JP2885813B2 - エンジンのミスフアイア検出および排気システム - Google Patents

エンジンのミスフアイア検出および排気システム

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JP2885813B2 JP63507354A JP50735488A JP2885813B2 JP 2885813 B2 JP2885813 B2 JP 2885813B2 JP 63507354 A JP63507354 A JP 63507354A JP 50735488 A JP50735488 A JP 50735488A JP 2885813 B2 JP2885813 B2 JP 2885813B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、多気筒内燃エンジンにおけるミスファイア
を検出するための方法、および触媒を有している、多気
筒内燃エンジンの排気装置を保護するための装置に関す
るものである。
内燃エンジンの排気ガス触媒および排気マニホールド
までもが異常過熱によって損害を受けたり破壊されたり
することは、よく知られている。異常過熱の危険は、ミ
スファイアの発生時、すなわち１つまたは複数の燃焼室
内の燃料／空気の混合気が点火障害によって点火されな
い場合に生じる。この燃焼しなかった混合気は、その作
動温度が約550℃程度の触媒に達した時に直ちに点火さ
れ、触媒が破壊される温度にまで急速に触媒を加熱す
る。これには、エンジンが組み込まれている車両さえも
危険である。
不正な燃焼またはミスファイアを直ちに識別し、それ
によって排気系の、特に触媒の、結果的な異常過熱を防
止する段階に進むことを可能とする方法および装置を提
供することが本発明の目的である。
本発明の利点 従来技術の不都合は請求の範囲第１項に記載の方法お
よび請求の範囲第４項に記載の装置によって克服され
る。エンジンに残っている燃焼しなかったガスの酸素含
有を通してミスファイアを直ちに検出するだけでなく、
区別されるべき、不正に動作しているシリンダーまたは
シリンダーグループの測定を実施することもまた、本発
明によって可能となる。シリンダーまたはシリンダーグ
ループ個々に燃料を噴射する場合には、ミスファイアを
起こした燃焼室にさらに燃料を供給することを避けるこ
とも可能である。
本発明のさらに別の長所は関係する請求の範囲に記載
されている。
図面類 本発明は添付図面を参照しながら例として、さらに説
明される。
第１図は本発明の１つの実施例によるラムダセンサー
が取付けられた、触媒を含む排気系を持つ４ストローク
内燃エンジンを表わす概略図であり、 第２図はラムダセンサーの出力電圧を示す図であり、 第３図は本発明の別の実施例によるラムダ制御によっ
て動作する電子的燃料噴射装置の回路図であり、 第４図は第３図の実施例に関する一連の動作状態を表
わす図であり、 第５図は第３図の実施例の動作の１つのモードに関す
る論理図であり、 第６図は第５図の動作モードに関する一連の動作を表
わす図であり、 第７図は動作の別のモードに関する論理図であり、 第８図はウインドー識別器の利用を示した図であり、 そして第９図は期待されるガス移行時間を説明するた
めの図である。
望ましい実施例の説明 まず、第１図を参照すると、車両のための４ストロー
クのガソリンエンジン10は、少なくとも１つの消音器14
と排気ガス触媒16とを含む排気装置12を有している。触
媒16は排気装置内に、約550℃で動作するように設けら
れており、この温度は排気ガス中のいくらかの残留酸素
を用いて窒素酸化物を減少させ、また同時に一酸化炭素
や炭化水素を酸化させる、触媒作用のための理想的な温
度である。
エンジンシリンダーの１つにミスファイアがあると、
燃焼しなかった気体はそのシリンダーから排気されて、
触媒内で燃えることになる。このことは高価な触媒が破
損する温度にまで急速に触媒を加熱させることになり、
そして車両自体にも火災の危険をもたらすこととなるの
で、適切な対抗措置が必要となる。
第１図の実施例によると、ラムダセンサー18および20
