JP6440487B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の気筒の圧縮行程では、当該気筒の燃焼室に充填された吸気が一部燃焼室外に漏出する「圧縮漏れ」が起こることがある（例えば、下記特許文献を参照）。特に、近時では、燃費性能の一層の向上を目論み、圧縮比をより高める方向に研究開発が進んでおり、また、シリンダボアとピストンとの間の摩擦を低減するべくピストンリングも低張力化する傾向にある。そのため、圧縮漏れが発生する可能性が増していると言える。

特開２０１４−０８０９１７号公報

本発明は、圧縮漏れに代表される、内燃機関の気筒の圧縮行程における異常を的確に検知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、内燃機関の気筒の圧縮行程における筒内圧力及び筒内容積のそれぞれの変動の推移からポリトロープ指数を算出し、算出したポリトロープ指数を正常に圧縮行程が営まれる場合に想定されるポリトロープ指数のモデル値と比較し、両者の差に基づいて当該気筒の圧縮行程における異常の有無を判断する内燃機関の制御装置を構成した。このようなものであれば、内燃機関の運用上問題となるような圧縮漏れその他の異常を的確に検知することが可能となる。

加えて、算出したポリトロープ指数がモデル値よりも小さいか大きいかに基づいて、異常の種類を推定することができる。内燃機関の運用上問題となる重度の圧縮漏れが生じていると、算出されるポリトロープ値が正常な場合のポリトロープ指数のモデル値を下回る。逆に、算出されるポリトロープ値がモデル値を上回っているのであれば、当該気筒の圧縮行程における圧縮漏れ以外の何らかの異常が生起していると判断できる。

また、圧縮行程におけるある時点について算出したポリトロープ指数と当該時点に対応するモデル値との差が閾値以上に大きいとき、当該時点よりも過去または未来の時点について算出したポリトロープ指数を同モデル値と比較し、両者の差が閾値未満となるか否かに基づいて異常の種類を推定することもできる。当該時点よりも過去または未来の時点について算出したポリトロープ指数が当該時点に対応するモデル値と合致したならば、それは圧縮行程内の時点を示唆するクランク角センサ信号にまつわる異常であると考えられる。

本発明によれば、圧縮漏れに代表される、内燃機関の気筒の圧縮行程における異常を的確に検知することができる。

本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 圧縮行程における筒内圧力の推移を例示する図。 圧縮行程において異常な圧縮漏れが起こっている場合に算出されるポリトロープ指数、及び圧縮行程が正常に営まれている場合のポリトロープ指数のモデル値のそれぞれの推移を例示する図。 圧縮行程においてクランク角センサ信号に関連した異常が生じている場合に算出されるポリトロープ指数、及び圧縮行程が正常に営まれている場合のポリトロープ指数のモデル値のそれぞれの推移を例示する図。 圧縮行程においてクランク角センサ信号に関連した異常が生じている場合に算出されるポリトロープ指数、及び圧縮行程が正常に営まれている場合のポリトロープ指数のモデル値のそれぞれの推移を例示する図。

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、火花点火式の４ストロークエンジン（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。点火プラグ１２は、点火コイル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。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

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。

外部ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものである。ＥＧＲ装置２は、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０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。

ＥＣＵ０の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、内燃機関の出力軸である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クランク角センサから出力されるクランク角信号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、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ｄ、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出する水温センサから出力される水温信号ｅ、外気温を検出する外気温センサから出力される外気温信号ｆ、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号ｇ、各気筒１の筒内圧力（燃焼室内圧力）を検出する筒内圧センサから出力される筒内圧信号ｈ等が入力される。

