(57)【要約】【課題】この発明は、最小限のセンサ数で筒内圧センサの異常を検出することのできる筒内圧センサの異常判定装置を提供することを目的とする。【解決手段】内燃機関の筒内の圧力を検出する筒内圧センサを備え、前記筒内圧センサにより検出された筒内圧をＰ、その検出時における筒内容積をＶ、前記筒内のガスの比熱比をκとした場合のＰＶκ値を算出する。前記筒内で燃焼を発生させずに断熱圧縮膨張がなされるクランク角期間における前記ＰＶκ値の変動幅を算出する。前記変動幅が閾値よりも大きい場合に前記筒内圧センサに異常が発生していると判定する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の筒内の圧力を検出する筒内圧センサと、
前記筒内圧センサにより検出された筒内圧をＰ、その検出時における筒内容積をＶ、前記筒内のガスの比熱比をκとした場合のＰＶκ値を算出する発熱量相当値算出手段と、
前記筒内で燃焼を発生させずに断熱圧縮膨張がなされるクランク角期間における前記ＰＶκ値の変動幅を算出する変動幅算出手段と、
前記変動幅が閾値よりも大きい場合に、前記筒内圧センサに異常が発生していると判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする筒内圧センサの異常判定装置。
【請求項２】
前記変動幅は、１サイクル中の前記クランク角期間における前記ＰＶκ値の最大値と最小値との偏差であること、を特徴とする請求項１記載の筒内圧センサの異常判定装置。
【請求項３】
前記クランク角期間は、燃料カット中において断熱圧縮膨張がなされる期間であること、を特徴とする請求項１又は２記載の筒内圧センサの異常判定装置。
【請求項４】
前記クランク角期間は、１サイクル中の圧縮行程における吸気バルブ閉じ時期から点火時期までの期間であること、を特徴とする請求項１又は２記載の筒内圧センサの異常判定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、筒内圧センサの異常判定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に開示されるように、筒内圧センサを備えた内燃機関が知られている。筒内圧センサは筒内の燃焼状態を直接的に検知することができるセンサであり、その検出値に基づいた機関制御により、燃費やエミッションの向上を図ることができる。このように筒内圧センサは重要なセンサであるため、異常が発生した場合にはその異常を検出できることが求められる。
【０００３】
特許文献１には、筒内圧センサの異常判定装置が開示されている。この異常検出装置は、吸気行程中の所定の１点における筒内圧センサ検出値と、当該吸気行程中の所定の１点に対応した時点における吸気圧センサ検出値と、圧縮行程又は膨張行程中の少なくとも所定の２点における筒内圧センサ検出値及び筒内容積とから計算される筒内圧センサ感度推定位置に基づいてセンサ異常を判定するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−０４０２０７号公報
【特許文献２】特開２０１０−１２７１０２号公報
【特許文献３】特開２０１０−１２７１７２号公報
【特許文献４】特開２００９−２０３９００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の異常判定装置では、筒内圧センサの異常判定のために吸気圧センサなどの他センサを必要とする。センサ数が増えればコストアップとなる。そのためより少ないセンサ数で異常を検出できることが望まれる。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、最小限のセンサ数で筒内圧センサの異常を検出することのできる筒内圧センサの異常判定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】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、筒内圧センサの異常判定装置であって、
内燃機関の筒内の圧力を検出する筒内圧センサと、
前記筒内圧センサにより検出された筒内圧をＰ、その検出時における筒内容積をＶ、前記筒内のガスの比熱比をκとした場合のＰＶκ値を算出する発熱量相当値算出手段と、
前記筒内で燃焼を発生させずに断熱圧縮膨張がなされるクランク角期間における前記ＰＶκ値の変動幅を算出する変動幅算出手段と、
