JP2008291679A - 内燃機関の燃焼状態判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より正確に燃焼状態を判定する。
【解決手段】内燃機関の燃焼状態判定装置は、燃焼室の筒内圧を検出する手段と、クランク角度を検出する手段と、検出されるクランク角度に基づいて燃焼室の容積を算出する算出手段と、外部から新気として流入する吸気量を検出する吸気量検出手段と、吸気量検出手段によって検出されない内的吸気量を推定する手段と、該算出された容積、検出された吸気量、および推定された内的吸気量を含む演算式によりモータリング圧力を推定する推定手段を備える。また、該装置は、圧縮行程において、検出される筒内圧力を補正式に従って補正する補正手段と、該補正手段によって補正される検出圧力と推定手段によって推定される圧力との誤差を最小にするよう該補正式のパラメータを同定する手段と、燃焼行程において、補正手段で補正される検出圧力と、推定手段によって推定される圧力との関係に基づいて燃焼状態を判定する。
【選択図】図３

Description

この発明は、内燃機関の燃焼状態を判定する装置に関する。

下記の特許文献１には、失火時の圧力（モータリング圧力）を推定し、圧縮行程において筒内圧センサの出力を、該推定したモータリング圧力にマッチングさせることにより、内燃機関の燃焼状態を判定する手法が記載されている。
特開２００６−１３８２０５号公報

上記の技術によると、燃焼圧の発生しない領域において推定されたモータリング圧力に筒内圧センサの出力をマッチングさせることによって、該センサ出力から燃焼圧をより正確に検出できるようになるため、内燃機関の燃焼状態をより正確に判定することができる。

しかしながら、内燃機関によっては、エアフローメータを通過することなく、気筒内に吸入されるガスまたは空気が存在する。上記の技術において、モータリング圧力を、エアフローメータで検出される空気量に基づいて推定すると、このようなガスまたは空気に起因して、モータリング圧力の推定精度が低下するおそれがある。

したがって、モータリング圧力をより正確に推定して、燃焼状態をより正確に判定することのできる技術が望まれている。

この発明は、一形態（請求項１）では、内燃機関（エンジン）の燃焼状態を判定する装置は、内燃機関の燃焼室の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、内燃機関のクランク角度を検出するクランク角度検出手段と、クランク角度検出手段で検出されるクランク角度に基づいて燃焼室の容積を算出する算出手段と、内燃機関の外部から新気として流入する吸気量を検出する吸気量検出手段と、吸気量検出手段によって検出されない内的吸気量を推定する内的吸気量推定手段と、該算出された容積、該検出された吸気量、および該推定された内的吸気量を含む演算式により、内燃機関のモータリング圧力を推定する推定手段と、を備える。また、該装置は、内燃機関の圧縮行程において、筒内圧検出手段で検出される圧力を補正式に従って補正する補正手段と、この補正手段によって補正される検出圧力と、上記推定手段によって推定される圧力との誤差を最小にするよう該補正式のパラメータを同定する同定手段と、内燃機関の燃焼行程において、該補正手段で補正された圧力と、該推定手段によって推定された圧力との関係に基づいて燃焼状態を判定する判定手段と、を備える。

この発明によると、モータリング圧力を、吸気量検出手段によって検出された新気の吸気量だけでなく、該吸気量検出手段によっては検出されない内的吸気量に基づいて推定するので、モータリング圧力の推定精度を高めることができる。したがって、燃焼状態の判定精度を高めることができる。さらに、このモータリング圧力と、筒内圧検出手段の検出出力との誤差が最小になるように、この検出出力を補正する補正式のパラメータが同定される。このパラメータは、圧縮行程において同定されその直後の燃焼行程における検出出力の補正に用いられるので、検出出力の信頼性を高めることができる。

この発明の一実施形態（請求項２）では、内燃機関は、排ガスを吸気側に還流する排ガス還流手段をさらに備え、上記内的吸気量は、該排ガス還流手段により還流される排ガスの量である。

この発明によれば、内燃機関への吸気に寄与する排ガスの量を考慮してモータリング圧力を推定するので、推定精度を高めることができる。

この発明の一実施形態（請求項３）では、内燃機関は、蒸発燃料を吸気側にパージする蒸発燃料処理手段をさらに備え、上記内的吸気量は、該蒸発燃料処理手段によりパージされる蒸発燃料の量である。

この発明によれば、内燃機関への吸気に寄与する蒸発燃料の量を考慮してモータリング圧力を推定するので、推定精度を高めることができる。

この発明の一実施形態（請求項４）では、内燃機関は、クランクケースに流入したブローバイガスを吸気側に還流するブローバイガス還流手段をさらに備え、上記内的吸気量は、該ブローバイガス還流手段により還流されるブローバイガスの量である。

