JP5545042B2 - 燃焼悪化検出装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の燃焼悪化を判定する燃焼悪化検出装置に関する。

内燃機関において、各気筒内で正常に燃焼が起きている場合、点火周期毎のクランクシャフトの平均回転数は一定の値を示す。これを利用して、クランクシャフトの回転変動に基づいてエンジンの燃焼悪化を判定することが可能である。これにより、例えば特許文献１等において、クランクシャフトの回転変動に基づいて、失火を検出することが開示されている。

特許文献１の内燃機関の失火検出装置は、回転角センサの出力に基づき、内燃機関が任意気筒の爆発行程に所定の角度回転するのに要する時間Ｔ（ｘ）、連続する次の爆発行程に所定の角度回転するのに要する時間Ｔ（ｘ＋１）、上記時間Ｔ（ｘ）の開始から３６０゜ＣＡ後に所定の角度回転するのに要する時間Ｔ（ｘ＋３６０゜ＣＡ）、及び時間Ｔ（ｘ＋１）の開始から３６０゜ＣＡ後に所定の角度回転するのに要する時間Ｔ（ｘ＋３６０゜ＣＡ＋１）をそれぞれ計測する。そして、この３６０゜ＣＡの２階差分｛Ｔ（ｘ）−Ｔ（ｘ＋１）｝−｛Ｔ（ｘ＋３６０゜ＣＡ）−Ｔ（ｘ＋３６０゜ＣＡ＋１）｝をとり、該差分値と失火判定値ＣＫとを比較することによって失火の有無を判定する。

特許文献１の記載によると、上記の｛Ｔ（ｘ）−Ｔ（ｘ＋１）｝−｛Ｔ（ｘ＋３６０゜ＣＡ）−Ｔ（ｘ＋３６０゜ＣＡ＋１）｝といったような２階差分をとることにより、クランク角度の誤差を相殺することができる。これにより得られた２階差分値と失火判定値とを比較すれば、内燃機関の失火の有無（燃焼悪化率）について、信頼性の高い正確な判定を行うことができる。

特開平７−２１７４８８号公報

ところで、燃焼悪化率は、運転条件、車両の状態、路面の状態や、内燃機関の燃焼悪化時の燃焼状態などに影響を受ける。例えば、悪路走行により車両振動が発生しているときには、その影響が顕著に出てしまうため、誤検出の可能性が高くなり、結果として燃焼悪化率の検出値のばらつきが大きくなる。また、燃焼悪化率が大きくなるほど、燃焼状態が不安定となり発生トルク差のばらつきが拡大していく。

上記のように、回転変動の２階差分処理を行うことにより燃焼悪化率を算出する場合には、揺り返しに起因する回転変動誤差を誤検出することを低減することができる。しかしながら、２階差分処理を行うことにより、悪路走行による車両振動や、燃焼状態変化によるトルクの変動の影響がより顕著になり、燃焼悪化と判定される頻度にばらつきが生じ、燃焼悪化率の検出精度が低下する。

そこで、本発明は悪路走行やトルク変動に起因する燃焼悪化率の検出値のばらつきを低減し、検出精度を向上することを課題とする。

かかる課題を解決する本発明の燃焼悪化検出装置は、所定期間内の検出タイミングごとに、失火検出対象となる第１気筒及び当該第１気筒の次に燃焼が起こる第２気筒の回転角速度差分から、前記第１気筒から３６０゜クランク角の位相差をもつ第３気筒及び第３気筒の次に燃焼が起こる第４気筒の回転角速度差分を差し引いて算出した２階差分値と、内燃機関の運転状態から算出した失火判定値と、を比較し、前記２階差分値が前記失火判定値を超えている場合、燃焼状態が悪化していると判定する燃焼悪化検出装置であって、前記検出タイミングごとに検出された検出値の平均値を前記所定期間の燃焼悪化率として算出することを特徴とする。

