JP4178784B2 - 燃料噴射式内燃機関の診断装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料噴射式内燃機関の診断装置に関し、特に燃料噴霧の微粒化状態を診断する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
燃料噴射式内燃機関に用いる燃料インジェクタは、気化促進を目的として燃料噴霧の粒径をより細かくする方向に進んでおり、このために微粒化インジェクタといわれる噴孔を細径化または多孔化したものが適用されつつある。
【０００３】
微粒化燃料による燃焼は、燃料粒径や吸気管壁および燃焼室壁面に付着したデポジットと呼ばれる堆積物に影響され、インジェクタの故障等により燃料の微粒化が不充分になると、所期の微粒化燃料を前提としてチューニングが施された内燃機関では排気エミッションや燃費性能に悪影響が及ぶおそれが生じる。
【０００４】
特開平６−３４６８２４号公報には、燃焼室圧力から算出した筒内発生熱量と目標噴射量とを比較することによりインジェクタの診断を行うものが提案されているが、診断のために筒内圧センサを必要とすることから装置が複雑化したり故障頻度が増大したりするうえにコストが高いものとなる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、機関排気通路に設けた空燃比センサからの信号をフィードバックして燃料噴射量を制御する空燃比制御装置を備えた燃料噴射式内燃機関において、空燃比を変化させたときの前記空燃比センサ信号のステップ応答に基づいて噴射燃料の微粒化状態を、低水温時に診断するようにした。
第２の発明は、機関排気通路に設けた空燃比センサからの信号をフィードバックして燃料噴射量を制御する空燃比制御装置を備えた燃料噴射式内燃機関において、空燃比を変化させたときの前記空燃比センサ信号のステップ応答に基づいて噴射燃料の微粒化状態を診断し、前記空燃比のステップ応答を、空燃比変化に要した時間に基づいて判定し、前記空燃比変化に要した時間に対する判定基準値を、高温時ほど短くする。
【０００６】
第３の発明は、前記空燃比のステップ応答は、空燃比を、同一トルクを発生するストイキ空燃比とリッチ空燃比との間で変化させたときに判定する。
【００１２】
第４の発明は、前記第１から前記第３の発明において、微粒化状態の診断を、アイドル運転時に行う。
【００１３】
第５の発明は、前記第４の発明において、微粒化状態の診断を、アイドル運転状態に入ってから所定時間が経過してから開始する。
【００１４】
第６の発明は、前記第１から前記第５の発明において、微粒化状態の診断を、前回の診断から所定時間以上が経過してから行うようにする。
【００１５】
【作用・効果】
噴射燃料の微粒化が促進されている場合には燃焼が良好に行われることから、空燃比の変化を検出する空燃比センサの出力値は応答性が良いが、充分に微粒化が行われていない場合には、その応答性が悪くなる。したがって、本発明のように空燃比センサのステップ応答の良否を判定することにより噴射燃料の微粒化状態を的確に診断することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１において、１は内燃機関の本体で、吸入空気は吸気通路８を通ってシリンダに供給される。燃料は、運転条件に応じて所定の空燃比（以下、空燃比を「Ａ／Ｆ」で表す場合がある。）となるようにコントロールユニット２からの噴射信号（Ｔｉ）に基づきインジェクタ７から内燃機関の吸気ポートに向けて噴射される。コントロールユニット２には、ディストリビュータに内蔵されたクランク角センサ４からの回転数信号、エアフロメータ６からの吸入空気量信号、排気通路９に設けられた空燃比センサ３からの空燃比信号、さらには機関温度を代表する冷却水温を検出する水温センサ１５からの水温信号、アイドルスイッチ１６からのアイドル信号等が入力し、コントロールユニット２はこれらに基づいて運転状態を判断しながら所定の空燃比となるようにインジェクタ７からの燃料噴射量を制御する。
