JPS6340934B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関（エンジン）の上死点位置を
正確に決定する改良方法に関する。

自動車の放出物を減少させたり、経済性を改善
したりするにあたつて、エンジンの制御パラメー
タの精度がますます重要になつてきている。放出
物量や経済性に重要な影響を与えるパラメータの
１つとして、自動車エンジンのシリンダ内での燃
焼タイミングがある。ガソリン燃料エンジンで
は、このタイミングは点火に対するクランク軸角
度位置を意味する。デイーゼル燃料エンジンで
は、このタイミングは燃料噴射に対するクランク
軸角度位置を意味する。

ガソリン、デイーゼル両エンジンで、クランク
軸タイミング角度はピストンの上死点位置を基準
とする。したがつて、点火タイミングを定める、
すなわち、モニタする制御システムまたは診断シ
ステムの精度は、ピストン、シリンダの動きが方
向転換し、燃焼室体積が最低となる幾何学的位置
であるピストン上死点位置の精度そのものであ
る。したがつて、エンジンのタイミングを正確に
設定あるいはモニタするにはピストンの上死点位
置の正確な決定を必要とすることは明らかであ
る。

ピストンが上死点位置に到達したときのクラン
ク軸角度を示すシステムは数多く使用されてき
た。正確ではあるがいくつかの複雑な技術、たと
えば、シリンダの頂部にプローズを侵入させたダ
イアル・インジケータを使用する技術では、燃焼
室に通じる入口を必要とする。マイクロ波エネル
ギ技術を使用する同様の構造が米国特許第
4384480号に開示されている。機械的な簡略化し
た技術も使用されているが、この場合、燃焼室へ
の入口が不要であるという利点があるけれども、
一般にピストン上死点の表示が不正確である。他
のシステムも示唆されているが、一般に複雑であ
り、現代のエンジンの制御診断システムが必要と
する精度を得られない。

内燃機関が周期的に動力を発生し、これがエン
ジン速度に周期的な変動を生じさせることは周知
のことである。速度サイクルはフライホイールで
最小限に抑えられているが、特にアイドリングで
容易に測定することができる。クランク軸の２回
転にわたる内燃機関の速度の周期的な変動が添付
図面の第３図の上方曲線で示してある。速度サイ
クルのそれぞれが特定のシリンダに対応する。速
度が減少する間隔は圧縮行程に関係し、速度増加
の間隔は動力行程に関係している。４サイクル・
エンジンでは、クランク軸２回転における速度サ
イクルの数はシリンダの数に等しい。各最低、最
高速度点は、エンジンの発生する正味トルクが全
負荷トルクに等しくなるクランク角で生じる。エ
ンジンが変速機中立位置で作動している場合、全
負荷トルクは、エンジンの発生するピークトルク
値に比べて非常に小さい。その結果、エンジンの
速度サイクルの各最低速度点は対応するピストン
の上死点とほぼ一致し、上死点位置の近似値を与
える。上死点の近似値として役に立つけれども、
各速度脈動中の最低速度点の位置はエンジン・タ
イミングを設定あるいは診断するに必要な精度を
持つていない。

本発明は複雑なセンサを使用することなく内燃
機関の上死点を正確に決定できる改良方法に関す
るものである。

この目的のために、本発明による内燃機関の上
死点位置を決定する方法は特許請求の範囲第１項
の特徴記載部分に記載した特徴によつて特徴付け
られる。

最低速度がエンジン速度サイクルのそれぞれで
生じるときのクランク軸角度と、エンジン速度の
関数およびこれよりも程度は低いが燃焼タイミン
グの関数である圧縮行程での対応するピストンの
上死点との間に或る関係があることはわかつてい
る。さらに、この機能上の関係は所与のエンジ
ン・変速機の組合わせについては変化しない。

