JPH06100152B2

JPH06100152B2 - 内燃機関の燃焼状態検出装置

Info

Publication number: JPH06100152B2
Application number: JP8290886A
Authority: JP
Inventors: 佳久川村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1986-04-10
Filing date: 1986-04-10
Publication date: 1994-12-12
Anticipated expiration: 2009-12-12
Also published as: JPS62238433A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、内燃機関の燃焼状態検出装置に関する。

（従来の技術）内燃機関の性能を知る因子には様々あるが、その中に、
図示平均有効圧Piがあり、これを検出するようにした装
置が各種提案されている（たとえば特開昭59−49326号
公報参照。）。

これを説明すると、PiはPV線図の示す有効仕事を平均圧
力の形で示すものであり、次式で与えられる。

これは、熱力学において、膨張するガスが外部になす仕
事dLがシリンダの微少容積dVとそのときの筒内圧Ｐとの
積で与えられるので、これを１サイクルの積分区間（４
気筒機関ではクランク角で720゜の区間）にわたって積
分すると、外部仕事量が得られ、これを行程容積Vhで除したものである。

こうした装置で採用されている筒内圧センサは、圧力を
電圧に変換する圧電型のもの（たとえばピエゾ素子）で
あり、筒内圧センサでは燃焼圧力に応じた電荷Ｑを発生
し、この電荷Ｑがチャージアンプの帰還容積CfによりＶ
＝Q/Cfなる関係で電圧Ｖに変換され、この電圧Ｖがオペ
レーショナルアンプにて増幅出力され、筒内圧信号とな
る。

（発明が解決しようとする問題点）ところで、こうした装置では、１燃焼サイクルの全区間
にわたって積分することにしているため、チャージアン
プの出力信号が実際の筒内圧に比例しない信号を出力す
ることがあり、こうした区間では筒内圧信号が正確でな
くなり、これがPiの演算に影響して誤差を生じ、燃焼状
態を正確に把握できないという問題があった。

これを第12図のチャージアンプの基本的な回路図で説明
すると、チャージアンプは周波数フィルタとしての機能
を有し、低周波数のカットオフ周波数は筒内圧センサの
センサ容量Csと入力抵抗Riで決まり、高周波数のカット
オフ周波数はフィードバックコンデンサCfとフィードバ
ック抵抗Rfで決まる。このため、ノッキング信号のよう
な高周波振動を検出しようとすると、Ri,Rf,Cfを適切に
決めてやる必要があり、こうした制約からその出力波形
は第13図に示すように、多少微分的波形となることを避
けることができない。

こうした波形処理が行なわれると、１サイクルのうちに
は、実際には筒内圧が正の値を示し、これにより正の電
圧値に変換されるべきであるにも拘わらず、負の電圧値
に変換される区間が発生する。このため、こうした区間
まで前記仕事量Ｌを演算するための積分が実行される
と、負の仕事量として誤って加算されるため、実際のPi
よりも少なく演算されることにより、Piの検出精度を低
下させてしまうのである。こうした原因となる微分的特
性は、第12図に示すような簡単で安価な回路においては
避けられないのである。

この発明は、こうした従来例の問題点に着目してなされ
たもので、前記チャージアンプの微分的特性に基づいて
発生する、実際の筒内圧と比例しない区間が仕事量の積
分区間に入ることがないように、筒内圧が所定値以上と
なる区間のみを積分区間として限定するようにした燃焼
状態検出装置を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段）上記問題点を解決するために、この発明では、第１図に
示すように構成した。

このうち、従来例と同様の部分は手段１〜７であり、機
関のクランク角を検出するクランク角検出手段１と、こ
のクランク角信号に基づいて所定クランク角毎のシリン
ダの微少容積ΔＶを演算する微少容積演算手段２と、機
関の筒内圧に比例した電荷信号を出力する手段3A及びこ
の電荷信号を電圧信号に変換するチャージアンプ3Bとか
らなる筒内圧検出手段３と、前記検出された筒内圧Ｐと
微少容積ΔＶとの積ＰΔＶを所定の積分区間にわたって
積分する仕事量演算手段５と、この積分区間のシリンダ
容積を演算するシリンダ容積演算手段６と、前記積分値
である仕事量をこのシリンダ容積で除算する平均有効圧
演算手段７とから構成される。

