JP5625745B2 - 弁停止機構故障検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、過給機と弁停止機構の両方を備える内燃機関において、弁停止機構の故障を検出する故障検出装置に関する。

内燃機関に過給機を備えることで、出力を向上する技術は広く知られている。近年、内燃機関をダウンサイジングすることで、燃費を向上させる一方、過給機を搭載することにより、減少した出力を補うことで、車両システムとして出力を確保しながら燃費を向上させる手法が採用されている。特許文献１に開示されている技術は、こうした過給機付きの内燃機関において、可変バルブタイミング機構を採用した場合に、過給圧に応じて吸排気弁の故障を判定するものである。

特開２００８−１９０４１０号公報

バルブタイミングの可変手段の一例として、例えば内燃機関の負荷が小さい場合に、燃料供給を停止し、あわせて吸排気弁の作動を停止する内燃機関が知られている。特許文献１には、燃料噴射量や吸入空気量が少ない場合、または過給圧が低い場合には故障判定しないように設定する旨記載されており、燃料供給を停止する場合には正確な故障判定を行うことができない。また、故障の有無は判定できるものの、故障している弁の個数まで判定することは困難である。

そこで本発明は、要求により燃料供給の停止と、弁停止とを行う機構を備える過給機付き内燃機関において、故障している弁の個数を判定できる弁停止機構故障検出装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明にかかる弁停止機構故障検出装置は、弁停止要求に応じて吸気弁または排気弁を閉弁保持する弁停止機構と、排気タービン式過給機とを備える内燃機関の弁停止機構故障検出装置において、弁停止状態と弁作動状態との切り換えタイミング以後の過給機回転状態を表すパラメータの変化速度に基づいて、故障した弁停止機構の個数を判定することを特徴とする。

ここで、過給機回転状態を表すパラメータとは、例えば、排気タービン式過給機のタービン回転数、電動ターボの発電量のほか、エンジン回転数の変化速度、車速の変化速度などが挙げられる。

弁停止状態から弁作動状態へと切り換えたタイミング以後の過給機回転状態を表すパラメータの変化速度に基づいて閉固着した弁停止機構の個数を検出するとよい。また、弁作動状態から弁停止状態へと切り換えたタイミング以後の過給機回転状態を表すパラメータの変化速度に基づいて開固着した弁停止機構の個数を検出するとよい。エンジン回転数または車速に応じて過給機回転状態を表すパラメータの変化速度と故障した弁停止機構との関係を変化させると好ましい。

弁停止要求がなされた場合、正常に弁が停止すれば、過給機の回転は速やかに停止するはずである。弁停止要求にもかかわらず、弁が開状態である場合には、過給機側に排気が漏洩するため、正常状態に比べて過給機の回転は停止せず、減速またはむしろ増速してしまう。この回転状態の正常時とのずれは、開故障している弁の個数が多いほど大きくなることから、そのずれに応じて開故障している弁の個数を判定することが可能である。一方、弁停止状態から弁作動へと切り換えられた場合には、本来、過給機側へと排気が流れることで、過給機も停止状態から回転状態へと移行することになるが、閉弁故障があると、回転状態への移行が遅れる。このずれは、閉故障している弁の個数が多いほど大きくなることから、そのずれに応じて閉故障している弁の個数を判定することが可能である。

本発明によれば、弁停止状態と弁作動状態との切り換えタイミング移行の過給機回転状態を表すパラメータの変化速度に基づいて過給機の回転状態の正常時とのずれを把握することにより、故障している弁の個数を精度よく判定することができる。

本発明にかかる弁停止機構検出装置を含む内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。 図１の装置における故障判定手法の一例を示すフローチャートである。 図２の判定時のタービン回転数の変化例を示すグラフである。 図１の装置における故障判定手法の別の例を示すフローチャートである。 図４の判定時のタービン回転数の変化例を示すグラフである。 図１の装置における故障判定手法のさらに別の例を示すフローチャートである。 図１の装置における故障判定手法のさらに別の例を示すフローチャートである。 図７の判定時のエンジン回転数の変化例を示すグラフである。 故障弁個数によるタービン回転数の変化の差異を説明するグラフである。 エンジン回転数、車速と空気量の関係を示すグラフである。 エンジン回転数、車速とタービン回転数の変化率の関係を示すグラフである。 エンジン回転数の違いによる故障弁個数によるタービン回転数の変化の差異を説明するグラフである。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。

