JP2020128718A - 内燃機関の異常判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関のブリーザラインの異常を外乱等の影響を受けずに精度良く判定する。【解決手段】 過給機１７の上流側の吸気通路１２とクランクケース１９とをブリーザライン２０で接続した内燃機関の異常判定装置は、吸気通路１２の吸気流量を検出する吸気流量検出手段１６と、ブリーザライン２０の異常を判定する異常判定手段３０とを備える。異常判定手段３０は、吸気流量の変動波形の回転２次成分から算出した数値を所定時間にわたって積算し、その積算値が所定の閾値未満のときにブリーザライン２０の異常を判定するので、外乱等による内燃機関１１の負荷変動の影響を受けにくい吸気流量の変動波形の回転２次成分に基づいてブリーザライン２０の異常を精度良く判定することができる。【選択図】 図１

Description

本発明は、過給機の上流側の吸気通路とクランクケースとをブリーザラインで接続した内燃機関の異常判定装置に関する。

かかる内燃機関の異常判定装置は、例えば下記特許文献１に第２の実施の形態として記載されている。この内燃機関の異常判定装置は、吸気通路に対するブリーザラインの接続部が外れたような場合に、その接続部が吸気通路の気柱の開放端部となって気柱の共振周波数が変化することに着目し、吸気通路の吸気流量の脈動の大きさを監視することでブリーザラインの接続部の外れを判定するようになっている。

特開２０１７−０７８３７８号公報

ところで、上記従来のものは、内燃機関の負荷が外乱等により一時的に変動したような場合に、吸気流量の脈動が大きく変動してしまうため、ブリーザラインの接続部の外れを誤判定してしまう可能性があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、内燃機関のブリーザラインの異常を外乱等の影響を受けずに精度良く判定することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、過給機の上流側の吸気通路とクランクケースとをブリーザラインで接続した内燃機関の異常判定装置であって、前記吸気通路の吸気流量を検出する吸気流量検出手段と、前記ブリーザラインの異常を判定する異常判定手段とを備え、前記異常判定手段は、前記吸気流量の変動波形の回転２次成分から算出した数値を所定時間にわたって積算し、その積算値が所定の閾値未満のときに前記ブリーザラインの異常を判定することを特徴とする内燃機関の異常判定装置が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記数値は、前記吸気流量の変動波形の回転２次成分の絶対値を所定時間にわたって積算したものであることを特徴とする内燃機関の異常判定装置が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記数値は、前記吸気流量の変動波形の回転２次成分の１周期における最大値および最小値の差分を所定時間にわたって積算したものであることを特徴とする内燃機関の異常判定装置が提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項１〜請求項３の何れか１項の構成に加えて、前記回転２次成分は、前記吸気流量の変動波形にクランク角速度に対応する正弦波および余弦波を乗算して積分することで算出されることを特徴とする内燃機関の異常判定装置が提案される。

なお、実施の形態のエアフローメータ１６は本発明の吸気流量検出手段に対応する。

請求項１の構成によれば、過給機の上流側の吸気通路とクランクケースとをブリーザラインで接続した内燃機関の異常判定装置は、吸気通路の吸気流量を検出する吸気流量検出手段と、ブリーザラインの異常を判定する異常判定手段とを備える。異常判定手段は、吸気流量の変動波形の回転２次成分から算出した数値を所定時間にわたって積算し、その積算値が所定の閾値未満のときにブリーザラインの異常を判定するので、外乱等による内燃機関の負荷変動の影響を受けにくい吸気流量の変動波形の回転２次成分に基づいてブリーザラインの異常を精度良く判定することができる。

また請求項２の構成によれば、数値は、吸気流量の変動波形の回転２次成分の絶対値を所定時間にわたって積算したものであるので、吸気流量の変動が正値および負値に跨がるものであっても、ブリーザラインの異常を精度良く判定することができる。

また請求項３の構成によれば、数値は、吸気流量の変動波形の回転２次成分の１周期における最大値および最小値の差分を所定時間にわたって積算したものであるので、吸気流量の変動が正値および負値に跨がるものであっても、ブリーザラインの異常を精度良く判定することができる。

また請求項４の構成によれば、回転２次成分は、吸気流量の変動波形にクランク角速度に対応する正弦波および余弦波を乗算して積分することで算出されるので、吸気流量の変動波形の回転２次成分を簡単に算出することができる。

