(57)【要約】【課題】内燃機関の排気カムシャフトとクランクシャフトとの回転位相差が正常な範囲内にあるかどうかを判定する。【解決手段】気筒の膨張行程の後期以降における筒内圧が変化するタイミングが正常な範囲内にあるか否かを判定する。あるいは、気筒の膨張行程の後期以降におけるクランクシャフトの回転速度が変化するタイミングが正常な範囲内にあるか否かを判定する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒の膨張行程の後期以降における筒内圧が変化するタイミングが正常な範囲内にあるか否かを判定する内燃機関の制御装置。
【請求項２】
気筒の膨張行程の後期以降におけるクランクシャフトの回転速度が変化するタイミングが正常な範囲内にあるか否かを判定する内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両等に搭載される内燃機関を制御する制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、４ストローク内燃機関にあっては、気筒の吸排気バルブを開閉駆動するカムを備えたカムシャフトと、気筒内で進退運動するピストンと連結したクランクシャフトとを、タイミングチェーン（または、タイミングベルト）及びスプロケットを要素とする巻掛伝動機構を介して連動させている。そして、各気筒の吸排気バルブを適正なタイミングで開閉させ、内燃機関の燃焼サイクルの各行程が適切に営まれるようにしている。
【０００３】
カムシャフト及びクランクシャフトの各々に設けているスプロケットにタイミングチェーンを巻き掛ける際、タイミングチェーンの掛け違いが起こる（スプロケットの所定の歯に対応したチェーンの部分が正しくその歯に係合していない、換言すればチェーンの所定の部分に噛み合わせるべき歯がずれている）と、カムシャフトの回転位相とクランクシャフトの回転位相とが正常な関係からずれる。その結果、吸気バルブや排気バルブが適正なタイミングで開閉せず、内燃機関の始動不良やアイドリングの不安定化を招く懸念が生じる。さらには、開弁する吸気バルブまたは排気バルブが上死点近傍に到達したピストンに異常に接近してしまうおそれもある。なお、タイミングチェーンが経年変化により伸びたときも、同様である。
【０００４】
カムシャフトの回転角度を検出するカム角センサが設置されている場合、そのカム角センサの出力信号を参照することで、当該カムシャフトとクランクシャフトとの回転位相差を知得できる。ひいては、タイミングチェーンの掛け違いまたは伸びを感知することが可能である（例えば、下記特許文献を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１６４９８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
カム角センサは、吸気バルブを開閉駆動する吸気カムシャフトに付帯することが多い。一方で、排気バルブを開閉駆動する排気カムシャフトには、その回転角度を検出するカム角センサが必ずしも設置されない。
【０００７】
このため、吸気カムシャフトとクランクシャフトとの回転位相差を知得することはできても、排気カムシャフトとクランクシャフトとの回転位相差は知得できない可能性がある。さすれば、タイミングチェーンの掛け違いやタイミングチェーンの伸びに起因して排気バルブが適正なタイミングで開閉しなかったとしても、これを感知することができない。
【０００８】
本発明は、上記の問題に初めて着目してなされたものであり、内燃機関の排気カムシャフトとクランクシャフトとの回転位相差が正常な範囲内にあるかどうかを判定できるようにすることを所期の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、気筒内の圧力を筒内圧センサを介して検出し、気筒の膨張行程の後期以降における筒内圧が変化するタイミングが正常な範囲内にあるか否かを判定する内燃機関の制御装置を構成した。
【００１０】
並びに、本発明では、クランクシャフトの回転速度をクランク角センサを介して検出し、気筒の膨張行程の後期以降におけるクランクシャフトの回転速度が変化するタイミングが正常な範囲内にあるか否かを判定する内燃機関の制御装置を構成した。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、内燃機関の排気カムシャフトとクランクシャフトとの回転位相差が正常な範囲内にあるかどうかを判定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態における車両用内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。
【図２】同実施形態における内燃機関の吸気カムシャフト、排気カムシャフト及びクランクシャフトを連動させるための巻掛伝動機構を例示する図。
【図３】同実施形態における火花点火装置の回路図。
【図４】内燃機関の気筒において発生するイオン電流信号の推移を例示する図。
【図５】内燃機関の気筒の筒内圧及び当該気筒の排気バルブの開度の推移を例示する図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態の内燃機関は、ポート噴射式の火花点火エンジンであり、複数の気筒１（例えば、三気筒。図１には、そのうち一つを図示している）を具備する。
