JP5708543B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、筒内圧センサが搭載された内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特開昭６２−９５４３７号公報には、内燃機関の筒内圧の高周波成分および低周波成分に基づいて、燃焼状態を監視する装置が提案されている。この装置では、具体的には、筒内圧のセンサ出力の低周波成分と高周波成分にそれぞれ燃焼エネルギに関連した特有の正常パターンがあることに着目し、これら各成分の分析からその正常／異常を判別してエンジンの失火を判定することとしている。

特開昭６２−９５４３７号公報

ところで、内燃機関に発生する異常燃焼の一態様として、プレイグニッション（過早点火）がある。プレイグニッションは、燃焼サイクルにおける圧縮行程中に、点火プラグの正常な点火時期より前に燃焼室内の過熱した部位から混合気が自己着火してしまう現象である。プレイグニッションが発生すると、混合気が圧縮されながら燃焼するため、燃焼室内の圧力および温度が異常に高くなるおそれがある。

ピストンリング等の機関部品は、プレイグニッションの標準的な発生回数に対して十分耐え得るように設計されている。しかしながら、粗悪燃料の使用やデポジットの堆積量の増加などにより、設計時の想定よりもプレイグニッションの発生頻度の高い状態が継続されると、ピストンリングの変形が早期に進行し、その結果、ブローバイガスやオイル消費量が増大するという課題がある。

上述した従来の技術では、筒内圧のセンサ出力の低周波成分と高周波成分とを用いて燃焼状態を監視することとしているが、プレイグニッションがピストンリングに与える影響を定量的に評価する技術は開示されていない。このため、上述した従来の技術では、プレイグニッションによるピストンリングの変形度合を正確に判断し対策を講じることができず、改善が望まれていた。

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、プレイグニッションがピストンリングに与える影響を正確に把握することにより、ピストンリングの破損を抑止することが可能な内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の所定気筒の筒内圧検出値を出力する筒内圧センサと、
前記所定気筒の圧縮行程における前記筒内圧検出値から低周波成分および高周波成分の挙動をそれぞれ抽出する手段と、
プレイグニッションが発生したときの前記低周波成分のピーク値および前記高周波成分の最大振幅をそれぞれ取得する手段と、
前記プレイグニッションの発生頻度に前記ピーク値および前記最大振幅に応じて規定される重みパラメータを反映させることにより、ピストンリングの変形度合に対応する指標値を取得する指標値取得手段と、
前記指標値が所定のしきい値を超えた場合に、前記内燃機関の運転状態を変化させてプレイグニッションの発生を抑制するプレイグニッション抑制手段と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、
前記指標値取得手段は、発生した前記プレイグニッションのそれぞれを、前記ピーク値および前記最大振幅に応じて設定された各領域に区分し、当該各領域に属する前記プレイグニッションの発生回数に前記重みパラメータをそれぞれ反映させて積算した値を、前記指標値として取得することを特徴としている。

第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記重みパラメータは、前記ピーク値および／または前記最大振幅が大きいほど前記指標値が大きくなるように規定されていることを特徴としている。

第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記プレイグニッション抑制手段は、前記しきい値を前記内燃機関の走行距離に応じて設定する手段を含むことを特徴としている。

第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
前記指標値が前記ピストンリングの破損限界として設定された第２のしきい値を超えた場合に、所定の警告を行う報知手段を更に備えることを特徴としている。

第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、
前記プレイグニッション抑制手段は、前記指標値が所定のしきい値を超えた場合に、前記内燃機関の空燃比を燃料リッチ側に可変させる空燃比制御手段を含むことを特徴としている。

第１の発明によれば、プレイグニッションの発生頻度に筒内圧の低周波成分のピーク値および高周波成分の最大振幅の影響（重みパラメータ）を反映させた値が、プレイグニッションによるピストンリングの変形度合に対応する指標値として取得される。プレイグニッション時のピーク値および最大振幅が大きいほど機関部品への負担が大きい。このため、本発明によれば、当該指標値に基づいてプレイグニッションによるピストンリングの変形度合を精度よく判断することができるので、プレイグニッションの発生を抑止させるための措置を有効に講じることができる。