このような構成とすることにより、悪路走行による車両振動や、トルク変動による誤差を均一化して相殺することができる。これにより、燃焼悪化率の検出値のばらつきが低減され、燃焼悪化率の検出精度が向上できる。

上記の燃焼悪化検出装置において、前記所定期間を可変とすることができる。運転状況により燃焼悪化率のばらつき状況は変化する。上記のように所定期間を可変とすることにより、運転状況に応じて所定期間を選択することができる。これにより、柔軟に燃焼悪化率の値を算出できる。

上記の燃焼悪化検出装置において、前記燃焼悪化率の値に応じて、前記所定期間を変更する構成とすることができる。このような構成とすることにより、燃焼悪化率が大きいほど所定期間を長くすることができる。これにより、燃焼悪化率の検出ばらつきを相殺できるため、精度の高い燃焼悪化率を検出できる。

上記の燃焼悪化検出装置において、路面状況を検出する路面状況検出手段を備え、前記路面状況検出手段が検出した路面状況に応じて前記所定期間を変更する構成とすることができる。平坦な路面と悪路とでは車両の振動状況が異なるが、一律に所定期間を長くすると、燃焼悪化率の検出頻度が低下する。そこで、上記の構成とすることにより、検出精度の向上と、検出頻度の要求を満たすことができる。

上記の燃焼悪化検出装置における前記路面状況が悪路である場合と平坦路である場合とにおいて、異なる重み付けを与えて燃焼悪化率を算出する構成とすることができる。このような構成とすることにより、検出精度の高い平坦路と検出精度の低い悪路との関係を考慮して燃焼悪化率を算出できる。これにより、燃焼悪化率の検出精度を向上できる。

上記の燃焼悪化検出装置において、前記所定期間内における検出値の検出タイミングを可変とすることができる。これにより、燃焼悪化率の検出精度が高い場合には、検出タイミングを早めて早期に検出値を算出することができる。反対に燃焼悪化率の検出精度が低い場合には、平均化する期間を長くして、検出精度を向上することができる。

本発明は、所定期間内に検出された検出値の平均値を期間の燃焼悪化率として算出することにより、悪路走行やトルク変動に起因する燃焼悪化率の検出値のばらつきを低減し、検出精度を向上することを課題とする。

燃焼悪化検出装置を組み込んだエンジンの概略構成を示した説明図である。 燃焼悪化率の算出について示した制御フローである。 （ａ）は燃焼悪化率とエンジンの回転履歴との関係を示し、（ｂ）は燃焼悪化率検出値とエンジンの回転履歴との関係を示している。

以下、本発明を実施するための一形態を図面と共に詳細に説明する。

本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施例の燃焼悪化検出装置１を組み込んだエンジン１００の概略構成を示した説明図である。エンジン１００は、シリンダブロック２内をピストン３が摺動する４気筒のレシプロエンジンである。エンジン１００は、ピストン３とコンロッド４を介して接続されるクランクシャフト５を備えている。ピストン３、シリンダブロック２、シリンダヘッド６により燃焼室７が区画され、燃焼室７に連通した吸気管８を通り新気が燃焼室７内へ供給される。また、吸気管８内にはスロットルバルブ９が配置されており、スロットルバルブ９の開閉により、燃焼室７内への吸入空気量が調整される。

また、エンジン１００は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０を備えている。ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、入出力ポートを双方向バスで接続した公知の形式のディジタルコンピュータからなる。ＥＣＵ２０は、クランクシャフト５の回転角を計測するクランク角センサ２１、シリンダブロック２内に形成されたウォータジャケット１０内の冷却水の温度を計測する水温センサ２２、スロットルバルブ９の開度角を計測するスロットル開度センサ２３、アクセルペダルの開度角を計測するアクセルペダル開度センサ２４、車両の振動を計測する振動センサ２５と電気的に接続されている。また、ＥＣＵ２０は、エンジン１００の制御のために設けられているその他各種センサや作動装置と信号をやり取りしてエンジン１００を制御する。

