JP4207870B2 - 内燃機関の制御装置および失火判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料および空気の混合気を筒内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御装置および失火判定方法に関する。

従来から、内燃機関の燃焼状態を検出する装置として、筒内圧検出手段によって検出された各燃焼室の筒内圧信号を重畳させ、重畳された筒内圧信号に基づいて算出される失火判定指標を用いて失火状態を判定するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。このように、複数の燃焼室それぞれの筒内圧力を重畳させれば、失火の有無により、上死点前後の信号波形の対称性に顕著な変化が認められることになるため、内燃機関の燃焼の全域において失火判定を実行することができる。

特開平１１−８２１５０号公報

しかしながら、上述の従来の内燃機関の燃焼状態検出装置では、基本的に、筒内圧検出手段より検出された筒内圧を微小な単位クランク角ごとに積分処理することによって失火判定指標が算出される。このため、従来の燃焼状態検出装置における演算負荷は多大なものとなっており、従来の装置を例えば車両用内燃機関等に適用するのは実際上容易なことではなかった。

そこで、本発明は、筒内における失火状態を低負荷で精度よく判定可能とする実用的な内燃機関の制御装置および失火判定方法の提供を目的とする。

本発明による内燃機関の制御装置は、燃料および空気の混合気を筒内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御装置において、筒内圧力を検出する筒内圧検出手段と、筒内圧検出手段によって検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積である制御パラメータを算出する制御パラメータ算出手段と、制御パラメータ算出手段によって算出される複数の制御パラメータ同士の差分を求める差分算出手段と、差分算出手段によって算出される複数の差分を積算する積算手段と、積算手段によって算出された積算値に基づいて筒内における失火状態を判定可能な失火判定手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明による内燃機関の制御装置は、内燃機関が所定の運転状態にあるか否か判定する運転状態判定手段を更に備え、失火判定手段は、運転状態判定手段によって内燃機関が所定の運転状態にあると判断された場合に、積算手段によって算出された積算値に基づいて筒内における失火状態を判定すると好ましい。

本発明による内燃機関の失火判定方法は、燃料および空気の混合気を筒内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の失火判定方法において、
（ａ）少なくとも３つの計測点について筒内圧力を検出するステップと、
（ｂ）計測点ごとに、ステップ（ａ）で検出した筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積である制御パラメータを算出するステップと、
（ｃ）ステップ（ｂ）で算出した制御パラメータ同士間の差分を求めるステップと、
（ｄ）ステップ（ｃ）で算出した複数の差分を積算するステップと、
（ｅ）ステップ（ｄ）で算出した積算値に基づいて筒内における失火状態を判定するステップとを備えることを特徴とする。

この場合、少なくともステップ（ｅ）の前に、（ｆ）内燃機関が所定の運転状態にあるか否か判定するステップを更に備え、ステップ（ｆ）で内燃機関が所定の運転状態にあると判断された場合に、ステップ（ｅ）で積算値に基づいて筒内における失火状態を判定すると好ましい。

本発明によれば、筒内における失火状態を低負荷で精度よく判定可能とする実用的な内燃機関の制御装置および失火判定方法の実現が可能となる。

本発明者らは、演算負荷の低減化を図りつつ高精度な内燃機関の制御を可能にするために鋭意研究を重ねた。その結果、本発明者らは、筒内圧検出手段によって検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて算出される制御パラメータに着目するに至った。より詳細には、本発明者らは、クランク角がθである際に筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力をＰ（θ）とし、クランク角がθである際の筒内容積をＶ（θ）とし、比熱比をκとした場合に、筒内圧力Ｐ（θ）と、筒内容積Ｖ（θ）を比熱比（所定の指数）κで累乗した値Ｖ^κ（θ）との積として得られる制御パラメータＰ（θ）・Ｖ^κ（θ）（以下、適宜「ＰＶ^κ」と記す）に着目した。そして、本発明者らは、クランク角に対する内燃機関の筒内における熱発生量Ｑの変化パターンと、クランク角に対する制御パラメータＰＶ^κの変化パターンとが、図１に示されるような相関を有することを見出した。ただし、図１において、−３６０°，０°および３６０°は、上死点に、−１８０°および１８０°は、下死点に対応する。

