JP2010116878A - 内燃機関の排気浄化装置の故障診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
通路切替弁による通路切替が不十分な場合、例えば、メイン通路を開閉する通路切替弁が閉位置にあるにも拘わらず排気が漏洩するような場合には、メイン触媒が未活性の段階で未浄化の排気がそのまま外部へ流出することになり、排気浄化性能が悪化する。従って、通路切替弁の漏洩を診断する診断装置が求められている。本発明の目的は、排気管の触媒をバイパスする通路と、バイパス通路を切替える切替弁を備えた触媒バイパス通路の合流部に排気流量センサを取り付けて、センサ出力の脈動からメイン通路を開閉する切替弁の漏れ量を推定することである。
【解決手段】
バイパス通路の合流部に排気流量センサを取り付け、排気流量センサ信号の脈動からメイン通路を開閉する切替弁の漏れを診断するようにした。
【選択図】図６

Description

本発明は、冷機始動直後に、排気系の上流にバイパス通路とメイン通路を備え、通路切替弁により排気流を切替えるようにした排気浄化装置において、その通路切替弁の漏洩を診断する故障診断装置に関する。

内燃機関の排気浄化装置としては、排気通路に内燃機関の排気管直後に上流側触媒を設置し、さらにその下流に下流側触媒が直列に配置され、冷機始動直後から暖機までの排気浄化が可能となっている。しかしながら、上流側触媒は内燃機関側に近付けるほど、触媒の冷機の浄化性能は向上するものの、触媒の熱劣化による耐久性低下が問題となる。

そのため、特許文献１や特許文献２に開示されているように、メイン触媒を備えたメイン流路の上流側部分と並列にバイパス通路を設けるとともに、このバイパス通路に、別のバイパス触媒を介装し、両者を切替える切替弁によって、冷機始動直後は、バイパス通路側に排気を導入するようにした排気装置が、従来から提案されている。この構成では、バイパス触媒は排気系の中でメイン触媒よりも相対的に上流側に位置しており、相対的に早期に活性化するので、より早い段階から排気浄化を開始することができるとともに、暖機後、バイパス通路を切替えることで熱劣化による耐久性も確保できる。

特開２００５−１８８３７４号公報 特開２００７−２４７２４３号公報

前記のような構成において、通路切替弁による通路切替が不十分な場合、例えば、メイン通路を開閉する通路切替弁が閉位置にあるにも拘わらず排気が漏洩するような場合には、メイン触媒が未活性の段階で未浄化の排気がそのまま外部へ流出することになり、排気浄化性能が悪化する。従って、通路切替弁の漏洩を診断する診断装置が求められている。

前記特許文献１は、通路切替弁のデポジットの付着による流量低下などを検出する方法を提案しているが、未浄化の排気の漏洩を診断することはできない。

前記特許文献２は空燃比をリーンからリッチに変化させる空燃比制御と空燃比センサとによって漏洩を検出するもので、冷機始動直後からの漏洩の検出が不十分であった。

この発明は、メイン触媒を下流側に備えたメイン通路の上流側部分と並列にバイパス通路が設けられるとともに、このバイパス通路にバイパス触媒を備え、かつ前記メイン通路の前記上流側部分に該メイン通路を閉塞する通路切替弁を備えてなる内燃機関の排気浄化装置において、前記バイパス通路下流部がメイン通路と合流した後に、排気ガス流量を検出する排気流量検出手段と前記通路切替弁が閉位置に制御されている状態において前記排気流量検出手段の検出排気流量に基づき、前記通路切替弁の漏洩を診断する診断手段を有することを特徴としている。

すなわち、前記構成の排気浄化装置においては、メイン通路を開閉する通路切替弁が閉位置にあると、内燃機関から排出された排気の全量がバイパス通路側へ流れ、バイパス触媒を通過する。これに対し流路切替弁が開位置にあると、内燃機関から排出された排気の大部分は、通気抵抗の差により、メイン通路側を流れる。

通路切替弁の漏洩の診断は、通路切替弁を閉位置に制御した状態では、排気ガス流量センサの流量信号はバイパス通路内のバイパス触媒を通過してくるため、排気ガス量の脈動幅は小さい。このとき、通路切替弁から排気ガスが漏洩した場合には、排気ガス量の脈動幅は増加し、冷機始動後より漏洩を判別することができる。

上述した通路切替弁からの漏洩による流動の脈動変化は漏洩量によって変化するため、要求される漏洩量によって判別のための診断を修正することが望ましい。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の故障診断装置によれば、通路切替弁を通した排気の漏洩を確実に診断することができ、未浄化の排気の外部への流出を未然に防止することができる。

