JP6079581B2

JP6079581B2 - 筒内圧検出装置

Info

Publication number: JP6079581B2
Application number: JP2013241951A
Authority: JP
Inventors: 紘晶溝口
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2033-11-22
Also published as: JP2015101989A

Description

この発明は筒内圧検出装置に関する。

従来、内燃機関の各気筒に設置された筒内圧センサの出力信号に応じて燃焼室の圧力（筒内圧）を検出するシステムが知られている。筒内圧センサは、筒内圧に応じた出力電圧を発する圧電素子を有する。圧電素子からの出力電圧は増幅回路により増幅され、増幅回路から出力された信号がＥＣＵのＡ/Ｄ変換回路に入力されて、筒内圧が検出される。

例えば、特許文献１には、複数のゲインを有する増幅回路を備える筒内圧センサが開示されている。この筒内圧センサは、Ａ/Ｄ変換回路に入力される増幅回路からの出力電圧がＡ/Ｄ変換回路の入力レンジ幅以下となるように、増幅回路のゲインを切り替えることができる構成となっている。

特開２０１３−０４０７７７号公報特開２００５−００２９０９号公報

異なる２つのゲインのいずれかにより圧電素子からの出力電圧が増幅される筒内圧センサにおいて、検出される筒内圧が低い場合には、どちらのゲインで増幅された信号であっても、Ａ/Ｄ変換回路の入力レンジ幅内に収まる。しかし筒内圧が高くなると、大きいゲインで増幅された信号はＡ／Ｄ変換回路の入力レンジ幅内に収まらないことが考えられる。このような場合、大きなゲインを用いると筒内圧の一部しか検出することができない。

例えば、燃焼時の筒内圧のような高い圧力から圧縮圧等の小さい圧力まで幅広く筒内圧を検出するため、小さいゲインを用いることが考えられる。しかし、ハーネスの電気ノイズ等の非線形誤差は、増幅回路からの出力電圧（即ち、筒内圧センサの出力電圧）に対して同じ電圧値で重畳する。具体的に例えば、電気ノイズが１０ｍＶである場合、筒内圧センサのゲインが４ＭＰａ/Ｖであれば筒内圧検出値への影響は４０ｋＰａとなるが、筒内圧センサのゲインが１ＭＰａ/Ｖであれば筒内圧検出値への影響は１０ｋＰａとなる。即ち、非線形誤差の筒内圧検出値への影響は、増幅回路のゲインが小さい場合の方が大きく現れる。

このような非線形誤差の影響は、検出される筒内圧がある程度高い場合には相対的にごく小さなものであるため無視できる値と考えられる。しかし筒内圧が低い場合には、誤差の影響は、検出される筒内圧に対して十分に大きな割合を占めるものとなる。特に、小さいゲインを用いた場合、筒内圧センサの出力電圧に対し、非線形誤差による電圧が占める割合が大きくなるため、筒内圧検出値の誤差が大きくなる。このため非線形誤差の影響は、例えば低圧時の筒内圧を用いて算出される絶対圧補正量等の誤差となって現れ、最終的に算出される筒内圧の絶対値にも誤差が生じることとなる。このような誤差は、低圧の筒内圧を用いた制御や検出（筒内空気量の算出やＡ/Ｆ検出等）、判定（失火判定等）等の精度向上の観点からは、好ましいものではない。

本発明は上記課題を解決することを目的とし、筒内圧を幅広く検出しつつ、低圧側の筒内圧の検出精度の低下を抑制し、高い精度で絶対値補正量を算出できるように改良した筒内圧検出装置を提供するものである。

本発明は、上記の目的を達成するため、筒内圧検出装置であって、
内燃機関に設置された筒内圧センサの圧力検出部からの信号を、第１ゲインで増幅する第１回路と、
前記圧力検出部からの信号を、第１ゲインより小さい第２ゲインで増幅する第２回路と、
前記第１回路から出力される信号を、第１Ａ/Ｄ変換回路を介して取得して、筒内圧を検出する第１検出手段と、
前記第２回路から出力される信号を、第２Ａ/Ｄ変換回路を介して取得して、筒内圧を検出する第２検出手段と、
前記内燃機関の断熱圧縮行程区間における筒内圧に対応する前記第１回路からの信号が、前記第１Ａ/Ｄ変換回路の入力レンジに収まる場合、前記第１検出手段において検出された筒内圧に応じて、前記筒内圧センサの絶対圧補正量を算出する手段と、
前記第１検出手段又は前記第２検出手段において検出された筒内圧を、前記絶対圧補正量に応じて補正する補正手段と、
を備える。

