特許 7635660 内燃機関の噴射異常判定装置

(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】

(24)【登録日】2025-02-17

(45)【発行日】2025-02-26

(54)【発明の名称】内燃機関の噴射異常判定装置

(51)【国際特許分類】

   F02D 45/00 20060101AFI20250218BHJP

【ＦＩ】

F02D45/00 362

F02D45/00 364Z

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2021113572

(22)【出願日】2021-07-08

(65)【公開番号】P2023009910

(43)【公開日】2023-01-20

【審査請求日】2024-02-12

(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】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】大木 浩史

(72)【発明者】

【氏名】半田 英之

(72)【発明者】

【氏名】森川 淳

(72)【発明者】

【氏名】林 康太

【審査官】佐々木 淳

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－１３８７５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１４４５３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１８５５５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０３１９１２（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】

複数の気筒を備えた内燃機関に適用され、
速度取得処理、エネルギ変化率相当量算出処理、差分量算出処理、および判定処理を実行し、
前記速度取得処理は、前記内燃機関のクランク軸の回転速度を取得する処理であり、
エネルギ変化率相当量算出処理は、前記回転速度の２乗に比例した量の時間変化を示す変数であるエネルギ変化率相当量を算出する処理であり、
前記差分量算出処理は、１つの圧縮上死点の前後の一対のエネルギ変化率相当量同士の差分に比例する量である、差分量を算出する処理であり、
前記判定処理は、入力変数としての前記差分量と、閾値との大小比較に基づき、前記内燃機関の燃料噴射量の異常の有無を判定する処理である内燃機関の噴射異常判定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、内燃機関の噴射異常判定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、内燃機関の燃料噴射量が狙いとする噴射量からずれる異常の有無を判定する装置が提案されている。たとえば下記特許文献１には、内燃機関の出力軸の回転速度の不均一の程度を示す変動パラメータが所定の基準値を上回った場合に異常と判定することが記載されている（段落「０００４」）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１４－１８５５５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記変動パラメータは、圧縮上死点の出現間隔またはその整数倍の期間における変動を定量化するものである。そのため、変動パラメータには、圧縮上死点の出現間隔の長さを有する期間においてクランク軸に及ぶ外乱の影響が含まれる。そのため、外乱によって、異常の有無の判定精度が低下するおそれがある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

以下、上記課題を解決するための手段およびその作用効果について記載する。
複数の気筒を備えた内燃機関に適用され、速度取得処理、エネルギ変化率相当量算出処理、差分量算出処理、および判定処理を実行し、前記速度取得処理は、前記内燃機関のクランク軸の回転速度を取得する処理であり、エネルギ変化率相当量算出処理は、前記回転速度の２乗に比例した量の時間変化を示す変数であるエネルギ変化率相当量を算出する処理であり、前記差分量算出処理は、１つの圧縮上死点の前後の一対のエネルギ変化率相当量同士の差分に比例する量である、差分量を算出する処理であり、前記判定処理は、前記差分量と閾値との大小比較に基づき、前記内燃機関の燃料噴射量の異常の有無を判定する処理である内燃機関の噴射異常判定装置である。

【0006】

上記エネルギ変化率相当量のうちの圧縮上死点前の値は、燃焼エネルギによるクランク軸の回転を加速する要素がなく、クランク軸の回転を妨げる力によって回転速度が減少するときにおける単位時間当たりのエネルギロス量を示す。一方、上記エネルギ変化率相当量のうちの圧縮上死点後の値は、燃焼エネルギによってクランク軸の回転が加速される際のクランク軸の単位時間当たりの回転エネルギ増加量を示す。そのため、それらの一対のエネルギ変化率相当量は互いに異なる符号を有する。そのため、それら一対のエネルギ変化率相当量の差分値は、クランク軸の単位時間当たりの回転エネルギの増加量にエネルギロス量の絶対値を加算した値となる。これは、燃焼エネルギに相当する。そのため差分量と閾値との大小比較に基づき、燃焼エネルギ量と閾値との大小を比較できる。したがって、噴射量の異常の有無を高精度に判定できる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】一実施形態にかかる制御装置および駆動系の構成を示す図。

