧が大きい多点点火方式の使用時には、筒内圧の検知値信号を増幅した場合、増幅後の検出値信号の電圧が高すぎることによる不具合が懸念される。その一方、筒内圧が小さい１点点火方式の使用時には、筒内圧の検出精度の低下が懸念される。このような点火方式切り替え可能な内燃機関においては、両方の点火方式の使用時において筒内圧の良好な検知が望まれるところ、上記特許文献１の筒内圧検出装置にあっては、点火方式が切り替えられる場合について何らの考慮もされていない。

そこで、本発明は、点火方式が切り替え可能な内燃機関において、点火方式に関わらず検出精度を確保すると共に、検出値が高すぎることによる不具合を抑制することができる筒内圧検出装置を提供することを目的とする。

本発明の筒内圧検出装置は、点火方式を多点点火方式と１点点火方式とに切り替え可能な内燃機関において気筒の筒内圧を検出する筒内圧検出装置であって、筒内圧を測定し検出値信号を送出する筒内圧センサと、筒内圧センサの検出値信号を増幅する信号増幅手段と、を備え、信号増幅手段は、内燃機関の点火方式が多点点火方式である場合には、内燃機関の点火方式が１点点火方式である場合よりも、検出値信号に対する増幅率を減少させることを特徴とする。

この筒内圧検出装置によれば、内燃機関の多点点火方式の使用時には筒内圧が比較的高いので、増幅率を比較的小さくすることにより、増幅後の検出値信号の電圧が高すぎることによる不具合を抑制することができる。その一方、内燃機関の１点点火方式の使用時には筒内圧が比較的低いので、増幅率を比較的大きくすることにより、増幅後の検出値信号の電圧が小さすぎることによる検出精度低下を抑制することができる。

また、信号増幅手段は、内燃機関の行程が吸気行程中又は排気行程中である場合には、内燃機関の行程がその他の行程中である場合よりも、検出値信号に対する増幅率を増加させることとしてもよい。

この構成によれば、更に、筒内圧が比較的低い吸気行程中又は排気行程中においても、増幅率を比較的大きくすることにより、増幅後の検出値信号の電圧が小さすぎることによる検出精度低下を抑制することができる。

本発明の筒内圧検出装置によれば、点火方式が切り替え可能な内燃機関において、点火方式に関わらず検出精度を確保すると共に、検出値が高すぎることによる不具合を抑制することができる。

本発明の筒内圧検出装置が適用される内燃機関を示す図である。 本発明の筒内圧検出装置を示す図である。 多点点火方式と１点点火方式とにおける筒内圧力波形を示す線図である。 各筒内行程における筒内圧力波形を示す線図である。 アンプのゲインを切り替える処理を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る筒内圧検出装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態である筒内圧検出装置１が適用された車両（自動車）２００のエンジン１００を示す概略構成図である。図１に示されるエンジン１００は、シリンダブロック２に形成された気筒３の燃焼室３ａの内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３ａ内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生するものである。エンジン１００は、複数の気筒３を備える多気筒エンジンとして構成されてもよい。

燃焼室３ａの吸気ポートは、吸気管５に接続され、燃焼室３ａの排気ポートは排気管６に接続されている。吸気弁Ｖｉは吸気ポートを開閉し、排気弁Ｖｅは排気ポートを開閉する。吸気管５は、サージタンク８に接続されている。サージタンク８には、吸気通路が接続されており、吸気通路は、エアクリーナ９を介して図示されない空気取入口に接続されている。そして、吸気通路の途中（サージタンク８とエアクリーナ９との間）には、スロットルバルブ（本実施形態では、電子制御式スロットルバルブ）１０が組み込まれている。一方、排気管６には、例えば三元触媒を含む前段触媒装置１１ａおよび例えばＮＯｘ吸蔵還元触媒を含む後段触媒装置１１ｂが接続されている。

更に、エンジン１００は、エンジン制御ＥＣＵ２０を備えると共に、当該エンジン制御ＥＣＵ２０に電気的に接続されたクランク角センサ１４、筒内圧センサ１５、アクセル開度センサ１６をはじめとする多数のセンサ類を備えている。エンジン制御ＥＣＵ２０は、記憶装置に記憶されている各種マップ等を用いると共に各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２、バルブＶｉ，Ｖｅの動弁機構等を制御する。

