JP2019183786A - 内燃機関の制御装置及び制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
前記特定クランク角センサの出力信号に基づいて、クランク角度を検出すると共に、前記クランク角度の時間変化率であるクランク角速度、前記クランク角速度の時間変化率であるクランク角加速度、及び前記クランク角加速度の時間変化率であるクランク角躍度を算出する角度情報算出部と、
前記クランク角躍度に基づいて、前記内燃機関の1回の燃焼行程に対応して設定した複数の判定期間のそれぞれにおける前記クランク角躍度の積算値又は平均値を算出し、前記複数の判定期間の間の前記積算値の変動量又は前記平均値の変動量を算出する角躍度変動量算出部と、
前記積算値の変動量又は前記平均値の変動量に基づいて、前記1回の燃焼行程における失火の有無を判定する失火判定部と、
を備えるものである。
前記特定クランク角センサの出力信号に基づいて、クランク角度を検出すると共に、前記クランク角度の時間変化率であるクランク角速度、前記クランク角速度の時間変化率であるクランク角加速度、及び前記クランク角加速度の時間変化率であるクランク角躍度を算出する角度情報算出ステップと、
前記クランク角躍度に基づいて、前記内燃機関の1回の燃焼行程に対応して設定した複数の判定期間のそれぞれにおける前記クランク角躍度の積算値又は平均値を算出し、前記複数の判定期間の間の前記積算値の変動量又は前記平均値の変動量を算出する角躍度変動量算出ステップと、
前記積算値の変動量又は前記平均値の変動量に基づいて、前記1回の燃焼行程における失火の有無を判定する失火判定ステップと、
を実行するものである。
実施の形態1に係る内燃機関の制御装置50(以下、単に制御装置50と称す)について図面を参照して説明する。図1及び図2は、本実施の形態に係る内燃機関1及び制御装置50の概略構成図であり、図3は、本実施の形態に係る制御装置50のブロック図である。内燃機関1及び制御装置50は、車両に搭載され、内燃機関1は、車両(車輪)の駆動力源となる。
まず、内燃機関1の構成について説明する。図1に示すように、内燃機関1は、空気と燃料の混合気を燃焼する気筒7を備えている。内燃機関1は、気筒7に空気を供給する吸気路23と、気筒7で燃焼した排気ガスを排出する排気路17とを備えている。内燃機関1は、ガソリンエンジンとされている。内燃機関1は、吸気路23を開閉するスロットルバルブ4を備えている。スロットルバルブ4は、制御装置50により制御される電気モータにより開閉駆動される電子制御式スロットルバルブとされている。スロットルバルブ4には、スロットルバルブ4の開度に応じた電気信号を出力するスロットル開度センサ19が設けられている。
次に、制御装置50について説明する。
制御装置50は、内燃機関1を制御対象とする制御装置である。図3に示すように、制御装置50は、角度情報算出部51、角躍度変動量算出部52、失火判定部53、及び失火報知部54等の制御部を備えている。制御装置50の各制御部51、52、53、54等は、制御装置50が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置50は、図4に示すように、処理回路として、CPU(Central Processing Unit)等の演算処理装置90(コンピュータ)、演算処理装置90とデータのやり取りする記憶装置91、演算処理装置90に外部の信号を入力する入力回路92、及び演算処理装置90から外部に信号を出力する出力回路93等を備えている。
角度情報算出部51は、特定クランク角センサとされた第2クランク角センサ6の出力信号に基づいて、クランク角度θdを検出すると共に、クランク角度θdの時間変化率であるクランク角速度ωd、及びクランク角速度ωdの時間変化率であるクランク角加速度αd、及びクランク角加速度αdの時間変化率であるクランク角躍度δdを算出する。本実施の形態では、角度情報算出部51は、角度情報検出部60、角度情報補正部61、及び補正後角度情報算出部62を備えており、リングギア25の歯の製造ばらつき等による角度情報の誤差を補正するように構成されている。