【図2】同実施形態にかかる制御装置が実行する処理の手順を示す流れ図。

【図3】同実施形態にかかる異常判定を説明するためのタイムチャート。

【図4】同実施形態にかかる差分量と閾値との関係を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１に示すように、内燃機関１０は、４つの気筒＃１～＃４を備えている。内燃機関１０の吸気通路１２内の空気は、気筒＃１～＃４のそれぞれの燃焼室１４に吸入される。燃焼室１４には、燃料噴射弁１６が突出しており、燃料噴射弁１６から噴射された燃料と、吸気通路１２から燃焼室１４に吸入された空気との混合気は、点火装置１８の火花放電によって、燃焼に供される。燃焼によって生じたエネルギは、クランク軸２０の回転エネルギに変換される。燃焼に供された混合気は、排気として、排気通路２２に排出される。

【0009】

クランク軸２０には、クランクロータ３０が結合されている。クランクロータ３０には、歯部３２が設けられている。歯部３２は、クランク軸２０の複数の回転角度のそれぞれを示す。クランクロータ３０には、基本的には、１０°ＣＡ間隔で歯部３２が設けられているものの、隣接する歯部３２間の間隔が３０°ＣＡとなる箇所である欠け歯部３４が１箇所設けられている。これは、クランク軸２０の基準となる回転角度を示すためのものである。

【0010】

クランク軸２０には、ダンパ３６を介して動力分割装置を構成する遊星歯車機構４０が機械的に連結されている。ダンパ３６は、コイルスプリングを備えて、弾性力を発揮する。遊星歯車機構４０は、内燃機関１０、第１モータジェネレータ５０、および第２モータジェネレータ６０の動力を分割する。遊星歯車機構４０のキャリアＣには、ダンパ３６を介してクランク軸２０が機械的に連結されている。遊星歯車機構４０のサンギアＳには、第１モータジェネレータ５０の回転軸５２が機械的に連結されている。遊星歯車機構４０のリングギアＲには、第２モータジェネレータ６０の回転軸６２が機械的に連結されている。なお、第１モータジェネレータ５０の端子には、第１インバータ５４の出力電圧が印加される。また、第２モータジェネレータ６０の端子には、第２インバータ６４の出力電圧が印加される。

【0011】

遊星歯車機構４０のリングギアＲには、第２モータジェネレータ６０の回転軸６２に加えて、さらに、変速装置４２を介して駆動輪４４が機械的に連結されている。
制御装置７０は、制御対象としての内燃機関１０の制御量であるトルクおよび排気成分比率等を制御すべく、内燃機関１０の各種操作部を操作する。また、制御装置７０は、制御対象としての変速装置４２の変速比を制御すべく、変速装置４２の油圧回路を操作する。図１には、燃料噴射弁１６、点火装置１８、および変速装置４２への操作信号ＭＳ１～ＭＳ３を記載している。また、制御装置７０は、制御対象としての第１モータジェネレータ５０の制御量である回転速度等を制御すべく、第１インバータ５４を操作する。また、制御装置７０は、制御対象としての第２モータジェネレータ６０の制御量であるトルク等を制御すべく、第２インバータ６４を操作する。

【0012】

制御装置７０は、上記制御量を制御する際、クランク角センサ８０の出力信号Ｓｃｒと、エアフロメータ８２によって検出される吸入空気量Ｇａとを参照する。また制御装置７０は、シフトポジションセンサ８４によって検出されるシフトポジションを示す変数であるシフト変数Ｖｓｆｔを参照する。

【0013】

制御装置７０は、ＣＰＵ７２、ＲＯＭ７４および周辺回路７６を備えている。ＣＰＵ７２、ＲＯＭ７４および周辺回路７６は、ローカルネットワーク７８を介して通信可能とされている。ここで、周辺回路７６は、内部の動作を規定するクロック信号を生成する回路、電源回路、およびリセット回路等を含む。制御装置７０は、ＲＯＭ７４に記憶されたプログラムをＣＰＵ７２が実行することにより制御量を制御する。

【0014】

図２に、制御装置７０が実行する処理の手順を示す。図２に示す処理は、ＲＯＭ７４に記憶されたプログラムをＣＰＵ７２が所定のクランク角度周期で繰り返し実行することにより実現される。なお、以下では、先頭に「Ｓ」が付与された数字によって、各処理のステップ番号を表現する。

【0015】

図２に示す一連の処理において、ＣＰＵ７２は、まず、クランク軸２０が３０°ＣＡ回転するのに要する時間Ｔ３０を取得する（Ｓ１０）。この処理は、出力信号Ｓｃｒに基づく処理となる。すなわち、ＣＰＵ７２は、３０°ＣＡだけ離間した歯部３２の一方を検知してから他方を検知するまでの時間Ｔ３０を計時する。次にＣＰＵ７２は、３０°ＣＡを時間Ｔ３０にて除算することによって、３０°ＣＡの回転に要する速度である瞬時速度ωを算出する（Ｓ１２）。

