JP4334959B2 - 多気筒エンジンの燃焼圧データ収集システム - Google Patents

Description

本発明は、気筒毎の燃焼圧を計測して気筒毎の燃焼圧データを収集する多気筒エンジンの燃焼圧データ収集システムに関する。

現在、世界的な環境対策として、自動車用エンジンを初めとする内燃機関においては、ＣＯ２削減となる燃焼効率の向上、並びに有害な排出ガスの低減が求められている。一方、特に自動車用エンジンにおいては、エンジンの始動からアイドル状態、中低速から高速走行などエンジンの回転数、負荷条件など幅広い状況でエンジンが使用され、その全てにおいて環境対策を行う必要がある。従って、その全ての状況を想定してエンジン制御を最適化する必要があり、そのためのエンジン制御が適正であるかを確認するための手段として、一般的に、エンジンの燃焼状態を計測するためのセンサを用い、燃焼ガス圧の変化を計測及び解析することでエンジン制御の最適化を行う技術が開発されている。

すなわち、各気筒における燃焼圧を計測し、エンジンの最適化制御をエンジンの制御システムにおいて自動的に行うことで、燃焼ガス圧が最適になるように常に修正を行うことが可能となり、エンジンの使用状況に合った制御を行う事が可能となると共に、個々のエンジン或いは各気筒におけるばらつきに対して、或いは、エンジンを使用することによる各部の経年変化に伴う性能変化に対しても常に制御の最適化が可能となり、ＣＯ2削減となる燃焼効率の向上と有害な排出ガスの低減が可能となる。

燃焼圧を計測するセンサとしては、例えば特許文献１に開示されているような圧電素子を用いた圧力センサ（筒内圧センサ）を用いるのが一般的であり、圧電素子で発生する電荷信号を電圧信号に変換してエンジン制御における入力信号とするためのアンプ回路としては、チャージアンプを用いるのが一般的である。
特許第３１２３７９８号公報

多気筒エンジンにおいては、そのエンジン性能を十分発揮させ、ＣＯ2削減となる燃焼効率の向上、並びに有害な排出ガスの低減を行うためには、各気筒に燃焼圧を計測するための筒内圧センサを装着し、各気筒における各サイクルの燃焼圧を計測して各気筒それぞれに対して最適制御を行うことが望ましい。

しかしながら、全ての気筒に装着された筒内圧センサからの出力信号を計測する場合には、圧電素子とチャージアンプとの間の電荷の漏洩や筒内圧センサにおける個体差及び温度変化による出力信号の変化等を考慮しなければならず、エンジン制御装置に大きな負担がかかるばかりでなく、制御装置の複雑化及び大型化、圧力センサとエンジン制御装置とのマッチング、筒内圧センサとエンジン制御装置との結線数が増大することになる。すなわち、一般的に燃焼圧を計測するための筒内圧センサは、回路を含む構造及び制御上、その取扱いが煩雑であり、筒内圧センサ本体と共に、それを活用するためには、大幅なコスト増を招くという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、気筒毎の燃焼圧データを、複雑な処理を要することなく、簡素な構成で効率的に収集することのできる多気筒エンジンの燃焼圧データ収集システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は、気筒毎に装着され、筒内圧に応じた電荷信号を出力する筒内圧センサと、上記筒内圧センサに接続され、上記筒内圧センサからの電荷信号を電圧信号に変換して出力すると共に、前記電圧信号が上昇し、ピークを超えて下降する過程において所定の電圧を下回ったとき、入力側電荷を放電して、上記筒内圧センサの電荷発生開始時と終了時とで上記電圧信号のゼロ点が同一レベルとなるよう自動的に補正する自動補正機能を有する気筒毎のアンプ回路と、エンジンの気筒判別結果に基づく信号により、上記気筒毎のアンプ回路の出力信号から計測対象となる系統を選択して燃焼圧データを出力する切換回路とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、気筒毎の燃焼圧データを、複雑な処理を要することなく、簡素な構成で効率的に収集することができ、燃焼効率の向上、並びに有害な排出ガスの低減となるエンジンの最適制御を低コストで実現可能とすることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図６は本発明の実施の一形態に係わり、図１は燃焼圧データ収集システムの構成図、図２はアンプユニットの回路構成図、図３はチャンネル切換ユニットの回路構成図、図４はセンサ出力及びアンプ回路の各部の出力タイミングを示すタイムチャート、図５はチャンネル選択信号と燃焼圧データの選択タイミングとリセット信号の送出タイミングとを示すタイムチャート、図６は燃焼圧データの切換え時期を示すタイムチャートである。

図１に示す燃焼圧データ収集システムは、４気筒エンジンへの適用例を示すものであり、車載バッテリによる単一電源で動作する。この燃焼圧データ収集システムは、エンジンの気筒毎に配設されて筒内の燃焼圧を直接検出するための筒内圧センサＣＰＳ＃ｎ（ｎ＝１，２，３，４；以下、添え字＃ｎは気筒番号を表すものとする）、筒内圧センサＣＰＳ＃ｎからの信号を増幅するアンプユニットＡＰ＃ｎ、図示しないエンジン制御用の電子制御ユニット（ＥＣＵ）からエンジン回転に同期して出力される所定のパルス列のチャンネル選択信号により、アンプユニットＡＰ＃ｎからの複数系統の信号のうち、計測対象となる系統を選択してＥＣＵに燃焼圧データを出力するチャンネル切換ユニットＭＵＸを備えている。

各気筒の筒内圧センサＣＰＳ＃ｎは、対応するアンプユニットＡＰ＃ｎに接続され、各アンプユニットＡＰ＃ｎは、それぞれの外部コネクタＡＣＮ＃ｎがチャンネル切換ユニットＭＵＸのデータ選択チャンネル毎の外部コネクタＭＣＮ＃ｎに接続されている。チャンネル切換ユニットＭＵＸは、更に、外部コネクタＣＮ１，ＣＮ９を介して図示しないＥＣＵに接続されている。

