WO2005014993A1 - 内燃機関の制御装置および内燃機関の失火判定方法 - Google Patents

内燃機関の制御装置および内燃機関の失火判定方法 Download PDF

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internal combustion
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combustion engine
misfire
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PCT/JP2004/010077
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Hidenori Moriya
Kouhei Miwa
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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    • F02D2200/10Parameters related to the engine output, e.g. engine torque or engine speed
    • F02D2200/1015Engines misfires

Definitions

  • the present invention relates to a control device for an internal combustion engine that generates power by burning a mixture of fuel and air in a cylinder and a method for determining misfire of the internal combustion engine.
  • Patent Document 1 discloses that a misfire state is determined using a misfire determination index calculated based on the superposed in-cylinder pressure signals by superimposing the in-cylinder pressure signals of the respective combustion chambers detected by the in-cylinder pressure detecting means. Discloses a combustion state detecting device for an internal combustion engine. As described above, if the in-cylinder pressure of each of the plurality of combustion chambers is superimposed, a remarkable change in the symmetry of the signal waveform before and after the top dead center is recognized depending on the presence or absence of a misfire. The misfire determination can be performed in the entire combustion range of.
  • the misfire determination index is calculated by integrating the in-cylinder pressure detected by the in-cylinder pressure detecting means for each minute unit crank angle. For this reason, the computational load on the conventional combustion state detecting device is enormous, and it has not been practically easy to apply the conventional device to, for example, an internal combustion engine for a vehicle.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-82150
  • a control device for an internal combustion engine is a control device for an internal combustion engine that generates a power by burning a mixture of fuel and air in a cylinder, wherein the cylinder pressure detected by the cylinder pressure detection unit and the cylinder detected by the cylinder pressure detection unit Calculating means for calculating a control parameter based on the internal pressure and the cylinder volume at the time of detecting the cylinder pressure; misfire determination for determining a misfire state in the cylinder based on the control parameter calculated by the calculating means; Means.
  • the control parameter is preferably a product of the in-cylinder pressure detected by the in-cylinder pressure detecting means and a value obtained by raising the in-cylinder volume at the time of detecting the in-cylinder pressure to a power of a predetermined index.
  • the calculation means calculates control parameters for two predetermined points, and the misfire determination means determines that the inside of the cylinder is in a semi-misfire state when the difference between the control parameters between the two predetermined points is less than the first threshold. It is preferable to judge.
  • the misfire determination means is configured to completely misfire in the cylinder when the difference between the two predetermined control parameters is below the first threshold and below a second threshold smaller than the first threshold. It is preferable to determine that it is in a state.
  • one of the predetermined two points is set after the P and air valves are opened and before the start of combustion, and the other is set after the start of combustion and before the exhaust valve is opened.
  • a misfire determination method for an internal combustion engine includes: a misfire determination method for an internal combustion engine that generates power by burning a mixture of fuel and air in a cylinder;
  • step (b) calculating a control parameter based on the in-cylinder pressure detected in step (a) and the in-cylinder volume at the time of detecting the in-cylinder pressure;
  • step (c) determining a misfire state in the cylinder based on the control parameter calculated in step (b).
  • control parameters are the cylinder pressure detected in step (a) and the cylinder pressure It is preferably a product of the in-cylinder volume at the time of detection and a value raised to the power of a predetermined index.
  • control parameters are calculated for two predetermined points.
  • step (c) if the difference in the control parameters between the two predetermined points is smaller than the first threshold, the inside of the cylinder is reduced to half. It is preferable to determine that a misfire has occurred.
  • the step (c) is performed when the difference between the control parameters between the predetermined two points is smaller than the first threshold value and smaller than the second threshold value smaller than the first threshold value. It is preferable to include determining that the inside is in a completely misfired state.
  • one of the predetermined two points is set after the intake valve is opened and before the start of combustion, and the other is set after the start of combustion and before the exhaust valve is opened.
  • FIG. 1 is a graph showing the correlation between the control parameter PV K used in the present invention and the amount of heat generated in the combustion chamber.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an internal combustion engine according to the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart for explaining the operation of the internal combustion engine in FIG. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • the present inventors have intensively studied to enable highly accurate control of an internal combustion engine while reducing the calculation load. As a result, the present inventors focus on the control parameters calculated based on the in-cylinder pressure detected by the in-cylinder pressure detecting means and the in-cylinder volume at the time of detecting the in-cylinder pressure. Reached.
