JP2007023884A - 最大筒内圧タイミング検出方法及びそれを用いた点火時期制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 コストを抑えつつも制御系への付加を軽減して筒内圧が最大となるタイミングを検出可能な最大筒内圧タイミング検出方法を提供する。
【解決手段】 エンジンの気筒内の筒内圧が最大となるタイミングを検出する方法であって、
前記気筒内の圧力を検出する筒内圧検出手段で検出された筒内圧情報を微分するとともに、当該微分出力がゼロクロスするタイミングを検出し、
クランク角センサから所定間隔で出力されるパルス信号毎に動作するタイマーの動作をゼロクロスパルスでリセットし、リセット時の時間情報と前記パルス信号に対応するクランク角情報とから最大筒内圧タイミングとなるクランク角を算出することを特徴とする最大筒内圧タイミング検出方法。
【選択図】 図２

Description

本発明は、エンジンの筒内圧が最大となるクランク角タイミングの検出方法及びそれを用いた点火時期の制御方法に関する。

一般にエンジンの機関効率を考えると、最大トルク時の最小進角、所謂ＭＢＴ付近で点火するのが良いとされており、エンジンの状態によりＭＢＴ点火時期を変えるＭＢＴ制御が既に行われている。すなわち、点火時期が最適（ＭＢＴ）でエンジントルクが最大となっている場合、最大筒内圧力は、所定のクランク角（１５°ＡＴＤＣ）になることが知られているため、最大筒内圧力を所定のクランク角（１５°ＡＴＤＣ）になるように点火時期を制御すればよい。

この制御を行うには、気筒内の圧力を検出することが必要となるので、筒内圧センサを用いて気筒内圧力を検出し、その検出結果に応じて点火時期を制御することになる。例えば、特許文献１では、筒内圧センサによる筒内圧の検知精度を高めるために、クランク角２℃毎にプログラムを走らせて筒内圧が最大となるクランク角θＰｍａｘを算出し、この算出したクランク角が所定の目標クランク角と一致するように点火時期を制御することが記載されている。

特開昭６３−２４６４４５号公報

クランク角センサからの信号は、クランク角１０°毎に発せられるものが一般的で、これにより詳細なクランク角を検出することは、高精度なセンサが必要となるばかりか、詳細に検出した値を演算する制御系での演算負荷が多くなり、コストアップの要因となる。特許文献１では、２°毎にクランク角を検出しながら筒内圧が最大となるクランク角θＰｍａｘを算出しているため、制御系への演算負荷が非常に大きくなる。
本発明は、コストを抑えつつも制御系への付加を軽減して筒内圧が最大となるタイミングを検出可能な最大筒内圧タイミング検出方法及びそれを用いた点火時期制御を提供することを、その目的とする。

上記目的を達成するため、本発明にかかるエンジンの気筒内の最大筒内圧となるタイミングを検出する方法では、気筒内の圧力を検出する筒内圧検出手段で検出された筒内圧情報を微分するとともに、当該微分出力がゼロクロスするタイミングを検出し、クランク角センサから所定間隔で出力されるパルス信号毎に動作するタイマーの動作をゼロクロスパルスでリセットし、リセット時の時間情報と前記パルス信号に対応するクランク角情報とから最大筒内圧タイミングとなるクランク角を算出することを特徴としている。

本発明に係る最大筒内圧タイミング検出方法において、リセット時のタイマーの出力をＡ、所定間隔に対応したタイマーの出力をＢ、直前のパルス信号から最大筒内圧となるまでのクランク角をθ、所定間隔をＤとした時、〔Ａ／（Ａ＋Ｂ）〕×Ｄで算出することを特徴としている。

本発明に係る最大筒内圧タイミング検出方法において、リセット時のタイマーの出力をＡ、リセット直後から次のパルス信号が到達するまでのタイマーの出力をＣ、直前のパルス信号から最大筒内圧となるまでのクランク角をθ、所定間隔をＤとした時、θ＝〔Ａ／（Ａ＋Ｃ）〕×Ｄで算出することを特徴としている。

