JP5218913B2

JP5218913B2 - 筒内圧センサの劣化判定装置

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Publication number: JP5218913B2
Application number: JP2009018311A
Authority: JP
Inventors: 宏通安田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-01-29
Filing date: 2009-01-29
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2029-01-29
Also published as: JP2010174744A

Description

本発明は、内燃機関に、筒内圧力を検出するために設けられた筒内圧センサの劣化判定装置に関する。

特許文献１には、筒内圧力を検出する筒内圧センサを含む内燃機関の制御装置において、吸気行程中の所定の１点における筒内圧センサの検出値と、吸気行程中の所定の１点に対応した時点における吸入空気の圧力と、圧縮行程中または膨張行程中の少なくとも所定の２点における筒内圧センサの検出値および筒内容積とに基づいて、筒内圧センサの感度の推定値を算出することが開示されている。そして、その推定値が閾値以上になっていると判断された場合、筒内圧センサの感度劣化がある程度進行していることになることが記載されている。

特開２００５−３５１１４６号公報

上記特許文献１に記載の装置では、上記したように、一旦、筒内圧センサの感度の推定値が算出された後、その推定値を用いて筒内圧センサの感度劣化が判断される。そして、その筒内圧センサの感度の推定値の算出には、吸気行程中の所定の１点における筒内圧センサの検出値と、その所定の１点に対応した時点における吸入空気の圧力と、圧縮行程中または膨張行程中の少なくとも所定の２点における筒内圧センサの検出値が用いられる。したがって、その判断に要する演算をより簡易化することが期待される。

そこで、本発明は、かかる点に鑑みて創案されたものであり、その目的は、より簡易に、内燃機関に設けられた筒内圧センサの劣化を判定することにある。

上記目的を達成するため、本発明の筒内圧センサの劣化判定装置は、筒内圧力を検出するために内燃機関に設けられた筒内圧センサの劣化判定装置において、吸入空気量と、圧縮行程中の所定の２つの時点における筒内圧力の差分との比が所定の閾値を超えるか否かを判定する判定手段と、該判定手段による判定結果に基づいて、前記筒内圧センサが劣化しているか否かを決定する劣化決定手段とを備えることを特徴とする。

好ましくは、上記筒内圧センサの劣化判定装置は、内燃機関に設けられた外部ＥＧＲ装置と、該外部ＥＧＲ装置によってＥＧＲガスが気筒内に導入されているとき、判定手段の作動を禁止する第１禁止手段とをさらに備える。

また、好ましくは、上記筒内圧センサの劣化判定装置は、吸気弁あるいは排気弁のリフト量を可変とする可変動弁機構と、リフト量が所定値を越えていないとき、判定手段の作動を禁止する第２禁止手段とをさらに備える。

そして、好ましくは、上記筒内圧センサの劣化判定装置は、ノック発生を抑制するべく、点火プラグによる点火時期を遅角させる点火時期遅角手段と、該点火時期遅角手段による点火時期遅角量が所定量以上のとき、判定手段の作動を禁止する第３禁止手段とをさらに備える。

本発明の第１実施形態が適用された内燃機関の概略構成図である。吸入空気量と筒内圧力との関係例をクランク角度に対して概念的に表したグラフである。圧縮圧と吸入空気量との関係例を概念的に表したグラフである。本発明の第１実施形態に係るフローチャートである。本発明の第２実施形態に係るフローチャートである。点火遅角量、筒内圧力、圧縮比の変化例を、時間に対して概念的に表したグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。まず、第１実施形態について説明する。

図１は、第１実施形態が適用された内燃機関を示す概略構成図である。同図に示される内燃機関１０は、シリンダブロック１２に形成された燃焼室１４の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、気筒１６内でピストン１８を往復移動させることにより動力を発生するものである。なお、図１には１気筒のみが示されるが、内燃機関１０は多気筒エンジンとして構成されると好ましく、本実施形態の内燃機関１０は、例えば４気筒エンジンとして構成される。