次に、燃焼悪化率の算出処理について説明する。図２は、燃焼悪化率の算出にかかる制御フローを示している。以下、燃焼悪化率の算出処理について図２の制御フローを参照しつつ説明する。

ＥＣＵ２０は、ステップＳ１において、エンジン１００の運転状態を取得する。ここでは、各種センサにおいて計測された情報に基づいて、エンジンの運転状態を把握する。具体的には、クランク角センサ２１からクランク回転角θを検出し、始動後のエンジン回転履歴及び回転変動を算出する。また、水温センサ２２からエンジン冷却水の温度Ｔｗを取得する。さらに、スロットル開度センサ２３、アクセルペダル開度センサ２４からスロットル開度変化量Ｔｈｖを取得し、車両の速度ｖ、アクセルペダルの未操作時にＯＮとなるアイドル信号ＩＤＳ、エンジン１００の負荷率ＫＬを算出する。なお、車両の速度ｖは車速計（図示しない）から取得し、負荷率ＫＬはエアフロメータ（図示しない）から取得される流入空気量（ＧＮ値）に基づいて算出することもできる。ＥＣＵ２０は、ステップＳ１を終えるとステップＳ２へ進む。

次に、ＥＣＵ２０は、ステップＳ２において、燃焼悪化判定実行条件が成立しているか否かを判断する。燃焼悪化判定を実行するか否かは、燃焼悪化が発生する状態か否かにより判断される。従って、燃焼悪化の発生時に生じると予想される各現象を燃焼悪化判定実行条件とすることができる。例えば、ＥＣＵ２０は、ステップＳ１で取得したエンジン１００の状態に基づいて、（ａ）冷却水温度Ｔｗが所定値Ａ未満であること、（ｂ）始動後のエンジン回転履歴が所定値Ｂ未満であること、（ｃ）エンジン１００の回転変動が所定値Ｃ以上であること、（ｄ）スロットル開度の変化量Ｄが所定値未満であること、（ｅ）エンジン１００を搭載した車両の速度が所定値Ｅ以上、またはアイドル信号がＯＦＦの状態で、負荷率が所定値Ｆ以内であること、の少なくとも１つが当てはまる場合、燃焼悪化判定条件が成立すると判断する。ＥＣＵ２０はステップＳ２において、ＹＥＳと判断する場合、すなわち、燃焼悪化判定条件が成立すると判断する場合、ステップＳ３へ進む。

ＥＣＵ２０はステップＳ３で、燃焼悪化判定処理を実行する。燃焼悪化判定処理は、例えば、従来から実施されている失火判定処理である。失火検出対象となる第１の気筒及び第１の気筒の次に燃焼が起こる第２の気筒の回転角速度差分から、第１の気筒から３６０゜クランク角の位相差をもつ第３の気筒及び第３の気筒の次に燃焼が起こる第４の気筒の回転角速度差分を差し引いて算出した２階差分値と、エンジン１００の運転状態から算出した失火判定値とを比較する。
２階差分値は、クランク角速度をωとして、
ω（ｘ）− ω（ｘ ＋ １） （１）
ω（ｘ ＋ ３６０°ＣＡ）− ω（ｘ ＋３６０°ＣＡ ＋ １） （２）
で表わされた（１）式と（２）式との差分により求められる。
また、燃焼悪化判定処理は、燃焼室７内の圧力を計測する燃焼圧センサが取得する波形に基づいてエンジンの燃焼状態を把握し、不完全燃焼、もしくは失火をしているか判定することとしてもよい。ＥＣＵ２０はステップＳ３の処理を終えるとステップＳ４へ進む。

ＥＣＵ２０はステップＳ４で、燃焼悪化（不完全燃焼、または失火）が発生しているか否かを判断する。ＥＣＵ２０は、上記で説明した失火判定処理において、回転角速度の２階差分値が失火判定値を超えている場合、または、燃焼室７内の圧力を計測している場合には、燃焼圧センサが取得する波形の変化に基づいて、燃焼悪化が発生していると判断する。ＥＣＵ２０はステップＳ４でＹＥＳと判断する場合、すなわち、燃焼悪化が発生していると判断するとステップＳ５へ進む。

