JP5737205B2 - 筒内圧センサの異常診断装置 - Google Patents

Description

この発明は、筒内圧センサの異常診断装置に係り、特に、内燃機関の気筒内の圧力を検出する筒内圧センサのセンサ出力に異常が発生しているか否かを診断する装置に関する。

従来、例えば特許文献１に開示されるように、気筒内の圧力を検出する筒内圧センサを備えた内燃機関が知られている。異常燃焼（点火時期よりも早期に燃焼が始まり、過大な筒内圧が発生する現象）により筒内圧センサの出力電圧がドリフトした場合、その補正が必要となる。サイクル間のドリフト補正として、筒内圧データの絶対圧補正を行うことが知られている。絶対圧補正を行うためには圧縮行程中の筒内圧データが必要となる。尚、出願人は、本発明に関連するものとして、上記の文献を含めて、以下に記載する文献を認識している。

特開２００７−１４６７８５号公報 特開２００５−３３０９０４号公報

この度、本願発明者は、鋭意研究を進めた結果、異常燃焼により発生した過大な筒内圧により、従来の制御では想定していなかった１サイクル内で筒内圧センサの出力がドリフトしていることを見出した。上述した従来のドリフト補正では、圧縮行程中の筒内圧データが必要となるが、始動開始直後からクランク角確定（一般に上死点検出位置で確定）までの間は、筒内圧データを取得できない。そのため、始動直後にドリフトを検出できない場合がある。このような圧縮行程中に筒内圧データが取得できないサイクルにおいてもドリフト検出できることが望まれる。

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、圧縮行程中に筒内圧データが取得できないサイクルにおいても、筒内圧センサに発生したドリフトを精度高く検出することのできる筒内圧センサの異常診断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、筒内圧センサの異常診断装置であって、
内燃機関に取付けられた筒内圧センサと、
前記筒内圧センサのセンサ出力に基づく筒内圧を用いて、クランク角ごとの発熱量を算出する発熱量算出手段と、
前記内燃機関の始動開始直後の燃焼行程で、最大発熱量発生時期から排気バルブ開弁時期までの間の所定クランク角区間について、区間発熱量を算出する着火後発熱量算出手段と、
前記区間発熱量が所定範囲外である場合に、前記筒内圧センサのセンサ出力にドリフトが発生したと判定するセンサ出力ドリフト判定手段と、を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記区間発熱量は、前記所定クランク角区間におけるクランク角毎の発熱量の積算値であること、を特徴とする。

また、第３の発明は、第１の発明又は第２の発明において、
前記区間発熱量が所定範囲内である場合に、前記区間発熱量に基づいて前記所定範囲の補正量を算出する学習手段を備えることを特徴とする。

第１又は第２の発明によれば、圧縮行程中に筒内圧データが取得できないサイクルにおいても、筒内圧センサに発生したドリフトを精度高く検出することができる。

第３の発明によれば、発熱量に基づいて補正量を算出することで、エアフローメータや吸気圧センサ等の基準となるセンサが有する誤差や適合値の誤差影響を受けることなく、高精度にドリフトを検出することが可能となる。併せて、エンジンシステムコストの低減を図ることが可能となる。

本発明の実施の形態１における内燃機関のシステム構成を説明するための図である。 センサ出力が下方にドリフトした場合における異常燃焼時の筒内圧波形を示す図である。 センサ出力が下方にドリフトした場合における異常燃焼時の圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）１００［ｄｅｇ］から圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）１４０［ｄｅｇ］までのクランク角区間における発熱量Ｑを示す図である。 センサ出力が上方にドリフトした場合における異常燃焼時の筒内圧波形を示す図である。 センサ出力が上方にドリフトした場合における異常燃焼時の圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）１００［ｄｅｇ］から圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）１４０［ｄｅｇ］までのクランク角区間における発熱量Ｑを示す図である。 本発明の実施の形態１において、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。 異常燃焼時と通常燃焼時との最大筒内圧の違いについて説明するための図である。 クランク角確定について説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。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。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１における内燃機関１０のシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、過給によるダウンサイジングが図られた内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は複数の気筒を備えている。気筒内にはピストン１２が設けられている。気筒内におけるピストン１２の頂部側には、燃焼室１４が形成されている。燃焼室１４には、吸気通路１６および排気通路１８が連通している。

