JP4340219B2 - 失火検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関（エンジン）の燃焼状態の検出技術に関し、より具体的にはエンジンの失火を検出する技術に関する。

近年、自動車のエミッション規制の強化に伴い、エンジンの失火によるHCの排出および触媒の劣化を抑制するため、失火を検知する精度を向上させることが求められている。

特許文献１には、エンジンの気筒内に圧力センサを設置し、圧力センサで検知される筒内圧力のTDC（上死点）の前後での非対称性に基づいて、失火の発生を検出することが記載されている。

特許文献２には、エンジンの気筒内に圧力センサを設置し、圧力センサで検知される値の積分値をしきい値と比較して失火の発生を検出することが記載されている。

特許文献３には、エンジンの気筒内に圧力センサを設置し、その出力に従って検出される筒内圧力と、基準燃焼状態について予め設定された筒内圧力との偏差を求め、この偏差に基づいて点火時期を補正することが記載されている。

特許文献１および２で利用している筒内圧力の積分値または筒内圧力の非対称性は、気筒の燃焼サイクルごとの燃焼変動の影響で変動する。低負荷時には正常燃焼の筒内圧力と失火時の筒内圧力との差が小さいので、失火判定が難しくなる。

特許文献３の技術は、運転条件ごとに予め設定された基準筒内圧力と観測された筒内圧力との偏差を利用する。筒内圧力のピーク値は、エンジンによってばらつきがあり、また経年変化により変化するので、失火検知の精度を高めることができない。
特開平１１−８２１５０号 実開昭６４−０１５９３７号 特開昭６０−１６６７３９号

エンジンの気筒で燃焼が生じないとき（失火時）であっても、気筒内の圧力は、ピストンの圧縮動作（モータリング）によって上昇する。エンジンが低負荷状態のときは、検出される圧力の大部分は、モータリングによる圧力であるので、正常燃焼と失火とを判別することが困難になる。このような低負荷状態において、気筒の失火を検出することを可能にする手法が望まれている。

この発明は、気筒内に設置した圧力センサの出力から燃焼によって生じた圧力成分を抽出し、この成分に基づいて燃焼状態の検出を行う。

この発明に係る失火検出装置は、一態様によると、エンジンの燃焼サイクルに同期した基準信号Fｃと、エンジンの気筒内に設けられた圧力センサの出力から求められる筒内圧力Pcとの相関である燃焼パラメータCrを求める手段と、前記燃焼パラメータCrの値に基づいてエンジンの失火を検出する検出手段と、を備える。

この発明によると、エンジンの燃焼サイクルに同期した基準信号とセンサ出力から得られる筒内圧力との相関として、筒内圧力から燃焼成分を示す燃焼パラメータを抽出し、これに基づいてエンジンの失火を検出するので、低負荷時であっても的確に失火を検出することができる。

この発明の一形態では、前記燃焼パラメータCrは、所定のレートで求められる筒内圧力の離散値Pc(i)と、これと同期する基準信号の離散値Fc(i)との積の和である。

また、この発明の具体的な形態では、前記筒内圧力の離散値Pc(i)は所定のクランク角度ごとに検出され、前記基準信号の離散値Fc(i)は、該所定のクランク角度ごとに用意されている。

この発明の一実施形態では、前記燃焼パラメータCrは、１燃焼サイクルごとまたは燃焼サイクルの整数倍ごとに算出される。また、前記燃焼パラメータCrが予め定めたしきい値より小さいとき、対応する１燃焼サイクルまたは整数倍の燃焼サイクルにおいて失火が生じたと判定する。

この発明のさらに具体的な形態では、失火検出装置は、前記燃焼パラメターCrの値をフィルタリング処理した基準パラメータCr_lsを算出する手段を有する。燃焼パラメータCrと基準パラメータCr_lsとの差が予め定めたしきい値より小さいとき、対応する燃焼サイクルにおいて失火が生じたと判定する。

また、この発明の一形態では、基準信号は、エンジンの回転数、負荷状態、および点火時期の少なくとも一つに応じてスケジュールされて記憶装置に格納されている。一実施形態では、基準信号はテーブルとして記憶装置に格納されいる。

