JP6006228B2 - 筒内圧センサの異常診断装置及びこれを備えた筒内圧センサの感度補正装置 - 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に感度異常が発生しているか否かを診断する筒内圧センサの異常診断装置、及びこれを備えた筒内圧センサの感度補正装置に関する。

従来、例えば特許文献１に開示されるように、筒内圧センサを備えた内燃機関が知られている。また、本公報では、フューエルカット中の気筒内の基準圧力特性に対する、筒内圧センサのヒステリシスにより生じる検出圧力特性のずれ量を検出することが開示されている。より具体的には、基準圧力特性に対する検出圧力特性のずれ量は、圧縮行程と膨張行程との間の上死点（以下、圧縮上死点という。）を中心として検出圧力特性における対称角度位置の検出圧力同士を比較して検出される。このような技術によれば、検出されたずれ量から、筒内圧センサの感度異常を診断することができる。

日本特開２０１０−１２７１７２号公報 日本特開２００９−０２４５５３号公報 日本特開２０１０−１７４７０５号公報

しかしながら、特許文献１の技術は、フューエルカット中に限定されるため、１トリップ中の異常診断の機会が少ないという課題がある。また、フューエルカット中の筒内圧は極めて低圧であるため、Ｓ／Ｎ比（signal-to-noise ratio）が低く、筒内圧の検出精度が低いという課題がある。

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、広い運転領域において異常診断の機会を確保し、かつ、高いＳ／Ｎ比で精度高く筒内圧を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。また、これを備えた筒内圧センサの感度補正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、内燃機関の筒内圧に応じた値を出力する筒内圧センサの異常診断装置であって、
着火時期が圧縮上死点後となるように点火時期を遅角して、着火前と着火後にそれぞれ筒内圧のピークを生じさせる点火時期遅角手段と、
前記点火時期遅角手段により点火時期を遅角した場合に、前記着火前の筒内圧のピークにおける前記筒内圧センサの出力値（以下、着火前出力ピーク値という。）及びそのクランク角の少なくとも一方を検出する検出手段と、
前記着火前出力ピーク値及びそのクランク角の少なくとも一方を用いて筒内圧センサの異常を判定する判定手段と、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、
前記検出手段は、少なくとも前記着火前出力ピーク値を検出し、
前記判定手段は、前記着火前出力ピーク値と判定値との差が所定値以上の場合に、前記筒内圧センサに異常があると判定すること、を特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、
負荷率とモータリング波形の最大筒内圧との関係を予め記憶する記憶手段と、
前記関係から現在の負荷率に応じたモータリング波形の最大筒内圧を取得し、前記判定値として設定する判定値設定手段と、を特徴とする。

また、第４の発明は、筒内圧センサの感度補正装置であって、
第２又は第３の発明に記載の筒内圧センサの異常診断装置と、
前記筒内圧センサに異常があると判定された場合に、前記着火前出力ピーク値と前記判定値の差が小さくなるように筒内圧を補正する補正手段と、を備えることを特徴とする。

また、第５の発明は、第１の発明において、
前記検出手段は、少なくとも前記着火前出力ピーク値が検出されるクランク角を検出し、
前記判定手段は、前記着火前出力ピーク値が検出されるクランク角と圧縮上死点との差が所定値以上の場合に、前記筒内圧センサに異常があると判定すること、を特徴とする。

また、第６の発明は、筒内圧センサの感度補正装置であって、
第５の発明に記載の筒内圧センサの異常診断装置と、
前記筒内圧センサに異常があると判定された場合に、前記着火前出力ピーク値が検出されるクランク角と圧縮上死点との差が小さくなるように筒内圧波形の位相を補正する補正手段と、を備えることを特徴とする。

第１乃至第３の発明によれば、燃料噴射を伴う通常運転中において、点火時期を遅角することにより検出される着火前出力ピーク値に基づき、筒内圧センサの異常診断をすることができる。通常運転中であるため、広い運転領域において異常診断の機会を確保することができる。更に、通常運転中は、フューエルカット中に比べて充填空気量が多いため高いＳ／Ｎ比で精度高く着火前出力ピーク値を検出することができる。そのため、精度高く異常診断をすることができる。

第４の発明によれば、筒内圧センサに異常があると判定された場合に、着火前出力ピーク値と判定値の差が小さくなるように筒内圧を補正することにより、適正な筒内圧を取得することが可能となる。

