JP3541570B2

JP3541570B2 - In-cylinder pressure sensor for engine

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Publication number: JP3541570B2
Application number: JP15069396A
Authority: JP
Inventors: 正美桝田; 定寧上野; 茂雄相川; 高之文野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-06-12
Filing date: 1996-06-12
Publication date: 2004-07-14
Anticipated expiration: 2016-06-12
Also published as: JPH09329520A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの燃費向上と排気ガス浄化を目的として、燃焼室内の圧力いわゆる筒内圧を検出する筒内圧センサと、該筒内圧センサを用いた筒内圧の検出方法、およびエンジンの燃焼状態を制御する方法及びそのエンジンシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内圧センサとしては、一般的に、点火プラグの周辺に取り付けて燃焼圧を直接計測する方法が採られており、この筒内圧センサからの検出信号により、エンジン本体の失火やノッキング発生状態を検出する方式が開発されている。
【０００３】
しかし、エンジンを多弁化したり、シリンダ上部に複数の動弁機構（カムシャフト）を設けるなど、エンジンを高出力化する目的で、より複雑構造となっているシリンダヘッドに、上記のような筒内圧センサを配置することが極めて難しくなっている。
【０００４】
この欠点を補うために、燃焼圧を間接的に計測する方法として、特開平２−１５７６３１号公報にみられるように、シリンダガスケット内に筒内圧センサ本体の装着部を設け、この装着部に着脱可能な圧電素子を組み込んだ筒内圧センサが開発されている。しかしこの従来方法では、柔らかいガスケット材からなる広い面積のシリンダガスケットと、高剛性の狭い受圧面積をもつ圧電素子が並列に並んだ構成となっている。このため、シリンダヘッドとシリンダブロックとの間に、この筒内圧センサを組み込んだシリンダガスケットを挾んで締結するとき、圧縮代は大部の面積を占めるガスケット材によって決定されるので、圧電素子を最適な圧縮代で締結することが極めて困難であった。そのため、圧縮代が不足の場合には、圧電素子が両者間で振動するなどして精度の良い検出信号、とくに高周波帯域での検出信号が得られない一方、締め代が過大な場合には、圧電素子が破損してしまうといった欠点があった。
【０００５】
さらにこの従来方式の筒内圧センサでは、
▲１▼シリンダガスケットや圧電素子の厚さ寸法のばらつきをある程度許容しなければならない、
▲２▼とくに複数個の圧電素子を用いる多気筒エンジンの筒内圧センサにあっては、圧電素子相互間の厚さばらつきも許容しなければならない、
▲３▼筒内圧センサを装着したシリンダガスケットをシリンダブロックとシリンダヘッド間に組み立てるに際して、結合ボルトの締め付けトルクを高精度に管理しなければならない、
▲４▼エンジンの温度上昇に伴う締め付け力の変化を吸収することができず、検出信号の変動をきたしていた、
など、生産し実用化する上で大きな障害となっていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来技術による筒内圧センサでは、検出性能を高めようとすると、生産上の障害をきたすという、性能面と生産面が相入れないという問題を有していた。
【０００７】
すなわち、筒内圧センサ本体を、１ｍｍないし１.５ｍｍといった薄さのシリンダガスケットに内臓する場合に、筒内圧センサ本体およびガスケット材のわずかな厚さのばらつきが、シリンダブロックとシリンダヘッドの間にシリンダガスケットを締め付けるに際し、予期しない締め付け力の大きな変動となって表れ、上述したような好ましからざる事態を引き起こしていた。
【０００８】
上記問題点を解決するために、本発明では、これら厚さばらつきがあってもこれらを許容し、量産に適した筒内圧センサの構造と検出システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の基本となる動作原理は、ミクロにみた場合、測定対象となるエンジンが弾性体であり、シリンダヘッドにかかる燃焼圧に呼応して、シリンダブロックとシリンダヘッド間が、シリンダガスケットの厚さ方向に膨張・収縮を繰り返すこと、すなわちシリンダガスケットの厚さ変動を来すことを利用して、この厚さ変動を検出して、シリンダ内の燃焼圧、すなわち筒内圧を測定することにある。
【００１０】
ちなみに、燃焼圧に伴うシリンダガスケットの厚さ変動は、エンジンやシリンダガスケットの種類にもよるが、例えば参考文献１）に記載されているように、８ないし１２μｍ程度であり、この燃焼圧の変動を、圧電素子による圧電効果を利用して、電気量の変動として検出するものである。
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の筒内圧センサは、
(1)シリンダ内の燃焼圧を伝えるためのパッドと、圧力を電気信号に変換する圧電素子と、電気信号をチャージアンプに送る端子と導線で構成しており、
(2)シリンダガスケット内のパッドと筒内圧センサ本体を装着するための取り付け穴と導線または導線の通り溝に、パッドと筒内圧センサ本体を装着し、シリンダヘッドとシリンダブロックの間に筒内圧センサを搭載したシリンダガスケットを結合ボルトで所定の締め付け圧力で締結している。
【００１２】
(3)圧電素子からの電気信号をチャージアンプで増幅し、エンジン制御用コンピュ−タ（ＥＣＵ）に取り込み、エンジン制御用コンピュ−タから適切な指令を出し、エンジンの燃焼圧を正常な状態に制御する。
【００１３】
(4)このとき使用するパッドは、シリンダガスケットのばね定数をｋ、パッドのばね定数をｋ1とするとき、パッドのばね定数ｋ1はｋよりも大きく、かつ、シリンダガスケット内に筒内圧センサを装着して、シリンダブロック・シリンダブロック間に締結したとき、筒内圧センサ本体が破損しない範囲でなければならない。
【００１４】
(5)これらの構成からなる筒内圧センサにおいては、１個の筒内圧センサで２気筒以上の燃焼圧を検出することが可能になる。
【００１５】
図３、図４に、筒内圧センサを使用したエンジンとその制御システムの構成を示し、図５に筒内圧センサを使用したときの効果を示す。燃焼室１３内の燃焼圧の変動を、ガスケット内に装着しているパッドにより筒内圧センサ本体に伝え、圧電素子でパッドの圧力変化を電気信号として検出する。この得られる電気信号は、比較的高電圧であるが電流値が小さいため、その信号を端子と導線を介して入力インピーダンスの高いチャージアンプに伝え、インピーダンス変換を行ってエンジン制御用コンピュ−タ（ＥＣＵ）に取り込む。
【００１６】
例えば、シリンダ内においてノッキング発生などの異常な圧力変動がある場合に、エンジン制御用コンピュ−タから適切な指令を出し、燃料噴射のタイミング、独立ヘリカル吸気ポ−トの開閉、電子制御ＥＧＲバルブなどを制御し、エンジンの燃焼を正常な状態に維持してトルク変動を防止し、最適な空燃比を確保して、燃料消費量を最少にして、排ガスをクリーンにする。
【００１７】
ところで、本発明の筒内圧センサでは、燃焼室内の圧力変動を、上述したようにエンジンのミクロな弾性変形を利用して間接的に計測するために、燃焼圧を伝えるパッドが極めて重要な役割を果たす。
【００１８】
すなわち、結合ボルトによって所定の締め付け圧力状態でシリンダヘッドとシリンダブロックの間に、パッドと筒内圧センサ本体の圧電素子を装着したシリンダガスケットを固定する。このとき、
(1)ガスケット厚さ方向に、μｍ単位の高精度で筒内圧センサ本体の圧電素子を取り付けることができれば、燃焼圧に呼応したシリンダガスケットの厚さ変動を圧電素子からの電気信号として高感度に検出できる。しかし、耐熱性の高い圧電素子は、セラミックスなどのいわゆる硬脆材でできており、圧縮代がわずかでも許容値を超えると、圧電素子を破壊させてしまう。
