(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の走行不安定特性を引き起こす多シリンダ式内燃機関のミスファイアを検出する方法において、
内燃機関の走行不安定特性に対する尺度を、クランクシャフトが所定の角度範囲を通過する時間に基づいて各シリンダごとに固有に形成し、
ミスファイアのない動作中、各シリンダごとに固有に走行不安定特性値から補正値を、該補正値と結合された各シリンダ固有の走行不安定特性値が互いに等しくなるよう形成し、
該補正値をミスファイアのない正常な動作中に各内燃機関について固有に求め、
ミスファイアのない動作と比較して前記走行不安定特性値を増大させるミスファイアを意図的に引き起こし、
該意図的に引き起こされたミスファイアの結果として生じた走行不安定特性値を求め、かつ該意図的に引き起こされたミスファイアを伴わない走行不安定特性値を求め、
前記意図的に引き起こされたミスファイアを伴わない走行不安定特性値が、前記意図的に引き起こされたミスファイアの作用下で求められた走行不安定特性値と所定の範囲内で隔たっていれば、該意図的に引き起こされたミスファイアを伴わない動作をミスファイアのないものとみなすことを特徴とする、
多シリンダ式内燃機関のミスファイアを検出する方法。
【請求項２】
クランクシャフトが所定の角度範囲を通過する時間の長さを走行不安定特性に対する尺度として用いる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
走行不安定特性値の形成に際して、内燃機関回転数の変化による影響を補償することによってダイナミックな補償を行う、請求項２記載の方法。
【請求項４】
内燃機関の走行不安定特性を引き起こす多シリンダ式内燃機関のミスファイアを検出する方法において、
内燃機関の走行不安定特性に対する尺度を、クランクシャフトが所定の角度範囲を通過する時間に基づいて各シリンダごとに固有に形成し、
ミスファイアのない動作中、各シリンダごとに固有に走行不安定特性値から補正値を、該補正値と結合された各シリンダ固有の走行不安定特性値が互いに等しくなるよう形成し、
ミスファイアのない動作と比較して前記走行不安定特性値を増大させるミスファイアを意図的に引き起こし、
該意図的に引き起こされたミスファイアの結果として第１の走行不安定特性値を求め、かつ該意図的に引き起こされたミスファイアを伴わない第２の走行不安定特性値を求め、
前記第１の走行不安定特性値と前記第２の走行不安定特性値との間で閾値を定め、前記意図的に引き起こされたミスファイアを伴わない動作中、前記閾値を上回る走行不安定特性値の増大をミスファイアとみなすことを特徴とする、
多シリンダ式内燃機関のミスファイアを検出する方法。
【請求項５】
求められた走行不安定特性値を各シリンダごとに負荷および回転数に依存して記憶させる、請求項４記載の方法。
【請求項６】
低い触媒温度の動作領域で学習された閾値を別の動作領域へ拡げる、請求項４載の方法。
【発明の詳細な説明】
従来の技術
本発明は、内燃機関のクランクシャフトが所定の角度範囲を通過する時間に基づいて、多シリンダ式内燃機関における回転数を高分解能で捕捉する方法に関する。
精確なすなわち高分解能による回転数情報は、たとえばミスファイアを検出するのに役立つ。
ミスファイアにより、内燃機関の動作中に放出される有害物質が高まり、しかもエンジンの排気ガス管中の触媒装置が損傷してしまうおそれがある。排気ガス関連機能のための車載監視部に対し法律上規定されている要求を満たすためには、すべての回転数領域ならびに負荷領域におけるミスファイアの検出が必要である。この関連で知られているのは、ミスファイアのない正常な動作とは異なり、ミスファイアを伴う動作時には内燃機関のエンジン回転数経過特性において特徴的な変化が生じることである。このような回転数経過特性を比較することで、ミスファイアのない正常な動作とミスファイアを伴う動作とを区別できる。
この方式に基づき動作する方法は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第４１３８７６５号公報からすでに公知である。
