JP2017201151A

JP2017201151A - 失火検出装置

Info

Publication number: JP2017201151A
Application number: JP2016092961A
Authority: JP
Inventors: 真也増原; Shinya Masuhara
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2016-05-06
Filing date: 2016-05-06
Publication date: 2017-11-09
Anticipated expiration: 2036-05-06
Also published as: JP6696292B2

Abstract

【課題】ＨＣＣＩ燃焼における失火を精度よく検出することができる失火判定装置を提供すること。【解決手段】燃焼室内で発生した混合気の燃焼によって生じる点火プラグ１２の締付け荷重の変化を検出する座金センサ３０と、エンジン２のクランクシャフト１１の回転角度を検出するための信号を出力するクランク角度センサ２６と、座金センサ３０の出力信号のクランク角度ベースのピーク位置を検出し、クランク角度ベースのピーク位置が失火判定閾値よりも進角している場合に失火が発生したと判定するＥＣＵ３と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、失火検出装置に関する。

従来、ガソリンエンジン等の内燃機関の燃焼形態としては、点火プラグからの火花放電により強制的に混合気を着火させるＳＩ（Spark Ignition）燃焼が広く一般的であったが、近年、気筒内に高温の既燃ガスを導入して混合気を自着火させる予混合圧縮自着火燃焼を燃焼形態として利用するガソリンエンジンの開発が進められている。ここで、予混合圧縮自着火燃焼は、ＨＣＣＩ（Homogeneous Charge Compression Ignition）燃焼と称される。

このようなＨＣＣＩ燃焼機能を備える内燃機関において、失火の発生を適切に判定し、失火回避の制御を行なうことは重要である。失火状態が継続すると燃料が燃焼せずに排出されるため、未燃焼ガスが排気管内などで燃焼するアフターファイアーなどが発生するおそれがある。

特許文献１には、ＳＩ燃焼の内燃機関において、上死点前期間内の筒内圧の測定値をＰ１とし、上死点後期間内の筒内圧の測定値をＰ２とし、点火時期前の補正測定時刻の筒内圧をＰ０とし、Ｐ１及びＰ２からＰ０を減じた値の比に基づいて失火判定を行なうことが記載されている。

特許文献２には、ＳＩ燃焼の内燃機関において、燃焼に起因して発生するＮＯ²⁺、電子などのイオン種を捕集し、イオン電流検出回路によってイオン電流信号を取得し、イオン電流が発生していないと失火と判定することが記載されている。

特開２００３−１３７９３号公報特許第２５０５６２０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の失火判定方法では、ＨＣＣＩ燃焼の内燃機関においては、圧縮上死点後に自着火する場合があり、筒内圧Ｐ２を測定するクランク角度によっては、正常なＨＣＣＩ燃焼をしている場合でも失火と判定するおそれがあった。

また、特許文献２に記載の失火判定方法では、ＨＣＣＩ燃焼のような希薄燃焼においては、燃焼に起因して発生するイオン種の絶対量が少ないため、正常なＨＣＣＩ燃焼でもイオン電流信号の強度が小さくなり、失火判定の精度が低下するという課題があった。

そこで、本発明は、ＨＣＣＩ燃焼における失火を精度よく検出することができる失火判定装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため本発明は、内燃機関のシリンダヘッドに設けられた貫通孔に締付け固定された受圧部材の締付け荷重の変化を検出する座金センサと、前記内燃機関の圧縮行程における前記座金センサの出力信号が最大になるクランク角位置に基づいて前記内燃機関の失火を検出する制御部と、を備えるものである。

このように本発明によれば、ＨＣＣＩ燃焼における失火を精度よく検出することができる失火判定装置を提供することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る失火検出装置の概略構成図である。図２は、本発明の第１実施形態に係る失火検出装置の座金センサの取り付け位置を示す図である。図３は、本発明の第１実施形態に係る失火検出装置の増幅回路の回路例を示す図である。図４は、本発明の第１実施形態に係る失火検出装置の制御系のブロック図である。図５は、本発明の第１実施形態に係る失火検出装置の圧縮上死点近傍のクランク角度ベースの座金センサ信号のＨＣＣＩ燃焼時と失火時の違いを示すグラフである。図６は、本発明の第１実施形態に係る失火検出装置の意図的に失火を発生させたときのクランク角度ベースの座金センサ信号のピーク位置の変化を示すグラフである。図７は、本発明の第１実施形態に係る失火検出装置の失火判定処理の手順を示すフローチャートである。図８は、本発明の第１実施形態に係る失火検出装置の多気筒エンジンでの概略構成図である。図９は、本発明の第１実施形態に係る失火検出装置の空燃比制御処理の手順を示すフローチャートである。図１０は、本発明の第２実施形態に係る失火検出装置の制御系のブロック図である。図１１は、本発明の第２実施形態に係る失火検出装置の全行程のクランク角度ベースの座金センサ信号のＨＣＣＩ燃焼時と失火時の違いを示すグラフである。図１２は、本発明の第２実施形態に係る失火検出装置の意図的に失火を発生させたときのクランク角度ベースの座金センサ信号のピーク位置の差分の変化を示すグラフである。図１３は、本発明の第２実施形態に係る失火検出装置の失火判定処理の手順を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る失火検出装置について詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１において、本発明の第１実施形態に係る失火検出装置を搭載した車両１は、内燃機関型のエンジン２と、制御部としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）３とを含んで構成される。

