JPH0215010B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の利用分野） 本発明は内燃機関の燃焼室内圧力をその成分毎
に検出、識別する方法に関するものであり、内燃
機関の燃焼状態を最適に制御するための基礎とな
る方法に関するものである。

（従来技術） 内燃機関の燃焼状態を制御する技術としては、
例えば次のようなものが開示されている。

まず特公昭49−17973号は、燃焼室内圧力をイ
オン化電流に交換し、このイオン化電流のピーク
値を検出し、点火時期を調整して、上死点に対す
る最高燃焼圧力点の角度を最適に制御することに
より、内燃機関の出力を最大にしようとするもの
である。

また特公昭49−29209号は、内燃機関の燃焼室
内圧力の尖頭値発生時期を電気的に検出する装置
とクランク軸の回転角基準位置を電気的に検出す
る装置とを備え、燃焼室内圧力の尖頭値の発生位
置をクランク軸の回転角基準位置信号を用いて検
知し、これを最適位置にするように点火位置を変
えるものである。

また特開昭53−56429号は、燃焼室内圧力が予
め決められた或る値以上にならないように点火時
期を制御して排気ガス中の有害成分を低減しよう
としたものである。

また特開昭52−77935号は、燃焼ガスの最高圧
力と予め決められた基準設定圧力との差を検知し
て、最高圧力を基準設定圧力に適合させるように
制御する点火時期制御方法を開示している。

また特開昭52−151432号は、点火時期を進める
に従つて燃焼室内圧力の最大値Pmaxとモータリ
ング圧力Pmとの比Pmax／Pmが大きくなる傾向
があり、MBT（minimum spark advancc for
best torque）では、回転速度、吸入負圧、空燃
比等のパラメータに拘らずPmax／Pmが殆ど一
定である性質を利用して、点火時期がPmax／
Pmが一定となるように制御するものであり、従
来の内燃機関の試験結果に基づいて平均的点火時
期をプログラムした方式の点火時期制御装置と比
較して、大気状態、内燃機関特性のばらつき等の
補正を必要としない点で優れている。

また特開昭53−60431号は、上記の特開昭52−
151432と同様に、Pmax／Pmが所定値となるよ
うに制御する点火時期制御装置において、ノツキ
ングが生じた時点では点火時期を遅らせるように
制御するものである。

また特開昭52−39038号は、燃費率を最小にす
る最適な点火時期は、単に内燃機関の回転速度と
吸気圧の二つのパラメータのみでプログラムする
ことは難しく、かつ内燃機関や点火装置等のばら
つきを考慮すると、点火時期を周期的に変化させ
ることによつてトルク変位を発生させ、点火時期
の変化する位相とトルクの位相関係を判別してこ
の両者の位相関係によつて点火時期を制御するこ
とにより、最小燃費率で内燃機関を動作させよう
とするものである。

しかし上記のごとき従来技術においては、下記
のごとき問題があつた。

すなわち、燃焼において、モータリング圧力
（ピストンの上下によつて燃焼室内の気体が圧縮
されて生じる圧力）と燃焼圧力（混合気の燃焼に
よつて生じる圧力）とを識別していない。そのた
め圧力波形の値が変化したとき、圧力センサの指
示値が変化したのか現象そのものが変つたのかを
明確に区別できない。

また、特開昭54−47013号には、ピストンの圧
縮工程における筒内圧を記憶し、その記憶された
筒内圧を爆発上死点に対して折り返すことによつ
て爆発工程における見かけの圧縮成分を求め、爆
発工程中の筒内圧と上記の見かけの圧縮成分との
差を求めることにより、有効燃焼波形を求める装
置が記憶されている。

しかし、上記の装置においては、その詳細な説
明にも記載されているように、単に爆発上死点前
の波形をそのまま折り返したものを“見かけの圧
縮成分”として用いるように構成しているので、
爆発上死点前の部分に含まれる燃焼成分が圧縮成
分に含まれてしまう。したがつて圧縮成分と燃焼
成分とを正確に分離することが出来ない、という
問題が有り、そのため燃焼成分や発生熱量を正確
に検出することが出来ず、内燃機関における燃焼
の正確な解析や制御は困難であつた。

（発明の目的） 本発明は上記の問題を解決するためになされた
ものであり、モータリング圧力と燃焼圧力とを明
確に識別、分離する方法、および燃焼圧力の最大
値や熱発生量を正確に検出する方法を提供するこ
とを目的とする。

