JP4094475B2 - 多気筒エンジンの燃焼圧データ収集システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気筒毎の燃焼圧を計測して気筒毎の燃焼圧データを収集する多気筒エンジンの燃焼圧データ収集システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、世界的な環境対策として、自動車用エンジンを初めとする内燃機関においては、ＣＯ２削減となる燃焼効率の向上、並びに有害な排出ガスの低減が求められている。一方、特に自動車用エンジンにおいては、エンジンの始動からアイドル状態、中低速から高速走行などエンジンの回転数、負荷条件など幅広い状況でエンジンが使用され、その全てにおいて環境対策を行う必要がある。従って、その全ての状況を想定してエンジン制御を最適化する必要があり、そのためのエンジン制御が適正であるかを確認するための手段として、一般的に、エンジンの燃焼状態を計測するためのセンサを用い、燃焼ガス圧の変化を計測及び解析することでエンジン制御の最適化を行う技術が開発されている。
【０００３】
すなわち、各気筒における燃焼圧を計測し、エンジンの最適化制御をエンジンの制御システムにおいて自動的に行うことで、燃焼ガス圧が最適になるように常に修正を行うことが可能となり、エンジンの使用状況に合った制御を行う事が可能となると共に、個々のエンジン或いは各気筒におけるばらつきに対して、或いは、エンジンを使用することによる各部の経年変化に伴う性能変化に対しても常に制御の最適化が可能となり、ＣＯ２削減となる燃焼効率の向上と有害な排出ガスの低減が可能となる。
【０００４】
燃焼圧を計測するセンサとしては、例えば特許文献１に開示されているような圧電素子を用いた圧力センサ（筒内圧センサ）を用いるのが一般的であり、圧電素子で発生する電荷信号を電圧信号に変換してエンジン制御における入力信号とするためのアンプ回路としては、チャージアンプを用いるのが一般的である。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３１２３７９８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
多気筒エンジンにおいては、そのエンジン性能を十分発揮させ、ＣＯ２削減となる燃焼効率の向上、並びに有害な排出ガスの低減を行うためには、各気筒に燃焼圧を計測するための筒内圧センサを装着し、各気筒における各サイクルの燃焼圧を計測して各気筒それぞれに対して最適制御を行うことが望ましい。
【０００７】
しかしながら、全ての気筒に装着された筒内圧センサからの出力信号を計測する場合には、圧電素子とチャージアンプとの間の電荷の漏洩や筒内圧センサにおける個体差及び温度変化による出力信号の変化等を考慮しなければならず、エンジン制御装置に大きな負担がかかるばかりでなく、制御装置の複雑化及び大型化、圧力センサとエンジン制御装置とのマッチング、筒内圧センサとエンジン制御装置との結線数が増大することになる。すなわち、一般的に燃焼圧を計測するための筒内圧センサは、回路を含む構造及び制御上、その取扱いが煩雑であり、筒内圧センサ本体と共に、それを活用するためには、大幅なコスト増を招くという問題がある。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、気筒毎の燃焼圧データを、複雑な処理を要することなく、簡素な構成で効率的に収集することのできる多気筒エンジンの燃焼圧データ収集システムを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、気筒毎に装着されて筒内圧に応じた電荷信号を出力する筒内圧センサと、上記筒内圧センサに接続され、上記筒内圧センサからの電荷信号を電圧信号に変換して出力すると共に、外部から入力されるリセット信号により電荷を放電するリセット機能と、信号伝達系で発生する電荷の漏洩による上記電圧信号のゼロ点のオフセットを検出し、上記筒内圧センサの電荷発生開始時と終了時とで上記電圧信号のゼロ点が同一レベルとなるよう自動的に補正する自動補正機能とを有する気筒毎のアンプ回路と、エンジンの気筒判別結果に基づく信号により、上記気筒毎のアンプ回路の出力信号から計測対象となる系統を選択して燃焼圧データを出力すると共に、計測を終了する系統のアンプ回路に上記リセット信号を出力する切換回路とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図５は本発明の実施の一形態に係わり、図１は燃焼圧データ収集システムの構成図、図２はアンプユニットの回路構成図、図３はチャンネル切換ユニットの回路構成図、図４はチャンネル選択信号と燃焼圧データの選択タイミングとリセット信号の送出タイミングとを示すタイムチャート、図５は燃焼圧データの切換え時期を示すタイムチャートである。
【００１２】
図１に示す燃焼圧データ収集システムは、４気筒エンジンへの適用例を示すものであり、車載バッテリによる単一電源で動作する。この燃焼圧データ収集システムは、エンジンの気筒毎に配設されて筒内の燃焼圧を直接検出するための筒内圧センサＣＰＳ＃ｎ（ｎ＝１，２，３，４；以下、添え字＃ｎは気筒番号を表すものとする）、筒内圧センサＣＰＳ＃ｎからの信号を増幅するアンプユニットＡＰ＃ｎ、図示しないエンジン制御用の電子制御ユニット（ＥＣＵ）からエンジン回転に同期して出力される所定のパルス列のチャンネル選択信号により、アンプユニットＡＰ＃ｎからの複数系統の信号のうち、計測対象となる系統を選択してＥＣＵに燃焼圧データを出力すると共に、計測終了となるアンプユニットＡＰ＃ｎへ後述するリセット信号を出力するチャンネル切換ユニットＭＵＸを備えている。
【００１３】
各気筒の筒内圧センサＣＰＳ＃ｎは、対応するアンプユニットＡＰ＃ｎに接続され、各アンプユニットＡＰ＃ｎは、それぞれの外部コネクタＡＣＮ＃ｎがチャンネル切換ユニットＭＵＸのデータ選択チャンネル毎の外部コネクタＭＣＮ＃ｎに接続されている。チャンネル切換ユニットＭＵＸは、更に、外部コネクタＣＮ１を介して図示しないＥＣＵに接続されている。
【００１４】
尚、本形態においては、エンジンの燃焼行程順を＃１気筒→＃３気筒→＃２気筒→＃４気筒とし、この燃焼行程順に対応して、データ選択チャンネルは、チャンネルＣＨ１が＃１気筒、チャンネルＣＨ２が＃３気筒、チャンネルＣＨ３が＃２気筒、チャンネルＣＨ４が＃４気筒に対応するものとする。
【００１５】
従って、＃１気筒の筒内圧センサＣＰＳ＃１及びアンプユニットＡＰ＃１に接続されるチャンネル切換ユニットＭＵＸの外部コネクタＭＣＮ＃１の入出力がチャンネルＣＨ１、＃２気筒の筒内圧センサＣＰＳ＃２及びアンプユニットＡＰ＃２に接続されるチャンネル切換ユニットＭＵＸの外部コネクタＭＣＮ＃２の入出力がチャンネルＣＨ３、＃３気筒の筒内圧センサＣＰＳ＃３及びアンプユニットＡＰ＃３に接続されるチャンネル切換ユニットＭＵＸの外部コネクタＭＣＮ＃３の入出力がチャンネルＣＨ２、＃４気筒の筒内圧センサＣＰＳ＃４及びアンプユニットＡＰ＃４に接続されるチャンネル切換ユニットＭＵＸの外部コネクタＭＣＮ＃４の入出力がチャンネルＣＨ４に対応する。
【００１６】
筒内圧センサＣＰＳ＃ｎは、本形態においては、圧電素子を利用したセンサであり、圧力に比例した電荷を発生する。このため、各アンプユニットＡＰ＃ｎに内蔵されるアンプ回路１０は、電荷信号を電圧に変換する電荷−電圧変換アンプであり、アンプ回路１０の出力レベルが筒内圧センサＣＰＳ＃ｎの電荷発生開始時と終了時とで同一レベルとなるよう自動的に補正することで、電荷の漏洩によるゼロ点のオフセットを補正する自動補正機能と、チャンネル切換ユニットＭＵＸからのリセット信号により、アンプ回路１０の入力側の電荷を強制的に放電する強制リセット機能とを備えている。
【００１７】