各燃焼室１４に臨む吸気ポートは、吸気マニホールド２０に接続されている。この吸気マニホールド２０上流側には、順に、サージタンク２２および吸気管２４が接続されている。吸気管２４は、エアクリーナ２６を介して図示されない空気取入口に接続されている。そして、吸気管２４の中途（サージタンク２２とエアクリーナ２６との間）には、スロットルバルブ（本実施形態では、電子制御式スロットルバルブ）２８が組み込まれている。それら、例えば、吸気ポート、吸気マニホールド２０、吸気管２４のそれぞれは、吸気通路２９の一部を区画形成する。

他方、各燃焼室１４に臨む排気ポートは、排気マニホールド３０に接続され、この排気マニホールド３０には下流側に排気管３２が接続されている。排気管３２には、三元触媒を含む前段触媒装置３４およびＮＯｘ吸蔵還元触媒を含む後段触媒装置３６が接続されている。それら、例えば、排気ポート、排気マニホールド３０、排気管３２のそれぞれは、排気通路３７の一部を区画形成する。なお、本第１実施形態の内燃機関１０には、排気通路３７を流れる排気ガスの一部を吸気通路２９に導く排気ガス還流（ＥＧＲ）装置（外部ＥＧＲ装置）は設けられていない。
内燃機関１０のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが燃焼室１４ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは、可変バルブタイミングおよび／または可変リフト機能を有する動弁機構（図示省略）によって開閉させられる。更に、内燃機関１０は、気筒数に応じた数の点火プラグ４０を有し、点火プラグ４０は、対応する燃焼室１４に臨むようにシリンダヘッドに配設されている。

更に、内燃機関１０は、図１に示されるように、インジェクタ４２を有し、インジェクタ４２は、対応する燃焼室１４に臨むようにシリンダヘッドに配設されている。そして、内燃機関１０では、各燃焼室１４に空気を吸入させた状態で、各インジェクタ４２から各燃焼室１４内のピストン１８の凹部１８ａに向けてガソリン等の燃料が直接噴射される。これにより、内燃機関１０では、点火プラグ４０の近傍に燃料と空気との混合気の層を周囲の空気層と分離された状態で形成（成層化）することが可能となり、極めて希薄な混合気を用いて安定した成層燃焼を実行することができる。

上述のスロットルバルブ２８、各点火プラグ４０、各インジェクタ４２および動弁機構等は、内燃機関１０の制御装置として実質的に機能するＥＣＵ５０に電気的に接続されている。ＥＣＵ５０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含むものである。ＥＣＵ５０には、各種センサ類がＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されていて、例えば吸入空気量を検出するためのエアフローメータ５２が接続されている。ＥＣＵ５０は、記憶装置に記憶されている各種マップ等を用いると共に各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、スロットルバルブ２８、点火プラグ４０、インジェクタ４２、動弁機構等を制御する。

図１に示されるように、ＥＣＵ５０に接続されるセンサ類には、クランク角センサ５４が含まれる。クランク角センサ５４は、クランクシャフトに固定されるロータプレート（シグナルプレート）等を含む磁気センサまたは光電式センサ等であり、クランクシャフトの回転角度を示すパルス信号を微小時間ごとにＥＣＵ５０に与える。また、内燃機関１０は、半導体素子、圧電素子あるいは光ファイバ検出素子等を含む筒内圧センサ５６を気筒数に応じた数だけ有している。各筒内圧センサ５６は、対応する燃焼室１４に受圧面が臨むようにシリンダヘッドに配設されており、それぞれ、図示されないＡ／Ｄ変換器を介してＥＣＵ５０に電気的に接続されている。各筒内圧センサ５６は、燃焼室１４の圧力すなわち筒内圧力に応じた電気信号を出力する。各筒内圧センサ５６からの出力信号は、所定時間（所定クランク角）おきにＥＣＵ５０に順次与えられ、圧力値（例えば絶対圧力）にされた上で、クランク角と関連付けて、ＥＣＵ５０の所定の記憶領域（バッファ）に所定量ずつ格納保持される。さらに、吸気通路の吸気圧を検出するために吸気圧センサ５８が設けられている。ここでは、吸気圧センサ５８はサージタンク２２に設けられている。

