JP4241579B2

JP4241579B2 - 内燃機関の燃焼状態検出装置

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Publication number: JP4241579B2
Application number: JP2004324997A
Authority: JP
Inventors: 修介赤崎; 将樹上野; 太古賀
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-11-09
Filing date: 2004-11-09
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2024-11-09
Also published as: JP2006132495A

Description

この発明は、内燃機関の失火検出技術に関する。

特許文献１には、内燃機関の燃焼室の筒内圧力を所定クランク角度ごとに検出し、サンプリング期間にサンプリングされた筒内圧力検出信号と燃焼室容積に基づいて筒内圧力検出信号のバイアス量を設定し、設定されたバイアス量に基づいてサンプリングされた筒内圧力信号を補正し、補正された筒内圧力と燃焼室容積に基づいてモータリング圧力（失火時の圧力）の推移を推定することが記載されている。燃焼サイクルにおいて、この推定圧力とセンサで検出される圧力とを比較し、失火の有無の判定が行なわれる。
特開平3-246373号

従来技術によると、モータリング圧力は、圧力検出信号をバイアス量により補正して筒内圧力を求め、この筒内圧力と燃焼室容積に基づいて推定される。しかしながら、この手法では、内燃機関の過渡運転時における筒内圧力の急変時において、ある点でのバイアス量で検出圧力が補正されることに起因し、さらに筒内圧力センサの組み込み状態、センサ取り付け部の温度変化によるセンサの出力特性の変化、経年劣化などによる特性の変化に起因して、バイアス量による圧力検出値の補正の信頼性に難点があり、したがってこうして補正された圧力値から推定されるモータリング圧力の信頼性に難点があった。

この発明は、一形態（請求項１）では、内燃機関（エンジン）の燃焼室の筒内圧力検出手段と、前記内燃機関のクランク角度を検出するクランク角度検出手段と、パラメータを同定する同定手段と、を備える内燃機関の燃焼状態検出装置を提供する。この燃焼状態検出装置は、クランク角度検出手段で検出されるクランク角度に基づいて燃焼室の容積を算出する算出手段と、算出された容積を含む演算式により内燃機関のモータリング圧力を推定する推定手段とを備える。また、この燃焼状態検出装置は、内燃機関の圧縮行程において、筒内圧力検出手段で検出される圧力と、推定手段によって推定される圧力との誤差に基づいて前記演算式のパラメータを同定する同定手段と、内燃機関の燃焼行程において、筒内圧力検出手段で検出される圧力と、前記推定手段によって推定される圧力との関係に基づいて燃焼状態を判定する判定手段と、を備え、前記同定手段は、推定される圧力値と検出された圧力との標準偏差を算出し、該標準偏差が予め定めた値以下のときは、推定される圧力値と検出された圧力の偏差が収束するとして、同定されたパラメータを採用するよう構成されている。

この発明によると、推定手段によって推定される圧力との誤差を最小にするよう前記演算式のパラメータを同定し、このパラメータを用いてモータリング圧力を推定する。また、このパラメータは、圧縮行程において同定されその直後の燃焼行程のモータリング圧力を推定する演算に用いられるので、モータリング圧力を高精度で推定することができる。

この発明の一実施形態（請求項２）では、前記演算式は、内燃機関（エンジン）の燃焼室中の気体の状態方程式であり、パラメータの同定は、吸気弁の閉鎖から燃焼行程に移行するまでの期間のクランク角度において実行される。

この発明の一実施形態（請求項３）では、推定手段は、燃焼室の容積に基づいてモータリング圧力を計算するモータリング圧力計算手段と、同定手段により同定されたパラメータを用いてモータリング圧力を補正する補正手段と、を含む。

この発明の一態様では、同定手段は、推定される圧力値と検出された圧力との標準偏差を算出し、該標準偏差が予め定めた値以下のときは、推定される圧力値と検出された圧力の偏差が収束するとして、同定されたパラメータを採用するよう構成されている。

また、この発明のもう一つの態様では、前記判定手段は、内燃機関の失火を判定する。失火の判定は、推定された圧力と検出された圧力の比を所定値と比較することによって行われる。

さらに、この発明の一つの態様では、内燃機関の燃焼行程において失火判定区間を設定するための判定ステージ設定手段を設け、判定ステージは、内燃機関の運転状態に応じて変更する。

