JP7347392B2 - 内燃機関の失火判定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の失火判定装置に関する。
特許文献１に記載の失火判定装置は、所定のクランク角の範囲が失火判定期間として設定されており、その失火判定期間内における内燃機関の出力軸トルクの平均値を算出する。そして、算出した出力軸トルクの平均値が規定の閾値未満である場合に失火が生じたと判定するようにしている。
特開２０１４－２３４７３７号公報
ところで、出力軸トルクが小さい運転状態では、正常燃焼時における出力軸トルクの平均値と失火判定用の閾値との差が小さくなるため、正常に燃焼しているにもかかわらず失火が発生したと誤判定してしまうおそれがある。
上記課題を解決する内燃機関の失火判定装置は、所定のクランク角の範囲が失火判定期間として設定されており、その失火判定期間内における内燃機関の出力軸トルクの平均値を算出する算出処理と、算出した前記平均値が規定の閾値未満である場合に失火が生じたと判定する失火判定処理と、前記失火判定期間の全期間を、失火が生じていない正常燃焼時に前記出力軸トルクが０以上のトルクとなるクランク角の範囲である正トルク範囲内の期間に設定する処理と、を実行する。
上記出力軸トルクは、膨張行程の気筒で生じる正のトルクである燃焼トルクと圧縮行程の気筒で生じる負のトルクである圧縮トルクとの合成トルクである。
ここで、膨張行程の後半では、燃焼トルクは小さくなる一方、圧縮トルクは大きくなるため、上記出力軸トルクは負になる。この出力軸トルクが負になるクランク角の範囲が失火判定期間に含まれていると、算出される上記平均値の値が小さくなる。特に、出力軸トルクが小さい運転状態では、出力軸トルクが大きい運転状態と比べて上記平均値の値が小さくなるため、当該平均値が失火判定用の閾値未満になる可能性が高い。
この点、同構成では、失火が生じていない正常燃焼時に前記出力軸トルクが０以上のトルクとなるクランク角の範囲内に失火判定期間の全期間が設定される。つまり、正常燃焼時において出力軸トルクが負となるクランク角の範囲が失火判定期間からは除かれるため、出力軸トルクが小さい運転状態において上記平均値が小さくなることが抑えられる。従って、正常に燃焼しているにもかかわらず失火が発生したと誤判定されることを抑えることができる。
また、上記失火判定装置において、機関負荷が小さいときほど前記正トルク範囲の終点を早い時期に設定する処理を実行してもよい。
機関負荷が小さくなると、膨張行程の気筒で生じる正のトルクである燃焼トルクが小さくなるため、この燃焼トルクが、圧縮行程の気筒で生じる負のトルクである圧縮トルクを下回るタイミングが早くなる。この点、同構成では、そうしたタイミングの変化に合わせて正トルク範囲の終点が設定されるため、そうした正トルク範囲内の期間として設定される失火判定期間も適切に設定することができる。
また、上記失火判定装置において、前記内燃機関の点火時期が早いときほど前記正トルク範囲の終点を早い時期に設定する処理を実行してもよい。
内燃機関の点火時期が早くなると、膨張行程の気筒で生じる正のトルクである燃焼トルクが、圧縮行程の気筒で生じる負のトルクである圧縮トルクを下回るタイミングが早くなる。この点、同構成では、そうしたタイミングの変化に合わせて正トルク範囲の終点が設定されるため、そうした正トルク範囲内の期間として設定される失火判定期間も適切に設定することができる。
また、上記正トルク範囲の起点としては、圧縮上死点から規定の範囲内におけるクランク角であって前記出力軸のトルクが負のトルクから０以上のトルクに変わるタイミングのクランク角としてもよい。