は、排気装置12中において、触媒16の上流側と下流側と
に取付けられている。これらのラムダセンサーは固体電
解質を有していて、よく知られているように、それらは
排気ガスの残留酸素含有に依存した出力電圧を発生する
ものである。このセンサー電圧は第２図において極めて
大略的に示されている。上流側センサー18の出力電圧U1
はエンジンシリンダーの排気ストロークに同期してわず
かに変動している。他方において、残留酸素は触媒16の
中で消費されるので、下流側センサー20の出力電圧U2は
実質的に一定である。エンジンに供給される燃料／空気
混合気が化学量論的な関係にあるか、またはわずかに可
燃成分が薄いと仮定するならば、わずかのリップルを有
する電圧U1の平均は電圧U2と大略、等しくなる。
第２図においては、１つのシリンダーがミスファイア
を起こし、その結果、燃焼しなかった燃料と空気とが上
流側センサー18に到達して、空気中の酸素が電圧U1の急
激な低下をまねいたと、仮定している。他方、燃料と酸
素とは触媒16の中で燃焼するので、下流側センサー20の
出力電圧U2は降下せず、かえっていくらか上降する。
U1−U2における急激な変化の発生を検出するために、
センサーの出力はコンパレーター22に接続されており、
そのコンパレーターは電圧U1−U2が前もって決められた
値ΔＵを超えた時に出力信号Ｓを発生するものである。
電圧U1の変動が誤ったアラームをトリガーするおそれを
減少させるため、センサー18とコンパレーター22との間
には平滑回路24を配置することができる。
アラーム信号Ｓは可聴および／または可視のアラーム
をトリガーするか、またはエンジンへの燃料供給を停止
または制限するために用いることができる。もし、ミス
ファイアが生じているシリンダーを識別できるなら、燃
料噴射装置を持つ内燃エンジンの場合には、それぞれの
噴射バルブを閉じきりにすることによって不調なシリン
ダーへの燃焼供給を停止させることができる。不調なシ
リンダーを検出するための１つの方法は、単一の上流側
センサー18の代わりに、エンジンの排気バルブから導か
れる排気装置のそれぞれの分岐している管に、いくつか
の別のセンサーを設けることである。次に、そのような
各センサーの電圧出力が、下流側センサーのそれと比較
される。
噴射される燃料の量が上流側センサー18によって測定
される、排気ガス中の空気過剰率λに応じて調整され
る、ラムダ制御に適合したエンジンの場合、ミスファイ
ア時の燃焼されていない酸素およびその結果の出力電圧
U1の低下により、ラムダ制御はより濃縮な混合気がエン
ジンに供給されるように作用するので、示されているよ
うに、エンジンが直ちに停止されない場合にはその後、
波状の出力電圧U1は実質的にその前の値に回復する。
第３図は、電子的に制御される燃料噴射装置および点
火装置を持つ４ストローク、４シリンダーの内燃エンジ
ンに対する電子燃料噴射装置を示している。（概略的に
示されている）４つの噴射バルブ26,28,30,32は、コン
ピューター34に制御されて、終段増幅器36を介して、ク
ランク軸回転に時間的に関連して開閉される。噴射バル
ブ26〜32は、エンジンの４つのシリンダーと一体になっ
ており、それらはそれぞれのエンジンインレットバルブ
付近でエンジンインレットマニホールドブランチに燃料
を噴射する。コンピューター34はまた、点火コイルおよ
びディストリビューター46を介して、（概略的に示され
ている）４つのスパークプラグ38,40,42および44をも制
御する。
コンピューター34は、一般的な方法における最適噴射
される燃料の量、噴射タイミングおよび点火タイミング
を提供するために、動作パラメーターに従って、噴射バ
ルぶ26〜32および点火コイル46に供給される点火トリガ
ー電圧を制御する。これら動作パラメーターは、基準パ
ルスBM、インレット圧Ｐ（真空度）、負荷Ｌ（ペダル位
置）、エンジン回転数ｎ、エンジン排気装置内のラムダ
センサーによって測定される空気過剰率λ、およびエン
ジン冷却水温度Ｔを含んでいる。基準パルスBMはクラン
ク軸の回転に関して時間体に得られるもので、同期の目