筒内圧センサ１５は、半導体素子、圧電素子、磁歪素子あるいは光ファイバ検出素子等を含んで構成され、対応する燃焼室３ａ内に受圧面が臨むようにシリンダヘッドに配設されている。各筒内圧センサ１５は、燃焼室３ａ内でその受圧面に加わる圧力（筒内圧）を大気圧に対する相対値として出力するものであり、その受圧面に加わる圧力（筒内圧）に応じた電圧の検出値信号（検出値を示す信号）をエンジン制御ＥＣＵ２０に与える。

クランク角センサ１４は、エンジン１００において回転駆動されるクランク軸の回転角（クランク角）を検出するセンサである。クランク角センサ１４は、検出したクランク軸の回転角をクランク角信号としてエンジン制御ＥＣＵ２０へ送信する。

また、このエンジン１００では、１つの気筒３に対して複数の点火プラグ７が設けられている。そして、この複数の点火プラグ７によって、１つの気筒３に吸入された燃料を、点火時期を制御しながら複数箇所で点火することにより、燃料が燃焼室３ａ内で満遍なく燃焼し燃焼速度も速くなる。このような点火方式は、「多点点火方式」と呼ばれる。多点点火方式では、ノッキングの抑制やトルク向上などの効果が得られる。また、このエンジン１００では、１つの気筒３に対応する複数の点火プラグ７のうち１つのみを使用することで、従来どおり燃焼室３ａの１箇所で点火することも可能である。このような点火方式は、「１点点火方式」と呼ばれる。

また、エンジン制御ＥＣＵ２０は、多点点火方式と１点点火方式との間で、選択的に点火方式を切り替えることができる。ここでは例えば、大きいトルクが必要な場合には多点点火方式を使用し、大きいトルクが必要ない場合には点火の消費電力を抑えるべく１点点火方式を使用する、といった切り替えが行われる。

図２に示す筒内圧検出装置１は、以上説明したようなエンジン１００に適用されている。筒内圧検出装置１は、同図に示すように、上記のエンジン制御ＥＣＵ２０と、筒内圧センサ１５と、クランク角センサ１４と、を備えている。筒内圧検出装置１は、筒内圧センサ１５からの検出値信号を処理し、気筒３の筒内圧を検出する。なお、本実施形態においては、筒内圧検出装置１は、検出した上記筒内圧に基づき種々のエンジン制御（例えば、点火プラグ７の点火時期の制御、燃料噴射量の制御、バルブＶｉ，Ｖｅの開閉制御など）を行う機能を更に有しているものとする。

エンジン制御ＥＣＵ２０は、筒内圧センサ１５からの検出値信号を増幅するアンプ（信号増幅手段）２１と、アンプ２１による増幅後の検出値信号をフィルタリングするローパスフィルタ２３と、を備えている。更に、エンジン制御ＥＣＵ２０は、ローパスフィルタ２３でフィルタリングされた検出値信号を受信し、筒内圧に基づくエンジン制御の演算を行うＣＰＵ２５を備えている。

ここでは、ＣＰＵ２５は、筒内圧に基づいて気筒３に充填される空気量（「筒内吸入空気量」又は単に「吸入空気量」と称する）を算出し、算出した空気量に基づきインジェクタ１２の燃料噴射量を制御する。更に、ＣＰＵ２５は、例えばエンジン回転数センサで得られるエンジン回転数に基づいて、何れの点火方式を使用すべきかを決定し、点火方式の切り替えを制御する。ＣＰＵ２５は、ローパスフィルタ２３からの検出値信号をＡＤ変換するＡＤ変換部２５ａと、演算を行うＣＰＵコア２５ｂと、を有している。

ここで、ＣＰＵ２５のＡＤ変換部２５ａとしては、例えば、０〜５Ｖのリファレンス電圧に対応可能なものが一般的である。そして、アンプ２１のゲイン（増幅率）は、筒内圧センサ１５から出力される信号の電圧の範囲に応じて設定されることが好ましい。一般的には、エンジンの圧縮行程〜燃焼行程で筒内圧の精度が必要になることが多いので、数ＭＰａ程度の筒内圧で最も精度が高くなるように、アンプのゲインが設定される。

