JP2014098314A - 吸気異常診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼空気の吸気流速を調整する機構の故障の有無を、簡易な構造で信頼性高く診断できる吸気異常診断装置を提供すること。
【解決手段】エンジンの燃焼室内に導入する混合気の吸気流速を調整する吸気調整装置（ＴＣＶ）の異常発生の有無を診断するエンジン制御装置２０であって、エンジンが設定駆動状態になって診断期間中にあることを確認する状態確認部２１と、診断期間の継続時間を計測する診断時間計測部２２と、エンジンのノッキングを検出するノックセンサ３９と、診断期間中のノッキング検出回数をカウントするノックカウント部２３と、診断期間が設定期間だけ継続する診断継続期間中の検出回数が設定判定閾値以上となったときにＴＣＶに異常発生と判定して故障発生と判断する故障判断部２４と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、吸気異常診断装置に関し、詳しくは、内燃機関の燃焼室内に吸気する混合気の吸気流速を調整する吸気調整装置の異常発生の有無を診断するものに関する。

内燃機関（エンジン）には、燃焼室内に吸気する混合気における燃料の割合を低減しつつ効率のよい燃焼を実現することにより燃費の改善を図ることなどを目的に、その混合気の吸気に関する各種工夫がなされている。
この吸気機構としては、例えば、燃焼空気を吸気する吸気ポート内に燃料を噴射する場合に、これら燃料と燃焼空気の混合程度を促進させるために、タンブル流（縦方向の渦）を発生させるタンブルコントロールバルブ（ＴＣＶ）を吸気ポートに設置するものがある。

ＴＣＶ機構は、吸気ポートの開閉状態を調整するバルブと、このバルブの開閉動作させる駆動ギヤと、この駆動ギヤの回転位置を検出するセンサと、を備えるタイプに構築される場合がある。このタイプの場合には、バルブと駆動ギヤと間の連結部材が折損するなどしたときには、センサは駆動ギヤの回転位置を検出するだけなので、そのセンサ信号からバルブの開閉異常を検知することはできない。
このＴＣＶ機構に故障が発生したときに、例えば、制御指示に反して吸気を絞った状態に固着している場合には、燃料噴射とのバランスを崩したまま吸気流動を増大させて燃焼を早めてしまい、運転領域によっては激しいノッキングが発生して内燃機関に深刻な損傷を与える可能性がある。このＴＣＶ機構の故障は、確実に検知して警告することが重要である。

このことから、特許文献１では、第１混合気条件に調整した第１燃焼状態と、第２混合気条件に調整した第２燃焼状態との差が所定値以上の場合にＴＣＶ機構に異常（故障）が発生していると判定することが提案されている。

第３８５５４８１号公報

しかしながら、この特許文献１に記載の吸気異常診断装置にあっては、第１、第２燃焼状態を比較するために、それぞれに対応する第１、第２混合気条件での燃焼が行われている必要がある。この噴射燃料等の各種条件を車両の走行時に揃えることは困難である。また、これら条件が一致する走行条件であったとしても１度の判定で判断することから、ノイズ等の影響により誤判定して、正常であるのにも拘わらずに、故障発生としてしまう可能性がある。
そこで、本発明は、混合気の吸気流速を調整する機構の故障の有無を、簡易な構造で信頼性高く診断できる吸気異常診断装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決する吸気異常診断装置に係る発明の第１の態様は、内燃機関の燃焼室内への混合気の吸気流速を調整する吸気調整装置の異常発生の有無を診断する吸気異常診断装置であって、前記内燃機関が予め設定されている駆動状態になって診断期間中にあることを確認する状態確認部と、前記診断期間が継続する時間を計測する診断時間計測部と、前記内燃機関に発生したノッキングを検出するノック検出部と、前記診断期間中におけるノッキング検出回数をカウントするノックカウント部と、前記診断期間が予め設定されている時間だけ継続する診断継続時間中における前記ノッキング検出回数が予め設定されている判定閾値以上となったときに前記吸気調整装置に異常発生と判定して該吸気調整装置に故障発生と判断する故障判断部と、を備えることを特徴とするものである。

