JP2008064110A - 排気二次エア供給装置の故障検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気二次エア供給装置の故障を簡易かつ精度良く検知するようにした排気二次エア供給装置の故障検知装置を提供する。
【解決手段】Ｖ型機関であり、エア供給管がそのそれぞれのバンクに接続されるものにおいて、それらの下流位置において排気中の酸素濃度に応じた出力を生じる２個の空燃比センサを設け、それらの出力に基づいてそれぞれ算出される空燃比フィードバック補正の最大値ＫＯ２ＲＭＡＸとＫＯ２ＬＭＡＸの差Δｍａｘを算出し（Ｓ１６，Ｓ１８）、算出された差を所定値と比較し（Ｓ２０）、算出された差が所定値を超えるとき、排気二次エア供給装置が故障と検知する（Ｓ２４）。
【選択図】図３

Description

この発明は排気二次エア供給装置の故障検知装置に関する。

排気二次エア供給装置は、例えば、内燃機関の排気系に配置された触媒装置の上流位置に接続されるエア供給管とエアポンプからなり、エアポンプを駆動してエア供給管から排気二次エアを導入して燃焼を促進し、排気中の未燃成分を低減する。

排気二次エア供給装置においては、エア供給管の破損などの故障が生じると、所期の機能が達成されないことから、その故障検知手法が種々提案されており、その例として下記の特許文献１に記載の技術が提案されている。

特許文献１に記載の技術にあっては、内燃機関で駆動されるエアポンプに接続されて触媒装置の上流に二次エアを供給するエア供給管とその開度を調節して二次エア供給量を制御する制御バルブを備える排気二次エア供給装置において、所定の診断運転領域で排気二次エアを断続的に供給し、エア供給位置と触媒装置の間に配置された空燃比センサ（Ｏ2センサ）の出力が断続的な供給に見合って反転しているか否か判定することで、その故障を検知している。
特開平５−２６０３３号公報

このように従来技術においては、精度良く故障検知するには、排気二次エア供給装置が正常のときの空燃比センサ出力などを学習するなどして確認しておく必要があって煩瑣であると共に、それによって故障検知が遅れる不都合もあった。かかる不都合は、特にＶ型機関のようにバンクごとに排気系を備える場合などに顕著となる。

従って、この発明の目的は上記した不具合を解消し、排気二次エア供給装置の故障を簡易かつ精度良く検知するようにした排気二次エア供給装置の故障検知装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１項にあっては、内燃機関の排気系に配置された触媒装置の上流位置に排気二次エアを供給する排気二次エア供給装置の故障検知装置において、前記内燃機関の排気系に接続されてそれぞれ前記排気二次エアを供給する複数本のエア供給管、前記複数本のエア供給管の下流位置において前記排気系に配置されてそれぞれ前記排気系を流れる排気中の酸素濃度に応じた出力を生じる複数個の空燃比センサ、前記複数個の空燃比センサの出力に基づいて得られる値同士を比較して前記排気二次エア供給装置の故障を検知する故障検知手段を備える如く構成した。

請求項２項にあっては、前記故障検知手段は、前記複数個の空燃比センサの出力に基づいてそれぞれ算出される空燃比フィードバック補正係数の差を算出する補正係数差算出手段と、前記算出された差を所定値と比較する比較手段を備え、前記算出された差が所定値を超えるとき、前記排気二次エア供給装置が故障と検知する如く構成した。

請求項３項にあっては、前記内燃機関がＶ型機関であり、１個のエアポンプを備え、前記エア供給管が前記エアポンプに接続されると共に、途中から分岐して前記Ｖ型機関のそれぞれのバンクに接続される如く構成した。

請求項１項にあっては、内燃機関の排気系に接続されてそれぞれ前記排気二次エアを供給する複数本のエア供給管の下流位置において前記排気系に配置されてそれぞれ前記排気系を流れる排気中の酸素濃度に応じた出力を生じる複数個の空燃比センサを備えると共に、それらの出力に基づいて得られる値同士を比較して排気二次エア供給装置の故障を検知する故障検知手段を備える如く構成したので、排気二次エア供給装置の故障を簡易かつ精度良く検知することができる。また、排気二次エア供給装置が正常のときの空燃比センサ出力などを学習するなどして確認しておくような煩瑣の作業も不要となると共に、学習によって故障検知が遅れるなどの不都合が生じることもない。また、Ｖ型機関のようにバンクごとに排気系を備える機関のそれぞれにエア供給管を配置する場合、単に故障の有無を検知できるに止まらず、故障が検知されるとき、それがどちらのバンクのエア供給管に生じたのかも検知することができる。