この発明によれば、内燃機関への吸気に寄与するブローバイガスの量を考慮してモータリング圧力を推定するので、推定精度を高めることができる。

この発明の一実施形態（請求項５）では、内燃機関は、制動装置を稼動させるための負圧発生装置をさらに備え、上記内的吸気量は、該負圧発生装置から吸気側に流入する空気の量である。

この発明によれば、内燃機関への吸気に寄与する負圧発生装置からの空気の量を考慮してモータリング圧力を推定するので、推定精度を高めることができる。

次に図面を参照して、この発明の実施例を説明する。

図１は、この発明の一実施形態に従う、内燃機関（以下、エンジンと呼ぶ）およびその制御装置の全体的な構成図である。電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」）という）１は、入出力インターフェース、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、およびメモリを備えるコンピュータである。メモリには、車両の様々な制御を実現するためのコンピュータ・プログラムおよび該プログラムの実施に必要なデータを格納することができる。ＥＣＵ１は、車両の各部から送られてくるデータを入出力インターフェースを介して受け取って演算を行い、制御信号を生成し、これを、該入出力インターフェースを介してエンジンの各部を制御するために送る。

エンジン２は、たとえば４気筒（図示せず）を備えた筒内直接噴射式エンジンであり、各気筒には、吸気管３および排気管４が接続されている。

吸気管３には、スロットル弁６を介して吸気管３を通過する新気の量を検出するエアフローメータ（ＡＦＭ）５が設けられている。このセンサの検出値は、ＥＣＵ１に送られる。

スロットル弁６の開度は、ＥＣＵ１からの制御信号に従って制御される。スロットル弁６の開度を制御することにより、エンジン２に吸入される空気の量を制御することができる。スロットル弁６には、スロットル弁の開度を検出するスロットル弁開度（θＴＨ）センサ７が連結されており、この検出値は、ＥＣＵ１に送られる。

スロットル弁６の下流には、吸気管内絶対圧（ＰＢＡ）センサ８および吸気温（ＴＡ）センサ９が設けられており、それぞれ、吸気管内の圧力および温度を検出する。これらの検出値は、ＥＣＵ１に送られる。

ＥＧＲ通路１０が、吸気管３と排気管４の間に接続されており、ＥＧＲ通路１０を介して、各気筒から排気管４に流出した排ガスを吸気管３に還流し、各気筒に供給することができる。還流する排ガスの量は、ＥＧＲ通路１０に設けられたＥＧＲバルブ１１により調整することができる。ＥＧＲバルブ１１の開度は、ＥＣＵ１からの制御信号に従って変更される。

また、燃料タンク１５内の燃料が蒸発して生じた蒸発燃料は、チャージ通路１６を介してキャニスタ１７内の吸着剤に吸着される。キャニスタ１７にはパージ通路１８が接続され、該パージ通路１８は、スロットル弁６の下流において吸気管３に接続されている。パージ通路１８には、パージ制御弁１９が設けられている。パージ制御弁１９を開弁すると、キャニスタ１７に吸着された蒸発燃料が、吸気管３の負圧により該吸気管３に吸引され、これにより、内燃機関の各気筒に送られる。吸気管３にパージされる蒸発燃料の量は、所望の蒸発燃料率となるようパージ制御弁１９により調整されることができる。パージ制御弁１９の開度は、ＥＣＵ１からの制御信号に従って変更される。

また、エンジン２のクランクケース（図示せず）と、吸気管３の間には、ブローバイ（ＰＣＶ）通路２１が設けられている。ＰＣＶ通路２１は、エンジン２のクランクケースに漏れ出すブローバイガスを吸気管３に還流して、各気筒に供給することができる。ＰＣＶ通路には、機械的なＰＣＶバルブ２２が設けられており、該バルブ２２は、吸気管３の負圧に応じて開弁し、それにより、ブローバイガスを吸気管３に還流する。代替的に、ＰＣＶバルブ２２を、ＥＣＵ１からの制御信号に従ってその開度を変更する電磁バルブとして構成してもよい。

また、スロットル弁６の下流の吸気管３には、負圧導入通路２５を介してブレーキブースタ２６が接続されている。ブレーキブースタ２６は、ブースターピストン２７により、負圧導入室２８および大気導入室２９に区切られており、該ピストン２７に備えられたロッド３０は、一端がマスターシリンダ３１に接続され、他端がブレーキペダル３２に接続されている。マスターシリンダ３１は、ブレーキ本体を作動させるための油圧発生装置である。ブレーキペダル３２を踏んでいない状態では、負圧導入室２８および大気導入室２９の両方に吸入負圧が導かれ、ピストンの両側の圧力が同じであるのでピストンは静止する。ブレーキペダル３２が踏まれると、大気導入室２９への吸入負圧の導入が停止し、代わりに大気が導入される。これにより、ピストン２７がマスターシリンダ３１側に移動する。負圧導入室２８の容積が減るので、減った分の空気量が、負圧導入室２８から吸気管３に流出する。こうして、ブレーキペダル３２が踏まれる力より強い力がマスターシリンダ３１に伝えられる。負圧導入通路２５には、該通路の圧力を検出するための圧力センサ３３が設けられており、該センサの検出値は、ＥＣＵ１に送られる。

