JP2007113396A - 内燃機関の燃焼状態判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】適合工数の少ない方法で燃焼状態を精度良く判定できるようにする。
【解決手段】各気筒の燃焼開始から燃焼終了までの燃焼区間の総熱発生量の重心位置を検出し、この総熱発生量重心位置に基づいて各気筒毎に燃焼状態を判定する。この際、過去の所定期間に検出された総熱発生量重心位置の平均値と今回の総熱発生量重心位置との偏差が所定値以上となる頻度が判定値以上となったときに燃焼状態の悪化と判定するようにすると良い。そして、燃焼状態の悪化が検出された気筒に対しては燃料噴射量を増量補正し、燃焼状態の悪化が検出されない気筒に対しては燃料噴射量を減量補正するという具合に、気筒毎に燃焼状態の悪化の有無に応じて燃料噴射量を増減補正することで、各気筒に供給する混合気の空燃比をリーン燃焼限界付近に制御するリーンリミット制御を行う。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の燃焼状態を判定する内燃機関の燃焼状態判定装置に関する発明である。

特許文献１（特開平３−２４６３２６号公報）に示すように、筒内圧力ピーク位置における燃焼室容積と筒内圧力とに基づいて筒内圧力ピーク位置における熱発生量を算出して、この熱発生量に基づいて異常燃焼の有無を判定するようにしたものがある。

また、特許文献２（特許第２６０９８９２号公報）に示すように、内燃機関の燃焼開始から燃焼終了までの燃焼区間の総熱発生量の重心位置を検出して、この総熱発生量重心位置が所定のクランク角に位置するように点火時期を制御するようにしたものがある。
特開平３−２４６３２６号公報（第５頁〜第６頁等） 特許第２６０９８９２号公報（第１頁〜第２頁等）

しかし、熱発生量は燃料噴射量等の運転条件によっても異なる値となるため、特許文献１のように、筒内圧力ピーク位置における熱発生量に基づいて異常燃焼の有無を判定するシステムにおいて、半失火のような燃焼状態を検出するためには、燃焼状態を判定する閾値を運転条件毎に設定する必要がある。このため、運転条件毎に閾値を適合する必要があり、適合工数が増加するという問題がある。

また、筒内圧力ピーク位置は、異常燃焼時に遅角し、さらに燃焼が悪化するとＴＤＣ（上死点）付近まで進角するというように燃焼悪化の程度によって筒内圧力ピーク位置が遅角も進角もするため、燃焼悪化の程度によっては、正常燃焼時と同じ筒内圧力ピーク位置となることがあり、筒内圧力ピーク位置からは燃焼悪化と正常燃焼とを区別できないことがある。

尚、特許文献２の技術は、総熱発生量重心位置が所定のクランク角に位置するように点火時期を制御する点火時期制御技術であって、燃焼悪化を検出するものではない。また、燃焼悪化を正常燃焼に復帰させるためには、点火時期だけでは燃焼悪化から正常燃焼に復帰できないこともあるので、燃焼悪化を検出する必要がある。

本発明はこれらの事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、適合工数の少ない方法で燃焼状態を精度良く判定することができる内燃機関の燃焼状態判定装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、内燃機関の燃焼開始から燃焼終了までの燃焼区間の総熱発生量の重心位置を検出する総熱発生量重心位置検出手段と、この総熱発生量重心位置検出手段で検出した総熱発生量重心位置に基づいて燃焼状態を判定する燃焼状態判定手段とを備えた構成としている。

図４及び図５に示すように、総熱発生量重心位置は、燃焼状態が悪化すると、遅角するという特性があるため、総熱発生量重心位置は燃焼状態を評価するパラメータとなる。この総熱発生量重心位置は、図６に示すように、エンジン回転速度等の運転条件によらずほぼ一定値となるため、本発明のように総熱発生量重心位置に基づいて燃焼状態を判定すれば、エンジン回転速度等の運転条件の影響を受けずに燃焼状態を精度良く判定することができると共に、適合工数を削減できる。

この場合、請求項２のように、燃焼開始から燃焼終了までの燃焼区間の総熱発生量の５０％位置を重心位置として検出すると良い。これにより、燃焼状態の判定精度を更に向上させることができる。尚、総熱発生量重心位置は、５０％位置に限定されず、例えば４８％位置、５３％位置等を総熱発生量重心位置としても良い。

ところで、内燃機関の回転速度が上昇する過渡運転時には、点火時期の制御に若干の遅れが生じるため、その影響で、総熱発生量重心位置にも若干の遅れが生じて、正常燃焼と異常燃焼とを区別しにくくなる可能性がある。

この対策として、請求項３のように、過去の所定期間に検出された総熱発生量重心位置の平均値と今回の総熱発生量重心位置とを比較して燃焼状態を判定するようにしても良い。このようにすれば、内燃機関の回転速度が上昇する過渡運転時には、点火時期が遅れた条件下で検出した総熱発生量重心位置の平均値を判定基準として燃焼状態を判定することができ、過渡運転時でも、燃焼状態を精度良く判定することができる。

この場合、請求項４のように、過去の所定期間に検出された総熱発生量重心位置の平均値と今回の総熱発生量重心位置との偏差が所定値以上となる頻度が判定値以上となったときに燃焼状態の悪化と判定するようにしても良い。これにより、ノイズ等による燃焼悪化の誤検出を防止することができる。

