WO2018096894A1 - 内燃機関の診断装置および診断方法、並びに、内燃機関の制御装置および制御方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an internal combustion engine diagnosis device and method, and an internal combustion engine control device and control method.
- the present invention relates to a diagnostic device and a diagnostic method for diagnosing the combustion state of fuel in each cylinder of a multi-cylinder internal combustion engine, and a control device and a control method for controlling the internal combustion engine according to the result of the diagnosis.
- a fuel supply amount (hereinafter also referred to as a fuel injection amount) directed to each cylinder controls the valve opening time of the injector according to the fuel pressure in the fuel supply system. (For example, refer patent document 1).
- the fuel combustion in that cylinder is It is not performed (the target combustion amount cannot be obtained).
- the target combustion amount cannot be obtained.
- the cause of this failure is not only the variation in the fuel injection amount from each injector, but also the influence of the fuel properties.
- JP 2001-65397 A Japanese Patent No. 5770657
- the inventors of the present invention diagnose the combustion state of fuel in each cylinder (for example, diagnose whether or not the fuel injection amount from each injector varies), and an internal combustion engine according to the result of the diagnosis (For example, correction of the fuel injection amount that eliminates the variation in the fuel injection amount from each injector) was considered.
- a multi-cylinder internal combustion engine equipped with an exhaust turbine supercharger hereinafter sometimes referred to as a turbocharger
- turbocharger there is a correlation between the combustion state of fuel in each cylinder and fluctuations in the rotational speed of the turbocharger
- Patent Document 2 discloses that the rotational speed of a turbocharger is detected by a turbo sensor. However, in Patent Document 2, the disconnection of the turbo sensor is detected by an output signal from the turbo sensor. However, there is no disclosure regarding the diagnosis of the combustion state of the fuel in each cylinder and the control of the internal combustion engine according to the diagnosis result.
- the present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide an internal combustion engine diagnosis apparatus and diagnosis that can appropriately perform diagnosis of the combustion state of fuel in each cylinder of a multi-cylinder internal combustion engine. It is an object of the present invention to provide an internal combustion engine control device and a control method capable of appropriately controlling the internal combustion engine according to the method and the result of the diagnosis.
- a solution means of the present invention is an internal combustion engine diagnosis apparatus for diagnosing the combustion state of fuel in each cylinder of a multi-cylinder internal combustion engine equipped with an exhaust turbine supercharger, Rotational speed detecting means for outputting a signal corresponding to the rotational speed of the turbine supercharger or a signal correlated with fluctuations in the rotational speed of the exhaust turbine supercharger, and frequency characteristics of the signal output from the rotational speed detecting means And a combustion state diagnosing unit for diagnosing variation in the combustion state of the fuel between the cylinders by performing frequency analysis by fast Fourier transform.
- the combustion state diagnosis unit outputs a signal output from the rotational speed detection means (a signal corresponding to the rotational speed of the exhaust turbine supercharger or a signal correlated with fluctuations in the rotational speed of the exhaust turbine supercharger).
- a signal output from the rotational speed detection means a signal corresponding to the rotational speed of the exhaust turbine supercharger or a signal correlated with fluctuations in the rotational speed of the exhaust turbine supercharger.
- the combustion state diagnostic unit obtains an operating point corresponding to the complex plane by performing frequency analysis by the fast Fourier transform, and a coordinate axis of the complex plane of a vector from the origin on the complex plane to the operating point; It is preferable that the variation in the combustion state of the fuel between the cylinders is diagnosed based on the angle formed by and the vector length.
- the combustion state diagnosis unit identifies a cylinder in which the combustion state of fuel is different from other cylinders based on an angle formed with the coordinate axis of the complex plane in the vector, and based on the vector length
- the deviation between the state quantity related to the combustion of the fuel in the specified cylinder and the state quantity in the other cylinder is specified.
- the cylinder on which the fuel combustion state is different from the other cylinders can be specified by the vector on the complex plane, and the state quantity related to the fuel combustion in the specified cylinder can be determined. Deviations from the state quantities in other cylinders can be specified. That is, the variation in the combustion state of the fuel between the cylinders can be diagnosed in detail.
- the combustion state diagnosing unit includes a frequency intensity obtained by dividing a combustion frequency obtained from a signal output from the rotation speed detection means by the number of cylinders of the multi-cylinder internal combustion engine, and the combustion frequency as the multi-cylinder internal combustion engine.
- the intensity of the former frequency is higher than the intensity of the latter frequency
- the fuel in one of the cylinders is compared.
- the combustion state of the fuel is different from the combustion state of the fuel in each of the other cylinders, or the combustion state of the fuel in each of the plurality of cylinders in which the combustion stroke continues among the cylinders is the combustion of the fuel in each of the other cylinders It is preferably configured to diagnose that the condition is different.
- the combustion state diagnosing unit includes a frequency intensity obtained by dividing a combustion frequency obtained from a signal output from the rotation speed detection means by the number of cylinders of the multi-cylinder internal combustion engine, and the combustion frequency as the multi-cylinder internal combustion engine.
- the intensity of the latter frequency is higher than the intensity of the former frequency, the piston of each cylinder reciprocates in the same phase. It is preferable that the fuel combustion state in each of the plurality of cylinders that move and the combustion strokes do not continue is diagnosed as being different from the fuel combustion state in each of the other cylinders.
- an execution permission condition for combustion state diagnosis is given to at least one state quantity of the engine speed, engine load, cooling water temperature, intake air pressure, exhaust pressure, intake air temperature, and atmospheric pressure of the multi-cylinder internal combustion engine.
- the combustion state diagnosis unit is configured to diagnose a variation in the combustion state of the fuel between the cylinders when a condition for permitting execution of the combustion state diagnosis is satisfied.
- the state quantity may affect the reliability of the combustion state diagnosis. Therefore, only when the reliability of the combustion state diagnosis is within the range of the state quantity that can sufficiently ensure the combustion state diagnosis, a condition for permitting execution of the combustion state diagnosis is given to the state quantity so as to permit the diagnosis of the variation in the combustion state. I have to. That is, in the situation where the state quantity is a value that adversely affects the reliability of the combustion state diagnosis, the combustion state diagnosis is prohibited. Thereby, the reliability of the combustion state diagnosis can be sufficiently ensured.
- the multi-cylinder internal combustion engine includes an EGR device that recirculates exhaust gas in an exhaust system to an intake system, and the combustion state diagnosis unit is provided with a condition that recirculation of exhaust gas by the EGR device is stopped. Furthermore, it is preferable that the fuel combustion state variation between the cylinders is diagnosed.
- the rotational speed detection outputs a signal corresponding to the rotational speed of the exhaust turbine supercharger.
- the means is arranged in the vicinity of the high-pressure side exhaust turbine supercharger and outputs a signal corresponding to the rotational speed of the high-pressure side exhaust turbine supercharger.
- the present invention utilizes a phenomenon in which the rotational speed of the exhaust turbine supercharger varies due to energy pulsation during exhaust blowdown for each cylinder. For this reason, the reliability of the combustion state diagnosis is ensured by arranging the rotational speed detection means in the vicinity of the high-pressure side exhaust turbine supercharger where the fluctuation of the rotational speed is greatly influenced by the energy pulsation. can do.
- the diagnostic method performed in the above-described internal combustion engine diagnostic apparatus is also within the scope of the technical idea of the present invention. That is, a diagnostic method for an internal combustion engine for diagnosing the combustion state of fuel in each cylinder of a multi-cylinder internal combustion engine equipped with an exhaust turbine supercharger, the signal corresponding to the rotational speed of the exhaust turbine supercharger or the This is an internal combustion engine diagnosis method for diagnosing variations in the combustion state of fuel between cylinders by performing frequency analysis on the frequency characteristics of a signal correlated with fluctuations in the rotational speed of the exhaust turbine supercharger by fast Fourier transform.
- the combustion of fuel in each cylinder can be effectively performed by using a signal corresponding to the rotational speed of the exhaust turbine supercharger or a signal correlated with fluctuations in the rotational speed of the exhaust turbine supercharger. It is possible to properly diagnose the condition.
- control device that controls the internal combustion engine in accordance with the diagnosis result of the internal combustion engine diagnostic device is also within the scope of the technical idea of the present invention.
- the control device of the internal combustion engine includes a variation elimination correction unit that corrects a control amount for changing the combustion state of the fuel for each cylinder so as to eliminate variation in the combustion state of the fuel between the cylinders. .
- the variation elimination correction unit corrects the control amount that changes the combustion state of the fuel according to the diagnosis result, and the variation in the combustion state of the fuel between the cylinders is eliminated. For this reason, the combustion of fuel in each cylinder is optimized, and it is possible to suppress a decrease in engine output, an increase in rotational fluctuation, a deterioration in exhaust emission, and the like.
- the variation eliminating correction unit is an exhaust gas adjusted by the opening of the wastegate valve or the variable displacement mechanism. It is preferable that the control amount is corrected according to the flow path area.
- the variation elimination correction unit corrects the control amount, so that the control amount can be optimized.
- control method for controlling the internal combustion engine in accordance with the diagnosis result of the internal combustion engine diagnosis method described above is also within the scope of the technical idea of the present invention. That is, the control method of the internal combustion engine corrects the control amount for changing the combustion state of the fuel for each cylinder so as to eliminate the variation in the combustion state of the fuel between the cylinders.
- this control method corrects the control amount that changes the combustion state of the fuel according to the diagnosis result, and eliminates the variation in the combustion state of the fuel between the cylinders. For this reason, it is possible to suppress a decrease in engine output, an increase in rotational fluctuation, a deterioration in exhaust emission, and the like.
- the following diagnostic apparatus is also within the scope of the technical idea of the present invention. That is, it is an internal combustion engine diagnosis device that diagnoses the combustion state of fuel in each cylinder of a multi-cylinder internal combustion engine equipped with an exhaust turbine supercharger, and outputs a signal corresponding to the rotational speed of the multi-cylinder internal combustion engine.
- a combustion state diagnosis unit for diagnosing the combustion state of fuel in each cylinder.
- a control device that controls the internal combustion engine in accordance with the result of diagnosis by the internal combustion engine diagnostic device is also within the scope of the technical idea of the present invention. That is, the total fuel supply amount supplied to each cylinder during one cycle of the multi-cylinder internal combustion engine is divided by the number of cylinders to obtain an average fuel supply amount, and the target fuel in each cylinder determined according to the required output
- the control apparatus for an internal combustion engine includes a fuel supply amount correction unit that corrects the fuel supply amount for each cylinder by a deviation between the supply amount and the average fuel supply amount.
- the fuel supply amount correction unit corrects the fuel supply amount in each cylinder according to the diagnosis result, and adjusts the actual total fuel supply amount to the total fuel supply amount according to the required output. It becomes possible. As a result, a total fuel supply amount corresponding to the required output can be obtained.
- the diagnosis of the combustion state according to the present invention can also be used for detection of misfire caused by a change in fuel properties (for example, cetane number of fuel).
- FIG. 6 is a graph showing a comparison of the intensities of frequencies F1 to F4 when the fuel injection amount in each of the two cylinders in which the combustion stroke is not continuous among the four cylinders is different from the fuel injection amount in each of the other two cylinders. .
- FIG. 1 It is a figure showing the operating point made to respond
- the operating point corresponding to the complex plane by the fast Fourier transform is FIG.
- the operating point corresponding to the complex plane by the fast Fourier transform is FIG.
- FIG. 1 It is a figure which shows an example of a total fuel injection amount calculation map. It is a flowchart figure which shows the procedure of the diagnostic operation and correction
- FIG. It is a figure which shows an example of the relationship between the scalar quantity L by the coefficient a, and deviation
- DELTA shift amount
- FIG. It is a figure showing the complex plane of F2 for demonstrating the method of the diagnostic method 2.
- FIG. It is a figure which shows the table
- FIG. 1 It is a figure for demonstrating the change of the exhaust gas flow path area of a waste gate valve periphery accompanying the change of the fuel injection amount. It is a figure which shows schematic structure of the turbocharger periphery of the engine which concerns on the modification 4. FIG.
- FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of an engine 1 according to the present embodiment. This engine 1 is used, for example, for ships.
- an engine 1 includes an engine main body 10 and combustion chambers 11 of four cylinders # 1, # 2, # 3, and # 4 formed in the engine main body 10. Are provided with an intake system 20 that guides intake air to 11, and an exhaust system 30 that exhausts exhaust gas generated in the combustion chambers 11, 11,.
- the engine body 10 includes a cylinder block 12 having cylinders # 1 to # 4, a cylinder head (not shown), and the like.
- the intake system 20 includes an intake pipe 21 and an intake manifold 22, and guides outside air to the combustion chambers 11, 11,... Of the cylinders # 1 to # 4 through the intake pipe 21 and the intake manifold 22.
- the intake pipe 21 includes an air filter 23, a compressor wheel 41 of an turbocharger (exhaust turbine supercharger) 40, an intercooler 24, a diesel throttle 25, and the like in order from the upstream side to the downstream side in the flow direction of the intake air. Is provided.
- the exhaust system 30 includes an exhaust pipe 31 and an exhaust manifold 32 and exhausts exhaust gas to the atmosphere via the exhaust manifold 32 and the exhaust pipe 31.
- the exhaust pipe 31 is provided with a turbine wheel 42 of the turbocharger 40, an exhaust purification device 33, and the like in order from the upstream side to the downstream side in the exhaust gas flow direction.
- the turbocharger 40 is for forcibly sending (supercharging) the intake air into the combustion chambers 11, 11,... Of the cylinders # 1 to # 4 using the fluid energy of the exhaust gas.
- the turbine wheel 42 is rotated by the fluid energy of the exhaust gas discharged from the combustion chambers 11, 11,... Of the engine body 10 to the exhaust pipe 31.
- the compressor wheel 41 is connected to the turbine wheel 42 via a rotating shaft 43 so as to rotate together with the turbine wheel 42.
- the engine body 10 is provided with a fuel supply device 50 for supplying fuel to the combustion chambers 11, 11,... Of the cylinders # 1 to # 4.
- the fuel supply device 50 is a common rail type fuel supply device, and a common rail 51 that stores fuel of a predetermined pressure, and a combustion chamber 11 for injecting fuel stored in the common rail 51 into the combustion chambers 11, 11,. , 11,... And injectors 52, 52,..., And a high-pressure fuel pump 53 that pressurizes fuel stored in a fuel tank (not shown) and pumps the fuel to the common rail 51.
- the intake pipe 21 and the exhaust pipe 31 are connected by an exhaust recirculation pipe (EGR pipe) 61.
- the EGR pipe 61 lowers the combustion temperature by causing a part of the exhaust gas to recirculate to the intake system 20 and supplying it to the combustion chambers 11, 11,.
- the EGR pipe 61 is provided with an EGR valve 62 whose opening is adjusted by electronic control, and an EGR cooler 63 for cooling the exhaust gas passing through the EGR pipe 61.
- EGR pipe 61, EGR valve 62, EGR cooler 63 and the like constitute an EGR device (exhaust gas recirculation device) 60.
- the exhaust pipe 31 is provided with an exhaust bypass pipe 71 through which a part of the exhaust gas flows by bypassing the turbine wheel 42 of the turbocharger 40.
- the exhaust bypass pipe 71 has a wastegate valve 72. Is provided. An intake pressure in the intake pipe 21 is introduced into the actuator 73 of the waste gate valve 72, and a diaphragm in the actuator 73 is activated in accordance with the introduced intake pressure, so that the waste gate valve 72 is operated. Opening and closing operations are performed.
- the waste gate valve 72 is opened, a part of the exhaust gas flows through the exhaust bypass pipe 71 and bypasses the turbine wheel 42 of the turbocharger 40. Thereby, the increase in the rotational speed of the turbine wheel 42 is suppressed, and a stable supercharging pressure can be obtained.
- the engine ECU 100 that controls the operation of the engine 1 includes an output operation member 101, an engine rotation speed sensor (internal combustion engine rotation speed detection means) 102, a load state detection member 103, a turbo rotation speed sensor (supercharger rotation speed detection means). 104, a coolant temperature sensor 105, an intake pressure sensor 106, an exhaust pressure sensor 107, an intake temperature sensor 108, and an atmospheric pressure sensor 109 are electrically connected to each other.
- the output operation member 101 is composed of an accelerator lever or an accelerator pedal that can be manually operated, for example.
- the engine rotational speed sensor 102 is constituted by an electromagnetic pickup, and outputs a pulse signal corresponding to the rotational speed of the crankshaft 13 of the engine 1.
- an NE rotor 14 in which a plurality of convex portions and concave portions are alternately provided along the outer peripheral edge is provided on the crankshaft 13 so as to be integrally rotatable, and faces the outer peripheral edge of the NE rotor 14.
- the engine speed sensor 102 is arranged.
- a pulse signal corresponding to the engine rotation speed is output from the engine rotation speed sensor 102.
- the load state detection member 103 is an accelerator opening sensor that detects an operation amount (opening) of the output operation member 101, and outputs a signal corresponding to a load state of the engine body 10.
- the turbo rotational speed sensor 104 is constituted by an electromagnetic pickup and is disposed to face the blades of the compressor wheel 41. For this reason, every time the blade passes near the turbo rotation speed sensor 104 by the rotation of the compressor wheel 41, a pulse signal is output from the turbo rotation speed sensor 104. That is, the turbo rotation speed sensor 104 is configured to output a pulse signal corresponding to the rotation speed of the turbocharger 40. An output signal from the turbo rotation speed sensor 104 is transmitted to the F / V converter 110.
- the F / V converter 110 converts the pulse signal output from the turbo rotational speed sensor 104 into frequency data, and the converted frequency data is transmitted to the engine ECU 100.
- the cooling water temperature sensor 105 outputs a signal corresponding to the cooling water temperature of the engine 1.
- the intake pressure sensor 106 outputs a signal corresponding to the intake pressure on the downstream side of the air filter 23 in the intake pipe 21.
- the exhaust pressure sensor 107 outputs a signal corresponding to the exhaust pressure on the exhaust pipe 31 downstream of the turbine wheel 42 and upstream of the exhaust purification device 33.
- the intake air temperature sensor 108 outputs a signal corresponding to the intake air temperature upstream of the air filter 23 in the intake pipe 21.
- the atmospheric pressure sensor 109 outputs a signal corresponding to the atmospheric pressure.
- the Engine ECU100 has a calculating part (CPU) and a storage part.
- the storage unit includes a ROM that stores a control program, control data, and the like, an EEPROM that stores the setting values and the like that are not lost even when the power is turned off, and the setting values can be rewritten, and the arithmetic unit It has RAM etc. which hold
- the engine ECU 100 is configured to perform basic control of the fuel supply state of the fuel supply device 50 in accordance with the operation amount of the output operation member 101. Specifically, the engine ECU 100 determines that each of the injectors 52, 52,... Performs predetermined fuel injection according to the operation amount of the output operation member 101 detected by the load state detection member 103. Controls the electromagnetic solenoid or piezo element provided in. At the same time, the high pressure fuel pump 53 is controlled to control the fuel pressure in the common rail 51. Further, the engine ECU 100 controls the opening degree of the EGR valve 62 in accordance with the operating state of the engine 1.
- the engine ECU 100 diagnoses the combustion state of the fuel in the combustion chambers 11, 11,... Of the cylinders # 1 to # 4, and the injectors 52, 52 according to the diagnosis result. ,... Is corrected.
- the combustion state diagnosis operation and the fuel injection amount correction operation will be described later.
- each cylinder # 1 to ## is analyzed by frequency analysis of the frequency characteristics of the signal output from the turbo rotational speed sensor 104 or the engine rotational speed sensor 102 by fast Fourier transform.
- the variation of the combustion state of the fuel between 4 is diagnosed.
- the turbo rotational speed sensor 104 or the engine rotational speed sensor 102 is correlated with the rotational speed detecting means (signal according to the rotational speed of the exhaust turbine supercharger or fluctuations in the rotational speed of the exhaust turbine supercharger) in the present invention. It corresponds to a certain speed (rotation speed detecting means for outputting a signal corresponding to the engine speed).
- the engine ECU 100 diagnoses the variation in the combustion state of the fuel between the cylinders # 1 to # 4. For this reason, the functional part of the engine ECU 100 that executes the diagnosis of the variation in the combustion state corresponds to the combustion state diagnosis unit referred to in the present invention. That is, the engine ECU 100 is an example of a diagnostic device according to the present invention.
- diagnosis of the variation in the combustion state of fuel in each cylinder # 1 to # 4 the fuel injection amount from each injector 52, 52,...
- diagnosis of variation in (state quantity) the fuel injection amount from each injector 52, 52,...
- the F / V converter 110 converts the signal output from the turbo rotation speed sensor 104 to analyze the order of the turbo rotation speed signal that has been converted into frequency data, and then analyzes the turbo rotation speed signal, thereby analyzing each cylinder # 1.
