JPH0668462B2

JPH0668462B2 - 内燃機関の燃焼監視装置

Info

Publication number: JPH0668462B2
Application number: JP23581185A
Authority: JP
Inventors: 佳久川村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1985-10-22
Filing date: 1985-10-22
Publication date: 1994-08-31
Anticipated expiration: 2009-08-31
Also published as: JPS6295437A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、内燃機関の燃焼圧力を検出して燃焼状態を把
握する燃焼監視装置に関する。

（従来の技術）近時、エンジンのより高い燃料経済性、運転性が要求さ
れる傾向にあり、かかる観点からマイクロコンピュータ
等を利用して燃焼状態を最適に制御することが行われ
る。

燃焼状態を把握する方法の１つとしてシリンダ内におけ
る燃焼ガスの圧力（以下、筒内圧という）を検出する方
法があり、そのための手段として従来、例えば第20図
（ａ）〜（ｃ）に示すようなものが知られている（特公
昭41−5154号公報、SAE テクニカルペーパ 750883号
等参照）。

第20図（ａ）において、１はエンジンのシリンダヘッド
を示し、シリンダヘッド１に形成された点火栓ネジ孔２
には点火栓３が螺合される。点火栓３と取付座面４との
間には座金としての圧力センサ５が挟み込まれて共締め
される。圧力センサ５は第20図（ｂ）、（ｃ）に示すよ
うにリング型の中心電極６を中心にしてその両面に２枚
のピエゾ圧電素子７と、さらにその外側に上面電極８と
下面電極９を順次積層して構成され、これらの内外周は
絶縁性のモールド部材10で一体に固定される。また、中
心電極６からはリード線11がモールド部材10を通して取
り出される。

このような圧力センサ５は点火栓３の座金として締め付
けられているため、シリンダ内の燃焼圧力が点火栓３に
作用すると、その締付力が増減変化して圧電素子７の発
生電荷が変化し筒内圧に応じた大きさの電荷信号を出力
する。したがって、エンジンの燃焼圧力を電気的信号と
して利用し易い形で取り出すことができる。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、このような従来の内燃機関の燃焼監視装
置にあっては、エンジンが正常燃焼しているとの前提の
基にその燃焼圧力を検出する構成となっているため、例
えばエンジンが失火したような場合には筒内圧が単なる
モータリング波形となる。かかる場合、低負荷燃焼であ
るか否か等の判断に困難を伴うことがあり、燃焼状態の
監視精度が低下して監視装置としての信頼性が低下す
る。その結果、このような監視情報に基づいてエンジン
の燃焼状態を制御すると、燃焼状態の悪化を招く。

（発明の目的）そこで本発明は、センサ出力の低周波振動成分と高周波
振動成分にそれぞれ燃焼エネルギに関連した特有の正常
パターンがあることに着目し、これら各成分の分析から
その正常／異常を判別してエンジンの失火を判定するこ
とにより、燃焼状態の監視精度を高めて、燃焼監視情報
としての信頼性を向上させることを目的としている。

（発明の構成）本発明による内燃機関の燃焼監視装置はその基本概念図
を第１図に示すように、エンジンの燃焼圧力を検出する
圧力検出手段ａと、圧力検出手段ａの出力から所定の低
周波振動成分を抽出する第１抽出手段ｂと、圧力検出手
段ａの出力から所定の高周波振動成分を抽出する第２抽
出手段ｃと、所定の低周波振動成分および高周波振動成
分に基づいてエンジンの燃焼サイクル毎に燃焼振動エネ
ルギに関連した物理量を演算し、該物理量から燃焼状態
を監視する燃焼監視手段ｄと、第１抽出手段ｂの出力か
ら低周波振動成分が異常であるか否かを判別する第１判
別手段ｅと、第２抽出手段ｃの出力から高周波振動成分
が異常であるか否かを判別する第２判別手段ｆと、高周
波振動成分が異常で低周波振動成分が正常であり、燃焼
圧力の低周波振動パターンが上死点を中心に対称となっ
ているときエンジンが失火していると判定する異常判別
手段ｇと、を備えており、燃焼状態の監視精度を高める
ものである。

（実施例）以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第２〜19図は本発明の実施例を示す図であり、本発明を
点火時期を制御する装置に適用した例である。

まず、構成を説明する。第２図においては、21は４気筒
エンジンであり、吸入空気は図中矢印で示すようにエア
クリーナ22より吸気管23を通して各気筒に供給され、燃
料は噴射信号Siに基づきインジェクタ24により噴射され
る。各気筒には点火プラグ25が装着されており、点火プ
ラグ25にはディストリビュータ（図示略）を介して点火
コイル26からの高圧パルスPiが供給される。点火コイル
26は点火信号Spに基づいて高圧パルスPiを発生させて点
火プラグ25に供給し、気筒内の混合気は高圧パルスPiの
放電によって着火、爆発し、排気となって排気管27から
触媒コンバータ28、マフラ29を順次通して排出される。

吸入空気の流量Qaはエアフローメータ30により検出さ
れ、吸気管23内の絞弁31によって制御される。絞弁31の
開度Cvはスロットルスイッチ32により検出され、絞弁31
をバイパスする空気流量はAACバルブ33により調節さ
れ、これによりアイドル回転数が制御される。

一方、EGR量はEGRバルブ34により制御され、EGRバルブ3
4の作動はVCMバルブ35によって制御される。なお、36は
BCバルブ、37はチェックバルブである。

また、エンジン21のウォータジャケットを流れる冷却水
の温度Twは水温センサ38により検出され、エンジン21の
クランク角Ca、C₁はクランク各センサ39により検出され
る。排気中の酸素濃度は酸素センサ40により検出され、
酸素センサ40は理論空燃比でその出力Vsが急変する特性
をもつもの等が用いられる。

