JP4717741B2 - エンジンの過給装置におけるエアバイパスバルブの故障検知装置 - Google Patents

エンジンの過給装置におけるエアバイパスバルブの故障検知装置 Download PDF

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Description

本発明は、エンジンのシリンダに向かう吸気の流れ方向上流側から下流側に第1吸気通路、過給機、第2吸気通路、スロットルバルブおよび第3吸気通路を順次配置し、過給機を迂回して第1、第2吸気通路を接続するバイパス通路にエアバイパスバルブを設け、スロットルバルブの開度の閉弁方向への変化率が所定値以上のときにエアバイパスバルブに開指令を出力するエンジンの過給装置におけるエアバイパスバルブの故障検知装置に関する。
エンジンの吸気通路に上流側のターボチャージャのブロア(コンプレッサ)および下流側のスロットル弁を配置し、ターボチャージャのブロアを迂回するリリーフ通路(バイパス通路)にリリーフ弁(エアバイパスバルブ)を配置し、スロットル弁の急閉時に吸入空気量(あるいはブロアおよびスロットル弁間の吸気通路の圧力)の検出値とその時間平均値との差分が所定値以上になると、つまりリリーフ弁が正常に開弁せずに吸気通路にサージングが発生すると、リリーフ弁が閉弁位置に固着する閉弁故障が発生したと判定するものが、下記特許文献1により公知である。
実公平7−46737号公報
ところで上記従来のものは、スロットル弁が急閉したことだけを条件としてリリーフ弁の故障検知を行うため、リリーフ弁が閉弁故障していても正常であると誤判定する可能性があった。なぜならば、スロットル弁が急閉して故障検知が開始されるときに、吸気通路を流れる吸入空気量が小さいと、リリーフ弁が閉弁故障していても吸気通路にサージングが発生しないため、サージングが発生しないことをもってリリーフ弁が正常であると誤判定する可能性があるからである。
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、吸気通路に設けた過給機のコンプレッサを迂回するバイパス通路に設けたエアバイパスバルブの閉弁故障を精度良く検知することを目的とする。
上記目的を達成するために、請求項1に記載された発明によれば、エンジンのシリンダに向かう吸気の流れ方向上流側から下流側に第1吸気通路、過給機、第2吸気通路、スロットルバルブおよび第3吸気通路を順次配置し、過給機を迂回して第1、第2吸気通路を接続するバイパス通路にエアバイパスバルブを設け、スロットルバルブの開度の閉弁方向への変化率が所定値以上のときにエアバイパスバルブに開指令を出力するエンジンの過給装置において、エアバイパスバルブの指令が開指令であり、かつ前記指令が閉指令から開指令に変更される直前のエンジンへの吸入空気量が所定値以上のときに、エアバイパスバルブの故障検知を許可する故障検知許可手段と、故障検知許可手段によりエアバイパスバルブの故障検知が許可されたときに、過給機およびスロットルバルブ間の第2吸気通路にサージングが発生したか否かを判定するサージング判定手段と、サージング判定手段によりサージングが発生したと判定されたときにはエアバイパスバルブが閉弁故障していると判定し、サージング判定手段によりサージングが発生していないと判定されたときにはエアバイパスバルブが正常であると判定する故障判定手段とを備えたことを特徴とするエンジンの過給装置におけるエアバイパスバルブの故障検知装置が提案される。
また請求項2に記載された発明によれば、請求項1の構成に加えて、前記サージング判定手段は、第2吸気通路の吸気圧変動または吸入空気量変動の特定周波数成分を抽出し、その抽出値の積算値が所定値を超えたたときにサージングが発生していると判定することを特徴とするエンジンの過給装置におけるエアバイパスバルブの故障検知装置が提案される。 また請求項3に記載された発明によれば、請求項2の構成に加えて、前記故障検知許可手段は、エアバイパスバルブへの指令が閉指令から開指令に変更されてから所定時間が経過するまで故障検知を許可しないことを特徴とするエンジンの過給装置におけるエアバイパスバルブの故障検知装置が提案される。
