JP2006183611A

JP2006183611A - ２次空気供給装置の異常診断装置

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Publication number: JP2006183611A
Application number: JP2004380054A
Authority: JP
Inventors: Norifumi Kimura; 憲史木村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2006-07-13

Abstract

【課題】異常を正確に診断可能な２次空気供給装置の異常診断装置を提供する。
【解決手段】２次空気供給装置２００は、触媒１１２の上流側に設けられ、ＡＳＶ２１４が開状態のときに、エアポンプ２１０から圧送された２次空気を２次空気通路（第１空気通路２１２および第２空気通路２２０）を通じてエキゾーストマニホールド１１０に供給する。ＥＣＵ３００は、エキゾーストマニホールド１１０内の背圧が相対的に大きいときにプレッシャセンサ３０６で検出される２次空気通路圧力と、背圧が相対的に小さいときに検出される２次空気通路圧力との圧力差が所定の圧力差以下であることに基づいて、２次空気供給装置２００を異常と診断する。これにより、高負荷の運転条件時に起こり得る誤診断が回避される。
【選択図】図１

Description

この発明は、２次空気供給装置の異常診断装置に関し、特に、２次空気供給装置の異常を正確に診断可能な２次空気供給装置の異常診断装置に関する。

従来より、エンジンのエキゾーストマニホールドに、エアポンプから圧送された２次空気を供給して排気ガス中のＣＯおよびＨＣを燃やし、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏに化学変化させる２次空気供給装置が知られている。

具体的には、２次空気供給装置は、エアポンプを備え、三元触媒の配置位置の上流側において排気管に接続された２次空気通路を介して排気通路にエアを供給するとともに、２次空気通路に設けられ、２次空気通路を連通または遮断する開閉弁を介してエア供給を制御している。

このような２次空気供給装置においては、エアポンプや開閉弁に故障が生じると、排気ガスの浄化効率が低下することから、その異常を検出する必要がある。そこで、２次空気供給装置の異常診断手段として、たとえば特許文献１は、エアポンプと開閉弁との間に設けられ、２次空気通路の圧力を検出する圧力検出手段と、エアポンプの作動状態と圧力検出手段の出力とに基づいて、エアポンプおよび開閉弁の少なくともいずれかの異常を検出する異常検出手段とを備える２次空気供給系の異常検出装置を開示する。

これによれば、異常検出手段は、エアポンプを作動させたときの２次空気通路の圧力の検出値が、開閉弁の開弁圧力より高い第１の圧力以上のときにおいて、開閉弁の異常を検出する。また、エアポンプを作動させたときの２次空気通路の圧力の検出値が、開閉弁の開弁圧力よりも低い第２の圧力以下のときにおいて、エアポンプの異常を検出する。

また、特許文献２は、排気通路内の圧力（背圧）とエアポンプの吐出圧とによって定まる締切背圧に着目し、締切背圧近傍で流れる小流量の２次空気を検出することにより、２次空気の供給不能状態と２次空気の供給能力低下状態との双方を検知することができる２次空気供給装置を開示する。

これによれば、エアポンプから２次空気を吐出させたときに小流量の２次空気が流れる所定の背圧範囲内に診断領域を設定し、この診断領域に運転条件が適合したときにおいて、エアポンプから２次空気を吐出せしめ、排気通路内で２次空気が検出されるか否かにより、２次空気の供給不能状態と２次空気の供給能力低下状態とを検知する。
特開平９−２１３１２号公報特開平８−３１２３３７号公報

上述した従来の２次空気供給装置の異常診断手段は、いずれも、２次空気通路圧力に基づいて２次空気供給系の異常を診断するものである。

しかしながら、エンジンの運転条件や２次空気供給装置の構成部品の仕様によっては、２次空気供給系が正常であるときと、２次空気供給系が異常であるときとで、２次空気通路圧力が近似する場合がある。このような場合は、検出された２次空気通路圧力に基づいて、２次空気供給系の異常を正確に診断することが困難となり、誤診断が生じるおそれがある。

