(57)【要約】【課題】悪路等の外乱にロバストな失火検出を実現する。【解決手段】内燃機関のクランク軸が一定角度回転するのに要する時間を計測する回転検出手段と、回転所要時間を処理することで内燃機関の失火を検出する信号処理手段を備えた失火検出装置において、信号処理手段には、失火に起因する周波数への感度が同じで、その周辺の周波数への感度が異なる２つのフィルタが備えられていて、２つのフィルタの出力の比または差が一定範囲内に収まった場合にのみ失火判定を行う。【選択図】　図１
2004124795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のクランク軸が一定角度回転するのに要する時間を計測する回転検出手段と、回転所要時間を処理することで内燃機関の失火を検出する信号処理手段を備えた失火検出装置において、
前記信号処理手段は、失火に起因する周波数への感度が同じで、その周辺の周波数への感度が異なる２つのフィルタと、２つのフィルタの出力の比または差が一定範囲内に収まり、かつ、２つのフィルタの片方または両方が閾値を超えた場合に失火が発生したと判定を行う判定手段とから構成されることを特徴とする失火検出装置。
【請求項２】
内燃機関のクランク軸が一定角度回転するのに要する時間を計測する回転検出手段と、回転所要時間を処理することで内燃機関の失火を検出する信号処理手段を備えた失火検出装置において、
前記信号処理手段は、失火に起因する周波数成分への感度が０で、その周辺の周波数への感度が０でないフィルタと、失火に起因する周波数成分に感度のピークを持つフィルタと，前者のフィルタの出力が一定範囲に収まり、かつ、後者のフィルタが閾値を超えた場合に失火が発生したと判定を行う判定手段とから構成されることを特徴とする失火検出装置。
【請求項３】
内燃機関のクランク軸が一定角度回転するのに要する時間を計測する回転検出手段と、回転所要時間を処理することで内燃機関の失火を検出する信号処理手段を備えた失火検出装置において、
前記信号処理手段は、入力信号が失火に起因する周波数にどれだけ近いかを示す指標を出力するフィルタと、入力信号の振幅を出力するフィルタと、前者のフィルタの出力が一定範囲に収まり，かつ，後者のフィルタが閾値を超えた場合にのみ失火が発生したと判定を行う判定手段とから構成されることを特徴とする失火検出装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の失火検出装置において、前記信号処理手段には、前記２つのフィルタのうちのいずれかの出力を過去数回分記憶しておく出力メモリと、前記出力メモリに記憶された値の大小関係を比較する大小関係比較手段と、判定手段によって失火が発生していると判定されたら、特定の大小関係が満たされたときの爆発気筒から一定の爆発回数を遡った気筒を失火気筒であると特定する失火気筒特定手段とを備えたことを特徴とする失火検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多気筒内燃機関において失火の有無を精度よく検出する装置に関する。特に、凹凸のある路面や、失火によって車体が残響振動する場合でも精度よく失火の回数を気筒ごとにカウントできる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃エンジンの点火周期より短い、前記エンジンのクランク軸の所定回転角度周期毎に前記エンジンの回転速度を検出する回転速度検出手段と、検出したエンジン回転速度を前記クランク軸１回転に相当する周期で平均化する平均化手段とを備え、前記エンジンの燃焼状態を検出する内燃エンジンの燃焼状態検出装置において、前記平均化手段により算出されたエンジン回転速度の平均値と、該平均値が算出された時点から所定点火周期前に算出された平均値との偏差量を算出する偏差量算出手段と、該偏差量を前記点火周期に相当する周期に基づき平均化する偏差量平均化手段と、該平均化された偏差量に基づいて前記エンジンの燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段とを設けることで、失火を検出する装置が知られている（特許文献１参照）。
