JP4340285B2 - 燃焼異常指数を結合することにより内燃機関のミスファイヤを検出する方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関、特に自動車を駆動するエンジンのシリンダにおける空気燃料混合気のミスファイヤ（又は部分燃焼）を検出する方法に関するものであり、この方法は、有利にはエンジンの任意のシリンダにおけるこの混合気の各燃焼フェーズ中に、エンジンの動作異常を表す指数の計算を可能にするものである。

内燃機関における燃焼異常を診断することは有用である。なぜなら、燃焼異常はエンジンの動作に影響を与える可能性のある様々な障害を明らかにするからである。

特許明細書ＦＲ−Ａ−２．６８９ ９３４から、特にエンジンが中速及び高速で動作しているときのこのような診断を目的とする方法が公知である。この方法によれば、いずれか１つのシリンダにおける各燃焼フェーズ中に、クランクシャフトの所定の角度位置の間を隔てる時間差Δｔ_Ｉの集合が測定され、つづいてこの集合からの時間差の線形結合を用いて、この燃焼フェーズ中のエンジン（クランクシャフト）の回転数の変化を表す「クリティカルパラメータ」又は「指数」が計算され、ミスファイヤが生じているか否かを診断するために、この指数はデフォルト閾値と比較される。

また、ＦＲ−Ａ−２ ７１８ ４８９からは、ＦＲ−Ａ−２ ６８９ ９３４に記載されているものと同種ではあるが、上記の時間差を測定するために使用される「ターゲット」のジオメトリの変化による診断の撹乱が除去されるように改良された方法が公知である。

エンジン駆動の車両を不規則なジオメトリの表面で運転することから生じる動力の「支援」が診断を妨害せず、かつこれがこのような動力を検出する専用のセンサを使用することなく実現されるように改良した、同種の方法も公知である。

しかしながら、これまでに提案された解決手段は、エンジンにおける不完全燃焼を識別する機能としては受け入れ難い制約となる欠点を有している。

何よりもまず、燃焼フェーズ中のエンジン回転数の変化を表す指数の使用が実際に適切であるならば、高エンジン回転数時のミスファイヤを検出するのに最も適したパラメータは、振幅の大きな振動、雑音、及び、日常生活で車両を使用するときに一般にドライブトレインを介してクランクシャフトに伝達されるジャーキングに敏感であることは明らかである。

これらの撹乱は一般にはクラッチのジャーキング又は悪路での走行の結果である。これはいずれにせよ撹乱の強さによっては、特に低エンジン回転数時には、ミスファイヤの不適切な識別につながりうるものである。

逆に、低エンジン回転数時における検出によく適すると判明しているパラメータは、振幅の大きなこれらの振動に対してあまり敏感ではないが、高回転数時における燃焼の不在を特徴付ける回転数の変化に対する感度は低い。

これに対しては既に、エンジンの使用状態に応じて、つまり、日常の使用において、複数のパラメータから１つのパラメータを選択することが構想されている。しかし、この場合、これらの使用状態が変化する度に、診断法の一連の最初期化が必要となり、一時的にこの方法が使用できなくなることにつながり得る。振動又は過渡的な負荷状態が存在するときにエンジン回転数又は負荷の閾値の周りでこの一連の動作／再初期化が増えると、比較的長い期間にわたって診断が中断されることもあり得る。

さらに、場合によってヒステリシスを使用することはシステムの実際の実施可能性を制限し、キャリブレーションを複雑にしてしまう。

また、上で述べた従来の方法の「クリティカルパラメータ」又は「指数」、ならびにそれらを用いた検出アルゴリズムは、或る一定のエンジン負荷及び回転数条件の下でのみ及び／又は或るタイプの燃焼不良に対してのみ有効であると判明していることが注目される。実際には、その点については、不規則なミスファイヤと系統的なミスファイヤ（例えば同一のシリンダに影響する）と例えば異なる複数のシリンダに影響する一連の様々なミスファイヤとを区別することが可能である。

診断プロセスを増やすことによって、またその際に、各プロセスを特定のエンジン動作領域に適合させる又は１つの特定の診断撹乱原因をフィルタアウトすることによって、これらの欠点の解消が試みられるかもしれない。

