JP2013050096A - エンジンの燃焼状態診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】予測ＣＯ2濃度と検出ＣＯ2濃度とを比較し、予測ＣＯ2濃度よりも検出ＣＯ2濃度が濃い場合は勿論のこと、検出ＣＯ2濃度が薄い場合であっても、燃焼状態を正確に診断できるようにする。
【解決手段】エンジン運転状態を検出するパラメータＱ，Ａ／Ｆ，Ｎｅに基づいて完全燃焼時の排気ガス中の予測ＣＯ2濃度ＣＯ2＿ｐを設定し（Ｓ２）、この予測ＣＯ2濃度ＣＯ2＿ｐに基づいて設定した正常燃焼ゾーンＣＯ2＿ｐ±Δαと排気通路１５に配設されているＣＯ2センサ１８で検出した検出ＣＯ2濃度ｖＣＯ2とを比較し（Ｓ４，Ｓ６）、ＣＯ2濃度ｖＣＯ2が正常燃焼ゾーンＣＯ2＿ｐ±Δαから外れている場合、空燃比Ａ／Ｆに応じて燃焼状態を判定する（Ｓ７，Ｓ９〜Ｓ１２）。
【選択図】図３

Description

本発明は、排気ガス中の空燃比と二酸化炭素濃度とに基づいて、燃焼状態を判定するエンジンの燃焼状態診断装置に関する。

一般に、エンジンの空燃比制御では、触媒上流に設けたＯ2センサやリニアＯ2センサ等の酸素濃度センサで検出した排気ガス中の空燃比が目標空燃比を維持するように、燃料噴射量や吸入空気量（スロットル開度）をフィードバック制御する。

上述した酸素濃度センサは排気ガス中の燃え残り分の酸素濃度を検出するものであるため、その出力値から燃焼状態（全ての燃料が燃焼したか、酸素（Ｏ2）は当初から過剰だったか等）を判断することはできない。すなわち、理論空燃比（ストイキオ）での燃焼であっても、燃焼効率が良い場合と悪い場合とがあり、燃焼効率が悪い場合、スモーク（黒煙）の発生を招く可能性がある。又、バルブステムシールから漏れたオイルが燃焼室に流入するオイル下がりや、ピストンリングとシリンダ壁面との間から漏れたオイルが燃焼室に流入するオイル上がりによるオイル燃焼を判別することもできない。

例えば、特許文献１（特開２００９−２８１２０８号公報）には、排気通路に、排気ガス中のＣＯ2（二酸化炭素）濃度を検出するＣＯ2センサを配設し、このＣＯ2センサで検出したＣＯ2濃度から、オイル上がり、或いはオイル下がりによるオイル燃焼を判定する技術が開示されている。この文献に開示されている技術では、エンジン回転数とエンジン負荷とに基づいて予測ＣＯ2濃度（正常ＣＯ2濃度）を設定し、この予測ＣＯ2濃度とＣＯ2センサで検出したＣＯ2濃度（検出ＣＯ2濃度）とを比較し、 検出ＣＯ2濃度が予測ＣＯ2濃度より濃い場合、オイル燃焼と判定するようにしている。

特開２００９−２８１２０８号公報

一般に、ＣＯ2濃度は、燃焼状態が良いと濃く、悪いと薄くなる傾向にある。燃焼が悪いと、
（１）未燃燃料が残り、ＨＣ（炭化水素）が生成される
（２）不完全燃焼によりＣＯ（一酸化炭素）が生成される
と云う現象が現れてＣＯ2濃度が薄くなる。