尚、実施の形態のターボチャージャ25は本発明の過給機に対応する。
請求項1の構成によれば、スロットルバルブが急激に閉じるときにエアバイパスバルブに開指令を出力し、過給機とスロットルバルブとの間の第2吸気通路にサージングが発生するのを防止するものにおいて、エアバイパスバルブに開指令が出力されたときに、指令が閉指令から開指令に変更される直前のエンジンの吸入空気量が所定値以上のときに限りエアエアバイパスバルブの故障検知を許可するので、エアバイパスバルブが閉弁故障しているのに正常であると誤判定するのを防止することができる。なぜならば、指令が閉指令から開指令に変更される直前のエンジンの吸入空気量が所定値未満であると、エアバイパスバルブが閉弁故障していても第2吸気通路にサージングが発生しないため、エアバイパスバルブが正常に開弁したと誤判定する可能性があるが、前記吸入空気量が所定値以上である場合に限り故障検知を許可することで、前記誤判定を回避できるからである。
また請求項2の構成によれば、第2吸気通路の吸気圧変動または吸入空気量変動の特定周波数成分を抽出し、その抽出値の積算値が所定値を超えたときにサージングが発生していると判定するので、第2吸気通路の吸気圧の検出値にノイズが含まれていても、そのノイズの影響を排除して正確な故障検知を行うことができる。
また請求項3の構成によれば、エアバイパスバルブが閉弁故障して本来開弁すべきところが閉弁状態のままであると、その直後に第2吸気通路の吸気圧が急激に増加して前記特定周波数成分以外の周波数成分の吸気圧変動または吸入空気量変動が発生するため、サージングの発生を精度良く判定することが難しくなる。しかしながら、エアバイパスバルブへの指令が閉指令から開指令に変更されてから所定時間が経過するまで故障検知を許可せず、第2吸気通路の吸気圧の急激な増加の影響が弱まるのを待ち、その後に故障検知を許可することで検知精度を高めることができる。
以下、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて説明する。
図1〜図13は本発明の実施の形態を示すもので、図1はターボチャージャを備えたエンジンの吸気系を示す図、図2はエアバイパスバルブの構造を示す図、図3は故障検知の手法の概略を示す図、図4はメインルーチンのフローチャート、図5は故障検知許可ルーチンのフローチャートの第1分図、図6は故障検知許可ルーチンのフローチャートの第2分図、図7はサージング判定ルーチンのフローチャート、図8は故障判定ルーチンのフローチャート、図9はP3圧の生波形のグラフ、図10はP3圧のスペクトルのグラフ、図11はP3圧の差分ΔP3のグラフ、図12は差分ΔP3のスペクトルのグラフ、図13は故障検知のタイムチャートである。
図1および図2に示すように、エンジンEはシリンダブロック11に設けたシリンダ12に摺動自在に嵌合するピストン13を備えており、ピストン13の上面とシリンダヘッド14の下面との間に形成された燃焼室15に、吸気バルブ16で開閉される吸気ポート17と、排気バルブ18で開閉される排気ポート19とが連通する。吸気ポート17には、吸気の流れ方向上流側から下流側に第1吸気通路20、第2吸気通路21および第3吸気通路22が接続され、また排気ポート19には排気通路23が接続される。
第1吸気通路20にはエアクリーナ24が配置され、第1吸気通路20と第2吸気通路21との間にはターボチャージャ25のコンプレッサ25aが配置され、第2吸気通路21の上流部分21aと下流部分21bとの間にはインタークーラー26が配置され、第2吸気通路21と第3吸気通路23との間にはスロットルバルブ27が配置される。また排気通路23には前記ターボチャージャ25のタービン25bが配置される。
第1吸気通路20の圧力をP1圧、第2吸気通路21の上流部分21aの圧力をP2圧、第2吸気通路21の下流部分21bの圧力をP3圧、第3吸気通路22の圧力をPB圧と定義する。
