JP2016109100A - 内燃機関の診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】失火の発生を検知する事ができる内燃機関の診断装置を提供する。【解決手段】燃焼質量割合が所定燃焼質量割合となる時のクランク角度を取得し、点火時期から前記クランク角度までのクランク角期間の算出値が当該クランク角期間の目標値に近づくように、燃料噴射量を調節する内燃機関の診断装置であって、燃料噴射量が減少した後にトルクが最大となる点火時期が変化しない場合には、燃焼室内のガスの流動が強化されていると診断することを特徴とする。【選択図】図６

Description

この発明は、内燃機関の診断装置に関する。

従来、良好な混合気の燃焼を得るため、燃焼室内にガスの流動を生じさせる吸気流制御弁を設けることが知られている。特許文献１には、吸気ポートにスワールコントロールバルブを備えた内燃機関が開示されている。このスワールコントロールバルブを開閉させることで、燃焼室内におけるガスの流動の強さが調整される。

特開２００１−０２０７８２号公報 特開２００６−２９１８７６号公報

ところで、内燃機関の吸気ポートにおいて、経年劣化によってデポジットが堆積することがある。吸気ポートにデポジットが堆積すると、燃焼室に流入する吸気の勢いが増して、燃焼室内におけるガスの流動が強くなることがある。

例えば、特許文献１に開示される内燃機関のスワールコントロールバルブにデポジットが堆積した場合、このスワールコントロールバルブによって調整されたガスの流動の強さがさらに強化される。このため、燃焼室内のガスの流動が強くなりすぎて、点火プラグの放電が吹き消えることがある。この結果、失火が発生するおそれがある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、失火の発生を検知する事ができる内燃機関の診断装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、
燃焼質量割合が所定燃焼質量割合となる時のクランク角度を取得し、点火時期から前記クランク角度までのクランク角期間の算出値が当該クランク角期間の目標値に近づくように、燃料噴射量を調節する内燃機関の診断装置であって、
燃料噴射量が減少した後にトルクが最大となる点火時期が変化しない場合には、燃焼室内のガスの流動が強化されていると診断することを特徴とする。

第１の発明によれば、燃料噴射量と点火時期の変化に応じて、燃焼室内のガスの流動が強化されていることを診断することができる。そして、ガスの流動が強化されていることから、吸気ポートにデポジットが堆積しているおそれがあると判定することができる。これにより、運転者にデポジットの堆積を警告することが可能となる。このため、デポジットの堆積に対して処置をすることができる。この結果、点火プラグの放電切れによる失火を防止することができる。

本発明の実施の形態１のシステムの構成を説明するための概略構成図である。 リーンリミット付近の空燃比に対する、ＭＢＴとＭＢＴ制御時のＣＡ５０との関係を表した図である。 タンブル比の強さの変化が点火プラグの火花に与える影響について説明する図である。 ＳＡ−ＣＡ１０と空燃比との相関関係を示した図である。 ＳＡ−ＣＡ１０とＭＢＴとの相関関係を示した図である。 実施の形態１においてＥＣＵで実行される失火予測制御フローについて表した図である。 実施の形態２においてＥＣＵで実行される失火予測制御フローについて表した図である。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１のシステムの構成を説明するための概略構成図である。図１に示すシステムは、エンジン１０を備える。エンジン１０は、火花点火式の４サイクルレシプロエンジンである。エンジン１０の各気筒には、ピストン１２の往復動作により拡大、縮小する燃焼室１１が設けられている。ピストン１２は、クランクシャフト（不図示）に連結されている。クランクシャフトの端部には、外周に歯が形成されているフライホイール４９が設けられている。燃焼室１１には、燃料噴射弁１８と点火プラグ１６とが設けられている。エンジン１０は、燃焼室１１に空気を吸込む吸気通路２３を備えている。吸気通路２３と燃焼室１１との接続部には、吸気弁２０が設けられている。吸気通路２３には、吸気弁２０から上流に向かって、サージタンク２８、スロットルバルブ２４、エアクリーナー２５が設けられている。エンジン１０は、燃焼室１１で発生したガスを排出する排気通路３８を備えている。排気通路３８と燃焼室１１との接続部には、排気弁２２が設けられている。排気通路３８には、燃焼室１１から排出されたガスを浄化するために、触媒４０が設けられている。エンジン１０には、排気還流（以下、ＥＧＲという。）を行うために、排気通路３８から吸気通路２３へ連通するＥＧＲ通路３１が設けられている。ＥＧＲ通路３１には、排気通路３８から吸気通路２３に向かって、ＥＧＲクーラ３６、ＥＧＲバルブ３２が設けられている。

