JP6448744B1 - 内燃機関の失火検出装置および失火検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】過渡運転を含めた幅広い運転状態に対して、簡易な方法で精度良く失火検出を可能とする内燃機関の失火検出装置および失火検出方法を得る。【解決手段】内燃機関１の回転数を検出するクランク角検出手段８と、排気ガスの圧力を検出する排気圧検出手段２６と、排気弁２３の開弁タイミングΘ１と排気弁の開弁タイミングΘ１から所定クランク角後のタイミングΘ２を演算する排気圧取込みタイミング演算手段８１と、排気圧取込みタイミング演算手段８１で演算された開弁タイミングΘ１で検出した排気圧ＰΘ１とタイミングΘ２で検出した排気圧ＰΘ２との差圧ΔＰを演算する差圧演算手段８２と、差圧演算手段８２で演算した差圧ΔＰが所定値Ｃ１よりも大きい場合に失火と判定する失火判定手段８３とを備えた。【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関の失火検出装置および失火検出方法に関するものである。

従来の内燃機関の失火検出方法としては、例えば特許文献１に記載されているように、所定のクランク角範囲について求めた排気圧波形の積分値と、先行する燃焼サイクルの所定のクランク角範囲について求めた排気圧波形の積分値の平均値とを比較し、両者の差または比が所定値を超えた場合に失火と判定する方法が知られている。

また特許文献２に記載されているように、内燃機関の負荷および回転数に基づいて正常燃焼時の基準排気圧と失火判定値とを演算し、回転数に基づき定まる排気圧取込みタイミングに合わせて取り込まれた実際の排気圧と前記基準排気圧との差圧が、前記失火判定値よりも大であるときに失火と判定する方法が知られている。

特開平１０−１３１７９７号公報 特開平３−２４６３５１号公報

特許文献１に記載の従来技術においては、先行サイクルの排気圧を基準とし、失火が発生した場合には前記基準に対して排気圧が低下することを利用して失火を判定している。しかしこの技術は、サイクル間で排気圧があまり変化しない運転条件では失火を良好に判定できるが、例えば急加減速を伴う過渡運転条件のようなサイクル間で排気圧が大きく変化する運転条件では検出精度が下がる課題がある。

一方特許文献２に記載の従来技術においては、正常燃焼時の排気圧を基準とし、失火が発生した場合には前記基準に対して排気圧が低下することを利用して失火を判定している。この技術では、特許文献１に記載の従来技術と比べると、過渡運転条件にも比較的対応できると思われるが、基準となる排気圧を幅広い運転条件に対して適切に設定することは難しく、例えば実験に基づき設定するには膨大な手間を要する。また排気圧は、同じ運転条件であっても周囲の圧力や温度といった車両の走行環境によっても変わるため、走行環境によっては基準排気圧との差異が大きくなるなど検出精度が下がる課題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、過渡運転を含めた幅広い運転状態に対して、簡易な方法で精度良く失火検出を可能とする内燃機関の失火検出装置および失火検出方法を提供することを目的とするものである。

この発明の内燃機関の失火検出装置は、内燃機関の回転数を検出するクランク角検出手段と、排気ガスの圧力を検出する排気圧検出手段と、排気弁の開弁タイミングΘ１と排気弁の開弁タイミングΘ１から所定クランク角後のタイミングΘ２とタイミングΘ２から所定クランク角後のタイミングΘ３を演算する排気圧取込みタイミング演算手段と、排気圧取込みタイミング演算手段で演算された開弁タイミングΘ１で検出した排気圧ＰΘ１からタイミングΘ２で検出した排気圧ＰΘ２を引いた差圧ΔＰを演算する差圧演算手段と、差圧演算手段で演算した差圧ΔＰが所定値Ｃ１よりも大きい場合に失火と判定すると共に、差圧演算手段で演算した差圧ΔＰが所定値Ｃ１未満の場合、タイミングΘ３で検出した排気圧ＰΘ３が、正常燃焼時の排気圧よりも高いレベルの所定値Ｃ２より大きい場合に失火と判定する失火判定手段とを備えたものである。