前記変動幅が閾値よりも大きい場合に、前記筒内圧センサに異常が発生していると判定する判定手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記変動幅は、１サイクル中の前記クランク角期間における前記ＰＶκ値の最大値と最小値との偏差であることを特徴とする。
【０００９】
また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記クランク角期間は、燃料カット中において断熱圧縮膨張がなされる期間であることを特徴とする。
【００１０】
また、第４の発明は、第１又は第２の発明において、
前記クランク角期間は、１サイクル中の圧縮行程における吸気バルブ閉じ時期から点火時期までの期間であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
第１又は第２の発明によれば、筒内で燃焼を発生させずに断熱圧縮膨張がなされるクランク角期間におけるＰＶκ値の変動幅を算出し、この変動幅が閾値よりも大きい場合に筒内圧センサに異常が発生していると判定する。そのため、本発明によれば、最小限のセンサ数で筒内圧センサの異常を検出することができる。
【００１２】
第３の発明によれば、燃料カット中において断熱圧縮膨張がなされるクランク角期間におけるＰＶκ値の変動幅を算出することができる。そのため、本発明によれば、広いクランク角期間でＰＶκ値の変動幅を算出することができ、異常判定の精度を向上させることができる。
【００１３】
第４の発明によれば、吸気バルブ閉じ時期から点火時期までのクランク角期間におけるＰＶκ値の変動幅を算出することができる。そのため、本発明によれば、機関運転中の気筒についても燃焼発生前までの変動幅を算出することができ、筒内圧センサの異常を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための概略構成図である。
【図２Ａ】筒内圧センサ３８が正常に機能している場合のセンサ特性を示す図である。
【図２Ｂ】異常時（直線性悪化時）における筒内圧センサ３８のセンサ特性を示す図である。
【図２Ｃ】異常時（ヒステリシス発生時）における筒内圧センサ３８のセンサ特性を示す図である。
【図３】燃料カット（Ｆ／Ｃ）中に筒内のガスを断熱圧縮膨張させた場合の筒内圧波形を表した図である。
【図４】燃料カット中に断熱圧縮膨張がなされるクランク角期間におけるＰＶκ値の変動を表した図である。
【図５】本発明の実施の形態１において、ＥＣＵ５０が実行する判定ルーチンのフローチャートである。
【図６】筒内圧センサ３８による筒内圧の検出範囲について、燃料カット（アイドル中）時の検出範囲と、機関始動時の検出範囲との違いを説明するための図である。
【図７】機関運転中の筒内圧波形（上図）とＰＶκ値の変動（下図）とをクランク角毎に表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１６】
実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための概略構成図である。図１に示すシステムは、内燃機関（以下、単にエンジンという。）１０を備えている。図１に示すエンジン１０は、火花点火式の４ストロークエンジンである。燃料には、ガソリン、アルコール又はこれらの混合燃料等が用いられる。図１には、１つの気筒のみ描かれているが、本発明において気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではない。
【００１７】
エンジン１０の気筒内には、その内部を往復運動するピストン１２が設けられている。また、エンジン１０は、シリンダヘッド１４を備えている。気筒内壁とピストン１２の冠面とシリンダヘッド１４の下面とで囲まれた空間によって、燃焼室１６が形成されている。燃焼室１６には、吸気通路１８及び排気通路２０が連通している。吸気通路１８の下流端には、吸気通路１８と燃焼室１６との間を開閉する吸気バルブ２２が設けられている。排気通路２０の上流端には、排気通路２０と燃焼室１６との間を開閉する排気バルブ２４が設けられている。
【００１８】
吸気通路１８の上流部には、エアクリーナ２６が取り付けられている。エアクリーナ２６の下流には、電子制御式のスロットルバルブ３０が設けられている。また、排気通路２０の途中には、排気ガスを浄化するための触媒３２が配置されている。触媒３２には、例えば三元触媒が用いられる。
【００１９】
シリンダヘッド１４には、燃焼室１６の頂部から燃焼室１６内に突出するように点火プラグ３４が取り付けられている。また、シリンダヘッド１４には、燃料を筒内に噴射するための燃料噴射弁３６が取り付けられている。更に、シリンダヘッド１４には、筒内の圧力を検出するための筒内圧センサ３８が取り付けられている。
