(57)【要約】【課題】燃焼行程において検出される筒内圧を用いて精密な点火時期制御を実行可能な内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】内燃機関の気筒１２に設けられた筒内圧センサ５０の検出する筒内圧に基いて、燃焼開始から燃焼終了に至るまでに発生する総熱発生量に対する各時点における熱発生量の割合である燃焼割合を算出し、所定クランク角度における燃焼割合が目標値となるように、内燃機関の点火時期を制御する点火時期制御手段を有する内燃機関の制御装置であって、燃焼行程中における燃焼割合が所定値に達するときのクランク角度の遅角量に基いて、筒内圧センサ５０の高圧領域における出力の異常を判断する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の気筒に設けられた筒内圧センサの検出する筒内圧に基いて、燃焼開始から燃焼終了に至るまでに発生する総熱発生量に対する各時点における熱発生量の割合である燃焼割合を算出し、所定クランク角度における前記燃焼割合が目標値となるように、前記内燃機関の点火時期を制御する点火時期制御手段を有する内燃機関の制御装置であって、
燃焼行程中における前記燃焼割合が所定値に達するときのクランク角度の遅角量に基いて、前記筒内圧センサの高圧領域における出力の異常を判断する異常検出手段を有することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記異常検出手段は、燃焼行程中における前記燃焼割合が所定値に達するときのクランク角度が所定のクランク角度よりも遅角し、かつ、ノッキングが発生した場合に、前記筒内圧センサの高圧領域における出力が異常であると判断する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記異常検出手段が高圧領域でのセンサ異常と判断した場合には、前記筒内圧センサの検出する筒内圧を用いた点火時期制御を停止することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記異常検出手段が高圧領域でのセンサ異常と判断した場合に、前記筒内圧センサの検出する筒内圧を前記点火時期制御以外の処理には用いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の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、筒内圧センサで検出した燃焼室の圧力を用いて点火時期制御する内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、内燃機関の筒内圧を検出し、この検出値に基いて燃焼室内の各時点の燃焼状態を反映する状態量を算出し、この状態量に基づいてトルク変動の判定、又は失火割合の判定の少なくともいずれか１つの判定を行い、判定結果に基づいて点火時期を変更して内燃機関を制御する技術を開示している。
【０００３】
また、特許文献２は、内燃機関の各燃焼サイクルにおいて、燃焼室内の筒内圧を検出し、この筒内圧に基いて、燃焼開始から燃焼終了に至るまでに発生する総熱発生量に対する各時点における熱発生量の割合からなる燃焼割合（ＭＦＢ）を算出し、所定のクランク角度における燃焼割合が目標値となるように、点火時期等の運転条件を変更する技術を開示している。
【０００４】
上記のような技術においては、各気筒に設けた筒内圧センサにより検出した筒内圧を用いて内燃機関の制御を実行するので、筒内圧センサの異常をオンボードで検出する必要がある。
【０００５】
例えば、特許文献３は、吸気行程において、筒内圧センサの検出値と吸気管圧センサの検出値とを比較して筒内圧センサの異常を検出する技術を開示している。また、特許文献４は、筒内圧センサから算出される図示トルクと燃料噴射量の比を用いて筒内圧センサの異常を検出する技術を開示している。さらに、特許文献５は、所定クランク角度間隔における圧縮圧と内燃機関の任意の基準状態におけるマップ値とを比較して、筒内圧センサの異常を検出する技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２８５１９４号公報
【特許文献２】特開２００６−２２０１３９号公報
【特許文献３】特開２００５−３５１１４６号公報
【特許文献４】特許第２７８２８４１号公報
【特許文献５】特許第２５６４９３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、内燃機関の燃焼行程における筒内圧は、吸気行程や圧縮行程などの他の行程の筒内圧に比べて非常に高い。
【０００８】