エアクリーナ24の下流の第1吸気通路20と、インタークーラー26およびスロットルバルブ27に挟まれた第2吸気通路21の下流部分21bとがバイパス通路28で接続されており、そのバイパス通路28の中間部にエアバイパスバルブ29が配置される。エアエアバイパスバルブ29は、ダイヤフラム30と、弁体31と、両端がダイヤフラム30および弁体31に接続されたロッド32と、ロッド32を摺動自在に案内するガイド部材33と、弁体31が着座可能な弁座34と、一側がダイヤフラム30に臨む圧力室35と、圧力室35に配置されてダイヤフラム30を下方(弁体31が弁座34に着座する方向)に付勢する弁ばね36とを備える。
エアバイパスバルブ29の開閉を制御するソレノイドバルブよりなる制御バルブ37は、第1連通路38を介して第2吸気通路21の下流部分21bに接続され、第2連通路39を介して第3吸気通路22に接続され、かつ第3連通路40を介してエアバイパスバルブ29の圧力室35に連通する。
制御バルブ37はスロットル開度に応じて切り換えられるもので、スロットルバルブ27が開いているときには、第1連通路38を第3連通路40に連通させてエアバイパスバルブ29の圧力室35に第2吸気通路21の下流部分21bのP3圧を導入し、スロットルバルブ27が閉じているときには、第2連通路39を第3連通路40に連通させてエアエアバイパスバルブ29の圧力室35に第3吸気通路22のPB圧を導入する。
制御バルブ37が第2連通路39を第3連通路40に連通させてエアエアバイパスバルブ29の圧力室35に第3吸気通路22のPB圧を導入する条件は、
(a)スロットル開度がアイドル判定値以下(スロットル開度が全閉状態)
(b)過給圧比が所定値以上(過大な過給状態)
(c)スロットル開度の変化率が閉弁方向に所定値以上(スロットルバルブの急閉状態)の何れかである。
しかして、スロットルバルブ27が開いているとき、つまりターボチャージャ25が過給を行っているときには、前記圧力室35に比較的に大きいP3圧が作用し、その下向きのP3圧が弁体31を開弁方向に付勢する上向きのP3圧をキャンセルすることで、弁ばね36の弾発力で弁体31が弁座34に着座してエアバイパスバルブ29が閉弁する。その結果、ターボチャージャ25が圧縮した吸気は効率的にエンジンEのシリンダ12に供給される。
スロットル開度の閉弁方向への変化率が所定値以上のとき(スロットルバルブ27が急激に閉じられたとき)、前記制御バルブ37により前記圧力室35にPB圧が導入される。このとき、第2吸気通路21の吸入空気量が大きくてP3圧が高圧の状態であると、スロットルバルブ27が急激に閉じられることによって第2吸気通路21のP3圧は瞬間的に更なる高圧になるとともに、スロットルバルブ37の下流のPB圧は急激に低下することから、P3圧とPB圧との圧力差が大きくなる。すると下向きのPB圧と弁ばね36の弾発力との合力が弁体31を開弁方向に付勢するP3圧よりも小さくなり、エアバイパスバルブ29が開弁する。
その結果、ターボチャージャ25が圧縮した吸気は第2吸気通路21からバイパス通路28およびエアエアバイパスバルブ29を介して第1吸気通路20に戻されるため、ターボチャージャ25のコンプレッサ25aおよびスロットルバルブ27に挟まれた第2吸気通路21の圧力が過大になるのを抑制し、サージングの発生を防止してコンプレッサ25aを保護することができる。
尚、エアバイパスバルブ29は、上述したスロットルバルブ27の閉弁時以外にも、ターボチャージャ25の過給圧が所定値以上になった場合と、スロットルバルブ27の開度が急激に減少した場合とにも開弁制御される。
ところで、弁体31が弁座34に固着したり、ロッド32がガイド部材33に固着したりしてエアバイパスバルブ29が開弁不能になる閉弁故障が発生すると、コンプレッサ25aの損傷が懸念されるため、その故障を検知する必要がある。本実施の形態では、エアバイパスバルブ29が閉弁故障するとスロットルバルブ27の閉弁時に第2吸気通路21にサージングが発生することに着目し、サージングによるP3圧の変動に基づいてエアバイパスバルブ29の閉弁故障を検知している。以下、故障検知の原理を図3に基づいて説明する。
