JP4126243B2

JP4126243B2 - 内燃機関の燃焼状態検出装置

Info

Publication number: JP4126243B2
Application number: JP2003084041A
Authority: JP
Inventors: 栄作福地; 明人沼田; 和也斉藤
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2023-03-26
Also published as: JP2004293350A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の燃焼状態検出装置に関し、特に高回転領域における検出率を損なうことなく、全域失火診断を可能にした内燃機関の燃焼状態検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、エンジンの燃焼により発生するト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いる。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（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭５８−５１２４３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記診断方法は、比較的、低回転領域において、失火によるトルク変動を回転速度変動値として検出することができるが、一方で、失火検出用プレートの位置によって検出が困難になる場合がある。例えば、６気筒エンジンで、失火検出用プレートが、エンジンのフロント側に位置する場合、クランク軸の軸振動（ねじれ，偏心等），燃焼変動，プレート製造誤差の影響を受けやすい欠点がある。そのため、高回転領域では、失火による回転速度変動値が小さいこともあり、これらの外乱に失火信号がうずもれてしまい、失火を検出することが困難になる。
【０００５】
そこで、本発明は、失火検出用プレートの位置が、クランク軸の軸振動（ねじれ，偏心等），燃焼変動，プレート製造誤差の影響を受け易い位置に配置されていても、低回転から高回転領域，全域に渡り、失火を的確に検出できる内燃機関の燃焼状態検出装置を得ることを課題とした。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明による内燃機関の燃焼状態検出装置は、基本的に、クランク軸が所定角度を回転する経過時間を測定した時間信号から内燃機関の燃焼状態を検出する検出装置において、実燃焼状態パラメータを演算する手段と、残存燃焼状態パラメータを演算する手段と、該実燃焼状態パラメータと該残存燃焼状態パラメータから燃焼状態パラメータを演算する燃焼状態パラメータ演算手段と、該燃焼状態パラメータ演算手段から燃焼状態を判定する燃焼状態判定手段と、点火気筒信号を演算する手段と、該燃焼状態判定手段と該実燃焼状態パラメータ演算手段と該残存燃焼状態パラメータ演算手段と該点火気筒信号から異常燃焼気筒を判定する異常燃焼気筒判定手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
（実施例）
以下、実施例に基づき、本発明による内燃機関の燃焼状態検出装置及びそれによる検出方法を詳細に説明する。図１に本発明のブロック図を示す。ブロック１０１の時間信号計測手段より、所定角度間の時間信号を検出し、ブロック102の実燃焼状態パラメータ演算手段から実燃焼状態パラメータを演算する。またブロック１０３の残存燃焼状態パラメータ演算手段から残存燃焼状態パラメータを演算し、ブロック１０４の燃焼状態パラメータ演算手段で、燃焼状態パラメータを演算する。ブロック１０５の燃焼状態判定手段で、該燃焼状態パラメータから燃焼状態を判定する。一方、ブロック１０７の点火気筒信号演算手段で点火気筒信号を演算し、ブロック１０６の異常燃焼気筒判定手段で、該点火気筒信号と該実燃焼状態パラメータ，該残存燃焼状態パラメータ，該燃焼状態判定手段の結果から異常燃焼気筒を判定する。
【０００８】
以上が、本発明の概要であり、以下本発明の対象となる内燃機関システムから説明する。
【０００９】
図２に本発明の対象となる内燃機関システムを示す。内燃機関，吸気系，排気系からなり、該内燃機関には点火装置２０１，燃料噴射装置２０２および回転数検出手段２０３が取り付けられている。エアークリーナ２００から流入される空気は、スロットルバルブ２１３で流量を調節された後、流量検出手段２０４で流量を計り、該燃料噴射装置２０２から所定の角度で噴射される燃料と混合されて各気筒２１４に供給される。また、該排気系には空燃比センサ２０５，三元触媒２０６が取り付けられており、排気ガスは該三元触媒２０６で浄化された後に、大気に排出される。内燃機関制御装置２０７は該流量検出手段２０４の出力信号Ｑａと該回転数検出手段２０３によってリングギアまたはプレート２０８の回転数Ｎｅを取り込み、燃料噴射量Ｔｉを計算し、燃料噴射装置の噴射量を制御する。また、内燃機関制御装置２０７は、内燃機関内の空燃比を空燃比センサ２０５から検出し、該内燃機関内の空燃比を理論空燃比になるように燃料噴射量Ｔｉを補正する空燃比フィードバック制御を行う。