このエンジン２は、シリンダブロック４と、シリンダブロック４の上部に締結されたシリンダヘッド５と、シリンダブロック４の下部に締結されたオイルパン６とを含んで構成されている。オイルパン６には、図示しないエンジンオイルが貯留されるようになっている。

シリンダブロック４には、気筒としてのシリンダ７が形成されている。シリンダ７には、このシリンダ７内を上下に往復動可能なピストン８が収納されている。また、シリンダ７の上部には、燃焼室９が設けられている。燃焼室９は、シリンダ７とピストン８の頂面とシリンダヘッド５の下面とによって画成された空間から構成されている。

エンジン２は、シリンダ７内でピストン８が２往復する間に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程からなる一連の４行程を行なう、いわゆる４サイクルのガソリンエンジンである。

また、ピストン８は、コネクティングロッド１０を介してクランクシャフト１１と連結している。コネクティングロッド１０は、ピストン８の往復運動をクランクシャフト１１の回転運動に変換するようになっている。なお、クランクシャフト１１は、図示しないクランクジャーナルを介してシリンダブロック４に回転可能に支持されている。

また、シリンダヘッド５には、点火プラグ１２と、インジェクタ１３と、吸気ポート１４と、排気ポート２１が設けられている。点火プラグ１２は、シリンダヘッド５の外側と燃焼室９とを貫通する貫通孔に、燃焼室９内に電極を突出させた状態で締付け固定され、ＥＣＵ３によってその点火時期が調整されるようになっている。

点火プラグ１２とシリンダヘッド５の間には、座金センサ３０が設けられている。座金センサ３０は、図２に示すように、点火プラグ１２とシリンダヘッド５の間に、ワッシャ状に取り付けられる。

座金センサ３０は、圧電素子の両端に電極を配置した構造となっており、燃焼室内で発生した混合気の燃焼によって生じる点火プラグ１２の締付け荷重の変化を検出する。座金センサ３０は、締付け荷重が変化することで、圧縮および弛緩方向の力が加わり、圧電素子の表面電位が変化し、電荷信号を出力する。

座金センサ３０が出力する電荷信号は微小であるため、例えば、図３に示すような信号増幅回路４０で座金センサ３０の出力信号を増幅する。図３において、入力端子４１に入力された座金センサ３０の出力信号は、オペアンプ４２で増幅され、出力端子４３から出力される。

インジェクタ１３は、図示しない燃料タンクから燃料ポンプによって供給された燃料を燃焼室９内に噴射する、いわゆる筒内噴射式の燃料噴射弁である。

吸気ポート１４には、空気を燃焼室９に導入するためのインテークマニホールド１６が設けられている。インテークマニホールド１６は、外気を吸入するための吸気管１７に接続されている。この吸気管１７の内部には、吸気ポート１４と連通する吸気通路１７ａが形成されている。

また、吸気ポート１４には、吸気弁１５が設けられている。吸気弁１５は、吸気通路１７ａと燃焼室９とを連通または遮断するように開閉されるようになっている。

吸気通路１７ａには、電子制御式のスロットルバルブ１８が設けられている。スロットルバルブ１８は、ＥＣＵ３に電気的に接続されている。

スロットルバルブ１８は、ＥＣＵ３からの指令信号に応じてスロットル開度が制御されることで、エンジン２の吸入空気量を調整するようになっている。スロットルバルブ１８には、スロットル開度を検出するスロットル開度センサ１９が設けられている。

排気ポート２１には、燃焼室のなかで混合気の燃焼によって発生した排ガスを車外に排出するためのエキゾーストマニホールド２３が設けられている。エキゾーストマニホールド２３は、排気管２４に接続されている。この排気管２４の内部には、排気ポート２１と連通する排気通路２４ａが形成されている。排気通路２４ａには、空燃比センサ２５が設けられている。

