JP4271652B2 - 筒内圧検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の筒内圧を検出する装置に関し、より具体的には、検出される筒内圧のドリフトを除去して、より正確な筒内圧を検出する筒内圧検出装置に関する。

従来、内燃機関のシリンダ（気筒）には、該シリンダ内の圧力（以下、筒内圧と呼ぶ）を検出する筒内圧センサが設けられる。該センサにより検出される筒内圧は、内燃機関（以下、エンジンと呼ぶ）の制御に用いられる。

筒内圧センサとして、圧電素子を用いたセンサが知られている。このセンサは、筒内圧の変化率を検出する。図２５に示されるように、筒内圧センサ２００により検出された筒内圧の変化率は、典型的には積分回路２０１により積分される。該積分回路２０１の出力が、筒内圧として用いられる。

圧電素子を用いた場合、一般に、筒内圧の変化と、筒内圧センサの出力との間の関係に、ヒステリシス特性が存在する。また、圧電素子の温度上昇に伴って、筒内圧センサの出力も上昇する。このような筒内圧センサをエンジンに搭載すると、エンジンから発生する熱に依存して、筒内圧センサの出力にバラツキが生じる。その結果、積分回路から出力される筒内圧の波形に、図２６に示すような“ずれ”すなわちドリフトが生じるおそれがある。

このようなドリフトが生じると、筒内圧を正確に検出することが困難となる。また、筒内圧センサの出力は、典型的に、その後のコンピュータ処理のためにアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換される。筒内圧センサの出力にドリフト成分が含まれると、アナログ値である該筒内圧センサの出力と、該出力をＡ／Ｄ変換した後のデジタル値との間に相関性が失われるおそれがある。

以下の特許文献１には、このようなドリフトを補正する技術として、積分回路をリセットする手法が開示されている。図２７を参照すると、各燃焼サイクルの所定のタイミングで、スイッチング素子２１２を閉じる。該素子を閉じると、コンデンサ２１３の前後の電位差が無くなり、よって演算増幅器２１４の出力が基準値にリセットされる。このリセット操作に応じて、ドリフトが除去される。
特開平７−２８０６８６号公報

図２８には、上記のようなリセット操作を行った場合の、積分回路から出力される筒内圧波形が示されている。リセット操作は、時間ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４およびｔ５において実施される。このようなリセット操作に起因する波形１１５が、筒内圧波形に重畳されていることがわかる。その結果、リセット操作の前後で、筒内圧波形に不連続な周波数特性が現れる。このような不連続な周波数特性により、筒内圧を用いたその後のコンピュータ処理に、不所望の周波数成分が混入される。これは、エンジンの制御の精度を低下させる。また、このようなリセット操作を行っても、リセット操作とリセット操作の間、すなわち１燃焼サイクル中は、ドリフトが増大する。

したがって、このようなリセット操作を行うことなく、ドリフトを除去して筒内圧を検出する手法が必要とされている。

この発明の一つの側面によると、筒内圧検出装置は、エンジンの筒内圧の変化率に応じた信号を出力する筒内圧センサと、筒内圧センサの出力信号から、エンジンを制御するのに必要とされる筒内圧を実質的に構成する周波数よりも低い周波数成分をカットするよう、該筒内圧センサの出力信号をフィルタリングするフィルタ装置と、フィルタ装置によってフィルタリングされた後の該筒内圧センサの出力信号を積分して、筒内圧信号を算出する積分装置と、を備える。好ましくは、フィルタ装置は、該エンジンを制御するのに必要とされる筒内圧を実質的に構成する周波数よりも低い周波数成分であって、かつ、ドリフトを構成する周波数成分をカットするよう、構成される。

ドリフトの周波数帯域が、エンジン制御に用いられる筒内圧を実質的に構成する周波数成分の帯域よりも低いことが発明者によって確かめられた。この発明は、発明者によるこの知見に基づいてなされたものである。この発明によれば、フィルタ装置により、ドリフトを構成する低周波成分が、筒内圧センサの出力信号から除去される。したがって、フィルタ装置からの出力信号を積分することにより、ドリフトが除去された筒内圧信号を算出することができる。また、この発明によると、リセット操作を行うことなくドリフトを除去することができるので、結果として得られる筒内圧信号に不連続な周波数特性が現れるのを防ぐことができる。

この発明の一実施形態では、フィルタ装置は、さらに、検出されたエンジンの回転数に従って、カットオフ周波数を変更する。こうして、現在のエンジン回転数に最適なカットオフ周波数がフィルタに設定されるので、ドリフトを構成する低周波成分をカットしきれないという事態を防ぐことができる。

この発明の一実施形態では、筒内圧センサの出力信号を、エンジンの回転に同期してサンプリングするサンプリング手段を備える。フィルタ装置は、該サンプリングされた筒内圧センサの出力信号をフィルタリングする。筒内圧信号の出力信号が、エンジンの回転に同期してサンプリングされるので、フィルタ特性を変化させることなく、エンジン回転数に応じたカットオフ周波数でフィルタリングを実施することができる。

この発明の一実施形態では、さらに、筒内圧検出装置は、積分装置により算出された筒内圧信号からオフセット成分を除去するオフセット除去装置を備える。積分装置により算出される筒内圧信号は、所定値からオフセットされることがある。オフセット除去装置を備えることにより、このようなオフセットを除去して、筒内圧をより正確に求めることができる。

この発明の一実施形態では、オフセット除去装置は、さらに、第１のサイクルで、積分装置により算出された筒内圧信号を、オフセット量としてサンプリングするサンプリング手段と、該オフセット量を、第１のサイクルよりも短い第２のサイクルでサンプリングするオーバーサンプリング手段と、オーバーサンプリング手段により得られたオフセット量のサンプルを移動平均して、移動平均値を算出する平均手段と、移動平均値を、積分装置により算出された筒内圧信号から減算することにより、筒内圧信号のオフセット成分を除去する手段と、を備える。こうして、より短いサイクルで実施される移動平均によってオフセット量が徐々に取り除かれるので、より正確な筒内圧信号を連続して得ることができる。

この発明の他の実施形態では、オフセット除去装置は、さらに、第１のサイクルで、積分装置により算出された筒内圧信号を、オフセット量としてサンプリングするサンプリング手段と、該オフセット量から所定の基準値を減算して、絶対オフセット量を算出する手段と、該絶対オフセット量を、第１のサイクルよりも短い第２のサイクルでオーバーサンプリングするオーバーサンプリング手段と、オーバーサンプリング手段により得られた絶対オフセット量のサンプルを移動平均して、移動平均値を算出する平均手段と、該移動平均値を、積分装置により算出された筒内圧信号から減算することにより、該筒内圧信号のオフセット成分を除去する手段と、を備える。こうして、オフセット量の絶対値を算出するので、より正確なオフセット量が算出される。これを移動平均により徐々に取り除くことにより、より正確な筒内圧信号を連続して得ることができる。一実施形態では、所定の基準値は、燃焼サイクルの吸気行程における吸気管の圧力である。

この発明の他の実施形態では、オフセット除去装置は、さらに、積分装置により算出された筒内圧信号を補正項で補正することにより、補正済み筒内圧を算出する補正手段と、該補正済み筒内圧に基づいて補正項を算出し、該補正項を該補正手段にフィードバックする補正項算出手段と、を備える。該補正項算出手段は、さらに、補正済み筒内圧を、オフセット量として、第１のサイクルでサンプリングする手段と、該オフセット量を、第１のサイクルよりも短い第２のサイクルでオーバーサンプリングする手段と、該オーバーサンプリングしたオフセット量のサンプルを移動平均して、移動平均値を算出する手段と、該移動平均値を所定の目標値に収束させるための補正項を算出する手段と、を備える。こうして、オフセット量が、補正項によって所定の目標値に収束されるので、筒内圧信号に不連続性を生じさせることなく、筒内圧信号を連続的に算出することができる。

