JP2012122336A - 内燃機関用エアフィルタの目詰まり判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の吸気をろ過するエアフィルタにおける目詰まりの有無を、専用のセンサを用いることなく判定する。
【解決手段】エアフィルタにおける目詰まりの有無を判定させる場合に、ターボチャージャによる過給を最小にし（Ｓ２）、スロットルバルブ(吸気絞り弁)を全開に制御し（Ｓ３）、吸気を加熱する電気ヒータをオフに制御し（Ｓ４）、ＥＧＲ装置３４による排気還流を停止させる（Ｓ５）。そして、そのときのブースト圧ＰＢ（Ｓ８）と、大気圧及び吸気温度に基づき補正設定した判定値ＳＬ（Ｓ７）とを比較し（Ｓ９）、ブースト圧ＰＢが判定値ＳＬ未満であれば、エアフィルタにおける目詰まりの発生を判定し、警告を発する（Ｓ１０）。
【選択図】図２

Description

本発明は、エアフィルタを介して吸気する内燃機関において、前記エアフィルタにおける目詰まりの有無を判定する目詰まり判定装置に関する。

従来、内燃機関に用いられるフィルタの目詰まりを検出する装置としては、例えば特許文献１に開示されるように、フィルタの前後差圧に基づき目詰まりの有無を判定する装置があった。

特開２００８−１５７２００号公報

ところで、特許文献１のものが目詰まりの有無を判定するフィルタは、排気中の微粒子を捕集するフィルタであるため、目詰まりが生じる周期が比較的短く、目詰まり判定のために圧力センサを配置しても、圧力センサを充分に活用できる。
しかし、内燃機関の吸気をろ過するエアフィルタの目詰まりは、排気の微粒子を捕集するフィルタに比べて大幅に長い周期で発生するため、エアフィルタの目詰まりを検出するために専用のセンサを設けても充分に活用することができず、無駄が多くなってしまうという問題があった。

そこで、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、内燃機関のエアフィルタにおける目詰まりの有無を、専用のセンサを用いることなく判定することができる、目詰まり判定装置を提供することを目的とする。

このため、本発明では、ブースト圧センサが検出した内燃機関のブースト圧と判定値との比較に基づき、エアフィルタにおける目詰まりの有無を判定するようにした。

本発明によれば、エアフィルタに目詰まりが発生すると（換言すれば、エアフィルタにおける異物の堆積が進行すると）、エアフィルタにおける吸気抵抗が増えてブースト圧を低下させることになるので、エアフィルタの目詰まりによるブースト圧の減少変化を、ブースト圧の検出値と判定値との比較に基づき検出する。
従って、ブースト圧の検出のために内燃機関に備えられるブースト圧センサを、エアフィルタの目詰まり判定に流用でき、目詰まり判定のために専用のセンサを用いる必要がなく、充分に活用されないセンサを設ける無駄の発生を回避できる。

本発明の実施形態においてエアフィルタの目詰まり判定装置を適用するディーゼルエンジンのシステム構成図 実施形態における目詰まり判定処理を示すフローチャート

以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態を詳述する。
図１は、本願に係るエアフィルタの目詰まり判定装置を適用する、車両用のディーゼルエンジン（内燃機関）１０を示す。

ディーゼルエンジン１０は、吸気管１４及び吸気マニホールド１２を介して空気を吸引する。吸気管１４には、上流側から順に、空気中の埃などをろ過するエアフィルタ（エアクリーナ）１６、吸気過給を行う可変ノズルベーン式ターボチャージャ１８のコンプレッサ１８Ａ、コンプレッサ１８Ａを通過して高温になった吸気を冷却するインタークーラ２０、吸気管１４の開口面積を絞るスロットルバルブ(吸気絞り弁)２１、低温始動時に吸気を加熱する電気ヒータ（プレヒータ）２３を設けてある。