尚、本形態においては、エンジンの燃焼行程順を＃１気筒→＃３気筒→＃２気筒→＃４気筒とし、この燃焼行程順に対応して、データ選択チャンネルは、チャンネルＣＨ１が＃１気筒、チャンネルＣＨ２が＃３気筒、チャンネルＣＨ３が＃２気筒、チャンネルＣＨ４が＃４気筒に対応するものとする。

従って、＃１気筒の筒内圧センサＣＰＳ＃１及びアンプユニットＡＰ＃１に接続されるチャンネル切換ユニットＭＵＸの外部コネクタＭＣＮ＃１の入出力がチャンネルＣＨ１、＃２気筒の筒内圧センサＣＰＳ＃２及びアンプユニットＡＰ＃２に接続されるチャンネル切換ユニットＭＵＸの外部コネクタＭＣＮ＃２の入出力がチャンネルＣＨ３、＃３気筒の筒内圧センサＣＰＳ＃３及びアンプユニットＡＰ＃３に接続されるチャンネル切換ユニットＭＵＸの外部コネクタＭＣＮ＃３の入出力がチャンネルＣＨ２、＃４気筒の筒内圧センサＣＰＳ＃４及びアンプユニットＡＰ＃４に接続されるチャンネル切換ユニットＭＵＸの外部コネクタＭＣＮ＃４の入出力がチャンネルＣＨ４に対応する。

筒内圧センサＣＰＳ＃ｎは、本形態においては圧電素子を利用したセンサであり、圧力に比例した電荷を発生する。また、各アンプユニットＡＰ＃ｎに内蔵されるアンプ回路１０は、電荷信号を電圧に変換する電荷−電圧変換アンプであり、電荷の漏洩や温度変化によるゼロ点のドリフトに対応するため、正負のドリフトを自動的に補正する自動補正機能を有している。

図２は、アンプ回路１０の回路例を示すものであり、電荷信号を電圧信号に変換する信号変換回路と、ゼロ点の正負のドリフトを自動的に補正する自動補正回路とを備えている。信号変換回路は、筒内圧センサＣＰＳ＃ｎで発生した電荷を蓄電する電圧変換用コンデンサＣｘと、この電圧変換用コンデンサＣｘの電圧を増幅して出力するアンプＡ１とを主として構成され、自動補正回路は、アンプＡ２、コンパレータＣ１，Ｃ２、タイマＴ１、及びＮチャンネルＭＯＳ型の電界効果型トランジスタＱ１を主として構成される。

具体的には、筒内圧センサＣＰＳ＃ｎの出力側は、発生した電荷がアンプ回路１０の電圧変換用コンデンサＣｘに蓄電するよう結線され、この電圧変換用コンデンサＣｘに蓄電した電荷による電圧がアンプＡ１の非反転入力端に入力するよう接続されている。アンプＡ１の出力端は３系統に分岐され、第１の系統は、抵抗Ｒ３を経て基板コネクタＣＮに直接接続され、この基板コネクタＣＮから外部コネクタＡＣＮ＃ｎを経てチャンネル切換ユニットＭＵＸに接続される。第２の系統は、抵抗Ｒ２を介してアンプＡ１の反転入力端に接続され、抵抗Ｒ１を介して接地されている。第３の系統は、アンプＡ２の反転入力端及びコンパレータＣ１の反転入力端に接続されると共に、抵抗Ｒ４を介してコンパレータＣ２の非反転入力端に接続されている。

アンプＡ２は、センサ出力の負側のドリフトを検出する反転型のアンプであり、その非反転入力端に、抵抗Ｒ５，Ｒ６で回路電圧Ｖｃｃ（例えば、＋ＤＣ５Ｖ）を分圧した基準電圧Ｖｒｅｆ（例えば、＋２ｍＶ）が印加される。この基準電圧Ｖｒｅｆは、単一電源動作における“０”点を定める電圧であり、アンプＡ２は、基準電圧Ｖｒｅｆを“０”とし、基準電圧Ｖｒｅｆより小さい電圧をマイナス、基準電圧Ｖｒｅｆより大きい電圧をプラスとして動作する。

一方、コンパレータＣ１，Ｃ２は、センサ出力の正側のドリフトを補正するためのものであり、コンパレータＣ１の非反転入力端に、コンパレータＣ２の出力を抵抗Ｒ７，Ｒ８で分圧した比較電圧Ｖｒ１が印加され、コンパレータＣ２の反転入力端には、回路電圧ＶｃｃとタイマＴ１の出力（Ｑ出力）端とを接続する抵抗Ｒ９，Ｒ１０によって分圧される比較電圧Ｖｒ２が印加される。コンパレータＣ１の出力端は、タイマＴ１のトリガ入力（Ｂ入力）端に接続され、コンパレータＣ２の出力端は、抵抗Ｒ７を介してコンパレータＣ１の非反転入力端に接続されると共に、順方向のダイオードＤ３から抵抗Ｒ１１を介して自身の非反転入力端子に接続されている。

タイマＴ１は、コンパレータＣ１の出力の立上がりエッジをトリガとして、外付けの抵抗Ｒｔ及びコンデンサＣｔによって定まるパルス幅のワンショットパルスを出力するものであり、タイマＴ１のＱ出力端とアンプＡ２の出力端とが、それぞれ、ダイオードＤ１，Ｄ２によるＯＲ回路を介して電界効果型トランジスタＱ１のゲートに接続されている。電界効果型トランジスタＱ１は、ゲートがゲート抵抗Ｒｇを介して接地され、ドレインが電圧変換用コンデンサＣｘ及びアンプＡ１の非反転入力端に接続され、ソースが抵抗Ｒ５，Ｒ６による基準電圧を与える電位点に接続されている。