- the amount of energy given to the turbine wheel 42 of the turbocharger 40 by the exhaust gas discharged from # 4 is evaluated. This energy is obtained by the combustion of fuel in the combustion chambers 11, 11,... Of the cylinders # 1 to # 4.
- the combustion frequency f cmb is calculated by the following equation (1).
- Z is the number of cylinders
- Nt is the rotational speed of the turbocharger 40
- “2” is the number of revolutions per cycle of the engine 1.
- the rotational speed of the turbocharger 40 varies according to the rotational speed of the engine 1. That is, when the exhaust gas discharged from the combustion chamber 11 by the exhaust stroke of the engine 1 reaches the turbine wheel 42 of the turbocharger 40, the rotational speed of the turbocharger 40 increases, and during other periods, the rotation of the turbocharger 40 The speed will drop. For this reason, the cycle of fluctuations in the rotational speed of the turbocharger 40 is correlated with the rotational speed of the engine 1. Therefore, the combustion frequency f cmb can also be calculated by replacing the rotational speed Nt of the turbocharger 40 in the equation (1) with the rotational speed Ne of the engine 1.
- the combustion frequency f cmb calculated by the equation (1) was divided by “4”, “2”, “1.5”, and “1”, respectively.
- Four types of frequencies F1, F2, F3, and F4 are obtained by the following equations (2) to (5). That is, the frequency F1 is a frequency obtained by dividing the combustion frequency f cmb by the number of cylinders of the engine 1, and the frequency F2 is a frequency obtained by dividing the combustion frequency f cmb by a value of “1 ⁇ 2” of the number of cylinders of the engine 1.
- FIG. 2 shows the magnitudes of the frequencies F1 to F4 when the fuel injection amount in only one cylinder among the four cylinders (the fuel injection amount from the injector 52) is different from the fuel injection amounts in the other three cylinders. It is a graph for comparing (hereinafter sometimes referred to as intensity). The graph shown in FIG. 2 is a bar graph showing the intensities of the frequencies F1 to F4 obtained by experiments or simulations.
- FIG. 2 shows three stages as an example in which the fuel injection amount in only one cylinder is larger than the fuel injection amounts in the other three cylinders (the fuel injection amounts in the other three cylinders are substantially the same).
- the fuel injection amount in only one cylinder is less than the fuel injection amount in each of the other three cylinders, and for each of the cases where the fuel injection amounts in all the cylinders are the same.
- “A”, “b” and “c” in the figure are cases where the fuel injection amount in only one cylinder is larger than the fuel injection amounts in the other three cylinders.
- the deviation amount of the fuel injection amount between the cylinders (the deviation amount between the fuel injection amount in the one cylinder and the fuel injection amount in each of the other three cylinders) is increased.
- “e”, “f”, and “g” in the figure are cases where the fuel injection amount in only one cylinder is smaller than the fuel injection amounts in the other three cylinders, and “e”, “f”.
- the amount of deviation of the fuel injection amount between the cylinders is increased in the order of “g”. Note that “d” in the figure is the case where the fuel injection amounts in all the cylinders are the same.
- the frequency when the fuel injection amount in each of the two cylinders in which the combustion stroke continues is different from the fuel injection amount in each of the other two cylinders (the fuel injection amounts in the other two cylinders are substantially the same).
- F1 to F4 were the same as those shown in FIG.
- the order of the combustion stroke is the first cylinder # 1 ⁇ the third cylinder # 3 ⁇ the second cylinder # 2 ⁇ the fourth cylinder # 4
- the fuel injection amount in each of # 3 is different from the fuel injection amount in each of the second cylinder # 2 and the fourth cylinder # 4.
- FIG. 3 compares the intensities of the frequencies F1 to F4 when the fuel injection amount in each of the two cylinders of the four cylinders where the combustion stroke is not continuous differs from the fuel injection amount in each of the other two cylinders. It is a graph. For example, when the order of the combustion stroke is the first cylinder # 1 ⁇ the third cylinder # 3 ⁇ the second cylinder # 2 ⁇ the fourth cylinder # 4, the first cylinder # 1 and the second cylinder # 4 For example, the fuel injection amount in each of # 2 is different from the fuel injection amount in each of the third cylinder # 3 and the fourth cylinder # 4.
- the graph shown in FIG. 3 is also a bar graph showing the intensities of the frequencies F1 to F4 obtained by experiments or simulations.
- FIG. 3 shows a case where the fuel injection amount in each of the two cylinders where the combustion stroke is not continuous is larger than the fuel injection amount in each of the other two cylinders (the fuel injection amounts in the other two cylinders are substantially the same).
- 3 steps as an example three steps as an example when the fuel injection amount in each of the two cylinders where the combustion stroke is not continuous is smaller than the fuel injection amount in each of the other two cylinders, and fuel injection in all the cylinders.
- “A”, “b”, and “c” in the figure are cases where the fuel injection amount in each of the two cylinders where the combustion stroke is not continuous is larger than the fuel injection amount in each of the other two cylinders.
- the fuel injection amount in only one cylinder is the fuel injection quantity in each of the other three cylinders. If the fuel injection amount in each of the two cylinders in which the combustion stroke continues is different from the fuel injection amount in each of the other two cylinders, the fuel in each of the two cylinders in which the combustion stroke does not continue When the injection amount is different from the fuel injection amount in each of the other two cylinders), a unique operating point appears.
- FIG. 4 shows operating points obtained by expanding the frequency characteristic of the frequency F1 into a Fourier series and plotting it on a complex plane.
- the operating point when the fuel injection amounts in all cylinders are the same is located at the origin on the complex plane (see “ ⁇ ” in FIG. 4).
- the operating point is not located at the origin on the complex plane and deviates from the fuel injection amount. This is the position corresponding to the cylinder in which the occurrence occurs and the amount of deviation.
- “ ⁇ ” in FIG. 4 is a case where the fuel injection amount in only one cylinder is different from the fuel injection amount in each of the other three cylinders, and the fuel injection amount in the first cylinder # 1 is different from that in the other cylinders.
- the operating point when the fuel injection amount in each of the three cylinders is small is shown. Further, the distance L from the origin at this operating point represents the deviation amount of the fuel injection amount (the deviation amount between the fuel injection amount in the first cylinder # 1 and the fuel injection amount in each of the other three cylinders). .
- a similar operating point appears when the fuel injection amount in the fourth cylinder # 4 is larger than the fuel injection amounts in the other three cylinders.
- the fuel injection amount in the second cylinder # 2 is larger than the fuel injection amount in each of the other three cylinders, or the fuel injection amount in the third cylinder # 3 is each of the other three cylinders.
- the operating point appears on the operating line indicated by the broken line in the third quadrant of the complex plane.
- the fuel injection amount in the fourth cylinder # 4 is larger than the fuel injection amounts in the other three cylinders, or the first cylinder # 1.
- the operating point appears on the operating line indicated by the broken line in the fourth quadrant of the complex plane.
- the quadrant of the operating point is specified by the angle (angle ⁇ in FIG. 4) formed by the coordinate axis of the complex plane (for example, the coordinate axis of the real part).
- Cylinders in which the fuel injection amount is different due to ⁇ one cylinder whose fuel injection amount is different from the fuel injection amount in each of the other three cylinders
- ⁇ one cylinder whose fuel injection amount is different from the fuel injection amount in each of the other three cylinders
- a fuel injection amount deviation amount a fuel injection amount deviation amount between one cylinder and each of the other three cylinders
- the cylinder in which the combustion state of the fuel is different from the other cylinders is specified based on the angle formed by the coordinate axis of the complex plane in the vector, and the fuel in the specified cylinder is determined based on the vector length. It is possible to specify the deviation between the state quantity related to combustion (fuel injection quantity in the present embodiment) and the state quantity (fuel injection quantity) in other cylinders (combustion state diagnosis unit referred to in the present invention) Function of).
- angle ⁇ changes according to the engine speed.
- an angle correction amount corresponding to the engine rotational speed is obtained in advance by experiments or the like so that the relationship between the position of the quadrant where the operating point exists and the cylinder in which the fuel injection amount is different can be obtained appropriately. It is preferable to correct the direction of the vector (the inclination of each working line) by this angle correction amount. For example, in the case of this embodiment, the higher the engine rotational speed, the more the vector direction shifts in the clockwise direction in FIG.
- FIG. 5 shows a case where the fuel injection amount in each of the two cylinders in which the combustion stroke continues is different from the fuel injection amount in each of the other two cylinders.
- the operating point “ ⁇ ” indicates the first cylinder # 1 and the fuel injection amount in the third cylinder # 3 are smaller than the fuel injection amounts in the other two cylinders, and the fuel in the first cylinder # 1.
- the injection amount and the fuel injection amount in the third cylinder # 3 are substantially the same (the decrease amount of the fuel injection amount in the first cylinder # 1 and the decrease amount of the fuel injection amount in the third cylinder # 3). Represents the operating point.
- the vector from the origin to this operating point “ ⁇ ” is a vector on the third quadrant side (the vector on the operating line in the third quadrant).
- the vector from the origin to the operating point “ ⁇ ”) and the vector on the fourth quadrant side (the vector on the operating line in the fourth quadrant, the vector going from the origin to the operating point “ ⁇ ”).
- the fuel injection amount in the third cylinder # 3 is smaller than the fuel injection amounts in the second cylinder # 2 and the fourth cylinder # 4.
- the length of this vector corresponds to the amount of deviation between the fuel injection amount in the third cylinder # 3 and the fuel injection amounts in the second cylinder # 2 and the fourth cylinder # 4. .
- the fuel injection amount in the first cylinder # 1 is smaller than the fuel injection amounts in the second cylinder # 2 and the fourth cylinder # 4.
- the length of this vector is the amount of deviation between the fuel injection amount in the first cylinder # 1 and the fuel injection amounts in the second cylinder # 2 and the fourth cylinder # 4. It corresponds to.
- the angle ⁇ 1 in FIG. 5 indicates that the fuel injection amount in the third cylinder # 3 is smaller than the fuel injection amounts in the second cylinder # 2 and the fourth cylinder # 4.
- the angle ⁇ 2 indicates that the fuel injection amount in the first cylinder # 1 is smaller than the fuel injection amounts in the second cylinder # 2 and the fourth cylinder # 4. Since the amount of decrease in the fuel injection amount in the first cylinder # 1 and the amount of decrease in the fuel injection amount in the third cylinder # 3 are substantially the same, the vector from the origin to the operating point “ ⁇ ”
- the angle ⁇ is an intermediate angle between the angles ⁇ 1 and ⁇ 2. Therefore, when the fuel injection amount in the third cylinder # 3 and the fuel injection amount in the first cylinder # 1 are different from each other, the vector angle ⁇ from the origin to the operating point “ ⁇ ” is also Will be different accordingly.
- the operating point “ ⁇ ” in FIG. 5 indicates the amount of decrease in the fuel injection amount in the first cylinder # 1 (the amount of deviation from the fuel injection amount in the second cylinder # 2 and the fourth cylinder # 4) and the third. This is a case where the ratio of the amount of decrease in fuel injection amount in No. cylinder # 3 (also the amount of deviation from the fuel injection amount in No. 2 cylinder # 2 and No. 4 cylinder # 4) is 2: 3.
- the angle of the vector from the origin to the operating point “ ⁇ ” corresponds to this ratio. Further, by decomposing this vector into vectors on each operating line, the amount of divergence between the first cylinder # 1 and the third cylinder # 3 (the fuel in the second cylinder # 2 and the fourth cylinder # 4). A deviation amount with respect to the injection amount) can be calculated.
- the operating point “ ⁇ ” in FIG. 5 indicates that the ratio of the decrease in the fuel injection amount in the first cylinder # 1 and the decrease in the fuel injection amount in the third cylinder # 3 is 5: 2.
- the angle of the vector from the origin to the operating point “ ⁇ ” corresponds to this ratio.
- the deviation amounts of the first cylinder # 1 and the third cylinder # 3 in the second cylinder # 2 and the fourth cylinder # 4). The amount of deviation from the fuel injection amount) can be calculated.
- the operating angle ⁇ in the complex plane of F1 is The ratio of the fuel injection amount is represented, and the vector length represents the deviation amount of the injection amount.
- FIG. 6 shows a case where the fuel injection amount in each of the two cylinders where the combustion stroke is not continuous is different from the fuel injection amount in each of the other two cylinders.
- the operating point “ ⁇ ” indicates the first cylinder # 1 is different from the fuel injection amount in the second cylinder # 2 and the third cylinder # 3, and the fuel injection amount in the fourth cylinder # 4 is different from the second cylinder # 2 and the third cylinder # 3.
- a case where the fuel injection amount is different from that in the third cylinder # 3 is shown.
- the length of the vector from the origin toward the operating point “ ⁇ ” corresponds to the deviation between the fuel injection amount in the first cylinder # 1 and the fuel injection amount in the fourth cylinder # 4. .
- the fuel injection amount in the first cylinder # 1 and the fuel injection amount in the fourth cylinder # 4 are both smaller than the fuel injection amounts in the second cylinder # 2 and the third cylinder # 3.
- the operating point appears in the fourth quadrant (see operating point “ ⁇ ”). Then, the position of the operating point is different on the operating line depending on the deviation between the fuel injection amount in the first cylinder # 1 and the fuel injection amount in the fourth cylinder # 4.
- the fuel injection amount in the first cylinder # 1 and the fuel injection amount in the fourth cylinder # 4 are both smaller than the fuel injection amounts in the second cylinder # 2 and the third cylinder # 3.
- the fuel injection amount in the fourth cylinder # 4 is smaller than the fuel injection amount in the first cylinder # 1 (when the fuel injection reduction amount in the fourth cylinder # 4 is large)
- the operating point appears in the second quadrant (see operating point “ ⁇ ”). Then, the position of the operating point is different on the operating line depending on the deviation between the fuel injection amount in the first cylinder # 1 and the fuel injection amount in the fourth cylinder # 4.
- the vector angle ⁇ (angle from the coordinate axis of the real part) from the origin to the operating point “ ⁇ ” indicates that the fuel injection amount in the first cylinder # 1 is the second cylinder # 2 and the third cylinder. It is different from the fuel injection amount in the No. cylinder # 3, and the fuel injection amount in the No. 4 cylinder # 4 is different from the fuel injection amounts in the No. 2 cylinder # 2 and the No. 3 cylinder # 3.
- This vector length represents a deviation between the fuel injection amount in the first cylinder # 1 and the fuel injection amount in the fourth cylinder # 4.
- the operating point “ ⁇ ” in FIG. 6 is obtained when the ratio of the fuel injection amount reduction amount in the first cylinder # 1 to the fuel injection amount reduction amount in the fourth cylinder # 4 is 5: 1. belongs to.
- the operating point “ ⁇ ” in FIG. 6 indicates that the ratio of the decrease in the fuel injection amount in the first cylinder # 1 and the decrease in the fuel injection amount in the fourth cylinder # 4 is 3: 5. Is the case.
- the operating angle ⁇ in the complex plane identifies each cylinder
- the vector length represents the deviation of the injection amount in each cylinder.
- the magnitude of F2 is larger than the magnitude of F1. .
- the above-mentioned determination whether the fuel injection amount in only one cylinder is different from the fuel injection amounts in the other three cylinders, It is possible to determine whether the fuel injection amount in each of the two cylinders where the combustion stroke is not continuous is different from the fuel injection amount in each of the other two cylinders).
- a four-cylinder engine is used as an example, and therefore, in a two-cylinder engine where the combustion stroke is not continuous, the phase of the reciprocating movement of the piston is the same and the combustion stroke has a phase difference of 360 ° in crank angle. It has become.
- the “plurality of cylinders in which the combustion stroke is not continuous” as used in the present invention means that the pistons have the same phase of reciprocating movement and the combustion stroke is crank. The phases are different from each other.
- the order of the combustion stroke is as follows: first cylinder # 1 ⁇ 5th cylinder # 5 ⁇ 3rd cylinder # 3 ⁇ 6th cylinder # 6 ⁇ 2nd cylinder # 2 ⁇ 4th
- the No. 1 cylinder # 1 and the No. 6 cylinder # 6 are two cylinders in which the combustion stroke here does not continue.
- the combustion state diagnosis includes not only the diagnosis of the variation in the fuel injection amount between the cylinders # 1 to # 4, but also the injectors 52, 1 in each cycle of the cylinders # 1 to # 4.
- the total injection amount of fuel injected from 52,... (Hereinafter referred to as total fuel injection amount) is also diagnosed.
- total fuel injection amount the total injection amount of fuel injected from 52,...
- This total fuel injection amount is obtained according to a map (total fuel injection amount calculation map) shown in FIG.
- This total fuel injection amount calculation map obtains the total fuel injection amount Q all using the intensity of the frequency F4 and the engine speed as parameters.
- Total fuel injection amount higher intensity of frequencies F4 may be the same engine rotational speed Q all are obtained as a large value, the total fuel injection amount as is the lower the engine rotational speed even in the same intensity of the frequency F4 Q all Will be calculated as a large value.
- This map is created in advance by experiments and simulations and stored in the ROM of the engine ECU 100.
- the diagnosis of the total fuel injection amount is performed by the engine ECU 100.
- the functional part for executing the diagnosis of the total fuel injection amount is the combustion state diagnosis unit (excessive state) in the present invention.
- Each cylinder during one cycle of the internal combustion engine with the frequency characteristics of the signal output from the feeder rotational speed detecting means and the engine rotational speed calculated based on the signal output from the internal combustion engine rotational speed detecting means as parameters. It is equivalent to a combustion state diagnosis unit) for diagnosing the combustion state of the fuel in each cylinder by calculating the total amount of fuel supplied to the cylinder.
- step ST1 the instantaneous rotation speed of the turbocharger 40 is acquired.
- the signal (sine wave or rectangular wave) output from the turbo rotation speed sensor 104 is frequency-converted by the F / V converter 110, thereby acquiring the instantaneous rotation speed of the turbocharger 40.
- step ST2 the frequency F4 calculated by the equation (5) is acquired.
- step ST3 the calculates the total fuel injection amount Q all using the total fuel injection amount calculation map of FIG. 7. Specifically, information on the instantaneous rotational speed of the turbocharger 40 is transmitted to the engine ECU 100, and based on F4 data of the frequency analysis data, the total fuel injection amount Q all is calculated using the total fuel injection amount calculation map. Is calculated.
- step ST4 each injector 52 under the assumption that fuel is equally injected into each of the cylinders # 1 to # 4 based on the total fuel injection amount Q all by the following equation (6). , 52,..., Q ave is calculated.
- step ST5 a fuel injection amount deviation amount ⁇ Q tgt is calculated.
- the engine ECU 100 calculates the target injection amount Q tgt as the fuel injection amount from the injectors 52, 52,... According to the operation amount of the output operation member 101.
- the difference amount ⁇ Q tgt between the two is calculated by subtracting the target injection amount Q tgt from the average fuel injection amount Q ave calculated in the equation (6) (equation (7)).
- step ST6 it is determined whether or not the absolute value of the deviation amount ⁇ Q tgt exceeds a predetermined threshold value Q th .
- This threshold value Q th is a value for determining whether or not there is an abnormality in the fuel supply device 50, such as when the fuel injection amount from the injector 52 is too small, and is set in advance through experiments and simulations.
- step ST6 If the absolute value of the deviation amount ⁇ Q tgt exceeds the threshold value Q th and a YES determination is made in step ST6, the process proceeds to step ST7, where misfiring occurs due to an abnormality in the fuel supply device 50 or a significant change in fuel properties. Alerts the user that it has occurred. For example, a warning is displayed on an operation panel (not shown) or a voice warning is issued. Further, the abnormality occurrence information is written in the RAM of the engine ECU 100.
- step ST6 the process proceeds to step ST8 to correct the fuel injection amount of each injector 52, 52,. Do. That is, when the deviation amount ⁇ Q tgt is a positive value, correction is performed to reduce the fuel injection amounts from the injectors 52, 52,... In each of the cylinders # 1 to # 4 by the deviation amount ⁇ Q tgt . On the other hand, when the deviation amount ⁇ Q tgt is a negative value, correction is performed to increase the fuel injection amounts from the injectors 52, 52,... In each of the cylinders # 1 to # 4 by the deviation amount ⁇ Q tgt .
- the valve opening time of the injectors 52, 52,... Is changed when the increase correction is performed, the valve opening time is lengthened according to the increase correction amount and the decrease correction is performed). The valve opening time is shortened according to the amount of reduction correction).
- the total fuel injection amount Q all becomes the total fuel injection amount for obtaining the output required for the engine 1 (the target total fuel injection amount obtained by multiplying the target injection amount Q tgt by the number of cylinders). It will converge.
- steps ST4 to ST8 are performed by the fuel supply amount correction unit referred to in the present invention (supplied to each cylinder during one cycle of the multi-cylinder internal combustion engine). Divide the total fuel supply amount by the number of cylinders to obtain the average fuel supply amount, and supply fuel to each cylinder by the difference between the target fuel supply amount and the average fuel supply amount in each cylinder determined according to the required output Equivalent to the operation of correcting the amount).
