JP4412161B2 - 内燃機関のフェールセーフ制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の吸気系に介装されたスロットル弁が凍結等によって固着した場合のフェールセーフ制御技術に関する。
近年、内燃機関、特にディーゼルエンジンでは排気中の排気微粒子（Particulate Matter、以下ＰＭという）を捕集する排気微粒子捕集装置（＝Diesel Particulate Filter、以下ＤＰＦという）を設け、このＤＰＦに捕集されたＰＭが所定量に達すると、排気温度を上昇させて捕集されたＰＭを焼却除去し、ＤＰＦを再生するようにしている。かかるＤＰＦ再生時には、スロットル弁を絞り制御してポンプ損失を生じさせて吸入空気量を減少しつつ燃料噴射量を増量させて排気温度を上昇することが行われる。
ところで、車両用内燃機関では、水蒸気を含んだブローバイガスを、スロットル弁上流に戻しているため、寒冷地では、ブローバイガスが冷やされ、スロットル弁のシャフト部に水蒸気が入ってしまうと、外気温度が低いため、凍結を生じてスロットル弁が固着してしまうことがある。また、異物の噛みこみなどによってもスロットル弁が固着することがある。
このため、スロットル弁の固着状態を診断し、固着していると診断された場合には、スロットル制御を遮断し、エンストを防止するため最低限のトルクを確保するように燃料噴射量を通常制御時より増量するようにしたものがある（特許文献１参照）。
特開２０００−３４５８９９号公報
しかしながら、ディーゼルエンジンでは、ＤＰＦ再生等以外の通常制御時には、スロットル弁が開かれるように、デフォルト用のスプリングによってスロットル弁を開方向に付勢しているため、凍結が解けるなどして固着状態が解除されると、スロットル弁が全開して新気量が増大するため、燃料噴射量増量とあいまって大きなトルク上昇を生じ、不快感を生じることがある。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、スロットル弁が固着状態となってフェールセーフ制御に移行した後、固着状態が解除された場合でも、良好な運転性を維持できるようにすることを目的とする。
このため本発明は、吸気系に介装されたスロットル弁の固着を検出する固着検出手段と、前記スロットル弁の固着を検出したときは、前記スロットル弁の固着状態でのスロットル開度に基づいてそのスロットル開度に前記スロットル弁を維持し、かつ、固着状態での吸入空気量に基づいて算出された燃料噴射量が車両の走行に最低限必要なトルクを発生する下限燃料噴射量より小さいときは、燃料噴射量が前記下限燃料噴射量となるように増量して所定のトルクを確保するフェールセーフ制御手段と、前記スロットル弁を固着状態でのスロットル開度に維持している場合であって、加速時であると判定したときに、前記スロットル弁の固着状態が解除されたか否かを診断する復帰診断手段と、を備える構成とした。
これにより、スロットル弁の固着が解除されたときでも、良好な運転性を維持しながら、フェールセーフ制御によって所定のトルクを確保してディーラーまで運転することができる。
以下に、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１において、エンジン（ディーゼルエンジン等の内燃機関）１の燃料噴射システムは、コモンレール２、電磁弁により燃料の噴射をＯＮ−ＯＦＦするインジェクタ３、及び、図示しないサプライポンプから構成されるコモンレール式燃料噴射システムを採用している。
排気マニホールド４の下流には、ターボ過給機５のタービン５Ｔが設けられ、該タービン５Ｔと同軸上にコンプレッサ５Ｃが装着されている。吸気はコンプレッサ５Ｃで圧縮加圧された後、吸気通路６を通り、コレクタ７を介してエンジン１のシリンダ内に吸入される。吸気通路６の途中には吸気量を絞るためにスロットル弁８が取り付けられている。前記ターボ過給機４は可変容量型であり、タービン５Ｔ側に設けられたアクチュエータ５１により可変ノズル（ＶＮＴ）を絞るとタービン効率が増大して過給圧が増大し、可変ノズルを開くとタービン効率が減少して過給圧が減少するようになっている。また、コレクタ７には、過給圧（吸気圧）を検出する過給圧センサ９が取り付けられている。
前記排気マニホールド４と吸気通路６とはＥＧＲ通路１０によって連通され、前記ＥＧＲ通路１０に介装されたＥＧＲ弁１１の開度によってＥＧＲガス量が制御される。
タービン５Ｔ下流の排気通路１２には、ＰＭを捕集するＤＰＦ１３が装着され、該ＤＰＦ１３の温度を検出するため、ＤＰＦ温度センサ１４が装着されている。