尚、本形態においては、電界効果型トランジスタＱ１のゲートに、フォトカプラＰＣ１の出力端が接続されており、このフォトカプラＰＣ１の入力端に外部コネクタＡＣＮ＃ｎから基板コネクタＣＮを経て外部リセット信号を入力することにより、電界効果型トランジスタＱ１を強制的にＯＮさせてアンプＡ１の入力側の電荷を放電可能となっている。

一方、図１に示すように、チャンネル切換ユニットＭＵＸには、マルチプレクサを中心として構成される切換回路２０が内蔵され、この切換回路２０によるチャンネル切換状態を点滅により２ビット表示するための２つの発光ダイオードＬＥＤ１，ＬＥＤ２が設けられると共に、点検・調整等の際にマニュアル操作でアンプ出力を切換え可能とするためのスイッチＳ１が設けられている。

切換回路２０は、基板コネクタＣＮ２，ＣＮ８を介して外部コネクタＣＮ１，ＣＮ９に接続されると共に、基板コネクタＣＮ３を介してスイッチＳ１に接続されている。更に、切換回路２０は、基板コネクタＣＮ４〜ＣＮ７を介して、各気筒毎のアンプ回路１０に接続される外部コネクタＭＣＮ＃１〜ＭＣＮ＃４に接続されている。

図３に示すように、切換回路２０は、ＥＣＵから入力されるチャンネル選択信号の各パルス毎にワンショットパルスを発生する２つのタイマＩＣ１，ＩＣ２、チャンネル選択信号をカウントしてアドレスデータを生成するカウンタＩＣ３、カウンタＩＣ３からのアドレスデータに応じてアンプユニットＡＰ＃ｎからの信号を切換えるマルチプレクサＩＣ４を主要構成としている。

詳細には、基板コネクタＣＮ２のチャンネル選択信号入力ピンに、フォトカプラＰＣ２の入力端が接続され、フォトカプラＰＣ２の出力端が２入力ＮＡＮＤゲートＧ１の一方の入力端に接続されている。ＮＡＮＤゲートＧ１の他方の入力端には、基板コネクタＣＮ３を介してスイッチＳ１から入力される信号を波形成形するシュミット回路用のアンプＡ３の出力端が接続され、ＮＡＮＤゲートＧ１の出力端がタイマＩＣ１のトリガ入力（Ａ入力）と２入力ＮＡＮＤゲートＧ２の一方の入力端とに接続されている。

尚、符号ＩＣ６は、電源回路を構成する３端子レギュレータであり、基板コネクタＣＮ３を介して供給されるバッテリ電圧Ｖｂ（１２Ｖ）を降圧・安定化して回路電源＋Ｖｃｃ（５Ｖ）を生成し、チャンネル切換ユニットＭＵＸ内の各部に供給すると共に、基板ＣＮ４〜ＣＮ７を介して接続されるアンプユニットＡＰ＃１〜ＡＰ＃４の回路電源として供給する。

タイマＩＣ１のＱ出力は、もう一方のタイマＩＣ２のトリガ入力（Ｂ入力）とカウンタＩＣ３のクロック入力（ＣＰ入力）端とに接続されており、タイマＩＣ２のＱ出力は、ＮＡＮＤゲートＧ２の他方の入力端に接続されている。タイマＩＣ１，ＩＣ２には、ＥＣＵからのチャンネル選択信号との関係において設定されたパルス幅となるよう、それぞれ、抵抗Ｒ２０及びコンデンサＣ２０、抵抗Ｒ２１及びコンデンサＣ２１が外付けされている。

タイマＩＣ１は、ＮＡＮＤゲートＧ１の出力の立上がりエッジをトリガとして、設定パルス幅のワンショットパルスを出力し、タイマＩＣ２は、タイマＩＣ１のワンショットパルスの立下がりをトリガとして、タイマＩＣ１のワンショットパルスよりも短いパルス幅のワンショットパルスを出力する。タイマＩＣ１のワンショットパルス、タイマＩＣ２のワンショットパルス、ＥＣＵからのチャンネル選択信号の関係については、後述する。

ＮＡＮＤゲートＧ２の出力端は、一方の入力端が論理レベル“１”に固定された２入力ＮＡＮＤゲートＧ３（すなわちインバータ）の他方の入力端に接続され、このＮＡＮＤゲートＧ３の出力端がカウンタＩＣ３のリセット入力（Ｒ入力）端に接続されている。カウンタＩＣ３は、図においては、１６進カウンタの下位出力（Ｑ0、Ｑ1）を用いて４進カウンタとするものであり、チャンネル選択信号のパルス毎にカウントアップする。

すなわち、カウンタＩＣ３の下位出力Ｑ0,Ｑ1は、マルチプレクサＩＣ４の制御入力（Ａ，Ｂ入力）端に接続されると共に、６個のドライバアンプを内蔵するドライバアンプアレイＩＣ５の中の２つのドライバアンプを介してＬＥＤ１，ＬＥＤ２に接続されている。ドライバアンプアレイＩＣ５の残りの４個のドライバアンプは、それぞれの入力側が基板コネクタＣＮ８に接続され、出力側が基板コネクタＣＮ４〜ＣＮ７を介して各アンプユニットＡＰ＃１〜ＡＰ＃４の外部リセット信号入力端に接続されている。

マルチプレクサＩＣ４は、本形態においてはアナログマルチプレクサであり、マルチプレクス側Ｘ0,Ｘ1,Ｘ2,Ｘ3を入力端、デマルチプレクス側Ｘを出力端として用い、カウンタＩＣ３の出力データをアドレスとして内部スイッチを切換える。マルチプレクサＩＣ４の入力端Ｘ0,Ｘ1,Ｘ2,Ｘ3は、基板コネクタＣＮ４〜ＣＮ７を介して各アンプユニットＡＰ＃１〜ＡＰ＃４のアンプ出力端に接続され、マルチプレクサＩＣ４の出力端Ｘは、増幅用のアンプＡ４を介して基板コネクタＣＮ２のアンプ信号出力ピンに接続されている。

