JP6887723B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関を制御する制御装置に関する。

内燃機関の出力軸であるクランクシャフトが所定角度回転するのに要した時間を反復的に計測して回転速度の変化量（低下量）を求め、この変化量が判定閾値を上回った場合に、気筒内で失火が発生したと判定する失火判定方法が公知である（例えば、下記特許文献を参照）。

特開２０１６−０８４７３６号公報

内燃機関の何れかの気筒に充填される混合気の空燃比が目標値からずれると、当該気筒において失火には至らないものの燃焼が不安定となることがある。例えば、気筒に対して燃料を噴射するインジェクタの噴射孔にデポジットが付着、堆積すると、インジェクタの開弁時間の長さに応じた適正量の燃料が噴射されなくなり、気筒に充填される混合気の空燃比が目標値よりもリーンとなる。その帰結として、当該気筒での燃焼が不安定化する。燃焼の不安定化は、エンジントルクの変動及び出力性能の悪化、または有害物質の排出量の増加に繋がり得る。

しかしながら、従前の失火判定方法によっては、特定の気筒における失火に至らない程度の燃焼の不安定化を検知することは困難であった。

以上の問題に初めて着目してなされた本発明は、内燃機関の何れかの気筒での燃焼の不安定化を検知してこれに対処することを所期の目的としている。

本発明では、複数の気筒を備える火花点火式内燃機関の各気筒の膨張行程において発生する熱発生量を示唆する値をそれぞれ計測し、対象の気筒の膨張行程における熱発生量が、他の気筒の膨張行程における熱発生量よりも一定以上少ないと判断される場合に、所定のフェイルセーフ制御を実施するものであり、対象の気筒の膨張行程中の熱発生量と、他の気筒の膨張行程中の熱発生量との比または前者から後者を減じた差分が、判定閾値未満であるが、当該判定閾値よりも小さい所定値以上である場合には、対象の気筒についてフェイルセーフ制御として、燃料噴射量を平常時よりも増量し、点火タイミングを平常時よりも進角させ、または平常時よりも当該気筒に充填される吸気量を増大させる制御を実施し、前記比または差分が、前記所定値未満である場合には、対象の気筒についてフェイルセーフ制御として、燃料噴射量を平常時よりも減量するか当該気筒に対する燃料噴射そのものを休止する、内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、内燃機関の何れかの気筒における失火に至らない程度の燃焼の不安定化を検知してこれに対処することが可能となる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 内燃機関の各気筒の膨張行程において発生する熱量を例示するタイミング図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（例えば、三気筒。図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を気筒１毎に設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

外部ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

ＥＣＵ０の入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するクランク角センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、内燃機関に対する要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、排気通路４を流れる排気ガスの酸素濃度または空燃比を検出する空燃比センサから出力される空燃比信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｇ、各気筒１の筒内圧即ち燃焼室内の圧力を個別に検出する筒内圧センサから出力される筒内圧信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数及びアクセル開度を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数、アクセル開度及び吸気量等に基づき、吸気量に見合った要求燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）、点火タイミング等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

本実施形態のＥＣＵ０は、内燃機関の各気筒１の膨張行程中の筒内圧を筒内圧センサを介して反復的に計測し、気筒１内のピストンの位置に応じた筒内圧の時系列を得る。現在の気筒１内のピストンの位置、換言すれば現在のクランク角度は、クランク角センサが出力するクランク角信号ｂ及びカム角センサが出力するカム角信号ｇを参照して知得できる。そして、クランク角度に対応する筒内圧の時系列を基に、当該気筒１の膨張行程にて発生した熱量を推算する。

しかして、ＥＣＵ０は、それぞれの気筒１について、当該気筒１の膨張行程における熱発生量の推算値と、当該気筒１の膨張行程の直前または直後の時期に膨張行程を迎えた他の気筒１の膨張行程における熱発生量の推算値とを比較することで、当該気筒１における混合気の燃焼が安定しているかどうかを判定する。

例えば、第二気筒１の膨張行程中の燃焼が失火には至らなかったものの不安定である場合、図２に示すように、第二気筒１の膨張行程中に発生する熱量が、同時期の他の気筒１の膨張行程中に発生する熱量よりも少なくなる。それ故、第二気筒１の熱発生量の推算値と、当該第二気筒１の膨張行程の前に膨張行程を迎えた第一気筒１の熱発生量とを比較することにより、あるいは、第二気筒１の熱発生量の推算値と、当該第二気筒１の膨張行程の後に膨張行程を迎える第三気筒１の熱発生量とを比較することにより、第二気筒１の膨張行程中の燃焼が不安定であったことを検知できる。