図１において、実線は、所定のモデル気筒において所定の微小クランク角おきに検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の比熱比κで累乗した値との積である制御パラメータＰＶ^κをプロットしたものである。また、図１において、破線は、上記モデル気筒における熱発生量Ｑを次の（１）式に基づいて、Ｑ＝∫ｄＱとして算出・プロットしたものである。なお、何れの場合も、簡単のために、κ＝１．３２とした。

図１に示される結果からわかるように、クランク角に対する熱発生量Ｑの変化パターンと、クランク角に対する制御パラメータＰＶ^κの変化パターンとは、概ね一致（相似）しており、特に、筒内の混合気の燃焼開始（ガソリンエンジンでは火花点火時、ディーゼルエンジンでは圧縮着火時）の前後（例えば、図１における約−１８０°から約１３５°までの範囲）では、熱発生量Ｑの変化パターンと、制御パラメータＰＶ^κの変化パターンとは極めて良好に一致することがわかる。

すなわち、本発明者らが着目した制御パラメータＰＶ^κは、上述のように、内燃機関の筒内における熱発生量を反映する。従って、ある２点間における筒内での熱発生量∫ｄＱ（ｄＱを例えばθ_ｘからθ_ｙ〔ただし、θ_ｘ＜θ_ｙ〕まで積分した値、以下同じ）は、当該２点間における制御パラメータＰＶ^κの差分
ΔＰＶ^κ＝Ｐ（θ_ｙ）・Ｖ^κ（θ_ｙ）−Ｐ（θ_ｘ）・Ｖ^κ（θ_ｘ）
として得ることができる。そして、この差分ΔＰＶ^κは、極めて低負荷で算出され得るものであり、その算出に、微小な単位クランク角ごとの積分処理といった負荷の大きい演算処理は必要とされない。

一方、ある気筒において失火が発生した場合、その気筒では、失火が発生していない気筒に比べて、熱発生量が小さくなる。従って、このような筒内における熱発生量と失火状態との関係と、本発明者らによって見出された筒内における熱発生量と制御パラメータＰＶ^κとの相関とを利用することにより、筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて算出される制御パラメータＰＶ^κの差分ΔＰＶ^κに基づいて筒内における失火状態を低負荷で判定可能となる。ただし、例えば筒内圧力が相対的に低い運転状態のもとでは、制御パラメータＰＶ^κの値も小さくなる。そして、このような場合、通常状態と失火状態との間で、制御パラメータＰＶ^κ同士の差分ΔＰＶ^κに顕著な差が認められなくなり、筒内における失火状態を精度よく判定し得なくなるおそれもある。

このような点に鑑みて、本発明では、ある２点間における熱発生量を示す差分ΔＰＶ^κを複数積算して得られる積算値に基づいて筒内における失火状態が判定される。すなわち、本発明では、例えば燃焼開始（火花点火または圧縮着火）前のあるタイミングから燃焼開始後のあるタイミングまでの間において、少なくとも３つの計測点について筒内圧力が検出され、計測点ごとに、筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積である制御パラメータＰＶ^κが算出される。更に、このようにして算出された複数の制御パラメータＰＶ^κ同士間の差分ΔＰＶ^κが求められ、得られた複数の差分ΔＰＶ^κが積算される。そして、得られた差分ΔＰＶ^κの積算値が例えば所定の閾値を下回っている場合には、筒内が失火状態にあると判断される。これにより、本発明によれば、演算負荷を大幅に低減させつつ、筒内における失火状態を精度よく判定することが可能となる。

ところで、制御パラメータＰＶ^κ同士の差分ΔＰＶ^κに顕著な差が認められなくなるおそれがあるのは、アイドル時や点火プラグの燻りの発生時といった筒内圧力が相対的に低い場合である。そして、筒内圧力がある程度高い場合には、一般に、通常の燃焼時と失火時との間で、ある２点間における制御パラメータＰＶ^κの差分ΔＰＶ^κに顕著な差が認められることから、このような場合には、当該差分ΔＰＶ^κに基づいて筒内における失火状態を判定可能となる。従って、内燃機関が所定の運転状態にあるか否か判定し、内燃機関が例えば筒内圧力が低い所定の運転状態にあると判断された場合に（のみ）、差分ΔＰＶ^κの積算値に基づいた失火状態の判定が実行されてもよい。これにより、内燃機関が所定の運転状態にある場合にのみ、上記差分ΔＰＶ^κの積算処理を実行すればよいことから、内燃機関の失火判定に要する演算負荷をより一層低減することが可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について具体的に説明する。

