JP4298552B2 - 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補正して、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２２に示されるように、筒内圧センサ１００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１０１により積分される。該積分回路１０１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内燃機関に搭載すると、内燃機関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２３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２４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１１２を閉じる。該素子を閉じると、コンデンサ１１３の前後の電位差が無くなり、よって演算増幅器１１４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２５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、内燃機関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、検出される筒内圧にドリフトが現れないように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、内燃機関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、該筒内圧センサの出力信号を補正する補正手段と、該補正手段からの出力を積分して、筒内圧を算出する積分手段と、該筒内圧に基づいて、該筒内圧に含まれるドリフトの変化率を算出するドリフト変化率算出手段と、を備える。該算出されたドリフト変化率は、補正手段にフィードバックされ、該補正手段は、該ドリフト変化率で、筒内圧センサの出力信号を補正する。

この発明の一実施形態によると、上記のドリフト変化率算出手段は、さらに、上記の算出された筒内圧を、所定のサイクルでサンプリングする。該サンプリングした筒内圧に基づいて、ドリフト量を算出する。該ドリフト量に基づいて、上記ドリフト変化率を算出する。ドリフト量の算出は、該サンプリングした筒内圧から所定の基準値を減算することにより行うことができる。

この発明の他の実施形態によると、上記のドリフト変化率算出手段は、さらに、上記の算出された筒内圧を、第１のサイクルでサンプリングする。該サンプリングした筒内圧に基づいて、ドリフト量を算出する。該ドリフト量を、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し、該ドリフト量のサンプル値を生成する。該ドリフト量のサンプル値を平均して、該第２のサイクルあたりのドリフト量を算出する。該第２のサイクルあたりのドリフト量に基づいて、上記ドリフト変化率を算出する。ドリフト量の算出は、該サンプリングした筒内圧から所定の基準値を減算することにより行うことができる。

この発明の一実施形態によると、筒内圧検出装置は、さらに、上記のドリフト変化率算出手段および上記補正手段の間に、制御手段を備える。該制御手段は、上記のドリフト変化率をゼロに収束させるように、ドリフト補正項を算出する。補正手段は、該ドリフト補正項で、筒内圧センサの出力信号を補正する。一実施形態では、制御手段は、ドリフト変化率のゼロへの収束速度を指定可能な応答指定型制御を用いて、該ドリフト補正項を算出する。

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成分を除去することができるので、筒内圧波形に不連続な周波数特性が現れるのを防ぐことができる。

この発明によると、所定の時間間隔で、筒内圧に含まれるドリフト成分をフィードバックし、該フィードバックしたドリフト成分を、筒内圧センサの出力から除去する。ドリフト成分を除去するよう補正された筒内圧センサの出力を用いることにより、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の相関性が維持される。ドリフト成分を除去するよう補正された筒内圧センサの出力を積分するので、該積分により得られる筒内圧においてドリフトが増大するのを回避することができる。

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。

電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」）という）１は、車両の各部から送られてくるデータを受け入れる入力インターフェース１ａ、車両の各部の制御を行うための演算を実行するＣＰＵ１ｂ、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有するメモリ１ｃ、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。メモリ１ｃのＲＯＭには、車両の各部の制御を行うためのプログラムおよび各種のデータが格納されている。この発明に従う筒内圧検出のためのプログラムは、該ＲＯＭに格納される。ＲＯＭは、ＥＰＲＯＭのような書き換え可能なＲＯＭでもよい。ＲＡＭには、ＣＰＵ１ｂによる演算のための作業領域が設けられる。車両の各部から送られてくるデータおよび車両の各部に送り出す制御信号は、ＲＡＭに一時的に記憶される。

エンジン２は、たとえば４サイクルのエンジンである。エンジン２は、可変圧縮比機構を備えたものでもよい。

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。吸気弁３および排気弁５は、連続可変動弁系でもよい。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。代替的に、燃料噴射弁７は、燃焼室８に設けられてもよい。