【0016】

そしてＣＰＵ７２は、「ｍ＝０，１，２，３，…」として、瞬時速度ω［ｍ＋１］に瞬時速度ω［ｍ］を代入する処理と、瞬時速度ω［０］にＳ１２の処理で新たに算出した瞬時速度ωを代入する処理とを実行する（Ｓ１４）。それらの処理は、瞬時速度ωの後のカッコ内の変数を、過去のものほど数字が大きくなるようにするための処理である。それらの処理によって、カッコ内の変数の値が１つ大きい場合、３０°ＣＡだけ前の瞬時速度ωなる。

【0017】

次にＣＰＵ７２は、シフト変数Ｖｓｆｔの値を取得する（Ｓ１６）。そしてＣＰＵ７２は、シフト変数Ｖｓｆｔの値がＤレンジを示すか否かを判定する（Ｓ１８）。ＣＰＵ７２は、Ｄレンジであると判定する場合（Ｓ１８：ＹＥＳ）、現在のクランク軸２０の回転角度が、気筒＃１～＃４のいずれかの圧縮上死点から３０°ＣＡ経過したタイミングであるか否かを判定する（Ｓ２０）。換言すれば、ＡＴＤＣ３０°ＣＡであるか否かを判定する。ＣＰＵ７２は、ＡＴＤＣ３０°ＣＡであると判定する場合（Ｓ２０：ＹＥＳ）、エネルギ変化率相当量Ｄ１を算出する（Ｓ２２）。

【0018】

エネルギ変化率相当量Ｄ１は、時間Ｔ３０の期間における瞬時速度ωの２乗の変化量を時間Ｔ３０で除算した値である。瞬時速度ωの２乗に慣性モーメントを乗算した値は、回転エネルギに相当する。そのため、瞬時速度の２乗は、回転エネルギに比例する。したがって、エネルギ変化率相当量Ｄ１は、回転エネルギの時間変化率に比例する。

【0019】

詳しくは、ＣＰＵ７２は、時系列的に時間Ｔ３０だけ離間した２つのエネルギ変化率相当量Ｄ１（０），Ｄ１（１）を算出する。エネルギ変化率相当量Ｄ１（０）は、今回のＳ１２の処理によって算出された瞬時速度ωの２乗から前回のＳ１２の処理によって算出された瞬時速度ωの２乗を減算した値を上記変化量とする。エネルギ変化率相当量Ｄ１（１）は、前回のＳ１２の処理によって算出された瞬時速度ωの２乗から前前回のＳ１２の処理によって算出された瞬時速度ωの２乗を減算した値を上記変化量とする。

【0020】

次にＣＰＵ７２は、差分量Ｄ２を算出する（Ｓ２４）。差分量Ｄ２は、エネルギ変化率相当量Ｄ１（０）からエネルギ変化率相当量Ｄ１（１）を減算した値を時間Ｔ３０で除算した値である。

【0021】

次にＣＰＵ７２は、差分量Ｄ２が、閾値Ｄｔｈよりも小さいか否かを判定する（Ｓ２６）。この処理は、Ｓ２０の処理によって圧縮上死点を３０°ＣＡ経過したと判定された気筒における混合気の空燃比が過度にリーンであるか否かを判定する処理である。すなわち、エネルギ変化率相当量Ｄ１（１）は、ＢＴＤＣ３０°ＣＡからＴＤＣまでの期間におけるエネルギ変化率に相当する。この期間においては、燃焼室１４における混合気の燃焼エネルギが生成されていないとみなせる。したがって、エネルギ変化率相当量Ｄ１（１）は、クランク軸２０の回転を妨げる外乱の大きさを定量化した量となる。一方、エネルギ変化率相当量Ｄ１（０）は、ＴＤＣからＡＴＤＣ３０°ＣＡまでの期間におけるエネルギ変化率に相当する。この期間においては、燃焼室１４における混合気の燃焼エネルギがクランク軸２０の回転エネルギに変換される。そのため、エネルギ変化率相当量Ｄ１（０）は、燃焼エネルギが大きいほど大きい量となる一方、クランク軸２０の回転を妨げる外乱の大きさが大きいほど小さい量となる。したがって、エネルギ変化率相当量Ｄ１（０）からエネルギ変化率相当量Ｄ１（１）を減算した値は、燃焼エネルギ相当量となる。差分量Ｄ２において、上記減算した値を時間Ｔ３０で除算するのは、規格化のためである。