【００２０】
また、本実施形態のシステムには、吸気バルブ２２及び排気バルブ２４の近傍にその開閉弁特性を制御する動弁機構４０、４２が設けられている。動弁機構４０、４２は、電気的又は機械的制御により吸気バルブ２２及び排気バルブ２４を任意に閉弁状態とすることができる弁停止機構を有するものである。一例として、動弁機構４０、４２には特開２００９−２０３９００号公報の弁停止機構が用いられる。この弁停止機構自体は、本発明の本質的部分ではなく、また公知の内容であるため、ここではその詳細な説明は省略することとする。
【００２１】
本実施形態のシステムはＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の入力部には、上述の筒内圧センサ３８の他、エンジン１０には、クランク軸の回転角（以下、クランク角という。）を検出するためのクランク角センサ５２等の各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ５０の出力部には、上述のスロットルバルブ３０、点火プラグ３４、燃料噴射弁３６、動弁機構４０、４２等の各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、各種センサからの入力情報に基づいて所定のプログラムを実行し、各種アクチュエータを作動させることにより、エンジン１０の運転状態を制御する。
【００２２】
以上のような本実施形態のシステムにおいて、筒内圧センサ３８は、筒内の燃焼状態を直接的に検知することができる。筒内圧センサ３８は、その検出値に基づいた機関制御により、燃費やエミッションの向上を図ることができる重要なセンサである。また、従来の様々なセンサに代替するものとしても期待されている。このように重要な筒内圧センサ３８のセンサ特性に、経年変化等による異常が生じた場合には、適切にその異常検出がなされることが望まれる。
【００２３】
図２Ａ〜図２Ｃを用いて、正常時及び異常時における筒内圧センサ３８のセンサ特性について説明する。図２Ａは、筒内圧センサ３８が正常に機能している場合のセンサ特性を示す図である。正常時においては、全域において筒内圧の実値（横軸）とセンサ出力値（縦軸）とが一致し、その直線性が保たれている。
【００２４】
これに対し、図２Ｂは、異常時（直線性悪化時）における筒内圧センサ３８のセンサ特性を示す図である。図２Ｂに示す例では、高圧域においてセンサ出力値（縦軸）が実値（横軸）よりも大きく出力されるというセンサ特性のゆがみが生じている。また、図２Ｃは、異常時（ヒステリシス発生時）における筒内圧センサ３８のセンサ特性を示す図である。図２Ｃに示す例では、筒内圧の実値（横軸）が高くなる過程と低くなる過程とにおいて、センサ出力値（縦軸）が異なるというセンサ特性のゆがみが生じている。
【００２５】
このようなセンサ特性のゆがみを筒内圧波形から検出することは難しい。図３は、燃料カット（Ｆ／Ｃ）中に筒内のガスを断熱圧縮膨張させた場合の筒内圧波形を表した図である。図３には、正常時（実線６０）、直線性悪化時（実線６２）、ヒステリシス発生時（実線６４）それぞれの筒内圧センサ出力がクランク角毎に表されている。
【００２６】
図３に表されるように、直線性悪化時（実線６２）には、筒内圧センサ出力のピーク値が大きくなる。しかし、筒内空気量が増えた場合には、燃焼した場合と区別がつかない。また、ヒステリシス発生時（実線６４）には、ピーク値が圧縮上死点（ＴＤＣ）からずれるが、燃焼した場合と区別がつかない。そのため、筒内圧波形からセンサ特性のゆがみを検出することは難しい。また、センサ特性のゆがみを検出するために吸気圧センサ等の従来のセンサを追加するのでは、コストが増大し、従来のセンサ機能を代替するメリットが損なわれるため望ましくない。
【００２７】
［実施の形態１における特徴的処理］
このような課題を解決する本実施形態のシステムの特徴的処理について図４〜図６を用いて説明する。図４は、燃料カット中に断熱圧縮膨張がなされるクランク角期間におけるＰＶκ値の変動を表した図である。ここで、Ｐは筒内圧センサ３８により検出された筒内圧、Ｖは筒内圧Ｐの検出時における筒内容積、κは筒内のガスの比熱比である。
【００２８】
燃料カット中は、１サイクル中に筒内で燃焼を発生させることはなく、断熱圧縮膨張がなされ、比熱比κの変化もない。そのため、筒内圧センサ３８が正常に機能している場合には「ＰＶκ値＝一定」の関係式が成立する。この場合、１サイクル毎に筒内空気量が異なればＰＶκ値自体はサイクル間で異なることとなるが、１サイクル中に断熱圧縮膨張がなされるクランク角期間において「ＰＶκ値＝一定」となる関係は成立する。すなわち、センサ特性にゆがみがない正常時であれば（図２Ａ）、筒内空気量に関係なくＰＶκ値は殆ど変動しないこととなる。