さらに、エンジン２には、エンジン２の冷却水の温度ＴＷを検出する水温センサ３５、およびクランク角センサ３６が設けられている。クランク角センサ３６は、クランクシャフト（図示せず）の回転に従って、ＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ１に出力する。ＣＲＫ信号は、所定のクランク角毎に出力される。ＥＣＵ１は、ＣＲＫ信号に応じ、エンジン２の回転数ＮＥを算出する。ＴＤＣ信号は、ピストンの上死点（ＴＤＣ）位置に関連したクランク角度で出力される。

また、各気筒には、該気筒の燃焼室に臨むように、たとえば圧電素子から構成された筒内圧センサ３７が設けられており、該センサ３７は、該気筒内の圧力を検出し、それをＥＣＵ１に送る。また、エンジン２の吸気管３には、気筒ごとに燃料噴射弁３８が設けられている。燃料噴射弁３８は、ＥＣＵ１からの制御信号に従って、燃料を噴射する。

ここで、図２を参照して、この発明で行う失火判定の原理を説明する。図２は、クランク角度-180度から180度の領域における気筒の燃焼室の圧力を示しており、およそクランク角度-180度から０度の範囲が圧縮行程であり、０度から180度までが膨張（燃焼）行程である。

曲線４１は、エンジンの１つの気筒のモータリング圧力（失火時の圧力）の推移を示し、曲線４３は、同じ気筒において正常な燃焼が行われたときの筒内圧力の推移を示す。クランク角０度が上死点であり、モータリング圧力は上死点でピークとなり、燃焼時の筒内圧力（曲線４３）は、上死点を過ぎた点火時点付近でピークとなる。

この発明では、圧縮行程において上死点に達する前の期間、たとえば図２に”a”で示す期間において、筒内圧検出手段（図１の筒内圧センサ３７）の検出出力を補正する補正式のパラメータを同定する。黒色のドット４５は、筒内圧センサ３７による検出出力を示す。筒内圧センサ３７は、エンジンの燃焼室という過酷な環境に置かれており、温度の影響、経年変化などによって特性が変化する。この発明では、筒内圧センサ３７の検出出力がほぼモータリング圧力の曲線４１上にくるよう、検出出力を補正する。こうして補正された検出出力を白色のドット４７で示す。

検出出力の補正は、筒内圧センサ３７の検出出力PS(θ)に、補正式 PS = PS(θ)k₁ + C₁ を適用することによって行われる。k₁ は補正係数であり、C₁ は定数である。この補正式の２つのパラメータk₁およびC₁は、圧縮行程の、たとえば図２に”a”で示す期間において、モータリング圧力の推定値PMと、筒内圧センサの検出出力を上述の補正式によって補正した値PSとの差(PM−PS)の二乗が最小になるよう、最小二乗法により演算して算出される。

次いで、燃焼（膨張）行程において混合気の燃焼開始後、たとえば図２に”b”で示す期間において、筒内圧センサ３７の出力を補正して得られる検出出力４７（白色のドット）と、状態方程式で算出されるモータリング圧力PM（曲線４１）との関係に基づいて、燃焼状態、たとえば、失火が生じたかどうかを判定する。一実施例では、PS/PMが予め定めたしきい値より小さいとき、失火が生じたと判定する。

図３は、この発明の一実施形態に従う、燃焼状態判定装置の全体的構成を示すブロック図である。各機能ブロックは、ＥＣＵ１において実現される。

筒内圧センサ３７により出力された、気筒内の圧力に応じた電気信号は、チャージアンプ５１により電圧信号に変換され、ローパスフィルタ５３を介して入出力インタフェース６１に出力される。入出力インタフェース６１は、筒内圧センサ３７からの該信号をサンプリング部６３に送る。サンプリング部６３は、この信号を所定の周期、たとえば１０kHz分の１の周期でサンプリングし、サンプル値をセンサ出力検出部６５に渡す。

センサ出力補正部６７は、上述の補正式 PS = PS(θ)k₁ + C₁ に従って、センサ出力PS(θ)を補正する。センサ出力補正部６７は、クランク角１５度ごとに補正されたセンサ出力値PSを失火判定部７７に渡す。

一方において、燃焼室容積計算部６９は、クランク角θに応じた気筒の燃焼室の容積V_cを次の数式により計算する。

上の式で、mは、図４の関係から計算される、ピストン８１の上死点からの変位を示す。rをクランクシャフト８２の半径、l（エル）をコンロッド長とすると、λ=l/r である。V_deadは、ピストン８１が上死点にあるときの燃焼室の容積、A_pstnは、ピストンの断面積である。