一方、筒内圧センサは、例えば、図７に示すように、筒内圧が比較的低い領域では、感度が低下しにくいが、筒内圧が高くなるほど感度が経時劣化等により低下していく傾向がある。高圧領域でセンサ感度が低下すると、燃焼行程において精密な点火時期制御を実行することが困難になる。
【０００９】
上記した特許文献３〜５などに開示された技術は、吸気行程や圧縮行程などの比較的低い筒内圧を対象とした技術であり、燃焼行程における筒内圧の異常、すなわち、筒内圧が高い高圧領域での筒内圧センサの異常の検出は困難である。
【００１０】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、燃焼行程において検出される筒内圧を用いて精密な点火時期制御を実行可能な内燃機関の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関の気筒に設けられた筒内圧センサの検出する筒内圧に基いて、燃焼開始から燃焼終了に至るまでに発生する総熱発生量に対する各時点における熱発生量の割合である燃焼割合を算出し、所定クランク角度における前記燃焼割合が目標値となるように、前記内燃機関の点火時期を制御する点火時期制御手段を有する内燃機関の制御装置であって、燃焼行程中における前記燃焼割合が所定値に達するときのクランク角度の遅角量に基いて、前記筒内圧センサの高圧領域における出力の異常を判断する異常検出手段を有することを特徴とする。
【００１２】
上記構成において、前記異常検出手段は、燃焼行程中における前記燃焼割合が所定値に達するときのクランク角度が所定のクランク角度よりも遅角し、かつ、ノッキングが発生した場合に、前記筒内圧センサの高圧領域における出力が異常であると判断する、構成を採用できる。
【００１３】
上記構成において、前記異常検出手段が高圧領域でのセンサ異常と判断した場合には、前記筒内圧センサの検出する筒内圧を用いた点火時期制御を停止する、構成を採用できる。
【００１４】
上記構成において、前記異常検出手段が高圧領域でのセンサ異常と判断した場合に、前記筒内圧センサの検出する筒内圧を前記点火時期制御以外の処理には用いる、構成を採用できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、筒内圧を用いた内燃機関の点火時期制御をより精密に実行可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る制御装置が適用された内燃機関の一例を示す構成図である。
【図２】積値ＰＶκと、燃焼室内における熱発生量との相関例を示すグラフである。
【図３】積値ＰＶκに基づいて求められる燃焼割合と、熱発生率に基づいて求められる燃焼割合との相関例を示すグラフである。
【図４】本発明の筒内圧センサの異常検出原理を説明するための図である。
【図５】ＥＣＵによる筒内圧センサの異常検出処理の一例を示すフローチャートである。
【図６】ＥＣＵによる筒内圧センサの異常検出後の処理の一例を示すフローチャートである。
【図７】筒内圧センサの高圧領域における感度低下を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の好適一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置が適用される内燃機関の一例を示す概略構成図である。
【００１９】
この内燃機関は、本体１０に形成された気筒１２の燃焼室１４で燃料および空気の混合気を燃焼させ、気筒１２でピストン１６を往復移動させることにより動力を発生するものである。
【００２０】
内燃機関のシリンダヘッドに形成されると共に各燃焼室１４に臨む吸気ポートは、吸気管（吸気マニホールド含む）１８にそれぞれ接続されている。また、シリンダヘッドに形成されると共に各燃焼室１４に臨む排気ポートは、排気管（排気マニホールドを含む）２０にそれぞれ接続されている。また、シリンダヘッドには、吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅが設けられている。各吸気弁Ｖｉは、対応する吸気ポートを開閉し、各排気弁Ｖｅは、対応する排気ポートを開閉する。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは、可変動弁機構、例えば、可変バルブタイミング機能を有する動弁機構（図示省略）によって動作させられる。
【００２１】
内燃機関は、気筒数に応じた数の点火プラグ２２及び燃料直噴インジェクタ３６を有し、点火プラグ２２及び燃料直噴インジェクタ３６は、対応する燃焼室１４内に臨むようにシリンダヘッドに配設されている。点火プラグ２２は、後述する電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００からの制御指令に応じて、燃料および空気の混合気燃料直噴インジェクタ３６は、ＥＣＵ１００からの制御指令に応じて、燃焼室１４内にガソリン等の燃料を直接噴射する。