上記請求項１乃至４に係る発明は、混合気の空燃比を理論空燃比付近に制御する吸気ポート噴射エンジンや筒内噴射エンジンにも適用して実施できるが、請求項５のように、混合気の空燃比をリーン燃焼限界付近に制御するリーンリミット制御を行う空燃比制御手段を備えたリーンバーンエンジンに本発明を適用する場合は、前記燃焼状態判定手段により燃焼状態の悪化が検出されたときには燃料噴射量を増量補正し、燃焼状態の悪化が検出されないときには燃料噴射量を減量補正するようにすると良い。本発明のように、総熱発生量重心位置に基づいて燃焼状態を判定すれば、燃焼状態が悪化する寸前のリーン燃焼限界を精度良く検出することができて、燃料噴射量をリーン燃焼限界ぎりぎりに制御することができ、リーンバーンによる省燃費効果を高めることができる。

更に、請求項６のように、燃焼状態判定手段により燃焼状態の悪化が検出されたときには、点火時期、バルブタイミング、排ガス還流量のうちのいずれか１つ以上を燃焼状態を改善する方向に制御し、燃焼状態の悪化が検出されないときには、点火時期、バルブタイミング、排ガス還流量のうちのいずれか１つ以上をリーン燃焼限界付近の適正値に近付けるように制御するようにしても良い。このようにすれば、リーン燃焼限界での燃焼安定性を向上させることができる。

また、請求項７のように、気筒毎に燃焼状態の悪化の有無を判定し、その判定結果に基づいて気筒毎に燃焼状態の悪化の有無に応じて燃料噴射量を補正するようにしても良い。このようにすれば、気筒毎に燃料噴射量をリーン燃焼限界ぎりぎりに制御することができ、リーンバーンによる省燃費効果を更に高めることができる。

また、本発明は、請求項８のように、内燃機関の燃焼開始から燃焼終了までの燃焼区間においてクランク角毎の熱発生量が最大となる位置（以下これを「熱発生量ピーク位置」という）を検出する熱発生量ピーク位置検出手段と、この熱発生量ピーク位置検出手段で検出した熱発生量ピーク位置に基づいて燃焼状態を判定する燃焼状態判定手段とを備えた構成としても良い。

図３に示すように、熱発生量ピーク位置は、燃焼状態が悪化すると、遅角するという特性があるため、熱発生量ピーク位置は燃焼状態を評価するパラメータとなる。この熱発生量ピーク位置は、エンジン回転速度等の運転条件によらずほぼ一定値となるため、上記請求項７に係る発明のように、熱発生量ピーク位置に基づいて燃焼状態を判定すれば、エンジン回転速度等の運転条件の影響を受けずに燃焼状態を精度良く判定することができると共に、適合工数を削減できる。

この場合、請求項９のように、過去の所定期間に検出された熱発生量ピーク位置の平均値と今回の熱発生量ピーク位置とを比較して燃焼状態を判定するようにしても良い。このようにすれば、内燃機関の回転速度が上昇する過渡運転時には、点火時期が遅れた条件下で検出した熱発生量ピーク位置の平均値を判定基準として燃焼状態を判定することができ、過渡運転時でも、燃焼状態を精度良く判定することができる。

この場合、請求項１０のように、過去の所定期間に検出された熱発生量ピーク位置の平均値と今回の熱発生量ピーク位置との偏差が所定値以上となる頻度が判定値以上となったときに燃焼状態の悪化と判定するようにしても良い。これにより、ノイズ等による燃焼悪化の誤検出を防止することができる。

上記請求項８乃至１０に係る発明は、混合気の空燃比を理論空燃比付近に制御する吸気ポート噴射エンジンや筒内噴射エンジンにも適用して実施できるが、請求項１１のように、混合気の空燃比をリーン燃焼限界付近に制御するリーンリミット制御を行う空燃比制御手段を備えたリーンバーンエンジンに本発明を適用する場合は、前記燃焼状態判定手段により燃焼状態の悪化が検出されたときには燃料噴射量を増量補正し、燃焼状態の悪化が検出されないときには燃料噴射量を減量補正するようにすると良い。本発明のように、熱発生量ピーク位置に基づいて燃焼状態を判定すれば、燃焼状態が悪化する寸前のリーン燃焼限界を精度良く検出することができて、燃料噴射量をリーン燃焼限界ぎりぎりに制御することができ、リーンバーンによる省燃費効果を高めることができる。

この場合も、請求項１２のように、燃焼状態判定手段により燃焼状態の悪化が検出されたときに、点火時期、バルブタイミング、排ガス還流量のうちのいずれか１つ以上を燃焼状態を改善する方向に制御し、燃焼状態の悪化が検出されないときには、点火時期、バルブタイミング、排ガス還流量のうちのいずれか１つ以上をリーン燃焼限界付近の適正値に近付けるように制御するようにしても良い。このようにすれば、リーン燃焼限界での燃焼安定性を向上させることができる。

更に、請求項１３のように、気筒毎に燃焼状態の悪化の有無を判定し、その判定結果に基づいて気筒毎に燃焼状態の悪化の有無に応じて燃料噴射量を補正するようにしても良い。このようにすれば、気筒毎に燃料噴射量をリーン燃焼限界ぎりぎりに制御することができ、リーンバーンによる省燃費効果を更に高めることができる。

また、請求項１４のように、内燃機関の燃焼開始から燃焼終了までの燃焼区間の総熱発生量の重心位置又はクランク角毎の熱発生量が最大となる位置（以下これを「熱発生量ピーク位置」という）を検出する第１の検出手段と、前記燃焼区間の筒内圧力が最大となる位置（以下これを「筒内圧力ピーク位置」という）を検出する第２の検出手段と、前記第１の検出手段で検出した総熱発生量重心位置又は熱発生量ピーク位置と前記第２の検出手段で検出した筒内圧力ピーク位置とに基づいて燃焼状態を判定する燃焼状態判定手段とを備えた構成としても良い。この構成では、総熱発生量重心位置又は熱発生量ピーク位置の他に筒内圧力ピーク位置も考慮して燃焼状態を判定するため、ピストンの駆動が燃焼に起因して生じたものなのか、エンジンブレーキに起因して生じたものなのかを判別することが可能となり、燃焼状態をより精度良く判定することができる。

