JP5393506B2 - エンジンの吸気系に用いられる制御弁の制御装置及び制御方法 - Google Patents

エンジンの吸気系に用いられる制御弁の制御装置及び制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、エンジンの吸気系統に設けられ、エンジンへの吸気量の制御を行う吸気スロットル弁又はＥＧＲ量の制御を行うＥＧＲ弁を備え、吸気系に用いられる制御弁と、前記エンジンの運転状態に応じて前記吸気系に用いられる制御弁の目標開度を決定し、該目標開度に一致するように前記吸気系に用いられる制御弁の開度調整を行う制御手段と、を備えたエンジンの吸気系に用いられる制御弁の制御装置及び制御方法に関するものである。
内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減する技術として、排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称する）装置が知られている。ＥＧＲ装置は、内燃機関の排気通路から排気ガスの一部を抽出してなるＥＧＲガスを、ＥＧＲ通路を通して吸気通路に還流するものである。即ち、ＥＧＲを使用した場合、エンジンの燃焼室内には新規の吸入空気と排気ガスの一部、即ちＥＧＲガスが混合されて導入される。
このようなＥＧＲ装置では、ＥＧＲ通路内にＥＧＲガス流量を制御するＥＧＲ制御弁を設け、該ＥＧＲ制御弁の開度を制御することにより、吸気通路に還流するＥＧＲガス量を制御している。
前記ＥＧＲ装置において、前記ＥＧＲ制御弁が故障すると、吸気通路に還流するＥＧＲガス量の制御ができなくなり、吸気通路に還流するＥＧＲガス量の過不足の発生又はＥＧＲガスの停止が生じる可能性がある。
そこで、ＥＧＲ制御弁の故障の判断を行うことができる技術が種々提案されている。
例えば特許文献１には、ＥＧＲ制御弁の目標開度が所定量以上変化するＥＧＲ運転条件成立時に、目標開度が変化を開始してから目標開度の変化に追従して変化する実開度を実開度検出手段により検出し、検出した実開度が目標開度に追従して変化していないことを確認したときに、ＥＧＲ制御弁を含む装置が故障したものと判定する技術が開示されている。
また、特許文献２には、図１８に示したように、バルブシャフト１０２ｂを備えたＥＧＲ制御弁１０２と、前記バルブシャフト１０２ｂの延長上に配置された往復駆動軸１１２が軸方向に往復動をなす駆動手段１０６と、制御手段（不図示）とを有し、前記駆動手段の往復駆動軸１１２は駆動手段作動時にＥＧＲ制御弁１０２の中心軸先端を押圧することによってＥＧＲ制御弁１０２を開放するように構成された排気ガス還流装置において、前記制御手段は、前記制御手段が駆動手段１０６に対して発振する制御信号のデューティー比の大小によってＥＧＲ制御弁１０２に故障が発生したと判断する技術が開示されている。
特開平１０−１２２０５８号公報 特開２００７−２５５２５１号公報
しかしながら、特許文献１、特許文献２に開示された何れの技術においても、ＥＧＲ制御弁が故障した場合であっても、故障発生時にＥＧＲ制御弁の目標開度と実開度が一致していて、目標開度が変化しない運転条件では故障を検知することができない。
特に、ＥＧＲ制御弁の目標開度が全閉である場合にはＥＧＲ制御弁の構造によってはＥＧＲ制御弁を全閉方向に押し戻す機能が付いているため、見かけ上は目標開度に実開度が追従しており、故障を検知することができない。
また、特許文献１、特許文献２に開示された技術を含めたＥＧＲ制御弁に関して、ＥＧＲ制御弁の開度が同じ開度で長時間保持された場合、ＥＧＲ制御弁を駆動するＥＧＲモータの微小回転変動により、図１８において１０１で示したようなモータベアリングの潤滑油（油幕）切れが発生し、該潤滑油切れが原因でモータベアリングが損傷して、ＥＧＲ制御弁に動作不良や固着のリスクが生じるという問題がある。
また、上述のような、目標開度と実開度が一致していて目標開度が変化しない運転条件である場合には制御弁の故障を検知することができないこと、同じ開度で長時間保持されることによって潤滑油切れに起因する制御弁の固着が生じることは、ＥＧＲ制御弁に限らず外部からのエンジンに吸気する吸気通路に設けられたスロットルバルブなどのその他のエンジンの吸気系に用いられる制御弁についても同様のことがいえる。
従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、エンジンの吸気系に用いられる制御弁の目標開度と実開度が一致していて目標開度が変化しない運転条件であっても、吸気系に用いられる制御弁の故障を検知することが可能であって、しかも吸気系に用いられる制御弁の開度が同じ開度で長時間保持されることによって生じる潤滑油切れに起因してモータベアリングが損傷し吸気系に用いられる制御弁の固着が生じることを防止することができるエンジンの吸気系に用いられる制御弁の制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するための装置の発明として、エンジンの吸気系統に設けられ、エンジンへの吸気量の制御を行う吸気スロットル弁又はＥＧＲ量の制御を行うＥＧＲ弁を備え、吸気系に用いられる制御弁と、前記エンジンの運転状態に応じて前記吸気系に用いられる制御弁の目標開度を決定し、該目標開度に一致するように前記吸気系に用いられる制御弁の開度調整を行う制御手段と、を備えたエンジンの吸気系に用いられる制御弁の制御装置において、前記制御手段は、前記目標開度が一定時間以上同一のまま維持された場合に、前記目標開度を、前記エンジンの運転状態に応じて決定される目標開度から経時的に変化させて、前記吸気系に用いられる制御弁の故障防止及び故障検知をするように構成されていることを特徴とする。