この公知の方法によれば、各シリンダのピストン運動の所定の領域に対しセグメントと称するクランクシャフト角度領域が対応づけられている。セグメントはたとえば、クランクシャフトと結合された発信器ホイール上にマーキングすることで実現される。クランクシャフトが上述の角度領域を通過しているセグメント時間はとりわけ、燃焼サイクルにおいて変換されるエネルギーに依存している。そしてミスファイアによって、点火と同期して捕捉されるセグメント時間の増加が生じる。この公知の方法によれば、セグメント時間の差からエンジンの走行不安定特性に対する尺度が算出され、その際、たとえば車両加速時のエンジン回転数の上昇のようなゆっくりとしたダイナミックな事象が計算により付加的に補償される。このように各点火ごとに算出される走行不安定特性値はやはり点火に同期して、まえもって定められた閾値と比較される。場合によって負荷や回転数のような動作パラメータに依存するこのような閾値を上述の特性値が上回れば、ミスファイアとして評価される。
この方法の信頼性はセグメント時間の検出に決定的に依存しており、つまりは製造時に発信器ホイール上にマーキングを形成する精度に依存している。このような機械的な不正確さは計算によって排除できる。この目的でドイツ連邦共和国特許出願第４１３３６７９号明細書から、エンジンブレーキ動作中、クランクシャフトの回転ごとにたとえば３つのセグメント時間を形成することが知られている。これら３つのセグメント時間のうちの１つは基準セグメントとみなされる。この場合、残りの２つのセグメントのセグメント時間と基準セグメントのセグメント時間との偏差が求められる。そしてこれらの偏差から補正値が次のようにして形成される。すなわち、エンジンブレーキ動作中に求め補正値と結合した各セグメント時間が互いに等しくなるように形成される。
したがって、エンジンブレーキ動作以外の通常動作時に求められ補正値と結合された各セグメント時間の偏差は、発信器ホイールの製造時の不正確さとは無関係であり、別の原因があることを示唆するものである。
別の原因の１つは、クランクシャフトの回転運動に重畳されているねじれ振動である。これは主として燃焼動作中の高回転数時に生じ、これによって個々のシリンダのセグメント時間がシステマティックに長くなったりあるいは短くなったりすることになり、その結果、ミスファイア検出が困難になる。この理由で、さらには磨耗または製造時の不精確さによるエンジン固有の差異により、発信器ホイールを適合調整した後でもセグメント時間の分散幅の形で、ミスファイアには由来しない可能性のある基本的なノイズが含まれたままになる。この基本的なノイズによって、個々のミスファイアがクランクシャフトの回転数に僅かにしか作用を及ぼさなくなればなるほと、本当のミスファイアの判別がいっそう困難になる。したがって内燃機関のシリンダ数が多くなるにつれて、および回転数が増加するにつれて、ならびに負荷が小さくなるにつれて、ミスファイア検出の信頼性が低下する。
したがって本発明の課題は、シリンダ数の多い内燃機関において回転数が高くても負荷が小さくてもミスファイア検出の確実性をいっそう改善することにある。
本発明によればこの課題は、請求項１に記載の特徴により解決される。
この解決手法の重要な要素は、燃焼動作時つまりエンジンブレーキ動作以外の通常動作時に補正値を求めることである。
高分解能による回転数の捕捉検出を必要とする場合、ミスファイア検出とは切り離してもこの方法を常に有利に用いることができる。
精確なすなわち高分解能による回転数捕捉のために、内燃機関の走行不安定特性に対する尺度を各シリンダごとに形成し、その際、走行不安定特性に対する尺度を、内燃機関のクランクシャフトが所定の角度範囲を通過する時間に基づいて形成する。そしてこの場合、ミスファイアのない動作中、各シリンダ固有の走行不安定特性値から各シリンダごとの補正値を、それらの補正値と結合された各シリンダ固有の走行不安定特性値が互いに等しくなるよう形成する。
１つの実施例によれば、特定のエンジン形式のための補正値がいくつかのテストエンジンの特性から経験的に求められ、それらの補正値が当該形式のすべてのエンジンに対して転用される。