この場合、請求項１５のように、前記第１の検出手段は、熱発生量ピーク位置を検出し、筒内圧力ピーク位置が熱発生量ピーク位置より先に現れる頻度が判定値以上となったときに、燃焼状態の悪化と判定するようにしても良い。これにより、ノイズ等による燃焼悪化の誤検出を防止することができる。

上記請求項１４、１５に係る発明は、混合気の空燃比を理論空燃比付近に制御する吸気ポート噴射エンジンや筒内噴射エンジンにも適用して実施できるが、請求項１６のように、混合気の空燃比をリーン燃焼限界付近に制御するリーンリミット制御を行う空燃比制御手段を備えたリーンバーンエンジンに本発明を適用する場合は、前記燃焼状態判定手段により燃焼状態の悪化が検出されたときには燃料噴射量を増量補正し、燃焼状態の悪化が検出されないときには燃料噴射量を減量補正するようにすると良い。本発明のように、総熱発生量重心位置又は熱発生量ピーク位置と筒内圧力ピーク位置とに基づいて燃焼状態を判定すれば、燃焼状態が悪化する寸前のリーン燃焼限界を精度良く検出することができて、燃料噴射量をリーン燃焼限界ぎりぎりに制御することができ、リーンバーンによる省燃費効果を高めることができる。

この場合も、請求項１７のように、燃焼状態判定手段により燃焼状態の悪化が検出されたときに、点火時期、バルブタイミング、排ガス還流量のうちのいずれか１つ以上を燃焼状態を改善する方向に制御し、燃焼状態の悪化が検出されないときには、点火時期、バルブタイミング、排ガス還流量のうちのいずれか１つ以上をリーン燃焼限界付近の適正値に近付けるように制御するようにしても良い。このようにすれば、リーン燃焼限界での燃焼安定性を向上させることができる。

更に、請求項１８のように、気筒毎に燃焼状態の悪化の有無を判定し、その判定結果に基づいて気筒毎に燃焼状態の悪化の有無に応じて燃料噴射量を補正するようにしても良い。このようにすれば、気筒毎に燃料噴射量をリーン燃焼限界ぎりぎりに制御することができ、リーンバーンによる省燃費効果を更に高めることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を具体化した３つの実施例１〜３を説明する。

本発明をリーンバーンエンジンに適用した実施例１を図１乃至図６に基づいて説明する。まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。
内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、ＤＣモータ等によって開度調節されるスロットルバルブ１５とスロットル開度を検出するスロットル開度センサ１６とが設けられている。

また、スロットルバルブ１５の下流側には、サージタンク１７が設けられ、このサージタンク１７に、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１８が設けられている。また、サージタンク１７には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１９が設けられ、各気筒の吸気マニホールド１９の吸気ポート近傍に、それぞれ燃料を噴射する燃料噴射弁２０が取り付けられている。また、エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２１が取り付けられ、各点火プラグ２１の火花放電によって筒内の混合気に着火される。

一方、エンジン１１の排気管２２には、排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化する三元触媒等の触媒２３が設けられ、この触媒２３の上流側に、排出ガスの空燃比又はリーン／リッチ等を検出する排出ガスセンサ２４（空燃比センサ、酸素センサ等）が設けられている。

また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する水温センサ２５や、エンジン１１のクランク角を検出するクランク角センサ２６が取り付けられ、このクランク角センサ２６から出力されるパルスの間隔に基づいてエンジン回転速度が検出される。エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に筒内圧を検出する筒内圧センサ２８が設けられている。各筒内圧センサ２８は、点火プラグ２１と一体化したタイプのものを用いても良いし、点火プラグ２１とは別体のセンサ部を燃焼室内に臨ませるように取り付けるタイプのものを用いても良い。

前述した各種センサの出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）２９に入力される。このＥＣＵ２９は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御プログラム（図示せず）を実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁２０の燃料噴射量や点火プラグ２１の点火時期を制御する。

更に、ＥＣＵ２９は、後述する図２の燃焼状態判定ルーチンを実行することで、各気筒の燃焼開始から燃焼終了までの燃焼区間の総熱発生量の重心位置を検出し、この総熱発生量重心位置に基づいて各気筒毎に燃焼状態を判定すると共に、燃焼状態の悪化が検出された気筒に対しては燃料噴射量を増量補正し、燃焼状態の悪化が検出されない気筒に対しては燃料噴射量を減量補正するという具合に、気筒毎に燃焼状態の悪化の有無に応じて燃料噴射量を増減補正することで、各気筒に供給する混合気の空燃比をリーン燃焼限界付近に制御するリーンリミット制御を行う空燃比制御手段として機能する。

ここで、本実施例１の燃焼状態の判定方法を図３乃至図６に基づいて説明する。
図３は、正常燃焼時の筒内圧力と熱発生量と、異常燃焼時の筒内圧力と熱発生量との関係を示すタイムチャートである。

図４は、正常燃焼時の総熱発生量重心位置と異常燃焼時の総熱発生量重心位置との関係を示すタイムチャートである。
図５は、正常燃焼時の総熱発生量重心位置と異常燃焼時の総熱発生量重心位置に関する実験データの分布を示す図である。

図６は、正常燃焼時の総熱発生量重心位置と異常燃焼時の総熱発生量重心位置とエンジン回転速度との関係を示す図である。
図３に示すように、正常燃焼時の筒内圧力と異常燃焼時の筒内圧力とを比較すると、異常燃焼時の筒内圧力は、正常燃焼時よりも大幅に低下すると共に、異常燃焼時の筒内圧力のピーク位置は、正常燃焼時よりも遅角する。また、熱発生量のピーク位置と筒内圧力のピーク位置とを比較すると、正常燃焼時には、筒内圧力のピーク位置が熱発生量のピーク位置より遅く現れるが、これとは反対に、異常燃焼時には、熱発生量のピーク位置が筒内圧力のピーク位置より遅く現れる傾向がある。

