JP4186163B2

JP4186163B2 - 筒内圧測定装置および筒内圧測定方法

Info

Publication number: JP4186163B2
Application number: JP2003420104A
Authority: JP
Inventors: 栄記守谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-12-17
Filing date: 2003-12-17
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2023-12-17
Also published as: JP2005180256A

Description

本発明は、内燃機関の筒内圧力を測定するための筒内圧測定装置および筒内圧測定方法に関する。

従来から、各種内燃機関では、筒内圧センサを用いて燃焼室内の燃焼圧力すなわち筒内圧力が検出されている。かかる筒内圧力は、燃料噴射量や点火時期等を設定する際のパラメータとして用いられるが、筒内圧センサは大気圧下で筒内圧を検出することから、大気圧が変化すると、筒内圧力の検出値もそれに応じて変化する。このため、このような大気圧の変動を考慮して、筒内圧力が大気圧に近い値をとると推定される所定のクランク角度域にて検出された筒内圧力と吸気管内の絶対圧との差圧を算出し、検出された筒内圧力を当該差圧分だけ補正して最終的な筒内圧力の測定値を得る技術も知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平１１−１９３７４３号公報

しかしながら、筒内圧の測定に際して、筒内圧センサの検出値には、内燃機関の振動等によりノイズが重畳しがちであり、所望の制御パラメータを得るために筒内圧センサの検出信号を微分処理等した場合には、当該ノイズ成分が増長されてしまうおそれがある。また、筒内圧センサの検出信号に対するノイズの重畳を抑制しようとすれば、センサ自体が極めて高価なものとなってしまう。更に、ローパスフィルタ等を用いて筒内圧センサの検出信号からノイズを除去する手法は、信号波形の位相がずれてしまうという点で有効なものとはいえない。

そこで、本発明は、筒内圧検出手段の検出値からノイズを良好に除去して内燃機関の筒内圧力の高精度な測定を可能とする筒内圧測定装置および筒内圧測定方法の提供を目的とする。

本発明による筒内圧測定装置は、内燃機関の筒内圧力を測定するための筒内圧測定装置において、筒内圧力を検出する筒内圧検出手段と、筒内圧検出手段の複数の検出値になまし処理を施して、筒内圧検出手段の検出値を補正する補正手段とを備え、補正手段は、内燃機関の圧縮行程および膨張行程中における筒内圧検出手段の検出値のなまし処理数と、内燃機関の吸気行程および排気行程中における筒内圧検出手段の検出値のなまし処理数とを変化させることを特徴とする。

この筒内圧測定装置は、筒内圧検出手段の複数の検出値に対して、例えばメディアン処理や移動平均法、重み付移動平均法等のなまし処理（複数の検出値を用いた急峻なノイズ成分の除去処理）を施して、筒内圧検出手段の検出値を補正する補正手段を備える。ここで、筒内圧検出手段の検出値に対するノイズの重畳具合は、筒内圧力の変動幅が大きい圧縮行程および膨張行程（過渡状態）と、筒内圧力の変動幅が小さい吸気行程および排気行程との間で相違している。このため、本発明の筒内圧測定装置の補正手段は、圧縮行程および膨張行程中における筒内圧検出手段の検出値のなまし処理数（なまし処理に際して用いられる検出値の数）と、吸気行程および排気行程中における筒内圧検出手段の検出値のなまし処理数とを変化させる。これにより、内燃機関の各行程に適したなまし処理が実行されることになるので、筒内圧検出手段の検出値からノイズを良好に除去して筒内圧力を精度よく測定することが可能となる。

また、補正手段は、筒内圧力のピーク域ではなまし処理を実行しないものであると好ましい。

すなわち、ピーク域（筒内圧力のピーク値が含まれる領域）における筒内圧検出手段の検出値に対するなまし処理を省略することにより、筒内圧力の真のピーク値が補正されてしまうことを抑制することができる。

この場合、補正手段は、内燃機関の点火時期の遅角により現れる筒内圧力のピーク域と、筒内における燃焼により現れる筒内圧力のピーク域とでは、なまし処理を実行しないものであると好ましい。

これにより、点火時期が遅角されている場合であっても、筒内圧力をより高精度に測定することが可能となる。

そして、なまし処理は、メディアン処理であり、補正手段は、内燃機関の圧縮行程および膨張行程中における筒内圧検出手段の検出値のなまし処理数を、内燃機関の吸気行程および排気行程中における筒内圧検出手段の検出値のなまし処理数よりも減少させるものであると好ましい。

