JP2013032726A - Abnormality diagnostic device for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の異常診断装置に係り、特に実際の気筒内圧力データ等に基づいて、異常発生前のシリンダコンディションを診断する装置に関する。 The present invention relates to an abnormality diagnosis apparatus for an internal combustion engine, and more particularly to an apparatus for diagnosing a cylinder condition before occurrence of an abnormality based on actual cylinder pressure data and the like.
内燃機関の異常診断を行う手法としては、シリンダライナ、ピストン、ピストンリング、排気弁等の燃焼室構成部品の異常摩耗やスカッフィング、クラック、焼損等、いわゆるシリンダコンディションの悪化を検知する方法として、オイルミストデテクターやシリンダライナの温度計測等といった方法がある。しかし、これらの手法はいずれも、異常が発生して初めて検知できるものである。 As a method for diagnosing abnormalities in an internal combustion engine, a method for detecting deterioration of so-called cylinder conditions such as abnormal wear, scuffing, cracks, burnout, etc. of combustion chamber components such as cylinder liners, pistons, piston rings, exhaust valves, etc. There are methods such as mist detector and cylinder liner temperature measurement. However, any of these methods can be detected only after an abnormality occurs.
これに対し、気筒内圧力データ(燃焼室内圧力データ)等を基に異常診断を行い、燃焼室構成部品の損傷や劣化、および性能悪化等を起こす危険性を検知するといった異常診断装置も存在する。このような装置では例えば、燃焼室内圧力や燃料噴射量、トルク、および排気ガス温度等のデータについて、各々エンジンについて経験的に許容値を設定し、この許容値を基準として異常発生の有無を診断するというものである。 On the other hand, there is also an abnormality diagnosis device that performs abnormality diagnosis based on in-cylinder pressure data (combustion chamber pressure data), etc., and detects the risk of causing damage or deterioration of combustion chamber components and performance deterioration. . In such a device, for example, permissible values are set empirically for each engine for data such as pressure in the combustion chamber, fuel injection amount, torque, and exhaust gas temperature, and the presence or absence of abnormality is diagnosed based on this permissible value. It is to do.
そのような異常診断装置としては、例えば特許文献1〜4に開示されているようなものを挙げることができる。特許文献1に開示されている装置は、気筒内圧力センサに基づいた演算から図示トルクを求め、図示トルクの値から燃料噴射系の異常の有無を診断するものである。 Examples of such an abnormality diagnosis device include those disclosed in Patent Documents 1 to 4. The device disclosed in Patent Document 1 obtains the indicated torque from the calculation based on the in-cylinder pressure sensor, and diagnoses the presence or absence of an abnormality in the fuel injection system from the indicated torque value.
特許文献2に開示されている装置は、燃焼室内圧力とクランク角を検出し、検出された燃焼室内圧力と基準圧力との差圧を各クランク角に対応させて算出する。そして、各クランク角における差圧と任意のクランク角における差圧との燃焼室内圧力比を求め、この値に基づいて、ノッキングや失火、消炎、及び燃焼室内圧力の過昇等を診断するというものである。 The apparatus disclosed in Patent Document 2 detects the pressure in the combustion chamber and the crank angle, and calculates the differential pressure between the detected pressure in the combustion chamber and the reference pressure in correspondence to each crank angle. Then, the combustion chamber pressure ratio between the differential pressure at each crank angle and the differential pressure at an arbitrary crank angle is obtained, and knocking, misfire, flame extinction, excessive increase in the pressure in the combustion chamber, etc. are diagnosed based on this value. It is.
また、特許文献3に開示されている装置は、筒内圧力検出器により検出された基準筒内圧力(燃焼室内圧力)の平均値と、基準筒内圧力との圧力差に基づいて、シリンダ内の燃焼状態の診断を行うというものである。 Further, the device disclosed in Patent Document 3 is based on the pressure difference between the average value of the reference in-cylinder pressure (combustion chamber pressure) detected by the in-cylinder pressure detector and the reference in-cylinder pressure. The combustion state is diagnosed.
さらに、特許文献4に開示されている装置は、内燃機関の入力あるいは出力を推定もしくは検知して、スロットル開度、燃料噴射パルス幅、燃料噴射時期、点火時期、排気ガス再循環量等の補正を行う補正装置を備え、この補正装置による所定時間毎の補正量を記録して燃費の評価を行う。そして、燃費に基づいて、異常診断手段による異常判定を行うというものである。 Further, the device disclosed in Patent Document 4 estimates or detects the input or output of the internal combustion engine, and corrects the throttle opening, fuel injection pulse width, fuel injection timing, ignition timing, exhaust gas recirculation amount, and the like. A correction device for performing the above is provided, and a fuel consumption is evaluated by recording a correction amount every predetermined time by the correction device. Then, abnormality determination is performed by the abnormality diagnosis means based on the fuel consumption.