本発明によれば、断熱圧縮行程区間の筒内圧に対する信号が、第１ゲインを用いてもＡ/Ｄ変換回路の入力レンジに収まる場合には、第１ゲインを用いた回路から出力される信号を用いて筒内圧が検出され、この筒内圧に基づいて絶対圧補正量が算出される。従って、可能な範囲で、大きなゲインで増幅された信号を用いて絶対圧補正量を算出することができるため、絶対圧補正の精度を高く確保することができる。

本発明の実施の形態のシステムの全体構成について説明するための模式図である。本発明の実施の形態において、筒内圧センサがオフセットドリフトした場合のセンサ出力の例を示す図である。図２の破線Ａで囲まれた部分を拡大して表した模式図である。図４は、本発明の実施の形態において、第１増幅回路の出力の一部が出力レンジ外となる場合について説明するための模式図である。本発明の実施の形態において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。本発明の実施の形態における筒内圧検出装置の他の構成について説明するための模式図である。本発明の実施の形態の他の例において、オフセットドリフト補正のための回路の時定数を異なるものとした場合の第１出力について説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

実施の形態．
図１は本発明の実施の形態のシステムの全体構成について説明するための模式図である。図１のシステムは、筒内圧センサ１０とＥＣＵ１２とを有する。筒内圧センサ１０は、圧電素子からなる圧力検出部２０と第１増幅回路２２（第１回路）と第２増幅回路２４（第２回路）とを有している。第１増幅回路２２のゲイン（第１ゲイン）は、第２増幅回路２４のゲイン（第２ゲイン）より大きく設定されている。ＥＣＵ１２は、第１増幅回路２２にハーネス等を介して接続された第１Ａ/Ｄ変換回路２６と、第２増幅回路にハーネス等を介して接続された第２Ａ/Ｄ変換回路２８とを有している。

本実施の形態において筒内圧検出装置は、圧力検出部２０と第１及び第２増幅回路２２、２４と、第１及び第２Ａ/Ｄ変換回路２６、２８とを含んで構成される。圧力検出部２０は燃焼室の圧力（筒内圧）に接し、筒内圧に応じた電圧を出力する。圧力検出部２０からの信号（出力電圧）は第１増幅回路２２又は第２増幅回路２４において増幅され、筒内圧センサ１０の出力として出力される。第１増幅回路２２からの出力（以下「第１出力」とも称する）は、ＥＣＵ１２の第１Ａ/Ｄ変換回路２６に入力され、第２増幅回路２４からの出力（以下「第２出力」とも称する）は、第２Ａ/Ｄ変換回路２８に入力され、筒内圧が検出される。

ところで、筒内圧センサ１０は相対圧に応じた出力を発する。このためＥＣＵ１２は、Ａ/Ｄ変換回路２６からの出力（以下「第１筒内圧検出値」とも称する）又は第２Ａ/Ｄ変換回路２８からの出力（以下「第２筒内圧検出値」とも称する）を絶対圧補正し、算出された絶対圧を筒内圧として各種制御に用いる。この絶対圧補正で用いられる絶対圧補正量の算出に際しては、同一サイクルの圧縮行程に属する任意の２つのクランク角で検出された筒内圧検出値が用いられる。

ところで断熱圧縮行程区間における筒内圧は、燃焼時の筒内圧に対して相対的に小さい。従って、特に、小さな第２ゲインで増幅された第２筒内圧検出値に対しては、ハーネス等の非線形誤差の影響は大きく現れ、第２筒内圧検出値に生じるずれも大きくなる。筒内圧検出値のずれは、絶対圧補正量の誤差につながり、算出される絶対圧にもずれが生じることとなる。

これに対し、本実施の形態では、例えば燃焼時の筒内圧が高く、その筒内圧に対応する第１出力が、第１増幅回路２２の出力レンジ（即ち、第１Ａ/Ｄ変換回路２６の入力レンジ）に収まらない場合であっても、断熱圧縮行程区間内の、絶対圧補正量算出のための筒内圧検出値を取得する区間（以下「補正区間」とも称する）における筒内圧に対応する第１出力が出力レンジ内に収まる場合には、絶対圧補正量の算出には、第１筒内圧検出値を用いる。