この発明の他の実施形態では、オフセット除去装置は、さらに、積分装置によって算出された筒内圧信号を補正項で補正することにより、補正済み筒内圧を算出する補正手段と、該補正済み筒内圧に基づいて該補正項を算出し、該補正項を該補正手段にフィードバックする補正項算出手段と、を備える。該補正項算出手段は、さらに、補正済み筒内圧を、オフセット量として、第１のサイクルでサンプリングする手段と、該オフセット量から所定の基準値を減算して、絶対オフセット量を算出する手段と、該絶対オフセット量を、第１のサイクルよりも短い第２のサイクルでオーバーサンプリングする手段と、該オーバーサンプリング手段によって得られた絶対オフセット量のサンプルを移動平均し、移動平均値を算出する手段と、該移動平均値を所定の目標値に収束させるための補正項を算出する手段と、を備える。こうして、オフセット量の絶対値を算出するので、より正確なオフセット量が算出される。これを、補正項によって徐々に目標値に収束させるので、筒内圧信号に不連続性を生じさせることなく、筒内圧信号を連続的に算出することができる。一実施形態では、所定の基準値は、燃焼サイクルの吸気行程における吸気管の圧力である。

次に図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。図１は、この発明の実施形態に従う、内燃機関（以下、エンジンと呼ぶ）およびその制御装置の全体的な構成図である。

次に図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。図１は、この発明の実施形態に従う、エンジンおよびその制御装置の全体的な構成図である。

電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」）という）１は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）１ｂを備えるコンピュータである。ＥＣＵ１は、メモリ１ｃを備えており、該メモリ１ｃは、車両の様々な制御を実現するためのコンピュータ・プログラムおよび該プログラムの実施に必要なマップを格納する読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）と、ＣＰＵ１ｂの演算のための作業領域を提供し、プログラムおよびデータを一時的に格納するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を備えている。さらに、ＥＣＵ１は、車両の各部から送られてくるデータを受け取入れる入力インターフェース１ａ、および車両の各部に制御信号を送る出力インターフェース１ｄを備えている。

エンジン２は、この実施例では４サイクルのエンジンである。エンジン２は、吸気弁３を介して吸気管４に連結され、排気弁５を介して排気管６に連結されている。ＥＣＵ１からの制御信号に従って燃料を噴射する燃料噴射弁７が、吸気管４に設けられている。

エンジン２は、吸気管４から吸入される空気と、燃料噴射弁７から噴射される燃料との混合気を、燃焼室８に吸入する。燃料室８には、ＥＣＵ１からの点火時期信号に従って火花を飛ばす点火プラグ９が設けられている。点火プラグ９によって発せられた火花により、混合気は燃焼する。燃焼により混合気の体積は増大し、これによりピストン１０を下方に押し下げる。ピストン１０の往復運動は、クランク軸１１の回転運動に変換される。

筒内圧センサ１５は、例えば圧電素子からなるセンサであり、点火プラグ９のエンジンシリンダに接する部分に埋没されている。筒内圧センサ１５は、燃焼室８内の圧力（筒内圧）の変化を示す信号ｄＰを出力し、それをＥＣＵ１に送る。

エンジン２には、クランク角センサ１７が設けられている。クランク角センサ１７は、クランクシャフト１１の回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ１に出力する。

ＣＲＫ信号は、所定のクランク角で出力されるパルス信号である。ＥＣＵ１は、該ＣＲＫ信号に応じ、エンジン２の回転数ＮＥを算出する。ＴＤＣ信号は、ピストン１０のＴＤＣ位置に関連したクランク角度で出力されるパルス信号である。

エンジン２の吸気管４には、スロットル弁１８が設けられている。スロットル弁１８の開度は、ＥＣＵ１からの制御信号により制御される。スロットル弁１８に連結されたスロットル弁開度センサ（θＴＨ）１９は、スロットル弁１８の開度に応じた電気信号を、ＥＣＵ１に供給する。

吸気管圧力（Ｐｂ）センサ２０は、スロットル弁１８の下流側に設けられている。Ｐｂセンサ２０によって検出された吸気管圧力ＰｂはＥＣＵ１に送られる。

スロットル弁１８の上流には、エアフローメータ（ＡＦＭ）１６が設けられている。エアフローメータ１６は、スロットル弁１８を通過する空気量を検出し、それをＥＣＵ１に送る。

ＥＣＵ１に向けて送られた信号は入力インターフェース１ａに渡され、アナログ−デジタル変換される。ＣＰＵ１ｂは、変換されたデジタル信号を、メモリ１ｃに格納されているプログラムに従って処理し、車両のアクチュエータに送るための制御信号を作り出すことができる。出力インターフェース１ｄは、これらの制御信号を、燃料噴射弁７、点火プラグ９、スロットル弁１８、およびその他の機械要素のアクチュエータに送る。また、ＣＰＵ１ｂは、該変換されたデジタル信号を用いて、メモリ１ｃに格納されているプログラムに従い、エンジンの筒内圧を算出することができる。

図２は、筒内圧センサ１５の取り付けの一例を示す図である。シリンダヘッド２１のねじ孔２２に点火プラグ９がねじ込まれている。シリンダヘッド２１の点火プラグの取り付け座面２３と、点火プラグ座金部２４との間に、筒内圧センサのセンサ素子部２５が、ワッシャ２６と共に挟み込まれている。センサ素子部２５は、圧電素子からなる。

センサ素子部２５は、点火プラグ９の座金として締め付けられるので、該センサ素子部２５には、所定の締め付け荷重が与えられる。燃焼室８内の圧力が変化すると、該センサ素子部２５に印加される荷重が変化する。筒内圧センサ１５は、該所定の締め付け荷重に対する荷重の変化を、筒内圧の変化として検出する。

筒内圧の周波数帯域は、エンジン回転数に依存する。具体的には、筒内圧の周波数帯域は、ゼロから、エンジン回転数のｋ次（ｋは、２以上）の周波数に及ぶ。

しかしながら、エンジン制御に実際に用いられる筒内圧は、エンジン回転数の１次以上の周波数成分を持つ。言い換えると、エンジン回転数の１次の周波数より低い周波数成分は、エンジン制御に実際に用いられる筒内圧について必要とされない。この理由を、以下に簡単に説明する。

筒内圧が用いられるエンジン制御の典型的な例は、図示平均有効圧などのエンジンの仕事量の算出である。エンジンの仕事量は、エンジンの性能を計るのに用いられることがある。図示平均有効圧Ｐｍｉは、式（１）に示すように、筒内圧Ｐと体積変化率ｄＶの相関係数として表される。ここで、Ｖｓはエンジンの行程体積を示す。

数式１

体積変化率ｄＶを周波数分解するため、体積変化率ｄＶを式（２）のようにフーリエ級数展開する。ｔは時間を示す。Ｔは、エンジンのクランク軸の回転の周期を示し（以下、クランク周期と呼ぶ）、ωはその角周波数を示す。４サイクルエンジンでは、１周期Ｔは、３６０度に対応する。ｋは、該エンジン回転の周波数成分の次数を示す。

数式２

式（２）を式（１）に適用すると、式（３）が導かれる。θ＝ωｔである。

数式３

ここで図３を参照すると、（ａ）には、典型的なエンジンについての体積変化率ｄＶの波形３１と、該波形３１と同一の周期を持ったｓｉｎ関数の波形３２が示されている。図から明らかなように、両者の波形は非常に類似している。体積変化率ｄＶは、ｓｉｎ関数に対し、オフセットおよび位相差をほとんど持たない。したがって、体積変化率の周波数成分には、直流成分ａ０およびｃｏｓ成分がほとんど含まれないことがわかる。

（ｂ）には、（ａ）に示す体積変化率ｄＶをＦＦＴ解析した結果を示す。参照符号３３は、エンジン回転数の１次の周波数成分を示すラインであり、参照符号３４は、エンジン回転数の２次の周波数成分を示すラインである。このように、体積変化率ｄＶは、主に、エンジン回転数の１次および２次の周波数成分を持つ。

図４を参照すると、（ａ）には、例として、図３に示す演算区間Ａについて実際に算出した体積変化率ｄＶのフーリエ係数を示す。（ｂ）は、（ａ）における各成分についてのフーリエ係数の大きさをグラフで表したものである。直流成分Ｖａ０およびｃｏｓ成分Ｖａｋ（ｋ＝１、２、．．．）が、ほぼゼロであることがわかる。また、３次以上のｓｉｎ成分Ｖｂ３、Ｖｂ４、、、も、ほぼゼロであることがわかる。

このように、体積変化率ｄＶは、主に、エンジン回転数ＮＥの１次および２次の周波数成分で構成されるので、該体積変化率ｄＶに乗算される筒内圧Ｐについても、エンジン回転数ＮＥの１次および２次の周波数成分が主に必要とされる。