請求項２項にあっては、複数個の空燃比センサの出力に基づいてそれぞれ算出される空燃比フィードバック補正係数の差を算出して所定値と比較し、算出された差が所定値を超えるとき、排気二次エア供給装置が故障と検知する如く構成したので、排気二次エア供給装置の故障を一層簡易かつ精度良く検知することができる。

請求項３項にあっては、エア供給管がそのそれぞれのバンクに接続されるようなＶ型機関において、排気二次エア供給装置の故障を簡易かつ精度良く検知することができる。

以下、添付図面に即してこの発明の一つの実施の形態に係る排気二次エア供給装置の故障検知装置について説明する。

図１は、その実施の形態に係る排気二次エア供給装置の故障検知装置の全体構成を示す概略図である。

同図において符合１０は多気筒内燃機関（以下「エンジン」という）を示す。エンジン１０は、４サイクルのＶ型６気筒のＤＯＨＣエンジンからなり、右バンク１０Ｒに＃１，＃２，＃３の３個の気筒（シリンダ）１２を備えると共に、左バンク１０Ｌに＃４，＃５，＃６の３個の気筒１２を備える。

エンジン１０において、エアクリーナ１４から吸入された空気は吸気管１６を流れ、スロットルバルブ２０で流量を調節されつつ吸気マニホルド（図示せず）を介して各気筒１２の吸気ポートに至り、そこに配置されたインジェクタ（図示せず）からガソリン燃料を噴射される。よって生じた混合気は吸気バルブ（図示せず）が開放されるとき気筒燃焼室（図示せず）に入り、点火プラグ（図示せず）で点火されて燃焼する。

燃焼によって生じた排気（排出ガス）は排気バルブ（図示せず）が開放されたとき、左右バンク１０Ｒ，Ｌごとに設けられた排気マニホルド２２を流れ、集合部で合流した後、排気管２４を流れ、触媒装置（三元型）２６で有害成分が除去された後、エンジン外に放出される。

排気マニホルド２２と排気管２４からなる排気系には、排気二次エア供給装置３０が設けられる。排気二次エア供給装置３０は主として、エンジン１０の排気系において触媒装置２６の上流位置に接続されたエア供給管（デリバリパイプ）３２と、エアポンプ３４からなる。

吸気管１６はスロットルバルブ２０の上流側で分岐され、分岐管１６ａの他端はエアポンプ３４の吸入側に接続される。エアポンプ３４の吐出側はエア供給管３２に接続される。エア供給管３２はカットオフバルブ３６を介して分岐し、それぞれ左右バンク１０Ｒ，Ｌの排気マニホルド２２に接続される。右バンク１０Ｒ側の排気マニホルド２２に配置されるエア供給管を３２Ｒ、左バンク１０Ｌ側のそれを３２Ｌとする。尚、エア供給管３２Ｒ，Ｌは、同量のエアを供給する形状に構成される。

図２にエア供給管３２などの構成を詳細に示すが、図示の如く、エア供給管３２の先端には開口３２ａの付近にフランジ３２ｂが形成され、開口３２ａを排気マニホルド２２に穿設された孔（図１に破線で示す）２２ａに合致させつつ、フランジ３２ｂで排気マニホルド２２にボルト止めすることで、エア供給管３２は排気マニホルド２２に接続される。

エアポンプ３４には電動モータ４０が接続され、その回転で駆動されてエアクリーナ１４から吸入された空気を吸引してエア供給管３２に圧送する。カットオフバルブ３６は負圧ダイアフラム（図示せず）を備え、図示しない負圧導入機構を介して負圧が導入されるとき、開放して吸入口３６ａから導入した圧送空気を排気マニホルド２２に供給する。

図１において、エンジン１０のクランク軸などの回転軸（図示せず）の付近にはクランク角センサ４２が配置されて気筒判別信号を出力すると共に、各気筒のＴＤＣ位置あるいはその付近でＴＤＣ信号を、またそれを細分化してなるクランク角度信号を出力する。

また、吸気管１６のスロットルバルブ２０の配置位置の下流には絶対圧センサ４４が設けられ、吸気管内絶対圧（エンジン負荷）ＰＢＡに応じた信号を出力すると共に、エンジン１０の冷却水通路（図示せず）には水温センサ４６が配置され、エンジン冷却水温ＴＷに応じた信号を出力する。