（発明の構成） 上記の目的を達成するため、本発明において
は、特許請求の範囲に記載するように構成してい
る。

すなわち、特許請求の範囲第１項記載の発明に
おいては、燃焼室内圧力を検出し、燃焼室内圧力
波形が双峰性の波形となるまで点火時期を遅らせ
ることによつて上死点前ではモータリング圧力だ
けの波形にすると共に各クランク角毎にその値を
記憶し、上死点後はそれまでのモータリング圧力
の波形を上死点に対して対称に再現することによ
つて全範囲におけるモータリング圧力波形を求め
て記憶し、次にそのモータリング圧力の値を各ク
ランク角毎に燃焼室内圧力から引算することによ
つて燃焼圧力を求めるように構成している。

また、特許請求の範囲第２項記載の発明におい
ては、上記のようにして求めた燃焼圧力の波形か
ら各クランク角毎の値を遂次比較して最大の値を
求めるか又は微分値がゼロになる点の値を求める
ことにより、燃焼圧力の最大値及びその発生位置
を検出するように構成している。

また、特許請求の範囲第３項記載の発明におい
ては、上記のようにして求めた燃焼圧力の値を積
分することによつて熱発生量を検出するように構
成している。

（作用） モータリング圧力は、ピストンの上下によつて
燃焼室内の気体が圧縮されて生じる圧力である。
したがつて上死点前と後とではその波形は対称に
なり、かつ吸入空気量（負荷）と回転速度が一定
であれば燃焼状態が変化してもモータリング圧力
は変化しない。

本発明は上記の現象に着目し、点火時期を遅ら
せることによつて上死点前ではモータリング圧力
波形のみとなるように制御し、その状態で求めた
上死点前の波形を対称に再現することによつて全
範囲におけるモータリング圧力を正確に求め、そ
の値を燃焼室内圧力から引算することによつて燃
焼圧力を正確に求めるようにしたものである。

特許請求の範囲第１項においては、まず、燃焼
室内圧力を検出し、燃焼室内圧力波形が双峰性の
波形となるまで点火時期を遅らせる。このように
双峰性の波形となつた状態では、後記第３図Ｃ，
Ｄに示すごとく、上死点TDC前では燃焼が開始
されないので、燃焼室内圧力は完全にモータリン
グ圧力のみである。したがつてこの状態における
燃焼室内圧力を記憶し、その値を上死点に対して
対称に再現することにより、全範囲における正確
なモータリング圧力を求めることが出来る。次
に、そのようにして求めたモータリング圧力を燃
焼室内圧力から引算することにより、正確な燃焼
圧力を求めることが出来る。

また、前記のように、モータリング圧力は吸入
空気量と回転速度が同一であれば、燃焼状態すな
わち点火時期が変化しても変わらないから、上記
のようにして求めたモータリング圧力を用いて、
同一の吸入空気量、回転速度における異なつた点
火時期の運転状態における燃焼圧力を正確に検出
することが出来る。したがつて種々の吸入空気
量、回転速度におけるモータリング圧力を求めて
記憶することにより、種々の運転状態における燃
焼圧力を正確に検出することが可能となり、内燃
機関の燃焼状態の解析および制御を精密に行なう
ことが出来る。

また、上記のようにして正確な燃焼圧力を求め
ることが出来るので、特許請求の範囲第２項にお
いては、上記のようにして求めた燃焼圧力の波形
から、各クランク角毎の値を遂次比較してその最
大値を求めるか又は微分値がゼロの点を求めるこ
とにより、燃焼圧力の最大値及びその発生位置を
容易に検出することが出来る。

また、熱発生量は燃焼圧力の積分値に比例する
から、特許請求の範囲第３項においては、上記の
ようにして求めた正確な燃焼圧力の値を積分する
ことによつて正確な熱発生量を容易に検出するこ
とが出来る。

（発明の実施例） 以下実施例に基づいて本発明を詳細に説明す
る。

第１図は本発明を適用する内燃機関制御装置の
一例図である。

第１図において、１は内燃機関本体（４気筒の
場合を示す）、２は吸気管、３は排気管である。

吸気管２のスロツトル弁４の上流部と下流部と
は、バイパス管６で連結されており、かつバイパ
ス管６の途中には空気量調節器７が設けられてい
る。この空気量調節器７は、例えば電磁弁又は電
磁弁と負圧弁との組合せで構成されており、流量
制御信号Ｓ８に応じてバイパス管６を流れる吸入
空気流量を調節する。

