JP2023107387A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダの壁面温度を検出する温度センサを設けることなく、ピストンリングの固着を監視可能にする。【解決手段】燃料噴射量Ｑｆ、エンジン回転速度ＮＥ、および冷却水温ＴＨＷから、ＤＡ算出マップを用いて、リング溝に生成するデポジット量ＤＡを算出する（Ｓ１１）。デポジット量ＤＡを積算して、デポジット堆積量ΣＤＡを求め（Ｓ１２）、デポジット堆積量ΣＤＡが閾値αを超えると（Ｓ１３でＹＥＳ）、故障診断コードをセットする（Ｓ１４）。【選択図】図２

Description

本開示は、内燃機関の制御装置に関し、特に、ピストンのリング溝内にピストンリングを有する内燃機関の制御装置に関する。

シリンダ内を往復動するピストンを備えた内燃機関では、シリンダとピストンの間の気密を確保したり、潤滑油膜の形成をコントロールしたりするため、ピストンリングが設けられる。ピストンリングは、ピストンに形成されたリング溝内に設けられており、ピストンの往復動に伴い、リング溝内を円周方向に回転することにより、気密性の確保や潤滑油膜のコントロールを好適に行っている。

リング溝に堆積したカーボンスラッジ等によって、ピストンリングが固着すると、気密性の確保や潤滑油膜のコントロールに支障をきたす。このため、ピストンリングの固着を検出することが望まれている。たとえば、特開平６－３４６７８９号公報（特許文献１）には、シリンダの壁面温度を周方向で２箇所以上検出する温度センサを設け、壁面温度の分布からピストンリングの固着を検出する、往復動エンジン用ピストンリングの固着監視装置が開示されている。

特開平６－３４６７８９号公報

この特許文献１の固着監視装置では、ひとつの気筒（シリンダ）当たり２つ以上の温度センサを設ける必要があり、たとえば、４気筒エンジンでは、８個以上の温度センサを設ける必要がある。このため、多くの温度センサが必要になるとともに、温度センサを設けるための加工が必要になり、コストアップを招く懸念がある。

本開示の目的は、シリンダの壁面温度を検出する温度センサを設けることなく、ピストンリングの固着を監視可能にすることである。

本開示に係る内燃機関の制御装置は、シリンダ内を往復動するピストンのリング溝にピストンリングを配設した内燃機関の制御装置である。制御装置は、内燃機関の運転状態に基づいて、リング溝に堆積するデポジット堆積量を推定するデポジット推定手段と、デポジット推定手段によって推定されたデポジット堆積量が閾値を超えたとき、ピストンリングが固着する可能性があると判定するスティック判定手段と、を備える。

ピストンリングの固着は、リング溝の内部にカーボンスラッジ等のデポジットが堆積し、デポジットが固まることにより発生する。この構成によれば、デポジット推定手段は、内燃機関の運転状態に基づいて、リング溝に堆積するデポジット堆積量を推定する。スティック判定手段は、推定されたデポジット堆積量が閾値を超えたとき、ピストンリングが固着する可能性があると判定する。

この構成によれば、内燃機関の運転状態は、既存のセンサ等によって求めることができるので、シリンダの壁面温度を検出する温度センサを設けることなく、ピストンリングの固着を監視することができる。

好ましくは、デポジット推定手段は、内燃機関の運転状態に基づいて、単位期間当たりにリング溝に生成されるデポジット量を算出するデポジット量算出部を有し、デポジット推定手段は、デポジット量算出部で算出した前記デポジット量を積算することにより、デポジット堆積量を算出する。

リング溝内に生成されるデポジットの量は、運転状態によって変化する。この構成によれば、デポジット量算出部で単位期間当たりのデポジット量を積算し、このデポジット量を積算することによりデポジット堆積量を算出するので、精度よく、デポジット堆積量を推定することができる。