吸気通路１６の入口近傍には、吸気通路１６に吸入される空気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ２０が設けられている。エアフローメータ２０よりも下流側の吸気通路１６には、過給機２２のコンプレッサ２２ａが配置されている。更に、コンプレッサ２２ａよりも下流側の吸気通路１６には、電子制御式のスロットルバルブ２４が設けられている。吸気通路１６の下流端には、吸気通路１６と燃焼室１４との間を開閉する吸気バルブ２５が設けられている。

内燃機関１０の各気筒には、燃焼室１４内（筒内）に直接燃料を噴射するための燃料噴射弁２６、混合気に点火するための点火プラグ２８、および、後述する筒内圧センサ３４がそれぞれ設けられている。

排気通路１８の上流端には、排気通路１８と燃焼室１４との間を開閉する排気バルブ２９が設けられている。排気通路１８には、過給機２２のタービン２２ｂが配置されている。タービン２２ｂよりも下流側の排気通路１８には、排気ガスを浄化するための触媒３０が配置されている。

筒内圧センサ３４は、筒内圧を検出するセンサである。筒内圧センサ３４は、公知の圧力センサ等により構成されたセンサ素子部を備えている。このセンサ素子部は、例えば筒内の空間に晒される円柱状の受圧部と、受圧部の基端側に固着された圧電素子とを備えている。そして、センサの作動時には、筒内圧が受圧部を介して圧電素子に作用し、圧電素子から筒内圧に応じた電圧信号が出力されるように構成されている。

クランク角センサ３６は、内燃機関１０のクランク位置及びクランク角速度を検出する電磁ピックアップ式センサである。クランクシャフトに設けられたタイミングロータには、上死点検出用に一部欠歯した信号歯が設けられている。クランク角センサ３６は、例えば５°ごとのクランク回転信号を検出すると共に、欠歯した箇所により、正確な上死点を検出することができる。クランク角は、内燃機関１０の始動要求後、最初に上死点が検出された後に確定する。

また、図１に示すシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。ＥＣＵ５０は、例えばＲＯＭ、ＲＡＭ等を含む記憶回路を備えた演算処理装置により構成されている。ＥＣＵ５０の入力側には、上述したエアフローメータ２０、筒内圧センサ３４、クランク角センサ３６等の内燃機関１０の運転状態を検出するための各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ５０の出力側には、上述したスロットルバルブ２４、燃料噴射弁２６および点火プラグ２８等の内燃機関１０の運転を制御するための各種のアクチュエータが接続されている。

ＥＣＵ５０は、それらのセンサ出力に基づいて、所定のプログラムに従って上記各種のアクチュエータを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ものである。例えば、クランク角センサ３６の出力に基づいてエンジン回転数（機関回転数）とクランク角とを検出し、エアフローメータ２０の出力に基づいて吸入空気量を算出する。また、吸入空気量、エンジン回転数等に基づいてエンジンの負荷（負荷率）を算出する。そして、クランク角に基づいて燃料噴射時期や点火時期を決定し、これらの時期が到来したときに、燃料噴射弁２６及び点火プラグ２８を駆動する。

また、ＥＣＵ５０は、筒内圧センサ３４の出力信号をクランク角に同期させて取得し、これに基づいてクランク角θに応じた筒内圧Ｐを検出することができる。また、ＥＣＵ５０は、クランク角θに応じた筒内容積Ｖを計算することができる。ＥＣＵ５０は、クランク角θと、筒内圧Ｐと、筒内容積Ｖと、筒内の混合気の比熱比κとに基づいて、公知の数式（１）から発熱量Ｑを算出することができる。数式（１）に示すように、発熱量Ｑは、クランク角θ毎の発熱量ｄＱ／ｄθを順次積算することにより算出される。

［実施の形態１における筒内圧センサのセンサ出力のドリフト検出］
本システムのような過給ダウンサイズエンジンでは、低速域で異常燃焼が生じやすい傾向がある。異常燃焼とは、点火時期よりも早期に燃焼が始まり、過大な筒内圧が発生する現象である。図７に示すように、異常燃焼が発生した場合には、通常燃焼の数倍の過大な筒内圧が発生する。異常燃焼により発生した過大な筒内圧により、１サイクル内で筒内圧センサ３４のセンサ出力がドリフトする場合がある。ドリフトを検出するために、圧縮行程中の筒内圧データ（クランク角毎の筒内圧）を用いることも考えられるが、始動開始直後からクランク角確定（上死点検出位置）までの間は、クランク角が定まらず筒内圧データを取得できない（図８）。そのため、始動開始直後にドリフトを検出できない気筒が生じうる。