ところが、エンジン１００では、前述したように１点点火方式と多点点火方式とが切り替え可能である。ここで、図３に、１点点火方式の場合と多点点火方式の場合とにおける筒内圧力波形を示す。同図に示されるように、多点点火方式では、１点点火方式よりも点火遅角しながら、筒内圧のピークを１点点火方式と同じクランク角にすることが可能である。そして、同図に示されるように、多点点火方式における筒内圧のピーク値は、１点点火方式の場合の約２倍となる。従って、多点点火方式の使用時にＡＤ変換部２５ａのリファレンス電圧が大きくなりすぎないように、アンプ２１のゲインを抑える必要がある。

その一方、エンジン制御ＥＣＵ２０のＣＰＵ２５では、前述したような燃料噴射量制御に必要な情報として、吸気行程における筒内圧に基づいて吸入空気量が算出される。従って、吸気行程での筒内圧の精度が必要になる。ここで、図４に、吸気行程→圧縮行程→燃焼行程→排気行程における筒内圧の推移を示す。同図に示されるように、吸気行程での筒内圧は、圧縮行程又は燃焼行程での筒内圧に比較して非常に小さい。従って、吸気行程においても筒内圧の精度を確保すべく、アンプ２１のゲインをある程度大きくする必要がある。

そこで、アンプ２１のゲインが固定であれば、上述のような要求を満たすことが困難であるので、アンプ２１のゲインは切り替え可能とされている。すなわち、アンプ２１は、切り替えて使用可能で異なるゲインをもつ３つの増幅部２１ａ，２１ｂ，２１ｃを有している。そのうち、１点点火用増幅部２１ａのゲインをＧとすれば、多点点火用増幅部２１ｂのゲインはＧ／２（Ｇの２分の１）であり、吸気・排気行程用増幅部２１ｃのゲインは１０×Ｇ（Ｇの１０倍）である。筒内圧センサ１５からの検出値信号は、上記の増幅部２１ａ，２１ｂ，２１ｃのうちの何れかによって増幅された後、ローパスフィルタ２３に入力される。

ＣＰＵ２５は、現在使用中の点火方式（１点点火方式であるか多点点火方式であるか）と、現在の筒内行程（吸気・排気行程であるか圧縮・燃焼行程であるか）と、に基づいて、ゲイン選択制御信号を送信し、アンプ２１が何れの増幅部２１ａ，２１ｂ，２１ｃを使用するかを切り替える。ここでは、ＣＰＵ２５には、クランク角センサ１４からのクランク角信号が入力される。クランク角からは一意的に筒内行程を知ることができるので、ＣＰＵ２５は、当該クランク角信号に基づいて、現在の筒内行程が吸気・排気行程であるか圧縮・燃焼行程であるかを認識することができる。またＣＰＵ２５は、前述のように使用すべき点火方式を決定するので、現在使用中の点火方式が１点点火方式であるか多点点火方式であるかを認識することができる。

なお、上述したようなアンプ２１の各増幅部２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、例えば、各々がゲイン調整された公知の増幅回路で構成することができる。また、ゲイン選択制御信号に基づいて各増幅部２１ａ，２１ｂ，２１ｃを互いに切り替える仕組みも、電気回路によって実現可能である。

以下、図５を参照し、ＣＰＵ２５がアンプ２１のゲインを切り替える処理について説明する。

図５に示すように、まず、ＣＰＵ２５は、クランク角信号に基づいて、現在の筒内行程が排気又は吸気行程であるか否かを判断する（Ｓ１０１）。ここでは、クランク角が予め定められた所定の範囲内にあるときに、現在の筒内行程が排気又は吸気行程であると判断する。この処理Ｓ１０１で、現在の筒内行程が排気又は吸気行程であると判断された場合（Ｓ１０１でＹｅｓ）には、アンプ２１のゲインを１０×Ｇとすべき旨が決定され（Ｓ１０３）、吸気・排気行程用増幅部２１ｃを使用する旨のゲイン選択制御信号がアンプ２１に送信される。これにより、筒内圧センサ１５からの検出値信号は、吸気・排気行程用増幅部２１ｃにより１０×Ｇのゲインで増幅され、ローパスフィルタ２３に送られる。一方、現在の筒内行程が排気又は吸気行程ではない（すなわち、圧縮又は燃焼行程である）と判断された場合（Ｓ１０１でＮｏ）には、更に、ＣＰＵ２５は、現在使用中の点火方式が多点点火方式であるか否かを判断する（Ｓ１０５）。

