JP2020045818A - 診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】誤診断を抑制する。【解決手段】内燃機関の排気絞り装置を診断するための診断装置が提供される。排気絞り装置は、内燃機関の排気通路４に設けられた排気絞り弁３７と、排気絞り弁を駆動するための空圧を貯留するエアタンク５３とを備える。診断装置は、排気絞り装置を診断するように構成された診断ユニット１００と、エアタンク内の圧力を検出する圧力センサ７０とを備える。診断ユニットは、圧力センサにより検出されたエアタンク内の圧力が所定のしきい値以下のとき診断を禁止するように構成されている。【選択図】図２

Description

本開示は診断装置に係り、特に、内燃機関の排気絞り装置を診断するための診断装置に関する。

内燃機関において排気絞り装置を備えたものが知られている。排気絞り装置は、内燃機関の排気通路に設けられた排気絞り弁を備えている。例えばトラック等の大型車両に搭載されたディーゼルエンジンの場合、車両減速時における排気ブレーキの際に排気絞り弁が閉じられる。また、エンジン始動後に酸化触媒等の後処理部材を早期に活性化させるため、排気絞り弁が閉じられることもある。こうするとエンジンの背圧および負荷が上昇し、燃料噴射量が増加して排気温度が上昇させられる。

こうした排気絞り装置を診断するための診断装置も知られている（例えば特許文献１参照）。特に車両の分野においては、排気絞り装置の正常・異常が、後処理部材の性能ひいては排気エミッションに影響を及ぼすことがある。このため国によっては、排気絞り装置の正常・異常を診断することの要請がある。

特開２０１５−１７５２４号公報

排気絞り装置の診断方法については次の方法が考えられる。すなわち、排気絞り弁を一旦閉弁し、この閉弁前後において、排気絞り弁の開度に相関するパラメータ（弁開度相関パラメータという）を検出する。そしてその閉弁前後の弁開度相関パラメータの変化量を算出し、当該変化量が所定のしきい値より小さいとき、排気絞り装置を異常と診断する。

一方、排気絞り弁は一般的に、エアタンクに貯留された空圧によって駆動される。しかし、エアタンク内の空圧の圧力が過度に低下しているときに診断を行うと、本来得られるべき排気絞り弁の正常な動作が得られなくなり、異常と誤診断してしまう可能性がある。

そこで本開示は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、誤診断を抑制し得る診断装置を提供することにある。

本開示の一の態様によれば、
内燃機関の排気絞り装置を診断するための診断装置であって、
前記排気絞り装置は、
前記内燃機関の排気通路に設けられた排気絞り弁と、
前記排気絞り弁を駆動するための空圧を貯留するエアタンクと、を備え、
前記診断装置は、
前記排気絞り装置を診断するように構成された診断ユニットと、
前記エアタンク内の圧力を検出する圧力センサと、を備え、
前記診断ユニットは、前記圧力センサにより検出された前記エアタンク内の圧力が所定のしきい値以下のとき診断を禁止するように構成されている
ことを特徴とする診断装置が提供される。

好ましくは、前記診断ユニットは、前記内燃機関の始動後でかつ前記エアタンク内の圧力が前記しきい値より大きいとき、診断を実行する。

好ましくは、前記診断ユニットは、診断実行時、前記排気絞り弁を閉弁し、その閉弁前後の弁開度相関パラメータの変化量に基づき、前記排気絞り装置が正常か異常かを診断する。

本開示によれば、誤診断を抑制することができる。

本実施形態の内燃機関の構成を示す概略図である。 排気絞り装置と診断装置の構成を示す概略図である。 診断実行判定ルーチンのフローチャートである。 診断処理の手順を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。なお本開示は以下の実施形態に限定されない点に留意すべきである。