ブリーザラインの異常判定装置を備える内燃機関の構成を示す図である。（第１の実施の形態） ブリーザラインの異常判定装置のブロック図である。（第１の実施の形態） クランクシャフトの回転に伴うピストンの位置変化の説明図である。（第１の実施の形態） ブリーザラインの異常判定の手順の説明図である。（第１の実施の形態） ブリーザラインの異常判定の手順の説明図である。（第２の実施の形態）

第１の実施の形態

以下、図１〜図４に基づいて本発明の第１の実施の形態を説明する。

図１に示すように、自動車に搭載される直列四気筒の４サイクル内燃機関１１の吸気通路１２上には、吸気の流れ方向上流端の吸気口１３から吸気の流れ方向下流端の吸気マニホールド１４に向かって、吸気中の塵埃を除去するエアクリーナ１５と、吸気流量を測定するエアフローメータ１６と、吸気を加圧するターボチャージャあるいはスーパーチャージャよりなる過給機１７と、吸気通路１２を絞って吸気流量を調整するスロットルバルブ１８とが順番に配置される。吸気通路１２におけるエアフローメータ１６および過給機１７に挟まれた位置と、内燃機関１１のクランクケース１９とがブリーザライン２０で接続される。また吸気マニホールド１４と内燃機関１１のクランクケース１９とがＰＣＶ(Positive Crankcase Ventilation)ライン２１で接続され、ＰＣＶライン２１の中間部がＰＣＶバルブ２２で開閉される。

吸気中に含まれる燃料成分の一部が内燃機関１１の燃焼室からピストンおよびシリンダ間の隙間を通ってクランクケース１９に流入したブローバイガスを、ブリーザライン２０を通して吸気通路１２に戻し、あるいはＰＣＶライン２１を通して吸気通路１２に戻すことで、ブローバイガスに含まれる燃料成分の大気への放出が防止される。

すなわち、過給機１７が作動しない自然吸気時にＰＣＶバルブ２２を開弁すると、スロットルバルブ１８の上流側の吸気通路１２には大気圧が作用するのに対し、スロットルバルブ１８の下流側の吸気通路１２には内燃機関１１の吸気負圧が作用するため、スロットルバルブ１８の上流側の吸気通路１２の吸気がブリーザライン２０を通ってクランクケース１９に流入し、そこからブローバイガスと共にＰＣＶライン２１を通って吸気マニホールド１４に戻され、最終的に吸気と共に内燃機関１１の燃焼室に供給される。

また過給機１７が作動する過給時には、過給機１７の下流側の吸気通路１２に過給圧が作用するが、ＰＣＶバルブ２２を閉弁することで過給圧がＰＣＶライン２１を介してクランクケース１９に逃げるのが防止される。そしてクランクケース１９のブローバイガスは、作動中の過給機１７の上流側に発生する負圧により吸気通路１２に吸い出され、そこから吸気と共に吸気通路１２を通って内燃機関１１の燃焼室に供給される。

ところで、内燃機関１１の過給時に、ブリーザライン２０が吸気通路１２に接続される第１接続部２３が外れたような場合、あるいはブリーザライン２０がクランクケース１９に接続される第２接続部２４が外れたような場合、クランクケース１９から吸気通路１２に向けてブリーザライン２０を流れるブローバイガスが大気に放出される可能性があるため、かかるブリーザライン２０の異常を検知して警報を発する必要がある。

図２に示すように、ブリーザライン２０の異常を判定する電子制御ユニットよりなる異常判定手段３０には、エアフローメータ１６および警報手段３２が接続される。警報手段３２は、例えばインストルメントパネルに設けられた液晶パネルで構成される。

次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用を説明する。

図３（Ａ）に示すように、内燃機関１１のピストン３３はコネクティングロッド３４を介してクランクシャフト３５に接続されており、ピストン３３の高さ（ピストン３３の移動方向の位置）はクランクシャフト３５の回転位置およびコネクティングロッド３４の揺動位置に応じて変化する。すなわち、クランクシャフト３５の回転に起因するピストン３３の高さは、クランクシャフト３５の１回転に対して１回変動する回転１次の変動となる。一方、コネクティングロッド３４の揺動に起因するピストン３３の高さは、クランクシャフト３５の１回転に対して２回変動する回転２次の変動となる。

