JP2004100519A

JP2004100519A - エンジンシステムの異常検出装置

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Publication number: JP2004100519A
Application number: JP2002261729A
Authority: JP
Inventors: Shigemasa Hirooka; 広岡　重正
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】内燃機関に二次空気供給装置を搭載したエンジンシステムにおいて、二次空気供給装置に発生する異常を高い精度で検出することのできる異常検出装置を提供する。
【解決手段】二次空気供給系４０は、エンジン１の外部から取り入れた空気を二次空気として各排気ポートに供給する機能を備える。電動式エアポンプ４１は、ＥＣＵ５０の指令信号に基づいて作動し、導入通路４２を通じて吸気管２１の途中（スロットル弁２４の上流で、且つ、エアクリーナ２５の下流にあたる部位）から空気を吸入し、圧送通路４３を通じて主供給管４４に圧送する。主供給管４４に圧送された空気は、４本の分配管４５を通じて各排気ポート３１に供給される。ＥＣＵ５０は、二次空気の供給時、エンジン１の回転変動に基づく診断により失火が起こっていないと認めた上で、圧送通路４３に設けられた圧力センサ６６の検出信号の波形に基づき、各分配管４５の詰まりを検出する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、排気系に二次空気を供給する装置を備えたエンジンシステムの異常を検出する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のエンジンシステムは、空気を圧送するエアポンプと、エアポンプにより圧送される空気を移送する空気通路と、空気通路の途中に設けられた制御弁と、空気通路が制御弁下流で分岐して形成された分配通路とからなる二次空気供給装置を内燃機関に搭載したものである。
【０００３】
内燃機関では、機関始動時等、その温度が十分に高くなっていない条件下で（冷間時に）運転を行う場合、機関燃焼に供される燃料の量を増量し（機関燃焼に供する混合気をリッチ化し）、機関燃焼の安定化や暖機の促進を図る。ところが、機関燃焼に供する混合気をリッチ化すれば、排気中の未燃燃料（ＨＣ、ＣＯ等）の量が増大することになる。しかも、このような燃料の増量が要求される条件下では、排気系に設けられた排気浄化用触媒の温度も低く、当該触媒が十分に活性化する温度（活性温度）に達していないのが通常である。
【０００４】
二次空気供給装置は、冷間始動時等、三元触媒の温度が活性温度に達していない条件下で機関燃焼に供する混合気をリッチ化する場合において、各燃焼室から排出された直後の排気ガスに二次空気を混入し、排気中に含まれる未燃燃料成分（ＨＣ、ＣＯ）の酸化反応を促す。これにより、排気浄化用触媒の上流において未燃燃料成分の浄化が促進され、またその反応熱によって当該触媒の活性化が早められる。
【０００５】
ところで、二次空気供給装置が正常に機能しているか否か、その作動状態を監視する手段として、空気通路内に圧力センサを設けてそのセンサ出力をモニタする方法が知られている（例えば、特開平９−１２５９４６号公報を参照）。二次空気供給装置の各構成要素が正常に機能している場合、圧力センサはエアポンプや制御弁の動作に対応する検出信号を出力する。例えば、制御弁を開いてエアポンプを作動すれば、エアポンプから圧送される空気の作用によって空気通路内の圧力値が上昇し、また、内燃機関から排出される排気ガスの作用（圧力脈動）によって空気通路内の圧力値が規則的に変動する。空気通路内におけるこのような圧力変化を観測し、その観測結果を評価することにより、二次空気供給装置の各構成要素の機能について、異常の有無を診断することができる。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１２５９４６号公報
【特許文献２】特開平９−２１３１２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、内燃機関から排出される排気ガスの圧力脈動は、その波形が内燃機関の燃焼状態や機関回転数等の影響を強く受ける。このため、空気通路内における圧力変化に基づき二次空気供給装置の各構成要素の異常の有無を判断する際、内燃機関の燃焼状態や不安定になっていたり、機関回転数が変動していると、各構成要素の異常の有無について、誤った判断をする懸念がある。
【０００８】
とくに、二次空気供給装置が正常に機能しているか否かを正確に判断するためには、当該装置を通じて排気系に二次空気が供給されている際に診断を行うことが望ましい。排気系への二次空気の供給は、機関温度が低い条件下、すなわち内燃機関の燃焼状態が不安定になる傾向の強い条件下で実行されることが多いため、二次空気供給装置が正常に機能しているか否かを正しく判断することが困難になっていた。