本実施形態に係る診断装置は、車両、具体的にはトラック等の大型車両に適用される。この車両には、動力源としての内燃機関（エンジンともいう）が搭載される。エンジンは直噴式内燃機関、具体的にはディーゼルエンジンである。診断装置は、このエンジンに設けられた排気絞り装置を診断する。なお車両および内燃機関の種類、用途等に限定はなく、例えば車両は乗用車等の小型車両であってもよいし、エンジンはガソリンエンジンであってもよい。

図１に本実施形態の構成を示す。エンジン１は直列４気筒エンジンであり、エンジン本体２と、エンジン本体２に接続された吸気通路３および排気通路４と、ターボチャージャ１４と、燃料噴射装置５とを備える。エンジン本体２は、シリンダヘッド、シリンダブロック、クランクケース等の構造部品と、その内部に収容されたピストン、クランクシャフト、バルブ等の可動部品とを含む。

燃料噴射装置５は、コモンレール式燃料噴射装置からなり、各気筒に設けられた燃料噴射弁すなわちインジェクタ７と、インジェクタ７に接続されたコモンレール８とを備える。インジェクタ７は、シリンダ９内すなわち燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内インジェクタである。コモンレール８は、インジェクタ７から噴射される燃料を高圧状態で貯留する。

吸気通路３は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続された吸気マニホールド１０と、吸気マニホールド１０の上流端に接続された吸気管１１とにより主に画成される。吸気マニホールド１０は、吸気管１１から送られてきた吸気を各気筒の吸気ポートに分配供給する。吸気管１１には、上流側から順に、エアクリーナ１２、エアフローメータ１３、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４Ｃ、インタークーラ１５、および電子制御式の吸気絞り弁１６が設けられる。エアフローメータ１３は、エンジン１の単位時間当たりの吸入空気量すなわち吸気流量を検出するためのセンサであり、マスエアフロー（MAF：Mass Air Flow）センサ等とも称される。

排気通路４は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続された排気マニホールド２０と、排気マニホールド２０の下流側に接続された排気管２１とにより主に画成される。排気マニホールド２０は、各気筒の排気ポートから送られてきた排気ガスを集合させる。排気管２１、もしくは排気マニホールド２０と排気管２１の間には、ターボチャージャ１４のタービン１４Ｔが設けられる。タービン１４Ｔより下流側の排気通路４には、上流側から順に、酸化触媒２２、フィルタ２３、選択還元型ＮＯｘ触媒２４およびアンモニア酸化触媒２６が設けられる。これらはそれぞれ排気後処理を実行する後処理部材をなす。フィルタ２３とＮＯｘ触媒２４の間の排気通路４には、還元剤としての尿素水を添加する添加弁２５が設けられる。

酸化触媒２２は、排気中の未燃成分（炭化水素ＨＣおよび一酸化炭素ＣＯ）を酸化して浄化すると共に、このときの反応熱で排気ガスを加熱昇温し、また排気中のＮＯをＮＯ₂に酸化する。フィルタ２３は、所謂連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタであり、排気中に含まれる粒子状物質（ＰＭとも称す）を捕集すると共に、その捕集したＰＭを貴金属と反応させて連続的に燃焼除去する。フィルタ２３には、ハニカム構造の基材の両端開口を互い違いに市松状に閉塞した所謂ウォールフロータイプのものが用いられる。

ＮＯｘ触媒２４は、添加弁２５から添加された尿素水に由来するアンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを還元浄化する。アンモニア酸化触媒２６は、ＮＯｘ触媒２４から排出された余剰アンモニアを酸化して浄化する。なおＮＯｘ触媒２４は吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であってもよい。

エンジン１はＥＧＲ装置３０をも備える。ＥＧＲ装置３０は、排気通路４内（特に排気マニホールド２０内）の排気ガスの一部（ＥＧＲガスという）を吸気通路３内（特に吸気マニホールド１０内）に還流させるためのＥＧＲ通路３１と、ＥＧＲ通路３１を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３２と、ＥＧＲガスの流量を調節するためのＥＧＲ弁３３とを備える。