しかし、このアプローチは、これらの診断プロセスの調整時間とこれらの複雑なプロセスを実行する際の計算時間の両方の点において負担が大きく、コスト高である。

したがって、本発明の課題は、上記の欠点を持たないミスファイヤ検出方法を提供すること、とりわけ、エンジン動作領域もしくは診断すべきミスファイヤの種類の如何に関わりなく、又は択一的に、実行すべき診断を撹乱する可能性のある原因の如何に関わりなく、燃焼不良の「普遍的」な検出法を提供することである。

本発明の枠内では、上記の課題のうちの少なくとも幾つかは以下のステップを有する方法により解決される：
ａ）少なくとも１つのシリンダにおける少なくとも幾つかの燃焼フェーズのあいだ、エンジンの動作のある時点（ｔ）において、エンジンの行程における動作異常を表す指数Ｉ（ｔ）の現在値を計算するステップと、
ｂ）エンジンが動作しているあいだ、時点（ｔ）における指数Ｉ（ｔ）の現在値に基づいて、同じ時点（ｔ）における監視関数Ｅ（ｔ）の現在値を

ｃ）Ｅ（ｔ）の現在値をエンジン負荷（Ｃ）及び／又はエンジン回転数（Ｎ）に依存する所定の閾値（Ｓ）と比較するステップと、
ｄ）Ｅ（ｔ）の値が前記閾値（Ｓ）を超えているときに、ミスファイヤと診断するステップとを有しており、
補足的な特記事項として、指数Ｉ（ｔ）は少なくとも２つの基本指数（Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３）の線形結合から計算されるものであり、前記基本指数の各々は所定のエンジン動作領域（ΔＣ，ΔＮ）におけるエンジンの動作異常を表しており、前記基本指数（Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３）は、前記線形結合において、ベンチテストされた参照エンジンにおいてほぼ同一の動作条件の下で得られた所定の関連性係数（α，β，γ）で重み付けされている。

さらに、有利には上記の特徴と組み合わせて、本発明の別の特徴は、各基本指数（Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３）に関連した動作領域（ΔＣ，ΔＮ）におけるエンジン動作異常の検出の信号対雑音比を上げるために、基本指数（Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３）をそれぞれ調整することを勧める。

また別の特徴によれば、関連性係数（α，β，γ）をエンジンの回転数（Ｎ）と負荷（Ｃ）との関数として作表することが賢明である。

このように、存在し得るどんな燃焼不良をも明らかにするため、特に車両使用者が遭遇する実際の運転状態を例証するエンジン動作を特徴付ける２つの要素（回転数及び負荷）が直接に考慮される。

指数Ｉ（ｔ）に関して実行される処理（計算）の種類に関しては、有利には以下のことが注目される：

５つのサイクルという数は４気筒エンジンに対するものであり、７２０°のクランク角に対応している。異なるエンジン構造に対しては、サイクルの最適な数はこの注を考慮して決められる。

本明細書では、「サイクル」という用語はシリンダの２つの「上死点後」（ＡＴＤＣ）の間を隔てる時間間隔に相当し、「上死点後」はガスが膨張する前のクランクシャフトの角度位置、すなわち、このエンジンのピストンとシリンダヘッドの頂点との間の最小距離に相当することに注意されたい。

以下では、添付図面を参照して本発明のより詳細な説明を行う。この添付図面は本発明による検出方法の１つの実施例を図式的に示すフローチャートである。

この図は、本発明による方法が従来と同じく位置センサ１により供給された信号を使用していることを示している。この位置センサ１は、例えば磁気抵抗式のものであり、内燃機関（図示せず）のアウトプットシャフトに固定された歯車２の歯又はターゲットの進みを感知する。

