(57)【要約】【課題】グロープラグ一体型の筒内圧センサの異常を、簡易かつ高精度で検出する。【解決手段】筒内圧センサの異常検出装置であって、内燃機関の各気筒に設置されるグロープラグ一体型の筒内圧センサに適用される。異常検出装置は、実熱発生率と基準熱発生率との波形を算出する。実熱発生率の波形は、筒内圧センサの出力に基づいて算出される、燃焼後半の熱発生率の波形である。基準熱発生率の波形は、燃焼後半の熱発生率の変化の波形を表す、クランク角を変数とする関数であり、機関回転速度と燃料噴射量とに基づいて算出される。異常検出装置は、算出された実熱発生率と基準熱発生率との差が基準値より大きい場合に、筒内圧センサの異常を検出する。【選択図】図３
2017203426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の各気筒に設置されるグロープラグ一体型の筒内圧センサと、
前記筒内圧センサの出力に基づいて、熱発生率が最大となる時期から燃焼終了時期までの期間である燃焼後半の熱発生率である実熱発生率の波形を算出する手段と、
前記燃焼後半における基準熱発生率の波形を表す、クランク角を変数とする３次式を、前記内燃機関の機関回転速度と燃料噴射量とに基づいて、算出する手段と、
前記実熱発生率と前記基準熱発生率との差が、基準値より大きい場合、前記筒内圧センサの異常を検出する手段と、
を備えることを特徴とする筒内圧センサの異常検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は内燃機関の各気筒に設置されるグロープラグ一体型の筒内圧センサの異常検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮点火式の内燃機関に搭載される筒内圧センサとして、その取り付けスペースに関する制約上の問題を克服するべく、グロープラグと一体に構成した筒内圧センサが知られている。グロープラグ一体型の筒内圧センサは、内燃機関の燃焼室内の圧力を検出するための受圧部が、発熱体を内蔵するグロープラグのヒータで構成されている。受圧部としてのヒータはその先端部が燃焼室内に突出する形で、シリンダヘッドに形成されたグローホールに挿入される。受圧部は、燃焼室内の圧力変動に伴って移動する。この受圧部の変位量を検出することで、燃焼室内の圧力が検出される。
【０００３】
ところで圧縮点火式の内燃機関では、燃焼室内に未燃燃料や煤が発生するが、これら未燃燃料や煤が、燃焼室内壁面だけでなく、筒内圧センサの受圧部（ヒータ）とグローホールとの間にも入り込んで、デポジットとして付着堆積する場合がある。受圧部やグローホールに堆積するデポジットは、受圧部の移動に対して抵抗となり、筒内圧センサの出力特性を変化させ、正確な筒内圧検出の妨げとなる場合がある。
【０００４】
これに対し、受圧部であるヒータに通電することで受圧部及びその近傍に堆積したデポジットを燃焼させ分解除去する方法がある。しかしヒータへの通電は電力消費を伴うものである。故に、堆積したデポジットの分解除去が目的であっても、ヒータへの通電が頻繁に行われることは望ましくない。この点、例えば、特許文献１には、筒内圧センサの出力に基づいて算出される熱発生量と、基準熱発生量との差が閾値を越えた場合に、デポジットが堆積したものと判定し、ヒータへの通電を行うことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２２２０３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
内燃機関の熱発生量は運転条件によって変化する。しかし上記特許文献１の技術において、デポジット堆積の判断基準となる基準熱発生量は、冷却水温のみをパラメータとして設定される。このため設定された基準熱発生量が、その運転条件において実際に発生する熱発生量とは乖離しているという事態が発生し得る。この場合、特許文献１の技術では、デポジットの堆積による筒内圧センサの異常判定に誤判定が生じ得る。
【０００７】
従って、検出された筒内圧センサから算出される熱発生量と、基準熱発生量との比較によって、デポジット堆積をより高い精度で検出するためには、運転条件ごとに基準となる熱発生量を記憶しておく必要がある。しかしながら制御装置（ＥＣＵ）内の記憶容量の制限を考えると、基準となる値を運転条件ごとに記憶させておくことは困難である。そこで、ＥＣＵの演算負荷や記憶容量の負荷を軽減したより簡易な方法で、高い精度で筒内圧センサのデポジット堆積による異常を検出する手法の開発が望まれる。
