JP6658588B2

JP6658588B2 - 内燃機関の失火検出装置

Info

Publication number: JP6658588B2
Application number: JP2017022164A
Authority: JP
Inventors: 樹北岡; 章弘片山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-02-09
Filing date: 2017-02-09
Publication date: 2020-03-04
Anticipated expiration: 2037-02-09
Also published as: JP2018127969A

Description

本発明は、複数の気筒を有し、クランク軸に変速装置が連結される内燃機関に適用される内燃機関の失火検出装置に関する。

たとえば特許文献１には、内燃機関のクランク軸に、ダンパを介して、クランク軸の回転速度と駆動輪の回転速度との比を変更可能な動力分配統合機構（変速装置）が連結されたものが記載されている。そして、同文献には、変速装置側の回転速度とクランク軸の回転速度との差に基づき、クランク軸の回転速度のうちのダンパのねじれに起因した共振成分を算出し、クランク軸の回転速度からこの共振成分を除去する処理を実行する装置が記載されている。この装置は、共振成分が除去された回転速度から、各気筒の燃焼に起因した瞬時回転速度同士の差を定量化する回転変動値を算出し、回転変動値に基づき、失火の有無を判定している。これは、共振成分を含む回転速度を用いたのでは、失火を精度よく特定することができないことに鑑みたものである。

特開２００８−２４８８７７号公報

上記装置は、回転変動値から共振成分の影響を除去するために、変速装置側の回転速度を用いている。その場合、変速装置側の回転速度の検出精度が、回転変動値の算出精度に大きく影響するため、失火の検出精度が変速装置側の回転速度の検出精度に大きく影響される。

上記課題を解決すべく、内燃機関の失火検出装置は、複数の気筒を有し、クランク軸に変速装置が連結される内燃機関に適用され、前記変速装置の回転軸と前記クランク軸との連結状態において、前記回転軸の角度検出信号およびクランク角信号に基づき、前記クランク軸の瞬時回転速度から前記クランク軸と前記回転軸とのねじれに起因した回転速度成分を除去したものを算出するねじれ成分除去処理と、前記ねじれ成分除去処理の出力値に基づき、各気筒における燃焼行程に応じた回転速度同士の大小を示す時系列データである回転変動値を算出する回転変動算出処理と、前記回転変動値と判定値との大小比較に基づき前記内燃機関の失火を検出する失火検出処理と、前記内燃機関のフューエルカット処理中に、前記角度検出信号の１回転に対応する回転周波数の成分に基づき、前記回転軸の角度の検出誤差を学習する学習処理と、前記学習処理によって学習された検出誤差が大きい場合に小さい場合よりも、前記判定値を、その絶対値が大きくなるように補正する補正処理と、を実行する。

上記回転変動値は、上記検出誤差が大きい場合には、小さい場合よりも、上記回転速度同士の差が大きい値を示す傾向にある。そこで上記構成では、回転変動値と判定値との大小を比較することによって失火の有無を判定する際、判定値を、検出誤差が大きい場合に小さい場合よりも、回転速度同士の差としてより大きな値を許容する値とする。このため、変速装置側の回転速度の検出精度が、失火の検出精度に及ぼす影響を抑制することができる。

失火検出装置の一実施形態および駆動系を示す図。同実施形態にかかる失火検出処理を示すブロック図。同実施形態にかかる共振による回転波形の変化を示す図。同実施形態にかかるねじれ成分排除処理部の処理を示すブロック図。同実施形態にかかるＮＴ信号のばらつきを示すタイムチャート。同実施形態にかかる学習処理部の処理を示すタイムチャート。同実施形態にかかる失火検出処理部の処理を示すタイムチャート。同実施形態の効果を示す図。

以下、失火検出装置にかかる一実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１に示すように、内燃機関１０は、６気筒を有する４ストロークエンジンである。なお、以下では、圧縮上死点の出現順序に従って、気筒＃１，＃２，＃３，＃４，＃５，＃６を定義している。すなわち、第１の気筒＃１の次に圧縮上死点が出現する気筒が第２の気筒＃２である。

