振動センサの感度補正装置及び内燃機関の燃焼状態監視装置
【課題】内燃機関に装着される振動センサの感度補正を機関の通常燃焼状態の監視に適した周波数帯域において簡便に行うことができる振動センサの感度補正装置を提供する。
【解決手段】機関の点火が行われない所定運転状態において、振動センサ（圧力センサ）の検出信号に含まれる、機関回転数に対応する基本周波数成分の振幅Ｃ１を算出するとともに、所定運転状態における、基本周波数に対応する基準振幅Ｃ１Ｍを算出する。基本周波数振幅Ｃ１と基準振幅Ｃ１Ｍの比率であるセンサ出力補正係数ＫＳを算出し、センサ出力補正係数ＫＳを用いて圧力センサ出力を補正する。
【解決手段】機関の点火が行われない所定運転状態において、振動センサ（圧力センサ）の検出信号に含まれる、機関回転数に対応する基本周波数成分の振幅Ｃ１を算出するとともに、所定運転状態における、基本周波数に対応する基準振幅Ｃ１Ｍを算出する。基本周波数振幅Ｃ１と基準振幅Ｃ１Ｍの比率であるセンサ出力補正係数ＫＳを算出し、センサ出力補正係数ＫＳを用いて圧力センサ出力を補正する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に装着される振動センサの感度補正装置、及び振動センサの検出信号に基づいて、内燃機関の燃焼状態を示す燃焼状態パラメータを算出する燃焼状態監視装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、内燃機関に装着される典型的な振動センサである圧電型圧力センサの感度補正方法が示されている。この方法によれば、圧電型圧力センサの検出信号から、測定対象となる周波数帯域の信号成分が抽出され、抽出された信号が補正基準値によって検出感度がほぼ一定となるように補正される。補正基準値は、抽出信号成分と同じ周波数帯域の特定周波数成分を用いて算出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３ー８３１５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に示された手法は、具体的にはノッキングの検出に用いる圧電型圧力センサの感度補正に適用される手法であり、６〜１０ｋＨｚのバンドパスフィルタ処理によって得られる信号レベルの平均値（例えばクランク角度が上死点前１２度から上死点までの期間に検出される信号レベルを１０サイクル程度の期間において平均化することにより得られる値）である。
【０００５】
一方、圧力センサの検出値を、機関の通常の燃焼状態を示すパラメータである図示平均有効圧の算出に適用する場合には、必要な圧力センサ出力の主たる周波数成分（１次成分、２次成分）は、機関回転数が相当高い状態（例えば８０００ｒｐｍ）でも３００Ｈｚより低い周波数の成分であり、特許文献１に示された手法を適用して圧力センサの感度補正を行うことはできない。
【０００６】
また、圧力センサの検出値を、機関の燃焼状態を示すパラメータである図示平均有効圧の算出に適用する場合にはセンサ検出値から得られる、機関回転に同期した成分の強度をより高い精度で補正することが望ましい。
【０００７】
本発明は上述した点に着目してなされたものであり、機関に装着される振動センサの感度補正を機関の通常燃焼状態の監視に適した周波数帯域において簡便に行うことができる振動センサの感度補正装置を提供することを第１の目的とし、さらに機関燃焼状態を示す燃焼状態パラメータを、振動センサの検出値に基づいて高い精度で算出することができる内燃機関の燃焼状態監視装置を提供すること第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関に装着される振動センサ（１１）の感度補正装置において、前記機関の回転数（ＮＥ）を検出する回転数検出手段と、前記機関の点火が行われない所定運転状態において、前記振動センサ（１１）の検出信号に含まれる、前記機関回転数（ＮＥ）に対応する基本周波数成分の強度を示す基本周波数強度パラメータ（Ｃ１）を算出する基本強度パラメータ算出手段と、前記所定運転状態における、前記基本周波数に対応する基準強度パラメータ（Ｃ１Ｍ）を算出する基準強度パラメータ算出手段と、前記基本周波数強度パラメータ（Ｃ１）と前記基準強度パラメータ（Ｃ１Ｍ）との比率に応じて補正係数（ＫＳ）を算出する補正係数算出手段と、前記補正係数（ＫＳ）を用いて前記振動センサ出力（Ｅｏ）を補正するセンサ出力補正手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、内燃機関に装着される振動センサ（１１）の出力に基づいて前記機関の燃焼状態を示す燃焼状態パラメータ（ＩＭＥＰ）を算出する燃焼状態パラメータ算出手段を備える、内燃機関の燃焼状態監視装置において、前記機関の回転数（ＮＥ）を検出する回転数検出手段と、前記機関の点火が行われない所定運転状態において、前記振動センサ（１１）の検出信号に含まれる、前記機関回転数（ＮＥ）に対応する基本周波数成分の強度を示す第１周波数強度パラメータ（Ｃ１）を算出する第１基本強度パラメータ算出手段と、前記所定運転状態における、前記基本周波数に対応する第１基準強度パラメータ（Ｃ１Ｍ）を算出する第１基準強度パラメータ算出手段と、前記第１周波数強度パラメータ（Ｃ１）と前記第１基準強度パラメータ（Ｃ１Ｍ）との比率に応じて第１補正係数（Ｋ１）を算出する第１補正係数算出手段と、前記機関の通常運転状態において前記振動センサの検出信号に含まれる前記第１周波数強度パラメータ（Ｃ１）と、前記振動センサの検出信号に含まれる、前記基本周波数の２倍の周波数の成分の強度を示す第２周波数強度パラメータ（Ｃ２）とを算出する通常強度パラメータ算出手段と、該通常強度パラメータ算出手段により算出される第１周波数成分強度パラメータ（Ｃ１）を第１補正係数（Ｋ１）を用いて補正する第１周波数成分強度補正手段とを備え、前記燃焼状態パラメータ算出手段は、前記第１周波数成分強度補正手段により補正された第１周波数成分強度パラメータ（Ｃ１Ｃ）と、前記通常強度パラメータ算出手段により算出された第２周波数成分強度パラメータ（Ｃ２）とを用いて前記燃焼状態パラメータ（ＩＭＥＰ）を算出することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関の燃焼状態監視装置において、前記所定運転状態において、前記第２周波数強度パラメータ（Ｃ２）を算出する第２基本強度パラメータ算出手段と、前記所定運転状態における、前記２倍周波数に対応する第２基準強度パラメータ（Ｃ２Ｍ）を算出する第２基準強度パラメータ算出手段と、前記第２周波数強度パラメータ（Ｃ２）と前記第２基準強度パラメータ（Ｃ２Ｍ）との比率に応じて第２補正係数（Ｋ２）を算出する第２補正係数算出手段と、前記通常強度パラメータ算出手段により算出される第２周波数成分強度パラメータ（Ｃ２）を前記第２補正係数（Ｋ２）を用いて補正する第２周波数成分強度補正手段とをさらに備え、前記燃焼状態パラメータ算出手段は、前記第１及び第２周波数成分強度補正手段により補正された第１及び第２周波数成分強度パラメータ（Ｃ１Ｃ，Ｃ２Ｃ）を用いて前記燃焼状態パラメータ（ＩＭＥＰ）を算出することを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関の燃焼状態監視装置において、前記第１補正係数を劣化判定閾値と比較し、前記第１補正係数が前記劣化判定閾値を超えたときに、前記振動センサが劣化したと判定する劣化判定手段をさらに備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の内燃機関の燃焼状態監視装置において、前記第１及び第２補正係数を劣化判定閾値と比較し、前記第１補正係数及び第２補正係数の少なくとも一方が前記劣化判定閾値を超えたときに、前記振動センサが劣化したと判定する劣化判定手段をさらに備えることを特徴とする。
【００１３】
なお、上記振動センサとしては、圧電素子を用いた圧電型圧力センサが一般的に使用されるが、内燃機関の適切な位置に装着した加速度センサ、力センサ、あるいはすきまセンサも使用可能である。また、上記「所定運転状態」は、感度補正を行うセンサが取り付けられた気筒において点火が行われていない運転状態であり、典型的にはクランキング中（アイドルストップ後の再始動時を含む）で且つ点火開始前の運転状態である。また、例えば気筒休止運転を行う機関において休止中の気筒も「所定運転状態」に該当する。
【００１４】