【０００９】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内燃機関に二次空気供給装置を搭載したエンジンシステムにおいて、二次空気供給装置に発生する異常を高い精度で検出することのできる異常診断装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、空気を圧送するエアポンプと、前記エアポンプにより圧送される空気を移送する空気通路と、前記空気通路の途中に設けられ該通路を開閉する制御弁と、前記空気通路が前記制御弁下流で分岐して形成された複数の通路であって、多気筒内燃機関の各気筒から排出される排気ガスの各通路に二次空気を分配供給する分配通路と、前記空気通路の前記制御弁上流において該空気通路内の圧力を検出する圧力検出手段とを備えたエンジンシステムに設けられた装置であって、前記内燃機関の着火状態を検出する着火状態検出手段と、前記検出される内燃機関の着火状態が正常である場合に、前記検出される圧力の推移波形の局所的な変化に基づいて前記分配通路内の詰まりに関するエンジンシステムの異常を検出する異常検出手段と、備えることを要旨とする。
【００１１】
ここで、二次空気とは、内燃機関の燃焼室において燃焼行程を経たガスに対して再度供給される空気を意味する。また、前記制御弁としては、前記空気通路の流路を択一的に開閉するものであってもよいし、当該流路の面積を多段階に、或いは無段階に調整するようなものであってもよい。
【００１２】
同構成によるように、空気を圧送するエアポンプと、前記エアポンプにより圧送される空気を移送する空気通路と、前記空気通路の途中に設けられ該通路を開閉する制御弁と、前記空気通路が前記制御弁下流で分岐して形成された複数の通路であって、多気筒内燃機関の各気筒から排出される排気ガスの各通路に二次空気を分配供給する分配通路とを備えたエンジンシステムは、前記内燃機関の排気系に二次空気を導入することにより、当該機関の排気特性を最適化する機能を有する。
【００１３】
とくに機関温度が比較的低い条件下（冷間時）において、機関始動の直後（暖機期間）には、機関燃焼のために供給される燃料の増量に伴い当該燃料の未燃成分が排気系に多量に排出されるため、排気系に導入される二次空気は、そのような未燃成分の酸化を促す点において極めて効果的に作用する。
【００１４】
ここで、前記内燃機関の各気筒から排出される排気ガスの圧力脈動は、前記空気通路内に伝播し、前記空気通路内に規則的な圧力変動を生じさせる。このため、前記分配通路に詰まりが発生した場合には、その影響が前記空気通路内の規則的な圧力変動に及ぶ。すなわち、前記空気通路内の圧力変動を観測することで、前記分配通路内に発生する詰まりを検出することができる。
【００１５】
しかし、冷間時には機関燃焼が不安定になりやすいため、失火も生じ易い。機関燃焼の不安定や失火もまた、排気の圧力脈動の伝搬を通じて、前記空気通路内における規則的な圧力脈動へ影響を及ぼすことになる。
【００１６】
上記構成によれば、圧力検出手段を通じて取得される情報と着火状態検出手段を通じて取得される情報とを考量することにより、機関燃焼の不安定や失火に起因する圧力変動と、前記分配通路の詰まりに起因する圧力変動とを正しく判別することができる。
【００１７】
よって、前記分配通路内に発生する詰まりを高い精度で検出することができるようになる。
【００１８】
また、前記着火状態検出手段は、前記内燃機関の各気筒について着火状態を検出し、且つ、前記異常検出手段は、前記検出される内燃機関の着火状態が正常である気筒について、当該気筒から排出される排気ガスの通路に空気を供給する分配通路内の詰まりに関するエンジンシステムの異常を検出するのが好ましい。
【００１９】
同構成によれば、着火の認められた気筒から排出される排気ガスの圧力脈動の影響を最も受けやすい分配通路について、当該通路の詰まりに関する異常を検出することになる。よって、一層高い検出精度を補償することができるようになる。
【００２０】
また、前記内燃機関の機関回転数を検出する回転数検出手段と、前記分配通路内の詰まりが検出される場合に、各気筒から排出される排気ガスの圧力が、前記空気通路内の圧力の検出部位における圧力変動に反映されるまでの応答遅れ時間を、前記検出される機関回転数に基づいて推定し、該推定される応答遅れ時間に基づいて、詰まりの生じている分配通路を特定する異常通路特定手段と、を備えるのが好ましい。
【００２１】
同構成によれば、何れの気筒から排出された排気ガスの圧力波が前記圧力検出手段を通じて検出されたのかを、確実に識別することができる。よって、着火の認められた気筒から排出される排気ガスの圧力脈動の影響を最も受けやすい分配通路について、当該通路の詰まりに関する異常を検出する上で、詰まりの生じている分配通路を確実に特定することができるようになる。
【００２２】
なお、上記各構成は、可能な限り組み合わせて採用し得る。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施の形態について説明する。
〔エンジンの基本構成〕
図１に示すように、ガソリンエンジンシステム（以下、エンジンと称する）１は、直列配置された４つの燃焼室（気筒）１１を形成するエンジン本体（内燃機関）１０の他、吸気系２０、排気系３０、二次空気供給系４０及び電子制御装置（以下、ＥＣＵと称する）５０等を主要部として構成される。
【００２４】
