JP4555125B2

JP4555125B2 - 内燃機関の燃焼状態検出装置

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Publication number: JP4555125B2
Application number: JP2005062079A
Authority: JP
Inventors: 修介赤崎; 英生右田; 秀行沖
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-03-07
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2025-03-07
Also published as: JP2006242146A

Description

この発明は、内燃機関の燃焼状態を検出する技術に関する。

燃料性状によって、点火時期に対する混合気の燃焼開始時点が異なることに着目した技術として、特許文献１には、筒内圧力センサを用い、点火時期と筒内圧との関係から燃料性状を判別することが記載されている。この文献には、最終点火時期から筒内圧力がピークに達するまでの時間に基づいてガソリンへのたとえばアルコールなどの異種燃料の混合割合を算出し、点火時期を補正することが記載されている。
実公平7-10057号

上記の従来技術では、点火時期と筒内圧がピークに達する時期とによって燃料性状が判別されるが。しかし、燃料の性状によって、イグニションの点火時点から実際に混合気に着火するまでの時間は異なり、さらに空燃比、筒内温度などに応じて着火時点から筒内圧がピークに達するまでの時間が変動するので、燃料の性状判別の精度は疑わしい。

このように、燃料性状判別の精度を向上させる必要性が存在している。また、諸々の用途のために内燃機関の気筒における燃焼により生じる有効筒内圧力を精度よく求める必要性が存在している。

この発明は、一形態（請求項１）では、燃焼状態検出装置は、内燃機関（エンジン）の燃焼室に設けられた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、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、を備える。この燃焼状態検出装置は、さらに、内燃機関の圧縮行程から燃焼行程に至る期間において、前記筒内圧力検出手段に基づいて検出される圧力と前記推定手段により推定されるモータリング圧力との差が所定値を超える時点を、燃焼開始時点として検出する燃焼開始時点検出手段を備えている。

この発明によると、混合気の燃焼開始時点を的確に検出することができる。

この発明の一形態（請求項２）による燃焼状態検出装置は、点火時点と燃焼開始時点に基づいて、混合気の着火遅れ時間を算出し、この着火遅れ時間に基づいて混合気に含まれる燃料の性状を判定する性状判定手段をさらに備える。

この形態によると、燃料の性状を精度よく判定することができる。

さらに、この発明の一形態（請求項３）による燃焼状態検出装置では、燃料の性状を判定する手段は、着火遅れ時間をしきい値と比較して燃料の性状を判定し、このしきい値は、内燃機関の始動時とその他の時期とで異なる値をとる。こうすることにより、的確に燃料の性状を判定することができる。

また、この発明のもう一つの形態（請求項４）による装置は、クランク角度に基づいて、内燃機関の燃焼室の容積を算出する容積算出手段を備える。この装置は、さらに、筒内圧力検出手段の出力を所定クランク角度ごとにサンプリングして得られる筒内圧力と、所定クランク角度ごとにモータリング圧力推定手段によって推定されるモータリング圧力との差を求め、この差と、容積算出手段により算出される容積とに基づいて、燃焼により発生する有効筒内圧力を算出する手段を備える。

この形態によると、エンジンの気筒において燃焼によって生じる有効圧力を精度よく求めることができる。

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。

最初に図２を参照して、この発明で行う失火判定の原理を説明する。図２は、クランク角度-180度から180度の領域における気筒の燃焼室の圧力を示しており、およそクランク角度-180度から０度の範囲が圧縮行程であり、０度から180度までが膨張（燃焼）行程である。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、筒内圧力検出手段（図１の筒内圧力センサ１２）の検出出力を補正する補正式のパラメータを同定する。黒色のドット５は、筒内圧力センサ１２による検出出力を示す。筒内圧力センサ１２は、エンジンの燃焼室という過酷な環境に置かれており、温度の影響、経年変化などによって特性が変化する。この発明では、筒内圧力センサ１２の検出出力がほぼモータリング圧力の曲線１上にくるよう、検出出力を補正する。こうして補正された検出出力を白色のドット７で示す。