振動センサとして加速度センサ、力センサ、あるいはすきまセンサを用いる場合には、上記補正係数（Ｋ１，Ｋ２）は、筒内圧に起因する間接的情報であるため、振動や力などの間接情報と、筒内圧データの相関付けをする定数をかけることで、間接情報から得る図示平均有効圧と、圧力センサ出力から得られる図示平均有効圧との相関性の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、機関の点火が行われない所定運転状態において、振動センサの検出信号に含まれる、機関回転数に対応する基本周波数成分の強度を示す基本周波数強度パラメータが算出されるとともに、所定運転状態における、基本周波数に対応する基準強度パラメータが算出され、基本周波数強度パラメータと基準強度パラメータとの比率に応じて算出される補正係数を用いて振動センサ出力が補正される。機関の点火が行われない運転状態においては、振動センサ検出信号に含まれる、機関回転数に対応する基本周波数成分の強度が最も大きくなるので、検出される基本周波数強度パラメータと、予め設定されている基準強度パラメータとの比率に応じて補正係数を算出し、この補正係数を用いて振動センサ出力を補正することにより、振動センサの感度補正を機関の通常燃焼状態の監視に適した周波数帯域において比較的簡便に行うことができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、機関の点火が行われない所定運転状態において、振動センサの検出信号に含まれる、機関回転数に対応する基本周波数成分の強度を示す第１周波数強度パラメータが算出されるとともに、所定運転状態における、基本周波数に対応する第１基準強度パラメータが算出され、第１周波数強度パラメータと第１基準強度パラメータとの比率に応じて第１補正係数が算出される。そして、機関の通常運転状態において振動センサの検出信号に含まれる第１周波数強度パラメータと、基本周波数の２倍の周波数の成分の強度を示す第２周波数強度パラメータとが算出され、第１補正係数により補正された第１周波数成分強度パラメータと、補正されない第２周波数強度パラメータとを用いて燃焼状態パラメータが算出される。振動センサ出力に含まれる基本周波数成分及び２次高調波成分の強度（振幅）を用いることにより、代表的な燃焼状態パラメータである図示平均有効圧を比較的高い精度で算出することができるので、検出される第１周波数強度パラメータを、第１補正係数を用いて補正することにより、振動センサ出力の主たる周波数成分を示す第１周波数強度パラメータが振動センサの感度に応じて適切に補正され、燃焼状態パラメータを高い精度で算出することができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、機関の点火が行われない所定運転状態において第２周波数強度パラメータとが算出されるとともに、所定運転状態における、２倍周波数に対応する第２基準強度パラメータが算出され、第２周波数強度パラメータと第２基準強度パラメータとの比率に応じて第２補正係数が算出される。そして、機関の通常運転状態において振動センサの検出信号に含まれる第１及び第２周波数強度パラメータが、第１及び第２補正係数を用いて補正され、補正された第１及び第２周波数成分強度パラメータを用いて燃焼状態パラメータが算出される。第２補正係数を用いて第２周波数成分強度パラメータも補正することにより、振動センサの感度補正がより適切に行われ、燃焼状態パラメータを算出精度をより高めることができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、第１補正係数が劣化判定閾値と比較され、第１補正係数が劣化判定閾値を超えたときに、振動センサが劣化したと判定されるので、振動センサの感度劣化を簡便に検出することができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明によれば、第１及び第２補正係数が劣化判定閾値と比較され、第１補正係数及び第２補正係数の少なくとも一方が劣化判定閾値を超えたときに、振動センサが劣化したと判定されるので、振動センサの感度劣化を簡便に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。
【図２】圧電型圧力センサの等価回路及び積分増幅器の構成を示す回路図である。
【図３】圧電型圧力センサ出力に含まれる周波数成分の比率を示す図である。
【図４】図示平均有効圧（ＩＭＥＰ）を算出する処理のフローチャートである。
【図５】圧電型圧力センサ出力を補正する補正係数（ＫＳ）を算出する処理のフローチャートである。
【図６】図４に示す処理の変形例のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の一実施形態にかかる内燃機関（以下「エンジン」という）及びその制御装置の全体構成図であり、例えば４気筒のエンジン１の吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。スロットル弁３にはスロットル弁開度ＴＨを検出するスロットル弁開度センサ４が連結されており、センサ４の検出信号は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給される。
【００２２】
燃料噴射弁６はエンジン１とスロットル弁３との間かつ吸気管２の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時間が制御される。エンジン１の各気筒には、点火プラグ７が設けられており、点火プラグ７はＥＣＵ５に接続されている。ＥＣＵ５は、点火プラグ７に点火信号を供給する。
【００２３】
スロットル弁３の下流側には吸気圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ８、及び吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ９が設けられている。エンジン１の本体には、エンジン冷却水温ＴＷを検出する冷却水温センサ１０が装着されている。さらにエンジン１の各気筒の点火プラグ７の近傍には、筒内圧を検出する圧電型圧力センサ１１が装着されている。センサ８〜１１の検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。
【００２４】
ＥＣＵ５には、エンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ１２が接続されており、クランク軸の回転角度に応じた信号がＥＣＵ５に供給される。クランク角度位置センサ１２は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス（以下「ＣＹＬパルス」という）を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０度毎に）ＴＤＣパルスを出力するＴＤＣセンサ及びＴＤＣパルスより短い一定クランク角周期（例えば６度周期）で１パルス（以下「ＣＲＫパルス」という）を発生するＣＲＫセンサから成り、ＣＹＬパルス、ＴＤＣパルス及びＣＲＫパルスがＥＣＵ５に供給される。これらのパルスは、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御、エンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。
【００２５】
ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、該ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路（メモリ）、燃料噴射弁６及び点火プラグ７に駆動信号を供給する出力回路等から構成される。
【００２６】
ＥＣＵ５は、圧力センサ１１により検出される筒内圧ＰＣＹＬを用いて燃焼状態パラメータである図示平均有効圧ＩＭＥＰを算出し、図示平均有効圧ＩＭＥＰに応じた点火時期制御を行う。この点火時期制御の詳細は、特許第３９９３８５１号公報に示されている。
【００２７】
図２は、圧力センサ１１及び接続ケーブルの等価回路と、圧力センサ１１の出力信号を増幅する積分増幅器の構成を示す図である。圧力センサ１１及び接続ケーブルの等価回路は、電圧Ｅｉを出力する電圧源と、センサ及びケーブルの合成抵抗Ｒｏｃ及び合成静電容量Ｃｏｃの並列回路として表すことができる。積分増幅器２１は、演算増幅器ＡＭＰ及び帰還抵抗Ｒｆ及び帰還容量Ｃｆによって構成される。本実施形態では、積分増幅器２１はＥＣＵ５の入力回路内に設けられている。
【００２８】