角度情報検出部60は、図5に示すように、第2クランク角センサ6の出力信号に基づいてクランク角度θdを検出すると共にクランク角度θdを検出した検出時刻Tdを検出する。そして、角度情報検出部60は、検出したクランク角度θdである検出角度θd及び検出時刻Tdに基づいて、検出角度θdの間の角度区間Sdに対応する角度間隔Δθd及び時間間隔ΔTdを算出する。
Δθd(n)=θd(n)−θd(n−1) ・・・(1)
ΔTd(n)=Td(n)−Td(n−1) ・・・(2)
角度情報補正部61は、角度区間Sdのそれぞれの角度間隔Δθd又は時間間隔ΔTdを、角度区間Sdのそれぞれに対応して1つずつ設けた補正値Kcにより補正する。この補正値Kcは、リングギア25の歯の角度間隔の微小なばらつきを補正するためのものであり、リングギア25を内燃機関1に組み付ける前であれば、例えば、リングギア25を単体で一定速度にて回転させた時の、平均時間間隔と角度区間Sdの時間間隔ΔTdの比を用いて、角度区間Sdのそれぞれの補正値Kcを予め算出しておき、それを記憶しておいて用いることができる。また、リングギア25を内燃機関1に組み付けた後であれば、例えば、特許第6012892号公報に開示されている技術と同様に、内燃機関1が燃料カット中などの一定速度で回転している条件下において、角度区間Sdのそれぞれのクランク角躍度δdがゼロに近づくように、角度区間Sdのそれぞれの補正値Kcを変化させてもよい。より簡単には、補正値Kcで補正する代わりに、角度区間Sdの前後にわたる時間間隔ΔTdの移動平均値又は重み付平均値を、角度区間Sdのそれぞれの補正後の時間間隔ΔTdcとして算出するようにしてもよい。
Δθdc(n)=Kc(n)×Δθd(n)
又は ・・・(3)
ΔTdc(n)=Kc(n)×ΔTd(n)
補正後角度情報算出部62は、角度区間Sdのそれぞれの補正値Kcによる補正後の角度間隔Δθdc及び時間間隔ΔTdcに基づいて、検出角度θd又は角度区間Sdのそれぞれに対応する、クランク角度θdの時間変化率であるクランク角速度ωd、及びクランク角速度ωdの時間変化率であるクランク角加速度αd、及びクランク角加速度αdの時間変化率であるクランク角躍度δdを算出する。
ωd(n)=Δθdc(n)/ΔTdc(n) ・・・(4)
αd(n)={ωd(n+1)−ωd(n)}
/{ΔTdc(n+1)+ΔTdc(n)}×2 ・・・(5)
δd(n)={αd(n+1)−αd(n−1)}
/{ΔTdc(n+1)+ΔTdc(n)} ・・・(6)
ωd(n)={Δθdc(n+1)+Δθdc(n)}
/{ΔTdc(n+1)+ΔTdc(n)} ・・・(7)
αd(n)={ωd(n+1)−ωd(n−1)}
/{ΔTdc(n+1)+ΔTdc(n)} ・・・(8)
δd(n)={αd(n+1)−αd(n−1)}
/{ΔTdc(n+1)+ΔTdc(n)} ・・・(9)
1−2−2−1.角躍度による失火判定の原理
クランク角躍度δdにより、失火の有無を判定できる原理について説明する。一般に、回転軸周りの運動方程式は式(10)のように書くことができる。
I×dω/dt=I×α=T ・・・(10)
ここで、Iはイナーシャであり、ωは角速度であり、αは角加速度であり、Tはトルクである。この式は、回転軸周りにトルクがかかると、イナーシャの大きさに反比例した角加速度で回転し、トルクがかからない場合は、一定の角速度で回転すると解釈できる。
Tcrk=Ieng×dωd/dt=Ieng×αd
=Tubg+ΔTb+Tpstn−Tload
=Tg+Tpstn−Tload ・・・(11)
