(57)【要約】【課題】失火が発生した場合に、内燃機関で種々の弊害が発生することを回避する。【解決手段】失火が発生した場合には燃焼室内に混合気を閉じ込めておき次のサイクルで燃焼させる。このとき失火サイクル中に燃焼室から漏れる混合気量を検出し、次のサイクルでこれを補ってやる。こうすれば失火による燃費低下、触媒劣化を回避しつつ、次のサイクルで確実に燃焼させることができる。混合気を閉じ込める代わりにＥＧＲを行っても良い。この場合、ＥＧＲ率を適切に制御することで、未燃の混合気が還流して燃焼室内空燃比が変動することによる燃焼変動や、残余の混合気が触媒に流入することによる触媒の早期劣化を最小限に抑制することができる。【選択図】図１
2008151149.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内で空気と燃料との混合気を燃焼させることによって動力を出力する内燃機関であって、
前記燃焼室内に空気を吸入するための吸気通路と、
前記混合気が前記燃焼室内で燃焼することによって生じた排気ガスを排出するための排気通路と、
前記排気通路から排出される排気ガスの少なくとも一部を前記吸気通路内に還流させるための還流通路と、
前記排気ガスの還流量を制御する還流量制御手段と、
前記排気通路から大気中に排出される排気ガスを浄化するための浄化触媒と、
前記燃焼室内で前記混合気の燃焼が正常に完了しない現象である失火の発生を検出する失火検出手段と、
前記失火の発生時に、前記浄化触媒に流入する排気ガス量を算出する触媒流入ガス量算出手段と
を備えるとともに、
前記還流量制御手段は、前記浄化触媒に流入する排気ガス量に応じて、前記排気ガスの還流量を制御する手段である内燃機関。
【請求項２】
請求項１記載の内燃機関であって、
前記触媒流入ガス量算出手段は、前記内燃機関の運転条件と前記排気ガスの還流量とに基づいて、前記浄化触媒に流入する排気ガス量を算出する手段である内燃機関。
【請求項３】
請求項１記載の内燃機関であって、
前記燃焼室内に吸入される空気量を計測する吸入空気量計測手段を備えるとともに、
前記触媒流入ガス量算出手段は、前記内燃機関の運転条件と前記計測した吸入空気量とに基づいて、前記浄化触媒に流入する排気ガス量を算出する手段である内燃機関。
【請求項４】
請求項１記載の内燃機関であって、
排気行程中および吸気行程中での前記燃焼室内の圧力差を検出する圧力差検出手段を備えるとともに、
前記触媒流入ガス量算出手段は、前記内燃機関の運転条件と前記検出した圧力差とに基づいて、前記浄化触媒に流入する排気ガス量を算出する手段である内燃機関。
【請求項５】
請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の内燃機関であって、
前記触媒流入ガス量算出手段は、前記内燃機関の運転条件として、少なくとも該内燃機関の回転速度を考慮しながら、前記浄化触媒に流入する排気ガス量を算出する手段である内燃機関。
【請求項６】
請求項１記載の内燃機関であって、
前記還流量制御手段は、前記浄化触媒に流入する排気ガス量が所定の許容値を超える場合に、前記排気ガスの還流量を増加させることによって、該排気ガス量を該許容値内に抑制する手段である内燃機関。
【請求項７】
空気と燃料とが所定の空燃比で混合した混合気を、燃焼室内で燃焼させることによって動力を出力する内燃機関であって、
前記燃焼室内に空気を吸入するための吸気通路と、
前記燃焼室内または前記吸気通路内のいずれかに燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記混合気が前記燃焼室内で燃焼することによって生じた排気ガスを排出するための排気通路と、
前記排気通路から排出される排気ガスの少なくとも一部を前記吸気通路内に還流させるための還流通路と、
前記排気ガスの還流量を制御する還流量制御手段と、
前記燃焼室内で前記混合気の燃焼が正常に完了しない現象である失火の発生を検出する失火検出手段と、
前記失火の発生時に、前記排気ガスを還流させることによって生じる前記空燃比の変動量を、前記内燃機関の運転条件と該排気ガスの還流量とに基づいて算出する空燃比変動量算出手段と
を備えるとともに、
前記還流量制御手段は、前記算出した空燃比変動量に応じて、前記排気ガスの還流量を制御する手段である内燃機関。
【請求項８】
請求項７記載の内燃機関であって、
前記還流量制御手段は、前記算出した空燃比変動量が所定の許容値を超える場合に、前記排気ガスの還流量を増加させることによって、該空燃比変動量を該許容値内に抑制する手段である内燃機関。
【請求項９】
請求項７記載の内燃機関であって、
前記空燃比変動量算出手段は、前記内燃機関の運転条件として、少なくとも該内燃機関の回転速度を考慮しながら、前記空燃比の変動量を算出する手段である内燃機関。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の内燃機関であって、
前記排気ガスの還流量に応じて、前記空気の吸入量または前記燃料の噴射量の少なくとも一方を調整することにより、前記燃焼室内の空燃比を制御する空燃比制御手段を備える内燃機関。
【請求項１１】
燃料と吸気通路から吸入した空気との混合気を燃焼室内で燃焼させ、生じた排気ガスの少なくとも一部を該吸気通路に還流させるとともに、残余の排気ガスを排気通路から排出しながら動力を出力する内燃機関の制御方法であって、
前記燃焼室内で前記混合気の燃焼が正常に完了しない現象である失火の発生を検出する第１の工程と、
前記失火の発生時に、前記排気通路に設けられた浄化触媒に流入する排気ガス量を算出する第２の工程と、
前記算出した排気ガスの流入量に応じて、前記排気ガスの還流量を制御する第３の工程と
を備える制御方法。
【請求項１２】
燃料と空気とが所定の空燃比で混合した混合気を燃焼させる燃焼室と、該燃焼室内に空気を吸入するための吸気通路と、該燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路と、該排気ガスの少なくとも一部を該吸気通路に還流させるための還流通路とを備える内燃機関の制御方法であって、
前記混合気を形成するために、前記吸気通路内または前記燃焼室内のいずれかに燃料を噴射する第１の工程と、
前記燃焼室内で前記混合気の燃焼が正常に完了しない現象である失火の発生を検出する第２の工程と、
前記失火の発生時に、前記排気ガスを還流させることによって生じる前記空燃比の変動量を、前記内燃機関の運転条件と該排気ガスの還流量とに基づいて算出する第３の工程と、
前記算出した空燃比の変動量に応じて、前記排気ガスの還流量を制御する第４の工程と
を備える制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関で失火が発生した場合に、種々の弊害が発生することを回避するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関は、比較的小型でありながら大きな動力を発生させることができるという優れた特性を有することから、自動車や、船舶、航空機など種々の移動手段の動力源として、あるいは工場などの定置式の動力発生源として広く使用されている。これら内燃機関はいずれも、燃焼室内で燃料と空気との混合気を燃焼させ、このときに発生する圧力を、機械的仕事に変換して出力することを動作原理としている。
【０００３】
燃焼室内で混合気を燃焼させる方法としては、燃焼室内で火花を飛ばして混合気に点火することで燃焼させる方法や、燃焼室内で混合気を圧縮自着火させる方法、更には、燃焼室内で空気のみを圧縮しておき、この圧縮空気中に燃料を噴射して燃焼させる方法などがある。圧縮空気中に燃料の噴霧を噴射した場合も、気化した噴霧が周囲の空気と混合しながら燃焼しているので、結局は混合気を燃焼させていることになる。
【０００４】
内燃機関は種々の条件で運転されるから、稀ではあるが、燃焼室内で混合気が燃焼しなかったり、あるいは一部の混合気しか燃焼しないことが起こり得る。この様な現象は「失火」と飛ばれる。失火が発生すると、燃焼室内の混合気は、動力を発生させることなく排出されてしまうので、燃料消費効率の悪化を引き起こす。こうした点に鑑みて、失火が検出された場合には、点火時期を遅角させ、あるいは燃料噴射時期を進角させることで、混合気形成を改善して失火を回避する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
もっとも、こうした提案の技術では、失火が発生したサイクルでは未燃の燃料を排出することになるので、大気汚染物質の排出量を増加させてしまう。更に、排気ガス中の大気汚染物質を浄化するために、排気通路に浄化触媒が設けられている場合には、未燃の混合気が浄化触媒上で一度に反応して、触媒性能の劣化を引き起こすことも懸念される。
【０００６】
こうした点に鑑みて、失火の発生時には未燃の混合気が排出されることを抑制する技術を開発して既に出願済みである（特願２００２−２３４６３４号）。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−２００９３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記の出願済みの技術は、次の点で更なる改良が要請されている。すなわち、失火したサイクルで充分なトルクが発生しないことは当然としても、失火サイクルに続くサイクルでも所望のトルクが得られないことがあり、内燃機関の運転者に違和感を与えることがあった。
