JP2008002329A

JP2008002329A - 内燃機関の失火検出装置

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Publication number: JP2008002329A
Application number: JP2006171622A
Authority: JP
Inventors: Masanori Hattori; 正憲服部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-06-21
Filing date: 2006-06-21
Publication date: 2008-01-10

Abstract

【課題】内燃機関の失火検出装置において、高精度で迅速な失火判定を可能とすると共に計算負荷を低減して低コスト化を可能とする。
【解決手段】燃焼効率（熱発生量）と図示トルク熱量効率（図示トルク）とが相関関係にあるという知見から、ＥＣＵ５１は、燃焼室圧力に基づいて図示トルク熱量を算出（図示トルク熱量算出手段）し、燃料供給量に基づいて供給燃料熱量を算出（供給燃料熱量算出手段）し、図示トルク熱量と供給燃料熱量との比率により図示熱効率を算出（図示熱効率算出手段）し、図示熱効率と予め設定された失火判定値を比較して失火を判定（失火判定手段）する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の失火を検出する内燃機関の失火検出装置に関し、特に、熱効率を用いて失火を検出するものである。

例えば、燃料を燃焼室に直接噴射する筒内噴射式エンジンでは、吸気弁の開放時に、空気が吸気ポートから燃焼室に吸入されてピストンにより圧縮され、この高圧空気に対してインジェクタから燃料が直接噴射され、燃焼室内の高圧空気と霧状の燃料とが混合し、この混合気が点火プラグに導かれて着火して爆発することで駆動力を得ることができ、排気弁の開放時に、燃焼後の排気ガスが排気ポートから排出される。

この場合、一般的に、制御装置は、検出した吸入空気量に基づいて基準燃料噴射量を設定し、始動後には、吸気温度、吸気圧、スロットル開度、アクセル開度、エンジン回転数、エンジン冷却水温などのエンジン運転状態に基づいてこの基準燃料噴射量を補正すると共に、排気ガスの酸素濃度をフィードバックして空燃比がストイキ（理論空燃比）となるように燃料噴射量を補正している。また、制御装置は、吸気圧、エンジン回転数などのエンジン運転状態に基づいて基準点火時期を設定し、始動後には、吸気温度、エンジン冷却水温などのエンジン運転状態に基づいてこの基準点火時期を補正すると共に、空燃比のフィードバック補正に応じて燃料噴射量を補正している。そして、制御装置は、設定した燃料噴射量（燃料噴射時間）や点火時期に基づいてインジェクタや点火プラグを駆動制御している。

このようなエンジン制御では、燃料噴射量、空燃比、点火時期などが現在のエンジンの運転状態に適応したものに設定されていないと失火を招いてしまい、排気ガス特性やドライバビリティの悪化を引き起こしてしまうばかりでなく、エンジン停止に至る可能性もある。そのため、制御装置は、常時、エンジンの失火を検出してその原因を特定し、燃料噴射量、空燃比、点火時期などを補正する必要がある。

エンジンの失火を検出する失火検出装置としては、例えば、下記特許文献１、２に記載されたものがある。この特許文献１の内燃機関の燃料噴射制御装置は、早期噴射に対応する燃焼の終了後に、筒内圧センサが検出した燃焼室内圧力とクランク角度から定まる燃焼室容積との積に基づいて燃焼室内に発生した筒内発熱量に関する発熱パラメータを算出し、この発熱パラメータに基づいて、主噴射に関して失火が発生しないように主噴射の噴射時期を制御するものである。また、特許文献２の内燃機関の制御装置は、筒内圧センサが検出した筒内圧力と筒内容積との積値に基づいて、完全燃焼時の熱発生量に対する実熱発生量の熱量比を示す制御パラメータを算出し、この制御パラメータに基づいて筒内の失火を判定するものである。