さらに、気筒内の燃焼圧力（筒内圧）は筒内圧センサ41
により検出され、筒内圧センサ41は従来例と同様に圧電
素子により構成され点火プラグ25の座金としてモールド
成形される。筒内圧センサ41は点火プラグ25を介して圧
電素子に作用する筒内圧を検出し、この筒内圧に対応す
る電荷値を有する電荷信号S₁₁を出力する。なお、筒内
圧センサ41は気筒毎に配設される。

その他に、燃料温度Tfは燃温センサ42により検出され、
アクセルペダルの踏角量Accはアクセルセンサ43により
検出される。トランスミッション44のニュートラル位置
Ncはニュートラルスイッチ45により検出され、車速S_Sは
車速センサ46により検出される。なお、47はキャニス
タ、48はフュエルポンプである。

上記センサ群30、32、38、39、40、41、42、43、44、46
からの信号はコントロールユニット50に入力されてお
り、コントロールユニット50はこれらのセンサ情報に基
づいて筒内圧の算出や筒内圧信号系の異常の有無判断等
を行うとともに、その結果に応じて燃焼状態を最適に制
御する。

なお、燃焼制御についてはEGR制御等各種のものがある
が、ここではノッキング制御に限定して説明する。

第３図は点火時期制御に関連する部分の全体的ブロック
図である。第３図において、コントロールユニット50は
チャージアンプ51a〜51d、マルチプレクサ（MPX）52、
高周波振動検出回路53、低周波振動検出回路54、マイク
ロコンピュータ55により構成される。

各気筒に配設された筒内圧センサ41a〜41dからの電荷出
力S₁₁〜S₁₄はそれぞれチャージアンプ51a〜51dに入力さ
れる。チャージアンプ51aは第４図にその詳細を示すよ
うにオペアンプOP₁、OP₂、抵抗R₁〜R₈、コンデンサC₁お
よびダイオードD₁〜D₃からなるいわゆる電荷−電圧変換
増幅器を構成し、電荷出力S₁₁を電圧信号S₂₁に変換して
マルチプレクサ52に出力する。なお、その他のチャージ
アンプ51b〜51dについても同様であり、それぞれ電圧信
号S₂₂〜S₂₄を出力する。上記筒内圧センサ41a〜41dおよ
びチャージアンプ51a〜51dは圧力検出手段56を構成す
る。

一方、コントロールユニット50にはさらにクランク角セ
ンサ39からの信号が入力されており、クランク角センサ
39は各気筒と圧縮上死点前（BTDC）70゜で基準信号Caを
出力するとともに、クランク角の１度（又は２度）毎に
位置信号C₁を出力する。なお、その基準信号Caの内、第
１気筒に対応する基準信号については、他の気筒に対応
する基準信号よりもパルス幅を広くしている。また、そ
の位置信号C₁は、その他の例えば0.1度等の角度毎に出
力するようにしてもよく、細かくする程制御精度が向上
する。

マルチプレクサ52はマイクロコンピュータ55からの選択
信号Scに基づいてチャージアンプ51a〜51dの出力信号S
₂₁〜S₂₄を気筒毎に択一的に切り換え、信号S₂nとして高
周波振動検出回路53および低周波振動検出回路54に出力
する。高周波振動検出回路53は第５図に示すように、バ
ンドパスフィルタ60、増幅回路61、整流回路62および積
分器63により構成される。バンドパスフィルタ60はマル
チプレクサ52からの信号S₂nのうちノッキング振動に対
応する周波数帯（例えば、６〜15kHz）の信号成分のみ
を抽出し、この抽出した信号成分を信号S₄として増幅回
路61に出力する。増幅回路61は第６図に詳細を示すよう
に、オペアンプOP₃、抵抗R₁₀〜R₁₄およびコンデンサC₂
からなり、バンドパスフィルタ60からの抽出信号S₄を増
幅し信号S₅として整流回路62に出力する。整流回路62は
同図に示すようにオペアンプOP₄、抵抗R₁₅〜R₁₈、コン
デンサC₃およびダイオードD₄、D₅からなり、増幅回路61
からの信号S₅を半波整流し信号S₆として積分器63に出力
する。

積分器は同図に示すようにオペアンプOP₅、抵抗R₁₉〜R
₂₂、コンデンサC₄、ツエナダイオードZDからなる積分回
路と、抵抗R₂₃およびトランジスタQ₁からなるリセット
回路とからなる。そして、そのリセット回路のトランジ
スタQ₁に入力されるマイクロコンピュータ55からのセッ
ト／リセット信号S_SRでタイミングをとられて、整流回
路62からの信号S₆を積分回路で積分し積分信号S₇として
出力する。

なお、この積分器63はマイクロコンピュータ55からのセ
ット／リセット信号S_SRがハイレベル〔Ｈ〕のときに、
トランジスタQ₁がオフ状態になって積分可能状態にな
り、そのセット／リセット信号S_SRがローレベル〔Ｌ〕
のときに、トランジスタQ₁がオン状態になってコンデン
サC₄の両端がショートされて積分停止状態になる。

一方、低周波振動検出回路54は第７図に示すように、ロ
ーパスフィルタ（LPF）64および増幅回路65により構成
される。ローパスフィルタ64はマルチプレクサ52からの
信号S₂nのうち所定の低周波数帯（例えば、1KHz以下）
の信号成分のみを通過させ信号S₈として増幅回路65に出
力し、増幅回路65は信号S₈を増幅し信号S₉としてマイク
ロコンピュータ55に出力する。