- Such a diagnosis operation and a correction operation for the total fuel injection amount Q all are preferably performed when the engine load reaches the upper limit value. This is because when the total fuel injection amount Q all is corrected in the partial load region, the speed control performance of the engine 1 may be deteriorated.
- the above is the diagnosis operation and correction operation of the total fuel injection amount.
- step ST11 the instantaneous rotation speed of the turbocharger 40 is acquired as in step ST1 of the flowchart shown in FIG.
- step ST12 the frequencies F1 and F2 calculated by the above equations (2) and (3) are obtained.
- step ST13 After acquiring the frequencies F1 and F2, the process proceeds to step ST13, where it is determined whether or not the fuel injection amounts of the injectors 52, 52,. Specifically, as this determination operation, it is determined whether or not the intensities of the frequencies F1 and F2 are both substantially “0”. As described above, when the fuel injection amounts of all of the injectors 52, 52,... Are the same, the frequencies F1 and F2 are both substantially “0” (see FIGS. 2 and 3). By recognizing these intensities, it is possible to determine whether or not the fuel injection amounts of the injectors 52, 52,.
- the frequency characteristics of the frequencies F1 and F2 are expanded into a Fourier series, and it is determined whether or not the operating point plotted on the complex plane is located at the origin on the complex plane. Also good. As described above, when the fuel injection amounts of all the injectors 52, 52,... Are substantially the same, the operating point is located at the origin on the complex plane. It is possible to determine whether or not the fuel injection amounts of the injectors 52, 52,... Are substantially the same as each other.
- step ST13 When the fuel injection amounts of the injectors 52, 52,... Are the same as each other and YES is determined in step ST13, the correction operation for eliminating the variation in the fuel injection amounts is not necessary, and the process is returned as it is. .
- step ST13 the process proceeds to step ST14 to compare the intensities of the frequencies F1, F2. Specifically, it is determined whether or not the intensity of the frequency F1 is higher than the intensity of the frequency F2. This determination is made as follows: “The fuel injection amount in only one cylinder is different from the fuel injection amount in each of the other three cylinders, or the fuel injection amount in each of the two cylinders in which the combustion stroke is continued is in each of the other two cylinders. Or “the fuel injection amount in each of the two cylinders where the combustion stroke is not continuous is different from the fuel injection amount in each of the other two cylinders”.
- the intensity of frequency F1 is higher than the intensity of frequency F2, and if YES is determined in step ST14, the fuel injection amount in only one cylinder is different from the fuel injection amount in each of the other three cylinders. It can be determined that the fuel injection amount in each of the two cylinders that are different or the combustion strokes are continuous is different from the fuel injection amount in each of the other two cylinders.
- the intensity of the frequency F2 is higher than the intensity of the frequency F1
- NO is determined in step ST14
- the fuel injection amount in each of the two cylinders in which the combustion stroke is not continuous is the same in each of the other two cylinders. It can be judged that the situation is different from the fuel injection amount.
- step ST14 If YES is determined in step ST14, the process proceeds to step ST15, and diagnosis of variations in the fuel injection amounts of the injectors 52, 52,. A specific method of the diagnosis method 1 will be described later. On the other hand, if NO is determined in step ST14, the process proceeds to step ST16, and diagnosis of variations in the fuel injection amounts of the injectors 52, 52,. A specific method of the diagnostic method 2 will also be described later.
- an operation base vector at the time of changing the fuel injection amount in each of the cylinders # 1 to # 4 with respect to the engine speed is obtained in advance by experiment or analysis.
- This operating base vector is obtained by changing the fuel injection amount of the injector 52 in one cylinder by a preset unit injection amount, and the vector angle and vector corresponding to the cylinder and the change amount of the fuel injection amount.
- the length is represented on the complex plane.
- FIG. 10 shows the operation base vector v ⁇ ref # i when the fuel injection amount in the second cylinder # 2 is reduced by the unit injection amount.
- this operation base vector v ⁇ ref # i is a vector connecting the origin and the operation point on the polar coordinates when the fuel injection amount in the i-th cylinder (for example, the second cylinder # 2 in FIG. 10) is changed. It is organized per unit injection amount. For this reason, when the actual operating point is the position of “ ⁇ ” in FIG. 10, the vector obtained by multiplying the length of the operating base vector v ⁇ ref # i by L i becomes the operating point “ ⁇ ”. This is the vector that appears (the vector from the origin to the operating point “ ⁇ ”). That is, the fuel injection amount is shifted in the i-th cylinder by the fuel injection amount Li times the unit injection amount.
- the intensity of the frequency F1 is higher than the intensity of the frequency F2, and “the fuel injection amount in only one cylinder is different from the fuel injection amounts in the other three cylinders.
- the frequency F1 component is extracted, and an actually measured operating point (hereinafter also referred to as an actually measured operating point) is plotted on a complex plane.
- FIG. 11 shows a case where the actually measured operating points are plotted on the coordinates ( ⁇ act , L act ).
- the scalar quantity of the two-way vector V ⁇ act # i , V ⁇ act # j obtained by this decomposition is obtained, and the deviation of the fuel injection quantity in each cylinder i, j is obtained using the correlation equation obtained in advance.
- the amounts (deviations from the fuel injection amounts in the other cylinders) ⁇ Q i and ⁇ Q j are calculated.
- the following equation (9) exists between the operating point vector V ⁇ act # i , the operating base vector v ⁇ ref # i , and the scalar quantity L i for the cylinder i.
- the scalar quantity L i can be calculated from 9).
- ⁇ ref # i is the angle of the operating point vector V ⁇ act # i from the coordinate axis of the real part
- ⁇ ref # j is the angle of the operating point vector V ⁇ act # j from the coordinate axis of the real part.
- the coefficient a in the equations (12) and (13) is obtained in advance by experiment or simulation, and defines the relationship between the scalar amount L and the actual fuel injection amount deviation amount ⁇ Q as shown in FIG. 12, for example. To do.
- the deviation amounts may be extracted using a deviation amount calculation map created in advance.
- the coefficient a may be the same value for all the cylinders or may be set for each cylinder according to experiments or simulations.
- the intensity of the frequency F2 is higher than the intensity of the frequency F1. It is executed when it is determined that the situation is different.
- FIG. 13 shows a case where the operating point is plotted at coordinates ( ⁇ act , L act ).
- the fuel injection amount in any of the cylinders is increased or decreased (the vector indicated by the one-dot chain line V ⁇ 1 in FIG. 13 is the case where the i-th cylinder (second cylinder # 2) is decreased, and the one-dot chain line V ⁇ The vector indicated by 2 is obtained when the i-th cylinder (second cylinder # 2) is increased), and the F1 component is set to “0”. That is, the operating point is positioned at the origin on the complex plane. In this case, the deviation amounts of the fuel injection amounts in the two cylinders coincide.
- the amount of deviation of the two cylinders (the amount of fuel injection in the state where the fuel injection amounts in the two cylinders are matched). And the amount of deviation from the fuel injection amount in each of the other two cylinders). Then, the deviation amount of the fuel injection amount in each cylinder is calculated in consideration of the fuel injection amount correction value obtained in advance.
- the characteristic with respect to the change amount of the fuel injection amount is not a straight line (see FIG. 14)
- the actually measured operating point during engine operation is plotted on the complex plane of F1.
- the operating point is located on the operating line of each cylinder obtained in FIG. This is because, as shown in FIG. 13, when the fuel injection amounts of the cylinders that are in antiphase with each other are shifted, there is no change in the ⁇ direction. If the deviation amount of the fuel injection amount in the i-th cylinder and the deviation amount of the fuel injection amount in the j-th cylinder are the same amount, the operating point on the complex plane of F1 does not move from the origin. Become.
- the fuel injection amount changing operation when the operating point on the complex plane of F1 is different from the origin, the fuel injection amount supplied to any of the i-th cylinder and the j-th cylinder is adjusted. To bring the operating point to the origin. If the fuel injection amount in the i-th cylinder is adjusted, the corrected injection amount ⁇ Q i # cor when the operating point reaches the origin is stored. At this time, the deviation amounts of the fuel injection amounts in the i-th cylinder and the j-th cylinder, which are the target cylinders, are equal.
- the operating point is plotted on the complex plane of F2, and the coordinates ( ⁇ ij # act , L ij # act ) and the deviation amount of the fuel injection amount obtained in advance are plotted.
- the deviation amount ⁇ Q ij of the fuel injection amount in the i-th cylinder and the j-th cylinder is calculated from the characteristic data.
- the deviation amount ⁇ Q i of the fuel injection amount in the i-th cylinder can be calculated by the following equation (14). Further, the deviation amount ⁇ Q j of the fuel injection amount in the j-th cylinder can be calculated by the following equation (15).
- the fuel injection amounts Q i # cor and Q j # cor in each cylinder for eliminating the variation in the fuel injection amount in each cylinder are calculated by the following equations (16) and (17).
- Expression (16) is an expression for obtaining the fuel injection quantity Q i # cor for eliminating the deviation in the fuel injection quantity in the i-th cylinder
- Expression (17) eliminates the deviation in the fuel injection quantity in the j-th cylinder. This is an equation for obtaining the fuel injection amount Q j # cor for the purpose.
- step ST18 fuel injection is executed by controlling the valve opening time of the injector 52 so that the calculated fuel injection amount is obtained.
- the pistons are in the same phase. It can be diagnosed that there is a divergence in the fuel injection amount of any of the two cylinders (for example, the first cylinder # 1 and the fourth cylinder # 4) that reciprocate and do not have a continuous combustion stroke. For this reason, in actual fuel injection, fuel injection to one cylinder is performed with the calculated fuel injection amount. If variation in the fuel injection amount is not eliminated by this, fuel injection to the one cylinder is performed. Returning, fuel injection at the calculated fuel injection amount is performed on the other cylinder. This is the same when the fuel injection amount in each of the two cylinders is different from the fuel injection amount in each of the other two cylinders.
- step ST17 and ST18 are performed by the variation elimination correcting unit referred to in the present invention (so as to eliminate the variation in the combustion state of the fuel between the cylinders). And the operation of correcting the control amount for changing the combustion state of the fuel for each cylinder).
- the fuel injection amount is controlled by the fuel pressure and the energization time to the solenoid of the injector 52, etc., so the deviation of the fuel injection amount is expressed by the following equations (18) and (19). You may make it cancel.
- ⁇ is an energization time to the injector 52 (corresponding to a valve opening time). That is, ⁇ i is the current (before correction) valve opening time for the i-th cylinder injector 52, and ⁇ j is the current (before correction) valve opening time for the j-th cylinder injector 52.
- ⁇ i # cor is a correction amount of the valve opening time of the injector 52 in the i-th cylinder
- ⁇ j # cor is a correction amount of the valve opening time of the injector 52 in the j-th cylinder.
- ⁇ i # cor is the valve opening time after correction of the injector 52 in the i-th cylinder
- ⁇ j # cor is the valve opening time after correction of the injector 52 in the j-th cylinder.
- the fuel injection in each of the cylinders # 1 to # 4 is performed by performing the correction operation of the total fuel injection amount and the operation of eliminating the variation in the fuel injection amount of each injector 52, 52,. It becomes possible to control the amount appropriately. That is, the fuel injection amounts of the injectors 52, 52,... Of the cylinders # 1 to # 4 can be matched with the target injection amount Q tgt without variation. For this reason, it is possible to suppress reduction in engine output, reduce rotational fluctuation, improve exhaust emission, and the like.
- Modification 1 defines the execution permission conditions for the above-described total fuel injection amount diagnosis operation and fuel injection amount variation diagnosis operation. That is, the above-described diagnostic operations are executed only when the execution permission condition is satisfied.
- the present invention utilizes the fact that there is a correlation between the fuel injection amount for each cylinder # 1 to # 4, the enthalpy of the exhaust gas, and the amount of fluctuation in the rotational speed of the turbocharger 40. For this reason, under operating conditions where conditions that impair these relationships may occur, there is a possibility that a diagnostic operation may be misdiagnosed. Therefore, in order to ensure the reliability of this diagnostic operation, the execution of each diagnostic operation is permitted. It is preferable to limit the operating conditions. This modification prescribes this operating condition.
- the execution permission conditions for each diagnostic operation are defined by the engine speed, engine load, cooling water temperature, intake pressure, exhaust pressure, intake temperature, and atmospheric pressure.
- the engine rotation speed is calculated based on an output signal from the engine rotation speed sensor 102.
- the engine load is obtained from an output signal from the load state detection member 103.
- the coolant temperature is obtained from an output signal from the coolant temperature sensor 105.
- the intake pressure is obtained from an output signal from the intake pressure sensor 106.
- the exhaust pressure is obtained from an output signal from the exhaust pressure sensor 107.
- the intake air temperature is obtained from an output signal from the intake air temperature sensor 108.
- the atmospheric pressure is obtained from an output signal from the atmospheric pressure sensor 109.
- the conditions for permitting execution of each of the diagnostic operations at the engine rotation speed are satisfied when the engine rotation speed is equal to or higher than a predetermined lower limit speed and is in steady rotation (for example, when the engine rotation speed does not change for 1 sec). To do. This is because if the engine speed changes during the diagnostic operation, the fuel injection amount is likely to change, and the correlation (the fuel injection amount for each cylinder # 1 to # 4 and the turbocharger 40 In view of the fact that the correlation between the rotational speed fluctuation amount) changes and it becomes difficult to ensure the reliability of the diagnostic operation, the execution of each diagnostic operation is not permitted.
- the lower limit speed of the engine rotation speed is set based on experiments or simulations.
- the execution permission condition for each of the diagnostic operations at the cooling water temperature is satisfied when the cooling water temperature is equal to or higher than a predetermined temperature (the warm-up completion temperature of the engine 1). This is because when the cooling water temperature is low, heat loss in the cylinder increases, and the correlation between the fuel injection amount, the enthalpy of the exhaust gas, and the fluctuation amount of the rotational speed of the turbocharger 40 changes. Therefore, the execution permission condition is established when the cooling water temperature is equal to or higher than the predetermined temperature. In addition, when the cooling water temperature is low, the lubricating oil temperature is also low, the friction loss around the bearing of the turbocharger 40 becomes large, and the correlation changes, making it difficult to ensure the reliability of the diagnostic operation. Thus, the execution of each diagnostic operation is not permitted.
- a predetermined temperature the warm-up completion temperature of the engine 1).
- the execution permission condition for each diagnosis operation at the intake pressure is satisfied when the intake pressure is equal to or lower than a predetermined pressure loss limit value. This is because the execution of each diagnosis operation is not permitted in view of the fact that it is difficult to ensure the reliability of the diagnosis operation when the intake pressure decreases due to the clogging of the air filter 23 or the like. is there.
- the pressure loss limit value of the intake pressure is set based on experiments or simulations.
- the execution permission condition for each diagnostic operation at the exhaust pressure is satisfied when the exhaust pressure is equal to or lower than a predetermined limit value. This is because when the amount of soot accumulation in the exhaust purification device 33 (particularly the DPF) increases, the pressure on the outlet side of the turbine wheel 42 changes, making it difficult to ensure the reliability of the diagnostic operation. The operation is not permitted to be executed.
- the exhaust gas limit value is set based on experiments or simulations.
- the conditions for permitting execution of each diagnostic operation at the intake air temperature are satisfied when the intake air temperature is equivalent to normal temperature (for example, about 20 ° C. to 25 ° C.).
- the conditions for permitting execution of each of the diagnostic operations at atmospheric pressure are satisfied when the atmospheric pressure is equal to or lower than a predetermined pressure (for example, 1000 mb).
- the condition for permitting execution of the diagnosis operation for the total fuel injection amount is different from the condition for permitting execution of the diagnosis operation for variation in the fuel injection amount.
- the execution permission condition for the diagnosis operation of the total fuel injection amount is satisfied when the engine load is equal to or higher than a predetermined lower limit load and is steady (for example, when it does not change for 1 sec).
- the execution permission condition for the operation of diagnosing variation in the fuel injection amount is satisfied when the engine load is a predetermined limit load and is steady (for example, when it does not change for 1 sec).
- Modification 2 Next, Modification 2 will be described.
- the permission and prohibition of the above-described diagnosis operation for the total fuel injection amount and the diagnosis operation for variation in the fuel injection amount are switched according to the operating state of the EGR device 60.
- the EGR rate being “0” is defined as a condition for permitting execution of the diagnostic operation for the total fuel injection amount. That is, the diagnosis operation of the total fuel injection amount is permitted only during a period in which the valve opening command signal output from the engine ECU 100 to the EGR valve 62 is a signal that is “opening 0”.
- the EGR rate is set to “0” as a condition for permitting execution of the diagnosis operation (exhaust gas recirculation by the EGR device 60 is stopped). Under these conditions, it is preferable to diagnose the variation in the combustion state of the fuel between the cylinders # 1 to # 4 (variation in the fuel injection amount) from the viewpoint of sufficiently ensuring reliability.
- FIG. 17 is a flowchart showing a control procedure in this modification. This flowchart is also repeated every predetermined time after the start switch of the engine 1 is turned on.
- step ST21 it is determined whether or not the engine 1 is in a steady operation state.
- the steady operation state here means a state in which the control operation (start mode) at the start of operation of the engine 1 or the control operation (stop mode) at the time of operation stop is not performed.
- step ST21 If the engine 1 is not in a steady operation state and NO is determined in step ST21, the process returns directly without executing the diagnostic operation.
- step ST21 if the engine 1 is in a steady operation state and YES is determined in step ST21, the process proceeds to step ST22, and whether or not the condition for permitting execution of the diagnostic operation described above (see the first modification) is satisfied. Determine. If the condition for permitting execution of the diagnostic operation is not satisfied and the determination is NO in step ST22, the routine returns directly without executing the diagnostic operation.
- step ST22 if the condition for permitting execution of the diagnostic operation is established and YES is determined in step ST22, the process proceeds to step ST23, and the EGR valve 62 is closed. That is, the valve opening command signal of “opening 0” is output from the engine ECU 100 to the EGR valve 62, and the EGR valve 62 is closed.
- the operation of closing the EGR valve 62 may be performed every time the execution permission condition for the diagnosis operation is satisfied, or when the execution permission condition is satisfied after a predetermined time has elapsed since the previous diagnosis operation. You may make it perform.
- step ST24 the above-described diagnosis operations (diagnosis operation for the total fuel injection amount and diagnosis operation for variation in the fuel injection amount) are performed. Since this diagnosis operation has been described in the above embodiment, a description thereof is omitted here. As described above, when the operation for diagnosing the total fuel injection amount is performed only when the engine load reaches the upper limit value, when the operation of the engine 1 is in the partial load region, this step ST24 Only the operation of diagnosing variation in the fuel injection amount is executed.
- step ST25 a fuel injection amount correction operation (a correction operation for the total fuel injection amount and a correction operation for eliminating variations in the fuel injection amount) according to the result of the diagnosis is executed. Since the fuel injection amount correcting operation has been described in the above embodiment, the description thereof is omitted here.
- the EGR rate is defined as “0” as a condition for permitting execution of the diagnostic operation. For this reason, it is possible to sufficiently ensure the reliability of the diagnostic operation, and it is also possible to appropriately correct the fuel injection amount performed according to the diagnostic result of the diagnostic operation.
- an EGR rate may be calculated and the fuel injection amount may be corrected according to the EGR rate. That is, the EGR rate is calculated using the exhaust pressure, the intake air temperature, the EGR gas temperature, the opening degree of the EGR valve 62, and the like as parameters. Then, the relationship between the EGR rate and the correction amount of the fuel injection amount is grasped in advance by experiment or simulation and mapped, and the fuel injection amount is corrected by applying the calculated EGR rate to this map. In this case, it is possible to appropriately correct the fuel injection amount regardless of the operating state of the engine 1 (even if the exhaust gas is recirculated to the intake system 20).
- Modification 3 Next, Modification 3 will be described. This modification considers the amount of exhaust gas passing through the wastegate valve 72 and the variable displacement mechanism for the turbocharger 40 having the wastegate valve 72 and the VGT (Variable Geometry Turbo) having the variable displacement mechanism. Thus, the correction amount of the fuel injection amount is obtained. Since the configuration of the variable capacity mechanism is known, the description thereof is omitted here.
- the exhaust gas amount G tur passing through the turbine wheel 42 of the turbocharger 40 can be calculated by the following equation (20).
- G exh is the total amount of exhaust gas
- G WG is the waste gate valve.
- G air is the intake air amount
- G fuel is the fuel injection amount.
- the exhaust gas amount G tur passing through the turbine wheel 42 can be calculated. It is.
- FIG. Schott Control valve 72
- the flow path area A out on the turbine wheel 42 outlet side can be calculated by the following equation (21).
- a tur is the channel area on the inlet side of the turbine wheel 42
- a WG is the channel area according to the opening degree of the wastegate valve 72.
- T DOC # in is the exhaust gas temperature at the inlet side of the exhaust purification device 33 downstream of the turbine wheel 42
- P DOC # in is the exhaust gas pressure at the inlet side of the exhaust purification device 33
- T exh is the exhaust gas at the inlet side of the turbine wheel 42.
