(57)【要約】【課題】  内燃機関の燃焼室内における失火の有無をＢＴＤＣの区間とＡＴＤＣの区間との両方で演算することなく検出できるようにする。【解決手段】  ＥＣＵ３において、燃焼室６０１内の圧力をＰとし容積をＶとしκを定容比熱と定積比熱との比熱比として、圧力および容積で表される空間においてＰＶκ＝一定なる断熱状態のガスがしたがう所定の関係式で規定される特性線と、検出された圧力および容積に対応する前記空間上の点との位置関係に基づいて燃焼状態を判ずるようにする。ＡＴＤＣの区間のみのデータに基づく演算で足り、演算負荷を減じることができる。【選択図】        図１
2005320903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室内の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記燃焼室の容積を検出する容積検出手段と、
圧力をＰとし容積をＶとしκを定容比熱と定積比熱との比熱比として、圧力および容積で表される空間においてＰＶκ＝一定なる断熱状態のガスがしたがう所定の関係式で規定される特性線と、検出された圧力および容積に対応する前記空間上の点との位置関係に基づいて燃焼状態を判ずる燃焼状態判定手段とを具備することを特徴とする内燃機関の燃焼状態検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の内燃機関の燃焼状態検出装置において、前記空間のパラメータがｌｏｇＰおよびｌｏｇＶであり、前記特性線がＣを定数としてｌｏｇＰ＝Ｃ−κｌｏｇＶなる直線であり、前記燃焼状態判定手段は、検出された圧力と検出された容積とをそれぞれ対数に変換し、対数に変換された検出された圧力および容積が前記特性線上にあるか否かに基づいて判定するように設定した内燃機関の燃焼状態検出装置。
【請求項３】
請求項１または２いずれか記載の内燃機関の燃焼状態検出装置において、クランク角度を検出するクランク角度検出手段を具備せしめ、かつ、前記燃焼状態判定手段は、非燃焼状態となる予め設定したクランク角度のときの検出された圧力および容積に基づいて前記特性線を特定するように設定した内燃機関の燃焼状態検出装置。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の内燃機関の燃焼状態検出装置において、前記容積検出手段は、クランク角度を検出するクランク角度検出手段により構成して、検出されたクランク角度を容積に変換する内燃機関の燃焼状態検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の失火などの燃焼状態を検出する燃焼状態検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の制御は、内燃機関の実力を十二分に発揮すべく、また排気エミッションを低減すべく高度化しており、かかる高度な制御を実現する上で、内燃機関における混合気の燃焼状態の検出は、重要な技術となっている。すなわち、燃焼状態検出装置により知られた失火やノッキングの有無などが点火時期などの制御にフィードバックされて、燃焼状態が適正な状態に維持される。燃焼状態検出装置では、例えば燃焼室内の圧力を検出する圧力センサの検出信号に基づいて燃焼状態を判断する。
【０００３】
下記特許文献１には、圧縮ＴＤＣ前後の対称区間において燃焼室圧力をサンプリングし、ＢＴＤＣの区間における燃焼室圧力の積算値と、ＡＴＤＣの区間における燃焼室圧力の積算値との差分を求め，この差分を燃焼による圧力の上昇分とみなして、燃焼状態を判断するものが提案されている。
【特許文献１】特開平９−３２９０４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、前記特許文献１の技術は、燃焼室圧力を圧縮ＴＤＣの前後にわたって積算するとともに、ＢＴＤＣの区間における積算値を記憶（記録）する必要があり、演算負荷が大きい。また、完全失火には到らないものの失火とみなしてよい不完全燃焼の判断が難しい。
