JP2004003430A

JP2004003430A - エンジンの故障診断装置

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Publication number: JP2004003430A
Application number: JP2002363793A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Takebayashi; 竹林　広行; Hirohide Abe; 阿部　博英; Koichi Terada; 寺田　浩市
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-12-16
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2022-12-16
Also published as: US20030212484A1; JP3788424B2; US6792346B2

Abstract

【課題】排気浄化用触媒の活性化ないしは暖機を促進してエミッション性能を高める冷間エミッション低減ストラテジの異常を容易に診断することができる簡素な手段を提供する。
【解決手段】冷間始動時に、冷間エミッション低減ストラテジが実行されるエンジンにおいては、コントロールユニットＣによって、この冷間エミッション低減ストラテジの異常診断が行われる。この異常診断では、燃料噴射量の積算値が所定の故障判定しきい値より大きければ、冷間エミッション低減ストラテジが異常であると判定される。例えば、インジェクタの噴射パルス幅の積算値ないしは燃料流量の積算値等を、冷間始動後に所定の積算期間だけ演算して故障判定しきい値と比較するだけの簡素な構成で、冷間エミッション低減ストラテジの異常を精度よく検出することができる。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの故障診断装置に関するものであり、とくにエンジンの排気系に設けられた排気浄化用触媒が活性化していないときに、該排気浄化用触媒を活性化させるようエンジンの複数の作動パラメータを補正する制御の動作不良の有無を診断する、エンジンの故障診断装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車用のエンジンから排出された排気ガスには、ＮＯｘ（窒素酸化物），ＣＯ（一酸化炭素），ＨＣ（炭化水素）等の大気汚染物質が含まれているので、これらを浄化するために、排気通路には三元触媒やＮＯｘ吸着触媒等の排気浄化用触媒を用いた触媒コンバータが介設される。しかしながら、排気浄化用触媒は、その温度が活性化温度に達しないと排気ガス浄化力を十分には発揮することができない。このため、上記の排気浄化用触媒が活性化していないエンジンの冷間始動時には、排気ガス浄化触媒を迅速に高める（暖機する）必要がある。
【０００３】
そこで、一般に、自動車用のエンジンでは、冷間始動時に、点火時期、エンジン回転数（吸気量）、あるいは空燃比（燃料供給量）などといったエンジンの複数の作動パラメータを補正し、排気浄化用触媒の活性化ないしは暖機を促進してエミッション性能を高める冷間エミッション低減ストラテジ（Ｓｔｒａｔｅｇｙ）（冷間エミッションの低減を図るためのロジック）を実行するようにしている。かかる冷間エミッション低減ストラテジは、例えば、水温センサ等の各種センサ類、点火コイルあるいは燃料噴射弁等の各種作動機器、これらを制御するコントロールユニット等からなる機構（以下、「冷間エミッション低減機構」という。）により実行される。
その一例としては、冷間始動時に水温センサで検出したエンジンの冷却水温に応じてエンジンの目標回転数と点火時期の目標進角（点火リタード量）を設定し、これらが実現するように燃料噴射弁及び点火コイルを制御することが挙げられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に、エンジンを構成する各種センサ類，各種作動機器あるいはコントロールユニットは故障することがある。そして、冷間エミッション低減機構の何らかの構成要素が故障した場合、冷間エミッション低減ストラテジを正常に行うことはできず、冷間始動時におけるエミッション性能が低下することになる。このような冷間エミッション低減ストラテジの実行状態に関係のある燃料噴射量，点火時期，エンジン回転数等の個々のパラメータを個別にモニタする技術が知られているが（例えば特許文献１参照）、このように個々のパラメータを個別にモニタする場合、最終的なエミッション性能の低減度合が把握し難い。更に、種々のパラメータをモニタするとともに、これらのパラメータについて複雑な演算処理等を行わなければならないので、異常診断機構が非常に複雑なものになるといった問題がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０８−０９３５６４号公報　（第３，４頁，第２図）