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。

筒内圧センサ１５は、点火プラグ９のシリンダに接する部分に埋没されている。代替的に、燃料噴射弁７が燃焼室８に設けられる場合には、筒内圧センサ１５を、該燃料噴射弁７のシリンダに接する部分に埋没させてもよい。筒内圧センサ１５は、燃焼室８内の筒内圧の変化率に応じた信号を生成し、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。

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（Ａ／Ｄ）変換される。ＣＰＵ１ｂは、該デジタル信号を、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。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。

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。

図３を参照して、本願発明の原理を説明する。図３の（ａ）は、筒内圧センサ１５の出力、すなわち筒内圧の変化率Ｖｐｓを示す。

筒内圧センサの出力Ｖｐｓには、ドリフト成分Δｄｆｔが含まれており、式（１）のように表すことができる。

Ｖｐｓ＝Ｖｐｓ’＋Δｄｆｔ （１）
筒内圧を検出するため、式（２）に示されるように、筒内圧センサの出力Ｖｐｓを積分する。積分により得られる筒内圧Ｐｃｙｌの波形が、図３の（ｂ）に表されている。ライン８１に示されるように、Δｄｆｔに起因したドリフトが現れている。

本願発明では、図３の（ｂ）筒内圧波形に現れるドリフト８１について、ドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐを算出する。該ドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐを、図３の（ａ）に示される、筒内圧の変化率Ｖｐｓから減算する。こうして得られた、ドリフト補正済み筒内圧変化率（Ｖｐｓ−Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐ）を、式（３）に示されるように積分する。

式（３）に式（１）を代入すると、式（４）が得られる。

筒内圧センサの出力に含まれるドリフト成分Δｄｆｔは、ドリフト変化率を表している。すなわち、ドリフト成分Δｄｆｔは、筒内圧から算出されるドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐに等しい。したがって、式（４）は、式（５）のように表される。

このように、筒内圧センサの出力Ｖｐｓから、ドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐを減算することにより得られる値Ｖｐｓ’を積分すれば、ドリフト成分を含まない筒内圧Ｐｃｙｌを得ることができる。ドリフト成分を含まない筒内圧Ｐｃｙｌの波形を、図３の（ｃ）に示す。

図３の（ｂ）のライン８１に示すように、ドリフトは、ほぼ線形に変化する。ライン８１に基づいて、ドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐを求めることができる。

以下に、本願発明に従う、いくつかの実施例を説明する。ドリフトおよび筒内圧についての「変化率」は、所定時間あたりの変化量を表している。以下の実施例では、時間は、クランク角度を用いて計時される。したがって、サンプリングおよび演算等の各処理は、クランク角度に同期するよう行われる。代替的に、他のパラメータを用いて、時間を計時してもよい。また、代替的に、タイマ等を設けて、各処理を所定の時間間隔で行うようにしてもよい。

図４は、本発明の第１の実施例に従う、筒内圧検出装置のブロック図である。筒内圧検出装置は、典型的には、ＥＣＵ１内に実現される。示されるブロックにより実現される機能は、典型的には、コンピュータプログラムにより実現される。代替的に、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアおよびこれらの組み合わせにより、これらの機能を実現してもよい（以下のブロック図についても同様である）。筒内圧センサ１５の出力は、アナログデジタル変換され、Ｖｐｓとして筒内圧検出装置に入力される。

補正装置３１は、筒内圧センサ１５の出力、すなわち筒内圧の変化率Ｖｐｓから、ドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐを減算する（上記式（３）を参照）。積分装置３２は、こうしてドリフト補正された筒内圧変化率Ｖｐｓ’を積分し、筒内圧Ｐｃｙｌを算出する（上記式（５）を参照）。ドリフト変化率算出装置３３は、筒内圧Ｐｃｙｌに基づいて、ドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐを算出する。ドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐは、ドリフト補正項として、補正装置３１にフィードバックされる。

このフィードバック操作は、所定の時間間隔で繰り返し行われる。したがって、所定の時間間隔ごとに、筒内圧センサの出力Ｖｐｓから、ドリフト成分Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐが除去される。ドリフト成分が除去された筒内圧センサの出力Ｖｐｓ’を積分するので、得られる筒内圧Ｐｃｙｌの波形に、ドリフトが現れることを抑制することができる。