そして、この発明では、前記検出された筒内圧信号とク
ランク角信号とに基づいて筒内圧Ｐが所定値P₀以上とな
るクランク角範囲又はシリンダ容積範囲を積分区間とし
て設定する積分区間設定手段８を新たに付加し、この積
分区間の信号を手段5,6に入力させることにより、この
限定された積分区間での仕事量Ｌとこの区間のシリンダ
容積Vsとから図示平均有効圧Piに近似する平均有効圧PP
iを求めるようにした。

（作用）この発明では、１燃焼サイクルの全区間にわたって積分
を実行するのではなく、筒内圧が所定値以上の積分区間
のみで実行される。

これは、チャージアンプの微分的特性から生じる誤差、
すなわち実際の筒内圧に比例しない信号が出力され、こ
れが仕事量に影響して生じる誤差を排除するためであ
り、この結果、仕事量を正確に演算することができるの
で、回転数を一定とした場合に、出力トルクが増加する
に比例して平均有効圧も上昇するという本来の特性が得
られる。

すなわち、この発明によれば、簡単で安価な回路として
構成されるチャージアンプを用いていても、実際の図示
平均有効圧に近似した値の検出を可能として、この信号
を用いる内燃機関制御の制御精度を高めることができ
る。

以下、実施例を用いて説明する。

（実施例）第２図はこの発明の燃焼状態検出装置を点火時期制御装
置に適用した第１実施例の機械的構成を表している。

同図は４気筒機関の例であり、各気筒には筒内圧に応じ
た電荷を発生する圧電変換型の筒内圧センサ11A〜11Dが
配され、これら電荷信号はチャージアンプ12A〜12Dにて
電圧信号に変換される。

ここに、チャージアンプは第４図に示すように、オペレ
ーショナルアンプOP₁、抵抗R₁,R₂、コンデンサC₁,ダイ
オードD₁,D₂からなる電荷−電圧変換回路にて電荷信号
を電圧信号に変換し、オペレーショナルアンプOP₂,抵抗
R₃〜R₈,ダイオードD₃からなる増幅回路にてこの電圧信
号を増幅して出力するものである。

なお、第３図（Ａ），第３図（Ｂ）はそれぞれ筒内圧セ
ンサのシリンダヘッドへの取り付け状態を説明する断面
図，筒内圧センサの平面図である。

また、クランク角センサ13は各気筒の圧縮上死点前所定
のクランク角（この例では60゜BTDCとする。）で立ち上
がる720゜信号S₂を出力すると共に、クランク角の１゜
毎に立ち上がる１゜信号S₃を出力する。

次に、コントロールユニット14はマルチプレクサ15と主
制御回路16とからなり、主制御回路16にて制御されるマ
ルチプレクサ15では、チャージアンプからの信号S₂₁〜S
₂₄を選択して出力する。主制御回路16は第１図の手段2,
5〜８の機能を有するもので、A/D変換器を内蔵し、主に
CPU17,ROM18,RAM19,不揮発メモリ（NVM）20,入出力イン
ターフェース（I/O）21からなるマイクロコンピュータ
から構成される。

主制御回路16は、マルチプレクサ15からの筒内圧信号S₂
n,クランク角信号S₂,S₃や他の運転状態検出センサ（た
とえば空気流量センサ、水温センサ、アクセルセンサ
等）からの入力信号に基づいて、運転状態に最適な点火
時期を決定し、この点火時期信号を点火装置22に出力す
ることにより点火時期を制御するのであるが、ここで
は、前記筒内圧信号とクランク角信号とに基づき、限定
された積分区間において平均有効圧を求めるようにした
点に特徴がある。

そこで、この主制御回路16にて実行される動作につき第
５図〜第７図の流れ図を参照しながら説明する。なお、
第５図，第６図の動作はそれぞれ720゜信号,1゜信号を
割り込み信号として実行されるもので、第５図の720゜
信号同期プログラムが優先する。

