JP2017096149A - センサ故障診断装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料性状を検出する性状センサの故障を診断可能にしたセンサ故障診断装置を提供する。
【解決手段】ＥＣＵ８０は、燃焼パラメータを検出する筒内圧センサ２１（燃焼センサ）、燃料の性状を表わす性状パラメータを検出する密度センサ２７および動粘度センサ２８（性状センサ）を、故障の診断対象とする。ＥＣＵ８０は、第１推定部８１ａ、燃焼センサ診断部８１ｂ、第２推定部８２ａおよび性状センサ診断部８２ｂを備える。第１推定部８１ａは、異なる燃焼条件で燃焼した場合の各々の燃焼パラメータに基づき、燃料に含まれている分子構造種毎の混合割合を推定する。第２推定部８２ａは、性状センサにより検出された複数の性状パラメータに基づき上記混合割合を推定する。性状センサ診断部８２ｂは、燃焼センサが正常と診断されている場合に、両推定部８１ａ、８２ａの各々で推定された混合割合を比較することで、性状センサの故障有無を診断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼システムに備えられたセンサの故障有無を診断するセンサ故障診断装置に関する。
従来より、内燃機関を備える燃焼システムの作動を制御するにあたり、燃焼状態をセンサ（以下、燃焼センサと記載）で検出し、その検出値を次回以降の燃焼制御に反映させる技術が知られている。例えば、燃焼室の圧力を筒内圧センサ（つまり燃焼センサ）で検出し、その検出結果に基づき着火時期や熱発生率の変化を推定し、その推定結果に応じて燃料の噴射量や噴射時期、ＥＧＲ量、過給圧等の目標値を補正する。
さて、断線または短絡による故障が燃焼センサに生じた場合には、燃焼センサの検出値が異常値で固定されることになる。そのため、検出値が異常値で固定されているか否かに基づき、断線短絡の故障を診断できる。一方、例えば燃焼センサの経年劣化に起因して、正常値に対してオフセットした値を出力している場合や、誤ったゲインによる値を出力している場合、つまり異常値で固定されない態様での故障（以下、中間値故障と記載）に陥る場合がある。このような中間値故障に対しては、特許文献１に記載の如く、燃料噴射を停止させている場合等、燃焼が生じていない時の検出値から診断できる。
特開２０１０−１２７１７２号公報
ここで、燃焼システムに給油される燃料の性状、例えば燃料の動粘度や密度、揮発性、着火性等は、その燃料の採掘場所や精製場所等によって様々である。そして、燃料の性状に適した燃焼制御を行うことは、排気エミッションや燃料消費率等の点で有利である。そこで従来では、燃料の性状を検出するセンサ（以下、性状センサと記載）を備え、性状センサにより検出された燃料性状に応じて上記目標値を補正する技術が知られている。
しかしながら、燃焼センサの中間値故障については、上述の如く燃焼していない時の検出値から診断できるものの、性状センサの中間値故障については、その診断が困難である。
本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、その目的は、燃料性状を検出する性状センサの中間値故障を診断可能にしたセンサ故障診断装置を提供することにある。
ここに開示される発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。
開示される発明の１つである第１発明は、
内燃機関（１０）の燃焼状態を表わす燃焼パラメータを検出する燃焼センサ（２１）、および内燃機関の燃焼に用いる燃料の性状を表わす性状パラメータを検出する性状センサ（２７、２８）を備える燃焼システムに適用され、燃焼センサおよび性状センサの故障有無を診断するセンサ故障診断装置において、
燃焼センサにより検出された燃焼パラメータのうち、異なる燃焼条件で燃焼した場合の各々の燃焼パラメータに基づき、燃料に含まれている分子構造種毎の混合割合を推定する第１推定部（８１ａ）と、
性状センサにより検出された複数の性状パラメータに基づき、混合割合を推定する第２推定部（８２ａ）と、
内燃機関で燃焼が為されていない時の燃焼センサによる検出値に基づき、燃焼センサの故障有無を診断する燃焼センサ診断部（８１ｂ）と、
燃焼センサ診断部により燃焼センサが正常であると診断されている場合に、第１推定部により推定された混合割合と、第２推定部により推定された混合割合とを比較することで、性状センサの故障有無を診断する性状センサ診断部（８２ｂ）と、
を備えるセンサ故障診断装置である。
ここで、燃焼センサで検出される着火遅れ時間や熱発生量等の燃焼パラメータの値は、先述した通り、筒内圧力や筒内温度等の燃焼条件に応じて異なってくる。そして、燃焼条件の違いに対する燃焼パラメータの違いは、燃料に含まれている分子構造種毎の混合割合の違いに起因して異なってくる。例えば、燃料に含まれている直鎖パラフィン類、側鎖パラフィン類、ナフテン類および芳香族類の各々についての混合割合の違いに起因して、筒内圧力と着火遅れ時間との関係を表わす特性マップは異なってくる。このことは、燃焼条件の違いに応じた燃焼パラメータの違いを検出すれば、分子構造種毎の混合割合を推定できることを意味する。要するに、本発明者らは、「異なる燃焼条件による各々の燃焼パラメータから、燃料に含まれている分子構造種毎の混合割合を推定できる」との知見を得ている。
また、性状センサで検出される動粘度や密度等の複数の性状パラメータの組み合わせは、上記混合割合との相関がある。また、性状パラメータの種類が１つであっても、その性状パラメータが検出される時の条件、例えば燃料の温度や圧力が異なれば、条件毎に異なる複数の性状パラメータを取得することができる。そして、これら複数の性状パラメータの組み合わせは、上記混合割合との相関がある。要するに、「複数の性状パラメータから、燃料に含まれている分子構造種毎の混合割合を推定できる」との知見を本発明者らは得ている。
これらの知見に鑑み、上記第１発明によれば、燃焼センサにより検出された燃焼パラメータのうち、異なる燃焼条件で燃焼した場合の各々の燃焼パラメータに基づき、燃料に含まれている分子構造種毎の混合割合を推定する。その一方で、性状センサにより検出された複数の性状パラメータに基づき上記混合割合を推定する。そして、燃焼センサが正常であると診断されている場合に、燃焼センサから推定された混合割合と性状センサから推定された混合割合とを比較することで、性状センサの故障有無を診断する。
要するに、燃焼センサから推定された混合割合と性状センサから推定された混合割合とが大きく乖離しており、かつ、燃焼センサが正常である場合には、性状センサが故障している蓋然性が高いと言える。よって、上記第１発明によれば、性状センサの故障有無を診断でき、特に、断線短絡故障に加えて性状センサの中間値故障についての診断が可能となる。
開示される発明の１つである第２発明は、
内燃機関（１０）の燃焼状態を表わす燃焼パラメータを検出する燃焼センサ（２１）、および内燃機関の燃焼に用いる燃料の性状を表わす性状パラメータを検出する性状センサ（２７、２８）を備える燃焼システムに適用され、燃焼センサおよび性状センサの故障有無を診断するセンサ故障診断装置において、
燃焼センサにより検出された燃焼パラメータのうち、異なる燃焼条件で燃焼した場合の各々の燃焼パラメータに基づき、性状パラメータを推定する推定部（Ｓ２４）と、
推定部により推定された性状パラメータと、性状センサにより検出された性状パラメータとを比較することで、性状センサの故障有無を診断する性状センサ診断部（Ｓ５５、Ｓ５７）と、
を備えるセンサ故障診断装置である。
