JP7035749B2 - 内燃機関の失火検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の失火検出装置に関する。
特開平５－２０２７９９号公報には、失火の発生に起因した排気浄化装置の損傷を、内燃機関の運転状態に基づいて評価する失火検出装置が開示されている。この従来の装置は、評価期間中に失火が発生した場合、評価値を算出する。この評価値は、失火発生時の運転状態に対応付けて算出される。また、この従来の装置は、評価期間の経過後、評価期間中に算出した評価値を加算し、この加算値が閾値以上である場合、排気浄化装置の機能が損なわれるレベルの失火が発生したと判定する。
特開平５－２０２７９９号公報
しかしながら上記従来の装置は、排気浄化装置をフィルタ（例えば、ハニカム構造を有するフィルタ）で構成した場合を考慮していない。この場合は、フィルタに堆積するＰＭ（Particulate Matter）が上記判定に多大な影響を及ぼす。何故なら、ＰＭがフィルタに堆積していると、失火発生時にフィルタに流入した未燃状態の燃料の燃焼が堆積ＰＭの燃焼を誘発し、排気温度を大幅に上昇させるからである。故に、上記従来の装置では、フィルタの排気浄化機能が損なわれるレベルの失火の発生を検出できない可能性がある。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、フィルタの排気浄化機能が損なわれるレベルの失火の発生の検出精度を高めることのできる内燃機関の失火検出装置を提供することを目的とする。
第１の発明は、上述した課題を解決するための内燃機関の失火検出装置であり、次の特徴を有する。
前記失火検出装置は、堆積量推定部と、判定値設定部と、失火判定部と、を備える。
前記堆積量推定部は、内燃機関の排気浄化用フィルタに堆積する粒子状物質の量を推定する。
前記判定値設定部は、前記内燃機関の運転状態と、前記粒子状物質の堆積量と、に基づいて、失火判定値を設定する。
前記失火判定部は、前記失火判定値と実際の失火率とに関する判定条件が満たされる場合、前記フィルタの排気浄化機能が損なわれるレベルの失火が発生したと判定する。
前記判定値設定部は、前記堆積量が多いほど前記失火判定値を小さな値に設定する。
第２の発明は、第１の発明において、更に次の特徴を有する。
前記判定値設定部は、前記運転状態に基づいて基本失火判定値を設定する。
前記判定値設定部は、前記堆積量に基づいて補正係数を設定する。
前記判定値設定部は、前記基本失火判定値に前記補正係数を乗算することで前記失火判定値を設定する。
前記補正係数は、前記堆積量が多いほど小さな値に設定されている。
第３の発明は、第１または第２の発明において、更に次の特徴を有する。
前記内燃機関は、筒内に燃料を直接噴射するインジェクタを備える火花点火式のエンジンである。
第１の発明によれば、粒子状物質（すなわち、ＰＭ）の堆積量が多いほど、失火判定値が小さな値に設定される。失火判定値が小さな値に設定されれば、失火発生時のＰＭの燃焼によりフィルタの排気浄化機能が損なわれるレベルの失火が発生しているにも関わらず、そのような失火が発生していないと誤検出するのを抑えることができる。換言すると、失火発生時のＰＭの燃焼によりフィルタの排気浄化機能が損なわれるレベルの失火が発生していることを高精度に検出することができる。
第２の発明によれば、ＰＭの堆積量が多いほど補正係数が小さな値に設定される。よって、基本失火判定値に補正係数を乗算することで設定される失火判定値を、ＰＭの堆積量が多いほど小さい値に設定できる。
近年では、火花点火式のエンジンに対して少ない排気量と高い圧縮比が要求されている。このようなエンジンの筒内に燃料を直接噴射する場合は、吸気ポートに燃料を噴射する場合に比べてＰＭが排出され易い。この点、第３の発明によれば、直噴インジェクタを備える火花点火式のエンジンに適用されるフィルタにおいて、その排気浄化機能が損なわれるレベルの失火が発生していることを高精度に検出することができる。
