JP5985499B2 - ノックセンサの故障診断装置及び故障診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の振動を検出するノックセンサの故障診断に関する。

従来のノックセンサの故障診断装置として、特許文献１に記載のものでは、吸・排気弁の着座による振動をノックセンサで検出し、検出した信号の特定の周波数成分の大きさが所定値未満であるときに、着座による振動が検出されていないとして、ノックセンサの故障と診断している。

特開２０１０−２６５７５７号公報

しかしながら、このような従来の装置では、着座による振動が検出されない場合に故障と判定しているために、ノックセンサの出力が実際の振動に相当する大きさよりも大きくなる形態の故障を検出することはできない。

そこで本発明では、ノックセンサの出力信号から抽出されるノッキング振動周波数成分の大きさが第１の閾値を超えた場合に、ノッキングが発生していると判定する一方、ノッキングが発生し得ない所定の診断条件が成立しているか否かを判定し、この診断条件が成立しており、かつ、ノックセンサの出力信号から抽出されるノッキング振動周波数成分の大きさが第２の閾値を超えた場合に、ノックセンサが故障していると診断することを特徴としている。

このような本発明によれば、ノッキングが発生し得ない所定の診断条件下で、ノックセンサの出力信号から抽出されるノッキング振動周波数成分の大きさが第２の閾値を超えた場合に、ノックセンサが故障と診断しているために、ノックセンサの出力が過度に大きくなる形態の異常・故障を検出することが可能となる。また、第２の閾値を用いた故障診断処理では、第１の閾値を用いた通常のノッキングの発生の検知処理とほぼ同様の制御処理を流用することが可能となり、極めて簡素な制御ロジックによって故障診断を実施することが可能となる。

本発明の第１実施例に係る内燃機関の構成図。 上記第１実施例のノックセンサの故障診断制御の流れを示すフローチャート。 上記第１実施例の故障診断制御を適用した場合の各特性値の変化を示すタイミングチャート。 本発明の第２実施例に係るノックセンサの故障診断制御の流れを示すフローチャート。 本発明の第３実施例に係るノックセンサの故障診断制御の流れを示すフローチャート。 本発明の第４実施例に係るハイブリッド車両の構成図。 上記第４実施例に係るノックセンサの故障診断制御の流れを示すフローチャート。 本発明の第５実施例に係るノックセンサの故障診断制御の流れを示すフローチャート。 本発明の第６実施例に係るノックセンサの故障診断制御の流れを示すフローチャート。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。先ず、図１〜図３を参照して、本発明の第１実施例について説明する。図１は、本発明が適用されるポート噴射方式の火花点火式ガソリン機関のシステム構成を示す構成図である。内燃機関１０は、複数のシリンダ（ボア）１１Ａが設けられたシリンダブロック１１と、このシリンダブロック１１の上側に固定されるシリンダヘッド１２とを有している。なお、この図１では、一つの気筒のシリンダ１１Ａのみを描いており、実際には複数のシリンダ１１Ａが気筒列方向に並設されている。

各シリンダ１１Ａにはピストン１５が摺動可能に配設されており、各ピストン１５の上方には、ペントルーフ型のシリンダヘッド１２の下面との間に燃焼室１３が形成されている。各燃焼室１３には吸気弁１６を介して吸気ポート１７が接続するとともに、排気弁１８を介して排気ポート１９が接続し、更に、燃焼室１３内の頂部中央に混合気を火花点火する点火プラグ２０が配設されている。

各気筒の吸気ポート１７に接続する吸気通路２１には、吸気コレクタ２２の上流側に、吸気量（吸入空気量）を調整する電子制御式のスロットル弁２３が設けられるとともに、各気筒の吸気ポート１７へ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁２４が設けられている。なお、このようなポート噴射型の構成に限らず、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射式の構成であっても良い。また、スロットル弁２３の上流側には、吸気量を検出するエアフロメータ２５と、吸気中の異物を捕集するエアフィルタ２６と、が設けられている。

各気筒の排気ポート１９が接続・集合する排気通路３０には、三元触媒等の触媒３１が介装されるとともに、この触媒３１の上流側に、排気の空燃比を検出する酸素濃度センサ等の空燃比センサ３２が設けられる。この空燃比センサ３２の検出信号に基づいて、排気の空燃比を目標空燃比（理論空燃比）に維持するように燃料噴射量を増減する空燃比フィードバック制御が行われる。

各気筒のピストン１５はコネクティングロッド３３を介してクランクシャフト３４と連結されており、このクランクシャフト３４のクランク角を検出するクランク角センサ３５がシリンダブロック１１に設けられている。また、シリンダブロック１１には、内燃機関の振動を検知するノックセンサ３６が取り付けられている。