本発明の１つの有利な実施例によれば、これらの補正値は各エンジンごとに求められる。本発明による方法の基本は正常な動作状態にあることであり、つまりミスファイアのない動作状態にあることである。そうではなくてミスファイア動作状態にあると、ミスファイアが補正値の算出に影響を及ぼすおそれがある。その結果、後に生じるミスファイアの作用が計算的には抑圧されてしまい、このため場合によってはミスファイアがもはや検出されなくなってしまう。
本発明の１つの実施例によれば、制御装置により噴射ミスファイアを誘発させて、生じた各走行不安定特性値を比較することができる。このことにより、ミスファイア動作と正常動作とを区別することができる。ミスファイア動作であれば、補正値はもはや更新されない。
次に、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
図１は、本発明の技術分野を示す図である。
図２は、本発明による方法の実行に適したコンピュータを示す図である。
図３は、回転数測定に基づく走行不安定特性に対する尺度の基礎としてセグメント時間の形成を行う公知の基本原理を示す図である。
図４は、走行不安定特性値の算出に対するねじれ振動の影響を示す図である。
図５は、本発明による方法の１つの実施例を示すフローチャートである。
図６は、別の実施例によるミスファイア検出のフローチャートである。
図７は、本発明による方法の補足としてのフローチャートである。
図１には、マーク３を有する角度発信器ホイール２、角度センサ４および制御装置５を備えた内燃機関が示されている。内燃機関のクランクシャフトと結合されている角度発信器ホイール２の回転運動は、誘導センサとして実現される角度センサ４により電気信号に変換され、この電気信号の周期性は角度センサ４の前をマーク３が周期的に通過する様子を表している。したがって信号レベルの上昇と低下の間の持続時間は、クランクシャフトがマーキングのサイズに応じた角度範囲にわたり回転していった時間に対応している。この持続時間はコンピュータとして実現される制御装置５において処理され、内燃機関の走行不安定特性に対する尺度Ｌｕｔが形成される。Ｌｕｔの算出の実例についてはあとで説明する。このために用いられるコンピュータはたとえば、図２に示されているようにして構成できる。これによれば計算ユニット２．１は、メモリ２．４に格納されているプログラムとデータを用いて入カブロック２．２と出力ブロック２．３の調停を行う。図１にはさらに、排気ガスセンサ６、制御装置５および燃料調量手段７を備えた周知の空燃比調整回路も示されている。
図３のａ）には角度発信器ホイールを４つのセグメントに区分した様子が示されており、その際、各セグメントは所定数のマークを有している。マークＯＴｋは、この実例では８シリンダ式内燃機関のｋ番目のシリンダのピストン運動の上死点に対応づけられており、これはそのシリンダの燃焼サイクル中に位置している。この点を中心に回転角度範囲φｋが定義されており、この範囲はこの実例では角度発信器ホイールのマークのうちの４分の１に及んでいる。同様にその他のシリンダの燃焼サイクルにもそれぞれ角度範囲φ１〜φ８が対応づけられている。ここでは４サイクル方式であるものとしており、この場合、１つの動作サイクル全体に対しクランクシャフトは２回、回転する。したがってたとえば１番目のシリンダの範囲φ１は５番目のシリンダの範囲φ５と一致する、という具合になる。クランクシャフトの回転に対応づけられている各角度範囲を互いに分離されたものとすることもできるし、順次連続して続けることもできるし、あるいはオーバラップさせることもできる。第１の事例の場合には角度範囲に対応づけられていないマークが設けちれており、第２の事例の場合には各マークに正確に１つの角度範囲が対応づけられており、さらに第３の事例では同じマークをそれぞれ異なる角度範囲に対応づけておくことができる。したがって角度範囲の任意の長さおよび位置が可能である。
図３のｂ）には、クランクシャフトの回転運動により各角度範囲を通過する時間が示されている。この場合、ミスファイアはシリンダｋに生じているものとする。ミスファイアに伴う回転トルクの不足の結果、このシリンダに属する時間ｔｓが上昇することになる。このように時間ｔｓはすでに走行不安定特性の尺度を成しており、これは基本的にはミスファイアの検出に適している。時間ｔｓの適切な処理により、たとえば隣り合う時間との差の形成、ならびにこの差を添字ｉを有する１つの点火サイクルの期間ｔｓｉの３乗に合わせて正規化することで、走行不安定特性値は加速度の次元をとり、経験的に判明しているように、改善されたＳ／Ｎ比を有する。
