JP5342607B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に筒内圧センサの出力に基づいて機関の回転位相判別（気筒判別）を行うものに関する。

特許文献１には、複数気筒のそれぞれに筒内圧センサを配置し、検出される筒内圧と基準値とを比較することにより、機関回転位相を検出する手法が示されている。この手法によれば、検出される筒内圧が基準値を超えたときに当該気筒が圧縮行程にあると判定され、さらに検出筒内圧に応じて基準値が更新される。基準値の更新によって、筒内圧センサ特性のばらつきや経時変化の影響を軽減される。

特許文献２には、複数気筒の一部に筒内圧センサを配置し、一部の気筒に対応する検出筒内圧に基づいて全気筒の燃焼状態を判定する装置が示されている。

特開２０００−４５８５６号公報 特開２０１０−１４０６５号公報

特許文献１に示された手法によれば、基準値の更新が行われるので、筒内圧センサ特性のばらつきや経時変化の影響を軽減することができるが、使用しない期間が長期間になった場合には、前回更新された基準値を用いても正確な判定ができない可能性がある。またこの手法は、機関の始動開始時に気筒判別を行うものであり、通常の機関運転開始後においても気筒判別を行うことを意図したものではない。

また特許文献２に示された手法によれば、気筒数より少ない数の筒内圧センサによって全気筒の燃焼状態を判定することが可能であるが、機関の回転位相判別を行うことはできない。

本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、筒内圧センサを用いて比較的簡便な手法で機関回転位相を正確に判別し、機関の吸排気弁を作動させるカムが固定されるカム軸の回転角度位置を検出するセンサを用いることなく機関運転を行うことができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関の筒内圧を検出する筒内圧センサ（１１，１２）と、前記機関のクランク軸の回転角度位置を検出する回転角度位置センサ（１０）とを備える内燃機関の制御装置において、所定クランク角度毎に、前記筒内圧センサの出力を用いて前記筒内圧の変化量（ｄＰＣＹＬ＃１，ｄＰＣＹＬ＃４）を検出する変化量検出手段と、前記筒内圧変化量（ｄＰＣＹＬ＃１，ｄＰＣＹＬ＃４）に基づいて前記筒内圧が上昇過程にある圧力上昇気筒、及び前記筒内圧が下降過程にある圧力下降気筒を判定する圧力変化状態判定手段と、前記圧力変化状態判定手段による判定結果に基づいて、前記機関の回転位相を検出する回転位相検出手段とを備え、前記筒内圧センサは、作動位相がクランク角度で３６０度ずれている２個の気筒に設けられており、前記圧力変化状態判定手段は、前記２個の気筒に対応する筒内圧変化量に基づいて、前記圧力上昇気筒及び圧力下降気筒の判定を行い、前記回転位相検出手段は、前記筒内圧センサが設けられているセンサ装着気筒が前記圧力上昇気筒と判定されたときに圧縮行程にあると判定し、前記センサ装着気筒が前記圧力下降気筒と判定されたときに爆発行程にあると判定することを特徴とする。
ここで「筒内圧変化量」は、筒内圧の時間変化率を含むものとする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記変化量検出手段は、前記筒内圧センサの２個の出力端子（１１ａ，１１ｂ）がそれぞれ接続される２個のアナログ−デジタル変換器（ＡＤ１，ＡＤ２））と、前記２個のアナログ−デジタル変換器の入力端子（２２，２３）に印加される外乱ノイズを同位相で入力させるためのオフセット回路（２４）とを備え、前記２個のアナログ−デジタル変換器から出力されるデジタル値（ＳＩ１，ＳＩ２）の差分を用いて、前記筒内圧変化量（ｄＰＣＹＬ＃１，＃４）を検出することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、前記オフセット回路は、複数の抵抗の組み合わせまたは複数の抵抗とコンデンサの組み合わせによって構成されることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、所定クランク角度毎に、筒内圧センサの出力を用いて筒内圧の変化量が検出され、筒内圧変化量に基づいて圧力上昇気筒及び圧力下降気筒の少なくとも一方が判定され、その判定結果に基づいて機関の回転位相が検出される。機関の各気筒における燃焼の有無に拘わらず、圧縮行程にある気筒の筒内圧は上昇する一方、爆発行程にある気筒の筒内圧は下降するので、筒内圧の絶対値ではなく変化量に基づいて圧力上昇気筒及び圧力下降気筒を判定することにより、圧縮行程気筒及び爆発行程気筒を特定することができる。具体的には、筒内圧センサは、作動位相がクランク角度で３６０度ずれている２個の気筒に設けられており、２個の気筒に対応する筒内圧変化量に基づいて、圧力上昇気筒及び圧力下降気筒の判定が行われ、筒内圧センサが設けられているセンサ装着気筒が圧力上昇気筒と判定されたときに圧縮行程にあると判定され、圧力下降気筒と判定されたときに当該気筒が爆発行程にあると判定される。作動位相が３６０度ずれている２個の気筒の行程は、圧縮→爆発→圧縮→爆発という順序で繰り返すので、２個の気筒に対応する筒内圧変化量を用いて圧力上昇気筒及び圧力下降気筒を判定することにより、１燃焼サイクル（７２０度）の期間における機関回転位相を検出することが可能となる。その結果、カム軸回転角度位置センサを用いずに筒内圧センサを用いて機関回転位相を簡便かつ正確に検出することができる。また筒内圧変化量を用いることにより、筒内圧センサ特性のばらつきや経時変化の影響を受けることなく、正確な機関回転位相検出を行うことがで可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、筒内圧センサの２個の出力端子がそれぞれ２個のアナログ−デジタル変換器に接続され、オフセット回路によって、２個のアナログ−デジタル変換器の入力端子に印加される外乱ノイズが同位相で入力される。したがって、２個のアナログ−デジタル変換器から出力されるデジタル値の差分を用いて筒内圧変化量を検出することにより外乱ノイズを相殺することができ、筒内圧センサ出力の入力回路の構成を簡略化することができる。この入力回路の構成は、筒内圧そのもの（絶対値）ではなく筒内圧変化量を検出する場合に特に有利である。