スロットルバルブ27の開度が急減したとき、ターボチャージャ25のコンプレッサ25aおよびスロットルバルブ27間の第2吸気通路21にサージングが発生するのを防止すべく、エアバイパスバルブ29への指令が閉指令から開指令に切り換えられる。このとき、前記指令の切り換えから安定待ち時間T1が経過してからエアバイパスバルブ29に連なる第2吸気通路21の下流部分21bのP3圧のモニタリングを開始し、検知時間T2が経過するまでモニタリングを継続する。
エアバイパスバルブ29が閉弁故障して開弁しないと、第2吸気通路21にサージングが発生するため、P3圧は脈動しながら次第に減少するが、エアバイパスバルブ29が正常に開弁すると、前記サージングが発生しないためにP3圧は滑らかに減少する。P3圧の10msec毎の差分を算出し、それをバンドパスフィルタでフィルタリングしてサージングの特定周波数成分(例えば、15Hz〜20Hz)を抽出する。この特定周波数は、第2吸気通路21の流路径や長さに応じて決まるものである。また前記特定周波数成分は、エアバイパスバルブ29の故障時には大きくなり、正常時には小さくなる。
続いて特定周波数成分の二乗値を10msec毎に積算し、その積算値を判定基準値と比較し、積算値が判定基準値を越えていればサージングが発生している、つまりエアバイパスバルブ29が閉弁故障していると判定し、積算値が判定基準値未満であればサージングが発生していない、つまりエアバイパスバルブ29が正常であると判定する。
次に、上記作用を図4〜図8のフローチャートおよび図13のタイムチャートを参照して更に説明する。
先ず図4に示すメインルーチンのステップS1でエアバイパスバルブ29の故障検知を許可するか否かを判定する。この判定は、故障検知を行うための所定の条件が成立しているか否かに基づいて行われる。続くステップS2で第2吸気通路21において発生するサージングの状態を判定する。この判定は、第2吸気通路21の下流部分21bの圧力であるP3圧の変動に基づいて行われる。続くステップS3で前記サージングの状態に基づいてエアバイパスバルブ29が故障しているか正常であるかを判定する。
次に、図5および図6に基づいて、前記図4のステップS1(故障検知許可判定)のサブルーチンを説明する。
先ずステップS11で検知時間経過フラグが「0」にリセットされていて検知時間が経過しておらず、ステップS12で加速判定フラグが「0」にリセットされていて車両が加速状態になく、ステップS14でエアバイパスバルブ開指令履歴フラグが「0」リセットされていて開指令の履歴が無ければ、ステップS15でエアバイパスバルブ29の閉指令が出力されたか否かを判定する。前記ステップS15で閉指令が出力されると、ステップS16でエアフロメータ(図示せず)により検知したエンジンEの吸入空気量を所定値と比較する。
その結果、吸入空気量が所定値以上であれば、ステップS17でエアバイパスバルブ閉指令時空気量フラグを「1」にセットし、吸入空気量が所定値未満であれば、ステップS18でエアバイパスバルブ閉指令時空気量フラグを「0」にリセットする。そしてステップS19でエアバイパスバルブ開指令履歴フラグを「0」にリセットし、ステップS20で後記安定待ちタイマを初期化し、ステップS21で後記検知時間タイマを初期化し、ステップS22で前記検知時間経過フラグを「0」にリセットし、ステップS23で故障検知許可フラグを「0」にリセットして故障検知を不許可にする。
前記ステップS11で検知時間経過フラグが「1」にセットされていて検知時間が経過していれば、前記ステップS18〜S23に移行して故障検知を不許可にする。また前記ステップS12で加速判定フラグが「1」にセットされていて車両が加速状態にあれば、ステップS13で加速判定フラグを「0」にリセットし、前記ステップS18〜S23に移行して故障検知を不許可にする。
一方、前記ステップS15でエアバイパスバルブ29の閉指令が出力されない場合、つまりエアバイパスバルブ29の開指令が出力された場合、ステップS24でエアバイパスバルブ閉指令時空気量フラグが「1」セットされていなければ、つまりエンジンEの吸入空気量が所定値未満であれば、前記ステップS19〜S23に移行して故障検知を不許可にする。前記ステップS24でエアバイパスバルブ閉指令時空気量フラグが「1」セットされていれば、つまりエンジンEの吸入空気量が所定値以上であれば、ステップS25でエアバイパスバルブ開指令履歴フラグを「1」にセットする。