圧力センサ１１に力が加わると、センサ感度Ｓｓに応じた電荷Ｑが発生し、電荷Ｑは、印加された力Ｆに比例する（Ｑ＝Ｓｓ×Ｆ）。積分増幅器２１の出力電圧Ｅｏは下記式（１）で与えられ、圧力センサ１１の印加される力Ｆに比例する。
Ｅｏ＝Ｑ／Ｃｆ＝Ｓｓ×Ｆ／Ｃｆ （１）
したがって、センサ感度Ｓｓがばらつくことにより、力Ｆに対応する出力電圧Ｅｏが変化する。そこで、後述する圧力センサ１１の感度補正が行われる。
【００２９】
一方、エンジン１の燃焼状態を示す図示平均有効圧ＩＭＥＰは、下記式（２）により比較的高精度かつ簡便に算出することができる。この式（２）による図示平均有効圧の算出手法は特公平８−２０３３９号公報に示されている。
【数１】
【００３０】
式（２）のＣ１は、センサ出力Ｅｏに含まれるエンジン回転数ＮＥ［ｒｐｍ］に対応する周波数（基本周波数）ｆ１（＝ＮＥ／６０）の成分（以下「基本周波数成分」という）の振幅であり、Ｃ２は基本周波数ｆ１の２倍の周波数に対応する２次成分の振幅である。またφ１はクランク角度で示される基本周波数成分の位相であり、φ２は２次成分の位相であり、ｈは４サイクルエンジンでは「１／２」に設定され、２サイクルエンジンでは「１」に設定される定数であり、λはエンジンのコンロッド長ｓとクランク半径ｒとの比（ｓ／ｒ）である。
【００３１】
次に振幅Ｃ１，Ｃ２の算出手法を説明する。
圧力センサ１１の出力信号を積分増幅器２１により増幅することにより得られる出力電圧Ｅｏの時間変化波形Ｐ（ωｔ）は、離散フーリエ変換を行うことにより、下記式（３）で示されるように有限個の正弦波関数の和として示す（近似する）ことができる。式（３）のωが角速度、ｔは時間であり、本実施形態ではωｔがクランク角度に相当する。１燃焼サイクルにおけるデータサンプル数をｎとすると、式（３）のｍはｎ／２である。また式（４）及び（５）で振幅Ｃｋ及び位相φｋを定義すると、式（３）は式（６）に変形される。すなわち、上記振幅Ｃ１，Ｃ２及び位相φ１，φ２は、それぞれ式（４）及び（５）によって算出することができる。
【数２】
【００３２】
また式（４）及び（５）のａk及びｂkは、下記式（７）及び（８）で与えられ、式（６）のａ0は、下記式（９）で与えられる。
【数３】
【００３３】
図３は、出力電圧Ｅｏに含まれる周波数成分の相対強度（基本周波数成分の振幅Ｃ１を基準とする）を示す。この図に示す実線、破線、及び一点鎖線は、それぞれ図示平均有効圧ＩＭＥＰが２３１．３ｋＰａ，４１１．９ｋＰａ，及び５８６ｋＰａに対応する。この図から明らかなように、図示平均有効圧ＩＭＥＰが変化しても、周波数成分強度の分布はほぼ同一であり、次数が高くなると急激に相対強度が減少する。したがって、振幅Ｃ１及びＣ２を用いる式（２）によって、比較的高精度の図示平均有効圧ＩＭＥＰを得ることができる。
【００３４】
図４は、図示平均有効圧ＩＭＥＰを算出する処理のフローチャートであり、この処理はＥＣＵ５のＣＰＵでＴＤＣパルスの発生に同期して実行される。
ステップＳ１１では、所定クランク角度毎にサンプリングされたデータＰｊ（ｊ＝１〜ｎ）を読み込む。ステップＳ１２では上述した離散フーリエ変換演算を読み込んだデータＰｊについて実行し、基本周波数成分の振幅Ｃ１及び２次成分の振幅Ｃ２を算出する（以下それぞれ「第１周波数振幅」及び「第２周波数振幅」という）。
【００３５】
ステップＳ１３では、エンジン１のクランキング中でかつ点火開始前であるか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、エンジン回転数ＮＥ及び吸気圧ＰＢＡに応じてＣ１Ｍマップ及びＣ２Ｍマップを検索し、基本周波数成分に対応する第１基準周波数振幅Ｃ１Ｍ及び２次成分に対応する第２基準周波数振幅Ｃ２Ｍを算出する。Ｃ１Ｍマップ及びＣ２Ｍマップは、平均的な特性の圧力センサを用いて実測されたデータに基づいて予め設定されている。
【００３６】
ステップＳ１５では、下記式（１０）、（１１）により第１及び第２補正係数Ｋ１，Ｋ２を算出する。
Ｋ１＝Ｃ１Ｍ／Ｃ１ （１０）
Ｋ２＝Ｃ２Ｍ／Ｃ２ （１１）
【００３７】
クランキング中でかつ点火開始前は、はエンジン回転数ＮＥがほぼ一定であり、基本周波数ｆ１はほぼ一定である。したがって、第１及び第２周波数振幅Ｃ１，Ｃ２と、第１及び第２基準周波数振幅Ｃ１Ｍ，Ｃ２Ｍとの比率である補正係数Ｋ１，Ｋ２は、使用中の圧力センサの感度と平均的なセンサから感度のずれを示すパラメータとして使用することができる。
【００３８】
ステップＳ１３の答が否定（ＮＯ）であるときは、ステップＳ１６に進み、下記式（１２）、（１３）に第１及び第２周波数振幅Ｃ１，Ｃ２と、第１及び第２補正係数Ｋ１，Ｋ２を適用し、第１及び第２補正周波数振幅Ｃ１Ｃ，Ｃ２Ｃを算出する。
Ｃ１Ｃ＝Ｋ１×Ｃ１ （１２）
Ｃ２Ｃ＝Ｋ２×Ｃ２ （１３）
【００３９】
ステップＳ１７では、上記式（２）に第１及び第２補正周波数振幅Ｃ１Ｃ，Ｃ２Ｃを適用し、図示平均有効圧ＩＭＥＰを算出する。
なお、図示平均有効圧ＩＭＥＰは気筒毎に算出されるパラメータであり、上述した各パラメータＣ１，Ｃ２，Ｋ１，Ｋ２，Ｃ１Ｃ，Ｃ２Ｃの算出は気筒毎に行われる。
【００４０】
ステップＳ１８では、第１補正係数Ｋ１が劣化判定閾値ＫＤＴＨより大きいか否かを判別し、この答が否定（ＮＯ）であるときは、第２補正係数Ｋ２が劣化判定閾値ＫＤＴＨより大きいか否かを判別する（ステップＳ１９）。ステップＳ１８及びＳ１９の答がともに否定（ＮＯ）であるときは、直ちに処理を終了する。
【００４１】
ステップＳ１８またはＳ１９の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、圧力センサ１１の感度が劣化したと判定し、感度劣化フラグＦＳＤを「１」に設定する（ステップＳ２０）。感度劣化フラグＦＳＤが「１」に設定されると、例えばそのことを示す警告表示が行われる。
【００４２】
以上のように本実施形態では、エンジン回転数ＮＥがほぼ一定となるクランキング中でかつ点火開始前において、圧力センサ１１の検出信号に含まれる、エンジン回転数ＮＥに対応する基本周波数成分の振幅である第１周波数振幅Ｃ１及び２次成分の振幅である第２周波数振幅Ｃ２が算出されるとともに、第１及び第２周波数振幅Ｃ１，Ｃ２に対応し、点火開始前のクランキング中における平均的な振幅である第１及び第２基準周波数振幅Ｃ１Ｍ、Ｃ２Ｍが算出される。そして、第１及び第２周波数振幅Ｃ１，Ｃ２と、第１及び第２基準周波数振幅Ｃ１Ｍ、Ｃ２Ｍとの比率として、第１及び第２補正係数Ｋ１，Ｋ２が算出され、エンジン１の通常運転状態では第１及び第２周波数振幅Ｃ１，Ｃ２を第１及び第２補正係数Ｋ１，Ｋ２で補正した第１及び第２補正周波数振幅Ｃ１Ｃ，Ｃ２Ｃを用いて図示平均有効圧ＩＭＥＰが算出される。したがって、圧力センサ１１の感度が適切に補正され、図示平均有効圧ＩＭＥＰを高い精度で算出することができる。
【００４３】
また第１及び第２補正係数Ｋ１，Ｋ２が劣化判定閾値ＫＤＴＨと比較され、第１補正係数Ｋ１または第２補正係数Ｋ２が劣化判定閾値ＫＤＴＨを超えたときに、圧力センサ１１が劣化したと判定されるので、圧力センサ１１の感度劣化を簡便に検出することができる。
【００４４】
本実施形態では、圧力センサ１１及びクランク角度位置センサ１２が、それぞれ振動センサ及び回転数検出手段に相当し、ＥＣＵ５が、第１及び第２基本強度パラメータ算出手段、第１及び第２基準強度パラメータ算出手段、第１及び第２補正係数算出手段、通常強度パラメータ算出手段、第１及び第２周波数成分強度補正手段、燃焼状態パラメータ算出手段、及び劣化判定手段を構成する。具体的には、図４のステップＳ１１及びＳ１２が第１及び第２基本強度パラメータ算出手段及び通常強度パラメータ算出手段に相当し、ステップＳ１４が第１及び第２基準強度パラメータ算出手段に相当し、ステップＳ１５が第１及び第２補正係数算出手段に相当し、ステップＳ１６が第１及び第２周波数成分強度補正手段に相当し、ステップＳ１７が燃焼状態パラメータ算出手段に相当し、ステップＳ１８〜Ｓ２０が劣化判定手段に相当する。
【００４５】
［第２の実施形態］
本実施形態は、第１周波数振幅Ｃ１と第１基準周波数振幅Ｃ１Ｍとの比率としてセンサ出力補正係数ＫＳを算出し、センサ出力Ｅｏをセンサ出力補正係数ＫＳにより補正するようにしたものである。以下に説明する点以外は、第１の実施形態と同一である。
【００４６】
図５は、センサ出力補正係数ＫＳを算出する処理のフローチャートであり、この処理はエンジン１のクランキング中でかつ点火開始前に、ＥＣＵ５のＣＰＵで実行される。
ステップＳ２１及びＳ２２では、図４のステップＳ１１及びＳ１２と同様に第１周波数振幅Ｃ１を算出する。ステップＳ２３では、図４のステップＳ１４と同様に第１基準周波数振幅Ｃ１Ｍを算出する。
