JP4165564B2 - エンジンの診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンを診断する装置に関し、特に燃料を直接燃焼室内に噴射するいわゆる直噴エンジンや、希薄空燃比で燃焼を行うエンジンを診断するのに好適なエンジンの診断装置に関する。

エンジンの燃費を低減させるために理論空燃比（以下ストイキと記す）よりも空気を過剰（以下リーンと記す）にして燃料を希薄燃焼させる技術が、環境保護の規制や気運の広がりとともに普及しつつある。ガソリンエンジンにおいては、吸気ポート部で燃料を噴射するいわゆるポート噴射方式で空燃比を２０〜２５程度の希薄燃焼を実現させる方式と、燃焼室内に直接燃料を噴射（以下筒内噴射方式と記す）して空燃比４０〜５０程度の極めて希薄な燃焼を実現させる方式とがある。これらの希薄燃焼（リーンバーン）では、ポンピング損失や熱拡散を低減することができるので、燃費を低減することができる。

一方、希薄燃焼を安定して実現するために、例えばポート噴射方式ではスワール発生弁等の吸入空気流動強化手段により吸入空気により渦を積極的に発生させるなどして、燃料と空気との混合を強化している。筒内噴射方式においては燃料の噴射タイミングや、スワール制御弁，タンブル制御弁等の吸入空気流動強化手段やピストン上面のキャビティ形状等により空気流動を積極的に発生、利用して燃料の分布を一部（点火プラグ近傍）に偏らせることにより極めて希薄な燃焼（以下成層燃焼と記す）を可能としている。

なお、ポート噴射方式の希薄燃焼では、比較的出力を必要としない運転領域では希薄燃焼を行い、出力を必要とする運転領域や希薄燃焼が実現しにくい運転領域等では、ストイキや燃料過剰（以下リッチと記す）での燃焼を行っている。また、筒内噴射方式でも、成層燃焼は比較的出力を必要としない運転領域で行い、その他の運転領域では混合気を均質とし、空燃比が２０〜２５程度の希薄燃焼やさらにストイキやリッチでの燃焼を行っている。すなわち、ポート噴射方式にあっては、運転状態に応じて均質のリーンとストイキ等を切換えて燃料を供給している。また、筒内噴射方式にあっては、成層のリーンと均質のリーン，ストイキ等を切換えて燃料を供給している。

希薄燃焼は、このように吸入空気流動強化手段と燃焼供給手段とからなる混合気供給手段等により実現されており、これらの手段に異常が発生した場合、燃焼が不安定となってしまう。その場合、燃料の一部が燃焼せずに排気されたりＮＯｘやＣＯ等有害ガスが発生し易くなってしまう。エンジンから排気されるこれらの有害ガスが通常より極端に増加すると、排気系に設けられている触媒等の排気浄化手段では浄化しきれなくなり、最終的には大気に放出される有害ガスが増大する。また、トルク変動が発生して振動を生じたり、未燃焼の燃料が触媒内で燃焼することにより触媒を焼損したり、燃料消費量が増えたりもする。特に有害ガスの増大を生じるような異常については、これを車載のコントロールユニットにて自己診断することが法規により求められている。この自己診断に関する法規は、米国で実施されており、欧州や日本でも実施が検討されている。

一方、異常を検出する技術としては、例えば失火等の燃焼状態を診断する技術として第2559509 号特許に開示されている。この技術はエンジンの回転速度の変動から燃焼状態を判定するものである。

また、これ以外にも燃焼室内に設けた電極間を流れるイオン電流により燃焼状態を判定する技術や、燃焼室付近に設けた燃焼圧力センサにより燃焼室内圧力を検出して燃焼状態を判定する技術、さらにエンジンの発生トルクにより燃焼状態を判定する技術等が数多く開示されている。

ところが、上記従来技術では、例えば失火等のように燃焼状態が悪化したことは検出可能であるが、前述の吸入空気流動強化手段や燃焼供給手段等の異常を特定することができない。したがって、異常の原因特定のために新たな検出手段を付加するか、あるいは整備工場にて技術者が時間をかけて調べる必要がある。

さらに、筒内噴射方式において成層運転を行っている場合に、燃料噴射弁から噴射される燃料の噴霧形状が設定した形状から大きく変化した場合や、吸入空気流動強化手段が異常となった場合には、燃料の分布が設定外となり、燃焼そのものは安定していても多量の未燃ガスが放出されることがある。このような異常が特定気筒に対して生じた場合には、他の気筒に対して発生する燃焼圧力やトルクが若干下がるので、従来技術でも検出できる可能性はある。しかし、もともと気筒毎の燃焼にバラツキがあるため正常と異常とを区別することは難しい。

さらにエンジン毎のバラツキや、部品のバラツキ，経時変化等のため上述のような微妙な異常を検出することは困難である。

本発明は、このような従来技術の問題点について着目してなされたもので、エンジン毎のバラツキや、部品のバラツキ，経時変化等の影響を受けずに、吸入空気流動強化手段や燃焼供給手段等の異常を検出し、異常部位を特定することができるエンジンの診断装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するためのエンジンの診断装置は、エンジンの運転状態に応じてエンジンへの混合気制御手段を第１の混合気制御手段と第２の混合気制御供給手段とに切換える切換え手段と、エンジン１の燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段と、前記切換え手段による燃料供給手段が第１の混合気制御手段となっている状態での前記燃焼状態検出手段の検出結果である第１の燃焼状態と前記切換え手段による燃料供給方法が第２の混合気制御手段となっている状態での前記燃焼状態検出手段の検出結果である第２の燃焼状態とに基づいて異常を判定する判定手段を備えていることを特徴とするものである。