しかし、近年、出力率の上昇や、燃料性状の変化、あるいは部品の経年劣化等により、シリンダコンディションの悪化現象がしばしば発生し、事後対応に追われる例が多い。 However, in recent years, deterioration of cylinder conditions often occurs due to an increase in output rate, changes in fuel properties, aging of parts, and the like, and there are many cases where follow-up measures are followed.
特にトライボロジーに関する問題では、機械的負荷、熱的負荷、燃料性状、潤滑条件、材料特性、および表面粗度等、影響する因子が複雑多岐に亘るため、原因の特定が難しい。このため、原因の究明と、問題解決のための対策に相当な時間と費用を要する場合がある。
このようなシリンダコンディションの悪化現象の主な原因の1つとしてしばしば挙げられるものに、燃焼ガスによる熱負荷がある。
In particular, problems related to tribology make it difficult to identify the cause because there are a variety of influencing factors such as mechanical load, thermal load, fuel properties, lubrication conditions, material characteristics, and surface roughness. For this reason, considerable time and cost may be required to investigate the cause and take measures to solve the problem.
One of the main causes of the deterioration of the cylinder condition is a thermal load caused by combustion gas.
しかし、この熱負荷を診断する従来の異常診断技術は上述したように、燃焼室内圧力や、燃料噴射量、トルク、排気ガス温度等のデータによって異常診断を行うものであり、定量的な診断を行う事ができる指標とは言えず、十分な精度がない。このため、シリンダコンディションの悪化、特にトライボロジーに関する事故損傷等が後を絶たないというのが実状である。 However, as described above, the conventional abnormality diagnosis technique for diagnosing this heat load is to perform abnormality diagnosis based on data such as pressure in the combustion chamber, fuel injection amount, torque, exhaust gas temperature, etc. It is not an indicator that can be done, and it is not accurate enough. For this reason, the actual condition is that the deterioration of the cylinder condition, in particular, accidental damage related to tribology, etc., will not stop.
もちろん、シリンダコンディションの悪化現象には、熱負荷以外の原因もあり、例えば燃料中に製油時に使用する触媒粒子が残存し、シリンダライナや、ピストンリング、噴射弁等の異常摩耗を起こす例もあるが、これは非常に明快な原因があり、対策も容易であるため、本発明による解決課題の範疇ではない。 Of course, the deterioration of the cylinder condition may be caused by factors other than heat load. For example, catalyst particles used during oil production may remain in the fuel, causing abnormal wear of cylinder liners, piston rings, injection valves, etc. However, this has a very clear cause and is easy to take countermeasures.
本発明では、実際の気筒内圧力データ(燃焼室内圧力データ)等に基づいて、燃焼室構成部品にかかる熱負荷を精度よく定量的に演算、診断して、燃焼ガスによる燃焼室構成部品の熱負荷に起因するシリンダコンディションの悪化を未然に防止する内燃機関の異常診断装置を提供することを目的とする。 In the present invention, based on actual cylinder pressure data (combustion chamber pressure data) and the like, the heat load applied to the combustion chamber component is accurately and quantitatively calculated and diagnosed, and the heat of the combustion chamber component due to the combustion gas is calculated. An object of the present invention is to provide an internal combustion engine abnormality diagnosis device that prevents deterioration of cylinder conditions caused by a load.
上記目的を達成するための本発明に係る内燃機関の異常診断装置は、燃焼室内の圧力を検出する気筒内圧力センサと、ピストンを作動させるクランク軸の角度を検出するクランク角度センサと、前記燃焼室内に供給される給気温度を検出する給気温度センサと、前記給気の圧力を検出する給気圧力センサと、演算手段と、を備え、前記演算手段は、診断対象とする内燃機関における仕様データ、燃焼ガスの物性、前記気筒内圧力センサによって検出された燃焼室内圧力、前記クランク角度センサによって検出されたクランク角度、前記給気温度センサによって検出された給気温度、および前記給気圧力センサによって検出された給気圧力とを記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶されたデータに基づいて、燃焼室内の燃焼ガスと燃焼室壁面間の熱流束の大きさを相対的に表す指数を求め、前記指数と、予め求められている基準値とを比較して、内燃機関を構成するシリンダ単位の異常の有無を判定する演算部と、を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, an abnormality diagnosis apparatus for an internal combustion engine according to the present invention includes an in-cylinder pressure sensor that detects a pressure in a combustion chamber, a crank angle sensor that detects an angle of a crankshaft that operates a piston, and the combustion An air supply temperature sensor for detecting an air supply temperature supplied to the room, an air supply pressure sensor for detecting the pressure of the air supply, and an arithmetic means, wherein the arithmetic means is an internal combustion engine to be diagnosed. Specification data, physical properties of combustion gas, combustion chamber pressure detected by the cylinder pressure sensor, crank angle detected by the crank angle sensor, supply air temperature detected by the supply air temperature sensor, and supply air pressure Based on the data stored in the storage unit, the storage unit storing the supply air pressure detected by the sensor, between the combustion gas in the combustion chamber and the combustion chamber wall surface An index that relatively represents the magnitude of the heat flux is calculated, and the calculation unit that compares the index with a previously determined reference value to determine whether there is an abnormality in units of cylinders that constitute the internal combustion engine, It is characterized by having.