以上の構成による燃焼圧データ収集システムでは、エンジンの運転に伴い、筒内圧センサＣＰＳ＃ｎから圧力に応じた電荷信号が出力されると、この電荷信号がアンプユニットＡＰ＃ｎにて電圧信号に変換され、アンプ出力信号としてチャンネル切換ユニットＭＵＸに出力される。尚、エンジン始動の前には、ＥＣＵ等から各アンプユニットＡＰ＃１〜ＡＰ＃４に外部リセット信号を送出することが望ましい。これは、万一、アンプＡ１の入力側に電荷が溜まっていると、この電荷の影響で正確な計測が阻害される虞があることから、計測に先立ち、念のため外部リセット信号によりアンプ回路１０の電界効果型トランジスタＱ１を一旦ＯＮさせて電荷を放電させ、初期化を行うものである。

通常の４サイクル（吸気→圧縮→燃焼→排気）エンジンでは、ピストンが上死点近辺に到達し、排気弁が閉じて吸気弁が開いた状態での筒内圧は、自然吸気型エンジンでは大気圧、過給器付き型エンジンでは、大気圧に過給圧（例えば、５００ｍｍＨｇ〜１５００ｍｍＨｇ程度）を加えた圧力である。このとき、筒内圧センサＣＰＳ＃ｎの圧電素子に筒内の圧力負荷に比例した電荷が発生する。この電荷をｑとすると、この電荷ｑがアンプユニットＡＰ＃ｎの電圧変換用コンデンサＣｘに蓄電され、アンプＡ１により電圧信号＋Ｖに変換されて出力される。従って、筒内圧が大気圧の状態での信号レベルをゼロレベル、過給圧がある場合には、大気圧ゼロのレベルに過給圧をＤＣ電圧成分として上乗せしたレベルとして、やがて発生する燃焼圧により立ち上がる燃焼波形の基本レベルとなる。

ピストンが上死点から下死点に向かう間、吸気が継続し、この間、筒内圧に大きな変化は見られず略基本レベルに維持される。次に、ピストンが下死点近辺に到達し、吸気弁が閉じて下死点から上死点に向かう間に圧縮が始まると、この圧縮の開始と共に筒内圧が上昇を開始し、圧電素子の電荷が増加して電圧変換用コンデンサＣｘに順次蓄積され、アンプＡ１で変換・出力される電圧信号＋Ｖも上昇する。

そして、上死点に到達する直前（圧縮圧が最大値となる直前）での点火により燃焼圧が発生し、この燃焼圧の発生により、圧電素子の電荷が急激に増大し、アンプＡ１で変換・出力される電圧信号＋Ｖも急激に上昇する。このとき、燃焼圧として出力される信号は、前述の基本レベルからの信号、すなわち、自然吸気型エンジンにおいては、大気圧のレベルからのものであり、過給器付き型エンジンの場合には、過給圧のＤＣ電圧成分に重累したものである。

次に、筒内圧が最大となった後、ピストンが上死点から下死点に向かい、それと共に筒内の圧力が減少に転じると、電荷が−ｑに極性を反転し、電圧変換用コンデンサＣｘから逆流して圧電素子に帰還し、アンプＡ１で変換・出力される電圧信号＋Ｖがも低下する。その後、ピストンが下死点近辺に到達して排気弁が開き（吸気弁は閉じたまま）、ピストンが上死点に向かう行程で燃焼ガスを排気すると、自然吸気型エンジンの筒内圧は大気圧に、過給器付き型エンジンの筒内圧は過給圧に夫々復帰し、１燃焼サイクルが完了して信号のレベルも夫々燃焼サイクル開始以前のレベルに復帰することになる。

この現象をアンプＡ１の出力で観察すると、筒内圧センサＣＰＳ＃ｎに圧力が加わる以前の電圧は“０”（Ｖｒｅｆ；２ｍＶ）であり、圧力が加わると同時にアンプＡ１は正の電圧を出力し、圧力の低下が始まるとアンプＡ１の出力電圧も低下し、電荷の漏洩や温度変化によるゼロ点のドリフトがなければアンプＡ１の出力電圧もゼロになる。

しかしながら、現実には、筒内圧センサＣＰＳ＃ｎからアンプユニットＡＰ＃ｎとの間の信号伝達系の絶縁抵抗は有限であり、電圧変換用コンデンサＣｘに蓄電された電荷の一部は漏洩し、減圧が始まるとマイナス電圧に転じる信号電圧に重累して出力し、加圧開始時の初期のレベルに復帰すべき信号電圧が負の領域に到達する虞がある。すなわち、圧力をゼロから上昇させ、再びゼロに戻すと、電荷がリークした分だけ筒内圧センサＣＰＳ＃ｎの電荷が負になり、アンプユニットＡＰ＃ｎから出力される信号のゼロ点が負方向にドリフトして正確な計測を阻害する。また、エンジンの筒内燃焼圧を計測する場合には、温度変化の激しい環境下での計測となるため、温度の上昇が出力として重畳する正方向のドリフトが発生し、あたかも直流の上に圧力信号が載っているかのようになる。

このような電荷の漏洩によるゼロ点の負側のドリフト及び温度変化によるゼロ点の正側のドリフトに対し、アンプユニットＡＰ＃ｎでは、自動補正機能により正負のドリフトを自動的に補正し、センサ素子の電荷発生開始時及び終了時におけるアンプ出力レベル（ゼロ点レベル）を同一レベルに維持する。

先ず、電荷の漏洩による負のドリフトに対する自動補正機能について説明する。アンプユニットＡＰ＃ｎでは、電荷がリークしてゼロに戻り、アンプＡ１が負の出力をしようとすると、アンプＡ１の負の出力を電荷の漏洩として検出して自動補正機能が動作し、電荷の漏洩によるゼロ点の負方向のドリフトを自動的に補正する。

