JPH0658337U - 燃焼圧センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 エンジン回転数の変化に影響されることな
く、燃焼圧を正確に高い応答性をもって検出する。 【構成】 燃焼圧に応じた電流信号ｉを出力する圧電体
１９と、圧電体１９からの電流信号ｉを電圧信号Ｖに変
換するＩ／Ｖ変換器２２と、Ｉ／Ｖ変換器２２からＡ／
Ｄ変換器２３を介して出力された電圧信号Ｖのうち基準
電圧Ｖ0 以上の部分を積分する積分回路２４と、積分回
路２４からの積分信号Ｓと最大燃焼圧とを対応づけて出
力信号Ｖｐを出力する演算回路２５とから構成した。こ
れにより、エンジン回転数の影響を受けない圧電体１９
からの電流信号ｉに基づいて、燃焼圧が検出される。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、例えば自動車用エンジンの燃焼圧を検出するのに用いて好適な燃焼 圧センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】

従来技術による燃焼圧センサを図４ないし図７に示す。

【０００３】 図において、１はチタン酸鉛等の圧電材料から形成され、例えば点火プラグの 近傍に位置してエンジン本体のシリンダヘッド（いずれも図示せず）に取付けら れた圧電体を示し、該圧電体１には後述のオペアンプ２に接続された一側電極１ Ａと、エンジン本体を介してアースされた他側電極１Ｂとが設けられている。

【０００４】 そして、前記圧電体１は図５に示す如く、エンジン本体の燃焼圧（圧力）Ｐを 受圧すると、その内部に燃焼圧Ｐによる応力変化に応じた電荷を発生させること により、図５中にセンサ波形として示す如く、燃焼圧Ｐに対応した電流信号ｉを オペアンプ２に出力するものである。

【０００５】 ２は圧電体１の出力側に設けられたオペアンプを示し、該オペアンプ２の出力 側と反転入力（マイナス入力）側との間には、時定数調整用の抵抗３とコンデン サ４とが接続され、その非反転入力（プラス入力）側はエンジン本体を介してア ースされている。そして、該オペアンプ２は、抵抗３の抵抗値Ｒとコンデンサ４ の静電容量Ｃとから定まる所定の時定数τ（τ＝ＣＲ）によって圧電体１から出 力された電流信号ｉを積分し、図５中に出力波形として示す如く、燃焼圧検出信 号たる電圧信号Ｖに変換して燃料噴射制御装置（図示せず）等に出力するもので ある。

【０００６】 従来技術による燃焼圧センサは、上述の如き構成を有するもので、エンジンが 始動して燃焼室内に燃焼圧Ｐが生じると、圧電体１はシリンダヘッドを介してこ の燃焼圧Ｐを受圧し、燃焼圧Ｐに応じた電流信号ｉを出力する。そして、この電 流信号ｉはオペアンプ２によって電圧信号Ｖに変換され、燃料噴射制御装置等に 出力される。

【０００７】

【考案が解決しようとする課題】

ところで、上述した従来技術による燃焼圧センサでは、圧電体１からの電流信 号ｉをオペアンプ２等で積分することにより、エンジン本体の燃焼圧波形の全体 を電圧信号Ｖの波形として再現している。しかし、オペアンプ２等からなる積分 回路の時定数τは抵抗３の抵抗値Ｒとコンデンサ４の静電容量Ｃとによって固定 的に定められるから、エンジン回転数が変化した場合は、電圧信号Ｖの出力レベ ルや出力波形の形状等も変化してしまい、燃焼圧波形を正確に再現することがで きず、燃焼圧の検出精度や信頼性等が大幅に低下するという問題がある。

【０００８】 即ち、図５に示す如く、所定のエンジン回転数（周期Ｔ）での燃焼圧Ｐを正確 に検出すべくオペアンプ２の時定数τを設定した場合に、図６に示す如く、エン ジン回転数が短い周期ＴＨの高回転（ＴＨ＜Ｔ）に移行すると、この周期ＴＨに 比較して時定数τが長すぎるため（τ》ＴＨ）、出力レベルが大幅に低下しつつ 波形が潰れてしまうという問題がある。一方、図７に示す如く、エンジン回転数 が長い周期ＴＬ（ＴＬ＞Ｔ）の低回転に移行すると、この周期ＴＬに対して時定 数τが短すぎるため（τ《ＴＬ）、実質的な積分が行なわれず、単に圧電体１の センサ波形に追従するという問題がある。

