JP5115507B2 - 筒内圧センサの故障診断装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の筒内圧を検出する筒内圧センサの故障診断装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、筒内圧センサの故障診断装置が開示されている。この従来の故障診断装置では、筒内圧センサの出力値から得られるトルク推定値と、クランク角センサの出力値から得られるトルク推定値との比較結果に基づいて、筒内圧センサの故障の有無を判定するようにしている。

特開２００５−３３０８４７号公報 特開２００６−２３４４６９号公報

ところで、クランク角速度からトルク（図示トルク）を推定する際には、微分演算が必要となる。微分演算は、高周波ノイズを増幅させる特性を有している。従って、そのノイズが原因で、筒内圧センサの故障判定精度が低下してしまうことが考えられる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、高周波ノイズの増幅を防止して、筒内圧センサの故障判定精度を良好に向上させ得る筒内圧センサの故障診断装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、筒内圧センサの故障診断装置であって、
内燃機関の筒内圧を検出する筒内圧センサの出力値を用いて、所定の規則に従って第１クランク角速度を算出する第１クランク角速度算出手段と、
クランク角度を検出するクランク角センサの出力値を用いて、第２クランク角速度を算出する第２クランク角速度算出手段と、
前記第１クランク角速度と前記第２クランク角速度とを比較して、前記筒内圧センサの故障の有無を判定する筒内圧センサ故障判定手段と、
を備え、
前記第１クランク角速度算出手段は、
前記第１クランク角速度を所定区間で積分して第１クランク角度を算出する第１クランク角度算出手段と、
前記クランク角センサにより取得される第２クランク角度に対する前記第１クランク角度の偏差が小さくなるように、前記第１クランク角度を補正するクランク角度補正手段と、
前記クランク角度補正手段による補正後の前記第１クランク角度に基づいて、前記第１クランク角速度の補正値を算出するクランク角速度補正手段と、を含み、
前記筒内圧センサ故障判定手段は、前記第１クランク角速度の前記補正値と前記第２クランク角速度とを比較して、前記筒内圧センサの故障の有無を判定することを特徴とする。

第１の発明によれば、筒内圧センサの故障診断を、微分演算を伴わないクランク角速度とすることができるので、高周波ノイズの影響を受けることなく、筒内圧センサの故障診断を精度良く行うことが可能となる。また、本発明によれば、クランク角センサにより取得される第２クランク角度に対する第１クランク角度の偏差が小さくなるように当該第１クランク角度が補正されたうえで、当該第１クランク角度の補正値に基づく第１クランク角速度の補正値を判断基準として、筒内圧センサの故障判定が行われるようになる。その結果、筒内圧センサの出力値を用いて第１クランク角速度を算出する際に重畳し得る誤差影響を除去することができ、これにより、筒内圧ベースのクランク角速度の算出精度を向上させることができる。このため、筒内圧センサの故障診断における誤判定を抑制することができる。

本発明の実施の形態１における筒内圧センサの故障診断装置を備える内燃機関の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 図２に示すルーチン中で用いる故障判定値ε_１、ε_２の設定を説明するための図である。 本発明の実施の形態１の故障診断手法との対比のために参照する図である。 本発明の実施の形態２における筒内圧センサの故障診断装置を備える内燃機関の構成を説明するための図である。 筒内圧センサの電圧値補正時のオフセットずれが筒内圧ベースのクランク角度θ_Ｐの算出値に与える影響を説明するための図である。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１の筒内圧センサの故障診断装置について、図１乃至図４を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態１における筒内圧センサの故障診断装置を備える内燃機関１０の構成を説明するための図である。

図１に示すように、内燃機関１０には、燃焼室１２内の圧力（筒内圧）に応じた信号を出力する筒内圧センサ１４が組み込まれている。また、内燃機関１０のクランクシャフト１６の近傍には、クランクシャフト１６の角度位置信号を出力するクランク角センサ１８が設置されている。

