JP5413422B2 - 内燃機関の筒内圧検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に設けられた筒内圧センサから出力されるセンサ信号をＡ／Ｄ変換することにより筒内圧を検出する内燃機関の筒内圧検出装置に関する。

エンジン（内燃機関）には、気筒の燃焼室の圧力（筒内圧）に応じた信号を出力する筒内圧センサが設けられている。筒内圧センサ本体は、シリンダヘッドに形成された挿入孔内に配置されており、燃焼室内の圧力が筒内圧センサのダイアフラム部を介して圧電素子に与えられるようになっている。圧電素子の出力電圧は、筒内圧センサ内の増幅回路を通して出力される。エンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）は、筒内圧センサから出力されるセンサ信号を入力してＡ／Ｄ変換することにより筒内圧を検出し、その検出した筒内圧に基づいて着火時期や燃焼温度などの燃焼状態を把握し、ノッキング検出や失火検出などを行っている。

しかし、エンジンのように急激な温度変化および圧力変化が生じる環境下では、温度や圧力の変動に起因して筒内圧センサの出力電圧にドリフトが生じる。筒内圧が最も低下する吸気行程付近でのセンサ信号の電圧、すなわちオフセット電圧を実測すると、オフセット電圧はその時々の燃焼状態に応じて変動する。

このような筒内圧センサのオフセットドリフトによる検出精度の低下を防止する手段として、センサ信号をＡ／Ｄ変換して得たデータを演算処理することによりオフセットドリフトを補正するものがある（例えば特許文献１、２参照）。また、筒内圧センサまたは電子装置内の増幅器を特定のタイミングでリセットすることによりオフセットドリフトをキャンセルするものがある（例えば特許文献３、４参照）。

特開２００２−２４２７５０号公報 特開２０１０−１９６５５６号公報 特開平７−２８０６８６号公報 特開２００８−２１６２２３号公報

特許文献１、２に記載された手段を用いる場合、筒内圧センサが出力するセンサ信号のオフセットドリフトは低減することなくそのまま存在する。このため、オフセット電圧が変動してもセンサ信号が常にＡ／Ｄ変換回路の入力レンジ内に入るように、入力回路または筒内圧センサのゲインを低く設定する必要がある。また、特許文献３、４に記載された手段を用いる場合でも、リセットをかけた直後はオフセット電圧が低減するが、リセットをかける前にはオフセットドリフトが生じている。このため、オフセット電圧が変動してもセンサ信号が常にＡ／Ｄ変換回路の入力レンジ内に入るように入力回路または筒内圧センサのゲインを低く設定する必要がある。

廉価な筒内圧センサの中には、５Ｖの入力レンジに対しオフセット電圧が±０．５Ｖも変動するものがある。こうした広範な変動が生じてもセンサ信号が入力レンジ内に入るようにゲインを低く設定すると、Ａ／Ｄ変換回路のダイナミックレンジが狭まるという不都合が生じる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、筒内圧センサのセンサ信号に対するＡ／Ｄ変換回路のダイナミックレンジを広く確保でき、オフセットドリフトによる筒内圧の検出精度の低下を防止できる内燃機関の筒内圧検出装置を提供することにある。

請求項１に記載した内燃機関の筒内圧検出装置は、内燃機関に設けられた筒内圧センサから筒内圧（気筒の燃焼室の圧力）に応じて出力されるセンサ信号を入力してＡ／Ｄ変換することにより筒内圧を検出する。基準電圧出力回路は、制御手段から入力した切替信号により複数レベルの中から選択したレベルを持つ基準電圧を出力する。レベルシフト回路は、センサ信号を筒内圧の低圧側に対応する信号電位の向きに基準電圧だけレベルシフトして出力する。第１Ａ／Ｄ変換回路は、このレベルシフトされたセンサ信号を入力してＡ／Ｄ変換し、筒内圧に応じたデジタル変換値を出力する。

制御手段は、筒内圧が低下している期間（例えば排気行程から吸気行程にかけての期間および吸気行程の期間）内のセンサ信号の電圧であるオフセット電圧を得る。そして、オフセット電圧より筒内圧の低圧側に対応する信号電位側にレベルを持つ基準電圧を基準電圧出力回路に選択させる切替信号を出力する。制御手段は、第１Ａ／Ｄ変換回路が出力したデジタル変換値に基づいて筒内圧を検出する。オフセット電圧は、第１Ａ／Ｄ変換回路を用いて検出してもよいし、後述する第２Ａ／Ｄ変換回路などその他の回路を用いて検出してもよい。

これにより、オフセット電圧のドリフト（オフセットドリフト）にかかわらず、低圧期間での筒内圧センサのオフセット電圧をＡ／Ｄ変換回路の入力レンジの下限電圧に近付けることができるので、より高い筒内圧に対応するセンサ信号までＡ／Ｄ変換回路の入力レンジ内とすることができる。すなわち、オフセットドリフトに起因する入力レンジ内の未使用領域を低減し、センサ信号に対するＡ／Ｄ変換回路の実効的な変換可能信号幅（ダイナミックレンジ）を広く確保することができる。これにより、センサ信号に対するゲインを従来よりも高く設定することが可能となり、Ａ/Ｄ変換回路の分解能を高めてより高精度に筒内圧を検出することができる。

請求項２に記載した手段によれば、制御手段は、オフセット電圧より筒内圧の低圧側に対応する信号電位側においてオフセット電圧に最も近いレベルを持つ基準電圧を選択させる切替信号を出力する。これにより、基準電圧出力回路が出力可能な基準電圧の中で、センサ信号に対するＡ／Ｄ変換回路の実効的なダイナミックレンジを最も広く確保することができ、一層高精度に筒内圧を検出できる。