内燃機関の燃焼行程は、ガソリンエンジンでは点火後であり、ディーゼルエンジンでは燃料噴射後である。

次に図面を参照して、この発明の実施例を説明する。図１は、この発明の燃焼状態検出装置の全体的構成を示すブロック図である。電子制御ユニット１０は、中央演算装置（CPU）を備えたコンピュータである。電子制御ユニットは、コンピュータ・プログラムを格納する読取専用メモリ（ROM）およびプロセサに作業領域を提供し、データおよびプログラムを一時記憶するランダムアクセス・メモリ（RAM）を備えている。入出力インタフェイス１１は、エンジンの各部から検出信号を受け取って、A/D（アナログ・ディジタル）変換を行って次の段階に渡す。また、入出力インタフェイス１１は、CPUの演算結果に基づく制御信号をエンジンの各部に送る。図１では、電子制御ユニットをこの発明に関連する機能を示す機能ブロックで示している。

図２は、この発明で行う失火判定の原理を示す。曲線１は、エンジンの１つの気筒のモータリング圧力（失火時の圧力）の推移を示し、曲線３は、同じ気筒において正常な燃焼が行われたときの筒内圧力の推移を示す。クランク角０度が上死点であり、モータリング圧力は上死点でピークとなり、燃焼時の筒内圧力（曲線３）は、上死点を過ぎた点火時点付近でピークとなる。

この発明では、圧縮行程において上死点に達する前の期間、たとえば図２に”a”で示す期間において、気筒の気体状態方程式のパラメータを同定する。この同定は、後に数式で示すように、図２のA点、B点などにおいて状態方程式に基づくモータリング圧力の推定値P’と、筒内圧力センサ１２の出力から得られる筒内圧力Pとの差(P’ −P)を小さくするよう、最小二乗法により気筒の気体状態方程式のパラメータの値を算出することにより行われる。こうしてパラメータを同定した状態方程式により、一つの気筒での燃焼行程を含むサイクルにおけるモータリング圧力P’（曲線１）を算出する。このように、曲線１は、燃焼行程直前の圧縮行程において同定されたパラメータを用いた状態方程式に従って算出される筒内圧力であるから、信頼性が高い。

次いで、燃焼行程において混合気の燃焼開始後、たとえば図２に”b”で示す期間のCで示す時点において筒内圧力センサ１２の出力から得られる筒内圧力値P（曲線３）と、上記の状態方程式で算出されるモータリング圧力P’（曲線１）との関係に基づいて、燃焼状態、たとえば、失火が生じたかどうかを判定する。一実施例では、P/P’が予め定めたしきい値より小さいとき、失火が生じたと判定する。

再び図１を参照すると、筒内圧力センサ１２は、圧電素子であり、エンジンの各気筒（シリンダ）の点火プラグ付近に設けられている。圧力センサ１２は、気筒内の圧力に応じた電荷信号を出力する。この信号をチャージアンプ３１により電圧信号に変換して出力し、ローパスフィルタ３３を介して入出力インタフェイス１１に出力する。入出力インタフェイス１１は、圧力センサ１２からの信号をサンプリング部１３に送る。サンプリング部１３は、この信号を所定の周期、たとえば１０kHz分の１の周期でサンプリングし、サンプル値を圧力検出部１５に渡す。この実施例では、圧力検出部１５は、クランク角１５度ごとに検出圧力値Pを失火判定部２７に渡す。

一方において、燃焼室容積計算部１９は、クランク角θに応じた気筒の燃焼室の容積V_cを次の数式により計算する。

上の式で、mは、図３の関係から計算される、ピストン７の上死点からの変位を示す。rをクランク半径、l（エル）をコンロッド長とすると、λ=l/r である。V_deadは、ピストンが上死点にあるときの燃焼室の容積、A_pstnは、ピストンの断面積である。

気筒の状態方程式は、次の（３）式で表されることが知られている。モータリング圧力推定部２０は、モータリング圧力計算部２１およびモータリング圧力補正部２２から構成される。モータリング圧力計算部２１が（３）式の中の基本項目である基本モータリング圧力GRT/Vを計算し、モータリング圧力補正部２２が、パラメータ同定部２３で得られるパラメータを用いて基本モータリング圧力を補正し、次の状態方程式により、クランク角に応じた燃焼室のモータリング圧力の推定値P’（燃焼がないときの圧力）を算出する。