- the gas temperature, P exh is the exhaust gas pressure on the turbine wheel 42 inlet side.
- R is a gas constant and ⁇ is a specific heat ratio.
- a out When the flow area A out when the input heat quantity is changed in advance under the condition of constant engine speed is calculated and plotted on the coordinate axis as shown in FIG. 20, the flow area in the operation region where the wastegate valve 72 is not opened.
- a out is a constant value, and a characteristic that the flow path area A out increases as the opening degree of the waste gate valve 72 increases as the fuel injection amount increases is obtained.
- a portion where the flow passage area A out is constant is regarded as an equivalent turbine passage area A tur
- a variable portion is regarded as an equivalent waste gate passage area A WG .
- the turbine passage flow rate G tur can be calculated from the ratio of the flow passage areas of the two as shown in the following equation (23).
- the correction value Q cor # WG of the deviation amount of the fuel injection amount can be calculated by the following equation (24), and this correction value is added to the correction amount of the fuel injection amount described above.
- ⁇ is a conversion coefficient obtained in advance by experiment or simulation.
- the fuel injection amount shifts in the same manner as described above according to the opening of the nozzle vane of the variable displacement mechanism (the opening of the nozzle vane that changes the exhaust gas passage area). It is possible to calculate an amount correction value.
- Modification 4 Next, Modification 4 will be described. This modification is a case where a two-stage turbocharger is provided as the turbocharger 40.
- FIG. 21 is a diagram showing a schematic configuration around the turbocharger 40 of the engine 1 according to this modification.
- the turbocharger 40 includes a high-pressure stage turbocharger 40a and a low-pressure stage turbocharger 40b.
- the high-pressure stage turbocharger 40a is disposed relatively downstream in the intake pipe 21 (downstream side of the low-pressure stage compressor wheel 41b of the low-pressure stage turbocharger 40b) and supercharges intake air, and an exhaust pipe 31 is provided on the relatively upstream side (upstream side of the low-pressure stage turbine wheel 42b of the low-pressure stage turbocharger 40b) and rotated by the fluid energy of the exhaust gas.
- the high-pressure stage compressor wheel 41a and the high-pressure stage turbine wheel 42a are connected by a rotating shaft 43a.
- the low-pressure stage turbocharger 40b is disposed on the relatively upstream side of the intake pipe 21 (upstream side of the high-pressure stage compressor wheel 41a of the high-pressure stage turbocharger 40a), and supercharges intake air.
- the exhaust pipe 31 includes a low-pressure stage turbine wheel 42b that is disposed relatively downstream (downstream side of the high-pressure stage turbine wheel 42a of the high-pressure stage turbocharger 40a) and rotates by the fluid energy of the exhaust gas.
- These low-pressure stage compressor wheel 41b and low-pressure stage turbine wheel 42b are connected by a rotating shaft 43b.
- the present invention uses a phenomenon in which the rotational speed of the turbocharger 40 varies due to energy pulsation during exhaust blowdown for each cylinder. For this reason, it is preferable to perform the diagnosis operation in accordance with the rotational speed of the high-pressure stage turbocharger 40a that is greatly affected by the energy pulsation and in which the fluctuation of the rotational speed appears.
- the turbo rotational speed sensor 104 is arranged to face the blades of the high-pressure stage compressor wheel 41a of the high-pressure stage turbocharger 40a.
- This configuration is the signal according to the rotational speed of the exhaust turbine supercharger for a multi-cylinder internal combustion engine provided with a plurality of exhaust turbine superchargers arranged in series with respect to the gas flow.
- a rotation speed detecting means for outputting is provided in the vicinity of the high-pressure side exhaust turbine supercharger and outputs a signal corresponding to the rotational speed of the high-pressure side exhaust turbine supercharger.
- turbo rotation speed sensor 104 By adopting such an arrangement form of the turbo rotation speed sensor 104, it is possible to sufficiently ensure the reliability of the diagnostic operation even in the engine 1 including the two-stage turbocharger.
- the present invention is not limited to this, and can be applied to various multi-cylinder internal combustion engines such as gasoline engines and gas engines.
- the present invention is also applied to a multi-cylinder internal combustion engine that includes a fuel reforming cylinder and a plurality of output cylinders, and supplies the fuel reformed in the fuel reforming cylinders to each output cylinder to obtain an output. Is possible.
- conditions for permitting execution of the diagnostic operation are given to the respective state quantities of the engine speed, the engine load, the cooling water temperature, the intake pressure, the exhaust pressure, the intake air temperature, and the atmospheric pressure.
- the diagnostic operation is permitted only when the amount satisfies the execution permission condition.
- the present invention is not limited to this, and an execution permission condition for the diagnostic operation is given to one of the state quantities or a plurality selected from the state quantities, and the state quantity satisfies the execution permission condition.
- the diagnosis operation may be permitted only in the case of
- the diagnosis of the variation in the combustion state of the fuel in each of the cylinders # 1 to # 4 the diagnosis of the variation in the fuel injection amount from each of the injectors 52, 52,. And explained.
- the present invention is not limited to this, and can also be used for diagnosing variations in fuel properties and combustion temperature variations in the respective cylinders # 1 to # 4.
- a diagnostic operation is performed during the operation of the engine 1, and a fuel injection amount correction operation is performed according to the diagnosis result during the operation.
- the present invention is not limited to this, and a technical idea is that a diagnostic operation is performed after the operation of the engine 1 is completed.
- the rotational speed information of the engine 1 and the rotational speed information of the turbocharger 40 are acquired and stored in a RAM or the like, and stored after the operation of the engine 1 is completed.
- the diagnosis of the total fuel injection amount and the variation of the fuel injection amount are performed from each rotational speed information.
- the turbo rotational speed sensor 104 is arranged to face the compressor wheel 41 to detect the rotational speed of the turbocharger 40.
- the present invention is not limited to this, and the turbo rotation speed sensor 104 is disposed opposite to the turbine wheel 42 (in this case, high heat resistance is required for the turbo rotation speed sensor 104), or opposed to the rotation shaft 43. It is good also as a structure which detects the rotational speed of the turbocharger 40 by arrange
- the frequency characteristic is expanded into a Fourier series, the characteristic is plotted on a complex plane to obtain an operating point, and a complex in a vector from the origin on the complex plane to the operating point is obtained.
- a cylinder whose fuel combustion state is different from the other cylinders is identified based on the angle formed with the coordinate axis of the plane, and a state quantity related to fuel combustion in the identified cylinder based on the vector length.
- the deviation from the state quantity in other cylinders are specified.
- the present invention is applicable to a device for diagnosing the combustion state of fuel in each cylinder in an engine equipped with a turbocharger, and a control device for controlling the engine according to the result of the diagnosis.
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Abstract
排気タービン過給機を備えた多気筒内燃機関の各気筒それぞれにおける燃料の燃焼状態を診断する内燃機関の診断装置であって、前記排気タービン過給機の回転速度に応じた信号または当該排気タービン過給機の回転速度の変動に相関のある信号を出力する回転速度検出手段と、前記回転速度検出手段から出力された信号の周波数特性を高速フーリエ変換によって周波数解析することにより各気筒間での燃料の燃焼状態のバラツキを診断する燃焼状態診断部とを備える.
Description
本発明は、内燃機関の診断装置および診断方法、並びに、内燃機関の制御装置および制御方法に係る。特に、本発明は、多気筒内燃機関の各気筒それぞれにおける燃料の燃焼状態を診断する診断装置および診断方法、並びに、その診断の結果に応じて内燃機関を制御する制御装置および制御方法に関する。
従来、船舶用や車両用等として使用される多気筒内燃機関にあっては、機関出力の低下、回転変動の増大、排気エミッションの悪化等を抑制するべく、各気筒それぞれにおいて燃料の燃焼が適正に行われていることが望まれる。一般に、多気筒内燃機関にあっては、各気筒に向けての燃料供給量(以下、燃料噴射量という場合もある)は、燃料供給系における燃料圧力に応じてインジェクタの開弁時間を制御することによって調整される(例えば特許文献1を参照)。
しかしながら、インジェクタ等の製造バラツキや経時劣化等の影響により、実際に気筒内に噴射される燃料の噴射量が適正な量から乖離している場合には、その気筒での燃料の燃焼が適正に行われない(目標とする燃焼量が得られない)ことになる。例えば、各気筒のインジェクタからの燃料噴射量にバラツキが生じている場合には、機関出力の低下、回転変動の増大、排気エミッションの悪化等といった不具合を招いてしまう虞がある。なお、この不具合の発生原因としては、各インジェクタからの燃料噴射量のバラツキだけでなく、燃料性状の影響等も挙げられる。
本発明の発明者らは、各気筒における燃料の燃焼状態の診断(例えば、各インジェクタからの燃料噴射量にバラツキが生じているか否かの診断)、および、その診断の結果に応じた内燃機関の制御(例えば、各インジェクタからの燃料噴射量のバラツキを解消する燃料噴射量の補正)について考察した。そして、排気タービン過給機(以下、ターボチャージャという場合もある)を備えた多気筒内燃機関において、各気筒における燃料の燃焼状態とターボチャージャの回転速度の変動との間には相関があり、これを利用して各気筒における燃料の燃焼状態の診断および診断結果に応じた内燃機関の制御を行うことに着目した。
なお、特許文献2には、ターボチャージャの回転速度をターボセンサによって検出することが開示されているが、この特許文献2のものは、ターボセンサからの出力信号によって当該ターボセンサの断線検知を行うものであり、各気筒における燃料の燃焼状態の診断および診断結果に応じた内燃機関の制御については開示されていない。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、多気筒内燃機関の各気筒における燃料の燃焼状態の診断を適正に行うことができる内燃機関の診断装置および診断方法、並びに、その診断の結果に応じて内燃機関を適正に制御することができる内燃機関の制御装置および制御方法を提供することにある。
前記の目的を達成するための本発明の解決手段は、排気タービン過給機を備えた多気筒内燃機関の各気筒それぞれにおける燃料の燃焼状態を診断する内燃機関の診断装置であって、前記排気タービン過給機の回転速度に応じた信号または当該排気タービン過給機の回転速度の変動に相関のある信号を出力する回転速度検出手段と、前記回転速度検出手段から出力された信号の周波数特性を高速フーリエ変換によって周波数解析することにより各気筒間での燃料の燃焼状態のバラツキを診断する燃焼状態診断部とを備えていることを特徴とする。
この特定事項により、燃焼状態診断部は、回転速度検出手段から出力された信号(排気タービン過給機の回転速度に応じた信号または排気タービン過給機の回転速度の変動に相関のある信号)の周波数特性を高速フーリエ変換によって周波数解析することにより各気筒間での燃料の燃焼状態のバラツキを診断する。つまり、各気筒間での燃料の燃焼状態のバラツキと過給機回転速度の各周波数成分の強度との間に相関があることを利用し、各周波数成分の強度に基づいて、各気筒間での燃料の燃焼状態のバラツキを診断する。これにより、回転速度検出手段からの出力信号を有効に利用して、各気筒における燃料の燃焼状態の診断を適正に行うことができる。
また、前記燃焼状態診断部は、前記高速フーリエ変換によって周波数解析して複素平面上に対応させた作動点を求め、当該複素平面上の原点から前記作動点に向かうベクトルの前記複素平面の座標軸との成す角度およびベクトル長さに基づいて、各気筒間での燃料の燃焼状態のバラツキを診断するよう構成されていることが好ましい。