一般に燃焼室の状態方程式は、次の（３）式で表されることが知られている。

(3)式で、Gは、気筒内に吸入される空気量を示す。Rは気体定数、Tは、例えば吸気温センサ９（図１）、またはエンジン水温などの運転状態に基づいて得られる吸気温度である。ｋは補正係数、Cは定数である。

この発明の一実施形態では、燃焼室の気体状態方程式に基づくモータリング圧力推定値として、たとえばセンサ取り付け部の温度変化等の影響を受けない水晶圧電式の圧力センサを用いて燃焼室の圧力を実測し、この実測値を（３）式と対応させることにより算出されたｋの値ｋ₀およびＣの値Ｃ₀を求め、これを（３）式に代入して得られる次の（４）式を用いてモータリング圧力ＰＭを推定する。

ここで、Ｇは、エアフローメータ５（図１）により検出された新気の量（外気から取り込まれる空気量であり、外的吸気量とも呼ばれる）Ｇ０を、吸気量補正部７５により、内的吸気量で補正した値である。内的吸気量には、ＥＧＲ通路１０を介して還流されるＥＧＲガスの量、パージ通路１８を介して還流される蒸発燃料の量、ブローバイ通路２１を介して還流されるブローバイガスの量、およびブレーキの作動時にブレーキブースタ２６から吸気管に流出される空気の量、のうち任意のものが含まれる。

図１を参照して述べたように、各気筒に吸入される空気には、スロットル弁６を通過する新気だけでなく、ＥＧＲ通路１０を介して還流されるＥＧＲガス、パージ通路１８を介して還流される蒸発燃料、ブローバイ通路２１を介して還流されるブローバイガス、およびブレーキの作動時にブレーキブースタ２６から流出される空気が含まれる。エアフローメータ５で検出されるのは新気の空気量であり、これを上記Ｇとして用いると、実際に気筒に吸入される空気の量を反映していないので、モータリング圧力ＰＭの推定精度が低下するおそれがある。そこで、この発明では、エアフローメータ５で検出される空気の量Ｇ０を、ＥＧＲガスの量、蒸発燃料の量、ブローバイガスの量、およびブレーキブースタから流出した空気量等の吸気量（内的吸気量と呼ぶ）で補正した値Ｇを用いて、モータリング圧力を推定する。これにより、気筒内に吸入される空気量をより正確に求めたＧに基づいてモータリング圧力を推定するので、該モータリング圧力の推定精度を高めることができる。

還流されるＥＧＲガスの量は、任意の適切な手法により求めることができる。たとえば、エンジンの運転状態（たとえば、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルク（アクセルペダルの開度やエアフローメータから検出される吸気量により表されることができる））に基づいて、所望のＥＧＲ率を求める。ＥＧＲ率は、還流されるＥＧＲガスの量／（新気の量＋還流されるＥＧＲガスの量）で表される。ＥＧＲ通路１０に設けられたＥＧＲバルブ１１の開度は、該ＥＧＲ率を達成するよう制御される。代替的に、こうして制御されたＥＧＲバルブ１１の開度を所定のセンサで検出し、該検出値から、ＥＧＲ率を求めるようにしてもよい。吸気量補正部７５は、こうして求めたＥＧＲ率ＫＥＧＲに応じた補正係数ＫＥＧＲ＿ＣＰを求め、該補正係数で、エアフローメータ５で検出された新気の量Ｇ０を、以下のように補正することができる。
Ｇ＝Ｇ０×（１＋ＫＥＧＲ＿ＣＰ）

還流される蒸発燃料率ＫＰＧＣは任意の適切な手法により求めることができる。たとえば、エンジンの運転状態（たとえば、燃料供給量および空燃比）に基づいて、パージする所望の蒸発燃料率を求める。パージ通路１８に設けられたパージ制御弁１９の開度は、該所望の蒸発燃料率となるようにパージ量を制御する。代替的に、こうして制御されたパージ制御弁１９の開度を所定のセンサで検出し、該検出値から、パージされる蒸発燃料率を求めるようにしてもよい。吸気量補正部７５は、こうして求めた蒸発燃料率ＫＰＧＣに応じた補正係数ＫＰＵＲＧＥ＿ＣＰを求め、該補正係数で、エアフローメータで検出された新気の量Ｇ０を、以下のように補正することができる。
Ｇ＝Ｇ０×（１＋ＫＰＵＲＧＥ＿ＣＰ）

還流されるブローバイガスの量は、任意の適切な手法により求めることができる。たとえば、ＰＣＶバルブ２２の開度を所定のセンサで検出し、該検出値に基づいて、還流されるブローバイガスの量を求めることができる。こうして求めたブローバイガスの量ＱＰＣＶに応じた補正項ＱＰＣＶ＿ＣＰを求め、該補正項ＱＰＣＶ＿ＣＰで、エアフローメータで検出された新気の量Ｇ０を、以下のように補正することができる。
Ｇ＝Ｇ０＋ＱＰＣＶ＿ＣＰ