筒内圧を示す信号Ｐ（以下、筒内圧信号と呼ぶ）は、式（４）に示すように、筒内圧センサから出力される筒内圧変化を示す信号ｄＰ（以下、筒内圧変化信号と呼ぶ）を積分することにより算出される。

数式４

式（５）および（６）に示すように、正弦波（ｓｉｎθ）および余弦波（ｃｏｓθ）の周波数成分は、積分操作により変化しないので、筒内圧変化信号ｄＰは、筒内圧信号Ｐと同じ周波数成分を持つ。したがって、筒内圧変化信号ｄＰの周波数帯域も、実際には、ゼロから、エンジン回転数のｋ次の周波数に及ぶが、筒内圧変化信号ｄＰから、エンジン回転数の１次周波数以上の周波数成分を抽出すれば、図示平均有効圧Ｐｍｉを算出することができる。言い換えれば、筒内圧変化信号ｄＰにおいて、エンジン回転数の１次周波数より低い周波数成分は必要とされない。

数式５

一方、筒内圧のドリフトは、主に、筒内圧センサの温度の変化に起因して発生することが知られている。筒内圧センサは、前述したように、エンジンのシリンダに設けられているので、筒内圧センサの温度は、エンジンの温度により影響を受ける。

発明者は、筒内圧センサの温度の変化が、エンジン制御に実際に用いられる筒内圧（これは、前述したように、エンジン回転数の１次周波数より高い周波数成分を持つ）の変化に比べ、極めて長い周期で起こる、すなわち低周波で起こることを確認した。したがって、筒内圧のドリフトは、エンジン回転数の１次周波数よりも極めて低い周波数を持つ。

このように、ドリフトは、エンジン回転数の１次周波数よりも極めて低い周波数で発生するので、筒内圧変化信号Ｐから、エンジン回転数の１次周波数よりも低い周波数成分をカットすることにより、筒内圧信号Ｐからドリフトを除去することができる。

この実施例では、エンジン制御に実際に用いられる筒内圧が、エンジン回転数の１次周波数よりも高い周波数成分を持つので、該エンジン回転数の１次周波数よりも低い周波数成分をカットして、筒内圧信号Ｐからドリフトを除去する。しかしながら、エンジン制御に実際に用いられる筒内圧が、エンジン回転数の１次周波数よりも低い周波数成分を持つ場合でも、該筒内圧の周波数帯域が、ドリフトの周波数帯域より高ければ、本願発明を適用することができる点に注意されたい。

一例として、エンジン回転数ＮＥが６０００ｒｐｍである運転状態を考える。筒内圧センサの出力を、クランク角１度ごとにサンプリングするとなると、式（７）に示すように、サンプリング周波数Ｆｓは３６ｋＨｚであり、ナイキスト周波数Ｆｎは１８ｋＨｚとなる。

（６０００／６０）×３６０＝３６ｋＨｚ （７）
エンジン回転数の１次周波数は１００Ｈｚである。したがって、筒内圧センサの出力について、１００Ｈｚより低い周波数成分をカットすることにより、ドリフトを含まない筒内圧信号を得ることができる。

この例に基づくシミュレーションを行った。該シミュレーションにおいて、図５に示すような特性を持つフィルタを、筒内圧センサの出力信号ｄＰに適用した。該フィルタは、３次のＩＩＲ型バタワースハイパスフィルタである。

カットオフ周波数は、エンジン回転数の１次周波数より低い周波数成分をカットするように設定される。好ましくは、カットオフ周波数は、エンジン回転数の１次周波数より低い周波数であって、かつ、ドリフトの周波数帯域を確実にカットすることのできる周波数に設定される。ドリフトを構成する周波数成分は、前述したように主に筒内圧センサの温度に依存するが、エンジン回転数が増えるにつれていくらか高くなるという特性をも有することが、シミュレーション等によって判明した。したがって、カットオフ周波数が低すぎると、ドリフトを構成する周波数成分を完全にカットすることができないおそれがある。また、カットオフ周波数よりわずかに高い周波数においては信号の減衰が起こりうるので、カットオフ周波数がエンジン回転数の１次周波数に近すぎると、フィルタリング後の筒内圧信号の精度を低下させるおそれがある。

上記のシミュレーションでは、エンジン回転数が６０００ｒｐｍである時（すなわち、１次周波数は１００Ｈｚ）、少なくとも１８Ｈｚ以下の周波数成分をカットすれば、ドリフトを確実に除去することができることがわかった。したがって、カットオフ周波数は１８Ｈｚに設定される。

このシミュレーションで使用した上記のフィルタの伝達関数は、以下の式（８）のように表されることができる。ｄＰＨは、ハイパスフィルタの出力信号を示す。ここで、ｋはサンプリング時刻を示す。

ｄＰＨ(k)＝0.997×dP(k)−2.990×dP(k-1)＋2.990×dP(k-2)−0.997×dP(k-3)
−2.994×dPH(k-1)＋2.998×dPH(k-2)―0.994×dPH(k-3)
（８）
代替的に、ＦＩＲ型のハイパスフィルタを用いてもよい。また、フィルタの次数および係数は、フィルタ特性に依存して決められる。

図６は、このシミュレーションの結果を示す。（ａ）は、筒内圧センサから出力された筒内圧変化信号ｄＰを示し、（ｂ）は、上記のハイパスフィルタを筒内圧変化信号ｄPに適用することによって得られた信号ｄＰＨを示す。（ｃ）は、（ａ）に示される筒内圧変化信号ｄＰを積分することにより得られた筒内圧信号Ｐを示し、（ｄ）は、式（９）に従って、（ｂ）の信号ｄＰＨを積分することにより得られた筒内圧信号Ｐを示す。

Ｐ（ｋ）＝Ｐ（ｋ−１）＋（ｄＰＨ（ｋ）×（１／Ｆｓ）） （９）
（ｃ）の波形に、ドリフトが現れていることがわかる。ドリフトは、燃焼サイクル間にわたって蓄積されるので、ドリフトの量は時間と共に増大する。

（ａ）と（ｂ）を比較すると、差が明らかでない。しかしながら、（ｃ）と（ｄ）を比較して明らかなように、ハイパスフィルタの出力信号ｄＰＨを積分することにより、ドリフトが除去された筒内圧信号Ｐを得ることができる。

（ｄ）に示されるように、筒内圧信号Ｐは、ハイパスフィルタの適用によって安定した値を呈するようになるが、ゼロに対してオフセット量を持っている。これは、式（８）に示されるように、ハイパスフィルタが、該ハイパスフィルタの出力の過去値を必要とするためである。筒内圧変化信号の初期段階においては、該過去値が未だ取得されていないので、このようなオフセットが現れる。しかしながら、このようなオフセットは、後述される除去装置によって除去されることができる。

図７を参照すると、（ａ）には、本発明の一実施形態に従う、筒内圧検出装置のブロック図が示されている。各ブロックの機能は、典型的には、ＥＣＵ１（図１）のメモリ１ｃに格納されているプログラムを実行することによって実現される。代替的に、これらの機能を、ハードウェアにより実現してもよい。

サンプリング装置４１は、筒内圧センサから出力される筒内圧変化信号ｄＰをサンプリングする。フィルタ装置４２は、前述したようなハイパスフィルタを備え、該ハイパスフィルタは、エンジン回転数ＮＥの１次周波数よりも低い周波数をカットする特性を有する。好ましくは、前述したように、ハイパスフィルタのカットオフ周波数は、エンジン回転数の１次周波数よりも低い周波数であって、ドリフトを構成する周波数成分を確実にカットすることができる周波数に設定される。

フィルタ装置４２は、筒内圧変化信号ｄＰのサンプルにハイパスフィルタを適用し、信号ｄＰＨを生成する。ハイパスフィルタにより実施される式の一例が、上記の式（８）に示されている。信号ｄＰＨは、ドリフトを構成する周波数成分を含まない信号である。積分装置４３は、フィルタ装置４２の出力信号ｄＰＨを、上記の式（９）に従って積分し、筒内圧信号Ｐを算出する。オフセット除去装置４４は、図６の（ｄ）で観察されるような筒内圧信号Ｐのオフセットを除去する。こうして、ドリフトが除去され、かつオフセットを有しない筒内圧Ｐｃｙｌが算出される。