  • the present inventors assume that the in-cylinder pressure detected by the in-cylinder pressure detection means when the crank angle is 0 is P ( ⁇ ), and the cylinder volume when the crank angle is is V ( ⁇ ), and the specific heat ratio is ⁇ , the product of the in-cylinder pressure P (and the value V K ( ⁇ ) of the in-cylinder pressure V ( ⁇ ) raised to the power of the specific heat ratio (predetermined index) ⁇ Obtained control parameters overnight P ( ⁇ ) ⁇ Focused on V K ( ⁇ ) (hereinafter referred to as “PV K ” as appropriate).
  • the solid line is a value obtained by raising the in-cylinder pressure detected at a predetermined minute crank angle in a predetermined model cylinder at a predetermined small crank angle and the in-cylinder volume at the time of detecting the in-cylinder pressure by a predetermined specific heat ratio / c.
  • This is a plot of the control parameter PV K , which is the product of the two.
  • the misfire state in the cylinder can be reduced with a low load based on the control parameter PV ⁇ calculated based on the cylinder pressure detected by the cylinder pressure detection means and the cylinder volume at the time of detection of the cylinder pressure.
  • the control parameter PV ⁇ calculated based on the cylinder pressure detected by the cylinder pressure detection means and the cylinder volume at the time of detection of the cylinder pressure.
  • the in-cylinder pressure detected by the in-cylinder pressure detecting means for detecting the in-cylinder pressure and the A control parameter calculated based on the in-cylinder volume at the time of detection that is, a value obtained by raising the in-cylinder pressure detected by the in-cylinder pressure detecting means and the in-cylinder volume at the time of detecting the in-cylinder pressure to a power of a predetermined index.
  • the misfire state in the cylinder is determined based on the control parameter (PV K ) which is the product of
  • control parameters are calculated for two predetermined points, and when the difference between the control parameters between the two predetermined points is less than the first threshold, the inside of the cylinder is in a semi-misfire state. Is determined.
  • the difference between the control parameters between the predetermined two points is less than a first threshold and is less than a second threshold smaller than the first threshold, the inside of the cylinder is reduced. It is determined that there is a complete misfire.
  • the control parameter PV K over which the present inventors have paid attention reflects the heat generation amount Q in the cylinder of the internal combustion engine. Further, the difference between the control parameters PV K between two predetermined points (for example, two points before and after the start of combustion in the cylinder) indicates the heat generation amount S d Q in the cylinder between the two points, and is extremely low. It can be calculated by the load. Then, the heat generation amount S d Q in the cylinder between the two points is In the case where the cylinder is in a semi-misfire state, for example, the heat generation amount 5 dQ falls within a predetermined range.
  • the misfire state in the cylinder can be accurately determined while significantly reducing the calculation load. It is possible to do.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an internal combustion engine according to the present invention.
  • An internal combustion engine 1 shown in FIG. 1 burns a mixture of fuel and air inside a combustion chamber 3 formed in a cylinder block 2 and reciprocates a piston 4 in the combustion chamber 3. It generates power.
  • the internal combustion engine 1 is preferably configured as a multi-cylinder engine, and the internal combustion engine 1 of the present embodiment is configured as, for example, a four-cylinder engine.
  • each combustion chamber 3 is connected to a P and trachea (intake manifold) 5, respectively, and the exhaust port of each combustion chamber 3 is connected to an exhaust pipe 6 (exhaust manifold).
  • the cylinder head of the internal combustion engine 1 is provided with an intake valve Vi and an exhaust valve Ve for each combustion chamber 3.
  • Each intake valve V i opens and closes a corresponding intake port
  • each exhaust valve V e opens and closes a corresponding exhaust port.
  • Each intake valve V i and each exhaust valve V e are operated, for example, by a valve operating mechanism (not shown) having a variable valve timing function.
  • the internal combustion engine 1 has a number of spark plugs 7 corresponding to the number of cylinders, and the spark plugs 7 are arranged on the cylinder head so as to face the corresponding combustion chambers 3.