請求項３に記載した手段によれば、筒内圧センサから出力されるセンサ信号を入力してＡ／Ｄ変換する第２Ａ／Ｄ変換回路を備えている。制御手段は、筒内圧が低下している期間内において第２Ａ／Ｄ変換回路が出力したデジタル変換値に基づいてオフセット電圧を検出する。この第２Ａ／Ｄ変換回路は、センサ信号のドリフトにかかわらず、センサ信号をレベルシフトすることなく或いは一定の基準電圧でレベルシフトすることによりＡ／Ｄ変換を実行する。これにより、センサ信号が大きくドリフトしても、一定の基準のダイナミックレンジの下で確実にオフセット電圧を検出することができ、基準電圧出力回路に対し確実に基準電圧の選択動作を行わせることができる。

請求項４に記載した手段によれば、内燃機関の燃焼サイクルにおいて筒内圧センサから出力されるセンサ信号の電圧が第２Ａ／Ｄ変換回路の入力レンジ内となるように、センサ信号に対するゲイン設定がなされている。これにより、筒内圧が変化しても或いはセンサ信号がドリフトしても、センサ信号に対するゲイン設定を変更することなく、第２Ａ／Ｄ変換回路により常に筒内圧（オフセット電圧を含む）を検出することができる。また、オフセットドリフトによりセンサ信号が第１Ａ／Ｄ変換回路の入力レンジを超えた状態となっても、第１Ａ／Ｄ変換回路に替えて第２Ａ／Ｄ変換回路により筒内圧を正しく検出することができる。

請求項５に記載した手段によれば、制御手段は、第２Ａ／Ｄ変換回路が出力したデジタル変換値と切替信号により選択される基準電圧を参照して、レベルシフトされたセンサ信号が第１Ａ／Ｄ変換回路の入力レンジ内か否かを判定する。入力レンジ外と判定した場合には、第１Ａ／Ｄ変換回路が出力したデジタル変換値に替えて第２Ａ／Ｄ変換回路が出力したデジタル変換値に基づいて筒内圧を検出する。これにより、センサ信号が第１Ａ／Ｄ変換回路の入力レンジを超える場合でも、第２Ａ／Ｄ変換回路により筒内圧を正しく検出することができる。

請求項６に記載した手段によれば、制御手段は、第１Ａ／Ｄ変換回路の入力レンジ内か否かの判定に際し、第１Ａ／Ｄ変換回路の入力レンジの上限電圧よりも低い上限しきい値電圧および下限電圧よりも高い下限しきい値電圧を設定する。そして、レベルシフトされたセンサ信号がこれら上限しきい値電圧と下限しきい値電圧とで制限された入力レンジ内か否かを判定する。

Ａ／Ｄ変換回路の入力レンジの上限電圧付近および下限電圧付近は、入力レンジの中間領域と比較してＡ／Ｄ変換誤差が大きくなる傾向がある。本手段によれば、第１Ａ／Ｄ変換回路について上限しきい値電圧と下限しきい値電圧を設定し、センサ信号がこれらしきい値電圧で制限された入力レンジ外となる場合は、第２Ａ／Ｄ変換回路が出力したデジタル変換値に基づいて筒内圧を検出する。これによりＡ／Ｄ変換誤差を低減できるので、より高精度に筒内圧を検出できる。

請求項７に記載した手段によれば、内燃機関に設けられたクランク角センサから入力したクランク角信号に基づいてクランク角を検出するクランク角検出手段を備えている。制御手段は、内燃機関の圧縮上死点から所定の角度以上離れたクランク角において第２Ａ／Ｄ変換回路が出力したデジタル変換値に基づいてオフセット電圧を検出する。

筒内圧は、圧縮上死点付近で最大となり、燃焼行程から排気行程において下降し、吸気行程を経て圧縮行程に入ると再び上昇する傾向を示す。すなわち、圧縮上死点から所定の角度以上離れたクランク角、例えば排気行程から吸気行程にかけてのクランク角範囲および吸気行程のクランク角範囲で筒内圧が最小となる。本手段によれば、筒内圧が低下している期間内のセンサ信号の電圧であるオフセット電圧を正しく検出することができる。

請求項８に記載した手段によれば、制御手段は、筒内圧の検出が必要となるクランク角に対し、少なくとも基準電圧出力回路により出力される基準電圧の安定化時間に相当する角度だけ前のクランク角で切替信号を出力する。これにより、少なくとも筒内圧の検出が必要となる期間では、安定した基準電圧を用いて高精度に筒内圧を検出することができる。基準電圧の安定化時間に加えレベルシフト回路の安定化時間に相当する角度だけ前のクランク角で切替信号を出力してもよい。

請求項９に記載した手段によれば、制御手段は、第１Ａ／Ｄ変換回路が出力したデジタル変換値に基づいて検出される筒内圧と第２Ａ／Ｄ変換回路が出力したデジタル変換値に基づいて検出される筒内圧との差が所定の切替完了しきい値以下となったことを条件として、基準電圧の切り替えに係る動作（基準電圧出力回路の基準電圧出力動作、新たな基準電圧に基づくレベルシフト回路の動作など）が完了したと判定する。この判定結果を用いれば、基準電圧の切り替えに係る動作が安定する前に筒内圧を検出することを防止できる。

請求項１０に記載した手段によれば、制御手段は、第１Ａ／Ｄ変換回路および第２Ａ／Ｄ変換回路を並行して動作させる。そして、各時点において第１Ａ／Ｄ変換回路が出力したデジタル変換値に基づいて検出される筒内圧と第２Ａ／Ｄ変換回路が出力したデジタル変換値に基づいて検出される筒内圧との差が異常判定しきい値以上となった場合に異常状態と判定する。これにより、第１Ａ／Ｄ変換回路および第２Ａ／Ｄ変換回路の少なくとも一方に異常が生じたことを検出でき、筒内圧検出装置の信頼性を高めることができる。