【０００５】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、演算負荷が小さく、しかも精密な燃焼状態の判断が可能な内燃機関の燃焼状態検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明では、内燃機関の燃焼状態検出装置を、内燃機関の燃焼室内の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記燃焼室の容積を検出する容積検出手段と、
圧力をＰとし容積をＶとしκを定容比熱と定積比熱との比熱比として、圧力および容積で表される空間においてＰＶκ＝一定なる断熱状態のガスがしたがう所定の関係式で規定される特性線と、検出された圧力および容積に対応する前記空間上の点との位置関係に基づいて燃焼状態を判ずる燃焼状態判定手段とを具備する構成とする。
【０００７】
燃焼が予定されるクランク角度の区間では燃焼室内は密閉空間であり、燃焼室壁面での熱の出入りがなく燃焼室内で燃料の燃焼による熱の発生がなく、かつ、ガスのモル数の増大がなければ、検出された圧力および容積に対応する前記空間上の点は、前記特性線上にのる。燃焼室において燃料が燃焼すると正常に大きな熱が発生し、検出された圧力および容積に対応する前記空間上の点は、前記特性線に対して圧力が高い方に現れる。逆に失火や燃焼規模がごく小さければ、検出された圧力および容積に対応する前記空間上の点は、前記特性線に対して圧力が低い方に現れる。したがって、検出された圧力および容積に対応する前記空間上の点との位置関係に基づいて燃焼状態を判ずることができる。ＢＴＤＣの期間における検出値を記憶したり積算演算をする必要がなく、演算負荷を軽減することができる。また、ＢＴＤＣの期間にノイズの発生などがあってもその影響を受けない。
【０００８】
さらに、実際の燃焼室内の状態が比較される相手が断熱過程という熱力学的な意味を持つ特性線であるから、より精密に燃焼状態が知られる。
【０００９】
しかも、圧縮行程においてプレイグニッションが発生すれば、検出された圧力および容積に対応する前記空間上の点は、前記特性線に対して圧力が高い方に現れる。また、吸排気バルブなどにおいてガスのリークがあれば、検出された圧力および容積に対応する前記空間上の点は、前記特性線に対して圧力が低い方に現れる。したがって、検出された圧力および容積に対応する前記空間上の点との位置関係に基づいて異常の発生の有無を判ずることができる。
【００１０】
請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成において、前記空間のパラメータがｌｏｇＰおよびｌｏｇＶであり、前記特性線がＣを定数としてｌｏｇＰ＝Ｃ−κｌｏｇＶなる直線であり、前記燃焼状態判定手段は、検出された圧力と検出された容積とをそれぞれ対数に変換し、対数に変換された検出された圧力および容積が前記特性線上にあるか否かに基づいて判定するように設定する。
【００１１】
特性線が単純な関数形となり、演算負荷を軽減することができる。
【００１２】
請求項３記載の発明では、請求項１または２の発明の構成において、クランク角度を検出するクランク角度検出手段を具備せしめ、かつ、前記燃焼状態判定手段は、非燃焼状態となる予め設定したクランク角度のときの検出された圧力および容積に基づいて前記特性線を特定するように設定する。
【００１３】
非燃焼状態のときの燃焼室圧力および燃焼室容積に基づいて特性線を特定することで、内燃機関の運転状態などに基因した特性線の変動を吸収してより高精度な運転状態検出を行うことができる。
【００１４】
請求項４記載の発明では、請求項１ないし３の発明の構成において、前記容積検出手段は、クランク角度を検出するクランク角度検出手段により構成して、検出されたクランク角度を容積に変換するものとする。
【００１５】
