JP4503506B2

JP4503506B2 - 内燃機関吸気系の異常検出装置

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Publication number: JP4503506B2
Application number: JP2005210723A
Authority: JP
Inventors: 光小田島
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-07-21
Filing date: 2005-07-21
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2025-07-21
Also published as: JP2007023977A

Description

本発明は、内燃機関の吸気通路及び該吸気通路内の圧力を検出する圧力検出装置を含む内燃機関吸気系の異常検出装置に関する。

特許文献１には、内燃機関の吸気圧を検出する吸気圧検出装置の異常を含む、吸気圧力にかかる異常を検出する装置が示されている。この装置によれば、機関の定常的な運転状態において、吸気圧検出装置により検出される吸気圧の学習値が算出、記憶され、この学習値と、検出吸気圧との差が所定値以上となったとき、吸気圧力にかかる異常、例えば吸気圧検出装置や吸気通路の異常が発生したと判定される。

特開平９−１１２３１６号公報

可変ベーンを有する可変容量型過給機を備えた内燃機関において、過給圧を検出し、検出過給圧が目標過給圧と一致するように、可変ベーンの開度を制御する場合には、過給圧を検出するセンサの異常を含む吸気系の異常があっても、過給圧が目標過給圧と一致するように制御されるため、上記特許文献１に示された手法では、異常を検出することができないか、あるいは異常検出を実行できる運転状態が非常に限定されたものとなる。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、可変容量型過給機を備える内燃機関の吸気系の異常を迅速かつ確実に検出することができる異常検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）の吸気通路（２）と、該吸気通路（２）内の圧力を検出する圧力検出装置（２２）とを含む内燃機関吸気系の異常検出装置において、前記機関（１）は吸入される空気を加圧するコンプレッサ（１６）と、該コンプレッサ（１６）に連結され、前記機関の排気の運動エネルギにより回転駆動されるタービン（１１）とを備え、前記圧力検出装置（２２）は、前記コンプレッサ（１６）の下流側に設けられており、大気圧（ＰＡ）を検出する大気圧センサと、前記タービンの下流側の排気温度（Ｔ４）を検出する排気温度センサと、前記機関の吸入空気流量（ＭＡ）を検出する吸入空気量流量センサと、前記吸入空気量流量（ＭＡ）に単位時間当たりの燃料噴射量（ＭＦ）を加算して得られる流量を、前記排気温度（Ｔ４）及び前記タービン下流側の排気圧（Ｐ４）に応じて体積流量に変換することにより、排気体積流量（ＱＥ）を算出する排気体積流量算出手段と、前記タービン（１１）のベーン開度（ＶＯ）及び前記排気体積流量（ＱＥ）に応じて設定されたマップを検索することにより、吸気圧基本値（ＰＢＥＳＴＢ）を算出し、該吸気圧基本値（ＰＢＥＳＴＢ）に前記大気圧（ＰＡ）を加算することにより、前記吸気通路内の前記コンプレッサ下流側の圧力推定値（ＰＢＥＳＴ）を算出する圧力推定手段と、前記圧力検出装置により検出された圧力検出値（ＰＢ）と、前記圧力推定手段により算出される圧力推定値（ＰＢＥＳＴ）との偏差（ＤＰＢ）が所定閾値（ＤＰＴＨ）以上のとき、前記吸気系が異常と判定する判定手段とを備えることを特徴とする。
ここで「吸気系の異常」は、前記圧力検出装置の異常、及び前記吸気通路の異常、前記タービンまたはコンプレッサの異常を含むものとする。

請求項１に記載の発明によれば、検出される吸入空気量流量に単位時間当たりの燃料噴射量を加算して得られる流量を、検出排気温度及びタービン下流側の排気圧に応じて体積流量に変換することにより、排気体積流量が算出され、タービンのベーン開度及び排気体積流量に応じて設定されたマップを検索することにより、吸気圧基本値が算出される。そして、吸気圧基本値に大気圧を加算することにより、吸気通路内のコンプレッサ下流側の圧力推定値が算出され、圧力検出装置により検出された圧力検出値と、圧力推定値との偏差が所定閾値以上のとき、吸気系が異常と判定される。すなわち、タービンのベーン開度及び排気体積流量に応じた圧力推定値と、圧力検出値と偏差に基づく異常判定が行われるので、例えば圧力検出値を目標値に収束させる制御を行っているような場合でも、異常検出が可能となり、可変容量型過給機を備える内燃機関吸気系の異常を迅速且つ確実に検出することができる。また、タービンのベーン開度及び排気体積流量に基づいて、圧力推定値が算出されるので、タービンのベーン開度及び排気流量に依存して変化する吸気通路内圧力を正確に推定することができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関と、その制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下「エンジン」という）１は、シリンダ内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒に燃料噴射弁９が設けられている。燃料噴射弁９は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）２０に電気的に接続されており、燃料噴射弁９の開弁時間及び開弁時期は、ＥＣＵ２０により制御される。