また、本実施形態のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０を備えている。ＥＣＵ２０には、筒内圧センサ１４およびクランク角センサ１８に加え、内燃機関１０の運転状態を検出するための各種のセンサが接続されている。ＥＣＵ２０は、それらのセンサ信号に基づき、燃料噴射弁等の各種アクチュエータを所定のプログラムに従って駆動させることにより、内燃機関１０の運転状態を制御する装置である。

［筒内圧センサの故障診断手法］
また、ＥＣＵ２０は、本実施形態の筒内圧センサ１４の故障診断装置としても機能する。ＥＣＵ２０の内部には、図１に示すように、図示トルク計算部２０ａと、物理モデル計算部２０ｂと、筒内圧センサ故障判定部２０ｃとが仮想的に構築されている。

ＥＣＵ２０は、アンプ２２により増幅された筒内圧センサ１４の出力信号に基づいて、筒内圧データを取得する。図示トルク計算部２０ａは、取得された筒内圧データを利用して、筒内圧Ｐの関数である次の（１）式に従って、筒内圧ベースの図示トルクＴ_ｉＰを算出する。
[数１]
Ｔ_ｉＰ＝ｆ_１（Ｐ） ・・・（１）

物理モデル計算部２０ｂは、上記筒内圧データとクランク角センサ１８から得たクランク角度θとを利用して、次の（２）式のように表される物理モデル（ピストン−クランクモデル）を変形して得た次の（３）式に従って、筒内圧ベースのクランク角速度ｄθ_Ｐ／ｄｔを算出する。

ただし、上記（２）式において、Ｔ_ｆは、内燃機関１０のフリクショントルクであり、Ｊは、内燃機関１０の慣性モーメントである。

また、ＥＣＵ２０は、クランク角センサ１８の出力値に基づいて、クランク角センサベースのクランク角速度ｄθ／ｄｔの算出を行う機能を有している。

次に、筒内圧センサ故障判定部２０ｃの機能について説明する。具体的には、当該判定部２０ｃの機能は、本実施形態の筒内圧センサの故障診断手法を実現するためのものである。この判定部２０ｃは、物理モデル計算部２０ｂにより算出された筒内圧ベースのクランク角速度ｄθ_Ｐ／ｄｔと、上記クランク角センサベースのクランク角速度ｄθ／ｄｔとを比較して、筒内圧センサ１４の故障の有無を判定する。

図２は、上述した筒内圧センサの故障診断手法を実現するために、本実施の形態１においてＥＣＵ２０が実行するルーチンのフローチャートである。
図２に示すルーチンでは、先ず、筒内圧センサ１４の出力値を用いて、筒内圧Ｐが取得される（ステップ１００）。次いで、取得された筒内圧Ｐを用いて、上記（１）式に従って、筒内圧ベースの図示トルクＴ_ｉＰが算出される（ステップ１０２）。また、これらのステップ１００および１０２の処理と並行して、クランク角センサ１８の出力値を用いて、クランク角度θが取得される（ステップ１０４）。

次に、上記ステップ１０２において算出された筒内圧ベースの図示トルクＴ_ｉＰと上記ステップ１０４において取得されたクランク角度θとを用いて、上記（３）式に従って、筒内圧ベースのクランク角速度ｄθ_Ｐ／ｄｔが算出される（ステップ１０６）。

また、上記ステップ１０６の処理と並行して、上記ステップ１０４において取得されたクランク角度θを用いて、クランク角センサベースのクランク角速度ｄθ／ｄｔが算出される（ステップ１０８）。

次に、筒内圧ベースのクランク角速度ｄθ_Ｐ／ｄｔとクランク角センサベースのクランク角速度ｄθ／ｄｔとの偏差Ｘが所定の判定値ε_１よりも大きいか否かが判別される（ステップ１１０）。

図３は、図２に示すルーチン中で用いる故障判定値ε_１、ε_２の設定を説明するための図である。より具体的には、図３は、筒内圧ベースのクランク角速度ｄθ_Ｐ／ｄｔの算出値およびクランク角センサベースのクランク角速度ｄθ／ｄｔの算出値を、それらの頻度との関係で表した確率分布である。