ＥＣＵ０は、対象の気筒１の今回の膨張行程中の熱発生量の推算値と、当該気筒１の膨張行程の直前または直後の時期に膨張行程を迎えた他の気筒１の膨張行程（文字通り対象の気筒１の膨張行程の前または次に起こる他の気筒１の膨脹行程であることもあれば、数サイクル（吸気−圧縮−膨張−排気の一連を一サイクルとする）ないし数十サイクル前、または数サイクルないし数十サイクル後に起こる他の気筒１の膨脹行程であることもある）中の熱発生量の推算値（複数の気筒１のうち最も熱発生量が大きい気筒１の熱発生量の推算値や、他の複数の気筒１の熱発生量の推算値の平均値、数サイクルないし数十サイクル分の熱発生量の推算値の最大値または平均値であることがある）との比（または、前者の推算値から後者の推算値を減じた差分）を求め、その比（または、差分）が所定の判定閾値よりも小さい場合に、当該気筒１の今回の膨張行程中の燃焼が不安定であったと判断する。さらに、対象の気筒１の連続した複数回の膨張行程について継続的に燃焼が不安定であったと判定したならば、当該気筒１において燃焼が不安定になっているとの判定を下す。

特定の気筒１における燃焼が失火には至らないものの不安定化する原因としては、例えば、当該気筒１に向けて燃料を噴射するインジェクタ１１の噴射孔にデポジットが付着、堆積してインジェクタ１１から噴射される燃料の量が想定よりも減少し、当該気筒１における空燃比がリーン化していることが挙げられる。何れかの気筒１において燃焼が不安定になっていると判定した場合には、以後、当該気筒１の燃焼をより安定化させるためのフェイルセーフ制御を実施する。具体的には、当該気筒１に対して燃料を噴射するインジェクタ１１の開弁時間を平常時よりも延長することで燃料噴射量の増量を図ったり、当該気筒１における点火タイミングを平常時よりも進角したり、スロットルバルブ３２の開度を拡大する等して当該気筒１に充填される吸気量を平常時よりも増大させたり（吸気量の増大は、当該気筒１に供給される燃料の量の増加をもたらす。なお、このとき、燃焼が安定している他の気筒１における点火タイミングを平常時よりも遅角することが好ましい）する。

ある気筒１の膨張行程中の熱発生量の推算値と、当該気筒１の膨張行程の直前または直後の時期に膨張行程を迎えた他の気筒１の膨張行程中の熱発生量の推算値との比が顕著に小さい場合には、当該気筒１における空燃比が過リッチとなっており、当該気筒１に設置された点火プラグ１２がかぶる（電極に液状燃料が付着する）等して燃焼が不安定化している可能性がある。このような場合には、フェイルセーフ制御として、当該気筒１に対して噴射する燃料の量を減量するか当該気筒１における燃料噴射（及び、同気筒１における点火）そのものを休止し、以て当該気筒１における燃焼不安定の改善を図ることが考えられる。加えて、ＥＧＲを禁止、即ちＥＧＲバルブ２３を全閉することも好ましい。本実施形態のＥＣＵ０は、対象の気筒１の膨張行程中の熱発生量の推算値と他の気筒１の膨張行程中の推算値との比が上記の判定閾値（例えば、０．８）よりも小さい所定値（例えば、０．５）未満であるとき（または、対象の気筒１の連続した複数回の膨張行程についてその状態が継続したとき）に、ＥＧＲを禁止するとともに当該気筒１への燃料噴射を停止し、比が所定値以上であるが判定閾値未満であるとき（または、対象の気筒１の連続した複数回の膨張行程についてその状態が継続したとき）には、ＥＧＲを禁止せずに当該気筒１に付随するインジェクタ１１の開弁時間の延長や点火タイミングの進角、スロットルバルブ３２の開度の拡大等を実行する。