(3)式で、Gは、例えばエアフローメータ、またはエンジン回転数および吸気圧に基づいて得られる吸入空気量、Rは気体定数、Tは、例えば吸気温度センサ、またはエンジン水温などの運転状態に基づいて得られる吸気温度である。ｋは、補正係数であり、Cは定数である。(3)式のGRT/Vcの離散値をX(i)で表すと、(4)式になる。

パラメータ同定部２３は、圧縮行程においてモータリング圧力推定部２０が算出するモータリング圧力推定値P’と圧力検出部１５が検出する筒内圧力センサ１２に基づく筒内圧力Pとの誤差(P’-P)が最小になるよう、最小二乗法により(4)式のパラメータkおよびCを同定する。P’の離散値をp’(i)で表し、筒内圧力センサから得られる筒内圧力Pのサンプル値（離散値）をp(i)で表し、X(i)の離散値をx(i)で表すと、P’^T=[p’(0),p’(1), …,p’(n)] 、P^T=[p(0), p(1), …,p(n)]、X(i)^T=[x(0), x(1), …,x(n)]と表される。誤差（P’-P）の離散値の二乗の和は、次の式（５）で表される。サンプル値は、10kHz分の１の周期でとられ、iの値は、たとえば100までとする。

このFの値を最小にするkおよびCを求めるには、F(k,C)のkおよびCに関する偏微分が０となるkおよびCを求めればよい。これを数式で表すと、次のようになる。

式(6)および(7)の右辺を整理すると、次のようになる。

これを行列で表現すると、次のようになる。

この式を逆行列を使って変形すると、次のようになる。

ここで、右辺の逆行列は、次の式で表される。

以上の一連の式から明らかなように、状態方程式のパラメータkおよびCは、基本モータリング圧力の離散値X(i)および圧力センサ１２の出力に基づいて検出される筒内圧力の離散値P(i)を用いて算出することができる。こうして同定されたパラメータを用いてモータリング圧力推定部２０が、それぞれの気筒についてモータリング圧力の推定値を算出する。具体的には、モータリング圧力計算部２１が燃焼室容積に基づいて基本モータリング圧力の離散値X(i)を算出し、パラメータ同定部２３で同定されたパラメータを用いてモータリング圧力補正部２２がモータリング圧力の推定値P’を算出する。離散値X(i)は、たとえば10kHz分の１の周期で計算され、所定数、たとえば100個の離散値に基づいてパラメータk、Cを同定し、このパラメータを用いてモータリング圧力補正部２２が燃焼行程においてモータリング圧力推定値P’を算出する。パラメータk、Cは、圧縮行程において複数回同定し、その平均値を用いてモータリング圧力推定値P’を算出するのが好ましい。

失火判定部２７は、点火時点以後の期間ｂ（図２）における、たとえば図２のCの時点において、筒内圧力センサ１２で検出される筒内圧力の値P、および同じ時刻にモータリング圧力推定部２０で算出されるモータリング圧力推定値P’に基づいて失火の有無を判定する。この実施例では、失火判定部２７は、P/P’が予め定めたしきい値αより小さいとき、失火が生じたと判定する。

図４は、１５クランク角度ごとに実行される処理の流れを示すフローチャートである。圧縮行程において上死点以前にあるかどうかを判定し（S101）、上死点前であれば、モータリング圧力推定モデルのパラメータを同定する処理に入る（S115）。パラメータが同定の演算がなされると、収束判別の演算がなされ(S117)、収束するならば、パラメータｋおよびCを更新する（S119）。

ステップS101で圧縮上死点前でないならば、失火MILオンフラグが１になっているかどうかを点検する（S103）。このフラグが１になっていることは、すでに何度か失火の判定が行われ、失火の警告が出されていることを意味する。このフラグが１になっていなければ、失火判定処理に移る（S105）。この結果、失火が判定されて、失火フラグが１になると（S107）、失火回数のカウントが進められる(S109)。失火判定処理（S105）が走ると、判定サイクルのカウント、すなわちサイクル数がカウントアップされる（S111）。後に説明するように、所定サイクル数において何回失火があったかに基づいて、失火MIL（失火警告）を発生することができるよう、サイクル数をカウントする。