しかし、混合気にオイルが混入した場合、インジェクタから供給された燃料に加えてオイルが燃焼するので、燃焼状態が悪くてもＣＯ2濃度は濃くなる。

逆に、燃焼状態が良くてもＣＯ2濃度が薄い場合があるが、上述した文献に開示されている技術では、ＣＯ2濃度にのみ基づいて燃焼状態（オイル燃焼）を判定しているに過ぎないため、予測ＣＯ2濃度よりも検出ＣＯ2濃度が薄い場合は、一律に正常燃焼と判定されてしまい、エンジン全体の燃焼状態を正確に把握することが困難であるという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑み、ＣＯ２濃度及び空燃比に基づき燃焼状態を正確に診断することのできるエンジンの燃焼状態診断装置を提供することを目的とする。

本発明によるエンジンの燃焼状態診断装置は、エンジンの運転状態を検出するエンジン運転状態検出手段と、排気ガス中の二酸化炭素濃度を求める二酸化炭素濃度演算手段と、排気ガス中の空燃比を検出する空燃比検出手段と、エンジンの燃焼状態を判定する燃焼状態判定手段とを有し、前記燃焼状態判定手段は、前記エンジン運転状態検出手段で検出した所定のエンジン運転状態における完全燃焼時の排気ガス中の二酸化炭素濃度を予測する予測二酸化炭素濃度を求め、前記予測二酸化炭素濃度と前記二酸化炭素濃度演算手段で求めた二酸化炭素濃度とを比較して、該二酸化炭素濃度が前記予測二酸化炭素濃度に基づいて設定した所定の正常燃焼ゾーンから外れている場合、前記空燃比検出手段で検出した空燃比に基づいて前記エンジンの燃焼状態を判定する。

本発明によれば、ＣＯ２濃度及び空燃比に基づき燃焼状態を正確に診断することができる。

筒内噴射式エンジンの全体構成図 エンジン制御系の構成図 燃焼状態判定ルーチンを示すフローチャート（その１） 燃焼状態判定ルーチンを示すフローチャート（その２） ＣＯ2濃度と排気空燃比と燃焼状態との関係を示す図表

以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。図１の符号１はエンジン、２はピストン、３は燃焼室、４は吸気ポート、５は排気ポート、６は吸気弁、７は排気弁であり、吸気ポート４に連通する吸気通路８の上流にエアクリーナ９が介装され、その直下流に吸入空気量Ｑを検出する吸入空気量検出手段としての吸入空気量センサ１０が配設され、更に、その下流にスロットル弁１１が介装されている。このスロットル弁１１はスロットル開度を電子的に制御する電子制御スロットル装置（図示せず）に設けられているスロットルアクチュエータ１２に連設されている。

又、燃焼室３の頂面中央に筒内噴射用インジェクタ１３の噴孔が臨まされており、この筒内噴射用インジェクタ１３の噴射方向に対設するピストン２の頂面に湾曲凹面状のピストンキャビティ２ａが形成されている。更に、燃焼室３の一側（本実施の形態ではスキッシュエリア）に点火栓１４の発火部が臨まされている。

更に、排気ポート５に連通する排気通路１５に、排気ガス中の酸素濃度に応じた出力値から排気空燃比Ａ／Ｆをリニアに検出する空燃比検出手段としてのリニアＯ2センサ１６が臨まされ、その排気ガス中のＣＯ，ＨＣの酸化とＮＯｘの還元を行って浄化する三元触媒１７が介装されている。又、排気通路１５の三元触媒１７の下流に、この三元触媒１７から排出された排気ガス中のＣＯ2（二酸化炭素）濃度を検出する二酸化炭素濃度演算手段としてのＣＯ2センサ１８が配設されている。

上述した各センサ１０，１６，１８は、エンジン制御装置（ＥＣＵ）２１に接続されている。図２に示すように、ＥＣＵ２１には、上述した各センサ１０，１６，１８以外に、クランク角の角速度からエンジン回転数Ｎｅ等を検出するエンジン回転数検出手段としての機能を有するクランク角センサ１９が接続されている。又、このＥＣＵ２１の出力側に、スロットル弁１１を開閉動作させるスロットルアクチュエータ１２、ＥＣＵ２１からの点火信号を受けて点火コイルの一次側をＯＮ，ＯＦＦし、この点火コイルの二次側に誘起された高電圧を点火栓１４に通電して火花放電させるイグナイタ２２、ＥＣＵ２１からの駆動信号により所定に計量された燃料を所定の噴射タイミングで噴射するインジェクタ１３、ウォーニングランプ２３等が接続されている。