エンジン本体１０は、シリンダブロックおよびシリンダヘッドを外郭部材とし、直列する４つの燃焼室１１を内部に備える。シリンダヘッドには、各燃焼室１１に空気及び燃料の混合気を導入するための吸気ポート２３と、各燃焼室１１から排気ガスを排出するための排気ポート３１とが形成されている。各燃焼室１１に対応する吸気ポート２３には燃料噴射弁１２が備えられている。燃料噴射弁１２は、その内部に電磁ソレノイド（図示略）を備えた電磁弁であり、ＥＣＵ５０の指令信号に応じて適宜開弁し、燃焼室１１内に燃料を噴射供給する。
【００２５】
吸気系２０は、各燃焼室１１に導入される吸入空気の通路（吸気通路）をなし、空気流路の上流から下流にかけて、吸気管２１、吸気マニホールド２２及び吸気ポート２３が順次連結されて形成される。
【００２６】
吸気管２１に設けられたスロットル弁２４は、ＥＣＵ５０の指令信号に応じてその開度を変更し、吸入空気の流路面積（流量）を調整する電子制御式のバタフライ弁である。スロットル弁２４の開度は、アクセルペダル（図示略）の踏込量に、エンジン１の運転状態を反映する各種パラメータを加味して決定される。同じく吸気管２１において、スロットル弁２４の上流に設けられたエアクリーナ２５は、吸入空気に含まれる埃等を除去するフィルタである。
【００２７】
排気系３０は、各燃焼室１１から排出される排気ガスの通路（排気通路）をなし、排気流路の上流から下流にかけて、排気ポート３１、排気マニホールド３２及び排気管３３が順次連結されて形成される。排気管３３には、触媒ケーシング３４が設けられている。触媒ケーシング３４は、排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する機能を備えた周知の三元触媒を内蔵する。
【００２８】
二次空気供給系４０は、エンジン１の外部から取り入れた空気を二次空気として各排気ポート３１に供給する機能を備える。電動式エアポンプ（以下、エアポンプと称する）４１は、ＥＣＵ５０の指令信号に基づいて作動し、導入通路４２を通じて吸気管２１の途中（スロットル弁２４の上流で、且つ、エアクリーナ２５の下流にあたる部位）から空気を吸入し、圧送通路４３を通じて主供給管４４に圧送する。主供給管４４に圧送された空気は、４本の分配管４５を通じて排気ポート３１に供給される。
【００２９】
圧送通路４３及び主供給管４４の連結部位には、圧送通路４３及び主供給管４４の間を流れる空気の流路を開閉する二次空気制御弁４６が設けられている。
【００３０】
二次空気制御弁４６の内部には、ダイアフラム４６ａ及びこのダイアフラム４６ａの変形によって動作する弁体４６ｂが設けられている。弁体４６ｂは、ダイアフラム４６ａが変形した場合にのみ圧送通路４３及び主供給管４４の間を流れる空気の流路を解放する。また、二次空気制御弁４６には、吸気系２０において発生する負圧（吸引力）をダイアフラム４６ａに作用させるための負圧通路４７が接続されている。負圧通路４７は、吸気マニホールド２２及び二次空気制御弁４６の間を連絡し、吸気マニホールド２２の側から二次空気制御弁４６の側に向かって、その通路途中に、逆止弁４７ａ、負圧タンク４７ｂ及び負圧制御弁４７ｃを順次備える。逆止弁４７ａは、負圧タンク４７ｂから吸気マニホールド２２に向かう空気の流れのみを許容し、吸気マニホールド２２から負圧タンク４７ｂに向かう空気の流れを規制する。負圧タンク４７ｂは、その内部を大気圧よりも低いガス圧に保持し得る耐圧性の容器である。負圧制御弁４７ｃは、電磁駆動式の開閉弁である。負圧制御弁４７ｃは、通常は閉弁状態にあるが、ＥＣＵ５０の指令信号に応じて適宜開弁する。
【００３１】
エンジン１の運転中、吸気マニホールド２２内に負圧が発生するため、負圧タンク４７ｂ内の圧力が低下し、大気圧を下回る（負圧に保持される）。このような条件下でＥＣＵ５０が負圧制御弁４７ｃを開くと、負圧タンク４７ｂ内の負圧（吸引力）が二次空気制御弁４６内のダイアフラム４６ａを変形させる。このダイアフラム４６ａの変形によって弁体４６ｂが動作し、圧送通路４３及び主供給管４４の間を流れる空気の流路を解放する。このときエアポンプ４１を作動させると、エンジン１外部から導入された空気（二次空気）がエアポンプ４１から主供給管４４に圧送され、分配管４５を通じて排気ポート３１に供給される。
【００３２】
また、エンジン１の各部位には、各種センサ６１〜６６が取り付けられており、当該部位の環境条件や、エンジン１の運転状態に関する信号を出力する。例えば、吸気管に設けられたエアフロメータ６１は、吸入空気の流量（吸気量）に応じた検出信号を出力する。スロットル開度センサ６２はスロットル弁２４に取り付けられ、同弁２４の開度に応じた検出信号を出力する。クランク角センサ６３は、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力する。また排気管３３の触媒ケーシング３４上流及び下流に設けられた酸素濃度センサ６４，６５は、各々の配設部位において排気中の酸素濃度に応じ連続的に変化する検出信号を出力する。酸素濃度センサ６４，６５の検出信号は、機関燃焼に供される混合気の空燃比を反映し、排気中の酸化成分（酸素（Ｏ_２）等）と還元成分（炭化水素（ＨＣ）等）の量を直接的に示す指標となる。また、圧力センサ６６は、二次空気供給系４０における圧送通路４３内の圧力Ｐに応じた検出信号を出力する。これら各センサ６１〜６６は、ＥＣＵ５０と電気的に接続されている。