図２は、アンプ回路１０の回路例を示すものであり、筒内圧センサＣＰＳ＃ｎで発生した電荷を蓄電する電圧変換用コンデンサＣｘ、電圧変換用コンデンサＣｘの電圧を増幅して出力するアンプＡ１、アンプＡ１からの負の出力（“０”以下の出力）を検知してアンプＡ１の入力が“０”になるように自動的に補正動作を行うためのアンプＡ２及び電界効果型トランジスタＴ１、チャンネル切換ユニットＭＵＸから入力されるリセット信号により電界効果型トランジスタＴ１を強制的にＯＮさせてアンプＡ１の入力側の電荷を放電するためのフォトカプラＰＣ１を主として備えている。
【００１８】
すなわち、筒内圧センサＣＰＳ＃ｎの出力側は、発生した電荷がアンプ回路１０の電圧変換用コンデンサＣｘに蓄電するよう結線され、アンプＡ１の非反転入力端に接続されている。アンプＡ１の出力端は抵抗Ｒ３を経て３方に分岐され、１つは基板コネクタＣＮに直接接続され、この基板コネクタＣＮから外部コネクタＡＣＮ＃ｎを経てチャンネル切換ユニットＭＵＸに接続される。他の１つはアンプＡ２の反転入力端に抵抗Ｒ４を介して接続され、残りの一つはアンプＡ１の利得設定のため抵抗ＶＲ，Ｒ２を介してアンプＡ１の反転入力端に接続され、抵抗Ｒ１を介して接地されている。
【００１９】
アンプＡ２は、アンプＡ１からの負の出力を検出する反転型のアンプであり、その反転入力端が抵抗Ｒ３，Ｒ４を介してアンプＡ１の出力端に接続され、非反転入力端に、抵抗Ｒ５，Ｒ６で回路電圧Ｖｃｃ（例えば、＋ＤＣ５Ｖ）を分圧した基準電圧Ｖｒｅｆ（例えば、＋２ｍＶ）が印加されている。この基準電圧Ｖｒｅｆは、単一電源動作における“０”点を定める電圧であり、アンプＡ２は、基準電圧Ｖｒｅｆを“０”とし、基準電圧Ｖｒｅｆより小さい電圧をマイナス、基準電圧Ｖｒｅｆより大きい電圧をプラスとして動作する。
【００２０】
また、アンプＡ２の出力端は、電界効果型トランジスタＴ１のゲートに、ダイオードＤ１を介して接続されている。電界効果型トランジスタＴ１は、ゲートにゲート抵抗Ｒｇが接続され、ドレインがアンプＡ１の非反転入力端に抵抗Ｒｄを介して接続され、ソースが強制リセットをかけた場合のアンプＡ１の入力電圧を定める電位点に接続されている。この電位点は、抵抗Ｒ７，Ｒ８で回路電圧Ｖｃｃを分圧した電圧Ｖｒｔ（例えば、＋６ｍＶ）に設定されており、用途により適宜調整される。また、電界効果型トランジスタＴ１のゲートには、フォトカプラＰＣ１の出力端が接続されており、このフォトカプラＰＣ１の入力端が基板コネクタＣＮから外部コネクタＡＣＮ＃ｎを経てチャンネル切換ユニットＭＵＸに接続される。
【００２１】
一方、図１に示すように、チャンネル切換ユニットＭＵＸには、マルチプレクサを中心として構成される切換回路２０が内蔵され、この切換回路２０によるチャンネル切換状態を点滅により２ビット表示するための２つの発光ダイオードＬＥＤ１，ＬＥＤ２が設けられると共に、点検・調整等の際にマニュアル操作でアンプ出力を切換え可能とするためのスイッチＳ１が設けられている。切換回路２０は、基板コネクタＣＮ２を介して外部コネクタＣＮ１に接続されると共に、基板コネクタＣＮ３を介してスイッチＳ１に接続され、更に、基板コネクタＣＮ４〜ＣＮ７を介して外部コネクタＭＣＮ＃１〜ＭＣＮ＃４に接続されている。
【００２２】
切換回路２０は、図３に示すように、ＥＣＵから入力されるチャンネル選択信号の各パルス毎にワンショットパルスを発生する２つのタイマＩＣ１，ＩＣ２、チャンネル選択信号をカウントしてアドレスデータを生成するカウンタＩＣ３、カウンタＩＣ３からのアドレスデータに応じてアンプユニットＡＰ＃ｎからの信号を切換えると共に、タイマＩＣ２からの出力をリセット信号として送出先を切換える２チャンネル（Ｘ，Ｙチャンネル）のマルチプレクサＩＣ４を主要構成としている。
【００２３】
詳細には、基板コネクタＣＮ２のチャンネル選択信号入力ピンに、フォトカプラＰＣ２の入力端が接続され、フォトカプラＰＣ２の出力端が２入力ＮＡＮＤゲートＧ１の一方の入力端に接続されている。ＮＡＮＤゲートＧ１の他方の入力端には、基板コネクタＣＮ３を介してスイッチＳ１から入力される信号を波形成形するシュミット回路用のアンプＡ３の出力端が接続され、ＮＡＮＤゲートＧ１の出力端がタイマＩＣ１のトリガ入力（Ａ入力）と２入力ＮＡＮＤゲートＧ２の一方の入力端とに接続されている。
【００２４】
尚、符号ＩＣ６は、電源回路を構成する３端子レギュレータであり、基板コネクタＣＮ３を介して供給されるバッテリ電圧Ｖｂ（１２Ｖ）を降圧・安定化して回路電源＋Ｖｃｃ（５Ｖ）を生成し、チャンネル切換ユニットＭＵＸ内の各部に供給すると共に、基板コネクタＣＮ４〜ＣＮ７を介して接続されるアンプユニットＡＰ＃１〜ＡＰ＃４の電源として供給する。
【００２５】
タイマＩＣ１のＱ出力は、もう一方のタイマＩＣ２のトリガ入力（Ｂ入力）とカウンタＩＣ３のクロック入力（ＣＬＫ入力）端とに接続されており、タイマＩＣ２のＱ出力は、ＮＡＮＤゲートＧ２の他方の入力端と、マルチプレクサＩＣ４の一方のチャンネルのデマルチプレクス側（Ｙ入力）とに接続されている。タイマＩＣ１，ＩＣ２には、ＥＣＵからのチャンネル選択信号との関係において設定されたパルス幅となるよう、それぞれ、抵抗Ｒ２０及びコンデンサＣ２０、抵抗Ｒ２１及びコンデンサＣ２１が外付けされており、タイマＩＣ１は、ＮＡＮＤゲートＧ１の出力の立上がりエッジをトリガとして、設定パルス幅のワンショットパルスを出力し、タイマＩＣ２は、タイマＩＣ１のワンショットパルスの立下がりをトリガとして、タイマＩＣ１のワンショットパルスよりも短いパルス幅のワンショットパルスを出力する。タイマＩＣ１のワンショットパルス、タイマＩＣ２のワンショットパルス、ＥＣＵからのチャンネル選択信号の関係については、後述する。
【００２６】
ＮＡＮＤゲートＧ２の出力端は、一方の入力端が論理レベル“１”に固定された２入力ＮＡＮＤゲートＧ３（すなわちインバータ）の他方の入力端に接続され、このＮＡＮＤゲートＧ３の出力端がカウンタＩＣ３のリセット入力（Ｒ入力）端に接続されている。カウンタＩＣ３は、図においては、１６進カウンタの下位出力（Ｑ0、Ｑ1）を用いて４進カウンタとするものであり、チャンネル選択信号のパルス毎にカウントアップする。カウンタＩＣ３の下位出力Ｑ0,Ｑ1は、マルチプレクサＩＣ４の制御入力（Ａ，Ｂ入力）端に接続されると共に、ドライバアンプアレイＩＣ５を介してＬＥＤ１，ＬＥＤ２に接続されている。
【００２７】
マルチプレクサＩＣ４は、本形態においては、２チャンネルのアナログマルチプレクサであり、カウンタＩＣ３の出力データをアドレスとして内部スイッチを切換える。一方のチャンネルは、マルチプレクス側Ｘ0,Ｘ1,Ｘ2,Ｘ3を入力端、デマルチプレクス側Ｘを出力端として用い、入力端Ｘ0,Ｘ1,Ｘ2,Ｘ3が基板コネクタＣＮ４〜ＣＮ７を介して各アンプユニットＡＰ＃１〜ＡＰ＃４のアンプ出力端に接続され、出力端Ｘが増幅用のアンプＡ４を介して基板コネクタＣＮ２のアンプ信号出力ピンに接続されている。
【００２８】
また、他方のチャンネルは、マルチプレクス側Ｙ0,Ｙ1,Ｙ2,Ｙ3を出力端、デマルチプレクス側Ｙを入力端として用い、出力端Ｙ0,Ｙ1,Ｙ2,Ｙ3がドライバアンプアレイＩＣ５及び基板コネクタＣＮ４〜ＣＮ７を介して各アンプユニットＡＰ＃１〜ＡＰ＃４のリセット信号入力端に接続され、入力端ＹへのタイマＩＣ２のＱ出力をリセット信号として、カウンタＩＣ３の出力データにより送出先を切換える。
【００２９】
以上の構成による燃焼圧データ収集システムでは、先ず、筒内圧センサＣＰＳ＃ｎから圧力に応じて出力される電荷信号をアンプユニットＡＰ＃ｎで電圧信号に変換し、この電圧信号に変換されたアンプ出力信号がチャンネル切換ユニットＭＵＸに出力される。
【００３０】
