JP2007255251A

JP2007255251A - Ｅｇｒ制御バルブの故障判定装置及び方法

Info

Publication number: JP2007255251A
Application number: JP2006078520A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Matsushima; 島博行松
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2006-03-22
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2007-10-04

Abstract

【課題】排気ガス還流装置に生じる異常、特にＥＧＲ制御バルブの固着、及び脱落の故障を適切に診断できるＥＧＲ制御バルブの故障診断装置及び診断方法の提供。
【解決手段】ＥＧＲ制御弁（５２）と、中心軸（５２ｂ）の延長上に配置された駆動手段（６）と、制御手段（１０）とを有し、駆動手段（６）の往復駆動軸（６２）は駆動手段（６）作動時にＥＧＲ制御弁（５２）の中心軸（５２ｂ）先端を押圧することによってＥＧＲ制御弁（５２）を開放し、制御手段（１０）は、駆動手段（６）に対して発信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（５２）に故障が発生したと判断する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関のＥＧＲ装置（排気ガス還流装置）、特にＥＧＲ制御バルブ（排気ガス還流制御バルブ）の故障診断装置に関する。

ＥＧＲシステム（排気ガス還流装置）の制御手段であるＥＧＲコントロールユニットは、エンジン負荷やエンジンの燃焼温度、更にはエンジン回転数等を参照してＥＧＲ制御バルブの開度を調節し、以って、ＮＯｘの生成量の抑制を図っている。

ＥＧＲ制御バルブのバルブシャフトがバルブケーシングのシャフト摺動孔に固着したり、脱落したりした場合には、排気ガスの悪化（ＮＯｘの生成量の増大等）を防止するために正確な異常検知が求められる。
然るに、図１１に示す様な、バルブ駆動用モータ（直動式ＤＣモータ）６の駆動軸６２とＥＧＲバルブ５２のバルブシャフト５２ｂが分離している構造においては、以下の理由によって異常の正確な内容を検知できない。

図１１において、ＥＧＲバルブ５２のバルブ（弁体）５２ａの開放は、バルブ駆動用モータ（直動式ＤＣモータ）６の駆動軸６２がＥＧＲ制御バルブシャフト５２ｂの端部を押圧することによって行われ、バルブ（弁体）５２ａの閉鎖は、バルブシャフト５２ｂに固着されたスプリングシート５２ｃをＥＧＲバルブケーシング５１内に収容されたリターンスプリング５３の付勢により押し上げることによって行われる。
バルブシャフト５２ｂはシャフト摺動孔５４内を上下に摺動しながら移動するわけであるが、シャフト摺動孔５４に、排気ガス中のカーボンが大量に付着した場合には、バルブシャフト５２ｂはシャフト摺動孔５４に固着してしまう。
或いは、リターンスプリング５３が折損してしまえば、ＥＧＲバルブ５２は開放したまま戻らなくなる。
然るに、バルブ駆動用モータ（ＤＣモータ）６の駆動軸６２とシャフト５２ｂが分離している構造では、係る故障が生じても、場合によってはバルブ駆動用モータ（ＤＣモータ）６はそのまま作動してしまい、故障はおろか、どのような故障が生じているかが分からない。

排気還流実行状態にある排気還流系の異常を、外気温度の影響を受けることなく正確に検出し、誤診断を防止する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
然しながら、この様な従来技術（特許文献１）では、排気還流調整弁の上流側で検出した排気還流ガスの温度を閾値と比較して異常の有無を判断する技術であって、上述したような構成のＥＧＲ制御弁の構造によってもたらされる異常に対しては対応できない。

その他、エンジン制御を行う入出力対象の異常検出を所定の運転条件で行う場合において、異常検出の集中管理を行うと共に、異常検出の誤検知を防止して検出精度の向上を図った技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
係る従来技術（特許文献２）にしても、異常検出の対象が入出力とされ、具体的にＥＧＲ制御弁の異常には言及されてなく、何ら前述の問題を解決するものではない。

