特許 6088209 内燃機関の制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6088209

(24)【登録日】2017年2月10日

(45)【発行日】2017年3月1日

(54)【発明の名称】内燃機関の制御装置

(51)【国際特許分類】

   F02D 45/00 20060101AFI20170220BHJP

【ＦＩ】

   F02D45/00 368Z

   F02D45/00 345C

   F02D45/00 362J

   F02D45/00 301C

【請求項の数】1

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2012-244130(P2012-244130)

(22)【出願日】2012年11月6日

(65)【公開番号】特開2014-92116(P2014-92116A)

(43)【公開日】2014年5月19日

【審査請求日】2015年11月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002967

【氏名又は名称】ダイハツ工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100085338

【弁理士】

【氏名又は名称】赤澤 一博

(74)【代理人】

【識別番号】100148910

【弁理士】

【氏名又は名称】宮澤 岳志

(72)【発明者】

【氏名】尾崎 貴裕

(72)【発明者】

【氏名】種井 克敏

【審査官】 戸田 耕太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０３−２４６３４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１１１３５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１７０２４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１９８３６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１０９８５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２２６４２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１７０２６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−２０６３４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２９３５２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−００９４５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０３１６９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１９０４３３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｄ ４５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃機関の気筒における膨張行程中の少なくとも二つの時点で内燃機関の回転速度の瞬時値を測定するとともに瞬時値に基づく移動平均値を算出し、
各時点での瞬時値から移動平均値を減算した差分を判定閾値と比較して、差分が判定閾値を下回る場合に当該気筒の燃焼が不良であると判定するものであって、
膨張行程中のより遅い時点での差分と比較するべき判定閾値を、膨張行程中のより早い時点での差分と比較するべき判定閾値よりも高く設定していることを特徴とする内燃機関の制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

内燃機関の気筒においては、時として燃料の燃焼が不安定となり、失火に至ることもある。内燃機関のクランクシャフトの回転速度が低落するエンジンストールを回避するためには、各気筒の燃焼が正常であるか不良（失火を含む）であるかを判定し、燃焼不良を感知したときに機関の回転トルクを増強するような補正制御を実施することが望ましい。

【0003】

エンジンストールを招くおそれのある燃焼不良を検知する手法として、内燃機関の平均回転速度を反復的に演算し、その平均回転速度が許容量を超えて低下した場合に燃焼不良が発生したものと判断することが考えられる（例えば、下記特許文献を参照）。

【0004】

しかしながら、このような検知手法では、燃焼不良の発生を知得するまでに時間がかかり、その後の補正制御が間に合わない可能性を否定できなかった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００８−１９０４３３公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、エンジンストールを招くおそれのある燃焼不良または失火の発生を可及的速やかに感知できるようにすることを所期の目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述した課題を解決するべく、本発明では、内燃機関の気筒における膨張行程中の少なくとも二つの時点で内燃機関の回転速度の瞬時値を測定するとともに瞬時値に基づく移動平均値を算出し、各時点での瞬時値から移動平均値を減算した差分を判定閾値と比較して、差分が判定閾値を下回る場合に当該気筒の燃焼が不良であると判定するものであって、膨張行程中のより遅い時点での差分と比較するべき判定閾値を、膨張行程中のより早い時点での差分と比較するべき判定閾値よりも高く設定していることを特徴とする内燃機関の制御装置を構成した。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、エンジンストールを招くおそれのある燃焼不良または失火の発生を可及的速やかに感知することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の一実施形態における車両用内燃機関の全体構成を示す図。

【図2】同実施形態における車両の電装系の回路図。

【図3】内燃機関の回転速度の瞬時値及び移動平均値の推移を例示する図。

【図4】膨張行程中の内燃機関の回転速度の瞬時値と移動平均値との差分の大きさを実験的に求めプロットした図。

【図5】同実施形態の制御装置が実施する処理の手順例を示すフロー図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。

【0011】

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。加えて、吸気通路３における、スロットルバルブ３２の上流側と下流側とを短絡するバイパス流路３５には、当該流路３５の開度を調節することのできるアイドルスピードコントロールバルブ３６を設けてある。

【0012】

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

【0013】

図２に、車両の電装系の回路６を示す。オルタネータ６２は、内燃機関のクランクシャフトから駆動力の回転を受けて発電し、車載のバッテリ６１を充電し、及び／または、各種の電気負荷５１、５２、５３、５４に電力を供給する。電気負荷の例としては、内燃機関のクランクシャフトとエアコンディショナのコンプレッサとの間に介在するマグネットクラッチ５１や、エアコンディショナの冷媒用のコンデンサ及び／または冷却水用のラジエータを空冷するためのファンを駆動するファンモータ５２、室内に送風するためのブロワファンを駆動するファンモータ５３、車両のヘッドランプその他の電灯５４、等を挙げることができる。