的を有するものである。
通常走行の場合、エンジンはラムダ制御によって動作
しており、そしてラムダセンサーは（第１図のセンサー
18のように）エンジンの排気装置内の触媒の上流に配置
される。ラムダ制御は排気中の成分による、そして特
に、排気中の酸素含有に基づく制御であって、これによ
って燃料／空気の比が理想的な燃料をもたらす比となる
ように、すなわち化学量論的に接近し、かつ触媒に到達
する排気ガス中の汚染物が最小になるように、制御する
ものである。
第４図は、（Ａ）においてラムダセンサーの出力を、
（Ｂ）において個々のシリンダーの点火の時点を示して
おり、これによって、測定される空気過剰率λの変化
と、個々の燃焼動作との間の時間関係がわかるようにし
たものである。第４図の左側において示されているよう
な通常動作においては、空気過剰率λは電子制御の一部
を形成するサーボループによってオン−オフ制御される
ことによる２つの極端な値の間を変動している。言葉を
換えれば、高い空気過剰率λ＞１は薄い混合気を示して
おり、それによって燃料噴射装置は噴射される燃料の量
を増やすように動作し、また空気過剰率λ＜１によって
は、噴射される燃料の量が減じられる。各オン−オフ変
動は、クランク軸の数回転、例えば６回転の間接続す
る。
時点T1において、１つのシリンダーがミスファイアを
始め、第４図においては各動作ストロークでそれが継続
している。結果として、ラムダセンサーまたは酸素セン
サーは誤って、平均的には混合気が薄すぎると測定する
のでコンピューター34は、第４図の曲線（Ｃ）によって
示されるようにラムダセンサーが再び平均空気過剰率λ
＝１を表わすまで、噴射される燃料の量を増加させる。
しかし今、ミスファイアを起こしているシリンダーから
の過剰な濃度の混合気と変化していない酸素とによっ
て、ラムダセンサーの出力は、第４図の右側において示
されているように、クランク軸の各２回転毎に１度、急
激な降下を呈する。このことは第４図（Ａ）において特
性曲線の谷として現れる。この状況を検出するために、
ラムダブロープの出力が、これから説明するように、ミ
スファイア検出器48において評価される。
最も単純な形態においては、ラムダセンサーの出力電
圧Ｕλはウインド−判定器に供給されて、クランク軸回
転の720°の内に、電圧Ｕλがアッパースレッショール
ドUmaxを越えて上昇し、そしてロワースレッショールド
Uminを下回って下降するかどうかが確かめられる。もし
そうであれば、パルスがミスファイアカウンターに送ら
れる。このカウンターの計数状態は第４図の曲線Ｄで示
されている。例えば８回のミスファイアが検出されて、
カウンターがカウントアウトした時、アラーム信号Ｓが
供給される。
もしミスファイアしているシリンダーを識別する必要
があるならば、ウインドー判定器は点火トリガーパルス
によって識別される各シリンダーに関して180°のクラ
ンク軸角度にわたってカバーし、かつ、各180°のウイ
ンドーの間にセンサー電圧Ｕλが最初はアッパースレッ
ショールドUmaxを越えかつそれからロワスレッショール
ドUminよりも下がるかどうかがチェックされる。もしそ
うであれば、カウントパルスがそれぞれのカウンターに
供給され、そしてカウンターがカウントアウトした時
に、アラームを表わし、そしてどのシリンダーが関係し
ているかを示す不良信号Ｓが供給される。この不良信号
Ｓはこの場合、終段増幅器36のコンピューター34からの
相応する出力を切断することによって、それぞれの噴射
バルブへの燃料噴射信号を禁止するように利用すること
ができる。
寄生的なミスファイアは触媒に有害ではないので、ミ
スファイア検出器48がランダムな間隔で生ずるミスファ
イアに応答することを防止するのが望ましい。この目的
のため、第５図に示したようにストレージタイムカウン
ターも利用される。各シリンダーに関して、それぞれの
180°クランクシャフト角度のウインドーの範囲内でＵ
λ＞UmaxおよびＵλ＜Uminであるかどうかがチェックさ
れる。もしそうであれば、不良カウンターのステップパ
ルスが加えられる。もしそうでなければ、ストレージタ