エンジン１は、吸気管２，排気管４、及びターボチャージャ８を備えている。ターボチャージャ８は、排気の運動エネルギにより回転駆動されるタービンホイール１０を有するタービン１１と、タービンホイール１０とシャフト１４を介して連結されたコンプレッサホイール１５を有するコンプレッサ１６とを備えている。コンプレッサホイール１５は、エンジン１に吸入される空気の加圧（圧縮）を行う。

タービン１１は、タービンホイール１０に吹き付けられる排気ガスの流量を変化させるべく開閉駆動される複数の可変ベーン１２（２個のみ図示）及び該可変ベーンを開閉駆動するアクチュエータ（図示せず）を有しており、可変ベーン１２の開度（以下「ベーン開度」という）ＶＯを変化させることにより、タービンホイール１０に吹き付けられる排気ガスの流量を変化させ、タービンホイール１０の回転速度を変更できるように構成されている。可変ベーン１２を駆動するアクチュエータは、ＥＣＵ２０に接続されており、ベーン開度ＶＯは、ＥＣＵ２０により制御される。より具体的には、ＥＣＵ２０は、デューティ比可変の制御信号をアクチュエータに供給し、これによってベーン開度ＶＯを制御する。なお、可変ベーンを有するターボチャージャの構成は広く知られており、例えば特開平１−２０８５０１号公報に示されている。

排気管４と吸気管２との間には、排気を吸気管２に環流する排気還流通路５が設けられている。排気還流通路５には、排気還流量を制御するための排気還流制御弁（以下「ＥＧＲ弁」という）６が設けられている。ＥＧＲ弁６は、ソレノイドを有する電磁弁であり、その弁開度はＥＣＵ２０により制御される。ＥＧＲ弁６には、その弁開度（弁リフト量）ＬＡＣＴを検出するリフトセンサ７が設けられており、その検出信号はＥＣＵ２０に供給される。排気還流通路５及びＥＧＲ弁６より、排気還流機構が構成される。

排気管４の、タービン１１の下流側には、排気ガス中に含まれる粒子状物質（主としてすすからなる）を捕集する粒子状物質フィルタ（以下「ＤＰＦ」という）１７と、排気中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを浄化する触媒コンバータ１８とが設けられている。

吸気管２には、吸入空気流量ＭＡを検出する吸入空気流量センサ２１、及びコンプレッサ１６の下流側の吸気圧（過給圧）ＰＢを検出する吸気圧センサ２２が設けられている。また、排気管４には、タービン１１の下流側であってＤＰＦ１７の上流側における排気温度Ｔ４を検出する排気温度センサ２３、及びＤＰＦ１７の上流側圧力と下流側圧力との差圧ＤＰＤＰＦを検出する差圧センサ２４が設けられている。さらに、タービン１１には可変ベーン１２の開度ＶＯを検出するベーン開度センサ２５が設けられている。これらのセンサ２１〜２５は、ＥＣＵ２０と接続されており、センサ２１〜２５の検出信号は、ＥＣＵ２０に供給される。

エンジン１により駆動される車両のアクセルペダル（図示せず）の踏み込み量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ２６、エンジン回転数（回転速度）ＮＥを検出するエンジン回転数センサ２７、及び大気圧ＰＡを検出する大気圧センサ２８、並びにエンジン１の吸気温ＴＡ及び冷却水温ＴＷを検出するセンサ（図示せず）が、ＥＣＵ２０に接続されており、これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ２０に供給される。

ＥＣＵ２０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、タービン１１の可変ベーン１２を駆動するアクチュエータ、燃料噴射弁９、ＥＧＲ弁６などに駆動信号を供給する出力回路等から構成される。