ＥＣＵ２０はステップＳ５で、燃焼悪化率Ｒの算出期間、及び燃焼悪化率検出値Ｒ_ｍの算出タイミングを決定する。燃焼悪化率検出値Ｒ_ｍは検出時における燃焼悪化率の検出値を示している。従って、この燃焼悪化率検出値Ｒ_ｍは悪路走行やトルク変動に起因するばらつきを含んでいる。

燃焼悪化率Ｒの算出期間は、本発明の所定期間に相当する。この算出期間は、例えば、燃焼悪化率の検出時点からエンジン回転数にして３０００（ｒｅｖ）遡った時点を算出開始時、検出時点を算出終了時とする。また、算出期間は可変とすることができ、上記の３０００（ｒｅｖ）に相当する期間を長くすることも短くすることもできる。算出期間は、この算出処理のロジックにおいて算出される燃焼悪化率の値に応じて変更することができる。例えば、燃焼状態が悪い、すなわち、燃焼悪化率が高い場合、算出期間を拡大し、燃焼悪化率が低い場合、算出期間を短縮することができる。また、算出期間は、エンジンの回転変動、失火率、筒内圧から決定することとしてもよい。

また、燃焼悪化率の算出タイミングは、例えば、１０００（ｒｅｖ）毎にすることができる。また、この算出タイミングは可変であり、エンジン１００の運転状態に応じて変更することができる。例えば、精度の高い検出ができるアイドル運転時などでは、早期の検出を図り、２００（ｒｅｖ）毎とすることができる。ＥＣＵ２０はステップＳ５の処理を終えると、ステップＳ６へ進む。

ＥＣＵ２０はステップＳ６で、燃焼悪化カウント値ｎを１増加する。ＥＣＵ２０はステップＳ６の処理を終えると、ステップＳ７へ進む。ここでのｎはステップＳ５で決定された算出期間と算出タイミングとにより、上限が決定される。例えば、ステップＳ５で決定した算出期間が３０００（ｒｅｖ）、算出タイミングが１０００（ｒｅｖ）であった場合、ｎの上限は３となる。なお、燃焼悪化率検出値Ｒ_ｍは燃焼悪化カウント値ｎを所定の回転履歴ｍで除した値ｎ／ｍとして算出される。

ＥＣＵ２０はステップＳ７で、燃焼悪化率検出値Ｒ_ｍの算出タイミングか否かを判断する。算出タイミングはステップＳ５で決定したタイミングである。ＥＣＵ２０はステップＳ７でＹＥＳと判断した場合、すなわち、燃焼悪化率検出値Ｒ_ｍの算出タイミングであると判断した場合、ステップＳ８へ進む。

ＥＣＵ２０はステップＳ８で、最新に取得した燃焼悪化率検出値Ｒ_ｍをＲ_ｍ（ｋ）として格納し、１つ前の燃焼悪化率検出値をＲ_ｍ（ｋ−１）、２つ前の燃焼悪化率検出値をＲ_ｍ（ｋ−２）、・・・ｋ−ｎ＋１前の燃焼悪化率検出値をＲｍ（ｋ−ｎ）として、格納する。ＥＣＵ２０はステップＳ８の処理を終えると次にステップＳ９で燃焼悪化率Ｒを算出する。算出式は、次式の通りである。

すなわち、燃焼悪化率Ｒは燃焼悪化率の算出期間中に取得した燃焼悪化率検出値Ｒ_ｍの平均値となる。ＥＣＵ２０がステップＳ９の処理を終えるとリターンとなる。

ところで、ＥＣＵ２０が、ステップＳ２においてＮＯと判断する場合、すなわち、燃焼悪化判定条件が成立しないと判断する場合、または、ステップＳ４でＮＯと判断する場合、すなわち、燃焼悪化が発生していないと判断する場合、または、ステップＳ７でＮＯと判断する場合、すなわち、燃焼悪化率検出値Ｒ_ｍの算出タイミングでないと判断する場合、リターンとなる。