上記課題を解決する吸気異常診断装置に係る発明の第２の態様は、上記第１の態様の特定事項に加え、前記吸気調整装置の異常発生の判定回数をカウントする異常カウント部を備えて、前記故障判断部は、前記異常発生の判定回数が予め設定されている判断閾値以上となったときに前記吸気調整装置に故障発生と判断することを特徴とするものである。
上記課題を解決する吸気異常診断装置に係る発明の第３の態様は、上記第１または第２の態様の特定事項に加え、前記故障判断部は、前記診断時間計測部が計測する前記診断期間が中断した場合には前記診断継続時間に達するまで再開した前記診断期間の継続時間を加算することを特徴とするものである。
上記課題を解決する吸気異常診断装置に係る発明の第４の態様は、上記第１、第２または第３の態様の特定事項に加え、前記状態確認部が前記診断期間と確認する駆動状態として、前記内燃機関にノッキングが発生し難い駆動状態が設定されていることを特徴とするものである。

このように、本発明の上記の第１の態様によれば、内燃機関が設定駆動状態にある設定診断継続時間中に、ノッキング検出回数が設定判定閾値以上となったときに吸気調整装置に異常発生と判定し故障発生と判断することができ、異常なノッキングの頻度から吸気調整装置の故障を簡略な構成で判断することができる。
したがって、吸気調整装置のセンサが異常を検出していないために不適切な吸気のまま内燃機関の燃焼を継続させてしまうことを、吸気調整装置を監視する機構を特別に設けることなく、回避することができる。また、診断継続時間を決めてノッキング回数の積算などで異常判定するので、１回のノッキングで誤判定してしまうことを未然に防止することができる。

本発明の上記の第２の態様によれば、吸気調整装置の異常発生の判定回数が設定判断閾値以上となったときに吸気調整装置に故障発生と判断することができる。したがって、ノッキング検出回数に基づく１回の異常判定で（一時的なノッキング検出回数の増大で）、直ちに故障と判断を誤ってしまうことなく、その異常判定が設定回数以上繰り返される場合に故障と判断することができる。
本発明の上記の第３の態様によれば、診断期間が中断した場合でも再開した診断期間を加算して設定診断継続時間におけるノッキング検出回数をカウントすることができる。したがって、内燃機関の駆動状態に応じた診断期間が設定診断継続時間に満たないために、故障の有無を判断することなく、診断が最初から繰り返されてしまうことを回避することができ、異常判定を積み重ねて確実に故障の有無を判断することができる。
本発明の上記の第４の態様によれば、内燃機関にノッキングが発生し難い駆動状態にあることを確認したときに診断期間とすることができる。したがって、ノッキングが発生し難いにも拘わらずに、ノッキングが頻繁に発生した場合に吸気異常と判定して故障と判断することができる。