図１に、本発明に係る弁停止機構の故障診断装置のブロック図を示す。本実施形態における当該故障診断装置は、エンジン（内燃機関）の制御を行うエンジン制御ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１の一部としてソフトウェアにより提供される。このエンジン制御ＥＣＵ１は、計算処理を行うＣＰＵ（CentralProcessing Unit）１０、記憶装置であるＲＡＭ(Randam Access Memory)１５、ＲＯＭ(Read only memory)１６から構成される。この故障診断装置をエンジン制御ＥＣＵ１から独立して設けてもよく、その他のＥＣＵと統合することも可能である。

ＣＰＵ１０には、フューエルカット要求・弁停止要求処理部１１、弁故障検出処理部１２、異常検出後処理部１３、ソレノイド駆動処理部１４を備える。これらの各処理部は、例えば、ＣＰＵ１０上で作動するソフトウェアによって実現されればよく、ソフトウェアはそれぞれ独立していなくとも一部を共有していてもよく、同一のプログラム内で機能を実現してもよい。

エンジン制御ＥＣＵ１には、クランク角度を検出するクランク角度センサ２１、アクセルペダルの操作量を検出するアクセル開度センサ２２、電動ターボ３０の発電量を検出する発電量センサ２４とその回転数を検出するタービン回転数センサ２５、エンジンの回転数を検出するエンジン回転数センサ２６の各出力が入力されている。電動ターボ３０は、ターボチャージャーのタービンにアシスト駆動用の電動モータを接続したものである。

一方、エンジン制御ＥＣＵ１は、各気筒の吸気弁、排気弁それぞれの作動を制御する吸気弁ソレノイド４１〜４４、排気弁ソレノイド５１〜５４と、燃料供給を行う各インジェクタ（図示せず。）に対する制御信号を出力する。

本発明にかかる故障診断装置が搭載された車両においては、減速時などにインジェクタによる燃料供給を停止（フューエルカット；Fuel Cut＝ＦＣ）し、同時に吸気弁ソレノイド４１〜４４、排気弁ソレノイド５１〜５４により吸排気弁を閉弁保持することで、気筒の運転を停止して、エンジンブレーキ力を確保するとともに、余分な燃料消費を抑え、燃費向上に寄与する。具体的には、フューエルカット要求・弁停止要求処理部１１が、クランク角度センサ２１、アクセル開度センサ２２の出力に基づいて弁停止要求の有無を判定し、ソレノイド駆動処理部１４に指示して各吸気弁ソレノイド４１〜４４、排気弁ソレノイド５１〜５４の作動を制御することで、弁の作動を停止させる。

吸排気弁を停止させるシステムが故障して、ＦＣ時に閉弁動作できなかった場合、触媒に低温の空気が流れ込むことによりその性能低下や触媒そのものの劣化を招くおそれがある。また燃費悪化の要因にもなる。一方、ＦＣからの復帰時に正常に弁が作動しない場合には、バックファイア等の障害を引き起こす可能性がある。そのため、弁停止機構の故障を早期にかつ確実に検出する必要がある。以下、本発明にかかる故障診断装置における弁停止機構の故障診断手法のいくつかを例示する。各診断手法は、ＣＰＵ１０によって実施されるものである。

図２は、故障診断手法の第１の実施例を示すフローチャートである。最初に、弁故障検出処理部１２は、タービン回転数センサ２５の出力からターボチャージャーの回転数Ｎ_Ｔを読み込む（ステップＳ１）。次に、ＦＣ開始から所定時間経過したか否かを判定する（ステップＳ２）。ＦＣ実行中でないか、ＦＣ開始から時間を経ていない場合には、その後の処理を行うことなく処理を終了する。一方、ＦＣ実行中で、かつ、ＦＣ開始から所定時間経過している場合には、ステップＳ３へと移行し、Ｎ_Ｔが０より明らかに大きいか否かにより、電動ターボ３０が回転中か否かを判定する。電動ターボ３０が回転中と判断した場合には、弁の開固着故障ありと判定し（ステップＳ４）、処理を終了する。一方、電動ターボ３０が回転していないと判断した場合には、弁の開固着はないと判定し（ステップＳ５）、処理を終了する。