第２の発明によれば、発生した前記プレイグニッションのそれぞれが、ピーク値および最大振幅に応じて設定された各領域に区分され、当該各領域に属するプレイグニッションの発生回数に重みパラメータをそれぞれ反映させて積算した値が指標値として取得される。このため、本発明によれば、プレイグニッションのピーク値および最大振幅を指標値に有効に反映させることができる。

第３の発明によれば、重みパラメータは、ピーク値および／または最大振幅が大きいほど指標値が大きくなるように規定されている。このため、本発明によれば、ピストンリングへの負担が大きいほど指標値が大きくなるので、当該指標値に基づいてプレイグニッションによるピストンリングの変形度合を精度よく判断することができる。

第４の発明によれば、内燃機関の走行距離に応じて指標値の許容範囲が設定される。このため、本発明によれば、走行距離に応じて大きくなる指標値に対して、常に適切な許容範囲を設定することができる。

第５の発明によれば、指標値がピストンリングの破損限界として設定された値を超えた場合に、警告が行われる。このため、本発明によれば、ピストンリングが破損する前に交換を促すことが可能となる。

第６の発明によれば、指標値が許容範囲を超えた場合に、内燃機関の空燃比を燃料リッチ側に可変させる空燃比制御が実行される。このため、本発明によれば、筒内温度を有効に低下させてプレイグニッションの発生を有効に抑止することができる。

本発明の実施の形態１としてのシステム構成を説明するための概略構成図である。 プレイグニッションの発生領域を示す図である。 プレイグニッションが発生した場合の筒内圧変化を示す特性線図である。 プレイグニッションの発生頻度に重み付けを行う方法の一例を説明するための図である。 図５は、走行距離に応じた指標値の変化を示す一例である。 本発明の実施の形態１において実行するルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１としてのシステム構成を説明するための概略構成図である。図１に示すとおり、本実施の形態のシステムは内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、ガソリンを燃料とする火花点火式の過給ガソリンエンジンとして構成されている。尚、過給機の構成については、既に多くの文献において公知であるため、以下の説明においてはその説明および図示を省略する。

内燃機関１０の筒内には、その内部を往復運動するピストン１２が設けられている。内燃機関１０の筒内と、その内部を往復するピストン１２の外周との間隙には、複数のピストンリング１４が設けられている。ピストンリング１４は、ピストン１２の外周に形成された外周溝にそれぞれ装着され、燃焼室からクランクケース側に圧縮ガスや燃焼ガスが漏出するのを防止する機能の他、クランクケース側から燃焼室にオイルが持ち込まれるのを防止する機能を有している。

また、内燃機関１０は、シリンダヘッド１６を備えている。ピストン１２とシリンダヘッド１６との間には、燃焼室１８が形成されている。燃焼室１８には、吸気通路２０および排気通路２２の一端がそれぞれ連通している。吸気通路２０および排気通路２２と燃焼室１８との連通部には、それぞれ吸気弁２４および排気弁２６が配置されている。

吸気通路２０の入口には、エアクリーナ２８が取り付けられている。エアクリーナ２８の下流には、スロットルバルブ３０が配置されている。スロットルバルブ３０は、アクセル開度に基づいてスロットルモータにより駆動される電子制御式のバルブである。

シリンダヘッド１６には、燃焼室１８の頂部から燃焼室１８内に突出するように点火プラグ３２が取り付けられている。また、シリンダヘッド１６には、燃料を筒内に噴射するための燃料噴射弁３４が設けられている。更に、シリンダヘッド１６には、各気筒の筒内圧力を検出するための筒内圧センサ（ＣＰＳ）３６がそれぞれ組み込まれている。