【００４７】
ステップＳ２４では、下記式（２１）によりセンサ出力補正係数ＫＳを算出する。
ＫＳ＝Ｃ１Ｍ／Ｃ１ （２１）
なお、センサ出力補正係数ＫＳも各気筒毎に（各気筒のセンサ毎に）算出される。
【００４８】
本実施形態では、エンジン１の通常運転状態で得られるセンサ出力Ｅｏにセンサ出力補正係数ＫＳを乗算することにより、補正センサ出力ＥｏＣを算出し、補正センサ出力ＥｏＣを用いて、図示平均有効圧ＩＭＥＰ及び／または最大筒内圧ＰＣＹＬＭＡＸの算出を行う。
【００４９】
以上のように本実施形態では、第１周波数振幅Ｃ１と第１基準周波数振幅Ｃ１Ｍとの比率としてセンサ出力補正係数ＫＳが算出され、センサ出力Ｅｏがセンサ出力補正係数ＫＳにより補正されるので、圧力センサ１１の感度補正を通常燃焼状態の監視に適した周波数帯域において比較的簡便に行うことができる。
【００５０】
本実施形態では、ＥＣＵ５が、基本強度パラメータ算出手段、基準強度パラメータ算出手段、補正係数算出手段、及びセンサ出力補正手段を構成する。具体的には、図５のステップＳ２１，Ｓ２２が基本強度パラメータ算出手段に相当し、ステップＳ２３が基準強度パラメータ算出手段に相当し、ステップＳ２４が補正係数算出手段に相当する。
【００５１】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、第１の実施形態では、第１及び第２補正係数Ｋ１，Ｋ２を算出し、第１周波数振幅Ｃ１及び第２周波数振幅Ｃ１，Ｃ２をそれぞれ第１及び第２補正係数Ｋ１，Ｋ２により補正するようにしたが、図６に示すように第１補正係数Ｋ１のみ算出し、第１周波数振幅Ｃ１のみを補正するようにしてもよい。
【００５２】
図６の処理は、図４のステップＳ１４〜Ｓ１７をそれぞれステップＳ１４ａ〜Ｓ１７ａに代え、ステップＳ１９を削除したものである。
ステップＳ１４ａでは、エンジン回転数ＮＥ及び吸気圧ＰＢＡに応じて第１基準周波数振幅Ｃ１Ｍを算出し、ステップＳ１５ａでは第１補正係数Ｋ１を算出する。ステップＳ１６ａでは、第１補正係数Ｋ１を用いて第１補正周波数振幅Ｃ１Ｃを算出し、ステップＳ１７ａでは、第１補正周波数振幅Ｃ１Ｃ及び第２周波数振幅Ｃ２を用いて図示平均有効圧ＩＭＥＰを算出する。ステップＳ１８の答が否定（ＮＯ）であるときは、直ちに処理を終了する。
【００５３】
図示平均有効圧ＩＭＥＰは上記式（２）により算出されるが、第２周波数振幅Ｃ２は、図３に示すように第１周波数振幅Ｃ１の１／２程度であり、かつ式（２）の（１／２λ）が一般に０．１２５程度の値となるため、図示平均有効圧ＩＭＥＰの算出における第２周波数振幅Ｃ２の寄与度は第１周波数振幅Ｃ１に比べてかなり小さい。したがって、第１周波数振幅Ｃ１のみを補正することによっても、図示平均有効圧ＩＭＥＰを比較的高い精度で算出することができる。なお、第１の実施形態のように第２周波数振幅Ｃ２も補正することにより、算出精度がさらに高めるられることは言うまでもない。
【００５４】
またこの変形例では、第２補正係数Ｋ２は算出されないので、圧力センサ感度の劣化判定は、第１補正係数Ｋ１のみを用いて行われる（ステップＳ１８，Ｓ２０）。
【００５５】
また上述した実施形態では振動センサとして最も一般的な圧電型圧力センサを使用したが、圧電型圧力センサに代えて、加速度センサ、力センサ、またはすきまセンサを使用してもよい。公知の非特許文献（自動車技術学会学術講演会前刷集２００６／０５「加速度、力、すきまセンサを用いた図示平均有効圧モニタ法」）に示されるように、加速度センサ、力センサ、またはすきまセンサにより、圧電型圧力センサと相関性の高い検出データを得ることができる。
【００５６】
また上述した第１の実施形態では、第１及び第２補正係数Ｋ１，Ｋ２そのものを用いてセンサ感度の劣化判定を行うようにしたが、前回運転時に算出された補正係数Ｋ１，Ｋ２を記憶しておき、今回運転時に算出された補正係数Ｋ１，Ｋ２の前回値からの変化量または変化率に基づいて、劣化判定を行うようにしてもよい。
【００５７】
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの燃焼状態監視装置にも適用が可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 内燃機関
５ 電子制御ユニット（第１及び第２基本強度パラメータ算出手段、第１及び第２基準強度パラメータ算出手段、第１及び第２補正係数算出手段、センサ出力補正手段、通常強度パラメータ算出手段、第１及び第２周波数成分強度補正手段、燃焼状態パラメータ算出手段、劣化判定手段）
１１ 圧電型圧力センサ（振動センサ）
１２ クランク角度位置センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に装着される振動センサの感度補正装置、及び振動センサの検出信号に基づいて、内燃機関の燃焼状態を示す燃焼状態パラメータを算出する燃焼状態監視装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、内燃機関に装着される典型的な振動センサである圧電型圧力センサの感度補正方法が示されている。この方法によれば、圧電型圧力センサの検出信号から、測定対象となる周波数帯域の信号成分が抽出され、抽出された信号が補正基準値によって検出感度がほぼ一定となるように補正される。補正基準値は、抽出信号成分と同じ周波数帯域の特定周波数成分を用いて算出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３ー８３１５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に示された手法は、具体的にはノッキングの検出に用いる圧電型圧力センサの感度補正に適用される手法であり、６〜１０ｋＨｚのバンドパスフィルタ処理によって得られる信号レベルの平均値（例えばクランク角度が上死点前１２度から上死点までの期間に検出される信号レベルを１０サイクル程度の期間において平均化することにより得られる値）である。
【０００５】
一方、圧力センサの検出値を、機関の通常の燃焼状態を示すパラメータである図示平均有効圧の算出に適用する場合には、必要な圧力センサ出力の主たる周波数成分（１次成分、２次成分）は、機関回転数が相当高い状態（例えば８０００ｒｐｍ）でも３００Ｈｚより低い周波数の成分であり、特許文献１に示された手法を適用して圧力センサの感度補正を行うことはできない。
【０００６】
また、圧力センサの検出値を、機関の燃焼状態を示すパラメータである図示平均有効圧の算出に適用する場合にはセンサ検出値から得られる、機関回転に同期した成分の強度をより高い精度で補正することが望ましい。
【０００７】
本発明は上述した点に着目してなされたものであり、機関に装着される振動センサの感度補正を機関の通常燃焼状態の監視に適した周波数帯域において簡便に行うことができる振動センサの感度補正装置を提供することを第１の目的とし、さらに機関燃焼状態を示す燃焼状態パラメータを、振動センサの検出値に基づいて高い精度で算出することができる内燃機関の燃焼状態監視装置を提供すること第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関に装着される振動センサ（１１）の感度補正装置において、前記機関の回転数（ＮＥ）を検出する回転数検出手段と、前記機関の点火が行われない所定運転状態において、前記振動センサ（１１）の検出信号に含まれる、前記機関回転数（ＮＥ）に対応する基本周波数成分の強度を示す基本周波数強度パラメータ（Ｃ１）を算出する基本強度パラメータ算出手段と、前記所定運転状態における、前記基本周波数に対応する基準強度パラメータ（Ｃ１Ｍ）を算出する基準強度パラメータ算出手段と、前記基本周波数強度パラメータ（Ｃ１）と前記基準強度パラメータ（Ｃ１Ｍ）との比率に応じて補正係数（ＫＳ）を算出する補正係数算出手段と、前記補正係数（ＫＳ）を用いて前記振動センサ出力（Ｅｏ）を補正するセンサ出力補正手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、内燃機関に装着される振動センサ（１１）の出力に基づいて前記機関の燃焼状態を示す燃焼状態パラメータ（ＩＭＥＰ）を算出する燃焼状態パラメータ算出手段を備える、内燃機関の燃焼状態監視装置において、前記機関の回転数（ＮＥ）を検出する回転数検出手段と、前記機関の点火が行われない所定運転状態において、前記振動センサ（１１）の検出信号に含まれる、前記機関回転数（ＮＥ）に対応する基本