たとえば、エアポンプが正常に作動し、かつ開閉弁が開状態（正常状態に相当）であるときには、エンジンの運転条件が高負荷になるに従って、検出される２次空気通路圧力は、通常の検出値よりも相対的に大きくなる傾向を示す。

一方、エアポンプが作動状態であって、かつ開閉弁が閉故障しているときには、通常検出される２次空気通路圧力は、相対的に大きい値を示す。

したがって、運転条件が高負荷であるときにおいては、２次空気供給系の正常時と異常時とのいずれにおいても、２次空気通路圧力が相対的に大きいことから、２次空気供給系が故障しているか否かの判別が難しくなる。

詳細には、特許文献１に開示される異常検出手段によれば、２次空気通路圧力が第１の圧力以上であることに基づいて開閉弁の異常が検出されるが、運転条件が高負荷のときには、正常時であっても２次空気通路圧力が大きくなることから、正確に開閉弁の異常を検出することが困難となる。

また、特許文献２に開示される異常診断手段によれば、診断領域が相対的に低い排圧範囲内に設定されているため、背圧が増加する高負荷の運転条件においては、故障診断を行なうことができないという問題が生じる。

それゆえ、この発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、異常を正確に診断可能な２次空気供給装置の異常診断装置を提供することである。

この発明のある局面によれば、内燃機関の排気浄化装置の上流側に配され、内燃機関の排気系に２次空気を供給する２次空気供給装置の異常診断装置であって、２次空気供給装置は、作動状態において、２次空気を圧送する空気ポンプと、空気ポンプと排気系との間に配設され、圧送された２次空気を排気系に供給する２次空気通路と、２次空気通路を開閉する開閉弁とを有する。２次空気供給装置の異常診断装置は、空気ポンプと開閉弁との間に配され、２次空気通路の圧力を検出する圧力検出手段と、排気系の圧力を検出する背圧検出手段と、検出された２次空気通路の圧力と排気系の圧力とに基づいて、２次空気供給装置の異常診断を行なう異常診断手段とを備える。異常診断手段は、排気系が高圧力のときの２次空気通路の圧力と、排気系が低圧力のときの２次空気通路の圧力との圧力差が所定の圧力差以下となることに基づいて、２次空気供給装置を故障と診断する。

好ましくは、背圧検出手段は、排気系の圧力を計測する背圧計測手段および内燃機関の運転条件に基づいて、排気系の圧力を推定する背圧推定手段の少なくとも一方を含む。

好ましくは、異常診断手段は、排気系の圧力が第１の所定値を上回るときの第１の２次空気通路の圧力を記憶する第１の記憶手段と、排気系の圧力が第１の所定値よりも小さい第２の所定値を下回るときの第２の２次空気通路の圧力を記憶する第２の記憶手段とを含み、第１の２次空気通路の圧力と、第２の２次空気通路の圧力との圧力差が所定の圧力差以下となることに基づいて、２次空気供給装置を故障と診断する。

好ましくは、第１および第２の所定値は、運転条件が高負荷および低負荷のときにおいて、それぞれ、背圧計測手段および背圧推定手段の少なくとも一方を用いて得られる排気系の圧力である。

この発明によれば、異なる運転条件における２次空気通路圧力の圧力差に基づいて、２次空気供給装置の異常診断を行なうことから、異常診断が困難となる高負荷の運転条件においても、２次空気供給装置の異常を正確に診断することができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

図１は、この発明の実施の形態による２次空気供給装置の異常診断装置が搭載された車両の概略ブロック図である。

図１を参照して、車両には、エンジン１００と、２次空気供給装置２００と、ＥＣＵ（Electrical Control Unit）とが搭載される。

エアクリーナ１０２から吸入された空気は、吸気管１０４およびインテークマニホールド１０６を介してエンジン１００に導入される。さらに、空気は、インテークマニホールド１０６から４つの気筒１０８の各々の燃焼室内に、インジェクタ（図示せず）から噴射された燃料とともに導入される。