本発明による筒内圧測定方法は、筒内圧検出手段を用いて内燃機関の筒内圧力を測定する筒内圧測定方法において、筒内圧検出手段の複数の検出値になまし処理を施して、筒内圧検出手段の検出値を補正する補正ステップを含み、この補正ステップでは、内燃機関の圧縮行程および膨張行程中における筒内圧検出手段の検出値のなまし処理数と、内燃機関の吸気行程および排気行程中における筒内圧検出手段の検出値のなまし処理数とを変化させることを特徴とする。

本発明によれば、筒内圧検出手段の検出値からノイズを良好に除去して内燃機関の筒内圧力の高精度な測定を可能とする筒内圧測定装置および筒内圧測定方法の実現が可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明による筒内圧測定装置を備えた内燃機関を示す概略構成図である。同図に示される内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３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。なお、図１には１気筒のみが示されるが、内燃機関１は多気筒エンジンとして構成されると好ましく、本実施形態の内燃機関１は、例えば４気筒エンジンとして構成される。

各燃焼室３の吸気ポートは、吸気管（吸気マニホールド）５にそれぞれ接続され、各燃焼室３の排気ポートは、排気管（排気マニホールド）６にそれぞれ接続されている。また、内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが燃焼室３ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは、例えば、可変バルブタイミング機能を有する動弁機構（図示省略）によって開閉させられる。更に、内燃機関１は、気筒数に応じた数の点火プラグ７を有し、点火プラグ７は、対応する燃焼室３内に臨むようにシリンダヘッドに配設されている。

吸気管５（吸気マニホールド）は、図１に示されるように、サージタンク８に接続されている。サージタンク８には、給気ラインＬ１が接続されており、給気ラインＬ１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、給気ラインＬ１の中途（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、図１に示されるように、三元触媒を含む前段触媒装置１１ａおよび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、内燃機関１は複数のインジェクタ１２を有し、インジェクタ１２は、対応する燃焼室３内に臨むようにシリンダヘッドに配設されている。また、内燃機関１の各ピストン４は、いわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面には、凹部４ａが形成されている。そして、内燃機関１では、各燃焼室３内に空気を吸入させた状態で、各インジェクタ１２から各燃焼室３内のピストン４の凹部４ａに向けてガソリン等の燃料が直接噴射される。これにより、内燃機関１では、点火プラグ７の近傍に燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成（成層化）されるので、極めて希薄な混合気を用いて安定した成層燃焼を実行することが可能となる。なお、本実施形態の内燃機関１は、いわゆる直噴エンジンとして説明されるが、これに限られるものではなく、本発明が吸気管（吸気ポート）噴射式の内燃機関に適用され得ることはいうまでもない。

上述の各点火プラグ７、スロットルバルブ１０、各インジェクタ１２および動弁機構等は、内燃機関１の制御装置として機能するＥＣＵ２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含むものである。ＥＣＵ２０には、図１に示されるように、内燃機関１のクランク角センサ１４を始めとした各種センサが電気的に接続されている。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、動弁機構等を制御する。

また、内燃機関１は、半導体素子、圧電素子あるいは光ファイバセンサ等を含む筒内圧センサ（筒内圧検出手段）１５を気筒数に応じた数だけ有している。各筒内圧センサ１５は、対応する燃焼室３内に受圧面が臨むようにシリンダヘッドに配設されており、ＥＣＵ２０に電気的に接続されている。そして、各筒内圧センサ１５は、燃焼室３内でその受圧面に加わる圧力（筒内圧力）に応じた電圧信号または電流信号（検出値を示す信号）をＥＣＵ２０に与える。そして、各筒内圧センサ１５から信号を受け取ったＥＣＵ２０は、各センサ１５からの信号を適切に補正処理することにより各燃焼室３における正確な筒内圧力を求め（測定し）、求めた筒内圧力を内燃機関１の制御に用いる。すなわち、各筒内圧センサ１５およびＥＣＵ２０等は、本発明による筒内圧測定装置を構成する。