内燃機関１０のクランク軸１２には、トルクコンバータ３０を介して変速装置３４の入力軸３６が連結可能となっている。トルクコンバータ３０は、ロックアップクラッチ３２を備えており、ロックアップクラッチ３２が締結状態となることにより、クランク軸１２と入力軸３６とが連結される。なお、変速装置３４の出力軸３８には、駆動輪５０が機械的に連結されている。

クランク軸１２には、クランク軸１２の複数の回転角度のそれぞれを示す歯部２２が設けられたクランクロータ２０が結合されている。クランクロータ２０には、基本的には、１０°ＣＡ間隔で歯部２２が設けられているものの、隣接する歯部２２間の間隔が３０°ＣＡとなる箇所である欠け歯部２４が１箇所設けられている。これは、クランク軸１２の基準となる回転角度を示すためのものである。

入力軸３６には、入力軸３６の複数の回転角度のそれぞれを示す歯部４２が設けられたＮＴロータ４０が結合されている。ＮＴロータ４０には、１２°間隔で歯部４２が設けられている。

制御装置６０は、内燃機関１０の制御量（トルク、排気成分）を制御するために、燃料噴射弁等の各種アクチュエータを操作する。制御装置６０は、制御量の制御や各種診断処理を実行する際に、クランクロータ２０の歯部２２の検出によってクランク軸１２の回転角度を検出するクランク角センサ７０のクランク信号Ｓｃｒや、入力軸３６の回転角度を検出する入力軸角度センサ７２のＮＴ信号Ｓｔ、エアフローメータ７４によって検出される吸入空気量Ｇａを参照する。制御装置６０は、ＣＰＵ６２や、ＲＯＭ６４、電気的に書き換え可能な不揮発性メモリ６６を備えており、ＲＯＭ６４に記憶されたプログラムをＣＰＵ６２が実行することによって、上記制御量の制御や診断を実行する。

図２に、制御装置６０が実行する診断処理のうちの特に失火検出処理を示す。図２に示す処理は、ＲＯＭ６４に記憶されたプログラムをＣＰＵ６２が実行することにより実現される。

ＥＧ速度算出処理部Ｍ１０は、クランク信号Ｓｃｒに基づき、クランク軸１２の３０°ＣＡの回転角度領域の回転速度である瞬時回転速度ωＮＥや、３０°ＣＡよりも大きい角度領域の回転期間における平均的な回転速度ＮＥを算出する。ＮＴ速度算出処理部Ｍ１２は、ＮＴ信号Ｓｔに基づき、入力軸３６の２４°の回転角度領域の回転速度である瞬時回転速度ωＮＴを算出する。

ねじれ成分除去処理部Ｍ１４は、瞬時回転速度ωＮＥからクランク軸１２と入力軸３６とのねじれに起因した駆動系の共振成分を除去する処理を実行する。以下、これについて説明する。

図３に示すように、内燃機関１０と変速装置３４とは、ダンパを介して連結されているものとしてモデル化することができる。ここで、内燃機関１０において、特定の気筒で連続的に失火が生じる場合、失火に起因したクランク軸１２の回転変動が振動源となり、内燃機関１０および変速装置３４を含む駆動系に共振が生じることがある。そしてその場合、クランク軸１２の回転変動は、失火に起因した回転変動波形と、この回転変動が変速装置３４から戻ってきた波形との合成波形となる。このため、合成波形によっては、失火検出ができなかったり失火気筒を特定できなかったりする問題がある。ねじれ成分除去処理部Ｍ１４は、合成波形から共振成分を除去することで失火に起因した回転変動波形を復元する処理を実行するものである。

