JP2010539390A - 排気ガス再循環システムの熱交換器のバイパスフラップを診断する方法 - Google Patents

排気ガス再循環システムの熱交換器のバイパスフラップを診断する方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、エンジン内のEGR回路(20)の故障を診断する方法に関するものであり、前記EGR回路(20)は、EGR熱交換器(22)と、EGRバルブ(21)と、EGR熱交換器のバイパスダクト(24)と、EGR熱交換器(22)及びバイパス回路(24)の上流に配置されて、排気ガスのうち、前記ダクトを流れて通過する部分を調整するいわゆるバイパスフラップ(23a)とを備え、EGR回路(20)は、フラップ(23a)が閉じたいわゆる冷却モードと、フラップ(23a)が開いたいわゆるバイパスモードで作動させることができる。本方法は、前記EGR回路(20)がバイパスモードであるときの前記EGR熱交換器(22)の出口における前記排気ガスの温度(TsEGRest_byp)を推定する工程を含む。

Description

本発明は、エンジンのEGR回路の故障を診断する方法に関し、特にEGR熱交換器のバイパスフラップが遮断される状態を診断する方法に関する。
バイパスフラップは、排気ガス再循環(EGR)システムにおける重要な構成要素である。
当該バイパスフラップの機能は、所望量のEGRガスをEGR熱交換器のバイパス回路に誘導することにより、高温ガスを利用して触媒を活性化させることである。
したがって、フラップが正しく作動することにより、現在のディーゼルエンジンの汚染物質除去を確実に行なうことができる。バイパスモード又は冷却モードでフラップが遮断されると、エンジンの排気口から排出される汚染物質に直接的な影響が現われる。
汚染物質除去基準値は益々厳しくなっているので、次の基準を満たすために、フラップのこのような故障を診断することが極めて重要である。
フラップの遮断に関連する危険は、汚染にのみ関連するのではない。実際に、フラップの故障は周囲の部品の信頼性に影響を与え(EGRバルブ及び当該バルブの取り付け部の温度が過度に高くなることに起因する劣化)、当該バルブを使用するエンジン制御方法(例えば、バルブの洗浄、及び熱交換器の洗浄、又は触媒の活性化)の完全性に影響を与え得る。
さまざまな性能を有する多くの故障診断方法が既に開発されている。
特許文献1に開示されている第1の方法では、吸気分配装置の入口に配置される温度センサを使用し、冷却モードとバイパスモードとの温度差を測定することによりフラップの遮断状態を診断することができる。しかしながら、この方法では、診断の実行を可能にするためにフラップを作動させる必要がある。更に、当該方法では、フラップが遮断される位置を検出することができない。ここで、バイパスモードでの遮断と冷却モードでの遮断では、汚染に対する影響は異なり、2つの場合に異なる対応が望まれる。更に、この方法は、吸気分配装置の入口に配置される温度センサが、導入される冷却空気の影響を受けるので、精度が低いと考えられる。
特許文献2に開示されている別の方法では、バイパスフラップの作動の前後に、吸気フラップ及びEGRバルブが全開になっている状態で、空気流量をモニタリングすることに基づく方法を実行する。この解決策の利点は、単純に、冷却空気吸入ダクトに配置される流量計を使用するということである。しかしながら、採用する技術的手段によっては、この方法の偽検出率は、EGR環境(高温、コネクタの汚損)、及びフラップに対する制御の反応が遅いことに起因して、無視できないものになる。実際、圧力波現象によって、部分真空によるバイパスフラップの制御が遅くなる。更に、当該現象によって吸気フラップ及びEGRバルブが開かざるを得なくなるため、エンジンの動作に影響が生じる。
最後に、他の用途では、フラップの開き/閉じ位置の判別を可能にする接触器を使用する。しかしながら、この方法によっても、EGR環境により誤検出率が高くなり得る。
特開2006−291921号 特開2003−247459号