上記判定値ε_１は、上記クランク角速度ｄθ_Ｐ／ｄｔおよび上記クランク角速度ｄθ／ｄｔのそれぞれのばらつきを考慮して、図３に示すように、筒内圧センサ１４が正常である場合に想定される上記クランク角速度ｄθ_Ｐ／ｄｔの上限値と、クランク角センサ１８が正常である場合に想定される上記クランク角速度ｄθ／ｄｔの下限値との偏差に等しい値（正の値）となるように設定されている。

図２に示すルーチンでは、上記ステップ１１０において、上記偏差Ｘが上記のように設定された判定値ε_１よりも大きいと判定された場合には、当該偏差Ｘが上記ばらつきを考慮して想定される上限値よりも大きくなっているため、筒内圧センサ１４の出力値が異常であり、当該筒内圧センサ１４に故障が生じていると判定される（ステップ１１２）。

一方、上記ステップ１１０において、上記偏差Ｘが上記判定値ε_１以下であると判定された場合には、次いで、当該偏差Ｘが所定の判定値ε_２よりも小さいか否かが判別される（ステップ１１４）。当該判定値ε_２は、上記クランク角速度ｄθ_Ｐ／ｄｔおよび上記クランク角速度ｄθ／ｄｔのそれぞれのばらつきを考慮して、図３に示すように、筒内圧センサ１４が正常である場合に想定される上記クランク角速度ｄθ_Ｐ／ｄｔの下限値と、クランク角センサ１８が正常である場合に想定される上記クランク角速度ｄθ／ｄｔの上限値との偏差に等しい値（負の値）となるように設定されている。

上記ステップ１１４において、上記偏差Ｘが上記のように設定された判定値ε_２よりも小さいと判定された場合には、当該偏差Ｘが上記ばらつきを考慮して想定される下限値よりも小さくなっているため、筒内圧センサ１４の出力値が異常であり、当該筒内圧センサ１４に故障が生じていると判定される（ステップ１１６）。

一方、上記ステップ１１４において、上記偏差Ｘが上記判定値ε_２以上であると判定された場合には、当該偏差Ｘの値が上記ばらつきを考慮して想定される所定範囲内（ε_１〜ε_２の間）にあるため、筒内圧センサ１４の出力値は正常であり、当該筒内圧センサ１４に故障が生じていないと判定される（ステップ１１８）。

以上説明した図２に示すルーチンによれば、筒内圧ベースのクランク角速度ｄθ_Ｐ／ｄｔと、クランク角センサベースのクランク角速度ｄθ／ｄｔとの比較結果に基づいて、筒内圧センサ１４の故障の有無が判定される。以下、本実施形態の故障診断手法とは異なり、クランク角速度ベースの図示トルクＴ_ｉＮＥを筒内圧センサの故障診断に用いる手法を例に挙げて、本実施形態の故障診断手法の効果について説明する。

図４は、本発明の実施の形態１の故障診断手法との対比のために参照する図であり、上記図示トルクＴ_ｉＮＥを筒内圧センサの故障診断に用いる手法の問題点を説明するための図である。
この対比のために参照する手法は、より具体的には、筒内圧ベースの図示トルクＴ_ｉＰと、クランク角速度ベースの上記図示トルクＴ_ｉＮＥとの比較結果に基づいて、筒内圧センサの故障の有無を判定する手法である。

クランク角速度ベースの上記図示トルクＴ_ｉＮＥは、例えば、次の（４）式に従って算出することができる。

上記（４）式に示すように、図示トルクＴ_ｉＮＥは、クランク角度θ、クランク角速度ｄθ／ｄｔ、および、クランク角加速度ｄ^２θ／ｄｔ^２の関数ｆ_２として表される。このように、クランク角速度ベースの図示トルクＴ_ｉＮＥを算出する際には、クランク角速度ｄθ／ｄｔを微分する必要がある。しかしながら、微分演算は、高周波ノイズを増幅させる特性を有している。このため、図示トルクＴ_ｉＮＥの算出値は、図４に示すように、上記ノイズが原因で、大きなばらつきを有する値となる。従って、このような図示トルクＴ_ｉＮＥを利用して筒内圧センサの故障診断を行う場合には、図４に示すように、故障判定値ε’_１、ε’_２をそれぞれ大きくせざるを得ない。このため、筒内圧センサの故障判定精度が大幅に悪化してしまう。