図４に、ねじれ成分除去処理部Ｍ１４の処理を示す。
偏差算出処理部Ｍ１４ａは、クランク軸１２の瞬時回転速度ωＮＥから入力軸３６の瞬時回転速度ωＮＴを減算してダンパ速度ωｄｍｐを算出する。積分要素Ｍ１４ｂは、ダンパ速度ωｄｍｐを積分することにより、ねじれ角θｄｍｐを算出する。ねじれ加速度算出処理部Ｍ１４ｃは、ねじれ角θｄｍｐに、定数「Ｋ／Ｉ」を乗算することによって、クランク軸１２と入力軸３６とのねじれに起因した加速度成分を算出する。すなわち、トルク定数Ｋを用いると、クランク軸１２と入力軸３６とのねじれに起因してクランク軸１２に加わるトルクは、「Ｋ・θｄｍｐ」となる。ここで、慣性モーメントＩを用いると、ねじれに起因した加速度は、「Ｋ・θｄｍｐ／Ｉ」となる。積分要素Ｍ１４ｄは、加速度の積分によって、ねじれに起因した速度ωｔｗを算出する。除去処理部Ｍ１４ｅは、瞬時回転速度ωＮＥから速度ωｔｗを減算することによって、瞬時回転速度ωＮＥからねじれに起因した速度成分を除去した回転速度ωｅｘを算出する。

図２に戻り、フィルタ処理部Ｍ１６は、回転速度ωｅｘを入力とするＦＩＲフィルタであり、回転速度ωｅｘをフィルタ処理することにより、気筒＃１〜＃６のそれぞれにおける燃焼行程に応じた回転速度同士の大小を示す時系列データである回転変動値ΔＮＥを算出する。なお、本実施形態において、回転変動値ΔＮＥは、負で絶対値が大きい場合に、失火に起因した回転変動が生じていることを示す。また、回転変動値ΔＮＥは、速度の次元を有する。

判定値設定処理部Ｍ１８は、回転変動値との比較対象となる判定値を設定する。判定値は、負の値であって、負荷ＫＬが同一である場合、回転速度ＮＥが高い場合に低い場合よりも絶対値が小さい値となる。これは、回転速度ＮＥが高い場合には低い場合よりも失火時におけるクランク軸１２の回転変動が小さくなることに鑑みたものである。また、回転速度ＮＥが同一である場合、負荷ＫＬが高い場合に低い場合よりも絶対値が大きい値となる。これは、負荷ＫＬが大きいほど失火時におけるクランク軸１２の回転変動が大きくなる傾向があることに鑑みたものである。なお、負荷ＫＬは、吸入空気量Ｇａおよび回転速度ＮＥに基づき算出されるものであり、筒内充填空気量と正の相関を有する。

失火検出処理部Ｍ２０は、回転変動値と判定値との比較に基づき、失火の有無を判定し、失火が生じた場合、図１に示す警告灯８０を点灯させてユーザに通知するとともに、不揮発性メモリ６６に異常の内容を記憶する。

周期計測処理部Ｍ２２は、クランク信号Ｓｃｒに基づき、圧縮上死点間の長さを有する区間の回転に要する時間の長さ（回転周期）を計測し、これをフィルタ処理部Ｍ１６の出力の更新周期情報として提供する。また周期計測処理部Ｍ２２は、クランク信号Ｓｃｒに基づき、３０°ＣＡの回転に要する時間Ｔ３０を都度計測する。

学習処理部Ｍ２４は、ＮＴロータ４０の歯部４２間の角度の回転に要する時間が歯部４２が形成されている角度のあるべき角度からの誤差（ばらつき）に起因してばらつくことを学習する。具体的には、２４°毎の歯部４２間の回転に要する時間が歯部４２が形成されている角度のあるべき角度からの誤差（ばらつき）に起因してばらつくことを学習する。

図５は、クランク軸１２が一定速度で回転していると想定した場合における２４°を区画する一対の歯部４２の一方から他方までの領域の回転に要する時間の時系列データを示すものであり、特に、実線は、上記領域にばらつきがない場合を示し、破線および一点鎖線は、ばらつきがある場合を示す。

