JP5508642B2 - 多気筒内燃機関の異常判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、一気筒に対する燃料の噴射供給を行う燃料系として２つの燃料系を備えるデュアルインジェクションシステムを搭載する多気筒内燃機関に適用されて、気筒間の空燃比のばらつき異常を判定する多気筒内燃機関の異常判定装置に関する。

多気筒内燃機関では、各気筒のインジェクターの燃料噴射量のばらつきにより、気筒間の空燃比のばらつきが発生することがある。こうした気筒間の空燃比のばらつきが発生すると、内燃機関全体の空燃比が理論空燃比と一致しても、空燃比が理論空燃比よりもリッチとなる気筒と、リーンとなる気筒とが存在するようになる。

こうした気筒間の空燃比のばらつきが発生すると、排気の酸素濃度から検出される空燃比に変動が生じるようになり、空燃比の変化率が大となる。また、空燃比のばらつきが発生すると、気筒間の発生トルクにばらつきが発生し、機関回転速度の変動量が大となる。そのため、所定の判定期間における空燃比変化率の絶対値の積算値、あるいは機関回転速度変動量の積算値に基づくことで、ばらつき異常の有無を判定することができる。

ところで、近年には、一気筒に対する燃料の噴射供給を行う燃料系として２つの燃料系を備えるデュアルインジェクションシステムを搭載する多気筒内燃機関が実用されている。この種のデュアルインジェクションシステムとしては、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射用の燃料系と、気筒内に直接燃料を噴射する筒内噴射用の燃料系とを備えたシステムがある。こうしたデュアルインジェクションシステムを搭載する多気筒内燃機関では、ポート噴射のみを行うＰ噴射モードと、筒内噴射のみを行うＤ噴射モードと、ポート噴射と筒内噴射との双方を行うＰＤ噴射モードとが、機関運転状況に応じて使い分けられる。

そして従来、デュアルインジェクションシステムを搭載する多気筒内燃機関の気筒間の空燃比のばらつき異常を判定する異常判定装置として、特許文献１に記載の装置が提案されている。同文献に記載の異常判定装置では、噴射モード毎に、判定パラメーターの積算を個別に行うとともに、その積算値に基づく異常判定も噴射モード毎に行うようにしている。

こうした異常判定装置では、Ｐ噴射モードでの判定パラメーターの積算値が異常値を示したときにポート噴射用の燃料系に異常があると推定し、Ｄ噴射モードでの判定パラメーターの積算値が異常値を示したときに筒内噴射用の燃料系に異常があると推定している。そしていずれかの燃料系に異常有りと推定されたときには、異常有りと推定された燃料系のみを用いるモードに噴射モードを固定して異常判定を行うことで、異常の生じた燃料系を確定するようにしている。なお、こうした従来の多気筒内燃機関の異常判定装置では、ＰＤ噴射モードでの判定パラメーターの積算値は、上記推定の確度を保証するためにのみ用いられている。

特開２０１０−１６９０３８号公報

上記従来の技術では、断続的であっても良いが、Ｐ噴射モード及びＤ噴射モードが一定以上の時間ずつ実行されなければ、異常の可能性の有る燃料系を特定できないようになっている。しかしながら、多気筒内燃機関の運用によっては、ＰＤ噴射モードの実行時間、実行機会が多く、Ｐ噴射モードやＤ噴射モードの実行時間や実行機会が限られる場合がある。そうした場合に上記従来の技術では、異常判定に多大な時間がかかる虞がある。

なお、こうした問題は、ポート噴射用、筒内噴射用の２つの燃料系を備えるシステム以外のデュアルインジェクションシステム、例えば筒内噴射用の燃料系を気筒毎に２つずつ備えるシステムなどにおいても同様に発生し得るものとなっている。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、デュアルインジェクションシステムを搭載する多気筒内燃機関での気筒間の空燃比のばらつき異常をより早期に判定することにある。

