JPS6340268B2 - - 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測定するセ
ンサの出力を較正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
オン化電流に変換し、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、点火時期を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化を発生させ、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、燃焼
室内圧力を検出する圧力センサの出力を内燃機関
の動作中に較正することが出来なかつたので、燃
焼室内における物理現象が変化したのか、圧力セ
ンサの温度変化、経時変化による出力変化かを明
確に識別することが出来ず、従つて点火時期制御
等において十分な性能を得ることが出来ないとい
う問題があつた。

すなわち、自動車の内燃機関に設置されている
圧力センサが動作する環境は、−40℃程度の極寒
から100℃を越えるような高温まであり、圧力セ
ンサは当然この温度範囲で正常に作動する必要が
ある。

しかし圧電素子や歪ゲージで構成される圧力セ
ンサは、高温での温度変化が大きく、これを精密
に温度補償することは非常に困難であつた。

また自動車のように長年月にわたつて使用され
る装置においては、当然、経時変化が生じること
が予想されるが、その分を正確かつ自動的に補正
することは極めて困難であつた。

（発明の目的） 本発明は上記の目的を解決するためになされた
ものであり、燃焼室内圧力を検出する圧力センサ
の出力を内燃機関の実働中に自動的に較正する方
法を提供することを目的とする。

（発明の概要） 上記の目的を達成するため本発明においては、
一定の運転状態における燃焼室内圧力が吸入空気
量に比例すること、および吸入空気の温度変化範
囲は圧力センサの温度変化範囲より大幅に狭く温
度補償が容易であることに着目し、吸入空気量ま
たはそれと同等な運転変数（吸入負圧、スロツト
ル弁開度等）を用いて圧力センサの値を較正する
ように構成している。

また本発明においては、モータリング圧力の値
は、運転状態に関わらず吸入空気量に比例するこ
とに着目し、燃焼室内圧力からモータリング圧力
を分離し、その値と吸入空気量とに基づいて圧力
センサの値を較正するように構成している。

（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
燃比が理論空燃比より大）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
帯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。

次に本発明の圧力センサの出力の較正方法につ
いて説明する。

なおこの較正演算は、各種入力信号Ｓ１〜Ｓ７
に応じて演算装置１７で行なう。

第３図は吸入空気量（吸入空気量信号Ｓ１から
求める）と圧力センサ１６の出力との関係図であ
る。

第３図において、L1は燃焼案内圧力（圧力セ
ンサ１６の出力そのもの）、L2はモータリング圧
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）を示し、L1とL2との差が
燃焼圧力（混合気の燃焼によつて生じる圧力）で
ある。

なお燃焼室内圧力の値はピストンの位置すなわ
ちクランク角および点火時期、EGR量、空燃比
に応じて変化するから、第３図のL1の特性は、
特定のクランク角および特定の運転状態における
値を示す。

第３図から判るように、一定のクランク角およ
び一定の運転状態における吸入空気量と燃焼室内
圧力とは比例関係にあるので、吸入空気量を用い
て燃焼室内圧力の較正を行なうことが出来る。

また後述のごとく、モータリング圧力は運転状
態に関わらず吸入空気量と比例関係にあるから、
燃焼室内圧力からモータリング圧力を分離するこ
とが出来れば、上記の較正を確実かつ容易に行な
うことが出来る。

なお吸入空気の温度の上限はせいぜい50℃程度
であり、その温度変化範囲は圧力センサの温度変
化範囲に比べて大幅に狭く、吸入空気量の温度補
正は容易である。

次に第４図は、本発明の演算を示すフローチヤ
ートの一実施例図である。

第４図において、まずP1で点火時期、EGR量
および空燃比が一定の状態で、特定のクランク角
における燃焼室内圧力を測定して記憶する。

なお後述するごとく、燃焼室内圧力から求めた
モータリング圧力を用いるときは、点火時期等は
一定にする必要はなく、特定のクランク角での値
であればよい。

次にP2で、吸入空気量を測定して記憶する。

なおこれは吸入空気量に限らずそれと同等の運
転変数、たとえば吸入負圧、スロツトル弁開度等
でもよい。

次にP3で、吸入空気温度を測定（吸気管２に
設けた温度センサたとえばサーミスタ等で測定）
し、それによつてP2で求めた吸入空気量を基準
温度の値に補正する。

次にP4で、前記第３図に示すごとき比例関係
を利用して、その形式の内燃機関について予め実
験で求めておいた基準値と、P1、P3で求めた燃
焼室内圧力と吸入空気量の対応関係とを比較す
る。