また、前記目的を達成するためのエンジンの診断装置は、好ましくは、前記判定手段は、少なくとも燃料供給量，発生トルク等の負荷に関する運転状態がほぼ同一な運転状態における、前記切換え手段により切換えられた前記第１の混合気制御手段と前記第２の混合気制御手段とになっている状態での燃焼状態に基づいて異常を判定することを特徴とする。

また、前記目的を達成するためのエンジンの診断装置は、好ましくは、前記判定手段は、前記切換え手段により前記第１の混合気制御手段と前記第２の混合気制御手段とが切換えられた前後における燃焼状態に基づいて異常を判定することを特徴とする。

また、前記目的を達成するためのエンジンの診断装置は、好ましくは、燃料の混合気中に燃料がほぼ均一（均質）になるように供給する第１の混合気制御手段と混合気中に濃淡を生じる（成層）ように燃料を供給する第２の混合気制御手段とを切換える切換え手段を備えたことを特徴とする。

また、前記目的を達成するためのエンジンの診断装置は、好ましくは、空燃比が理論空燃比付近（ストイキ）となるように燃料を供給する第１の混合気制御手段と混合気の空燃比が理論空燃比より空気過剰な状態（リーン）となるように燃料を供給する第２の混合気制御手段とを切換える切換え手段を備えたことを特徴とする。

また、前記目的を達成するためのエンジンの診断装置は、好ましくは、エンジンの回転速度に基づき燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段を備えたことを特徴とする。

また、前記目的を達成するためのエンジンの診断装置は、好ましくは、エンジンの燃焼室内の圧力に基づき燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段を備えたことを特徴とする。

また、前記目的を達成するためのエンジンの診断装置は、好ましくは、前記第１の燃焼状態と前記第２燃焼状態との差が所定値以上の場合に空気流動強化手段が異常であると判定することを特徴とする。

また、前記目的を達成するためのエンジンの診断装置は、好ましくは、特定の気筒における前記第１の燃焼状態と前記第２燃焼状態との差が所定値以上の場合に該当気筒の燃料供給手段が異常であると判定することを特徴とする。

また、前記目的を達成するためのエンジンの診断装置は、好ましくは、異常であると判定されたときに前記切換え手段による切換えを禁止し、燃料供給方法を前記第１の混合気制御手段または前記第２の混合気制御手段の何れかに固定することを特徴とする。

また、前記目的を達成するためのエンジンの診断装置は、好ましくは、異常であると判定されたときに前記切換え手段により切換えを行う運転状態を変更することを特徴とする。

また、前記目的を達成するためのエンジンの診断装置は、好ましくは、異常であると判定されたときに異常を記憶する異常記憶手段および異常を警告する異常警告手段の少なくともいずれかを備えたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によるエンジンの診断装置によれば、２つの混合気制御手段における燃焼状態に基づいて異常を判定するので、エンジン毎のバラツキや、部品のバラツキ，経時変化等の影響を受けずに、吸入空気流動強化手段や燃焼供給手段等からなる混合気制御手段の異常を検出し、異常部位を特定することができる。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施例に係わるエンジンの空燃比制御装置の構成図である。なお、本実施例は筒内噴射方式の例である。エンジン１の吸気系２３には、エアクリーナ２，吸入空気量を検出するエアフローセンサ３，吸入空気量を調整するスロットル弁４，スロットル弁駆動手段５およびスロットル開度センサ５ａ，スワール制御弁６，スワール制御弁駆動手段７および吸気弁８を備えている。スワール制御弁６はそれぞれの気筒に対して吸気弁８の直前に設けられており、一体的に作動するように構成されている。エンジン１の燃焼室９には、燃料を直接燃焼室９内に噴射する燃料噴射弁１０，点火プラグ１１，筒内圧センサ１２を備えている。エンジン１の排気系２３には排気弁１３，空燃比センサ１４，触媒１５を備えている。さらにエンジン１のクランク軸に取り付けられたセンシングプレート１６とその突起部を検出することにより回転速度やクランク角度を検出するクランク角センサ１７，アクセルペダル１８の踏み込み量を検出するアクセルセンサ１９とを備えている。

それぞれセンサの検出値は電子制御回路（以下、ＥＣＵと記す）２０に入力され、
ＥＣＵ２０はアクセル踏み込み量，吸入空気量，回転速度，クランク角度，筒内圧，スロットル開度等を検出または計算する。そして、その結果に基づいてエンジン１に供給する燃料の量とタイミングとを計算し燃料噴射弁１０に駆動パルスを出力したり、スロットル弁４開度を計算し絞り弁駆動手段５に制御信号を出力したり、点火時期等を計算し点火プラグ１１に点火信号を出力したりする。