同図において、筒内圧信号を用いて図示平均有効圧を求
める動作は公知であり、これらの部分から説明する。

まず、ステップ31〜37は筒内圧信号S₂nをデジタル値に
変換（以下A/D変換」と称す。）する部分である。ここ
では、４気筒分の筒内圧信号をA/D変換し、かつこれを
各気筒に区別する必要がある。このため、１゜信号の入
力毎にカウンタ値を増加するカウンタ（以下「POSカウ
ンタ」と称す。）を用意して１サイクル間（クランク角
で720゜）を周期として動作させる（ステップ30,31）。
第８図にこのPOSカウンタ値を示すと、POSカウンタ値は
720゜信号の入力にて“0"にリセットされるので、最大7
19までカウントする。

次に、４気筒機関では各気筒の行程が180゜ずれている
ので、所定のクランク角位置（圧縮上死前60゜）を基準
位置と定め、180゜ずつを各気筒に割り振り、この基準
位置から１゜信号をカウントするカウンタ（以下「Ｃカ
ウンタ」と称す。）を用意すれば、このＣカウンタ値に
て各気筒でのクランク角位置が知れる。そこで、Ｃカウ
ンタはPOSカウンタ値が1,181,361,541となったときに、
“0"にリセットされ、最大179までのカウントする（ス
テップ32,34）。

また、気筒判別は720゜信号と点火順序（たとえば１−
３−４−２）を用いることにより容易に判別される。た
とえば、720゜信号を１番気筒に立ち上がるように設定
しておけば、180゜周期で1,3,4,2番気筒の順で訪れるの
で、POSカウンタ値から気筒判別を行い、判別した気筒
番号をレジスタ（NCYLレジスタ）にストアする（ステッ
プ32,33）。

こうして気筒判別が終了すると、この気筒判別信号を用
いて、前記A/D変換器のチャネルを選択し、判別された
気筒と一致する気筒の筒内圧信号をA/D変換する（ステ
ップ36,37）。

なお、フラグFLGはA/D変換を行うか否かを判別するフラ
グで、Ｃカウンタのリセットと同時に“0"にされ、“0"
のときA/D変換が行なわれる（ステップ34,35）。

そして、A/D変換された筒内圧Ｐは、Ｃカウンタ値に応
じ、Ｃカウンタアドレス（Ｃカウンタのカウンタ値に相
当する。）のレジスタにデータ値としてストアされる
（ステップ41,42）。

次に、この発明の特徴部分を説明すると、これは、ステ
ップ39,40,43〜45を新たに付加した点にあり、これらに
て実行される機能は第１図の手段８の機能に相当する。

すなわち、この発明では１燃焼サイクルの全区間を積分
区間とするのではなく、Ｐが所定値P₀以上となる区間に
限り、この限定された区間でだけ積分を実行するのであ
る。

このため、ＰがP₀以上であることを判別する必要があ
り、これは、運転条件（たとえば空気流量Qaと機関回転
数Ｎ）に応じて求められる基準値P₀（＝func（Qa,N））
との比較にて実行される（ステップ39）。なお、P₀はテ
ーブルを検索する手法により容易に求められる（ステッ
プ38）。

そして、Ｐ≧P₀となると、フラグFLAGADを“1"にする
（ステップ39,40）。ここに、FLAGADはＣカウンタアド
レスにＰをストアするか否かを判別するフラグであり、
Ｐが低下してP₀を下回るまでの間だけＣカウンタアドレ
スにストアされる（ステップ39,43,44）。すなわち、Ｐ
≧P₀である所定のクランク角区間におけるＰのみがＣカ
ウンタアドレスにストアされるのであり、Ｃカウンタア
ドレスには、ＰがP₀を下回るときのＣカウンタ値（以下
「CMAX」と称す。）までのデータ群がストアされる。

そして、後述する仕事量Ｌの積分演算のために、このデ
ータ群はＣカウンタ値に応じて読み出されるが、そのと
きに最大値であるCMAXが必要となるので、これをメモリ
にストアしている（ステップ45）。

次に、ステップ46〜53は前記データ群を用いて平均有効
圧を演算する部分である。これは、従来例でも実行され
ているところである。しかしながら、本発明では１燃焼
サイクルの全区間にわたるのではなく、Ｐ≧P₀の区間に
限る点が従来例と大きく相違する。このため、本発明で
求められる平均有効圧PPiは、１燃焼サイクルについて
求められる図示平均有効圧Piとは異なるが、これに近似
する値となるので、このPPiを以下「疑似平均有効圧」
と称す。