また、冷機始動直後より診断が可能である。

以下、図面を参照して、本発明を４気筒内燃機関の排気浄化装置に適用した実施例に基づいて詳細に説明する。ただし、実施例に記載されている構成部品の寸法，材質，形状、などは、特に特定的な記載のない限りは、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

本発明の実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成について説明する。

図１には、本発明の内燃機関の排気浄化装置の概略構成を示す図である。

内燃機関１のシリンダヘッド２には、直列に配置された＃１気筒〜＃４気筒の各気筒の排気ポート３がそれぞれ側面に向かって開口するように形成されており、この排気ポート３のそれぞれに、メイン通路４が接続されている。＃１気筒〜＃４気筒の４本のメイン通路４は、１本の流路に合流しており、その下流側に、メイン触媒５が配置されている。このメイン触媒５は、車両の床下に配置される大容量ものであって、触媒としては、例えば、三元触媒，ＨＣトラップ触媒，ＮＯｘ触媒を含んでいる。前記のメイン通路４およびメイン触媒５によって、通常の運転時に排気が通過するメイン通路が構成される。また、各気筒からの４本のメイン通路３の合流点または合流点下流には、通路切替手段として各メイン通路４を一斉に開閉する通路切替弁６が設けられている。この通路切替弁６は、適宜なアクチュエータ６ａによって開閉駆動される。

一方、バイパス流路として、各気筒のメイン通路４の各々から、該メイン通路４よりも通路断面積の小さなバイパス通路８がそれぞれ分岐している。各バイパス通路８の上流端となる分岐点７は、メイン通路４のできるだけ上流側の位置に設定されている。

図２は４気筒エンジンを上から見た図を示しており、バイパス通路の分岐はメイン通路と区別するため破線にて図示する。

４本のバイパス通路７は、下流側で１本の流路に合流しており、その合流点の直後に、三元触媒を用いたバイパス触媒９が配置されている。このバイパス触媒９は、メイン触媒５に比べて容量が小さな小型のものであり、望ましくは、低温活性に優れた触媒が用いられる。バイパス触媒９の出口側から延びるバイパス通路８の下流端は、メイン通路４におけるメイン触媒５上流側でかつ通路切替弁６よりも下流側の合流点１０において該メイン通路４に接続されている。

なお、バイパス通路８の上流端となる分岐点はメイン通路４の各気筒メイン通路４の合流後で通路切替弁６の上流であってもよい。（図示せず）

メイン通路４とバイパス通路８の下流側合流点１０の下流でメイン触媒５の上流側のメイン通路４に排気流量センサ１５が配置されている。排気流量センサ１５は例えば熱線流量式等が考えられる。

メイン触媒５の入口部ならびに出口部には、それぞれメイン上流側空燃比センサ１１およびメイン下流側空燃比センサ１２が配置されており、バイパス触媒９の入口部ならびに出口部には、それぞれバイパス上流側空燃比センサ１３およびバイパス下流側空燃比センサ１４が配置されている。メイン上流側空燃比センサ１１およびメイン下流側空燃比センサ１２は、メイン触媒コンバータの活性後に公知の空燃比フィードバック制御を行うためのものであり、基本的に上流側空燃比センサ１１によって機関空燃比（燃料噴射量）が制御され、その制御特性のばらつき補正などのために下流側空燃比センサ１２の出力信号が利用される。同様に、バイパス上流側空燃比センサ１３およびバイパス下流側空燃比センサ１４は、バイパス触媒９を用いる際に公知の空燃比フィードバック制御を行うためのものであり、基本的に上流側空燃比センサ１３によって機関空燃比（燃料噴射量）が制御され、その制御特性のばらつきの補正などのために下流側空燃比センサ１４の出力信号が利用される。これらの空燃比センサ１１〜１４としては、排気空燃比に応じたほぼリニアな出力特性を有するいわゆる広域型空燃比センサ、あるいはリッチ，リーンの２値的な出力特性を有する酸素センサ、のいずれであってもよい。

また内燃機関１は、点火プラグ３１を備え、その吸気通路３２には、燃料噴射弁３３が配置されている。さらに、吸気通路３２の上流側に、モータ等のアクチュエータによって開閉駆動される所謂電子制御型スロットル弁３４が配置されているとともに、吸入空気量を検出するエアフロメータ３５が設けられている。

内燃機関１の種々の制御パラメータ、例えば、前記燃料噴射弁３３による燃料噴射量，点火プラグ３１による点火時期，スロットル弁３４の開度，通路切替弁６の開閉状態、などは、エンジンコントロールユニット３６によって制御される。前記通路切替弁６の漏洩の診断が前記エンジンコントロールユニット３６によって適宜に実行される。