従って、本発明の1つの目的は、バイパスフラップの全ての故障と、必要に応じて、当該フラップが遮断される位置を検出することとを可能にする、簡易で信頼性の高い、非接触式の方法を規定することである。この方法によって更に、冷却機能の全体的な損失を診断することができると考えられる。
本発明の第1の課題は、エンジンのEGR回路の故障を診断する方法であり、前記EGR回路は、EGR熱交換器と、EGRバルブと、EGR熱交換器のバイパスダクトと、EGR熱交換器及びバイパスダクトの上流に配置されて、排気ガスのうち、ダクトを通過する部分を制御するいわゆるバイパスフラップとを備え、EGR回路は、フラップを閉じたいわゆる冷却モードと、フラップを開いたいわゆるバイパスモードで作動させることができる。本方法は、以下の工程、即ち、
−EGR回路がバイパスモードであるとき、EGR熱交換器の出口における排気ガスの温度を推定する工程、
−EGR熱交換器の出口における排気ガスの温度を測定する工程、
−前記推定温度と前記測定温度との差を計算する工程、
−前記差を、第1の所定の閾値又は第2の所定の閾値と比較することにより、
・EGR回路がバイパスモードであり、かつ差が第1の閾値よりも大きい場合、冷却モードにおけるフラップの遮断を検出し、
・EGR回路が冷却モードであり、かつ差が第2の閾値よりも小さい場合、バイパスモードでのフラップの遮断を検出する
工程、
を含むことを特徴とする。
本発明の他の特徴によれば、
−バイパスモードでフラップが遮断される場合、EGRバルブを閉じ、
−EGR回路がバイパスモードであるときの熱交換器の出口における排気ガスの温度を推定するために、排気ガスの流量の関数として、次の数式により3つの効率を計算し、
Figure 2010539390

上の式で、
TintはEGR回路の吸い込み口における排気ガスの温度であり、
TcoはEGR熱交換器の冷却剤の温度であり、
TavtはEGR回路の上流における排気ガスの温度であり、
TeEGRはEGR熱交換器の入口における排気ガスの温度であり、
−EGR回路がバイパスモードであるときの熱交換器の出口における排気ガスの推定温度を、次の数式により計算する。
TsEGRest_byp=ε・Tco+(1−ε)・[Tavt・(1−ε)+ε・[ε・(Tco−Tavt)+Tavt]]
本発明の別の課題は、エンジンのEGR回路の故障を診断するための装置であり、前記EGR回路は、EGR熱交換器と、EGRバルブと、EGR熱交換器のバイパスダクトと、EGR熱交換器及びバイパスダクトの上流に配置されて、排気ガスのうち、ダクトを通過する部分を制御するいわゆるバイパスフラップとを備え、EGR回路は、フラップが閉じたいわゆる冷却モードと、フラップを開いたいわゆるバイパスモードに従って作動することができる。本装置は、
−EGR回路がバイパスモードであるときのEGR熱交換器の出口における排気ガスの温度を推定する手段と、
−EGR熱交換器の出口における排気ガスの温度を測定する手段と、
−前記推定温度と前記測定温度との差を計算する手段と、
−前記差を、第1の所定の閾値又は第2の所定の閾値と比較することにより、
・EGR回路がバイパスモードであり、かつ差が第1の閾値よりも大きい場合、装置が、冷却モードでのフラップの遮断を検出し、
・EGR回路が冷却モードであり、かつ差が第2の閾値よりも小さい場合、装置が、バイパスモードでのフラップの遮断を検出する
手段と
を備えることを特徴とする。
別の特徴によれば、本発明による装置は更に、
−EGR熱交換器の冷却剤の温度を測定する手段と、
−EGR回路の上流における排気ガスの温度を測定する手段と
を備える。
本発明の他の目的、特徴及び利点は、本発明に関する以下の詳細な説明を、添付図面を参照しながら一読することにより一層明確になるものと思われる。
図1は、本発明による方法が実行されるエンジン室の概略図である。 図2は、EGR熱交換器、及び当該熱交換器のバイパスダクトの概要を表わしている。 図3は、EGR回路の複数の個別熱交換器への理論的分解を示している。 図4は、診断方法のフローチャートである。 図5は、バイパスフラップが機能する場合を示す。 図6は、冷却モードでバイパスフラップが遮断される場合を示す。 図7は、バイパスモードでバイパスフラップが遮断される場合を示す。