図１は、本発明に係る吸気異常診断装置の一実施形態を搭載する車両の一例を示す図であり、その概略全体構成を示すレイアウト図である。 図２は、その要部構成であるタンブルコントロールバルブ（ＴＣＶ）の構造を示す分解平面図である。 図３は、そのエンジン制御装置を説明する機能ブロック図である。 図４は、そのＴＣＶの故障診断をする制御処理（方法）を説明するフローチャートである。 図５は、そのＴＣＶが正常時の診断（判定・判断）を説明するタイミングチャートである。 図６は、そのＴＣＶが故障時の診断（判定・判断）を説明するタイミングチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１〜図６は本発明に係る吸気異常診断装置の一実施形態を車両に搭載する場合の一例を示す図である。
図１において、車両１は、走行状態に応じた駆動力を発生させるエンジン（内燃機関）２を搭載している。
エンジン２は、燃焼室Ａの吸気口に吸気管３が連結されて、排気口に排気管４が連結されている。吸気管３には、上流側から順番に、エアクリーナ５と、エアフロセンサ（空気流量計）６と、スロットルボディ７と、インジェクタ８と、がそれぞれ取り付けられている。排気管４には、上流側から順番に、フロント空燃比センサ９と、フロント触媒１０と、リア空燃比センサ１１と、リア触媒１２と、がそれぞれ取り付けられている。また、エンジン２は、シリンダボアＢ内にピストンＣを往復運動自在に収容して燃焼室Ａの容積を可変に形成されており、その燃焼室Ａには点火コイル１３が内部空間内に臨むように設置されている。
これにより、エンジン２は、吸気管３上流側のエアクリーナ５から清浄な空気をスロットルボディ７のスロットル開度に応じて吸入し、インジェクタ８の噴射燃料と一緒に燃焼室Ａ内に混合気として吸気する。このエンジン２は、燃焼室Ａ内の混合気を点火コイル１３が点火燃焼させて、燃焼後の排気ガスを排気管４上流側のフロント触媒１０とリア触媒１２とで順次浄化した後に外部に排気する。このとき、エンジン２は、燃焼室Ａ内の混合気を点火コイル１３で点火燃焼させてピストンＣを往復させることで駆動力を発生する。

このエンジン２は、エンジン制御装置２０が統括制御するように構築されており、エンジン制御装置２０は、例えば、ＣＰＵやメモリ等のマイクロコンピュータやその周辺回路を備えるＥＣＵ（Engine Control Unit）により構成されている。エンジン制御装置２０には、エアフロセンサ６と、インジェクタ８と、フロント空燃比センサ９と、リア空燃比センサ１１と、点火コイル１３と、ノックセンサ（ノック検出部）３９とがそれぞれ接続されている。

エンジン制御装置２０は、メモリ内に予め格納されている各種制御プログラムを各種センサ信号や各種パラメータに基づいて実行することにより、インジェクタ８や点火コイル１３などの稼働を統括制御する。具体的には、エンジン制御装置２０は、エアフロセンサ６等の各種センサからの検出値を基に各種制御を行って、インジェクタ８の燃料噴射タイミングや燃料噴射量を制御しつつ点火コイル１３の点火タイミングを制御することにより、ノックセンサ３９がノッキング検出しないような最適条件でエンジン２の燃焼室Ａ内における効率の良い燃焼を実現する。
ここで、ノッキングとは、ガソリン・エンジンなどの内燃機関で起こる、燃料と燃焼空気の混合気の異常燃焼であり、例えば、正常に燃焼する前に混合気が自発火することが原因で起こり、金属性の打撃音を発する。このノッキングは、単にノックともいう。

そして、エンジン２は、吸気管３のスロットルボディ７の下流側に、燃焼室Ａ内に供給する混合気に縦方向の渦流、所謂、タンブル流を発生させることにより、混合気の吸気流速を調整するタンブルコントロールバルブ（ＴＣＶ）３１が設置されている。すなわち、このＴＣＶ３１が吸気調整装置を構成している。
このＴＣＶ３１は、図２に示すように、複数枚のバルブ板３２と、回転シャフト３３と、回転ギヤ３４と、アクチュエータ３５と、を備えている。バルブ板３２は、各気筒毎の吸気管３を横断するように貫通する回転シャフト３３に一体回転するように、各吸気管３毎に取り付けられており、このバルブ板３２は、回転シャフト３３と一体回転することにより吸気管３を開閉する。回転ギヤ３４は、回転シャフト３３の一端側に固定されており、半周分に形成されている歯面３４ａにアクチュエータ３５側の駆動ギヤ３６ａに噛み合って往復回転されることにより回転シャフト３３（バルブ板３２）を正逆回転させる。