この第１の実施例では、ドリフト変化率算出装置３３による処理は、１燃焼サイクルの長さに等しいＴｎの周期で行われ、補正装置３１および積分装置３２による処理は、Ｔｎよりも短いＴｋの周期で行われる。好ましくは、Ｔｋは、筒内圧センサの出力をアナログデジタル変換するサイクルの長さに一致するように決められる。こうすることにより、筒内圧センサの出力がデジタル値Ｖｐｓとして得られるたびに、該Ｖｐｓをドリフト補正項Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐで補正することができる。

図５は、ドリフト変化率算出装置３３の詳細なブロック図である。サンプリング回路３５によるサンプリングは、Ｔｎの周期で行われる。サンプリング回路３５は、各燃焼サイクルの所定のクランク（ＣＲＫ）角度で、筒内圧Ｐｃｙｌ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、筒内圧Ｐｃｙｌをサンプリングする。該サンプリングにより得られた筒内圧サンプルＰｓａｍｐｌｅは、次のサンプリングまでサンプリング回路３５に保持される。図６に、筒内圧サンプルＰｓａｍｐｌｅの波形を示す。

ドリフト量算出回路３６は、サンプリング回路３５により筒内圧サンプルＰｓａｍｐｌｅが生成されることに応じて、式（６）を実行し、ドリフト量Ｐｄｆｔを算出する。

ドリフト量Ｐｄｆｔ＝筒内圧Ｐｓａｍｐｌｅ−基準値 （６）
基準値は、ドリフトの影響がないときの筒内圧を示すように設定される。一例では、基準値として、サンプリング回路３５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、ドリフトの影響がなければ、筒内圧と吸気管圧力とはほぼ同じ圧力となる。すなわち、筒内圧Ｐｃｙｌから吸気管圧力Ｐｂを減算した値が、該燃焼サイクル中に蓄積されるドリフト量Ｐｄｆｔを表す。

図７に、ドリフト量Ｐｄｆｔの一例を示す。第１の燃焼サイクルにおける吸気行程中の時間ｔ１にサンプリングされた筒内圧サンプルＰｓａｍｐｌｅ１は、次の筒内圧サンプルが得られるまで、サンプリング回路３５に保持される。時間ｔ１にサンプリングされた吸気管圧力Ｐｂとの差が、該第１の燃焼サイクルについてのドリフト量Ｐｄｆｔ１である。同様に、第２の燃焼サイクルにおける吸気行程中の時間ｔ２にサンプリングされた筒内圧サンプルＰｓａｍｐｌｅ２が、次の筒内圧サンプルが得られるまで、サンプリング回路３５に保持される。時間ｔ２にサンプリングされた吸気管圧力Ｐｂとの差が、該第２の燃焼サイクルについてのドリフト量Ｐｄｆｔ２である。こうして、燃焼サイクルごとに、ドリフト量Ｐｄｆｔが算出される。

図５に戻り、ドリフト変化率算出回路３７は、式（７）を実行し、ドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐを算出する。

ドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐ
＝ドリフト量Ｐｄｆｔ／所定のサンプリング回数 （７）
ここで、所定のサンプリング回数＝１燃焼サイクル／Ｔｋ
前述したように、一実施例では、Ｔｋは、筒内圧センサの出力をアナログデジタル変換するサイクルの長さに等しい。こうして、時間Ｔｋごとに得られる筒内圧センサの出力Ｖｐｓを、時間Ｔｋあたりのドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐで補正することができる。

図８に、ドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐを示す。時間ｔ１において、ドリフト量算出回路３６がドリフト量Ｐｄｆｔを算出する。該ドリフト量Ｐｄｆｔを、所定のサンプリング回数で除算することにより、時間Ｔｋあたりのドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐを算出することができる。こうして算出されたドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐが、ドリフト補正項として、補正装置３１（図４）にフィードバックされる。

