JP2012087624A - 内燃機関の異常検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲ系を備える過給機付きの内燃機関において、ＥＧＲ弁の閉異常を高精度に検出する。
【解決手段】ツインエントリ型のターボチャージャ３０と、第１，第２の気筒群の排気ガスをタービン３０１のそれぞれの入口に流入させる第１，第２の排気マニホールド３２，３４と、第１の排気マニホールド３２と吸気マニホールド１２とを接続するＥＧＲ通路４２の途中に配設されたＥＧＲ弁４４と、第１，第２の気筒群の気筒にそれぞれ設けられた筒内圧センサ２０と、を備え、ＥＧＲ弁４４への全閉要求が出されているときに、筒内圧センサ２０を用いて第１，第２の気筒群の気筒の吸入空気量をそれぞれ算出する（ステップ１００〜１０２）。第１，第２の気筒群の気筒の吸入空気量の差が所定の基準値よりも大きい場合に、ＥＧＲ弁４４に閉異常が発生していることを判定する（ステップ１０４〜１０６）。
【選択図】図３

Description

この発明は、内燃機関の異常検出装置に係り、特に、ＥＧＲ系を備える内燃機関の異常検出装置に関する。

従来、例えば、特開２００２−２２７７２７号公報に開示されているように、排気ガスの一部を吸気系へ還流させる排気還流（ＥＧＲ）装置を有する内燃機関の異常検出装置が知られている。この装置では、エンジンの回転速度に基づき算出された吸気圧力の推定値と検出された実測値との偏差が所定値以上となった場合に、ＥＧＲ装置が異常であると判定される。

特開２００２−２２７７２７号公報 特開２０１０−１２７２０３号公報

ところで、過給機を備える内燃機関においては、吸気圧（過給圧）が背圧よりも高くなる運転領域が存在する。このような運転領域において、異物の噛み込み等に起因するＥＧＲ弁の全閉異常が発生すると、新気がＥＧＲ通路を介して排気通路へ流れてしまい、触媒の異常過熱（以下、「触媒ＯＴ」と称する）を引き起こす可能性がある。そこで、過給機を備える内燃機関に対して上記従来の技術を適用し、ＥＧＲ弁の閉異常を検出することが考えられる。しかしながら、吸気圧（過給圧）が背圧よりも高くなる運転領域においては、ＥＧＲ弁の閉異常の発生に起因する吸気圧力の変化が小さい。このため、吸気圧力の実測値と推定値とを比較してＥＧＲ装置の異常を判定する上記従来の装置では、高精度にＥＧＲ弁の閉異常を検出できないおそれがある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ＥＧＲ系を備える過給機付きの内燃機関において、ＥＧＲ弁の閉異常を高精度に検出することのできる内燃機関の異常検出装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の異常検出装置であって、
複数気筒を有する内燃機関と、
二つの入口を有するタービンを備えたターボチャージャと、
前記複数気筒を２群に分けた第１，第２の気筒群のうち、前記第１の気筒群の排気ガスを前記タービンの一方の入口に流入させる第１の排気通路と、
前記第２の気筒群の排気ガスを前記タービンの他方の入口に流入させる第２の排気通路と、
前記第１の排気通路と前記内燃機関の吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路の途中に配設されたＥＧＲ弁と、
前記第１，第２の気筒群の気筒にそれぞれ設けられた筒内圧センサと、
前記ＥＧＲ弁への全閉要求が出されているときに、前記筒内圧センサによって検出される筒内圧に基づいて前記第１，第２の気筒群の気筒の吸入空気量をそれぞれ算出する吸入空気量算出手段と、
前記第１の気筒群の気筒の吸入空気量と前記第２の気筒群の気筒の吸入空気量との差が所定の基準値よりも大きい場合に、前記ＥＧＲ弁に閉異常が発生していることを判定する判定手段と、
を備えることを特徴としている。

第１の発明によれば、二つの入口を有するタービンを備えたツインエントリーターボチャージャを有する内燃機関において、ＥＧＲ通路に連通する第１の排気通路に連通する第１の気筒群の気筒の吸入空気量と、ＥＧＲ通路に連通していない第２の排気通路に連通する第２の気筒群の気筒の吸入空気量と差が所定の基準値よりも大きい場合に、ＥＧＲ弁の閉異常の発生が判定される。ＥＧＲ弁に閉異常が発生している場合には、ＥＧＲ通路に連通している第１の気筒群の排気脈動がエンジン回転一次の周波数で吸気脈動に影響を与える。このため、本発明によれば、第１の気筒群の気筒の吸入空気量と第２の気筒群の気筒それとを比較することにより、ＥＧＲ弁の閉異常を高精度に検出することが可能となる。