図３のｃ）には、持続時間ｔｓの捕捉検出に対し回転数変化が影響を及ぼす様子が示されている。ここに示されているのは、典型的には車両のエンジンブレーキ動作時に現れるような回転数低下の事例である。捕捉検出された時間ｔｓが比較的一様に長くなることで表されるこの影響を補償するために公知であるのはたとえば、ダイナミックな補償のために補正項Ｄを形成し、このように長くなる影響が補償されるよう走行不安定特性値の算出に際してこの値を考慮することである。
８シリンダエンジンの点火サイクルｉに対しこの形式で補正される走行不安定特性値は、たとえば以下の規則に従って算出できる：
Ｌｕｔ（ｉ）＝基本項Ｂ−ダイナミック補償用の補正項Ｋ
0003995054.tif 000002
ｚ個のシリンダとして一般化すれば次式のような相応の規則となる：
0003995054.tif 000003
ここで、（ｚ）＝内燃機関のシリンダ数である。
図４には、たとえば上述の規則に従って算出できる走行不安定特性値が示されており、これは４シリンダエンジンの種々の点火サィクルｉ＝１〜１０に関するものである。この場合、番号３のシリンダにおいてシステマティックにセグメント時間の増加が発生しており、この図示の事例ではすでに走行不安定特性閾値Ｌｕｒのかなり近くまで達している。このような増加は、たとえばねじれ振動により引き起こされる可能性がある。ねじれ振動は主として高い回転数において発生し、これにより個々のセグメント時間がシステマティックに長くなるかまたは短くなり、このためミスファイアの検出が困難になる。個々のシリンダへのこの作用の配分は、特定のエンジン形式に対し経験的に所定の負荷／回転数範囲に関して求めることができ、したがって負荷／回転数特性曲線領域部すなわち特性データメモリに格納されていてセグメント時間の評価に作用を及ぼす補正値によって、所定の負荷／回転数範囲に対し逆に作用させることができるようになる。
図５には、このような補正値を求めるための構成が本発明による方法の有利な実施例として示されている。
この目的でステップＳ５．１において点火と同期のとられたセグメント時間が捕捉検出され、ステップＳ５．２で処理されて走行不安定特性値が形成される。ステップＳ５．３において、ねじれ振動ならびに類似の影響を補償するための補正値が負荷／回転数特性データメモリＫ（Ｌ，ｎ）から読み込まれる。この場合、最初のプロセス実行では妥当なまたは中立的な値だけを扱っており、その後、この値はこのプロセスが繰り返し実行されることで、種々のシリンダの補正された各走行不安定特性値が互いに等しくなる特性を有する値を連続的にとることになる。このため走行不安定特性値ＬｕｔはステップＳ５．４において補正値と結合される。ステップＳ５．５は、特性データメモリＬｕｒ（ｎ，Ｌ）から閾値Ｌｕｒを読み込むために用いられる。
閾値Ｌｕｒは、学習の進展に依存してオフセットを有することができる。このオフセットは最初は比較的大きいものとすることができ、このためオフセットと結合された閾値もやはり大きく、このことで比較的反応の鈍いミスファイア検出となる。その後、プロセスが実行されていくにつれてこのオフセットは小さくなり、このことでミスファイア検出の感度が高まる。このため、たとえば電源異常において適合値の消失後に不安定なエンジン経過特性がミスファイア動作として誤って評価されてしまうのが回避され、このことでステップＳ５．６の後に適合が持続的に阻止されることになる。
補正された走行不安定特性値が閾値を超えたとステップＳ５．６において判定されれば、このことはステップＳ５．７において内燃機関のミスファイアとして評価され、たとえばシリンダ固有のエラーカウンタレベルが高められる。そしてエラーレベルがまえもって定められている値を超えると、このことによりステップＳ５．８においてエラー信号が送出され、たとえば運転者の視界の中にあるエラーランプＭＩＬがスイッチ・オンされる。補正された走行不安定特性値が閾値を超えていないことがステップＳ５．６において判定されると、このことはミスファイアのない動作に対する指標として評価され、補正されたその走行不安定特性値ＬｕｔはステップＳ５．９における平均値
