JP2024000106A - 内燃機関の失火判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点火時期が遅角側に制御される場合でも、テーブルやマップを準備することなく、検出された内燃機関の燃焼状態に基づき、燃焼状態が良好に反映された失火判定パラメータを算出し、失火判定の精度を向上させる内燃機関の失火判定装置を提供する。【解決手段】内燃機関の失火判定装置では、内燃機関の燃焼状態パラメータＯＭＧＲＥＦを検出し、燃焼行程の始期から所定クランク角度までの極値検索区間Ｙにおいて、燃焼状態パラメータの極値を検索し、極値が検索されたときに、極値に対応するクランク角度以降の所定のクランク角度区間を、失火判定パラメータ算出区間Ｘとして設定し、失火判定パラメータ算出区間において検出された燃焼状態パラメータに基づき、失火判定パラメータを算出し、失火判定パラメータに基づき、失火を判定する。【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の回転速度を表す回転速度パラメータに基づいて失火の有無を判定する内燃機関の失火判定装置に関する。

従来の内燃機関の失火判定装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この失火判定装置では、所定クランク角度（例えば６度）ごとに、内燃機関の回転速度を検出し、フィルタ処理などを加えた後、回転速度と基準回転速度（その気筒の圧縮ＴＤＣにおける回転速度）との差を、相対回転速度として算出する。そして、算出された相対回転速度を燃焼行程の全体にわたって積分することにより、失火判定パラメータを算出するとともに、この失火判定パラメータが所定のしきい値よりも小さいときに、その気筒に失火が発生していると判定される。

特開２００７－１９８３６８号公報

しかし、上述した従来の失火判定装置では、点火時期が遅角側に制御された場合などには、以下の理由から、失火判定を精度良く行えないという問題がある。すなわち、点火時期が最適点火時期に設定された場合には、圧縮上死点付近で点火が行われ、燃焼が開始されるため、図５（ａ）に示すように、回転速度波形は圧縮上死点（ＴＤＣ）付近から立ち上がる。これに対し、ノッキングの抑制や触媒の暖機の促進などのために、点火時期が遅角側に制御された場合には、それに応じて、実際の燃焼開始タイミングが遅れる結果、図５（ｂ）に示すように、最適点火時期の場合と比較して、回転速度波形の位相が遅角側にずれる。

このように回転速度波形の位相が遅角側にずれた場合においても、従来の失火判定装置では、図６に示すように、燃焼行程全体を失火判定パラメータ算出区間Ｘ’として、失火判定パラメータが算出される。このため、この失火判定パラメータには、今回の燃焼が開始される前の回転速度が含まれるため、今回の燃焼による燃焼成分のみを適切に抽出できず、燃焼が正常に行われた場合でも、失火判定パラメータが小さめに算出される。その結果、失火判定パラメータとしきい値との比較結果に基づく失火判定を適切に行えず、その精度が低下してしまう。

このような不具合を解消するために、例えば、点火時期とパラメータ算出区間のオフセット量（失火判定パラメータの算出区間の始期の圧縮上死点からのオフセット量）との関係を表すテーブルを準備するとともに、設定された実際の点火時期に応じて、このテーブルからオフセット量を検索し、失火判定パラメータの算出区間を決定することが考えられる。しかし、その場合には、テーブルを作成するための実験などに多大な工数が必要になり、コストの増加を招く。また、回転速度波形の位相ずれに影響を及ぼす点火時期以外の要因（例えば燃料の燃焼特性の相違や気筒間のばらつき）に対応することができない。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、点火時期が遅角側に制御されるような場合においても、テーブルやマップをあらかじめ準備することなく、検出された内燃機関の燃焼状態に基づき、燃焼状態が良好に反映された失火判定パラメータを算出し、それにより、失火判定の精度を向上させることができる内燃機関の失火判定装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、請求項１に係る発明による内燃機関の失火判定装置は、内燃機関３の燃焼状態を表す燃焼状態パラメータ（実施形態における（以下、本項において同じ）相対回転速度ＯＭＧＲＥＦ）を検出する燃焼状態パラメータ検出手段（クランク角度位置センサ１３、ＥＣＵ２）と、燃焼行程の始期から所定クランク角度までの極値検索区間Ｙにおいて、燃焼状態パラメータの極値を検索する極値検索手段（ＥＣＵ２、図３のステップ５）と、極値が検索されたときに、極値に対応するクランク角度以降の所定のクランク角度区間を、失火判定パラメータ算出区間Ｘとして設定するパラメータ算出区間設定手段（ＥＣＵ２、ステップ６、式（５））と、失火判定パラメータ算出区間Ｘにおいて検出された燃焼状態パラメータに基づき、失火判定パラメータＭＦＪＵＤを算出する失火判定パラメータ算出手段（ＥＣＵ２、ステップ６）と、算出された失火判定パラメータＭＦＪＵＤに基づき、失火を判定する失火判定手段（ＥＣＵ２、ステップ７～９）と、を備えることを特徴とする。