上記課題を解決するため、一気筒に対する燃料の噴射供給を行う燃料系として２つの燃料系を備えるデュアルインジェクションシステムを搭載する多気筒内燃機関に適用されて、気筒間の空燃比のばらつき異常を判定する多気筒内燃機関の異常判定装置としての請求項１の発明は、上記２つの燃料系の双方による燃料の噴き分けを行う期間にばらつき異常の有無の判定を行うとともに、上記期間における両燃料系の燃料の噴き分け率に基づいて、異常の生じた燃料系がいずれの燃料系であるかを推定している。

上記構成では、２つの燃料系の双方による燃料の噴き分けを行う期間に気筒間の空燃比のばらつき異常の有無が判定される。また上記構成では、異常判定の期間における両燃料系の燃料の噴き分け率に基づいて、いずれの燃料系に異常が生じたかの推定が行われる。そのため、いずれかの燃料系のみを用いた噴射モードの実行時間や実行機会が限られていても、ばらつき異常の判定と異常の生じた燃料系の推定とを行うことが可能となる。したがって、上記構成によれば、デュアルインジェクションシステムを搭載する多気筒内燃機関での気筒間の空燃比のばらつき異常をより早期に判定することができる。

上記のような異常燃料系の推定が正しければ、異常が生じたと推定された燃料系の燃料噴射分担率を増大することで、気筒間の空燃比のばらつきが大となる。そのため、異常が生じたと推定された燃料系の燃料噴射分担率を増大した後に、気筒間の空燃比のばらつきが大きくなったか否かで、推定が正しかったかどうかを確認することができる。したがって、請求項２によるように、異常燃料系の推定の後、異常が生じたと推定された燃料系の燃料噴射分担率を増大させ、その状態で異常の生じた燃料系を確定するための２次判定を行うようにすれば、異常の生じた燃料系がいずれの燃料系であるか確定することができる。

なお、異常が生じた燃料系の推定は、請求項３によるように、上記期間における燃料の噴き分け率がより高い燃料系を、異常の生じた燃料系と推定することで行うことができる。

また上記異常の有無の判定は、例えば請求項４によるように、気筒間の機関回転速度の変動量の積算値を用いたり、請求項５によるように、気筒間の空燃比変化率の絶対値の積算値を用いたりして行うことが可能である。

本発明の一実施の形態の適用される多気筒内燃機関の燃料系の構成を模式的に示す略図。 同実施の形態の適用される多気筒内燃機関の制御系の構成を模式的に示す略図。 同実施の形態に適用される異常判定ルーチンの処理手順を示すフローチャート。

以下、本発明の多気筒内燃機関の異常判定装置を具体化した一実施の形態を、図１〜図３を参照して詳細に説明する。なお、本実施の形態は、直列４気筒の気筒配列を有する多気筒内燃機関に、本発明の異常判定装置を適用したものとなっている。

まず、図１を参照して本実施の形態の適用される多気筒内燃機関の燃料系の構成を説明する。同図に示すように、燃料タンク１から燃料を汲み上げるフィードポンプ２の吐出側は、燃料を浄化する燃料フィルター３と、燃料を調圧するプレッシャーレギュレーター４を介して、低圧側燃料通路５及び高圧側燃料通路８に接続されている。低圧側燃料通路５は、燃圧の脈動を抑えるパルセーションダンパー６の設置された低圧燃料配管７に接続される。低圧燃料配管７には、各気筒の吸気ポートに設けられたポート噴射インジェクターＰＩが接続されている。

一方、高圧側燃料通路８は、内燃機関のシリンダーヘッドに配設された高圧燃料ポンプ９に接続される。高圧燃料ポンプ９内では、高圧側燃料通路８は、燃圧の脈動を抑えるパルセーションダンパー１０を通った後、電磁スピル弁１１を介して加圧室１２に接続される。加圧室１２には、多気筒内燃機関のカムシャフト１３に設けられたカム１４より上下動されるポンププランジャー１５が配設されている。