図1に示すように、エンジン室は内燃機関10を含み、この内燃機関は、吸気ダクト11を介して冷却空気の供給を受け、排気ダクト12を介して排気ガスを排出する。任意で、このエンジン室にはターボチャージャ50も設置され、ターボチャージャ50は、吸気ダクト11に配置されて、ダクト53から流入する空気を圧縮するコンプレッサ51を含む。必要に応じて、冷却手段40及びフラップ30が、コンプレッサ51とエンジン10との間に設置される。したがって、エンジン10に到達する空気が冷却される。ターボチャージャ50のタービン52は、排気ダクト12の端部に配置され、コンプレッサ51に接続される。このとき、排気ガスはエンジン室からダクト54を通って排出される。
エンジン室は更に、排気ガス再循環(EGR20)回路を含む。排気ガス再循環回路の吸い込み口28は排気ダクト12に接続され、取り出し口29は吸気ダクト11に接続される。EGR回路20は、上流ダクト25を介して吸い込み口28に接続され、かつ下流ダクト27を介して取り出し口29に接続されたクーラー又はEGR熱交換器22を含むことにより、エンジン10に再循環させる前に排気ガスを冷却することができる。
更に、バイパスダクト24が設置され、バイパスダクト24の上流部分は、EGR熱交換器22の上流に配置されるソレノイドバルブ23に接続され、当該ダクトの下流部分は熱交換器22の出口に接続される。ソレノイドバルブ23はフラップ23aを含み、このフラップ23aは、当該フラップの位置に応じて、所望の量の排気ガスをバイパスダクト24に流すことができる。したがって、ソレノイドバルブ23のフラップの位置を制御することにより、所定量のガスを、バイパスダクト24(当該ダクトではガスは冷却されない)に流すことができ、EGR熱交換器22(当該熱交換器でガスが冷却される)に流入させることができる。これにより、熱交換器22の出口においてガスの温度を調整することができる。EGR熱交換器には種々の技術的定義が存在すること、及びバイパス回路24を、熱交換器22から分離することができるか(図1に示すように)、又は熱交換器22に組み込むことができる(図2に示すように)ことを明示する。
エンジン10に再循環させる排気ガスの量を制御するために、更にEGRバルブ21を回路20の取り出し口に設置する。
図2は、バイパスダクト24を組み込んだEGR熱交換器22を示している。フラップ23aが閉じる場合、高温排気ガスの全て(塗りつぶし矢印)がEGR熱交換器を通過し、ここでガスが冷却される(斜線付き矢印)。これを「冷却モード」と呼ぶ。しかしながら、フラップ23aが開く場合、排気ガスの少なくとも一部分がバイパスダクト24を通過し、冷却されない。これを「バイパスモード」と呼ぶ。したがって、熱交換器22の出口における排気ガスの温度TsEGRは、バイパスモードの方(TsEGR2)が冷却モードの方(TsEGR1)よりも高いことが分かる。
本発明によれば、診断方法は、EGR熱交換器22の出口における温度の測定又は推定に基づいて行なわれる。この温度は、状況に応じて、EGRバルブ21の上流又は下流で測定することができる。
具体的には、当該方法は、バイパスモードにおいて推定されるTsEGR(TsEGRest bypと表記される)と、測定されるTsEGR(TsEGRmesと表記される)との差を計算することに基づいている。
この目的のために、本出願人は、フランス特許出願第0610065号の主題であるバイパスモードにおけるTsEGRのモデルを発展させた。
3種類の効率がEGRガスの流量の関数として推定される。
即ち、EGRガスの流量(QEGRと表記される)が、充填流量(ηfillingと表記される)に対するエンジン流量(Qengineと表記される)と、冷却空気流量(Qairと表記される)との差に相当するものとして推定される。
EGR=Qengine(ηfilling)−Qair
充填率は、吸気マニホールド内の温度Tcol及び圧力Pcolを利用して求めることができ、これらの値は、吸気マニホールド内に配置されるセンサにより供給される。
前述の3つの効率は、図3に示す、EGR回路20を3つの個別の熱交換器に分解した場合の各交換器に対応する。即ち、
−第1熱交換器は、EGR回路20の吸い込み口28(温度Tint)に達するまでの排気ダクト12(温度Tavt)に対応し、