一般に、クランク角θにおける熱発生量は、次式で算出される。
熱発生量＝｛ｄＰ（θ）・Ｖ（θ）＋κ・Ｐ（θ）・ｄＶ（θ）｝／（κ−１）
κ：比熱比
Ｐ（θ）：クランク角θにおける筒内圧力
ｄＰ（θ）：クランク角θにおける筒内圧力変化量
Ｖ（θ）：クランク角θにおける燃焼室容積
ｄＶ（θ）：クランク角θにおける燃焼室容積変化量
また、燃焼開始から燃焼終了までの燃焼区間の総熱発生量は、次式で算出される。
総熱発生量＝∫（熱発生量）ｄθ

本実施例１では、総熱発生量の５０％位置（つまり燃焼開始からの合計熱発生量が燃焼開始から燃焼終了までの総熱発生量の５０％に到達するクランク角）を重心位置と定義している。尚、総熱発生量重心位置は、５０％位置に限定されず、例えば４５％位置、５５％位置等を総熱発生量重心位置としても良い。

図４及び図５に示すように、総熱発生量重心位置は、燃焼状態が悪化すると、遅角するという特性があるため、総熱発生量重心位置は燃焼状態を評価するパラメータとなる。この総熱発生量重心位置は、図６に示すように、エンジン回転速度等の運転条件によらず、ほぼ一定値となるため、この総熱発生量重心位置に基づいて燃焼状態を判定すれば、エンジン回転速度等の運転条件の影響を受けずに燃焼状態を精度良く判定することができる。このように、総熱発生量重心位置は、エンジン回転速度等の運転条件の影響を受けにくいため、燃焼状態を精度良く検出できると共に、適合工数を削減できる。

以上説明した本実施例１の燃焼状態の判定は、ＥＣＵ２９によって図２の燃焼状態判定ルーチンに従って実行される。本ルーチンは、各気筒の燃焼行程終了毎に起動され、特許請求の範囲でいう燃焼状態判定手段としての役割を果たす。本ルーチンが起動されると、まずステップ１０１で、燃焼開始から燃焼終了までの燃焼区間の総熱発生量を算出する。
総熱発生量＝∫（熱発生量）ｄθ

この後、ステップ１０２に進み、燃焼開始からの合計熱発生量が燃焼開始から燃焼終了までの総熱発生量の５０％に到達するクランク角である総熱発生量重心位置Ｑ50[i] を算出する。このステップ１０２の処理が特許請求の範囲でいう総熱発生量重心位置検出手段としての役割を果たす。

そして、次のステップ１０３で、過去の所定期間における総熱発生量重心位置の平均値Ｑ50ave を算出する。この総熱発生量重心位置の平均値Ｑ50ave は、前回までの所定回数分の総熱発生量重心位置Ｑ50[i-1] 、Ｑ50[i-2] 、……、Ｑ50[i-n] のデータを積算してそれをデータ数ｎで割り算して求めても良いし、総熱発生量重心位置Ｑ50をなまし処理して、そのなまし処理値を平均値としても良い。この総熱発生量重心位置の平均値Ｑ50ave は、正常燃焼時の標準的な総熱発生量重心位置を示すデータとして用いられる。

この後、ステップ１０４に進み、今回の総熱発生量重心位置Ｑ50[i] と総熱発生量重心位置の平均値Ｑ50ave との偏差を所定値Ｋ１と比較し、この偏差（Ｑ50[i] −Ｑ50ave ）が所定値Ｋ１よりも大きければ、失火（異常燃焼）と判断して、ステップ１０５に進み、失火判定回数をカウントする失火カウンタをカウントアップし、一方、偏差（Ｑ50[i] −Ｑ50ave ）が所定値Ｋ１以下であれば、正常燃焼と判断して、ステップ１０５に進み、正常燃焼判定回数をカウントする正常燃焼カウンタをカウントアップする。

この後、ステップ１０７に進み、失火カウンタと正常燃焼カウンタとの合計カウンタ数が所定値Ｋ２を越えたか否かを判定し、合計カウンタ数が所定値Ｋ２以下であれば、そのまま本ルーチンを終了する。

この後、合計カウンタ数が所定値Ｋ２を越えた時点で、ステップ１０８に進み、合計カウンタ数に対する失火カウンタ数の比率（失火カウンタ数／合計カウンタ数）を失火頻度として算出して、この失火頻度を所定値Ｋ３と比較し、失火頻度が所定値Ｋ３を越えていれば、混合気の空燃比がリーン燃焼限界を越えていると判断して、ステップ１０９に進み、燃料噴射量を増量補正すると共に、点火時期、バルブタイミング、排ガス還流量のうちのいずれか１つ以上を燃焼状態を改善する方向に制御する。

これに対して、失火頻度が所定値Ｋ３以下であれば、混合気の空燃比がリーン燃焼限界を越えていないと判断して、ステップ１１０に進み、燃料噴射量を減量補正すると共に、点火時期、バルブタイミング、排ガス還流量のうちのいずれか１つ以上をリーン燃焼限界付近の適正値に近付けるように制御する。上記ステップ１０８〜１１０の処理が特許請求の範囲でいう空燃比制御手段としての役割を果たす。