これにより、複素平面上のベクトルに基づいて各気筒間での燃料の燃焼状態のバラツキを容易に診断することが可能になり、この診断結果の把握が容易になる。
この場合、前記燃焼状態診断部は、前記ベクトルにおける前記複素平面の座標軸との成す角度に基づいて、燃料の燃焼状態が他の気筒とは異なっている気筒を特定し、前記ベクトル長さに基づいて、この特定された気筒における燃料の燃焼に関連する状態量と他の気筒における当該状態量との偏差を特定するよう構成されていることが好ましい。
これによれば、複素平面上のベクトルによって、燃料の燃焼状態が他の気筒とは異なっている気筒を特定することができ、また、この特定された気筒における燃料の燃焼に関連する状態量と他の気筒における当該状態量との偏差を特定することができる。つまり、各気筒間での燃料の燃焼状態のバラツキを詳細に診断することができる。
また、前記燃焼状態診断部は、前記回転速度検出手段から出力された信号により求められる燃焼周波数を前記多気筒内燃機関の気筒数で除算した周波数の強度と、前記燃焼周波数を前記多気筒内燃機関の気筒数の「1/2」の値で除算した周波数の強度とを比較し、前者の周波数の強度が後者の周波数の強度よりも高い場合には、各気筒のうち一つの気筒での燃料の燃焼状態が他の気筒それぞれでの燃料の燃焼状態と異なっている、または、各気筒のうち燃焼行程が連続する複数の気筒それぞれでの燃料の燃焼状態が他の気筒それぞれでの燃料の燃焼状態と異なっていると診断するよう構成されていることが好ましい。
また、前記燃焼状態診断部は、前記回転速度検出手段から出力された信号により求められる燃焼周波数を前記多気筒内燃機関の気筒数で除算した周波数の強度と、前記燃焼周波数を前記多気筒内燃機関の気筒数の「1/2」の値で除算した周波数の強度とを比較し、後者の周波数の強度が前者の周波数の強度よりも高い場合には、各気筒のうちピストンが同位相で往復動し且つ燃焼行程が連続しない複数の気筒それぞれでの燃料の燃焼状態が他の気筒それぞれでの燃料の燃焼状態と異なっていると診断するよう構成されていることが好ましい。
これらの診断動作により、燃料の燃焼状態が他の気筒とは異なっている気筒を正確に特定することが可能になる。
また、前記多気筒内燃機関の機関回転速度、機関負荷、冷却水温度、吸気圧力、排気圧力、吸気温度、大気圧力のうちの少なくとも一つの状態量に燃焼状態診断の実行許可条件が与えられており、前記燃焼状態診断部は、前記燃焼状態診断の実行許可条件が成立している場合に、前記各気筒間での燃料の燃焼状態のバラツキを診断するよう構成されていることが好ましい。
前記状態量は、燃焼状態診断の信頼性に影響を与える可能性がある。このため、燃焼状態診断の信頼性が十分に確保できる状態量の範囲にある場合に限り、前記燃焼状態のバラツキの診断を許可するべく、前記状態量に燃焼状態診断の実行許可条件を与えるようにしている。つまり、前記状態量が、燃焼状態診断の信頼性に悪影響を与える値である状況では燃焼状態診断を禁止することになる。これにより、燃焼状態診断の信頼性を十分に確保することができる。
また、前記多気筒内燃機関は、排気系の排気ガスを吸気系に還流させるEGR装置を備えており、前記燃焼状態診断部は、前記EGR装置による排気ガスの還流が停止していることを条件に、前記各気筒間での燃料の燃焼状態のバラツキを診断するよう構成されていることが好ましい。
EGR装置によって排気ガスが吸気系に還流している場合、吸気系内を流れるガス量が変動することに起因して気筒内での燃焼量が変化してしまう。このような状況では燃焼状態診断の信頼性を十分に確保することが難しくなる。このため、EGR装置による排気ガスの還流が停止していることを条件に各気筒間での燃料の燃焼状態のバラツキを診断するようにしている。これにより、燃焼状態診断の信頼性を十分に確保することができる。
ガス流れに対して直列に配設された複数の排気タービン過給機が備えられた多気筒内燃機関に対しては、排気タービン過給機の回転速度に応じた信号を出力する前記回転速度検出手段が、高圧側の排気タービン過給機の近傍に配設され、この高圧側の排気タービン過給機の回転速度に応じた信号を出力する構成となっていることが好ましい。
本発明は、気筒毎の排気ブローダウン時のエネルギ脈動によって排気タービン過給機の回転速度が変動する現象を利用している。このため、このエネルギ脈動の影響を大きく受けて回転速度の変動が大きく現れる高圧側の排気タービン過給機の近傍に回転速度検出手段を配設することで、燃焼状態診断の信頼性を高く確保することができる。
また、前述した内燃機関の診断装置において行われる診断方法も本発明の技術的思想の範疇である。つまり、排気タービン過給機を備えた多気筒内燃機関の各気筒それぞれにおける燃料の燃焼状態を診断する内燃機関の診断方法であって、前記排気タービン過給機の回転速度に応じた信号または当該排気タービン過給機の回転速度の変動に相関のある信号の周波数特性を高速フーリエ変換によって周波数解析することにより各気筒間での燃料の燃焼状態のバラツキを診断する内燃機関の診断方法である。
この診断方法により、前述した如く、排気タービン過給機の回転速度に応じた信号または排気タービン過給機の回転速度の変動に相関のある信号を有効に利用して、各気筒における燃料の燃焼状態の診断を適正に行うことができる。
また、前記内燃機関の診断装置による診断結果に応じて内燃機関を制御する制御装置も本発明の技術的思想の範疇である。つまり、各気筒間での燃料の燃焼状態のバラツキを解消するように、各気筒毎に、燃料の燃焼状態を変化させる制御量を補正するバラツキ解消補正部を備えた内燃機関の制御装置である。
これによれば、前記診断結果に応じてバラツキ解消補正部が燃料の燃焼状態を変化させる制御量を補正し、各気筒間での燃料の燃焼状態のバラツキを解消する。このため、各気筒での燃料の燃焼が適正化され、機関出力の低下、回転変動の増大、排気エミッションの悪化等を抑制することが可能となる。
また、ウエストゲートバルブおよび可変容量機構のうち少なくとも一方が備えられた排気タービン過給機に対しては、前記バラツキ解消補正部は、ウエストゲートバルブの開度または可変容量機構により調整される排気ガス流路面積に応じて前記制御量を補正するよう構成されていることが好ましい。
ウエストゲートバルブや可変容量機構が作動した場合、その影響を受けて、最適な制御量は異なることになるが、ウエストゲートバルブの開度または可変容量機構により調整される排気ガス流路面積に応じてバラツキ解消補正部が制御量を補正することにより、制御量の最適化を図ることが可能になる。
また、前述した内燃機関の診断方法による診断結果に応じて内燃機関を制御する制御方法も本発明の技術的思想の範疇である。つまり、各気筒間での燃料の燃焼状態のバラツキを解消するように、各気筒毎に、燃料の燃焼状態を変化させる制御量を補正する内燃機関の制御方法である。
この制御方法により、前述した如く、前記診断結果に応じて燃料の燃焼状態を変化させる制御量を補正し、各気筒間での燃料の燃焼状態のバラツキを解消する。このため、機関出力の低下、回転変動の増大、排気エミッションの悪化等を抑制することが可能となる。
また、他の解決手段として以下の診断装置も本発明の技術的思想の範疇である。つまり、排気タービン過給機を備えた多気筒内燃機関の各気筒それぞれにおける燃料の燃焼状態を診断する内燃機関の診断装置であって、前記多気筒内燃機関の回転速度に応じた信号を出力する内燃機関回転速度検出手段と、前記排気タービン過給機の回転速度に応じた信号を出力する過給機回転速度検出手段と、前記過給機回転速度検出手段から出力された信号の周波数特性、および、前記内燃機関回転速度検出手段から出力された信号に基づいて算出された機関回転速度をパラメータとして、前記内燃機関の1サイクル中に各気筒に供給された総燃料供給量を演算することで各気筒での燃料の燃焼状態を診断する燃焼状態診断部とを備えていることを特徴とするものである。
この特定事項により、過給機回転速度検出手段から出力された信号の周波数特性および機関回転速度と、内燃機関の1サイクル中に各気筒に供給された総燃料供給量との間に相関があることを利用して前記総燃料供給量を演算することができる。これにより、各気筒での燃料の燃焼状態の診断を適正に行うことができる。
また、この内燃機関の診断装置による診断結果に応じて内燃機関を制御する制御装置も本発明の技術的思想の範疇である。つまり、前記多気筒内燃機関の1サイクル中に各気筒に供給された総燃料供給量を気筒数で除算して平均燃料供給量を求め、要求出力に応じて決定された各気筒での目標燃料供給量と前記平均燃料供給量との偏差分だけ各気筒毎に燃料供給量を補正する燃料供給量補正部を備えた内燃機関の制御装置である。
これによれば、前記診断結果に応じて燃料供給量補正部が各気筒での燃料供給量を補正し、実際の総燃料供給量を、要求出力に応じた総燃料供給量に合わせ込むことが可能になる。その結果、要求出力に応じた総燃料供給量を得ることができる。
本発明では、排気タービン過給機を備えた多気筒内燃機関において、各気筒における燃料の燃焼状態と排気タービン過給機の回転速度の変動との間に相関があることを利用して、各気筒における燃料の燃焼状態の診断および診断結果に応じた内燃機関の制御を行うようにしている。このため、各気筒における燃料の燃焼状態の診断を適正に行うことができ、また、その診断の結果に応じて内燃機関を適正に制御することができる。また、本発明に係る燃焼状態の診断は、燃料性状(例えば燃料のセタン価)の変化に起因する失火の検知に利用することも可能である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、4気筒の4ストロークディーゼルエンジン(多気筒内燃機関)に本発明を適用した場合について説明する。
-エンジンの概略構成-
図1は、本実施形態に係るエンジン1の概略構成を示す図である。このエンジン1は例えば船舶用等として使用される。
図1は、本実施形態に係るエンジン1の概略構成を示す図である。このエンジン1は例えば船舶用等として使用される。
この図1に示すように、本実施形態に係るエンジン1は、エンジン本体10と、このエンジン本体10に形成された4つの気筒♯1,♯2,♯3,♯4の各燃焼室11,11,…に吸入空気を導く吸気系20と、前記燃焼室11,11,…で発生した排気ガスを排出する排気系30とを備えている。
前記エンジン本体10は、各気筒♯1~♯4を備えたシリンダブロック12およびシリンダヘッド(図示省略)等を備えている。
前記吸気系20は、吸気管21および吸気マニホールド22を備え、外気を、吸気管21および吸気マニホールド22を経て各気筒♯1~♯4の燃焼室11,11,…に導く。また、吸気管21には、吸入空気の流れ方向の上流側から下流側に向かって順に、エアフィルタ23、ターボチャージャ(排気タービン過給機)40のコンプレッサホイール41、インタクーラ24、ディーゼルスロットル25等が設けられている。
前記排気系30は、排気管31および排気マニホールド32を備え、排気ガスを、排気マニホールド32および排気管31を経て大気に排出する。また、排気管31には、排気ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かって順に、ターボチャージャ40のタービンホイール42、排気浄化装置33等が設けられている。
前記ターボチャージャ40は、排気ガスの流体エネルギを利用して吸入空気を各気筒♯1~♯4の燃焼室11,11,…へ強制的に送り込む(過給する)ためのものである。タービンホイール42は、エンジン本体10の燃焼室11,11,…から排気管31へ排出された排気ガスの流体エネルギによって回転される。コンプレッサホイール41は、タービンホイール42とともに回転するように当該タービンホイール42に回転軸43を介して連結されている。
前記エンジン本体10には、各気筒♯1~♯4の燃焼室11,11,…に燃料を供給するための燃料供給装置50が設けられている。この燃料供給装置50は、コモンレール式燃料供給装置であり、所定圧の燃料を蓄えるコモンレール51と、このコモンレール51に蓄えられている燃料を燃焼室11,11,…に噴射するために燃焼室11,11,…毎に備えられたインジェクタ52,52,…と、図示しない燃料タンクに蓄えられた燃料を加圧してコモンレール51に圧送する高圧燃料ポンプ53とを有している。
前記吸気管21と排気管31との間は排気還流配管(EGR配管)61によって接続されている。このEGR配管61は、排気ガスの一部を吸気系20に還流させて燃焼室11,11,…へ供給することにより燃焼温度を低下させ、これによってNOx生成量を低減させるものである。このEGR配管61には、電子制御によって開度調整されるEGRバルブ62と、EGR配管61を通過する排気ガスを冷却するためのEGRクーラ63とが設けられている。これらEGR配管61、EGRバルブ62、EGRクーラ63等によってEGR装置(排気還流装置)60が構成されている。
また、排気管31には、排気ガスの一部を、ターボチャージャ40のタービンホイール42をバイパスして流すための排気バイパス配管71が設けられており、この排気バイパス配管71にはウエストゲートバルブ72が設けられている。このウエストゲートバルブ72のアクチュエータ73には、吸気管21内の吸気圧力が導入されるようになっており、この導入される吸気圧力に応じてアクチュエータ73内部のダイアフラムが作動してウエストゲートバルブ72の開閉動作が行われる。そして、このウエストゲートバルブ72が開放されると、排気ガスの一部が排気バイパス配管71を流れ、ターボチャージャ40のタービンホイール42をバイパスすることになる。これにより、タービンホイール42の回転速度の増加が抑制され、安定した過給圧が得られるようになっている。
エンジン1の運転を制御するエンジンECU100には、出力操作部材101、エンジン回転速度センサ(内燃機関回転速度検出手段)102、負荷状態検出部材103、ターボ回転速度センサ(過給機回転速度検出手段)104、冷却水温度センサ105、吸気圧力センサ106、排気圧力センサ107、吸気温度センサ108、大気圧力センサ109がそれぞれ電気的に接続されている。
前記出力操作部材101は、例えば人為的に操作可能なアクセルレバー、または、アクセルペダルで構成されている。
前記エンジン回転速度センサ102は、電磁ピックアップにより構成されており、エンジン1のクランク軸13の回転速度に応じたパルス信号を出力する。具体的に、クランク軸13には、外周縁に沿って複数の凸部と凹部とが交互に設けられたNEロータ14が一体回転可能に設けられており、このNEロータ14の外周縁に対向してエンジン回転速度センサ102が配置されている。これにより、エンジン回転速度センサ102の近傍を前記凸部が通過することで機関回転速度に応じたパルス信号がエンジン回転速度センサ102から出力される構成となっている。
前記負荷状態検出部材103は、前記出力操作部材101の操作量(開度)を検出するアクセル開度センサであって、エンジン本体10の負荷状態に応じた信号を出力する。
前記ターボ回転速度センサ104は、電磁ピックアップにより構成されており、コンプレッサホイール41のブレードに対向して配置されている。このため、コンプレッサホイール41の回転によってターボ回転速度センサ104の近傍をブレードが通過する度に、当該ターボ回転速度センサ104からパルス信号が出力される構成となっている。つまり、このターボ回転速度センサ104は、ターボチャージャ40の回転速度に応じたパルス信号を出力する構成となっている。このターボ回転速度センサ104からの出力信号は、F/V変換器110に送信される。このF/V変換器110は、前記ターボ回転速度センサ104から出力されたパルス信号を周波数データに変換するものであり、この変換後の周波数データがエンジンECU100に送信される。
冷却水温度センサ105は、エンジン1の冷却水温度に応じた信号を出力する。
吸気圧力センサ106は、前記吸気管21におけるエアフィルタ23の下流側の吸気圧力に応じた信号を出力する。
排気圧力センサ107は、排気管31におけるタービンホイール42の下流側で且つ排気浄化装置33の上流側の排気圧力に応じた信号を出力する。
吸気温度センサ108は、前記吸気管21におけるエアフィルタ23の上流側の吸気温度に応じた信号を出力する。
大気圧力センサ109は、大気圧力に応じた信号を出力する。
エンジンECU100は、演算部(CPU)および記憶部を有している。前記記憶部は、制御プログラムや制御データ等を記憶するROM、電源を切っても設定値等が失われない状態で保存し且つ前記設定値等が書き換え可能とされたEEPROM、および前記演算部による演算中に生成されるデータを一時的に保持するRAM等を有する。
エンジンECU100は、前記出力操作部材101の操作量に応じ、前記燃料供給装置50の燃料供給状態の基本制御を行うように構成されている。具体的には、エンジンECU100は、負荷状態検出部材103によって検出される前記出力操作部材101の操作量に応じてインジェクタ52,52,…が所定の燃料噴射を行うように各インジェクタ52,52,…に備えられた電磁ソレノイドまたはピエゾ素子を制御する。また、これに併せて、高圧燃料ポンプ53を制御し、コモンレール51内の燃料圧力を制御する。また、エンジンECU100は、エンジン1の運転状態に応じてEGRバルブ62の開度制御を行う。
また、エンジンECU100は、後述するように、各気筒♯1~♯4の燃焼室11,11,…内での燃料の燃焼状態の診断を行うと共に、その診断結果に応じて、インジェクタ52,52,…の燃料噴射量を補正する補正動作を行う。この燃焼状態の診断動作および燃料噴射量の補正動作については後述する。
-燃焼状態診断の概要-
次に、本実施形態の特徴の一つである燃焼状態診断の概要について説明する。
次に、本実施形態の特徴の一つである燃焼状態診断の概要について説明する。
<燃焼状態のバラツキ診断の原理>
本実施形態におけるエンジン1の燃焼状態診断としては、前記ターボ回転速度センサ104または前記エンジン回転速度センサ102から出力された信号の周波数特性を高速フーリエ変換によって周波数解析することにより各気筒♯1~♯4間での燃料の燃焼状態のバラツキを診断するものとなっている。このため、前記ターボ回転速度センサ104またはエンジン回転速度センサ102が本発明でいう回転速度検出手段(排気タービン過給機の回転速度に応じた信号または排気タービン過給機の回転速度の変動に相関のある信号(エンジン回転速度に応じた信号)を出力する回転速度検出手段)に相当することになる。
本実施形態におけるエンジン1の燃焼状態診断としては、前記ターボ回転速度センサ104または前記エンジン回転速度センサ102から出力された信号の周波数特性を高速フーリエ変換によって周波数解析することにより各気筒♯1~♯4間での燃料の燃焼状態のバラツキを診断するものとなっている。このため、前記ターボ回転速度センサ104またはエンジン回転速度センサ102が本発明でいう回転速度検出手段(排気タービン過給機の回転速度に応じた信号または排気タービン過給機の回転速度の変動に相関のある信号(エンジン回転速度に応じた信号)を出力する回転速度検出手段)に相当することになる。
この各気筒♯1~♯4間での燃料の燃焼状態のバラツキの診断は、前記エンジンECU100によって行われる。このため、このエンジンECU100における、前記燃焼状態のバラツキの診断を実行する機能部分が本発明でいう燃焼状態診断部に相当する。つまり、このエンジンECU100が本発明に係る診断装置の一例である。
先ず、本発明に係る燃焼状態のバラツキの診断手法の理解を容易にするために、当該診断手法の原理について説明する。また、以下の説明では各気筒♯1~♯4における燃料の燃焼状態のバラツキの診断の一形態として、各インジェクタ52,52,…からの燃料噴射量(本発明でいう燃料の燃焼に関連する状態量)のバラツキの診断を例に挙げて説明する。
先ず、前記ターボ回転速度センサ104から出力された信号をF/V変換器110によって変換することで周波数データとなったターボ回転速度信号を次数分析し、それを解析することで、各気筒♯1~♯4から排出された排気ガスによりターボチャージャ40のタービンホイール42に与えられたエネルギの量を評価する。このエネルギは、各気筒♯1~♯4の燃焼室11,11,…での燃料の燃焼によって得られたものである。
本実施形態におけるエンジン1の場合、燃焼周波数fcmbは以下の式(1)によって算出される。
この式(1)におけるZは気筒数、Ntはターボチャージャ40の回転速度、「2」はエンジン1の1サイクル当たりの回転回数である。
なお、ターボチャージャ40の回転速度はエンジン1の回転速度に応じて変動する。つまり、エンジン1の排気行程によって燃焼室11から排出された排気ガスがターボチャージャ40のタービンホイール42に達した時点でターボチャージャ40の回転速度は上昇し、それ以外の期間ではターボチャージャ40の回転速度は下降することになる。このため、ターボチャージャ40の回転速度の変動の周期はエンジン1の回転速度に相関がある。従って、前記式(1)におけるターボチャージャ40の回転速度Ntをエンジン1の回転速度Neに置き換えることによっても燃焼周波数fcmbを算出することが可能である。
そして、燃料の燃焼に伴う各種変動を評価するために、前記式(1)で算出された燃焼周波数fcmbを「4」、「2」、「1.5」、「1」でそれぞれ除算した下記の式(2)~式(5)によって4種類の周波数F1、F2、F3、F4を得る。つまり、周波数F1は燃焼周波数fcmbをエンジン1の気筒数で除算した周波数であり、周波数F2は燃焼周波数fcmbをエンジン1の気筒数の「1/2」の値で除算した周波数である。
図2は、4気筒のうち1気筒のみでの燃料噴射量(インジェクタ52からの燃料噴射量)を他の3気筒それぞれでの燃料噴射量と異なるものとした場合の周波数F1~F4の大きさ(以下、強度という場合もある)を比較するグラフである。この図2に示すグラフは、実験またはシミュレーションによって得られた各周波数F1~F4の強度を棒グラフで表したものである。
この図2は、1気筒のみでの燃料噴射量を他の3気筒それぞれでの燃料噴射量(他の3気筒それぞれでの燃料噴射量は互いに略同一)よりも多くした場合の例として3段階、1気筒のみでの燃料噴射量を他の3気筒それぞれでの燃料噴射量よりも少なくした場合の例として3段階、および、全ての気筒での燃料噴射量を同一とした場合のそれぞれについて、実験またはシミュレーションを行った結果を示している。図中の「a」「b」「c」は、1気筒のみでの燃料噴射量を他の3気筒それぞれでの燃料噴射量よりも多くした場合であって、「c」「b」「a」の順で気筒間での燃料噴射量の乖離量(前記1気筒での燃料噴射量と他の3気筒それぞれでの燃料噴射量との乖離量)を多くしている。また、図中の「e」「f」「g」は、1気筒のみでの燃料噴射量を他の3気筒それぞれでの燃料噴射量よりも少なくした場合であって、「e」「f」「g」の順で気筒間での燃料噴射量の乖離量を多くしている。なお、図中の「d」は、全ての気筒での燃料噴射量を同一とした場合である。
また、燃焼行程が連続する2気筒それぞれでの燃料噴射量を他の2気筒それぞれでの燃料噴射量(他の2気筒それぞれでの燃料噴射量は互いに略同一)と異なるものとした場合の周波数F1~F4も図2に示したものと同様となっていた。例えば、燃焼行程の順序が第1番気筒♯1→第3番気筒♯3→第2番気筒♯2→第4番気筒♯4であった場合、第1番気筒♯1および第3番気筒♯3それぞれでの燃料噴射量を、第2番気筒♯2および第4番気筒♯4それぞれでの燃料噴射量と異なるものとした場合などが挙げられる。