図３（Ｂ）に示すように、直列四気筒の４サイクル内燃機関１１では、♯１シリンダおよび♯４シリンダのピストン３３が同位相で作動し、♯２シリンダおよび♯３シリンダのピストン３３がその位相と１８０゜ずれた他の同位相で作動するため、４個のコネクティングロッド３４の揺動に起因するクランクケース１９の内圧変動は、クランクシャフト３５の１回転に対して２回変動する回転２次の変動となる。

このようにしてクランクケース１９の内圧に回転２次の変動が生じると、その圧力変動がブリーザライン２０を介して吸気通路１２に伝達され、吸気通路１２の吸気流量に回転２次の変動が生じる。本実施の形態は、吸気通路１２生じる吸気流量の回転２次の変動に基づいてブリーザライン２０の異常を判定するようになっている。

なお、本発明が適用される内燃機関１１の気筒数は特に限定されるものではないが、Ｖ型６気筒内燃機関では、６個のピストン３３の移動によるクランクケース１９の内圧の圧力変動が相互に打ち消し合い、クランクケース１９の内圧の変動は比較的に小さなものとなる。よって、本発明は直列四気筒の内燃機関１１に好適に適用可能である。

次に、図４に基づいてブリーザライン２０の異常判定の手順を説明する。

本実施の形態のブリーザライン２０の異常判定は、エアフローメータ１６で検出される吸気流用が所定値以上であり、内燃機関１１が所定値以上の負荷で運転されているときにた実行される。その理由は、内燃機関１１が低負荷で運転されているときは、吸気通路１２の吸気流量の変動が小さくなり、精度の高い異常判定に必要な変動量が得にくいからである。

先ず、ステップＳ１で吸気通路１２の吸気流量の変動をエアフローメータ１６により検出する。上述したように、ピストン３３の移動に伴ってクランクケース１９には周期的な圧力変動が生じるため、これがクランクケース１９に接続されたブリーザライン２０を介して吸気通路１２に伝達されて吸気流量の変動が発生する。吸気通路１２の吸気流量の変動は、回転１次成分、回転２次成分および回転３次以降の高次成分を含むが、回転３次以降の高次成分は小さいため、回転１次成分および回転２次成分が支配的である。

続くステップＳ２でバンドパスフィルタを用いて、吸気通路１２の吸気流量の変動のうちの回転２次成分のみを抽出する。

吸気通路１２の吸気流量の変動から回転２次成分のみを抽出するバンドパスフィルタの原理は以下のとおりである。

［数１］に示すように、エアフローメータ１６で検出された吸気通路１２の吸気流量の変動の任意の波形に２次正弦波を乗算したものを各位相について加算すると、前記任意の波形の回転２次成分のＸ成分を得ることができ、また任意の波形に２次余弦波を掛けたものを各位相について加算すると、前記任意の波形の回転２次成分のＹ成分を得ることができる。

より具体的に説明すると、任意の波形ｆ（ｔ）は、フーリエ級数展開により正弦波ｓｉｎ（ωｔ），ｓｉｎ（２ωｔ）、ｓｉｎ（３ωｔ）…および余弦波ｃｏｓ（ωｔ），ｃｏｓ（２ωｔ）、ｃｏｓ（３ωｔ）…の足し合わせで［数２］のように表現することができる。ここで角周波数ωは、クランクシャフト３５の２回転に対応する７２０ｄｅｇで１周期である。

［数２］に正弦波ｓｉｎ（ωｔ）を乗算して積分すると、［数３］に示すように、当該角周波数正弦波のフーリエ係数ａ１のみが残る。

同様にして、［数２］に余弦波ｃｏｓ（ωｔ）を乗算して積分すると、当該角周波数余弦波のフーリエ係数ｂ１のみが残るので、こられのフーリエ係数ａ１，ｂ１から任意の波形ｆ（ｔ）の回転２次成分を容易に得ることができる。

上述のようにしてステップＳ２で吸気通路１２の吸気流量の変動のうちの回転２次成分が抽出されると、ステップＳ３で吸気流量の変動の回転２次成分の絶対値を算出する。そしてステップＳ４で吸気流量の変動の回転２次成分の絶対値を所定時間（例えば２秒〜１０秒）にわったって積算し、その積算値が閾値以上であればブリーザライン２０は正常であると判定し、また閾値未満であればブリーザライン２０は異常であると判定し、警報手段３２を作動させて乗員に報知する。