周波数成分の強度を示す第１周波数強度パラメータ（Ｃ１）を算出する第１基本強度パラメータ算出手段と、前記所定運転状態における、前記基本周波数に対応する第１基準強度パラメータ（Ｃ１Ｍ）を算出する第１基準強度パラメータ算出手段と、前記第１周波数強度パラメータ（Ｃ１）と前記第１基準強度パラメータ（Ｃ１Ｍ）との比率に応じて第１補正係数（Ｋ１）を算出する第１補正係数算出手段と、前記機関の通常運転状態において前記振動センサの検出信号に含まれる前記第１周波数強度パラメータ（Ｃ１）と、前記振動センサの検出信号に含まれる、前記基本周波数の２倍の周波数の成分の強度を示す第２周波数強度パラメータ（Ｃ２）とを算出する通常強度パラメータ算出手段と、該通常強度パラメータ算出手段により算出される第１周波数成分強度パラメータ（Ｃ１）を第１補正係数（Ｋ１）を用いて補正する第１周波数成分強度補正手段とを備え、前記燃焼状態パラメータ算出手段は、前記第１周波数成分強度補正手段により補正された第１周波数成分強度パラメータ（Ｃ１Ｃ）と、前記通常強度パラメータ算出手段により算出された第２周波数成分強度パラメータ（Ｃ２）とを用いて前記燃焼状態パラメータ（ＩＭＥＰ）を算出することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関の燃焼状態監視装置において、前記所定運転状態において、前記第２周波数強度パラメータ（Ｃ２）を算出する第２基本強度パラメータ算出手段と、前記所定運転状態における、前記２倍周波数に対応する第２基準強度パラメータ（Ｃ２Ｍ）を算出する第２基準強度パラメータ算出手段と、前記第２周波数強度パラメータ（Ｃ２）と前記第２基準強度パラメータ（Ｃ２Ｍ）との比率に応じて第２補正係数（Ｋ２）を算出する第２補正係数算出手段と、前記通常強度パラメータ算出手段により算出される第２周波数成分強度パラメータ（Ｃ２）を前記第２補正係数（Ｋ２）を用いて補正する第２周波数成分強度補正手段とをさらに備え、前記燃焼状態パラメータ算出手段は、前記第１及び第２周波数成分強度補正手段により補正された第１及び第２周波数成分強度パラメータ（Ｃ１Ｃ，Ｃ２Ｃ）を用いて前記燃焼状態パラメータ（ＩＭＥＰ）を算出することを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関の燃焼状態監視装置において、前記第１補正係数を劣化判定閾値と比較し、前記第１補正係数が前記劣化判定閾値を超えたときに、前記振動センサが劣化したと判定する劣化判定手段をさらに備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の内燃機関の燃焼状態監視装置において、前記第１及び第２補正係数を劣化判定閾値と比較し、前記第１補正係数及び第２補正係数の少なくとも一方が前記劣化判定閾値を超えたときに、前記振動センサが劣化したと判定する劣化判定手段をさらに備えることを特徴とする。
【００１３】
なお、上記振動センサとしては、圧電素子を用いた圧電型圧力センサが一般的に使用されるが、内燃機関の適切な位置に装着した加速度センサ、力センサ、あるいはすきまセンサも使用可能である。また、上記「所定運転状態」は、感度補正を行うセンサが取り付けられた気筒において点火が行われていない運転状態であり、典型的にはクランキング中（アイドルストップ後の再始動時を含む）で且つ点火開始前の運転状態である。また、例えば気筒休止運転を行う機関において休止中の気筒も「所定運転状態」に該当する。
【００１４】
振動センサとして加速度センサ、力センサ、あるいはすきまセンサを用いる場合には、上記補正係数（Ｋ１，Ｋ２）は、筒内圧に起因する間接的情報であるため、振動や力などの間接情報と、筒内圧データの相関付けをする定数をかけることで、間接情報から得る図示平均有効圧と、圧力センサ出力から得られる図示平均有効圧との相関性の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、機関の点火が行われない所定運転状態において、振動センサの検出信号に含まれる、機関回転数に対応する基本周波数成分の強度を示す基本周波数強度パラメータが算出されるとともに、所定運転状態における、基本周波数に対応する基準強度パラメータが算出され、基本周波数強度パラメータと基準強度パラメータとの比率に応じて算出される補正係数を用いて振動センサ出力が補正される。機関の点火が行われない運転状態においては、振動センサ検出信号に含まれる、機関回転数に対応する基本周波数成分の強度が最も大きくなるので、検出される基本周波数強度パラメータと、予め設定されている基準強度パラメータとの比率に応じて補正係数を算出し、この補正係数を用いて振動センサ出力を補正することにより、振動センサの感度補正を機関の通常燃焼状態の監視に適した周波数帯域において比較的簡便に行うことができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、機関の点火が行われない所定運転状態において、振動センサの検出信号に含まれる、機関回転数に対応する基本周波数成分の強度を示す第１周波数強度パラメータが算出されるとともに、所定運転状態における、基本周波数に対応する第１基準強度パラメータが算出され、第１周波数強度パラメータと第１基準強度パラメータとの比率に応じて第１補正係数が算出される。そして、機関の通常運転状態において振動センサの検出信号に含まれる第１周波数強度パラメータと、基本周波数の２倍の周波数の成分の強度を示す第２周波数強度パラメータとが算出され、第１補正係数により補正された第１周波数成分強度パラメータと、補正されない第２周波数強度パラメータとを用いて燃焼状態パラメータが算出される。振動センサ出力に含まれる基本周波数成分及び２次高調波成分の強度（振幅）を用いることにより、代表的な燃焼状態パラメータである図示平均有効圧を比較的高い精度で算出することができるので、検出される第１周波数強度パラメータを、第１補正係数を用いて補正することにより、振動センサ出力の主たる周波数成分を示す第１周波数強度パラメータが振動センサの感度に応じて適切に補正され、燃焼状態パラメータを高い精度で算出することができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、機関の点火が行われない所定運転状態において第２周波数強度パラメータとが算出されるとともに、所定運転状態における、２倍周波数に対応する第２基準強度パラメータが算出され、第２周波数強度パラメータと第２基準強度パラメータとの比率に応じて第２補正係数が算出される。そして、機関の通常運転状態において振動センサの検出信号に含まれる第１及び第２周波数強度パラメータが、第１及び第２補正係数を用いて補正され、補正された第１及び第２周波数成分強度パラメータを用いて燃焼状態パラメータが算出される。第２補正係数を用いて第２周波数成分強度パラメータも補正することにより、振動センサの感度補正がより適切に行われ、燃焼状態パラメータを算出精度をより高めることができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、第１補正係数が劣化判定閾値と比較され、第１補正係数が劣化判定閾値を超えたときに、振動センサが劣化したと判定されるので、振動センサの感度劣化を簡便に検出することができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明によれば、第１及び第２補正係数が劣化判定閾値と比較され、第１補正係数及び第２補正係数の少なくとも一方が劣化判定閾値を超えたときに、振動センサが劣化したと判定されるので、振動センサの感度劣化を簡便に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。
【図２】圧電型圧力センサの等価回路及び積分増幅器の構成を示す回路図である。
【図３】圧電型圧力センサ出力に含まれる周波数成分の比率を示す図である。
【図４】図示平均有効圧（ＩＭＥＰ）を算出する処理のフローチャートである。
【図５】圧電型圧力センサ出力を補正する補正係数（ＫＳ）を算出する処理のフローチャートである。
【図６】図４に示す処理の変形例のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の一実施形態にかかる内燃機関（以下「エンジン」という）及びその制御装置の全体構成図であり、例えば４気筒のエンジン１の吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。スロットル弁３にはスロットル弁開度ＴＨを検出するスロットル弁開度センサ４が連結されており、センサ４の検出信号は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給される。
