JP4152588B2 - 内燃機関の失火検出方法及び該方法を実施するための装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の失火を検出するための方法に係り、特に、内燃機関の１以上の気筒中の失火を検出するために用いることができる方法に関する。本発明は、又、該方法を実施するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関、特に、多数の気筒を有するレーシングエンジンの性能をモニタするために、１以上の気筒中の燃料混合物の失火の発生を検出することが望ましいことが知られている。汚染排気を制御するための非常に厳しい法律に関して現在重要な役割を果たしている、前記検出を実施するための公知の方法は、フライホイールの近くに配置した電子センサによって、クランク軸の回転速度の突然の変動を測定するものである。このセンサは、自動車内に配置された、適当なセンサによって伝えられるエンジンに関するすべてのデータを受信する制御ユニットに接続されている。発生トルクによる速度変動を計算することによって、エンジンのある気筒における失火の可能性を特定することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法は、どの気筒で失火が発生したかを正確に特定することはできず、更に、特に、走行中の自動車が、例えば路面の欠陥によって急激に振動し、クランク軸の回転速度に一時的に影響を与えた場合には、誤検出の可能性が非常に高い。
【０００４】
これらの問題点を克服するべく、エンジンの排気ガス圧力の時間的な変動を測定することが考えられている。市場で調達可能な圧力センサは非常に正確であり、ほぼリアルタイムでの応答を与えるが、排気ガス中の圧力変動の測定に基づいて失火を検出する従来の方法は、未だ非常に不正確であり、特に、気筒数の多いエンジンに適用した場合には、信頼性が低い。
出願人の錯誤により、誤って、特許協力条約第３４条に基づく補正後の外国語明細書を翻訳してしまったため、今回の翻訳の方が適切であることを説明する文献として原出願のコピーを資料として添付する。
【０００５】
従って、本発明の目的は、前記の問題点が解消された失火検出方法を提供することにある。本発明の他の目的は、前記方法を実施する装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
これらの目的は、第１請求項及び第８請求項に主な特徴が開示された方法及び装置によって達成される。
【０００７】
本発明による方法及び装置の上記及び他の利点及び特徴は、添付した次のような図面を参照した、その実施例の詳細な説明から当業者によって明らかとなろう。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１には、公知の方法で制御ユニット１（破線で示す）を含む本発明による装置が示され、この制御ユニット１は、エンジンの１又は２列の気筒３、３´にわたって、それぞれ制御する、互いに接続された、一対の電子コントローラ２、２´を含んでいる。本実施例においては、６つの気筒３、３´を２列有するＶ１２エンジンが記載されているが、他の実施例においては、気筒及び／又は列の数を変更できることは自明である。前記コントローラ２、２´には、公知の方法で、一対の冷却水温度センサ４、４´及び、吸気マニホルド７、７´内の空気の温度及び圧力をそれぞれ検出する二対のセンサ５、５´及び６、６´が接続されている。前記コントローラ２、２´には、更に、排気管９、９´中の酸素濃度を分析するための一対のラムダセンサ８、８´、気筒３、３´の吸気管１１、１１´に燃料を噴射する２列のインジェクタ１０、１０´、及び、一対の点火コイル１２、１２´が接続されている。前記排気管９、９´には、好ましくは、コントローラ２、２´に接続された一対の温度センサ１３、１３´も備えられている。
【０００９】
本発明の実施例による装置は、好適にはクランク軸と一体化されたフライホイール１５の回転速度を検出するセンサ１４と、カム軸１７の回転を検出する、もう一対のセンサ１６、１６´を含んでいる。これらのセンサ１４、１６及び１６´はコントローラ２、２´に接続され、後者は、受信したデータに基づいて、リアルタイムで、エンジンサイクル中のクランク軸の回転速度及び角度を計算することができる。センサ１４、１６及び１６´は、４ストロークエンジンのフライホイール１５が１サイクルあたり２回転（７２０度）するという事実によって必要となり、センサ１６、１６´によって与えられる信号により、最初の回転と２番目の回転を区別することが可能となる。
【００１０】
本発明による方法を実施するために、二つの排気管９、９´の中に、コントローラ２、２´に接続された二つの高精度圧力センサ１８、１８´が適切に配置され、これらのセンサは、その電圧が測定圧力に比例する電気信号をリアルタイムで伝送する。更に、コントローラ２、２´には、自動車の中に配置された一対の警告灯１９、１９´、外部プロセッサに接続するためのポート２０、及び、エンジンスロットル２２の位置を検出するセンサ２１に接続されている。
【００１１】
図２に示されるように、本発明による方法は、エンジンスタートからある時間が経過した後の、エンジン運転状態の周期的、例えば１秒後の点検の第一ステップを含んでいる。実際、この方法から信頼性のある結果を得るためには、この方法を、いくつかのエンジンパラメータが予め設定された値の範囲内にあるときにのみ実施することが望ましい。特に、本発明による方法は、センサ４、４´によって測定される冷却水温度、センサ５、５´によって測定される空気温度、及び、センサ６、６´によって測定されるマニホルド７、７´中の空気圧力が、コントローラ２、２´のメモリに保持された所定の閾値以上であるときにのみ行われる。更に、これらのコントローラは、センサ１４によって検出される一分あたりの回転数（ｒｐｍ）が、予め設定された値の範囲内にあることを点検する。
【００１２】
次の表１は、本方法開始のための条件に合う値の例を示す。
【００１３】
【表１】