そこで、本実施形態のシステムでは、始動開始直後の最初の燃焼行程（初爆）において、最大発熱量Ｑｍａｘ発生時期から排気バルブ開弁時期までの所定クランク角区間についてクランク角θ毎の発熱量ｄＱ／ｄθの積算値を算出する。この積算値は当該クランク角区間の区間発熱量である。そして、この積算値が所定範囲外である場合に、筒内圧センサ３４のセンサ出力にドリフトが発生していると判断することとした。

以下、より具体的なドリフト検出の概要について用いて説明する。筒内圧センサ３４のセンサ出力のドリフトには、下方と上方の２種類のパターンがあるため、各パターンにおける最大発熱量Ｑｍａｘ発生時期とクランク角θ毎の発熱量ｄＱ／ｄθの積算値の算出手法について説明する。

まず、下方にドリフトする場合について図２、図３を用いて説明する。図２には、異常燃焼時における筒内圧波形が表されている。波形６０は、センサ出力が正常な場合の筒内圧波形である。波形６２は、センサ出力が下方にドリフトした場合の筒内圧波形である。波形６０に比して波形６２が下方にドリフトするのは、予荷重抜けによるものと考えられる。

図３には、異常燃焼時における圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）１００［ｄｅｇ］から圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）１４０［ｄｅｇ］までのクランク角区間における発熱量Ｑが表されている。最大発熱量Ｑｍａｘ発生時期は、上述の数式（１）によりクランク角５°ごとの発熱量を比較して、最大値が得られたクランク角である。さらに、数式（１）により最大発熱量Ｑｍａｘ発生位置から排気バルブ２９の開弁時期までの間の所定クランク角区間についてクランク角θ毎の発熱量ｄＱ／ｄθの積算値を算出する。

次に、上方にドリフトする場合について図４、図５を用いて説明する。図４には、異常燃焼時における筒内圧波形が表されている。波形６４は、センサ出力が正常な場合の筒内圧波形である。波形６６は、センサ出力が上方にドリフトした場合の筒内圧波形である。波形６４に比して波形６６が上方にドリフトするのは、素子欠けによるものと考えられる。

図５には、異常燃焼時における圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）１００［ｄｅｇ］から圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）１４０［ｄｅｇ］までのクランク角区間における発熱量Ｑが表されている。上方にドリフトする場合には、最大発熱量Ｑｍａｘ発生時期が問題となるが、始動時の運転条件は設計上又は運転履歴から分かっており、最大発熱量Ｑｍａｘ発生時期は推定可能である。また、上方にドリフトするため、積算値算出への影響も少ないと考えられる。そこで、最大発熱量Ｑｍａｘ発生時期の初期値を定めておく。下方にドリフトした場合にその値が更新されれば更新値が用いられ、上方にドリフトした場合には初期値が用いられることとなる。また、数式（１）により最大発熱量Ｑｍａｘ発生位置から排気バルブ２９の開弁時期までの間の所定クランク角区間についてクランク角θ毎の発熱量ｄＱ／ｄθの積算値を算出する。

図６は、上述のドリフト検出を実現するために、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。本ルーチンは、始動開始直後の最初の燃焼（初爆）を生じさせるサイクルのクランク角確定後に実行される。

図６に示すルーチンでは、まず、ＥＣＵ５０は、最大発熱量Ｑｍａｘの発生時期から排気バルブ２９の開弁時期までの間の所定クランク角区間におけるクランク角θ毎の発熱量ｄＱ／ｄθの積算値αを数式（１）に基づいて算出する（ステップＳ１００）。上述したように、最大発熱量Ｑｍａｘ発生時期には初期値が定められており、更新された場合には更新値が用いられる。また、所定クランク角区間は、例えば最大発熱量Ｑｍａｘ発生時期からＡＴＤＣ１４０°までとする。