PPiは、Ｃカウンタ値として付与される“0"から“CMAX"
までの区間を積分区間として次式にて求められる（ステ
ップ46,50,51）。

ただし、同式（２）からもわかるように、PPiの演算に
はシリンダの刻々の微少容積ΔＶが必要となる。これは
クランク角位置に応じて予め定まる値であるので、テー
ブル検索の手法にて容易に求めることが可能である。こ
こでは、Ｃカウンタ値に応じてΔＶのテーブルを記憶さ
せており、このテーブルから求められる（ステップ4
7）。ΔＶは圧縮上死点前では負の値となり、圧縮上死
点後には正の値となる。そして、このΔＶと前記Ｐのデ
ータ群を用いてPPiを求めるのである（ステップ48〜5
2）。

なお、シリンダ容積Ｖをクランク角Θの関数Ｖ＝ｆ
（Θ）にて表し、下式にて求めてもよい。

最後に、求めたPPiを対応気筒のメモリ（以下「PPinメ
モリ」と称す。ここにｎは気筒番号１〜４である。）に
ストアする（ステップ53）。ただし、PPinメモリ値はPP
iの演算に先立って消去される（ステップ46）。なお、P
Piの演算に移って以降はA/D変換は不要のため、FLGを
“1"にしている（ステップ46）。

次に、この実施例による作用を第９図を参照しながら説
明すると、同図は従来例による平均有効圧Pi（破線で示
す。）と本発明による平均有効圧PPi（実線で示す。）
の計測結果を示している。なお、Pi,PPiは下式にて演算
した結果であり、ｋは規格化の定数である。

いわゆる図示平均有効圧は１燃焼サイクル全体について
積分演算を実行して求める必要がある。そして、機関回転数を一
定とすれば、図示平均有効圧にほぼ比例して出力トルク
が増加するはずである。

しかしながら、従来例では、１燃焼サイクル全体にわた
るものの、筒内圧センサに圧電素子（たとえばピエゾ素
子）を用い、第12図を基本的な回路とするチャージアン
プにて、この電荷信号を電圧信号に変換するようにして
いるので、このアンプに要求される周波数特性との関係
から出力信号が多少微分的な波形とならざるを得ず、実
際には正の圧力値であるにも拘わらず、負の圧力値とし
て出力される区間が生じることを前述した。

こうした不都合の生じる領域は高周波成分が多くなる運
転領域、すなわち筒内圧が大きくなる領域であり、この
領域においては、実際の仕事が正であるのに負の仕事と
して加算され、この結果、従来例においては、同図にも
示したように、出力トルクに比例するはずの図示平均有
効圧の特性から大きく外れたものとなっている。

これに対して、この発明では、チャージアンプによる微
分的特性から生じる不都合を積分区間を限定することに
より排除したのであり、この結果、出力トルクが増加す
る場合にはこれに比例して図示平均有効圧も上昇すると
いう本来の特性が得られている。

すなわち、この発明によれば、簡単で安価な回路として
構成されるチャージアンプを用いていても、実際の図示
平均有効圧に近似した値が十分得られるのであり、この
圧力信号を用いてたとえば、点火時期や空燃比等の機関
制御を行うのであれば、それだけ精度の良好な制御を実
行させることができ、機関制御の制御精度を高めること
ができるのである。

また、第10図は各気筒のチャージアンプ12A〜12D及びマ
ルチプレクサ15の出力波形であり、マルチプレクサ出力
信号S₂nにはA/D変換の実行される区間を表している。

ここに、マルチプレクサ15を用いたのは、気筒毎にA/D
変換器等を設けることなく信号処理を可能とするため、
すなわちコスト低減を図るために設けられているが、た
とえばマイクロコンピュータを用い、マルチプレクサか
らの信号の全区間において平均有効圧Piを演算する従来
の構成では、点火時期や空燃比等の演算時間がなくなっ
てしまう。すなわち他の処理を実行することができない
ので機関制御が不可能となってしまい、これを解消する
には、別のマイクロコンピュータが必要となってしま
う。