これに対し、本実施形態では、既述したように、筒内圧ベースのクランク角速度ｄθ_Ｐ／ｄｔと、クランク角センサベースのクランク角速度ｄθ／ｄｔとの比較結果に基づいて、筒内圧センサ１４の故障の有無を判定するようにしている。このように、本実施形態では、筒内圧センサの故障診断の判断基準が、図示トルクＴ_ｉではなく、微分演算を伴わないクランク角速度ｄＰ／ｄｔとされる。

上記のような手法によれば、故障診断のためのパラメータの算出時に、微分演算が入らないので、上記図３に示すように、故障診断の余裕代である故障判定値ε_１、ε_２を小さくすることができ、これにより、故障判定精度を向上させることができる。すなわち、本実施形態の手法によれば、筒内圧センサの故障診断を、微分演算を伴わないクランク角速度ｄθ／ｄｔとすることができるので、上記ノイズの影響を受けることなく、筒内圧センサの故障診断を行うことが可能となる。

また、本実施形態の故障診断手法によれば、上記のように微分演算が入らないので、計算値の発散による計算の不具合を抑制することもできる。

尚、上述した実施の形態１においては、上記（３）式が前記第１の発明における「所定の規則」に、筒内圧ベースのクランク角速度ｄθ_Ｐ／ｄｔが前記第１の発明における「第１クランク角速度」に、クランク角センサベースのクランク角速度ｄθ／ｄｔが前記第１の発明における「第２クランク角速度」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ２０が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「第１クランク角速度算出手段」が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「第２クランク角速度算出手段」が、上記ステップ１１０〜１１８の一連の処理を実行することにより前記第１の発明における「筒内圧センサ故障判定手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
次に、図５乃至図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
図５は、本発明の実施の形態２における筒内圧センサの故障診断装置を備える内燃機関１０の構成を説明するための図である。尚、図５において、上記図１に示す構成要素と同一の要素については、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図５に示す構成は、ＥＣＵ３０の内部構成が異なる点を除き、上述した図１に示す構成と同様である。ＥＣＵ３０には、図５に示すように、図示トルク計算部２０ａおよび物理モデル計算部２０ｂに加え、クランク角速度補正部３０ａと、当該クランク角速度補正部３０ａによる補正が反映された状態で筒内圧センサの故障を診断する筒内圧センサ故障判定部３０ｂとが仮想的に構築されている。

上述した実施の形態１の手法もそうであるように、筒内圧センサ１４の出力値を利用して筒内圧ベースのクランク角速度ｄθ_Ｐ／ｄｔを算出する際には、上記（２）式で表されるような物理モデル（ピストン−クランクモデル）を用いる。しかしながら、そのような物理モデルにおいて、ピストン−クランク系のすべての動きを網羅することは、現実には困難である。従って、筒内圧ベースのクランク角速度ｄθ_Ｐ／ｄｔの算出値には、モデル誤差が少なからず重畳してしまう。

また、一般に、筒内圧センサ１４の出力値（電圧値）は、その出力に影響する筒内温度等の因子を考慮した補正が行われる。このため、筒内圧ベースのクランク角速度ｄθ_Ｐ／ｄｔを算出する際には、筒内圧センサ１４の出力としてそのような補正後の値が使用される。

図６は、筒内圧センサ１４の電圧値補正時のオフセットずれが筒内圧ベースのクランク角度θ_Ｐの算出値に与える影響を説明するための図である。
筒内圧センサ１４の補正電圧値に上記のようなオフセットずれが生じている場合には、それに伴い、図６に示すように、筒内圧ベースのクランク角度θ_Ｐにも、クランク角センサ１８により検出されるクランク角度θに対するオフセットずれが生じてしまう。

