JP3992445B2 - 内燃機関の作動状態判定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の作動状態、特に吸気弁および排気弁の開閉状態を判定する内燃機関の作動状態判定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の判定装置として、例えば特開平６−１４６９３７号公報に開示されたものが知られている。この内燃機関は、複数の気筒のうちの一部の気筒を、その吸排気弁の作動を停止することによって休止する休筒機構を備えており、この休筒機構により、一部の気筒を休止する休筒運転モードと、すべての気筒を運転する全筒運転モードとの間で切り換えて運転される。判定装置は、休筒運転モードから全筒運転モードへの切換が完了したか否かを判定するのに用いられている。具体的には、この判定装置では、全筒運転モードに得られるべき吸気管内圧を、エンジン回転数およびスロットル弁開度に応じて判定マップ値として設定しておくとともに、判定の時点で検出された吸気管内圧と、その時のエンジン回転数およびスロットル弁開度に対応する判定マップ値とを比較することによって、全筒運転モードへの切換が完了したかが判定される。切換未完と判定した場合には、燃焼制御が休筒運転モード用に維持される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の判定装置は、全筒運転モードと休筒運転モードの切換判定を、吸気弁の作動・停止状態に応じた吸気管内の圧力変化をパラメータとして行うものであって、吸気管の容積の分、その圧力変化が鈍いため、判定の応答性が良くないという問題がある。また、吸気管内圧は、吸気弁の作動・停止状態だけで一義的に定まるものではなく、内燃機関の回転数やスロットル弁開度によって大きく変化するため、従来の判定装置に見られるように、その判定マップ値を回転数およびスロットル弁開度に応じて持ち替えて設定する必要があり、その設定が煩雑である。また、そのような判定マップ値の詳細設定を行ったとしても、例えばスロットル弁開度が大きい高負荷領域では、全筒運転モードと休筒運転モードの間で、同一のスロットル弁開度に対する吸気管内圧の差が小さいため、判定の精度が低く、誤判定を生じるおそれがある。
【０００４】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、吸排気弁の開閉状態を代表とする内燃機関の作動状態を、簡便、迅速かつ精度良く判定することができる内燃機関の作動状態判定装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、請求項１に係る発明は、クランク軸１２の回転に従った吸気弁３ａおよび排気弁３ｂの開閉によって、燃焼室内で複数の作動行程により１サイクルの燃焼を行う内燃機関１の作動状態を判定する内燃機関の作動状態判定装置であって、同一の作動行程内の互いに異なる複数のクランク角度で、燃焼室内の圧力である複数の筒内圧ＰＣＹＬ１、ＰＣＹＬ２をそれぞれ検出する筒内圧検出手段（（実施形態における（以下、本項において同じ）筒内圧センサ１１）と、前記複数のクランク角度に対応する燃焼室の複数の容積ＶＣＣ１、ＶＣＣ２を算出する燃焼室容積算出手段（ＥＣＵ５）と、検出された複数の筒内圧ＰＣＹＬ１、ＰＣＹＬ２および算出された複数の燃焼室容積ＶＣＣ１、ＶＣＣ２に基づいて、作動行程における筒内圧ＰＣＹＬの変化状態を表す圧力判定指数（ポリトロープ指数ｍ）を算出する圧力判定指数算出手段（ＥＣＵ５）と、算出された圧力判定指数に基づいて内燃機関１の作動状態を判定する作動状態判定手段（ＥＣＵ５）と、を備えていることを特徴とする。
【０００６】