以上説明した図２の燃焼状態判定ルーチンを気筒毎に実行することで、気筒毎に失火頻度を判定し、その判定結果に基づいて気筒毎に失火頻度に応じて燃料噴射量を増減補正する。このようにすれば、気筒毎に燃料噴射量をリーン燃焼限界ぎりぎりに制御することができ、リーンバーンによる省燃費効果を高めることができる。しかも、燃焼状態の悪化が検出されたときに、点火時期、バルブタイミング、排ガス還流量のうちのいずれか１つ以上を燃焼状態を改善する方向に制御し、燃焼状態の悪化が検出されないときには、点火時期、バルブタイミング、排ガス還流量のうちのいずれか１つ以上をリーン燃焼限界付近の適正値に近付けるように制御するようにしたので、リーン燃焼限界での燃焼安定性を向上させることができる。

以上説明した本実施例１によれば、各気筒の燃焼開始から燃焼終了までの燃焼区間の総熱発生量の重心位置を算出するようにしているが、これは、図６に示すように、総熱発生量重心位置がエンジン回転速度等の運転条件によらずほぼ一定値となることを考慮したものである。従って、本実施例１のように、総熱発生量重心位置に基づいて失火等の異常燃焼の有無を判定すれば、エンジン回転速度等の運転条件の影響を受けずに失火等の異常燃焼の有無を精度良く判定することができる。しかも、総熱発生量重心位置は、エンジン回転速度等の運転条件の影響を受けないため、適合工数を削減できる利点もある。

ところで、エンジン回転速度が上昇する過渡運転時には、点火時期の制御に若干の遅れが生じるため、その影響で、総熱発生量重心位置にも若干の遅れが生じて、正常燃焼と異常燃焼とを区別しにくくなる可能性がある。

この対策として、本実施例１では、過去の所定期間に検出された総熱発生量重心位置の平均値と今回の総熱発生量重心位置とを比較して失火等の異常燃焼の有無を判定するようにしたので、エンジン回転速度が上昇する過渡運転時には、点火時期が遅れた条件下で検出した総熱発生量重心位置の平均値を判定基準として失火等の異常燃焼の有無を判定することができ、過渡運転時でも、失火等の異常燃焼の有無を精度良く判定することができる。

但し、本発明は、予め、総熱発生量重心位置の平均値を定数としてＲＯＭに記憶しておき、この記憶値と今回の総熱発生量重心位置とを比較して失火等の異常燃焼の有無を判定するようにしても良い。或は、今回の総熱発生量重心位置が予め設定した燃焼判定値（例えばＡＴＤＣ２５℃Ａ）以上であるか否かで失火等の異常燃焼の有無を判定するようにしても良い。

上記実施例１では、総熱発生量重心位置に基づいて燃焼状態を判定するようにしたが、図７に示す本発明の実施例２では、各気筒の燃焼開始から燃焼終了までの燃焼区間においてクランク角毎の熱発生量が最大となる位置（以下これを「熱発生量ピーク位置」という）を検出して、この熱発生量ピーク位置に基づいて燃焼状態を判定するようにしている。

図３に示すように、熱発生量ピーク位置は、燃焼状態が悪化すると、遅角するという特性があるため、熱発生量ピーク位置は燃焼状態を評価するパラメータとなる。この熱発生量ピーク位置は、エンジン回転速度等の運転条件によらず一定値となるため、本実施例２のように、熱発生量ピーク位置に基づいて燃焼状態を判定すれば、エンジン回転速度等の運転条件の影響を受けずに燃焼状態を精度良く判定することができると共に、適合工数を削減できる。

本実施例２の燃焼状態の判定は、ＥＣＵ２９によって図７の燃焼状態判定ルーチンに従って実行される。本ルーチンは、各気筒の燃焼行程終了毎に起動され、特許請求の範囲でいう燃焼状態判定手段としての役割を果たす。本ルーチンが起動されると、まずステップ２０１で、燃焼開始から燃焼終了までの燃焼区間の各クランク角θにおける熱発生量を算出する。

熱発生量＝｛ｄＰ（θ）・Ｖ（θ）＋κ・Ｐ（θ）・ｄＶ（θ）｝／（κ−１）
κ：比熱比
Ｐ（θ）：クランク角θにおける筒内圧力
ｄＰ（θ）：クランク角θにおける筒内圧力変化量
Ｖ（θ）：クランク角θにおける燃焼室容積
ｄＶ（θ）：クランク角θにおける燃焼室容積変化量
この後、ステップ２０２に進み、クランク角毎の熱発生量が最大となる熱発生量ピーク位置ｄＱmax[i]を算出する。このステップ２０２の処理が特許請求の範囲でいう熱発生量ピーク位置検出手段としての役割を果たす。

そして、次のステップ２０３で、過去の所定期間における熱発生量ピーク位置の平均値ｄＱmaxaveを算出する。この熱発生量ピーク位置の平均値ｄＱmaxaveは、前回までの所定回数分の熱発生量ピーク位置ｄＱmax[i-1]、ｄＱmax[i-2]、……、ｄＱmax[i-n]のデータを積算してそれをデータ数ｎで割り算して求めても良いし、熱発生量ピーク位置ｄＱmax をなまし処理して、そのなまし処理値を平均値としても良い。この熱発生量ピーク位置の平均値ｄＱmaxaveは、正常燃焼時の標準的な熱発生量ピーク位置を示すデータとして用いられる。

この後、ステップ２０４に進み、今回の熱発生量ピーク位置ｄＱmax[i]と熱発生量ピーク位置の平均値ｄＱmaxaveとの偏差を所定値Ｋ４と比較し、この偏差（ｄＱmax[i]−ｄＱmaxave）が所定値Ｋ４よりも大きければ、失火（異常燃焼）と判断して、ステップ２０５に進み、失火判定回数をカウントする失火カウンタをカウントアップし、一方、該偏差（ｄＱmax[i]−ｄＱmaxave）が所定値Ｋ４以下であれば、正常燃焼と判断して、ステップ２０５に進み、正常燃焼判定回数をカウントする正常燃焼カウンタをカウントアップする。

