JP2005054630A

JP2005054630A - 内燃機関の燃焼異常判定装置

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Publication number: JP2005054630A
Application number: JP2003285122A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Tagami; 剛田上; Takeshi Aoki; 健青木; Kojiro Tsutsumi; 康次郎堤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-08-01
Filing date: 2003-08-01
Publication date: 2005-03-03

Abstract

【課題】点火時期リタードのような機関回転速度変化に影響を与える運転状態においても、内燃機関における燃焼異常を正確に判定する。
【解決手段】検出した角速度に基づいて前記内燃機関における燃焼異常を判定するための燃焼異常判定値を算出する算出手段と、算出された燃焼異常判定値と、前記内燃機関の運転状態に基づいて決定されるしきい値とを比較して、前記内燃機関に燃焼異常が発生したか否かを判定する燃焼異常判定手段と、を備える内燃機関の燃焼異常判定装置において、前記内燃機関の運転状態に応じて点火時期を制御する点火時期制御手段と、前記点火時期制御手段にて算出された点火時期の所定期間における平均を算出する平均点火時期値算出手段と、算出された平均点火時期が所定値より遅角である場合、前記平均点火時期に応じて前記しきい値を補正する補正手段と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の運転状態に応じて正確な失火判定を行うための技術に関する。

内燃機関の運転状態に応じた機関回転速度の変化量と判定レベルを比較することにより内燃機関における失火の有無を判定する手法が知られている。

例えば、特許文献１には、特定の気筒内で爆発燃焼が行われなくなった場合に燃焼異常として検出する、内燃機関の燃焼異常検出装置が記載されている。これによると、各気筒の燃焼行程に同期してクランク軸の回転角速度を検出し、各気筒でこの回転角速度の変動を算出し、所定の変動レベル以上の変動の発生頻度が判定基準以上となった場合、燃焼異常が発生したと判定する。
特許２８３２９９７号

上記技術では、空燃比補正係数が空燃比をリーンとするように変化している場合には、基準変動レベルは小さな値に変更されるので、空燃比補正係数の変動のために失火の発生頻度が減少した場合であっても正確に燃焼異常を検出することができる。

しかしながら、この技術においては、機関回転速度変化に影響を与えるような運転状態においては、失火の有無の判定をしにくくなるという問題がある。

従って、点火時期リタードのような機関回転速度変化に影響を与える運転状態においても、内燃機関における燃焼異常を正確に判定できる方法が必要とされている。

本発明の一形態は、検出した角速度に基づいて、前記内燃機関における燃焼異常を判定するための燃焼異常判定値を算出する算出手段と、算出された燃焼異常判定値と、前記内燃機関の運転状態に基づいて決定されるしきい値とを比較して、前記内燃機関に燃焼異常が発生したか否かを判定する燃焼異常判定手段と、を備える内燃機関の燃焼異常判定装置において、前記内燃機関の運転状態に応じて点火時期を制御する点火時期制御手段と、前記点火時期制御手段にて算出された点火時期の所定期間における平均を算出する平均点火時期値算出手段と、算出された平均点火時期が所定値より遅角である場合、前記平均点火時期に応じて前記しきい値を補正する補正手段と、を備える内燃機関の燃焼異常判定装置である。

この発明によると、算出された平均点火時期において通常運転状態での失火を判定するための判定値算出値に対して補正を行うことで、内燃機関の運転状態に応じた失火を判定するための判定値を適正な値とするので、運転状態に応じた失火の有無を正確に判断することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態に係る燃焼異常判定装置を含む、内燃機関（以下「エンジン」という）と電子制御装置（以下「ＥＣＵ」という）の概略構成を示す図である。エンジン１は、例えば直列４気筒エンジンである。エンジン１へ通ずる吸気管２の途中にはスロットル弁３が配設されている。スロットル弁３にはスロットル弁開度（ＴＨＡ）センサ４が連結されており、スロットル弁３の開度に応じた電気信号を出力してＥＣＵ５に供給する。ＥＣＵ５の構成については後述する。

