JP2586628B2 - 内燃機関の出力変動検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、内燃機関の各気筒間における出力トルク差
を検出する装置に関する。

〔従来の技術および課題〕

エンジンの運転制御のため、各気筒におけるトルク差
を検出することが従来行なわれている。特開昭58−1764
24号公報あるいは特開昭59−52726号公報には、各気筒
間のトルク差を検出する方法として、各気筒の爆発行程
の所要時間と全気筒の爆発行程の平均所要時間との偏差
をとり、この偏差が所定の判定値以上か否かを判別する
ことが開示されている。

ところで、爆発行程の所要時間はエンジンが低回転に
なるほど大きくなる。したがって、各気筒の爆発行程の
所要時間と全気筒の爆発行程の平均所要時間との偏差の
絶対値は低回転になる程大きくなり、上記従来の構成に
おいては、低回転域に適する様判定値をもつと、中・高
回転域でのトルク差が検出できなくなり、又、逆に中・
高回転域に適する様判定値をもつと、低回転域では各気
筒間のトルク差を誤まって判定するおそれが生じる。

本発明は、全てのエンジン回転域において、各気筒間
のトルク差を高精度に検出するとともに、エンジンの運
転制御の精度を高めることのできる出力変動検出装置を
提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る出力変動検出装置は、燃料が供給された
各気筒の爆発行程においてクランク軸が予め定めた回転
角度区間を回転するのに要する爆発行程所要時間を検出
する爆発行程所要時間検出手段と、各気筒の前記爆発行
程所要時間と前記爆発行程所要時間の全気筒における平
均値との比を算出する比算出手段と、各気筒毎の前記比
に基づく各気筒の出力変動相当値を算出する出力変動相
当値算出手段と、各気筒の前記出力変動相当値を単一の
許容値と比較し、特定気筒の上記出力変動相当値が上記
許容値を越える時には前記特定気筒に出力変動が発生し
ていると判断する出力変動判断手段とを備えることを特
徴とする。

ここで、上述の各気筒の出力変動相当値とは、各気筒
の爆発行程所要時間と爆発行程所要時間の全気筒におけ
る平均値との比に基づき算出される無次元化された値で
あって、各気筒の爆発行程における回転速度のバラツキ
を表す値である。

［作用］ 各気筒の出力変動における許容限度は、爆発行程所要
時間に対して所定割合で表すのが一般的である。この爆
発行程所要時間は機関回転域毎に変化するものであり、
機関回転数が低くなるほど長くなる。本発明に係る出力
変動検出装置によれば、各気筒の爆発行程所要時間とこ
の爆発行程所要時間の全気筒における平均値との比に基
づき出力変動相当値が算出されるために、出力変動相当
値を機関回転数にかかわらず単一の許容値と比較するこ
とで各気筒の出力変動を判断することができる。

〔実施例〕

以下図示実施例により本発明を説明する。

第２図は本発明の一実施例を適用した４気筒エンジン
を示す。エンジン本体11には、１番〜４番気筒に対応し
て４つの点火プラグ21,22,23,24が取付けられ、またイ
ンテークマニホルド12とエキゾーストマニホルド13が連
結される。インテークマニホルド12の各枝管には燃料噴
射弁31,32,33,34が設けられる。インテークマニホルド1
2の上流側に連結された吸気通路14内にはスロットル弁1
5が設けられ、このスロットル弁15の弁軸にはスロット
ルセンサ16が連結される。スロットルセンサ16はスロッ
トル弁15が実質的に全閉状態のときオン信号を出力す
る。ディストリビュータ17は図示しないカムシャフトに
より回転駆動され、点火プラグ21,22,23,24に高電圧を
供給する。基準位置センサ18は、ディストリビュータ17
に取付けられ、720°CA（クランク角）毎に基準位置信
号を出力する。またクランク角センサ19はディストリビ
ュータ17に取付けられ、30°CA（クランク角）毎に信号
を出力する。

制御回路41はマイクロコンピュータを備え、後述する
ように、各センサ16,18,19からの信号に基いて各気筒の
トルク差を検出し、各気筒に対する燃料噴射量を算出す
る。制御回路41は、中央演算処理装置（CPU）42と、メ
モリ43と、入力ポート44と、出力ポート45とを有し、こ
れらはバス46により連結される。各センサ16,18,19は入
力ポート44に、また燃料噴射弁31,32,33,34は出力ポー
ト45に接続される。