本発明の実施の形態１としてのシステム構成を説明するための簡易図である。 クランク角度に対する吸気管圧力の脈動を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１としてのシステム構成を説明するための簡易図である。図１に示すように、本実施の形態のシステムは内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、＃１→＃３→＃４→＃２の順に爆発を繰り返す４気筒エンジンとして構成されている。内燃機関１０には、吸気マニホールド１２を介して、吸気通路１４が接続されており、吸気通路１４の途中には、インタークーラ１６、スロットルバルブ１８等が設けられている。スロットルバルブ１８は、アクセル開度等に基づいて吸気通路１４を開閉し、その開度に応じて吸入空気量を増減させる。また、内燃機関１０の各気筒には、筒内圧を検出するための筒内圧センサ（ＣＰＳ）２０がそれぞれ設けられている。

本実施形態の内燃機関１０には、ターボチャージャ３０が備えられている。ターボチャージャ３０は、内燃機関１０の排気ガスのエネルギによって作動するタービン３０１と、
このタービン３０１によって駆動されるコンプレッサ３０２と、を有している。コンプレッサ３０２には、上述した吸気通路１４が接続されている。コンプレッサ３０２により、吸入空気を圧縮することができる。

タービン３０１は、二つの入口を有している。すなわち、このターボチャージャ３０は、ツインエントリ型（ツインスクロール型）のものである。タービン３０１の一方の入口には、第１の排気マニホールド３２が接続されており、他方の入口には、第２の排気マニホールド３４が接続されている。第１の排気マニホールド３２は、＃２気筒および＃３気筒に接続されている。すなわち、＃２気筒から排出される排気ガスと、＃３気筒から排出される排気ガスとは、第１の排気マニホールド３２において合流し、タービン３０１の一方の入口に流入する。以下、＃２気筒および＃３気筒で構成される気筒群を「第１の気筒群」と称する。

一方、第２の排気マニホールド３４は、＃１気筒および＃４気筒に接続されている。すなわち、＃１気筒から排出される排気ガスと、＃４気筒から排出される排気ガスとは、第２の排気マニホールド３４において合流し、タービン３０１の他方の入口に流入する。以下、＃１気筒および＃４気筒で構成される気筒群を「第２の気筒群」と称する。このようなツインエントリ型のターボチャージャ３０によれば、気筒間の排気脈動の干渉を抑制することができ、優れた過給特性が得られる。

タービン３０１の出口には、排気通路３６が接続されている。排気通路３６の途中には、排気ガスを浄化する触媒３８が設置されている。触媒３８は、例えば、酸素吸蔵機能を有する三元触媒で構成される。

また、内燃機関１０は、排気ガスを吸気系に還流させるＥＧＲ手段としてのＥＧＲ装置を備えている。ＥＧＲ装置は、第１の排気マニホールド３２と吸気マニホールド１２との間に接続されたＥＧＲ通路４２と、該ＥＧＲ通路４２の途中に配設されたＥＧＲ弁４４、およびＥＧＲクーラ４６により構成されている。ＥＧＲ弁４４は、その開度に応じて吸気系に還流される排気ガス（ＥＧＲガス）の量を調整したり、排気ガスの還流動作を停止させること（全閉）が可能となっている。

更に、本実施の形態のシステムは、図１に示すとおり、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。ＥＣＵ５０の入力部には、上述した筒内圧センサ２０他、クランク軸の回転位置を検知するためのクランク角センサ等の各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ５０の出力部には、上述したスロットルバルブ１８、ＥＧＲ弁４４等の各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、入力された各種の情報に基づいて、内燃機関１０の運転状態を制御する。

［実施の形態１の動作］
次に、図１および図２を参照して、本実施の形態のシステムの動作について説明する。排気還流（ＥＧＲ）は、ＥＧＲ通路４２を通して、第１の排気マニホールド３２を流通する排気ガス（既燃ガス）の一部を吸気マニホールド１２へ還流させることにより行われる。より具体的には、内燃機関１０の機関回転数や機関負荷率等の運転状態に応じてＥＧＲ弁４４の開度が調整されて、排気ガスの一部が筒内へ導入される。ＥＧＲが行われると冷損を低減させることができるため、燃料消費率（燃費）を効果的に向上させることができる。