燃料噴射弁６は、エンジン１の吸気弁（図示せず）の上流側に各気筒毎に設けられている。燃料噴射弁６は燃料ポンプを介して燃料タンク（図示せず）に接続されている。また、燃料噴射弁６はＥＣＵ５に電気的に接続されており、ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射の開弁時間が制御される。噴射された燃料は吸気管２からの空気と混合され混合気となり、エンジン１に供給される。

吸気管２には吸気管内絶対圧（ＰＢＡ）センサ８および吸気温（ＴＡ）センサ９が取り付けられており、それぞれ絶対圧、吸気温を検出してＥＣＵ５に電気信号として供給する。

エンジン１の本体に装着されたエンジン水温（ＴＷ）センサ１０はサーミスタ等からなり、エンジン水温（冷却水温）ＴＷを検出して対応する温度信号を出力してＥＣＵ５に供給する。

エンジン１の図示しないカム軸周囲またはクランク軸周囲には、エンジン回転数（ＮＥ）センサ１３が取り付けられている。エンジン回転数センサ１３は、エンジン１の各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）毎にパルス（以下「ＴＤＣ信号パルス」という）を出力する。このＴＤＣパルスはＥＣＵ５に供給される。

角速度の検出は、内燃機関のクランク軸と結合されているホイールに取り付けられたクランクパルサー１２の回転変化を磁気ピックアップなどからなるクランク角センサ（ＣＲ）１１により検出することによって行われる。検出結果は電気信号に変換され、ＥＣＵ５に供給される。この信号レベルの立ち上がり、立ち下がりの一方もしくは両方の時間間隔が、クランク軸の３０度毎の角度範囲を回転した時間に対応しており、これを計測することで角速度が算出される。

排気管１４には、三元触媒を備える排気浄化装置１５が設けられている。三元触媒は、エンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され排気中のＯ２濃度が比較的高い排気リーン状態では、排気中のＯ２を蓄積し、逆にエンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気中のＯ２濃度が低くＨＣ、ＣＯ成分が多い排気リッチ状態では、蓄積したＯ２により排気中のＨＣ、ＣＯを酸化する機能を有する。排気浄化装置１５の下流側に、ＮＯｘ浄化装置を設けても良い。

排気浄化装置１５の上流には、比例型酸素濃度センサ１６（以下「ＬＡＦセンサ」という）が配設されている。このＬＡＦセンサ１６は排気中の酸素濃度（空燃比）にほぼ比例した電気信号を出力し、ＥＣＵ５に供給する。

排気浄化装置１５の下流には、二値型酸素濃度センサ（以下「下流側酸素センサ」という）１８が配設されており、これらのセンサの検出信号はＥＣＵ５に供給される。下流側酸素センサ１８は、出力が理論空燃比の前後において急激に変化する特性を有しており、理論空燃比よりリッチ側では出力が高レベルとなり、リーン側では出力が低レベルとなる。

ＥＣＵ５はコンピュータで構成されており、各種センサからの入力信号を処理する入力インターフェース５ａ、各種制御プログラムを実行するＣＰＵ５ｂ、プログラム及びデータを格納するＲＯＭや実行時に必要なプログラム及びデータを一時記憶して演算作業領域を提供するＲＡＭからなるメモリ５ｃ、及び各部に制御信号を送る出力インターフェース５ｄを備えている。上記各センサからの信号は入力インターフェースにより受信され、ＲＯＭに格納されたプログラムに従って処理される。

ＥＣＵ５は、エンジン回転速度やアクセル開度といった運転条件を検出し、予め定められているマップを検索して要求トルクを算出する。続いて、要求トルクに対応した基本燃料噴射量を算出し、さらに燃料を噴射する時期を決定する。