【００１４】
各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。
【００１５】
図２に示すように、４ストローク内燃機関にあっては、各気筒１の吸気バルブを開閉駆動するカムを備えた吸気カムシャフト、各気筒１の排気バルブを開閉駆動するカムを備えた排気カムシャフト、各気筒１内で進退運動するピストンと連結したクランクシャフトにそれぞれスプロケット５１、５２、５３を設け、それらスプロケット５１、５２、５３にタイミングチェーン（または、タイミングベルト）５４を巻き掛けて巻掛伝動機構５を構成することで、吸気カムシャフト及び排気カムシャフトがクランクシャフトに従動して回転するようにしている。
【００１６】
図３に、火花点火用の電気回路を示している。点火プラグ１２は、点火コイル１４にて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイル１４は、半導体スイッチング素子であるイグナイタ１３とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。
【００１７】
内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）０からの点火信号ｉをイグナイタ１３が受けると、まずイグナイタ１３が点弧して点火コイル１４の一次側に電流が流れ、その直後の点火のタイミングでイグナイタ１３が消弧してこの電流が遮断される。すると、自己誘導作用が起こり、一次側に高電圧が発生する。そして、一次側と二次側とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側にさらに高い誘導電圧が発生する。この高い誘導電圧が点火プラグ１２の中心電極に印加され、中心電極と接地電極との間で火花放電する。
【００１８】
本実施形態のＥＣＵ０は、混合気の着火燃焼の際に気筒１の燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、このイオン電流を参照して燃焼状態の判定を行うことができる。
【００１９】
図３に示すように、本実施形態では、火花点火用の電気回路に、イオン電流を検出するための回路を付加している。この検出回路は、イオン電流を効果的に検出するためのバイアス電源部１５と、イオン電流の多寡に応じた検出電圧を増幅して出力する増幅部１６とを備える。バイアス電源部１５は、バイアス電圧を蓄えるキャパシタ１５１と、キャパシタ１５１の電圧を所定電圧まで高めるためのツェナーダイオード１５２と、電流阻止用のダイオード１５３、１５４と、イオン電流に応じた電圧を出力する負荷抵抗１５５とを含む。増幅部１６は、オペアンプに代表される電圧増幅器１６１を含む。
【００２０】
点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間のアーク放電時にはキャパシタ１５１が充電され、その後キャパシタ１５１に充電されたバイアス電圧により負荷抵抗１５５にイオン電流が流れる。イオン電流が流れることで生じる抵抗１５５の両端間の電圧は、増幅部１６により増幅されてイオン電流信号ｈとしてＥＣＵ０に受信される。
【００２１】
図４に、正常燃焼時における、イオン電流（図中実線で表す）及び気筒１内の筒内圧（燃焼圧力。図中破線で表す）のそれぞれの推移を例示している。イオン電流は、点火のための放電中は検出することができない。正常燃焼の場合のイオン電流は、火花点火の終了後、化学反応により、圧縮上死点の手前で減少した後、熱解離によって再び増加する。また、燃焼圧がピークを迎えるのとほぼ同時にイオン電流も極大となる。
【００２２】
吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。
【００２３】
排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させたことで生じる排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。
【００２４】
排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、特にサージタンク３３に接続している。
【００２５】
内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。
【００２６】
ＥＣＵ０の入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、内燃機関のクランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するクランク角センサ（エンジン回転センサ）から出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、内燃機関に対する要求トルク）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、内燃機関の温度を示唆するエンジン冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｅ、気筒１内の圧力を検出する筒内圧センサから出力される筒内圧信号ｆ、吸気カムシャフトの複数のカム角にて吸気カム角センサから出力されるカム角信号ｇ、気筒１内での混合気の燃焼に伴って生じるイオン電流を検出する回路から出力されるイオン電流信号ｈ等が入力される。