図７の（ｂ）は、本発明の他の実施形態に従う、筒内圧検出装置のブロック図である。各ブロックの機能は、図７の（ａ）と同様に、典型的には、ＥＣＵ１（図１）のメモリ１ｃに格納されているプログラムを実行することによって実現される。代替的に、これらの機能を、ハードウェアにより実現してもよい。

図７の（ａ）との違いは、フィルタ装置４７が、積分装置４６の下流に配置されている点である。サンプリング装置４５は、筒内圧センサから出力される筒内圧変化信号ｄＰをサンプリングする。積分装置４６は、筒内圧変化信号ｄＰのサンプルを用いて、筒内圧変化信号ｄＰの積分値、すなわち筒内圧信号Ｐを算出する。該積分は、式（１０）に従って行われることができる。

Ｐ（ｋ）＝Ｐ（ｋ−１）＋（ｄＰ（ｋ）×（１／Ｆｓ）） （１０）
フィルタ装置４７は、フィルタ装置４２と同様のハイパスフィルタを備える。該ハイパスフィルタにより実施される式の一例を、式（１１）に示す。

ｄＰＨ(k)＝0.997×P(k)−2.990×P(k-1)＋2.990×P(k-2)−0.997×P(k-3)
−2.994×dPH(k-1)＋2.998×dPH(k-2)―0.994×dPH(k-3)
（１１）
前述したように、信号の積分動作によって周波数成分は変化しない。したがって、フィルタ装置４７の出力信号ｄＰＨは、図６の（ｄ）に示される筒内圧信号Ｐと同じである。オフセット除去装置４８は、フィルタ装置４７の出力信号ｄＰＨのオフセットを除去する。こうして、ドリフトが除去され、かつオフセットを有しない筒内圧Ｐｃｙｌが算出される。

図８を参照して、エンジン回転数と、フィルタ装置４２のハイパスフィルタのカットオフ周波数との関係について述べる。（ａ）は、エンジン回転数が６０００ｒｐｍである場合に、カットオフ周波数が１８Ｈｚのハイパスフィルタを筒内圧変化信号ｄＰに適用した場合の、積分装置４３から得られた筒内圧信号Ｐを示す。（ｂ）は、エンジン回転数が６０００ｒｐｍである場合に、カットオフ周波数が９Ｈｚのハイパスフィルタを筒内圧変化信号ｄＰに適用した場合の、積分装置４３から得られた筒内圧信号Ｐを示す。

エンジン回転数が６０００ｒｐｍである時、前述したように、少なくともドリフトの周波数成分をカットするためのカットオフ周波数は、１８Ｈｚである。（ｂ）に示されるように、エンジン回転数が６０００ｒｐｍである時に９Ｈｚのカットオフ周波数を持つハイパスフィルタを適用すると、ドリフトの低周波成分を完全には取り除くことができず、その結果、（ｂ）の波形が（ａ）の波形と比較して歪んでいることがわかる。

このような現象は、ドリフトの周波数帯域が、筒内圧センサの温度に従って変化するだけでなく、エンジン回転数に従っていくらか変化することに起因する。このような現象を防ぐため、検出されたエンジン回転数に応じたカットオフ周波数を算出して、フィルタを構成するのが好ましい。筒内圧の周波数帯域はエンジン回転数が増えるにつれ高くなるので、カットオフ周波数も、エンジン回転数が増えるにつれ高くすることができる。カットオフ周波数をエンジン回転数に従って変化させることにより、筒内圧の周波数成分をカットすることなく、ドリフトの周波数成分のみを効率的にカットすることができる。

カットオフ周波数を変化させる形態として、以下の２つのケースが考えられる。第１のケースは、筒内圧センサの出力を、クランク角ＣＲＫに同期してサンプリングする場合である。この場合、エンジン回転数ＮＥに同期して、サンプリング周波数Ｆｓも変化する。たとえば、エンジン回転数が１５００ｒｐｍであり、サンプリングがクランク角１度ごとに行われる時、エンジンが１回転するたびに３６０回のサンプリングが行われる。したがって、サンプリング周波数は、式（１２）のように算出される。

１５００（ｒｐｍ）／６０（秒）×３６０（回）＝９（ｋＨｚ） （１２）
ナイキスト周波数は、４．５ｋＨｚとなる。エンジン回転数は１５００ｒｐｍであるので、エンジン回転数の１次周波数は、１５００／６０＝２５Ｈｚである。したがって、カットオフ周波数は、２５Ｈｚより低い値に設定される。この例では、シミュレーション等により、エンジン回転数の１次周波数よりも低く、かつドリフトの周波数帯域を確実にカットする周波数として、４．５Ｈｚが選択された。

カットオフ周波数を、ナイキスト周波数で正規化すると、式（１３）により、カットオフ周波数は０．００１で表される。

４．５Ｈｚ／４．５ｋＨｚ＝０．００１ （１３）
同様に、エンジン回転数が３０００ｒｐｍおよび６０００ｒｐｍの場合のカットオフ周波数の正規化値を求めることができる。求めた結果を表１に示す。これらのカットオフ周波数も、エンジン回転数の１次周波数よりも低く、かつドリフトの周波数帯域を確実にカットする周波数として選択されている。

表１に示されるように、エンジン回転数ＮＥに応じてカットオフ周波数は変化する。しかしながら、カットオフ周波数の正規化値は一定である。すなわち、フィルタ特性は変化せず、ナイキスト周波数Ｆｎに一定値０．００１を乗算すれば、カットオフ周波数を得ることができる。このように、エンジン回転に同期して筒内圧センサの出力をサンプリングする場合には、カットオフ周波数の正規化値が一定であるので、フィルタ特性を変更することなく、エンジン回転数に応じたカットオフ周波数を持つフィルタを構成することができる。

第２のケースは、筒内圧センサの出力を、一定の時間間隔でサンプリングする場合である。この場合は、サンプリング周波数Ｆｓは一定である。例としてＦｓが３６ｋＨｚの場合を考える。ナイキスト周波数Ｆｎは、１８ｋＨｚとなる。

エンジン回転数が１５００ｒｐｍの場合、エンジン回転数の１次周波数は、１５００／６０＝２５Ｈｚである。カットオフ周波数は、４．５Ｈｚに設定される。

カットオフ周波数をナイキスト周波数で正規化すると、カットオフ周波数は、式（１４）のように算出される。

４．５（Ｈｚ）／１８０００（Ｈｚ）＝０．０００２５ （１４）
同様に、エンジン回転数が３０００ｒｐｍおよび６０００ｒｐｍの場合のカットオフ周波数の正規化値を求めることができる。求めた結果を表２に示す。

表２に示されように、エンジン回転数ＮＥに応じてカットオフ周波数は変化し、カットオフ周波数の正規化値も変化する。これは、フィルタ特性が変化することを示す。このように、所定の時間間隔で筒内圧センサの出力をサンプリングする場合には、カットオフ周波数の正規化値が変化するので、エンジン回転数ＮＥに応じたカットオフ周波数が設定されるよう、エンジン回転数ＮＥに応じてフィルタ特性を変更するのが好ましい。

エンジン回転数ＮＥに応じてフィルタ特性を変更するため、一実施形態では、１つのハイパスフィルタを設け、該フィルタの特性をエンジン回転数に応じて変更することにより、エンジン回転数に応じたカットオフ周波数を実現する。

他の実施形態では、表３のように、フィルタ装置４２に複数のハイパスフィルタを予め設け、検出されたエンジン回転数に応じたカットオフ周波数を持つハイパスフィルタを選択してもよい。

たとえば、エンジン回転数が１５００ｒｐｍと３０００ｒｐｍの間にあるとき、３０００ｒｐｍに適したカットオフ周波数を持つフィルタを選択することにより、図８に示すような、低周波成分が取りきれない現象を防ぐことができる。

図９を参照すると、他の実施形態に従う、エンジン回転数ＮＥに応じてフィルタ特性を変更することのできる筒内圧検出装置のブロック図が示されている。図７の（ａ）と異なる主な点は、フィルタ切り換え装置４９が追加されていることである。フィルタ切り換え装置４９は、選択部５１およびフィルタ構成部５２を備える。図では、フィルタ切り換え装置４９が、フィルタ装置４２と別の構成要素として示されているが、フィルタ切り換え装置４９の動作を、フィルタ装置４２が実施するようにしてもよい。