さらに、排気ガス還流量の超過、低下、停止による異状を高精度に検出する装置が提供されている（例えば、特許文献３参照）。
この従来技術（特許文献３）においても、異常発生部位及びその構造には言及されておらず、従って前述の問題を何ら解決するものではない。
特開平５−４４５８１号公報特開平５−２８０４１０号公報特開平８−１５８９５６号公報

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、排気ガス還流装置に生じる異常、特にＥＧＲ制御バルブの固着、及び脱落の故障を適切に診断できるＥＧＲ制御バルブの故障診断装置及び診断方法の提供を目的としている。

本発明の排気ガス還流装置の故障判定装置（１００）は、排気還流通路（ＥＧＲ管４）に介装されバルブシャフト（５２ｂ）を備えたＥＧＲ制御バルブ（５２）と、前記バルブシャフト（５２ｂ）の延長上に配置され往復駆動軸（６２）を備え該往復駆動軸（６２）は軸方向に往復動をなす駆動手段（６）と、制御手段（コンロトールユニット１０）とを有し、前記駆動手段（６）の往復駆動軸（６２）は駆動手段（６）作動時にＥＧＲ制御バルブ（５２）の中心軸（５２ｂ）先端を押圧することによってＥＧＲ制御バルブ（５２）を開放する様に構成された排気ガス還流装置において、制御手段（１０）は、制御手段（１０）が駆動手段（６）に対して発信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（５２）に故障が発生したと判断する様に構成されたことを特徴としている（請求項１）。

前記駆動手段は直動式モータ（ＤＣモータ）であることが好ましい（請求項２）。

前記制御手段（１０）は発信された制御信号のデューティー比が第１の閾値未満の場合には、ＥＧＲ制御バルブ（５２）がＥＧＲ制御バルブ摺動孔（５４）から脱落したと判断し、発信された制御信号のデューティー比が第２の閾値を超えた場合にはＥＧＲ制御バルブ（５２）がＥＧＲ制御バルブ摺動孔（５４）に固着したと判断する様に構成されている（請求項３）。

本発明の排気ガス還流装置の故障診断装置の診断方法は、請求項１の構成のＥＧＲ制御バルブの故障診断装置の制御方法において、制御手段（１０）は駆動手段（６）に制御信号を送りつつ、制御信号のデューティー比を算出する工程（Ｓ３）と、制御信号のデューティー比が所定範囲外の場合にはＥＧＲ制御バルブ（５２）に故障が発生したと判断する工程（Ｓ６、Ｓ７）とを有することを特徴としている（請求項４）。

前記所定範囲外の場合、制御信号のデューティー比が第１の閾値未満の場合にＥＧＲ制御バルブのバルブシャフト（５２ｂ）がバルブ摺動孔（５４）に固着したと判断する工程（Ｓ６）と、制御信号のデューティー比が第２の閾値を超えた場合にＥＧＲ制御バルブのバルブシャフト（５２ｂ）が脱落したと判断する工程（Ｓ７）を実行することを特徴としている（請求項５）。

係る構成及び診断方法を具備した本発明のＥＧＲ制御バルブの故障診断装置及び診断方法は、制御手段（コントロールユニット１０）が駆動手段（直動式ＤＣモータ６）に対して発信する制御信号のデューティー比の大小によってＥＧＲ制御バルブ（５２）に故障が発生したと判断する様に構成されている。
具体的には、制御手段（コントロールユニット１０）は、発信された制御信号のデューティー比が第１の閾値（小さい側の閾値）未満の場合には、ＥＧＲ制御バルブ（５２）が摺動孔（５４）から脱落したと判断し、発信された制御信号のデューティー比が第２の閾値（大きい側の閾値）を超えた場合にはＥＧＲ制御バルブ（５２）がＥＧＲ制御バルブ摺動孔（５４）に固着したと判断する様に構成されているので、従来技術のように、故障原因を特定出来ないようなことが回避出来る。
更に、故障発生の際には、即時、警報が発せられるので、迅速に対応、具体的には修理することが出来る。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
先ず、図１〜図６に基づいて、第１実施形態を説明する。

