JP2015143482A

JP2015143482A - 燃料噴射装置

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Publication number: JP2015143482A
Application number: JP2014016404A
Authority: JP
Inventors: 高橋　大輔; Daisuke Takahashi; 大輔高橋
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2014-01-31
Filing date: 2014-01-31
Publication date: 2015-08-06
Anticipated expiration: 2034-01-31
Also published as: US20150219035A1; JP5941077B2; US9528460B2

Abstract

【課題】燃料噴射量を増量補正した場合であっても空燃比異常故障を適切に診断可能な燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】燃料噴射装置を、内燃機関１の燃焼室３１又は吸気ポート３２に燃料を噴射するインジェクタ６７と、インジェクタの燃料噴射量を制御するとともに、エンジンが所定の低温状態にある場合に燃料噴射量を増量補正する噴射量制御手段１００と、エンジンの空燃比を検出する空燃比検出手段５３と、空燃比が所定の判定値よりもリッチ側である場合に空燃比リッチ故障を判定する空燃比リッチ故障判定手段１００とを備え、空燃比リッチ故障判定手段は、燃料噴射量の増量補正に応じて判定値をリッチ側に補正する構成とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、空燃比異常故障の診断機能を有する内燃機関の燃料噴射装置に関し、特に燃料噴射量を増量補正した場合であっても空燃比異常故障を適切に診断可能なものに関する。

例えば自動車用ガソリンエンジン等に設けられる燃料噴射装置は、排気管路に設けた空燃比センサ等によって検出される空燃比に相関する値（例えば、実λ）を、所定の閾値と比較して、空燃比が過度にリッチあるいはリーンとなる故障を判別する自己診断機能を備えている。
このような自己診断機能は、市場において流通している燃料のばらつき等に起因して、供給される燃料の性状等が異なった場合でも、誤診断を防止するよう構成する必要がある。
例えば、特許文献１には、ガソリン及びアルコール混合燃料を利用可能な内燃機関の異常診断装置において、燃料のアルコール濃度を推定する機能を有し、エンジン始動直後には前回運転時に推定したアルコール濃度の記憶値を診断に利用することが記載されている。

特開２０１０− １８４６号公報

一般に、燃料が気化しにくい冷間時、低温時においては、比較的気化しにくい性状の燃料が供給された場合であっても着火性及び燃焼安定性を確保するため、温間時（暖気終了後）に対して燃料噴射量が増量補正され、空燃比がリッチ傾向となる。
しかし、比較的気化しやすい性状の燃料が供給されかつ増量補正が行われている場合には、空燃比センサ等で検出される空燃比が過度にリッチとなる結果、燃料噴射装置自体は正常であるにも関わらず、空燃比が異常にリッチであるとして、誤って故障判定が成立してしまう。
このため、従来は燃料の増量補正が行われ、誤診断が懸念される冷間時においては診断を行わないようにしており、燃料噴射装置に故障が発生していても、運転開始後故障が検出されるまでに比較的長時間を要していた。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、燃料噴射量を増量補正した場合であっても空燃比異常故障を適切に診断可能な燃料噴射装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、内燃機関の燃焼室又は吸気ポートに燃料を噴射するインジェクタと、前記インジェクタの燃料噴射量を制御するとともに、前記エンジンが所定の低温状態にある場合に前記燃料噴射量を増量補正する噴射量制御手段と、前記エンジンの空燃比を検出する空燃比検出手段と、前記空燃比が所定の判定値よりもリッチ側である場合に空燃比リッチ故障を判定する空燃比リッチ故障判定手段とを備え、前記空燃比リッチ故障判定手段は、前記燃料噴射量の増量補正に応じて前記判定値をリッチ側に補正することを特徴とする燃料噴射装置である。
これによれば、燃料噴射量の増量補正に応じて空燃比リッチ故障の判定値をリッチ側に補正することによって、増量補正時に比較的気化しやすい燃料が供給された結果、実空燃比が過度にリッチ化した場合であっても、空燃比リッチ故障判定が誤って成立することを防止できる。

