JP2007303407A - 排気ガス再循環装置の異常判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の運転状態によらず排気ガス再循環（ＥＧＲ）の異常判定を精度良く実行することのできる装置を提供することである。
【解決手段】この発明の提供する排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置の異常判定装置は、内燃機関の各気筒の筒内圧を検出する手段と、内燃機関のクランク角度を検出する手段と、クランク角度に基づいて気筒の容積を算出する手段と、気筒の容積を含む演算式により、内燃機関のモータリング圧力を推定する手段と、内燃機関の圧縮行程において、筒内圧と前記モータリング圧力との偏差を最小にするように、筒内圧を補正するための補正パラメータを同定する手段と、排気ガス再循環装置が実行された状態で同定された補正パラメータと、排気ガス再循環装置が実行されていない状態で同定された補正パラメータとを比較することにより、排気ガス再循環装置の異常を判定する手段と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気ガス再循環装置の異常を判定する装置に関する。

筒内圧に基づいて排気ガス再循環（Exhaust Gas Recirculation：EGR）装置の異常を検出する技術が特許文献１に開示されている。特許文献１によれば、排気還流の実行有無に基づいて筒内圧が変化することに着目し、ＥＧＲ装置の実行時および停止時の筒内圧の偏差を算出し、この偏差を判定値と比較することによってEGRの異常を判別する。
特開平９−２５８５１号

しかしながら、筒内圧は機関負荷などの運転条件に応じて変化するため、異常判別に用いる判定値を運転状態の変化に応じて変更する必要がある。また、判定値の設定に不具合があった場合には、異常の誤判定が生じる可能性がある。

本発明の目的は、内燃機関の運転状態によらずEGRの異常判定を精度良く実行することのできる装置を提供することである。

この発明の提供する排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置の異常判定装置は、内燃機関の各気筒の筒内圧を検出する手段と、内燃機関のクランク角度を検出する手段と、クランク角度に基づいて気筒の容積を算出する手段と、気筒の容積を含む演算式により、内燃機関のモータリング圧力を推定する手段と、内燃機関の圧縮行程において、筒内圧と前記モータリング圧力との偏差を最小にするように、筒内圧を補正するための補正パラメータを同定する手段と、排気ガス再循環装置が実行された状態で同定された補正パラメータと、排気ガス再循環装置が実行されていない状態で同定された補正パラメータとを比較することにより、排気ガス再循環装置の異常を判定する手段と、を有する。

この発明により、モータリング圧力はエンジン回転数や吸入空気量の変動も考慮して推定されており、モータリング圧力に基づいて同定される補正パラメータは運転状態による影響が小さいため、内燃機関の運転状態によらずEGRの異常判定が精度良く実行されることが可能となる。

次に図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関（以下「エンジン」という）およびその制御装置の構成を示す概略図である。

電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」）という）１７は、車両各部から送られてくるデータを受け入れる入力インタフェース１７a、車両の各部の制御を行うための演算を実行するＣＰＵ１７ｂ、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）および一時記憶用のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有するメモリ１７ｃ、および車両の各部に制御信号を送る出力インタフェース１７ｄを備えるコンピュータである。メモリ１７ｃのＲＯＭには、車両の各部の制御を行うためのプログラムおよび各種のデータが格納されている。

本発明に従うＥＧＲ装置２７の異常判定処理のためのプログラム、および該プログラムの実行の際に用いるデータおよびテーブルは、メモリ１７ｃのＲＯＭに格納されている。このＲＯＭは、ＥＥＰＲＯＭのような書替え可能なＲＯＭであっても良い。ＲＡＭには、ＣＰＵ１７ｂによる演算の作業領域が設けられ、車両の各部から送られてくるデータおよび車両の各部に送り出す制御信号が一時的に記憶される。

ＥＣＵ１７に向けて送られたセンサ出力等の各種信号は入力インタフェース１７ａに渡され、アナログ−デジタル変換される。ＣＰＵ１７ｂは、変換されたデジタル信号を、メモリ１７ｃに格納されているプログラムに従って処理し、車両の各部へ送るための制御信号を作り出す。出力インタフェース１７ｄは、これらの制御信号を、ＥＧＲバルブ２７ａまたはその他不図示の各部位へと送る。

筒内圧力センサ２５が、エンジン１１の各気筒（シリンダ）の点火プラグ付近に設けられている。圧力センサ２５は、圧電素子であり、気筒内の圧力に応じた電荷信号をECU１７に出力する。