好ましくは、デポジット量算出部は、内燃機関の回転速度、燃料噴射量、および、冷却水温度に基づいて、デポジット量を算出するようにしてもよい。

この構成によれば、内燃機関を制御するために用意されているセンサ、あるいは、既存のパラメータを用いてデポジット量を算出することができる。

好ましくは、スティック判定手段によってピストンリングが固着する可能性があると判定されたとき、警報を行う警報手段を設けてもよい。

この構成によれば、ピストンリングが固着する可能性があることを、ユーザや整備者に知らせることができる。

本開示によれば、シリンダの壁面温度を検出する温度センサを設けることなく、ピストンリングの固着を監視することができる。

本実施の形態によるエンジンおよびその制御装置の概略構成を示す図である。 制御装置２００で実行されるピストンリング固着監視制御の処理を示すフローチャートである。 ＤＡ算出マップの作成方法の一例を説明する図である。 ＤＡ算出マップの一例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本開示の実施の形態について説明する。以下の説明では、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない場合がある。

図１は、本実施の形態に係るエンジンおよびその制御装置の概略構成を示す図である。エンジン１は、圧縮自己着火式内燃機関であり、直接噴射式のディーゼルエンジンである。エンジン１は、直列型のエンジンであってもよいし、その他の気筒レイアウト（たとえば、Ｖ型あるいは水平型）のエンジンであってもよい。なお、本実施の形態において、エンジン１は車両に搭載され、車両の駆動源として用いられる。

エンジン１は、エンジン本体１０と、高圧燃料ポンプ１６と、コモンレール１７と、水ポンプ１９と、エアクリーナ２０と、インタークーラ２６と、吸気マニホールド２８と、過給機３０と、排気マニホールド５０と、排気処理装置５５と、ＥＧＲ装置（排気再循環装置）６０と、エンジン回転速度センサ１０２と、エアフローメータ１０４と、アクセル開度センサ１０６と、冷却水温センサ１０８と、制御装置２００とを備える。

エンジン本体１０は、シリンダヘッド１１と、シリンダ１２と、ピストン１３と、燃料噴射弁１５とを含む。シリンダ１２は、シリンダヘッド１１の下部に配設される。ピストン１３は、シリンダ１２内に上下往復動可能に介挿される。ピストン１３の頂部とシリンダヘッド１１とシリンダ１２とで囲まれた空間によって燃焼室１４が形成される。

燃料噴射弁１５は、シリンダヘッド１１に設けられ、燃焼室１４に燃料を噴霧するインジェクタである。燃料タンク（図示せず）に貯留された燃料は、高圧燃料ポンプ１６によって所定圧まで加圧されてコモンレール１７へ供給される。コモンレール１７に供給された燃料は、燃料噴射弁１５に供給され、燃料噴射弁１５のノズル部から燃焼室１４に噴射される。燃料噴射弁１５は、制御装置２００からの制御信号に応じて、指令されたタイミング（噴射時期）に、指令された燃料噴射量Ｑｆを燃焼室１４内に供給する。

エアクリーナ２０は、エンジン１の外部から吸入される空気から異物を除去する。エアクリーナ２０には、第１吸気管２２の一方端が接続される。

第１吸気管２２の他方端は、過給機３０のコンプレッサ３２の吸気流入口に接続される。コンプレッサ３２の吸気流出口には、第２吸気管２４の一方端が接続される。コンプレッサ３２は、第１吸気管２２から流通する空気を過給して第２吸気管２４に供給する。第２吸気管２４の他方端には、インタークーラ２６の一方端が接続される。インタークーラ２６は、第２吸気管２４を流通する空気を冷却する空冷式あるいは水冷式の熱交換器である。

インタークーラ２６の他方端には、第３吸気管２７の一方端が接続される。第３吸気管２７の他方端には、吸気マニホールド２８が接続される。吸気マニホールド２８は、エンジン本体１０の吸気ポートに連結される。第３吸気管２７の途中であって、後述するＥＧＲ６０との分岐点よりもインタークーラ２６側には、吸気絞り弁２５が設けられる。吸気絞り弁２５は、制御装置２００から制御信号に応じて吸気の流量を調整する。