またエンジン１は、それぞれ排気通路４に設けられた排気絞り弁３７と排気インジェクタ３８を備える。本実施形態において、これらはタービン１４Ｔと酸化触媒２２の間の排気通路４に設けられ、排気インジェクタ３８よりも下流側に排気絞り弁３７が配置される。但しこれらの設置位置は変更可能である。排気インジェクタ３８は、フィルタ２３の再生制御時等に排気通路４内に燃料を噴射するためのインジェクタである。

排気絞り弁３７は、排気通路４を開閉する弁であり、前述したように、排気ブレーキの際に閉じられる。また排気絞り弁３７は、例えばエンジン始動後に上述の後処理部材を早期に活性化させるため、排気昇温の目的で閉じられることもある。

車両およびエンジン１を総括的に制御するため、制御装置が車両に搭載されている。この制御装置は、排気絞り装置を診断するための診断装置としても機能する。

制御装置は、制御ユニット、回路要素（circuitry）もしくはコントローラとしての電子制御ユニット（ECU: Electronic Control Unitという）１００を有する。ＥＣＵ１００は、演算機能を有するＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶媒体であるＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）、入出力ポート、ならびにＲＯＭおよびＲＡＭ以外の記憶装置等を含む。ＥＣＵ１００は、筒内インジェクタ７、吸気絞り弁１６、添加弁２５、ＥＧＲ弁３３、排気絞り弁３７および排気インジェクタ３８を制御するように構成され、プログラムされている。

また制御装置は、センサ類として、上述のエアフローメータ１３の他、エンジンの回転速度、具体的には毎分当たりの回転数（ｒｐｍ）を検出するための回転速度センサ４０と、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ４１とを有する。これらセンサ類の出力信号はＥＣＵ１００に送られる。

次に、排気絞り装置の構成を詳細に説明する。図２に示すように、排気絞り装置は、前述の排気絞り弁３７と、排気絞り弁３７を駆動するための空圧を貯留するエアタンク５３とを備える。より詳細には、排気絞り装置は、前述の排気絞り弁３７と、排気絞り弁３７を実質的に駆動するエアアクチュエータ５１と、排気絞り弁３７およびエアアクチュエータ５１を機械的に連結するリンク機構５２と、エアアクチュエータ５１に空圧を供給する前述のエアタンク５３と、エンジン１に駆動されエアタンク５３に空圧を供給するエアコンプレッサ５４（図１にも示す）とを備える。

排気絞り弁３７は、回動軸５５に固定されたバタフライ式の弁体５６を排気通路４内に備え、回動軸５５および弁体５６を一体的に回動させることで排気通路４を開閉するようになっている。実線は開状態、仮想線は閉状態を示す。なお弁体はバタフライ式に限らず、例えばシャッター式等であってもよい。

エアアクチュエータ５１は、シリンダ５７と、その中に配置されたピストン５８およびリターンスプリング５９と、ピストンロッド６０とを有する。リターンスプリング５９はピストン５８を開弁方向に付勢する。

リンク機構５２は、一端が回動軸５５に固定され他端がピストンロッド６０に回動可能に連結された操作レバー６１を有する。これにより、ピストン５８の直線運動を回動軸５５の回転運動に変換し、弁体５６を開閉方向に回動させることができる。

エアタンク５３の出口部から延びたエア配管６２が、リターンスプリング５９とは反対側のシリンダ室６３に接続されている。このエア配管６２には、これを開閉する制御バルブ６４が設けられている。制御バルブ６４は三方電磁弁により形成され、ＥＣＵ１００からの指令信号に基づき制御される。

通常は、制御バルブ６４がＥＣＵ１００によりオフされ、制御バルブ６４は閉弁状態にある。このとき、エアタンク５３からエアアクチュエータ５１（具体的にはシリンダ室６３）へのエア供給が停止されると共に、シリンダ室６３から外部にエアが排出され、ピストン５８はリターンスプリング５９により排気絞り弁３７の開弁方向（図２の右側）に押し戻される。これにより排気絞り弁３７は開弁状態となる。