次に、図２を参照しながら、上述の内燃機関１における筒内圧力の測定手順について説明する。
図２に示されるように、各燃焼室３における筒内圧力を測定するに際して、ＥＣＵ２０は、各筒内圧センサ１５の検出値（筒内圧力の検出値）、クランク角センサ１４によって検出されるクランク角、および、その時点での各点火プラグ７の点火時期を取得する（Ｓ１０）。そして、ＥＣＵ２０は、まず、取得した各点火プラグ７の点火時期に基づいて、各点火プラグ７による点火時期がＭＢＴ（Minimum advance for Best Torque，例えば、２０００ｒｐｍ，中負荷時には、圧縮上死点前３５°程度）から所定角度以上（例えば２０°）遅角されているか否か判定する（Ｓ１２）。

ここで、各点火プラグ７の点火時期がＭＢＴから所定角度以上遅角されている場合、筒内圧力（各筒内圧センサ１５の検出信号の波形）には、燃焼室（筒内）３において混合気が燃焼することによって生じる本来のピーク値に加えて、燃焼室（筒内）３における混合気の圧縮によるピーク値（点火時期の遅角時に固有のピーク値）が認められることになる。このため、ＥＣＵ２０は、Ｓ１２にて各点火プラグ７による点火時期がＭＢＴから所定角度以上遅角されていると判断した場合、各点火プラグ７による点火時期の遅角量等を踏まえた上で、Ｓ１０にて取得した筒内圧力検出時におけるクランク角が、混合気の圧縮による筒内圧力のピーク値を含むピーク域（圧縮ピーク域）に対応した角度範囲に含まれているか否か判定する（Ｓ１４）。なお、当該角度範囲は、各点火プラグ７による点火時期の遅角量等に応じて予め求められ、ＥＣＵ２０の記憶装置に記憶されている。

Ｓ１４にて、筒内圧力検出時におけるクランク角が上記圧縮ピーク域に対応する角度範囲に含まれていると判断した場合、ＥＣＵ２０は、各筒内圧センサ１５の検出値を各燃焼室３における筒内圧力の測定値としてそのまま出力する（Ｓ２４）。これにより、混合気の圧縮による圧力のピーク値を含むピーク域（圧縮ピーク域）については、各筒内圧センサ１５の検出値に対する後述のなまし処理が省略されるので、筒内圧力の真のピーク値が補正されてしまうことを抑制することができる。この結果、点火時期がＭＢＴから所定角度以上遅角されている場合であっても、筒内圧力をより高精度に測定することが可能となる。

また、Ｓ１２にて各点火プラグ７による点火時期がＭＢＴから所定角度以上遅角されていないと判断した場合、および、Ｓ１４にて筒内圧力検出時におけるクランク角が上記圧縮ピーク域に対応する角度範囲に含まれていないと判断した場合、ＥＣＵ２０は、筒内圧力検出時におけるクランク角が、燃焼室（筒内）３における混合気の燃焼による筒内圧力のピーク値を含むピーク域（燃焼ピーク域）に対応した角度範囲に含まれているか否か判定する（Ｓ１６）。なお、当該角度範囲も、予め算出された上でＥＣＵ２０の記憶装置に記憶される。

Ｓ１６にて、筒内圧力検出時におけるクランク角が上記燃焼ピーク域に対応する角度範囲に含まれていると判断した場合も、ＥＣＵ２０は、各筒内圧センサ１５の検出値を各燃焼室３における筒内圧力の測定値としてそのまま出力する（Ｓ２４）。これにより、燃焼室（筒内）３における混合気の燃焼による圧力のピーク値を含むピーク域（燃焼ピーク域）については、各筒内圧センサ１５の検出値に対する後述のなまし処理が省略されるので、筒内圧力の真のピーク値が補正されてしまうことを抑制することができる。

Ｓ１６にて、筒内圧力検出時におけるクランク角が上記燃焼ピーク域に対応する角度範囲に含まれていないと判断した場合、ＥＣＵ２０は、各筒内圧センサ１５の検出値に重畳したノイズを除去し、最終的な筒内圧力の測定値を得るために、なまし処理（複数の検出値を用いた急峻なノイズ成分の除去処理）を燃焼室３ごとに実行する。本実施形態では、なまし処理として、ある時刻ｋにおいて取得した筒内圧センサ１５の検出値と、その前後数点（前後同数）の検出値とを含むデータ列を昇べき順に並べ替えた上で、その中間値（メディアン、偶数個の検出値を含むデータ列の場合、中央２点の平均値）を、時刻ｋにおいて取得した筒内圧センサ１５の検出値とするメディアン処理が実行される。ただし、なまし処理としては、移動平均法や重み付移動平均法等が採用されてもよい。