この内燃機関の作動状態判定装置によれば、１燃焼サイクルの同一の作動行程内の互いに異なる複数のクランク角度でそれぞれ筒内圧を検出するとともに、複数のクランク角に対応する燃焼室容積をそれぞれ算出する。そして、これらの複数の筒内圧および燃焼室容積に基づいて、その作動行程における筒内圧の変化状態を表す圧力判定指数を算出し、算出された圧力判定指数に基づいて内燃機関の作動状態を判定する。
【０００７】
筒内圧は、吸気弁および排気弁の開閉状態を代表とする内燃機関の作動状態に応じ、一定のルールに従って変化する。例えば、吸気弁および排気弁がともに閉じる圧縮行程や膨張行程では、燃焼室が閉鎖されることによって、筒内圧は、クランク角度で定まる燃焼室容積に応じて変化する。一方、吸気弁または排気弁が開く吸気行程や排気行程では、燃焼室が開放されることによって、筒内圧は、燃焼室容積にかかわらずほぼ一定の値をとる。したがって、複数の筒内圧と燃焼室容積に基づいて上記のように算出された圧力判定指数は、内燃機関の作動状態を良好に反映するので、この圧力判定指数によって、内燃機関の作動状態を適切に判定することができる。また、筒内圧の変化状態を直接、検出するので、判定を応答性良く迅速に行うことができる。さらに、筒内圧の変化状態には、エンジン回転数やスロットル弁開度は直接的には影響しないので、圧力判定指数に基づく判定を、例えばエンジン回転数やスロットル弁開度にかかわらない一定の判定値を用いて簡便に行うことが可能になるとともに、スロットル弁開度が大きな高負荷領域においても、判定を精度良く行うことができる。そして、以上のように判定された内燃機関の作動状態に応じて、燃料供給量や点火時期などを制御することによって、それらの制御の最適化を図ることが可能になる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１の内燃機関の作動状態判定装置において、作動状態判定手段により判定される作動状態が、吸気弁３ａおよび排気弁３ｂの開閉状態（作動パターン）であることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、圧力判定指数に基づく作動状態判定手段の判定により、内燃機関の作動状態として、吸気弁および排気弁の開閉状態を適切に判定することができる。この場合の吸・排気弁の開閉状態には、休筒機構を備えた内燃機関における全筒運転モードと休筒運転モードとの間の吸気弁の作動／停止の切換の完了に限らず、休筒機構をもたない通常の内燃機関の吸気弁または排気弁の故障なども含む。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項２の内燃機関の制御装置において、内燃機関１が、複数の気筒３（＃１〜＃６）と、運転状態に応じて複数の気筒３（＃１〜＃６）のうちの一部の気筒３（＃１〜＃３）の吸気弁３ａの作動を少なくとも停止することにより、一部の気筒３（＃１〜＃３）の運転を休止する休筒機構４と、を備えていることを特徴とする。
【００１１】
この構成では、作動状態判定手段の判定により、休筒機構を備えた内燃機関において、全筒運転モードと休筒運転モードとの間の吸気弁の作動／停止の切換の完了などを適切に判定することができる。その結果、請求項１の発明に関して述べた理由から、吸気管内圧をパラメータとする従来の場合よりも、その判定を、簡便、迅速かつ精度良く行うことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
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は、本実施形態による判定装置、およびこれを適用した内燃機関の概略構成を示している。
【００１３】
同図に示すように、この内燃機関（以下「エンジン」という）１は、例えばＶ型６気筒タイプのＤＯＨＣガソリンエンジンであり、その右バンク２Ｒに第１〜第３の３つの気筒３（＃１〜＃３）が、左バンク２Ｌに第４〜第６の３つの気筒３（＃４〜＃６）が、それぞれ設けられている。右バンク２Ｒには、後述する休筒運転モードによる運転を実行するための休筒機構４が設けられている。なお、図１では、各気筒３に共通して設けられる構成要素については、図面の煩雑化を避けるために、第１気筒３（＃１）にのみ参照符号を付している。