【００３３】
ＥＣＵ５０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、バックアップＲＡＭ及びタイマーカウンタ等の他、Ａ／Ｄ変換器を含む外部入力回路や、外部出力回路等を備える。ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ及びタイマカウンタ等と、外部入力回路や外部出力回路等とは、双方向性バスにより接続され、全体として論理演算回路を構成する。
【００３４】
このように構成されたＥＣＵ５０は、上記各種センサ６１〜６６の検出信号に基づき、燃料噴射弁１２の開閉弁動作を通じて各吸気ポート２３に燃料を噴射供給する制御（燃料噴射制御）や、負圧制御弁４７ｃの開閉弁動作及びエアポンプ４１の駆動を通じて各排気ポート３１に二次空気を供給する制御（二次空気供給制御）等、エンジン１の運転状態に関する各種制御を実施する。
【００３５】
なお、上記のように構成されたＥＣＵ５０は、クランク角センサ６３や圧力センサ６６等と併せて本実施の形態にかかるエンジン１の異常検出装置を構成する。
〔二次空気供給制御〕
次に、二次空気供給制御について、詳しく説明する。
【００３６】
エンジン１では、機関始動時等、エンジン本体１０の温度が十分に高くなっていない条件下で（冷間時に）機関運転を行う場合、燃料噴射弁１２を通じて燃焼室１１内に供給する燃料の量を増量し（機関燃焼に供する混合気をリッチ化し）、機関燃焼の安定化や暖機の促進を図る。ところが、機関燃焼に供する混合気をリッチ化すれば、排気中の未燃燃料（ＨＣ、ＣＯ等）の量が増大することになる。しかも、このような燃料の増量が要求される条件下では、排気系３０に設けられた三元触媒の温度も低く、当該触媒が十分に活性化する温度（活性温度）に達していないのが通常である。
【００３７】
このためエンジン１では、冷間始動時等、三元触媒の温度が活性温度に達していない条件下で機関燃焼に供する混合気をリッチ化する場合には、二次空気供給制御を実施することにより、各燃焼室１１から排出された直後の排気ガスに空気を混入し、排気中に含まれる未燃燃料成分（ＨＣ、ＣＯ）の酸化反応を促す。これにより、三元触媒の上流において未燃燃料成分の浄化が促進され、またその反応熱によって三元触媒の活性化が早められる。
【００３８】
図２は、二次空気供給系４０を構成する二次空気制御弁４６、負圧制御弁４７ｃ及びエアポンプ４１の機能を概略的に説明する模式図である。
【００３９】
二次空気制御弁４６の内部は、３つの空間Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に区画されている。第１空間Ｓ１は負圧通路４７に、第２空間Ｓ２は圧送通路４３に、第３空間Ｓ３は主供給管４４に各々連通している。第１空間Ｓ１及び第２空間の間を仕切るダイアフラム４６ａは、弁体４６ｂと一体に形成されている。また、第２空間Ｓ２及び第３空間Ｓ３の境界には、両空間Ｓ２，Ｓ３を相互に連通させる連通孔４６ｄが設けられている。第１空間Ｓ１側に収容されたスプリング４６ｃは、弁体４６ｂが連通孔４６ｄを塞ぐように、ダイアフラム４６ａを第２空間Ｓ２側に付勢する。
【００４０】
このため、図２（ａ）に示すように、負圧制御弁４７ｃが閉弁状態にある場合、第２空間Ｓ２（圧送通路４３）及び第３空間Ｓ３（主供給管４４）は相互に遮断される。
【００４１】
他方、図２（ｂ）に示すように、負圧制御弁４７ｃが開弁状態にある場合、第１空間Ｓ１内が負圧になることで（大気圧を下回ることで）、ダイアフラム４６ａを第１空間Ｓ１側に吸引する力が発生する。そして、このダイアフラム４６ａを第１空間Ｓ１側に吸引する力がスプリング４６ｃの付勢力を上回り、弁体４６ｂが連通孔４６ｄから離間する。この結果、第２空間Ｓ２（圧送通路４３）及び第３空間Ｓ３（主供給管４４）が相互に連通するようになる。二次空気供給制御の実施に際しては、ＥＣＵ５０の指令信号に基づき負圧制御弁４７ｃの開弁とエアポンプ４１の作動とが同時に行われることで、エアポンプ４１から圧送される空気が圧送通路４３から主供給管４４へ移送され、さらに各分配管４５を通じて各排気ポート３１に供給される。
【００４２】
なお、第３空間Ｓ３に設けられたリード弁４６ｅは、第２空間Ｓ２から第３空間Ｓ３を経て主供給管４４に向かう空気の流れを許容する一方、主供給管４４から第３空間Ｓ３を経て第２空間Ｓ２へ向かう空気の流れを規制する。何らかの理由で弁体４６ｂが連通孔４６ｄから離間したまま固着したような場合、このリード弁４６ｅが、主供給管４４から圧送通路４３へのガスの逆流を防止する（図２（ｃ））。
〔二次空気供給系の異常診断〕
ＥＣＵ５０は、圧力センサ６６の検出信号に基づいて圧送通路４３内の圧力推移をモニタし、この圧力推移に基づいて二次空気供給系４０の異常の有無を診断する。
【００４３】
図３（ａ）及び図３（ｂ）には、負圧制御弁４７ｃやエアポンプ４１への通電状態に応じて異なる圧送通路４３内の圧力推移を示す。
【００４４】