前記目標開度を経時的に変化させることで、前記吸気系に用いられる制御弁の開度が同じ開度で長時間保持することがなくなる。従って、吸気系に用いられる制御弁の開度を同じ開度で長時間保持することによるモータベアリングの損傷に起因する吸気系に用いられる制御弁の固着等を回避することができる。
また、前記目標開度を経時的に変化させるので、従来のような目標開度が変化しない運転条件で故障を検知することができないという問題は生じず、目標開度の変化に対する前記吸気系に用いられる制御弁の実開度の追従を確認することで前記吸気系に用いられる制御弁の故障を検知することができる。
また、前記制御手段は、前記吸気系に用いられる制御弁の開度が変わっても吸気量又はＥＧＲ量への影響がない不感帯領域の範囲内で、前記目標開度を経時的に変化させるように構成されているとよい。
ＥＧＲ制御弁や、スロットルバルブなどの吸気系に用いられる制御弁には、弁の開度変化に対してＥＧＲガス流量、吸気中のＥＧＲ混合率（ＥＧＲ率）、吸気流量、酸素過剰率、空気過剰率などがほとんど変化しない不感帯領域が存在する。不感帯領域は弁の大きさ、構造等によって異なり、その範囲は弁固有のものであるが、開度６０〜１００％程度の範囲が不感帯領域であるものが多い。
前記不感帯領域で、前記目標開度を経時的に変化させることで、該目標開度に追従して吸気系に用いられる制御弁の開度が変化しても、ＥＧＲガス流量、吸気中のＥＧＲ混合率（ＥＧＲ率）、吸気流量、酸素過剰率、空気過剰率にほとんど影響しない。従って、エンジンの運転状態にほとんど影響を与えることなく本発明を実施することができる。
また、前記制御手段は、前記目標開度を経時的に変化させる際に、前記目標開度と前記吸気系に用いられる制御弁の実際の開度との差が所定の許容値以上となる時間が、所定の許容時間以上継続した場合には、前記吸気系に用いられる制御弁が故障したと判断するように構成されているとよい。
これにより、前記吸気系に用いられる制御弁の故障を確実に判断することができる。
また、前記制御手段は、前記目標開度を経時的に変化させる際に、前記目標開度と前記吸気系に用いられる制御弁の実際の開度との差が所定の許容値以上となった場合には、前記目標開度を変化させずに保持するとよい。
これにより、前記目標開度と前記吸気系に用いられる制御弁の実際の開度との差が所定の許容値以上となった原因が吸気系に用いられる制御弁の開度が変化しないことが原因なのか、開度の変化の指令値への追従が遅いことが原因なのかを特定することができる。
また、前記制御手段は、前記目標開度が前記一定時間以上同一のまま保持されず、前記目標開度が前記不感帯領域の範囲内にある場合に、前記目標開度を強制的に前記不感帯領域の範囲内で一定に固定するとよい。
これにより、前記目標開度を経時的に変化させる必要がない時期に、前記吸気系に用いられる制御弁が不感帯領域内で頻繁に動作することを回避することができる。これにより、吸気系に用いられる制御弁のバルブシャフトが必要以上に動作し、バルブシャフト部のシールが磨耗し、シール部から排気ガスが漏洩するなどのトラブルを回避することができる。
また、前記制御手段は、前記エンジンの運転状態に応じて決まるパラメータθと、前記目標開度との関係を表す関数を保持し、前記パラメータθによって前記目標開度を決定するものであって、前記関数にヒステリシスを持たせるとよい。
また、課題を解決するための方法の発明として、エンジンの運転状態に応じて、エンジンへの吸気量の制御を行うスロットル弁又はＥＧＲ量の制御を行うＥＧＲ弁である吸気系に用いられる制御弁の目標開度を決定し、該目標開度に一致するように前記吸気系に用いられる制御弁の開度調整を行うエンジンの吸気系に用いられる制御弁の制御方法において、前記目標開度が一定時間以上同一のまま維持された場合に、前記目標開度を、前記エンジンの運転状態に応じて決定される目標開度から経時的に変化させて、前記吸気系に用いられる制御弁の故障防止及び故障検知をすることを特徴とする。
また、前記目標開度を、前記吸気系に用いられる制御弁の開度が変わっても吸気量又はＥＧＲ量への影響がない不感帯領域の範囲内で、経時的に変化させるとよい。
また、前記目標開度を経時的に変化させる際に、前記目標開度と前記吸気系に用いられる制御弁の実際の開度との差が所定の許容値以上となる時間が、所定の許容時間以上継続した場合には、前記吸気系に用いられる制御弁が故障したと判断するとよい。
また、前記目標開度を経時的に変化させる際に、前記目標開度と前記吸気系に用いられる制御弁の実際の開度との差が所定の許容値以上となった場合には、前記目標開度を変化させずに保持するとよい。
また、前記目標開度が前記一定時間以上同一のまま保持されず、前記目標開度が前記不感帯領域の範囲内にある場合に、前記目標開度を強制的に前記不感帯領域の範囲内で一定に固定するとよい。
本発明によれば、エンジンの吸気系に用いられる制御弁の目標開度と実開度が一致していて目標開度が変化しない運転条件であっても、吸気系に用いられる制御弁の故障を検知することが可能であって、しかも吸気系に用いられる制御弁の開度が同じ開度で長時間保持されることによって生じる潤滑油切れに起因してモータベアリングが損傷し吸気系に用いられる制御弁の固着が生じることを防止することができるエンジンの吸気系に用いられる制御弁の制御装置及び制御方法を提供することができる。