第３図は、制御回路41による各気筒間の出力トルク差
を検出するルーチンを示す。このルーチンは一定のクラ
ンク角毎に割込み処理されて実行される。

ステップ100では、エンジン回転数N_Eが判定値以上か
否か判別される。エンジン回転数N_Eはディストリビュー
タ17に設けられたクランク角センサ19の出力信号から検
出される。エンジン回転数N_Eが判定値以上のときステッ
プ108へ進み、判定値よりも小さいときステップ101以下
が実行される。エンジンが高回転域にある時、各気筒間
の出力トルク差が減少し、かつディストリビュータ17を
含む回転系の捩りの影響が大きいため、ステップ101以
下の出力トルク差の検出処理を高精度に行なうことがで
きない。そこで、この場合、ステップ108において積算
値SKiおよびサイクルカウンタＪ（これらSKiおよびＪは
ステップ111において計算される）が０にクリアされ、
またステップ117において気筒カウンタｉが１にセット
されて、このルーチンを終了する。これに対し、エンジ
ンが低中回転域にある時、ステップ101以下が実行され
る。

ステップ101では、現在所定の気筒が圧縮上死点（TD
C）にあるか否かが判別される。この判別は、従来周知
のように、基準位置センサ18とクランク角センサ19から
の出力信号に基いて行なわれる。すなわち基準位置信号
は、例えば１番気筒の圧縮TDCにおいて出力されるよう
になっており、基準位置信号の検出から180°CA,360°C
A,540°CA後に、それぞれ３番、４番、２番気筒が圧縮T
DCにある。現在所定の気筒が圧縮TDCにない場合、ステ
ップ101の実行によりこのルーチンは直ちに終了する
が、所定の気筒が圧縮TDCにあればステップ102が実行さ
れる。

ステップ102では、その気筒の圧縮TDC後の180°CA、
すなわち爆発行程における所要時間T180iがクランク角
センサ19の出力信号とタイマに基いて算出される。この
所要時間T180iはその気筒の出力トルクの逆数に比例す
る。ステップ103では気筒カウンタｉが１だけインクリ
メントされ、ステップ104では、全気筒についてステッ
プ102による所要時間T180iの演算が終了したか否かが判
別される。全気筒についてステップ102の実行が終了し
ていればステップ105へ進むが、まだ終了していなけれ
ば直ちにこのルーチンを終了する。本実施例では、エン
ジンは４気筒を有しているので、ステップ104では気筒
カウンタｉが４を越えたか否かを判別してもよい。な
お、気筒カウンタｉの1,2,3,4は、点火順序を示し、そ
れぞれ１番、３番、４番、２番気筒に対応する。

ステップ105では、全気筒の爆発行程の180°CAにおけ
る平均所要時間T180AVが算出される。そしてステップ10
6では、各気筒について、その気筒の180°CA期間の所要
時間と全気筒の180°CA期間の所要時間との比Kiが求め
られる。すなわちこの比Kiは、その気筒のトルクと全気
筒のトルクの平均値との比を示す。

ステップ107では、現在燃料供給が遮断（燃料カッ
ト）されているか否か判別される。スロットルセンサ16
により、スロットル弁15が実質的に全閉状態にあること
が検出され、かつエンジン回転数が所定値を上回ってい
る時、現在燃料カット中であると判断され、これによ
り、ステップ121以下が実行されるが、それ以外の時は
燃料カット中ではないと判断され、次にステップ111以
下が実行される。

ステップ121では、各気筒について比Kiが積算されて
積算値SKFCiが求められ、またサイクルカウンタJfが１
だけインクリメントされる。すなわち積算値SKFCiは、
燃料カット中における、各気筒の爆発行程所要時間と全
気筒の爆発行程所要時間の平均との比Kiを積算したもの
である。燃料カット中における各気筒の積算値SKFCiの
大小関係は、各気筒が燃焼状態にないので、クランク角
センサの角度検出の誤差を意味する。