失火MILオンフラグが１になっているときは、サイクル数カウントおよび失火カウントをリセットして処理を終える（S113）。

次に図５を参照して図４の失火判定処理（S105）の詳細を説明する。まず、ピストンの上死点の位置から現在の位置までの変位（距離）ｍを先に示した式（１）により計算する（S131）。次いでこの変位ｍを用いて、式（２）によりシリンダの現在の容積V_cを計算する（S133）。エンジンの吸気管に設けられた温度センサから吸気温度を読み込み（S135）、先に示した式（３）により、モータリング圧力の推定値P’を計算する(S137)。

筒内圧力センサの出力に基づく実際の筒内圧力Pを読み込み（S139）、エンジンの回転数NEおよび吸気管の絶対圧PBに基づいて失火判定のためのしきい値のマップを検索する（S143）。モータリング圧力は、エンジンの負荷状態によって異なるため、負荷状態に応じた判定しきい値を予めマップとして用意しておき、このマップを検索するようにしている。

次いで判定ステージを設定する（S145）。これはエンジンの状態に応じて最も適切なタイミングで失火判定を行うためであり、たとえばエンジンの吸排気バルブにタイミングを変更可能な可変バルブ機構を備えたものであれば、タイミングが高回転用に制御されているか、アイドル状態か、ファイアモード（エンジン始動後に、排気系ｎお触媒を活性化するために、点火時期を遅角して高温の排気を排気系に送るモード）か、などに応じて判定ステージが選択される。それぞれのステージマップには、失火判定をしてよい期間（図２の期間ｂの中での特定の期間）が設定されている。図５のステップS147では、この特定の期間を判定ゲートと呼んでいる。

判定ゲートにあれば、筒内圧力の実測値Pと推定モータリング圧力P’との比P/P’がステップS143で検索した判定しきい値より大きいかどうか判定する（S149）。比P/P’がしきい値より大きいとは、正常に点火が行われていると判定され、処理を終える。比P/P’がしきい値以下であるときは、失火を生じたと判定し、失火フラグが１にセットされる（S151）。失火は、ある予め決められた期間に判定値を超える回数発生すると、失火確立と判定され、失火警報（失火MIL）がオンにされる。これについては、後に図８を参照して説明する。

図６を参照してパラメータ同定処理の流れを説明する。パラメータの同定処理は、圧縮行程の終わり近く、すなわち上死点の近傍で行われる。ピストンが圧縮行程の終わり近くにある状態を同定ステージと呼ぶ。同定ステージにあるとき、後述する計測ステージで取り込んだデータを用いて、既に述べた式（１）にしたがってピストン位置を計算し、式（２）にしたがってシリンダ容量を計算する（S163）。吸入空気量および吸気温度を読み込んで（S165）、式（９）にしたがってパラメータｋおよびCを同定する（S167）。次いで誤差の分散および標準偏差を計算する（S169）。これは、先に式（３）で示した状態方程式が、同定されたパラメータにより収束するかどうかを判定するための計算であり、後に図７を参照して説明する。

ステップS161において、同定ステージにないときは、パラメータ同定の演算に使用するデータを集める計測ステージにあるかどうかを判定し（S171）、このステージにあればデータをバッファに取り込み（S173)、前回の演算結果をリセットして（S175）、処理を終える。計測ステージにないときも前回の演算結果をリセットして処理を終える。

図７に移り、同定されたパラメータｋおよびCを用いた式（３）の状態方程式で計算されるモータリング圧力推定値P’と筒内圧力センサによる筒内圧力の実測値との分散および標準偏差またはそれらの近似値を計算する。基本的な考え方は、標準偏差が予め定めた値以下であるときには、モータリング圧力推定値P’と実測値Pとの誤差が収束すると判定し、同定されたパラメータｋ、Cを適正なパラメータとして採用するものである。誤差が収束しないときは、筒内圧力センサに異常が生じるなどしてノイズを発生している、演算がオーバーフローしているなどの障害が発生している可能性がある。

式（３）によりモータリング圧力の推定値P’を計算し（S181）,誤差E(i)=P’-Pを計算する（S183）。誤差E(i)に基づいて、既知の演算手法により分散またはその近似値σを計算する（S189）。