機関運転状態を検出する各種センサ・スイッチ類として、上述したセンサ類の他に、ウォータジャケット３８内の冷却水温を検出する水温センサ３７、運転者により操作されるアクセルペダルのアクセル開度ＡＰＯを検出するアクセル開度センサ３９、及び内燃機関の起動及び停止用のイグニッションスイッチ４０等が設けられている。運転者により操作されるイグニッションスイッチ４０が「ＯＮ」のときに、内燃機関の起動要求が出力され、イグニッションスイッチ４０が「ＯＦＦ」のとき、内燃機関の停止要求が出力される。

制御手段としてのＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）４１は、各種制御処理を記憶及び実行する機能を有するマイクロコンピュータを備えるもので、上述した各種センサ・スイッチ類からの入力信号に基づいて、スロットル弁２３、点火プラグ２０、燃料噴射弁２４等へ制御信号を出力して、その動作を制御する。

このＥＣＵ４１は、ノックセンサ３６の出力信号から抽出されるノッキング振動周波数成分（例えば、５〜１２ｋＨｚ）の信号強度（大きさ）が、予め設定された第１の閾値ＳＬ１を超える場合に、ノッキングが発生していると判定する。より具体的には、内燃機関の定常的な振動とノッキングとを正確に区別して検出するため、ノッキング振動周波数成分の過去の値から定常成分を算出し、最新の抽出されたノッキング振動周波数成分から定常成分を減じてノッキング振動周波数成分の動的成分を算出し、この動的成分の大きさが閾値ＳＬ１（機関回転数に応じて設定）を超える場合にノッキングが発生していると判断する。なお、ノッキング振動周波数成分の大きさを閾値と比較してノッキングの発生を判定する方法としては、ノッキング振動周波数成分そのものの大きさを閾値と比較する方法と、上記したようにノッキング振動周波数成分の動的成分の大きさを閾値と比較する方法とが考えられるが、本発明では何れの方法であっても良い。このようにノッキングの発生を検知した場合、このノッキングの発生を抑制もしくは解消するように、点火時期の遅角制御などが行われる。

図２は、本実施例に係るノックセンサ３６の故障診断処理の流れを示すフローチャートである。本ルーチンは、上記のＥＣＵ４１に記憶され、所定期間（例えば、１０ｍｓ）毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１１では、ノッキングが発生し得ない所定の診断条件が成立するか否かを判定する。この例では、全気筒燃料カット中で、かつ、燃料カットの開始から所定期間ΔＢ、具体的には１サイクルが経過したかを判定する。

ステップＳ１２では、ノックセンサ３６の検出信号に基づいて、ノック判定中であるか、つまりノッキングの発生を検出したかを判定する。具体的には、ノックセンサ３６の出力信号から抽出される５〜１２ｋＨｚのノッキング振動周波数の信号強度（大きさ）が急峻に大きくなって、上記した動的成分の大きさが予め設定される第２の閾値ＳＬ２を超えた場合に、ノッキングの発生を検知して、ステップＳ１３へ進む。この第２の閾値ＳＬ２は、この実施例では、制御の簡素化のため、通常運転時のノック判定に用いられる上記の第１の閾値ＳＬ１と同じ値とされている。但し、診断精度向上のために、診断条件等に応じて第１の閾値ＳＬ１を第２の閾値ＳＬ２よりも大きな値もしくは小さな値としても良い。

ステップＳ１３では、ノック判定の頻度を算出する。具体的には、予め設定した単位期間ΔＡ内に、上記ノッキング振動周波数成分の大きさが上記第２の閾値ＳＬ２を超えた回数、つまりノック判定の回数をカウントする。単位期間ΔＡは、図３の例では１秒であるが、これに限らず、他の時間もしくは期間（例えば、所定クランク角度）としても良い。

ステップＳ１４では、このノック判定の頻度（単位期間ΔＡ内のノック判定回数）が、予め設定された第１の所定回数ｓＮ１を超えたか否かを判定する。第１の所定回数ｓＮ１は、この例では図３に示すように８回であるが、他の整数回であっても良い。

ステップＳ１５では、上記ステップＳ１４におけるノック判定の頻度が第１の所定回数ｓＮ１を超える状態が、連続して第２の所定回数ｓＮ２以上に発生したかを判定する。ノック判定の頻度が第１の所定回数ｓＮ１を超える状態が、連続して第２の所定回数ｓＮ２以上に発生した場合に、ステップＳ１５からステップＳ１６へ進み、ノックセンサ３６を故障と判定する。このようにノックセンサ３６の故障と判定された場合には、警告灯や音声によりノックセンサ３６が故障である旨を運転者に報知するとともに、このノックセンサ３６の検出信号を用いた点火時期制御等の制御処理を適宜なフェールセーフモードに切り替える。

