JP2011027058A - 過給機付き内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気シャットバルブの故障を正確に診断できる過給機付き内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】過給機付き内燃機関１の制御装置において、前記タービン３２の仕事量を検出する仕事量検出手段２５，２６と、第２のバルブ３１の開度を検出する開度検出手段３１と、前記タービンの仕事量、第１のバルブ２２の開度及び前記第２のバルブの開度の関係を記憶する記憶手段５０と、前記タービンの仕事量と前記第２バルブの開度から、前記関係に基づいて前記第１のバルブの開度を推定する開度推定手段５０と、前記推定された第１のバルブの開度に基づいて当該第１のバルブの故障を診断する故障診断手段５０と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、過給機付き内燃機関の制御装置に関するものである。

過給機のタービンに排気ガスを供給する排気通路を複数の通路に分割し、その一部の通路を開閉制御する排気カット弁を有するエンジンにおいて、排気カット弁を閉じる運転領域で、スロットル開度と過給圧により、排気カット弁の開閉動作の故障診断を行うものが知られている（特許文献１）。

特開２００３−３２８７６５号公報

しかしながら、上記従来技術において、排気通路のタービンを迂回する排気バイパス通路に設けられた排気バイパス弁の開度によってタービン仕事量が変化し、これにより過給圧が変化するため、過給圧とスロットル開度だけでは排気カット弁の故障を正確に診断することはできない。

本発明が解決しようとする課題は、排気シャットバルブの故障を正確に診断できる過給機付き内燃機関の制御装置を提供することである。

本発明は、過給機のタービン仕事量とウェイストゲートバルブ開度に基づいて排気シャットバルブの故障を診断することによって上記課題を解決する。

本発明によれば、過給機のタービン仕事量はタービンを通過する排気量に相関し、当該排気量は排気シャットバルブ開度とウェイストゲートバルブ開度とに相関するので、タービン仕事量とウェイストゲートバルブ開度から排気シャットバルブ開度を正確に推定できる。これにより、排気シャットバルブの開閉動作に関する故障を正確に診断することができる。

本発明の一実施の形態を適用した過給機付き内燃機関を示すブロック図である。 図１のエンジンコントロールユニットによる制御手順を示すフローチャートである。 図１の内燃機関におけるウェイストゲートバルブ開度と排気シャットバルブ開度とタービン仕事量との関係を示すグラフである。 図１の内燃機関における排気シャットバルブの流量比と排気ガス温度との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施の形態を適用した過給機付き内燃機関を示すブロック図であり、内燃機関１の吸気通路１１には、エアーフィルタ１２、吸入空気流量を検出するエアフローメータ１３、吸入空気流量を制御するスロットルバルブ１４、およびコレクタ１５が設けられている。

スロットルバルブ１４には、当該スロットルバルブ１４の開度を検出するスロットルセンサと、第１スロットルバルブ１４の開度をＤＣモータ等のアクチュエータにより制御することができるスロットルバルブ制御装置とが設けられている。このスロットルバルブ制御装置は、運転者のアクセルペダル操作量等に基づき演算される要求トルクを達成するように、コントロールユニット５０からの駆動信号に基づき、スロットルバルブ１４の開度を電子制御する。

内燃機関１の各気筒の燃焼室１６に臨ませて、燃料噴射バルブ１７が設けられている。燃料噴射バルブ１７は、コントロールユニット５０において設定される駆動パルス信号によって開弁駆動され、燃料ポンプ（不図示）から圧送されてプレッシャレギュレータ（不図示）により所定圧力に制御された燃料を燃焼室１６内に直接噴射する。なお、本例の内燃機関１はこうした直噴式エンジンに限定されず、燃焼室１６の近傍の吸気通路１１に設けられた燃料噴射ポートに燃料噴射バルブ１７からの燃料を噴射し、燃料と空気との混合気を燃焼室１６に導入するエンジンでもよい。

点火プラグ２０は、各気筒の燃焼室１６に臨んで装着され、コントロールユニット５０からの点火信号に基づいて吸入混合気に対して点火を行う。なお、本例の内燃機関は火花点火式エンジンに限定されず、ディーゼルエンジンその他の圧縮着火式エンジンにも適用することができる。