次に、上記の算出処理による効果を説明する。図３（ａ）は燃焼悪化率Ｒとエンジン１００の回転履歴との関係を示している。図３（ｂ）は燃焼悪化率検出値Ｒ_ｍとエンジン１００の回転履歴との関係を示している。図３（ａ）、図３（ｂ）中のΔＲ_１、ΔＲ_２はそれぞれ検出ばらつきを表わしている。なお、図３は、燃焼悪化率の算出期間を３０００（ｒｅｖ）、算出タイミングを１０００（ｒｅｖ）とした場合である。

図３（ａ）の３０００（ｒｅｖ）時点における燃焼悪化率Ｒは図３（ｂ）の０〜３０００（ｒｅｖ）における燃焼悪化率検出値Ｒ_ｍの平均値である。また、図３（ａ）の４０００（ｒｅｖ）時点における燃焼悪化率Ｒは図３（ｂ）の１０００〜４０００（ｒｅｖ）における燃焼悪化率検出値Ｒ_ｍの平均値である。同様に、図３（ａ）の５０００（ｒｅｖ）時点における燃焼悪化率Ｒは図３（ｂ）の２０００〜５０００（ｒｅｖ）における燃焼悪化率検出値Ｒ_ｍの平均値である。

図３（ｂ）の燃焼悪化率検出値Ｒ_ｍは、悪路走行やトルク変動に起因するばらつきを含んだ値であるため、検出ばらつきΔＲ_２が大きい。これに対し、図３（ａ）では、検出時点より３０００（ｒｅｖ）遡った期間に検出された燃焼悪化率検出値Ｒ_ｍを平均化することにより、悪路走行やトルク変動に起因するばらつきを相殺している。このため、検出ばらつきΔＲ_１がΔＲ_２より小さく、燃焼悪化率Ｒは、実燃焼悪化率Ｒ_ｒにより近似し、検出精度の高い値として算出される。

以上説明したように、本実施例の処理により算出された燃焼悪化率Ｒは、算出時から遡った算出期間に得られた検出値を平均化することにより、悪路走行やトルク変動に起因する検出値のばらつきを低減するため、高い検出精度が得られる。また、燃焼悪化率の算出期間を可変とすることにより、運転状況に応じて算出期間を選択する。これにより、柔軟に燃焼悪化率の値を算出できる。特に、算出期間を燃焼悪化率の値に応じて変更する。燃焼悪化率が大きいほど算出期間を長くして、ばらつきを相殺するため、精度の高い燃焼悪化率を検出できる。また、算出期間内における燃料悪化率検出値の検出タイミングを可変とする。すなわち、燃焼悪化率の検出精度が高い場合には、検出タイミングを早めて早期に検出値を算出する。反対に燃焼悪化率の検出精度が低い場合には、平均化する期間を長くして、検出精度を向上する。

次に、燃焼悪化率の算出処理のその他の例を説明する。ここで説明する例は、上記の例と比較して、車両が走行する路面状況を考慮する点で上記の例と異なる。路面状況が異なると、検出される燃焼悪化率にも差異が現われる。具体的には、走行する路面が悪路である場合、平坦路に比べて、振動による影響が大きくなり、燃焼悪化率の検出精度が低下する。そこで、本例では、路面状況に応じて算出期間を変更する。路面状況は振動センサ２５により取得する。振動センサ２５が検出する振動が大きい、または振動の頻度が多い場合、走行している路面が悪路であるとして、上記フローのステップＳ５において決定する算出期間を拡張する。例えば、走行している路面が平坦路である場合、算出期間を３０００（ｒｅｖ）とし、走行している路面が悪路である場合、算出期間を５０００（ｒｅｖ）とする。これにより、悪路による検出精度の低下を抑制する。