一実施形態にかかる内燃機関の駆動系及び制御装置の構成を示す図。 １燃焼サイクルにおける出力軸のトルク変化を示すグラフ。 機関負荷率及び点火時期と終点との関係を示すグラフ。 同実施形態にかかる制御装置が実行する処理の手順を示すフローチャート。
以下、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１に示すように、車両５００に搭載された内燃機関１０は、４つの気筒＃１～＃４を備える。内燃機関１０の吸気通路１２には、スロットルバルブ１４が設けられている。吸気通路１２の下流部分である吸気ポート１２ａには、吸気ポート１２ａに燃料を噴射するポート噴射弁１６が設けられている。吸気通路１２に吸入された空気やポート噴射弁１６から噴射された燃料は、吸気バルブ１８の開弁に伴って、燃焼室２０に流入する。燃焼室２０には、筒内噴射弁２２から燃料が噴射される。また、燃焼室２０内の空気と燃料との混合気は、点火プラグ２４の火花放電に伴って燃焼に供される。そのときに生成される燃焼エネルギは、出力軸２６の回転エネルギに変換される。
燃焼室２０において燃焼に供された混合気は、排気バルブ２８の開弁に伴って、排気として排気通路３０に排出される。排気通路３０には、酸素吸蔵能力を有した三元触媒３２と、ガソリンパティキュレートフィルタ（ＧＰＦ３４）とが設けられている。なお、本実施形態では、ＧＰＦ３４として、ＰＭを捕集するフィルタに三元触媒が担持されたものを想定している。
出力軸２６は、動力分割装置を構成する遊星歯車機構５０のキャリアＣに機械的に連結されている。遊星歯車機構５０のサンギアＳには、第１モータジェネレータ５２の回転軸５２ａが機械的に連結されている。また、遊星歯車機構５０のリングギアＲには、第２モータジェネレータ５４の回転軸５４ａと駆動輪６０とが機械的に連結されている。第１モータジェネレータ５２の端子には、インバータ５６によって交流電圧が印加される。また、第２モータジェネレータ５４の端子には、インバータ５８によって交流電圧が印加される。こうした構成を備える車両５００では、内燃機関１０及び第１モータジェネレータ５２からのトルクが出力軸２６に作用する。
制御装置７０は、内燃機関１０を制御対象とし、その制御量としてのトルクや排気成分比率等を制御するために、スロットルバルブ１４、ポート噴射弁１６、筒内噴射弁２２、および点火プラグ２４等の内燃機関１０の操作部を操作する。また、制御装置７０は、第１モータジェネレータ５２を制御対象とし、その制御量である回転速度を制御すべく、インバータ５６を操作する。また、制御装置７０は、第２モータジェネレータ５４を制御対象とし、その制御量であるトルクを制御すべくインバータ５８を操作する。図１には、スロットルバルブ１４、ポート噴射弁１６、筒内噴射弁２２、点火プラグ２４、およびインバータ５６，５８のそれぞれの操作信号ＭＳ１～ＭＳ６を記載している。
制御装置７０は、内燃機関１０の制御量を制御するために、エアフローメータ８０によって検出される吸入空気量Ｇａ、クランク角センサ８２の出力信号Ｓｃｒ、水温センサ８６によって検出される水温ＴＨＷ、および排気圧センサ８８によって検出されるＧＰＦ３４に流入する排気の圧力Ｐｅｘを参照する。また、制御装置７０は、第１モータジェネレータ５２や第２モータジェネレータ５４の制御量を制御するために、第１モータジェネレータ５２の回転角を検知する第１回転角センサ９０の出力信号Ｓｍ１、および第２モータジェネレータ５４の回転角を検知する第２回転角センサ９２の出力信号Ｓｍ２を参照する。また、制御装置７０は、内燃機関１０、第１モータジェネレータ５２および第２モータジェネレータ５４の制御量を制御するために、アクセルセンサ９４によって検出されるアクセルペダルの踏み込み量であるアクセル操作量ＡＣＣＰや、車速センサ９５によって検出される車両５００の車速である車速ＳＰを参照する。