この後、ステップ２０７に進み、失火カウンタと正常燃焼カウンタとの合計カウンタ数が所定値Ｋ５を越えたか否かを判定し、合計カウンタ数が所定値Ｋ５以下であれば、そのまま本ルーチンを終了する。

この後、合計カウンタ数が所定値Ｋ５を越えた時点で、ステップ２０８に進み、合計カウンタ数に対する失火カウンタ数の比率（失火カウンタ数／合計カウンタ数）を失火頻度として算出して、この失火頻度を所定値Ｋ６と比較し、失火頻度が所定値Ｋ３を越えていれば、混合気の空燃比がリーン燃焼限界を越えていると判断して、ステップ２０９に進み、燃料噴射量を増量補正すると共に、点火時期、バルブタイミング、排ガス還流量のうちのいずれか１つ以上を燃焼状態を改善する方向に制御する。

これに対して、失火頻度が所定値Ｋ６以下であれば、混合気の空燃比がリーン燃焼限界を越えていないと判断して、ステップ２１０に進み、燃料噴射量を減量補正すると共に、点火時期、バルブタイミング、排ガス還流量のうちのいずれか１つ以上をリーン燃焼限界付近の適正値に近付けるように制御する。上記ステップ２０８〜２１０の処理が特許請求の範囲でいう空燃比制御手段としての役割を果たす。

以上説明した図７の燃焼状態判定ルーチンを気筒毎に実行することで、気筒毎に失火頻度を判定し、その判定結果に基づいて気筒毎に失火頻度に応じて燃料噴射量を増減補正する。このようにすれば、気筒毎に燃料噴射量をリーン燃焼限界ぎりぎりに制御することができ、リーンバーンによる省燃費効果を高めることができる。しかも、燃焼状態の悪化が検出されたときに、点火時期、バルブタイミング、排ガス還流量のうちのいずれか１つ以上を燃焼状態を改善する方向に制御し、燃焼状態の悪化が検出されないときには、点火時期、バルブタイミング、排ガス還流量のうちのいずれか１つ以上をリーン燃焼限界付近の適正値に近付けるように制御するようにしたので、リーン燃焼限界での燃焼安定性を向上させることができる。

以上説明した本実施例２によれば、各気筒の熱発生量ピーク位置を算出するようにしているが、これは、熱発生量ピーク位置がエンジン回転速度等の運転条件によらずほぼ一定値となることを考慮したものである。従って、本実施例２のように、熱発生量ピーク位置に基づいて失火等の異常燃焼の有無を判定すれば、エンジン回転速度等の運転条件の影響を受けずに失火等の異常燃焼の有無を精度良く判定することができる。しかも、熱発生量ピーク位置は、エンジン回転速度等の運転条件の影響を受けないため、適合工数を削減できる利点もある。

更に、本実施例２では、過去の所定期間に検出された熱発生量ピーク位置の平均値と今回の熱発生量ピーク位置とを比較して失火等の異常燃焼の有無を判定するようにしたので、エンジン回転速度が上昇する過渡運転時には、点火時期が遅れた条件下で検出した熱発生量ピーク位置の平均値を判定基準として失火等の異常燃焼の有無を判定することができ、過渡運転時でも、失火等の異常燃焼の有無を精度良く判定することができる。

但し、本発明は、予め、熱発生量ピーク位置の平均値を定数としてＲＯＭに記憶しておき、この記憶値と今回の熱発生量ピーク位置とを比較して失火等の異常燃焼の有無を判定するようにしても良い。或は、今回の熱発生量ピーク位置が予め設定した燃焼判定値以上であるか否かで失火等の異常燃焼の有無を判定するようにしても良い。

図３に示すように、クランク角毎の熱発生量が最大となる熱発生量ピーク位置と筒内圧力が最大となる筒内圧力ピーク位置とを比較すると、正常燃焼時には、筒内圧力ピーク位置が熱発生量ピーク位置より遅く現れるが、これとは反対に、異常燃焼時には、熱発生量ピーク位置が筒内圧力のピーク位置より遅く現れる傾向がある。

この特性に着目して、図７に示す本発明の実施例３では、熱発生量ピーク位置と筒内圧力ピーク位置を検出し、熱発生量ピーク位置と筒内圧力ピーク位置とを比較して燃焼状態を判定するようにしている。

本実施例３の燃焼状態の判定は、ＥＣＵ２９によって図８の燃焼状態判定ルーチンに従って実行される。本ルーチンは、各気筒の燃焼行程終了毎に起動され、特許請求の範囲でいう燃焼状態判定手段としての役割を果たす。本ルーチンが起動されると、まずステップ３０１で、燃焼開始から燃焼終了までの燃焼区間の各クランク角θにおける熱発生量を算出した後、ステップ３０２に進み、熱発生量が最大となる熱発生量ピーク位置ｄＱmax[i]を算出する。このステップ３０２の処理が特許請求の範囲でいう第１の検出手段としての役割を果たす。更に、ステップ３０３で、筒内圧力ピーク位置Ｐmax[i]を算出する。このステップ３０３の処理が特許請求の範囲でいう第２の検出手段としての役割を果たす。

この後、ステップ３０４に進み、熱発生量ピーク位置ｄＱmax[i]を筒内圧力ピーク位置Ｐmax[i]と比較して、熱発生量ピーク位置ｄＱmax[i]が筒内圧力ピーク位置Ｐmax[i]よりも遅く現れれば、失火（異常燃焼）と判断して、ステップ３０５に進み、失火判定回数をカウントする失火カウンタをカウントアップする。これに対して、熱発生量ピーク位置ｄＱmax[i]が筒内圧力ピーク位置Ｐmax[i]よりも先に現れれば、正常燃焼と判断して、ステップ３０５に進み、正常燃焼判定回数をカウントする正常燃焼カウンタをカウントアップする。