【００１０】
一方、燃料タンク２０９内の燃料は、燃料ポンプ２１０によって、吸引・加圧された後、プレッシャーレギュレータ２１１を備えた燃料管２１２を通って該燃料噴射装置２０２の燃料入口に導かれ、余分な燃料は、該燃料タンク２０９に戻される。なお、本実施例では６気筒エンジンを例にとって説明するが、この限りではない。
【００１１】
図３にエンジンのクランク角度に対する回転数を示した。実線は＃３気筒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。
【００１２】
図３において、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。
【００１３】
今、点火サイクルにある気筒のウインドウ通過時間をＴｗ(ｉ)とし、実燃焼状態パラメータＤ１Ａ１を式（１）より求める。
【００１４】
Ｄ１Ａ１＝｛Ｔｗ(ｉ)−Ｔｗ(ｉ−１)｝／Ｔｗ³(ｉ)×ｋ …（１）
但し、
Ｔｗ(ｉ)：現在点火サイクルにある気筒のウインドウＷ通過時間
Ｔｗ(ｉ−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
ｋ：演算係数
Ｄ１Ａ１：実燃焼状態パラメータ
式（１）はエンジンの燃焼状態が正常な時は、各気筒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Ｄ１Ａ１は零を示す。エンジン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、図４（ａ）に示すようにＴｗの値は大きくなる。この時、燃焼状態パラメータＤ１Ａ１は図４（ｂ）に示すように、ある正の値を示す。そこで、燃焼状態パラメータＤ１Ａ１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。
【００１５】
上記の方法は、気筒数の少ないエンジン（４気筒以下）、または気筒数の多いエンジン（６気筒以上）の低回転領域（４０００ｒ／min 以下）では有効であるが、６気筒以上のエンジンの高回転領域では、失火検出用プレートがエンジンのフロント側に位置する場合、クランク軸の軸振動（ねじれ，偏心等），燃焼変動，プレート製造誤差の影響を受けやすい欠点がある。図５に６０００ｒ／min 時のウインドウ通過時間Ｔｗを示す。式（１）で失火の有無を判別するためには、図４（ａ）のように、失火気筒のＴｗと失火気筒の一つ前の気筒のＴｗに回転変動差が発生していなければならない。ところが、図５で、その条件を満たしている失火は、＃３，＃５気筒のみであり、他の失火は式（１）による検出はできない。この課題を解決する手段を本発明は記載する。
【００１６】
上記問題を解決するために、まず、ウインドウ通過時間Ｔｗに着目する。図４（ａ）のウインドウ通過時間Ｔｗはウインドウ幅Ｗ＝９０°のものであり、6000ｒ／min まで回転数を上昇させると、クランク軸の軸振動（ねじれ，偏心等），燃焼変動が失火信号を上回り、失火の有無を判別できないか、または失火の有無を判別できても失火気筒を誤判定してしまう。
【００１７】
そこで、クランク軸の軸振動，燃焼変動の影響を平滑化する意味で、ウインドウ通過時間Ｔｗのウインドウ幅Ｗを可能な限り大きくする。本実施例は６気筒エンジンを対象としているため、ウインドウ幅Ｗは１２０°が限界となる。そこで、図６に４０００ｒ／min 時のウインドウ幅Ｗを１２０°にしたウインドウ通過時間Ｔｗを示す。図に示すように、失火による回転変動差が発生している一方、その後に失火による残存回転変動差が発生している。この場合、式（１）による失火の検出はかえってできないことになるが、式（２）を用いることにより、失火の有無を判別することができる。
【００１８】
Ｄ１Ａ２＝｛Ｔｗ(ｉ)−Ｔｗ（ｉ−２）｝／Ｔｗ³(ｉ)×ｋ …（２）
但し、
Ｔｗ(ｉ)：現在点火サイクルにある気筒のウインドウＷ通過時間
Ｔｗ（ｉ−２）：前々回点火サイクルにある気筒のウインドウＷ通過時間
ｋ：演算係数
Ｄ１Ａ２：残存燃焼状態パラメータ
次に図７に、６０００ｒ／min 時のウインドウ幅Ｗを１２０°にしたウインドウ通過時間Ｔｗを示す。図より、＃１，＃３，＃４，＃６気筒の失火は残存変動が支配的であるが、＃２，＃５の失火は実変動が支配的であることが分かる。つまり、ウインドウ幅Ｗを１２０°に変更しても、低回転から高回転領域まで一つの式で検出することはできないが、式（１），式（２）の両方の特徴をもつ式を用いれば、失火の検出は可能になる。ウインドウ幅Ｗを１２０°にすると、失火による残存回転変動値が、実際の失火による回転変動値よりも支配的になり、さらに運転領域（エンジン回転数，エンジン負荷）や、クランク軸の軸振動（ねじれ，偏心等），燃焼変動等の影響を受けにくくなる。定性的ではあるが、残存回転変動値は、実失火が発生してから遅れて発生する信号であり、この遅れ間に失火によるエネルギー変動がクランク軸に蓄えられ、次の点火タイミングで回転変動として検出されると考えられる。ここで、クランク軸に蓄えられるエネルギー変動は、クランク軸の軸振動（ねじれ，偏心等），燃焼変動等よりもはるかに大きいものと推察される。