図2に示すように、1気筒のみでの燃料噴射量を他の3気筒それぞれでの燃料噴射量と異なるものとした場合や、燃焼行程が連続する2気筒それぞれでの燃料噴射量を他の2気筒それぞれでの燃料噴射量と異なるものとした場合には、ターボチャージャ40の回転速度の変動は、F1に大きく現れることになる。これは、4つの気筒♯1~♯4の1サイクル中に1回のみ回転変動が生じるため、燃焼周波数fcmbを「4」で除算したF1に、この回転変動の影響が大きく現れたものである。より具体的に、1気筒のみでの燃料噴射量を他の3気筒それぞれでの燃料噴射量と異なるものとした場合や、燃焼行程が連続する2気筒それぞれでの燃料噴射量を他の2気筒それぞれでの燃料噴射量と異なるものとした場合には、ターボチャージャ40の回転速度の変動はF1およびF2にそれぞれ現れるが、F1の大きさ(強度)はF2の大きさに比べて大幅に大きくなっている。
一方、図3は、4気筒のうち燃焼行程が連続しない2気筒それぞれでの燃料噴射量を他の2気筒それぞれでの燃料噴射量と異なるものとした場合の周波数F1~F4の強度を比較するグラフである。例えば、燃焼行程の順序が第1番気筒♯1→第3番気筒♯3→第2番気筒♯2→第4番気筒♯4であった場合、第1番気筒♯1および第2番気筒♯2それぞれでの燃料噴射量を、第3番気筒♯3および第4番気筒♯4それぞれでの燃料噴射量と異なるものとした場合などが挙げられる。この図3に示すグラフも、実験またはシミュレーションによって得られた各周波数F1~F4の強度を棒グラフで表したものである。
この図3は、燃焼行程が連続しない2気筒それぞれでの燃料噴射量を他の2気筒それぞれでの燃料噴射量(他の2気筒それぞれでの燃料噴射量は互いに略同一)よりも多くした場合の例として3段階、燃焼行程が連続しない2気筒それぞれでの燃料噴射量を他の2気筒それぞれでの燃料噴射量よりも少なくした場合の例として3段階、および、全ての気筒での燃料噴射量を同一とした場合のそれぞれについて、実験またはシミュレーションを行った結果を示している。図中の「a」「b」「c」は、燃焼行程が連続しない2気筒それぞれでの燃料噴射量を他の2気筒それぞれでの燃料噴射量よりも多くした場合であって、「c」「b」「a」の順で気筒間での燃料噴射量の乖離量(燃焼行程が連続しない2気筒それぞれでの燃料噴射量と他の2気筒それぞれでの燃料噴射量との乖離量)を多くしている。また、図中の「e」「f」「g」は、燃焼行程が連続しない2気筒それぞれでの燃料噴射量を他の2気筒それぞれでの燃料噴射量よりも少なくした場合であって、「e」「f」「g」の順で気筒間での燃料噴射量の乖離量を多くしている。なお、図中の「d」は、全ての気筒での燃料噴射量を同一とした場合である。
図3に示すように、燃焼行程が連続しない2気筒それぞれでの燃料噴射量を他の2気筒それぞれでの燃料噴射量と異なるものとした場合には、ターボチャージャ40の回転速度の変動は、F1に比べてF2の方が強くなる。これは、4つの気筒♯1~♯4の1サイクル中に2回の回転変動が生じるため、燃焼周波数fcmbを「2」で除算したF2に、この回転変動の影響が大きく現れたものである。
以上のようにして得られた周波数特性をフーリエ級数に展開し、その特性を複素平面上にプロットすると、前述した各場合(1気筒のみでの燃料噴射量を他の3気筒それぞれでの燃料噴射量と異なるものとした場合、燃焼行程が連続する2気筒それぞれでの燃料噴射量を他の2気筒それぞれでの燃料噴射量と異なるものとした場合、燃焼行程が連続しない2気筒それぞれでの燃料噴射量を他の2気筒それぞれでの燃料噴射量と異なるものとした場合)それぞれに特有の作動点が現れる。
図4は、前記周波数F1の周波数特性をフーリエ級数に展開し複素平面上にプロットした作動点を示している。全ての気筒での燃料噴射量が同一である場合の作動点は、この複素平面上の原点に位置することになる(図4における「●」を参照)。
これに対し、1気筒のみでの燃料噴射量が他の3気筒それぞれでの燃料噴射量と異なっている場合には、作動点は複素平面上の原点には位置せず、燃料噴射量に乖離が生じている気筒、および、その乖離量に応じた位置となる。
図4の「○」は、1気筒のみでの燃料噴射量が他の3気筒それぞれでの燃料噴射量と異なっている場合であって、第1番気筒♯1での燃料噴射量が他の3気筒それぞれでの燃料噴射量に対して少なくなっている場合の作動点を表している。また、この作動点における原点からの距離Lは燃料噴射量の乖離量(第1番気筒♯1での燃料噴射量と他の3気筒それぞれでの燃料噴射量との乖離量)を表している。なお、第4番気筒♯4での燃料噴射量が他の3気筒それぞれでの燃料噴射量に対して多くなっている場合にも同様の作動点として現れる。以下の説明では、本発明の技術の理解を容易にするために、特定の気筒における燃料噴射量が他の気筒における燃料噴射量よりも少なくなっている場合を例に挙げて説明する。
図4に示すように、第3番気筒♯3での燃料噴射量が他の3気筒それぞれでの燃料噴射量に対して多くなっている場合または第2番気筒♯2での燃料噴射量が他の3気筒それぞれでの燃料噴射量に対して少なくなっている場合には、作動点は複素平面の第1象限において破線で示す作動線上に現れる。また、第1番気筒♯1での燃料噴射量が他の3気筒それぞれでの燃料噴射量に対して多くなっている場合または第4番気筒♯4での燃料噴射量が他の3気筒それぞれでの燃料噴射量に対して少なくなっている場合には、作動点は複素平面の第2象限において破線で示す作動線上に現れる。また、第2番気筒♯2での燃料噴射量が他の3気筒それぞれでの燃料噴射量に対して多くなっている場合または第3番気筒♯3での燃料噴射量が他の3気筒それぞれでの燃料噴射量に対して少なくなっている場合には、作動点は複素平面の第3象限において破線で示す作動線上に現れる。さらに、図4の「○」に示すように、第4番気筒♯4での燃料噴射量が他の3気筒それぞれでの燃料噴射量に対して多くなっている場合または第1番気筒♯1での燃料噴射量が他の3気筒それぞれでの燃料噴射量に対して少なくなっている場合には、作動点は複素平面の第4象限において破線で示す作動線上に現れる。このため、原点から作動点に向かうベクトルにおいて、このベクトルが複素平面の座標軸(例えば実数部の座標軸)との成す角度(図4における角度β)によって作動点の象限が特定されるので、この角度βによって燃料噴射量に乖離が生じている気筒(燃料噴射量が他の3気筒それぞれでの燃料噴射量と異なっている一つの気筒)を、ある程度絞り込む(2気筒に絞り込む)ことができる。また、このベクトルの長さ(図4における長さL)によって燃料噴射量の乖離量(1気筒と他の3気筒それぞれとの燃料噴射量の乖離量)を求めることが可能となる。つまり、前記ベクトルにおける複素平面の座標軸との成す角度に基づいて、燃料の燃焼状態が他の気筒とは異なっている気筒を特定し、ベクトル長さに基づいて、この特定された気筒における燃料の燃焼に関連する状態量(本実施形態では燃料噴射量)と他の気筒における当該状態量(燃料噴射量)との偏差を特定することが可能となっている(本発明でいう燃焼状態診断部の機能)。
なお、前記角度βは機関回転速度に応じて変化する。このため、作動点が存在する象限の位置と、燃料噴射量に乖離が生じている気筒との関係が適切に得られるように、予め実験などによって機関回転速度に応じた角度補正量を求めておき、この角度補正量だけベクトルの向き(各作動線の傾き)を補正しておくことが好ましい。例えば、本実施形態の場合にあっては、機関回転速度が高いほどベクトルの向きは図4における時計回り方向に移行することになる。
図5は、燃焼行程が連続する2気筒それぞれでの燃料噴射量を他の2気筒それぞれでの燃料噴射量と異なるものとした場合であって、作動点「□」は、第1番気筒♯1での燃料噴射量および第3番気筒♯3での燃料噴射量が他の2気筒それぞれでの燃料噴射量に対して少なくなっている場合であり、且つ第1番気筒♯1での燃料噴射量と第3番気筒♯3での燃料噴射量とが略同一である(第1番気筒♯1での燃料噴射量の減少量と第3番気筒♯3での燃料噴射量の減少量とが略同一である)場合の作動点を表している。この場合、作動点「□」は何れの作動線上にも位置しないため、原点からこの作動点「□」に向かうベクトルを、第3象限側のベクトル(第3象限における作動線上のベクトルであって、原点から作動点「◇」に向かうベクトル)と第4象限側のベクトル(第4象限における作動線上のベクトルであって、原点から作動点「○」に向かうベクトル)とに分解する。第3象限側に分解されたベクトルは、第3番気筒♯3での燃料噴射量が、第2番気筒♯2および第4番気筒♯4での燃料噴射量に対して少なくなっていることを表しており、このベクトルの長さは、第3番気筒♯3での燃料噴射量と、第2番気筒♯2および第4番気筒♯4での燃料噴射量との乖離量に相当する。同様に、第4象限側に分解されたベクトルは、第1番気筒♯1での燃料噴射量が、第2番気筒♯2および第4番気筒♯4での燃料噴射量に対して少なくなっていることを表しており、このベクトルの長さは、第1番気筒♯1での燃料噴射量と、第2番気筒♯2および第4番気筒♯4での燃料噴射量との乖離量に相当する。
つまり、図5における角度β1が、第3番気筒♯3での燃料噴射量が第2番気筒♯2および第4番気筒♯4での燃料噴射量に対して少なくなっていることを表しており、角度β2が、第1番気筒♯1での燃料噴射量が第2番気筒♯2および第4番気筒♯4での燃料噴射量に対して少なくなっていることを表している。そして、第1番気筒♯1での燃料噴射量の減少量と第3番気筒♯3での燃料噴射量の減少量とが略同一であるため、原点から作動点「□」に向かうベクトルの角度βは、これら角度β1および角度β2の中間の角度となる。このため、第3番気筒♯3での燃料噴射量と第1番気筒♯1での燃料噴射量とが互いに異なっている場合には、原点から作動点「□」に向かうベクトルの角度βも、それに応じて異なることになる。
図5における作動点「△」は、第1番気筒♯1での燃料噴射量の減少量(第2番気筒♯2および第4番気筒♯4での燃料噴射量に対する乖離量)と第3番気筒♯3での燃料噴射量の減少量(同じく第2番気筒♯2および第4番気筒♯4での燃料噴射量に対する乖離量)との比を2:3とした場合のものであり、原点から作動点「△」に向かうベクトルの角度は、この比に対応したものとなっている。また、このベクトルを各作動線上のベクトルに分解することで、第1番気筒♯1および第3番気筒♯3それぞれの乖離量(第2番気筒♯2および第4番気筒♯4での燃料噴射量に対する乖離量)を算出することができる。
同様に、図5における作動点「▲」は、第1番気筒♯1での燃料噴射量の減少量と第3番気筒♯3での燃料噴射量の減少量との比を5:2とした場合のものであり、原点から作動点「▲」に向かうベクトルの角度は、この比に対応したものとなっている。この場合も、このベクトルを各作動線上のベクトルに分解することで、第1番気筒♯1および第3番気筒♯3それぞれの乖離量(第2番気筒♯2および第4番気筒♯4での燃料噴射量に対する乖離量)を算出することができる。
このように、燃焼行程が連続する2気筒それぞれでの燃料噴射量を他の2気筒それぞれでの燃料噴射量と異なるものとした場合には、F1の複素平面における作動角βが両気筒での燃料噴射量の比を表し、ベクトル長さが噴射量の乖離量を表している。
図6は、燃焼行程が連続しない2気筒それぞれでの燃料噴射量を他の2気筒それぞれでの燃料噴射量と異なるものとした場合であって、作動点「△」は、第1番気筒♯1での燃料噴射量が第2番気筒♯2および第3番気筒♯3での燃料噴射量と異なっており、第4番気筒♯4での燃料噴射量が第2番気筒♯2および第3番気筒♯3での燃料噴射量と異なっている場合を表している。この場合、原点から作動点「△」に向かうベクトルの長さが、第1番気筒♯1での燃料噴射量と第4番気筒♯4での燃料噴射量との偏差に相当することになる。具体的に、第1番気筒♯1での燃料噴射量および第4番気筒♯4での燃料噴射量が共に第2番気筒♯2および第3番気筒♯3での燃料噴射量よりも少なくなっている場合において、第1番気筒♯1での燃料噴射量が第4番気筒♯4での燃料噴射量よりも少ない場合(第1番気筒♯1での燃料噴射減少量が多い場合)には、作動点は第4象限に現れる(作動点「△」を参照)。そして、第1番気筒♯1での燃料噴射量と第4番気筒♯4での燃料噴射量との偏差によって作動点の位置は作動線上で異なった位置となる。一方、第1番気筒♯1での燃料噴射量および第4番気筒♯4での燃料噴射量が共に第2番気筒♯2および第3番気筒♯3での燃料噴射量よりも少なくなっている場合において、第4番気筒♯4での燃料噴射量が第1番気筒♯1での燃料噴射量よりも少ない場合(第4番気筒♯4での燃料噴射減少量が多い場合)には、作動点は第2象限に現れる(作動点「□」を参照)。そして、第1番気筒♯1での燃料噴射量と第4番気筒♯4での燃料噴射量との偏差によって作動点の位置は作動線上で異なった位置となる。
つまり、図6において原点から作動点「△」に向かうベクトルの角度β(実数部の座標軸からの角度)が、第1番気筒♯1での燃料噴射量が第2番気筒♯2および第3番気筒♯3での燃料噴射量と異なっており、第4番気筒♯4での燃料噴射量が第2番気筒♯2および第3番気筒♯3での燃料噴射量と異なっていることを表しており、このベクトル長さが、第1番気筒♯1での燃料噴射量と第4番気筒♯4での燃料噴射量との偏差を表している。この図6における作動点「△」は、第1番気筒♯1での燃料噴射量の減少量と第4番気筒♯4での燃料噴射量の減少量との比を5:1とした場合のものである。
また、図6における作動点「□」は、第1番気筒♯1での燃料噴射量の減少量と第4番気筒♯4での燃料噴射量の減少量との比を3:5とした場合のものである。
このように、燃焼行程が連続しない2気筒それぞれでの燃料噴射量を他の2気筒それぞれでの燃料噴射量と異なるものとした場合には、複素平面における作動角βが各気筒を特定し、ベクトル長さが各気筒での噴射量の偏差を表している。
なお、このように作動点が作動線上に位置している場合、この作動点の位置のみでは、1気筒のみでの燃料噴射量が他の3気筒それぞれでの燃料噴射量と異なっているのか(図4を参照)、燃焼行程が連続しない2気筒それぞれでの燃料噴射量が他の2気筒それぞれでの燃料噴射量と異なっているのか(図6を参照)を判別することはできないが、この両者では、図2および図3で示したように、周波数F1,F2の大小関係が逆転している。つまり、1気筒のみでの燃料噴射量が他の3気筒それぞれでの燃料噴射量と異なっている場合には、F1の大きさがF2の大きさに比べて大きくなる。これに対し、燃焼行程が連続しない2気筒それぞれでの燃料噴射量が他の2気筒それぞれでの燃料噴射量と異なっている場合には、F2の大きさがF1の大きさに比べて大きくなる。このように、作動点の位置および周波数F1,F2の大きさを比較することで、前記判別(1気筒のみでの燃料噴射量が他の3気筒それぞれでの燃料噴射量と異なっているのか、燃焼行程が連続しない2気筒それぞれでの燃料噴射量が他の2気筒それぞれでの燃料噴射量と異なっているのかの判別)が可能である。
なお、本実施形態では4気筒エンジンを例に挙げているため、燃焼行程が連続しない2気筒は、ピストンの往復移動の位相が同一であって且つ燃焼行程がクランク角度で360°の位相差を有したものとなっている。他の気筒数(例えば6気筒など)のエンジンにあっても、本発明でいう「燃焼行程が連続しない複数の気筒」とは、ピストンの往復移動の位相が同一であって且つ燃焼行程がクランク角度で互いに異なる位相のものである。一例として、6気筒エンジンにおいて、燃焼行程の順序が第1番気筒♯1→第5番気筒♯5→第3番気筒♯3→第6番気筒♯6→第2番気筒♯2→第4番気筒♯4であった場合には、例えば第1番気筒♯1と第6番気筒♯6とが、ここでいう燃焼行程が連続しない2気筒となる。
<総燃料噴射量の診断の原理>
また、本実施形態における燃焼状態診断としては、前述した各気筒♯1~♯4間での燃料噴射量のバラツキの診断だけでなく、各気筒♯1~♯4それぞれの1サイクルにおいてインジェクタ52,52,…から噴射された燃料の噴射総量(以下、総燃料噴射量という)の診断も行うようにしている。以下、この総燃料噴射量の診断の原理について説明する。
また、本実施形態における燃焼状態診断としては、前述した各気筒♯1~♯4間での燃料噴射量のバラツキの診断だけでなく、各気筒♯1~♯4それぞれの1サイクルにおいてインジェクタ52,52,…から噴射された燃料の噴射総量(以下、総燃料噴射量という)の診断も行うようにしている。以下、この総燃料噴射量の診断の原理について説明する。
前記周波数F4は燃焼周波数fcmbに一致しているため前記総燃料噴射量と強い相関がある。このため、この周波数F4に基づいて前記総燃料噴射量を求めることが可能である。
この総燃料噴射量は、図7に示すマップ(総燃料噴射量算出マップ)に従って求められる。この総燃料噴射量算出マップは、周波数F4の強度および機関回転速度をパラメータとして総燃料噴射量Qallを求めるものである。同一機関回転速度であっても周波数F4の強度が高いほど総燃料噴射量Qallは大きな値として求められ、周波数F4の強度が同一であっても機関回転速度が低いほど総燃料噴射量Qallは大きな値として求められることになる。このマップは、予め実験やシミュレーションによって作成されて前記エンジンECU100のROMに記憶されている。
このように総燃料噴射量の診断は、前記エンジンECU100によって行われる。このため、このエンジンECU100における、前記総燃料噴射量の診断(総燃料噴射量に基づいた各気筒での燃料の燃焼状態の診断)を実行する機能部分が本発明でいう燃焼状態診断部(過給機回転速度検出手段から出力された信号の周波数特性、および、内燃機関回転速度検出手段から出力された信号に基づいて算出された機関回転速度をパラメータとして、内燃機関の1サイクル中に各気筒に供給された総燃料供給量を演算することで各気筒での燃料の燃焼状態を診断する燃焼状態診断部)に相当する。
以上が本実施形態に係る燃焼状態診断の概要である。
-燃焼状態診断-
次に、前述した診断手法の原理を用いて実際に燃焼状態を診断し、その診断の結果に応じて燃料噴射量を補正する場合の手順について説明する。
次に、前述した診断手法の原理を用いて実際に燃焼状態を診断し、その診断の結果に応じて燃料噴射量を補正する場合の手順について説明する。
<総燃料噴射量の診断動作および補正動作>
先ず、前記総燃料噴射量の診断動作および補正動作について図8のフローチャートに沿って説明する。このフローチャートは、エンジン1のスタートスイッチがONされた後、所定時間毎に繰り返される。
先ず、前記総燃料噴射量の診断動作および補正動作について図8のフローチャートに沿って説明する。このフローチャートは、エンジン1のスタートスイッチがONされた後、所定時間毎に繰り返される。
先ず、ステップST1において、ターボチャージャ40の瞬時回転速度を取得する。具体的には、前記ターボ回転速度センサ104から出力された信号(サイン波または矩形波)をF/V変換器110によって周波数変換し、これにより、ターボチャージャ40の瞬時回転速度を取得する。
その後、ステップST2において、前記式(5)によって算出されている周波数F4を取得する。
周波数F4を取得した後、ステップST3において、前記図7の総燃料噴射量算出マップを用いて総燃料噴射量Qallを算出する。具体的には、前記ターボチャージャ40の瞬時回転速度の情報をエンジンECU100に送信し、周波数分析データのうち、F4データを基に、前記総燃料噴射量算出マップを用いて総燃料噴射量Qallを算出する。
次に、ステップST4において、以下の式(6)により、この総燃料噴射量Qallに基づき、各気筒♯1~♯4それぞれに均等に燃料が噴射されていると仮定した場合の各インジェクタ52,52,…からの燃料噴射量(平均燃料噴射量)Qaveを算出する。
その後、ステップST5において、燃料噴射量の乖離量ΔQtgtを算出する。前記エンジンECU100は、前記出力操作部材101の操作量に応じて、インジェクタ52,52,…からの燃料噴射量として目標噴射量Qtgtを演算している。このステップST5では、前記式(6)で算出された平均燃料噴射量Qaveから前記目標噴射量Qtgtを減算することでこの両者の乖離量ΔQtgtを算出する(式(7))。
ステップST6では、この乖離量ΔQtgtの絶対値が所定の閾値Qthを超えているか否かを判定する。この閾値Qthは、インジェクタ52からの燃料噴射量が過少になっている等の燃料供給装置50の異常の有無を判断するための値であって、予め実験やシミュレーションによって設定されている。
乖離量ΔQtgtの絶対値が前記閾値Qthを超えており、ステップST6でYES判定された場合には、ステップST7に移り、燃料供給装置50の異常、若しくは、燃料性状の著しい変化により失火が発生しているとして、ユーザに警告を発する。例えば、図示しない操作パネル上に警告表示を行ったり、音声による警告を発したりする。また、エンジンECU100のRAMに異常発生情報の書き込みを行う。
一方、乖離量ΔQtgtの絶対値が前記閾値Qthを超えておらず、ステップST6でNO判定された場合には、ステップST8に移り、各インジェクタ52,52,…の燃料噴射量の補正を行う。つまり、前記乖離量ΔQtgtが正の値であった場合には、各気筒
♯1~♯4それぞれにおけるインジェクタ52,52,…からの燃料噴射量を乖離量ΔQtgtだけ減量する補正を行う。一方、乖離量ΔQtgtが負の値であった場合には、各気筒♯1~♯4それぞれにおけるインジェクタ52,52,…からの燃料噴射量を乖離量ΔQtgtだけ増量する補正を行う。これら燃料噴射量の補正は、例えばインジェクタ52,52,…の開弁時間を変更する(増量補正する場合には、その増量補正量に応じて開弁時間を長くし、減量補正する場合には、その減量補正量に応じて開弁時間を短くする)ことによって行われる。
♯1~♯4それぞれにおけるインジェクタ52,52,…からの燃料噴射量を乖離量ΔQtgtだけ減量する補正を行う。一方、乖離量ΔQtgtが負の値であった場合には、各気筒♯1~♯4それぞれにおけるインジェクタ52,52,…からの燃料噴射量を乖離量ΔQtgtだけ増量する補正を行う。これら燃料噴射量の補正は、例えばインジェクタ52,52,…の開弁時間を変更する(増量補正する場合には、その増量補正量に応じて開弁時間を長くし、減量補正する場合には、その減量補正量に応じて開弁時間を短くする)ことによって行われる。
このようにして各インジェクタ52,52,…の燃料噴射量の補正が行われると、各気筒♯1~♯4それぞれにおける燃料噴射量は、以下の式(8)におけるQtgt#corに収束していくことになる。
以上の動作が繰り返されることにより、総燃料噴射量Qallが、エンジン1に要求される出力を得るための総燃料噴射量(目標噴射量Qtgtを気筒数倍した目標総燃料噴射量)に収束していくことになる。
このような総燃料噴射量の補正動作が行われるため、前記ステップST4~ST8の動作が本発明でいう燃料供給量補正部による動作(多気筒内燃機関の1サイクル中に各気筒に供給された総燃料供給量を気筒数で除算して平均燃料供給量を求め、要求出力に応じて決定された各気筒での目標燃料供給量と平均燃料供給量との偏差分だけ各気筒毎に燃料供給量を補正する動作)に相当する。
なお、このような総燃料噴射量Qallの診断動作および補正動作は、機関負荷が上限値に達した際に行うことが好ましい。これは、部分負荷域において総燃料噴射量Qallを補正した場合、エンジン1の調速性が悪化する可能性があるためである。
以上が、総燃料噴射量の診断動作および補正動作である。
<燃料噴射量のバラツキの診断動作および解消動作>
次に、各インジェクタ52,52,…の燃料噴射量のバラツキの診断動作およびバラツキの解消動作について図9のフローチャートに沿って説明する。このフローチャートも、エンジン1のスタートスイッチがONされた後、所定時間毎に繰り返される。