  • the intake pipe 5 is connected to a surge tank 8 as shown in FIG. S —An air supply line L 1 is connected to the tank 8, and the air supply line L 1 is connected to an air intake (not shown) via an air cleaner 9. Further, a throttle valve (in this embodiment, an electronically controlled throttle valve) 10 is incorporated in the middle of the air supply line L1 (between the surge tank 8 and the air cleaner 9).
  • a first-stage catalyst device 11a including a three-way catalyst and a second-stage catalyst device 11b including a NOx storage reduction catalyst are connected to the exhaust pipe 6, as shown in FIG. 2, a first-stage catalyst device 11a including a three-way catalyst and a second-stage catalyst device 11b including a NOx storage reduction catalyst are connected.
  • the internal combustion engine 1 has a plurality of injectors 12, and each injector 12 is arranged on the cylinder head so as to face the corresponding combustion chamber 3, as shown in FIG.
  • each piston 4 of the internal combustion engine 1 is configured as a so-called deep dish top surface type, and has a concave portion 4a on its upper surface.
  • fuel such as gasoline is directly injected from each injector 12 toward the recess 4 a of the piston 4 in each combustion chamber 3 in a state where air is sucked into each combustion chamber 3. You.
  • a layer of a mixture of fuel and air is formed near the spark plug 7 in a state separated from the surrounding air layer (stratification), so that an extremely lean mixture is used.
  • the internal combustion engine 1 according to the present embodiment is described as a so-called direct injection engine, the invention is not limited to this, and the present invention can be applied to an intake pipe (intake port) injection type internal combustion engine. Needless to say.
  • the above-described ignition plugs 7, throttle valves 10, injectors 12, valve trains, and the like are electrically connected to an ECU 20 that functions as a control device of the internal combustion engine 1.
  • the ECU 20 includes a CPU, a ROM, a RAM, input / output ports, and a storage device, all of which are not shown.
  • various sensors such as the crank angle sensor 14 of the internal combustion engine 1 are electrically connected to the ECU 20.
  • the ECU 20 stores various types of data stored in the storage device.
  • the ignition plug 7, the throttle valve 10, the injector 12, the valve operating mechanism, and the like are controlled so as to obtain a desired output based on the detection values of various sensors using a map and the like.
  • the internal combustion engine 1 has in-cylinder pressure sensors (in-cylinder pressure detecting means) 15 including semiconductor elements, piezoelectric elements, optical fiber detecting elements, and the like in a number corresponding to the number of cylinders.
  • Each in-cylinder pressure sensor 15 is disposed on the cylinder head such that the pressure receiving surface faces the corresponding combustion chamber 3, and is electrically connected to the ECU 20.
  • Each in-cylinder pressure sensor 15 detects a corresponding in-cylinder pressure in the combustion chamber 3 and sends a signal indicating the detected value to the ECU 20.
  • the ECU 20 determines the target torque of the internal combustion engine 1 based on a signal from an accelerator position sensor (not shown). And set the intake air amount (opening of the throttle valve 10) and the fuel injection amount (fuel injection time) from each injector 12 according to the target torque using a prepared map etc. S 10). Further, in S12, the ECU 20 sets the opening of the throttle valve 10 to the opening determined in S10, and, from each injector 12, for example, sets the amount of fuel determined in S10 during the intake stroke. Inject.
  • the ECU 20 monitors the crank angle of the internal combustion engine 1 based on a signal from the crank angle sensor 14. Then, the ECU 20 sets the first timing (the crank angle becomes 0 2) set for each combustion chamber 3 after opening of each intake valve Vi and before ignition by each spark plug 7. (Timing), the in-cylinder pressure P ( ⁇ ,) when the crank angle becomes 0 ° is obtained based on the signal from the in-cylinder pressure sensor 15 (S14). Further, the ECU 20 obtains the obtained in-cylinder pressure P ( ⁇ !
  • the first timing is set to a timing sufficiently before the time when combustion starts in each combustion chamber 3 (at the time of ignition).
  • the value of V K ( ⁇ ,) (in this embodiment, the value of V K ( ⁇ 60 °)) is calculated in advance and stored in the storage device.
  • the ECU 20 determines, for each combustion chamber 3, the second timing (the crank angle is S 2) set after ignition by each spark plug 7 and before opening of each exhaust valve Ve. ), The in-cylinder pressure P ( ⁇ 2 ) when the crank angle becomes 0 2 is acquired based on the signal from the in-cylinder pressure sensor 15 (S18). Further, the ECU 20 detects the acquired in-cylinder pressure P ( ⁇ 2 ) and the in-cylinder volume V ( ⁇ 2 ) when the in-cylinder pressure ⁇ ( ⁇ 2 ) is detected, that is, when the crank angle becomes 0 2.