ステップ122ではサイクルカウンタJfが50に達したか
否か、すなわちステップ121において比Kiが50サイクル
分積算されたか否かが判別される。50サイクル分の積算
が終わっていない場合、ステップ117へ進んで気筒カウ
ンタｉが１にセットされてこのルーチンは終了し、その
後再び全ての気筒について比Ki（ステップ106）が求め
られる。ステップ122においてサイクルカウンタJfが50
になっている場合、ステップ123において、積算値SKFCi
が積算値SKFiに置換えられ、積算値SKFCiとサイクルカ
ウンタJfが０にクリアされる。

ステップ111では、燃料供給中における各気筒の比Ki
が積算されて積算値SKiが求められ、またサイクルカウ
ンタＪが１だけインクリメントされる。各気筒の積算値
SKiの大小関係は、各気筒の出力トリクの差に対応す
る。カウンタＪが50に達する前、ステップ112からステ
ップ117へ進み、気筒カウンタｉが１にセットされてこ
のルーチンは終了するが、カウンタＪが50に達していれ
ばステップ113が実行される。すなわち、爆発行程が連
続する２つの気筒について、燃料供給中の積算値SKi,SK
_i-1の差分と、燃料カット中の積算値SKFi,SKF_i-1の差分
とを求め、さらにこれらの差分（SKi−SK_i-1）と差分
（SKFi−SKF_i-1）との変化量DSKiを演算する。この変化
量DSKiは、その気筒におけるトルクの落込み量を表わ
す。

この変化量DSKiは、ステップ114において判定値以上
か否か判別される。変化量DSKiが判定値以上であれば、
ステップ115において燃料噴射補正係数KTAUiがβだけ増
加され、変化量DSKiが判定値よりも小さければステップ
115は実行されず現在の燃料噴射補正係数KTAUiが維持さ
れる。ステップ114,115は全ての気筒について実行さ
れ、これにより、出力トルクが他の気筒に比べて小さい
気筒に対し、燃料噴射量が増加修正される。なお燃料噴
射量TAUiは TAUi＝FAF×KTAUi×αｉ×TP により求められ、ここでFAFはフィードバック係数、α
ｉは補正係数、TPは基本噴射量である。

ステップ116では積算値SKiとサイクルカウンタＪが０
にクリアされ、またステップ117では気筒カウンタｉが
１にセットされる。

しかして本実施例では、まず１サイクル（720°CA）
毎に各気筒の爆発行程の180°CA期間と全気筒の平均180
°CA期間との比Kiが求められ、そして燃料供給中あるい
は燃料カット中における50サイクル分の積算値SKi,SKFi
が求められる。この積算値は50サイクル毎に更新され
る。次いで爆発行程が連続する２つの気筒について積算
値SKi,SK_i-1の差分（SKi−SK_i-1）と積算値SKFi,SKF_i-1
の差分（SKFi−SKF_i-1）とが演算され、これらの差分の
変化量DSKiが判定値以上であれば、気筒カウンタｉに対
応する気筒の出力トルクが小さすぎるとして燃料噴射量
が増量される。

上述したように、燃料カット中における各気筒の積算
値SKFiの大小関係は、各気筒が燃焼状態にないので、ク
ランク角センサの角度検出の誤差を意味する。したがっ
て、爆発行程で発生したトルクが各気筒において均一で
あると、燃料供給中における各気筒の積算値SKiの大小
関係は、燃料カット中における各気筒の積算値SKFiの大
小関係とほぼ同じになる。