加圧室１２には、同加圧室１２から吐出された高圧の燃料が通る高圧燃料通路１６が接続される。高圧燃料通路１６は、高圧燃料を蓄える高圧燃料配管１９に接続されている。また、高圧燃料通路１６の途中には、燃料の逆流を防ぐ第１チェックバルブ１７と、高圧燃料配管１９内の燃圧が過大となったときに開弁して燃料を高圧燃料ポンプ９に戻すための第２チェックバルブ１８とが配設されている。なお、高圧燃料配管１９には、各気筒のシリンダーに設けられた筒内噴射インジェクターＤＩが接続されている。

次に、こうした多気筒内燃機関の燃料系の作用を説明する。
フィードポンプ２が燃料タンク１から汲み上げた燃料は、燃料フィルター３にて浄化され、プレッシャーレギュレーター４により調圧された上で、低圧側燃料通路５及び高圧側燃料通路８に送られる。低圧側燃料通路５に流入した燃料は、同低圧側燃料通路５を通って低圧燃料配管７に送られる。そして低圧燃料配管７に送られた燃料は、ポート噴射インジェクターＰＩにより、各気筒の吸気ポートに噴射供給される。なお、本実施の形態では、低圧側燃料通路５、低圧燃料配管７、ポート噴射インジェクターＰＩ等により、ポート噴射用の燃料系が構成されている。

一方、高圧側燃料通路８に流入した燃料は、同高圧側燃料通路８を通って高圧燃料ポンプ９に送られる。高圧燃料ポンプ９では、カム１４によりポンププランジャー１５が上下動されており、ポンププランジャー１５が下がるときに電磁スピル弁１１が開かれる。そして開かれた電磁スピル弁１１を通って、高圧燃料ポンプ９に流入した燃料が加圧室１２内に導入される。ポンププランジャー１５の上昇中に電磁スピル弁１１が閉じられると、加圧室１２の容積の縮小に応じて同加圧室１２内の燃料が加圧されて高圧燃料通路１６に吐出される。そしてその燃料は、高圧燃料通路１６を通じて高圧燃料配管１９に送られ、筒内噴射インジェクターＤＩにより、各気筒のシリンダー内に噴射供給される。なお、本実施の形態では、高圧燃料ポンプ９、高圧燃料通路１６、高圧燃料配管１９、筒内噴射インジェクターＤＩ等により、筒内噴射用の燃料系が構成されている。

次に、図２を参照して、こうした燃料系を備える多気筒内燃機関の制御系の構成を説明する。同図に示すように、この多気筒内燃機関の制御系は、電子制御ユニット２０を中心に構成されている。

電子制御ユニット２０は、機関制御に係る各種演算処理を実施する中央演算処理装置（ＣＰＵ）及び機関制御用のプログラムやデータを記憶した読込専用メモリー（ＲＯＭ）を備えている。また電子制御ユニット２０は、ＣＰＵの演算結果やセンサーの検出結果等を一時的に記憶するランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）及び外部との信号の授受を媒介する入出力ポート（Ｉ／Ｏ）を備えている。

こうした電子制御ユニット２０の入力ポートには、機関各部に設けられたセンサーの検出信号が入力されている。そうしたセンサーとしては、排気の酸素濃度から燃焼された混合気の空燃比を検出する空燃比センサー２１、機関出力軸であるクランクシャフトの回転角（クランク角）を検出するクランク角センサー２２、機関冷却水温を検出する水温センサー２３、排気の温度を検出する排気温センサー２４などがある。また電子制御ユニット２０の出力ポートからは、上記ポート噴射インジェクターＰＩ、筒内噴射インジェクターＤＩ、高圧燃料ポンプ９などの、機関各部に設けられたアクチュエーター類の駆動回路に指令信号が出力されている。