すなわち、通常の４サイクル（吸気→圧縮→燃焼→排気）エンジンでは、ピストンが上死点近辺に到達し、排気弁が閉じて吸気弁が開いた状態での筒内圧は、自然吸気型エンジンでは大気圧、過給器付き型エンジンでは、大気圧に過給圧（例えば、５００ｍｍＨｇ〜１５００ｍｍＨｇ程度）を加えた圧力である。
【００３１】
このとき、筒内圧センサＣＰＳ＃ｎの圧電素子に筒内の圧力負荷に比例した電荷が発生する。この電荷をｑとすると、この電荷ｑがアンプユニットＡＰ＃ｎの電圧変換用コンデンサＣｘに蓄電され、アンプＡ１により電圧信号＋Ｖに変換されて出力される。従って、筒内圧が大気圧の状態での信号レベルをゼロレベル、過給圧がある場合には、大気圧ゼロのレベルに過給圧をＤＣ電圧成分として上乗せしたレベルとして、やがて発生する燃焼圧により立ち上がる燃焼波形の基本レベルとなる。
【００３２】
ピストンが上死点から下死点に向かう間、吸気が継続し、この間、筒内圧に大きな変化は見られず略基本レベルに維持される。次に、ピストンが下死点近辺に到達し、吸気弁が閉じて下死点から上死点に向かう間に圧縮が始まると、この圧縮の開始と共に筒内圧が上昇を開始し、圧電素子の電荷が増加して電圧変換用コンデンサＣｘに順次蓄積され、アンプＡ１で変換・出力される電圧信号＋Ｖも上昇する。
【００３３】
そして、上死点に到達する直前（圧縮圧が最大値となる直前）での点火により燃焼圧が発生し、この燃焼圧の発生により、圧電素子の電荷が急激に増大し、アンプＡ１で変換・出力される電圧信号＋Ｖも急激に上昇する。このとき、燃焼圧として出力される信号は、前述の基本レベルからの信号、すなわち、自然吸気型エンジンにおいては、大気圧のレベルからのものであり、過給器付き型エンジンの場合には、過給圧のＤＣ電圧成分に重累したものである。
【００３４】
次に、筒内圧が最大となった後、ピストンが上死点から下死点に向かい、それと共に筒内の圧力が減少に転じると、電荷が−ｑに極性を反転し、電圧変換用コンデンサＣｘから逆流して圧電素子に帰還し、アンプＡ１で変換・出力される電圧信号＋Ｖがも低下する。その後、ピストンが下死点近辺に到達して排気弁が開き（吸気弁は閉じたまま）、ピストンが上死点に向かう行程で燃焼ガスを排気すると、自然吸気型エンジンの筒内圧は大気圧に、過給器付き型エンジンの筒内圧は過給圧に夫々復帰し、１燃焼サイクルが完了して信号のレベルも夫々燃焼サイクル開始以前のレベルに復帰することになる。
【００３５】
この現象をアンプＡ１の出力で観察すると、筒内圧センサＣＰＳ＃ｎに圧力が加わる以前の電圧は“０”（Ｖｒｅｆ；２ｍＶ）であり、圧力が加わると同時にアンプＡ１は正の電圧を出力し、圧力の低下が始まるとアンプＡ１の出力電圧も低下し、電荷の漏洩がなければ電荷はゼロになり、アンプＡ１の出力電圧もゼロになる。
【００３６】
しかしながら、現実には、筒内圧センサＣＰＳ＃ｎからアンプユニットＡＰ＃ｎとの間の信号伝達系の絶縁抵抗は有限であり、電圧変換用コンデンサＣｘに蓄電された電荷の一部は漏洩し、減圧が始まるとマイナス電圧に転じる信号電圧に重累して出力し、加圧開始時の初期のレベルに復帰すべき信号電圧が負の領域に到達する虞がある。すなわち、圧力をゼロから上昇させ、再びゼロに戻すと、電荷がリークした分だけ筒内圧センサＣＰＳ＃ｎの電荷が負になり、アンプユニットＡＰ＃ｎから出力される信号のゼロ点レベルが変動して正確な計測を阻害する可能性がある。
【００３７】
この電荷の漏洩に対し、アンプユニットＡＰ＃ｎでは、電荷がリークしてゼロに戻り、アンプＡ１が負の出力をしようとすると、アンプＡ１の負の出力を電荷の漏洩として検出して自動補正機能が動作し、電荷の漏洩によるゼロ点のオフセットを自動的に補正する。
【００３８】
すなわち、アンプＡ２でアンプＡ１の負電圧を反転増幅し、その増幅出力を電界効果型トランジスタＴ１のゲートに加える。電界効果型トランジスタＴ１のゲート電圧がスレッシホルド電圧Ｖｔｈ（１〜３Ｖ程度）以下の場合には、ドレイン−ゲート間容量Ｃｄｇを通して電圧変換用キャパシタＣｘに電荷が注入されるが、電界効果型トランジスタＴ１のゲート電圧がスレッシホルド電圧Ｖｔｈを超えると、ドレイン−ソース間が導通を始める。その結果、センサの電荷は電界効果型トランジスタＴ１を通じて放電され、アンプＡ１の出力端における電圧が“０”（２ｍＶ）となる。
【００３９】
アンプＡ２及び電界効果型トランジスタＴ１による自動補正機能は、アンプＡ１側から見れば、出力が負のとき一種の負帰還回路を構成しており、アンプＡ１の入力を電界効果型トランジスタＴ１でゼロ点と導通することにより自動補正をかけ、以後、圧力が上昇すると、最低圧力（負圧を含む）をゼロ点として動作し、アンプＡ１の入力がマイナスの領域にある限り、この状態が継続する。
【００４０】
この自動補正が機能している状態では、電界効果型トランジスタＴ１のゲートに正の電圧がかかっており、継続的に圧力が変化しない場合、或る点でバランスし、そのバランス状態が維持される。このようなバランス状態は、各部の電圧、アンプＡ１，Ａ２の利得やオフセット、電界効果型トランジスタＴ１のスレッシホルド電圧Ｖｔｈや相互コンダクタンスｇｍ等のパラメータの影響を受けるが、アンプＡ１の出力は、ほぼゼロとなる。
【００４１】
すなわち、電界効果型トランジスタＴ１のゲート電圧が下がると、ドレイン−ゲート間容量Ｃｄｇに蓄えられた電荷がアンプＡ１の入力電圧を下げる方向に働き、その結果、アンプＡ１とアンプＡ２とを通してゲート電圧を上げるように作用する。逆に、ゲート電圧が上がる場合も同様である。従って、アンプの他の電圧が変動しない限り、その状態を維持し、最低圧力の状態から圧力が上昇に転ずると、アンプＡ１の出力はプラスに転じ、上昇する。
【００４２】
また、筒内圧センサＣＰＳ＃ｎを用いてエンジンの燃焼圧を計測する際には、温度変化の激しい環境下での計測となるため、温度の変化が出力として重畳してしまい、あたかも直流の上に圧力信号が載っているかのようになる虞がある。従って、アンプユニットＡＰ＃ｎは、チャンネル切換ユニットＭＵＸから送られてくるリセット信号により、アンプＡ１の入力側の電荷を放電する強制リセットにより、温度による直流分を削除する。
【００４３】
すなわち、チャンネル切換ユニットＭＵＸからリセット信号が入力されると、フォトカプラＰＣ１がＯＮして電界効果型トランジスタＴ１のゲートに、スレッシホルド電圧Ｖｔｈより高い電圧が加えられ、電界効果型トランジスタＴ１が導通する。その結果、センサ信号の入力状態に拘わらず電荷が放電され、アンプＡ１の入力は電圧Ｖｒｔとなり、出力は電圧ＶｒｔにアンプＡ１の利得をかけた値になる。
【００４４】
リセット信号がなくなるときには、ゲート抵抗Ｒｇによりゲート電圧はゼロに向かうので、スレッシホルド電圧Ｖｔｈ以下では、ドレイン−ゲート間容量Ｃｄｇに蓄えられた電荷が電圧変換用キャパシタＣｘに渡され、アンプＡ１の入力は負方向となる。このときのアンプＡ１の入力電圧は−Ｖｔｈ・Ｃｄｇ／（Ｃｓ＋Ｃｘ＋Ｃｄｇ＋Ｃｄｓ）であり（但し、Ｃｓ：漏洩電荷の浮遊容量、Ｃｄｓ：ドレイン−ソース間容量）、この電圧は自動補正が動作するに十分な値であり、入力がどうであろうと、その点をゼロとして回路は動作する。圧力が下がる場合には、自動補正が機能し、最低圧力点をゼロとして作動する。
【００４５】
このように、アンプユニットＡＰ＃ｎは、電荷の漏洩に対する自動補正機能と温度変化に対するリセット機能とを有しており、急激な圧力の上昇とそれに続く降下が連続して繰り返され、圧力変動に比例した電荷の急速な流出と流入に伴って発生する電荷の漏洩により１サイクル毎に累積される信号レベルのオフセットを補正することができると共に、温度変化による出力誤差を小さくすることができる。
【００４６】
次に、このアンプユニットＡＰ＃ｎで電圧信号に変換された燃焼圧データは、ＥＣＵから送出されるチャンネル選択信号によりチャンネル切換ユニットＭＵＸで切換えられてＥＣＵに送出される。チャンネル切換ユニットＭＵＸでは、カウンタＩＣ３でチャンネル選択信号のパルス列をカウントし、そのカウンタ値に応じてアンプユニットＡＰ＃ｎからの信号を切換える。