選択部５１は、クランク角センサ１７（図１）の出力に基づいて検出された現在のエンジン回転数ＮＥに最適なフィルタを選択する。該選択されたフィルタが、フィルタ装置４２により使用される。

フィルタ構成部５２は、該現在のエンジン回転数ＮＥに基づいて、３種類のハイパスフィルタを構成する。具体的には、現在のエンジン回転数用のフィルタ、該現在のエンジン回転数よりも低い回転数用のフィルタ、および該現在のエンジン回転数よりも高い回転数用のフィルタを構成し、それぞれのフィルタについて、表２を参照して説明したような方法で、カットオフ周波数を設定する。

その後にエンジン回転数が高くなれば、該高回転数用のフィルタが選択部５１により選択され、エンジン回転数が低くなれば、該低回転数用のフィルタが選択部５１により選択される。

こうして、検出されたエンジンの回転数に基づいて、現在の回転数用、低回転数用および高回転数用の３種類のフィルタが再構成されるので、エンジン回転数の変化に応じて、最適なカットオフ周波数を持つフィルタに速やかに切り換えることができる。

図１０には、図９に示すフィルタ切り換え装置４９のより具体的な動作が示されている。わかりやすくするため、選択部５１は、スイッチにより示されている。

時間ｔ１において、エンジン回転数ＮＥが３０００ｒｐｍであり、３０００ｒｐｍに最適な９Ｈｚのカットオフ周波数を持つよう構成された第１のフィルタが、選択部５１により選択されている。フィルタ構成部５２は、現在の回転数よりも低い１５００ｒｐｍに最適な４．５Ｈｚのカットオフ周波数を持つよう第２のフィルタを構成し、現在の回転数よりも高い４５００ｒｐｍに最適な１３．５Ｈｚのカットオフ周波数を持つよう第３のフィルタを構成する。

時間ｔ２において、エンジン回転数が、３０００ｒｐｍから４５００ｒｐｍに上昇したと仮定する。選択部５１は、エンジン回転数の上昇に応答して、第１のフィルタから第３のフィルタへと切り換える。選択部５１により選択された第３のフィルタが、フィルタ装置４２により使用される。フィルタ構成部５２は、他のフィルタ、すなわち選択されなかった第１および第２のフィルタを再構成する。第１のフィルタを、現在の回転数より高い６０００ｒｐｍに最適な１８Ｈｚのカットオフ周波数を持つよう再構成し、第２のフィルタを、現在の回転数より低い３０００ｒｐｍに最適な９Ｈｚのカットオフ周波数を持つよう再構成する。

このように、最適なカットオフ周波数を持つハイパスフィルタによって低周波成分を取り除くことにより、筒内圧の必要な周波数成分をカットすることなく、ドリフトの周波数成分のみを効率的にカットして、得られる筒内圧信号の精度を向上させることができる。

フィルタ切り換え装置４９は、当然ながら、図７の（ｂ）に示す筒内圧検出装置に設けることもできる。

次に、図７の（ａ）に示されるオフセット除去装置４４について、いくつかの実施例を挙げて説明する。以下の実施例は、図７の（ｂ）に示されるオフセット除去装置４８についても適用可能である点に注意されたい。

図１１は、第１の実施例に従うオフセット除去装置４４のブロック図を示す。サンプリング回路６１は、各燃焼サイクルの所定のクランク（ＣＲＫ）角度で、積分装置４３の出力信号Ｐをサンプリングする。好ましくは、吸気行程中の所定のクランク角度で、信号Ｐをサンプリングする。サンプリング周期は、１燃焼サイクルの長さＴｎに等しい。該サンプリングにより得られた筒内圧サンプルＰｏｆｆは、次のサンプリングまでサンプリング回路６１に保持される。図１２に、筒内圧信号Ｐおよび筒内圧サンプルＰｏｆｆの波形を示す。図に示されるように、筒内圧サンプルＰｏｆｆは、上記のオフセット量を示している。

オーバーサンプリング回路６２は、筒内圧センサの出力をサンプリングする周波数Ｆｓで、オフセット量Ｐｏｆｆをオーバーサンプリングする。オーバーサンプリングにより、オフセット量Ｐｏｆｆのサンプルが生成される。

移動平均回路６３は、オーバーサンプリングによって新たなサンプルＰｏｆｆ（ｎ）が得られるたびに、式（１５）に従って、リングバッファを更新する。移動平均回路６３は、その後、式（１６）に従って、オフセット量Ｐｏｆｆ（ｋ−ｍ）〜Ｐｏｆｆ（ｋ）を平均する。得られる移動平均値Ｐｃｏｍｐが、補正項として用いられる。

ｍは、好ましくは、１燃焼サイクル中におけるオーバーサンプリングの回数以上に設定される。これは、次の理由による。すなわち、ｍを、１燃焼サイクル中におけるオーバーサンプリングの回数より小さい値に設定すると、式（１６）からも明らかなように、Ｐｏｆｆ（ｋ−ｍ）からＰｏｆｆ（ｋ）までの値がすべて同じになり、１燃焼サイクルの途中で補正項Ｐｃｏｍｐの値が一定になる。補正項Ｐｃｏｍｐが一定になると、補正回路６４により補正された筒内圧信号Ｐ（すなわち、補正済み筒内圧Ｐｃｙｌ）が、１燃焼サイクルの途中で不連続になるおそれがある。このような現象を回避するため、ｍは、１燃焼サイクル中におけるオーバーサンプリングの回数以上に設定される。

数式６

補正回路６４は、積分装置４３から得られた筒内圧Ｐから、移動平均回路６３から得られた補正項Ｐｃｏｍｐを減算し、補正済み筒内圧Ｐｃｙｌを算出する。こうして、オフセット量を持たない筒内圧Ｐｃｙｌを得ることができる。

図１３を参照すると、（ａ）には、サンプリング回路６１により得られるオフセット量Ｐｏｆｆと、移動平均回路６３の出力である補正項Ｐｃｏｍｐの波形の一例が示されている。（ｂ）には、積分装置４３から得られる筒内圧信号Ｐと、補正回路６４から得られる補正済み筒内圧信号Ｐｃｙｌの波形が示されている。筒内圧信号Ｐを補正項Ｐｃｏｍｐで補正することにより、オフセット量を持たない補正済み筒内圧信号Ｐｃｙｌが算出されている。

図１４は、第２の実施例に従うオフセット除去装置４４のブロック図を示す。図１１のオフセット除去装置と異なる点は、オフセット量算出回路７２が設けられている点である。

サンプリング回路７１は、サンプリング回路６１と同様に動作し、積分装置４３からの出力信号Ｐを、燃焼サイクルの所定のクランク角度でサンプリングし、オフセット量Ｐｏｆｆを得る。

オフセット量算出回路７２は、サンプリング回路７１によりオフセット量Ｐｏｆｆが算出されることに応じて、式（１７）を実行し、絶対オフセット量Ｐｏｆｆ’を算出する。

絶対オフセット量Ｐｏｆｆ’＝オフセット量Ｐｏｆｆ−基準値 （１７）
基準値は、好ましくは、サンプリング回路７１によるサンプリングと同じタイミングでサンプリングされた、吸気管圧力センサ２０（図１）の出力Ｐｂを用いる。吸気行程中は吸気バルブが開いているので、筒内圧と吸気管圧力とはほぼ同じ圧力となる。したがって、オフセット量Ｐｏｆｆから吸気管圧力Ｐｂを減算することにより、オフセット量の絶対値を算出することができる。

オーバーサンプリング回路７３は、図１１のオーバーサンプリング回路６２と同様の手法で、絶対オフセット量Ｐｏｆｆ’をオーバーサンプリングする。移動平均回路７４は、図１１の移動平均回路６３と同様の手法で、オーバーサンプリングにより得られたサンプルを移動平均する。補正回路７５は、積分装置４３から受け取った筒内圧信号Ｐから、移動平均回路７４により算出された補正項Ｐｃｏｍｐを減算して、オフセット量を持たない補正済み筒内圧Ｐｃｙｌを算出する。

オフセット量の絶対値Ｐｏｆｆ’を用いて補正項Ｐｃｏｍｐを算出することにより、オフセット量がより正確に求められる。したがって、補正済み筒内圧Ｐｃｙｌを算出する精度を向上させることができる。代替的に、基準値として、エアフローメータ１６（図１）の出力に基づいて算出される圧力値を用いてもよい。