ここで、筒内圧センサ１５の検出値に対するノイズの重畳具合は、筒内圧力の変動幅が大きい圧縮行程および膨張行程（過渡状態）と、筒内圧力の変動幅が小さい吸気行程および排気行程との間で相違している。この点に鑑みて、ＥＣＵ２０は、なまし処理の実行に先立ち、Ｓ１０にて取得したクランク角に基づいて、Ｓ１０にて取得された各筒内圧センサ１５の検出値が圧縮行程または膨張行程中に検出されたものであるか否か判定する（Ｓ１８）。

Ｓ１０にて取得された各筒内圧センサ１５の検出値が圧縮行程または膨張行程中に検出されたものであると判断した場合、ＥＣＵ２０は、次のなまし処理（メディアン処理）に際して用いられる検出値の数（データ数）を、予め定められている基準値よりも所定数だけ小さい値に設定する（Ｓ２０）。一方、Ｓ１０にて取得された各筒内圧センサ１５の検出値が圧縮行程または膨張行程中に検出されたものではないと（吸気行程または排気行程中に検出されたものであると）判断された場合、Ｓ２０はスキップされ、次のなまし処理（メディアン処理）に際して用いられる検出値の数（データ数）が予め定められている基準値に設定される。

そして、ＥＣＵ２０は、燃焼室３ごとに、圧縮行程または膨張行程中に検出された筒内圧センサ１５の検出値については、基準値よりも所定数だけ小さい数のデータを用いたなまし処理（メディアン処理）を実行し、吸気行程または排気行程中に検出された筒内圧センサ１５の検出値については、上記基準値と等しい数のデータを用いたなまし処理（メディアン処理）を実行する（Ｓ２２）。これにより、内燃機関１の各行程に適したなまし処理が実行され、特に、過渡状態における筒内圧力の変動分の影響が取り除かれることになるので、各筒内圧センサ１５の検出値からノイズが良好に除去され、Ｓ２４にて精度のよい筒内圧力の測定値が得られることになる。

本発明による筒内圧測定装置を備えた内燃機関を示す概略構成図である。図１の内燃機関における筒内圧力の測定手順を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１内燃機関
２シリンダブロック
３燃焼室
４ピストン
５吸気管
６排気管
７点火プラグ
８サージタンク
９エアクリーナ
１０スロットルバルブ
１１ａ，１１ｂ触媒装置
１２インジェクタ
１４クランク角センサ
１５筒内圧センサ
Ｖｅ排気弁
Ｖｉ吸気弁

Claims

内燃機関の筒内圧力を測定するための筒内圧測定装置において、
前記筒内圧力を検出する筒内圧検出手段と、
前記筒内圧検出手段の複数の検出値になまし処理を施して、前記筒内圧検出手段の検出値を補正する補正手段と
を備え、
前記補正手段は、
前記内燃機関の圧縮行程および膨張行程中における前記筒内圧検出手段の検出値のなまし処理数と、前記内燃機関の吸気行程および排気行程中における前記筒内圧検出手段の検出値のなまし処理数とを変化させ、
前記内燃機関の点火時期の遅角により現れる筒内圧力のピーク域と、筒内における燃焼により現れる筒内圧力のピーク域とでは、前記なまし処理を実行しないことを特徴とする筒内圧測定装置。
前記なまし処理は、メディアン処理であり、前記補正手段は、前記内燃機関の圧縮行程および膨張行程中における前記筒内圧検出手段の検出値のなまし処理数を、前記内燃機関の吸気行程および排気行程中における前記筒内圧検出手段の検出値のなまし処理数よりも減少させることを特徴とする請求項１に記載の筒内圧測定装置。
筒内圧検出手段を用いて内燃機関の筒内圧力を測定する筒内圧測定方法において、
筒内圧検出手段の複数の検出値になまし処理を施して、前記筒内圧検出手段の検出値を補正する補正ステップを含み、この補正ステップでは、前記内燃機関の圧縮行程および膨張行程中における前記筒内圧検出手段の検出値のなまし処理数と、前記内燃機関の吸気行程および排気行程中における前記筒内圧検出手段の検出値のなまし処理数とを変化させ、前記内燃機関の点火時期の遅角により現れる筒内圧力のピーク域と、筒内における燃焼により現れる筒内圧力のピーク域とでは、前記なまし処理を実行しないことを特徴とする筒内圧測定方法。