エンジンコントロールユニット１５には、回転速度センサ３１で検出されたエンジン回転速度信号、アクセル開度センサ３２で検出されたアクセル開度信号、ＤＰＦ温度センサ１４で検出されたＤＰＦ温度信号、および、過給圧センサ９で検出された過給圧信号が入力され、各信号に基づいて、インジェクタ３、スロットル弁８、ＥＧＲ弁１１、および、アクチュエータ５１への作動指令信号を出力する。
そして、ＤＰＦ１３の再生時には、スロットル弁８を絞り制御してポンプ損失を生じさせて吸入空気量を減少しつつ燃料噴射量を増量させて排気温度を上昇することにより、ＤＰＦ１３に捕集されたＰＭを焼却除去する。
また、スロットル弁８の開度を検出するスロットルセンサ１６を設け、検出したスロットル開度に基づいて、スロットル弁８の固着状態を診断し、固着していると診断された場合には、スロットル弁８開度を固着された開度に維持しつつ、所定以上のトルクを確保するフェールセーフ制御に移行する。さらに、吸入空気量を検出するエアフロメータ１７を設け、前記フェールセーフ制御時に吸入空気量と燃料噴射量とに基づいて空燃比を算出しつつスモークを抑制する制御を行う。
図２は、スロットル弁８の固着状態を診断するルーチンのフローチャートである。
ステップ（図ではＳと記す。以下同様）１では、現在のスロットル開度の制御値ＡＴＶＯを読み込む。
ステップ２では、スロットルセンサ１６により検出される実際のスロットル開度ＲＴＶＯを読み込む。
ステップ３では、前記スロットル開度の制御値ＡＴＶＯと実スロットル開度ＲＴＶＯとの差の絶対値｜ＡＴＶＯ−ＲＴＶＯ｜をしきい値と比較して、スロットル弁８が固着しているか否かを判定する。
ステップ３で｜ＡＴＶＯ−ＲＴＶＯ｜がしきい値より大きいと判定されたときは、スロットル弁８を制御できない、つまり、スロットル弁８が固着していると診断し、ステップ４へ進み、固着診断フラグを、固着状態を示す１にセットする。
一方、ステップ３で｜ＡＴＶＯ−ＲＴＶＯ｜がしきい値未満と判定されたときは、スロットル弁８を制御可能で固着していないと診断し、ステップ５で固着診断フラグを、正常状態を示す０にリセットする。
図３は、スロットル弁８の固着時にフェールセーフ制御を実行するルーチンのフローチャートである。
ステップ１１では、前記固着診断フラグの値に基づいて、固着しているかを判定する。
ステップ１１でスロットル弁８が固着していないと判定されたときは、ステップ１８へ進んでスロットル弁８その他に対して通常時の制御値を設定して通常制御を実行する。この通常制御は、ＤＰＦ再生制御を含む。
一方、ステップ１１でスロットル弁８が固着していると判定されたときは、ステップ１２以降へ進んで、所定のフェールセーフ制御を実行する。ここで、ＤＰＦ再生制御中にスロットル弁８が固着と診断された場合には、該ＤＰＦ再生制御を禁止して以下のフェールセーフ制御に切り換えられる。すなわち、ＤＰＦ再生制御では、ＰＭ堆積量に応じてＰＭを適正な速度で焼却除去させるべく設定した目標空燃比となるようにスロットル弁８を絞り制御しつつ噴射時期遅角制御等によって排温を上昇させる制御を行うものであるが、固着時はスロットル弁８を適正開度に制御できず、必要トルクを確保することも難しくなるので、ＤＰＦ再生制御を禁止する。
まず、ステップ１２では、現在の検出された固着状態でのスロットル開度ＲＴＶＯに基づいて、該スロットル開度ＲＴＶＯに維持するスロットル開度の制御値を、マップを検索して設定する。これにより、スロットル開度が現在の固着された開度に維持される。
次いで、ステップ１３では、前記エアフロメータ１７で検出される吸入空気量（新気量）Ｑに基づいて通常制御時同様にして燃料噴射量Ｔｉ０を算出する。
ステップ１４では、前記燃料噴射量Ｔｉ０がエンストを生じることなく、ディーラーまで運転することが可能な最低限のトルクを発生する下限燃料噴射量ＴｉＬ以上であるかを判定する。
ステップ１４で前記燃料噴射量Ｔｉ０がＴｉＬ以上であると判定された場合は、ステップ１５へ進み、前記燃料噴射量Ｔｉ０をそのまま最終の設定値として制御し、噴射時期その他ＥＧＲ等の制御も通常時とおり設定して制御する。
ステップ１５で前記燃料噴射量Ｔｉ０がＴｉＬ未満と判定されたときは、ステップ１６へ進み、燃料噴射量を下限値ＴｉＬに設定する。これにより、最低限のトルクは確保できるが、相対的に吸入空気量Ｑが不足している状態なので空燃比がリッチになっている。