一方、排気通路２１には、排気を浄化するための排気浄化触媒２４が設けられている。この排気浄化触媒２４としては、ストイキ（理論空燃比，λ＝１、空気重量／燃料重量＝１４．７）近傍において排気中の一酸化炭素ＣＯと炭化水素ＨＣを酸化するとともに、窒素酸化物ＮＯｘの還元を行って排気を浄化することができる三元触媒、或いは排気中の一酸化炭素ＣＯと炭化水素ＨＣの酸化を行う酸化触媒を用いることができる。
なお、図１において２３はマフラである。

本例の内燃機関１は過給機３０を有する機関であり、図示する過給機３０は、排気通路２１に設けられたタービン３２と、ロータシャフト３３を介してタービンに直結されたコンプレッサ３４とを備え、排気ガスによりタービン３２を回転させ、これにより回転するコンプレッサ３４によって吸気を圧縮してコレクタ１５へ送り込む。

過給機３０のタービン側には、燃焼室１６からの排気ガスの一部または全部が、タービン３２を迂回して排気浄化触媒２４に至る迂回通路３５が設けられ、この迂回通路３５を通過する排気ガス量を制御するウェイストゲートバルブ３１が当該迂回通路３５に設けられている。ウェイストゲートバルブ３１には、当該ウェイストゲートバルブ３１の開度を検出する開度センサが設けられ、当該開度センサの検出信号はコントロールユニット５０に出力される。そして、ウェイストゲートバルブ３１は、エンジンの運転状態に応じて目標過給圧となるように、排気ガスの一部または全部を迂回通路３５側へ逃がすように開閉制御する。

排気通路２１のタービン３２の下流であって迂回通路３５との合流部より上流側に排気シャットバルブ２２が設けられている。この排気シャットバルブ２２は、タービン３２の下流の排気通路２１を通過する排気ガス量を制御するように、コントロールユニット５０からの指令により開閉駆動する。なお、排気シャットバルブ２２は、排気通路２１のタービン３２の上流であって迂回通路３５との分岐部より下流側に設けてもよい。

そしてたとえば、冷機始動時などのように排気浄化触媒２４の温度が活性化温度に達していない場合には、当該排気シャットバルブ２２を閉じ、ウェイストゲートバルブ３１を開くことで高温の排気ガスを排気浄化触媒２４に供給し、当該排気浄化触媒２４を短時間で昇温させる。

なお、排気シャットバルブ２２は高温の排気ガスに曝されて高温になるため、当該排気シャットバルブ２２の開度を検出するセンサを設けることが容易でない。また、排気ガスには未燃ガスやＰＭなど種々の異物が含まれるため、排気シャットバルブ２２にこうした異物が付着し易く、これにより開閉動作不良になることが少なくない。この対策については後述する。

吸気通路１１のコンプレッサ３４の下流とスロットルバルブ１４との間には、過給機３０のコンプレッサ３４によって圧縮されて高温となった吸気を冷却するインタークーラ３６が設けられている。このインタークーラ３６は空冷式または水冷式のいずれをも用いることができる。

また、吸気通路１１のコンプレッサ３４の上流とインタークーラ３６の下流との間には、インタークーラ３６を迂回する還流通路７０が設けられ、この還流通路７０に還流バルブ７１が設けられている。還流バルブ７１はコントロールユニット５０からの駆動信号に基づいて還流通路７０を開閉し、たとえばアクセル開度がゼロになってスロットルバルブ１４が閉じたときにコンプレッサ３４で圧縮された吸気を、還流通路７０を介して吸気通路１１の上流に還流させる。

吸気通路１１のコンプレッサ３４の上流側と下流側には、それぞれ温度センサ２５，２６が設けられ、ここを通過する吸気温度をそれぞれ検出し、その検出信号をコントロールユニット５０へ出力する。この２つの温度センサ２５，２６で検出される温度差ΔＴは、過給機３０により圧縮され昇温する前後の吸気温度の差であることから、タービン３２の仕事量に相当する物理量とみなすことができる。