本発明に係る、エンジンに設けられた点火手段の点火時期を制御する方法であって、上記何れかの最大筒内圧タイミング検出方法によって検出された最大筒内圧となるクランク角に応じて基本点火時期を進角または遅角制御することを特徴としている。

本発明によれば、気筒内の圧力を検出する筒内圧検出手段で検出された筒内圧情報を微分した出力がゼロクロスするタイミングとクランク角センサから出力されるパルス信号毎に動作するタイマーの出力とを利用して最大筒内圧となるクランク角を算出するので、特別なソフトや高精度に筒内圧を検出する必要がなくなり、コストを抑えながらも制御系への付加を軽減して最大筒内圧となるタイミングを検出することができる。
本発明によれば、上記最大筒内圧タイミング検出方法によって検出された最大筒内圧となるクランク角に応じて基本点火時期を進角または遅角制御するので、機関トルクを効率よく得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図１において全体構成を説明する。図１に符合１で示すエンジンの気筒２の上部には、点火プラグ３と筒内圧検出手段としての筒内圧センサ４とが、燃焼室５に臨むように装着されている。本形態において、筒内圧センサ４は吸気バルブ６の近傍に配置されている。筒内圧センサ４は気筒内の燃焼圧力を圧電素子によって電荷に変換し、電荷出力Ｓをチャージアンプ７に出力する。チャージアンプ７は、いわゆる電荷−電圧変換増幅器であり、センサ出力Ｓを電圧信号Ｓに変換してＡ／Ｄ変換器８に出力する。Ａ／Ｄ変換器８はアナログ信号として入力された信号Ｓをクランク角度に同期してデジタル信号に変換し、制御手段となるエンジンコントロールユニット（以下「ＥＣＵ」と記す）１０に出力する。つまり、信号Ｓは筒内圧センサ４で検知された圧力情報Ｓとなる。

ＥＣＵ１０には、圧力検出センサ４で検出された圧力情報Ｓ（電圧信号Ｓ）と、エアフローセンサ１１によって検出される吸入空気流量Ｑａと、クランク角センサ１２によって検出されるエンジン１のクランク角信号Ｃａと、気筒判別手段としての気筒判別センサ１３によって検出される気筒判別信号ＲＥＦ−ｉとが入力される。エアフローセンサ１１およびクランク角センサ１２は、運転状態検出手段２０を構成している。

クランク角センサ７は、爆発間隔（６気筒エンジンではクランク角で１２０度、４気筒エンジンでは１８０度）毎に各気筒の圧縮上死点（ＴＤＣ）前の所定位置、例えばＢＴＤＣ５度で〔Ｈ〕レベルのパルスとなる基準信号Ｃａを出力するとともに、クランク角の単位角度（例えば、１０°）毎に（Ｈ）レベルのパルスとなる単位信号としてのＳＧＴ信号を出力する。なお、基準信号Ｃａのパルスを計数することにより、エンジン回転数Ｎｅを知ることかでき、この処理はコントロールユニット５により行われる。本形態において、気筒判別センサ１３は、特定の気筒（例えば、第１気筒）を判別するもので、特定気筒の圧縮上死点前の所定クランク角位置で気筒判別信号ＲＥＦ−ｉを出力する。

ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ２１、ＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３およびＩ／Ｏポート２４により構成された周知のコンピュータであり、これらはコモンバス２５により互いに接続されている。ＥＣＵ１０は、計測用のタイマー２５を備えている。ＣＰＵ１１は、ＲＯＭ１２に予め書き込まれているプログラムに従ってＩ／Ｏポート２４より必要とする外部データを取り込むと共に、ＲＡＭ２３との間でデータの授受を行いながら必要な処理値等を演算処理し、必要に応じて処理したデータをＩ／Ｏポート２４へ出力する。Ｉ／Ｏポート２４には、各センサからの信号が入力される。Ｉ／Ｏポート２４からは点火信号Ｓｐを点火プラグ３に出力するとともに、噴射信号Ｓｉを燃料噴射用のインジェクタ１４に出力する。つまり、ＥＣＵ１０は、入力される各センサ情報に基づいて点火時期や燃料供給制御を行うと共に、気筒内、すなわち燃焼室５内の最大筒内圧を算出する機能を備えている。ＲＯＭ２２には、エンジン回転数Ｎｅと負荷情報となる吸入空気流量Ｑａとから図示しない基本点火時期と基本燃料噴射量のデータが記憶されている。

