(57)【要約】【課題】センサの出力特性の変動を吸収し、異常検知の精度を向上させることを可能とする異常検知手法を提供する。【解決手段】本発明は、内燃機関の燃焼室の筒内圧力を検出する圧力検出手段（センサ）と、内燃機関のクランク角度を検出するクランク角度検出手段と、クランク角度検出手段で検出されるクランク角度に基づいて燃焼室の容積を算出する算出手段と、算出された容積を含む演算式により前記内燃機関のモータリング圧力を推定する推定手段と、内燃機関の圧縮行程において、前記圧力検出手段で検出される圧力と、推定手段で推定されるモータリング圧力との偏差に基づいて、該偏差を最小とするための補正パラメータを同定する同定手段と、燃料カット時に、モータリング圧力と補正パラメータにより補正された検出圧力とを比較することによって、圧力検出手段の異常を検知する異常検知手段とを備える、圧力検出手段の異常検出装置を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室の筒内圧力を検出する圧力検出手段と、
前記内燃機関のクランク角度を検出するクランク角度検出手段と、
前記クランク角度検出手段で検出されるクランク角度に基づいて燃焼室の容積を算出する算出手段と、
前記算出された容積を含む演算式により前記内燃機関のモータリング圧力を推定する推定手段と、
前記内燃機関の圧縮行程において、前記圧力検出手段で検出される圧力と、前記推定手段で推定される前記モータリング圧力との偏差に基づいて、該偏差を最小とするための補正パラメータを同定する同定手段と、
燃料カット時に、前記モータリング圧力と前記補正パラメータにより補正された検出圧力とを比較することによって、前記検出手段の異常を検知する異常検知手段と
を備える圧力検出手段の異常検知装置。
【請求項２】
前記異常検知手段は、前記内燃機関の１サイクル中の所定範囲において、前記モータリング圧力と前記補正された検出圧力との偏差の積分値を求め、該積分値が所定値より大きい場合に異常と判定する、請求項１に記載の圧力検出手段の異常検知装置。
【請求項３】
前記異常検知手段は、前記補正された検出圧力が最大となるクランク角度を記憶し、該クランク角度が所定範囲外のときに異常と判定する、請求項１に記載の圧力検出手段の異常検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼室に設置された筒内圧力センサの異常検知手法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃焼室に設置された筒内圧力センサの異常を判別する従来手法として、例えば特許文献１には、燃料カット（非燃焼）中のセンサ出力および燃焼中のセンサ出力に基づいてセンサ異常を判別する手法が開示されている。この手法は、燃料カット時の１燃焼サイクル間の平均圧力と、燃焼時の１燃焼サイクル間の平均圧力とを比較することにより、両者の差分の大小に応じてセンサ異常を判別する。
【特許文献１】特許第3544228号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、筒内圧力センサの取り付け部の温度変化や経年劣化に起因して、センサの出力特性が変動する場合がある。このような状況で計測されたセンサ出力の平均値は信頼性が低いものとなり、センサ異常の誤った検出が増えるという問題がある。
【０００４】
従って、センサの出力特性の変動を吸収し、異常検知の精度を向上させることを可能とする手法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、内燃機関の燃焼室の筒内圧力を検出する圧力検出手段（センサ）と、内燃機関のクランク角度を検出するクランク角度検出手段と、クランク角度検出手段で検出されるクランク角度に基づいて燃焼室の容積を算出する算出手段と、算出された容積を含む演算式により前記内燃機関のモータリング圧力を推定する推定手段と、内燃機関の圧縮行程において、前記圧力検出手段で検出される圧力と、推定手段で推定されるモータリング圧力との偏差に基づいて、該偏差を最小とするための補正パラメータを同定する同定手段と、燃料カット時に、モータリング圧力と補正パラメータにより補正された検出圧力とを比較することによって、圧力検出手段の異常を検知する異常検知手段とを備える、圧力検出手段の異常検出装置を提供する。
【０００６】
本発明によれば、補正パラメータにより偏差が最小となった検出圧力およびモータリング圧力の間の適合度に基づいてセンサ異常を判別する。したがって、温度変化や経年劣化などによる検出値の変動を吸収することができ、異常検知の精度を向上させることが可能となる。
【０００７】