この発明の内燃機関の失火検出方法は、クランク角検出手段と、排気圧検出手段と、排気圧の取込みタイミングを演算する排気圧取込みタイミング演算手段とを備えた内燃機関であって、排気弁の開弁タイミングΘ１で検出した排気圧ＰΘ１から、排気弁の開弁タイミングΘ１から所定クランク角後のタイミングΘ２で検出した排気圧ＰΘ２を引いた差圧ΔＰが、所定値Ｃ１よりも大きい場合に失火と判定すると共に、差圧ΔＰが所定値Ｃ１未満の場合、タイミングΘ２から所定クランク角後のタイミングΘ３で検出した排気圧ＰΘ３が、正常燃焼時の排気圧よりも高いレベルの所定値Ｃ２より大きい場合に失火と判定するものである

この発明の内燃機関の失火検出装置および失火検出方法によれば、失火に伴い排気弁開弁後に瞬間的に落ち込む排気圧を適切に検出可能であると共に、同一サイクル内の排気圧を利用して失火判定を行うため、過渡運転を含めた幅広い運転状態に対して、簡易な方法で精度良く失火を検出することが可能となる。
また、この発明の内燃機関の失火検出装置および失火検出方法によれば、失火に伴い排気弁開弁後に瞬間的に排気圧の跳ね上がりを適切に検出して失火判定することも可能である。加えて、失火に伴う排気弁開弁後の排気圧の落ち込みと、跳ね上がりの両方を利用して失火判定を行うことで、排気圧の落ち込みが小さい運転条件などでの失火検出精度を向上させることが可能となる。

この発明の実施の形態１における内燃機関の失火検出装置および失火検出方法を示すシステム構成図である。 実内燃機関を用いて計測した正常燃焼時と失火時の排気圧を比較したものを示す図である。 この発明の実施の形態１における内燃機関の失火検出処理を示すフローチャートを示す図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１における内燃機関の失火検出装置および失火検出方法を図面に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１における内燃機関の失火検出装置および失火検出方法を示すシステム構成図である。

図１において、内燃機関１は円筒形のシリンダ２とピストン３を備えている。シリンダ２にはピストン３がシリンダ２の内部を往復運動可能なように嵌合されている。シリンダ２の上には、所謂ペントルーフ型のシリンダヘッド４が固定されており、ピストン３の頂面とシリンダヘッド４の下面の間に燃焼室５が形成されている。ピストン３の下方にはクランク軸６が配置され、クランク軸６とピストン３を連結するコネクティングロッド７を介してピストン３の往復運動が回転運動に変換される。

クランク軸６の外周には内燃機関１の回転数を検出するためのクランク角検出センサ（クランク角検出手段）８が設けられ、クランク角検出センサ８の出力は内燃機関制御装置８０へと送信される。
シリンダヘッド４の中央部には燃焼室５内に燃料を噴射する燃料噴射弁９が配置され、更に混合気に点火するための点火プラグ１０が燃料噴射弁９の近傍に配置されている。ここで燃料噴射弁９と点火プラグ１０は、内燃機関制御装置８０から発信される駆動信号に応じて駆動される。

シリンダヘッド４には２つの吸気管２０および２つの排気管２１（図１にはそれぞれ１つのみ表示されている）が設けてあり、吸気管２０は吸気弁２２を介して、排気管２１は排気弁２３を介して燃焼室５内に通じている。吸気管２０の上流部にはスロットル弁２４とエアーフローセンサ２５が配置され、エアーフローセンサ２５は内燃機関１の吸気量を検出し、検出された吸気量を内燃機関制御装置８０へ送信する。

排気管２１には、排気管２１を通過する排気ガスの圧力を検出するための排気圧検出センサ（排気圧検出手段）２６が配置されており、排気圧検出センサ２６の出力は内燃機関制御装置８０へ送信される。排気管２１の下流部には排気ガスを浄化するための排ガス浄化触媒２７が設けられている。

内燃機関制御装置８０は演算処理をするＣＰＵ（図示せず）と、プログラムデータや固定値データを記録するメモリを有するマイクロコンピュータ（図示せず）と、各種信号の入出力を行うＩ／Ｏインターフェース（図示せず）とで構成されている。
内燃機関制御装置８０では、前述のクランク角検出センサ８、エアーフローセンサ２５及び排気圧検出センサ２６の出力に基づき、燃料噴射弁９からの燃料噴射量、火花点火燃焼時における点火プラグ１０の点火時期、吸気弁２２と排気弁２３の開閉時期が設定される。

