(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数気筒を備えた内燃機関において、前記内燃機関のカム軸からカムパルス信号を検出しかつクランク軸からクランクパルス信号を検出する検出手段を備え、前記カムパルス信号及びクランクパルス信号のうち少なくとも一方から機関の回転変動の０．５次周波数成分を算出する第１算出手段を備え、前記カムパルス信号及びクランクパルス信号のうち少なくとも一方から機関の気筒数に対応した回転変動の基本周波数成分を算出する第２算出手段を備え、前記０．５次周波数成分を前記基本周波数成分で除算することにより失火定数を算出する第３算出手段を備え、前記失火定数から各サイクル毎に失火の有無を判定する第１判定手段を備え、前記失火の有無から失火頻度を算出する第４算出手段を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
０．５次周波数成分の実数成分と虚数成分から前記０．５次周波数成分の位相を算出する第５算出手段を備え、前記位相により失火した気筒を判定する第２判定手段を備えた請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
いずれかの気筒が失火していると前記第１判定手段が判定すると点火時期を遅角させる請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
点火時期を遅角した後の機関の通算稼動時間が、プラグの電極間の距離が広がる所定時間が経過すると点火時期を元に戻す請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
いずれかの気筒が失火していると前記第１判定手段が判定すると空気過剰率を小さくする空気過剰率設定手段を備えた請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数気筒を備えた内燃機関において、精度よく失火を検出することができ、かつ失火を検出した際に、失火を解消するための適切な処置を施すことができる内燃機関の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来においては、機関回転数を所定の回転数に設定し、あるとき回転数がダウンするという現象を検出して機関のいずれかの気筒が失火していることを認識していた。この際の応答性は秒単位で時系列であるため、急激な変動（回転数ダウン）がなければ失火を検出することは困難である。
【０００３】
本件出願人の出願である特開平６−１３７１６４号（内燃機関の故障予知装置）では、「複数センサに少なくとも機関回転数センサと各気筒ごとに設けられた排気温度センサが含まれており、この回転数センサの検出値から検出される気筒数に対応した回転変動の基本周波数成分に対する０．５次の周波数成分の割合が増加傾向にあり」と記載されているように、基本周波数成分に対する０．５次の周波数成分の割合で失火の有無を判定しており、失火の判定の精度を向上させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、さらに精度よく失火を検出することができる内燃機関の制御装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明では、複数気筒を備えた内燃機関において、前記内燃機関のカム軸からカムパルス信号を検出しかつクランク軸からクランクパルス信号を検出する検出手段を備え、前記カムパルス信号及びクランクパルス信号のうち少なくとも一方から機関の回転変動の０．５次周波数成分を算出する第１算出手段を備え、前記カムパルス信号及びクランクパルス信号のうち少なくとも一方から機関の気筒数に対応した回転変動の基本周波数成分を算出する第２算出手段を備え、前記０．５次周波数成分を前記基本周波数成分で除算することにより失火定数を算出する第３算出手段を備え、前記失火定数から各サイクル毎に失火の有無を判定する第１判定手段を備え、前記失火の有無から失火頻度を算出する第４算出手段を備えた。
請求項２の発明では、０．５次周波数成分の実数成分と虚数成分から前記０．５次周波数成分の位相を算出する第５算出手段を備え、前記位相により失火した気筒を判定する第２判定手段を備えた。
請求項３の発明では、いずれかの気筒が失火していると前記第１判定手段が判定すると点火時期を遅角させるようにした。
