JP2011085030A

JP2011085030A - 内燃機関装置

Info

Publication number: JP2011085030A
Application number: JP2009236537A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Nishigaki; 隆弘西垣; Kiyonari Maruyama; 研也丸山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-10-13
Filing date: 2009-10-13
Publication date: 2011-04-28

Abstract

【課題】各燃焼室に接続された吸気管毎に排気を導入する分岐連通管を有する排気再循環装置の異常を精度良く検出する。
【解決手段】ＥＧＲバルブ１５４の開弁時における主吸気管１２０ａの管内圧力Ｐ１と閉弁時における管内圧力Ｐ２の差の絶対値である圧力変化量ΔＰが所定値ΔＰｒｅｆ未満であるときにＥＧＲ装置１５０に異常が発生していると判定する。そして、エンジン２２の排気側と吸気側とを連通するＥＧＲ管１５２は、排気管１２１に接続される主ＥＧＲ管１５２ａと、主ＥＧＲ管１５２ａから分岐された分岐ＥＧＲ管１５２ｂとからなり、分岐ＥＧＲ管１５２ｂの断面積Ｓｄの総和は、主ＥＧＲ管１５２ａの断面積Ｓｍ未満である。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関と、内燃機関の排気側と吸気側とを連通する排気連通管に設けられた排気再循環バルブを介して排気再循環を行なう排気再循環装置とを備えた内燃機関装置に関する。

従来、この種の内燃機関装置としては、主吸気管から分岐されて複数の気筒にそれぞれ接続された複数の吸気通路と、排気側と吸気側とを連通すると共にＥＧＲバルブが設けられたＥＧＲパイプを通して排出ガスの一部を複数の吸気通路のそれぞれに還流させる排気ガス還流装置とを含む内燃機関を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この内燃機関装置では、ＥＧＲパイプをＥＧＲバルブの下流側で各気筒に対応した枝管に分岐して各気筒の吸気通路にそれぞれ接続することにより、各気筒の吸気通路にそれぞれ排気ガスを導入している。また、この種の内燃機関装置として、排気ガスの一部を排気管より吸気管に還流する排気ガス還流制御弁を有する排気ガス還流制御装置を備え、当該排気ガス還流制御弁を作動状態から非作動状態又は非作動状態から作動状態に変更させた場合における吸気管圧力の変化量に基づいて排気ガス還流制御装置の異常を検出するものが提案されている（例えば、特許文献２および３参照）。特許文献２に記載の内燃機関装置では、内燃機関の定常運転中に上記の異常判定処理を実行し、吸気管圧力の変化量が所定値に至るまでの時間が所定時間よりも長いときに、排気ガス還流制御弁や排気ガス還流通路の汚れによる目詰まり（閉塞）等の異常が発生していると判定する。さらに、特許文献３に記載の内燃機関装置では、内燃機関の燃料噴射の停止中に上記の異常判定処理を実行することにより、内燃機関の定常運転中に排気ガス還流制御弁を開閉することによるエミッションやドライバビリティの悪化を防止している。

特開２００９−１５６２１６号公報特開平６−１１７３３０号公報特開平６−５８２１１号公報

ところで、上述の特許文献１に記載のような内燃機関装置においても、排気ガス還流装置の異常を判定するために特許文献２および３に記載の手法を適用することが考えられる。しかしながら、特許文献１に記載の内燃機関装置では、ＥＧＲパイプから分岐した枝管を通して吸気通路毎に排気ガスが導入されるため、上記の異常判定処理の実行時に、例えば一つの枝管だけが閉塞しているような場合には、異常が発生しているにも拘わらず閉塞していない枝管からは排気が吸気側に導入されることから、正常時と異常時とで吸気管圧力の変化量に顕著な差が生じない可能性があり、排気ガス還流装置の異常を誤判定してしまうおそれがある。