また、上記のような特徴を有する内燃機関の異常診断装置において前記演算部は、シリンダ単位の異常の有無を判定する第1判定の後、前記第1判定時にシリンダ毎に求めた前記指数の平均値である平均指数と、前記指数とを比較して、内燃機関を構成する各シリンダに関する異常の有無を判定する第2判定を行うようにすると良い。 Further, in the abnormality diagnosis device for an internal combustion engine having the above-described characteristics, the arithmetic unit calculates the average of the indices obtained for each cylinder at the time of the first determination after the first determination of determining whether there is an abnormality in each cylinder. It is preferable to compare the average index as a value with the index and perform the second determination for determining whether there is an abnormality in each cylinder constituting the internal combustion engine.
このようにして診断を行うことで、第1判定でシリンダ単位の絶対値診断を行い、第2判定で各シリンダ間のばらつき診断を行うこととなり、内燃機関としての異常検出の精度を向上させることができる。 By performing the diagnosis in this way, the absolute value diagnosis for each cylinder is performed in the first determination, and the variation diagnosis between the cylinders is performed in the second determination, thereby improving the accuracy of abnormality detection as the internal combustion engine. Can do.
また、上記のような特徴を有する内燃機関の異常診断装置において、前記演算部は、前記指数を、圧力値に基づいて定まる項と、温度に基づいて定まる項により構成される関数により求めるようにすると良い。 Further, in the abnormality diagnosis apparatus for an internal combustion engine having the above-described characteristics, the calculation unit obtains the index by a function including a term determined based on a pressure value and a term determined based on a temperature. Good.
このような構成とすることにより、実質的に算出が困難な内燃機関における燃焼室と壁面間の熱流束を、圧力値と温度に基づいて定まる関数により相対的に表すことが可能となる。 With this configuration, the heat flux between the combustion chamber and the wall surface in the internal combustion engine that is substantially difficult to calculate can be relatively represented by a function determined based on the pressure value and the temperature.
また、上記のような特徴を有する内燃機関の異常診断装置において前記関数は、各シリンダにおける燃焼開始時期のクランク角度における熱流束の大きさを相対的に表す値から、燃焼終了時期における熱流束の大きさを相対的に表す値までの積算値、あるいは、クランク軸が1回転する間の熱流束の大きさを相対的に表す値の積算値を求める関数とすると良い。
このようにして構成される関数を用いることで、計測毎のバラツキが少ない定量的な値を得ることができる。よって、異常診断の精度を向上させることができる。
Further, in the abnormality diagnosis apparatus for an internal combustion engine having the above-described characteristics, the function is a value representing a relative value of the heat flux at the crank angle at the combustion start timing in each cylinder, and the heat flux at the combustion end timing. A function for obtaining an integrated value up to a value relatively representing the magnitude, or an accumulated value of a value relatively representing the magnitude of the heat flux during one rotation of the crankshaft is preferable.
By using the function configured in this way, it is possible to obtain a quantitative value with little variation for each measurement. Therefore, the accuracy of abnormality diagnosis can be improved.
また、上記のような特徴を有する内燃機関の異常診断装置において前記関数は、各シリンダにおける燃焼開始時期のクランク角度における熱流束の大きさを相対的に表す値から、燃焼終了時期における熱流束の大きさを相対的に表す値までの平均値、あるいは、クランク軸が1回転する間の熱流束の大きさを相対的に表す値の平均値を求める関数としても良い。 Further, in the abnormality diagnosis apparatus for an internal combustion engine having the above-described characteristics, the function is a value representing a relative value of the heat flux at the crank angle at the combustion start timing in each cylinder, and the heat flux at the combustion end timing. It may be a function for obtaining an average value up to a value relatively representing the magnitude, or an average value of values relatively representing the magnitude of the heat flux during one rotation of the crankshaft.
このようにして構成される関数を用いた場合であっても、計測毎のバラツキが少ない定量的な値を得ることができる。よって、異常診断の精度を向上させることができる。 Even when a function configured in this way is used, a quantitative value with little variation for each measurement can be obtained. Therefore, the accuracy of abnormality diagnosis can be improved.