【０００９】 このため、上述した従来技術によるものでは、オペアンプ２等で構成されるア ナログ式積分回路の時定数τを最適値に設定するのが困難で、エンジン回転数の 変動に応じて検出精度が大幅に低下してしまい、信頼性等が低いという問題があ る。

【００１０】 一方、従来技術による燃焼圧センサは、圧電体１からの電流信号ｉをオペアン プ２等で積分することにより燃焼圧波形の全体を正確に再現し、燃焼圧Ｐの微妙 な変化を測定して燃料噴射量の制御等を行なうようになっている。

【００１１】 しかし、実際のエンジン制御では、燃焼圧波形の一部、例えば最大値等が検出 できれば、失火判別等を容易に行なえるため、波形の全体形状までは必ずしも必 要としない。

【００１２】 従って、従来技術によるものでは、実際のエンジン制御には寄与しない燃焼圧 波形の裾の部分まで再現する分だけ、波形変換、波形解析に長時間を要し、燃焼 圧センサ全体の応答性が大幅に低下するばかりか、燃焼圧センサからの出力信号 を利用する燃料噴射制御装置側でも波形全体を記憶するために大量のメモリを必 要とし、システム全体の構造が複雑化して、いわゆるコストパフォーマンスが悪 化するという問題がある。

【００１３】 本考案は上述した従来技術による問題に鑑みなされたもので、エンジン回転数 の変化に影響されることなく燃焼圧を正確に高い応答性をもって検出できるよう にした燃焼圧センサを提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】

上述した課題を解決するために、本考案が採用する構成は、エンジン本体に設 けられ、燃焼圧に応じた電流信号を出力する圧電体と、該圧電体からの電流信号 を電圧信号に変換する電流−電圧変換手段と、該電流−電圧変換手段からの電圧 信号のうち所定値以上の電圧信号を積分する信号積分手段と、該信号積分手段か らの積分信号に基づき燃焼圧の最大値を演算する演算手段とからなる。

【００１５】

【作用】

エンジン本体が始動して、圧電体が燃焼圧に応じた電流信号を出力すると、こ の電流信号は電流−電圧変換手段によって電圧信号に変換され、信号積分手段に 出力される。そして、該信号積分手段がこの電圧信号のうち所定値以上の電圧信 号を積分すると、演算手段は信号積分手段から出力された積分信号に基づいて、 燃焼圧の最大値を検出する。

【００１６】

【実施例】

以下、本考案の実施例を図１ないし図３に基づいて説明する。

【００１７】 図中、１１は後述のＩ／Ｖ変換器２２および演算回路２５等と共に燃焼圧セン サを構成するセンサ本体を示し、該センサ本体１１は、大径筒部１２Ａおよび小 径筒部１２Ｂから段付筒状に形成されたケーシング本体１２と、該ケーシング本 体１２の上端側を施蓋する上カバー１３等とから大略構成され、該ケーシング本 体１２の小径筒部１２Ｂ下端側には、燃焼圧Ｐに応じて変位する薄肉円板状のダ イヤフラム１４が一体的に設けられている。そして、該センサ本体１１は、ダイ ヤフラム１４がエンジン本体の燃焼室内（図示せず）に臨むようにしてシリンダ ヘッド１５に取付けられている。

【００１８】 １６はケーシング本体１２の小径筒部１２Ｂ内に位置して軸方向に変位可能に 設けられた受圧ロッドを示し、該受圧ロッド１６は、その下端側がダイヤフラム １４の上面側に当接し、その上端側は絶縁性材料からなる下側プレート１７等を 介して後述の圧電体１９に当接している。そして、該受圧ロッド１６は、燃焼圧 Ｐによってダイヤフラム１４が軸方向に撓むと、ケーシング本体１２内を軸方向 に変位し、このダイヤフラム１４の変位を圧電体１９に伝達すると共に、燃焼室 内の高温が圧電体１９に直接伝わるのを防止するものである。