請求項１１に記載した手段によれば、制御手段は、切替信号を出力してから所定の安定化時間が経過するまでの期間、第１Ａ／Ｄ変換回路が出力したデジタル変換値を用いない。これにより、基準電圧の切り替えに係る動作（基準電圧出力回路の基準電圧出力動作、新たな基準電圧に基づくレベルシフト回路の動作など）が安定する前のデジタル変換値を用いて筒内圧を検出することを防止できる。また、安定する前のデジタル変換値を用いたために異常状態と誤判定することを防止できる。

請求項１２に記載した手段によれば、レベルシフト回路は、センサ信号を基準電圧だけレベルシフトするとともに所定のゲインで増幅する差動増幅回路により構成されている。この構成により、センサ信号のレベルシフトとゲイン設定とが差動増幅回路だけで実現でき、回路の構成素子数およびコストを低減できる。また、差動増幅回路によりセンサ信号を増幅してからＡ／Ｄ変換するので、筒内圧の変化幅が小さくセンサ信号の振幅が小さい燃焼サイクルにおいても、センサ信号に対する適正なダイナミックレンジを確保でき、分解能の低下を防止することができる。

請求項１３に記載した手段によれば、レベルシフト回路は、ゲイン切替信号に応じてゲインが変更される。これにより、その時々の燃焼状態に応じて、常にセンサ信号に対する適正なダイナミックレンジを確保できる。

請求項１４に記載した手段によれば、内燃機関が備える複数の気筒ごとに筒内圧センサが設けられており、気筒ごとに基準電圧出力回路およびレベルシフト回路を備えている。これにより、各気筒の筒内圧センサが有する特性ばらつきを個別に調整できる。また、気筒ごとに基準電圧出力回路を備えることにより、基準電圧の切り替え時に生じるノイズの影響を回避できる。

本発明の第１の実施形態を示す筒内圧検出回路の構成図 エンジンシステムの概略構成を示す図 センサ信号の電圧Ｖｐの時間変化を示す図 筒内圧検出処理のフローチャート 本発明の第２の実施形態を示す差動増幅回路の構成図

（第１の実施形態）
以下、内燃機関の筒内圧検出装置の第１の実施形態について図１ないし図４を参照しながら説明する。この筒内圧検出装置は、エンジンシステムに適用されている。図２に模式的に示すように、内燃機関であるエンジン１は、４つの気筒２（気筒＃１〜＃４）を備えた４ストロークのエンジンである。１燃焼サイクルは吸気・圧縮・燃焼・排気の４行程からなり、７２０°ＣＡの周期を持つ。各行程は、各気筒間で１８０°ＣＡずれて実行される。

各気筒２は、シリンダブロックとシリンダヘッドから構成されており、内部にピストンを収容している。ピストン上部には燃焼室が形成されている。各気筒２のシリンダヘッドにはそれぞれ筒内圧センサ３が配置されている。筒内圧センサ３は、燃焼室の圧力（筒内圧）をダイアフラム部を介して圧電素子（例えばピエゾ抵抗素子）に与え、その圧電素子の出力電圧を増幅したセンサ信号を出力するようになっている。センサ信号の電圧Ｖｐは、筒内圧が上昇するほど高くなる。

気筒２には、燃料を燃焼室内に噴射するインジェクタ４が設けられている。この燃料噴射によるピストンの往復動により、エンジンの出力軸であるクランク軸５が回転するとともに、外周に所定の間隔で歯が形成されたパルサ６がクランク軸５と一体に回転する。電磁ピックアップからなるクランク角センサ７がパルサ６に対向して配設されており、クランク軸５の回転に伴いパルス状のクランク角信号を出力する。

エンジンＥＣＵ８は、マイクロコンピュータ９（図１参照、以下マイコン９と称す）を備えており、不揮発性メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、クランク角信号、アクセル開度信号その他の各種センサ信号を入力し、エンジン１の運転状態を取得する。そして、取得したエンジン１の運転状態に基づいて、燃料供給制御を行うとともに、燃料噴射気筒に対する燃料の噴射開始タイミング、噴射時間などを算出して燃料噴射制御を行う。ＥＣＵ８は、ＥＤＵ１０（Electronic Driving Unit）に対し噴射信号を出力することによりインジェクタ４を駆動する。

図１は、ＥＣＵ８のうち筒内圧検出回路の構成を示している。筒内圧検出回路１１（筒内圧検出装置）は、マイコン９、クランク角信号入力回路１２および筒内圧信号入力回路１３から構成されている。筒内圧信号入力回路１３は筒内圧センサ３ごとに設けられているが、図１には１つのみを示している。この筒内圧検出回路１１と筒内圧センサ３とクランク角センサ７は、共通の電源電圧Ｖcc（例えば５Ｖ）の供給を受けて動作する。

クランク角信号入力回路１２（クランク角検出手段）は、クランク角センサ７から出力されるクランク角信号に基づいてクランク角や回転速度を検出する。マイコン９（制御手段に相当）は、ＣＰＵ１４、ＲＡＭ１５、ＲＯＭ１６、Ａ／Ｄ変換回路１７、入出力ポートなどを備えている。不揮発性メモリであるＲＯＭ１６には、上述した制御プログラムの他に、燃料供給制御や燃料噴射制御で用いられる各種データ、後述する基準電圧Ｖｒ１、Ｖｒ２、Ｖｒ３などが記憶されている。