次に、ＥＣＵ１０による最大筒内圧検出について説明する。ＥＣＵ１０は、筒内圧検出センサ４で検出された気筒内の圧力情報Ｓを微分演算する微分回路２１を備えている。微分回路２１は、図２に示すように、微分出力がゼロとなるゼロクロスを検出し、最大筒内圧Ｐｍａｘとなる時期を算出する。本形態において、タイマー２５はクランク角センサ１２から出力されるＳＴＧ信号の所定間隔（例えばクランク角１０°毎）で動作すると共に、微分回路２１でゼロクロス位置が算出されると、所定間隔（クランク角１０°毎）内においてもリセットされるとともに、リセット時の時間と所定間隔（クランク角１０°毎）との時間の違いから最大筒内圧となるクランク角を検出している。

例えば、図２に示すように、ゼロクロスに伴うリセット時のタイマー２５の出力をＡ、上記所定時間に対応したタイマー２５の出力をＢ、直前のパルス信号からゼロクロス（最大筒内圧Ｐｍａｘ）までのクランク角をθ、所定間隔をＤとした時に、クランク角θを算出する式１が、ＥＣＵ１０には備えられている。

θ＝〔Ａ／（Ａ＋Ｂ）〕×Ｄ・・・（式１）
このような構成のＥＣＵ１０による最大筒内圧検出と、それを用いた点火時期制御についての基本的な原理について説明する。

吸入空気流量Ｑａおよびエンジン回転数Ｎｅに基づいて、点火時期や燃料噴射量がＥＣＵ１０で演算されるが、このとき筒内圧が最大筒内圧となる時期（クランク角θＰｍａｘ）を検出し、このクランク角θＰｍａｘが所定の目標値に一致するように点火時期を設定すればＭＢＴは達成することかできる。

以下、図４に示すフローチャートを用いて説明する。このプログラムは、気筒判別センサ１３からの気筒判別信号ＲＥＦ−ｉ毎に割込処理される。ステップＥ１ではエンジン１が始動すると、エアフローセンサ１１、クランク角センサ１２及び筒内圧検出センサ４からの信号を取込む。つまり、クランク角信号ＣａからＳＧＴ信号を取込み、エンジン回転数Ｎｅを求め、ステップＥ２において吸入空気流量Ｑａとエンジン回転数Ｎｅから基本点火時期を演算処理しステップＥ３に進む。ステップＥ３では、筒内圧検出センサ４からの圧力情報Ｓを微分回路２１で微分演算して最大筒内圧と見なすゼロクロス位置を検出する。

ステップＥ４では、ゼロクロスの検出位置でタイマー２５のカウントをリセットし、ステップＥ５に進んでリセット時のタイマー２５の出力Ａと、所定間隔に対応したタイマー２５の出力ＢとＳＧＴの所定間隔（Ｄ）から式１を用いて求めた上述のクランク角θと直前のパルス信号に対応したクランク角情報θｃとに基いて最大筒内圧となるクランク角θＰｍａｘを演算する。（θＰｍａｘ＝θｃ＋θ）
ステップＥ６では、ＲＯＭ２２に予め記憶された圧縮上死点後の所定の目標値θ１とθＰｍａｘとを比較する。本形態において目標値θ１は、図３に示すように１５°ＡＴＤＣとしている。ステップＥ６において、目標値θ１＝θＰｍａｘの場合には、図３に示すようにＭＢＴとなる点火時期であるので、ステップＥ７に進んでステップＥ２で求めた基本点火時期を補正しないで、図４において補正しないタイミングで点火プラグ３から火花が飛ぶように点火信号Ｓｐを出力し、この制御を終える。

