JP5988805B2

JP5988805B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP5988805B2
Application number: JP2012211422A
Authority: JP
Inventors: 圭一井倉; 孝治藤井; 健太杉山
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2012-09-25
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2032-09-25
Also published as: JP2014066170A

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に機関始動時の制御に関する。

内燃機関の始動時には、電動機であるスタータモータ（セルモータ）により機関のクランクシャフトを回転させるクランキングを行うことが通例である（例えば、下記特許文献を参照）。クランキングは、機関が初爆から連爆へと至り、クランクシャフトの回転速度が冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに終了する。

特開２０１１−２０２６４３号公報

内燃機関の始動がうまくいかない場合において、その原因は複数考えられる。列挙すると、点火プラグの電極にカーボン等のデポジットが付着し堆積することで火花点火に支障を来す、いわゆる点火プラグのくすぶりや、インジェクタから必要十分な量の燃料が噴射されない、あるいは、圧縮行程において混合気が吸気ポートまたは排気ポートに漏出しており、膨張行程にて燃焼自体は起こっているもののクランクシャフトの回転トルクが高まらない、等である。

にもかかわらず、従前の制御装置では、内燃機関の始動不良の原因、換言すれば異常の発生している箇所を絞り込むことは全く考慮されていなかった。それ故、サービスマンが内燃機関の全体をくまなく点検する等、原因の解析に少なからぬ手間と時間とが費やされている。

本発明は、内燃機関の始動不良の原因を絞り込むことができるようにすることを所期の目的としている。

上述の課題を解決するべく、本発明では、燃焼の際に点火プラグの電極を流れるイオン電流を検出する回路を介して電極を流れる電流を計測することのできる内燃機関の制御装置であって、内燃機関を停止させる際、その停止の直前の時期に前記回路を介して計測された、点火プラグの電極を流れる電流の大きさが閾値を上回っている期間の長さ、または点火プラグの電極を流れる電流の計測値の時系列を、メモリに記憶して保持するとともに、停止している内燃機関の始動を開始してから所定時間が経過しても始動を完了できない場合、直前に内燃機関を運転していたときに前記回路を介して計測されメモリに記憶保持したイオン電流の大きさが閾値を上回っている期間の長さに基づいて内燃機関における異常の存在箇所を推定することを特徴とする内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、内燃機関の始動不良の原因を絞り込むことができるようになる。

本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。同実施形態における火花点火装置の回路図。内燃機関の気筒における燃焼圧及びイオン電流のそれぞれの推移を示す図。内燃機関の異常の存在する箇所と検出される電流の推移との関係を示す図。同実施形態の制御装置が実行する処理の手順例を示すフローチャート。

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、火花点火式ガソリンエンジンであり、複数の気筒１（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。

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。

図２に、火花点火用の電気回路を示している。点火プラグ１２は、点火コイル１４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１４は、半導体スイッチング素子であるイグナイタ１３とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）０からの点火信号ｉをイグナイタ１３が受けると、まずイグナイタ１３が点弧して点火コイル１４の一次側に電流が流れ、その直後の点火タイミングでイグナイタ１３が消弧してこの電流が遮断される。すると、自己誘導作用が起こり、一次側に高電圧が発生する。そして、一次側と二次側とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側にさらに高い誘導電圧が発生する。この高い誘導電圧が点火プラグ１２の中心電極に印加され、中心電極と接地電極との間で火花放電する。

ＥＣＵ０は、燃料の爆発燃焼の際に気筒１の燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、このイオン電流を参照して燃焼状態の判定等を行う。

図２に示すように、本実施形態では、火花点火用の電気回路に、イオン電流を検出するための回路を付加している。この検出回路は、イオン電流を効果的に検出するためのバイアス電源部１５と、イオン電流の多寡に応じた検出電圧を増幅して出力する増幅部１６とを備える。バイアス電源部１５は、バイアス電圧を蓄えるキャパシタ１５１と、キャパシタ１５１の電圧を所定電圧まで高めるためのツェナーダイオード１５２と、電流阻止用のダイオード１５３、１５４と、イオン電流に応じた電圧を出力する負荷抵抗１５５とを含む。増幅部１６は、オペアンプに代表される電圧増幅器１６１を含む。

点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間のアーク放電時にはキャパシタ１５１が充電され、その後キャパシタ１５１に充電されたバイアス電圧により負荷抵抗１５５にイオン電流が流れる。イオン電流が流れることで生じる抵抗１５５の両端間の電圧は、増幅部１６により増幅されてイオン電流信号ｈとしてＥＣＵ０に受信される。

図３に、正常燃焼における、イオン電流及び気筒１内の燃焼圧力（筒内圧）のそれぞれの推移を例示する。図３中、実線がイオン電流、破線が燃焼圧である。イオン電流は、点火のための放電中は検出することができない。正常燃焼の場合のイオン電流は、火花点火の終了後、化学反応により、圧縮上死点の手前で減少した後、熱解離によって再び増加する。また、燃焼圧がピークを迎えるのとほぼ同時にイオン電流も極大となる。