【００２２】
燃料噴射弁６はエンジン１とスロットル弁３との間かつ吸気管２の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時間が制御される。エンジン１の各気筒には、点火プラグ７が設けられており、点火プラグ７はＥＣＵ５に接続されている。ＥＣＵ５は、点火プラグ７に点火信号を供給する。
【００２３】
スロットル弁３の下流側には吸気圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ８、及び吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ９が設けられている。エンジン１の本体には、エンジン冷却水温ＴＷを検出する冷却水温センサ１０が装着されている。さらにエンジン１の各気筒の点火プラグ７の近傍には、筒内圧を検出する圧電型圧力センサ１１が装着されている。センサ８〜１１の検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。
【００２４】
ＥＣＵ５には、エンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ１２が接続されており、クランク軸の回転角度に応じた信号がＥＣＵ５に供給される。クランク角度位置センサ１２は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス（以下「ＣＹＬパルス」という）を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０度毎に）ＴＤＣパルスを出力するＴＤＣセンサ及びＴＤＣパルスより短い一定クランク角周期（例えば６度周期）で１パルス（以下「ＣＲＫパルス」という）を発生するＣＲＫセンサから成り、ＣＹＬパルス、ＴＤＣパルス及びＣＲＫパルスがＥＣＵ５に供給される。これらのパルスは、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御、エンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。
【００２５】
ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、該ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路（メモリ）、燃料噴射弁６及び点火プラグ７に駆動信号を供給する出力回路等から構成される。
【００２６】
ＥＣＵ５は、圧力センサ１１により検出される筒内圧ＰＣＹＬを用いて燃焼状態パラメータである図示平均有効圧ＩＭＥＰを算出し、図示平均有効圧ＩＭＥＰに応じた点火時期制御を行う。この点火時期制御の詳細は、特許第３９９３８５１号公報に示されている。
【００２７】
図２は、圧力センサ１１及び接続ケーブルの等価回路と、圧力センサ１１の出力信号を増幅する積分増幅器の構成を示す図である。圧力センサ１１及び接続ケーブルの等価回路は、電圧Ｅｉを出力する電圧源と、センサ及びケーブルの合成抵抗Ｒｏｃ及び合成静電容量Ｃｏｃの並列回路として表すことができる。積分増幅器２１は、演算増幅器ＡＭＰ及び帰還抵抗Ｒｆ及び帰還容量Ｃｆによって構成される。本実施形態では、積分増幅器２１はＥＣＵ５の入力回路内に設けられている。
【００２８】
圧力センサ１１に力が加わると、センサ感度Ｓｓに応じた電荷Ｑが発生し、電荷Ｑは、印加された力Ｆに比例する（Ｑ＝Ｓｓ×Ｆ）。積分増幅器２１の出力電圧Ｅｏは下記式（１）で与えられ、圧力センサ１１の印加される力Ｆに比例する。
Ｅｏ＝Ｑ／Ｃｆ＝Ｓｓ×Ｆ／Ｃｆ （１）
したがって、センサ感度Ｓｓがばらつくことにより、力Ｆに対応する出力電圧Ｅｏが変化する。そこで、後述する圧力センサ１１の感度補正が行われる。
【００２９】
一方、エンジン１の燃焼状態を示す図示平均有効圧ＩＭＥＰは、下記式（２）により比較的高精度かつ簡便に算出することができる。この式（２）による図示平均有効圧の算出手法は特公平８−２０３３９号公報に示されている。
【数１】
【００３０】
式（２）のＣ１は、センサ出力Ｅｏに含まれるエンジン回転数ＮＥ［ｒｐｍ］に対応する周波数（基本周波数）ｆ１（＝ＮＥ／６０）の成分（以下「基本周波数成分」という）の振幅であり、Ｃ２は基本周波数ｆ１の２倍の周波数に対応する２次成分の振幅である。またφ１はクランク角度で示される基本周波数成分の位相であり、φ２は２次成分の位相であり、ｈは４サイクルエンジンでは「１／２」に設定され、２サイクルエンジンでは「１」に設定される定数であり、λはエンジンのコンロッド長ｓとクランク半径ｒとの比（ｓ／ｒ）である。
【００３１】
次に振幅Ｃ１，Ｃ２の算出手法を説明する。
圧力センサ１１の出力信号を積分増幅器２１により増幅することにより得られる出力電圧Ｅｏの時間変化波形Ｐ（ωｔ）は、離散フーリエ変換を行うことにより、下記式（３）で示されるように有限個の正弦波関数の和として示す（近似する）ことができる。式（３）のωが角速度、ｔは時間であり、本実施形態ではωｔがクランク角度に相当する。１燃焼サイクルにおけるデータサンプル数をｎとすると、式（３）のｍはｎ／２である。また式（４）及び（５）で振幅Ｃｋ及び位相φｋを定義すると、式（３）は式（６）に変形される。すなわち、上記振幅Ｃ１，Ｃ２及び位相φ１，φ２は、それぞれ式（４）及び（５）によって算出することができる。
【数２】
【００３２】
また式（４）及び（５）のａk及びｂkは、下記式（７）及び（８）で与えられ、式（６）のａ0は、下記式（９）で与えられる。
【数３】
【００３３】
図３は、出力電圧Ｅｏに含まれる周波数成分の相対強度（基本周波数成分の振幅Ｃ１を基準とする）を示す。この図に示す実線、破線、及び一点鎖線は、それぞれ図示平均有効圧ＩＭＥＰが２３１．３ｋＰａ，４１１．９ｋＰａ，及び５８６ｋＰａに対応する。この図から明らかなように、図示平均有効圧ＩＭＥＰが変化しても、周波数成分強度の分布はほぼ同一であり、次数が高くなると急激に相対強度が減少する。したがって、振幅Ｃ１及びＣ２を用いる式（２）によって、比較的高精度の図示平均有効圧ＩＭＥＰを得ることができる。
【００３４】
図４は、図示平均有効圧ＩＭＥＰを算出する処理のフローチャートであり、この処理はＥＣＵ５のＣＰＵでＴＤＣパルスの発生に同期して実行される。
ステップＳ１１では、所定クランク角度毎にサンプリングされたデータＰｊ（ｊ＝１〜ｎ）を読み込む。ステップＳ１２では上述した離散フーリエ変換演算を読み込んだデータＰｊについて実行し、基本周波数成分の振幅Ｃ１及び２次成分の振幅Ｃ２を算出する（以下それぞれ「第１周波数振幅」及び「第２周波数振幅」という）。
【００３５】
ステップＳ１３では、エンジン１のクランキング中でかつ点火開始前であるか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、エンジン回転数ＮＥ及び吸気圧ＰＢＡに応じてＣ１Ｍマップ及びＣ２Ｍマップを検索し、基本周波数成分に対応する第１基準周波数振幅Ｃ１Ｍ及び２次成分に対応する第２基準周波数振幅Ｃ２Ｍを算出する。Ｃ１Ｍマップ及びＣ２Ｍマップは、平均的な特性の圧力センサを用いて実測されたデータに基づいて予め設定されている。
【００３６】
ステップＳ１５では、下記式（１０）、（１１）により第１及び第２補正係数Ｋ１，Ｋ２を算出する。
Ｋ１＝Ｃ１Ｍ／Ｃ１ （１０）
Ｋ２＝Ｃ２Ｍ／Ｃ２ （１１）
【００３７】
クランキング中でかつ点火開始前は、はエンジン回転数ＮＥがほぼ一定であり、基本周波数ｆ１はほぼ一定である。したがって、第１及び第２周波数振幅Ｃ１，Ｃ２と、第１及び第２基準周波数振幅Ｃ１Ｍ，Ｃ２Ｍとの比率である補正係数Ｋ１，Ｋ２は、使用中の圧力センサの感度と平均的なセンサから感度のずれを示すパラメータとして使用することができる。
【００３８】
ステップＳ１３の答が否定（ＮＯ）であるときは、ステップＳ１６に進み、下記式（１２）、（１３）に第１及び第２周波数振幅Ｃ１，Ｃ２と、第１及び第２補正係数Ｋ１，Ｋ２を適用し、第１及び第２補正周波数振幅Ｃ１Ｃ，Ｃ２Ｃを算出する。
Ｃ１Ｃ＝Ｋ１×Ｃ１ （１２）
Ｃ２Ｃ＝Ｋ２×Ｃ２ （１３）
【００３９】
ステップＳ１７では、上記式（２）に第１及び第２補正周波数振幅Ｃ１Ｃ，Ｃ２Ｃを適用し、図示平均有効圧ＩＭＥＰを算出する。