【００２７】
ここで、クランク角信号ｂ及びカム角信号ｇに関して補足すると、クランク角信号ｂを出力するクランク角センサは、クランクシャフトと一体となって回転するロータの回転角度をセンシングする。そのロータには、クランクシャフトの回転方向に沿った所定角度毎に、歯または突起が形成されている。典型的には、クランクシャフトが１０°回転する毎に、歯または突起が配置される。クランク角センサは、ロータの外周に臨み、個々の歯または突起が当該センサの近傍を通過することを検知して、その都度クランク角信号ｂとしてパルス信号を発信する。
【００２８】
但し、クランクシャフトが一回転する間に三十六回のパルスを出力するわけではない。クランクシャフトのロータの歯または突起は一部欠けており、その欠歯部分に起因して、クランク角信号のパルス列もまた一部が欠損する。例えば、十七番目、十八番目、二十番目、二十一番目、三十五番目及び三十六番目に該当するパルスが欠損する。この欠損を基にして、クランクシャフトの絶対的な角度（または、姿勢）ひいては各気筒１のピストンの現在位置を知ることが可能である。欠損した三十六番目のパルスの次の一番目のパルスのタイミングを０°ＣＡ（クランク角度）とおくと、欠損した十八番目のパルスに続く十九番目のパルスのタイミングが１８０°ＣＡということになる。
【００２９】
他方、カム角信号ｇを出力するカム角センサは、吸気カムシャフトと一体となって回転するロータの回転角度をセンシングする。そのロータには、カムシャフトの一回転を気筒数で割った角度毎に、歯または突起が形成されている。三気筒エンジンの場合、カムシャフトが１２０°回転する毎に、歯または突起が配置される。クランクシャフトから回転駆動力の伝達を受けて回転する吸気カムシャフト（及び、排気カムシャフト）の回転速度は、クランクシャフトの回転速度の二分の一である。故に、上記の歯または突起は、クランク角度に換算すれば２４０°ＣＡ毎に配置されていることになる。加えて、ロータには、追加的なカム角信号を発生させるための歯または突起が、２４０°ＣＡ毎の歯または突起の間に一つ設けられる。
【００３０】
カム角センサは、ロータの外周に臨み、個々の歯または突起が当該センサの近傍を通過することを検知して、その都度カム角信号ｇとしてパルス信号を発信する。このカム角信号ｇのパルスは、例えば、各気筒１の圧縮上死点の近傍、または圧縮上死点から所定のクランク角度だけ進角側に偏倚したタイミングを示唆する。
【００３１】
ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ等を出力する。
【００３２】
ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。
【００３３】
また、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある）時において、電動機（スタータモータまたはＩＳＧ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｓｔａｒｔｅｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ））を稼働させるための制御信号ｏを入力し、当該電動機により内燃機関のクランクシャフトを回転させるクランキングを行う。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、クランクシャフトの回転速度即ちエンジン回転数がそのときの内燃機関の温度（冷却水温）等に応じて定まる閾値に到達したときに、完爆したものと見なして終了する。
【００３４】
本実施形態のＥＣＵ０は、気筒１の膨張行程の後期における当該気筒１の筒内圧、または膨張行程の後期におけるクランクシャフトの回転速度の変動の推移に基づき、排気カムシャフトとクランクシャフトとの回転位相差が正常な範囲内にあるかどうかを判定し、排気カムシャフト及びクランクシャフトに付随する各スプロケット５２、５３に対するタイミングチェーン５４の掛け違い、または経年変化によるタイミングチェーン５４の伸びを感知する。
【００３５】
図５に、タイミングチェーン５４の異常即ちタイミングチェーン５４の掛け違いや伸びが発生していない状況下における、ある気筒１の筒内圧及び当該気筒１の排気バルブの開度（バルブリフト量）の関係を示している。気筒１の膨張行程の後期、膨張下死点前に当該気筒１の排気バルブが開弁すると、当該気筒１内に存在する比較的高い圧力のガスが急激に膨張し排気通路４に流出するブローダウンが起こる。この結果、筒内圧の減少が起こるとともに、当該気筒１のピストンに作用する押圧力の低減に伴ってクランクシャフトの回転の減速度が増大する。
【００３６】
既に述べた通り、現在のクランクシャフトの回転角度及び回転速度は、クランク角信号ｂを参照して知得できる。また、現在の気筒１の筒内圧は、筒内圧信号ｆを参照して知得できる。筒内圧に基づいてタイミングチェーン５４の異常の有無を判定するためには、ＥＣＵ０が、膨張行程の後期（特に、圧縮上死点後１２０°ＣＡ以降のタイミング）から排気行程にかけての気筒１の筒内圧を、クランクシャフトが所定角度（例えば、１０°ＣＡ）回転する毎に、または所定時間毎に反復的に計測し、その時系列Ｐi（ｉは、計測機会を表す添字）を得る。そして、今回計測した筒内圧の値Ｐnから前回計測した筒内圧の値Ｐn-1を減算した差分の絶対値｜Ｐn−Ｐn-1｜が判定値を上回ったかどうか、またはそれらの比Ｐn／Ｐn-1が判定値を下回ったかどうかを判断する。これは即ち、気筒１の排気バルブの開弁に伴って筒内圧が減少するタイミングを推測することを意味する。
