JP2008128114A - 内燃機関の排気絞り弁故障診断装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】コストアップを伴うことなく確実に排気絞り弁の故障を診断することのできる内燃機関の排気絞り弁故障診断装置を提供する。
【解決手段】吸気通路102と排気通路120とを連通する排気ガス還流通路152に排気ガス還流量を制御するEGR制御弁154を有する排気ガス還流装置150、および排気通路に配設された排気絞り弁134を備える内燃機関において、所定の運転状態で排気絞り弁134を一時的に閉成作動させる排気絞り弁開閉作動手段と、該排気絞り弁開閉作動手段による前記排気絞り弁134の開閉作動に対応させて吸入空気量の変化を検出する吸入空気量変化検出手段と、該吸入空気量変化検出手段により検出された吸入空気量の変化に基づき、前記排気絞り弁が異常か正常かを診断する診断手段と、を備える。
【選択図】図1
【解決手段】吸気通路102と排気通路120とを連通する排気ガス還流通路152に排気ガス還流量を制御するEGR制御弁154を有する排気ガス還流装置150、および排気通路に配設された排気絞り弁134を備える内燃機関において、所定の運転状態で排気絞り弁134を一時的に閉成作動させる排気絞り弁開閉作動手段と、該排気絞り弁開閉作動手段による前記排気絞り弁134の開閉作動に対応させて吸入空気量の変化を検出する吸入空気量変化検出手段と、該吸入空気量変化検出手段により検出された吸入空気量の変化に基づき、前記排気絞り弁が異常か正常かを診断する診断手段と、を備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、内燃機関の排気絞り弁故障診断装置、特に、吸気通路と排気通路とを連通する排気ガス還流通路に排気ガス還流量を制御する排気ガス還流制御弁を有する排気ガス還流装置と、排気通路に配設された排気絞り弁とを備える内燃機関の排気絞り弁故障診断装置に関する。
一般に、内燃機関の排気通路に排気絞り弁を設け、必要に応じて排気通路を流れる排気の流量を絞る技術が知られている。これは、排気の流量を絞って背圧を上昇させることにより排気温度を上昇させるために用いられている。すなわち、排気系に設けられた排気浄化用触媒の早期暖機や排気中の微粒子(パティキュレートマター、以下、PMと称す)を捕集するDPF(ディーゼルパティキュレートフィルタ)の再生等のためである。
ところで、かかる排気絞り弁は、常に排気に曝されているために排気中の油分や未燃燃料成分等が付着しやすく、付着した成分により固着が生じ、作動不能となる場合がある。排気絞り弁が開弁位置に固着すると排気温度上昇作用を奏させることができず、また、排気絞り弁が閉弁位置で固着すると、機関は排気背圧の高い状態で運転されることになり、機関出力の低下や加速性の悪化が継続的に生じるようになる。このため、排気絞り弁の故障、すなわち、異常(固着)の有無を確実に診断することが重要である。
このように排気通路に排気絞り弁を設けた内燃機関において、排気絞り弁の上流側に温度センサまたは圧力センサを設置し、正常時と異常時とに生じる温度差または圧力差に基づき排気絞り弁の故障を検出する装置が知られている。
また、かかる排気絞り弁の異常の有無を簡易かつ確実に検出する異常検出装置として、例えば、特許文献1に記載の技術が提案されている。このものにおいては、エアフローメータで検出した吸入空気量が機関運転状態に応じて定められた目標吸入空気量となるように排気ガス還流制御弁の開度をフィードバック制御するようにしている。そして、排気ガス還流制御弁の開度がフィードバック制御されているときに、排気絞り弁の開弁または閉弁操作を行い、この操作前後の排気ガス還流制御弁開度の変化量に基づいて排気絞り弁の異常の有無を検出するようにしている。
しかしながら、上述の排気絞り弁の上流側に温度センサまたは圧力センサを設置したものにおいては、故障検出のためにかかる専用のセンサを設けなければならないことから、コストアップの要因となり、また、温度センサの場合には、その上下流の温度差が小さいので故障を確実に診断するのが困難であるという問題があった。