【００１９】
(2)シリンダの気密を保つため、シリンダガスケットに弾性に富んだガスケット材を用いており、きわめて変形しやすい。このため、シリンダブロックとシリンダヘッド間に締め付けた状態で、シリンダガスケットの厚さ寸法を高精度に維持することができず、上記(1)の条件を満たすことができない。
【００２０】
(3)したがって、圧電素子とシリンダヘッドあるいはシリンダブロックの間に、弾性に富んだパッドを挿入することになる。
【００２１】
(4)しかし、パッドの弾性が過度になると、燃焼圧に呼応したシリンダガスケットの厚さ変動があっても、圧電素子には力がほとんど作用しなくなり、高感度の電気信号が得られない。このため、このパッドの弾性についての配慮が必要になる。
【００２２】
この点について、図６を用いて説明する。
【００２３】
まず、圧電素子はガスケット材やパッド材よりも剛性が相対的に高いので、その弾性変形は無視できると仮定する。またシリンダガスケット３の受圧面積が広いので、シリンダヘッド４とシリンダブロック５の間にシリンダガスケット３が所定の締結力で締め付けられるとき、シリンダガスケット３の圧縮代によって、筒内圧センサ本体とパッドの圧縮代が決定される。
【００２４】
シリンダガスケット３の厚さが、公称のシリンダガスケット厚さｔgと(１−α)ｔgの間をばらつくとして、締結後のパッドの締め代は、公称のパッドの圧縮代ΔとΔ＋α・ｔgの間をばらつく。したがって、パッド２のバネ定数をｋ1、該パッドの受圧面積をＡ、該パッドの破壊限界応力をσp、圧電素子の破壊限界応力をσcとすると、
σc ＜ｋ1(Δ＋α・ｔg)／Ａ・・・ (1)
σp ＜ｋ1(Δ＋α・ｔg)／Ａ・・・ (2)
でなければならない。
【００２５】
またパッド２に等しい面積のシリンダガスケット３のばね定数ｋよりも、パッドのばね定数ｋ1が小さくなると、著しく検出感度が劣化するので好ましくない。したがって、パッド２のばね定数ｋ1は
ｋ ≦ ｋ1 ＜ σc・Ａ／(Δ＋α・ｔg) ・・・ (3)
ｋ ≦ ｋ1 ＜ σp・Ａ／(Δ＋α・ｔg) ・・・ (4)
でなければならない。
【００２６】
またこの条件範囲で、パッドのばね定数ｋ1を大きくとるほど、力振幅λ(＝ｆ1−ｆ2)が増大し、圧電素子への入力が大きくなり筒内圧センサの感度が良くなるので、 Δ＞０なる範囲で、ｋ1を可能な限り大きくした方がよい。
【００２７】
さらに、このような特徴のあるパッド２を筒内圧センサ本体に使用することで、１個の筒内圧センサで２気筒以上のシリンダ内の燃焼圧を検知することが可能である。
【００２８】
シリンダガスケットの厚み方向の収縮及び結合ボルトの伸びと燃焼圧変動の関係を図１２を用いて説明する。
【００２９】
エンジンに燃焼圧が作用するときの結合ボルトの伸びとシリンダガスケットの緩み（伸び）の関係を示したもので、シリンダガスケットの伸縮から燃焼圧変動を測定することを特徴とするが、シリンダガスケットの締め付け寸法のばらつきが問題となる。
【００３０】
なぜならば、締結ボルトの伸びが同じであっても、シリンダガスケットの締め付け寸法がばらつくことにより、シリンダガスケットの伸びに対して、適切な燃焼圧変動を検出することができない。ゆえに、シリンダガスケットに直接圧電素子を挿入して使用することは困難である。
【００３１】
また、燃焼圧変動を測定する場合、図１３に示すように、燃焼圧の大半をシリンダガスケットで受ける系の燃焼圧（燃焼圧力）に測定系を挿入して並列測定することになる。測定系のばね定数が柔らかければ別に問題ないが、センサ本体（圧電素子）は硬脆材であり、ばね定数が大きいためセンサ単独では、結合ボルトの締結力のわずかな変動によりセンサ本体が破壊し、測定が困難である。
【００３２】
そこで、微小変位を力として圧電素子に伝えるパッドが必要になる。このパッドは、シリンダガスケットの締め付け寸法ばらつきを吸収できること、また、シリンダガスケットの微小伸縮を力として圧電素子に伝えることが必要で、このような、両者を満たす最適なパッドのばね定数でなければならない。
【００３３】
シリンダガスケットによる伸縮が支配的なため、測定系の挿入による全体系への影響は考慮しなくてもよい。しかし、パッドはただ単にクッションの効いた柔らかいものを挿入すればよいというようなものではなく、パッドのばね定数が小さいと、シリンダガスケットの微小伸縮を力として圧電素子に伝えることができず、ばね定数が大きいと力が大きすぎて、圧電素子が破壊する。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の筒内圧センサの第１の実施例を図１ないし図２を参照して説明する。図１および図２は、図３に示すようなエンジン本体１０における、シリンダヘッド４とシリンダブロック５との間に介在している燃焼ガスの漏れを防止するシリンダガスケット３の部分拡大図である。図３中で、１１はシリンダブロック内に形成されたシリンダ、１２はシリンダ１１内に配設されたピストン、１３はシリンダヘッド４内に形成された燃焼室である。
【００３５】
この場合、シリンダガスケット３には、図１に示すようにシリンダ１１に対応する部分にシリンダ１１の内径寸法と略同径の筒穴（シリンダ用開口部）１４が形成されているとともに、シリンダヘッド４に図示しない固定ボルト１５の挿入穴および冷却水や潤滑油の流通穴がそれぞれ形成されている。
【００３６】
またシリンダガスケット３の外周面および内周面には、図２に示すように、例えば金属等の導体によって形成されたカバ−部材であるグロメット９が配設されている。このグロメット９の内部には、例えば低密度グラファイト等の柔らかい材質の一対のガスケット材３ａ、３ｂが配設されているとともに、これらのガスケット材３ａ、３ｂの間には中間板３ｃが配設されている。このシリンダガスケット３には、各筒穴１４の周囲に、略リング状の筒内圧センサ本体装着穴１６と電気信号を伝える導線７の通り溝１７が形成されている。このときの導線７は、シリンダガスケット３と一体構造となっていても構わない。また、筒内圧センサ本体装着穴１６は、図２に示すガスケット材３ａと中間板３ｃ、およびその下側にあるガスケット材３ｂの一部も取り除き形成されている。
【００３７】
さらに、このシリンダガスケット３の筒内圧センサ本体装着穴１６内には略リング状の筒内圧センサ本体１８が着脱可能に取付けられている。このときの筒内圧センサ本体１８には、ガスケット材３ａ、３ｂの単位面積あたりのばね定数ｋよりも大きいばね定数ｋ1の発泡金属製のパッド２と一対の圧電素子１が組み込まれている。また圧電素子１の外面には、正電極と負電極にそれぞれ端子６を装着し、導線７によりチャージアンプ８につながっている。
【００３８】
エンジン稼働時には、シリンダヘッド４、シリンダブロック５及びシリンダガスケット３の温度は、燃焼室１３から伝導してくる熱により２５０℃から３００℃近くにまで上昇する。そのため、図１４に示す筒内圧センサ本体１８の製作、組立において、圧電素子１のキュリー点は３００℃以上のもので、圧電素子１と端子６及び端子６と導線７の材料においても３００℃以上の耐熱性のあるものを用いている。また圧電素子１と端子６をはんだを用いて接合する場合、はんだには３００℃以上で溶融する高温はんだを使用し、また、導線７に使用している同軸ケ−ブルにも、３００℃まで耐熱性のある被覆を使用している。
【００３９】
圧電素子１からの電気信号が、端子６、導線７を通りアンプ８で増幅するまでの配線経路では、圧電素子１と端子６及び導線７を接合した状態で、ＰＩＱ（ポリイミド材）などの耐熱性の高い絶縁材でコ−ティングし、電気的に絶縁しており、他の導通部の影響を受けない構成としている。その後、圧電素子１及び端子６、導線７とパッド２を、筒内圧センサ本体装着穴１６及び導線７の通り溝１７が加工されたシリンダガスケット３に装着し、シリンダヘッド４とシリンダブロック５の間に筒内圧センサ本体を搭載したシリンダガスケット３を、結合ボルト１５で所定の締め付け力で締結する。
【００４０】
これにより、従来より筒内圧センサ本体１８の取付け位置が燃焼室１３から離れた場所であっても、筒内圧センサのパッド２の作用によってシリンダ１１の軸方向の圧力変化を圧電素子１で検出することにより、高感度で燃焼圧を検知することが可能になり、燃焼室１３からの熱による温度の影響を抑えることができ、信頼性が向上する。
【００４１】
パッド２の最適化事例を、図６、図７を用いて下記に述べる。