Ａ／Ｄ変換回路１７は、Ａ／Ｄ変換器１８とマルチプレクサ１９とを備えた複数チャネルの構成を有している。Ａ／Ｄ変換器１８はサンプルホールド回路を備えている。各気筒２の筒内圧信号入力回路１３が使用するのは２つのチャネルであり、４気筒の場合には合計８チャネルを使用する。例えば気筒＃１の場合、筒内圧センサ３から出力されるセンサ信号をチャネル１、２（ＣＨ１、ＣＨ２）を用いてＡ／Ｄ変換する。以下の説明では、チャネル１、２に係るＡ／Ｄ変換回路をそれぞれ第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａ、第２Ａ／Ｄ変換回路１７ｂとする。図１ではその他のチャネルの表示を省略している。Ａ／Ｄ変換回路１７の入力レンジは、各チャネルとも０Ｖ（下限電圧）から５Ｖ（上限電圧）である。

筒内圧信号入力回路１３は、基準電圧出力回路２０、バッファ回路２１、差動増幅回路２２などを備えている。基準電圧出力回路２０は、３つの異なるレベルの基準電圧Ｖｒ１、Ｖｒ２、Ｖｒ３の中から、切替信号Ｓｃにより選択したレベルを持つ基準電圧Ｖｒを出力する。基準電圧Ｖｒ１、Ｖｒ２、Ｖｒ３は、分圧回路２３を構成する抵抗２３ａ〜２３ｄで電源電圧Ｖccを分圧することにより生成される。切替スイッチ２４は、切替信号Ｓｃに応じて基準電圧Ｖｒ１、Ｖｒ２、Ｖｒ３の何れかを選択する。選択された基準電圧Ｖｒは、ボルテージフォロアの形態を持つオペアンプ２５を介して出力される。

筒内圧センサ３から出力されるセンサ信号（以下では単にセンサ信号と称する場合もある）は、１０Ｈｚ〜１２０Ｈｚの周波数成分を持っている。そこで、抵抗２６ａとコンデンサ２６ｂとからなるローパスフィルタ２６を用いてノイズなどの不要な成分を除去してからバッファ回路２１に入力している。バッファ回路２１の出力電圧Ｖｑは、差動増幅回路２２と第２Ａ／Ｄ変換回路１７ｂに入力されている。

バッファ回路２１のゲインは、エンジン１の燃焼サイクルの全域（７２０°ＣＡ）において、電圧Ｖｑが第２Ａ／Ｄ変換回路１７ｂの入力レンジ内となるように設定されている。本実施形態では筒内圧センサ３とマイコン９の電源電圧Ｖccが等しいので、ゲインは１倍に設定されている。従って、電圧Ｖｐを持つセンサ信号は、増幅およびレベルシフトされることなく第２Ａ／Ｄ変換回路１７ｂに入力される。なお、第２Ａ／Ｄ変換回路１７ｂへの入力部には、抵抗２７ａとコンデンサ２７ｂとからなるローパスフィルタ２７を備えている。このうちコンデンサ２７ｂは、Ａ／Ｄ変換器１８内のサンプルホールド用コンデンサとの間の電荷分配によるサンプリング誤差を低減する作用も奏する。

差動増幅回路２２は本発明でいうレベルシフト回路に相当し、オペアンプ２２ａと抵抗２２ｂ〜２２ｅから構成されている。抵抗２２ｂと２２ｄの抵抗値をＲ１、抵抗２２ｃと２２ｅの抵抗値をＲ２とすれば、差動増幅回路２２の出力電圧Ｖｓは次の（１）式のようになる。
Ｖｓ＝Ｒ２／Ｒ１（Ｖｑ−Ｖｒ） …（１）

すなわち、差動増幅回路２２は、バッファ回路２１から出力された電圧Ｖｑを持つセンサ信号を、筒内圧の低圧側に対応する信号電位の向き、すなわち電圧を下げる向きに基準電圧Ｖｒだけレベルシフトし、それを（Ｒ２／Ｒ１）倍に増幅してから第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａに入力する。ただし、ローパスフィルタ２６で遮断される周波数成分を除きＶｐ＝Ｖｑの関係があるので、出力電圧Ｖｓは次の（２）式のようにも表せる。
Ｖｓ＝Ｒ２／Ｒ１（Ｖｐ−Ｖｒ） …（２）

第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａへの入力部には、ダイオード２８とコンデンサ２９を備えている。コンデンサ２９は、コンデンサ２７ｂと同様にＡ／Ｄ変換器１８内のサンプルホールド用コンデンサとの間の電荷分配によるサンプリング誤差を低減する作用を奏する。

次に、図３および図４を参照しながら本実施形態の作用を説明する。図３は、センサ信号の電圧Ｖｐの時間変化を２燃焼サイクルに亘り示している。一般に、筒内圧は圧縮行程で急激に高まり、圧縮ＴＤＣ（圧縮上死点）を経て燃焼行程で最大になる。その後、燃焼行程から排気行程にかけて急激に低下し、排気行程から吸気行程にかけて最低圧力に達する。センサ信号の電圧Ｖｐも筒内圧に対応して同様の変化を示すが、既述したように温度や圧力の変動に起因してオフセット電圧Ｖｐｏにドリフトが生じる。

オフセット電圧Ｖｐｏは、筒内圧が低下している期間内のセンサ信号の電圧Ｖｐであり、特には筒内圧が最も低下している期間例えばＡＴＤＣ３００°ＣＡから次の燃焼サイクルのＢＴＤＣ１５０°ＣＡまでの期間内のセンサ信号の電圧Ｖｐである。図３に示す１サイクル目と２サイクル目とでは、このオフセット電圧ＶｐｏにΔＶｄのドリフト（オフセットドリフト）が生じている。