燃料は図示しない燃料タンクから燃料ポンプで圧送され燃圧レギュレータにて所定の圧力（５〜１５ＭＰａ程度）に保持され、燃料噴射弁１０に供給される。ＥＣＵ２０により出力される駆動パルスにより所定のタイミングに所定量が燃焼室９に直接噴射される。均質運転時には吸気行程で燃料を噴射して空気との混合を行い、成層運転時には圧縮行程で燃料を噴射して、点火プラグ１１近傍に燃料を集めるようにしている。

スロットル弁４にて調整された吸入空気は、吸気弁８を通って燃焼室内に流入する。この際、スワール制御弁６によってスワール強度が制御される。通常、成層リーン運転時や均質リーン運転時にはスワール強度を高く、それ以外ではスワール強度を低くするように設定されている。特に成層運転時には、前述の燃料噴射タイミングとスワールによる空気流動およびピストン２１の上面に設けたキャビティ２２の形状により燃料を燃焼室９全体に広げることなく、点火プラグ１１の近傍に集めている。

燃料と吸入空気との混合気は点火プラグ９にて点火され燃焼する。燃焼後の排気ガスは排気弁１３を通って排気系２４に排出される。排気ガスはさらに触媒１５に流入し、排気ガス中の有害成分が浄化される。触媒１５は、ストイキ運転時での排気浄化性能を確保するためのいわゆる三元触媒性能と、リーン運転時でのＮＯｘ還元性能を確保するための
ＮＯｘ吸着性能を併せ持つように構成されている。

空燃比センサ１４は、燃焼後の排気ガス中の酸素濃度に応じた信号を出力する。空燃比センサ１４にて検出した実空燃比に基づいて、目標空燃比となるように供給する混合気の空燃比をフィードバック制御している。例えば空燃比センサ１４がストイキ付近で２値的な値を出力するタイプの場合、ストイキ運転時のみ空燃比をフィードバック制御している。

なお、排気系２４から吸気系２３には図示しない通路およびＥＧＲバルブが設けられている。特に成層運転時には、ＮＯｘの発生を抑えるためと、速すぎる燃焼速度を抑えるために多量のＥＧＲを導入している。

図２にＥＣＵ２０の構成を示す。前述のエアフローセンサ３，スロットル弁開度センサ５ａ，筒内圧センサ１２，空燃比センサ１４，クランク角センサ１７の信号３ｓ，５ｓ，１２ｓ，１４ｓ，１７ｓおよび図示しない気筒判別センサ２５の信号が入力回路３１に入力される。ＣＰＵ３０はＲＯＭ３７に記憶されたプログラムや定数に基づいて、これらの入力信号を読み込み、演算処理を行う。さらに、演算処理の結果として点火時期，インジェクタ駆動パルス幅およびタイミング，スロットル弁開度指令，スワール制御弁開度指令がＩ／Ｏ３２を介して点火出力回路３３，燃料噴射弁駆動回路３４，スロットル弁駆動回路３５，スワール制御弁駆動回路３６に出力され、点火，燃料噴射，スロットル弁開度制御，スワール制御弁開度制御が実行される。ＲＡＭ３８は、入力信号の値や演算結果等の記憶に用いられる。

図３に本発明の機能構成ブロック図を示す。エンジン１等から検出された運転状態、例えば回転速度，アクセル開度，吸入空気量，車両速度に基づいて、切換え手段４０にて運転領域の判断を行い燃料供給手段を切換える。例えば、比較的出力を必要とせず成層運転を実行し易い運転領域では成層運転，出力を必要とする運転領域や成層運転や希薄運転が実現しにくい運転領域では均質のストイキ運転やリッチ運転，中間的な領域では、均質のリーン運転を選択する。本実施例では、実質的に成層運転，均質リーン運転，均質ストイキ運転の３種類の混合気制御手段がある。本発明の本質は２つの異なった混合気制御手段における燃焼状態の比較をすることにより燃料供給手段の異常を判定するものなので、全体での混合気制御手段の種類を２つに限定するものではない。具体的手法については、後述する。次に切換え手段４０より第１の混合気制御手段と第２の混合気制御手段の何れかが選択され切換えられ、エンジン１の混合気が制御される。なお、混合気制御手段とは燃料供給手段と空気流動強化手段等を含むことを記しておく。次に燃焼状態検出手段４３がエンジン１の燃焼状態を検出し、切換え手段４０によって選択された混合気制御手段に応じて、第１の燃焼状態または第２の燃焼状態を出力する。判定手段４４は第１の燃焼状態と第２の燃焼状態とに基づいてエンジン１の異常を判定する。好ましくは、異常が検出された場合には、異常記憶手段４５により異常の内容や異常が判定されたときの運転状態等が記憶されたり、異常警告手段４６により運転者等に異常が警告される。また、好ましくは、異常が検出された場合には、切換え禁止手段４７により切換え手段４０による混合気制御手段の切換えが禁止され第１の混合気制御手段または第２の混合気制御手段の何れかに固定される。固定する混合気制御手段は、判定された異常によって決定する。例えば、空気流動強化手段が異常と判定された場合には、リーン運転を禁止しストイキ運転のみ実行する。また、好ましくは、切換え運転状態変更手段４８により切換え手段４０により混合気制御手段を切換える運転状態を変更する。例えば、空気流動強化手段が異常と判定された場合には、リーン運転する運転状態を通常より狭い領域に変更したり、空燃比を通常より小さい（濃い側）に変更したりする。なお、異常検出手段４５，異常警告手段４６，切換え禁止手段４７，切換え運転状態変更手段４８は好ましい形態として説明するもので、全てが必要ということではない。