ここで、本実施の形態のシステムのように、ターボチャージャ３０を備える内燃機関１０においては、過給圧（吸気圧）が背圧よりも高くなる運転領域が存在する。このような高過給運転領域では、ＥＧＲ弁４４を開弁してもＥＧＲガスを還流させることができないため、通常ＥＧＲ弁４４は全閉状態に制御される。

しかしながら、このようなＥＧＲ弁４４を全閉に制御する運転領域において、異物の噛み込み等に起因するＥＧＲ弁４４の全閉異常が発生すると、第１の排気マニホールド３２と吸気マニホールド１２とが意図せずに連通してしまう。この場合、過給圧（吸気圧）が背圧よりも高い場合には、新気がＥＧＲ通路４２を介して触媒３８へ流れてしまい、触媒ＯＴを引き起こす可能性がある。

そこで、本出願の発明者は、ＥＧＲ弁４４の閉異常が発生しているときには、第１の排気マニホールド３２の排気脈動が吸気脈動に影響を与えることに着目し、鋭意研究を重ねた。図２は、クランク角に対する吸気管圧力の変化を示す図である。尚、この図における鎖線はＥＧＲ弁４４の閉弁異常が発生していない場合を、実線は閉弁異常が発生している場合をそれぞれ示している。

図２に鎖線で示すとおり、ＥＧＲ弁４４の閉異常が発生していない場合においては、吸気脈動がほぼ一定の振幅で発生する。各気筒に吸入される吸入空気量は、吸気行程時の吸気管圧力によって変化する。このため、上述したＥＧＲ弁４４の閉異常が発生していない場合においては、気筒間の吸入空気量に大きなバラツキが発生することなない。

一方、図２に実線で示すとおり、ＥＧＲ弁４４の閉異常が発生している場合においては、大きな振幅と小さな振幅とが交互に発生する吸気脈動が発生している。これは、ＥＧＲ通路４２の一端が接続されている第１の排気マニホールド３２の排気脈動が関係している。すなわち、第１の排気マニホールド３２の排気脈動は、第１の気筒群の排気行程の周期（３６０°ＣＡ周期）で発生する。そして、ＥＧＲ弁４４の閉異常が発生している場合には、この第１の排気マニホールド３２の排気脈動がエンジン回転一次の周波数として吸気脈動に重畳する。その結果、第１の気筒群の気筒の排気行程時（すなわち第２の気筒群の気筒の吸気行程時）の吸気管圧力は、第２の気筒群の気筒の排気行程時（すなわち第１の気筒群の気筒の吸気行程時）のそれよりも高くなる。上述したとおり、各気筒に吸入される吸入空気量は、吸気行程時の吸気管圧力によって変化する。このため、ＥＧＲ弁４４の閉異常が発生している場合には、吸入空気量が高い気筒（すなわち第２の気筒群の気筒）と低い気筒（すなわち第１の気筒群の気筒）とが存在することとなる。

そこで、本実施の形態では、ＥＧＲ弁４４の全閉指令が出されている状態において、第１の気筒群の吸入空気量の平均値と第２の気筒群の吸入空気量の平均値との差が所定の基準値よりも大きい場合に、ＥＧＲ弁４４に閉異常が発生していると判定することとする。各気筒の吸入空気量は、圧縮行程や吸気行程での筒内圧センサ２０の出力を利用した公知の方法で精度よく算出することができる。このため、係る吸入空気量を用いることにより、ＥＧＲ弁４４の閉異常を高精度に検出することが可能となる。

［実施の形態１の具体的処理］
次に、図３を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図３は、ＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図３に示すルーチンは、内燃機関１０の運転中に繰り返し実行されるものとする。

図３に示すルーチンでは、先ず、ＥＧＲ弁４４への開度指令値が全閉か否かが判定される（ステップ１００）。その結果、ＥＧＲ弁４４への全閉指令が出ていないと判断された場合には、該ＥＧＲ弁４４の異常検出を行うことができないと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。一方、上記ステップ１００において、ＥＧＲ弁４４への全閉指令が出ていないと判断された場合には、該ＥＧＲ弁４４の異常検出を実行可能と判断されて、次のステップに移行し、気筒別の吸入空気量が算出される（ステップ１０２）。ここでは、具体的には、先ず、各気筒に設けられた筒内圧センサ２０の検出値がそれぞれ取り込まれる。そして、各気筒の圧縮行程の筒内圧に基づいて吸入空気量が算出される。