更に内燃機関制御装置８０には、排気圧取込みタイミング演算手段８１、差圧演算手段８２、失火判定手段８３が設けられている。
排気圧取込みタイミング演算手段８１は、クランク角検出センサ８の出力とエアーフローセンサ２５の出力に基づき排気圧の取込みタイミングを演算するもので、排気弁２３の開弁タイミングΘ１と、排気弁２３の開弁タイミングΘ１から所定クランク角後のタイミングΘ２と、排気圧取込みタイミングΘ２から所定クランク角後のタイミングΘ３とを演算する。差圧演算手段８２は、排気圧取込みタイミング演算手段８１で演算された開弁タイミングΘ１で検出した排気圧ＰΘ１とタイミングΘ２で検出した排気圧ＰΘ２との差圧ΔＰを演算する。失火判定手段８３は、差圧演算手段８２で演算した差圧ΔＰが所定値Ｃ１よりも大きい場合に失火と判定すると共に、開弁タイミングΘ１から所定クランク角後のタイミングΘ３で検出した排気圧ＰΘ３が、所定値Ｃ２より大きい場合に失火と判定する。

図２は実内燃機関を用いて計測した正常燃焼時の排気圧と、失火時の排気圧を比較したものを示す図で、横軸はクランク角度、縦軸は排気圧を示している。この発明の実施の形態では多気筒の内燃機関を想定しているが、図２には多気筒のうちの１つの気筒を代表として図示している。
図２（ａ）は内燃機関の回転数が１５００ｒｐｍの場合、図２（ｂ）は内燃機関の回転数が２０００ｒｐｍの場合、図２（ｃ）は内燃機関の回転数が３０００ｒｐｍの場合を示す。

図２より、正常燃焼時は排気弁２３の開弁タイミングΘ１から所定クランク角後のタイミングΘ２で排気圧が上昇することに対して、失火時は排気弁開弁後に排気圧が瞬間的に落ち込む現象が見られる。
また図２によれば、正常燃焼時は排気弁２３の開弁タイミングΘ１から所定クランク角後のタイミングΘ２で排気圧が上昇してその値がほぼ保たれているが、失火時は排気弁開弁後に排気圧が瞬間的に落ち込んだ後、その反動で開弁タイミングΘ１から所定クランク角後のタイミングΘ３で排気圧が大きく跳ね上がる現象が見られる。

次にこの発明の実施の形態１における内燃機関の失火検出方法について説明する。図３はこの発明の実施の形態１における内燃機関の失火検出処理を示すフローチャートである。
図３に示す処理は、図１に示す内燃機関制御装置８０において、所定のクランク角（例えば上死点）で開始される。所定のクランク角となり処理が開始されると、まずステップＳ１０１において、内燃機関１の回転数Ｎｅと吸気量Ｑが、それぞれクランク角検出センサ８とエアーフローセンサ２５から内燃機関制御装置８０に取り込まれる。

ステップＳ１０２では、回転数Ｎｅと吸気量Ｑに基づき、排気圧取込みタイミング（Θ１およびΘ２）が排気圧取込みタイミング演算手段８１で演算される。１つ目の排気圧取込みタイミングΘ１は、内燃機関制御装置８０の排気圧取込みタイミング演算手段８１で演算された排気弁の開弁タイミングが読込まれて設定される。２つ目の排気圧取込みタイミングΘ２は、排気弁の開弁タイミングΘ１から所定クランク角後のタイミングで、失火が発生した場合の排気弁開弁後の瞬間的な排気圧の落ち込みが、排気圧検出センサ２６に到達するまでの時間遅れを考慮して設定する。

失火発生時の排気弁開弁後の排気圧の落ち込みは瞬間的であり、適切なタイミングで排気圧を検出しなければ、うまく失火を検出できないためである。具体的には、排気弁２３と排気圧検出センサ２６の取付け位置間の距離をＬ、排気ガス流速をｖ、回転数をＮｅとして式（１）により演算される。ここで排気ガス流速ｖは、内燃機関の運転状態に応じて予めマップで設定しても良いし、例えば吸気量Ｑ、排気ガス密度ρ、排気管半径ｒを用いて式（２）によって推定しても良い。ここでπは円周率である。
Θ２ ＝ Θ１ ＋ Ｌ ／ ｖ × Ｎｅ × ６ ・・・式（１）
ｖ ＝ Ｑ ／ （ρ × π × ｒ^２） ・・・・・式（２）

