JPH064049Y2

JPH064049Y2 - 可変圧縮比型内燃機関の故障検出装置

Info

Publication number: JPH064049Y2
Application number: JP19154487U
Authority: JP
Inventors: 佳久川村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1987-12-17
Filing date: 1987-12-17
Publication date: 1994-02-02
Anticipated expiration: 2002-12-17
Also published as: JPH0195549U

Description

【考案の詳細な説明】産業上の利用分野この考案は、機関運転条件に応じて高圧縮比と低圧縮比
との切り換えが行われる可変圧縮比型内燃機関におい
て、圧縮比の異常つまり圧縮比可変機構の故障を検出す
る故障検出装置に関する。

従来の技術低負荷時における熱効率の向上と高負荷時におけるノッ
キングの抑制との両立などを図るために、従来から種々
の可変圧縮比型内燃機関が提案されている。例えば、実
開昭５８−２５６３７号公報には、各気筒のピストン
を、インナピストンとアウタピストンとの二重構造と
し、インナピストンに対しアウタピストンを上下動させ
ることで圧縮比を変化させるようにした圧縮比可変機構
が、また特開昭６０−２３０５４８号公報には、シリン
ダヘッドに副シリンダを形成し、該副シリンダ内の副ピ
ストンを上下動させることで圧縮比を変化させるように
した圧縮比可変機構がそれぞれ記載されている。

この可変圧縮比型内燃機関においては、上記圧縮比可変
機構は機関運転条件、主に負荷に応じて切り換え抑制さ
れ、一般に、低負荷領域では高圧縮比（以下、高εと略
記する）状態に、高負荷領域では低圧縮比（以下、低ε
と略記する）状態に抑制される。そして、機関の過給圧
や点火時期等は、それぞれの圧縮比に正常に制御されて
いることを前提として設定されることになる。

考案が解決しようとする問題点従って、上記可変圧縮比型内燃機関において、何らかの
原因で圧縮比可変機構が正常に作動しないと、種々の不
具合が生じる。例えば、上記実開昭５８−２５６３７号
公報記載のように、油圧によりアウタピストンをインナ
ピストンに対し上下動させるものでは、油の劣化等によ
りアウタピストンとインナピストンとが固着してしまう
虞れがあるが、高ε状態で固着してしまうと、機関高負
荷時に非常に大きなノッキングが生じたりする。逆に低
ε状態に固着したとすると、燃費の著しい悪化を招いて
しまう。

また、多気筒内燃機関で一部気筒の圧縮比が異常な場合
にはトルク変動を引き起こす原因となる。

問題点を解決するための手段この考案は、上記のような問題点に鑑みてなされたもの
で、圧縮比によって燃焼室内の燃焼速度が変動すること
に着目し、検出した燃焼速度をその運転条件の下での標
準的な値と比較することで圧縮比の異常を検出するよう
にしたものである。すなわち、この考案に係る可変圧縮
比型内燃機関の故障検出装置は、第１図に示すように、
内燃機関１の空燃比を所定空燃比に制御する空燃比制御
手段２を備えるとともに、機関運転条件に応じて高圧縮
比（高ε）と低圧縮比（低ε）との切り換えが行われる
圧縮比可変機構３を備えてなる可変圧縮比型内燃機関に
おいて、内燃機関１の燃焼圧力を検出する圧力センサ４
と、上記燃焼圧力の変化から燃焼速度を検出する燃焼速
度検出手段５と、機関運転条件に応じて燃焼速度の基準
値を設定する基準値設定手段６と、この基準値と実際の
燃焼速度とを比較して圧縮比の異常を判定する異常判定
手段７とを備えたことを特徴としている。

作用燃焼速度は、圧縮比の他に空燃比にも影響されるが、上
記空燃比制御手段２によって空燃比が所定空燃比に保た
れている状態では、同一の運転条件であれば、概ね圧縮
比の高低のみによって燃焼速度が変動することになる。