ＥＧＲ制御弁の制御装置が適用されるＥＧＲ装置を示す概略図である。 ＥＣＵによって行われる制御ロジックの一例を示す図である。 ＥＧＲ制御弁の特性の一例を示すグラフである。 スロットルバルブの特性の一例を示すグラフである。 実施例１におけるパラメータθからＥＧＲ制御弁の開度を決定する関数と、パラメータθからスロットルバルブの開度を決定する関数の一例を示した図である。 不感帯領域においてＥＧＲ制御弁の目標開度を変化させた際の、ＥＧＲ制御弁の目標開度の時間変化を示したグラフである。 不感帯領域においてＥＧＲ制御弁の目標開度を変化させた際の、スロットルバルブの目標開度の時間変化を示したグラフである。 実施例１におけるＥＧＲ制御弁の目標開度の変化に関する制御の手順を示すフローチャートである。 不感帯領域判定の処理の手順を示すフローチャートである。 ＥＧＲ弁固着防止モードにおけるＥＧＲ制御弁の異常の判断の処理の手順を示すフローチャートである。 ＥＧＲ弁固着防止モードにおけるＥＧＲ制御弁の異常の判断の処理の手順を示す別の例を示すフローチャートである。 ＥＧＲ制御弁の目標開度が０に近い状態においてＥＧＲ制御弁の目標開度を変化させた際の、ＥＧＲ制御弁の目標開度の時間変化を示したグラフである。 ＥＧＲ制御弁の目標開度が０に近い状態においてＥＧＲ制御弁の目標開度を変化させた際の、スロットルバルブの目標開度の時間変化を示したグラフである。 実施例２におけるパラメータθからＥＧＲ制御弁の開度を決定する関数の一例を示した図である。 実施例２におけるＥＧＲ制御弁の目標開度の変化に関する制御の手順を示すフローチャートである。 ヒステリシス動作判定の手順を示したフローチャートである。 ヒステリシス動作モードにおける処理の手順を示すフローチャートである。 従来例におけるＥＧＲ制御弁周辺の断面図である。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１は、実施例１に係るＥＧＲ制御弁の制御装置が適用されるＥＧＲ装置を示す概略図である。図１において、エンジン２は４つの気筒を有する４サイクルディーゼルエンジンである。
エンジン２には、吸気マニホールド６を介して吸気通路８が合流されるとともに、排気マニホールド１０を介して排気通路１２が接続されている。
吸気通路８には、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４ａが設けられている。コンプレッサ１４ａは後述するタービン１４ｂに同軸駆動されるものである。吸気通路８のコンプレッサ１４ａよりも下流側には、吸気通路８を流れる吸入空気と大気で熱交換を行うインタークーラー１６が設けられている。また、吸気通路８のインタークーラー１６よりも下流側には、吸気通路８内を流通する吸入空気の流量を調節するスロットルバルブ１８が設けられている。
排気通路１２には、ターボチャージャ１４のタービン１４ｂが設けられている。タービン１４ｂは、エンジン２からの排気ガスにより駆動されるものである。また、排気マニホールド１０には、排気の一部を吸気側へ再循環させるＥＧＲ通路２０が接続されている。ＥＧＲ通路２０には、ＥＧＲクーラー２２及びＥＧＲ制御弁２４が設けられている。
ＥＧＲクーラー２２は、ＥＧＲ制御弁２４よりも排気マニホールド１０側に設けられ、ＥＧＲクーラー２２を通過するＥＧＲガスと冷却水とで熱交換して、該ＥＧＲガスの温度を低下させるものである。また、ＥＧＲ制御弁２４は、ＥＧＲ通路２０を流れるＥＧＲガスの流量を制御するものである。
ＥＧＲ制御弁２４及びスロットルバルブ１８の開度は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）４０によって制御される。
ＥＣＵ４０におけるＥＧＲ制御弁２４及びスロットルバルブ１８の開度の制御の概要について説明する。ＥＣＵ４０においては、ＥＧＲ制御弁２４及びスロットルバルブ１８の実開度が入力されるとともに、スロットルバルブ１８の下流側の吸気通路８又は吸気マニホールド６に取り付けられた、吸気温度センサ２８及び吸気圧力センサ３０のそれぞれの検出値が、それぞれＡ／Ｄ変換器４３、４４を介して入力される。また、コンプレッサ１４ａの上流側の吸気通路８に取り付けられたエアフローメーター２６により検出される吸気流量の検出値が、Ａ／Ｄ変換器４２を介して入力される。さらに、エンジンスピードセンサー３２の検出値がパルスカウント回路４７を介して入力される。
ＥＣＵ４０では、前述の各入力された値を基にＣＰＵ４８でＥＧＲ制御弁２４及びスロットルバルブ１８の目標開度を演算し、駆動回路４５、４６を介してＥＧＲ制御弁２４及びスロットルバルブ１８の開度を制御する。また、前述の各入力された値を基にＣＰＵ４８でエンジン４への燃料噴射量を演算し、インジェクタ駆動回路４１を介してエンジン４への燃料噴射量を制御する。
図２は、ＥＣＵ４０によって行われる制御ロジックの一例を示している。ＥＣＵ４０には、エンジン回転数［ｒｐｍ］と、エンジン２への燃料噴射量［ｍｇ／ｓｔ］が目標θマップ５１及び目標λＯ２マップ５２に入力され、該入力値を基に目標θ及び目標λＯ２が作成される。ここで、θはＥＧＲ制御バルブ２４と、スロットルバルブ１８の開度によって決まる値であり、詳しくは後述する。またλＯ２は、酸素過剰率である。
また、空気流量［ｋｇ／ｓ］、吸気マニホールドの圧力（インマニ圧）［ｋＰａ］、インマニ温度［℃］、エンジン回転数［ｒｐｍ］、燃料噴射量［ｍｇ／ｓｔ］などから、λＯ２の推定値の演算５３がなされる。
そして、目標λＯ２と、λＯ２の推定値の演算値との誤差が減算処理５４によって算出され、該誤差に基づいてＰＩＤ制御５５が行われる。ＰＩＤ制御５５によりパラメータθが決定され、該θと目標θとの加算処理をし、飽和演算５７を行うことで、θが補正される。該補正されたθを用い、パラメータθからＥＧＲ制御弁２４の開度を決定する関数５８と、パラメータθからスロットルバルブ１８の開度を決定する関数５９とからＥＧＲ制御弁２４とスロットバルブ１８の開度の指令値を決定する。なお、関数５８及び５９は、ＥＣＵ４０に予め記憶されているものである。