上記のように、燃焼悪化率の検出精度が低い場合に算出期間を拡張することにより検出精度が向上できる。ところが、算出期間を拡張するため、燃焼悪化率の検出頻度が低下する。本例では、平坦路のように検出精度が低くない場合、算出期間を拡張することがないため、燃焼悪化率の検出頻度の低下を抑制する。このように、算出期間を適切に設定することにより、燃焼悪化率の検出精度の向上と検出頻度の低下抑制とを両立する。

また、上記のステップＳ９の算出式において、燃焼悪化率検出値Ｒ_ｍに路面状況に応じて重み付けを行ってもよい。すなわち、路面状況が悪路である場合と平坦路である場合とにおいて、異なる重み付けを与えて燃焼悪化率を算出することができる。例えば、上記のフローのステップＳ９の数式１を下記の数式２とすることができる。

ａは悪路に対する重みであり、ｂは平坦路に対する重みである。平坦路走行時の燃焼悪化率の検出精度が悪路走行時の燃焼悪化率の検出精度よりも高いため、ａ＜ｂの関係にある。このように路面状況に応じた重み付けを行うことにより、燃焼悪化率の検出精度を向上できる。上記の数式２は一例であり、重み付けの値ａ、ｂは路面の状況により入れ替わる。

なお、路面状況は、振動センサ２５に代えて、車両のサスペンションの減衰状態を計測する手段、スプリングコイルの沈み量を計測する手段、車両の傾斜角を計測する手段、路面摩擦係数を計測する手段を用いて取得してもよい。

上記のように、平坦な路面と悪路とでは車両の振動状況が異なるが、一律に所定期間を長くすると、燃焼悪化率の検出頻度が低下する。そこで、本例では、路面状況に応じて燃焼悪化率の算出期間を変更する。これにより、検出精度の向上と、検出頻度の要求を満たすことができる。また、路面状況が悪路である場合と平坦路である場合とにおいて、異なる重み付けを与えて燃焼悪化率を算出する。これにより、検出精度の高い平坦路と検出精度の低い悪路との関係を考慮して燃焼悪化率を算出し、燃焼悪化率の検出精度を向上できる。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

１ 燃焼悪化検出装置
２０ ＥＣＵ
２１ クランク角センサ
２２ 水温センサ
２３ スロットル開度センサ
２４ アクセルペダル開度センサ
２５ 振動センサ
１００ エンジン

Claims (6)

1. 所定期間内の検出タイミングごとに、失火検出対象となる第１気筒及び当該第１気筒の次に燃焼が起こる第２気筒の回転角速度差分から、前記第１気筒から３６０゜クランク角の位相差をもつ第３気筒及び第３気筒の次に燃焼が起こる第４気筒の回転角速度差分を差し引いて算出した２階差分値と、内燃機関の運転状態から算出した失火判定値と、を比較し、前記２階差分値が前記失火判定値を超えている場合、燃焼状態が悪化していると判定する燃焼悪化検出装置であって、
   前記検出タイミングごとに検出された検出値の平均値を前記所定期間の燃焼悪化率として算出することを特徴とした燃焼悪化検出装置。
2. 請求項１記載の燃焼悪化検出装置において、
   前記所定期間を可変とすることを特徴とした燃焼悪化検出装置。
3. 請求項２記載の燃焼悪化検出装置において、
   前記燃焼悪化率の値に応じて、前記所定期間を変更することを特徴とした燃焼悪化検出装置。
4. 請求項２記載の燃焼悪化検出装置において、
   路面状況を検出する路面状況検出手段を備え、
   前記路面状況検出手段が検出した路面状況に応じて前記所定期間を変更することを特徴とした燃焼悪化検出装置。
5. 請求項４記載の燃焼悪化検出装置において、
   前記路面状況が悪路である場合と平坦路である場合とにおいて、異なる重み付けを与えて燃焼悪化率を算出することを特徴とした燃焼悪化検出装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか記載の燃焼悪化検出装置において、
   前記所定期間内における検出値の検出タイミングを可変とすることを特徴とした燃焼悪化検出装置。

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