JP2021063504A - 内燃機関を有するエンジンシステムにおける二次空気弁の診断方法および診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二次空気導入装置の診断方法を提供すること。【解決手段】本発明は、内燃機関（２）を有するエンジンシステム（１）における二次空気導入装置の診断方法であって、二次空気導入装置は、空気供給系（４）と排気ガス排出系（５）とをラムダセンサ（１６）の上流側で二次空気弁（１２）を介して接続して、二次空気動作において排気ガス排出系（５）に新鮮な空気を導入し、診断動作において、− 二次空気弁（１２）の位置を変更するステップ（Ｓ２、Ｓ５）と、− 二次空気弁（１２）の位置変更に応じたラムダセンサ（１６）のラムダ信号の経過変化を検出するステップ（Ｓ３、Ｓ６）と、− ラムダ信号の経過変化が検出されない場合、二次空気導入装置（１０）のエラーをシグナリングするステップ（Ｓ４、Ｓ７）と、を実行する方法に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に関し、特に、いわゆる二次空気弁を有するエンジン用内燃機関に関する。さらに、本発明は、そのような二次空気弁の診断方法に関する。

二次空気弁は、通常、原動機付二輪車に使用される、排出の品質を向上させるための部品である。二次空気弁は、特定の動作条件に対して、空気供給系から排気ガス排出系に新鮮な空気を供給することを可能にするので、排気ガス後処理装置に追加の酸素を供給することができる。これにより、排出技術的により好ましい燃焼が可能となる。

二次空気導入装置のエラーにより、意図的に制御された、排出を低減させる新鮮な空気の排気ガス排出系への供給に障害が発生し、排出上限値を超える。二次空気導入装置で考えられるエラーには、二次空気弁が開いているか、もしくは閉じているか、または二次空気弁が中間位置で止まっているか、あるいは二次空気弁と排気ガス排出系への導入部との間の供給が中断しているかが含まれる。

本発明によれば、請求項１にかかる内燃機関を有するエンジンシステムにおける二次空気導入装置の診断方法、ならびに他の独立請求項にかかる装置およびエンジンシステムが設けられている。

さらなる構成は、従属請求項に記載されている。
１つの態様によれば、内燃機関を有するエンジンシステムにおける二次空気導入装置の診断方法が企図され、二次空気導入装置は、空気供給部と排気ガス排出部とをラムダセンサの上流側で二次空気弁を介して接続して、二次空気動作において排気ガス排出部に新鮮な空気を導入し、診断動作において、
− 二次空気弁の位置を変更するステップと、
− 二次空気弁の位置変更に応じたラムダセンサのラムダ信号の経過変化を検出するステップと、
− ラムダ信号の経過変化が検出されない場合、二次空気導入装置のエラーをシグナリングするステップと、を実行する。

上記の方法は、特に二輪車に対して内燃機関に使用可能な二次空気導入装置の診断手段を企図する。特に、診断方法は、通常、二輪車システムに使用される二点ラムダセンサを有するエンジンシステムに適している。

上記方法の本質は、排気後処理装置の前に配置されたラムダセンサのラムダ信号を、二次空気弁の位置の意図的な変化に対する反応として評価することにある。
特に、ラムダ信号が二次空気弁の位置の意図的な変化に反応するまでの持続時間を評価する。診断のために、静止した動作条件で、二次空気弁を閉状態から開状態に、または開状態から閉状態にして、これに対して起こるラムダセンサのラムダ信号の反応を評価する。二次空気弁が正常に開閉すると、ラムダセンサで酸素または炭化水素の過剰が示される。二次空気弁の位置変更後にラムダ信号が早期に反応した場合には、二次空気導入装置の機能障害を確認することができる。

エンジンシステムがエラーなく機能している場合、規定の持続時間のラムダ信号は、２点式ラムダセンサで制御する場合には、二次空気弁に欠陥がなければ、リッチ相、すなわち過剰燃料での燃焼、またはリーン相、すなわち過剰酸素での燃焼を示す。二次空気弁の診断調整後、リーン相からリッチ相への状態変化、またはその逆の状態変化が早期に検知されると、これは二次空気導入装置、特に二次空気弁の機能障害の指標となる。

上記方法の考え方は、ラムダ信号の変化が起こるまでの持続時間を、正常に機能しているシステムと比較して評価することにある。正常に機能するシステムでは、位置変化の際にラムダ信号のレベル変化の遅延が発生する。エラーがあるシステムでは、ラムダ信号のレベル変化は遅延しない。