ここで、燃焼センサで検出される着火遅れ時間や熱発生量等の燃焼パラメータの値は、先述した通り、筒内圧力や筒内温度等の燃焼条件に応じて異なってくる。そして、燃焼条件の違いに対する燃焼パラメータの違いの度合いは、燃料の動粘度や密度等の燃料性状に応じて異なってくる。このことは、燃焼条件の違いに応じた燃焼パラメータの違いを検出すれば、燃料性状を推定できることを意味する。要するに、本発明者らは、「異なる燃焼条件による各々の燃焼パラメータから、燃料性状を推定できる」との知見を得ている。
この知見に鑑み、上記第２発明によれば、燃焼センサにより検出された燃焼パラメータのうち、異なる燃焼条件で燃焼した場合の各々の燃焼パラメータに基づき、燃料の性状を表わした性状パラメータを推定する。そして、燃焼センサが正常であると診断されている場合に、燃焼センサから推定された性状パラメータと性状センサから検出された性状パラメータとを比較することで、性状センサの故障有無を診断する。
要するに、燃焼センサから推定された性状パラメータと性状センサから検出された性状パラメータとが大きく乖離しており、かつ、燃焼センサが正常である場合には、性状センサが故障している蓋然性が高いと言える。よって、上記第２発明によれば、性状センサの故障有無を診断できる。特に、断線短絡故障に加えて性状センサの中間値故障についての診断が可能となる。
本発明の第１実施形態に係るセンサ故障診断装置と、その装置が適用される内燃機関の燃焼システムを説明する図。 着火遅れ時間の説明図。 複数の着火遅れ時間、燃えやすさを表わす燃焼環境値の組み合わせである燃焼条件、および各種成分の混合量の関係を説明する図。 筒内酸素濃度に起因して生じる着火遅れ時間の変化を表す特性線と、燃料の分子構造種との関係を示す図。 筒内温度に起因して生じる着火遅れ時間の変化を表す特性線と、燃料の分子構造種との関係を示す図。 着火遅れ時間に基づき特定される特性線と、分子構造種の混合割合との関係を示す図。 図１に示すマイコンの処理フローであって、着火遅れ時間を記憶する手順を示すフローチャート。 図１に示すマイコンの処理フローであって、分子構造種毎の混合割合を推定する手順を示すフローチャート。 複数の性状パラメータ、分子構造種の混合量、および感度係数の関係を説明する図。 分子構造種の混合量、複数の性状パラメータ、および換算値の関係を説明する図。 図１に示すマイコンの処理フローであって、燃焼システムを制御する手順を示すフローチャート。 図１に示すマイコンの処理フローであって、燃焼センサの故障有無を診断する手順を示すフローチャート。 図１に示すマイコンの処理フローであって、性状センサの故障有無を診断する手順を示すフローチャート。 本発明の第２実施形態において、性状センサの故障有無を診断する手順を示すフローチャート。
以下、図面を参照しながら発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において、先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において、構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を参照し適用することができる。
（第１実施形態）
本実施形態に係るセンサ故障診断装置は、図１に示す電子制御装置（つまりＥＣＵ８０）により提供される。ＥＣＵ８０は、マイクロコンピュータ（つまりマイコン８０ａ）や、図示しない入力処理回路および出力処理回路等を備える。マイコン８０ａは、図示しない中央処理装置（つまりＣＰＵ）およびメモリ８０ｂを備える。メモリ８０ｂに記憶された所定のプログラムをＣＰＵが実行することで、マイコン８０ａは、燃焼システムが備える燃料噴射弁１５、燃料ポンプ１５ｐ、ＥＧＲバルブ１７ａ、調温バルブ１７ｄ、および過給調圧機器２６等の作動を制御する。これらの制御により、燃焼システムが備える内燃機関１０での燃焼状態は、所望の状態に制御される。燃焼システムおよびＥＣＵ８０は車両に搭載されたものであり、当該車両は、内燃機関１０の出力を駆動源として走行する。
内燃機関１０は、シリンダブロック１１、シリンダヘッド１２およびピストン１３等を備える。シリンダヘッド１２には、吸気バルブ１４ｉｎ、排気バルブ１４ｅｘ、燃料噴射弁１５および燃焼センサをなす筒内圧センサ２１が取り付けられている。コモンレール１５ｃ等の燃料通路を形成する部分または燃料タンクには、燃料の密度を検出する密度センサ２７、および燃料の動粘度を検出する動粘度センサ２８が取り付けられている。密度センサ２７により検出される燃料密度および動粘度センサ２８により検出される動粘度は、燃料の性状を表わす性状パラメータに相当し、これらのセンサは性状パラメータを検出する性状センサに相当する。
燃料ポンプ１５ｐは、燃料タンク内の燃料をコモンレール１５ｃへ圧送する。ＥＣＵ８０が燃料ポンプ１５ｐの作動を制御することで、コモンレール１５ｃ内の燃料は、目標圧力Ｐｔｒｇに維持された状態でコモンレール１５ｃに蓄えられる。コモンレール１５ｃは、蓄圧された燃料を各気筒の燃料噴射弁１５へ分配する。燃料噴射弁１５から噴射された燃料は、燃焼室１１ａで吸気と混合して混合気を形成し、混合気はピストン１３により圧縮されて自着火する。要するに、内燃機関１０は圧縮自着火式のディーゼルエンジンであり、燃料には軽油が用いられている。
燃料噴射弁１５は、電磁アクチュエータおよび弁体をボデー内部に収容して構成されている。電磁アクチュエータへの通電をＥＣＵ８０がオンさせると、電磁アクチュエータの電磁吸引力により図示しない背圧室のリーク通路が開弁し、背圧低下に伴い弁体が開弁作動し、ボデーに形成されている噴孔が開弁されて噴孔から燃料が噴射される。上記通電をオフさせると、弁体が閉弁作動して燃料噴射が停止される。
シリンダヘッド１２に形成されている吸気ポート１２ｉｎおよび排気ポート１２ｅｘには、吸気管１６ｉｎおよび排気管１６ｅｘが接続されている。吸気管１６ｉｎおよび排気管１６ｅｘにはＥＧＲ管１７が接続されており、排気の一部であるＥＧＲガスが、ＥＧＲ管１７を通じて吸気管１６ｉｎへ流入（つまり還流）する。ＥＧＲ管１７にはＥＧＲバルブ１７ａが取り付けられている。ＥＣＵ８０がＥＧＲバルブ１７ａの作動を制御することで、ＥＧＲ管１７の開度が制御され、ＥＧＲガスの流量が制御される。
さらに、ＥＧＲ管１７のうちＥＧＲバルブ１７ａの上流部分には、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ１７ｂ、バイパス管１７ｃおよび調温バルブ１７ｄが取り付けられている。バイパス管１７ｃは、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラ１７ｂをバイパスするバイパス流路を形成する。調温バルブ１７ｄは、バイパス流路の開度を調整することで、ＥＧＲクーラ１７ｂを流れるＥＧＲガスと、バイパス流路を流れるＥＧＲガスとの割合を調整し、ひいては、吸気管１６ｉｎへ流入するＥＧＲガスの温度を調整する。ここで、吸気ポート１２ｉｎへ流入する吸気には、吸気管１６ｉｎから流入する外部空気（つまり新気）およびＥＧＲガスが含まれる。したがって、調温バルブ１７ｄによりＥＧＲガスの温度を調整することは、吸気ポート１２ｉｎへ流入する吸気の温度であるインマニ温度を調整することに相当する。
燃焼システムは図示しない過給機を備える。過給機は、排気管１６ｅｘに取り付けられるタービン、および吸気管１６ｉｎに取り付けられるコンプレッサを有する。排気の流速エネルギによりタービンが回転すると、タービンの回転力によりコンプレッサが回転し、コンプレッサにより新気が圧縮つまり過給される。先述した過給調圧機器２６は、タービンの容量を変化させる機器であり、ＥＣＵ８０が過給調圧機器２６の作動を制御することで、タービン容量が調整され、これにより、コンプレッサによる過給圧が制御される。