すなわち従来の入力回路は、広く知られているようにチャージアンプと、チャージアンプのコンデンサの電荷を放電させるためのリセット回路と、外乱ノイズ除去のためのフィルタ回路と、アナログ−デジタル（ＡＤ）変換器とによって構成されている（図９参照）。そのため、構成が複雑でコストが高いという課題があった。請求項２の発明によれば、アナログ−デジタル変換回路は２個必要となるが、チャージアンプ、リセット回路、及びフィルタ回路が不要となるので、筒内圧センサ出力の入力回路の構成を従来に比べて簡略化してコスト低減を図ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、オフセット回路は、複数の抵抗の組み合わせまたは複数の抵抗とコンデンサの組み合わせによって構成されるので、追加回路によるコスト増加を最小限に抑制することができる。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 筒内圧センサ検出信号の入力回路を示す回路図である。 図２に示す回路の動作を説明するためのタイムチャートである。 図１に示す機関の各気筒の行程及び筒内圧の変化を示す図である。 機関回転位相の判定を行う処理のフローチャートである。 図２に示す回路の変形例を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態にかかる回転位相判定処理のフローチャートである。 ６気筒機関における各気筒の行程及び筒内圧の変化を示す図である。 筒内圧センサ検出信号の従来の入力回路を説明するためのブロック図である。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、４気筒を有し、吸気管２を備えている。吸気管２にはスロットル弁３が設けられている。

燃料噴射弁６はエンジン１とスロットル弁３との間かつ吸気管２の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共に電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に電気的に接続されてＥＣＵ５からの制御信号により燃料噴射弁６の開弁時期及び開弁時間（燃料噴射時期及び燃料噴射時間）が制御される。エンジン１の各気筒の点火プラグ７は、ＥＣＵ５に接続されており、ＥＣＵ５からの点火信号により点火時期が制御される。