【0014】

各電気負荷５１、５２、５３、５４への通電のＯＮ／ＯＦＦはそれぞれ、回路６上のリレースイッチ６３、６４、６５、６６を介して切り換えられる。

【0015】

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

【0016】

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（運転者が要求する機関出力、いわば要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、シフトレバーのレンジを知得するためのセンサ（シフトポジションスイッチ）から出力されるシフトレンジ信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｇ、車載のバッテリの充電状態を示すバッテリ電圧、バッテリ電流及びバッテリ温度を検出するセンサから出力されるバッテリ信号ｈ等が入力される。

【0017】

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、アイドルスピードコントロールバルブ３６に対して開度操作信号ｋ、リレースイッチ６３に対してＯＮ（即ち、通電）信号ｌ、リレースイッチ６４に対してＯＮ信号ｍ、リレースイッチ６５に対してＯＮ信号ｎ、リレースイッチ６６に対してＯＮ信号ｏ、オルタネータ６２の制御回路（ＩＣレギュレータ）に対して発電電圧の大きさを指示する信号ｐ等を出力する。

【0018】

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミングといった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、ｎ、ｏ、ｐを出力インタフェースを介して印加する。

【0019】

本実施形態のＥＣＵ０は、各気筒１における燃料の燃焼が正常であるか不良（失火を含む）であるかを、各気筒１の膨張行程における機関のクランクシャフトの回転速度（エンジン回転数）を参照して判定する。その上で、エンジンストールを招くおそれのある燃焼不良を感知したときには、機関の回転トルクを増強するような補正制御を実行する。

【0020】

ＥＣＵ０は、クランク角信号ｂを参照し、気筒１における膨張行程中の複数の時点で、機関の回転速度の瞬時値を測定するとともに機関の回転速度の移動平均値を算出する。エンジン回転センサは、所定の回転角度毎、例えばクランクシャフトが１０°ＣＡ（クランク角度）回転する毎に、クランク角信号ｂとしてパルスを発生させる。ＥＣＵ０は、そのパルス列に基づき、クランクシャフトが所定角度回転するのに要した時間を、機関の回転速度を示唆する値として反復的に計測する。

【0021】

本実施形態のＥＣＵ０は、膨張行程にある気筒１の圧縮上死点後クランクシャフトが９０°ＣＡ回転した時点、１２０°ＣＡ回転した時点、及び１５０°ＣＡ回転した時点の各々にて、計測された機関の回転速度の瞬時値を得る。

【0022】

さらに、上記の各時点の間隔、即ち３０°ＣＡの期間内に反復的に計測された機関の回転速度の瞬時値から、各時点における機関の回転速度の移動平均値を算出する。例えば、圧縮上死点後９０°ＣＡの時点における回転速度の移動平均値は、圧縮上死点後７０°ＣＡ、８０°ＣＡ及び９０°ＣＡのそれぞれの時点で計測された回転速度の瞬時値を平均することにより求められる。

【0023】

圧縮上死点後９０°ＣＡ、１２０°ＣＡ、１５０°ＣＡの各時点は、クランク角信号ｂに含まれるパルス列（パルスの個数）から知ることが可能であるが、クランク角信号ｂのパルス列に基づかず、タイマ等により各時点に相当するタイミングを知得しても構わない。

【0024】

しかして、ＥＣＵ０は、圧縮上死点後９０°ＣＡ、１２０°ＣＡ、１５０°ＣＡの各時点について、機関の回転速度の瞬時値から移動平均値を減算した差分を得、その差分を判定閾値と比較する。

【0025】

図３に、内燃機関の回転速度の瞬時値及び移動平均値の推移を例示する。図３中、細い実線は瞬時値を、太い破線は移動平均値を示す。ｔ₁、ｔ₂及びｔ₃は、膨張行程にある気筒１において燃焼が正常に行われた場合の、当該気筒１の圧縮上死点後９０°ＣＡ、１２０°ＣＡ及び１５０°ＣＡの時点にそれぞれ対応している。燃焼が正常な場合、膨張行程中にクランクシャフトの回転トルクが増大して機関が加速し、各時点ｔ₁、ｔ₂、ｔ₃における回転速度の瞬時値と移動平均値との差分は正となる。

