JP2006152859A - 内燃機関の失火検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は内燃機関の失火検出装置に関し、燃焼状態の良否に左右されることなく失火の発生を高い精度で検出できるようにする。
【解決手段】 膨張行程初期の第１の時点において、クランク角速度を含む内燃機関の運転状態に関する情報を取得する（ステップ１０２，１０４）。取得した運転状態情報に基づいて、失火が発生した場合の、第１の時点よりも後の第２の時点におけるクランク角速度ω90を推定する（ステップ１０６，１０８）。第２の時点における実際のクランク角速度ω₂を取得し（ステップ１１２）、推定した失火時のクランク角速度ω90と比較する（ステップ１１４）。比較結果から、失火の有無を判定する（ステップ１１６，１１８）。
【選択図】 図２

Description

本発明は内燃機関の失火検出装置に関する。

内燃機関での失火発生を検出するため、従来、種々の失火検出装置が提案されている。例えば、特許文献１で提案されている失火検出装置では、失火発生時にクランク角速度が変動することに着目し、所定のクランク角区間における角速度や角加速度を所定値と比較することで失火の有無を判定するようにしている。
特開平５−３３２１９４号公報 特開２００４−２１８４９４号公報

しかしながら、クランク角速度は失火の有無のみならず、燃焼状態の良否によっても左右される。このため、上記の従来技術のようにクランク角速度や角加速度を所定値と比較するだけでは、失火の発生を高い精度で検出することは難しい。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃焼状態の良否に左右されることなく失火の発生を高い精度で検出できるようにした内燃機関の失火検出装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の失火検出装置であって、
膨張行程初期の第１の時点において、クランク角速度を含む内燃機関の運転状態に関する情報を取得する情報取得手段と、
前記情報取得手段により取得された運転状態情報に基づいて、失火が発生した場合の、前記第１の時点よりも後の第２の時点におけるクランク角速度を推定する失火時角速度推定手段と、
前記第２の時点における実際のクランク角速度を取得する実角速度取得手段と、
前記第２の時点における実際のクランク角速度と失火が発生した場合のクランク角速度とを比較し、比較結果に基づいて失火の有無を判定する失火判定手段と、
を備えることを特徴としている。

また、第２の発明は、前記第１の発明において、前記失火時角速度推定手段は、前記情報取得手段により取得された運転状態情報に基づいて、失火が発生した場合にクランク軸に作用するトルクを推定し、推定したトルクに基づいて、失火が発生した場合の前記第２の時点におけるクランク角速度を推定することを特徴としている。

第１の発明によれば、内燃機関の運転状態から失火が発生した場合のクランク角速度が推定される。燃焼状態は内燃機関の運転状態によって変動するので、運転状態から失火時のクランク角速度を推定することで、その推定値には燃焼状態の良否の影響が織り込まれている。したがって、推定された失火時のクランク角速度と実際のクランク角速度との比較によって失火の有無を判定することで、燃焼状態の良否に左右されることなく、失火の発生を高い精度で検出することができる。

特に、第２の発明によれば、内燃機関の運転状態から失火が発生した場合にクランク軸に作用するトルクが推定される。クランク軸に作用するトルクは失火の有無や燃焼状態の良否によって決まり、トルクに応じてクランク角速度が変化する。したがって、内燃機関の運転状態から失火時のトルクを推定し、推定したトルクに基づいてクランク角速度を推定することで、失火時のクランク角速度を正確に推定することが可能になる。

以下、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態としての制御装置が適用された内燃機関の概略構成を示す図である。本実施形態にかかる内燃機関は火花点火式の４気筒エンジンである。内燃機関は内部にピストン８が配置されたシリンダブロック６と、シリンダブロック６に組み付けられたシリンダヘッド４を備えている。ピストン８の上面からシリンダヘッド４までの空間は燃焼室１０を形成しており、この燃焼室１０に連通するように吸気ポート１８と排気ポート２０がシリンダヘッド４に形成されている。吸気ポート１８と燃焼室１０との接続部には、吸気ポート１８と燃焼室１０との連通状態を制御する吸気バルブ１２が設けられ、排気ポート２０と燃焼室１０との接続部には、排気ポート２０と燃焼室１０との連通状態を制御する排気バルブ１４が設けられている。また、燃焼室１０の頂部には、点火プラグ１６が取り付けられている。

シリンダヘッド４の吸気ポート１８には、新気を燃焼室１０内に導入するための吸気通路３０が接続されている。吸気通路３０の上流端にはエアクリーナ３２が設けられ、新気はエアクリーナ３２を介して吸気通路３０内に取り込まれる。エアクリーナ３２の下流には、新気の吸入量を検出するためのエアフローメータ５６が配置されている。吸気通路３０の下流部は気筒毎（吸気ポート１８毎）に分岐しており、その分岐部にはサージタンク３４が設けられている。吸気通路３０のサージタンク３４の上流には電子制御式のスロットルバルブ３６が配置されている。また、吸気通路３０の吸気ポート１８の近傍には、燃料を噴射するためのインジェクタ３８が気筒毎に設けられている。