図２は、本発明による内燃機関を示す概略構成図である。同図に示される内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生するものである。内燃機関１は多気筒エンジンとして構成されると好ましく、本実施形態の内燃機関１は、例えば４気筒エンジンとして構成される。

各燃焼室３の吸気ポートは、吸気管（吸気マニホールド）５にそれぞれ接続され、各燃焼室３の排気ポートは、排気管６（排気マニホールド）にそれぞれ接続されている。また、内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅが燃焼室３ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉは、対応する吸気ポートを開閉し、各排気弁Ｖｅは、対応する排気ポートを開閉する。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは、例えば、可変バルブタイミング機能を有する動弁機構（図示省略）によって動作させられる。更に、内燃機関１は、気筒数に応じた数の点火プラグ７を有し、点火プラグ７は、対応する燃焼室３内に臨むようにシリンダヘッドに配設されている。

吸気管５は、図２に示されるように、サージタンク８に接続されている。サージタンク８には、給気ラインＬ１が接続されており、給気ラインＬ１は、エアクリーナ９を介して図示されない空気取入口に接続されている。そして、給気ラインＬ１の中途（サージタンク８とエアクリーナ９との間）には、スロットルバルブ（本実施形態では、電子制御式スロットルバルブ）１０が組み込まれている。一方、排気管６には、図２に示されるように、例えば三元触媒を含む前段触媒装置１１ａおよび例えばＮＯｘ吸蔵還元触媒を含む後段触媒装置１１ｂが接続されている。

更に、内燃機関１は、複数のインジェクタ１２を有し、各インジェクタ１２は、図２に示されるように、対応する燃焼室３内に臨むようにシリンダヘッドに配置されている。また、内燃機関１の各ピストン４は、いわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面に、凹部４ａを有している。そして、内燃機関１では、各燃焼室３内に空気を吸入させた状態で、各インジェクタ１２から各燃焼室３内のピストン４の凹部４ａに向けてガソリン等の燃料が直接噴射される。これにより、内燃機関１では、点火プラグ７の近傍に燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成（成層化）されるので、極めて希薄な混合気を用いて安定した成層燃焼を実行することが可能となる。なお、本実施形態の内燃機関１は、いわゆる直噴エンジンとして説明されるが、これに限られるものではなく、本発明が吸気管（吸気ポート）噴射式の内燃機関に適用され得ることはいうまでもない。

上述の各点火プラグ７、スロットルバルブ１０、各インジェクタ１２および動弁機構等は、内燃機関１の制御装置として機能するＥＣＵ２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および、記憶装置等を含むものである。ＥＣＵ２０には、図２に示されるように、内燃機関１のクランク角センサ１４を始めとした各種センサが電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、記憶装置に記憶されている各種マップ等を用いると共に各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２、動弁機構等を制御する。

また、内燃機関１は、半導体素子、圧電素子、磁歪素子あるいは光ファイバ検出素子等を含む筒内圧センサ（筒内圧検出手段）１５を気筒数に応じた数だけ有している。各筒内圧センサ１５は、対応する燃焼室３内に受圧面が臨むようにシリンダヘッドに配設されており、図示されないＡ／Ｄ変換器等を介してＥＣＵ２０に電気的に接続されている。各筒内圧センサ１５は、燃焼室３内でその受圧面に加わる圧力（筒内圧力）に応じた電圧信号（検出値を示す信号）をＥＣＵ２０に与える。クランク角センサ１４や各筒内圧センサ１５の検出値は、微小時間おきにＥＣＵ２０に順次与えられ、ＥＣＵ２０の所定の記憶領域（バッファ）に所定量ずつ格納保持される。

次に、図３を参照しながら、上述の内燃機関１における失火判定処理の手順について説明する。

内燃機関１が始動されると、ＥＣＵ２０によって図３に示される失火判定ルーチンが微小時間おきに繰り返し実行される。この場合、ＥＣＵ２０は、まず、クランク角センサ１４からの信号に基づいて内燃機関１の回転数を取得すると共に、取得した回転数に基づいて内燃機関１のアイドル運転が実行されているか否か判定する（Ｓ１０）。ＥＣＵ２０は、Ｓ１０にてアイドル運転が実行されていると判断すると、所定のフラグを「０」とした上で（Ｓ１２）、燃焼室３ごとに、燃焼開始（火花点火または圧縮着火）前のあるタイミングから燃焼開始後のあるタイミングまでの間に定められた複数の計測点（クランク角＝θ_１，θ_２，θ_３，θ_４）における筒内圧力Ｐ（θ_１），Ｐ（θ_２），Ｐ（θ_３）およびＰ（θ_４）を所定の記憶領域から読み出す（Ｓ１４）。本実施形態において、複数の計測点は、例えば、θ_１＝−６０°（上死点前６０°），θ_２＝６０°（上死点後６０°），θ_３＝９０°（上死点後９０°），θ_４＝１２０°（上死点後１２０°）とされる。