ここで、Tcrkはクランク軸にかかる合計トルク(以下、軸トルク)であり、Iengは内燃機関のイナーシャであり、ωdはクランク角速度であり、αdはクランク角加速度であり、Tubgは未燃焼時を想定した気筒7内のガス圧により発生するトルク(以下、未燃時ガス圧トルク)であり、ΔTbは未燃焼時のガス圧からの燃焼によるガス圧の上昇分により発生するトルク(以下、燃焼トルク)であり、Tpstnはピストンの往復慣性により発生するトルク(以下、往復慣性トルク)であり、Tloadは負荷トルクであり、内燃機関及び動力伝達機構の摩擦抵抗、車両の走行抵抗などの全ての負荷の合計であり、Tgは気筒7内のガス圧により発生する総ガス圧トルクであり未燃時ガス圧トルクTubgと燃焼トルクΔTbの和で表される。往復慣性トルクTpstn及び未燃時ガス圧トルクTubgはピストンの加速度及びシリンダ容積に応じて変化するため、クランク角度に応じた周期的な変動となる。
1回の燃焼行程間の燃焼トルクΔTbの平均値と、その他のクランクシャフトにかかるトルクTpstn、Tubg及びTloadの平均値が一致している場合、Tcrk=0になるので、内燃機関は一定速度で回転していることを示す。これは、例えば内燃機関の回転速度が一定である定常運転状態を示している。また、Tcrk>0の場合は、内燃機関は加速している状態であり、Tcrk<0の場合は減速している状態である。失火時はΔTb=0となり、1回の燃焼行程間の平均値で考えるとTpstn=0、Tubg≦0、Tload>0であるため、減速状態となる。このような複数の燃焼行程の間での加速・減速・定常の変化に基づいて失火検出を行うことが出来る。しかしながら、内燃機関は間欠的にトルクを発生させる機関であるので、1回の燃焼行程間でのトルクの変化を詳細に見ると、少し様子は変わってくる。
上述のように内燃機関は間欠的にトルクを発生させる機関であるので、1回の燃焼行程間でも、混合気が急速に燃焼している急速燃焼期間と、混合気が急速に燃焼していない非急速燃焼期間が存在している。また、燃焼期間は通常40〜60deg程度の期間であるので、1回の燃焼行程間(3気筒エンジンなら240deg、4気筒エンジンなら180deg)では燃焼していない非燃焼期間の方が一般に長くなる。
1回の燃焼行程間のトルク変動を検出する方法について説明する。ここで改めて式(10)にて、イナーシャを一定と考えると、トルクと角加速度は比例の関係にあることがわかる。今はトルクの変化が知りたいので、式(10)を更に微分した式(12)を考える。
I×dα/dt=I×δ=dT/dt ・・・(12)
ここでδは角躍度である。式(12)は、トルクの微分値、つまり、トルクの時間変化率と角躍度は比例関係にあることを示しているので、これを内燃機関のクランク軸周りで考えると、トルク変動がクランク角躍度に比例する関係にあると言える。つまり、1回の燃焼行程間のクランク角躍度の変動を捉えることができれば、1回の燃焼行程間のトルク変動を捉えたことになり、前述の通り、容易に失火検出を行うことができるようになる。
ただし、トルク変動及びクランク角躍度は、回転速度及び燃焼状態等の運転状態に応じてトルク変動の傾向が変化する。ここで、トルク変動の違いを説明するために、クランク角躍度の変動の例を図9から図11に示す。
以上の考察から、非急速燃焼期間のクランク角躍度の積算値又は平均値に対する急速燃焼期間のクランク角躍度の積算値又は平均値の相対的な変動量に基づいて、失火の有無を判定できる可能性がある。そこで、図9から図11の運転状態の燃焼時と失火時のそれぞれについて、急速燃焼期間のクランク角躍度の積算値Σδdaと非急速燃焼期間のクランク角躍度の積算値Σδdbとの差ΔΣδd(=Σδda−Σδdb)の算出結果を図12に示す。
そこで、角躍度変動量算出部52は、クランク角躍度δdに基づいて、内燃機関の1回の燃焼行程に対応して設定した複数の判定期間のそれぞれにおけるクランク角躍度の積算値又は平均値を算出し、複数の判定期間の間の積算値の変動量ΔΣδd又は平均値の変動量Δδd_aveを算出する。
前判定期間算出部70は、補正後角度情報算出部62により算出されたクランク角躍度δdに基づいて、前判定期間におけるクランク角躍度の積算値Σδda(以下、前判定期間の積算値Σδdaと称す)又は平均値δda_ave(以下、前判定期間の平均値δda_aveと称す)を算出する。本実施の形態では、前判定期間算出部70は、4deg毎に算出されるクランク角躍度δdを、前判定期間の間、積算して前判定期間の積算値Σδdaを算出する。或いは、前判定期間算出部70は、前判定期間の積算値Σδdaを、前判定期間の積算数で除算して、前判定期間の平均値δda_aveを算出する。