【００１４】
本方法を開始するための追加の条件は、センサ２１によって、スロットル２２がある開度に到達したことが検出されることである。
【００１５】
上記の条件に適合すると、センサ１６、１６´によって検出されるカム軸１７の所定位置に対応するエンジンサイクルの初めにおいて、コントローラ２、２´は、センサ１８、１８´によって伝送される、排気管９、９´の内側の圧力に比例する電気信号のサンプリングを開始する。これらのアナログ信号は公知の方法でデジタル形式に変換された後、各コントローラ２、２´内のバッファメモリに記憶される。サンプリング周波数は、センサ１４によって検出されるフライホイール１５の回転速度と適切に同期され、その結果、センサ１６、１６´によって検出されるエンジンサイクルの終わりで、圧力サンプルの所定数、例えば６４個が記憶される。圧力センサ１８、１８´の応答性はほぼ即時であるが、エンジンと正確に同期させるため、コントローラ２、２´は、圧力パルスが気筒３、３´の排気弁から排気管９、９´に沿って圧力センサ１８、１８´まで伝搬するのに要する時間によって生じる、ほぼ一定の時間遅れを考慮する。温度センサ１３、１３´のおかげで、管９、９´内の温度変動によって生じる、前記時間遅れの非常に小さな変動を補正することも可能である。
【００１６】
サンプリングされた後、エンジンサイクルに対応する圧力値はコントローラ２、２´によって処理され、コントローラ２、２´は、同時に、続く処理のため、他のバッファメモリに記憶される、他の一連の圧力値もサンプリングする。
【００１７】
コントローラ２、２´によって適切に実施されるこの処理は、周波数領域における分析、特に、サンプル信号のフーリエ変換を含み、これにより、信号の第一高調波の実部と虚部に対応する二連の係数が得られる。特に、本実施例ではサンプル信号の初めの３２個の高調波の係数が計算されているが、他の実施例においては、必要に応じて異なる個数の高調波を計算することが可能であることは自明である。
【００１８】
これらの係数は、公知の方法で、初めの、例えば３個の高調波係数を計算するのに用いられ、次いで、これらの係数値を組み合わせることにより、１以上の気筒３、３´中の失火を検出するのを可能とする指数を得るのに使われる。
【００１９】
この失火指数は、様々な方法、例えば、高調波係数を加えたり掛けることによって、様々な方法で計算される。この加算又は乗算に先立って、係数は、各高調波毎に異なる係数で、乗算されたり、羃乗に高められ、重み付け加算又は乗算が得られるようにする。本実施例では、失火指数は、初めの３個の高調波係数を単純に加算するだけで、失火指数が計算される。
【００２０】
前記指数が計算されると、コントローラ２、２´中に記憶された、予め設定された閾値と比較される。次の表２は、センサ１４によって検出されたエンジン回転数、及び、センサ６、６´によって検出された、マニホルド７、７´中の圧力の関数として実験的に得られた失火指数の閾値の例を示す。
【００２１】
【表２】

