JP3477016B2 - 内燃機関の燃焼状態検出装置 - Google Patents
内燃機関の燃焼状態検出装置Info
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Description
態検出装置に関し、特に、内燃機関の正トルクが発生す
る全ての運転領域における失火を検出することを可能に
した内燃機関の燃焼状態検出装置に関する。
ルクと回転数の関係を利用して、回転数を計測すること
によって運転状態を検出し、間接的に失火を検出する技
術が知られており、一例として特開昭58−51243
号が挙げられる。この技術は、前回の点火から今回の点
火までの1点火サイクル内の少なくとも2点火以上で内
燃機関の回転速度を検出し、該回転速度の差により前記
1点火サイクル内における前記内燃機関の回転速度変動
値を求め、逐次求められた該回転速度変動値を統計的に
演算処理し、該演算処理の結果を用いて内燃機関の燃焼
状態の判定を行うものである。
度を検出して内燃機関の燃焼状態の判定を行なう手段
は、クランク軸に取り付けられたリングギアまたはプレ
ートの回転角速度を検出することにより行なわれるが、
この手段は、比較的低回転領域では有効であるが、高回
転領域ではリングギアまたはプレートのピッチ製造誤差
によるばらつきが、気筒毎に顕著に現れて、該ピッチ誤
差の影響によって的確に内燃機関の燃焼状態の判定を行
なうことができないと云う不具合があった。
の対策として、ピッチ誤差(ピッチエラー)分を正常燃
焼中に検出して、回転速度信号を補正する手段を提案し
ている(特願平7−226831号)。該提案のもの
は、具体的には、クランク軸が所定角度を回転する時間
信号から燃焼状態パラメータを計算し、該燃焼状態パラ
メータの正常燃焼値の変動から前記時間信号を補正する
もので、基準気筒を設定し、該基準気筒とその対抗気筒
からなる気筒群の燃焼パラメータの正常燃焼値が所定値
以上の時、基準気筒とその対抗気筒からなる気筒群の時
間信号を補正する補正量を減少させ、それ以外の時は増
加させるべく設定するものであり、該設定した補正量に
よって前記時間信号を補正し、該補正された時間信号を
用いて燃焼状態パラメータを計算するものである。
焼状態パラメータの正常値の変動に基づいて補正するこ
とによって、高回転領域でも、リングギアまたはプレー
トのピッチ製造誤差に影響されずに、内燃機関の燃焼状
態を検出することができるが、補正量を算出のための応
答性及び算出される補正量の安定性の面で、改良すべき
余地がある。
たものであって、その目的とするところは、内燃機関の
正トルクが発生する全ての運転領域(特に、高回転領
域)で燃焼状態を的確に検出できると共に、特に、検出
された前記時間信号を補正する補正量算出の応答性と安
定性を確保し、かつ、失火状態を確実に検出できる内燃
機関の燃焼状態検出装置を提供することである。
本発明による内燃機関の燃焼状態検出装置は、基本的に
は、クランク軸が所定角度を回転する時間信号を検出す
る手段と、該時間信号を補正する手段と、前記時間信号
から燃焼状態パラメータを計算する手段とを備え、前記
燃焼状態検出検出装置が、前記計算された燃焼状態パラ
メータの燃焼値の気筒間の偏差を検出する手段と前記時
間信号の補正量を算出する手段とを備えたことを特徴と
し、前記偏差検出手段は、基準気筒を設定し、該基準気
筒とその対抗気筒からなる気筒群の燃焼状態パラメータ
の正常燃焼値とその他の気筒群の燃焼状態パラメータの
正常燃焼値との偏差を検出するものであり、前記補正量
算出手段は、前記検出した偏差から該偏差を所定値
(零)に制御するように補正量をPID制御で算出する
ものであり、前記時間信号補正手段は、前記補正量に基
づき前記時間信号を補正するものであることを特徴とし
ている。
置の好ましい具体的な態様は、前記時間信号補正手段
が、前記基準気筒に対する非対抗気筒群の時間信号に前