後判定期間算出部71は、補正後角度情報算出部62により算出されたクランク角躍度δdに基づいて、後判定期間におけるクランク角躍度の積算値Σδdb(以下、後判定期間の積算値Σδdbと称す)又は平均値δdb_ave(以下、後判定期間の平均値δdb_aveと称す)を算出する。本実施の形態では、後判定期間算出部71は、4deg毎に算出されるクランク角躍度δdを、後判定期間の間、積算して後判定期間の積算値Σδdbを算出する。或いは、後判定期間算出部71は、後判定期間の積算値Σδdbを、後判定期間の積算数で除算して、後判定期間の平均値δdb_aveを算出する。
変動量算出部72は、前判定期間の積算値Σδda又は平均値δda_aveと、後判定期間の積算値Σδdb又は平均値δdb_aveとの差を、積算値の変動量ΔΣδd又は平均値の変動量Δδd_aveとして算出する。本実施の形態では、変動量算出部72は、前判定期間の積算値Σδdaから後判定期間の積算値Σδdbを減算して、積算値の変動量ΔΣδd(=Σδda−Σδdb)を算出する。或いは、変動量算出部72は、前判定期間の平均値δda_aveから後判定期間の平均値δdb_aveを減算して、平均値の変動量Δδd_ave(=δda_ave−δdb_ave)を算出する。算出した積算値の変動量ΔΣδd又は平均値の変動量Δδd_aveは記憶装置91に記憶される。
失火判定部53は、積算値の変動量ΔΣδd又は平均値の変動量Δδd_aveに基づいて、1回の燃焼行程における失火の有無を判定する。本実施の形態では、失火判定部53は、閾値算出部80及び閾値比較部81を備えている。
図12を用いて説明したように、適切な失火判定閾値THRは運転状態に応じて変化する。そこで、閾値算出部80は、過去の燃焼行程毎に算出した積算値の変動量ΔΣδd又は平均値の変動量Δδd_aveの統計量を算出し、統計量に基づいて失火判定閾値THRを算出する。この構成によれば、積算値の変動量ΔΣδd又は平均値の変動量Δδd_aveの統計量により、直近の運転状態における変動量又は平均値の統計的データを得ることができる。そして、この統計量に基づいて、現在の運転状態における適切な失火判定閾値THRを設定することができる。
BGL(i)=Kbgl×BGL(i−1)
+(1−Kbgl)×ΔΣδd(i)・・・(13)
VAR(i)=Kvar×VAR(i−1)
+(1−Kvar)×{ΔΣδd(i)−BGL(i)}2
・・・(15)
THR(i)=BGR(i)−Kthr×SGM(i) ・・・(18)
閾値比較部81は、積算値の変動量ΔΣδd又は平均値の変動量Δδd_aveと、失火判定閾値THRを比較して、失火の有無を判定する。例えば、閾値比較部81は、積算値の変動量ΔΣδd又は平均値の変動量Δδd_aveが、失火判定閾値THRより大きい場合は、対応する1回の燃焼行程で失火が発生しておらず、燃焼したと判定する。閾値比較部81は、積算値の変動量ΔΣδd又は平均値の変動量Δδd_aveが、失火判定閾値THR以下になった場合は、対応する1回の燃焼行程で失火が発生し、燃焼していないと判定する。閾値比較部81は、失火の判定結果を記憶装置91に記憶する。例えば、閾値比較部81は、失火したと判定した場合に、失火したと判定した結果を、失火したと判定した1回の燃焼行程に対応する気筒番号に関連付けて、記憶装置91に記憶する。
失火報知部54は、失火判定部53による失火の判定結果を、報知装置34を介してユーザに報知する。例えば、失火報知部54は、失火の発生頻度が、予め設定された頻度判定値よりも高い場合は、報知装置34としての故障警告灯を点灯させる。また、失火報知部54は、運転席のメーターパネルに設けられた、報知装置34としての表示画面に、失火の判定結果の情報を表示させる。失火報知部54は、失火の判定結果を、OBD(On Board Diagnostic)の故障情報の1つとして、車両に接続された報知装置34としての車両診断装置に伝達する。