本発明の内燃機関装置は、各燃焼室に接続された吸気管毎に排気を導入する分岐連通管を有する排気再循環装置の異常が一本または少数の分岐連通管の閉塞に起因するものであっても、当該異常を精度良く検出可能とすることを主目的とする。

本発明の内燃機関装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の内燃機関装置は、複数の燃焼室と、主吸気管と該主吸気管から分岐されて対応する前記燃焼室にそれぞれ接続される分岐吸気管とからなる吸気管と、を含む内燃機関と、前記主吸気管における管内圧力を検出する圧力検出手段と、前記内燃機関の排気側と吸気側とを連通する排気連通管に設けられた排気再循環バルブを介して排気再循環を行なう排気再循環装置と、前記内燃機関に対する燃料供給が停止された際に前記排気再循環バルブを開閉させると共に前記圧力検出手段により検出された前記排気再循環バルブの開弁時と閉弁時とにおける前記管内圧力の変化量の絶対値が所定値未満であるときに前記排気再循環装置に異常が発生していると判定する異常判定手段と、
を備えた内燃機関装置において、
前記排気連通管は、前記排気再循環バルブを含むと共に前記内燃機関の排気管に接続された主連通管と、前記主連通管の前記排気再循環バルブよりも吸気側で該主連通管から分岐されて対応する前記分岐吸気管にそれぞれ接続される分岐連通管とからなり、該分岐連通管の断面積の総和は、前記主連通管の前記排気再循環バルブよりも吸気側における断面積未満であることを特徴とする。

本発明の内燃機関装置では、内燃機関に対する燃料供給が停止された際に排気再循環バルブを開閉させると共に排気再循環バルブの開弁時と閉弁時における管内圧力の変化量の絶対値が所定値未満であるときに排気再循環装置に異常が発生していると判定する。そして、内燃機関の排気側と吸気側とを連通する排気連通管は、排気再循環バルブを含むと共に内燃機関の排気管に接続される主連通管と、主連通管の排気再循環バルブよりも吸気側で主連通管から分岐されて対応する吸気分岐管にそれぞれ接続される分岐連通管とからなり、分岐連通管の断面積の総和は、主連通管の排気再循環バルブよりも吸気側における断面積未満である。このように、各分岐連通管の断面積の総和を主連通管の排気再循環バルブよりも吸気側の断面積未満とすれば、排気再循環バルブおよび分岐連通管を介して分岐吸気管に排気を導入したときに、各分岐連通管内の排気圧力を高めて、各分岐連通管の断面積の総和が主連通管の排気再循環バルブよりも吸気側の断面積以上である場合に比べて主吸気管における管内圧力を大きくすると共に、一本あたりの分岐連通管を介した排気再循環の主吸気管における管内圧力に対する影響度合いを大きくすることができる。従って、一本または少数の分岐連通管が閉塞しているような排気再循環装置の異常状態においても、排気再循環バルブの開弁時における管内圧力と排気再循環バルブの閉弁時における管内圧力との間に明確な差を生じさせることが可能となる。これにより、本発明の内燃機関装置では、排気再循環装置の異常が一本または少数の分岐連通管の閉塞に起因するものであっても、排気再循環バルブの開弁時と閉弁時とにおける管内圧力の変化量に基づいて当該異常を精度良く検出することができる。

本発明の実施例に係る内燃機関装置２０の概略構成図である。内燃機関装置２０の要部を示す模式図である。電子制御ユニット７０により実行されるＥＧＲ異常判定ルーチンの一例を示すフローチャートである。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例に係る内燃機関装置２０の概略構成図である。実施例の内燃機関装置２０は、ハイブリッド自動車等の車両に動力発生源として搭載されるものであり、例えばガソリンまたは軽油などの炭化水素系の燃料により動力を出力可能な内燃機関であるエンジン２２と、エンジン２２からの排気を吸気系に再循環するＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置１５０と、エンジン２２やＥＧＲ装置１５０をコントロールする電子制御ユニット７０とを備える。

