JP2013119803A - 内燃機関の故障検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】筒内にスワール流やタンブル流等の吸気流を発生させるための吸気制御弁を備える内燃機関において、吸気制御弁の故障を精度よく検出することのできる内燃機関の故障検出装置を提供する。
【解決手段】筒内に連通する吸気ポートにＴＣＶ３６を備え、当該ＴＣＶ３６の開度を可変させることにより筒内に生成されるタンブル流を制御する内燃機関において、筒内圧センサ３４で検出された筒内圧に基づいて燃焼行程中の燃焼質量割合（ＭＦＢ）を演算し、ＭＦＢのクランク角に対する変化特性に基づいてＴＣＶ３６の故障の発生有無を検出する。好ましくは、燃焼開始からＭＦＢ５０％に達するまでの燃焼前半期間とＭＦＢ５０％に達してから燃焼終了までの燃焼後半期間との比率が、ＴＣＶ３６への操作指令前後において有意に変化するか否かによってＴＣＶ３６の故障発生有無を検出する。
【選択図】図１０

Description

この発明は、内燃機関の故障検出装置に係り、特に、筒内に気流を発生させるための吸気制御弁の故障を検出する装置に関する。

従来、例えば特開平７−８３１０１号公報に開示されるように、筒内にスワール流を発生させるためのスワールコントロールバルブ（ＳＣＶ）の故障を検出するための装置が知られている。この装置では、内燃機関の運転状態から推定される点火から筒内圧がピーク値に達するまでの燃焼時間と筒内圧センサの検出値から検出される実際の燃焼時間とを比較することにより、ＳＣＶの開故障、閉故障が発生しているか否かを判定することとしている。

特開平７−８３１０１号公報 特開２０１１−１１７３２５号公報 特開２００１−２０７９１号公報 特開２００６−１４４６９５号公報 特開２００１−２０７８２号公報

上記従来の技術では、点火から筒内圧がピークとなるまでの燃焼時間を用いてＳＣＶの故障を判定することとしている。しかしながら、上記燃焼期間を点火時期からカウントすると燃焼に寄与しない着火遅れ期間を含むこととなるため、故障検出精度の低下の一因となる。また、筒内圧のピーク時期を正確に把握するためには、筒内圧センサによるサンプリングをより細分化する必要がある。このように、上記従来の技術では、ＳＣＶ等の吸気制御弁の故障を精度よく検出する面において、未だ改善の余地を残すものであった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、筒内にスワール流やタンブル流等の吸気流を発生させるための吸気制御弁を備える内燃機関において、吸気制御弁の故障を精度よく検出することのできる内燃機関の故障検出装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、筒内に連通する吸気ポートに気流制御弁を備え、当該気流制御弁の開度を可変させることにより筒内に生成される吸気流を制御する内燃機関において、
前記筒内の圧力を検出する筒内圧センサと、
前記筒内圧センサで検出された筒内圧に基づいて、燃焼行程中の燃焼質量割合（以下、ＭＦＢ）を演算するＭＦＢ演算手段と、
ＭＦＢのクランク角に対する変化特性に基づいて、該気流制御弁の故障の発生有無を検出する故障検出手段と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、
前記故障検出手段は、前記気流制御弁への操作指令前後においてＭＦＢのクランク角に対する変化特性に有意な差が生じるか否かによって、当該気流制御弁の故障の発生有無を検出することを特徴としている。

第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記故障検出手段は、燃焼が開始してから所定のＭＦＢに達するまでのクランク角期間（以下、燃焼前半期間）と前記所定のＭＦＢに達してから燃焼が終了するまでのクランク角期間（以下、燃焼後半期間）との比率を、前記ＭＦＢのクランク角に対する変化特性の指標として取得する比率取得手段を含み、前記比率に基づいて、該気流制御弁の故障の発生有無を検出することを特徴としている。

第４の発明は、第３の発明において、
前記燃焼前半期間は、ＭＦＢが１０％以降となる所定のクランク角から前記所定のＭＦＢに達するまでのクランク角期間であることを特徴としている。