本発明の一実施形態では、異常検知手段は、内燃機関の１サイクル中の所定範囲において、モータリング圧力と前記補正された検出圧力との偏差の積分値を求め、該積分値が所定値より大きい場合に異常と判定する。
【０００８】
また、本発明の一実施形態では、異常検知手段は、検出圧力が最大となるクランク角度を記憶し、該クランク角度が所定範囲外のときに異常と判定する。
【０００９】
また、本発明の一実施形態では、圧力検出手段の異常検出装置は、内燃機関の燃焼行程において、前記補正パラメータによって補正される前記検出圧力と、前記モータリング圧力とに基づいて、燃焼状態を判定する判定手段をさらに備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態である燃焼状態検出装置の全体的構成を示すブロック図である。電子制御ユニット１０は、中央演算装置（CPU）を備えたコンピュータである。電子制御ユニットは、コンピュータ・プログラムを格納する読取専用メモリ（ROM）およびプロセサに作業領域を提供し、データおよびプログラムを一時記憶するランダムアクセス・メモリ（RAM）を備えている。入出力インタフェイス１１は、エンジンの各部から検出信号を受け取って、A/D（アナログ・ディジタル）変換を行って次の段階に渡す。また、入出力インタフェイス１１は、CPUの演算結果に基づく制御信号をエンジンの各部に送る。図１では、電子制御ユニットをこの発明に関連する機能を示す機能ブロックで示している。
【００１１】
まず図２を参照して、この発明の一実施形態におけるセンサ出力補正手法の原理を説明する。図２は、クランク角度-180度から180度の領域における気筒の燃焼室の圧力を示しており、およそクランク角度-180度から０度の範囲が圧縮行程であり、０度から180度までが膨張（燃焼）行程である。曲線１は、エンジンの１つの気筒のモータリング圧力（失火時の圧力）の推移を示し、曲線３は、同じ気筒において正常な燃焼が行われたときの筒内圧力の推移を示す。クランク角０度が上死点であり、モータリング圧力は上死点でピークとなり、燃焼時の筒内圧力（曲線３）は、上死点を過ぎた点火時点付近でピークとなる。
【００１２】
この実施形態では、圧縮行程において上死点に達する前の期間、たとえば図２に”a”で示す期間において、圧力検出手段（図１の筒内圧力センサ１２）の検出出力を補正する補正式のパラメータを同定する。黒色のドット５は、筒内圧力センサ１２による検出出力を示す。筒内圧力センサ１２は、エンジンの燃焼室という過酷な環境に置かれており、温度の影響、経年変化などによって特性が変化する。この実施形態では、筒内圧力センサ１２の検出出力がほぼモータリング圧力の曲線１上にくるよう、検出出力を補正する。こうして補正された検出出力を白色のドット７で示す。
【００１３】
検出出力の補正は、筒内圧力センサの検出出力PS(θ)に、補正式  PS = PS(θ)k1 + C1 を適用することによって行われる。k1  は補正係数であり、C1 は定数である。θはクランク角度である。この補正式の２つのパラメータk1およびC1は、圧縮行程の、たとえば図２に”a”で示す期間において、モータリング圧力の推定値PMと、筒内圧力センサの検出出力を上述の補正式によって補正した値PSとの差(PM−PS)の二乗が最小になるよう、最小二乗法により演算して算出される。
【００１４】
このように補正されるセンサ出力を利用して、気筒の燃焼状態を判定することができる。燃焼（膨張）行程において混合気の燃焼開始後、たとえば図２に”b”で示す期間において、筒内圧力センサ１２の出力を補正して得られる検出出力７（白色のドット）と、状態方程式で算出されるモータリング圧力PM（曲線１）との関係に基づいて、燃焼状態、たとえば、失火が生じたかどうかを判定する。例えば、PS/PMが予め定めたしきい値より小さいとき、失火が生じたと判定することができる。
【００１５】
再び図１を参照すると、筒内圧力センサ１２は、圧電素子であり、エンジンの各気筒（シリンダ）の点火プラグ付近に設けられている。圧力センサ１２は、気筒内の圧力に応じた電荷信号を出力する。この信号をチャージアンプ３１により電圧信号に変換して出力し、ローパスフィルタ３３を介して入出力インタフェイス１１に出力する。入出力インタフェイス１１は、圧力センサ１２からの信号をサンプリング部１３に送る。サンプリング部１３は、この信号を所定の周期、たとえば１０kHz分の１の周期でサンプリングし、サンプル値をセンサ出力検出部１５に渡す。
【００１６】
センサ出力補正部１７は、上述の補正式  PS = PS(θ)k1 + C1 に従って、センサ出力PS(θ)を補正する。センサ出力補正部１７は、クランク角１５度ごとに補正されたセンサ出力値PSを失火判定部２７に渡す。