上述したように、センサ信号の電圧Ｖｐは、燃焼サイクルの全域において第２Ａ／Ｄ変換回路１７ｂの入力レンジ（０Ｖ〜５Ｖ）内となる。一方、第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａの分解能を高めるため、（１）式、（２）式に示す差動増幅回路２２のゲイン（Ｒ２／Ｒ１）は１よりも大きく設定されている。その結果、１燃焼サイクルにおける増幅されたセンサ信号の電圧Ｖｓの最大変化幅（ドリフト分を除く）と、第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａの入力レンジ幅（５Ｖ）とは、若干の余裕幅を確保しつつ略等しくなる。ただし、図３ではセンサ信号は増幅前の電圧Ｖｐ（＝Ｖｑ）のまま表し、差動増幅回路２２の増幅作用によりセンサ信号に対し相対的に狭まった第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａの入力レンジを二点鎖線で示している。

このような振幅関係の下では、増幅されたセンサ信号の電圧Ｖｓが第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａの入力レンジ内に入るように、１燃焼サイクルごとにオフセット電圧Ｖｐｏの電圧値を検出し、その電圧値に応じて電圧Ｖｐをレベルシフトする必要がある。図３において、１燃焼サイクル目のオフセット電圧はＶpo1なので、オフセット電圧Ｖpo1より筒内圧の低圧側に対応する信号電位（０Ｖ）側にレベルを持ち、当該オフセット電圧Ｖpo1に最も近い基準電圧Ｖｒ３を用いてレベルシフトする。また、２燃焼サイクル目のオフセット電圧はＶpo2なので、オフセット電圧Ｖpo2より筒内圧の低圧側に対応する信号電位（０Ｖ）側にレベルを持ち、当該オフセット電圧Ｖpo2に最も近い基準電圧Ｖｒ２を用いてレベルシフトする。

図４は、マイコン９が繰り返し実行する筒内圧検出処理のフローチャートである。Ａ／Ｄ変換回路１７は、マルチプレクサ１９を順次切り替えながら第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａと第２Ａ／Ｄ変換回路１７ｂを含む各チャネルについて順次繰り返してＡ／Ｄ変換を実行する。Ａ／Ｄ変換回路１７の各チャネルが出力したデジタル変換値は、ＲＡＭ１５に記憶される。

マイコン９は、圧縮ＴＤＣから所定の角度以上離れ筒内圧が最も低くなるクランク角、例えばＡＴＤＣ３００°ＣＡから次の燃焼サイクルのＢＴＤＣ１５０°ＣＡの期間でオフセット電圧Ｖｐｏを検出する。ここでは、検出点としたＡＴＤＣ３００°ＣＡの検出を待つ（ステップＳ１）。

検出した（ＹＥＳ）と判断すると、第２Ａ／Ｄ変換回路１７ｂが出力したデジタル変換値に基づいてオフセット電圧Ｖｐｏを検出する（ステップＳ２）。上述したように、マイコン９は、オフセット電圧Ｖｐｏより筒内圧の低圧側に対応する信号電位側において、当該オフセット電圧Ｖｐｏに最も近い基準電圧ＶｒをＶｒ１、Ｖｒ２、Ｖｒ３の中から選択する（ステップＳ３）。そして、この基準電圧Ｖｒを基準電圧出力回路２０に選択させる切替信号Ｓｃを出力する（ステップＳ４）。

ただし、切替信号Ｓｃが出力された後、基準電圧出力回路２０による基準電圧Ｖｒの切り替え動作と、切り替え後の新たな基準電圧Ｖｒを入力とする差動増幅回路２２のレベルシフト動作および増幅動作が安定するには時間を要する。そこで、マイコン９は、実際に筒内圧の検出が必要となるクランク角例えばＢＴＤＣ１５０°ＣＡに対し、少なくとも安定化時間Ｔｓに相当する角度だけ前のクランク角で切替信号Ｓｃを出力し（ステップＳ４）、その後少なくとも安定化時間Ｔｓが経過するのを待つ（ステップＳ５）。

従って、マイコン９は、切替信号Ｓｃを出力してから所定の安定化時間Ｔｓが経過するまでの期間、第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａが出力したデジタル変換値を用いることはない。これにより、基準電圧Ｖｒの切り替えに係る動作が安定する前のデジタル変換値を用いて筒内圧を検出することを防止できる。

その後、マイコン９は、第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａと第２Ａ／Ｄ変換回路１７ｂとからデジタル変換値を入力する（ステップＳ６）。ステップＳ３で基準電圧Ｖｒを適切に選択したため、差動増幅回路２２から出力されるセンサ信号の電圧Ｖｓは、第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａの入力レンジ内に入るはずである。しかし、通常は１Ｖから４Ｖの範囲内の電圧Ｖｐを出力する筒内圧センサ３が当該範囲を超える電圧Ｖｐを出力した場合、急激なオフセットドリフトが生じた場合、基準電圧Ｖｒ１、Ｖｒ２、Ｖｒ３のステップ幅が大きい場合などに、電圧Ｖｓが第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａの入力レンジを超える可能性がある。

そこで、マイコン９は、第２Ａ／Ｄ変換回路１７ｂが出力したデジタル変換値と切替信号Ｓｃにより選択される基準電圧Ｖｒを参照して演算し、電圧Ｖｓが第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａの入力レンジ内か否かを判断する（ステップＳ７）。ここで、入力レンジ内（ＹＥＳ）と判断すると、第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａが出力した分解能の高いデジタル変換値に基づいて筒内圧を算出する（ステップＳ８）。これに対し、入力レンジ外（ＮＯ）と判断すると、第２Ａ／Ｄ変換回路１７ｂが出力したデジタル変換値に基づいて筒内圧を算出する（ステップＳ９）。なお、電圧Ｖｓが第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａの入力レンジを超える虞がない場合には、ステップＳ７、Ｓ９の処理を省略してもよい。