第５の発明によれば、燃焼を伴う通常運転中において検出される着火前出力ピーク値のクランク角と圧縮上死点との差に基づき、筒内圧波形の位相ずれを診断することができる。通常運転中であるため、広い運転領域において異常診断の機会を確保することができる。また、通常運転中は、フューエルカット中に比べて充填空気量が多いため高いＳ／Ｎ比で精度高く筒内圧を検出することができるため、ピーク位置を精度高く検出することができる。そのため、精度高く異常診断をすることができる。

第６の発明によれば、筒内圧センサに異常があると判定された場合に、着火前出力ピーク値が検出されるクランク角と圧縮上死点との差が小さくなるように筒内圧波形の位相を補正することにより、適正な筒内圧を取得することが可能となる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための概略構成図である。 本発明の実施の形態１における圧縮行程から膨張行程にかけての筒内圧波形を表した図である。 所定クランク角間隔で検出される筒内圧の変化量ΔＰ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。 本発明の実施の形態２における圧縮行程から膨張行程にかけての筒内圧波形を表した図である。 本発明の実施の形態２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。

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に示すシステムは、４ストローク機関である内燃機関（以下、単にエンジンという。）１０を備えている。エンジン１０は、複数の気筒１１を備えており、図１にはそのうち１つの気筒１１が描かれている。

各気筒１１には、点火時期ＳＡに応じて筒内の混合気に点火する点火プラグ１２と、燃料を筒内に直接噴射する燃料噴射弁１４と、筒内圧（燃焼圧）Ｐを検出するための筒内圧センサ（ＣＰＳ）１６とが取り付けられている。さらに、エンジン１０には、クランク軸の回転角（以下、クランク角ＣＡという。）を検出するためのクランク角センサ１８や、ノッキングを検出するためのノックセンサ１９が取り付けられている。

エンジン１０の吸気系には、各気筒１１に接続された吸気通路２０が設けられている。吸気通路２０の上流には、エアクリーナ２２が設けられている。エアクリーナ２２の下流には、吸気通路２０に吸入される空気の流量（以下、吸入空気量ＧＡという。）を検出するためのエアフローメータ２４が取り付けられている。エアフローメータ２４の下流には、電子制御式のスロットルバルブ２６が設けられている。スロットルバルブ２６の近傍には、スロットルバルブ２６の開度（以下、スロットル開度ＴＡという。）を検出するためのスロットル開度センサ２８が取り付けられている。スロットルバルブ２６の下流には、吸気圧Ｐｉｍを検出するための吸気圧センサ３０が取り付けられている。吸気通路２０の下流端には、吸気通路２０と気筒１１の燃焼室との間を開閉する吸気バルブ３２が設けられている。

エンジン１０の排気系には、各気筒に接続された排気通路３４が設けられている。排気通路３４の上流端には、排気通路３４と気筒１１の燃焼室との間を開閉する排気バルブ３５が設けられている。排気バルブ３５の下流には、触媒３６が設けられている。触媒３６には、例えば三元触媒が用いられる。また、触媒３６上流の排気通路３４には、吸気通路２０に接続されるＥＧＲ通路３８が設けられている。ＥＧＲ通路３８にはＥＧＲクーラ４０が設けられている。ＥＧＲクーラ４０の近傍には温度センサ４２が設けられている。ＥＧＲクーラ４０の下流には、ＥＧＲバルブ４４が設けられている。

エンジン１０の制御系には、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０が設けられている。ＥＣＵ５０の入力部には、上述した筒内圧センサ１６、クランク角センサ１８、ノックセンサ１９、エアフローメータ２４、スロットル開度センサ２８、吸気圧センサ３０、温度センサ４２等、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。例えば、ＥＣＵ５０は、クランク角ＣＡに基づいてエンジン回転数ＮＥを算出する。ＥＣＵ５０は、所定のクランク角毎（例えば数度毎）に筒内圧センサ１６の出力値を取得する。ＥＣＵ５０は、実験等により定めた筒内圧センサ１６の出力値と筒内圧との関係を予め記憶しており、この関係から出力値に応じた筒内圧を算出する。

また、ＥＣＵ５０の出力部には、上述した点火プラグ１２、燃料噴射弁１４、スロットルバルブ２６、ＥＧＲバルブ４４等、運転状態を制御するための各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、上述した各種センサの出力に基づき、所定のプログラムに従って各種アクチュエータを作動させることにより、エンジン１０の運転状態を制御する。例えば、ＥＣＵ５０は、点火時期ＳＡを任意に変更することができる。ＥＣＵ５０は、点火時期ＳＡの遅角によるエンジン回転数ＮＥの低下量からトルクダウンを検出することができる。

