JP5691438B2

JP5691438B2 - 筒内圧力波形処理装置

Info

Publication number: JP5691438B2
Application number: JP2010262296A
Authority: JP
Inventors: 康宏西山
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2030-11-25
Also published as: JP2012112316A

Description

本発明は、サンプリング間隔を過度に細かくすることなく、上死点を正確に特定できる筒内圧力波形処理装置に関する。

エンジンには複数の気筒があり、各気筒に燃料噴射弁が設けられる。各気筒における１回の噴射の燃料噴射量は燃料噴射弁の駆動時間幅に依存する。目標とする燃料噴射量は、エンジン状態で参照されるマップにより求められ、これに応じて燃料噴射弁に与える駆動時間幅が決められる。しかし、燃料噴射弁には機械的公差（例えば、噴射口面積の公差）があるため、各気筒の燃料噴射弁を同じ駆動時間幅で駆動しても気筒ごとに燃料噴射量がばらつく。その結果、気筒ごとの燃焼状態がばらつくことになる。

これに対し、各気筒に筒内圧力センサを搭載して筒内圧力波形を測定し、筒内圧力波形から燃焼状態を推定し、その燃焼状態に基づいて気筒ごとの燃料噴射量を補正することで全気筒の燃焼状態を均一化することが提案されている。燃焼状態を表す数量としては、平均有効圧力、着火時期、最大圧力、熱発生率などがある。

筒内圧力波形から燃焼状態を推定する際に、例えば、上死点を基準としてクランク角度１度ごとの筒内圧力変化量からクランク角度１度ごとの熱発生率を演算することになるので、筒内圧力波形中に上死点の位置を特定することが重要である。上死点は、ピストンがシリンダの最も奥に来るクランク角度である。そこで、従来は、燃料噴射がない車両の無負荷走行時に筒内圧力の時間的変化を測定し、筒内圧力がピークとなるクランク角度を上死点としている。

特開２００９−１６７８３１号公報

ところで、筒内圧力センサが検出する筒内圧力は、デジタル信号処理を行う電子制御装置（Electronical Control Unit；以下、ＥＣＵという）により所定のクランク角度ごとにサンプリングされている。このサンプリングタイミングを決めるクランク角度センサは、クランク軸に金属製歯車を取り付け、その外周に電磁ピックアップ等のセンサを臨ませることで、所定のクランク角度ごとにサンプリング信号が得られるように構成される。歯車ピッチは、例えば、５度であり、この場合、サンプリング間隔はクランク角度５度となる。

しかし、クランク角度センサの搭載精度（機械的公差）に起因し、クランク角度センサが検出するクランク角度が真のクランク角度に厳密には一致しない。その誤差はエンジン個体ごとにばらつく。この誤差のため筒内圧力の時系列におけるピークで特定した上死点が真の気筒の上死点に一致しない。クランク角度や上死点が真値とずれてしまうと、サンプリングタイミングのずれのため、サンプリングした筒内圧力の時系列が真の筒内圧力波形（アナログ波形）と異なってしまう。これにより燃焼状態の推定に誤りが生じ、燃料噴射量を正しく補正することができなくなる。なお、図４に示されるように、エンジン回転数によっても、熱の収支やガスの漏洩が異なるため、検出される筒内圧力のピークが真の上死点とずれることがある。これは筒内圧力センサの応答遅れにも原因がある。