【００２２】
前記閾値を超過したことを検出するコントローラ２又は２´は、警告灯１９又は１９´を介して、対応する気筒３又は３´の列に失火が発生したことを示す。
【００２３】
この時点で、失火を検出したコントローラ２又は２´は、好ましくは、初めの３個の各高調波の係数を、エンジン回転数及び対応するマニホルド７又は７´内の圧力の関数として記憶された、予め設定された閾値と比較する。３個の係数が全て最低閾値と最高閾値の間の値の範囲内にある場合は、単一の失火、即ち、気筒３又は３´の一つのみに発生した失火が検出される。さもなくば、複数の失火、即ち、ある列に属する気筒３又は３´の少なくとも２つで発生した失火が検出される。
【００２４】
次の表３．１、３．２、４．１、４．２、５．１及び５．２は、初めの３つの高調波の係数に対する閾値範囲の最小値及び振幅の例を示す。
【００２５】
【表３．１】

【００２６】
【表３．２】

【００２７】
【表４．１】

【００２８】
【表４．２】

【００２９】
【表５．１】

【００３０】
【表５．２】

【００３１】
６つの気筒３又は３´の一つにおいてのみ失火が検出されると、適切なコントローラ２又は２´は、まず第一高調波の位相を公知の方法で計算することによって、失火が発生した気筒の位置を決定することができる。その後、第一高調波の位相を、コントローラ２、２´中に、エンジン回転数の関数として表によって記憶された、エンジンサイクルの第一気筒の位相から引くことによって、失火が発生した気筒の位相にほぼ対応する位相差が得られる。
【００３２】
例えば、あるエンジン回転数において、エンジンサイクルの第一気筒の位相が２１０°であるとすると、着火順に第一、第二、第三、第四、第五又は第六気筒中の失火は、それぞれ第一高調波の位相が１８０°と２４０°の間、１２０°と１８０°の間、６０°と１２０°の間、０°と６０°の間、３００°と３６０°の間又は２４０°と３００°の間で発生した。
【００３３】
次の表６は、失火が発生した気筒の位置を決定するためのエンジン回転数と第一気筒の位相の関係を示す。
【００３４】
【表６】