第１の発明によれば、気流制御弁を備えた内燃機関において、筒内圧センサにより検出された筒内圧を用いて燃焼質量割合（ＭＦＢ）が演算される。ここで、気流制御弁が正常に動作すると、気流の乱れの変化により筒内の火炎帯の厚さに変化が生じ、これにより燃焼の進行速度が変化する。このため、本発明によれば、ＭＦＢの変化特性に基づいて、気流制御弁の故障を精度よく検出することができる。

第２の発明によれば、気流制御弁への操作指令前後においてＭＦＢの変化特性に有意な変化が見られたか否かによって、該気流制御弁の故障の有無を精度よく検出することができる。

第３の発明によれば、燃焼が開始してから所定のＭＦＢに達するまでの燃焼前半期間と当該所定のＭＦＢから燃焼が終了するまでの燃焼後半期間との比率に基づいて、気流制御弁の故障の有無が検出される。燃焼の進行速度が速い場合には、燃焼前半期間が燃焼後半期間に対して短くなる。このため、本発明によれば、燃焼前半期間と燃焼後半期間との比率に基づいて、該気流制御弁の故障の有無を精度よく検出することができる。

第４の発明によれば、ＭＦＢが１０％以降のクランク角から所定のＭＦＢまでのクランク角が燃焼前半期間とされる。このため、本発明によれば、着火遅れ等の誤差要因を含む燃焼開始時近傍を避けて燃焼前半期間を特定することができるので、吸気制御弁の故障検出精度を有効に向上させることができる。

本発明の実施の形態１としてのシステム構成を説明するための概略構成図である。 乱れの強さと火炎帯の厚さとの関係を説明するための図である。 燃焼行程中のクランク角に対する筒内圧の変化特性を示す図である。 燃焼行程中のクランク角に対する熱発生量ＰＶ^κの変化特性を示す図である。 クランク角に対するＭＦＢの変化特性を示す図である。 ＭＦＢの変化を説明するための特性線図である。 図６における各期間における筒内の燃焼状態を説明するための模式図である。 筒内の気流の乱れによるＭＦＢの変化特性を説明するための特性線図である。 図８における各期間における筒内の燃焼状態を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１としてのシステム構成を説明するための概略構成図である。図１に示すとおり、本実施の形態のシステムは内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、ガソリンを燃料とする火花点火式のエンジンとして構成されている。尚、図１は、エンジンの１つの気筒を中心軸線に沿って破断したものであるが、本発明は、単気筒を含む任意の気筒数の内燃機関に適用されるものである。内燃機関１０の筒内には、その内部を往復運動するピストン１２が設けられている。また、内燃機関１０は、シリンダヘッド１４を備えている。ピストン１２とシリンダヘッド１４との間には、燃焼室１６が形成されている。燃焼室１６には、吸気通路１８および排気通路２０の一端がそれぞれ連通している。吸気通路１８および排気通路２０と燃焼室１６との連通部には、それぞれ吸気弁２２および排気弁２４が配置されている。

吸気通路１８の入口には、エアクリーナ２６が取り付けられている。エアクリーナ２６の下流には、スロットルバルブ２８が配置されている。スロットルバルブ２８は、アクセル開度に基づいてスロットルモータにより駆動される電子制御式のバルブである。

シリンダヘッド１４には、燃焼室１６の頂部から燃焼室１６内に突出するように点火プラグ３０が取り付けられている。また、シリンダヘッド１４には、燃料を筒内に噴射するための燃料噴射弁３２が設けられている。更に、シリンダヘッド１４には、筒内圧力を検出するための筒内圧センサ３４が組み込まれている。

本実施の形態のシステムは、吸気通路１８における吸気ポート部にタンブルコントロールバルブ（ＴＣＶ）３６を備えている。ＴＣＶ３６は、吸気通路１８の流路面積を変化させるバタフライ式の弁であって、吸気に偏流を形成することにより燃焼室１６内に縦回転の渦（タンブル流）を発生させる吸気制御弁として機能するものである。