また、排気ポート２１には、排気弁２２が設けられている。排気弁２２は、排気通路２４ａと燃焼室９とを連通または遮断するように開閉されるようになっている。

上述のように構成されたエンジン２は、排気行程から吸気行程にかけて吸気弁と排気弁とをともに閉じて、排ガスを内部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスとして燃焼室に封鎖させる負のバルブオーバーラップ（ＮＶＯ：Negative Valve Overlap）期間を設け、内部ＥＧＲガスにより燃焼室内の温度である筒内温度を高温にしてＨＣＣＩ燃焼を発生させる。

なお、本実施形態のエンジン２は、点火プラグ１２を用いなくても自着火するが、例えば、低負荷運転時などの着火時期が不安定になりやすい運転状態では、点火プラグ１２を用いてＳＩ燃焼させることもできる。

ＥＣＵ３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、フラッシュメモリと、入力ポートと、出力ポートとを備えたコンピュータユニットによって構成されている。

このコンピュータユニットのＲＯＭには、各種制御定数や各種マップ等とともに、当該コンピュータユニットをＥＣＵ３として機能させるためのプログラムが記憶されている。すなわち、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することにより、当該コンピュータユニットは、ＥＣＵ３として機能する。

ＥＣＵ３の入力ポートには、上述のスロットル開度センサ１９、空燃比センサ２５、座金センサ３０、に加え、クランク角度センサ２６、アクセル開度センサ２８、ノックセンサ２９等の各種センサ類が接続されている。

空燃比センサ２５は、エンジン２の排気の酸素濃度から広範囲の連続的な空燃比の変化を検出する。

クランク角度センサ２６は、例えば、エンジン２のクランクシャフト１１が所定角度回転するごとにオンになるクランク角度パルス信号と、エンジン２のクランクシャフト１１が所定の回転角度になるごとにオンになる基準角度パルス信号を出力する。ＥＣＵ３は、クランク角度パルス信号と基準角度パルス信号とに基づいてエンジン回転数及びクランク角度を検出できるようになっている。

アクセル開度センサ２８は、アクセルペダル２７の操作量を表すアクセル開度を検出する。ノックセンサ２９は、エンジン２の異常燃焼の１つであるノッキング振動を検出し、ノッキング振動の大きさに応じたノック信号を出力する。

一方、ＥＣＵ３の出力ポートには、点火プラグ１２、インジェクタ１３、スロットルバルブ１８等の各種制御対象類が接続されている。

ＥＣＵ３は、アクセル開度センサ２８が検出するアクセル開度に基づきエンジン２の要求負荷を算出し、その要求負荷に応じてエンジン２の燃料噴射量や吸入空気量を算出する。そして、ＥＣＵ３は、算出した燃料噴射量や吸入空気量になるようにインジェクタ１３やスロットルバルブ１８を制御してエンジン２の運転状態を制御する。

ＥＣＵ３は、例えば、要求負荷とエンジン回転数から燃料噴射量や吸入空気量が決まるベースマップにより燃料噴射量や吸入空気量を算出する。このマップは、予め実験等により求められ、ＥＣＵ３のＲＯＭに記憶されている。

ＥＣＵ３は、例えば、エンジン負荷とエンジン回転数から空燃比が決まる空燃比マップにより目標空燃比を算出する。ＥＣＵ３は、空燃比センサ２５の検出する空燃比が目標空燃比になるように燃料噴射量や吸入空気量を補正する。このマップは、予め実験等により求められ、ＥＣＵ３のＲＯＭに記憶されている。エンジン負荷は、アクセル開度やエンジン回転数などに基づいて算出される。

本実施形態において、ＥＣＵ３は、座金センサ３０の出力信号に基づいて、エンジン２の失火を検出する。

このため、ＥＣＵ３は、図４に示すように、信号波形算出部３１、ノイズ信号除去部３２、信号波形のピーク位置決定部３３、失火判定部３４を備えている。

信号波形算出部３１は、座金センサ３０の出力信号を信号増幅回路４０で増幅した座金センサ信号と、クランク角度センサ２６の出力するクランク角度パルス信号及び基準角度パルス信号とから、クランク角度ベースの座金センサ信号を算出する。クランク角度ベースの座金センサ信号とは、例えば、図５に示すように、横軸にクランク角度、縦軸に座金センサ信号値をとるような、クランク角度の変化に応じた座金センサ信号のことである。

ノイズ信号除去部３２は、座金センサ信号に含まれるエンジン２や異常燃焼に起因する高周波数のノイズ信号を、カットオフ周波数５ｋＨｚ以下で任意に設定したローパスフィルタやバンドパスフィルタなどのフィルタ処理を行なうことによって除去し、燃焼に起因する振動成分を抽出する。