またＥＣＵ５は、各センサの入力に基づいて、エンジン１の運転状態を判別する。そして、ＲＯＭに記憶された制御プログラム等に従って種々の演算を実行し、出力インターフェース５ｄを介して演算結果に応じた駆動信号を出力して、吸気絞り弁３、吸気弁１７及び排気弁１９等を制御する。

次に、ＥＣＵ５において実行される内燃機関の失火検出について説明する。

図２は、本発明による失火検出のメインルーチンである。検出したエンジンのクランク軸の角速度に種々の処理を施して、後述するような３つの失火判定パラメータを算出する（Ｓ２２）。次に、各気筒における平均点火時期に基づいて、低トルク領域判定を実行する（Ｓ２４）。この判定は、低回転で点火時期を遅角すると低トルクとなり、通常の燃焼変動が大きくなり、失火判定のしきい値を変えて通常燃焼を失火と誤判定しないために行われる。そして、低トルク領域と判定されたときに、上記失火判定パラメータの値を補正するための補正係数を算出する（Ｓ２６）。最後に、補正係数により補正された失火判定パラメータを用いて、内燃機関のシリンダの失火判定を実行する（Ｓ２８）。

本願発明者らの実験によると、点火時期リタード時の失火検知手法として、通常の点火時期に対して失火判定レベルを適当な比率で補正できることが分かった。これについて図１２、１３を用いて説明する。

図１２は、失火判定パラメータの正常時と失火時の値を、点火時期を横軸に取って示したものである。図から分かるように、失火の判定値を点火時期によらず固定とすると、図中に点線の楕円示す領域において、失火しているのに正常と判定したり、または正常であるのに失火と判定したりしてしまう場合が起こりえる。これに対し、失火判定値を図１３に示すように平均点火時期に応じて補正してやることによって、点火時期によらず正確な失火判定が可能となるのである。

図３〜５は、各失火判定パラメータの算出方法を示すフローチャートである。

これら失火判定パラメータは、後述するように、デジタルフィルタを利用するもの、フーリエ変換を利用するもの、単純に角速度間の変動を見るものの３つがある。このように複数の手法で失火判定パラメータを求めることで、より確実に失火を検出することが可能となる。もちろん、他の手法で算出したパラメータを使用することもできる。

図３は、ランダム／１気筒の失火判定用のパラメータであるMETRMを算出するためのフローチャートである。ＭＥＴＲＭは、クランクの角速度変動に対しデジタルフィルタリングをかけることによって、通常エンジン変動を減衰させ、失火時特有に発生するエンジン変動周波数群を抜き出し、これによりランダム／１気筒の失火パターンによらず失火判定を可能としたパラメータである。

始めに、クランク角の３０度パルス毎のＦＩＲフィルタ演算を実行する（Ｓ３２）。

ここで、ＣＲＭＥ(ｎ)は角速度であり、ａ_１〜ａ_４は所定の係数である。この処理は、次式数２で実施するサンプリング周期をクランク間隔からＴＤＣ間隔に変更することにより発生するエイリアシングを防止するもので、高周波数帯を減衰させるローパスフィルタである。

このＦＣＲＭＥを６ステージ分加算して、ＴＤＣ間隔に変更する（Ｓ３４）。

さらに、算出したＭＥＦ及びＭＥＴＲＭを用いて、ＩＩＲデジタルフィルタ演算を実行する（Ｓ３６）。

ここで、ｂ_１〜ｂ_７は所定の係数である。この処理は、失火特有のエンジン変動周波数群を抜き出すバンドパスフィルタ処理である。ＭＥＴＲＭを使用することで、ランダム／１気筒の失火パターンにかかわらず失火判定ができる。

図４は、１気筒の失火判定用のパラメータであるＭＥＳＮＧを算出するためのフローチャートである。ＭＥＳＮＧは、フーリエ変換によりエンジン１サイクル変動成分を抽出した値である。