本実施例では、上述のように実質的に成層運転，均質リーン運転，均質ストイキ運転の３種類の燃料供給手段があるが、例えば、成層運転と均質リーン運転、または均質リーン運転と均質ストイキ運転、あるいは成層運転と均質ストイキ運転等をそれぞれ第１，第２の混合気制御手段として本発明を適用することができる。

具体的には、成層運転と均質リーン運転とを比較する場合には、特に燃料噴射弁１０の噴霧パターンの影響が表われやすい。さらにこれは、特定気筒の発生トルク（燃焼圧力）の差として表われる。他の要因としては、スワール制御弁の影響がある。この場合には、全体の気筒での発生トルク（燃焼圧力）の差や燃焼が不安定になり発生トルク(燃焼圧力)のバラツキが大きくなる。

均質リーン運転と均質ストイキ運転とを比較する場合でも、同様にスワール制御弁の影響が表われやすい。ただし、燃料噴射弁１０の噴霧パターンの影響は比較的表われにくいことを記しておく。

さらに必要点火エネルギーは、均質ストイキ運転より均質リーン運転，均質リーン運転より成層運転の方が高い。したがって、異常により点火エネルギーが十分でなくなっている場合には、混合気制御手段を切換えたときに燃焼状態に影響する可能性がある。特定の気筒または全体に対して影響がでるかについては、点火システムの構成や異常の種類によって異なる。例えば、点火プラグ１１のくすぶりの場合には、特定の気筒に対して影響がでやすい。

処理のフローの例を図４で説明する。この処理は、例えば、所定時間毎（例えば２ｍｓ毎）か所定のクランク角度において実行される。

まず、ステップＳ１０１で運転状態を検出し、ステップＳ１０２で第１と第２のどちらの混合気制御手段にするかを、現在の運転状態が予め設定されたどちらの運転領域に該当するかで選択する。第１の混合気制御手段の運転領域の場合には、ステップＳ１０３へ進み、以前の混合気制御手段が第１の混合気制御手段以外であれば、第１の混合気制御手段に切換える。次にステップＳ１０４へ進み、診断条件が成立しているかどうかを調べる。ここでは、例えば、筒内圧センサ等の燃焼状態を検出するためのセンサやエンジンの負荷等を検出するためのセンサ等に異常がないか、運転状態が安定しているか（例えば急加減速中、燃料カット制御中は以下の判定のためには燃焼状態を検出しない）等の燃焼状態検出条件を調べて、条件が成立していなければ本フローを終了する。条件が成立していれば、ステップＳ１０４へ進み、燃焼状態を検出して、結果を記憶する。結果の記憶は、例えば、負荷や回転速度に関する運転状態に応じて、記憶しておくことが好ましい。次のステップＳ１０６では、第２の混合気制御手段における燃焼状態検出がすでに終了しているかを調べる。ここでは、少なくとも燃料供給量や発生トルク等負荷に関する運転状態がほぼ等しい運転状態における第２の混合気制御手段における燃焼状態検出がすでに終了しているかを調べることが好ましい。さらに、後述する回転速度による燃焼状態検出手段を用いる場合には、回転速度に関する運転状態もほぼ等しい運転領域での燃焼状態検出が終了しているかを調べることが好ましい。第２の燃焼状態検出手段における燃焼状態検出がすでに終了していない場合には、本フローを終了する。終了している場合には、ステップ
Ｓ１１１へ進み、異常の判定を行う。判定の方法については、判定手段に関する説明において後述する。ここでは、前述したように負荷や回転速度に関する運転状態がほぼ等しい運転領域での２つの混合気制御手段における燃焼状態に基づいて判定することが、例えば、異常を判定すべき機能以外の影響を受け難いのと、燃焼状態を検出するための指標（後述する）のバラツキを小さくする意味で好ましい。なお、例えば、均質ストイキ運転，均質リーン運転と成層運転では燃料供給量がほぼ同じでも吸入空気流量が大きく異なることを記しておく。ステップＳ１１１における判定の結果をステップＳ１１２で調べ、異常がない場合には、本フローを終了し、異常がある場合には、ステップＳ１１３へ進む。ステップＳ１１３では異常の情報を記憶する。後で読み出すことにより修理を容易にすることができる。記憶する情報としては、例えば、故障の部位に関するコードや故障判定時の運転状態等がよい。さらに、ステップＳ１１４では異常が判定されたことを運転手に警告するための手段を作動させる。警告手段としては、例えば、警告ランプを点灯または、点滅させるのがよい。なお、以上では、異常が判定された場合に、すぐに異常を記憶および警告するように説明したが、これに限定する必要はない。後述する様に一旦仮の異常判定をした後に異常と想定される部位を作動させてみて、異常であることを確認してから異常を記憶および警告するようにしてもよい。また、何回か異常と判定されたときに異常を記憶および警告するようにしてもよい。異常の記憶と警告は何れかだけでもよい。ステップ
Ｓ１０２に戻り、第２の混合気制御手段が選択された場合には、ステップＳ１０７へ進む。ステップＳ１０７からＳ１１０については、ステップＳ１０３からＳ１０６と同様であるので、説明を略す。