代替的に、ＰＣＶバルブ２２が、ＥＣＵ１からの制御信号によって動作するよう構成され、ブローバイガス量の目標値に従って該ＰＣＶバルブ２２の開度が制御される場合には、該目標値に応じて補正項ＱＰＣＶ＿ＣＰを求めてもよい。該目標値は、任意の適切な手法により求めることができる。たとえば、吸気管圧力センサ８（図１）により検出された圧力等の運転状態に基づいて、該目標値を設定することができる。なお、ＰＣＶバルブ２２がこのような電磁バルブの場合でも、該バルブ２２の開度を所定のセンサで検出して、該開度からブローバイガス量を算出してもよい。

ブレーキブースタ２６から吸気管３に流出される空気の量は、任意の適切な手法により求めることができる。たとえば、負圧導入通路２６上に設けられた圧力センサ３３の検出値および吸気管圧力センサ８の検出値に基づいて、吸気管３に流出される空気の量を算出することができる（一例として、具体的な算出手法が、特開２００４−７４８７７号公報に記載されている）。こうして求めた空気の量ＱＢＲＫに応じた補正項ＱＢＲＫ＿ＣＰを求め、該補正項ＱＢＲＫ＿ＣＰで、エアフローメータで検出された新気の量Ｇ０を、以下のように補正することができる。
Ｇ＝Ｇ０＋ＱＢＲＫ＿ＣＰ

こうして、内的吸気量の種類に従って、エアフローメータ５の検出値Ｇ０が補正され、補正値Ｇが式（４）に代入される。一実施例では、図１に示すように内的吸気量が上記４種類あるので、最終的には、次のように検出値Ｇ０が補正されて、Ｇが算出される。
Ｇ＝Ｇ０×（１＋ＫＥＧＲ＿ＣＰ＋ＫＰＵＲＧＥ＿ＣＰ）＋ＱＰＣＶ＿ＣＰ＋ＱＢＲＫ＿ＣＰ

代替的に、該４種類の内的吸気量のうち、任意のものを用いて、検出値Ｇ０を補正してもよい。

図３に戻り、モータリング圧力推定部７０は、基本モータリング圧力計算部７１およびモータリング圧力補正部７２から構成される。基本モータリング圧力計算部７１が（４）式の基本項目である基本モータリング圧力GRT/V_ｃを計算する。モータリング圧力補正部６２は、上述のようにして予め求められているパラメータk₀およびC₀を用いて、基本モータリング圧力を補正する。このパラメータk₀およびC₀は、エアフローメータにより検出される吸気量およびエンジン回転数などエンジンの負荷状態を表すパラメータに従って参照することができるテーブルとして用意されている。

パラメータ同定部７３は、圧縮行程においてモータリング圧力推定部７０が算出するモータリング圧力推定値PMと、センサ出力補正部６７が出力する筒内圧センサ３７に基づく筒内圧力PSとの誤差(PM-PS)が最小になるよう、最小二乗法によりセンサ出力を補正する補正式のパラメータk₁およびC₁を同定する。センサ出力検出部６５は、たとえば10kHz分の１の周期で筒内圧センサ３７の出力をサンプリングし、クランク角度に同期したタイミングでサンプル値の平均値をセンサ出力値PS(θ)として、パラメータ同定部７３に渡す。パラメータ同定部７３は、気筒の圧縮行程において補正式のパラメータを同定する演算を実行する。モータリング圧力補正部７２から得られるクランク角度に応じたモータリング圧力推定値PM(θ)と、同じクランク角度におけるセンサ出力値PS(θ)に補正式PS = PS(θ)k₁ + C₁ を適用した値PSとの差の二乗、すなわち（PM(θ) - PS(θ)k₁ - C₁）² が最小になる k₁ および C₁を、既知の最小二乗法により求める。

PMの離散値をy(i)で表し、筒内圧センサ３７から得られる筒内圧力PSのサンプル値（離散値）をx(i)で表すと、P’^T=[p’(0),p’(1), …,p’(n)] 、P^T=[p(0), p(1), …,p(n)]、X(i)^T=[x(0), x(1), …,x(n)]と表される。誤差（P’-P）の離散値の二乗の和は、次の式（５）で表される。サンプル値は、10kHz分の１の周期でとられ、iの値は、たとえば100までとする。

このFの値を最小にするkおよびCを求めるには、F(k,C)のkおよびCに関する偏微分が０となるkおよびCを求めればよい。これを数式で表すと、次のようになる。

式(6)および(7)の右辺を整理すると、次のようになる。

これを行列で表現すると、次のようになる。

この式を逆行列を使って変形すると、次のようになる。

ここで、右辺の逆行列は、次の式で表される。

センサ出力補正部６７は、こうして同定されたパラメータを用いて、燃焼行程においてセンサ出力を補正する。

失火判定部７７は、点火時点以後の期間ｂ（図２）において、筒内圧センサ３７で検出されセンサ出力補正部６７で補正された筒内圧力の値PS、および同じ時刻にモータリング圧力推定部７０で算出されるモータリング圧力推定値PMに基づいて失火の有無を判定する。この実施例では、失火判定部７７は、PS/PMが予め定めたしきい値αより小さいとき、失火が生じたと判定する。