Ｓ４０、Ｓ４２は、Ｓ３０、Ｓ３２と同じである。次に、ＦＣＲＭＥからＭＥＦを算出する（Ｓ４４）。

さらに、次式のように離散フーリエ変換手法を用いて、エンジン１サイクル周期の回転変動成分の強度を算出する（Ｓ４６）。

ＭＥＳＮＧは、エンジン１サイクルの周波数成分の強度を算出している。通常状態であれば、エンジン１サイクル周期で発生する回転変動は大きくない。しかし、１気筒失火はエンジン１サイクル周期に生じる変動であるので、この周波数成分強度を検出することで１気筒失火の判定が可能となる。

図５は、全失火パターンの判定用のパラメータであるＭＥＢＲＮを算出するためのフローチャートである。ＭＥＢＲＮは、クランク角速度変動において特定の複数区間の速度の比を算出し、圧縮トップ前後の速度変化（つまり、圧縮トップ近辺（最も回転変動が遅くなるところ）と燃焼後（燃焼すれば回転変動が早くなるところ）の速度変化）に着目したパラメータである。

Ｓ６０、Ｓ６２は、Ｓ３０、Ｓ３２と同じである。次に、ＦＣＲＭＥの比率を算出する（Ｓ６４）。

そして、ＭＥＢＲＮを算出する（Ｓ６６）。

ＭＥＢＲＮは燃焼により生じるエンジン回転変動を局所的に捉えたパラメータであり、ＭＥＴＲＭやＭＥＳＮＧのように全般的なエンジン回転数を捉えたパラメータと異なり、ランダム／１気筒といった失火パターンの影響を受けないため、全失火パターンの検出が可能である。

図６は、平均点火時期に基づく低トルク領域判定を行うフローチャートである。ここでは、所定回転数以下、平均点火時期が所定値より遅角の条件において、ＩＧ（点火時期）での低トルク領域判定を行う。そのために、エンジン１サイクル時の点火時期平均値を算出する。これは、瞬間的な点火時期変動における失火判定値のチャタリング防止と領域判定における影響が出ることを防止するためである。

まず、Ｓ７０、Ｓ７２で、点火時期ＩＧＬＯＧをＩＧＡＶＢに４サイクル分格納する。次に点火時期を加算して、サイクル数「４」で除算して、平均点火時期を算出する（Ｓ７４）。

Ｓ７６で、前回のフラグＦＩＧＴＲＱＬ(１)を更新する。

次に、低トルク領域と判定するためのしきい値ＩＧＴＲＱＬＯを、吸気管内圧ＰＢＡを用いてテーブル検索により求める（Ｓ７８）。

Ｓ８０で、スロットル弁が全閉であるとき０であるフラグＦＴＨＩＤＬＥが１であるか否かを判定する。全閉である場合は、エンジン回転数ＭＥＭＡＰが所定回転数ＭＥＴＲＱＬＯより小さいか否かを判定する（Ｓ８２）。低回転である場合は、さらにＳ７４で算出した平均点火時期ＩＧＬＯＧＡＶがしきい値ＩＧＴＲＱＬＯを下回っているか否かを判定する（Ｓ８４）。Ｓ８０〜Ｓ８４の判定をすべて満たしている場合のみ、低トルク領域と判定され、そのことを１で示すフラグＦＩＧＴＲＱＬに１をセットする（Ｓ８６）。Ｓ８０〜Ｓ８４の判定を１つでも満たしていない場合は、フラグＦＩＧＴＲＱＬに０をセットする（Ｓ８８）。

図７は、平均点火時期を使用し、失火判定値を補正する領域の一例を示す図である。図示する領域では、失火判定値を後述するように補正することになる。

図８は、ＩＧでの低トルク領域判定後のＩＧでの失火判定値補正のフローチャートである。ここでは、ＩＧでの低トルク領域判定の判定時に失火判定に使用されるパラメータの持ち替えを行い、さらに平均化した点火時期にて判定値を補正し失火の判定に使用する。