また、本実施形態にかかる内燃機関は、その制御装置としてＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の出力側には前述のインジェクタ３８，スロットルバルブ３６，点火プラグ１６等の種々の機器が接続されている。ＥＣＵ５０の入力側には、前述のエアフローメータ５６の他、クランク角センサ５２等の種々のセンサ類が接続されている。クランク角センサ５２は、クランク軸２４が一定角度回転する毎に信号を出力するセンサである。ＥＣＵ５０は、各センサの出力に基づき、所定の制御プログラムにしたがって各機器を駆動するようになっている。

図２は、本実施形態においてＥＣＵ５０により実行される内燃機関の失火検出の内容をフローチャートで示したものである。図２に示す失火検出ルーチンは、各気筒の１サイクル毎に実行される。本実施形態にかかる内燃機関は４気筒エンジンを想定しているので、本ルーチンは１８０°ＣＡ毎に周期的に実行される。

本ルーチンの最初のステップ１００では、クランク軸２４の回転位置が何れかの気筒の圧縮ＴＤＣにあるか否か判定される。クランク軸２４の回転位置は、クランク角センサ５２からの信号を処理することによって検出することができる。４気筒エンジンでは、１８０°毎に何れかの気筒において圧縮ＴＤＣとなる。

現在が何れかの気筒の圧縮ＴＤＣにある場合には、次のステップ１０２として、その時点（第１の時点）におけるクランク角速度ω₁と内燃機関の負荷率ＫＬが計測される。クランク軸２４が角度θ°回転する毎にクランク角センサ５２からクランク角信号が供給されるとすると、クランク角速度ωは、以下の式（１）によって算出される。式（１）においてΔｔは、クランク軸２４がθ°回転するのに要した時間であり、クランク角信号の入力タイミングから測定される。
ω＝θ／Δｔ×π／１８０ ・・・（１）
圧縮ＴＤＣにおけるクランク角速度ω₁は、クランク軸２４がＢＴＤＣθ°からＴＤＣまで回転するのに要した時間を上記式（１）のΔｔに代入することで求められる。また、負荷率ＫＬは、エアフローメータ５６により検出される吸入空気量から求められる。

次のステップ１０４では、内燃機関の回転数Ｎｅが計算される。回転数は、過去１８０°、或いは過去３６０°の間に求められたクランク角速度ωの平均値として算出される。クランク角速度ωは、クランク角センサ５２からクランク角信号が供給される度に上記（１）式に従って計算され、過去１８０°（或いは３６０°）分のクランク角速度ωがメモリに格納されるようになっている。

次のステップ１０６では、ステップ１０２で計測された負荷率ＫＬとステップ１０４で計算された回転数Ｎｅとから、失火時トルクＴmfが求められる。本実施形態では、失火時トルクＴmfは、失火の発生時、クランク軸２４がＴＤＣから９０°ＣＡまで回転する間にクランク軸２４に作用するトルクの平均値として定義されている。失火時トルクＴmfは、予めモデル計算や実験等によって求められ、Ｘ軸に回転数Ｎｅ、Ｙ軸に負荷率ＫＬをとった二次元マップに記憶されている。本ステップでは、計測された負荷率ＫＬと回転数Ｎｅとを用いて上記マップを参照し、失火時トルクＴmfを決定するようになっている。

次のステップ１０８では、決定された失火時トルクＴmfから、失火が発生した場合に９０°ＣＡ（第２の時点）において予想されるクランク角速度ω90が算出される。まず、クランク軸２４に失火時トルクＴmfが作用するときのクランク角速度の変化は、次の式（２）を用いて近似することができる。式（２）において、Ｊはエンジン回転系の慣性モーメント、ΔＴはクランク軸２４がＴＤＣから９０°ＣＡまで回転するのに要する時間、ΔωはΔＴの間に変化したクランク角速度の変化量である。
Ｔmf＝Ｊ×Δω／ΔＴ ・・・（２）
また、ΔＴは次の式（３）によって近似することができる。
ΔＴ＝π／２／ω₁ ・・・（３）
以上の式（２）及び式（３）によれば、９０°ＣＡにおける失火時クランク角速度ω90は、次の（４）式を用いて算出することができる。
ω90＝ω₁＋Δω
＝ω₁＋Ｔmf／Ｊ×π／２／ω₁ ・・・（４）

以上のステップ１０２乃至１０８の処理は、ＴＤＣ後の極めて短い時間内に完了する。以降の処理の実行はクランク軸２４が９０°ＣＡになるまで待たれ（ステップ１１０）、クランク軸２４が９０°ＣＡになったら、ステップ１１２以降の処理が実行される。ステップ１１２では、クランク軸２４が９０°ＣＡになった時点（第２の時点）におけるクランク角速度ω₂が計測される。９０°ＣＡにおけるクランク角速度ω₂は、クランク軸２４が（９０−θ）°ＣＡから９０°ＣＡまで回転するのに要した時間を上記式（１）のΔｔに代入することで求められる。