このようにしてエアバイパスバルブ開指令履歴フラグが「1」にセットされると、次回のループから前記ステップS14の答がYESになり、ステップS15〜S23をスキップする。
続くステップS26で、エアバイパスバルブ開指令履歴フラグが「1」にセットされてから前記安定待ちタイマ(ステップS20参照)でカウントされる安定待ち時間(図3のT1参照)が経過していなければ、前記ステップS21〜S23に移行して故障検知を不許可にする。一方、前記ステップS26で安定待ち時間が経過していれば、ステップS27でアクセルペダル開度が所定値以上であるか否かを判定し、所定値以上であって車両が加速状態にあれば、ステップS28で加速判定フラグを「1」にセットした後に、前記ステップS21〜S23に移行して故障検知を不許可にする。
前記ステップS27でアクセルペダル開度が所定値未満であって車両が加速状態になければ、ステップS29で前記安定待ち時間の経過後に前記検知時間タイマ(ステップS21参照)でカウントされる検知時間(図3のT2参照)が経過したか否かを判定し、検知時間が経過していなければ、ステップS30で直ちに故障検知許可フラグを「1」にセットして故障検知を許可し、検知時間が経過していれば、ステップS31で検知時間経過フラグを「1」にセットした後に、前記ステップS30に移行する。
以上のように、エアバイパスバルブ29への指令が閉指令から開指令に切り換わる直前のエンジンEの吸入空気量が所定値以上であり、かつエアバイパスバルブ29に開指令が出力されてから所定の安定待ち時間が経過した場合に、エアバイパスバルブ29の故障検知が許可される。
エアバイパスバルブ29への指令が閉指令から開指令に切り換わる直前のエンジンEの吸入空気量が所定値以上であるときだけに故障検知を許可するのは、吸入空気量が所定値未満の状態では、エアバイパスバルブ29が閉弁故障して開弁しなくても、第2吸気通路21にサージングが発生しないためにエアバイパスバルブ29が正常である(閉弁故障していない)と誤判定する可能性があるからである。
また安定待ち時間を設ける理由は、エアバイパスバルブ29が閉弁故障した状態で閉指令から開指令に切り換わった直後は、故障検知を行うためのパラメータである第2吸気通路21のP3圧が急激に上昇し、エアバイパスバルブ29が正常に作動していても、サージングを判定するための特定周波数の圧力変動が発生するためである。
また検知時間を設ける理由は、P3圧の検出値にはノイズが乗ることが避けられないため、検知時間が経過するまでに充分な量の検出値を蓄積してノイズの影響を軽減するためである。
次に、図7に基づいて、前記図4のステップS2(サージング判定)のサブルーチンを説明する。
先ずステップS41でP3圧の前回値および今回値の差分ΔP3を算出する。この処理は10msec間隔で実行される。続くステップS42で前記故障検知許可フラグが「1」にセットされておらず、故障検知が許可されていなければ、ステップS43で後記積算値を0に設定する。一方、前記ステップS42で前記故障検知許可フラグが「1」にセットされていて故障検知が許可されていれば、ステップS44で差分ΔP3をバンドパスフィルタでフィルタリングし、特定周波数成分(例えば、15Hz〜20Hz)を抽出する。この特定周波数は、第2吸気通路21の流路径や長さに応じて決まるものである。続くステップS45で前回の積算値に前記特定周波数成分の二乗値を加算して積算値を更新する。
次に、図8に基づいて、前記図4のステップS3(故障判定)のサブルーチンを説明する。
先ずステップS51で前記検知時間が経過していれば、ステップS52で前記積算値を所定値と比較し、積算値が所定値を越えていれば、ステップS53でエアバイパスバルブ29が閉弁故障していると判定し、積算値が所定値未満であれば、ステップS54でエアバイパスバルブ29が正常であると判定する。
図9はサージングが発生しているときのP3圧の生波形であり、図10はそのスペクトルである。このスペクトルにはトレンドによるノイズと抽出したいシグナルとが含まれているが、このままではノイズとシグナルとを識別することができない。