クランク角センサは、クランクシャフトの軸端部に固定されクランクシャフトと一体となって回転するロータの回転角度をセンシングするものである。そのロータには、クランクシャフトの回転方向に沿った所定角度毎に、歯または突起が形成されている。典型的には、クランクシャフトが１０°回転する都度、歯または突起が配置される。クランク角センサは、ロータの外周に臨み、個々の歯または突起が当該センサの近傍を通過することを検知して、その都度クランク角信号ｂとしてパルス信号を発信する。尤も、クランク角センサは、クランクシャフトが一回転する間に三十六回のパルスを出力するわけではない。クランクシャフトのロータの歯または突起は、その一部が欠損している。欠歯部分はそれぞれ、クランクシャフトの特定の回転位相角に対応する。そして、欠歯部分に起因して、クランク角信号ｂのパルス列もまた一部が欠損する。このパルスの欠損を基にして、クランクシャフトの絶対的な角度（姿勢）、換言すれば各気筒１のピストンの現在位置を知ることが可能である。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号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、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ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、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ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、電動機（スタータモータまたはＩＳＧ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｔａｒｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）。図示せず）に制御信号ｏを入力し、当該電動機により内燃機関のクランクシャフトを回転駆動するクランキングを行う。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数即ち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（完爆したものと見なして）終了する。

しかして、本実施形態のＥＣＵ０は、内燃機関の各気筒１について、その圧縮行程時に異常が発生していないかどうかの診断を実施する。

圧縮行程時の異常の有無を精確に判断するべく、ＥＣＵ０は、対象の気筒１の圧縮行程における筒内圧力（燃焼室内圧力）及び筒内容積（燃焼室内容積）のそれぞれの変動の推移から、気筒１の燃焼室に充填された吸気の状態変化に係るポリトロープ指数を算出する。筒内圧力は気筒１の燃焼室に充填された吸気の圧力、筒内容積は気筒１の燃焼室に充填された吸気の体積である。そして、算出したポリトロープ指数を、正常に圧縮行程が営まれた場合に想定されるポリトロープ指数のモデル値と比較する。

気筒１の燃焼室内で吸気（または、混合気）を圧縮することによる当該吸気の圧力、密度及び温度の変化をポリトロープ過程と見なす。そして、気筒１の圧縮行程内の時点ｉにおける筒内圧力をＰ_i、同時点ｉにおける筒内容積をＶ_iとおくと、時点（ｉ−１）から時点ｉにかけての吸気の状態変化に係るポリトロープ指数ｎ_iは、
ｎ_i＝−ｌｏｇ（Ｐ_i／Ｐ_i-1）／ｌｏｇ（Ｖ_i／Ｖ_i-1）
と求められる。添字ｉはポリトロープ指数ｎ_iの演算機会を表すものであるが、添字ｉを現在のクランク角度（ＣＡ）即ちクランクシャフトの回転角度（姿勢）に置き換え、添字（ｉ−１）を現在のクランク角度から所定角度遡った（過去の）クランク角度に置き換えてもよい。

筒内圧力Ｐ_iは、筒内圧センサからもたらされる筒内圧信号ｈを参照して知得できる。筒内容積Ｖ_iは、対象の気筒１の現在のピストンの位置から幾何学的に判明する。現在のピストンの位置は、現在のクランク角度によって決まる。現在のクランク角度は、クランク角センサからもたらされるクランク角信号ｂを参照して知得できる。ＥＣＵ０のメモリには予め、クランク角度と各気筒１の筒内容積Ｖ_iとの関係を規定したマップデータまたは関数式が格納されている。ＥＣＵは、現在のクランク角度をキーとして当該マップを検索し、または現在のクランク角度を当該関数式に代入することで、対象の気筒１の筒内容積Ｖ_iを求める。

圧縮行程における典型的な異常は、気筒１の燃焼室に充填された吸気が一部燃焼室外に漏出する圧縮漏れである。図２に、ある運転領域［エンジン回転数，アクセル開度（または、サージタンク３３内吸気圧、燃焼室に充填される吸気量若しくは燃料噴射量）］の下での圧縮行程中の筒内圧力Ｐ_iの推移を示す。横軸はクランク角度、より具体的には圧縮上死点から遡った角度であり、その右端がＢＴＤＣ０°ＣＡ即ち圧縮上死点である。図２において、破線は、内燃機関の運用上問題となるような圧縮漏れを起こしていない正常な場合の筒内圧力Ｐ_iの推移を表している。他方、実線は、内燃機関の運用上問題となるような圧縮漏れを起こしている異常な場合の筒内圧力Ｐ_iの推移を表している。