また、特許文献1に記載の技術は、吸入空気量が機関運転状態に応じて定められた目標吸入空気量となるように排気ガス還流制御弁の開度をフィードバック制御し、排気ガス還流制御弁の開度がフィードバック制御されているときに排気絞り弁の異常の有無を検出するようにしており、その異常検出の際に、排気ガス還流制御弁の開度の変化がフィードバック制御に起因するものか、排気絞り弁の異常に起因するものかを区別するのに複雑な制御を必要とする。さらに、排気ガス還流制御弁開度の変化量を精度よく検出することは容易ではなく、この場合も故障を確実に診断するのが困難であるという問題があった。
本発明はかかる事情に鑑みなされたもので、その目的は、コストアップを伴うことなく確実に排気絞り弁の故障を診断することのできる内燃機関の排気絞り弁故障診断装置を提供することにある。
上記目的を達成する本発明の一形態に係る内燃機関の排気絞り弁故障診断装置は、吸気通路と排気通路とを連通する排気ガス還流通路に排気ガス還流量を制御する排気ガス還流制御弁を有する排気ガス還流装置、および排気通路に配設された排気絞り弁を備える内燃機関において、所定の運転状態で前記排気絞り弁を一時的に閉成作動させる排気絞り弁開閉作動手段と、該排気絞り弁開閉作動手段による前記排気絞り弁の開閉作動に対応させて吸入空気量の変化を検出する吸入空気量変化検出手段と、該吸入空気量変化検出手段により検出された吸入空気量の変化に基づき、前記排気絞り弁が異常か正常かを診断する診断手段と、を備えることを特徴とする。
ここで、前記排気絞り弁開閉作動手段の作動時には、前記排気ガス還流制御弁の開度を固定することが好ましい。
また、前記排気ガス還流制御弁の開度を全開に固定することが好ましい。
さらに、前記所定の運転状態は、車両の減速状態であることが好ましい。
上記本発明の一形態に係る内燃機関の排気絞り弁故障診断装置においては、所定の運転状態で排気絞り弁開閉作動手段により排気絞り弁が一時的に閉成作動されると、吸入空気量変化検出手段により排気絞り弁の閉成時における吸入空気量と開成時における吸入空気量とにより吸入空気量の変化が検出され、そして、この吸入空気量の変化に基づき、診断手段により排気絞り弁が異常か正常かが診断される。詳しくは、排気絞り弁の弁開閉作動前後における吸入空気量の差が大きいときは、排気絞り弁の閉成作動により背圧が上昇し還流排気ガス量が増大し、吸入空気量が減少した結果であり、排気絞り弁が正常に機能していると診断される。
逆に、その前後における吸入空気量の差が小さいときは、排気絞り弁の弁開閉作動指令にもかかわらず還流排気ガス量の変化がなく吸入空気量がほとんど変化しなかった結果であり、排気絞り弁が故障であると診断される。従って、上記一形態の構成によれば、温度センサまたは圧力センサなどの追加部品を必要とすることなく、単に、排気絞り弁の弁開閉作動に対応された吸入空気量の変化に基づきコストアップを伴うことなく確実に排気絞り弁の故障を診断することができる。
ここで、前記排気絞り弁開閉作動手段の作動時には、前記排気ガス還流制御弁の開度を固定する形態によれば、還流排気ガス量の変動要因を排気絞り弁の弁開閉作動に伴う背圧の変化のみとすること、延いては、吸入空気量の変動要因をこの背圧の変化のみとすることができるので、より確実に排気絞り弁の故障を診断することができる。
また、前記排気ガス還流制御弁の開度を全開に固定する形態によれば、限界位置への制御であるので、その制御および保持が容易である。
さらに、前記所定の運転状態は、車両の減速状態である形態によれば、通常の燃焼を行なわせる必要がなく、排気絞り弁の故障診断に起因するエミッションの悪化を防止することができる。
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。図1は、本発明を自動車用ディーゼルエンジンに適用した一実施形態の概略構成を説明する模式図である。