【００４７】
チャンネル選択信号は、例えばクランク角センサから出力される信号とカム角センサから出力される信号とによるＥＣＵ内での気筒判別結果に基づいて出力される信号である。具体的には、チャンネル選択信号は、図４，図５に示すように、パルス幅２ｍｓｅｃのパルスと、この２ｍｓｅｃのパルスに続く３個のパルス幅１ｍｓｅｃのパルスとを１サイクルとするエンジン回転に同期した信号であり、２ｍｓｅｃのパルスが＃１気筒に対応し、次の３個の１ｍｓｅｃのパルスが燃焼順の各気筒、すなわち、＃３気筒、＃２気筒、＃４気筒にそれぞれ対応する。
【００４８】
本形態においては、各気筒の燃焼圧の計測期間は、図５に示すように、各気筒の圧縮上死点から下死点までのクランク角１８０°ＣＡの期間であり、＃１気筒の圧縮上死点で２ｍｓｅｃのパルス、＃３気筒の圧縮上死点で次の１ｍｓｅｃのパルス、＃２気筒の圧縮上死点で２番目の１ｍｓｅｃのパルス、＃４気筒の圧縮上死点で３番目の１ｍｓｅｃのパルスが出力され、各気筒の燃焼開始から燃焼終了に至るまでの測定データが燃焼順に切換えられてＥＣＵに伝送される。
【００４９】
このようなチャンネル選択信号に対し、チャンネル切換ユニットＭＵＸ内のタイマＩＣ１，ＩＣ２は、２ｍｓｅｃのパルスと１ｍｓｅｃのパルスとを識別するため、それぞれ、１．５ｍｓｅｃ、１ｍｓｅｃのワンショットパルスを発生するように設定されており、チャンネル選択信号のパルス列のうち、１．５ｍｓｅｃより長いパルス（すなわち２ｍｓｅｃパルス）の入力毎に、カウンタＩＣ３がリセットされる。
【００５０】
詳細には、チャンネル切換ユニットＭＵＸにチャンネル選択信号が送られてくると、フォトカプラＰＣ２で絶縁・反転されてＮＡＮＤゲートＧ１に入力され、ＮＡＮＤゲートＧ１から同じ２ｍｓｅｃのパルスが出力される（但し、ここでは、スイッチＳ１によるマニュアル切換信号は、入力されないものとする）。このＮＡＮＤゲートＧ１からの２ｍｓｅｃパルスは、ＮＡＮＤゲートＧ２に入力されると同時にタイマＩＣ１に入力され、その立上がりエッジでタイマＩＣ１がトリガされる。
【００５１】
その結果、図４のタイムチャートに示すように、タイマＩＣ１から１．５ｍｓｅｃのパルスが出力される。この１．５ｍｓｅｃのパルスは、カウンタＩＣ３に入力されてカウントアップされ、更に、タイマＩＣ２に入力される。タイマＩＣ２は、タイマＩＣ１からの１．５ｍｓｅｃパルスの立下りでトリガされ、１ｍｓｅｃのパルスを出力する。この１ｍｓｅｃのパルスは、ＮＡＮＤゲートＧ２に入力されると共にマルチプレクサＩＣ４のＹ入力端に入力される。そして、ＮＡＮＤゲートＧ２からＮＡＮＤゲートＧ３（インバータとして機能）を経て、２ｍｓｅｃパルスと１ｍｓｅｃパルスとの論理積がカウンタＩＣ３のリセット入力端に出力される。
【００５２】
すなわち、チャンネル選択信号の２ｍｓｅｃのパルスとタイマＩＣ２からの１ｍｓｅｃのパルスとによって０．５ｍｓｅｃのパルスが生成され、カウンタＩＣ３にリセットパルスとして入力される。従って、チャンネル選択信号の２ｍｓｅｃパルスが入力されたときには、カウンタＩＣ３は一旦カウントアップされるが、直ぐにリセットされ、カウンタ値は０となる。
【００５３】
チャンネル選択信号の２ｍｓｅｃのパルスに続く１ｍｓｅｃのパルスでは、同様に、タイマＩＣ１，ＩＣ２から、それぞれ、１．５ｍｓｅｃのパルス、１ｍｓｅｃのパルスが出力されるが、チャンネル選択信号の１ｍｓｅｃのパルスとタイマＩＣ２からの１ｍｓｅｃのパルスとは時間的にずれているため、カウンタＩＣ３へのリセットパルスは生成されず、カウンタＩＣ３がカウントアップされてカウンタ値が１となる。以後、チャンネル選択信号の１ｍｓｅｃパルスの入力毎にカウンタＩＣ３がカウントアップされてカウンタ値がインクリメントされてゆき、２ｍｓｅｃパルスでリセットされてカウンタ値が０に戻る。
【００５４】
つまり、入力されるチャンネル選択信号のパルスが１．５ｍｓｅｃより長い場合には、カウンタＩＣ３がリセットされ、１．５ｍｓｅｃより短い場合には、カウンタＩＣ３がカウントアップされることで、マルチプレクサＩＣ４に与えられるカウンタ値（アドレスデータ）が変化する。
【００５５】
マルチプレクサＩＣ４は、このカウンタ値により、Ｘチャンネルを計測対象となる燃焼開始気筒に対応するデータ選択チャンネルに切換え、該当するアンプユニットＡＰ＃ｎからの信号をＥＣＵに出力すると共に、Ｙチャンネルを計測終了となる燃焼終了気筒に対応するデータ選択チャンネルに切換え、タイマＩＣ２からの１ｍｓｅｃのパルスを該当するアンプユニットＡＰ＃ｎへのリセット信号として送出する（図４のタイムチャート参照）。
【００５６】
カウンタ値、データ選択チャンネル、リセット信号送出先、気筒番号の関係は、以下に示す通りであり、チャンネル選択信号の２ｍｓｅｃのパルス入力（カウンタ値０）により、＃１気筒の燃焼圧データが選択されると共に、燃焼終了となる＃４気筒（＃１気筒の前の燃焼気筒）の燃焼圧データにおけるゼロ点のオフセットが強制リセットされ、次の１ｍｓｅｃのパルス入力（カウンタ値１）により、＃３気筒の燃焼圧データが選択されると共に、燃焼終了となる＃１気筒（＃３気筒の前の燃焼気筒）の燃焼圧データにおけるゼロ点のオフセットが強制リセットされる。更に、２番目の１ｍｓｅｃのパルス入力（カウンタ値２）により、＃２気筒の燃焼圧データが選択されると共に、燃焼終了となる＃３気筒（＃２気筒の前の燃焼気筒）の燃焼圧データにおけるゼロ点のオフセットが強制リセットされ、３番目の１ｍｓｅｃのパルス入力（カウンタ値３）により、＃４気筒の燃焼圧データが選択されると共に、燃焼終了となる＃２気筒（＃４気筒の前の燃焼気筒）の燃焼圧データにおけるゼロ点のオフセットが強制リセットされる。このような過程が繰返され、図５に示すように、各気筒の燃焼圧データが順次切換えられて一連の連続したデータとしてＥＣＵに伝送され、ＥＣＵにおける気筒毎の最適燃焼制御を可能としている。
【００５７】
このように本実施の形態においては、多気筒エンジンにおける気筒毎の燃焼圧を計測したデータを、センサからの電荷の漏洩やセンサの個体差及び温度変化によるセンサ出力の変化等に対応するといった複雑な処理を要することなく、簡素な構成で正確且つ効率よく収集することができ、エンジン制御装置側の負担を軽減することができる。尚且つ、エンジンの気筒数に拘わらず１つの連続した入力信号として最低限の処理で有効に活用することを可能としている。
【００５８】
これにより、エンジン側の制御装置の複雑化や大型化を回避し、また、センサと制御装置とのマッチング工数やセンサと制御装置との結線数を低減することができ、ＣＯ２削減となる燃焼効率の向上、並びに有害な排出ガスの低減となるエンジンの最適制御を低コストで実現可能とすることができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、気筒毎の燃焼圧データを、複雑な処理を要することなく、簡素な構成で効率的に収集することができ、燃焼効率の向上、並びに有害な排出ガスの低減となるエンジンの最適制御を低コストで実現可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃焼圧データ収集システムの構成図
【図２】アンプユニットの回路構成図
【図３】チャンネル切換ユニットの回路構成図
【図４】チャンネル選択信号と燃焼圧データの選択タイミングとリセット信号の送出タイミングとを示すタイムチャート
【図５】燃焼圧データの切換え時期を示すタイムチャート
【符号の説明】
ＣＰＳ＃ｎ 筒内圧センサ
ＡＰ＃ｎ アンプユニット
ＭＵＸ チャンネル切換ユニット
１０ アンプ回路
