JP4767224B2 - 内燃機関の失火検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の失火検出装置に関する。

従来から、内燃機関の図示トルクを推定する技術が知られている（非特許文献１参照）。図示トルクは、以下の式により推定でき、推定した図示トルクの変動により失火を検出できる。
Ｔｉ＝Ｊ・ｄω／ｄｔ＋Ｔｆ＋Ｔｌ・・・・・・（１）
また、上記の図示トルク推定技術を用いた失火検出装置が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されている装置は、内燃機関の負荷が安定している状態（負荷トルクＴｌ＝０）で図示トルクＴｉ及び慣性トルクＪ（ｄω／ｄｔ）を推定し、これらの差分により摩擦トルクＴｆを求めて学習、摩擦トルクＴｆによるオフセット分を考慮して失火判定する。これにより、失火判定精度が向上する。

特開２００５−１５５６１２号公報 特開平４−２６５４７５号公報 Stephane Ginoux, Jean-Claude Champoussin, Engine Torque Determination by Crankangle Measurements: State of the Art, Future Prospects, Society of Automotive Engineers No. 970532 (1997) p.17-22

しかしながら、負荷トルクが変動する場合、特に悪路走行や燃焼の変動に起因する共振の発生などの外乱により変動する場合には、推定される慣性トルクも変動する。この場合、失火検出の検出精度が低下する恐れがある。これは、トルク収支より図示トルクを推定し、この図示トルクの変動で失火を検出する場合にも同様の問題が起こり得る。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、検出精度の低下が防止された内燃機関の失火検出装置を提供することを目的とする。

上記目的は、機関の運転状態に対応した失火パラメータを推定する失火パラメータ推定手段と、前記失火パラメータの低周波成分を考慮して前記失火パラメータに基づいて失火を判定する失火判定手段とを備えている、ことを特徴とする内燃機関の失火検出装置によって達成できる。
機関の運転状態に対応した失火パラメータは、外乱の影響により低周波成分となって表れる。この低周波成分を考慮して失火パラメータに基づいて失火を判定するので、外乱の影響による失火の検出精度の低下を防止できる。

上記構成において、前記失火パラメータは、機関の燃焼行程で発生するトルクに対応していると共にクランク角度に応じて周期的に変動し、前記失火判定手段は、隣接すると共に少なくとも一方が、前記失火パラメータの１周期中に含まれるピーク値を含む第１及び第２クランク角区間のそれぞれの平均値の差分値を算出する差分値算出手段を含む、構成を採用する。
これにより、外乱により失火パラメータの低周波成分に影響を与えた場合であっても、失火の検出精度の低下を防止できる。

上記構成において、前記失火判定手段は、推定された前記失火パラメータの低周波成分を除去する低周波除去手段を含む、構成を採用する。
これによっても、外乱により失火パラメータの低周波成分に影響を与えた場合であっても、失火の検出精度の低下を防止できる。

上記構成において、前記失火判定手段は、機関とトランスミッションとが直結状態にある場合に失火の判定を行う、構成を採用できる。
これにより、外乱の影響を受けやすい状況において失火の判定を行うことができる。

上記構成において、前記低周波成分は、機関の燃焼周波数成分よりも周波数が低い。また、上記構成において、前記失火パラメータは、図示トルクである。

本発明によれば、検出精度の低下が防止された内燃機関の失火検出装置を提供できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。図１は、本発明に係る失火検出装置が採用されたエンジンシステムの全体構成を示した図である。エンジンシステムは、図１に示すように、エンジン１０、ＥＣＵ２０、エアフロメータ３０、スロットル開度センサ４０、クランク角センサ５０、水温センサ６０、油温センサ７０、ロックアップスイッチ８０等から構成される。エンジン１０は、失火検出装置による失火検出の対象となる内燃機関である。

ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などから構成され、各センサからの出力に基づいて、エンジンシステム全体の作動を制御する。また、ＥＣＵ２０は、詳しくは後述するが失火検出処理を実行し、ＲＯＭには、失火検出処理を実行するためのプログラムが格納されている。ＥＣＵ２０は、失火パラメータ推定手段、失火判定手段としての機能を有する。