上記ローパスフィルタ64および増幅回路65は第１抽出手
段としての機能を有し、バンドパスフィルタ60および増
幅回路61は第２抽出手段としての機能を有する。

再び第３図において、マイクロコンピュータ55は整流回
路62および積分器63と共に燃焼監視手段、第１判別手
段、第２判別手段および異常判定手段としての機能を有
し、CPU70、ROM71、RAM72、不揮発性メモリ（NVM）73お
よびＩ／Ｏポート74により構成される。CPU70はROM71に
書き込まれているプログラムに従ってＩ／Ｏポート74よ
り必要とする外部データを取り込んだり、また、RAM7
2、NVM73との間でデータの授受を行ったりしながらセン
サの異常判定やノック制御に必要な処理値を演算処理
し、必要に応じて処理したデータをＩ／Ｏポート74に出
力する。Ｉ／Ｏポート74にはクランク角センサ39、高周
波振動検出回路53および低周波振動検出回路54からの信
号が入力されるとともに、Ｉ／Ｏポート74からは選択信
号Sc、セット／リセット信号S_SRおよび点火信号Spが出
力される。

セット／リセット信号S_SRは圧縮上死点前40度（BTDC40
゜）で〔Ｈ〕レベルとなり、圧縮上死点（ATDC）で
〔Ｌ〕レベルとなるとともに、さらにATDC5゜で再び
〔Ｈ〕レベルとなった後ATDC45゜で〔Ｌ〕レベルとな
る。

点火信号Spは点火手段75に入力されており、点火手段75
は前記点火プラグ25a〜25d、点火コイル26、電源76、デ
ィストリビュータ77およびパワートランジタQ₂により構
成される。点火手段75は点火信号Spに基づきパワートラ
ンジスタQ₂をON／OFFを制御して点火コイル26の２次側
に高電圧Piを発生させるとともに、この高電圧Piをディ
ストリビュータ77により分配して点火プラグ25a〜25dに
供給して混合気に点火する。なお、この点火時期の制御
（パワートランジスタQ₂のON／OFF制御）は、Ｉ／Ｏポ
ート74の内部に設けた図示しない進角値（ADV）レジス
タに決定した点火時期に相当する値（進角値）をセット
し、これ等のレジスタの値と位置信号C₁をカウントする
カウント値とを比較して、一致した時点でパワートラン
ジスタQ₂をON状態又はOFF状態にする。

次に作用を説明するが、最初に本実施例におけるノッキ
ングの検出原理について述べる。

一般に、ノッキングによる筒内圧振動が現われるのは筒
内圧が最大となるクランク角度θpmax以降であり、上死
点後（ATDC）である。したがって、筒内圧振動（燃焼室
内圧力振動）の検出結果を整流積分した場合、上死点後
の整流積分値はノッキングの程度に応じた値になり、ノ
ッキングの程度が大きい程大きな値になる。すなわち、
上死点後の整流積分値はノック時の振動エネルギに関連
した値になる。そして、一般に人間の聴感によるノッキ
ングレベルの判定は、定常的に発生している背景雑音に
よる音圧レベルとノッキング振動による音圧レベルとの
相対的な強度差によって行なわれていると考えられる。

そこで、上死点後の整流積分値と上死点後の整流積分値
の平均値との差をとることにより、人間の官能評価に合
致したノッキングレベルを検出できる。

次に、このようなノッキング検出をするためのコントロ
ールユニット50による高周波振動検出回路53の積分器63
の積分動作の制御について第８図（以下ここでは「同
図」と称す）を参照して説明する。

まず、４気筒機関においては、第１気筒＃１〜第４気筒
＃４を＃１−＃３−＃４−＃２−＃１の順序で点火制御
する。

このとき、クランク角センサ39からは、同図（イ）に示
すように各気筒の上死点（TDC）前70度で基準信号Caが
検出され、前述したように第１気筒についての基準信号
Caのパルス幅は他の気筒についての基準信号よりもパル
ス幅が広い。

又、このクランク角センサ39からは、同図（ロ）に示す
ようにクランク角１゜（又は２゜）毎に位置信号C₁が出
力される。

一方、筒内圧センサ41およびチャージアンプ51が正常な
ときには、チャージアンプ51からは、同図（ハ）に示す
ような検出信号S₂₁が出力され、他のチャージアンプ51a
〜51dからも同様な検出信号S₂₂〜S₂₄が出力されるの
で、マルチプレクサ52からは、同図（ニ）に示すような
検出信号S₂nが出力される。それによって、このマルチ
プレクサ52からの検出信号S₂nから高周波振動検出回路5
3のバンドパスフィルタ60で所定周波数の信号のみを抽
出して増幅回路61で振幅したとき、この増幅回路61から
は同図（ホ）に示すような検出信号S₅が出力され、これ
を整流回路62で半波整流することによって同図（ヘ）に
示すような検出信号S₆が積分器63に入力される。

そこで、マイクロコンピュータ55はクランク角センサ39
からの基準信号Caが入力された時点から内部カウンタを
起動して位置信号C₁のカウントを開始する。そして、マ
イクロコンピュータ55は同図（チ）に示すように、例え
ば第１気筒についてATDC5゜になった時点t₁で、セット
／リセット信号S_SRを〔Ｈ〕にして積分器63の積分動作
を開始させ、ATDC45゜になった時点t₂でセット／リセッ
ト信号S_SRを〔Ｌ〕にして積分動作を停止させる。それ
によって、積分器63から出力される積分信号S₇は時点t₁
〜t₂の間では、例えば同図（ト）に示すようになり、時
点t₁〜t₂の間の積分動作によってノック時振動エネルギ
に相関する積分値が得られる。

なお、マイクロコンピュータ55は第２気筒〜第４気筒に
ついても同様なタイミングで積分器63の積分動作を制御
するので、積分器63から出力される積分信号S₇は全体と
して同図（ト）に示すようになる。

そこで、マイクロコンピュータ55は各ADTC45゜における
積分信号S₇をＡ／Ｄ変換して、このＡ／Ｄ変換値をノッ
ク時の振動エネルギに相関した量（以下、振動相関量と
いう）ＫとしてRAM72の所定アドレスに格納する。