−第2熱交換器は、EGR回路20の吸い込み口28(温度Tint)とEGR熱交換器22の入口(温度TeEGR)との間のダクト25に対応し、
−第3熱交換器は、EGR熱交換器22の入口(温度TeEGR)と、バイパスモードにおけるEGR熱交換器22の出口(温度TsEGR)との間の部分に対応する。
これは、次の3つの方程式により表わされる。
Figure 2010539390

上の式では、
Tintは、EGR回路(20)の吸い込み口における排気ガスの温度であり、
Tcoは、EGR熱交換器(22)の冷却剤の温度であり、
Tavtは、EGR回路(20)の上流における排気ガスの温度であり、
TeEGRは、EGR熱交換器(22)の入口における排気ガスの温度である。
バイパスモードにおける推定温度TsEGRは次式に基づいて推定される。
TsEGRest_byp=ε・Tco+(1−ε)・[Tavt・(1−ε)+ε・[ε・(Tco−Tavt)+Tavt]]
従って、バイパスモードにおける温度TsEGRの推定には、3つの温度センサ、即ちTco、Tavt、Tcol、及び1つの圧力センサPcolが必要である。
温度TsEGRmesを、EGR熱交換器22の出口に配置したプローブにより測定し、温度TsEGRを、上に説明した数式に従ってバイパスモードにおいて推定すると、バイパスフラップ23aの機能性をバイパスモード及び冷却モードの両方で継続的に診断することができ、この診断を、当該フラップを制御することなく(即ち、フラップの動作に介入することなく)行なうことができる。実際、フラップ23aが機能しているとすると、
−フラップがバイパスモードにおいて制御される場合は、TsEGRest_bypとTsEGRmesとの差は小さいはずであり、
−フラップが冷却モードにおいて制御される場合は、TsEGRest_bypとTsEGRmesとの差は大きいはずである
と考えられる。
したがって、閾値Sbm及び閾値Scmは、統計学的分析により、
−フラップがバイパスモードにおいて制御されているとき、差|TsEGRest_byp−TsEGRmes|がSbmよりも大きければ、冷却モードにおいてフラップが遮断されると考えられ、
−フラップが冷却モードにおいて制御されるとき、差|TsEGRest_byp−TsEGRmes|がScmよりも小さければ、バイパスモードにおいてフラップが遮断されると考えられる
ように定義される。
フラップ23aが遮断される原因は、機械的な焼き付き、バイパスソレノイドバルブ23からホースが外れていること、又は制御上の問題と考えることができる。
図4のフローチャートは、論理的な診断手順を更に詳細に示している。
−車両が始動すると、装置は初期化される(ボックス101)。
−状態が安定するまで(ボックス102)、診断は無効である。現実には、検出信頼度を高めるために、診断は、速度及びトルクが安定している動作点で行なわれ、TsEGR及びQEGRの推定値が広く分散する過渡モードを使用せずに済む。
−状態が安定したら(ボックス103)、EGR回路の作動モード、即ち、バイパスモード又は冷却モードが検出される(ボックス104)。
−EGR回路がバイパスモードである場合、
・温度TsEGRを測定し、バイパスモードにおいて推定される温度TsEGRを計算し、次いで温度差を計算する。即ち、
Δbm=|TsEGRest_byp−TsEGRmes|(ボックス105)
・温度差Δbmを、既に決定している閾値Sbmと比較する(ボックス106)。
・Δbmが閾値Sbmよりも小さい場合、フラップは機能していると考えられ、診断を停止する(ボックス102)。
・Δbmが閾値Sbmよりも大きい場合、冷却モードにおいてフラップが遮断されるために、故障が検出される(ボックス107)。
−EGR回路が冷却モードである場合、
・温度TsEGRを測定し、バイパスモードで推定される温度TsEGRを計算し、次いで温度差を計算する。即ち、
Δcm=|TsEGRest_byp−TsEGRmes| (ボックス108)
・温度差Δcmを、既に決定している閾値Scmと比較する(ボックス106)。
・Δcmが閾値Scmよりも大きい場合、フラップは機能していると考えられ、診断を停止する(ボックス102)。
・Δcmが閾値Scmよりも小さい場合、バイパスモードにおいてフラップが遮断されるために、故障が検出される(ボックス110)。