すなわち、アンプＡ２でアンプＡ１の負電圧を反転増幅し、その増幅出力を電界効果型トランジスタＱ１のゲートに加える。電界効果型トランジスタＱ１のゲート電圧がスレッシホルド電圧Ｖｔｈ（１〜３Ｖ程度）以下の場合には、ドレイン・ゲート間容量Ｃｄｇを通して電圧変換用キャパシタＣｘに電荷が注入されるが、電界効果型トランジスタＱ１のゲート電圧がスレッシホルド電圧Ｖｔｈを超えると、ドレイン・ソース間が導通を始める。その結果、センサの電荷は電界効果型トランジスタＱ１を通じて放電され、アンプＡ１の出力端における電圧が“０”（２ｍＶ）となる。

アンプＡ２及び電界効果型トランジスタＱ１による負のドリフトに対する自動補正は、アンプＡ１側から見れば、出力が負のとき一種の負帰還回路を構成しており、アンプＡ１の入力を電界効果型トランジスタＱ１でゼロ点と導通することにより自動補正をかけ、以後、圧力が上昇すると、最低圧力（負圧を含む）をゼロ点として動作し、アンプＡ１の入力がマイナスの領域にある限り、この状態が継続する。

この負方向のドリフトに対する自動補正が機能している状態では、電界効果型トランジスタＱ１のゲートに正の電圧がかかっており、継続的に圧力が変化しない場合、或る点でバランスし、そのバランス状態が維持される。このようなバランス状態は、各部の電圧、アンプＡ１，Ａ２の利得やオフセット、電界効果型トランジスタＱ１のスレッシホルド電圧Ｖｔｈや相互コンダクタンスｇｍ等のパラメータの影響を受けるが、アンプＡ１の出力は、ほぼゼロとなる。

すなわち、電界効果型トランジスタＱ１のゲート電圧が下がると、ドレイン・ゲート間容量Ｃｄｇに蓄えられた電荷がアンプＡ１の入力電圧を下げる方向に働き、その結果、アンプＡ１とアンプＡ２とを通してゲート電圧を上げるように作用する。逆に、ゲート電圧が上がる場合も同様である。従って、アンプの他の電圧が変動しない限り、その状態を維持し、最低圧力の状態から圧力が上昇に転ずると、アンプＡ１の出力はプラスに転じ、上昇する。

一方、正のドリフトに対する自動補正は、コンパレータＣ１，Ｃ２及びタイマＴ１により電界効果型トランジスタＱ１を導通させることで行い、アンプＡ１の入力側の電荷を放電して温度による直流分を削除する。この正のドリフトに対する自動補正は、圧力が上昇し、ピークを越えて下降する過程において、予想される最大ドリフト量よりも若干高いレベルを過ぎたときに開始される。具体的には、アンプＡ１の出力がコンパレータＣ２の比較電圧Ｖｒ２を越えて上昇し、その後、ピークを越えて下降に転じ、コンパレータＣ１の比較電圧Ｖｒ１を下回ったとき、電界効果型トランジスタＱ１がＯＮされてアンプＡ１の出力端における電圧が“０”（２ｍＶ）となる。

コンパレータＣ２の比較電圧Ｖｒ２は、タイマＴ１がトリガされていない状態（Ｑ出力がローレベルの状態）において、回路電圧Ｖｃｃを抵抗Ｒ９，Ｒ１０によって分圧した電圧として与えられる。この電圧は、センサによっても異なるが、燃焼サイクル間における正方向の最大ドリフト量に対し、ノイズ等を考慮して若干高めの電圧となるように設定される。そして、コンパレータＣ２においてアンプＡ１の出力が比較電圧Ｖｒ２と比較され、アンプＡ１の出力が比較電圧Ｖｒ２より高くなったとき、コンパレータＣ２の出力がローレベル（零Ｖ）からハイレベル（５Ｖ）となる。

このとき、コンパレータＣ２の出力の一部は、ダイオードＤ３及び抵抗Ｒ１１を介して自身の非反転入力側に帰還され、結果としてコンパレータＣ２は自己ホールド状態になり、アンプＡ１の出力に拘わらず、コンパレータＣ２の出力がハイレベルの状態に維持される。この状態では、コンパレータＣ１の比較電圧Ｖｒ１は、コンパレータＣ２の出力を抵抗Ｒ７，Ｒ８で分圧した電圧（Ｖｒ１＝５×Ｒ８／（Ｒ７＋Ｒ８））であり、予想される正方向の最大ドリフト量から設定される比較電圧Ｖｒ２よりも低い値となるように設定される。

そして、コンパレータＣ２により圧力が上昇過程にあることが検出され、圧力がピークを越えて下降過程に転じたとき、この圧力下降過程においてアンプＡ１の出力がコンパレータＣ１の比較電圧Ｖｒ１より低くなると、コンパレータＣ１のＱ出力がハイレベル（５Ｖ）となる。その結果、コンパレータＣ１のハイベルの出力の立ち上がりエッジでタイマＴ１がトリガされる。

タイマＴ１がトリガされると、抵抗Ｒｔ及びコンデンサＣｔによって定まるパルス幅のワンショットパルスが出力される。ワンショットパルスのパルス幅は、使用する半導体素子にもよるが、概ね数百ｎｓ〜数十μｓである。このタイマＴ１からのパルス（Ｑ出力）により、電界効果型トランジスタＱ１のゲートにスレッシホルド電圧Ｖｔｈより高い電圧が加えられ、電界効果型トランジスタＴ１のドレイン・ソース間が導通する。その結果、センサ信号の入力状態に拘わらず電荷が放電され、アンプＡ１の入力が“０”（２ｍＶ）となる。同時に、タイマＴ１のＱ出力がハイレベル（５Ｖ）となることにより、コンパレータＣ２の比較電圧Ｖｒ２が５Ｖとなり、コンパレータＣ２の自己ホールド状態が解除される。

