JP2016084736A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両等に搭載される内燃機関の気筒における失火の有無の判定精度を高める。
【解決手段】内燃機関のクランクシャフトに付設されたクランク角センサを介して内燃機関の回転速度を検出するとともに、内燃機関の所定回転角度あたりの回転速度の変化量が判定閾値を上回るか否かに基づいて内燃機関の各気筒における失火の発生の有無を判定するにあたり、クランク角センサを介して検出される回転速度の変化量に各気筒毎に異なる補正量を加味した上で判定閾値と比較する、または、判定閾値に各気筒毎に異なる補正量を加味した上でクランク角センサを介して検出される回転速度の変化量と比較することとした。
【選択図】図３

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関を制御する制御装置に関する。

内燃機関の出力軸であるクランクシャフトが所定角度回転するのに要した時間を反復的に計測して回転速度の変化量（または、低下量）を求め、この変化量が判定閾値を上回ったときに、気筒内で失火が発生したと判定する失火判定方法が公知である（例えば、下記特許文献１を参照）。

内燃機関のクランクシャフトの回転速度は、クランク角センサを介して検出することが通例である。クランク角センサは、クランクシャフトの軸端部に固定されクランクシャフトと一体となって回転するロータの回転角度をセンシングするものである。そのロータには予め、クランクシャフトの回転方向に沿った所定角度（典型的には、１０°）毎に、歯または突起が形成されている。クランク角センサは、ロータの外周に臨み、個々の歯または突起が当該センサの近傍を通過することを検知して、その都度クランク角信号としてパルス信号を発信する。内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）は、このパルスをクランク角信号として受信する（例えば、下記特許文献２を参照）。

特開２０１２−０７７７００号公報 特開２０１４−１６３２８４号公報

車両等に搭載される内燃機関は複数の気筒を備えているが、各気筒の膨張行程におけるクランクシャフトの回転速度を計測するためのクランク角センサは単一である。

気筒間で混合気の燃焼状態に差がなかったとしても、各気筒の膨張行程の際にクランク角センサを介して知得される回転速度の変化量は気筒毎にばらつく。このことは、失火が発生した場合における回転速度の変化量についても当てはまる。そのために、気筒によっては、失火を生じていないにもかかわらず回転速度の低下量が判定閾値を上回り失火が発生したと誤判定してしまう、あるいは、失火が生じたにもかかわらず回転速度の低下量が判定閾値以下に留まり失火の発生を看過してしまうことがあり得た。

発明者の鋭意研究の結果、上述の事象は、複数の気筒の配列方向に沿って伸長したクランクシャフトに生ずる捻れに起因していることが判明した。

本発明は、以上の問題に初めて着目してなされたものであり、内燃機関の気筒における失火の有無の判定精度を高めることを所期の目的としている。

本発明では、内燃機関のクランクシャフトに付設されたクランク角センサを介して内燃機関の回転速度を検出するとともに、内燃機関の所定回転角度あたりの回転速度の変化量が判定閾値を上回るか否かに基づいて内燃機関の各気筒における失火の発生の有無を判定するものであって、クランク角センサを介して検出される回転速度の変化量に各気筒毎に異なる補正量を加味した上で判定閾値と比較することで各気筒の失火の有無を判定する、または、判定閾値に各気筒毎に異なる補正量を加味した上でクランク角センサを介して検出される回転速度の変化量と比較することで各気筒の失火の有無を判定する内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、内燃機関の気筒における失火の有無の判定精度をより高めることができる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 同実施形態の内燃機関に付帯するクランク角センサの態様を模式的に示す図。 クランク角センサを介して検出される各気筒毎の膨張行程中の回転速度の変化量の分布を例示する図。 同実施形態の制御装置が実施する失火判定における回転速度の変化量の補正の模様を示す図。 本発明の変形例に係る判定閾値の補正の模様を示す図。

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、火花点火式の４ストロークエンジンであり、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。点火プラグ１２は、点火コイル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。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

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。

外部ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。

本実施形態の内燃機関の制御装置たる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。

ＥＣＵ０の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クランク角センサ（エンジン回転センサ）７０から出力されるクランク角信号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、内燃機関に対する要求負荷）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、排気通路４を流れる排気ガスの酸素濃度または空燃比を検出する空燃比センサから出力される空燃比信号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、内燃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、シフトレバーのレンジを知得するためのセンサ（または、シフトポジションスイッチ）から出力されるシフトレンジ信号ｇ、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ｈ等が入力される。

図２に示すように、クランク角センサ７０は、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトの軸端部に固定されクランクシャフトと一体となって回転するロータ７１の回転角度をセンシングするものである。そのロータ７１には、クランクシャフトの回転方向に沿った所定角度毎に、歯または突起７２が形成されている。典型的には、クランクシャフトが１０°回転する都度、歯または突起７２が配置される。

クランク角センサ７０は、ロータ７１の外周に臨み、個々の歯または突起７２が当該センサの近傍を通過することを検知して、その都度クランク角信号ｂとしてパルス信号を発信する。ＥＣＵ０は、このパルスをクランク角信号ｂとして受信する。