ＥＣＵ８０には、筒内圧センサ２１、酸素濃度センサ２２、レール圧センサ２３、クランク角センサ２４およびアクセルペダルセンサ２５等、各種センサによる検出信号が入力される。
筒内圧センサ２１は、燃焼室１１ａの圧力（つまり筒内圧）に応じた検出信号を出力する。筒内圧センサ２１は、圧力検出素子に加えて温度検出素子２１ａを有しており、燃焼室１１ａの温度（つまり筒内温度）に応じた検出信号も出力する。酸素濃度センサ２２は、吸気管１６ｉｎに取り付けられ、吸気中の酸素濃度に応じた検出信号を出力する。検出対象となる吸気は、新気とＥＧＲガスが混合したものである。レール圧センサ２３はコモンレール１５ｃに取り付けられており、蓄圧されている燃料の圧力（つまりレール圧）に応じた検出信号を出力する。クランク角センサ２４は、ピストン１３により回転駆動するクランク軸の回転速度であって、単位時間あたりのクランク軸の回転数（つまりエンジン回転数）に応じた検出信号を出力する。アクセルペダルセンサ２５は、車両運転者により踏み込み操作されるアクセルペダルの踏込量（つまりエンジン負荷）に応じた検出信号を出力する。
ＥＣＵ８０は、これらの検出信号に基づき、燃料噴射弁１５、燃料ポンプ１５ｐ、ＥＧＲバルブ１７ａ、調温バルブ１７ｄおよび過給調圧機器２６の作動を制御する。これにより、燃料の噴射開始時期、噴射量、噴射圧、ＥＧＲガス流量、インマニ温度および過給圧が制御される。
燃料噴射弁１５の作動を制御している時のマイコン８０ａは、燃料の噴射開始時期、噴射量、および多段噴射に係る噴射段数を制御する噴射制御部８５ａとして機能する。燃料ポンプ１５ｐの作動を制御している時のマイコン８０ａは、噴射圧を制御する燃圧制御部８５ｂとして機能する。ＥＧＲバルブ１７ａの作動を制御している時のマイコン８０ａは、ＥＧＲガス流量を制御するＥＧＲ制御部８５ｃとして機能する。過給調圧機器２６の作動を制御している時のマイコン８０ａは、過給圧を制御する過給圧制御部８５ｄとして機能する。調温バルブ１７ｄの作動を制御している時のマイコン８０ａは、インマニ温度を制御するインマニ温度制御部８５ｅとして機能する。
マイコン８０ａは、燃焼に関する物理量の検出値（つまり燃焼パラメータ）を取得する燃焼パラメータ取得部８１としても機能する。本実施形態に係る燃焼パラメータとは、図２に示す着火遅れ時間ＴＤのことである。図２の上段は、マイコン８０ａから出力されるパルス信号を示す。パルス信号にしたがって燃料噴射弁１５への通電が制御される。具体的には、パルスオンのｔ１時点で通電が開始され、パルスオン期間Ｔｑに通電オンが継続される。要するに、パルスオンのタイミングにより噴射開始時期が制御される。また、パルスオン期間Ｔｑにより噴射期間が制御され、ひいては噴射量が制御される。
図２の中段は、パルス信号にしたがって弁体が開弁作動および閉弁作動した結果生じる、噴孔からの燃料の噴射状態の変化を示す。具体的には、単位時間あたりに噴射される燃料の噴射量（つまり噴射率）の変化を示す。図示されるように、通電開始のｔ１時点から、実際に噴射が開始されるｔ２時点までにはタイムラグが存在する。また、通電終了時点から実際に噴射が停止されるまでにもタイムラグが存在する。実際に噴射が為されている期間Ｔｑ１は、パルスオン期間Ｔｑで制御される。
図２の下段は、噴射された燃料の、燃焼室１１ａでの燃焼状態の変化を示す。具体的には、噴射された燃料と吸気の混合気が自着火燃焼することに伴い生じる、単位時間あたりの熱量（つまり熱発生率）の変化を示す。図示されるように、噴射開始のｔ２時点から、実際に燃焼が開始されるｔ３時点までにはタイムラグが存在する。本実施形態では、通電開始のｔ１時点から燃焼開始のｔ３時点までの時間を着火遅れ時間ＴＤと定義する。
燃焼パラメータ取得部８１は、筒内圧センサ２１で検出される筒内圧の変化に基づき、燃焼開始のｔ３時点を推定する。具体的には、ピストン１３が上死点に達してからクランク角が所定量だけ回転する期間において、筒内圧が急上昇した時期を燃焼開始時期（つまりｔ３時点）と推定する。この推定結果に基づき、着火遅れ時間ＴＤは燃焼パラメータ取得部８１により算出される。さらに燃焼パラメータ取得部８１は、燃焼時の各種状態（つまり燃焼条件）を、燃焼毎に取得する。具体的には、筒内圧、筒内温度、吸気酸素濃度、噴射圧力および混合気流速の少なくとも１つを、燃焼環境値として取得する。
これらの燃焼環境値は、燃料の燃えやすさを表わすパラメータであり、燃焼直前での筒内圧が高いほど、燃焼直前での筒内温度が高いほど、吸気酸素濃度が高いほど、噴射圧力が高いほど、混合気流速が速いほど、混合気が自着火しやすく燃えやすいと言える。燃焼直前での筒内圧および筒内温度として、例えば、燃料噴射弁１５への通電を開始するｔ１時点で検出された値を用いればよい。筒内圧は筒内圧センサ２１により検出され、筒内温度は温度検出素子２１ａにより検出され、吸気酸素濃度は酸素濃度センサ２２により検出され、噴射圧力はレール圧センサ２３により検出される。混合気流速は、燃焼直前における燃焼室１１ａ内での混合気の流速である。この流速は、上記エンジン回転数が速いほど速くなるので、エンジン回転数に基づき算出される。燃焼パラメータ取得部８１は、取得した着火遅れ時間ＴＤを、その燃焼に係る上記燃焼環境値の組み合わせ（つまり燃焼条件）と関連付けてメモリ８０ｂに記憶させる。
マイコン８０ａは、異なる燃焼条件で検出された複数の燃焼パラメータに基づき、燃料に含まれている複数種類の分子構造種について、分子構造種毎の混合割合を推定する。この推定を実行している時のマイコン８０ａは、筒内圧センサ２１で検出された燃焼パラメータにもとづき混合割合を推定する第１推定部８１ａに相当する。
例えば、異なる燃焼条件毎の着火遅れ時間ＴＤを図３に示す行列式に代入することで、各種成分の混合量を算出する。なお、算出された各々の混合量を総量で除算することで、各種成分の混合割合が算出される。
図３の左辺にある行列は、ｘ行１列であり、この行列が有する数値は、各種成分の混合量を表わす。各種成分とは、分子構造の種類の違いにより分類される成分である。分子構造の種類には、直鎖パラフィン類、側鎖パラフィン類、ナフテン類およびアロマ類が含まれている。
右辺の左側にある行列は、ｘ行ｙ列であり、この行列が有する数値は、予め実施した試験に基づき定められた定数である。右辺の右側にある行列は、ｙ行１列であり、この行列が有する数値は、燃焼パラメータ取得部８１により取得された着火遅れ時間ＴＤである。例えば、１行１列目の数値は、燃焼環境値の所定の組み合わせからなる燃焼条件ｉの時に取得された着火遅れ時間ＴＤ（条件ｉ）であり、２行１列目の数値は、燃焼条件ｊの時に取得された着火遅れ時間ＴＤ（条件ｊ）である。燃焼条件ｉと燃焼条件ｊとでは、全ての燃焼環境値が異なる値に設定されている。以下の説明では、燃焼条件ｉに係る筒内圧、筒内温度、吸気酸素濃度および噴射圧力を、Ｐ（条件ｉ）、Ｔ（条件ｉ）、Ｏ２（条件ｉ）、Ｐｃ（条件ｉ）とする。燃焼条件ｊに係る筒内圧、筒内温度、吸気酸素濃度および噴射圧力を、Ｐ（条件ｊ）、Ｔ（条件ｊ）、Ｏ２（条件ｊ）、Ｐｃ（条件ｊ）とする。
次に、図４、図５および図６を用いて、図３の行列式に燃焼条件毎の着火遅れ時間ＴＤを代入することで各分子構造種の混合量が算出できる理屈を説明する。
図４に示すように、燃焼に係る混合気に含まれる酸素の濃度（つまり筒内酸素濃度）が高いほど自着火しやすくなるので、着火遅れ時間ＴＤが短くなる。図中の３本の実線（１）（２）（３）は、筒内酸素濃度と着火遅れ時間ＴＤとの関係を示す特性線である。但し、この特性線は燃料に応じて異なる。厳密には、燃料に含まれている各々の分子構造種の混合割合に応じて特性線は異なる。したがって、筒内酸素濃度がＯ２（条件ｉ）の場合の着火遅れ時間ＴＤを検出すれば、いずれの分子構造種であるかを推測できる。特に、筒内酸素濃度がＯ２（条件ｉ）の場合とＯ２（条件ｊ）の場合とで着火遅れ時間ＴＤを比較すれば、より高精度で混合割合を推定できる。