ＥＣＵ２０は、燃焼室３ごとに筒内圧力Ｐ（θ_１），Ｐ（θ_２），Ｐ（θ_３）およびＰ（θ_４）を取得すると、Ｓ１６にて、筒内圧力Ｐ（θ_ｉ）と、当該筒内圧力Ｐ（θ_ｉ）の検出時、すなわち、クランク角がθ_ｉとなる時の筒内容積Ｖ（θ_ｉ）を比熱比κ（本実施形態では、κ＝１．３２）で累乗した値との積である制御パラメータＰＶ^κ _ｉを各計測点について燃焼室３ごとに算出する（ただし、ｉ＝１，２，３，４である）。すなわち、ＥＣＵ２０は、燃焼室３ごとに、筒内圧力Ｐ（θ_１）と、筒内容積Ｖ（θ_１）を比熱比κで累乗した値との積である制御パラメータＰＶ^κ _１と、筒内圧力Ｐ（θ_２）と、筒内容積Ｖ（θ_２）を比熱比κで累乗した値との積である制御パラメータＰＶ^κ _２と、筒内圧力Ｐ（θ_３）と、筒内容積Ｖ（θ_３）を比熱比κで累乗した値との積である制御パラメータＰＶ^κ _３と、筒内圧力Ｐ（θ_４）と、筒内容積Ｖ（θ_４）を比熱比κで累乗した値との積である制御パラメータＰＶ^κ _４とを算出する。ここで用いられるＶ^κ（θ_１＝−６０°），Ｖ^κ（θ_２＝６０°），Ｖ^κ（θ_３＝９０°）およびＶ^κ（θ_４＝１２０°）の値は、予め算出された上で記憶装置に記憶されている。

上述のようにして、制御パラメータＰＶ^κ _１，ＰＶ^κ _２，ＰＶ^κ _３およびＰＶ^κ _４を求めると、ＥＣＵ２０は、燃焼室３ごとに、複数の制御パラメータＰＶ^κ同士間の差分ΔＰＶ^κ _２−１，ΔＰＶ^κ _３−２およびΔＰＶ^κ _４−３を算出する（Ｓ１８）。すなわち、ＥＣＵ２０は、Ｓ１６において、差分ΔＰＶ^κ _２−１，ΔＰＶ^κ _３−２およびΔＰＶ^κ _４−３を、
ΔＰＶ^κ _２−１＝ΔＰＶ^κ _２−ΔＰＶ^κ _１
ΔＰＶ^κ _３−２＝ΔＰＶ^κ _３−ΔＰＶ^κ _２
ΔＰＶ^κ _４−３＝ΔＰＶ^κ _４−ΔＰＶ^κ _３
として算出する。

差分ΔＰＶ^κ _２−１は、クランク角θ＝θ_１となるタイミングと、θ＝θ_２となるタイミングとの間における各燃焼室３での熱発生量を示し、差分ΔＰＶ^κ _３−２は、クランク角θ＝θ_２となるタイミングと、θ＝θ_３となるタイミングとの間における各燃焼室３での熱発生量を示し、差分ΔＰＶ^κ _４−３は、クランク角θ＝θ_３となるタイミングと、θ＝θ_４となるタイミングとの間における各燃焼室３での熱発生量を示す。このように、Ｓ１２からＳ１６までの処理により、複数の計測点間における熱発生量を良好に反映した制御パラメータＰＶ^κの差分ΔＰＶ^κが燃焼室３ごとに簡易かつ速やかに算出される。この結果、筒内圧力を微小な単位クランク角ごとに積分処理して各燃焼室３における失火状態を判定する場合と比較して、ＥＣＵ２０における演算負荷を大幅に低減させることができる。