そして、上記燃焼速度の基準値は、圧縮比可変機構３に
よる圧縮比の切り換えが正常に行われていることを前提
として設定される。従って、高ε状態に制御されている
べき運転条件において、上記圧縮比可変機構３の故障に
より実際の圧縮比が低ε状態であったとすると、燃焼速
度は基準値よりも遅くなる。また低ε状態に制御されて
いるべき運転条件において、実際の圧縮比が高ε状態で
あったとすると、燃焼速度は基準値よりも速くなる。こ
れによって、圧縮比可変機構３の故障を検出することが
できる。

実施例第２図は、この考案に係る可変圧縮比型内燃機関の故障
検出装置の一実施例を示す構成説明図である。

同図において、１１は内燃機関であり、この内燃機関１
１は、例えばピストンをインナピストンとアウタピスト
ンとの二重構造とし、油圧によりアウタピストンをイン
ナピストンに対し上下動させるようにした圧縮比可変機
構を各気筒毎に備えており、燃焼圧力に応じて低ε，高
εの切り換えが自動的に行われるようになっている。つ
まり、燃焼圧力は概ね機関負荷に応じて変化するので、
低負荷時には高ε状態に、高負荷時には低ε状態に制御
される。なお、圧縮比可変機構としては、実開昭５８−
２５６３７号公報記載のように、外部からの油圧制御に
よって圧縮比切り換えがなされるものでも良く、更に
は、特開昭６０−２３０５４８号公報記載のように副シ
リンダ、副ピストンを用いたもの等でも良い。

図示例では、上記内燃機関１１は、４気筒機関であり、
各気筒の点火プラグ取付部に、各気筒の燃焼圧力つまり
筒内圧力をそれぞれ検出する圧力センサ例えば圧電素子
等を用いた座金状の筒内圧センサ１２が配設されてい
る。

また、上記内燃機関１１の排気通路１３に、排気中の残
存酸素濃度から内燃機関１１の空燃比を検出する空燃比
センサ１４が配設されている。なお、この例では、上記
空燃比センサ１４は、空燃比を連続的に検出し得る形式
のものが用いられている。

また、上記内燃機関１１の吸気通路１５においては、ス
ロットル弁１６の上流側に、機関吸入空気量を検出する
エアフロメータ１７が配設されているとともに、各気筒
の吸気ポートへ向けて燃料噴射弁１８がそれぞれ配設さ
れている。

そして、上記内燃機関１１のクランク軸に対し、クラン
ク角センサ１９が配設されている。このクランク角セン
サ１９は、一定クランク角毎にパルス信号を出力するも
ので、これに基づいて機関回転数が検出される。

２０は、上記エアフロメータ１７がクランク角センサ１
９、更には筒内圧センサ１２や空燃比センサ１４等のセ
ンサ類の検出信号に基づいて上記内燃機関１１の燃料噴
射量制御や異常検出等を行うマイクロコンピュータシス
テムを用いたコントロールユニットを示している。そし
て、２１〜２４は、上記コントロールユニット２０によ
って空燃比の異常や圧縮比の異常が検出された際に点灯
される警告灯を示している。詳しくは、警告灯２１は、
圧縮比可変機構高ε状態で固定してしまった時に点灯
し、警告灯２２は、低ε状態で固定してしまった時に点
灯する。また、警告灯２３は、空燃比制御系が故障して
空燃比が過度にリーン状態となった場合に点灯し、警告
灯２４は、逆に過度にリッチ状態となったときに点灯す
る。

次に、上記構成における作用を説明する。

上記構成においては内燃機関１１の空燃比が、空燃比セ
ンサ１４の検出信号に基づいてフィードバック制御され
る。すなわち、コントロールユニット２０によって、吸
入空気量と機関回転数とから基本噴射量Ｔｐが演算され
るとともに、これに上記空燃比センサ１４の検出信号に
基づくフィードバック補正が加えられて最終的な噴射量
Ｔｉが決定される。これにより、高速高負荷時等一部の
運転領域を除き、内燃機関１１の空燃比は所定空燃比、
例えば理論空燃比近傍に保たれることになる。そして、
上記空燃比センサ１４の故障や燃料噴射弁１８の故障等
により正常な空燃比制御がなされず、空燃比が過度にリ
ーン化もしくはリッチ化した場合には、後述するように
異常検出がなされ、警告灯２３，２４が点灯される。

