JPS5814976B2 - エンジンの図示平均有効圧力変動率測定方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はエンジンの図示平均有効圧力変動率測定方法及
び装置に関するものである。

エンジンの性能値は主として図示平均有効圧力及び燃料
消費率の２個の特性によって評価され、特に図示平均有
効圧力の変動は実際の車両走行時にエンジンの異常振動
を生じさせるなど極めて主要な要因であると考えられて
いる。

図示平均有効圧力が変動すると、この出力変動は駆動系
の固有振動数において共振作用を起し、車両の走行時に
は車両の前後方向に振動するいわゆるサージ現象を生じ
る。

このサージ現象は車両の運転特性を著しく低下させ、又
、エンジン自体の各部に機械的な悪影響を与える点およ
び車両運転者のフィーリングをそこねる点で排除されな
ければならない。

これらの現象の多くはエンジンの大きな回転差動やトル
ク変動によってひきおこされるものであって、シリンダ
内燃焼によって生ずる図示平均有効圧力の変動に基くも
のである。

図示平均有効圧力の変動は近年の排気ガス浄イ対策車両
において特に著しい問題を生じている。

即ち、排気ガス浄化対策として希薄燃焼装置、ＥＧＲ装
置あるいは点火時期制御装置などの処用装置が設けられ
ているが、これらの装置はいすねもエンジンの燃焼状態
に変動を与える為、図示平均有効圧力の変動を増加させ
る大きな要因となこてきた。

しかしてサージ現象を測定する手段としてはトルク変動
や回転変動や車両の加速度を検出して測定されてきた。

しかしながらサージ現象はエンジン自体ばかりでなくク
ラッチ、トランスミッション等の駆動系に起因する場合
もありうる。

又エンジン自体についてもとの気筒がその原因になって
いるのか判別することができない。

従って、この検出には各気筒の図示平均有効圧力の変動
を検出する必要がある。

そこでエンジンの図示平均有効圧力変動はその変動率を
確実に測定して迅速な対応手段を講じなければならない
。

しかしながら、図示平均有効圧力はエンジンの行程容積
に対する１サイクルあたりの仕事量で定義され、この変
動を正しく測定することは極めて困難であった。

従来の図示平均有効圧力測定手段にはいくつかのものが
存するが、いずれも十分に満足することの出来る手段で
はなかった。

第１の従来装置は、エンジンの指圧線図に基すいてクラ
ンクシャフトの回転角度ごとにエンジンの内圧を測定記
憶してこれを演算処理するものであり、大容量の記憶装
置及び高速演算装置を必要とし、特殊な研究用としての
み成立するものであった。

従って、このような装置を車両に搭載させて図示平均有
効圧力の変動に対応して車両の燃焼条件を制御すること
など到底不可能であった。

第２の従来装置は指圧線図を連続的に測定し、特定のト
リガーレベルで設定された出力信号の時間幅の変動で燃
焼変動を検出する装置であり、特開昭５０−１４５７２
９号に記載されている。

しかしながら、この従来装置では正確な図示平均有効圧
力の変動率を測定することは不可能であった。

従来の第３の装置としてはエンジン出力をトルクメータ
で測定し、特定の周波数領域における平均変動幅で燃焼
変動を示す装置が知られているが、この従来装置では全
気筒の合計した変動幅のみ測定され、又、駆動系のねじ
り振動を含むなど実際の変動率とは極めて異なるもので
ある。

更に従来の第４の装置としては、エンジンの振動を加速
度計で検出して変動を示す装置がある。

しかしながら、この装置も前述した第３の従来装置と同
様に良好な精度を期待することが出来ない欠点があった
。

本発明は上記従来の課題に鑑みなされたものであり、そ
の目的は、極めて高精度で且つ簡単な構成により図示平
均有効圧力の変動率を測定することが出来る図示平均有
効圧力変動率測定方法及び装置を提供することにある。

上記目的を達成する為に、本発明は、エンジンの図示平
均有効圧力の変動率が特定のクランク角度における瞬時
的なシリンダ内圧の変動と極めて一致することを利用し
たものである。