排気マニホールド５０は、エンジン本体１０の排気ポートに連結される。排気マニホールド５０には、第１排気管５２の一方端が接続される。第１排気管５２の他方端は、過給機３０のタービン３６の排気流入口に接続される。そのため、各気筒の排気ポートから排出される排気は、排気マニホールド５０および第１排気管５２を経由してタービン３６に供給される。

タービン３６の排気流出口には、第２排気管５４の一方端が接続される。第２排気管５４の他方端には、酸化触媒５７と、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）５８と、選択還元触媒５６とを含む排気処理装置５５が接続される。選択還元触媒５６は、図示しない尿素添加弁から供給される尿素（アンモニア）を用いて、排気ガス中の窒素酸化物を還元浄化する。

第３吸気管２７と排気マニホールド５０とは、エンジン本体１０の燃焼室１４を経由せずにＥＧＲ装置６０によって接続される。ＥＧＲ装置６０は、ＥＧＲバルブ６２と、ＥＧＲ通路６６とを含む。ＥＧＲ通路６６は、第３吸気管２７と排気マニホールド５０とを接続する。ＥＧＲバルブ６２は、ＥＧＲ通路６６の途中に設けられる。

ＥＧＲバルブ６２は、制御装置２００からの制御信号に応じて、ＥＧＲ通路６６を流通するＥＧＲガスの流量を調整する調整弁である。ＥＧＲバルブ６２の開度を調整することによって、ＥＧＲ率（エンジン本体に供給される吸気ガス量中に占めるＥＧＲガス量の割合）が調整される。排気マニホールド５０内の排気ガスの一部がＥＧＲ装置６０を経由してＥＧＲガスとして吸気側に戻されることによって燃焼室１４内の燃焼温度が低下され、ＮＯｘの生成量が低減される。また、吸入空気の一部がＥＧＲガスに置き換わるので、燃焼室１４内の空気過剰率が低下する。

過給機３０は、コンプレッサ３２とタービン３６とを含む。コンプレッサ３２のハウジング内にはコンプレッサホイール３４が収納され、タービン３６のハウジング内にはタービンホイール３８が収納される。コンプレッサホイール３４とタービンホイール３８とは、連結軸４２によって連結され、一体的に回転する。そのため、コンプレッサホイール３４は、タービンホイール３８に供給される排気の排気エネルギによって回転駆動される。

エンジン回転速度センサ１０２は、エンジン１の出力軸であるクランクシャフトの回転速度をエンジン回転速度ＮＥとして検出する。エアフローメータ１０４は、第１吸気管２２に導入される新気の流量（吸入空気量）Ｑｉｎを検出する。アクセル開度センサ１０６は、アクセルペダルの踏込量であるアクセル開度ＡＰを検出する。冷却水温センサ１０８は、エンジン１の冷却水温度ＴＨＷを検出する。これらのセンサは、検出結果を示す信号を制御装置２００に出力する。

制御装置２００は、エンジン１の動作を制御する。制御装置２００は、各種処理を行なうＣＰＵ（Central Processing Unit）２０１と、プログラムおよびデータを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）およびＣＰＵの処理結果等を記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）等を含むメモリ２０２と、外部との情報のやり取りを行なうための入・出力ポート（図示せず）とを含む。入力ポートには、上述したセンサ類（たとえば、エンジン回転速度センサ１０２、エアフローメータ１０４、アクセル開度センサ１０６、および冷却水温センサ１０８等）が接続される。出力ポートには、制御対象となる機器（たとえば、燃料噴射弁１５、吸気絞り弁２５、およびＥＧＲバルブ６２等）が接続される。

制御装置２００は、各センサおよび機器からの信号、ならびにメモリ２０２に格納されたマップおよびプログラムに基づいて、所定の演算処理を実行する。そして、制御装置２００は、演算処理の結果に基づいて、燃料噴射弁１５、吸気絞り弁２５、およびＥＧＲバルブ６２等を制御する。