尚、スロットルバルブ２１は、モータ等のアクチュエータ２１Ａによって開駆動される電子制御式スロットルバルブであり、このスロットルバルブ２１の開度を制御することで吸気流量を制御でき、このスロットルバルブ２１と後述するＥＧＲ装置３４のＥＧＲ制御弁３４Ｃとが協同して、排気還流率（ＥＧＲ率）を制御する。

一方、ディーゼルエンジン１０は、排気マニホールド２２及び排気管２４を介して排気を放出する。排気管２４には、上流側から順に、ターボチャージャ１８の排気タービン１８Ｂ、連続再生式ＤＰＦ装置２６、還元剤前駆体としての尿素水溶液を噴射供給する噴射ノズルを有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（還元剤）を用いてＮＯｘを選択還元浄化するＳＣＲ触媒３０、ＳＣＲ触媒３０を通過したアンモニアを酸化させるアンモニア酸化触媒３２を設けてある。

排気タービン１８Ｂは可変ノズルベーン（図示省略）を備え、ノズル面積をアクチュエータ１８Ｃによって可変することで、ＡＲ比（通路断面積とスクロール半径の比）を変化させることができる構成である。
連続再生式ＤＰＦ装置２６は、一酸化窒素ＮＯを二酸化窒素ＮＯ₂へと酸化させるＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）２６Ａと、排気中の微粒子ＰＭ（Particulate Matter）を捕集・除去するＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）２６Ｂとを備える。

また、ディーゼルエンジン１０は、排気の一部を吸気側に還流させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置３４を備えていて、排気の一部を吸気側に還流させることで燃焼温度を低下させ、排気中のＮＯｘ濃度を低減する。
ＥＧＲ装置３４は、排気管２４を流れる排気の一部を吸気管１４に還流させる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に還流させる排気量（ＥＧＲ率）を制御するＥＧＲ制御弁３４Ｃとを備える。

また、ディーゼルエンジン１０は、ディーゼルエンジン１０の運転条件を検出するための各種センサとして、回転速度ＮＥを検出する回転速度センサ４４、ブースト圧ＰＢ（吸気マニホールド１２内の吸気圧力）を検出するブースト圧センサ４５、吸気マニホールド１２内の吸気温度ＴＡを検出する吸気温度センサ４６、大気圧ＰＡを検出する大気圧センサ４７などを備えている

そして、コンピュータを内蔵したコントロールユニット（ＥＣＵ）４２は、上記の各種センサからの出力信号を入力し、内蔵するＲＯＭ（Read Only Memory）などの不揮発性メモリに記憶した制御プログラムを実行することで、スロットルバルブ２１の開度、電気ヒータ２３への通電、ＥＧＲ制御弁３４Ｃの開度、排気タービン１８Ｂのノズル開度、還元剤噴射装置２８による尿素水溶液の噴射量などを制御する操作信号を出力して、ディーゼルエンジン１０の運転を制御する。

また、コントロールユニット４２は、上記の各種センサからの出力信号に基づき前記制御プログラムを実行することで、エアフィルタ１６における目詰まりの有無を判定し、目詰まりの発生を判定した場合には、ディーゼルエンジン１０を搭載した車両のコンビネーションメータに付設した警告灯４８を点灯する。
即ち、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、目詰まり判定装置（目詰まり判定手段）の一例が具現化される。

エアフィルタ１６における目詰まりの発生を警告する手段としては、警告灯４８に代えて又は警告灯４８と共に、警告音を発生するブザー、図形や文字を表示できる表示装置などを用いることができる。
図２のフローチャートは、コントロールユニット４２によって実行される、エアフィルタ１６の目詰まり判定の制御プログラムを示す。