図1において、100はディーゼルエンジン本体、102はエンジン100の吸気通路、104は吸気通路102に設けられたサージタンク、106はサージタンク104と各気筒の吸気ポートとを接続する吸気枝管である。本実施形態では、吸気通路102には吸気通路102を流れる吸入空気の流量を絞る吸気絞り弁108、および吸気を冷却するインタクーラ110が設けられている。吸気絞り弁108はソレノイド、バキュームアクチュエータ等の適宜な形式のアクチュエータ108Aを備え、後述する電子制御ユニット(ECU)200からの制御信号に応じた開度をとる。本実施形態では、吸気絞り弁108は、例えば機関低回転時等に吸気圧力を低下させて、後述するEGR通路152を通ってサージタンク104に還流される排気ガス(EGRガス)量を増大させるために用いられる。
図1に112で示すのは、吸気通路102の吸気入口近傍に設けられたエアフローメータである。本実施形態では、エアフローメータ112は熱線式流量計等のように、吸気通路102を流れる吸入空気の質量流量を測定可能な形式のものが使用されている。吸気通路102に流入した大気は、エアフローメータ112を通過した後、ターボチャージャ130のタービン130Tで駆動されるコンプレッサ130Cにより昇圧され、吸気通路102に設けられたインタクーラ110により冷却された後サージタンク104、枝管106を経て各気筒に吸入される。
図1に114で示すのは、各気筒内に燃料を直接に噴射する燃料噴射弁である。燃料噴射弁114は、高圧燃料を貯留する共通の蓄圧室(コモンレール)116に接続されている。機関100の燃料は高圧燃料ポンプ118により昇圧されてコモンレール116に供給され、コモンレール116から各燃料噴射弁114を介して直接各気筒内に噴射される。
また、図1に120で示すのは各気筒の排気ポートと排気通路122とを接続する排気マニホルドであり、その後流に上述のターボチャージャ130が配置されている。ターボチャージャ130は排気通路122の排気により駆動される排気タービン130Tと、この排気タービン130Tにより駆動される吸気コンプレッサ130Cとを備えていることは前述の通りである。
また、本実施形態では、ターボチャージャ130下流側の排気通路122に、第1の触媒装置(例えば、酸化触媒または三元触媒)132が配置されると共に、その下流に排気通路122を流れる排気流量を制御するための排気絞り弁134が配置されている。排気絞り弁134は、吸気絞り弁108と同様なアクチュエータ134Aを備え、ECU200からの制御信号に応じて全開位置と所定の開度の閉弁位置とをとる。本実施形態では排気絞り弁134は、第1の触媒装置132の早期活性化や後述する第2の触媒装置136におけるパティキュレートフィルタ(DPF)の再生のために排気温度を上昇させる際に用いられる。そして、本実施形態では、排気絞り弁134の下流に上述の第2の触媒装置(吸蔵還元型NOx触媒およびDPF)136が配置されている。
本実施形態における第2の触媒装置136では、その上流側に吸蔵還元型NOx触媒が収納されている。この吸蔵還元型NOx触媒により、機関運転時において排気が酸化雰囲気(リーン)にあるときに、NOxが吸蔵還元型NOx触媒に吸蔵される。そして還元雰囲気(ストイキあるいはリッチ)では吸蔵還元型NOx触媒に吸蔵されていたNOxが酸化窒素(NO)として離脱し、炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)により還元される。このことによりNOxの浄化が行なわれる。
そして、第2の触媒装置136での下流側、すなわち、吸蔵還元型NOx触媒の後流にはモノリス構造に形成された壁部を有するDPFが収納され、この壁部の微小孔を排気が通過するように構成されている。また、DPF表面には吸蔵還元型NOx触媒がコーティングされている。このため、前述のようにNOxの浄化が行われる。しかも、DPF表面には排気中の微粒子物質(PM)が捕捉されるので、酸化雰囲気ではNOx吸蔵時に発生する活性酸素によりPMの酸化が開始され、さらに周囲の過剰酸素によりPM全体が酸化される。還元雰囲気(ストイキあるいはリッチ)では吸蔵還元型NOx触媒から発生する大量の活性酸素によりPMの酸化が促進される。このことによりNOxの浄化と共に、PMの浄化も実行される。