【００４２】
いま公称の初期シリンダガスケット３の厚さｔgを１.４５ｍｍ、その厚さ変動αを±５％とすれば、α・ｔsを±０.０７３ｍｍとなる。シリンダガスケットの圧力シールド有効面積を２００ｃｍ２、これを有効径１０ｍｍ、１０本の抗張力６０ｋｇｆ／ｍｍ2の締結用ボルト１５を用いて、その６５％の張力でシリンダガスケットをシリンダヘッド４とシリンダブロック５の間にパッド２を挟んで締め付けたとき、シリンダガスケット３の厚さｔsが、ｔ＝０.１５ｍｍ圧縮されて１.３０ｍｍになったとする。
【００４３】
このときのシリンダガスケットのばね定数は２０４ｋｇｆ／μｍとなる。
【００４４】
またシリンダボア８０ｍｍ、燃焼圧の最高値５０ｋｇｆ／ｃｍ2とすると、これによる負荷の最大値は２５２０ｋｇｆ、このときのシリンダヘッドの弾性変位は１２.３μｍとなる。
【００４５】
ここでパッドの破壊限界応力σpおよび圧電素子の破壊限界応力σcを３０ｋｇｆ／ｍｍ2、安全率を２、圧電素子の直径を６ｍｍ2にとると、Δ＝０.１ｍｍでは、とりうるばね定数ｋ1は、
ｋ1＝２.４５ｋｇｆ／μｍ
で、センサに働く力の変動は、３０.８ｋｇｆ、面圧の変動に換算すると、１０９ｋｇｆ／ｃｍ2となる。
【００４６】
Δを限界の０.０８ｍｍにとると、それぞれ
ｋ1＝２.７８ｋｇｆ／μｍ、３４.８ｋｇｆ、１２３ｋｇｆ／ｃｍ2
と求まる。このときの圧電素子の検出感度は最大値を示す。
【００４７】
なお、パッドの初期厚さｔp−ｔcとパッドのばね定数ｋ1との間には、
ｔp−ｔc ∝ ｋ1
なる関係がある。
【００４８】
一方、パッド材として、シリンダガスケットと同じ材質を用いると、シリンダガスケットの１ｃｍ2あたりのばね定数は、０.９８ｋｇｆ／μｍとなり、直径６ｍｍの受圧面積をもつパッドのばね定数ｋは、０.３６ｋｇｆ／μｍと求まる。しかしこの場合の検出感度は、前者の１３％に過ぎない。
【００４９】
次に、上記構成の作用について、図１から図３において説明する。
【００５０】
エンジン本体１０の組立時に、シリンダガスケット３は結合ボルト１５によって所定の締め付け圧力状態でシリンダヘッド４とシリンダブロック５の間に挟んで固定されている。この場合には、シリンダガスケット３とシリンダガスケット３内のパッド２と筒内圧センサ本体１８の圧電素子１は通常の締め付け圧力状態で押圧された基準状態で保持されている。
【００５１】
また、エンジン本体１０の動作中は各シリンダ１１内の燃焼室１３で爆発による燃焼によって、シリンダヘッド４にはシリンダブロック５側より離間する方向に押圧力が発生する。そしてこの押圧力によって、シリンダヘッド４とシリンダブロック５との間のシリンダガスケット３のシ−ルしている面に面圧変動が生じるとともにパッド２も同様に面圧変動が生じる。筒内圧センサ本体装着穴１７には、ガスケット材３ａ、３ｂに替わって、それらのばね定数ｋよりも大きいばね定数ｋ1のパッド２と圧電素子１が組み込まれているので、シリンダガスケット３のシ−ルしている面の面圧変動よりも、より大きな面圧変動が得られる。この場合、従来よりも燃焼室から離れた位置に筒内圧センサ本体１８を配置して、温度の影響などの外乱の影響を小さくすることもできる。このパッド２の変形による面圧変動に応じてシリンダガスケット４内の各筒内圧センサ本体１８の圧電素子１から電気信号が検出され、端子６、導線７を順次通ってアンプ８で増幅し、エンジン制御用コンピュ−タ（ＥＣＵ）１９に入力され、このエンジン制御用コンピュ−タにより各シリンダ１１内の圧力変動が個別に検出できる。例えば、シリンダ１１内の燃焼室１３においてノッキング発生などの異常な圧力変動がある場合に、エンジン制御用コンピュ−タ（ＥＣＵ）１９から適正な命令を出し、ＥＦＩ（独立噴射）２０、独立ヘリカル吸気ポ−ト２１、電子制御ＥＧＲバルブ２２などを制御し、エンジンの燃焼圧を正常な状態にしてトルク変動を防止し、図５に示す最適な空燃比にする。
【００５２】
上記実施例で構成した筒内圧センサにおいては、各シリンダ１１毎におのおの１個ずつ筒内圧センサを装着した場合について述べたが、さらに、１個の筒内圧センサには、出力信号のレベルが下がるものの、複数のシリンダ１１の燃焼圧の出力信号が含まれている。そのため、後述するような出力信号の分離により、１個の筒内圧センサから複数の気筒の燃焼圧信号を検出することが可能である。図８には、１個の筒内圧センサで２気筒の燃焼圧信号を検出している実施例である。
【００５３】
すなわち、４気筒エンジンの場合、図８に示すシリンダガスケット３のシリンダ１１と対応する部分にシリンダ１１の内径寸法と略同径の筒穴１４が形成されている。この略同径の筒穴１４ａと略同径の筒穴１４ｂから等距離にある中間部に、筒内圧センサ本体装着穴１６を設け、中にはパッド２と略リング状の筒内圧センサ本体１８が着脱可能に取付けられている。この１個の筒内圧センサで２つのシリンダ１１の燃焼圧を検出する。同様に、略同径の筒穴１４ｃと略同径の筒穴１４ｄから等距離にある中間部に、筒内圧センサを設け、１個の筒内圧センサで２つのシリンダ１１の燃焼圧を検出する。例えば、図６に示すシリンダ１１内の燃焼室１３において、ノッキング現象などにより異常な圧力変動がある場合に、１個の筒内圧センサで２つのシリンダ１１の燃焼圧を圧電素子１で電気信号として検出し、端子６、導線７を順次通ってアンプ８で増幅し、その電気信号をエンジン制御用コンピュ−タ１９に送り、エンジン制御用コンピュ−タ１９から適正な命令を出し、ＥＦＩ（独立噴射）２０、独立ヘリカル吸気ポ−ト２１、電子制御ＥＧＲバルブ２２などを制御し、エンジンの燃焼圧を正常な状態にしてトルク変動を防止し、図５に示す最適な空燃比にする。
【００５４】
このように、本発明では、従来の筒内圧センサでは不可能であった複数のシリンダ１１の燃焼圧を１個ないし複数個の筒内圧センサで検出することが可能である。このため、高価な筒内圧センサの使用個数を削減できるセンサフュージョンを構築でき、エンジンのコストを下げる効果がある。
【００５５】
各気筒の筒内圧の算出について、４気筒エンジンの実施例について次に述べる。
【００５６】
第１気筒から第４気筒までの各気筒に対応するガスケット内の４か所に、第１から第４までの合計４個のセンサを取り付け、これらのセンサからの出力をｘ1、ｘ2、ｘ3、ｘ4とすると、第１気筒における気筒内圧は、第１センサの出力に影響を与えるだけでなく、第２、第３、第４センサの出力に影響を与える、いわゆるクロストークを生じる。このように、第１気筒から第４気筒の気筒内圧は、第１から第４までのセンサ出力に影響を与えるので、これら４個のセンサ出力から各気筒内圧を算出する必要がある。
【００５７】
この各気筒内圧を分離する演算手法として、時間領域で行う方法と、周波数領域で行う方法がある。
【００５８】
まず最初に、周波数領域で行う実施例について説明する。
【００５９】
時間領域において、第１気筒から第４気筒までの各気筒の燃焼圧を、ｆ1(t)、ｆ2(t)、ｆ3(t)、ｆ4(t)、これら気筒の燃焼圧によって得られる第１から第４までのセンサの出力信号を、ｘ1(t)、ｘ2(t)、ｘ3(t)、ｘ4(t)とする。これらの個々を、それぞれラプラス変換する。
【００６０】
Ｆ１(s)＝ζ[ｆ1(t)］Ｆ2(s)＝ζ[ｆ2(t)］
Ｆ3(s)＝ζ[ｆ3(t)］Ｆ4(s)＝ζ[ｆ4(t)］・・・ (5)
Ｘ1(s)＝ζ[ｘ1(t)］Ｘ2(s)＝ζ[ｘ2(t)］
Ｘ3(s)＝ζ[ｘ3(t)］Ｘ4(s)＝ζ[ｘ4(t)］・・・ (6)
ｓはラプラス演算子で、ｊ＝平方根（−１）、ωを円振動数とすると、ｓ＝ｊωで与えられる。
【００６１】
ここで、第１のセンサ出力Ｘ1(s)には、第１気筒の内圧Ｆ1(s)の影響のほか、第２気筒、第３気筒、第４気筒のそれぞれの内圧Ｆ2(s)、Ｆ3(s)、Ｆ4(s)の影響を受ける。これらの影響度合い、すなわち伝達関数Ｇ11(s)、Ｇ12(s)、Ｇ13(s)、Ｇ14(s)とすると、

で与えられる。同様にＸ2(s)、Ｘ3(s)、Ｘ4(s)は

と求まる。あるいは
【００６２】
【数９】

【００６３】
と書き替えることもできる。
【００６４】
これより、他の気筒内圧の影響が取り除かれた各気筒内圧は
【００６５】
【数１０】

【００６６】
と求められる。
【００６７】