また、筒内圧センサ１０はオフセットドリフトする場合がある。図２は筒内圧センサ１０がオフセットドリフトした場合のセンサ出力の例を示すものであり、（ａ）は第２出力、（ｂ）は第１出力を表している。図２に示されるように、筒内圧センサ１０がオフセットドリフトした場合でも、ゲインの小さな第２ゲイン側の第２出力は、その出力レンジ内に収まっている。

しかし断熱圧縮行程区間でも、ゲインの大きな第１ゲイン側の第１出力は、その一部において出力レンジ外となる場合がある。即ち、図２の（ｂ）に示されるように、低圧側で筒内圧センサ１０の第１出力は、第１増幅回路２２の出力レンジ外となり、出力張付を起こす。

図３は、図２の破線Ａで囲まれた部分を拡大して表した模式図である。図３において、実線Ｂは、筒内圧センサ１０がドリフトにより出力張付を起こしている場合の第１出力を表し、破線Ｃは筒内圧に応じた本来の出力を表している。図３に示されるように、本実施の形態では、筒内圧センサ１０の出力が出力張付を起こしている場合（図３の実線Ｂ参照）、絶対圧補正量算出用の補正区間のうち、第１出力がその出力レンジに収まる範囲にある区間を新たな補正区間とする。絶対圧補正量算出には、この新たな補正区間内の任意のクランク角で検出された第１出力に応じた第１筒内圧検出値を用いる。つまり、補正区間のうち、第１出力を取得できた範囲が新たな補正区間となる。図３に示される例の場合、クランク角ＢＴＤＣ８０〜ＢＴＤＣ４０が予め補正区間として設定されている。また、クランク角ＢＴＤＣ６０からＡＴＤＣ１０までの区間が、第１出力を取得できた範囲である。従って、この場合の新たな補正区間は、ＢＴＤＣ６０〜ＢＴＤＣ４０までとされる。このようにすることで、補正区間において第１出力の一部が出力レンジ外となる場合であっても、大きなゲインで増幅された出力（第１出力）に応じて、絶対圧補正量を算出することができる。

図４は、本発明の実施の形態において、第１出力の一部が出力レンジ外となる場合について説明するための模式図である。図４の例では、第１出力は、その一部において、出力レンジの下限値又は上限値を超えている。このような場合にも補正区間のうち、第１出力が第１増幅回路２２の出力レンジに収まる範囲を新たな補正区間（図４の破線Ｄで囲まれた部分）とし、新たな補正区間における第１筒内圧検出値を絶対圧補正量の算出に利用する。

また、上記のように第１出力の一部が出力レンジ外にある場合、求められた絶対圧補正量により、第２筒内圧検出値を補正して、絶対圧が算出される。

図５は本発明の実施の形態においてＥＣＵ１２が実行する制御のルーチンについて説明するための図である。図５のルーチンにおいては、まず、Ｓ１０２において第１出力が第１増幅回路２２の出力レンジ内となるか否かが判別される。ステップＳ１０２において、第１出力が出力レンジ内であることが認められると、Ｓ１０４において、第１筒内圧検出値に応じて絶対圧補正量が算出される。その後、ステップＳ１０６に進み、第１筒内圧検出値に対し、ステップＳ１０４において算出された絶対圧補正量が加算され、絶対圧が算出される。

ステップＳ１０２において第１出力が出力レンジ内であることが認められない場合、次に、ステップＳ１０８において、第１出力のうち、少なくとも補正区間の全域で、第１出力が正しく取得できるか否かが判別される。ステップＳ１０８において補正区間全域で第１出力の取得が認められた場合、ステップＳ１１０において補正区間内における第１筒内圧検出値を用いて絶対圧補正量が算出される。その後、ステップＳ１１２に進み、第２筒内圧検出値に対して、ステップＳ１１０で算出された絶対圧補正量が加算され、絶対圧が算出される。

ステップＳ１０８において、補正区間の全域での第１出力の取得が認められない場合、次に、ステップＳ１１４において、少なくとも補正区間の一部において、第１出力が取得されたか否かが判別される。ステップＳ１１４において、補正区間の一部において、第１出力が取得されたことが認められた場合、次に、ステップＳ１１６に進み、補正区間が縮小される。ここで、補正区間は、予め設定されていた補正区間のうち、第１出力が正しく検出できた区間とされる。

その後、ステップＳ１１０に進み、上記同様に、得られた補正区間中の第１出力に応じた第１筒内圧検出値を用いて絶対圧補正量が算出される。次に、ステップＳ１１２に進み、ステップＳ１１０で算出された絶対圧補正量が第２筒内圧検出値に加算され、絶対圧が検出される。