記補正量を掛算するものであり、前記偏差検出手段が、
該基準気筒とその対抗気筒からなる気筒群の燃焼状態パ
ラメータの正常燃焼値を平均化した値と、その他の気筒
群の燃焼状態パラメータの正常燃焼値を平均化した値の
偏差を検出するものであることを特徴としている。
燃焼状態判定手段を備え、該燃焼状態判定手段が、前記
算出された燃焼状態パラメータを特定の判定レベルと比
較することによって内燃機関の失火の判定を行うことを
特徴している。前述の如く構成された本発明に係る内燃
機関の燃焼状態検出装置は、内燃機関の基準気筒とその
対抗気筒からなる気筒群の燃焼状態パラメータの正常燃
焼値と、その他の気筒群の燃焼状態パラメータの正常燃
焼値との偏差が、失火のS/N比(失火信号と非失火信
号の比)に反比例する量であり、該偏差を所定値(零)
に低下させることがS/N比を最大値にすることにつな
がることに着目してなされたものである。そして、前記
偏差を所定値(零)に減少させる手段として、基準気筒
に対する非対抗気筒群の時間信号に補正量(ピッチエラ
ー補正係数)をかけ、前記基準気筒の時間信号レベルに
基準気筒に対する非対抗気筒群の時間信号を合わせるこ
とで、内燃機関の正トルクが発生する全ての運転領域
(特に、高回転領域)で燃焼状態を的確に検出できるも
のである。
る気筒群の燃焼状態パラメータの正常燃焼値とその他の
気筒群の燃焼状態パラメータの正常燃焼値との偏差か
ら、時間信号の補正量(ピッチエラー補正係数)を算出
する手段として、PID制御を用いたことによって、前
記偏差を常時、所定値(零)に制御することができるた
めに、常時、最大のS/N比を確保することができ、前
記時間信号を補正する補正量の算出の応答性と安定性を
確保することができる。
ン制御装置の一実施形態について説明する。図1は、本
発明の内燃機関10の制御システムの全体構成を示した
ものである。内燃機関10は、四気筒で、その各気筒1
1に各々吸気管12と排気管13とを接続しており、前
記気筒11には点火装置201が取付られていると共
に、前記吸気管12には燃料噴射装置202が配置され
ているとともに、その上流にはエアクリーナ(図示省
略)、及び、流量検出手段204が取り付けられてい
る。排気管13には、空燃比センサ205、三元触媒2
06が取り付けられている。
量検出手段204の出力信号Qaと、回転数検出手段1
01によって検出されるリングギアまたはプレート20
8(内燃機関)の回転数Neを取り込み、前記検出値に
基づいて燃料噴射量Tiを計算し、燃料噴射装置202
の噴射量を制御する。また、前記内燃機関制御装置20
7は、内燃機関10内の空燃比を空燃比センサ205で
の検出に基づき、該内燃機関10内の空燃比を、理論空
燃比になるように燃料噴射量Tiを補正して制御する、
いわゆる、内燃機関10の空燃比フィードバック制御を
行う。
装置207の燃焼状態検出の基本制御ブロック図を示し
たものである。該制御ブロック図において、回転数検出
手段101により回転数を検出し、回転数補正手段10
2で回転数を補正する。補正された回転数を燃焼状態検
出手段103に入力して燃焼状態の検出値を算出する。
そして、燃焼状態判定手段104により燃焼状態(この
実施形態においては失火の有無)を判定する。
燃焼状態検出値に基づき検出回転数を補正する補正量を
求め、前記回転数補正手段102で検出回転数を補正す
る。前記補正量計算手段105は、内燃機関10の基準
気筒とその対抗気筒からなる気筒群の燃焼状態検出値
と、その他の気筒群の燃焼状態検出値との偏差が、高回
転領域に顕著に大きくなるのを補正して該偏差が零にな
るようにPID制御を行うものである。
回転数を示したものである。実線は3気筒目が失火した
時の波形であり、破線は燃焼状態が正常時のものであ
る。図3における各気筒毎の回転数測定区間(以下ウイ
ンドウと呼ぶ)について説明する。基準信号REFによ
り各気筒のTDC(上死点)を検出する。該TDCから