【００１９】 １８は受圧ロッド１６と対向してケーシング本体１２の大径筒部１２Ａ内に設 けられたコンタクトプレート、１９は該コンタクトプレート１８の外周側に位置 して受圧ロッド１６の上側に設けられ、チタン酸鉛等の圧電材料から円筒状に形 成された圧電体をそれぞれ示し、該圧電体１９の上，下面には上側電極１９Ａ， 下側電極１９Ｂが形成されている。また、該圧電体１９の上側電極１９Ａは導電 性材料からなる上側プレート２０，ケーシング本体１２等を介してアースされ、 下側電極１９Ｂはコンタクトプレート１８等を介してＩ／Ｖ変換器２２に接続さ れている。

【００２０】 そして、前記圧電体１９は、ダイヤフラム１４が撓んで受圧ロッド１６が変位 し、該受圧ロッド１６によって押圧されると、この押圧力（応力）に応じた電荷 を発生し、図３中にセンサ波形として示す如く、この電荷に応じた電流信号ｉを 検出信号としてＩ／Ｖ変換器２２に出力するものである。なお、図３中の波形は 圧電体１９のプラス側をコンタクトプレート１８側、即ち下側に配設した場合の 波形であり、圧電体１９のマイナス側を下側に配設して極性を逆向きにすれば、 図３中の波形は逆転する。

【００２１】 ２１はケーシング本体１２の大径筒部１２Ａ内に螺着された止めねじを示し、 該止めねじ２１は上側プレート２０を介して圧電体１９を所定の初期荷重で押圧 すると共に、該圧電体１９等をケーシング本体１２内で固定している。

【００２２】 図２において、２２はセンサ本体１１の外部に設けられた電流−電圧変換手段 としての電流−電圧変換器（以下、「Ｉ／Ｖ変換器２２」という。）を示し、該 Ｉ／Ｖ変換器２２は、オペアンプ２２Ａと、該オペアンプ２２Ａの反転入力側と 出力側との間に設けられた抵抗２２Ｂとから構成され、該オペアンプ２２Ａは、 その反転入力側が圧電体１９に接続され、その非反転入力側がアースされ、その 出力側は後述のＡ／Ｄ変換器２３に接続されている。そして、該Ｉ／Ｖ変換器２ ２は、圧電体１９から出力された電流信号ｉを電圧信号Ｖに変換し、Ａ／Ｄ変換 器２３に出力するものである。

【００２３】 なお、前記Ｉ／Ｖ変換器２２が行なう電圧変換は、圧電体１９からの電流信号 ｉを単純に電圧化するだけのものであって、従来技術で述べたオペアンプ２等の 如く、コンデンサ４等を用いてアナログ式に積分するものではない。従って、図 ３中に変換波形として示すＩ／Ｖ変換器２２からの電圧信号Ｖの波形は、圧電体 １９のセンサ波形を忠実に再現するだけである。

【００２４】 ２３はＩ／Ｖ変換器２２の出力側に設けられたアナログ−デジタル変換器（以 下「Ａ／Ｄ変換器２３」という。）、２４は該Ａ／Ｄ変換器２３の出力側に設け られた信号積分手段としての積分回路をそれぞれ示し、該積分回路２４には所定 値としての基準電圧Ｖ0 が予め設定されている。そして、該積分回路２４は、図 ３中の変換波形に示す如く、Ａ／Ｄ変換器２３によってデジタル信号に変換され た電圧信号Ｖのうち基準電圧Ｖ0 以上の電圧信号Ｖのみを選択的，部分的に積分 することにより、燃焼サイクル毎に、面積値たる積分信号Ｓ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 ，… （以下、全体として「積分信号Ｓ」という。）を演算回路２５に出力するもので ある。

【００２５】 ここで、前記積分回路２４は、例えばデジタル信号に変換された電圧信号Ｖが 基準電圧Ｖ0 に達したとき（上昇したとき）を燃焼サイクルの始まりとし、この 電圧信号Ｖが再度基準電圧Ｖ0 に達したとき（下降したとき）を燃焼サイクルの 終了とみなして、燃焼サイクル毎に積分信号Ｓを出力するものである。

【００２６】 ２５は積分回路２４の出力側に設けられた演算手段としての演算回路を示し、 該演算回路２５はＣＰＵ等の演算処理部、ＲＯＭ，ＲＡＭ等の記憶部（いずれも 図示せず）等から構成され、その記憶部に設けられた記憶エリア２５Ａには補正 係数αと下記数１に示す演算式とが記憶されている。

【００２７】 ここで、前記補正係数αは、圧電体１９の感度等によって定まる定数であり、 積分回路２４が検出した積分信号Ｓと燃焼圧Ｐの最大値たる最大燃焼圧ＰＨとを 関係づけるためのものである。