エアフロメータ３０は、エアクリーナ（不図示）通過後の吸入空気量に応じた信号を、スロットル開度センサ４０は、スロットルバルブ（不図示）の開度に応じた信号を、クランク角センサ５０は、クランク軸（不図示）に応じた信号を、水温センサ６０は、エンジン１０を冷却する冷却水の温度に応じた信号を、油温センサ７０は、潤滑油の温度に応じた信号を、ロックアップスイッチ８０は、エンジン１０とトランスミッションとの連結状態に応じてＯＮ、ＯＦＦ信号を、それぞれＥＣＵ２０に出力する。

ＥＣＵ２０は、図示トルク推定部２１、失火判定部２２とを含む。図示トルク推定部２１は、後述する図示トルクを推定する。図示トルク推定部２１が、機関の運転状態に対応した失火パラメータを推定する失火パラメータ推定手段に対応する。また、摩擦トルク推定部２１ａ、負荷トルク推定部２１ｂは、それぞれ、図示トルクの推定するために必要となる、摩擦トルク、負荷トルクを推定する。

失火判定部２２は、図示トルク推定部２１により推定された図示トルクを用いて、失火判定を行う。失火判定部２２が、失火パラメータの低周波成分を考慮して失火パラメータに基づいて失火を判定する失火判定手段に対応する。具体的には、外乱の影響を受けた図示トルクの低周波成分を考慮して、失火の判定を行う。また、失火判定部２２は、差分トルク算出部２２ａを含む。差分トルク算出部２２ａは、詳しくは後述するが、図示トルク推定部２１により推定された図示トルクに基づいて所定の差分トルクを算出する。

次に、ＥＣＵ２０が実行する失火検出処理について説明する。図２は、ＥＣＵ２０が実行する失火検出処理の一例を示したフローチャートである。図２に示すように、ＥＣＵ２０の図示トルク推定部２１は、図示トルクを推定する（ステップＳ１）。具体的には、前述した式と同様の式により推定する。図示トルクを推定するための式を以下に再度記載しておく。
Ｔｉ＝Ｊ・ｄω／ｄｔ＋Ｔｆ＋Ｔｌ・・・・・・（１）

慣性モーメントＪは、エンジン１０の諸元で決定される定数値である。角加速度ｄω／ｄｔは、クランク角センサ５０からの出力信号に基づいて算出される。摩擦トルクＴｆは、摩擦トルク推定部２１ａにより、水温センサ６０、油温センサ７０からの出力信号に基づいて推定される。負荷トルクＴｌは、負荷トルク推定部２１ｂにより、クランク角センサ５０からの出力により算出される機関回転数及びエアフロメータ３０からの出力により検出される吸入空気量に対応したマップにより推定される。

以上により、図示トルクＴｉが算出される。図示トルクＴｉは、筒内圧によるトルクと、往復動慣性質量によるトルクを合計したものである。また、この図示トルクＴｉが、機関の運転状態に対応した失火パラメータとしての役割を果たす。

次に、差分トルク算出部２２ａは、差分トルクＴｉ´を算出する（ステップＳ２）。ここで差分トルクＴｉ´の算出について詳細に説明する。図３は、差分トルクＴｉ´の算出を説明するための説明図である。図３（ａ）は、図示トルクＴｉと実測された負荷トルクとの関係を示したマップであり、縦軸はトルクを、横軸はクランク角を示している。図３（ａ）に示すように、図示トルクＴｉはクランク角に応じて周期的に変動する。

図３（ａ）に示すように、例えば、７２０°ＣＡ付近で失火が発生し（※３１）、失火によるシャフト系等に共振現象が発生した場合には、その影響により、２１６０°ＣＡ付近で負荷トルクが上昇し（※３２）、図示トルクＴｉは、下降する（※３３）。詳細には、図示トルクＴｉは、低周波成分が合成されたように長いクランク角期間にわたって緩やかに変動することになる。この低周波成分は、エンジン１０の燃焼周波数成分よりも低いものである。また、図示トルクＴｉの周波数が燃焼周波数に対応する。