一方、ステップＥ６において目標値θ１＝θＰｍａｘの条件を満たしていない場合には、ステップＥ９に進んで目標値θ１とθＰｍａｘとの差を判断する。ここで、目標値θ１＜θＰｍａｘの場合、すなわちθＰｍａｘが目標値θ１よりも遅角している場合にはステップＥ１０に進んで基本点火時期を進角補正し、ステップＥ８に進んで進角補正したタイミングで点火プラグ３から火花が飛ぶように点火信号Ｓｐを出力してこの制御を終える。目標値θ１＜θＰｍａｘでない場合、すなわちθＰｍａｘが目標値θ１よりも進角している場合にはステップＥ１１に進んで基本点火時期を遅角補正し、ステップＥ８において遅角補正したタイミングで点火プラグ３から火花が飛ぶように点火信号Ｓｐを出力してこの制御を終える。

このように、筒内圧検出センサ３で検出された筒内圧情報Ｓを微分回路２１で微分演算するとともに、クランク角パルスで作動するタイマー２５を利用することで最大筒内圧Ｐｍａｘを推定するので、筒内圧検出センサ３に高精度のものを使用しなくて良く、ＥＣＵ１０等の制御系へ負荷が軽減されるため、コストを抑えて最大筒内圧Ｐｍａｘを検出することができる。

また、演算されたクランク角θＰｍａｘが目標値θ１（目標クランク角）とずれている場合には、ずれている方向と逆方向に基本点火時期を補正するので、エンジンの運転状態が変化しても、常に最大筒内圧Ｐｍａｘとなるタイミングが適切となるように燃焼を行うことができ、効率よく機関トルクを得ることができる。

上記構成では、直前のパルス信号からゼロクロスまでのクランク角θを、ゼロクロス検出のタイマー２５のリセット時の出力Ａと所定間隔に対応したタイマー２５の出力Ｂから式１で求めたが、直前の値ではなく、リセットから次のパルス信号が到達するまでのタイマー２５の出力をＣとした時、式２を用いて算出するようにしても良い。
θ＝〔Ａ／（Ａ＋Ｃ）〕×Ｄ・・・式２

本発明の一実施形態である最大筒内圧検出方法及びそれを用いた点火時期制御方法が実現されるためのエンジンシステムの構成図である。 最大筒内圧制御と点火時期制御の概念を示すタイミングチャートである。 筒内圧とクランク角との関係を示す特性図である。 最大筒内圧制御と点火時期制御の一形態を示すフローチャートである。

符号の説明

１ エンジン
２ 気筒
４ 筒内圧検出手段
７ クランク角センサ
２１ 微分回路
２５ タイマー
Ｓ 筒内圧情報
Ｐｍａｘ 最大筒内圧
θＰｍａｘ クランク角

Claims (4)

1. エンジンの気筒内の筒内圧が最大となるタイミングを検出する方法であって、
   前記気筒内の圧力を検出する筒内圧検出手段で検出された筒内圧情報を微分するとともに、当該微分出力がゼロクロスするタイミングを検出し、
   クランク角センサから所定間隔で出力されるパルス信号毎に動作するタイマーの動作を前記ゼロクロスパルスでリセットし、リセット時の時間情報と前記パルス信号に対応するクランク角情報とから最大筒内圧タイミングとなるクランク角を算出することを特徴とする最大筒内圧タイミング検出方法。
2. 請求項１記載の最大筒内圧タイミング検出方法において、
   前記リセット時のタイマーの出力をＡ、前記所定間隔に対応したタイマーの出力をＢ、直前のパルス信号から最大筒内圧となるまでのクランク角をθ、所定間隔をＤとした時、θ＝〔Ａ／（Ａ＋Ｂ）〕×Ｄで算出することを特徴とする最大筒内圧タイミング検出方法。
3. 請求項１記載の最大筒内圧タイミング検出方法において、
   前記リセット時のタイマーの出力をＡ、リセット直後から次のパルス信号が到達するまでのタイマーの出力をＣ、直前のパルス信号から最大筒内圧となるまでのクランク角をθ、所定間隔をＤとした時、θ＝〔Ａ／（Ａ＋Ｃ）〕×Ｄで算出することを特徴とする最大筒内圧タイミング検出方法。
4. エンジンに設けられた点火手段の点火時期を制御する方法であって、
   請求項１ないし４の何れかに記載の最大筒内圧タイミング検出方法によって検出された最大筒内圧となるクランク角に応じて基本点火時期を進角または遅角制御することを特徴とする点火時期制御方法。

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