なお、タービン３２の仕事量を検出する手段として、温度センサ２５，２６に代えて、コンプレッサ３４の上流及び下流に圧力センサを設け、コンプレッサ３４前後の圧力差をタービン３２の仕事量とみなしてもよい。さらに、これら温度センサ２５，２６および圧力センサに代えて、タービン３２の回転数を検出する回転センサを設け、タービン３２の回転数からタービン３２の仕事量を演算してもよい。

内燃機関１のクランク軸にはクランク角センサ２７が設けられ、コントロールユニット５０は、クランク角センサ２７から機関回転と同期して出力されるクランク単位角信号を一定時間カウントすることで、又は、クランク基準角信号の周期を計測することで、機関回転速度Ｎｅを検出することができる。

また、運転者により操作されるアクセルペダルには、その踏込み量に相当するアクセル開度を検出するアクセル開度センサ２９が設けられ、その検出信号はコントロールユニット５０へ出力される。

さらに、内燃機関１の負荷に相当する駆動系のトルクを検出するトルクセンサ２８が駆動系統に設けられ、その検出信号はコントロールユニット５０へ出力される。

既述したように、各種センサ類１３，１４，２５，２６，２７，２８，２９，３１からの検出信号は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェース等を含んで構成されるマイクロコンピュータからなるコントロールユニット５０に入力され、当該コントロールユニット５０は、センサ類からの信号に基づいて検出される運転状態に応じて、スロットルバルブ１４の開度を制御し、燃料噴射バルブ１７を駆動して燃料噴射量を制御し、点火時期を設定して当該点火時期で点火プラグ２０を点火させる制御を行う。

次に、本実施形態に係る制御手順を説明する。
図２は、図１のコントロールユニット５０による制御手順を示すフローチャートである。

既述したとおり、排気シャットバルブ２２は、排気ガスに含まれる異物が付着して開閉動作不良になることが少なくないが、排気シャットバルブ２２は高温の排気ガスに曝されて高温になるため、当該排気シャットバルブ２２の開度を検出するセンサを設けることが容易でない。したがって、開度センサによる開度検出以外の方法で排気シャットバルブ２２の開閉動作が正常か否かを診断する必要がある。

ところで、排気シャットバルブ２２の開度を０〜１００％に変更するとともに、ウェイストゲートバルブ３１の開度も０〜１００％に変更したときの、それぞれの組み合わせ開度におけるタービン仕事量を検証すると、図３に示すようになる。なお、タービン仕事量は上述したとおり温度センサ２５，２６の温度差ΔＴとした。また、開度０％は全閉、開度１００％は全開を意味する。

これによると、同じ構造の内燃機関１であれば、排気シャットバルブ２２の開度、ウェイストゲートバルブ３１の開度およびタービン３２の仕事量には一定の関係があることが解る。たとえば、タービン仕事量がΔＴ＝２７℃であってウェイストゲートバルブ３１の開度が６０％の場合の排気シャットバルブ２２の開度は２０％であるのに対し、同じタービン仕事量ΔＴ＝２７℃であってウェイストゲートバルブ３１の開度が１００％の場合の排気シャットバルブ２２の開度は３５％である。

本例では、図３に示すような排気シャットバルブ２２の開度、ウェイストゲートバルブ３１の開度およびタービン３２の仕事量の関係を、内燃機関１ごとに、オフラインによる実験やシミュレーション演算により予め取得し、これを制御マップとしてコントロールユニット５０のメモリに格納する。

そして、開度センサによる検出が困難である排気シャットバルブ２２については、タービン３２の仕事量ΔＴと、開度センサの設置が比較的容易であるウェイストゲートバルブ３１の開度を検出することで、図３に示す制御マップを用いて排気シャットバルブ２２の開度を推定する。以下、図２に示すフローチャートにしたがって具体的な手順を説明する。

ステップＳ１では冷機始動であることを確認するとともに、排気浄化触媒２４を昇温すべく排気シャットバルブ２２を全閉にする。なお、本例の故障診断は排気シャットバルブ２２を全閉に制御する場合の例として冷機始動時を挙げたが、排気シャットバルブ２２を全閉に制御する他の運転領域または排気シャットバルブ２２を所定開度に制御する運転領域において故障診断することもできる。