特許文献１で開示された失火検出装置のように、負荷トルクＴｌ＝０の状態で図示トルクＴｉ及び慣性トルクＪ・ｄω／ｄｔを推定する方法では、失火検出を精度よく行うことができない。また、図示トルクＴｉの大小関係で失火を検出する場合にも、２１６０°ＣＡ付近で、失火現象が発生していないにもかかわらず、失火したものと誤判定するおそれがある。

しかしながら、差分トルク算出部２２ａは、差分トルクＴｉ´を算出することによって失火の算出精度を向上させている。図３（ｂ）は、図３（ａ）の、７２０°ＣＡ〜１４４０°ＣＡまでを拡大した図である。図３（ｂ）に示すように、４気筒エンジンの場合、各気筒の燃焼順序は第１気筒（＃１）→第３気筒（＃３）→第４気筒（＃４）→第２気筒（＃２）であり、１８０°ＣＡごとに燃料噴射が行われてその燃料が燃焼に供される。

まず、差分トルク算出部２２ａは、各気筒の燃焼行程期間に対応するクランク角の範囲内で、それぞれ、図示トルクＴｉの最大値が含む区間Ａｎ（区間Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４…）（第１クランク角区間）と、上記区間に隣接するとともに最大値を含まない区間Ｂｎ（区間Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４…）（第２クランク角区間）との、それぞれの区間での図示トルクＴｉの平均値を算出する。即ち、差分トルク算出部２２ａは、区間Ａｎ、Ｂｎの夫々の区間での図示トルクＴｉでの平均値を算出する。尚、各気筒の燃焼行程期間が図示トルクＴｉの１周期に対応する。図３（ｂ）において、各区間での図示トルクＴｉの平均値をＡｎａ、Ｂｎａとして示している。区間Ａｎ、Ｂｎは、本実施例においては、９０°ＣＡ毎に設定されているが、機関の気筒数や諸元に応じて最適となるよう適宜変更することが望ましい。

次に、差分トルク算出部２２ａは、隣接しあう区間Ａｎ、Ｂｎでの図示トルクＴｉのそれぞれの平均値Ａｎａ、Ｂｎａの差分値を算出する。例えば、平均値Ａ１ａ、Ｂ１ａとの差分値と、平均値Ａ２ａ、Ｂ２ａとの差分値とを比較すると、平均値Ａ１ａとＢ１ａとの差は僅かであり、平均値Ａ２ａとＢ２ａとの差は大きいことがわかる。このようにして、各区間での差分トルクＴｉ´を算出する。

次に、失火判定部２２は、失火判定閾値ＴｉｍをＲＯＭから読み出し（ステップＳ３）上記でそれぞれ算出された差分トルクＴｉ´が、失火判定閾値Ｔｉｍよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ４）。差分トルクＴｉ´が失火判定閾値Ｔｉｍよりも小さい場合、即ち、隣接する区間での図示トルクＴｉの平均値の差が小さい場合には、失火判定部２２は、失火があったものと判定し、ＲＡＭに記憶させる（ステップＳ５）。差分トルクＴｉ´が失火判定閾値Ｔｉｍよりも大きい場合、即ち、隣接する区間での図示トルクＴｉの平均値の差が大きい場合には、失火判定部２２は、各気筒の燃焼状態が正常であるとしてこの処理を終了する。

図３（ｂ）のマップにおいては、第１気筒の燃焼行程期間において算出された差分トルクＴｉ´が、失火判定閾値Ｔｉｍを下回るとして、第１気筒において失火となったものと判定される。

以上のように、差分トルクＴｉ´を算出して、失火判定閾値Ｔｉｍと比較することにより、外乱の影響を受ける図示トルクＴｉの低周波成分を考慮して失火の判定がなされる。これにより、外乱の影響による失火の検出精度の低下を防止できる。即ち、図３（ａ）での、２１６０°ＣＡ付近での図示トルクＴｉは、外乱の影響によって低下するが、所定のクランク区間で図示トルクＴｉ´の平均値の差分には影響しない。これにより、外乱の影響による失火の検出精度の低下を防止できる。