吸気管２のスロットル弁３の下流には吸気圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ９が設けられており、その検出信号はＥＣＵ５に供給される。
エンジン１の＃１気筒及び＃４気筒の点火プラグ近傍には、それぞれ筒内圧センサ１１及び１２が設けられており、これらのセンサ１１及び１２の検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。筒内圧センサ１１，１２は、周知の圧電型圧力センサであり、筒内圧の変化率（ｄＰ／ｄｔ）を示す信号を出力する。

ＥＣＵ５には、エンジン１のクランク軸８の回転角度を検出するクランク角度位置センサ１０が接続されており、クランク軸の回転角度に応じた信号がＥＣＵ５に供給される。クランク角度位置センサ１０は、一定クランク角周期（例えば６度周期）で１パルス（以下「ＣＲＫパルス」という）を発生するものであり、基準角度位置ＰＲＥＦにおいて２パルス抜けるように構成されている。すなわち、クランク角度３６０度毎にパルスが抜ける部分を検出することにより、基準角度位置ＰＲＥＦが検出され、基準角度位置ＰＲＥＦと、各気筒の行程とは予め設定された関係を有する。例えば＃１気筒の吸気行程（爆発行程）開始上死点が基準角度位置ＰＲＥＦとなるように設定される。

本実施形態では、クランク軸２回転に対応して１回転するカム軸の回転角度位置を検出するセンサを使用せずに、筒内圧センサ１１，１２の出力信号に基づいて、エンジン１の回転位相判別（回転位相検出）が行われる。すなわち、何れか一つの気筒の行程と、基準角度位置ＰＲＥＦを基準としたクランク角度ＣＡと用いることによって、エンジン１の回転位相をクランク角度ＣＡの単位で正確に検出される。クランク角度位置センサ１０から出力されるＣＲＫパルスは、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御、エンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。

ＥＣＵ５は、入力回路、ＣＰＵ（Centrl Processing Unit）、出力回路、及びメモリ回路を備えており、上述した各種センサ及び図示しない他のセンサの検出信号がデジタル信号に変換され、ＣＰＵによる演算処理が行われる。ＣＰＵによる演算結果に応じた駆動制御信号が、出力回路を介して燃料噴射弁６、点火プラグ７などに供給される。

図２は、筒内圧センサ１１とＥＣＵ５のＣＰＵ２１との接続を示す回路図である。筒内圧センサ１１の一端１１ａはオフセット回路２４を介して、ＣＰＵ２１の第１ＡＤ変換器入力端子２２に接続され、筒内圧センサ１１の他端１１ｂはオフセット回路２４を介して、ＣＰＵ２１の第２ＡＤ変換器入力端子２３に接続されている。本実施形態では、第１ＡＤ変換器入力端子２２の入力信号をアナログ−デジタル変換（ＡＤ変換）することにより、第１信号値ＳＩ１が取得されるとともに、第２ＡＤ変換器入力端子２３の入力信号をアナログ−デジタル変換（ＡＤ変換）することにより、第２信号値ＳＩ２が取得され、第１信号値ＳＩ１と第２信号値ＳＩ２の差分を、＃１筒内圧変化率ｄＰＣＹＬ＃１（＝ＳＩ１−ＳＩ２）として算出する。

オフセット回路２４は、筒内圧センサ１１の両端間に接続される第１抵抗ＲＣと、前記他端１１ｂとアースとの間に接続される第２抵抗ＲＯと、前記一端１１ａと第１ＡＤ変換器入力端子２２との間に接続される第３抵抗ＲＳ１と、前記他端１１ｂと第２ＡＤ変換器入力端子２３との間に接続される第４抵抗ＲＳ２とから構成される。第１抵抗ＲＣ及び第２抵抗ＲＯはいずれも数百キロオーム程度の抵抗値に設定される。