さらに、本実施形態ではエンジン排気の一部を吸気系に還流させるEGR装置150が設けられている。EGR装置150は、排気マニホルド120と吸気サージタンク104とを連通する前述のEGR通路152、およびEGR通路152に配置されたEGR制御弁(以下、EGR弁という)154、およびEGR弁154の上流側のEGR通路152に設けられたEGRクーラ156を備えている。EGR弁154は図示しないステッパモータ、ソレノイドアクチュエータ等のアクチュエータを備え、ECU200からの制御信号に応じた開度をとり、EGR通路152を通って吸気サージタンク104に還流されるEGRガス流量を制御する。なお、EGRガスは気筒から排出された高温のガスであるため、多量のEGRガスを吸気に還流させると吸気温度が上昇してしまい、エンジンの吸気体積効率が低下することになる。本実施形態では、これを防止するために、EGR弁154上流側のEGR通路152には水冷または空冷のEGRクーラ156が設けられている。本実施形態では、EGRクーラ156を用いて吸気系に還流するEGRガス温度を低下させることにより、エンジンの吸気体積効率の低下を抑制して比較的多量のEGRガスを還流させることが可能となっている。
さらに、図1に200で示すのは、エンジン100の電子制御ユニット(ECU)である。本実施形態のECU200は、公知の構成のマイクロコンピュータとして構成され、CPU、RAM、ROM、入力ポート、出力ポートを双方向性バスで相互に接続した構成とされている。ECU200はエンジン100の燃料噴射制御、回転数制御等の基本制御を行うほか、本実施形態では後述するように、排気絞り弁134の故障診断を行なう。
これらの制御を行うため、ECU200の入力ポートには、エンジン100のクランク軸近傍に配置された回転数センサ160からエンジン回転数NEに対応する信号が入力されている他、エアフローメータ112からエンジン吸入空気量Gnに相当する信号が、また、不図示のアクセルペダル近傍に配置されたアクセル開度センサ162から運転者のアクセルペダル踏み込み量(アクセル開度)に対応する信号とEGR弁154に配置されたEGR弁開度センサ164からEGR弁開度を表す信号等が、それぞれ入力されている。
ECU200の出力ポートは、図示しない燃料噴射回路を介してエンジン100の燃料噴射弁114に接続され、燃料噴射弁114からの燃料噴射量と燃料噴射時期とを制御している。また、ECU200の出力ポートは図示しない駆動回路を介してEGR弁154、吸気絞り弁108および排気絞り弁134のアクチュエータに接続され、それぞれの弁開度を制御している。
なお、本実施形態ではEGR弁開度を検出するEGR弁開度センサ164を設けているが、開度センサ164を設けずに、例えばEGR弁154のアクチュエータとしてステッパモータを用いた場合にはモータの駆動ステップ数に基づいて、またアクチュエータとしてソレノイドアクチュエータを用いた場合にはソレノイド駆動パルスオン/オフのデューティ比(駆動パルスのオン、オフ1周期に占めるオン時間の割合)に基づいてEGR弁開度を算出するようにすることも可能である。
前述のように、DPFにはエンジン運転中において排気中のPMが捕集され、徐々にDPFのPM捕集量が増大する。本実施形態では、第1の触媒装置132を早期に活性化させたいとき、および第2の触媒装置136におけるDPFのPM捕集量が増大した場合には、排気絞り弁134を閉弁して機関吸気量を低下させ、排気温度を上昇させることにより、早期の活性化とDPFの再生を行なうようにしている。
以下、上記構成になる本実施形態の排気絞り弁の故障診断の制御手順について図2のフローチャートを参照して説明する。なお、この故障診断ルーチンは所定の周期で実行される。