ここで、各気筒の吸・排気弁が完全に個別制御できるエンジンにあっては、第２気筒から第４気筒までの吸・排気弁を開放して、第２気筒、第３気筒、第４気筒の気筒内圧を０として、第１気筒のみを動作させたときのセンサ出力信号から、それぞれの伝達関数Ｇ11(s)、Ｇ21(s)、Ｇ31(s)、Ｇ41(s)が求まる。同様にして、順次、第２気筒、第３気筒、第４気筒のみを動作させて、Ｇij(s)（ｉ＝１〜４、ｊ＝２〜４）も求まる。
【００６８】
このようにして、Ｇij(s)は既知となるので、各センサの出力信号Ｘ1(s)、Ｘ2(s)、Ｘ3(s)、Ｘ4(s)を式(10)に代入することにより、各気筒内圧Ｆ1(s)、Ｆ2(s)、Ｆ3(s)、Ｆ4(s)が求まる。
【００６９】
ところで、このような各気筒間の吸・排気弁が完全に個別制御できないエンジン、すなわち各気筒間の吸・排気弁が完全に連動して運転されるエンジンにあっては、第１気筒のみを燃焼させ、第２気筒から第４気筒は断熱圧縮・膨張のみさせて、各センサの出力信号Ｘ1(s)、Ｘ2(s)、Ｘ3(s)、Ｘ4(s)を求める。ここで、Ｆ2(s)、Ｆ3(s)、Ｆ4(s)の間には、吸・排気弁の開閉タイミングに対応した時間遅れの相似波形を持つとすると、
Ｆ3(s)＝ｅｘｐ(−τ23・ｓ)・Ｆ2(s) ・・・ (11)
Ｆ4(s)＝ｅｘｐ(−τ24・ｓ)・Ｆ2(s) ・・・ (12)
となる。τ23、τ24は、４気筒、４サイクルエンジンにおいては、大略π、２π、３πといった値である。
【００７０】
同じように、第２気筒、第３気筒、第４気筒のみを燃焼させて、Ｇij(s)（ｉ＝１〜４、ｊ＝１〜４）を求めることができる。これらより同様に、各センサの出力信号Ｘ1(s)、Ｘ2(s)、Ｘ3(s)、Ｘ4(s)を入力として、式(10)を用いて、各気筒内圧Ｆ1(s)、Ｆ2(s)、Ｆ3(s)、Ｆ4(s)を求めることができる。
【００７１】
以上、周波数領域における各気筒内圧Ｆ1(s)、Ｆ2(s)、Ｆ3(s)、Ｆ4(s)の求め方について述べたが、時間領域における各気筒内圧についても、同様に求めることができる。すなわち、各センサからの出力信号ｘ1(t)、ｘ2(t)、ｘ3(t)、ｘ4(t)を基に、これら相互の記述関数(describing function)ｗij(t)(ｉ＝１〜４、ｊ＝１〜４)を求め、これら各センサからの出力信号と記述関数のコンボリューションを求めることにより、各気筒内圧ｆ1(t)、ｆ2(t)、ｆ3(t)、ｆ4(t)が求まる。
【００７２】
あるいは、さきに述べた周波数領域における各気筒内圧Ｆ1(s)、Ｆ2(s)、Ｆ3(s)、Ｆ4(s)を、逆ラプラス変換することにより、時間領域における各気筒内圧ｆ1(t)、ｆ2(t)、ｆ3(t)、ｆ4(t)を求めることができる。
【００７３】
図９は、このようにして分離した、４サイクルエンジンの１気筒内の燃焼圧の測定例である。
【００７４】
パッド材質としては、バネ性に富んだ金属材料にこだわる必要はなく、カーボン材や樹脂系の材料であっても、先述のバネ定数ｋ1の条件を満足すればよい。しかしカーボン材や樹脂系の材料では、応力弛緩やクリープ現象といった経時変化を生じやすく、パッドに予め加えられた締め付け力が時間とともに減少していき、筒内圧センサとしての特性が劣化していく傾向にある。
【００７５】
図１０は、筒内圧センサのもう一つの実施例で、パッド２’を金属製のばね構成としたもので、所定の予荷重が圧電素子１に与えられた状態で組み立てられており、同様の効果が得られる。
【００７６】
またパッド材質が、圧電素子よりも圧縮破壊応力がいくぶん小さく、過度の圧縮代に対して降伏するが、それ以下の条件範囲ではバネ特性をもつ材質であっても構わない。すなわちパッド材の圧縮破壊応力をσpとするとき、 σp＜σcを満足する。また σpよりも大きな応力が作用し塑性変形した後、σp以下の応力に対して弾性を保ち、またクリープ変形を起こさない、といった２条件を満足すればよい。たとえば軟質金属は、クリープ変形の徴候があるが、厳しい検出精度や性能保証期間が問われなければ、使用可能である。
【００７７】
以上、カーボン製のシリンダガスケットに本発明を適用した実施例についてのべたが、図１１に示すように、金属製のシリンダガスケットに本発明を適用しても、同様の効果が得られる。この場合パッド２８は、金属ガスケットの上当て板２６の一部に突起形状に形成され、先述のばね定数が得られるばね性をもたせている。
【００７８】
さらにその他、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施しても同様の効果が得られる。例えば、チャージアンプの替わりに、電気信号のインピーダンス変換ができる増幅器であれば、他の種類の増幅器であっても、同様の効果が得られるなどである。
【００７９】
【発明の効果】
本発明により、燃焼室内にセンサまたはセンサの一部を取り付けることなく、またシリンダブロックやシリンダヘッドに特別な細工を施すことなく、シリンダ内の燃焼圧を検出することができるので、センサ実装部のスペ−スが十分でないエンジン環境で複雑な構造にしなくてよい。
【００８０】
とくに寸法ばらつきがあっても、十分に感度よく燃焼圧が検出できる特徴があり、安定した性能の筒内圧センサが生産できる。
【００８１】
また、パッドの効果により、従来の筒内圧センサよりも燃焼室から十分離れたところに筒内圧センサを取り付けることが可能なので、圧電素子の温度変化による出力変動を最小限にし、かつ、外乱による振動の影響も受けにくい。さらに、図１０に示すように、１個の筒内圧センサで２気筒以上の燃焼室内の燃焼圧を検知することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の筒内圧センサの一実施例を示すエンジンのシリンダ部、分解図である。
【図２】図１の筒内圧センサの詳細部断面図である。
【図３】本発明の筒内圧センサを使用したエンジンの一例である。
【図４】制御システムの構成図を示す。
【図５】図３の制御を行ったときの効果の説明である。
【図６】本発明のシリンダガスケットの厚さ方向の関係を示す説明図である。
【図７】図６に対応した数値関係を示す図である。
【図８】１個の筒内圧センサで２気筒のシリンダの燃焼圧を検出する一実施例である。
【図９】本発明の筒内圧センサによる燃焼圧の測定の一例である。
【図１０】本発明の筒内圧センサの別の実施例である。
【図１１】本発明の筒内圧センサを金属製のシリンダガスケットに適用した実施例である。
【図１２】結合ボルトの伸び及びシリンダガスケット厚の収縮と燃焼圧変動の関係を示す図である。
【図１３】シリンダガスケットの全体系とパッド及び圧電素子の測定系の関係を示す図である。
【図１４】本発明の筒内圧センサの製作、組立の一例を示すブロック線図である。
【符号の説明】
１、２５…圧電素子、２、２’…パッド、３…シリンダガスケット、３ａ、３ｂ…ガスケット材、３ｃ、２４…中間板、４…シリンダヘッド、５…シリンダブロック、６…端子、７…導線、８…チャージアンプ、９、２３…グロメット、１０…エンジン本体、１１…シリンダ、１２…ピストン、１３…燃焼室、１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ…筒穴、１５…結合ボルト、１６…筒内圧センサ本体装着穴、１７…通り溝、１８…筒内圧センサ本体、１９…エンジン制御用コンピュ−タ（ＥＣＵ）、２０…ＥＦＩ（独立噴射）、２１…独立ヘリカル吸気ポ−ト、２２…電子制御ＥＧＲバルブ、２６…上当て板、２７…下当て板、２８…パッド[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides an in-cylinder pressure sensor that detects a pressure in a combustion chamber, so-called in-cylinder pressure, a method of detecting an in-cylinder pressure using the in-cylinder pressure sensor, and a combustion state of the engine for the purpose of improving fuel efficiency and purifying exhaust gas of the engine. The present invention relates to a control method and an engine system thereof.