イムカウンターにステップパルスが加えられる。一旦、
不良カウンターがカウントアウトすると、アラーム信号
Ｓが発生する。しかし、不良カウンターがカウントアウ
トする前にストレージタイムカウンターがカウントアウ
トすると、両方のカウンターがリセットされる。言葉を
換えると、ストレージタイムカウンターのカウントアウ
ト周期の内に、不良カウンターがカウントアウトするの
に必要な数よりも少ない数のミスファイアがあった場合
には、不良は表示されない。
２つのカウンター各々の総カウントはエンジンの動作
条件に適合させて調節することが可能である。こうし
て、各カウンターに関しては、経験的に決められた特性
をコンピューター34の内部に蓄積でき、例えばエンジン
回転数ｎおよびエンジン負荷Ｌによって、アラーム信号
Ｓをトリガーするために不良カウンターでカウントされ
るべきミスファイアの数、および検出されたミスファイ
アが無視される前にストレージタイムカウンター内でカ
ウントされるべきミスファイアなしのクランク軸回転の
数を決めることができる。
第６図は、さらにこの動作を説明するものである。曲
線Ａはラムダセンサーの出力電圧Ｕλである。その出力
は第４図（Ａ）が示しているように規則的ではないが、
第４図（Ａ）の全体パターンは第６図（Ａ）でも認識で
きるということが分かる。第６図の曲線Ｂは点火装置か
ら得られる同期パルスを表わしている。曲線Ｃは不良カ
ウンターの計数を表わしている。T1におけるミスファイ
アの開始に続いて、センサー電圧ＵλはUmax＝110mVを
越えかつそれからUmin＝50mVを越えて低下して、不良カ
ウンターを１だけステップさせたことがわかる。引き続
く４つの動作サイクル（２×４＝８回転）にわたっっ
て、センサー電圧ＵλはUmaxより上に上昇しなかったの
で、それがさらに不良カウンターをステップさせるよう
なアッパースレッショールドを通過することはなく、そ
の場合不良カウンターは、ストレージタイムカウンター
のタイミングアウト（カウントアウト）によってリセッ
トされる。続いて不良カウンターはリセットされる前に
２まで計数されている。しかし、次にラムダ制御の影響
が表われてきて、センサー電圧Ｕλは谷と谷との間で有
意な値まで上昇して、不良カウンターはT2において迅速
にアラームをトリガーするようカウントアウトする。曲
線Ｄは、触媒温度が、アラームがトリガーされる後に単
に数10℃上昇するだけであることを示している。第６図
は、アラームがトリガーされた後に何の対応処理も実施
されなかったと仮定しているが、そうでない場合にはセ
ンサー電圧ＵλはT2以降に示すコースをたどらない。
別の可能性は、ラムダセンサーの出力電圧Ｕλにおけ
る変動の振幅が、各シリンダーの相応する180°クラン
クシ軸角度の間にウインドー判定器で測定されることで
ある。センサー電圧Ｕλの最大値と最小値の間の差が、
エンジン回転数および／または負荷に応じて前もって決
められている値を越えたとすると、前に説明したように
ミスファイア信号が不良カウンターに加えられる。しか
も、前に説明したように、回転数および／または負荷に
依存することのできる、前もって決められた時間間隔内
に別のミスファイア信号が無かった場合には、不良カウ
ンターはリセットされることができる。このことはさら
に第７図に示されており、そのシーケンスは第５図に対
応している。
ミスファイアを起こしたシリンダーから排気されたガ
スが、ラムダセンサーに達するまで時間を要するので、
センサー出力電圧と点火トリガーパルスを基準にしてミ
スファイアシリンダーを認識するためにはガス移動時間
を考慮に入れなければならない。第８図は、ミスファイ
アを起こしたシリンダーからの、燃焼しない排気ガスが
ラムダセンサーによってどのように認識されるかを示し
ている。ここでは、１つのシリンダにおける連続的なミ
スファイアの場合のセンサ信号の経過を示している。第
４図（Ａ）および（Ｂ）の右部分から明らかであるよう
に、ミスファイアの都度、センサ信号は突然降下しかつ
再び上昇する。換言すると４気筒、４ストロークエンジ
ンに関しては720°のクランク角度毎に、１つの谷間が