図11は前記図9の生波形の10msec毎の差分であり、図12はそのスペクトルである。P3圧の生波形の差分ΔP3をとることにより、サージングに固有の周波数のシグナルを強調し、ノイズから確実に識別することが可能になる。
またP3圧の差分ΔP3を二乗値を所定の検知時間に亘って積算した積算値に基づいて故障検知を行うので、ノイズの影響を更に確実に排除して検知精度を高めることができる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
例えば、実施の形態では過給機としてターボチャージャ25を用いているが、本発明は過給機としてスーパーチャージャを用いたものにも適用することができる。
また実施の形態では第2吸気通路21の吸気圧変動に基づいてサージングの発生を判定しているが、吸気圧変動に代えて吸入空気量変動に基づいてサージングの発生を判定することもできる。
ターボチャージャを備えたエンジンの吸気系を示す図 エアバイパスバルブの構造を示す図 故障検知の手法の概略を示す図 メインルーチンのフローチャート 故障検知許可ルーチンのフローチャートの第1分図 故障検知許可ルーチンのフローチャートの第2分図 サージング判定ルーチンのフローチャート 故障判定ルーチンのフローチャート P3圧の生波形のグラフ P3圧のスペクトルのグラフ P3圧の差分ΔP3のグラフ 差分ΔP3のスペクトルのグラフ 故障検知のタイムチャート
符号の説明
12 シリンダ
20 第1吸気通路
21 第2吸気通路
22 第3吸気通路
25 ターボチャージャ(過給機)
27 スロットルバルブ
28 バイパス通路
29 エアバイパスバルブ
E エンジン
S1 ステップS1(故障検知許可手段)
S2 ステップS2(サージング判定手段)
S3 ステップS3(故障判定手段)

Claims (3)

  1. エンジン(E)のシリンダ(12)に向かう吸気の流れ方向上流側から下流側に第1吸気通路(20)、過給機(25)、第2吸気通路(21)、スロットルバルブ(27)および第3吸気通路(22)を順次配置し、過給機(25)を迂回して第1、第2吸気通路(20,21)を接続するバイパス通路(28)にエアバイパスバルブ(29)を設け、スロットルバルブ(27)の開度の閉弁方向への変化率が所定値以上のときにエアバイパスバルブ(29)に開指令を出力するエンジンの過給装置において、
    エアバイパスバルブ(29)への指令が開指令であり、かつ前記指令が閉指令から開指令に変更される直前のエンジン(E)の吸入空気量が所定値以上のときに、エアバイパスバルブ(29)の故障検知を許可する故障検知許可手段(S1)と、
    故障検知許可手段(S1)によりエアバイパスバルブ(29)の故障検知が許可されたときに、過給機(25)およびスロットルバルブ(27)間の第2吸気通路(21)にサージングが発生したか否かを判定するサージング判定手段(S2)と、
    サージング判定手段(S2)によりサージングが発生したと判定されたときにはエアバイパスバルブ(29)が閉弁故障していると判定し、サージング判定手段(S2)によりサージングが発生していないと判定されたときにはエアバイパスバルブ(29)が正常であると判定する故障判定手段(S3)と、
    を備えたことを特徴とするエンジンの過給装置におけるエアバイパスバルブの故障検知装置。
  2. 前記サージング判定手段(S2)は、第2吸気通路(21)の吸気圧変動または吸入空気量変動の特定周波数成分を抽出し、その抽出値の積算値が所定値を超えたときにサージングが発生していると判定することを特徴とする、請求項1に記載のエンジンの過給装置におけるエアバイパスバルブの故障検知装置。
  3. 前記故障検知許可手段(S3)は、エアバイパスバルブ(29)への指令が閉指令から開指令に変更されてから所定時間が経過するまで故障検知を許可しないことを特徴とする、請求項2に記載のエンジンの過給装置におけるエアバイパスバルブの故障検知装置。
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