JP2015524888A - 自動車の内燃エンジンへ取り入れられる吸気の診断を行うための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

自動車の内燃エンジンに取り入れられる吸気の診断を行う方法であって、前記内燃エンジンは、ターボ圧縮機を備え、かつ低圧部分排気再循環回路（３）及び／又は高圧部分排気再循環回路（４）を備える。前記方法は、前記内燃エンジンの動作を特性化するパラメータが決定されるステップと、前記排気の濃度が推定されるステップと、前記排気の濃度が、前記内燃エンジンの排気管（７）に配置された濃度プローブ（３１）を用いて測定されるステップと、前記排気の濃度の測定値と、前記排気の濃度の推定値との比を計算することによって診断基準が決定されるステップと、前記診断基準が、システムの多様性を組み入れた診断閾値の少なくとも１つに対して比較されるステップと、前記比較の結果に応じた診断信号が発信されるステップとを含む。【選択図】図３

Description

本発明の分野は、エンジンへの気体の取り入れのモニタリングであり、特に、吸気漏れの診断の分野である。

ディーゼルエンジンによって生成される窒素酸化物の量は、エンジンのシリンダに取り入れられる反応混合物に含まれる空気、燃料及び不活性ガスの量に大幅に左右される。不活性ガスの量は、部分排気再循環（ＥＧＲ）弁（同じ名称の回路に含まれる）の開度を制御することによって変化させることができる。部分排気再循環回路は、排気回路を吸気回路にボア部を介して接続し、ボア部の寸法はＥＧＲ弁によって調節される。

エンジンがターボ圧縮機を備えている場合、定義され得る２つの異なるＥＧＲ回路の構成が存在する。

第１の構成は、高圧ＥＧＲ回路と称され、吸気回路によって、圧縮機の下流を、タービンの上流の排気回路に連通させることが含まれる。この構成は、過給の結果として圧力が高くなる領域に位置しているため高圧と称される。

第２の構成は、低圧ＥＧＲ回路と称され、吸気回路によって、圧縮機の上流を、タービンの下流の排気回路に連通させることが含まれる。この構成は、圧力が過給圧より低いエンジンの領域に位置しているため低圧と称される。

エンジンは、２つの構成のうち一方または他方、或いは両方の構成を同時に備え得る。

エンジンに取り入れられるガスと燃料の混合物の化学量論性をモニタリングするために、取り入れられる空気の量に関する利用可能で信頼性のある情報を得る必要がある。取り入れられる空気の量は、通常は流量計を用いて決定されるので、その信頼性を診断することも有益である。

これを行うために、現在は、吸気に漏れがあるか否かの判定を含む流量計の妥当性の診断が利用されている。その原理は、エンジンに流入する空気の推定値と流量計の測定値（ｒｈ_ａｉｒ）との間の比によって定義される基準に基づいている。その基準は、以下の式を用いて定められる。

この基準により、採用している弁に応じた、及びシステムの多様性を組み入れた診断閾値に応じた３つのシナリオを定義することが可能となる。したがって、流量計が正常に動作しているか、圧縮機の下流において吸気に漏れがあるか若しくは流量計が損なわれているか、又は圧縮機の上流において吸気に漏れがあるか若しくは流量計が損なわれているかを判定することが可能となる。

しかし、前記基準ε_ｒは、低圧ＥＧＲ回路及び高圧ＥＧＲ回路によって再循環される排気の流量を考慮していない。ここで、ＥＧＲは将来の法規制に応じるために拡張されているので、この診断手順のカバーする領域はより小さくなりつつある。ＥＧＲが常に使用状態にある場合に吸気の漏れを検出することは、不可能でなければ、より一層困難になる。