【０００８】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものである。即ち、グロープラグ一体型の筒内圧センサへのデポジットの堆積による異常を、簡易かつ高精度に検出できるよう改良した筒内圧センサの異常検出装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、筒内圧センサの異常検出装置であって、内燃機関の各気筒に設置されるグロープラグ一体型の筒内圧センサに適用される。異常検出装置は、実熱発生率と基準熱発生率との波形を算出する手段を有する。ここで実熱発生率の波形は、筒内圧センサの出力に基づいて算出される、燃焼後半の熱発生率である。また、基準熱発生率の波形は、クランク角を変数とする関数であり、内燃機関の機関回転速度と燃料噴射量とに基づいて決定される。燃焼後半とは、熱発生率が最大となる時期から燃焼終了時期までの期間である。異常検出装置は、算出された実熱発生率と基準熱発生率との差が基準値より大きい場合に、筒内圧センサの異常を検出する。
【００１０】
本発明の異常検出装置によれば、基準熱発生率は、機関回転速度と燃料噴射量とに基づいて設定される、クランク角を変数とする３次式に従って算出される。従って、基準熱発生率算出に際する計算負荷や記憶容量の負荷を小さく抑えることができる。また、機関回転速度と燃料噴射量とに基づいて決定される３次式によって、燃焼後半の実際の熱発生率の波形を、高い精度で近似することができる。従って、この３次式に基づいて算出される基準熱発生率を判定の基準とすることで、筒内圧センサの出力に基づき算出される熱発生率が、実際に発生する熱発生率と乖離していることを、正確に検出することができる。従って、低い計算負荷かつ高い精度で、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】
【００１１】
【図１】実施の形態の筒内圧センサの構成について説明するための模式図である。
【図２】筒内圧センサの出力に基づき算出される熱発生率について説明するための図である。
【図３】基準発熱率を算出するための３次式における各定数と、機関回転速度と燃料噴射量との関係について説明するための図である。
【図４】実施の形態において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。
【図５】実施の形態において算出される基準熱発生率と、実際の熱発生率との差について検証するための図である。
【図６】３次式に代えて、４次式を用いて算出した熱発生率と実際の熱発生率との差について検証するための図である。
【図７】３次式に代えて、２次式を用いて算出した熱発生率と実際の熱発生率との差について検証するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。なお、以下の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかにそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【００１３】
実施の形態．
［実施の形態のシステム構成について］
図１は、本実施の形態の筒内圧センサについて説明するための模式図である。図１の筒内圧センサ（以下「ＣＰＳ」とも称する）１０は、ディーゼルエンジンの各シリンダに搭載されて用いられる。ＣＰＳ１０が搭載されるディーゼルエンジンは、インジェクタから噴射された燃料を圧縮状態にある燃焼室２０内において自己着火させる圧縮点火式の多気筒エンジンである。但し、ＣＰＳ１０が設置されるディーゼルエンジンは単気筒のエンジンであっても構わない。
【００１４】
ＣＰＳ１０は、グロープラグ一体型のセンサである。図１には、ＣＰＳ１０の先端部とその周辺部分のみを表している。ＣＰＳ１０は、受圧部となるロッド形状のヒータ１２とを備えている。ヒータ１２は、エンジンのシリンダヘッド１６に形成されたグローホール（ネジ孔）１８に挿入されている。ヒータ１２は、その先端側が燃焼室２０に突出しており、その基端側は、シリンダヘッド１６に固定されている。
【００１５】
ＣＰＳ１０がグロープラグとして機能するのは、ヒータ１２の先端部に内蔵された発熱体（図示しない）に通電を行った場合である。発熱体に通電を行うとヒータ１２が加熱（グロー加熱）され、これによりヒータ１２の周囲の温度が上昇する。ヒータ１２への通電は、制御装置３０によって制御される。
【００１６】
ヒータ１２は、その軸方向（図１の矢印方向）に移動可能に構成されている。ヒータ１２は、燃焼室２０内の圧力（以下「筒内圧」ともいう。）を受けると、その圧力に応じて軸方向に移動する。ヒータ１２の変位量は、圧電素子や歪みゲージ等を有するセンシング部２２を介して検出される。検出された信号は、制御装置３０に取り込まれ、筒内圧が検出される。