同様にして、図５に示すように、筒内温度が高いほど自着火しやすくなるので、着火遅れ時間ＴＤが短くなる。図中の３本の実線（１）（２）（３）は、筒内温度と着火遅れ時間ＴＤとの関係を示す特性線である。但し、この特性線は燃料に応じて異なる。厳密には、燃料に含まれている各々の分子構造種の混合割合に応じて異なる。したがって、筒内温度がＢ１の場合の着火遅れ時間ＴＤを検出すれば、いずれの分子構造種であるかを推測できる。特に、筒内温度がＴ（条件ｉ）の場合とＴ（条件ｊ）の場合とで着火遅れ時間ＴＤを比較すれば、より高精度で混合割合を推定できる。
同様に噴射圧が高ければ、酸素を取り込みやすく自着火しやすくなるので、着火遅れ時間ＴＤが短くなる。厳密には、燃料に含まれている各々の分子構造種の混合割合に応じて感度が異なる。したがって、噴射圧が異なる場合の着火遅れ時間ＴＤを検出すれば、より高精度で混合割合を推定できる。
また、筒内酸素濃度に係る特性線（図４参照）に対する影響度の高い分子構造種と、筒内温度に係る特性線（図５参照）に対する影響度の高い分子構造種とは異なる。このように、複数の燃焼条件の各々に係る特性線に対して影響度の高い分子構造種は異なる。したがって、複数の燃焼環境値の組み合わせ（つまり燃焼条件）を異なる値にして取得された着火遅れ時間ＴＤの組み合わせに基づけば、例えば図６の如くいずれの分子構造種の混合割合が多いのかを高精度で推定できる。なお、以下の説明では筒内酸素濃度を第１燃焼環境値、筒内温度を第２燃焼環境値と呼び、第１燃焼環境値に係る特性線を第１特性線、第２燃焼環境値に係る特性線を第２特性線と呼ぶ。
図６に例示する分子構造種Ａは、第１燃焼環境値としての筒内酸素濃度に係る特性線（以下、第１特性線と呼ぶ）に対する影響度が高い分子構造種である。また、分子構造種Ｂは、第２燃焼環境値としての筒内温度に係る特性線（以下、第２特性線と呼ぶ）に対する影響度が高い分子構造種であり、分子構造種Ｃは、第３燃焼環境値に係る第３特性線に対する影響度が高い分子構造種である。第１燃焼環境値の変化に対して着火遅れ時間ＴＤの変化が大きく現れるほど、分子構造種Ａが多く混合していると言える。同様にして、第２燃焼環境値の変化に対して着火遅れ時間ＴＤの変化が大きく現れるほど分子構造種Ｂが多く混合しており、第３燃焼環境値の変化に対して着火遅れ時間ＴＤの変化が大きく現れるほど分子構造種Ｃが多く混合していると言える。したがって、異なる燃料（１）（２）（３）の各々に対し、分子構造種Ａ、Ｂ、Ｃの混合割合を推定できる。
図７は、燃焼パラメータ取得部８１が実行するプログラムの処理手順を示すフローチャートである。この処理は、以下に説明するパイロット噴射が指令される毎に実行される。１燃焼サイクル中に同一の燃料噴射弁１５から複数回噴射（多段噴射）させるように噴射制御する場合がある。これら複数回の噴射のうち、最も噴射量が多く設定された噴射をメイン噴射と呼び、その直前の噴射をパイロット噴射と呼ぶ。
先ず、図７のステップＳ１０において、上述した通り複数の燃焼環境値を取得する。次に、ステップＳ１１において、上述した通り筒内圧センサ２１の検出値に基づき燃焼開始のｔ３時点を推定して、パイロット噴射に係る着火遅れ時間ＴＤを算出する。次に、ステップＳ１２において、ステップＳ１０で取得した複数の燃焼環境値（つまり燃焼条件）と関連付けて、ステップＳ１１で算出した着火遅れ時間ＴＤをメモリ８０ｂに記憶させる。
具体的には、各燃焼環境値が取り得る数値範囲を複数の領域に区分けしておき、複数の燃焼環境値の領域の組み合わせ予め設定しておく。例えば図３に示す着火遅れ時間ＴＤ（ｉ）は、Ｐ（ｉ）、Ｔ（ｉ）、Ｏ２（ｉ）、Ｐｃ（ｉ）の領域の組み合わせ時に取得された着火遅れ時間ＴＤを表わす。同様に、着火遅れ時間ＴＤ（ｊ）は、Ｐ（ｊ）、Ｔ（ｊ）、Ｏ２（ｊ）、Ｐｃ（ｊ）の領域の組み合わせ時に取得された着火遅れ時間ＴＤを表わす。ステップＳ１２では、ステップＳ１０で取得した複数の燃焼環境値の組み合わせが、予め設定した組み合わせ（つまり燃焼条件）のいずれに該当するかを判別する。そして、該当する燃焼条件に対応する着火遅れ時間ＴＤとして、ステップＳ１１で算出した着火遅れ時間ＴＤを記憶させる。つまり、該当する燃焼条件と関連付けて着火遅れ時間ＴＤを記憶させる。
なお、予め設定した複数の燃焼条件の中に、ステップＳ１０で取得した燃焼条件に該当するものが存在しない場合がある。この場合には、着火遅れ時間ＴＤをメモリ８０ｂに記憶させることなく図７の処理を終了する。また、ステップＳ１０で取得した燃焼条件と同じ燃焼条件に係る着火遅れ時間ＴＤが既にメモリ８０ｂに記憶されている場合には、今回算出された着火遅れ時間ＴＤを書き換えて記憶更新させる。
図８は、第１推定部８１ａが実行するプログラムの処理手順を示すフローチャートである。この処理は、内燃機関１０の運転期間中、マイコン８０ａにより所定周期で繰返し実行される。先ず、図８のステップＳ２０において、ユーザが給油することに起因して、燃料タンクに貯留されている燃料に別の燃料が混合した可能性が高い場合に、分子構造種の混合割合が変化したとみなし、リセット条件が成立したと判定する。例えば、内燃機関１０の運転停止時に、燃料タンクの燃料残量を検出するセンサにより燃料残量の増大が検出された場合に、リセット条件が成立したと判定する。
リセット条件が成立したと判定された場合、続くステップＳ２１において、推定されていた混合量の値をリセットする。このリセットでは、後述するステップＳ２３で推定された最新の混合量の値をリセットするとともに、図７の処理にて記憶させた着火遅れ時間ＴＤの値もリセットする。したがって、前回リセット条件が成立してから次のリセット条件が成立するまでの期間、メモリ８０ｂに記憶される着火遅れ時間ＴＤが蓄積されていくこととなる。
続くステップＳ２２では、メモリ８０ｂに記憶されている着火遅れ時間ＴＤの数（つまりサンプリング数）が、分子構造種の混合割合を推定するのに十分な数だけ蓄積されているか否かを判定する。具体的には、メモリ８０ｂに蓄積されているサンプル数が、予め設定された数以上である場合に、サンプリング数が十分であると判定する。或いは、記憶対象となる領域の組み合わせ（つまり燃焼条件）のうち、予め設定しておいた複数の燃焼条件に対して着火遅れ時間ＴＤが記憶されている場合に、サンプリング数が十分であると判定する。
サンプリング数が十分であると判定された場合、続くステップＳ２３において、サンプリングされた着火遅れ時間ＴＤを図３の行列式に代入して、分子構造種毎の混合量を算出する。このように算出された分子構造種毎の混合量に基づき、分子構造種毎の混合割合を算出する。
先述した通り、マイコン８０ａは、噴射制御部８５ａ、燃圧制御部８５ｂおよびＥＧＲ制御部８５ｃとしても機能する。噴射制御部８５ａは、噴射開始時期、噴射量および噴射段数が目標値となるように図２のパルス信号を設定することで、噴射開始時期、噴射量および噴射段数を制御（つまり噴射制御）する。上記噴射段数とは、先述した多段噴射に係る噴射回数のことである。
燃圧制御部８５ｂは、燃料ポンプ１５ｐに吸入される燃料の流量を制御する調量弁の作動を制御する。具体的には、レール圧センサ２３で検出された実レール圧と目標圧力Ｐｔｒｇ（つまり目標値）との偏差に基づき、調量弁の作動をフィードバック制御する。その結果、燃料ポンプ１５ｐによる単位時間当りの吐出量が制御され、実レール圧が目標値となるように制御（つまり燃圧制御）される。また、ＥＧＲ制御部８５ｃは、ＥＧＲ量が目標値となるようにＥＧＲバルブ１７ａのバルブ開度を制御（つまりＥＧＲ制御）する。