本発明の目的は、吸気側における漏れを信頼性をもって検出することにある。

本発明の別の目的は、部分排気再循環の動作中に吸気側における漏れを検出することにある。

自動車の内燃エンジンの空気の取り入れの診断を行う方法であって、前記内燃エンジンは、ターボ圧縮機を備え、かつ低圧部分排気再循環回路及び高圧部分排気再循環回路の少なくとも１つを備える方法が提示される。前記方法は、
前記内燃エンジンの動作を特性化するパラメータの組が決定されるステップと、
前記排気の濃度が推定されるステップと、
前記排気の濃度が、前記内燃エンジンの排気管８に配置された濃度プローブを用いて測定されるステップと、
前記排気の濃度の測定値と、前記排気の濃度の推定値との比を計算することによって診断基準が決定されるステップと、
前記診断基準が、システムの多様性を組み入れた診断閾値の少なくとも１つに対して比較されるステップと、
前記比較の結果に応じた診断信号が発信されるステップとを含む。

前記内燃エンジンの動作を特性化する前記パラメータの組は、吸気流量の推定値、高圧ＥＧＲ流量の推定値、高圧ＥＧＲ弁の上流と下流の圧力の比の推定値、前記吸気マニホルドの圧力の推定値、及び低圧ＥＧＲ流量の推定値を含み得る。

前記高圧ＥＧＲ弁の上流と下流の圧力の比は、前記弁の前後の差圧の測定値に基づいて推定され得る。

前記排気の濃度は、前記高圧部分排気再循環回路を表す体積と前記低圧部分排気再循環回路を表す体積のマスバランスを計算することによって推定され得る。

前記高圧部分排気再循環回路を表す体積は、前記吸気マニホルドの体積を含み得る。

前記低圧部分排気再循環回路を表す体積は、前記吸気ダクトの体積、低圧ＥＧＲ回路の出口の体積、及び圧縮機の体積を包含する体積を含み得る。

自動車の内燃エンジンの空気の取り入れの診断を行うシステムであって、前記内燃エンジンは、ターボ圧縮機を備え、かつ低圧部分排気再循環回路及び高圧部分排気再循環回路の少なくとも１つを備えるシステムも提示される。前記システムは、前記排気の濃度を推定する手段と、診断基準を決定する手段と、比較器及び少なくとも１つのメモリとを備え、前記診断基準を決定する手段は、前記排気の濃度を推定する手段から受信した信号に基づいて、かつ前記内燃エンジンの排気管に配置された濃度プローブから受信した信号に基づいて診断基準を決定することができ、前記比較器は、前記診断基準を決定する手段から受信した信号と、内燃エンジンの多様性を組み入れた診断閾値の少なくとも１つを含む、少なくとも１つのメモリから受信した信号とを比較することができ、前記比較器は、出力部において前記比較の結果に応じた信号を発信する。

前記方法及び前記システムは、ＥＧＲが動作しているときの漏れや流量計の測定値の妥当性の診断のための推定量を補足するための排気濃度プローブの使用という利点を提供する。

他の目的、特徴及び利点は、添付の図面を参照して、単なる非限定的な実施例として示された以下の説明を理解することからより明白となろう。

図１は、低圧ＥＧＲ及び高圧ＥＧＲを備えた内燃エンジンを示す図である。 図２は、診断方法を示す図である。 図３は、診断システムを示す図である。

図１は、ターボ圧縮機２に接続され、かつ低圧ＥＧＲ回路３及び高圧ＥＧＲ回路４を備えた内燃エンジン１を示す。ターボ圧縮機２は、タービン２ｂに接続された圧縮機２ａを備える。タービン２ｂは可変ジオメトリタービンであってよい。

新しい空気を取り入れるための吸気管５は圧縮機２ａの入口に接続される。圧縮機２ａの出口は、内燃エンジンの吸気マニホルド１ａに熱交換機６を介して接続される。内燃エンジンの排気マニホルド１ｂは、タービン２ｂの入口に接続される。タービン２ｂの出口は排気管７に接続され、排気管７は酸化触媒コンバータデバイス８及び粒子フィルタ９を備える。