本実施の形態に係る制御装置50の概略的な処理の手順(内燃機関1の制御方法)について、図13に示すフローチャートに基づいて説明する。図13のフローチャートの処理は、演算処理装置90が記憶装置91に記憶されたソフトウェア(プログラム)を実行することにより、例えば所定の演算周期毎に繰り返し実行される。
最後に、本願のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
Claims (5)
- クランク軸と一体回転する回転部材に、予め定められた複数のクランク角度に設けられた複数の被検出部と、非回転部材に固定され、前記被検出部を検出する特定クランク角センサと、を備えた内燃機関の制御装置であって、
前記特定クランク角センサの出力信号に基づいて、クランク角度を検出すると共に、前記クランク角度の時間変化率であるクランク角速度、前記クランク角速度の時間変化率であるクランク角加速度、及び前記クランク角加速度の時間変化率であるクランク角躍度を算出する角度情報算出部と、
前記クランク角躍度に基づいて、前記内燃機関の1回の燃焼行程に対応して設定した複数の判定期間のそれぞれにおける前記クランク角躍度の積算値又は平均値を算出し、前記複数の判定期間の間の前記積算値の変動量又は前記平均値の変動量を算出する角躍度変動量算出部と、
前記積算値の変動量又は前記平均値の変動量に基づいて、前記1回の燃焼行程における失火の有無を判定する失火判定部と、
を備える内燃機関の制御装置。 - 前記角躍度変動量算出部は、前記複数の判定期間として、前記1回の燃焼行程の前側に対応して前判定期間を設定し、前記前判定期間の後に後判定期間を設定し、
前記クランク角躍度に基づいて、前記前判定期間における前記クランク角躍度の前記積算値又は前記平均値を算出し、前記後判定期間における前記クランク角躍度の前記積算値又は前記平均値を算出し、
前記前判定期間の前記積算値又は前記平均値と、前記後判定期間の前記積算値又は前記平均値との差を、前記積算値の変動量又は前記平均値の変動量として算出する請求項1に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記失火判定部は、過去の燃焼行程毎に算出した前記積算値の変動量又は前記平均値の変動量の統計量を算出し、前記統計量に基づいて失火判定閾値を算出し、
前記積算値の変動量又は前記平均値の変動量と、前記失火判定閾値を比較して、失火の有無を判定する請求項1又は2に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記失火判定部による失火の判定結果を、報知装置を介してユーザに報知する失火報知部を更に備えた請求項1から3のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
- クランク軸と一体回転する回転部材に、予め定められた複数のクランク角度に設けられた複数の被検出部と、非回転部材に固定され、前記被検出部を検出する特定クランク角センサと、を備えた内燃機関の制御方法であって、
前記特定クランク角センサの出力信号に基づいて、クランク角度を検出すると共に、前記クランク角度の時間変化率であるクランク角速度、前記クランク角速度の時間変化率であるクランク角加速度、及び前記クランク角加速度の時間変化率であるクランク角躍度を算出する角度情報算出ステップと、
前記クランク角躍度に基づいて、前記内燃機関の1回の燃焼行程に対応して設定した複数の判定期間のそれぞれにおける前記クランク角躍度の積算値又は平均値を算出し、前記複数の判定期間の間の前記積算値の変動量又は前記平均値の変動量を算出する角躍度変動量算出ステップと、
前記積算値の変動量又は前記平均値の変動量に基づいて、前記1回の燃焼行程における失火の有無を判定する失火判定ステップと、
を実行する内燃機関の制御方法。
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