【０００９】
この発明は、従来技術における上述した課題を解決するためになされたものであり、内燃機関で失火が発生した場合、続くサイクルでは所望のトルクを発生させることによって、内燃機関の運転者に与える違和感を軽減可能な技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第１の内燃機関は次の構成を採用した。すなわち、
燃焼室内で空気と燃料との混合気を燃焼させることによって動力を出力する内燃機関であって、
前記燃焼室内で燃焼した前記混合気を該燃焼室内から排出させる混合気排出手段と、
前記燃焼室内で前記混合気の燃焼が正常に完了しない現象である失火の発生を検出する失火検出手段と、
前記失火の発生時に前記燃焼室内から前記混合気が排出されることを抑制する排出抑制手段と、
前記燃焼室内から、前記排出の抑制中に漏れ出す前記混合気の漏れ量を計測する漏れ量計測手段と、
前記計測した漏れ量に応じて前記混合気を補う混合気補充手段と
を備えることを要旨とする。
【００１１】
また、上記の内燃機関に対応する本発明の第１の制御方法は、
燃焼室内で空気と燃料との混合気を燃焼させることによって動力を出力する内燃機関の制御方法であって、
前記燃焼室内で燃焼した前記混合気を該燃焼室内から排出させる第１の工程と、
前記燃焼室内で前記混合気の燃焼が正常に完了しない現象である失火の発生を検出する第２の工程と、
前記失火の発生時に前記燃焼室内から前記混合気が排出されることを抑制する第３の工程と、
前記燃焼室内から、前記排出の抑制中に漏れ出す前記混合気の漏れ量を計測する第４の工程と、
前記計測した漏れ量に応じて前記混合気を補う第５の工程と
を備えることを要旨とする。
【００１２】
かかる本発明の第１の内燃機関およびこれに対応する制御方法においては、失火の発生が検出された場合には、燃焼室から混合気が排出されることを抑制し、次のサイクルで燃焼させる。こうして排出を抑制すると、続く排気行程で混合気が圧縮されて、混合気の一部が燃焼室から漏れることがある。混合気の漏れが発生すると、続くサイクルで燃焼させる混合気量が減少するので、充分なトルクを発生させることが困難となる。そこで、混合気の排出を抑制した場合には、燃焼室からの漏れ量を計測し、漏れた分だけ混合気を補ってやる。こうすれば、失火した次のサイクルでは所望のトルクを発生させることができるので、内燃機関の運転者に与える違和感を軽減することが可能となる。
【００１３】
こうした内燃機関では、燃焼室からの混合気の漏れ量は、次のような方法によって検出することができる。例えば、クランクケース内で未燃炭化水素の濃度を計測しておき、濃度の増加量から検出することができる。あるいは、燃焼室内の圧力に基づいて計測することもできる。後述するように、燃焼室内の圧力に基づいて混合気の漏れ量を計測すれば、簡便に且つ精度良く漏れ量を計測することが可能となるので好ましい。
【００１４】
また、漏れ量に応じて混合気を補充するに際しては、吸気行程の半ば以降のタイミングで吸気弁を開弁することとしても良い。このとき、燃料は吸気通路内あるいは燃焼室内のいずれかに噴射してやる。
【００１５】
失火に続く吸気行程の開始直後は、燃焼室内には失火したサイクルの混合気が圧縮されているが、吸気行程が進むにつれて膨張し、燃焼室内の圧力が低下していく。従って、吸気行程の半ば以降に吸気弁を開弁してやれば、圧縮された混合気が吸気通路内に逆流することを抑制することができるので好ましい。
【００１６】
こうして漏れた混合気の補充を行う内燃機関では、空気の吸入量または燃料の噴射量の少なくとも一方を調整することにより、燃焼室内の空燃比を制御することとしてもよい。
【００１７】
こうすれば、例え、失火したサイクルと次のサイクルまでの間に、内燃機関の運転条件が変化して、空燃比の設定が変わった場合でも、混合気を適切な空燃比で燃焼させて、所望のトルクを発生させることが可能となる。
【００１８】
本発明の第２の内燃機関は、前述した課題の少なくとも一部を解決するために次の構成を採用した。すなわち、
燃焼室内で空気と燃料との混合気を燃焼させることによって動力を出力する内燃機関であって、
前記燃焼室内に空気を吸入するための吸気通路と、
前記混合気が前記燃焼室内で燃焼することによって生じた排気ガスを排出するための排気通路と、
前記排気通路から排出される排気ガスの少なくとも一部を前記吸気通路内に還流させるための還流通路と、
前記排気ガスの還流量を制御する還流量制御手段と、
前記排気通路から大気中に排出される排気ガスを浄化するための浄化触媒と、
前記燃焼室内で前記混合気の燃焼が正常に完了しない現象である失火の発生を検出する失火検出手段と、
前記失火の発生時に、前記浄化触媒に流入する排気ガス量を算出する触媒流入ガス量算出手段と
を備えるとともに、
前記還流量制御手段は、前記浄化触媒に流入する排気ガス量に応じて、前記排気ガスの還流量を制御する手段であることを要旨とする。
【００１９】
また、上記の内燃機関に対応する本発明の第２の制御方法は、
燃料と吸気通路から吸入した空気との混合気を燃焼室内で燃焼させ、生じた排気ガスの少なくとも一部を該吸気通路に還流させるとともに、残余の排気ガスを排気通路から排出しながら動力を出力する内燃機関の制御方法であって、
前記燃焼室内で前記混合気の燃焼が正常に完了しない現象である失火の発生を検出する第１の工程と、
前記失火の発生時に、前記排気通路に設けられた浄化触媒に流入する排気ガス量を算出する第２の工程と、
前記算出した排気ガスの流入量に応じて、前記排気ガスの還流量を制御する第３の工程と
を備えることを要旨とする。
【００２０】
かかる本発明の第２の内燃機関およびこれに対応する第２の制御方法においては、排気ガスの一部を吸気通路内に還流させ、残余の排気ガスを浄化触媒で浄化してから大気に放出する。こうすれば、全部ではないにしろ、未燃の混合気を燃焼室内に還流させて燃焼させることができるので、燃料消費効率の悪化などの弊害を回避することができる。また、燃焼室内には新たな混合気も供給されるので、失火した次のサイクルでも良好な燃焼を実現することができる。ここで、失火が発生した場合には、該浄化触媒に流入する排気ガス量を算出し、流入する排気ガス量に応じて吸気通路への還流量を制御する。
【００２１】
失火が発生すると未燃の混合気が排出されるので、浄化触媒での負荷が増加し、排気ガスの一部を浄化しきれずに大気に放出してしまったり、あるいは、触媒が早期に劣化するといった問題を引き起こすおそれが生じる。そこで、失火が発生した場合には、浄化触媒への流入量を算出し、得られた流入量に応じて吸気通路内への還流量を制御してやる。例えば、浄化触媒への流入量が大き過ぎる場合は、還流量を増やしてやることで、触媒への流入量を減少させることができる。逆に、触媒への流入量に余裕がある場合は、吸気通路への還流量を減少させることも可能である。このように、失火の発生時は、吸気通路内への還流量を制御することによって、浄化触媒へ流入する排気ガス量を制御してやれば、排気ガスの一部を浄化しきれず大気に放出したり、あるいは浄化触媒が早期に劣化することを回避することが可能となるので好ましい。
【００２２】
もちろん、こうした内燃機関においては、浄化触媒に流入する排気ガス量に許容値を設定しておき、この許容値を超える場合に、吸気通路への還流量を増加させて、触媒への流入量を許容値内に抑制することとしてもよい。
【００２３】
こうすれば、許容値を超える場合にだけ還流量を制御すればよいので、制御内容を簡便なものとすることが可能となって好適である。
【００２４】
かかる内燃機関においては、浄化触媒に流入する排気ガス量を、内燃機関の運転条件と排気ガスの還流量とに基づいて算出することとしてもよい。
【００２５】
内燃機関の運転条件が決まれば、燃焼室から排出される排気ガスの総量は自ずから定まってくる。従って、吸気通路への排気ガスの還流量が分かれば、浄化触媒に流入する排気ガス量を求めることができる。こうすれば、触媒へ流入する排気ガス量を簡便に求めることができるので好ましい。
【００２６】
あるいは、浄化触媒に流入する排気ガス量を、内燃機関の運転条件と燃焼室内に吸入される空気量とに基づいて算出することとしてもよい。
【００２７】
吸気通路内に排気ガスの一部を還流させる場合、新たに吸入した空気と還流させた排気ガスとが燃焼室内に吸入されることになる。内燃機関の運転条件が決まると、燃焼室内に吸入されるガス量、すなわち新たに吸入する空気と還流させた排気ガスとの合計ガス量はほぼ決まってしまうので、吸入する空気量を計測してやれば、排気ガスの還流量を求めることができ、延いては、浄化触媒に流入する排気ガス量を求めることができる。このようにしても、浄化触媒に流入する排気ガス量を簡便に求めることが可能となるので好ましい。
【００２８】