クランク角度と燃焼室の容積とは対応しているから、クランク角度から燃焼室の容積が換算できる。クランク角度は通常の内燃機関の制御において必須のパラメータである。したがって、別途、容積を検出する手段を設ける必要がなく、簡単な構成とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の内燃機関の燃焼状態検出装置を図１に示す。内燃機関の燃焼室６０１の天井部を構成するシリンダヘッド６には、これを貫通して点火プラグ７のほか、圧力検出手段である圧力センサ１が設けてあり、その出力値は、シリンダヘッド６と図示しないピストンとで挟まれた燃焼室６０１内の圧力（以下，適宜、燃焼室圧力という）の変化速度に応じたものとなる。圧力センサ１の出力信号を受けて信号処理手段である信号処理回路２が設けてある。
【００１７】
信号処理回路２の出力信号はエンジンコントロールユニット（以下，適宜、ＥＣＵという）３に入力するようになっている。ＥＣＵ３は、例えば、マイクロコンピュータを中心に構成され、前記圧力センサ１やクランク角度検出手段であるクランク角センサ４を含む種々の内燃機関の運転状態の検出用のセンサからの信号に基づいて燃料噴射や前記点火プラグ７の点火の制御を行う。異常時にはその旨を表示器５に表示する。表示器５はＬＥＤや液晶表示パネルなどが用いられ得る。ＥＣＵ３における制御は、所定周期ごとに燃焼室圧力、クランク角度などの内燃機関各部の状態信号をサンプリングし、そのサンプリング値に基づいてなされる。サンプリングはあるいは所定クランク角度間隔ごとにされる。
【００１８】
図２は燃焼状態判定手段としてのＥＣＵ３における燃焼状態の判定処理アルゴリズムを示すもので，ステップＳ１では、クランク角度（図中、回転角）を検出する。ステップＳ２では圧力センサ１の出力信号に点火時のノイズがのるおそれのあるクランク角度を過ぎているか否かを判定する。点火のための作動のタイミングはＥＣＵ３における制御から知られるから、点火時のノイズがのるおそれのあるクランク角度を過ぎているか否かの判定は、所定のクランク角度になったか否かにより行う。所定のクランク角度は、圧縮ＴＤＣの近傍で非燃焼状態となっている蓋然性の高いクランク角度、例えば圧縮ＴＤＣよりもやや進角側のクランク角度に設定される。クランク角度が所定のクランク角度になった時が燃焼状態の計測開始タイミングである（以下，適宜、該タイミングを演算開始タイミングともいう）。
【００１９】
ステップＳ１が否定判断されるとステップＳ１に戻り、ステップＳ１，Ｓ２が繰り返される。ステップＳ２が肯定判断されると、ステップＳ３に進む。
【００２０】
ステップＳ３では、燃焼室圧力Ｐをサンプリングし、これをＴＤＣ燃焼室圧力Ｐ0とする。なお、適宜、ＰをＰnと表すが、このときの添え字ｎ（＝０，１，２，・・・）はＴＤＣ燃焼室圧力Ｐ0のサンプリング（ステップＳ２）を１回目としてカウントされたサンプリングの回数を特定する変数である。
【００２１】
続くステップＳ４では、ステップＳ１と同様にクランク角度を検出する。ステップＳ５では、計測終了タイミングか否かを判定する（以下，適宜、該タイミングを演算終了タイミングともいう）。計測終了タイミングはクランク角度がＡＴＤＣにおける所定のクランク角度になると当該タイミングであるとする。ステップＳ４で検出された回転角が前記所定の回転角に達しておらずステップＳ５が否定判断されるとステップＳ６に進む。ステップＳ５が肯定判断された場合については後述する。
【００２２】
ステップＳ６では燃焼室容積Ｖを演算し、燃焼室容積Ｖnとする。演算はステップＳ４で検出されたクランク角度に基づいて、クランク角度に対して燃焼室容積を対応させるマップや関数式にしたがって行う。燃焼室容積は内燃機関のシリンダ内を上下するピストンの位置により実質的に一義的に決まるので，前記マップや関数式は容易に求めることができる。
【００２３】
ステップＳ７では、燃焼室圧力Ｐを計測し、燃焼室容積Ｖnのときの燃焼室圧力Ｐn とする。すなわち、ステップＳ４のクランク角度とステップＳ７の燃焼室圧力とが実質的に同タイミングでサンプリングされるように、クランク角度の燃焼室圧力のサンプリングと同期してなされるようになっている。
【００２４】
ステップＳ８では、燃焼室圧力Ｐn、燃焼室容積Ｖnをそれぞれ対数に変換する。底数は予め適宜、設定する。
【００２５】
