JPH03501148A - エンジンのミスフアイア検出および排気システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 エンジンのミスファイア検出および排気システム本発明は多気筒内燃エンジンに おけるミスファイアを検出するための方法に、そして多気筒内燃エンジンの排気 装置、この排気装置は触媒を有している、を保護するための装置に関するもので ある。

内燃エンジンの排気ガス触媒および排気マニホールドまでもが異常過熱によって 損害を受けたり破壊されたりすることは、よく知られている。異常過熱の危険は ミスファイア、すなわち１つまたは複数の燃焼室内の燃料／空気の混合気が点火 障害によって点火されないこと、の場合に発生する。この燃焼しなかっｔ；混合 気は、その作動温度が約５５０℃程度の触媒に達した時に直ちに点火され、触媒 が破壊される温度にまで急速に触媒を加熱する。これには、自動車のエンジンが 火災を引き起こすという危険も存在している。

不正な燃焼またはミスファイアを直ちに識別し、それによつて排気系の、特に触 媒の、結果的な異常過熱を防止する段階に進むことを可能とする方法および装置 を提供することが本発明の目的である。

本発明の利点 それらの不都合は請求の範囲第１項に記載の方法および請求の範囲第５項に記載 の装置とによって克服される。エンジンに残っている燃焼しなかったガスの酸素 含有を通してミスファイアを直ちに検出するだけでなく、区別されるべき、不正 に動作しているシリンダーまたはシリンダーグループの測定を実施することもま た、本発明によって可能となる。シリンダーまたはシリンダーグループ個々に燃 料を噴射する場合には、ミスファイアを起こしｔ；燃焼室にさらに燃料を供給す ることを避けることも可能である。

本発明のさらに別の長所は関係する請求の範囲に記載されている。

図面類 本発明は添付図面を参照しながら例として、さらに説明される。

第１図は本発明の１つの実施例によるラムダセンサーが取付けられた、触媒を含 む排気系を持つ４ストローク内燃エンジンを表わす概略図であり、第２図はラム ダセンサーの出力電圧を示す図であり第３図は本発明の別の実施例によるラムダ 制御によって動作する電子的燃料噴射装置の回路図であり、第４図は第３図の実 施例に関する一連の動作状態を表わす図であり、 第５図は第３図の実施例の動作の１つのモードに関する論理図であり、 第６図は第５図の動作モードに関する一連の動作を表わす図であり、 第７図は動作の別のモードに関する論理図であり、第８図はウィンドー識別器の 利用を示しＩ；図でありそして第９図は期待されるガス移行時間を説明するｔ； めの図である。

望ましい　施例の説明 まず、第１図を参照すると、車のための４ストロークのガソリンエンジン］、Ｏ は、少なくとも１つの消音器１４と排気ガス触媒器１６とを含む排気装置１２を 有している。触媒器１６は排気装置内に、約５５０℃で動作するように設けられ ており、この温度は排気ガス中のいくらかの残留酸素を用いて、窒素酸化物を減 少させる、また同時に一酸化炭素や炭化水素を酸化させる、触媒作用のための理 想的な温度である。

エンジンシリンダーの１つにミスファイアがあると、燃焼しなかった気体はその シリンダーから排気されて、触媒内で燃えることになる。このことは高価な触媒 が破損する温度にまで急速に触媒を加熱させることになり、そして車両自体にも 火災の危険をもたらすこととなるので、適切な対応測定が必要となる。

第１図の実施例によると、ラムダセンサー１８および２０は、排気装置１２中に おいて、触媒１６の上方と下方とに取付けられている。このラムダセンサーは固 体電解質を有していて、よく知られているように、それらは排気ガスの残留酸素 含有に依存した出力電圧を発生するものである。このセンサー電圧は第２図にお いて極めて大略的に示されている。上方センサー１８の出力電圧Ｕｌはエンジン シリンダーの排気ストロークに同期してわずかに変動している。他方の、残留酸 素は触媒１６の中で消費されるので、下方センサー２０の出力電圧Ｕ２は実質的 に一定である。エンジンに供給される燃料／空気混合気が化学量論的な関係にあ るか、まｔ；はわずかに可燃成分が薄いと仮定するならば、わずかのリップルを 有する電圧Ｕ１の平均は電圧Ｕ２と大略、等しくなる。