内燃機関１０が作動されている状態で、本第１実施形態に係る筒内圧センサ５６の劣化判定が行われる。それを以下に説明するが、まず、その技術思想について図２および図３を用いて説明する。

図２は、任意の１の気筒における、筒内圧力の変化例を、クランク角度に対して概念的に表したグラフである。図２において、クランク角度０°とは、ピストン１８が圧縮上死点にあるときに対応し、クランク角度-６０°とは、ピストン１８が圧縮上死点前、クランク角度で６０°分下降しているときに対応する。

図２から明らかなように、エアフローメータ５２からの出力信号に基づいて得られる吸入空気量ＫＬが４０％のとき、吸入空気量ＫＬが２０％のときに比べて、圧縮行程および燃焼・膨張行程を通じて、筒内圧力がより高く上昇する。これは、周知の通りである。

しかし、圧縮行程での所定の２点間での筒内圧力の変化幅（圧縮圧）ΔＰは、吸入空気量ＫＬと比例関係にあり、その比例係数は、吸入空気量に関わらず一定である。例えば、図３には、残留ガスつまり内部ＥＧＲガス量が少ないあるいは零のときの吸入空気量ＫＬと筒内圧力の変化幅ΔＰとの関係が点線で表され、内部ＥＧＲガス量等がそれよりも多いときのそれらの関係が実線で表されている。この両線は平行であり、その傾きは同じである。そして、このような関係は、筒内圧センサ５６の感度が同じときに成立する。換言すると、筒内圧センサ５６の感度が変化すると、具体的には筒内圧センサ５６の感度劣化が進むと、その吸入空気量ＫＬと圧縮圧ΔＰとの比例関係における比例係数は変化する。

そこで、本発明では、この比例係数の変化に着目して、筒内圧センサ５６の劣化を判定する。本第１実施形態での、その判定を、以下に図４のフローチャートに基づいて説明する。ここでは、図４のフローチャートは、所定時期に行われる。しかし、図４のフローチャートが、種々の期間、例えば所定期間のみ、繰り返されてもよい。なお、ＥＣＵ５０の一部は判定手段（第１判定手段）に含まれ、ＥＣＵ５０の一部は劣化決定手段（第２判定手段）に含まれる。ただし、判定手段には、以下の説明から明らかなように、吸入空気量と、圧縮行程中の所定の２つの時点における筒内圧力の差分との比を算出する算出手段と、該算出手段によって算出されたその比と所定の閾値とを比較してその比が所定の閾値を超えるか否かを判定する比判定手段とが含まれる。

ＥＣＵ５０は、所定の条件を満たすとき、ステップＳ４０１へ進む。なお、所定の条件とは、如何なるものであってもよいが、例えば、機関運転状態が内部ＥＧＲ量が零となる機関運転状態であること、吸排気弁Ｖｉ、Ｖｏのバルブオーバーラップがないこと、燃料カットが行われていること、の内の１つあるいは任意の組み合わせであり得る。

まず、ステップＳ４０１では、吸入空気量ＫＬが検出される。この吸入空気量ＫＬは、エアフローメータ５２からの出力信号に基づいて所定の演算をすることで検出される。

次に、ステップＳ４０３で、圧縮圧ΔＰ（＝Ｐ_θ2−Ｐ_θ1）が算出される。この圧縮圧ΔＰは、圧縮行程での所定の２点（２つの時点）間での筒内圧力の変化である。そして、ここでは、所定の２点は、筒内ガス量の変化のない状態での所定の２点とされる。また、ここでは、所定の２点は、吸気弁Ｖｉの閉弁や点火プラグでの点火によるノイズが実質的にない状態での所定の２点とされる。具体的には、図２に基づいて説明すると、クランク角度θ１は、吸気弁Ｖｉ閉弁時のクランク角度よりも所定角度進んだクランク角度であり、例えば、吸気弁Ｖｉ閉弁時のクランク角度から５°遅れたクランク角度である。そして、クランク角度θ２は、点火プラグ４０による点火時のクランク角度よりも所定角度前のクランク角度であり、例えば、点火時のクランク角度から５°前のクランク角度である。なお、内燃機関１０が圧縮着火式機関である場合、クランク角度θ２は、圧縮着火時のクランク角度よりも所定角度前のクランク角度であり得る。ＥＣＵ５０は、クランク角度θ１での筒内圧力Ｐ_θ1を例えば記憶装置から読み出すと共に、クランク角度θ２での筒内圧力Ｐ_θ2を同様に読み出して、圧縮圧ΔＰを算出する。