ステップＳ１１４において、補正区間の一部においても、第１出力が正しく取得できたことが認められない場合、ステップＳ１１８において第２筒内圧検出値に応じて絶対圧補正量が検出される。この場合、ステップＳ１２０に進み、絶対圧補正量が第２筒内圧検出値に加算され、絶対圧が算出される。

以上説明したように、本実施の形態によれば、大きなゲイン側からの第１出力が、出力レンジ外にある場合にも、断熱圧縮行程区間における第１出力の少なくとも一部が出力レンジ内である場合には、その出力を利用して絶対圧補正量が算出される。従って電気ノイズの影響等を小さく抑え、絶対圧補正量を求めることができる。従って、絶対圧の検出精度を向上させることができる。

なお、実施の形態では、筒内圧センサ１０側に２つの増幅回路を設置し、２出力に分けることで非線形誤差の影響を低減される場合について説明した。しかし、本発明における筒内圧検出装置はこの構成に限られるものではない。図６は本発明の実施の形態の筒内圧検出装置の他の構成例について説明するための図である。図６の筒内圧センサ５０は、１の増幅回路５６を有する。また、ＥＣＵ５２は、増幅回路５８と、第１Ａ/Ｄ変換回路６０及び第２Ａ/Ｄ変換回路６２とを有している。第２Ａ/Ｄ変換回路６２は、ハーネス等を介して筒内圧センサ５０の増幅回路５６に接続されている。また、増幅回路５８は、ハーネス等を介して、筒内圧センサ５０の増幅回路５６に接続されている。増幅回路５８は、第１Ａ/Ｄ変換回路６０に接続されている。

非線形誤差は、電気ノイズだけでなく、例えば、ＥＣＵ５２でのＡＤ誤差等による場合にもある。図１に説明した筒内圧センサ１０からの出力をハーネス２出力とする構成は、コストアップの要因となる場合がある。このため、筒内圧センサ５０からの出力を１出力とし、ＥＣＵ５２側で分岐して、ＥＣＵ５２側に増幅回路を設置することによっても、絶対圧への誤差の影響を低減することができる。

また、本実施の形態では、絶対圧補正量を算出する場合の例について説明した。しかし、本発明は、これに限られるものではなく、圧縮圧から筒内空気量を推定するような場合など、筒内圧の全区間のデータが必要なく、圧縮行程などの低圧部のデータが必要な場合にも、本発明の第１出力を活用する手法を適用することができる。

また、第１出力を用いて確実に絶対圧補正を算出するための手法として、オフセットドリフト補正のための回路等の時定数を、第１ゲイン側と、第２ゲイン側とで異なるものとする構成としてもよい。図７は本発明の実施の形態の他の例において、時定数を異なるものとした場合の第１出力について説明するための図である。図７において（ａ）は時定数が大きい場合、（ｂ）は、時定数を第２ゲイン側に比べて短いものとした場合を表している。

図７（ｂ）に示されるように、時定数を小さくすることで、第１出力を基準電圧近傍で出力されるようにすることができる。これにより第１出力が出力レンジ外となるのを、ある程度回避することができる。

なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１０筒内圧センサ
１２ＥＣＵ
２０圧力検出部
２２第１増幅回路
２４第２増幅回路
２６第１Ａ/Ｄ変換回路
２８第２Ａ/Ｄ変換回路
５０筒内圧センサ
５６増幅回路
５８増幅回路
６０第１Ａ/Ｄ変換回路
６２第２Ａ/Ｄ変換回路

Claims

内燃機関に設置された筒内圧センサの圧力検出部からの信号を、第１ゲインで増幅する第１回路と、
前記圧力検出部からの信号を、第１ゲインより小さい第２ゲインで増幅する第２回路と、
前記第１回路から出力される信号を、第１Ａ/Ｄ変換回路を介して取得して、筒内圧を検出する第１検出手段と、
前記第２回路から出力される信号を、第２Ａ/Ｄ変換回路を介して取得して、筒内圧を検出する第２検出手段と、
前記内燃機関の断熱圧縮行程区間における筒内圧に対応する前記第１回路からの信号が、前記第１Ａ/Ｄ変換回路の入力レンジに収まる場合、前記第１検出手段において検出された筒内圧に応じて、前記筒内圧センサの絶対圧補正量を算出する手段と、
前記第１検出手段又は前記第２検出手段において検出された筒内圧を、前記絶対圧補正量に応じて補正する補正手段と、
を備えることを特徴とする筒内圧検出装置。