制御装置７０は、クランク角センサ８２の出力信号Ｓｃｒに基づいて出力軸２６の角速度ωＥや、機関回転速度ＮＥを算出する。また、制御装置７０は、第１回転角センサ９０の出力信号Ｓｍ１に基づいて第１モータジェネレータ５２が有するロータの角速度ωＧを算出する。また、制御装置７０は、機関回転速度ＮＥ及び吸入空気量Ｇａに基づいて、機関負荷率ＫＬを算出する。ここで、機関負荷率ＫＬとは、現状の機関回転速度ＮＥにおいてスロットルバルブ１４を全開とした状態で内燃機関１０を定常運転したときの気筒流入空気量に対する、現在の気筒流入空気量の比率を表している。なお、気筒流入空気量は、吸気行程において各気筒に流入する吸気の量である。
制御装置７０は、ＣＰＵ７２、ＲＯＭ７４、記憶装置７５、および周辺回路７６を備えており、それらが通信線７８によって通信可能とされている。ここで、周辺回路７６は、内部の動作を規定するクロック信号を生成する回路や、電源回路、リセット回路等を含む。制御装置７０は、ＲＯＭ７４に記憶されたプログラムをＣＰＵ７２が実行することにより制御量を制御する。
例えば、制御装置７０は、アクセル操作量ＡＣＣＰ及び車速ＳＰに基づいて、車両５００の要求トルクを算出する。また、制御装置７０は、車両５００が要求トルクを満たすように内燃機関１０、第１モータジェネレータ５２、及び第２モータジェネレータ５４の出力トルクを制御する。
また、制御装置７０は、機関回転速度ＮＥ及び機関負荷率ＫＬ等に基づいて内燃機関１０の点火時期ＡＦＩＮを設定し、その設定された点火時期ＡＦＩＮにおいて放電が起きるように点火プラグ２４の放電制御を実施する。
また、制御装置７０は、内燃機関１０の失火を判定する処理を実行する。こうした失火判定の処理を実行する制御装置７０は、失火判定装置を構成している。
以下、失火判定について説明する。
図２に示すように、本実施形態では、各気筒の膨張行程において失火を判定する期間である失火判定期間ＨＰが設定されている。そして、制御装置７０は、その失火判定期間ＨＰ内における出力軸２６のトルクＴＥを逐次算出して、その算出したトルクＴＥの平均値であるトルク平均値ＴＥＡを算出する。そして、そのトルク平均値ＴＥＡが閾値ＴＥＡｒｅｆ未満である場合には、当該トルク平均値ＴＥＡが算出された膨張行程の気筒において失火が発生したと判定する。
ここで、出力軸２６のトルクは、膨張行程の気筒で生じる正のトルクである燃焼トルクと圧縮行程の気筒で生じる負のトルクである圧縮トルクとの合成トルクであるが、膨張行程の後半では、燃焼トルクは小さくなる一方、圧縮トルクは大きくなるため、出力軸２６のトルクＴＥは負になる。このトルクＴＥが負になるクランク角の範囲が失火判定期間ＨＰに含まれていると、算出されるトルク平均値ＴＥＡの値が小さくなる。特に、アイドル運転などのように、出力軸２６のトルクが小さい運転状態では、出力軸２６のトルクが大きい運転状態と比べてトルク平均値ＴＥＡの値が小さくなるため、当該トルク平均値ＴＥＡが失火判定用の閾値ＴＥＡｒｅｆ未満になる可能性が高い。つまり、正常に燃焼しているにもかかわらず失火が発生したと誤判定されるおそれがある。
そこで、図２に示すように、本実施形態では、失火が生じていない正常燃焼時に出力軸２６のトルクが０以上のトルクとなるクランク角の範囲である正トルク範囲Ｒが予め求められており、そうした正トルク範囲Ｒ内に失火判定期間ＨＰの全期間が含まれるように当該失火判定期間ＨＰを設定している。
一例として、本実施形態では、正トルク範囲Ｒと失火判定期間ＨＰとが一致するように、つまり正トルク範囲Ｒの起点Ｒｓを失火判定期間ＨＰの開始時期ＨＰｓとし、正トルク範囲Ｒの終点Ｒｅを失火判定期間ＨＰの終了時期ＨＰｅとして設定するようにしている。