さて、以上のように構成された本実施の形態にあって、電子制御ユニット２０は、機関制御の一環として、機関運転中に、気筒間の空燃比のばらつき異常の有無を判定する。以下、本実施の形態における気筒間の空燃比のばらつき異常の判定の詳細を説明する。

まず、本実施の形態では、電子制御ユニット２０は、上記２つの燃料系の双方による燃料の噴き分けを、すなわちポート噴射と筒内噴射との噴き分け行う期間に、判定パラメーターの積算を行っている。そして電子制御ユニット２０は、その判定パラメーターの積算値に基づいて、気筒間空燃比のばらつき異常の有無を判定する。

判定パラメーターには、空燃比のばらつきに応じて値が大となる任意のパラメーターを用いることができ、例えば気筒間の機関回転速度の変動量や気筒間の空燃比の変化率の絶対値などを使用可能である。気筒間の空燃比にばらつきが生じれば、各気筒の発生トルクにばらつきが生じ、気筒間の機関回転速度の変動量が大きくなる。そのため、気筒間の機関回転速度の変動量は、空燃比のばらつきを判定するパラメーターとして用いることができる。また気筒間の空燃比のばらつきが生じれば、空燃比に変動が生じ、気筒間の空燃比の変化率の絶対値が大きくなる。そのため、気筒間の空燃比の変化率の絶対値も、空燃比のばらつきを判定するパラメーターとして用いることができる。

なお、判定パラメーターの積算は、規定の積算期間（例えば多気筒内燃機関の１００サイクルの間）行われる。またこの積算と同時には、そのときのポート噴射と筒内噴射との噴き分け率が電子制御ユニット２０のＲＡＭにストアされる。そして、求められた判定パラメーターの積算値が、そのときの機関回転速度、機関負荷、噴き分け率に応じて算出された閾値以上であるか否かによって、異常の有無が判定される。

異常有りとの判定がなされると、ＲＡＭにストアした、上記積算期間における両燃料系の燃料の噴き分け率に基づいて、異常の生じた燃料系がいずれの燃料系であるかの推定が行われる。本実施の形態では、判定パラメーターの積算期間における燃料の噴き分け率がより高い方の燃料系を、異常の生じた燃料系と推定するようにしている。

こうした推定がなされると、続いて、異常が生じた燃料系を確定するための２次判定が行われる。２次判定は、異常と推定した燃料系の燃料噴射分担率を「１００％」に増大するとともに、所定の積算期間における判定パラメーターの積算値を求めることで行われる。なお、特定気筒のリーン側への空燃比のずれによる空燃比ばらつき（リーンインバランス）が確認されたときには、２次判定は、無負荷運転（アイドル運転）下で行われる。一方、特定気筒のリッチ側への空燃比のずれによる空燃比ばらつき（リッチインバランス）が確認されたときには、２次判定は、負荷運転下で行われる。

２次判定においても、上記積算期間における判定パラメーターの積算値が、機関回転速度、機関負荷、噴き分け率より算出された閾値以上であるか否かによって、異常の有無の判定が行われる。ここで異常有りとの判定がなされれば、上記推定した燃料系に異常があることが確定される。一方、異常無しとの判定がなされたときには、異常と推定した燃料系とは別の燃料系の燃料噴射分担率を「１００％」に増大して、同様の異常判定を行う。この結果、異常有りとの判定がなされれば、先に異常と推定した燃料系とは別の燃料系に異常があることが確定されることになる。

図３は、こうした本実施の形態に適用される異常判定ルーチンのフローチャートを示している。本ルーチンの処理は、機関運転中に電子制御ユニット２０によって、周期的に実行されるようになっている。

さて本ルーチンが開始されると、まずステップＳ１００において、判定前提条件が成立しているか否かが判定される。ここでの判定前提条件は、多気筒内燃機関の暖機が完了していること、空燃比センサー２１が活性化されていること、などとなっている。ここで、判定前提条件が未成立であれば（Ｓ１００：ＮＯ）、そのまま、今回の本ルーチンの処理が終了される。

