JP2013205262A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼不良または失火をもたらすような内燃機関の異常の有無の判断の精度をより高める。
【解決手段】イオン電流検出用の回路を介して計測される、点火後の燃焼期間のイオン電流信号に基づいて、気筒における燃焼不良または失火が疑われる事象を検知するとともに、事象を検知したときの内燃機関の稼働期間の長さを示すパラメータを知得し、パラメータが所定条件を満足している場合に、内燃機関に異常がある旨を出力する。
【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関を制御する制御装置に関する。

気筒での燃料の燃焼状態を推測する手法の一として、燃焼の際に点火プラグの電極を流れるイオン電流を検出し参照するものが知られている（例えば、下記特許文献を参照）。オーバーリーン等の不良燃焼時には、正常燃焼時と比べてイオン電流のピークが低くなる。また、失火時には、イオン電流が検出されない。イオン電流の推移を計測し、計測値を判定のための閾値と比較することにより、気筒での燃焼が正常であるか否かの判定を下すことが可能である。

気筒での燃焼が不良または失火と判定した累積の回数が所定値を超えた暁には、内燃機関の何れかの部位に異常があるものと見なし、その旨をユーザに報知する、具体的にはコックピット内の警告灯（エンジンチェックランプ）を点灯させることが通例である。

しかし、イオン電流の計測値が閾値を下回っているからといって、必ずしも燃焼不良または失火を引き起こしているとは限らない。点火プラグの使用期間が長くなるにつれ、点火プラグの電極には燃料成分や潤滑油、添加剤等のデポジットが付着、堆積してゆく。とりわけ、絶縁性の物質を含むデポジットは、イオン電流の検出レベル、即ち点火プラグの電極に流れるイオン電流の量を低減させる電気抵抗のように働く。このため、燃料が適正に燃焼し燃焼室内で相当量のイオンまたはプラズマが発生していても、イオン電流の計測値が判定閾値を超えずに燃焼不良または失火であると誤判定するおそれが高まる。

デポジットによる汚染は、点火プラグを清掃したり、交換したりすることで解消が可能である。だが、点火プラグを清掃または交換したとしても、暫くすれば再びデポジットが堆積した状態に戻り、イオン電流の検出レベルが低下する。

特開平０６−０３４４９０号公報

本発明は、燃焼不良または失火をもたらすような内燃機関の異常の有無の判断の精度をより高めることを所期の目的とする。

本発明では、内燃機関の気筒における燃焼不良または失火が疑われる事象を検知するとともに、当該事象を検知したときの内燃機関の稼働期間の長さを示すパラメータを知得し、前記パラメータが所定条件を満足している場合に、内燃機関に異常がある旨を出力することを特徴とする内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、燃焼不良または失火をもたらすような異常の有無の判断の精度をより一層高めることができる。

本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。 内燃機関の火花点火装置の回路図。 内燃機関の気筒におけるイオン電流及び燃焼圧のそれぞれの推移を示す図。 検出されるイオン電流信号が「下限張り付き」となった状態を例示する図。 本実施形態の制御装置が実行する処理の手順例を示すフロー図。 本実施形態の制御装置が実行する処理の手順例を示すフロー図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。

本実施形態における内燃機関は、火花点火式ガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。

図２に、火花点火用の電気回路を示している。点火プラグ１２は、点火コイル１４にて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイル１４は、半導体スイッチング素子であるイグナイタ１３とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

本実施形態の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０からの点火信号ｉをイグナイタ１３が受けると、まずイグナイタ１３が点弧して点火コイル１４の一次側に電流が流れ、その直後の点火タイミングでイグナイタ１３が消弧してこの電流が遮断される。すると、自己誘導作用が起こり、一次側に高電圧が発生する。そして、一次側と二次側とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側にさらに高い誘導電圧が発生する。この高い誘導電圧が点火プラグ１２の中心電極に印加され、中心電極と接地電極との間で火花放電する。

ＥＣＵ０は、燃料の爆発燃焼の際に気筒１の燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、このイオン電流を参照して、燃焼状態の判定を行う。