0003995054.tif 000004
の形成に関与することになる。
換言すれば、補正値の形成はミスファイアが生じているときには抑えられ、つまりミスファイアが生じているかぎり、補正値の形成は行われない。
補正値の形成は、ミスファイアが生じているときだけでなく、急速な加速や制動が行われているときのように、大きい回転数変化が生じているときにも抑えるようにするのがよい。
このため、ステップＳ５．６とＳ５．９の間に別の質問ステップを設けることができる。この質問ステップにおいてたとえば、まずはじめに１つの動作サイクル（カムシャフトの１回転）の間隔で１つのシリンダのセグメント時間における差ｔｓ（ｎ）−ｔｓ（ｎ−シリンダ数）が計算される。この差の絶対値は、回転数変化が大きいときには比較的大きく、回転数変化が小さいときには比較的小さい。
したがって、上記の差の絶対値がまえもって定めた閾値を超えたとき、補正値の形成を抑えることができる。差の絶対値を、対象とした動作サイクルにおける１つのセグメント時間の３乗で除算することにより、回転数に関する一種の正規化が行われる。このため商lunw(n)=絶対値(ts(n)-ts(n-シリンダ数))/(ts(n))^3を、負荷／回転数領域全体における補正値形成を抑えるために閾値と比較できる。この場合、閾値を超えたときに抑圧が行われる。
したがって、上述のように代案としてステップＳ５．１〜Ｓ５．６とは別のアルゴリズムに基づき、ミスファイアが生じていないという情報を得ることもでき、たとえば補正されていないセグメント時間の評価に基づき得ることもできるのである。
有利には、ミスファイアのない動作であるか否かの監視は、補正値自体には依存しないプロセスにより行われる。
この監視のためにはたとえば、周知の空燃比調整回路において調整量として用いられているような排気ガスセンサの信号の評価が適している。この種の排気ガスセンサはミスファイアのない動作状態ではたとえば、希薄（酸素過剰）から濃厚（酸素不足）への燃料混合比の変化を指示する。しかしミスファイアが生じると、シリンダにおける燃焼がなくなることから酸素が排気ガスに入る。ミスファイアに起因するこのような酸素過剰状態により、濃厚化の結果として予期される酸素不足がいわばマスクされる。その結果、排気ガスセンサの信号は混合気濃厚化には反応しない。したがって、混合気濃厚化に対し排気ガスセンサがこのように反応しなくなることを、ミスファイアが生じたか否かに対する第１の判定基準として利用できる。
次にステップＳ５．１０は、目下の値ＫＬｕｔと平均値
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との偏差ｄＫを求めるために用いられる。ステップＳ５．１１において、この偏差ｄＫを以前の補正値Ｋ（ａｌｔ）に加算することで新たな補正値Ｋ（ｎｅｕ）が形成され、この値Ｋ（ｎｅｕ）はステップＳ５．１２により、走行不安定特性値を求めたシリンダの特性データメモリＫ（ｎ，Ｌ）に書き込まれる。Ｓ５．１〜Ｓ５．６ならびにＳ５．９〜Ｓ５．１２の各ステップを繰り返し実行することで最終的に、ミスファイアのない正常な動作において種々異なるシリンダの補正された各走行不安定特性値間における偏差がもはや生じないように、種々異なるシリンダの動作点に属する特性曲線領域値Ｋが得られる。
有利な実施例の枠内で、既述の方法はエンジン制御装置に格納されているメインプログラムの一部分である。したがって、まえもって定めることのできる任意の機会にこれを呼び出せる。有利には、製造後に車両を最初に始動させる際にこの方法を呼び出すことで補正値の形成が行われ、その後ではたとえばあとで実施されるアフターサービスに関連して行われる。このようにして補正値は各エンジンごとに固有に形成される。
しかしながら本発明による方法によれば、特定の形式の個々のエンジンにおけるテストによっても補正値を求めることができ、その場合には補正値をたとえば特性データメモリの形で当該形式のすべてのエンジンに対し転用できる。