あるいは、浄化触媒に流入する排気ガス量は、次のように、排気行程中の燃焼室内圧力と吸気行程中の燃焼室内圧力との圧力差に基づいて求めることも可能である。すなわち、排気通路から還流する排気ガスは、排気通路と吸気通路との圧力差によって吸気通路へと還流しているので、圧力差から還流量を推定することができる。前述したように、燃焼室から排出される排気ガスの総ガス量は、内燃機関の運転条件によってほぼ決まるから、吸気通路へ還流する排気ガス量を圧力差に基づいて求めることができれば、浄化触媒へ流入する排気ガス量も求めることができる。このような方法によっても、触媒への流入量を簡便に求めることができるので好ましい。
【００２９】
上述した内燃機関においては、運転条件として、少なくとも内燃機関の回転速度を考慮することが望ましい。
【００３０】
単位時間あたりの排気ガス量は、内燃機関の回転速度とともに増加する傾向にある。従って、内燃機関の運転条件として、少なくとも回転速度を考慮することで、排気ガスの算出量を適切に求めることが可能となるので好ましい。
【００３１】
本発明の第３の内燃機関は、前述した課題の少なくとも一部を解決するために次の構成を採用した。すなわち、
空気と燃料とが所定の空燃比で混合した混合気を、燃焼室内で燃焼させることによって動力を出力する内燃機関であって、
前記燃焼室内に空気を吸入するための吸気通路と、
前記燃焼室内または前記吸気通路内のいずれかに燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記混合気が前記燃焼室内で燃焼することによって生じた排気ガスを排出するための排気通路と、
前記排気通路から排出される排気ガスの少なくとも一部を前記吸気通路内に還流させるための還流通路と、
前記排気ガスの還流量を制御する還流量制御手段と、
前記燃焼室内で前記混合気の燃焼が正常に完了しない現象である失火の発生を検出する失火検出手段と、
前記失火の発生時に、前記排気ガスを還流させることによって生じる前記空燃比の変動量を、前記内燃機関の運転条件と該排気ガスの還流量とに基づいて算出する空燃比変動量算出手段と
を備えるとともに、
前記還流量制御手段は、前記算出した空燃比変動量に応じて、前記排気ガスの還流量を制御する手段であることを要旨とする。
【００３２】
また、上記の内燃機関に対応する本発明の第３の制御方法は、
燃料と空気とが所定の空燃比で混合した混合気を燃焼させる燃焼室と、該燃焼室内に空気を吸入するための吸気通路と、該燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路と、該排気ガスの少なくとも一部を該吸気通路に還流させるための還流通路とを備える内燃機関の制御方法であって、
前記混合気を形成するために、前記吸気通路内または前記燃焼室内のいずれかに燃料を噴射する第１の工程と、
前記燃焼室内で前記混合気の燃焼が正常に完了しない現象である失火の発生を検出する第２の工程と、
前記失火の発生時に、前記排気ガスを還流させることによって生じる前記空燃比の変動量を、前記内燃機関の運転条件と該排気ガスの還流量とに基づいて算出する第３の工程と、
前記算出した空燃比の変動量に応じて、前記排気ガスの還流量を制御する第４の工程と
を備えることを要旨とする。
【００３３】
かかる本発明の第３の内燃機関およびこれに対応する第３の制御方法においては、排気通路から排気ガスの少なくとも一部を吸気通路に還流させて、混合気とともに燃焼室内に供給する。こうすれば、全部ではないにしろ、未燃の混合気を燃焼室内に還流させて燃焼させることができるので、燃料消費効率の悪化などの弊害を回避することができる。また、燃焼室内には新たな混合気も供給されるので、失火した次のサイクルでも良好な燃焼を実現することができる。ここで、失火が発生した場合は、排気ガスではなく未燃の混合気が吸気通路に還流されることになるので、燃焼室内の空燃比が変わってしまうことが起こり得る。こうした場合、連続して失火には至らないとしても、所望のトルクが得らずに、一層大きな違和感を内燃機関の運転者に与えてしまうおそれがある。
【００３４】
こうした点に鑑みて、失火が発生した場合には、内燃機関の運転条件と排気ガスの還流量とに基づいて、燃焼室内での空燃比の変動量を算出し、算出した変動量に応じて、吸気通路に還流させる排気ガスの還流量を制御してやる。例えば、空燃比の変動量が大くなり過ぎる場合は、還流量を減らすことで変動量を抑制する。逆に、変動量に余裕がある場合は、排気ガスの還流量を増加させることも可能である。このように、失火の発生時は、燃焼室内での空燃比の変動量に応じて排気ガスの還流量を制御してやれば、失火に続くサイクルでは所望のトルクを発生させることができるので、内燃機関の運転者に与える違和感を軽減することが可能となる。
【００３５】
こうした内燃機関においては、空燃比の変動量に許容値を定めておき、失火時に算出した変動量が該許容値を超える場合には、排気ガスの還流量を増加させて変動量を許容値内に抑制することとしても良い。
【００３６】
こうすれば、許容値を超える場合にだけ、排気ガスの還流量を制御すればよいので、制御内容を簡便なものとすることが可能となって好ましい。
【００３７】
また、空燃比の変動量を算出するに際しては、内燃機関の運転条件として、少なくとも該内燃機関の回転速度を考慮することとしても良い。
【００３８】
失火時に発生する空燃比の変動は、排気ガスの遅れの影響を受けている。すなわち、排気通路から還流させる排気ガスは、還流通路および気通路を経て燃焼室内に流入するので、新たに吸入する空気や燃料に対して遅れが発生してしまい、この遅れが空燃比変動を生じさせる一つの要因となっている。そして、この遅れの影響は、内燃機関の回転速度が高くなるほど大きくなることから、失火時に発生する変動量は、内燃機関の回転速度の影響を受けることになる。従って、空燃比の変動量を算出するに際して、少なくとも回転速度を考慮してやれば、失火時の変動量を正確に見積もることが可能となり、延いては、充分なトルクを発生させることが可能となるので好ましい。
【００３９】
こうした内燃機関においては、燃焼室内に吸入される空気量または燃料量の少なくとも一方を、排気ガスの還流量に応じて調整することにより、燃焼室内での空燃比を制御することとしてもよい。
【００４０】
こうして空燃比を積極的に制御してやれば、失火に続くサイクルで確実に所望のトルクを発生させることができ、延いては、内燃機関の運転者の違和感を軽減することが可能となるので好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
本発明の作用・効果をより明確に説明するために、次のような順序に従って、本発明の実施例を説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．装置構成：
Ａ−２．エンジンの動作の概要：
Ａ−３．第１実施例のエンジン運転制御：
Ａ−４．失火の検出方法：
Ｂ．第２実施例：
【００４２】
Ａ．装置構成：
Ａ−１．装置構成：
図１は、本実施例のエンジン１０の構造を概念的に示した説明図である。エンジン１０は、吸気・圧縮・膨張・排気の４つの行程を繰り返しながら燃焼室内で混合気を燃焼させ、燃焼によって生じた圧力を機械的な仕事に変換して動力を出力する。図１では、エンジン１０の構造を示すために、燃焼室のほぼ中央で断面を取って表示している。図示されているようにエンジン１０の本体は、シリンダブロック１４０の上部にシリンダヘッド１３０が組み付けられて構成されている。シリンダブロック１４０の内部には、円筒形のシリンダ１４２が設けられており、このシリンダ１４２の内部にピストン１４４が摺動可能に設けられている。シリンダ１４２とピストン１４４とシリンダヘッド１３０の下面とで囲まれた空間が燃焼室となる。
【００４３】
ピストン１４４は、コネクティングロッド１４６を介してクランクシャフト１４８に接続されており、ピストン１４４はクランクシャフト１４８の回転にともなってシリンダ１４２内を上下に摺動する。
【００４４】
シリンダヘッド１３０には、燃焼室に吸入空気を取り入れるための吸気通路１２と、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁１４と、燃焼室内の混合気に点火するための点火プラグ１３６と、燃焼室内で発生した燃焼ガスを排出するための排気通路１６などが接続されている。また、シリンダヘッド１３０には、吸気バルブ１３２と排気バルブ１３４とが設けられ、吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４は、それぞれ電動アクチュエータ１５２，１５４によって駆動されている。これら電動アクチュエータ１５２，１５４は、円盤状の電歪素子を複数枚積み重ねた構造となっており、電圧を印加することによって任意のタイミングで吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４を開閉することが可能となっている。尚、以下の実施例では、燃料噴射弁１４は燃料を燃焼室内に噴射するものとして説明するが、もちろん、燃料噴射弁１４を吸気通路１２に設けることとして、吸気通路内に燃料を噴射することも可能である。
【００４５】