【0022】

ＣＰＵ７２は、クランク軸２０の回転速度ＮＥが大きい場合に小さい場合よりも上記閾値Ｄｔｈを小さい値に設定する。これは、回転速度ＮＥが大きい場合には小さい場合よりも慣性エネルギが大きくなるため、瞬時速度ωの変動が小さくなることに鑑みたものである。なお、回転速度ＮＥは、瞬時速度ωよりも長い期間におけるクランク軸２０の回転速度を示す。回転速度ＮＥは、たとえばクランク軸２０の１回転以上の回転速度の平均値とすればよい。なお、回転速度ＮＥは、ＣＰＵ７２によって出力信号Ｓｃｒに基づき算出される。

【0023】

ＣＰＵ７２は、充填効率ηが大きい場合に小さい場合よりも閾値Ｄｔｈを大きい値に算出する。これは、充填効率ηが大きいほど、クランク軸２０の軸トルクが大きくなることから、瞬時速度ωの変動が大きくなることに鑑みたものである。なお、充填効率ηは、ＣＰＵ７２によって、吸入空気量Ｇａおよび回転速度ＮＥに基づき算出される。

【0024】

ＣＰＵ７２は、閾値Ｄｔｈ以上であると判定する場合（Ｓ２６：ＮＯ）、正常である旨判定する（Ｓ２８）。一方、ＣＰＵ７２は、閾値Ｄｔｈよりも小さいと判定する場合（Ｓ２６：ＹＥＳ）、リーン異常である旨判定する（Ｓ３０）。そしてＣＰＵ７２は、図１に示す警告灯８６を操作することによって、異常がある旨をユーザに報知する処理を実行する（Ｓ３２）。

【0025】

なお、ＣＰＵ７２は、Ｓ２８，Ｓ３２の処理を完了する場合と、Ｓ１８，Ｓ２０の処理において否定判定する場合とには、図２に示した一連の処理を一旦終了する。なお、ＣＰＵ７２は、Ｄレンジ以外の場合については、クランク軸２０の回転変動の大きさに基づくリーン異常の有無の判定を実行する。すなわち、ＣＰＵ７２は、圧縮上死点からＡＴＤＣ３０°ＣＡまでの３０°ＣＡの期間における瞬時速度ωの、圧縮上死点が隣接する一対の値同士の差と閾値との大小比較に基づき、リーン異常の有無を判定する。

【0026】

ここで、本実施形態の作用および効果について説明する。
図３に、瞬時速度ωおよびエネルギ変化率相当量Ｄ１の推移を例示する。図３において、一点鎖線は、気筒＃４において噴射量が「５％」小さくなる状態を示す。また、実線にて、気筒＃４において噴射量が「２５％」小さくなる状態を示す。ここでは、噴射量が「５％」小さくなる状態を許容範囲とする一方、噴射量が「２５％」小さくなる状態は、ユーザに報知すべきリーン異常であることを想定している。

【0027】

上述したように、ＣＰＵ７２は、Ｄレンジ以外では、互いに隣り合う圧縮上死点付近の瞬時速度ω同士の差と閾値との大小比較によってリーン異常の有無を判定する。ここで、Ｄレンジにおいては、Ｎレンジ等と比較してクランク軸２０に機械的に連結された部材の慣性が大きくなることから、クランク軸２０の回転を妨げる外乱が大きくなる。また、第１モータジェネレータ５０のトルク等がキャリアＣを介してクランク軸２０に外乱成分として重畳することもある。そのため、瞬時速度ω同士の差が、正常と異常とで類似した値を取りやすくなることから、閾値の設定が困難となるおそれがある。

【0028】

これに対し、差分量Ｄ２は、クランク軸２０の回転を妨げる外乱の影響を除去した量となることから、正常時と異常時との差を大きくすることができる。
図４に、差分量Ｄ２と閾値Ｄｔｈとの関係を示す。図４に示すように、正常時と異常時とを閾値Ｄｔｈによって切りわけることができている。

【0029】

以上説明した本実施形態によれば、さらに以下に記載する作用および効果が得られる。
（１）差分量Ｄ２を、互いに３０°ＣＡだけ離間したエネルギ変化率相当量Ｄ１（０）、Ｄ１（１）同士の差に応じた量とした。これにより、たとえば互いに１８０°ＣＡだけ離間したエネルギ変化率相当量Ｄ１同士の差を用いる場合と比較して、クランク軸２０の回転を妨げる外乱の影響が、一対のエネルギ変化率相当量Ｄ１同士で異なることを抑制できる。そのため、差分量Ｄ２によって、燃焼エネルギ量を高精度に定量化できる。