或る速度サイクルの最低速度点とエンジンの上
死点位置の機能上の関係は実験室規模の技術で決
定し得る。或るエンジンの正確な上死点位置は公
知の複雑な上死点決定技術の１つ、たとえば、シ
リンダ内のピストンの運動を感知するプローブで
まず決定することができる。或るシリンダの上死
点クランク軸角度をそのエンジンで精密に決定し
たならば、そのシリンダに対応する速度サイクル
の最低速度点に対する角度関係をエンジン速度・
燃焼タイミングの関数として測定できる。０度に
おいて一定の燃焼タイミング角を保つことによつ
て、速度依存関係は、種々のエンジン速度値につ
いての速度サイクルでの最低速度点と先に決定し
た上死点位置の間のクランク角を測定することに
よつて決定できる。燃焼タイミング関係は、速度
サイクルでの最低速度点と先に決定した上死点位
置の間のクランク角を測定しながら燃焼タイミン
グを変えることによつて決定することができる。
それで得たデータを次にデイジタル記憶装置に記
憶させ、好ましい実施例におけるようにそれぞれ
エンジン速度および燃焼タイミングによつてアド
レス指定される一対の２次元ルツクアツプ・テー
ブルあるいはエンジン速度、燃焼タイミングの両
方によつてアドレス指定されるただ１つの３次元
ルツクアツプ・テーブルのいずれかにおいて補正
角度として利用することができる。

本発明は内燃機関のピストン上死点を瞬間エン
ジン速度プロフアイルから正確に決定することが
できる改良方法を提供する。

好ましくは、この方法は、各燃焼サイクルでエ
ンジン速度が最低値となつたときのクランク角を
決定し、このクランク軸エンジン位置を所定のエ
ンジン運転パラメータの関数として補正する。

さらに好ましくは、本発明方法は、エンジン速
度、燃焼タイミングの関数である所定の補正因数
に基づいて、燃焼サイクルでの最低速度のクラン
ク軸角度位置を補正する。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施例
を説明する。

まず第１図を参照して、ここには、本発明に従
つてエンジン１０の上死点位置を決定する診断装
置が示してあり、決定された上死点位置はそれに
基づいてエンジンタイミングその他の関連したパ
ラメータを診断する基準となる。エンジン１０は
火花点火式ガソリンエンジンでもデイーゼルエン
ジンのいずれでもよい。エンジン１０はクランク
軸に装着してあり、それと一緒に回転するリング
ギア１２を包含し、このリングギアは普通は２度
ないし４度で円周方向に均等に隔たつた歯を有す
る。

この診断装置は普通のコンピユータ１４を包含
する。このコンピユータは、たとえば、マイクロ
プロセツサ、クロツク、読取専用メモリ
（ROM）、ランダムアクセスメモリ、電源ユニツ
ト（P.U.）、入力カウンタ・インターフエースお
よび出力インターフエースからなる。コンピユー
タ１４は、手動入力指令あるいは或るエンジン条
件で、その読取専用メモリに格納されている作動
プログラムを実行する。このプログラムは、入力
カウンタ・インターフエースを経て入力データ、
タイミング間隔を読取り、これらの入力データを
処理し、出力インターフエースを経て出力部、た
とえばデイスプレイ１６に表示するステツプを包
含する。このデイスプレイ１６は診断手続きに関
する種々の情報を表示するプリンタあるいはビデ
オモニタの形をとり得る。

診断装置は一対のプローブも包含し、このうち
一方のプローブは電磁式速度センサ１８であつ
て、コンピユータ１４にクランク軸角度、速度情
報を与えるようにリングギア１２の歯の近傍に設
置してある。この場合、電磁式速度検知プローブ
１８はリングギア１２が回転しているときにそれ
の歯の通過を検知し、交互出力をゼロ交差応答式
方形波増幅器２０に与える。この増幅器２０の出
力は速度センサ１８からの交互入力の周波数を持
つた方形波信号である。この方形波信号はパルス
発生器２２に与えられ、このパルス発生器２２は
リングギア１２の歯が通過するごとにパルス出力
を発生する。パルス発生器２２の各パルス出力は
リングギア１２の歯の角度間隔に等しいクランク
軸角度分だけ分離している。したがつて、パルス
間の時間間隔はエンジン速度に反比例し、パルス
の周波数はエンジン速度に正比例する。

診断装置の第２のプローブは基準シリンダ内の
燃焼の開始を検知する音響トランスジユーサ２４
の形をとる。このトランスジユーサは基準シリン
ダ内での燃焼開始に伴なうノイズを検知できる位
置に装着した圧電センサの形をしていてもよい。