図４に、内燃機関の異常の存在箇所毎の、イオン電流検出用の回路を介して計測される電流の推移を示す。図４中、実線は燃料の燃焼が正常な場合に計測される電流の推移である。これに対し、破線は、点火プラグ１２がくすぶっているような場合に計測される電流の推移である。点火プラグ１２のくすぶり、即ち点火プラグ１２の中心電極及び／または接地電極にカーボン等の導電性のデポジットが付着すると、両電極間の絶縁抵抗が低下し、その分だけ燃料の燃焼中に当該電極を流れる電流が増大する。このため、気筒１における一回の燃焼の際に計測される電流が閾値を上回っている期間ｔ₁の長さが長大化する。

図４中、鎖線は気筒１における燃料の燃焼が不安定または不十分な場合に計測される電流の推移である。燃焼が不安定または不十分であると、気筒１の燃焼室内に発生するイオンの量が少なくなることから、点火プラグ１２の電極を流れる電流も減小する。このため、気筒１における一回の燃焼の際に計測される電流が閾値を上回っている期間ｔ₂の長さが短小化する。燃焼が不安定または不十分となる要因は幾つもあり、インジェクタ１１から必要十分な量の燃料が噴射されないケースもあれば、点火コイル１４その他の火花点火用の電気回路に問題が発生して点火プラグ１２における火花放電が不完全となるケースもある。

但し、燃料の燃焼が正常であったとしても、内燃機関に何らの異常もないとは断言できない。例えば、吸気バルブまたは排気バルブの弁体と弁座との間に異物を噛み込む等により、吸気バルブまたは排気バルブが完全に閉じきらなくなると、圧縮行程にある気筒１にて吸気の一部が吸気ポートまたは排気ポートに漏出し、吸気が圧縮不足となり、圧縮行程の終期における気筒１内圧力を低下させ、ひいては実効的な圧縮比を低下させる。圧縮比の低下は、膨張行程にて発生するクランクシャフトの回転トルクを減少させる。回転トルクが減少すれば、クランクシャフトの回転が必要十分に加速しなくなる。

ＥＣＵ０は、内燃機関の運転中、各気筒１毎に、イオン電流検出用の回路を介して、点火プラグ１２の電極を流れる電流を反復的に計測するとともに、その時系列に基づく電流値が閾値を上回っている期間の長さを測定している。この期間の長さは、気筒１における燃料の燃焼が正常であったか不良（失火を含む）であったかを判定する材料となる。

なお、ＥＣＵ０は、イグニッションスイッチがＯＦＦに操作されたりアイドルストップ条件が成立したりして内燃機関を停止させる際、その停止の直前の時期に計測された、点火プラグ１２の電極を流れる電流の大きさが閾値を上回っている期間の長さ、または点火プラグ１２の電極を流れる電流の計測値の時系列そのものを、メモリに記憶して保持する。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ０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。

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エンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ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、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、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号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、機関の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信号）ｇ、燃焼室内での混合気の燃焼に伴って生じるイオン電流を検出する回路から出力されるイオン電流信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタ１３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及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、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、点火タイミングといった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋを出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある）時において、スタータモータ（セルモータ、図示せず）に制御信号ｌを入力し、スタータモータのピニオンギアをフライホイール（ＭＴ車の場合）またはドライブプレート（ＡＴ車の場合）外周のリングギアに噛合させてクランクシャフトを回転させるクランキングを行う。そして、初爆から連爆へと至り、エンジン回転数が冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに、完爆したものと見なしてクランキングを終了する。

図５に、内燃機関の始動の際にＥＣＵ０がプログラムに従い実行する処理の手順例を示す。ＥＣＵ０は、イグニッションスイッチがＯＮに操作されたり、アイドルストップを終了して機関を再始動する条件が成立したりしたときに（ステップＳ１）、スタータモータによる機関のクランキングを開始する（ステップＳ２）とともに、各気筒１に燃料を噴射して混合気に点火する（ステップＳ３）始動処理を行う。

始動中のクランクシャフトの回転速度が判定値を超えたならば（ステップＳ４）、完爆したものと見なして機関のクランキングを終了する（ステップＳ５）。

他方、完爆に至らないまま、クランキングを開始してから経過した時間が所定値を超えた場合には（ステップＳ６）、内燃機関の始動不良であり、始動処理を中止する。即ち、クランキング、燃料噴射及び点火を停止する（ステップＳ７）。並びに、内燃機関の始動不良の原因について推定を行う。

