JP2000008941A

JP2000008941A - 内燃機関の燃焼状態検出装置

Info

Publication number: JP2000008941A
Application number: JP10174943A
Authority: JP
Inventors: Shinji Sadakane; 伸治定金; Iku Otsuka; 郁大塚; Kazuhisa Mogi; 和久茂木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-06-22
Filing date: 1998-06-22
Publication date: 2000-01-11

Abstract

(57)【要約】【課題】始動後早期にすなわち始動直後の機関回転が
安定していない領域にて短時間に燃焼状態ひいては燃料
性状を検出する。【解決手段】良好燃焼の場合と重質燃料によるラフ燃
焼の場合とを比較すると、始動開始から完爆までは、い
ずれの場合も急激な回転速度の上昇が見られるが、その
後の回転速度が低下する領域では、ラフ燃焼の場合の回
転変動率は、良好燃焼の場合の回転変動率よりも非常に
大きな値をとる。そこで、本発明では、前点火サイクル
と現点火サイクルとの間における回転所要時間の増加す
なわち回転速度の低下を検出し、回転変動率を求め、こ
の回転変動率が判定基準値を超えるとき、燃料性状が重
質であるため燃焼が悪化していると判定することによ
り、始動時の急激な回転速度上昇領域を排除しつつ、始
動直後の領域において即時に燃焼状態を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関における
燃焼の状態を検出する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、内燃機関の始動時においては、
吸入空気量も少なく、吸気管圧力も不安定であるため、
吸入空気量を正確に計測し又は推定することができな
い。そのため、始動時には、吸入空気量にかかわらず、
機関冷却水温度に基づいて燃料噴射量が算出される。こ
の始動時燃料噴射量は、機関が冷えているほど、壁面に
付着した燃料が気化しにくくなるため、低温側で増量せ
しめられている。

【０００３】しかし、壁面に付着する燃料の量は、同一
の機関冷却水温度であっても、燃料の性状によって相違
してくる。すなわち、揮発性の良くない重質燃料の場合
には、気化しにくく、従って壁面に付着しやすい。一
方、揮発性の良い軽質燃料の場合には、気化しやすく、
従って壁面に付着しにくい。そのため、機関始動時にお
いては、燃料性状を反映させた燃料噴射制御を行うこと
が好ましい。

【０００４】燃料性状を検出する最も単純な方法として
燃料タンク内の燃料を直接検出することが考えられる
が、このような直接的方法は実用的でない。そのため、
例えば特開平８−２８４７０８号公報に開示されるよう
に、機関の回転変動に基づいて燃焼状態ひいては燃料性
状を検出する装置が知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来技術の装
置では、始動後所定時間が経過して機関の回転が安定し
た状態すなわちアイドル定常状態に至ってから、回転変
動すなわち燃焼状態の検出を開始している。しかしなが
ら、燃料性状による燃焼状態の差異は、始動直後に顕著
に現れるのに対し、従来の方法では、検出するまでに時
間がかかりすぎ、燃料噴射量の補正が遅れるという問題
がある。

【０００６】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
もので、その目的は、早期にすなわち始動直後の機関回
転が安定していない領域にて短時間に燃焼状態を検出す
ることができる内燃機関の燃焼状態検出装置を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、機関回転速度が低下しつつあると
きの点火サイクルごとの機関回転速度の変動率を機関始
動時より算出し始める変動率算出手段と、前記変動率算
出手段によって算出される変動率が所定の判定基準値を
超えたとき燃焼が悪化したと判定する燃焼状態判定手段
と、を具備する、内燃機関の燃焼状態検出装置が提供さ
れる。

【０００８】また、本発明によれば、前記燃焼状態判定
手段によって燃焼が悪化したと判定される場合には燃料
性状が重質であると判定する。

【０００９】また、本発明によれば、前記判定基準値
は、スロットル開度及び始動後の経過時間に応じて変更
される。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施形態について説明する。