第２図においては、１つのシリンダーがミスファイアを起こし、その結果、燃焼 しなかった燃料と空気とが上流センサー１８に到達して、空気中の酸素が電圧Ｕ ｉの急激な低下をまねいたと、仮定している。他方、燃料と酸素とは触媒１６の 中で燃焼するので、下流センサー２０の出力電圧Ｕ２は降下せず、かえっていく らか上陸する。

Ｌ１２−Ｕｌ　ｉ：：８ける急激な変化の発生を検出するために、センサーの出 力はコンパレーター２２に接続されており、そのコンパレーターは電圧Ｕ２−Ｕ ｌが前もって決められた値ΔＵを起えた時に出力信号Ｓを発生するものである。

電圧Ｕｌの変動が誤ったアラームをトリガーするおそれを減少させるため、セン サー１８とコンパレーター２２との間には平滑回路２４を配置することができる 。

アラーム信号Ｓは可聴および／または可視のアラームをトリガーするか、または エンジンへの燃料供給を停止または制限するために用いることができる。もし、 ミスファイアが生じているシリンダーを識別できるなら、燃料噴射装置を持つ内 燃エンジンの場合には、それぞれの噴射バルブを閉じきりにすることによって不 調なシリンダーへの燃料供給を停止させることができる。不調なシリンダーを検 出するための１つの方法は、単一の上流センサー１８の代わりに、エンジンの排 気バルブから導かれる排気装置のそれぞれの分岐している管に、いくつかの別の センサーを設けることである。次に、そのような各センサーの電圧出力が、下流 センサーのそれと比較される。

上流センサー１８によって測定されるような、排気ガスの空気指数λに応じて噴 射される燃料の量が調節されるような、ラムダ制御に適合したエンジンの場合に は、ミスファイアの時の燃焼されていない酸素と、その結果の出力電圧Ｕ１の低 下とは、より薄い混合気をエンジンに供給するようラムダ制御に働きかけるので 、示されているように、エンジンが直ちに停止しない場合には次に、波状の出力 電圧Ｕ２は実質的にその前の値に回復する。

第３図は、電子的に制御された燃料噴射装置および点火装置とを持つ４ストロー ク、４シリンダーの内燃エンジンに関する、電子的燃料噴射装置を示している。

（概略的に示されている）４つの噴射バルブ２６゜２８．３０．３２はコンピュ ーター３４の制御の下で、モして終段増幅器３６を通して、クランクシャフト回 転に関連して時間的に、開かれそして閉じられる。

噴射バルブ２６〜３２は、エンジンの４つのシリンダーと一体になっており、そ れらはそれぞれのエンジンインレットバルブ付近でエンジンインレットマニホー ルドブランチに燃料を噴射する。コンピューター３４はまた、点火コイルおよび ディストリビュータ−４６を通して、（概略的に示されている）４つのスパーク プラグ３ｇ、４０．４２および４４をも制御する。

コンピューター３４は、一般的な方法における最適の噴射される燃料の量、噴射 タイミングおよび点火タイミングを提供するために、動作パラメーターに従って 、噴射バルブ２６〜３２および点火コイル４６に供給される点火トリガー電圧を 制御する。この動作パラメーターは、基準パルスＢＭ、インレット圧Ｐ（真空度 ）、負荷Ｌ（ペダル位置）、エンジン速度ｎ１エンジン排気装置内のラムダセン サーによって測定されるような空気指数λ、およびエンジン冷却水温度Ｔを含ん でいる。基準パルスＢＭはクランクシャフトの回転に関して時間的に得られるも ので、同期の目的を有するものである。

通常走行の場合、エンジンはラムダ制御によって動作しており、そしてラムダセ ンサーは（第１図のセンサー１８のように）エンジンの排気装置内の触媒の上流 に配置される。ラムダ制御は排気中の成分による、そして特に、排気中の酸素含 有による制御であって、それによって燃料／空気の比が理想的な燃焼をもたらす 比となるように、すなわち触媒に到達する排気ガス中に化学量論的に接近した、 最小の汚染物を得るように、制御するものである。

第４図は、Ａにおいてラムダセンサーの出力を、Ｂにおいて個々のシリンダーの 点火の瞬間を示しており、それによって、測定された空気数λの変化と、個々の 燃焼動作との間の時間関係が知られるようにしたものである。第４図の左側にお いて示されているような、通常動作においては、空気指数λは電子制御の一部を 形成するサーボループによってオン−オフ制御されることによる２つの極端な値 の間を変動している。言葉を換えれば、高い空気指数λ〉１は薄い混合気を示し ており、それによって燃料噴射装置は噴射される燃料の量を増やすように動作し 、また空気数λく１によっては、噴射される燃料の量が減じられる。各オン−オ フ変動は、クランクシャフトの数回転、例えば６回転、で終了する。