このような構成の失火検出装置を用いることで、失火を特徴づける周波数成分を効果的に抽出でき、十分精度の良い失火検出装置が実現できたとされていた。
【特許文献１】
特開平７−１１９５３６号公報（第２頁）
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１で十分精度の高い失火検出装置が実現できたのは、失火を特徴づける周波数成分のみを抽出し、それより低い周波数成分と高い周波数成分は効果的にカットできるフィルタが実現できたためである。この発明では、４気筒内燃機関を例として取り上げているが、内燃機関の気筒数がこれより多くなると、１回の爆発に対応したクランク軸の回転角度が小さくなり、回転所要時間の検出精度が低下し、十分な周波数特性のフィルタが実現できない可能性がある。
【０００４】
本発明の目的は、１つの周波数成分を抽出するのに２つのフィルタを用いることで、より効果的に注目する周波数成分のみ抽出し、悪路の影響や車体の残響振動等のノイズにロバストな失火検出装置を実現することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、内燃機関のクランク軸が一定角度回転するのに要する時間を計測する回転検出手段と、回転所要時間を処理することで内燃機関の失火を検出する信号処理手段を備えた失火検出装置において、信号処理手段は、失火に起因する周波数への感度が同じで、その周辺の周波数への感度が異なる２つのフィルタと、２つのフィルタの出力の比または差が一定範囲内に収まり、かつ、２つのフィルタの片方または両方が閾値を超えた場合に失火が発生したと判定を行う判定手段とから構成される失火検出装置によって達成される。
または、前記信号処理手段が、失火に起因する周波数成分への感度が０で、その周辺の周波数への感度が０でないフィルタと、失火に起因する周波数成分に感度のピークを持つフィルタと，前者のフィルタの出力が一定範囲に収まり、かつ、後者のフィルタが閾値を超えた場合に失火が発生したと判定を行う判定手段とから構成される失火検出装置によって達成される。
または、前記信号処理手段が、入力信号が失火に起因する周波数にどれだけ近いかを示す指標を出力するフィルタと、入力信号の振幅を出力するフィルタと、前者のフィルタの出力が一定範囲に収まり，かつ，後者のフィルタが閾値を超えた場合にのみ失火が発生したと判定を行う判定手段とから構成されることを特徴とする失火検出装置によって達成される。
【０００６】
上記の失火検出装置において、前記信号処理手段に、前記２つのフィルタのうちのいずれかの出力を過去数回分記憶しておく出力メモリと、前記出力メモリに記憶された値の大小関係を比較する大小関係比較手段と、判定手段によって失火が発生していると判定されたら、特定の大小関係が満たされたときの爆発気筒から一定の爆発回数を遡った気筒を失火気筒であると特定する失火気筒特定手段とを備えてもよい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の構成の一例を示す図である。この図を用いて本発明の第１の実施形態を説明する。
【０００８】
本失火検出装置は、内燃機関のクランク軸が一定角度回転するのに要する時間を計測する回転検出手段１と、回転所要時間を処理することで内燃機関の失火を検出する信号処理手段２に大きく分けられる。
【０００９】
回転検出手段１は、リングギア１１と磁気センサ１２からなる。リングギア１１には、図２に示すような歯が取り付けられている。歯が磁気センサ１２に接近すると磁気センサ１２の出力が変化し、磁気センサ１２の出力の変化の間隔を計測することで一定角度を回転するのに要する回転所要時間が計測される。図２は特に６気筒内燃機関に適したリングギア１１である。６気筒内燃機関の場合、クランク軸が１回転する間に、３つの気筒が爆発するので、図２（ａ），（ｂ）のそれぞれのリングギア１１で矢印付の円弧で示された歯と歯の間の区間のそれぞれは、一つの気筒が爆発する間にリングギア１１が回転する角度とみなせる。
【００１０】
