JP2011220289A

JP2011220289A - 可変容量型ターボチャージャの故障診断装置及び故障診断方法

Info

Publication number: JP2011220289A
Application number: JP2010092757A
Authority: JP
Inventors: Koichi Osaku; 晃一大作
Original assignee: Volvo Powertrain AB
Current assignee: Volvo Powertrain AB
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2010-04-14
Publication date: 2011-11-04

Abstract

【課題】可変容量型ターボチャージャの故障検知精度を向上させる。
【解決手段】アクチュエータで開度を変えることができるノズルベーンが装着されたタービンを有する可変容量型ターボチャージャにおいて、エンジン停止操作に応答してエンジン回転速度Ｎｅが所定速度まで低下したときに（Ｓ１）、ノズルベーンを少なくとも全開から全閉まで動作させて煤を掃うワイピングを開始する（Ｓ２）。そして、制御信号とノズルベーン角度との比較を通して故障診断を実行する（Ｓ３）。また、ワイピングが完了せずに、ワイピングが開始されてからの経過時間を示すワイピング時間が所定時間に達すると（Ｓ４，Ｓ５）、これが連続して発生したタイムアウト回数が所定回数に達したか否か判定される（Ｓ８）。タイムアウト回数が所定回数に達すると、可変容量型ターボチャージャに故障が発生したことを報知すべく、警告灯が点灯される（Ｓ１０）。
【選択図】図２

Description

本発明は、タービン側のノズルベーン開度を可変させて過給圧を制御する可変容量型ターボチャージャの故障診断技術に関する。

エンジンの回転速度に応じてタービンに装着されたノズルベーンの開度を可変させることで、例えば、過給効率の向上及び排気圧力の低下を図った可変容量型ターボチャージャが知られている。可変容量型ターボチャージャでは、排気中の煤がノズルベーンに付着すると、タービンにおける排気流量が変化して過給圧の制御に影響を及ぼしてしまうため、特開２００４−２９３５３７号公報（特許文献１）に記載される、次のような技術が提案されている。即ち、エンジンの停止操作が行われたことを契機として、ノズルベーンを全開から全閉へと動作させて煤を掃う「ワイピング」を実行すると共に、ノズルベーンが全開及び全閉にあるときの開度が適正であるか否かを介して故障診断を行う。

特開２００４−２９３５３７号公報

しかしながら、ノズルベーンに煤が付着していると、ノズルベーンの動きが鈍くなるため、可変容量型ターボチャージャを電子制御するコントロールユニットがシャットダウンするまでの間に、ワイピングが完了しない場合がある。このため、煤に起因する故障が可変容量型ターボチャージャに発生していても、これが必ずしも検知されないおそれがあった。

そこで、本発明は従来技術の問題点に鑑み、ワイピングが所定時間内に完了しないときには故障が発生していると診断することで、故障検知精度を向上させた可変容量型ターボチャージャの故障診断装置及び故障診断方法を提供することを目的とする。

このため、本発明では、アクチュエータで開度を変えることができるノズルベーンが装着されたタービンを有する可変容量型ターボチャージャにおいて、エンジン停止操作に応答してエンジンが停止したときに、ノズルベーンを少なくとも全開から全閉まで動作させるワイピングを開始する。そして、ワイピングが所定時間内に完了しないときに、可変容量型ターボチャージャに故障が発生したと診断する。

本発明によれば、例えば、ノズルベーンに煤が付着して動作が鈍くなり、コントロールユニットがシャットダウンされるまでに故障診断ができない状況でも、可変容量型ターボチャージャの故障診断が行われる。このため、故障検知精度が向上し、排気性能及び動力性能を維持することができる。

本発明を適用したディーゼルエンジンの一例を示す全体構成図制御プログラムの一例を示すフローチャート

以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明を適用したディーゼルエンジンの一例を示す。
ディーゼルエンジン１０の吸気マニフォールド１２に接続される吸気管１４には、吸気流通方向に沿って、吸気中の埃などを濾過するエアクリーナ１６，吸気を過給する可変容量型ターボチャージャ（以下「ターボチャージャ」という）１８のコンプレッサ１８Ａ，ターボチャージャ１８を通過して高温となった吸気を冷却するインタークーラ２０がこの順番で配設される。