【００２２】
なお、本実施形態の内燃機関は、いわゆる直噴式内燃機関であるが、これに限定されるわけではなく、いわゆるポート噴射式のガソリンエンジンにも本発明は適用可能である。
【００２３】
吸気管１８は、サージタンク２４に接続されている。サージタンク２４には、エアフローメータ３０が組み込まれているとともに、給気ライン（吸気管）が接続されており、給気ラインは、エアクリーナ２６を介して、図示されない空気取入口に接続されている。そして、給気ラインの中途（サージタンク２４とエアクリーナ２６との間）には、スロットルバルブ（本実施形態では、電子制御式スロットルバルブ）２８が設けられている。一方、排気管２０には、触媒装置が設けられ、三元触媒を含む前段触媒装置３２およびＮＯｘ吸蔵還元触媒を含む後段触媒装置３４が設けられている。
【００２４】
内燃機関の各気筒１２には、筒内圧センサ５０が設けられている。筒内圧センサ５０は、例えば、半導体素子、圧電素子、光ファイバ検出素子等で構成され、燃焼室１４内の圧力（筒内圧）に応じた電気信号を発生させ、これをＥＣＵ１００へ出力する。筒内圧センサ５０の設置位置は、図１の位置に限定されるわけではなく、筒内圧を検出可能な位置であればよい。
【００２５】
本体１０のクランクケース部分には、クランク角度を検出するためのクランク角度センサ４２が設けられている。
【００２６】
本体１０の気筒１２を画定する壁面に、ノッキングの発生を検出するためのノックセンサ４０が設けられている。
【００２７】
ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory）等のバックアップ用メモリ、Ａ／Ｄ変換器やバッファ等を含む入力インターフェース回路、駆動回路等を含む出力インターフェース回路を含むハードウエアと所要のソフトウエアで構成される。このＥＣＵ１００には、エアフローメータ３０、ノックセンサ４０、クランク角度センサ４２及び筒内圧センサ５０からの信号が入力され、これらの信号に基いて、点火プラグ２２、スロットルバルブ２８、燃料直噴インジェクタ３６に制御指令を与え、点火時期制御、燃料噴射制御、空燃比制御等を実行可能となっている。
【００２８】
また、内燃機関１０は、半導体素子、圧電素子あるいは光ファイバ検出素子等を含む筒内圧センサ５０を、気筒数に応じた数だけ有している。各筒内圧センサ５０は、対応する燃焼室１４に受圧面が臨むようにシリンダヘッドに配設されており、かつＥＣＵ３８に電気的に接続されている。各筒内圧センサ５０は、対応する燃焼室１４における筒内圧力（相対圧力）を検出するように、検出値に対応するセンサ出力信号をＥＣＵ３８に与える。各筒内圧センサ５０からのセンサ出力信号は、所定時間（所定クランク角度）おきにＥＣＵ３８に順次与えられ、例えば絶対圧力値である検出値に変換された上でＥＣＵ３８の所定の記憶領域（バッファ）に所定量ずつ格納保持される。なお、筒内圧検出手段は、検知部としての筒内圧センサ５０と演算部としてのＥＣＵ３８の一部とを含んで構成される。
【００２９】
次に、ＥＣＵ１００による点火時期制御の一例について図２及び図３を参照して説明する。
【００３０】
ここでは、クランク角度がθであるタイミングに筒内圧センサ５０により検出あるいは推定される筒内圧力をＰ（θ）とし、クランク角度がθであるタイミング（当該筒内圧力Ｐ（θ）の検出時あるいは推定時）の筒内容積をＶ（θ）とし、比熱比をκとする。そして筒内圧力Ｐ（θ）と、筒内容積Ｖ（θ）を比熱比（所定の指数）κで累乗した値Ｖ（θ）との積値Ｐ（θ）・Ｖκ（θ）（以下、適宜「ＰＶκ」と記す）に着目して、燃焼割合が算出される。
【００３１】
クランク角度に対する内燃機関の燃焼室における熱発生量Ｑの変化パターンと、クランク角度に対する積値ＰＶκの変化パターンとは、例えば、特許文献２にも開示されているように、図２に示すような相関を有することが知られている。図２において、実線は、所定のモデル気筒において所定の微小クランク角度おきに検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の比熱比κで累乗した値との積値ＰＶκをプロットしたものである。また、図２において、破線は、上記モデル気筒における熱発生量Ｑを次の（１）式に基づき、
【００３２】
【数１】
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【００３３】
として算出・プロットしたものである。なお、何れの場合も、簡単のために、κ＝１．３２とした。また、図２において、−３６０°、０°および３６０°は上死点（ピストンが上死点に位置するとき）に、−１８０°および１８０°は下死点（ピストンが下死点に位置するとき）に対応する。
【００３４】
【数２】