エンジンの図示平均有効圧力Ｐｉは周知のように以下の
数式で示され、またこれから標準偏差σＰｉ及び変動率
△Ｐｉもそれぞれ以下の式で求められる。

ここでｖｈは行程容積 Ｐはシリンダ内圧 であり、またクランク角θ（圧縮上死点を００とする）
に対する容積微分ｄＶは以下のように求められる。

ここでＶ。

は上死点での燃焼室容積、Ｄはシリンダボア径、 ｒはクランク半径、 λはクランク半径に対するコンロッド長さｌの比：ｌ／
ｒ。

である。

以上の数式から明らかなように（１）式において容積微
分ｄＶはクランク角によってのみ定まる値であり、サイ
クル間変動は零である。

従って、図示平均有効圧力Ｐｉの変動は圧力Ｐの変動に
容積微分ｄＶなる重みを乗じた重みづき平均であること
が理解される。

又、圧力Ｐの変動は各クランク角で独立に定まる値では
なく、シリンダ内熱発生率によって定まる連続した変化
量である為に容積微分ｄＶが最も大きい特定のクランク
角における内圧変動で図示平均有効圧力Ｐｉの変動を代
表することが出来る。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、特定の
クランク角におけるピストン内圧変動によって図示平均
有効圧力Ｐｉの変動率を測定することを特徴とする。

容積微分ｄＶが最大となるクランク角は前述した式より
クランク半径に対するコネクティングロッド長さｌの比
λによってのみ定まり、又、λの値は一般的に実用化さ
れているエンジンではほぼ一定の値となり、実際上（３
，ｓ）程度の値に設定されている。

第１図には横軸のクランク角度に対する容積微分ｄＶの
特性が示され、容積微分ｄＶの最大値をとるクランク角
は膨張行程にあっては圧縮上死点後７５度であることが
理解される。

すなわち容積微分ｄＶの最大値になるクランク角は換言
すればピストン速度の最大になる角度になっている。

第２図には図示平均有効圧力△Ｐｉに対する７５度のク
ランク角における内圧の変動率△Ｐの実験結果が示され
、極めて良好な相関関係を示していることが理解される
。

実際に内圧の変動率を検出する場合、電気的ノイズ、指
圧針の気柱振動などにより、実際の内圧変動率より大き
な変動率を検出する恐れがあり、あるクランク角範囲に
おける内圧の平均的な変動を計測することが好ましい。

このためには、特定のクランク角度に適当な幅を持たせ
て測定を行なうことがよい。

第３図はクランク角７５度を中心とした前後１０度、即
ちクランク角６５度〜８５度の範囲における図示平均有
効圧力変動率と内圧変動率との関係を示すものであり、
第２図と同様に良好な相関関係のあることを示している
。

これに対し最大内圧（シリンダ内燃焼最大圧力Ｐｍａｘ
）の得られる近傍にあるクランク角２０度〜４０度（膨
張行程初期）における特性が第４図に示され、このクラ
ンク角においては所望の相関関係を得ることが出来ない
。

更に第５図には排気弁が開く直前（膨張行程の末期）で
あるクランク角１００度〜１２０度範囲における特性を
示し、このときにも相関関係がないことが理解される。

以上の実験結果から明らかなように、本発明においては
ある特定のクランク角範囲内におけるシリンダ内圧の変
動率を測定すれば、エンジンの図示平均有効圧力と顕著
な対応関係により、図示平均有効圧力の変動率自体を知
ることが可能である。

そして、この特定のクランク角は点火時期より遅い膨張
行程にあることが理解される。

以上の説明より特定のクランク角における図示平均有効
圧力変動率と内圧変動率との相関関係とが主として容積
微分ｄＶにより解明されたが、このことはまたエンジン
のトルク（仕事）の面からも説明することが可能である
。

即ち、第９図には膨張行程にあるピストンクランク機構
が示され、シリンダ２００内の爆発圧力に上りピストン
２０２が下方に押し下げられ、この力がコネクティング
ロッド２０４を介してクランクシャフト２０６に伝達さ
れている。

第９図は膨張行程にお・てクランク角が７５度に成った
状態を示し、こつときコネクティングロッド２０４とク
ランクシャフト２０６とは９０度と成っていることが理
解される。

従って、このときにはピストン２０２を押し下げる力が
クランクシャフト２０６にもつとも効率よく伝達される
ときであり、このことからも、特定のクランク角におけ
るシリンダ内圧が全体の図示平均有効圧力変動率を代表
できることが理解される。