特開２００５−０５４７５３号公報特開２００５−２０７４０７号公報

上述した各特許文献では、筒内圧力と筒内容積との積値に基づいて筒内発熱量に関する発熱パラメータ（制御パラメータ）を算出し、この発熱パラメータに基づいて失火を判定している。ところが、この発熱パラメータ（制御パラメータ）を算出するためには、燃焼室での筒内発熱量（熱発生量）をリアルタイムで算出する必要があるが、算出処理に微分項計算処理が含まれるために、その計算負荷が非常に高いものとなる。高精度で迅速な失火判定を行うためには、制御装置に高性能な計算機（ＣＰＵ）が必要となり、高コスト化を招いてしまうという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためのものであって、高精度で迅速な失火判定を可能とすると共に計算負荷を低減して低コスト化を可能とした内燃機関の失火検出装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の内燃機関の失火検出装置は、内燃機関の燃焼室圧力に基づいて図示トルク熱量を算出する図示トルク熱量算出手段と、前記内燃機関の燃料供給量に基づいて供給燃料熱量を算出する供給燃料熱量算出手段と、前記図示トルク熱量算出手段が算出した図示トルク熱量と前記供給燃料熱量算出手段が算出した供給燃料熱量との比率により図示熱効率を算出する図示熱効率算出手段と、該図示熱効率算出手段が算出した図示熱効率と予め設定された失火判定値を比較して前記内燃機関の失火を判定する失火判定手段とを具えたことを特徴とするものである。

本発明の内燃機関の失火検出装置では、燃焼室圧力を検出する筒内圧センサを設け、前記図示トルク熱量算出手段は、該筒内圧センサが検出した燃焼室圧力に燃焼室容積を乗算して図示トルク熱量を算出することを特徴としている。

本発明の内燃機関の失火検出装置では、前記供給燃料熱量算出手段は、基本燃料噴射量に残留燃料量を加算して壁面付着燃料量を減算して燃料供給量を算出し、該燃料供給量に燃料低位発熱量を乗算して供給燃料熱量を算出することを特徴としている。

本発明の内燃機関の失火検出装置によれば、燃焼室圧力に基づいて図示トルク熱量を算出する図示トルク熱量算出手段と、燃料供給量に基づいて供給燃料熱量を算出する供給燃料熱量算出手段と、図示トルク熱量と供給燃料熱量との比率により図示熱効率を算出する図示熱効率算出手段と、図示熱効率と予め設定された失火判定値を比較して失火を判定する失火判定手段とを設けている。即ち、燃焼室での熱発生量と相関関係にある図示トルク熱量を用いて図示熱効率を算出し、この図示熱効率と失火判定値を比較して失火を判定しており、計算負荷を低減して低コスト化を可能とすることができると共に、高精度で迅速な失火判定を可能とすることができる。

以下に、本発明に係る内燃機関の失火検出装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施例に係る内燃機関の失火検出装置が適用された内燃機関を表す概略構成図、図２は、本実施例の内燃機関の失火検出装置における失火判定制御のフローチャート、図３は、燃焼効率と図示トルク熱量効率との相関関係を表すグラフである。

本実施例の内燃機関の失火検出装置において、図１に示すように、内燃機関としてのエンジン１０は多気筒筒内噴射式であって、シリンダブロック１１上にシリンダヘッド１２が締結されており、このシリンダブロック１１に形成された複数のシリンダボア１３にピストン１４がそれぞれ上下移動自在に嵌合している。そして、シリンダブロック１１の下部にクランクケース１５が締結され、このクランクケース１５内にクランクシャフト１６が回転自在に支持されており、各ピストン１４はコネクティングロッド１７を介してこのクランクシャフト１６にそれぞれ連結されている。

燃焼室１８は、シリンダブロック１１におけるシリンダボア１３の壁面とシリンダヘッド１２の下面とピストン１４の頂面により構成されており、この燃焼室１８は、上部（シリンダヘッド１２の下面）の中央部が高くなるように傾斜したペントルーフ形状をなしている。そして、この燃焼室１８の上部、つまり、シリンダヘッド１２の下面に吸気ポート１９及び排気ポート２０が対向して形成されており、この吸気ポート１９及び排気ポート２０に対して吸気弁２１及び排気弁２２の下端部がそれぞれ位置している。この吸気弁２１及び排気弁２２は、シリンダヘッド１２に軸方向に沿って移動自在に支持されると共に、吸気ポート１９及び排気ポート２０を閉止する方向（図１にて上方）に付勢支持されている。また、シリンダヘッド１２には、吸気カムシャフト２３及び排気カムシャフト２４が回転自在に支持されており、吸気カム２５及び排気カム２６が吸気弁２１及び排気弁２２の上端部に接触している。