【０００６】
本願発明者は、最終的なエミッション性能の低減度合とエンジン始動後からの積算燃料噴射量とに関連性があることを見出し、この知見を利用した簡便な手段により、排気浄化用触媒を活性化させるようエンジンの複数の作動パラメータを補正する制御の、エミッション性能が不適切な状態になるような動作不良の有無を正確に診断する手段を提供することを解決すべき課題とする。
【０００７】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、エンジンの複数の作動パラメータを補正し、排気浄化用触媒の活性化ないしは暖機を促進してエミッション性能を高める冷間エミッション低減ストラテジの異常を容易に診断することができる簡素な手段を提供することを解決すべき課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた本発明に係るエンジンの故障診断装置は、（ｉ）エンジンの排気系に設けられた排気浄化用触媒（例えば、三元触媒やＮＯｘ吸着触媒）の温度に関連する値（例えば、エンジン水温や排気ガス温度）を検出する触媒温度検出手段と、（ｉｉ）触媒温度検出手段の検出結果に基づいて、排気浄化用触媒が活性化していないと判断されたときには、排気浄化用触媒を活性化させるように、エンジンの複数の作動パラメータ（例えば、点火時期，燃料噴射量，エンジン回転数，空燃比，バイパスエア量等）を補正する触媒暖機手段と、（ｉｉｉ）エンジン始動後、所定の積算期間を経過するまでの積算燃料消費量に関連する値（噴射パルス幅の積算値，燃料流量の積算値等）を演算する積算燃料消費量演算手段と、（ｉｖ）積算燃料消費量演算手段の演算結果に基づいて、積算燃料消費量が所定の故障判定しきい値以下であると判断されたときには、触媒暖機手段が作動不良であると判定する作動不良判定手段とを備えていることを特徴とするものである。
【０００９】
つまり、このエンジンの故障診断装置は、冷間始動後、排気浄化用触媒が活性化するまでの所定時間の積算燃料消費量をモニタし、それが所定の故障判定しきい値以下のときに、冷間エミッション低減ストラテジが異常であると判定することを特徴とする。
【００１０】
このエンジンの故障診断装置によれば、冷間エミッション低減ストラテジの各種作動パラメータを個別にモニタすることなく、単に、インジェクタ（燃料噴射弁）の噴射パルス幅の積算値、燃料流量の積算値等の積算燃料消費量を、冷間始動後に所定の積算期間だけ演算し、これを所定の故障判定しきい値と比較するだけの簡素な構成で、冷間エミッション低減機構の作動不良ないしは冷間エミッション低減ストラテジの異常を精度よく検出することができる。
【００１１】
上記エンジンの故障診断装置においては、作動不良判定手段が、作動不良の判定をエンジンのアイドル運転時にのみ行うようになっているのが好ましい。アイドル運転時には、燃料消費量がほとんど変動しないので、故障診断の精度をより高めることができるからである。
【００１２】
上記エンジンの故障診断装置においては、上記触媒暖機手段が、始動時におけるエンジン水温に応じて目標エンジン回転数と点火時期の目標進角とを予め設定された特性に基づいて設定し、該目標エンジン回転数と目標進角とを実現するように燃料噴射量と点火時期とを調整するものである場合、故障判定しきい値が、始動時におけるエンジン水温に応じて設定されるのが好ましい。また、故障判定しきい値は、上記所定の積算時間を一定にすべく、目標回転数と目標進角値とに基づいて推算（推定算出）するようにしてもよい。
また、上記のように故障判定しきい値をエンジン水温等によって補正する代わりに、上記エンジンの故障診断装置において、積算期間は、上記故障判定しきい値を一定にすべく始動時におけるエンジン水温が低いほど小さな値に設定されるのが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
図１に示すように、エンジン１は、吸気弁２が開かれたときに、吸気通路３から燃焼室４内に燃料燃焼用のエアを吸入するようになっている。そして、この燃焼室４内のエア中に、所定のタイミングでインジェクタ５（燃料噴射弁）から燃料（ガソリン）が噴射され、混合気が形成される。
【００１４】