図３は、このような本実施例の制御を適用した場合の各特性値の変化を示すタイミングチャートである。全気筒燃料カットの開始時点ｔ１，ｔ４から所定期間ΔＢ（この例では１サイクル）が経過した時点ｔ２，ｔ５で、ノックセンサ３６の診断許可がＯＮとなり、図２のルーチンでステップＳ１１からステップＳ１２へ進んで、ノックセンサ３６の故障診断が実施される。この故障診断中には、上述したように、単位期間ΔＡ内のノック判定回数（ノック頻度）が第１の所定回数ｓＮ１（この例では８回）を超える状態が、連続して第２の所定回数（この例では５回）以上発生した時点ｔ６で、ノックセンサ３６の故障と診断される。

なお、図３の例では、ノック頻度の判定の２回目と３回目の間が不連続のようにみえるが、全気筒燃料カットが一時的にＯＦＦとなる時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間痾を除いた故障診断許可条件の下では、ノック頻度の判定が５回以上連続して第２の所定回数ｓＮ２以上となっている。

このように本実施例では、ノッキングが発生し得ない所定の診断条件下で、ノックセンサの出力信号から抽出されるノッキング振動周波数成分の大きさが第２の閾値ＳＬ２を超えた場合、より具体的には、第２の閾値ＳＬ２を超えるノック判定の頻度が第１の所定回数ｓＮ１を超える状態が、連続して第２の所定回数ｓＮ２以上発生した場合に、ノックセンサ３６が故障であると診断している。従って、ノックセンサ３６の出力が過度に大きくなる形態の異常・故障を検出することが可能となる。また、第２の閾値ＳＬ２を用いた故障診断処理では、第１の閾値ＳＬ１を用いた通常のノッキングの発生の検知処理とほぼ同様の制御処理を流用することが可能となり、極めて簡素な制御ロジックによって故障診断を実施することが可能となる。

図４、図５及び図７〜図９は、第２〜第６実施例に係るノックセンサ３６の故障診断の処理の流れを示すフローチャートである。これらの第２〜第６実施例では、ノッキングが発生し得ない診断条件の判定処理として、上記第１実施例のステップＳ１１に代えて、下記のステップＳ１１Ａ〜Ｓ１１Ｅが行われる点で、上記第１実施例と異なっている。なお、他の構成については上記の第１実施例と同様であり、重複する説明を省略する。

図４に示す第２実施例では、ノッキングが発生し得ない診断条件として、ステップＳ１１Ａにおいて、点火時期が所定のノック限界点火時期よりも遅角側にあるか否かを判定する。ノック限界点火時期は、例えば、機関回転速度と機関負荷とをパラメータとする予め設定された制御マップを参照して求めることができる。点火時期がノック限界点火時期よりも遅角側にある場合には、ノッキングが発生し得ない診断条件が成立していると判断して、ステップＳ１２以降へ進み、点火時期がノック限界点火時期よりも遅角側にない場合には、ノッキングが発生し得ない診断条件が成立していないとして、本ルーチンを終了する。

図５に示す第３実施例では、ノッキングが発生し得ない診断条件として、ステップＳ１１Ｂにおいて、アイドル運転中であるか否かを判定する。より具体的には、アクセル開度がほぼ全閉で、かつ、機関回転速度がほぼアイドル回転速度である場合に、アイドル運転中である、つまりノッキングが発生し得ない診断条件が成立していると判断して、ステップＳ１２以降へ進み、アイドル運転中でない場合、ノッキングが発生し得ない診断条件が成立していないと判断して、本ルーチンを終了する。

図６は、本発明の第４実施例が適用されるハイブリッド車両の全体構成図である。このハイブリッド車両は、いわゆる１モータ２クラッチのパラレルハイブリッド車両であって、車両駆動源として併用される内燃機関５１とモータ／ジェネレータ５２とが第１クラッチ５３を介して直列に接続されている。モータ／ジェネレータ５２と自動変速機５４との間には第２クラッチ５５が介装されており、自動変速機５４はデファレンシャルギヤ５６を介して駆動輪５７に接続されている。

このようなハイブリッド車両では、内燃機関５１の起動・停止用のイグニッションスイッチ４０（図１参照）がＯＮである場合、つまり運転者により操作されるイグニッションスイッチ４０から内燃機関５１の起動要求が出力されている場合にも、内燃機関５１を自動停止し、モータ／ジェネレータ５２のみによる走行が可能であり、例えばアイドルストップ時には、燃費向上のために、イグニッションスイッチ４０が「ＯＮ」の状況下で内燃機関５１を自動停止する。なお、この第４実施例が適用される車両としては、上記のハイブリッド車両に限らず、アイドル運転時に内燃機関５１を自動停止するアイドルストップ制御を実現可能なものであれば、内燃機関５１のみを車両駆動源とする車両であっても良い。