本実施の形態のシステムは、図１に示すとおり、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)４０を備えている。ＥＣＵ４０の入力部には、上述した筒内圧センサ３６の他、クランク軸の回転位置を検知するためのクランク角センサ４２等の各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ４０の出力部には、上述したスロットルバルブ３０、点火プラグ３２、燃料噴射弁３４等の各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ４０は、入力された各種の情報に基づいて、内燃機関１０の運転状態を制御する。

［実施の形態１の動作］
先ず、図２および図３を参照して、過給機付きガソリンエンジンにおけるプレイグニッションの発生傾向について説明する。図２は、プレイグニッションの発生領域を示す図であり、図３は、プレイグニッションが発生した場合の筒内圧変化を示す特性線図である。過給機付きガソリンエンジンでは、図２に示すように、例えば、エンジン回転数とトルクに応じて定められる運転領域のうち、低回転高負荷領域においてプレイグニッションが発生し易い。尚、以下の説明において、単に「プレイグニッション」という場合には、図２に示すような低回転高負荷領域において発生する低速時のプレイグニッションを指すものとする。

プレイグニッションが発生した場合には、混合気が圧縮されながら燃焼するため、図３に示すように、通常の燃焼時と比較して燃焼室内の圧力および温度が異常に高くなる。このため、プレイグニッションが発生すると、ピストンリング１４が変形し、ブローバイガスの量やオイル消費量であるＬＯＣ（Lubrication Oil Consumption）が急増するおそれがある。具体的には、ピストンリング１４は、保障すべき目標走行距離（例えば３０万ｋｍ）に耐え得るように設計されている。しかしながら、粗悪燃料の使用やデポジットの堆積量増加などによりプレイグニッションの発生頻度が想定を超えて増すような事態が発生すると、それよりも早期にピストンリング１４の変形が進行してしまい、実用上問題が生じることも想定される。

ここで、プレイグニッションによるピストンリング１４への影響は、プレイグニッションの発生頻度だけでなく、その大きさによっても異なる。すなわち、図２に示すように、プレイグニッションが発生すると筒内圧力が急激に上昇する。この際の低周波成分の最大筒内圧（以下、「ピーク値」と称する）Ｐｍａｘと高周波成分の振幅の最大値（以下、「最大振幅」と称する）ＰＳに着目すると、Ｐｍａｘおよび／またはＰＳが大きいほど、ピストンリング１４への影響（プレイグニッション時の変形量）は大きなものとなる。このため、ピストンリング１４の変形量の指標として、単にプレイグニッションの発生頻度（例えば、発生回数の積算値）を用いた場合には、ピストンリング１４の破損の可能性を正確に判断することはできない。

そこで、本実施の形態１の装置では、プレイグニッションによるピストンリング１４への影響を評価する場合に、プレイグニッションの発生頻度（回数）にピーク値Ｐｍａｘおよび最大振幅ＰＳによる重み付けを行うこととする。図４は、プレイグニッションの発生頻度に重み付けを行う方法の一例を説明するための図である。図４に示す例では、発生したプレイグニッションは、筒内圧センサ３６の検出信号から高周波成分および低周波成分の挙動が抽出され、最大振幅ＰＳとピーク値Ｐｍａｘとがそれぞれ特定され、そして、最大振幅ＰＳとピーク値Ｐｍａｘに応じて定められる領域ａ，ｂ，ｃ，ｄの何れかに区分される。次いで、次式（１）に従い、各領域に属するプレイグニッションの回数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに重み付けを施した指標値が算出される。
指標値＝ａＡ＋ｂＢ＋ｃＣ＋ｄＤ ・・・（１）

上式（１）において、ａ，ｂ，ｃ，ｄは、各領域ａ，ｂ，ｃ，ｄに割り当てられた重みパラメータであり、Ｐｍａｘおよび／またはＰＳが大きい領域ほど大きな値（すなわち、ａ＜ｂ＜ｃ＜ｄ）になるように設定されている。上式（１）によれば、Ｐｍａｘおよび／またはＰＳが大きい領域に属するプレイグニッションの回数が多いほど、指標値は大きな値として算出される。これにより、プレイグニッションによるピストンリングの破損を未然に防ぐための指標値を精度よく算出することができる。