まず、低トルク領域であるか否かをフラグＦＩＧＴＲＱＬから判定する（Ｓ９０）。ＦＩＧＴＲＱＬ＝１である場合は、Ｓ９２〜Ｓ１０４において、各失火判定パラメータのしきい値となる値、及びそれぞれの補正係数を求める。

パラメータＭＥＴＲＭのしきい値となるＴＲＭＪＵＤＭをＭＥＭＡＰ、ＰＢＡにてマップ検索して求める（Ｓ９２）。また、しきい値ＴＲＭＪＵＤＭの補正係数ＫＴＲＭＩＧをＭＥＭＡＰ、ＩＧＬＯＧＡＶにてマップ検索して求める（Ｓ９４）。同様にして、Ｓ９６、Ｓ９８でパラメータＭＥＳＮＧのしきい値ＳＮＧＪＵＤＭ、補正係数ＫＳＮＧＩＧを、Ｓ１００、Ｓ１０２でパラメータＭＥＢＲＮのしきい値ＢＲＮＪＵＤＭ、補正係数ＫＢＲＮＩＧを求める。そして、それぞれのしきい値に補正係数をかけて、持ち替えたしきい値を算出する（Ｓ１０４）。つまり、次式の計算を各しきい値に対して行う。

補正失火判定値＝失火判定しきい値×平均点火時期での判定補正係数
Ｓ９０においてＦＩＧＴＲＱＬ＝０である場合は、通常のしきい値を求める。

Ｓ１０６で、ＭＥＭＡＰが予め定められたしきい値ＭＥＳＮＧＪＵＤより大きいか否かを判定する。しきい値より小さい場合（つまり、低回転）と、しきい値以上の場合（つまり、高回転）とで、異なるマップをＭＥＭＡＰ、ＰＢＡにて検索し（Ｓ１０８、Ｓ１１０）、パラメータＭＥＳＮＧのしきい値ＳＮＧＪＵＤを求める。同様にマップ検索を行って、パラメータＭＥＢＲＮのしきい値ＢＲＮＪＵＤを求める（Ｓ１１２）。

以上の結果、低トルク領域とそれ以外の領域では、しきい値が異なるものに設定されることになる。

図９は、ランダム失火判定のフローチャートである。ここで、ランダム失火とは、気筒が同一か否かに関わらず失火したり、燃焼したりする状態が発生する失火パターンである。例えば、点火ハイテンションコードの亀裂などにより点火プラグに電流が流れ燃焼する場合と、亀裂から電流が流れ出て失火する場合とが不定期に発生するとき、ランダム失火となる。

Ｓ１１８で、パラメータＭＥＴＲＭがＴＲＭＪＵＤ未満であるか否かを判定する。ＴＲＭＪＵＤ以上の場合は、燃焼が正常と判定する（Ｓ１２８）。ＴＲＭＪＵＤ未満の場合は、パラメータＭＥＳＮＧがしきい値ＳＮＧＪＵＤ以上か否かを判定する（Ｓ１２０）。ＳＮＧＪＵＤより小さい場合は、正常と判定する（Ｓ１２８）。ＳＮＧＪＵＤ以上である場合は、エンジン回転数ＮＥが、判定のための上限回転数以上であるか否かを判定する（Ｓ１２２）。上限回転数以上の場合は、ランダム失火と判定する（Ｓ１２６）。

低回転の場合は、パラメータＭＥＢＲＮがしきい値ＢＲＮＪＵＤ以下か否かを判定する（Ｓ１２４）。しきい値以下の場合はランダム失火と判定し（Ｓ１２６）、しきい値より大きい場合は燃焼は正常と判定する（Ｓ１２８）。

図１０は、１気筒失火判定のフローチャートである。１気筒失火とは、例えばインジェクタのつまり故障など、同一気筒が連続して失火する場合をいう。

まず、パラメータＭＥＳＮＧがしきい値ＳＮＧＪＵＤ以上か否かを判定する（Ｓ１３４）。ＳＮＧＪＵＤより小さい場合は、燃焼は正常と判定する（Ｓ１４２）。ＳＮＧＪＵＤ以上である場合は、エンジン回転数ＮＥが、判定のための上限回転数以上であるか否かを判定する（Ｓ１３６）。上限回転数以上の場合は、１気筒連続失火と判定する（Ｓ１４０）。