なお、上記の第１および第２の実施例では、オーバーサンプリングされたオフセット量または絶対オフセット量のサンプルを平均するのに、移動平均法を用いた。代替的に、他のフィルタリング（たとえば、ローパスフィルタ）を用いてもよい。

図１５は、第３の実施例に従うオフセット除去装置４４のブロック図を示す。図１１に示されるオフセット除去装置と異なる主な点は、コントローラ８４が設けられることである。

サンプリング回路８１は、補正済み筒内圧Ｐｃｙｌをサンプリングする。サンプリングする手法は、図１１に示されるサンプリング回路６１と同様であり、各燃焼サイクルの所定のクランク角度で補正済み筒内圧Ｐｃｙｌをサンプリングし、保持する。しかしながら、サンプリング回路６１のサンプリングの対象が積分装置４３の出力信号Ｐであるのに対し、サンプリング回路８１のサンプリングの対象が、補正済み筒内圧Ｐｃｙｌである点に注意されたい。これは、以下に記述するコントローラ８４が、該コントローラ８４から出力された補正項Ｐｃｏｍｐ＿ＳＬＤが反映された信号（すなわち、補正済み筒内圧Ｐｃｙｌ）を入力として用いる必要があるからである。

オーバーサンプリング回路８２は、図１１に示されるオーバーサンプリング回路６２と同様の手法で、補正済み筒内圧Ｐｃｙｌをオーバーサンプリングする。移動平均回路８３は、図１１に示される移動平均回路６３と同様の手法で、オーバーサンプリング回路８２により生成されたサンプルを移動平均する。

コントローラ８４は、移動平均回路８３により算出された移動平均値Ｐｃｏｍｐのフィードバック制御を実施する。具体的には、移動平均値Ｐｃｏｍｐが目標値Ｐｃｏｍｐ＿ｃｍｄに収束するように、Ｐｃｏｍｐ＿ＳＬＤを算出する。目標値Ｐｃｏｍｐ＿ｃｍｄは、この実施例ではゼロである。Ｐｃｏｍｐ＿ＳＬＤが、補正項として用いられる。補正回路８５は、補正項Ｐｃｏｍｐ＿ＳＬＤを筒内圧信号Ｐに加算することによって、補正済み筒内圧Ｐｃｙｌを算出する。

コントローラ８４は、フィードバック制御として、応答指定型制御を用いる。応答指定型制御は、制御量（ここでは、移動平均値Ｐｃｏｍｐ）の目標値への収束速度を指定することができる制御である。応答指定型制御によれば、移動平均値Ｐｃｏｍｐを、オーバーシュートを生じさせることなく、所望の速度で目標値に収束させることができる。この実施例では、応答指定型制御として、簡易型のスライディングモード制御を用いる。

図１６は、コントローラ８４のさらに詳細なブロック図である。応答指定型制御を実施するため、切り換え関数設定部９１は、式（１８）に示されるような切り換え関数σを設定する。Ｅｒｒは、式（１９）に示されるように、移動平均値Ｐｃｏｍｐ（ｋ）と目標値Ｐｃｏｍｐ＿ｃｍｄとの間の偏差を示す。ここで、ｋは演算サイクルを示す。

σ（ｋ）＝Ｅｒｒ（ｋ）＋ＰＯＬＥ・Ｅｒｒ（ｋ−１） （１８）
Ｅｒｒ（ｋ）＝Ｐｃｏｍｐ（ｋ）−Ｐｃｏｍｐ＿ｃｍｄ
（１９）
ＰＯＬＥは、切換関数σの応答指定パラメータであり、移動平均値Ｐｃｏｍｐの収束速度を規定する。ＰＯＬＥは、好ましくは、−１＜ＰＯＬＥ＜０を満たすよう設定される。

切換関数σ(k)＝０とした式は等価入力系と呼ばれ、移動平均値Ｐｃｏｍｐの収束特性を規定する。σ(k)＝０とすると、式（１９）は、式（２０）のように表されることができる。

Ｅｒｒ（ｋ）＝−ＰＯＬＥ・Ｅｒｒ（ｋ−１） （２０）
ここで、図１７を参照して、切り換え関数について説明する。縦軸がＥｒｒ（ｋ）および横軸がＥｒｒ（ｋ−１）の位相平面上に、式（２０）が、線１０１で表現されている。この線１０１を切換線と呼ぶ。Ｅｒｒ（ｋ−１）およびＥｒｒ（ｋ）の組合せからなる状態量（Ｅｒｒ（ｋ−１）, Ｅｒｒ（ｋ）））の初期値が、点１０２で表されているとする。応答指定型制御は、点１０２で表される状態量を、切換線１０１上に載せて該切換線１０１上に拘束するよう動作する。

応答指定型制御によると、状態量１０２を切換線１０１上に保持することにより、該状態量を、外乱等の影響されることなく、極めて安定的に位相平面上の原点０に収束させることができる。言い換えると、状態量（Ｅｒｒ（ｋ−１）, Ｅｒｒ（ｋ））を、式（２０）に示される入力の無い安定系に拘束することにより、外乱に対してロバストに、偏差Ｅｒｒをゼロに収束させることができる。

この実施例では、切換関数σに関する位相空間が２次元であるので、切換線は直線１０１で表される。位相空間が３次元である場合には、切換線は平面で表され、位相空間が４次元以上になると、切換線は超平面となる。

応答指定パラメータＰＯＬＥは、可変に設定することができる。応答指定パラメータＰＯＬＥを調整することにより、偏差Ｅｒｒの収束速度を指定することができる。

図１７の（ｂ）を参照すると、参照番号１０５、１０６および１０７は、応答指定パラメータＰＯＬＥが、それぞれ、−１、−０．８、−０．５の場合の偏差Ｅｒｒの収束速度を示す。応答指定パラメータＰＯＬＥの絶対値が小さくなるにつれ、偏差Ｅｒｒの収束速度は速くなる。

図１６に戻り、到達則算出部９２は、式（２１）に示されるように、切換関数σの比例項により表される到達則入力Ｕｒｃｈを算出する。到達則入力Ｕｒｃｈは、状態量を切り換え線上に載せるための入力である。適応則算出部９３は、式（２２）に示されるように、切換関数σの積算項で表される適応則入力Ｕａｄｐを算出する。適応則入力Ｕａｄｐは、定常偏差を抑制しつつ、状態量を切換線に載せるための入力である。ＫｒｃｈおよびＫａｄｐは、フィードバックゲインであり、それぞれ、シミュレーション等によって予め定められる。加算器９４は、式（２３）に示されるように、到達則入力Ｕｒｃｈと適応則入力Ｕａｄｐとを加算する。こうして、補正項Ｐｃｏｍｐ＿ＳＬＤが算出される。

数式７

図１５に示されるように、補正項Ｐｃｏｍｐ＿ＳＬＤ（ｋ）は、補正回路８５にフィードバックされる。補正回路８５は、受け取った補正項Ｐｃｏｍｐ＿ＳＬＤ（ｋ）を、次のサイクルで得た筒内圧信号Ｐ（ｋ＋１）に加算し、補正済み筒内圧Ｐｃｙｌ（ｋ＋１）を算出する。該補正済み筒内圧Ｐｃｙｌ（ｋ＋１）に基づいて、再び、補正項Ｐｃｏｍｐ＿ＳＬＤ（ｋ＋１）が算出され、補正回路８５にフィードバックされる。

図１８を参照して、応答指定型制御を用いた場合の効果について説明する。（ａ）は、サンプリング回路８１によって生成されるオフセット量Ｐｏｆｆと、移動平均回路８３によって算出される移動平均値Ｐｃｏｍｐの波形を示す。移動平均値Ｐｃｏｍｐには、領域１１１および１１２に示されるように、燃焼サイクル間にわたって不連続性が生じている。これは、オフセット量Ｐｏｆｆが燃焼サイクルごとに算出されることに起因する。すなわち、１燃焼サイクル中、オフセット量Ｐｏｆｆが一定であることに起因する。このような不連続な波形で表される移動平均値Ｐｃｏｍｐを補正項として筒内圧Ｐを補正すると、補正済み筒内圧Ｐｃｙｌの波形に不連続性が現れるおそれがある。これは、補正済み筒内圧を周波数分解する処理等において好ましくないことがある。応答指定型制御を用いれば、このような不連続性を解消することができる。