吸気通路１２の上流側にはエアクリーナ２０が設けられており、エアクリーナ２０には空気中の異物を除去するためのフィルタが内蔵されている。エンジン１０に吸入される空気は、エアクリーナ２０を通過する際にフィルタで異物を除去された後、燃焼室内に吸入される。また、吸気通路１２には、エアフローセンサ１８、およびスロットル弁２２が設けられている。電動アクチュエータ２４を駆動してスロットル弁２２を適切な開度に制御してやれば、燃焼室内に吸入される空気量を制御することができる。エアフローセンサ１８は、吸気通路１２を流れる空気の流量を検出する。
【００４６】
また、エンジン１０には、排気通路１６と吸気通路１２とを繋ぐＥＧＲ通路１６０が設けられている。排気バルブ１３４から排出されて排気通路１６を通過する排気ガスの一部は、ＥＧＲ通路１６０を介して吸気通路１２に流入し、吸気通路内の空気とともに燃焼室内に供給される。このように、排気ガスを再び燃焼室内に還流させることはＥＧＲと呼ばれ、還流させる排気ガスはＥＧＲガスと呼ばれる。ＥＧＲ通路１６０の途中には、ＥＧＲ弁１６２と呼ばれる開閉弁が設けられており、ＥＧＲ弁１６２の開度を調整することでＥＧＲガスの流量を制御することが可能となっている。
【００４７】
排気通路１６の下流には、浄化触媒２６が設けられており、排気ガスに含まれる大気汚染物質を浄化することが可能である。
【００４８】
エンジン１０の動作は、エンジン制御用ユニット（以下、ＥＣＵ）３０によって制御されている。ＥＣＵ３０は、ＣＰＵや、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ａ／Ｄ変換素子、Ｄ／Ａ変換素子などをバスで相互に接続して構成された周知のマイクロコンピュータである。ＥＣＵ３０は、エンジン回転速度Ｎe やアクセル開度θacを検出し、これらに基づいてスロットル弁２２やＥＧＲ弁１６２を適切な開度に制御する。エンジン回転速度Ｎe は、クランクシャフト１４８の先端に設けたクランク角センサ３２によって検出することができる。アクセル開度θacは、アクセルペダルに内蔵されたアクセル開度センサ３４によって検出することができる。またＥＣＵ３０は、エアフローセンサ１８やクランク角センサ３２の出力に基づいて、電動アクチュエータ１５２，１５４、あるいは燃料噴射弁１４、点火プラグ１３６を駆動する。こうすることにより、ピストン１４４の動きに同期させながら、吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４を開閉させ、燃料を噴射して燃焼室内に混合気を形成し、この混合気に点火してエンジン１０運転することができる。
【００４９】
またＥＣＵ３０は、シリンダブロック１４０に設けられた圧力センサ２３によって、燃焼室内の圧力を検出することができる。尚、圧力センサ２３は、シリンダブロック１４０ではなくシリンダヘッド１３０に設けることも可能である。
【００５０】
Ａ−２．エンジンの動作の概要：
前述したように、エンジン１０は吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の４つの行程を繰り返し行うことによって動力を出力する。図２は、エンジン１０が、これら４つの行程を繰り返しながら動力を出力する様子を概念的に示した説明図である。図２では、左から順番に吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の各行程が概念的に示されている。図中の最上段にはピストンの位置が示されている。図中に表示された「ＴＤＣ」は、ピストンが最も上昇した位置（上死点）にあることを示している。また「ＢＤＣ」は、ピストンが最も降下した位置（下死点）にあることを示している。図２の中段には、吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４の開閉タイミング、燃料噴射弁１４および点火プラグ１３６の駆動タイミングが表示されている。また図中の最下段には、各行程でのエンジン１０の動作が概念的に表されている。
【００５１】
先ず初めに、図２の左端に示された吸気行程について説明する。図２の中段に示すように、吸気行程では吸気バルブを開いた状態で、ピストン１４４をＴＤＣから降下させる。こうすることにより、吸気バルブ１３２から空気を燃焼室内に吸入することができる。ピストン１４４がＢＤＣに達して降下を停止すると、それ以上は空気を吸入することができないので吸気バルブ１３２を閉じてやる。このように吸気行程は、吸気バルブ１３２を開いてピストン１４４を降下させることにより、燃焼室内に空気を吸入する行程である。またエンジン１０では、前述したように燃料噴射弁１４が燃焼室に設けられており、吸気行程中に燃料を燃焼室内に直接噴射する。図２の中段の燃料噴射弁の位置には、矩形にハッチングを付すことによって、燃料噴射弁１４が燃料を噴射する期間を表示している。
【００５２】
図２の下段の左端には、吸気行程中のエンジン１０の動作が概念的に示されている。図示されているように吸気行程では、吸気バルブ１３２を開いてピストン１４４を降下させることにより、燃焼室内に空気を吸入する。図中の黒い矢印は、吸気バルブ１３２を通って燃焼室内に空気が吸引される様子を概念的に示している。こうした空気の流入に合わせて燃料噴射弁１４から燃料を噴射する。図中では、噴射された燃料噴霧をハッチングを付して表している。噴射された燃料噴霧は、流入した空気の流れによって燃焼室内で攪拌され、燃焼室内にほぼ均一な密度で分散して混合気を形成する。
【００５３】
ピストン１４４がＢＤＣに達したら、吸気バルブ１３２を閉じて圧縮行程に移る。圧縮行程では、吸気行程中に燃焼室内に形成された混合気を、ピストン１４４を上昇させることによって圧縮する。図２の中段に示されているように、圧縮行程中では、吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４はともに閉じられている。また、図２下段の左から２番目の図には、圧縮行程中のエンジン１０の動作が、概念的に示されている。下段の図中で燃焼室内に付された粗いハッチングは、混合気が形成されていることを表している。圧縮行程は、ピストンがＢＤＣの位置からＴＤＣの位置に上がり切るまで続く。
【００５４】
圧縮行程後半のピストンがほぼ上死点に達した付近で、点火プラグ１３６から火花を飛ばして混合気に点火してやる。図２の中段の点火プラグの位置に示した星印は、圧縮行程の終了直前に点火していることを表している。この様なタイミングで点火プラグ１３６から火花を飛ばしてやれば、火炎が燃焼室内に一気に燃え広がって、燃焼室内の混合気を速やかに燃焼させることができる。図２の下段中央の図には、圧縮行程後半の上死点付近で、燃焼室内の混合気が速やかに燃焼している様子が概念的に示されている。
【００５５】
混合気が燃焼すると燃焼室内の圧力は大幅に上昇してピストン１４４を押し下げようとする。点火に続く膨張行程では、ピストン１４４を降下させながらピストンが受ける圧力を機械的な仕事に変換して、動力として外部に出力する。図２下段の右から２番目の図には、燃焼室内の圧力によってピストン１４４が押し下げられて、外部に動力を発生している様子を概念的に示している。図中で燃焼室内に付された細かいハッチングは、燃焼室内は、混合気が燃焼して生成した燃焼ガスで満たされていることを概念的に表している。膨張行程はピストン１４４がＢＤＣに達するまで続く。
【００５６】
ピストン１４４が下死点に達すると、それ以上はピストン１４４を降下させて動力を取り出すことはできない。そこで、図２の中段に示すように、排気バルブ１３４を開いてピストン１４４を上昇させる。膨張行程に続く排気行程では、こうして排気バルブ１３４を開いてピストン１４４を上昇させる。こうすれば、燃焼ガスをピストンで押し出すようにして燃焼室から排出させることができる。図２下段の右側の図には、排気行程中に排気バルブ１３４から燃焼室内の燃焼ガスが排出されている様子を概念的に表している。ピストン１４４がＴＤＣに達したら、排気バルブ１３４を閉じて排気行程を終了する。
【００５７】
以上のようにして、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の４つの行程を一巡したら、再び吸気行程に戻って同じ動作を繰り返す。エンジン１０は、こうした動作を繰り返しながら、圧縮行程の後期のＴＤＣ付近のタイミングで点火して混合気を燃焼させることによって、動力を出力している。
【００５８】
ところが、エンジン１０は種々の条件で運転されるために、圧縮行程後期のＴＤＣ付近で火花を飛ばしたにも関わらず燃焼室内の混合気が燃焼しなかったり、あるいは、ごく僅かにしか燃焼しない場合が生じ得る。前述したように、このような現象は失火と呼ばれる。失火が発生すると、燃焼室内の混合気が動力に変換されることなく排出されてしまうので、燃料消費効率の低下や浄化触媒２６の劣化といった種々の弊害を引き起こす。以下、これについて、図３を参照しながら説明する。
【００５９】
図３は、失火が発生したときに、混合気が燃焼することなく燃焼室から排出される様子を概念的に示した説明図であり、左から右に向かって、エンジン１０の吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の４つの行程を示している。前述したように、圧縮行程でピストン１４４を上昇させて燃焼室内の混合気を圧縮した後、点火プラグ１３６から火花を飛ばすと、通常であれば混合気はたちまち燃焼を完了して、続く膨張行程ではピストン１４４を押し下げようとする。