エンジン２２は、図１に示すように、エアクリーナ１２２により清浄された空気を吸気管１２０に設けられたスロットルバルブ１２３を介して吸入すると共に燃料噴射弁１２６からガソリンを噴射して吸入された空気とガソリンとを混合し、この混合気を吸気バルブ１２８を介して燃焼室１２５に吸入し、点火プラグ１３０による電気火花によって爆発燃焼させて、そのエネルギにより押し下げられるピストン１３２の往復運動をクランクシャフト２６の回転運動に変換する。エンジン２２からの排気は、排気管１２１を通った後に、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）の有害成分を浄化する浄化装置（三元触媒）１３４を介して外気へ排出される。ＥＧＲ装置１５０は、浄化装置１３４の前段で排気管１２１に接続されたＥＧＲ管１５２と、ＥＧＲ管１５２に組み込まれると共にステッピングモータ１５３により駆動されるＥＧＲバルブ１５４とを備え、ＥＧＲバルブ１５４を開弁することにより、排気を吸気系に還流する。従って、エンジン２２は、空気と排気とガソリンとの混合気を燃焼室に吸引することができる。

図２に示すように、本実施例のエンジン２２は、４つの燃焼室１２５を有する。また、吸気管１２０は、主吸気管１２０ａと、主吸気管１２０ａから分岐されて対応する燃焼室１２５にそれぞれ接続されると共に燃焼室１２５に空気を導入する分岐吸気管１２０ｂとからなる。そして、ＥＧＲ装置１５０のＥＧＲ管１５２は、中途にＥＧＲバルブ１５４が組み込まれた主ＥＧＲ管１５２ａと、主ＥＧＲ管１５２ａのＥＧＲバルブ１５４よりも吸気側（排気の流れ方向における下流側）で対応する分岐吸気管１２０ｂにそれぞれ接続される分岐ＥＧＲ管１５２ｂからなる。ここで、実施例において、各分岐ＥＧＲ管１５２ｂの断面積Ｓｄの総和は、主ＥＧＲ管１５２ａのＥＧＲバルブ１５４よりも吸気側における最小の断面積Ｓｍ未満となるように定められている。これにより、主ＥＧＲ管１５２ａから分岐ＥＧＲ管１５２ｂへと流れ込んだ排気の圧力は、主ＥＧＲ管１５２ａ内の排気の圧力よりも高くなる。従って、ＥＧＲバルブ１５４を開弁したときに、各分岐吸気管１２０ｂ内に高圧の排気が導入されることから、主吸気管１２０ａ内における流体の圧力である管内圧力は、各分岐ＥＧＲ管１５２ｂの断面積Ｓｄの総和が主ＥＧＲ管１５２ａのＥＧＲバルブ１５４よりも吸気側における最小の断面積Ｓｍ以上である場合に比べて大きくなる。

電子制御ユニット７０は、ＣＰＵ７２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ７２の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ７４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ７６と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備える。電子制御ユニット７０には、エンジン２２の状態を検出する種々のセンサからの信号、例えば、クランクシャフト２６の回転位置を検出するクランクポジションセンサ１４０からのクランクポジションや、スロットルバルブ１２３のポジションを検出するスロットルバルブポジションセンサ１２４からのスロットルポジション、主吸気管１２０ａに取り付けられた圧力センサ１４７からの管内圧力などが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット７０からは、エンジン２２を駆動するための種々の制御信号、例えば、燃料噴射弁１２６への駆動信号やスロットルバルブ１２３のポジションを調節するスロットルモータ１３６への駆動信号、ＥＧＲ装置１５０のＥＧＲバルブ１５４への駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。さらに、電子制御ユニット７０は、エンジン２２やＥＧＲ装置１５０のコントローラとして機能するだけではなく、車両全体をコントロールするユニットとしても機能し、車両全体をコントロールするユニットとしても機能することから、イグニッションスイッチ８０からのイグニッション信号やシフトレバー８１の操作位置を検出するシフトポジションセンサ８２からのシフトポジションＳＰ、アクセルペダル８３の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセル開度Ａｃｃ、ブレーキペダル８５の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ８６からのブレーキペダルポジションＢＰ、車速センサ８８からの車速Ｖなども入力ポートを介して入力している。そして、電子制御ユニット７０は、エンジン２２の運転中に運転者によりアクセルペダル８３の踏み込みが解除されたアクセルオフ時や所定の燃料カット条件が成立した時にエンジン２２に対する燃料供給すなわち燃料噴射弁１２６からの燃料噴射を停止する燃料カット制御を実行する。