第４図（ａ）〜（ｅ）は、各気筒における混合気の空
燃比を均一にした場合と、１つの気筒における混合気の
空燃比を他の気筒のものよりも大きくした場合とについ
て、各気筒の積算値SKiが燃料カット時における積算値S
KFiに対してどのような関係にあるかを調査した結果で
ある。第４図（ａ）に示されるように、各気筒の空燃比
A/F（実線Ａ）、すなわち出力トルクがほぼ均一の場
合、燃料供給時の積算値SKi（実線Ｓ）と燃料カット時
の積算値SKFi（破線Ｃ）とは各気筒においてほぼ一致
し、したがって変化量DSKi（実線Ｄ）は各気筒において
一定の値をとる。これに対し、１つの気筒、例えば２番
気筒の空燃比を大きくすなわち出力トルクを小さくした
場合、第４図（ｂ）に示されるように、燃料供給時の積
算値SKi（実線Ｓ）と燃料カット時の積算値SKFi（破線
Ｃ）とは各気筒において異なる。すなわち、２番気筒の
積算値SKiが積算値SKFiよりも大きくなるとともに、他
の気筒における積算値SKiが変化しており、この結果、
２番気筒の変化量DSKiだけが他の気筒の変化量DSKiより
も明らかに大きくなっている。同様に、１番、３番、４
番気筒の空燃比を大きくすると、それぞれ第４図
（ｃ），（ｄ），（ｅ）に示されるようにその気筒の変
化量DSKiが大きくなる。しかして第４図（ａ）〜（ｅ）
により、変化量DSKiが所定の判定値よりも大きい気筒は
出力トルクが小さすぎ、したがってこの気筒について燃
料噴射量を増量させれば各気筒の出力トルクが均一化さ
れることが理解される。

各気筒の爆発行程の所要時間と全気筒の爆発行程の平
均所要時間との偏差をとり、この偏差が所定の判定値以
上か否かを判別するようにすると、この偏差はエンジン
回転数に応じて変化するため、判定値を回転数毎に変え
なければならない。しかし上記実施例においては各気筒
の所要時間を全気筒の平均所要時間との比Kiが用いられ
ており、この比Kiはエンジン回転数に拘らず一定のた
め、全ての回転数域において判定値は１つでよい。

また本実施例は、ディストリビュータの回転軸を含む
回転系の捩りの影響が大きい、エンジンの高回転域にお
いて、各気筒の出力トルク差を検出しないように構成さ
れている。したがって出力トルク差の誤検出が防止され
る。

さらに本実施例は、基準位置センサ18により得られる
720°CA毎のパルス信号と、クランク角センサ19により
得られる30°CA毎のパルス信号と、スロットルセンサ16
のスロットル全閉信号とから、燃料供給時と燃料カット
時における各気筒の爆発行程の所要時間を求め、各気筒
の出力トルク差を検出するものである。すなわち、従来
設けられているセンサによりトルク差が検出されるの
で、通常のエンジンの構成がそのまま適用でき、したが
って特別にセンサ等を付加する必要がない。さらに本実
施例によれば、燃料カット時における爆発行程所要時間
を求めることにより、クランク角センサの角度検出誤差
が除去されるので、エンジン固有のバラツキに関係な
く、各気筒間の出力トルク差を高精度に検出することが
できる。

このように本実施例によれば、各気筒間の出力トルク
差の検出精度が向上するため、各気筒の空燃比を高精度
に均一化させることが可能となる。この結果、アイドル
運転をより、安定化させることができ、アイドル回転数
を低下させて燃費を改善することができる。また、リー
ンバーン制御システムの場合、各気筒間の出力トルク差
が少なくなるために、エンジン全体としてのトルク変動
が小さくなり、空燃比をさらにリーンにすることがで
き、このため、燃費を向上させNO_Xの排出量を減少させ
ることができる。さらに、ストイキ制御システムにおい
て各気筒の燃料噴射量を独立に制御した場合、各気筒の
空燃比が均一化されるために、三元触媒の浄化率を向上
させることが可能となり、排気エミッションをさらに改
善することができる。

なお、各気筒の出力トルクを調整するには、上記実施
例のように必ずしも燃料噴射量を制御する必要はなく、
各気筒毎に点火時期を制御するようにしてもよい。

クランク角センサ19の角度検出の誤差が小さく、燃料
カット中における各気筒の比Kiの積算値SKFiが各気筒に
ついて実質的に均一である場合、第３図の結合ルーチン
において積算値SKFiを考慮する必要がなく積算値SKiの
みを考慮すればよい。すなわち、他の実施例として、ス
テップ107,121,122,123,113を実行せず、ステップ114に
おいて積算値SKiが判定値以上か否かを判別するように
変更するとともに、燃料カット中は第３図に示された全
てのステップをスキップするようにしてもよい。第５図
（ａ），（ｂ）はこの実施例における積算値SKiを示
す。もし各気筒のトルクが均一であれば、第５図（ａ）
に示されるように各気筒の積算値SKiは均一になるが、
１つの気筒（第５図（ｂ）では１番気筒）のトルクが相
対的に小さいと、第５図（ｂ）に示されるようにその気
筒の積算値SKiが他の気筒よりも大きくなる。したがっ
て、各気筒間のトルク差を検出するためには、上述した
ように積算値SKiが判定値以上か否かを判別するだけで
よい。