処理のフローの別の例を図５で説明する。この処理も、例えば、所定時間毎（例えば２ｍｓ毎）か所定のクランク角度において実行される。

ステップＳ２０１で運転状態を検出し、ステップＳ２０２で混合気制御手段を切換える運転状態であるかどうかを調べる。あるいは、通常は切換えなくとも切換えても跳ね返りがない運転状態であるかどうかを調べ強制的に切換えるようにしてもよい。切換える運転状態あるいは切換えてもよい運転状態の場合には、ステップＳ２０３へ進む。それ以外の場合には、本フローを終了する。ステップＳ２０３でまず現在の混合気制御手段における燃焼状態を検出する。次にステップＳ２０４で混合気制御手段を切換える。次のステップＳ２０５では切換え後の混合気制御手段における燃焼状態を検出する。次のステップ
Ｓ２０６では、ステップＳ２０３およびＳ２０５で燃焼状態を検出した時点での燃焼状態検出条件を調べる。前述同様に、センサ類の異常がないことは当然のこと、燃焼状態を検出していた間で運転状態が安定していたかどうかを調べる。なお、このような条件のチェックは、ステップＳ２０３およびＳ２０５で燃焼状態を検出する前および最中に行ってもよい。燃焼状態検出条件が成立していなければ、本フローを終了する。条件が成立していれば、ステップＳ２０７に進み混合気制御手段切換え前後の燃焼状態に基づき異常の判定を行う。異常と判定されなかった場合には、本フローを終了し、異常と判定された場合には、ステップＳ２０９で異常を記憶し、ステップＳ２１０で異常を警告して本フローを終了する。

ところで、通常混合気制御手段切換え前後で燃料供給量等の負荷に関する運転状態はほとんど変化がないように制御している。その理由は、運転者に燃料供給手段切換えに伴うトルク変化によるショックを感じさせないようにする必要性があるからである。このため、混合気制御手段切換え前後の燃焼状態に基づき異常の判定を行うことは、前述同様に異常を判定すべき機能以外の影響を受け難いのと、燃焼状態を検出するための指標のバラツキを小さくできるという面で好ましい。さらに、短時間内で、２つの混合気制御手段における燃焼状態を検出しているので、種々の燃焼に影響を与えうる要因（大気圧力，湿度，燃料供給手段以外の異常等）の影響を受け難いという面でも好ましい。

次に、筒内圧を用いた場合の燃焼状態検出手段の実施例について説明する。図６に機能ブロック図を示す。筒内圧センサ１２により検出された筒内圧はまず、燃焼状態検出手段５０の中の積分手段５１に入力される。

積分手段５１について説明する。筒内圧センサ１２により検出された筒内圧は、図７の様になる。爆発上死点（ＴＤＣ）後所定のクランク角度Ｃ１からＣ２の間の筒内圧を積分する。積分の方法については、回路で実行してもソフトで実行してもよい。回路の場合には、積分器をＣ１のタイミングでクリアし、Ｃ２のタイミングで保持した後その値をＡ／Ｄ変換器を通して読み込めばよい。ソフトの場合には、Ｃ１からＣ２の間、所定の時間ごと、または、所定のクランク角度毎に筒内圧を読み込んで総和を計算すればよい。積分値をＳＰ１とすると燃焼が良好な場合には大きな値、燃焼が悪い場合には小さな値となる。筒内圧センサ１２が、絶対値の精度が低いタイプ（例えば、本実施例の図１に示すような、点火プラグ１１の座金部に設けた圧電素子タイプ）の場合、図８に示すように爆発上死点前後の対称クランク角度位置に積分期間（−Ｃ２から−Ｃ１）および（Ｃ１からＣ２）を設け、それぞれの積分値ＡとＢとを求めた後、ＳＰ２＝Ｂ−Ａを用いるとよい。なお、ＳＰ２は失火時にはほぼ０となるので、失火の検出には適しており、筒内圧センサのタイプによらず本方式を適用することは好ましい。

次に、ＳＰ１，２は燃料供給量に対して比例的に変化するので、正規化手段５２にて燃料供給量で割って正規化し、ＮＳＰ１，２とする。これらの値は、燃焼が良好ならば大きい値、燃焼が悪化すれば小さな値となる。特に、前述したようにＮＳＰ２は失火時にはほぼ０となるので、失火の検出や燃焼状態の判定に適している。

次に、平均値演算手段５３，分散演算手段５４，気筒別平均値演算手段５５にてＮＳＰ１または２から所定時間または所定回数毎に、平均値，分散，気筒別平均値をそれぞれ演算する。平均値および気筒別平均値は大きいほど燃焼圧が高いことを示している。分散は小さいほど燃焼が安定していることを示している。

それぞれの演算結果は判定手段４４に入力され、切換え手段４０による混合気制御手段の選択状態、および前記演算結果に基づきエンジンの異常が判定される。判定の手段は例えば下記の（１）と（２）の様になる。