本失火検出装置における信号処理手段２の構成の一例を図３に示す。信号処理手段２は、図４に示すように、失火に起因する周波数への感度が同じで、その周辺の周波数への感度が異なる２つのフィルタ２１，２２と、図５（ａ）に示すように２つのフィルタの出力の比が一定範囲内に収まり、かつ、フィルタ（ａ）またはフィルタ（ｂ）の出力が閾値を超えたときに失火が発生したと判定する判定手段２３とから構成される。
【００１１】
また、判定手段２３では、図５（ｂ）に示すように、２つのフィルタの出力の差が一定範囲内に収まり、かつ、フィルタ（ａ）またはフィルタ（ｂ）の出力が閾値を超えたときに失火が発生したと判定してもよい。
【００１２】
一般に、失火が発生しているとき、図２に示すようなリングギア１１の歯と歯の間の回転所要時間は、図６のようになる。図６（ａ）は一つの気筒が毎サイクルごとに失火する場合（常時失火）の回転所要時間で、図６（ｂ）は一つの気筒が数サイクルに一回失火する場合（間欠失火）の回転所要時間である。図６（ａ）の場合の回転所要時間を周波数解析すると、図７のようになる。ここで、周波数がｎ次ということは、クランク軸ｎ回転に同期した成分であることを意味する。図７から、一つの気筒が常時失火している場合、０．５次の成分が大きいので、０．５次成分のみを抽出するフィルタに回転所要時間を入力し、その出力が一定の閾値を超えた場合に失火が起こったと判定することができる。
【００１３】
一方で、砂利道などの悪路を走行する場合の回転所要時間の一例は図８のようになり、これを周波数解析すると図９のようになる。図９からは、悪路走行時の回転所要時間の周波数成分は、０次から０．５次のあいだに多く分布していることがわかる。
【００１４】
従って、悪路の影響を受けることなく、失火のみを検出するには、０．５次成分だけを抽出するフィルタを作成することが必要である。ところが、０．５次成分だけを抽出するフィルタを実現することは困難で、図４に示すように、抽出したい周波数の両脇にある程度の裾ができてしまう。この裾での周波数特性を効率的に減衰させることで失火検出を実現したという報告はあるが、内燃機関の気筒数や気筒の配置が異なると、裾での周波数特性の減衰が不十分でロバストな失火検出が実現できなくなることもある。
【００１５】
そこで、２つのフィルタを用いて、フィルタの特性を抽出したい周波数成分に効率的に絞り込もうというのが本発明の考え方である。
【００１６】
失火が起こっているときの回転所要時間の周波数成分は、０．５次にピークを持っているので、これを図４に示す２つのフィルタに入力すると、２つとも同じ出力をする。ところが、悪路走行時の回転所要時間をこれらのフィルタに入力すると、悪路走行時の回転所要時間の周波数成分は０次と０．５次の間に分布しているので、フィルタ（ａ）の出力はフィルタ（ｂ）の出力より大きくなる。したがって、２つのフィルタの出力比が１付近のときは失火が発生したと判定し、１付近でないときは失火以外の、悪路等の要因であると判定することで、悪路にロバストな失火検出が実現できる。
【００１７】
比を取るかわりに、２つのフィルタの出力の差を計算し、差が０付近のときは失火が発生したと判定し、０付近でないときは、失火以外の、悪路等の要因であると判定することでも、同様に悪路にロバストな失火検出が実現できる。
【００１８】
したがって、図３に示すような信号処理手段２で、図４に示すように、失火に起因する周波数への感度が同じで、その周辺の周波数への感度が異なる２つのフィルタ２１，２２へ回転所要時間を入力したときの出力に基づき、判定手段２３で、２つのフィルタの出力比が一定範囲内に収まったときに失火判定を行なう。失火判定の方法としては、２つのフィルタのうちのどちらかの出力が閾値を越えたら失火が発生したと判定する方法がある。あるいは、２つのフィルタの出力の両方が閾値を越えたら失火が発生したと判定する方法もある。
【００１９】
また、図４に示す２つのフィルタの、失火に起因する周波数への感度は厳密に同じである必要はなく、若干のずれは許される。
【００２０】
このようにすることで、悪路等の外乱にロバストな失火検出が実現できる。
【００２１】
第２の実施形態について説明する。
【００２２】