低圧ＥＧＲ回路３は、排気管７内において酸化触媒コンバータデバイス８及び粒子フィルタ９の下流に位置する排気フラップ１０と、初めに排気フラップ１０の上流で分岐し、次に圧縮機２ａの上流で分岐する低圧ＥＧＲ管１１とを備える。低圧ＥＧＲ管１１は、排気フラップの上流に位置する低圧熱交換機１２と、低圧熱交換機１２の下流に位置する低圧ＥＧＲ弁１３とを備え、ガスは交換機から低圧ＥＧＲ弁へと流れる。低圧ＥＧＲ回路における排気ガスの流量は、低圧ＥＧＲ弁１３によって制御される。しかし、この弁の前後の圧力比が低い場合を考えて、排気フラップ１０も用いることができる。これによって、低圧弁が開いても所望の流量が達成できないときに低圧ＥＧＲ弁の前後の圧力比を高めることが可能となる。低圧ＥＧＲ回路３を通過する排気ガスは、圧縮機２ａの上流に再循環される前に冷却される。

高圧ＥＧＲ回路４は、初めに圧縮機２ａの出口と吸気マニホルド１ａの間で分岐し、次に排気マニホルドとタービン２ｂの入口との間で分岐する高圧ＥＧＲ管１４を備える。高圧ＥＧＲ管１４は、高圧ＥＧＲ弁１５を備える。高圧ＥＧＲ回路における排気ガスの流量は、高圧ＥＧＲ弁１５によって制御される。高圧ＥＧＲ回路４を通過する排気ガスは冷却されない。その流量は、高圧ＥＧＲ弁１５の前後の差圧を検出する圧力センサによって、及びバレ・サンヴナンの式から決定される。

低圧ＥＧＲ回路３の応答時間は、高圧ＥＧＲ回路４の応答時間より短いが、それはその長さがより長いためである。

図示しない各種センサが、以下の測定値を提供する。
Ｐｉ：吸気マニホルドにおけるガスの圧力
Ｔ_１１：給気冷却器の下流の温度（ＲＡＳ）
Ｔ_ａｍｂ：周囲温度
Ｐａｔｍ：大気圧
Ｆ_２：排気ガスの濃度
ΔＰ_ｈｐ：高圧ＥＧＲ弁の前後の差圧

加えて、以下が仮定される。

圧縮機の上流の位置の体積部分の圧力及び温度のレベルが低い場合、低圧ＥＧＲ管と新しい空気の吸気管との間の結合部と圧縮器２ａへの入口との間に位置するガスの圧力及び温度が、大気圧Ｐ_ａｔｍ及び大気温度Ｔ_ａｔｍに等しいことが仮定される。

入口マニホルドにおける温度Ｔｉは、熱交換機６から出るガスの温度Ｔ_１１及び高圧ＥＧＲ弁１６から出るガスの温度Ｔ_{ｅｇｒ．ｈｐ}から、以下の式を適用することによって推定される。

この内燃エンジンの説明に基づき、排気における濃度の測定値Ｆ_２と、推定値Ｆ_{２，ｅｓｔ}との間の比から導かれる診断基準が定義される。

この診断基準は一般的なものである。即ちこの基準は、部分排気再循環回路の連続動作（高圧ＥＧＲ又は低圧ＥＧＲの動作）においても、ハイブリッド動作（高圧ＥＧＲ及び低圧ＥＧＲの同時動作）においても両方の場合に用いることができることを意味する。

排気の濃度の推定値Ｆ_{２，ｅｓｔ}は、以下の式から求められる。

式中、
ＰＣＯ：は化学量論的条件下での濃度、
Ｆｉ，ｅｓｔ：は吸気におけるガスの組成の推定値、
ｒｈ_ｆ：は燃料の流量、
ｒｈ_ｉｎ：は吸気流量
である。

化学量論的条件下での濃度は、使用される燃料に応じた一定値である。

燃料の流量は、理想的な燃料噴射装置の場合における基準値に等しいと仮定される。

吸気流量は、後述するモデルを用いて推定される。

吸気におけるガスの組成の推定値は、吸気にけるガスの組成の変化を支配する微分方程式を積分することによって求めることができる。それは結局、関与するＥＧＲ回路の等価な体積に対してマスバランスをとるということになる。