次に、MBT制御を行うために必要な燃焼ピーク位置θpma
x（燃焼室内圧力が最大となったときのクランク角をい
う。以下、同様）を求めるプログラムについて第９図を
参照して説明する。

第９図に示すプログラムはクランク角センサ39からの位
置信号C₁に同期して２゜CA毎に一度実行される。

まず、P₁で第10図（イ）に示すように変化している圧力
信号S₂₁（１気筒相当の信号を示す）から高周波成分を
カットした信号S₉（第10図（ロ）参照）のＡ／Ｄ変換を
開始させるタイミングであるか否かを判別し、開始タイ
ミングでないときは直ちに図示しないメインルーチンに
リターンし、開始タイミングのときはP₂に進む。

ここに、P₁の判別処理は具体的には次のようにして処理
される。

すなわち、Ｉ／Ｏポート74はクランク角センサ39からの
位置信号C₁（２゜信号）（第10図（ハ）参照）を内部の
カウンタによってアップカウントしており、このカウン
タは第１気筒に対応するパルス幅の広い基準信号Caから
作った図示しない気筒判別信号が入力する毎にカウント
値がリセットされる。そして、このカウンタのカウント
値をP₁の実行毎に読み込み、その読込値が各気筒の燃焼
行程のクランク角範囲に対応するカウント値の各区間０
〜90、90〜180、180〜270、270〜360毎にθpmax検出用
として予め定めたｘ、ｘ＋90、ｘ＋180、ｘ＋270と一致
する毎に第１のフラグを立てる。第１のフラグは後述す
るθpmaxが算出された時点でリセットされるようにして
おいて、この第１のフラグが立っている間のみP₂に処理
を進めるようにする。

P₂ではｘ＋90×ｎ（ｎ＝０、１、２、３）を基準とした
クランク角を検出するために、クランク角カウンタ（ソ
フトカウンタ）を〔＋１〕〔２゜CAに対応）だけアップ
カウントする。次いで、P₃でＩ／Ｏポート74のＡ／Ｄ変
換器を起動してそのときの圧力信号S₉（第８図（リ）参
照）をＡ／Ｄ変換するとともに、このＡ／Ｄ変換値を例
えば数10μsec後に読み込む。P₄では圧力信号S₉のＡ／
Ｄ変換値の前回と今回における差値ΔＰを次式に従っ
て演算する。

ΔＰ＝AD1−ADφ …… 但し、AD1:今回のＡ／Ｄ変換値 ADφ：前回のＡ／Ｄ変換値（最初はφ）次いで、P₅で差値ΔＰを基準値ΔP₀と比較する。基準値
ΔP₀は圧力信号S₉の信号レベルが最大になったと判断す
るための値であり、予め所定値に判定される。ΔＰ≧Δ
P₀のときは圧力信号S₉の信号レベルが最大になっていな
いと判断し、P₆で今回のＡ／Ｄ変換値AD1を旧値ADφと
してリターンする。一方、ΔＰ＜ΔP₀のときは圧力信号
S₉の信号レベルが最大になったと判断し、P₇でそのとき
のクランク角カウンタのカウント値αと前述のｘとから
燃焼ピーク位置θpmaxを次式に従って演算する（第10
図（ハ）参照）。

θpmax＝２（α＋ｘ）−70 …… なお、θpmaxは上死点を基準としたクランク角で表され
る。そして、θpmaxの演算が終わると、前述した第１の
フラグをリセットするとともに、クランク角カウンタの
カウント値をリセットする。次いで、P₈で次回のＡ／Ｄ
変換のためADφをゼロにクリアしてリターンする。

以上のような処理を逐次行うことによって燃焼ピーク位
置θpmaxが求められる。

次に、点火時期制御について第11図に示すプログラムを
参照して説明する。本プログラムはθpmaxが演算される
毎に一度実行される。

まず、P₁₁でエンジン回転数Ｎと吸入空気量Qaをパラメ
ータとする第12図に示すようなテーブルマップから基本
点火時期ADVφをルックアップする。このテーブルマッ
プはエンジン回転数Ｎとエンジン負荷（吸入空気量Qaを
データとする他、例えば絞弁開度や吸気管内圧等の負荷
センサ出力に基づくデータでもよい）の関数として与え
てあり、低負荷域では略MBTの条件に設定され、高負荷
域ではノッキングレベルに応じて設定される。但し、こ
のテーブルマップは機関個々のバラツキ、経時変化、環
境変化（湿度変化、燃料オクタン変化等）などを考慮せ
ずに、例えばこれらのバラツキが中央値でマッチングし
た値により作成され、後述のMBT制御によりこれらの変
動要因を吸収してデータとしての精度を維持している。

次いで、P₁₂で本ルーチンの実行によりNVM73に学習記憶
された点火時期補正量の学習値ADV1（＋、−の符号付デ
ータ）を。上記同様にＮとQaをパラメータとするテーブ
ルマップからルックアップする。P₁₃では高周波振動検
出回路53からの積分信号S₇をＡ／Ｄ変換しノックレベル
データKVとして取り込み、P₁₄でこのKVを所定のスライ
スレベルKVφと比較する。KVφは、例えば極めて軽微で
実用上前く問題のないノックレベルに対応した値に設定
される。KV＜KVφのときはノックが発生していないと判
断し、P₁₅で燃焼ピーク位置θpmaxが発生トルクを最大
とする所定位置にくるように上記学習値ADV1を併用して
点火時期のMBT制御を行い、P₁₆で点火信号Spを出力す
る。なお、MBT制御の詳細については従来周知であり、
例えば特開昭58−82074号公報に記載されているのでこ
こでは省略する。

一方、KV≧KVφのときはノックが発生していると判断
し、P₁₇でノックを抑制するように点火時期のノック制
御を行い、P₁₆に進む。以上、本発明が適用されるシス
テムの入力信号処理と制御の概略について説明した。