検出出力の補正は、筒内圧力センサの検出出力PS(θ)に、補正式 PS = PS(θ)k₁ + C₁ を適用することによって行われる。k₁は補正係数であり、C₁ は定数である。この補正式の２つのパラメータk₁およびC₁は、圧縮行程の、たとえば図２に”a”で示す期間において、モータリング圧力の推定値PMと、筒内圧力センサの検出出力を上述の補正式によって補正した値PSとの差(PM - PS)の二乗が最小になるよう、最小二乗法により演算して算出される。

次いで、燃焼（膨張）行程において混合気の燃焼開始後、たとえば図２に”b”で示す期間において、筒内圧力センサ１２の出力を補正して得られる検出出力７（白色のドット）と、状態方程式で算出されるモータリング圧力PM（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、PS/PM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、サンプル値をセンサ出力検出部１５に渡す。

センサ出力補正部１７は、上述の補正式 PS = PS(θ)k₁ + C₁ に従って、センサ出力PS(θ)を補正する。センサ出力補正部１７は、クランク角１５度ごとに補正されたセンサ出力値PS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8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。

一般に燃焼室の状態方程式は、次の（３）式で表されることが知られている。

(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、Cは定数である。

この発明の第１の実施形態では、燃焼室の気体状態方程式に基づくモータリング圧力推定値として、たとえばセンサ取り付け部の温度変化等の影響を受けない水晶圧電式の圧力センサを用いて燃焼室の圧力を実測し、この実測値を（３）式と対応させることにより算出されたｋの値ｋ₀およびＣの値Ｃ₀を求め、これを（３）式に代入して得られる次の（４）式を用いてモータリング圧力を推定する。

モータリング圧力推定部２０は、基本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。基本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を計算する。モータリング圧力補正部２２は、上述のようにして予め求められているパラメータk₀およびC₀を用いて、基本モータリング圧力を補正する。このパラメータk₀およびC₀は、吸気管圧力またはエンジン回転するなどエンジンの負荷状態を表すパラメータに従って参照することができるテーブルとして用意されている。

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PMとセンサ出力補正部１７が出力する筒内圧力センサ１２に基づく筒内圧力PSとの誤差(PM-PS)が最小になるよう、最小二乗法によりセンサ出力を補正する補正式のパラメータk₁およびC₁を同定する。センサ出力検出部１５は、たとえば10kHz分の１の周期で圧力センサの出力をサンプリングし、クランク角度に同期したタイミングでサンプル値の平均値をセンサ出力値PD(θ)として、パラメータ同定部２３に渡す。パラメータ同定部２３は、気筒の圧縮行程において補正式のパラメータを同定する演算を実行する。モータリング圧力補正部から得られるクランク角度に応じたモータリング圧力推定値PM(θ)と、同じクランク角度におけるセンサ出力値PD(θ)に補正式PS = PD(θ)k₁ + C₁ を適用した値PSとの差の二乗、すなわち（PM(θ) - PD(θ)k₁ - C₁）² が最小になる k₁ および C₁を既知の最小二乗法により求める。

PMの離散値をy(i)で表し、筒内圧力センサから得られる筒内圧力PDのサンプル値（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までの値であり、たとえば10としてもよい。

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。

補正部１７は、こうして同定されたパラメータを用いてセンサ出力PD（θ）を補正する。補正された所定クランク角（たとえば15度）ごとのセンサ出力PS（θ）が燃焼圧力検出部４１に渡される。補正部１７を省略し、センサ出力検出部１５が出力する所定クランク角度ごとの出力PD（θ）をそのままセンサ出力PS（θ）として使用してもよい。

燃焼圧力検出部４１は、エンジンの気筒において混合気が燃焼する際の純粋に燃焼によって生じる圧力PC（θ）を算出する。図２を参照すると、筒内圧力センサ１２の出力に基づいて検出される圧力PS（θ）（曲線３）は、燃焼がないときの気筒圧力であるモータリング圧力PM（θ）に、燃焼によって生じる圧力PC（θ）を加算したものになっている。したがって、PC（θ）= PS（θ）- PM（θ）の演算式によりPC（θ）を算出することができる。