また、前記演算部は、前記第1判定において、前記指数と、予め求めておいた基準値との差分を求め、当該差分が予め定められた第1の閾値の範囲内にある場合に正常、前記差分が第1の閾値の範囲内に無い場合に異常と判定するようにすると良い。
このような診断を行うことにより、各シリンダ単位の絶対値診断が可能となる。
Further, in the first determination, the calculation unit obtains a difference between the exponent and a reference value obtained in advance, and is normal when the difference is within a predetermined first threshold range, When the difference is not within the range of the first threshold value, it may be determined as abnormal.
By performing such a diagnosis, an absolute value diagnosis for each cylinder can be performed.
さらに、前記演算部は、前記第2判定において、前記平均指数と前記各シリンダ毎に求めた前記指数との差分を求め、当該差分が予め定められた第2の閾値の範囲内にある場合に正常、前記差分が第2の閾値の範囲内に無い場合に異常と判定するようにすることが望ましい。
このような診断を行うことにより、絶対値診断では検出漏れが生ずる虞のある各シリンダ間のばらつきに基づく異常を検出することが可能となる。
Further, in the second determination, the calculation unit obtains a difference between the average index and the index obtained for each cylinder, and the difference is within a predetermined second threshold range. It is desirable to determine that the abnormality is normal and the difference is not within the second threshold range.
By performing such a diagnosis, it is possible to detect an abnormality based on the variation between the cylinders that may cause a detection failure in the absolute value diagnosis.
上記のような特徴を有する内燃機関の異常診断装置によれば、実際の燃焼室内圧力データ等に基づいて、燃焼室構成部品にかかる熱負荷を精度よく定量的に演算することができる。そして、この熱負荷に係る指数に基づいて異常診断を行うことにより、異常状態の検出を精度良く行うことができる。つまり、燃焼ガスによる燃焼室構成部品の熱負荷に起因するシリンダコンディションの悪化を未然に防止することができる。 According to the abnormality diagnosis apparatus for an internal combustion engine having the above-described features, it is possible to accurately and quantitatively calculate the heat load applied to the combustion chamber components based on actual combustion chamber pressure data and the like. Then, by performing abnormality diagnosis based on the index related to the heat load, it is possible to accurately detect the abnormal state. That is, it is possible to prevent the deterioration of the cylinder condition due to the thermal load of the combustion chamber components due to the combustion gas.
以下、本発明の内燃機関の異常診断装置に係る実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図1は、本実施形態に係る内燃機関の異常診断装置を備えた内燃機関(2サイクルディーゼルエンジン)の例を示すブロック図である。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of an abnormality diagnosis device for an internal combustion engine according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an example of an internal combustion engine (two-cycle diesel engine) provided with an abnormality diagnosis device for an internal combustion engine according to the present embodiment.
まず、本実施形態で用いる内燃機関10について説明する。図1は、内燃機関10を構成する動力系の一部であり、実施形態に係る内燃機関10は、複数のシリンダ14を有する。内燃機関は、エンジン本体12と、エンジン本体12によって生み出された動力を駆動系に伝達するクランク軸32とを基本として構成される。
First, the
エンジン本体12は、シリンダ14とシリンダヘッド18、およびピストン26を基本として構成される。シリンダ14の内面には、詳細を後述するピストン26が摺動するための摺動面が構成されている。また、詳細を後述するシリンダヘッド18によって密閉されたシリンダ14の内面は、動力を発生させるための燃料(混合ガス)を燃焼させる燃焼室16を構成する。また、シリンダ14には、外部空気(以下、給気と称す)を燃焼室16へ送るための給気口14bが設けられている。
The