診断の範囲で二次空気弁が閉じていると、ラムダセンサの信号が早期にリーン相を示す場合にエラーが検知される。
上記診断方法の利点は、二次空気弁の位置を意図的に変化させ、ラムダセンサのラムダ信号に対する影響を観察することによって、システムエラーのエラー検知に対する最大のロバスト性が確保されることである。適切な動作点で二次空気弁を開くことで、燃焼排気ガスの酸素割合が著しく増加し、この酸素割合はラムダ信号のレベルが変化するまでの持続時間が長くなることにより、ラムダセンサによって直ちに検出可能である。

さらに、診断動作は、以下の運転条件のうちの１つ以上が満たされていると判断された場合にのみ実行することができる。
− ラムダセンサがアクティブである。
− ラムダ制御装置がアクティブである。
− エンジン温度が所定の閾値を超えている。
− 静止した動作点が存在する。
− 制御装置の制御因子が安定しており、静止した制御動作点が存在する。
− 排気後処理装置の温度が所定の温度の閾値を超えている。
− タンク通気口がアクティブでないか、または最小持続時間アクティブである。
− ラムダセンサや二次空気弁の電気エラーが存在しない。

さらに、二次空気弁を開き、空気燃料混合気の二点制御を行う場合には、ラムダ制御により二次空気弁の開弁によるリーン相の時間延長を判断することで、ラムダセンサのラムダ信号の経過変化を検出してもよい。

二次空気弁を閉じ、空気燃料混合気の二点制御を行う場合には、ラムダ制御により二次空気弁の開弁によるリッチ相の時間延長を判断することで、ラムダセンサのラムダ信号の経過変化を検出することを企図してもよい。

特に、診断動作において、二次空気弁の開閉時には、二次空気導入装置を介して供給される新鮮な空気を補うための追加の燃料量のパイロット制御は、行うことができない。
１つの実施形態によれば、二次空気弁の開弁または閉弁の時点は、それぞれ、リーン相またはリッチ相の開始時点と一致してもよい。

ラムダセンサのラムダ信号の経過変化、特に、二次空気弁の位置変化に応じてラムダ信号のレベルが変化するまでの持続時間が減少しているか、または短すぎる持続時間が複数回判断された場合に、二次空気導入装置のエラーを判断することができる。

代替的な実施形態によれば、ラムダ信号の経過変化は、診断動作の開始前に存在し、燃料配分によってリッチ相とリーン相との持続時間の比率に影響を与えるラムダ制御装置の制御因子からの偏差によって決定することができる。制御因子は、ラムダ値を１に設定するためにパイロット制御によって予め設定された噴射燃料量に関して、噴射燃料量の補正を定義するものである。この因子の時間変化が限定的である場合には、制御因子の安定性が存在する。

代替的な実施形態によれば、ラムダ信号の経過変化は、診断動作の開始前に存在するラムダ値からの偏差によって決定することができる。
他の態様によれば、内燃機関を有するエンジンシステムにおける二次空気導入装置の診断装置が設けられ、二次空気導入装置は、空気供給部と排気ガス排出部とをラムダセンサの上流側で二次空気弁を介して接続して、二次空気動作において排気ガス排出部に新鮮な空気を導入し、装置は、診断動作において、
− 二次空気弁の位置を変更するステップと、
− 二次空気弁の位置変更に応じたラムダセンサのラムダ信号の経過変化を検出するステップと、
− ラムダ信号の経過変化が検出されない場合、二次空気導入装置のエラーをシグナリングするステップと、を実行するために構成されている。

以下に、添付図面に基づいて実施形態を詳述する。

二次空気導入装置を有するエンジンシステムの概略図。 ジャンプ型ラムダセンサを有するラムダ制御装置におけるリーン相およびリッチ相の時間経過を示す図。 内燃機関を有するエンジンシステムの二次空気導入装置の診断方法を説明するフローチャート。

図１は、気筒３（本実施例では２気筒）を有する内燃機関２を備えたエンジンシステムの概略図を示す。内燃機関２には、空気供給系４を介して空気が供給され、燃焼排気ガスは排気ガス排出系５を介して排出される。

空気供給系４には、内燃機関２の気筒３への空気供給を制御するために、スロットルバルブ６が各気筒３に設けられている。代替的に、気筒３には、１つの共通スロットルバルブのみを設けてもよい。

また、気筒３内に空気燃料混合気を生成するために、気筒３に対応付けられた噴射弁７（吸気系噴射または筒内噴射）が設けられている。
空気供給系４の容積には、二次空気供導入装置１０が含まれている。二次空気導入装置１０は、吸気口１４を介して排気後処理装置１３の上流で空気供給系４の容積を排気ガス排出系５と接続する二次空気ライン１１を有する。また、二次空気ライン１１の排気ガス排出系５への吸気口１４には、逆流防止弁１８が設けられている。