各気筒１０８に導入された空気と燃料との混合気は、図示しない点火プラグにより点火されて燃焼する。これにより、エンジン１００は駆動力を発生する。燃焼後の混合気である排気ガスは、気筒１０８に接続されるエキゾーストマニホールド１１０に導かれ、触媒１１２によって浄化された後、車外に排出される。なお、エンジン１００に導入される空気の量は、スロットルバルブ１２０により制御される。スロットルバルブ１２０の開度は、アクチュエータ１２２により制御される。

触媒１１２の冷間時には、触媒１１２は、排気ガスの浄化作用を十分に発揮することができない。そこで、排気ガスの浄化を促進するために、エキゾーストマニホールド１１０には、２次空気が供給される。供給された２次空気により、排気ガス中のＣＯおよびＨＣが燃焼され、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏに化学変化される。

本実施の形態において、２次空気には、エンジンルーム内の空気が用いられる。２次空気供給装置２００は、エアポンプ２１０と、ＡＳＶ（Air Switching Valve）２１４と、２次空気通路（第１空気通路２１２および第２空気通路２２０）とを備える。

エアポンプ２１０は、オン（作動）状態において、エンジンルーム内の空気を第１空気通路２１２に圧送する。

第１空気通路２１２上には、エアポンプ２１０の下流にＡＳＶ２１４が設けられる。

ＡＳＶ２１４は、ＥＣＵ３００から出力される制御信号に応じて、開状態と閉状態とを選択的に切換える。これにより、ＡＳＶ２１４は、第１空気通路２１２を開閉することができる。第１空気通路２１２は、ＡＳＶ２１４の下流で第２空気通路２２０に接続される。

第２次空気通路２２０は、一方端が第１空気通路２１２に接続され、他方端がエキゾーストマニホールド１１０に接続される。エキゾーストマニホールド１１０において、第２空気通路２２０の他方端は、各気筒１０８の排気側に接続される。

エアフローメータ３０２は、吸気管１０４に配され、エンジン１００に導入される空気量（以下、吸入空気量とも称する）を検出する。

スロットル開度センサ３０４は、スロットルバルブ１２０の開度を検出する。プレッシャセンサ３０６は、エアポンプ２１０とＡＳＶ２１４との間に設けられ、第１空気通路２１２内の圧力（以下、２次空気通路圧力とも称する）を検出する。

車速センサ３０８は、図示しない車輪の回転数を検出する。クランクポジションセンサ３１０は、エンジン１００のクランクシャフト（図示せず）の回転数、すなわちエンジン回転数を検出する。水温センサ３１２は、エンジン１００の冷却水の温度を検出する。

ＥＣＵ３００は、エアフローメータ３０２、スロットル開度センサ３０４、プレッシャセンサ３０６、車速センサ３０８、クランクポジションセンサ３１０および水温センサ３１２の各々から検出結果を示す信号を受ける。そして、ＥＣＵ３００は、これらのセンサの検出結果とメモリ３２０に記憶されたプログラムおよびマップとに基づいて、演算処理を実行する。これにより、ＥＣＵ３００は、車両が所望の状態となるように、車両に搭載された機器類を制御する。

さらに、本実施の形態において、ＥＣＵ３００は、２次空気供給装置２００の異常診断を行なう異常診断装置を構成する。ＥＣＵ３００は、以下に示す方法に従って、２次空気供給装置２００の異常を診断する。

最初に、本実施の形態に係る２次空気供給装置の異常診断装置が実行する異常診断方法の原理について説明する。

図２は、吸入空気量と２次空気通路圧力との関係を示すタイミングチャートである。詳細には、図２の左側は、２次空気供給装置２００の正常作動時における関係を示し、図２の右側は、２次空気供給装置２００の異常時（ＡＳＶ閉故障時）における関係を示す。また、いずれの関係においても、２次空気通路圧力は、瞬時値と、瞬時値から高周波成分を除去したフィルタ値とで表わされる。なお、以下において、２次空気通路圧力の瞬時値の変動幅を、２次空気通路圧力の圧力脈動とも称する。また、２次空気通路圧力のフィルタ値を、単に２次空気通路圧力とも称する。