一方、判定前提条件が成立していれば（Ｓ１００：ＹＥＳ）、ステップＳ１０１に処理が移行され、そのステップＳ１０１において、所定の積算期間、判定パラメーターの積算が行われる。またこれと同時に、そのときの燃料の噴き分け率のストアが行われる。

判定パラメーターの積算が完了すると、ステップＳ１０２において、判定パラメーターの積算値が、機関回転速度、機関負荷、噴き分け率に応じて算出された閾値以上であるか否かが判定される。ここで積算値が閾値を下回り、異常無しと判定されたときには（Ｓ１０２：ＮＯ）、そのまま今回の本ルーチンの処理が終了される。一方、上記積算値が上記閾値以上となって異常有りと判定されたときには（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、ステップＳ１０３に処理が移行される。

処理がステップＳ１０３に移行されると、そのステップＳ１０３において、先にストアした噴き分け率に応じてポート噴射用、筒内噴射用のいずれの燃料系に異常があるかの推定がなされる。上述したように、このときの推定は、噴き分け率がより高い方の燃料系を、異常の生じた燃料系と推定することで行われる。

その後、ステップＳ１０４において、２次判定を実施可能な条件が成立するのを待った後、処理がステップＳ１０５に移行される。
処理がステップＳ１０５に移行されると、そのステップＳ１０５において、異常と推定した方の燃料系の燃料噴射分担率が「１００％」に増大される。そして次のステップＳ１０６において、上述した態様で２次判定が実施され、異常の生じた燃料系の確定が行われる。

以上の本実施の形態の内燃機関の異常判定装置によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）本実施の形態では、ポート噴射用、筒内噴射用の２つの燃料系の双方による燃料の噴き分けを行う期間にばらつき異常の有無の判定を行うようにしている。そして、上記積算期間における両燃料系の燃料の噴き分け率に基づいて、異常の生じた燃料系がいずれの燃料系であるかを推定している。こうした本実施の形態では、２つの燃料系の双方による燃料の噴き分けを行う期間に、気筒間の空燃比のばらつき異常の判定と、異常の発生した燃料系の推定とが行われる。そのため、いずれかの燃料系のみを用いた噴射モードの実行時間や実行機会が限られていても、ばらつき異常の判定と異常の生じた燃料系の推定とを行うことが可能となる。したがって、本実施の形態によれば、デュアルインジェクションシステムを搭載する多気筒内燃機関での気筒間の空燃比のばらつき異常をより早期に判定することができる。

（２）本実施の形態では、異常燃料系の推定の後、異常が生じたと推定された燃料系の燃料噴射分担率を増大させ、その状態で異常の生じた燃料系を確定するための２次判定を行うようにしている。上記のような異常燃料系の推定が正しければ、異常が生じたと推定された燃料系の燃料噴射分担率を増大することで、気筒間の空燃比のばらつきが大となる。そのため、異常が生じたと推定された燃料系の燃料噴射分担率を増大した後に、気筒間の空燃比のばらつきが大きくなったか否かで、推定が正しかったかどうかを確認することができる。そのため、異常の生じた燃料系がいずれの燃料系であるか確定することができる。しかも、このときの確認は、異常の確率がより高い方の燃料系から行われるため、判定期間の長期化を抑えることが可能である。

なお、上記実施の形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施の形態では、２次判定において、異常と推定された燃料系の燃料噴射分担率を「１００％」としていたが、「１００％」とせずとも、異常と推定された燃料系の燃料噴射分担率を増大しさえすれば、異常の生じた燃料系の確定は可能である。すなわち、燃料噴射分担率を増大した燃料系に実際に異常があれば、その増大に応じて気筒間の空燃比のばらつきは増大する。一方、燃料噴射分担率を増大した燃料系に実際には異常がなければ、その増大に応じて空燃比のばらつきは減少する。したがって、燃料噴射分担率を増大した後の判定パラメーターの積算値が、燃料噴射分担率の増大前よりも増大したか否かによって、異常と推定した燃料系に実際に異常が生じているか否かを確定することが可能である。