次に、８気筒エンジンでの差分トルクＴｉ´の算出について説明する。図４は、８気筒エンジンでの差分トルクＴｉ´の算出の説明図である。図４（ａ）は、縦軸が気筒内圧、横軸がクランク角を示しており、図４（ｂ）は、縦軸がトルクを示している。

図４（ａ）に示すように、８気筒エンジンの場合、各気筒の燃焼順序は第１気筒（＃１）→第８気筒（♯８）→第４気筒（♯４）→第３気筒（＃３）→第６気筒（♯６）→第５気筒（♯５）→第７気筒（＃７）→第２気筒（＃２）であり、９０°ＣＡごとに燃料噴射が行われてその燃料が燃焼に供される。

図４（ｂ）に示すように、８気筒エンジンの場合には、前述した４気筒エンジンの場合と異なり、差分トルク算出部２２ａは、所定気筒の燃焼行程期間中での図示トルクＴｉの最大値を含まない区間Ｂｎと、前記所定気筒の後続気筒の燃焼行程期間中での図示トルクＴｉの最大値を含む区間Ａｎとの差分値を算出する。区間Ａｎ、Ｂｎは、各気筒の上死点を挟むように隣接する。尚、区間Ａｎ、Ｂｎはそれぞれ、３０°ＣＡに設定することが望ましい。これは、図４（ａ）に示すように、８気筒エンジンの場合には、９０°ＣＡ毎に燃焼が発生するからである。また、所定の気筒の燃焼行程期間での図示トルクの最小値と、前記所定の気筒に後続する後続気筒での燃焼行程期間での図示トルクの最大値とを含む区間が、１周期に対応する。

次に、本手法を用いたときの失火検出精度の向上効果について図５を参照して説明する。図５は、４気筒エンジンでの、本実施例の方式により算出されたトルクと、従来の方式により算出された図示トルクとの比較図である。図５は、縦軸にトルクを、横軸にクランク角を示しており、図５（ａ）は、負荷トルクを、図５（ｂ）は、図示トルクＴｉ、差分トルクＴｉ´、図示トルクＴｉａを示している。図５（ｂ）において示している図示トルクＴｉは、図２のステップＳ１において推定した図示トルクの各気筒１８０°ＣＡ間での平均値であり、差分トルクＴｉ´は、図２のステップＳ２にて算出した差分トルクであり、図示トルクＴｉａは、筒内圧から求めた図示トルクの各気筒１８０°ＣＡ間での平均値であり、基準値の参考として示している。

失火は７２０°ＣＡで発生しており、図５（ａ）に示すように、負荷トルクは失火の発生によって低い周波数成分で周期的に変動する。図５（ｂ）に示すように、本手法を適用していない図示トルクＴｉは、負荷トルクの変動の影響により、低周波成分が合成されたように大きく変動する。これにより、失火発生後にも、再度失火発生時の図示トルクと同等の値が検出されることになるため、失火と誤判定する恐れがある。

しかしながら、本手法を適用した差分トルクＴｉ´は、その算出結果に負荷トルクの変動による低周波成分が反映されないので、失火と燃焼との区別を明確にすることができる。これにより、運転状況によらずに失火の判定精度が向上する。

次に、ＥＣＵ２０が実行する失火検出処理の変形例について説明する。図６は、ＥＣＵ２０が実行する失火検出処理の変形例を示したフローチャートである。図６に示すように、ＥＣＵ２０は、ステップＳ１、Ｓ２間で、ロックアップスイッチ８０がＯＮの状態であるか否かを判定する（ステップＳ１．５）。ロックアップスイッチ８０がＯＮの状態では、エンジン１０とトランスミッション（不図示）とが直結した状態にある。この場合において図示トルクＴｉは、外乱の影響を受けやすい。従って、ロックアップスイッチ８０がＯＮの状態の場合に、ＥＣＵ２０は、ステップＳ２以降の処理を実行することにより、最適な状況で上記の失火検出処理が実行される。