二次空気ライン１１には、二次空気ライン１１を通って空気供給系４から排気ガス排気装置５へのガスの流れを制御するために、二次空気弁１２が設けられている。また、排気後処理装置１３の上流側であって、排気ガス排出系５への二次空気ライン１１の吸気口１４の下流側には、ラムダセンサ１６が設けられている。ラムダセンサ１６は、連続的に測定するラムダセンサ（広帯域ラムダセンサまたはＬＳＵ）または２点式ラムダセンサもしくはジャンプ型センサ（ＬＳＦ）として設けることができる。

内燃機関３を制御する制御ユニット２０が設けられている。このために、リーンと検知された燃焼排気ガスの場合には、（化学量論的平衡に関して過剰な空気を含む空気燃料混合気を燃焼させた結果として）排気ガス排出系５において噴射燃料量を増加させ、リッチと検知された燃焼排気ガス（燃焼排気ガス中の炭化水素含有量）の場合には、（化学量論的平衡に関して過剰な燃料を含む空気燃料混合気を燃焼させた結果として）噴射燃料量を減少させるラムダ制御装置が設けられている。噴射する燃料量の増減は、所定の目標トルクを提供するために提供される噴射量を適用することにより従来の方法で行われる。

従来のエンジンシステムの静的動作では、ジャンプ型ラムダセンサを使用すると、図２に示されるようなラムダ信号Ｌの経過が得られる。ラムダ信号は、リーン相を示す信号レベルとリッチ相を示す信号レベルとの間で、略一定の相持続時間内で切り替わる。

特定の動作条件下では、制御ユニット２０は、排気ガス排出系５内に一時的な負圧が発生した場合に、空気供給系４から排気ガス排出系５内に新鮮な空気を引き込むために、二次空気動作において二次空気弁１２を駆動制御する。また、逆流防止弁１８は、燃焼排気ガスが排気ガス排出系５から逆流することを防止する。二次空気弁１２を開くことで排気ガス排出系５に追加の酸素が供給され、この酸素によって低排出での燃焼が可能となる。

以下に、二次空気導入装置１０の診断方法を提案する。診断方法は、制御ユニット２０におけるソフトウェアまたはハードウェアのアルゴリズムとして実装することができる。
この方法は、アクティブラムダ制御装置を備えた動力付き内燃機関に基づく。ラムダセンサ１６としては、例示的に２点式ラムダセンサを備えたエンジンシステム１が設けられている。

まず、ステップＳ１では、診断に適したエンジンシステム１の動作点が存在するかどうかを確認する。存在する場合（選択肢：はい）、方法はステップＳ２で継続され、そうでない場合はステップＳ１に戻る。診断方法を実行するために必要な運転条件は、以下の基準のうちの１つ以上を含んでいてもよく、これらはまとめて／同時に以下を満たされなければならない。
− ラムダセンサがアクティブである必要がある。
− ラムダ制御装置がアクティブである必要がある。
− 冷間動作中に診断方法が実行されないようにするために、エンジン温度が所定の閾値を超えている。
− 例えば内燃機関２のアイドリング動作のような静止した動作点が存在する。
− 制御装置の制御因子が安定しており、静止状態の制御動作点が存在する。
− 排気後処理装置１３の温度が所定の温度閾値以上であるため、排気後処理装置１３が機能している場合にのみ診断を実施できることを保証することができる。
− 排出防止のための二次空気動作の二次空気導入装置１０の機能制御が行われていない。
− タンク換気システムがアクティブでないか、または最小持続時間アクティブであるため、タンクシステムから供給されるガスの影響が調整される。
− ラムダセンサ１６または二次空気弁１２に電気的なエラーが存在しない。

ステップＳ２では、二次空気弁１２を開いて診断を行う。ここで、空気供給系４からの新鮮な空気が排気ガス排出系５に流入するため、そこで酸素割合が増加する。二次空気弁１２が開かれる前に、リッチ相とリーン相との間の規定の持続時間で状態が均等に変化するように、空気燃料混合気の2点制御が行われる。この工程は、二次空気導入装置１０にエラーがないか、または二次空気弁１２に不具合がない場合、二次空気弁１２の開弁によって妨害されるため、リーン相が延長される。

二次空気弁が開いている時は、二次空気供給の機能的な動作とは異なり、診断中に二次空気導入装置１０を介して供給される新鮮な空気を補うための追加燃料量のパイロット制御は行われない。