また吸入空気量センサ（例えばエアフローメー
タ）８は、内燃機関に吸入される空気量に対応し
た吸入空気量信号Ｓ１を出力する。

またスロツトル弁４と連動するスロツトルセン
サ５は、スロツトル弁４の開度に対応したスロツ
トル信号Ｓ２を出力する。

また各気筒の吸気ポートには、燃料噴射弁９が
設けられており、噴射信号Ｓ９に対応した量の燃
料を噴射する。

一方、排気管３には、排気センサ１０が設けら
れている。

この排気センサ１０は、排気ガス中の酸素濃度
に対応して動作し、混合気がリツチ（空燃比が理
論空燃比より小）のときは高レベル、リーン（空
燃比が論理空燃比より大）のときは低レベルの空
燃比信号Ｓ７を出力する。

また排気管３と吸気管２とは、排気還流管１１
を介して接続されている。

この排気還流管１１の途中には、還流量調節器
１２が設けられており、還流量制御信号Ｓ１０に
応じて排気還流量を制御する。この還流量調節器
１２の構造は、前記の空気量調節器７と同様であ
る。

また点火信号Ｓ１１によつて制御される点火装
置１３は、各気筒毎に設けられている点火プラグ
（図示せず）に高電圧を与えて点火動作を行なう。

またクランク角センサ１４は、内燃機関のクラ
ンク軸が単位角度（たとえば1゜）回転する毎に単
位角信号Ｓ４を出力し、基準角度（４気筒機関で
は180゜）回転する毎に基準角信号Ｓ５を出力す
る。

また水温センサ１５は、内燃機関の冷却水温度
に対応した温度度信号Ｓ３を出力する。

また圧力センサ１６は、燃焼室内圧力に対応し
た圧力信号Ｓ６を出力する。この圧力センサとし
ては、例えば第２図に示すごとく、点火プラグ１
８と燃焼室壁１９との間にワツシヤの形で圧設さ
れた圧電素子２０を用いることが出来る。

また演算装置１７は、例えばCPU、RAM、
ROM、Ｉ／Ｏ、Ａ／Ｄ変換器等からなるマイク
ロコンピユータで構成されており、上記の各セン
サからの信号Ｓ１〜Ｓ７を入力し、各種の演算を
行なつて上記の各制御信号Ｓ８〜Ｓ１１を出力す
る。

本発明の場合には、主として点火時期の制御に
関係の深い燃焼室内圧力の検出と識別の方法に関
するものであり、単位角信号Ｓ４、基準信号Ｓ
５、圧力信号Ｓ６、点火信号Ｓ１１が関係する。

次にモータリング圧力波形と燃焼圧力波形とを
識別する方法について説明する。

実際の内燃機関に取付けた圧力センサ１６によ
つて検出される燃焼室内圧力波形は、第３図に示
すようになる。第３図において、Ａ〜Ｄは点火時
期を変えたことによる燃焼室内圧力波形の変化を
示し、ＡからＤへゆくに従つて次第に点火時期が
遅くなつた状態を示す。またＡ１，Ｂ１，Ｃ１，
Ｄ１はそれぞれ全体の燃焼室内圧力波形を示し、
Ａ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２はそれぞれモータリング
圧力波形を示す。また斜線部分が燃焼圧力であ
る。

第３図から判るように、燃焼室内圧力波形はモ
ータリング圧力と燃焼圧力とが合成されたもので
あるから、このままではモータリング圧力と燃焼
圧力とを分離して求めることは出来ない。しかし
モータリング圧力波形は、その性質上、上死点
TDCに対して対称であるから、ＣまたはＤのご
とき波形にすれば、モータリング圧力と燃焼圧力
とを分離することが可能となる。

すなわちＣやＤの波形においては、波形の立上
り時点（不死点に相当）T0から上死点TDCまで
は、モータリング圧力のみであるからこの波形を
記憶し、上死点TDC以降はその記憶した値を上
死点TDCに対して対称に演算すれば、燃焼圧力
を除いたモータリング圧力のみが得られ、その値
を全体の燃焼室内圧力から引算すれば、燃焼圧力
が求められる。