【００１７】
本実施の形態のシステムは、制御装置３０を備えている。上述したＣＰＳ１０の他、エンジンが有する各種のセンサ及びアクチュエータは、制御装置３０に電気的に接続されている。制御装置３０はＥＣＵ(Electronic Control Unit)である。制御装置３０は、エンジンのシステム全体の制御を行うものであり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータを主体として構成されている。ＲＯＭには、後述するＣＰＳ１０の異常検出の制御を含む各種制御ルーチンが記憶されている。制御装置３０においては、各センサからの信号が入力され、所定の制御プログラムが実行されることで各アクチュエータに対する制御値が演算され、制御値が出力される。出力された制御信号によって各アクチュエータが制御され、これによりエンジンが制御される。
【００１８】
［制御装置３０の機能について］
本実施の形態において制御装置３０はＣＰＳ１０の異常検出装置として機能する。制御装置３０は、実熱発生率の波形を算出する機能と、基準熱発生率の波形を算出する機能と、筒内圧センサの異常を検出する機能とを有している。これらの機能は制御装置３０に記憶された所定の制御プログラムが実行されることでそれぞれ実現される。以下、各機能について説明する。
【００１９】
＜ＣＰＳ１０の異常検出について＞
燃焼室２０の内壁やグローホール１８の内周壁、ヒータ１２の外周面には、軽油の燃焼により発生したデポジットが付着して堆積する場合がある。グローホール１８やヒータ１２の外面に堆積するデポジットは、受圧部であるヒータ１２の移動に対して抵抗となる。このためデポジットが増加すると、ＣＰＳ１０のセンサ特性が変化し、筒内圧の検出精度が低下することとなる。
【００２０】
図２は、ＣＰＳ１０の出力に基づいて算出される熱発生率の波形について説明するための図である。なお、本実施の形態では、ＣＰＳ１０の出力に基づいて算出される熱発生率を「実熱発生率」とも称することとする。また、熱発生率は単位クランク角あたりの熱発生量である。図２において、実線ａは、正常なＣＰＳ１０の出力を用いて算出された実熱発生率であり、破線ｂは、デポジットの堆積量が基準値を越えた異常を有するＣＰＳの出力を用いて算出された実熱発生率を表している。
【００２１】
図２に示されるように、熱発生率がピークとなるクランク角Ａより前の時点では、正常なＣＰＳ１０を用いて算出された実熱発生率（ａ）と、異常なＣＰＳの出力を用いて算出された実熱発生率（ｂ）との間に大きな差異は見られない。しかし、熱発生率がピークとなるクランク角Ａから燃焼終了のクランク角Ｂまでの期間、即ち燃焼後半では、正常なＣＰＳ１０の出力に基づく実熱発生率（ａ）と、異常なＣＰＳの出力に基づく実熱発生率（ｂ）との間に大きな差異が見られる。
【００２２】
従って、制御装置３０は、燃焼後半における実熱発生率の波形と、以下に基づき算出される基準熱発生率の波形とを比較することで、実熱発生率の実際の熱発生率からの乖離を検知して、ＣＰＳ１０の異常を検出する。より具体的には、実熱発生率の波形と基準熱発生率の波形との差が基準値より大きい状態がＮ回連続で検出された場合に、ＣＰＳ１０のデポジット堆積による異常を検出する。
【００２３】
＜実熱発生率の算出＞
実熱発生率は、制御装置３０に入力されるＣＰＳ１０の出力に基づいて算出される。燃焼室２０内で発生する実熱発生率は、気体の状態方程式を用いた式に基づいて算出することができる。実熱発生率の算出方法は既知であり、ここでの詳細な説明は省略する。
【００２４】
＜基準熱発生率の算出＞
一方、燃焼後半における熱発生率の変化の波形は、クランク角を変数とする３次式によっても近似される。より具体的には、燃焼後半の熱発生率は、次式（１）に示されるクランク角ｘを変数とする３次式によって近似される。
ｄＱ（ＣＡ）/ｄθ＝ａｘ３＋ｂｘ２＋ｃｘ＋ｄ      ・・・・・（１）
式（１）における定数ａ、ｂ、ｃ、ｄは、エンジンの運転条件に応じて決定される。
【００２５】
図３は、式（１）における各定数ａ、ｂ、ｃ、ｄを決定するためのマップについて説明するための図である。図３における各図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、式（１）の定数ａ、ｂ、ｃ、ｄに対応している。定数ａは急激な低下を示し、図３の（ａ）に示されるように、例えば0から-0.01の範囲内で設定される値である。定数ｂは、燃料後半の燃え残りを示し、図３の（ｂ）に示されるように、例えば0から1の範囲内で設定される値である。定数ｃは、なだらかな低下を示し、図３の（ｃ）に示されるように、例えば0から-50の範囲内で設定される値である。定数ｄは、熱発生ピーク値の大小を示し、図３の（ｄ）に示されるように例えば0から500の範囲内で設定される値である。