【００６０】
ところが、図３下段の中央の図に概念的に示したように、点火プラグ１３６で火花を飛ばしても混合気に点火することができない場合がある。あるいは点火はしたものの、火炎が速やかに燃え広がらずに、火炎が途中で消えてしまう場合もある。すなわち、点火後火炎が速やかに燃え広がらなかった場合には、ピストン１４４の降下速度が加速度的に増加するため、断熱膨張の作用によって燃焼室内の混合気温度が急激に低下し火炎が消えてしまうことがある。こうした失火と呼ばれる現象は、点火プラグ１３６の周辺の燃料濃度が、点火時にたまたま低くなっていた場合や、点火プラグ１３６で火花を飛ばした時に、付近の流速がたまたま大きくなって火花を吹き飛ばしてしまった場合など種々の要因で生じ得る。エンジンは様々条件で使用されるから、運転中にこうした条件が成立して、失火が発生してしまうことが起こり得る。
【００６１】
失火が発生すると、続く膨張行程では、燃焼室内の混合気は燃焼しないまま、ピストン１４４が降下して燃焼室容積が増加するに連れて、混合気の体積が増加するとともに圧力が低下していく。混合気が全く燃焼しなかった場合は、この行程は、ピストン１４４を上昇させて混合気を圧縮する圧縮行程をちょうど逆方向に辿るような行程となる。図３の下段右から２番目の図には、ピストン１４４の降下とともに、燃焼室内の混合気が圧縮行程とちょうど逆の変化を辿りながら膨張している様子を概念的に示している。燃焼室の部分に付した粗いハッチングは、混合気が燃焼ガスに変換されることなく、そのまま膨張していることを概念的に表したものである。
【００６２】
ピストン１４４がＢＤＣに達したら、膨張行程を終了して排気行程が開始される。前述したように排気行程では、排気バルブ１３４を開いてピストン１４４を上昇させる。通常であれば、燃焼室内の混合気は燃焼ガスに変換されており、排気行程では燃焼ガスが排出されるが、失火が発生した場合は、燃焼室内の混合気は燃焼ガスに変換されておらず、従って、排気行程では混合気が排出されてしまう。図３の下段右端の図には、ピストン１４４の上昇にともなって、排気バルブ１３４から混合気が排出されている様子が概念的に示されている。
【００６３】
このように、失火が発生すると、燃焼室内の混合気は燃焼することなく排出されてしまう。すなわち、混合気が動力を発生させることなく捨てられてしまうことになるから、その分だけ燃料消費効率の低下を引き起こす。また、こうして排出された混合気は、排気通路１６に設けられた浄化触媒２６上で一度に反応して、浄化触媒２６を劣化させてしまう。こうした事態を回避すべく、本実施例のエンジン１０では、次のような制御を行っている。
【００６４】
Ａ−３．第１実施例のエンジン運転制御：
以下では、第１実施例のエンジン運転制御について詳しく説明するが、理解の便宜を図るために、初めに、失火が発生したときのエンジン１０の動作について大まかに説明しておく。図４は、失火が発生した場合のエンジン１０の動作の概要を示した説明図である。図４には、左から右に向かって、エンジンの前述した４つの行程が２サイクル分表示されている。初めの１サイクル目で失火が発生したものとしている。また、前述した図２および図３と同様に、図４でも図の最下段にはエンジン１０の動作を概念的に表示しているが、図示が煩雑となることを避けるために、図４では、２サイクル分の各行程の中の１部の行程についてのみ表示している。すなわち、最下段にある左端の図は１サイクル目の吸気行程を示しており、左から２番目ないし４番目の図は、１サイクル目の膨張行程ないし２サイクル目の吸気行程までを示している。残りの３つの図は、２サイクル目の点火時および膨張行程、排気行程をそれぞれ表示している。
【００６５】
今、１サイクル目の圧縮行程後期に点火プラグ１３６から火花を飛ばしたにも関わらず、失火が発生したものとする。すると続く膨張行程では、図３を用いて説明したように、燃焼室内の混合気は、燃焼することなく、ピストン１４４が降下して燃焼室容積が増加するに連れて混合気の体積が増加し、圧力が低下していく。図４最下段の左から２番目の図には、ピストン１４４の降下に従って、燃焼室内の混合気の体積が増加している様子を概念的に示している。
【００６６】
このように、失火が発生すると、膨張行程終了後の燃焼室内は混合気で満たされた状態となっている。そこで、第１実施例では、続く排気行程における排気バルブ１３４の駆動を停止する。図４で、１サイクル目の排気行程中の排気バルブの駆動タイミングを示す部分に、ハッチングに代えて太い破線で矩形が表示されているのは、通常であれば排気バルブが駆動されるタイミングであるが失火が発生したために駆動が停止されていることを示したものである。こうして排気バルブ１３４の駆動が停止された結果、１サイクル目の排気行程では吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４が閉じられたままピストン１４４が上昇する。結局、失火に続く排気行程では、ちょうど圧縮行程と同様に燃焼室内の混合気はピストン１４４によって圧縮されることになる。図４最下段の左から３番目の図には、ピストン１４４の上昇に伴って、燃焼室内で混合気が圧縮されている様子が概念的に示されている。
【００６７】
失火に続く排気行程では、排気バルブ１３４を閉じたままピストン１４４を上昇させているので、燃焼室内は混合気で満たされている。このため、続く吸気行程の前半では吸気バルブ１３２および燃料噴射弁１４の駆動を停止し、吸気行程の後半以降で短期間だけ吸気バルブ１３２および燃料噴射弁１４を駆動する。図４で、２サイクル目の吸気行程前半の吸気バルブおよび燃料噴射弁の駆動タイミングを示す部分に、ハッチングに代えて太い破線で矩形が表示されているのは、通常であれば吸気バルブおよび燃料噴射弁が駆動されるタイミングであるが、失火が発生したために駆動が停止されていることを表したものである。また、吸気行程後半の吸気バルブおよび燃料噴射弁の駆動タイミングを示す部分に、ハッチングを付した矩形は、短期間だけ吸気バルブおよび燃料噴射弁を駆動することを表したものである。
【００６８】
このように、吸気行程の後半部分で短期間だけ吸気バルブおよび燃料噴射弁を駆動するのは、次のような理由によるものである。上述したように、失火が発生すると、続く排気行程では排気バルブ１３４を開弁させずにピストン１４４を上昇させるので、燃焼室内では未燃の混合気が圧縮されて高圧となる。このため、失火した後の排気行程および吸気行程にかけて、ピストン１４４とシリンダ１４２との間の摺動面から、圧縮された混合気が少しずつ漏れ出してしまう。混合気が漏れてしまえば、次のサイクルで点火して混合気を燃焼させたとしても、もはや通常通りのトルクを発生させることは困難である。そこで、漏れ出した混合気を補充するべく、吸気行程の後半で短期間だけ吸気バルブおよび燃料噴射弁を駆動するのである。ここで、吸気バルブを吸気行程の前半に駆動したのでは、燃焼室内で圧縮されている混合気が吸気バルブ１３２から吸気通路１２内に逆流してしまうので、吸気バルブ１３２は吸気行程の後半に駆動する。吸気行程の後半であれば、ピストン１４４が降下して燃焼室内の圧力が低下しているので、吸気バルブ１３２を開弁しても混合気が燃焼室から逆流することを回避することができる。また、混合気の漏れ量は後述する方法により検出することが可能である。
【００６９】
尚、図４に示した例では、燃料噴射弁１４の駆動時期は、吸気バルブ１３２の開弁中に設定されている。これは、噴射した燃料の噴霧を吸気バルブ１３２から流入する空気の流れに乗せて燃焼室内に流入させることで、燃焼室内で混合を促進することを狙ったものである。しかし、燃料噴射弁１４の駆動時期は、必ずしも吸気バルブ１３２の開弁中に設定する必要はなく、例えば、開弁前に燃料を噴射することとしても良い。燃料を早めのタイミングで噴射してやれば、燃料が気化する時間を充分に確保することが容易になるという利点が得られる。
【００７０】
こうして、漏れ出した混合気を補充すると、ピストン１４４がＢＤＣに達した時点（すなわち２サイクル目の吸気行程終了時点）では、１サイクル目の吸気行程終了時とほぼ同様の状態に復帰する。
【００７１】
失火後のサイクル（図４の２サイクル目）の吸気行程終了後では、このように失火したサイクル（図４の１サイクル目）の吸気行程終了時とほぼ同様の状態となっているので、続く圧縮行程で燃焼室内の混合気を圧縮し、圧縮行程後期の適切なタイミングで点火プラグ１３６から火花を飛ばしてやれば、燃焼室内の混合気を速やかに燃焼させることができる。１サイクル目の点火では失火が発生した場合であっても、１サイクル目の膨張行程から２サイクル目の吸気行程までの間に燃焼室内の混合気は十分に攪拌されており、更に燃焼室内の混合気の流動も減衰していることから、２サイクル目では点火プラグ１３６から火花を飛ばすことによって燃焼室内の混合気に確実に点火することが可能である。図４最下段の右端から３番目の図には、２サイクル目の点火によって燃焼室内の混合気が速やかに燃焼した様子を概念的に表現している。
【００７２】