そこで、故障診断ルーチンがスタートすると、ステップS201において車両が減速状態にあるか否かが判定される。この車両が減速状態にあるか否かの判定は、本実施形態においては、アクセル開度センサ162により検出されるアクセル開度が0%であり、かつ、燃料噴射弁114から噴射される燃料量が0以下であるかにより行われ、これらの条件が満たされた車両の減速状態のときのみ次のステップS202に進む。換言すると、車両が減速状態になるまでステップS201が繰り返されて待機状態が維持される。
車両が減速状態になると、次のステップS202において、EGR弁154が所定の開度に固定されるかまたは全開に開作動される。そして、次のステップS203では、EGR弁154が所定の開度または全開位置に作動された後における、所定の時期に後述する排気絞り弁全閉指令前の吸入空気量GnAがエアフローメータ112の出力値に基づいて計測され記憶される。その後、ステップS204において、排気絞り弁134のアクチュエータ134Aに対して、上述の排気絞り弁134の全閉指令が送られる。
なお、車両の通常走行状態では、この排気絞り弁134は一般に全開状態に維持されているので、故障診断のために行なわれる上述の全閉指令を直ちに発しても通常問題はないが、排気絞り弁134が全開以外の位置にあるかまたは不明であるときには、全閉指令を発する前に、予め排気絞り弁134を全開状態にすべく、全開指令を発するようにするのが好ましい。
そして、次のステップS205において、排気絞り弁134の全閉指令後における所定の時期に排気絞り弁全閉指令後の吸入空気量GnBがエアフローメータ112により計測され記憶される。そして、次のステップS206に進み、所定の一時的な期間t0が経過するのを待ってステップS207に進み、排気絞り弁134のアクチュエータ134Aに対して排気絞り弁134の全開指令が送られる。
さらに、次のステップS208においては、ステップS203で計測され記憶されていた吸入空気量GnAとステップS205で計測され記憶されていた吸入空気量GnBとの吸入空気量の差ΔGn(=|GnA−GnB|)が算出される。そして、ステップS209において、この求められた吸入空気量の差ΔGnが所定の閾値αと対比されて排気絞り弁134が故障か否かの診断が行なわれる。すなわち、吸入空気量の差ΔGnが所定の閾値αを超えずに小さいときは、排気絞り弁134の全閉指令にもかかわらず、排気絞り弁134が閉成されなかった結果であり、排気絞り弁134の、例えば開固着故障であるとしてステップS210に進み、異常との診断が行なわれる。一方、吸入空気量の差ΔGnが所定の閾値αを超え大きいときは、排気絞り弁134が指令通りに閉成作動した結果であり、排気絞り弁134は正常に作動しているとしてステップS211に進み、正常と診断される。
ここで、図3は、上述の診断手順における関係部位の変化の様子とエアフローメータ112により計測される吸入空気量Gnとの変化の様子とを示したタイムチャートである。図3の(A)はアクセル開度、(B)は車速、(C)はEGR弁154の開度、(D)は排気絞り弁134の駆動指令信号、(E)はエアフローメータ112により計測される吸入空気量Gnを示している。
図3から明らかなように、本実施形態による診断ルーチンは、時刻t1で始まる、アクセル開度が0%で、燃料噴射弁104からの燃料噴射量が停止された車両の減速状態で、かつ、EGR弁154の開度が全開(100%)の状態において実行され、そして、時刻t3における排気絞り弁134への全閉指令の前後における、所定時刻t2および時刻t4での吸入空気量Gnの計測によって排気絞り弁134の故障診断を行っている。より詳しく述べると、EGR弁154の開度が全開であって排気絞り弁134も全開の状態での所定時刻t2において、吸入空気量GnAがエアフローメータ112により計測される。そして、その後の所定時刻t3における全閉指令により、排気絞り弁134が一時的にt0間、時刻t5まで閉作動される。さらに、その一時的な閉作動中の所定時刻t4において、吸入空気量GnBがエアフローメータ112により計測される。そして、その後、図3には示されていないが、上述の排気絞り弁134が正常に機能しているか否かの診断が行なわれるのである。