筒内圧センサ１２も同様にしてＣＰＵ２１に接続されており、＃４筒内圧変化率ｄＰＣＹＬ＃４が算出される。

図３は、筒内圧センサ検出信号の入力回路を、図２に示すように構成することによる効果を説明するための波形図である。図３（ａ）はノイズが重畳していない波形を示し、図３（ｂ）はノイズ重畳波形を示す。図３（ｃ）は、実線が第１ＡＤ変換器入力端子２２の入力信号（第１入力信号）に対応し、破線が第２ＡＤ変換器入力端子２３の入力信号（第２入力信号）に対応する。このようにオフセット回路２４を設けることにより、第２入力信号に、第１入力信号と同相のノイズが重畳する。その結果、第１及び第２入力信号をデジタル化した第１信号値ＳＩ１及び第２信号値ＳＩ２の差分をとることにより、図３（ｄ）に示すように重畳したノイズが相殺された信号が得られる。したがって、本実施形態ではノイズを除去するためのフィルタ回路、チャージアンプ、及びチャージアンプのリセット回路が不要となり、回路構成の簡略化を図ることができる。

図４は、本実施形態における回転位相判別の手法を説明するための図であり、各気筒の行程と対応する筒内圧ＰＣＹＬの変化が示されている。いずれの気筒において、筒内圧ＰＣＹＬは、圧縮行程において上昇し、爆発行程において下降する。本実施形態では、＃１気筒及び＃４気筒に筒内圧センサ１１，１２が設けられているので、筒内圧センサ１１，１２の出力から判定される圧力の変化状態に着目すると、＃１気筒の筒内圧ＰＣＹＬ＃１が上昇しているときは、次行程が吸気行程である気筒は＃４気筒であると判定する（換言すれば＃１気筒の現行程が圧縮行程であると判定する）ことができ、筒内圧ＰＣＹＬ＃１が下降しているときは、次行程が吸気行程である気筒は＃２気筒であると判定する（換言すれば＃１気筒の現行程が爆発行程であると判定する）ことができ、＃４気筒の筒内圧ＰＣＹＬ＃４が上昇しているときは、次行程が吸気行程である気筒は＃１気筒であると判定する（換言すれば＃４気筒の現行程が圧縮行程であると判定する）ことができ、筒内圧ＰＣＹＬ＃４が下降しているときは、次行程が吸気行程である気筒は＃３気筒であると判定する（換言すれば＃４気筒の現行程が爆発行程であると判定する）ことができる。

図５は、回転位相判別を行う処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ５のＣＰＵでクランク角１８０度毎に実行される。筒内圧が上昇過程にあるか下降過程にあるかは、検出される＃１筒内圧変化率ｄＰＣＹＬ＃１及び＃４筒内圧変化率ｄＰＣＹＬ＃４に基づいて判定される。より具体的には、この判定は、クランク角３０度以上１８０度以下の範囲内でサンプリングされた筒内圧変化率のデータを用いて行われる。サンプリング周期は、例えばＣＲＫパルスの発生周期（クランク角６度）とする。また図５においては、＃１気筒〜＃４気筒の次の行程を、ＳＴＲ＃１(k+1)，ＳＴＲ＃２(k+1)，ＳＴＲ＃３(k+1)，及びＳＴＲ＃４(k+1)と記載している。

ステップＳ１１では、＃１気筒筒内圧ＰＣＹＬ＃１が上昇過程にあるか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、＃４気筒の次行程が吸気行程であると判定する（＃１気筒の現行程が圧縮行程であると判定する）（ステップＳ１５）。ステップＳ１１の答が否定（ＮＯ）であるときは、＃１気筒筒内圧ＰＣＹＬ＃１が下降過程にあるか否かを判別し（ステップＳ１２）、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、＃２気筒の次行程が吸気行程であると判定する（＃１気筒の現行程が爆発行程であると判定する）（ステップＳ１６）。