【００２６】
各定数ａ、ｂ、ｃ、ｄと燃料噴射量とエンジン回転速度との具体的な関係は、予め、実験やシミュレーション等によって算出され、マップとして定められる。定数ａ、ｂ、ｃ、ｄのそれぞれのマップは、燃料噴射量とエンジン回転速度とをパラメータとする複数の領域に区分けされており、その領域ごとに各定数の値を与えるものである。定められたマップは制御装置３０に記憶される。
【００２７】
さらに、各定数ａ、ｂ、ｃ、ｄに対しては、エンジン水温に応じた補正をかける。本実施の形態においては、マイナス側の値である定数ａ、ｃは、共にエンジン水温が低い領域にある場合の方が、水温が高い領域にある場合に比べて大きな値（絶対値が小さな値）となるように補正される。一方、プラス側の値である定数ｂ、ｄは、水温が低い領域にある場合の方が、水温が高い領域にある場合に比べて、小さな値となるように補正される。
【００２８】
定められたマップに基づいて、定数ａ、ｂ、ｃ、ｄが決定され、式（１）が決定される。決定された式（１）に基づいて、所定のクランク角ｘにおける基準熱発生率が算出される。ＣＰＳ１０の異常検出では、この基準熱発生率の波形が判定値として用いられる。
【００２９】
なお、制御装置３０は、ＣＰＳ１０の異常を検出した場合、始動時制御とは別の所定のタイミングで、ヒータ１２への加熱制御を行い、ヒータ１２及びその近傍に堆積したデポジットを分解除去する。この加熱制御では、ヒータ１２の周囲の温度が堆積したデポジットの分解温度以上になるように、ヒータ１２に内蔵された発熱体への通電量が制御される。
【００３０】
また、ＣＰＳ１０が異常である場合にも、熱発生率のピークより前の状態では、概ね正しく熱発生率が算出される。従って、ＣＰＳ１０の異常が検出された場合、熱発生率は、ピークより前は、ＣＰＳ１０の出力に基づいて計算された実熱発生率を用い、燃焼後半のみ、式（１）に基づいて算出される基準熱発生率に置き換えて、燃焼全体に渡る熱発生率を算出する。算出された燃焼全体に渡る熱発生率に基づいて、各制御の指標、例えば、着火時期や熱発生率重心等が算出される。
【００３１】
［具体的な制御のルーチン］
図４は、本実施の形態において制御装置３０が実行する制御のルーチンについて説明するための図である。図４のルーチンでは、まず、学習許可フラグがＯＮであるか否かが判別される。学習許可フラグは、本実施の形態のＣＰＳ１０の異常検出の制御が実行できる一定の条件が満たされる場合にＯＮとされるフラグである。
【００３２】
ステップＳ２において、学習許可フラグがＯＮであることが認められない場合、今回の処理は終了する。一方、ステップＳ２において学習許可フラグがＯＮであることが認められると、次に、ステップＳ３において、ＣＰＳ１０の出力が検出され、ステップＳ４において、所定サイクル数の間、ＣＰＳ１０の出力が検出されたか否かが判別される。ステップＳ４において所定サイクル数の出力検出の完了が認められない場合、今回の処理は終了し、その後再び本ルーチンが実行されて、ステップＳ３においてＣＰＳ１０の出力が検出される。
【００３３】
ステップＳ４において、所定サイクル数、ＣＰＳ１０の出力検出が認められると、続くステップＳ６において、ステップＳ４において検出されたＣＰＳの出力を用いて、実熱発生率の所定サイクル数の平均波形が算出される。
【００３４】
次に、ステップＳ８において、現在の運転条件における基準熱発生率が算出される。基準熱発生率の算出においては、まず、現在の燃料噴射量、エンジン回転速度、水温に応じて決定される定数ａ、ｂ、ｃ、ｄによって、３次式（１）が決定される。決定された３次式（１）に従って、燃焼中の各クランク角ｘにおける基準熱発生率が算出される。
【００３５】
次に、同一クランク角におけるＳ６で算出された実熱発生率の波形と、Ｓ８で算出された基準熱発生率と波形との差が、基準値より大きい状態が、Ｎ回連続したか否かが判別される（Ｓ１０）。基準値は、実熱発生率と実際の熱発生率との乖離が、ＣＰＳ１０が異常であると判断できる程度に大きいと考えられる範囲の下限値付近の値に設定される。
【００３６】
実熱発生率と基準熱発生率との差が基準値より大きい状態がＮ回連続したことが認められると、ＣＰＳ１０の異常が検出されたことを示すデポジット堆積フラグがＯＮとされる（Ｓ１２）。
【００３７】
次に、熱発生率のピークまでの値を、ステップＳ６において算出された実熱発生率とし、燃焼後半の熱発生率をステップＳ８において設定された３次式による基準熱発生率に置き換え（Ｓ１４）、これに基づいて、各制御の指標が算出される（Ｓ１６）。その後、今回の処理は終了する。