図１において、ＥＧＲ制御バルブ（以下、ＥＧＲバルブと言う）の警告装置１００は、吸気マニフォルド２及び排気マニフォルド３を有するエンジン１において、排気マニフォルド３の合流部３１と吸気マニフォルド２の集合部２１を接続する排気還流管（以降、排気還流管をＥＧＲ管と言う）４と、ＥＧＲ管４に介装したＥＧＲバルブアッセンブリ５と、ＥＧＲ制御バルブを駆動する直動式ＤＣモータ６と、制御手段であるコントロールユニット１０とを備えている。
尚、コントロールユニット１０は、エンジンの燃焼を制御するエンジンコントロールユニット７と接続され、エンジン負荷やエンジン回転数等の情報を受信している。

図２、図３を参照して、ＥＧＲバルブアッセンブリ５及び直動式ＤＣモータ６の構成について、更に詳しく説明する。
ＥＧＲバルブアッセンブリ５は、バルブケーシング５１に形成された排気通路５１ａの出口５１ｃ近傍の円錐状弁座５１ｄをＥＧＲバルブ５２のバルブ本体５２ａの円錐状傾斜部で開閉するように構成されている。

ＥＧＲバルブ５２はバルブ本体５２ａの中央にバルブシャフト５２ｂが立設され、そのバルブシャフト５２ｂの端部近傍には図示の例では円盤状のスプリングシート５２ｃがバルブシャフト５２ｂに貫通されるように取り付けられている。

バルブケーシング５１の前記排気通路５１ａの出口５１ｃの延長上には、円柱空間のスプリング収容室５２ｅが形成されている。そして、スプリング収容室５２ｅと排気通路５１ａとはバルブシャフト摺動孔５４で貫通されている。この摺動孔５４内をＥＧＲバルブ５２のバルブシャフト５２ｂが摺動する。

スプリング収容室５２ｅ内には、バルブシャフト５２ｂに形成されたスプリングシート５２ｃとスプリング収容室５２ｅの排気通路側端面との間にコイル状のリターンスプリング５３が介装され、リターンスプリング５３の反力でバルブ５２が閉じる（図２の状態）様に構成されている。
尚、バルブケーシング５１におけるスプリング収容室５２ｅの排気通路５１ａと反対側にはバルブシャフト５２ｂの先端を貫通させる貫通孔５１ｆが形成されている。

バルブケーシング５１の上方には直動式ＤＣモータ６のケーシング６１が取り付けられている。ケーシング６１内には駆動軸６２が固定子（コイル）６３によって囲まれるように配置され、固定子６３に通電することによって駆動軸６２が軸芯に沿って図示の例では下方向に移動する。
駆動軸６２とバルブシャフト５２ｂとは同一軸上に配置され、ＤＣモータ６の駆動軸６２が下方に移動することにより駆動軸６２の端面がバルブシャフト５２ｂの上端を押圧して、ＥＧＲバルブ５２も下方に移動し、バルブケーシング５１に形成された排気通路５１ａを開放する（図３の状態）。
排気通路５１ａが開放されればＥＧＲ管４によって、エキゾーストマニフォルド３とインテークマニフォルド２が連通し、エキゾーストマニフォルド３から排気がインテーク側に還流する。

ここで、ＥＧＲバルブ５２の開度は、摺動孔５４とバルブシャフト５２ｂの間にカーボンの付着が無い通常時であれば、図４に示すように、Ｔ_ＯＮを通電時間の長さ、Ｔ_ＯＦＦを非通電時間の長さとすれば、Ｔ_ＯＮ／（Ｔ_ＯＮ＋Ｔ_ＯＦＦ）即ち、デューティー比に比例する。

ところが、摺動孔５４とバルブシャフト５２ｂの間に大量のカーボンの付着がある場合や、異物を咬み込んだ場合には、閉じていたＥＧＲバルブ５２はデューティー比が、例えば、極端に大きくならないと開かない、或いは開こうとしない。