【００１１】図１は、本発明の一実施形態に係る燃焼状
態検出装置を備えた電子制御式内燃機関の全体概要図で
ある。内燃機関１は、車両搭載用の直列４気筒４ストロ
ークサイクルレシプロガソリン機関である。機関１は、
シリンダブロック２及びシリンダヘッド３を備えてい
る。シリンダブロック２には、上下方向へ延びる４個の
シリンダ４が紙面の厚み方向へ並設され、各シリンダ４
内には、ピストン５が往復動可能に収容されている。各
ピストン５は、コネクティングロッド６を介し共通のク
ランクシャフト７に連結されている。各ピストン５の往
復運動は、コネクティングロッド６を介してクランクシ
ャフト７の回転運動に変換される。

【００１２】シリンダブロック２とシリンダヘッド３と
の間において、各ピストン５の上側は燃焼室８となって
いる。シリンダヘッド３には、その両外側面と各燃焼室
８とを連通させる吸気ポート９及び排気ポート１０がそ
れぞれ設けられている。これらのポート９及び１０を開
閉するために、シリンダヘッド３には吸気バルブ１１及
び排気バルブ１２がそれぞれ略上下方向への往復動可能
に支持されている。また、シリンダヘッド３において、
バルブ１１及び１２の上方には、それぞれ吸気側カムシ
ャフト１３及び排気側カムシャフト１４が回転可能に設
けられている。カムシャフト１３及び１４には、バルブ
１１及び１２を駆動するためのカム１５及び１６がそれ
ぞれ取り付けられている。カムシャフト１３及び１４の
端部にそれぞれ設けられたタイミングプーリ１７及び１
８は、クランクシャフト７の端部に設けられたタイミン
グプーリ１９へタイミングベルト２０により連結されて
いる。

【００１３】吸気ポート９には、エアクリーナ３１、ス
ロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホル
ド３４等を備えた吸気通路３０が接続されている。機関
１外部の空気（外気）は、燃焼室８へ向けて吸気通路３
０の各部３１，３２，３３及び３４を順に通過する。ス
ロットルバルブ３２は、軸３２ａにより吸気通路３０に
回動可能に設けられている。軸３２ａは、ワイヤ等を介
して運転席のアクセルペダル（図示しない）に連結され
ており、運転者によるアクセルペダルの踏み込み操作に
連動してスロットルバルブ３２と一体で回動する。この
際のスロットルバルブ３２の傾斜角度に応じて、吸気通
路３０を流れる空気の量が決定される。また、スロット
ルバルブ３２をバイパスするアイドルアジャスト通路３
５には、アイドル時の空気流量を調節するためのアイド
ル回転速度制御弁（ＩＳＣＶ）３６が設けられている。
吸気マニホルド３４には、各吸気ポート９へ向けて燃料
を噴射するインジェクタ４０が取付けられている。燃料
は、燃料タンク４１に貯蔵されており、そこから燃料ポ
ンプ４２によりくみ上げられ、燃料配管４３を経てイン
ジェクタ４０に供給される。そして、インジェクタ４０
から噴射される燃料と吸気通路３０内を流れる空気とか
らなる混合気は、吸気バルブ１１を介して燃焼室８へ導
入される。

【００１４】この混合気に着火するために、シリンダヘ
ッド３には点火プラグ５０が取付けられている。点火時
には、点火信号を受けたイグナイタ５１が、点火コイル
５２の１次電流の通電及び遮断を制御し、その２次電流
が、点火ディストリビュータ５３を介して点火プラグ５
０に供給される。

【００１５】燃焼した混合気は、排気ガスとして排気バ
ルブ１２を介して排気ポート１０に導かれる。排気ポー
ト１０には、排気マニホルド６１、触媒コンバータ６２
等を備えた排気通路６０が接続されている。触媒コンバ
ータ６２には、不完全燃焼成分であるＨＣ（炭化水素）
及びＣＯ（一酸化炭素）の酸化と、空気中の窒素と燃え
残りの酸素とが反応して生成されるＮＯ_x（窒素酸化
物）の還元とを同時に促進する三元触媒が収容されてい
る。こうして触媒コンバータ６２において浄化された排
気ガスが大気中に排出される。