したがって、ステップＳ３では、リーン相の持続時間がリーン相の目標持続時間を超えているかどうかを確認する。目標持続時間は、リーン相の持続時間に対応するか、または二次空気弁が開かれる直前にラムダ制御装置によってどのように設定されたかに依存することができる。ラムダ制御装置のリーン相への変化からリッチ相への変化までの持続時間を測定することにより、リーン相の持続時間を監視する。

リーン相の持続時間がリーン相の目標持続時間を超えている場合（選択肢：はい）、エラーは検知されず、方法はステップＳ５で継続される。そうでない場合（選択肢：いいえ）、エラーが検知され、方法はステップＳ４で継続される。

ステップＳ４では、二次空気導入装置の開口エラーに対する第１のエラーカウンタの値を増加させ、方法はステップＳ５で継続される。
ステップＳ５では、二次空気導入装置１０を開いた際に適切な機能があると判断された。その結果、二次空気弁１２は閉じられる。

ステップＳ６では、二次空気弁１２を閉じた後、ラムダ信号がリーン相を早期に示すかどうかが確認され、すなわち、二次空気弁１２を閉じることによって二次空気導入装置１０を介した新鮮な空気の追加供給が中断されるため、リッチ相は最小持続時間存在しなければならない。ステップＳ６において、ラムダ信号がリーン相を早期に示すと判断された場合（選択肢：はい）、方法はステップＳ７で継続される。そうでない場合（選択肢：いいえ）、方法はステップＳ８で継続される。

ステップＳ７では、二次空気導入装置１０の開口エラーに対する第２のエラーカウンタの値を増加させ、方法はステップＳ８で継続される。
ステップＳ８では、多数の診断ループが実施されたかどうかを確認する。中止条件が満たされていると判断された場合（選択肢：はい）、方法はステップＳ９で終了し、エラーカウンタのいずれかが所定値を超えている場合にはエラーをシグナリングする。そうでない場合（選択肢：いいえ）、ステップＳ１に戻り、診断を実行するための動作条件がまだ存在するかどうかを確認する。

以上の方法によれば、二次空気導入装置の診断は、二次空気弁１２の開閉を複数回要求する。特に、診断方法は、アクティブな二次空気導入装置を有する動作段階が終了したと同時に、すなわち、機能的に排出を改善する意味で、排気ガス排出系５に二次空気がアクティブに供給された動作段階が完了した後、すぐに実施することができる。

リーン相およびリッチ相の所期の目標持続時間は、診断方法のできる限り開始直前に、リーン相およびリッチ相の平均観察持続時間から算出する。このために、制御ユニット２０は、対応するタイマーを有してもよい。

ロバスト性を高めるために、リッチ相およびリーン相のそれぞれの持続時間は、例えば１より大きい因子を適用することによって、許容範囲で増加させることができる。特に、二次空気弁１２の開閉時点は、リーン相またはリッチ相の開始時点にそれぞれ一致することが好ましい。

すなわち、二次空気弁１２の開弁要求は、リッチ相からリーン相へのラムダ信号のエッジ変化によってトリガされるため、追加の二次空気が印加された際に、規定されたシステム状態が保証される。二次空気弁１２の閉弁要求は、リーン相からリッチ相へのラムダ信号のエッジ変化の時点に応じて、またはリッチ相からリーン相へのラムダ信号のエッジ変化後の最小持続時間の経過後にトリガされる。

また、リーン相が早期に終了した場合や、リッチ相が早期に開始する場合には、診断実行のために二次空気弁１２の開弁後に二次空気弁１２が早期に閉まるため、これによりエラーが検知される。

上記方法の代替として、リーン相およびリッチ相の持続時間を評価する代わりに、制御因子を評価することもできる。制御因子は、リッチ相およびリーン相の持続時間の比を示す。第１のエラーカウンタは、二次空気弁を開いた後、制御因子が所定の閾値よりも増加した場合に値を増加させ、これにより、ラムダセンサへの追加の空気供給に応答して、空気燃料混合気のリッチ化を表す。第２のエラーカウンタは、二次空気弁を閉じた後に、制御因子が所定の閾値よりも減少した場合に値を増加させ、これは、空気燃料混合気のリーン化に起因する追加の空気供給の省略に対するラムダ制御装置の反応である。

また、連続的に測定するラムダセンサを使用する場合には、ラムダ信号を評価してエラー検知することもできる。リーン相およびリッチ相の持続時間を監視する代わりに、第１のエラーカウンタは、二次空気弁が開いた後にラムダ信号が平均して所定の閾値以上に増加した場合に（リーン化）、値を増加させられる。第２のエラーカウンタは、二次空気弁１２を閉じた後、ラムダ信号が平均して所定の閾値以下に減少した場合に、それに応じて値を増加させられる。