次ぐステップＳ４０５では、ステップＳ４０１で検出された吸入空気量ＫＬと圧縮圧ΔＰとの比（ＫＬ／ΔＰ）が所定の閾値β以下か否かが判定される。この所定の閾値βは、システム補償値と称され得、筒内圧センサ５６に対する要求精度に基づいて定められる。

そして、ステップＳ４０５で肯定されると、つまり、吸入空気量ＫＬと圧縮圧ΔＰとの比（ＫＬ／ΔＰ）が所定の閾値β以下であるとき、ステップＳ４０７でその比に応じた感度補正が行われるようになる。この感度補正は、例えば、その比に基づいて、予め記憶装置に記憶されているデータを検索することで得られる補正値を用いて、筒内圧センサ５６からの出力信号に基づいて得られた筒内圧力を補正することで行われる。

他方、ステップＳ４０５で否定判定されると、つまり、吸入空気量ＫＬと圧縮圧ΔＰとの比（ＫＬ／ΔＰ）が所定の閾値βを超えるとき、ステップＳ４０９で、筒内圧センサに感度劣化が生じたので異常であると判定される（決定される）。この結果、例えば、運転席のフロントパネルに設けられるなどした警告灯（不図示）が点灯される。

なお、ステップＳ４０１とステップＳ４０３とは入れ替えられても、並列にされてもよい。

以上、本第１実施形態を説明したように、吸入空気量ＫＬと、圧縮行程中の所定の２つの時点における筒内圧力の差分ΔＰとの比が所定の閾値βを超えるか（換言するとその比が閾値β以下か）否かの判定結果に基づいて、筒内圧センサ５６の感度劣化判定が行われる。したがって、わずかこれだけの演算で、つまりより簡易な演算で、内燃機関１０に設けられた筒内圧センサ５６の劣化を判定することが可能になる。

次に、本発明に係る第２実施形態について説明する。ただし、本第２実施形態が適用された内燃機関１０Ａは、上記内燃機関１０と、外部ＥＧＲ装置が設けられている点で相違する構成を有する。しかし、他の構成においては、概ね、内燃機関１０Ａと内燃機関１０とは同じである。そこで、内燃機関１０Ａの図示を省略すると共に、以下の説明において内燃機関１０Ａの構成要素には対応する内燃機関１０の構成要素と同じ符号を付して、内燃機関１０Ａの構成の説明を省略する。ただし、内燃機関１０Ａに備えられている外部ＥＧＲ装置は、排気通路３７を流れる排気ガスの一部を吸気通路２９に導くようにＥＧＲ管によって区画形成されたＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁（ここでは電子制御式ＥＧＲ弁）とを備える。なお、ＥＣＵ５０の一部は第１禁止手段に含まれ、ＥＣＵ５０の一部は第２禁止手段に含まれる。

内燃機関１０Ａでは、内燃機関１０と同様に、上記比例係数の変化に着目して、筒内圧センサ５６の劣化が判定される。本第２実施形態での、その判定を、以下に図５のフローチャートに基づいて説明する。ここでは、図５のフローチャートは、所定時期に行われる。ここでの所定時期は、吸入新気量や残留ガス量の違いに起因する、圧縮圧ΔＰの気筒間バラツキの影響を実質的に排除可能な時期である。しかし、図５のフローチャートが、種々の期間、例えば所定期間のみ、繰り返されてもよい。なお、図５のフローチャートのステップＳ５０５〜ステップＳ５１３は、図４のフローチャートのステップＳ４０１〜ステップＳ４０９に対応するので、それらステップの重複説明を省略して、ステップＳ５０１およびステップＳ５０３のみ以下で説明する。