吸気通路１２の吸気流量の変動の回転２次成分の絶対値の積算値によりブリーザライン２０の正常・異常を判定できる理由は以下のとおりである。ブリーザライン２０が正常であって大気と連通していない場合には、クランクケース１２の圧力変動がそのままブリーザライン２０から吸気通路１２に伝達され、その結果生じる吸気通路１２の吸気流量の変動がエアフローメータ１６により検出される。よって、検出された吸気通路１２の吸気流量の変動が大きい場合には、ブリーザライン２０が大気と連通しておらず、正常であると判定することができる。一方、ブリーザライン２０が第１、第２接続部２３，２４で外れた場合や、中間部で破損したような場合には、ブリーザライン２０が大気と連通することで吸気通路１２の吸気流量の変動が緩和されてしまう。したがって、検出された吸気流量の変動が小さい場合には、ブリーザライン２０が大気と連通しており、異常であると判定することができる。

ところで、吸気通路１２の吸気流量の変動の大きさを評価するとき、単に吸気流量を所定時間にわったって積算するだけでは、吸気流量の変動が正値および負値に跨がる場合に、正値および負値が相殺して正しい評価ができなくなる。そこで本実施の形態のごとく、正値および負値に跨がる吸気流量の変動の絶対値を算出し、その絶対値を所定時間にわったって積算することで、吸気流量の変動の大きさを正しく評価して精度の高い異常判定を行うことができる。

また外乱等により内燃機関１１の負荷が変動すると、吸気通路１２の吸気流量の変動の回転１次成分も変動するが、回転２次成分は殆ど影響を受けないため、回転２次成分に基づいてブリーザライン２０の異常判定を行うことで、判定精度を高めて誤判定を防止することができる。

第２の実施の形態

次に、図５に基づいて本発明の第２の実施の形態を説明する。

上述した第１の実施の形態では、正値および負値に跨がって変動する吸気通路１２の吸気流量の変動の絶対値を算出し、その絶対値を所定時間にわったって積算することで吸気流量の変動の大きさを評価しているが、第２の実施の形態では、図５のステップＳ３に示すように、正値および負値に跨がる吸気通路１２の吸気流量の変動の１周期における最大値および最小値の差分を算出し、その差分を所定時間にわったって積算することで吸気流量の変動の大きさを評価する。

この第２の実施の形態によっても、吸気流量の変動の正値および負値が相殺されるのを防止し、吸気流量の変動の大きさを正しく評価して精度の高い異常判定を行うことができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、内燃機関１１の気筒数は実施の形態の四気筒に限定されるものではない。

また実施の形態ではクランクケース１９にブリーザライン２０を接続しているが、クランクケース１９の内部空間とヘッドカバーの内部空間とを相互に連通させ、ヘッドカバーにブリーザライン２０を接続しても本願発明の作用効果を達成することができる。よって、クランクケース１９に連通する他の空間にブリーザライン２０を接続したものも、本願発明の技術範囲に含まれるものとする。

１２ 吸気通路
１６ エアフローメータ（吸気流量検出手段）
１７ 過給機
１９ クランクケース
２０ ブリーザライン
３０ 異常判定手段

Claims (4)

1. 過給機（１７）の上流側の吸気通路（１２）とクランクケース（１９）とをブリーザライン（２０）で接続した内燃機関の異常判定装置であって、
   前記吸気通路（１２）の吸気流量を検出する吸気流量検出手段（１６）と、前記ブリーザライン（２０）の異常を判定する異常判定手段（３０）とを備え、前記異常判定手段（３０）は、前記吸気流量の変動波形の回転２次成分から算出した数値を所定時間にわたって積算し、その積算値が所定の閾値未満のときに前記ブリーザライン（２０）の異常を判定することを特徴とする内燃機関の異常判定装置。
2. 前記数値は、前記吸気流量の変動波形の回転２次成分の絶対値を所定時間にわたって積算したものであることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の異常判定装置。
3. 前記数値は、前記吸気流量の変動波形の回転２次成分の１周期における最大値および最小値の差分を所定時間にわたって積算したものであることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の異常判定装置。
4. 前記回転２次成分は、前記吸気流量の変動波形にクランク角速度に対応する正弦波および余弦波を乗算して積分することで算出されることを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の内燃機関の異常判定装置。

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