本実施の形態のシステムは、図１に示すとおり、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)４０を備えている。ＥＣＵ４０の入力部には、クランク軸の回転位置を検知するためのクランク角センサ４２や、上述した筒内圧センサ３４等の各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ４０の出力部には、上述したスロットルバルブ２８、点火プラグ３０、燃料噴射弁３２、ＴＣＶ３６等の各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ４０は、入力された各種の情報に基づいて、内燃機関１０の運転状態を制御する。

[実施の形態１の動作]
（ＴＣＶによる燃焼促進動作について）
先ず、図２を参照して、ＴＣＶ３６による燃焼促進動作について説明する。上述したように、ＴＣＶ３６は、吸気ポートの流路面積を変化させることにより筒内にタンブル流を発生させることができる。筒内に発生したタンブル流は、空気の圧縮による空間制約によって小さい渦塊（乱れ）へと変化する。この乱れの強さは筒内に形成される反応領域（火炎帯）の厚さに影響を与える。図２は、乱れの強さと火炎帯の厚さとの関係を説明するための図である。この図に示すとおり、乱れが小さい場合の火炎帯の厚さは薄いのに対して、乱れが強くなるに連れて火炎面がしわ状更には網の目状に進行して火炎帯が厚くなることが分かる。このように、ＴＣＶ３６の操作によって筒内の乱れを増強することにより、厚い火炎帯を形成して燃焼を促進することが可能となる。これにより、例えば燃焼悪化が発生しやすい低温時の始動やアイドル時において、燃焼改善を図ることができる。

（実施の形態１の特徴）
次に、図３乃至図９を参照して、本発明の実施の形態１の特徴について説明する。上述したとおり、ＴＣＶ３６は、タンブル流を発生させて筒内の燃焼を促進することができる点において有用なアクチュエータとして機能する。このため、ＴＣＶ３６に発生した故障は早期に且つ確実に検出されることが好ましい。しかしながら、ＴＣＶ３６の故障を検出するためにタンブル流を検出する有用な方法は未だ確立されておらず、現状では吸気管圧力の変化や空燃比Ａ／Ｆの変化等を用いた間接的な手法に頼らざるを得ない。この場合、検出精度を確保するための運転条件の絞込み等が困難であるという課題がある。

そこで、本実施の形態のシステムでは、ＴＣＶ３６の開度変化に応じたタンブル流の変化を、燃焼質量割合（ＭＦＢ）を用いて検出することとする。ここで、ＭＦＢは、燃焼室１６内に流入した燃料のうち燃焼した燃料の質量割合であり、燃焼室１６内の燃焼状態を把握する上で有用なパラメータである。ＭＦＢは、筒内圧センサ３４によって検出された筒内圧Ｐを用いて、以下の手順で算出することができる。

図３は燃焼行程中のクランク角に対する筒内圧の変化特性を、図４は燃焼行程中のクランク角に対する熱発生量ＰＶ^κの変化特性を、そして図５はクランク角に対するＭＦＢの変化特性を、それぞれ示す図である。ＭＦＢを算出する際には、先ず、図３に示すように、筒内圧センサ３４によってクランク角毎の筒内圧Ｐを検出する。次に、図４に示すように、熱発生量であるＰＶ^κを演算する。尚、Ｖは燃焼室１６内の筒内容積、κは比熱比をそれぞれ表している。筒内容積Ｖはクランク角に応じて一意的に定まるものであり、両者の関係は、マップデータや関数式として予めＥＣＵ４０に記憶されている。また、比熱比κは、ストイキのガソリン混合気においてはほぼ一定値（１．３２程度）となるので、この値も予めＥＣＵ４０に記憶されているものとする。次いで、次式（１）を用いてクランク角毎のＭＦＢを演算する。尚、次式（１）において、ＰＶ^κ _ｓは燃焼開始点におけるＰＶ^κ値を、ＰＶ^κ _ｅは燃焼終了点におけるＰＶ^κ値を、そしてＰＶ^κ _θはクランク角θにおけるＰＶ^κ値を、それぞれ示している。このような演算で算出されたＭＦＢは、図５に示すとおり、正常な燃焼の燃焼行程の開始点では０％であり、当該燃焼行程の終了点では１００％となる。
ＭＦＢ（％）＝（ＰＶ^κ _θ−ＰＶ^κ _ｓ）／（ＰＶ^κ _ｅ−ＰＶ^κ _ｓ）×１００・・・（１）