【００１６】機関１には各種のセンサが取付けられてい
る。シリンダブロック２には、機関１の冷却水の温度を
検出するための水温センサ７４が取付けられている。吸
気通路３０には、吸入空気流量を検出するためのエアフ
ローメータ７０が取り付けられている。吸気通路３０に
おいてエアクリーナ３１の近傍には、吸入空気の温度を
検出するための吸気温センサ７３が取付けられている。
吸気通路３０において、スロットルバルブ３２の近傍に
は、その軸の回動角度（スロットル開度）を検出するた
めのスロットル開度センサ７２が設けられている。ま
た、スロットルバルブ３２が全閉状態のときには、アイ
ドルスイッチ８２がオンとなり、その出力であるスロッ
トル全閉信号がアクティブとなる。サージタンク３３に
は、その内部の圧力を検出するための吸気圧センサ７１
が取付けられている。排気通路６０の触媒コンバータ６
２より上流側の部分には、排気ガスの空燃比が理論空燃
比に対してリッチかリーンかを検出するＯ₂センサ７５
が取付けられている。

【００１７】ディストリビュータ５３には、クランクシ
ャフト７の回転に同期して回転する２個のロータが内蔵
されており、クランクシャフト７の基準位置を検出する
ために一方のロータの回転に基づいてクランク角（Ｃ
Ａ）に換算して７２０°ＣＡごとに基準位置検出用パル
スを発生させるクランク基準位置センサ８０が設けら
れ、また、クランクシャフト７の回転速度を検出するた
めに他方のロータの回転に基づいて３０°ＣＡごとに回
転速度検出用パルスを発生させるクランク角センサ８１
が設けられている。なお、車両には、トランスミッショ
ン出力軸の回転速度すなわち車速に比例した数の出力パ
ルスを単位時間当たりに発生する車速センサ８３が取り
付けられている。

【００１８】機関電子制御装置（エンジンＥＣＵ）９０
は、燃料噴射制御、点火時期制御、アイドル回転速度制
御等を実行するマイクロコンピュータシステムである。
点火時期制御は、クランク角センサ８１から得られる機
関回転速度及びその他のセンサからの信号により、機関
の状態を総合的に判定し、最適な点火時期を決定し、イ
グナイタ５１に点火信号を送るものである。また、アイ
ドル回転速度制御は、アイドルスイッチ８２からのスロ
ットル全閉信号及び車速センサ８３からの車速信号によ
ってアイドル状態を検出するとともに、水温センサ７４
からの機関冷却水温度等によって決められる目標回転速
度と実際の機関回転速度とを比較し、その差に応じて目
標回転速度となるように制御量を決定し、ＩＳＣＶ３６
を制御して空気量を調節することにより、最適なアイド
ル回転速度を維持するものである。

【００１９】また、燃料噴射制御は、基本的には、機関
１サイクル当たりの吸入空気量に基づいて、所定の目標
空燃比を達成する燃料噴射量すなわちインジェクタ４０
による噴射時間を演算し、所定のクランク角に達した時
点で燃料を噴射すべく、インジェクタ４０を制御するも
のである。なお、機関１サイクル当たりの吸入空気量
は、エアフローメータ７０により計測される吸入空気流
量とクランク角センサ８１から得られる機関回転速度と
から算出されるか、又は吸気圧センサ７１から得られる
吸気管圧力と機関回転速度とによって推定される。そし
て、かかる燃料噴射量演算の際には、スロットル開度セ
ンサ７２、吸気温センサ７３、水温センサ７４等の各セ
ンサからの信号に基づく基本的な補正、Ｏ₂センサ７５
からの信号に基づく空燃比フィードバック補正等が加え
られる。

【００２０】特に、始動時においては、前述のように、
機関冷却水温度に基づいて燃料噴射量が算出されるが、
その際、燃焼状態ひいては燃料性状を早期に検出し、制
御に反映させることが肝要である。次に、本発明に係る
燃焼状態検出処理について詳細に説明する。