図６に、学習処理部Ｍ２４が実行する処理を示す。学習処理部Ｍ２４は、フューエルカット中にばらつきを学習する。すなわち、フューエルカット中を示すＦ／Ｃフラグがオンであるときに、周期計測処理部Ｍ２２の出力値に基づき、ＮＴ信号の１回転の回転周波数成分（サイクル２次周波数成分）を算出する（図中、「センサ７２出力のフィルタ後波形」と記載）。そして、１回転の回転周波数成分の振幅をばらつきとして学習する。なお、図６には、２点鎖線にて、仮想的にＴ／Ｍカウンタの推移を記載している。Ｔ／Ｍカウンタは、入力軸３６の２回転を計測するカウンタであるが、本実施形態には、実際には、入力軸３６の２回転を計測しておらず、これを、クランク軸１２の２回転に等しいとみなしている。なお、クランクカウンタは、周期計測処理部Ｍ２２の出力値に基づき算出されるカウンタである。ちなみに、フューエルカット中には、ロックアップクラッチ３２が解除されるため、クランク軸１２の回転速度と入力軸３６の回転速度とにはずれが生じるが、本実施形態では、これを無視している。なお、学習処理部Ｍ２４は、回転速度ＮＥ毎に、ばらつきを学習して不揮発性メモリ６６に記憶する。

図２に戻り、判定値補正処理部Ｍ２６は、判定値設定処理部Ｍ１８が設定した判定値を、ばらつきの学習値に基づき補正する。ここでは、回転速度ＮＥに基づき、該当する学習値によって判定値を補正する。

ここで、本実施形態の作用を説明する。
ＣＰＵ６２は、フューエルカット処理中に、ＮＴ信号に基づき、回転速度ＮＥ毎に歯部４２のばらつきを学習する。一方、ＣＰＵ６２は、ロックアップクラッチ３２が締結状態である場合、クランク軸１２と入力軸３６とのねじれに起因した速度成分を除去した回転速度ωｅｘに基づき、回転変動値ΔＮＥを算出する。そしてＣＰＵ６２は、回転速度ＮＥおよび負荷ＫＬに基づき判定値を設定した後、これを歯部４２のばらつきの学習値に基づき補正する。

図７に、学習値による補正前の判定値を破線にて示すとともに、補正後の判定値を一点鎖線にて示す。なお、実線にて失火時の回転変動値ΔＮＥの推移を示した。
ＣＰＵ６２は、ＮＴ信号Ｓｔのサイクル２次周波数成分のばらつきが小さい場合には大きい場合よりも、判定値の絶対値が小さくなるように、補正量を正の大きい値とする。図８に、学習後の判定値について、特に、図５に破線にて示した、サイクル２次周波数成分のばらつきが小さい場合の値（Ｃ．判定値）と、図５に一点鎖線にて示した、サイクル２次周波数成分のばらつきが大きい場合の値（Ｂ．判定値）と、を例示する。図８に示すように、ばらつきに応じて判定値を補正することにより、回転変動値ΔＮＥについて、正常値と異常値とを適切に切り分けることができる。これにより、ＮＴ信号の誤差の影響を排除して高精度に失火を検出することができる。

以上説明した本実施形態によれば、さらに以下に記載する効果が得られる。
（１）歯部４２のばらつきに応じたＮＴロータ４０の回転速度のばらつきを、回転速度ＮＥ毎に学習することにより、ＮＴロータ４０の回転速度が歯部４２のばらつきに与える影響を適切に考慮することができる。

（２）学習処理部Ｍ２４において、クランク軸１２の２回転の周期に基づき、ＮＴ信号Ｓｔのフィルタ処理を実行した。これにより、基準角度の特定ができないＮＴ信号Ｓｔに基づき、歯部４２の検出回数を計測して入力軸３６の回転数を計測するロジックを構築することなく、フィルタを構成することができる。