請求項４の発明では、点火時期を遅角した後の機関の通算稼動時間が、プラグ間の距離が広がる所定時間が経過すると点火時期を元に戻すようにした。
請求項５の発明では、いずれかの気筒が失火していると前記第１判定手段が判定すると空気過剰率を小さくする空気過剰率設定手段を備えた。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は、請求項１〜５の発明の内燃機関の制御装置１００（以下、単に制御装置１００と呼ぶ。）の概略図である。図１において、制御装置１００は、空気管２１から供給される空気と燃料ガス供給管２０から供給される燃料ガスとを混合器３で混合して混合気を生成し、機関１の出力に応じてスロットル５の開度を調整して混合気を機関１のヘッド２へ供給する。機関１で生じた排気ガスは、排気管２２を介して排出される。
【０００７】
機関１内において、カム軸（図示せず）の端部に固着したカム軸端円盤１２の回転を検出器１０で検出し、検出信号は信号線１０ａを介してＣＰＵ４へ伝送される。また、クランク軸（図示せず）の端部に固着したクランク軸端円盤１３の回転を検出器１１で検出し、検出信号は信号線１１ａを介してＣＰＵ４へ伝送される。
【０００８】
ＣＰＵ４は、カム軸端円盤１２及びクランク軸端円盤１３から入力された各検出信号から後述する種々の演算及び判定を行い、判定結果は次のサイクルの燃焼に反映される。また、演算結果及び判定結果は、ＲＡＭやハードディスク等の記憶媒体からなる記憶装置４ａに記憶される。
【０００９】
図２及び図３は、内燃機関が３気筒の場合の機関回転数を細かい時間で観察したときのグラフである。図２は各気筒ともに失火がなく、正常な燃焼が行われている場合であり、各サイクル毎に３つの山（気筒数に対応する数の山）を確認することができる。
【００１０】
一方、図３は３気筒中の１気筒が失火した場合を示している。失火すると波形が乱れるが、このグラフのみではどの気筒が失火したかまでは判定することはできない。
【００１１】
３気筒機関における１サイクルでは、７２０度のクランク角度中に３つの山が存在する。これが基本周波数成分である。７２０度の中に山が３つなのでこれを３６０度に換算すると山が１．５個になり、基本周波数成分は１．５次周波数成分となる。失火が生じると、図３のグラフのように山が欠けたような波形となり、これを周波数解析（フーリエ変換またはラプラス変換）すると図４に示すように０．５次周波数成分が大きく抽出される。
【００１２】
前述を言い換えると、以下のようになる。機関回転数の変動を時間軸で見ると３つの山が存在するが、これを周波数の軸で見ると１．５次の周波数成分が支配的なグラフとなり、さらに失火が混じるとグラフの波形が乱れ、１．５次周波数成分に０．５次周波数成分が重なったような波形となる。
【００１３】
０．５次周波数成分を基本周波数成分で除算した値を図４に示す失火定数と定義する。この失火定数を各サイクル毎に計算する。図４に示すように、失火のない正常な燃焼が行われている２〜５サイクル目の０．５次周波数成分は極めて小さいが、失火が生じた１サイクル目における０．５次周波数成分は明らかに大きくなっている。また、それに対する１．５次の周波数成分はほとんど変化しておらず、その結果、失火定数の大きさは０．５次周波数成分の変動により大きく支配されている。
【００１４】
前述の周波数解析（フーリエ変換またはラプラス変換）に必要な関数は、図５のカム軸とクランク軸が発する各パルス間隔から算出する。機関１（図１）では、カム軸が１回転するとカムパルス信号が１つ発生するように設定されている。また、クランク軸が１回転すると、気筒数の２倍の数のクランクパルス信号が発生するように設定されている。
【００１５】
したがって３気筒機関の場合では、図５に示すように、カムパルス信号とカムパルス信号の間には１２個のクランクパルス信号が存在する。クランクパルス信号の間隔をそれぞれｔ1〜ｔ12とすると、図５に示すように１サイクル（クランク角７２０度）を８等分に変換してＸ0〜Ｘ7を算出する。このＸ0〜Ｘ7をもとに周波数解析（フーリエ変換またはラプラス変換）して失火頻度を算出する。
【００１６】
失火頻度を算出し、また、失火した気筒を特定する手順を図６〜図９を参照しながら以下に具体的に説明する。
【００１７】
図６は、クランクパルス信号が発生する毎にパルス間隔データ（ｔ1〜ｔ12）が生成されることを示す流れ図である。図６において、パルス間隔データが発生するとｔiのカウンタｉが１つ増加する。
