JP4243600B2 - 内燃機関の燃焼状態判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室内における混合気の燃焼状態を判定する燃焼状態判定装置に関し、特に燃焼室内の圧力変動を検出することにより、燃焼状態を判定するものに関する。

特許文献１には、燃焼室内の圧力（筒内圧）を検出する筒内圧センサを設け、筒内圧センサにより検出される筒内圧に基づいて、燃焼状態を判定する装置が示されている。この装置によれば、膨張行程における上死点後３０度のタイミングでの筒内圧と、圧縮行程における下死点後３０度のタイミングでの筒内圧との差圧が算出され、この差圧が所定レベルを超えると正常燃焼と判定され、差圧が所定レベルを下回ったときは、失火と判定される。

特開平１０−２３１７４０号公報

上記従来の装置では、失火判定のための所定レベルが固定されているため、機関運転状態が変化すると、誤判定が起きやすいという課題、あるいは筒内圧センサの特性ばらつきにより、所定レベルが不適切なものとなって誤判定し易いという課題があった。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、機関運転状態の変化や筒内圧センサの特性ばらつきの影響を除いて、正確な燃焼状態の判定を行うことができる内燃機関の燃焼状態判定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）の燃焼室内の圧力変動を検出する圧力変動検出手段（２）を備え、該圧力変動検出手段（２）により検出される圧力変動値（ｄｐｄθ）に基づいて、前記燃焼室内の混合気の燃焼状態を判定する内燃機関の燃焼状態判定装置において、前記圧力変動検出手段（２）により検出された前回の圧力変動値の最大値（ｄｐｄθｍａｘ(k-1)）に「１」より小さい所定値（α）を乗算することにより閾値（ＤＰＴＨ(k)）を算出する閾値算出手段と、検出される圧力変動値の最大値（ｄｐｄθｍａｘ(k)）を、前記閾値算出手段により算出された閾値（ＤＰＴＨ(k)）と比較し、検出される圧力変動値の最大値（ｄｐｄθｍａｘ(k)）が前記閾値（ＤＰＴＨ(k)）以下となったエラー回数（ＣＥＲＲ）及び前記比較の実行回数（Ｎ０）を計数する計数手段とを備え、該計数手段により計数されたエラー回数（ＣＥＲＲ）の前記実行回数（Ｎ０）に対する比率（ＲＥＲＲ）が所定基準値（ＲＥＲＴＨ）以上となったとき失火が発生していると判定することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、圧力変動検出手段により検出された前回の圧力変動値の最大値に「１」より小さい所定値を乗算することにより閾値が出され、この閾値と、検出される圧力変動値の最大値とが比較され、検出される圧力変動値の最大値が閾値以下となったエラー回数及び比較の実行回数が計数される。そして、計数されたエラー回数の比較実行回数に対する比率が所定基準値以上となったとき失火が発生していると判定される。前回の圧力変動値の最大値に基づいて算出される閾値には、機関運転状態の変化や圧力変動検出手段を構成するセンサの特性ばらつきの影響が反映されるので、この閾値と圧力変動値とを比較することにより、正確な燃焼状態の判定を行うことができる。またエラー回数の比率は、図示平均有効圧の変動率（Ｐｍｉ変動率）と相関があり、Ｐｍｉ変動率を算出する場合に比べて演算負荷の増加を抑制しつつ正確な判定を行うことができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。４気筒を有する内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、シリンダ内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒に燃料噴射弁６が設けられている。

エンジン１の各気筒には、筒内圧（燃焼圧力）を検出する筒内圧センサ２が設けられている。本実施形態では、筒内圧センサ２は、各気筒に設けられるグロープラグと一体に構成されている。筒内圧センサ２の検出信号は、ＥＣＵ４に供給される。なお、筒内圧センサ２の検出信号は、実際には、筒内圧ＰＣＹＬのクランク角度（時間）に対する微分信号に相当するものであり、筒内圧ＰＣＹＬは、筒内圧センサ出力を積分することにより得られる。

またエンジン１には、クランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ３が設けられている。クランク角度位置センサ３は、クランク角１度毎にパルスを発生し、そのパルス信号はＥＣＵ４に供給される。クランク角度位置センサ３は、さらに特定気筒の所定クランク角度位置で気筒識別パルスを生成して、ＥＣＵ４に供給する。

ＥＣＵ４には、エンジン１により駆動される車両のアクセルペダルの操作量ＡＰを検出するアクセルセンサ３３、エンジン１の冷却水温ＴＷを検出する冷却水温センサ３４、及びエンジン１の吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ３５が接続されており、これらのセンサの検出信号がＥＣＵ４に供給される。

ＥＣＵ４は、エンジン１の各気筒の燃焼室に設けられた燃料噴射弁６の制御信号を駆動回路５に供給する。駆動回路５は、燃料噴射弁６に接続されており、ＥＣＵ４から供給される制御信号に応じた駆動信号を、燃料噴射弁６に供給する。これにより、ＥＣＵ４から出力される制御信号に応じた燃料噴射時期において、前記制御信号に応じた燃料噴射量だけ燃料が、各気筒の燃焼室内に噴射される。