  • the control parameter ⁇ ( ⁇ 2 ) ⁇ ⁇ ⁇ (S 2 ), which is the product of the specific heat ratio ⁇ (in this embodiment, ⁇ 1.32) and the value raised to the power, is calculated for each combustion chamber 3. (S20).
  • the second timing is preferably set to a timing at which the combustion of the air-fuel mixture in the combustion chamber 3 is substantially completed.
  • the value of V K ( ⁇ 2 ) (the value of V K (90 °) in the present embodiment) is calculated in advance and stored in the storage device.
  • V K ( ⁇ 2 ) the ECU 20 calculates, for each combustion chamber 3, the difference between the control parameters PV ⁇ over the first and second evenings,
  • PV K P ( ⁇ 2 ) ⁇ ⁇ ⁇ ( ⁇ 2 ) — ⁇ ( ⁇ ⁇ ) ⁇ ⁇ ⁇ ( ⁇ 1 )
  • the difference ⁇ PV K is, as described above, the amount of heat generated in each combustion chamber 3 ⁇ dQ between the second timing and the first timing (between two predetermined points), that is, the first time It shows the amount of heat generated in the combustion chamber 3 from the start to the second timing.
  • the difference ⁇ ⁇ ⁇ V K between the control parameters PV K that well reflects the heat generation amount between the first timing and the second timing is obtained by the combustion chamber 3 It is calculated simply and quickly for each case. This makes it possible to greatly reduce the calculation load on the ECU 20 as compared with the case where the in-cylinder pressure is integrated for each minute unit crank angle and the misfire state in each combustion chamber 3 is determined.
  • the difference ⁇ ⁇ indicating the heat generation amount S dQ in any one of the combustion chambers 3 between the second timing and the first timing (between two predetermined points) is defined as It changes according to the degree of misfire in, for example, when the combustion chamber 3 as in the semi-misfire state, the difference Derutaronyu kappa, becomes smaller than a predetermined value. Also, if within the combustion chamber 3 is in a complete misfire state, the difference Derutaronyu kappa, becomes the smaller than a predetermined value (zero in theory).
  • ECU20 determines whether or not the difference Derutaronyu kappa is below a first threshold predetermined (S 24).
  • S 24 when the difference Derutaronyu kappa total combustion chamber 3 is determined to not below the first threshold value alpha, ECU 2 0 considers that a misfire has not occurred in any of the combustion chamber 3, S Return to 10, and repeat the subsequent series of processing.
  • the difference ⁇ PV K is If the ECU 20 determines that the value is below the threshold ⁇ of 1, the ECU 20 determines that the inside of the combustion chamber 3 is in a semi-misfire state, and increments a counter (not shown) corresponding to the combustion chamber by 1 (S26). ). Further, the ECU 20 determines whether or not the count value of the counter exceeds a predetermined threshold (S28).
  • the ECU 20 uses a predetermined map or the like to open the throttle valve 10 and the fuel injection from the injector 12.
  • the ECU 20 determines in S28 that the count value of the count has exceeded a predetermined threshold value, that is, when it determines that the number of misfires in the combustion chamber 3 has exceeded the threshold value.
  • the counter is reset (S32), and further, it is determined whether or not the difference APV K obtained in S22 is smaller than a second threshold value 0 (however, three digits) (S34). If it is determined at 334 that the difference 1 ⁇ 2 is smaller than the second threshold value / 3, the ECU 20 determines that the inside of the combustion chamber 3 is in a completely misfired state due to, for example, a trouble of the ignition plug 7. Then, a predetermined warning is displayed (S36).
  • the ECU 20 uses a predetermined map or the like to open the throttle valve 10 and the fuel injection amount from the injector 12.
  • the opening and closing timing of the intake valves V i and Z or the exhaust valve V e, and in the case of an internal combustion engine equipped with an exhaust gas recirculation system, at least one of the exhaust gas recirculation rates is determined by the difference ⁇ Correct according to ⁇ (S30).