瞬間盲において、１つのシリンダーがミスファイアを始め、第４図においては各 動作ストロークでそれが継続している。結果として、ラムダセンサーまたは酸素 センサーは誤って、平均的には混合気が薄すぎると測定するのでコンピューター ３４は、第４図の曲線Ｃによって示されるようにラムダセンサーが再び平均空気 指数λ−１を表わすまで、噴射される燃料の量を増加させる。しかし今、ミスフ ァイアを起こしているシリンダーからの過剰な濃度の混合気と変化していない酸 素とによって、ラムダセンサーの出力は、第４図の右側において示されているよ うに、クランクシャフトの各２回転毎に１度、急激な降下を見せる。この状況全 検出するｔ；めに、ラムダプローブの出力は、これから説明されるように、ミス ファイア検出器４８において評価される。

最も単純なな形態においては、ラムダセンサーの出力電圧Ｕ、はウィンドー判定 器に供給されて、クランクシャフト回転の７２０６の内に、電圧Ｕ４がアッパー スレッショールドＵ、、つを越えて上昇し、そしてロワースレッショールドＵｓ ｌ＋を下回って下降するかどうかが確かめられる。もしそうであれば、パルスが ミスファイアカウンターに送られ、そのカウンターの計数状態は第４図の曲線り で示されいる。カウンターが計数した結果、例えば８回のミスファイアが検出さ れた時に、アラーム信号Ｓが供給される。

もしミスファイアしているシリンダーを識別する必要があるならば、ウィンドー 判定器は各シリンダーに関して１８０’のクランクシャフト角度にわたって展開 され、シリンダーは点火トリガーパルスによって識別されて、各１８０°のウィ ンドーの間にセンサー電圧Ｕ１が最初はアッパースレッショールドＵ１１１未満 であるかどうかが、次にロワスレッショールドＵｍｌｉよりも下がるかどうかが チェックされる。もしそうであれば、カウントパルスがそれぞれのカウンターに 供給され、そしてカウンターがカウントアウトした時に、アラームを表わし、そ してどのシリンダーが関係しているかを示す不良信号Ｓが供給される。この不良 信号Ｓはこの場合、終段増幅器３６のコンピューター３４からの相応する出力を 切断することによって、それぞれの噴射バルブへの燃料噴射信号を禁止するよう にも利用することができる。

寄生的なミスファイアは触媒に有害ではないので、ミスファイア検出器４８がラ ンダムな間隔で生ずるミスファイアに応答することを防止するのは望ましい。

この目的のため、第５図に示したようにストレージタイムカウンターも利用され る。各シリンダーに関して、それぞれの１８０″クランクシャフト角度のウィン ドーの範囲内でｔｌ、（Ｕ、、、およびＵ、（Ｕ、、、であるかどうかがチェッ クされる。もしそうであれば、不良カウンターにステップパルスが加えられる。

もしそうであれば、ストレージタイムカウンターにステップパルスが加えられる 。一旦、不良カウンターがカウントアウトすると、アラーム信号Ｓが発生する。

しかし、不良カウンターがカウントアウトする前にストレージタイムカウンター がカウントアウトすると、両方のカウンターがリセットされる。言葉を換えると 、ストレージタイムカウンターのカウントアウト周期の内に、不良カウンターが カウントアウトするのに必要な数よりも少ない数のミスファイアがあった場合に は、何の不良も表示されない。

２つのカウンター各々の総カウントはエンジンの動作条件に適合させて調節する ことが可能である。こうして、各カウンターに関しては、経験的に決められた特 性がコンピューター３４の内部に蓄積でき、例えばエンジン速度ｎおよびエンジ ン負荷りによって、アラーム信号Ｓをトリガーするｔ；めに不良カウンターでカ ウントされるべきミスファイアの数、および検出されｔ；ミスファイアが無視さ れる前にストレージタイムカウンター内でカウントされるべき、ミスファイアな しのクランクシャフト回転の数を決めることができる。