なお、図示しないが、クランクシャフト１６に固結されたクランクシャフトスプロケットと、吸気カムシャフト２３及び排気カムシャフト２４にそれぞれ固結された各カムシャフトシャフトスプロケットとは、無端のタイミングチェーンが掛け回されており、クランクシャフト１６と吸気カムシャフト２３と排気カムシャフト２４が連動可能となっている。

従って、クランクシャフト１６に同期して吸気カムシャフト２３及び排気カムシャフト２４が回転すると、吸気カム２５及び排気カム２６が吸気弁２１及び排気弁２２を所定のタイミングで上下移動することで、吸気ポート１９及び排気ポート２０を開閉し、吸気ポート１９と燃焼室１８、燃焼室１８と排気ポート２０とをそれぞれ連通することができる。この場合、この吸気カムシャフト２３及び排気カムシャフト２４は、クランクシャフト１６が２回転（７２０度）する間に１回転（３６０度）するように設定されている。そのため、エンジン１０は、クランクシャフト１６が２回転する間に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の４行程を実行することとなり、このとき、吸気カムシャフト２３及び排気カムシャフト２４が１回転することとなる。

また、このエンジン１０の動弁機構は、運転状態に応じて吸気弁２１及び排気弁２２を最適な開閉タイミングに制御する吸気・排気可変動弁機構（ＶＶＴ：Variable Valve Timing-intelligent）２７，２８となっている。この吸気・排気可変動弁機構２７，２８は、吸気カムシャフト２３及び排気カムシャフト２４の軸端部にＶＶＴコントローラ２９，３０が設けられて構成され、オイルコントロールバルブ３１，３２からの油圧をこのＶＶＴコントローラ２９，３０の図示しない進角室及び遅角室に作用させることによりカムスプロケットに対するカムシャフト２３，２４の位相を変更し、吸気弁２１及び排気弁２２の開閉時期を進角または遅角することができるものである。この場合、吸気・排気可変動弁機構２７，２８は、吸気弁２１及び排気弁２２の作用角（開放期間）を一定としてその開閉時期を進角または遅角する。また、吸気カムシャフト２３及び排気カムシャフト２４には、その回転位相を検出するカムポジションセンサ３３，３４が設けられている。

吸気ポート１９には、吸気マニホールド３５を介してサージタンク３６が連結され、このサージタンク３６に吸気管３７が連結されており、この吸気管３７の空気取入口にはエアクリーナ３８が取付けられている。そして、このエアクリーナ３８の下流側にスロットル弁３９を有する電子スロットル装置４０が設けられている。また、シリンダヘッド１２には、燃焼室１８に直接燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）４１が装着されており、このインジェクタ４１は、吸気ポート１９側に位置して上下方向に所定角度傾斜して配置されている。各気筒に装着されるインジェクタ４１はデリバリパイプ４２に連結され、このデリバリパイプ４２には高圧燃料供給管４３を介して高圧燃料ポンプ（燃料ポンプ）４４が連結されている。更に、シリンダヘッド１２には、燃焼室１８の上方に位置して混合気に着火する点火プラグ４５が装着されている。

一方、排気ポート２０には、排気マニホールド４６を介して排気管４７が連結されており、この排気管４７には排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの有害物質を浄化処理する三元触媒４８，４９が装着されている。また、エンジン１０には、クランキングを行うスタータモータ５０が設けられており、エンジン始動時に図示しないピニオンギヤがリングギヤと噛み合った後、回転力がピニオンギヤからリングギヤへと伝わり、クランクシャフト１６を回転することができる。