次に、筒内圧信号系の異常判別原理とその態様につき別
表を参照して説明する。

筒内圧信号系の異常モードは別表に示すようにＩ〜IVの
４種類に区分され、その内容は次の通りである。

モードＩ燃焼ガスが点火栓ネジ孔から筒内圧センサ41の方へ抜け
出る場合である。この場合、燃焼ガスは点火栓ネジ孔を
減衰しながら通過するため、低周波振動成分の圧力（ガ
ス抜けによる圧力）が筒内圧センサ41の電縮素子に印加
される形となって、点火プラグ25による圧電素子への力
のかかり方に対して逆方向の力が作用することになる。
そのため、低周波振動成分を相殺することとなって、低
周波の筒内圧信号S₉の値が通常より小さくなる。

一方、上記逆方向の力も点火プラグ25の圧電素子への高
周波振動成分には影響を与えないため、その大きさは変
わらない。

モード II 筒内圧信号系（センサ信号系）の電気抵抗が増大したよ
うな場合、例えばセンサ信号線のコネクタ部における接
触抵抗の増大がある場合である。

チャージアンプ51の入力部を筒内圧センサ41の圧電素子
41Xも含めて図示すると、第13図に示すようになる。こ
こに、圧電素子41Xの静電容量をC₀、ハーネス部の抵抗
をR₀とすると、C₀とR₀で一種のRCフィルタが構成され
る。このRCフィルタの減衰率ATTは次式で表される。

したがって、コネクタ部の接触抵抗のために抵抗R₀の値
が増大すると、高周波振動成分ほど減衰率ATTが大きく
なる。そのため、低周波振動は正常であっても、高周波
振動成分が異常に小さくなってノッキングの検出が困難
になる。

モード III 失火の場合である。失火すると高周波振動成分が検出さ
れなくなるのは当然であるが、それだけではモードIIと
の区別が難しい。一方、失火すると燃焼による筒内圧の
増大がないため、低周波振動波形がTDCを軸として対称
な形となる。したがって、モードIIとの区別は筒内圧波
形の対称判断によって可能となる。

モード IV 筒内圧信号系のオープン又はショートの場合である。し
たがって、高周波振動成分も低周波振動成分も出なくな
る。

なお、別表には上記各モードＩ〜IVの場合の整備点検内
容および修理内容も併せて示す。

次に、上記原理に基づく低周波振動成分の異常判別につ
いて第14図に示すプログラムを参照して説明する。本プ
ログラムはクランク角センサ39からの信号C₁に同期して
２゜CA毎に一度実行される。

本プログラムでは低周波信号S₉を処理するため、前述の
第９図に示したルーチンと同一処理を行うステップを包
含しながらフローが流れる。したがって、以下の説明
中、第９図のものと同一処理内容のステップには○印で
囲む同一番号を付して、その処理説明を省略する。

P₁〜P₃を経ると、P₂₁〜P₃₀からなるステップで筒内圧の
低周波波形を等間隔に分析する処理を行う。すなわち、
P₂₁〜P₂₅の各ステップでクランク角カウンタのカウント
値CTが第15図に示すように、TDCを中心として等間隔に
設定されたそれぞれのクランク角CA1〜CA5と等しいか否
かを判別する。判別の結果、YES命令に従うときはP₂₆〜
P₃₀の各ステップでそれぞれ該当するクランク角CA1〜CA
5における筒内圧（圧力信号C₉）のＡ／Ｄ変換値をPA₁〜
PA₅としてRAM72にストアする。

次いで、P₄〜P₆のステップ処理に移行する。

P₅でΔＰ＜ΔP₀のときは圧力信号S₉のレベルが最大にな
ったと判断して、P₃₁でフラグFPMAXが立っているか否か
を判別する。フラグFPMAXは燃焼ピーク位置θpmaxの演
算が終了したとき立てられるものである。FPMAX＝０の
ときはP₇でθpmaxを演算するとともに、P₃₂でフラグFPM
AXを立ててリターンする。また、FPMAX＝１のときは既
にθpmaxが求められているため、P₃₃でθpmaxを求める
ためにクランク角カウントしているカウンタ（以下、θ
_Ｐカウンタという）のカウント値θＴをTDC後の前記所
定クランク角CA5と比較する。このような比較を行うの
は、θpmaxの演算後もクランク角がCA5になる迄２゜毎
のＡ／Ｄ変換処理を継続して第１のフラグFG1をクリア
するためである。θＴ＞CA5のときはP₃₄でカウント値θ
ＴがCA5以上であるか否かを判別する。θＴ≧CA5のとき
はP₃₅で第１のフラグFG1をクリアしてリターンする。ま
た、P₃₃、P₃₄でθＴ＜CA5のときはそのままリターンす
る。

また、上記ステップP₅からP₆へと進んだときは、圧力信
号S₉のレベルが最大になっていないと判断されるため、
P₃₆でフラグFPMAXをクリアしてリターンする。

一方、上記ステップP₁でＡ／Ｄ変換の開始タイミングで
ないと判断したときは、P₃₇以降のステップに分岐して
低周波振動成分の異常判別を行う。

まず、P₃₇でTDCにおける筒内圧のＡ／Ｄ変換値PA₃を異
常判別のための基準値P_TDCと比較する。ここに、P_TDCは
吸入空気量Qaと回転数Ｎをパラメータとして（すなわ
ち、P_TDC＝func（Qa,N）なる関数形式で表わされる）、
バックグランドジョブ（BGJ）によりテーブルルックア
ップされるもので、正常時におけるTDCのときの筒内圧
である。