【００３７】
しかして、ＥＣＵ０は、｜Ｐn−Ｐn-1｜が判定値を上回り、またはＰn／Ｐn-1が判定値を下回った時点でのクランクシャフトの角度をクランク角信号ｂのパルス数から知得して、そのクランク角度が正常な範囲Ｔ内にあるか否かを判定する。当該クランク角度が正常な範囲Ｔ内にあるならば、（クランク角信号ｂとカム角信号ｇとの比較の結果異常が感知される場合を除き）タイミングチェーン５４の掛け違いや伸び等の異常は存在しないと考えられる。逆に、当該クランク角度が正常な範囲Ｔ内にないならば、タイミングチェーン５４の掛け違いや伸び等の異常が存在すると考えられる。
【００３８】
翻って、クランクシャフトの回転速度に基づいてタイミングチェーン５４の異常の有無を判定するためには、ＥＣＵ０が、膨張行程の後半から排気行程にかけて、クランクシャフトが所定角度（例えば、１０°ＣＡ）回転するのに要した時間を反復的に計測し、その時系列ｔi（ｉは、計測機会を表す添字）を得る。そして、今回計測した所要時間の値ｔnから前回計測した所要時間の値ｔn-1を減算した差分の絶対値｜ｔn−ｔn-1｜が判定値を上回ったかどうか、またはそれらの比ｔn／ｔn-1が判定値を上回ったかどうかを判断する。これは即ち、気筒１の排気バルブの開弁に伴ってクランクシャフトの回転の減速度が増大するタイミングを推測することを意味する。
【００３９】
しかして、ＥＣＵ０は、｜ｔn−ｔn-1｜が判定値を上回り、またはｔn／ｔn-1が判定値を上回った時点でのクランクシャフトの角度をクランク角信号ｂのパルス数から知得して、そのクランク角度が正常な範囲Ｔ内にあるか否かを判定する。当該クランク角度が正常な範囲Ｔ内にあるならば、（クランク角信号ｂとカム角信号ｇとの比較の結果異常が感知される場合を除き）タイミングチェーン５４の掛け違いや伸び等の異常は存在しないと考えられる。逆に、当該クランク角度が正常な範囲Ｔ内にないならば、タイミングチェーン５４の掛け違いや伸び等の異常が存在すると考えられる。
【００４０】
タイミングチェーン５４の異常を感知したＥＣＵ０は、その旨を示す情報（ダイアグノーシスコード）をメモリに記憶して保持したり、車両の運転者または搭乗者の視覚または聴覚に訴えかける態様で報知したりする。具体的には、車両のコックピットに設けられたエンジンチェックランプを点灯させる、アラーム音を鳴らす、ディスプレイの画面に異常の旨を表示させる等である。また、ＥＣＵ０と通信可能に接続している外部の機器に対して異常の旨を示す情報を送信するようにしてもよい。あるいは、燃料噴射及び点火を中止して、内燃機関を非常停止させることも考えられる。
【００４１】
上述したタイミングチェーン５４の異常の有無の判定は、内燃機関の始動のためのクランキング中に実施することが好ましく、特に、インジェクタ１１からの燃料噴射及び点火プラグ１２による点火を開始する前に実行することがより好ましい。燃料噴射及び点火を行っていない時期に判定を行うことで、燃料の燃焼に起因する筒内圧やクランクシャフトの回転速度の変動の影響を排除して判定精度を高めることができるからである。
【００４２】
本実施形態では、気筒１内の圧力を筒内圧センサを介して検出し、気筒１の膨張行程の後期以降における筒内圧が変化するタイミングが正常な範囲Ｔ内にあるか否かを判定する内燃機関の制御装置０を構成した。
【００４３】
並びに、本実施形態では、クランクシャフトの回転速度をクランク角センサを介して検出し、気筒１の膨張行程の後期以降におけるクランクシャフトの回転速度が変化するタイミングが正常な範囲Ｔ内にあるか否かを判定する内燃機関の制御装置０を構成した。
【００４４】
本実施形態によれば、排気カムシャフトの回転角度を検出する排気カム角センサが設けられていなくとも、内燃機関の排気カムシャフトとクランクシャフトとの回転位相差が正常な範囲内にあるかどうかを判定でき、タイミングチェーン５４の掛け違いやタイミングチェーン５４の伸びといった異常を感知することが可能となる。
【００４５】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、インジェクタ１１からの燃料噴射及び点火プラグ１２による点火を開始した後にタイミングチェーン５４の異常の有無の判定を行う場合には、筒内圧信号ｆに代えて、イオン電流信号ｈを参照してブローダウン即ち筒内圧の減少が起こるタイミングを推測し、そのタイミングが正常な範囲Ｔ内にあるか否かを判定して、タイミングチェーン５４の異常を感知することも不可能ではない。
【００４６】
その他、各部の具体的構成や処理の内容等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
５…巻掛伝動機構
５１、５２、５３…スプロケット
５４…タイミングチェーン
ｂ…クランク角信号
ｆ…筒内圧信号
ｈ…イオン電流信号
【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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