次に図面を参照してこの発明の実施形態を説明する。まず、図２は失火検知手法における問題点を示す図である。横軸はクランク角度を示し、縦軸が気筒内の圧力を示す。波形Aは、気筒において燃焼が生じなかったときのピストンの動きによる圧縮圧力、すなわちモータリング圧力を示す。波形Bは、エンジンが低負荷で動作しているとき、正常に燃焼が生じた気筒の圧力を示す。この低負荷状態では、波形Bのピークは星印52で示す範囲で変動する。波形Cは、エンジンが高負荷で動作しているとき、正常に燃焼が生じた気筒の圧力を示す。この高負荷状態では、波形Cのピークは星印51で示す範囲で変動する。

従来の一般的な失火検知の手法の原理は、概ね次のようなものである。エンジンの負荷状態に応じて筒内圧力にしきい値を設け、圧力センサで検出される筒内圧力がしきい値に達しないとき、失火が生じたと判定する。図２では、高負荷状態におけるしきい値が一点鎖線57で示され、低負荷状態におけるしきい値が一点鎖線59で示されている。高負荷状態では、波形Cのピークの範囲51の下限としきい値59との間に矢印53で示す余裕があるので、失火の検出精度に信頼性があるが、低負荷状態では、波形Bのピーク範囲52の下限としきい値59との間には矢印55で示されるような小さな余裕しかないので、失火の検出精度に問題がある。

図３は、気筒内の圧力の関係を示す図である。燃焼が正常に生じたときの筒内圧力Pcは、燃焼が生じないときのモータリング圧力Pmと燃焼によって発生する圧力Pcombとの和に等しい。燃焼によって発生する圧力Pcombを検出することができれば、高負荷状態であっても、低負荷状態であっても、的確に失火を検知することができる。失火が発生したときは、Pcombが発生しないので、Pcombを見ることで失火を判定することができる。

そこで、この発明では、気筒内に設けられた圧力センサの出力を、たとえばクランク角15度ごとのように、クランク角に同期してサンプリングして得る筒内圧力の離散値Pc(i)に基づいて、燃焼によって生じた成分と相関のある燃焼パラメータCrを算出し、この燃焼パラメータCrに基づいて失火の検出をする。

このために、燃焼によって生じる気筒内の圧力Pcombをモデル化した基準信号Fcを予め用意する。図４は、そのような基準信号Fcの波形を示す。基準信号Fcは、クランク角に同期した離散値Fc(i)の集合で表され、テーブルとして記憶装置に格納されている。この発明の一実施形態では、筒内圧力センサで計測される筒内圧力Pc(i)と基準信号Fc(i)との相関関数を次の演算式により演算し、これを燃焼パラメータCrとする。

ここで、Nは、１サイクル中のサンプルデータの数であり、クランク角15度ごとにサンプリングするときは、１燃焼サイクルすなわちクランク角720度でのサンプルデータの数Nは、48である。

図５は、一般論としての2つの周期関数f1（実線で示すサイン曲線）およびf2（点線で示すサイン曲線）の相関関数の挙動を示す。信号f1、f2の周期の整数倍以外の区間（無限区間を含む）で相関関数を算出すると、図５(A)に示すように相関関数Fは、周期的な挙動を示す。一方で、２つの周期関数の周期の整数倍の有限区間で相関関数を算出すると、図５(B)に示すように、相関関数Fは一定値になる。

そこで、この発明の一実施形態では、失火検知判定処理の扱いを簡単化するため、燃焼パラメータCrが一定になるよう、燃焼サイクルの整数倍の区間、具体的には１サイクル区間、で燃焼パラメータCrを算出する。

図１は、この発明の一実施例のシステムの機能ブロック図である。筒内圧力センサ11は、自動車のエンジンの気筒内に設けられた圧力センサである。筒内圧力センサ11の出力信号は、電子制御ユニット（ECU、Electronic Control Unit）20に入力される。電子制御ユニット20は、基本的にはコンピュータであり、中央演算装置（CPU）、CPUに作業領域を与え、データの一時記憶を行うランダムアクセスメモリ（RAM）、およびコンピュータ・プログラムおよびデータを格納する読み取り専用メモリ（ROM）を備えている。図１では、電子制御ユニットをこの発明を実施する上での機能ブロックで示してある。