次に、各インジェクタ52,52,…の燃料噴射量のバラツキの診断動作およびバラツキの解消動作について図9のフローチャートに沿って説明する。このフローチャートも、エンジン1のスタートスイッチがONされた後、所定時間毎に繰り返される。
先ず、ステップST11では、前記図8で示したフローチャートのステップST1の場合と同様にターボチャージャ40の瞬時回転速度を取得する。
その後、ステップST12に移り、前記式(2)および式(3)によってそれぞれ算出されている周波数F1,F2を取得する。
周波数F1,F2を取得した後、ステップST13に移り、各インジェクタ52,52,…それぞれの燃料噴射量が互いに略同一であるか否かを判定する。この判定動作として具体的には、前記周波数F1,F2の強度が共に略「0」となっているか否かを判定する。前述したように、全てのインジェクタ52,52,…の燃料噴射量が同一である場合には、周波数F1,F2の強度は共に略「0」となるため(図2および図3を参照)、これらの強度を認識することによって、各インジェクタ52,52,…それぞれの燃料噴射量が互いに略同一であるか否かを判定することができる。
また、別の判定手法として、前記周波数F1,F2それぞれの周波数特性をフーリエ級数に展開し複素平面上にプロットした作動点が複素平面上の原点に位置しているか否かを判定するようにしてもよい。前述したように、全てのインジェクタ52,52,…の燃料噴射量が略同一である場合には、その作動点は複素平面上の原点に位置することになるので、この作動点が複素平面上の原点に位置しているか否かを認識することによって、各インジェクタ52,52,…それぞれの燃料噴射量が互いに略同一であるか否かを判定することができる。
各インジェクタ52,52,…それぞれの燃料噴射量が互いに同一であり、ステップST13でYES判定された場合には、燃料噴射量のバラツキを解消するための補正動作は必要ないとして、そのままリターンされる。
一方、各インジェクタ52,52,…それぞれの燃料噴射量が互いに略同一ではなく、ステップST13でNO判定された場合にはステップST14に移り、周波数F1,F2それぞれの強度の比較を行う。具体的には、周波数F1の強度が周波数F2の強度よりも高いか否かを判定する。この判定は、「1気筒のみでの燃料噴射量が他の3気筒それぞれでの燃料噴射量と異なっている、または、燃焼行程が連続する2気筒それぞれでの燃料噴射量が他の2気筒それぞれでの燃料噴射量と異なっている」状況であるのか、または、「燃焼行程が連続しない2気筒それぞれでの燃料噴射量が他の2気筒それぞれでの燃料噴射量と異なっている」状況であるのかを判別するためのものである。前述したように、1気筒のみでの燃料噴射量が他の3気筒それぞれでの燃料噴射量と異なっている場合や、燃焼行程が連続する2気筒それぞれでの燃料噴射量が他の2気筒それぞれでの燃料噴射量と異なっている場合には、ターボチャージャ40の回転速度の変動は、F1に大きく現れ、F1の大きさはF2の大きさに比べて大幅に大きくなる。これに対し、燃焼行程が連続しない2気筒それぞれでの燃料噴射量が他の2気筒それぞれでの燃料噴射量と異なっている場合には、ターボチャージャ40の回転速度の変動は、F1に比べてF2の方が強くなる。
このため、周波数F1の強度が周波数F2の強度よりも高くなっており、ステップST14でYES判定された場合には、1気筒のみでの燃料噴射量が他の3気筒それぞれでの燃料噴射量と異なっている、または、燃焼行程が連続する2気筒それぞれでの燃料噴射量が他の2気筒それぞれでの燃料噴射量と異なっている状況であると判断できる。一方、周波数F2の強度が周波数F1の強度よりも高くなっており、ステップST14でNO判定された場合には、燃焼行程が連続しない2気筒それぞれでの燃料噴射量が他の2気筒それぞれでの燃料噴射量と異なっている状況であると判断できる。
ステップST14でYES判定された場合には、ステップST15に移り、後述する診断方法1によって、各インジェクタ52,52,…の燃料噴射量のバラツキの診断を行う。この診断方法1の具体的な手法については後述する。一方、ステップST14でNO判定された場合には、ステップST16に移り、後述する診断方法2によって、各インジェクタ52,52,…の燃料噴射量のバラツキの診断を行う。この診断方法2の具体的な手法についても後述する。
以下、各診断方法の具体的な手法について説明する。
何れの診断方法においても、先ず、事前にエンジン回転速度に対する各気筒♯1~♯4それぞれにおける燃料噴射量変更時の作動基底ベクトルを実験または解析によって求めておく。この作動基底ベクトルは、一つの気筒におけるインジェクタ52の燃料噴射量を予め設定された単位噴射量だけ変化させた場合において、その燃料噴射量を変化させた気筒および変化量に対応するベクトル角度およびベクトル長さを前記複素平面上に表したものである。図10は、第2番気筒♯2での燃料噴射量を単位噴射量だけ減量させた場合の作動基底ベクトルv→ref#iを示している。つまり、この作動基底ベクトルv→ref#iは、第i気筒(図10では例えば第2番気筒♯2)での燃料噴射量を変更した際の極座標上の原点と作動点とを結ぶベクトルを単位噴射量当たりに整理したものとなっている。このため、実際の作動点が図10における「●」の位置であった場合には、前記作動基底ベクトルv→ref#iの長さをLi倍したベクトルが、この作動点「●」を現すベクトル(原点から作動点「●」に向かうベクトル)となる。つまり、前記単位噴射量のLi倍の燃料噴射量だけ第i気筒では燃料噴射量がずれていることになる。
以下、前記診断方法1の具体的な手法について説明する。前述した如く、診断方法1は、周波数F1の強度が周波数F2の強度よりも高くなっており、「1気筒のみでの燃料噴射量が他の3気筒それぞれでの燃料噴射量と異なっている、または、燃焼行程が連続する2気筒それぞれでの燃料噴射量が他の2気筒それぞれでの燃料噴射量と異なっている」状況であると判定された場合に実行される。
この診断方法1では、先ず、前記周波数F1成分を抽出し、複素平面上に実測の作動点(以下、実測作動点という場合もある)をプロットする。図11は実測作動点が座標(βact,Lact)にプロットされた場合を示している。
そして、複素平面上の原点から実測作動点(βact,Lact)に向かう実測作動点ベクトルV→actを求め、この実測作動点ベクトルV→actを、この実測作動点ベクトルV→actを挟む各作動線上に分解する。つまり、2つの気筒i,jを対象とする作動点ベクトルV→act#i,V→act#jに分解する。この分解して得られた2方向のベクトルV→act#i,V→act#jのスカラー量を求め、事前に求めた相関式を利用して各気筒i,jでの燃料噴射量のずれ量(他の気筒における燃料噴射量からのずれ量)ΔQi,ΔQjを算出する。
なお、前記気筒iを対象とする作動点ベクトルV→act#i、作動基底ベクトルv→ref#i、スカラー量Liとの間には以下の式(9)の関係があり、この式(9)からスカラー量Liを算出することが可能である。
以上の診断方法1の手法を図11を用いて具体的に説明する。
図11に示すように、実測作動点ベクトルがV→actであった場合、この実測作動点ベクトルV→actを、気筒i,jを対象とする作動点ベクトルV→act#i,V→act#jに分解し、これら各ベクトルのV→act#i,V→act#jのスカラー量(補正前のスカラー量)を以下の式(10)(11)によって算出する。ここで、Lact#iは第i気筒での燃料噴射量のずれ量に相当するスカラー量である。また、Lact#jは第j気筒での燃料噴射量のずれ量に相当するスカラー量である。また、βref#iは実数部の座標軸からの作動点ベクトルV→act#iの角度であり、βref#jは実数部の座標軸からの作動点ベクトルV→act#jの角度である。
そして、これら燃料噴射量のずれ量を下記の式(12)(13)によって補正することによって第i気筒での燃料噴射量のずれ量ΔQiおよび第j気筒での燃料噴射量のずれ量ΔQjを算出する。
式(12)(13)における係数aは、実験またはシミュレーションによって予め求められたものであって、例えば図12に示すようなスカラー量Lと実際の燃料噴射量のずれ量ΔQとの関係を規定するものである。
なお、燃料噴射量のずれ量ΔQi,ΔQjの算出にあたっては、前述した式によって行うものに代えて、予め作成されたずれ量算出マップによって抽出するようにしてもよい。さらに、前記係数aは、実験またはシミュレーションに応じ、全気筒で同一の値であってもよいし、各気筒毎に個別の値が設定されていてもよい。
次に、前記診断方法2の具体的な手法について説明する。前述した如く、診断方法2は、周波数F2の強度が周波数F1の強度よりも高くなっており、「燃焼行程が連続しない2気筒それぞれでの燃料噴射量が他の2気筒それぞれでの燃料噴射量と異なっている」状況であると判定された場合に実行される。
この診断方法2では、先ず、前記周波数F1成分を抽出し、複素平面上に実測作動点をプロットする。図13は作動点が座標(βact,Lact)にプロットされた場合を示している。
F1の複素平面上の作動点から、対象となる2つの気筒を特定する。つまり、作動点が現れている複素平面上の象限によって2つの気筒を特定する。そして、何れかの気筒における燃料噴射量を増量または減量させ(図13に一点鎖線V→1で示すベクトルは第i気筒(第2気筒♯2)を減量させた場合であり、一点鎖線V→2で示すベクトルは第i気筒(第2気筒♯2)を増量させた場合である)、F1成分が「0」となるようにする。つまり、前記作動点が複素平面上の原点に位置するようにする。この場合、当該2つの気筒での燃料噴射量のずれ量は一致したことになる。
そして、F2の複素平面上において、作動点と燃料噴射量のずれ量との関係から、2つの気筒のずれ量(2つの気筒それぞれでの燃料噴射量を一致させた状態において、この燃料噴射量と、他の2つの気筒それぞれでの燃料噴射量とのずれ量)を算出する。そして、事前に求めておいた燃料噴射量補正値を考慮して各気筒における燃料噴射量のずれ量を算出する。
以上の診断方法2の手法を図13~図15を用いて具体的に説明する。
図13に示すように、反位相にある気筒同士の燃料噴射量がずれている場合、どちらの気筒がどの程度ずれているかを特定することは難しい。そのため、事前に、互いに反位相となっている気筒同士(第i気筒と第j気筒)を組み合わせて、双方の燃料噴射量を同量だけ変更した場合のF2の特性を把握する(図15を参照)。
この際、燃料噴射量の変化量に対する特性は直線にならない場合が想定されるので(図14を参照)、マップ形式でデータを採取して演算することが望ましい。つまり、事前計測において、燃料噴射量の変化量を増減両方向に複数ステップ採取し、その特性を図15に示すようにプロットしておく。そして、この場合の燃料噴射量のずれ量ΔQijと作動点の座標(βij,Lij)を保管しておく。
F1の複素平面上に作動点をプロットする場合の動作としては、先ず、エンジン運転時における実測作動点をF1の複素平面上にプロットする。この際、作動点は図10で得られた各気筒の作動線上に位置する。これは、図13に示すように、互いに反位相となっている気筒同士の燃料噴射量がずれている場合は、β方向には変化が生じないためである。仮に第i気筒での燃料噴射量のずれ量と第j気筒での燃料噴射量のずれ量とが同量であった場合には、F1の複素平面上の作動点は原点から動かないことになる。
燃料噴射量の変更動作としては、F1の複素平面上の作動点が原点と異なっている場合に、第i気筒および第j気筒のうちの何れかの気筒に供給する燃料噴射量を調整することで作動点を原点に導く。仮に第i気筒での燃料噴射量を調整した場合、作動点が原点に到達した際の補正噴射量ΔQi#corを保存しておく。この時点で、対象気筒である第i気筒および第j気筒での燃料噴射量のずれ量は等しくなっている。
各気筒に共通のずれ量の特定にあたっては、F2の複素平面上に作動点をプロットし、その座標(βij#act,Lij#act)と、事前に得ていた燃料噴射量のずれ量の特性データから第i気筒および第j気筒での燃料噴射量のずれ量ΔQijを算出する。
第i気筒での燃料噴射量のずれ量ΔQiは以下の式(14)によって算出することが可能である。また、第j気筒での燃料噴射量のずれ量ΔQjは以下の式(15)によって算出することが可能である。
以上が各診断方法である。
図9のフローチャートに戻り、前記診断方法1または前記診断方法2によって第i気筒での燃料噴射量のずれ量ΔQiおよび第j気筒での燃料噴射量のずれ量ΔQjが算出された後、ステップST17に移り、以下の式(16)(17)によって、各気筒における燃料噴射量のバラツキを解消するための各気筒での燃料噴射量Qi#cor,Qj#corを算出する。式(16)は第i気筒での燃料噴射量のずれを解消するための燃料噴射量Qi#corを求める式であり、式(17)は第j気筒での燃料噴射量のずれを解消するための燃料噴射量Qj#corを求める式である。
このようにして各気筒における燃料噴射量を算出した後、ステップST18に移り、この算出した燃料噴射量が得られるようにインジェクタ52の開弁時間を制御して燃料噴射を実行する。
なお、前述したように、本実施形態における燃料噴射量のバラツキの診断では、1気筒のみでの燃料噴射量が他の3気筒それぞれでの燃料噴射量と異なっている場合、ピストンが同位相で往復動し且つ燃焼行程が連続しない2つの気筒(例えば、第1番気筒♯1と第4番気筒♯4)の何れかの燃料噴射量に乖離が生じていると診断することができる。このため、実際の燃料噴射にあっては、前記算出した燃料噴射量で一方の気筒に対する燃料噴射を行い、これによって燃料噴射量のバラツキが解消されない場合には、この一方の気筒に対する燃料噴射を戻し、他方の気筒に対して前記算出した燃料噴射量での燃料噴射を行うことになる。これは2気筒それぞれでの燃料噴射量が他の2気筒それぞれでの燃料噴射量と異なっている場合も同様である。
このような燃料噴射量のバラツキの解消動作が行われるため、前記ステップST17,ST18の動作が本発明でいうバラツキ解消補正部による動作(各気筒間での燃料の燃焼状態のバラツキを解消するように、各気筒毎に、燃料の燃焼状態を変化させる制御量を補正する動作)に相当する。
なお、コモンレール式の燃料供給装置50の場合、燃料噴射量は燃料圧力とインジェクタ52のソレノイド等への通電時間によって制御されるため、以下の式(18)(19)によって燃料噴射量のずれを解消するようにしてもよい。
これら式(18)(19)におけるτはインジェクタ52への通電時間(開弁時間に相当)である。つまり、τiは第i気筒のインジェクタ52に対する現在(補正前)の開弁時間であり、τjは第j気筒のインジェクタ52に対する現在(補正前)の開弁時間である。また、Δτi#corは第i気筒におけるインジェクタ52の開弁時間の補正量であり、Δτj#corは第j気筒におけるインジェクタ52の開弁時間の補正量である。また、τi#corは第i気筒におけるインジェクタ52の補正後の開弁時間であり、τj#corは第j気筒におけるインジェクタ52の補正後の開弁時間である。
以上の動作が繰り返されることにより、各インジェクタ52,52,…の燃料噴射量のバラツキが解消されることになる。
本実施形態では、前述したように、総燃料噴射量の補正動作および各インジェクタ52,52,…の燃料噴射量のバラツキの解消動作を行うことにより、各気筒♯1~♯4それぞれにおける燃料噴射量を適正に制御することが可能になる。つまり、各気筒♯1~♯4それぞれのインジェクタ52,52,…の燃料噴射量をバラツキ無く前記目標噴射量Qtgtに合わせ込むことができる。このため、機関出力の低下の抑制、回転変動の減少、排気エミッションの改善等を図ることができる。
(変形例1)
次に、変形例1について説明する。本変形例は、前述した総燃料噴射量の診断動作および燃料噴射量のバラツキの診断動作それぞれの実行許可条件を規定するものである。つまり、実行許可条件が成立した場合に限り、前述した各診断動作を実行するようになっている。
次に、変形例1について説明する。本変形例は、前述した総燃料噴射量の診断動作および燃料噴射量のバラツキの診断動作それぞれの実行許可条件を規定するものである。つまり、実行許可条件が成立した場合に限り、前述した各診断動作を実行するようになっている。
本発明は、各気筒♯1~♯4に対する燃料噴射量と排気ガスのエンタルピとターボチャージャ40の回転速度の変動量との間に相関があることを利用している。このため、これらの関係性を損なう状況が生じる運転条件では、診断動作に誤診断を招いてしまう可能性があるため、この診断動作の信頼性を確保するためには各診断動作の実行を許可する運転条件を制限することが好ましい。本変形例は、この運転条件を規定したものである。
各診断動作の実行許可条件は、機関回転速度、機関負荷、冷却水温度、吸気圧力、排気圧力、吸気温度、大気圧力によって規定される。
なお、機関回転速度は、前記エンジン回転速度センサ102からの出力信号に基づいて算出される。機関負荷は、前記負荷状態検出部材103からの出力信号によって求められる。冷却水温度は、前記冷却水温度センサ105からの出力信号によって求められる。吸気圧力は、前記吸気圧力センサ106からの出力信号によって求められる。排気圧力は、前記排気圧力センサ107からの出力信号によって求められる。吸気温度は、前記吸気温度センサ108からの出力信号によって求められる。大気圧力は、前記大気圧力センサ109からの出力信号によって求められる。
そして、機関回転速度における前記各診断動作の実行許可条件は、機関回転速度が所定の下限速度以上であって且つ定常回転にある場合(例えば1secの間、機関回転速度が変化しない場合)に成立する。これは、診断動作中に機関回転速度が変化した場合には、燃料噴射量も変化している可能性が高く、前記相関関係(各気筒♯1~♯4に対する燃料噴射量とターボチャージャ40の回転速度の変動量との間の相関関係)が変化して診断動作の信頼性の確保が難しくなることに鑑みて、各診断動作の実行を許可しないようにしたものである。なお、前記機関回転速度の下限速度は実験またはシミュレーションに基づいて設定される。
冷却水温度における前記各診断動作の実行許可条件は、冷却水温度が所定温度(エンジン1の暖機完了温度)以上である場合に成立する。これは、冷却水温度が低い場合にはシリンダ内での熱損失が増大し、前述した燃料噴射量と排気ガスのエンタルピとターボチャージャ40の回転速度の変動量との間の相関関係が変化してしまうため、冷却水温度が所定温度以上である場合に実行許可条件を成立させるものである。また、冷却水温度が低い場合には、潤滑油温度も低く、ターボチャージャ40の軸受け回りの摩擦損失が大きくなり、前記相関関係が変化して診断動作の信頼性の確保が難しくなることに鑑みて、各診断動作の実行を許可しないようにしている。
吸気圧力における前記各診断動作の実行許可条件は、吸気圧力が所定の圧損制限値以下である場合に成立する。これは、エアフィルタ23の目詰まり等の影響で、吸気圧力が低下した場合には診断動作の信頼性の確保が難しくなることに鑑みて、各診断動作の実行を許可しないようにしたものである。なお、前記吸気圧力の圧損制限値は実験またはシミュレーションに基づいて設定される。
排気圧力における前記各診断動作の実行許可条件は、排気圧力が所定の制限値以下である場合に成立する。これは、排気浄化装置33(特にDPF)におけるスートの堆積量が多くなった場合、タービンホイール42の出口側の圧力が変化し診断動作の信頼性の確保が難しくなることに鑑みて、各診断動作の実行を許可しないようにしたものである。なお、前記排気圧力の制限値は実験またはシミュレーションに基づいて設定される。
吸気温度における前記各診断動作の実行許可条件は、吸気温度が常温(例えば20℃~25℃程度)相当である場合に成立する。
大気圧力における前記各診断動作の実行許可条件は、大気圧力が予め規定された所定圧力(例えば1000mb)以下である場合に成立する。
また、機関負荷にあっては、総燃料噴射量の診断動作の実行許可条件と、燃料噴射量のバラツキの診断動作の実行許可条件とは異なっている。具体的に、総燃料噴射量の診断動作の実行許可条件は、機関負荷が所定の下限負荷以上であって且つ定常である場合(例えば1secの間、変化しない場合)に成立する。一方、燃料噴射量のバラツキの診断動作の実行許可条件は、機関負荷が所定の制限負荷であって且つ定常である場合(例えば1secの間、変化しない場合)に成立する。これは、エンジン1の回転速度がローアイドル等であって機関負荷が低い場合には、ターボチャージャ40の回転速度が低く、前述した燃料噴射量と排気ガスのエンタルピとターボチャージャ40の回転速度の変動量との間の相関関係が変化してしまうため、機関負荷が低い場合には診断動作の実行を許可しないようにしたものである。なお、前記機関負荷の下限負荷および制限負荷は実験またはシミュレーションに基づいて設定される。
以上のようにして、総燃料噴射量の診断動作および燃料噴射量のバラツキの診断動作それぞれの実行許可条件を規定したことにより、診断動作の信頼性を十分に確保することが可能になり、この診断動作の診断結果に応じて行われる燃料噴射量の補正も適正に行うことが可能になる。
(変形例2)
次に、変形例2について説明する。本変形例は、前記EGR装置60の作動状態に応じて、前述した総燃料噴射量の診断動作および燃料噴射量のバラツキの診断動作それぞれの許可および禁止を切り替えるものである。
次に、変形例2について説明する。本変形例は、前記EGR装置60の作動状態に応じて、前述した総燃料噴射量の診断動作および燃料噴射量のバラツキの診断動作それぞれの許可および禁止を切り替えるものである。
EGR装置60によって排気ガスの一部が吸気系20に還流されている場合、EGR率が一定であれば前記周波数F1~F3は殆ど影響を受けないが、周波数F4は大きく影響を受けることになる(EGR率とF4強度との関係の一例を示す図16を参照)。これは、EGRガスによって吸気系20内を流れるガス量が変動し、燃料噴射量に対する気筒内での燃焼量が変化してターボチャージャ40の回転速度特性に影響を与えるためである。このように、周波数F4が変動してしまうと、前記総燃料噴射量の診断動作の信頼性を確保することが難しくなる。
このため、本変形例では、EGR率が「0」となっていることを総燃料噴射量の診断動作の実行許可条件として規定している。つまり、エンジンECU100からEGRバルブ62に出力されているバルブ開度指令信号が「開度0」となる信号である期間に限り総燃料噴射量の診断動作を許可するものとなっている。
また、前述したバラツキの診断動作に対しても、EGR率が「0」となっていることを診断動作の実行許可条件として規定しておく(EGR装置60による排気ガスの還流が停止していることを条件に各気筒♯1~♯4間での燃料の燃焼状態のバラツキ(燃料噴射量のバラツキ)を診断する)ことが、信頼性を十分に確保する点で好ましい。
図17は、本変形例における制御の手順を示すフローチャート図である。このフローチャートも、エンジン1のスタートスイッチがONされた後、所定時間毎に繰り返される。
先ず、ステップST21において、エンジン1が定常運転状態にあるか否かを判定する。ここでいう定常運転状態とは、エンジン1の運転始動時の制御動作(始動モード)や運転停止時の制御動作(停止モード)が行われていない状態をいう。
エンジン1が定常運転状態ではなく、ステップST21でNO判定された場合には、前記診断動作を実行することなく、そのままリターンされる。