低回転の場合は、パラメータＭＥＢＲＮがしきい値ＢＲＮＪＵＤ以下か否かを判定する（Ｓ１３８）。しきい値以下の場合は１気筒連続失火と判定し（Ｓ１４０）、しきい値より大きい場合は、燃焼は正常と判定する（Ｓ１４２）。

以上、本発明に従った失火判定手法について説明した。続いて、図１１を参照して、具体的な作動例を説明する。図１１の下側の図に示すように、内燃機関における平均点火時期が基準点火時期より遅角側に変化した場合、失火判定パラメータは、上側の図に示すように小さな値となる。このような場合、失火判定しきい値をそのままにしておくと、適切な失火判定ができなくなるので、平均点火時期によるしきい値補正を実行して失火判定値も小さくすることで、より正確な失火判定が行えるようになる。

図１４に、判定値補正を行った後の判定しきい値と失火判定パラメータの具体例を示す。各グラフ中で、矢印で示された方が、判定値補正後のパラメータである。このように、補正前は各パラメータ値が判定しきい値に達していなかったものが、補正後には判定しきい値に達するようになったことが分かる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、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にも適用可能である。

本発明によれば、内燃機関の機関回転速度の変化量に対して失火判定を行うに当たって、算出された平均点火時期において通常運転状態での失火を判定するための判定値算出値に対して補正を行うことで、内燃機関の運転状態に応じた失火を判定するための判定値を適正な値とするので、点火時期リタードのような運転状態に左右されずに失火の有無を正確に判断することができる。

本発明が適用される内燃機関の概略構成図である。本発明に従った燃焼異常検出のメインルーチンである。判定パラメータＭＥＴＲＭを算出するルーチンである。判定パラメータＭＥＳＮＧを算出するルーチンである。判定パラメータＭＥＢＲＮを算出するルーチンである。平均点火時期に基づく低トルク領域判定を行うルーチンである。図６の判定により、判定値補正が実施される領域の一例を示す図である。失火判定値の補正を行うルーチンである。失火判定値によるランダム失火の判定ルーチンである。失火判定値による１気筒連続失火の判定ルーチンである。本発明による失火判定値補正の作動例を示す図である。判定値補正を行わない場合の失火判定を示す図である。本発明に従った判定値補正を実行した場合の失火判定を示す図である。失火判定値の補正の一例を示す図である。

符号の説明

１内燃機関（エンジン）
２吸気管
５電子制御装置（ＥＣＵ）
６燃料噴射弁
１３排気管
１４排気浄化装置
１７比例型酸素濃度センサ（ＬＡＦセンサ）
１８二値型酸素濃度センサ（下流側酸素センサ）

Claims

内燃機関の機関出力軸の角速度を検出する角速度検出手段と、
検出した角速度に基づいて、前記内燃機関における燃焼異常を判定するための燃焼異常判定値を算出する算出手段と、
算出された燃焼異常判定値と、前記内燃機関の運転状態に基づいて決定されるしきい値とを比較して、前記内燃機関に燃焼異常が発生したか否かを判定する燃焼異常判定手段と、を備える内燃機関の燃焼異常判定装置において、
前記内燃機関の運転状態に応じて点火時期を制御する点火時期制御手段と、
前記点火時期制御手段にて算出された点火時期の所定期間における平均を算出する平均点火時期値算出手段と、
算出された平均点火時期が所定値より遅角である場合、前記平均点火時期に応じて前記しきい値を補正する補正手段と、
をさらに備える内燃機関の燃焼異常判定装置。
前記燃焼異常判定値は、燃焼行程における前記角速度の各気筒間の変動である、請求項１に記載の内燃機関の燃焼異常判定装置。