筒内圧力センサ11の出力信号は、電子制御ユニット20の入出力インタフェース21を介してサンプリング部23に渡され、クランク角15度ごとにサンプリングされてディジタル化され、離散値Pc(i)として相関演算部29に渡される。電子制御ユニット20のROMには、周期関数である基準信号Fcのクランク角15度ごとの離散値が基準信号テーブル25として格納されている。基準信号離散値生成部27は、基準信号テーブル25から基準信号の離散値を読み出して、離散値Fc(i)をクランク角に同期して相関演算部29に渡す。

相関演算部29は、先に示した数式(1)に従って燃焼パラメータCrを算出し、これを失火判定部33に送る。失火判定部33は、燃焼パラメータCrを予め定められたしきい値と比較し、Crの値がしきい値より小さいとき、失火が生じたと判定する。

図６は、この関係を示す波形図で、上段の波形が筒内圧力センサ11で検出される筒内圧力Pcの波形であり、中段の波形が基準となる基準信号Fcの波形を示す。下段の波形が燃焼パラメータCrの波形であり、筒内圧Pｃの波形に示す失火の発生箇所において、Crの値がしきい値より小さくなっていることが見られる。

次に図７を参照して、この発明の第２の実施例を説明する。図１と同じ構成要素は同じ参照番号で示している。燃焼によって生じる筒内圧力成分Pcomb（図３）は、負荷によって変化する運転条件によって値が変化するので、失火検知の精度を高めるには、運転条件に応じて失火判定のためのしきい値を変化させる必要が生じる。

この実施例では、失火判定のしきい値は一定に維持し、燃焼パラメータCrを加工することによって、この問題に対応する。エンジンの負荷条件は、隣接する燃焼サイクルにおいてはほぼ同一であるので、正常燃焼が生じているときの燃焼パラメータCrは、隣接する燃焼サイクルにおいて大きな変化がないことに着目し、以下のようなフィルタリング処理（逐次型最小２乗法、固定ゲイン法）により、失火判定のための基準パラメータCr_lsを算出する。

図７を参照すると、フィルタリング部31は、相関演算部29から燃焼パラメータCrを受け取り、数式(2)に従って、基準パラメータCr_lsを算出し、失火判定部33に渡す。失火判定部33は、判定パラメータDcr(k) = Cr(k) − Cr_ls(k)を算出し、この値が判定しきい値より小さいとき、失火が生じたと判定する。

図８は、これらのパラメータの関係を波形図で示している。図８の一段目の波形は、筒内圧力センサ11の出力から得られる筒内圧力Pcの波形であり、二段目の波形は、基準となる基準信号Fcの波形である。３段目は、燃焼パラメータCrの波形と、これをフィルタリング処理した基準パラメータCr_lsの波形を示す。四段目の波形は、判定パラメータDcrを示し、この値がしきい値より小さいとき、最後の段に見られるように失火の発生を示す失火フラグF_misfが立てられる。

以上の説明では、基準信号Fcとして固定の関数を使うとしたが、次に述べるように基準信号Fcを、エンジン回転数、運転負荷、点火時期などに応じてスケジューリングすることにより、失火検知の精度を向上させることができる。気筒内の燃焼によって生じる圧力成分Pcomb（図３）は、エンジン負荷や回転数に応じてその時系列的形状を変える。たとえば、低回転では、筒内流動の低下により燃焼期間が長くなり、中回転では、流動の向上により燃焼期間が短くなる。また、高回転では、１サイクルの絶対時間が短くなるため、見かけ上、すなわちサンプリングのベースとなるクランク角の観点からは燃焼期間が長くなる。さらに、点火時期が遅角すると、燃焼による筒内圧Pcombの発生タイミングが遅れ、ピーク値も減少する。また、負荷（吸気量）が増大すると、燃焼する混合気が増大するため、燃焼期間が長くなり、Pcombのピーク値が大きくなる。