Claims (12)

1. 内燃機関（２）を有するエンジンシステム（１）における二次空気導入装置の診断方法であって、前記二次空気導入装置は、空気供給系（４）と排気ガス排出系（５）とをラムダセンサ（１６）の上流側で二次空気弁（１２）を介して接続して、二次空気動作において前記排気ガス排出系（５）に新鮮な空気を導入し、
   診断動作において、
   − 前記二次空気弁（１２）の位置を変更するステップ（Ｓ２、Ｓ５）と、
   − 前記二次空気弁（１２）の位置変更に応じた前記ラムダセンサ（１６）のラムダ信号の経過変化を検出するステップ（Ｓ３、Ｓ６）と、
   − 前記ラムダ信号の経過変化が検出されない場合、前記二次空気導入装置（１０）のエラーをシグナリングするステップ（Ｓ４、Ｓ７）と、を実行する方法。
2. 前記診断動作は、
   − 前記ラムダセンサ（１６）がアクティブであること、
   − 前記ラムダ制御装置がアクティブであること、
   − エンジン温度が所定の閾値を超えていること、
   − 静止した動作点が存在すること、
   − 前記制御装置の制御因子が安定しており、静止した制御動作点が存在すること、
   − 前記排気後処理装置の温度が所定の温度の閾値を超えていること、
   − タンク通気口がアクティブでないか、または最小持続時間アクティブであること、
   − 前記ラムダセンサまたは、前記二次空気弁の電気エラーが存在しないこと、
   の運転条件のうちの１つ以上が満たされていると判断された場合に実行することができる、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記二次空気弁（１２）を開き、空気燃料混合気の二点制御を行う場合には、ラムダ制御装置により前記二次空気弁（１２）の開弁によるリーン相の時間延長を判断することで、前記ラムダセンサの前記ラムダ信号の経過変化を検出する、
   請求項１または２に記載の方法。
4. 前記二次空気弁を閉じ、空気燃料混合気の二点制御を行う場合には、ラムダ制御装置により前記二次空気弁（１２）の開弁によるリッチ相の時間延長を判断することで、前記ラムダセンサの前記ラムダ信号の経過変化を検出する、
   請求項１または３に記載の方法。
5. 診断動作において、前記二次空気弁（１２）の開閉時には、前記二次空気導入装置（１０）を介して供給される新鮮な空気を補うための追加の燃料量のパイロット制御を行わない、
   請求項３または４に記載の方法。
6. 前記二次空気弁（１２）の開弁または閉弁の時点は、それぞれ、リーン相またはリッチ相の開始時点と一致する、請求項３から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記ラムダセンサ（１６）の前記ラムダ信号の経過変化が複数回、特に、前記二次空気弁（１２）の位置変化に応じて前記ラムダ信号のレベルが変化するまでの持続時間が減少しているか、または短すぎる持続時間が複数回判断された場合に、前記二次空気導入装置（１０）のエラーを判断する、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記ラムダ信号の経過変化は、前記診断動作の開始前に存在し、燃料配分によってリッチ相とリーン相との持続時間の比率に影響を与える前記ラムダ制御装置の制御因子からの偏差によって決定する、請求項１または２に記載の方法。
9. 前記ラムダ信号の経過変化は、前記診断動作の開始前に存在するラムダ値からの偏差によって決定する、請求項１または２に記載の方法。
10. 内燃機関（２）を有するエンジンシステム（１）における二次空気導入装置（１０）の診断装置、特に制御ユニット（２０）であって、前記二次空気導入装置（１０）は、空気供給系（４）と排気ガス排出系（５）とをラムダセンサ（１６）の上流側で二次空気弁（１２）を介して接続して、二次空気動作において前記排気ガス排出系（５）に新鮮な空気を導入し、
    前記装置は、前記診断動作において、
    − 前記二次空気弁（１２）の位置を変更するステップと、
    − 前記二次空気弁（１２）の位置変更に応じた前記ラムダセンサ（１６）のラムダ信号の経過変化を検出するステップと、
    − 前記ラムダ信号の経過変化が検出されない場合、前記二次空気導入装置（１０）のエラーをシグナリングするステップと、を実行するために構成されている装置。
11. 請求項１から９のいずれか一項に記載の方法の全てのステップを実施するために設定されているコンピュータプログラム。
12. 請求項１１に記載のコンピュータプログラムが記憶されている機械可読記憶媒体。

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