これに対して、クランク角度センサに角度分解能が高いロータリエンコーダを採用してサンプリング間隔を細かくすることで、上死点のずれを小さくすることが考えられる。しかし、サンプリング間隔を細かくすると、ピーク特定や燃焼状態の演算が頻繁に繰り返されることになり、価格が安く処理速度や処理容量が小さい量産用のＥＣＵの処理能力ではこれらの演算が困難となる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、サンプリング間隔を過度に細かくすることなく、上死点を正確に特定できる筒内圧力波形処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、クランク角度センサから一定のクランク角度間隔で入力される信号を逓倍して内部サンプリング信号を生成する内部サンプリング信号生成部と、筒内圧力センサが検出する筒内圧力を内部サンプリング信号ごとにサンプリングして計測筒内圧力時系列を蓄えるサンプリング部と、非燃焼運転時における前記計測筒内圧力時系列から前記内部サンプリング信号間隔よりも狭い間隔の疑似筒内圧力時系列を生成する疑似筒内圧力時系列生成部と、前記疑似筒内圧力時系列からピーク位置を抽出するピーク抽出部と、前記クランク角度センサが検出する上死点位置と前記疑似筒内圧力時系列のピーク位置との差分を上死点オフセット値として算出する上死点オフセット値算出部と、燃焼運転時に前記クランク角度センサが検出する上死点位置と前記上死点オフセット値とから真の上死点位置を算出する上死点算出部とを備えたものである。

前記計測筒内圧力時系列と前記上死点オフセット値とから真の筒内圧力時系列を算出する筒内圧力算出部を備えてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）サンプリング間隔を過度に細かくすることなく、上死点を正確に特定できる。

本発明の一実施形態を示す筒内圧力波形処理装置の構成図である。図１の筒内圧力波形処理装置が適用されるエンジンシステムの構成図である。真の上死点の抽出及び真の筒内圧力時系列の算出のロジックを示す波形図である。エンジン回転速度に対する上死点オフセットの特性図である。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る筒内圧力波形処理装置１は、クランク角度センサ２から一定のクランク角度間隔で入力される信号を逓倍して内部サンプリング信号を生成する内部サンプリング信号生成部３と、筒内圧力センサ４が検出する筒内圧力を内部サンプリング信号ごとにサンプリングして計測筒内圧力時系列を蓄えるサンプリング部５と、非燃焼運転時における計測筒内圧力時系列から内部サンプリング信号間隔よりも狭い間隔の疑似筒内圧力時系列を生成する疑似筒内圧力時系列生成部６と、疑似筒内圧力時系列からピーク位置を抽出するピーク抽出部７と、クランク角度センサ２が検出する上死点位置と疑似筒内圧力時系列のピーク位置との差分を上死点オフセット値として算出する上死点オフセット値算出部８と、燃焼運転時にクランク角度センサ２が検出する上死点位置と上死点オフセット値とから真の上死点位置を算出する上死点算出部９と、計測筒内圧力時系列と上死点オフセット値とから真の筒内圧力時系列を算出する筒内圧力算出部１０とを備える。

クランク角度センサ２の歯車ピッチは５度とする。クランク角度センサ２からの入力信号は５度間隔となる。内部サンプリング信号生成部３は、この入力信号を５倍に逓倍処理して１度ごとの内部サンプリング信号を生成するものとする。よって、サンプリング部５は、筒内圧力センサ４が検出する筒内圧力を１度ごとにサンプリングして計測筒内圧力時系列を蓄えることになる。

疑似筒内圧力時系列生成部６は、クランク角度センサ２による上死点の前後近傍の複数個の筒内圧力データ、例えば、±１０度間に含まれるデータ（１度ごとの計測筒内圧力時系列なら２０個のデータ）から最小自乗法により２次式となる近似式を算出し、その近似式から、内部サンプリング信号間隔よりも狭い間隔、例えば、０．１度刻みの疑似筒内圧力時系列を生成するものとする。

ピーク抽出部７は、疑似筒内圧力時系列の中で最も筒内圧力が大きいデータを探し出し、そのデータの刻み位置をピーク位置として抽出するようになっている。上死点オフセット値算出部８、上死点算出部９、筒内圧力算出部１０の詳しい動作は、後述する。