図３に、ある運転領域の下での圧縮行程中のポリトロープ指数ｎ_iの推移を示す。図３において、破線は正常な場合のポリトロープ指数ｎ_iの推移を表しており、実線は異常な圧縮漏れを起こしている場合のポリトロープ指数ｎ_iの推移を表している。圧縮行程中に異常な圧縮漏れを起こした場合に算出されるポリトロープ指数ｎ_iは、圧縮上死点近傍を除き、正常な場合のポリトロープ指数ｎ_iを下回り、これを上回ることはない。

算出されたポリトロープ指数ｎ_iが正常な場合のポリトロープ指数ｎ_iを上回ることがあるとすれば、それは圧縮漏れ以外の異常である蓋然性が高い。図４及び図５はそれぞれ、クランク角センサの故障やクランク角センサ信号ｂの送受信の不良等により、ＥＣＵ０が現在のクランク角度、換言すれば各気筒１のピストンの位置を誤認している場合に算出されるポリトロープ指数ｎ_iの推移を示している。図４及び図５の破線は、図３と同様、正常な場合のポリトロープ指数ｎ_iの推移である。図４の実線は、ＥＣＵ０が現在のクランク角度を真のクランクシャフトの回転角度よりも所定角度（例えば、１°ＣＡ）進んだ角度と認識している場合におけるポリトロープ指数ｎ_iの推移である。並びに、図５の実線は、ＥＣＵ０が現在のクランク角度を真のクランクシャフトの回転角度よりも所定角度遅れた角度と認識している場合におけるポリトロープ指数ｎ_iの推移である。

ＥＣＵ０によるクランク角度の誤認は、ポリトロープ指数ｎ_iの算出に用いる筒内容積Ｖ_i及びＶ_i-1に影響を及ぼす。ＥＣＵ０が現在のクランク角度を真のクランクシャフトの回転角度よりも進んだ角度であると誤認していると、演算機会ｉにおける筒内容積Ｖ_i及びＶ_i-1の値がそれぞれ実際の（時点ｉ及び時点（ｉ−１）の）筒内容積よりも小さくなってしまい、図４に示しているようにポリトロープ指数ｎ_iに誤差が混入する。この場合に算出される、実線で表したポリトロープ指数ｎ_iは、圧縮行程が正常に営まれる場合に想定される、破線で表したポリトロープ指数ｎ_iと乖離する。のみならず、圧縮行程中の時期に応じて、算出されるポリトロープ指数ｎ_iが正常な場合のポリトロープ指数ｎ_iを上回ったり下回ったりする。図４に示す例によると、ＢＴＤＣ１００°ＣＡ辺りからＢＴＤＣ６０°ＣＡ辺りまでの期間において、算出されるポリトロープ指数ｎ_iが正常な場合のポリトロープ指数ｎ_iを下回る。一方、その後の圧縮上死点に近づく時期では、算出されるポリトロープ指数ｎ_iが正常な場合のポリトロープ指数ｎ_iを上回る傾向にある。

翻って、ＥＣＵ０が現在のクランク角度を真のクランクシャフトの回転角度よりも遅れた角度であると誤認していると、演算機会ｉにおける筒内容積Ｖ_i及びＶ_i-1がそれぞれ実際の筒内容積よりも大きくなってしまい、図５に示しているようにポリトロープ指数ｎ_iに誤差が混入する。この場合に算出される、実線で表したポリトロープ指数ｎ_iは、圧縮行程が正常に営まれる場合に想定される、破線で表したポリトロープ指数ｎ_iと乖離する。のみならず、圧縮行程中の時期に応じて、算出されるポリトロープ指数ｎ_iが正常な場合のポリトロープ指数ｎ_iを上回ったり下回ったりする。図５に示す例によると、ＢＴＤＣ１００°ＣＡ辺りからＢＴＤＣ６０°ＣＡ辺りまでの期間において、算出されるポリトロープ指数ｎ_iが正常な場合のポリトロープ指数ｎ_iを上回る。一方、その後の圧縮上死点に近づく時期では、算出されるポリトロープ指数ｎ_iが正常な場合のポリトロープ指数ｎ_iを下回る傾向にある。