図１の説明に戻り、マイコン８０ａは、燃料の性状を表わす物理量（つまり性状パラメータ）を取得する性状パラメータ取得部８２としても機能する。性状パラメータの具体例としては、燃料の動粘度、密度、ＨＣ比および低位発熱量等が挙げられる。ＨＣ比とは、燃料に含まれている水素量と炭素量との比のことである。低位発熱量とは、ピストン１３の運動エネルギに変換可能な発熱量のことである。なお、燃焼により水蒸気が生成するが、これを水の状態で存在すると考えた場合、蒸発熱も発熱量に加わることになり、この蒸発熱を低位発熱量に加算した熱量は高位発熱量と呼ばれる。
性状パラメータ取得部８２は、密度センサ２７から燃料の密度を性状パラメータとして取得するとともに、動粘度センサ２８から動粘度を性状パラメータとして取得する。密度センサ２７は、例えば固有振動周期測定法に基づいて燃料の密度を検出する。動粘度センサ２８は、例えば細管粘度計や、細線加熱法に基づく動粘度計である。密度センサ２７および動粘度センサ２８が検出対象とする燃料は、コモンレール１５ｃ等の燃料通路内の燃料または燃料タンク内の燃料である。密度センサ２７および動粘度センサ２８は、図示しないヒータを備えており、ヒータにより所定温度に燃料を加熱した状態で燃料の密度及び動粘度をそれぞれ検出する。
ここで、本発明者らは、燃料の特定の性状パラメータが、燃料に含まれる分子構造種毎の混合量と相関があり、かつ、性状パラメータの種別ごとに分子構造種毎の混合量に対する感度が異なることに着目した。つまり、燃料において分子構造が異なると分子間の結合力、構造による立体障害や相互作用などが相違する。また、燃料には複数種の分子構造が含まれ、その混合量は燃料毎に異なる。この場合、分子構造種毎に性状パラメータに寄与する感度が異なると考えられるため、分子構造量に依存して性状パラメータの値が変化する。
そこで本発明者らは、性状パラメータと分子構造とについて、図９に示す相関式を構築した。この相関式は、複数の性状パラメータに対する複数の分子構造量の依存度を示す感度係数を用い、複数の分子構造量に感度係数を反映することで複数の性状パラメータを導出する性状算出モデルの演算式である。図９の相関式において、「ｃ」は、各性状パラメータを推定する上での分子構造毎の感度（つまり関与度合）を示す感度係数であり、性状パラメータと分子構造との相関関係に応じて実数として定められている。ただし、複数の感度係数のうちの一部は０であってもよい。
また、図９の相関式に基づいて分子構造種毎の混合量について逆行列で表すと、図１０に示す相関式となる。この相関式において、複数の性状パラメータの値を入力することで、燃料に含まれる分子構造種毎の混合量の算出が可能となる。このとき、複数種類の分子構造のうち算出対象となる分子構造を特定しておき、その分子構造の混合量の算出に必要な性状パラメータの換算値ｂのみを有効にすることも可能である。例えば、混合量の算出に不要な性状パラメータについては、それに相応する換算値ｂを０にしておくとよい。換算値ｂは、性状パラメータごとの重み付け量でもある。図１０の相関式は、図９の相関式の性状算出モデルを逆モデルで表したパラメータ演算式である。
燃料の動粘度、密度は、密度センサ２７および動粘度センサ２８により計測可能な情報であり、自動車等の車両の使用に際して必要に応じて動粘度及び密度を取得することが可能となっている。また、低位発熱量は、燃料の動粘度及び密度と相関があることから、その相関を示すマップや演算式を用いることで、動粘度及び密度に基づいて算出することが可能である。ＨＣ比は、低位発熱量と相関があることから、その相関を示すマップや演算式を用いることで、低位発熱量に基づいてＨＣ比を算出することが可能である。その他、性状パラメータとして、セタン価や、蒸留性状に関するパラメータを用いることも可能である。
これらの性状パラメータの値を図１０の演算式に代入することで、分子構造種毎の混合量が算出される。なお、算出された各々の混合量を総量で除算することで、各種成分の混合割合が算出される。このように、マイコン８０ａは、複数の性状パラメータに基づき、燃料に含まれている複数種類の分子構造種について、分子構造種毎の混合割合を推定する。この推定を実行している時のマイコン８０ａは、密度センサ２７および動粘度センサ２８で検出された性状パラメータにもとづき混合割合を推定する第２推定部８２ａに相当する。
図８の説明に戻り、ステップＳ２３で混合割合を推定した後、ステップＳ２４において、ステップＳ２３で推定された混合割合を図９の相関式に代入することで、複数種類の性状パラメータを算出する。このステップＳ２４の処理を実行している時のマイコン８０ａは、異なる燃焼条件での各燃焼パラメータに基づき性状パラメータを推定する推定部に相当する。
図１１は、噴射制御部８５ａ、燃圧制御部８５ｂおよびＥＧＲ制御部８５ｃが実行するプログラムの処理手順を示すフローチャートである。この処理は、内燃機関１０の運転期間中、マイコン８０ａにより所定周期で繰返し実行される。先ず、図１１のステップＳ３０において、エンジン回転数、エンジン負荷およびエンジン冷却水温度等を取得する。続くステップＳ３１では、噴射制御部８５ａによる噴射制御、燃圧制御部８５ｂによる燃圧制御、およびＥＧＲ制御部８５ｃによるＥＧＲ制御に係る先述した各種目標値を、ステップＳ３０で取得した各種値に基づき設定する。
続くステップＳ３２では、筒内圧センサ２１（つまり燃焼センサ）が故障していると診断されているか否かを判定する。この故障診断は、後述する図１２の処理により実行される。故障していないと判定された場合、続くステップＳ３３において、第１推定部８１ａによる混合割合の推定値Ｘ１が存在しているか否かを判定する。なお、存在しない場合の例としては、ステップＳ２０で推定値Ｘ１がリセットされた場合や、ステップＳ２２でサンプリング数が十分でない場合が挙げられる。燃焼センサによる推定値Ｘ１が有ると判定された場合、続くステップＳ３４において、ステップＳ３１で設定した各種目標値を、各混合割合の推定値Ｘ１に応じて補正する。例えば、図６に示す燃料（１）（２）（３）のいずれであるかに応じて、噴射制御、燃圧制御およびＥＧＲ制御に係る各種目標値の少なくとも１つを補正する。続くステップＳ３５では、ステップＳ３４、Ｓ３８、Ｓ３９による補正後の目標値にしたがって、噴射制御、燃圧制御およびＥＧＲ制御を実行するための指令信号を出力する。
ステップＳ３３で、燃焼センサによる推定値Ｘ１が無いと判定された場合、或いはステップＳ３２で燃焼センサが故障していると判定された場合には、ステップＳ３６の処理に進む。ステップＳ３６では、密度センサ２７および動粘度センサ２８（つまり性状センサ）が故障していると診断されているか否かを判定する。この故障診断は、後述する図１３の処理により実行される。故障していないと判定された場合、続くステップＳ３７において、第２推定部８２ａによる混合割合の推定値Ｘ２が存在しているか否かを判定する。なお、存在しない場合の例としては、図１０の演算式に代入するべき性状パラメータが取得されていない場合や、取得後に性状パラメータがリセットされた場合が挙げられる。例えば、ユーザが給油することに起因して、燃料タンクに貯留されている燃料に別の燃料が混合した可能性が高い場合に、性状パラメータが変化したとみなして、取得した性状パラメータの値はリセットされる。性状センサによる推定値Ｘ２が有ると判定された場合、続くステップＳ３８において、ステップＳ３１で設定した各種目標値を、各混合割合の推定値Ｘ２に応じて補正する。
ステップＳ３７で、性状センサによる推定値Ｘ２が無いと判定された場合、或いはステップＳ３６で性状センサが故障していると判定された場合には、ステップＳ３９に進み、前回の補正に用いた推定値に基づき上記目標値を補正する。
ここで、密度センサ２７および動粘度センサ２８（つまり性状センサ）や、筒内圧センサ２１（つまり燃焼センサ）に、断線または短絡による故障が生じた場合には、センサの検出値が異常値で固定されることになる。そこでマイコン８０ａは、検出値が異常値で固定されているか否かに基づき、性状センサおよび燃焼センサについて、断線短絡の故障有無を診断する。