マイコン９は、筒内圧の検出値が必要となる期間例えばＡＴＤＣ１８０°ＣＡが経過したか否かを判断し（ステップＳ１０）、当該期間が経過するまで上述したステップＳ６〜Ｓ９を繰り返し実行する。当該期間が経過すると再びステップＳ１に移行し、次の燃焼サイクルの筒内圧の検出に備えてオフセット電圧Ｖｐｏの検出処理を開始する。

以上説明した本実施形態によれば、マイコン９は、筒内圧が低下している期間内にセンサ信号のオフセット電圧Ｖｐｏを検出し、それに応じた基準電圧Ｖｒだけセンサ信号を低電圧側にレベルシフトする。これにより、オフセットドリフトにかかわらず、第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａが出力するデジタル変換値に基づいてより高い筒内圧まで検出することが可能となる。また、センサ信号に対する第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａのダイナミックレンジを広く確保することができる。その結果、センサ信号に対するゲインを従来よりも高く設定することができるので第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａの分解能を高めることができ、より高精度に筒内圧を検出することができる。この効果は、筒内圧センサ３にオフセットドリフトが生じた場合のみならず、筒内圧センサ３のゲイン（センシング感度係数）が変動した場合にも同様に得られる。

この場合、オフセット電圧Ｖｐｏより筒内圧の低圧側に対応する信号電位側において、当該オフセット電圧Ｖｐｏに最も近い基準電圧Ｖｒを選択してレベルシフトする。これにより、基準電圧出力回路２０が出力可能な基準電圧Ｖｒ１、Ｖｒ２、Ｖｒ３の中でダイナミックレンジを最も広く確保することができ、一層高精度に筒内圧を検出できる。

差動増幅回路２２は、レベルシフト動作と増幅動作とを同時に行うので、回路の構成素子数およびコストを低減できる。そのゲインは、差動増幅回路２２の出力電圧Ｖｓの最大変化幅が第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａの入力レンジ幅に近付くように設定されているので、非常に高い分解能を得ることができる。

筒内圧検出回路１１は、センサ信号の電圧Ｖｐが燃焼サイクルの全域において入力レンジ内となる第２Ａ／Ｄ変換回路１７ｂを備えている。マイコン９は、第２Ａ／Ｄ変換回路１７ｂが出力するデジタル変換値を用いてオフセット電圧Ｖｐｏを検出するので、センサ信号がドリフトしても常にオフセット電圧Ｖｐｏを検出することができる。また、増幅したセンサ信号の電圧Ｖｓが第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａの入力レンジ外になる場合には、第２Ａ／Ｄ変換回路１７ｂが出力したデジタル変換値に基づいて筒内圧を検出する。これにより、センサ信号のオフセットドリフトが急変した場合でも筒内圧を正常に検出することができる。

筒内圧検出回路１１は、クランク角信号に基づいてクランク角を検出するクランク角信号入力回路１２を備えている。マイコン９は、この検出したクランク角に基づいて、筒内圧が最も低下している期間を判別するので、オフセット電圧Ｖｐｏを正しく検出することができる。

マイコン９は、筒内圧の検出が必要となるクランク角に対し、少なくとも基準電圧出力回路２０と差動増幅回路２２の安定化時間Ｔｓに相当する角度だけ前のクランク角で基準電圧Ｖｒの切替信号Ｓｃを出力する。これにより、筒内圧の検出が必要となるクランク角において、基準電圧出力回路２０と差動増幅回路２２の動作が安定した状態で、高精度に筒内圧を検出することができる。

筒内圧検出回路１１は、気筒２ごとに基準電圧出力回路２０および差動増幅回路２２を備えている。これにより、気筒２の筒内圧センサ３が有する特性ばらつきを個別に調整できる。また、気筒２ごとに基準電圧出力回路２０を備えることにより、基準電圧Ｖｒの切り替え時に生じるノイズの影響を回避できる。

（第２の実施形態）
図５は、筒内圧検出回路１１が備える差動増幅回路の構成を示している。差動増幅回路３０（レベルシフト回路に相当）は、オペアンプ３０ａ、抵抗３０ｂ〜３０ｇおよび切替スイッチ３０ｈ、３０ｉとから構成されている。切替スイッチ３０ｈは抵抗３０ｂと３０ｃとを選択し、切替スイッチ３０ｉは抵抗３０ｅと３０ｆとを選択する。切替スイッチ３０ｈ、３０ｉは、ゲイン切替信号Ｓｇに応じて連動して切り替え動作を行う。

抵抗３０ｂと３０ｅの抵抗値をＲ１１、抵抗３０ｃと３０ｆの抵抗値をＲ１２、抵抗３０ｄと３０ｇの抵抗値をＲ２１とすれば、差動増幅回路３０の出力電圧Ｖｓは次の（３）式または（４）式のようになる。
Ｖｓ＝Ｒ２１／Ｒ１１（Ｖｑ−Ｖｒ） …（３）
Ｖｓ＝Ｒ２１／Ｒ１２（Ｖｑ−Ｖｒ） …（４）

マイコン９は、筒内圧センサ３をはじめ各種センサが出力するセンサ信号に基づいて燃焼状態を検出する。そして、その燃焼状態における電圧Ｖｓの最大変化幅が第２Ａ／Ｄ変換回路１７ｂの入力レンジ幅以下であって且つその入力レンジ幅に近付くように、切替スイッチ３０ｈ、３０ｉを切り替える。本実施形態によれば、センサ信号に対する適正なダイナミックレンジを確保し分解能を高めることができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形、拡張を行うことができる。