正トルク範囲Ｒの起点は、圧縮上死点ＴＤＣから規定の範囲内におけるクランク角であって出力軸２６のトルクが負のトルクから０以上のトルクに変わるタイミングのクランク角である。例えば、各気筒の圧縮上死点ＴＤＣでは、２つの気筒が上死点、他の２つの気筒が下死点となり、いずれの気筒においてもピストン速度はほぼ「０」になるため、出力軸２６のトルクは「０」になる。従って、正トルク範囲Ｒの起点Ｒｓとして、本実施形態では、圧縮上死点ＴＤＣを設定している。なお、トルクが「０」になる時期のずれなどを考慮した場合、正トルク範囲Ｒの起点Ｒｓとして、圧縮上死点ＴＤＣに所定のクランク角（例えば０～３０°ＣＡ程度）を加算したクランク角を設定してもよい。また、こうした正トルク範囲Ｒの起点設定は、気筒数によらず同じにしてよい。
一方、正トルク範囲Ｒの終点Ｒｅは、機関負荷率ＫＬや点火時期ＡＦＩＮにより変化する。
すなわち、機関負荷率ＫＬが小さいときには、膨張行程の気筒で生じる燃焼トルクが小さくなるため、この燃焼トルクが圧縮トルクを下回るタイミングが早くなる。つまり、機関負荷率ＫＬが小さいときほど正トルク範囲Ｒの終点Ｒｅは早い時期になる。
そこで、図３に示すように、機関負荷率ＫＬが小さいときほど、上記終点Ｒｅに一致する上記終了時期ＨＰｅは早い時期となるように、当該終了時期ＨＰｅは可変設定される。
また、点火時期ＡＦＩＮについても同様に、同点火時期ＡＦＩＮが早くなって進角側の時期になるほど、燃焼トルクが圧縮トルクを下回るタイミングは早くなる。つまり、点火時期ＡＦＩＮが早いときほど正トルク範囲Ｒの終点Ｒｅは早い時期になる。
そこで、図３に示すように、点火時期ＡＦＩＮが早いときほど、上記終点Ｒｅに一致する上記終了時期ＨＰｅは早い時期となるように、当該終了時期ＨＰｅは可変設定される。
図４に、上述した失火判定を実施するために制御装置７０が実行する処理の手順を示す。図４に示す処理は、ＲＯＭ７４に記憶されたプログラムをＣＰＵ７２が実行することにより実現される。なお、以下では、先頭に「Ｓ」が付与された数字によって各処理のステップ番号を表現する。
図４に示す一連の処理において、ＣＰＵ７２は、機関負荷率ＫＬ及び点火時期ＡＦＩＮを取得し、その取得した各値に基づいて失火判定期間ＨＰを設定する（Ｓ１００）。このＳ１００においてＣＰＵ７２は、失火判定期間ＨＰの全期間を正トルク範囲Ｒ内の期間に設定する処理を実行する。より詳細には、失火判定期間ＨＰの開始時期ＨＰｓとして上記起点Ｒｓを設定すると共に、失火判定期間ＨＰの終了時期ＨＰｅとして上記終点Ｒｅを設定する。なお、このときに終了時期ＨＰｅとして設定される終点Ｒｅは、図３に示したように、取得した機関負荷率ＫＬや点火時期ＡＦＩＮに基づいて可変設定される。
次に、ＣＰＵ７２は、失火判定期間ＨＰ内のトルク平均値ＴＥＡを算出する（Ｓ１１０）。このＳ１１０において、ＣＰＵ７２は、失火判定期間ＨＰ内における出力軸２６のトルクＴＥを次式（１）に基づいて逐次算出する。例えば、ＣＰＵ７２は、失火判定期間ＨＰ内における出力軸２６のトルクＴＥを１°ＣＡ毎に算出する。そして、その算出した複数のトルクＴＥの平均値であるトルク平均値ＴＥＡを算出する。
ＴＥ＝ＩＥ＊ｄωＥ＋（１＋ρ）／ρ＊（ＩＧ＊ｄωＧ－ＴＧ）・・・（１）
ここで、ＩＥは内燃機関１０の慣性モーメント、ｄωＥは出力軸２６の角速度ωＥを微分した角加速度、ρは遊星歯車機構５０のギア比、ＩＧは第１モータジェネレータ５２の慣性モーメント、ｄωＧは第１モータジェネレータ５２のロータの角速度ωＧを微分した角加速度、ＴＧは第１モータジェネレータ５２のトルク反力である。
上記（１）の式において、内燃機関１０の慣性モーメントＩＥ、第１モータジェネレータ５２の慣性モーメントＩＧ、及び遊星歯車機構５０の比ρは、それぞれ予めＲＯＭ７４に入力されている物理量であり、定数である。また、第１モータジェネレータ５２のトルク反力ＴＧは、制御パラメータとしてＣＰＵ７２が管理する値であり、常にＣＰＵ７２に入力されている。