エンジン１０には、エンジン１０の運転状態を把握するために、各種センサが取り付けられている。フライホイール４９の近傍には、クランク角センサ３０が設けられている。燃焼室１１の近傍には、ノックセンサ１５が設けられている。燃焼室１１には、筒内圧センサ１４が設けられている。サージタンク２８付近には、吸気管圧センサ２６が設けられている。ＥＧＲクーラ３６には、温度センサ３４が設けられている。

実施の形態１のシステムの構成は、エンジン１０の運転状態を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備える。ＥＣＵ５０の入力側には、クランク角センサ３０、ノックセンサ１５、筒内圧センサ１４、吸気管圧センサ２６、温度センサ３４などの各種センサがそれぞれ接続される。

ＥＣＵ５０は、上記の各種センサが出力した信号に基づいて、エンジン１０の運転状態を検知する。例えば、ＥＣＵ５０は、クランク角センサ３０の出力から、クランク角を検知して、エンジン回転速度を算出する。ＥＣＵ５０は、筒内圧センサ１４が出力した信号と、クランク角とを紐付けることで、筒内圧の変化を算出する。

ＥＣＵ５０の出力側には、点火プラグ１６、燃料噴射弁１８、ＥＧＲバルブ３２、スロットルバルブ２４などの各種アクチュエータがそれぞれ接続される。

［ＳＡ−ＣＡ１０を利用した燃料噴射量のフィードバック制御］
筒内圧センサ１４とクランク角センサ３０とを備える実施の形態１のシステムによれば、エンジン１０の各サイクルにおいて、クランク角度（ＣＡ）ベースで筒内圧データ（筒内波形）を取得することができる。そして、公知の手法で絶対圧補正を行った後の筒内波形を用いて、燃焼質量割合を算出することができる。

実施の形態１の制御では、点火時期（ＳＡ）から、燃焼質量割合が１０％となる時点のクランク角であるＣＡ１０（本発明における「クランク角度」に相当）までのクランク角期間（以下、ＳＡ−ＣＡ１０という。）が利用される。ここで、点火時期と筒内圧データの解析結果から得られるＣＡ１０とを利用して算出されたＳＡ−ＣＡ１０のことを「算出ＳＡ−ＣＡ１０」という。

ＳＡ−ＣＡ１０は、着火遅れを代表するパラメータである。ＳＡ−ＣＡ１０と空燃比との間には、一定の相関がある。より具体的には、空燃比が理論空燃比よりも大きなリーン空燃比領域においては、空燃比がリーンになるほどＳＡ−ＣＡ１０が大きくなるという関係がある。この関係を利用して、実施の形態１の制御では、リーンバーン運転中における目標空燃比と相関のある目標ＳＡ−ＣＡ１０を設定する。そして、リーンバーン運転中、算出ＳＡ−ＣＡ１０が目標ＳＡ−ＣＡ１０に近づくように燃料噴射量のフィードバック制御を実施する。これにより、リーンバーン運転中における空燃比の制御が行われる。

［ＣＡ５０を利用した点火時期のフィードバック制御］
また、燃焼質量割合が５０％となる時点のクランク角度であるＣＡ５０と、最適点火時期（以下、ＭＢＴという。）とは、一定の相関性がある。以下、これについて、図２を参照して説明する。

図２は、リーンリミット付近の空燃比に対する、ＭＢＴとＭＢＴ制御時のＣＡ５０との関係を表した図である。図２に示すように、ＭＢＴとなる点火時期は、空燃比に応じて変化する。より具体的には、空燃比がリーンになると燃焼が遅くなる。その結果、より早く点火する必要があるため、ＭＢＴが進角側の時期に変化する。一方、ＭＢＴが得られる時のＣＡ５０は、リーンリミット付近の空燃比ではほぼ一定となる。

図２を参照して上述したように、ＭＢＴが得られる時のＣＡ５０は、リーンリミット付近において空燃比に対してほぼ変化しない。したがって、ＭＢＴが得られるときのＣＡ５０を目標ＣＡ５０として、筒内圧データの解析結果により得られるＣＡ５０（以下、「実ＣＡ５０」と称する）と目標ＣＡ５０との差が無くなるように点火時期を補正することにより、上記の空燃比変化の影響を受けずに点火時期をＭＢＴに調整できるようになる。このように、ＣＡ５０の利用は、点火時期の制御に適しているといえる。

［タンブル比の強化による失火］
ところで、エンジン１０の吸気ポートにおいて、経年劣化によってデポジットが堆積することがある。吸気ポートにデポジットが堆積することにより、燃焼室に流入する吸気の勢いが強まり、燃焼室内に発生する縦方向のガスの旋回流の強さ（以下、タンブル比という。）が強化される。タンブル比が強化されることで、点火プラグ１６が放電切れを引き起こすことがある。これについて、図３を参照して説明する。