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【００３５】
図２に示される結果からわかるように、クランク角度に対する熱発生量Ｑの変化パターンと、クランク角度に対する積値ＰＶκの変化パターンとは、概ね一致（相似）する。特に、筒内の混合気の燃焼開始（ガソリンエンジンでは火花点火時、ディーゼルエンジンでは圧縮着火時）の前後（例えば、図２における約−１８０°から約１３５°までの範囲）では、図２の両パターンは極めて良好に一致することが理解される。
【００３６】
燃焼室における熱発生量Ｑと積値ＰＶκとの相関を利用して、筒内圧センサ５０によって検出される筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積との積値ＰＶκに基づいて、ある２点間におけるトータルの熱発生量に対する当該２点間の所定のタイミングまでの熱発生量の比（熱発生量比）である燃焼割合ＭＦＢが求められる（測定される）。ここで、積値ＰＶκに基づいて燃焼室における燃焼割合を算出すれば、高負荷な演算処理を要することなく燃焼室における燃焼割合を精度よく得ることができる。すなわち、図３に示すように、積値ＰＶκに基づいて求められる燃焼割合（同図における実線参照）は、熱発生率に基づいて求められる燃焼割合（同図における破線参照）とほぼ一致する。
【００３７】
なお、図３において、実線は、上述のモデル気筒においてクランク角度＝θとなるタイミングにおける燃焼割合を、次の（２）式に従うと共に、検出した筒内圧力Ｐ（θ）に基づいて算出し、プロットしたものである。ただし、簡単のために、κ＝１．３２とした。また、図３において、破線は、上述のモデル気筒においてクランク角度＝θとなるタイミングにおける燃焼割合を、上記（１）式および次の（３）式に従うと共に、検出した筒内圧力Ｐ（θ）に基づいて算出し、プロットしたものである。この場合も、簡単のために、κ＝１．３２とした。
【００３８】
【数３】
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【００３９】
【数４】
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【００４０】
なお、ここでは、圧縮上死点前１２０°（（２）式では単に−１２０°）および圧縮上死点後１２０°（（２）式では単に１２０°）の２つのタイミングを採用した例を用いて、ＰＶκに着目した燃焼割合の算出を説明した。しかしながら、それらは、他のタイミングであってもよく、点火ノイズの影響を排除するように例えば圧縮上死点前６０°、および、全ての燃焼形態をカバーできるように例えば圧縮上死点後６０°であり得る。
【００４１】
ＥＣＵ１００は、上記した燃焼割合ＭＦＢをサンプリング時間毎に算出し、これを用いて、内燃機関の燃焼室における混合気の火花点火時期を大きなトルクが得られると共にノッキングが発生しない最適なタイミング（ＭＢＴ：Minimum advance for Best Torque）に設定するための点火プラグ２２の点火時期制御を実行する。具体的には、ＥＣＵ１００は、所定クランク角度（例えば、１０度）における燃焼割合ＭＦＢが目標値（例えば、５０％）となるように、点火プラグ２２の点火時期を制御する。以下、この点火時期制御をＭＢＴ制御と呼ぶ。
【００４２】
次に、本実施形態に係る筒内圧センサの異常検出原理について図４を参照してい説明する。
【００４３】
図４（Ａ）は、内燃機関の燃焼行程付近における筒内圧センサ５０の出力の一例を示すグラフであり、図４（Ｂ）は図４の筒内圧を用いて算出されたＭＦＢのい一例を示すグラフである。なお、図４において、（１）は筒内圧センサ５０が正常時のグラフであり、（２）は筒内圧センサ５０の高圧領域における感度が低下した時のグラフである。
【００４４】
図４（Ａ）から分かるように、筒内圧センサ５０の高圧領域における感度が低下すると、比較的筒内圧Ｐの低い領域では、正常時との差がほとんどないが、筒内圧Ｐのピーク値がＰＫ１からＰＫ２へ低下するがわかる。
【００４５】
図４（Ｂ）に示すＧ１及びＧ２は、燃焼重心であり、燃焼割合ＭＦＢの値が５０％となる地点を意味している。
【００４６】
図４（Ｂ）からわかるように、正常時の燃焼重心Ｇ１のクランク角度Ｃ１に対して、燃焼重心Ｇ２のクランク角度Ｃ２は遅角する。なお、筒内圧センサ５０が、その高圧領域だけでなく、全領域において感度が低下した場合には、燃焼割合ＭＦＢのグラフ波形は正常時と変わらない。その理由は、燃焼割合ＭＦＢの算出は、特定のクランク角度における筒内圧センサ５０の出力比に基いているため、全領域において感度の低下はキャンセルされてしまうためである。
【００４７】
本実施形態では、燃焼行程中における燃焼割合ＭＦＢが所定値、例えば、燃焼重心である５０％に達するときのクランク角度の遅角量に基いて、燃焼行程中における前記燃焼割合が所定値に達するときのクランク角度の遅角量に基いて、筒内圧センサ５０の高圧領域における出力の異常を判断する。