ここで、ＥＧＲ制御弁２４とスロットルバルブ１８には、全開位置と全閉位置がある、即ち飽和がある。そのため、ＥＧＲ制御弁２４又はスロットルバルブ１８が全開又は全閉になると制御偏差が生じた状態のままとなる。一方、ＰＩＤ制御５５に使用される前記誤差が０でない状態で維持されるので、ＰＩＤ制御５５における積分値が増加し続け、制御応答性が悪くなるワインドアップの問題が生じる。ワインドアップの問題を回避するために、ＰＩＤ制御によって得られたパラメータθと、飽和演算３９で補正したパラメータθとの差を減算処理６０によって算出し、該差に基づいてアンチワインドアップ補償を行っている。
ところで、ＥＧＲ制御弁２４や、スロットルバルブ１８には、弁の開度変化に対してＥＧＲガス流量、吸気中のＥＧＲ混合率（ＥＧＲ率）、吸気流量、酸素過剰率、空気過剰率などがほとんど変化しない領域（以下、不感帯領域と称する）が存在する。
前記不感帯領域について図３及び図４を用いて、酸素過剰率λＯ２を例にとって説明する。
図３は、ＥＧＲ制御弁２４の特性の一例を示すグラフであり、図４は、スロットルバルブ１８の特性の一例を示すグラフである。
図３において、縦軸は酸素過剰率λＯ２、横軸はＥＧＲ制御弁２４の開度［％］である。また、図４において、縦軸は酸素過剰率λＯ２、横軸はスロットルバルブ１８の開度［％］である。
ＥＧＲ制御弁２４においては、図３に示したように、ＥＧＲ制御弁２４の開度が約６０〜１００％、特に約８０〜１００％の領域で、ＥＧＲ制御弁２４の開度変化に対して酸素過剰率λＯ２がほとんど変化しない。即ち、図３に示したような特性のＥＧＲ制御弁２４においては、ＥＧＲ制御弁２４の開度が約６０〜１００％の領域が不感帯領域であるといえる。なお、不感帯領域においては、図３に示した酸素過剰率λＯ２のみならず、ＥＧＲガス流量、吸気中のＥＧＲ混合率（ＥＧＲ率）、吸気流量、空気過剰率などその他ＥＧＲ弁開度に依存する値についても、ＥＧＲ制御弁２４の開度変化に対してほとんど変化しない。
同様に、スロットルバルブにおいては、図４に示したようにスロットルバルブ１８の開度が約７０〜１００％、特に８０〜１００％の領域が不感帯領域であるといえる。
図５は、パラメータθからＥＧＲ制御弁２４の開度を決定する関数と、パラメータθからスロットルバルブ１８の開度を決定する関数の一例を示したものであり、図２に示した関数５８及び５９に相当する。
図５の上図において、縦軸はＥＧＲ制御弁の開度の目標値（指令値）、横軸はθである。図５の下図において、縦軸はスロットルバルブの開度の目標値（指令値）、横軸はθである。
ここで、θはＥＧＲ制御弁の開度とスロットルバルブの開度によって決まる値であり、ＥＧＲ制御弁の開度が１００％であるときのスロットルバルブの開度（０〜１００％）を０〜１で表すとともに、スロットルバルブの開度が１００％であるときのＥＧＲ制御弁の開度（０〜１００％）を２〜１で表したものである。
従って、図５の上図においては、θ＝０〜１の範囲でＥＧＲ制御弁の開度の目標値が１００％であり、θ＝１〜２の範囲ではＥＧＲ制御弁の開度の目標値が１００％から０％までθに比例して単調減少し、図５の下図においては、θ＝０〜１の範囲でスロットルバルブの開度の目標値が０％から１００％までθに比例して単調増加し、θ＝１〜２の範囲ではスロットルバルブの開度の目標値は１００％となっている。
また、図５の上図においてａで示した領域はＥＧＲ制御弁の不感帯領域、ｂで示した領域はＥＧＲ制御弁の開度に対する感度がある領域を示している。同様に図５の下図においてａ’で示した領域はスロットルバルブの不感帯領域、ｂ’で示した領域はスロットルバルブの開度に対する感度がある領域を示している。
ここで、図２に示したロジックによりθ＜１．０なる値が指令された場合について考える。この場合、図５上図から明らかであるように、従来であればＥＧＲ制御弁２４の目標開度は１００％であり、ＥＧＲ制御弁２４の開度が同じ開度（１００％）で長時間保持され図１８において１０１で示したようなモータベアリングの潤滑油（油幕）切れが発生し、該潤滑油切れが原因でモータベアリングが損傷して、ＥＧＲ制御弁に動作不良や固着のリスクが生じることがあった。また、この領域では、目標開度が変化しないため、ＥＧＲ制御弁が故障しても故障時に目標開度と実開度が一致して、即ち故障時に実開度が１００％であると故障を検知できなかった。
本発明においては、ＥＧＲ制御弁の開度が約６０〜１００％である不感帯領域においては、ＥＧＲ制御弁の開度を変化させても酸素過剰率λＯ２等がほとんど変化しないことに着目して、ＥＧＲ制御弁の開度の目標値が一定時間以上同一のまま維持された場合に該目標値を図５の上図においてｃで示したように不感帯領域において変化させている。これにより、ＥＧＲ制御弁２４の目標開度が変化するため、ＥＧＲ制御弁の開度を同じ開度で長時間保持することによる前記モータベアリングの損傷に起因するＥＧＲ制御弁の固着等を回避することができるとともに、ＥＧＲ制御弁の故障を検知することができる。
このような、ＥＧＲ制御弁の目標開度の不感帯領域における変化は、目標弁開度が不感帯領域にあるθであれば実施可能であり、図５においてはθ＜θ１のときに実施可能である。
図６は、不感帯領域においてＥＧＲ制御弁の目標開度を変化させた際の、ＥＧＲ制御弁の目標開度の時間変化を示したグラフである。図６において縦軸はＥＧＲ制御弁の目標開度、横軸は時間である。図６に示したようにＥＧＲ制御弁の目標開度を波形状に変化させる。本実施例においては、ＥＧＲ制御弁の目標開度の時間変化のグラフが波形状となるように、ＥＧＲ制御弁の目標開度を変化させているが、これに限らずＥＧＲ制御弁の目標開度が経時的に変化すれば前記グラフが例えば矩形状となるように変化させることなども可能である。