フィルタ処理は、カットオフ周波数５ｋＨｚ以下で任意に設定したローパスフィルタやバンドパスフィルタなどにより行なわれる。本実施形態では、カットオフ周波数１ｋＨｚのローパスフィルタを使用する。

このようにすることで、後述する信号波形のピーク位置決定部３３において、座金センサ信号の信号波形のクランク角ベースのピーク位置を、ノイズ信号の影響を受けることなく高精度に検出することができる。

信号波形のピーク位置決定部３３は、予め設定されたクランク角度ベースのピーク位置検出期間内で、座金センサ信号の値が最大となるクランク角度ベースのピーク位置を検出する。

フィルタ処理及びピーク位置検出を行なうピーク位置検出期間は、吸気弁１５及び排気弁２２の着座ノイズの影響が出ない吸気弁１５及び排気弁２２の閉期間、例えば、圧縮上死点前180deg（吸気下死点）から圧縮上死点後180deg（排気下死点）の間の任意の期間を設定する。

ピーク位置検出の演算負荷をより軽減させるためには、座金センサ信号から推定した実燃焼期間に基づいて決定してもよい。

失火判定部３４は、信号波形のピーク位置決定部３３で検出したクランク角度ベースのピーク位置と、予め設定された失火判定閾値とを比較することで失火判定を行なう。

失火判定部３４は、クランク角度ベースのピーク位置が失火判定閾値より進角している場合、失火が発生したと判定する。

ここで、失火判定閾値は、エンジン２を電動モータにより強制的に運転させるモータリング運転を実施して決定する。例えば、モータリング運転時の座金センサ信号のピーク位置の１００サイクルの平均値＋３σ（σは標準偏差）を失火判定閾値とする。失火判定閾値を決定するためのモータリング運転時においても、上述のフィルタ処理を施した座金センサ信号によりピーク位置を検出することで、より高精度な失火判定閾値を得ることができる。

モータリング運転時の座金センサ信号のピーク位置は、エンジン負荷やエンジン回転数などのエンジン２の運転状態により変化するため、失火判定閾値は、エンジン負荷やエンジン回転数などに応じて複数用意しておく。

図５において、破線は、モータリング運転（失火）時の座金センサ信号の波形を示す。実線は、ＨＣＣＩ燃焼時の座金センサ信号の波形を示す。

ＨＣＣＩ燃焼時には、図中の黒丸で示す時期に自着火が発生している。自着火後の座金センサ信号の波形は、図中Ａで示すように、一度下がり、その後ピークとなる信号波形が確認される。

自着火後に一度下がる波形は、座金センサ３０の出力信号のＨＣＣＩ燃焼時に特有のものであり、燃焼期間が短い場合に、座金センサ３０が一時的に圧縮方向の力を受けるためである。一時的に圧縮方向の力を受けるために、ＨＣＣＩ燃焼時のピーク位置が大きく変化し、失火を高精度に検出することができる。

図６は、エンジン回転数1000rpm、正味平均有効圧ＢＭＥＰ（Brake Mean Effective Pressure）が400kPaのＨＣＣＩ燃焼から、試験ツールを使って燃料カット制御をオンとすることで、意図的に失火を発生させて失火判定が可能か否かを検証したものである。横軸は燃焼サイクルを示し、縦軸は図５で示したクランク角度ベースの座金センサ信号のピーク位置を示している。

燃料カット制御をオンしたＴ１の次のサイクルでエンジン２が失火するのに伴って、クランク角度ベースの座金センサ信号のピーク位置が失火判定閾値を下回る（進角する）ことがわかる。

このように、クランク角度ベースの座金センサ信号のピーク位置を用いて失火を判定できることがわかる。なお、ここで用いた失火判定閾値は、1000rpmのモータリング運転時の座金センサ信号の、カットオフ周波数１ｋＨｚのローパスフィルタ処理後におけるピーク位置の平均値＋３σである。

以上のように構成された本実施形態に係る失火検出装置による失火判定処理について、図７を参照して説明する。なお、以下に説明する失火判定処理は、ＨＣＣＩ燃焼を開始すると開始され、予め設定された時間間隔で実行される。

ステップＳ１において、ＥＣＵ３は、エンジン回転数の情報とスロットル開度の情報を取得する。

ステップＳ２において、ＥＣＵ３は、座金センサ３０及びクランク角度センサ２６から信号を取り込む。

ステップＳ３において、ＥＣＵ３は、座金センサ信号とクランク角度センサ２６からの信号からクランク角度ベースの座金センサ信号の信号波形を算出する。

ステップＳ４において、ＥＣＵ３は、クランク角度ベースの座金センサ信号にフィルタ処理を行なうことでノイズ信号を除去する。

ステップＳ５において、ＥＣＵ３は、ノイズ除去したクランク角度ベースの座金センサ信号の信号波形からピーク位置を算出する。

ステップＳ６において、ＥＣＵ３は、クランク角度ベースの座金センサ信号のピーク位置と失火判定閾値とを比較して、失火が発生したか否かを判定する。失火が発生していないと判定した場合、ＥＣＵ３は、処理を終了する。