たとえば、制御装置２００は、アクセル開度ＡＰとエンジン回転速度ＮＥを用いて、メモリ２０２に格納された燃料噴射量マップから、燃料噴射量Ｑｆを算出する。また、制御装置２００は、アクセル開度ＡＰとエンジン回転速度ＮＥを用いて、メモリ２０２に格納された燃料噴射時期マップから、燃料噴射時期を算出する。そして、制御装置２００は、算出した燃料噴射時期になると、燃料噴射量Ｑｆに相当する燃料を噴射するよう、燃料噴射弁１５を制御する。

ピストン１３には、シリンダ１２とピストン１３の間の気密を確保するため、および、潤滑油膜の形成をコントロールするために、ピストンリング１８が設けられている。ピストンリング１８は、ピストン１３に形成されたリング溝に嵌まるよう設けられており、本実施の形態では、トップリング１８ａ、セカンドリング１８ｂ、および、オイルリング１８ｃから、構成されている。燃焼生成物（カーボンスラッジ）等のデポジットがリング溝に堆積すると、ピストン１３（リング溝）とピストンリング１８とが固着（スティック）する。ピストンリング１８が固着すると、ピストン１３の往復動に伴い、ピストンリング１８がリング溝内を自由に移動できないため、気密性の確保や潤滑油膜のコントロールに支障をきたし、たとえば、オイル上がりの現象が発生する場合もある。

特許文献１では、シリンダ１２の壁面温度を周方向で２箇所以上検出する温度センサを設け、壁面温度の分布からピストンリングの固着を検出している。このため、シリンダ１２に温度センサを設けるための加工が必要になる。また、たとえば、エンジン１が４気筒エンジンである場合には、８個以上の温度センサを設ける必要があり、コストアップを招く懸念がある。

本実施の形態では、エンジン１を制御するための既存のセンサ等によって特定可能な運転状態に基づいて、リング溝内に堆積するデポジット堆積量を推定することにより、シリンダ１２の壁面温度を検出する温度センサを設けることなく、ピストンリング１８の固着を監視する。

図２は、制御装置２００で実行されるピストンリング固着監視制御の処理を示すフローチャートである。このフローチャートは、エンジン１の作動中に、所定期間毎に繰り返し処理される。ステップ（以下、ステップを「Ｓ」と略す）１０では、燃料噴射量Ｑｆ、エンジン回転速度ＮＥ、および、冷却水温度ＴＨＷを取得する。燃料噴射量Ｑｆは、アクセル開度ＡＰとエンジン回転速度ＮＥを用いてメモリ２０２に格納された燃料噴射量マップから算出した燃料噴射量Ｑｆである。エンジン回転速度ＮＥは、エンジン回転速度センサ１０２で検出したエンジン回転速度ＮＥであり、冷却水温度ＴＨＷは、冷却水温センサ１０８で検出した冷却水温度ＴＨＷである。

続くＳ１１では、Ｓ１０で取得した、燃料噴射量Ｑｆ、エンジン回転速度ＮＥ、および、冷却水温度ＴＨＷから、デポジット量ＤＡを算出する。デポジット量ＤＡは、単位時間当たりにリング溝に生成されるデポジットの量であり、本実施の形態において、単位時間は、本フローチャートの演算周期（割り込み処理周期）に設定されている。演算周期は、たとえば、５００ｍｓであってよい。デポジット量ＤＡは、燃料噴射量Ｑｆ、エンジン回転速度ＮＥ、および、冷却水温度ＴＨＷをパラメータとしたＤＡ算出マップを用いて算出する。

図３は、ＤＡ算出マップの作成方法の一例を説明する図である。図３（Ａ）は、燃料噴射量Ｑｆ、エンジン回転速度ＮＥ、および、冷却水温度ＴＨＷをパラメータとした、リング溝温度Ｔｒのマップ（Ｔｒマップ）である。このＴｒマップは、燃料噴射量Ｑｆ、エンジン回転速度ＮＥ、および、冷却水温度ＴＨＷを種々設定した実験あるいはシミュレーションによって、求められる。そして、実験等によって求めた、リング溝温度Ｔｒと単位時間当たりにリング溝に生成されるデポジット量ＤＡの関係から、図３（Ｂ）に示す、燃料噴射量Ｑｆ、エンジン回転速度ＮＥ、および、冷却水温度ＴＨＷをパラメータとした、デポジット量ＤＡのマップを作成する。