図７は、不感帯領域においてＥＧＲ制御弁の目標開度を変化させた際の、スロットルバルブの目標開度の時間変化を示したグラフである。図７において縦軸はスロットルバルブの目標開度、横軸は時間である。この際、スロットルバルブの目標開度は変化しない。
次に、上述したＥＧＲ制御弁の目標開度の変化に関する制御について、フローチャートを用いて詳細に説明する。
図８は、ＥＧＲ制御弁の目標開度の変化に関する制御の手順を示すフローチャートである。
処理が開始されると、ステップＳ１０１で、冷却水温度がＴ１より高いか否かを判断する。ここで、冷却水とはエンジンの冷却水を意味し、Ｔ１は規定温度である。ステップＳ１０１でＮＯ即ち冷却水温度がＴ１以下であればステップＳ１０８に進み、ＥＧＲ運転を行わずＥＧＲを停止し、処理を終了する。ステップＳ１０１でＹＥＳ即ち冷却水温度がＴ１よりも高ければステップＳ１０２に進む。
ステップＳ１０２では、不感帯領域判定を行う。不感帯領域判定は、図９に示したフローチャートに従って行う。不感帯領域判定について、図９を用いて説明する。
処理がスタートすると、ステップＳ２０１でθがθ１よりも小さいか否かを判断する。ここでθは図２に示したロジックにより指令される値であり、θ１は目標弁開度が不感帯領域にあるθの境界値であり、図５において示したθ１に相当する。
ステップＳ２０１でＹＥＳ即ちθ＜θ１であれば、ステップＳ２０２に進み不感帯判定フラグをＯＮにして処理を終了する。また、ステップＳ２０１でＮＯ即ちθ≧θ１であれば、ステップＳ２０３に進み不感帯判定フラグをＯＦＦにして処理を終了する。
図８に示したフローチャートにおけるステップＳ１０２において、図９に示したフローチャートに従って不感帯領域判定が終了すると、ステップＳ１０３に進む。
ステップＳ１０３では、不感帯判定フラグがＯＮであるか否かを判断する。
ステップＳ３でＮＯ即ち不感帯判定フラグがＯＦＦであればステップＳ１０７に進み、ＥＧＲ制御弁の通常制御モード、即ち従来と同様ＥＧＲ制御弁の目標開度を強制的に変化させずに関数５８によって指令されるＥＧＲ制御弁の開度指令に従ってＥＧＲ制御弁の開度を制御する。
ステップＳ１０３でＹＥＳ即ち不感帯判定フラグがＯＮであればステップＳ１０４に進む。
ステップＳ１０４では、固着防止動作時期か否かを判断する。
前述の通り、ＥＧＲ制御弁の開度が同じ開度で長時間保持することにより、潤滑油切れが発生して、前記モータベアリングの損傷し、ＥＧＲ制御弁の固着等が発生する。そのため、ＥＧＲ制御弁の開度の目標値が長時間一定でない場合には前記固着等の発生は生じない。従って、ステップＳ１０４においては、固着防止動作を行う必要がある程度の一定時間にわたってＥＧＲ制御弁の開度の目標値が一定であるか否かを判断する。即ち、一定時間にわたってＥＧＲ制御弁の開度の目標値が一定であれば固着防止動作時期であると判断する。ここで、前記一定時間については、使用するＥＧＲ制御弁の性能やエンジン周辺の機器等により、ＥＧＲ制御弁個々に決定する。
ステップＳ１０４でＮＯ即ち固着防止動作時期ではないと判断されると、ステップＳ１０７に進み、ＥＧＲ制御弁の通常制御モード、即ち従来と同様ＥＧＲ制御弁の目標開度を強制的に変化させずにＥＧＲ制御弁の開度を制御する。
ステップＳ１０４でＹＥＳ即ち固着防止動作時期であると判断されると、ステップＳ１０６に進み、ＥＧＲ弁固着防止モードにてＥＧＲ制御弁の開度を制御して処理を終了する。ＥＧＲ弁固着防止モードにおいては、図５及び図６を用いて説明したように、ＥＧＲ制御弁の開度の目標値を不感帯領域の範囲で変化させる。これにより、ＥＧＲ制御弁の目標開度が変化するため、ＥＧＲ制御弁の開度を同じ開度で長時間保持することによる前記モータベアリングの損傷に起因するＥＧＲ制御弁の固着を回避することができる。
さらに、ＥＧＲ弁固着モードにおいては、前記目標値とＥＧＲ制御弁の実開度から、ＥＧＲ制御弁の異常を判断することができる。ＥＧＲ弁固着防止モードにおけるＥＧＲ制御弁の異常の判断について、図１０に示したフローチャートを用いて説明する。
図１０は、ＥＧＲ弁固着防止モードにおけるＥＧＲ制御弁の異常の判断の処理の手順を示すフローチャートである。
図１０において、処理が開始されると、ステップＳ３０１に進む。
ステップＳ３０１では、ＥＧＲ制御弁の開度の指令値を演算する。これは、図２に示したロジックの手順に従ってθを算出し、該θと関数５８を用いて求めることができる。
ステップＳ３０１が終了すると、ステップＳ３０２に進む。
ステップＳ３０２では、ＥＧＲ制御弁の開度指令を出力する。
ステップＳ３０２が終了すると、ステップＳ３０３に進む。
ステップＳ３０３では、ＥＧＲ弁開度偏差ｅを演算する。これは、ＥＧＲ弁開度の指令値と実測値の差を意味する。
ステップＳ３０３が終了すると、ステップＳ３０４に進む。
ステップＳ３０４では、前記ＥＧＲ弁解度偏差ｅの絶対値｜ｅ｜が許容値よりも大きいか否かを判断する。ここで、前記許容値とは、ＥＧＲ制御弁の使用時において許容され得る｜ｅ｜の上限値を意味する。前記許容値は、ＥＧＲ制御弁の性能やエンジン周辺の機器等により、ＥＧＲ制御弁個々に決定する値である。
ステップＳ３０４でＮＯ即ち、｜ｅ｜が許容値以下であればステップＳ３０９に進む。ステップＳ３０９については後述する。
ステップＳ３０４でＹＥＳ即ち、｜ｅ｜が許容値よりも大きければステップＳ３０５に進む。
ステップＳ３０５では、
ｔｅ＝ｔｅ＋ｔｓ ・・・（１）