第６図には本発明に係る測定装置のブロック線図が示さ
れている。

シリンダ内圧はシリンダ内に挿入された圧力検出器１０
によって電気信号に変換される。

圧力検出器１０の出力はフィルタ１２を通ってノイズ成
分が除去され、ゲート回路１４に供給される。

ゲート回路１４は特定のクランク角範囲においてゲート
を開き、内圧信号がゲート回路１４から出力される。

特定のクランク角範囲を検出する為のクランク角検出器
がクランクシャフト１６に固定されたスリットリング１
８と光学的検知手段２０から構成されている。

光学的検知手段２０により検出されたクランク角信号は
波形整形回路２２により所定のパルス幅を有するパルス
に変換されゲート回路１４のゲート端子に供給される。

第７図にはエンジン指圧線図とゲート信号パルスとの関
係が示される。

第７図の実施例ではクランク角７５度の位置及び（７５
−３６０）度既ち一２８５度の２箇所でゲート回路１４
が開くことが理解される。

−２８５度における圧力信号は吸入行程であって圧力は
各サイクルでほぼ等しい値に保たれ本発明において図示
平均有効圧力を求める為には有効ではない。

しかしながら、図示した実施例においては、この−２８
５度における内圧を基準零電圧として用いることにより
、圧力検出器１．０の較正を不要とするなど使用手段を
極めて簡単にすることが出来、簡単な構成の測定装置を
得る為に有益である。

第７図において、−２８５度における内圧はＰｏで示さ
れ、又、７５度における内圧がＰｎで示されている。

従って、変動率を求める際に、（Ｐｎ−Ｐｏ）によって
演算を行なえば圧力検出器あるいは後述する信号変換回
路の較正を必要とすることなく、正しい変動率を簡単に
演算処理することが可能である。

このような−２８５度における基準零位置信号を得る為
には４サイクルエンジンでは第６図に示されるようにス
リットリング１８に単一のスリン）１８ａを設ければ良
く、又。

２サイクルエンジンではスリットの数を適当に２個設定
することにより得られる。

ゲート回路１４が開くとこのときのシリンダ内圧Ｐ。

及びＰｎがアンプ２４に供給され、適当な増幅率が与え
られる。

アンプ２４には積分器２６が接続され、ゲート開放期間
中の増幅された内圧信号が積分器２６によって積分され
た内圧信号が積分器２６によって積分される。

そしてこのアナログ量はＡＤコンバータ２８によりデジ
タル信号に変換される。

アンプ２４には零点設定用の調整抵抗３０及びスパン調
整用の調整抵抗３２が設けられ、ゲート回路１４から供
給された信号Ｐ。

がＡＤコンバータ２８の零に、又、ＰｎがＡＤコンバー
タ２８のフルスケースを超えない十分大きな値になるよ
うにアンプ２４の増幅率を調整する。

この結果、ＡＤコンバータ２８はシリンダ内圧を（Ｐｎ
−Ｐｏ）に比例したデジタル信号として変換することが
出来る。

ＡＤコンバータ２８の変換特性はモニタ回路３４を介し
て発光ダイオードなどからなる表示器３６．３８によっ
て表示される。

表示器３６はＰ。

の値が零以下であるときに点灯し、表示器３８はＰｎの
値がスケールオーバしたときに点灯表示され、いづれの
場合もアンプ２４の調整不良を意味する。

積分器２６はその積分時定数で定まる時間、アンプ２４
の出力信号を積分するが、このときの積分時定数をエン
ジン回転数に対応させることによって、エンジンの気柱
振動及びノイズなどの影響を受けることなく特定クラン
ク角における正しいシリンダ内圧を得ることが出来る。

即ち、ディストリビュータの１次信号から得られたエン
ジン回転数信号は端子４０を介して波形整形回路４２に
供給され、エンジン回転数に反比例した積分時定数を出
力する積分時定数発生回路４４を介して積分器２６に与
えられる。

この結果、エンジン回転数が高い場合には短い積分時間
でアンプ２４の出力がＡＤコンバータ２８に送られ、又
、エンジン回転数が低い場合には長い積分時間でＡＤコ
ンバータ２８に出力が供給される。

従って、本実施例においては、ゲート回路１４の開放時
間は直接内圧の積分時間を決めるものではなく、積分時
間は回路４４の積分時定数で定まることが理解される。

以上のようにして、ＡＤコンバータ２８にはエンジン１
サイクルにおける特定クランク角でのシリング内圧をデ
ジタル信号に積分平均化し、このデジタル値はいったん
バッファ回路４６に記憶される。