ステップＳ１０３では、ステップＳ１０２で演算された排気圧取込みタイミングΘ１とΘ２のタイミングで、排気圧が排気圧検出センサ２６から内燃機関制御装置８０に取り込まれる。
ステップＳ１０４では、式（３）に示すように、排気圧取込みタイミングΘ１での排気圧ＰΘ１と、排気圧取込みタイミングΘ２での排気圧ＰΘ２との差圧ΔＰが差圧演算手段８２で演算される。
ΔＰ ＝ ＰΘ１ − ＰΘ２ ・・・式（３）

ステップＳ１０５では、失火判定手段８３で差圧ΔＰが所定値Ｃ１よりも大きいか判断する。差圧ΔＰが所定値Ｃ１よりも大きい場合（ＹＥＳ）は、排気弁開弁後に排気圧が大きく落ち込んだことを示すためステップＳ１０９に進み、失火判定を出力する。一方、差圧ΔＰが所定値Ｃ１以下であった場合（ＮＯ）は、低回転数・低負荷といった失火したとしても排気圧の落ち込みが小さい運転条件である可能性や、排気圧検出センサ２６のノイズなどにより落ち込みを検出できなかった可能性を考慮して、追加判定を行うべくステップＳ１０６に進む。ここで所定値Ｃ１は、例えば０を設定する。

ステップＳ１０６では、図２に示すような失火発生時の排気圧の跳ね上がりを検出するために、排気圧取込みタイミング演算手段８１で適切な排気圧取込みタイミングΘ３が演算される。排気圧取込みタイミングΘ３は排気圧取込みタイミングΘ２から所定クランク角後のタイミングで、失火発生時の排気圧の跳ね上がりは瞬間的であるため、適切なタイミングで排気圧を検出しなければうまく失火を検出できないが、排気圧の跳ね上がり時期は内燃機関１の気筒数と失火発生後の排気圧落ち込みタイミングに依存する傾向がある。

この傾向を利用して、排気圧取込みタイミングΘ３は、例えば内燃機関１の気筒数をＮＣ、定数ｋ１として式（４）により演算される。ここで定数ｋ１の値は、例えば２であり、適宜調整しても良い。図２に、排気圧取込みタイミングΘ１とΘ２とΘ３の関係を示す。
Θ３ ＝ Θ２ ＋ ７２０ ／ ＮＣ ／ ２ ＋（Θ２ − Θ１）／ ｋ１・・・式（４）

ステップＳ１０７では、ステップＳ１０６で演算された排気圧取込みタイミングΘ３のタイミングで、排気圧が排気圧検出センサ２６から内燃機関制御装置８０に取り込まれる。
ステップＳ１０８では、排気圧取込みタイミングΘ３での排気圧ＰΘ３が、失火判定手段８３で所定値Ｃ２よりも大きいか判断する。排気圧ＰΘ３が所定値Ｃ２よりも大きい場合（ＹＥＳ）は、失火に伴う排気圧の跳ね上がりが生じていることを示すためステップＳ１０９に進み、失火判定を出力する。一方、排気圧ＰΘ３が所定値Ｃ２以下である場合（ＮＯ）は、失火検出処理から抜けて終了する。

ここで図２より、排気圧取込みタイミングΘ３での正常燃焼時の排気圧は、運転条件によらずほぼ一定であることから、例えば所定値Ｃ２を図２に示すように正常燃焼時の排気圧よりも高いレベルに定める。また所定値Ｃ２を走行環境に応じて補正するようにしても良い。また大気圧Ｐａと定数ｋ２を用いて、式（５）のように所定値Ｃ２を設定しても良い。
Ｃ２ ＝ Ｐａ ＋ ｋ２ ×（Ｐａ − ＰΘ２）・・・式（５）

以上のように、発明の実施の形態１によれば、失火に伴う排気弁開弁後の瞬間的な排気圧の落ち込みと、その後の跳ね上がりの両方を適切に検出可能であると共に、同一サイクル内の排気圧を利用して失火判定を行うため、過渡運転を含めた幅広い運転状態に対して、簡易な方法で精度良く失火を検出することが可能である。