次に、上述のように構成された内燃機関装置２０の動作、特にＥＧＲ装置１５０の異常の有無を判定する際の動作について説明する。図３は、実施例の電子制御ユニット７０により実行されるＥＧＲ異常判定ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、エンジン２２の始動後に最初の燃料カット制御が実行されている最中に実行される。なお、ここでは、エンジン２２の最初の燃料カット制御が実行されたときにＥＧＲバルブ１５４が開弁状態にあってＥＧＲ装置１５０による排気再循環は実行されていないものとして本ルーチンについて説明する。

図３のＥＧＲ異常判定ルーチンが実行されると、電子制御ユニット７０は、閉弁状態にあるＥＧＲバルブ１５４が所定開度だけ開弁するようにステッピングモータ１５３を制御する（ステップＳ１００）。これにより、排気管１２１内の排気の一部が主ＥＧＲ管１５２ａ、ＥＧＲバルブ１５４および各分岐ＥＧＲ管１５２ｂを介して各分岐吸気管１２０ｂ内に導入される。続いて、ＥＧＲバルブ１５４の開弁後に圧力センサ１４７により検出された主吸気管１２０ａの管内圧力Ｐ１を読み込み、ＲＡＭ７６に格納する（ステップＳ１１０）。次に、ＥＧＲバルブ１５４が全閉するようにステッピングモータ１５３を制御し（ステップＳ１２０）、全閉後に圧力センサ１４７により検出された主吸気管１２０ａの管内圧力Ｐ２を読み込み、ＲＡＭ７６に格納する（ステップＳ１３０）。さらに、ＥＧＲバルブ１５４の開弁時における主吸気管１２０ａの管内圧力Ｐ１とＥＧＲバルブ１５４の閉弁時における管内圧力Ｐ２との差の絶対値である圧力変化量ΔＰを算出し（ステップＳ１４０）、算出した圧力変化量ΔＰが所定値ΔＰｒｅｆ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１５０）。ここで、所定値ΔＰｒｅｆは、上記のステップＳ１００〜Ｓ１５０の処理を実行した際に、ＥＧＲバルブ１５４が正常であって、かつ主ＥＧＲ管１５２ａおよび分岐ＥＧＲ管１５２ｂの何れにも閉塞が生じていないときに主吸気管１２０ａに生じるべき圧力変化量ΔＰとして、実験・解析等により予め定められるものである。圧力変化量ΔＰが所定値ΔＰｒｅｆ以上であると判定された場合には、ＥＧＲバルブ１５４が正常であって、かつ主ＥＧＲ管１５２ａおよび分岐ＥＧＲ管１５２ｂの何れにも閉塞が生じていないものと判断され、ＥＧＲ装置１５０は正常であると判定される（ステップＳ１６０）。これに対して、圧力変化量ΔＰが所定値ΔＰｒｅｆ未満であると判定された場合には、主吸気管１２０ａ内に本来生じるべき圧力変化量ΔＰが現れていないことから、ＥＧＲバルブ１５４に異常が発生しているか、あるいは主ＥＧＲ管１５２ａおよび分岐ＥＧＲ管１５２ｂの少なくとも何れかに閉塞が生じていると判断され、ＥＧＲ装置１５０に異常が生じている旨を運転者に知らせるために警告灯の点灯処理等が行われる（ステップＳ１７０）。