ステップＳ９では、燃焼室圧力Ｐ0、燃焼室容積Ｖnに基づいて断熱時圧力Ｐanを式（１）にしたがって演算する。演算では対数値にて求める。式中、Ｖ0はＴＤＣ燃焼室圧力Ｐ0が検出されたときの燃焼室容積Ｖであり、ステップＳ１の説明における所定のクランク角度のときの燃焼室容積である。予めＥＣＵ３のＲＯＭに記憶されている。
ｌｏｇ（Ｐan）＝ｌｏｇ（Ｐ0）−κ×ｌｏｇ（Ｖn／Ｖ0）・・・（１）
【００２６】
ステップＳ１０では、ステップＳ７で計測された燃焼室圧力ＰnとステップＳ９で演算された断熱時圧力Ｐanとの差分を積算する（式（２））。式（２）中、Ｄn，Ｄn-1は前記差分の積算値であり、Ｄnが今回の積算値で、Ｄn-1が前回の積算値を表している。
Ｄn＝Ｄn-1＋（ｌｏｇ（Ｐn）−ｌｏｇ（Ｐan））・・・（２）
【００２７】
ステップＳ１１では、積算値Ｄnを２つの基準値Ｃ1，Ｃ2と比較し、Ｄnが基準値Ｃ1，Ｃ2を境界とする数値範囲のどこにあるかを判定する。なお、Ｃ1＞Ｃ2、Ｃ2＜０である。
【００２８】
積算値ＤnがＣ1以上であれば、ステップＳ１２で「燃焼」と判定し、ステップＳ１に戻る。積算値ＤnがＣ2以下であれば「失火」と判定し、ステップＳ１に戻る。「失火」と判定された場合には表示器５を作動して乗員に異常があることを報知する。また、Ｃ2＜Ｄn＜Ｃ1であれば、ステップＳ４に戻り、ステップＳ４以降の処理が繰り返される。
【００２９】
ステップＳ４以降の処理が繰り返されて計測終了タイミングになり、ステップＳ５が肯定判断されると、ステップＳ１４で「燃焼」と判定し、ステップＳ１に戻る。この場合は、積算値Ｄnが、Ｃ2＜Ｄn＜Ｃ1のまま計測終了タイミングになった場合である。
【００３０】
本運転状態検出装置は以上のように構成されており、次の作用を奏する。図３（Ａ）は圧縮ＴＤＣ前後におけるクランク角度に対する燃焼室圧力Ｐの変化を示すものである。前記フローチャートより知られるように、燃焼状態を判断するための燃焼室圧力Ｐは、点火ノイズがのるおそれのあるクランク角度を過ぎてからのデータのみで判断される。また、前記のごとくクランク角度と燃焼室容積Ｖとは対応しているので、燃焼室６０１内のガスの状態を、燃焼室圧力Ｐおよび燃焼室容積Ｖの二次元空間上に表すことができる。クランク角度が変化するに応じて燃焼室６０１内のガスの状態が前記二次元空間上で所定の線上を辿っていく。ここで、燃焼室６０１内のガスが辿る線を考える。燃焼室６０１の壁面での熱の出入りや燃焼による熱の発生、また、燃焼によるガスのモル数の変化がない状態で燃焼室容積Ｖが変化したとすると、前記ガスは断熱変化の式（３）にしたがう。式（３）中、κは前記ガスの定容比熱と定積比熱との比熱比である。
ＰＶκ＝一定・・・（３）
【００３１】
式（３）において対数をとると式（４）となる。式中、Ｃは定数である。図３（Ｂ）に示すように、特性線は直線（以下，適宜、傾き−κの直線という）となる。
ｌｏｇＰ＝Ｃ−κ×ｌｏｇＶ・・・（４）
【００３２】
傾き−κの直線は演算開始時の状態（Ｐ0，Ｖ0）を通るから、式（４）は式（５）となる。
ｌｏｇＰ＝ｌｏｇＰ0−κ×ｌｏｇ（Ｖ／Ｖ0）・・・（５）
【００３３】
本実施形態では、点火ノイズがのるおそれがあるクランク角度よりも後のクランク角度からデータが取込まれるが、燃焼室圧力Ｐ0が検出されるクランク角度がＢＴＤＣの区間にあれば、ｌｏｇＶ−ｌｏｇＰ空間における点は、傾き−κの直線上を、燃焼室容積Ｖが最小となる点（圧縮ＴＤＣに対応した点）に向かい、反転して燃焼室容積Ｖが増大する。
【００３４】
これに対して燃焼による熱発生などで燃焼室６０１内のガスの熱収支が０でなくなると、傾き−κの直線から離れることになる。燃焼による熱発生があれば傾き−κの直線よりも燃焼室圧力Ｐが大きい側にシフトし、燃焼室６０１の壁面からの吸熱により熱損失が大きければ傾き−κの直線よりも燃焼室圧力Ｐが小さい側にシフトする。本発明はかかる、燃焼室６０１内のガスが断熱過程を辿るときにしたがう傾き−κの直線を基準として燃焼状態を判断するものである。具体的には、ガスが断熱過程を辿っているとしたときの燃焼室圧力（断熱時圧力）Ｐaを式（５）にしたがって演算し（ステップＳ９）、実際の燃焼室圧力Ｐと断熱時圧力Ｐとの差分の積算値Ｄnを求め（ステップＳ１０）、その積算値Ｄnを基準値Ｃ1，Ｃ2と比較することで、燃焼状態を判定する（ステップＳ１１〜Ｓ１４）。