既に述べたように、ＥＣＵ０は、内燃機関の直近の（停止前の）運転において計測された、燃焼中に点火プラグ１２の電極を流れるイオン電流の大きさが閾値を上回る期間の長さ、または燃焼中に点火プラグ１２の電極を流れるイオン電流値の時系列そのものを記憶し保持している。ＥＣＵ０は、この記憶保持している情報により示される、イオン電流信号が閾値を上回る期間の長さに基づいて、内燃機関の始動不良の原因を推定する。

具体的には、イオン電流信号が閾値を上回っている期間の長さが高位の所定値よりも大きかった（長かった）ならば（ステップＳ８）、点火プラグ１２のくすぶり等による点火プラグ１２の両電極間の抵抗の低下または短絡に起因した、火花点火の不良であると考えられる（ステップＳ９）。

あるいは、イオン電流信号が閾値を上回っている期間の長さが低位の所定値よりも小さかった（短かった）ならば（ステップＳ１０）、点火プラグ１２のくすぶり等以外の原因によるものと推定される（ステップＳ１１）。ステップＳ１１に該当するケースとしては、インジェクタ１１から必要十分な量の燃料が噴射されていないことの他、車載のバッテリの充電量の不足、点火プラグ１２の電極の損耗、液状の燃料が点火プラグ１２の電極に付着するいわゆるプラグ１２のかぶり、または点火コイル１４その他の火花点火用の電気回路の故障に起因した火花点火の不良等が考えられる。

イオン電流信号が閾値を上回っている期間の長さが高位の所定値よりも小さく、かつ低位の所定値よりも大きかったならば、気筒１での燃料の燃焼自体は正常に近い状態であると思われる。にもかかわらず、内燃機関の始動に時間がかかるのは、圧縮行程にて混合気が吸気ポートまたは排気ポートに漏出することにより実効的な圧縮比が低下し、クランクシャフトの回転トルクが十分に高まらないからであろうと推察される（ステップＳ１２）。

しかして、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動不良の原因が、上記のステップＳ９、Ｓ１１またはＳ１２の何れに該当しているのかを識別する情報（ダイアグノーシスコード）を、そのときの日時のタイムスタンプ等とともにメモリに書き込んで記憶保持する（ステップＳ１３）。この情報は、事後の検査や修理の作業における始動不良の原因の究明の助けとなる。

また、内燃機関の始動を妨げる問題が存在していることを、運転者の視覚または聴覚に訴えかける態様で出力する（ステップＳ１４）。例えば、車両のコックピット内に設置された警告灯（エンジンチェックランプ）を点灯させたり、ディスプレイに表示させたり、ブザーまたはスピーカから警告音を音声出力させたりする。ステップＳ１４では、内燃機関の始動不良の原因を識別する情報を、併せて出力してもよい。

本実施形態では、燃焼の際に点火プラグ１２の電極を流れるイオン電流を検出する回路を介して電極を流れる電流を計測することのできる制御装置０であって、停止している内燃機関の始動を開始してから所定時間が経過しても始動を完了できない場合、直前に内燃機関を運転していたときに前記回路を介して計測されたイオン電流の大きさが閾値を上回っている期間の長さに基づいて内燃機関における異常の存在箇所を推定し、その推定結果を示す情報を記憶することを特徴と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、内燃機関の始動不良の原因を絞り込むことができるようになり、原因の解析及び内燃機関の修理に費やされる手間及び時間を削減することが可能となる。

特に、内燃機関の始動不良の場合に、直近の過去の計測結果に基づいて内燃機関の現況を推測することにより、始動不良の原因を切り分けて特定することが容易となる。

内燃機関を始動しかけてその始動を完遂できないケースでは、クランキング中に点火プラグ１２の電極を流れるイオン電流信号についても図５に示す推定処理を実施し、直前に内燃機関を運転していたときのイオン電流信号に基づく推定処理の結果と併せて総合的に判断する、ということも考えられる。

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、ステップＳ８ないしＳ１２は、その全てを実施するとは限られない。ステップＳ１０ないしＳ１２を省略してもよいし、または、ステップＳ８及びＳ９を省略してもよい。

その他、各部の具体的構成や処理の手順等は、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、車両等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１２…点火プラグ
１５…バイアス電源部
１６…増幅部

Claims

燃焼の際に点火プラグの電極を流れるイオン電流を検出する回路を介して電極を流れる電流を計測することのできる内燃機関の制御装置であって、
内燃機関を停止させる際、その停止の直前の時期に前記回路を介して計測された、点火プラグの電極を流れる電流の大きさが閾値を上回っている期間の長さ、または点火プラグの電極を流れる電流の計測値の時系列を、メモリに記憶して保持するとともに、
停止している内燃機関の始動を開始してから所定時間が経過しても始動を完了できない場合、直前に内燃機関を運転していたときに前記回路を介して計測されメモリに記憶保持したイオン電流の大きさが閾値を上回っている期間の長さに基づいて内燃機関における異常の存在箇所を推定することを特徴とする内燃機関の制御装置。