実施の形態２．
なお実施の形態１の発明では、排気圧ＰΘ１と排気圧ＰΘ２との差圧ΔＰを用いる失火判定と、排気圧ＰΘ３を用いる失火判定を組合せた例を示したが、実施の形態２の発明は排気圧ＰΘ１と排気圧ＰΘ２との差圧ΔＰだけを用いて失火判定を行ってもよいし、また排気圧ＰΘ３だけを用いて失火判定を行っても良い。なお、その場合の失火検出装置は図１の構成をそのまま利用できる。

以上、この発明の実施の形態を記述したが、この発明は実施の形態に限定されるものではなく、種々の設計変更を行うことが可能であり、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１：内燃機関、 ２：シリンダ、 ３：ピストン、 ４：シリンダヘッド、
５：燃焼室、 ６：クランク軸、 ７：コネクティングロッド、
８：クランク角検出センサ（クランク角検出手段）、 ９：燃料噴射弁、
１０：点火プラグ、 ２０：吸気管、 ２１：排気管、 ２２：吸気弁、
２３：排気弁、 ２４：スロットル弁、 ２５：エアーフローセンサ、
２６：排気圧検出センサ（排気圧検出手段）、 ２７ 排ガス浄化触媒、
８０：内燃機関制御装置、 ８１：排気圧取込みタイミング演算手段、
８２：差圧演算手段、 ８３：失火判定手段。

Claims (4)

1. 内燃機関の回転数を検出するクランク角検出手段と、排気ガスの圧力を検出する排気圧検出手段と、排気弁の開弁タイミングΘ１と前記排気弁の開弁タイミングΘ１から所定クランク角後のタイミングΘ２と前記タイミングΘ２から所定クランク角後のタイミングΘ３を演算する排気圧取込みタイミング演算手段と、前記排気圧取込みタイミング演算手段で演算された開弁タイミングΘ１で検出した排気圧ＰΘ１から前記タイミングΘ２で検出した排気圧ＰΘ２を引いた差圧ΔＰを演算する差圧演算手段と、前記差圧演算手段で演算した差圧ΔＰが所定値Ｃ１よりも大きい場合に失火と判定すると共に、前記差圧演算手段で演算した差圧ΔＰが所定値Ｃ１未満の場合、前記タイミングΘ３で検出した排気圧ＰΘ３が、正常燃焼時の排気圧よりも高いレベルの所定値Ｃ２より大きい場合に失火と判定する失火判定手段とを備えた内燃機関の失火検出装置。
2. 前記排気弁の開弁タイミングΘ１から所定クランク角後のタイミングΘ２は、前記排気弁と前記排気圧検出手段との取付け位置間の距離Ｌと、排気ガス流速ｖ、内燃機関の回転数Ｎｅに基づき、Θ２ ＝ Θ１ ＋ Ｌ ／ ｖ × Ｎｅ × ６の式で演算することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の失火検出装置。
3. 前記排気弁の開弁タイミングΘ１から所定クランク角後のタイミングΘ３は、内燃機関の気筒数ＮＣと、前記開弁タイミングΘ１と前記タイミングΘ２とに基づき、Θ３ ＝ Θ２ ＋ ７２０ ／ ＮＣ ／ ２ ＋（Θ２ − Θ１）／ ｋ１の式で演算することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の失火検出装置。
4. クランク角検出手段と、排気圧検出手段と、排気圧の取込みタイミングを演算する排気圧取込みタイミング演算手段とを備えた内燃機関であって、
   排気弁の開弁タイミングΘ１で検出した排気圧ＰΘ１から、前記排気弁の開弁タイミングΘ１から所定クランク角後のタイミングΘ２で検出した排気圧ＰΘ２を引いた差圧ΔＰが、所定値Ｃ１よりも大きい場合に失火と判定すると共に、前記差圧ΔＰが所定値Ｃ１未満の場合、前記タイミングΘ２から所定クランク角後のタイミングΘ３で検出した排気圧ＰΘ３が、正常燃焼時の排気圧よりも高いレベルの所定値Ｃ２より大きい場合に失火と判定することを特徴とする内燃機関の失火検出方法。

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