の演算を行う。ここで、ｔｅは｜ｅ｜が許容値よりも大きい状態の継続時間であり、ｔｓは演算周期である。演算周期ｔｓとは、図１０におけるフローチャートのスタートからエンドまでの処理が実行される周期を意味する。
（１）式における左辺に示した継続時間ｔｅは現在の継続時間であり、右辺に示した継続時間ｔｅは１周期前の継続時間を意味する。（１）式に示した演算を行うことにより、｜ｅ｜が許容値よりも大きい状態の現時点での継続時間を求めることができる。
ステップＳ３０５が終了するとステップＳ３０６に進む。
ステップＳ３０６では、ステップＳ３０５で演算したｔｅが許容時間より長いか否かを判断する。ここで、前記許容時間とは、｜ｅ｜が前記許容値よりも大きい状態が継続しても許容され得る上限の時間、即ちｔｅの上限値を意味する。前記許容時間は、ＥＧＲ制御弁の性能やエンジン周辺の機器等により、ＥＧＲ制御弁個々に決定する値である。
ステップＳ３０６でＹＥＳ即ちｔｅが前記許容時間よりも長い場合には、ステップＳ３０７に進み「ＥＧＲ弁動作異常」と判断し、ステップＳ３０８でＥＧＲ制御を停止して処理を終了する。
ステップＳ３０６でＮＯ即ちｔｅが前記許容時間よりも短い場合には、そのまま処理を終了する。
ステップＳ３０４でＮＯ又はステップＳ３０６でＮＯと判断された場合に進むステップＳ３０９においては、ｔｅ＝０として処理を終了する。
また、図１０に示したフローチャートの処理の手順に変えて、図１１に示した処理の手順においても、ＥＧＲ弁固着モードにおけるＥＧＲ制御弁の異常の判断をすることができる。
図１１は、ＥＧＲ弁固着防止モードにおけるＥＧＲ制御弁の異常の判断の処理の手順を示す別の例を示すフローチャートである。
図１１に示したフローチャートにおいて、ステップＳ４０１からステップＳ４０５までは、それぞれ、図１０に示したフローチャートにおけるステップＳ３０１からステップＳ３０５までと同じである。また、図１１に示したフローチャートにおいて、ステップＳ４０７からＳ４１０までは、それぞれ、図１０に示したフローチャートにおけるステップＳ３０６からステップＳ３０９までと同じである。よって、図１１において、ステップＳ４０１からステップＳ４０５まで、及びステップＳ４０７からステップＳ４１０までについては説明を省略する。
図１１においては、ステップＳ４０４で｜ｅ｜＞許容値と判断された場合において、ステップＳ４０５でｔｅを算出した後、ステップＳ４０６でＥＧＲ弁開度指令を保持している。ＥＧＲ弁開度指令を保持することで、ＥＧＲ弁開度の指令値は一定値で保持される。ステップＳ４０６でＥＧＲ弁開度指令を保持することにより、｜ｅ｜＞許容値となった、即ちＥＧＲ弁開度の指令値と実測値の差の絶対値が許容値を超えるほど大きくなった原因がＥＧＲ制御弁の開度が変化しないことが原因なのか、開度の変化の指令値への追従が遅いことが原因なのかを特定することができる。
本実施例１において、ここまで図３〜図１０を用いてＥＧＲ制御弁が全開に近く、ＥＧＲ制御弁の開度の目標値が不感帯領域にある場合について説明した。
ＥＧＲ制御弁が全閉に近く、ＥＧＲ制御弁の開度の目標値が不感帯領域にない場合、即ち図５においてθ＞θ１である場合についても同様に、ＥＧＲ制御弁の目標開度を変化させる。
この場合には、ＥＧＲ制御弁開度の目標値が不感帯領域にないので、ＥＧＲ制御弁開度に対するＥＧＲガス流量、ＥＧＲ率、吸気流量、酸素過剰率、空気過剰率などの変化の感度が高く、ＥＧＲ制御弁の微小な開度変化でＥＧＲによる排ガス中の有害物質低減効果に影響を与える。そこで、前記ＥＧＲ制御弁の目標開度を微小変化させて、排ガス中の有害物質低減効果への影響を確認することで、ＥＧＲ制御弁の異常を検知することができる。
図１２は、ＥＧＲ制御弁の目標開度が０に近い状態においてＥＧＲ制御弁の目標開度を変化させた際の、ＥＧＲ制御弁の目標開度の時間変化を示したグラフである。図１２において縦軸はＥＧＲ制御弁の目標開度、横軸は時間である。図１２に示したようにＥＧＲ制御弁の目標開度を微小変化させる。
また、図１３は、ＥＧＲ制御弁の目標開度が０に近い状態においてＥＧＲ制御弁の目標開度を変化させた際の、スロットルバルブの目標開度の時間変化を示したグラフである。図１３において縦軸はスロットルバルブの目標開度、横軸は時間である。この際、スロットルバルブの目標開度は変化しない。
このようにして、ＥＧＲ制御弁の開度の目標値が不感帯領域にない場合に、ＥＧＲ制御弁の開度の目標値を微小変化させることで、前述の通りＥＧＲ制御弁の異常を検知することができるとともに、ＥＧＲ制御弁の開度が同じ開度で長時間保持されなくなるため潤滑油切れ発生によるモータベアリングの損傷に起因するＥＧＲ制御弁の固着を防止することができる。
なお、前記微小変化によりＥＧＲ制御弁を開弁すると、スモークが発生する。しかし、スモークが発生する条件はエンジン回転数や負荷が増大する場合であり定常状態においてＥＧＲ制御弁を微小開度開いてもスモーク発生には繋がらないこと、前記微小変化によるＥＧＲ制御弁の弁開度を最大で４〜８％と小さなものとしてＥＧＲガス量への影響を小さい範囲とすることで、前記スモークの発生は問題とならない。
また、図１に示したようなＥＧＲクーラーを装着したＥＧＲ装置においては、スモーク及び未燃燃料分を含む排気がＥＧＲクーラー内を通過する際に冷却され、スモークが未燃燃料分をバインダとして徐々に煤として堆積し易い。そこでＥＧＲクーラーが目詰まりしてＥＧＲクーラーの冷却効率が低下することを防止するために、排気ガス温度が低い条件では、ＥＧＲ制御弁の目標開度が０に近い状態においてのＥＧＲ制御弁の目標開度の微小変化を行わない。
実施例２におけるＥＧＲ制御弁の制御装置が適用されるＥＧＲ装置、及び制御ロジックは実施例１と同様であるので、実施例１において用いた図１及び図２を実施例２にも流用し、その説明を省略する。