ＥＣＵ４は、増幅器１０と、Ａ／Ｄ変換部１１と、パルス生成部１３と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１４と、ＣＰＵ１４で実行されるプログラムを格納するＲＯＭ（Read Only Memory）１５と、ＣＰＵ１４が演算結果などを格納するＲＡＭ（Random Access Memory）１６と、入力回路１７と、出力回路１８とを備えている。筒内圧センサ２の検出信号は、増幅器１０に入力される。増幅器１０は、入力される信号を増幅する。増幅器１０により増幅された信号は、Ａ／Ｄ変換部１１に入力される。また、クランク角度位置センサ３から出力されるパルス信号は、パルス生成部１３に入力される。

Ａ／Ｄ変換部１１は、バッファ１２を備えており、増幅器１０から入力される筒内圧センサ出力をディジタル値（以下「圧力変化率」という）ｄｐｄθに変換し、バッファ１２に格納する。より具体的には、Ａ／Ｄ変換部１１には、パルス生成部１３から、クランク角１度周期のパルス信号（以下「１度パルス」という）ＰＬＳ１が供給されており、この１度パルスＰＬＳ１の周期で筒内圧センサ出力をサンプリングし、ディジタル値に変換してバッファ１２に格納する。

一方、ＣＰＵ１４には、パルス生成部１３から、クランク角６度周期のパルス信号ＰＬＳ６が供給されており、ＣＰＵ１４はこの６度パルスＰＬＳ６の周期でバッファ１２に格納されたディジタル値を読み出す処理を行う。すなわち、本実施形態では、Ａ／Ｄ変換部１１からＣＰＵ１４に対して割り込み要求を行うのではなく、ＣＰＵ１４が６度パルスＰＬＳ６の周期で読出処理を行う。

入力回路１７は、各種センサの検出信号をディジタル値に変換し、ＣＰＵ１４に供給する。なお、エンジン回転数ＮＥは、６度パルスＰＬＳの周期から算出される。

図２は、失火判定を行う処理のフローチャートであり、この処理はクランク軸が１８０度回転する毎に、ＣＰＵ１４で実行される。

ステップＳ１１では、点火気筒における圧力変化率ｄｐｄθの最大値（以下「最大圧力変化率」という）ｄｐｄθｍａｘの前回値ｄｐｄθｍａｘ(k-1)に所定値α（例えば０．６）を乗算することにより、判定閾値ＤＰＴＨ(k)を算出する。最大圧力変化率ｄｐｄθｍａｘ(k)は、図示しない処理において、膨張行程にある気筒の筒内圧センサ２の出力信号から得られる圧力変化率ｄｐｄθをモニタすることにより算出される。ここで「ｋ」は、燃焼サイクル（クランク軸が７２０度回転するのに要する期間）で離散化した離散化時刻を示す。
ステップＳ１２では、判定閾値の今回値ＤＰＴＨ(k)から前回値ＤＰＴＨ(k-1)を減算することにより、閾値変化量ＤＤＰＴＨを算出する。

ステップＳ１３では、閾値変化量ＤＤＰＴＨの絶対値が所定変化量ＤＤＰＬＭＴより大きいか否かを判別する。その答が否定（ＮＯ）であるときは直ちにステップＳ１７に進み、肯定（ＹＥＳ）であるときは、閾値変化量ＤＤＰＴＨが「０」より大きいか否かを判別する（ステップＳ１４）。ＤＤＰＴＨ＞０であるときは、判定閾値ＤＰＴＨ(k)を、前回値ＤＰＴＨ(k-1)に所定変化量ＤＤＰＬＭＴを加算した値に設定する（ステップＳ１５）。一方ＤＤＰＴＨ＜０であるときは、判定閾値ＤＰＴＨ(k)を、前回値ＤＰＴＨ(k-1)から所定変化量ＤＤＰＬＭＴを減算した値に設定する（ステップＳ１６）。ステップＳ１２〜Ｓ１６により、判定閾値ＤＰＴＨの急変が防止される。

ステップＳ１７では、最大圧力変化率ｄｐｄθｍａｘ(k)が判定閾値ＤＰＴＨ(k)より大きいか否かを判別する。この答が肯定（ＹＥＳ）であるときは直ちにステップＳ１９に進み、否定（ＮＯ）であるとき、すなわち最大圧力変化率ｄｐｄθｍａｘ(k)が判定閾値ＤＰＴＨ(k)以下であるときは、エラーカウンタＣＥＲＲを「１」だけインクリメントして（ステップＳ１８）、ステップＳ１９に進む。

ステップＳ１９では、演算カウンタｎを「１」だけインクリメントし、次いで演算カウンタｎの値が所定値Ｎ０（例えば１０）に達したか否かを判別する（ステップＳ２０）。最初はこの答は否定（ＮＯ）となるので、直ちに本処理を終了する。