この混合気は、ピストン６によって圧縮され、所定のタイミングで点火プラグ７により点火されて燃焼する。なお、点火プラグ７の点火時期は、自在にリタード（遅角）させ、あるいはアドバンス（進角）させることができる。燃焼ガスすなわち排気ガスは、排気弁８が開かれたときに排気通路９に排出される。
【００１５】
また、この実施の形態では、エンジン本体に、エンジンの冷却水の水温を検出する水温センサ１７やエンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ１９が設けられている。
【００１６】
排気通路９には、排気浄化用触媒としてＣＯ，ＨＣ及びＮＯｘを浄化する三元触媒を用いた触媒コンバータ１０が介設されている。なお、この排気ガス浄化触媒は、その温度が活性化温度（例えば、３６０〜４００℃）以上になると十分な浄化力を発揮するが、その温度が活性化温度より低いと、十分な浄化力は得られない。
また、この排気通路９には、エアの流れ方向にみて、触媒コンバータ１０の上流側に、排気温センサ２０が設けられている。
【００１７】
他方、吸気通路３には、エアの流れ方向にみて、上流側から順に、エア中のダスト等を除去するエアクリーナ１１と、吸入エア量を検出するエアフローセンサ１２と、アクセルペダル（図示せず）の踏み込み量に応じて開閉されてエアを絞るスロットル弁１３と、エアの流れを安定化させるサージタンク１４とが設けられている。また、スロットル弁１３には、該スロットル弁１３の開度を検出するスロットル開度センサ１８が設けられている。
【００１８】
また、排気通路９内の排気ガスの一部をＥＧＲとして吸気通路３に戻すＥＧＲ通路１５が設けられ、このＥＧＲ通路１５に、ＥＧＲガス流量を制御するＥＧＲバルブ１６が介設されている。更に、インジェクタ５には、燃料ポンプ２２により燃料タンク２１内から汲み上げられ加圧された燃料が、燃料供給通路２３を介して送り込まれる。この燃料供給通路２３には、インジェクタ５に供給される燃料の流量を計測する燃料流量計２４が設けられている。
【００１９】
以上のような構成を備えたエンジン１を制御するコントロールユニットＣが設けられている。このコントロールユニットＣは、コンピュータからなる、エンジン１の総合的な制御装置であって、エアフローセンサ１２によって検出される吸入エア量，水温センサ１７によって検出されるエンジン水温，スロットル開度センサ１８やアイドルスイッチ（アクセルペダル全閉時にＯＮされるスイッチであるが、ここでは不図示）によって検出されるスロットル開度，エンジン回転数センサ１９によって検出されるエンジン回転数，排気温センサ２０によって検出される排気温度，燃料流量計２４によって検出されるインジェクタ５への燃料流量等の各種制御情報に基づいて、エンジン１の燃料噴射制御や点火時期調整制御などの各種制御を行うとともに、後で説明する冷間エミッション低減ストラテジの故障診断を行うようになっている。
なお、このコントロールユニットＣは、その内部に、制御回路（不図示）を有しており、各種制御および冷間エミッション低減ストラテジの故障診断を行うに際して実行される補正，演算，判定等の処理は、その制御回路によってなされる。
【００２０】
そして、このエンジン１は、冷間始動時に、点火時期，吸気量，燃料供給量等のエンジンの作動パラメータを補正し、排気浄化用触媒の活性化ないしは暖機を促進してエミッション性能を高める冷間エミッション低減ストラテジを行うようになっている。この冷間エミッション低減ストラテジは、吸入エア量，エンジン水温，スロットル開度，エンジン回転数，排気温度，燃料流量等の各種情報に基づいて、コントロールユニットＣが、点火時期，燃料噴射量，吸入エア量，空燃比，エンジン回転数等を制御することにより行われる。
【００２１】
すなわち、コントロールユニットＣは、所定の冷間エミッション低減ストラテジ実行条件が成立したときに、排気ガス温度を上昇させるなどして、排気浄化用触媒の活性化ないしは暖機を促進する。具体的に説明すると、例えばこの実施の形態においては、水温センサ１７により検出されたエンジン水温に応じて設定した目標進角値に点火時期をリタード（遅角）させたり、そのエンジン水温に応じて設定した上記目標進角値や目標エンジン回転数（アイドル回転数よりも高い回転数），空燃比（リーン空燃比）を実現するような目標噴射量を設定してインジェクタ５に実行させたりするなどして排気ガス温度を上昇させる。なお、ここで「冷間始動」とは、エンジン１（又は三元触媒やＮＯｘ吸着触媒等の触媒）が常温の未暖機状態から始動される場合を意味し、寒冷状態からの始動に限定されるものではない。
【００２２】