シリンダヘッド18は、筒状に形成されたシリンダ14における燃焼室16の上部開口部を覆う蓋体である。シリンダヘッド18には、燃料噴射弁20や排気口22が設けられている。燃料噴射弁20は、詳細を後述するピストン26が上死点に到達するタイミングで、燃焼室16内に燃料を噴射する役割を担う。圧縮されて高温となった気体中に噴霧された燃料は、給気との混合ガスとして燃焼し、気体の膨張作用によってピストン26を押し下げ、動力を生じさせる。なお、燃料噴射弁20からの燃料の噴射は、ピストン26が上死点前後数deg程度に到達するクランク角度から、上死点後15〜20deg程度に至るクランク角度までの間、連続して行われる。
The
排気口22は、シリンダ内に生じた燃焼後のガス(排気ガス)を排出するための通路である。排気口22における燃焼室16側開口部には、排気弁24が備えられている。排気弁24は、所定のタイミングで開閉し、燃焼室内の排気ガスを排気口へと流通させる。
The
ピストン26は、シリンダ14における燃焼室16を構成する空間を摺動する。ピストン26および燃焼室16の断面形状は、円形としており、燃焼室16の直径よりもピストン26の直径の方が若干小さい。両者の直径を全く同じにした場合には、摩擦による運動エネルギーの損失が大きくなったり、金属同士の食いつきが生ずる虞があるからである。このため、ピストン26の外周には、ピストンリング28が設けられている。ピストンリング28の外形は、自由状態では燃焼室16の直径よりも大きく形成されており、燃焼室16内では、燃焼室16の壁面に対して付勢することとなる。このため、ピストン26側面からの排気ガスの吹き抜けを抑制することができる。なお、ピストンリング28は図1に示すように、摺動方向に沿って複数(3〜4本)設けられている。
The
クランク軸32は、ピストン26の動力を伝達するロッド30が係合されるクランク状のシャフトであり、ピストン26の摺動によって得られた動力を駆動系に伝達する役割を担う。ピストン26による摺動は、燃焼室16内における往復運動である。これをピストンロッド29、クロスヘッド31、およびロッド30を介してクランク軸32に伝達することで、回転運動へと変換することができる。実施形態に係る内燃機関10は、クランク軸32が1回転する間に給気、圧縮、燃焼、及び排気といったサイクルを完結させる、いわゆる2サイクル機関である。
The
実施形態に係る内燃機関10は、上述したようなシリンダ14を複数備えており、各シリンダ14毎に、ピストンロッド29、クロスヘッド31、およびロッド30を介してピストン26に連結されたクランク軸32のシフト角度が異なっている。このような構成とすることで、動力を効率良く得ることができると共に、ピストン26の運動によって生ずる振動(揺動)なども抑制することができる。
The
次に、本実施形態に係る内燃機関の異常診断装置(以下、単に異常診断装置40と称す)について説明する。本実施形態に係る異常診断装置40は、気筒内圧力センサ42、給気温度センサ44、給気圧力センサ46、クランク角度センサ48、演算手段50、および出力手段56を備える。
Next, an abnormality diagnosis device for an internal combustion engine according to this embodiment (hereinafter simply referred to as an abnormality diagnosis device 40) will be described. The
気筒内圧力センサ42は、燃焼室16内の圧力を検出することができるように設けられたセンサである。具体的には、燃焼室16に設けられた圧力検出用貫通孔14aの外側に備えるようにすれば良い。このような構成とすることで、燃焼室16の圧力をリアルタイムで検出することが可能となる。
The in-
給気温度センサ44は、燃焼室16を構成するシリンダ14毎に設けられた給気口14bに接続された給気流通路36が収束して接続される給気溜34に設けるセンサである。これにより、燃焼室16内に供給される気体の初期温度の検出をリアルタイムで行うことができる。給気溜34から給気流通路36を分岐させることで、複数の燃焼室16のそれぞれに、共通温度、共通圧力の気体を供給することが可能となる。
給気圧力センサ46も、給気溜34に設けられるセンサであり、燃焼室16内に供給される気体の初期圧力の検出をリアルタイムで行う役割を担う。
The air
The air
クランク角度センサ48は、クランク軸32の回転角度を検出するセンサである。クランク軸32の回転角度を検出するセンサとしては、ロータリーエンコーダなどであれば良い。なお、これらの各種センサの内、気筒内圧力センサ42は、内燃機関10を構成するシリンダ14毎に設けられる。また、クランク角度センサ48については、各シリンダ14毎に、上死点、下死点等が、詳細を後述する演算手段50の記憶部52に記憶されている。
The
演算手段50は、少なくとも記憶部52と演算部54とを有する。記憶部52は、診断対象とする内燃機関10(エンジン)の仕様データ、燃焼ガスの物性値、および上述した各種センサ(気筒内圧力センサ42、給気温度センサ44、給気圧力センサ46、クランク角度センサ48)によって検出されたデータ等を記憶する役割を担う。なお、各種センサによって検出されるデータは、クランク角度センサ48によって得られた角度データ(θ)に関連付けて記憶される。
The calculation means 50 includes at least a
内燃機関10の仕様データとは、例えば、燃焼室16のボア直径、ピストン26のストローク、および燃焼室16の最少容積(トップクリアランスボリューム)などであれば良い。このようなデータがあれば、クランク角度毎の燃焼室16の容積を算出することができるからである。
The specification data of the
燃焼ガスは、空気と燃料の混合気体であるため、空気の物性値と、燃料の物性値をそれぞれ記憶しておけば良い。空気の物性値としては、密度、ガス定数、および比熱等を一般の物性表より引用すれば良い。また、燃料の物性値としては、密度、低位発熱量、炭素/水素比(C/H比)、及び比熱等であれば良く、使用燃料に基づいて予め測定しておけば良い。 Since the combustion gas is a mixed gas of air and fuel, the physical property value of air and the physical property value of fuel may be stored. As the physical property values of air, the density, gas constant, specific heat, etc. may be cited from a general physical property table. Further, the physical property value of the fuel may be a density, a lower heating value, a carbon / hydrogen ratio (C / H ratio), a specific heat, or the like, and may be measured in advance based on the fuel used.