発生する。第８図に示されているように、720°のクラ
ンク角間隔は、それぞれが180°である４つの領域に分
割されている。その際１つの領域は１つの点火に対応し
ている。このために、４気筒エンジンの、４つの領域に
示されている点火順序が参考になる。センサ信号の下降
する側縁はセンサ場所における酸素過剰を示すものであ
る。このことは、それが、第４図（Ａ）に示されている
ように、点火周波数で発生する限り、その原因をミスフ
ァイアに求めることができる。下降する側縁を所定のシ
リンダに対応付ける際、燃焼と燃焼されたガスのセンサ
場所への到来との間のガス移動時間が考慮されなければ
ならない。そこで第９図には、シリンダを識別するため
の１つの可能性が示されている。このために、基準マー
クBMで周期的に現れる間隔720°が別の信号によって分
割される。このために基準マークBMは例えばカム軸周波
数によって繰り返される。従って基準マークの出現は、
４サイクル機関の新しい全部の動作サイクルの開始を示
している。第９図は下の方に示されている信号は、カム
軸周波数の２倍によって動作する発生器から生じたもの
とすることができる。この信号の１つの周期はそれぞ
れ、１つのシリンダにおける（180°）クロックの持続
時間に対応している。それ故に２つの信号は一緒に、１
つのシリンダの点火タイミングを、例えば第９図の上側
の図における階段信号1342の形成によって、一義的に識
別することができる。第９図における矢印「ガス移動時
間」は、図示の場合ガス移動時間が３サイクルより多少
大きなクランク軸角度間隔、即ち約560°の時間間隔に
わたって延在していることを表しているものである。
第８図のセンサ信号の下降側縁が例えば第９図の上側
の、２で示されている階段にて生じるとすれば、このこ
とはガス移動時間のため、シリンダ１におけるミスファ
イアに対応付けることができる。
予測されるガス移動時間は、コンピューターの中に記
憶されている経験的に求められた特性マップから得るこ
とも可能であって、この場合特性マップは予測されるガ
ス移動時間をエンジン回転数ｎおよび／またはエンジン
負荷Ｌのようなエンジン動作特性に依存して決定する。
フロントページの続き (72)発明者 クライン，ハンス ドイツ連邦共和国 Ｄ‐7147 エバーデ イン ゲン‐ホーホドルフ ガルテンシ ユトラーセ 28 (72)発明者 ホーマイアー，マンフレート ドイツ連邦共和国 Ｄ‐7145 マルクグ レー ニンゲン フリーダーヴエーク ９ (56)参考文献 特開 昭61−107131（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−228640（ＪＰ，Ａ) 米国特許4030349（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F02D 41/00 - 45/00

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】排気装置が触媒（16）と、該触媒の上流側
    に配設されている第１のラムダセンサー（18）とを含ん
    でいる、多気筒内燃エンジン（10）におけるミスファイ
    アを検出する方法において、 第２のラムダセンサー（20）が前記触媒の下流側に配設
    され、かつ、触媒のそれぞれ上流と下流に配置された前
    記２つのラムダセンサーの出力が比較され、そして２つ
    のラムダセンサーの出力電圧の間の差の増加が、少なく
    とも１つのシリンダーにおけるミスファイアを示すもの
    として用いられる、 ことを特徴とするミスファイアの検出方法。
  2. 【請求項２】ラムダ制御装置が配備されている内燃エン
    ジンであって、ラムダ制御装置のラムダセンサー（18）
    の出力電圧における変動がモニターされ、それら変動が
    基準振幅を越えるか、または基準スレッショールドを横
    切るならば、このことが少なくとも１つのシリンダーに
    おけるミスファイアを示すものとして用いられる、請求
    項１記載の方法。
  3. 【請求項３】ラムダセンサーの出力電圧がスレッショー