実施例２においては、図２において５８で示したパラメータθからＥＧＲ制御弁の開度を決定する関数にヒステリシスを持たせた。
図１４は、実施例２における、パラメータθからＥＧＲ制御弁２４の開度を決定する関数の一例を示したものであり、図２に示した関数５８に相当する。
図１４において、縦軸はＥＧＲ制御弁の開度の目標値、横軸はθである。また、ａで示した領域はＥＧＲ制御弁の不感帯領域、ｂで示した領域はＥＧＲ制御弁の開度に対する感度がある領域を示している。本実施例２においては、図１４に示したように、θ＝θ２〜θ３の間で関数５８にヒステリシスを持たせている。ここで、θ３は、目標弁開度が不感帯領域にあるθの境界値であって、図５の上図に示したθ１と同値である。θ２はθ３よりも小さい値である。
実施例２に関して、図１４に示したようなヒステリシスを持たせた関数を適用した場合におけるＥＧＲ制御弁の目標開度の変化の制御について、図１５に示したフローチャートを用いて説明する。
図１５は、実施例２におけるＥＧＲ制御弁の目標開度の変化に関する制御の手順を示すフローチャートである。
処理が開始されると、ステップＳ５０１で、冷却水温度がＴ１より高いか否かを判断する。ステップＳ５０１でＮＯ即ち冷却水温度がＴ１以下であればステップＳ５０８に進み、ＥＧＲ運転を行わずＥＧＲを停止し、処理を終了する。ステップＳ５０１でＹＥＳ即ち冷却水温度がＴ１よりも高ければステップＳ５０２に進む。
ステップＳ５０２では、ヒステリシス動作判定を行う。ヒステリシス動作判定は、図１６に示したフローチャートに従って行う。
ヒステリシス動作判定について、図１６を用いて説明する。
処理がスタートすると、ステップＳ６０１で現状におけるヒステリシス判定フラグがＯＦＦであるか否かを判断する。ここでヒステリシス判定フラグとは、後述するステップＳ５０３にてＥＧＲ弁通常制御モードを行うか、ＥＧＲ弁固着防止モード又はヒステリシス動作モードを行うかの判断を行うためのフラグであり、θに影響される値である。
ステップＳ６０１でＹＥＳ即ち現状におけるヒステリシス判定フラグがＯＦＦであると判断されると、ステップＳ６０２に進む。
ステップＳ６０２では、図２に示したロジックにより指令されるθがθ２よりも小さいか否かを判断する。ステップＳ６０２でＹＥＳ即ちθ＜θ２であると判断されるとヒステリシス判定フラグをＯＮに変更して処理を終了する。ステップＳ６０２でＮＯ即ちθ≧θ２であると判断されるとヒステリシス判定フラグをＯＦＦのまま変更せずに処理を終了する。
また、ステップＳ６０１でＮＯ即ち現状におけるヒステリシス判定フラグがＯＮであると判断されると、ステップＳ６０４に進む。
ステップＳ６０４では、θがθ３よりも大きいか否かを判断する。ステップＳ６０４でＹＥＳ即ちθ＞θ３であると判断されるとヒステリシス判定フラグをＯＦＦに変更して処理を終了する。ステップＳ６０４でＮＯ即ちθ≦θ３であると判断されるとヒステリシス判定フラグをＯＮのまま変更せずに処理を終了する。
図１６に示したヒステリシス動作判定によれば、現状におけるヒステリシス判定フラグの状態に関わらずθ＜θ２ではヒステリシス判定フラグがＯＮ、θ＞θ３ではヒステリシス判定フラグがＯＦＦとなって処理を終了し、θ２≦θ≦θ３の範囲では現状のヒステリシス判定フラグの状態を維持して処理を終了する。
図１６のフローチャートに示した手順によるヒステリシス動作判定が終了すると、図１５に示したフローチャートにおいてステップＳ５０２を終了し、ステップＳ５０３へ進む。
ステップＳ５０３では、ヒステリシス判定フラグがＯＮであるか否かを判断する。
ステップＳ５０３でＮＯ即ちヒステリシス判定フラグがＯＦＦであればステップＳ５０７に進み、ＥＧＲ制御弁の通常制御モード、即ち従来と同様ＥＧＲ制御弁の目標開度を強制的に変化させずに関数５８によって指令されるＥＧＲ制御弁の開度指令に従ってＥＧＲ制御弁の開度を制御する。
ステップＳ５０３でＹＥＳ即ちヒステリシス判定フラグがＯＮであればステップＳ５０４に進む。
ステップＳ５０４では、固着防止動作時期か否かを判断する。固着防止動作時期については、図８においてステップＳ１０４で説明したものと同じものであるのでその説明を省略する。
ステップＳ５０４でＹＥＳ即ち固着防止動作時期であると判断されると、ステップＳ５０６に進み、ＥＧＲ弁固着防止モードにてＥＧＲ制御弁の開度を制御して処理を終了する。ＥＧＲ弁固着防止モードについては、実施例１と同様であり、図５及び図６を用いて説明したように、ＥＧＲ制御弁の開度の目標値を不感帯領域の範囲で変化させる。また、図１０又は図１１に示したフローチャートの手順の処理によってＥＧＲ制御弁の異常の判断も行う。
ステップＳ５０４でＮＯ即ち固着防止動作時期ではないと判断されると、ステップＳ５０５に進み、ヒステリシス動作モードにてＥＧＲ制御弁の開度を制御して処理を終了する。
ヒステリシス動作モードにおける処理の手順について図１７を用いて説明する。図１７は、ヒステリシス動作モードにおける処理の手順を示すフローチャートである。
図１７において、処理が開始されると、ステップＳ７０１に進む。
ステップＳ７０１では、ＥＧＲ弁開度を１００％に固定して処理を終了する。なお、本実施例２においては、図１７におけるステップＳ７０１示したようにヒステリシス動作モードでＥＧＲ制御弁の開度を１００％に固定しているが、不感帯領域の開度であれば１００％以外の開度で固定することもできる。
即ちヒステリシス動作モードでは、ＥＧＲ制御弁の開度を不感帯領域の開度で一定に保持している。ヒステリシス動作モードを適用することで、ＥＧＲ弁固着防止モードで運転する必要がない時期に、ＥＧＲ制御弁が不感帯領域内で頻繁に動作することを回避することができる。これにより、ＥＧＲ制御弁のバルブシャフトが必要以上に動作し、バルブシャフト部のシールが磨耗し、シール部から排気ガスが漏洩するなどのトラブルを回避することができる。