次のステップ１１４では、ステップ１０８で予測された失火時クランク角速度ω90と、ステップ１１２で計測された実際のクランク角速度ω₂とが誤差εの範囲で一致しているか否か判定される。判定の結果、失火時クランク角速度ω90と実クランク角速度ω₂とが誤差εの範囲で一致している場合には、現在、膨張行程にある気筒において失火が発生していると判断することができる。この場合はステップ１１６に進み、失火フラグを立てる（ｘｍｆ＝１）。一方、失火時クランク角速度ω90と実クランク角速度ω₂とが一致していない場合には、当該気筒は正常燃焼であると判断することができる。この場合はステップ１１８に進み、失火フラグは立てない（ｘｍｆ＝０）。ステップ１１６や１１８で設定される失火フラグは、点火時期の制御等、ＥＣＵ５０による内燃機関の制御に反映される。

以上のように、上記の失火検出ルーチンでは、内燃機関の運転状態に関する情報である回転速度Ｎｅ及び負荷率ＫＬから、失火が発生した場合にクランク軸２４に作用するトルクＴmfが推定される。クランク軸２４に作用するトルクは失火の有無や燃焼状態の良否によって決まるので、推定した失火時トルクＴmfから算出される失火時クランク角速度ω90には、燃焼状態の良否の影響も織り込まれている。したがって、失火時クランク角速度ω90と実クランク角速度ω₂との比較によって失火の有無を判定することで、燃焼状態の良否に左右されることなく、失火の発生を高い精度で検出することができる。

なお、上記実施の形態においては、ＥＣＵ５０による上記ステップ１０２，１０４の処理の実行により、第１の発明の「情報取得手段」が実現されている。また、ＥＣＵ５０による上記ステップ１０６，１０８の処理の実行により、第１の発明の「失火時角速度推定手段」が実現され、上記ステップ１１２の処理の実行により、第１の発明の「実角速度取得手段」が実現されている。そして、ＥＣＵ５０による上記ステップ１１４，１１６，１１８の処理の実行により、第１の発明の「失火判定手段」が実現されている。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において変形して実施することもできる。例えば、次のように変形して実施してもよい。

上記実施の形態では、ＴＤＣにおいてクランク角速度ωと負荷率ＫＬを計測しているが、これらの計測タイミング、すなわち、“第１の時点”は、燃焼室１０内での燃焼が始まる前、つまり、膨張行程初期であればよい。また、９０°ＣＡにおける実際のクランク角速度ω₂と失火時クランク角速度ω90とを比較しているが、クランク角速度の比較を行うクランク角は、当該気筒での燃焼が始まってから次の気筒での燃焼が始まるまでのクランク角であればよい。つまり、“第２の時点”は、当該気筒での失火の有無の影響がトルクに現れる時点から、次回気筒の燃焼状態の影響がトルクに現れる時点までの期間内であればよい。

また、上記実施の形態では本発明を４気筒エンジンに適用しているが、より気筒数の多いエンジンやより気筒数の少ないエンジンにも本発明を適用することができる。その場合、失火時のクランク角速度を推定するクランク角（第２の時点）は、エンジンの燃焼間隔を考慮して、次の気筒での燃焼（膨張行程）に重ならないように設定すればよい。例えば、４気筒エンジンよりも燃焼間隔の短い６気筒エンジンや８気筒エンジンの場合であれば、６０°ＣＡにおける失火時クランク角速度を推定し、その時点における実クランク角速度と比較すればよい。

また、上記実施の形態では、回転速度Ｎｅと負荷率ＫＬから失火時のトルクＴmfを推定しているが、エンジン水温やバルブタイミング等の他の運転状態にかかわる情報も用いて失火時トルクＴmfを推定するようにしてもよい。

本発明の実施の形態としての内燃機関の失火検出装置が適用されたエンジンシステムの概略構成図である。 本発明の実施の形態において実行される失火検出ルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃焼室
１６ 点火プラグ
２４ クランク軸
３０ 吸気通路
３６ スロットルバルブ
３８ インジェクタ
５０ ＥＣＵ
５２ クランク角センサ
５６ エアフローメータ

Claims (2)

1. 膨張行程初期の第１の時点において、クランク角速度を含む内燃機関の運転状態に関する情報を取得する情報取得手段と、
   前記情報取得手段により取得された運転状態情報に基づいて、失火が発生した場合の、前記第１の時点よりも後の第２の時点におけるクランク角速度を推定する失火時角速度推定手段と、
   前記第２の時点における実際のクランク角速度を取得する実角速度取得手段と、
   前記第２の時点における実際のクランク角速度と失火が発生した場合のクランク角速度とを比較し、比較結果に基づいて失火の有無を判定する失火判定手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の失火検出装置。
2. 前記失火時角速度推定手段は、前記情報取得手段により取得された運転状態情報に基づいて、失火が発生した場合にクランク軸に作用するトルクを推定し、推定したトルクに基づいて、失火が発生した場合の前記第２の時点におけるクランク角速度を推定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の失火検出装置。

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