[0002]
[Prior art]
In-cylinder pressure sensors are generally mounted around an ignition plug to measure combustion pressure directly, and a detection signal from this in-cylinder pressure sensor detects misfires or knocking in the engine body. Have been developed.
[0003]
However, in order to increase the output of the engine, such as increasing the number of valves in the engine or providing a plurality of valve mechanisms (camshafts) in the upper part of the cylinder, the cylinder pressure, which has a more complicated structure, is applied to the cylinder pressure as described above. It is extremely difficult to arrange sensors.
[0004]
As a method for indirectly measuring the combustion pressure to compensate for this drawback, a mounting portion for the in-cylinder pressure sensor main body is provided in a cylinder gasket, and as shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-157631, In-cylinder pressure sensors incorporating possible piezoelectric elements have been developed. However, in this conventional method, a large-area cylinder gasket made of a soft gasket material and a high-rigidity piezoelectric element having a narrow pressure-receiving area are arranged in parallel. Therefore, when a cylinder gasket incorporating this in-cylinder pressure sensor is clamped between the cylinder head and the cylinder block and fastened, the compression allowance is determined by the gasket material occupying most of the area. It was extremely difficult to fasten with a small compression allowance. For this reason, when the compression allowance is insufficient, the piezoelectric element vibrates between the two and the like, so that an accurate detection signal, particularly a detection signal in a high frequency band cannot be obtained. There is a disadvantage that the piezoelectric element is damaged.
[0005]
Furthermore, in this conventional cylinder pressure sensor,
(1) Variations in the thickness of the cylinder gasket and piezoelectric element must be tolerated to some extent.
{Circle around (2)} In particular, in a cylinder pressure sensor of a multi-cylinder engine using a plurality of piezoelectric elements, thickness variations among the piezoelectric elements must be allowed.
(3) When assembling the cylinder gasket with the in-cylinder pressure sensor between the cylinder block and the cylinder head, the tightening torque of the connecting bolt must be controlled with high accuracy.
(4) The change in the tightening force due to the temperature rise of the engine could not be absorbed, and the detection signal fluctuated.
This has been a major obstacle to production and commercialization.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the in-cylinder pressure sensor according to the related art has a problem in that an attempt to enhance the detection performance causes a problem in production, and there is a problem that performance and production are incompatible.
[0007]
That is, when the in-cylinder pressure sensor main body is incorporated in a cylinder gasket having a thickness of 1 mm to 1.5 mm, slight variations in the thickness of the in-cylinder pressure sensor main body and the gasket material cause the cylinder between the cylinder block and the cylinder head. When tightening the gasket, an unexpected large fluctuation of the tightening force appears, which has caused the above-mentioned undesirable situation.
[0008]
In order to solve the above-mentioned problems, an object of the present invention is to provide a structure and a detection system of an in-cylinder pressure sensor suitable for mass production, which allow variations in thickness.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The basic operating principle of the present invention is that when viewed microscopically, the engine to be measured is an elastic body, and the thickness of the cylinder gasket is increased between the cylinder block and the cylinder head in response to the combustion pressure applied to the cylinder head. It is to measure the thickness of the cylinder gasket by repeating the expansion and contraction in the direction, that is, the thickness variation of the cylinder gasket, and to measure the combustion pressure in the cylinder, that is, the in-cylinder pressure.
[0010]
Incidentally, the thickness variation of the cylinder gasket accompanying the combustion pressure depends on the type of the engine and the cylinder gasket, but is, for example, about 8 to 12 μm as described in Reference 1). Is detected as a change in the amount of electricity using the piezoelectric effect of the piezoelectric element.
[0011]
In order to achieve the above object, the in-cylinder pressure sensor of the present invention includes:
(1) It consists of a pad for transmitting the combustion pressure in the cylinder, a piezoelectric element for converting the pressure into an electric signal, a terminal for sending the electric signal to the charge amplifier, and a conductor.
(2) Attach the pad and the cylinder pressure sensor body to the mounting hole for mounting the pad and cylinder pressure sensor body in the cylinder gasket, and the conducting wire or groove of the conductor, and mount the cylinder pressure sensor body between the cylinder head and cylinder block. The cylinder gasket on which is mounted is fastened at a predetermined tightening pressure with a connecting bolt.
[0012]
(3) The electric signal from the piezoelectric element is amplified by the charge amplifier, taken into the engine control computer (ECU), and an appropriate command is issued from the engine control computer to bring the combustion pressure of the engine to a normal state. Control.
[0013]
(4) When the spring constant of the cylinder gasket is k and the spring constant of the pad is k1, the spring constant k1 of the pad is larger than k and the in-cylinder pressure sensor is mounted in the cylinder gasket. Then, when fastened between the cylinder blocks, the cylinder pressure sensor body must be within a range where the cylinder pressure sensor body is not damaged.
[0014]
(5) In the in-cylinder pressure sensor having these configurations, it becomes possible to detect the combustion pressure of two or more cylinders with one in-cylinder pressure sensor.
[0015]
3 and 4 show the configuration of an engine using the in-cylinder pressure sensor and its control system, and FIG. 5 shows the effect when the in-cylinder pressure sensor is used. Fluctuation of the combustion pressure in the combustion chamber 13 is transmitted to the in-cylinder pressure sensor main body by a pad mounted in the gasket, and a change in the pressure of the pad is detected as an electric signal by a piezoelectric element. Since the obtained electric signal has a relatively high voltage but a small current value, the signal is transmitted to a charge amplifier having a high input impedance through a terminal and a lead, and the impedance is converted to perform a computer for engine control ( ECU).
[0016]
For example, when there is abnormal pressure fluctuation such as occurrence of knocking in the cylinder, an appropriate command is issued from the engine control computer, timing of fuel injection, opening and closing of an independent helical intake port, electronically controlled EGR valve, etc. To maintain engine combustion in a normal state to prevent torque fluctuations, ensure an optimal air-fuel ratio, minimize fuel consumption, and clean exhaust gases.
[0017]
By the way, in the in-cylinder pressure sensor of the present invention, the pad for transmitting the combustion pressure plays an extremely important role in order to indirectly measure the pressure fluctuation in the combustion chamber using the micro elastic deformation of the engine as described above. Fulfill.
[0018]
That is, the cylinder gasket on which the pad and the piezoelectric element of the in-cylinder pressure sensor body are mounted is fixed between the cylinder head and the cylinder block under a predetermined tightening pressure state by the connecting bolt. At this time,
(1) If the piezoelectric element of the in-cylinder pressure sensor body can be attached in the thickness direction of the gasket with high accuracy in the unit of μm, the variation in the thickness of the cylinder gasket corresponding to the combustion pressure can be highly sensitive as an electric signal from the piezoelectric element. Can be detected. However, a piezoelectric element having high heat resistance is made of a so-called hard and brittle material such as ceramics. If the compression allowance slightly exceeds an allowable value, the piezoelectric element will be broken.
[0019]
(2) In order to maintain the airtightness of the cylinder, a highly elastic gasket material is used for the cylinder gasket, which makes it extremely deformable. For this reason, the thickness dimension of the cylinder gasket cannot be maintained with high accuracy in a state where the cylinder gasket is fastened between the cylinder block and the cylinder head, and the above condition (1) cannot be satisfied.
[0020]
(3) Therefore, an elastic pad is inserted between the piezoelectric element and the cylinder head or the cylinder block.
[0021]
(4) However, if the elasticity of the pad becomes excessive, even if the thickness of the cylinder gasket varies in response to the combustion pressure, almost no force acts on the piezoelectric element, and a high-sensitivity electrical signal cannot be obtained. For this reason, consideration must be given to the elasticity of the pad.
[0022]
This will be described with reference to FIG.