ステップＳ２ではエンジン回転数が所定値ＮＥmin以上に上昇しているか否かを判定するとともに、ステップＳ３ではスロットル開度が所定値Ａ以上であるか否かを判定する。これらステップＳ２及びＳ３は、排気シャットバルブ２２の故障診断を実行するにあたり内燃機関が正常に駆動して故障診断が可能な排気ガスが流れているかどうかを確認するステップである。

したがって、エンジン回転数が所定値ＮＥmin以上で駆動するとともにスロットル開度が所定値Ａ以上に開いている場合はステップＳ４へ進み、故障診断を実行する。これに対し、ステップＳ２又はＳ３のいずれか一方を満足しない場合は、内燃機関１自体に何らかの不具合があると判断し、ステップＳ１０へ進んでエンジンの始動診断モードを実行する。

ステップＳ４では、ウェイストゲートバルブ３１に設けられた開度センサにより当該ウェイストゲートバルブ３１の開度を検出する。
ステップＳ５では、温度センサ２５，２６によりコンプレッサ３４の前後の吸気温度を検出し、その差温ΔＴ、すなわちタービン３２の仕事量を演算する。

ステップＳ６では、ステップＳ４及びＳ５で検出された実際のウェイストゲートバルブ３１の開度及びタービンの仕事量と、コントロールユニット５０のメモリに格納された図３に示す制御マップとから、排気シャットバルブ２２の開度を求める。たとえば、ウェイストゲートバルブ３１の開度が６０％、タービンの仕事量ΔＴが２７℃と検出された場合は、図３の制御マップからは排気シャットバルブ２２の開度が２０％と求められる。ただし、ステップＳ１に示すように、排気シャットバルブ２２の本来の開度は全閉（０％）であることから、実際には排気シャットバルブ２２の開度が２０％開放側にずれていることになる。

ステップＳ７では、ステップＳ６で求められた排気シャットバルブ２２の開度が許容される範囲であるか否か、具体的には所定開度Ｂ以内かどうかが判定される。この判定における所定開度Ｂは、たとえば以下のように設定することができる。

燃焼室１６から排出される排気ガス流量に対する排気シャットバルブ２２を通過する排気ガス流量比（％）と、排気通路２１のタービン３２の下流の排気ガス温度（℃）との関係を検証すると、図４に示すようになる。図４の横軸は燃焼室１６から排出される排気ガスに対する排気シャットバルブ２２を通過する排気ガス流量比であり、縦軸はタービン３２の下流における排気ガス温度である。

すなわち、排気シャットバルブ２２側の流量比が増加すればするほど排気ガス温度が下降するが、この排気浄化触媒２４を活性温度まで上昇させるために必要な排気ガス温度の下限値が確保できれば、本来的には全閉である排気シャットバルブ２２が開いていても、排気浄化性能の点では問題はない。したがって、図４に示すように排気浄化触媒２４を活性化させるために必要とされる排気ガス温度の下限値に対応する排気シャットバルブの流量比を上限とし、この流量比に対応する排気シャットバルブ２２の開度を所定開度Ｂとする。

そして、ステップＳ７にて排気シャットバルブ２２の開度が所定開度Ｂを超えて開いている場合はステップＳ８へ進み、排気シャットバルブ２２は故障していると診断し、警告等を出力する。これに対し、ステップＳ７にて排気シャットバルブ２２の開度が所定開度Ｂ以下である場合はステップＳ９へ進み、排気シャットバルブ２２は正常であると診断する。

なお、ステップＳ６において排気シャットバルブ２２の開度（のズレ量）が求められるので、ステップＳ８にてこのズレの程度をも出力することもできる。

以上のとおり、本例の過給機付き内燃機関の制御装置によれば、開度センサの装着が困難とされる排気シャットバルブ２２の開度をウェイストゲートバルブ３１の開度及びタービン３２の仕事量と、図３に示す制御マップとから正確に求めることができる。これにより、排気シャットバルブ２２の開閉動作の故障診断を正確に行うことができる。排気シャットバルブ２２の故障診断が正確に行える結果、排気浄化性能の低下を抑制することができる。

また、排気シャットバルブ２２の開閉動作の故障だけでなく、排気シャットバルブ２２の開度のズレ量、すなわち故障の程度も求められるので、故障程度に応じた対処を講じることが可能となる。