【００２１】本発明では、燃焼状態を検出するために、
点火サイクルごとの機関回転速度の変動率を算出する。
具体的には、本実施形態では、まず、各気筒ごとに、ク
ランクシャフトが圧縮上死点から圧縮上死点後（ＡＴＤ
Ｃ）３０°の角度位置まで回転するのに要する時間Ｔ３
０を算出する。４気筒機関の場合、かかる回転所要時間
Ｔ３０は、図２に示されるように１８０°ＣＡごとに算
出されることとなる。なお、Ｔ３０_iは、最新の点火気
筒に関する回転所要時間を表し、Ｔ３０_i-1は、１点火
サイクル前の点火気筒に関する回転所要時間を表してい
る。

【００２２】ただし、始動開始から完爆までは、燃焼状
態にかかわらず、回転速度の急激な上昇が見られ、燃焼
状態の検出に適しないため、本発明では、完爆後の機関
回転速度が低下しつつある領域、すなわちＴ３０_i＞Ｔ
３０_i-1が成立する領域でのみ、回転変動に基づく燃焼
状態検出を行うようにしている。

【００２３】そして、Ｔ３０_i＞Ｔ３０_i-1が成立する
とき、現点火サイクルでの回転変動率ＶＲＮＥＣが、ＶＲＮＥＣ←〔（Ｔ３０_i−Ｔ３０_i-1）／Ｔ３０_i〕×１００ [％] なる演算により求められる。なお、１点火ごとの検出精
度のばらつきを考慮して、算出された回転変動率ＶＲＮ
ＥＣに対し鈍化処理（いわゆるなまし処理）を施すこと
が好ましい。

【００２４】図３は、始動開始時からの機関回転速度及
び回転変動率の挙動を示すタイムチャートであって、そ
れぞれ、（Ａ）は良好燃焼の場合、（Ｂ）は重質燃料に
よるラフ燃焼の場合を示す。始動開始から完爆までは、
いずれの場合も急激な回転速度の上昇が見られるが、そ
の後の回転速度が低下する領域では、ラフ燃焼の場合の
回転変動率は、良好燃焼の場合の回転変動率よりも非常
に大きな値をとる。そこで、本発明では、この回転変動
率が所定の判定基準値を超えるとき、燃焼が悪化してい
ると判定し、ひいては燃料性状が重質であると判定する
ようにしている。

【００２５】このように、本発明では、前点火サイクル
と現点火サイクルとの間における回転所要時間の増加す
なわち回転速度の低下を検出し、回転変動率を求めてい
るため、図４のＲ１に示されるような、始動時の急激な
回転速度上昇領域を排除しつつ、始動直後の領域すなわ
ち機関回転速度が低下しつつあり安定していない領域に
おいて即時に燃焼状態を判定することができる。また、
回転変動率という無次元化されたパラメータを用いてい
るため、機関回転速度等に応じた燃焼判定用の基準値を
マップから算出する必要はない。なお、図４のＲ２に示
されるような、完爆後、機関回転速度が安定するまでの
領域においても、燃焼によりその挙動に差が現れるた
め、その領域でも燃焼状態が検出される。さらには、従
来の装置と同様に、アイドル定常状態においても燃焼状
態が検出される。

【００２６】また、本発明は、始動直後の燃焼状態検出
を第１の目的とするものであるが、本発明の構成によれ
ば、冷間ヘジテーション（もたつき）の検出も可能とな
る。ヘジテーションとは、アクセルペダル踏み込み時の
車両の応答遅れのことで、一般的には、アクセル踏み込
み中又はアクセル踏み込み後短時間に起こる一時的な機
関出力低下のことをいう。すなわち、図５に示されるよ
うに、アクセル踏み込みによりスロットル開度が大きく
なったとき、正常時には機関回転速度が上昇するのに対
し、ヘジテーション発生時には機関回転速度が低下す
る。その結果、ヘジテーション発生時には、回転変動率
が上昇するため、本発明によれば、冷間ヘジテーション
すなわち冷間時のドライバビリティ悪化も、燃焼状態の
悪化として検出されることとなる。