タイマＴ１のパルス信号がなくなるときには、電界効果型トランジスタＱ１は、ゲート抵抗Ｒｇによりゲート電圧がゼロに向かうので、スレッシホルド電圧Ｖｔｈ以下では、ドレイン・ゲート間容量Ｃｄｇに蓄えられた電荷が電圧変換用キャパシタＣｘに渡され、アンプＡ１の入力は負方向となる。このときのアンプＡ１の入力電圧は−Ｖｔｈ・Ｃｄｇ／（Ｃｓ＋Ｃｘ＋Ｃｄｇ＋Ｃｄｓ）であり（但し、Ｃｓ：漏洩電荷の浮遊容量、Ｃｄｓ：ドレイン・ソース間容量）、この電圧は、前述した負のドリフトに対する自動補正が動作するに十分な値であり、入力がどうであろうと、その点をゼロとして回路は動作する。圧力が下がる場合には、負のドリフトに対する自動補正が機能し、最低圧力点をゼロとして作動する。

以上の動作を、図４のタイムチャートを用いて説明する。図４のタイムチャートにおいて、（ａ）はドリフトを含むセンサ出力、（ｂ）は自動補正後のアンプ出力、（ｃ）はコンパレータＣ１の出力、（ｄ）はタイマＴ１の出力、（ｅ）はコンパレータＣ２の出力、（ｆ）は負のドリフトに対する自動補正の作動期間を示す。

先ず、センサ出力がゼロレベルから上昇し始め（時点ｔ0）、出力Ｙのａ１点に達すると（時点ｔa1）、このセンサ出力の上昇方向がコンパレータＣ２によって検出され、（ｅ）に示すようにコンパレータＣ２の出力がハイレベル（５Ｖ）となり、その状態がホールドされる。出力Ｙは、予想される正方向の最大ドリフト量よりも若干高い値に設定されるコンパレータＣ２の比較電圧Ｖｒ２に該当し、ドリフトの発生によりセンサ出力のゼロレベルが上昇しても、圧力の上昇に伴うセンサ出力のゼロレベルからの上昇方向がコンパレータＣ２によって確実に検出される。

次いで、センサ出力が更に増加し、ピーク点を越えて減少に転じ、コンパレータＣ１の比較電圧Ｖｒ１に該当する出力Ｘのｂ１点に達すると（時点ｔb1）、（ｃ）に示すコンパレータＣ１の出力がローレベルからハイレベルに反転し、（ｄ）に示すように、タイマＴ１からワンショットパルスが出力される。タイマＴ１からワンショットパルス（パルス幅ｔ１）が出力されると、電界効果型トランジスタＱ１のドレイン・ソース間が導通してアンプＡ１の入力がリセットされる。

その結果、（ｂ）に示すように、アンプ出力がｂ１点でゼロ点に落ち、センサ出力のドリフトの有無に拘わらず、アンプ出力のゼロ点レベルが一定に保たれる。また、（ｅ）に示すように、コンパレータＣ２の出力がハイレベルからローレベルに戻って自己ホールド状態が解除され、コンパレータＣ１の出力もローレベルとなる。

その後、センサ出力がｂ１点から更に下降し、タイマＴ１からのワンショットパルスが０出力となって入力が負の領域になると（時点ｔd1）、（ｆ）に示すように、負のドリフトに対するアンプＡ２による自動補正が作動する。この負のドリフトに対する自動補正は、センサ出力が上昇に転じる直前の極小点をｃ１とすると、この極小点ｃ１からアンプ出力が上昇に転じたとき、作動を停止する（時点ｔc1）。以降、各サイクルの時点ｔa2,ｔb2,ｔd2,ｔc2〜ｔan,ｔbn,ｔdn,ｔcnで同様に作動し、ドリフトが上昇方向にある場合には、前のサイクルの直前の極小値を差し引いて出力することになる。ドリフトが無い場合も又ドリフトが下降方向にある場合も、同様に作動する。

このように、アンプユニットＡＰ＃ｎは、電荷の漏洩及び温度変化による正負のドリフトに対する自動補正機能を有しており、急激な圧力の上昇とそれに続く降下が連続して繰り返され、圧力変動に比例した電荷の急速な流出と流入に伴って発生する電荷の漏洩により１サイクル毎に累積される信号レベルのオフセットを補正すると共に、温度変化による出力誤差を小さくすることができる。

次に、このアンプユニットＡＰ＃ｎで電圧信号に変換された燃焼圧データは、ＥＣＵから送出されるチャンネル選択信号によりチャンネル切換ユニットＭＵＸで切換えられ、ＥＣＵに送出される。チャンネル切換ユニットＭＵＸでは、カウンタＩＣ３でチャンネル選択信号のパルス列をカウントし、そのカウンタ値に応じてアンプユニットＡＰ＃ｎからの信号を切換える。

チャンネル選択信号は、例えばクランク角センサから出力される信号とカム角センサから出力される信号とによるＥＣＵ内での気筒判別結果に基づいて出力される信号である。具体的には、チャンネル選択信号は、図５，図６に示すように、パルス幅２ｍｓｅｃのパルスと、この２ｍｓｅｃのパルスに続く３個のパルス幅１ｍｓｅｃのパルスとを１サイクルとするエンジン回転に同期した信号であり、２ｍｓｅｃのパルスが＃１気筒に対応し、次の３個の１ｍｓｅｃのパルスが燃焼順の各気筒、すなわち、＃３気筒、＃２気筒、＃４気筒にそれぞれ対応する。