第２の実施形態における失火検出装置も、図１に示すように、内燃機関のクランク軸が一定角度回転するのに要する時間を計測する回転検出手段１と、回転所要時間を処理することで内燃機関の失火を検出する信号処理手段２に大きく分けられ、信号処理手段２の構成は図３で示されることは、第１の実施形態と同じである。
【００２３】
図４に示すような、失火に起因する周波数への感度が同じで、その周辺の周波数への感度が異なる２つのフィルタを用いる方法以外にも、図１０（ｂ）のように、失火に起因する周波数成分への感度が０で、その周辺の周波数への感度が０でないフィルタを用い、このフィルタの出力が一定範囲に収まった場合にのみ失火判定を行うことで、悪路にロバストな失火検出が実現できる。
【００２４】
図１０（ｂ）のように、失火に起因する０．５次成分への感度が０で、その周辺の周波数への感度が０でないフィルタを用いると、失火が発生している場合には、回転所要時間の周波数成分の分布は０．５次に集中しているので、フィルタの出力は０である。回転所要時間の振幅に依存せずに０である。ところが、悪路を走行しているときは、回転所要時間の周波数成分は０次から０．５次の間に分布しているので、フィルタの出力は０以外の値をとる。したがって、フィルタの出力が０付近の一定範囲内に収まったときのみ失火の判定を行なう。失火の判定は、図１０（ａ）のように、失火に起因する０．５次成分に感度のピークをもつフィルタの出力が閾値を越えたときに失火が発生したと判定する。このように失火と判定される領域の一例は、図１１に示される。
【００２５】
このようにすることで、悪路等の外乱にロバストな失火検出が実現できる。
【００２６】
第３の実施形態について説明する。
【００２７】
第３の実施形態における失火検出装置も、図１に示すように、内燃機関のクランク軸が一定角度回転するのに要する時間を計測する回転検出手段１と、回転所要時間を処理することで内燃機関の失火を検出する信号処理手段２に大きく分けられ、信号処理手段２の構成は図３で示されることは、第１の実施形態と同じである。
【００２８】
第３の実施形態では、図４に示した２つのフィルタを、別の見方をする。
【００２９】
車体が失火をきっかけとして残響振動しているときの回転所要時間の一例を図１２（ａ）に示す。同じ車体で同じエンジン回転数、同じエンジン負荷で走行している場合でも、図１２（ｂ）のように回転所要時間の形は同じままで、振幅が倍近くになるような場合もある。このときの図４（ａ）に示すフィルタの出力は図１３（ａ）（ｂ）のようになる。図１３（ａ）（ｂ）を同じ閾値で失火判定しようとすると、（ａ）の場合は丸い点線で囲んだ部分を失火が発生したと正しく認識できるが、（ｂ）の場合は、丸い点線で囲んだ部分に加えて、菱形の点線で囲んだ部分も失火が発生したと認識してしまい、これは正しくない認識である。丸い部分だけを失火が発生したと認識するために、例えば、図４のフィルタ２１，２２の比を出力するフィルタを考える。この比を出力するフィルタの出力は図１４のようになり、このフィルタの出力が一定範囲内に収まり、かつ図４（ａ）のフィルタの出力が閾値を越えたものを失火が発生したと認識することで正しい失火検出が行なえる。このとき、図４のフィルタ２１，２２の比を出力するフィルタは、フィルタへの入力の振幅に依存せずに、入力信号の周波数が失火を特徴づける周波数にどれだけ近いかを示す近さ（図１４）を出力するフィルタであると考えられる。また、図４（ａ）のフィルタは、フィルタへの入力の振幅を出力するフィルタであると考えられる。このように考えると、図３の２つのフィルタとしては、一つは入力信号の周波数が失火を特徴づける周波数にどれだけ近いかを示す指標を出力するフィルタと、一つは入力信号の振幅を出力するフィルタの組合せを用いることが可能で、この出力を組合わせることでロバストな失火検出ができるようになる。
【００３０】
また、入力信号の周波数が失火を特徴付ける周波数にどれだけ近いかを示す指標としては、図４のフィルタ２１，２２の比以外にも、図１０のフィルタ（ｂ）も考えられる。このフィルタも、入力の振幅に関係なく、入力信号の周波数が失火を特徴付ける周波数に近いときは０付近の値を出力する。
【００３１】