ところで、車両には電子制御ユニット（ＥＣＵ）５１が搭載されており、このＥＣＵ５１は、インジェクタ４１や点火プラグ４５などを制御可能となっている。即ち、吸気管３７の上流側にはエアフローセンサ５２及び吸気温センサ５３が装着され、また、サージタンク３６には吸気圧センサ５４が設けられており、計測した吸入空気量、吸気温度、吸気圧（吸気管負圧）をＥＣＵ５１に出力している。また、電子スロットル装置４０にはスロットルポジションセンサ５５が装着されており、現在のスロットル開度をＥＣＵ５１に出力しており、アクセルポジションセンサ５６は、現在のアクセル開度をＥＣＵ５１に出力している。更に、クランク角センサ５７は、検出した各気筒のクランク角度をＥＣＵ５１に出力し、このＥＣＵ５１は検出したクランク角度に基づいて各気筒における吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程を判別すると共に、エンジン回転数を算出している。また、シリンダブロック１１にはエンジン冷却水温を検出する水温センサ５８が設けられており、検出したエンジン冷却水温をＥＣＵ５１に出力している。更に、シリンダヘッド１２には燃焼室１８内の圧力、つまり、筒内圧力を検出する筒内圧センサ５９が設けられており、検出した筒内圧力をＥＣＵ５０に出力している。また、各インジェクタ４１に連通するデリバリパイプ４２には燃料圧力を検出する燃圧センサ６０が設けられており、検出した燃料圧力をＥＣＵ５１に出力している。一方、排気管４７には、三元触媒４８の上流側及び下流側に位置して排気ガスの酸素濃度を検出する酸素センサ６１，６２が設けられており、検出した酸素濃度をＥＣＵ５１に出力している。

従って、ＥＣＵ５１は、検出した燃料圧力に基づいてこの燃料圧力が所定圧力となるように高圧燃料ポンプ４４を駆動すると共に、検出した吸入空気量、吸気温度、吸気圧、スロットル開度、アクセル開度、エンジン回転数、エンジン冷却水温などのエンジン運転状態に基づいて燃料噴射量（燃料噴射時間）、噴射時期、点火時期などを決定し、インジェクタ４１及び点火プラグ４５を駆動して燃料噴射及び点火を実行する。また、ＥＣＵ５１は、検出した排気ガスの酸素濃度をフィードバックして空燃比がストイキ（理論空燃比）となるように燃料噴射量を補正している。

また、ＥＣＵ５１は、エンジン運転状態に基づいて吸気・排気可変動弁機構２７，２８を制御可能となっている。即ち、低温時、エンジン始動時、アイドル運転時や軽負荷時には、排気弁２２の閉止時期と吸気弁２１の開放時期のオーバーラップをなくすことで、排気ガスが吸気ポート１９または燃焼室１８に吹き返す量を少なくし、燃焼安定及び燃費向上を可能とする。また、中負荷時には、このオーバーラップを大きくすることで、内部ＥＧＲ率を高めて排ガス浄化効率を向上させると共に、ポンピングロスを低減して燃費向上を可能とする。更に、高負荷低中回転時には、吸気弁２１の閉止時期を進角することで、吸気が吸気ポート１９に吹き返す量を少なくし、体積効率を向上させる。そして、高負荷高回転時には、吸気弁２１の閉止時期を回転数にあわせて遅角することで、吸入空気の慣性力に合わせたタイミングとし、体積効率を向上させる。

上述したように、ＥＣＵ５１は、各種の検出結果に基づいて燃料噴射量、噴射時期、点火時期、または空燃比を制御しているが、これらが現在のエンジン１０の運転状態に適応したものに設定されていないと失火を招いてしまうおそれがある。そのため、本実施例では、ＥＣＵ５１は、エンジン１０の燃焼状態に応じて失火を検出し、燃料噴射量、空燃比、点火時期などを補正している。

即ち、本実施例では、ＥＣＵ５１に、エンジン１０の燃焼室圧力（筒内圧力）に基づいて図示トルク熱量を算出する図示トルク熱量算出手段と、燃料供給量に基づいて供給燃料熱量を算出する供給燃料熱量算出手段と、図示トルク熱量と供給燃料熱量との比率により図示熱効率を算出する図示熱効率算出手段と、図示熱効率と予め設定された失火判定値を比較してエンジン１０の失火を判定する失火判定手段とを設けている。