こうして計算された分散の平方根として標準偏差STDVを計算し（S191）、標準偏差が予め定めたしきい値以上であるときは（S193）、誤差が収束しないと判定し、収束不良フラグ（F_収束_NG）を１にセットする（S195）。収束不良フラグが１になる回数をカウントアップし（S199）、カウントが100以上になると（S201）、筒内圧力センサの異常を示すフラグを１にセットする。図７の収束判定の処理は、同定処理において演算される（１サイクルに１回）。ステップS199でのカウントアップは、クランク角度15度ごとのカウントアップである。

ステップS193で標準偏差がしきい値に達しないときは、誤差が収束するものとし、収束不良フラグを０にセットして（S197）、処理を終了する。

この実施例では、失火確立の処理は、１回の車両運転サイクル中に１回だけ実行される。変形としては、車両運転サイクル中に複数回実行するようにしてもよい。失火が多発すると、燃焼していない燃料が排気系に送り出されて排気系で燃焼するため、排気温度が上昇し、触媒を劣化させるおそれがある。また、不完全燃焼の排気ガスが排出され、エミッションを悪化させるおそれがある。このため、失火確立については、触媒を守る観点と、排ガス規制の観点から決める必要がある。

失火確立用に設定したパラメータが判定値を超えるかどうか判定し、判定値を超えれば、失火MILをオンにし、失火の警報を発する。具体的には、運転席のパネルに警告灯を点灯する、エンジンスタート時に音声で異常を運転者に告げ、修理を促す、車両を異常モードの運転に強制的に切り替え、修理を強制する、などの方法がある。

以上にこの発明を具体的な実施例について説明したが、この発明はこのような実施例に限定されるものでく、また、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンのいずれに対しても使用することができる。

この発明の一実施例の機能ブロック図。モータリング圧力曲線および点火を生じたときの圧力曲線を表す図。ピストン位置を計算するための概念図。失火検知処理のメインフローを示すフローチャート。失火判定処理の流れを示すフローチャート。パラメータ同定処理の流れを示すフローチャート。収束判定の処理の流れを示すフローチャート。

符号の説明

１０電子制御ユニット（ECU）
１２筒内圧力センサ
１９燃焼室（シリンダ）容積計算部
２０モータリング圧力推定部
２１モータリング圧力計算部
２２モータリング圧力補正部
２３パラメータ同定部

Claims

内燃機関の燃焼室の筒内圧力検出手段と、
前記内燃機関のクランク角度を検出するクランク角度検出手段と、
を備えた内燃機関の燃焼状態検出装置であって、
前記クランク角度検出手段で検出されるクランク角度に基づいて燃焼室の容積を算出する算出手段と、
前記算出された容積を含む演算式により前記内燃機関のモータリング圧力を推定する推定手段と、
前記内燃機関の圧縮行程において、前記筒内圧力検出手段で検出される圧力と、前記推定手段によって推定される圧力との誤差を最小にするよう前記演算式のパラメータを同定する同定手段と、
前記内燃機関の燃焼行程において、前記筒内圧力検出手段で検出される圧力と、前記推定手段によって推定される圧力との関係に基づいて燃焼状態を判定する判定手段と、
を備え、
前記同定手段は、推定される圧力値と検出された圧力との標準偏差を算出し、該標準偏差が予め定めた値以下のときは、推定される圧力値と検出された圧力の偏差が収束するとして、同定されたパラメータを採用するよう構成されている、燃焼状態検出装置。
前記演算式は、前記燃焼室中の気体の状態方程式であり、前記パラメータの同定は、吸気弁の閉鎖から燃焼行程に移行するまでの期間のクランク角度において実行される請求項１に記載の装置。
前記推定手段は、
前記算出手段により算出された燃焼室の容積に基づいてモータリング圧力を計算するモータリング圧力計算手段と、
前記同定手段により同定されるパラメータを用いてモータリング圧力を補正する補正手段を含む、請求項２に記載の装置。
前記判定手段は、前記内燃機関の失火を判定する請求項１から３のいずれかに記載の装置。
前記失火の判定は、推定された圧力と検出された圧力の比を所定値と比較することによって行われる、請求項４に記載の装置
内燃機関の燃焼行程において失火判定区間を設定するための判定ステージ設定手段を設け、該判定ステージは、内燃機関の運転状態に応じて変更する、請求項４に記載の装置。