一般的に言えば、第１図の診断装置はリングギ
ア１２の歯の定める引続くクランク軸位置の時間
間隔に相当する、パルス発生器２２からの連続し
たパルス間の時間間隔を計時し、記録する。計時
され記録された時間間隔は完全な１エンジンサイ
クルを表わすクランク軸の２回転に対応する。別
の実施例では、基準シリンダに伴なう１完全速度
サイクルを定める間隔の数のみを計時し、記録す
る。加えて、基準シリンダ内での燃焼開始の時刻
がトランスジユーサ２４によつて検知され、記録
される。コンピユータ１４は、そのROMに格納
されたプログラムに従つて、シリンダ１つずつの
速度サイクルにおける最低速度点でのクランク軸
の角度位置をそのシリンダ内のピストンの上死点
位置の近似値と決定する。その後、読取専用メモ
リに記憶されたデータに基づく補正因数を上死点
の近似位置に加算し、上死点の精密な位置を決定
する。この値から、種々の上死点関連パラメータ
を決定し、デイスプレイ１６で表示することがで
きる。

第２図を参照して、第１図のコンピユータ１４
の読取専用メモリに格納されたプログラムによつ
て実行されるステツプがここに示してあり、これ
らのステツプを通つてエンジン１０の上死点位置
を精密に決定することができる。コンピユータ１
４の実行するプログラムはオペレータからの指令
によりステツプ２６で開始される。別の実施例で
は、プログラムはエンジンの或る検出された条
件、たとえば、トランスジユーサ２４によつて基
準シリンダ内での燃焼の開始が検知されたとき開
始する。その後、プログラムは直接ステツプ２８
に進み、ここで、リングギア１２の連続した歯間
の時間間隔が入力カウンタ・インターフエースを
経て測定され、対応するランダムアクセスメモリ
のロケーシヨンに格納される。このデータは１完
全エンジンサイクル（４サイクルエンジン）に相
当するクランク軸２回転の間にリングギアの連続
した歯について蓄積される。したがつて、計時さ
れ、記憶された時間間隔の数は2Nに等しい。こ
こで、Ｎはリングギア１２の歯の数である。

各時間間隔はパルス発生器２２からのパルス間
の、コンピユータ・クロツクからのクロツク・パ
ルスの数に等しい値を有するデイジタル数であ
る。このデイジタル数はクランク軸がリングギア
１２の２つの隣合つた歯によつて定められる角度
にわたつて回転する時間を表わし、速度に反比例
する。したがつて、記憶された数はリングギア歯
の間隔によつて制限を受ける１回転での瞬間エン
ジン速度を表わす。

トランスジユーサ１８を通過する最初のリング
ギア歯は基準クランク軸角度を定める。引続く時
間間隔値は指定された順序でランダムアクセスメ
モリ・ロケーシヨンに格納され、任意所与のメモ
リ・ロケーシヨンに格納された瞬間速度は基準角
に対する或る特定のクランク軸角度と組合わせる
ことができる。たとえば、歯間の角度間隔が２度
であれば、第７番目の時間間隔は基準角後の14度
のクランク角における瞬間エンジン速度を表わ
す。ステツプ２８の実行中に記憶される2N数は、
４サイクルエンジンの場合クランク軸２回転とな
る１完全エンジンサイクルにわたるエンジン１０
の瞬間速度プロフアイルを定める。８シリンダエ
ンジンの場合の代表的な記憶プロフアイルが第３
図のエンジン速度曲線で示してある。また、ステ
ツプ２８で、トランスジユーサ２４が基準シリン
ダ内での燃焼開始を検知した場合、その瞬間の歯
時間間隔カウンタのカウント数がランダムアクセ
スメモリ・ロケーシヨンの他に最後の歯時間間隔
を格納したメモリ・ロケーシヨンに格納される。
これらの格納された値により、プログラムは基準
角に対する燃焼開始のクランク軸角度位置をその
後引続いて決定することができる。

ステツプ２８から、プログラムは進んで基準角
に対する記憶された速度プロフアイルにおける最
低速度点についてのクランク軸角度位置を決定す
る。一実施例においては、最初の速度サイクルに
おける最高カウント数が格納されているランダム
アクセスメモリ・ロケーシヨンの表わす基準角に
対するクランク軸角度が最低速度点として使用さ
れる。しかしながら、最低速度点を表わす際に、
この角度の精度はリングギア１２の歯の角度間隔
（２度〜４度のオーダーでよい）によつて制限を
受ける。

この実施例においては、最低速度が生じる角度
の決定に際して、記憶された瞬間速度値に数学式
を当てはめ、この式が最低である角度を決定する
ことによつてかなり高度の解答を得ることができ
る。少なくとも最初の最低速度点について多項式
を定めれば、最低速度点を正確に決定するのに利
用できる。しかしながら、好ましい実施例におい
ては、フーリエ変換を個別に記憶速度データに応
用して点火回数弦波成分を抽出する。この正弦波
成分（第３図に示すもの）の最低値はリングギア
歯間隔の与える制限なしに正確に決定され得る。