[0023]
First, since the stiffness of a piezoelectric element is relatively higher than that of a gasket material or a pad material, it is assumed that its elastic deformation can be ignored. Further, since the pressure receiving area of the cylinder gasket 3 is large, when the cylinder gasket 3 is tightened between the cylinder head 4 and the cylinder block 5 with a predetermined fastening force, the compression of the cylinder gasket 3 causes the compression of the in-cylinder pressure sensor body and the pad. The fee is determined.
[0024]
Assuming that the thickness of the cylinder gasket 3 varies between the nominal cylinder gasket thickness tg and (1−α) tg, the interference of the pad after fastening is between the nominal pad compression allowance Δ and Δ + α · tg. Vary. Therefore, if the spring constant of the pad 2 is k1, the pressure receiving area of the pad is A, the breaking limit stress of the pad is σp, and the breaking limit stress of the piezoelectric element is σc,
σc <k1 (Δ + α · tg) / A (1)
σp <k1 (Δ + α · tg) / A (2)
Must.
[0025]
Further, if the spring constant k1 of the pad is smaller than the spring constant k1 of the cylinder gasket 3 having the same area as the pad 2, the detection sensitivity is remarkably deteriorated, which is not preferable. Therefore, the spring constant k1 of the pad 2 is
k ≦ k1 <σc · A / (Δ + α · tg) (3)
k ≦ k1 <σp · A / (Δ + α · tg) (4)
Must.
[0026]
Further, in this condition range, as the spring constant k1 of the pad is increased, the force amplitude λ (= f1−f2) increases, the input to the piezoelectric element increases, and the sensitivity of the in-cylinder pressure sensor improves. It is better to make k1 as large as possible.
[0027]
Further, by using the pad 2 having such characteristics in the cylinder pressure sensor main body, it is possible to detect the combustion pressure in two or more cylinders with one cylinder pressure sensor.
[0028]
The relationship between the contraction of the cylinder gasket in the thickness direction and the elongation of the connecting bolt and the fluctuation of the combustion pressure will be described with reference to FIG.
[0029]
It shows the relationship between the elongation of the connecting bolt and the looseness (elongation) of the cylinder gasket when the combustion pressure acts on the engine. The feature is to measure the fluctuation of the combustion pressure from the expansion and contraction of the cylinder gasket. Variations in tightening dimensions pose a problem.
[0030]
This is because even if the elongation of the fastening bolt is the same, an appropriate combustion pressure fluctuation cannot be detected with respect to the elongation of the cylinder gasket because the tightening dimension of the cylinder gasket varies. Therefore, it is difficult to insert and use the piezoelectric element directly in the cylinder gasket.
[0031]
When measuring the combustion pressure fluctuation, as shown in FIG. 13, a measurement system is inserted in parallel with the combustion pressure (combustion pressure) of a system in which most of the combustion pressure is received by a cylinder gasket. There is no problem if the spring constant of the measurement system is soft, but the sensor body (piezoelectric element) is a hard and brittle material and has a large spring constant. And difficult to measure.
[0032]
Therefore, a pad for transmitting the minute displacement as a force to the piezoelectric element is required. This pad needs to be able to absorb the tightening dimensional variation of the cylinder gasket and to transmit the minute expansion and contraction of the cylinder gasket to the piezoelectric element as a force. .
[0033]
Since the expansion and contraction by the cylinder gasket is dominant, it is not necessary to consider the influence of the insertion of the measurement system on the entire system. However, the pad is not something that simply inserts a soft cushioned pad.If the pad has a small spring constant, the small expansion and contraction of the cylinder gasket cannot be transmitted to the piezoelectric element as a force. If the constant is large, the force is too large and the piezoelectric element is broken.
[0034]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a first embodiment of the in-cylinder pressure sensor of the present invention will be described with reference to FIGS. FIGS. 1 and 2 are partial enlarged views of a cylinder gasket 3 in an engine main body 10 as shown in FIG. 3 for preventing leakage of combustion gas interposed between a cylinder head 4 and a cylinder block 5. In FIG. 3, reference numeral 11 denotes a cylinder formed in the cylinder block, 12 denotes a piston provided in the cylinder 11, and 13 denotes a combustion chamber formed in the cylinder head 4.
[0035]
In this case, the cylinder gasket 3 has a cylindrical hole (cylinder opening) 14 having a diameter substantially equal to the inner diameter of the cylinder 11 at a portion corresponding to the cylinder 11 as shown in FIG. 4, an insertion hole for a fixing bolt 15 (not shown) and a circulation hole for cooling water and lubricating oil are formed.
[0036]
As shown in FIG. 2, grommet 9, which is a cover member formed of a conductor such as metal, is provided on the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of cylinder gasket 3. Inside the grommet 9, a pair of gaskets 3a and 3b made of a soft material such as low-density graphite are provided, and an intermediate plate 3c is provided between the gaskets 3a and 3b. ing. The cylinder gasket 3 is formed with a substantially ring-shaped in-cylinder pressure sensor main body mounting hole 16 and a groove 17 for the conducting wire 7 for transmitting an electric signal, around each cylindrical hole 14. At this time, the conducting wire 7 may be integrated with the cylinder gasket 3. Further, the in-cylinder pressure sensor main body mounting hole 16 is formed by removing the gasket material 3a and the intermediate plate 3c shown in FIG. 2 and a part of the gasket material 3b below the gasket material 3a.
[0037]
A substantially ring-shaped in-cylinder pressure sensor main body 18 is detachably mounted in the in-cylinder pressure sensor main body mounting hole 16 of the cylinder gasket 3. At this time, the in-cylinder pressure sensor main body 18 incorporates a foam metal pad 2 having a spring constant k1 larger than a spring constant k1 per unit area of the gasket members 3a and 3b, and a pair of piezoelectric elements 1. On the outer surface of the piezoelectric element 1, terminals 6 are attached to a positive electrode and a negative electrode, respectively, and are connected to a charge amplifier 8 by a conducting wire 7.
[0038]
During operation of the engine, the temperatures of the cylinder head 4, the cylinder block 5, and the cylinder gasket 3 rise from 250 ° C. to nearly 300 ° C. due to heat conducted from the combustion chamber 13. Therefore, in manufacturing and assembling the in-cylinder pressure sensor main body 18 shown in FIG. 14, the Curie point of the piezoelectric element 1 is 300 ° C. or more, and the material of the piezoelectric element 1 and the terminal 6 and the material of the terminal 6 and the conductor 7 are 300 ° C. or more. Heat resistant material is used. When the piezoelectric element 1 and the terminal 6 are joined by using solder, a high-temperature solder that melts at 300 ° C. or more is used for the solder, and the coaxial cable used for the conductor 7 is heated up to 300 ° C. Uses a heat resistant coating.
[0039]
In the wiring path until the electric signal from the piezoelectric element 1 passes through the terminal 6 and the conductor 7 and is amplified by the amplifier 8, the piezoelectric element 1 is connected to the terminal 6 and the conductor 7, and a heat-resistant material such as PIQ (polyimide material) is used. It is coated with a highly insulating material and is electrically insulated, so that it is not affected by other conductive parts. Thereafter, the piezoelectric element 1 and the terminal 6, the conductor 7 and the pad 2 are mounted on the cylinder gasket 3 in which the groove 17 is formed along the in-cylinder pressure sensor main body mounting hole 16 and the conductor 7, and between the cylinder head 4 and the cylinder block 5. The cylinder gasket 3 on which the in-cylinder pressure sensor main body is mounted is fastened with a connecting bolt 15 with a predetermined tightening force.
[0040]
Thereby, even if the mounting position of the in-cylinder pressure sensor body 18 is far from the combustion chamber 13, the piezoelectric element 1 detects the axial pressure change of the cylinder 11 by the action of the pad 2 of the in-cylinder pressure sensor. As a result, the combustion pressure can be detected with high sensitivity, the influence of the temperature due to the heat from the combustion chamber 13 can be suppressed, and the reliability is improved.
[0041]
An optimization example of the pad 2 will be described below with reference to FIGS.
[0042]
Assuming that the nominal thickness tg of the initial cylinder gasket 3 is 1.45 mm and the thickness variation α is ± 5%, α · ts is ± 0.073 mm. The effective area of the pressure shield of the cylinder gasket is 200 cm 2, the effective diameter of which is 10 mm, and ten bolts 15 having a tensile strength of 60 kgf / mm 2 are used. It is assumed that when the pad 2 is tightened with the pad 2 therebetween, the thickness ts of the cylinder gasket 3 is compressed to 1.30 mm by t = 0.15 mm.
[0043]
At this time, the spring constant of the cylinder gasket is 204 kgf / μm.