【0026】

翻って、ｔ₄、ｔ₅及びｔ₆は、膨張行程にある気筒１において燃焼が正常に行われなかった場合の、当該気筒１の圧縮上死点後９０°ＣＡ、１２０°ＣＡ及び１５０°ＣＡの時点にそれぞれ対応している。燃焼不良の場合、膨張行程中にもかかわらずクランクシャフトの機関が減速することから、各時点ｔ₄、ｔ₅、ｔ₆おける回転速度の瞬時値と移動平均値との差分は負となる。このことを利用すれば、エンジンストールを招くおそれのある燃焼不良を速やかに感知できる。

【0027】

尤も、燃焼不良の判定閾値には工夫が必要である。図４は、ある特定の気筒１について、圧縮上死点後９０°ＣＡ、１２０°ＣＡ及び１５０°ＣＡの角時点での機関の回転速度の瞬時値と移動平均値との差分を複数回求めた実験の結果である。図４中、四角枠で囲まれていないプロット点は正常燃焼の場合の差分を示し、四角枠で囲まれたプロット点α、βは燃焼不良の場合の差分を示している。

【0028】

図４に示しているように、正常燃焼の場合の回転速度の差分のばらつきは、膨張行程中の比較的早い時期、即ち圧縮上死点後のクランク角度が小さい時点では大きい。そして、膨張行程中の遅い時期になるほど、即ち圧縮上死点後のクランク角度が大きくなるほど、ばらつきは小さくなる傾向にある。

【0029】

圧縮上死点後９０°ＣＡの時点での差分は顕著にばらついており、これと比較するべき判定閾値を高く設定すると、正常な燃焼を不良であると誤判定してしまう可能性が高まる。これに対し、圧縮上死点後１５０°ＣＡの時点での差分は、ばらつきがずっと小さい（換言すれば、Ｓ／Ｎ比が大きい）。従って、本実施形態では、１２０°ＣＡ時点での差分と比較するべき判定閾値を、９０°ＣＡ時点での差分と比較するべき判定閾値よりも高く設定する。さらに、１５０°ＣＡ時点での差分と比較するべき判定閾値を、１２０°ＣＡ時点での差分と比較するべき判定閾値よりも高く設定する。これにより、確実に燃焼不良を検出しながら、誤判定を予防することができる。

【0030】

また、図４に示しているように、気筒１において初めて失火したときの回転速度の差分αは、複数回連続して失火し続けているときの回転速度の差分βと比較して、より大きく落ち込む。つまり、本実施形態の検知手法を採用すれば、この初回の失火を即時的に検出でき、機関の回転トルクの増強のための補正制御を速やかに実行することが可能となって、エンジンストールの防止に大きく寄与する。

【0031】

図５に、内燃機関の気筒１での燃焼の正常／不良の判定に際してＥＣＵ０が実行する処理の手順例を示す。図５に示しているルーチンは、エンジンストールの危険のある状況、例えば、車速が所定値未満または停車している、エンジン回転数が所定値未満である、現在アイドリング中である、等のうちの何れかに該当する場合に実行する。現在エンジン回転数が所定値以上である等、仮に燃焼不良が発生したとしてもエンジンストールの危険性が低い状況では、このルーチンを実行せず、ＥＣＵ０の演算負荷を軽減することが許される。

【0032】

ＥＣＵ０は、膨張行程にある気筒１の圧縮上死点後９０°ＣＡの時点の機関の回転速度の瞬時値及び移動平均値を測定し（ステップＳ１、Ｓ２）、両者の差分を演算して（ステップＳ３）、この差分を圧縮上死点後９０°ＣＡの時点に対応する判定閾値と比較する（ステップＳ４）。差分が判定閾値を下回っているならば、当該気筒１の膨張行程における燃焼が不良であると判定する。

【0033】

ステップＳ４にて差分が判定閾値以上であるならば、次に、同じ膨張行程にある気筒１の圧縮上死点後１２０°ＣＡの時点における機関の回転速度の瞬時値及び移動平均値を測定し（ステップＳ５、Ｓ６）、両者の差分を演算する（ステップＳ７）。そして、その差分を、圧縮上死点後１２０°ＣＡの時点に対応する判定閾値と比較する（ステップＳ８）。既に述べた通り、ステップＳ８における判定閾値は、ステップＳ４における判定閾値よりも高い。差分が判定閾値を下回っているならば、当該気筒１の膨張行程における燃焼が不良であると判定する。

【0034】

ステップＳ８にて差分が判定閾値以上であるならば、続いて、同じ膨張行程にある気筒１の圧縮上死点後１５０°ＣＡの時点の機関の回転速度の瞬時値及び移動平均値を測定し（ステップＳ９、Ｓ１０）、両者の差分を演算する（ステップＳ１１）。そして、その差分を、圧縮上死点後１５０°ＣＡの時点に対応する判定閾値と比較する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２における判定閾値は、ステップＳ８における判定閾値よりも高い。差分が判定閾値を下回っているならば、当該気筒１の膨張行程における燃焼が不良であると判定する。さもなくば、当該気筒１の膨張行程における燃焼は正常であると判定する。