コントロールユニットＣは、前記のとおり、エンジン１の各種制御を行うとともに、冷間エミッション低減ストラテジの故障診断を行うようになっている。しかし、コントロールユニットＣによるエンジン１の通常の制御は一般に知られており、また、かかる通常の制御は、本願発明の要旨とするところでもないのでその説明を省略し、以下では、本願発明の要旨にかかる冷間エミッション低減ストラテジの故障診断についてのみ説明を行う。
【００２３】
図２に示すように、この冷間エミッション低減ストラテジの故障診断では、まず、ステップＳ１とステップＳ２とで、それぞれ、エンジン始動時に冷間エミッション低減ストラテジ実行条件（例えば、冷間始動後６０秒以内ａｎｄ／ｏｒエンジン水温所定値以下、等々）が成立しているか否かと、スロットル弁１３が全閉されているか否かとが判定される。ここで、冷間エミッション低減ストラテジ実行条件が成立していなければ（ステップＳ１でＮＯ）、冷間エミッション低減ストラテジの故障診断を行うことはできないので、ステップＳ９で、前回条件が保持され、この後、ステップＳ１に復帰する（リターン）。また、スロットル弁１３が全閉でなければ（ステップＳ２でＮＯ）、燃料消費量の変動が大きく、冷間エミッション低減ストラテジの故障診断の精度が悪くなる。そこで、この場合には、故障診断を行わないようにしている。かくして、ステップＳ９で、前回条件が保持され、この後、ステップＳ１に復帰する。
【００２４】
他方、ステップＳ１で冷間エミッション低減ストラテジ実行条件が成立していると判定され（ＹＥＳ）、かつ、ステップＳ２でスロットル弁１３が全閉されていると判定された場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ３〜Ｓ８で、冷間エミッション低減ストラテジの故障診断が行われる。
【００２５】
この場合、まず、ステップＳ３で、始動時におけるエンジン水温に基づいて、故障判定しきい値が演算される。これは、前述した通り、冷間エミッション低減ストラテジにおいて、エンジンの目標回転数や点火時期の目標進角がエンジン水温によって異なる値に設定されている（予め、実験により、触媒の暖機促進のためのエンジン水温に応じた目標回転数や目標進角を求め、コントローラ内にその特性を記憶しておく）ため、例えば故障判定を一定時間で実行すべく積算時間を一定にした場合、故障判定しきい値をエンジン水温に応じて変えないと故障判定が正しく行えないからである。
なお、同様の理由から、目標回転数と目標進角とに基づいて故障判定しきい値を演算してもよい。
【００２６】
続いて、ステップＳ４で、燃料噴射量の積算値が演算される。例えば、インジェクタ５で実行される噴射パルス幅の積算値、若しくは、インジェクタ５への燃料供給通路２３に配設した燃料流量計２４による検出結果に基づいて演算した燃料流量の積算値が演算される。
なお、燃料噴射量の積算値を、その傾き（変化率）に基づいて演算（予測）してもよい。このようにすれば、燃料噴射量の積算値の演算に要する時間が大幅に短縮される。
【００２７】
更に、続いて、ステップＳ５で、エンジン始動後、燃料噴射量を積算すべき時間（所定時間）が経過したか否かが判定される。この時間は、予め設定される一定の値である。ここで、燃料噴射量を積算すべき時間を経過していなければ（ＮＯ）、燃料噴射量の積算を続行するために、ステップＳ９で、前回条件が保持され、この後、ステップＳ１に復帰する。
【００２８】
他方、ステップＳ５で、燃料噴射量を積算すべき時間を経過していると判定された場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ６で、燃料噴射量の積算値が、前記のステップＳ３で演算された判定しきい値より大きいか否かが判定される。ここで、燃料噴射量の積算値が判定しきい値より小されば（ＮＯ）、ステップＳ７で冷間エミッション低減ストラテジが異常である（すなわち故障している）と判定される。他方、燃料噴射量の積算値が判定しきい値以上であれば（ＹＥＳ）、ステップＳ８で冷間エミッション低減ストラテジは正常であると判定される。
【００２９】
このように、本発明に係る冷間エミッション低減ストラテジの故障診断によれば、冷間エミッション低減ストラテジの個々の作動パラメータをモニタすることなく、単に、インジェクタ５の噴射パルス幅の積算値、ないしは、燃料流量の積算値等の燃料消費量の積算値を、冷間始動後に所定の期間だけ演算し、これを故障判定しきい値と比較するだけの簡素な構成で、冷間エミッション低減ストラテジの異常を精度よく検出することができる。
なお、上記実施の形態では、燃料室内に直接燃料を噴射する直噴エンジンを例として説明したが、本発明は、これに限定されるものでなく、例えば、ポートエンジンにも適用可能である。
【００３０】