上記実施形態において、マイコン９は、電圧Ｖｓが第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａの入力レンジ内か否かの判断処理（ステップＳ７）において、入力レンジを０Ｖ〜５Ｖの範囲とした。これに替えて、第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａの入力レンジの上限電圧５Ｖよりも低い上限しきい値電圧（例えば４．５Ｖ）および下限電圧０Ｖよりも高い下限しきい値電圧（例えば０．５Ｖ）を設定してもよい。この場合、マイコン９は、増幅されたセンサ信号の電圧Ｖｓがこれら上限しきい値電圧と下限しきい値電圧とで制限された入力レンジ内か否かを判断する。

Ａ／Ｄ変換回路１７の入力レンジの上限電圧付近（例えば４．５Ｖ〜５Ｖ）および下限電圧付近（例えば０Ｖ〜０．５Ｖ）は、入力レンジの中間領域と比較してＡ／Ｄ変換誤差が大きくなる傾向がある。上記構成を採用すれば、Ａ／Ｄ変換誤差を低減できるのでより高精度に筒内圧を検出できる。

上記実施形態において、マイコン９は、基準電圧Ｖｒの切り替えに係る動作の安定化のため、切替信号Ｓｃを出力した後、所定の安定化時間Ｔｓの経過を待った（ステップＳ５）。これに替えてまたはこれと併用して、切替信号Ｓｃを出力した後、第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａが出力したデジタル変換値に基づいて検出される筒内圧と第２Ａ／Ｄ変換回路１７ｂが出力したデジタル変換値に基づいて検出される筒内圧との差が所定の切替完了しきい値以下となったときに、基準電圧Ｖｒの切り替えに係る動作が完了したと判断してもよい。併用する場合には、安定化時間Ｔｓが経過する時点と、上記筒内圧の差が切替完了しきい値以下となった時点のうち、何れか早い時点（または何れか遅い時点）で完了と判断すればよい。これにより、無駄な待ち時間がなくなるとともに、切り替え動作が完了する前（動作が安定する前）に筒内圧を検出することを防止できる。

上記実施形態では、第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａと第２Ａ／Ｄ変換回路１７ｂは順次並行してＡ／Ｄ変換を実行している。そこで、マイコン９は、燃焼サイクルの各時点において、第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａが出力したデジタル変換値に基づいて検出される筒内圧と第２Ａ／Ｄ変換回路１７ｂが出力したデジタル変換値に基づいて検出される筒内圧との差が異常判定しきい値以上となった場合に異常状態と判定してもよい。これにより、第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａと第２Ａ／Ｄ変換回路１７ｂの少なくとも一方に異常が生じたことを検出でき、筒内圧検出回路１１の信頼性を高めることができる。

上記実施形態では、第２Ａ／Ｄ変換回路１７ｂが出力したデジタル変換値に基づいてオフセット電圧Ｖｐｏを検出した。しかし、第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａが出力したデジタル変換値に基づいてオフセット電圧Ｖｐｏを検出してもよい。この場合には、オフセットドリフトが生じてもセンサ信号の電圧Ｖｓが第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａの入力レンジに入るようにゲイン設定をすればよい。或いは、電圧Ｖｓが入力レンジ外となったときには、基準電圧Ｖｒを変更して入力レンジ内としてからオフセット電圧Ｖｐｏを検出すればよい。これにより第２Ａ／Ｄ変換回路１７ｂが不要になる。

第２Ａ／Ｄ変換回路１７ｂは、センサ信号を一定の基準電圧でレベルシフトしてからＡ／Ｄ変換を実行してもよい。
第１Ａ／Ｄ変換回路１７ａと第２Ａ／Ｄ変換回路１７ｂにそれぞれ個別にバッファ回路２１を設け、各バッファ回路２１に個別のゲインを設定してもよい。

Ａ／Ｄ変換回路１７は、マルチプレクサ１９に替えてチャネルごとにＡ／Ｄ変換器１８を備えてもよい。
レベルシフト回路は差動増幅回路２２に限られない。レベルシフト回路は少なくともレベルシフト作用を備えていればよく、増幅作用はバッファ回路２１その他の増幅回路に持たせればよい。

基準電圧出力回路２０は３段階の基準電圧Ｖｒ１、Ｖｒ２、Ｖｒ３を出力可能であるが、２段階或いは４段階以上の基準電圧を出力可能に構成してもよい。また、離散的な電圧ではなく連続的な電圧（アナログ値）を出力可能に構成してもよい。
基準電圧出力回路２０に選択させる基準電圧Ｖｒは、オフセット電圧Ｖｐｏより筒内圧の低圧側に対応する信号電位側にレベルを持つ電圧であればよく、必ずしも当該オフセット電圧Ｖｐｏに最も近い基準電圧Ｖｒを選択する必要はない。

筒内圧検出回路１１は、気筒２ごとに基準電圧出力回路２０を備えたが、複数の気筒２に対し共通に基準電圧出力回路２０を備えてもよい。
以上説明した第１、第２の実施形態およびその他の実施形態は、適宜組み合わせた構成としてもよい。

図面中、１はエンジン（内燃機関）、２は気筒、３は筒内圧センサ、９はマイクロコンピュータ（制御手段）、１１は筒内圧検出回路（筒内圧検出装置）、１２はクランク角信号入力回路（クランク角検出手段）、１７ａは第１Ａ／Ｄ変換回路、１７ｂは第２Ａ／Ｄ変換回路、２０は基準電圧出力回路、２２は差動増幅回路（レベルシフト回路）、Ｓｃは切替信号、Ｓｇはゲイン切替信号、Ｖｒは基準電圧、Ｖｐｏはオフセット電圧である。

