JP4606198B2 - 内燃機関の燃焼状態検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃焼状態検出装置に関する。より詳細には、筒内圧力センサの異常検知時の燃焼状態検出手法に関する。

内燃機関の燃焼状態（例えば失火）を検知するために、燃焼行程中に計測された気筒内圧力と、燃焼室容積に基づいて推定されるモータリング圧力（失火時の圧力）とを比較して失火判定を行う従来技術がある。この技術において、筒内圧力センサの出力は、失火判定の精度を向上させるための補正パラメータを決定するのに利用される。つまりセンサ出力は失火判定のために重要な要件であり、センサに何らかの異常が発生した場合には速やかにその異常を検知する必要がある。

筒内圧力センサの異常を検知する技術として、例えば特許文献１には、筒内圧力の検出値のうち最大値と最小値の差分を求め、その差分を所定のしきい値と比較することにより異常判定を行う技術が開示されている。この技術は、センサ出力の最大値および最小値を用いるので、センサ出力のドリフトやオフセットの影響を受けずにセンサ異常判定を行うことができる。
特開平4-103859号

しかし、従来技術によるセンサ異常検知手法では、誤った検知を避けるために、所定回数の異常判定が発生するまではセンサ異常が確定しない。このため実際にセンサに異常が検知されてから、異常検知が確定するまでにタイムラグが生じる。上述の失火検知技術において、実際にセンサに異常がある場合でも、異常検知が確定するまでは誤った方向にパラメータが更新され続けてしまう。また、突発的なセンサの誤動作によってセンサ異常が検知された場合でも、誤ったセンサ出力値に基づいた不適切なパラメータ更新が行われてしまい、センサ出力が正常に戻ったときに悪影響が出るおそれがある。

従って、センサ異常の検知を高精度に保ちつつ、突発的なセンサの誤動作の際の不適切なパラメータ更新を防止する手法が必要とされている。

本発明は、圧縮行程および燃焼行程の所定範囲において、検出圧力の最大値および最小値を記憶し、該最大値および該最小値の較差が所定値より小さいならば圧力検出手段の異常を検知する異常検知手段を備え、異常検知手段が圧力検出手段の異常を検知した場合、同定手段による補正パラメータの同定を停止する、内燃機関の燃焼状態検出装置を提供する。この装置は、内燃機関の燃焼室の筒内圧力を検出する圧力検出手段と、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、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、内燃機関の圧縮行程において、前記圧力検出手段で検出される圧力と、前記推定手段で推定される前記モータリング圧力との偏差に基づいて、該偏差を最小とするための補正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、前記補正パラメータにより補正された検出圧力と、前記モータリング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、を備える。

本発明の一実施形態によると、異常検知手段が所定回数以上前記圧力検出手段の異常を検知した場合、前記判定手段による前記内燃機関の燃焼状態の判定を停止する。

この発明により、センサ異常検知直後の適性でないパラメータの更新を防ぐことができ、一時的にセンサ出力が異常となっても、正常に復帰した場合には次サイクルにおいて燃焼状態を検出することができる。

次に図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態である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、この発明の一実施形態におけるセンサ出力補正および失火判定手法の原理を説明する。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。

この実施形態では、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、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。この実施形態では、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。θはクランク角度である。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。例えば、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ことができる。

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。

本実施形態では、予め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ｋの値ｋ₀およびＣの値Ｃ₀を求めておく。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PM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PS(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PS(θ)に補正式PS = PS(θ)k₁ + C₁ を適用した値PSとの差の二乗、すなわち（PM(θ) - PS(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PSのサンプル値（離散値）をx(i)で表すと、X(i)^T=[x(0), x(1), …,x(n)]、Y(i)^T=[y(0), y(1), …,y(n)]と表される。誤差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。

センサ出力補正部１７は、こうして同定されたパラメータを用いて燃焼行程においてセンサ出力を補正する。

失火判定部２７は、点火時点以後の期間ｂ（図２）において、筒内圧力センサ１２で検出されセンサ出力補正部１７で補正された筒内圧力の値PS、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PM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、PS/PM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。

センサ異常検知部２９は、センサ出力検出部１５からセンサ出力ＰＳ(θ)を受け取り、１燃焼サイクル中の所定範囲内のクランク角度θにおけるセンサ出力ＰＳ(θ)を記憶する。この所定範囲は、例えば圧縮行程および燃焼行程の中で最大圧力を示すクランク角度を含む範囲である。最大圧力は、図２を参照すると、燃焼時にはクランク角度30度前後であり、不燃焼時にはクランク角度0度前後である。