以上、第１〜第３の実施形態は、失火の有無を判定する失火検出装置であったが、これを拡張して、失火している気筒の特定まで行う失火検出装置を第４の実施形態として述べる。
【００３２】
本失火検出装置の構成は、図１と同じで、内燃機関のクランク軸が一定角度回転するのに要する時間を計測する回転検出手段１と、回転所要時間を処理することで内燃機関の失火を検出する信号処理手段２に大きく分けられる。
【００３３】
本失火検出装置における信号処理手段２の構成の一例を図１５に示す。信号処理手段２は、図３に示した信号処理手段２に加え、２つのフィルタの出力のうちのどちらかの過去数回分の値を記憶しておく出力メモリ２４と、判定手段２３が失火ありと判定したら、出力メモリ２４に記憶されたフィルタ出力の大小関係を比較し、フィルタ出力が極値となるときの爆発気筒を特定する大小関係比較手段２５と、極値となる爆発気筒から一定の回数を遡った気筒を失火気筒であると特定する失火気筒特定手段２６からなる。
【００３４】
フィルタの出力は、図１３に示されるような形になる。この波形のうち、失火と特定された極値での爆発気筒と、失火気筒の間隔は、一定の爆発回数であることが知られている。この間隔はフィルタの特性によって決まる。したがって、フィルタの出力を過去数回分出力メモリ２４に記憶しておき、この大小関係を大小関係比較手段２５で比較し、フィルタ出力が極値をとるときの爆発気筒を探索し、失火気筒特定手段２６では、極値をとるさいの爆発気筒から一定の爆発回数を遡った気筒を失火気筒であると特定する。
【００３５】
このようにすることで、悪路等の影響にロバストに失火を検出し、失火気筒を特定できる失火検出装置が実現できる。
【００３６】
以上で４つの実施形態について述べてきたが、ここでは、ある失火検出装置が本発明に該当するかどうかを検証する方法について述べる。
【００３７】
検証手段５は、失火検出装置に図１６のように接続される。駆動装置６は内燃機関のクランク軸３に接続され、様々なパターンのクランク軸３の動きを生成する。そのときに失火検出装置が出力する失火検出結果と、回転検出手段１が出力する回転所要時間を解析することで、失火検出装置が本発明に該当するかどうかを検証する。
【００３８】
検証手段５の構成を図１７を用いて説明する。検証手段５は、回転所要時間を過去Ｎ爆発分記憶しておく所要時間メモリ５１と、失火検出装置が出力する失火検出結果が失火のときに、所要時間メモリ５１に記憶されている所要時間のベクトルをＮ次元空間にプロットするプロット手段５２と、プロットされた所要時間のベクトルの分布の境界面を算出する境界面算出手段５３と、算出された境界面から、失火検出装置で用いたフィルタを算出するフィルタ逆解析手段５４からなる。
【００３９】
所要時間メモリ５１の個数Ｎは、フィルタの長さに相当する。フィルタの長さが未知の場合は、想定しうるフィルタの長さの上限値にしておいても良い。あるいは、Ｎを想定しうるフィルタの長さより小さめに設定しておいて、失火検出装置を検証し、本発明に該当すればそれ以上検証する必要はないし、本発明に該当しなければ、Ｎの値を増やして再度検証する。このことを繰り返し、Ｎが常識的なフィルタの範囲を超えてしまったら、その失火検出装置は本発明に該当しないと判断できる。
【００４０】
現在の回転所要時間をＴｉ，１爆発前の回転所要時間をＴｉ−１，…とする。現在から過去Ｎ爆発分の回転所要時間のベクトル
【００４１】
【数１】
2004124795.tif 000003
が所要時間メモリ５１に記憶されている。
【００４２】
プロット手段５２は、失火検出装置が出力する失火検出結果が失火のとき、所要時間メモリ５１に記憶されている回転所要時間のベクトルをＮ次元空間にプロットする。これを様々なパターンのクランク軸３の回転パターンについて行うことで、回転所要時間の分布がＮ次元空間に作成される。
【００４３】
境界面算出手段５３は、Ｎ次元空間に作成された失火時の回転所要時間のベクトルの分布の境界面を算出する。具体的なアルゴリズムは、凸包の求め方として知られており、例えば、Ｐｒｅｐａｒａｔａ，Ｆ．Ｐ．　ａｎｄ　Ｓｈａｍｏｓ，Ｍ．Ｉ．著’’Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　Ｇｅｏｍｅｔｒｙ’’（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ，１９８５）等に記載されている。失火検出装置が本発明を適用したものであれば、境界面は３つの平面から構成される。その式を