ここで、燃焼室１６内の燃焼状態は、ＭＦＢの進行とともに変化する。図６は、ＭＦＢの変化を説明するための特性線図であり、図７は、図６における各期間における筒内の燃焼状態を説明するための模式図である。尚、筒内での燃焼は本来であれば点火部から球状に進行するものであるが、図７に示す各図では、左端の点火部から右端の筒内壁面へ向かって直線的に燃焼が進行する様子を模式的に示すものとする。

これらの図に示すとおり、先ず燃焼の開始から燃焼前半期間の途中までのＡ期間においては、タンブル流による筒内の乱れにより火炎帯が形成される。これにより、ＭＦＢは徐々に上昇する。そして、燃焼前半期間から燃焼後半期間にかけてのＢ期間においては、火炎帯が未燃ガス中を進行し、これに伴いＭＦＢが直線的に上昇する。そして、燃焼後半期間の途中から燃焼終了までのＣ期間においては、火炎帯が壁面に到達して徐々に消失する。このため、係る期間のＭＦＢは、上昇が徐々に緩やかになり１００％に到達する。

このように、燃焼行程中のＭＦＢの変化特性は、筒内に形成された火炎帯の状態と密接に関連している。このため、ＴＣＶ３６を動作させてタンブル流による筒内の気流の乱れを変化させると、筒内の火炎帯の厚さの変化に起因してＭＦＢは異なる変化特性を示すこととなる。図８は、筒内の気流の乱れによるＭＦＢの変化特性を説明するための特性線図であり、図９は、図８における各期間における筒内の燃焼状態を説明するための模式図である。尚、図８に示す各図では、上述した図７に示す図と同様に、左端の点火部から右端の筒内壁面へ向かって直線的に燃焼が進行する様子を模式的に示すものとする。

図８および図９に示すとおり、筒内において燃焼が開始されてからＭＦＢが５０％となるまでの燃焼前半期間は、筒内の気流の乱れが大きいほど燃焼の進行が早くなることが分かる。一方、ＭＦＢが５０％となってから燃焼が終了するまでの燃焼後半期間は、筒内の気流の乱れが大きいほど火炎帯が先に壁面に到達するが、火炎帯が厚いが故にＭＦＢの上昇はより緩慢となる。このため、燃焼の進行速度が速いほど、燃焼前半期間が燃焼後半期間に対して短くなることとなる。したがって、燃焼前半期間と燃焼後半期間との比率を比較することとすれば、筒内の気流の乱れに変化が生じたか否か、換言すると、ＴＣＶ３６の動作によってタンブル流の発生度合が変化したか否かを判断することが可能となる。

そこで、本実施の形態のシステムでは、ＴＣＶ３６への動作指令の前後において、それぞれ燃焼前半期間と燃焼後半期間との比率を算出し、これらに有意な差が生じているか否かによってＴＣＶ３６に故障が発生しているか否かを判定することとする。これにより、筒内のタンブル流の変化を有効に検出することができるので、ＴＣＶ３６に発生した故障を早期に且つ精度よく検出することが可能となる。

［実施の形態１における具体的処理］
次に、図１０を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図１０は、ＥＣＵ４０が、ＴＣＶ３６の故障有無を検出するルーチンのフローチャートである。尚、図１０に示すルーチンは、内燃機関１０の運転中に繰り返し実行されるものとする。

図１０に示すルーチンでは、先ず、故障検出モードがＯＮか否かが判定される（ステップ１００）。ここでは、具体的には、所定の定ＮＥ条件（例えば、アイドル運転中）が成立しているか否かが判定される。その結果、故障検出モードがＯＮとされていない場合には、安定した故障検出を行うことができないと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。