図２のフローチャートに示す制御プログラムは、単位時間毎に繰り返し実行され、まず、ステップＳ１では、エアフィルタ１６の目詰まり判定を行える条件であるか否かを判断する。
目詰まり判定においては、後述するように、ターボチャージャ１８などのブースト圧ＰＢを変化させるデバイスを、予め定めた状態に操作することで、係る操作状態に対応するブースト圧ＰＢが発生するようにする。そして、このときに実際に発生したブースト圧の検出値ＰＢと、前記操作状態に対応するブースト圧に基づく判定値ＳＬとを比較することで、エアフィルタ１６における目詰まりの発生によるブースト圧の低下を検出する。

即ち、ターボチャージャ１８などのブースト圧を変化させるデバイスを予め定めた状態に操作した状態であって、かつ、エアフィルタ１６に目詰まりがない初期状態において発生するブースト圧を、予め実験やシミュレーションによって求め、この初期状態でのブースト圧を基準として、エアフィルタ１６の目詰まりによるブースト圧の低下を判定するための判定値ＳＬを設定し、係る判定値ＳＬをコントロールユニット４２が内蔵する不揮発性メモリに予め記憶させておく。

ここで、前述のように、所期のブースト圧を発生させるべく、ターボチャージャ１８などのブースト圧を変化させるデバイスを予め定めた状態に操作するから、係る操作が運転性（発生トルク、排気性状など）に大きく影響しない運転条件を、エアフィルタ１６の目詰まり判定を行う運転条件として予め設定しておく。
そして、ステップＳ１では、そのときのディーゼルエンジン１０の運転条件が、目詰まり判定を行うものとして予め設定されている運転条件に合致しているか否かを判断する。

具体的には、例えばアイドル運転状態を含む低負荷かつ低回転の運転領域を、エアフィルタ１６の目詰まり判定を行う運転条件とする。低負荷低回転領域であれば、元々過給圧が低く、また、排気還流（ＥＧＲ）による燃焼温度の低下要求が比較的低いから、後述するようにして、過給を最小にしたり、ＥＧＲを停止しても、ディーゼルエンジン１０の運転性が大きく悪化することを抑制できる。
また、低負荷低回転領域であることの他に、車両の停止状態であること、ディーゼルエンジン１０に組み合わされる変速機がニュートラル状態であること、ブースト圧ＰＢが略一定している定常運転状態であることなどを、目詰まり判定の実施条件として設定し、これらのうちの１つ或いは複数が成立している場合に、目詰まり判定を実施させるように構成することができる。

但し、エアフィルタ１６の目詰まり判定を行う運転条件を、前述の条件に限定するものではなく、ターボチャージャ１８などのブースト圧ＰＢを変化させるデバイスをどのような状態に操作するかなどに応じて、適宜設定することができる。
また、エアフィルタ１６の目詰まりの進行は遅く、頻繁に目詰まり判定を行う必要がないので、例えば、最後に目詰まり判定を行ってから既定の走行距離以上走行していること、最後に目詰まり判定を行ってから既定のエンジン運転時間以上運転していることなどを、目詰まり判定を実行する前提条件とし、係る前提条件が成立していてかつ低負荷低回転領域であることなどの条件が成立しているときに、エアフィルタ１６の目詰まり判定を実施させることができる。

ステップＳ１で、ディーゼルエンジン１０の運転中にエアフィルタ１６の目詰まり判定を行える条件であると判断すると、ステップＳ２〜ステップＳ５へ進み、ターボチャージャ１８などのブースト圧ＰＢを変化させるデバイスを予め定めた状態に操作する。
まず、ステップＳ２では、ターボチャージャ１８の可変ノズルベーンを制御することで、過給を最小にする。低負荷低回転領域で目詰まり判定を行わせる場合には、ノズル面積を大きくすることで、過給効率を強制的に低下させ、過給を最小にする。換言すれば、過給の最小状態で目詰まり判定を行わせるために、可変ノズルベーンを制御することで過給を最小にできる運転領域を、目詰まり判定を行わせる運転領域として、前述のステップＳ１における判定を行わせる。