尤も、クランク角センサ７０は、クランクシャフトが一回転する間に三十六回のパルスを出力するわけではない。クランクシャフトのロータ７１の歯または突起７２は、その一部が欠けている。図２に示す例では、十七番目、十八番目及び二十番目、二十一番目の欠歯部分７２１、並びに、三十五番目、三十六番目の欠歯部分７２２という、大きく分けて二つの欠歯部分７２１、７２２が存在する。欠歯部分７２１、７２２はそれぞれ、クランクシャフトの特定の回転位相角に対応する。即ち、連続する欠歯部分７２１は１８０°ＣＡ（クランク角度）及び５４０°ＣＡに対応しており、単独の欠歯部分７２２は０°及び３６０°ＣＡに対応している。

そして、上記の欠歯部分７２１、７２２に起因して、クランク角信号ｂのパルス列もまた一部が欠損する。この欠損を基にして、クランクシャフトの絶対的な角度、即ち各気筒１のピストンの現在位置を知ることが可能である。欠損した三十六番目のパルスの次の一番目のパルスのタイミングを０°ＣＡ（または、３６０°ＣＡ）とおくと、欠損した十八番目のパルスに続く十九番目のパルスのタイミングが１８０°ＣＡ（または、５４０°ＣＡ）ということになる。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号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、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ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、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）、点火タイミング等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、内燃機関のクランクシャフトの所定回転角度あたりの回転速度を計測するとともに、その回転速度の変化量即ち低下量を判定閾値と比較することで、気筒１内で失火が発生したか否かの判定を行う。

以降、本実施形態のＥＣＵ０が実施する失火判定方法に関して詳述する。ＥＣＵ０は、クランクシャフトが所定回転角度、例えば３０°ＣＡ（クランク角度）回転するために要した時間をクランク角センサ７０を介して反復的に計測し、今回計測された所要時間から前回計測された所要時間を減算することで、３０°ＣＡ毎の回転速度の低下量の指標となる値、換言すれば３０°ＣＡの所要時間の変化量（差分）を得る。

３０°ＣＡの所要時間の変化量が正値であることは内燃機関の回転速度が減速傾向にあることを意味し、負値であることは内燃機関の回転速度が加速傾向にあることを意味する。通常、内燃機関は、何れかの気筒１の膨張行程中に加速し、それ以外の行程では減速する。気筒１内で失火が発生すると、当該気筒１の膨張行程において加速が行われないことから、３０°ＣＡの所要時間の変化量の値が増大する。故に、ＥＣＵ０は、３０°ＣＡの所要時間の変化量を指標値とし、これを判定閾値と比較して、前者が後者を上回ったならば失火が発生した可能性があると判断する。

本実施形態にあって、内燃機関は複数の気筒１を備えており、それら複数の気筒１の各々の膨張行程中の回転速度を単一のクランク角センサ７０を用いて計測している。そして、当該クランク角センサ７０を介して知得される回転速度の変化量は、気筒１毎にばらつく。このばらつきは、複数の気筒１の配列方向に沿って伸長したクランクシャフトの捻れによって生じている。

図３に、各気筒１の膨張行程の際にクランク角センサ７０を介して知得される回転速度の変化量の分布を例示する。第一気筒＃１は、クランクシャフトの軸端部にあるロータ７１及びクランク角センサ７０に最も近い気筒１である。第二気筒＃２は第一気筒＃１よりもロータ７１及びクランク角センサ７０から離れており、第三気筒＃３は第二気筒＃２よりもさらにロータ７１及びクランク角センサ７０から離れている。第四気筒＃４は、ロータ７１及びクランク角センサ７０から最も遠く離れた気筒１である。図３に示している通り、クランク角センサ７０を介して知得されるクランクシャフトの回転速度の変化量は、たとえ各気筒１間で混合気の燃焼状態に差がなかったとしても、クランク角センサ７０により近い気筒１の膨張行程中ほど大きくなり、クランク角センサ７０からより遠い気筒１の膨張行程中ほど小さくなる傾向にある。

気筒１毎の回転速度の変化量のばらつきは、各気筒１で失火が発生した場合においても存在する。そのため、図３に示しているように、第一気筒＃１の膨張行程において混合気が正常に燃焼した場合に計測される回転速度の変化量と、第四気筒＃４の膨張行程において混合気の燃焼が不安定ないし失火した場合に計測される回転速度の変化量との差が小さくなる。このことは、失火を生じていないにもかかわらず失火が発生したと誤判定してしまうリスク、あるいは、失火が生じたにもかかわらず失火の発生を看過してしまうリスクの増大につながる。

そこで、本実施形態のＥＣＵ０は、失火の誤判定または看過を回避するために、各気筒１の膨張行程における失火の有無の判定において、クランク角センサ７０を介して検出される回転速度の変化量に、各気筒１毎に異なる補正量を加味した上で、判定閾値と比較するようにしている。