図３は、ＦＣ開始前後の電動ターボ３０の回転数の変動推移を示したグラフである。弁停止機構が正常に作動して、ＦＣ開始後に弁を停止できた場合には、電動ターボ３０のタービン側へ排気が流れ込まなくことにより、タービンの回転数は徐々に低下して停止に至る。しかしながら、異常時には、弁が開固着している気筒から排気が流れ込むため、回転が遅くなっても停止には至らないか、むしろ回転数が増加してしまう。ここで、固着している弁が少ない場合には排気の流入が少ないため、タービン回転数は減少するが、固着している弁が多い場合には排気の流入が多いため、タービン回転数はむしろ増加してしまう。したがって、タービン回転数に基づいて開固着している弁（気筒）の個数を判別することができる（図９参照）。

ここでは、ＦＣ開始から十分な時間が経過して図３でタービン回転数がほぼ一定になった時点におけるその回転数を基に故障判定を行う例を説明したが、それ以前の変化している時点のタービン回転数の変化速度に基づいて判定を行うことも可能である。

図４は、故障診断手法の第２の実施例を示すフローチャートである。最初に、弁故障検出処理部１２は、タービン回転数センサ２５の出力からターボチャージャーの回転数Ｎ_Ｔを読み込む（ステップＳ１１）。次に、ＦＣ復帰から所定時間経過したか否かを判定する（ステップＳ１２）。ＦＣ実行中あるいはＦＣ復帰から時間を経ていない場合には、その後の処理を行うことなく処理を終了する。一方、ＦＣ実行中でなく、かつ、ＦＣ復帰から所定時間経過している場合には、ステップＳ１３へと移行し、Ｎ_Ｔを予め設定されている関数ｆ（ｔｘ）と比較する。ここで、ｔｘはＦＣ復帰からの経過時間であり、ｆ（ｔｘ）は、ＦＣ復帰後に増加すべきタービン回転数の故障しきい値である。Ｎ_Ｔがｆ（ｔｘ）より小さい場合には、正常な場合に比較してタービン回転数の増加が遅れていることから、弁の閉固着故障ありと判定し（ステップＳ１４）、処理を終了する。一方、Ｎ_Ｔがｆ（ｔｘ）以上の場合には、正常な場合に比較してタービン回転数の増加の遅れはないことから、弁の閉固着はないと判定し（ステップＳ１５）、処理を終了する。

図５は、ＦＣ復帰前後の電動ターボ３０の回転数の変動推移を示したグラフである。弁停止機構が正常に作動して、ＦＣ復帰後に弁作動を再開できた場合には、電動ターボ３０のタービン側へ排気が流入することにより、タービンの回転数は徐々に増加して定常回転数に達する。しかしながら、異常時には、弁が閉固着している気筒から排気が流れ込まないため、回転上昇が遅れてしまう。ここで、固着している弁が多いほど排気の流入が少ないため、タービン回転数の増加が遅れることになる。したがって、タービン回転数に基づいて閉固着している弁（気筒）の個数を判別することができる。ここでは、タービン回転数を基に故障判定を行う例を説明したが、第１の実施例と同様にタービン回転数の変化速度に基づいて判定を行うことも可能である。

図６は、故障診断手法の第３の実施例を示すフローチャートである。ここでは、ＦＣ中であっても必ずしも弁停止を行わず、電動ターボ３０を回生作動させることで、充電を行う場合を例に説明する。

最初に、弁故障検出処理部１２は、電動ターボ３０の状態を読み込む（ステップＳ２１）。電動ターボ３０の作動状態量としては、タービン回転数センサ２５の出力から読み込んだターボチャージャーの回転数Ｎ_Ｔや発電量センサ２４から読み込んだ発電量Ｗ等が挙げられる。次に、ＦＣ実行中か否かを判定する（ステップＳ２２）。ＦＣ実行中でない場合は、その後の処理を行うことなく処理を終了する。一方、ＦＣ実行中の場合には、ステップＳ２３へと移行し、弁停止要求中か否かを判定する。弁停止要求中の場合には、さらに、ステップＳ２４へと移行して電動ターボ３０が発電中か否かを判定する。