失火が発生したと判定した場合、ステップＳ７において、ＥＣＵ３は、失火が発生したことを示す失火フラグをオンとして、処理を終了する。

このような失火判定を用いた多気筒ＨＣＣＩ燃焼エンジンにおける気筒別の空燃比制御について説明する。

図８は、エンジン２を直列４気筒で構成した場合を示している。なお、図１と同様な構成には同一の符号を付している。

図８に示すように、各気筒に座金センサ３０が設けられている。また、空燃比センサ２５が各気筒のエキゾーストマニホールド２３に設けられている。

一般的に多気筒のＨＣＣＩ燃焼エンジンでは、気筒毎の空燃比が大きく異なるため、より高精度に気筒別の空燃比制御が必要となる。

ＥＣＵ３は、各気筒の座金センサ３０の座金センサ信号から、クランク角度ベースのピーク位置を算出し、各気筒の失火を検出する。なお、上述の失火フラグは、気筒ごとに設けられ、失火フラグにより各気筒で失火が発生しているか否かが分かる。

ＥＣＵ３は、失火が発生したと判定した場合、失火が発生した気筒の燃料噴射量を上述の空燃比マップからリッチ側に補正することで、失火を回避する。
このようにすることで、より高精度に気筒別の空燃比制御を行なうことができる。

以上のように構成された本実施形態に係る失火検出装置による空燃比制御処理について、図９を参照して説明する。なお、以下に説明する空燃比制御処理は、ＨＣＣＩ燃焼を開始すると開始され、予め設定された時間間隔で実行される。

ステップＳ１１において、ＥＣＵ３は、上述の失火判定処理における失火フラグがオンであるか否かにより、いずれかの気筒で失火が発生しているか否かを判定する。失火フラグがオンでないと判定した場合、ＥＣＵ３は、処理を終了する。

失火フラグがオンであると判定した場合、ステップＳ１２において、ＥＣＵ３は、失火が発生している気筒の目標空燃比を空燃比マップから求めた空燃比よりリッチ側に補正する。

ステップＳ１３において、ＥＣＵ３は、空燃比センサ２５の検出した空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量を調整し、処理を終了する。

このように、第１実施形態では、ＥＣＵ３は、座金センサ３０の出力信号のクランク角度ベースのピーク位置を検出し、クランク角度ベースのピーク位置が失火判定閾値よりも進角している場合に失火が発生したと判定する。

これにより、座金センサ３０の出力信号のピーク位置に基づいて失火が検出される。座金センサ３０の出力信号のピーク位置は、ＨＣＣＩ燃焼時と失火時とで大きく変化するため、高精度に失火を検出することができる。

また、ＥＣＵ３は、燃焼に起因する周波数帯のみを通すフィルタ処理を行なった後の座金センサ３０の出力信号からピーク位置を検出する。

これにより、エンジン２やノッキングに起因する高周波数のノイズ信号が除去され、燃焼に起因する信号波形のピーク位置を高精度に検出することができる。

また、失火判定閾値は、モータリング運転（失火）時の座金センサ３０の出力信号のピーク位置の１００サイクル平均値＋３σとし、エンジン負荷やエンジン回転数などのエンジン２の運転状態ごとに用意する。失火判定閾値を求める際の座金センサ３０の出力信号にもフィルタ処理を施す。
これにより、高精度な失火判定閾値を求めることができる。

また、ピーク位置検出期間は、吸気弁１５及び排気弁２２の着座ノイズの影響が出ない吸気弁１５及び排気弁２２の閉期間、例えば、圧縮上死点前180deg（吸気下死点）から圧縮上死点後180deg（排気下死点）の間の任意の期間を設定する。また、座金センサ信号から推定した実燃焼期間に設定してもよい。

これにより、ピーク位置検出の演算負荷を低減させることができ、燃焼サイクル毎の失火判定が可能となる。

また、座金センサ３０は、点火プラグ１２とシリンダヘッド５の間に設ける。
これにより、エンジン２本体に追加工なしで座金センサ３０を搭載することが可能となる。

なお、第１実施形態においては、燃料直噴方式のエンジンについて示したが、ポート噴射方式のエンジンやディーゼルエンジン、ＣＮＧ（Compressed Natural Gas）エンジン、火花点火式エンジンにおいても同様に失火を検出することができる。