点火に成功すると、燃焼室内の混合気は速やかに高圧の燃焼ガスに変換され、続く２サイクル目の膨張行程ではピストン１４４を押し下げて動力を発生させる。そして、ピストン１４４がＢＤＣに達したら、排気バルブ１３４を開いた後、ピストン１４４を上昇させて、燃焼室内の燃焼ガスを排出する。図４最下段の右端の図は、ピストン１４４を上昇させながら、排気バルブ１３４から燃焼室内の燃焼ガスを排出している様子を概念的に示している。こうして排気バルブ１３４から燃焼ガスを排出しながらピストン１４４がＴＤＣに達したら、吸気行程を開始し、その後は通常の運転と同様の動作を繰り返す。
【００７３】
こうすれば、失火が発生した場合でも混合気をそのまま排出することなく、続くサイクルで燃焼させて動力を取り出してから排出することができるので、燃料消費効率が悪化したり、浄化触媒２６が劣化したりすることを回避することができる。また、失火後の排気行程中に燃焼室内で圧縮された混合気が漏れ出した場合でも、漏れ出した混合気を続く吸気行程で補充することにより、通常の運転状態と同様のトルクを出力することが可能である。以下では、こうした動作を行うための制御について説明する。
【００７４】
図５は、ＥＣＵ３０が行うエンジン制御ルーチンの流れを示すフローチャートである。ＥＣＵ３０は、図５に示したルーチンに従って制御を行うことで、エンジン１０の動作を制御している。以下、フローチャートに従って説明する。
【００７５】
ＥＣＵ３０は、エンジン制御ルーチンを開始すると先ず初めに、エンジンの運転条件を検出する（ステップＳ１００）。運転条件としては、エンジン回転速度Ｎe とアクセル開度θacとを検出する。図１を参照しながら前述したように、エンジン回転速度Ｎe はクランクシャフト１４８の先端に設けたクランク角センサ３２の出力に基づいて検出し、アクセル開度θacはアクセルペダルに内蔵されたアクセル開度センサ３４によって検出することができる。
【００７６】
次いで、失火の発生が検出されたか否かを判断する（ステップＳ１０２）。失火の検出方法については後述する。エンジン１０の運転を開始した直後など、かかる判断を初めて行う場合には、失火は検出されていないと判断して（ステップＳ１０２：ｎｏ）、ＥＧＲ制御を開始する（ステップＳ１０４）。ＥＧＲ制御では、ＥＧＲ弁１６２の開度をエンジンの運転条件に応じて適切な開度に設定する処理を行う。ＥＣＵ３０に内蔵されたＲＯＭには、エンジン回転速度Ｎe とアクセル開度θacとをパラメータとするマップの形式で、運転条件に対する適切なＥＧＲ弁の開度が予め記憶されている。ステップＳ１０４では、ＲＯＭに記憶されているマップを参照しながら、ステップＳ１００で検出した運転条件に対する開度を読み出して、ＥＧＲ弁１６２の開度を設定する処理を行う。
【００７７】
ＥＧＲ制御に続いて、バルブ制御を開始する（ステップＳ１０６）。バルブ制御では、吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４の開閉タイミングを設定し、設定したタイミングで電動アクチュエータ１５２、１５４を駆動する制御を行う。こうすることで、図２に示したように、ピストンの動きに同期した適切なタイミングで、吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４を開閉することができる。
【００７８】
バルブ制御に続いて、ＥＣＵ３０は燃料噴射制御を行う（ステップＳ１０８）。かかる制御では、燃焼室内に噴射する燃料量および噴射タイミングを算出し、燃料噴射弁１４の駆動タイミングを設定する。燃料噴射量は、燃焼室内に吸入される空気量に対して適切な空燃比となるように算出される。燃焼室内に吸入される空気量は、エアフローセンサ１８によって検出することができる。また、空燃比はエンジンの運転条件に対してマップの形態で予め設定されている。空気量および空燃比から算出した燃料量に基づいて、燃料噴射弁１４の駆動タイミングを設定する。燃料の噴射量が多い場合には駆動時間は長くなり、噴射量が少ない場合は駆動時間は短くなる。本実施例では、燃料噴射弁１４の駆動開始タイミングは、吸気バルブ１３２が開弁した後の所定タイミングに固定されており、駆動時間が決まれば自動的に駆動終了タイミングが決定される。もちろん、エンジンの運転条件に合わせて、燃料噴射弁１４の駆動開始タイミングを変更することとしても良い。図５のステップＳ１０８では、こうして燃料噴射弁１４の駆動タイミングを設定する。こうすることにより、ピストン１４４の動きに同期して、適切なタイミングで燃料噴射弁１４から燃焼室内に燃料を噴射することができる。
【００７９】
次いで、ＥＣＵ３０は点火制御を行って、適切なタイミングで点火プラグ１３６から火花を飛ばしてやる（ステップＳ１１４）。通常の場合は、こうして火花を飛ばすことによって、燃焼室内の混合気を燃焼させることができる。
【００８０】
点火制御に続いて失火の検出を行う（ステップＳ１１６）。本実施例のエンジン１０では、図１に示したようにシリンダブロック１４０に設けられた圧力センサ２３の出力に基づいて検出する。失火の検出方法については後述する。
【００８１】
失火の検出を行ったら、エンジンの停止が指示されているか否かを確認する（ステップＳ１１８）。エンジンの運転者によってエンジン１０を停止する旨が指示されていた場合は、そのままエンジン制御ルーチンを終了する。エンジン１０の停止が指示されていない場合は、ステップＳ１００に戻って更に制御を続行する。
【００８２】
ステップＳ１００において、失火の発生が検出されたと判断された場合は（ステップＳ１００：ｙｅｓ）、続く排気行程で排気バルブ１３４から混合気が排出されることの無いように、排気バルブ１３４の駆動を停止する。排気バルブ１３４の駆動を停止したままピストン１４４を上昇させると、燃焼室内では未燃の混合気が次第に圧縮されて、シリンダ１４２とピストン１４４との摺動部から僅かに混合気が漏洩する。そこで、図５のステップＳ１１０では、混合気の漏れ量を検出する処理を行う。漏れ量を検出する方法については後述する。
【００８３】
次いで、ＥＣＵ３０は、漏れ出した混合気を補充する制御を行う（ステップＳ１１２）。すなわち、図４を用いて前述したように、吸気行程の半ば以降の所定の期間だけ吸気バルブ１３２を駆動して、漏れた分に相当する量の空気を吸入するとともに、燃料噴射弁１４を駆動して空気量に相当する量の燃料を燃焼室内に噴射する。燃料の噴射量、すなわち燃料噴射弁１４の駆動期間は、ステップＳ１１０で検出した漏れ量に基づいて算出する。もちろん、エアフローセンサ１８で吸入空気量を直接計測し、計測値に基づいて燃料噴射量を算出することとしてもよい。
【００８４】
このようにして、失火の発生に続く排気行程から吸気行程にかけての期間で、混合気の漏れ量を検出し、漏れた混合気を補充したら、再びピストン１４４を上昇させて、所定のタイミングで点火時期制御を行う（ステップＳ１１４）。図４を用いて前述したように、失火が発生した場合でも次のサイクルでは確実に点火することができる。
【００８５】
このように、図５に示したエンジン制御ルーチンに従ってエンジン１０を制御してやれば、失火が発生した場合でも、次のサイクルで確実に燃焼させることができる。その結果、燃焼室内の混合気が動力を発生することなく排出されてしまうことが無くなるので、燃料消費効率が悪化することを回避することが可能となる。また、混合気が燃焼しないまま排気通路１６に排出されることも無くなるので、浄化触媒２６が劣化することもない。
【００８６】
加えて、上述したエンジン制御では、失火に続く排気行程中で燃焼室内から漏れ出す混合気を検出し、漏れた分の混合気を吸気行程で補充した後、ピストン１４４で圧縮して点火する。こうすれば、失火した次のサイクルでは通常のサイクルと同等のトルクを発生させることができるので、エンジンの運転者に与える違和感を軽減することが可能となる。
【００８７】
Ａ−４．失火の検出方法：
ここで、エンジン１０が失火を検出する方法について簡単に説明しておく。前述したように、エンジン１０はシリンダブロック１４０に設けられた圧力センサ２３の出力に基づいて、失火の発生を検出する。図６は、圧力センサ２３で計測した燃焼室内の圧力が、クランク角度に応じて変化する様子を概念的に示している。前述したように、圧縮行程ではクランクシャフトが回転するに従ってピストン１４４が上昇して燃焼室内の混合気を圧縮するから、これに伴って燃焼室内の圧力も次第に上昇していく。そして、ピストンがほぼＴＤＣに達すると、点火プラグ１３６から火花を飛ばして燃焼室内の混合気に点火する。通常であれば、点火後、混合気は速やかに燃焼し、その結果、燃焼室内の圧力は、図６に破線で示すように急激に上昇する。ところが、失火が発生すると、図６に実線で示したように燃焼室内の圧力は、ＴＤＣ以降は上昇することなくむしろ次第に低下していく。このことから、点火プラグ１３６で火花を飛ばす前の所定のタイミングと、火花を飛ばした後の所定のタイミングとで、それぞれ燃焼室内の圧力を検出し、これらを比較することによって失火の有無を検出することができる。すなわち、火花を飛ばした前後で燃焼室内の圧力が所定値以上に増加していない場合は、失火が発生したと判断することができる。
【００８８】