【００２９】
一方、センサ特性にゆがみが生じている場合（図２Ｂ、図２Ｃ）には、ＰＶκ値の変動幅は正常時に比べて大きなものとなる。そのため、ＰＶκ値の変動幅が正常時に比して大きい場合には、筒内圧センサ３８に異常が発生していると判定することができる。このように、ＰＶκ値の変動幅に着目することで、筒内空気量の影響を受けずにセンサの正常・異常を判定することができる。
【００３０】
（判定ルーチン）
図５は、上述の判定処理を実現するために、ＥＣＵ５０が実行する判定ルーチンのフローチャートである。この判定ルーチンでは、まず、所定の気筒が、１サイクル中に筒内で燃焼を発生させずに断熱圧縮膨張がなされる状態にあるか否かが判定される（ステップＳ１００）。例えば、燃料カット中に動弁機構４０、４２により吸気バルブ２２と排気バルブ２４とが閉じられた状態が該当する。他のルーチンで燃料カット実行命令がなされ、ＥＣＵ５０が動弁機構４０、４２を制御し、吸気バルブ２２と排気バルブ２４とを閉じた状態にしたことを判定することで、ステップ１００の条件が成立することを判定することができる。
【００３１】
ステップＳ１００の条件が成立する場合には、次に、１サイクル中で断熱圧縮膨張がなされるクランク角期間において、筒内圧Ｐとそのクランク角とが関連付けられて記憶される（ステップＳ１１０）。具体的には、燃料カット中の吸気バルブの閉じ時期（ＩＶＣ）から排気バルブの開き時期（ＥＶＯ）までのクランク角期間において、筒内圧Ｐとそのクランク角とを関連付けたデータが逐次ＥＣＵ５０に記憶される。
【００３２】
次に、記憶された各データからＰＶκ値の最大値と最小値とが算出される（ステップＳ１２０）。ＥＣＵ５０には、クランク角毎に筒内容積Ｖを定めたマップが予め記憶されており、このマップからクランク角に応じた筒内容積Ｖが取得される。比熱比κには、筒内のガス（空気）に応じた値が予め設定され、燃料カット中は一定である。
【００３３】
続いて、ＰＶκ値の変動幅、すなわちＰＶκ値の最大値と最小値との偏差が閾値よりも大きいか否かが判定される（ステップＳ１３０）。閾値は、実験等に基づいて予め定められた値であり、センサ特性にゆがみがない正常時におけるＰＶκ値の変動幅である。ＰＶκ値の変動幅である偏差が閾値以下であると判定された場合には、ＰＶκ値の変動幅は正常範囲内であり、筒内圧センサ３８のセンサ特性にゆがみはないと判断できる。この場合、筒内圧センサ３８は正常に機能していると判定される（ステップＳ１４０）。
【００３４】
一方、偏差が閾値よりも大きいと判定された場合は、ＰＶκ値の変動幅は正常範囲を逸脱しており、筒内圧センサ３８のセンサ特性にゆがみが生じていると判断できる。この場合、筒内圧センサ３８に異常が発生していると判定される（ステップＳ１５０）。
【００３５】
以上説明したように、図５に示すルーチンによれば、筒内圧センサ３８の異常判定処理を、筒内圧センサ３８とクランク角センサ５２という最小限のセンサ数で実現することができる。また、ＰＶκ値の変動幅に着目することで、筒内空気量の影響を受けずにセンサの正常・異常を判定することができる。加えて、燃焼を発生させない場合であることを条件とするため、燃焼後の比熱比や燃焼完了時期といった必ずしも正確に予測しえない要素を排除した期間内で異常判定処理を実行することができる。
【００３６】
ところで、上述した実施の形態１のシステムにおいては、１サイクル中に筒内で燃焼を発生させずに断熱圧縮膨張がなされる状態にあるか否かの判定（ステップ１００）において、燃料カット中であることを条件としているが、これに限られるものではない。例えば、セルスタータによる点火前の機関始動時期であっても良い。セル始動時の筒内空気量は、燃料カット時に比して大きい（図６）。そのため、筒内圧センサ３８は、より広い範囲で筒内圧を検出することができる。その結果、高圧域で生じているセンサ特性のゆがみを好適に検出することが可能となる。
【００３７】
また、上述した実施の形態１のシステムにおいては、ＰＶκ値の変動幅をクランク角期間の最大値と最小値との偏差としているが、これに限られるものではない。より計算量を低減するために、ＰＶκ値の基準値として、筒内圧センサ３８のオフセット補正値計算区間において得られる値としてもよい。オフセット補正値計算区間は、圧縮行程の吸気バルブの閉じ時期（ＩＶＣ）から圧縮行程初期の所定クランク角までの区間である（図４）。センサのオフセット補正がなされれば、低域側におけるセンサ特性のゆがみは小さいものと考えられる。そのため、この区間で得られた値を基準値とする。そして、その後の断熱圧縮膨張行程において得られたＰＶκ値との変動幅が正常時の変動幅（閾値）よりも大きい場合に、筒内圧センサ３８に異常が発生していると判定することとしてもよい。なお、この点は以下の実施の形態でも同様である。