以上説明した実施例の内燃機関装置２０では、エンジン２２の始動後に最初の燃料カット制御が実行されている際に、ＥＧＲバルブ１５４を開閉させると共にＥＧＲバルブ１５４の開弁時における主吸気管１２０ａの管内圧力Ｐ１と閉弁時における主吸気管１２０ａの管内圧力Ｐ２の差の絶対値である圧力変化量ΔＰが所定値ΔＰｒｅｆ未満であるときにＥＧＲ装置１５０に異常が発生していると判定するＥＧＲ異常判定ルーチンが実行される（ステップＳ１００〜Ｓ１７０）。そして、エンジン２２の排気側と吸気側とを連通するＥＧＲ管１５２は、ＥＧＲバルブ１５４を含むと共にエンジン２２の排気管１２１に接続される主ＥＧＲ管１５２ａと、主ＥＧＲ管１５２ａのＥＧＲバルブ１５４よりも吸気側で主ＥＧＲ管１５２ａから分岐されて対応する分岐吸気管１２０ｂにそれぞれ接続される分岐ＥＧＲ管１５２ｂとからなり、分岐ＥＧＲ管１５２ｂの断面積Ｓｄの総和は、主ＥＧＲ管１５２ａのＥＧＲバルブ１５４よりも吸気側における断面積Ｓｍ未満である。このように、分岐ＥＧＲ管１５２ｂの断面積Ｓｄの総和を主ＥＧＲ管１５２ａのＥＧＲバルブ１５４よりも吸気側の断面積Ｓｍ未満とすれば、上述のＥＧＲ異常判定ルーチンを実行した際には、ＥＧＲバルブ１５４および分岐ＥＧＲ管１５２ｂを介して分岐吸気管１２０ｂに排気を導入したときに各分岐ＥＧＲ管１５２ｂ内の排気圧力を高めることができる。これにより、本発明を適用しない場合、すなわち、各分岐ＥＧＲ管１５２ｂの断面積Ｓｄの総和が主ＥＧＲ管１５２ａのＥＧＲバルブ１５４よりも吸気側の断面積Ｓｍ以上である場合に比べ、ＥＧＲバルブ１５４の開弁時における主吸気管１２０ａの管内圧力Ｐ１を大きくすると共に、一本あたりの分岐ＥＧＲ管１５２ｂを介した排気再循環の主吸気管１２０ａにおける管内圧力Ｐ１に対する影響度合いを大きくすることができる。従って、一本または少数の分岐ＥＧＲ管１５２ｂが閉塞しているようなＥＧＲ装置１５０の異常状態においても、ＥＧＲバルブ１５４の開弁時における管内圧力Ｐ１とＥＧＲバルブ１５４の閉弁時における管内圧力Ｐ２との差の絶対値である圧力変化量ΔＰに明確な差を生じさせることが可能となる。これにより、本発明の内燃機関装置２０では、ＥＧＲ装置１５０の異常が一本または少数の分岐ＥＧＲ管１５２ｂの閉塞に起因するものであっても、ＥＧＲバルブ１５４の開弁時と閉弁時とにおける管内圧力Ｐの変化量に基づいて当該異常を精度良く検出することができる。