また、対象の気筒１の膨張行程中の熱発生量の推算値と他の気筒１の膨張行程中の推算値との比が上記の所定値または判定値未満である（状態が当該気筒１の連続した複数回の膨張行程に亘って継続した）ときに、内燃機関に異常が生じている旨を車両の搭乗者の視覚または聴覚に訴えかける態様にて報知することもできる。例えば、車両のコックピットに設置されている警告灯（Ｍａｌｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ Ｌａｍｐ）を点灯させたり、ディスプレイの画面に表示したり、警告音その他の音声を出力したりする。

本実施形態では、複数の気筒１を備える内燃機関の各気筒１の膨張行程において発生する熱発生量を示唆する値（筒内圧）をそれぞれ計測し、対象の気筒１の膨張行程における熱発生量と、対象の気筒１の膨張行程の直前または直後の時期に膨張行程を迎えた他の気筒１の膨張行程における熱発生量とを比較して、対象の気筒１の膨張行程における熱発生量が他の気筒１の膨張行程における熱発生量よりも一定以上少ないと判断される場合に、所定のフェイルセーフ制御を実施する内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、内燃機関の何れかの気筒１における失火に至らない程度の燃焼の不安定化を的確に検知することが可能となり、そのような燃焼不安定に適切に対処することができる。特定の気筒１の膨張行程における熱発生量と他の気筒１の膨張行程における熱発生量との乖離が比較的小さいときには、当該気筒１に対して燃料を噴射するインジェクタ１１の開弁時間の延長、当該気筒１における点火タイミングの進角、及び／または、当該気筒１に充填される吸気量の増大等を実行することで、当該気筒１における燃焼を正常燃焼に近づける。一方で、特定の気筒１の膨張行程における熱発生量と他の気筒１の膨張行程における熱発生量との乖離が比較的大きいならば、当該気筒１に対する燃料噴射を一時的にまたは恒久的に停止して、当該気筒１における燃焼状態の回復を図る。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、各気筒１の膨張行程において発生する熱発生量を示唆する値として各気筒１の筒内圧を計測していたが、各気筒１に筒内温即ち燃焼室内の温度を個別に検出する筒内温センサが設置されているのであれば、筒内圧に代えて筒内温を各気筒１の膨張行程において発生する熱発生量を示唆する値として計測することができる。あるいは、膨張行程を迎えた気筒１に付随する点火プラグ１２の電極を流れるイオン電流の量を、当該気筒１の膨張行程において発生する熱発生量を示唆する値として計測することも考えられる。

また、各気筒１の膨張行程中に計測した筒内圧、筒内温、イオン電流量等の時系列を基にそれぞれの気筒１の膨張行程中の熱発生量を推算してそれらを比較するのではなく、計測した筒内圧、筒内温、イオン電流量等の時系列を直に比較することで、対象の気筒１の膨張行程における熱発生量が他の気筒１の膨張行程における熱発生量よりも一定以上少ないか否かを判断するようにしても構わない。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載された内燃機関の制御に適用できる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１…インジェクタ
１２…点火プラグ
２…ＥＧＲ装置
２３…ＥＧＲバルブ
３…吸気通路
３２…スロットルバルブ
ｂ…クランク角信号
ｇ…カム角信号
ｈ…筒内圧信号
ｉ…点火信号
ｊ…燃料噴射信号
ｋ…スロットルバルブの開度操作信号
ｌ…ＥＧＲバルブの開度操作信号

Claims (1)

1. 複数の気筒を備える火花点火式内燃機関の各気筒の膨張行程において発生する熱発生量を示唆する値をそれぞれ計測し、
   対象の気筒の膨張行程における熱発生量が、他の気筒の膨張行程における熱発生量よりも一定以上少ないと判断される場合に、所定のフェイルセーフ制御を実施するものであり、
   対象の気筒の膨張行程中の熱発生量と、他の気筒の膨張行程中の熱発生量との比または前者から後者を減じた差分が、判定閾値未満であるが、当該判定閾値よりも小さい所定値以上である場合には、対象の気筒についてフェイルセーフ制御として、燃料噴射量を平常時よりも増量し、点火タイミングを平常時よりも進角させ、または平常時よりも当該気筒に充填される吸気量を増大させる制御を実施し、
   前記比または差分が、前記所定値未満である場合には、対象の気筒についてフェイルセーフ制御として、燃料噴射量を平常時よりも減量するか当該気筒に対する燃料噴射そのものを休止する、内燃機関の制御装置。

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