算出された指標値は、プレイグニッション抑制制御に使用される。図５は、走行距離に応じた指標値の変化を示す一例である。この図に示す例では、走行距離が長いほど大きな値となるクライテリアＸ’が設定されている。尚、クライテリアＸ’は、走行距離に対するプレイグニッションの発生回数の標準ラインであって、当該標準ラインを超えなければ目標走行距離を走破可能とされる設計上の基準値である。そして、図５に示すように、算出された指標値がクライテリアＸ’よりも大きい場合に、プレイグニッションを抑制するための制御として、内燃機関１０の空燃比をリッチ空燃比とする空燃比制御が実行される。これにより、指標値がクライテリアＸ’よりも小さくなるように制御されるので、ピストンリングの変形の進行を有効に抑制することが可能となる。

また、図５に示す例では、標準ラインに沿って目標走行距離を走破した場合のプレイグニッション発生回数が、クライテリアＸとして設定されている。このクライテリアＸは、走行距離によらずに設定される固定値であって、ピストンリングの破損限界を判定するためのものである。本実施の形態１のシステムでは、指標値がクライテリアＸを超えた場合に、ＭＩＬが点灯される。これにより、当該部品の限界を使用者に報知することができるので、破損する前の部品交換を促すことが可能となる。

［実施の形態１の具体的処理］
次に、フローチャートを参照して、本実施の形態１のシステムにおいて実行される制御の具体的処理について説明する。図６は、ＥＣＵ４０が本実施の形態１において実行するルーチンを示すフローチャートである。図６に示すルーチンでは、先ず、指標値（ａＡ＋ｂＢ＋ｃＣ＋ｄＤ）がクライテリアＸ’よりも小さいか否かが判定される（ステップ１００）。プレイグニッションは、最大筒内圧Ｐｍａｘおよび最大振幅ＰＳを筒内圧センサ３６により検出することで、領域ａ，ｂ，ｃ，ｄの何れかに分類されている。ここでは、具体的には、各領域に属するプレイグニッションの回数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ、および各領域の重みパラメータａ，ｂ，ｃ，ｄを用いて、指標値が演算される。また、Ｘ’は、走行距離に応じたプレイグニッションの発生回数の標準値として設定されたクライテリアであって、走行距離が長いほど大きい値になるように設定されている。ここでは、内燃機関１０の走行距離に対応するＸ’が特定される。本ステップの判定の結果、ａＡ＋ｂＢ＋ｃＣ＋ｄＤ＜Ｘ’の成立が認めらない場合には、プレイグニッションの発生回数が標準ラインを超えていると判断されて、次のステップに移行し、プレイグニッション抑制制御が実行される（ステップ１０２）。ここでは、具体的には、内燃機関１０の空燃比をリッチ側に可変させる空燃比制御が実行される。

一方、上記ステップ１００において、ａＡ＋ｂＢ＋ｃＣ＋ｄＤ＜Ｘ’の成立が認められた場合、或いは上記ステップ１００の処理の後には、次のステップに移行し、指標値（ａＡ＋ｂＢ＋ｃＣ＋ｄＤ）がクライテリアＸよりも小さいか否かが判定される（ステップ１０４）。Ｘは、ピストンリング１４の破損限界を判定するためのクライテリアであって、予め設定された値が読み込まれる。本ステップの判定の結果、ａＡ＋ｂＢ＋ｃＣ＋ｄＤ＜Ｘの成立が認められない場合には、ピストンリング１４が破損限界に達していると判断されて、次のステップに移行し、ＭＩＬが点灯され、使用者にピストンリング１４の交換が促される（ステップ１０６）。一方、上記ステップ１０４において、ａＡ＋ｂＢ＋ｃＣ＋ｄＤ＜Ｘの成立が認められた場合には、ピストンリング１４が未だ破損限界に達していないと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。