この失火判定装置では、内燃機関の燃焼状態を表す燃焼状態パラメータが検出される。また、燃焼行程の始期から所定クランク角度までの極値検索区間において、燃焼状態パラメータの極値が存在するか否かが検索される。極値が検索された場合には、極値に対応するクランク角度以降の所定のクランク角度区間を、失火判定パラメータ算出区間として設定するとともに、この失火判定パラメータ算出区間において検出された燃焼状態パラメータに基づき、失火判定パラメータが算出される。そして、算出された失火判定パラメータに基づき、失火が判定される。

以上のように、燃焼状態パラメータの極値に対応するクランク角度以降の所定のクランク角度区間を、失火判定パラメータ算出区間として設定するので、算出された失火判定パラメータには、今回の燃焼が開始される前の燃焼状態は含まれず、今回の燃焼による燃焼成分のみが適切に抽出され、その燃焼状態が良好に反映される。そして、そのように算出された失火判定パラメータに基づき、失火を精度良く判定することができる。

以上のように、本発明によれば、点火時期が遅角側に制御されるような場合においても、従来の場合と異なり、テーブルやマップをあらかじめ準備することなく、検出された内燃機関の燃焼状態に基づき、燃焼状態を良好に反映する失火判定パラメータを算出でき、それにより、失火判定の精度を向上させることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関の失火判定装置において、極値検索区間Ｙは、点火時期の遅角側への制御によって発生し得る、燃焼状態パラメータの波形の位相遅れ量の最大値に相当するように設定されていることを特徴とする。

この構成によれば、極値検索区間が上記のように設定されているので、点火時期の遅角側への制御によって燃焼状態パラメータの位相遅れが発生した場合、燃焼状態パラメータの極値が極値検索区間に存在することで、確実に検索される。したがって、検索した極値に基づく失火判定パラメータ算出区間の設定を確実に行うことができる。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関の失火判定装置において、燃焼状態パラメータは、内燃機関３の回転速度を表す回転速度パラメータ（相対回転速度ＯＭＧＲＥＦ）であることを特徴とする。

内燃機関の回転速度は、内燃機関の燃焼状態を良好に反映し、例えば、燃焼が正常に行われた場合には大きくなり、失火が発生した場合には低下する。したがって、この構成によれば、燃焼状態パラメータとして、内燃機関の回転速度を表す回転速度パラメータを用いることによって、請求項１又は２による上述した作用を良好に得ることができる。

本発明を適用した内燃機関及び失火判定装置を概略的に示す図である。 点火ごとの失火を判定する手法を説明するための図である。 失火判定処理を示すフローチャートである。 失火判定処理によって得られる動作を説明するための図である。 点火時期に応じた回転速度波形の位相のずれを説明するための図である。 従来の失火判定によって得られる動作例を説明するためのである。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図１に示す内燃機関（以下「エンジン」という）３は、例えば車両（図示せず）に動力源として搭載されており、複数（例えば４つ）の気筒（図示せず）を有する。エンジン３には、空気（新気）が流れる吸気管４と、排気ガスが流れる排気管５が、接続されている。吸気管４には、エンジン３への吸入空気量を調整するためのスロットル弁６が設けられ、排気管５には、排気ガスを浄化するための触媒コンバータ７が設けられている。