図９は、図５のサンプリング回路３５のより詳細な動作を示す図である。図９の（ａ）は、積分装置３２から出力される筒内圧Ｐｃｙｌを示す。

サンプリング回路３５は、アップカウンタを備える。アップカウンタの値Ｄｃｎｔが、図９の（ｂ）に示されている。アップカウンタは、各燃焼サイクルの吸気行程中の開始時点、すなわちクランク角度がゼロになった時に、ゼロにリセットされる。アップカウンタは、クランク角センサ１７（図１）からのクランク信号に従ってカウントする。

一実施例では、クランク信号は、クランク軸が１度回転するたびに出力される。１燃焼サイクル中、クランク信号は７２０回出力される。よってアップカウンタは、各燃焼サイクルにおいて、０から７２０までカウントする。

図９の（ｂ）には、さらに、筒内圧Ｐｃｙｌをサンプリングすべきクランク角度Ｄｓａｍｐｌｅを示す波形が示されている。該クランク角度Ｄｓａｍｐｌｅの値は、予め決められている。サンプリング回路３５は、アップカウンタの値Ｄｃｎｔと、該クランク角度Ｄｓａｍｐｌｅとを比較する。

図９の（ｃ）に示されるように、アップカウンタの値Ｄｃｎｔがクランク角度Ｄｓａｍｐｌｅに一致した時、所定値（たとえば、１）を持つサンプル信号Ｔｓａｍｐｌｅを出力する。アップカウンタの値Ｄｃｎｔが所定値Ｄｓａｍｐｌｅに一致しない時は、ゼロ値を持つサンプル信号Ｔｓａｍｐｌｅが生成される。

図９の（ｄ）に示すように、所定値を持つサンプル信号Ｔｓａｍｐｌｅが出力されることに応じて、サンプリング回路３５は筒内圧Ｐｃｙｌをサンプリングし、筒内圧サンプルＰｓａｍｐｌｅを得る。ゼロ値を持つサンプル信号Ｔｓａｍｐｌｅが出力されている間は、該筒内圧サンプルＰｓａｍｐｌｅがサンプリング回路３５に保持される。前述したように、燃焼サイクルの長さに等しいＴｎの周期で、筒内圧サンプルＰｓａｍｐｌｅは生成される。

図１０は、図４に示されるドリフト変化率算出装置３３についての代替形態を示す。サンプリング回路３５およびドリフト量算出回路３６は、図５に示されるものと同じである。図５に示されるドリフト変化率算出装置と異なる点は、ドリフト量Ｐｄｆｔからドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐを算出する手法である。

第２の実施例によると、オーバーサンプリング、移動平均、および微分という一連の操作により、ドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐを算出する。この手法について、図１１を参照して説明する。

図１１の（ａ）には、各燃焼サイクルにおいて（すなわち、Ｔｎの周期で）ドリフト量算出回路３６により算出されたドリフト量Ｐｄｆｔの波形が示されている。オーバーサンプリング回路４１は、Ｔｋの周期で、ドリフト量Ｐｄｆｔをオーバーサンプリングする。

１燃焼サイクルにおけるサンプリング回数ｍは、（１燃焼サイクル／Ｔｋ）である。図１１の（ａ）には、ｍ＝６の例が示されている。

移動平均回路４２は、オーバーサンプリングによってサンプル値が得られるたびに、式（８）に従い、サンプルＰｄｆｔ（ｋ−（ｍ−１））〜Ｐｄｆｔ（ｋ）を平均する。こうして、時間Ｔｋあたりのドリフト量ΔＰｄｆｔを算出する。

こうして得られるドリフト量ΔＰｄｆｔは、図１１の（ｂ）に示されるようなラインで表される。該ドリフト量ΔＰｄｆｔは、時間Ｔｋあたりに蓄積されるドリフト量を示す。したがって、図１１の（ｂ）に示されるラインの傾きを求めることにより、すなわち該ドリフト量ΔＰｄｆｔを微分することにより、ドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐを算出することができる。