図５は、クランク角度１５度ごとに実行される処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ１のＣＰＵによって、より具体的には図４に示される燃料状態判定装置によって実行される。

圧縮行程において上死点以前にあるかどうかを判定し（S101）、上死点前であれば、センサ出力補正式のパラメータを同定する処理（図７）に入り、パラメータk₁およびC₁を更新する（S115）。

ステップS101で圧縮上死点前でないならば、失火MILオンフラグが１になっているかどうかを点検する（S103）。このフラグが１になっていることは、すでに何度か失火の判定が行われ、失火の警告が出されていることを意味する。このフラグが１になっていなければ、失火判定処理に移る（S105）。この結果、失火が判定されて、失火フラグが１になると（S107）、失火回数のカウントが進められる(S109)。失火判定処理（S105）が走ると、判定サイクルのカウント、すなわちサイクル数がカウントアップされる（S111）。所定サイクル数において何回失火があったかに基づいて、失火MIL（失火警告）を発生することができるよう、サイクル数をカウントする。失火MILオンフラグが１になっているときは、サイクル数カウントおよび失火カウントをリセットして処理を終える（S113）。

次に図６を参照して図５の失火判定処理（S105）の詳細を説明する。まず、ピストンの上死点の位置から現在の位置までの変位（距離）ｍを先に示した式（１）により計算する（S131）。次いでこの変位ｍを用いて、式（２）によりシリンダの現在の容積V_cを計算する（S132）。

エンジンの吸気管に設けられたエアフローメータ５および吸気温センサ９（図１）により検出された吸気量Ｇ０および吸気温度Ｔを読み込む（S133）。

ステップＳ１３４〜Ｓ１３６において、エアフローメータで検出された空気量Ｇ０を補正する。この実施例では、内的吸気量として、吸気管に還流されるＥＧＲガスおよび吸気管にパージされる蒸発燃料を用い、ＥＧＲ率およびパージされる蒸発燃料量に基づく補正を行う。ステップＳ１３４において、所定の制御で算出された、またはＥＧＲバルブ１１の開度に基づいて算出されたＥＧＲ率ＫＥＧＲに基づいて、図９の（ａ）に示すようなマップを参照し、対応する補正係数ＫＥＧＲ＿ＣＰを求める。該マップは、ＥＧＲ率ＫＥＧＲが大きくなるほど、補正係数ＫＥＧＲ＿ＣＰが大きくなるよう設定されている。これは、ＥＧＲ率が高くなるほど、気筒に吸入されるＥＧＲガスの量が増えるため、吸気量Ｇ０を増加する方向に補正するためである。該マップは、ＥＣＵ１のメモリに予め記憶しておくことができる。

ステップＳ１３５において、所定の制御で算出された、またはパージ制御弁１９の開度に基づいて算出されたパージされる蒸発燃料率ＫＰＧＣに基づいて、図９の（ｂ）に示すようなマップを参照し、対応する補正係数ＫＰＵＲＧＥ＿ＣＰを求める。該マップは、蒸発燃料率が大きくなるほど、補正係数ＫＰＵＲＧＥ＿ＣＰが大きくなるよう設定されている。これは、パージされる蒸発燃料率が高くなるほど、気筒に吸入される蒸発燃料の量が増えるため、吸気量Ｇ０を増加する方向に補正するためである。該マップは、ＥＣＵ１のメモリに予め記憶しておくことができる。

ステップＳ１３６において、検出された新気の量Ｇ０を、以下の式に従って補正し、補正済み吸気量Ｇを算出する。
Ｇ＝Ｇ０×（１＋ＫＥＧＲ＿ＣＰ＋ＫＰＵＲＧＥ＿ＣＰ）

ステップＳ１３７において、ステップＳ１３６で算出された吸気量Ｇを用い、先に示した式（４）に従って、モータリング圧力の推定値PMを計算する。

筒内圧センサ３７の出力に基づく実際の筒内圧力を読み込み（S139）、上述した補正式により補正する（S141）。エンジンの回転数NEおよび吸気管の絶対圧PBに基づいて失火判定のためのしきい値のマップ（図示せず）を検索する（S143）。モータリング圧力は、エンジンの負荷状態によって異なるため、負荷状態に応じた判定しきい値を予めマップとして用意しておき、このマップを検索するようにしている。該マップは、ＥＣＵ１のメモリに記憶しておくことができる。