吸気管４に接続された吸気マニホルド４ａには、燃料を噴射する燃料噴射弁８が、気筒ごとに設けられている。燃料噴射弁８の開弁時間は、後述するＥＣＵ（電子制御ユニット）２からの制御信号によって制御され、それにより各気筒の燃料噴射量が制御される。エンジン３には、燃焼室内の混合気を点火するための点火プラグ９が、気筒ごとに設けられている。点火プラグ９の点火時期は、ＥＣＵ２からの制御信号によって制御される。

また、吸気管４のスロットル弁６のすぐ下流側には、吸気管４内の圧力（吸気圧）ＰＢＡを検出する吸気圧センサ１１が設けられ、エンジン３には、その冷却水温（エンジン水温）ＴＷを検出する水温センサ１２が設けられている。それらの検出信号はＥＣＵ２に出力される。

さらに、エンジン３のクランク軸（図示せず）には、その回転角度を検出するクランク角度位置センサ１３が設けられている。クランク角度位置センサ１２は、マグネットロータとＭＲＥピックアップで構成されており、クランク軸の回転に伴い、いずれもパルス信号であるＣＹＬ信号、ＴＤＣ信号及びＣＲＫ信号を、ＥＣＵ２に出力する。

ＣＹＬ信号は、エンジン３の気筒を判別するためのものであり、特定の気筒の所定クランク角度位置において出力される。ＴＤＣ信号は、いずれかの気筒において、ピストン（図示せず）が吸気行程の開始時の上死点よりも若干、手前の所定のクランク角度位置にあるタイミングで、出力される。また、ＣＲＫ信号は、ＴＤＣ信号よりも短い一定のクランク角度（例えば６度）ごとに出力される。

これらのＣＹＬ信号、ＴＤＣ信号及びＣＲＫ信号は、各気筒における燃料噴射時期及び点火時期などのタイミング制御や、エンジン回転数ＮＥの検出に用いられる。後述するように、本実施形態では特に、ＣＲＫ信号の発生時間間隔（以下「時間パラメータ」という）ＣＲＭＥに基づいて、エンジン３の失火が判定される。

ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、及び入出力インターフェース（いずれも図示せず）などから成るマイクロコンピュータで構成されている。上記のＲＡＭには、多数の時間パラメータＣＲＭＥなどを記憶するためのバッファメモリが設けられている。

ＥＣＵ２は、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、スロットル弁６を介した吸入空気量制御や、燃料噴射弁８を介した燃料噴射制御、点火プラグ９を介した点火時期制御を含むエンジン制御を実行する。本実施形態では特に、時間パラメータＣＲＭＥに基づき、エンジン３の失火を気筒ごとに判定する失火判定処理が実行される。本実施形態では、ＥＣＵ２によって、燃焼状態パラメータ検出手段、極値検索手段、パラメータ算出区間設定手段、失火判定パラメータ算出手段、及び失火判定手段が構成されている。

次に、図２を参照しながら、本実施形態における失火の判定手法について説明する。図２（ａ）は、エンジン３の各気筒の圧縮上死点近傍で検出される回転速度（以下「基準回転速度」という）を基準とした相対回転速度ＯＭＧＲＥＦの推移を示す。この相対回転速度ＯＭＧＲＥＦは、ＣＲＫ信号の発生間隔であるクランク角度６度ごとに検出される回転速度（時間パラメータＣＲＭＥから算出される）から基準回転速度を減算することによって算出される。図２（ａ）の＃１～＃４は、４つの気筒を識別するために点火順に付した気筒識別番号である。

上述した定義から、相対回転速度ＯＭＧＲＥＦは、圧縮上死点後の燃焼行程では、失火が発生した場合には、点火が正常に行われた場合と比較して、より小さな値になる。すなわち、図２（ａ）の例では、＃１、＃２及び＃４気筒において燃焼が正常に行われ、＃３気筒において失火が発生していると推定される。