また、ロックアップスイッチ８０がＯＦＦの場合には、ステップＳ１において算出した図示トルクＴｉを用いて失火判定できるため、ＥＣＵ２０は、各気筒燃焼期間の図示トルクＴｉの平均値にて失火を判定する。具体的には、失火判定部２２は、失火判定閾値Ｔｉｍ´をＲＯＭから読み出し（ステップＳ３．５）、図示トルクＴｉが、失火判定閾値Ｔｉｍ´よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ４．５）。図示トルクＴｉが失火判定閾値Ｔｉｍ´よりも小さい場合、失火判定部２２は、失火があったものと判定し、ＲＡＭに記憶させる（ステップＳ５）。

次に、失火検出装置の変形例について説明する。図７は、変形例に係る失火検出装置が採用されたエンジンシステムの構成図である。図７に示すように、ＥＣＵ２０Ａの失火判定部２２Ａは、低周波除去部２２ｂを備える。低周波除去部２２ｂは、図示トルクＴｉの低周波成分を除去するハイパスフィルタとして機能する。また、低周波除去部２２ｂは、クランク角センサ５０からの出力により算出された機関回転数に応じて、除去の対象となる低周波成分の帯域が変更可能に形成されている。これは、機関回転数が高い場合には、図示トルクＴｉの燃焼周波数成分も高く、機関回転数が低い場合には、図示トルクＴｉの燃焼周波数成分が低いからである。これにより、上述した差分トルクＴｉ´を算出する場合と同様に、失火の検出精度が向上する。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

本発明に係る失火検出装置が採用されたエンジンシステムの全体構成を示した図である。 ＥＣＵが実行する失火検出処理の一例を示したフローチャートである。 差分トルクの算出を説明するための説明図である。 ８気筒エンジンでの差分トルクの算出の説明図である。 ４気筒エンジンでの、本実施例の方式により算出されたトルクと、従来の方式により算出された図示トルクとの比較図である。 ＥＣＵが実行する失火検出処理の変形例を示したフローチャートである。 変形例に係る失火検出装置が採用されたエンジンシステムの構成図である。

符号の説明

１０ エンジン
２０、２０Ａ ＥＣＵ
２１ 図示トルク推定部
２１ａ 摩擦トルク推定部
２１ｂ 負荷トルク推定部
２２、２２Ａ 失火判定部
２２ａ 差分値トルク算出部
２２ｂ 低周波除去部
３０ エアフロメータ
４０ スロットル開度センサ
５０ クランク角センサ
６０ 水温センサ
７０ 油温センサ
８０ ロックアップスイッチ

Claims (4)

1. 機関の運転状態に対応した失火パラメータを推定する失火パラメータ推定手段と、
   前記失火パラメータに基づいて失火を判定する失火判定手段とを備え、
   前記失火パラメータとは、機関の燃焼行程で発生するトルクに対応していると共にクランク角度に応じて周期的に変動する図示トルクであり、
   前記失火判定手段は、所定の気筒の燃焼行程期間に対応するクランク角範囲を前記失火パラメータの最大値を含む第１クランク区間と前記最大値を含まない第２クランク区間とに分けてそれぞれのクランク区間内での前記失火パラメータの平均値の差分値を算出する差分値算出手段を含み、
   前記失火判定手段は、算出された差分値が失火判定閾値よりも小さいか否かを判定し、小さい場合には失火があったものと判定する、ことを特徴とする内燃機関の失火検出装置。
2. 前記失火パラメータの周波成分には、失火が発生していない状態において一定のクランク角度毎に周期的に変動する図示トルクの周期に対応する周波成分と、前記周波成分よりも周波数が低い低周波成分とを含み、
   前記失火判定手段は、推定された前記失火パラメータの周波成分に含まれる前記低周波成分を除去する低周波除去手段を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の失火検出装置。
3. 前記失火判定手段は、機関とトランスミッションとが直結状態にある場合に失火の判定を行う、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の失火検出装置。
4. 前記低周波成分は、機関の燃焼周波数成分よりも周波数が低い、ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の失火検出装置。

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