[0044]
If the cylinder bore is 80 mm and the maximum value of the combustion pressure is 50 kgf / cm 2, the maximum value of the load is 2520 kgf and the elastic displacement of the cylinder head at this time is 12.3 μm.
[0045]
Here, when the breaking limit stress σp of the pad and the breaking limit stress σc of the piezoelectric element are 30 kgf / mm 2, the safety factor is 2 and the diameter of the piezoelectric element is 6 mm 2, when Δ = 0.1 mm, the possible spring constant k 1 is
k1 = 2.45 kgf / μm
The variation in the force acting on the sensor is 30.8 kgf, which is 109 kgf / cm2 when converted into the variation in the surface pressure.
[0046]
When Δ is set to the limit of 0.08 mm,
k1 = 2.78 kgf / μm, 34.8 kgf, 123 kgf / cm 2
Is obtained. At this time, the detection sensitivity of the piezoelectric element shows the maximum value.
[0047]
In addition, between the initial thickness tp-tc of the pad and the spring constant k1 of the pad,
tp-tc ｋ k1
There is a relationship.
[0048]
On the other hand, when the same material as the cylinder gasket is used as the pad material, the spring constant per cm 2 of the cylinder gasket is 0.98 kgf / μm, and the spring constant k of the pad having a pressure receiving area with a diameter of 6 mm is 0.36 kgf / μm. μm. However, the detection sensitivity in this case is only 13% of the former.
[0049]
Next, the operation of the above configuration will be described with reference to FIGS.
[0050]
When the engine body 10 is assembled, the cylinder gasket 3 is fixed between the cylinder head 4 and the cylinder block 5 by a connecting bolt 15 under a predetermined tightening pressure. In this case, the cylinder gasket 3, the pad 2 in the cylinder gasket 3, and the piezoelectric element 1 of the in-cylinder pressure sensor main body 18 are held in a reference state pressed under a normal tightening pressure state.
[0051]
Further, during the operation of the engine body 10, a pressing force is generated in the cylinder head 4 in a direction away from the cylinder block 5 side by combustion due to the explosion in the combustion chamber 13 in each cylinder 11. Due to the pressing force, the surface pressure of the sealing surface of the cylinder gasket 3 between the cylinder head 4 and the cylinder block 5 fluctuates, and the pad 2 similarly fluctuates. Instead of the gasket members 3a and 3b, the pad 2 and the piezoelectric element 1 having a spring constant k1 larger than the spring constant k are incorporated in the in-cylinder pressure sensor body mounting hole 17, so that the cylinder gasket 3 A greater variation in surface pressure is obtained than a variation in surface pressure on the sliding surface. In this case, the in-cylinder pressure sensor main body 18 can be disposed at a position farther from the combustion chamber than in the related art, so that the influence of disturbance such as the influence of temperature can be reduced. An electric signal is detected from the piezoelectric element 1 of each in-cylinder pressure sensor main body 18 in the cylinder gasket 4 in accordance with the surface pressure fluctuation due to the deformation of the pad 2, and the electric signal is amplified by the amplifier 8 through the terminal 6 and the conductor 7 in order. The pressure is input to a control computer (ECU) 19, and the pressure fluctuation in each cylinder 11 can be individually detected by the engine control computer. For example, when there is an abnormal pressure fluctuation such as knocking in the combustion chamber 13 in the cylinder 11, an appropriate command is issued from an engine control computer (ECU) 19, an EFI (independent injection) 20, an independent helical intake. By controlling the port 21, the electronic control EGR valve 22, and the like, the combustion pressure of the engine is brought to a normal state to prevent torque fluctuation, and the optimum air-fuel ratio shown in FIG.
[0052]
In the in-cylinder pressure sensor configured in the above-described embodiment, the case where one in-cylinder pressure sensor is mounted for each cylinder 11 has been described. However, the output signal level is reduced for one in-cylinder pressure sensor. However, the output signals of the combustion pressures of the plurality of cylinders 11 are included. Therefore, it is possible to detect combustion pressure signals of a plurality of cylinders from one cylinder pressure sensor by separating output signals as described later. FIG. 8 shows an embodiment in which one cylinder pressure sensor detects a combustion pressure signal of two cylinders.
[0053]
That is, in the case of a four-cylinder engine, a cylinder hole 14 having substantially the same diameter as the inner diameter of the cylinder 11 is formed in a portion corresponding to the cylinder 11 of the cylinder gasket 3 shown in FIG. An in-cylinder pressure sensor main body mounting hole 16 is provided at an intermediate portion which is equidistant from the substantially same-diameter cylindrical hole 14a and the substantially same-diameter cylindrical hole 14b. Are detachably attached. The one cylinder pressure sensor detects the combustion pressure of the two cylinders 11. Similarly, an in-cylinder pressure sensor is provided at an intermediate portion equidistant from a cylinder hole 14c having substantially the same diameter and a cylinder hole 14d having substantially the same diameter, and the combustion pressure of the two cylinders 11 is detected by one cylinder pressure sensor. . For example, when there is abnormal pressure fluctuation due to a knocking phenomenon or the like in the combustion chamber 13 in the cylinder 11 shown in FIG. 6, the combustion pressure of the two cylinders 11 is converted into an electric signal by the piezoelectric element 1 with one cylinder pressure sensor. The electric signal is sent to a computer 19 for engine control, and an appropriate command is issued from the computer 19 for engine control, and EFI (independent injection) is performed. 20), the independent helical intake port 21, the electronically controlled EGR valve 22, etc. are controlled to bring the engine combustion pressure to a normal state to prevent torque fluctuations and to achieve the optimum air-fuel ratio shown in FIG.
[0054]
As described above, in the present invention, it is possible to detect the combustion pressure of the plurality of cylinders 11 with one or more in-cylinder pressure sensors, which was impossible with the conventional in-cylinder pressure sensor. For this reason, a sensor fusion that can reduce the number of expensive in-cylinder pressure sensors that can be used can be constructed, and the cost of the engine can be reduced.
[0055]
Regarding the calculation of the in-cylinder pressure of each cylinder, an embodiment of a four-cylinder engine will be described below.
[0056]
A total of four sensors (first to fourth) are mounted at four locations in the gasket corresponding to each cylinder from the first cylinder to the fourth cylinder, and outputs from these sensors are x1, x2, x3, When x4 is set, the cylinder pressure in the first cylinder not only affects the output of the first sensor but also affects the outputs of the second, third, and fourth sensors, so-called crosstalk occurs. As described above, since the cylinder internal pressures of the first to fourth cylinders affect the first to fourth sensor outputs, it is necessary to calculate the respective cylinder internal pressures from the four sensor outputs.
[0057]
As a calculation method for separating the in-cylinder pressures, there are a method performed in a time domain and a method performed in a frequency domain.
[0058]
First, an embodiment performed in the frequency domain will be described.
[0059]
In the time domain, the combustion pressure of each cylinder from the first cylinder to the fourth cylinder is represented by f1 (t), f2 (t), f3 (t), f4 (t), and the first combustion pressure obtained by the combustion pressure of these cylinders. The output signals of the first to fourth sensors are x1 (t), x2 (t), x3 (t), and x4 (t). Each of these is Laplace transformed.
[0060]
F1 (s) = ζ [f1 (t)] F2 (s) = ζ [f2 (t)]
F3 (s) = ζ [f3 (t)] F4 (s) = ζ [f4 (t)] (5)
X1 (s) = ζ [x1 (t)] X2 (s) = ζ [x2 (t)]
X3 (s) = ζ [x3 (t)] X4 (s) = ζ [x4 (t)] (6)
s is a Laplace operator, which is given by s = jω, where j = square root (−1) and ω is a circular frequency.
[0061]
Here, the first sensor output X1 (s) is affected not only by the internal pressure F1 (s) of the first cylinder, but also by the internal pressures F2 (s) and F3 of the second, third and fourth cylinders. (s) and F4 (s). Given these degrees of influence, ie, transfer functions G11 (s), G12 (s), G13 (s), and G14 (s),

Given by Similarly, X2 (s), X3 (s) and X4 (s)

Is obtained. Or
[0062]
(Equation 9)

[0063]
Can also be rewritten.
[0064]
Thus, each cylinder pressure from which the effects of other cylinder pressures have been removed is
[0065]
(Equation 10)

[0066]
Is required.
