JP4870793B2 - 内燃機関の図示平均有効圧を計測する装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の図示平均有効圧を計測する装置に関する。

特許文献１は、内燃機関の燃焼サイクルごとの燃焼状態を示す図示平均有効圧（Indicate Mean Effective Pressure, IMEP）は、センサからの指圧波形からエンジン回転数に対応する基本波成分およびその第２高調波成分から決定することができることを示している。

特許文献２は、特許文献１に示された原理を利用して図示平均有効圧を算出し、内燃機関の点火時期を制御する手法を記載している。

特公平８−２０３３９号公報 特許第３９９３８５１号公報

内燃機関の燃焼状態を直接示す代表的なパラメータであるIMEPをモニタする場合、圧力センサで筒内の圧力を計測し演算処理する。このとき、筒内圧は、クランク角度１度ごとにサンプリングすることが望まれるが、実際の車両はこのような精度でサンプリングする装置を備えていない。したがって、より少ないサンプリングデータにより精度よくIMEPを計測する手法が必要とされている。

上記の課題を解決するため、この発明の計測装置は、筒内圧センサからの指圧波形をフィルタリングするローパスフィルタと、前記低域パスフィルタの出力を前記内燃機関の１サイクル当たりn回サンプリングするサンプリング手段とを備える。さらにこの計測装置は、内燃機関の回転数に対応する基本波の周波数をf₀とするとき、遮断する高調波の次数m_cをn/4（nはサイクルあたりのサンプリング数）以下に設定し、前記ローパスフィルタの遮断周波数f_cをm_c×f₀に設定する手段と、前記サンプリング手段の出力を使用して図示平均有効圧を算出する手段とを備える。

この発明の一実施形態では、前記筒内圧センサから得られる指圧波形における前記内燃機関の回転数に対応する基本波の振幅をC₁、指圧波形における第２高調波の振幅をC₂、基本波の振幅補正値をG₁、第２高調波の振幅補正値をG₂、指圧波形における基本波のTDCに対する位相差をφ₁、指圧波形における第２高調波のTDCに対する位相差をφ₂とするとき、前記図示平均有効圧を算出する手段は、次の式により図示平均有効圧IMEPを求める。

hは、４サイクルエンジンでは1/2、２サイクルエンジンでは1である。

この発明のもう一つの実施形態では、前記図示平均有効圧を算出する手段は、θ₁を基本波の位相差補正値、θ₂を第２高調波の位相差補正値とするとき、次の式により図示平均有効圧IMEPを求める。

この発明の適用対象となるエンジンの全体的構成の一例を示す図。 この発明の装置の一実施例の機能ブロック図。 IMEPを説明するための図。 ローパスフィルタの特性を示す図。 クランク角センサ装置に追歯があるときのセンサ出力を示す図。 クランク角センサ装置に欠歯があるときのスリットの順番の乱れを示す図。 クランク角センサ装置に追歯または欠歯があるときのサンプリングの仕方を示す図。 チャージアンプに帰還抵抗を設けた回路図。 センサとケーブルの合成された絶縁抵抗と並列に抵抗を追加した回路図。 測定系の周波数特性を示す図。

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、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。この発明に従う点火時期制御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、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め込まれている。筒内圧センサ１５は、燃焼室８内の筒内圧に応じた筒内圧信号Ｐｃｙｌ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（この実施例では、１５度）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位置に対応する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）２１が設けられている。エアフローメータ２１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。アクセルペダル開度センサ２５は、アクセルペダルの位置（開度）を示す信号をＥＣＵ１に送る。図示しないが、吸気弁および（または）排気弁の位相およびリフトを可変に駆動する機構、および燃焼室の圧縮比を可変にする機構などを備えることができる。