図４に、判定閾値と比較するべき回転速度の変化量の補正の模様を示している。図４中、×点は各気筒１の膨張行程中にクランク角センサ７０を介して知得された（補正量を加味する前の）回転速度の変化量を表しており、○点はその回転速度の変化量に補正量を加味したものを表している。補正量は、各気筒１の膨張行程における混合気の燃焼状態が均等であるという条件の下で、判定閾値と比較される気筒１毎の回転速度の変化量が互いに略等しくなるように定める。補正量は、各気筒１毎に異なる。即ち、個々の気筒１とクランク角センサ７０との距離に略比例した補正量を設定する。

図４に示すように、第一気筒＃１を基準とし、第一気筒＃１の膨張行程中に計測される回転速度の変化量に加味する補正量を０とするのであれば、第四気筒＃４の膨張行程中に計測される回転速度の変化量に加味する嵩上げ補正量ΔＡ４が最も大きく、第三気筒＃３の膨張行程中に計測される回転速度の変化量に加味する嵩上げ補正量ΔＡ３はそれよりも小さくなる。さらに、第二気筒＃２の膨張行程中に計測される回転速度の変化量に加味する嵩上げ補正量ΔＡ２は、第三気筒＃３の膨張行程中に計測される回転速度の変化量に加味する嵩上げ補正量ΔＡ３よりも小さくなる。なお、補正量ΔＡ２、ΔＡ３、ΔＡ４は、クランク角センサ７０を介して知得される回転速度の変化量に乗ずる補正係数であることがある。

本実施形態では、内燃機関のクランクシャフトに付設されたクランク角センサ７０を介して内燃機関の回転速度を検出するとともに、内燃機関の所定回転角度あたりの回転速度の変化量（低下量）が判定閾値を上回るか否かに基づいて内燃機関の各気筒１における失火の発生の有無を判定するものであって、クランク角センサ７０を介して検出される回転速度の変化量に各気筒１毎に異なる補正量、特に各気筒１とクランク角センサ７０との距離に応じて設定される補正量を加味した上で判定閾値と比較することで各気筒１における失火の有無を判定する内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、クランクシャフトの捻れがクランクシャフトの回転速度の変化量に与える影響を排除して、各気筒１における失火の誤判定または看過を回避することが可能となる。

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。上記実施形態では、クランク角センサ７０を介して検出される回転速度の変化量に各気筒１毎に異なる補正量を加味した上で判定閾値と比較し、各気筒１の失火の有無を判定することとしていたが、これに代えて、判定閾値に各気筒１毎に異なる補正量を加味した上でクランク角センサ７０を介して検出される回転速度の変化量と比較し、各気筒１の失火の有無を判定するようにしてもよい。

即ち、各気筒１の膨張行程中に計測される回転速度の変化量と比較される判定閾値を全ての気筒１について共通とはせず、気筒１毎に異なる判定閾値を用いるのである。図５に、判定閾値の補正の模様を示している。図５中、×点は各気筒１毎に一律の（補正量を加味する前の）判定閾値を表しており、○点はその判定閾値に気筒１毎に異なる補正量を加味したものを表している。補正量は、個々の気筒１とクランク角センサ７０との距離に略比例する。

図５に示すように、第一気筒＃１を基準とし、第一気筒＃１の膨張行程中に計測される回転速度の変化量と比較するべき判定閾値に加味する補正量を０とするのであれば、第四気筒＃４の膨張行程中に計測される回転速度の変化量と比較するべき判定閾値に加味する引下げ補正量ΔＴ４が最も大きく、第三気筒＃３の膨張行程中に計測される回転速度の変化量と比較するべき判定閾値に加味する引下げ補正量ΔＴ３はそれよりも小さくなる。さらに、第二気筒＃２の膨張行程中に計測される回転速度の変化量と比較するべき判定閾値に加味する引下げ補正量ΔＴ２は、第三気筒＃３の膨張行程中に計測される回転速度の変化量と比較するべき判定閾値に加味する引下げ補正量ΔＴ３よりも小さくなる。なお、補正量ΔＴ２、ΔＴ３、ΔＴ４は、判定閾値に乗ずる補正係数であることがある。

その他各部の具体的構成は、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、内燃機関が搭載された車両の制御に適用できる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
７０…クランク角センサ
ｂ…クランク角信号

Claims (1)

1. 内燃機関のクランクシャフトに付設されたクランク角センサを介して内燃機関の回転速度を検出するとともに、内燃機関の所定回転角度あたりの回転速度の変化量が判定閾値を上回るか否かに基づいて内燃機関の各気筒における失火の発生の有無を判定するものであって、
   クランク角センサを介して検出される回転速度の変化量に各気筒毎に異なる補正量を加味した上で判定閾値と比較することで各気筒の失火の有無を判定する、または、判定閾値に各気筒毎に異なる補正量を加味した上でクランク角センサを介して検出される回転速度の変化量と比較することで各気筒の失火の有無を判定する内燃機関の制御装置。

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