なお、図示平均有効圧ＩＭＥＰは気筒毎に算出されるパラメータであり、上述した各パラメータＣ１，Ｃ２，Ｋ１，Ｋ２，Ｃ１Ｃ，Ｃ２Ｃの算出は気筒毎に行われる。
【００４０】
ステップＳ１８では、第１補正係数Ｋ１が劣化判定閾値ＫＤＴＨより大きいか否かを判別し、この答が否定（ＮＯ）であるときは、第２補正係数Ｋ２が劣化判定閾値ＫＤＴＨより大きいか否かを判別する（ステップＳ１９）。ステップＳ１８及びＳ１９の答がともに否定（ＮＯ）であるときは、直ちに処理を終了する。
【００４１】
ステップＳ１８またはＳ１９の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、圧力センサ１１の感度が劣化したと判定し、感度劣化フラグＦＳＤを「１」に設定する（ステップＳ２０）。感度劣化フラグＦＳＤが「１」に設定されると、例えばそのことを示す警告表示が行われる。
【００４２】
以上のように本実施形態では、エンジン回転数ＮＥがほぼ一定となるクランキング中でかつ点火開始前において、圧力センサ１１の検出信号に含まれる、エンジン回転数ＮＥに対応する基本周波数成分の振幅である第１周波数振幅Ｃ１及び２次成分の振幅である第２周波数振幅Ｃ２が算出されるとともに、第１及び第２周波数振幅Ｃ１，Ｃ２に対応し、点火開始前のクランキング中における平均的な振幅である第１及び第２基準周波数振幅Ｃ１Ｍ、Ｃ２Ｍが算出される。そして、第１及び第２周波数振幅Ｃ１，Ｃ２と、第１及び第２基準周波数振幅Ｃ１Ｍ、Ｃ２Ｍとの比率として、第１及び第２補正係数Ｋ１，Ｋ２が算出され、エンジン１の通常運転状態では第１及び第２周波数振幅Ｃ１，Ｃ２を第１及び第２補正係数Ｋ１，Ｋ２で補正した第１及び第２補正周波数振幅Ｃ１Ｃ，Ｃ２Ｃを用いて図示平均有効圧ＩＭＥＰが算出される。したがって、圧力センサ１１の感度が適切に補正され、図示平均有効圧ＩＭＥＰを高い精度で算出することができる。
【００４３】
また第１及び第２補正係数Ｋ１，Ｋ２が劣化判定閾値ＫＤＴＨと比較され、第１補正係数Ｋ１または第２補正係数Ｋ２が劣化判定閾値ＫＤＴＨを超えたときに、圧力センサ１１が劣化したと判定されるので、圧力センサ１１の感度劣化を簡便に検出することができる。
【００４４】
本実施形態では、圧力センサ１１及びクランク角度位置センサ１２が、それぞれ振動センサ及び回転数検出手段に相当し、ＥＣＵ５が、第１及び第２基本強度パラメータ算出手段、第１及び第２基準強度パラメータ算出手段、第１及び第２補正係数算出手段、通常強度パラメータ算出手段、第１及び第２周波数成分強度補正手段、燃焼状態パラメータ算出手段、及び劣化判定手段を構成する。具体的には、図４のステップＳ１１及びＳ１２が第１及び第２基本強度パラメータ算出手段及び通常強度パラメータ算出手段に相当し、ステップＳ１４が第１及び第２基準強度パラメータ算出手段に相当し、ステップＳ１５が第１及び第２補正係数算出手段に相当し、ステップＳ１６が第１及び第２周波数成分強度補正手段に相当し、ステップＳ１７が燃焼状態パラメータ算出手段に相当し、ステップＳ１８〜Ｓ２０が劣化判定手段に相当する。
【００４５】
［第２の実施形態］
本実施形態は、第１周波数振幅Ｃ１と第１基準周波数振幅Ｃ１Ｍとの比率としてセンサ出力補正係数ＫＳを算出し、センサ出力Ｅｏをセンサ出力補正係数ＫＳにより補正するようにしたものである。以下に説明する点以外は、第１の実施形態と同一である。
【００４６】
図５は、センサ出力補正係数ＫＳを算出する処理のフローチャートであり、この処理はエンジン１のクランキング中でかつ点火開始前に、ＥＣＵ５のＣＰＵで実行される。
ステップＳ２１及びＳ２２では、図４のステップＳ１１及びＳ１２と同様に第１周波数振幅Ｃ１を算出する。ステップＳ２３では、図４のステップＳ１４と同様に第１基準周波数振幅Ｃ１Ｍを算出する。
【００４７】
ステップＳ２４では、下記式（２１）によりセンサ出力補正係数ＫＳを算出する。
ＫＳ＝Ｃ１Ｍ／Ｃ１ （２１）
なお、センサ出力補正係数ＫＳも各気筒毎に（各気筒のセンサ毎に）算出される。
【００４８】
本実施形態では、エンジン１の通常運転状態で得られるセンサ出力Ｅｏにセンサ出力補正係数ＫＳを乗算することにより、補正センサ出力ＥｏＣを算出し、補正センサ出力ＥｏＣを用いて、図示平均有効圧ＩＭＥＰ及び／または最大筒内圧ＰＣＹＬＭＡＸの算出を行う。
【００４９】
以上のように本実施形態では、第１周波数振幅Ｃ１と第１基準周波数振幅Ｃ１Ｍとの比率としてセンサ出力補正係数ＫＳが算出され、センサ出力Ｅｏがセンサ出力補正係数ＫＳにより補正されるので、圧力センサ１１の感度補正を通常燃焼状態の監視に適した周波数帯域において比較的簡便に行うことができる。
【００５０】
本実施形態では、ＥＣＵ５が、基本強度パラメータ算出手段、基準強度パラメータ算出手段、補正係数算出手段、及びセンサ出力補正手段を構成する。具体的には、図５のステップＳ２１，Ｓ２２が基本強度パラメータ算出手段に相当し、ステップＳ２３が基準強度パラメータ算出手段に相当し、ステップＳ２４が補正係数算出手段に相当する。
【００５１】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、第１の実施形態では、第１及び第２補正係数Ｋ１，Ｋ２を算出し、第１周波数振幅Ｃ１及び第２周波数振幅Ｃ１，Ｃ２をそれぞれ第１及び第２補正係数Ｋ１，Ｋ２により補正するようにしたが、図６に示すように第１補正係数Ｋ１のみ算出し、第１周波数振幅Ｃ１のみを補正するようにしてもよい。
【００５２】
図６の処理は、図４のステップＳ１４〜Ｓ１７をそれぞれステップＳ１４ａ〜Ｓ１７ａに代え、ステップＳ１９を削除したものである。
ステップＳ１４ａでは、エンジン回転数ＮＥ及び吸気圧ＰＢＡに応じて第１基準周波数振幅Ｃ１Ｍを算出し、ステップＳ１５ａでは第１補正係数Ｋ１を算出する。ステップＳ１６ａでは、第１補正係数Ｋ１を用いて第１補正周波数振幅Ｃ１Ｃを算出し、ステップＳ１７ａでは、第１補正周波数振幅Ｃ１Ｃ及び第２周波数振幅Ｃ２を用いて図示平均有効圧ＩＭＥＰを算出する。ステップＳ１８の答が否定（ＮＯ）であるときは、直ちに処理を終了する。
【００５３】
図示平均有効圧ＩＭＥＰは上記式（２）により算出されるが、第２周波数振幅Ｃ２は、図３に示すように第１周波数振幅Ｃ１の１／２程度であり、かつ式（２）の（１／２λ）が一般に０．１２５程度の値となるため、図示平均有効圧ＩＭＥＰの算出における第２周波数振幅Ｃ２の寄与度は第１周波数振幅Ｃ１に比べてかなり小さい。したがって、第１周波数振幅Ｃ１のみを補正することによっても、図示平均有効圧ＩＭＥＰを比較的高い精度で算出することができる。なお、第１の実施形態のように第２周波数振幅Ｃ２も補正することにより、算出精度がさらに高めるられることは言うまでもない。
【００５４】
またこの変形例では、第２補正係数Ｋ２は算出されないので、圧力センサ感度の劣化判定は、第１補正係数Ｋ１のみを用いて行われる（ステップＳ１８，Ｓ２０）。
【００５５】
また上述した実施形態では振動センサとして最も一般的な圧電型圧力センサを使用したが、圧電型圧力センサに代えて、加速度センサ、力センサ、またはすきまセンサを使用してもよい。公知の非特許文献（自動車技術学会学術講演会前刷集２００６／０５「加速度、力、すきまセンサを用いた図示平均有効圧モニタ法」）に示されるように、加速度センサ、力センサ、またはすきまセンサにより、圧電型圧力センサと相関性の高い検出データを得ることができる。
【００５６】
また上述した第１の実施形態では、第１及び第２補正係数Ｋ１，Ｋ２そのものを用いてセンサ感度の劣化判定を行うようにしたが、前回運転時に算出された補正係数Ｋ１，Ｋ２を記憶しておき、今回運転時に算出された補正係数Ｋ１，Ｋ２の前回値からの変化量または変化率に基づいて、劣化判定を行うようにしてもよい。
【００５７】
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの燃焼状態監視装置にも適用が可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 内燃機関
５ 電子制御ユニット（第１及び第２基本強度パラメータ算出手段、第１及び第２基準強度パラメータ算出手段、第１及び第２補正係数算出手段、センサ出力補正手段、通常強度パラメータ算出手段、第１及び第２周波数成分強度補正手段、燃焼状態パラメータ算出手段、劣化判定手段）
１１ 圧電型圧力センサ（振動センサ）
１２ クランク角度位置センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に装着される振動センサの感度補正装置において、
前記機関の回転数を検出する回転数検出手段と、