そこで、ステップ１７で、設定した燃料噴射量ＴｉＬと検出された現在の吸入空気量Ｑとに基づいて空燃比λを算出し、該算出した空燃比λをスモークを許容できる下限値λLと比較する。なお、簡易的には、上記通常時同様にして設定した燃料噴射量Ｔｉ０に対して最低限のトルクを確保できるように所定増量分を付加し、この付加した燃料噴射量に対して算出した空燃比λを、下限値λLと比較して判定するようにしてもよい。
そして、算出した空燃比λが前記スモーク許容下限値λL未満のリッチ状態となっている場合には、そのまま制御するとスモークが増大するので、ステップ１８へ進んで通常制御からスモークを抑制する制御に切り換える。
前記スモークを抑制する制御は、具体的には、エンジン回転速度Ｎｅと燃料噴射量Ｔｉ（エンジン負荷）とに基づいて設定される燃料噴射時期ＩＴを、通常制御時に比較して燃料噴射時期を遅角側に設定されるように、スモーク抑制用の燃料噴射時期マップに切り換える。このように燃料噴射時期を遅角すれば、上死点から遅角された筒内温度が比較的低い時に燃焼させることでスモークの発生を良好に抑制することができる。
また、燃料噴射を予備噴射と主噴射とに分割して制御する方式で、通常時の分割噴射制御に比較して予備噴射の噴射時期は進角側に制御し、主噴射は遅角側に制御するように、スモーク抑制用の噴射時期マップに切り換える。このようにすれば、少量噴射される予備噴射は進角して噴射されることで燃料の気化時間が増大して気化が促進され、噴射量が多い主噴射は予備噴射時期から遅角して時間間隔を大きくすることにより空気との混合時間を長引かせて気化を促進しつつ低温燃焼させることでスモーク発生を良好に抑制できる。
または、同じく燃料噴射を予備噴射と主噴射とに分割して制御する方式で、通常時の分割噴射制御に比較して、予備噴射燃料量を減少または０とするように、スモーク抑制用の噴射量マップに切り換える。これにより、主噴射燃料が十分な空気と混合して気化が促進されるので、スモークの発生を良好に抑制できる。なお、上記予備噴射と主噴射のスモーク抑制用の噴射時期制御を併用してもよい。
また、ＥＧＲ制御について、通常制御時に比較してＥＧＲ率を減少または０とするようにスモーク抑制用のＥＧＲ率マップに切り換える。不活性なＥＧＲガスを大きくすることは、スモーク発生の増大につながるので、ＥＧＲ率を減少または０とすることによって、スモークを良好に抑制できる。このＥＧＲ制御は、上記燃料噴射制御と併用して行うのがよい。
以上のフェールセーフ制御を実行しながら、所定条件が成立したときには、スロットル弁８の固着が解除されて動作可能な状態に復帰したかを診断する。修理を要する故障による固着時以外で、凍結による固着は、温度上昇して凍結解除によって復帰し、異物付着等による固着も振動等で異物が除去されて復帰することがあるので、復帰診断を行い、復帰した場合は、速やかに通常制御（ＤＰＦ再生制御を含む）に切り換えるようにする。
図４は、上記スロットル弁８の復帰診断ルーチンのフローチャートである。
ステップ２１では、前記固着診断フラグの値に基づいて、固着しているかを判定する。
固着していると判定されたときは、ステップ２２へ進み、復帰診断条件が成立しているかを判定する。具体的には、以下の条件のいずれかが満たされたときに、復帰診断条件成立と判定する。
ａ．減速時
この復帰診断は、スロットル弁８を開方向に制御して、目標開度とおりに動作するかで診断するものであり、減速時は、燃料カットまたは燃料噴射量が少量であるので、復帰されていた場合に、スロットル開度が増大してもトルク増大を生じない（燃料カット時）か、小さなトルク増大（燃料噴射量小時）に押さえられるため、復帰診断を行う。減速判定は、アクセル開度が所定値以下、ブレーキ操作しているかなどで行う。
ｂ．加速時
加速時は、ドライバーの意志で加速しているので、復帰されていてトルクが増大しても問題を生じないので、診断を行う。加速判定は、アクセル開度増変化率が所定値以上であるかなどで行う。
ｃ．ＤＰＦ再生制御条件で、ＤＰＦ再生制御を設定時間経過後に禁止させたとき
ＤＰＦ再生制御は、完全な再生を特に急ぐ必要がないので、設定時間再生制御を行った後、再生制御を禁止して本復帰診断を行い、診断後に、再度ＤＰＦ再生制御条件が成立したときに、再生制御を続行すればよい。
なお、上記複数の条件のうち、少なくとも１つのみを判定するだけでもよい。
上記いずれかの復帰診断条件が成立したときは、ステップ２３へ進んで復帰診断を実行する。
ステップ２３では、診断用の目標スロットル開度ＡＴＶＯ１を設定して、該目標スロットル開度ＡＴＶＯ１となるように、スロットル弁８を制御（駆動信号を出力）する。該診断用の目標スロットル開度ＡＴＶＯ１は、所定開度以上の固定値に設定してもよいが、固着状態で検出したときの開度に所定量増大した開度に設定してもよい。