【００３５】
エンジン気筒の一つでの失火の検出は、それぞれ、単一の失火の場合の対応するシリンダ位値と同様に、コントローラ２、２´のメモリ中の適切なカウンタに記憶される。このメモリは、可能性のあるエンジン故障を診断するために、自動車のサービス作業時に、外部プロセッサによってボート２０から読み出される。
【００３６】
図３ａから３ｃには、被試験エンジンに失火が発生するようにされた実験での測定によって、センサ１８、１８´によって伝送される信号が、気筒３、３´の一つの失火の関数として、どのように変化するかが示されている。特に、図３ａは、約２０００ｒｐｍでエンジン負荷がほぼ１５％である時に、排気管９、９´の圧力に比例する圧力センサ１８、１８´の端子電圧（ボルトで与えられる）が、（クランク軸回転角−１８０°から５４０°で示される）エンジンサイクルの間、６つの周期的な振動を伴ってほぼ規則的であることを示している。この電圧は、細線で示されるが、太線は、第一気筒での失火の場合の電圧を示している。この場合、電圧パターンが、最初にほぼ２４０°付近で不規則となり、２番目に４８０°付近で不規則になることがはっきり読みとれる。図３ｂは、約４０００ｒｐｍでエンジン負荷がほぼ１００％である時に、規則的な着火の場合の電圧パターンが、前の場合よりも、より複雑になることを示している。それにも拘らず、第一気筒での失火の場合の電圧パターン（やはり細線で示す）は、ほぼ４００°で規則的な着火電圧パターン（やはり太線で示す）から、逸れて動いている。同様に、図３ｃは、約６０００ｒｐｍでエンジン負荷がほぼ１００％である時に、圧力センサ１８、１８´の電圧パターンが、第一気筒の失火の場合、特に４７０°付近で異なることを示している。
【００３７】
同様に、図４ａから４ｃには、やはり実験でなされた測定によって、気筒における燃料噴射又は点火の欠如によって生じた失火を問わず、気筒３、３´の一つの失火の関数として、圧力センサ１８、１８´によって伝送される信号がどのように変化するかが示されている。実際、噴射が行われなかった場合の電圧パターン（太線で示す）は、点火が行われなかった場合の電圧パターン（破線で示す）と実質的に同等であることがわかる。この一致は、低回転数、即ち、約２０００ｒｐｍでエンジン負荷が約１５パーセントの場合（図４ａ）、中間回転数、即ち、約４０００ｒｐｍでエンジン負荷がほぼ約５５％の場合（図４ｂ）、及び、高回転数、即ち、約６０００ｒｐｍでエンジン負荷がほぼ１００％の場合（図４ｃ）にも見られる。
【００３８】
図５ａから図５ｃには、エンジンサイクル（横軸に示す）の関数として測定された点火指数が、エンジン気筒の一つに実験的に発生させた失火の瞬間に対応する、容易に検出可能なピークを示していることが見られる。これは、低回転数、即ち、約１０００ｒｐｍでエンジン負荷がほぼ１５％の場合（図５ａ）、中間回転数、即ち、約３０００ｒｐｍでエンジン負荷がほぼ５５％の場合（図５ｂ）及び、高回転数、即ち、約５０００ｒｐｍでエンジン負荷がほぼ１００％の場合（図５ｃ）においても見られる。
【００３９】
図６では、センサ１８、１８´によって伝送される信号（ボルト単位）の初めの１０個の高調波係数が、全気筒で規則的に着火している場合（白い棒線で示す）から、第一気筒で失火の場合（灰色の棒線で示す）に非常に明瞭に変化していることが見られる。この図は、２０００ｒｐｍで負荷がほぼ１５％、即ち、図３ａ及び図４ａで示した場合のエンジンについて計算した、初めの１０個の高調波係数を示している。この図は、規則的な着火の場合、第６高調波の係数が、他のすべての係数よりも非常に高いのに対して、第一気筒の失火の場合、初めの高調波係数、特に初めの３つの高調波係数も大きく寄与していることをはっきり示している。各高調波係数の寄与は、失火指数の閾値を設定するときに考慮されるべき、いくつかの因子に依存することは明らかである。これらの因子は、例えば、排気管９、９´の形状、各列の気筒３、３´の数及び点火順序を含む。