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。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３を参照して、図示平均有効圧を簡単に説明する。図３は、エンジンの燃焼室の体積と筒内圧との関係を示す。点Ｐにおいて、吸気弁が開き、吸気行程が開始する。筒内圧は、ピストンが上死点ＴＤＣにある点Ｎを経て、最小値である点Ｕに至るまで減少する。その後、ピストンが下死点ＢＤＣである点Ｋを経て、筒内圧は増加する。点Ｑにおいて圧縮行程が開始する。圧縮行程において、筒内圧は増加する。点Ｒにおいて燃焼行程が開始し、混合気の燃焼により筒内圧は急激に増加し、点Ｓにおいて、筒内圧は最大になる。混合気の燃焼により、ピストンは押し下げられ、点Ｍで示されるＢＤＣに向かって移動する。この移動により、筒内圧は減少する。点Ｔにおいて排気弁が開き、排気工程が開始する。排気工程では、筒内圧はさらに減少する。

図３に示される筒内圧の曲線で囲まれる面積を、ピストンの行程容積で割った値を、図示平均有効圧と呼ぶ。代替の実施形態では、ＢＤＣである点Ｋから、ＴＤＣである点Ｌを経てＢＤＣである点Ｍに至るまでの平均有効圧を、図示平均有効圧として算出するようにしてもよい。

この出願人に係る先にあげた特許文献２は、次のことを示している。すなわち、 筒内圧センサの検出値を、所定のクランク角度（たとえば１５度）でサンプリングする。サンプリングされた筒内圧を、Ｐｃｙｌ（ｎ）で表すと平均有効圧は、次に示す式(3)に従って算出される。ｈは、１サイクルに要する行程数に応じた係数であり、４サイクルエンジンの場合には、ｈ＝１／２である。２サイクルエンジンでは、ｈ＝１となる。λは、コンロッドの長さｓとクランクシャフトの半径ｒとの比で表され、λ＝ｓ／ｒである。Ｃ１は、筒内圧Ｐｃｙｌにおける、エンジン回転数に対応する基本波の振幅を示し、φ１は、筒内圧Ｐｃｙｌにおける、エンジン回転数の１次成分のＴＤＣに対する位相差を示す。Ｃ２は、筒内圧Ｐｃｙｌにおける、第２高調波（すなわち、基本波の２倍の周波数成分）の振幅を示し、φ２は、筒内圧Ｐｃｙｌにおける、エンジン回転数の２次成分のＴＤＣに対する位相差を示す。ｋは、燃焼サイクルに同期した制御時刻を表しており、図示平均有効圧の算出は、燃焼サイクル毎に回実施される。

以上に特許文献２の内容の一部を引用した。

１サイクル当たりのサンプル数が小さいとき誤差を生じるのは、高次の周波数成分を正確に抽出することができないからである。標本化定理から、４サイクルエンジンではnを１燃焼サイクル当たりのサンプル数とすると、n/4次以上の周波数帯域を正確に検知することができなくなる。この正確に検知できない周波数成分はエイリアシングとなって低周波成分に重畳し、誤差の原因となる。そこで、基本波に対する遮断周波数の次数をm_cで表すと、n≧4m_c となるように遮断周波数f_cを設定することにより、エイリアシングの影響を排除することができ、基本波成分および第２高調波成分を正確に抽出することができる。

図４（A）は、理想的なディジタル・ローパスフィルタの周波数特性を示し、図４(B)は、アナログ・ローパスフィルタの周波数および位相差(phase shift)の特性を示す。このようにローパスフィルタの周波数特性が明確になっていれば、特許文献２で示した式(3)を「課題を解決するための手段」の項で示した数２の式のようにすることができる。図４(A)に示すような理想的なディジタル・ローパスフィルタを使うときは、基本波の位相差補正値θ₁および第２高調波の位相差補正値θ₂はゼロになるので、式(3)を「課題を解決するための手段」の項で示した数１の式のようにすることができる。図４(B)に示す特性のアナログフィルタを使用するときは、基本波の位相差補正値θ₁および第２高調波の位相差補正値θ₂を予め実験的に求めた所定値に設定することができる。または、遮断周波数に応じて基本波の位相差補正値θ₁および第２高調波の位相差補正値θ₂を与えるマップを予め用意しておき、マップ検索により基本波の位相差補正値θ₁および第２高調波の位相差補正値θ₂を求めるようにしてもよい。