  • the in-cylinder pressure detected by the in-cylinder pressure sensor 15? ( ⁇ ) and the control parameter calculated based on the in-cylinder volume V ( ⁇ ) when the in-cylinder pressure P ( ⁇ ) is detected that is, the in-cylinder pressure P (0 )
  • the value obtained by raising the in-cylinder volume V ( ⁇ ) at the time of detection of the in-cylinder pressure P ( ⁇ ) by a predetermined index ⁇ , based on the control parameter PV K Is accurately determined with a low load.
  • the throttle opening, the fuel injection amount, the valve opening / closing timing, the exhaust gas, and the like are set so as to eliminate the misfire. At least one of the reflux rate and the like is corrected.
  • the present invention can be applied to a diesel engine.
  • the present invention relates to a diesel engine This is effective when applied to the determination of the misfire when performing the litch operation or the misfire determination when performing the so-called lean limit operation in various internal combustion engines.
  • the present invention is useful for realizing a practical internal combustion engine control device and a method for determining a misfire of an internal combustion engine that can accurately determine a misfire state in a cylinder with a low load.

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Abstract

 内燃機関(1)は、燃料および空気の混合気を燃焼室(3)内で燃焼させて動力を発生する。内燃機関(1)は、筒内圧センサ(15)およびECU(20)を備える。ECU(20)は、筒内圧センサ(15)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所定の2点について算出すると共に、所定の2点間における当該制御パラメータの差分に基づいて、燃焼室(3)内における失火状態を判定する。

Description

内燃機関の制御装置および内燃機関の失火判定方法
技術分野
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内燃機関の失火判定方法に関する。
細 1
背景技術
従来から、 特許文献 1は、 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内燃機関の燃焼状態検出装置を開示している。 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。
しかしながら、 上述の従来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。
【特許文献 1】 特開平 1 1— 8 2 1 5 0号公報は、
発明の開示
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内燃機関の失火判定方法を提供する。 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 内容積とに基づいて制御パラメータを算出する演算手段と、 演算手段によって 算出された制御パラメータに基づいて、 筒内における失火状態を判定する失火 判定手段とを備えることを特徴とする。
制御パラメ一夕は、 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を所定の指数で累乗した値との積であると好 ましい。
演算手段は、所定の 2点について制御パラメータを算出し、失火判定手段は、 当該所定の 2点間における制御パラメータの差分が第 1の閾値を下回っている 場合に筒内が半失火状態にあると判断すると好ましい。
失火判定手段は、 上記所定の 2点間における制御パラメータの差分が第 1の 閾値を下回っており、 かつ、 第 1の閾値よりも小さい第 2の閾値を下回ってい る場合に筒内が完全失火状態にあると判断すると好ましい。
上記所定の 2点の一方は、 P及気弁開弁後かつ燃焼開始前に設定され、他方は、 燃焼開始の後かつ排気弁開弁前に設定されると好ましい。
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 ) 筒内圧力を検出するステップと、
( b ) 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 筒内容積とに基づいて制御パラメ一夕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含むものである。
制御パラメータは、 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と好ましい。 ステップ (b) では、 所定の 2点について制御パラメータを算出し、 ステツ プ (c ) では、 当該所定の 2点間における制御パラメータの差分が第 1の閾値 を下回っている場合に筒内が半失火状態にあると判断すると好ましい。
ステップ (c ) は、 上記所定の 2点間における制御パラメ一夕の差分が第 1 の閾値を下回っており、 かつ、 第 1の閾値よりも小さい第 2の閾値を下回って いる塲合に筒内が完全失火状態にあると判断することを含むと好ましい。
上記所定の 2点の一方は、吸気弁開弁後かつ燃焼開始前に設定きれ、他方は、 燃焼開始の後かつ排気弁開弁前に設定されると好ましい。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明において用いられる制御パラメ一夕 P V K 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。
