JP2010013961A - 内燃機関の燃焼状態判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単かつ安価な構成でありながら、精度良く内燃機関の燃料供給状態延いては燃焼状態を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。
【解決手段】 本発明に係る内燃機関の燃焼状態判定装置は、膨張行程における内燃機関１の回転速度ＥＳの変化（ΔＥＳ）に関連する情報（ΔＴ）を取得する回転速度変化情報取得手段（ＥＣＵ４、回転パルサー２、回転センサ３）と、前記回転速度変化情報取得手段により取得された回転速度変化情報（ΔＴ）と予め定めた閾値とを比較することによって該当気筒の燃焼状態を判定する燃焼状態判定手段と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃焼状態に関連する情報を取得して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。

従来より、内燃機関の各気筒の燃料噴射状態延いては燃焼状態等を把握し、例えば気筒毎に最適な燃焼状態を得ることができるようするための技術が種々提案されていると共に、近年では、例えば車載式故障診断装置（ＯＢＤ：Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ）等における故障診断項目の一つとして、故障や劣化による燃料噴射弁（インジェクタ）の噴射異常延いては異常燃焼状態等を検出することなどが行われている。

このような燃料噴射弁の燃料供給異常（噴射異常）や異常燃焼状態等を検出する技術として、例えば、特許文献１には多気筒内燃機関の異常気筒検出装置が記載されており、このものは、一例として。故障インジェクタ特定処理において、ある気筒の爆発行程（膨張行程）毎の回転速度変動偏差が、他の気筒の爆発行程毎の回転速度変動偏差に比べて所定値（故障判定閾値）以上大きい、或いは小さい場合に、その気筒を異常気筒として特定するといった構成である。

特開２００２−１２２０３７号公報

しかしながら、本発明者等が種々の調査研究を行った結果、気筒毎の燃焼状態を判定する場合、気筒間における回転速度変動偏差を比較して故障気筒を特定する方法には、以下のような問題があることが確認された。

すなわち、各気筒において、サイクル毎に燃料噴射状態の変動や燃焼状態に関連する他の要因（例えば気筒毎の吸入空気量）の変動などが存在するため、サイクル毎に各気筒の燃焼状態は変動する。このため、他の気筒の回転速度変動偏差との比較により故障気筒を特定しようとする場合、例えばサイクル毎の各気筒の燃焼状態の変動が、比較対象である（判定の基準となる）側の回転速度変動偏差にも影響を与えてしまうといった惧れがあると共に、故障気筒が複数ある場合において当該故障気筒が比較対象である（判定の基準となる）側の回転速度変動偏差に影響を与えてしまう惧れがあり、従って検出精度が比較的低くなるなど、実用上、故障判定閾値の設定が難しいといった実情がある。

このため、例えば、特許文献１に記載される方法において誤検出を防止しようとすると、無噴射（燃料噴射が行われないような噴射異常）レベルに故障判定閾値を設定しなければならず、要求される噴射異常の検出レベルを満足することができなくなる惧れが高いものであった。

本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、簡単かつ安価な構成でありながら、精度良く内燃機関の燃料供給状態延いては燃焼状態を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を目的とする。

このため、本発明に係る内燃機関の燃焼状態判定装置は、図１に示すように、
膨張行程における内燃機関の回転速度の変化に関連する情報を取得する回転速度変化情報取得手段と、
前記回転速度変化情報取得手段により取得された回転速度変化情報と、予め定めた閾値と、を比較することによって、該当気筒の燃焼状態を判定する燃焼状態判定手段と、
を備えたことを特徴とする。

本発明において、前記閾値は、燃料供給量に応じて設定されることを特徴とすることができる。

本発明において、前記回転速度変化情報取得手段は、クランク回転角度の所定間隔毎の所要時間の変化を、回転速度の変化に関連する情報として用いることを特徴とすることができる。

本発明において、内燃機関の燃焼状態には、燃料の供給状態が含まれることを特徴とすることができる。

本発明によれば、簡単かつ安価な構成でありながら、精度良く内燃機関の燃料供給状態延いては燃焼状態を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ができる。

以下、本発明に係る一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

本発明の一実施の形態に係る内燃機関の燃焼状態判定装置の概略的な全体構成を、図２に基づいて説明する。

図２に示すように、本発明の一実施の形態に係る燃焼状態判定装置においては、例えばディーゼル燃焼機関等の内燃機関（エンジン）１の各気筒（図２では、６気筒で例示しているが、単気筒或いは複数気筒の燃焼機関に適用可能である）の燃焼室に臨んで燃料噴射弁５（例えば、電磁弁により開閉駆動されるユニットインジェクタ）が配設されている。