［実施の形態１における特徴的処理］
次に、上述のシステムにおいて、筒内圧センサ１６の感度異常を診断する手法について説明する。図２は、圧縮行程から膨張行程にかけての筒内圧波形を表した図である。図２の線６０は、通常の燃焼時の筒内圧波形を表している。線６２は、フューエルカット時の筒内圧波形を表している。線６４は、燃料噴射を伴う通常運転時において点火時期ＳＡを遅角した場合の筒内圧波形を表している。

線６４に示すように、着火時期が圧縮上死点よりも後となるように点火時期ＳＡを遅角する場合、筒内容積が最小となる圧縮上死点で、着火前の筒内圧センサ１６の出力値のピークである着火前出力ピーク値が得られる。その後、筒内容積の増大に伴い出力値は減少するが、着火後は混合気の燃焼による出力ピーク値が得られる。すなわち、１サイクル中に２つのピークが生じる。筒内圧センサ１６の出力値が正常である場合には、着火前の筒内圧波形は、燃焼を伴わないモータリング波形と同形となる。着火前出力ピーク値と、予め記憶したモータリング波形の最大筒内圧とを比較することにより、通常運転中において筒内圧センサ１６の感度異常を診断することができる。そのため、１トリップにおける異常診断の機会を多く確保することができる。

また、通常運転時はフューエルカット時に比べて充填空気量が多いため、モータリング波形部分の筒内圧はフューエルカット時に比して高くなる。図３は、所定クランク角間隔で検出される筒内圧の変化量ΔＰを示す図である。図３の（Ｂ）に示す通常運転時の変化量ΔＰは、（Ａ）に示すフューエルカット時の変化量ΔＰに比して大きい。そのため、通常運転時はフューエルカット時に比べてＳ／Ｎ比が優れている。そのため、高いＳ／Ｎ比で、精度高く筒内圧センサ１６の出力値を検出することができる。

そこで、本実施形態のシステムでは、点火時期遅角によるトルクダウンが許容される範囲内において、着火時期が圧縮上死点後となるように点火時期を遅角して、着火前出力ピーク値を取得する。そして、着火前出力ピーク値と、同一負荷条件におけるモータリング波形のピーク値とを比較することにより、筒内圧センサ１６の感度異常を診断することとした。

（制御ルーチン）
図４は、上述の動作を実現するために、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。ＥＣＵ５０は、燃料噴射を伴う運転中に、所定のタイミングで本ルーチンを実行する。ＥＣＵ５０は、所定クランク角毎（例えば、数度毎）に筒内圧センサ１６の出力値を検出し記憶する。

図４に示すルーチンでは、まず、ＥＣＵ５０は、着火時期を圧縮上死点後とするように点火時期ＳＡを遅角する（ステップＳ１００）。点火時期ＳＡの遅角は、トルクダウンが許容される範囲内で実行される。例えば、ＥＣＵ５０は、点火時期ＳＡの遅角量を段階的に増し、エンジン回転数ＮＥの低下量が許容値を超えない範囲で点火時期を遅角する。なお、予め運転条件毎に遅角量を定めて記憶しておくこととしてもよい。

このように点火時期ＳＡを遅角することで、着火前においても筒内圧のピークが生じる。ＥＣＵ５０は、着火前における筒内圧センサ１６の出力値のピークを着火前出力ピーク値Ｐ１として取得する（ステップＳ１１０）。

ＥＣＵ５０は、着火前出力ピーク値Ｐ１を取得した現在の負荷率ＫＬに対応するモータリング波形の筒内圧の最大値Ｐ２を取得する（ステップＳ１２０）。具体的には、ＥＣＵ５０は、実験等に基づき負荷率ＫＬと最大値Ｐ２との関係を定めた関係テーブルを予め記憶している。負荷率ＫＬは、吸入空気量ＧＡ、エンジン回転数ＮＥ等に基づいて算出される。ＥＣＵ５０は、関係テーブルから負荷率ＫＬに対応する最大値Ｐ２を取得する。

検出された着火前出力ピーク値Ｐ１と、同一運転条件におけるモータリング波形の筒内圧の最大値Ｐ２とを比較する（ステップＳ１３０）。ＥＣＵ５０は、｜Ｐ２−Ｐ１｜が所定値よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１４０）。ステップＳ１４０の条件が成立する場合、すなわち、｜Ｐ２−Ｐ１｜が所定値よりも小さい場合には、筒内圧センサ１６の感度は正常であると判定される（ステップＳ１５０）。