続いてステップＳ３では、スロットルバルブ(吸気絞り弁)２１を全開に制御して、吸気絞りによる圧力の低下を回避して、ブースト圧ＰＢが大気圧付近になるようにする。
更にステップＳ４では、電気ヒータ２３をオフに制御して、ヒータ加熱による空気密度の低下を回避する。

次のステップＳ５では、ＥＧＲ制御弁３４Ｃを全閉に制御して排気還流を停止させ、排気管２４内の圧力がＥＧＲ管３４Ａを介して吸気管１４及び吸気マニホールド１２内に伝わることを阻止する。
上記ステップＳ２〜ステップＳ５の処理が、ターボチャージャ１８などのブースト圧を変化させるデバイスを予め定めた状態に操作する処理である。

本実施形態において、ブースト圧ＰＢを変化させるデバイスは、ターボチャージャ１８，スロットルバルブ(吸気絞り弁)２１，電気ヒータ２３及びＥＧＲ装置３４であり、これらのデバイスを、ブースト圧（吸気圧）ＰＢが吸気管内圧力に作用しないように操作する。
ステップＳ６では、吸気温度センサ４６の出力から吸気マニホールド１２内の吸気温度ＴＡを検出し、また、大気圧センサ４７の出力から大気圧ＰＡを検出する。

そして、ステップＳ７では、ステップＳ６で検出した吸気温度ＴＡ及び大気圧ＰＡ（換言すれば、吸気の密度）に基づき、予め記憶してある判定値ＳＬを補正設定する。
予め記憶してある判定値ＳＬは、基準の吸気温度ＴＡ及び基準の大気圧ＰＡでのブースト圧に基づき設定した値である。一方、エアフィルタ１６に目詰まりが発生していない状態で、ブースト圧ＰＢを変化させるデバイスを予め定めた状態に操作したときの実際のブースト圧ＰＢは、そのときの吸気温度ＴＡ及び大気圧ＰＡに影響されて変化する。

このため、吸気温度ＴＡ及び大気圧ＰＡに基づいて補正していない判定値ＳＬと、ブースト圧センサ４５の出力に基づき検出したブースト圧ＰＢとを比較すると、エアフィルタ１６の目詰まりとは無関係な、吸気温度ＴＡ及び／又は大気圧ＰＡの基準値に対するずれを要因とする偏差が、判定値ＳＬとブースト圧ＰＢとの間に発生し、エアフィルタ１６の目詰まりを誤判定することになってしまう。
そこで、本実施形態では、判定値ＳＬをそのときの吸気温度ＴＡ及び／又は大気圧ＰＡに応じて補正することで、吸気温度ＴＡ及び／又は大気圧ＰＡの基準値に対するずれを要因として、エアフィルタ１６の目詰まりが誤判定されることを防止するようにしてある。

具体的には、吸気温度ＴＡが高くなるほど、また、大気圧ＰＡが低くなるほど、空気の密度が低下し、ブースト圧ＰＢはより低くなるので、吸気温度ＴＡが高くなるほど、また、大気圧ＰＡが低くなるほど、判定値ＳＬをより低く補正する。
尚、本実施形態では、判定値ＳＬをそのときの吸気温度ＴＡ及び／又は大気圧ＰＡに応じて補正したが、ブースト圧センサ４５の出力又は当該出力に基づき検出したブースト圧ＰＢを、そのときの吸気温度ＴＡ及び／又は大気圧ＰＡに応じて補正してもよいし、判定値ＳＬと、ブースト圧センサ４５の出力又は当該出力に基づき検出したブースト圧ＰＢとの双方をそのときの吸気温度ＴＡ及び／又は大気圧ＰＡに応じて補正してもよい。

また、交換や整備を要するほどの目詰まりが発生していることを判定できればよく、高精度なブースト圧の判定は不要であるので、吸気温度ＴＡ及び／又は大気圧ＰＡに応じた補正処理を省略することができる。
ステップＳ８では、ブースト圧センサ４５の出力に基づきそのときのブースト圧ＰＢを検出する。