本発明の実施の形態に係る失火検出装置の構成の一例を説明する図である。 ＯＴ失火率の設定処理の一例を説明するブロック図である。 エンジン回転速度（またはエンジン負荷量）と、基本ＯＴ失火率との関係の一例を示した図である。 ＰＭ堆積量と補正係数の関係を示した図である。 ＯＴ失火の判定処理の流れを説明するフローチャートである。 ＯＴ失火率の設定処理の別の例を説明するブロック図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
１．システム構成の説明
本発明の実施の形態に係る失火検出装置は、車両に搭載される内燃機関の失火を検出する装置である。この内燃機関は、具体的に、複数の気筒を有する火花点火式のエンジンである。このエンジンの排気管には、ＧＰＦ（Gasoline Particulate Filter）が設けられている。このＧＰＦは、ハニカム構造を有しており、排気管を流れるＰＭを捕集する。ハニカムを構成するセルの表面には、排気中の特定の成分を浄化する触媒（例えば、三元触媒）が担持されている。つまり、ＧＰＦは、排気管を流れる排気を浄化する。
図１は、本実施の形態に係る失火検出装置の構成の一例を説明する図である。図１に示すように、失火検出装置は、クランク角センサ１０と、スロットルセンサ２０と、ＥＣＵ（Electric Control Unit）３０と、インジェクタ４０と、ＭＩＬ（Malfunction Indicator Light）５０と、を備えている。
クランク角センサ１０は、エンジンのクランク軸の回転角度を検出するセンサである。クランク角センサ１０は、検出した回転角度の情報（以下、「クランク角情報」ともいう。）を、ＥＣＵ３０に送る。
スロットルセンサ２０は、エンジンのスロットル弁の開度を検出するセンサである。スロットルセンサ２０は、検出した開度の情報（以下、「スロットル情報」ともいう。）を、ＥＣＵ３０に送る。
ＥＣＵ３０は、プロセッサ、メモリ、および、入出力インタフェースを備えるマイクロコンピュータである。ＥＣＵ３０は、入出力インタフェースを介して各種情報を受け取る。ＥＣＵ３０は、受け取った各種情報に基づいて、エンジンの失火判定処理を行う。
インジェクタ４０は、エンジンの各気筒に設けられている。インジェクタ４０は、ＥＣＵ３０からの指令に従って、エンジンの筒内に燃料を直接噴射する。つまり、本実施の形態に係る失火検出装置が適用される内燃機関は、筒内直噴式のエンジンでもある。
ＭＩＬ５０は、車両のインストルメントパネルに取り付けられている。ＭＩＬ５０は、ＥＣＵ３０からの指令に従って、点灯を行う。
２．ＥＣＵ３０の機能の説明
ＥＣＵ３０は、エンジンの失火判定処理を行うための機能として、ＰＭ量推定部３２と、ＯＴ（Over Temperature）失火率設定部３４と、ＯＴ失火判定部３６と、を備えている。以下、これらの機能について説明する。
２．１ ＰＭ量推定部３２
ＰＭ量推定部３２は、ＧＰＦに堆積するＰＭ量（以下、「ＰＭ堆積量」ともいう。）を推定する。ＰＭ堆積量は、ＧＰＦに捕集されるＰＭ量（以下、「ＰＭ捕集量」ともいう。）と、ＧＰＦにおいて酸化されるＰＭ量（以下、「ＰＭ酸化量」ともいう。）と、に基づいて算出される。
ＰＭ捕集量は、エンジンから排出されるＰＭ量（以下、「ＰＭ排出量」ともいう。）に、所定の捕集割合を乗算することで算出される。ＰＭ排出量は、エンジンの運転状態に基づいて算出される。ＰＭ酸化量は、例えば、ハニカムの床温、および、ＧＰＦの上流における酸素濃度に基づいて求めた所定の酸化割合を、現在のＰＭ堆積量に乗算することで算出される。ＰＭ捕集量とＰＭ酸化量の差をサイクル毎に算出し、この差を積算すれば、ＰＭ堆積量が算出される。なお、ここで述べた算出手法は一例に過ぎず、ＰＭ堆積量の推定手法には様々な公知手法を適用することができる。