したがって、燃焼行程においてクランク角度６度ごとに算出される相対回転速度ＯＭＧＲＥＦを積分することによって得られる積算値（以下「失火判定パラメータ」という）は、図２（ｂ）に示すように、失火が発生した＃３気筒では、所定のしきい値ＭＦＴＨよりも小さくなり、燃焼が正常に行われた＃１、＃２及び＃４気筒では、しきい値ＭＦＴＨよりも大きくなる。以上から、失火判定パラメータを用いて、失火を気筒ごとに判定することが可能になる。

図３は、上述した手法を用いた失火判定処理のフローチャートである。この処理は、ＴＤＣ信号の発生に同期して、ＥＣＵ２によって実行される。なお、クランク角度６度ごとに発生するＣＲＫ信号の時間間隔である時間パラメータＣＲＭＥ（ｉ）は、クランク角度７２０度分のデータ（データ識別番号ｉ＝０～ＮＤ－１，データ数ＮＤ＝１２０）がＲＡＭ内のバッファメモリに格納されている。このことは、クランク角度６度ごとに算出され、データ識別番号ｉが付される、後述する他のパラメータについても同様である。

また、点火順の気筒識別番号をｋ（１～４）とし、１ＴＤＣ期間内のデータ数をＮＴＤＣ（本実施形態ではＮＴＤＣ＝３０）とすると、本処理の１回の実行で、データ識別番号ｉが（ｋ－１）・ＮＴＤＣから（ｋ・ＮＴＤＣ－１）までの演算が行われる。例えば、今回の処理が＃１気筒（ｋ＝１）に対する演算のときには、データ識別番号ｉは０から（ＮＴＤＣ－１）（＝２９）までの値をとり、今回の処理が＃４気筒（ｋ＝４）に対する演算のときには、データ識別番号ｉは３ＮＴＤＣ（＝９０）から（４ＮＴＤＣ－１）（＝１１９）までの値をとる。

図３の処理では、まずステップ１（「Ｓ１」と図示、以下同じ）において、次式（１）により、時間パラメータＣＲＭＥ（ｉ）を回転速度ＯＭＧ（ｉ）（ｒａｄ／ｓ）に変換する。

ここで、Ｄθは、時間パラメータＣＲＭＥを計測する角度間隔４π／ＮＤであり、本実施形態では、π／３０（ｒａｄ）である。

次に、ステップ２では、次式（２）により、回転速度ＯＭＧに７２０度フィルタ処理を施すことによって、フィルタ処理後回転速度ＯＭＧＲ（ｉ）を算出する。

この７２０度フィルタ処理は、１サイクル（クランク角度７２０度）の期間における線形変化分をキャンセルし、比較的周期の短い変動を抽出する処理である。

次に、ステップ３では、次式（３）により、相対回転速度ＯＭＧＲＥＦ（ｉ）を算出する。

ここで、ＯＭＧＲ（（ｋ－１）ＮＴＤＣ）は、基準回転速度であり、失火判定対象の気筒の圧縮上死点におけるフィルタ処理後回転速度ＯＭＧＲに相当する。

次に、ステップ４では、相対回転速度ＯＭＧＲＥＦ（ｉ）の補正処理を実行する。この補正には、例えばエンジン３の可動部品の慣性力に起因する慣性力回転速度成分を補償するための補正が含まれる。

次に、ステップ５において、相対回転速度ＯＭＧＲＥＦの極値を検索する。図４に示すように、この極値の検索は、圧縮上死点（燃焼行程の始期）から所定クランク角度までの極値検索区間Ｙにおいて行われる。この極値検索区間Ｙは、点火時期の遅角側への制御によって発生し得る、回転速度波形の位相遅れ量の最大値に相当するよう、例えば燃焼行程の始期から６０度の区間に設定されている。