【００２７】図６は、以上説明した本発明に係る燃焼状
態検出処理を具体的に実現すべくＥＣＵ９０によって実
行される燃焼状態検出ルーチンのフローチャートであ
る。本ルーチンは、始動時より、点火サイクルごと、す
なわち１８０°ＣＡ周期の所定クランク角ごとに実行さ
れる。なお、回転変動率に対して適用される燃焼状態判
定基準値は、始動直後用、アイドル定常状態用及び冷間
ヘジテーション用として別個に適合せしめられた値が使
用され、検出精度の向上が図られている。

【００２８】まず、ステップ１０２では、現在、点火サ
イクルにある気筒について、クランクシャフトが圧縮上
死点から３０°ＡＴＤＣの角度位置まで回転するのに要
する時間Ｔ３０_iを算出する。次いで、ステップ１０４
では、今回算出された回転所要時間Ｔ３０_iと前回の点
火サイクルで算出された回転所要時間Ｔ３０_i-1とを比
較し、Ｔ３０_i＞Ｔ３０_i-1のときにはステップ１０６
に進む一方、Ｔ３０_i≦Ｔ３０_i-1のときには本ルーチ
ンを終了する。

【００２９】ステップ１０６では、前述したように、Ｖ
ＲＮＥＣ←〔（Ｔ３０_i−Ｔ３０_i-1）／Ｔ３０_i〕×
１００ [％]なる演算により、現サイクルでの回転変
動率ＶＲＮＥＣを求める。次いで、ステップ１０８で
は、ＶＲＮＥ←ＶＲＮＥＣ＊ｋ＋ＶＲＮＥ＊（１−ｋ）
なる演算により、なまし処理後の回転変動率ＶＲＮＥを
算出する。このなまし演算は、前回までのなまし処理後
回転変動率ＶＲＮＥに１−ｋの重みを付け、今回算出さ
れた現サイクルでの回転変動率ＶＲＮＥＣにｋの重みを
付けて、加重平均をとり、それを新たななまし処理後回
転変動率ＶＲＮＥとするものであり、係数ｋとしては、
例えば１／３２が採用される。

【００３０】次いで、ステップ１１０では、現在、アイ
ドル状態にあるか否かを判定し、非アイドル状態にある
場合には、ステップ１１８に進み、回転変動率ＶＲＮＥ
に対して適用される燃焼状態判定基準値（変数）ＪＶＲ
ＮＥに、予め設定されている冷間ヘジテーション用基準
値ＪＶＲＮＥ３を代入する。なお、詳細には、ステップ
１１０は、アイドル状態から非アイドル状態への移行時
点から少なくとも所定時間の間は、ステップ１１８に進
み、図５に示されるような冷間ヘジテーション検出が可
能となるように構成されている。

【００３１】一方、ステップ１１０においてアイドル状
態にあると判定されるときには、ステップ１１２に進
み、始動から所定時間が経過しているか否かを判定し、
所定時間経過前である場合には、ステップ１１４に進
み、燃焼状態判定基準値ＪＶＲＮＥとして始動直後用基
準値ＪＶＲＮＥ１を採用する一方、所定時間経過後であ
る場合には、ステップ１１６に進み、燃焼状態判定基準
値ＪＶＲＮＥとしてアイドル定常状態用基準値ＪＶＲＮ
Ｅ２を採用する。

【００３２】ステップ１１４、１１６又は１１８に次い
で実行されるステップ１２０においては、なまし処理後
回転変動率ＶＲＮＥが燃焼状態判定基準値ＪＶＲＮＥよ
り大きいか否かを判定し、ＶＲＮＥ＞ＪＶＲＮＥのとき
にはステップ１２２に進んで燃焼状態が悪化している、
すなわち燃料性状が重質である、と判定した後、本ルー
チンを終了する一方、ＶＲＮＥ≦ＪＶＲＮＥのときには
そのまま本ルーチンを終了する。