一方、上記筒内圧センサ１２が検出する燃焼圧力に基づ
いて燃焼速度が求められ、その燃焼速度の値から圧縮比
が正常であるか否かが常時監視される。そして、圧縮比
が異常であると判定された場合には、警告灯２１，２２
が点灯されるのである。

ここで、燃焼速度は前述したように圧縮比の他に空燃比
の影響を受けるが、本実施例では、空燃比制御の異常、
正常を同時に検出することによって、空燃比が正常な場
合のみならず、空燃比がリッチ状態やリーン状態となっ
ている場合でも圧縮比の異常検出が行えるようになって
いる。

次の表１は、空燃比や圧縮比と燃焼速度との関係をまと
めたものであり、右側に後述するプログラムにおけるフ
ラグの状態を記入してある。

ここで、燃焼速度の「標準」とは、その時の運転条件に
おける標準的な燃焼速度であることを意味している。つ
まり、空燃比が正常（理論空燃比近傍に制御されている
状態）で、かつ圧縮比が機関運転条件に応じて正常に切
り換え制御されている場合における各運転条件での燃焼
速度が、「標準」となる。

すなわち、空燃比が正常である場合に、圧縮比可変機構
が故障していて圧縮比が低ε状態に固定されていたとす
ると、運転条件が低ε領域（低εに制御されるべき領
域、つまり概ね高負荷状態）では、圧縮比が正常に切り
換えられている場合と何ら変わらないので、燃焼速度は
標準的なものとなる。しかし、運転条件が高ε領域（高
ε状態に制御されるべき領域、つまり概ね低負荷状態）
にある場合には、圧縮比が低いことから、燃焼速度は標
準的な速度より遅くなる。

また逆に、圧縮比可変機構の故障により高ε状態に固定
されていたとすると、運転条件が低ε領域にある時の燃
焼速度が標準的速度よりも速くなる。勿論、高ε領域で
あれば、圧縮比の正常切り換え時と同様に標準的な燃焼
速度となる。

また、空燃比がリッチ側に異常となっていても、燃焼速
度の傾向は空燃比の正常時と殆ど変わらない。つまり、
圧縮比切り換えが正常に行われていれば、燃焼速度は常
に標準的な速度となる。また、低ε状態に固定されてい
ると、低ε領域では標準的速度となるものの、高ε領域
では標準的速度よりも遅いものとなる。そして、高ε領
域に固定されていると、高ε領域では標準的速度となる
ものの、低ε領域では、標準的速度よりも速いものとな
る。

一方、空燃比がリーン側に異常である場合には、燃焼速
度は全体として遅れがちとなる。つまり、圧縮比が正常
に切り換え制御されていても、低ε領域，高ε領域の双
方で、燃焼速度は標準よりも遅くなる。また、圧縮比が
低ε状態に固定されていると、低ε領域では正常切り換
え時と同様に標準的速度よりも遅いものとなるが、高ε
領域では、これよりも更に遅く、つまり標準的速度に比
して非常に遅いものとなる。逆に、圧縮比が高ε状態に
固定されていると、低ε領域，高ε領域の双方で、標準
的な燃焼速度となる。

本実施例では、上記のような空燃比の状態並びに燃焼速
度の状態に基づいて、表１に示すように判定フラグを立
て、これに基づいて圧縮比可変機構が正常に作動してい
るか否かを判定するのである。

次に、第３図〜第５図は、上記コントロールユニット２
０において実行される具体的な処理手順を示すフローチ
ャートであって、以下、このフローチャートに基づいて
上記故障判定を詳細に説明する。

初めに、第３図は空燃比異常検出ルーチンのフローチャ
ートを示しており、まず、ステップ１でそのときの目標
空燃比ＡＦＯを算出し、かつステップ２で空燃比センサ
１４の検出信号に基づき実際の空燃比ＡＦを検出する。
そして、ステップ３で目標空燃比ＡＦＯと実空燃比ＡＦ
との偏差ΔＡＦを求める。なお、前述したように、一部
の運転領域を除き上記目標空燃比ＡＦＯは例えば理論空
燃比近傍の値となり、かつ空燃比フィードバック制御系
が正常に作動していれば上記偏差ΔＡＦは非常に小さな
値となる。