また、極値の検索は、例えば次のように行われる。まず、極値検索区間Ｙにおいて得られた相対回転速度ＯＭＧＲＥＦ（ｉ）とその前回値ＯＭＧＲＥＦ（ｉ－１）との差を、相対回転速度変化量ΔＯＭＧＲＥＦ（ｉ）として算出する。そして、ΔＯＭＧＲＥＦ（ｉ）＜０、かつΔＯＭＧＲＥＦ（ｉ＋１）≧０の関係が成立するときに、このときの相対回転速度ＯＭＧＲＥＦ（ｉ）を極値として検索するとともに、このときのデータ識別番号ｉを極値対応番号ＮＰとする。一方、極値検索区間Ｙにおいて、上記の関係を満たす相対回転速度ＯＭＧＲＥＦが見出せない場合、その極値は検索されなかったものとされる。

次に、ステップ６では、相対回転速度ＯＭＧＲＥＦを積算し、失火判定パラメータＭＦＪＵＤ（ｋ）として算出する。具体的には、相対回転速度ＯＭＧＲＥＦの極値が検索された場合には、まず、上記の極値対応番号ＮＰを用い、次式（４）により、相対回転速度ＯＭＧＲＥＦ（ｉ）を算出する。式（３）との比較から明らかなように、式（４）は基準回転速度として、圧縮上死点における回転速度ＯＭＧＲ（（ｋ－１）ＮＴＤＣ）に代えて、極値に対応するクランク角度における回転速度ＯＭＧＲ（ＮＰ）を用い、相対回転速度ＯＭＧＲＥＦを改めて算出するものである。

次に、算出した相対回転速度ＯＭＧＲＥＦに補正を加えた後、次式（５）により、失火判定パラメータＭＦＪＵＤ（ｋ）を算出する。

式（５）及び図４に示されるように、極値が検索された場合には、極値に対応するクランク角度から燃焼行程の終期までのクランク角度区間が、失火判定パラメータ算出区間Ｘ（ｋ）として設定されるとともに、失火判定パラメータ算出区間Ｘ（ｋ）において式（４）などにより得られた相対回転速度ＯＭＧＲＥＦを積算することによって、失火判定パラメータＭＦＪＵＤ（ｋ）が算出される。

また、相対回転速度ＯＭＧＲＥＦの極値が検索されなかった場合には、次式（６）により、失火判定パラメータＭＦＪＵＤ（ｋ）を算出する。

式（６）に示されるように、この場合には、燃焼行程全体が失火判定パラメータ算出区間になり、燃焼行程において式（３）などにより得られた相対回転速度ＯＭＧＲＥＦを積算することによって、失火判定パラメータＭＦＪＵＤ（ｋ）が算出される。

次に、ステップ７では、失火判定パラメータＭＦＪＵＤ（ｋ）が所定のしきい値ＭＦＴＨよりも大きいか否かを判別する。この答えがＹＥＳで、ＭＦＪＵＤ（ｋ）＞ＭＦＴＨのときには、今回の判定対象気筒（＃ｋ気筒）において燃焼が正常に行われたと判定し、失火フラグＦ＿ＭＦ（ｋ）を「０」にセットする（ステップ８）。一方、ステップ７の答えがＮＯで、ＭＦＪＵＤ（ｋ）≦ＭＦＴＨのときには、＃ｋ気筒において単失火が発生したと判定し、失火フラグＦ＿ＭＦ（ｋ）を「１」にセットする（ステップ９）。

前記ステップ８又はステップ９に続くステップ１０では、今回の気筒識別番号ｋが気筒数Ｎと等しいか否かを判別する。その答えがＮＯのときには、気筒識別番号ｋを「１」だけインクリメントし（ステップ１１）、ｋ＝Ｎのときには、気筒識別番号ｋを「１」に戻し（ステップ１２）、その後、本処理を終了する。

以上のように、本実施形態によれば、相対回転速度ＯＭＧＲＥＦの極値を検索し、検索された極値に対応するクランク角度からその燃焼行程の終期までのクランク角度区間を、失火判定パラメータ算出区間Ｘとして設定する。これにより、失火判定パラメータ算出区間Ｘにおいて算出された失火判定パラメータＭＦＪＵＤには、今回の燃焼が開始される前の回転速度は含まれず、今回の燃焼による燃焼成分のみが適切に抽出され、その燃焼状態が良好に反映される。