ＥＣＵ２１は、ＣＯ2センサ１８で検出したＣＯ2濃度とリニアＯ2センサ１６で検出した排気ガス中の酸素濃度に基づいて求めた排気空燃比Ａ／Ｆとに基づいて、エンジン１の燃焼状態を調べ、異常燃焼と判定した場合、その原因を推定し、ＥＣＵ２１に設けられている不揮発性記憶手段に記憶させる。

ＥＣＵ２１で実行する燃焼状態の判定は、具体的には、図３、図４に示す燃焼状態判定ルーチンに従って処理される。尚、このルーチンでの処理が、本発明の燃焼状態判定手段に対応している。

このルーチンは、スタータースイッチをＯＦＦした後、すなわち、エンジン始動後、所定演算周期毎に実行される。従って、このフローチャートはエンジン始動後、暖機運転、加減速運転を含む全ての運転領域で実行される。

このルーチンが起動すると、先ず、ステップＳ１で、吸入空気量センサ１０で検出した吸入空気量Ｑ、リニアＯ2センサ１６で検出した排気空燃比Ａ／Ｆ、クランク角センサ１９で検出したエンジン回転数Ｎｅ等、運転状態を検出するパラメータを読込む。尚、この吸入空気量センサ１０とリニアＯ2センサ１６とクランク角センサ１９とで、本発明のエンジン運転状態を検出するエンジン運転状態検出手段が構成されている。

次いで、ステップＳ２へ進み、運転状態を検出する各パラメータの内、吸入空気量Ｑ、排気空燃比Ａ／Ｆ、エンジン回転数Ｎｅに基づき、完全燃焼時の予測二酸化炭素濃度（予測ＣＯ2濃度）ＣＯ2＿ｐを設定する。すなわち、ガソリンエンジンの排気ガスに含まれている主な成分は、不完全燃焼部分で発生するＣＯ（一酸化炭素）、完全燃焼部分で発生するＣＯ2、未燃焼ガスであるＨＣ（炭化水素）、及びＨ2Ｏ（水蒸気）である。

燃焼室内の混合気が完全燃焼した場合、ＣＯ2濃度が増加し、相対的にＣＯ濃度が減少する。一方、ＨＣは未燃焼ガス成分であるため完全燃焼により減少する。従って、これらＣＯ2，ＣＯ，ＨＣの何れかと、投入熱量（燃料噴射量）とを検出すれば、エンジン１の燃焼状態を把握することができる。この中で、特にＣＯ2は完全燃焼時に発生する成分であり、燃焼状態に最も敏感であるため、排気ガス中のＣＯ2濃度が濃ければ、燃焼効率が良いと判断することができる。

完全燃焼時の予測ＣＯ2濃度ＣＯ2＿ｐを求めるに際しては、先ず、吸入空気量Ｑとエンジン回転数Ｎｅとに基づき単位回転数あたりの吸入空気量を求める。次いで、この単位回転数あたりの吸入空気量とリニアＯ2センサ１６で検出した排気空燃比Ａ／Ｆとに基づき、予め設定されているマップを参照し、或いは演算式から、予測ＣＯ2濃度を設定する。尚、リニアＯ2センサ１６で検出した排気空燃比Ａ／Ｆと単位回転数あたりの吸入空気量とから投入熱量（燃料噴射量）が把握できる。