故障が確認されると、情報アイテム(DTC又は「診断トラブルコード」)が製造業者メモリに保存される。サービスインジケータ(OBD又は「オンボード診断」)が、排出量が規定された閾値を超える場合に点灯する。
最後に、バイパスモードにおいてフラップが遮断される場合(ボックス110)、機能低下モードが起動され、EGRバルブ21を閉じて当該バルブの両端部の温度を下げる。
この方法は、エンジン制御ユニット(ECU)内で実行される。
図5は、フラップが機能している場合を示している。
パルス状の曲線C1は、バイパスフラップの制御状態に対応し、ハイ値がバイパスモードに対応し、ロー値が冷却モードに対応する。
パルス状の曲線C2は、診断状態に対応し、ハイ値が診断フェーズに対応する。
この図では、第1フェーズにおいて、EGR回路がバイパスモードにあり、温度差Δbmがバイパスモードにおける検出閾値Sbmよりも小さく、したがってフラップが機能していると考えられることが分かる。同様に、第2診断フェーズでは、EGR回路は冷却モードにあり、温度差Δcmは冷却モードにおける検出閾値Scmよりも大きく、したがってフラップが機能していることが検出される。
図6を参照し、冷却モードにおいてフラップが遮断される場合について考察する。
曲線C1及びC2は、図5と同じように定義される。
第1診断フェーズでは、EGR回路はバイパスモードである。この時点で、温度差Δbmは、期間Tbmに亘ってバイパスモードにおける検出閾値Sbmよりも大きく、したがって冷却モードにおいてフラップが遮断されると考えられる。
EGR回路が冷却モードである間に(曲線C2の2番目のパルスを参照)第1診断フェーズを実行したとすれば、(ΔcmがScmよりも大きいので)フラップが機能していると判断されたであろうが、当該フラップは、次の診断サイクルの間は、バイパスモードにおいて故障として検出されるであろう。
図7を参照し、バイパスモードにおいてフラップが遮断される場合について考察する。
曲線C1及びC2は、図5及び6と同じように定義される。
第1診断フェーズでは、EGR回路はバイパスモードである。温度差ΔbmがSbmよりも小さいので、フラップは機能していると考えられる。
冷却モードにおける次の診断フェーズでは、フラップの故障を明らかにすることができる。実際には、温度差Δcmが、期間Tcmに亘ってScmよりも小さく、このことから、バイパスモードにおいてフラップが遮断されると推定される。
流量計又は接触器を使用する他の技術的解決策と比較すると、(TsEGRmesの測定に)EGR熱交換器の出口における温度センサの診断を利用することにより、本方法の検出信頼度は向上している。更に、有利には、この温度センサは、要件に応じて他の診断に使用することができる。このように、本発明による方法によって、冷却機能の全体的な損失を検出することが可能になり、このような損失をもたらす故障(例えば、水漏れ)が極めて稀になる。
他の既知の方法と比較すると、本発明による方法は更に、非接触で行なわれるという利点を有する。即ち、当該方法では、当該フラップの機能をチェックするために、バイパスフラップを作動させる必要がない。したがって、この方法により、いかなる汚染も行われない。
最後に、本方法によって、バイパスフラップが遮断される位置を認識することができる。この情報は、機能低下モードを正しく起動するために必要であり(即ち、バイパスモードにおいてフラップが遮断される場合にのみ)、これは汚染物質除去の観点から更に有利である。

Claims (6)

  1. エンジンのEGR回路(20)の故障を診断する方法であって、EGR回路(20)は、EGR熱交換器(22)と、EGRバルブ(21)と、EGR熱交換器のバイパスダクト(24)と、EGR熱交換器(22)及びバイパスダクト(24)の上流に配置されて、排気ガスのうち、ダクトを通過する部分を制御するいわゆるバイパスフラップ(23a)とを備え、EGR回路(20)は、フラップ(23a)を閉じたいわゆる冷却モードと、フラップ(23a)を開いたいわゆるバイパスモードとに従って作動することができ、本方法が、
    −EGR回路(20)がバイパスモードであるときのEGR熱交換器(22)の出口における排気ガスの温度(TsEGRest_byp)を推定する工程、