さらに、より高精度な失火判定を行なう場合、図５で示したように、座金センサ信号が自着火後に必ず一度下がることから、本実施形態で示したクランク角度ベースのピーク位置より進角側に下側のピークがない場合に失火が発生したと判定することで、より高精度に失火の発生を検出することができる。

第１実施形態においては、座金センサ３０の取り付け位置を点火プラグ１２の座金部としたが、それ以外の場所でも、燃焼状態と相関の高い信号を取得できる場所であればよい。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。ここで、本実施形態は上述実施形態と略同様に構成されているので、図面を流用して同様な構成には同一の符号を付して特徴部分を説明する。

図１におけるＥＣＵ３は、クランク角度ベースの座金センサ信号の排気上死点近傍のピーク位置と、最大ピーク位置との差に基づいてエンジン２の失火を検出する。

このため、ＥＣＵ３は、図１０に示すように、信号波形算出部３１、ノイズ信号除去部３２、排気上死点近傍のピーク位置決定部３５、信号波形の最大ピーク位置決定部３６、失火評価項目決定部３７、失火判定部３８を備えている。

信号波形算出部３１は、第１実施形態と同様に、座金センサ３０の出力信号を信号増幅回路４０で増幅した座金センサ信号と、クランク角度センサ２６の出力するクランク角度パルス信号及び基準角度パルス信号とから、クランク角度ベースの座金センサ信号を算出する。

ノイズ信号除去部３２は、第１実施形態と同様に、座金センサ信号に含まれるエンジン２やノッキングに起因する高周波数のノイズ信号を、フィルタ処理を行なうことによって除去し、燃焼に起因する振動成分を抽出する。

排気上死点近傍のピーク位置決定部３５は、予め設定されたクランク角度ベースの排気上死点近傍のピーク位置検出期間内で、座金センサ信号の値が最大となるクランク角度ベースのピーク位置を検出する。排気上死点近傍のピーク位置決定部３５は、圧縮上死点前540deg（排気下死点）から圧縮上死点前180deg（吸気下死点）の間に設定された排気上死点近傍のピーク位置検出期間のピーク位置を検出する。

排気上死点近傍のピーク位置検出期間は、吸気弁１５及び排気弁２２の着座ノイズの影響が出ない吸気弁１５及び排気弁２２の閉期間、例えば、ＮＶＯ期間の任意の期間を設定する。

信号波形の最大ピーク位置決定部３６は、予め設定されたクランク角度ベースの最大ピーク位置検出期間内で、座金センサ信号の値が最大となるクランク角度ベースのピーク位置を検出する。

最大ピーク位置検出期間は、吸気弁１５及び排気弁２２の着座ノイズの影響が出ない吸気弁１５及び排気弁２２の閉期間、例えば、圧縮上死点前180deg（吸気下死点）から圧縮上死点後180deg（排気下死点）の間の任意の期間を設定する。

失火評価項目決定部３７は、排気上死点近傍のピーク位置決定部３５が求めた排気上死点近傍のピーク位置と信号波形の最大ピーク位置決定部３６が求めた信号波形の最大ピーク位置との差を算出し、失火の評価項目として決定する。

失火判定部３８は、失火評価項目決定部３７が決定した評価項目の排気上死点近傍のピーク位置と信号波形の最大ピーク位置との差を予め設定された差分失火判定閾値と比較して、失火判定を行なう。

失火判定部３８は、排気上死点近傍のピーク位置と信号波形の最大ピーク位置との差が差分失火判定閾値よりも小さい場合、失火が発生したと判定する。

ここで、差分失火判定閾値は、エンジン２を電動モータにより強制的に運転させるモータリング運転を実施して決定する。例えば、モータリング運転時の座金センサ信号の排気上死点近傍のピーク位置と信号波形の最大ピーク位置との差の１００サイクルの平均値＋３σ（σは標準偏差）を差分失火判定閾値とする。差分失火判定閾値を決定するためのモータリング運転時においても、上述のフィルタ処理を施した座金センサ信号によりピーク位置を検出することで、より高精度な差分失火判定閾値を得ることができる。

図１１は、任意のサイクルにおけるＨＣＣＩ燃焼とモータリング運転時の座金センサ信号波形を示す。横軸は圧縮上死点をゼロとしたクランク角度、縦軸は座金センサ信号の大きさを示す。破線はモータリング運転時の座金センサ信号を示す。実線はＨＣＣＩ燃焼時の座金センサ信号を示す。ＨＣＣＩ燃焼の運転条件は、エンジン回転数2000rpm、ＢＭＥＰは200kPaである。

図１１に示すように、圧縮上死点近傍のクランク角度ベースの最大ピーク位置は、ＨＣＣＩ燃焼時と失火時で大きく変化する。一方、排気上死点近傍のクランク角度ベースのピーク位置は、ＨＣＣＩ燃焼時と失火時でほぼ変化していない。