[0067]
Here, in an engine in which the intake and exhaust valves of each cylinder can be completely individually controlled, the intake and exhaust valves of the second to fourth cylinders are opened to open the second, third, and fourth cylinders. The transfer functions G11 (s), G21 (s), G31 (s) and G41 (s) are obtained from the sensor output signals when only the first cylinder is operated with the cylinder internal pressure of the cylinder set to 0. Similarly, Gij (s) (i = 1 to 4, j = 2 to 4) is also obtained by sequentially operating only the second, third, and fourth cylinders.
[0068]
In this way, Gij (s) is known, so by substituting the output signals X1 (s), X2 (s), X3 (s), and X4 (s) of each sensor into equation (10), The cylinder pressures F1 (s), F2 (s), F3 (s), and F4 (s) are obtained.
[0069]
By the way, in such an engine in which the intake / exhaust valves between the cylinders cannot be completely individually controlled, that is, in an engine in which the intake / exhaust valves between the cylinders are completely operated, only the first cylinder is used. The combustion is performed, and only the adiabatic compression / expansion of the second to fourth cylinders is performed to obtain output signals X1 (s), X2 (s), X3 (s), and X4 (s) of the respective sensors. Here, assuming that there is a similar waveform with a time delay corresponding to the opening / closing timing of the intake / exhaust valve between F2 (s), F3 (s) and F4 (s),
F3 (s) = exp (−τ23 · s) · F2 (s) (11)
F4 (s) = exp (−τ24 · s) · F2 (s) (12)
It becomes. τ23 and τ24 are values such as approximately π, 2π, and 3π in a 4-cylinder, 4-cycle engine.
[0070]
Similarly, Gij (s) (i = 1 to 4, j = 1 to 4) can be obtained by burning only the second, third, and fourth cylinders. Similarly, using the output signals X1 (s), X2 (s), X3 (s) and X4 (s) of the respective sensors as inputs, and using the equation (10), the respective cylinder internal pressures F1 (s) and F2 (s), F3 (s) and F4 (s) can be obtained.
[0071]
As described above, the method of obtaining the cylinder pressures F1 (s), F2 (s), F3 (s), and F4 (s) in the frequency domain has been described. However, the cylinder pressures in the time domain can be similarly calculated. . That is, based on the output signals x1 (t), x2 (t), x3 (t), and x4 (t) from each sensor, these mutual describing functions wij (t) (i = 1 to 4) , J = 1 to 4) and the convolution of the output signal from each of these sensors and the descriptive function, thereby obtaining the cylinder pressures f1 (t), f2 (t), f3 (t), f4 (t). Is found.
[0072]
Alternatively, the cylinder pressures f1 (t) in the time domain are obtained by performing the inverse Laplace transform on the cylinder pressures F1 (s), F2 (s), F3 (s), and F4 (s) in the frequency domain described above. , F2 (t), f3 (t) and f4 (t).
[0073]
FIG. 9 is a measurement example of the combustion pressure in one cylinder of a four-stroke engine separated in this manner.
[0074]
The pad material does not need to be limited to a metal material having a high spring property. Even if the material is a carbon material or a resin material, the condition of the above-described spring constant k1 may be satisfied. However, carbon materials and resin-based materials tend to undergo time-dependent changes such as stress relaxation and creep phenomena, and the tightening force applied to the pads decreases over time, degrading the characteristics of in-cylinder pressure sensors. It is in.
[0075]
FIG. 10 shows another embodiment of the in-cylinder pressure sensor, in which the pad 2 ′ has a metal spring structure, and is assembled in a state where a predetermined preload is applied to the piezoelectric element 1. The effect is obtained.
[0076]
Further, the pad material has a somewhat smaller compressive fracture stress than the piezoelectric element and yields with an excessive compression allowance. However, a material having a spring characteristic may be used in a condition range below that. That is, when the compressive fracture stress of the pad material is σp, satisfies σp <σc. In addition, it is only necessary to satisfy two conditions such that after a stress greater than σp acts and undergoes plastic deformation, elasticity is maintained for a stress of σp or less and no creep deformation occurs. For example, a soft metal has signs of creep deformation but can be used if strict detection accuracy and a performance guarantee period are not required.
[0077]
As described above, the embodiment in which the present invention is applied to the carbon cylinder gasket has been described. However, similar effects can be obtained by applying the present invention to a metal cylinder gasket as shown in FIG. In this case, the pad 28 is formed in a protruding shape on a part of the top plate 26 of the metal gasket, and has a spring property for obtaining the above-mentioned spring constant.
[0078]
Furthermore, the same effects can be obtained even if various modifications are made without departing from the scope of the present invention. For example, a similar effect can be obtained with another type of amplifier as long as the amplifier can convert the impedance of an electric signal instead of the charge amplifier.
[0079]
【The invention's effect】
According to the present invention, the combustion pressure in the cylinder can be detected without mounting a sensor or a part of the sensor in the combustion chamber, and without performing special work on the cylinder block or the cylinder head. The structure does not have to be complicated in an engine environment where the space is insufficient.
[0080]
In particular, even if there is dimensional variation, there is a feature that the combustion pressure can be detected with sufficient sensitivity, and an in-cylinder pressure sensor with stable performance can be produced.
[0081]
In addition, due to the effect of the pad, the in-cylinder pressure sensor can be mounted farther away from the combustion chamber than the conventional in-cylinder pressure sensor, so that the output fluctuation due to the temperature change of the piezoelectric element is minimized, and the vibration due to disturbance Is not easily affected by Further, as shown in FIG. 10, it is possible to detect the combustion pressure in the combustion chamber of two or more cylinders with one in-cylinder pressure sensor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded view of a cylinder part of an engine showing an embodiment of an in-cylinder pressure sensor of the present invention.
FIG. 2 is a detailed sectional view of the in-cylinder pressure sensor of FIG. 1;
FIG. 3 is an example of an engine using the in-cylinder pressure sensor of the present invention.
FIG. 4 shows a configuration diagram of a control system.
FIG. 5 is an explanation of an effect when the control of FIG. 3 is performed.
FIG. 6 is an explanatory view showing the relationship in the thickness direction of the cylinder gasket of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a numerical relationship corresponding to FIG. 6;
FIG. 8 shows an embodiment in which one in-cylinder pressure sensor detects the combustion pressure of two cylinders.
FIG. 9 is an example of measurement of combustion pressure by the in-cylinder pressure sensor of the present invention.
FIG. 10 is another embodiment of the in-cylinder pressure sensor of the present invention.
FIG. 11 is an embodiment in which the in-cylinder pressure sensor of the present invention is applied to a metal cylinder gasket.
FIG. 12 is a diagram showing a relationship between elongation of a connecting bolt, contraction of a cylinder gasket thickness, and combustion pressure fluctuation.
FIG. 13 is a view showing the relationship between the entire system of the cylinder gasket and the measurement system of the pad and the piezoelectric element.
FIG. 14 is a block diagram showing an example of manufacturing and assembling the in-cylinder pressure sensor of the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 25: piezoelectric element, 2, 2 ': pad, 3: cylinder gasket, 3a, 3b: gasket material, 3c, 24: intermediate plate, 4: cylinder head, 5: cylinder block, 6: terminal, 7: conductive wire , 8 ... charge amplifier, 9, 23 ... grommet, 10 ... engine body, 11 ... cylinder, 12 ... piston, 13 ... combustion chamber, 14, 14a, 14b, 14c, 14d ... cylinder hole, 15 ... coupling bolt, 16 ... In-cylinder pressure sensor body mounting hole, 17: through groove, 18: in-cylinder pressure sensor body, 19: engine control computer (ECU), 20: EFI (independent injection), 21: independent helical intake port, 22 ... Electronically controlled EGR valve, 26 ... upper patch, 27 ... lower patch, 28 ... pad

Claims

A cylinder gasket provided with a mounting portion for the in-cylinder pressure sensor body between the cylinder head and the cylinder block,
A pad for transmitting a change in in-cylinder pressure in the combustion chamber,
Having a piezoelectric element for detecting a pressure change of the pad,
The spring constant of the pad is k1, the spring constant of the cylinder gasket equal to the pad area is k, the compression allowance of the pad when the cylinder gasket is assembled with the in-cylinder pressure sensor is Δ, the pressure receiving area of the piezoelectric element is A, When the breaking limit stress of the piezoelectric element is σc and the initial thickness variation of the cylinder gasket is α · tg, the spring constant k1 of the pad satisfies k ≦ k1 <σc · A / (Δ + α · tg),
An in-cylinder pressure sensor for an engine, wherein an elastic deformation in a thickness direction of a cylinder gasket due to a variation in an in-cylinder pressure can be detected as an electric signal of a piezoelectric element.