上に述べたもの以外の異常として、気筒１の燃焼室内に異物が存在して筒内容積Ｖ_i及びＶ_i-1が不当に縮小するというようなことも起こり得る。その場合に算出されるポリトロープ指数ｎ_iは、圧縮上死点近傍を除き、正常な場合のポリトロープ指数ｎ_iを上回る。

内燃機関の気筒１の温度、当該気筒１に充填される吸気の温度及び圧力がそれぞれ所定の範囲内にある状況下での正常なポリトロープ指数ｎ_iは、実機試験等により実験的に求めることが可能である。ＥＣＵ０のメモリには予め、内燃機関の冷却水温（潤滑油温でもよい）、サージタンク３３内吸気温及び吸気圧がそれぞれ所定の範囲内であるときの、正常な圧縮行程におけるポリトロープ指数ｎ_iのモデル値Ｎ_iを格納しておく。このモデル値Ｎ_iは、圧縮行程内の時点ｉ毎に異なる、時点ｉ毎に推移する時系列である。

その上で、ＥＣＵ０は、内燃機関の運転中、冷却水温（または、潤滑油温）、サージタンク３３内吸気温及び吸気圧が所定の範囲内にあるときに、気筒１の圧縮行程においてポリトロープ指数ｎ_iを算出する。そして、算出した各時点ｉ毎のポリトロープ指数ｎ_iを、メモリに記憶保持している各時点ｉ毎のモデル値Ｎ_iと各々比較する。算出したポリトロープ指数ｎ_iとそれに対応した時点ｉでのモデル値Ｎ_iとの差分の絶対値｜Ｎ_i−ｎ_i｜または両者の比Ｎ_i／ｎ_iが、圧縮行程の全体に亘って（但し、圧縮上死点近傍の時点は除外してもよい）閾値未満に収まっているならば、当該気筒１の圧縮行程は正常に営まれたと判断する。

翻って、圧縮行程内の何れかの時点ｉにおいて、算出したポリトロープ指数ｎ_iとモデル値Ｎ_iとの差分の絶対値｜Ｎ_i−ｎ_i｜または両者の比Ｎ_i／ｎ_iが閾値以上に拡大したならば、当該気筒１の圧縮行程に何らかの異常が発生したと判断する。

さらに、ＥＣＵ０は、その異常の種類を、算出したポリトロープ指数ｎ_iとモデル値Ｎ_iとの大小関係に基づいて切り分けて特定することができる。即ち、図３に示したように、圧縮行程内の全ての時点ｉ（圧縮上死点近傍の時点を除く）について、算出したポリトロープ指数ｎ_iがモデル値Ｎ_i以下となっている場合、それは圧縮漏れであると考えられる。逆に、圧縮行程内の全ての時点ｉ（圧縮上死点近傍の時点を除く）について、算出したポリトロープ指数ｎ_iがモデル値Ｎ_i以上となっている場合には、気筒１の燃焼室内に異物が存在していると考えられる。

あるいは、図４または図５に示したように、圧縮行程の中で、算出したポリトロープ指数ｎ_iがモデル値Ｎ_iを上回る時期と下回る時期とが混在している場合には、クランク角センサ信号ｂに関連した異常が生じており、ＥＣＵ０が認識している現在のクランク角度と実際のクランク角度との間に誤差が発生しているものと考えられる。