次いで判定ステージを選択する（S145）。これはエンジンの状態に応じて最も適切なタイミングで失火判定を行うためであり、たとえばエンジンの吸排気バルブにタイミングを変更可能な可変バルブ機構を備えたものであれば、タイミングが高回転用に制御されているか、アイドル状態か、ファイアモード（エンジン始動直後に、排気系の触媒を活性化するために高温の排気を排気系に送るモード）かどうか、などに応じて判定ステージが選択される。それぞれのステージマップには、失火判定をしてよい期間（図２の期間ｂの中での特定の期間）が設定されている。図６のステップS147では、この特定の期間を判定ゲートと呼んでいる。

判定ゲートにあれば、補正された筒内圧力の実測値PSと推定モータリング圧力PMとの比PS/PMが、ステップS143で検索した判定しきい値より大きいかどうか判定する（S149）。比PS/PMがしきい値より大きいときは、正常に点火が行われていると判定され、処理を終える。比PS/PMがしきい値以下であるときは、失火を生じたと判定し、失火フラグが１にセットされる（S151）。失火は、ある予め決められた期間に判定値を超える回数発生すると、失火確立と判定され、失火警報（失火MIL）がオンにされる。

図７を参照して図５のパラメータ同定処理(S115)の流れを説明する。パラメータの同定処理は、圧縮行程の終わり近く、すなわち上死点の近傍で行われる。ピストンが圧縮行程の終わり近くにある状態を同定ステージと呼ぶ。ステップS161において、同定ステージにないときは、パラメータ同定の演算に使用するデータを集める計測ステージにあるかどうかを判定し（S173）、このステージにあればデータをバッファ（ＥＣＵ１のメモリ）に取り込み（S174)、前回の演算結果をリセットして（S175）、処理を終える。計測ステージにないときも前回の演算結果をリセットして処理を終える。図７のプロセスは、所定のクランク角度（この実施例では、前述したように１５度）ごとに実施されるので、計測ステージにあるときには、該所定のクランク角度ごとに、パラメータ同定に用いられるデータがバッファに取り込まれることとなる。

ステップＳ１６１で同定ステージにあるとき、計測ステージで取り込んだデータを用いて、既に述べた式（１）にしたがってピストン位置を計算し、式（２）にしたがってシリンダ容量を計算する（S163）。さらに、計測ステージで取り込んだ、エアフローメータ５の検出値Ｇ０および吸気温センサ９の検出値Ｔを読み込む（S165）。

ステップＳ１６６〜Ｓ１６８において、エアフローメータの検出値Ｇ０を補正する。この補正は、ステップＳ１３４〜Ｓ１３６と同様に行われる。該補正で用いられるＥＧＲ率および蒸発燃料率は、計測ステージで取り込まれている。ステップＳ１６６において、所定の制御で算出された、またはＥＧＲバルブ１１の開度に基づいて算出されたＥＧＲ率ＫＥＧＲに基づいて、図９の（ａ）に示すようなマップを参照し、対応する補正係数ＫＥＧＲ＿ＣＰを求め、ステップＳ１６７において、所定の制御で算出された、またはパージ制御弁１９の開度に基づいて算出された蒸発燃料率ＫＰＧＣに基づいて、図９の（ｂ）に示すようなマップを参照し、対応する補正係数ＫＰＵＲＧＥ＿ＣＰを求める。ステップＳ１６８において、検出された新気の量Ｇ０を、ステップＳ１３４の所で説明した式に従って補正する。

ステップＳ１６９において、補正済み吸気量Ｇを用いて、式（４）に従い、モータリング圧力ＰＭを計算する。さらに、ステップＳ１７０において、計測ステージで取り込んだ筒内圧センサ３７の出力に基づく実際の筒内圧力を読み込み、（９）式に従ってパラメータｋ₁およびC₁を同定する（S171）。次いで、収束判定プロセスを実施し、誤差の分散および標準偏差を計算する（S172）。これは、先に式（４）で示した状態方程式が、同定されたパラメータにより収束するかどうかを判定するための計算であり、図８を参照して説明する。

図８に移り、同定されたパラメータｋ₁およびC₁を用いた補正式 PS = PS(θ)k₁ + C₁で計算される筒内圧センサ３７による筒内圧力PSと、燃焼室の気体状態方程式から演算されるモータリング圧力推測値PMとの差の分散、および標準偏差またはそれらの近似値を計算する。基本的な考え方は、標準偏差が予め定めた値以下であるときには、モータリング圧力推定値PMと実測値PSとの誤差が収束すると判定し、同定されたパラメータｋ₁、C₁を適正なパラメータとして採用するものである。誤差が収束しないときは、筒内圧センサに異常が生じるなどしてノイズを発生している、演算がオーバーフローしているなどの障害が発生している可能性がある。

同定したパラメータｋ₁、C₁を用いて、上述した補正式で補正した筒内圧センサの出力値ＰＳを計算し（S181）、誤差E(i)=PM(i)-PS(i)を計算する（S183）。誤差E(i)に基づいて、既知の演算手法により分散またはその近似値σを計算する（S189）。ここで、ｉは、０〜ｎの値をとり、ｎは、パラメータ同定で用いたデータ数を示し、式（９）のｎに対応する。