本第２実施形態のステップＳ５０１、Ｓ５０３は、圧縮圧ΔＰの気筒間バラツキの影響を実質的に排除可能な時期であるか否かを判定するべく設けられている。圧縮圧ΔＰの気筒間バラツキの影響を実質的に排除するためには、バルブリフト量を所定値Ｌ以上にすると共に、バルブオーバーラップを零かつＥＧＲ弁開度（ＥＧＲ開度）を零にすることが望まれる。

ステップＳ５０１では、バルブリフト量が所定値Ｌ以上か否かが判定される。このバルブリフト量には、動弁機構の制御値を読み込んで算出された値が用いられる。なお、機関運転状態からバルブリフト量が導き出されてもよい。

ステップＳ５０１で肯定判定されると、ステップＳ５０３でＥＧＲガス量が零であるか否かが判定される。ここでいうＥＧＲガスには、バルブオーバーラップに由来する内部ＥＧＲガスと、上記外部ＥＧＲ装置経由の外部ＥＧＲガスとが含まれる。それ故、ステップＳ５０３での判定は、バルブオーバーラップが零であるか否かの判定と、ＥＧＲ開度が零であるか否かの判定との二つから構成され得る。この場合、バルブオーバーラップが零でありかつＥＧＲ開度が零であるとき、ＥＧＲガス量が零であると判定される。なお、バルブオーバーラップやＥＧＲ開度が機関運転状態に基づいて制御される場合、機関運転状態がそれらが共に零になる所定機関運転状態であるか否かが判定され、ここで肯定判定されるときステップＳ５０３で肯定判定されてもよい。

そして、ステップＳ５０３で肯定判定されると、ステップＳ５０５へ進む。なお、ステップＳ５０１あるいはステップＳ５０３で否定判定されるとき、ステップＳ５０５へは進まない。つまり、吸気弁Ｖｉなどのリフト量が所定値を越えていないときや、外部ＥＧＲ装置を介したＥＧＲガスが気筒内に導入されているとき、筒内圧センサ５６の劣化判定は行われない（禁止される）。

本第２実施形態では、上記第１実施形態と同様の効果が奏されると共に、気筒間バラツキの実質的にない状態で筒内圧センサ５６の劣化を判定することが可能になる。なお、本第２実施形態での筒内圧センサの劣化判定は、例えば、アイドル運転時に行われてもよい。

なお、上記第１および第２実施形態では、吸入空気量ＫＬはエアフローメータ５２からの出力信号に基づいて検出されたが、吸気圧センサ５８からの出力信号に基づいて検出されてもよい。つまり、吸入空気量ＫＬは、吸気圧センサ５８からの出力信号に基づいて推定されてもよい。これは以下に説明される本発明に係る第３実施形態に対しても同様に適用され得る。

次に、本発明に係る第３実施形態について説明する。ただし、本第３実施形態が適用された内燃機関１０Ｂは、上記内燃機関１０Ａと同様の構成を有する。そこで、内燃機関１０Ｂの図示を省略すると共に、以下の説明において内燃機関１０Ｂの構成要素には内燃機関１０の対応する構成要素の符号を付して、内燃機関１０Ｂの構成の説明を省略する。なお、ＥＣＵ５０の一部は点火時期遅角手段に含まれ、ＥＣＵ５０の一部は第３禁止手段に含まれる。

しかし、本第３実施形態の筒内圧センサ５６の劣化判定が行われる時期は、上記第２実施形態でのその時期よりもさらに制限される。本第３実施形態のその時期を、図６に基づいて説明する。