請求項２に係る発明は、前記空燃比が所定の判定値よりもリーン側である場合に空燃比リーン故障を判定する空燃比リーン故障判定手段を備え、前記空燃比リーン故障判定手段は、前記燃料噴射量の増量補正に応じて前記判定値をリッチ側に補正することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置である。
請求項３に係る発明は、内燃機関の燃焼室又は吸気ポートに燃料を噴射するインジェクタと、前記インジェクタの燃料噴射量を制御するとともに、前記エンジンが所定の低温状態にある場合に前記燃料噴射量を増量補正する噴射量制御手段と、前記エンジンの空燃比を検出する空燃比検出手段と、前記空燃比が所定の判定値よりもリーン側である場合に空燃比リーン故障を判定する空燃比リーン故障判定手段とを備え、前記空燃比リーン故障判定手段は、前記燃料噴射量の増量補正に応じて前記判定値をリッチ側に補正することを特徴とする燃料噴射装置である。
これらの各発明によれば、燃料噴射量の増量補正に応じて空燃比リーン故障の判定値をリッチ側に補正することによって、増量補正時において判定値と目標空燃比との乖離が大きくなって故障判定が成立し難くなり、実際には空燃比リーン故障が発生しているにも関わらず正常と判断される誤診断を防止することができる。

以上説明したように、本発明によれば、燃料噴射量を増量補正した場合であっても空燃比異常故障を適切に診断可能な燃料噴射装置を提供することができる。

本発明を適用した燃料噴射装置の実施例を有するエンジンの構成を示す模式図である。実施例の燃料噴射装置における空燃比リッチ故障診断時の動作を示すフローチャートである。実施例の燃料噴射装置における燃料噴射量の増量補正量に応じた判定値の補正を示すグラフである。

本発明は、燃料噴射量を増量補正した場合であっても空燃比異常故障を適切に診断可能な燃料噴射装置を提供する課題を、エンジンの実際の空燃比を検出して閾値と比較し、空燃比のリッチ故障、リーン故障を判定するとともに、燃料の増量補正量に応じて閾値をリッチ側に補正することによって解決した。

以下、本発明を適用した燃料噴射装置の実施例について説明する。
実施例の燃料噴射装置は、例えば乗用車等の自動車に搭載されるガソリン直噴エンジンに設けられるものである。
図１は、実施例の燃料噴射装置を有するエンジンの構成を示す模式図である。
エンジン１は、シリンダ１０、ピストン２０、シリンダヘッド３０、吸気装置４０、排気装置５０、燃料供給装置６０、エンジン制御ユニット１００等を有して構成されている。

シリンダ１０は、ピストン２０が挿入されるスリーブを備えている。
シリンダ１０は、図示しないクランクケースと一体に形成されたシリンダブロックに形成されている。
クランクケースは、エンジン１の出力軸である図示しないクランクシャフトを回転可能に支持し、収容するものである。
シリンダ１０には、シリンダヘッド３０及びスリーブの周囲に形成されたウォータージャケット内に通流される冷却水の水温を検出する水温センサ１１が設けられている。
水温センサ１１の出力は、エンジン制御ユニット１００に伝達される。

ピストン２０は、シリンダ１０のスリーブ内部に挿入され往復運動する部材である。
ピストン２０は、コンロッド２１を介して図示しないクランクシャフトに接続されている。
ピストン２０の冠面２２は、シリンダヘッド３０と協働してエンジン１の燃焼室を構成する。

シリンダヘッド３０は、シリンダ１０のクランクシャフト側とは反対側の端部に設けられている。
シリンダヘッド３０は、燃焼室３１、吸気ポート３２、排気ポート３３、吸気バルブ３４、排気バルブ３５、点火栓３６等を備えている。
燃焼室３１は、ピストン２０の冠面２２と対向して形成された凹部であって、例えばペントルーフ型に形成されている。
燃焼室形状については、後に詳しく説明する。
吸気ポート３２は、燃焼室３１に燃焼用空気（新気）を導入する流路である。
排気ポート３３は、燃焼室３１から既燃ガス（排ガス）を排出する流路である。
吸気ポート３２及び排気ポート３３は、例えば、１気筒あたり２本ずつが形成されている。
吸気バルブ３４、排気バルブ３５は、吸気ポート３２、排気ポート３３を、所定のバルブタイミングでそれぞれ開閉するものである。
吸気バルブ３４、排気バルブ３５は、カムシャフト、ロッカアーム等の動弁駆動系によって駆動される。
点火栓３６は、エンジン制御ユニット１００が生成する点火信号に応じて、所定の点火時期にスパーク（火花）を発生し、混合気に点火するものである。
点火栓３６は、燃焼室３１の実質的に中心部（シリンダ１０の中心軸近傍）に配置されている。