Claims (14)

1. 内燃機関に設けられた筒内圧センサから筒内圧に応じて出力されるセンサ信号をＡ／Ｄ変換することにより前記筒内圧を検出する内燃機関の筒内圧検出装置において、
   複数レベルの中から切替信号により選択したレベルを持つ基準電圧を出力する基準電圧出力回路と、
   前記センサ信号を前記筒内圧の低圧側に対応する信号電位の向きに前記基準電圧だけレベルシフトして出力するレベルシフト回路と、
   前記レベルシフトされたセンサ信号を入力してＡ／Ｄ変換する第１Ａ／Ｄ変換回路と、
   前記筒内圧が低下している期間内の前記センサ信号の電圧であるオフセット電圧より前記筒内圧の低圧側に対応する信号電位側にレベルを持つ基準電圧を前記基準電圧出力回路に選択させる切替信号を出力し、前記第１Ａ／Ｄ変換回路が出力したデジタル変換値に基づいて前記筒内圧を検出する制御手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の筒内圧検出装置。
2. 前記制御手段は、前記オフセット電圧に最も近いレベルを持つ基準電圧を選択させる切替信号を出力することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の筒内圧検出装置。
3. 前記筒内圧センサから出力されるセンサ信号を入力してＡ／Ｄ変換する第２Ａ／Ｄ変換回路を備え、
   前記制御手段は、前記筒内圧が低下している期間内において前記第２Ａ／Ｄ変換回路が出力したデジタル変換値に基づいて前記オフセット電圧を検出することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の筒内圧検出装置。
4. 前記内燃機関の燃焼サイクルにおいて前記筒内圧センサから出力されるセンサ信号の電圧が前記第２Ａ／Ｄ変換回路の入力レンジ内となるように、前記センサ信号に対するゲイン設定がなされていることを特徴とする請求項３記載の内燃機関の筒内圧検出装置。
5. 前記制御手段は、前記第２Ａ／Ｄ変換回路が出力したデジタル変換値と前記切替信号により選択される基準電圧を参照して、前記レベルシフトされたセンサ信号が前記第１Ａ／Ｄ変換回路の入力レンジ内か否かを判定し、入力レンジ外と判定した場合には前記第１Ａ／Ｄ変換回路が出力したデジタル変換値に替えて前記第２Ａ／Ｄ変換回路が出力したデジタル変換値に基づいて前記筒内圧を検出することを特徴とする請求項３または４記載の内燃機関の筒内圧検出装置。
6. 前記制御手段は、前記第１Ａ／Ｄ変換回路の入力レンジ内か否かの判定に際し、前記第１Ａ／Ｄ変換回路の入力レンジの上限電圧よりも低い上限しきい値電圧および下限電圧よりも高い下限しきい値電圧を設定し、前記レベルシフトされたセンサ信号がこれら上限しきい値電圧と下限しきい値電圧とで制限された入力レンジ内か否かを判定することを特徴とする請求項５記載の内燃機関の筒内圧検出装置。
7. 前記内燃機関に設けられたクランク角センサから入力したクランク角信号に基づいてクランク角を検出するクランク角検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記内燃機関の圧縮上死点から所定の角度以上離れたクランク角において前記第２Ａ／Ｄ変換回路が出力したデジタル変換値に基づいて前記オフセット電圧を検出することを特徴とする請求項３ないし６の何れかに記載の内燃機関の筒内圧検出装置。
8. 前記制御手段は、前記筒内圧の検出が必要となるクランク角に対し、少なくとも前記基準電圧出力回路により出力される基準電圧の安定化時間に相当する角度だけ前のクランク角で前記切替信号を出力することを特徴とする請求項７記載の内燃機関の筒内圧検出装置。
9. 前記制御手段は、前記第１Ａ／Ｄ変換回路が出力したデジタル変換値に基づいて検出される筒内圧と前記第２Ａ／Ｄ変換回路が出力したデジタル変換値に基づいて検出される筒内圧との差が所定の切替完了しきい値以下となったことを条件として、前記基準電圧の切り替えに係る動作が完了したと判定することを特徴とする請求項３ないし８の何れかに記載の内燃機関の筒内圧検出装置。
10. 前記制御手段は、前記第１Ａ／Ｄ変換回路および前記第２Ａ／Ｄ変換回路を並行して動作させ、各時点において前記第１Ａ／Ｄ変換回路が出力したデジタル変換値に基づいて検出される筒内圧と前記第２Ａ／Ｄ変換回路が出力したデジタル変換値に基づいて検出される筒内圧との差が異常判定しきい値以上となった場合に異常状態と判定することを特徴とする請求項３ないし９の何れかに記載の内燃機関の筒内圧検出装置。
    
11. 前記制御手段は、前記切替信号を出力してから所定の安定化時間が経過するまでの期間、前記第１Ａ／Ｄ変換回路が出力したデジタル変換値を用いないことを特徴とする請求項１ないし１０の何れかに記載の内燃機関の筒内圧検出装置。
12. 前記レベルシフト回路は、前記センサ信号を前記基準電圧だけレベルシフトするとともに所定のゲインで増幅する差動増幅回路により構成されていることを特徴とする請求項１ないし１１の何れかに記載の内燃機関の筒内圧検出装置。
13. 前記レベルシフト回路は、ゲイン切替信号に応じてゲインが変更されるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし１２の何れかに記載の内燃機関の筒内圧検出装置。
14. 前記内燃機関が備える複数の気筒ごとに前記筒内圧センサが設けられており、前記気筒ごとに前記基準電圧出力回路および前記レベルシフト回路を備えていることを特徴とする請求項１ないし１３の何れかに記載の内燃機関の筒内圧検出装置。

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