２０ 切換回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、気筒毎の燃焼圧を計測して気筒毎の燃焼圧データを収集する多気筒エンジンの燃焼圧データ収集システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、世界的な環境対策として、自動車用エンジンを初めとする内燃機関においては、ＣＯ２削減となる燃焼効率の向上、並びに有害な排出ガスの低減が求められている。一方、特に自動車用エンジンにおいては、エンジンの始動からアイドル状態、中低速から高速走行などエンジンの回転数、負荷条件など幅広い状況でエンジンが使用され、その全てにおいて環境対策を行う必要がある。従って、その全ての状況を想定してエンジン制御を最適化する必要があり、そのためのエンジン制御が適正であるかを確認するための手段として、一般的に、エンジンの燃焼状態を計測するためのセンサを用い、燃焼ガス圧の変化を計測及び解析することでエンジン制御の最適化を行う技術が開発されている。
【０００３】
すなわち、各気筒における燃焼圧を計測し、エンジンの最適化制御をエンジンの制御システムにおいて自動的に行うことで、燃焼ガス圧が最適になるように常に修正を行うことが可能となり、エンジンの使用状況に合った制御を行う事が可能となると共に、個々のエンジン或いは各気筒におけるばらつきに対して、或いは、エンジンを使用することによる各部の経年変化に伴う性能変化に対しても常に制御の最適化が可能となり、ＣＯ２削減となる燃焼効率の向上と有害な排出ガスの低減が可能となる。
【０００４】
燃焼圧を計測するセンサとしては、例えば特許文献１に開示されているような圧電素子を用いた圧力センサ（筒内圧センサ）を用いるのが一般的であり、圧電素子で発生する電荷信号を電圧信号に変換してエンジン制御における入力信号とするためのアンプ回路としては、チャージアンプを用いるのが一般的である。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３１２３７９８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
多気筒エンジンにおいては、そのエンジン性能を十分発揮させ、ＣＯ２削減となる燃焼効率の向上、並びに有害な排出ガスの低減を行うためには、各気筒に燃焼圧を計測するための筒内圧センサを装着し、各気筒における各サイクルの燃焼圧を計測して各気筒それぞれに対して最適制御を行うことが望ましい。
【０００７】
しかしながら、全ての気筒に装着された筒内圧センサからの出力信号を計測する場合には、圧電素子とチャージアンプとの間の電荷の漏洩や筒内圧センサにおける個体差及び温度変化による出力信号の変化等を考慮しなければならず、エンジン制御装置に大きな負担がかかるばかりでなく、制御装置の複雑化及び大型化、圧力センサとエンジン制御装置とのマッチング、筒内圧センサとエンジン制御装置との結線数が増大することになる。すなわち、一般的に燃焼圧を計測するための筒内圧センサは、回路を含む構造及び制御上、その取扱いが煩雑であり、筒内圧センサ本体と共に、それを活用するためには、大幅なコスト増を招くという問題がある。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、気筒毎の燃焼圧データを、複雑な処理を要することなく、簡素な構成で効率的に収集することのできる多気筒エンジンの燃焼圧データ収集システムを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、気筒毎に装着されて筒内圧に応じた電荷信号を出力する筒内圧センサと、上記筒内圧センサに接続され、上記筒内圧センサからの電荷信号を電圧信号に変換して出力すると共に、外部から入力されるリセット信号により電荷を放電するリセット機能と、信号伝達系で発生する電荷の漏洩による上記電圧信号のゼロ点のオフセットを検出し、上記筒内圧センサの電荷発生開始時と終了時とで上記電圧信号のゼロ点が同一レベルとなるよう自動的に補正する自動補正機能とを有する気筒毎のアンプ回路と、エンジンの気筒判別結果に基づく信号により、上記気筒毎のアンプ回路の出力信号から計測対象となる系統を選択して燃焼圧データを出力すると共に、計測を終了する系統のアンプ回路に上記リセット信号を出力する切換回路とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図５は本発明の実施の一形態に係わり、図１は燃焼圧データ収集システムの構成図、図２はアンプユニットの回路構成図、図３はチャンネル切換ユニットの回路構成図、図４はチャンネル選択信号と燃焼圧データの選択タイミングとリセット信号の送出タイミングとを示すタイムチャート、図５は燃焼圧データの切換え時期を示すタイムチャートである。
【００１２】
図１に示す燃焼圧データ収集システムは、４気筒エンジンへの適用例を示すものであり、車載バッテリによる単一電源で動作する。この燃焼圧データ収集システムは、エンジンの気筒毎に配設されて筒内の燃焼圧を直接検出するための筒内圧センサＣＰＳ＃ｎ（ｎ＝１，２，３，４；以下、添え字＃ｎは気筒番号を表すものとする）、筒内圧センサＣＰＳ＃ｎからの信号を増幅するアンプユニットＡＰ＃ｎ、図示しないエンジン制御用の電子制御ユニット（ＥＣＵ）からエンジン回転に同期して出力される所定のパルス列のチャンネル選択信号により、アンプユニットＡＰ＃ｎからの複数系統の信号のうち、計測対象となる系統を選択してＥＣＵに燃焼圧データを出力すると共に、計測終了となるアンプユニットＡＰ＃ｎへ後述するリセット信号を出力するチャンネル切換ユニットＭＵＸを備えている。
【００１３】
各気筒の筒内圧センサＣＰＳ＃ｎは、対応するアンプユニットＡＰ＃ｎに接続され、各アンプユニットＡＰ＃ｎは、それぞれの外部コネクタＡＣＮ＃ｎがチャンネル切換ユニットＭＵＸのデータ選択チャンネル毎の外部コネクタＭＣＮ＃ｎに接続されている。チャンネル切換ユニットＭＵＸは、更に、外部コネクタＣＮ１を介して図示しないＥＣＵに接続されている。
【００１４】
尚、本形態においては、エンジンの燃焼行程順を＃１気筒→＃３気筒→＃２気筒→＃４気筒とし、この燃焼行程順に対応して、データ選択チャンネルは、チャンネルＣＨ１が＃１気筒、チャンネルＣＨ２が＃３気筒、チャンネルＣＨ３が＃２気筒、チャンネルＣＨ４が＃４気筒に対応するものとする。
【００１５】
従って、＃１気筒の筒内圧センサＣＰＳ＃１及びアンプユニットＡＰ＃１に接続されるチャンネル切換ユニットＭＵＸの外部コネクタＭＣＮ＃１の入出力がチャンネルＣＨ１、＃２気筒の筒内圧センサＣＰＳ＃２及びアンプユニットＡＰ＃２に接続されるチャンネル切換ユニットＭＵＸの外部コネクタＭＣＮ＃２の入出力がチャンネルＣＨ３、＃３気筒の筒内圧センサＣＰＳ＃３及びアンプユニットＡＰ＃３に接続されるチャンネル切換ユニットＭＵＸの外部コネクタＭＣＮ＃３の入出力がチャンネルＣＨ２、＃４気筒の筒内圧センサＣＰＳ＃４及びアンプユニットＡＰ＃４に接続されるチャンネル切換ユニットＭＵＸの外部コネクタＭＣＮ＃４の入出力がチャンネルＣＨ４に対応する。
【００１６】
筒内圧センサＣＰＳ＃ｎは、本形態においては、圧電素子を利用したセンサであり、圧力に比例した電荷を発生する。このため、各アンプユニットＡＰ＃ｎに内蔵されるアンプ回路１０は、電荷信号を電圧に変換する電荷−電圧変換アンプであり、アンプ回路１０の出力レベルが筒内圧センサＣＰＳ＃ｎの電荷発生開始時と終了時とで同一レベルとなるよう自動的に補正することで、電荷の漏洩によるゼロ点のオフセットを補正する自動補正機能と、チャンネル切換ユニットＭＵＸからのリセット信号により、アンプ回路１０の入力側の電荷を強制的に放電する強制リセット機能とを備えている。
【００１７】