以下、第３図のＢとＣの波形および第４図のフ
ローチヤートに基づいて説明する。

第４図において、まずP1で、点火時期を上死
点TDCより十分前の位置たとえば第３図ＢのT2
に設定し、Ｂのごとき単縫性の燃焼室内圧力波形
になるようにする。

次にP2で点火時期の所定遅角量αを、α＝α
＋１にする。これは点火時期を前回の値より一定
量だけ遅らせることを意味している。

次にP3で、点火時期をT2＋αに設定する。P2
とP3とによつて点火時期が一回の演算毎に一定
量ずつ遅れることになる。

次にP4で、各クランク角度毎に燃焼室内圧力
を測定して記憶する。なおこの測定は同一運転状
態においての値を求める。

次にP5で、前回の測定値（クランク角度がT0
に近い方）Pbと今回の測定値Paとを比較する。

Pa≧Pbであれば、圧力が上昇していること
（圧力波形の極大値前）を示すから、P4へ戻つて
上記の手順を繰返す。Pa＜Pbになれば、少なく
とも一つの極大値があつたことを示すから、P6
へ行く。

P6では、Paの方が引き続き小か否か、すなわ
ち連続して下降したか否かを判定する。

P6でYESの場合は、第３図Ｂのごとき単峰性
の特性であることを示すから、再びP2へ戻つて
上記の手順を繰返す。

P6でNOの場合は、P7へゆき、小から大への変
化があつたか否か、すなわち極小値があつたか否
かを判別する。

P7でNOの場合は前記と同様にP2に戻つて繰返
す。

P7でYESの場合は、第３図のＣの波形のごと
く、双峰性の特性であることを示すからP8へゆ
く。

P8では、極小値の生じたクランク角度が上死
点TDC以後か否かを判別する。

P8でNOの場合すなわち上死点TDC以前に極
小値が生じた場合は、通常ありえない異常状態で
あるかなP11へゆき、そのような状態の生じた回
数を判定する。

P11で所定回数（例えば１〜２回）以下の場合
は、測定誤差と考えられるので、P2へ戻る。

所定回数以上連続した場合は、異常燃焼が生じ
たか、または圧力センサ１６等に異常が発生した
ことが考えられるので、P12へいつて異常警報を
行なう。

一方P8でYESの場合は、第３図のＣの波形で
あるから、P9、P10で燃焼圧力およびモータリン
グ圧力の演算を行なう。

以下第３図のＣの波形を用いて上記の演算を説
明する。

第３図のＣにおいて、T0を０、上死点TDCを
θ、T1を2θとすれば、モータリング圧力波形は
上死点TDCに対して対称であるから、上死点
TDCから等距離にあるクランク角T3とT4のモー
タリング圧力Pmは等しく、T4の圧力Pm（T4）
は、Pm（T4）＝Pmf（2θ−T4）となる。ただし
Pmfは０〜θまでのクランク角度に対する圧力の
関数を示す。

したがつて上死点TDCからT1までの各クラン
ク角について上記と同様の計算を行なえば、すべ
てのクランク角度におけるモータリング圧力（Ｃ
２の波形）を検出することが出来る。

そしてその求めたモータリング圧力を、各クラ
ンク角度毎に燃焼室内圧力（Ｃ１の波形）から引
算すれば、燃焼圧力Pnを求めることが出来る。

なお同一運転状態（負荷および回転速度が同
一）では、モータリング圧力波形は同一であるか
ら、一度モータリング圧力を求めたのちは点火時
期を正常な進角値まで進め、その時の燃焼室内圧
力から上記のモータリング圧力を引算することに
よつて、必要な燃焼圧力を求めることが出来る。

第４図においてはP9でPm(k)（ｋは各クランク
角度を示す変数）を求め、P10でPn(k)を求めてい
る。なおＰ(K)は各クランク角度における燃焼室内
圧力を示す。

次に燃焼圧力の最高値、燃焼継続時間、熱発生
量を測定する方法を説明する。

第５図は、燃焼室内圧力波形の一例図であり、
Ｅはモータリング圧力と燃焼圧力との合成された
燃焼室内圧力波形、Ｆは燃焼圧力波形、ＧはＦの
積分値を示す。またＥにおいて、破線Ｅ１および
実線Ｅ２はそれぞれ点火時期を変化させた場合の
燃焼室内圧力波形を示し、Ｅ３はモータリング圧
力波形である。またＦおよびＧにおいて、破線の
波形はＥ１に、実線の波形はＥ２にそれぞれ対応
応する。

第５図において、まずＥに示すごとき燃焼室内
圧力波形から前記のごとき方法によつてモータリ
ング圧力Ｅ３を分離し、それをＥ１およびＥ２か
らそれぞれ引算することにより、Ｆに示すごとき
燃焼圧力波形を得る。