一方、例えば、リターンスプリング５３が折損して、開いたバルブが閉じない「バルブシャフト脱落が生じた場合」は、既にバルブは開いたままなのに、再度ＥＧＲバルブ５２を開放しようとして、通電しても駆動デューティーＴ_ＯＮは小さなままである。即ち、デューティー比Ｔ_ＯＮ／（Ｔ_ＯＮ＋Ｔ_ＯＦＦ）は上がらない。

そこで、第１実施形態では、コントロールユニット１０は、図５の制御特性図における駆動デューティーＤ（或いはデューティー比；λ）が第１の閾値Ｄ１（或いはλ１）よりも小さければ、「バルブシャフト５２ｂの脱落が生じている」と診断し、駆動デューティーＤ（或いはデューティー比；λ）が第２の閾値Ｄ２（或いはλ２）よりも大きければ、「バルブシャフト５２ｂが固着している」と診断するように構成されている。
即ち、図５において、点Ｐ０を含む網がけの領域ならばＥＧＲバルブは正常に稼働しているが、点Ｐ１の場合にはバルブシャフト５２ｂは脱落しており、点Ｐ２の場合にはバルブ５２は固着状態である。

次に、図６のフローチャートに基づいて、第１実施形態のＥＧＲバルブの故障診断方法を説明する。
先ずステップＳ１では、通常のフィードバック制御が行われており、ステップＳ２において、コントロールユニット１０は、ＥＧＲバルブ開閉制御が行われていなく、且つ、ＥＧＲバルブを一定開度開いても、例えばＮＯｘの発生量が増加していない等、エンジンの信頼性上問題が無いか否かを判断する。そのような条件でエンジンの信頼性が損なわれていれば（ステップＳ２のＮＯ）、ステップＳ３に進む。エンジンの信頼性上問題が無ければ（ステップＳ２のＹＥＳ）、ステップＳ２のループを繰り返す。

ステップＳ３では、ＥＧＲバルブ５２を所定量開放し、ＤＣモータ６の駆動デューティー（或いは、デューティー比）を演算してステップＳ４に進む。ステップＳ４では,コントロールユニット１０は、駆動デューティー或いは、デューティー比が許容範囲（図５の特性図で網掛けした領域）か、或いは許容範囲を超えている（第２の閾値Ｄ２を超えている）か、はた又許容範囲未満（第１の閾値Ｄ１に満たない）かを判断する。

駆動デューティー或いは、デューティー比が許容範囲（図５の特性図で網掛けした領域）であれば、ステップＳ５で駆動デューティーの増加・減少割合を演算した後、ステップＳ１に戻り再びステップＳ１以降を繰り返す。
駆動デューティー或いは、デューティー比が許容範囲を超えている（第２の閾値Ｄ２を超えている）場合はステップＳ６に進む。駆動デューティー或いは、デューティー比が許容範囲未満（第１の閾値Ｄ１に満たない）場合はステップＳ７に進む。

ステップＳ６では、コントロールユニット１０は、「バルブシャフト５２ｂが固着している」と判断してステップＳ８に進む。
ステップＳ７では、「バルブシャフト５２ｂが脱落している」と判断して、ステップＳ８に進む。

ステップＳ８では、「故障が発生した」との警報を図示しないブザー等で吹鳴させて、ステップＳ９でバックアップモードに切換えて診断制御を終了する。

上述した第１実施形態のＥＧＲ制御バルブの故障診断装置及び診断方法によれば、コントロールユニット１０は、発信された制御信号のデューティー比が第１の閾値（小さい側の閾値Ｄ１）未満の場合には、ＥＧＲバルブ５２が摺動孔５４から脱落したと判断し、発信された制御信号のデューティー比が第２の閾値（大きい側の閾値Ｄ２）を超えた場合にはＥＧＲバルブ５２が摺動孔５４に固着したと判断する様に構成されているので、従来技術のように、故障原因を特定出来ないようなことが回避出来る。
更に、故障発生の際には、即時、警報が発せられるので、迅速に対応、具体的には修理することが出来る。