こうして計算された分散の平方根として標準偏差STDVを計算し（S191）、標準偏差が予め定めたしきい値以上であるときは（S193）、誤差が収束しないと判定し、収束不良フラグ（F_収束_NG）を１にセットする（S195）。収束不良フラグが１になる回数をカウントアップし（S199）、カウントが100以上になると（S201）、筒内圧センサの異常を示すフラグを１にセットする。図８の収束判定の処理は、同定処理において演算される（１サイクルに１回）。ステップS199でのカウントアップは、クランク角度15度ごとのカウントアップである。

ステップS193で標準偏差がしきい値に達しないときは、誤差が収束するものとし、収束不良フラグを０にセットして（S197）、処理を終了する。

失火警報は、具体的には、運転席のパネルに警告灯を点灯する、エンジンスタート時に音声で異常を運転者に告げ、修理を促す、車両を異常モードの運転に強制的に切り替え、修理を強制する、などの方法で発せられる。

図１０は、図３に示すブロック図の代替形態を示す。この形態によると、モータリング圧力補正部７２は設けられておらず、基本モータリング圧力計算部７１で計算される基本モータリング圧力GRT/V_Cが燃焼室の気体状態方程式に基づくモータリング圧力の推定値ＰＭとして用いられる。

以上にこの発明を具体的な実施例について説明したが、この発明はこのような実施例に限定されるものではなく、また、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンのいずれに対しても使用することができる。また、この発明は、燃料噴射弁を燃焼室に臨むよう設ける筒内噴射式のエンジンにも使用することができる。

この発明の一実施形態に従う、エンジンおよびその制御装置の全体的な構成を示す図。 モータリング圧力曲線および点火を生じたときの圧力曲線を表す図。 この発明の一実施形態に従う、燃焼状態判定装置の機能ブロック図。 ピストン位置を計算するための概念図。 この発明の一実施形態に従う、失火検知処理のメインフローを示すフローチャート。 この発明の一実施形態に従う、失火判定処理の流れを示すフローチャート。 この発明の一実施形態に従う、パラメータ同定処理の流れを示すフローチャート。 この発明の一実施形態に従う、収束判定の処理の流れを示すフローチャート。 この発明の一実施形態に従う、ＥＧＲ率およびパージされる蒸発燃料量に対応する補正係数を規定するマップ。 この発明の代替形態に従う、燃焼状態判定装置の機能ブロック図。

符号の説明

１０ 電子制御ユニット（ECU）
３７ 筒内圧センサ
６５ センサ出力検出部
６７ センサ出力補正部
６９ 燃焼室（シリンダ）容積計算部
７０ モータリング圧力推定部
７１ 基本モータリング圧力計算部
７２ モータリング圧力補正部
７３ パラメータ同定部
７５ 吸気量補正部

Claims (5)

1. 内燃機関の燃焼状態を判定するための装置であって、
   前記内燃機関の燃焼室の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
   前記内燃機関のクランク角度を検出するクランク角度検出手段と、
   前記クランク角度検出手段で検出されるクランク角度に基づいて燃焼室の容積を算出する算出手段と、
   前記内燃機関の外部から新気として流入する吸気量を検出する吸気量検出手段と、
   前記吸気量検出手段によって検出されない内的吸気量を推定する内的吸気量推定手段と、
   前記算出された容積、前記検出された吸気量、および前記推定された内的吸気量を含む演算式により、内燃機関のモータリング圧力を推定する推定手段と、
   前記内燃機関の圧縮行程において、前記筒内圧検出手段で検出される圧力を補正式に従って補正する補正手段と、
   前記補正手段によって補正される検出圧力と、前記推定手段によって推定される圧力との誤差を最小にするよう前記補正式のパラメータを同定する同定手段と、
   前記内燃機関の燃焼行程において、前記補正手段で補正された圧力と、前記推定手段によって推定された圧力との関係に基づいて燃焼状態を判定する判定手段と、を備える、
   装置。
2. 前記内燃機関は、排ガスを吸気側に還流する排ガス還流手段をさらに備え、前記内的吸気量は、該排ガス還流手段により還流される排ガスの量である、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記内燃機関は、蒸発燃料を吸気側にパージする蒸発燃料処理手段をさらに備え、前記内的吸気量は、該蒸発燃料処理手段によりパージされる蒸発燃料の量である、
   請求項１に記載の装置。
4. 前記内燃機関は、クランクケースに流入したブローバイガスを吸気側に還流するブローバイガス還流手段をさらに備え、前記内的吸気量は、該ブローバイガス還流手段により還流されるブローバイガスの量である、
   請求項１に記載の装置。
5. 前記内燃機関は、制動装置を稼動させるための負圧発生装置をさらに備え、前記内的吸気量は、該負圧発生装置から吸気側に流入する空気の量である、
   請求項１に記載の装置。

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