第６図は、さらにこの動作を描いｔ；ものである。曲線Ａはラムダセンサーの出 力電圧Ｕ１である。その出力は第４図（Ａ）が示しているように規則的ではない が、第４図（Ａ）の全体パターンは第６図（Ａ）でも認識できるということが分 かるであろう。第６図の曲線Ｂは点火装置から得られる同期パルスを表わしてい る。曲線るミスファイアの開始に続いて、センサー電圧Ｕ、はＵ、、、−１１０ ｍＶ未満に、ソシテ次ニＵ−＋、−５０ｍＶ未満に低下して、不良カウンターを １だけステップさせたことが理解できるであろう。引き続く４つの動作サイクル （２Ｘ４−８回転）にわたって、センサー電圧Ｕ、はＵｍａｘより上に上昇しな かったので、それがさらに不良カウンターをステップさせるようなアッパースレ ッショールドを通過することはなく、そして不良カウンターは次に、ストレージ タイムカウンターのタイミングアウト（カウントアウト）によってリセットされ る。統いて不良カウンターはリセットされる前に２まで計数されている。しかし 、次にラムダコントロールの影響が表われてきて、センサー電圧Ｕ、は谷と谷と の間の有意な値まで上昇して、不良カウンターはＴ２において迅速にアラームを トリガーするようカウントアウトする。曲線りは触媒温度を表わしており、アラ ームがトリガーされる以前は単に数１０度上昇するだけである。第６図は、アラ ームがトリガーされた後に何の対応処置も実施されなかっｔ；と仮定しているが 、そうでない場合にはセンサー電圧Ｕ１はＴ２以降に示すコースは！二と゛らな いであろう。

別の可能性は、ラムダセンサーの出力電圧Ｕおにおける変動の振幅が、各シリン ダーの相応する１８０’クランクシャフト角度の間にウィンドー判定器で測定さ れることである。センサー電圧Ｕ１の最大と最小値の間の差は、エンジン速度お よび／または負荷によって前もって決められた値を越えて、前に説明しＩ；よう にミスファイア信号が不良カウンターに加えられる。しかも、前に説明しｔ；よ うに、速度および／まｌ；は負荷に依存することのできる、前もって決められた 時間々隔以内に何ら別のミスファイア信号が無かっｔ；場合には、不良カウンタ ーはリセットされることができる。これはさらに第７図に示される。排気される ガスが、ミスファイアを起こしたシリンダーからラムダセンサーに達するまで時 間を要するので、センサー出力電圧と点火トリガーパルスを基準にしてミスファ イアシリンダーを認識するためにはガス移動時間を考慮に入れなければならない 。第８図は、ミスファイアを起こしたシリンダーからの、燃焼しない排気ガスが ラムダセンサーによってどのように認識されるかを示している。

４気筒、４ストロークエンジンに関しては、７２０゜クランクシャフト角度の動 作サイクルが、それぞれ１８０°の４つのウィンドーに分割される。センサー電 圧Ｕ、の降下フランクがアッパーおよびロアのスレッショールドを横切るウィン ドーは、燃焼しなかったガスに相応している。こうして、そられのガスが来たシ リンダーを確定するためには、シリンダーの動作ストロークに要する時間、およ びガスが排気管を通ってラムダセンサーに達する時間だけ、点火パルスを遅れさ せる必要がある。第９図はミスファイアシリンダーのＴＤＣから測定されｔ；ガ ス移動時間を示している。これは標準的には５６００クランクシャフト角度であ るが、しかしエンジン動作パラメーターによって変化する。こうして、シリンダ ーを認識するための信号は、ラムダプローブから得られたミスファイア信号とそ れらを関連させる前に、このガス移動時間だけ遅れさせる必要がある。シリンダ ー識別信号として点火トリガー信号を利用する前述の方法においては、点火トリ ガー信号がＴＤＣに接近している限りは、これは重要なことではない。別の方法 によって、例えば第９図に示すように連続する基準マークＢＭの間の間隔をシリ ンダーの数で分割して、シリンダー識別信号を得ることも可能である。

予期されるガス移動時間は、コンピューターの中に蓄えられている経験的にめら れた特性値から得ることも可能であって、その特性値はエンジン速度ｎおよび／ またはエンジン負荷りのようなエンジン動作特性に依存した、予期されるガス移 動時間を与えることもできる。

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匡際調査報告 ＋＋１１ｅｍ−シａＩＩｎｌ　Ａｔａ＋４１−ｓ＊　Ｍ、　ＰＣＴ　／　ＥＰ　 ８　Ｂ　／　００８２４国際調査報告