ステップＳ１１０において、ＥＣＵ５０は、関係式（｜α−基準値｜＞閾値）が成立するか否かを判定する。基準値には、センサ出力が正常時における上記所定クランク角区間の区間発熱量が予め設定されている。また、閾値には、正常時と上方又は下方ドリフト時との差として許容される値が予め設定されている。

ステップＳ１１０の関係式が成立する場合には、ＥＣＵ５０は、センサ出力のドリフトが発生していると判定する（ステップＳ１２０）。その後、本ルーチンは終了される。

一方、ステップＳ１１０の関係式が成立しない場合には、ＥＣＵ５０は、センサ状態に応じて基準値や閾値の補正量を学習する（ステップＳ１３０）。例えば、ドリフトが発生していないと判定された場合に、過去の累積データに今回の実データを加えて基準値を再計算等する。また、筒内圧センサ３４の経年劣化を考慮して走行距離に応じた補正量を閾値に加える。その後、本ルーチンは終了される。

以上説明したように、図６に示すルーチンによれば、クランク角確定前で圧縮行程中の筒内圧データが取得できない気筒においても、異常燃焼に伴う燃焼後のドリフトを検出することができる。また、発熱量ＱはＰＶκに比例するため、発熱量Ｑを用いることで変化量が大きくなり、筒内圧Ｐを用いる場合に比してノイズ影響を小さくすることができる。また、燃焼行程中にも発熱量は上下動するが、クランク角θ毎の発熱量ｄＱ／ｄθの積算値を用いることで、発熱量の変動影響を小さくすることができる。また、エアフローメータや吸気圧センサ等の情報や運転条件に応じて予め設定された適合値の情報を極力用いないことになり、これらの基準となるセンサが有する誤差や適合値の誤差影響を受けることなく、高精度にドリフト検出が可能となる。併せて、基準センサを用いないことからエンジンシステムコストを低減することができる。

本発明が適用されるエンジンは、上述の実施の形態のような筒内直噴エンジンには限定されない。ポート噴射式のエンジンにも本発明の適用は可能である。

尚、上述した実施の形態１においては、筒内圧センサ３４が前記第１の発明における「筒内圧センサ」に、ＥＣＵ５０及び数式１が前記第１の発明における「発熱量算出手段」に、それぞれ相当している。
また、ここでは、ＥＣＵ５０が、上記ステップＳ１００の処理を実行することにより前記第１の発明における「着火後発熱量算出手段」が、上記ステップＳ１１０及びステップＳ１２０の処理を実行することにより前記第１の発明における「センサ出力ドリフト判定手段」が、上記ステップＳ１３０の処理を実行することにより前記第２の発明における「学習手段」が、それぞれ実現されている。

１０ 内燃機関
１２ ピストン
１４ 燃焼室
１６ 吸気通路
１８ 排気通路
２０ エアフローメータ
２２、２２ａ、２２ｂ 過給機、コンプレッサ、タービン
２４ スロットルバルブ
２５ 吸気バルブ
２６ 燃料噴射弁
２８ 点火プラグ
２９ 排気バルブ
３０ 触媒
３４ 筒内圧センサ
３６ クランク角センサ
５０ ＥＣＵ
ｄＱ／ｄθ クランク角θ毎の発熱量
Ｑ 発熱量
Ｑｍａｘ 最大発熱量

Claims (2)

1. 内燃機関に取付けられた筒内圧センサと、
   前記筒内圧センサのセンサ出力に基づく筒内圧を用いて、クランク角ごとの発熱量を算出する発熱量算出手段と、
   前記内燃機関の始動開始直後の燃焼行程で、最大発熱量発生時期から排気バルブ開弁時期までの間の所定クランク角区間について、区間発熱量を算出する着火後発熱量算出手段と、
   前記区間発熱量が所定範囲外である場合に、前記筒内圧センサのセンサ出力にドリフトが発生したと判定するセンサ出力ドリフト判定手段と、
   前記区間発熱量が所定範囲内である場合に、前記区間発熱量に基づいて前記所定範囲の補正量を算出する学習手段と、
   を備えることを特徴とする筒内圧センサの異常診断装置。
2. 前記区間発熱量は、前記所定クランク角区間におけるクランク角毎の発熱量の積算値であること、を特徴とする請求項１記載の筒内圧センサの異常診断装置。

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