ＥＣＵ２０は、エンジン１の運転状態、具体的にはアクセルペダル操作量ＡＰ及びエンジン回転数ＮＥに応じて目標吸気圧ＰＢＣＭＤを算出し、検出される吸気圧ＰＢが目標吸気圧ＰＢＣＭＤと一致するようにベーン開度ＶＯの制御する過給圧制御を行う。またＥＣＵ２０は、アクセルペダル操作量ＡＰ及びエンジン回転数ＮＥに応じて燃料噴射弁９の開弁時間ＴＩＮＪを算出し、開弁時間ＴＩＮＪに応じた駆動信号を燃料噴射弁９に供給する。なお、開弁時間ＴＩＮＪは燃料噴射量にほぼ比例するので、以下の説明では「燃料噴射量ＴＩＮＪ」という。

ＥＣＵ２０は、アクセルペダル操作量ＡＰ及びエンジン回転数ＮＥに応じて、目標吸入空気流量ＭＡＣＭＤを設定し、目標吸入空気流量ＭＡＣＭＤ及び検出される吸入空気流量ＭＡに基づいて排気還流量を決定し、ＥＧＲ弁６のリフト量（開度）を制御する。

ＥＣＵ２０は、さらに図２に示す処理により、吸気圧センサ２２の異常を含むエンジン１の吸気系の異常の有無を判定し、異常が検出されたときは、例えば警告ランプ（図示せず）を点灯させる。ここで「吸気系の異常」は、吸気圧センサ２２の異常、吸気管２や排気還流通路５の孔あき、及びターボチャージャ８の動作不良を含むものとする。

図２のステップＳ１１では、異常判定の実行条件が成立しているか否かを判別する。判定実行条件は、例えばエンジン回転数ＮＥ、燃料噴射量ＴＩＮＪ，吸気温ＴＡ，エンジン水温ＴＷ、及び大気圧ＰＡが、所定範囲内にあるとき成立する。ステップＳ１１の答が否定（ＮＯ）であるときは直ちに本処理を終了する。

異常判定の実行条件が成立するときは、検出される吸入空気流量ＭＡ、排気温度Ｔ４（絶対温度に換算した値）を下記式（１）に適用し、排気流量（体積流量）ＱＥを算出する（ステップＳ１２）。
ＱＥ＝（ＭＡ＋ＭＦ）×Ｒ×Ｔ４／Ｐ４（１）
ここでＭＦは、燃料噴射量ＴＩＮＪを単位時間当たりの燃料噴射量に変換したものであり、Ｒは気体定数であり、Ｐ４は下記式（２）及び（３）により算出される、ＤＰＦ１２の上流側における排気圧である。
Ｐ４＝ＤＰＤＰＦ＋Ｐ５（２）
Ｐ５＝ＰＡ＋ＰＣＡＴＬ（３）

式（２）のＤＰＤＰＦは差圧センサ２４により検出される差圧であり、Ｐ５は、式（３）により算出されるＤＰＦ１７の下流側における排気圧である。排気圧Ｐ５は、大気圧ＰＡに、触媒コンバータ１８の圧力損失ＰＣＡＴＬを加算することにより算出される。圧力損失ＰＣＡＴＬは、エンジン回転数ＮＥ及び燃料噴射量ＭＦに応じて予め設定されているＰＣＡＴＬマップ（図示せず）を検索することにより、算出される。ＰＣＡＴＬマップは、エンジン回転数ＮＥが増加するほど、また燃料噴射量ＭＦが増加するほど、圧力損失ＰＣＡＴＬが増加するように設定されている。

ステップＳ１３では、可変ベーンの開度ＶＯを計測し、次いで下記式（４）により、吸気圧推定値ＰＢＥＳＴを算出する（ステップＳ１４）。
ＰＢＥＳＴ＝ＰＢＥＳＴＢ＋ＰＡ（４）
ここで、ＰＢＥＳＴＢは、ステップＳ１２で算出される排気流量ＱＥと、検出したベーン開度ＶＯとに応じて、ＰＢＥＳＴＢマップを検索することにより算出される吸気圧基本値であり、ＰＡは検出された大気圧である。ＰＢＥＳＴＢマップは、排気流量ＱＥが増加するほど、またベーン開度ＶＯが減少するほど、吸気圧基本値ＰＢＥＳＴＢが増加するように設定されている。