（１）均質ストイキ運転，均質リーン運転，成層運転それぞれの運転状態（混合気制御手段）における前述の平均値，分散，気筒別平均値から異常を判定する。平均値または、分散が所定範囲となったら、異常があると判定する。それぞれの気筒の気筒別平均値が所定範囲となったら、該当気筒に異常があると判定する。好ましくは、エンジンの回転速度，負荷，ＥＧＲ量等の運転状態に基づいて、予め記憶しておいた平均値，気筒別平均値と分散それぞれに対する判定レベルを検索または計算し、平均値や気筒別平均値がそれぞれの判定レベルより低い場合や分散が分散の判定レベルより大きい場合に異常と判定する。ただし、この場合、異常部位の特定は難しい。また、成層運転時に燃料噴射弁から噴射される燃料の噴霧形状が設定した形状から大きく変化した場合には、燃焼は正常でも未燃ガスが排出されることもあり、このような異常は平均値，分散，気筒別平均値等だけでは検出できない。

（２）均質ストイキ運転と均質リーン運転，均質リーン運転と成層運転との燃焼状態の比較を行う。前述の平均値または、分散の差が所定値以上の場合、スワール制御弁６等の空気流動強化手段に異常があると判定する。また、それぞれの気筒の気筒別平均値の差が所定値以上の場合、該当気筒の燃料噴射弁（例えば噴霧のパターン）に異常があると判定する。この場合も、好ましくは、エンジンの回転速度，負荷，ＥＧＲ量等の運転状況から予め記憶しておいた平均値の差，気筒別平均値の差と分散の差それぞれに対する判定レベルを検索または計算し、判定に用いる。この方式は、２つの混合気制御手段の比較を行うので、エンジン毎のバラツキや、部品のバラツキ，経時変化等の影響を受け難いのが特徴である。

なお、点火エネルギーが低くなった場合にも平均値，分散または気筒別平均値の差が所定値以上となる可能性もあるので、上述した異常部位の特定は、異常の可能性の高い部位としての判定となる。したがって、異常記憶の際に、例えば、異常発生という情報と異常である可能性の高い部位の情報として上述した異常部位判定を記憶することが好ましい。ただし、現実的には、点火エネルギーの低下時には、燃焼が相当悪化するので、（１）で述べた平均値または気筒別平均値に基づいて異常と判定できることが多いことを記しておく。

さらに好ましい形態として、異常部位の特定を行った後に特定された部位に関する制御量を変化させたときの上記平均値，分散，気筒別平均値の変化から特定部位を確定する。

例えば、上記の（２）で空気流動強化手段が異常であると判定した場合には、まず空気流動強化手段が異常であると仮の判定を行う。次に、空気流動強化手段を動かしてみて、分散が変化しないか変化量が所定値以下の場合には空気流動強化装置が異常であるとの確定判定を行う。逆に空気流動強化手段を動かしてみて、分散が所定値以上変化する場合には、点火系が異常（点火エネルギー低下等）であるとの確定判定を行う様にすることもできる。

また、（２）で燃料噴射弁１０が異常であると判定した場合には、例えば当該燃料噴射弁１０の噴射時期を所定値だけ遅らせたり早めたりしてみる。このとき当該気筒の気筒別平均値が所定値以上変化する場合には、燃料噴射弁が異常であるとの確定判定を行う。さらに、この場合には、噴射時期を変えたときの気筒別平均値が所定値以上まで回復し、かつ、分散が所定値以内なら、その変えた噴射時期を当該気筒の制御値となるように補正を行い、かつ、異常判定を取り消してもよい。なお、噴射時期を変化させても当該気筒の気筒別平均値が所定値以上変化しない場合に、燃料噴射弁の異常ではないと断定できないので、当該気筒の異常と、燃料噴射弁の異常の可能性が高いことを示す情報を記憶することが好ましい。

以上の説明で、分散はバラツキを表わす指標として用いているので、例えば最大値と最小値との差等を分散の代わりに用いることも可能である。また、ＮＳＰ１，２の計算毎の値が所定の範囲外の頻度等を用いることも可能である。

また、正規化した筒内圧積分値の平均値，分散，気筒別平均値全てを用いて判定することに限定するものではなく、さらに、他の指標（例えば、筒内圧のピーク位置等）を用いることも当然可能である。

図９に均質ストイキ運転および均質リーン運転時のＮＳＰ１，２の分散の実験結果の一例を示す。異常の判定手段の実施例を図により説明する。

通常は、均質ストイキ運転時に分散はＡで示す値となり、均質リーン運転時には空気流動強化手段であるスワール制御弁が開くのでＢで示す値となる。なお、曲線ａは、スワール制御弁が開いたまま空燃比を変化させたときの分散の変化を示す。また、通常ストイキ運転ではスワール制御弁は閉じているが、分散はスワール制御弁が開いていてもほとんど差がないことを記しておく。一方、スワール制御弁が故障して、まったく開かない場合にはＣで示す値となる。なお、曲線ｂは、スワール制御弁を閉じたまま空燃比を変化させたときの分散の変化を示す。このようにスワール制御弁が正常に動かない場合には、分散に変化があることがわかる。したがって、均質リーン運転時に分散が所定の値（エンジンの回転速度，負荷や空燃比等の運転状態に基づいて決定する。）以上の場合には、何らかの異常があると判定することができる。