あるいは、エンジンの回転速度を計測することによって、失火の発生を検出することも可能である。図７を参照しながら、かかる原理について簡単に説明する。エンジンが定常状態で運転されている場合でも、エンジンの回転速度は、実際にはクランク角度とともに変動している。この様な変動が生じるのは、それぞれの燃焼室で位相を少しずつ異にしながら、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程が繰り返し行われていることによる。図７は、４つの燃焼室を備えたいわゆる４気筒エンジンにおいて、エンジンの回転速度が変動する様子を示した説明図である。図の最上段にはクランク角度に対してエンジン回転速度が変動する様子が示されており、その直ぐ下には、１番気筒についての４つの行程と、各気筒についての燃焼室内の圧力とが示されている。先ず、１番気筒に着目すると、圧縮行程では燃焼室内の圧力に逆らってピストンを上昇させることになるので、エンジン回転速度は次第に低下していく。そして混合気を圧縮後、上死点付近で点火すると、今度は燃焼室内の圧力を受けてピストンが押し下げられるので、エンジン回転速度が上昇していく。このことから明らかなように、エンジンの回転速度は、１番気筒の圧縮行程中では次第に低下し、続く膨張行程では上昇するような変動を示す。
【００８９】
４つの燃焼室を備えた４気筒エンジンでは、１番気筒の膨張行程は３番気筒の圧縮行程に対応している。このことから、１番気筒の膨張行程に入ってしばらくの間はエンジン回転速度は上昇を続けるが、３番気筒の燃焼室内圧力が高くなると、やがてエンジン回転速度は次第に低下していく。そして、３番気筒の混合気が点火されて膨張行程に入ると再びエンジン回転速度は上昇する。３番気筒の膨張行程は４番気筒の圧縮行程に対応しており、４番気筒の膨張行程は２番気筒の圧縮行程に、２番気筒の膨張行程は１番気筒の圧縮行程に対応している。このように、各気筒で少しずつ位相を異ならせながら圧縮行程と膨張行程とが行われるために、エンジンの回転速度は図７に示すような変動を示すことになる。
【００９０】
ここで、ある気筒で失火が発生したとする。例えば１番気筒が失火した場合を考える。すると、続く膨張行程でピストンが大きな力で押し下げられることはない。そればかりか、１番気筒の膨張行程は３番気筒の圧縮行程に対応しており、３番気筒では燃焼室内の圧力に逆らってピストンを上昇させることになるから、１番気筒で失火が発生すると、その気筒の膨張行程ではエンジン回転速度が大きく低下することになる。このように、失火が発生するとエンジン回転速度が急激に大きく低下するので、回転速度の急激な低下が発生したタイミングが、何番気筒の膨張行程に対応するかを検出すれば、失火の発生した気筒を検出することが可能である。
【００９１】
尚、図７ではエンジン回転速度の低下に基づいて失火の発生を検出するものとして説明したが、混合気が燃焼したときのエンジン回転速度の上昇を検出し、この上昇が検出されなかった場合に、失火が発生したと判断することも可能である。
【００９２】
次に、再び図６を参照することにより、失火した次のサイクルで漏れ出す混合気の漏れ量を検出する方法について説明する。前述したように、失火が発生すると燃焼室内圧力は圧縮行程を逆に辿るようにして次第に低下し、ピストン１４４が下がり切った時点では圧縮開始直前とほぼ同じ状態となる。そして、失火発生後の排気行程では、排気バルブ１３４を閉じたままピストン１４４を上昇させるので、燃焼室内の混合気は再び圧縮されて上昇していく。このとき、シリンダ１４２とピストン１４４との摺動面から、圧縮された混合気の漏れが発生する。このため、失火後の排気行程から吸気行程にかけての燃焼室内圧力は、図６中に実線で示した失火時の圧縮行程から膨張行程にかけての圧力よりも、僅かに低くなる。図６では、失火後の排気行程から吸気行程にかけての燃焼室内圧力を一点鎖線で表している。図中で斜線を示した領域が、燃焼室内から混合気が漏れたことによる圧力低下に相当する。従って、失火時の燃焼室内圧力と失火後の燃焼室内圧力とを、所定のクランク角度で比較して、圧力の低下量を計測することにより、混合気の漏れ量を検出することが可能となる。図５のステップＳ１１０では、このようにして混合気の漏れ量を検出している。
【００９３】
Ｂ．第２実施例：
上述した第１実施例では、失火が発生した場合には排気バルブ１３４の駆動を停止することにより、未燃の混合気を燃焼室内に閉じこめている。しかし、未燃の混合気を燃焼室内に閉じこめるのではなく、ＥＧＲとして吸気通路を介して燃焼室内に還流させることとしても良い。以下では、こうした第２実施例について説明する。
【００９４】
図８は、ＥＣＵ３０が行う第２実施例のエンジン制御ルーチンの流れを示すフローチャートである。以下、フローチャートに従って説明する。
【００９５】
ＥＣＵ３０は、第２実施例のエンジン制御ルーチンを開始すると先ず初めに、エンジンの運転条件を検出する（ステップＳ２００）。運転条件としては、第１実施例と同様に、エンジン回転速度Ｎe とアクセル開度θacとを検出する。
【００９６】
次いで、失火の発生が検出されたか否かを判断する（ステップＳ２０２）。エンジン１０の運転を開始した直後など、初めて判断する場合は、失火は検出されていないと判断して（ステップＳ２０２：ｎｏ）、後述するＥＧＲ制御（ステップＳ２０８）、燃料噴射制御（ステップＳ２１０）、点火制御（ステップＳ２１２）、失火検出（ステップＳ２１４）を行った後、エンジンが停止されていない限り、再びステップＳ２００に戻って一連の処理を行う。
【００９７】
ステップＳ２０２で失火の発生が検出された場合は（ステップＳ２０２：ｙｅｓ）、ＥＧＲ失火補正処理を行う（ステップＳ２０４）。これは、次のような処理である。失火が発生すると、燃焼ガスの代わりに未燃の混合気が排出される。排出され未燃混合気の一部は、ＥＧＲ通路１６０を介して吸気通路１２に還流されるが、残余の混合気は排気通路１６を経由して浄化触媒２６に流れ込み、触媒で浄化された後に大気に放出される。こうして未燃の混合気を浄化することから、失火が発生すると浄化触媒２６には大きな負荷がかかることになり、流入する混合気が多くなると触媒の劣化を促進させることになる。この意味からは、浄化触媒２６に流入する混合気があまり多くならないように、できるだけ多くの混合気をＥＧＲとして還流させることが好ましい。
【００９８】
その一方で、混合気を還流させると、通常のＥＧＲとは異なりＥＧＲガスに燃料が含まれているので、燃焼室内での空燃比がずれてしまうことが起こり得る。空燃比を適正な値に保つことができなければ、発生するトルクが変動したりあるいは燃焼状態が不安定になるといった種々の弊害が生じる。従って、この意味からは、ＥＧＲガスとして還流させる混合気量があまりに多くなることは好ましいことではない。このように、失火発生時にＥＧＲを行う場合は、浄化触媒２６の劣化を回避しつつ、空燃比のずれによる弊害を抑制するために、吸気通路１２内に還流するＥＧＲガス量を適切な値に制御しておくことが望ましい。図８のステップＳ２０４では、このように失火時のＥＧＲガス量が適切なガス量となるように補正する処理を行う。
【００９９】
ここで、ＥＧＲ失火補正処理の内容について説明する。図９は、ＥＧＲ失火補正処理の流れを示すフローチャートである。図示されているように、ＥＧＲ失火補正処理を開始すると、先ず初めに、エンジンの運転条件に基づいて排気ガスの発生量を算出する（ステップＳ３００）。運転条件としては、図８に示したエンジン制御ルーチンのステップＳ２００で検出したエンジンの回転速度Ｎe およびアクセル開度θacを使用する。これらの値が分かれば、単位時間あたりに発生する排気ガス量を容易に算出することができる。
【０１００】
次いで、ＥＧＲ率を算出する（ステップＳ３０２）。ＥＧＲ率とは、排気ガスの発生量に対するＥＧＲガス量の比率を示す値である。本実施例では、燃焼室内に設けた圧力センサ２３の出力を利用して、次のようにしてＥＧＲ率を算出する。吸気バルブ１３２の開弁中は、燃焼室内の圧力は吸気通路１２内の圧力と等しくなるので、燃焼室内に設けた圧力センサ２３の出力から吸気通路１２内の圧力を計測することができる。同様に、排気バルブ１３の開弁中は、燃焼室内の圧力は排気通路１６内の圧力と等しくなるので、圧力センサ２３を用いて排気通路１６内の圧力を計測することができる。従って、これらの差を取ることにより、吸気通路１２と排気通路１６との間の圧力差を求めることができる。ＥＧＲガスは、この圧力差によってＥＧＲ通路１６０内を還流しているから、圧力差が大きくなるほどＥＧＲガス量が多く、すなわちＥＧＲ率が高くなり、圧力差が小さくなるほどＥＧＲ率が小さくなる。
【０１０１】
図１０は、排気通路１６と吸気通路１２との圧力差と、ＥＧＲ率との関係を概念的に示した説明図である。圧力差があまりに大きな領域では、ＥＧＲ通路１６０あるいはＥＧＲ弁１６２による絞りの影響が現れるが、他の領域ではＥＧＲ率は圧力差とほぼ線形な関係が成り立つ。従って、排気通路１６と吸気通路１２との間の圧力差に対するＥＧＲ率を、実験的な手法によって予め求めておけば、圧力差からＥＧＲ率を算出することが可能である。図９のステップＳ３０２では、こうした圧力差とＥＧＲ率との関係をマップとしてＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶しておき、吸気行程中および排気行程中の圧力センサ２３の出力からＥＧＲ率を算出している。尚、本実施例では、排気通路１６と吸気通路１２との圧力差からＥＧＲ率を算出したが、より簡便には、ＥＧＲ弁１６２の開度に基づいてＥＧＲ率を求めることとしても良い。