ステツプ３０において、点火回数でのフーリエ
級数式のコサイン、サイン成分の係数ａ，ｂが決
定される。一実施例においては、基準クランク軸
角度で始まる速度波形の単一サイクルにフーリエ
変換が適用される。しかしながら、シリンダの動
作が噴射燃料のシリンダ毎の変動などの理由で同
じでない場合、エンジン速度波形における合成ハ
ーモニツクがサイクル対サイクルの基準ではフー
リエ級数のコサイン、サイン成分の係数ａ，ｂに
影響を与える。本実施例では、フーリエ変換が記
録された速度データの全720度に適用され、その
結果、すべてのシリンダの影響がそれぞれに分担
される。その結果、フーリエ級数のコサイン、サ
イン係数ａ，ｂの決定の際に平均化効果がある。

コサイン、サイン係数を決定する技術は周知で
ある。そのうちの１つは、時に、数値積分分析と
呼ばれる。この技術では、サイン係数は、 ｂ１／ｋ_i=k 〓ⁱ⁼¹ y_i・sin x_i である。ここで、ｋは１完全エンジンサイクル
（720度のクランク軸角度での歯の数に等しい）に
わたるステツプ２８で記憶された瞬間速度値の数
であり、ｙは記憶された瞬間速度値であり、ｘは
瞬間速度値が格納されるメモリ・ロケーシヨンの
表わすクランク軸角度である。同様に、コサイン
係数は ａ１／ｋ_i=k 〓ⁱ⁼¹ y_i・cos x_i である。これらの係数を決定するにあたつては、
サイン、コサイン値は読取専用メモリにおけるル
ツクアツプ・テーブルに格納され得る。

次のステツプ３２において、正弦波成分の最初
の最低値点によつて表わされる最低速度点に基づ
く基準角の後の最も早い上死点位置のクランク軸
角度位置の近似値が決定される。正弦波が最低と
なる最も早いクランク軸角度はルツクアツプ・テ
ーブルを経て角αを決定することによつて定めら
れる。この角αの正接はｂ／ａプラス180度に等
しい。第３図に示すように、角αは基準角と正弦
波成分の最初の最高点の間の角度である。この角
度に180度を加えることによつて、エンジンの最
低速度に相当する正弦波成分の最も早い最低点の
精密なロケーシヨンが決定される。この角度はリ
ングギア歯からの得た解答の制限を受けず、した
がつて、速度軌跡における最低速度点をより正確
に表わすことができる。

ステツプ３２に続いて、プログラムはステツプ
３４に進み、ここでは、ステツプ２８で記憶され
た瞬間速度値に基いて平均エンジン速度が決定さ
れる。ステツプ３４から、プログラムはステツプ
３６に進み、ここで、ステツプ３２で与えられた
上死点についてのクランク軸角度位置の近似値が
第１図のコンピユータ１４の読取専用メモリに格
納されている所定の速度依存補正値に基づいて補
正される。このエンジン速度補正はステツプ３２
で決定された最小速度点と上死点の差における主
要要素である。第４図のエンジン例でわかるよう
に、エンジン速度補正はピストン上死点を0.6度
以内に定めている。

ステツプ３６で決定された速度補正上死点位置
は、まだ燃焼タイミングについて補正されていな
いが、燃焼タイミング補正値が決定される燃焼タ
イミング値を決定するにあたつての良好な上死点
近似値として役立つ。エンジン燃焼タイミングは
ステツプ３８で決定される。この決定は燃焼の開
始がステツプ２８で検知された瞬間に記憶された
カウント数と先の瞬間速度値が記憶されたメモ
リ・ロケーシヨンとに基いて行なわれる。記憶さ
れたメモリ・ロケーシヨンが基準角に対する或る
特定のクランク軸角度と組合わさつているので、
基準角に対する燃焼開始についての精密なクラン
ク軸角度位置は、その特定の角度に、燃焼開始が
検知されたときに記憶された歯時間間隔カウンタ
のカウント数と燃焼開始が生じた時間間隔の終り
でランダムアクセスメモリに格納された前カウン
ト数の比によつて表わされるリングギア歯間の角
度間隔の部分に加えることによつて決定される。
次に、燃焼タイミングが、ステツプ３２で決定さ
れた上死点位置と燃焼開始角度位置の角度的な差
に基づいて決定される。