また、排気系において、触媒装置２６の上流側には第１の空燃比センサ５０が配置されると共に、その下流には第２の空燃比センサ５２が配置され、それぞれ配置位置を流れる排気中の酸素濃度に応じた信号を出力する（以下、右バンク１０Ｒに配置されたセンサを５０Ｒ，５２Ｒ、左バンク１０Ｌに配置されたそれを５０Ｌ，５２Ｌとする）。第１、第２の空燃比センサ５０，５２は共にＯ2センサであり、理論空燃比相当値を中心としてリッチ方向とリーン方向に反転を繰り返す信号を出力する。以下、第１の空燃比センサ５０を「ＰＯ２センサ」、第２の空燃比センサ５２を「ＳＯ２センサ」という。

上記したセンサ群の出力は、ＥＣＵ５４に送られる。ＥＣＵ５４はマイクロコンピュータからなり、入力したクランク角センサ４２のクランク角度信号をカウントしてエンジン回転数ＮＥを検出すると共に、クランク角センサ４２を含むセンサ出力に基づいてエンジン１０に供給されるべき、燃料噴射量ＴＩを以下のように算出する。

ＴＩ＝ＴＩＭ×ＫＯ２×ＫＴＯＴＡＬ＋ＴＴＯＴＡＬ
上記で、ＴＩＭはエンジン回転数ＮＥとエンジン負荷（吸気管内絶対圧）ＰＢＡからマップ検索して得られる基本値である。またＫＯ２はＰＯ２センサ出力から得られる検出空燃比に基づいて決定される空燃比フィードバック補正係数であって、以下のように算出される。以下でｎは離散系のサンプル番号、より具体的には制御周期である。
ＫＯ２(n)＝ＫＯ２(n-1)−ＫＯ２Ｉ （検出空燃比がリッチな場合）
ＫＯ２(n)＝ＫＯ２(n-1)＋ＫＯ２Ｉ （検出空燃比がリーンな場合）
即ち、ＫＯ２はＰＯ２センサ出力の理論空燃比相当値（反転中心値）からの偏差にＩ（積分制御項）を加減算して決定される。尚、ＫＯ２は左右バンク１０Ｒ，Ｌにそれぞれ配置されたＰＯ２センサ５０Ｒ，Ｌの出力に基づいてバンクごとに算出される。また、ＫＯ２は学習制御される。

また、ＫＴＯＴＡＬはその他の乗算形式による補正係数、ＴＴＯＴＡＬは加算形式による補正係数である。尚、燃料噴射量ＴＩは、インジェクタの開弁時間として示される。また、燃料噴射量ＴＩは、エンジン１０の始動時などに増量される。

ＥＣＵ５４は、エンジン回転数ＮＥなどを用いて点火時期も決定すると共に、エンジン１０が始動された後、所定時間、電動モータ４０に通電指令してエアポンプ３４を駆動し、排気二次エアを排気系に供給する。それにより、始動時に増量された燃料の未燃成分は排気マニホルド２２およびその下流の排気管２４で燃焼させられ、触媒装置２６を加熱しつつ、大気に放出される。これにより、触媒装置２６の活性化が促進されると共に、大気への未燃成分の放出が低減させられる。また、ＥＣＵ５４は、排気二次エア供給装置３０の故障検知も行う。

次いで、その排気二次エア供給装置３０の故障検知動作を説明する。

図３は、その動作を示すフロー・チャートである。

以下説明すると、Ｓ１０でモニタ領域（故障検知領域）か否か判断する。エンジン１０が始動されて暖機が終了した後、アイドル状態あるいはその他の定常運転状態にあるとき、モニタ領域と判断される。

Ｓ１０で否定されるときは以降の処理をスキップすると共に、肯定されるときはＳ１２に進み、排気二次エア供給装置３０の故障が検知ずみか否か判断する。Ｓ１２で肯定されるときも、以降の処理をスキップする。尚、電動モータ４０が故障ではないが、それへの通電が過大となって過熱していると判断される場合なども、以降の処理をスキップする。

他方、Ｓ１２で否定されるときはＳ１４に進み、エアポンプ３４をオン、即ち、電動モータ４０に通電してエアポンプ３４を駆動すると共に、空燃比フィードバック補正係数ＫＯ２の学習を禁止する。即ち、故障検知のための人為的な空燃比の操作による本来の空燃比フィードバック制御に影響を与えないため、その学習を禁止する。

次いでＳ１６に進み、左右バンクのＰＯ２センサ５０Ｒ，Ｌの出力から空燃比フィードバック補正係数ＫＯ２をそれぞれ算出する。尚、右バンク側のＰＯ２センサ５０Ｒから算出される補正係数をＫＯ２Ｒ、左バンク側のそれをＫＯ２Ｌとする。次いでその最大値ＫＯ２ＲＭＡＸおよびＫＯ２ＬＭＡＸを求める。