ここで、ある２点間における何れかの燃焼室３での熱発生量を示す差分ΔＰＶ^κは、当該燃焼室３内における失火の程度に応じて変化し、例えば当該燃焼室３内が半失火状態にあるような場合、差分ΔＰＶ^κは、所定の閾値よりも小さくなる。また、当該燃焼室３内が完全失火状態にある場合、差分ΔＰＶ^κは、上記閾値よりも更に小さく（理論的にはゼロ以下）になる。従って、このような差分ΔＰＶ^κと失火状態との関係を利用することにより、制御パラメータＰＶ^κの差分ΔＰＶ^κに基づいて筒内における失火状態を低負荷で判定可能となる。

ただし、アイドル時のように筒内圧力が相対的に低い運転状態のもとでは、制御パラメータＰＶ^κの値も小さくなることから、通常の燃焼時と失火時との間で、制御パラメータＰＶ^κ同士の差分ΔＰＶ^κに顕著な差が認められなくなり、筒内における失火状態を精度よく判定し得なくなるおそれもある。すなわち、本発明者らの実験によれば、アイドル時のように筒内圧力が相対的に低い運転状態のもとでは、失火時（半失火状態を含む）に取得されるある２点間における差分ΔＰＶ^κの分布と、燃焼時に取得される当該２点間における差分ΔＰＶ^κの分布とは、図４に示されるように、オーバーラップするおそれがあると判明した。

これに対して、アイドル時のように筒内圧力が相対的に低い運転状態のもとであっても、所定範囲内で求められる複数の差分ΔＰＶ^κを積算すれば、失火時（半失火状態を含む）に取得される差分ΔＰＶ^κの積算値と、燃焼時に取得される当該積算値とは、図５に示されるように、明確に分離された形で分布する。このような点に鑑みて、本実施形態の内燃機関１では、Ｓ１８にて差分ΔＰＶ^κ _２−１，ΔＰＶ^κ _３−２およびΔＰＶ^κ _４−３が求められると、燃焼室３ごとに、これらの差分ΔＰＶ^κ _２−１，ΔＰＶ^κ _３−２およびΔＰＶ^κ _４−３が積算され、得られた積算値ＳがＲＡＭの所定の記憶領域に記憶される（Ｓ２０）。そして、内燃機関１では、これらの差分ΔＰＶ^κを複数積算して得られる積算値Ｓに基づいて筒内における失火状態が判定される。

Ｓ２０にて差分ΔＰＶ^κの積算値Ｓを求めると、ＥＣＵ２０は、燃焼室３ごとに、積算値Ｓが予め定められている第１の閾値αを下回っているか否か判定する（Ｓ２２）。ＥＣＵ２０は、Ｓ２２にて、全燃焼室３についての差分ΔＰＶ^κの積算値Ｓが第１の閾値αを下回っていないと判断した場合、何れの燃焼室３においても失火が発生していないとみなし、Ｓ１０に戻ってそれ以降の一連の処理を繰り返す。

また、Ｓ２２にて、少なくとも何れかの燃焼室３について差分ΔＰＶ^κの積算値Ｓが第１の閾値αを下回っていると判断した場合、ＥＣＵ２０は、その燃焼室３の内部が半失火状態にあるとみなし、その燃焼室に対応する図示されないカウンタを１だけインクリメントする（Ｓ２４）。更に、ＥＣＵ２０は、当該カウンタのカウント値が予め定められている閾値を下回っているか否か判定する（Ｓ２６）。ＥＣＵ２０は、Ｓ２６にてカウンタのカウント値が当該閾値を下回っていると判断した場合、所定のマップ等を用いて、スロットルバルブ１０の開度、インジェクタ１２からの燃料噴射量、吸気弁Ｖｉおよび／または排気弁Ｖｅの開閉タイミング、更には、排ガス還流系統を備えた内燃機関にあっては排ガス還流率の少なくとも何れか一つを例えばＳ２０にて求めた差分ΔＰＶ^κの積算値Ｓに応じて補正する（Ｓ２８）。

すなわち、内燃機関１では、制御パラメータＰＶ^κの差分ΔＰＶ^κの積算値Ｓが第１の閾値αを下回っても、積算値Ｓが第１の閾値αを下回る頻度が少ない場合、その燃焼室３で発生した失火は一時的なものであるとみなされる。そして、このような場合には、スロットル開度、燃料噴射量、バルブ開閉タイミング等が適宜補正され（Ｓ２８）、これにより、その燃焼室３におけるそれ以後の失火が抑制されていくことになる。