図２を参照して、２次空気供給装置２００が正常に作動しているとき、すなわち、エアポンプ２１０がオンされ、かつＡＳＶ２１４が開状態のときには、２次空気通路圧力は、吸入空気量の増加に従って、上昇する。また、２次空気通路圧力は、その瞬時値の波形から明らかなように、圧力脈動が大きいことが分かる。

ここで、ＡＳＶ２１４が開状態において、吸入空気量の増加に伴なって２次空気通路圧力が上昇するのは、吸入空気量が多いとき、すなわちエンジン１００が高負荷運転をしているときには、第１空気通路２１２と連通状態にある第２空気通路２２０に接続されるエキゾーストマニホールド１１０内の圧力（以下、背圧とも称する）が上昇することによる。なお、２次空気通路圧力の圧力脈動は、エンジン１００の高負荷運転時における背圧の圧力脈動の大きさを反映している。

一方、２次空気供給装置２００が異常のとき、すなわち、エアポンプ２１０がオンされ、かつＡＳＶ２１４が閉故障しているときには、２次空気通路圧力は、吸入空気量の増加とは無関係に、略一定値を維持する。そして、このときの２次空気通路圧力の圧力脈動は小さい。ここで、２次空気通路圧力が略一定値でかつ圧力脈動が小さいことは、ＡＳＶ２１４が閉状態であることによって、第１空気通路２１２と第２空気通路２２０とが遮断状態となり、背圧の影響を受けないことによる。

図２から明らかなように、２次空気供給装置２００が正常時と異常時とでは、吸入空気量の増加に対する２次空気通路圧力の波形に大きな差が生じる。

しかしながら、両者の波形において、吸入空気量が大きいとき、すなわち、運転条件が高負荷のときの２次空気通路圧力を比較すると、正常時と異常時とでは、略同等レベルの２次空気通路圧力を示すことが分かる。結果として、運転条件が高負荷のときには、２次空気通路圧力の大きさに基づいて、２次空気供給装置２００が異常か否かを判断することが困難となり、本来正常であるにも関わらず、故障と誤診断してしまうおそれがある。

なお、２次空気供給装置２００においては、エミッション向上の要求を受けて、より広い運転条件における２次空気の供給が求められている。２次空気が供給される運転条件が今後更に高負荷域にまで及ぶことを考慮すれば、上述した誤診断の問題は、益々顕著となることが予想される。

そこで、本実施の形態では、このような誤診断を回避する方法として、以下に示すように、エンジン１００の運転条件と２次空気通路圧力との関係に基づいて、２次空気供給装置２００の異常診断を行なう構成とする。これによれば、これまで異常診断が困難であった高負荷の運転条件においても、２次空気供給装置２００の異常を正確に診断することができる。以下に、この発明の実施の形態による２次空気供給装置の異常診断方法について説明する。

図２を参照して、２次空気供給装置２００が正常に作動しているとき、すなわち、エアポンプ２１０がオンされ、かつＡＳＶ２１４が開状態のときには、２次空気通路圧力は、吸入空気量の増加に従って上昇する。

これは、先述のように、エンジン１００が高負荷運転をしているときには、吸入空気量の増加とともに、エキゾーストマニホールド１１０内の背圧が増加し、さらに、ＡＳＶ２１４が正常時（開状態）においては、背圧の増加に伴なって、エキゾーストマニホールド１１０に接続される第２空気通路２２０と連通する第１空気通路２１２の圧力が上昇することによる。

一方、２次空気供給装置２００が故障しているとき、すなわち、エアポンプ２１０がオンされ、かつＡＳＶ２１４が閉故障のときには、２次空気通路圧力は、背圧の増加とは無関係に略一定値を維持する。

そこで、本実施の形態では、上記の背圧と２次空気通路圧力との関係に基づいて、ＡＳＶ２１４が閉故障か否かを診断する。詳細には、圧力レベルが互いに異なる２つの背圧について、それぞれの背圧時における２次空気通路圧力を検出する。