一方、例えばこれらのセンサの経年劣化に起因して、正常値に対してオフセットした値を出力している場合や、誤ったゲインによる値を出力している場合、つまり異常値で固定されない態様での故障（つまり中間値故障）に陥る場合がある。このような中間値故障に対しては、図１２および図１３に示す故障診断処理を、内燃機関１０の運転期間中、マイコン８０ａが所定周期で繰返し実行する。
図１２のステップＳ４０では、燃料噴射弁１５からの燃料噴射を停止させている無噴射期間に、筒内圧センサ２１の検出値を複数取得し、それら複数の検出値から形成される波形（つまり検出波形）を取得する。例えば、無噴射期間であれば、少なくとも圧縮行程を含む所定期間における筒内圧の変化を表した波形は、予め想定される波形（つまり基準波形）となる筈である。そこで、続くステップＳ４１では、上記所定期間に筒内圧センサ２１で検出された検出波形と基準波形とのズレ量を算出する。
続くステップＳ４２では、ステップＳ４１で算出したズレ量が許容範囲内であるか否かを判定する。許容範囲内であると判定されれば、続くステップＳ４３において、筒内圧センサ２１が正常であると診断する。許容範囲外であると判定されれば、続くステップＳ４４において、筒内圧センサ２１が故障していると診断する。なお、図１２の処理を実行している時のマイコン８０ａは、図１に示す燃焼センサ診断部８１ｂとして機能する。
図１３のステップＳ５０では、性状センサの検出値が正常範囲であるか否かを判定する。例えば、市場に流通している適正な燃料の動粘度から、想定し得る正常範囲を予め設定して記憶させておき、その正常範囲と検出値とを比較して判定する。正常範囲でないと判定された場合、続くステップＳ５１において燃焼センサが正常であるか否かを判定する。つまり、図１２のステップＳ４２の判定結果を取得する。燃焼センサが正常であると判定された場合、続くステップＳ５２において、第１推定部８１ａによる推定値Ｘ１および第２推定部８２ａによる推定値Ｘ２が有るか否かを判定する。この判定は、図１１のステップＳ３３、Ｓ３７と同様に為される。ステップＳ５２にて推定値Ｘ１および推定値Ｘ２が有ると判定された場合、続くステップＳ５３において両推定値Ｘ１、Ｘ２のズレ量を算出する。つまり、複数種類の混合割合の各々について、両推定値Ｘ１、Ｘ２の差分を算出する。
続くステップＳ５４では、ステップＳ５３で算出したズレ量が許容範囲内であるか否かを判定する。例えば、複数種類の混合割合の全てが許容範囲内である場合に、ステップＳ５４で肯定判定され、続くステップＳ５５において、性状センサが正常であると診断する。そして、続くステップＳ５６において、想定されていた適正な燃料が使用されておらず、不正燃料が使用されていると診断する。一方、ステップＳ５４にて許容範囲外であると判定されれば、続くステップＳ５７において、性状センサが故障していると診断する。なお、図１３の処理を実行している時のマイコン８０ａは、図１に示す性状センサ診断部８２ｂとして機能する。
以上に説明した通り、本実施形態に係るセンサ故障診断装置はＥＣＵ８０により提供され、このＥＣＵ８０は、第１推定部８１ａ、第２推定部８２ａ、燃焼センサ診断部８１ｂおよび性状センサ診断部８２ｂを備える。第１推定部８１ａによれば、異なる燃焼条件で燃焼した場合の各々の燃焼パラメータに基づき、燃料に含まれている分子構造種毎の混合割合を推定するので、混合割合を高精度で推定できる。その一方で、第２推定部８２ａによれば、複数の性状パラメータに基づき上記混合割合を推定するので、混合割合を高精度で推定できる。また、燃焼センサ診断部８１ｂにより、燃焼が為されていない時の燃焼センサの検出値に基づき燃焼センサの故障有無を診断するので、高精度で燃焼センサを診断できる。したがって、燃焼センサから推定された混合割合（つまり推定値Ｘ１）と性状センサから推定された混合割合（つまり推定値Ｘ２）とが大きく乖離しており、かつ、燃焼センサが正常と診断されている場合には、性状センサが故障している蓋然性が高い。この点を鑑み、性状センサ診断部８２ｂは、燃焼センサが正常であると診断されている場合に、両推定値Ｘ１、Ｘ２を比較することで性状センサの故障有無を診断するので、性状センサの中間値故障の有無について診断可能となる。
さらに本実施形態では、分子構造の種類に、直鎖パラフィン類、側鎖パラフィン類、ナフテン類および芳香族類の少なくとも１つが含まれている。これらの分子構造種は、燃焼パラメータに与える影響が大きいので、これらで分類される分子構造種の混合割合を推定することは、燃焼に関する各種制御に混合割合を反映させる上で、所望の燃焼状態にすることを精度良く実現できる。
さらに本実施形態では、性状パラメータには、燃料の動粘度、燃料の密度、燃料に含まれる水素と炭素の比率、および燃料の低位発熱量の少なくとも１つが含まれている。これらの性状パラメータは、分子構造種の混合割合の影響を大きく受けるので、複数の性状パラメータから上記混合割合を推定するにあたり、その推定精度を向上できる。
さらに本実施形態では、燃焼条件は、複数種類の燃焼条件値の組み合わせにより特定される条件である。つまり、複数種類の燃焼条件値の各々について、値が異なる燃焼時の燃焼パラメータを取得する。これによれば、同一種類の燃焼条件値についてその値が異なる燃焼時の燃焼パラメータを取得し、それらの燃焼条件および燃焼パラメータに基づき混合割合を推定する場合に比べて、混合割合を高精度で推定できる。
さらに本実施形態では、燃焼条件値には、筒内圧、筒内温度、吸気酸素濃度および燃料噴射圧力の少なくとも１つが含まれている。これらの燃焼条件値は、燃焼状態に与える影響が大きいので、これらの条件が異なる燃焼時の燃焼パラメータを用いて混合割合を推定する本実施形態によれば、混合割合を精度良く推定できる。
さらに本実施形態では、燃焼特性値は、燃料噴射を指令してから自着火するまでの着火遅れ時間ＴＤである。着火遅れ時間ＴＤは、分子構造種毎の混合割合の影響を大きく受けるので、着火遅れ時間ＴＤに基づき混合割合を推定する本実施形態によれば、混合割合を精度良く推定できる。
さらに本実施形態では、燃焼パラメータ取得部８１は、メイン噴射の前に噴射（つまりパイロット噴射）された燃料の燃焼に関する燃焼パラメータを取得する。メイン噴射の燃料が燃焼すると、筒内温度が高くなるので、メイン噴射後の燃料が燃焼しやすくなる。そのため、燃料の混合割合の違いに起因した燃焼パラメータの変化が現れにくくなる。これに対し、メイン噴射の前に噴射された燃料は、メイン燃焼の影響を受けないので、混合割合の違いに起因した燃焼パラメータの変化が現れやすくなる。よって、燃焼パラメータに基づき混合割合を推定するにあたり、その推定精度を向上できる。
さらに本実施形態では、図１１の処理において、燃焼センサが故障しておらず、かつ、燃焼センサによる推定値Ｘ１が存在する場合には、この推定値Ｘ１を用いて燃焼システムの各種制御を行う。そして、燃焼センサが故障中または推定値Ｘ１が存在しない場合に、性状センサによる推定値Ｘ２を用いて燃焼システムの各種制御を行う。要するに、推定値Ｘ１を推定値Ｘ２よりも優先して各種制御に用いる。推定値Ｘ１の方が推定値Ｘ２よりも推定精度が高いので、このように推定値Ｘ１を優先して燃焼システムを制御する本実施形態によれば、各種制御を目標値にすることを高精度で実現できる。それでいて、ステップＳ２２にて着火遅れ時間ＴＤのサンプリング数が十分になるまでの期間は、推定値Ｘ２を用いて燃焼システムを制御することができる。
（第２実施形態）