また、ＥＣＵ２０は、Ｓ２６にてカウンタのカウント値が上記閾値以上であると判断した場合、すなわち、その燃焼室３における失火の発生回数が当該閾値以上になった判断した場合、そのカウンタをリセットする（Ｓ３０）。更に、ＥＣＵ２０は、上記フラグが「０」であるか否か判定し（Ｓ３２）、フラグが「０」であると判断すると、Ｓ２０にて求めた差分ΔＰＶ^κの積算値Ｓが第２の閾値β（ただし、β＜αである）を下回っているか否か判定する（Ｓ３４）。そして、Ｓ３４にて差分ΔＰＶ^κの積算値Ｓが第２の閾値βを下回っていると判断した場合、ＥＣＵ２０は、例えば点火プラグ７のトラブル等により、その燃焼室３の内部が完全失火状態にあるとみなし、所定の警告表示を行う（Ｓ３６）。

また、Ｓ３４にて差分ΔＰＶ^κの積算値Ｓが第２の閾値βを下回っていないと判断した場合、ＥＣＵ２０は、所定のマップ等を用いて、スロットルバルブ１０の開度、インジェクタ１２からの燃料噴射量、吸気弁Ｖｉおよび／または排気弁Ｖｅの開閉タイミング、更には、排ガス還流系統を備えた内燃機関にあっては排ガス還流率の少なくとも何れか一つを例えばＳ２０にて求められた差分ΔＰＶ^κの積算値Ｓに応じて補正する（Ｓ２８）。すなわち、内燃機関１では、ある燃焼室３における失火の発生回数が上記閾値を超えた場合であっても、差分ΔＰＶ^κの積算値Ｓが第２の閾値βを下回っていない場合には、スロットル開度、燃料噴射量、バルブ開閉タイミング等が適宜補正され（Ｓ２８）、これにより、その燃焼室３におけるそれ以後の失火が抑制されていくことになる。Ｓ２８またはＳ３６の処理後、ＥＣＵ２０は、Ｓ１０に戻ってそれ以降の一連の処理を繰り返す。

このように、内燃機関１では、アイドル時のように筒内圧力が相対的に低い場合に、筒内圧センサ１５によって検出される筒内圧力Ｐ（θ）と、当該筒内圧力Ｐ（θ）の検出時における筒内容積Ｖ（θ）を所定の指数κで累乗した値との積である制御パラメータＰＶ^κの差分ΔＰＶ^κを複数積算した積算値Ｓに基づいて燃焼室３内における失火状態が低負荷で精度よく判定される。そして、内燃機関１では、燃焼室３内が失火状態（半失火状態）にあると判断された場合、失火を解消するように、スロットル開度、燃料噴射量、バルブ開閉タイミング、排ガス還流率等の少なくとも何れかが補正される。これにより、内燃機関１によれば、回転速度を良好に維持して常に所望の出力を得ることが可能となる。

一方、Ｓ１０にて内燃機関１のアイドル運転が実行されていないと判断した場合、ＥＣＵ２０は、上記フラグを「１」とした上で（Ｓ３８）、燃焼室３ごとに、クランク角がθ_ａとなる第１のタイミングと、クランク角がθ_ｂとなる第２のタイミングとにおける筒内圧力Ｐ（θ_ａ）およびＰ（θ_ｂ）を所定の記憶領域から読み出す（Ｓ４０）。

ここで、第１のタイミングは、各吸気弁Ｖｉの開弁後であって、かつ、各点火プラグ７による点火前に設定され、各燃焼室３内において燃焼が開始される時点（点火時）よりも十分に前のタイミングに設定されると好ましい。本実施形態において、第１のタイミングは、例えば、クランク角センサ１４からの信号に示されるクランク角が−６０°となるタイミング（θ_ａ＝−６０°、すなわち、上死点前６０°）とされている。また、第２のタイミングは、各点火プラグ７による点火後であって、各排気弁Ｖｅの開弁前に設定され、燃焼室３内における混合気の燃焼が概ね完了したタイミングに設定されると好ましい。本実施形態では、第２のタイミングが、例えば、クランク角センサ１４からの信号に示されるクランク角が９０°となるタイミング（θ_ｂ＝９０°、すなわち、上死点後９０°）とされている。