例えば図３（ａ）には、負圧制御弁４７ｃが閉じている条件下で、エアポンプ４１を作動させた場合と、停止させた場合とに観測される圧送通路内の圧力推移の違いを示す。負圧制御弁４７ｃを閉弁状態にしておくと、二次空気制御弁４６内の第２空間Ｓ２及び第３空間Ｓ３が相互に遮断されるため（図２（ａ）参照）、排気ポート３１内で発生する排気の圧力脈動が圧送通路４３にまで伝播することはない。このような条件下でエアポンプ４１が作動すると、圧送通路４３内の圧力Ｐは初期値Ｐ０から所定値Ｐ１まで上昇し、この値Ｐ１を保持する。ここで、エアポンプ４１が正常に機能していなかったり、機能低下をきたしている場合、エアポンプ４１への通電が行われているにもかかわらず、圧送通路４３内の圧力Ｐが初期値Ｐ０から変化しなかったり、所定値Ｐ１を下回る値までしか上昇しないことになる。ＥＣＵ５０は、このような圧力推移の異常から、エアポンプ４１の不具合を診断することができる。
【００４５】
また、図３（ｂ）には、二次空気供給系４０が正常に機能している場合に観測される圧送通路４３内の圧力推移の一例を示す。二次空気供給制御の実施中には、負圧制御弁４７ｃが開弁状態になるため、二次空気制御弁４６内の第２空間Ｓ２及び第３空間Ｓ３が連通する（図２（ｂ）参照）。また、エアポンプ４１が作動することにより、空気が圧送通路４３から主供給管４４に向かって流動するためリード弁４６ｅも開弁状態になる（図２（ｂ）参照）。この結果、圧送通路４３及び主供給管４４が相互に連通し、排気ポート３１内で発生する排気の圧力脈動が圧送通路４３まで伝播する。このため、二次空気供給制御の実施中、負圧制御弁４７ｃ、二次空気制御弁４６及びエアポンプ４１等の各種部材が正常に機能していれば、図３（ｂ）中において実線で示すように、所定値（平均値）Ｐｍを変動幅の中心とする規則的な圧力変動が圧送通路４３内において観測される。
【００４６】
このように、エンジン１のＥＣＵ５０は、負圧制御弁４７ｃを開弁させる指令信号を出力するか否かといった選択、また、エアポンプ４１を作動させる指令信号を出力するか否かといった選択を適宜組み合わせて行いつつ、圧送通路４３内の圧力推移を観測することで、二次空気供給系４０の機能について異常発生の有無を診断する。
〔分配管の詰まり検出〕
以下、圧力センサ６６の検出信号を利用して行う二次空気供給系４０の機能の診断内容のうち、特に、分配管の詰まり検出について詳述する。
【００４７】
図４（ａ）は、二次空気供給制御の実施期間中における圧送通路４３内の圧力推移であって、とくに、特定の分配管４５について、詰まりが生じていない場合（正常な場合）の圧力推移と、詰まりが生じている場合（異常が発生した場合）の圧力推移とを比較すべく、両者を併せ示すタイムチャートである。
【００４８】
上述したように、二次空気供給制御の実施期間中、エンジン１の機関燃焼が正常に行われていれば、所定値（平均値）Ｐｍを変動幅の中心とする規則的な圧力変動が圧送通路４３内において観測される。ところが、煤等によって特定の分配管が詰まると、詰まった分配管においては、排気の圧力脈動が伝播し難くなる。各分配管４５は各々対応する排気ポート３１に接続されているため、本来、各排気ポート３１から４本の分配管４５を通じて順次圧送通路４３に伝播する圧力脈動のうち、詰まった分配管に接続された排気ポート３１内の圧力脈動のみが伝播し難くなる。
【００４９】
この結果、タイムチャート上で、本来所定レベルを上回る極大値が順次に出現すべきところ（実線）、例えば時刻ｔＡ〜時刻ｔＢの期間において示すように、詰まりの生じた分配管を通じて伝播する圧力脈動が反映される期間においてのみ、比較的小さな極大値が出現するのみであったり（一点鎖線）、極大値が出現しない（二点鎖線）といった現象が起きる。
【００５０】
なお、各々の気筒（燃焼室１１）内における点火タイミング（燃焼行程の始期）や排気バルブの開弁タイミング（排気行程の始期）は、点火プラグへの通電タイミングや、クランク角センサ６３の検出信号等に基づいて正確に把握することができる。また、各燃焼室１１で発生する排気脈動が、圧力変動として圧力センサ６６の設置部位まで伝播するのに要する時間（応答遅れ時間）も、実験等によって予め求めることができる。すなわち、個々の気筒について、排気行程を含む所定期間中の圧力推移を観測し、この所定期間中における圧力推移（変動）の波形を分析すれば、各分配管４５における詰まりを検出することができる。
【００５１】
ところで、圧力通路４３に伝播する排気の圧力脈動に影響を及ぼす要素として、上記「分配管４５の詰まり」の他、「エンジン１の失火」がある。
【００５２】
図４（ｂ）は、二次空気供給制御の実施期間中における圧送通路４３内の圧力推移であって、とくにエンジン１の特定気筒について、正常に機関燃焼が行われている場合の圧力推移と失火が起こった場合の圧力推移とを比較すべく、両者を併せ示すタイムチャートである。
【００５３】
エンジン１を構成する４つの気筒（燃焼室１１）のうち何れかが失火すると、特定の分配管４５に詰まりが生じた場合と同じく、タイムチャート上で、本来所定レベルを上回る極大値が順次に出現すべきところ（実線）、例えば時刻ｔＡ〜時刻ｔＢの期間において示すように、失火の起こった気筒で発生すべき圧力脈動が反映される期間においてのみ、比較的小さな極大値が出現するのみであったり（一点鎖線）、極大値が出現しない（二点鎖線）といった現象が起きる。
【００５４】
このように、「分配管４５の詰まり」が生じた場合と、「エンジン１の失火」が生じた場合とでは、タイムチャート上において圧送通路４３内の圧力推移に現れる変化が相互に類似するため、両者を判別することは容易でない。