内部サンプリング信号生成部３、サンプリング部５、疑似筒内圧力時系列生成部６、ピーク抽出部７、上死点オフセット値算出部８、上死点算出部９、筒内圧力算出部１０は、電子制御装置（Electronical Control Unit；以下、ＥＣＵという）１１が実行するソフトウェアで実現される。ＥＣＵ１１は、エンジン制御に必要な全てのエンジンパラメータ（センサ検出値、演算値、制御値など）を把握しているものとする。

図２に示されるように、筒内圧力波形処理装置１が適用されるエンジンシステム２０１は、４気筒ディーゼルエンジン（以下、エンジン）２０２の排気マニホールド２０３に、排気ガス再循環装置（Exhaust Gas Recirculation；ＥＧＲ）を構成するＥＧＲ管２０４と高圧側排気管２０５とが接続される。高圧側排気管２０５には、ターボチャージャ２０６の排気タービン２０７の入口が接続される。排気タービン２０７の出口に排気管２０８が接続される。排気管２０８には、排気ガス浄化装置２０９が設置される。

大気からの空気が取り込まれるエアフィルタ２１０には吸気管２１１が接続され、吸気管２１１の下流端はターボチャージャ２０６の吸気コンプレッサ２１２の入口に接続される。吸気コンプレッサ２１２の出口には高圧側吸気管２１３が接続される。高圧側吸気管２１３は、ＥＧＲ管２０４の下流端と合流されて吸気マニホールド２１４に接続される。

エンジン２０２の各気筒には燃料噴射弁２１５が設けられる。燃料噴射弁２１５はコモンレール２１６から供給される高圧の燃料をＥＣＵ１１が指令する噴射時期及び噴射時間幅で気筒内に噴射を行うようになっている。

高圧側排気管２０５には、排気ガスの流れを塞いだり調節する排気スロットル２１７が設けられる。ＥＧＲ管２０４には、ＥＧＲガスの流れを塞いだり調節するＥＧＲバルブ２１８が設けられる。高圧側吸気管２１３には、吸気の流れを塞いだり調節する吸気スロットル２１９が設けられる。

エンジン２０２の各気筒には筒内圧力センサ４が設けられる。図示しないクランク軸には、クランク角度５度間隔ごとの信号を出力するクランク角度センサ２が設けられる。吸気マニホールド２１４には、吸気圧力センサ２２０が設けられる。排気管２０８には、排気ガスの空燃比を検出するλセンサ２２１が設けられる。

以下、本発明の筒内圧力波形処理装置１の動作を説明する。

まず、上死点オフセット値の算出について説明する。

既に説明したように、ピストンがシリンダの最も奥に来るクランク角度が真の上死点である。クランク軸に対するクランク角度センサ２の取り付け誤差のため、ＥＣＵ１１が認識する上死点と真の上死点とにオフセットが生じ、その値はエンジン個体ごとにばらつく。本発明では、このオフセットを補正するために筒内圧力波形から上死点オフセット値TDC Offsetを求める。

このとき、筒内圧力のサンプリング信号に５度間隔のクランク角度センサ２の出力をそのまま採用すると、上死点オフセット値TDC Offsetの算出には分解能が粗い。そこで、内部サンプリング信号生成部３は、クランク角度センサ２から入力される信号を逓倍して、例えば、１度間隔の内部サンプリング信号を生成する。サンプリング部５は、筒内圧力センサ４が検出する筒内圧力を、図３に示されるように、内部サンプリング信号ごとにサンプリングして計測筒内圧力時系列（黒丸）を蓄える。