このような構成においては、冷機始動後の機関温度ないしは排気温度が低い段階では、アクチュエータ６ａを介して通路切替弁６が閉じられ、メイン通路４が遮断される。そのため、各気筒から吐出された排気は、その全量が分岐点７からバイパス通路８を通してバイパス触媒９へと流れる。バイパス触媒９は、排気系の上流側つまり排気ポートに近い位置にあり、かつ小型のものであるので、速やかに活性化し、早期に排気浄化が開始される。

一方、機関の暖機が進行して、機関温度ないしは排気温度が十分に高くなったら、メイン触媒５の触媒が活性したと判断し、流路切替弁６が開放される。これにより、各気筒から吐出された排気は、主に、メイン通路４からメイン触媒５を通過する。このときバイパス通路８側は特に遮断されていないが、バイパス通路８側の方がメイン通路４側よりも通路断面積が小さく、かつバイパス触媒９が介在しているので、両者の通路抵抗の差により、排気流の大部分はメイン通路４側を通り、バイパス通路８側には殆ど流れない。従って、バイパス触媒９の熱劣化は十分に抑制される。

図３には、バイパス通路切替弁制御の基本タイムチャートを示す。

エンジン停止時、弁は開状態になっており、イグニッションスイッチＯＮにて弁は閉状態に制御される。スタータＯＮによりエンジンは始動されエンジン回転は上昇する。排気ガスはバイパス通路を通過する。このときバイパス触媒下流の排気ガスの脈動振幅はバイパス触媒により減衰し小さい値となっている。メイン触媒が活性化すると速やかに通路切替弁は開とされ排気ガスの脈動振幅は減衰はなく大きな振幅として排気流量センサで捉えられる。

図４には冷機始動時のテールパイプＨＣの時間挙動を示している。実線はバイパス触媒に排気が流れ通路切替弁からの漏洩が無い場合を示している。バイパス触媒は小型であり、速やかに活性化し排気浄化が行われている。

破線で示したテールパイプＨＣ挙動は通路切替弁から漏洩してる場合を示しており、バイパス触媒の活性化が遅れるとともに一部浄化されない排気がテールパイプから排出される。

次に、前記通路切替弁６の漏洩の診断について説明する。

図５にエンジン制御装置の入力，ＣＰＵ，出力の基本構成図を示す。

ＩＧスイッチ５３の出力はデジタル入力回路１０４に入力され、その後、ＣＰＵ１０１に送られ処理後、デジタル出力回路を介してリレー制御５５を行う。

クランク角センサ５１とカム角センサ５２の出力はパルス入力回路１０５を通してＣＰＵ１０１にて処理された後、タイマー設定出力回路を介してタイマー設定出力により、燃料噴射弁３３，点火装置３１，電子制御スロットル３４，バイパス通路切替弁６を制御する。

エアフローセンサ３５，水温センサ３７，空燃比センサ１１〜１４，排気流量センサ１５の出力はアナログ入力回路１０６を介して、ＣＰＵ１０１に送られ制御処理後、その出力は通信回路１１３からスキャンツール５４に送られる。

図６には制御構成のブロック図を示す。

エンジン運転状態検出手段として、スタータ入力，エンジン回転数，水温センサ等の入力ブロックと排気流量検出手段としてエンジン運転状態検出手段ブロックの出力に基づき排気流量センサの入力ブロックの信号を処理するブロックから成り、切替弁漏洩診断手段として排気流量検出手段の信号処理した出力にて診断結果を求め通信などで出力するブロックから構成され必要に応じ警告灯ブロックに信号が送られる。

図７は、診断処理の流れを示すフローチャートを示す。まずステップ１で、そのときの機関回転数ＮＥと負荷（燃料噴射量ＴＰ）と通路切替弁閉信号とを読み込み、ステップ２で、これらの運転条件から漏洩の診断が可能であるか否かを判断する。この診断は、始動直後より診断可能である。ステップ３にて排気流量センサの出力信号を取りこむ。ステップ４にて診断パラメータを判断基準Ｃと比較する。診断パラメータが判断基準Ｃより大と判断した場合には漏洩と判断し警告灯を点灯する。（図示せず）

図８には、通路切替弁からの漏洩量と排気ガス流量の脈動振幅との関係を示している。

漏洩のない状態ではある振幅の脈動で合った流れが漏洩により振幅が増加する。図の破線で示すように、あるクライテリアを設定することで、通路切替弁の漏洩診断が可能となる。