ステップＳ９では、ステップＳ８で検出したブースト圧ＰＢと、ステップＳ７で吸気温度ＴＡ及び大気圧ＰＡに基づき補正設定した判定値ＳＬとを比較する。
そして、そのときのブースト圧ＰＢが判定値ＳＬ以上であれば、エアフィルタ１６に目詰まり（交換や整備を要するほどの目詰まり）は発生していないものと判断し、ステップＳ９を迂回して一連の目詰まり判定処理を終了させる。

一方、そのときのブースト圧ＰＢが判定値ＳＬ未満である場合には、エアフィルタ１６に目詰まり（交換や整備を要するほどの目詰まり）が発生し、これによる吸気抵抗の増大によって、目詰まりが発生していない場合よりもブースト圧ＰＢが低下したものと判断し、ステップＳ１０へ進む。
ステップＳ１０では、目詰まり発生判定信号に基づき警告灯４８を点灯することで、車両の運転者に対し、エアフィルタ１６に目詰まり（交換や整備を要するほどの目詰まり）が発生していることを警告し、エアフィルタ１６の点検や整備を促す。

上記の目詰まり判定処理によると、ターボチャージャ１８などのブースト圧を変化させるデバイスを予め定めた状態に操作することで、所期のブースト圧ＰＢが発生する状態とし、このときの実際のブースト圧ＰＢが前記操作状態に見合う所期圧よりも低下している場合に、エアフィルタ１６に目詰まり（交換や整備を要するほどの目詰まり）が発生しているものと判定する。

ブースト圧ＰＢを検出するブースト圧センサ４５は、ターボチャージャ１８の過給圧制御や燃料噴射量の制御などに用いられるものであり、エアフィルタ１６の目詰まり判定のための専用センサではないから、エアフィルタ１６に目詰まり判定を可能にするために新たにセンサを追加する必要がなく、既存のセンサを有効利用して目詰まり判定を行える。
即ち、ディーゼルエンジン１０のコストを増大させることなく、エアフィルタ１６の目詰まり判定を行え、エアフィルタ１６に目詰まりが発生した状態のまま、ディーゼルエンジン１０が運転されてしまうことを回避することができる。

また、ブースト圧センサ４５の検出値に基づき、エアフィルタ１６の目詰まり判定を行う場合に、ターボチャージャ１８などのブースト圧を変化させるデバイスを予め定めた状態に操作することで、所期のブースト圧ＰＢが発生する状態とするから、運転条件に影響されて目詰まりの判定精度が悪化することがなく、目詰まりの有無を精度よく判定できる。
更に、ブースト圧センサ４５の検出値と比較する判定値ＳＬを、吸気温度ＴＡ及び大気圧ＰＡに応じて補正するので、吸気温度ＴＡ及び大気圧ＰＡに変動があっても、エアフィルタ１６の目詰まりの有無を誤判定してしまうことを回避できる。

また、エアフィルタ１６の目詰まりの発生を判定したときに、警告灯４８を点灯して、エアフィルタ１６に目詰まりが発生していることを運転者に警告するから、エアフィルタ１６の目詰まりによってディーゼルエンジン１０の燃費性能などが低下した状態のまま、ディーゼルエンジン１０が運転され続けることを未然に回避できる。

上記実施形態では、エアフィルタ１６の目詰まりを、目詰まりが発生している状態と、目詰まりが発生していない状態とに判別したが、ブースト圧ＰＢが判定値ＳＬ未満であって、かつ、ブースト圧ＰＢと判定値ＳＬとの差が大きいほど、エアフィルタ１６の目詰まりがより進行しているものと推定できるので、判定値ＳＬとして相互に異なる複数種を予め設定し、ブースト圧ＰＢがどの程度低下しているかによって、エアフィルタ１６の目詰まりの進行度合いを複数種に判別することができる。
そして、目詰まりの進行度合いの判別結果に基づき、運転者に対して、例えば「要注意」「要点検」「至急点検」や「目詰まり：小」「目詰まり：中」「目詰まり：大」などに区別した警告を行わせる構成とすることができる。