一方、上記ステップ１００において、故障検出モードがＯＮとされている場合には、ＴＣＶ３６の故障検出の具体的な処理に移行し、先ず、筒内圧センサ３４を用いた筒内圧の検出が行われる（ステップ１０４）。次に、上式（１）を用いて燃焼行程中のＭＦＢが算出される（ステップ１０４）。次に、燃焼前半期間ａが算出される（ステップ１０６）。ここでは、具体的には、ＭＦＢが０％から上昇を開始してから５０％となるまでのクランク角期間が「燃焼前半期間ａ」として特定される。次に、燃焼後半期間ｂが算出される（ステップ１０８）。ここでは、具体的には、ＭＦＢが５０％を超えてから１００％に到達するまでのクランク角期間が「燃焼後半期間ｂ」として特定される。そして、上記ステップ１０６および１０８において算出された燃焼前半期間ａおよび燃焼前半期間ｂを用いて、燃焼前後半比（ｂ／ａ）が算出される（ステップ１１０）。

次に、ＴＣＶ３６が駆動される（ステップ１１２）。ここでは、具体的には、筒内に発生する乱れ（タンブル流）を変化させるべく、ＴＣＶ３６の開度を変化させる指令が出される。次に、筒内圧センサ３４を用いて筒内圧が再度検出される（ステップ１１４）。次に、燃焼行程中のＭＦＢが算出される（ステップ１１６）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０４と同様の処理が実行される。次に、燃焼前半期間ｃが算出される（ステップ１１８）。ここでは、具体的には、ＭＦＢが０％から上昇を開始してから５０％となるまでのクランク角期間が「燃焼前半期間ｃ」として特定される。次に、燃焼後半期間ｄが算出される（ステップ１２０）。ここでは、具体的には、ＭＦＢが５０％を超えてから１００％に到達するまでのクランク角期間が「燃焼後半期間ｄ」として特定される。そして、上記ステップ１１８および１２０において算出された燃焼前半期間ｃおよび燃焼前半期間ｄを用いて、燃焼前後半比（ｄ／ｃ）が算出される（ステップ１２２）。

図１０に示すルーチンでは、次に、燃焼前後半比（ｂ／ａ）＝燃焼前後半比（ｄ／ｃ）が成立するか否かが判定される（ステップ１２４）。その結果、（ｂ／ａ）＝（ｄ／ｃ）の成立が認められない場合には、ＴＣＶ３６が正常に駆動したことによって乱れが変化したと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。一方、上記ステップ１２４において、（ｂ／ａ）＝（ｄ／ｃ）の成立が認められた場合には、ＴＣＶ３６が故障によって駆動していないと判断されて、次のステップに移行し、ＴＣＶ３６に故障が発生している旨が通知され（ステップ１２６）、その後本ルーチンは終了される。

以上説明したとおり、本実施の形態のシステムによれば、ＭＦＢの変化に基づいて、ＴＣＶ３６が正常に駆動しているか否かを判断することができる。これにより、ＴＣＶ３６の故障を早期に且つ精度よく検出することができる。

ところで、上述した本発明の実施の形態のシステムにおいては、タンブル流を発生させるＴＣＶ３６の故障を検出することとしているが、故障検出可能な吸気制御弁はこれに限られない。すなわち、筒内の気流に乱れを発生させる制御弁であれば、例えば、スワール流を発生させるスワールコントロールバルブ（ＳＣＶ）を備える内燃機関において、本発明のシステムを当該ＳＣＶの故障を検出するために適用してもよい。

また、上述した本発明の実施の形態のシステムにおいては、燃焼前半期間としてＭＦＢが０％から上昇を開始してから５０％に達するまでのクランク角期間を用いているが、着火遅れや他の誤差要因が重畳し易い燃焼開始時近傍は避けて、例えばＭＦＢが１０％以降となるクランク角からＭＦＢ５０％までクランク角期間を燃焼前半期間に設定してもよい。これにより、ＴＣＶ３６の故障検出精度を有効に向上させることができる。