【００１７】
一方において、燃焼室容積計算部１９は、クランク角θに応じた気筒の燃焼室の容積Vcを次の数式により計算する。
【数１】
2006234469.tif 000003
【００１８】
上の式で、mは、図３の関係から計算される、ピストン８の上死点からの変位を示す。rをクランク半径、l（エル）をコンロッド長とすると、λ=l/r である。Vdeadは、ピストンが上死点にあるときの燃焼室の容積、Apstnは、ピストンの断面積である。
【００１９】
一般に燃焼室の状態方程式は、次の（３）式で表されることが知られている。
【数２】
2006234469.tif 000004
【００２０】
(３)式で、Gは、例えばエアフローメータ、またはエンジン回転数および吸気圧に基づいて得られる吸入空気量、Rは気体定数、Tは、例えば吸気温度センサ、またはエンジン水温などの運転状態に基づいて得られる吸気温度である。ｋは補正係数、Cは定数である。
【００２１】
本実施形態では、予めセンサ取り付け部の温度変化等の影響を受けない水晶圧電式の圧力センサを用いて燃焼室の圧力を実測し、この実測値を（３）式と対応させることによりｋの値ｋ0およびＣの値Ｃ0を求めておく。これを（３）式に代入して得られる次の（４）式を用いてモータリング圧力を推定する。
【数３】
2006234469.tif 000005
【００２２】
モータリング圧力推定部２０は、基本モータリング圧力計算部２１およびモータリング圧力補正部２２から構成される。基本モータリング圧力計算部２１が（３）式の中の基本項目である基本モータリング圧力GRT/Vを計算する。モータリング圧力補正部２２は、上述のようにして予め求められているパラメータk0およびC0を用いて、基本モータリング圧力を補正する。このパラメータk0およびC0は、吸気管圧力またはエンジン回転するなどエンジンの負荷状態を表すパラメータに従って参照することができるテーブルとして用意されている。
【００２３】
パラメータ同定部２３は、圧縮行程においてモータリング圧力推定部２０が算出するモータリング圧力推定値PMとセンサ出力補正部１７が出力する筒内圧力センサ１２に基づく筒内圧力PMとの誤差(PM-PS)が最小になるよう、最小二乗法によりセンサ出力を補正する補正式のパラメータk1およびC1を同定する。センサ出力検出部１５は、たとえば10kHz分の１の周期で圧力センサの出力をサンプリングし、クランク角度に同期したタイミングでサンプル値の平均値をセンサ出力値PS(θ)として、パラメータ同定部２３に渡す。パラメータ同定部２３は、気筒の圧縮行程において補正式のパラメータを同定する演算を実行する。モータリング圧力補正部から得られるクランク角度に応じたモータリング圧力推定値PM(θ)と、同じクランク角度におけるセンサ出力値PS(θ)に補正式PS = PS(θ)k1 + C1 を適用した値PSとの差の二乗、すなわち（PM(θ) - PS(θ)k1 - C1）2  が最小になる k1 および C1を既知の最小二乗法により求める。
【００２４】
PMの離散値をy(i)で表し、筒内圧力センサから得られる筒内圧力PSのサンプル値（離散値）をx(i)で表すと、X(i)T=[x(0), x(1), …,x(n)]、Y(i)T=[y(0), y(1), …,y(n)]と表される。誤差の離散値の二乗の和は、次の式（５）で表される。サンプル値は、10kHz分の１の周期でとられ、iの値は、たとえば100までとする。
【数４】
2006234469.tif 000006
【００２５】
このFの値を最小にするkおよびCを求めるには、F(k,C)のkおよびCに関する偏微分が０となるkおよびCを求めればよい。これを数式で表すと、次のようになる。
【数５】
2006234469.tif 000007
【数６】
2006234469.tif 000008
【数７】
2006234469.tif 000009
【００２６】
この式を逆行列を使って変形すると、次のようになる。
【数８】
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【００２７】
ここで、右辺の逆行列は、次の式で表される。
【数９】
2006234469.tif 000011
【００２８】
センサ出力補正部１７は、こうして同定されたパラメータを用いて燃焼行程においてセンサ出力を補正する。
【００２９】
失火判定部２７は、点火時点以後の期間ｂ（図２）において、筒内圧力センサ１２で検出されセンサ出力補正部１７で補正された筒内圧力の値PS、および同じ時刻にモータリング圧力推定部２０で算出されるモータリング圧力推定値PMに基づいて失火の有無を判定する。この実施例では、失火判定部２７は、PS/PMが予め定めたしきい値αより小さいとき、失火が生じたと判定する。