なお、エンジン２２の始動後における最初の燃料カット制御の実行中にＥＧＲバルブ１５４を介した排気再循環が実行されている場合には、開弁状態にあるＥＧＲバルブ１５４を一旦全閉とした後に再度開弁し、ＥＧＲバルブ１５４の開弁時における管内圧力Ｐ１と閉弁時における管内圧力Ｐ２との差の絶対値である圧力変化量ΔＰを算出してもよい。また、本実施例では、ＥＧＲ異常判定ルーチンにおいてＥＧＲバルブ１５４の開閉動作と圧力変化量ΔＰの算出（ステップＳ１００〜Ｓ１４０）および圧力変化量ΔＰと所定値ΔＰｒｅｆとの比較（ステップＳ１５０）をそれぞれ一度だけ行うものとしたが、ＥＧＲバルブ１５４の開閉動作と圧力変化量ΔＰの算出および圧力変化量ΔＰと所定値ΔＰｒｅｆとの比較を複数回行い、圧力変化量ΔＰが所定値ΔＰｒｅｆ未満であると判定された回数が所定回数以上である場合にＥＧＲ装置１５０に異常が発生していると判定してもよい。さらに、複数回算出した圧力変化量ΔＰの平均値を算出すると共に当該圧力変化量ΔＰの平均値と所定値ΔＰｒｅｆとの比較を行い、圧力変化量ΔＰの平均値が所定値ΔＰｒｅｆ未満であるときにＥＧＲ装置１５０に異常が発生していると判定してもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、４つの燃焼室１２５が「複数の燃焼室」に相当し、主吸気管１２０ａが「主吸気管」に相当し、分岐吸気管１２０ｂが「分岐吸気管」に相当し、エンジン２２が「内燃機関」に相当し、圧力センサ１４７が「圧力検出手段」に相当し、ＥＧＲ管１５２が「排気連通管」に相当し、ＥＧＲバルブ１５４が「排気再循環バルブ」に相当し、ＥＧＲ装置１５０が「排気再循環装置」に相当し、図３のステップＳ１００〜１７０の処理を実行する電子制御ユニット７０が「異常判定手段」に相当し、主ＥＧＲ管１５２ａが「主連通管」に相当し、分岐ＥＧＲ管１５２ｂが「分岐連通管」に相当する。なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、内燃機関と、内燃機関の排気側と吸気側とを連通する排気連通管に設けられた排気再循環バルブを介して排気再循環を行なう排気再循環装置とを備えた内燃機関装置の製造産業に利用可能である。

２０内燃機関装置、２２エンジン、２６クランクシャフト、７０電子制御ユニット、８０イグニッションスイッチ、８１シフトレバー、８２シフトポジションセンサ、８３アクセルペダル、８４アクセルペダルポジションセンサ、８５ブレーキペダル、８６ブレーキペダルポジションセンサ、８８車速センサ、１２０吸気管、１２０ａ主吸気管、１２０ｂ分岐吸気管、１２１排気管、１２２エアクリーナ、１２３スロットルバルブ、１２４スロットルバルブポジションセンサ、１２５燃焼室、１２６燃料噴射弁、１２８吸気バルブ、１３０点火プラグ、１３２ピストン、１３４浄化装置、１３６スロットルモータ、１４０クランクポジションセンサ、１４７圧力センサ、１５０ＥＧＲ装置、１５２ＥＧＲ管、１５２ａ主ＥＧＲ管、１５２ｂ分岐ＥＧＲ管、１５３ステッピングモータ、１５４ＥＧＲバルブ。

Claims

複数の燃焼室と、主吸気管と該主吸気管から分岐されて対応する前記燃焼室にそれぞれ接続される分岐吸気管とからなる吸気管と、を含む内燃機関と、前記主吸気管における管内圧力を検出する圧力検出手段と、前記内燃機関の排気側と吸気側とを連通する排気連通管に設けられた排気再循環バルブを介して排気再循環を行なう排気再循環装置と、前記内燃機関に対する燃料供給が停止された際に前記排気再循環バルブを開閉させると共に前記圧力検出手段により検出された前記排気再循環バルブの開弁時と閉弁時とにおける前記管内圧力の変化量の絶対値が所定値未満であるときに前記排気再循環装置に異常が発生していると判定する異常判定手段と、
を備えた内燃機関装置において、
前記排気連通管は、前記排気再循環バルブを含むと共に前記内燃機関の排気管に接続された主連通管と、前記主連通管の前記排気再循環バルブよりも吸気側で該主連通管から分岐されて対応する前記分岐吸気管にそれぞれ接続される分岐連通管とからなり、該分岐連通管の断面積の総和は、前記主連通管の前記排気再循環バルブよりも吸気側における断面積未満であることを特徴とする内燃機関装置。