また、上述した本発明の実施の形態のシステムにおいては、ＭＦＢが５０％となるクランク角を燃焼前半期間と燃焼後半期間との境目としているが、５０％の近傍であれば他のＭＦＢ値を境目にしてもよい。

また、上述した本発明の実施の形態のシステムでは、燃焼前半期間と燃焼後半期間との比率をＴＣＶ３６の故障検出判定に用いる判定値として使用しているが、ＴＣＶ３６の駆動指令前後においてＭＦＢの変化特性に有意な変化が生じたか否かを判定することができるのであれば、例えばＴＣＶ３６の駆動指令前後の燃焼前半期間を比較して判定することとしてもよい。

また、上述した本発明の実施の形態のシステムでは、ＴＣＶ３６を駆動する前後における燃焼前半期間と燃焼後半期間との比率の変化に基づいてＴＣＶ３６の故障検出を行うこととしているが、必ずしもＴＣＶ３６の変化指令前後の比率を比較する必要はなく、例えば、ＴＣＶ３６の開度を含む所定の運転条件における正常なＭＦＢ特性を記憶しておき、同条件におけるＭＦＢの検出値の特性との比較によりＴＣＶ３６の故障を検出することとしてもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、ＴＳＶ３６が前記第１の発明における「吸気制御弁」に相当しているとともに、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１０２〜１０４、１１４〜１１６の処理を実行することにより、前記第１の発明における「ＭＦＢ演算手段」が、上記ステップ１２４の処理を実行することにより、前記第１の発明における「故障検出手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１２４の処理を実行することにより、前記第２の発明における「故障検出手段」が実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１０６〜１１０、１１８〜１２０の処理を実行することにより、前記第３の発明における「比率取得手段」が、上記ステップ１２４の処理を実行することにより、前記第３の発明における「故障検出手段」が、それぞれ実現されている。

１０ 内燃機関（エンジン）
１２ ピストン
１４ シリンダヘッド
１６ 燃焼室
１８ 吸気通路
２０ 排気通路
２２ 吸気弁
２４ 排気弁
２６ エアクリーナ
２８ スロットルバルブ
３０ 点火プラグ
３２ 燃料噴射弁
３４ 筒内圧センサ
３６ ＴＣＶ（タンブルコントロールバルブ）
４０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
４２ クランク角センサ
κ 比熱比

Claims (4)

1. 筒内に連通する吸気ポートに気流制御弁を備え、当該気流制御弁の開度を可変させることにより筒内に生成される吸気流を制御する内燃機関において、
   前記筒内の圧力を検出する筒内圧センサと、
   前記筒内圧センサで検出された筒内圧に基づいて、燃焼行程中の燃焼質量割合（以下、ＭＦＢ）を演算するＭＦＢ演算手段と、
   ＭＦＢのクランク角に対する変化特性に基づいて、該気流制御弁の故障の発生有無を検出する故障検出手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の故障検出装置。
2. 前記故障検出手段は、前記気流制御弁への操作指令前後においてＭＦＢのクランク角に対する変化特性に有意な差が生じるか否かによって、当該気流制御弁の故障の発生有無を検出することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の故障検出装置。
3. 前記故障検出手段は、燃焼が開始してから所定のＭＦＢに達するまでのクランク角期間（以下、燃焼前半期間）と前記所定のＭＦＢに達してから燃焼が終了するまでのクランク角期間（以下、燃焼後半期間）との比率を、前記ＭＦＢのクランク角に対する変化特性の指標として取得する比率取得手段を含み、前記比率に基づいて、該気流制御弁の故障の発生有無を検出することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の故障検出装置。
4. 前記燃焼前半期間は、ＭＦＢが１０％以降となる所定のクランク角から前記所定のＭＦＢに達するまでのクランク角期間であることを特徴とする請求項３記載の内燃機関の故障検出装置。

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