角度信号POSを用いて第一のクランク角度を求めウイ
ンドウ開始点Wsとする。ウインドウ開始点Wsから同
じく角度信号POSを用いて第二のクランク角度を求
め、第一のクランク角度から第二のクランク角度までを
ウインドウ幅Wとする。
通過時間をTDATA(n)とし、燃焼状態パラメータ
D1Aを式(1)より求める。
ドウW通過時間 TDATA(n-1):前回点火サイクルにある気筒のウイ
ンドウW通過時間 D1A :燃焼状態パラメータ
常な時は、各気筒11のウインドウ通過時間が等しいた
め燃焼状態パラメータD1Aは零を示す。内燃機関10
が失火した時は、失火気筒のトルク発生がなくなり回転
数が低下するために、TDATAの値は大きくなり燃焼
状態パラメータD1Aはある正の値を持つ。そこで、燃
焼状態パラメータD1Aを予め設定した値と比較するこ
とによって、失火気筒の有無を検出することができる
(図4参照)。
例にとって説明するが、4気筒に限定されるものではな
い。前記手段は、比較的低回転領域では有効であるが、
高回転領域ではプレートまたはリングギアのピッチ製造
誤差によるばらつきが、非対抗気筒間で顕著に大きくな
るため検出できなくなる。図5にその様子を示す。高回
転領域では、TDATAにプレートまたはリングギアの
製造誤差による測定角度誤差が含有されるため振動を起
こす。そのため、式(1)で計算された燃焼状態パラメ
ータD1Aも、式(1)が差分式であるため振動を起こ
す。この振動幅に失火時の燃焼状態パラメータD1Aが
埋もれてしまい、失火を検出することができなくなる。
本実施形態は、このような高回転領域における検出精度
を向上させる手段を提供することである。
と、1と4気筒(対抗気筒同志)のTDATAの間に
は、クランク軸の慣性によって徐々に減少するものの、
その差はない。また、2と3気筒(対抗気筒同志)のT
DATAも同様である。だが、1と3気筒、又は、1と
2気筒(4と2気筒、4と3気筒)の非対抗気筒のTD
ATAの間には、明らかに偏差が発生しており、この偏
差が、プレートまたはリングギアの製造誤差によって、
もたらされた測定誤差である。
その対抗気筒からなる気筒群のTDATAレベルに、そ
の他の気筒群のTDATAを合わせる補正係数をかけ
る。本実施形態では、基準気筒を#2気筒、その対抗気
筒を#3気筒、その他の気筒群を#1、#4気筒とし
た。この補正係数を以後、ピッチエラー補正係数PEC
と呼び、ピッチエラー補正係数PECをTDATAに掛
けることをピッチエラー補正と呼ぶ。図6にピッチエラ
ー補正係数PECを0.999に設定した時の燃焼状態
パラメータD1Aを示す。図6に示すように、ピッチエ
ラー補正を施すことにより、高回転領域においても、適
切な判定レベルを設定でき、失火を検出することができ
る。
めに、失火S/N比を式(2)で定義する。S/N比
は、失火時の燃焼状態パラメータが、非失火時に対し
て、どの程度高いかを調べる目安である。
合とかけない場合のS/N比を計算すると、ピッチエラ
ー補正なし:0.63、ピッチエラー補正あり:4.7
8となる。前記失火S/N比は、該S/N=1で70%
の検出精度を有し、2で95%、3以上で100%の検
出精度を有するとみなすことができるので、ピッチエラ
ー補正をかけることによって、100%の検出精度を得
ることができる。
について説明する。前記記載では、仮にピッチエラー補
正係数PECを0.999に設定したが、この値が適切
な値でないと、失火S/N比は、向上しないどころか、
逆にS/N比を低下させかねない。本実施形態の核とな
る部分は、前記ピッチエラー補正係数PECを内燃機関
制御装置内で演算させる手段を備えることである。本来
ならば、失火S/N比を逐次計算しながら、その値が最
大になるように、ピッチエラー補正係数PECを変化さ
せる方式が考えられる。しかし、S/N比を求めるため
に強制的に失火させることはできない。そこで、S/N
比に比例(または反比例)するパラメータを導入する。