この第４実施例では、図７に示すように、ノッキングが発生し得ない診断条件として、ステップＳ１１Ｃにおいて、アイドリングストップ中であるか、より具体的には、イグニッションスイッチ４０がＯＮであり、かつ、内燃機関５１が自動停止されているかを判定する。アイドリングストップ中であると判定されれば、ノッキングが発生し得ない診断条件が成立するとして、ステップＳ１２以降ヘ進む。一方、アイドリングストップ中で無く、ノッキングが発生し得ない診断条件が成立していない場合には、本ルーチンを終了する。

図８に示す第５実施例では、ノッキングが発生し得ない診断条件として、ステップＳ１１Ｄにおいて、イグニッションスイッチ４０がＯＦＦで、かつ、回転速度が０以上であるかを判定する。具体的には、運転者によるイグニッションスイッチ４０の「ＯＦＦ」操作により内燃機関の停止処理が開始されてから、実際に内燃機関の回転が停止するまでの間、つまりクランクシャフト３４が惰性で回転している間であるか否かを判定する。内燃機関の回転停止の判定は、上述したクランク角センサ３５の検出信号等に基づいて行われる。イグニッションスイッチ４０がＯＦＦされてから内燃機関の回転が停止するまでの間であれば、ノッキングが発生し得ない診断条件が成立していると判定して、ステップＳ１２へ進む。

図９に示す第６実施例では、ノックセンサ３６が特定気筒の振動を検出するように、例えばシリンダブロック１１における特定気筒に近接する位置に設置されている。そしてステップＳ１１Ｅでは、ノッキングが発生し得ない診断条件として、この特定気筒が燃焼が行われていないタイミングであるか、具体的には、吸気行程、圧縮行程前半、膨張行程後半、排気行程の何れかであるかが判定される。特定気筒が吸気行程、圧縮行程前半、膨張行程後半、排気行程の何れかである場合には、ノッキングが発生し得ない診断条件が成立すると判定して、ステップＳ１２へ進む。

なお、これらの第１〜第５実施例で示したような、ノッキングが発生し得ない診断条件の幾つかを適宜に組み合わせて用いることも可能であり、この場合、故障診断が実施される機会・頻度を増加することができる。

Claims (5)

1. 内燃機関の振動を検出するノックセンサと、
   前記ノックセンサの出力信号から抽出されるノッキング振動周波数成分の大きさが第１の閾値を超えた場合に、ノッキングが発生していると判定する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、ノッキングが発生し得ない所定の診断条件が成立しているか否かを判定し、前記診断条件が成立しており、かつ、前記ノックセンサの出力信号から抽出されるノッキング振動周波数成分の大きさが第２の閾値を超えた場合に、前記ノックセンサが故障していると診断し、
   更に、前記制御手段は、燃料カットが行われているときであって、かつ燃料カット開始後に所定期間経過してから燃料カットが終了するまでの間、前記診断条件が成立していると判定するノックセンサの故障診断装置。
2. 前記第１の閾値と前記第２の閾値とを同じ値とする請求項１に記載のノックセンサの故障診断装置。
3. 前記制御手段は、前記診断条件が成立しているときに、予め設定した単位期間内にノッキング振動周波数成分の大きさが前記第２の閾値を超えた回数をカウントし、カウントした回数が第１の所定回数を超えた場合に、前記ノックセンサが故障していると診断する請求項１又は２に記載のノックセンサの故障診断装置。
4. 前記制御手段は、前記カウントした回数が前記第１の所定回数を超える状態が連続して第２の所定回数発生した場合に、前記ノックセンサが故障していると診断する請求項３に記載のノックセンサの故障診断装置。
5. 内燃機関の振動を検出するノックセンサを備えるノックセンサの故障診断方法において、
   前記ノックセンサの出力信号から抽出されるノッキング振動周波数成分の大きさが第１の閾値を超えた場合に、ノッキングが発生していると判定する一方、
   燃料カットが行われているときであって、かつ燃料カット開始後に所定期間経過してから燃料カットが終了するまでの間、ノッキングが発生し得ない所定の診断条件が成立していると判定し、
   前記診断条件が成立しており、かつ、前記ノックセンサの出力信号から抽出されるノッキング振動周波数成分の大きさが第２の閾値を超えた場合に、前記ノックセンサが故障していると診断するノックセンサの故障診断方法。

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