【0035】

ステップＳ４、Ｓ８、Ｓ１２における判定閾値は、内燃機関の運転領域に応じて、及び／または、内燃機関に作用する機械的な負荷の大きさに応じて上下させることが好ましい。吸気量及び燃料噴射量の少ない低負荷領域と、吸気量及び燃料噴射量の多い高負荷領域とでは、機関の回転速度の瞬時値と移動平均値との差分の大きさが異なる。コンプレッサ６１によりエアコンディショナ用の冷媒を圧縮している場合や、オルタネータ６２の発電機能により高電圧を発生させている場合と、そうでない場合とでも、やはり回転速度の差分の大きさは異なる。

【0036】

加えて、ステップＳ４、Ｓ８、Ｓ１２における判定閾値は、全ての気筒１について同一であるとは限られない。判定閾値を、気筒１毎に異なる値としてもよい。吸気通路３から各気筒１に分配される吸気量の不均等の他、気筒１毎に種々の特性が少しずつ異なるからである。

【0037】

当該気筒１の膨張行程における燃焼が不良であると判定した暁には、エンジンストールを回避するために、機関の回転トルクを増強するような補正制御を実施する（ステップＳ１３）。例えば、気筒１に充填される吸気（新気）量及び燃料噴射量を増加させるべく、アイドルスピードコントロールバルブ３６の開度を拡大したり、スロットルバルブ３２が電子スロットルバルブであればこのスロットルバルブ３２の開度を拡大したりする。点火時期を進角することも考えられる。内燃機関に排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が付帯している場合には、そのＥＧＲバルブの開度を縮小する操作を行ってもよい。あるいは、内燃機関に作用する機械的な負荷を軽減する。クランクシャフトの回転トルクをコンプレッサに伝達するためのマグネットクラッチ５１を切断すれば、クランクシャフトの回転速度の低落を抑えることが可能である。オルタネータ６２の発電する電圧を低下させることも、同様である。

【0038】

本実施形態では、内燃機関の気筒１における膨張行程中の少なくとも二つの時点で内燃機関の回転速度の瞬時値を測定するとともに瞬時値に基づく移動平均値を算出し、各時点での瞬時値から移動平均値を減算した差分を判定閾値と比較して、差分が判定閾値を下回る場合に当該気筒１の燃焼が不良であると判定するものであって、膨張行程中のより遅い時点での差分と比較するべき判定閾値を、膨張行程中のより早い時点での差分と比較するべき判定閾値よりも高く設定していることを特徴とする内燃機関の制御装置０を構成した。

【0039】

本実施形態によれば、エンジンストールを招くおそれのある燃焼不良または失火の発生を可及的速やかに感知することができ、補正制御を適時に開始することが可能となる。ひいては、エンジンストール耐力が向上する。

【0040】

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、気筒１の膨張行程における圧縮上死点後９０°ＣＡ、１２０°ＣＡ、１５０°ＣＡの三つの時点について機関の回転速度の瞬時値と移動平均値との差分を算出し、これらを各々判定閾値と比較していたが、回転速度の差分を求める時点は、上の三つの時点には限定されない。圧縮上死点後６０°ＣＡから１８０°ＣＡまでの間の任意の複数の時点について回転速度の差分を求め、それらを各々判定閾値を比較して、当該気筒１の燃焼の正常／不良の判定を行うことが可能である。その場合にも、膨張行程中のより遅い時点での差分と比較するべき判定閾値を、膨張行程中のより早い時点での差分と比較するべき判定閾値よりも高く設定することは言うまでもない。早期検出性と耐誤検出性とをより高い次元で両立させるため、判定閾値を気筒１により分ける（ハード傾向に応じて分ける）こともできる。

【0041】

回転速度の差分を算出する時点の数、そして差分と判定閾値との比較を行う回数は、二度でもよいし、四度以上でもよい。

【0042】

本発明に係る燃焼不良の検知手法は、二気筒や三気筒といった、爆発燃焼の間隔が大きい少数気筒の内燃機関に対して特に有効であるが、四気筒以上の内燃機関に適用することも当然に可能である。

【0043】

その他、各部の具体的構成や処理の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

【産業上の利用可能性】

【0044】

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に利用できる。

【符号の説明】

【0045】

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
ｂ…クランク角信号

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】