各燃料噴射弁５は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）４からの制御信号に基づいて、運転状態（アクセル踏込量、内燃機関１の回転速度など）に応じて開弁時期、開弁期間などが制御され、図示しない燃料ポンプ延いてはコモンレール（図示せず）から所定圧力で給送される燃料を、所定のタイミングで、所定の噴射量、噴射期間、噴射率等をもって、対応する気筒の燃焼室に噴射供給するようになっている。

また、内燃機関１のクランク軸に一体的に回転連結された回転パルサー２が取り付けられており、当該回転パルサー２の外周には、例えば６度（ｄｅｇｒｅｅ）毎に凹凸歯が形成されている。

この一方、前記回転パルサー２の凹凸歯に対向して電磁式の回転センサ（ピックアップセンサ）３が配設されており、前記回転パルサー２がクランク軸と伴に回転されて前記凹凸歯が回転センサ３を通過する際の電磁誘導によって回転センサ３から、ＥＣＵ４に対してクランク角度信号（回転信号）が出力されるようになっている。但し、当該構成に限定されるものではなく、ホール素子やホトトランジスタ等を用いた他のクランク角度信号生成装置を用いることもできる。

そして、ＥＣＵ４では、当該クランク角度信号や内蔵タイマーの計時結果等に基づいて、内燃機関１の回転速度等を取得することができるようになっている。

また、本実施の形態では、例えば、クランク軸延いては回転パルサー２の１回転（所定の気筒の圧縮上死点位置など）を検出するための突起及びピックアップを設けたり、或いは前記回転パルサー２の凹凸歯の一部を欠歯しておくことで、ＥＣＵ４では、クランク軸延いては回転パルサー２の１回転（所定の気筒の圧縮上死点（ＴＤＣ）など）を検出することができるようになっている。

このように所定の気筒の圧縮上死点が検出できれば、ＥＣＵ４では、前記回転パルサー２及び回転センサ３により取得される所定角度（ここでは６度）毎のクランク角度信号に基づいて、所定クランク角度（例えば６気筒の場合は、１２０度）毎の燃焼順序（例えば、第１気筒→第４気筒→第２気筒→第６気筒→第３気筒→第５気筒）に応じた他の気筒の圧縮上死点を取得することができる。なお、図３では、燃焼順序は機種等により異なるため、着火順序（燃焼順序）を、６番目に着火する気筒を＃６、１番目に着火する気筒を＃１、２番目に着火する気筒を＃２として示している。

ここにおいて、本実施の形態では、内燃機関１の性能と燃料の噴射特性などが一定の状態では、膨張行程における各気筒の回転速度の速度変化が、各気筒の燃料噴射弁５から噴射供給される燃料の燃焼により発生される力に依存することに着目し、ＥＣＵ４により各気筒の燃料噴射弁５に指示される指示噴射量（指示燃料供給量）に対応して予め定められた異常判定閾値と、各気筒の膨張行程における回転速度の速度変化と、を比較することで、気筒を特定しつつ燃料の噴射異常延いては燃焼異常を検出し、該当気筒において噴射異常延いては燃焼異常が発生していると検出或いは判定するように構成されている。

具体的には、本実施の形態に係るＥＣＵ４では、以下のようにして、燃料の噴射異常や燃焼異常を気筒を特定して検出或いは判定することができる。但し、気筒を特に特定しないで燃料の噴射異常や燃焼異常を検出或いは判定することも勿論可能である。

すなわち、ＥＣＵ４では、回転パルサー２及び回転センサ３から出力されるクランク角度信号（回転信号：図３の（Ａ）参照）に基づいて内燃機関１の回転速度（ＥＳ＝ＥＳ１、ＥＳ２、ＥＳ３、ＥＳ４：図３の（Ｃ）参照）を取得し、当該回転速度ＥＳの変化である回転速度の速度変化（ΔＥＳ＝ＥＳ２−ＥＳ１：該当気筒の圧縮上死点付近における平均回転速度ＥＳ１と、そこからクランク角度で３０度から６０度まで（すなわち、燃焼圧力のクランク軸回転に与える影響が大きい領域）の平均回転速度ＥＳ２と、の偏差：図３の（Ｃ）参照）を取得する。