次に、ステップ４，５で、その偏差ΔＡＦの許容範囲、
つまりリーン側の限界値ＬＯとリッチ側の限界値ＲＯと
を求める。これらは、予め設定されたデータテーブルか
ら機関運転条件に応じてルックアップされる。そして、
ステップ６，７で、上記偏差ΔＡＦと上記限界値ＬＯ，
ＲＯとをそれぞれ比較する。

偏差ΔＡＦがＬＯ以下でかつＲＯ以上であれば、空燃比
フィードバック制御系は正常に作動していると判断する
ことができ、ステップ８へ進んで、フラグａ₁，ａ₂をそ
れぞれ「０」とする。

また偏差ΔＡＦがＬＯ以上であれば、空燃比が過度にリ
ーン化していると判定される。この場合には、ステップ
９へ進み、フラグａ₁を「０」，ａ₂を「１」とし、かつ
ステップ１０でリーン側の警告灯２３を点灯する。

また偏差ΔＡＦがＲＯ以下である場合には、空燃比が過
度にリッチ状態であると判定される。この場合には、ス
テップ１１へと進み、フラグＡ₁を「１」，ａ₂を「０」
とし、かつステップ１２でリッチ側の警告灯２４を点灯
する。

以上のようにして、圧縮比異常の判定の前提となる空燃
比の異常の有無が判定される。なお、上記第３図に示し
たルーチンは、機関回転数や時間に同期した適宜なタイ
ミングで実行すれば良い。また、リーン異常もしくはリ
ッチ異常が一旦検出された場合には、警告灯２３，２４
の点灯を機関停止時まで継続させるようにすると良い。

第４図は、上記の表１に示したフラグを順次設定するた
めの圧縮比異常検出ルーチンのフローチャートを示して
いる。なお、このルーチンは例えば機関回転に同期して
各気筒毎に実行される。

初めに、ステップ２１で燃焼速度Ｔを検出する。この燃
焼速度Ｔは、この実施例では、第６図に示すように、点
火時期から燃焼圧力（筒内圧）が最大値に達するまでの
クランク角として示される。従って、このＴの値が小さ
い程燃焼速度としては速いことになる。なお、他に燃焼
速度として上死点（ＴＤＣ）から燃焼圧力最大クランク
角に至るまでの間の圧力上昇率ｄｐ／ｄθを用いても良
い。

次に、上記燃焼速度Ｔと比較される基準値をステップ２
２〜２４で設定する。具体的には、上記基準値は適宜な
幅を有するものとして設定されるので、ステップ２２で
下限値Ｔ₁が設定され、ステップ２３で上限値Ｔ₂が設定
される。また更に、本実施例では、前述したようにリー
ン異常の際の燃焼速度の大きな遅れを判別するためにス
テップ２４で第２上限値Ｔ₃が設定される。これらのＴ₁
〜Ｔ₃は、予め機関の負荷と回転数とをパラメータとす
るデータマップとして与えられており、ここからそのと
きの運転条件に応じた値が読み出される。なお、これら
の値は、前述したように圧縮比可変機構が正常に切り換
え制御されて、所定の圧縮比となっていることを前提と
して設定されている。

次に、ステップ２５で、前述した第３図のルーチンで設
定されるフラグａ₂の状態を判定する。このフラグａ₂が
「０」であれば、空燃比が正常もしくはリッチ異常であ
ることを意味し、「１」であれば、空燃比がリーン異常
であることを意味する。

ここで、空燃比が正常に制御されているものと仮定すれ
ば、ステップ２５からステップ２６へ進む。このステッ
プ２６では、機関運転条件が低ε領域であるか高ε領域
であるかを判定する。これは、機関の負荷（例えば基本
燃料噴射量Ｔｐ等）と機関回転数とに基づいて行われ
る。低ε領域であったとすれば、ステップ２８へ進み、
燃焼速度Ｔと下限値Ｔ₁とを比較し、燃焼速度ＴがＴ₁以
下であればフラグｂ₁を「１」とし（ステップ３２）、
Ｔ₁以上であればフラグｂ₁を「０」とする（ステップ３
３）。そして、いずれの場合も、フラグｂ₂は「０」と
する（ステップ３４）。すなわち、フラグｂ₁が「１」
であるということは、低ε領域で燃焼速度が標準よりも
速いことを意味する。