【００３０】
図４を参照して、本実施形態のセンサ異常検知手法について説明する。図４は、モータリング圧力ＰＭ（点線１）と、燃料カット時の筒内圧力ＰＳ（実線９）を示すグラフである。グラフの横軸はクランク角度であり、縦軸は１燃焼サイクル内の最大圧力を１００[％]とした圧力である。燃料カット時には気筒内への燃料噴射が中止されるので、膨張行程において爆発が発生しない。したがって筒内圧力はモータリング圧力に等しくなるはずである。つまり、最も容積が小さくなる上死点（クランク角度０度）の圧力が最大となり、クランク角度が増大して容積も増大するに連れて圧力は減少する。また、上述のセンサ出力補正手法により、センサ出力にドリフトがある場合も高精度に補正されており、特に圧縮行程においては補正パラメータの同定が行われることもあり両者の波形はほぼ同一になるように補正されている。つまり、圧力センサが正常に動作しているならば、燃料カット時のセンサ出力の挙動と、モータリング圧力の挙動は、ほぼ同一になる。
【００３１】
このように、モータリング圧力と、上述の補正手法によって補正された燃料カット時のセンサ検出圧力は、高い適合度を有するという特徴がある。そこで、本実施形態では、燃料カット時のセンサ出力とモータリング圧力の挙動を比較することにより、センサの異常の検知を行う。
【００３２】
再び図１を参照すると、センサ異常検知部２９は、センサ出力補正部１７から補正されたセンサ出力ＰＳを、モータリング圧力計算部２０からモータリング圧力ＰＭを受け取る。またセンサ異常検知部２９は、対象の気筒が燃料カット状態かどうかを示す燃料カットフラグも併せて受け取る。一般に、燃料カットは、主に燃費向上を目的として燃料の噴射を停止する処理のことである。具体的にはエンジンの高回転時、スロットル弁の全閉時、吸気管内圧力の低下時、またはトラクションコントロールの実行時などに行われる。燃料カットフラグによって燃料カット状態であると判断されるとき、センサ異常検出部２９は、センサ出力ＰＳおよびモータリング圧力ＰＭの誤差積分値S_DPを次式により計算する。
【数１０】
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【００３３】
ここで、θはクランク角度であり、ＰＳ(θ)およびＰＭ(θ)はクランク角度θにおけるセンサ出力およびモータリング圧力である。Dθはサンプル角度であり、クランク回転数によって変動する。例えば４０００ｒｐｍまでは０．５度毎にサンプリングされ、４０００ｒｐｍ以上では１度毎にサンプリングされる。積分範囲はエンジンの１サイクル中の任意の範囲であれば良く、本実施形態では例えば圧縮行程から燃焼行程にまたがって設定される。ここで、圧縮行程とは、吸排気弁が閉じられてピストンが上昇する行程である。また、燃焼行程とは、ガソリンエンジンではプラグによる点火後の行程であり、ディーゼルエンジンでは燃料噴射後の行程である。本実施形態では、例えばクランク角度θが−７０度から９０度の範囲で積分が行われる。
【００３４】
引き続きセンサ異常検知部２９は、算出された誤差積分値S_DPを用いてセンサ異常判定を行う。誤差積分値S_DPが大きいことは、センサ出力ＰＳおよびモータリング圧力ＰＭの波形に誤差が多いことを示す。そこで所定のしきい値を設定しておき、S_DPがしきい値以上であれば、センサが異常であると判定する。
【００３５】
さらに、センサ異常検知部２９は、センサ出力ＰＳが最大となるクランク角度θ_PSmaxを検出する。モータリング圧力ＰＭは筒内の容積が最小となるときに最大値となるので、クランク角度が０度で最大圧力となる。燃料カット時のセンサ出力ＰＳもクランク角度０度周辺で最大値をとると考えられる。したがって、クランク角度0度をはさんで許容範囲を設定し、θ_PSmaxがこの範囲から外れていれば、センサが異常であると判定する。
【００３６】
図５は、センサ異常検知部２９における処理の流れを表すフローチャートである。
【００３７】
ステップＳ１０１において、センサ異常フラグが１になっているかどうかを点検する。センサ異常フラグが１であることは、既にセンサ異常の検知が行われていることを示す。フラグが１でなければステップＳ１０３に進む。既にセンサ異常フラグが１ならば処理を終了する。
【００３８】
ステップＳ１０３において、クランク回転数が所定値以上であるかどうかを点検する。クランク回転数が所定値以上ならばステップＳ１０５に進む。クランク回転数が所定値以下ならば処理を終了する。
【００３９】