次にＦの波形から、周知の遂次比較法（隣合つ
た値を順次比較してゆくことによつてピークを見
付ける方法）や微分値がゼロになる位置を検出す
ることによつて燃焼圧力の最大値F1、F2および
その発生位置TDC、T8を求める。

またＦの波形が０以上になつたクランク角度
T5およびT6から０に戻つたクランク角度T7およ
びT9までの時間τ1およびτ2が燃焼継続時間であ
る。クランク角度を時間に変換するには、その時
の内燃機関の回転速度から単位クランク角度（例
えば1゜）回転する時間を計算し、その値にT5〜
T7またはT6〜T9のクランク角度巾を乗算すれば
よい。

またＧの波形は、Ｆの波形を積分したものであ
り、その最大値G1、G2はそれぞれ熱発生量を示
す。したがつてT7またはT9におけるＧの値を求
めれば、それぞれの熱発生量を得ることが出来
る。

上記の燃焼圧力の最大値、燃焼継続時間、熱発
生量は、同一の運転状態であつても、EGR量、
空燃比、点火時期等を変えることによつて変化
し、その値によつてNOxの排出量、発生トルク、
燃費率等が大幅に変化する。したがつて上記の燃
焼圧力の最大値等を正確に知ることによつて燃焼
状態を適確に制御することが可能になる。

（発明の効果） 以上説明したごとく本発明によれば、モータリ
ング圧力波形が上死点前と上死点後とで対称形に
なること、およびモータリング圧力は吸入空気量
と回転速度が同一であれば、燃焼状態すなわち点
火時期が発生しても変わらないことに着目し、燃
焼室内圧力波形が双峰性の波形となるまで点火時
期を遅らせることによつて上死点前では正確にモ
ータリング圧力だけの波形とし、上死点後はそれ
までの波形を対称に再現することによつてモータ
リング圧力の正確な波形を求め、次に、その波形
を全体の燃焼室内圧力波形から引算することによ
つて燃焼圧力を求めるように構成しているので、
モータリング圧力と燃焼圧力を正確に分離して検
出することが出来る。また、そのようにして求め
た燃焼圧力から、内燃機関の燃焼状態に重要な関
係をもつ燃焼圧力の最大値、燃焼継続時間、熱発
生量等を正確に求めることが出来る、という優れ
た効果が得られる。したがつて本発明の方法を用
いることにより、内燃機関の燃焼状態の解析およ
び内燃機関の制御を従来より精密かつ有効に行な
うことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用する内燃機関制御装置の
一例図、第２図は燃焼室内圧力を検出する圧力セ
ンサの一例図、第３図は燃焼室内圧力波形の一例
図、第４図は本発明の演算を示すフローチヤート
の一実施例図、第５図は本発明を説明するための
燃焼室内圧力波形の一例図である。 符号の説明、１……内燃機関本体、２……吸気
管、３……排気管、４……スロツトル弁、５……
スロツトルセンサ、６……バイパス管、７……空
気量調節器、８……吸入空気量センサ、９……燃
料噴射弁、１０……排気センサ、１１……排気還
流管、１２……還流量調節器、１３……点火装
置、１４……クランク角センサ、１５……水温セ
ンサ、１６……圧力センサ、１７……演算装置、
１８……点火プラグ、１９……燃焼室壁、２０…
…圧電素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃焼室内圧力を検出し、燃焼室内圧力波形が
   双峰性の波形となるまで点火時期を遅らせること
   によつて上死点前ではモータリング圧力だけの波
   形にすると共に各クランク角毎にその値を記憶
   し、上死点後はそれまでのモータリング圧力の波
   形を上死点に対して対称に再現することによつて
   全範囲におけるモータリング圧力波形を求めて記
   憶し、次にそのモータリング圧力の値を各クラン
   ク角毎に燃焼室内圧力から引算することによつて
   燃焼圧力を求めることを特徴とする内燃機関の燃
   焼室内圧力識別方法。 ２ 上記のようにして求めた燃焼圧力の波形から
   各クランク角毎の値を遂次比較して最大の値を求
   めるか又は微分値がゼロになる点の値を求めるこ
   とにより、燃焼圧力の最大値及びその発生位置を
   検出することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の内燃機関の燃焼室内圧力識別方法。 ３ 上記のようにして求めた燃焼圧力の値を積分
   することによつて熱発生量を検出することを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の内燃機関の燃
   焼室内圧力識別方法。