次に、図７、図８に基づいて、第２実施形態を説明する。
図７（装置の図）、図８（診断制御方法を示すフローチャート）の第２実施形態は、ＤＣモータ６のケーシング６１のシャフト６２の真上にあたる部分に、非通電によってシャフト６２が戻ったことを認識するストッパ６５が、表面がケーシング６１から露出する様に埋設してある。
第２実施形態では、ＥＧＲ制御が始まる前と、ＥＧＲ制御（フィードバック制御）が行われている時のバルブシャフト５２ｂの位置の違いによって異常の有無を診断しようとする実施形態である。尚、この診断方法では、バルブシャフト５２ｂが固着してしまったのか、或いは脱落してしまったのか、については識別しない。
装置に関する第１実施形態との差異はＤＣモータ６のケーシング６１にストッパ６５が埋め込まれているか否かの違いだけである。
或いは、装置は全て第１実施形態と同様であるが、以下に説明する、故障診断制御の方法が異なる。

先ず、図７において、ストッパ６５の下面とＥＧＲバルブ５２のバルブシャフト５２ｂの上端との距離が計測されており、特に、イグニションをＯＮとした直後の値をＬ１とする。又、エンジンコントローラ７がコントロールユニット１０へ初期位置の学習支持を与えた後に計測した値をＬ２とする。

以下、図８のフローチャートに基づいて診断制御方法を説明する。
ステップＳ１１では、イグニションをＯＮにし、ステップＳ１２でストッパ６５からバルブシャフト５２ｂまでの距離Ｌ１を計測する。

次のステップＳ１３では、フィードバック制御を開始し、エンジンコントローラ７はコントロールユニット１０へ初期位置の学習指示を出す（ステップＳ１４）。ステップＳ１５では、ストッパ６５からバルブシャフト５２ｂまでの距離Ｌ２を計測する。

ステップＳ１６では、コントロールユニット１０は、Ｌ２−Ｌ１の値が所定値ΔＬ以上か否かを判断して、所定値ΔＬ以上であれば（ステップＳ１６のＹＥＳ）、ステップＳ１７へ進み、所定値未満であれば（ステップＳ１６のＮＯ）、ステップＳ１３まで戻り、再びステップＳ１３以降を繰り返す。

ステップＳ１７では、コントロールユニット１０は、「バルブシャフト５２ｂの固着か、或いは、脱落が発生している」と診断して、ステップＳ１８では図示しないブザー等を吹鳴させた後、ステップＳ１９でバックアップモードに切換えて診断制御を終える。

次に、図９及び図１０を参照して、第３実施形態を説明する。
図９及び図１０の第３実施形態は、運転毎に前回運転時のＥＧＲバルブのズレ量を記憶しておき、そのズレ量を次回の始動時のズレ量と比較することによって異状の有無を診断しようと言う実施形態である。
ＥＧＲバルブの異常の度合い（作動悪化度）は、バルブの位置のズレ量（図９の特性図参照）から求める。
尚、装置は、第２実施形態をそのまま利用することが出来る。

図１０のステップＳ２１において、コントロールユニット１０は、イグニションＯＮにし、ステップＳ２２では前回の運転中にバルブの初期位置のズレの程度によって、異常の有無の確認があったか否かを判断する。

異常が無ければ、バルブシャフト位置を確認し（ステップＳ２３）、フィードバック制御、即ちＥＧＲバルブでのＯＮ−ＯＦＦを行い（ステップＳ２４）、イグニションＯＦＦ（運転終了）後、バルブ位置を再確認し（ステップＳ２５）、その再確認したバルブ位置（のズレ量）を図示しないデータベースに記憶（Ｓ２６）した後、ステップＳ２２まで戻り、再びステップＳ２２以降を繰り返す。