図２に示すように、本実施形態では、火花点火用の電気回路に、イオン電流を検出するための回路を付加している。この検出回路は、イオン電流を効果的に検出するためのバイアス電源部１５と、イオン電流の多寡に応じた検出電圧を増幅して出力する増幅部１６とを備える。バイアス電源部１５は、バイアス電圧を蓄えるキャパシタ１５１と、キャパシタ１５１の電圧を所定電圧まで高めるためのツェナーダイオード１５２と、電流阻止用のダイオード１５３、１５４と、イオン電流に応じた電圧を出力する負荷抵抗１５５とを含む。増幅部１６は、オペアンプに代表される電圧増幅器１６１を含む。

点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間のアーク放電時にはキャパシタ１５１が充電され、その後キャパシタ１５１に充電されたバイアス電圧により負荷抵抗１５５にイオン電流が流れる。イオン電流が流れることで生じる抵抗１５５の両端間の電圧は、増幅部１６により増幅されてイオン電流信号ｈとしてＥＣＵ０に受信される。

図３に、正常燃焼における、イオン電流（図中実線で示す）及び気筒１内の燃焼圧力（筒内圧。図中破線で示す）のそれぞれの推移を例示している。イオン電流は、点火のための放電中は検出することができない。正常燃焼の場合のイオン電流は、火花点火の終了後、化学反応により、圧縮上死点の手前で減少した後、熱解離によって再び増加する。また、燃焼圧がピークを迎えるのとほぼ同時にイオン電流も極大となる。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｇ、燃焼室内での混合気の燃焼に伴って生じるイオン電流を検出する回路から出力されるイオン電流信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタ１３に対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、トルクコンバータ７のロックアップを行うか否か、自動変速機８、９の変速比といった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋを出力インタフェースを介して印加する。

以降、気筒１における燃焼状態の判定、並びに内燃機関のダイアグノーシスに関して詳述する。本実施形態のＥＣＵ０は、各気筒１毎に、燃焼の機会が訪れる都度、その燃焼が正常に行われたか否かを判定する。

燃焼の正否の判定手法は、幾つか考えられる。基本的には、膨張行程に伴い気筒１の燃焼室内で発生し、当該気筒１の点火プラグ１２の電極を流れる、イオン電流の検出信号ｈを参照して判定を行う。即ち、図３に例示しているように、ＥＣＵ０は、点火後の燃焼期間において、イオン電流信号ｈが判定閾値を上回っている期間Ｔ（クランク角度（ＣＡ）または時間）の長さを計測し、その長さがある下限値よりも長ければ正常燃焼と判定する一方、下限値よりも短ければ不良燃焼または失火と判定する。

判定閾値の大きさは、内燃機関の運転領域、つまりエンジン回転数及び／または要求負荷（気筒１に充填される吸気量、燃料噴射量）の多寡に応じて変動し得る。例えば、ＥＣＵ０のメモリには、エンジン回転数及び／または要求負荷等と、これに対応する判定閾値との関係を規定したマップデータが格納されている。ＥＣＵ０は、現在のエンジン回転数及び／または要求負荷等をキーとして当該マップを検索し、対応した判定閾値を知得する。そして、その判定閾値を用い、期間Ｔの演算を行う。

ところが、常に図３に示したようなイオン電流信号ｈの波形を得られるとは限らない。点火プラグ１２の電極には、その使用期間が長くなるにつれて、デポジットが徐々に付着、堆積してゆく。デポジットとして、燃料や潤滑油に添加された添加剤等に由来した二酸化ケイ素のような絶縁性の物質が多量に付着すると、点火プラグ１２の中心電極と接地電極とが恒常的に絶縁してしまう。さすれば、気筒１の燃焼室内に燃焼に起因したイオンまたはプラズマが発生しているにもかかわらず、電極間にイオン電流が流れないようになる。

窮極的には、図４に例示するように、電流信号ｈが判定閾値を上回ることがない、または電流信号ｈが判定閾値を上回る期間Ｔが常に短い「下限張り付き」の状況に陥る。この「下限張り付き」は、気筒１の燃焼室内で不良燃焼または失火した場合の他、図２に示している火花点火用の回路またはイオン電流検出用の回路の何れかの部位で断線した場合や、インジェクタ１１またはイグナイタ１３が故障した場合等にも起こる。