【００１４】
この休筒機構４は、油路６ａ、６ｂを介して油圧ポンプ（図示せず）に接続されている。また、油圧ポンプと休筒機構４の間には、吸気弁用および排気弁用の電磁弁７ａ、７ｂが配置されている。これらの電磁弁７ａ、７ｂはいずれも、常閉型のもので、後述するＥＣＵ５に電気的に接続されていて、ＥＣＵ５からの駆動信号によりＯＮ／ＯＦＦ制御されることによって、油路６ａ、６ｂをそれぞれ開閉する。すなわち、休筒運転モードのときには、電磁弁７ａ、７ｂがいずれもＯＮされることで、油路６ａ、６ｂを開放することによって、休筒機構４に油圧ポンプから油圧が供給される。これにより、右バンク２Ｒの第１〜第３気筒３（＃１〜＃３）において、吸気弁３ａと吸気カム（図示せず）の間、および排気弁３ａと排気カム（図示せず）の間がそれぞれ遮断されることによって、各気筒３の吸気弁３ａおよび排気弁３ｂが停止状態（閉鎖状態）になり、エンジン１は休筒運転モードで運転される。
【００１５】
一方、全筒運転モードのときには、上記とは逆に、電磁弁７ａ、７ｂがともにＯＦＦされ、油路６ａ、６ｂを閉鎖することによって、油圧ポンプから休筒機構４への油圧の供給が停止される。これにより、右バンク２Ｒの第１〜第３気筒３（＃１〜＃３）において、吸気弁３ａと吸気カムの間、および排気弁３ｂと排気カムの間の遮断状態が解除されることで、各気筒３の吸気弁３ａおよび排気弁３ｂが可動状態になる。また、これらの吸気カムおよび排気カムを設けたカム軸は、タイミングチェーン（ともに図示せず）を介してクランク軸１２に連結されており、クランク軸１２の回転に従い、所定のクランク角度のタイミングで吸気弁３ａおよび排気弁３ｂを開閉することによって、吸気・圧縮・膨張・排気の４つの作動行程による１サイクルの燃焼が、気筒３の燃焼室（図示せず）で行われる。
【００１６】
また、各気筒３（＃１〜＃６）には、吸気マニホールド８ａを介して吸気管８が接続されている。吸気マニホールド８ａの各分岐部８ｂには、各気筒３の吸気ポート（図示せず）に臨むように、インジェクタ９が取り付けられている。これらのインジェクタ９の作動および燃料噴射時間ＴＯＵＴは、ＥＣＵ５からの駆動信号によって制御され、全筒運転モードのときには、すべてのインジェクタ９が作動し、燃料を各吸気ポートに向けて噴射する。一方、休筒運転モードのときには、右バンク２Ｒの３つのインジェクタ９による燃料噴射が停止される。
【００１７】
以上のように、休筒運転モード時には、吸気弁３ａおよび排気弁３ｂの停止と、インジェクタ９の燃料噴射の停止によって、右バンク２Ｒの３つの第１〜第３の気筒３（＃１〜＃３）が休止される。一方、全筒運転モードのときには、６つの気筒３（＃１〜＃６）がすべて運転されるとともに、これらが＃１→＃５→＃３→＃６→＃２→＃４の順に運転される。
【００１８】
また、各気筒３には、点火プラグ１０および筒内圧センサ１１筒内圧検出手段が設けられている。各点火プラグ１０は、ディストリビュータ（図示せず）を介してＥＣＵ５に接続されており、その点火時期ＩＧＬＯＧは、ＥＣＵ５からの駆動信号によって制御される。また、各筒内圧センサ１１は、例えば圧電素子タイプのものであり、気筒３の燃焼室（図示せず）内の圧力である筒内圧ＰＣＹＬを検出し、その検出信号をＥＣＵ５に送る。
【００１９】
また、クランク軸１２の周囲には、ＴＤＣセンサ１３および気筒判別センサ１４が取り付けられている。ＴＤＣセンサ１３は、エンジン１の各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）よりも所定角度前のクランク角度位置で、ＴＤＣ信号パルスを出力する。ＥＣＵ５は、このＴＤＣ信号パルスから、エンジン回転数ＮＥを算出する。また、気筒判別センサ１４は、特定の気筒の所定のクランク角度位置で気筒判別信号パルスＣＹＬを出力するものであり、その信号パルスＣＹＬもＥＣＵ５に送られる。