次いでＳ１８に進み、求めた最大値ＫＯ２ＲＭＡＸからＫＯ２ＬＭＡＸを減算してその差Δｍａｘを絶対値で求める。

次いでＳ２０に進み、絶対値で求めた差Δｍａｘを所定値と比較し、差Δｍａｘが所定値を超えるか否か判断し、否定されるときはＳ２２に進み、エア供給管３２が正常と判断（検知）すると共に、肯定されるときはＳ２４に進み、エア供給管３２が故障と判断（検知）する。

ここで、図４および図５を参照して説明すると、排気二次エア供給装置３０が正常であれば、図４において時点ｔａでエアポンプ３４の駆動が開始したとすれば、左右バンクの排気マニホルド２２には同量のエアが供給されて排気管２４を流れる結果、ＰＯ２センサ５０Ｒ，５０Ｌの配置位置で排気は徐々にリーンとなる。従って、その検出値に基づいて算出される空燃比フィードバック補正係数ＫＯ２Ｒ，Ｌの値も、同図に示す如く、リッチ方向に補正するように徐々に変化するが、その最大値同士の差も零か微小な値となる。

他方、左右バンクのエア供給管３２Ｒ，Ｌのいずれかに亀裂などの破損が生じてエアがリークしているなどの故障が生じた場合など、左右バンクの排気マニホルド２２に同量のエアが供給されていないとき、排気管２４を流れるエア量も左右バンクで異なる。

例えば、図５に示すように、右バンク１０Ｒ側のエア供給管に上記したような故障が生じたとすると、供給されるエア量は不足することから、ＰＯ２センサ５０Ｒの検出値に基づいて算出される空燃比フィードバック補正係数ＫＯ２Ｒの値の変化は、所期のエア量が供給される左バンク１０Ｌ側の空燃比フィードバック補正係数ＫＯ２Ｌの変化に比して小さくなり、両者の差が徐々に増加して最大値ＫＯ２ＬＭＡＸで最大となる。

従って、前記した所定値を適宜設定して左右バンクの空燃比フィードバック補正係数ＫＯ２ＲＭＡＸとＫＯ２ＬＭＡＸの差Δｍａｘと比較することで、排気二次エア供給装置３０に故障、より正確には、最大値が小さい（空燃比フィードバック補正係数の変化が小さい）方のエア供給管３２に亀裂などの破損が生じる、そのフランジ部３２ｂと排気マニホルド２２との接続部のシールが不十分となる、あるいはエアポンプ３４またはカットオフバルブ３６とエア供給管３２との接続部のシールが不十分となるなどの故障が生じたと判断することができる。

この実施の形態に係る故障検知装置は上記の如く構成したので、排気二次エア供給装置３０の故障、より具体的にはそのエア供給管３２の破損などの故障を簡易かつ精度良く検知することができる。

尚、所定値は上記したように差から故障を判定するに足る値を適宜選択して設定するが、例えば、排気二次エアが供給されていないときのＰＯ２センサ５０Ｒ，Ｌの出力の差を学習し、学習値に応じて設定された所定値を補正しても良い。

尚、上記において、左右バンクの空燃比フィードバック補正係数ＫＯ２Ｒ，Ｌの最大値ＫＯ２ＲＭＡＸ，ＫＯ２ＬＭＡＸを求め、それらの差Δｍａｘを算出して所定値と比較することで故障を検出したが、必ずしも厳密に最大値を求める必要はない。例えば、空燃比フィードバック補正係数ＫＯ２Ｒ，Ｌの一方についてのみ最大値を求めると共に、他方は最大値に至る前の値を用いて両者の差を算出して所定値と比較しても良い。あるいは、ＫＯ２Ｒ，Ｌ共、最大値に至る前の値を用いて両者の差を算出し、所定値と比較しても良い。

さらには、ＰＯ２センサ５０Ｒ，Ｌの出力（あるいはその最大値）同士の差を求め、その差を適宜設定する所定の値と比較して故障を検知するようにしても良い。この場合も、差が所定の値を超えるとき、リッチ方向の値を出力するか、あるいは出力の反転を示すＰＯ２センサ５０Ｒあるいは５０Ｌ側のエア供給管３２が故障とみなすことができる。