【００２８】 そして、前記演算回路２５は、積分回路２４から積分信号Ｓが入力されると、 この積分信号Ｓと補正係数αとから最大燃焼圧ＰＨを、

【００２９】

【数１】 ＰＨ＝Ｓ・α として求め、この最大燃焼圧ＰＨを図３中に出力波形として示す如く、直流電圧 信号たる出力信号Ｖｐとして、燃料噴射制御装置（図示せず）に出力するもので ある。従って、出力信号Ｖｐと最大燃焼圧ＰＨとは数２に示す如く、比例関係に ある。

【００３０】

【数２】 Ｖｐ∝ＰＨ

【００３１】 本実施例による燃焼圧センサは上述の如き構成を有するもので、次に、その作 動について図３を参照しつつ説明する。

【００３２】 まず、エンジン本体が始動して燃焼圧が生じると、ダイヤフラム１４はこの燃 焼圧Ｐを受圧して軸方向に撓み、このダイヤフラム１４の変位は受圧ロッド１６ を介して圧電体１９に伝達される。

【００３３】 そして、該圧電体１９がこの燃焼圧Ｐに応じた電流信号ｉをコンタクトプレー ト１８等を介してＩ／Ｖ変換器２２に出力すると、該Ｉ／Ｖ変換器２２はこの電 流信号ｉを電圧信号Ｖに単純変換して、Ａ／Ｄ変換器２３に出力する。

【００３４】 次に、積分回路２４は、Ａ／Ｄ変換器２３によってデジタル信号に変換された 電圧信号Ｖのうち基準電圧Ｖ0 以上の部分のみを積分することにより、図３中に 示す変換波形の頂上部分の面積値たる積分信号Ｓを求めて演算回路２５に出力す る。

【００３５】 最後に、演算回路２５は、積分回路２４から出力された積分信号Ｓを読込み、 前記数１に示す演算式に基づいて、この積分信号Ｓと燃焼圧Ｐの最大値たる最大 燃焼圧ＰＨとを関係づけた後、該最大燃焼圧ＰＨに対応した直流電圧信号たる出 力信号Ｖｐを外部の燃料噴射制御装置等に出力する。

【００３６】 ここで、前記演算回路２５は、積分回路２４から新たな積分信号Ｓが出力され るまでの間、前回の出力信号Ｖｐを保持するため、その出力波形は図３中に示す 如く、階段状となる。

【００３７】 かくして、本実施例によれば、燃焼圧Ｐに応じた電流信号ｉを出力する圧電体 １９と、該圧電体１９からの電流信号ｉを電圧信号Ｖに変換するＩ／Ｖ変換器２ ２と、該Ｉ／Ｖ変換器２２からＡ／Ｄ変換器２３を介して出力された電圧信号Ｖ のうち基準電圧Ｖ0 以上の部分を選択的に積分する積分回路２４と、該積分回路 ２４からの積分信号Ｓと最大燃焼圧ＰＨとを対応づけて出力信号Ｖｐを出力する 演算回路２５とにより構成したから、本質的に燃焼圧変化にのみ依存し、エンジ ン回転数変化の影響を受けない圧電体１９の特性を効果的に利用して、燃焼圧Ｐ を検出することができる。

【００３８】 この結果、従来技術で述べた如く、エンジン回転数の変動に拘らず、燃焼圧Ｐ を正確に検出することができ、検出精度を安定化して信頼性等を大幅に向上する ことができる。即ち、従来技術による燃焼圧センサの問題点として述べた如く、 燃焼圧検出信号がエンジン回転数に依存する原因は、積分回路の時定数τとエン ジン回転数との整合性がとれない点にあるが、本実施例では、オペアンプ２、コ ンデンサ４等からなるアナログ式の積分回路を廃して、Ａ／Ｄ変換器２３により デジタル信号に変換した電圧信号Ｖを積分回路２４でデジタル処理する構成とし たから、回転数依存性を解消して検出精度を大幅に向上できる。

【００３９】 また、燃焼圧波形の全体を再現せずに、図３中に変換波形として示す如く、電 圧信号Ｖの波形のうち頂上部分の波形のみを積分信号Ｓとして部分的に取出し、 この積分信号Ｓから最大燃焼圧ＰＨを間接的に求める構成としたから、実際のエ ンジン制御に必要な出力信号Ｖｐのみを効果的に得ることができ、燃焼圧検出に 要する処理時間を大幅に短縮して、燃焼圧センサの応答性を大幅に向上すること ができる。