この実施例によっても第３図のルーチンによる上記実
施例の場合と同様な結果が得られる。

さて上記各実施例において、もし各気筒の爆発行程の
所要時間とその全気筒平均値との比を求めるサイクルの
途中で例えば点火時期が大きく変化すると、各気筒間の
燃焼状態が均一であっても各気筒間のトルク差が過大で
あると判定され、これによりトルクが小さいと誤判定さ
れた気筒の燃料噴射量が増加せしめられるおそれがあ
る。そこで本発明のさらに他の実施例として、第６図に
示すように、ステップ104と105の間にステップ131〜134
が設けられ、点火時期の変化量が大きい時は上記比を求
めるステップ105〜108,111〜117,121〜123が実行されな
い。

すなわち、ステップ104において、全気筒についてス
テップ102による所要時間T180iの演算が終了したと判定
されると、ステップ131において現在の点火時期データ
がIGに格納される。ステップ132では、現在の点火時期
データIGと前回の点火時期データIG₀の差の絶対値|IG−
IG₀｜が所定値Ｋ以上か否かが判別される。この絶対値|
IG−IG₀｜が所定値Ｋ以上である時、連続する２サイク
ル間において点火時期が大きく変化したことを意味し、
したがって、上述したようにこの状態で上記比を判定す
ると、実際の気筒間トルク差を正確に判定できない。そ
こでこの場合、上記比を求めるステップは全て飛ばさ
れ、ステップ133において現在の点火時期データIGがIG₀
に更新された後、直ちにこのルーチンは終了する。

一方、ステップ132において絶対値|IG−IG₀｜所定値
Ｋより小さい時、ステップ134において現在の点火時期
データIGがIG₀に更新された後、ステップ105以下が実行
され、各気筒の爆発行程の所要時間とその全気筒平均値
との比が求められて、各気筒間のトルク調整が行われ
る。

その他のステップは第３図と同様であり、その説明を
省略する。

しかしてこの実施例によれば、負荷が変化して点火時
期が大きく変化し、これにより各気筒間のトルク差が大
きくなるような場合、各気筒間のトルク差を判定するこ
とがなくなる。したがって、このような過渡時における
気筒間トルク差の誤判定が防止され、エンジンの運転制
御の精度がさらに高められる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、各気筒の出力トルク差
が高精度に検出され、ひいてはエンジンの運転制御の精
度を高めることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は発明の構成図、 第２図は本発明の一実施例を適用したエンジンを示す
図、 第３図は出力変動検出ルーチンのフローチャート、 第４図（ａ）〜（ｅ）は各気筒の空燃比A/F、積算値SK
i,SKFiおよび変化量DSKiを示す図、 第５図（ａ），（ｂ）は積算値SKiの各気筒間の差を示
す図、 第６図は本発明の別実施例としての出力変動検出のフロ
ーチャート（部分）である。 17…ディストリビュータ、18…基準位置センサ、19…ク
ランク角センサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松下 宗一 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−239130（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−240451（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−113837（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−136524（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−256537（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−46444（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料が供給された各気筒の爆発行程におい
   てクランク軸が予め定めた回転角度区間を回転するのに
   要する爆発行程所要時間を検出する爆発行程所要時間検
   出手段と、各気筒の前記爆発行程所要時間と前記爆発行
   程所要時間の全気筒における平均値との比を算出する比
   算出手段と、各気筒毎の前記比に基づく各気筒の出力変
   動相当値を算出する出力変動相当値算出手段と、各気筒
   の前記出力変動相当値を単一の許容値と比較し、特定気
   筒の上記出力変動相当値が上記許容値を越える時には前
   記特定気筒に出力変動が発生していると判断する出力変
   動判断手段とを備えることを特徴とする内燃機関の出力
   変動検出装置。