次に、ＣＰＵ７２は、算出したトルク平均値ＴＥＡが上記閾値ＴＥＡｒｅｆ未満であるか否かを判定する（Ｓ１２０）。閾値ＴＥＡｒｅｆは、失火が生じることなく正常に燃焼が行われているときに出力軸２６に生じるトルクの下限値であり、機関負荷率ＫＬや点火時期ＡＦＩＮに応じて適切な値が可変設定される。
そして、トルク平均値ＴＥＡが閾値ＴＥＡｒｅｆ以上であると判定する場合には（Ｓ１２０：ＮＯ）、ＣＰＵ７２は、今回の本処理を終了する。
一方、トルク平均値ＴＥＡが閾値ＴＥＡｒｅｆ未満であると判定する場合には（Ｓ１２０：ＹＥＳ）、ＣＰＵ７２は、失火が発生したと判定して（Ｓ１３０）、今回の本処理を終了する。
次に、本実施形態の作用及び効果を説明する。
（１）失火が生じていない正常燃焼時に出力軸２６のトルクが０以上のトルクとなるクランク角の範囲内に失火判定期間ＨＰの全期間が設定される。つまり、正常燃焼時において出力軸２６のトルクが負となるクランク角の範囲が失火判定期間ＨＰからは除かれるため、出力軸２６のトルクが小さい運転状態においてトルク平均値ＴＥＡが小さくなることが抑えられる。従って、正常に燃焼しているにもかかわらず失火が発生したと誤判定されることを抑えることができる。
（２）上述したように機関負荷が小さくなると、膨張行程の気筒で生じる正のトルクである燃焼トルクが小さくなるため、この燃焼トルクが、圧縮行程の気筒で生じる負のトルクである圧縮トルクを下回るタイミングが早くなる。そこで、本実施形態では、上記Ｓ１００の処理を通じて、機関負荷率ＫＬが小さいときほど正トルク範囲Ｒの終点Ｒｅを早い時期に設定してこれを失火判定期間ＨＰの終了時期ＨＰｅに設定するようにしている。従って、そうしたタイミングの変化に合わせて正トルク範囲Ｒの終点Ｒｅが設定されるため、正トルク範囲内の期間として設定される失火判定期間ＨＰも適切に設定することができる。
（３）また、上述したように、内燃機関の点火時期が早くなると、膨張行程の気筒で生じる正のトルクである燃焼トルクが、圧縮行程の気筒で生じる負のトルクである圧縮トルクを下回るタイミングが早くなる。そこで、本実施形態では、上記Ｓ１００の処理を通じて、点火時期ＡＦＩＮが早いときほど正トルク範囲Ｒの終点Ｒｅを早い時期に設定してこれを失火判定期間ＨＰの終了時期ＨＰｅに設定するようにしている。従って、そうしたタイミングの変化に合わせて正トルク範囲Ｒの終点Ｒｅが設定されるため、これによっても正トルク範囲内の期間として設定される失火判定期間ＨＰを適切に設定することができる。
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・終点Ｒｅを機関負荷率ＫＬ及び点火時期ＡＦＩＮの双方に基づいて可変設定するようにしたが、機関負荷率ＫＬ及び点火時期ＡＦＩＮのうちのいずれか一方に基づいてを終点Ｒｅを可変設定してもよい。
・終点Ｒｅを固定値としてもよい。なお、この場合には、機関運転状態に応じて変化する終点Ｒｅについて最も早い時期を当該終点Ｒｅに設定することが好ましい。
・正トルク範囲Ｒの起点Ｒｓを失火判定期間ＨＰの開始時期ＨＰｓとし、正トルク範囲Ｒの終点Ｒｅを失火判定期間ＨＰの終了時期ＨＰｅとして設定することにより、正トルク範囲Ｒと失火判定期間ＨＰとを一致させるようにした。この他、開始時期ＨＰｓを起点Ｒｓよりも遅い時期にしたり、終了時期ＨＰｅを終点Ｒｅよりも早い時期にしたりすることにより、正トルク範囲Ｒ内の一部の期間を失火判定期間ＨＰの全期間として設定するようにしてもよい。
・上記実施形態では、出力軸２６に内燃機関１０及び第１モータジェネレータ５２からのトルクが作用するものとして説明したが、出力軸２６に第２モータジェネレータ５４からトルクが作用することもある。この場合、出力軸２６のトルクＴＥを算出するにあたって、第２モータジェネレータ５４からのトルク分も考慮すればよい。