以上のようなモデル誤差やオフセットずれ等の誤差要因があると、仮に筒内圧センサ１４自体が正常であったとしても、筒内圧ベースのクランク角速度ｄθ_Ｐ／ｄｔとクランク角センサベースのクランク角速度ｄθ／ｄｔとが乖離することとなるため、筒内圧センサの故障診断において、誤判定が生じ得る。

そこで、本実施形態では、上記の誤判定を抑制すべく、上述した実施の形態１の筒内圧センサの故障診断処理に対して、次のような処理を加えるようにした。具体的には、先ず、筒内圧ベースのクランク角速度ｄθ_Ｐ／ｄｔを所定区間（例えば、７２０°ＣＡ）で積分することによって、筒内圧センサベースのクランク角度θ_Ｐを算出する。次いで、クランク角センサベースのクランク角度θに対する筒内圧センサベースのクランク角度θ_Ｐのずれ量（偏差）を算出する。そして、当該偏差に基づいて、筒内圧ベースのクランク角度θ_Ｐを補正値θ_{Ｐ，ｃｏｍｐ}に補正したうえで、その微分値として、当該偏差に基づく補正後のクランク角速度ｄθ_{Ｐ，ｃｏｍｐ}／ｄｔを得るようにした。

図７は、上述した本実施の形態２の筒内圧センサの故障診断手法を実現するために、ＥＣＵ３０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図７において、実施の形態１における図２に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図７に示すルーチンでは、ステップ１０６において筒内圧ベースのクランク角速度ｄθ_Ｐ／ｄｔが算出された後には、現在の時刻ｔ_θが取得される（ステップ２００）。次いで、現在の時刻ｔ_θでのクランク角度θ（ｔ_θ）よりも７２０°ＣＡ前の時刻ｔ_{θ−７２０}が取得される（ステップ２０２）。

次に、上記７２０°ＣＡ区間でのクランク角度（筒内圧ベース）θ_Ｐが、図７中のステップ２０４中に示すように、時刻ｔ_{θ−７２０}から時刻ｔ_θまでの区間でクランク角速度ｄθ_Ｐ／ｄｔを積分することによって取得される（ステップ２０４）。

次に、上記ステップ２０４において算出された過去７２０°ＣＡ区間でのクランク角度（筒内圧ベース）θ_Ｐの補正が実行される（ステップ２０６）。すなわち、本ステップ２０６では、時刻ｔ（ｔ_{θ−７２０}≦ｔ≦ｔ_θ）におけるクランク角度（筒内圧ベース）の補正量θ_{Ｐ，ｃｏｍｐ}（ｔ）が算出される。次の（５）式は、その補正量θ_{Ｐ，ｃｏｍｐ}（ｔ）の算出式の一例である。

次に、ステップ２０８では、上記ステップ２０６において算出された筒内圧ベースのクランク角度の補正値θ_{Ｐ，ｃｏｍｐ}の微分値であるクランク角速度の補正値ｄθ_{Ｐ，ｃｏｍｐ}／ｄｔが算出されたうえで、当該補正値ｄθ_{Ｐ，ｃｏｍｐ}／ｄｔと、クランク角センサベースのクランク角速度ｄθ／ｄｔとの偏差Ｙが所定の判定値ε_１よりも大きいか否かが判別される（ステップ２０８）。

その結果、上記ステップ２０８において、上記偏差Ｙが上記判定値ε_１よりも大きいと判定された場合には、筒内圧センサ１４の出力値が異常であり、当該筒内圧センサ１４に故障が生じていると判定される（ステップ２１０）。

一方、上記ステップ２０８において、上記偏差Ｙが上記判定値ε_１以下であると判定された場合には、次いで、当該偏差Ｙが上記判定値ε_２よりも小さいか否かが判別される（ステップ２１２）。その結果、上記偏差Ｙが上記判定値ε_２よりも小さいと判定された場合には、筒内圧センサ１４の出力値が異常であり、当該筒内圧センサ１４に故障が生じていると判定される（ステップ２１４）。また、上記ステップ２１２において、上記偏差Ｙが上記判定値ε_２以上であると判定された場合には、筒内圧センサ１４の出力値は正常であり、当該筒内圧センサ１４に故障が生じていないと判定される（ステップ２１６）。