本実施形態では、上述した図１３に示す性状センサ故障診断の処理を、図１４に示す性状センサ故障診断の処理に変更している。すなわち、上記図１３の処理では、第１推定部８１ａが燃焼パラメータに基づき推定した混合割合（つまり推定値Ｘ１）と、第２推定部８２ａが性状パラメータに基づき推定された混合割合（つまり推定値Ｘ２）とを比較して、性状センサの故障を診断する。これに対し、図１４に示す本実施形態では、燃焼センサにより検出された燃焼パラメータに基づき性状パラメータを推定し、その推定値と、性状センサにより検出された性状パラメータとを比較して、性状センサの故障を診断する。
図１４のステップＳ６０、Ｓ６１では、図１３のステップＳ５０、Ｓ５１と同様にして、性状センサの検出値が正常範囲であるか否かを判定し、正常範囲でないと判定された場合、燃焼センサが正常であるか否かを判定する。燃焼センサが正常であると判定された場合、続くステップＳ６２において、燃焼パラメータに基づき推定された性状パラメータの値が有るか否かを判定する。この値は、図８のステップＳ２３で算出された混合割合に基づき算出されるものである。そして、ステップＳ２３における混合割合の算出は、図８のステップＳ２２でサンプリング数が十分と判定された場合に算出される。したがって、着火遅れ時間ＴＤのサンプリング数が十分であれば、燃焼パラメータに基づき推定された性状パラメータの値が有ることになる。
ステップＳ６２にて燃焼センサによる性状パラメータの推定値が有ると判定された場合、ステップＳ６３に進む。ステップＳ６３では、燃焼センサの検出値で推定された性状パラメータ、つまり図８のステップＳ２４で算出された性状パラメータと、性状パラメータ取得部８２で取得された性状パラメータとのズレ量を算出する。つまり、複数の性状パラメータの各々について、燃焼センサで検出された燃焼パラメータから推定された推定値と、性状センサの検出値との差分を算出する。
続くステップＳ６４では、ステップＳ６３で算出したズレ量が許容範囲内であるか否かを判定する。例えば、複数の性状パラメータの全てが許容範囲内である場合に、ステップＳ６４で肯定判定され、続くステップＳ６５において、性状センサが正常であると診断する。そして、続くステップＳ６６において、想定されていた適正な燃料が使用されておらず、不正燃料が使用されていると診断する。一方、ステップＳ６４にて許容範囲外であると判定されれば、続くステップＳ６７において、性状センサが故障していると診断する。なお、図１４の処理を実行している時のマイコン８０ａは、性状センサ診断部に相当する。
以上に説明した通り、本実施形態に係るセンサ故障診断装置はＥＣＵ８０により提供され、このＥＣＵ８０は、ステップＳ２４による推定部と、ステップＳ６５、Ｓ６７による性状センサ診断部と、を備える。推定部は、燃焼センサにより検出された燃焼パラメータのうち、異なる燃焼条件で燃焼した場合の各々の燃焼パラメータに基づき、性状パラメータを推定する。性状センサ診断部は、推定部により推定された性状パラメータと、性状センサにより検出された性状パラメータとを比較することで、性状センサの故障有無を診断する。
上記推定部によれば、異なる燃焼条件で燃焼した場合の各々の燃焼パラメータに基づき、燃料に含まれている分子構造種毎の混合割合を推定するので、混合割合を高精度で推定できる。そして、このように推定された混合割合に基づき性状パラメータを推定するので、性状パラメータを高精度で推定できる。また、燃焼センサ診断部８１ｂにより、燃焼が為されていない時の燃焼センサの検出値に基づき燃焼センサの故障有無を診断するので、高精度で燃焼センサを診断できる。したがって、燃焼センサで検出された燃焼パラメータから推定された性状パラメータと、性状センサで検出された性状パラメータとが大きく乖離しており、かつ、燃焼センサが正常と診断されている場合には、性状センサが故障している蓋然性が高い。この点を鑑み、性状センサ診断部は、燃焼センサが正常であると診断されている場合に、推定された性状パラメータと検出された性状パラメータとを比較することで、性状センサの故障有無を診断するので、性状センサの中間値故障の有無について診断可能となる。
（他の実施形態）
以上、発明の好ましい実施形態について説明したが、発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、以下に例示するように種々変形して実施することが可能である。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
図２に示す上記実施形態では、通電開始のｔ１時点から燃焼開始のｔ３時点までの時間を着火遅れ時間ＴＤと定義している。これに対し、噴射開始のｔ２時点から燃焼開始のｔ３時点までの時間を着火遅れ時間ＴＤと定義してもよい。噴射開始のｔ２時点は、噴射開始に伴いレール圧等の燃圧に変化が生じた時期を検出し、その検出時期に基づき推定すればよい。
図１に示す燃焼パラメータ取得部８１は、燃焼に関する物理量の検出値（つまり燃焼パラメータ）として、着火遅れ時間ＴＤを取得している。これに対し、熱発生率の変化を表わす波形や、該当する燃料の燃焼で発生した熱量（つまり熱発生量）等を燃焼パラメータとして取得してもよい。また、着火遅れ時間ＴＤ、熱発生率の波形、および熱発生量等、複数種類の燃焼パラメータに基づき、各種成分の混合割合を推定してもよい。例えば、図３の右辺左側の行列に示す定数を、複数種類の燃焼パラメータに対応した値に設定しておき、図３の右辺右側の行列に、複数種類の燃焼パラメータを代入して混合割合を推定する。
図３の例では、複数の着火遅れ時間ＴＤの各々について、全ての燃焼環境値が異なるように燃焼条件が設定されている。つまり、燃焼環境値の所定の組み合わせからなる燃焼条件ｉ、ｊ、ｋ、ｌ（図３参照）の各々について、筒内圧は全て異なる値Ｐ（条件ｉ）、Ｐ（条件ｊ）、Ｐ（条件ｋ）、Ｐ（条件ｌ）に設定されている。同様に、筒内温度Ｔ、吸気酸素濃度Ｏ２および噴射圧力Ｐｃも全て異なる値に設定されている。これに対し、異なる燃焼条件の各々において、少なくとも１つの燃焼環境値の値が異なっていればよい。例えば燃焼条件ｉ、ｊの各々において、筒内温度Ｔ、吸気酸素濃度Ｏ２および噴射圧力Ｐｃを同じ値に設定し、筒内圧だけを異なる値Ｐ（条件ｉ）、Ｐ（条件ｊ）に設定してもよい。
上述した実施形態では、メイン噴射の直前に噴射（パイロット噴射）された燃料の燃焼に関する燃焼パラメータを取得している。これに対し、メイン噴射の後に噴射された燃料の燃焼に関する燃焼パラメータを取得してもよい。メイン噴射後の噴射の具体的例として、メイン燃焼中に噴射されるアフター噴射や、メイン燃焼後に噴射されるポスト噴射が挙げられる。また、メイン噴射の前に複数回噴射する多段噴射を実施する場合には、初回に噴射された燃料の燃焼に関する燃焼パラメータを取得すれば、メイン燃焼の影響を大きく受けずに済むので望ましい。
上述した実施形態では、筒内圧センサ２１の検出値に基づき燃焼パラメータを取得している。これに対し、筒内圧センサ２１を備えていない構成において、回転角センサの回転変動（つまり微分値）に基づき燃焼パラメータを推定してもよい。例えば、パイロット燃焼に起因して微分値が既定の閾値を超えた時期をパイロット着火時期として推定できる。また、微分値の大きさからパイロット燃焼量を推定できる。
図１に示す実施形態では、筒内温度は温度検出素子２１ａにより検出されているが、筒内圧センサ２１により検出された筒内圧に基づき推定してもよい。具体的には、筒内温度を、筒内圧力、シリンダ容積、シリンダ内のガス重量、ガス定数から演算して推定する。
上記第１実施形態では、燃焼パラメータ取得部８１は、着火遅れ時間ＴＤを図３の行列式に代入して分子構造種毎の混合割合を算出するにあたり、着火遅れ時間ＴＤのサンプリング数が全て揃うまで、混合割合の算出を待機させている。具体的には、図３の行列式の右辺右側の行列に代入すべき全ての値が揃うまで、混合割合の算出を待機させている。これに対し、全て揃っていない状態であっても、サンプリング数に応じて定数を表わす行列の列数を変更させて、複数の混合割合のうちの一部を算出してもよい。或いは、取得されていない着火遅れ時間ＴＤについては、予め設定しておいたノミナル値を着火遅れ時間ＴＤの行列に代入して、複数の混合割合を算出してもよい。