弁停止要求に応じて弁が正常に停止している場合には、排気がタービンへと流れないから、発電は行われないはずである。したがって、ステップＳ３４で電動ターボ３０が発電中していないと判断した場合には、ステップＳ２６へと移行し、弁固着なしと判定して処理を終了する。一方、ステップＳ３４で電動ターボ３０が発電中であると判断した場合には、電動ターボ３０へと排気が流出している場合であることから、ステップＳ２５へと移行して、弁開固着ありと判定する。

ＦＣ実行中で、弁停止要求中でない場合には、ステップＳ２７へと移行し、電動ターボ３０による発電量Ｗを、弁が正常に動作している場合に予想される発電量（予想発電量）と比較する。発電量Ｗが予想発電量以上である場合には、弁は正常に動作していると予想されるからステップＳ２６へと移行して弁固着なしと判定して処理を終了する。一方、発電量Ｗが予想発電量に達していない場合には、電動ターボ３０への排気の流入量が少ないと予想されることから、ステップＳ２８へと移行して弁の閉固着ありと判定する。

ここでは、発電量から故障の有無のみを判定する場合を説明したが、発電量に応じて固着している弁の個数を判断することが好ましい。

図７は、故障診断手法の第４の実施例を示すフローチャートである。この処理は、基本的に第２の実施例と同一であり、タービン回転数センサ２５の出力から読み込んだターボチャージャーの回転数Ｎ_Ｔに代えてエンジン回転数センサ２６の出力から読み込んだエンジン回転数Ｎ_Ｅを判定に用いるパラメータとした点である。

最初に、弁故障検出処理部１２は、エンジン回転数センサ２６の出力からエンジン回転数Ｎ_Ｅを読み込む（ステップＳ３１）。次に、ＦＣ復帰から所定時間経過したか否かを判定する（ステップＳ３２）。ＦＣ実行中あるいはＦＣ復帰から時間を経ていない場合には、その後の処理を行うことなく処理を終了する。一方、ＦＣ実行中でなく、かつ、ＦＣ復帰から所定時間経過している場合には、ステップＳ３３へと移行し、Ｎ_Ｅを予め設定されている関数ｇ（ｔｘ）と比較する。ここで、ｔｘはＦＣ復帰からの経過時間であり、ｇ（ｔｘ）は、ＦＣ復帰後に増加すべきエンジン回転数の故障しきい値である。Ｎ_Ｅがｇ（ｔｘ）より小さい場合には、正常な場合に比較してエンジン回転数の増加が遅れていることから、弁の閉固着故障ありと判定し（ステップＳ３４）、処理を終了する。一方、Ｎ_Ｅがｇ（ｔｘ）以上の場合には、正常な場合に比較してエンジン回転数の増加の遅れはないことから、弁の閉固着はないと判定し（ステップＳ３５）、処理を終了する。

図８は、ＦＣ復帰前後のエンジン回転数Ｎ_Ｅの変動推移を示したグラフである。弁停止機構が正常に作動して、ＦＣ復帰後に弁作動を再開できた場合には、電動ターボ３０のタービン側へ排気が流入することにより、タービンの回転数は徐々に増加して定常回転数に達する（図５参照）。この結果として、エンジンにより多くの燃料混合気を導入することができるため、エンジン回転数も増大する。異常時には、弁が閉固着している気筒から排気が流れ込まないため、電動ターボのタービンの回転上昇が遅れてしまうため、燃料混合気の導入量増加にも遅れがおき、結果的にエンジン回転数の増加も遅れてしまう。ここで、固着している弁が多いほど排気の流入が少ないため、タービン回転数の増加、ひいてはエンジン回転数の増加が遅れることになる。したがって、エンジン回転数に基づいて閉固着している弁（気筒）の個数を判別することができる。ここでは、エンジン回転数を基に故障判定を行う例を説明したが、車速、あるいはそれらの変化速度に基づいて判定を行うことも可能である。