次に、筒内圧力のピークを求めるが、エンジン２０２が燃料噴射が行われる燃焼運転中であると筒内圧力のピークから上死点を求めるのは困難であるから、車両減速時のようにエンジン２０２に燃料噴射が行われない非燃焼運転時の筒内圧力、あるいは工場出荷前に行われるモータリング試験時の筒内圧力から上死点を求めるようにする。また、計測筒内圧力時系列よりもさらに分解能を高めるために、計測筒内圧力時系列のデータから近似式（近似的なアナログ波形）を算出し、この近似式から刻み間隔が狭いデータを得るようにする。すなわち、疑似筒内圧力時系列生成部６は、非燃焼運転時における計測筒内圧力時系列のクランク角度センサ２による上死点の前後±１０度間に含まれるデータから０．１度刻みの疑似筒内圧力時系列を生成する。図３では、疑似筒内圧力時系列は刻み間隔が微小であるので実線で示してある。ピーク抽出部７は、この疑似筒内圧力時系列からピーク位置を抽出する（二重丸）。これが真の上死点である。

上死点オフセット値算出部８は、クランク角度センサ２が検出する上死点位置（二重四角）と疑似筒内圧力時系列のピーク位置との差分を上死点オフセット値TDC Offsetとして算出する。図４に示すように、上死点オフセットはエンジン回転速度に依存するので、適宜なエンジン回転速度ごとに上死点オフセット値TDC Offsetを求めてマップに記憶するのが好ましい。工場出荷前のモータリング試験時であれば任意にエンジン回転速度を与えることができるので、マップの作成に好適である。

この後は、上死点算出部９は、燃焼運転時にクランク角度センサ２が検出する上死点位置と上死点オフセット値TDC Offsetとから真の上死点位置を算出することになる。

また、筒内圧力算出部１０は、燃焼運転時にサンプリング部５が蓄えた計測筒内圧力時系列と上死点オフセット値TDC Offsetとから真の筒内圧力時系列を算出することになる。ここで、真の筒内圧力時系列とは、真の上死点を基準として所定クランク角度間隔で得られる時系列であって、筒内圧力センサ４が常時検出しているアナログ信号に対して最も近いデジタル値を有するものを言う。燃焼運転時にサンプリング部５が蓄えた計測筒内圧力時系列を図３の黒丸で示した計測筒内圧力時系列とすると、求めたい真の筒内圧力時系列は白丸で示される。

計測筒内圧力時系列から真の筒内圧力時系列を算出する詳しい手順を以下に説明する。

計測筒内圧力時系列のインデックスをｎ（ｎは整数）とする。計測筒内圧力時系列のデータP(n)は、式１のように表される。

真の筒内圧力時系列のデータをP0(n)とすると、P(n)及びP0(n)の１刻みの変化量は、式２、式３のように表される。

また、計測筒内圧力時系列を真値に補正するための補正量をPoffset(n)とする。

内部サンプリングの分解能をAngleとする。

分解能Angleと上死点オフセット値TDC Offsetとの大きさの関係（条件１、条件２）により、異なる演算式を用いる。

条件１：0≦TDC Offset＜Angleの場合、計測筒内圧力時系列の隣り合う２つのデータから線形近似により真の筒内圧力時系列を算出する。図３の点P(-2)と点P(-1)は底辺Angle、高さdP(-1)の直角三角形を形成している。一方、点P(-2)と点P(-2)から上死点オフセット値TDC Offsetだけクランク角度がずれた位置にある真値の点P0(-2)は底辺TDC Offset、高さPoffset(-2)との直角三角形を形成するので、式４が成り立つ。

よって、一般のインデックスｎに対して式５が成り立つ。

よって、式６が成り立ち、

最終的に、インデックスｎにおける真の筒内圧力は、式７で表される。

条件２：Angle≦TDC Offset＜Angle×2の場合、線形近似の原理は条件１の場合と同じであるが、直角三角形の比例式を適用するために、式４の上死点オフセット値TDC Offsetから１サンプルのクランク角度である分解能Angleを１回引いた値を用いる。すなわち、

よって、一般のインデックスｎに対して式９が成り立つ。

よって、式１０が成り立ち、

最終的に、インデックスｎにおける真の筒内圧力は、左辺を１サンプル戻すことによって式１１で表される。

このようにして真の筒内圧力時系列を算出することができる。なお、TDC Offset＜0の場合、Angle×2≦TDC Offsetの場合についても演算式は定義できる。実際的には、上死点オフセットは±１度程度であるので、±２度以上は考えなくともよい。