このパラメータに成りえる候補として、非対抗気筒間の
燃焼状態パラメータD1Aの偏差(S/N比に反比例)
がある。この偏差は、図5に示す燃焼状態パラメータの
レベル1とレベル2の差であり、この偏差を所定値
(零)に制御することが、S/N比を最大に確保するこ
とになる。
は、制御工学上、盛んに使用されているPID制御を使
用する。PID制御は、一般的に、特定プラントの制御
量を目標値に制御する場合、制御量と目標値の偏差に対
し、偏差の比例分、偏差の微分分、偏差の積分分を全て
加え合わせることによって、操作量を演算し、制御量を
目標値に制御する制御方式である。前記PID制御をピ
ッチエラー補正係数PECの演算に使用するのが、本実
施形態の一つの特徴となっている。
の詳細な制御ブロック図である。該詳細制御ブロック図
において、回転数検出手段101により内燃機関10の
回転数を検出し、TDATA検出手段701で前記回転
数の検出に基づきクランク軸が所定角度回転するに要し
た時間(ウインドウ通過時間TDATA)を検出する。
そして、TDATA補正手段702で、ピッチエラー補
正係数PECを1、4気筒のTDATAのみに掛算して
補正する。
れたTDATAから燃焼状態パラメータD1Aを前記式
(1)から計算する。燃焼状態判定手段704は失火状
態を判定するものであり、前記燃焼状態パラメータD1
Aが回転数と負荷とから決まる特定判定レベルより大き
い場合に失火としてカウントする。補正量計算条件決定
手段705は、非失火時のみオンしてPID制御をさせ
る制御手段である。そこで、前記燃焼状態判定手段70
4で、失火と判定されなかった場合、一方の燃焼状態パ
ラメータ平均値計算手段706で、基準気筒とその対向
気筒(2、3気筒)の燃焼状態パラメータD1Aの平均
値を計算し、他方の燃焼状態パラメータ平均値計算手段
707で、他の気筒群(1、4気筒)の燃焼状態パラメ
ータD1Aの平均値を計算する。そして、前記二つの平
均値の偏差εを求め、PID制御手段708で、PID
制御処理を行う。前記PID制御手段708での制御内
容は、前記二つの平均値の偏差εを所定倍した値と該偏
差εの微分分を所定倍した値と、更に、該偏差εの積分
分を所定倍した値を全て加算した値を所定倍し、1から
この値を引いた値をピッチエラー補正係数PECとする
ものである。
ウインドウ通過時間TDATAに、前記PID制御手段
708によって計算したピッチエラー補正係数PECを
掛ける。このような方式によって、演算したピッチエラ
ー補正係数PECは、応答性、安定性およびロバスト性
に優れ、プレートまたはリングギアの製造誤差を適確に
検出し、補正する値となる。
態の失火診断のPAD図であって、該診断の制御フロー
を示したものである。本制御フローは失火診断成立時に
実行する。診断は加速減速負荷変動等の過渡的な領域の
場合、失火カウント値が正確な値を示さない可能性があ
る。その場合は診断を禁止する。
テップ801で、ウインドウ通過時間TDATAを測定
し、ステップ802で、点火気筒毎に、ステップ803
〜806の処理を行う。つまり、1、4気筒のTDAT
Aのみにピッチエラー補正係数PECをかけ、2、3気
筒のTDATAにはピッチエラー補正係数PECをかけ
ない。
メータD1Aを前記式(1)から求める。ステップ80
8で、燃焼状態パラメータD1Aが判定レベルより大き
い場合(回転数と負荷から決定する)、失火とみなし、
ステップ809で失火カウント処理を行う。燃焼状態パ
ラメータD1Aが判定レベルより小さい場合、ステップ
810で、ピッチエラー補正領域か否かをチェックし、
ピッチエラー補正領域であれば、811から825まで
の処理を行う。
負荷の条件によって決定する。ステップ811におい
て、点火気筒が1または4気筒であれば、ステップ81
2で1、4気筒の燃焼状態パラメータD1Aの平均値D
1AF1を求める。点火気筒が2または3気筒であれ