吸気装置４０は、エンジン１に燃焼用空気を導入するものである。
吸気装置４０は、インテークダクト４１、エアクリーナ４２、スロットル４３、インテークマニホールド４４等を有して構成されている。
インテークダクト４１は、大気中から空気を導入してエンジン１へ供給する管路である。
エアクリーナ４２は、インテークダクト４１の入口近傍に設けられ、空気中のダスト等を濾過して浄化するものである。
エアクリーナ４２の出口には、インテークダクト４１内を通過する空気量（エンジン１の吸入空気量）を計測する図示しないエアフローメータが設けられている。
スロットル４３は、インテークダクト４１におけるエアクリーナ４２の下流側に設けられ、吸気空気量を絞ることによってエンジン１の出力調整を行うものである。
スロットル４３は、バタフライバルブ等の弁体、弁体を駆動する電動アクチュエータ、及び、スロットル開度を検出するスロットルセンサ等を備えて構成されている。
電動アクチュエータは、エンジン制御ユニット１００からの制御信号に応じて駆動される。
インテークマニホールド４４は、スロットル４３の下流側に設けられ、容器状に形成されたサージタンク、及び、各気筒の吸気ポート３２に接続され新気を導入する分岐管を有して構成されている。

排気装置５０は、エンジン１から排ガスを排出するものである。
排気装置５０は、エキゾーストパイプ５１、触媒コンバータ５２、空燃比センサ５３等を有して構成されている。
エキゾーストパイプ５１は、排気ポート３３から出た排ガスを排出する管路である。
触媒コンバータ５２は、エキゾーストパイプ５１の中間部に設けられている。
触媒コンバータ５２は、ハニカム状のアルミナ担体にプラチナ、ロジウム等の貴金属を担持させて構成され、ＨＣ、ＮＯｘ、ＣＯ等を浄化する三元触媒を備えている。
空燃比（Ａ／Ｆ）センサ５３は、エンジン１の現在の空燃比を排ガスの性状に基づいて検出するリニア出力のラムダセンサである。
空燃比センサ５３は、エキゾーストパイプ５１の触媒コンバータ５２よりも上流側の領域に設けられている。

燃料供給装置６０は、燃料タンク６１、フィードポンプ６２、燃料搬送管６３、高圧ポンプ６４、燃料配管６５、デリバリーパイプ６６、インジェクタ６７等を備えて構成されている。
燃料タンク６１は、燃料（ガソリン）を貯留する容器であって、例えば車体後部の床下に搭載されている。
フィードポンプ（低圧ポンプ）６２は、燃料タンク６１内の燃料を、燃料搬送管６３を介して高圧ポンプ６４に圧送するものである。
高圧ポンプ６４は、フィードポンプ６２から供給された燃料を高圧に昇圧し、燃料配管６５を経由して蓄圧室を兼ねたデリバリーパイプ６６に供給するものである。
高圧ポンプ６４は、シリンダヘッド３０に設けられ吸気バルブ３４を駆動するカム軸６４ａによって駆動される。

インジェクタ６７は、例えばソレノイドやピエゾ素子を有するアクチュエータによって駆動されるニードルバルブを備え、デリバリーパイプ６６内に蓄圧された高圧燃料を、エンジン制御ユニット１００が生成する噴射信号に応じて、所定の時期に所定の噴射量だけ噴射するものである。
インジェクタ６７は、１サイクルあたり複数回の燃料噴射を行なう機能を有する。
インジェクタ６７のノズルは、図１等に示すように、燃焼室３１の側方（シリンダボア側）における吸気バルブ３４側から筒内に挿入されている。

エンジン制御ユニット１００は、エンジン１及びその補機類を統括的に制御するものである。
エンジン制御ユニット１００は、本発明にいう噴射量制御手段、空燃比リッチ故障判定手段として機能する。
エンジン制御ユニット１００は、ＣＰＵ等の情報処理装置、ＲＡＭやＲＯＭ等の記憶手段、入出力インターフェイス及びこれらを接続するバス等を有して構成されている。
エンジン制御ユニット１００は、エアフローメータによって検出されるエンジン１の吸入空気量、スロットルセンサによって検出されるスロットルバルブの開度、図示しないクランク角センサによって検出されるクランクシャフトの回転速度等に基づいて、各気筒のインジェクタ６７の燃料噴射量及び噴射タイミングを設定し、インジェクタ６７に対して噴射信号（開弁信号）を与える。