図２は、この発明の一実施例の計測装置の機能ブロック図である。ECU1の機能は、この発明に従って設計されたコンピュータ・プログラムをECU１上で走らせることにより実現することができる。このコンピュータ・プログラムはECU1のROMに格納しておくことができる。

エンジン回転数検出部57は、クランク角センサ17がクランク角15度ごとに出す信号に基づいてエンジン回転数NEを算出し、これを周波数f₀に変換する。エンジン回転数は、１分間当たりのクランクシャフトの回転数で、たとえば600rpmのように表される。これを60で割って１秒当たりの回転数に変換すると、エンジン回転数に対応する周波数f₀が得られる。600rpmは周波数10Hzに相当する。

遮断周波数算出部61は、ローパスフィルタ55の遮断周波数f_cを、f_c=m_c × f₀ により算出する。m_cは遮断周波数の次数であり、nを１サイクル当たりのサンプリング数とするとき、m_c≦n/4 で求められる。たとえば、クランク角15度ごとにサンプリングを行うときは、1サイクルは、クランクシャフト２回転の720度に対応するので、n=720/15=48となる。したがって、m_c≦12 となり、最大の12を採用すると、f_c=12 ×f₀ になる。エンジン回転数が600rpmのときは、f_c=120Hzとなる。

こうしてエンジン回転数に従って変化する遮断周波数f_cを適用してLPF55によりフィルタリングした出力信号をサンプリング部65でサイクル当たりn回サンプリングする。IMEP算出部65は、このサンプル値を上記の数１または数２の式に適用してIMEPを算出する。これにより図示平均有効圧が計測される。

１サイクルの間にｎ個の筒内圧データP_j(j=1, 2, 3, …, n-1, n)が等しいクランク角度間隔で偶数個サンプリングされた場合、指圧波形P(ωt)は次の式のように有限個の正弦波関数の和として表される。ただし、m=n/2である。

ただし、C_kは第k次周波数成分の振幅、φ_kは第k次周波数成分の位相であり、次の式で表される。

a₀、a_k、b_kは次の式から求められる。

また、数５の式を用いると、cosφ_kは次のように表すことができる。

よって、C_kcosφ_kは次のようになり、k次sin成分の振幅と等しくなることがわかる。

以上により、数１のIMEP演算式は、第１次、第２次sin成分の振幅b₁、b₂を用いて次のように表現することができる。ここでは、基本波（第１次成分）の振幅補正値G₁および第２高調波（第２次成分）の振幅補正値G₂は１としている。

よって、IMEPを求めるには等クランク角度ごとにサンプリングされたｎ個の筒内圧データP_jを用いて、数６のb_kの離散フーリエ変換を求め、数８に代入すればよい。具体的には、b₁、b₂は次のように計算する。

次にクランク角センサにおける追歯または欠歯の影響を考慮したサンプリング手法を説明する。クランク角センサは、光電気式のセンサであり、回転プレートに均等にスリットを配置し、このスリットを通る光を検知してクランク角ごとにパルスを生成する。この均一間隔スリット配列の一部に追歯と呼ばれる不均一間隔のスリットを入れるか、または均一間隔のスリット配列から一つのスリットを欠落させて欠歯とすることが行われる。図５は、追歯が発生するパルス101を示す。このような追歯または欠歯があるセンサからのパルスをサンプリングすると、クランク角度にエラーを生じる。

たとえば、図６(A)は、均一なスリット配列において20番目のスリットが欠けている欠歯状態を示す。このようなスリットを用いたクランク角センサから計測されるパルスを図６(B)に示す。計測されるパルス列においては、20番目のスリットに対応するパルスがないので、21番目のスリットに対応するパルスを20番目のパルスとして誤認してしまう。

このようなエラーの発生を防止するため、欠歯があるときは、TDC位置からの順番により、欠歯の順番にあたる指圧波形データを読み飛ばし、図７に示すように、１サイクルあたりのサンプリングデータ数nを見かけ上n/2として扱うようにサンプリングを実行し、IMEPなどの演算を行う。サンプリングデータ数が減り誤差を生じるが、上述したようにローパスフィルタの遮断周波数を適切に設定することにより誤差を低減することができる。