その後、ステップＳ３へ進み、ＣＯ2センサ１８で検出したＣＯ2濃度（検出ＣＯ2濃度）ｖＣＯ2を読込み、ステップＳ４で、予測ＣＯ2濃度ＣＯ2＿ｐと検出ＣＯ2濃度ｖＣＯ2との差分と、予め実験等から求めた濃度許容値Δαとを比較して、検出ＣＯ2濃度ｖＣＯ2が許容領域に治まっているか否かを調べる。

そして、｜ＣＯ2＿ｐ−ｖＣＯ2｜≦Δαのとき、すなわち、検出ＣＯ2濃度ｖＣＯ2が、ＣＯ2＿ｐ±Δαの範囲に収まっている場合、ステップＳ５へ進み、「正常燃焼」であると判定し、ルーチンを抜ける。

一方、ステップＳ４で、｜ＣＯ2＿ｐ−ｖＣＯ2｜＞Δαと判定されたき、すなわち、検出ＣＯ2濃度ｖＣＯ2が、ＣＯ2＿ｐ±Δαから外れている場合は、ステップＳ６へ進み、検出ＣＯ2濃度ｖＣＯ2が、許容範囲ＣＯ2＿ｐ±Δαよりも薄いか、濃いかを判定する。そして、薄い（ＣＯ2＿ｐ−Δα＞ｖＣＯ2）と判定された場合、ステップＳ７へ進み、又、濃い（ＣＯ2＿ｐ＋Δα＜ｖＣＯ2）と判定された場合、ステップＳ８へジャンプする。

ステップＳ７へ進むと、排気空燃比Ａ／Ｆが、理論空燃比（ストイキオ）A/F_thよりもややリーン側に設定されているリーン判定空燃比ＬA/Fとの間にあるか否かを調べる。そして、A/F_th＜Ａ／Ｆ≦ＬA/Fのときは、排気空燃比Ａ／Ｆがややリーンと判定し、ステップＳ９へ進む。それ以外の場合、ステップＳ１０へ進む。

ステップＳ９へ進むと、検出ＣＯ2濃度ｖＣＯ2が薄く、しかも、排気空燃比Ａ／Ｆがリーン側にある状況は、スモーク発生、且つ半失火と推定し、ステップＳ１３へ進む。スモークには粒子状物質（ＰＭ）が含まれている。又、半失火とは一部が失火している部分燃焼状態を示す。検出ＣＯ2濃度ｖＣＯ2が薄く、且つ排気空燃比Ａ／Ｆがややリーン側にある状態は、失火の前兆であり、不完全燃焼によりスモークが発生すると共に、混合気の一部は失火していると推定することができる。

又、ステップＳ７からステップＳ１０へ進むと、排気空燃比Ａ／Ｆがリーン判定空燃比ＬA/Fよりもオーバリーン側にあるか否かを調べる。そして、オーバリーン側にある（Ａ／Ｆ＞ＬA/F）と判定したときは、ステップＳ１１へ進んで失火と推定し、ステップＳ１３へ進む。検出ＣＯ2濃度ｖＣＯ2が薄く、且つ、排気空燃比Ａ／Ｆがオーバリーン側にある状況では、完全失火が発生していると推定できる。更に、完全失火では未燃料ガスが排出されるので、スモークの発生はないと推定できる。

又、オーバリーンではないと判定したとき、すなわち、Ａ／Ｆ≦ＬA/Fであり、上述したステップＳ７により、排気空燃比Ａ／Ｆが、ストイキオA/F_thを含むリッチ側にある（A/F_th≧Ａ／Ｆ）と判定したときは、ステップＳ１２へ進み、スモーク発生と推定し、ステップＳ１４へ進む。検出ＣＯ2濃度ｖＣＯ2が薄く、且つ排気空燃比Ａ／Ｆがストイキオを含むリッチ側にあると判定した状況は、不完全燃焼によりスモークが発生していると推定される。