２．２ ＯＴ失火率設定部３４
ＯＴ失火率設定部３４は、ＯＴ失火率を設定する。ＯＴ失火率は、触媒の床温が過剰に上昇した結果、触媒の排気浄化機能が損なわれるレベルの失火（以下、「ＯＴ失火」ともいう。）の発生を検出するために設定される。ＯＴ失火率の設定は、基本ＯＴ失火率と、補正係数とに基づいて行われる。基本ＯＴ失火率は、エンジンの運転状態に基づいて設定されるＯＴ失火率の基本値である。この基本値に補正係数を乗算することで、ＯＴ失火率が設定される。
図２は、ＯＴ失火率設定部３４によるＯＴ失火率の設定処理の一例を説明するブロック図である。この設定処理では、基本ＯＴ失火率マップＭ１（以下、単に「マップＭ１」ともいう。）の照合により基本ＯＴ失火率が求められる。マップＭ１は、ＥＣＵ３０のメモリに格納されているマップである。マップＭ１は、エンジン回転速度およびエンジン負荷量と、基本ＯＴ失火率との関係を規定したマップである。
図３は、エンジン回転速度（またはエンジン負荷量）と、基本ＯＴ失火率との関係の一例を示した図である。図３に示すように、エンジン回転速度（またはエンジン負荷量）が高くなるほど、基本ＯＴ失火率が低くなる。このような関係を示す理由は、低回転低負荷域では多少の失火が発生しても床温の上昇に与える影響が小さいのに対し、高回転高負荷域では少ない回数の失火が床温の上昇に大きく影響するためである。なお、エンジン回転速度はクランク角情報から求められ、エンジン負荷量はスロットル情報およびクランク角情報から求められる。
また、設定処理では、補正係数マップＭ２（以下、単に「マップＭ２」ともいう。）の照合により補正係数が求められる。マップＭ２の照合は、ＰＭ量推定部３２が推定した最新のＰＭ堆積量を用いて行われる。マップＭ２は、マップＭ１と同様に、ＥＣＵ３０のメモリに格納されている。マップＭ２は、ＰＭ堆積量と補正係数の関係を規定したマップである。
図４は、ＰＭ堆積量と補正係数の関係を示した図である。図４に示すように、ＰＭ堆積量が多くなるほど補正係数が小さくなる。なお、ＰＭ堆積量がゼロであるときの補正係数は１．０に設定される。つまり、ＰＭ堆積量が多くなるほど補正係数が１．０よりも小さな値となる。このような関係を示す理由は、ＰＭ堆積量が多くなるほど失火発生時に燃焼するＰＭ量が増えるためである。なお、失火発生時のＰＭの燃焼が、ＧＰＦに流入した未燃燃料によって誘発されることは既に説明した通りである。
２．３ ＯＴ失火判定部３６
ＯＴ失火判定部３６は、ＯＴ失火の発生の有無を判定する。図５は、ＯＴ失火判定部３６によるＯＴ失火の判定処理の流れを説明するフローチャートである。なお、図５に示すルーチンは、エンジンが駆動されている間、繰り返し行われる。
図５に示すルーチンでは、先ず、判定処理の前提条件が成立しているか否かが判定される（ステップＳ１０）。この前提条件としては、例えば、下記の条件が挙げられる。
(i) エンジンの暖機が完了している
(ii) エンジンがアイドル運転中である、または、定常運転中である
(iii) エンジン回転速度が急変していない
(iv) インジェクタ、点火装置等の各種装置に異常が発生していない
なお、上記(i)の条件は、エンジンの冷却水温に基づいて判定される。上記(ii)の条件は、スロットル情報や車両の速度に基づいて判定される。上記(iii)の条件は、クランク角情報に基づいて判定される。上記(iv)の条件は、各種デバイスの異常の発生に応じて生成される信号に基づいて判定される。
ステップＳ１０の判定は、肯定的な判定結果が得られるまで繰り返される。ステップＳ１０の判定結果が肯定的な場合、検出許可カウンタがカウントアップされる（ステップＳ１２）。検出許可カウンタは、エンジン燃焼サイクルをカウントする。検出許可カウンタのカウントアップは、燃焼サイクル動作が行われる度に、前回カウンタ値に１を加えることにより行われる。