＜対応関係＞
上記実施形態における事項と、上記「課題を解決するための手段」の欄に記載した事項との対応関係は、次の通りである。回転軸は、変速装置の入力軸３６に対応し、角度検出信号は、ＮＴ信号Ｓｔに対応し、ねじれ成分除去処理は、ねじれ成分除去処理部Ｍ１４の処理に対応し、回転変動算出処理は、フィルタ処理部Ｍ１６の処理に対応し、失火検出処理は、失火検出処理部Ｍ２０の処理に対応し、学習処理は、学習処理部Ｍ２４の処理に対応する。

＜その他の実施形態＞
なお、上記実施形態の各事項の少なくとも１つを、以下のように変更してもよい。
・回転変動値ΔＮＥとしては、回転速度ωｅｘを入力とするＦＩＲフィルタ処理の出力データに限らない。たとえば、内燃機関１０が６気筒の場合、各気筒の３０ＡＴＤＣ〜１２０ＡＴＤＣの回転角度領域の回転に要する時間Ｔ１２０のうち、圧縮上死点が隣接する者同士の差のデータであってもよい。この場合、回転変動値は、時間の次元を有する。

・ＮＴ信号Ｓｔの入力軸３６の１回転に対応する回転周波数成分の算出手法としては、クランク軸１２の２回転に応じたフィルタ処理をするものに限らない。たとえば、ＮＴ信号Ｓｔに基づき、歯部４２の検出回数を計測することにより、入力軸３６の１回転に対応する時間周期を計測し、これに基づきフィルタを選定してもよい。

・変速装置の回転軸の角度検出信号としては、ＮＴ信号Ｓｔに限らず、たとえばトルクコンバータ３０の出力軸の角度検出信号であってもよい。
・内燃機関としては、６気筒のものに限らず、たとえば４気筒や８気筒のものであってもよい。

・制御装置としては、ＣＰＵ６２とＲＯＭ６４とを備えて、ソフトウェア処理を実行するものに限らない。たとえば、上記実施形態においてソフトウェア処理されたものの少なくとも一部を、ハードウェア処理する専用のハードウェア回路（たとえばＡＳＩＣ等）を備えてもよい。

１０…内燃機関、１２…クランク軸、２０…クランクロータ、２２…歯部、２４…欠け歯部、３０…トルクコンバータ、３２…ロックアップクラッチ、３４…変速装置、３６…入力軸、３８…出力軸、４０…ＮＴロータ、４２…歯部、５０…駆動輪、６０…制御装置、６２…ＣＰＵ、６４…ＲＯＭ、６６…不揮発性メモリ、７０…クランク角センサ、７２…入力軸角度センサ、７４…エアフローメータ、８０…警告灯。

Claims

複数の気筒を有し、クランク軸に変速装置が連結される内燃機関に適用され、
前記変速装置の回転軸と前記クランク軸との連結状態において、前記回転軸の角度検出信号およびクランク角信号に基づき、前記クランク軸の瞬時回転速度から前記クランク軸と前記回転軸とのねじれに起因した回転速度成分を除去したものを算出するねじれ成分除去処理と、
前記ねじれ成分除去処理の出力値に基づき、各気筒における燃焼行程に応じた回転速度同士の大小を示す時系列データである回転変動値を算出する回転変動算出処理と、
前記回転変動値と判定値との大小比較に基づき前記内燃機関の失火を検出する失火検出処理と、
前記内燃機関のフューエルカット処理中に、前記角度検出信号の１回転に対応する回転周波数の成分に基づき、前記回転軸の角度の検出誤差を学習する学習処理と、
前記学習処理によって学習された検出誤差が大きい場合に小さい場合よりも、前記判定値を、その絶対値が大きくなるように補正する補正処理と、を実行する内燃機関の失火検出装置。