（ｂ）は、コントローラ８４により算出される補正項Ｐｃｏｍｐ＿ＳＬＤを示す。応答指定型制御により、移動平均値Ｐｃｏｍｐが漸近的に目標値になるよう補正項Ｐｃｏｍｐ＿ＳＬＤが算出されるので、補正項Ｐｃｏｍｐ＿ＳＬＤは、連続した波形として得られる。補正項Ｐｃｏｍｐ＿ＳＬＤが不連続性を持たないので、筒内圧Ｐｃｙｌの波形に、不所望の不連続性が現れることを回避することができる。

（ｃ）は、コントローラにより算出された補正項Ｐｃｏｍｐ＿ＳＬＤで補正された筒内圧Ｐｃｙｌを示す。筒内圧信号Ｐと比較して明らかなように、補正済み筒内圧Ｐｃｙｌはオフセット成分を持たない。

図１９は、第４の実施例に従うオフセット除去装置４４のブロック図を示す。図１５のオフセット除去装置と異なる点は、オフセット量算出装置１２２が設けられている点である。

サンプリング回路１２１は、図１５のサンプリング回路８１と同様に動作し、補正済み筒内圧Ｐｃｙｌを、燃焼サイクルの所定のクランク角度でサンプリングし、オフセット量Ｐｏｆｆを算出する。

オフセット量算出装置１２２は、サンプリング回路１２１によりオフセット量Ｐｏｆｆが算出されることに応じて、式（２４）を実行し、絶対オフセット量Ｐｏｆｆ’を算出する。

絶対オフセット量Ｐｏｆｆ’＝オフセット量Ｐｏｆｆ−基準値 （２４）
前述したように、基準値は、好ましくは、サンプリング回路１２１によるサンプリングと同じタイミングでサンプリングされた、吸気管圧力センサ２０（図１）の出力Ｐｂを用いる。

オーバーサンプリング回路１２３は、図１５のオーバーサンプリング回路８２と同様の手法で、絶対オフセット量Ｐｏｆｆ’をオーバーサンプリングする。移動平均回路１２４は、移動平均回路８３と同様の手法で、オーバーサンプリングにより得られたサンプルを移動平均する。コントローラ１２５は、コントローラ８４と同様の手法で、移動平均値Ｐｃｏｍｐを目標値Ｐｃｏｍｐ＿ｃｍｄに収束させるための補正項Ｐｃｏｍｐ＿ＳＬＤを算出する。ここで、目標値Ｐｃｏｍｐ＿ｃｍｄには、吸気管行程中にサンプリングされた吸気管圧力Ｐｂが設定される。補正回路１２６は、積分装置４３から出力される筒内圧Ｐから、コントローラ１２５で算出された補正項Ｐｃｏｍｐ＿ＳＬＤを加算して、オフセット量を持たない補正済み筒内圧Ｐｃｙｌを算出する。

次に、図２０〜図２５を参照して、本発明の一実施例に従う、補正済み筒内圧Ｐｃｙｌを算出するプロセスを説明する。該プロセスは、典型的には、図７の（ａ）に示される機能ブロックにより実施されることができる。また、オフセットを除去するプロセスは、第４の実施例に従うオフセット除去装置により実施されるプロセスに基づいている。しかしながら、当業者ならば、第１、第２および第３の実施例のオフセット除去装置に対応するように、該プロセスを修正することができることは、明らかであろう。

図２０は、オフセット量Ｐｏｆｆのサンプルを取得するプロセスを示す。該プロセスは、1燃焼サイクル中の所定のクランク角度において行われる。ステップＳ１において、クランク角センサ１７から検出されたクランク角ＣＲＫが、所定値Ｄｓａｍｐｌｅに達したかどうかを判断する。クランク角ＣＲＫが所定値Ｄｓａｍｐｌｅに達したならば、ステップＳ２において、補正済み筒内圧Ｐｃｙｌをサンプリングして、オフセット量としてＰｏｆｆ（ｎ）にセットする。さらに、吸気管圧力センサの検出値Ｐｂを取得する。ステップＳ３において、オフセット量Ｐｏｆｆ（ｎ）から吸気管圧力Ｐｂ（ｎ）を減算し、絶対オフセット量Ｐｏｆｆ（ｎ）を算出する。

図２１は、補正済み筒内圧Ｐｃｙｌを算出するプロセスのメインルーチンを示す。該プロセスは、筒内圧センサの出力をサンプリングする周波数Ｆｓで実行される。

ステップＳ１１において、筒内圧センサの出力信号ｄＰにハイパスフィルタを適用するプロセス（図２２）を実行する。ステップＳ１２において、ハイパスフィルタの出力ｄＰＨを積分するプロセス（図２３）を実行し、筒内圧Ｐを算出する。

ステップＳ１３において、前述した式（１５）に示されるように、図２０のステップＳ３で得られた絶対オフセット量Ｐｏｆｆによりリングバッファを更新する。図２１のプロセスがサンプリング周波数Ｆｓで実行されるので、ステップＳ１３により、絶対オフセット量がオーバーサンプリングされることとなる。ステップＳ１４において、前述した式（１６）に従って、移動平均値Ｐｃｏｍｐを算出する。ステップＳ１５において、応答指定型制御（図２４）を実施し、補正項Ｐｃｏｍｐ＿ＳＬＤを算出する。ステップＳ１５において、補正項Ｐｃｏｍｐ＿ＳＬＤを、ステップＳ１２で算出した筒内圧Ｐに加算し、補正済み筒内圧Ｐｃｙｌを算出する。

図２１は、ステップＳ１１において実行されるハイパスフィルタのプロセスを示す。この実施例では、ハイパスフィルタの次数は３である。ステップＳ２１において、ハイパスフィルタの入力用のリングバッファを更新する。具体的には、筒内圧センサの出力の今回値ｄＰ（ｎ）をバッファｄＰ（ｋ）に記憶するために、バッファｄＰ（ｋ−（ｍ−１））の値をバッファｄＰ（ｋ−ｍ）にスライドし、バッファｄＰ（ｋ−（ｍ−２））の値をバッファｄＰ（ｋ−（ｍ−１））にスライドし、．．．バッファｄＰ（ｋ）の値をバッファｄＰ（ｋ−１）にスライドする。

ステップＳ２２において、式（２５）に従ってフィルタリングを実行し、出力ｄＰＨを算出する。

ｄＰＨ(n)＝b0×dP(k)＋b1×dP(k-1)＋b2×dP(k-2)＋b3×dP(k-3)
＋a1×dPH(k-1)＋a2×dPH(k-2)＋a3×dPH(k-3) （２５）

ａ１、ａ２およびａ３は、フィードバック項であり、ｂ０、ｂ１、ｂ２およびｂ３は、フィードフォワード項である。これらの値は、たとえば前述した式（８）のように、フィルタの特性に従って決められる。

ステップＳ２３において、ハイパスフィルタの出力用のリングバッファを更新する。これは、式（２５）に示されるように、ハイパスフィルタの出力を算出するのに、該ハイパスフィルタの出力の過去値を用いているからである。リングバッファの更新は、ステップＳ２１と同様の手法で行われる。

図２３は、ハイパスフィルタの出力ｄＰＨを積分するプロセスを示す。ステップＳ３１において、式（２６）に示されるように、サンプリング周波数Ｆｓに基づいて、サンプリング間隔Ｔを求める。

数式８

ステップＳ３２およびＳ３３において、筒内圧の積分値Ｐを算出する。具体的には、ステップＳ３２において、ハイパスフィルタの出力ｄＰＨ（ｋ）に、サンプリング間隔Ｔ（秒）を乗算する。ステップＳ３３において、筒内圧の前回値Ｐ（ｋ−１）に、Ｔ秒あたりのハイパスフィルタの出力値ｄＰＨ（ｋ）を加算し、筒内圧の今回値Ｐ（ｋ）を算出する。

図２４は、応答指定型制御により、補正項Ｐｃｏｍｐ＿ＳＬＤを算出するプロセスを示す。

ステップＳ５１において、偏差の現在値Ｅｒｒ（ｋ）を、前回値Ｅｒｒ（ｋ−１）として保存する。ステップＳ５２において、前述した式（１９）に従い、図２１のステップＳ１４で算出された移動平均値Ｐｃｏｍｐ（ｋ）と目標値Ｐｃｏｍｐ＿ｃｍｄとの偏差Ｅｒｒ（ｋ）を算出する。