ＥＣＵ２０は、燃焼室３ごとに筒内圧力Ｐ（θ_ａ）およびＰ（θ_ｂ）を取得すると、Ｓ４２にて、筒内圧力Ｐ（θ_ａ）と、筒内容積Ｖ（θ_ａ）を比熱比κで累乗した値との積である制御パラメータＰＶ^κ _ａと、筒内圧力Ｐ（θ_ｂ）と、筒内容積Ｖ（θ_ｂ）を比熱比κで累乗した値との積である制御パラメータＰＶ^κ _ｂとを算出する。ここで用いられるＶ^κ（θ_ａ＝−６０°）およびＶ^κ（θ_ｂ＝９０°）の値は、予め算出された上で記憶装置に記憶されている。上述のようにして、制御パラメータＰＶ^κ _ａおよびＰＶ^κ _ｂを求めると、ＥＣＵ２０は、燃焼室３ごとに、第１および第２のタイミングの間における制御パラメータＰＶ^κの差分を、
ΔＰＶ^κ _ｂ−ａ＝ＰＶ^κ _ｂ−ＰＶ^κ _ａ
として算出し、ＲＡＭの所定の記憶領域に記憶させる（Ｓ４４）。

この差分ΔＰＶ^κ _ｂ−ａは、第１のタイミングと第２のタイミングとの間（所定の２点間）における各燃焼室３での熱発生量、すなわち、第１のタイミングから第２のタイミングまでの間に燃焼室３で発生した熱量を示す。このように、Ｓ４０からＳ４４までの処理により、第１のタイミングと第２タイミングとの間における熱発生量を良好に反映した制御パラメータＰＶ^κの差分ΔＰＶ^κ _ｂ−ａが燃焼室３ごとに簡易かつ速やかに算出される。これにより、筒内圧力を微小な単位クランク角ごとに積分処理して各燃焼室３における失火状態を判定する場合と比較して、ＥＣＵ２０における演算負荷を大幅に低減させることができる。

ここで、制御パラメータＰＶ^κ同士の差分ΔＰＶ^κに顕著な差が認められなくなるおそれがあるのは、アイドル時等の筒内圧力が相対的に低い場合である。そして、筒内圧力がある程度高い場合には、一般に、通常の燃焼時と失火時との間で、ある２点間における制御パラメータＰＶ^κの差分ΔＰＶ^κに顕著な差が認められることから、このような場合には、上記差分ΔＰＶ^κ _ｂ−ａに基づいて筒内における失火状態を判定可能となる。このため、ＥＣＵ２０は、Ｓ４４にて差分ΔＰＶ^κ _ｂ−ａを求めると、燃焼室３ごとに、差分ΔＰＶ^κ _ｂ−ａが予め定められている閾値γを下回っているか否か判定する（Ｓ４６）。これにより、内燃機関１がアイドル以外の運転状態にある場合には、上記差分ΔＰＶ^κの積算処理が省略されるので、内燃機関１の失火判定に要する演算負荷をより一層低減することができる。

Ｓ４６にて、全燃焼室３の差分ΔＰＶ^κ _ｂ−ａが上記閾値γを下回っていないと判断した場合、ＥＣＵ２０は、何れの燃焼室３においても失火が発生していないとみなし、Ｓ１０に戻ってそれ以降の一連の処理を繰り返す。また、Ｓ４６にて、少なくとも何れかの燃焼室３について差分ΔＰＶ^κ _ｂ−ａが上記閾値γを下回っていると判断された場合には、上述のＳ２４以降の処理が実行される。ここで、Ｓ１０にて内燃機関１のアイドル運転が実行されていないと判断された場合、Ｓ３８にて上記フラグが「１」とされることから、Ｓ３２では否定判断がなされる。そして、この場合、ＥＣＵ２０は、Ｓ４４にて求めた差分ΔＰＶ^κ _ｂ−ａが予め定められている閾値ε（ただし、ε＜γである）を下回っているか否か判定する（Ｓ４８）。