・上記実施形態において、車両５００の構成は上記実施形態の例に限定されない。例えば、第１モータジェネレータ５２や第２モータジェネレータ５４が搭載されておらず、内燃機関１０のみを原動機として搭載する車両であってもよい。なお、こうした内燃機関１０のみを搭載する車両の場合、上記（１）の式において（１＋ρ）／ρ＊（ＩＧ＊ｄωＧ－ＴＧ）の項を省略して、出力軸２６のトルクを算出してもよい。また、この場合、トルクの作用により出力軸２６にかかる反力等を考慮した項を上記（１）の式に追加してもよい。
・上記実施形態では、トルクＴＥの算出に上記（１）の式を利用したが、別の式や方法で算出してもよい。例えば、上記（１）の式におけるトルク反力ＴＧを省略してもよい。
・制御装置７０としては、ＣＰＵ７２とＲＯＭ７４とを備えて、ソフトウェア処理を実行するものに限らない。たとえば、上記実施形態においてソフトウェア処理されたものの少なくとも一部を、ハードウェア処理するたとえばＡＳＩＣ等の専用のハードウェア回路を備えてもよい。すなわち、制御装置は、以下の（ａ）～（ｃ）のいずれかの構成であればよい。（ａ）上記処理の全てを、プログラムに従って実行する処理装置と、プログラムを記憶するＲＯＭ等のプログラム格納装置とを備える。（ｂ）上記処理の一部をプログラムに従って実行する処理装置およびプログラム格納装置と、残りの処理を実行する専用のハードウェア回路とを備える。（ｃ）上記処理の全てを実行する専用のハードウェア回路を備える。ここで、処理装置およびプログラム格納装置を備えたソフトウェア実行装置や、専用のハードウェア回路は複数であってもよい。
・内燃機関の気筒数は４つに限らず、たとえば、６個でもよく、またたとえば８個でもよい。
・内燃機関がポート噴射弁１６および筒内噴射弁２２を備えることは必須ではない。
・内燃機関としては、ガソリン機関のような火花点火式内燃機関に限らず、たとえば燃料を軽油とする圧縮着火式内燃機関等であってもよい。
１０…内燃機関
２６…出力軸
７０…制御装置

Claims (3)

  1. 所定のクランク角の範囲が失火判定期間として設定されており、その失火判定期間内における内燃機関の出力軸トルクの平均値を算出する算出処理と、
    算出した前記平均値が規定の閾値未満である場合に失火が生じたと判定する失火判定処理と、
    前記失火判定期間の全期間を、失火が生じていない正常燃焼時に前記出力軸トルクが０以上のトルクとなるクランク角の範囲である正トルク範囲内の期間に設定する処理と、を実行し、
    機関負荷が小さいときほど前記正トルク範囲の終点を早い時期に設定する処理を実行する
    内燃機関の失火判定装置。
  2. 所定のクランク角の範囲が失火判定期間として設定されており、その失火判定期間内における内燃機関の出力軸トルクの平均値を算出する算出処理と、
    算出した前記平均値が規定の閾値未満である場合に失火が生じたと判定する失火判定処理と、
    前記失火判定期間の全期間を、失火が生じていない正常燃焼時に前記出力軸トルクが０以上のトルクとなるクランク角の範囲である正トルク範囲内の期間に設定する処理と、を実行し、
    前記内燃機関の点火時期が早いときほど前記正トルク範囲の終点を早い時期に設定する処理を実行する
    内燃機関の失火判定装置。
  3. 前記正トルク範囲の起点は、圧縮上死点から規定の範囲内におけるクランク角であって前記出力軸トルクが負のトルクから０以上のトルクに変わるタイミングのクランク角である
    請求項１又は２に記載の内燃機関の失火判定装置。
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