図４を参照すると、燃焼開始時点検出部４３は、吸入空気圧力PBをパラメータとするテーブルから燃焼開始ポイントを判定するための判定値DP_Cを検索し（S101）、上記のようにして算出された燃焼圧力PC（θ）(S103)がこの判定値を超えると（S105）、着火フラグを１にセットする(S105)。混合気の燃焼開始時点付近では、算出される燃焼圧力PC（θ）が振動するので、最初にPC（θ）が判定値を超えたときのクランク角度を着火時点として用いることにし、この角度をθ_DLY_bsで表す(S111)。

図１の着火遅れ算出部４５は、点火プラグに点火したクランク角度IG （θ）から着火時点θ_DLY_bsを引き算して着火遅れD_θ_DLY(n)を算出する（図４、S113）。この着火遅れが予め定めた最大値より大きいときは（S115）、最大値を平均値算出のためのパラメータD_θ_DLY_IG(n)に設定する(S123)。着火遅れD_θ_DLY(n)が予め定めた最小値より小さいときは（S117）、最小値をパラメータD_θ_DLY_IG(n)に設定する(S121)。着火遅れD_θ_DLY_(n)が最大値と最小値の間にあるときは、これをパラメータD_θ_DLY_IG(n)に設定する(S119)。このパラメータD_θ_DLY_IG(n)の16個の移動平均を平均着火遅れθ_DLY_avとする(S125)。

図７のフローチャートを参照しながら、図１の燃料性状判定部４７の機能を説明する。エンジン水温が所定の範囲にあることなど、ガソリンの性状を判定するための条件が成立しているかどうかを判定し(S181)、成立していれば、エンジン始動直後のファイアモードにあるかどうかを判定する（S183）。ファイアモードにあれば、エンジン水温をパラメータとするマップを検索してガソリン性状判定のための基準値θ_DLY_rfを求める(S189)。ファイアモードでなければ、エンジン回転数NEおよび吸気管圧力をパラメータとするマップを検索してガソリン性状判定のための基準値θ_DLY_rfを求める（S191）。

平均着火遅れ算出部４５が算出した気筒ごとの平均着火遅れ角度θ_DLY_avを全気筒について平均して、着火遅れ角度の平均値θ_DLY_allを算出する(S193)。この値は、クランク角度による遅れを表しているので、これを時間に換算するため、係数CRME/15を掛けて着火遅れ時間θ_DLYを算出する(S195)。

着火遅れ時間θ_DLYが所定の回数にわたって判定基準値θ_DLY_rfを超えるとき、揮発性の高いガソリン（たとえば超Aガソリンと呼ばれるガソリン）であると判定し、フラグを１にセットする(S205)。このため、ステップS197で着火遅れ時間が判定基準値を超えないとき、カウンタに所定値をセットする（S201）。S197で着火遅れ時間が判定基準値を超えるたびにカウントが減らされ（S199）、０に達すると、超Aガスフラグが１にセットされる。

次に図５を参照しながら、図１の有効筒内圧算出部の機能を説明する。有効筒内圧は、純粋に燃焼によって発生する圧力を意味する。ステップS131のサブルーチンは、図４のフローチャートに示した着火遅れ時間算出のプロセスである。この実施例では、着火から所定の期間にわたってサンプル燃焼圧力と燃焼室容積の増分との積を積分し、これを燃焼室容積の増分の和で割って、有効筒内圧IMEPを求める。燃焼圧力と燃焼室容積の増分との積は、燃焼が行う仕事に相当する。これを積分することにより、燃焼が行う仕事の総和を算出し、仕事により増大した燃焼室容積の合計で割ることにより、有効筒内圧IMEPを求める。

図４のステップS111で求められた着火開始の一番若いクランク角度θ_DLY_bsを積分の開始点として設定する（S133）。積分終了点として、予め経験的に求められた燃焼終了のクランク角度、たとえば480度を設定する(S135)。