図２は、アンプ回路１０の回路例を示すものであり、筒内圧センサＣＰＳ＃ｎで発生した電荷を蓄電する電圧変換用コンデンサＣｘ、電圧変換用コンデンサＣｘの電圧を増幅して出力するアンプＡ１、アンプＡ１からの負の出力（“０”以下の出力）を検知してアンプＡ１の入力が“０”になるように自動的に補正動作を行うためのアンプＡ２及び電界効果型トランジスタＴ１、チャンネル切換ユニットＭＵＸから入力されるリセット信号により電界効果型トランジスタＴ１を強制的にＯＮさせてアンプＡ１の入力側の電荷を放電するためのフォトカプラＰＣ１を主として備えている。
【００１８】
すなわち、筒内圧センサＣＰＳ＃ｎの出力側は、発生した電荷がアンプ回路１０の電圧変換用コンデンサＣｘに蓄電するよう結線され、アンプＡ１の非反転入力端に接続されている。アンプＡ１の出力端は抵抗Ｒ３を経て３方に分岐され、１つは基板コネクタＣＮに直接接続され、この基板コネクタＣＮから外部コネクタＡＣＮ＃ｎを経てチャンネル切換ユニットＭＵＸに接続される。他の１つはアンプＡ２の反転入力端に抵抗Ｒ４を介して接続され、残りの一つはアンプＡ１の利得設定のため抵抗ＶＲ，Ｒ２を介してアンプＡ１の反転入力端に接続され、抵抗Ｒ１を介して接地されている。
【００１９】
アンプＡ２は、アンプＡ１からの負の出力を検出する反転型のアンプであり、その反転入力端が抵抗Ｒ３，Ｒ４を介してアンプＡ１の出力端に接続され、非反転入力端に、抵抗Ｒ５，Ｒ６で回路電圧Ｖｃｃ（例えば、＋ＤＣ５Ｖ）を分圧した基準電圧Ｖｒｅｆ（例えば、＋２ｍＶ）が印加されている。この基準電圧Ｖｒｅｆは、単一電源動作における“０”点を定める電圧であり、アンプＡ２は、基準電圧Ｖｒｅｆを“０”とし、基準電圧Ｖｒｅｆより小さい電圧をマイナス、基準電圧Ｖｒｅｆより大きい電圧をプラスとして動作する。
【００２０】
また、アンプＡ２の出力端は、電界効果型トランジスタＴ１のゲートに、ダイオードＤ１を介して接続されている。電界効果型トランジスタＴ１は、ゲートにゲート抵抗Ｒｇが接続され、ドレインがアンプＡ１の非反転入力端に抵抗Ｒｄを介して接続され、ソースが強制リセットをかけた場合のアンプＡ１の入力電圧を定める電位点に接続されている。この電位点は、抵抗Ｒ７，Ｒ８で回路電圧Ｖｃｃを分圧した電圧Ｖｒｔ（例えば、＋６ｍＶ）に設定されており、用途により適宜調整される。また、電界効果型トランジスタＴ１のゲートには、フォトカプラＰＣ１の出力端が接続されており、このフォトカプラＰＣ１の入力端が基板コネクタＣＮから外部コネクタＡＣＮ＃ｎを経てチャンネル切換ユニットＭＵＸに接続される。
【００２１】
一方、図１に示すように、チャンネル切換ユニットＭＵＸには、マルチプレクサを中心として構成される切換回路２０が内蔵され、この切換回路２０によるチャンネル切換状態を点滅により２ビット表示するための２つの発光ダイオードＬＥＤ１，ＬＥＤ２が設けられると共に、点検・調整等の際にマニュアル操作でアンプ出力を切換え可能とするためのスイッチＳ１が設けられている。切換回路２０は、基板コネクタＣＮ２を介して外部コネクタＣＮ１に接続されると共に、基板コネクタＣＮ３を介してスイッチＳ１に接続され、更に、基板コネクタＣＮ４〜ＣＮ７を介して外部コネクタＭＣＮ＃１〜ＭＣＮ＃４に接続されている。
【００２２】
切換回路２０は、図３に示すように、ＥＣＵから入力されるチャンネル選択信号の各パルス毎にワンショットパルスを発生する２つのタイマＩＣ１，ＩＣ２、チャンネル選択信号をカウントしてアドレスデータを生成するカウンタＩＣ３、カウンタＩＣ３からのアドレスデータに応じてアンプユニットＡＰ＃ｎからの信号を切換えると共に、タイマＩＣ２からの出力をリセット信号として送出先を切換える２チャンネル（Ｘ，Ｙチャンネル）のマルチプレクサＩＣ４を主要構成としている。
【００２３】
詳細には、基板コネクタＣＮ２のチャンネル選択信号入力ピンに、フォトカプラＰＣ２の入力端が接続され、フォトカプラＰＣ２の出力端が２入力ＮＡＮＤゲートＧ１の一方の入力端に接続されている。ＮＡＮＤゲートＧ１の他方の入力端には、基板コネクタＣＮ３を介してスイッチＳ１から入力される信号を波形成形するシュミット回路用のアンプＡ３の出力端が接続され、ＮＡＮＤゲートＧ１の出力端がタイマＩＣ１のトリガ入力（Ａ入力）と２入力ＮＡＮＤゲートＧ２の一方の入力端とに接続されている。
【００２４】
尚、符号ＩＣ６は、電源回路を構成する３端子レギュレータであり、基板コネクタＣＮ３を介して供給されるバッテリ電圧Ｖｂ（１２Ｖ）を降圧・安定化して回路電源＋Ｖｃｃ（５Ｖ）を生成し、チャンネル切換ユニットＭＵＸ内の各部に供給すると共に、基板コネクタＣＮ４〜ＣＮ７を介して接続されるアンプユニットＡＰ＃１〜ＡＰ＃４の電源として供給する。
【００２５】
タイマＩＣ１のＱ出力は、もう一方のタイマＩＣ２のトリガ入力（Ｂ入力）とカウンタＩＣ３のクロック入力（ＣＬＫ入力）端とに接続されており、タイマＩＣ２のＱ出力は、ＮＡＮＤゲートＧ２の他方の入力端と、マルチプレクサＩＣ４の一方のチャンネルのデマルチプレクス側（Ｙ入力）とに接続されている。タイマＩＣ１，ＩＣ２には、ＥＣＵからのチャンネル選択信号との関係において設定されたパルス幅となるよう、それぞれ、抵抗Ｒ２０及びコンデンサＣ２０、抵抗Ｒ２１及びコンデンサＣ２１が外付けされており、タイマＩＣ１は、ＮＡＮＤゲートＧ１の出力の立上がりエッジをトリガとして、設定パルス幅のワンショットパルスを出力し、タイマＩＣ２は、タイマＩＣ１のワンショットパルスの立下がりをトリガとして、タイマＩＣ１のワンショットパルスよりも短いパルス幅のワンショットパルスを出力する。タイマＩＣ１のワンショットパルス、タイマＩＣ２のワンショットパルス、ＥＣＵからのチャンネル選択信号の関係については、後述する。
【００２６】
ＮＡＮＤゲートＧ２の出力端は、一方の入力端が論理レベル“１”に固定された２入力ＮＡＮＤゲートＧ３（すなわちインバータ）の他方の入力端に接続され、このＮＡＮＤゲートＧ３の出力端がカウンタＩＣ３のリセット入力（Ｒ入力）端に接続されている。カウンタＩＣ３は、図においては、１６進カウンタの下位出力（Ｑ0、Ｑ1）を用いて４進カウンタとするものであり、チャンネル選択信号のパルス毎にカウントアップする。カウンタＩＣ３の下位出力Ｑ0,Ｑ1は、マルチプレクサＩＣ４の制御入力（Ａ，Ｂ入力）端に接続されると共に、ドライバアンプアレイＩＣ５を介してＬＥＤ１，ＬＥＤ２に接続されている。
【００２７】
マルチプレクサＩＣ４は、本形態においては、２チャンネルのアナログマルチプレクサであり、カウンタＩＣ３の出力データをアドレスとして内部スイッチを切換える。一方のチャンネルは、マルチプレクス側Ｘ0,Ｘ1,Ｘ2,Ｘ3を入力端、デマルチプレクス側Ｘを出力端として用い、入力端Ｘ0,Ｘ1,Ｘ2,Ｘ3が基板コネクタＣＮ４〜ＣＮ７を介して各アンプユニットＡＰ＃１〜ＡＰ＃４のアンプ出力端に接続され、出力端Ｘが増幅用のアンプＡ４を介して基板コネクタＣＮ２のアンプ信号出力ピンに接続されている。
【００２８】
また、他方のチャンネルは、マルチプレクス側Ｙ0,Ｙ1,Ｙ2,Ｙ3を出力端、デマルチプレクス側Ｙを入力端として用い、出力端Ｙ0,Ｙ1,Ｙ2,Ｙ3がドライバアンプアレイＩＣ５及び基板コネクタＣＮ４〜ＣＮ７を介して各アンプユニットＡＰ＃１〜ＡＰ＃４のリセット信号入力端に接続され、入力端ＹへのタイマＩＣ２のＱ出力をリセット信号として、カウンタＩＣ３の出力データにより送出先を切換える。
【００２９】
以上の構成による燃焼圧データ収集システムでは、先ず、筒内圧センサＣＰＳ＃ｎから圧力に応じて出力される電荷信号をアンプユニットＡＰ＃ｎで電圧信号に変換し、この電圧信号に変換されたアンプ出力信号がチャンネル切換ユニットＭＵＸに出力される。
【００３０】
すなわち、通常の４サイクル（吸気→圧縮→燃焼→排気）エンジンでは、ピストンが上死点近辺に到達し、排気弁が閉じて吸気弁が開いた状態での筒内圧は、自然吸気型エンジンでは大気圧、過給器付き型エンジンでは、大気圧に過給圧（例えば、５００ｍｍＨｇ〜１５００ｍｍＨｇ程度）を加えた圧力である。
【００３１】