高圧ＥＧＲと低圧ＥＧＲが同時に用いられている場合、両回路のバランスを考慮する必要がある。

高圧ＥＧＲバランスには、吸気マニホルドに対応する体積部分が関与する。マスバランスをとるために、この体積部分の入口部分を圧縮器の流量及び高圧ＥＧＲの流量として設定するとともに、出口部分をエンジンによって吸入される流量として設定する。

低圧ＥＧＲバランスには、吸気マニホルドの上流に位置する体積に対応する体積部分が関与する。この体積部分には、吸気ダクトの体積、低圧ＥＧＲ回路出口の体積、及び圧縮器の体積が含まれる。この体積部分の入口部分は、空気の流量及び低圧ＥＧＲの流量となり、出口部分は圧縮器からの流量となる。

追加の体積を加えることにより、この体積におけるガスの組成に対応する追加の状態変数Ｆ_３が導入される。低圧体積部分における燃焼済みガスの質量の変化は、以下の関係式によって与えられる。

この体積における総質量を、理想気体の法則Ｐ_３Ｖ_３＝ｍ_３ＲＴ_３を用いて置き換えると、低圧体積部分における組成の変化を支配する微分方程式を記述することができる。

排気濃度の推定値を求めるためには、この式を積分する。

排気濃度は、以下の式と組み合わせて式４及び式６を適用することにより推定される。

（式７）
加えて、吸気流量は以下の式を用いて推定される。

（式８）
式中η_ｖｏｌ（Ｎ_ｅ，ρ_１）は、エンジン速度の及び吸気マニホルドにおけるガスの密度の関数としての体積効率の写像である。

高圧ＥＧＲ流量は、バレ・サンヴナンの式を用いて計算される。

（式９）
式中、
Ｐ_ａｖｔはタービンの上流の圧力であり、
Ｔ_ａｖｔは、タービンの上流の温度であり、
Ｓ（ｕ_{ｅｇｒ，ｈｐ}）は、位置の関数としての高圧ＥＧＲ弁の断面積であり、
π_{ｅｇｒ．ｈｐ}は、高圧ＥＧＲ弁の前後の圧力の比である。

高圧ＥＧＲ弁の上流及び下流の圧力の比は、その差圧の測定値及び吸気マニホルドにおける圧力の測定値から推定することができる。

（式１０）
タービンの上流の圧力は測定されない。これは、吸気圧力の測定値と高圧ＥＧＲ弁で測定された差圧とを合計することによって求められる。

低圧ＥＧＲ流量は以下のように計算される。

その診断基準εＦ_２は、以前に詳述した式を用いて以下のように記述し直すことができる。

したがって、診断基準は８つの変数に応じて決まることになろう。これにより、ＥＧＲが動作しているときに吸気における漏れを検出することが可能となる。

図２は、空気の取り入れの診断を行う方法を示す。当該方法は、以下のステップを含む。

第１ステップ２０では、排気における濃度の推定に関与するパラメータの組が決定される。この第１ステップはサブステップに分割にすることができ、それらのサブステップでは、吸入流量が、式８を適用することによって推定され、高圧ＥＧＲ流量が、式９を適用することによって推定され、高圧ＥＧＲ弁の上流と下流の圧力の比が、式１０を適用することによって、前記高圧ＥＧＲ弁の前後の差圧の測定値及び吸気マニホルドにおける圧力の測定値に基づいて推定され、かつ低圧ＥＧＲ流量が、式１１を適用することによって推定される。

第２ステップ２１では、排気の濃度が、式４、６、及び７を適用することによって推定される。

第３ステップ２２では、排気の濃度が、濃度プローブを用いて測定される。

第４ステップ２３では、診断基準が、式３を適用することによって決定される。

第５ステップ２４では、診断基準が、システムの多様性を組み入れた診断閾値の少なくとも１つに対して比較される。

第６ステップ２５では、第５ステップの間に行われた比較の結果に応じた診断信号が発信される。

図３は、空気の取り入れの診断を行うシステム３０を示す図であり、そのシステムは、タービンの下流の排気管７に配置された濃度プローブ３１に入力部において接続されている。