これに対して、この実施例では平均有効圧を演算するク
ランク角区間を限った分、この区間以外のクランク角区
間において他の演算や検索等の処理が可能となり、１個
のマイクロコンピュータでも十分対応することができ
る。

次に、第11図はこの発明の第２実施例のブロック構成図
であり、マイクロコンピュータを使わない場合に適用し
たものである。

これは、先に流れ図で説明した各機能を手段として構成
したものであり、本質的な作用に変わりはなく、第１実
施例と同様の効果を奏するものである。

すなわち、基準値P₀を設定する基準値設定器70,比較器7
1,常開のスイッチング回路72から第１図に示す積分設定
手段８が構成され、A/D変換器60にて変換された筒内圧
Ｐと前記P₀との比較を行い、Ｐ≧P₀である場合に、スイ
ッチング回路72が閉状態とされる。したがって、このス
イッチング回路72が閉じているクランク角区間が積分区
間を与えることになる。

なお、分周器64は720゜信号にてリセットされ、POSカウ
ンタ値が180の倍数となったときにそのカウンタ値が
“1"ずつ増加するように構成してあり、第６図に示すス
テップ33,36の機能を果たさせるものである。

（発明の効果）以上説明したように、この発明では、機関の筒内圧に比
例した電荷信号を出力する手段及びこの電荷信号を電圧
信号に変換するチャージアンプとからなる筒内圧検出手
段を有し、この筒内圧検出手段からの信号を用いて機関
の平均有効圧を演算するようにした燃焼状態検出装置に
おいて、筒内圧が所定値以上となるクランク角範囲又は
シリンダ容積範囲を積分区間として限定し、この限定区
間にて得られる信号から機関の平均有効圧を演算するよ
うにしたので、簡単で安価な回路として構成されるチャ
ージアンプを用いていても、実際の図示平均有効圧に近
似した値が十分得られ、これによりこの平均有効圧を用
いて行う機関制御の制御精度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の概念構成図である。第２図はこの発
明の第１実施例の機械的構成図、第３図（Ａ）はこの実
施例の筒内圧センサの取り付け状態を説明する断面図、
第３図（Ｂ）はこの筒内圧センサの平面図、第４図はこ
の実施例のチャージアンプの構成を示す回路図である。第５図〜第７図はこの実施例の主制御回路にて実行され
る動作を説明する流れ図、第８図はこの実施例における
POSカウンタ値を説明する波形図である。第９図はこの
実施例における作用を説明する特性線図、第10図は同じ
く出力波形を説明する波形図である。第11図はこの発明の第２実施例のブロック構成図、第12
図は従来例におけるチャージアンプの基本的な回路図、
第13図は従来例の出力波形を説明する波形図である。１……クランク角検出手段、２……微少容積演算手段、
3A……電荷信号出力手段、3B……チャージアンプ、３…
…筒内圧検出手段、５……仕事量演算手段、６……シリ
ンダ容積演算手段、７……平均有効圧演算手段、８……
積分区間設定手段、11A〜11D……筒内圧センサ、12A〜1
2D……チャージアンプ、13……クランク角センサ、14…
…コントロールユニット、15……マルチプレクサ、16…
…主制御回路、22……点火装置、61……遅延回路、62…
…POSカウンタ、63……Ｃカウンタ、64……分周器、65
……微少容積演算器、66……かけ算器、67……積算器、
68……割算器、69……疑似PPiメモリ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】機関のクランク角を検出するクランク角検
出手段と、このクランク角信号に基づいて所定クランク
角毎のシリンダの微少容積を演算する微少容積演算手段
と、機関の筒内圧に比例した電荷信号を出力する手段及
びこの電荷信号を電圧信号に変換するチャージアンプと
からなる筒内圧検出手段と、この筒内圧信号と前記クラ
ンク角信号とに基づいて筒内圧が所定値以上となるクラ
ンク角範囲又はシリンダ容積範囲を積分区間として設定
する積分区間設定手段と、前記検出された筒内圧と微少
容積との積をこの積分区間にわたって積分する仕事量演
算手段と、前記積分区間のシリンダ容積を演算するシリ
ンダ容積演算手段と、前記積分値である仕事量をこのシ
リンダ容積で除算する平均有効圧演算手段とを設けたこ
とを特徴とする内燃機関の燃焼状態検出装置。