ば、ステップ813で2、3気筒の燃焼状態パラメータ
D1Aの平均値D1AF2を求める。そして、ステップ
814で、前記の平均値D1AF1と平均値D1AF2
との偏差εを求める。ステップ815で、偏差εをKp
倍し、比例分Pを求める。また、ステップ816で、偏
差εと前回計算時の偏差εoldの差分をKd倍し、微分
分Dを求める。
を求めるための前処理として、ダミー偏差IEに偏差ε
を代入する。ステップ818で、ダミー偏差IEと前回
計算時のダミー偏差IEの和を改めて、ダミー偏差IE
とする。そして、ステップ819で、求めたダミー偏差
IEをKi倍し、積分分Iを求める。ステップ820
で、PとDとIを加算し、K倍した値を1から引いた値
をピッチエラー補正係数PECとする。
K=10e−6とした。ステップ821で、求めたピッ
チエラー補正係数PECの上下限リミッタチェックを行
い、ステップ822〜825で、次回計算時のための処
理を行う。ステップ822では、偏差εをεoldとし、
ダミー偏差IEをIEoldとする。また、ステップ82
4で、D1AF1をD1AF1oldとし、ステップ82
5で、D1AF2をD1AF2oldとする。最後に、ス
テップ826で、補正後ウインドウ通過時間TDATA
Fを1サンプリングずらしてバックアップする。
用いた結果の一例を示したものである。図9は、図5と
同じ条件(6000rpm、無負荷)であり、時間の経
過と共に、ピッチエラー補正係数PECが減少し、アン
ダーシュートが発生するものの、速やかに所定値に収束
する。燃焼状態パラメータD1Aは、適切な判定レベル
を設定することによって、失火を検出することができる
レベルまで検出精度が向上する。
で測定したTDATAを基に従来の制御手段と本実施形
態の制御手段とで求めたS/N比を示したものであり、
図10の(a)は、本実施形態で求めたS/N比であ
り、図10の(b)は従来の制御手段で求めたS/N比
である。図10によれば、従来の制御手段では低負荷、
高回転領域でS/N比が低下しているが、本実施形態の
制御手段では、どの領域でも3以上のS/N比を確保し
ている。従って、判定レベルを適切に設定することによ
って、全域で失火を検出することができる。また、ピッ
チエラー補正係数PECの演算においても、ばらつきが
少なく、内燃機関のクランク軸に取り付けられたプレー
トまたはリングギアの製造誤差を適確に検出した値とな
る。
たが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではな
く、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱す
ることなく、設計において種々の変更ができるものであ
る。前記実施形態の内燃機関の燃焼状態検出装置は、基
準気筒(#2気筒)と、その対抗気筒(#3気筒)のT
DATAレベルに、その他の気筒群(#1、#4気筒)
のTDATAを合わせるピッチエラー補正手段である
が、逆に、基準気筒を#1気筒とし、その対抗気筒を#
4気筒、その他の気筒群を#2、#3気筒とすることも
できる。その場合、図8のピッチエラー補正を用いた失
火診断PAD図においては、ステップ803とステップ
804とを入れ換え、ステップ805とステップ806
を入れ換える。そして、ステップ814の内容を次のよ
うに変更する。
きる。
明の内燃機関の燃焼状態検出装置は、基準気筒とその対
向気筒の燃焼状態パラメータD1Aの平均値を計算する
と共に、前記気筒以外の他の気筒群の燃焼状態パラメー
タD1Aの平均値を計算して、前記二つの平均値の偏差
を求め、PID制御処理を行ってピッチエラー補正係数
を算出してTDATAを補正するようにしたので、内燃
機関の燃焼状態を正トルクが発生する高回転領域を含む
全ての領域で診断することができる。
理したことで、前記偏差を常時、所定値(零)に制御す
ることができるために、常時、最大のS/N比を確保す