空気取り入れ診断システム３０は、排気の濃度を推定する手段３２、診断基準を決定する手段３３、比較器３４、及び少なくとも１つのメモリ３５を備える。

診断基準を決定する手段３２は、入力部において濃度プローブ３１及び排気の濃度を推定する手段３２に接続され、かつ出力部において比較器３４の１つの入力部に接続されている。

排気の濃度を推定する手段３２は、式４を適用する。排気の濃度を推定する手段３２から発信された信号は、診断基準を決定する手段３３により、式３を適用することによって診断基準を決定するために使用される。

比較器３４は、推進ユニットの多様性を組み入れた少なくとも１つの診断閾値を含む、少なくとも１つのメモリ３５から受信した信号と、診断基準を決定する手段３３から受信した信号とを比較することができる。比較器３５は、出力部において前記比較に応じた信号を発信する。

結局、前記診断基準を決定する方法及びシステムにより、部分排気再循環が動作しているときに吸気側における漏れを検出することが可能となる。

Claims (7)

1. 自動車の内燃エンジンの空気の取り入れの診断を行う方法であって、
   前記内燃エンジンは、ターボ圧縮機を備え、かつ低圧部分排気再循環回路（３）及び高圧部分排気再循環回路（４）の少なくとも１つを備え、
   前記方法は、
   前記内燃エンジンの動作を特性化するパラメータの組が決定されるステップと、
   前記排気の濃度が推定されるステップと、
   前記排気の濃度が、前記内燃エンジンの排気管（７）に配置された濃度プローブ（３１）を用いて測定されるステップと、
   前記排気の濃度の測定値と、前記排気の濃度の推定値との比を計算することによって診断基準が決定されるステップと、
   前記診断基準が、システムの多様性を組み入れた診断閾値の少なくとも１つに対して比較されるステップと、
   前記比較の結果に応じた診断信号が発信されるステップとを含むことを特徴とする、方法。
2. 前記内燃エンジンの動作を特性化する前記パラメータの組が、吸気流量の推定値、高圧ＥＧＲ流量の推定値、高圧ＥＧＲ弁の上流と下流の圧力の比の推定値、前記吸気マニホルド（２ａ）の圧力の推定値、及び低圧ＥＧＲ流量の推定値を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記高圧ＥＧＲ弁の上流と下流の圧力の比が、前記弁の前後の差圧の測定値に基づいて推定されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記排気の濃度は、前記高圧部分排気再循環回路を表す体積と前記低圧部分排気再循環回路を表す体積のマスバランスを計算することによって推定されることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記高圧部分排気再循環回路を表す体積は、前記吸気マニホルド（２ａ）の体積を含むことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記低圧部分排気再循環回路を表す体積が、前記吸気ダクトの体積、低圧ＥＧＲ回路の出口の体積、及び前記圧縮機（２ａ）の体積を包含する体積を含むことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
7. 自動車の内燃エンジンの空気の取り入れの診断を行うシステムであって、
   前記内燃エンジンは、ターボ圧縮機（２）を備え、かつ低圧部分排気再循環回路（３）及び高圧部分排気再循環回路（４）の少なくとも１つを備え、
   前記システムは、
   前記排気の濃度を推定する手段（３２）と、
   診断基準を決定する手段（３３）と、
   比較器（３４）及び少なくとも１つのメモリ（３５）とを備え、
   前記診断基準を決定する手段（３３）は、前記排気の濃度を推定する手段（３２）から受信した信号に基づいて、かつ前記内燃エンジンの排気管（７）に配置された濃度プローブ（３１）から受信した信号に基づいて診断基準を決定することができ、
   前記比較器（３４）は、前記診断基準を決定する手段（３３）から受信した信号と、内燃エンジンの多様性を組み入れた診断閾値の少なくとも１つを含む、少なくとも１つのメモリ（３５）から受信した信号とを比較することができ、
   前記比較器（３５）は、出力部において前記比較の結果に応じた出力信号を発信することを特徴とする、システム。

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