図９には、切替弁開度と脈動振幅との関係を示す。

これにより、振幅変化から弁開度を推定することができ、弁開度を制御することで、メイン触媒とバイパス触媒との排気流量割合を制御し、両触媒を有効活用することもできる。

図１０にはエンジン始動後、通路切替弁を閉としてバイパス通路に排気を導入している時に運転者の要求により、車両加速視した場合の対応を示したフローチャートを示す。

運転者からの要求はアクセル開度、すなわちスロットル開度（ＴＶＯ）に反映される。したがって、ステップ１０１ではＴＶＯの信号を読み込み、ステップ１０２にて運転者の走行要求と判断した場合には、ステップ１０３にて切替弁の開度を全開にする制御を行う。

さらに図１１には、冷機始動直後の排気流量センサの出力とエンジン回転数，排気ガス温度の挙動を示している。

熱線流量センサでは、排気ガス質量流量と排気ガス温度とをセンシングできるため、メイン触媒に流入する供給熱エネルギ量を求めることが可能であり、メイン触媒の熱容量をあらかじめ求めておけば、メイン触媒の活性化判断も可能となる。

図１２には触媒活性後の通路切替弁の閉から開へ切替えられ場合のタイムチャートを示す。開要求に対し、弁が固着等により閉の状態の場合には脈動振幅は図５に示す振幅の少ない波形となる。一方、弁が開であれば振幅は大となる。したがって、本振幅にてバルブの異常診断も可能となる。

本発明に係る内燃機関の構成を示す説明図。 本発明に係る内燃機関の構成を上から見た説明図。 本発明に係る冷機始動直後の排気流量センサの出力とエンジン回転数，排気ガス温度の挙動を示すタイムチャート。 本発明に係る冷機始動時のテールパイプＨＣの時間挙動を示す説明図。 本発明に係るエンジン制御装置の入力，ＣＰＵ，出力の基本構成図。 本発明に係る制御構成のブロック図。 本発明に係る診断処理の流れを示すフローチャート。 本発明に係る通路切替弁からの漏洩量と排気ガス流量の脈動振幅との関係を示す説明図。 本発明に係る切替弁開度と脈動振幅との関係を示す説明図。 本発明に係る漏洩診断の処理の流れを示すフローチャート。 本発明に係る冷機始動直後の排気流量センサの出力とエンジン回転数，排気ガス温度，供給熱エネルギの挙動を示すタイムチャート。 本発明に係る触媒活性後の通路切替弁の閉から開へ切替えられ場合のタイムチャート。

符号の説明

１ 内燃機関
２ シリンダヘッド
４ メイン通路
５ メイン触媒
６ 通路切替弁
８ バイパス通路
９ バイパス触媒
１５ 排気流量センサ
３６ エンジンコントロールユニット

Claims (7)

1. メイン触媒を下流側に備えたメイン通路の上流側部分と並列にバイパス通路が設けられるとともに、前記バイパス通路にバイパス触媒を備え、かつ前記メイン通路の上流側部分に該メイン通路を閉塞する通路切替弁を備えてなる内燃機関の排気浄化装置において、
   前記バイパス通路下流部がメイン通路と合流した後に排気ガス流量を検出する排気流量検出手段と、
   前記通路切替弁が閉位置に制御されている状態で前記排気流量検出手段の検出排気流量に基づき前記流路切替弁の漏洩を診断する診断手段と、
   を有することを特徴する内燃機関の排気浄化装置の故障診断装置。
2. 排気ガス流量の脈動振幅の大きさにて、漏洩の有無を判別することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置の故障診断装置。
3. 前記排気流量検出手段は熱線式質量流量計であることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置の故障診断装置。
4. メイン触媒を下流側に備えたメイン通路の上流側部分と並列にバイパス通路が設けられるとともに、前記バイパス通路にバイパス触媒を備え、かつ前記メイン通路の上流側部分に該メイン通路を閉塞する通路切替弁を備えてなる内燃機関の排気浄化装置を用いたガス分配方法であって、
   前記バイパス通路下流部がメイン通路と合流した後に排気ガス流量を検出する排気流量検出手段を有し、前記排気流量検出手段を用い、通路切替弁の開度を所定の開度に設定することを特徴とするメイン触媒とバイパス触媒の最適排気ガス分配方法。
5. メイン触媒に供給された熱エネルギとメイン触媒の熱容量から活性判断をすることを特徴とする請求項３記載の内燃機関の排気浄化装置の故障診断装置。
6. スロットル開度信号に基づき運転者の加速要求と判断した場合、通路切替弁の開度を全開にすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置の故障診断装置。
7. 排気ガス流量の脈動振幅の大きさにて、通路切替弁の固着を判別することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置の故障診断装置。

Images