    −EGR熱交換器(22)の出口における排気ガスの温度(TsEGRmes)を測定する工程、
    −前記推定温度(TsEGRest_byp)と前記測定温度(TsEGRmes)との差を計算する工程、及び
    −前記差を、第1の所定の閾値(Sbm)又は第2の所定の閾値(Scm)と比較することにより、
    ・EGR回路(20)がバイパスモードであり、かつ差が第1の閾値(Sbm)よりも大きい場合、冷却モードにおいてフラップ(23a)が遮断されることを検出し、
    ・EGR回路(20)が冷却モードであり、かつ差が第2の閾値(Scm)を下回る場合、バイパスモードにおいてフラップ(23a)が遮断されることを検出する工程
    を含むことを特徴とする、方法。
  2. バイパスモードにおいてフラップ(23a)が遮断される場合、EGRバルブ(21)を閉じることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. EGR回路(20)がバイパスモードであるときの熱交換器(22)の出口における排気ガスの温度(TsEGRest_byp)を推定するために、次の数式で表わされるように、排気ガスの流量(QEGR)の関数として3つの効率を計算し、
    Figure 2010539390

    上の式では、
    Tintは、EGR回路(20)の吸い込み口における排気ガスの温度であり、
    Tcoは、EGR熱交換器(22)の冷却剤の温度であり、
    Tavtは、EGR回路(20)の上流における排気ガスの温度であり、
    TeEGRは、EGR熱交換器(22)の入口における排気ガスの温度であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の方法。
  4. EGR回路(20)がバイパスモードであるときの熱交換器(22)の出口における排気ガスの推定温度(TsEGRest_byp)が、次の数式:
    TsEGRest_byp=ε・Tco+(1−ε)・[Tavt・(1−ε)+ε・[ε・(Tco−Tavt)+Tavt]]
    により与えられることを特徴とする、請求項3に記載の方法。
  5. エンジンのEGR回路(20)の故障を診断する装置であって、EGR回路(20)が、EGR熱交換器(22)と、EGRバルブ(21)と、EGR熱交換器のバイパスダクト(24)と、EGR熱交換器(22)及びバイパスダクト(24)の上流に配置されて、排気ガスのうち、ダクトを通過する部分を制御するいわゆるバイパスフラップ(23a)とを備え、EGR回路(20)が、フラップ(23a)を閉じたいわゆる冷却モードと、フラップ(23a)を開いたいわゆるバイパスモードとに従って作動することができるもので、
    −EGR回路(20)がバイパスモードであるときのEGR熱交換器(22)の出口における排気ガスの温度(TsEGRest_byp)を推定する手段と、
    −EGR熱交換器(22)の出口における排気ガスの温度(TsEGRmes)を測定する手段と、
    −前記推定温度(TsEGRest_byp)と前記測定温度(TsEGRmes)との差を計算する手段と、
    −前記差を、第1の所定の閾値(Sbm)又は第2の所定の閾値(Scm)と比較することにより、
    −EGR回路(20)がバイパスモードであり、かつ差が第1の閾値(Sbm)よりも大きい場合、装置が、冷却モードにおいてフラップ(23a)が遮断されることを検出し、
    −EGR回路(20)が冷却モードであり、かつ差が第2の閾値(Scm)よりも小さい場合、装置が、バイパスモードにおいてフラップ(23a)が遮断されることを検出する手段と
    を備えることを特徴とする、装置。
  6. 更に、
    −EGR熱交換器(22)の冷却剤の温度(Tco)を測定する手段と、
    −EGR回路(20)の上流における排気ガスの温度(Tavt)を測定する手段と
    を備えることを特徴とする、請求項5に記載の方法。
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