なお、ＥＣＵ４では、内燃機関１の回転速度（ＥＳ）やその速度変化（ΔＥＳ）の算出に用いる一定のクランク角度間隔（ここでは、例えば３０度）に要した時間（Ｔ＝Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４：図３の（Ｂ）参照）を利用して、クランク角度間隔時間（Ｔ）の偏差（ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１、Ｔ１：該当気筒の圧縮上死点（ＴＤＣ）からクランク角度で３０度進むのに要したクランク角度間隔時間、Ｔ２：該当気筒の圧縮上死点後クランク角度で３０度の時点からクランク角度で６０度の時点まで進むのに要したクランク角度間隔時間）を算出し、これを、回転速度の速度変化（ΔＥＳ）の代わりに用いることで、演算処理等の簡略化等を図ることができる。

ここで、回転速度の速度変化（ΔＥＳ）或いはクランク角度間隔時間（Ｔ）の偏差（ΔＴ）が、本発明に係る内燃機関の回転速度の変化に関連する情報に相当する。

そして、ＥＣＵ４では、このようにして取得した各気筒の膨張行程における回転速度（ＥＳ）の速度変化（ΔＥＳ）或いはクランク角度間隔時間（Ｔ）の偏差（ΔＴ）に基づいて、図５に示すようなマップを参照して、燃料の噴射異常延いては燃焼異常を気筒を特定して検出する。

ここにおいて、上述したＥＣＵ４において実行される各処理が、本発明に係る回転速度変化情報取得手段、燃焼状態判定手段として機能するものである。

図５のマップは、ＥＣＵ４により各気筒の燃料噴射弁５に指示される指示噴射量（指示燃料供給量）に対応して異常判定閾値が設定されている。具体的には、回転速度（ＥＳ）の速度変化（ΔＥＳ）或いはクランク角度間隔時間（Ｔ）の偏差（ΔＴ）が所定範囲にあれば正常領域にあるとして正常判定し、所定より小さい場合には何らかの要因（故障、経時劣化など）により燃料噴射量が特定気筒だけ少ない或いは燃焼状態が悪い（燃焼圧力の増加率が小さ過ぎる）などとして減異常領域にあると異常判定し、所定より大きい場合には何らかの要因（故障、経時劣化など）により燃料噴射量が特定気筒だけ多い或いは燃焼状態が良過ぎる（燃焼圧力の増加率が大き過ぎる）などとして増異常領域にあると異常判定する。

なお、当該マップは、例えば燃焼状態（燃焼状態に影響を与える要因、例えば吸入空気流量、スワールや乱れなどの気筒内空気流動、燃焼室廻り（シリンダヘッド、ピストン、シリンダライナなど）の温度状態など）の気筒間バラツキが大きい場合などには、気筒毎に設定（気筒毎に異常判定閾値が異なるよう設定）することも可能である。

なお、正常領域と減異常領域との間には誤判定防止のため異常判定を行わないヒス領域が設けられていると共に、正常領域と増異常領域との間にも同様のヒス領域が設けられている。例えば、ヒス領域判定が頻繁に生じる場合には、異常となる惧れが高いとして異常判定し、使用者に調査や早めの整備を促すように構成することもできる。

また、誤判定を防止して判定精度を上げるために、例えば燃料噴射量が安定している内燃機関１の運転領域で判定処理を行うようにすることができる。例えば、運転者がアクセルペダルから足を離しているアイドル運転領域において判定処理を行うように構成することができる。

すなわち、図４のフローチャートに例示するように、
Ｓ（ステップ、以下、同様。）１で、内燃機関１の運転状態が、判定処理の実行を許可可能な運転状態であるか否かを判断する。ＹＥＳであればＳ２へ進み、ＮＯであれば判定処理の実行を許可することなく、リターンする。

Ｓ２では、上述した判定処理を実行し、各気筒の膨張行程における回転速度（ＥＳ）の速度変化（ΔＥＳ）或いはクランク角度間隔時間（Ｔ）の偏差（ΔＴ）に基づいて、図５に示すマップを参照し、増異常領域或いは減異常領域にあるか否か（燃料の噴射異常や燃焼異常が生じているか否か）を判定する。

ＹＥＳの場合には、Ｓ３へ進み、増異常領域或いは減異常領域にある（燃料の噴射異常や燃焼異常が生じている）として、異常処理を実行した後、Ｓ１へ戻る。例えば、異常判定結果に関する情報（判定日時、回転速度（ＥＳ）、速度変化（ΔＥＳ）、クランク角度間隔時間（Ｔ）、その偏差（ΔＴ）などの各値、異常レベルなど）を異常気筒或いは各気筒と関連付けてＥＣＵ４内の記憶部に記憶したり、運転者に整備・修理等を促すように報知したり、内燃機関１の運転状態（負荷や回転速度）に制限をかけた異常判定モードでの走行のみを許可するなどの処理を実行することができる。