ここで、現在の点火方式が多点点火方式であると判断された場合（Ｓ１０５でＹｅｓ）には、アンプ２１のゲインをＧ／２とすべき旨が決定され（Ｓ１０７）、多点点火用増幅部２１ｂを使用する旨のゲイン選択制御信号がアンプ２１に送信される。これにより、筒内圧センサ１５からの検出値信号は、多点点火用増幅部２１ｂによりＧ／２のゲインで増幅され、ローパスフィルタ２３に送られる。一方、現在の点火方式が多点点火方式ではない（すなわち、１点点火方式である）と判断された場合（Ｓ１０５でＮｏ）には、アンプ２１のゲインをＧとすべき旨が決定され（Ｓ１０９）、１点点火用増幅部２１ａを使用する旨のゲイン選択制御信号がアンプ２１に送信される。これにより、筒内圧センサ１５からの検出値信号は、１点点火用増幅部２１ａによりＧのゲインで増幅され、ローパスフィルタ２３に送られる。

処理Ｓ１０３、Ｓ１０７、又はＳ１０９の後は、再び処理Ｓ１０１に戻る。以上の処理がエンジン１００の作動中において繰り返し行われる。なお、アンプ２１の各増幅部２１ａ，２１ｂ，２１ｃのゲインを、それぞれＧ，Ｇ／２，１０×Ｇとしているが、このゲインの比率は一例であり、エンジン１００の特性等に応じて適宜変更してもよい。

以上説明した筒内圧検出装置１によれば、筒内圧が比較的高い多点点火方式の使用時には、アンプ２１のゲインを比較的小さくする（Ｇ／２とする）ことにより、増幅後の検出値信号の電圧が高すぎることによる不具合の可能性を低減することができる。検出値信号の電圧が高すぎることによる不具合としては、例えば、ＡＤ変換部２５ａで対応可能な信号電圧を超えてしまうことによる検出不良、或いはＣＰＵ２５の破損などがある。

その一方、エンジン１００の１点点火方式の使用時には筒内圧が比較的低いので、多点点火方式の使用時よりもアンプ２１のゲインを大きくする（Ｇとする）。これにより、筒内圧の分解能を確保し、増幅後の検出値信号の電圧が小さすぎることによる検出精度低下を抑制することができる。このように、上記筒内圧検出装置によれば、何れの点火方式の使用時にも、検出精度を確保することができ、また、筒内圧が高い多点点火方式の使用時においても、増幅後の検出値信号の電圧が高すぎることによる不具合を回避することができる。

また、エンジン１００の吸気・排気行程においては、圧縮・燃焼行程に比較して筒内圧が断然に小さいにも関わらず、エンジン制御ＥＣＵ２０では、吸気行程における筒内圧に基づいて吸入空気量が算出されることから、吸気行程での筒内圧の精度が必要になる。これに対し、筒内圧検出装置１によれば、エンジン１００の筒内行程が吸気行程又は排気行程である場合には、圧縮・燃焼行程の場合よりも、アンプ２１のゲインを大きくする（１０×Ｇとする）ことにより、吸気・排気行程においても、筒内圧の分解能を確保し、筒内圧の検出精度を確保することができる。

１…筒内圧検出装置、１４…クランク角センサ、１５…筒内圧センサ、２０…エンジン制御ＥＣＵ、２１…アンプ（信号増幅手段）、１００…エンジン（内燃機関）、２００…自動車。

Claims (2)

1. 点火方式を多点点火方式と１点点火方式とに切り替え可能な内燃機関において気筒の筒内圧を検出する筒内圧検出装置であって、
   前記筒内圧を測定し検出値信号を送出する筒内圧センサと、
   前記筒内圧センサの前記検出値信号を増幅する信号増幅手段と、を備え、
   前記信号増幅手段は、
   前記内燃機関の点火方式が多点点火方式である場合には、前記内燃機関の点火方式が１点点火方式である場合よりも、前記検出値信号に対する増幅率を減少させることを特徴とする筒内圧検出装置。
2. 前記信号増幅手段は、
   前記内燃機関の行程が吸気行程中又は排気行程中である場合には、前記内燃機関の行程がその他の行程中である場合よりも、前記検出値信号に対する増幅率を増加させることを特徴とする請求項１に記載の筒内圧検出装置。

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