ステップＳ２２で異状があると診断された場合は、ステップＳ２７でバルブ位置のズレを検出して、バルブシャフトの固着或いは脱落を検出する。
その後、ステップＳ２８で、たとえば図示しないブザー等によって警報を発して、バックアップモードに切換えて（ステップＳ２９）、制御を終了する。

第２実施形態及び第３実施形態は、バルブシャフトの位置、或いは位置のズレ量を検出しており、その検出量の大きさによって、異状（故障）の有無が容易に判断できる。また、故障発生の際には、即時、警報が発せられるので、迅速に対応、具体的には修理することが出来る。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではないことを付記する。

本発明の実施形態に係るＤＣモータ駆動のＥＧＲバルブの故障判定装置図を含むエンジン装備図。本発明の実施形態に係るＥＧＲバルブ周辺の断面図で、ＥＧＲが遮断された状態図。本発明の実施形態に係るＥＧＲバルブ周辺の断面図で、ＥＧＲが吸気系に供給されている状態図。本発明の実施形態に用いられる制御波形図。本発明の実施形態に係り、バルブ悪化度を判定するためのマップ。第１実施形態の制御フローチャート。第２実施形態のＥＧＲバルブ周辺の断面図。第２実施形態の制御フローチャート。第３実施形態の制御に用いるバルブ悪化判定マップ。第３実施形態の制御フローチャート。従来技術におけるＥＧＲバルブの問題点を説明する断面図。

符号の説明

１・・・シリンダブロック
２・・・インテークマニフォルド
３・・・エキゾーストマニフォルド
４・・・ＥＧＲ管
５・・・ＥＧＲバルブアッセンブリ
６・・・ＤＣ直動モータ
７・・・エンジンコントローラ
１０・・・コントロールユニット
２１・・・集合部
３１・・・合流部
５１・・・バルブケーシング
５２・・・ＥＧＲバルブ
５３・・・リターンスプリング
５４・・・摺動孔
６１・・・モータケーシング
６２・・・駆動軸
６３・・・固定子／コイル

Claims

排気還流通路に介装されバルブシャフトを備えたＥＧＲ制御バルブと、前記バルブシャフトの延長上に配置され往復駆動軸を備え該往復駆動軸は軸方向に往復動をなす駆動手段と、制御手段とを有し、前記駆動手段の往復駆動軸は駆動手段作動時にＥＧＲ制御バルブの中心軸先端を押圧することによってＥＧＲ制御バルブを開放する様に構成された排気ガス還流装置において、制御手段は、制御手段が駆動手段に対して発信する制御信号のデューティー比の大小によってＥＧＲ制御弁に故障が発生したと判断する様に構成されたことを特徴とするＥＧＲ制御バルブの故障診断装置。
前記駆動手段は直動式モータである請求項１のＥＧＲ制御バルブの故障診断装置。
前記制御手段は発信された制御信号のデューティー比が第１の閾値未満の場合には、ＥＧＲ制御バルブがＥＧＲ制御バルブ摺動孔から脱落したと判断し、発信された制御信号のデューティー比が第２の閾値を超えた場合にはＥＧＲ制御バルブがＥＧＲ制御バルブ摺動孔に固着したと判断する様に構成された請求項１及び請求項２の何れかのＥＧＲ制御バルブの故障診断装置。
請求項１の構成のＥＧＲ制御バルブの故障診断装置の制御方法において、制御手段は駆動手段に制御信号を送りつつ、制御信号のデューティー比を算出する工程と、制御信号のデューティー比が所定範囲外の場合にはＥＧＲ制御バルブに故障が発生したと判断する工程とを有することを特徴とするＥＧＲ制御バルブの故障診断装置の制御方法。
前記所定範囲外の場合、制御信号のデューティー比が第１の閾値未満の場合にＥＧＲ制御バルブのバルブシャフトがバルブ摺動孔に固着したと判断する工程と、制御信号のデューティー比が第２の閾値を超えた場合にＥＧＲ制御バルブのバルブシャフトが脱落したと判断する工程を実行することを特徴とする請求項４のＥＧＲ制御バルブの故障診断装置の制御方法。