以上のようなことから、この発明の一実施例では、燃焼による筒内圧力Pcombをモデル化した基準信号Fcは、図９に示すように、エンジンの回転数、運転負荷、および点火時期の遅角の度合いに応じて変える。図９(a)は、エンジン回転数が2000rpm未満のときの負荷状態および遅角の度合いに応じた基準信号Fcの変化を示している。同様に、図９(b)は、エンジン回転数が2000から4000rpmのときの基準信号Fcの変化を、図９(c)は、エンジン回転数が4000rpmを超えるときの基準信号Fcの変化を示している。このようなFcの値は、予め設定され、基準信号テーブル25としてECU20のROMに格納されている。基準信号離散値生成部27は、エンジン回転数、負荷状態（たとえば吸入空気量で示される）、および点火時期の遅角の度合い（ECU20の点火時期制御機能によって示される）に応じて基準信号テーブル25から該当する基準信号の離散値を読み出して、相関演算部29に渡す。

先に示した図８は、Fcにスケジューリングを適用しない場合で、四段目の判定パラメータDcrの波形図に見られるように、失火が発生した箇所においても、Dcrと判定しきい値との余裕が小さい状態が生じている。図10は、Fcにスケジューリングを適用した場合の図８に対応する波形図であり、判定パラメータDcrとしきい値との間に十分が余裕が生じている。

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はない。

この発明の一実施例の装置の機能ブロック図。 失火検知の問題点を示すための筒内圧力の波形図。 筒内圧力の成分を示す波形図。 燃焼によって生じる圧力Pcombをモデル化した基準信号の波形図。 ２つの周期信号の相関関数Fの波形を示す図。 筒内圧力Pc、基準信号Fcおよび燃焼パラメータCrの関係を示す波形図。 この発明の第２の実施例の装置の機能ブロック図。 第２の実施例にしたがって、基準パラメータCr_lsを求め、さらに判定パラメータDcrを求めて、失火の判定をする状態を示す波形図。 基準とする基準信号Fcを、エンジン回転数、エンジン負荷、点火時期の遅角の度合いに応じてスケジュールする状態を示す波形図。 Fcをスケジュールしたときの図８に対応する波形図。

符号の説明

１１ 筒内圧力センサ
２０ ECU
２９ 相関演算部
３３ 失火判定部

Claims (7)

1. エンジンの気筒の燃焼サイクルに同期した、気筒における燃焼によって生じる、モータリング圧力を含まない圧力成分をモデル化した基準信号と、エンジンの気筒内に設けられた圧力センサの出力から求められる筒内圧力との相関に基づく燃焼パラメータを求める手段と、
   前記燃焼パラメータに基づいてエンジンの失火を検出する検出手段と、
   を備え、前記燃焼パラメータは、クランク角度に同期して検出される前記筒内圧力の離散値Pc(i)と、これと同期する前記基準信号の離散値Fc(i)との積の和である、エンジンの失火検出装置。
2. 前記基準信号の離散値Fc(i)は、該所定のクランク角度ごとに用意されている、請求項１に記載の失火検出装置。
3. 前記燃焼パラメータは、１燃焼サイクルごとまたは燃焼サイクルの整数倍ごとに算出される、請求項２に記載の失火検出装置。
4. 前記燃焼パラメータが予め定めたしきい値より小さいとき、対応する１燃焼サイクルまたは燃焼サイクルの整数倍において失火が生じたと判定する、請求項３に記載の失火検出装置。
5. 前記燃焼パラメータの値をフィルタリング処理した基準パラメータを算出する手段を有する請求項１に記載の失火検出装置。
6. 前記燃焼パラメータと前記基準パラメータとの差が予め定めたしきい値より小さいとき、対応する燃焼サイクルにおいて失火が生じたと判定する請求項５に記載の失火検出装置。
7. 前記基準信号は、エンジンの回転数、負荷状態、および点火時期の少なくとも一つに応じてスケジュールされて記憶装置に格納されている、請求項１に記載の失火検出装置。

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