・上記実施の形態では、気筒間の空燃比のばらつき異常の判定を、気筒間の機関回転速度変動量の積算値や気筒間の空燃比変化率の絶対値の積算値を用いて行うようにしていたが、そうした異常判定は、気筒間の空燃比のばらつきに応じて値が大となるパラメーターであれば、任意のパラメーターを用いることが可能である。

・上記実施の形態では、直列４気筒の気筒配列を有する多気筒内燃機関に本発明を適用した場合を説明したが、本発明は、それ以外の気筒配列を有した多気筒内燃機関にも同様に適用することができる。

・上記実施の形態では、ポート噴射用と筒内噴射用との２つの燃料系からなるデュアルインジェクションシステムを搭載する多気筒内燃機関に本発明の異常判定装置を適用した場合を説明した。もっとも、本発明はそれ以外の構成のデュアルインジェクションシステム、例えば筒内噴射用の燃料系が２系統設けられた構成のシステムなどを搭載する多気筒内燃機関にも、同様に適用することが可能である。

なお、ポート噴射のみ、あるいは筒内噴射のみを行う時間や機会が限られる場合にも、次のようにすれば、異常が生じた燃料系を特定することができる。すなわち、各燃料系の燃料噴射分担率を強制的に「１００％」とした上で、異常判定をそれぞれの燃料系に対して個別に行うようにすれば、各燃料系の異常判定の機会を創出することが可能となる。

ＤＩ…筒内噴射インジェクター、ＰＩ…ポート噴射インジェクター、１…燃料タンク、２…フィードポンプ、３…燃料フィルター、４…プレッシャーレギュレーター、５…低圧側燃料通路、６…パルセーションダンパー、７…低圧燃料配管、８…高圧側燃料通路、９…高圧燃料ポンプ、１０…パルセーションダンパー、１１…電磁スピル弁、１２…加圧室、１３…カムシャフト、１４…カム、１５…ポンププランジャー、１６…高圧燃料通路、１７…第１チェックバルブ、１８…第２チェックバルブ、１９…高圧燃料配管、２０…電子制御ユニット、２１…空燃比センサー、２２…クランク角センサー、２３…水温センサー、２４…排気温センサー。

Claims (5)

1. 一気筒に対する燃料の噴射供給を行う燃料系として２つの燃料系を備えるデュアルインジェクションシステムを搭載する多気筒内燃機関に適用されて、気筒間の空燃比のばらつき異常を判定する多気筒内燃機関の異常判定装置において、
   前記２つの燃料系の双方による燃料の噴き分けを行う期間に前記ばらつき異常の有無の判定を行うとともに、
   前記期間における両燃料系の燃料の噴き分け率に基づいて、異常の生じた燃料系がいずれの燃料系であるかを推定する
   ことを特徴とする多気筒内燃機関の異常判定装置。
2. 前記推定の後、異常が生じたと推定された燃料系の燃料噴射分担率を増大させ、その状態で異常の生じた燃料系を確定するための２次判定を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の多気筒内燃機関の異常判定装置。
3. 前記推定は、前記期間における燃料の噴き分け率がより高い燃料系を、異常の生じた燃料系と推定するように行われる
   請求項１又は２に記載の多気筒内燃機関の異常判定装置。
4. 前記ばらつき異常の有無は、気筒間の機関回転速度の変動量の積算値を用いて判定される
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の多気筒内燃機関の異常判定装置。
5. 前記ばらつき異常の有無は、気筒間の空燃比変化率の絶対値の積算値を用いて判定される
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の多気筒内燃機関の異常判定装置。

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