    ルドの外側に出た瞬間が、クランクシャフトの前もって
    決められた角度位置を表わす基準マーク（BM）の瞬間と
    比較され、そしてそれら瞬間の間の時間差が、排気ガス
    の、エンジン排気バルブからラムダセンサーまで移動す
    るために予期される時間を配慮した上で、どのシリンダ
    ーがミスファイアしているかを決めるのに用いられる、
    請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】排気装置が触媒（16）および該触媒の上流
    側に配設されている第１のラムダセンサー（18）を含ん
    でいる、多気筒内燃エンジン（10）のミスファイアを検
    出しかつ該排気装置を保護するための装置において、 第２のラムダセンサー（20）が前記触媒の下流側に配設
    されておりかつラムダセンサーの出力電圧間の差が比較
    装置（22）において基準値と比較されかつミスファイア
    を表わす、比較装置の出力信号が、燃焼していない排気
    ガスが触媒に到達することを防止する装置に加えられる
    ことを特徴とする装置。
  5. 【請求項５】ラムダ制御装置が設けられている内燃エン
    ジンであって、エンジンの動作サイクル内におけるラム
    ダセンサー（18）の出力電圧の変動をモニターするため
    の装置（48）が設けられている、請求項４記載の装置。
  6. 【請求項６】ミスファイアを検出するために、ラムダセ
    ンサー（18）の出力電圧（Ｕλ）における谷が検出され
    る、請求項５記載の装置。
  7. 【請求項７】ミスファイアが不良カウンター内で計数さ
    れ、そして不良カウンターがカウントアウトした時にア
    ラーム信号（Ｓ）が発生する、請求項６記載の装置。
  8. 【請求項８】ストレージタイムカウンターが設けられ、
    そして検出されたミスファイア間の時間経過をカウント
    して、ストレージタイムカウンターがカウントアウトし
    た場合には該ストレージタイムカウンターおよび前記不
    良カウンターの両方がリセットされる、請求項７記載の
    装置。
  9. 【請求項９】前記いずれかの、または両方のカウンター
    のカウントアウト時間が、エンジンの動作パラメーター
    に依存して調整されることが可能である、請求項７また
    は８記載の装置。
  10. 【請求項１０】前記いずれかの、または両方のカウンタ
    ーが、蓄積されている特性マップによって調整される、
    請求項９記載の装置。
  11. 【請求項１１】少なくともエンジンの１動作サイクル範
    囲内において、出力電圧（Ｕλ）が、アッパースレッシ
    ョールド（Umax）およびロアスレッショールド（Umin）
    を越えて変動しているか、または変動が前もって決めら
    れた振幅外にあるかどうかを確認することによって、出
    力電圧の谷が検出される、請求項６から10までのいずれ
    か１項記載の装置。
  12. 【請求項１２】ミスファイアを生じているシリンダーを
    識別するために、シリンダー数で分割した動作サイクル
    に関するクランクシャフト角度で規定されるウインドー
    内で変動が測定される、請求項11記載の装置。
  13. 【請求項１３】所定のシリンダーのTDCまたは点火トリ
    ガーパルスと、シリンダーからの排気ガスがラムダセン
    サーに到達する時点との間で測定されるような予期され
    るガス移動時間が、ミスファイアを起こしているシリン
    ダーを識別するために考慮される、請求項５から12まで
    のいずれか１項記載の装置。
  14. 【請求項１４】特性マップがコンピューターの中に蓄積
    されておりかつ該特性マップが少なくとも１つのエンジ
    ン動作パラメーターに依存して、前記予期されるガス移
    動時間を決定する、請求項13記載の装置。
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