本形態においては、各気筒の燃焼圧の計測期間は、図６に示すように、各気筒の圧縮上死点から下死点までのクランク角１８０°ＣＡの期間であり、＃１気筒の圧縮上死点で２ｍｓｅｃのパルス、＃３気筒の圧縮上死点で次の１ｍｓｅｃのパルス、＃２気筒の圧縮上死点で２番目の１ｍｓｅｃのパルス、＃４気筒の圧縮上死点で３番目の１ｍｓｅｃのパルスが出力され、各気筒の燃焼開始から燃焼終了に至るまでの測定データが燃焼順に切換えられてＥＣＵに伝送される。

このようなチャンネル選択信号に対し、チャンネル切換ユニットＭＵＸ内のタイマＩＣ１，ＩＣ２は、２ｍｓｅｃのパルスと１ｍｓｅｃのパルスとを識別するため、それぞれ、１．５ｍｓｅｃ、１ｍｓｅｃのワンショットパルスを発生するように設定されており、チャンネル選択信号のパルス列のうち、１．５ｍｓｅｃより長いパルス（すなわち２ｍｓｅｃパルス）の入力毎に、カウンタＩＣ３がリセットされる。

詳細には、チャンネル切換ユニットＭＵＸにチャンネル選択信号が送られてくると、フォトカプラＰＣ２で絶縁・反転されてＮＡＮＤゲートＧ１に入力され、ＮＡＮＤゲートＧ１から同じ２ｍｓｅｃのパルスが出力される（但し、ここでは、スイッチＳ１によるマニュアル切換信号は、入力されないものとする）。このＮＡＮＤゲートＧ１からの２ｍｓｅｃパルスは、ＮＡＮＤゲートＧ２に入力されると同時にタイマＩＣ１に入力され、その立上がりエッジでタイマＩＣ１がトリガされる。

その結果、図５のタイムチャートに示すように、タイマＩＣ１から１．５ｍｓｅｃのパルスが出力される。この１．５ｍｓｅｃのパルスは、カウンタＩＣ３に入力されてカウントアップされ、更に、タイマＩＣ２に入力される。タイマＩＣ２は、タイマＩＣ１からの１．５ｍｓｅｃパルスの立下りでトリガされ、１ｍｓｅｃのパルスを出力する。この１ｍｓｅｃのパルスは、ＮＡＮＤゲートＧ２に入力され、ＮＡＮＤゲートＧ２からＮＡＮＤゲートＧ３（インバータとして機能）を経て、２ｍｓｅｃパルスと１ｍｓｅｃパルスとの論理積がカウンタＩＣ３のリセット入力端に出力される。

すなわち、チャンネル選択信号の２ｍｓｅｃのパルスとタイマＩＣ２からの１ｍｓｅｃのパルスとによって０．５ｍｓｅｃのパルスが生成され、カウンタＩＣ３にリセットパルスとして入力される。従って、チャンネル選択信号の２ｍｓｅｃパルスが入力されたときには、カウンタＩＣ３は一旦カウントアップされるが、直ぐにリセットされ、カウンタ値は０となる。

チャンネル選択信号の２ｍｓｅｃのパルスに続く１ｍｓｅｃのパルスでは、同様に、タイマＩＣ１，ＩＣ２から、それぞれ、１．５ｍｓｅｃのパルス、１ｍｓｅｃのパルスが出力されるが、チャンネル選択信号の１ｍｓｅｃのパルスとタイマＩＣ２からの１ｍｓｅｃのパルスとは時間的にずれているため、カウンタＩＣ３へのリセットパルスは生成されず、カウンタＩＣ３がカウントアップされてカウンタ値が１となる。以後、チャンネル選択信号の１ｍｓｅｃパルスの入力毎にカウンタＩＣ３がカウントアップされてカウンタ値がインクリメントされてゆき、２ｍｓｅｃパルスが入力されたとき、カウンタＩＣ３がリセットされてカウンタ値が０に戻る。

つまり、入力されるチャンネル選択信号のパルスが１．５ｍｓｅｃより長い場合には、カウンタＩＣ３がリセットされ、１．５ｍｓｅｃより短い場合には、カウンタＩＣ３がカウントアップされることにより、マルチプレクサＩＣ４に与えられるカウンタ値（アドレスデータ）が変化する。マルチプレクサＩＣ４は、このカウンタ値により、計測対象となる燃焼開始気筒に対応するデータ選択チャンネルに切換え、該当するアンプユニットＡＰ＃ｎからの信号をＥＣＵに出力する（図５のタイムチャート参照）。

カウンタ値、データ選択チャンネル、気筒番号の関係は、以下に示す通りであり、チャンネル選択信号の２ｍｓｅｃのパルス入力（カウンタ値０）により、＃１気筒の燃焼圧データが選択され、次の１ｍｓｅｃのパルス入力（カウンタ値１）により、＃３気筒の燃焼圧データが選択される。更に、２番目の１ｍｓｅｃのパルス入力（カウンタ値２）により、＃２気筒の燃焼圧データが選択され、３番目の１ｍｓｅｃのパルス入力（カウンタ値３）により、＃４気筒の燃焼圧データが選択される。このような過程が繰返され、図６に示すように、各気筒の燃焼圧データが順次切換えられて一連の連続したデータとしてＥＣＵに伝送され、ＥＣＵにおける気筒毎の最適燃焼制御を可能としている。

カウンタ値 データ選択チャンネル/気筒番号
０ ＣＨ１/＃１
１ ＣＨ２/＃３
２ ＣＨ３/＃２
３ ＣＨ４/＃４
このように本実施の形態においては、多気筒エンジンにおける気筒毎の燃焼圧を計測したデータを、センサからの電荷の漏洩やセンサの個体差及び温度変化によるセンサ出力の変化等に対応するといった複雑な処理を要することなく、簡素な構成で正確且つ効率よく収集することができ、エンジン制御装置側の負担を軽減することができる。尚且つ、エンジンの気筒数に拘わらず１つの連続した入力信号として最低限の処理で有効に活用することを可能としている。