気筒１における燃焼不良または失火が疑われる事象、即ち、イオン電流信号ｈが判定閾値を上回らないかイオン電流信号ｈが判定閾値を上回る期間Ｔが下限値よりも短いことをＥＣＵ０が検知したとしても、それが必ず燃焼不良または失火であることを意味してはいない。イオン電流信号ｈを参照して燃焼不良または失火であると複数回判定した場合であっても、気筒１における点火、そして内燃機関の運転に支障はないことが多い。故に、即時に内燃機関を検査する必要性は乏しい。

これに対し、内燃機関のクランクシャフトの回転速度を参照して、燃焼の正否を判定することもできる。具体的には、回転速度を示唆するパラメータとして、クランクシャフトが所定角度（例えば、３０°ＣＡ）回転するのに要した時間を反復的に計測し、その計測された回転速度が、何れかの気筒１の膨張行程に起因して増速する回転速度の予想値と比較して所定以上遅くなった場合に、当該気筒１にて不良燃焼または失火したものと判断する。

気筒１における燃焼不良または失火が疑われる事象、即ち、クランクシャフトの実測回転速度が予想よりも遅くなった（気筒１における膨張行程を経たにもかかわらず増速しない）ことをＥＣＵ０が検知したときには、内燃機関の運転に支障を来すほどの重篤な問題が発生している蓋然性が高い。故に、即時に内燃機関を検査する必要がある。

他の手法として、各気筒１における圧縮行程ないし膨張行程に亘る期間の燃焼室内温度及び／または燃焼室内圧力を計測して、燃料不良または失火の有無を判定することも既知である。燃焼室内温度及び／または燃焼室内圧力が、要求負荷（吸気量及び燃料噴射量）から予想される値を下回るならば、不良燃焼または失火と判定する。

図５及び図６に、本実施形態のＥＣＵ０がプログラムに従い実行する、燃焼状態判定処理の手順の例を示している。図５及び図６に示す手順は、各気筒１毎に個別に実行するものである。

ＥＣＵ０は、対象の気筒１の膨張行程中において、イオン電流信号ｈが判定閾値を上回る期間Ｔを計測する（ステップＳ１）。そして、この期間Ｔの長さが正常範囲内にあるか否かを判断する。期間Ｔがある下限値以上かつある上限値以下であるならば、当該気筒１の膨張行程における燃焼は正常であったと判定される。

期間Ｔが下限値を超えて短い場合には（ステップＳ２）、当該気筒１において燃焼不良または失火が発生したと判定して、ＥＣＵ０のメモリまたはＣＰＵのレジスタに記憶保持している、失火検知回数のカウンタを増加させる（ステップＳ３）。

しかして、失火検知回数のカウンタが所定値以上となっているならば（ステップＳ４）、そのときの内燃機関の稼働期間の長さを示すパラメータを取得する（ステップＳ５）。内燃機関の稼働期間の長さを示すパラメータの例としては、以下を挙げることができる。
・出荷時若しくは前回の検査（メンテナンス）時からの累積走行距離。走行距離は、オドメータまたはトリップメータから知得することができ、車速センサを介して検出した車速を時間積分して算出することもできる
・出荷時若しくは前回の検査時からの内燃機関の累積稼働時間（または、気筒１における燃焼の累積回数、クランクシャフトの累積回転回数）
・出荷時若しくは前回の検査時からの累積トリップ回数。１トリップは、イグニッションスイッチのＯＮによる機関の始動からイグニッションスイッチのＯＦＦによる機関の停止までの期間
累積走行距離、累積稼働時間または累積トリップ回数等は、例えば、サービスマン等が点検整備を行う際にＥＣＵ０に何らかの操作を行い、または何らかの指令信号を入力することでリセットされる。

その上で、内燃機関の稼働期間の長さを示すパラメータが所定条件を満足している、例えば、出荷時若しくは前回の検査時からの累積走行距離、累積稼働時間または累積トリップ回数等が所定以上である場合に（ステップＳ６）、内燃機関に異常がある旨を出力する（ステップＳ７）。