そして、ＡＤコンバータ２８の変換作動が終了したとき
信号４８によりバッファ回路４６の記憶値が演算回路５
０に供給される。

エンジン名サイクルにおける内圧測定が終了し、その結
果が演算回路５０に送られるとＡＤコンバータ２８及び
バッファ回路４６の記憶値は零にリセットされる。

内圧変動率を求める為に、あらかじめ定められた計測回
数ｎだけ、以上の測定が繰返し行なわれその測定値が演
算器５０により順次演算処理される。

回数設定器５２の設定値はクランク角信号とコンパレー
タ５４により比較される。

コンパレータ５４は周知の減算カウンタなどから構成す
ることが可能である。

コンパレータ５４が所定回数カウントすると、終了信号
５５が演算回路５０に供給され、演算が終了する。

次に演算回路５０について説明する。

バッファ回路４６の信号は加算器５６に加えられ、アキ
ュムレータ５８と共にΣＰｎを演算する。

（実際は（Ｐｎ−Ｐｏ）の総和であるがＰ。

をＯとした為に以下Ｐｎで示す。

）バッファ回路４６の信号Ｐｎは更に乗算器６０、加算
器６２及びアキュムレータ６４からなる乗算積算回路に
供給され、ΣＰｎ′を演算する。

前述した終了信号５５はアキュムレータ５８．６４に供
給され、変動率を計算する所定回数が終了したことを確
認し、アキュムレータ５８．６４の出力がそれぞれ演算
器６６に供給される。

演算器６６にはＲＯＭ（読取専用メモリ）６７が接続さ
れ、ＲＯＭ６７のメモリに従って入力された両信号を演
算処理する。

この演算器６６は変動率を演算すると共に、第２図に示
した内圧変動率と図示平均有効圧力の交換定数を演算す
る。

即ち、図示平均有効圧力変動率△Ｐｉは以下の式によっ
て得られる。

上式においてａ、ｂは第２図の特性図から定まる一定値
であり、特定クランク角を７５度に設定した場合、実験
によれば、ａ＝０．８８、ｂ−一２．０３に設定される
。

以上の演算工程により所望の図示平均有効圧力△Ｐｉが
求められ、この値が表示器６８により表示される。

以上説明したように、本発明によれば特定クランク角に
おける内圧変動率によりエンジンの図示平均有効圧力の
変動率を得ることが出来、従来の測定装置に比較して極
めて簡略化された装置により高精度の変動率を測定する
ことが可能である。

この測定された変動率は多気筒エンジンの各気筒におい
て測定操作が行なわれ、これらの測定結果を比較するこ
とにより、エンジンの特性診断を適確に行なえるなど、
エンジンの生産工程において、あるいは点検整備工程に
おいて極めて良好な測定装置を提供することが出来る。

本発明は更に以上の変動率測定結果に基すいてエンジン
の燃焼状態を制御し、車両の走行中にエンジンの燃焼変
動を減少させることが出来、この自動制御システムの採
用によって車両の走行安定性及び運転操作性を極めて向
上させることが出来る。

又、これらの結果エンジンに加わる振動及びサージが減
少されエンジンの耐久性を改善することが可能である。

特に排気ガス浄化対策の施されたエンジンにあっては、
これらの浄化装置を適当に変動率測定値から制御するこ
とが可能となる。

第８図には排気ガス浄化対策の施されたエンジンの概略
が示されている。

エンジン本体７０にはエアクリーナ７２からキャブレタ
７４及びインテークマニフオルド７６を介して混合気が
供給され、燃焼排気ガスはエキゾーストマニフオルド７
８から触媒コンバータ７９を通って排出される。

キャプレタ７４の負圧は三方弁８０を介して進角装置８
２に供給され、ディストリビュータ８４の点火時期が進
角制御される。

又、キャプレタ７４の負圧は三方弁８５を介してＥＧＲ
バルブ８６に供給され、エキゾーストマニフオルド７８
の排気ガスがＥＧＲパルプ８６を介してインテークマニ
フオルド７６に一部が戻される。