このように、角度位置センサ１は、クランクシャフトに固定された歯車２の正面にある固定のエンジン部分にしっかりと固定されている。一般に、歯車は一様な間隔をもった一連の歯と１つの特異な歯（例えば、３つの通常歯の幅に等しい幅を有する）を備えており、クランクシャフトに対する特異歯の絶対位置は完全に知られている。このセンサは、クランクシャフトの各回転について、各通常歯の進みに対応する角度位置に関するデータと特異歯の進みに対応する絶対位置情報とを含んだ信号Ｓｃを供給する。このデータは、このセンサに接続された電子処理手段において成形された後の一連のパルスから成っていてもよい。絶対位置データは上死点後の位置の決定を可能にする。カウンタは信号Ｓｃを受信し、所定の歯がセンサの前をそれぞれ通過するときの時間間隔を測定することにより時間差値Δｔ１，Δｔ２，…を供給する。これらの時間差は車載コンピュータのメモリに記録され、このコンピュータにより処理される。これらの計算手段は時間差値をサンプルΔｔ１，Δｔ２，…の集合にまとめるようにプログラムされており、これらのサンプルからクリティカルパラメータが計算される。

このように、センサ１により供給された信号は、成形された後、ステップ３において、特にミスファイヤから生じるエンジンの動作異常を表すクリティカルパラメータ又は指数を計算するために使用される。実際、この指数は、有利には２つの連続する上死点後の間の平均回転数に対する、サイクル内の選択された時点における瞬時エンジン回転数の変化、すなわち、燃焼フェーズ中の基準時点における瞬時エンジン回転数の変化を表している。

計算された指数は、センサ１により供給された信号を用いて有利にはエンジンの同一燃焼フェーズ中に又は連続するフェーズ中に記録されたエンジンクランクシャフトの所定の角度位置の間を隔てる時間差Δｔ_ｉ（ステップ４で得られる）の線形結合の形をとる。

指数は、例えば、所与のサイクルにおいて特に（ＡＴＤＣのような）燃焼時の考察時点におけるエンジントルクの推定値に相当するものであってよい。

このように、ステップ４において、また各サンプリング窓において、例えば基準位置の周りに角度分布した一連の時間差測定が、前記窓にわたるサンプルΔｔ_ｉの上記集合を得る目的で行われ、その後、当該指数を得るために、サンプルの各集合について、これら測定されたΔｔ_ｉ値の線形結合が求められる。

前記のフランス特許ＦＲ−Ａ−２ ６８９ ９３４の場合と同様に、この線形結合Ｉ_ｉは関係式Ｉ_ｉ（ｔ）＝−Δｔ_１−３Δｔ_２−２Δｔ_３＋２Δｔ_４＋３Δｔ_５＋Δｔ_６（ｉ＝１，２，…ｎ）により表すことができる。これは、ｔが歯車２の回転に要する時間に比例するパラメータである場合には、必要があれば、係数１／ｔ^３で重み付けされる。したがって、有利には各サイクルについて又は選択された一連のサイクルについて、燃焼中の特定の時点が監視され、簡単な線形結合により、その時点での瞬時回転数の変化を表すパラメータが求められる。

本発明によれば、エンジンの動作異常を表す指数Ｉ（ｔ）として、少なくとも２つの指数、例えばＩ_１（ｔ），Ｉ_２（ｔ），Ｉ_３（ｔ）のような「基本」指数の線形結合が使用される。なお、これらの「基本」指数の各々は、このエンジンの負荷Ｃの変化ΔＣと回転数Ｎの変化ΔＮの特定の範囲により定義される特定のエンジン動作領域に適合させてある。この適合は、各指数Ｉ_１（ｔ），Ｉ_２（ｔ），Ｉ_３（ｔ）に関連したエンジン動作領域において、実行すべき検出の信号対雑音比を最大化することを狙いとしている。

したがって、各基本指数について、クランクシャフトに固定された回転部材の所定の角度位置の間を隔てる時間差が測定され、つづいて、対応する基本指数がこれらの時間差から計算される。

本明細書の他の箇所で述べたような計算は、エンジン動作を管理する目的のためにしかるべくプログラムされた車載コンピュータにより実行することができる。

こうして、図１のフローチャートのステップ５では、車両が日常で使用されているときに、様々な指数Ｉ_１（ｔ），Ｉ_２（ｔ），Ｉ_３（ｔ），…，が計算される。指数は各々エンジン動作領域のうちの１つに適合させられており、この適合は、例えば、測定された時間間隔Δｔに対する特定の一連の重み付け係数を選択することにより行われる。