その後演算カウンタｎの値が、所定値Ｎ０に達すると、ステップＳ２０からステップＳ２１に進み、下記式によりエラー率ＲＥＲＲを算出する。
ＲＥＲＲ＝ＣＥＲＲ／Ｎ０
ステップＳ２２では、エラー率ＲＥＲＲが所定基準値ＲＥＲＴＨ（例えば０．１）以上であるか否かを判別し、ＲＥＲＲ＜ＲＥＲＴＨであるときは正常と判定する（ステップＳ２４）。一方、エラー率ＲＥＲＲが所定基準値ＲＥＲＴＨ以上となったときは、失火が発生していると判定する（ステップＳ２３）。

図３は、圧力変化率ｄｐｄθの推移を示す波形図（タイムチャート）であり、同図に示す実線が最大圧力変化率ｄｐｄθｍａｘを示し、破線が最大圧力変化率ｄｐｄθｍａｘの前回値から算出される判定閾値ＤＰＴＨを示す。同図（ａ）は失火が全く発生していないときの波形が示されており、同図（ｂ）に示す例では、時刻ｔｅｒにおいて、最大圧力変化率ｄｐｄθｍａｘが判定閾値ＤＰＴＨを下回るため、エラーカウンタＣＥＲＲがインクリメントされる。

図４は、図示平均有効圧の変動率（以下「Ｐｍｉ変動率」という）ＲＤＰＭと、図２のステップＳ２０で算出されるエラー率ＲＥＲＲとの関係を示す図であり、Ｐｍｉ変動率ＲＤＰＭの増加に伴ってエラー率ＲＥＲＲがほぼ直線的に増加する。したがって、筒内圧センサ出力からＰｍｉ変動率を算出することに代えて、エラー率ＲＥＲＲを算出することにより、エンジン１の各気筒における燃焼状態を比較的正確に判定することができる。Ｐｍｉ変動率ＲＤＰＭの算出は、ＣＰＵ１４の演算負荷をかなり増加させるので、Ｐｍｉ変動率ＲＤＰＭに代えてエラー率ＲＥＲＲを用いて燃焼状態（失火）の判定を行うことにより、ＣＰＵ１４の演算負荷の増加を抑制しつつ正確な判定を行うことが可能となる。

以上詳述したように本実施形態では、最大圧力変化率の前回値ｄｐｄθｍａｘ(k-1)に「１」より小さい所定値αを乗算することにより、判定閾値ＤＰＴＨ(k)が算出され、この判定閾値ＤＰＴＨ(k)を用いてエンジンの燃焼状態が判定される。具体的には、最大圧力変化率ｄｐｄθ(k)が判定閾値ＤＰＴＨ以下であるとき、エラーカウンタＣＥＲＲがインクリメントされ、図２の処理の実行回数を示す演算カウンタｎの値が所定値Ｎ０に達すると、エラー率ＲＥＲＲが算出され、エラー率ＲＥＲＲが所定基準値ＲＥＲＴＨ以上であるとき、失火が発生していると判定される。したがって、エンジン運転状態の変化や筒内圧センサ２の特性ばらつきの影響が判定閾値ＤＰＴＨ(k)に反映され、正確な燃焼状態の判定を行うことができる。

本実施形態では、筒内圧センサ２及びＥＣＵ４よって燃焼状態判定装置が構成される。具体的には、筒内圧センサ２が圧力変動検出手段に相当し、図２のステップＳ１１〜Ｓ１６が閾値算出手段に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、所定値Ｎ０の設定例として「１０」を示したが、「１０」より大きな数（例えば「１００」、あるいは「１０」から「１００」の間の値）に設定してもよい。所定値Ｎ０の値を大きくするほど、判定結果を得るまでの時間が長くなるが、判定精度を向上させることができる。

また上述した実施形態では、４気筒のディーゼル内燃機関の例を示したが、これに限るものではなく、気筒数の異なるディーゼル内燃機関、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジン、またはガソリン内燃機関などの燃焼状態判定にも適用が可能である。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 燃焼状態（失火）の判定を行う処理のフローチャートである。 筒内圧センサにより検出される圧力変化率の推移を示すタイムチャートである。 Ｐｍｉ変動率（ＲＤＰＭ）と、図２の処理で算出されるエラー率（ＲＥＲＲ）との関係を示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 筒内圧センサ（圧力変動検出手段）
３ クランク角度位置センサ
４ 電子制御ユニット（閾値検出手段）
６ 燃料噴射弁

Claims (1)

1. 内燃機関の燃焼室内の圧力変動を検出する圧力変動検出手段を備え、該圧力変動検出手段により検出される圧力変動値に基づいて、前記燃焼室内の混合気の燃焼状態を判定する内燃機関の燃焼状態判定装置において、
   前記圧力変動検出手段により検出された前回の圧力変動値の最大値に「１」より小さい所定値を乗算することにより閾値を算出する閾値算出手段と、
   検出される圧力変動値の最大値を、前記閾値算出手段により算出された閾値と比較し、検出される圧力変動値の最大値が前記閾値以下となったエラー回数及び前記比較の実行回数を計数する計数手段とを備え、
   該計数手段により計数されたエラー回数の前記実行回数に対する比率が所定基準値以上となったとき失火が発生していると判定することを特徴とする内燃機関の燃焼状態判定装置。

Images