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

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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に記載の内燃機関の失火検出装置。
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