一方、ディーゼルエンジン１０の排気マニフォールド２２に接続される排気管２４には、排気流通方向に沿って、ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂ，連続再生式のDiesel Particulate Filter（以下「ＤＰＦ」という）装置２６，尿素水溶液を噴射する還元剤噴射装置２８，尿素水溶液から生成されるアンモニアを用いてＮＯｘ（窒素酸化物）を選択還元浄化するＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒３０，アンモニアを酸化させるアンモニア酸化触媒３２がこの順番で配設される。連続再生式ＤＰＦ装置２６は、少なくともＮＯ（一酸化窒素）をＮＯ₂（二酸化窒素）へと酸化させるＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）２６Ａと、排気中のＰＭ（Particulate Matter）を捕集・除去するＤＰＦ２６Ｂと、を含んで構成される。なお、ＤＰＦ２６Ｂの代わりに、その表面に触媒（活性成分及び添加成分）を担持させたＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter）を使用することもできる。還元剤噴射装置２８は、尿素水溶液を貯蔵するタンク，タンクから尿素水溶液を吸い上げて圧送するポンプ，尿素水溶液の噴射流量を制御する流量制御弁，排気管２４に尿素水溶液を噴射する噴射ノズルなどを含んで構成されるが、詳細には図示していない。

また、ディーゼルエンジン１０には、排気の一部を吸気に導入して再循環させることで、燃焼温度の低下によりＮＯｘを低減するＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置３４が取り付けられる。ＥＧＲ装置３４は、排気管２４を流れる排気の一部を吸気管１４へと導入するためのＥＧＲ管３４Ａと、ＥＧＲ管３４Ａを流れる排気を冷却するＥＧＲクーラ３４Ｂと、吸気管１４へと導入する排気のＥＧＲ率を制御するためのＥＧＲ制御弁３４Ｃと、を含んで構成される。

連続再生式ＤＰＦ装置２６と還元剤噴射装置２８との間に位置する排気管２４には、ＳＣＲ触媒３０へと流入する排気の温度（排気温度）Ｔを検出する温度センサ３６が取り付けられる。ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂには、エア又は電気などを駆動源とするアクチュエータ３８により開閉されるノズルベーン（図示せず）の開度θを検出する開度センサ４０が取り付けられる。温度センサ３６及び開度センサ４０の各出力信号は、コンピュータを内蔵したコントロールユニット４２に入力される。また、コントロールユニット４２には、ディーゼルエンジン１０の運転状態として、回転速度Ｎｅを検出する回転速度センサ４４、及び、負荷Ｑを検出する負荷センサ４６の出力信号も入力される。ここで、ディーゼルエンジン１０の負荷Ｑとしては、例えば、燃料供給量，吸気流量，吸気圧力，過給圧力，アクセル開度，スロットル開度など、トルクと密接に関連する状態量を適用することができる。なお、ディーゼルエンジン１０の回転速度Ｎｅ及び負荷Ｑは、ＣＡＮ（Controller Area Network）などを介して、ディーゼルエンジン１０を電子制御するエンジンコントロールユニット（図示せず）から読み込むようにしてもよい。

そして、コントロールユニット４２は、ＲＯＭ（Read Only Memory）などに記憶された制御プログラムを実行することで、ポジションセンサ４０及び回転速度センサ４４の出力信号に基づいて、ターボチャージャ１８に故障が発生したか否かを判定すると共に、コンビネーションメータに付設された警告灯４８を必要に応じて点灯させる。
なお、コントロールユニット４２が制御プログラムを実行することで、診断手段及び計数手段の一例が夫々具現化される。また、コントロールユニット４２及びアクチュエータ３８が協働することで、ワイピング手段の一例が具現化される。さらに、コントロールユニット４２及び警告灯４８が協働することで、報知手段の一例が具現化される。

図２は、ディーゼルエンジン１０の停止操作、例えば、イグニッションスイッチがオフされたことを契機として、コントロールユニット４２がシャットダウンされるまでの間に実行する制御プログラムの内容を示す。なお、コントロールユニット４２は、他の制御プログラムに従って、温度センサ３６，回転速度センサ４４，負荷センサ４６の各出力信号に基づいて、還元剤噴射装置２８及びＥＧＲ制御弁３４Ｃを夫々電子制御する。

ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様。）では、コントロールユニット４２が、回転速度センサ４４により検出された回転速度Ｎｅが所定速度以下であるか否かを判定する。ここで、所定速度は、エンジン停止操作に応答してディーゼルエンジン１０が停止したか否かを判定するための閾値であって、アイドリング回転速度よりも低い値（例えば１００[rpm]）をとる。そして、コントロールユニット４２は、回転速度Ｎｅが所定速度以下であると判定すれば処理をステップ２へと進める一方（Ｙｅｓ）、回転速度Ｎｅが所定速度を超えていれば待機する（Ｎｏ）。

ステップ２では、コントロールユニット４２が、ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂに装着されたノズルベーンに付着した煤を掃うべく、ノズルベーンを全開→全閉→全開へと動作させるワイピングが開始されるように、アクチュエータ３８に対して制御信号を出力する。なお、ワイピングでは、ノズルベーンを少なくとも全開から全閉へと動作させればよい。

ステップ３では、コントロールユニット４２が、アクチュエータ３８に対して出力した制御信号と開度センサ４０により検出されたノズルベーンの開度θとの比較を通して、ノズルベーンの位置は正常であるか否かを判定する。そして、コントロールユニット４２は、ノズルベーンの位置が正常であると判定すれば処理をステップ４へと進める一方（Ｙｅｓ）、ノズルベーンの位置が正常でないと判定すれば処理をステップ１０へと進める（Ｎｏ）。なお、ノズルベーンの位置が正常であるか否かは、少なくとも、全開位置及び全閉位置で判定すればよい。

ステップ４では、コントロールユニット４２が、ワイピングが開始されてから経過したワイピング時間が所定時間未満であるか否かを判定する。ここで、所定時間は、ある時間内にワイピングが完了したか否かを判定するための閾値であって、例えば、エンジン停止操作が行われてからコントロールユニット４２がシャットダウンするまでの時間より短い値を持つ。そして、コントロールユニット４２は、ワイピング時間が所定時間未満であると判定すれば処理をステップ５へと進める一方（Ｙｅｓ）、ワイピング時間が所定時間以上であれば処理をステップ８へと進める（Ｎｏ）。

ステップ５では、コントロールユニット４２が、開度センサ４０により検出された開度θが全開位置の開度であるか否かを介して、ワイピングが完了したか否かを判定する。そして、コントロールユニット４２は、ワイピングが完了したと判定すれば処理をステップ６へと進める一方（Ｙｅｓ）、ワイピングが完了していないと判定すれば処理をステップ３へと戻す（Ｎｏ）。

ステップ６では、ワイピングが問題なく実行できたので、コントロールユニット４２が、所定時間内にワイピングが完了しなかった回数を示すタイムアウト回数をリセットする。なお、タイムアウト回数は、コントロールユニット４２のシャットダウンにより消失しないようにすべく、例えば、シャットダウン直前に不揮発性メモリに保存したり、バックアップ用の電力を常に供給するようにすればよい。

ステップ７では、コントロールユニット４２が、エンジン再始動に備えて、ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂに装着されたノズルベーンが全開となるように、アクチュエータ３８に対して制御信号を出力する。
ステップ８では、コントロールユニット４２が、タイムアウト回数が所定回数未満であるか否かを判定する。ここで、所定回数は、ノイズなどにより誤診断が行われることを抑制するための閾値であって、例えば、２以上の自然数をとる。なお、ノイズなどを考慮する必要がない場合には、所定回数として１を採用すればよい。そして、コントロールユニット４２は、タイムアウト回数が所定回数未満であると判定すれば処理をステップ９へと進める一方（Ｙｅｓ）、タイムアウト回数が所定回数以上であると判定すれば処理をステップ１０へと進める（Ｎｏ）。

ステップ９では、コントロールユニット４２が、タイムアウト回数をインクリメントする。
ステップ１０では、タイムアウト回数が所定回数以上となり、ターボチャージャ１８に故障が発生した蓋然性が高いと判断できるため、コントロールユニット４２が、コンビネーションメータに付設された警告灯４８を点灯させる。なお、警告灯４８の代わりに、液晶パネルに故障コードを表示したり、ブザーなどの公知の警報手段を作動させるようにしてもよい。