又、キャブレタ７４のプライマリ−メイン系のエアブリ
ード及びスロー系のエアブリードを大気に開放する為に
三方弁８８．９０が設けられている。

更に２次空気噴射ポンプ９２からの二次空気が三方弁９
４を介して排気弁の直後に供給されている。

以上のように第８図のエンジンには種々の排気ガス浄化
装置が設けられているが、これらの装置と共に本発明に
係る図示平均有効圧力変動率測定装置を設けることによ
り変動率が所定値以上に達したとき各浄化装置の作動を
適当に制御することが可能である。

即ち、クランクシャフト１６に設けられたスリットリン
グ１Ｂと光学検出手段２０からなるクランク角検出信号
が変動率測定装置９６に供給され、又エンジン本体７０
のシリンダヘッド９８に設けられた内圧検出器１０から
の信号及びディスリピユータ８４からの信号が同様に測
定装置９６に供給されている。

変動率測定装置は第６図に示した構成からなり、前述し
た説明からエンジンの図示平均有効圧力変動率が演算測
定されることが理解される。

そしてこの測定結果は比較器１００によって所定の値と
比較され、その比較結果が制御装置１０２に供給され、
制御装置１０２からの制御信号によって三方弁８０，８
５，９４及び二方弁８８．９０が制御され、変動率を所
定範囲に規制するように各浄化装置を制御する。

以上説明したように、本発明によれば、エンジンの図示
平均有効圧力変動率を正確に且つ簡単に測定することが
出来、エンジンの特性診断装置として極めて利用価値の
高い装置を提供することが出来る。

更に本発明における測定装置は車両に装備することが可
能であり、変動率を常に監視してエンジンの燃焼状態を
最適に制御することを可能とする大きな利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はクランク角と容積微分との関係を示す特性図、
第２図は本発明に係る特定方式の特徴を説明する図示平
均有効圧力変動率と特定クランク角における内圧変動率
との相関関係を示す特性図、第３図は第２図と類似する
他の特定クランク角における特性図、第４，５図は更に
他のクランク角における特性図、第６図は本発明に係る
測定装置の好適な実施例を示すブロック線図、第７図は
第６図の特定クランク角におけるゲートパルスと指圧線
図を示す特性図、第８図は本発明に係る測定装置を用い
て排気ガス浄化装置を制御する好適な実施例を示す概略
構成図、第９図は本発明を説明するためのピストンクラ
ンク機構の概略図である。 １０・・・・圧力検出器、１４・・・・・・ゲート回路
、２０・・・・・・クランク角検出器、２６・・・・・
・積分器、２８・・・・・・ＡＤコンバータ、５０・・
・・・・演算回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 特定のクランク角におけるシリンダ内圧の変動を測
   定することによりエンジンの図示平均有効圧力変動率を
   演算測定することを特徴とするエンジンの図示平均有効
   圧力変動率測定方法。 ２、特許請求の範囲１において、特定のクランク角を点
   火時期に後続する膨張行程に設定したことを特徴とする
   エンジンの図示平均有効圧力変動率測定方法。 ３ 特許請求の範囲１において、特定のクランク角を容
   積微分ｄＶが最大と成る近傍に設定したことを特徴とす
   るエンジンの図示平均有効圧力変動率測定方法。 ４ シリンダ内圧を電気信号に変換して検出する圧力検
   出器と、 圧力検出器の出力側に接続されたゲート回路と、特定の
   クランク角範囲を検出してゲート回路をその期間のみ開
   （クランク角検出器と、 ゲート回路の出力信号を信号変換する処理回路と、 内圧変動を演算するための測定回数検出回路と、処理回
   路と測定回数検出回路との出力信号により変動率を演算
   する演算回路と、 を含むエンジンの図示平均有効圧力変動率測定装置。 ５ 特許請求の範囲４において、処理回路はＡＤコンバ
   ータを含むことを特徴とするエンジンの図示平均有効圧
   力変動率測定装置。 ６ 特許請求の範囲４．５において、処理回路はゲート
   回路出力の積分時定数をエンジン回転数に対応させる積
   分回路を含むことを特徴とするエンジンの図示平均有効
   圧力変動率測定装置。 ７ 特許請求の範囲１．２．３において、少な（とも１
   つ以上の排気ガス浄化装置を制御するための信号として
   シリンダ内圧の変動率を検出したことを特徴とするエン
   ジンの図示平均有効圧力変動率測定方法。