図４は、ＤＡ算出マップの一例を示す図である。ＤＡ算出マップは、図３（Ｂ）で作成したデポジット量ＤＡのマップ（図４の下段に示す）を、冷却水温度ＴＨＷ毎に、燃料噴射量Ｑｆとエンジン回転速度ＮＥをパラメータとしたデポジット量ＤＡの算出テーブル（二次元マップ）として、メモリ２０２に記憶している。Ｓ１１では、図４に示したＤＡ算出マップを用いて、燃料噴射量Ｑｆ、エンジン回転速度ＮＥ、および、冷却水温度ＴＨＷからデポジット量ＤＡを算出する。ＤＡ算出マップに無い点（数値）に関しては、線形補間によってデポジット量ＤＡを算出する。

ピストンリング１８は、トップリング１８ａ、セカンドリング１８ｂ、および、オイルリング１８ｃから構成され、各リングに対応するリング溝がピストン１３に形成されており、各リング溝においてデポジットが生成し、堆積する。ＤＡ算出マップは、最もデポジットの堆積が多い（デポジット量が大きい）リング溝において、単位時間当たりに生成されるデポジットの量を示すマップである。本実施の形態では、図４のＤＡ算出マップは、トップリング１８ａのリング溝に対するマップであるが、エンジンの特性／諸元等によっては、セカンドリング１８ｂ、あるいは、オイルリング１８ｃの場合もあり得る。

続くＳ１２では、デポジット堆積量ΣＤＡを算出する。デポジット堆積量ΣＤＡの前回値であるΣＤＡｐに、Ｓ１１で算出したデポジット量ＤＡを加算することにより、デポジット堆積量ΣＤＡを算出する。デポジット堆積量ΣＤＡは、デポジット量ＤＡの積算値である。

Ｓ１３において、デポジット堆積量ΣＤＡが閾値αを超えているか否かを判定する。閾値αは、リング溝に堆積したデポジットにより、ピストンリング１８（本実施の形態では、トップリング１８ａ）が固着の予兆を示す値であり、予め実験等によって設定される。デポジット手堆積量ΣＤＡが閾値αを超えている場合、ピストンリング１８が固着する可能性があると判定し、肯定判定されＳ１４へ進む。デポジット堆積量ΣＤＡが閾値α以下の場合、否定判定されＳ１５に進む。

Ｓ１４では、車載故障診断装置（ＯＢＤ（On Board Diagnostics））の故障診断コードをセットする。この故障診断コードはメモリ２０２に格納され、エンジン１の整備時に、整備者がスキャンツールを用いてコードを読み取ることにより、整備者にピストンリング１８の固着の予兆があることを知らせるものである。なお、故障診断コードをセットするとともに、ＭＩＬ（Malfunction Indication Lamp）３００を点灯して、ユーザにエンジン１の整備を促すようにしてもよい。Ｓ１４の次は、Ｓ１５へ進む。

Ｓ１５では、Ｓ１２で算出したデポジット堆積量ΣＤＡを前回値ΣＤＡｐとして、メモリ２０２に書き込み、今回のルーチンを終了する。

本実施の形態によれば、燃料噴射量Ｑｆ、エンジン回転速度ＮＥ、および、冷却水温度ＴＨＷに基づいて、ＤＡ算出マップから、単位時間当たりにリング溝に生成されるデポジット量ＤＡを算出し、デポジット量ＤＡを積算することによりデポジット堆積量ΣＤＡを算出する。そして、デポジット堆積量ΣＤＡが閾値αを超えたとき、ピストンリング１８が固着する可能性があると判定し、故障診断コードをセット、あるいは、ＭＩＬ３００を点灯して、ピストンリング１８の固着の予兆を知らせる。したがって、エンジン１を制御するための既存のセンサ等によって特定することが可能な運転状態に基づいて、リング溝内に堆積するデポジット堆積量を推定することにより、シリンダ１２の壁面温度を検出する温度センサを設けることなく、ピストンリング１８の固着を監視することができる。