したがって、点火時期が遅角側に制御されるような場合においても、従来の場合と異なり、テーブルやマップをあらかじめ準備することなく、検出されたエンジン３の回転速度に基づき、燃焼状態が良好に反映された失火判定パラメータＭＦＪＵＤを算出でき、それにより、失火判定の精度を向上させることができる。

また、相対回転速度ＯＭＧＲＥＦの極値を検索するための極値検索区間Ｙが、点火時期の遅角側への制御によって発生し得る、回転速度波形の位相遅れ量の最大値に相当するように設定されている。これにより、点火時期の遅角側への制御によって回転速度パラメータの位相遅れが発生した場合、相対回転速度ＯＭＧＲＥＦの極値を確実に検索でき、検索した極値に基づく失火判定パラメータ算出区間の設定を確実に行うことができる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、燃焼状態パラメータとして、回転速度パラメータの１つである相対回転速度ＯＭＧＲＥＦを用いている。本発明は、これに限らず、燃焼状態パラメータとして、内燃機関の燃焼状態を良好に表す他の適当なパラメータを用いることが可能である。例えば、気筒に筒内圧センサを設けるとともに、筒内圧センサで検出された筒内圧を燃焼状態パラメータとして用いてもよい。

また、実施形態では、失火判定パラメータ算出区間Ｘを、検索された相対回転速度ＯＭＧＲＥＦの極値に対応するクランク角度から燃焼行程の終期までの区間に設定している。本発明は、これに限らず、例えば失火判定パラメータ算出区間Ｘの終期を、次の燃焼行程において検索された極値に対応するクランク角度まで延長してもよい。

また、実施形態では、極値検索区間Ｙを、燃焼行程の始期からクランク角度６０度までの区間に設定しているが、点火時期の遅角側への制御によって発生し得る、回転速度波形の位相遅れ量の最大値に応じて適宜、変更してもよい。

さらに、実施形態において示した、相対回転速度ＯＭＧＲＥＦの極値の検索手法はあくまで例示であり、適当な他の検索手法を採用することが可能である。また、実施形態では、内燃機関の回転速度パラメータとして、相対回転速度ＯＭＧＲＥＦを主として用いているが、他の回転速度パラメータ、例えば時間パラメータＣＲＭＥや回転速度ＯＭＧなどを適宜、用いてもよい。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

２ ＥＣＵ（燃焼状態パラメータ検出手段、極値検索手段、パラメータ算出区
間設定手段、失火判定パラメータ算出手段、失火判定手段）
３ エンジン（内燃機関）
１３ クランク角度位置センサ（燃焼状態パラメータ検出手段）
Ｘ 失火判定パラメータ算出区間
Ｙ 極値検索区間
ＯＭＧＲＥＦ 相対回転速度（燃焼状態パラメータ、回転速度パラメータ）
ＭＦＪＵＤ 失火判定パラメータ

Claims (3)

1. 内燃機関の燃焼状態を表す燃焼状態パラメータを検出する燃焼状態パラメータ検出手段と、
   燃焼行程の始期から所定クランク角度までの極値検索区間において、前記燃焼状態パラメータの極値を検索する極値検索手段と、
   前記極値が検索されたときに、当該極値に対応するクランク角度以降の所定のクランク角度区間を、失火判定パラメータ算出区間として設定するパラメータ算出区間設定手段と、
   前記失火判定パラメータ算出区間において検出された燃焼状態パラメータに基づき、失火判定パラメータを算出する失火判定パラメータ算出手段と、
   当該算出された失火判定パラメータに基づき、失火を判定する失火判定手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の失火判定装置。
2. 前記極値検索区間は、点火時期の遅角側への制御によって発生し得る、燃焼状態パラメータの波形の位相遅れ量の最大値に相当するように設定されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の失火判定装置。
3. 前記燃焼状態パラメータは、前記内燃機関の回転速度を表す回転速度パラメータであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の内燃機関の失火判定装置。

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