一例として、ｍ＝６の時に時間ｔ１で算出されるドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐが示されている。該ドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐは、Ｐｄｆｔ（ｋ−５）〜Ｐｄｆｔ（ｋ）を移動平均することにより得たΔＰｄｆｔを微分することにより、算出される。こうして、Ｔｋの周期でドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐを算出すると、図１１の（ｃ）に示されるような波形が得られる。算出されたドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐは、ドリフト補正項として、補正装置３１（図４）にフィードバックされる。

前述したように、Ｔｋは、筒内圧センサの出力をアナログデジタル変換するサイクルの長さに等しい。こうして、Ｔｋの周期で得られる筒内圧センサの出力Ｖｐｓを、時間Ｔｋあたりのドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐで補正することができる。

上記の実施形態では、オーバーサンプリングされたサンプル値の平均に、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１２は、本願発明の第３の実施例に従う、筒内圧検出装置を示す。図４に示される筒内圧検出装置と異なる点は、補正装置３１およびドリフト変化率算出装置３３との間に、コントローラ５１が設けられることである。ドリフト変化率算出装置３３は、第１の実施例に従う図５に示されるものでもよく、また、第２の実施例に従う図１０に示されるものでもよい。

コントローラ５１は、ドリフト変化率算出装置３３から受け取ったドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｐｍｐが目標値Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐ＿ｃｍｄ（この実施例では、ゼロ）に収束するように、ドリフト補正項Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐ＿ＳＬＤを算出する。該ドリフト補正項Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐ＿ＳＬＤが、制御入力として補正装置３１に入力される。補正装置３１は、筒内圧センサの出力Ｖｐｓにドリフト補正項Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐ＿ＳＬＤを加算する。積分装置３２は、こうしてドリフト補正された筒内圧センサの出力Ｖｐｓ’を積分し、筒内圧Ｐｃｙｌを算出する。

この第３の実施例では、コントローラ５１は、燃焼サイクルの長さに等しいＴｎの周期で応答指定型制御を実施し、ドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐを収束させる。代替的に、ドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐがＴｋの周期で算出される第２の実施例では、応答指定型制御を、Ｔｋの周期で実施してもよい。

応答指定型制御は、制御量（ここでは、ドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐ）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、ドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐを、オーバーシュートを生じさせることなく、所望の速度でゼロ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１３は、コントローラ５１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５２は、式（９）に示されるような切り換え関数σを設定する。Ｅｎｃは、式（１０）に示されるように、ドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐと目標値Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐ＿ｃｍｄとの間の偏差を示す。

σ（ｋ）＝Ｅｎｃ（ｋ）＋ＰＯＬＥ・Ｅｎｃ（ｋ−１） （９）
Ｅｎｃ（ｋ）＝Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐ（ｋ）−Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐ＿ｃｍｄ（ｋ）
（１０）
ＰＯＬＥは、切換関数σの応答指定パラメータであり、ドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐ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、ドリフト変化率の収束特性を規定する。σ(k)＝０とすると、式（９）は、式（１１）のように表されることができる。

Ｅｎｃ（ｋ）＝−ＰＯＬＥ・Ｅｎｃ（ｋ−１） （１１）
ここで、図１４を参照して、切り換え関数について説明する。縦軸がＥｎｃ（ｋ）および横軸がＥｎｃ（ｋ−１）の位相平面上に、式（１１）が、線６１で表現されている。この線６１を切換線と呼ぶ。Ｅｎｃ（ｋ−１）およびＥｎｃ（ｋ）の組合せからなる状態量（Ｅｎｃ（ｋ−１）, Ｅｎｃ（ｋ）））の初期値が、点６２で表されているとする。応答指定型制御は、点６２で表される状態量を、切換線６１上に載せて該切換線６１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６２を切換線６１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（Ｅｎｃ（ｋ−１）, Ｅｎｃ（ｋ））を、式（１１）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Ｅｎｃ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６１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Ｅｎｃの収束速度を指定することができる。

図１５を参照すると、参照番号６５、６６および６７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Ｅｎｃ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Ｅｎｃの収束速度は速くなる。

図１３に戻り、到達則算出部５３は、式（１２）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５４は、式（１３）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５５は、式（１４）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、制御入力Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐ＿ＳＬＤが算出される。