前記機関の点火が行われない所定運転状態において、前記振動センサの検出信号に含まれる、前記機関回転数に対応する基本周波数成分の強度を示す基本周波数強度パラメータを算出する基本強度パラメータ算出手段と、
前記所定運転状態における、前記基本周波数に対応する基準強度パラメータを算出する基準強度パラメータ算出手段と、
前記基本周波数強度パラメータと前記基準強度パラメータとの比率に応じて補正係数を算出する補正係数算出手段と、
前記補正係数を用いて前記振動センサ出力を補正するセンサ出力補正手段とを備えることを特徴とする振動センサの感度補正装置。
【請求項２】
内燃機関に装着される振動センサの出力に基づいて前記機関の燃焼状態を示す燃焼状態パラメータを算出する燃焼状態パラメータ算出手段を備える、内燃機関の燃焼状態監視装置において、
前記機関の回転数を検出する回転数検出手段と、
前記機関の点火が行われない所定運転状態において、前記振動センサの検出信号に含まれる、前記機関回転数に対応する基本周波数成分の強度を示す第１周波数強度パラメータを算出する第１基本強度パラメータ算出手段と、
前記所定運転状態における、前記基本周波数に対応する第１基準強度パラメータを算出する第１基準強度パラメータ算出手段と、
前記第１周波数強度パラメータと前記第１基準強度パラメータとの比率に応じて第１補正係数を算出する第１補正係数算出手段と、
前記機関の通常運転状態において前記振動センサの検出信号に含まれる前記第１周波数強度パラメータと、前記振動センサの検出信号に含まれる、前記基本周波数の２倍の周波数の成分の強度を示す第２周波数強度パラメータとを算出する通常強度パラメータ算出手段と、
該通常強度パラメータ算出手段により算出される第１周波数成分強度パラメータを前記第１補正係数を用いて補正する第１周波数成分強度補正手段とを備え、
前記燃焼状態パラメータ算出手段は、前記第１周波数成分強度補正手段により補正された第１周波数成分強度パラメータと、前記通常強度パラメータ算出手段により算出された第２周波数成分強度パラメータとを用いて前記燃焼状態パラメータを算出することを特徴とする内燃機関の燃焼状態監視装置。
【請求項３】
前記所定運転状態において、前記第２周波数強度パラメータを算出する第２基本強度パラメータ算出手段と、
前記所定運転状態における、前記２倍周波数に対応する第２基準強度パラメータを算出する第２基準強度パラメータ算出手段と、
前記第２周波数強度パラメータと前記第２基準強度パラメータとの比率に応じて第２補正係数を算出する第２補正係数算出手段と、
前記通常強度パラメータ算出手段により算出される第２周波数成分強度パラメータを前記第２補正係数を用いて補正する第２周波数成分強度補正手段とをさらに備え、
前記燃焼状態パラメータ算出手段は、前記第１及び第２周波数成分強度補正手段により補正された第１及び第２周波数成分強度パラメータを用いて前記燃焼状態パラメータを算出することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃焼状態監視装置。
【請求項４】
前記第１補正係数を劣化判定閾値と比較し、前記第１補正係数が前記劣化判定閾値を超えたときに、前記振動センサが劣化したと判定する劣化判定手段をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃焼状態監視装置。
【請求項５】
前記第１及び第２補正係数を劣化判定閾値と比較し、前記第１補正係数及び第２補正係数の少なくとも一方が前記劣化判定閾値を超えたときに、前記振動センサが劣化したと判定する劣化判定手段をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の燃焼状態監視装置。
【請求項１】
内燃機関に装着される振動センサの感度補正装置において、
前記機関の回転数を検出する回転数検出手段と、
前記機関の点火が行われない所定運転状態において、前記振動センサの検出信号に含まれる、前記機関回転数に対応する基本周波数成分の強度を示す基本周波数強度パラメータを算出する基本強度パラメータ算出手段と、
前記所定運転状態における、前記基本周波数に対応する基準強度パラメータを算出する基準強度パラメータ算出手段と、
前記基本周波数強度パラメータと前記基準強度パラメータとの比率に応じて補正係数を算出する補正係数算出手段と、
前記補正係数を用いて前記振動センサ出力を補正するセンサ出力補正手段とを備えることを特徴とする振動センサの感度補正装置。
【請求項２】
内燃機関に装着される振動センサの出力に基づいて前記機関の燃焼状態を示す燃焼状態パラメータを算出する燃焼状態パラメータ算出手段を備える、内燃機関の燃焼状態監視装置において、
前記機関の回転数を検出する回転数検出手段と、
前記機関の点火が行われない所定運転状態において、前記振動センサの検出信号に含まれる、前記機関回転数に対応する基本周波数成分の強度を示す第１周波数強度パラメータを算出する第１基本強度パラメータ算出手段と、
前記所定運転状態における、前記基本周波数に対応する第１基準強度パラメータを算出する第１基準強度パラメータ算出手段と、
前記第１周波数強度パラメータと前記第１基準強度パラメータとの比率に応じて第１補正係数を算出する第１補正係数算出手段と、
前記機関の通常運転状態において前記振動センサの検出信号に含まれる前記第１周波数強度パラメータと、前記振動センサの検出信号に含まれる、前記基本周波数の２倍の周波数の成分の強度を示す第２周波数強度パラメータとを算出する通常強度パラメータ算出手段と、
該通常強度パラメータ算出手段により算出される第１周波数成分強度パラメータを前記第１補正係数を用いて補正する第１周波数成分強度補正手段とを備え、
前記燃焼状態パラメータ算出手段は、前記第１周波数成分強度補正手段により補正された第１周波数成分強度パラメータと、前記通常強度パラメータ算出手段により算出された第２周波数成分強度パラメータとを用いて前記燃焼状態パラメータを算出することを特徴とする内燃機関の燃焼状態監視装置。
【請求項３】
前記所定運転状態において、前記第２周波数強度パラメータを算出する第２基本強度パラメータ算出手段と、
前記所定運転状態における、前記２倍周波数に対応する第２基準強度パラメータを算出する第２基準強度パラメータ算出手段と、
前記第２周波数強度パラメータと前記第２基準強度パラメータとの比率に応じて第２補正係数を算出する第２補正係数算出手段と、
前記通常強度パラメータ算出手段により算出される第２周波数成分強度パラメータを前記第２補正係数を用いて補正する第２周波数成分強度補正手段とをさらに備え、
前記燃焼状態パラメータ算出手段は、前記第１及び第２周波数成分強度補正手段により補正された第１及び第２周波数成分強度パラメータを用いて前記燃焼状態パラメータを算出することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃焼状態監視装置。
【請求項４】
前記第１補正係数を劣化判定閾値と比較し、前記第１補正係数が前記劣化判定閾値を超えたときに、前記振動センサが劣化したと判定する劣化判定手段をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃焼状態監視装置。
【請求項５】
前記第１及び第２補正係数を劣化判定閾値と比較し、前記第１補正係数及び第２補正係数の少なくとも一方が前記劣化判定閾値を超えたときに、前記振動センサが劣化したと判定する劣化判定手段をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の燃焼状態監視装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１０６３３５（Ｐ２０１１−１０６３３５Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６１９１２（Ｐ２００９−２６１９１２）
【出願日】平成２１年１１月１７日（２００９．１１．１７）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【出願人】（８０１００００２７）学校法人明治大学 (161)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１７日（２００９．１１．１７）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【出願人】（８０１００００２７）学校法人明治大学 (161)
【Ｆターム（参考）】
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