一方、エンジンの経時変化により燃焼が安定していない場合やスワール制御弁以外に異常がある場合には、例えスワール制御弁が開いていても分散が曲線ｃで示すような値となることがある。この場合には均質ストイキ運転時にＡ′で示す値，均質リーン運転時にはＢ′で示す値となる。さらにこの状態でスワール制御弁を閉じたままだと分散は曲線ｂ′で示すような値となる。また、さらにスワール制御弁が中間開度で動かなくなってしまった場合には、分散は曲線ｂ″で示すような値となり、均質リーン運転時にＣ″で示す値となる。この様な場合、単純に均質リーン運転時の分散でスワール制御弁の異常を判定しようとすると誤った判定をする可能性がある。このような場合であっても、均質ストイキ運転時と均質リーン運転時における分散を比較することによりスワール制御弁の異常を精度良く判定することが可能となる。

なお、スワール制御弁が閉じた状態で、作動しなくなった場合には、分散はほとんど変化しないが、この場合には、吸入空気量が多い運転状態において通気抵抗が大きくなる。したがって、例えばスロットル開度センサ５ａにより検出したスロットル弁４の開度と回転速度との関係および図示していないバイパス空気量制御弁の開度等から推定した吸入空気量とエアフローセンサ３により検出した吸入空気量との比較等により異常を検出することができる。例えば、均質ストイキ運転から均質リーン運転（均質ストイキ運転より吸入空気量が多い）に切り替えたときの空気量の変化が所定値以下の場合には異常と判定することにより精度良く異常を検出できる。あるいは、均質ストイキ運転時と均質リーン運転時とでＮＳＰ１，２の平均値を比較することにより精度良く異常を検出することができる。

また、以上の説明は、均質ストイキ運転時と均質リーン運転時とについて説明したが、均質リーン運転時と成層運転時とについても、さらに均質ストイキ運転時と成層運転時とについても適用できる。通常、成層運転時には、均質リーン運転時よりも空気流動をさらに強化する必要があるため、それぞれの運転状態でスワール制御弁の開度を変えている。したがって、運転状態（混合気制御手段）を切り替えたときにスワール制御弁が所定の開度に開かないような場合には、Ｐの値を比較することによりスワール制御弁の異常を検出することができる。

なお、以上の説明は、空気流動強化手段がスワール制御弁の場合について説明したが、これに限定するものではない。他には、例えばタンブル制御弁があるがこれについても適用できる。

本実施例は、特に空気流動強化手段の異常判定に適していることを記しておく。

次に、エンジンの回転速度を用いた場合の燃焼状態検出手段の実施例について説明する。図１０に４気筒エンジンの回転変動の例を示す。図に示すように燃焼上死点(ＴＤＣ)付近の回転速度Ｎ１，Ｎ２，…と上死点間の回転速度Ｎ１２，Ｎ２３，…を計測し、ＤＮ１＝Ｎ１２−(Ｎ１＋Ｎ２)／２，ＤＮ２＝Ｎ２３−（Ｎ２＋Ｎ３）／２，…を演算する。なお、回転速度は、例えば、所定のクランク角度間を回転するのにかかる時間を計測することにより計算で求めることができる。回転変動は、エンジンのピストン等の慣性力の影響(燃焼ガスによる発生トルクとほぼ逆の位相のトルクが発生し、高速程影響が大きくなる)と回転速度そのものの影響（高速程変動が小さくなる）とを受けるので、ＤＮ１，ＤＮ２，…をさらに回転速度に基づいて補正すると各々の気筒の発生トルクに応じた値、すなわち筒内圧に応じた値を求めることができる。筒内圧の場合と同様に、燃料供給量で正規化して、平均値，分散，気筒別平均値を求める。その後の判定の方法は筒内圧の場合とほぼ同じである。この実施例の本質的な部分は、回転速度から発生トルクや筒内圧に応じた値を求めることができるということである。したがって、方式を限定するものではない。

次に、エンジンの回転速度を用いた場合の燃焼状態検出手段の別の実施例について説明する。図１０での説明と同様に燃焼上死点（ＴＤＣ）付近の回転速度Ｎ１，Ｎ２，…を計測し、ｄＮ１＝Ｎ２−Ｎ１，ｄＮ２＝Ｎ３−Ｎ２，…を計算する。先程と同様に回転速度で補正し、さらに燃料供給量で正規化する。さらに、この場合には回転速度が上昇や下降中つまり加減速中は、その影響を受けやすいので、その分を補正することが好ましい。以上により隣り合った気筒間の発生トルクや筒内圧に応じた値の差を求めることができる。この方式においては、全体の平均値はほぼ０となり、気筒間の相対的な値しか検出できない。したがって、全体の平均値は求めず、分散と気筒別平均値を求める。判定の方法は筒内圧の場合とほぼ同じであるが、気筒別平均値については以下を追加する。

本実施例の場合には、気筒間の燃焼状態の相対値を用いているために図１１に示すように例えば、一つの気筒（＃２気筒）の燃焼が悪化している場合には実線ａで示すようになり、二つの気筒（＃２と＃３気筒）で燃焼が悪化している場合には波線ｂで示すようになる。このままの値を用いると、異常を判断するための判定レベルを決定しにくく、また、混合気制御手段を切り替えたときの値の差に基づく判定を誤る可能性がある。このため、気筒別平均値については、最も値の大きな気筒を基準としてその基準からの差を改めて気筒別平均値として採用する。このようにして求めた気筒別平均値は図１２の様になる。
ａ′，ｂ′は各々図１１のａ，ｂに対応する。