そして、Ｓ４８にて差分ΔＰＶ^κ _ｂ−ａが上記閾値εを下回っていると判断した場合、ＥＣＵ２０は、例えば点火プラグ７のトラブル等により、その燃焼室３の内部が完全失火状態にあるとみなし、所定の警告表示を行う（Ｓ３６）。また、Ｓ３４にて差分ΔＰＶ^κ _ｂ−ａが上記閾値εを下回っていないと判断した場合、ＥＣＵ２０は、所定のマップ等を用いて、スロットルバルブ１０の開度、インジェクタ１２からの燃料噴射量、吸気弁Ｖｉおよび／または排気弁Ｖｅの開閉タイミング、更には、排ガス還流系統を備えた内燃機関にあっては排ガス還流率の少なくとも何れか一つをＳ２０にて求められた差分ΔＰＶ^κ _ｂ−ａに応じて補正する（Ｓ２８）。

なお、本実施形態では、内燃機関１のアイドル運転が実行されている場合にのみ、制御パラメータＰＶ^κの差分ΔＰＶ^κの積算値Ｓに基づいて失火判定が行われるが、これに限られるものではない。すなわち、積算値Ｓを用いた失火判定は、内燃機関１において筒内圧力が相対的に低下していると判断される場合に行われるとよい。筒内圧力が相対的に低下する運転状態としては、例えば、点火プラグ７の燻りが発生している場合が挙げられる。点火プラグ７の燻りが発生している場合に積算値Ｓを用いた失火判定を行うためには、例えば、図３のＳ１０にて否定判断がなされた後に、所定の手法により点火プラグ７の燻りが発生しているか否か判定を行い、肯定判断がなされた場合に、Ｓ１２以降の処理が実行されるようにするとよい。

また、上述の内燃機関１は、ガソリンエンジンであるものとして説明されたが、これに限られるものではなく、本発明がディーゼルエンジンに適用され得ることはいうまでもない。特に、本発明は、ディーゼルエンジンにおいてリッチ運転を実行する際のリッチ失火の判定や、各種内燃機関においていわゆるリーンリミット運転を実行する際の失火判定に適用されると有効である。

本発明において用いられる制御パラメータＰＶ^κと、燃焼室内における熱発生量との相関を示すグラフである。 本発明による内燃機関を示す概略構成図である。 図２の内燃機関における失火判定処理を説明するためのフローチャートである。 ある２点間における制御パラメータＰＶ^κの差分ΔＰＶ^κの頻度分布図である。 所定範囲内で求められる複数の制御パラメータＰＶ^κ同士の差分ΔＰＶ^κを積算した積算値の頻度分布図である。

符号の説明

１ 内燃機関
３ 燃焼室
４ ピストン
７ 点火プラグ
１０ スロットルバルブ
１２ インジェクタ
１４ クランク角センサ
１５ 筒内圧センサ
Ｖｅ 排気弁
Ｖｉ 吸気弁

Claims (4)

1. 燃料および空気の混合気を筒内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御装置において、
   筒内圧力を検出する筒内圧検出手段と、
   前記筒内圧検出手段によって検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積である制御パラメータを算出する制御パラメータ算出手段と、
   前記制御パラメータ算出手段によって算出される複数の制御パラメータ同士の差分を求める差分算出手段と、
   前記差分算出手段によって算出される複数の前記差分を積算する積算手段と、
   前記積算手段によって算出された積算値に基づいて前記筒内における失火状態を判定可能な失火判定手段とを備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記内燃機関が所定の運転状態にあるか否か判定する運転状態判定手段を更に備え、前記失火判定手段は、前記運転状態判定手段によって前記内燃機関が所定の運転状態にあると判断された場合に、前記積算手段によって算出された積算値に基づいて前記筒内における失火状態を判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 燃料および空気の混合気を筒内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の失火判定方法において、
   （ａ）少なくとも３つの計測点について筒内圧力を検出するステップと、
   （ｂ）前記計測点ごとに、ステップ（ａ）で検出した筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積である制御パラメータを算出するステップと、
   （ｃ）ステップ（ｂ）で算出した制御パラメータ同士間の差分を求めるステップと、
   （ｄ）ステップ（ｃ）で算出した複数の前記差分を積算するステップと、
   （ｅ）ステップ（ｄ）で算出した積算値に基づいて前記筒内における失火状態を判定するステップとを備えることを特徴とする内燃機関の失火判定方法。
4. 少なくともステップ（ｅ）の前に、（ｆ）前記内燃機関が所定の運転状態にあるか否か判定するステップを更に備え、ステップ（ｆ）で前記内燃機関が所定の運転状態にあると判断された場合に、ステップ（ｅ）で前記積算値に基づいて前記筒内における失火状態を判定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判定方法。

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