次に、プログラムはステツプ４０に進み、ここ
で、上死点の速度補正角度位置が、コンピユータ
１４の読取専用メモリに記憶された所定の燃焼タ
イミング依存補正値に基づいてさらに補正され
る。

別の実施例において、ステツプ４０で定められ
た上死点の補正角度位置に基づいて燃焼タイミン
グを再決定することによつて、より精密な燃焼タ
イミング依存補正値を得ることができる。この反
復過程は所望の精度を得るに必要な回数繰返すこ
とができる。しかしながら、たいていの用途で
は、第２図のステツプによつて得られる精度で足
りる。

また別の実施例では、燃焼タイミング依存値
は、燃焼開始検知角度とステツプ３２で決定され
た正弦波成分の最低点に基づく角度の差によつて
決定される燃焼タイミング角に基づいて得られ
る。

ステツプ４０から、プログラムはステツプ４２
でルーチンを出、そこで、上死点位置ルーチンを
終了する。

上死点でのクランク軸角度と対応する速度サイ
クルが最低となるクランク角の関係を定める速
度・燃焼タイミング依存補正角度の例が第４図に
示してある。本発明によれば、エンジンの上死点
位置は、瞬間速度を観察し、速度が最低となるク
ランク軸角度位置を上死点評価値と決定し、第４
図に例示されているような、メモリに格納される
所定値に従つてこの評価値を補正することによつ
て単純な方法で精密に決定され得る。たとえば、
平均エンジン速度が750rpmであり、燃焼タイミ
ング角度が上死点前３度であれば、第４図のエン
ジンデータから決定される補正角は0.4度である。
次に、0.4度の補正因数を速度サイクルが最低と
なるクランク軸角度に加えることによつて上死点
が精密に決定される。

【図面の簡単な説明】

第１図は内燃機関の上死点位置を決定するため
の診断装置を示す概略図である。第２図は内燃機
関の上死点位置を決定する際の、第１図の診断装
置の動作を説明するフローダイアグラム図であ
る。第３図はエンジン速度の代表的な軌跡および
それから抽出した正弦波成分を示すグラフ図であ
る。第４図はピストン上死点位置を精密に決定す
べく燃焼サイクル中に最低速度についてのクラン
ク軸角度位置に適用される所定の記憶補正を示す
グラフ図である。 主要部分の符号の説明、１０……エンジン、１
２……リングギア、１４……コンピユータ、１６
……デイスプレイ、１８……プローブ、２０……
増幅器、２２……パルス発生器、２４……音響ト
ランスジユーサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 瞬間回転速度がシリンダの燃焼回数で周期的
   変化を受ける出力軸を有する内燃機関の少なくと
   も１つのシリンダの上死点位置を決定する方法に
   おいて、 出力軸の瞬間回転速度をモニタする段階と、 出力軸の角速度が最低となる角度位置を上死点
   の１つの評価値と決定する段階と、 該上死点の角度位置評価値を出力軸の平均回転
   速度および燃焼タイミング角に対応する所定の速
   度・燃焼タイミング依存補正角で補正し、出力軸
   の最低角速度の補正した角度位置が内燃機関の上
   死点位置に実質的に一致するようにする段階とを
   包含することを特徴とする方法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の方法において、 出力軸の平均回転速度を決定する段階と、 シリンダ内での燃焼開始時点と補正済みの上死
   点評価値との間の燃焼タイミング角を決定する段
   階と、 上死点の補正済みの角度位置を燃焼タイミング
   角に対応する所定の燃焼タイミング依存補正角で
   補正する段階とを包含することを特徴とする方
   法。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項記載の方
   法において、 各々がシリンダの上死点位置における出力軸の
   角度位置と出力軸角速度サイクルが最低値となる
   角度位置との差を表わしている所定の速度・燃焼
   タイミング依存補正角を記憶する段階と、 出力軸の平均回転速度および燃焼タイミング角
   に対応する記憶済みの速度・燃焼タイミング依存
   補正角に従つて出力軸の最低角速度の角度位置を
   補正する段階とを包含することを特徴とする方
   法。 ４ 特許請求の範囲第１項から第３項までのいず
   れか１つの項に記載の方法において、 出力軸の瞬間回転速度の正弦波成分を抽出する
   段階と、 出力軸の瞬間回転速度の正弦波成分が最低とな
   る出力軸の角度位置を上死点の評価値と決定する
   段階とを包含することを特徴とする方法。