この後、ステップ３０７に進み、失火カウンタと正常燃焼カウンタとの合計カウンタ数が所定値Ｋ７を越えたか否かを判定し、合計カウンタ数が所定値Ｋ７以下であれば、そのまま本ルーチンを終了する。

この後、合計カウンタ数が所定値Ｋ７を越えた時点で、ステップ３０８に進み、合計カウンタ数に対する失火カウンタ数の比率（失火カウンタ数／合計カウンタ数）を失火頻度として算出して、この失火頻度を所定値Ｋ８と比較し、失火頻度が所定値Ｋ８を越えていれば、混合気の空燃比がリーン燃焼限界を越えていると判断して、ステップ３０９に進み、燃料噴射量を増量補正すると共に、点火時期、バルブタイミング、排ガス還流量のうちのいずれか１つ以上を燃焼状態を改善する方向に制御する。

これに対して、失火頻度が所定値Ｋ８以下であれば、混合気の空燃比がリーン燃焼限界を越えていないと判断して、ステップ３１０に進み、燃料噴射量を減量補正すると共に、点火時期、バルブタイミング、排ガス還流量のうちのいずれか１つ以上をリーン燃焼限界付近の適正値に近付けるように制御する。上記ステップ３０８〜３１０の処理が特許請求の範囲でいう空燃比制御手段としての役割を果たす。

以上説明した図８の燃焼状態判定ルーチンを気筒毎に実行することで、気筒毎に失火頻度を判定し、その判定結果に基づいて気筒毎に失火頻度に応じて燃料噴射量を増減補正する。このようにすれば、気筒毎に燃料噴射量をリーン燃焼限界ぎりぎりに制御することができ、リーンバーンによる省燃費効果を高めることができる。しかも、燃焼状態の悪化が検出されたときに、点火時期、バルブタイミング、排ガス還流量のうちのいずれか１つ以上を燃焼状態を改善する方向に制御し、燃焼状態の悪化が検出されないときには、点火時期、バルブタイミング、排ガス還流量のうちのいずれか１つ以上をリーン燃焼限界付近の適正値に近付けるように制御するようにしたので、リーン燃焼限界での燃焼安定性を向上させることができる。

以上説明した本実施例３によれば、熱発生量ピーク位置の他に筒内圧力ピーク位置も考慮して燃焼状態を判定するため、ピストンの駆動が燃焼に起因して生じたものなのか、エンジンブレーキに起因して生じたものなのかを判別することが可能となり、燃焼状態をより精度良く判定することができる。

尚、本実施例３において、熱発生量ピーク位置に代えて、総熱発生量重心位置を算出し、この総熱発生量重心位置と筒内圧力ピーク位置との位置関係に基づいて燃焼状態を判定するようにしても良い。

上記実施例１〜３は、いずれも本発明をリーンバーンエンジンに適用した実施例であるが、本発明は、混合気の空燃比を理論空燃比付近に制御する吸気ポート噴射エンジンや筒内噴射エンジンにも適用して実施できる。

尚、筒内圧力ピーク位置に基づいて燃焼状態を判定するシステムでは、正常燃焼時の筒内圧力ピーク位置に対する今回の筒内圧力ピーク位置の進角量に基づいて燃焼状態を判定するようにしても良い。この際、過去の所定期間に検出された筒内圧力ピーク位置の平均値と今回の筒内圧力ピーク位置との偏差（進角量）に基づいて燃焼状態を判定するようにしても良い。

本発明の実施例１におけるエンジン制御システム全体を示す図である。 実施例１の燃焼状態判定ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。 正常燃焼時の筒内圧力と熱発生量と、異常燃焼時の筒内圧力と熱発生量との関係を示すタイムチャートである。 正常燃焼時の総熱発生量重心位置と異常燃焼時の総熱発生量重心位置との関係を示すタイムチャートである。 正常燃焼時の総熱発生量重心位置と異常燃焼時の総熱発生量重心位置に関する実験データの分布を示す図である。 正常燃焼時の総熱発生量重心位置と異常燃焼時の総熱発生量重心位置とエンジン回転速度との関係を示す図である。 実施例２の燃焼状態判定ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。 実施例３の燃焼状態判定ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１１…エンジン（内燃機関）、２０…燃料噴射弁、２１…点火プラグ、２６…クランク角センサ、２８…筒内圧センサ、２９…ＥＣＵ（総熱発生量重心位置検出手段，燃焼状態判定手段，空燃比制御手段，熱発生量ピーク位置検出手段，第１の検出手段，第２の検出手段）

Claims (18)