アクチュエータ３５は、駆動ギヤ３６ａを正逆駆動させる駆動モータ３６と共に回転ギヤ３４（駆動ギヤ３６ａでもよい）の回転位置を検出するギヤ位置検知センサ３７を内蔵して、それぞれエンジン制御装置２０に接続されている。エンジン制御装置２０は、ギヤ位置検知センサ３７のセンサ信号に基づいてエンジン２の稼働状況等に応じて駆動モータ３６を正逆駆動させることにより吸気管３内を流通する噴射燃料と燃焼空気との混合気に最適なタンブル流を発生させて効率のよい燃焼を実現する。

このエンジン制御装置２０は、装置各部の駆動制御に加えて、装置各部の異常検出する機能も備えており、エンジン２の燃焼不良をノックセンサ３９からの検出情報から特定して各種復帰制御を実行するとともに必要に応じて各種警告処理を実行する警告装置としても機能する。
また、エンジン制御装置２０は、ＴＣＶ３１の回転シャフト３３が折損するなどして燃焼室Ａに供給する混合気の吸気流速が駆動制御に追従不能な調整不良の場合に発生するノッキングから、ＴＣＶ３１の異常の有無を診断（異常検出）する。すなわち、エンジン制御装置２０が吸気異常診断装置を構成している。
このエンジン制御装置２０は、図３に示すように、上記制御プログラムを各種センサ信号や各種パラメータに基づいて実行することにより、状態確認部２１、診断時間計測部２２、ノックカウント部２３、および、故障判断部２４として機能する。

状態確認部２１は、エンジン２が予め設定されている駆動状態、例えば、ノッキングが発生し難い条件を満たす駆動状態で稼働する時間を診断期間とするように設定されており、次の条件の全てを満たす状態であるか否かを確認する。言い換えると、エンジン２にノッキングが発生し易い領域（例えば、エンジン回転数が低回転で吸気量が大きい高負荷状態にある場合など）は予め除外しておく。
条件１：エンジン２の始動から安定駆動状態を維持可能になる所定の設定時間経過
条件２：エンジン２の冷却水の水温センサ（不図示）の検出温度が暖気運転終了とする所定の設定温度範囲内
条件３：エンジン２の回転速度が安定駆動状態を維持可能な所定の設定回転数範囲内
条件４：エンジン２の負荷が安定駆動状態を維持可能な所定の設定負荷範囲内

診断時間計測部２２は、状態確認部２１が上記条件１〜４の全てを満たすことを確認する診断期間の継続時間を計測する。
ノックカウント部２３は、ノックセンサ３９が検出するエンジン２のノッキングの検出回数をカウントする。

故障判断部２４は、予め設定されている診断継続時間中にノックカウント部２３がカウントするノッキング検出回数が予め設定されている判定閾値以上となったときにＴＣＶ３１に異常発生と判定する。
この故障判断部２４は、そのＴＣＶ３１の異常発生との判定回数をカウントする異常カウント部２４ａを備えており、異常カウント部２４ａがカウントする異常判定回数が予め設定されている判断閾値以上となったときにＴＣＶ３１に故障発生と判断する。ここで、本実施形態では、故障判断部２４は異常カウント部２４ａを備えて、異常判定回数が設定判断閾値以上となったときに故障発生と判断しているが、これに限らず、異常カウント部２４ａを省略して、ノッキング検出回数が設定判定閾値以上となったときに直ちにＴＣＶ３１に異常発生判定をして故障発生と判断するようにしてもよい。

また、故障判断部２４は、診断時間計測部２２が計測する診断期間の継続時間が予め設定されている診断継続時間Ｔに達するまでリセットすることなく積算して異常発生の有無の判定処理を実行する。要するに、故障判断部２４は、中断前診断期間に再開後診断期間を加算することにより、エンジン２の始動から停止まで、診断継続時間Ｔ中のノッキング回数が設定判定閾値以上か否かの異常判定処理を繰り返し実行して、異常判定回数が設定判断閾値以上になったときに故障発生と判断する。