図１６および図１７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。図１６の（ａ）は、前述した第１または第２の実施例において、ドリフト変化率算出装置３３により算出されるドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐの波形を示す。図１６の（ｂ）は、図１６の（ａ）に示されるドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐを積分した波形を示す。符号７１〜７４に示されるように、ドリフト変化率の演算サイクル間にわたって、波形に不連続さが生じる。これは、ドリフト量Ｐｄｆｔを燃焼サイクルごとに算出することに起因する。すなわち、時間Ｔｎにわたって、算出されるドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐが一定であることに起因する。このようなドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐで筒内圧センサの出力Ｖｐｓを補正すると、積分装置３２から出力される筒内圧の波形に、図１６（ｂ）に示されるような不連続性が現れるおそれがある。これは、筒内圧波形の周波数分解などの処理において好ましくない。応答指定型制御を用いれば、このような不連続さを解消することができる。

図１７の（ａ）は、コントローラ５１によりドリフト補正項として算出されるＰｃｙｌ＿ｃｏｍｐ＿ＳＬＤを示す。図１７の（ｂ）は、図１７の（ａ）に示されるドリフト補正項Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐ＿ＳＬＤを積分した波形を示す。応答指定型制御により、ドリフト補正項Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐ＿ＳＬＤが、漸近的にゼロになるように算出されるので、ドリフト補正項Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐ＿ＳＬＤを積分した値が、連続した波形として得られる。ドリフト補正項Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐ＿ＳＬＤの積分値が不連続性を持たないので、筒内圧波形に、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。

図１８は、第３の実施例に従う、筒内圧を検出するプロセスのフローチャートを示す。ドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐを算出する処理は、第１の実施例（図５を参照）に従う。このプロセスは、Ｔｋの周期で実施される。

ステップＳ１において、筒内圧センサ１５の出力Ｖｐｓを読み込む（すなわち、筒内圧センサ１５の出力をサンプリングして、デジタル値Ｖｐｓを得る）。ステップＳ２において、ドリフト補正項Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐ＿ＳＬＤにより補正した筒内圧センサの出力Ｖｐｓ’を積分して、筒内圧Ｐｃｙｌを算出する。

ステップＳ３において、アップカウンタ（図９を参照）の値Ｄｃｎｔが、筒内圧をサンプリングすべきクランク角度Ｄｓａｍｐｌｅに達したかどうかを判断する。ステップＳ３の答えがＮｏならば、筒内圧をサンプリングすべき時が到来していないので、このルーチンを抜ける。

ステップＳ３の答えがＹｅｓならば、ステップＳ４に進み、筒内圧Ｐｃｙｌをサンプリングして、ドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐを算出する。ステップＳ４において、簡易型の応答指定型制御を実施し、ドリフト補正項Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐ＿ＳＬＤを算出する。

図１９は、ステップＳ２の処理のフローチャートを示す。ステップＳ１１において、筒内圧センサの出力Ｖｐｓに、ドリフト補正項Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐ＿ＳＬＤを加算し、ドリフト補正された筒内圧センサの出力Ｖｐｓ’を算出する。

ステップＳ１２において、現在の周期Ｔｋが、実際、どのくらいの時間（秒）であるかを計算する。前述したように、この実施例では、クランク角度を用いて計時される。たとえば、“Ｔｋの周期で”行われる処理は、“クランク角度がＤ（たとえば、０．２５度）進むたびに”行われる。クランク角度の周期Ｄに対応する時間的な長さは、実際には、エンジン回転数に従って変化する。したがって、各サイクルにおいて、検出されたエンジン回転数に基づいて周期Ｔｋの実際の時間長を算出し、該時間長に基づいて筒内圧を算出するのが好ましい。

今回検出されたエンジン回転数ＮＥ（ｋ）が、１分間あたりのクランク軸の回転数を示すとすると、１秒あたりのクランク軸の回転数は、（ＮＥ（ｋ）／６０）である。一方、１燃焼サイクルに対応するクランク角度は７２０であり、かつ、Ｄのクランク角度ごとに、筒内圧センサの出力Ｖｐｓがサンプリングされるとすると、クランク軸の１回転あたりのサンプリング回数は、３６０／Ｄである。