図 2は、 本発明による内燃機関の概略構成図である。
図 3は、 図 2の内燃機関の動作を説明するためのフローチャートである。 発明を実施するための最良の形態
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一夕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 0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 ( と、 筒内容積 V ( Θ ) を比熱比 (所定 の指数) κで累乗した値 V K ( Θ ) との積として得られる制御パラメ一夕 P (Θ) · VK (Θ) (以下、 適宜 「PVK」 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一夕 PVK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、 一3 6 0° , 0° および 3 60° は、 上死点に、 一 1 80° および 1 80° 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/ cで累乗した値との積である制御パラメ一夕 PVK 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) 式に基づき、 Q= S 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. 3 2とした。
【数 1】
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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 PVK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 (ガソリンェンジ 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における約一 1 80° から約 1 3 5° 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 PVK 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。
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、 燃焼開始 (火花点火または圧縮着火) 前のある夕イミ ングから燃焼開始後のあるタイミングまでの熱発生量 dQ (dQを例えば Θ iから θ 2 〔ただし、 ぐ 〕 まで積分した値、 以下同じ) が小さくなる。 また、 当該熱発生量 5 d Qは、 筒内における失火の程度によっても変化する。 従って、 このような筒内における熱発生量 Q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 Qと制御パラメ一タ P V K 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 P V κ に基づいて筒内における失火状態を低負荷で精度よく判定することが可 能となる。
このように、 本発明による内燃機関の制御装置では、 上述のような新規な知 見に基づいて、 筒内圧力を検出する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に基づいて算出される制御パラ メータ、 すなわち、 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 (P V K ) に基づいて筒内における失火状態が判定されるのである。 そして、 好ましくは、 所定の 2点について制御パラメ一夕が算出され、 当該 所定の 2点間における制御パラメ一夕の差分が第 1の閾値を下回っている場合 に筒内が半失火状態にあると判断される。 また、 好ましくは、 上記所定の 2点 間における制御パラメ一夕の差分が第 1の閾値を下回っており、 かつ、 第 1の 閾値よりも小さい第 2の閾値を下回っている場合に筒内が完全失火状態にある と判断される。
上述のように、 本発明者らが着目した制御パラメ一夕 P V Kは、 内燃機関の 筒内における熱発生量 Qを反映するものである。 更に、 所定の 2点間 (例えば 筒内における燃焼開始の前後 2点) における制御パラメ一夕 P V K の差分は、 当該 2点間における筒内での熱発生量 S d Qを示し、 極めて低負荷で算出し得 るものである。 そして、 当該 2点間における筒内での熱発生量 S d Qは、 筒内 における失火の程度に応じて変化し、 例えば筒内が半失火状態にあるような場 合、 当該熱発生量 5 d Qは、 所定の範囲内に収まることになる。 従って、 所定 の 2点間における制御パラメ一夕 P V Kの差分と、 第 1および第 2の閾値とを 比較することにより、 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。 この場合、 上記所定の 2点の一方は、 吸気弁開弁後かつ燃焼開始前に設定され、 他方は、 燃焼開始の後かつ排気弁開 弁前に設定されると好ましい。
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、 シリンダブ口ック 2に形成された燃燒室 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、 P及気管 (吸気マ二ホールド) 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 (排気マ二ホールド) にそれぞれ 接続されている。 また、 内燃機関 1のシリンダへッドには、 吸気弁 V iおよび 排気弁 V eが燃焼室 3ごとに配設されている。 各吸気弁 V iは、 対応する吸気 ポートを開閉し、 各排気弁 V eは、 対応する排気ポートを開閉する。 各吸気弁 V iおよび各排気弁 V e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 うにシリンダへ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 —ジタンク 8には、 給気ライン L 1が接続されており、 給気ライン L 1は、 ェ ァクリーナ 9を介して図示されない空気取入口に接続されている。 そレて、 給 気ライン L 1の中途 (サ一ジタンク 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、 三元触媒を含む前段 触媒装置 11 aおよび NOx吸蔵還元触媒を含む後段触媒装置 1 1 b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 4 a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、 各インジェク夕 12から各燃 焼室 3内のピストン 4の凹部 4 a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 ECU 20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, 入出力ポ一ト、 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 1 0、 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) 1 5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、 ECU 20に電気的に接続されている。 各筒内圧 センサ 15は、 対応する燃焼室 3における筒内圧力を検出し、 検出値を示す信 号を ECU20に与える。