【０１０２】
こうしてＥＧＲ率を求めたら、今度は、ＥＧＲ量（すなわち、吸気通路１２内に還流させるガス量）と浄化触媒２６に流入する排気ガス量とを算出する（ステップＳ３０４）。ＥＧＲ量は、ステップＳ３００で求めた排気ガスの発生量にＥＧＲ率を乗算することによって算出することができる。また、浄化触媒２６に流入する排気ガス量は、排気ガスの発生量からＥＧＲ量を減算することで算出することができる。
【０１０３】
次いで、浄化触媒２６の負荷が許容範囲内にあるか否かを判断する（ステップＳ３０６）。前述したように、失火が発生すると浄化触媒２６には未燃の混合気が流入するので、触媒に大きな負荷が加わる。そこで、ステップＳ３０４で求めた触媒に流入する排気ガス量が所定の閾値より大きければ、許容範囲を超えていると判断して（ステップＳ３０６：ｎｏ）、ＥＧＲ量を減らして触媒への負荷が許容範囲となるように補正係数Ｋ１を設定する（ステップＳ３０８）。
【０１０４】
一方、浄化触媒２６に流入する排気ガス量が所定の閾値より小さい場合は（ステップＳ３０６：ｙｅｓ）、補正係数Ｋ１の設定は行わずに、直ちに混合後の空燃比を算出する処理を行う（ステップＳ３１０）。すなわち、前述したように、失火時にＥＧＲを行うと一旦燃焼室内に供給した燃料が還流して、再び燃焼室内に供給されることになるので、その分だけ燃焼室内での空燃比にずれが発生することがある。そこで、失火時には、燃焼室内に新たに供給した混合気とＥＧＲガスとして還流した混合気とが混合して、燃焼室内に形成される混合気の空燃比を算出するのである。混合後の空燃比は、新たに供給される混合気の流量および空燃比と、ＥＧＲガスとして還流する混合気の流量および空燃比とが分かれば、比例計算することによって容易に求めることができる。ここで、新たに供給される混合気の流量はエアフローセンサ１８によって計測されており、ＥＧＲガスの流量は既に求められている。そして、ＥＣＵ３０は、これらいずれの空燃比も分かっているから、混合後の空燃比を容易に算出することができる。
【０１０５】
混合後の空燃比を算出したら、続いて、空燃比変動が許容範囲内か否かを判断する（ステップＳ３１２）。すなわち、算出した混合後の空燃比が、目標とする空燃比から大きくずれていると、トルクの発生量が異なってしまうので、エンジンの運転者に大きな違和感を与えるおそれがある。そこで、空燃比のずれ量が所定の閾値より大きい場合には、空燃比変動が許容範囲を超えると判断して（ステップＳ３１２：ｎｏ）、ＥＧＲ量を減らして空燃比変動が許容範囲となるように補正係数Ｋ２を設定する（ステップＳ３１４）。空燃比変動が許容範囲にある場合は、補正係数Ｋ２を設定することなく、そのまま図９に示したＥＧＲ失火補正処理を抜けて、図８のエンジン制御ルーチンに復帰する。
【０１０６】
エンジン制御ルーチンでは、ＥＧＲ失火補正処理から復帰すると、空燃比失火補正処理を開始する（ステップＳ２０６）。これは次のような処理である。前述したように、失火時にＥＧＲを行うと、燃焼室内に形成される混合気の空燃比がずれることがある。空燃比失火補正処理に先立って行われるＥＧＲ失火補正処理では、空燃比のずれ量を算出して、すれ量が許容範囲を超える場合には、ＥＧＲ量を減らして許容範囲とするべく補正係数Ｋ２を設定した。空燃比失火補正処理では、こうした空燃比のずれを補正するべく、燃料の噴射量を補正する処理を行う。すなわち、ＥＧＲによって空燃比が小さめ（リッチ側）にずれる場合は、ずれ量に応じて燃料の噴射期間を短くし、逆に空燃比が大きめ（リーン側）にずれる場合は、燃料の噴射期間が長くなるように補正する処理を行う。
【０１０７】
こうして、ＥＧＲ失火補正処理および空燃比失火補正処理が終了したら、ＥＧＲ制御を開始する（ステップＳ２０８）。図１１は、第２実施例のエンジン制御ルーチン中で行われるＥＧＲ制御の流れを示すフローチャートである。ＥＧＲ制御を開始すると、先ず初めにＥＧＲ弁の基準開度を取得する（ステップＳ４００）。前述した第１実施例と同様に、ＥＣＵ３０のＲＯＭには、エンジンの運転条件（エンジン回転速度Ｎe 、およびアクセル開度θac）に応じて、ＥＧＲ弁の適切な開度がマップの形態で記憶されている。ステップＳ４００では、エンジン制御ルーチン中で検出した運転条件に基づいて、マップを参照することによりＥＧＲ弁の基準開度を取得する。
【０１０８】
次いで、ＥＧＲ失火補正制御で設定した補正係数Ｋ１、Ｋ２を用いて、基準階度を補正する（ステップＳ４０２）。ここでは、基準開度にこれら補正係数を乗算することによって補正を行う。もちろん、補正係数を適切に設定しておけば、基準開度に対して補正係数を加算あるいは減算することによって補正することも可能である。
【０１０９】
こうしてＥＧＲ弁の基準開度を補正したら、ＥＧＲ弁を得られた開度に設定し（ステップＳ４０４）、図１１のＥＧＲ制御を終了して、エンジン制御ルーチンに復帰する。
【０１１０】
エンジン制御ルーチンでは、ＥＧＲ制御に続いて、燃料噴射制御を開始する（ステップＳ２１０）。かかる制御では、前述した第１実施例の燃料制御とほぼ同様に、適切な期間だけ燃料噴射弁１４を駆動して燃焼室内に燃料を噴射する。尚、第２実施例の燃料噴射期間は、先立って行われた空燃比失火補正の結果が反映された期間となっている。すなわち、エンジンの運転条件とエアフローセンサ１８の出力とに基づいて決定される噴射期間を、前述した空燃比失火補正処理によって補正した噴射期間となっている。
【０１１１】
こうして、燃焼室内に燃料を噴射して混合気を形成したら、所定のタイミングで点火プラグ１３６から火花を飛ばして混合気に点火し（ステップＳ２１２）、続いて失火の有無を検出する（ステップＳ２１４）。失火の有無は、前述した第１実施例と同様に、圧力センサ２３の出力に基づいて検出する。
【０１１２】
失火の検出を行ったら、エンジンの停止が指示されているか否かを確認する（ステップＳ２１６）。エンジンの運転者によってエンジン１０を停止する旨が指示されていた場合は、そのままエンジン制御ルーチンを終了する。エンジン１０の停止が指示されていない場合は、ステップＳ２００に戻って更に制御を続行する。
【０１１３】
以上に説明したように、第２実施例のエンジン制御ルーチンでは、失火が発生した場合に、未燃の混合気の一部をＥＧＲガスとして燃焼室に還流させる。このとき、浄化触媒にかかる負荷や、燃焼室内での空燃比のずれが許容範囲となるように、ＥＧＲガス量を適切に制御しているので、触媒が早期に劣化したり、トルク変動が発生してエンジンの運転者に大きな違和感を与えることを回避することが可能となる。
【０１１４】
以上、各種の実施例について説明してきたが、本発明は上記すべての実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本実施例のエンジンの構造を概念的に示した説明図である。
【図２】エンジンが４つの行程を繰り返しながら動力を出力する様子を概念的に示した説明図である。
【図３】失火の発生時に、混合気が燃焼することなく燃焼室から排出される様子を概念的に示した説明図である。
【図４】失火の発生時のエンジンの動作の概要を示した説明図である。
【図５】第１実施例のエンジン制御ルーチンの流れを示すフローチャートである。
【図６】燃焼室内の圧力がクランク角度に応じて変化する様子を概念的に示した説明図である。
【図７】エンジンの回転速度に基づいて失火の発生を検出する原理を示した説明図である。
【図８】第２実施例のエンジン制御ルーチンの流れを示すフローチャートである。
【図９】第２実施例のエンジン制御ルーチンで行われるＥＧＲ失火補正処理の流れを示したフローチャートである。
【図１０】吸気通路および排気通路間の圧力差とＥＧＲ率との関係を概念的に示した説明図である。
【図１１】第２実施例のエンジン制御ルーチンで行われるＥＧＲ制御の流れを示したフローチャートである。
【符号の説明】
【０１１６】
１０…エンジン
１２…吸気通路
１３…排気バルブ
１４…燃料噴射弁
１６…排気通路
１８…エアフローセンサ
２０…エアクリーナ
２２…スロットル弁
２３…圧力センサ
２４…電動アクチュエータ
２６…浄化触媒
３０…ＥＣＵ
３２…クランク角センサ
３４…アクセル開度センサ
１３０…シリンダヘッド
１３２…吸気バルブ
１３４…排気バルブ
１３６…点火プラグ
１４０…シリンダブロック
１４２…シリンダ
１４４…ピストン
１４６…コネクティングロッド
１４８…クランクシャフト
１５２，１５４…電動アクチュエータ
１６０…ＥＧＲ通路
１６２…ＥＧＲ弁
【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】
2008151149.tif 000008
【図７】
2008151149.tif 000009
【図８】
2008151149.tif 000010
【図９】
2008151149.tif 000011
【図１０】
2008151149.tif 000012
【図１１】
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