【００３８】
また、上述した実施の形態１のシステムにおいては、発熱量相当値としてＰＶκ値を用い、断熱圧縮膨張中において「ＰＶκ値＝一定」となる関係を利用しているが、これに限られるものではない。筒内圧センサ出力に基づいて発熱量を算出し、「断熱圧縮膨張中の発熱量＝０」となる関係を利用して、発熱量の変動幅が正常時の変動幅（閾値）よりも大きい場合に、筒内圧センサ３８に異常が発生していると判定することとしてもよい。なお、この点は以下の実施の形態でも同様である。
【００３９】
また、本発明が適用されるエンジンは、上述の実施の形態のような筒内直噴エンジンには限定されない。ポート噴射式のエンジンにも本発明の適用は可能である。また、火花点火式のエンジンに限らず、圧縮自着火式のエンジンにも本発明を適用することができる。なお、この点は以下の実施の形態でも同様である。
【００４０】
尚、上述した実施の形態１においては、筒内圧センサ３８が前記第１の発明における「筒内圧センサ」に相当している。また、ここでは、ＥＣＵ５０が、上記ステップＳ１２０の処理を実行することにより前記第１の発明における「発熱量相当値算出手段」が、上記ステップＳ１３０の処理を実行することにより前記第１の発明における「変動幅算出手段」が、上記ステップＳ１５０の処理を実行することにより前記第１の発明における「判定手段」が、それぞれ実現されている。更に、実施の形態１においては、上記ステップ１１０におけるクランク角期間が前記第１又は第３の発明における「クランク角期間」に、上記ステップ１３０におけるＰＶκ値の変動幅が、前記第２の発明における「変動幅」に、それぞれ対応している。
【００４１】
実施の形態２．
次に、図７を参照して本発明の実施の形態２について説明する。上述した実施の形態１では、燃料カット中に断熱圧縮膨張がなされるクランク角期間において、筒内圧センサ３８の異常判定を実施することとしている。ところで、機関運転中の気筒においても、筒内圧センサ３８の異常を検出できることが望まれる。
【００４２】
図７は、機関運転中の筒内圧波形（上図）とＰＶκ値の変動（下図）とをクランク角毎に表した図である。図７の下図に示すように、点火前の断熱圧縮膨張行程においては、実施の形態１と同様に「ＰＶκ値＝一定」の関係が成立する。そこで、本実施の形態では、１サイクル中の圧縮行程における吸気バルブ２２閉じ時期から点火時期までの期間をクランク角期間とし、筒内圧センサ３８の異常を検出することとした。
【００４３】
本実施形態のシステムは、図１に示す構成と同様の構成において、図５と略同様の判定ルーチンを用いることで実現することができる。実施の形態１において説明した図５の判定ルーチンと異なる点は２点である。第１点は、ステップ１００における判定条件に燃料カット中であることを含めない点である。すなわち、１サイクル中で燃焼が行われる機関運転中であっても判定条件は成立する。第２点は、ステップ１１０におけるクランク角期間を、１サイクル中の圧縮行程における吸気バルブ２２閉じ時期ＩＶＣから点火時期までの期間とする点である。ステップ１２０以降の処理は、実施の形態１で説明した内容と同様である。そのため、ＩＶＣから点火前までの期間におけるＰＶκ値の偏差に基づいて、筒内圧センサ３８の異常を判定することができる。
【００４４】
本実施形態の判定ルーチンによれば、上述の実施の形態１と同等の効果を得ることができる。尚、上述した実施の形態２においては、上記ステップ１１０におけるクランク角期間が前記第４の発明における「クランク角期間」に対応している。
【符号の説明】
【００４５】
Ｐ  筒内圧
Ｖ  筒内容積
κ  比熱比
１０  エンジン
１６  燃焼室
２２  吸気バルブ
２４  排気バルブ
３４  点火プラグ
３６  燃料噴射弁
３８  筒内圧センサ
４０、４２  動弁機構
５０  ＥＣＵ
５２  クランク角センサ
【図１】
2012077729.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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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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