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が始動された後、 アイドル状態からアイドルオフ状態に移行する と、 図 3に示されるように、 ECU 20は、 図示されないアクセル位置センサ からの信号等に基づいて内燃機関 1の目標トルクを定めると共に、 予め用意さ れているマップ等を用いて目標トルクに応じた吸入空気量 (スロットルバルブ 10の開度) および各インジェク夕 12からの燃料噴射量 (燃料噴射時間) を 設定する (S 10) 。 更に、 ECU 20は、 S 12にて、 スロットルバルブ 1 0の開度を S 10にて求めた開度に設定すると共に、 各インジェクタ 12から 例えば吸気行程中に S 10にて定めた量の燃料を噴射させる。
また、 ECU20は、 クランク角センサ 14からの信号に基づいて内燃機関 1のクランク角をモニタしている。 そして、 ECU20は、 燃焼室 3ごとに、 各吸気弁 V i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 れた第 1のタイミング (クランク角が 02 となるタイミング) になると、 筒内 圧センサ 1 5からの信号に基づいて、 クランク角が 0ェ となる時の筒内圧力 P (Θ , ) を取得する (S 14) 。 更に、 ECU 20は、 取得した筒内圧力 P (Θ ! ) と、 筒内圧力 P (θ τ ) の検出時、 すなわち、 クランク角が S t となる時の 筒内容積 V (Θ, ) を比熱比/ c (本実施形態では、 κ = 32) で累乗した 値との積である制御パラメ一夕 Ρ (θ i ) ·νκ (0 ) を燃焼室 3ごとに算出 し、 RAMの所定の記憶領域に記憶させる (S 16) 。
第 1のタイミングは、 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 =ー60° 、 すなわち、 上死点前 60° ) とされている。 また、 VK (Θ , ) の値 (本実施形態では、 VK (-6 0° ) の値) は、 予め算出された上で記憶装置に記憶されている。
S 16の処理の後、 ECU20は、 燃焼室 3ごとに、 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た第 2のタイミング (クラ ンク角が S2 となるタイミング) になると、 筒内圧センサ 15からの信号に基 づいて、クランク角が 02 となる時の筒内圧力 P (θ 2 )を取得する(S 18)。 更に、 ECU20は、 取得した筒内圧力 P (θ2 ) と、 筒内圧力 Ρ (θ2 ) の検 出時、すなわち、クランク角が 02 となる時の筒内容積 V (θ2 )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 Ρ (Θ 2 ) ·νκ (S2 ) を燃焼室 3ごとに算出し、 RAMの所定の記憶領域に記憶さ せる (S 20) 。 第 2のタイミングは、 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 (02 = 90° 、 すなわち、 上死点後 90° ) とされ ている。 また、 VK2 ) の値 (本実施形態では、 VK (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、制御パラメ一夕 P (Θ ) · VK (0 )および Ρ (θ 9 ) · VK2 ) を求めると、 ECU 20は、 燃焼室 3ごとに、 第 1および第 2の夕 ィミングの間における制御パラメ一夕 P V κ の差分を、
厶 PVK =P ( Θ 2 ) · νκ2 ) — Ρ ( θ χ ) · νκ1 )
として算出し、 RAMの所定の記憶領域に記憶させる (S 22) 。 この差分△ PVK は、 上述のように、 第 2のタイミングと第 1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 ί dQ、 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、 S 14から S 22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一夕 PVK の差分 ΔΡ VK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、 第 2のタイミングと第 1のタイミングとの間 (所定の 2点間) にお ける何れかの燃焼室 3での熱発生量 S dQを示す差分 ΔΡνκ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 ΔΡνκは、 所定の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 ΔΡνκは、 当該所定の値よりも 小さく (理論的にはゼロ) になる。 このため、 S 22にて差分 ΔΡνκ を求め ると、 ECU20は、 燃焼室 3ごとに、 差分 ΔΡνκが予め定められている第 1の閾値 を下回っているか否か判定する (S 24) 。 S 24にて、 全燃焼室 3の差分 ΔΡνκが第 1の閾値 αを下回っていないと判断した場合、 ECU 2 0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、 S 10に戻 つてそれ以降の一連の処理を繰り返す。
一方、 S 24にて、 少なくとも何れかの燃焼室 3について差分 Δ P VK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夕 を 1だけインクリメントする (S 26) 。 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超えているか否か判定する(S 28)。