【００２０】
さらに、ＥＣＵ５には、吸気管２のスロットル弁（図示せず）よりも下流側に設けた吸気管内絶対圧センサ１５から、吸気管内絶対圧ＰＢＡを表す検出信号が、エンジン１の本体に設けたエンジン水温センサ１６から、エンジン１の本体内を循環する冷却水の温度であるエンジン水温ＴＷを表す検出信号が、それぞれ入力される。
【００２１】
ＥＣＵ５は、本実施形態において、燃焼室容積算出手段、圧力判定指数算出手段および作動状態判定手段を構成するものである。ＥＣＵ５は、Ｉ／Ｏインターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示せず）などからなるマイクロコンピュータで構成されている。前述した筒内圧センサ１１などの各種センサからの検出信号はそれぞれ、Ｉ／ＯインターフェースでＡ／Ｄ変換や整形がなされた後、ＣＰＵに入力される。ＣＰＵは、これらの検出信号に基づき、ＲＯＭに予め記憶された制御プログラムなどに従って、エンジン１の運転状態を判別し、その結果に基づいて、各種の制御処理を行う。
【００２２】
具体的には、ＣＰＵは、エンジン１の運転を、全筒運転モードと休筒運転モードのいずれにより行うかを決定するとともに、その結果に基づいて電磁弁７ａ、７ｂに駆動信号を出力することによって、休筒機構４を制御し、全筒運転モードと休筒運転モードの切換を行う。また、筒内圧センサ１１の検出信号に応じ、後述するようにして、吸気弁３ａおよび排気弁３ｂの実際の開閉状態を判定する。さらに、ＣＰＵは、エンジン１の運転状態、決定した運転モード、さらには吸気弁３ａおよび排気弁３ｂの開閉状態などに応じて、インジェクタ９の燃料噴射時間ＴＯＵＴおよび点火プラグ１０の点火時期ＩＧＬＯＧを演算し、その結果に基づく駆動信号を出力する。
【００２３】
以下、図２〜図４を参照しながら、ＥＣＵ５で実行される吸気弁３ａおよび排気弁３ｂの開閉状態の判定処理について説明する。この判定処理では、図２（ａ）に示すように、１燃焼サイクルの各作動行程において、筒内圧センサ１１により筒内圧ＰＣＹＬを所定の２つのクランク角度でサンプリングし、それぞれ第１および第２筒内圧ＰＣＹＬ１、ＰＣＹＬ２として記憶する。また、これら２つのクランク軸に対応する燃焼室の容積を第１および第２燃焼室容積ＶＣＣ１、ＶＣＣ２として算出する（同図（ａ）には膨張行程についてのみ示す）。
【００２４】
次いで、各作動行程での状態変化がポリトロープ変化とみなせることから、上記のようにして求めた第１および第２筒内圧ＰＣＹＬ１、ＰＣＹＬ２と、第１および第２燃焼室容積ＶＣＣ１、ＶＣＣ２との間には、各作動行程において次の関係式（１）が成り立つ。
ＰＣＹＬ１・ＶＣＣ１^m ＝ ＰＣＹＬ２・ＶＣＣ２^m ・・・（１）
ここで、値ｍは、各作動行程における状態変化を表すポリトロープ（体積）指数（圧力判定指数）である。式（１）は次式（１）’のように変形でき、この式（１）’の両辺の対数をとると、式（２）が成り立つ。
（ＶＣＣ１／ＶＣＣ２）^m ＝ＰＣＹＬ２／ＰＣＹＬ１ ・・・（１）’
ｍ ＝ ｌｏｇ(vcc1/vcc2)ＰＣＹＬ２／ＰＣＹＬ１ ・・・（２）
【００２５】
次いで、この式（２）に、各作動行程で求めた第１および第２筒内圧ＰＣＹＬ１、ＰＣＹＬ２、第１および第２燃焼室容積ＶＣＣ１、ＶＣＣ２を適用することによって、各作動行程のポリトロープ指数ｍを算出する。このポリトロープ指数ｍのとり得る範囲を、図２を参照して運転モードごとに述べると、次のとおりである。
ａ．全筒運転モード（吸気弁および排気弁作動）