この実施の形態は上記の如く、内燃機関（エンジン）１０の排気系（排気マニホルド２２、排気管２４）に配置された触媒装置２６の上流位置に排気二次エアを供給する排気二次エア供給装置３０の故障検知装置において、前記内燃機関の排気系（排気マニホルド２２）に接続されてそれぞれ前記排気二次エアを供給する複数本のエア供給管３２Ｒ，Ｌ、前記複数本のエア供給管の下流位置において前記排気系（排気管２４）に配置されてそれぞれ前記排気系を流れる排気中の酸素濃度に応じた出力を生じる複数個の空燃比センサ（ＰＯ２センサ５０Ｒ，Ｌ）、前記複数個の空燃比センサの出力に基づいて得られる値同士を比較して前記排気二次エア供給装置の故障を検知する故障検知手段（ＥＣＵ５４，Ｓ１０からＳ２４）を備える如く構成した。

より具体的には、前記故障検知手段は、前記複数個の空燃比センサの出力に基づいてそれぞれ算出される空燃比フィードバック補正係数ＫＯ２Ｒ，Ｌの差（より正確にはそれらの最大値ＫＯ２ＲＭＡＸとＫＯ２ＬＭＡＸの差Δｍａｘ）を算出する補正係数差算出手段（ＥＣＵ５４，Ｓ１６，Ｓ１８）と、前記算出された差を所定値と比較する比較手段（ＥＣＵ５４，Ｓ２０）を備え、前記算出された差が所定値を超えるとき、前記排気二次エア供給装置が故障と検知する（ＥＣＵ５４，Ｓ２４）如く構成した。

尚、前記内燃機関がＶ型機関であり、１個のエアポンプ３４を備え、前記エア供給管３２Ｒ，Ｌが前記エアポンプに接続されると共に、途中から分岐して前記Ｖ型機関のそれぞれのバンク１０Ｒ，Ｌに接続される如く構成した。

尚、この実施の形態においては、Ｖ型エンジンの左右バンク１０Ｒ，Ｌごとにエア供給管３０Ｒ，Ｌを配置する共に、その下流にＰＯ２センサ５０Ｒ，Ｌを配置する構成を例にとって説明したが、この発明はそれに限られるものでなく、Ｖ型エンジンではなくても排気系が複数の系からなり、そのそれぞれにエア供給管と空燃比センサを配置可能なものであれば、同様に妥当する。また、空燃比センサとしてＯ2センサを使用したが、それに限られるものではなく、酸素濃度に比例した出力を生じるセンサを用いても良い。

この発明の一つの実施の形態に係る排気二次エア供給装置の故障検知装置の全体構成を示す概略図である。 図１に示す装置のうち、エア供給管などの排気二次エア供給装置の構成部品の一部を詳細に示す説明斜視図である。 図１に示す装置の動作を示すフロー・チャートである。 図３に示す装置の動作を説明する、排気二次エア供給装置に故障がない場合の空燃比センサ（Ｏ2センサ）の出力とそれに基づいて算出される空燃比フィードバック補正係数を示すタイム・チャートである。 図３に示す装置の動作を説明する、排気二次エア供給装置に故障が発生した場合の空燃比センサ（Ｏ2センサ）の出力とそれに基づいて算出される空燃比フィードバック補正係数を示すタイム・チャートである。

符号の説明

１０ エンジン（内燃機関）、２２ 排気マニホルド、２４ 排気管、２６ 触媒装置、３０ 排気二次エア供給装置、３２ エア供給管、３４ エアポンプ、５０ 第１の空燃比センサ（ＰＯ２センサ）、５４ ＥＣＵ（電子制御ユニット）

Claims (3)

1. 内燃機関の排気系に配置された触媒装置の上流位置に排気二次エアを供給する排気二次エア供給装置の故障検知装置において、前記内燃機関の排気系に接続されてそれぞれ前記排気二次エアを供給する複数本のエア供給管、前記複数本のエア供給管の下流位置において前記排気系に配置されてそれぞれ前記排気系を流れる排気中の酸素濃度に応じた出力を生じる複数個の空燃比センサ、前記複数個の空燃比センサの出力に基づいて得られる値同士を比較して前記排気二次エア供給装置の故障を検知する故障検知手段を備えたことを特徴とする排気二次エア供給装置の故障検知装置。
2. 前記故障検知手段は、前記複数個の空燃比センサの出力に基づいてそれぞれ算出される空燃比フィードバック補正係数の差を算出する補正係数差算出手段と、前記算出された差を所定値と比較する比較手段を備え、前記算出された差が所定値を超えるとき、前記排気二次エア供給装置が故障と検知することを特徴とする請求項１項記載の排気二次エア供給装置の故障検知装置。
3. 前記内燃機関がＶ型機関であり、１個のエアポンプを備え、前記エア供給管が前記エアポンプに接続されると共に、途中から分岐して前記Ｖ型機関のそれぞれのバンクに接続されることを特徴とする請求項１項または２項記載の排気二次エア供給装置の故障検知装置。

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