【００４０】 さらに、Ａ／Ｄ変換された電圧信号Ｖの波形のうち基準電圧Ｖ0 以上の頂上部 分の面積に基づいて最大燃焼圧ＰＨを求める構成であるから、電圧信号Ｖに多少 のノイズが含まれた場合でも、このノイズが面積値たる積分信号Ｓに影響する度 合を低減することができ、使い勝手や信頼性等を向上できる。即ち、電圧信号Ｖ にいわゆるヒゲ状の鋭いノイズがのった場合でも、このノイズの面積は極めて小 さいから最大燃焼圧ＰＨの検出精度が低下するのを防止できる。

【００４１】 なお、前記実施例では、補正係数αと数１に示す関係式とに基づいて積分信号 Ｓと最大燃焼圧ＰＨとを関係づけるものとして述べたが、これに替えて、積分信 号Ｓと最大燃焼圧ＰＨとの相関関係を予めマップ化して演算回路２５の記憶エリ ア２５Ａ内に記憶しておき、このマップに基づいて燃焼圧を検出する構成として もよい。この場合には、積分信号Ｓと最大燃焼圧ＰＨとの波形形状上の相関関係 をもマップ化することにより、いわゆる１点近似法で燃焼圧波形を近似的に再現 することも可能である。

【００４２】 また、前記実施例では、ダイヤフラム１４の変位を受圧ロッド１６を介して圧 電体１９に伝達する形式の燃焼圧センサを例に挙げて説明したが、本考案はこれ に限らず、例えば圧電体を直接ダイヤフラムに設け、該ダイヤフラムの変位を直 接圧電体に伝達する方式の燃焼圧センサ等、他の燃焼圧センサにも用いることが できる。

【００４３】

【考案の効果】

以上詳述した通り、本考案によれば、圧電体からの電流信号を電流−電圧変換 手段によって電圧信号に変換し、この電圧信号のうち所定値以上の電圧信号のみ を信号積分手段によって部分的に積分することにより、演算手段は該信号積分手 段からの積分信号に基づいて燃焼圧の最大値を演算する構成としたから、エンジ ン回転数の変化に拘らず、燃焼圧の最大値を正確に検出することができ、検出精 度や信頼性を向上できる。

【００４４】 また、電流−電圧変換手段により変換された電圧信号のうち所定値以上の部分 のみを選択的に積分して用いる構成としたから、実際のエンジン制御に要求され る出力信号のみを効率的に得ることができ、燃焼圧検出の応答性を向上すること ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例による燃焼圧センサのセンサ本
体を示す縦断面図である。

【図２】燃焼圧センサの全体構成を示すブロック図であ
る。

【図３】燃焼圧波形、圧電体のセンサ波形、変換波形、
出力波形の関係を示す波形図である。

【図４】従来技術による燃焼圧センサの回路構成を示す
回路構成図である。

【図５】燃焼圧波形、圧電体のセンサ波形および燃焼圧
検出信号として出力される出力波形との相関関係を示す
波形図である。

【図６】エンジン回転数が高くなった場合を示す図５と
同様の波形図である。

【図７】エンジン回転数が低くなった場合を示す図５と
同様の波形図である。

【符号の説明】

１９ 圧電体 ２２ Ｉ／Ｖ変換回路（電流−電圧変換手段） ２４ 積分回路（信号積分手段） ２５ 演算回路（演算手段） Ｖ0 基準電圧（所定値）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 堺 祥一 群馬県伊勢崎市粕川町1671番地１ 日本電 子機器株式会社内 (72)考案者 大隈 重男 群馬県伊勢崎市粕川町1671番地１ 日本電 子機器株式会社内

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジン本体に設けられ、燃焼圧に応じ
   た電流信号を出力する圧電体と、該圧電体からの電流信
   号を電圧信号に変換する電流−電圧変換手段と、該電流
   −電圧変換手段からの電圧信号のうち所定値以上の電圧
   信号を積分する信号積分手段と、該信号積分手段からの
   積分信号に基づき燃焼圧の最大値を演算する演算手段と
   から構成してなる燃焼圧センサ。