以下、演算部54の機能と、異常診断の流れについて、図2を参照して説明する。
演算部54は、記憶部52に記憶された各種データを引き出して異常診断を行うための演算を行う役割を担う。異常診断を行うためには、シリンダ14内の燃焼ガスと燃焼室16の壁面間の熱流束q(W/m2)を求めることが望ましい。しかし、駆動中の内燃機関における壁面間の熱流束qを求めることは極めて困難である。このため、実測に基づく熱流束qの代替値として、熱流束qの大きさを相対的に表す指数ΣQ(θ)を求め、この指数ΣQ(θ)と、正常運転時に予め算出しておいた指数の平均値(基準値ΣQ0(θ):第1基準値)との差異に基づく判定を行えば良い。なお、正常運転時とは、内燃機関10の回転数に応じた出力を得られている状態をいう。船舶用のディーゼルエンジンの場合、回転数(rpm)の3乗に比例した値の出力(kw)を得ることができる。
Hereinafter, the function of the
The
熱流束q(W/m2)は、
すなわち、燃焼室16のボア直径とピストン26のストローク、およびトップクリアランスボリュームが知られていることより、燃焼室16の容積Vは、求めることができる。なお、Gは給気温度、給気圧力に基づいて計算される燃焼室内の充填空気量と燃焼ガスの合計量、Rは気体定数(ガス定数)である。ここで、燃焼ガスの合計量、ガス定数は、空気と燃料との混合ガスについての値である。
That is, since the bore diameter of the
このように、理想気体の状態方程式(数式3)を利用して、燃焼室内ガス温度Tを算出することで、数式2に示す熱伝達率αにおけるPとTの項を得ることができる。そして、算出された燃焼室内圧力Pおよび燃焼室内ガス温度T(熱伝達率αにおけるPとTの項)に基づいて、熱流束の大きさを相対的に表す値Q(θ)を求めることができる。ここで、熱流束の大きさを相対的に表す値Q(θ)について、
したがって、演算部54では、まず、各シリンダ14単位で、P、Tを求めるためのサイクル計算が行われ(S110,S120)、これに基づいて熱流束の大きさを相対的に表す値Q(θ)を求める(S130)。
Therefore, in the
上述のようにして、各クランク角毎のQ(θ)を算出した演算部54は、算出されたQ(θ)を利用して、所定のクランク角度間におけるQ(θ)の積算値であり、熱流束の大きさを相対的に表す指数としてのΣQ(θ)を求める。クランク角度の所定範囲としては、燃焼室へ燃料が噴射され、燃焼が生じた後から排気に至るまでの所定角度であり、例えば本実施形態では、クランク角180°(上死点)から220°までの角度としている。ここで、ΣQ(θ)は、
次に、演算部54は、第1診断(絶対値診断)を行う。第1診断では、まず、上記演算によって求めた指数ΣQ(θ)と、予め求めておいた基準値ΣQ0(θ)との差分(第1差分)を求める。差分を求めた後、当該差分が、予め定められた閾値(第1診断における閾値)を超えているか否かを判定する。判定は、差分が閾値を超えていた場合には異常、差分が閾値以下であった場合には、正常とされる。これを数式で示すと、数式7に示すようなものとなる。
このような演算を行うことにより、各シリンダ14単位での診断が終了する。ここで、第1診断における閾値は、基準値ΣQ0(θ)の値を基点として、±数%(例えば5%)程度とすれば良く、経験則により定めることができる。
By performing such a calculation, the diagnosis for each
このような、シリンダ14単位での絶対値診断を行うことにより、次のような異常状態が発生している場合に、異常因子があるとして検知することが可能となる。まず、船体の汚れにより、船体の摩擦抵抗が大きくなり、全てのシリンダ14においてトルクリッチな状態となっているような場合である。具体的には、回転数の割りには、燃料噴射量が多くなっているというような状態である。
By performing the absolute value diagnosis in units of the
次に、過給機の性能が低下し、給気圧力が低下したり、全てのシリンダ14において充填空気量が不足しているような場合である。具体的には、燃料の混合バランスが崩れ、燃焼ガスの温度が上昇しているような状態である。
Next, there is a case where the performance of the supercharger is lowered, the supply air pressure is lowered, or the amount of charged air is insufficient in all the
さらに、空気の冷却性能が落ち、給気温度が上昇したり、全てのシリンダ14において充填空気温度が高くなり、これに起因して燃焼ガス温度が上昇しているような状態である(S150)。
Further, the cooling performance of the air is lowered, the supply air temperature is increased, or the charge air temperature is increased in all the
次に演算部54は、第2診断(各シリンダ間のばらつき診断)を行う。第2診断では、複数存在するシリンダ14それぞれにおいて計算した指数ΣQ(θ)平均値である平均指数ΣQA(θ)を求める。平均指数ΣQA(θ)は、
このような診断を行うことにより、絶対値診断では異常状態として検知することのできなかった異常状態を検知することが可能となる。具体的には、調整不良による燃料噴射量のばらつきに起因する異常や、燃料噴射ポンプや系外漏れに起因する燃料噴射量のばらつきなどである。その他、排気弁の作動不良等による作動ガス温度や燃焼室内圧力のばらつきなどが生じている場合である。いずれの状態も、絶対値診断においては、基準値内に収まっている可能性があり、内燃機関全体のばらつきとして見た場合に初めて異常と診断することができる場合がある(S160)。 By performing such a diagnosis, it is possible to detect an abnormal state that could not be detected as an abnormal state in the absolute value diagnosis. Specifically, there are abnormalities caused by variations in the fuel injection amount due to poor adjustment, and variations in the fuel injection amount caused by fuel injection pumps or leakage outside the system. In addition, there is a variation in working gas temperature or combustion chamber pressure due to an exhaust valve malfunction or the like. In any state, in absolute value diagnosis, there is a possibility that it is within the reference value, and it may be possible to diagnose an abnormality for the first time when viewed as a variation of the whole internal combustion engine (S160).