S 28にてカウンタのカウント値が予め定められている閾値を超えていないと 判断した場合、 ECU20は、 所定のマップ等を用いて、 スロットルバレブ 1 0の開度、 インジェクタ 12からの燃料噴射量、 吸気弁 V i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つ ては排ガス還流率の少なくとも何れか一つを S 22にて求めた差分 APVK に 応じて補正する (S 30) 。
すなわち、 内燃機関 1では、 第 1のタイミングと第 2のタイミングとの間に おける制御パラメータ PVKの差分 ΔΡνκが第 1の閾値 αを下回っても、差分 △ PVKが第 1の閾値 a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(S 30) 、 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、 ECU 20は、 S 28にてカウン夕のカウント値が予め定められてい る閾値を超えたと判断した場合、 すなわち、 その燃焼室 3における失火の発生 回数が当該閾値を超えたと判断した場合、そのカウンタをリセットし(S 32)、 更に、 S 22にて求めた差分 APVKが第 2の閾値 0 (ただし、 3くひである) を下回っているか否か判定する (S 34) 。 そして、 334にて差分 ½ が第 2の閾値 /3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 (S 36) 。 S 34にて差分 APVKが第 2の閾値 ]3を下回っていないと判断した場合、 ECU 20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 V iおよび Zまたは排気弁 V e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 S 22にて求められた差分 ΔΡνκに応じて補正 する (S 30) 。 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 ΔΡνκが第 2の閾値 j3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 (S 30) 、 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。 そして、 S 30または S 36の処理後、 E CU20は、 S 10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、 筒内圧センサ 15によって検出される筒内圧 力? (Θ) と当該筒内圧力 P (Θ) の検出時における筒内容積 V (Θ) とに基 づいて算出される制御パラメータ、 すなわち、 筒内圧センサ 15によって検出 される筒内圧力 P (0) 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一夕 PVK 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、 バルブ開閉夕イミ 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 闋 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。
なお、 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ツ チ運転を実行する際のリツチ失火の判定や、 各種内燃機関においていわゆるリ ーンリミツ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。
産業上の利用可能性
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内燃機関の失火判定方法の実現に有用である。

Claims

請 求 の 範 囲
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 における筒内容積とに基づいて制御パラメ一夕を算出する演算手段と、 前記演算手段によって算出された前記制御パラメータに基づいて、 前記筒内 における失火状態を判定する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 . 前記制御パラメータは、 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 . 前記演算手段は、 所定の 2点について前記制御パラメータを算出し、 前 記失火判定手段は、 前記所定の 2点間における前記制御パラメータの差分が第
1の闞値を下回っている場合に前記筒内が半失火状態にあると判断することを 特徴とする請求項 2に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記失火判定手段は、 前記所定の 2点間における前記制御パラメータの 差分が前記第 1の閾値を下回っており、 かつ、 前記第 1の閾値よりも小さい第 2の閾値を下回っている場合に前記筒内が完全失火状態にあると判断すること を特徴とする請求項 3に記載の内燃機関の制御装置。
5 . 前記所定の 2点の一方は、 吸気弁開弁後かつ燃焼開始前に設定され、 他 方は、 前記燃焼開始の後かつ排気弁開弁前に設定されることを特徴とする請求 項 3に記載の内燃機関の制御装置。
6 . 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 ) 筒内圧力を検出するステップと、
( b) 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 る筒内容積とに基づいて制御パラメ一夕を算出するステップと、
( c ) ステップ (b) で算出した前記制御パラメータに基づいて、 前記筒内 における失火状態を判定するステップとを含むことを特徴とする内燃機関の失 火判定方法。
7 . 前記制御パラメ一夕は、 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こと を特徴とする請求項 6に記載の内燃機関の失火判定方法。
8 . ステップ(b )では、 所定の 2点について前記制御パラメ一タを算出し、 ステップ (c ) では、 前記所定の 2点間における前記制御パラメ一夕の差分が 第 1の閾値を下回っている場合に前記筒内が半失火状態にあると判断すること を特徴とする請求項 7に記載の内燃機関の失火判定方法。
9 . ステップ (C ) は、 前記所定の 2点間における前記制御パラメータの差 分が前記第 1の閾値を下回っており、 かつ、 前記第 1の閾値よりも小さい第 2 の閾値を下回っている場合に前記筒内が完全失火状態にあると判断することを 含む請求項 8に記載の内燃機関の失火判定方法。
1 0 . 前記所定の 2点の一方は、 吸気弁開弁後かつ燃焼開始前に設定され、 他方は、 前記燃焼開始の後かつ排気弁開弁前に設定されることを特徴とする請 求項 8に記載の内燃機関の失火判定方法。
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