ステップ６では、本発明の有利な特徴に従って、「普遍的」指数の現在値Ｉ（ｔ）が、
Ｉ（ｔ）＝αＩ_１（ｔ）＋βＩ_２（ｔ）＋γＩ_３（ｔ）
のように計算される。ここで、α、β、γはメモリユニット（テーブル）７から取り出された「関連性」係数であり、メモリユニット７にはこれらの係数がエンジンの負荷Ｃと回転数Ｎの関数として格納されている。これらの係数は、Ｉ（ｔ）の表現式において、各基本指数に関連した動作領域（ΔＣ，ΔＮ）に対する実際のエンジン動作点（Ｃ，Ｎ）の近接度の大小に従って関連する指数を重み付けるために使用される。周知のように、負荷は従来のどんな手段（吸気マニホルドの負圧、空気流量など）によっても測定することができ、一方でエンジン回転数はエンジンの各回転について従来の手段を用いて記録することができる。

考慮される値の母集団はミスファイヤを伴った母集団とミスファイヤを伴わない母集団とを組み込んでおり、したがって、車両が移動しているときのエンジン動作の真の描像を得ることが可能である。

５つのサイクルの値は４気筒エンジンに対するものであり、７２０°のクランク角に対応している。異なるエンジン構造に対しては、サイクルの最適な数はこの注を考慮して決められる。

適切な電子フィルタで平均化及び／又はフィルタリングされた値から関数Ｅ（ｔ）を計算するために使用される値に対して行われる処理のタイプは、特に、考慮されるべき値の数と、計算値Ｅ（ｔ）の用い方とに依存する。

Ｉ（ｔ）を計算する際に考慮される値の数が大きい場合には、平均値を使用することが望ましい。

フィルタリングされた値を使用することによって、ある種の突飛なデータの問題を回避することもできる。特に、前記の突飛な値を除去すること、又は択一的に、それらの値の影響が無視できる程度になるようにそれらの値を重み付けすることが可能である。

添付した図に示されているように、ベンチで確立されたテーブル７（メモリユニット）により、車載コンピュータは、上で説明した指数Ｉ（ｔ）を計算するだけでなく、ステップ９において、Ｉ（ｔ）と同様に、少なくとも２つの基本指数Ｉ_ｉ（ｔ）の線形結合に相当する閾値Ｓを、Ｉ（ｔ）の場合に採用された線形結合の例を考慮して、
Ｓ＝αＩ_１＋βＩ_２＋γＩ_３
のように計算することもできる。

この関係式において、α、β、及びγは上で述べた関連性係数であり、ベンチテストの際のエンジン負荷Ｃ及びエンジン回転数Ｎに依存しており、Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３はテスト中のエンジンの動作時に選択された種々の時点において決定された指数Ｉの３つの値である。

ステップ１０では、Ｅ（ｔ）の値が、エンジン回転数Ｎとエンジン負荷Ｃの直接の関数である閾値Ｓと比較される。

本発明の目的を考慮すれば、Ｅ（ｔ）が閾値Ｓの値を超えることがその超過の時点においてミスファイヤ（ＲＣ）の発生に対応し、したがって診断が行われるように、閾値Ｓは決定される。

１つ又は複数のデフォルト閾値を定義してもよい。

そもそも、メモリユニット７は、このエンジンの動作領域における（各々の）様々なエンジン回転数とエンジン負荷に対して、テストベンチで決定された閾値のマップを含むことができる。したがって、このマップは、前述の時間差測定値（Δｔ_Ｉ）を考慮し、相応するクリティカル指数を計算し、さらにこれらの指数のうちの幾つかをメモリにデフォルト閾値として格納して、所定の回転数及び負荷において人為的に燃焼異常を発生させることにより前もって決定することができる。

各サイクルにおいて、車両が正常に走行している間（例えば、各上死点において）、現在のエンジン回転数と印加されている現在の平均負荷とが検出され、上記の比較が可能になるように、対応するデフォルト閾値がメモリユニット７から取り出される。