【００１８】
図７は、カムパルス信号が発生する毎に失火の程度を判定する流れ図である。図７において、カムパルス信号が発生する毎に図６のカウンタｉをリセットし、図５に示す式によりＣＰＵ４はパルス間隔データｔ1〜ｔ12をＸ0〜Ｘ7に加工する。このＸ0〜Ｘ7からＣＰＵ４（第１算出手段）によりフーリエ変換またはラプラス変換を行い、０．５次周波数成分を算出する。
【００１９】
また、ＣＰＵ４（第２算出手段）によりクランク角度９０度毎（ｔ1〜ｔ3，ｔ4〜ｔ6，ｔ7〜ｔ9，ｔ10〜ｔ12の連続した４つのパルス間隔データ毎）にフーリエ変換することにより基本周波数成分を算出する。
【００２０】
さらにＣＰＵ４（第３算出手段）により、０．５次周波数成分を基本周波数成分で除算することにより失火定数を算出する。予め記憶装置４ａに記憶された所定値と算出された失火定数とをＣＰＵ４（第１判定手段）により比較する。失火定数が所定値よりも大きければ失火カウント（ｍｓ＿ｃｎｔ）を１つ加算して次のカムパルス信号が発生するまで待機する。また、失火定数が所定値よりも大きければそのまま放置する。そのまま放置すると機関の稼動に重大な影響を及ぼす恐れがある状態であると判断し、警報を発して運転者等に知らせるなどの適切な処置を施す。
【００２１】
図８は、失火の頻度を算出する流れ図である。図８において失火頻度は、ＣＰＵ４（第４算出手段）により機関回転数と図７で計測された失火カウント（ｍｓ＿ｃｎｔ）とをパラメータとする関数ｆで算出される。
【００２２】
図９は、０．５次周波数成分の位相θ（角度θ）を示すグラフである。０．５次周波数成分は、実数成分Ｒｅと虚数成分Ｉｍの２つのベクトルに分解することができる。０．５次周波数成分と実数成分Ｒｅのなす角をθとすると、角度θは図９に示す式により算出することができる。角度θの値によりどの気筒が失火したかを判定する。
【００２３】
例えば、３気筒機関の場合であれば、角度θの範囲が０≦θ＜１２０（度）であれば１番目の気筒が失火しており、１２０≦θ＜２４０（度）であれば２番目の気筒が失火しており、また、２４０≦θ＜３６０（度）であれば３番目の気筒が失火していると図１のＣＰＵ４（第２判定手段）が判定する。
【００２４】
４気筒機関の場合は、角度θが第１象限にあれば１番目の気筒が失火しており，第２象限にあれば２番目の気筒が失火しており，第３象限にあれば３番目の気筒が失火しており，また、第４象限にあれば４番目の気筒が失火していると図１のＣＰＵ４が判定する。
【００２５】
気筒数に応じて角度θは３６０度を気筒数で等分したいずれの範囲に属するかによりいずれの気筒が失火したかを検出することができる。
【００２６】
図１０は、機関１における点火時期と着火に必要な電圧（要求電圧）との関係を示すグラフである。図１０に示すように、点火時期を遅角させるほど要求電圧は高くなり、着火し易くなる。点火プラグの電極の間隔は、新品では狭くなっており使用するほど広がっていく。電極間の距離が広がるにつれて要求電圧は大きくなる。
【００２７】
したがって、内燃機関１００の保守の間隔を長くする、つまり、長期間ノーメンテナンスで使用するためには、点火プラグの電極の間隔が変化しても確実に着火することができることが不可欠となる。よって、点火プラグが新品であれば電極間が狭いので着火しにくく、ＣＰＵ４（第１判定手段）がいずれかの気筒が失火していると判定すると、点火時期を遅角させることにより着火し易くすることができる。
【００２８】
また、使用するにつれて電極が消耗して電極間が広がると、要求電圧が大きくなるので着火し易くなる。そこで、それまで遅角させていた点火時期を元に戻すようにする。例えば、新品の点火プラグで機関１の稼動時間の累計が１００時間に達するまでは点火時期を遅角し、稼動時間の累計が１００時間に達すると点火時期を元に戻すようにする。
【００２９】
また、燃焼室内の混合気の空気の割合が小さくなる、つまり空気過剰率が小さいほど着火し易くなる。したがって、ＣＰＵ４（第１判定手段）がいずれかの気筒に失火を認めると図１に示す空燃比制御弁７の開度を大きく設定し、混合器３内の空気過剰率が小さくなるように設定する。
【００３０】