各演算を終了した後、診断の結果を出力手段56に出力すると共に、演算部54は、上記演算を再び繰り返す。異常は、時系列的な変化によっても生じる可能性があるからである。なお、出力手段56としては、ディスプレイ等であっても良いし、パトランプのようなものでも、警報機のようなものであっても良い。いずれの出力手段であっても、異常又は正常の判断を行うことが可能だからである(S170)。
After completing each calculation, the result of diagnosis is output to the output means 56, and the
このような構成の異常診断装置40によれば、排気ガス温度や出力、燃焼室16内圧力(気筒内圧力)によって熱負荷を表現している従来技術に比べ、内燃機関10における構成部材の温度変化の状態を定める熱流束の大きさを相対的に表す指数ΣQ(θ)に基づいて、熱負荷を定量的に示すことで、繰り返しの演算による誤差が少ない。このため、基準値との比較に基づく判定の精度が高く、異常診断を精度良く行うことができる。また、各シリンダ単位の絶対値診断と、各シリンダ間のばらつき診断を行うことで、相互に検知不可な異常状態を補って検知することが可能となることによっても、異常診断の精度を向上することができる。
According to the
なお、上記実施形態では、シリンダ14内の燃焼ガスと燃焼室壁面間の熱流束の大きさを相対的に表す指数として、所定のクランク角度範囲における熱流束の大きさを相対的に表す値Q(θ)の積算値であるΣQ(θ)を用いて説明した。しかしながら、実施形態に係る演算で採用する指数は、熱流束の大きさを相対的に表すものであれば良いことより、所定のクランク角度範囲における熱流束の大きさを相対的に表す値Q(θ)の平均値であるQ(θ)av.を指数として利用しても良い。このような手法を採った場合であっても、本実施形態に係る異常診断の実施に支障は無いからである。なお、指数としてQ(θ)av.を用いる場合には、基準値等の設定も、Q(θ)av.に倣って定めることはいうまでも無い。
In the above-described embodiment, the value Q that relatively represents the magnitude of the heat flux in a predetermined crank angle range is used as an index that represents the magnitude of the heat flux between the combustion gas in the
また、上記実施形態では、指数ΣQ(θ)や指数Q(θ)av.を求めるためのクランク角度の所定範囲として、燃焼室16へ燃料が噴射され、燃焼が生じた後から排気に至るまでの所定角度と説明した。しかしながら、指数ΣQ(θ)や指数Q(θ)av.を求めるためのクランク角度範囲は、1サイクル、すなわちクランク軸が1回転する間におけるQ(θ)の積算値や平均値であっても良い。クランク角度範囲の幅を増やすことにより、燃焼に寄与しない部分におけるQ(θ)についても演算することとなるが、1サイクル分のデータを含む指数により診断を行うことで、燃焼行程以外の圧縮工程などを含めたサイクル全体における異常診断が可能となる。
In the above embodiment, the exponent ΣQ (θ) or the exponent Q (θ) av. As the predetermined range of the crank angle for obtaining the above, the predetermined angle from the time when the fuel is injected into the
なお、上記実施形態では、熱流束の大きさを表す値としてのQ(θ)を用いて指数ΣQ(θ)やQ(θ)av.を求めていた。その際Q(θ)は、圧力値に基づいて定まる項(P)と、温度に基づいて定まる項(T)により構成される関数により求まる旨記載した。しかしQ(θ)に関しては、熱流束の大きさを相対的に表す値として示される他の代替式により求めるようにしても良い。例えば、シリンダ直径や平均ピストン速度、シリンダ容積等のエンジン状態を知ることのできる種々のパラメータを含む式である。Q(θ)は、熱流束そのものを示す値では無く、熱流束を代替する値(熱流束の大きさを相対的に表す値)であるため、これを表す演算式を構成するパラメータについても、幅を持たせることができる。 In the above embodiment, the exponents ΣQ (θ) and Q (θ) av. Are obtained using Q (θ) as a value representing the magnitude of the heat flux. I was looking for. In this case, it is described that Q (θ) is obtained by a function including a term (P) determined based on the pressure value and a term (T) determined based on the temperature. However, Q (θ) may be obtained by another alternative expression shown as a value relatively representing the magnitude of the heat flux. For example, the equation includes various parameters that allow the engine state such as cylinder diameter, average piston speed, and cylinder volume to be known. Since Q (θ) is not a value indicating the heat flux itself, but a value that substitutes for the heat flux (a value that relatively represents the magnitude of the heat flux), the parameter that constitutes the arithmetic expression representing this is also Can have a width.