また、上記のようにエンジン水温に応じて故障判定しきい値を設定したり、目標回転数と目標進角とに応じて故障判定しきい値を設定したりする代わりに、制御ロジックを簡易化するために、上記故障判定しきい値をエンジン水温にかかわらず一定にするには、エンジン水温に応じて燃料噴射量の積算時間を設定すればよい。具体的には、エンジン水温が低いほど上記積算時間を短い値に設定すればよい。この場合におけるコントロールユニットＣによる故障診断手法を示すフローチャートを、図３に示す。
【００３１】
図３に示すフローチャートでは、図２に示すフローチャートと同一のステップには同じステップ番号を付し、それ以上の説明を省略する。図２に示す故障診断手法では、ステップＳ２でスロットルが全閉であると判定されると、続いて、始動時におけるエンジン水温から故障判定しきい値を演算するステップが実行されたが、図３に示す故障診断手法では、故障判定しきい値が一定とされるため、かかるステップは不要であり、ステップＳ２の直後に、ステップＳ４を実行する。その代わりとして、ステップＳ４の後には、始動時におけるエンジン水温に基づき、積算時間を演算する（Ｓ３’）。このステップＳ３’のポイントは、始動時におけるエンジン水温が低いほど、ステップＳ５における所定時間を短く設定する点である。
この図３に示す故障診断手法によれば、故障判定しきい値として一定の値を用いることができ、コントロールユニットＣにおける制御ロジックを簡単にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る冷間エミッション低減ストラテジの異常診断（故障診断）を行うエンジンのシステム構成図である。
【図２】図１に示すエンジンにおける冷間エミッション低減ストラテジの異常診断手法を示すフローチャートである。
【図３】図１に示すエンジンにおける冷間エミッション低減ストラテジの他の異常診断手法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
Ｃ…コントロールユニット，１…エンジン，２…吸気弁，３…吸気通路，４…燃焼室，５…インジェクタ，６…ピストン，７…点火プラグ，８…排気弁，９…排気通路，１０…触媒コンバータ（排気浄化用触媒），１１…エアクリーナ，１２…エアフローセンサ，１３…スロットル弁，１４…サージタンク，１５…ＥＧＲ通路，１６…ＥＧＲバルブ，１７…水温センサ，１８…スロットル開度センサ，１９…エンジン回転数センサ，２０…排気温センサ，２１…燃料タンク，２２…燃料ポンプ，２３…燃料経路，２４…燃料流量計。

Claims

エンジンの排気系に設けられた排気浄化用触媒の温度に関連する値を検出する触媒温度検出手段と、
上記触媒温度検出手段の検出結果に基づいて、排気浄化用触媒が活性化していないと判断されたときには、排気浄化用触媒を活性化させるように、エンジンの複数の作動パラメータを補正する触媒暖機手段と、
エンジン始動後、所定の積算期間を経過するまでの積算燃料消費量に関連する値を演算する積算燃料消費量演算手段と、
上記積算燃料消費量演算手段の演算結果に基づいて、上記積算燃料消費量が所定の故障判定しきい値以下であると判断された場合に、上記触媒暖機手段が作動不良であると判定する作動不良判定手段とを備えていることを特徴とするエンジンの故障診断装置。
上記作動不良判定手段が、該作動不良の判定をエンジンのアイドル運転時にのみ行うようになっていることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの故障診断装置。
上記触媒暖機手段が、始動時におけるエンジン水温に応じて目標エンジン回転数と点火時期の目標進角とを予め設定された特性に基づいて設定し、該目標回転数と目標進角とを実現するように燃料噴射量と点火時期とを調整するものであって、上記故障判定しきい値が、始動時におけるエンジン水温に応じて設定されることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの故障診断装置。
上記触媒暖機手段が、始動時におけるエンジン水温に応じて目標エンジン回転数と点火時期の目標進角とを予め設定された特性に基づいて設定し、該目標回転数と目標進角とを実現するように燃料噴射量とを点火時期とを調整するものであって、上記故障判定しきい値が、上記所定の積算期間を一定にすべく、上記目標回転数と上記目標進角値とに基づいて推算されることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの故障診断装置。
上記積算期間が、上記故障判定しきい値を一定にすべく、始動時におけるエンジン水温が低いほど小さくなるように設定されることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの故障診断装置。