したがって、筒内圧センサの出力Ｖｐｓをサンプリングする周波数Ｈ（Ｈｚ）は、式（１５）で表される。

Ｈ＝（ＮＥ（ｋ）×３６０／Ｄ）／６０＝（６×ＮＥ（ｋ））／Ｄ
（１５）
したがって、周期Ｔｋの、今回のサイクルにおける実際の時間長Ｔｋ（ｋ）は、式（１
６）により算出される。ここで、Ｔｋ（ｋ）の単位は、秒である。

Ｔｋ（ｋ）＝１／Ｈ＝Ｄ／（６×ＮＥ（ｋ）） （１６）
ステップＳ１３およびＳ１４は、筒内圧Ｐｃｙｌの積分処理を示す。ステップＳ１３において、周期Ｔｋ（ｋ）あたりの筒内圧Ｐｃｙｌの変化量ΔＰｃｙｌを算出する。筒内圧センサの出力Ｖｐｓのサンプリング周期はＴｋ（ｋ）であるので、周期Ｔｋ（ｋ）あたりの筒内圧Ｐｃｙｌの変化量ΔＰｃｙｌは、式（１７）のように算出される。周期Ｔｋの実際の時間長を用いることにより、筒内圧の変化量ΔＰｃｙｌを、より正確に算出することができる。

ΔＰｃｙｌ（ｋ）＝Ｖｐｓ’（ｋ）×Ｔｋ（ｋ） （１７）
ステップＳ１４において、ステップＳ１３で算出された、周期Ｔｋ（ｋ）あたりの筒内圧の変化量ΔＰｃｙｌ（ｋ）を、筒内圧の前回値Ｐｃｙｌ（ｋ−１）に加算することにより、筒内圧の今回値Ｐｃｙｌ（ｋ）を算出する。

代替的に、筒内圧のサンプリングを、クランク角度に同期させずに、所定の時間間隔で行うことができる。このような場合には、ステップＳ１２による処理は不要とされる。また、他のパラメータに同期するよう筒内圧をサンプリングすることもできるが、この場合にも、周期Ｔｋの実際の時間長を考慮して、筒内圧の変化量ΔＰｃｙｌを算出するのが好ましい。

図２０は、ステップＳ３の処理のフローチャートを示す。ステップＳ２１において、筒内圧Ｐｃｙｌをサンプリングし、筒内圧サンプルＰｓａｍｐｌｅを得る。また、吸気管圧力センサからの出力Ｐｂをサンプリングする。ステップＳ２２において、筒内圧サンプルＰｓａｍｐｌｅと、吸気管圧力Ｐｂとの差を、ドリフト量Ｐｄｆｔとして算出する。

ステップＳ２３において、ドリフト量Ｐｄｆｔを、所定のサンプリング回数で除算し、ドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐを算出する。この実施例では、式（１５）を参照して前述したように、１燃焼サイクルに対応するクランク角度は７２０度であり、Ｔｋに対応するクランク角度はＤであるので、所定のサンプリング回数は、式（７）より、７２０／Ｄである。

図２１は、ステップＳ４の処理のフローチャートを示す。ステップＳ３１において、ドリフト変化率の前回値Ｐｃｙｌ＿ｃｍｐ（ｋ−１）と、その目標値Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐ＿ｃｍｄとの偏差Ｅｎｃ（ｋ−１）を算出する。ステップＳ３２において、ドリフト変化率の今回値Ｐｃｙｌ＿ｃｍｐ（ｋ）と、その目標値Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐ＿ｃｍｄとの偏差Ｅｎｃ（ｋ）を算出する。