クランク角センサ２９が、エンジン１１に設けられている。クランク角センサ２９は、クランクシャフトの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号をＥＣＵ１７に出力する。ＣＲＫ信号は、所定のクランク角（たとえば、３０度）で出力されるパルス信号である。ＥＣＵ１７は、ＣＲＫ信号に応じ、エンジン１１の回転数ＮＥを算出する。

水温センサ３１が、エンジン１１に取り付けられている。水温センサ３１は、エンジンの冷却水の温度ＴＷ検出し、その信号をＥＣＵ１７に出力する。

排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置２７が、吸気管１３および排気管１５の間に設置されている。ＥＧＲ装置２７は、吸気管１３および排気管１５を連通するＥＧＲ通路２７ｂを介して、排気ガスを再び吸気管１３に導入して吸入空気と混合させる。ＥＧＲ装置２７は、排気ガスの一部を吸気に混ぜることにより、燃焼温度を低下させ、窒素酸化物ＮＯｘを低減することができる。

ＥＧＲ装置２７は、ＥＧＲ通路２７ｂに設けられたＥＧＲバルブ２７ａの開度を調整することにより、再循環させる排気ガスの量を制御する。ＥＧＲバルブ２７ａは、ＥＣＵ１７から送られる制御指令に応じてバルブの開度を調整する。

なお、本実施形態におけるＥＧＲ装置２７は、吸気管１３内のインテークマニホールドより下流側でＥＧＲ通路２７ｂが排気管１５から気筒別に連通され、排気ガスの還流量が気筒ごとに制御できる「ポーテッドＥＧＲ装置」である。

温度センサ２１および圧力センサ２３が、吸気管１３内に設置されており、それぞれ吸気温Ｔａおよび吸気圧Ｐｂを示す電気信号をＥＣＵ１７に出力する。また、吸気管１３内には、エアフローメータ１９が設置されており、吸入空気量を示す電気信号をＥＣＵ１７に出力する。

図２は、本実施形態によるEGR装置２７の異常を判定する装置の全体的構成を示すブロック図である。図２では、ECU１７をこの発明に関連する機能ブロックで示している。

まず図３を参照して、本実施形態でEGR装置２７の異常判定処理の前段階で行われる筒内圧センサ２５の出力補正処理について説明する。図３は、クランク角度-180度から180度の領域における気筒の燃焼室の圧力を示しており、およそクランク角度-180度から０度の範囲が圧縮行程であり、０度から180度までが膨張（燃焼）行程である。曲線１は、エンジンの１つの気筒のモータリング圧力（失火時の圧力）の推移を示し、曲線３は、同じ気筒において正常な燃焼が行われたときの筒内圧力の推移を示す。クランク角０度が上死点であり、モータリング圧力は上死点でピークとなり、燃焼時の筒内圧力（曲線３）は、上死点を過ぎた時点付近でピークとなる。

この実施形態では、圧縮行程において上死点に達する前の期間、たとえば図２に”a”で示す期間において、圧力検出手段（図１の筒内圧力センサ２５）の検出出力を補正する補正式のパラメータを同定する。黒色のドット５は、筒内圧力センサ２５による検出出力を示す。筒内圧力センサ２５は、エンジンの燃焼室という過酷な環境に置かれており、温度の影響、経年変化などによって特性が変化する。この実施形態では、筒内圧力センサ２５の検出出力がほぼモータリング圧力の曲線１上にくるよう、検出出力を補正する。こうして補正された検出出力を白色のドット７で示す。

検出出力の補正は、筒内圧力センサの検出出力PD(θ)に、補正式 PS = PD(θ)K₁ + C₁ を適用することによって行われる。K₁ は補正係数であり、C₁ は定数である。θはクランク角度である。この補正式の２つのパラメータK₁およびC₁は、圧縮行程の、たとえば図２に”a”で示す期間において、モータリング圧力の推定値PMと、筒内圧力センサの検出出力を上述の補正式によって補正した値PSとの差(PM−PS)の二乗が最小になるよう、最小二乗法により演算して算出される。

再び図２を参照すると、筒内圧力センサ２５は、圧電素子であり、エンジンの各気筒（シリンダ）の点火プラグ付近に設けられている。筒内圧力センサ２５は、気筒内の圧力に応じた電荷信号を出力する。この信号をチャージアンプ５５により電圧信号に変換して出力し、ローパスフィルタ５６を介して入力インタフェース１７ａに出力する。入力インタフェース１７ａは、筒内圧力センサ２５からの信号をサンプリング部４３に送る。サンプリング部４３は、この信号を所定の周期、たとえば１０kHz分の１の周期でサンプリングし、サンプル値をセンサ出力検出部４５に渡す。