【００５５】
しかし、エンジン１に失火はエンジン回転数ＮＥに不測の変動を引き起こすため、例えば、アクセルペダルの踏込動作の如き外的な要因が存在しない条件下で、且つ、エンジン回転数ＮＥが安定していれば（変動幅が所定範囲内に維持されていれば）、当該エンジン１の着火状態は良好であり、失火は起こっていないと判断することができる。
【００５６】
すなわち、失火が起こっていないことを確認できる条件下で、圧送通路４３内の圧力変動の波形を分析すれば、個々の分配管４５について、詰まりの有無を判断することができる。このような原理に基づき、ＥＣＵ５０は、二次空気供給制御の実施期間中、エンジン回転数ＮＥの変動から推定される失火発生の有無と、圧送通路４３内の圧力推移の波形から、個々の分配管４５について詰まりの検出を行う。
【００５７】
より具体的には、二次空気供給制御の実施中、図４（ａ）及び図４（ｂ）のタイムチャート上に示すような圧送通路４３内の圧力推移の波形から、特定の気筒（観測対象となる気筒）の燃焼行程や排気行程に対応する期間内において、圧送通路４３内の圧力Ｐが所定レベルを上回る期間（以下、排気圧伝播期間と称する）Ｔを計測する。そして、正圧伝播期間Ｔが所定の基準値Ｔ０を下回っている場合、当該観測対象となった気筒と連通する排気ポート３１に接続された分配管４５に「詰まり」が生じた可能性があると判断する。ここで、エンジン回転数ＮＥの推移に基づき、当該観測対象となった気筒に「失火」が起きていないと判断できる場合には、分配管４５に詰まりが生じている旨の診断を行う。
〔詰まり検出ルーチン〕
以下、分配管４５の詰まりを検出するための具体的な手順について、フローチャートを参照して説明する。
【００５８】
図５は、「分配管の詰まり検出」を行うための処理ルーチンを示すフローチャートである。このルーチンは、エンジン１の運転中、ＥＣＵ５０を通じて所定周期で繰り返し実行される。
【００５９】
このルーチンに処理が移行すると、ＥＣＵ５０は先ずステップＳ１０１において、二次空気供給制御が現在実施されているか否かを判断する。ちなみに、二次空気供給制御は、エンジン本体１０の温度が所定値を下回っている状態でエンジン１を始動した直後等、触媒ケーシング３４内の三元触媒が十分に活性していないにも関わらず、機関燃焼に供される燃料の増量が見込まれるような条件下で実施される。同ステップＳ１０１での判断が肯定である場合、ＥＣＵ５０はその処理をステップＳ１０２に移行し、その判断が否定である場合、本ルーチンを一旦抜ける。
【００６０】
ステップＳ１０２においてＥＣＵ５０は、現在のエンジン回転数ＮＥに基づき、各燃焼室１１で発生する排気脈動が圧力センサ６６の設置部位（圧力の検出部位）まで伝播するのに要する時間（応答遅れ時間）を予め設定されたマップを参照して認識する。
ここで、応答遅れ時間及びエンジン回転数ＮＥの関係として採用されるマップ上には、例えば図６に示すような関係が記憶される。
【００６１】
続くステップＳ１０３においては、ステップＳ１０３で認識した応答遅れ時間を加味して、圧送通路４３内で現在観測されている圧力変動が、何れの気筒から発生する排気脈動に起因するものかを判別する。この気筒判別に際しては、気筒判別カウンタなる回路を採用する。
【００６２】
図７は、燃焼室１１に近接する部位（排気ポート３１）で観測される排気脈動（図７（ａ））、圧送通路４３内で観測される圧力変動（図７（ｂ））、及び気筒判別カウンタのカウント値の変化（図７（ｃ））を、同一時間軸上に示すタイムチャートである。
【００６３】
気筒判別カウンタは、ＥＣＵ５０に包含される回路であって、個々の気筒（便宜上、気筒＃１，＃２，＃３，＃４と称して区別する）に対応する設定値を記憶する機能を備える。例えば、気筒＃１に起因する圧力変動が圧送通路４３内に生じる期間（以下、気筒＃１の対応期間という）として、当該気筒＃１のクランク角が圧縮上死点前α°（時刻ｔ０）〜排気上死点後β°（時刻ｔ１）までの期間中、ＥＣＵ５０は、気筒判別カウンタのカウント値を「１」に設定する（図７（ｃ））。
【００６４】
ここで、燃焼室１１に近接する部位（排気ポート３１）で観測される排気脈動（図７（ａ））と、圧送通路４３内で観測される圧力変動（図７（ｂ））との間の応答遅れは、時刻ｔ０′及びｔ０間にみられるような位相差となって現れる。
【００６５】
このためＥＣＵ５０は、この応答遅れ時間を考慮し、各気筒に対応する気筒判別カウンタの設定範囲（期間）を、その時々のエンジン回転数ＮＥに応じ適宜修正する。
【００６６】
例えば、図７（ａ）〜（ｃ）において、気筒＃１の対応期間として、時刻ｔ０′〜ｔ１′（破線）がエンジン回転数ＮＥの変動を加味しないで設定した期間であるとすれば、時刻ｔ０〜ｔ１は、本実施の形態によるように、エンジン回転数ＮＥの変動を加味して設定した期間に相当する。
【００６７】
ステップＳ１０４では、圧力センサ６６の検出信号と、その履歴に基づき、現時点に至るまでの所定期間における圧送通路４３内の圧力推移を認識する。
【００６８】
ステップＳ１０５においては、先のステップＳ１０３で認識した圧力推移について、平均値Ｐｍを算出する。なおＥＣＵ５０は、圧力センサ６６の検出信号に基づいて認識される圧力Ｐが上昇過程において平均値Ｐｍを上回った場合、これを始期として正圧伝播期間Ｔの計測を開始する。観測対象となっている気筒の燃焼状態が正常であれば、平均値Ｐｍを上回った圧力Ｐはその後も上昇を続け、極大値に至ったところで下降する。極大値に至った圧力Ｐがその後の下降過程において平均値Ｐｍを下回る時刻を、ＥＣＵ５０は、正圧伝播期間Ｔの終期として認識する。