また運転条件（ステップ２６）が高ε領域であった場合
には、ステップ２９へ進んで、燃焼速度Ｔを上限値Ｔ₂
と比較する。燃焼速度ＴがＴ₂以下であった場合には、
フラグｃ₁を「１」とし（ステップ３５）、燃焼速度Ｔ
がＴ₂以上であった場合にはフラグｃ₂を「１」とする
（ステップ３６）。そしていずれの場合でも、ステップ
３７へ進み、フラグｃ₂を「０」とする。つなり、フラ
グｃ₁が「１」であるということは、高ε領域での燃焼
速度が標準よりも遅いことを意味する。

こうして、最終的にステップ４７でフラグＦ（ａ₂，
ｂ₁，ｂ₂，ｃ₂，ｃ₂）が得られる。

以上は、空燃比が正常である場合について説明したが、
空燃比がリッチ異常である場合にも全く同様に処理され
る。

これに対し、空燃比がリーン異常である場合には、燃焼
速度の全体的傾向が遅れがちとなるので、ステップ２５
からステップ２７側へ進み、異なる処理がなされる。ス
テップ２７では、前述したステップ２６と同様に運転条
件が低ε領域であるか高ε領域であるか判定する。低ε
領域であれば、ステップ３０へ進み、燃焼速度Ｔと上限
値Ｔ₂とを比較する。燃焼速度Ｔが上限値Ｔ₂以下であれ
ば、フラグｂ₂を「０」とし（ステップ３８）、Ｔ₂以上
であればフラグｂ₂を「１」とする（ステップ３９）。
そして、いずれの場合もフラグｂ₁は「０」とする（ス
テップ４０）。つまり、フラグｂ₂が「１」であるとい
うことは、低ε領域で燃焼速度が標準よりも遅いことを
意味する。

また高ε領域であれば、ステップ３１へ進み、燃焼速度
Ｔを上限値Ｔ₂と比較する。燃焼速度Ｔが上限値Ｔ₂以下
であれば、ステップ４１，４２で、フラグｃ₁，ｃ₂をい
ずれも「０」とする。また燃焼速度Ｔが上限値Ｔ₂以上
であれば、フラグｃ₁を「１」とし（ステップ４３）、
かつステップ４４で更に燃焼速度Ｔを第２上限値Ｔ₃と
比較する。そして、燃焼速度ＴがＴ₃以下であればフラ
グｃ₂を「０」とし、かつＴ₃以上であればフラグｃ₂を
「１」とする（ステップ４６。つまり、フラグｃ₁が
「１」であれば、高１領域における燃焼速度が標準より
も遅いことを意味し、フラグｃ₂が「１」であれば更に
遅いことを意味する。

次に第５図は、上記第４図のステップ４７で求めたフラ
グＦから圧縮比可変機構の故障の有無を判断するための
ルーチンを示している。

すなわち、フラグＦ（ａ₂，ｂ₁，ｂ₂，ｃ₁，ｃ₂）が
「０００００」である場合には（ステップ５１）、前述
した表１から明らかなように、空燃比が正常もしくはリ
ッチ異常の下で、圧縮比可変機構が正常に切り換え作動
しているものと判定できる。またフラグＦが「１０１１
０」であれば（ステップ５２）、空燃比がリーン異常の
下で、圧縮比可変機構が正常に切り換え作動しているも
のと判定できる。

一方、フラグＦが「０００１０」であれば（ステップ５
３）、空燃比が正常もしくはリッチ異常の下で、圧縮比
可変機構が低ε状態に固定してしまっているものと判定
できる。また、フラグＦが「１０１１１」であれば（ス
テップ５４）、空燃比がリーン異常の下で、圧縮比可変
機構が低ε状態に固定してしまっているものと判定でき
る。従って、これらの場合はステップ５８へ進み、警告
灯２２を点灯させて、低ε固定状態である旨の警告を行
う。なお、この点灯状態は、機関停止時まで保持される
ように構成することが望ましい。