以上説明した請求項１〜５の内燃機関の制御装置１００は、舶用，陸用を問わず複数気筒を備えたガスエンジンに適用することができる。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１の発明では、カムパルス信号とクランクパルス信号から失火頻度を求めるので、失火のレベルが機関を停止させなければならないほどのレベルなのか、または点火遅角や空気過剰率を小さくすることで解消することができるレベルなのかを判断することができ、失火判定の精度を向上させることができる。
【００３２】
請求項２の発明では、０．５次周波数成分のベクトルと０．５次周波数成分の実数成分のベクトルとがなす角度θを求めることにより、０．５次周波数成分のベクトルがどのような角度範囲に属しているかにより、どの気筒が失火したかを判定することができる。失火状況を把握するために、従来のようにある特定の気筒を強制的に失火させる必要がないので、運転者は、良好な燃焼を継続しながら失火の有無及び失火のレベルを把握することができる。各サイクル毎に失火の有無を判定して、失火する頻度の高い気筒を検出することもできる。
【００３３】
請求項３の発明では、失火を検出した際に、点火時期を遅角させる（所定値リタードする）ようにしたので、以降のサイクルにおいては確実に着火することができ、良好な燃焼を行うことができる。
ＧＨＰ（ガスヒートポンプ）機関では、耐久性やメンテインターバルが非常に重要である。例えば１万時間ノーメンテナンスを目標にすると、使用開始時期では点火プラグのギャップは狭く設定されているので失火し易くなるが、請求項３の発明では、点火遅角することにより着火し易くすることができる。
【００３４】
従来は、点火プラグの寿命がくるまで点火時期を遅角した状態、つまり進角の度合が少ない状態で機関１を稼動させていたため、良好な熱効率を得ることが困難であったが、請求項４の発明では、確実に着火することができる状態（電極間が広がった状態）になれば点火時期を進角するようにしたので、失火を防止しつつ良好な熱効率を得ることができる。熱効率の悪化を最小限に留めて失火を防止することができる。
【００３５】
請求項５の発明では、空気過剰率を小さくして燃料を濃くすることにより着火し易くすることができる。経時劣化が原因の失火を防止することができる。
【００３６】
請求項２〜５の発明により、そのときの機関１の状態（点火時期，空気過剰率，気温等）に応じた環境設定をする（燃焼条件を変更する）ことにより、熱効率を良好に保ったり，窒素酸化物等の発生を抑制するなど機関１の能力を最大限に発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  請求項１〜５の発明の内燃機関制御装置１００の概略図である。
【図２】  内燃機関が３気筒の場合において、正常燃焼時における機関回転数を細かい時間で観察したときのグラフである。
【図３】  図２において、失火が混じった際の機関回転数を細かい時間で観察したときのグラフである。
【図４】  各燃焼サイクル毎の回転変動の０．５次周波数成分と基本周波数成分及び失火定数を示すグラフである。
【図５】  周波数解析に必要なパラメータの生成方法を示すグラフ及び数式である。
【図６】  クランクパルス信号が発生する毎にパルス間隔データ（ｔ1〜ｔ12）を生成する流れ図である。
【図７】  カムパルス信号が発生する毎に失火の程度を判定する流れ図である。
【図８】  失火の頻度を算出する流れ図である。
【図９】  ０．５次周波数成分の位相を示すグラフ及び位相を算出する数式である。
【図１０】  点火時期と着火に必要な電圧（要求電圧）との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１    機関
２    ヘッド
３    混合器
４    ＣＰＵ（第１〜第５算出手段、第１，第２判定手段）
７    空燃比制御弁
１０  検出器（検出手段）
１１  検出器（検出手段）
１２  カム軸端円盤
１３  クランク軸端円盤
２０  燃料ガス供給管
２１  空気供給管
【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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【図８】
0004004694.tif 000009
【図９】
0004004694.tif 000010
【図１０】
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