センサ出力補正部４７は、上述の補正式 PS = PD(θ)Ｋ₁ + C₁ に従って、センサ出力PD(θ)を補正する。センサ出力補正部４７は、所定のクランク角度間隔で補正されたセンサ出力値PSを算出する。

一方において、燃焼室容積計算部４９は、クランク角θに応じた気筒の燃焼室の容積V_cを次の数式により計算する。

上の式で、mは、図４の関係から計算される、ピストン８の上死点からの変位を示す。rをクランク半径、l（エル）をコンロッド長とすると、λ=l／r である。V_deadは、ピストンが上死点にあるときの燃焼室の容積、A_pstnは、ピストンの断面積である。

一般に燃焼室の状態方程式は、次の（３）式で表されることが知られている。

(３)式で、Gは、例えばエアフローメータ、またはエンジン回転数ＮＥおよび吸気圧Ｐｂに基づいて得られる吸入空気量、Rは気体定数、Tは、例えば吸気温度センサ、またはエンジン水温などの運転状態に基づいて得られる吸気温度である。ｋは補正係数、Cは定数である。

本実施形態では、予めセンサ取り付け部の温度変化等の影響を受けない水晶圧電式の圧力センサを用いて燃焼室の圧力を実測し、この実測値を（３）式と対応させることによりｋの値ｋ₀およびＣの値Ｃ₀を求めておく。これを（３）式に代入して得られる次の（４）式を用いてモータリング圧力を推定する。

モータリング圧力推定部５０は、基本モータリング圧力計算部５１およびモータリング圧力補正部５２から構成される。基本モータリング圧力計算部５１が（３）式の中の基本項目である基本モータリング圧力GRT/Vを計算する。モータリング圧力補正部５２は、上述のようにして予め求められているパラメータk₀およびC₀を用いて、基本モータリング圧力を補正する。このパラメータk₀およびC₀は、吸気管圧力またはエンジン回転数などエンジンの負荷状態を表すパラメータに従って参照することができるテーブルとして用意されている。

なお、モータリング圧力推定部５０は、代替的に、基本モータリング圧力計算部５１のみで構成する形式でも良い。この場合、モータリング圧力ＰＭは、基本モータリング圧力計算部５１が算出した基本モータリング圧力GRT/Vである。

パラメータ同定部５３は、圧縮行程においてモータリング圧力推定部５０が算出するモータリング圧力推定値PMとセンサ出力補正部４７が出力する筒内圧力センサ２５に基づく筒内圧力PSとの誤差（PM−PS）が最小になるよう、最小二乗法によりセンサ出力を補正する補正式のパラメータk₁およびC₁を同定する。センサ出力検出部４５は、たとえば10kHz分の１の周期で圧力センサの出力をサンプリングし、クランク角度に同期したタイミングでサンプル値の平均値をセンサ出力値PD(θ)として、パラメータ同定部５３に渡す。パラメータ同定部５３は、気筒の圧縮行程において補正式のパラメータを同定する演算を実行する。モータリング圧力補正部５２から得られるクランク角度に応じたモータリング圧力推定値PM(θ)と、同じクランク角度におけるセンサ出力値PD(θ)に補正式PS = PD(θ)k₁ + C₁ を適用した値PSとの差の二乗、すなわち（PM(θ) - PD(θ)k₁ - C₁）² が最小になる k₁ および C₁を既知の最小二乗法により求める。

PMの離散値をy(i)で表し、筒内圧力センサから得られる筒内圧力PDのサンプル値（離散値）をx(i)で表すと、X(i)^T=[x(0), x(1), …,x(n)]、Y(i)^T=[y(0), y(1), …,y(n)]と表される。誤差の離散値の二乗の和は、次の式（５）で表される。サンプル値は、10kHz分の１の周期でとられ、iの値は、たとえば100までとする。

このFの値を最小にするkおよびCを求めるには、F(k,C)のkおよびCに関する偏微分が０となるkおよびCを求めればよい。これを数式で表すと、次のようになる。

式(６)および(７)の右辺を整理すると、次のようになる。

これを行列で表現すると、次のようになる。

この式を逆行列を使って変形すると、次のようになる。

ここで、右辺の逆行列は、次の式で表される。

センサ出力補正部４７は、こうして同定されたパラメータを用いて燃焼行程においてセンサ出力PD（θ）を補正する。センサ出力補正部４７は、補正された所定のクランク角ごとに、補正されたセンサ出力PS（θ）を算出する。