ステップＳ６では、出荷時若しくは前回の検査時からある程度以上長い期間が経過しているか否かを判断している。出荷時には、点火プラグ１２を含めた内燃機関の各部は新品である。また、前回の検査時には、点火プラグ１２が清掃または交換されているであろう。出荷時若しくは前回の検査時から経過した期間が短い場合には、点火プラグ１２の電極の汚損も少なく、敢えてこれを清掃したり交換したりする必要はないと考えられる。

翻って、出荷時若しくは前回の検査時からの経過期間が長い場合には、点火プラグ１２の電極の汚損が著しく火花点火に支障を来しているおそれがあり、あるいは、点火プラグ１２以外の部位に何らかの故障が生じているおそれがある。よって、ステップＳ７にて、異常の旨をユーザの視覚または聴覚に訴えかける態様で報知し、内燃機関の検査を促す。例えば、車両のコックピット内に設けられた警告灯を点灯させたり、ディスプレイに警告を表示させたり、ブザーまたはスピーカから警告音を音声出力させたりする。

加えて、ステップＳ７では、失火検知回数のカウンタ値や、そのときの内燃機関の稼働期間の長さを示すパラメータ、そのときの日時のタイムスタンプ等の情報をＥＣＵ０のメモリに書き込んで記憶保持させる。この情報は、事後の検査や修理の作業における異常の原因の究明の助けとなる。

さらに、ＥＣＵ０は、イオン電流信号ｈを参照する上述の手法以外の判定手法を用いて、気筒１における燃焼不良または失火が発生したか否かを判定する。例えば、対象の気筒１の膨張行程中において、クランクシャフトの回転速度（クランクシャフトが所定角度回転するのに要した所要時間）を計測し（ステップＳ８）、その回転速度が予想範囲内にあるか否かを判断する。クランクシャフトの回転速度の実測値が予想値を上回っているか、予想値から実測値を減算した差分が所定未満であるならば、当該気筒１の膨張行程における燃焼は正常であったと判定される。

予想値から実測値を減算した差分が所定以上である場合には（ステップＳ９）、当該気筒１において燃焼不良または失火が発生したと判定する。そして、ＥＣＵ０のメモリまたはＣＰＵのレジスタに記憶保持している、失火検出回数のカウンタを増加させる（ステップＳ１０）。このカウンタは、イオン電流信号ｈを参照した失火検知回数のカウンタ（ステップＳ３でインクリメントし、ステップＳ４で参照するもの）とは別個のカウンタとしてもよいし、同じカウンタとしてもよい。

しかして、失火検知回数のカウンタが所定値以上となっているならば（ステップＳ１１）、そのときの内燃機関の稼働期間の長さを示すパラメータを取得する（ステップＳ１２）。そして、内燃機関の稼働期間の長さを示すパラメータが所定条件を満足している、例えば、出荷時若しくは前回の検査時からの累積走行距離、累積稼働時間または累積トリップ回数等が所定以上である場合に（ステップＳ１３）、内燃機関に異常がある旨を出力する（ステップＳ１４）。

ステップＳ１２にて取得するパラメータは、ステップＳ５にて取得するパラメータと同種のものであってもよく、別種のものであってもよい。また、ステップＳ１３における所定条件は、ステップＳ６における所定条件と同じであってもよく、ステップＳ６における所定条件とは異なっていてもよい。

本実施形態では、内燃機関の気筒１における燃焼不良または失火が疑われる事象を検知するとともに、当該事象を検知したときの内燃機関の稼働期間の長さを示すパラメータを知得し、前記パラメータが所定条件を満足している場合に、内燃機関に異常がある旨を出力することを特徴とする内燃機関の制御装置０を構成したため、燃焼不良または失火をもたらすような内燃機関の異常の有無の判断の精度をより高めることができる。

本実施形態によれば、真に必要な頻度で点検整備を実施することが可能となる。並びに、ユーザ毎の特性（例えば、車両の運転の頻度、走行距離等）の違いを加味して精確な判断を下すことができる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成や処理の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に利用できる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１２…点火プラグ
ｈ…イオン電流信号

Claims (1)

1. 内燃機関の気筒における燃焼不良または失火が疑われる事象を検知するとともに、当該事象を検知したときの内燃機関の稼働期間の長さを示すパラメータを知得し、
   前記パラメータが所定条件を満足している場合に、内燃機関に異常がある旨を出力することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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