10………内燃機関、12………エンジン本体、14………シリンダ、14a………圧力検出用貫通孔、14b………給気口、16………燃焼室、18………シリンダヘッド、20………燃料噴射弁、22………排気口、24………排気弁、26………ピストン、28………ピストンリング、29………ピストンロッド、30………ロッド、31………クロスヘッド、32………クランク軸、34………給気溜、36………給気流通路、40………異常診断装置、42………気筒内圧力センサ、44………給気温度センサ、46………給気圧力センサ、48………クランク角度センサ、50………演算手段、52………記憶部、54………演算部、56………出力手段。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
ピストンを作動させるクランク軸の角度を検出するクランク角度センサと、
前記燃焼室内に供給される給気温度を検出する給気温度センサと、
前記給気の圧力を検出する給気圧力センサと、
演算手段と、を備え、
前記演算手段は、診断対象とする内燃機関における仕様データ、燃焼ガスの物性、前記気筒内圧力センサによって検出された燃焼室内圧力、前記クランク角度センサによって検出されたクランク角度、前記給気温度センサによって検出された給気温度、および前記給気圧力センサによって検出された給気圧力とを記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶されたデータに基づいて、燃焼室内の燃焼ガスと燃焼室壁面間の熱流束の大きさを相対的に表す指数を求め、前記指数と、予め求められている基準値とを比較して、内燃機関を構成するシリンダ単位の異常の有無を判定する演算部と、を有することを特徴とする内燃機関の異常診断装置。 An in-cylinder pressure sensor for detecting the pressure in the combustion chamber;
A crank angle sensor that detects the angle of the crankshaft that operates the piston;
A supply air temperature sensor for detecting a supply air temperature supplied into the combustion chamber;
An air supply pressure sensor for detecting the pressure of the air supply;
Computing means,
The calculation means includes: specification data in an internal combustion engine to be diagnosed, physical properties of combustion gas, pressure in the combustion chamber detected by the cylinder pressure sensor, crank angle detected by the crank angle sensor, and supply air temperature sensor. A storage unit that stores the detected supply air temperature and the supply air pressure detected by the supply air pressure sensor, and between the combustion gas in the combustion chamber and the combustion chamber wall surface based on the data stored in the storage unit Calculating an index relatively representing the magnitude of the heat flux of, and comparing the index and a reference value determined in advance to determine whether there is an abnormality in units of cylinders constituting the internal combustion engine; An abnormality diagnosis apparatus for an internal combustion engine, comprising:
前記第1判定時にシリンダ毎に求めた前記指数の平均値である平均指数と、前記指数とを比較して、内燃機関を構成する各シリンダに関する異常の有無を判定する第2判定を行うことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の異常診断装置。 The calculation unit, after the first determination to determine whether there is an abnormality in the cylinder unit,
Comparing the index with an average index that is an average value of the indexes obtained for each cylinder at the time of the first determination, and performing a second determination for determining whether there is an abnormality in each cylinder constituting the internal combustion engine. The abnormality diagnosis device for an internal combustion engine according to claim 1, characterized in that:
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