P4で燃焼室内圧力の値が過大側に偏つていた
場合にはP5へ行き、基準値との偏差分だけ圧力
センサの値を減少させる補正をする。

P4で燃焼室内圧力の値が過小側に偏つていた
場合にはP6へ行き、基準他との偏差分だけ圧力
センサの値を増加させる補正をする。

上記のごとき演算によつて圧力センサの出力を
内燃機関の作動中に自動的に較正することが出来
る。

上記の演算においては、燃焼室内圧力そのもの
を用いて較正する方法を示したが、第４図のフロ
ーチヤートにおいて、燃焼室内圧力の代りにモー
タリング圧力を用いてもよい。

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５図に示
すようになる。第５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５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（下死点に相当）TO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５図のＢとＣの波形および第６図のフ
ローチヤートに基づいて説明する。

第６図において、まずP7で、点火時期を上死
点TDCより十分前の位置たとえば第５図ＢのT2
に設定し、Ｂのごとき単峰性の燃焼室内圧力波形
になるようにする。

次にP8で、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P9で、点火時期をT2＋αに設定する。P8
とP9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P10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P11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、P8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、P12
へ行く。

P12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。

P12でYESの場合は、第５図Ｂのごとき単峰性
の特性であることを示すから、再びP8へ戻つて
上記の手順を繰返す。

P12でNOの場合は、P13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。

P13でNOの場合は前記と同様にP8へ戻つて繰
返す。

P13でYESの場合は、第５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P14へゆ
く。

P14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。

P14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
あるからP17へゆき、そのような状態の生じた回
数を判定する。

P17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、P8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、P18へいつて異常警報を
行なう。

一方P14でYESの場合は、第５図のＣの波形で
あるから、P15、P16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５図のＣの波形を用いて上記の演算を説
明する。

第５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
（C2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（吸入空気量が同一）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６図においては、P15でPm(k)（ｋは各クラ
ンク角度を示す変数）を求め、P16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。

上記のようにして分離したモータリング圧力は
点火時期等の他の運転変数に関わらず吸入空気量
に比例するから、その値に基づいて第４図の補正
演算を行なえば運転状態を特定する必要がなくな
り、容易に正確な較正を行うことが出来る。

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７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
する。

第７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、周知の逐次比較法（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HDC、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。

上記の燃焼室内圧力およびそれから求められる
燃焼圧力の最大値、燃焼継続時間、熱発生量は、
同一の運転状態でつあても、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。したがつて前記の方法で圧力
センサの出力を較正して燃焼圧力の最大値等を正
確に知ることにより、温度変化や経時変化に影響
されることなく、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、吸入空気
量またはそれと同等な運転変数（吸入負圧、スロ
ツトル弁開度等）を用いて圧力センサの値を較正
するように構成したことにより、温度変化や経時
変化に影響されることなく常に燃焼室内圧力の値
を正確に検出することが出来、またその値から、
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。したがつて本発明の方法で上
記の諸量を求めることにより、内燃機関の燃焼状
態を適切かつ有効に制御することが可能になると
いう効果がある。

【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図は吸入空気量と燃焼室内圧
力との関係図、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図は燃焼室内圧力
波形の一例図、第６図はモータリング圧力と燃焼
圧力とを分離する演算のフローチヤート、第７図
は燃焼圧力の測定を説明するための波形図であ
る。 符号の説明、１……内燃機関本体、２……吸気
管、３……排気管、４……スロトツル弁、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 点火時期、排気還流量、および空燃比を一定
   にした状態で所定のクランク角における燃焼室内
   圧力を測定、記憶し、また上記クランク角におけ
   る吸入空気量に対応した値を測定、記憶し、両者
   の対応関係を予め定めた基準の対応関係と比較
   し、基準からの誤差分だけ燃焼室内圧力の測定値
   を補正してやることによつて燃焼室内圧力を検出
   するセンサの出力を較正することを特徴とする題
   記方法。 ２ 所定クランク角における燃焼室内圧力を測
   定、記憶し、その値からモータリング圧力を分離
   し、また上記クランク角における吸入空気量に対
   応した値を測定、記憶し、上記モータリング圧力
   と吸入空気量との対応関係を予め定めた基準の対
   応関係と比較し、基準からの誤差分だけモータリ
   ング圧力の測定値を補正してやることによつて燃
   焼室内圧力を検出するセンサの出力を較正するこ
   とを特徴とする題記方法。