さらに、エンジンの回転速度を用いた場合の燃焼状態検出手段の別の実施例について説明する。図１０での説明と同様に所定のクランク角度毎、または所定の時間毎に回転速度を計測する。そして計測された回転速度の変動から所定の周波数成分を抽出し、そのパワーまたは大きさＰを求める。抽出する周波数帯域は、例えば、３から８Ｈｚ程度が好ましい。この理由は、回転変動で燃焼のばらつきを検出する場合には、車両がバネマス系として作用するため、系の共振周波数帯である３から８Ｈｚ程度が特に強調されるからである。なお、回転の高次成分に該当する周波数成分は抽出する周波数帯に入れないようにすることが好ましい。

抽出方法は、例えば、ソフトウエアによるデジタルフィルタを用いればよい。そして、２つの混合気制御手段それぞれにおいて上記のＰを比較することにより異常を判定する。

Ｐの値は、図９で説明した筒内圧に基づくＮＳＰ１，２の分散を用いた場合と同様の変化をする。したがってＰを用いた異常判定の方法もＮＳＰ１，２の分散を用いた場合と同様である。

以上、種々の実施例について説明したが、それぞれ別々に採用することに限定するものではなく、組み合わせて異常を判定することも可能である。

また、以上の種々の実施例は、筒内圧噴射方式について説明したが、これに限定するものではない。例えば、ポート噴射方式で均質リーンと均質ストイキ等を切換える方式であっても適用できる。

また、燃焼状態検出手段として、筒内圧に基づく例と回転速度に基づく例について説明したが、これに限定するものではない。一般的かつ通常の制御で使うためすでに付いていることの多いセンサで本発明を具現化できる、すなわちセンサを追加することなく具現化できることを示すため、筒内圧と回転速度それぞれに基づく実施例を説明したことを記しておく。すなわち、コスト上昇を最小限にして発明を具現化できるということも示している。

他の燃焼状態検出手段としては、例えば、発生トルクやイオン電流等に基づく方法も有る。さらに、説明した方法やこれらの方法を組み合わせて異常の判定を行うことも可能である。

本発明の一実施例に係わるエンジンの構成図である。 ＥＣＵの構成図である。 本発明の機能構成ブロック図である。 本発明の一実施例の処理フローを示すフローチャートである。 本発明の別の一実施例の処理フローを示すフローチャートである。 本発明の判定手段の一実施例の機能構成ブロック図である。 筒内圧の挙動と燃焼状態検出手段の例を説明する図である。 筒内圧の挙動と燃焼状態検出手段の別の例を説明する図である。 筒内圧積分値の分散の挙動と判定手段の例を説明する図である。 回転変動と燃焼状態検出手段の例を説明する図である。 燃焼状態パラメータの挙動の例を説明する図である。 燃焼状態パラメータの補正方法の例を説明する図である。

符号の説明

１…エンジン、６…スワール制御弁、１０…燃料噴射弁、１２…筒内圧センサ、２０…ＥＣＵ。

Claims (9)

1. 混合状態の異なる第１の混合気と第２の混合気とを切換える切換え手段を有するエンジンの診断装置において、
   前記第１の混合気を燃焼させた場合の、爆発上死点後所定のクランク角度Ｃ１からＣ２間の筒内圧の積分値と爆発上死点前の対象クランク角度位置である−Ｃ２から−Ｃ１間の筒内圧の積分値Ａとの差と、
   前記第２の混合気を燃焼させた場合の、爆発上死点後所定のクランク角度Ｃ１からＣ２間の筒内圧の積分値と爆発上死点前の対象クランク角度位置である−Ｃ２から−Ｃ１間の筒内圧の積分値Ｂとの差と、に基づいて、
   前記切換え手段の異常を診断する診断装置。
2. 前記積分値Ａと前記積分値Ｂとは、少なくとも燃料供給量，発生トルク等の負荷に関する運転状態がほぼ同一な運転状態において算出されたものであることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの診断装置。
3. 前記積分値Ａと前記積分値Ｂとは、前記切換え手段により前記第１の混合気と前記第２の混合気とが切換えられた前後における燃焼状態において算出されたものであることを特徴とする請求項１，２に記載のエンジンの診断装置。
4. 前記第１の混合気は均質混合気であり、前記第２の混合気は成層混合気であることを特徴とする請求項１−３に記載のエンジンの診断装置。
5. 前記第１の混合気はストイキ混合気であり、前記第２の混合気はリーン混合気であることを特徴とする請求項１−３に記載のエンジンの診断装置。
6. 前記筒内圧は、エンジンの回転速度に基づき推定することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの診断装置。
7. 前記切換え手段は、吸入空気の流動を強化する空気流動強化手段と燃料供給手段とのうち少なくとも何れか一つであることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの診断制御装置。
8. 前記切換え手段が異常が判定されたときに、前記切換え手段による切換えを禁止する切換え禁止手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの診断装置。
9. 前記切換え手段が異常と判定されたときに異常を記憶する異常記憶手段および異常を警告する異常警告手段の少なくともいずれかの手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの診断装置。

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