【００１７】
一般に、前記構成での燃料噴射量は、一定燃料圧力下でインジェクタ７の開弁時間（噴射パルス幅）を変化させることにより制御される。コントロールユニット２による前記噴射パルス幅Ｔｉの演算式は次の通りである。
【００１８】
Ｔｉ＝Ｔｐ×ＣＯＥＦ×α＋Ｔｓ … （１）
式中のＴｐはエアフロメータ６による吸入空気量信号とクランク角センサ４による回転数信号とからマップ検索により決定される基本燃料噴射パルス幅、ＣＯＥＦは定数、αは空燃比センサ３からの空燃比信号と目標空燃比との比較から定められる空燃比補正係数、Ｔｓはバッテリ電圧に応じた補正量である。空燃比のフィードバック補正は前記補正係数αと所定の比例分および積分分を用いて実施される。
【００１９】
前記インジェクタ７は細径の噴孔を複数個備えた微粒化インジェクタであり、微細な燃料粒からなる燃料噴霧を吸気中に噴射供給して均質な可燃混合気を形成する。コントロールユニット２は、このようなインジェクタ７よる燃料の微粒化の良否を診断するために、特定運転状態下で空燃比をステップ的に変化させたときの空燃比センサ３の出力応答すなわちステップ応答を判定する。以下にその詳細を図２の流れ図および図３のタイミングチャートを参照しながら説明する。図２はコントロールユニット２で周期的に実行されるこの制御の処理手順を示している。流れ図中および以下の説明中で符号Ｓは処理ステップ番号である。
【００２０】
この処理では、まずＳ１にて診断条件が成立しているか否かを判定する。診断条件としては、詳細な手法については後述するが、例えばアイドルスイッチ１６からの信号によりアイドル運転時か否かを判定する。この診断では空燃比をステップ状に変化させるので、アイドル運転時に診断を行うようにすることにより、運転性に影響を及ぼすことなく正確な診断が可能となる。
【００２１】
Ｓ１で診断条件が成立していないときはＳ９へ進み、成立しているときはＳ２へ進む。Ｓ２ではすでに診断中であるか否かをフラグ判定し、診断中でなければ診断を開始するためにＳ３へ進む。Ｓ３では診断中フラグをセットし、次いでＳ４にて応答時間のカウンタを０に初期化する。
【００２２】
続くＳ５では診断中の空燃比フィードバック制御を停止させるために、フィードバック補正係数αをクランプする。これは、診断ではＡ／Ｆをリッチにするために燃料増量をかけるが、この時フィードバックするとλ＝１になってしまうので、これを防止ためである。λは理論空燃比と実空燃比との比である。また、αクランプは前回のα値を保持する。
【００２３】
Ｓ６では診断用増量係数ＣＯＥＦ２を所定の所定値（ただしＣＯＥＦ２＞１）にセットし、燃料増量がかかる状態にする。Ｓ７では前出の式（１）を基本として前記診断用増量係数ＣＯＥＦ２を反映させるようにした次式により燃料噴射パルス幅Ｔｉを計算する。
【００２４】
Ｔｉ＝Ｔｐ×ＣＯＥＦ×α×ＣＯＥＦ２＋Ｔｓ … （２）
Ｓ８で前述のようにして決定したＴｉにより燃料噴射を実行し、今回の処理を終了する。
【００２５】
一方、Ｓ２にてすでに診断中と判定されたときは、Ｓ１３に進み、応答時間に前回処理時からの経過時間を加算する。次いで、Ｓ１４にて現在のＡ／Ｆ値が所定の判定基準値ａ１より小さい、つまりリッチであればＳ１５へ進む（この時点を応答時間とする）。
【００２６】
Ｓ１５にて前記応答時間が所定の判定基準値ｔ１よりも小さければＳ１６にて正常判定し、大きければＳ１７にて故障判定とする。
【００２７】
Ｓ１６，Ｓ１７にて診断が完了となるので、Ｓ９からＳ１２へ進み診断処理を初期化する。すなわちＳ９では診断中フラグをクリアし、次いでＳ１０で診断用増量係数ＣＯＥＦ２を１としてフィードバック制御中に診断用増量がかからないようにする。Ｓ１１では空燃比フィードバック制御を有効とするためにαクランプを解除し、Ｓ１２にてＡ／Ｆ応答時間を０に初期化する。
【００２８】