欠歯の場合、多気筒機関では当該気筒以外の気筒における、当該気筒の欠歯位置に相当するクランク角度位置の平均値を代用することも可能である。

筒内圧センサは典型的には圧電センサである。このセンサは、微分出力を出すため、チャージアンプと呼ばれる積分器を使用する。このとき、センサ自身や接続部分の絶縁抵抗が低下すると出力信号にドリフトを生じて正確な計測ができなくなる。これを防ぐため、チャージアンプには帰還抵抗を設けてドリフト量に見合った電流を帰還させることにより、ドリフトを補償することが行われる。

図８はチャージアンプおよびセンサの等価回路であり、抵抗R_ocがセンサおよびケーブルの合成抵抗であり、抵抗R_fが帰還抵抗である。この帰還抵抗R_fは、ドリフト量に見合った値とし、小さなドリフトに対しては抵抗値を大きく設定して帰還電流を小さく、大きなドリフトに対しては抵抗値を小さく設定して帰還電流を大きくする。この測定系を長期間使用しているとセンサや接続部の絶縁抵抗は水分、油などの浸入その他の原因で劣化して低下し、初期に設定した帰還抵抗ではドリフトを抑制することができなくなる。

絶縁抵抗は測定系を長期間使うと必ず低下するので、図９に示すように絶縁抵抗R_ocと並列に抵抗R_zを挿入して絶縁抵抗値を下げておくと、絶縁抵抗R_ocの低下による影響を受けにくくすることができる。

帰還抵抗R_fを小さく設定すれば、大きなドリフトを抑制することができるが、帰還抵抗を小さく設定すると、回路の時定数が低下し、遮断周波数が高くなり、IMEPや熱計算に必要な低次の周波数成分を正確に検知することができなくなる。この低次の周波数成分の計測精度を維持するため、圧電型センサの測定系は１次系に近似できることを利用し、次の式で求めた遮断周波数f_cから周波数特性を求め、低次の周波数成分の補正を行う。これにより、ドリフトを抑制しつつIMEPや熱発生率の算出精度を維持することができる。τは、時定数である。図１０は、測定系の周波数特性を示す。
τ=C_fR_f
f_c=1/2πτ

以上にこの発明を特定の実施例について説明したが、この発明はこのような実施例に限定されるものではない。

Claims (3)

1. 内燃機関の図示平均有効圧を計測する装置であって、
   筒内圧センサからの指圧波形をフィルタリングするローパスフィルタと、
   前記ローパスフィルタの出力を前記内燃機関の１燃焼サイクル当たりn回サンプリングするサンプリング手段と、
   前記内燃機関の回転数に対応する周波数f₀を基本波とし、遮断する高調波の次数m_cをn/4以下に設定し、前記ローパスフィルタの遮断周波数f_cをm_c×f₀に設定する手段と、
   前記サンプリング手段の出力を使用して図示平均有効圧を算出する手段と、
   を備え、
   前記筒内圧センサから得られる指圧波形における前記内燃機関の回転数に対応する基本波の振幅をC ₁ 、指圧波形における第２高調波の振幅をC ₂ 、基本波の振幅補正値をG ₁ 、第２高調波の振幅補正値をG ₂ 、指圧波形における基本波のTDCに対する位相差をφ ₁ 、指圧波形における第２高調波のTDCに対する位相差をφ ₂ 、前記内燃機関のコンロッドの長さをs、クランクシャフトの半径をrとするとき、前記算出する手段は、数式（１）により図示平均有効圧IMEPを求めることを特徴とする、計測装置。
   

   
2. 前記算出する手段は、θ₁を基本波の位相差補正値、θ₂を第２高調波の位相差補正値とするとき、数式（２）により図示平均有効圧IMEPを求める、
   請求項１に記載の装置。
   

   
3. 前記筒内圧センサに接続されたチャージアンプを備え、抵抗R_ocを前記筒内圧センサおよび接続ケーブルの合成抵抗とするとき、抵抗R_ocに並列に抵抗R_zを接続した、請求項１または２に記載の装置。

Images