そしてミスファイアの検出はエンジン動作中、図６に示されているプロセスに従って実行可能であり、その際、ステップＳ６．１〜Ｓ６．８は図５のステップＳ５．１〜Ｓ５．８に対応するものである。
本発明による方法の基本は正常動作の行われている状態であり、つまりミスファイアのない動作状態である。この状態ではなくミスファイア動作状態であるならば、ミスファイアが補正値の算出に影響を及ぼすおそれがある。その結果、後続のミスファイアの作用が計算的に抑えられてしまう可能性があり、このため場合によってはミスファイアがもはや検出されなくなる。図７には、補正値を算出する前にミスファイアのない正常な動作状態であるか否かを判定できる実施例が示されている。
この目的で、ステップＳ７．１においてセグメント時間が捕捉検出され、ステップＳ７．２においてそれらが処理されて正常動作走行不安定特性値ＮＢ−Ｌｕｔが形成される。次にステップＳ７．３において、たとえば燃料噴射装置を備えたエンジンであれば個々の燃料噴射パルスを除くことで、制御装置によりミスファイアが誘発される。この状況のもとでステップＳ７．４において捕捉検出されたセグメント時間がステップＳ７．５において処理され、ミスファイア動作走行不安定特性値ＡＳ−Ｌｕｔが形成される。ステップＳ７．６において形成された差ｄＬｕｔ＝ＮＢ−Ｌｕｔ−ＡＳ−Ｌｕｔの絶対値が閾値ＳＷよりも大きければ（このことはステップＳ７．７により判定される）、走行不安定特性値の形成はミスファイアの誘発に対して応答したものである。このことから、ミスファイアを誘発させる前にはミスファイのない正常な動作状態にあったことを確実に推定できる。この場合には次に、ステップＳ７．８により図５による補正値の算出が行われる。したがって、ミスファイアが補正値形成に作用を及ぼすおそれはない。これに対し、走行不安定特性値の形成がミスファイアの誘発に対して応答しなければこのことですでに、誘発されたミスファイアは生じていなかったことが明らかである。この場合には、誘発されたものではないミスファイアによって補正値の算出に作用の及ぼされる可能性がある。このことを回避するため、ステップＳ７．７で否定の判定がなされた後にステップＳ７．９およびＳ７．１０による禁止処理が行われ、必要に応じてステップＳ７．１１により図６によるミスファイアの検出が続き、つまり補正値が変更されることなくミスファイアの検出が行われる。
換言すれば、ミスファイアのない動作に比して走行不安定特性を増大させる結果の生じる処置がとられ、次にこの処置をとったときの走行不安定特性とこの処置をとらなかったときの走行不安定特性が求められ、この処置をとらなかったときの動作は、その走行不安定特性値がこの処置の作用下で求められた走行不安定特性値から所定の範囲内で隔たっていれば、ミスファイアがないものとみなされる。
ミスファイアの誘導による走行不安定特性の増大を、閾値設定のためにも利用できる。この場合、誘導されたミスファイアは、ミスファイアのない動作に比べ結果として走行不安定特性を増大させた措置の１つの実例を成すものである。閾値を設定するために、そのような措置を伴うおよび伴わない走行不安定特性値を求め、求められた各走行不安定値の間に位置する閾値を設定する。走行不安定特性を増大させる措置を伴わない動作中にこの閾値を超えれば、それはミスファイアとして評価される。
このような閾値を、上記のような措置を伴うおよび伴わない走行不安定特性値の統計的分布に基づき求めることができる。たとえば上記のような措置を伴うおよび伴わない各走行不安定特性値のそれぞれ１つの平均値を求め、各平均値の算術平均として閾値を設定できる。
この閾値を各シリンダごとに、内燃機関の負荷および回転数に依存して求めて記憶させることができる。
有利には、低い触媒温度の動作領域で学習された閾値を別の動作領域へ拡げることができる。
【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】
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【図７】
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