続いてセンサ異常検知部２９は、記憶したセンサ出力データの中から最大値PS_maxおよび最小値PS_minを求め、以下の式（１１）によりセンサ出力較差D_PSを算出する。
D_PS = PS_max − PS_min （１１）
算出したセンサ出力較差D_PSが所定値以下ならば、筒内圧力センサ１２は充分な圧力の変動を検出できていないと判断され、センサ異常と判定される。センサ異常が判定されると同時に、センサ異常検知部２９は、新たに補正パラメータの同定をしないようパラメータ同定部２３へ停止指令を送る。パラメータ同定部２３は、停止指令を受け取るとパラメータ更新を停止し、以降は再開の指令があるまで同じパラメータをセンサ出力補正部１７に与える。

センサ異常判定が所定回数以上行われると、筒内圧力センサ１２の異常が確定される。そして、センサ異常検知部２９は、失火判定を行わないよう失火判定部２７にセンサ異常フラグを送る。失火判定部２７は、センサ異常フラグを受け取ると失火判定を停止する。

図４は、センサ異常検知部２９における処理の流れを表すフローチャートである。

ステップＳ１０１において、センサ異常フラグが１になっているかどうかを点検する。センサ異常フラグが１であることは、既にセンサ異常の検知が行われていることを示す。フラグが１でなければステップＳ１０５に進む。既にセンサ異常フラグが１ならば処理を終了する。

ステップＳ１０５において、センサ出力較差D_PSが算出される。センサ出力検出部１５から入力されるセンサ出力ＰＳ(θ)を１燃焼サイクル分記憶しておき、その中から最大値PS_maxおよび最小値PS_minを選択して、式（１１）によりセンサ出力較差D_PSを計算する。

ステップＳ１０７においてセンサ出力較差D_PSが所定値より大きいかどうかを点検する。センサ出力較差D_PSが所定値より小さいならば、センサが正常ならば出力可能な出力範囲を出力できていないので、センサに何らかの異常があると判定されステップＳ１１３に進む。センサ出力較差D_PSが所定値以上ならば、ステップＳ１０９に進む。

以下、ステップＳ１１３以降の異常検知処理について説明する。

ステップＳ１１３において、パラメータ同定部２３に停止指令が送られ、新たなパラメータ同定を停止させる。

ステップＳ１１５において、異常検知カウンターが１つデクリメントされる。突発的な誤動作による誤検知を避けるため、異常検知カウンターの初期値は１より大きい整数に設定されている。このため複数回異常検知されないとセンサ異常と検知されない。

ステップＳ１１７において、異常検知カウンターが０かどうかを点検する。異常検知カウンターが０であることは、カウンターの初期値で設定した所定回数だけセンサ異常判定が行われたことを示す。異常検知カウンターが０ならば、ステップＳ１１９に進む。異常検知カウンターが０でないならば、そのまま処理を終了する。

ステップＳ１１９において、圧力センサに何らかの異常があることが確定したので、センサ異常フラグが１にセットされ、処理を終了する。センサ異常フラグが１の場合、失火判定部２７における新たな失火判定が停止される。

一方、ステップＳ１０７の処理の結果、圧力センサの検出圧力が充分な出力範囲を示しており、圧力センサに異常がないと判断されると、ステップＳ１０９に進む。ステップＳ１０９において、異常検知カウンターが初期値にリセットされる。続いてステップＳ１１１において、パラメータ同定部２３での新たなパラメータ同定処理が再開する信号が送られ、処理を終了する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されるものではない。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。

本発明の一実施形態である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。 モータリング圧力曲線および燃焼時のセンサ出力の補正値の曲線を示す図である。 ピストン位置を計算するための概念図である。 センサ異常検知部における処理の流れを表すフローチャートである。

符号の説明

１０ 電子制御ユニット
１２ 筒内圧力センサ
１５ センサ出力検出部
１７ センサ出力補正部
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
２１ 基本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
２９ センサ異常検知部

Claims (1)

1. 内燃機関の燃焼室の筒内圧力を検出する圧力検出手段と、
   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、前記圧力検出手段で検出される圧力と、前記推定手段で推定される前記モータリング圧力との偏差に基づいて、該偏差を最小とするための補正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、前記補正パラメータにより補正された検出圧力と、前記モータリング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、を備えた燃焼状態検出装置において、
   圧縮行程および燃焼行程の所定範囲において、前記検出圧力の最大値および最小値を記憶し、該最大値および該最小値の較差が所定値より小さいならば前記圧力検出手段の異常を検知する異常検知手段を備え、
   前記異常検知手段が前記圧力検出手段の異常を検知した場合、前記同定手段による補正パラメータの同定を停止し、さらに、前記異常検知手段が所定回数以上前記圧力検出手段の異常を検知した場合、前記判定手段による前記内燃機関の燃焼状態の判定を停止する、内燃機関の燃焼状態検出装置。

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