エンジン１０の失火を検出する場合、燃焼効率を用いて行うことが一般に知られているが、燃焼効率を求めるためには、熱発生量を算出する必要がある。しかし、熱発生量の算出処理には微分項計算処理が含まれるため、その計算負荷が非常に高くなって高性能な計算機（ＣＰＵ）が必要となってしまう。

そこで、本実施例では、この燃焼効率と図示トルク熱量効率が相関関係にあることを見出し、この図示トルク熱量効率を用いてエンジン１０の失火検出を行うこととしている。即ち、図３の燃焼効率に対する図示トルク熱量効率を表すグラフからわかるように、燃焼効率と図示トルク熱量効率は、低燃焼効率サイクル、つまり、失火が発生しやすい領域にて相関関係があると認められる。なお、図示トルクとは、エンジン１０の燃焼室１８の圧力から求めたエンジントルクである。

ここで、本実施例の内燃機関の失火検出装置による失火判定制御について、図２のフローチャートに基づいて詳細に説明する。

実施例の内燃機関の失火検出装置による失火判定制御において、図２に示すように、ステップＳ１１では、ＥＣＵ（図示トルク熱量算出手段）５１は、燃焼室圧力ｐ（θ）に燃焼室容積ｖを乗算し、下記数式（１）を用いて図示トルク熱量Ｑ_ITQiを算出する。この場合、燃焼室圧力ｐ（θ）は、筒内圧センサ５９が検出したクランク角度θにおける検出値を用い、燃焼室容積ｖは、クランク角度θとエンジン１０の諸源（シリンダボア径やクランク半径など）に基づいて算出され、予めクランク角度θの関数として設定された数値を用いる。

ステップＳ１２では、ＥＣＵ（供給燃料熱量算出手段）５１は、基本燃料噴射量Ｆｕｅｌ_injiに残留燃料量Ｆｕｅｌ_egriを加算して壁面付着燃料量Ｆｕｅｌ_wetiを減算し、下記数式（２）を用いて燃料供給量Ｆｕｅｌ_iを算出する。続いて、この燃料供給量Ｆｕｅｌ_iに燃料低位発熱量Ｈｕを乗算し、下記数式（３）を用いて供給燃料熱量Ｑ_Fueliを算出する。この場合、基本燃料噴射量Ｆｕｅｌ_injiは、エンジン１０の運転状態（吸入空気量など）に応じて算出されたインジェクタ４１への指示燃料量、残留燃料量Ｆｕｅｌ_egriは、前サイクルにおいて、燃焼室１８に残存した燃料量、壁面付着燃料量Ｆｕｅｌ_wetiは、前サイクルにおいて、吸気ポート１９に付着して気化しなかった燃料量であり、本実施例のように、筒内噴射式内燃機関の場合、この壁面付着燃料量Ｆｕｅｌ_wetiは、０となる。また、燃料低位発熱量Ｈｕは、低燃焼効率サイクル（失火サイクル）における単位量あたりの燃料の発熱量である。

そして、ステップＳ１３では、ＥＣＵ（図示熱効率算出手段）５１は、図示トルク熱量Ｑ_ITQiと供給燃料熱量Ｑ_Fueliとの比率により、下記数式（４）を用いて図示熱効率ＱＱ_iを算出する。

ステップＳ１４では、ＥＣＵ（失火判定手段）５１は、求めた図示熱効率ＱＱ_iと予め設定された失火判定値を比較してエンジン１０の失火を判定する。即ち、図示熱効率ＱＱ_iが失火判定値より大きいと判定されたときには、ステップＳ１５に移行して、エンジン１０は、現在、正常燃焼サイクルで運転されていると判定する。一方、ステップＳ１４にて、図示熱効率ＱＱ_iが失火判定値以下であると判定されたときには、ステップＳ１６に移行して、エンジン１０は、現在、失火サイクルで運転されていると判定する。

そして、エンジン１０が正常燃焼サイクルであると判定された場合には、現在に制御を継続する一方、失火サイクルであると判定された場合には、失火原因を特定し、特定した失火原因に対応した制御、例えば、燃料噴射量の増量または減量、点火時期の進角または遅角、吸気期間及び排気期間の進角または遅角などの補正制御を実行する。