【００３５】
判定（ステップＳ１１〜Ｓ１４）では、基本的には、積算値Ｄnが正側に大きくなれば、燃焼状態であり、負側に大きくなれば失火である。また、計測終了期間に到るも失火と判定し得る程度には積算値Ｄnが低下しなかった場合には、燃焼による発熱が余り大きくはないが発熱と熱損失による吸熱とが拮抗しているものと認められるので、燃焼と判断する。これは緩い下り坂を走行して内燃機関としては仕事もしておらず、ブレーキにもなっていない走行状態が想定される。
【００３６】
ＢＴＤＣの区間において実質的に計測を行うことなくＡＴＤＣの区間における計測だけで失火の有無が検出できるので、演算負荷が小さい。
【００３７】
なお、燃焼室圧力Ｐは絶対圧で検出値が与えられる必要があるが、圧力センサ１は必ずしも絶対圧検出可能である必要はない。すなわち、大気圧との相対圧を検出する一般的な圧力センサを用いて大気圧分を上乗せして燃焼室圧力Ｐとすればよい。この場合、次のように必要な精度を十分に確保することができる。すなわち、燃焼室６０１内が大気圧になる排気行程中に圧力センサの出力値をサンプリングし、そのサンプリング値により校正しておく。なお、このタイミングは、排気バルブのリフトが最大となる排気ＴＤＣ前約９０°ＣＡ後から、ピストン速度が最も速くなり吸気バルブと排気バルブとのいずれもが開いている排気ＴＤＣ付近までが望ましい。
【００３８】
なお、演算開始点（Ｐ0，Ｖ0）を通る断熱線をそのときの燃焼状態の判定用の断熱線とすることで、運転状態によって断熱線が変動しても、正確に失火の有無を判断することができる。
【００３９】
また、本発明は失火の有無だけではなく、プレイグニッションのような異常燃焼をも検出することができる。図４（Ａ）に示すように、プレイグニッションによりＢＴＤＣの区間において、正常時に対して燃焼室圧力が増大する。また、正常時に対して燃焼室圧力が低い側となるのは吸排気バルブのシート部などにおける硬質のデポジットなどの異物の噛込みなどで燃焼室内のガスが漏れている場合である。
【００４０】
図４（Ｂ）は、ｌｏｇＶ−ｌｏｇＰ空間において燃焼室内のガスが辿る特性線で、熱の出入りがなければ、傾き−κの線となる。演算区間がＢＴＤＣであるから、演算開始点（Ｐ0，Ｖ0）は、燃焼室容積Ｖ0が大きく、燃焼室圧力Ｐ0が低い状態であり、断熱時には前記傾き−κの線上を辿る。そして、プレイグニッションが発生すると、燃焼による発熱で燃焼室圧力Ｐが傾き−κの線よりも高い値をとる。逆に、バルブもれがあると、燃焼室内のガス量が減少するので、燃焼室圧力Ｐが傾き−κの線よりも低い値をとる。
【００４１】
したがって、燃焼室圧力Ｐおよび燃焼室容積Ｖの検出はＢＴＤＣの区間で行い、検出された燃焼室圧力Ｐと断熱時燃焼室圧力Ｐaとの差の積算値Ｄを基準値と比較することで、別のモードの燃焼状態を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の内燃機関の燃焼状態検出装置の構成図である。
【図２】前記燃焼状態検出装置のＥＣＵで実行される制御内容を示すフローチャートである。
【図３】（Ａ）はクランク角度に対する燃焼室圧力の変化波形を示すグラフであり、（Ｂ）は内燃機関の燃焼室内のガスの状態を示すグラフである。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ前記燃焼状態検出装置の変形例を説明するための図で、（Ａ）はクランク角度に対する燃焼室圧力の変化波形を示す別のグラフであり、（Ｂ）は内燃機関の燃焼室内のガスの状態を示す別のグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１  圧力センサ（圧力検出手段）
３  ＥＣＵ（燃焼状態判定手段）
４  クランク角センサ（クランク角度検出手段、容積検出手段）
６０１  燃焼室
【図１】
2005320903.tif 000003
【図２】
2005320903.tif 000004
【図３】
2005320903.tif 000005
【図４】
2005320903.tif 000006