なお、図２のＳ１２の処理が、本開示の「デポジット推定手段」に相当し、Ｓ１３の処理が、本開示の「スティック判定手段」に相当する。また、Ｓ１１の処理が、本開示の「デポジット量算出部」に相当する。

本実施の形態において、ＤＡ算出マップは、単位時間当たりにリング溝に生成されるデポジットの量として設定したが、たとえば、エンジン１の所定回転数毎（たとえば、５００回転毎）に生成されるデポジットの量として設定してもよい。この場合、図２のフローチャートの処理は、エンジン１が所定回転する毎（たとえば、５００回転する毎）に割り込み処理されてよい。

本実施の形態では、デポジット量ＤＡは、燃料噴射量Ｑｆ、エンジン回転速度ＮＥ、および、冷却水温度ＴＨＷから算出していた。燃料噴射時期が、リング溝に生成されるデポジットの量に大きな影響を与える特性のエンジンでは、燃料噴射時期を加えたパラメータから、デポジット量ＤＡを算出するようにしてもよい。また、潤滑油温度が、リング溝に生成されるデポジットの量に大きな影響を与える特性のエンジンでは、冷却水温度ＴＨＷに加えて、あるいは、代えて、潤滑油温度を用いて、デポジット量ＤＡを算出するようにしてもよい。なお、ＥＧＲ率がリング溝に生成されるデポジットの量に影響を与える場合には、デポジット量ＤＡをＥＧＲ率によって補正してもよい。

本実施の形態のエンジン１は、圧縮自己着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）であったが、火花点火式内燃機関（ガソリンエンジン）であってもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ エンジン、１０ エンジン本体、１１ シリンダヘッド、１２ シリンダ、１４ 燃焼室、１５ 燃料噴射弁、１６ 高圧燃料ポンプ、１７ コモンレール、１８ ピストンリング、１８ａ トップリング、１８ｂ セカンドリング、１８ｃ オイルリング、２０ エアクリーナ、２２ 第１吸気管、２４ 第２吸気管、２５ 吸気絞り弁、２６ インタークーラ、２７ 第３吸気管、２８ 吸気マニホールド、３０ 過給機、３２ コンプレッサ、３４ コンプレッサホイール、３６ タービン、３８ タービンホイール、４２ 連結軸、５０ 排気マニホールド、５２ 第１排気管、５４ 第２排気管、５５ 排気処理装置、５６ 選択還元触媒、５７ 酸化触媒、５８ ＤＰＦ、６０ ＥＧＲ装置、６２ ＥＧＲバルブ、６６ ＥＧＲ通路、１０２ エンジン回転速度センサ、１０４ エアフローメータ、１０６ アクセル開度センサ、１０８ 冷却水温センサ、２００ 制御装置、２０１ ＣＰＵ、２０２ メモリ、３００ ＭＩＬ。

Claims (4)

1. シリンダ内を往復動するピストンのリング溝にピストンリングを配設した内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記リング溝に堆積するデポジット堆積量を推定するデポジット推定手段と、
   前記デポジット推定手段によって推定された前記デポジット堆積量が閾値を超えたとき、前記ピストンリングが固着する可能性があると判定するスティック判定手段と、を備えた、内燃機関の制御装置。
2. 前記デポジット推定手段は、前記内燃機関の運転状態に基づいて、単位期間当たりに前記リング溝に生成されるデポジット量を算出するデポジット量算出部を有し、
   前記デポジット推定手段は、前記デポジット量算出部で算出した前記デポジット量を積算することにより、前記デポジット堆積量を算出する、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記デポジット量算出部は、前記内燃機関の回転速度、燃料噴射量、および、冷却水温度に基づいて、前記デポジット量を算出する、請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記スティック判定手段によって前記ピストンリングが固着する可能性があると判定されたとき、警報を行う警報手段を、さらに備えた、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。

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