ＥＧＲ異常判定部５８は、パラメータ同定部５３で導出された筒内圧センサ２５の出力補正用の補正係数Ｋ１に基づいてＥＧＲ装置２７の異常を判定する。本実施形態では、気筒ごとに導出される補正係数Ｋ１を異常判定処理に利用するので、排気ガス還流量を気筒ごとに制御するポーテッドＥＧＲ装置において、気筒別にＥＧＲ装置の異常を判別することができる。以下、図５および図６を参照して、ＥＧＲ異常判定部５８における処理について説明する。

まず図５を参照して、本実施形態によるＥＧＲ装置２７の異常検知処理の原理について説明する。図５は、任意の一気筒におけるＥＧＲ装置２７の動作による補正係数Ｋ１を示す図である。グラフの横軸はクランク角度であり、主に圧縮行程中のパラメータ同定区間ａ（図３を参照）を表している。グラフの縦軸は筒内圧力である。

図５の曲線５ａは、ＥＧＲバルブ２７ａを開弁して排気ガスを吸気系へ還流しているとき（以下「ＥＧＲオン状態」という）の筒内圧センサ２５の出力ＰＤを示す。図５の曲線５ｂは、ＥＧＲバルブ２７ａを閉弁してＥＧＲ装置２７を停止させているとき（以下「ＥＧＲオフ状態」という）の筒内圧センサ２５の出力ＰＤを示す。ＥＧＲオン状態では、ＥＧＲ装置２７による排気ガスの還流量分だけ気筒への吸入空気量が増加するので、圧縮行程における筒内圧力は、ＥＧＲオフ状態に比べて増大している。

図５の曲線１は、モータリング圧力ＰＭを示す。モータリング圧力は、上述のとおり、モータリング圧力推定部５０において、式（４）を用いて算出される。ここで、式（４）の変数Ｇ（吸入空気量）に注目すると、本実施形態では、吸入空気量Ｇは、まずエアフローメータ１９の計測値に基づいて基本吸入空気量Ｇ(ＡＦＭ)を求め、エンジン回転数ＮＥおよび吸気圧Ｐｂに基づいてこの基本吸入空気量Ｇ(ＡＦＭ)を補正することによって算出される。エアフローメータ１９は、吸気管１３内のＥＧＲ通路２７ｂより上流側に設置されているので、Ｇ(ＡＦＭ)の値はＥＧＲ装置２７の動作に依存せず同一である。したがって、式（４）で用いる吸入空気量Ｇの値は、ＥＧＲオン状態およびＥＧＲオフ状態に関係なく同一となる。また、式（４）の他の変数は、ＥＧＲ装置２７の動作による影響を受けない。つまり、ＥＧＲオン状態およびＥＧＲオフ状態において、筒内圧センサ２５の出力補正に利用されるモータリング圧力ＰＭは図５の曲線１のように共通である。

本実施形態では、筒内圧センサ２５の出力ＰＤ（図５の曲線５ａ、５ｂ）は、同定区間ａにおいて、モータリング圧力ＰＭ（図５の曲線１）に一致するように補正係数Ｋ１が導出される。図５に示すように、同定区間ａにおいては、ＥＧＲオン状態の筒内圧５ａがＥＧＲオフ状態のもの５ｂより高いので、ＥＧＲオン状態において導出される補正係数Ｋ１は、ＥＧＲオフ状態のものよりも小さい値となる。

本実施形態では、ＥＧＲオン状態およびＥＧＲオフ状態でそれぞれ導出された補正係数Ｋ１を比較することにより、ＥＧＲ装置２７の異常を気筒ごとに判定する。

図６は、ＥＧＲ異常判定部５８で実施される、ＥＧＲ装置２７の異常判定処理のフローチャートである。

まず、所定の判定許可条件が成立しているかどうかが確認される（Ｓ１０１）。本実施形態では、エンジン回転数ＮＥなどに基づきエンジンが暖機状態であるかが確認され、エンジンが暖機状態のときに判定許可条件が成立する。判定許可条件が成立するときにはステップＳ１０３に進み、ＥＧＲ異常判定処理が開始される。判定許可条件が成立しないときには処理を終了する。