図３は、タンブル比の強さの変化が点火プラグ１６の火花に与える影響について説明する図である。図３のＸは、点火プラグ１６の放電を表している。図３の右図は、タンブル比が過度に強くなったときの、点火プラグ１６点火後５０μｓ毎の放電の時系列変化を示している。この図には、点火プラグ１６点火後、ガスの流速に対して放電エネルギーが不足することで、放電切れが多発している様子が示されている。このように、点火プラグ１６の放電切れが多発することで、混合気の着火性が悪化する。この結果、失火が発生する。

そこで、実施の形態１では、上記の点火プラグ１６の放電切れによる失火を防止するために、タンブル比が強化されているか否かを診断する。具体的には、ＳＡ−ＣＡ１０と空燃比の関係及びＳＡ−ＣＡ１０とＭＢＴの関係をマップにしたタンブル比強化診断マップを用いて、タンブル比が強化されているか否かを診断する。以下、実施の形態１におけるタンブル比強化診断マップについて、図４及び図５を参照して説明する。

［タンブル比強化診断マップ］
図４は、ＳＡ−ＣＡ１０と空燃比との相関関係を示した図である。図４には、タンブル比がＴＴＲ３．３、ＴＴＲ３．４、ＴＴＲ３．５、ＴＴＲ３．６、ＴＴＲ３．９の場合におけるＳＡ−ＣＡ１０と空燃比との相関関係が示されている。ＴＴＲとは、タンブル比の強さを示す値である。

図４に示すように、ＳＡ−ＣＡ１０と空燃比との相関性は高く、その相関関係は線形性を示している。ここで、ＳＡ−ＣＡ１０と空燃比との関係は、ＳＡ―ＣＡ１０が同じ値であれば、タンブル比が高くなるほど空燃比がリーンになる。これは、タンブル比が強化されるほど燃焼が改善されるため、空燃比がリーンでも所望のエンジン出力が得られるようになるからである。

図４には、目標ＳＡ−ＣＡ１０が２８、かつ、ＴＴＲが３．５の場合における制御目標値が示されている。ここで、仮に、ＴＴＲが３．９に変化したとすると、算出ＳＡ−ＣＡ１０を目標ＳＡ−ＣＡ１０の２８に合わせるためには、空燃比を現在値よりもリーンにしなければならない。このため、タンブル比が強くなると、空燃比をリーンにするための燃料噴射量の補正が行われる。

図５は、ＳＡ−ＣＡ１０とＭＢＴとの相関関係を示した図である。図５には、図４と同様に、タンブル比がＴＴＲ３．３、ＴＴＲ３．４、ＴＴＲ３．５、ＴＴＲ３．６、ＴＴＲ３．９の場合におけるＳＡ−ＣＡ１０とＭＢＴとの相関関係が示されている。

図５に示すように、ＳＡ−ＣＡ１０とＭＢＴとの相関性は高く、その相関関係は線形性を示している。ここで、ＳＡ−ＣＡ１０とＭＢＴとの関係は、タンブル比の強弱にかかわらずほぼ一定である。

燃料噴射量が減量補正されて空燃比がリーンになった場合、燃焼が遅くなるため、ＭＢＴは進角側に変化する。ところが、燃料噴射量が減量補正されて空燃比がリーンになった場合でも、タンブル比が強くなっていると燃焼効率が改善されるため、ＭＢＴの時期はほぼ変わらない。

また、燃料噴射量が増量補正されて空燃比がリッチになった場合、燃焼が早くなるため、ＭＢＴは遅角側に変化する。ところが、燃料噴射量が増量補正されて空燃比がリッチになった場合でも、タンブル比が弱くなっていると燃焼効率が低下するため、ＭＢＴの時期はほぼ変わらない。

このように、空燃比が変化したにも関わらずＭＢＴの時期が変わらない場合、タンブル比が強化されていると診断することができる。これにより、吸気ポートにデポジットが堆積しているおそれがあることを把握することができる。

上記タンブル比強化診断マップを用いれば、吸気ポートへのデポジットの堆積のおそれを把握することができる。そして、運転者にデポジットの堆積を警告することが可能となる。このため、デポジットの堆積に対して処置をすることができる。この結果、点火プラグ１６の放電切れによる失火を防止することができる。