図２（ａ）に示すように、圧縮行程および膨張行程では、吸気弁３ａおよび排気弁３ｂがともに閉じていて、燃焼室が閉鎖されていることで、ポリトロープ指数ｍの範囲は、通常とり得る範囲（例えば１．２≦ｍ≦１．４）に一致する。一方、吸気行程および排気行程では、吸気弁３ａまたは排気弁３ｂが開いていることで、筒内圧ＰＣＹＬが吸気管８または排気管内の圧力に則したほぼ一定の圧力を示すため、ポリトロープ指数ｍ≒０になる。
ｂ．休筒運転モード（吸気弁および排気弁停止）
図２（ｂ）に示すように、吸気弁３ａおよび排気弁３ｂが停止するため、吸気・圧縮・膨張・排気のいずれの作動行程においても、筒内圧ＰＣＹＬが、休筒運転モード前に燃焼室内に存在していた作動ガスの圧縮・膨張の繰返しに従って変化することから、１．２≦ｍ≦１．４になる。
ｃ．吸気弁作動および排気弁停止
この状態は、例えば休筒運転モード指示に対して吸気弁３ａが故障している場合、あるいは全筒運転モード指示に対して排気弁３ｂが故障している場合が該当する。この場合には、図２（ｃ）に示すように、吸気行程でのみ、筒内圧ＰＣＹＬがほぼ一定となることから、ｍ≒０になるとともに、他の作動行程では１．２≦ｍ≦１．４になる。
ｄ．排気弁作動および吸気弁停止
この状態は、上記ｃの場合とは逆に、例えば休筒運転モード指示に対して排気弁３ｂが故障している場合、あるいは全筒運転モード指示に対して吸気弁３ａが故障している場合が該当し、図２（ｄ）に示すように、排気行程でのみｍ≒０になるとともに、他の作動行程では１．２≦ｍ≦１．４になる。
【００２６】
以上の吸・排気弁３ａ、３ｂの４つの作動パターンａ〜ｄにおけるポリトロープ指数ｍの挙動をまとめると、図３および図４に示すとおりである。すなわち、ｍ≒０（または１．２≦ｍ≦１．４）になる作動行程の組み合わせは、作動パターンａ〜ｄ間ですべて異なる。したがって、この判定処理では、ポリトロープ指数ｍの大小を判定可能なしきい値Ａ（例えば１．０）をあらかじめ設定するとともに、４つの作動行程で算出されたポリトロープ指数ｍをしきい値Ａとそれぞれ比較し、その比較結果の組み合わせによって、吸・排気弁３ａ、３ｂの作動パターンを判定している。
【００２７】
これにより、吸・排気弁３ａ、３ｂの作動パターンが、パターンａ〜ｄのいずれであるかを適切に判定することができる。例えば、ｍ＜Ａ（図４の二重枠欄）が吸気行程および排気行程で成立している場合には、吸・排気弁３ａ、３ｂの作動パターンが全筒運転モードであると判定できる。なお、前述の説明では、作動パターンｃ、ｄを、吸気弁３ａまたは排気弁３ｂが故障している状態として説明したが、休筒運転モードから全筒運転モードへの移行時に吸気弁３ａまたは排気弁３ｂの切換が完了していない状態と判定することもできる。したがって、本実施形態によれば、上記の手法により、全筒運転モードと休筒運転モードの識別、両運転モード間での吸・排気弁３ａ、３ｂの切換の完了、および吸・排気弁３ａ、３ｂの故障の有無の判定を、適切に行うことができる。
【００２８】
また、本実施形態によれば、筒内圧ＰＣＹＬの変化状態から算出したポリトロープ指数ｍを用いて、吸・排気弁３ａ、３ｂの作動パターンを判定するので、吸気管内圧をパラメータとする従来の場合よりも、その判定を応答性良く迅速に行うことができる。さらに、ポリトロープ指数ｍには、エンジン回転数ＮＥやスロットル弁開度は直接的には影響しないので、ポリトロープ指数ｍに基づく判定を、実施形態に示したように、一定のしきい値Ａを用いて簡便に行うことができるとともに、スロットル弁開度が大きな高負荷領域においても、判定を精度良く行うことができる。そして、以上のように判定された吸・排気弁３ａ、３ｂの作動パターンに応じて、燃料噴射時間ＴＯＵＴや点火時期ＩＧＬＯＧなどを決定することによって、それらの制御の最適化を図ることができる。
【００２９】