【００４８】
具体的には、例えば、筒内圧センサ５０が正常時における、燃焼行程中における燃焼割合ＭＦＢが燃焼重心に達するときのクランク角度を基準クランク角度とし、この基準クランク角度よりも所定の遅角量だけ遅角した場合には、筒内圧センサ５０の高圧領域における出力が異常であると判断する。なお、判断手法は、これに限定されるわけではなく、燃焼行程中における燃焼割合ＭＦＢが所定値に達するときのクランク角度を利用して異常か否かを判断するものであればよい。
【００４９】
次に、ＥＣＵ１００による筒内圧センサ５０の異常検出処理の一例について図５及び図６に示すフローチャートを参照して説明する。なお、図５に示す筒内圧センサ異常検出ルーチンは、例えば、所定時間毎に実行される。
【００５０】
先ず、内燃機関の運転状態がＭＢＴ制御が可能な運転領域かを判断する（ステップＳ１）。ＭＢＴ制御が可能な運転領域かどうかは、エンジン回転数、吸入空気量などから判断する。ＭＢＴ制御が可能でない場合には、処理を終了する。
【００５１】
ステップＳ１において、ＭＢＴ制御が可能な場合には、燃焼割合ＭＦＢから算出される燃焼重心Ｇが目標クランク角度から所定量以上遅角しているかを判断する（ステップＳ２）。筒内圧センサ５０の高圧領域の出力が異常であるかを判断するためである。燃焼重心Ｇが目標クランク角度から所定量以上遅角していない場合には、筒内圧センサ５０は正常と判断して処理を終了する。
【００５２】
ステップＳ２において、燃焼重心Ｇが目標クランク角度から所定量以上遅角していると判断している場合には、現在、ＭＢＴ制御を実行しているか、すなわち、過渡運転状態ではないかを判断する（ステップＳ３）。ＭＢＴ制御を実行していない場合には、処理を終了する。
【００５３】
ＭＢＴ制御を実行している場合には、ノッキングが発生しているかをノッキングセンサ４０の出力から判断する（ステップＳ４）。すなわち、筒内圧センサ５０の高圧領域の感度の低下量が大きくなると、本来実施すべき点火時期よりも早い時期に点火が行われるので、ノッキングが発生する。燃焼重心Ｇが遅角し、かつ、ノッキングが発生した状態では、他の機能部品の異常は考えられず、筒内圧センサ５０の高圧領域の感度低下が原因であると特定できる。
【００５４】
ステップＳ４において、ノッキングが発生している場合には、筒内圧センサ５０の高圧領域の感度異常と判断する（ステップＳ５）。ステップＳ４において、ノッキングが発生していない場合には、筒内圧センサ５０の高圧領域の感度は正常と判断する（ステップＳ６）。
【００５５】
なお、ステップＳ４において、ノッキングが発生しているかを判断せずに、ステップＳ２において、燃焼割合ＭＦＢから算出される燃焼重心Ｇが目標クランク角度から所定量以上遅角している場合に、筒内圧センサ５０の高圧領域の感度異常と判断することも可能である。
【００５６】
図６は、図５のステップＳ２又はステップＳ５において、筒内圧センサ５０の高圧領域の感度異常と判断された場合の後処理の一例を示すフローチャートである。
【００５７】
先ず、筒内圧センサ５０の高圧領域の感度が低下しているかを判断し（ステップＳ１１）、高圧領域の感度が低下していない場合には、処理を終了し、低下している場合には、筒内圧センサ５０の他の異常がないかを判断する（ステップＳ１２）。他の異常とは、筒内圧センサ５０の断線、全域の感度低下などの異常である。なお、これらの異常の検出方法は、周知技術を適用できるので、詳細説明は省略する。他の異常がないかを検出する理由は、筒内圧センサ５０の高圧領域の感度低下のみが発生しているかを特定するためである。
【００５８】
ステップＳ１２において、他の異常が検出されない場合には、ＭＢＴ制御を停止する（ステップＳ１３）。すなわち、高圧領域の感度が低下している場合には、精密なＭＢＴ制御を実行できないので、ＭＢＴ制御を停止する。
【００５９】
ここで、筒内圧センサ５０の検出する筒内圧をＭＢＴ制御以外の処理には用いる（ステップＳ１４）。例えば、筒内空気量の検出や失火検出などの処理に、筒内圧センサ５０の検出した筒内圧を用いる。筒内圧センサ５０の高圧領域の感度のみが低下しているだけであり、他の領域の感度は正常だからである。
【符号の説明】
【００６０】
１０…本体
１２…気筒
１４…燃焼室
１６…ピストン
１８…吸気管
２０…排気管
Ｖｉ…吸気弁
Ｖｅ…排気弁
２２…点火プラグ
２４…サージタンク
３６…燃料直噴インジェクタ
５０…筒内圧センサ
１００…電子制御ユニット（ＥＣＵ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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