【００３３】かくして燃焼状態ひいては燃料性状が判定
された後には、燃料性状に応じて燃料噴射量、点火時期
等のマップを切り替えてもよいし、燃焼状態に応じて燃
料噴射量の増量、点火時期の変更等を実施してもよい。
また、特に、冷間時のヘジテーション発生すなわちドラ
イバビリティ悪化が検出されたときには、それらの処理
に加え、過渡状態での燃料補正量を変更することが好ま
しい。

【００３４】以上、本発明の実施形態について述べてき
たが、もちろん本発明はこれに限定されるものではな
く、様々な実施形態を採用することが可能である。例え
ば、本実施形態においては、回転変動を検出するための
回転所要時間として圧縮上死点から３０°ＡＴＤＣまで
３０°回転するのに要する時間を求めているが、これに
限られない。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
始動後、早期に燃焼状態を検出することができるように
なる上、冷間ヘジテーションを検出することも可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る燃焼状態検出装置を
備えた電子制御式内燃機関の全体概要図である。

【図２】回転所要時間Ｔ３０について説明するための図
である。

【図３】始動開始時からの機関回転速度及び回転変動率
の挙動を例示するタイムチャートであって、それぞれ、
（Ａ）は良好燃焼の場合、（Ｂ）は重質燃料によるラフ
燃焼の場合を示す。

【図４】機関回転速度及び回転変動率の挙動について説
明するための図である。

【図５】冷間ヘジテーションの検出について説明すべ
く、スロットル開度、機関回転速度及び回転変動率の挙
動を示すタイムチャートである。

【図６】ＥＣＵによって実行される燃焼状態検出ルーチ
ンの処理手順を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１…直列４気筒４ストロークサイクルレシプロガソリン
機関２…シリンダブロック３…シリンダヘッド４…シリンダ５…ピストン６…コネクティングロッド７…クランクシャフト８…燃焼室９…吸気ポート１０…排気ポート１１…吸気バルブ１２…排気バルブ１３…吸気側カムシャフト１４…排気側カムシャフト１５…吸気側カム１６…排気側カム１７，１８，１９…タイミングプーリ２０…タイミングベルト３０…吸気通路３１…エアクリーナ３２…スロットルバルブ３２ａ…スロットルバルブの軸３３…サージタンク３４…吸気マニホルド３５…アイドルアジャスト通路３６…アイドル回転速度制御弁（ＩＳＣＶ）４０…インジェクタ４１…燃料タンク４２…燃料ポンプ４３…燃料配管５０…点火プラグ５１…イグナイタ５２…点火コイル５３…点火ディストリビュータ６０…排気通路６１…排気マニホルド６２…触媒コンバータ７０…エアフローメータ７１…吸気圧センサ７２…スロットル開度センサ７３…吸気温センサ７４…水温センサ７５…Ｏ₂センサ８０…クランク基準位置センサ８１…クランク角センサ８２…アイドルスイッチ８３…車速センサ９０…機関ＥＣＵ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者茂木和久愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3G084 CA01 CA02 EA05 EA07 EA11 EB12 EB22 FA10 FA14 FA19 FA34 FA35 FA38

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】機関回転速度が低下しつつあるときの点
火サイクルごとの機関回転速度の変動率を機関始動時よ
り算出し始める変動率算出手段と、前記変動率算出手段によって算出される変動率が所定の
判定基準値を超えたとき燃焼が悪化したと判定する燃焼
状態判定手段と、を具備する、内燃機関の燃焼状態検出装置。
【請求項２】前記燃焼状態判定手段によって燃焼が悪
化したと判定される場合には燃料性状が重質であると判
定する、請求項１に記載の内燃機関の燃焼状態検出装
置。
【請求項３】前記判定基準値は、スロットル開度及び
始動後の経過時間に応じて変更される、請求項１に記載
の内燃機関の燃焼状態検出装置。