このことから、「クランク角度ベースの最大ピーク位置（圧縮上死点近傍）と排気上死点近傍のピーク位置との差」を失火判定の評価項目とすることで、ＨＣＣＩ燃焼と失火とを精度よく区別することが可能となる。

なお、上述の第１実施形態では、エンジン負荷やエンジン回転数などのエンジン２の運転状態ごとに失火判定閾値を設定する必要があったが、第２実施形態においては、エンジン負荷やエンジン回転数などのエンジン２の運転状態や、エンジン排気量やエンジンの種類などによらず一定の差分失火判定閾値を用意すればよい。いずれの運転状態においても、差分失火判定閾値は、360deg.CA近傍となる。

図１２は、エンジン回転数1000rpm、ＢＭＥＰが400kPaのＨＣＣＩ燃焼から、試験ツールを使って燃料カット制御をオンとすることで、意図的に失火を発生させて失火判定が可能か否かを検証したものである。横軸は燃焼サイクルを示し、縦軸は排気上死点近傍のピーク位置と信号波形の最大ピーク位置との差分を示している。

燃料カット制御をオンしたＴ２の次のサイクルでエンジン２が失火するのに伴って、排気上死点近傍のピーク位置と信号波形の最大ピーク位置との差分が差分失火判定閾値を下回ることがわかる。

このように、クランク角度ベースの排気上死点近傍のピーク位置と信号波形の最大ピーク位置との差分値を用いて失火を判定できることがわかる。なお、ここで用いた差分失火判定閾値は、1000rpmのモータリング運転時の座金センサ信号の、カットオフ周波数１ｋＨｚのローパスフィルタ処理後における排気上死点近傍のピーク位置と信号波形の最大ピーク位置との差分の平均値＋３σである。

以上のように構成された第２実施形態に係る失火検出装置による失火判定処理について、図１３を参照して説明する。なお、以下に説明する失火判定処理は、ＨＣＣＩ燃焼を開始すると開始され、予め設定された時間間隔で実行される。

ステップＳ２１において、ＥＣＵ３は、エンジン回転数の情報とスロットル開度の情報を取得する。

ステップＳ２２において、ＥＣＵ３は、座金センサ３０及びクランク角度センサ２６から信号を取り込む。

ステップＳ２３において、ＥＣＵ３は、座金センサ信号とクランク角度センサ２６からの信号からクランク角度ベースの座金センサ信号の信号波形を算出する。

ステップＳ２４において、ＥＣＵ３は、クランク角度ベースの座金センサ信号にフィルタ処理を行なうことでノイズ信号を除去する。

ステップＳ２５において、ＥＣＵ３は、ノイズ除去したクランク角度ベースの座金センサ信号の信号波形から排気上死点近傍のピーク位置を算出する。

ステップＳ２６において、ＥＣＵ３は、ノイズ除去したクランク角度ベースの座金センサ信号の信号波形から信号波形の最大ピーク位置を算出する。

ステップＳ２７において、ＥＣＵ３は、排気上死点近傍のピーク位置と信号波形の最大ピーク位置との差分値を算出して失火評価項目として決定する。

ステップＳ２８において、ＥＣＵ３は、失火評価項目と差分失火判定閾値とを比較して、失火が発生したか否かを判定する。失火が発生していないと判定した場合、ＥＣＵ３は、処理を終了する。

失火が発生したと判定した場合、ステップＳ２９において、ＥＣＵ３は、失火が発生したことを示す失火フラグをオンとして、処理を終了する。

このように、第２実施形態では、ＥＣＵ３は、座金センサ３０の出力信号のクランク角度ベースの排気上死点近傍のピーク位置と信号波形の最大ピーク位置を検出し、その差が差分失火判定閾値よりも小さい場合に失火が発生したと判定する。

これにより、座金センサ３０の出力信号のクランク角度ベースの排気上死点近傍のピーク位置と信号波形の最大ピーク位置に基づいて失火が検出される。圧縮上死点近傍のクランク角度ベースの最大ピーク位置は、ＨＣＣＩ燃焼時と失火時で大きく変化する。一方、排気上死点近傍のクランク角度ベースのピーク位置は、ＨＣＣＩ燃焼時と失火時でほぼ変化していない。このため、高精度に失火を検出することができる。

また、差分失火判定閾値は、エンジン負荷やエンジン回転数などのエンジン２の運転状態や、エンジン排気量やエンジンの種類などによらず一定の値とすることができる。

また、ＥＣＵ３は、燃焼に起因する周波数帯のみを通すフィルタ処理を行なった後の座金センサ３０の出力信号から排気上死点近傍のピーク位置と信号波形の最大ピーク位置を検出する。