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．多気筒内燃エンジンにおけるミスファイアを検出する方法において、 排気装置内のラムダセンサーの出力電圧がモニターされ、そしてそれが基準電圧 と比較され、そしてセンサー電圧と予期される値からの基準電圧との間の差異が 、少なくとも１つのシリンダーにおけるミスフアイアを示すものとして用いられ ることを特徴とする方法。
2. ２．その排気装置が触媒を含む内燃エンジンにおいて、触媒のそれぞれ上流と下 流に配置された２つのラムダセンサーの出力が比較され、そして２つのラムダセ ンサーの出力電圧の間の差異の増加が、少なくとも１つのシリンダーにおけるミ スファイアを示すものとして用いられるような、請求項１記載の方法。
3. ３．ラムダ制御装置が配備されている内燃エンジンにおいて、ラムダ制御装置の ラムダセンサーの出力電圧における変動がモニターされ、それら変動が基準振幅 を越えるか、または基準スレッショールドを横切るならば、このことが少なくと も１つのシリンダーにおけるミスファイアを示すものとして用いられるような、 請求項１記載の方法。
4. ４．ラムダセンサーの出力電圧がスレッショールドの外側に出た瞬間が、クラン クシャフトの前もって決められた角度位置を表わす基準マーク（ＢＭ）の瞬間と 比較され、そしてそれら瞬間の間の時間差が、排気ガスの、エンジン排気バルブ からラムダセンサーまで移動するために予期される時間を配慮した上で、どのシ リンダーがミスフアイアしているかを決めるのに用いられるような、請求項３記 載の方法。
5. ５．多気筒内燃エンジンの、触媒を含む排気装置を保護するための装置において 、 比較装置が、触媒の上流に設けられたラムダセンサーの出力電圧を、通常は達す ることのない基準値に比較するために備えられており、そしてミスフアイアを表 わす、比較装置の出力信号が、燃焼していない排気ガスが触媒に到達することを 防止する装置に加えられることを特徴とする装置。
6. ６．第２ラムダセンサーが触媒の下流に設けられ、そしてラムダセンサーの出力 電圧間の差異がコンパレーターの中で基準スレッショールドと比較されるような 、請求項５記載の装置。
7. ７．ラムダ制御装置が設けられている内燃エンジンにおいて、エンジンの動作サ イクル内におけるラムダセンサーの出力電圧の変動をモニターするための装置が 設けられているような、請求項５記載の装置。
8. ８．ミスファイアを検出するために、ラムダプローブの出力電圧（Ｕ２）におけ る谷が検出されるような、請求項７記載の装置。
9. ９．ミスファイアが不良カウンター内で計数され、そして不良カウンターがカウ ントアウトした時にアラーム信号（Ｓ）が発生するような、請求項８記載の装置 。
10. １０．ストレージタイムカウンターが設けられ、そして検出されたミスファイア 間の時間経過をカウントして、ストレージタイムカウンターがカウントアウトし た場合には両方のカウンターがリセットされるような、請求項９記載の装置。
11. １１．いずれかの、または何方のカウンターのカウントアウト時間が、エンジン の動作パラメーターに依存して調整されることが可能であるような、請求項９ま たは１０記載の装置。
12. １２．いずれかの、または両方のカウンターが、蓄積されている特性フィールド によって調整されるような、請求項１１記載の装置。
13. １３．少なくともエンジンの１動作サイクル範囲内において、出力電圧（Ｕ２） が、アッバースレッショールド（Ｕ■■■）およびロアスレッショールド（Ｕ■ ■■）を越えて変動しているか、または変動が前もって決められた振幅外にある かどうかを確認することによって、出力電圧の谷が検出されるような、請求項８ から１２までのいずれか１項記載の装置。
14. １４．ミスファイアを生じているシリンダーを識別するために、シリンダー数で 分割した動作サイクルに関するクランクシャフト角度で規定されるウインドー内 で、変動が測定されるような、請求項１３記載の装置。
15. １５．与えられたシリンダーのＴＤＣまたは点火トリガーパルスと、シリンダー からの排気ガスがラムダセンサーに到達する瞬間との間で測定されると予期され るガス移動時間が、ミスファイアを起こしているシリンダーを識別するために配 慮されるような、請求項７から１４までのいずれか１項記載の装置。
16. １６．特性フィールドがコンピューターの中に蓄積されており、そして少なくと も１つのエンジン動作パラメーターに依存して、予期されるガス移動時間を与え るような、請求項１５記載の装置。