図４に燃料微粒化の良否と空燃比のステップ応答との関係を示す。インジェクタの故障やノズルへのデポジットの付着等により微粒化が悪化すると吸気ポート内壁に付着する燃料が増加することから、図示したように理論空燃比とリッチ空燃比とのあいだで空燃比を変化させたときのステップ応答が遅くなる。したがって、インジェクタまたはエンジンの仕様に応じて適切な応答時間の基準値（所定値ｔ１）を設定しておくことにより、前記診断処理に基づき燃料微粒化の良否を的確に判定することができる。
【００２９】
ところで、ステップ応答は温度条件によって異なり、高温時には図５に示したように応答時間が短くなると共にインジェクタ故障時と正常時との差が小さくなる。そこで、燃料微粒化の診断は予め定めた特定の温度条件下で行うようにするか、もしくはステップ応答の判定基準値ｔ１を図６に示したように水温に応じて設定するように図ることが望ましい。
【００３０】
また、空燃比をλ＝１のストイキとリッチ空燃比とのあいだで変化させると通常はトルク変化を生じる。ただし、図７に示したように内燃機関には運転状態によってストイキ時と同一トルクを発生する特定のリッチ空燃比点ｐがある。そこで診断時に前記ＣＯＥＦ２により設定されるリッチ空燃比としてこの特定のリッチ空燃比ｐを適用することにより、診断時のトルクおよび回転の変動を回避して運転性への影響を抑えることが可能である。
【００３１】
次に、図２のＳ１にて処理される診断条件の判定手法に関する実施形態を図８に示した流れ図に沿って説明する。この処理では、まずＳ１にてすでに診断中であるか否かを判定し、診断中であれば空燃比フィードバックは停止中（αクランプ中）であるので、Ｓ３へ進み、診断中でなければ、Ｓ２にてフィードバック制御中であることを確認する。この場合、Ａ／Ｆの初期値がλ＝１になっていることの確認を行う。空燃比フィードバック制御中でなければＳ９の診断不許可処理に進む。
【００３２】
Ｓ３では、空燃フィードバック制御が正しく行われる前提として、燃料系部品の異常の有無を判定する。異常が発見された場合はＳ９に進む。
【００３３】
Ｓ４では水温センサ１５からの信号により、実水温が所定水温ｗ１より低いか否かを判断する。これは、前述したように高水温時には燃料微粒化の良否がステップ応答に及ぼす影響が小さくなり、それだけ診断精度が低下傾向となることから、ある程度低い水温のときに診断を実施して診断精度を高めるためである。
【００３４】
Ｓ５では、アイドルスピード制御（ＩＳＣ制御）中であるか否かを判断する。ＩＳＣ制御中でないと、アイドル回転数が不安定になるため、空燃比ステップ応答の判定にエラーが発生しうるからである。
【００３５】
Ｓ６では、アイドルスイッチ１６がオンになったあと、つまり機関がアイドル状態になったあと所定時間ｔ２が経過しているか否かを判断する。これは、アイドル運転状態がしばらく連続していないと吸気ポート内の付着燃料量が安定せず、その結果としてステップ応答の判定にエラーが発生しうるからである。
【００３６】
Ｓ７では前回の判定完了からの経過時間が所定時間ｔ３が経過しているか否かを判断する。これは診断のために一時的に空燃比をリッチ化するので、頻繁に診断を行うと燃費が悪化することによる。
【００３７】
以上のＳ３以下の条件が何れも成立した場合はＳ８にて診断条件成立フラグをセットして診断を許可する。何れかの条件でも成立しない場合にはＳ９にて診断条件成立フラグをクリアして診断を不許可とする。
【００３８】
図９と図１０に、それぞれ燃料微粒化の診断手法に関する他の実施形態とその診断処理によるタイミングチャートを示す。この実施形態では診断精度をより高めるために、空燃比センサ３の出力が安定化するのを待って診断を開始するようにした点で図２とは異なる。図９において図２と実質的に同一の処理には同一のステップ番号を付して示し、以下では主に図２とは異なる部分について説明をする。
【００３９】