ここで、上述の吸入空気量の差ΔGnが所定の閾値αを超えるか否かにより、排気絞り弁134の故障診断ができる理由について補足説明すると、本実施形態においては、車両の減速状態で、かつ、EGR弁154の開度が全開の状態において実行されるので、このときエンジン100の気筒102に吸入される吸気量は、排気ガス還流通路122の流路抵抗や背圧等により決定されるEGRガスの最大量とエアフローメータ112を通過する新気量とを加えたものとなる。従って、エンジン100の気筒102に吸入される吸気量は、車両の減速状態でエンジン100の一回転当たりでは一定であるから、エンジン100の気筒102に吸入されるEGRガス量が多くなるほど新気量は減少し、EGRガス量が少なくなるほど新気量は増加する。
ところで、排気絞り弁134の開閉作動前後における吸入空気量の差ΔGnが大きいのは、排気絞り弁134の閉成作動により背圧が上昇しEGRガス量が増大し、吸入空気量Gnが減少した結果であり、排気絞り弁134が正常に機能していると診断される(図3の(E)実線示)。逆に、その前後における吸入空気量の差ΔGnが小さいのは、排気絞り弁134の閉指令にもかかわらず閉作動が十分ではなく、EGRガス量の変化がなく吸入空気量Gnがほとんど変化しなかった結果であり、排気絞り弁134が故障であると診断される(図3の(E)破線示)のである。
従って、上述の本実施形態によれば、温度センサまたは圧力センサなどの追加部品を必要とすることなく、単に、吸入空気量Gnの変化に基づきコストアップを伴うことなく確実に排気絞り弁134の故障を診断することができる。ここで、排気絞り弁134の閉成作動時には、EGR制御弁154の開度を固定する形態によれば、還流排気ガス量の変動要因を排気絞り弁134の閉成作動に伴う背圧のみとすることができるので、より確実に排気絞り弁134の故障を診断することができ、EGR制御弁154の開度を全開に固定する形態によれば、その制御および保持が容易である。さらに、所定の運転状態が、車両の減速状態である形態によれば、排気絞り弁134の故障診断に起因するエミッションの悪化を防止することができる。
100 ディーゼルエンジン本体
102 吸気通路
112 エアフローメータ
122 排気通路
134 排気絞り弁
150 EGR装置
152 EGR通路
154 EGR制御弁(EGR弁)
160 回転数センサ
162 アクセル開度センサ
200 ECU
102 吸気通路
112 エアフローメータ
122 排気通路
134 排気絞り弁
150 EGR装置
152 EGR通路
154 EGR制御弁(EGR弁)
160 回転数センサ
162 アクセル開度センサ
200 ECU
Claims (4)
- 吸気通路と排気通路とを連通する排気ガス還流通路に排気ガス還流量を制御する排気ガス還流制御弁を有する排気ガス還流装置、および排気通路に配設された排気絞り弁を備える内燃機関において、
所定の運転状態で前記排気絞り弁を一時的に閉成作動させる排気絞り弁開閉作動手段と、
該排気絞り弁開閉作動手段による前記排気絞り弁の開閉作動に対応させて吸入空気量の変化を検出する吸入空気量変化検出手段と、
該吸入空気量変化検出手段により検出された吸入空気量の変化に基づき、前記排気絞り弁が異常か正常かを診断する診断手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気絞り弁故障診断装置。 - 前記排気絞り弁開閉作動手段の作動時には、前記排気ガス還流制御弁の開度を固定することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排気絞り弁故障診断装置。
- 前記排気ガス還流制御弁の開度を全開に固定することを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の排気絞り弁故障診断装置。
- 前記所定の運転状態は、車両の減速状態であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の内燃機関の排気絞り弁故障診断装置。
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