【００６９】
ステップＳ１０６においては、現時点が分配管４５の詰まり検出を行うべきタイミングか否かを判断する。例えば、各気筒の対応期間の終期（図７における時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，・・・）を、分配管の詰まり検出を行うタイミングとして設定しておけばよい。
【００７０】
ステップＳ１０７では、今回の観測対象となった気筒の対応期間において、圧送通路４３内の圧力Ｐの推移に異常が認められる否かを判断する。具体的には、今回計測した正圧伝播期間Ｔが予め設定された基準値Ｔ０を上回っている場合、観測対象となった気筒の対応期間中、圧力推移は正常であると判断する。一方、正圧伝播期間Ｔが基準値Ｔ０以下である場合、圧力推移が異常であると判断する。圧力推移が異常であると判断した場合、ＥＣＵ５０はその処理をステップＳ１０８に移行する。一方、圧力推移は正常であると判断した場合、ＥＣＵ５０は本ルーチンを一旦抜ける。
【００７１】
ステップＳ１０９においては、気筒別詰まりカウンタのカウント値を更新する。ここで、気筒別詰まりカウンタはＥＣＵ５０に包含される回路である。上記ステップＳ１０８で詰まりが検出された場合（詰まりの疑いが認められた場合）、ＥＣＵ５０は、今回観測対象となった気筒（分配管）に対応する気筒別詰まりカウンタのカウント値を「１」インクリメントする。
【００７２】
例えば図８は、二次空気供給制御の実施中における圧送通路内の圧力推移（図８（ａ））と、気筒判別カウンタのカウント値の変化（図８（ｂ））とを同一時間軸上に示すタイムチャートの一例である。
【００７３】
両図８（ａ），（ｂ）を併せ参照すると、時刻ｔ１１〜ｔ１２（気筒＃２の対応期間）と、時刻ｔ１５〜ｔ１６（気筒＃２の対応期間）において、圧送通路４３内の圧力に局所的な落ち込み（失火）が認められる。結果として、このタイムチャート上での観測期間中には、気筒＃２に対応する気筒別詰まりカウンタのカウント値が「１」づつ２回インクリメントされることになる。
【００７４】
すなわち、ステップＳ１０９においてＥＣＵ５０は、上記ステップＳ１０８で更新した気筒別詰まりカウンタのカウント値に基づいて、各分配管４５の状態を診断する。例えば、特定の気筒に対応する分配管４５について所定回数以上、詰まりの疑いが認められた場合、ＥＣＵ５０は運転者に対し、その分配管４５に詰まりが生じている旨の通知を、警告ランプの点灯等を通じて行う。
【００７５】
ステップＳ１０９での処理を経た後、ＥＣＵ５０は本ルーチンを一旦抜ける。
【００７６】
このような手順に従い、ＥＣＵ５０は、二次空気供給制御の実施に併せて、個々の分配管４５の詰まりを検出する。
【００７７】
ここで、エンジン１の各気筒から排出される排気ガスの圧力脈動は、各気筒に近接する排気ポート３１から分配管４５、主供給管４４を通じて圧送通路４３に伝播し、圧送通路４３内に規則的な圧力変動を生じさせる。このため、何れかの分配通路４５に詰まりが発生した場合には、その影響が圧送通路４３内の規則的な圧力変動に及ぶ。すなわち、圧送通路４３内の圧力変動を観測することで、各分配通路４５内に発生する詰まりを分別して検出することができる。
【００７８】
しかし、冷間時には機関燃焼が不安定になりやすいため、失火も生じ易い。機関燃焼の不安定や失火もまた、排気の圧力脈動の伝搬を通じて、圧送通路４３内における規則的な圧力脈動へ影響を及ぼすことになる。
【００７９】
本実施の形態の異常検出装置によれば、圧力センサ６６を通じて取得される情報（圧力Ｐの変動）とクランク角センサ６３を通じて取得される情報（エンジン回転数ＮＥの変動）とを併せ考量することにより、機関燃焼の不安定や失火に起因する圧力変動と、分配通路４５の詰まりに起因する圧力変動とを正しく判別することができる。
【００８０】
よって、分配通路４５内に発生する詰まりを高い精度で検出することができるようになる。
【００８１】
さらに、本実施の形態では、その時々のエンジン回転数ＮＥに基づき、燃焼室１１内で発生した排気脈動が圧力センサ６６に達するまでの応答遅れ時間を正確に把握（推定）することにより、何れの気筒に対応する分配通路４５において詰まりが発生しているのかを正確に特定することができる。
【００８２】
なお、上記実施の形態では、クランク角センサ６３がエンジン１の各気筒について、失火の有無を検出する着火状態検出手段としての機能を担うことになる。しかしこれに限らず、例えば、各気筒での点火毎に点火プラグの端子に流れるイオン電流を検出する装置構成を着火状態検出手段として採用し、このイオン電流の発生の有無に基づき着火状態（着火／失火）を判断するようにしてもよい。
【００８３】
また、上記実施の形態では、エアポンプ４１から圧送される空気を排気ポート３１に供給するための通路を開閉する制御弁として、二次空気制御弁４６のように、吸気系２０で発生する負圧（吸引力）を必要に応じて利用することで、通路を開閉する構成を適用した。しかし、例えば二次空気制御弁４６に替え、ＥＣＵ５０等の指令信号に基づいて動作する電磁駆動式の制御弁を圧送通路４３と主供給管４４との間に設けるようにしてもよい。