次に、第１気筒群（＃２および＃３気筒）の吸入空気量の平均値と第２気筒群（＃１および＃４気筒）の吸入空気量の平均値との差が所定の基準値よりも大きいか否かが判定される（ステップ１０４）。その結果、当該吸入空気量の差が所定の基準値よりも大きいと判定された場合には、第１気筒群の排気脈動が第２気筒群の吸気脈動に影響を与えていると判断されて、次のステップに移行し、ＥＧＲ弁４４の閉異常が判定される（ステップ１０６）。

一方、上記ステップ１０４において、当該吸入空気量の差が所定の基準値以下であると判定された場合には、第１気筒群の排気脈動が第２気筒群の吸気脈動に影響を与えていないと判断されて、次のステップに移行し、ＥＧＲ弁４４の正常が判定される（ステップ１０８）。

以上説明したとおり、本実施の形態１のシステムによれば、筒内圧センサ２０を用いて各気筒の吸入空気量を精度よく算出することができる。このため、係る吸入空気量を用いることにより、ＥＧＲ弁４４の閉異常を高精度に判定することが可能となる。

ところで、上述した実施の形態１のシステムでは、第１の気筒群の吸入空気量として、当該第１の気筒群の属する＃２および＃３気筒の吸入空気量の平均値を用いることとしているが、使用する吸入空気量はこれに限られない。すなわち、第１の気筒群に属する気筒の中から選択された１つの気筒の吸入空気量を用いることとしてもよい。尚、このことは、第２の気筒群の吸入空気量に関しても同様である。また、この場合においては、全ての気筒に筒内圧センサ２０を設ける必要はなく、吸入空気量を算出する気筒のみに筒内圧センサ２０を設ければよい。

尚、上述した実施の形態１においては、＃２および＃３気筒が前記第１の発明における「第１の気筒群」に、＃１および＃４気筒が前記第１の発明における「第２の気筒群」に、吸気マニホールド１２が前記第１の発明における「吸気通路」に、第１の排気マニホールド３２が前記第１の発明における「第１の排気通路」に、第２の排気マニホールド３４が前記第１の発明における「第２の排気通路」に、それぞれ相当している。また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより、前記第１の発明における「吸入空気量算出手段」が、上記ステップ１０４および１０６の処理を実行することにより、前記第１の発明における「判定手段」が、それぞれ実現されている。

１０ 内燃機関
１２ 吸気マニホールド
１４ 吸気通路
１６ インタークーラ
１８ スロットルバルブ
２０ 筒内圧センサ
３０ ターボチャージャ
３０１ タービン
３０２ コンプレッサ
３２ 第１の排気マニホールド
３４ 第２の排気マニホールド
３６ 排気通路
３８ 触媒
４２ ＥＧＲ通路
４４ ＥＧＲ弁
４６ ＥＧＲクーラ
５０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)

Claims (1)

1. 複数気筒を有する内燃機関と、
   二つの入口を有するタービンを備えたターボチャージャと、
   前記複数気筒を２群に分けた第１，第２の気筒群のうち、前記第１の気筒群の排気ガスを前記タービンの一方の入口に流入させる第１の排気通路と、
   前記第２の気筒群の排気ガスを前記タービンの他方の入口に流入させる第２の排気通路と、
   前記第１の排気通路と前記内燃機関の吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路の途中に配設されたＥＧＲ弁と、
   前記第１，第２の気筒群の気筒にそれぞれ設けられた筒内圧センサと、
   前記ＥＧＲ弁への全閉要求が出されているときに、前記筒内圧センサによって検出される筒内圧に基づいて前記第１，第２の気筒群の気筒の吸入空気量をそれぞれ算出する吸入空気量算出手段と、
   前記第１の気筒群の気筒の吸入空気量と前記第２の気筒群の気筒の吸入空気量との差が所定の基準値よりも大きい場合に、前記ＥＧＲ弁に閉異常が発生していることを判定する判定手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の異常検出装置。

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