エンジン制御ユニット１００は、暖機が終了し、水温センサ１１が検出する冷却水温が所定値以上の高温になった後は、空燃比センサ５３等によって検出される空燃比（実λ）が実質的に理論空燃比（ストイキ）近傍となるように燃料噴射量を設定する。
また、エンジン制御ユニット１００は、水温センサ１１が検出する冷却水温が所定値以下の低温である場合には、燃料噴射量を暖機後に対して増加する増量補正を実行する。
この増量補正は、市場において流通している燃料のうち比較的気化しにくい性状のものが供給された場合であっても、着火及び燃焼が不安定とならないように設定され、冷却水温が低温であるほど増量補正量も大きくなるよう設定されている。

また、エンジン制御ユニット１００は、空燃比センサ５３が検出する空燃比等に基づいて算出される診断値（現在のエンジンにおける実λを示す値）を、所定のリッチ側判定値（閾値）と比較し、診断値がリッチ側判定値（以下、単に「判定値」と称する。）よりもリッチ側である場合に、燃料噴射装置の空燃比リッチ故障を判定する自己診断（オンボードダイアグノーシス）機能を備えている。
ここで、仮に判定値が燃料噴射量の増量補正時においても、非補正時と同じ一定値であると、増量補正をしかつ比較的気化しやすい燃料が供給された場合に、実際には故障等がないにも関わらず空燃比リッチ故障と誤判定されることが懸念される。
そこで、実施例のエンジン制御ユニット１００は、以下説明する判定値の補正を行っている。

図２は、実施例の燃料噴射装置における空燃比リッチ故障診断時の動作を示すフローチャートである。
以下ステップ毎に順を追って説明する。
＜ステップＳ０１：診断実行条件充足判断＞
エンジン制御ユニット１００は、空燃比リッチ故障の診断を実行可能な診断実行条件が充足しているか否かを判別する。
エンジン制御ユニット１００は、エンジン１の始動後、空燃比のフィードバック制御（クローズドループ制御）が開始されている場合には、診断実行条件が充足したものとしてステップＳ０２に進む。
一方、空燃比のフィードバック制御が開始されていない場合には、診断実行条件が充足していないものとして、ステップＳ０１以降の処理を繰り返す。

＜ステップＳ０２：診断値を判定値と比較＞
エンジン制御ユニット１００は、現在のエンジン１の実λに相関する値である診断値を、所定の判定値（閾値）と比較する。
診断値は、空燃比センサ５３の出力に基づいて算出される空燃比である空燃比フィードバック量に、所定の学習値を加算することによって求めた実空燃比（Ａ／Ｆ）を、当該燃料のストイキ空燃比で除することによって算出される。
この診断値は、ストイキ時には１前後となり、リッチ傾向となるよう燃料噴射量を増量補正した場合には減少する。
判定値は、例えば、燃料噴射量の増量補正が行われない温間時において、０．７程度に設定されている。
診断値が判定値よりも小さい（リッチである）場合には、ステップＳ０３に進み、その他の場合にはステップＳ０４に進む。

ここで、エンジン１の冷間時（冷却水温が低温である状態）であって、燃料噴射量に増量補正量が加算されている場合には、判定値は、増量補正量に応じて減少する（リッチ傾向となる）ように補正される。
図３は、実施例の燃料噴射装置における燃料噴射量の増量補正量に応じた判定値の補正を示すグラフである。
図３において、横軸は燃料噴射量の増加補正量（％）を示し、縦軸は判定値を示している。
図３に示すように、判定値は、増量補正量の増加に対して実質的に比例するように減少補正される。

＜ステップＳ０３：空燃比リッチ故障判定成立＞
エンジン制御ユニット１００は、空燃比リッチ故障判定を成立させ、所定の故障フラグをセットして一連の処理を終了（リターン）する。