図６では、横軸に内燃機関１０Ｂが搭載された車両の総走行時間をとり、この横軸に対して、点火時期の遅角量、各サイクルでの筒内圧力の最大値の増大量、圧縮比の増大量の各変化が、それぞれ概念的に重ねて示されている。内燃機関１０Ｂでは機関作動時間が長くなるに連れて、燃焼室を定めるシリンダブロック内壁面等にデポジットが堆積するようになる。これに伴って、燃焼室容積が減少するので、内燃機関１０Ｂの圧縮比が増大するようになり（一点破線参照）、また、各サイクルでの筒内圧力の最大値も増大するようになる（点線参照）。これに対して、ノッキング発生を抑制するべく、点火時期のノック遅角量も、機関作動時間が長くなるに連れて、多くなるようになる（実線参照）。したがって、このようなデポジット形成による圧縮比変化によって、筒内圧センサ５６の劣化が判定されるような自体が生ずることを防ぐ必要がある。

そこで、本第３実施形態では、ノック遅角量が遅角側に推移する前までの間の所定時期において、筒内圧センサ５６の劣化判定が行われる。具体的には、図６における、時間t0-t1の間、筒内圧センサ５６の劣化判定が行われ得、点火時期遅角量が所定量以上となるt1時を過ぎた後は、その劣化判定は禁止される。なお、時間t0-t1は、内燃機関１０Ｂの使用開始時から、点火時期遅角量が所定量未満の間である。

そして、点火時期遅角量が所定量未満のとき、上記した第２実施形態での筒内圧センサ５６の劣化判定が行われ得る。

本第３実施形態では、上記第１、２実施形態と同様の効果が奏されると共に、より適切に筒内圧センサ５６の劣化を判定することが可能になる。

以上、本発明を３つの実施形態およびそれらの変形例に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されない。本発明は、上記３つの実施形態等の一部あるいは全ての種々の組み合わせを許容する。また、上記説明では、筒内圧センサ５６の劣化判定が行われる時期を限定したが、任意に定めることができ、連続して行われてもよい。また、圧縮圧ΔＰを得るためのクランク角度θ１、θ２の各々は、吸気弁Ｖｉ閉弁時から燃焼開始時までの間であれば、種々の時期に定められ得るが、クランク角度θ１はクランク角度θ２よりも進角側の角度である。

また、上記３つの実施形態では、内燃機関を火花点火式機関としたが、それは圧縮点火式機関であってもよい。あるいは、本発明が適用される内燃機関は、ポート噴射形式の内燃機関であってもよく、本発明は種々の内燃機関に適用可能である。

以上、本発明を実施形態等に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明には、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が含まれる。したがって本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１０内燃機関
１２シリンダブロック
１４燃焼室
１６気筒
１８ピストン
２０吸気マニホールド
２２サージタンク
２４吸気管
２６エアクリーナ
２８スロットルバルブ
３０排気マニホールド
３２排気管
３４前段触媒装置
３６後段触媒装置
４０点火プラグ
４２インジェクタ
５４クランク角センサ
５６筒内圧センサ
５８吸気圧センサ
Ｖｉ吸気弁
Ｖｅ排気弁

Claims

筒内圧力を検出するために内燃機関に設けられた筒内圧センサの劣化判定装置において、
吸入空気量と、圧縮行程中の所定の２つの時点における筒内圧力の差分との比が所定の閾値を超えるか否かを判定する判定手段と、
該判定手段による判定結果に基づいて、筒内圧センサが劣化しているか否かを決定する劣化決定手段と、
ノック発生を抑制するべく、点火プラグによる点火時期を遅角させる点火時期遅角手段と、
該点火時期遅角手段による点火時期遅角量が所定量以上のとき、前記判定手段の作動を禁止する第１の禁止手段と、
を備えることを特徴とする筒内圧センサの劣化判定装置。
前記内燃機関に設けられた外部ＥＧＲ装置と、
該外部ＥＧＲ装置によってＥＧＲガスが気筒内に導入されているとき、前記判定手段の作動を禁止する第２の禁止手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の筒内圧センサの劣化判定装置。
吸気弁あるいは排気弁のリフト量を可変とする可変動弁機構と、
前記リフト量が所定値を越えていないとき、前記判定手段の作動を禁止する第３の禁止手段をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の筒内圧センサの劣化判定装置。