他方、制御バルブ６４がＥＣＵ１００によりオンされると、制御バルブ６４は開弁状態となる。このとき、エアタンク５３からエアアクチュエータ５１（具体的にはシリンダ室６３）にエアが供給され、ピストン５８はリターンスプリング５９に逆らって排気絞り弁３７の閉弁方向（図２の左側）に押動される。これにより排気絞り弁３７は閉弁状態となる。

エアコンプレッサ５４は、エンジン１のクランクシャフトから伝達された動力によって駆動される。エアコンプレッサ５４の出口部とエアタンク５３の入口部とはエア配管６５によって接続されている。このエア配管６５には、上流側から順に、逆止弁６６とエアドライヤ６７が設けられている。逆止弁６６は、エアタンク５３側からエアコンプレッサ５４側に向かう逆流を禁止し、エアタンク５３内の圧力（タンク圧という）が低下するのを抑制する。エアドライヤ６７は、エアコンプレッサ５４から送られてきたエアを乾燥させる。

ここで本実施形態では、タンク圧を検出するための圧力センサ７０が設けられる。圧力センサ７０の検出信号はＥＣＵ１００に送られる。本実施形態の場合、圧力センサ７０はエアタンク５３に設けられてタンク圧を直接検出する。しかしながら、圧力センサ７０の設置位置は変更可能であり、例えば、エアタンク５３と制御バルブ６４の間のエア配管６２に設置してもよいし、エアタンク５３と逆止弁６６の間のエア配管６５に設置してもよい。

次に、本実施形態における排気絞り装置の診断について説明する。ＥＣＵ１００は、かかる診断を実行するように構成された診断ユニットを形成する。

本実施形態において診断は、エンジン始動後に排気絞り弁３７を一時的にもしくは一旦閉弁することで行う。エンジン始動後に診断を行うことで、エンジン始動毎に毎回診断を行うことができ、一定以上の診断頻度を確保することができる。

好ましくは、エンジン始動後でかつエンジンがアイドル運転状態となっているときに診断を行う。エンジン始動後には暖機のためエンジンがアイドル運転状態となっていることが多く、しかもアイドル運転中はエンジン運転状態が一定でかつ安定している（すなわち定常状態となっている）。よってこのときに診断を行うことで、十分な診断頻度を確保しつつ、外乱の影響を減らして診断の信頼性を確保できる。

診断時には、排気絞り弁３７の閉弁前後において、排気絞り弁３７の開度に相関するパラメータ（弁開度相関パラメータという）を検出する。そして閉弁前後の弁開度相関パラメータの変化量を算出し、当該変化量が所定のしきい値より小さいとき、排気絞り装置を異常と診断する。

弁開度相関パラメータとしては、例えば、エアフローメータ１３により検出される吸入空気量、またはＥＣＵ１００により算出される目標燃料噴射量を使用することができる。排気絞り装置が正常な場合、排気絞り弁３７を閉弁すると、閉弁前に比べて排気流量が減少し、吸入空気量も減少する。従って、閉弁前後の吸入空気量の変化量ないし減少量が所定のしきい値以上となることを以て、排気絞り装置を正常と診断することができる。

逆に、排気絞り装置が異常な場合、例えば排気絞り弁３７の弁体５６が固着していたり、何れかの箇所でエア漏れが生じていたりする場合には、ＥＣＵ１００から制御バルブ６４にオン指令信号を送って排気絞り弁３７を閉弁しようとしても、排気絞り弁３７が全く閉弁されないか、または十分に閉弁されない。よって閉弁前と比べたときの吸入空気量の減少量が低下する。従って、吸入空気量の減少量がしきい値より小さいことを以て、排気絞り装置が異常と診断される。