1. 内燃機関の燃焼開始から燃焼終了までの燃焼区間の総熱発生量の重心位置を検出する総熱発生量重心位置検出手段と、
   前記総熱発生量重心位置検出手段で検出した総熱発生量重心位置に基づいて燃焼状態を判定する燃焼状態判定手段と
   を備えていることを特徴とする内燃機関の燃焼状態判定装置。
2. 前記総熱発生量重心位置検出手段は、燃焼開始から燃焼終了までの燃焼区間の総熱発生量の５０％位置を重心位置として検出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼状態判定装置。
3. 前記燃焼状態判定手段は、過去の所定期間に検出された総熱発生量重心位置の平均値と今回の総熱発生量重心位置とを比較して燃焼状態を判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の燃焼状態判定装置。
4. 前記燃焼状態判定手段は、過去の所定期間に検出された総熱発生量重心位置の平均値と今回の総熱発生量重心位置との偏差が所定値以上となる頻度が判定値以上となったときに燃焼状態の悪化と判定す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判定装置。
5. 内燃機関に供給する混合気の空燃比をリーン燃焼限界付近に制御するリーンリミット制御を行う空燃比制御手段を備え、
   前記空燃比制御手段は、前記燃焼状態判定手段により燃焼状態の悪化が検出されたときには燃料噴射量を増量補正し、燃焼状態の悪化が検出されないときには燃料噴射量を減量補正することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の内燃機関の燃焼状態判定装置。
6. 前記空燃比制御手段は、前記燃焼状態判定手段により燃焼状態の悪化が検出されたときには、点火時期、バルブタイミング、排ガス還流量のうちのいずれか１つ以上を燃焼状態を改善する方向に制御し、燃焼状態の悪化が検出されないときには、点火時期、バルブタイミング、排ガス還流量のうちのいずれか１つ以上をリーン燃焼限界付近の適正値に近付けるように制御することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の燃焼状態判定装置。
7. 前記燃焼状態判定手段は、気筒毎に燃焼状態の悪化の有無を判定し、
   前記空燃比制御手段は、前記燃焼状態判定手段の判定結果に基づいて気筒毎に燃焼状態の悪化の有無に応じて燃料噴射量を補正することを特徴とする請求項５又は６に記載の内燃機関の燃焼状態判定装置。
8. 内燃機関の燃焼開始から燃焼終了までの燃焼区間においてクランク角毎の熱発生量が最大となる位置（以下これを「熱発生量ピーク位置」という）を検出する熱発生量ピーク位置検出手段と、
   前記熱発生量ピーク位置検出手段で検出した熱発生量ピーク位置に基づいて燃焼状態を判定する燃焼状態判定手段と
   を備えていることを特徴とする内燃機関の燃焼状態判定装置。
9. 前記燃焼状態判定手段は、過去の所定期間に検出された熱発生量ピーク位置の平均値と今回の熱発生量ピーク位置とを比較して燃焼状態を判定することを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の燃焼状態判定装置。
10. 前記燃焼状態判定手段は、過去の所定期間に検出された熱発生量ピーク位置と今回の熱発生量ピーク位置との偏差が所定値以上となる頻度が判定値以上となったときに燃焼状態の悪化と判定することを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の燃焼状態判定装置。
11. 内燃機関に供給する混合気の空燃比をリーン燃焼限界付近に制御するリーンリミット制御を行う空燃比制御手段を備え、
    前記空燃比制御手段は、前記燃焼状態判定手段により燃焼状態の悪化が検出されたときには燃料噴射量を増量補正し、燃焼状態の悪化が検出されないときには燃料噴射量を減量補正することを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の内燃機関の燃焼状態判定装置。
12. 前記空燃比制御手段は、前記燃焼状態判定手段により燃焼状態の悪化が検出されたときに、点火時期、バルブタイミング、排ガス還流量のうちのいずれか１つ以上を燃焼状態を改善する方向に制御し、燃焼状態の悪化が検出されないときには、点火時期、バルブタイミング、排ガス還流量のうちのいずれか１つ以上をリーン燃焼限界付近の適正値に近付けるように制御することを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関の燃焼状態判定装置。
13. 前記燃焼状態判定手段は、気筒毎に燃焼状態の悪化の有無を判定し、
    前記空燃比制御手段は、前記燃焼状態判定手段の判定結果に基づいて気筒毎に燃焼状態の悪化の有無に応じて燃料噴射量を補正することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の内燃機関の燃焼状態判定装置。
14. 内燃機関の燃焼開始から燃焼終了までの燃焼区間の総熱発生量の重心位置又はクランク角毎の熱発生量が最大となる位置（以下これを「熱発生量ピーク位置」という）を検出する第１の検出手段と、
    前記燃焼区間の筒内圧力が最大となる位置（以下これを「筒内圧力ピーク位置」という）を検出する第２の検出手段と、
    前記第１の検出手段で検出した総熱発生量重心位置又は熱発生量ピーク位置と前記第２の検出手段で検出した筒内圧力ピーク位置とに基づいて燃焼状態を判定する燃焼状態判定手段と
    を備えていることを特徴とする内燃機関の燃焼状態判定装置。
15. 前記第１の検出手段は、熱発生量ピーク位置を検出し、
    前記燃焼状態判定手段は、前記筒内圧力ピーク位置が前記熱発生量ピーク位置より先に現れる頻度が判定値以上となったときに燃焼状態の悪化と判定することを特徴とする請求項１４に記載の内燃機関の燃焼状態判定装置。
16. 内燃機関に供給する混合気の空燃比をリーン燃焼限界付近に制御するリーンリミット制御を行う空燃比制御手段を備え、
    前記空燃比制御手段は、前記燃焼状態判定手段により燃焼状態の悪化が検出されたときには燃料噴射量を増量補正し、燃焼状態の悪化が検出されないときには燃料噴射量を減量補正することを特徴とする請求項１４又は１５に記載の内燃機関の燃焼状態判定装置。
17. 前記空燃比制御手段は、前記燃焼状態判定手段により燃焼状態の悪化が検出されたときに、点火時期、バルブタイミング、排ガス還流量のうちのいずれか１つ以上を燃焼状態を改善する方向に制御し、燃焼状態の悪化が検出されないときには、点火時期、バルブタイミング、排ガス還流量のうちのいずれか１つ以上をリーン燃焼限界付近の適正値に近付けるように制御することを特徴とする請求項１６に記載の内燃機関の燃焼状態判定装置。
18. 前記燃焼状態判定手段は、気筒毎に燃焼状態の悪化の有無を判定し、
    前記空燃比制御手段は、前記燃焼状態判定手段の判定結果に基づいて気筒毎に燃焼状態の悪化の有無に応じて燃料噴射量を補正することを特徴とする請求項１７に記載の内燃機関の燃焼状態判定装置。

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