一方、ステップＳ１４０の条件が成立しない場合、すなわち、｜Ｐ２−Ｐ１｜が所定値以上の場合には、ＥＣＵ５０は、筒内圧センサ１６の感度に異常が生じていると判定する（ステップＳ１６０）。この場合、｜Ｐ２−Ｐ１｜が所定値よりも小さくなるように筒内圧センサの出力値を補正する（ステップＳ１７０）。例えば、筒内圧波形全体につき、筒内圧センサ１６の出力値にＰ２／Ｐ１を補正係数として乗じる補正をする。

以上説明したように、図１１に示すルーチンによれば、トルクダウンが許容される範囲内では、全ての運転条件にて筒内圧センサ１６の感度異常を診断することができる。また、通常運転時はフューエルカット時に比して充填空気量が多いため、Ｓ／Ｎ比に優れ、精度高く着火前出力ピーク値を検出することができる。このため、本実施の形態のシステムによれば、広い運転領域において異常診断の機会を確保でき、かつ、高いＳ／Ｎ比で精度の高い異常診断を実施することができる。さらに、異常がある場合には適切に筒内圧を補正することができる。

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１６が前記第１の発明における「筒内圧センサ」に、ＥＣＵ５０が前記第３の発明における「記憶手段」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「点火時期遅角手段」が、上記ステップＳ１１０の処理を実行することにより前記第１の発明における「検出手段」が、上記ステップＳ１２０の処理を実行することにより前記第３の発明における「判定値設定手段」が、上記ステップＳ１４０の処理を実行することにより前記第１の発明における「判定手段」が、上記ステップＳ１７０の処理を実行することにより前記第４の発明における「補正手段」が、それぞれ実現されている。
更に、実施の形態１においては、上記ステップＳ１１０において取得される着火前出力ピーク値Ｐ１が前記第１の発明における「着火前出力ピーク値」に、上記ステップＳ１２０において取得される最大値Ｐ２が前記第２の発明における「判定値」に、それぞれ対応している。

実施の形態２．
次に、図５〜図６を参照して本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態のシステムは図１に示す構成において、ＥＣＵ５０に後述する図６のルーチンを実施させることで実現することができる。

［実施の形態２における特徴的処理］
上述した実施の形態１では、着火前の圧縮上死点において筒内圧センサ１６の出力値を検出している。実施の形態１で述べた着火前出力ピーク値は、正常時であれば圧縮上死点で検出されるが、位相ずれが生じている場合にはこの限りではない。そこで、本発明の実施の形態２では、実施の形態１と同様に点火時期ＳＡを遅角させて、着火前出力ピーク値が検出されるクランク角を取得し、これと圧縮上死点との差に基づいて筒内圧波形の位相ずれを検出し補正することとした。

図５は、圧縮行程から膨張行程にかけての筒内圧波形を表した図である。図５の線７０は、燃焼を伴う通常運転時において点火時期ＳＡを遅角した場合の筒内圧波形を表している。この波形は、図２の線６４と同じであるため説明は省略する。線７２は、位相ずれが生じた場合の筒内圧波形を表している。

上述したように、通常運転時はフューエルカット時（図２の線６２）に比して、Ｓ／Ｎ比が優れており、着火前出力ピーク値を精度高く検出することができる。同様に、着火前出力ピーク値が検出されたクランク角も精度高く検出することができる。そのため、筒内圧波形に位相ずれを、上述のクランク角と圧縮上死点との差から精度高く算出することができる。

（制御ルーチン）
図６は、上述の動作を実現するために、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。ＥＣＵ５０は、燃料噴射を伴う運転中に、所定のタイミングで本ルーチンを実行する。ＥＣＵ５０は、所定クランク角毎（例えば、数度毎）に筒内圧センサ１６の出力値を検出・記憶する。

図６に示すルーチンでは、まず、ＥＣＵ５０は、着火時期を圧縮上死点後とするように点火時期ＳＡを遅角する（ステップＳ２００）。点火時期ＳＡの遅角は、トルクダウンが許容される範囲内で実行される。この点、図４のステップＳ１００と同様であるため説明は省略する。

このように点火時期ＳＡを遅角することで、着火前においても筒内圧のピークが生じる。着火前の筒内圧波形は、燃焼を伴わないモータリング波形と同形となる。ＥＣＵ５０は、着火前における筒内圧センサ１６の出力値のピーク（着火前出力ピーク値）を検出する。さらに、ＥＣＵ５０は、着火前出力ピーク値が検出されたクランク角θ１を取得する（ステップＳ２１０）。