以上説明したとおり、本実施の形態のシステムによれば、プレイグニッション時の最大筒内圧Ｐｍａｘおよび最大振幅ＰＳに基づいてプレイグニッション回数に重み付けを加えた指標値を演算することにより、ピストンリング１４の変形度合を正確に判断することができる。これにより、プレイグニッション抑制制御の実行時期を適切に判断することができるので、ピストンリング１４が目標走行距離を走行する前に破損する事態を有効に抑制することができる。

また、上述した実施の形態のシステムによれば、指標値がピストンリング１４の破損限界を超えた場合にＭＩＬによる警告が行われるので、ピストンリング１４の交換時期を使用者に有効に報知することが可能となる。

ところで、上述した実施の形態１のシステムでは、プレイグニッション抑制制御として内燃機関１０の空燃比をリッチとする空燃比制御について説明したが、プレイグニッションを抑制するための他の公知の制御を行うこととしてもよい。

また、上述した実施の形態１のシステムでは、報知手段としてＭＩＬを点灯されることとしているが、音や振動等の他の公知の報知手段を利用することとしてもよい。

また、上述した実施の形態１のシステムでは、最大振幅ＰＳとピーク値Ｐｍａｘに応じて定められる領域として、ａ，ｂ，ｃ，ｄの４つの領域に分類することとしているが、領域の分類形態はこれに限定されず、更に詳細に領域を分類してもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、クライテリアＸ’が前記第１の発明の「しきい値」に相当しているとともに、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより、前記第１の発明における「プレイグニッション抑制手段」が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより、前記第５の発明における「報知手段」が、それぞれ実現されている。

１０ 内燃機関
１２ ピストン
１４ ピストンリング
１６ シリンダヘッド
１８ 燃焼室
２０ 吸気通路
２２ 排気通路
２４ 吸気弁
２６ 排気弁
２８ エアクリーナ
３０ スロットルバルブ
３２ 点火プラグ
３４ 燃料噴射弁
３６ 筒内圧センサ（ＣＰＳ）
４０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
４２ クランク角センサ

Claims (6)

1. 内燃機関の所定気筒の筒内圧検出値を出力する筒内圧センサと、
   前記所定気筒の圧縮行程における前記筒内圧検出値から低周波成分および高周波成分の挙動をそれぞれ抽出する手段と、
   プレイグニッションが発生したときの前記低周波成分のピーク値および前記高周波成分の最大振幅をそれぞれ取得する手段と、
   前記プレイグニッションの発生頻度に前記ピーク値および前記最大振幅に応じて規定される重みパラメータを反映させることにより、ピストンリングの変形度合に対応する指標値を取得する指標値取得手段と、
   前記指標値が所定のしきい値を超えた場合に、前記内燃機関の運転状態を変化させてプレイグニッションの発生を抑制するプレイグニッション抑制手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記指標値取得手段は、発生した前記プレイグニッションのそれぞれを、前記ピーク値および前記最大振幅に応じて設定された各領域に区分し、当該各領域に属する前記プレイグニッションの発生回数に前記重みパラメータをそれぞれ反映させて積算した値を、前記指標値として取得することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記重みパラメータは、前記ピーク値および／または前記最大振幅が大きいほど前記指標値が大きくなるように規定されていることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記プレイグニッション抑制手段は、前記しきい値を前記内燃機関の走行距離に応じて設定する手段を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記指標値が前記ピストンリングの破損限界として設定された第２のしきい値を超えた場合に、所定の警告を行う報知手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記プレイグニッション抑制手段は、前記指標値が所定のしきい値を超えた場合に、前記内燃機関の空燃比を燃料リッチ側に可変させる空燃比制御手段を含むことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。

Images