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、各作動行程において２つのクランク角度で、筒内圧ＰＣＹＬの検出および燃焼室容積ＶＣＣの算出を行っているが、その数を増やしてもよく、その場合、隣り合う２点間でポリトロープ指数ｍを算出し、それらの平均値を算出するようにしてもよい。また、ポリトロープ指数ｍの大小を判定するしきい値Ａとして一定値を採用したが、このしきい値Ａを、エンジン１の運転状態を表すパラメータ、例えばエンジン回転数ＮＥ、吸気管内絶対圧ＰＢＡやエンジン水温ＴＷなどに応じて、切換あるいは補正するようにしてもよい。
【００３０】
また、実施形態は、本発明を休筒機構４を備えたエンジン１に適用した例であるが、本発明を、休筒機構をもたないエンジンの吸・排気弁の故障の判定に適用してもよいことはもちろんである。さらに、実施形態では、エンジン１の作動状態として、吸・排気弁３ａ、３ｂの作動パターン（開閉状態）を判定しているが、これに限らず、本実施形態の手法を、エンジン１の他の作動状態の判定に適宜、用いることも可能である。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。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の内燃機関の作動状態判定装置は、吸排気弁の開閉状態を代表とする内燃機関の作動状態を、簡便、迅速かつ精度良く判定することができるなどの効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による判定装置、およびこれを適用した内燃機関の概略構成を示す図である。
【図２】吸・排気弁の作動状態と筒内圧の変化状態との関係を示す図である。
【図３】エンジンの各作動行程においてポリトロープ指数ｍがとり得る範囲を吸・排気弁の作動パターンごとに示す図である。
【図４】図３をテーブルとして示す図である。
【符号の説明】
１ 内燃機関
３ 気筒
３ａ 吸気弁
３ｂ 排気弁
４ 休筒機構
５ ＥＣＵ（燃焼室容積算出手段、圧力判定指数算出手段、作動状態判
定手段）
１１ 筒内圧センサ（筒内圧検出手段）
１２ クランク軸
ＰＣＹＬ 筒内圧
ＰＣＹＬ１ 第１筒内圧
ＰＣＹＬ２ 第２筒内圧
ＶＣＣ 燃焼室容積
ＶＣＣ１ 第１燃焼室容積
ＶＣＣ２ 第２燃焼室容積
ｍ ポリトロープ指数（圧力判定指数）

Claims (3)

1. クランク軸の回転に従った吸気弁および排気弁の開閉によって、燃焼室内で複数の作動行程により１サイクルの燃焼を行う内燃機関の作動状態を判定する内燃機関の作動状態判定装置であって、
   同一の作動行程内の互いに異なる複数のクランク角度で、前記燃焼室内の圧力である複数の筒内圧をそれぞれ検出する筒内圧検出手段と、
   前記複数のクランク角度に対応する前記燃焼室の複数の容積を算出する燃焼室容積算出手段と、
   前記検出された複数の筒内圧および前記算出された複数の燃焼室容積に基づいて、当該作動行程における前記筒内圧の変化状態を表す圧力判定指数を算出する圧力判定指数算出手段と、
   当該算出された圧力判定指数に基づいて前記内燃機関の作動状態を判定する作動状態判定手段と、
   を備えていることを特徴とする内燃機関の作動状態判定装置。
2. 前記作動状態判定手段により判定される前記作動状態が、前記吸気弁および前記排気弁の開閉状態であることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の作動状態判定装置。
3. 前記内燃機関が、複数の気筒と、運転状態に応じて当該複数の気筒のうちの一部の気筒の前記吸気弁の作動を少なくとも停止することにより、当該一部の気筒の運転を休止する休筒機構と、を備えていることを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関の作動状態判定装置。

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