このように本実施例の内燃機関の失火検出装置にあっては、燃焼効率（熱発生量）と図示トルク熱量効率（図示トルク）とが相関関係にあるという知見から、ＥＣＵ５１は、燃焼室圧力に基づいて図示トルク熱量を算出（図示トルク熱量算出手段）し、燃料供給量に基づいて供給燃料熱量を算出（供給燃料熱量算出手段）し、図示トルク熱量と供給燃料熱量との比率により図示熱効率を算出（図示熱効率算出手段）し、図示熱効率と予め設定された失火判定値を比較して失火を判定（失火判定手段）するようにしている。

従って、燃焼室１８での熱発生量と相関関係にある図示トルクを用いて図示熱効率を算出し、この図示熱効率と失火判定値を比較して失火を判定しており、微分項処理などをなくして計算負荷を低減することができ、制御機器などの低コスト化を可能とすることができると共に、リアルタイムで、高精度で迅速な失火判定を可能とすることができる。

また、燃焼室圧力を検出する筒内圧センサ５９を用い、この筒内圧センサ５９が検出した燃焼室圧力に燃焼室容積を乗算して図示トルク熱量を算出している。従って、熱発生量と図示トルク（熱量）との関係を表すマップまたは換算式から熱発生量を推定することが可能となり、計算負荷を低減することができる。

更に、基本燃料噴射量に残留燃料量を加算して壁面付着燃料量を減算して燃料供給量を算出し、この燃料供給量に燃料低位発熱量を乗算して供給燃料熱量を算出している。従って、供給燃料熱量を適正に算出することで、供給燃料熱量を高精度に算出することができ、エンジン１０の失火判定を高精度に行うことができる。

なお、上述した実施例では、本発明の内燃機関の失火検出装置を筒内噴射式の多気筒エンジンに適用して説明したが、この形式のエンジンに限らず、直列型またはＶ型エンジンに適用することもでき、ポート噴射式の内燃機関に適用しても同様の作用効果を奏することができる。

以上のように、本発明に係る内燃機関の失火検出装置は、高精度で迅速な失火判定を可能とすると共に計算負荷を低減して低コスト化を可能とするものであり、いずれの種類の内燃機関に用いても好適である。

本発明の一実施例に係る内燃機関の失火検出装置が適用された内燃機関を表す概略構成図である。本実施例の内燃機関の失火検出装置における失火判定制御のフローチャートである。燃焼効率と図示トルク熱量効率との相関関係を表すグラフである。

１０エンジン（内燃機関）
１４ピストン
１６クランクシャフト
１８燃焼室
１９吸気ポート
２０排気ポート
２１吸気弁
２２排気弁
４１インジェクタ
４５点火プラグ
５１電子制御ユニット、ＥＣＵ（図示トルク熱量算出手段、供給燃料熱量算出手段、図示熱効率算出手段、失火判定手段）
５２エアフローセンサ
５７クランク角センサ
５９筒内圧センサ

Claims

内燃機関の燃焼室圧力に基づいて図示トルク熱量を算出する図示トルク熱量算出手段と、前記内燃機関の燃料供給量に基づいて供給燃料熱量を算出する供給燃料熱量算出手段と、前記図示トルク熱量算出手段が算出した図示トルク熱量と前記供給燃料熱量算出手段が算出した供給燃料熱量との比率により図示熱効率を算出する図示熱効率算出手段と、該図示熱効率算出手段が算出した図示熱効率と予め設定された失火判定値を比較して前記内燃機関の失火を判定する失火判定手段とを具えたことを特徴とする内燃機関の失火検出装置。
請求項１に記載の内燃機関の失火検出装置において、燃焼室圧力を検出する筒内圧センサを設け、前記図示トルク熱量算出手段は、該筒内圧センサが検出した燃焼室圧力に燃焼室容積を乗算して図示トルク熱量を算出することを特徴とする内燃機関の失火検出装置。
請求項１に記載の内燃機関の失火検出装置において、前記供給燃料熱量算出手段は、基本燃料噴射量に残留燃料量を加算して壁面付着燃料量を減算して燃料供給量を算出し、該燃料供給量に燃料低位発熱量を乗算して供給燃料熱量を算出することを特徴とする内燃機関の失火検出装置。