【００１９】
具体的には、式（１）と式（２）の大きい方を燃焼状態パラメータとして演算し、運転状態（エンジン回転数，エンジン負荷等）によって定まる所定の失火判定スライスレベルを超えた時、失火と判定する。また、失火気筒の判別は、基本的に該失火判定スライスレベルを超えた燃焼状態パラメータのピーク値の位相から判別するが、一方で式（１）と式（２）では、失火気筒の位相が異なることから、式（１）と式（２）の大小関係も含めて失火気筒を判別する。
【００２０】
なお、オートマティックトランスミッションを有する車輛において、締結状態（ロックアップ）となった場合は、失火信号のピーク値が小さくなる傾向があるため、該失火判定レベルを締結状態の有無によって補正（上方／下方）する。
【００２１】
図８に本発明のフローチャートを示す。処理は点火毎に実施する。ステップ８０１でウインドウ通過時間Ｔｗを測定する。ここで測定するウインドウ通過時間Ｔｗのウインドウ幅Ｗは１２０°である。ステップ８０２で式（１）によって実燃焼状態パラメータＤ１Ａ１を演算し、ステップ８０３で式（２）によって残存燃焼状態パラメータＤ１Ａ２を演算する。ステップ８０４で、実燃焼状態パラメータＤ１Ａ１と残存燃焼状態パラメータＤ１Ａ２の大きい方を燃焼状態パラメータＤ１Ａとする。ステップ８０５とステップ８０６で、該燃焼状態パラメータＤ１Ａの前回値が失火判定スライスレベルを超え、かつ該前回値がピーク値であるかチェックする。ステップ８０５とステップ８０６で失火が有りと判別されたら、ステップ８０７で、該実燃焼状態パラメータＤ１Ａ１と該残存燃焼状態パラメータＤ１Ａ２を比較する。比較結果に基づき、ステップ８０８とステップ809で、失火気筒の特定を行い、失火気筒に対応した失火カウンタをインクリメントする。ステップ８０８では、実回転変動が支配的な場合であり、この時は、点火気筒信号（ＣＹＬＮＯｓ）の一点火前の気筒を失火気筒とする。また、ステップ８０９では、残存回転変動が支配的な場合であり、この時は、点火気筒信号（ＣＹＬＮＯｓ）の二点火前の気筒を失火気筒とする。なお、本実施例では、点火順序は＃１→＃６→＃５→＃４→＃３→＃２の順である。
【００２２】
最後に次回演算のために、ステップ８１０で、前回のウインドウ通過時間Ｔｗを前々回値とし、今回のウインドウ通過時間Ｔｗを前回値とする。また、今回の該燃焼状態パラメータＤ１Ａを前回値とし、今回の該実燃焼状態パラメータD1A1を前回値、今回の該残存燃焼状態パラメータＤ１Ａ２を前回値とする。
【００２３】
図９に本発明の効果の一例を示す。領域条件は６０００ｒ／min であり、従来、この領域では、失火信号がノイズ（クランク軸振動，燃焼変動等）にうずもれて検出できないか、または失火信号が検出できても失火気筒を誤判定していた。図９（ａ）に＃１気筒失火時の結果を示す。図より失火時に燃焼状態パラメータが大きくなり、失火を検出できていることが分かる。また、残存回転変動が支配的であり、ステップ８０９の条件が成立し、気筒誤判定なく＃１気筒の失火カウンタがインクリメントされている（＃３気筒，＃４気筒，＃６気筒も同様な動作を示す）。
【００２４】
次に、＃５気筒失火時の結果を図９（ｂ）に示す。図９（ａ）と同様に失火時に燃焼状態パラメータが大きくなり、失火を検出できていることが分かる。また、＃５気筒失火の場合は、ステップ８０８，ステップ８０９の条件が成立しており、結果として、気筒誤判定なく＃５気筒のみ失火カウンタがインクリメントされている（＃２気筒失火も同様な動作を示す）。
【００２５】
上述のように、実際の失火による回転変動値を求める他に、失火による残存回転変動値を求める。また、失火による残存回転変動値が、実際の失火による回転変動値より大きくなるように、該時間信号を計測するためのクランク軸の該所定角度を設定する。失火による残存回転変動値は、実際の失火による回転変動値よりも、運転領域（エンジン回転数，エンジン負荷等）や、クランク軸の軸振動
（ねじれ，偏心等），燃焼変動等の影響を受け難い特性をもつ。但し、失火気筒によっては、該時間信号を計測するためのクランク軸の該所定角度を可能な限り変更しても、失火による残存回転変動値を、実際の失火による回転変動値よりも大きくすることができない場合もある。この場合は、実際の失火による回転変動値から失火を検出する。また、失火気筒の特定は、失火による残存回転変動値によって失火検出された場合と、実際の失火による回転変動値によって失火検出された場合で、失火気筒の位相がずれる。そのため、実際の失火による回転変動値と失火による残存回転変動値の偏差に基づいて、失火気筒の識別を行うものである。