PA₃＜P_TDCのときは前述の異常モードＩ、IVに該当する
と判断し、P₃₈で異常フラグFLOWを立てるとともに、こ
れをNVM73にストアしてリターンする。また、PA₃≧P_TDC
のときは圧力信号S₉は正常であるが、失火の場合も想定
されるのでP₃₉以降のステップでこれを判定する。すな
わち、P₃₉で異常フラグFLOWをクリアし、P₄₀で対称差値
ΔPfを次式に従って演算する。

ΔPf＝（PA₅−PA₁）＋（PA₄−PA₂） …… 対称差値ΔPfはTDCに関して対称的な２組のクランク角
における筒内圧の差を表しており、失火時には筒内圧が
単なるモータリング波形となるので、ゼロに近い値とな
る。

そこで、P₄₁で対称差値ΔPfを上記ゼロに近い基準値ΔP
f₀と比較し、ΔPf≧ΔPf₀のときは正常燃焼と判断してP
₄₂で失火フラグFMISSをクリアしてリターンする。ま
た、ΔPf＜ΔPf₀のときは失火と判断してP₄₃で失火フラ
グFMISSを立てるとともに、これをNVM73にストアしてリ
ターンする。なお、低負荷のときは圧力信号S₉のレベル
が失火時のレベルに近づくので、上記基準値ΔPf₀の値
はバックグランドジョブで予めゼロに設定される。

次に、高周波振動成分の異常判定方法について説明す
る。

ノッキングの検出原理で述べたように、上死点後の整流
積分値S₇から導かれる振動相関量ＫとＫの平均値との
差KV（KV＝Ｋ−₁,但し、_１は非ノック時におけるＫ
の平均値）はノッキングレベルを表すパラメータとな
る。しかし、Ｋそのものでは高周波振動の異常判定に困
難を伴うことがある。例えば、高周波振動が異常である
場合、一般的にＫの値が小さくなる傾向を示す。このと
き、仮りにセンサの入力信号系がオープンであれば電気
ノイズのみが積分されることとなり、Ｋの絶対値では異
状判定が難しい。

そこで、Ｋの変化率を表す分散値σ（Ｋ）を次式に従
って求め、 σ（Ｋ）＝（Ｋ＋）^２ …… この分散値σ（Ｋ）に基づいて異状判定を行う。なお、
σ（Ｋ）は単純に（Ｋ−）^２とするのではなく、（Ｋ
−）^２の移動平均をとるようにする。そして、（Ｋ−
）^２の小さい状態が継続すると、σ（Ｋ）は小さくな
り続けてセンサの入力信号系がオープンであるときの
（Ｋ−）^２に近づく。したがって、σ（Ｋ）は小さい
という状態が長く続いたとき高周波振動の異状と判定す
る。これは、正常な場合でもノッキング現象が確率的に
発生するので、（Ｋ−）^２の絶対値のみでは異状判定
が難しいということを考慮したためである。

次に、高周波振動成分の異状判定を第16図に示すプログ
ラムを参照して説明する。本プログラムは前記セット／
リセット信号S_SRが〔Ｌ〕レベルとなる積分終了タイミ
ング（第８図（チ）t₂参照）の２゜CA前の割込みによっ
て実行される。

まず、P₅₁で積分信号S₇をＡ／Ｄ変換し、これを振動相
関量ＫとしてRAM72にストアする。P₅₂では振動相関量Ｋ
の平均値（移動平均値）を次式に従って演算する。

但し、ｎは定数であり、ｎ＝16程度次いで、P₅₃で今回の（Ｋ−）^２を演算し、P₅₄で前回
の分散値σ′（Ｋ）と今回の（Ｋ−）^２を比較する。
σ′（Ｋ）≧（Ｋ−）^２のときは高周波振動が小さく
なっており異常の可能性もあると判断して、P₅₅で今回
のσ（Ｋ）を次式に従って演算し、いわゆる（Ｋ−
）^２の移動平均値を求める。

今回の但し、ｍは定数であり、ｍ＝16程度一方、σ′（Ｋ）＜（Ｋ−）^２のときは高周波振動が
正常であると判断して、P₅₆で今回のσ（Ｋ）として
（Ｋ−）^２を採用する。P₅₇では分散値のスライスレ
ベルσ_０を回転数Ｎをパラメータとして（すなわち、σ
_０＝func（Ｎ））ルックアップし、P₅₈で今回の分散値
σ（Ｋ）をスライスレベルσ_０と比較する。σ（Ｋ）≦
σ_０のときはP₅₉でフラグFCAUTを立てる。フラグFCAUT
は異常の可能性があるので注意を要するという意味のも
のである。そして、このフラグFCAUTがセットされた状
態がどの程度継続するかによって、実際に高周波振動が
異常であるとの判定を下す。この継続時間はエンジンの
運転領域によって異なり、本実施例ではこれを第17図に
示すように基本噴射量Tpと回転数Ｎに応じて２つの領域
Ｉ、IIに区分している。また、この継続時間は点火回数
の大きさで判断する。

フラグFCAUTがセットされると、まず、P₆₀で領域Ｉの条
件下においてFCAUT＝１という状態（以下、CAUTION状態
という）が連続して255点以上連続したか否かを判別す
る。255点火以上連続しているときは前述した判定原理
から高周波振動の異常を判断し、P₆₁で異常フラグFHIGH
を立てるとともに、同フラグFHIGHのbit−１を〔１〕と
してリターンする。

また、255点火連続していないときはP₆₂に進み、P₆₂で
領域IIの条件下においてCAUTION状態が連続して20点火
以上連続したか否かを判別する。20点火以上連続してい
るときはP₆₃で異常フラグFHIGHを立てるとともに、同フ
ラグFHIGHのbit−０を〔１〕としてリターンし、連続し
ていないときはP₆₄に進む。P₆₄では領域IIの条件下にお
いて20点火以上経過したがCAUTION状態が連続ではない
としても一応継続しているか否かを判別し、CAUTION状
態が途切れながらも継続しているときはP₆₅で異常フラ
グFHIGHを立てるとともに、同フラグFHIGHのbit−０お
よびbit−１を共に〔１〕としてリターンする。また、C
AUTION状態が継続していないときはP₆₆で異常フラグFHI
GHをリセットするとともに、同フラグFHIGHのbit−０お
よびbit−１を共にクリアしてリターンする。これによ
り、異常フラグFHIGHがセットされたとき、そのbitはそ
の異常態様に応じてそれぞれ次のようになる。