なお、ヒステリシス動作モードにおいては、不感帯領域でＥＧＲ制御弁の開度を一定に保持しているため、ヒステリシス動作モードで運転を行うことによってＥＧＲガス流量、ＥＧＲ率、吸気流量、酸素過剰率、空気過剰率等には影響はない。
以上の実施例１及び実施例２においては、ＥＧＲ制御弁の制御について説明したが、スロットルバルブについても同様に適用することができる。
本発明は、エンジンの吸気系に用いられる制御弁の目標開度と実開度が一致していて目標開度が変化しない運転条件であっても、吸気系に用いられる制御弁の故障を検知することが可能であって、しかも吸気系に用いられる制御弁の開度が同じ開度で長時間保持されることによって生じる潤滑油切れに起因するモータベアリングの損傷し吸気系に用いられる制御弁の固着が生じることを防止することができるエンジンの吸気系に用いられる制御弁の制御装置及び制御方法として利用することができる。
２ エンジン
６ 吸気マニホールド
８ 吸気通路
１０ 排気マニホールド
１２ 排気通路
１８ スロットルバルブ
２０ ＥＧＲ通路
２４ ＥＧＲ制御弁
４０ ＥＣＵ（制御手段）
５８、５９ 関数

Claims (9)

  1. エンジンの吸気系統に設けられ、エンジンへの吸気量の制御を行う吸気スロットル弁又はＥＧＲ量の制御を行うＥＧＲ弁を備え、吸気系に用いられる制御弁と、
    前記エンジンの運転状態に応じて前記吸気系に用いられる制御弁の目標開度を決定し、該目標開度に一致するように前記吸気系に用いられる制御弁の開度調整を行う制御手段と、を備えたエンジンの吸気系に用いられる制御弁の制御装置において、
    前記制御手段は、前記目標開度が一定時間以上同一のまま維持された場合に、前記目標開度を、前記エンジンの運転状態に応じて決定される目標開度から経時的に変化させて、前記吸気系に用いられる制御弁の故障防止及び故障検知をするように構成されているとともに、
    前記制御手段は、前記目標開度が前記一定時間以上同一のまま保持されず、前記目標開度が、前記吸気系に用いられる制御弁の開度が変わっても吸気量又はＥＧＲ量への影響がない不感帯領域の範囲内にある場合に、前記目標開度を強制的に前記不感帯領域の範囲内で一定に固定するように構成されていることを特徴とするエンジンの吸気系に用いられる制御弁の制御装置。
  2. 前記制御手段は、前記不感帯領域の範囲内で、前記目標開度を経時的に変化させるように構成されていることを特徴とする請求項１記載のエンジンの吸気系に用いられる制御弁の制御装置。
  3. 前記制御手段は、前記目標開度を経時的に変化させる際に、前記目標開度と前記吸気系に用いられる制御弁の実際の開度との差が所定の許容値以上となる時間が、所定の許容時間以上継続した場合には、前記吸気系に用いられる制御弁が故障したと判断するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のエンジンの吸気系に用いられる制御弁の制御装置。
  4. 前記制御手段は、前記目標開度を経時的に変化させる際に、前記目標開度と前記吸気系に用いられる制御弁の実際の開度との差が所定の許容値以上となった場合には、前記目標開度を変化させずに保持することを特徴とする請求項３記載のエンジンの吸気系に用いられる制御弁の制御装置。
  5. 前記制御手段は、前記エンジンの運転状態に応じて決まるパラメータθと、前記目標開度との関係を表す関数を保持し、前記パラメータθによって前記目標開度を決定するものであって、
    前記関数にヒステリシスを持たせたことを特徴とする請求項１記載のエンジンの吸気系に用いられる制御弁の制御装置。
  6. エンジンの運転状態に応じて、エンジンへの吸気量の制御を行うスロットル弁又はＥＧＲ量の制御を行うＥＧＲ弁である吸気系に用いられる制御弁の目標開度を決定し、該目標開度に一致するように前記吸気系に用いられる制御弁の開度調整を行うエンジンの吸気系に用いられる制御弁の制御方法において、
    前記目標開度が一定時間以上同一のまま維持された場合に、前記目標開度を、前記エンジンの運転状態に応じて決定される目標開度から経時的に変化させて、前記吸気系に用いられる制御弁の故障防止及び故障検知をするとともに、
    前記目標開度が前記一定時間以上同一のまま保持されず、前記目標開度が、前記吸気系に用いられる制御弁の開度が変わっても吸気量又はＥＧＲ量への影響がない不感帯領域の範囲内にある場合に、前記目標開度を強制的に前記不感帯領域の範囲内で一定に固定することを特徴とするエンジンの吸気系に用いられる制御弁の制御方法。
  7. 前記目標開度を、前記不感帯領域の範囲内で、経時的に変化させることを特徴とする請求項６記載のエンジンの吸気系に用いられる制御弁の制御方法。
  8. 前記目標開度を経時的に変化させる際に、前記目標開度と前記吸気系に用いられる制御弁の実際の開度との差が所定の許容値以上となる時間が、所定の許容時間以上継続した場合には、前記吸気系に用いられる制御弁が故障したと判断することを特徴とする請求項６又は７記載のエンジンの吸気系に用いられる制御弁の制御方法。
  9. 前記目標開度を経時的に変化させる際に、前記目標開度と前記吸気系に用いられる制御弁の実際の開度との差が所定の許容値以上となった場合には、前記目標開度を変化させずに保持することを特徴とする請求項８記載のエンジンの吸気系に用いられる制御弁の制御方法。
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