他方、ＥＣＵ１００は、アクセル開度がゼロもしくは最小値となっているエンジンのアイドル運転中に、回転速度センサ４０により検出された実際のエンジン回転数が所定の目標アイドル回転数に近づくよう、インジェクタ７に対する目標燃料噴射量を制御するアイドルフィードバック制御を行う。このアイドルフィードバック制御の実行中であって、かつ排気絞り装置が正常なときに、排気絞り弁３７を閉弁すると、閉弁前に比べてエンジン背圧が上昇し、エンジン回転数が低下する。このエンジン回転数低下を補償するようフィードバックが働き、目標燃料噴射量は増加させられる。従って、閉弁前後の目標燃料噴射量の変化量ないし増加量が所定のしきい値以上となることを以て、排気絞り装置が正常と診断することができる。

逆に、排気絞り装置が異常な場合だと、ＥＣＵ１００から制御バルブ６４にオン指令信号を送っても、排気絞り弁３７が十分に閉弁されない。よって閉弁前と比べたときの目標燃料噴射量の増加量が低下する。従って、目標燃料噴射量の増加量がしきい値より小さいことを以て、排気絞り装置が異常と診断される。

なおＥＣＵ１００は、アイドル運転中以外では、主にエンジン回転数とアクセル開度の検出値に基づいて目標燃料噴射量を算出する。アイドル運転中以外でも、その目標燃料噴射量に基づいて診断が可能である。

ところで、エアタンク５３内の空圧の圧力すなわちタンク圧が過度に低下しているときに診断を行うと、排気絞り装置が正常な場合であっても、本来得られるべき排気絞り弁３７の正常な動作が得られなくなり、異常と誤診断してしまう可能性がある。

すなわち、エンジン始動後のタイミングだと、例えばその直前の比較的長いエンジン停止期間中に僅かなエア漏れが続くことに起因して、タンク圧が過度に低下していることがある。こうしたタイミングで診断が行われてしまうと、排気絞り装置が正常であるにも関わらず、十分なエアがエアタンク５３からエアアクチュエータ５１に供給されない。すると排気絞り装置が異常なときと同じように、排気絞り弁３７が十分に閉弁されず、弁開度相関パラメータの変化量がしきい値以上に到達せず、排気絞り装置を異常と誤診断してしまう虞がある。

なお、エアタンク５３の空圧は、車両に搭載されている他の艤装を駆動するためにも用いられる。例えば他の艤装の駆動のためにエアタンク５３内の多量のエアが用いられ、タンク圧が過度に低下したときにも、同様の問題が起こり得る。

エンジン始動後にはエアコンプレッサ５４が駆動され、エアコンプレッサ５４からエアタンク５３に圧縮エアが供給される。よってエンジン始動直後にタンク圧が過度に低下していても、暫くするとタンク圧は十分な値まで上昇される。この上昇後に診断が行われれば問題ないが、上昇前に診断が行われると、排気絞り弁３７が適正に閉弁せず、誤診断が生じ得る。

そこで本実施形態では、タンク圧が過度に低下しているとき、すなわち、圧力センサ７０により検出されたタンク圧が所定のしきい値以下のときには、診断を禁止する。これにより、タンク圧低下に起因する誤診断を確実に抑制することができる。

ここで図３を参照して、本実施形態における診断実行判定ルーチンを説明する。当該ルーチンはＥＣＵ１００により所定の演算周期τ（例えば１０ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。また当該ルーチンは車両のイグニッションスイッチがオンされた時から開始される。

まずステップＳ１０１において、ＥＣＵ１００は、エンジン始動後であるか否かを判断する。エンジン始動後と判断した場合、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０２に進んで、圧力センサ７０により検出されたタンク圧Ｐを取得する。

次にＥＣＵ１００は、ステップＳ１０３に進んで、タンク圧Ｐを所定のしきい値Ｐｓと比較する。タンク圧Ｐがしきい値Ｐｓより大きい場合、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０４に進んで、診断を実行する。

他方、タンク圧Ｐがしきい値Ｐｓ以下の場合、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０５に進んで、診断を禁止する。これにより、タンク圧が過度に低いときに診断を実行すること、および、この診断により誤診断することを確実に抑制できる。