このとき、筒内圧センサＣＰＳ＃ｎの圧電素子に筒内の圧力負荷に比例した電荷が発生する。この電荷をｑとすると、この電荷ｑがアンプユニットＡＰ＃ｎの電圧変換用コンデンサＣｘに蓄電され、アンプＡ１により電圧信号＋Ｖに変換されて出力される。従って、筒内圧が大気圧の状態での信号レベルをゼロレベル、過給圧がある場合には、大気圧ゼロのレベルに過給圧をＤＣ電圧成分として上乗せしたレベルとして、やがて発生する燃焼圧により立ち上がる燃焼波形の基本レベルとなる。
【００３２】
ピストンが上死点から下死点に向かう間、吸気が継続し、この間、筒内圧に大きな変化は見られず略基本レベルに維持される。次に、ピストンが下死点近辺に到達し、吸気弁が閉じて下死点から上死点に向かう間に圧縮が始まると、この圧縮の開始と共に筒内圧が上昇を開始し、圧電素子の電荷が増加して電圧変換用コンデンサＣｘに順次蓄積され、アンプＡ１で変換・出力される電圧信号＋Ｖも上昇する。
【００３３】
そして、上死点に到達する直前（圧縮圧が最大値となる直前）での点火により燃焼圧が発生し、この燃焼圧の発生により、圧電素子の電荷が急激に増大し、アンプＡ１で変換・出力される電圧信号＋Ｖも急激に上昇する。このとき、燃焼圧として出力される信号は、前述の基本レベルからの信号、すなわち、自然吸気型エンジンにおいては、大気圧のレベルからのものであり、過給器付き型エンジンの場合には、過給圧のＤＣ電圧成分に重累したものである。
【００３４】
次に、筒内圧が最大となった後、ピストンが上死点から下死点に向かい、それと共に筒内の圧力が減少に転じると、電荷が−ｑに極性を反転し、電圧変換用コンデンサＣｘから逆流して圧電素子に帰還し、アンプＡ１で変換・出力される電圧信号＋Ｖがも低下する。その後、ピストンが下死点近辺に到達して排気弁が開き（吸気弁は閉じたまま）、ピストンが上死点に向かう行程で燃焼ガスを排気すると、自然吸気型エンジンの筒内圧は大気圧に、過給器付き型エンジンの筒内圧は過給圧に夫々復帰し、１燃焼サイクルが完了して信号のレベルも夫々燃焼サイクル開始以前のレベルに復帰することになる。
【００３５】
この現象をアンプＡ１の出力で観察すると、筒内圧センサＣＰＳ＃ｎに圧力が加わる以前の電圧は“０”（Ｖｒｅｆ；２ｍＶ）であり、圧力が加わると同時にアンプＡ１は正の電圧を出力し、圧力の低下が始まるとアンプＡ１の出力電圧も低下し、電荷の漏洩がなければ電荷はゼロになり、アンプＡ１の出力電圧もゼロになる。
【００３６】
しかしながら、現実には、筒内圧センサＣＰＳ＃ｎからアンプユニットＡＰ＃ｎとの間の信号伝達系の絶縁抵抗は有限であり、電圧変換用コンデンサＣｘに蓄電された電荷の一部は漏洩し、減圧が始まるとマイナス電圧に転じる信号電圧に重累して出力し、加圧開始時の初期のレベルに復帰すべき信号電圧が負の領域に到達する虞がある。すなわち、圧力をゼロから上昇させ、再びゼロに戻すと、電荷がリークした分だけ筒内圧センサＣＰＳ＃ｎの電荷が負になり、アンプユニットＡＰ＃ｎから出力される信号のゼロ点レベルが変動して正確な計測を阻害する可能性がある。
【００３７】
この電荷の漏洩に対し、アンプユニットＡＰ＃ｎでは、電荷がリークしてゼロに戻り、アンプＡ１が負の出力をしようとすると、アンプＡ１の負の出力を電荷の漏洩として検出して自動補正機能が動作し、電荷の漏洩によるゼロ点のオフセットを自動的に補正する。
【００３８】
すなわち、アンプＡ２でアンプＡ１の負電圧を反転増幅し、その増幅出力を電界効果型トランジスタＴ１のゲートに加える。電界効果型トランジスタＴ１のゲート電圧がスレッシホルド電圧Ｖｔｈ（１〜３Ｖ程度）以下の場合には、ドレイン−ゲート間容量Ｃｄｇを通して電圧変換用キャパシタＣｘに電荷が注入されるが、電界効果型トランジスタＴ１のゲート電圧がスレッシホルド電圧Ｖｔｈを超えると、ドレイン−ソース間が導通を始める。その結果、センサの電荷は電界効果型トランジスタＴ１を通じて放電され、アンプＡ１の出力端における電圧が“０”（２ｍＶ）となる。
【００３９】
アンプＡ２及び電界効果型トランジスタＴ１による自動補正機能は、アンプＡ１側から見れば、出力が負のとき一種の負帰還回路を構成しており、アンプＡ１の入力を電界効果型トランジスタＴ１でゼロ点と導通することにより自動補正をかけ、以後、圧力が上昇すると、最低圧力（負圧を含む）をゼロ点として動作し、アンプＡ１の入力がマイナスの領域にある限り、この状態が継続する。
【００４０】
この自動補正が機能している状態では、電界効果型トランジスタＴ１のゲートに正の電圧がかかっており、継続的に圧力が変化しない場合、或る点でバランスし、そのバランス状態が維持される。このようなバランス状態は、各部の電圧、アンプＡ１，Ａ２の利得やオフセット、電界効果型トランジスタＴ１のスレッシホルド電圧Ｖｔｈや相互コンダクタンスｇｍ等のパラメータの影響を受けるが、アンプＡ１の出力は、ほぼゼロとなる。
【００４１】
すなわち、電界効果型トランジスタＴ１のゲート電圧が下がると、ドレイン−ゲート間容量Ｃｄｇに蓄えられた電荷がアンプＡ１の入力電圧を下げる方向に働き、その結果、アンプＡ１とアンプＡ２とを通してゲート電圧を上げるように作用する。逆に、ゲート電圧が上がる場合も同様である。従って、アンプの他の電圧が変動しない限り、その状態を維持し、最低圧力の状態から圧力が上昇に転ずると、アンプＡ１の出力はプラスに転じ、上昇する。
【００４２】
また、筒内圧センサＣＰＳ＃ｎを用いてエンジンの燃焼圧を計測する際には、温度変化の激しい環境下での計測となるため、温度の変化が出力として重畳してしまい、あたかも直流の上に圧力信号が載っているかのようになる虞がある。従って、アンプユニットＡＰ＃ｎは、チャンネル切換ユニットＭＵＸから送られてくるリセット信号により、アンプＡ１の入力側の電荷を放電する強制リセットにより、温度による直流分を削除する。
【００４３】
すなわち、チャンネル切換ユニットＭＵＸからリセット信号が入力されると、フォトカプラＰＣ１がＯＮして電界効果型トランジスタＴ１のゲートに、スレッシホルド電圧Ｖｔｈより高い電圧が加えられ、電界効果型トランジスタＴ１が導通する。その結果、センサ信号の入力状態に拘わらず電荷が放電され、アンプＡ１の入力は電圧Ｖｒｔとなり、出力は電圧ＶｒｔにアンプＡ１の利得をかけた値になる。
【００４４】
リセット信号がなくなるときには、ゲート抵抗Ｒｇによりゲート電圧はゼロに向かうので、スレッシホルド電圧Ｖｔｈ以下では、ドレイン−ゲート間容量Ｃｄｇに蓄えられた電荷が電圧変換用キャパシタＣｘに渡され、アンプＡ１の入力は負方向となる。このときのアンプＡ１の入力電圧は−Ｖｔｈ・Ｃｄｇ／（Ｃｓ＋Ｃｘ＋Ｃｄｇ＋Ｃｄｓ）であり（但し、Ｃｓ：漏洩電荷の浮遊容量、Ｃｄｓ：ドレイン−ソース間容量）、この電圧は自動補正が動作するに十分な値であり、入力がどうであろうと、その点をゼロとして回路は動作する。圧力が下がる場合には、自動補正が機能し、最低圧力点をゼロとして作動する。
【００４５】
このように、アンプユニットＡＰ＃ｎは、電荷の漏洩に対する自動補正機能と温度変化に対するリセット機能とを有しており、急激な圧力の上昇とそれに続く降下が連続して繰り返され、圧力変動に比例した電荷の急速な流出と流入に伴って発生する電荷の漏洩により１サイクル毎に累積される信号レベルのオフセットを補正することができると共に、温度変化による出力誤差を小さくすることができる。
【００４６】
次に、このアンプユニットＡＰ＃ｎで電圧信号に変換された燃焼圧データは、ＥＣＵから送出されるチャンネル選択信号によりチャンネル切換ユニットＭＵＸで切換えられてＥＣＵに送出される。チャンネル切換ユニットＭＵＸでは、カウンタＩＣ３でチャンネル選択信号のパルス列をカウントし、そのカウンタ値に応じてアンプユニットＡＰ＃ｎからの信号を切換える。
【００４７】