【００４０】
最後に、図７ａから図７ｃには、第一高調波の位相が、失火が発生した気筒の位置の関数として変化することが示されている。実際、失火の瞬間の第一高調波の係数及び位相の極座標が集中する、エンジン気筒に対応する、６つの独立した領域を特定することができる。特に、前記座標は、気筒の点火順序によって規定される順番、本実施例では気筒３の列に対して、１−４−２−６−３−５について、６０度毎の外延を有する６つの扇形に集中していることが見られる。エンジンの位相を考慮すると、この対応は、低回転数、即ち、約２０００ｒｐｍでエンジン負荷がほぼ１５％の場合（図７ａ）、中間の回転数、即ち、約４０００ｒｐｍでエンジン負荷がほぼ１００％の場合（図７ｂ）、及び高回転数、即ち、約６０００ｒｐｍでエンジン負荷が約１００パーセントの場合（図７ｃ）のいずれでも見られる。
【００４１】
本発明の権利範囲を外れることなく、上記に記載し、図示した実施例に対して、当業者によって、追加したり変形することが可能である。実際、サンプリングや周波数分析の方法、特に、失火指数の計算方法を、監視されるべきエンジンのタイプによって変えてもよいことは自明である。同様に、エンジンの各タイプについて実施した実験結果に従って、閾値も変更することができる。
【００４２】
最後に、本発明による方法を、１以上の先行技術の方法と組み合わせて用いることができることは明らかである。
【００４３】
【発明の効果】
排気管中で検出された圧力値のサンプリング及びこれに続く周波数分析によって、本発明による方法は、従来の方法に較べて、より高い精度と信頼性を与える。実際、エンジンの着火が規則的であれば、気筒排気弁の周期的な開閉が、同じ周期性及び同様の波形を有する圧力パルスを排気管中に発生する。他方、気筒の一つで失火が起きた場合には、対応する圧力パルスが変化し、従って、圧力値の周期的なパターンが変化する。パルス周波数との同期の参照は、クランク軸及び／又はカム軸の回転速度を検出するセンサから容易に得られる。
【００４４】
本発明による方法の他の利点は、サンプル信号の周波数分析から、単一のエンジンサイクルの間に、一回の失火か、それ以上の失火が発生したかを決定できることである。実際、サンプル信号の様々な高調波係数の大きさは、失火が発生した気筒の数による。
【００４５】
本発明による方法の更なる利点は、サンプル信号の周波数分析によって、失火だけでなく、それが発生した気筒の位置も決定できることである。実際、気筒点火順序の知識と、サンプル信号の第一高調波の位相と第一気筒の位相との比較によって、失火が発生した気筒の位置を示す位相差が与えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による装置を示す線図
【図２】 本発明による方法を示す流れ図
【図３ａ、３ｂ及び３ｃ】 クランク軸回転の関数としての圧力を示す３つの線図
【図４ａ、４ｂ及び４ｃ】 クランク軸回転の関数としての他の圧力を示す３つの線図
【図５ａ、５ｂ及び５ｃ】 エンジンサイクル数の関数としての失火指数を示す３つの線図
【図６】 図３ａの波形のフーリエ変換を示す線図
【図７ａ、７ｂ及び７ｃ】 図３ａ、３ｂ及び３ｃの波形中の圧力の主高調波の極座標を示す３つの線図
【符号の説明】
１…制御ユニット
２、２´…電子コントローラ
３、３´…エンジン気筒
４、４´…冷却水温度センサ
５、５´…空気温度センサ
６、６´…空気圧力センサ
７、７´…吸気マニホルド
９、９´…排気管
１０、１０´…インジェクタ
１１、１１´…吸気管
１２、１２´…点火コイル
１３、１３´…排気温度センサ
１４…クランク軸回転センサ
１５…フライホイール
１６、１６´…カム軸回転センサ
１７…カム軸
１８、１８´…排気圧力センサ
１９、１９´…警告灯
２０…ポート
２１…スロットル位置センサ
２２…エンジンスロットル