なお、ステップＳ１０１においてエンジン始動後でないと判断した場合も、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０５に進んで診断を禁止する。

次に図４を参照して、ステップＳ１０４で実行される診断処理の手順を説明する。なお診断処理開始時の初期状態において、制御バルブ６４はオフされており、排気絞り弁３７は開弁状態にあるものとする。また弁開度相関パラメータには吸入空気量が用いられるものとする。

ステップＳ２０１において、ＥＣＵ１００は、エアフローメータ１３により検出された吸入空気量Ｇａ１、すなわち排気絞り弁３７の閉弁前の吸入空気量Ｇａ１を取得する。

ステップＳ２０２において、ＥＣＵ１００は、排気絞り弁３７を閉弁するため、制御バルブ６４にオン指令信号を送る。

ステップＳ２０３において、ＥＣＵ１００は、エアフローメータ１３により検出された吸入空気量Ｇａ２、すなわち排気絞り弁３７の閉弁後の吸入空気量Ｇａ２を取得する。

ステップＳ２０４において、ＥＣＵ１００は、排気絞り弁３７の閉弁前後の吸入空気量の変化量ΔＧａを算出する。この変化量ΔＧａは、閉弁前の吸入空気量Ｇａ１から閉弁後の吸入空気量Ｇａ２を減算することにより算出される（ΔＧａ＝Ｇａ１−Ｇａ２）。従ってこの変化量ΔＧａは、閉弁前から閉弁後にかけての吸入空気量の減少量を表す。

次にステップＳ２０５において、ＥＣＵ１００は、変化量ΔＧａを所定のしきい値ΔＧａｓと比較する。変化量ΔＧａがしきい値ΔＧａｓ以上の場合、ＥＣＵ１００は、ステップＳ２０６に進んで、排気絞り装置を正常と診断する。

他方、変化量ΔＧａがしきい値ΔＧａｓ未満の場合、ＥＣＵ１００は、ステップＳ２０７に進んで、排気絞り装置を異常と診断する。

以上、本開示の実施形態を詳細に述べたが、本開示は他の実施形態によっても実施可能である。

（１）例えば、弁開度相関パラメータについては、吸入空気量および目標燃料噴射量以外のパラメータを使用してもよい。例えば、排気絞り弁３７を閉弁すると排気絞り弁３７の上流側の排気圧が上昇するので、当該排気圧を弁開度相関パラメータとして使用してもよい。

（２）診断は、アイドル以外のエンジン運転状態で行ってもよい。例えば、車両の高速巡行中等でエンジンが定常運転しているときに診断を行ってもよい。

（３）診断は、エンジン始動後以外のタイミングで行ってもよい。

本開示の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ 内燃機関（エンジン）
４ 排気通路
３７ 排気絞り弁
５３ エアタンク
７０ 圧力センサ
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (3)

1. 内燃機関の排気絞り装置を診断するための診断装置であって、
   前記排気絞り装置は、
   前記内燃機関の排気通路に設けられた排気絞り弁と、
   前記排気絞り弁を駆動するための空圧を貯留するエアタンクと、を備え、
   前記診断装置は、
   前記排気絞り装置を診断するように構成された診断ユニットと、
   前記エアタンク内の圧力を検出する圧力センサと、を備え、
   前記診断ユニットは、前記圧力センサにより検出された前記エアタンク内の圧力が所定のしきい値以下のとき診断を禁止するように構成されている
   ことを特徴とする診断装置。
2. 前記診断ユニットは、前記内燃機関の始動後でかつ前記エアタンク内の圧力が前記しきい値より大きいとき、診断を実行する
   請求項１に記載の診断装置。
3. 前記診断ユニットは、診断実行時、前記排気絞り弁を閉弁し、その閉弁前後の弁開度相関パラメータの変化量に基づき、前記排気絞り装置が正常か異常かを診断する
   請求項１または２に記載の診断装置。

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