また、上記実施形態では、ブースト圧センサ４５の検出値と比較する判定値ＳＬを、吸気温度ＴＡ及び大気圧ＰＡに応じて補正したが、係る補正を行う代わりに、吸気温度ＴＡが標準温度付近であってかつ大気圧ＰＡが標準圧付近であることを、エアフィルタ１６の目詰まり判定を行う条件とすることができる。
また、ディーゼルエンジン１０の停止状態でのブースト圧センサ４５の検出値が、大気圧を示すものとして、目詰まり判定に用いることができ、係る構成とすることで、大気圧センサ４７を備えないシステムとすることができる。

また、本実施形態では、エアフィルタの目詰まり判定装置を適用するエンジンを、ディーゼルエンジンとしたが、ガソリンエンジンであってもよい。
また、１回の目詰まり判定で直ちに目詰まりの発生を警告するのではなく、何回か連続して目詰まりの発生を判定して初めて運転者への警告（換言すれば、最終的な目詰まり判定）を行わせるようにすれば、より判定精度を向上させることができる。

１０ ディーゼルエンジン
１４ エアフィルタ
１８ ターボチャージャ（過給機）
２１ スロットルバルブ(吸気絞り弁)
２３ 電気ヒータ（プレヒータ）
３４ ＥＧＲ装置（排気還流装置）
４２ コントロールユニット（目詰まり判定手段）
４５ ブースト圧センサ
４６ 吸気温度センサ（密度センサ）
４７ 大気圧センサ（密度センサ）
４８ 警告灯（警告手段）

Claims (8)

1. エアフィルタを介して吸気する内燃機関であって、ブースト圧を検出するブースト圧センサを備えた内燃機関において、
   前記ブースト圧センサが検出したブースト圧と判定値との比較に基づき、前記エアフィルタにおける目詰まりの有無を判定することを特徴とする内燃機関用エアフィルタの目詰まり判定装置。
2. 目詰まりの判定に用いるブースト圧を検出するときに、前記内燃機関においてブースト圧を変化させるデバイスを、予め定めた状態に操作することを特徴とする請求項１記載の内燃機関用エアフィルタの目詰まり判定装置。
3. 前記内燃機関が前記デバイスとして過給機を備え、目詰まりの判定に用いるブースト圧を検出するときに、前記過給機による過給を最小にすることを特徴とする請求項２記載の内燃機関用エアフィルタの目詰まり判定装置。
4. 前記内燃機関が前記デバイスとして排気還流装置を備え、目詰まりの判定に用いるブースト圧を検出するときに、前記排気還流装置による排気還流を停止させることを特徴とする請求項２又は３記載の内燃機関用エアフィルタの目詰まり判定装置。
5. 前記内燃機関が前記デバイスとして吸気絞り弁を備え、目詰まりの判定に用いるブースト圧を検出するときに、前記吸気絞り弁を全開に操作することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに記載の内燃機関用エアフィルタの目詰まり判定装置。
6. 前記内燃機関が前記デバイスとして吸気を加熱するプレヒータを備え、目詰まりの判定に用いるブースト圧を検出するときに、前記プレヒータをオフ状態に操作することを特徴とする請求項２〜５のいずれか１つに記載の内燃機関用エアフィルタの目詰まり判定装置。
7. 前記内燃機関が、吸気の密度に相関する状態量を検出する密度センサを備え、
   目詰まりの判定に用いるブースト圧の検出値と前記判定値との少なくとも一方を、前記密度センサの検出値に基づき補正することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の内燃機関用エアフィルタの目詰まり判定装置。
8. 前記密度センサが、大気圧と吸気温度との少なくとも一方を検出するセンサであることを特徴とする請求項７記載の内燃機関用エアフィルタの目詰まり判定装置。