詳しくは、エンジン制御装置２０は、図４のフローチャートに示すように、上記制御プログラムに従ってＴＣＶ３１の異常の有無を診断する制御処理（方法）を実行するようになっている。
まず、エンジン２が始動されると、状態確認部２１は上記条件１〜４を満たす駆動状態で診断条件成立か否か繰り返し確認して(ステップＳ１１)、診断条件成立の場合に、診断時間計測部２２が診断期間の継続時間（ＣＨＫＴＩＭＥ）の計測を開始・維持する(ステップＳ２１)。同時に（直ちに）、ノックカウント部２３がノックセンサ３９のノッキング検出の度にノックカウンタをインクリメント（ＫＮＫＣＮＴ（ｉ）＝ＫＮＫＣＮＴ（ｉ−１）＋１）するノック検出回数のカウントを開始する（ステップＳ３１）。ステップＳ３１から次のステップＳ４１に移行するタイミングは、例えばステップＳ３１の処理開始から所定時間経過後とする。
次いで、故障判断部２４はステップＳ２１で計測開始した診断期間の継続時間（ＣＨＫＴＩＭＥ）が設定診断継続時間Ｔ以上になった否か確認して（ステップＳ４１）、設定診断継続時間Ｔにまだ達していない場合にはステップＳ１１に戻って、同様の処理を継続する。
これにより、図５および図６に示すように、条件１〜４の全てを満たす診断条件成立時の診断期間が設定診断継続時間Ｔに達するまで、その診断期間の継続時間（ＣＨＫＴＩＭＥ）とノック検出回数（ＫＮＫＣＮＴ）とをリセットすることなく加算して積算することができ、確実に設定期間Ｔ中におけるノック検出回数（頻度）でＴＣＶ３１の異常発生の有無を判定することができる。

また、ステップＳ４１において、診断機関の継続時間が設定診断継続時間Ｔ以上になったことを確認した場合には、故障判断部２４はノッキング検出回数（ＫＮＫＣＮＴ（ｉ））が予め設定されているＭカウント（異常発生判定閾値）以上であるか否か確認する（ステップＳ５１）。
このステップＳ５１において、ノッキング検出回数（ＫＮＫＣＮＴ（ｉ））がＭカウント未満の場合にはステップＳ６１に進んで、正常処理をする。
また、ステップＳ５１において、ノッキング検出回数（ＫＮＫＣＮＴ（ｉ））がＭカウント以上の場合にはステップＳ６２に進んで、異常発生処理をする。

正常処理のステップＳ６１では、診断期間の継続時間（ＣＨＫＴＩＭＥ）を計測する診断時間計測部２２（チェックタイマ）と、ノッキング検出回数（ＫＮＫＣＮＴ（ｉ））をカウントするノックカウント部２３（ノックカウンタ）とをリセットした後に、正常判定のＯＫ回数をカウントするＯＫカウンタをインクリメント（ＯＫＣＮＴ（ｉ）＝ＯＫＣＮＴ（ｉ−１）＋１）するＯＫ判定回数のカウントを開始する（ステップＳ７１）。
次いで、そのＯＫカウント（ＯＫＣＮＴ（ｉ））が予め設定されているＳカウント（正常動作中判定閾値）以上であるか否か確認して（ステップＳ８１）、そのＯＫカウントが設定Ｓカウント未満の場合にはステップＳ１１に戻って同様の処理を繰り返す。
また、このステップＳ８１において、そのＯＫカウント（ＯＫＣＮＴ（ｉ））が設定Ｓカウント以上に達した場合には、ＴＣＶ正常判断処理をした後に（ステップＳ９１）、次のエンジン２始動までこの処理を終了する。なお、この正常判断の後にも、一定時間経過後または直ちにステップＳ１１に戻って同様の処理を繰り返してＴＣＶ３１の異常診断を継続するようにしてもよい。
これにより、図５に示すように、設定診断継続時間Ｔ中におけるノック検出回数が設定Ｍカウントに達することなくＯＫカウントが設定Ｓカウント以上になった場合にはＴＣＶ３１に異常が発生していないことを信頼性高く判定して正常判断することができる。