ステップＳ１２に続いて、失火カウンタのカウントアップ条件が成立したか否かが判定される（ステップＳ１４）。失火カウンタのカウントアップ条件は、回転変動値が閾値以上の場合に成立する。回転変動値は、クランク軸が所定の回転角度（例えば、３０°）だけ回転するのに要する時間のばらつき（標準偏差）として定義される。回転変動値は、クランク角情報に基づいて求められる。
ステップＳ１４の判定結果が肯定的な場合、失火カウンタがカウントアップされる（ステップＳ１６）。失火カウンタは、回転変動値が閾値以上となる回数をカウントする。失火カウンタのカウントアップは、回転変動値が閾値以上であると判定される度に、前回カウンタ値に１を加えることにより行われる。
ステップＳ１６に続いて、異常検出タイミングが到来したか否かが判定される（ステップＳ１８）。ステップＳ１８の処理は、ステップＳ１４の判定結果が否定的な場合にも行われる。異常検出タイミングの到来は、検出許可カウンタが閾値（例えば、２００回）以上での場合に成立する。ステップＳ１８の判定結果が否定的な場合、ステップＳ１２に戻り、検出許可カウンタがカウントアップされる。
ステップＳ１８の判定結果が肯定的な場合、異常カウンタのカウントアップ条件が成立したか否かが判定される（ステップＳ２０）。異常カウンタのカウントアップ条件は、実際の失火率がＯＴ失火率以上の場合に成立する。実際の失火率は、失火カウンタの現在カウンタ値を検出許可カウンタの現在カウンタ値で除算することにより算出される。ＯＴ失火率は、ＯＴ失火率設定部３４により設定された失火率である。
ステップＳ２０の判定結果が肯定的な場合、異常カウンタがカウントアップされる（ステップＳ２２）。異常カウンタは、実際の失火率がＯＴ失火率以上となる回数をカウントする。異常カウンタのカウントアップは、実際の失火率がＯＴ失火率以上であると判定される度に、前回カウンタ値に１を加えることにより行われる。
ステップＳ２０の判定結果が否定的な場合、異常カウンタがカウントダウンされる（ステップＳ２４）。異常カウンタのカウントダウンは、実際の失火率がＯＴ失火率未満であると判定される度に、前回カウンタ値から１を差し引くことにより行われる。
ステップＳ２４に続いて、検出許可カウンタと失火カウンタが初期化される（ステップＳ２６）。つまり、検出許可カウンタと失火カウンタのカウンタ値が初期値（すなわち、ゼロ）に設定される。ステップＳ２６の処理は、後述するステップＳ２８の判定結果が否定的な場合にも行われる。
ステップＳ２２に続き、異常カウンタが閾値（例えば、３回）以上か否かが判定される（ステップＳ２８）。ステップＳ２０～Ｓ２４の一連の処理では、ステップＳ２０の判定結果に応じて異常カウンタのカウントアップまたはカウントダウンが行われる。したがって、ステップＳ２８において異常カウンタが閾値以上であるということは、異常カウンタが閾値に相当する回数だけ連続してカウントアップされていることを意味する。
ステップＳ２８の判定結果が肯定的な場合、ＭＩＬ５０が点灯され、且つ、失火気筒での燃料噴射が停止される（ステップＳ３０）。ＭＩＬ５０の点灯は、点灯指令に基づいて行われる。失火気筒での燃料噴射の停止は、失火気筒のインジェクタ４０への噴射停止指令に基づいて行われる。失火気筒のインジェクタ４０は、失火カウンタのカウントアップの履歴に基づいて特定される。例えば、失火カウンタのカウントアップに最も寄与した気筒が、失火気筒として特定される。なお、点灯指令および噴射停止指令の何れか一方が生成され、ＭＩＬ５０の点灯または失火気筒での燃料噴射の停止が行われてもよい。
３．効果