図１の燃焼室容積計算部１９による演算により、燃焼圧力のサンプリング点のクランク角度ごとに燃焼室の容積を求め、燃焼室容積Vの増分ΔVを求める(S137)。ステップS139に示す演算式により、１つの燃焼サイクルにおける有効筒内圧IMEP_bsを求める。この値が予め定めた最大値を超えるときは、有効筒内圧の推定値IMEP_htとしてこの最大値をセットし（S141、S149）、予め定めた最小値より小さいときは、この最小値をIMEP_htとしてセットする(S143、S145)。IMEP_bsが最大値と最小値の間にあるときは、IMEP_bsをIMEP_htとしてセットする(S147)。

こうして得られたIMEP_htをパラメータとしてテーブルを検索して１つの燃焼サイクルにおけるIMEP(n)を求める（S151）。このテーブルは、１サイクルにわたる有効筒内圧の挙動を示すものであり、圧縮行程から燃焼行程で行ったサンプリングに基づいて算出されたIMEP_htに基づいてこのテーブルを参照して対応するIMEP(n)を求める。

図６は、エンジンの出力を算出するプロセスを表すフローチャートである。エンジン負荷を表すエンジン回転数NEおよび吸気管圧力をパラメータとするマップを検索して、エンジンの出力損失分のうちポンピングロス(pumping loss)Pmp_bsを得る（S161）。出力損失の代表的なものは、上記のポンピングおよび摩擦や補機によるメカニカルロスである。予め定めた補正手法にしたがって、大気圧に応じてポンピングロスPmp_bsを補正してPmpを算出する（S163）。

気筒ごとの有効筒内圧IMEPにPmpを加算して、気筒ごとの平均有効圧力Pmiを算出する(S165)。また、気筒ごとの有効筒内圧之所定サイクルにわたる平均値IMEP_avにPmpを加算して図に示す平均有効圧力Pmi_avを算出する（S167）。この値にステップS169およびS171に示すエンジン出力の計算式を適用して、気筒ごとの出力KWi_av(KW)を算出する。

予め定めた計算手法により、メカニカルロスKWmを、運転状態、たとえばエンジン回転数NEに基づいて求める（S173）。これにKWi_avを加算して軸馬力KWeを求める（S177）。

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なく、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。

この発明の第１の実施形態の機能ブロック図。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。着火遅れ時間算出のメインフローを示すフローチャート。有効筒内圧算出の流れを示すフローチャート。エンジン出力算出の流れを示すフローチャート。ガソリン性状判定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
１５センサ出力検出部
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
４１燃焼圧力算出部
４７燃料性状判定部
５１出力算出部

Claims

内燃機関の燃焼室に設けられた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、
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、
前記筒内圧力検出手段の出力を補正式に従って補正する補正手段と、
前記内燃機関の圧縮行程における所定の期間に、モータリング圧力の推定値と前記筒内圧力検出手段の出力を前記補正手段によって補正した値との差が最小になるよう前記補正式のパラメータを同定するパラメータ同定手段と、
内燃機関の圧縮行程から燃焼行程に至る期間において、前記筒内圧力検出手段の出力を前記補正手段によって補正して得られる圧力と前記推定手段により推定されるモータリング圧力との差が、吸入空気圧力をパラメータとするテーブルから得られる燃焼開始時点を判定するための所定値を超える時点を、燃焼開始時点として検出する燃焼開始時点検出手段と、
点火時点と前記燃焼開始時点に基づいて、前記混合気の着火遅れ時間を算出し、該着火遅れ時間に基づいて該混合気に含まれる燃料の性状を判定する性状判定手段とを備え、
前記性状判定手段は、前記着火遅れ時間をしきい値と比較して前記燃料の性状を判定し、該しきい値は、前記内燃機関の始動時とその他の時期とで異なる値をとる、燃焼状態検出装置。
前記燃焼開始点から所定クランク角度までの区間における、前記筒内圧力検出手段の出力と、前記推定手段により推定されるモータリング圧力との差分を積分する積分手段と、
該積分の値に基づいて燃焼により発生する有効筒内圧力を算出する有効筒内圧力算出手段と、
運転状態に基づいて前記内燃機関の出力損失を算出する出力損失算出手段と、
前記有効筒内圧力と前記出力損失に基づいて、前記内燃機関の出力を算出する出力算出手段と、
を備える、請求項１に記載の燃焼状態検出装置。