この実施形態におけるＳ１〜Ｓ８の診断中のαクランプによる燃料噴射制御の流れは図２と同一である。ただし、Ｓ２で診断中であることを判定した場合には、Ｓ２１に進み、リッチからリーン（またはストイキ）方向への制御中であることを示すフラグがセットされているか否かを判定する。ここで前記リッチ→リーン制御中フラグがセットされていないときはまだリッチ化が完了していないのでＳ２２に進む。
【００４０】
Ｓ２２では、リッチ化後経過時間カウンタが所定の判定基準値ｔ４以上か否かを判定し、ｔ４以上ならば十分にＡ／Ｆ値が安定しているとみなしてＳ２３以下の診断準備のための処理へと進む。すなわちＳ２３で応答時間を０に初期化したのちＳ２４でＣＯＥＦ２を１にセットし、Ｓ２５でαクランプを解除する。次いでＳ２６にてリッチ→リーン制御中フラグをセットし、以後の診断に備える。
【００４１】
前記Ｓ２３以下の処理によりリッチ→リーン制御中フラグがセットされたのちは、以後の処理ループでのＳ２１での判定により、リッチ→リーンでの応答時間測定を始めるためのＳ１３以下の処理に進むことになる。Ｓ１３では応答時間に前サイクルからの経過時間を加算し、次いでＳ１６で現在のＡ／Ｆ値が所定の判定基準値ａ２より大きい、つまりリーンであればＳ１５へ進む（この時点を応答時間とする）。Ｓ１５にてこの応答時間が所定の判定基準値ｔ５より小さければＳ１６にて正常判定し、大きければＳ１６にて故障判定する。Ｓ１６，Ｓ１７にて診断が完了したのちは、Ｓ９以下に示した診断終了処理へと進む。この場合、Ｓ２７でリッチ→リーン制御中フラグをクリアし、Ｓ２８でリッチ化後経過時間を０にセットする処理が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料噴射式内燃機関の概略構成図。
【図２】本発明による診断処理の第１の実施形態を示す流れ図。
【図３】図２の処理によるタイミングチャート。
【図４】ステップ応答の特性線図。
【図５】高水温時のステップ応答の特性線図。
【図６】水温と判定基準値ｔ１の関係を示す特性線図。
【図７】空燃比と発生トルクの関係を示す特性線図。
【図８】診断条件の判定処理に関する実施形態を示す流れ図。
【図９】本発明による診断処理の第２の実施形態を示す流れ図。
【図１０】図９の処理によるタイミングチャート。
【符号の説明】
１ 内燃機関（本体）
２ コントロールユニット
３ 空燃比センサ
４ クランク角センサ
６ エアフロメータ
７ インジェクタ
８ 吸気通路
９ 排気通路
１５ 水温センサ
１６ アイドルスイッチ

Claims (6)

1. 機関排気通路に設けた空燃比センサからの信号をフィードバックして燃料噴射量を制御する空燃比制御装置を備えた燃料噴射式内燃機関において、
   空燃比を変化させたときの前記空燃比センサ信号のステップ応答に基づいて噴射燃料の微粒化状態を、低水温時に診断するようにしたことを特徴とする燃料噴射式内燃機関の診断装置。
2. 機関排気通路に設けた空燃比センサからの信号をフィードバックして燃料噴射量を制御する空燃比制御装置を備えた燃料噴射式内燃機関において、
   空燃比を変化させたときの前記空燃比センサ信号のステップ応答に基づいて噴射燃料の微粒化状態を診断し、
   前記空燃比のステップ応答を、空燃比変化に要した時間に基づいて判定し、
   前記空燃比変化に要した時間に対する判定基準値を、高温時ほど短くすることを特徴とする燃料噴射式内燃機関の診断装置。
3. 前記空燃比のステップ応答は、空燃比を、同一トルクを発生するストイキ空燃比とリッチ空燃比との間で変化させたときに判定する請求項１または請求項２に記載の燃料噴射式内燃機関の診断装置。
4. 前記診断は、アイドル運転時に行う請求項１から３までのいずれか１つに記載の燃料噴射式内燃機関の診断装置。
5. 前記診断は、アイドル運転状態に入ってから所定時間が経過してから開始する請求項４に記載の燃料噴射式内燃機関の診断装置。
6. 前記診断は、前回の診断から所定時間以上が経過してから行う請求項１から５までのいずれか１つに記載の燃料噴射式内燃機関の診断装置。

Images