ステップ２４では、スロットルセンサ１６により、上記スロットル制御後のスロットル開度ＲＴＶＯ１を検出して読み込む。
ステップ２５では、前記目標スロットル開度ＡＴＶＯ１と実スロットル開度ＲＴＶＯ１とが、許容誤差範囲内で一致しているかを判定し、一致していると判定されたときは、ステップ２６へ進んでスロットル弁８の固着は解除され制御可能な状態に復帰したと診断し、前記固着診断フラグの値を０にリセットする。これにより、前記ステップ１１の判定でフェールセーフ制御から通常時制御（ＤＰＦ再生制御を含む）に切り換えられる。
一方、許容誤差範囲内で一致しない場合は、フローを終了する。これにより、固着診断フラグの値が１に維持されるので、フェールセーフ制御が継続される。
本発明の実施形態のシステム構成を示す図。 上記実施形態のスロットル弁固着診断ルーチンを示すフローチャート。 同じく、固着診断結果に応じた制御ルーチンを示すフローチャート。 同じく、スロットル弁復帰診断ルーチンを示すフローチャート。
符号の説明
１ エンジン
３ インジェクタ
８ スロットル弁
１０ ＥＧＲ通路
１１ ＥＧＲ弁
１３ ＤＰＦ
１５ エンジンコントロールユニット
１６ スロットルセンサ
１７ エアフロメータ

Claims (8)

  1. 吸気系に介装されたスロットル弁の固着を検出する固着検出手段と、
    前記スロットル弁の固着を検出したときは、前記スロットル弁の固着状態でのスロットル開度に基づいてそのスロットル開度に前記スロットル弁を維持し、かつ、固着状態での吸入空気量に基づいて算出された燃料噴射量が車両の走行に最低限必要なトルクを発生する下限燃料噴射量より小さいときは、燃料噴射量が前記下限燃料噴射量となるように増量して所定のトルクを確保するフェールセーフ制御手段と、
    前記スロットル弁を固着状態でのスロットル開度に維持している場合であって、加速時であると判定したときに、前記スロットル弁の固着状態が解除されたか否かを診断する復帰診断手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関のフェールセーフ制御装置。
  2. 前記復帰診断手段は、前記スロットル弁の開度を増大させて、実際の開度が増大したときに固着状態が解除されたと診断する
    ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のフェールセーフ制御装置。
  3. 前記増量した燃料噴射量での空燃比が所定以下のリッチとなるときには、スモークの発生を抑制する制御を行う
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関のフェールセーフ制御装置。
  4. 前記スモークの発生を抑制する制御は、燃料噴射時期を通常制御時より遅角させる制御を含む
    ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関のフェールセーフ制御装置。
  5. 前記スモークの発生を抑制する制御は、予備噴射と主噴射とに分割噴射する燃料噴射制御において、通常制御時より予備噴射時期は進角側とし、主噴射は遅角側とする制御を含む
    ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関のフェールセーフ制御装置。
  6. 前記スモークの発生を抑制する制御は、予備噴射と主噴射とに分割噴射する燃料噴射制御において、通常制御時より予備噴射量の割合を減少し、または、予備噴射を無くす制御を含む
    ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関のフェールセーフ制御装置。
  7. 前記スモークの発生を抑制する制御は、ＥＧＲ率を減少し、またはＥＧＲを停止する制御を含む
    ことを特徴とする請求項３〜請求項６のいずれか１つに記載の内燃機関のフェールセーフ制御装置。
  8. 排気系に排気微粒子捕集装置を備え、該排気微粒子捕集装置に捕集された排気微粒子を、スロットル開度を絞りつつ排気温度を上昇させて除去する再生制御を行う内燃機関であって、前記スロットル弁が固着していると診断されたときに、前記再生制御を停止して前記フェールセーフ制御に切り換える
    ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の内燃機関のフェールセーフ制御装置。
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