ステップＳ１２の答が否定（ＮＯ）であるときは、＃４気筒筒内圧ＰＣＹＬ＃４が上昇過程にあるか否かを判別する（ステップＳ１３）。その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、＃１気筒の次行程が吸気行程であると判定する（＃４気筒の現行程が圧縮行程であると判定する）（ステップＳ１７）。ステップＳ１３の答が否定（ＮＯ）であるときは、＃４気筒筒内圧ＰＣＹＬ＃４が下降過程にあるか否かを判別し（ステップＳ１４）、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、＃３気筒の次行程が吸気行程であると判定する（＃４気筒の現行程が爆発行程であると判定する）（ステップＳ１８）。

ステップＳ１４の答が否定（ＮＯ）である状態が継続することは通常はあり得ないので、その状態が所定期間ＴＷＡＩＴ（例えばクランク角３６０度に相当する期間）を超えて継続したとき（ステップＳ１９の答が肯定（ＹＥＳ）であるとき）、回転位相判別を行うためのセンサ１１，１２または周辺回路に異常があると判定する（ステップＳ２０）。

以上のように本実施形態では、クランク角６度毎に、筒内圧センサ１１及び１２の出力を用いて筒内圧変化率ｄＰＣＹＬ＃１及びｄＰＣＹＬ＃４が検出され、ｄＰＣＹＬ＃１及びｄＰＣＹＬ＃４に基づいて圧力上昇気筒及び圧力下降気筒が判定され、その判定結果に基づいてエンジン１の回転位相（各気筒の行程）が検出される。エンジン１の各気筒における燃焼の有無に拘わらず、圧縮行程にある気筒の筒内圧は上昇する一方、爆発行程にある気筒の筒内圧は下降するので、筒内圧の絶対値ではなく変化量に基づいて圧力上昇気筒及び圧力下降気筒を判定することにより、圧縮行程気筒及び爆発行程気筒を特定し、回転位相の検出を行うことができる。その結果、カム軸回転角度位置センサを用いずに筒内圧センサを用いてエンジン回転位相を簡便かつ正確に検出することができる。また、筒内圧変化率ｄＰＣＹＬを用いることにより、筒内圧センサ特性のばらつきや経時変化の影響を受けることなく、正確なエンジン回転位相検出を行うことがで可能となる。

本実施形態では、クランク角度位置センサ１０が回転角度位置センサに相当し、ＥＣＵ５が変化量検出手段、圧力変化状態判定手段、及び回転位相検出手段を構成する。具体的には、図５の処理が圧力変化状態判定手段及び回転位相検出手段に相当する。

［変形例］
図２に示すオフセット回路２４は、図６に示すオフセット回路２４ａまたは２４ｂに代えてもよい。図６（ａ）に示すオフセット回路２４ａは、抵抗ＲＯをコンデンサＣＯに代えたものである。また図６（ｂ）に示すオフセット回路２４ｂは、電源ＶＳとアースとの間に抵抗ＲＢ１及びＲＢ２を接続し、抵抗ＲＢ１及びＲＢ２の接続点から筒内圧センサ１１の端子１１ｂに電圧を供給するようにしたものである。

［第２の実施形態］
本実施形態は、筒内圧センサを全気筒（＃１気筒〜＃４気筒）に設けるようにしたものであり、図７は、本実施形態における回転位相判定処理のフローチャートである。

図７は、図５のステップＳ１２及びＳ１４をそれぞれステップＳ１２ａ及びＳ１４ａに代えたものである。ステップＳ１２ａでは、＃３気筒筒内圧ＰＣＹＬ＃３が上昇過程にあるか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、＃２気筒の次行程が吸気行程であると判定する（＃３気筒の現行程が圧縮行程であると判定する）（ステップＳ１６）。

ステップＳ１４ａでは、＃２気筒筒内圧ＰＣＹＬ＃２が上昇過程にあるか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、＃３気筒の次行程が吸気行程であると判定する（＃２気筒の現行程が圧縮行程であると判定する）（ステップＳ１８）。