さらに、排気シャットバルブ２２の故障診断の閾値Ｂを、排気浄化触媒２４を活性化させるために必要とされる排気ガス温度の下限値に対応する排気シャットバルブ２２の開度とし、これ以下の場合には正常であると診断することにより不必要な故障診断を出すことを抑制することができる。

なお、上記排気シャットバルブ２２が本発明に係る第１のバルブに相当し、上記ウェイストゲートバルブ３１が本発明に係る第２のバルブに相当し、上記温度センサ２５,２６が本発明に係る仕事量検出手段に相当し、上記ウェイストゲートバルブ３１の開度を検出する開度センサ（図１には符号３１として示す）が本発明に係る開度検出手段に相当し、上記コントロールユニット５０が本発明に係る記憶手段、開度推定手段および故障診断手段に相当する。

１…内燃機関
１１…吸気通路
１２…エアーフィルタ
１３…エアフローメータ
１４…スロットルバルブ
１５…コレクタ
１６…燃焼室
１７…燃料噴射バルブ
２０…点火プラグ
２１…排気通路
２２…排気シャットバルブ
２３…マフラ
２４…排気浄化触媒
２５…温度センサ
２６…温度センサ
２７…クランク角センサ
２８…トルクセンサ
２９…アクセル開度センサ
３０…過給機
３１…ウェイストゲートバルブ
３２…タービン
３３…ロータシャフト
３４…コンプレッサ
３５…迂回通路
３６…インタークーラ
５０…コントロールユニット（制御手段）
７０…還流通路
７１…還流バルブ

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路に設けられたタービンにより吸気通路に設けられたコンプレッサを駆動して吸気を過給する過給機と、前記タービンの下流側の排気ガス量を制御する第１のバルブと、前記タービンを迂回する迂回通路の排気ガス量を制御する第２のバルブとを備えた過給機付き内燃機関の制御装置において、
   前記タービンの仕事量を検出する仕事量検出手段と、
   前記第２のバルブの開度を検出する開度検出手段と、
   前記タービンの仕事量、前記第１のバルブの開度及び前記第２のバルブの開度の関係を記憶する記憶手段と、
   前記タービンの仕事量と前記第２バルブの開度から、前記タービンの仕事量、前記第１のバルブの開度及び前記第２のバルブの開度の関係に基づいて前記第１のバルブの開度を推定する開度推定手段と、
   前記推定された第１のバルブの開度に基づいて当該第１のバルブの故障を診断する故障診断手段と、を備えた過給機付き内燃機関の制御装置。
2. 請求項１に記載の過給機付き内燃機関の制御装置において、
   前記故障診断手段は、同じタービンの仕事量に対して前記第２のバルブの開度が大きいほど、前記第１のバルブの開度が大きい方に故障していると診断する過給機付き内燃機関の制御装置。
3. 請求項１に記載の過給機付き内燃機関の制御装置において、
   前記故障診断手段は、同じ第２のバルブの開度に対して前記タービンの仕事量が大きいほど、前記第１のバルブの開度が大きい方に故障していると診断する過給機付き内燃機関の制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の過給機付き内燃機関の制御装置において、
   前記仕事量検出手段は、前記吸気通路の前記コンプレッサの前後の吸気温度を検出する温度センサ、前記吸気通路の前記コンプレッサの前後の吸気圧力を検出する圧力センサ、または前記タービンの回転数を検出する回転センサのいずれかを含む過給機付き内燃機関の制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の過給機付き内燃機関の制御装置において、
   前記故障診断手段は、前記排気通路に設けられた排気浄化触媒を活性化させるために必要とされる排気ガス温度の下限値に対応する第１のバルブの開度を閾値として設定し、前記推定された第１のバルブの開度が前記閾値を超えている場合は、前記第１のバルブが故障であると診断する過給機付き内燃機関の制御装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の過給機付き内燃機関の制御装置において、
   前記故障診断手段は、前記内燃機関が前記第１のバルブを全閉にする冷機運転領域の場合に前記第１のバルブの故障診断を実行する過給機付き内燃機関の制御装置。

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