ることができ、前記時間信号を補正する補正量の算出の
応答性と安定性を確保することができる。
装置の全体構成図。
図。
図。
TAと燃焼状態パラメータD1Aを示す図。
ATAと燃焼状態パラメータD1Aを示す図。
ATAと燃焼状態パラメータD1Aを示す図。
御ブロック図。
補正制御を用いた失火診断PADの制御フロー図。
補正による燃焼状態パラメータD1Aとピッチエラー補
正係数PECを示す図。
比を示すものであって、(a)はピッチエラー補正を行
った本発明の状態図であり、(b)は、ピッチエラー補
正を行わない従来の状態図。
パラメータD1A平均値計算手段 707 : 基準気筒とその対抗気筒群の燃焼状態パラ
メータD1A平均値計算手段 708 : PID制御手段(補正量計算手段)
Claims (8)
- 【請求項1】 クランク軸が所定角度を回転する時間信
号を検出する手段と、該時間信号を補正する手段と、前
記時間信号から燃焼状態パラメータを計算する手段とを
備えた内燃機関の燃焼状態検出装置において、 前記燃焼状態検出装置が、前記計算された燃焼状態パラ
メータの燃焼値の気筒間の偏差を検出する手段と前記時
間信号の補正量を算出する手段とを備え、前記偏差検出
手段は、基準気筒を設定し、該基準気筒とその対抗気筒
からなる気筒群の燃焼状態パラメータの正常燃焼値とそ
の他の気筒群の燃焼状態パラメータの正常燃焼値との偏
差を検出するものであり、前記補正量算出手段は、前記
検出した偏差から前記時間信号を補正する補正量を算出
するものであり、前記時間信号補正手段は、前記補正量
に基づき前記時間信号を補正するものであることを特徴
とする内燃機関の燃焼状態検出装置。 - 【請求項2】 前記補正量算出手段は、前記偏差を所定
値(零)に制御するように補正量を演算するPID制御
を行うものであることを特徴とする請求項1に記載の内
燃機関の燃焼状態検出装置。 - 【請求項3】 前記時間信号補正手段は、前記基準気筒
に対する非対抗気筒群の時間信号に前記補正量を掛算す
ることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の燃焼状
態検出装置。 - 【請求項4】 前記偏差検出手段は、該基準気筒とその
対抗気筒からなる気筒群の燃焼状態パラメータの正常燃
焼値を平均化した値と、その他の気筒群の燃焼状態パラ
メータの正常燃焼値を平均化した値の偏差を検出するも
のであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一
項に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。 - 【請求項5】 前記燃焼状態検出装置は、補正量計算条
件決定手段を備え、該補正量計算条件決定手段は、内燃
機関の回転速度と負荷、非失火時、非悪路走行時、及
び、失火診断成立時に基づいて決定することを特徴とす
る1乃至4のいずれか一項に記載の内燃機関の燃焼状態
検出装置。 - 【請求項6】 前記補正量算出手段によって算出される
前記補正量は、上限リミッタ及び/又は下限リミッタが
設定されることを特徴とする1乃至5のいずれか一項に
記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。 - 【請求項7】 前記燃焼状態検出装置は、燃焼状態判定
手段を備え、該燃焼状態判定手段は、前記燃焼状態パラ
メータを判定レベルと比較することによって失火の判定
を行うことを特徴とする1乃至6のいずれか一項に記載
の内燃機関の燃焼状態検出装置。 - 【請求項8】 前記失火を判定するために使用される判
定レベルは、回転数と負荷のマップであることを特徴と
する請求項7に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
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