一方、エンジン1が定常運転状態であり、ステップST21でYES判定された場合には、ステップST22に移り、前述した診断動作の実行許可条件(前記変形例1を参照)が成立しているか否かを判定する。診断動作の実行許可条件が成立しておらず、ステップST22でNO判定された場合には、前記診断動作を実行することなく、そのままリターンされる。
一方、診断動作の実行許可条件が成立しており、ステップST22でYES判定された場合には、ステップST23に移り、EGRバルブ62を閉鎖させる。つまり、エンジンECU100からEGRバルブ62に向けて「開度0」のバルブ開度指令信号を出力し、EGRバルブ62を閉鎖させる。なお、このEGRバルブ62を閉鎖させる動作は、診断動作の実行許可条件が成立する度に行うようにしてもよいし、前回の診断動作から所定時間が経過した後に実行許可条件が成立した際に行うようにしてもよい。
このようにしてEGRバルブ62を閉鎖させた後、ステップST24に移り、前述した診断動作(総燃料噴射量の診断動作および燃料噴射量のバラツキの診断動作)を実行する。この診断動作については前記実施形態において説明したので、ここでの説明は省略する。なお、前述したように、機関負荷が上限値に達した際にのみ総燃料噴射量の診断動作を行うようにした場合には、エンジン1の運転が部分負荷域にある場合、このステップST24では燃料噴射量のバラツキの診断動作のみが実行されることになる。
この診断動作の実行の後、ステップST25に移り、診断の結果に応じた燃料噴射量の補正動作(総燃料噴射量の補正動作および燃料噴射量のバラツキ解消のための補正動作)を実行する。この燃料噴射量の補正動作についても前記実施形態において説明したので、ここでの説明は省略する。
以上説明したように、本変形例では、EGR率が「0」となっていることを診断動作の実行許可条件として規定している。このため、診断動作の信頼性を十分に確保することが可能になり、この診断動作の診断結果に応じて行われる燃料噴射量の補正も適正に行うことが可能になる。
なお、本変形例にあっては、EGR率を算出しておき、このEGR率に応じて前記燃料噴射量の補正を行うようにしてもよい。つまり、排気圧力、吸気温度、EGRガス温度、EGRバルブ62の開度等をパラメータとしてEGR率を算出する。そして、EGR率と燃料噴射量の補正量との関係を予め実験またはシミュレーションによって把握してマップ化しておき、前記算出したEGR率を、このマップに適用することによって燃料噴射量の補正を行う。この場合、エンジン1の運転状態に関わりなく(排気ガスが吸気系20に還流されている状況であっても)燃料噴射量を適正に補正することが可能である。
(変形例3)
次に、変形例3について説明する。本変形例は、前記ウエストゲートバルブ72を備えたターボチャージャ40や、可変容量機構を備えたVGT(Variable Geometry Turbo)に対し、これらウエストゲートバルブ72や可変容量機構を通過する排気ガス量を考慮して燃料噴射量の補正量を求めるようにしたものである。なお、可変容量機構の構成については公知であるため、ここでの説明は省略する。
次に、変形例3について説明する。本変形例は、前記ウエストゲートバルブ72を備えたターボチャージャ40や、可変容量機構を備えたVGT(Variable Geometry Turbo)に対し、これらウエストゲートバルブ72や可変容量機構を通過する排気ガス量を考慮して燃料噴射量の補正量を求めるようにしたものである。なお、可変容量機構の構成については公知であるため、ここでの説明は省略する。
以下、ウエストゲートバルブ72を通過する排気ガス量を考慮した場合を例に挙げて説明する。
先ず、ターボチャージャ40のタービンホイール42を通過する排気ガス量Gturは以下の式(20)によって算出することができる。
ここで、図18(エンジン1の吸排気系における各部のガス量、ガス圧力、ガス温度を示す模式図)にも示すように、Gexhは排気ガスの総量であり、GWGはウエストゲートバルブ72を通過する排気ガス量である。また、Gairは吸入空気量であり、Gfuelは燃料噴射量である。
従って、エンジンECU100から出力される信号の指令値と、排気ガスの通路面積または排気ガス量との関係を把握しておけば、タービンホイール42を通過する排気ガス量Gturは算出することが可能である。
また、前記実施形態のような機械式のウエストゲートバルブ72を備えたエンジン1にあっては、タービンホイール42前後の排気ガスの流路を単純な絞りを有するガス流路系に置き換えると図19(ウエストゲートバルブ72周辺のガス流路における断面積、ガス圧力、ガス温度を示す模式図)に示すようになる。
この場合、以下の式(21)によってタービンホイール42出口側の流路面積Aoutを算出することができる。
ここで、Aturはタービンホイール42の入口側の流路面積であり、AWGはウエストゲートバルブ72の開度に応じた流路面積である。
この場合、ウエストゲートバルブ72の開度に応じた流路面積AWGは可変となっているので、これに連続の式およびエネルギ保存式を適用すると、タービンホイール42部分の合計流路面積Aoutは以下の式(22)によって算出することができる。
ここで、PTCはタービンホイール42の膨張仕事である。また、TDOC#inはタービンホイール42下流側における排気浄化装置33入口側の排気ガス温度、PDOC#inは排気浄化装置33入口側の排気ガス圧力、Texhはタービンホイール42入口側の排気ガス温度、Pexhはタービンホイール42入口側の排気ガス圧力である。なお、Rは気体定数、κは比熱比である。
事前に機関回転速度一定条件で投入熱量を変更した場合の流路面積Aoutを算出し、図20に示すように座標軸上にプロットすると、ウエストゲートバルブ72が開いていない運転領域では流路面積Aoutは一定値であり、燃料噴射量の増加に伴いウエストゲートバルブ72の開度が大きくなっていくに従って流路面積Aoutは増加する特性が得られる。ここで、流路面積Aoutが一定となっている部分を等価タービン通過面積Atur、可変部分を等価ウエストゲート通過面積AWGとみなす。
そして、最終的にタービン通過流量Gturは以下の式(23)の如く、両者の流路面積の比から算出することができる。
そして、燃料噴射量のずれ量の補正値Qcor#WGは以下の式(24)によって算出することができ、この補正値を前述した燃料噴射量の補正量に加算することになる。
なお、式(24)のγは予め実験またはシミュレーションによって求められた変換係数である。
なお、可変容量機構を備えたターボチャージャ40にあっても、可変容量機構のノズルベーンの開度(排気ガス流路面積を変化させるノズルベーンの開度)に応じて前述と同様に燃料噴射量のずれ量の補正値を算出することが可能である。
このような補正動作を行うことにより、ウエストゲートバルブ72を備えたターボチャージャ40が搭載されたエンジン1やVGTが搭載されたエンジン1であっても燃料噴射量の補正を適正に行うことが可能になる。
(変形例4)
次に、変形例4について説明する。本変形例は、ターボチャージャ40として2ステージターボチャージャが備えられた場合である。
次に、変形例4について説明する。本変形例は、ターボチャージャ40として2ステージターボチャージャが備えられた場合である。
図21は、本変形例に係るエンジン1のターボチャージャ40周辺の概略構成を示す図である。この図21に示すように、ターボチャージャ40は、高圧段ターボチャージャ40aと低圧段ターボチャージャ40bとを備えている。
高圧段ターボチャージャ40aは、吸気管21において比較的下流側(低圧段ターボチャージャ40bの低圧段コンプレッサホイール41bよりも下流側)に配置されて吸気を過給する高圧段コンプレッサホイール41aと、排気管31において比較的上流側(低圧段ターボチャージャ40bの低圧段タービンホイール42bよりも上流側)に配置されて排気ガスの流体エネルギにより回転する高圧段タービンホイール42aとを備えている。これら高圧段コンプレッサホイール41aと高圧段タービンホイール42aとが回転軸43aによって連結されている。
また、低圧段ターボチャージャ40bは、吸気管21において比較的上流側(高圧段ターボチャージャ40aの高圧段コンプレッサホイール41aよりも上流側)に配置されて吸気を過給する低圧段コンプレッサホイール41bと、排気管31において比較的下流側(高圧段ターボチャージャ40aの高圧段タービンホイール42aよりも下流側)に配置されて排気ガスの流体エネルギにより回転する低圧段タービンホイール42bとを備えている。これら低圧段コンプレッサホイール41bと低圧段タービンホイール42bとが回転軸43bによって連結されている。
本発明は、気筒毎の排気ブローダウン時のエネルギ脈動によってターボチャージャ40の回転速度が変動する現象を利用している。このため、このエネルギ脈動の影響を大きく受けて回転速度の変動が大きく現れる高圧段ターボチャージャ40aの回転速度に応じて前記診断動作を行うことが好ましい。
そのため、本変形例では、高圧段ターボチャージャ40aの高圧段コンプレッサホイール41aのブレードに対向して前記ターボ回転速度センサ104が配置されている。この構成が、本発明でいう「ガス流れに対して直列に配設された複数の排気タービン過給機が備えられた多気筒内燃機関に対し、排気タービン過給機の回転速度に応じた信号を出力する回転速度検出手段が、高圧側の排気タービン過給機の近傍に配設され、この高圧側の排気タービン過給機の回転速度に応じた信号を出力する構成」に相当する。
このようなターボ回転速度センサ104の配設形態を採用することにより、2ステージターボチャージャを備えたエンジン1であっても、前記診断動作の信頼性を十分に確保することが可能になる。
-他の実施形態-
なお、前記実施形態および各変形例は、全ての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。従って、本発明の技術的範囲は、前記した実施形態および各変形例のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、本発明の技術的範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれる。
なお、前記実施形態および各変形例は、全ての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。従って、本発明の技術的範囲は、前記した実施形態および各変形例のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、本発明の技術的範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれる。
例えば、前記実施形態および各変形例では、船舶用のエンジン1に本発明を適用した場合について説明したが、その他の用途(例えば発電機用、車両用等)のエンジンに対しても本発明は適用が可能である。
また、前記実施形態および各変形例では、ディーゼルエンジン1に本発明を適用した場合について説明した。本発明はこれに限らず、ガソリンエンジン、ガスエンジン等の種々の多気筒内燃機関に適用可能である。また、燃料改質気筒および複数の出力気筒を備え、燃料改質気筒で改質された燃料を各出力気筒に供給して出力を得るようにした多気筒内燃機関に対しても本発明は適用可能である。
また、前記実施形態および各変形例では、機関回転速度、機関負荷、冷却水温度、吸気圧力、排気圧力、吸気温度、大気圧力それぞれの状態量に診断動作の実行許可条件を与え、全ての状態量が実行許可条件を満たした場合にのみ診断動作を許可するものとしていた。本発明はこれに限らず、前記各状態量のうちの一つ、または、前記各状態量のうちから選択された複数に診断動作の実行許可条件を与え、その状態量が実行許可条件を満たした場合にのみ診断動作を許可するものとしてもよい。
また、前記実施形態および各変形例では、各気筒♯1~♯4における燃料の燃焼状態のバラツキの診断の一形態として、各インジェクタ52,52,…からの燃料噴射量のバラツキの診断を例に挙げて説明した。本発明はこれに限らず、各気筒♯1~♯4における燃料性状のバラツキや、燃焼温度のバラツキを診断するものとして利用することも可能である。
また、前記実施形態および各変形例では、エンジン1の運転中に診断動作を行い、その運転中に診断結果に応じた燃料噴射量の補正動作を行うようにしていた。本発明はこれに限らず、エンジン1の運転が終了した後に診断動作を行うものも技術的思想の範疇である。例えば、エンジン1の運転中に、エンジン1の回転速度情報およびターボチャージャ40の回転速度情報を取得してRAM等に記憶させておき、エンジン1の運転が終了した後に、この記憶させておいた各回転速度情報から総燃料噴射量の診断や燃料噴射量のバラツキの診断を行うものである。つまり、各回転速度情報のうち、診断の信頼性が十分に確保できる運転状態にある期間での情報のみを抽出し、その抽出した回転速度情報に基づいて総燃料噴射量の診断や燃料噴射量のバラツキの診断を行うものである。そして、次回のエンジン運転時に、前記診断結果に応じた制御(燃料噴射量の補正等)を行ったり、前記診断結果に応じてエンジン1のメンテナンスを行ったりする。
また、前記実施形態および各変形例では、ターボ回転速度センサ104をコンプレッサホイール41に対向して配置することでターボチャージャ40の回転速度を検出する構成としていた。本発明はこれに限らず、ターボ回転速度センサ104をタービンホイール42に対向して配置させたり(この場合、ターボ回転速度センサ104に高い耐熱性が要求される)、回転軸43に対向して配置させたりすることでターボチャージャ40の回転速度を検出する構成としてもよい。
また、前記実施形態および各変形例では、前記周波数特性をフーリエ級数に展開し、その特性を複素平面上にプロットすることで作動点を求め、複素平面上の原点から作動点に向かうベクトルにおける複素平面の座標軸との成す角度に基づいて、燃料の燃焼状態が他の気筒とは異なっている気筒を特定し、ベクトル長さに基づいて、この特定された気筒における燃料の燃焼に関連する状態量と他の気筒における当該状態量との偏差を特定するようにしていた。本発明は、必ずしも複素平面上のベクトルに基づいて燃料の燃焼状態のバラツキを診断する必要はなく、前記周波数特性をフーリエ級数に展開することで得られた値(前記複素平面上での作動点の値に相当)によって、燃料の燃焼状態が他の気筒とは異なっている気筒を特定し、この特定された気筒における燃料の燃焼に関連する状態量と他の気筒における当該状態量との偏差を特定するようにしたものも技術的思想の範疇である。
この出願は、日本で2016年11月25日に出願された特願2016-228735号に基づく優先権を請求する。その内容はこれに言及することにより、本出願に組み込まれるものである。また、本明細書に引用された文献は、これに言及することにより、その全部が具体的に組み込まれるものである。
本発明は、ターボチャージャを備えたエンジンにおける各気筒それぞれにおける燃料の燃焼状態を診断する装置、および、その診断の結果に応じてエンジンを制御する制御装置に適用可能である。
1 エンジン(多気筒内燃機関)
20 吸気系
30 排気系
40 ターボチャージャ(排気タービン過給機)
40a 高圧段ターボチャージャ(高圧側の排気タービン過給機)
52 インジェクタ
60 EGR装置
72 ウエストゲートバルブ
100 エンジンECU
102 エンジン回転速度センサ(回転速度検出手段、内燃機関回転速度検出手段)
103 負荷状態検出部材
104 ターボ回転速度センサ(回転速度検出手段、過給機回転速度検出手段)
105 冷却水温度センサ
106 吸気圧力センサ
107 排気圧力センサ
108 吸気温度センサ
109 大気圧力センサ
♯1~♯4 気筒
20 吸気系
30 排気系
40 ターボチャージャ(排気タービン過給機)
40a 高圧段ターボチャージャ(高圧側の排気タービン過給機)
52 インジェクタ
60 EGR装置
72 ウエストゲートバルブ
100 エンジンECU
102 エンジン回転速度センサ(回転速度検出手段、内燃機関回転速度検出手段)
103 負荷状態検出部材
104 ターボ回転速度センサ(回転速度検出手段、過給機回転速度検出手段)
105 冷却水温度センサ
106 吸気圧力センサ
107 排気圧力センサ
108 吸気温度センサ
109 大気圧力センサ
♯1~♯4 気筒
Claims (14)
- 排気タービン過給機を備えた多気筒内燃機関の各気筒それぞれにおける燃料の燃焼状態を診断する内燃機関の診断装置であって、
前記排気タービン過給機の回転速度に応じた信号または当該排気タービン過給機の回転速度の変動に相関のある信号を出力する回転速度検出手段と、
前記回転速度検出手段から出力された信号の周波数特性を高速フーリエ変換によって周波数解析することにより各気筒間での燃料の燃焼状態のバラツキを診断する燃焼状態診断部とを備えていることを特徴とする内燃機関の診断装置。 - 請求項1記載の内燃機関の診断装置において、
前記燃焼状態診断部は、前記高速フーリエ変換によって周波数解析して複素平面上に対応させた作動点を求め、当該複素平面上の原点から前記作動点に向かうベクトルの前記複素平面の座標軸との成す角度およびベクトル長さに基づいて、各気筒間での燃料の燃焼状態のバラツキを診断するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の診断装置。 - 請求項2記載の内燃機関の診断装置において、
前記燃焼状態診断部は、前記ベクトルにおける前記複素平面の座標軸との成す角度に基づいて、燃料の燃焼状態が他の気筒とは異なっている気筒を特定し、前記ベクトル長さに基づいて、この特定された気筒における燃料の燃焼に関連する状態量と他の気筒における当該状態量との偏差を特定するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の診断装置。 - 請求項1、2または3記載の内燃機関の診断装置において、
前記燃焼状態診断部は、前記回転速度検出手段から出力された信号により求められる燃焼周波数を前記多気筒内燃機関の気筒数で除算した周波数の強度と、前記燃焼周波数を前記多気筒内燃機関の気筒数の「1/2」の値で除算した周波数の強度とを比較し、前者の周波数の強度が後者の周波数の強度よりも高い場合には、各気筒のうち一つの気筒での燃料の燃焼状態が他の気筒それぞれでの燃料の燃焼状態と異なっている、または、各気筒のうち燃焼行程が連続する複数の気筒それぞれでの燃料の燃焼状態が他の気筒それぞれでの燃料の燃焼状態と異なっていると診断するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の診断装置。 - 請求項1、2または3記載の内燃機関の診断装置において、
前記燃焼状態診断部は、前記回転速度検出手段から出力された信号により求められる燃焼周波数を前記多気筒内燃機関の気筒数で除算した周波数の強度と、前記燃焼周波数を前記多気筒内燃機関の気筒数の「1/2」の値で除算した周波数の強度とを比較し、後者の周波数の強度が前者の周波数の強度よりも高い場合には、各気筒のうちピストンが同位相で往復動し且つ燃焼行程が連続しない複数の気筒それぞれでの燃料の燃焼状態が他の気筒それぞれでの燃料の燃焼状態と異なっていると診断するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の診断装置。 - 請求項1~5のうち何れか一つに記載の内燃機関の診断装置において、
前記多気筒内燃機関の機関回転速度、機関負荷、冷却水温度、吸気圧力、排気圧力、吸気温度、大気圧力のうちの少なくとも一つの状態量に燃焼状態診断の実行許可条件が与えられており、
前記燃焼状態診断部は、前記燃焼状態診断の実行許可条件が成立している場合に、前記各気筒間での燃料の燃焼状態のバラツキを診断するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の診断装置。 - 請求項1~6のうち何れか一つに記載の内燃機関の診断装置において、
前記多気筒内燃機関は、排気系の排気ガスを吸気系に還流させるEGR装置を備えており、
前記燃焼状態診断部は、前記EGR装置による排気ガスの還流が停止していることを条件に、前記各気筒間での燃料の燃焼状態のバラツキを診断するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の診断装置。 - 請求項1~7のうち何れか一つに記載の内燃機関の診断装置において、
ガス流れに対して直列に配設された複数の排気タービン過給機が備えられた多気筒内燃機関に対し、排気タービン過給機の回転速度に応じた信号を出力する前記回転速度検出手段は、高圧側の排気タービン過給機の近傍に配設され、この高圧側の排気タービン過給機の回転速度に応じた信号を出力する構成となっていることを特徴とする内燃機関の診断装置。 - 排気タービン過給機を備えた多気筒内燃機関の各気筒それぞれにおける燃料の燃焼状態を診断する内燃機関の診断方法であって、
前記排気タービン過給機の回転速度に応じた信号または当該排気タービン過給機の回転速度の変動に相関のある信号の周波数特性を高速フーリエ変換によって周波数解析することにより各気筒間での燃料の燃焼状態のバラツキを診断することを特徴とする内燃機関の診断方法。 - 請求項1~8のうち何れか一つに記載の内燃機関の診断装置による診断結果に応じて内燃機関を制御する制御装置であって、
各気筒間での燃料の燃焼状態のバラツキを解消するように、各気筒毎に、燃料の燃焼状態を変化させる制御量を補正するバラツキ解消補正部を備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 請求項10記載の内燃機関の制御装置において、
前記排気タービン過給機には、ウエストゲートバルブおよび可変容量機構のうち少なくとも一方が備えられており、前記バラツキ解消補正部は、ウエストゲートバルブの開度または可変容量機構により調整される排気ガス流路面積に応じて前記制御量を補正するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 請求項9記載の内燃機関の診断方法による診断結果に応じて内燃機関を制御する制御方法であって、
各気筒間での燃料の燃焼状態のバラツキを解消するように、各気筒毎に、燃料の燃焼状態を変化させる制御量を補正することを特徴とする内燃機関の制御方法。 - 排気タービン過給機を備えた多気筒内燃機関の各気筒それぞれにおける燃料の燃焼状態を診断する内燃機関の診断装置であって、
前記多気筒内燃機関の回転速度に応じた信号を出力する内燃機関回転速度検出手段と、
前記排気タービン過給機の回転速度に応じた信号を出力する過給機回転速度検出手段と、
前記過給機回転速度検出手段から出力された信号の周波数特性、および、前記内燃機関回転速度検出手段から出力された信号に基づいて算出された機関回転速度をパラメータとして、前記内燃機関の1サイクル中に各気筒に供給された総燃料供給量を演算することで各気筒での燃料の燃焼状態を診断する燃焼状態診断部とを備えていることを特徴とする内燃機関の診断装置。 - 請求項13記載の内燃機関の診断装置による診断結果に応じて内燃機関を制御する制御装置であって、
前記多気筒内燃機関の1サイクル中に各気筒に供給された総燃料供給量を気筒数で除算して平均燃料供給量を求め、要求出力に応じて決定された各気筒での目標燃料供給量と前記平均燃料供給量との偏差分だけ各気筒毎に燃料供給量を補正する燃料供給量補正部を備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
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