かかる構成において、ディーゼルエンジン１０の排気は、排気マニフォールド２２，ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂを経て、連続再生式ＤＰＦ装置２６のＤＯＣ２６Ａに導入される。ＤＯＣ２６Ａに導入された排気は、一部のＮＯがＮＯ₂へと酸化されつつＤＰＦ２６Ｂへと流れる。ＤＰＦ２６Ｂでは、排気中のＰＭが捕集・除去されると共に、ＤＯＣ２６Ａにより生成されたＮＯ₂を使用してＰＭが酸化されることで、ＰＭの捕集・除去及び再生が同時に行われる。

また、エンジン運転状態に応じた流量で還元剤噴射装置２８から噴射された尿素水溶液は、排気熱及び排気中の水蒸気を使用して加水分解され、還元剤として機能するアンモニアへと転化される。このアンモニアは、ＳＣＲ触媒３０において排気中のＮＯｘと選択還元反応し、無害成分であるＨ₂Ｏ（水）及びＮ₂（窒素ガス）へと浄化されることは知られたことである。一方、ＳＣＲ触媒３０を通過したアンモニアは、その排気下流に配設されたアンモニア酸化触媒３２により酸化されるので、アンモニアがそのまま大気中に放出されることを抑制できる。

エンジン停止操作に応答してディーゼルエンジン１０が停止すると、コントロールユニット４２がシャットダウンされるまでの間に、ターボチャージャ１８のタービン１８Ｂに装着されたノズルベーンが全開→全閉→全開まで動作し、ノズルベーンに付着した煤が掃われる。このワイピングにおいて、従来技術のように、制御信号とノズルベーンの開度θとの比較を通してターボチャージャ１８の故障診断が行われる。また、ワイピングが所定時間内に完了しない状態が連続して発生したタイムアウト回数が計数され、タイムアウト回数が所定回数に達したときに、ターボチャージャ１８に故障が発生したと診断する故障診断も併せて行われる。そして、ターボチャージャ１８に故障が発生したと診断されたときに、その旨を報知すべく警告灯４８が点灯されるので、これを目視した車両運転者などは故障が発生したことを認識できる。

従って、本実施形態によれば、例えば、ノズルベーンに煤が付着して動作が鈍くなり、コントロールユニット４２がシャットダウンされるまでに故障診断ができない状況でも、ターボチャージャ１８の故障診断が行われる。このため、故障検知精度が向上し、排気性能及び動力性能を維持することができる。
なお、故障診断は、エンジン停止操作に応答してディーゼルエンジン１０が停止したときに限らず、エンジン始動操作が行われたときに実行してもよい。また、本発明は、ディーゼルエンジン１０に搭載されたターボチャージャ１８に限らず、ガソリンエンジンに搭載されたターボチャージャにも適用することができる。

１０ディーゼルエンジン
１８ターボチャージャ
１８Ｂタービン
３８アクチュエータ
４２コントロールユニット
４８警告灯

Claims

アクチュエータで開度を変えることができるノズルベーンが装着されたタービンを有する可変容量型ターボチャージャの故障診断装置であって、
エンジン停止操作に応答してエンジンが停止したときに、前記ノズルベーンを少なくとも全開から全閉まで動作させるワイピングを開始するワイピング手段と、
前記ワイピングが所定時間内に完了しないときに、前記可変容量型ターボチャージャに故障が発生したと診断する診断手段と、
を有することを特徴とする可変容量型ターボチャージャの故障診断装置。
前記ワイピングが所定時間内に完了しない状態が連続して発生した回数を計数する計数手段を更に有し、
前記診断手段は、前記回数が所定回数に達したときに、前記可変容量型ターボチャージャに故障が発生したと診断することを特徴とする請求項１記載の可変容量型ターボチャージャの故障診断装置。
前記可変容量型ターボチャージャに故障が発生したと診断されたときに、その旨を報知する報知手段を更に有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の可変容量型ターボチャージャの故障診断装置。
アクチュエータで開度を変えることができるノズルベーンが装着されたタービンを有する可変容量型ターボチャージャの故障診断方法であって、
前記可変容量型ターボチャージャを電子制御するコントロールユニットが、
エンジン停止操作に応答してエンジンが停止したときに、前記ノズルベーンを少なくとも全開から全閉まで動作させるワイピングを開始するステップと、
前記ワイピングが所定時間内に完了しないときに、前記可変容量型ターボチャージャに故障が発生したと診断するステップと、
を実行することを特徴とする可変容量型ターボチャージャの故障診断方法。