より詳細には、指数Ｉ（ｔ）の各計算の後に、例えば、センサ１に接続されたパルスカウンタと吸気圧センサとから受信したデータからエンジン回転数と負荷を求めるようにプログラムされた車載計算手段が、この回転数と負荷に対応する閾値をテーブル７のメモリから取出し、前記指数をこの閾値と比較するようにしてよい（ステップ１０）。閾値が超過された場合には、採るべき行動（アラーム、噴射器に対する処置など）を指示するために、障害情報を警告手段に供給するようにしてよい。

結論として、ある所定の時点において回転数Ｎ及び負荷Ｃにより決まるエンジンの動作状態に対応する基本指数（Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３）の線形結合のプロセスにより、
− 各動作点について、適切な重み付けにより得られる最良の指数を選択することにより燃焼不在を明らかにすること、
− 診断を撹乱せず、検出キャリブレーションを変更せずに、指数の様々な選択の間を緩やかに遷移すること、
− 特に指数に変化があったときの調整を含む、コンピュータにより実行される処理の線形性によって計算を制限することが可能であることが注目される。

また、本方法は路面の状態を示す補助センサの使用を回避し、現在の基準に即した検出を可能にすることにも注意されたい。

また、本方法は、エンジン動作状態が検出の感度と検出に使用される指数の頻繁な変化を要求するときでさえ、時間的に連続した診断もカバーすることができる。

調整時間も短縮される。選択された基本指数に基づいた各検出は、動作中の車両の動特性に関連した決定的な重み付けとは無関係に、（ベンチテストの際に）一定の回転数に関してただ一度だけキャリブレーションされることができる。

本発明による検出方法の１つの実施例を図式的に説明するフローチャートを示す。

Claims (6)

1. 内燃機関の任意のシリンダにおける燃料と支燃性物質との混合物のミスファイヤを検出する方法において、
   該方法は、
   ａ）少なくとも１つのシリンダにおける少なくとも幾つかの燃焼フェーズのあいだ、エンジンの動作のある時点（ｔ）において、エンジンの行程における動作異常を表す指数Ｉ（ｔ）の現在値を計算するステップと、
   ｂ）エンジンが動作しているあいだ、時点（ｔ）における指数Ｉ（ｔ）の現在値に基づいて、同じ時点（ｔ）における監視関数Ｅ（ｔ）の現在値を
   

   

   のように計算するステップと、ただし
   

   

   は前記時点（ｔ）とは異なる時点（ｔ±Δｔ）における指数Ｉ（ｔ）の推定値であり、前記時点（ｔ）とは異なる複数の時点における指数Ｉ（ｔ）の現在値の平均値として計算されるものであり、
   ｃ）Ｅ（ｔ）の現在値をエンジン負荷（Ｃ）及び／又はエンジン回転数（Ｎ）に依存する所定の閾値（Ｓ）と比較するステップと、
   ｄ）Ｅ（ｔ）の値が前記閾値（Ｓ）を超えているときに、ミスファイヤと診断するステップとを有しており、
   指数Ｉ（ｔ）は、エンジンの同一燃焼フェーズ中に又は連続するフェーズ中に記録されたエンジンクランクシャフトの所定の角度位置の間の時間差Δｔ _ｉ の線形結合である少なくとも２つの基本指数（Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３）の線形結合から計算されるものであり、前記基本指数の各々は所定のエンジン動作領域（ΔＣ，ΔＮ）におけるエンジンの動作異常を表しており、前記基本指数（Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３）は、前記線形結合において、ベンチテストされた参照エンジンにおいてほぼ同一の動作条件の下で得られた所定の関連性係数（α，β，γ）で重み付けされている、ことを特徴とするミスファイヤを検出する方法。
2. 前記関連性係数（α，β，γ）をエンジンの回転数（Ｎ）と負荷（Ｃ）との関数として作表する、請求項１記載の方法。
3. 前記基本指数（Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３）の各々に関連した動作領域（ΔＣ，ΔＮ）におけるエンジン動作異常の検出の信号対雑音比を上げるために、前記基本指数（Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３）をそれぞれ調整する、請求項１又は２記載の方法。
4. 

   請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
5. 

   請求項１から４のいずれか１項記載の方法。
6. 

   請求項１から５のいずれか１項記載の方法。

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