【0030】

（２）クランク軸２０にダンパ３６を機械的に連結させた。その場合、ダンパ３６を連結させない場合と比較して、クランク軸２０を含む回転系の慣性が大きくなる。慣性が大きい場合には小さい場合と比較して、気筒＃１～＃４の燃焼に起因したトルクの差がクランク軸２０の回転変動として表れにくくなる。そのため、クランク軸２０の回転変動に基づくリーン異常の有無の判定が困難となる。したがって、差分量Ｄ２の利用価値が特に大きい。

【0031】

＜対応関係＞
上記実施形態における事項と、上記「課題を解決するための手段」の欄に記載した事項との対応関係は、次の通りである。噴射異常判定装置は、制御装置７０に対応する。速度取得処理は、Ｓ１２の処理に対応する。エネルギ変化率相当量算出処理は、Ｓ２２の処理に対応する。差分量算出処理は、Ｓ２４の処理に対応する。差分量は、差分量Ｄ２に対応する。エネルギ変化率相当量は、エネルギ変化率相当量Ｄ１に対応する。

【0032】

＜その他の実施形態＞
なお、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態および以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

【0033】

・瞬時速度ωとしては、クランク軸２０が３０°ＣＡ回転する速度に限らない。たとえば、１０°ＣＡ回転する速度であってもよい。ただし、圧縮上死点の出現間隔よりも小さい角度領域における速度であることが望ましい。

【0034】

・エネルギ変化率相当量としては、瞬時速度ωの２乗同士の差に応じた量に限らない。たとえば、瞬時速度ωの２乗に慣性モーメントＩを乗算した値同士の差に応じた量であってもよい。

【0035】

・エネルギ変化率相当量の算出に用いる一対の瞬時速度ωの２乗としては、互いに３０°ＣＡだけ離間した瞬時速度ωの２乗に限らない。たとえば、互いに１０°ＣＡだけ離間した瞬時速度ωの２乗であってもよい。ここで、所定角度だけ離間した一対の瞬時速度ωの２乗を用いて算出されるエネルギ変化率相当量は、所定角度を、圧縮上死点の出現間隔よりも小さい角度とすることが望ましい。特に、所定角度を、圧縮上死点の出現間隔の「１／２」よりも小さい角度とすることが望ましい。なお、所定角度を、内燃機関１０の運転状態に応じて可変設定してもよい。

【0036】

・差分量の算出に用いる一対のエネルギ変化率相当量Ｄ１としては、互いに３０°だけ離間したエネルギ変化率相当量Ｄ１に限らない。たとえば、互いに１０°ＣＡだけ離間したエネルギ変化率相当量Ｄ１であってもよい。ここで、規定角度だけ離間した一対のエネルギ変化率相当量Ｄ１を用いて算出される差分量は、規定角度を、圧縮上死点の出現間隔よりも小さい角度とすることが望ましい。特に、規定角度を、圧縮上死点の出現間隔の「１／２」よりも小さい角度とすることが望ましい。なお、規定角度を、内燃機関１０の運転状態に応じて可変設定してもよい。

【0037】

・差分量としては、差分量Ｄ２に限らない。たとえば、エネルギ変化率相当量Ｄ１同士の差であってもよい。
・図２においては、Ｄレンジに限って、Ｓ２０～Ｓ３２の処理を実行したが、これに限らない。シフトレンジに限らず、常時、Ｓ２０～Ｓ３２の処理を実行してもよい。

【0038】

・図２においては、噴射量が狙いとする噴射量よりも少なくなる異常の有無を判定したが、これに限らない。差分量Ｄ２が所定の閾値よりも大きい場合に、噴射量が狙いとする噴射量よりも多くなる異常がある旨判定してもよい。

【0039】

・異常がある旨判定された場合に異常に対処する対処処理としては、警告灯８６を点灯するなどの、報知処理に限らない。たとえば、異常がある旨判定された気筒の燃料噴射弁１６に対する噴射量の指令値を増量補正する処理であってもよい。

【0040】

・車両に、変速装置４２が搭載されていることは必須ではない。また、車両としては、シリーズ・パラレルハイブリッド車に限らない。たとえば、パラレルハイブリッド車であってもよい。さらに、ハイブリッド車にも限らず、たとえば車両の推力生成装置が内燃機関のみの車両であってもよい。

【符号の説明】

【0041】

１０…内燃機関
２０…クランク軸
３０…クランクロータ
３６…ダンパ
４０…遊星歯車機構
４２…変速装置
４４…駆動輪
７０…制御装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】