真の筒内圧力時系列を元に、平均有効圧力、着火時期、最大圧力、熱発生率など燃焼状態を表す数量を演算することができる。熱発生率を計算するには筒内圧力の微分値が必要となるが、前述の計算中に微分値が得られているので、利用することができる。真の筒内圧力時系列を用いることで、燃焼状態が正確に推定できるようになるため、気筒ごとの燃焼状態のばらつきに対して燃料噴射量を正しく補正することができるようになり、排気ガス性能や燃焼音性能を好適に維持することに寄与する。

以上説明したように、本発明の筒内圧力波形処理装置１によれば、クランク角度センサ２からの入力信号を逓倍して内部サンプリング信号を生成するようにしたので、クランク角度センサ２の分解能よりも高い分解能でサンプリングができる。よって、安価なクランク角度センサ２が使用でき、しかも、量産用のＥＣＵ１１の処理能力で処理が可能である。一方、ピーク位置（真の上死点）を抽出するに際しては、計測筒内圧力時系列よりも狭い間隔の疑似筒内圧力時系列を生成してこの疑似筒内圧力時系列からピーク位置を抽出するようにしたので、計測筒内圧力時系列のデータをそのまま使うよりも高い精度（分解能）でピーク位置が抽出できる。このピーク位置とクランク角度センサ２が検出する上死点位置との差分を上死点オフセット値TDC Offsetとして算出しておくことにより、その後、燃焼運転時にはクランク角度センサ２が検出する上死点位置と上死点オフセット値TDC Offsetとから真の上死点位置を算出することが可能となる。また、計測筒内圧力時系列と上死点オフセット値TDC Offsetとから真の筒内圧力時系列を算出することが可能となる。これにより、燃焼状態が正確に推定できるようになる。

本実施形態では、計測筒内圧力時系列の隣り合う２つのデータから線形近似により真の筒内圧力時系列を算出したが、２つ以上のデータから２次近似などの高次近似を行ってもよい。

１筒内圧力波形処理装置
２クランク角度センサ
３内部サンプリング信号生成部
４筒内圧力センサ
５サンプリング部
６疑似筒内圧力時系列生成部
７ピーク抽出部
８上死点オフセット値算出部
９上死点算出部
１０筒内圧力算出部

Claims

クランク角度センサから一定のクランク角度間隔で入力される信号を逓倍して内部サンプリング信号を生成する内部サンプリング信号生成部と、
筒内圧力センサが検出する筒内圧力を内部サンプリング信号ごとにサンプリングして計測筒内圧力時系列を蓄えるサンプリング部と、
非燃焼運転時における前記計測筒内圧力時系列から前記内部サンプリング信号間隔よりも狭い間隔の疑似筒内圧力時系列を生成する疑似筒内圧力時系列生成部と、
前記疑似筒内圧力時系列からピーク位置を抽出するピーク抽出部と、
前記クランク角度センサが検出する上死点位置と前記疑似筒内圧力時系列のピーク位置との差分を上死点オフセット値として算出し、この上死点オフセット値の算出をエンジン回転速度ごとに行うと共に、エンジン回転速度ごとに算出された上死点オフセット値を記憶する上死点オフセット値算出部と、
燃焼運転時に前記クランク角度センサが検出する上死点位置とエンジン回転速度ごとに記憶された前記上死点オフセット値とからエンジン回転速度ごとの真の上死点位置を算出する上死点算出部とを備えたことを特徴とする筒内圧力波形処理装置。
前記計測筒内圧力時系列とエンジン回転速度ごとに記憶された前記上死点オフセット値とからエンジン回転速度ごとの真の筒内圧力時系列を算出する筒内圧力算出部を備えたことを特徴とする請求項１記載の筒内圧力波形処理装置。