ここで、図１０に示されるように、過給機作動状態での空気量は、エンジン回転数または車速が大きいほど多くなる。また、ＦＣ復帰後のタービン回転数Ｎ_Ｔの時間変化率（ｄＮ_Ｔ／ｄｔ）も図１１に示されるように、エンジン回転数または車速が大きいほど多くなる。そこで、正常作動時、各種弁故障時のこれらの関係を予めＲＯＭ１５等に記憶しておいて、実際の変化率をこれと比較することで、故障した弁の個数を判定するとよい。

図１２は、エンジン回転数の違いによるＦＣ復帰前後のタービン回転数の推移を比較して示す図である。図１２（ａ）は、エンジン回転数が低い場合、（ｂ）は、エンジン回転数がこれより高い場合を示している。エンジン回転数が高いほど単位時間あたりのターボチャージャーへ送られる空気量（排気量）が多くなるため、タービン回転数の増加も早くなる。いずれの場合においても閉固着している弁が多いほど増加が遅れる点は共通している。図に示される傾向に基づいて故障している弁の個数を精度よく検出することが可能である。

以上、述べたように、本発明にかかる故障診断装置によれば、弁停止状態から弁作動状態、あるいは、弁作動状態から弁停止状態への切り換えタイミング以後の過給機の回転状態に基づいて故障した弁停止機構の個数を検出することができる。過給機の回転状態は、過給機タービンの回転数、その変化速度、電動ターボの場合は、回生発電量、その変化速度から判定するほか、エンジンの回転数や変化速度、車速、加速度等からも判定することができる。

以上の説明では、過給機として電動ターボ３０を使用する場合を例に説明したが、アシスト機能を有しない通常のターボチャージャーを用いる車両においても本発明は適用可能である。

１…エンジン制御ＥＣＵ、１０…ＣＰＵ、１１…フューエルカット要求・弁停止要求処理部、１２…弁故障検出処理部、１３…異常検出後処理部、１４…ソレノイド駆動処理部、１５…ＲＯＭ、１６…ＲＡＭ、２１…クランク角度センサ、２２…アクセル開度センサ、２３…車速センサ、２４…発電量センサ、２５…タービン回転数センサ、２６…エンジン回転数センサ、３０…電動ターボ、４１〜４４…吸気弁ソレノイド、５１〜５４…排気弁ソレノイド。

Claims (8)

1. 弁停止要求に応じて吸気弁または排気弁を閉弁保持する弁停止機構と、排気タービン式過給機とを備える内燃機関の弁停止機構故障検出装置において、
   弁停止状態と弁作動状態との切り換えタイミング以後の過給機回転状態を表すパラメータの変化速度に基づいて、故障した弁停止機構の個数を判定することを特徴とする弁停止機構故障検出装置。
2. 弁停止状態から弁作動状態へと切り換えたタイミング以後の過給機回転状態を表すパラメータの変化速度に基づいて閉固着した弁停止機構の個数を検出することを特徴とする請求項１記載の弁停止機構故障検出装置。
3. 弁作動状態から弁停止状態へと切り換えたタイミング以後の過給機回転状態を表すパラメータの変化速度に基づいて開固着した弁停止機構の個数を検出することを特徴とする請求項１記載の弁停止機構故障検出装置。
4. エンジン回転数または車速に応じて過給機回転状態を表すパラメータの変化速度と故障した弁停止機構との関係を変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の弁停止機構故障検出装置。
5. 前記過給機回転状態を表すパラメータとは、タービン回転数である請求項１〜４のいずれかに記載の弁停止機構故障検出装置。
6. 前記過給機は、電動ターボであり、前記過給機回転状態を表すパラメータとは、電動ターボの回生発電量である請求項１〜４のいずれかに記載の弁停止機構故障検出装置。
7. 前記過給機回転状態を表すパラメータとは、エンジン回転数である請求項１〜４のいずれかに記載の弁停止機構故障検出装置。
8. 前記過給機回転状態を表すパラメータとは、車速または加速度である請求項１〜４のいずれかに記載の弁停止機構故障検出装置。

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