＜ステップＳ０４：空燃比リッチ故障判定不成立＞
エンジン制御ユニット１００は、空燃比リッチ故障判定を成立させることなく、一連の処理を終了（リターン）する。

以上説明した実施例によれば、燃料噴射量の増量補正量に応じて、空燃比リッチ故障の判定値をリッチ側に補正することによって、増量補正時に比較的気化しやすい燃料が供給された場合であっても、故障していないにも関わらず空燃比リッチ故障判定が誤って成立することを防止できる。
ここで、仮に判定値が例えば０．６５の一定値に設定されている場合、燃料噴射量をストイキに対して３０％増量すると、システムが正常であっても診断値は０．７程度となるため、わずかなばらつきによって空燃比リッチ故障であると誤判定されてしまう。
また、３５％以上の増量が行われている場合には、正常時であっても診断値が０．６５以下となって故障していると誤判定されることになり、正常な診断が不可能となる。
このため、暖気が終了して増量補正が終了するか、あるいは増量補正量が十分に小さくなるまで診断を中止する必要があり、万一故障が発生した場合には検出までに長時間を要することになる。
この点、本実施例によれば、このような問題を解決し、空燃比フィードバック制御の開始と同時に、冷間時であっても精度よく空燃比リッチ故障を判定することができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
（１）実施例では空燃比リッチ故障について説明したが、空燃比が所定の閾値（判定値）よりもリーン側である場合に空燃比リーン故障判定を成立させる空燃比リーン故障診断についても、同様に燃料噴射量の増量補正量に応じて判定値をリッチ側に補正することができる。これによって、燃料の増量補正時に目標空燃比と判定値とが大きく乖離して空燃比リーン故障が判定され難くなり、実際にはリーン故障が発生しているにも関わらず正常と判定される誤診断を防止することができる。
（２）実施例の診断値の設定手法は一例であって、エンジンの空燃比を示す値である限り、他の値を診断値として用いてもよい。例えば、空燃比センサの出力値に基づいて診断を行ってもよい。また、空燃比フィードバック制御の学習補正値に基づいて診断を行ってもよい。
（３）実施例のエンジンの構成は一例であって、適宜変更することが可能である。
例えば、実施例のエンジンはシリンダ内に直接エンジンを噴射する筒内噴射（直噴）エンジンであるが、本発明はこれに限らず、ポート噴射のエンジンや、筒内噴射とポート噴射を併用するエンジンにも適用することができる。
また、燃料もガソリンに限らず、液体燃料を噴霧して気化させ点火する予混合火花点火エンジンであれば、他の燃料を用いるものにも適用が可能である。
さらに、シリンダレイアウト、気筒数、過給機の有無なども特に限定されない。
（４）実施例においては、燃料噴射量の増量補正量の増加に応じて、判定値がリニアにリッチ傾向となるように補正しているが、補正の手法はこれに限らず、例えば増量補正量の増加に応じて段階的にリッチ化するようにしてもよい。

１エンジン
１０シリンダ１１水温センサ
２０ピストン２１コンロッド
２２冠面２３キャビティ
２４排気バルブリセス３０シリンダヘッド
３１燃焼室３２吸気ポート
３３排気ポート３４吸気バルブ
３５排気バルブ３６点火栓
４０吸気装置４１インテークダクト
４２エアクリーナ４３スロットル
４４インテークマニホールド５０排気装置
５１エキゾーストマニホールド５２触媒コンバータ
５３空燃比センサ
６０燃料供給装置６１燃料タンク
６２フィードポンプ６３燃料搬送管
６４高圧ポンプ６４ａカム軸
６５燃料配管６６デリバリーパイプ
６７インジェクタ
１００エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims

内燃機関の燃焼室又は吸気ポートに燃料を噴射するインジェクタと、
前記インジェクタの燃料噴射量を制御するとともに、前記エンジンが所定の低温状態にある場合に前記燃料噴射量を増量補正する噴射量制御手段と、
前記エンジンの空燃比を検出する空燃比検出手段と、
前記空燃比が所定の判定値よりもリッチ側である場合に空燃比リッチ故障を判定する空燃比リッチ故障判定手段とを備え、
前記空燃比リッチ故障判定手段は、前記燃料噴射量の増量補正に応じて前記判定値をリッチ側に補正すること
を特徴とする燃料噴射装置。
前記空燃比が所定の判定値よりもリーン側である場合に空燃比リーン故障を判定する空燃比リーン故障判定手段を備え、
前記空燃比リーン故障判定手段は、前記燃料噴射量の増量補正に応じて前記判定値をリッチ側に補正すること
を特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置。
内燃機関の燃焼室又は吸気ポートに燃料を噴射するインジェクタと、
前記インジェクタの燃料噴射量を制御するとともに、前記エンジンが所定の低温状態にある場合に前記燃料噴射量を増量補正する噴射量制御手段と、
前記エンジンの空燃比を検出する空燃比検出手段と、
前記空燃比が所定の判定値よりもリーン側である場合に空燃比リーン故障を判定する空燃比リーン故障判定手段とを備え、
前記空燃比リーン故障判定手段は、前記燃料噴射量の増量補正に応じて前記判定値をリッチ側に補正すること
を特徴とする燃料噴射装置。