さて、性状センサで検出される動粘度や密度等の性状パラメータは、検出対象となる燃料の温度や圧力に応じて異なってくる。そして、燃料の温度や圧力の違いに対する性状パラメータの違いは、燃料に含まれている分子構造種毎の混合割合の違いに起因して異なってくる。例えば、燃料に含まれている直鎖パラフィン類、側鎖パラフィン類、ナフテン類および芳香族類の各々についての混合割合の違いに起因して、燃料の温度または圧力と動粘度との関係を表わす特性マップは異なってくる。このことは、燃料の温度や圧力の違いに応じた性状パラメータの違いを検出すれば、分子構造種毎の混合割合を推定できることを意味する。要するに、本発明者らは、「異なる温度または圧力による各々の性状パラメータから、燃料に含まれている分子構造種毎の混合割合を推定できる」との知見を得ている。
この知見を鑑みて、第２推定部８２ａが複数の性状パラメータに基づき混合割合を推定するにあたり、異なる温度または圧力の時に検出された性状パラメータを、図９および図１０に示す性状パラメータの行列に代入してもよい。つまり、検出条件の異なる複数の性状パラメータに基づき混合割合を推定してもよい。
例えば、密度センサ２７および動粘度センサ２８がヒータを具備している構成では、ヒータの加熱条件を変えることで燃料の温度条件を変更し、各温度条件において燃料の密度及び動粘度をそれぞれ検出する。この場合、温度条件の異なる燃料の密度および動粘度をそれぞれ性状パラメータとして図９および図１０に示す演算式を構築しておき、そのモデル演算式を用いて上記混合割合を算出する。
例えば、密度センサ２７や動粘度センサ２８といった性状センサを、燃料温度や燃料圧力が相違する複数箇所に設けることで、温度条件や圧力条件の異なる複数の性状パラメータを取得する構成としてもよい。この場合、性状センサを燃料タンク以外の異なる場所にそれぞれ設けるとよい。例えば、性状センサを、燃料フィードポンプから高圧ポンプに圧送される通路上、コモンレール内部、減圧弁から燃料タンクに燃料がリターンされる通路にそれぞれ設ける。これにより、異なる温度条件及び圧力条件で密度や動粘度を取得でき、その取得された密度や動粘度を用いて上記混合割合を算出することが可能となる。
また、圧力条件および温度条件の両方を相違させた複数の性状パラメータに基づき上記混合割合を算出してもよいし、いずれか一方を相違させた複数の性状パラメータに基づき上記混合割合を算出してもよい。
また、上記第１実施形態では、第２推定部８２ａが、密度センサ２７により検出された性状パラメータ（つまり燃料密度）、および動粘度センサ２８により検出された性状パラメータ（つまり動粘度）の両方に基づき混合割合を推定する。つまり、複数種類の性状パラメータに基づき混合割合を推定する。これに対し、密度センサ２７および動粘度センサ２８の一方による性状パラメータに基づき混合割合を推定してもよい。但しこの場合には、異なる温度または圧力の時に検出された性状パラメータに基づき推定することを要する。つまり、燃料の性状パラメータとして、燃料の温度条件や圧力条件といった検出条件を相違させることで複数の性状パラメータを取得する構成としてもよい。
動粘度の算出は、動粘度センサ２８による検出値に基づくものに限らない。例えば、コモンレール１５ｃから燃料噴射弁１５の噴射孔までの燃料通路内の燃料圧力を圧力センサで検出して、検出した燃料圧力の時間変化を示す圧力波形を取得する。そして、取得した圧力波形を形成する圧力波の速度を算出し、圧力波の速度に基づいて燃料の密度や動粘度を算出してもよい。
センサ故障診断装置であるＥＣＵ８０が提供する手段および／または機能は、実体的な記憶媒体に記録されたソフトウェアおよびそれを実行するコンピュータ、ソフトウェアのみ、ハードウェアのみ、あるいはそれらの組合せによって提供することができる。例えば、燃焼システム制御装置がハードウェアである回路によって提供される場合、それは多数の論理回路を含むデジタル回路、またはアナログ回路によって提供することができる。
２１…筒内圧センサ（燃焼センサ）、２７…密度センサ（性状センサ）、２８…動粘度センサ（性状センサ）、８０…ＥＣＵ（センサ故障診断装置）、８１ａ…第１推定部、８１ｂ…第１診断部、８２ａ…第２推定部、８２ｂ…第２診断部。

Claims (6)

  1. 内燃機関（１０）の燃焼状態を表わす燃焼パラメータを検出する燃焼センサ（２１）、および前記内燃機関の燃焼に用いる燃料の性状を表わす性状パラメータを検出する性状センサ（２７、２８）を備える燃焼システムに適用され、前記燃焼センサおよび前記性状センサの故障有無を診断するセンサ故障診断装置において、
    前記燃焼センサにより検出された前記燃焼パラメータのうち、異なる燃焼条件で燃焼した場合の各々の前記燃焼パラメータに基づき、燃料に含まれている分子構造種毎の混合割合を推定する第１推定部（８１ａ）と、
    前記性状センサにより検出された複数の前記性状パラメータに基づき、前記混合割合を推定する第２推定部（８２ａ）と、
    前記内燃機関で燃焼が為されていない時の前記燃焼センサによる検出値に基づき、前記燃焼センサの故障有無を診断する燃焼センサ診断部（８１ｂ）と、
    前記燃焼センサ診断部により前記燃焼センサが正常であると診断されている場合に、前記第１推定部により推定された前記混合割合と、前記第２推定部により推定された前記混合割合とを比較することで、前記性状センサの故障有無を診断する性状センサ診断部（８２ｂ）と、
    を備えるセンサ故障診断装置。
  2. 前記分子構造種には、直鎖パラフィン類、側鎖パラフィン類、ナフテン類および芳香族類の少なくとも１つが含まれている請求項１に記載のセンサ故障診断装置。
  3. 内燃機関（１０）の燃焼状態を表わす燃焼パラメータを検出する燃焼センサ（２１）、および前記内燃機関の燃焼に用いる燃料の性状を表わす性状パラメータを検出する性状センサ（２７、２８）を備える燃焼システムに適用され、前記燃焼センサおよび前記性状センサの故障有無を診断するセンサ故障診断装置において、
    前記燃焼センサにより検出された前記燃焼パラメータのうち、異なる燃焼条件で燃焼した場合の各々の前記燃焼パラメータに基づき、前記性状パラメータを推定する推定部（Ｓ２４）と、
    前記推定部により推定された前記性状パラメータと、前記性状センサにより検出された前記性状パラメータとを比較することで、前記性状センサの故障有無を診断する性状センサ診断部（Ｓ６５、Ｓ６７）と、
    を備えるセンサ故障診断装置。
  4. 前記性状パラメータには、燃料の動粘度、燃料の密度、燃料に含まれる水素と炭素の比率、および燃料の低位発熱量の少なくとも１つが含まれている請求項１〜３のいずれか１つに記載のセンサ故障診断装置。
  5. 前記燃焼条件は、複数種類の燃焼条件値の組み合わせにより特定される条件であり、
    前記燃焼条件値には、前記内燃機関の燃焼室（１１ａ）における筒内圧力、筒内温度、吸気酸素濃度および燃料噴射圧力の少なくとも１つが含まれている請求項１〜４のいずれか１つに記載のセンサ故障診断装置。
  6. 前記内燃機関は圧縮自着火式であり、
    前記燃焼パラメータは、前記内燃機関の燃焼室（１１ａ）へ燃料を噴射してから自着火するまでの時間、或いは燃料噴射を指令してから自着火するまでの時間である請求項１〜５のいずれか１つに記載のセンサ故障診断装置。
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