ステップＳ１５では、吸気圧推定値ＰＢＥＳＴ及び検出吸気圧ＰＢを下記式（５）に適用し、偏差ＤＰＢを算出する。
ＤＰＢ＝｜ＰＢＥＳＴ−ＰＢ｜（５）
ステップＳ１６では、偏差ＤＰＢが所定閾値ＤＰＴＨ（例えば１０〜２０ｋＰａ）以上であるか否かを判別し、この答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、吸気系の異常があると判定する（ステップＳ１７）。一方、偏差ＤＰＧが所定閾値ＤＰＴＨより小さいときは、吸気系は正常と判定する（ステップＳ１８）。

以上のように本実施形態では、検出したベーン開度ＶＯ及び式（１）により算出される排気流量ＱＥに基づいて、吸気圧推定値ＰＢＥＳＴが算出され、吸気圧センサ２２により検出された検出吸気圧ＰＢと、吸気圧推定値ＰＢＥＳＴとの偏差ＤＰＢが所定閾値ＤＰＴＨ以上のとき、吸気系が異常と判定される。すなわち、ベーン開度ＶＯ及び排気流量ＱＥの寄与度合が反映された吸気圧推定値ＰＢＥＳＴと、検出吸気圧ＰＢと偏差ＤＰＢに基づく異常判定が行われるので、例えば検出吸気圧ＰＢを目標吸気圧ＰＢＣＭＤに収束させる制御を行っているような場合でも、異常検出が可能となり、可変容量型ターボチャージャを備えるエンジンの吸気系の異常を迅速且つ確実に検出することができる。

また、ベーン開度ＶＯ及び排気流量ＱＥに基づいて、吸気圧推定値ＰＢＥＳＴが算出されるので、ベーン開度ＶＯ及び排気流量ＱＥに依存して変化する吸気圧を正確に推定することができる。

本実施形態では、吸気圧センサ２２が圧力検出装置に相当し、ＥＣＵ２０が圧力推定手段及び判定手段を構成する。具体的には、図２のステップＳ１２及びＳ１４が圧力推定手段に相当し、ステップＳ１５〜Ｓ１８が判定手段に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、タービン１１の状態量を示すパラメータとしてベーン開度ＶＯを用いたが、タービン１１の回転速度ＮＴＢを検出するセンサを設け、このセンサにより検出されるタービン回転速度ＮＴＢを、タービン１１の状態量を示すパラメータとして用いてもよい。

また上述した実施形態では、本発明をディーゼル内燃機関の吸気系の異常検出装置に適用したが、本発明はガソリン内燃機関の吸気系の異常検出装置にも適用可能である。
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの吸気系の異常検出装置にも適用が可能である。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。図１に示す内燃機関の吸気系の異常を検出する処理のフローチャートである。

符号の説明

１内燃機関
２吸気管
５排気還流通路
８ターボチャージャ
１１タービン
１６コンプレッサ
２０電子制御ユニット（圧力推定手段、判定手段）
２１吸入空気流量センサ
２２吸気圧センサ（圧力検出装置）
２３排気温度センサ
２４差圧センサ
２５ベーン開度センサ
２８大気圧センサ

Claims

内燃機関の吸気通路と、該吸気通路内の圧力を検出する圧力検出装置とを含む内燃機関吸気系の異常検出装置において、
前記機関は吸入される空気を加圧するコンプレッサと、該コンプレッサに連結され、前記機関の排気の運動エネルギにより回転駆動されるタービンとを備え、前記圧力検出装置は、前記コンプレッサの下流側に設けられており、
大気圧を検出する大気圧センサと、
前記タービンの下流側の排気温度を検出する排気温度センサと、
前記機関の吸入空気流量を検出する吸入空気量流量センサと、
前記吸入空気量流量に単位時間当たりの燃料噴射量を加算して得られる流量を、前記排気温度及び前記タービン下流側の排気圧に応じて体積流量に変換することにより、排気体積流量を算出する排気体積流量算出手段と、
前記タービンのベーン開度及び前記排気体積流量に応じて設定されたマップを検索することにより、吸気圧基本値を算出し、該吸気圧基本値に前記大気圧を加算することにより、前記吸気通路内の前記コンプレッサ下流側の圧力推定値を算出する圧力推定手段と、
前記圧力検出装置により検出された圧力検出値と、前記圧力推定手段により算出される圧力推定値との偏差が所定閾値以上のとき、前記吸気系が異常と判定する判定手段とを備えることを特徴とする内燃機関吸気系の異常検出装置。