ＥＣＵ５０は、クランク角θ１が圧縮上死点であるか否かを判定する（ステップＳ２２０）。ステップＳ２２０の条件が成立する場合、すなわち、クランク角θ１が圧縮上死点である場合には、筒内圧波形の位相は正常であると判定される（ステップＳ２３０）。

一方、ステップＳ２２０の条件が成立しない場合、すなわち、クランク角θ１が圧縮上死点からずれている場合には、ＥＣＵ５０は、筒内圧センサ１６により検出される筒内圧波形に位相ずれが生じていると判定する（ステップＳ２４０）。この場合、クランク角度θ１が圧縮上死点となるように筒内圧波形の位相を補正する（ステップＳ２５０）。

以上説明したように、図６に示すルーチンによれば、トルクダウンが許容される範囲内では、全ての運転条件にて筒内圧センサ１６の位相ずれを診断することができる。通常運転時はフューエルカット時に比して充填空気量が多いため、Ｓ／Ｎ比に優れ、精度高く着火前出力ピーク値及びそのクランク角を検出することができる。このため、本実施の形態のシステムによれば、広い運転領域において異常診断の機会を確保でき、かつ、高いＳ／Ｎ比で精度の高い異常診断を実施することができる。さらに、異常がある場合には適切に筒内圧波形の位相ずれを補正することができる。

実施の形態１で述べた処理ルーチン（図４）に、実施の形態２の処理ルーチン（図６）を組み合わせて、筒内圧センサ１６の感度補正と位相ずれ補正とを行うこととしてもよい。

尚、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップＳ２２０の処理を実行することにより前記第５の発明における「判定手段」が、上記ステップＳ２５０の処理を実行することにより前記第５の発明における「補正手段」が、それぞれ実現されている。更に、実施の形態２においては、上記ステップＳ２１０において取得されるクランク角θ１が前記第５の発明における「クランク角」に対応している。

１０ エンジン
１１ 気筒
１２ 点火プラグ
１４ 燃料噴射弁
１６ 筒内圧センサ
１８ クランク角センサ
１９ ノックセンサ
２０ 吸気通路
２２ エアクリーナ
２４ エアフローメータ
２６ スロットルバルブ
２８ スロットル開度センサ
３０ 吸気圧センサ
３６ 触媒

Claims (5)

1. 内燃機関の筒内圧に応じた値を出力する筒内圧センサの異常診断装置であって、
   着火時期が圧縮上死点後となるように点火時期を遅角して、着火前と着火後にそれぞれ筒内圧のピークを生じさせる点火時期遅角手段と、
   前記点火時期遅角手段により点火時期を遅角した場合に、前記着火前の筒内圧のピークにおける前記筒内圧センサの出力値（以下、着火前出力ピーク値という。）及びそのクランク角の少なくとも一方を検出する検出手段と、
   前記着火前出力ピーク値及びそのクランク角の少なくとも一方を用いて筒内圧センサの異常を判定する判定手段と、を備え、
   前記検出手段は、少なくとも前記着火前出力ピーク値が検出されるクランク角を検出し、
   前記判定手段は、前記着火前出力ピーク値が検出されるクランク角と圧縮上死点との差が所定値以上の場合に、前記筒内圧センサに異常があると判定すること、
   を特徴とする筒内圧センサの異常診断装置。
2. 前記検出手段は、少なくとも前記着火前出力ピーク値を検出し、
   前記判定手段は、前記着火前出力ピーク値と判定値との差が所定値以上の場合に、前記筒内圧センサに異常があると判定すること、
   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。
3. 吸入空気量およびエンジン回転数に基づくパラメータと、モータリング波形の最大筒内圧との関係を予め記憶する記憶手段と、
   前記関係から現在の前記パラメータに応じたモータリング波形の最大筒内圧を取得し、前記判定値として設定する判定値設定手段と、
   を備えることを特徴とする請求項２記載の筒内圧センサの異常診断装置。
4. 請求項２又は３記載の筒内圧センサの異常診断装置と、
   前記筒内圧センサに異常があると判定された場合に、前記着火前出力ピーク値と前記判定値の差が小さくなるように筒内圧を補正する補正手段と、
   を備えることを特徴とする筒内圧センサの感度補正装置。
5. 請求項１記載の筒内圧センサの異常診断装置と、
   前記筒内圧センサに異常があると判定された場合に、前記着火前出力ピーク値が検出されるクランク角と圧縮上死点との差が小さくなるように筒内圧波形の位相を補正する補正手段と、
   を備えることを特徴とする筒内圧センサの位相ずれ補正装置。

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