また、異常発生処理のステップＳ６２では、ステップＳ６１と同様に、診断時間計測部２２とノックカウント部２３とをリセットした後に、異常判定のＮＧ回数をカウントするＮＧカウンタをインクリメント（ＮＧＣＮＴ（ｉ）＝ＮＧＣＮＴ（ｉ−１）＋１）するＮＧ判定回数のカウントを開始する（ステップＳ７２）。
次いで、そのＮＧカウント（ＮＧＣＮＴ（ｉ））が予め設定されているＮカウント（異常動作中判定閾値）以上であるか否か確認して（ステップＳ８２）、そのＮＧカウントが設定Ｎカウント未満の場合にはステップＳ１１に戻って同様の処理を繰り返す。
また、このステップＳ８２において、そのＮＧカウント（ＮＧＣＮＴ（ｉ））が設定Ｎカウント以上に達した場合には、警報表示をするなど異常発生を報知するＴＣＶ異常判断処理をした後に（ステップＳ９２）、次のエンジン２始動までこの処理を終了する。
これにより、図６に示すように、設定診断継続時間Ｔ中におけるノック検出回数が設定Ｍカウント以上になってＮＧカウントも設定Ｎカウント以上になった場合にはＴＣＶ３１に異常が発生していることを高い確度で判定して異常判断することができる。

このように本実施形態においては、診断期間が中断した場合にも確実に再開して診断期間を計測加算して、エンジン２がノッキングし難い駆動状態であるのにも拘わらずに、一定の設定診断継続時間Ｔ中のノッキング検出回数が設定判定閾値（Ｍカウント）以上になって、しかもそのＮＧ判定回数が設定判断閾値（Ｎカウント）以上になった場合には、高確率でＴＣＶ３１を故障と診断することができる。したがって、専用の診断装置を設置することなく、ＴＣＶ３１の故障診断を確実に実行してメンテナンスを指示することができる。

本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらすすべての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、各請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、すべての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

２ エンジン
３ 吸気管
４ 排気管
２０ エンジン制御装置
２１ 状態確認部
２２ 診断時間計測部
２３ ノックカウント部
２４ 故障判断部
２４ａ 異常カウント部
３１ タンブルコントロールバルブ（ＴＣＶ）
３２ バルブ板
３３ 回転シャフト
３４ 回転ギヤ
３５ アクチュエータ
３７ ギヤ位置検知センサ
３９ ノックセンサ

Claims (4)

1. 内燃機関の燃焼室内への混合気の吸気流速を調整する吸気調整装置の異常発生の有無を診断する吸気異常診断装置であって、
   前記内燃機関が予め設定されている駆動状態になって診断期間中にあることを確認する状態確認部と、前記診断期間が継続する時間を計測する診断時間計測部と、前記内燃機関に発生したノッキングを検出するノック検出部と、前記診断期間中におけるノッキング検出回数をカウントするノックカウント部と、前記診断期間が予め設定されている時間だけ継続する診断継続時間中における前記ノッキング検出回数が予め設定されている判定閾値以上となったときに前記吸気調整装置に異常発生と判定して該吸気調整装置に故障発生と判断する故障判断部と、を備えることを特徴とする吸気異常診断装置。
2. 前記吸気調整装置の異常発生の判定回数をカウントする異常カウント部を備えて、
   前記故障判断部は、前記異常発生の判定回数が予め設定されている判断閾値以上となったときに前記吸気調整装置に故障発生と判断することを特徴とする請求項１に記載の吸気異常診断装置。
3. 前記故障判断部は、前記診断時間計測部が計測する前記診断期間が中断した場合には前記診断継続時間に達するまで再開した前記診断期間の継続時間を加算することを特徴とする請求項１または２に記載の吸気異常診断装置。
4. 前記状態確認部が前記診断期間と確認する駆動状態として、前記内燃機関にノッキングが発生し難い駆動状態が設定されていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の吸気異常診断装置。

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