そして、ステップＳ９或いはステップＳ１１からステップＳ１３へ進むと、故障原因が燃料系と点火系との双方にあると推定し、ステップＳ１５へ進む。すなわち、検出ＣＯ2濃度ｖＣＯ2が薄く、しかも、排気空燃比Ａ／Ｆがリーンにある状況は、混合気が不完全燃焼となり、失火或いはスモークが発生すると推定できる。この原因は、インジェクタ１３の燃圧が正常ではないため所定に計量した燃料が噴射されていない、或いは燃料噴射タイミングや点火時期がずれているためと推定される。

一方、ステップＳ１２からステップＳ１４へ進むと、燃料系の故障と推定してステップＳ１５へ進む。すなわち、検出ＣＯ2濃度ｖＣＯ2が薄く、しかも、排気空燃比Ａ／Ｆがストイキオからリッチ側にある状況では、燃料の気化不足により不完全燃焼となりスモークが発生していると推定される。燃料の気化不足は噴射タイミングに原因があり、燃料系の故障と推定される。

そして、ステップＳ１３或いはステップＳ１４からステップＳ１５へ進むと、インストルメントパネル等に配設されているウォーニングランプ２３を点灯（或いは点滅）させて、運転者に、燃焼状態の異常を放置した後、ステップＳ１６へ進み、故障に対応するトラブルコードを、その時の車両の運転情報と共に不揮発性メモリに記憶させてルーチンを抜ける。

又、上述したステップＳ６で、検出ＣＯ2濃度ｖＣＯ2が濃い（ＣＯ2＿ｐ＋Δα＜ｖＣＯ2）と判定されてステップＳ８へジャンプすると、排気空燃比Ａ／ＦとストイキオA/F_thとを比較し、排気空燃比Ａ／Ｆがリーン側にある場合（A/F_th≦Ａ／Ｆ）、ステップＳ１７へ進み、オイルが燃焼していると推定し、ステップＳ２０へ進み、故障原因がオイル上がりやオイル下がり等、潤滑系の故障であると推定して、ステップＳ１５へ戻る。すなわち、検出ＣＯ2濃度ｖＣＯ2が濃いにも拘らず、排気空燃比Ａ／Ｆがリーン側にある状態は、実際に投入した燃料量以上の燃焼が起きていると推定される。その原因として最も可能性が高いのはオイル燃焼であり、潤滑系の故障であると推定される。

又、ステップＳ８で排気空燃比Ａ／Ｆがリッチ側にあると判定した場合、ステップＳ１９へ進み、エラーと判断し、そのままルーチンを抜ける。検出ＣＯ2濃度ｖＣＯ2が濃く、しかも、排気空燃比Ａ／Ｆがリッチにある状況は、故障原因を特定することができないため、そのままルーチンを抜ける。

上述した燃焼状態を、図５に示すように縦軸を検出ＣＯ2濃度ｖＣＯ2、横軸を排気空燃比Ａ／Ｆとして示すと、検出ＣＯ2濃度ｖＣＯ2が、予測ＣＯ2濃度ＣＯ2＿ｐを挟んで±Δαの範囲（この範囲を便宜的に「正常燃焼ゾーンＣＯ2＿ｐ±Δα」と称する）に収まっている場合、空燃比Ａ／Ｆに関係なく正常燃焼と判定する。一方、検出ＣＯ2濃度ｖＣＯ2が正常燃焼ゾーンＣＯ2＿ｐ±Δαから外れている場合、検出ＣＯ2濃度ｖＣＯ2と排気空燃比Ａ／Ｆとの関係で、上述したように燃焼状態を判定する。

尚、検出ＣＯ2濃度ｖＣＯ2が正常燃焼ゾーンＣＯ2＿ｐ±Δαよりも薄いと判定された場合、ＥＣＵ２１において、燃料噴射制御、燃料噴射タイミング制御、点火時期制御、吸入空気量制御（スロットル開度制御）を実行することで、失火、半失火、スモークの発生を回避するようにしても良い。