このとき、背圧が相対的に高いときに検出される２次空気通路圧力をＰＡＩ１とし、背圧が相対的に低いときに検出される２次空気通路圧力をＰＡＩ２とすると、ＡＳＶ２１４が正常であれば、ＰＡＩ１とＰＡＩ２との間には、ＰＡＩ１＞ＰＡＩ２の関係が成立する。一方、ＡＳＶ２１４が閉故障していれば、ＰＡＩ１とＰＡＩ２とは略等しいことから、上記の関係が成り立たない。すなわち、ＰＡＩ１とＰＡＩ２との間に上記の関係が成り立つか否かによって、ＡＳＶ２１４が故障しているか否かを診断することができる。

なお、背圧の大きさについては、ＥＣＵ３００がエキゾーストマニホールド１１０内に設けた背圧計測手段（図示せず）から計測結果を受けることによって得ることができる。もしくは、エアフローメータ３０２で検出される吸入空気量、またはスロットル開度センサ３０４で検出されるスロットルバルブ１２０の開度およびクランクポジションセンサ３１０で検出されるエンジン回転数などで指示されるエンジン１００の運転条件に基づいて、ＥＣＵ３００が背圧を推定する構成としても良い。

図３は、この発明の実施の形態による２次空気供給装置の異常診断装置が実行する異常診断動作を説明するためのフローチャートである。なお、以下に示す２次空気供給装置２００の異常診断は、ＥＣＵ３００がメモリ３２０に予め記憶されるプログラムを実行することによって行なわれる。

図３を参照して、ＥＣＵ３００は、最初に、ＯＮ時実行条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ１０）。ＯＮ時実行条件とは、ＥＣＵ３００がエアポンプ２１０をオンして作動状態とし、かつＡＳＶ２１４を開状態として、２次空気をエアポンプ２１０で圧送して各気筒１０８の排気側に供給するための条件であり、エンジン１００が始動してからの経過時間およびエンジン１００に導入される空気量などに関する条件が含まれる。

そして、ＥＣＵ３００は、ＯＮ時実行条件が成立したと判定すると、２次空気供給装置２００の異常診断を開始する。詳細には、まず、現時点の運転条件における背圧が所定値Ｐβよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１１）。なお、所定値Ｐβは、エンジン１００が高負荷運転をしているときに、上記の背圧計測手段もしくは背圧推定手段によって得られる背圧であって、相対的に高い圧力レベルに設定される。

そして、ＥＣＵ３００は、背圧が所定値Ｐβよりも大きいと判定すると、フラグＦ１をセットし、このときプレッシャセンサ３０６にて検出される２次空気通路圧力のフィルタ値をＰＡＩ１としてフラグＦ１に記憶する（ステップＳ１２）。

一方、ＥＣＵ３００は、背圧が所定値Ｐβ以下であると判定すると、さらに、背圧が所定値Ｐγよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１３）。このときの所定値Ｐγは、エンジン１００が低負荷運転をしているときに、上記の背圧計測手段もしくは背圧推定手段によって得られる背圧であって、相対的に低い圧力レベルに設定される。

そして、ＥＣＵ３００は、背圧が所定値Ｐγよりも小さいと判定すると、フラグＦ２をセットし、このときプレッシャセンサ３０６にて検出される２次空気通路圧力のフィルタ値をＰＡＩ２としてフラグＦ２に記憶する（ステップＳ１４）。

次に、ＥＣＵ３００は、フラグＦ１およびフラグＦ２の各々に、２次空気通路圧力のフィルタ値ＰＡＩ１，ＰＡＩ２がセットされているか否かを判断する（ステップＳ１５，Ｓ１６）。そして、ＥＣＵ３００は、フラグＦ１，Ｆ２のいずれもがセットされていると判断すると、ＰＡＩ１とＰＡＩ２との間に上記の関係が成り立つか否かに基づいて、２次空気供給装置２００が故障しているか否かを診断する。

詳細には、ＥＣＵ３００は、２次空気通路圧力ＰＡＩ１とＰＡＩ２との圧力差（＝ＰＡＩ１−ＰＡＩ２）が所定の圧力差ΔＰＡＩ０よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１７）。このときの所定の圧力差ΔＰＡＩ０は、ＡＳＶ２１４が正常であるときに、背圧Ｐβ，Ｐγの違いに応じて２次空気通路圧力に現われる圧力差の実測値に相当する。