【００４４】
【数２】
2004124795.tif 000004
とおく。
【００４５】
フィルタ逆解析手段５４では、境界面算出手段にて求められた失火時の回転所要時間のベクトルの分布の境界面から、失火検出に用いたフィルタを算出する。
【００４６】
【数３】
2004124795.tif 000005
という変換を行うと、境界面の式α１，α２は、
【００４７】
【数４】
2004124795.tif 000006
と変換できる。微小な値δ＞０を用いて数４を以下の通り書きかえる。
【００４８】
【数５】
2004124795.tif 000007
これより、失火検出装置が失火と判断しているのは、２つのフィルタｂ＋δａとｂの出力の比が１付近の一定の範囲に収まったときであることがわかる。
【００４９】
あとは、２つのフィルタｂ＋δａとｂの周波数特性が図４のように失火に起因する周波数で同じ特性であることを示せれば、失火検出装置が本発明を適用していることになる。
【００５０】
【発明の効果】
上記のような構成の失火検出装置により、悪路等の外乱に対してロバストな失火の検出が可能となる。また、失火の発生している気筒も特定できる。失火が検出されたら運転中止や修理を実施することで、燃費の悪い状態での走行を避けることができ、また、未燃ガスを排出も回避でき、環境への悪影響も防げる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例にかかわる失火検出装置の構成図である。
【図２】リングギアの形状の一例である。
【図３】本発明の一実施例にかかわる信号処理手段の構成図である。
【図４】信号処理手段のフィルタの周波数特性の一例である。
【図５】判定手段が失火と判定する領域の一例である。
【図６】失火時の回転所要時間の一例である。
【図７】失火時の回転所要時間の周波数成分の強度である。
【図８】悪路走行時の回転所要時間の一例である。
【図９】悪路走行時の回転所要時間の周波数成分の強度である。
【図１０】信号処理手段のフィルタの周波数特性の一例である。
【図１１】判定手段が失火と判定する領域の一例である。
【図１２】失火が残響しているときの回転所要時間の一例である。
【図１３】失火が残響しているときのフィルタ出力の一例である。
【図１４】失火が残響しているときのフィルタ出力の比の一例である。
【図１５】本発明の一実施例にかかわる信号処理手段の構成図である。
【図１６】本発明を検証する手段の接続図である。
【図１７】本発明を検証する手段の構成図である。
【符号の説明】
１…回転検出手段、２…信号処理手段、３…クランク軸、４…気筒、５…検証手段、１１…リングギア、１２…磁気センサ、２１…フィルタ（ａ）、２２…フィルタ（ｂ）、２３…判定手段、２４…出力メモリ、２５…大小関係比較手段、２６…失火気筒特定手段、５１…所要時間メモリ、５２…プロット手段、５３…境界面算出手段、５４…フィルタ逆解析手段。
【図１】
2004124795.tif 000008
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004124795.tif 000012
【図６】
2004124795.tif 000013
【図７】
2004124795.tif 000014
【図８】
2004124795.tif 000015
【図９】
2004124795.tif 000016
【図１０】
2004124795.tif 000017
【図１１】
2004124795.tif 000018
【図１２】
2004124795.tif 000019
【図１３】
2004124795.tif 000020
【図１４】
2004124795.tif 000021
【図１５】
2004124795.tif 000022
【図１６】
2004124795.tif 000023
【図１７】
2004124795.tif 000024