チャンネル選択信号は、例えばクランク角センサから出力される信号とカム角センサから出力される信号とによるＥＣＵ内での気筒判別結果に基づいて出力される信号である。具体的には、チャンネル選択信号は、図４，図５に示すように、パルス幅２ｍｓｅｃのパルスと、この２ｍｓｅｃのパルスに続く３個のパルス幅１ｍｓｅｃのパルスとを１サイクルとするエンジン回転に同期した信号であり、２ｍｓｅｃのパルスが＃１気筒に対応し、次の３個の１ｍｓｅｃのパルスが燃焼順の各気筒、すなわち、＃３気筒、＃２気筒、＃４気筒にそれぞれ対応する。
【００４８】
本形態においては、各気筒の燃焼圧の計測期間は、図５に示すように、各気筒の圧縮上死点から下死点までのクランク角１８０°ＣＡの期間であり、＃１気筒の圧縮上死点で２ｍｓｅｃのパルス、＃３気筒の圧縮上死点で次の１ｍｓｅｃのパルス、＃２気筒の圧縮上死点で２番目の１ｍｓｅｃのパルス、＃４気筒の圧縮上死点で３番目の１ｍｓｅｃのパルスが出力され、各気筒の燃焼開始から燃焼終了に至るまでの測定データが燃焼順に切換えられてＥＣＵに伝送される。
【００４９】
このようなチャンネル選択信号に対し、チャンネル切換ユニットＭＵＸ内のタイマＩＣ１，ＩＣ２は、２ｍｓｅｃのパルスと１ｍｓｅｃのパルスとを識別するため、それぞれ、１．５ｍｓｅｃ、１ｍｓｅｃのワンショットパルスを発生するように設定されており、チャンネル選択信号のパルス列のうち、１．５ｍｓｅｃより長いパルス（すなわち２ｍｓｅｃパルス）の入力毎に、カウンタＩＣ３がリセットされる。
【００５０】
詳細には、チャンネル切換ユニットＭＵＸにチャンネル選択信号が送られてくると、フォトカプラＰＣ２で絶縁・反転されてＮＡＮＤゲートＧ１に入力され、ＮＡＮＤゲートＧ１から同じ２ｍｓｅｃのパルスが出力される（但し、ここでは、スイッチＳ１によるマニュアル切換信号は、入力されないものとする）。このＮＡＮＤゲートＧ１からの２ｍｓｅｃパルスは、ＮＡＮＤゲートＧ２に入力されると同時にタイマＩＣ１に入力され、その立上がりエッジでタイマＩＣ１がトリガされる。
【００５１】
その結果、図４のタイムチャートに示すように、タイマＩＣ１から１．５ｍｓｅｃのパルスが出力される。この１．５ｍｓｅｃのパルスは、カウンタＩＣ３に入力されてカウントアップされ、更に、タイマＩＣ２に入力される。タイマＩＣ２は、タイマＩＣ１からの１．５ｍｓｅｃパルスの立下りでトリガされ、１ｍｓｅｃのパルスを出力する。この１ｍｓｅｃのパルスは、ＮＡＮＤゲートＧ２に入力されると共にマルチプレクサＩＣ４のＹ入力端に入力される。そして、ＮＡＮＤゲートＧ２からＮＡＮＤゲートＧ３（インバータとして機能）を経て、２ｍｓｅｃパルスと１ｍｓｅｃパルスとの論理積がカウンタＩＣ３のリセット入力端に出力される。
【００５２】
すなわち、チャンネル選択信号の２ｍｓｅｃのパルスとタイマＩＣ２からの１ｍｓｅｃのパルスとによって０．５ｍｓｅｃのパルスが生成され、カウンタＩＣ３にリセットパルスとして入力される。従って、チャンネル選択信号の２ｍｓｅｃパルスが入力されたときには、カウンタＩＣ３は一旦カウントアップされるが、直ぐにリセットされ、カウンタ値は０となる。
【００５３】
チャンネル選択信号の２ｍｓｅｃのパルスに続く１ｍｓｅｃのパルスでは、同様に、タイマＩＣ１，ＩＣ２から、それぞれ、１．５ｍｓｅｃのパルス、１ｍｓｅｃのパルスが出力されるが、チャンネル選択信号の１ｍｓｅｃのパルスとタイマＩＣ２からの１ｍｓｅｃのパルスとは時間的にずれているため、カウンタＩＣ３へのリセットパルスは生成されず、カウンタＩＣ３がカウントアップされてカウンタ値が１となる。以後、チャンネル選択信号の１ｍｓｅｃパルスの入力毎にカウンタＩＣ３がカウントアップされてカウンタ値がインクリメントされてゆき、２ｍｓｅｃパルスでリセットされてカウンタ値が０に戻る。
【００５４】
つまり、入力されるチャンネル選択信号のパルスが１．５ｍｓｅｃより長い場合には、カウンタＩＣ３がリセットされ、１．５ｍｓｅｃより短い場合には、カウンタＩＣ３がカウントアップされることで、マルチプレクサＩＣ４に与えられるカウンタ値（アドレスデータ）が変化する。
【００５５】
マルチプレクサＩＣ４は、このカウンタ値により、Ｘチャンネルを計測対象となる燃焼開始気筒に対応するデータ選択チャンネルに切換え、該当するアンプユニットＡＰ＃ｎからの信号をＥＣＵに出力すると共に、Ｙチャンネルを計測終了となる燃焼終了気筒に対応するデータ選択チャンネルに切換え、タイマＩＣ２からの１ｍｓｅｃのパルスを該当するアンプユニットＡＰ＃ｎへのリセット信号として送出する（図４のタイムチャート参照）。
【００５６】
カウンタ値、データ選択チャンネル、リセット信号送出先、気筒番号の関係は、以下に示す通りであり、チャンネル選択信号の２ｍｓｅｃのパルス入力（カウンタ値０）により、＃１気筒の燃焼圧データが選択されると共に、燃焼終了となる＃４気筒（＃１気筒の前の燃焼気筒）の燃焼圧データにおけるゼロ点のオフセットが強制リセットされ、次の１ｍｓｅｃのパルス入力（カウンタ値１）により、＃３気筒の燃焼圧データが選択されると共に、燃焼終了となる＃１気筒（＃３気筒の前の燃焼気筒）の燃焼圧データにおけるゼロ点のオフセットが強制リセットされる。更に、２番目の１ｍｓｅｃのパルス入力（カウンタ値２）により、＃２気筒の燃焼圧データが選択されると共に、燃焼終了となる＃３気筒（＃２気筒の前の燃焼気筒）の燃焼圧データにおけるゼロ点のオフセットが強制リセットされ、３番目の１ｍｓｅｃのパルス入力（カウンタ値３）により、＃４気筒の燃焼圧データが選択されると共に、燃焼終了となる＃２気筒（＃４気筒の前の燃焼気筒）の燃焼圧データにおけるゼロ点のオフセットが強制リセットされる。このような過程が繰返され、図５に示すように、各気筒の燃焼圧データが順次切換えられて一連の連続したデータとしてＥＣＵに伝送され、ＥＣＵにおける気筒毎の最適燃焼制御を可能としている。
【００５７】
【００５８】
これにより、エンジン側の制御装置の複雑化や大型化を回避し、また、センサと制御装置とのマッチング工数やセンサと制御装置との結線数を低減することができ、ＣＯ２削減となる燃焼効率の向上、並びに有害な排出ガスの低減となるエンジンの最適制御を低コストで実現可能とすることができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、気筒毎の燃焼圧データを、複雑な処理を要することなく、簡素な構成で効率的に収集することができ、燃焼効率の向上、並びに有害な排出ガスの低減となるエンジンの最適制御を低コストで実現可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃焼圧データ収集システムの構成図
【図２】アンプユニットの回路構成図
【図３】チャンネル切換ユニットの回路構成図
【図４】チャンネル選択信号と燃焼圧データの選択タイミングとリセット信号の送出タイミングとを示すタイムチャート
【図５】燃焼圧データの切換え時期を示すタイムチャート
【符号の説明】
ＣＰＳ＃ｎ 筒内圧センサ
ＡＰ＃ｎ アンプユニット
ＭＵＸ チャンネル切換ユニット
１０ アンプ回路
２０ 切換回路
Claims (1)
- 気筒毎に装着されて筒内圧に応じた電荷信号を出力する筒内圧センサと、
上記筒内圧センサに接続され、上記筒内圧センサからの電荷信号を電圧信号に変換して出力すると共に、外部から入力されるリセット信号により電荷を放電するリセット機能と、信号伝達系で発生する電荷の漏洩による上記電圧信号のゼロ点のオフセットを検出し、上記筒内圧センサの電荷発生開始時と終了時とで上記電圧信号のゼロ点が同一レベルとなるよう自動的に補正する自動補正機能とを有する気筒毎のアンプ回路と、
エンジンの気筒判別結果に基づく信号により、上記気筒毎のアンプ回路の出力信号から計測対象となる系統を選択して燃焼圧データを出力すると共に、計測を終了する系統のアンプ回路に上記リセット信号を出力する切換回路とを備えたことを特徴とする多気筒エンジンの燃焼圧データ収集システム。
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