ＮＯの場合は、正常であるので、Ｓ４へ進み、正常処理を実行した後、Ｓ１へ戻る。例えば、正常判定結果に関する情報（判定日時、回転速度（ＥＳ）、速度変化（ΔＥＳ）、クランク角度間隔時間（Ｔ）、その偏差（ΔＴ）などの各値）を各気筒と関連付けてＥＣＵ４内の記憶部に記憶したり、運転者に正常である旨を報知するなどの処理を実行することができる。

このように、本実施の形態に係る内燃機関の燃焼状態判定装置によれば、各気筒の膨張行程における回転速度（ＥＳ）の速度変化（ΔＥＳ）或いはクランク角度間隔時間（Ｔ）の偏差（ΔＴ）に基づいて、図５に示すマップを参照し、増異常領域或いは減異常領域にあるか否か（燃料の噴射異常や燃焼異常が生じているか否か）を判定する構成としたので、従来のように他の気筒の回転速度変動偏差との比較により故障（異常）判定するもののように、サイクル毎の各気筒の燃焼状態の変動が、判定の基準となる側の回転速度変動偏差に影響を与えたり、故障気筒が複数ある場合に当該故障気筒が判定の基準となる側の回転速度変動偏差に影響を与え、以って検出精度が低くなるといったことを確実に回避することができる。

すなわち、本実施の形態に係る内燃機関の燃焼状態判定装置は、外乱等に対して強く、複数気筒に異常等が生じた場合でも、高精度に異常の有無を判定することができる。

従って、本実施の形態に係る内燃機関の燃焼状態判定装置は、ＥＣＵ４の演算処理の内容を変更するといった簡単かつ安価な構成でありながら、高精度に内燃機関１の各気筒の燃料噴射状態（燃料供給状態）延いては燃焼状態等を取得して、当該取得した情報に基づいて高精度に正常／異常を判定することができる。

また、本実施の形態に係る内燃機関の燃焼状態判定装置のように、正常／異常の判定処理の実行を許可する内燃機関１の運転状態を所定の運転状態に制限する構成とすれば、より一層高精度に正常／異常の判定を行うことができる。

なお、本実施の形態において、内燃機関１は、例えばディーゼル燃焼を行うディーゼルエンジンとすることができるが、これに限定されるものではなく、ガソリンその他の物質を燃料とする内燃機関とすることができ、更に移動式・定置式の内燃機関とすることができる。

以上で説明した実施の形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは可能である。

本発明に係る内燃機関の燃焼状態判定装置の構成を説明するブロック図である。 本発明の一実施の形態に係る内燃機関の燃焼状態判定装置の全体構成を概略的に示した図である。 同上実施の形態において用いられるクランク角度信号、時間更新クランク角度、内燃機関（エンジン）の回転速度（ＥＳ）及びその速度変化（ΔＥＳ）、クランク角度間隔時間（Ｔ）及びその偏差（ΔＴ）を説明するタイミングチャートである。 同上実施の形態に係る内燃機関の燃焼状態判定装置が実行する判定処理制御の一例を説明するフローチャートである。 同上実施の形態において用いられる異常判定マップ（指示噴射量（指示燃料供給量）に対応して設定された異常判定閾値）の一例を示した図である。

符号の説明

１ 内燃機関（エンジン）
２ 回転パルサー
３ 回転センサ
４ ＥＣＵ
５ 燃料噴射弁（インジェクタ）

Claims (4)

1. 膨張行程における内燃機関の回転速度の変化に関連する情報を取得する回転速度変化情報取得手段と、
   前記回転速度変化情報取得手段により取得された回転速度変化情報と、予め定めた閾値と、を比較することによって、該当気筒の燃焼状態を判定する燃焼状態判定手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の燃焼状態判定装置。
2. 前記閾値は、燃料供給量に応じて設定され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. 前記回転速度変化情報取得手段は、クランク回転角度の所定間隔毎の所要時間の変化を、回転速度の変化に関連する情報として用いることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の燃焼状態判定装置。
4. 内燃機関の燃焼状態には、燃料の供給状態が含まれることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の内燃機関の燃焼状態判定装置。
   

Images