ステップＳ１０５において、対象の気筒が燃料カット中であるかどうかを点検する。燃料カット時には気筒内で爆発が起きないので、正常に動作しているセンサの検出圧力の波形はモータリング圧力の波形と一致するはずである。本発明によるセンサ異常検知手法は、この特徴を利用しており、燃料カット時に適用可能である。燃料カット中であるならばステップＳ１０７に進む。燃料カット中でなければ処理を終了する。
【００４０】
ステップＳ１０７において、補正式  PS = PS(θ)k1 + C1により補正されたセンサ出力ＰＳと、モータリング圧力ＰＭとの間の偏差積分値S_DPが、式（１１）によって算出される。積分区間は例えばクランク角度−７０度から９０度の範囲である。積分間隔はクランク回転数によって変化させることができる。例えば、４０００ｒｐｍまでの積分間隔は０．５度毎であり、４０００ｒｐｍ以上の積分間隔は１度毎である。
【００４１】
ステップＳ１０９において、偏差積分値S_DPが所定値より大きいかどうかを点検する。偏差積分値S_DPが所定値より大きいならば、センサ出力ＰＳの波形とモータリング圧力ＰＭの波形との間に許容範囲を超えた誤差があり、センサに何らかの異常があると判定されステップＳ１１７に進む。偏差積分値S_DPが所定値以下ならば、ステップＳ１１１に進む。
【００４２】
ステップＳ１１１およびＳ１１３において、センサ出力ＰＳの波形が最大値を示すクランク角度θ_PSmaxを求め、所定範囲外にあるかどうかを点検する。正常に動作しているセンサの場合、燃料カット時の最大圧力はクランク角度が約０度の位置となる。クランク角度が０度とは、圧縮行程から膨張行程へ変化するタイミングである。従って、ステップＳ１１１の所定の上限値およびステップＳ１１３の所定の下限値は、クランク角度０度を挟んで設定される。センサ出力ＰＳの波形が最大値を示すクランク角度θ_PSmaxが所定範囲外であるならば、センサに何らかの異常があると判定されステップＳ１１７以降の異常検知処理に進む。センサ出力ＰＳの波形が最大値を示すクランク角度θ_PSmaxが所定範囲内であるならば、センサ異常がないと判定されステップＳ１１５に進む。
【００４３】
以下、ステップＳ１１７以降の異常検知処理について説明する。
【００４４】
ステップＳ１１７において、異常検知カウンターが１つデクリメントされる。突発的なセンサの誤動作による誤った異常検知を避けるため、異常検知カウンターの初期値は１より大きい整数に設定されている。このため複数回異常検知されないとセンサ異常と検知されない。
【００４５】
ステップＳ１１９において、異常検知カウンターが０かどうかを点検する。異常検知カウンターが０であることは、カウンターの初期値で設定した所定回数だけセンサ異常判定が行われたことを示す。異常検知カウンターが０ならば、ステップＳ１２１に進む。異常検知カウンターが０でないならば、そのまま処理を終了する。
【００４６】
ステップＳ１２１において、圧力センサに何らかの異常があることが確定したので、センサ異常フラグが１にセットされ、処理を終了する。
【００４７】
一方、ステップＳ１０９、Ｓ１１１、およびＳ１１３の処理の結果、センサ計測信号ＰＳがモータリング信号ＰＭと合致するので圧力センサに異常がないと判断されると、ステップＳ１１５に進む。ステップＳ１１５において、異常検知カウンターが初期値にリセットされ、処理を終了する。
【００４８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されるものではない。また、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンのいずれに対しても使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態である燃焼状態検出装置の全体的構成を示すブロック図である。
【図２】モータリング圧力曲線および燃焼時のセンサ出力の補正値の曲線を示す図である。
【図３】ピストン位置を計算するための概念図である。
【図４】モータリング圧力および燃料カット時の筒内圧力を示す図である。
【図５】センサ異常検知部における処理の流れを表すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５０】
１０  電子制御ユニット
１２  筒内圧力センサ
１５  センサ出力検出部
１７  センサ出力補正部
１９  燃焼室（シリンダ）容積計算部
２０  モータリング圧力推定部
２１  基本モータリング圧力計算部
２２  モータリング圧力補正部
２３  パラメータ同定部
２９  センサ異常検知部
【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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