ステップＳ３３において、上記の式（９）に従い、切り換え関数σを算出する。ステップＳ３４において、上記の式（１２）に従い、到達則入力Ｕｒｃｈを算出する。

ステップＳ３５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Ｓ３６において、上記の式（１３）に従い、適応則入力Ｕａｄｐを算出する。ステップＳ３７において、上記の式（１４）に従い、補正装置３１への制御入力、すなわちドリフト補正項Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐ＿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、ドリフト補正項Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐ＿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、（ａ）筒内圧センサの出力、（ｂ）ドリフトを含む筒内圧波形、および（ｃ）ドリフトが除去された筒内圧波形を示す図。 この発明の一実施例に従う、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、ドリフト変化率算出装置のブロック図。 この発明の一実施例に従う、筒内圧サンプルＰｓａｍｐｌｅの波形を示す図。 この発明の一実施例に従う、ドリフト量Ｐｄｆｔを示す図。 この発明の一実施例に従う、ドリフト変化量Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐを示す図。 この発明の一実施例に従う、筒内圧Ｐｃｙｌをサンプリングする手法を示す図。 この発明の他の実施例に従う、ドリフト変化率算出装置のブロック図。 この発明の他の実施例に従う、ドリフト変化量Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐを示す図。 この発明の他の実施例に従う、筒内圧検出装置のブロック図。 この発明の他の実施例に従う、コントローラのブロック図。 この発明の他の実施例に従う、応答指定型制御の切換関数を示す図。 この発明の他の実施例に従う、応答指定型制御の応答指定パラメータを示す図。 応答指定型制御を用いない場合のドリフト変化率の不連続性を示す図。 この発明の他の実施例に従う、応答指定型制御を用いる場合のドリフト変化率の連続性を示す図。 この発明の一実施例に従う、筒内圧を検出するメインルーチンのフローチャート。 この発明の一実施例に従う、筒内圧Ｐｃｙｌを算出する処理のフローチャート。 この発明の一実施例に従う、ドリフト変化率Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐを算出する処理のフローチャート。 この発明の一実施例に従う、ドリフト補正項Ｐｃｙｌ＿ｃｏｍｐ＿ＳＬＤを算出する処理のフローチャート。 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 (5)

1. 内燃機関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を補正する補正手段と、
   前記補正手段からの出力を積分して、筒内圧を算出する積分手段と、
   前記算出された筒内圧を、第１のサイクルでサンプリングする手段と、
   前記サンプリングした筒内圧に基づいて、前記第１のサイクルの長さにわたって該筒内圧に蓄積されたドリフト量を算出するドリフト量算出手段と、
   前記ドリフト量に基づいて、所定時間あたりの該ドリフト量の変化を示すドリフト変化率を算出するドリフト変化率算出手段と、を備え、
   前記所定時間の長さは、前記第１のサイクルの長さよりも短く、
   前記算出されたドリフト変化率を前記補正手段にフィードバックし、該補正手段は、前記所定時間の間隔で、前記筒内圧センサの出力信号から該ドリフト変化率を減じることにより、該筒内圧センサの出力信号を補正する、
   筒内圧検出装置。
2. 前記ドリフト量算出手段によって今回算出されたドリフト量は、次回のドリフト量算出まで保持されており、さらに、
   前記ドリフト量を、前記所定時間の長さを持つ第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したドリフト量を平均する手段と、を備え、
   前記ドリフト変化率算出手段は、前記平均したドリフト量に基づいて、前記所定時間あたりのドリフト量の変化を示す前記ドリフト変化率を算出する、
   請求項１に記載の筒内圧検出装置。
3. 前記ドリフト量算出手段は、さらに、前記サンプリングした筒内圧から、所定の基準値を減算することにより、前記ドリフト量を算出する、請求項１または２に記載の筒内圧検出装置。
4. さらに、前記ドリフト変化率算出手段および前記補正手段の間に制御手段を備え、該制御手段は、前記ドリフト変化率をゼロに収束させるように、ドリフト補正項を算出し、
   前記補正手段は、前記筒内圧センサの出力信号を、前記ドリフト補正項で補正する、
   請求項１から３のいずれかに記載の筒内圧検出装置。
5. 前記制御手段は、前記ドリフト変化率の前記ゼロへの収束速度を指定可能な応答指定型制御を用いて、前記ドリフト補正項を算出する、請求項４に記載の筒内圧検出装置。

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