ステップＳ５３において、前述した式（１８）に従い、切換関数σを算出する。ステップＳ５４において、式（２１）に従い、到達則入力Ｕｒｃｈを算出する。ステップＳ５５において、切り換え関数の積算値の前回値Ｇ（ｋ−１）に、切り換え関数σ（ｋ）を加算して、切り換え関数の積算値の今回値Ｇ（ｋ）を算出する。ステップＳ５６において、上記の式（２２）に従い、適応則入力Ｕａｄｐを算出する。ステップＳ５７において、上記の式（２３）に従い、補正項Ｐｃｏｍｐ＿ＳＬＤを算出する。

代替的に、応答指定型制御とは異なる制御手法、たとえばバックステッピング法、または最適制御などを用いて、補正項Ｐｃｏｍｐ＿ＳＬＤを算出してもよい。

本発明は、汎用の（例えば、船外機等の）内燃機関に適用可能である。

この発明の一実施例に従う、エンジンおよびその制御装置を概略的に示す図。 この発明の一実施例に従う、筒内圧センサの取り付けを示す図。 この発明の一実施例に従う、体積変化率の波形および周波数成分を示す図。 この発明の一実施例に従う、体積変化率のフーリエ係数の値を示す図。 この発明の一実施例に従う、ハイパスフィルタの特性を示す図。 この発明の一実施例に従う、ハイパスフィルタを適用することの効果を説明するための図。 （ａ）この発明の第１の実施例に従う筒内圧検出装置のブロック図、および（ｂ）この発明の第２の実施例に従う筒内圧検出装置のブロック図。 この発明の一実施例に従う、エンジン回転数に応じてカットオフ周波数を切り換えない場合の問題点を説明するための図。 この発明の第３の実施例に従う、フィルタ切り換え装置を備えた筒内圧検出装置のブロック図。 この発明の第３の実施例に従う、フィルタ切り換え装置による切り換え動作を具体的に示す図。 この発明の第１の実施例に従う、オフセット除去装置のブロック図。 この発明の第１の実施例に従う、筒内圧Ｐおよびオフセット量Ｐｏｆｆの波形を示す図。 この発明の第１の実施例に従う、オフセット量Ｐｏｆｆ、移動平均値Ｐｃｏｍｐ、および筒内圧Ｐｃｙｌの波形を示す図。 この発明の第２の実施例に従う、オフセット除去装置のブロック図。 この発明の第３の実施例に従う、オフセット除去装置のブロック図。 この発明の第３の実施例に従う、コントローラのブロック図。 この発明の第３実施例に従う、（ａ）応答指定型制御の切換関数、および（ｂ）応答指定パラメータを示す図。 この発明の一実施例に従う、応答指定型制御を用いる場合の効果を説明するための図。 この発明の第４の実施例に従う、オフセット除去装置のブロック図。 この発明の一実施例に従う、オフセット量Ｐｏｆｆを算出するプロセスのフローチャート。 この発明の一実施例に従う、補正済み筒内圧Ｐｃｙｌを算出するプロセスのフローチャート。 この発明の一実施例に従う、ハイパスフィルタを適用するプロセスのフローチャート。 この発明の一実施例に従う、ハイパスフィルタの出力を積分するプロセスのフローチャート。 この発明の一実施例に従う、応答指定型制御のフローチャート。 従来技術に従う、筒内圧センサの出力を積分する回路。 筒内圧のドリフトを示す図。 従来技術に従う、リセット手段を備える、筒内圧センサの出力を積分する回路。 従来技術に従う、リセット操作による筒内圧波形への影響を示す図。

符号の説明

１ ＥＣＵ
２ エンジン
８ 燃焼室
１５ 筒内圧センサ

Claims (8)

1. エンジンの筒内圧の変化率に応じた信号を出力する筒内圧センサと、
   前記筒内圧センサの出力信号から、前記エンジンを制御するのに必要とされる筒内圧を構成する周波数よりも低い周波数成分をカットするよう、該筒内圧センサの出力信号をフィルタリングするフィルタ装置と、
   前記フィルタ装置によってフィルタリングされた後の前記筒内圧センサの出力信号を積分して、筒内圧信号を算出する積分装置と、
   前記積分装置により算出された前記筒内圧信号のオフセット成分を除去するオフセット除去装置と、を備え、
   前記オフセット除去装置は、さらに、
   第１のサイクルで、前記積分装置により算出された筒内圧信号を、オフセット量としてサンプリングするサンプリング手段と、
   前記オフセット量を、前記第１のサイクルよりも短い第２のサイクルでサンプリングするオーバーサンプリング手段と、
   前記オーバーサンプリング手段により得られたオフセット量のサンプルを平均して、平均値を算出する平均手段と、
   前記平均値を、前記積分装置により算出された筒内圧信号から減算することにより、該筒内圧信号のオフセット成分を除去する手段と、
   を備える、筒内圧検出装置。
2. エンジンの筒内圧の変化率に応じた信号を出力する筒内圧センサと、
   前記筒内圧センサの出力信号から、前記エンジンを制御するのに必要とされる筒内圧を構成する周波数よりも低い周波数成分をカットするよう、該筒内圧センサの出力信号をフィルタリングするフィルタ装置と、
   前記フィルタ装置によってフィルタリングされた後の前記筒内圧センサの出力信号を積分して、筒内圧信号を算出する積分装置と、
   前記積分装置により算出された前記筒内圧信号のオフセット成分を除去するオフセット除去装置と、を備え、
   前記オフセット除去装置は、さらに、
   前記積分装置により算出された筒内圧信号を補正項で補正することにより、補正済み筒内圧を算出する補正手段と、
   前記補正済み筒内圧に基づいて前記補正項を算出し、該補正項を前記補正手段にフィードバックする補正項算出手段と、を備えており、
   前記補正項算出手段は、さらに、
   前記補正済み筒内圧を、オフセット量として、第１のサイクルでサンプリングする手段と、
   前記オフセット量を、前記第１のサイクルよりも短い第２のサイクルでオーバーサンプリングする手段と、
   前記オーバーサンプリング手段によって得られた前記オフセット量のサンプルを平均して、平均値を算出する手段と、
   前記平均値を所定の目標値に収束させるための前記補正項を算出する手段と、
   を備える、筒内圧検出装置。
3. 前記フィルタ装置は、さらに、前記エンジンを制御するための必要とされる筒内圧を構成する周波数よりも低い周波数成分であって、かつ、ドリフトを構成する周波数成分をカットするよう、該筒内圧センサの出力信号をフィルタリングする、
   請求項１または２に記載の筒内圧検出装置。
4. 前記フィルタ装置は、検出された前記エンジンの回転数に従って、前記フィルタのカットオフ周波数を変更する、
   請求項１から３のいずれかに記載の筒内圧検出装置。
5. さらに、前記筒内圧センサの出力信号を、前記エンジンの回転に同期してサンプリングするサンプリング手段を備え、
   前記フィルタ装置は、前記サンプリングされた前記筒内圧センサの出力信号をフィルタリングする、
   請求項１から４のいずれかに記載の筒内圧検出装置。
6. 前記オフセット除去装置は、さらに、
   前記オフセット量から所定の基準値を減算して、絶対オフセット量を算出する手段を備え、
   前記オーバーサンプリング手段は、前記絶対オフセット量を、前記第１のサイクルよりも短い第２のサイクルでオーバーサンプリングし、
   前記平均手段は、前記オーバーサンプリング手段により得られた絶対オフセット量のサンプルを平均して、前記平均値を算出する、
   請求項１、３、４および５のいずれかに記載の筒内圧検出装置。
7. 前記補正項算出手段は、さらに、
   前記オフセット量から所定の基準値を減算して、絶対オフセット量を算出する手段を備え、
   前記オーバーサンプリング手段は、前記絶対オフセット量を、前記第１のサイクルよりも短い第２のサイクルでオーバーサンプリングし、
   前記平均手段は、前記オーバーサンプリング手段により得られた絶対オフセット量のサンプルを平均して、前記平均値を算出する、
   請求項２から５のいずれかに記載の筒内圧検出装置。
8. 前記所定の基準値は、燃焼サイクルの吸気行程における吸気管の圧力である、請求項６または７に記載の筒内圧検出装置。

Images