気筒１の圧縮行程において異常が生じていることを検知したＥＣＵ０は、その旨を示す情報（ダイアグノーシスコード）をメモリに記憶保持する。このとき、検知した異常がどの種類に該当するのかを識別できるような情報を書き込むことにより、事後の検査や修理の作業における異常の原因の究明の助けとすることが好ましい。

加えて、圧縮行程に異常が生じている旨を、運転者の視覚または聴覚に訴えかける態様にて出力してもよい。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したり、ブザーまたはスピーカから警告音を音声出力したりする。

本実施形態では、内燃機関の気筒１の圧縮行程における筒内圧力Ｐ_i及び筒内容積Ｖ_iのそれぞれの変動の推移からポリトロープ指数ｎ_iを算出し、算出したポリトロープ指数ｎ_iを正常に圧縮行程が営まれる場合に想定されるポリトロープ指数のモデル値Ｎ_iと比較し、両者の差を表す｜Ｎ_i−ｎ_i｜またはＮ_i／ｎ_iに基づいて当該気筒１の圧縮行程における異常の有無を判断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、圧縮漏れに代表される、内燃機関の気筒１の圧縮行程における異常を的確に検知することが可能となる。圧縮行程の異常を見逃したり、圧縮行程に異常が生じていないにもかかわらず異常が生じていると誤検知する懸念は十分に小さい。

しかも、本実施形態によれば、算出したポリトロープ指数ｎ_iがモデル値Ｎ_iよりも小さいか大きいかに基づいて、異常の種類を推定することができる。

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、ＥＣＵ０が認識している現在のクランク角度と実際のクランク角度との間に誤差α、換言すれば時間差αが存在していると仮定すると、時点ｉにおける真のポリトロープ値ｎ_i’は、
ｎ_i’＝−ｌｏｇ（Ｐ_i-α／Ｐ_i-1-α）／ｌｏｇ（Ｖ_i-α／Ｖ_i-1-α）
である。このことに基づき、気筒１の圧縮行程に何らかの異常が存在していると判断したＥＣＵ０が、時点ｉよりも過去または未来の時点（ｉ−α）についてポリトロープ指数ｎ_i-αを再計算し、その再計算したポリトロープ指数ｎ_i-αを時点ｉに対応するモデル値Ｍ_iと比較する処理を実行するようにしてもよい。ここで、αは、正値をとることもあれば負値をとることもある。αを変えて再計算したポリトロープ指数ｎ_i-αと時点ｉにおけるモデル値Ｍ_iとの差を表す｜Ｎ_i−ｎ_i-α｜またはＮ_i／ｎ_i-αが、圧縮行程の全体に亘って（但し、圧縮上死点近傍の時点は除外してもよい）閾値未満に収まるならば、異常の種類がＥＣＵ０による現在のクランク角度の誤認であることが明らかとなる。

翻って、圧縮行程内の何れかの時点ｉにおいて、｜Ｎ_i−ｎ_i-α｜またはＮ_i／ｎ_i-αが閾値以上に拡大したならば、ＥＣＵ０による現在のクランク角度の誤認以外の異常が当該気筒１の圧縮行程に発生したと判断することができる。

その他各部の具体的構成は、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できる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
ｂ…クランク角信号
ｈ…筒内圧信号

Claims (2)

1. 内燃機関の気筒の圧縮行程における筒内圧力及び筒内容積のそれぞれの変動の推移からポリトロープ指数を算出し、算出したポリトロープ指数を正常に圧縮行程が営まれる場合に想定されるポリトロープ指数のモデル値と比較し、両者の差に基づいて当該気筒の圧縮行程における異常の有無を判断するものであり、
   圧縮行程におけるある時点について算出したポリトロープ指数と当該時点に対応するモデル値との差が閾値以上に大きいとき、当該時点よりも過去または未来の時点について算出したポリトロープ指数を同モデル値と比較し、両者の差が閾値未満となるか否かに基づいて異常の種類を推定する内燃機関の制御装置。
2. 算出したポリトロープ指数がモデル値よりも小さいか大きいかに基づいて異常の種類を推定する請求項１記載の内燃機関の制御装置。

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