そして、上記異常の態様はNVM73に記憶され、故障診断
に利用される。

一方、上記ステップP₅₈でσ（Ｋ）＞σ_０のときは異常
の可能性が薄いと判断してP₆₄にジャンプする。このよ
うにして、高周波振動の異常の有無が適切に判定され
る。

次に、異常モードの態様判定を第18図に示すプログラム
を参照して説明する。

まず、P₇₁で異常フラグFHIGHのbitを判別する。bitがのときはP₇₂で異常フラグFLOWを判別し、FLOW＝１のと
きはP₇₃でモードＩを表示する。また、FLOW＝０のとき
はP₇₄でモードＩ〜IVの表示を解除する。

bitがのときはP₇₅で同様に異常フラグFLOWを判別し、FLOW＝
１のときはP₇₆でモードIVを表示する。また、FLOW＝０
のときはP₇₇で失火フラグFMISSを判別する。FMISS＝１
のときはP₇₈でモードIIIを表示するとともに、外部の警
報器（例えば、警報ランプあるいは警報ブザ等）に所定
の失火警報信号を出力して運転者に失火を告知する。こ
れにより、運転者は別表に示したような適切な処理をと
ることができ、運転性の悪化を防止することができる。
さらに、FMISS＝０のときはP₇₈でモードIIを表示する。

このように、前述の別表に示した異常判定原理から各フ
ラグFHIGH、FLOW、FMISSを適切に判別してモードＩ〜IV
の各異常状態が的確に判定される。なお、本プログラム
はバックグランドジョブによって処理するようにしても
よい。

以上の各プログラムによりエンジンの燃焼状態が常に適
切に監視される。したがって、例えば、従来例で指摘し
たようなエンジンの失火という事態に対しても、直ちに
の異常がモードIIIをもって表示されるとともに、この
異常状態に対して詳細を後述するように点火時期制御へ
の悪影響が回避される。また、モードIIIによる異常判
定により、上述のような失火の判断のみならず、第２抽
出手段の機能を異常であるという判断も行うことができ
る。その結果、燃焼監視情報としての信頼性を高めるこ
とができる、かかる情報を用いた燃焼制御の悪化を防止
することができる。

また、本実施例ではモードIIIの異常判定の他に、モー
ドＩ、II、IVの各異常状態をも適切に判定することがで
きる。

次に、上述の燃焼監視情報に基づく点火時期制御につい
て第19図に示すプログラムを参照して説明する。

最初に点火時期制御を行うにあたっての基本的な考え方
に次に示す。

（Ａ）MBT制御は、検出したθpmaxが次回に所定の範囲
内となるように点火時期を制御する。

（Ｂ）ノッキング制御は、ノッキングと判定されれば点
火時期を所定速度で遅角させ、非ノックと判定されれば
進角させる。

（Ｃ）異常モードＩのときは、MBT制御を停止し、予め
定められたベーステーブルの点火時期を与える。なお、
ノッキング制御は正常時と同様に行う。

（Ｄ）異常モードIIのときは、MBT制御は正常通りに行
うが、ノッキング制御を停止する。そして、ノッキング
が発生しやすい予め決められた領域で予め定められたテ
ーブルデータに従って点火時期を制御する。

（Ｅ）異常モードIIIおよびIVのときは、MBT制御および
ノッキング制御を共に停止し、予め定められたテーブル
データに従って点火時期を制御する。

上記の基本的な考えの基に第19図に示すプログラムが実
行される。本プログラムでは入力信号処理と制御の概略
を示した第11図のルーチンと同一処理を行うステップを
包含しながらフローが流れる。したがって、以下の説明
中、第11図のものと同一処理内容のステップは○印で囲
む同一番号を付して、その処理説明を省略する。

P₁₁を経ると、P₈₂でモードIII、IVであるか否かを判別
する。モードIII、IVであるときはノッキング振動に関
する情報が得られないと判断して、P₈₂でノッキングが
発生しやすい領域における点火時期のリタード（遅角）
量DADVφをテーブルルックアップし、P₈₃で次式に従
って最終的な点火時期ADVを演算してP₁₆に進む。

ADV＝ADVφ−DADVφ …… なお、リタード量DADVφはDADVφ＝func（Tp、Ｎ）で与
えられる。したがって、モードIII、IVのときはMBT制御
およびノッキング制御も共に停止されて、テーブルデー
タのみに基づいて点火時期が制御されることとなり、燃
焼監視情報の質の低下に伴う燃焼悪化を防ぐことができ
る。

一方、P₈₁でモードIII、IVでないときはP₁₂、P₁₃を経て
P₁₄に進む。P₁₄でKV＞KVφのときはP₈₄でモードＩであ
るか否かを判別する。モードＩのときはP₈₅で最終点火
時期ADVを基本点火時期ADVφと置いてP₁₆に進む。した
がって、モードＩのときのMBT制御が停止される。ま
た、モードＩでないときはP₈₆でモードIIであるか否か
を判別する。モードIIのときはP₈₂にジャンプしてモー
ドIII、IVの状態と同様の点火時期制御を実行する。モ
ードIIでないとき、すなわち、モードＩ〜IVの何れにも
該当しないときはP₈₇以降のMBT制御に移行する。