【００３８】
尚、この制御で異常フラグがＯＮとされることで、別途記憶されているデポジットの加熱分解の制御ルーチンが実行され、このルーチンに従ってヒータ１２への通電が制御され、デポジットの加熱分解が実行される。
【００３９】
［３次式（１）による基準熱発生率の近似精度について］
ところで、本実施の形態では、基準熱発生率を３次式（１）により近似できることを説明した。これに関し、本出願の発明者は、基準熱発生率の算出を運転条件との関係で決定される２次式、あるいは４次式で算出することについても検討した。図５は、３次式（１）で示される基準熱発生率の波形、図６は、４次式で近似される基準熱発生率の波形、図７は、２次式で近似される基準熱発生率の波形について説明するための図である。なお、図５〜図７は、いずれも回転速度3000［ｒｐｍ］、燃料噴射量30［ｍｍ３/ｓｔ］、水温による補正値ゼロの場合の例であり、燃焼後半の基準熱発生率の波形のみを表している。また、図５〜図７において、曲線ａは、各式の基準熱発生率の波形であり、各プロットは、実際の熱発生率を表している。
【００４０】
図５の波形は、定数ａ=-0.0017、ｂ=0.2357、ｃ=-10.716、ｄ=159.53とする３次式（１）で表される。即ち、３次式（１）は、ｙ=-0.0017x3+0.2357x2-10.716x+159.53となる。図５に示されるように、実際の熱発生率は、この３次式（１）で表される曲線ａ上に概ねプロットされており、両者の相関係数もＲ２＝0.9895と高いものとなっていることが確認された。
【００４１】
図６は、熱発生率を４次式で近似した例であり、この例における４次式は、y＝1Ｅ-0.5x４-0.0036x3+0.3292x2-12.592x+172.14である。図６の例では、実際の熱発生率は概ね４次式上にプロットされており、その相関係数もR２＝0.9899と高くなっている。しかしながら、３次式の場合と４次式の場合とで、近似の精度に大きな差がなく、計算負荷の高い４次式とするメリットは小さいものと考えられる。
【００４２】
図７は、熱発生率を２次式で近似した例であり、この例における２次式は、ｙ＝0.0549ｘ2-4.9337ｘ+106.16である。図６に示されるように、２次式による基準熱発生率の波形と、実際の熱発生率のプロットとの間には、比較的大きなずれが生じている。相関係数の値もＲ２＝0.9436と低くなっている。
【００４３】
以上より、本実施の形態では、３次式を採用し、式（１）に従って基準熱発生率の算出を行う。これにより、低い計算負荷で、高い精度で基準熱発生率を算出することができるため、ＣＰＳ１０の異常検出の精度を高めることができる。
【００４４】
また、本実施の形態では、基準熱発生率を、燃料噴射量と機関回転速度とに応じて決定される式（１）によってその都度算出することができる。従って、運転条件を選ばずに、必要なタイミングでＣＰＳ１０の異常検出を実行することができ、例えば、デポジット堆積がごく少量の、影響が小さな状態においても、ＣＰＳ１０の異常検出を行うことが可能である。また、ＣＰＳ１０の異常が検出された場合に、燃焼後半を基準熱発生率に置き換えることで、低い計算負荷で全体における熱発生率の変化の波形を得ることができる。従って、ＣＰＳ１０に異常が検出された場合にも、燃焼全体に渡り、熱発生率に応じた制御指標を算出することができる。
【００４５】
なお、また、図４のルーチンでは、ＣＰＳ１０のデータを数サイクル検出して、それに応じて実熱発生率の平均波形を求める場合について説明した。しかし、これに限られず、１サイクルの検出値を用いて算出した波形を用いるものであってもよい。また実熱発生率と基準熱発生率との差が基準値より大きい状態がＮ回連続した場合に、異常と判定する場合について説明したが、Ｎは１であってもよく、即ち、両者の差が基準値より大きい場合に、直ちに異常を検出するようにしてもよい。また本実施の形態では、グロープラグ一体型のＣＰＳ１０の異常判定について説明する場合について説明した。しかし、本実施の形態において説明したＣＰＳ１０の異常判定は、ガソリンエンジンの筒内圧センサの異常判定にも適用することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１０  ＣＰＳ
１２  ヒータ
１６  シリンダヘッド
１８  グローホール
２０  燃焼室
２２  センシング部
３０  制御装置
【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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