これにより、エンジン側の制御装置の複雑化や大型化を回避し、また、センサと制御装置とのマッチング工数やセンサと制御装置との結線数を低減することができ、ＣＯ2削減となる燃焼効率の向上、並びに有害な排出ガスの低減となるエンジンの最適制御を低コストで実現可能とすることができる。

次に、本発明の実施の第２形態について説明する。図７は本発明の実施の第２形態に係わるアンプユニットの回路構成図である。

アンプユニットＡＰ＃ｎでは、回路電源を投入しての初期状態或いはエンジンストール後の再始動時にアンプＡ１の入力側に大きな電荷が残っている場合や、作動中の温度上昇による実際のドリフト量が予想される最大ドリフト量を越えてしまうような場合等には、アンプＡ１の入力が自動補正機能が作動するレベルまで低下しない虞がある。

このような場合、前述したように、外部リセット信号を用いてアンプＡ１の入力側をリセット・初期化すれば良いが、第２形態においては、アンプＡ２の出力とタイマＴ１の出力とを監視する、いわばウォッチドッグタイマ的な異常監視機能を付加し、両者が正常に出力されないとき、電界効果型トランジスタＱ１を強制的にＯＮさせて自動的にリセットする。

この異常監視機能を付加したアンプ回路１０Ａは、具体的には図７に示され、第１形態で説明したアンプ回路１０に対し、正常時にアンプＡ２の出力或いはタイマＴ１の出力によって連続的に再トリガされるタイマＴ２、ＯＲゲートＧ４、コンパレータＣ３を付加して構成される。

すなわち、アンプＡ２の出力端を、ダイオードＤ１を介して電界効果型トランジスタＱ１のゲートに接続すると共に、コンパレータＣ３を介してＯＲゲートＧ４の一方の入力端に接続する。コンパレータＣ３は、後段のＯＲゲートＧ４の論理レベルとの調整を図るためのものであり、アンプＡ２の出力と回路電圧Ｖｃｃを抵抗Ｒ１２，Ｒ１３によって分圧した基準電圧との比較により、アンプＡ２の出力が論理レベルに変換される。

ＯＲゲートＧ４の他方の入力端にはタイマＴ１のＱ出力端が接続され、ＯＲゲートＧ４の出力端がタイマＴ２のトリガ入力（Ｂ入力）端に接続されている。タイマＴ２は、外付けの抵抗Ｒｔ2及びコンデンサＣｔ2によって定まるパルス幅のワンショットパルスを出力する再トリガ可能型のタイマであり、その反転Ｑ出力端がダイオードＤ４を介して電界効果型トランジスタＱ１のゲートに接続されている。

このような異常監視機能を備えたアンプ回路１０Ａにおいては、自動補正が正常に作動している状態では、アンプＡ２の出力或いはタイマＴ１の出力によりＯＲゲートＧ４からタイマＴ２を連続的に再トリガし続ける。タイマＴ２は、ワンショットパルスのパルス幅がセンサ出力の上昇下降における１サイクルの長さよりも長く設定されており、再トリガされている限り、反転Ｑ出力が常にローレベルの状態に維持され、アンプ回路１０Ａの本来の動作には、何ら影響を及ぼさない。

一方、アンプＡ２の出力及びタイマＴ１の出力の両者が共に“０”の状態に止まる異常発生時には、ＯＲゲートＧ４によるタイマＴ２へのトリガがかからず、タイマＴ２の反転Ｑ出力がハイレベルとなって電界効果型トランジスタＱ１をＯＮさせる。これにより、アンプＡ１の入力側の電荷が放電される。このタイマＴ２によるアンプＡ１の入力側の自動リセットにより、以後、自動補正が機能し、タイマＴ２がトリガされて反転Ｑ出力がローレベルとなって正常動作に復帰する。

これにより、アンプ回路１０Ａに回路電源を投入しての初期状態において何らかの原因によりアンプＡ１の入力側に大量の電荷が残っている場合や、作動中に温度上昇による実際のドリフト量が予想される最大ドリフト量を越えてしまうような場合等にも、外部リセット信号に依存することなくアンプＡ１の入力側を自動的にリセットすることができ、アンプ回路１０Ａの作動を確実なものとすることができる。

本発明の実施の第１形態に係わり、燃焼圧データ収集システムの構成図 同上、アンプユニットの回路構成図 同上、チャンネル切換ユニットの回路構成図 同上、センサ出力及びアンプ回路の各部の出力タイミングを示すタイムチャート 同上、チャンネル選択信号と燃焼圧データの選択タイミングとリセット信号の送出タイミングとを示すタイムチャート 同上、燃焼圧データの切換え時期を示すタイムチャート 本発明の実施の第２形態に係わり、アンプユニットの回路構成図

符号の説明

ＣＰＳ＃ｎ 筒内圧センサ
ＡＰ＃ｎ アンプユニット
ＭＵＸ チャンネル切換ユニット
１０ アンプ回路
２０ 切換回路


代理人 弁理士 伊 藤 進

Claims (2)

1. 気筒毎に装着され、筒内圧に応じた電荷信号を出力する筒内圧センサと、
   上記筒内圧センサに接続され、上記筒内圧センサからの電荷信号を電圧信号に変換して出力すると共に、前記電圧信号が上昇し、ピークを超えて下降する過程において所定の電圧を下回ったとき、入力側電荷を放電して、上記筒内圧センサの電荷発生開始時と終了時とで上記電圧信号のゼロ点が同一レベルとなるよう自動的に補正する自動補正機能を有する気筒毎のアンプ回路と、
   エンジンの気筒判別結果に基づく信号により、上記気筒毎のアンプ回路の出力信号から計測対象となる系統を選択して燃焼圧データを出力する切換回路とを備えたことを特徴とする多気筒エンジンの燃焼圧データ収集システム。
2. 上記アンプ回路に、
   信号伝達系で発生する電荷の漏洩による負方向のドリフトを自動的に補正する自動補正機能を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の多気筒エンジンの燃焼圧データ収集システム。

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