P₈₇では今回の燃焼ピーク位置θpmaxが所定値θ_M1とθ
_M2の間にあるか否かを判別する。θpmax＜θ_M1のときは
点火時期を進角しすぎであると判断して、P₈₈でMBT制御
のフィードバック補正量FBを所定量ｂだけ小さくする
（FB←FB−ｂとする）。θ_M2＜θpmaxのときは遅角しす
ぎであると判断して、P₈₉でフラグFCAUTを判別する。そ
して、FCAUT＝０のときのみP₉₀でフィードバック補正量
FBを所定量ａだけ大きくする（FB←FB＋ａとする）。FC
AUT＝１のときにP₉₁で次式に従って最終点火時期ADV
を演算した後、P₁₆に進む。

ADV＝ADVφ＋ADV1＋FB …… 一方、P₈₇でθ_M1≦θpmax≦θ_M2のときは点火時期の補
正程度を良好であると判断して、P₉₂で学習テーブルを
フィードバック補正量FBの値で書き換えるとともに、P
₉₃で該補正量FBをFB＝０としてP₉₁に進み。このよう
に、P₈₇〜P₉₃の各ステップ処理によりいわゆるMBT制御
が実行される。この場合、モードＩ〜IVの状態が除外さ
れて燃焼監視情報が高品質であるため、MBT制御の実効
を図りエンジンの運転性を格段と向上させることができ
る。

一方、上記各ステップP₁₄でKV≧KVφのときはノックが
発生していると判断されているので、P₉₄でフィードバ
ック補正量FBを所定量ｃだけ小さくして点火時期を遅角
しノッキング抑制処理を実行する。次いで、P₉₅で学習
条件であるか否かを判別する。ここに、学習条件は、例
えば過渡状態でないとき等エンジンの運転状態が急変せ
ずテーブルデータの学習を行うのに適したとき成立す
る。学習条件でないときはそのままP₉₁に進み、学習条
件であるときはP₉₆で学習テーブルのデータ（ADV1）を
書き換えた後、P₉₇でフィードバック補正量FBをFB＝０
としてP₉₁に進む。

なお、上述した各モードＩ〜IVの判定と点火時期制御を
何れも気筒別に実行、処理される。したがって、整備点
検や修理内容も気筒別に行うことができ、整備性を著し
く向上させることができる。

（効果）本発明によれば、燃焼状態に監視しつつ筒内圧信号の低
周波振動成分および高周波振動成分の分析からその正常
／異常を判別してエンジンの失火を適切に判定すること
ができ、燃焼状態の監視精度を高めて、燃焼監視情報と
しての信頼性を向上させることができる。

その結果、エンジンの燃焼制御に本装置を適用した場
合、上記異常に基づく燃焼状態の悪化を適切に回避する
ことができる。

また、上記実施例にあっては、モードIII以外にモード
Ｉ、II、IIIの各異常状態も適切に判定することがで
き、燃焼監視情報としての信頼性をより一層向上させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本概念図、第２〜19図は本発明の一
実施例を示す図であり、第２図はその全体構成図、第３
図はそのコントロールユニットを含む要部のブロック構
成図、第４図はそのチャージアンプの回路図、第５図は
その高周波振動検出回路の詳細なブロック構成図、第６
図はその増幅回路61、整流回路62および積分器63の回路
図、第７図はその低周波振動検出回路の詳細なブロック
構成図、第８図はその作用を説明するためのタイムチャ
ート、第９図はそのθpmax検出のプログラムを示すフロ
ーチャート、第10図はその信号処理波形を示す波形図、
第11図はその点火時期制御の概略を示すフローチャー
ト、第12図はその基本点火時期の特性を示す図、第13図
はその筒内圧信号の入力系の等価回路を示す図、第14図
はその低周波振動成分の異常判定プログラムを示すフロ
ーチャート、第15図はその波形処理の方法を示す波形
図、第16図はその高周波振動成分の異常判定プログラム
を示すフローチャート、第17図はそのエンジンの運転領
域を示す図、第18図はその異常モードの態様判定のプロ
グラムを示すフローチャート、第19図はその点火時期制
御の詳細なプログラムを示すフローチャート、第20図は
従来の圧力センサを示す図であり、第20図（ａ）はその
圧力センサの取付状態を示す断面図、第20図（ｂ）はそ
の圧力センサの断面図、第20図（ｃ）はその圧力センサ
の平面図である。 21……エンジン、 55……マイクロコンピュータ（燃焼監視手段、第１判別
手段、第２判別手段、異常判別手段）、 62……整流回路（燃焼監視手段、第１判別手段、第２判
別手段、異常判別手段）、 63……積分器（燃焼監視手段、第１判別手段、第２判別
手段、異常判別手段）、 56……圧力検出手段 60……バンドパスフィルタ（第２抽出手段）、 61……増幅回路（第２抽出手段）、 64……ローパスフィルタ（第１抽出手段）、 65……増幅回路（第１抽出手段）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ａ）エンジンの燃焼圧力を検出する圧力検
出手段と、ｂ）圧力検出手段の出力から所定の低周波振動成分を抽
出する第１抽出手段と、ｃ）圧力検出手段の出力から所定の高周波振動成分を抽
出する第２抽出手段と、ｄ）所定の低周波振動成分および高周波振動成分に基づ
いてエンジンの燃焼サイクル毎に燃焼振動エネルギに関
連した物理量を演算し、該物理量から燃焼状態を監視す
る燃焼監視手段と、ｅ）第１抽出手段の出力から低周波振動成分が異常であ
るか否かを判別する第１判別手段と、ｆ）第２抽出手段の出力から高周波振動成分が異常であ
るか否かを判別する第２判別手段と、ｇ）高周波振動成分が異常で低周波振動成分が正常であ
り、燃焼圧力の低周波振動パターンが上死点を中心に対
称となっているときエンジンが失火していると判定する
異常判定手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の燃焼監視装置。