以下、上記タンブル比強化診断マップを用いて、エンジン１０の失火を予測する制御について、図６を参照して説明する。

［失火予測制御フロー］
図６は、実施の形態１においてＥＣＵ５０で実行される失火予測制御フローについて表した図である。

ＥＣＵ５０は、まず、筒内圧センサ１４（ＣＰＳ）による燃焼フィードバック制御をＯＮにする（Ｓ１００）。この燃焼フィードバック制御がＯＮになると、リーン運転が開始され、さらにＳＡ−ＣＡ１０を利用した燃料噴射量のフィードバック制御及びＣＡ５０を利用した点火時期のフィードバック制御が実施される。

次に、ＥＣＵ５０は、気筒別噴射補正量がＸ値以上であるか否かを判定する（Ｓ１０２）。ここで、気筒別噴射補正量とは、燃料噴射量の減量補正量のことである。そして、Ｘ値とは、空燃比がリーンになったことを示す閾値である。気筒別噴射補正量の算出には、図４で説明したマップが用いられる。ＥＣＵ５０は、気筒別噴射補正量がＸ値以上であれば、燃料噴射量の減量補正が行われたと判定する。ＥＣＵ５０は、気筒別噴射補正量がＸ値より低いと判定した場合、失火予測制御を終了させる。

一方、ＥＣＵ５０は、気筒別噴射補正量がＸ値以上であると判定した場合、気筒別ＣＡ５０による点火補正量が０プラスマイナスＹ値の範囲以内であるか否かを判定する（Ｓ１０４）。ＥＣＵ５０は、気筒別ＣＡ５０による点火補正量が０プラスマイナスＹ値の範囲以内であれば、ＭＢＴの時期が変化していないと判定する。ＥＣＵ５０は、気筒別ＣＡ５０による点火補正量が０プラスマイナスＹ値の範囲以外であると判定した場合、失火予測制御を終了させる。

一方、ＥＣＵ５０は、気筒別ＣＡ５０による点火補正量が０プラスマイナスＹ値の範囲以内であると判定した場合、タンブル比が強化されていると判定する（Ｓ１０６）。タンブル比強化判定は、気筒別に実行される。タンブル比強化判定が実行されることで、タンブル比が強化されていることを診断することができる。

次に、ＥＣＵ５０は、警告灯（ＭＩＬ）を点灯させる（Ｓ１０８）。

次に、ＥＣＵ５０は、ストイキ運転に移行する（Ｓ１１０）。その後、失火予測制御は終了する。

上記失火予測制御において、タンブル比が強化されていると判定された場合（Ｓ１０６）には、ストイキ運転に移行（Ｓ１１０）しているが、これに限るものではない。例えば、リーンとストイキの中間の空燃比に目標空燃比を設定するなどして、筒内圧センサのフィードバック制御を必要としない程度のリーン燃焼を行ってもよい。

また、ＳＡ−ＣＡ１０とＣＡ５０（ＭＢＴなどでもよい）との関係を予めマップ化してＥＣＵに記憶させておき、マップと実測値とのずれ量によってタンブル比がどの程度大きくなっているかを推定してもよい。

実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１のシステム構成において、タンブルコントロールバルブまたはスワールコントロールバルブなどの吸気流制御弁をさらに備えたエンジンにおける失火予測制御である。以下、実施の形態２の失火予測制御について、図７を参照して説明する。

図７は、実施の形態２においてＥＣＵ５０で実行される失火予測制御フローについて表した図である。なお、Ｓ２００、Ｓ２０２、Ｓ２０４、Ｓ２０６、Ｓ２１０、Ｓ２１２は、実施の形態１のＳ１００、Ｓ１０２、Ｓ１０４、Ｓ１０６、Ｓ１０８、Ｓ１１０と同様の制御であるため、説明を省略する。

ＥＣＵ５０は、Ｓ２０６においてタンブル比が強化されていると判定したときには、タンブルコントロールバルブ（ＴＣＶ）またはスワールコントロールバルブ（ＳＣＶ）に故障のおそれがあると判定する（Ｓ２０８）。次に、ＥＣＵ５０は、警告灯（ＭＩＬ）を点灯させる（Ｓ２１０）。これにより、タンブルコントロールバルブまたはスワールコントロールバルブの故障のおそれを運転者に知らせることができる。

１０ エンジン
１１ 燃焼室
１６ 点火プラグ
１８ 燃料噴射弁
５０ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 燃焼質量割合が所定燃焼質量割合となる時のクランク角度を取得し、点火時期から前記クランク角度までのクランク角期間の算出値が当該クランク角期間の目標値に近づくように、燃料噴射量を調節する内燃機関の診断装置であって、
   燃料噴射量が減少した後にトルクが最大となる点火時期が変化しない場合には、燃焼室内のガスの流動が強化されていると診断することを特徴とする内燃機関の診断装置。

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