以降の処理ステップは気筒ごとに行われる。

ＥＧＲオン状態のとき（Ｓ１０３のＹＥＳ）、ＥＧＲ還流率が所定値以上（Ｓ１０５のＹＥＳ）の状態が所定時間経過すると（Ｓ１０７のＹＥＳ）、パラメータ同定部５３で導出された補正係数Ｋ１がなまし計算（平滑化）され、算出された値がＥＧＲオン状態の判定パラメータＫ１_onとして設定される（Ｓ１０９）。なまし計算は、たとえば式（１１）に従い行われる。
Ｋ１_on＝C×Ｋ１+ (1−C)×Ｋ１_on (前回値) （１１）
ここで、Cはなまし係数である。

ＥＧＲオフ状態のとき（Ｓ１０３のＮＯ）、この状態が所定時間経過すると（Ｓ１１１のＹＥＳ）、パラメータ同定部５３で導出された補正係数Ｋ１がなまし計算（平滑化）され、算出された値がＥＧＲオフ状態の判定パラメータＫ１_offとして設定される（Ｓ１１３）。なまし計算は、たとえば式（１２）に従い行われる。
Ｋ１_off＝C×Ｋ１+ (1−C)×Ｋ１_off (前回値) （１２）
ここで、Cはなまし係数である。

このように、ステップＳ１０９において、ＥＧＲオン状態の判定パラメータＫ１_onが更新されたか、または、ステップＳ１１３において、ＥＧＲオフ状態の判定パラメータＫ１_offが更新されると、ステップＳ１１７以降の処理に進む。それ以外の場合は処理を終了する。

続いて、ＥＧＲオン状態の判定パラメータＫ１_onと、ＥＧＲオフ状態の判定パラメータＫ１_offとの比をとって、この比（Ｋ１_on／Ｋ１_off）がＥＧＲ異常判定処理の判定値（＝Ｋ１_on／Ｋ１_off）として設定される（Ｓ１１７）。

判定値が所定のしきい値より大きいとき（Ｓ１１９のＹＥＳ）、ＥＧＲオン状態およびＥＧＲオフ状態における補正係数Ｋ１に有意差がないので、当該気筒のＥＧＲ装置２７に異常があると判定される（Ｓ１２１）。判定値が所定のしきい値以下のとき（Ｓ１１９のＮＯ）、ＥＧＲオン状態およびＥＧＲオフ状態における補正係数Ｋ１に有意差があるので、当該気筒のＥＧＲ装置２７は正常であると判定される（Ｓ１２３）。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されるものではない。本発明は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンのいずれに対しても使用することができる。

上述の実施形態では、排気ガスが気筒別に還流されるポーテッドＥＧＲ装置において気筒ごとに異常の判別を行ったが、本発明によるＥＧＲ装置の異常判別手法は、吸気管のインテークマニホールドより上流側に連通される従来のＥＧＲ装置にも適用することが可能である。

本発明の一実施形態に係る内燃機関およびその制御装置の構成を示す概略図である。 本実施形態によるEGR装置の異常判定装置の全体的構成を示すブロック図である。 モータリング圧力曲線および燃焼時の筒内圧センサ出力の補正値の曲線を示す図である。 ピストン位置を計算するための概念図である。 ＥＧＲオン状態およびＥＧＲオフ状態における補正係数Ｋ１を示す図である。 ＥＧＲ装置の異常判定処理のフローチャートである。

符号の説明

１７ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２５ 筒内圧センサ
２７ 排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置
２９ クランク角センサ
４９ 燃焼室容積計算部
５０ モータリング圧力推定部
５３ パラメータ同定部
５８ ＥＧＲ異常判定部

Claims (1)

1. 排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気ガス再循環装置の異常判定装置であって、
   内燃機関の各気筒の筒内圧を検出する手段と、
   前記内燃機関のクランク角度を検出する手段と、
   前記クランク角度に基づいて気筒の容積を算出する手段と、
   前記気筒の容積を含む演算式により、前記内燃機関のモータリング圧力を推定する手段と、
   前記内燃機関の圧縮行程において、前記筒内圧と前記モータリング圧力との偏差を最小にするように、前記筒内圧を補正するための補正パラメータを同定する手段と、
   前記排気ガス再循環装置が実行された状態で同定された前記補正パラメータと、前記排気ガス再循環装置が実行されていない状態で同定された前記補正パラメータとを比較することにより、前記排気ガス再循環装置の異常を判定する手段と、
   を有する排気ガス再循環装置の異常判定装置。
   
   
   
   

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