【００８４】
また、上記実施の形態では、二次空気供給制御の実施期間中に圧力センサ６６の検出信号に基づく詰まり検出を行う実施態様を例示した。二次空気供給制御の実施期間は、エンジン１の回転変動等に基づく失火検出が困難になる一方、圧力センサ６６の検出信号を効果的に活用することができる代表的な機会に相当するからである。しかしこれに限らず、圧力センサ６６に排気系由来の圧力脈動が伝播される条件下であれば（或いはそのような条件を積極的に設定することにより）、二次空気供給制御の実施期間中以外であっても、圧力センサ６６の検出信号に基づく詰まり検出を実施し、本実施の形態に準ずる効果を奏することはできる。また、圧力センサ６６の検出信号に基づく失火検出を行うように、（冷間始動時に限ることなく）二次空気供給制御の実施機会を拡大してもよい。
【００８５】
また、上記実施の形態では、圧送通路４３内の圧力値が所定レベルを上回る期間（排気圧伝播期間）Ｔを計測し、排気圧伝播期間Ｔが所定の基準値Ｔ０を下回っている場合、圧送通路４３内の圧力推移が異常であると判断するようにした。しかしこれに限らず、圧力通路４３内の圧力推移の波形の異常を判別する他の基準を適用することもできる。例えば、所定期間内において観測される圧力推移の最小値と最大値との差が、所定値以下である場合、圧送通路４３内の圧力推移が異常である判断するようにしてもよい。
【００８６】
また、上記実施の形態では、ガソリンエンジンに本発明を適用することとしたが、例えばディーゼルエンジンに本発明を適用してもよい。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、二次空気供給機能を備えたエンジンシステムにおいて、二次空気の供給経路の詰まりを高い精度で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態にかかるエンジンの基本構成を示す略図。
【図２】二次空気制御弁の機能を模式的に示す略図。
【図３】負圧制御弁やエアポンプへの通電状態に応じて異なる圧送通路内の圧力推移を示すタイムチャート。
【図４】二次空気供給制御の実施期間中における圧送通路内の圧力推移を示すタイムチャート。
【図５】分配管の詰まりを検出するための手順を示すフローチャート。
【図６】マップ上における応答遅れ時間及びエンジン回転数の関係を示すグラフ。
【図７】排気ポートで観測される排気脈動、圧送通路内で観測される圧力変動、及び気筒判別カウンタのカウント値の変化を、同一時間軸上に示すタイムチャート。
【図８】二次空気供給制御の実施中における圧送通路内の圧力推移と、気筒判別カウンタのカウント値の変化とを同一時間軸上に示すタイムチャート。
【符号の説明】
１　エンジン
１０　エンジン本体
１１　燃焼室
１２　燃料噴射弁
２０　吸気系
２１　吸気管
２２　吸気マニホールド
２３　吸気ポート
２４　スロットル弁
２５　エアクリーナ
３０　排気系
３１　排気ポート
３３　排気管
３４　触媒ケーシング
４０　二次空気供給系
４１　エアポンプ
４２　導入通路
４３　圧送通路（空気通路）
４４　主供給管（空気通路）
４５　分配管（分配通路）
４６　二次空気制御弁
４６ａ　ダイアフラム
４６ｂ　弁体
４６ｃ　スプリング
４６ｄ　連通孔
４６ｅ　リード弁
４７　負圧通路
４７ａ　逆止弁
４７ｂ　負圧タンク
４７ｃ　負圧制御弁
６１　エアフロメータ
６２　スロットル開度センサ
６３　クランク角センサ
６４，６５　酸素濃度センサ
６６　圧力センサ
Ｓ１　第１空間
Ｓ２　第２空間
Ｓ３　第３空間

Claims

空気を圧送するエアポンプと、
前記エアポンプにより圧送される空気を移送する空気通路と、
前記空気通路の途中に設けられ該通路を開閉する制御弁と、
前記空気通路が前記制御弁下流で分岐して形成された複数の通路であって、多気筒内燃機関の各気筒から排出される排気ガスの各通路に二次空気を分配供給する分配通路と、
前記空気通路の前記制御弁上流において該空気通路内の圧力を検出する圧力検出手段とを備えたエンジンシステムに設けられ、
前記内燃機関の着火状態を検出する着火状態検出手段と、
前記検出される内燃機関の着火状態が正常である場合に、前記検出される圧力の推移波形の局所的な変化に基づいて前記分配通路内の詰まりに関するエンジンシステムの異常を検出する異常検出手段と、
を備えることを特徴とするエンジンシステムの異常検出装置。
前記着火状態検出手段は、前記内燃機関の各気筒について着火状態を検出し、且つ、
前記異常検出手段は、前記検出される内燃機関の着火状態が正常である気筒について、当該気筒から排出される排気ガスの通路に空気を供給する分配通路内の詰まりに関するエンジンシステムの異常を検出することを特徴とする請求項１記載のエンジンシステムの異常検出装置。
前記内燃機関の機関回転数を検出する回転数検出手段と、
前記分配通路内の詰まりが検出される場合に、各気筒から排出される排気ガスの圧力が、前記空気通路内の圧力の検出部位における圧力変動に反映されるまでの応答遅れ時間を、前記検出される機関回転数に基づいて推定し、該推定される応答遅れ時間に基づいて、詰まりの生じている分配通路を特定する異常通路特定手段と、
を備えることを特徴とする請求項２記載のエンジンシステムの異常検出装置。