このように、本実施形態では、排気ガス中の検出ＣＯ2濃度ｖＣＯ2と空燃比Ａ／Ｆとに基づいて燃焼状態を調べるようにしたので、失火、半失火の発生は勿論のこと、オイル燃焼、スモーク発生等の異常燃焼も推定することができるため、エンジン１の燃焼状態を正確に診断することができる。

尚、本発明は上述した各実施形態に限るものではなく、ＣＯ2センサ１８は三元触媒１７の上流側に配設されていても良い。又、適用する噴射方式は筒内噴射式に限らず、ポート噴射式であっても良く、更に、エンジン１もガソリンエンジンに限らずディーゼルエンジンであっても良い。

又、検出ＣＯ2濃度ｖＣＯ2は、ＣＯ2センサ１８を用いることなく、ＣＯ濃度やＨＣ濃度、或いは吸入空気量Ｑとインジェクタ１３から噴射された燃料量とに基づいて簡易的に設定するようにしても良い。従って、この場合、二酸化炭素濃度演算手段は、ＣＯセンサ、ＨＣセンサ、或いは吸入量Ｑ及び燃料量となる。

１…エンジン、
１０…吸入空気量センサ、
１１…スロットル弁、
１３…筒内噴射用インジェクタ、
１４…点火栓、
１５…排気通路、
１６…リニアＯ2センサ、
１７…三元触媒、
１８…ＣＯ2センサ、
１９…クランク角センサ、
２１…エンジン制御装置、
２３…ウォーニングランプ、
Ａ／Ｆ…排気空燃比、
ＣＯ2＿ｐ…予測ＣＯ2濃度、
ＣＯ2＿ｐ±Δα…正常燃焼ゾーン
ＬA/F…リーン判定空燃比、
Ｎｅ…エンジン回転数、
Ｑ…吸入空気量、
ｖＣＯ2…検出ＣＯ2濃度、
A/F_th…理論空然比

Claims (5)

1. エンジンの運転状態を検出するエンジン運転状態検出手段と、
   排気ガス中の二酸化炭素濃度を求める二酸化炭素濃度演算手段と、
   排気ガス中の空燃比を検出する空燃比検出手段と、
   エンジンの燃焼状態を判定する燃焼状態判定手段とを有し、
   前記燃焼状態判定手段は、
   前記エンジン運転状態検出手段で検出した所定のエンジン運転状態における完全燃焼時の排気ガス中の二酸化炭素濃度を予測する予測二酸化炭素濃度を求め、前記予測二酸化炭素濃度と前記二酸化炭素濃度演算手段で求めた二酸化炭素濃度とを比較して、該二酸化炭素濃度が前記予測二酸化炭素濃度に基づいて設定した所定の正常燃焼ゾーンから外れている場合、前記空燃比検出手段で検出した空燃比に基づいて前記エンジンの燃焼状態を判定する
   ことを特徴とするエンジンの燃焼状態診断装置。
2. 前記燃焼状態判定手段は、前記二酸化炭素濃度が前記所定の正常燃焼ゾーンよりも濃く、且つ前記空燃比がリーンの場合、オイル燃焼と判定する
   ことを特徴とする請求項１記載のエンジンの燃焼状態診断装置。
3. 前記燃焼状態判定手段は、前記二酸化炭素濃度が前記所定の正常燃焼ゾーンよりも薄く、且つ前記空燃比がリーンの場合、失火と判定する
   ことを特徴とする請求項１或いは２記載のエンジンの燃焼状態診断装置。
4. 前記燃焼状態判定手段は、前記空燃比が理論空燃比と予め設定したリーン判定空燃比との間にある場合は、半失火と判定する
   ことを特徴とする請求項３記載のエンジンの燃焼状態診断装置。
5. 前記燃焼状態判定手段は、前記二酸化炭素濃度が前記正常燃焼ゾーンよりも薄く、且つ前記空燃比がリッチの場合、スモーク発生と判定する
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のエンジンの燃焼状態診断装置。

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