また、差分失火判定閾値は、モータリング運転（失火）時の座金センサ３０の出力信号の排気上死点近傍のピーク位置と信号波形の最大ピーク位置の差分の１００サイクル平均値＋３σとし、差分失火判定閾値を求める際の座金センサ３０の出力信号にもフィルタ処理を施す。
これにより、高精度な差分失火判定閾値を求めることができる。

また、最大ピーク位置検出期間は、吸気弁１５及び排気弁２２の着座ノイズの影響が出ない吸気弁１５及び排気弁２２の閉期間、例えば、圧縮上死点前180deg（吸気下死点）から圧縮上死点後180deg（排気下死点）の間の任意の期間を設定する。また、排気上死点近傍のピーク位置検出期間は、吸気弁１５及び排気弁２２の着座ノイズの影響が出ない吸気弁１５及び排気弁２２の閉期間、例えば、ＮＶＯ期間の任意の期間を設定する。

なお、第２実施形態においては、運転領域の全領域または一部の領域でＮＶＯ期間を設けた燃料直噴方式のエンジンについて示したが、運転領域の全領域または一部の領域でＮＶＯ期間を設けたエンジンであれば、ポート噴射方式のエンジンやディーゼルエンジン、ＣＮＧ（Compressed Natural Gas）エンジン、火花点火式エンジンにおいても同様に失火を検出することができる。

また、多気筒のＨＣＣＩ燃焼エンジンでは、第１実施形態で示したように気筒毎の空燃比制御を行なうことも可能である。

ＥＣＵ３は、各気筒の座金センサ３０の座金センサ信号から、各気筒の失火を検出する。なお、上述の失火フラグは、気筒ごとに設けられ、失火フラグにより各気筒で失火が発生しているか否かが分かる。

また、第２実施形態で用いた失火評価項目を用いて失火を予測し、未然に回避する予測制御も可能である。

失火が発生する前には、自着火のタイミングが遅角するため、圧縮上死点近傍のクランク角度ベースの最大ピーク位置が安定燃焼時より遅角する。

このため、失火評価項目である「クランク角度ベースの排気上死点近傍のピーク位置と信号波形の最大ピーク位置との差分」が増大する傾向がある。

この特徴を利用して、燃焼サイクル毎に「クランク角度ベースの排気上死点近傍のピーク位置と信号波形の最大ピーク位置との差分」の平均値を算出する。その平均値よりも一定以上、例えば、平均値＋３σの差が発生した場合に、燃焼が不安定であると判断して失火を予測し、失火回避の予測制御を行なう。

失火回避の予測制御としては、例えば、目標空燃比を空燃比マップよりリッチ側に補正することや、燃料噴射時期を進角させるなどである。

これにより、失火を発生させることなく、安定したＨＣＣＩ燃焼を継続させることができる。

また、第２実施形態においては、座金センサ３０の取り付け位置を点火プラグ１２の座金部としたが、それ以外の場所でも、燃焼状態と相関の高い信号を取得できる場所であればよい。

本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１車両
２エンジン
３ＥＣＵ（制御部）
１２点火プラグ
２５空燃比センサ
２６クランク角度センサ
３０座金センサ
３１信号波形算出部
３２ノイズ信号除去部
３３信号波形のピーク位置決定部
３４失火判定部
３５排気上死点近傍のピーク位置決定部
３６信号波形の最大ピーク位置決定部
３７失火評価項目決定部
３８失火判定部
４０信号増幅回路
４１入力端子
４２オペアンプ
４３出力端子

Claims

内燃機関のシリンダヘッドに設けられた貫通孔に締付け固定された受圧部材の締付け荷重の変化を検出する座金センサと、
前記内燃機関の圧縮行程における前記座金センサの出力信号が最大になるクランク角位置に基づいて前記内燃機関の失火を検出する制御部と、を備える失火検出装置。
内燃機関のシリンダヘッドに設けられた貫通孔に締付け固定された受圧部材の締付け荷重の変化を検出する座金センサと、
前記内燃機関の圧縮行程における前記座金センサの出力信号が最大になるクランク角位置と基準クランク角位置との差分に基づいて前記内燃機関の失火を検出する制御部と、を備える失火検出装置。
前記制御部は、前記内燃機関の排気行程から吸気行程にかけて吸気弁及び排気弁をともに閉じて排ガスを燃焼室に封鎖させる負のバルブオーバーラップ期間を設け、前記負のバルブオーバーラップ期間における前記座金センサの出力信号が最大になるクランク角位置を前記基準クランク角位置とする請求項２に記載の失火検出装置。