以上説明した本実施の形態によれば、ＯＴ失火の発生の検出に際し、ＰＭ堆積量に応じた補正係数が基本ＯＴ失火率に乗算される。この補正係数は、ＰＭ堆積量が多くなるほど小さな値をとる。そのため、補正係数を乗算した後のＯＴ失火率は、ＰＭ堆積量が多くなるほど小さな値をとることになる。よって、失火発生時のＰＭの燃焼によりＯＴ失火が発生しているにも関わらず、ＯＴ失火が発生していないと誤検出するのを抑えることができる。換言すると、失火発生時のＰＭの燃焼によりＯＴ失火が発生していることを高精度に検出することができる。
４．上記実施の形態と本発明の対応関係
ＰＭ量推定部３２は、上記第１の発明の「堆積量推定部」に対応している。ＯＴ失火率設定部３４は、上記第１の発明の「判定値設定部」に対応している。ＯＴ失火判定部３６は、上記第１の発明の「失火判定部」に対応している。ＯＴ失火率は、上記第１の発明の「失火判定値」に対応している。基本ＯＴ失火率は、上記第２の発明の「基本失火判定値」に対応している。
５．その他の実施の形態
上記実施の形態に係る失火検出装置は、以下のように変形することもできる。
図６は、ＯＴ失火率設定部３４によるＯＴ失火率の設定処理の別の例を説明するブロック図である。この設定処理では、ＯＴ失火率マップＭ３、Ｍ４、・・・、Ｍｎの照合によって、ＯＴ失火率が直接的に求められる。これらのマップＭ３～Ｍｎは、エンジン回転速度およびエンジン負荷量と、基本ＯＴ失火率との関係を、ＰＭ堆積量ごとに設定したマップである。なお、エンジン回転速度がクランク角情報から求められ、エンジン負荷量がスロットル情報およびクランク角情報から求められ、ＰＭ堆積量がＰＭ量推定部３２により推定されることは、上記実施の形態と同じである。
上記実施の形態に係る失火検出装置が適用される内燃機関は、圧縮自着火式のエンジンでもよい。ただし、圧縮自着火式のエンジンが、ＧＰＦと同様の機能（すなわち、ＰＭ捕集機能および排気浄化機能）を有する排気浄化用フィルタを有することが前提条件となる。このようなフィルタを圧縮自着火式のエンジンが有する場合は、上述した失火判定処理によって、ＯＴ失火の発生を検出することができる。
１０ クランク角センサ
２０ スロットルセンサ
３０ ＥＣＵ
３２ ＰＭ量推定部
３４ ＯＴ失火率設定部
３６ ＯＴ失火判定部
４０ インジェクタ
５０ ＭＩＬ

Claims (4)

  1. 内燃機関の排気浄化用フィルタに堆積する粒子状物質の量を推定する堆積量推定部と、
    前記内燃機関の運転状態と、前記粒子状物質の堆積量と、に基づいて、失火判定値を設定する判定値設定部と、
    前記失火判定値と実際の失火率とに関する判定条件が満たされる場合、前記フィルタの排気浄化機能が損なわれるレベルの失火が発生したと判定する失火判定部と、
    を備える内燃機関の失火検出装置であって、
    前記判定値設定部が、前記堆積量が多いほど前記失火判定値を小さな値に設定する
    ことを特徴とする内燃機関の失火検出装置。
  2. 前記判定値設定部が、前記運転状態に基づいて設定した基本失火判定値に、前記堆積量に基づいて設定した補正係数を乗算することで前記失火判定値を設定し、
    前記補正係数が、前記堆積量が多いほど小さな値に設定されている
    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. 前記内燃機関が、筒内に燃料を直接噴射するインジェクタを備える火花点火式のエンジンであることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の失火検出装置。
  4. 前記判定条件は、実際の失火率が前記失火判定値以上となる回数が閾値以上であることを含み、
    前記実際の失火率が、回転変動値が閾値以上となる回数に基づいて計算される
    ことを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載の内燃機関の失火検出装置。
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