本実施形態においては、何れかの気筒が圧力上昇過程にあることが検出され、エンジン１の回転位相が検出される。本実施形態では、図７の処理が圧力変化状態判定手段及び回転位相検出手段に相当する。
なお、何れかの気筒が圧力下降過程にあることを検出するようにしてもよい。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、４気筒エンジンの例を示したが、本発明は例えば６気筒エンジンにも適用可能である。図８は、６気筒エンジンにおける各気筒の行程と、筒内圧の変化を示す図であり、この図から明らかなように例えば＃１気筒及び＃５気筒（または＃４気筒及び＃３気筒、または＃２気筒及び＃６気筒）、すなわち作動位相がクランク角度で３６０度ずれている２つの気筒に筒内圧センサを装着し、＃１気筒が圧力上昇気筒であるときに圧縮行程にあると判定し、＃１気筒が圧力下降気筒であるときに爆発行程にあると判定し、＃５気筒が圧力上昇気筒であるときに圧縮行程にあると判定し、＃５気筒が圧力下降気筒であるときに爆発行程にあると判定することにより、エンジン作動位相を検出することができる。

また上述した実施形態では、筒内圧センサ出力をそのままデジタル値に変換することにより得られる筒内圧変化率ｄＰＣＹＬを用いて圧力上昇気筒及び／または圧力下降気筒を判定するようにしたが、筒内圧センサ出力を積分することにより筒内圧ＰＣＹＬのデジタル値を取得し、筒内圧ＰＣＹＬのサンプリング周期間の変化量（筒内圧変化量）ＤＰＣＹＬ（＝ＰＣＹＬ(j)−ＰＣＹＬ(j-1)，ｊ：サンプリング周期で離散化した離散化時刻）を用いて圧力上昇気筒及び／または圧力下降気筒を判定するようにしてもよい。

また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの制御にも適用が可能である。

１ 内燃機関
５ 電子制御ユニット
１０ クランク角度位置センサ
１１，１２ 筒内圧センサ
２１ ＣＰＵ
２４ オフセット回路

Claims (3)

1. 内燃機関の筒内圧を検出する筒内圧センサと、前記機関のクランク軸の回転角度位置を検出する回転角度位置センサとを備える内燃機関の制御装置において、
   所定クランク角度毎に、前記筒内圧センサの出力を用いて前記筒内圧の変化量を検出する変化量検出手段と、
   前記筒内圧変化量に基づいて前記筒内圧が上昇過程にある圧力上昇気筒、及び前記筒内圧が下降過程にある圧力下降気筒を判定する圧力変化状態判定手段と、
   前記圧力変化状態判定手段による判定結果に基づいて、前記機関の回転位相を検出する回転位相検出手段とを備え、
   前記筒内圧センサは、作動位相がクランク角度で３６０度ずれている２個の気筒に設けられており、
   前記圧力変化状態判定手段は、前記２個の気筒に対応する筒内圧変化量に基づいて、前記圧力上昇気筒及び圧力下降気筒の判定を行い、
   前記回転位相検出手段は、前記筒内圧センサが設けられているセンサ装着気筒が前記圧力上昇気筒と判定されたときに圧縮行程にあると判定し、前記センサ装着気筒が前記圧力下降気筒と判定されたときに爆発行程にあると判定することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記変化量検出手段は、
   前記筒内圧センサの２個の出力端子がそれぞれ接続される２個のアナログ−デジタル変換器と、
   前記２個のアナログ−デジタル変換器の入力端子に印加される外乱ノイズを同位相で入力させるためのオフセット回路とを備え、
   前記２個のアナログ−デジタル変換器から出力されるデジタル値の差分を用いて、前記筒内圧変化量を検出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記オフセット回路は、複数の抵抗の組み合わせまたは複数の抵抗とコンデンサの組み合わせによって構成されることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。

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