そして、ＥＣＵ３００は、ＰＡＩ１とＰＡＩ２との圧力差が所定の圧力差ΔＰＡＩ０よりも大きいと判定すると、２次空気供給装置２００が正常であると判断する（ステップＳ１８）。一方、ＰＡＩ１とＰＡＩ２との圧力差が所定の圧力差ΔＰＡＩ０以下であると判定すると、２次空気供給装置２００が故障であると判断する（ステップＳ１９）。なお、フラグＦ１，Ｆ２のいずれもがセットされていないときには、ＥＣＵ３００は、上記の異常診断を行なわない。

以上のように、この発明の実施の形態によれば、背圧と２次空気通路圧力との関係に基づいて２次空気供給装置の故障を診断することにより、これまで異常診断が困難であった高負荷の運転条件においても、正確に異常を診断することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、２次空気供給装置の異常診断装置およびそれを搭載した車両に適用することができる。

この発明の実施の形態による２次空気供給装置の異常診断装置が搭載された車両の概略ブロック図である。吸入空気量と２次空気通路圧力との関係を示すタイミングチャートである。この発明の実施の形態による２次空気供給装置の異常診断装置が実行する異常診断動作を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１００エンジン、１０２エアクリーナ、１０４吸気管、１０６インテークマニホールド、１０８気筒、１１０エキゾーストマニホールド、１１２触媒、１２０スロットルバルブ、２００２次空気供給装置、２１０エアポンプ、２１２第１空気通路、２１４ＡＳＶ、２２０第２空気通路、３００ＥＣＵ、３０２エアフローメータ、３０４スロットル開度センサ、３０６プレッシャセンサ、３０８車速センサ、３１０クランクポジションセンサ、３１２水温センサ、３２０メモリ。

Claims

内燃機関の排気浄化装置の上流側に配され、前記内燃機関の排気系に２次空気を供給する２次空気供給装置の異常診断装置であって、
前記２次空気供給装置は、
作動状態において、前記２次空気を圧送する空気ポンプと、
前記空気ポンプと前記排気系との間に配設され、前記圧送された前記２次空気を前記排気系に供給する２次空気通路と、
前記２次空気通路を開閉する開閉弁とを有し、
前記空気ポンプと前記開閉弁との間に配され、前記２次空気通路の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記排気系の圧力を検出する背圧検出手段と、
前記検出された前記２次空気通路の圧力と前記排気系の圧力とに基づいて、前記２次空気供給装置の異常診断を行なう異常診断手段とを備え、
前記異常診断手段は、
前記排気系が高圧力のときの前記２次空気通路の圧力と、前記排気系が低圧力のときの前記２次空気通路の圧力との圧力差が所定の圧力差以下となることに基づいて、前記２次空気供給装置を故障と診断する、２次空気供給装置の異常診断装置。
前記背圧検出手段は、前記排気系の圧力を計測する背圧計測手段および前記内燃機関の運転条件に基づいて、前記排気系の圧力を推定する背圧推定手段の少なくとも一方を含む、請求項１に記載の２次空気供給装置の異常診断装置。
前記異常診断手段は、
前記排気系の圧力が第１の所定値を上回るときの第１の前記２次空気通路の圧力を記憶する第１の記憶手段と、
前記排気系の圧力が前記第１の所定値よりも小さい第２の所定値を下回るときの第２の前記２次空気通路の圧力を記憶する第２の記憶手段とを含み、
前記第１の２次空気通路の圧力と、前記第２の２次空気通路の圧力との圧力差が前記所定の圧力差以下となることに基づいて、前記２次空気供給装置を故障と診断する、請求項２に記載の２次空気供給装置の異常診断装置。
前記第１および第２の所定値は、前記運転条件が高負荷および低負荷のときにおいて、それぞれ、前記背圧計測手段および前記背圧推定手段の少なくとも一方を用いて得られる前記排気系の圧力である、請求項３に記載の２次空気供給装置の異常診断装置。