以上説明した図７に示すルーチンによれば、上記（５）式によって得られたクランク角度の補正量θ_{Ｐ，ｃｏｍｐ}（ｔ）の微分値として得られたクランク角速度ｄθ_{Ｐ，ｃｏｍｐ}／ｄｔと、クランク角センサベースのクランク角速度ｄθ／ｄｔとの偏差Ｙに基づいて、筒内圧センサの故障診断が実行される。

上記（５）式によれば、当該（５）式を変形すれば判るように、時間（ｔ_θ−ｔ_{θ−７２０}）に対するクランク角度の偏差（θ（ｔ_θ）−θ_Ｐ（ｔ_θ））の比と、時間（ｔ−ｔ_{θ−７２０}）に対する変化量（θ_{Ｐ，ｃｏｍｐ}（ｔ）−θ_Ｐ（ｔ））の比とを等しくする値として、時刻ｔにおけるクランク角度（筒内圧ベース）の補正量θ_{Ｐ，ｃｏｍｐ}（ｔ）が算出される。その結果、クランク角センサ１８により検出されるクランク角度θに対するクランク角度（筒内圧ベース）θ_Ｐの偏差（ずれ）が小さくなるように、当該クランク角度θ_Ｐが補正される。

上記の補正により、モデル誤差や筒内圧Ｐのオフセットずれの影響が取り除かれるように、クランク角度（筒内圧ベース）θ_Ｐを補正することができる。このように、物理モデルや筒内圧センサ電圧値補正の誤差影響を除去することにより、筒内圧ベースのクランク角速度ｄθ_Ｐ／ｄｔの算出精度を向上させることができる。このため、筒内圧センサの故障診断における誤判定を抑制することができる。

また、上記のクランク角度（筒内圧ベース）θ_Ｐの補正を実機上で行うようにすることで、物理モデルや筒内圧センサ電圧値補正への要求精度を低くすることができ、開発期間を短縮することもできる。

尚、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ２０４の処理を実行することにより前記第１の発明における「第１クランク角度算出手段」が、上記ステップ２０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「クランク角度補正手段」が、上記ステップ２０８において筒内圧ベースのクランク角度の補正値θ_{Ｐ，ｃｏｍｐ}の微分値であるクランク角速度ｄθ_{Ｐ，ｃｏｍｐ}／ｄｔを算出することにより前記第１の発明における「クランク角速度補正手段」が、それぞれ実現されている。

１０ 内燃機関
１２ 燃焼室
１４ 筒内圧センサ
１６ クランクシャフト
１８ クランク角センサ
２０、３０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
２０ａ 図示トルク計算部
２０ｂ 物理モデル計算部
２０ｃ、３０ｂ 筒内圧センサ故障判定部
２２ アンプ
３０ａ クランク角速度補正部

Claims (1)

1. 内燃機関の筒内圧を検出する筒内圧センサの出力値を用いて、所定の規則に従って第１クランク角速度を算出する第１クランク角速度算出手段と、
   クランク角度を検出するクランク角センサの出力値を用いて、第２クランク角速度を算出する第２クランク角速度算出手段と、
   前記第１クランク角速度と前記第２クランク角速度とを比較して、前記筒内圧センサの故障の有無を判定する筒内圧センサ故障判定手段と、
   を備え、
   前記第１クランク角速度算出手段は、
   前記第１クランク角速度を所定区間で積分して第１クランク角度を算出する第１クランク角度算出手段と、
   前記クランク角センサにより取得される第２クランク角度に対する前記第１クランク角度の偏差が小さくなるように、前記第１クランク角度を補正するクランク角度補正手段と、
   前記クランク角度補正手段による補正後の前記第１クランク角度に基づいて、前記第１クランク角速度の補正値を算出するクランク角速度補正手段と、を含み、
   前記筒内圧センサ故障判定手段は、前記第１クランク角速度の前記補正値と前記第２クランク角速度とを比較して、前記筒内圧センサの故障の有無を判定することを特徴とする筒内圧センサの故障診断装置。

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