Claims (15)

1. 内燃機関の１以上の気筒（３、３´）の失火を検出するための方法において、
   少なくとも一つのエンジンサイクルの間、クランク軸の回転速度に比例するサンプリング周波数で、排気ガスの圧力値をサンプリングする手順と、
   サンプル信号を周波数領域で分析する手順と、
   前記分析結果の関数として、失火指数を計算する手順と、
   前記指数を１以上の閾値と比較する手順と、
   を含むことを特徴とする内燃機関の失火検出方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記周波数領域での分析が、サンプル信号のフーリエ変換を含むことを特徴とする内燃機関の失火検出方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法において、前記失火指数の計算が、サンプル信号のいくつかの高調波係数の組み合わせを含むことを特徴とする内燃機関の失火検出方法。
4. 請求項３に記載の方法において、前記失火指数の計算が、サンプル信号の少なくとも初めの３個の高調波係数の加算を含むことを特徴とする内燃機関の失火検出方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか一つに記載の方法において、前記圧力値のサンプリングが、エンジンサイクルの初めに開始されることを特徴とする内燃機関の失火検出方法。
6. 請求項１乃至５のいずれか一つに記載の方法において、前記サンプル信号の少なくとも一つの高調波係数と、１以上の閾値との比較を含むことを特徴とする内燃機関の失火検出方法。
7. 請求項１乃至６のいずれか一つに記載の方法において、前記サンプル信号の第一高調波の位相の計算と、該位相と少なくとも一つのエンジン気筒（３、３´）の位相の差の計算とを含むことを特徴とする内燃機関の失火検出方法。
8. 請求項１乃至７のいずれか一つに記載の方法を実施するための装置において、
   排気管（９、９´）中の圧力を検出する少なくとも一つのセンサ（１８、１８´）と、クランク軸の回転を検出する少なくとも一つのセンサ（１４）とを含み、
   前記センサ（１４、１８、１８´）が、前記排気管（９、９´）中の圧力を検出する前記センサ（１８、１８´）によって伝送された電気信号のアナログ−デジタル変換を行う手段と、デジタル形式に変換された信号を、クランク軸の回転速度に比例するサンプリング周波数でサンプリングする手段と、サンプル信号を記憶するためのメモリ手段と、サンプル信号を周波数領域で分析して、該分析結果の関数として失火指数を計算し、該指数を１以上の閾値と比較する手段を含む、少なくとも一つの制御ユニット（１、２、２´）に接続されていることを特徴とする内燃機関の失火検出装置。
9. 請求項８に記載の装置において、カム軸（１７）の回転を検出する少なくとも一つのセンサ（１６，１６´）を含むことを特徴とする内燃機関の失火検出装置。
10. 請求項８又は９に記載の装置において、クランク軸の回転を検出するセンサ（１４）によって伝送される信号に従って、前記サンプリング手段のサンプリング周波数を制御するための手段を含むことを特徴とする内燃機関の失火検出装置。
11. 請求項８乃至１０のいずれか一つに記載の装置において、冷却水温度を検出する少なくとも一つのセンサ（４、４´）と、吸気マニホルド（７、７´）中の空気の温度及び圧力をそれぞれ検出する少なくとも二つのセンサ（５、５´、６、６´）を含み、該センサ（４、４´、５、５´、６、６´）が前記制御ユニット（１、２、２´）に接続されていることを特徴とする内燃機関の失火検出装置。
12. 請求項８乃至１１のいずれか一つに記載の装置において、少なくとも一つのエンジン気筒の失火を指示する少なくとも一つの警告灯（１９、１９´）を含み、該警告灯（１９、１９´）が前記制御ユニット（１、２、２´）に接続されていることを特徴とする内燃機関の失火検出装置。
13. 請求項８乃至１２のいずれか一つに記載の装置において、エンジンスロットル（２２）の位置を検出するセンサ（２１）を含み、該センサ（２１）が前記制御ユニット（１、２、２´）に接続されていることを特徴とする内燃機関の失火検出装置。
14. 請求項８乃至１３のいずれか一つに記載の装置において、前記排気管（９、９´）中の温度を検出する少なくとも一つのセンサ（１３、１３´）を含み、該センサ（１３、１３´）が前記制御ユニット（１、２、２´）に接続されていることを特徴とする内燃機関の失火検出装置。
15. １以上のエンジン気筒（３、３´）の失火を検出するための、請求項８乃至１４のいずれか一つに記載の装置を含むことを特徴とする自動車。

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