更に、フラグＦが「０１０００」であれば（ステップ５
５）、空燃比が正常もしくはリッチ異常の下で、圧縮比
可変機構が高ε状態に固定してしまったものと判定でき
る。またフラグＦが「１００００」であれば（ステップ
５６）、空燃比がリーン異常の下で、圧縮比可変機構が
高ε状態に固定してしまったものと判定できる。従っ
て、これらの場合にはステップ５７へ進み、警告灯２１
を点灯させて、高ε固定状態である旨の警告を行う。な
お、この警告灯２１の点灯も、やはり機関停止時まで保
持させることが望ましい。

従って、上記実施例によれば、圧縮比可変機構が何らか
らの故障で正常に作動しなかった場合に、直ちにその故
障を検出することができる。特に、上記実施例によれ
ば、空燃比が正常に制御されている場合のみならず、リ
ッチ異常もしくはリーン異常であった場合でも、圧縮比
可変機構の故障を正確に判定することができる。しか
も、上記の処理を各気筒毎に行うことで、圧縮比の異常
を各気筒毎に判断でき、多気筒内燃機関において一部気
筒の圧縮比可変機構が故障した場合でも、これを確実に
検出することが可能である。

なお、上記実施例では、空燃比フィードバック制御のた
めに空燃比を連続的に検出し得る空燃比センサ１４を用
いた例を説明したが、この空燃比センサ１４に変えて、
理論空燃比近傍でステップ状の出力変化を示すＯ₂セン
サを用いた場合でも、本考案は同様に適用することがで
きる。

第７図は、このＯ₂センサを用いた場合の空燃比異常検
出ルーチンを示している。すなわち、まずステップ６１
で、その時のＯ₂センサの出力Ｖを検出する。そして、
ステップ６２で、繰り返し検出されたＶの値から、その
出力Ｖの移動平均ＶＯを算出する。空燃比フィードバッ
ク制御系が正常に作動していれば、空燃比は微少範囲で
繰り返し変動するので、上記移動平均ＶＯは、ある定ま
った中間的な値となる。

従って、ステップ６３，６４で、上記移動平均ＶＯを、
所定の下限値ＶＬおよび上限値ＶＲと比較することで、
リーン異常もしくはリッチ異常を検出することができ
る。

考案の効果以上の説明で明らかなように、この考案に係る可変圧縮
比型内燃機関の故障検出装置によれば、圧縮比可変機構
が正常に作動しなかった場合に、その異常を直ちに検出
することができ、ノッキングの発生や燃費の悪化といっ
た不具合を未然に防止することができる。そして、本考
案によれば、各気筒毎に圧縮比の異常の有無を容易に検
出することができるので、多気筒内燃機関において、一
部気筒の圧縮比可変機構が故障した場合でも、これを確
実に検出することができる。従って、一部気筒の圧縮比
異常によるトルク変動等を防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の構成を示すクレーム対応図、第２図
はこの考案の一実施例を示す構成説明図、第３図，第４
図および第５図は上記実施例における処理プログラムを
示すフローチャート、第６図は燃焼圧力の特性図、第７
図は空燃比異常検出ルーチンの異なる実施例を示すフロ
ーチャートである。１…内燃機関、２…空燃比制御手段、３…圧縮比可変機
構、４…圧力センサ、５…燃焼速度検出手段、６…基準
値設定手段、７…異常判定手段。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】空燃比を所定空燃比に制御する空燃比制御
手段を備えるとともに、機関運転条件に応じて高圧縮比
と低圧縮比との切り換えが行われる圧縮比可変機構を備
えてなる可変圧縮比型内燃機関において、機関の燃焼圧
力を検出する圧力センサと、上記燃焼圧力の変化から燃
焼速度を検出する燃焼速度検出手段と、機関運転条件に
応じて燃焼速度の基準値を設定する基準値設定手段と、
この基準値と実際の燃焼速度とを比較して圧縮比の異常
を判定する異常判定手段とを備えたことを特徴とする可
変圧縮比型内燃機関の故障検出装置。