【００２６】
以上のように、本発明によれば、失火検出用プレートの位置がクランク軸の軸振動（ねじれ，偏心等），燃焼変動，プレート製造誤差の影響を受け易い位置に配置されていても、低回転から高回転領域，全域に渡り、失火を的確に検出できる。
【００２７】
【発明の効果】
失火検出用プレートの位置がクランク軸の軸振動（ねじれ，偏心等），燃焼変動，プレート製造誤差の影響を受け易い位置に配置されていても、低回転から高回転領域，全域に渡り、失火を的確に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のブロック図である。
【図２】本発明の対象となる内燃機関システムの一例である。
【図３】失火した時の回転数の変動である。
【図４】失火時のウインドウ通過時間Ｔｗと実燃焼状態パラメータＤ１Ａ１（ウインドウ幅＝９０°，４０００ｒ／min ）である。
【図５】６０００ｒ／min のウインドウ通過時間Ｔｗ（ウインドウ幅＝９０°）である。
【図６】４０００ｒ／min の＃１気筒失火時ウインドウ通過時間Ｔｗ（ウインドウ幅＝１２０°）である。
【図７】６０００ｒ／min のウインドウ通過時間Ｔｗ（ウインドウ幅＝１２０°）である。
【図８】本発明のフローチャートである。
【図９】本発明による効果の一例である。
【符号の説明】
１０１…時間信号測定手段、１０２…実燃焼状態パラメータ演算手段、１０３…残存燃焼状態パラメータ演算手段、１０４…燃焼状態パラメータ演算手段、
１０５…燃焼状態判定手段、１０６…異常燃焼気筒判定手段、１０７…点火気筒信号演算手段、２００…エアークリーナ、２０１…点火装置、２０２…燃料噴射装置、２０３…回転数検出手段、２０４…流量検出手段、２０５…空燃比センサ、２０６…触媒、２０７…内燃機関制御装置、２０８…プレートまたはリングギア、２０９…燃料タンク、２１０…燃料ポンプ、２１１…プレッシャーレギュレータ、２１２…燃料管、２１３…スロットルバルブ、２１４…気筒。

Claims

クランク軸が所定角度を回転する経過時間を測定した時間信号から求められるウインドウ通過時間に基づいて内燃機関の燃焼状態を検出する検出装置であって、
点火サイクルにある気筒のウインドウ通過時間と前回の点火サイクルにある気筒のウインドウ通過時間との差分に基づき演算される実燃焼状態パラメータを求める実燃焼状態パラメータ演算手段と、
点火サイクルにある気筒のウインドウ通過時間と前々回の点火サイクルにある気筒のウインドウ通過時間との差分に基づき演算される残存燃焼状態パラメータを求める残存燃焼状態パラメータ演算手段と、
前記実燃焼状態パラメータと前記残存燃焼状態パラメータとの比較から燃焼状態パラメータを演算する燃焼状態パラメータ演算手段と、
前記燃焼状態パラメータから燃焼状態を判定する燃焼状態判定手段と、
点火サイクルにある気筒を特定する点火気筒信号を演算する手段と、
前記燃焼状態パラメータと前記実燃焼状態パラメータと前記残存燃焼状態パラメータと前記点火気筒信号とに基づいて異常燃焼気筒を判定する異常燃焼気筒判定手段と、
を有することを特徴とする内燃機関の燃焼状態検出装置。
前記燃焼状態パラメータ演算手段は、前記実燃焼状態パラメータと前記残存燃焼状態パラメータとのうち大きいほうを燃焼状態パラメータとすることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
前記時間信号を計測するためのクランク軸の前記所定角度の設定値は、前記残存燃焼状態パラメータが前記実燃焼状態パラメータよりも大きくなるように設定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
前記燃焼状態判定手段は、前記燃焼状態パラメータが判定レベルを超えた場合、異常燃焼状態と判定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
前記異常燃焼気筒判定手段は、前記燃焼状態判定手段により異常状態と判定され、かつ前記燃焼状態パラメータのピーク値を検出した時の前記点火気筒信号と、前記実燃焼状態パラメータと前記残存燃焼状態パラメータの偏差に基づいて判別されることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
前記判定レベルは、内燃機関の運転状態，負荷に基づいて演算されることを特徴とする請求項４記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
前記判定レベルは、エンジンの回転数及びエンジン負荷に基づいて演算されることを特徴とする請求項４記載の内燃機関の燃料状態検出装置。
前記判定レベルは、オートマティックトランスミッションの締結状態（ロックアップ状態）によって補正されることを特徴とする請求項４記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。