JP4404846B2 - インタークーラの異常判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸気系に設けられ、内燃機関に供給される吸気を冷却するインタークーラの異常判定装置に関する。

周知のように、インタークーラは一般に、吸気を加圧する過給機の下流側に設けられており、過給機の加圧によって温度が高くなった吸気を冷却する。インタークーラの破損や詰まりなどにより、その冷却性能が低下した場合には、十分に冷却されていない吸気が内燃機関に供給されることがある。その場合には、燃焼温度が上昇することによって、ＮＯｘが増加するなど、エミッションが悪化するとともに、ノッキングが生じやすくなる。このため、インタークーラの異常を判定する異常判定装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。

このエンジンの吸気系には、上流側から順に、ターボチャージャおよびインタークーラが設けられ、また、ターボチャージャとインタークーラの間には吐出空気温度センサが、インタークーラの下流側にはインマニ温度センサが設けられている。吐出空気温度センサは、インタークーラで冷却される前の吸気の温度を吐出空気温度として検出し、インマニ温度センサは、インタークーラで冷却された吸気の温度を吸気温度として検出する。この異常判定装置では、検出された吐出空気温度および吸気温度に基づいて、インタークーラの冷却効率を算出する。また、これと並行して、吐出空気温度に基づいて、インタークーラが正常なときに得られるべき冷却効率を推定する。そして、算出した冷却効率が推定した冷却効率よりも低いときには、インタークーラに異常が生じていると判定する。

このように、従来の異常判定装置では、異常判定を行うために、インタークーラの下流側のインマニ温度センサに加えて、インタークーラの上流側に吐出空気温度センサを新たに付加する必要があり、その分、製造コストが上昇する。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、異常判定を行うためのセンサを新たに付加することなく、インタークーラの異常を適切に判定することができるインタークーラの異常判定装置を提供することを目的とする。

特開２００５−１８８４７９号公報

この目的を達成するために、請求項１に係る発明は、内燃機関３の吸気系（実施形態における（以下、本項において同じ）吸気管４）に設けられ、内燃機関３に供給される吸気を冷却するインタークーラ１１の異常判定装置１であって、吸気の量を制御する吸気量制御手段（吸気絞り弁１２，ＥＣＵ２）と、インタークーラ１１よりも下流側の吸気の温度を検出する吸気温検出手段（吸気温センサ２３）と、吸気量制御手段により吸気の量を変化させたときに吸気温検出手段により検出された吸気の温度の変化量（吸気温変化量ΔＴＡ）を算出する吸気温変化量算出手段（ＥＣＵ２，ステップ１１）と、算出された吸気の温度の変化量に基づいて、インタークーラ１１の異常を判定する異常判定手段（ＥＣＵ２，ステップ１３〜１８）と、を備えることを特徴とする。

このインタークーラの異常判定装置によれば、吸気量制御手段により吸気量を変化させたときに吸気温検出手段によって検出された吸気温の変化量が、吸気温変化量算出手段によって算出される。そして、そのように算出された吸気温の変化量に基づき、異常判定手段によって、インタークーラの異常が判定される。

インタークーラに供給される吸気の温度が一定の場合、インタークーラで冷却された後の下流側の吸気温は、インタークーラを通過する吸気量に応じて変化し、例えば、吸気量が多いほど、高くなり、吸気量が少ないほど、低くなる。また、吸気量を変化させたときのインタークーラの下流側の吸気温の変化量は、インタークーラが正常なときには、熱交換が十分に行われるため、大きくなるのに対し、インタークーラに異常が生じ、その冷却性能が低下したときには、吸気の熱交換率が低下するため、より小さくなる。本発明によれば、吸気量を変化させたときのインタークーラの下流側の吸気温の変化量に基づいてインタークーラの異常を判定するので、例えば吸気温の変化量が小さいときに、インタークーラに異常が生じていると適切に判定することができる。

また、インタークーラの下流側の吸気温に基づいて異常判定を行うので、従来の異常判定装置と異なり、インタークーラの上流側の温度センサが不要になり、その分、製造コストを削減することができる。さらに、インタークーラの下流側には通常、内燃機関を制御するために吸気温センサが設けられている。このため、本発明の吸気温検出手段として、上記のような既存の吸気温センサを利用することが可能になり、それにより、センサをまったく付加することなく、異常判定を行うことができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のインタークーラ１１の異常判定装置１において、内燃機関３の運転中に内燃機関３への燃料の供給を停止する燃料供給停止手段（インジェクタ６，ＥＣＵ２）をさらに備え、異常判定手段は、燃料供給停止手段により燃料の供給が停止されているときに、異常判定を実行することを特徴とする。

この構成によれば、インタークーラの異常判定を、内燃機関への燃料の供給の停止中に実行するので、通常運転中に実行した場合の空燃比や出力の変動による影響を排除でき、エミッションの悪化やドライバビリティの低下を防止することができる。同じ理由から、例えば内燃機関の運転時に比較的高い頻度で行われる減速燃料カット中に異常判定を行うことができるので、異常判定の実行機会を十分に確保することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態による異常判定装置１を備えた内燃機関（以下「エンジン」という）３の概略構成を示している。エンジン３は、車両（図示せず）に搭載された、例えば４気筒（１つのみ図示）のディーゼルエンジンである。

エンジン３のピストン３ａとシリンダヘッド３ｂの間には、燃焼室３ｃが形成されている。シリンダヘッド３ｂには、吸気管４（吸気系）および排気管５がそれぞれ接続されるとともに、燃料噴射弁（以下「インジェクタ」という）６（燃料供給停止手段）が、燃焼室３ｃに臨むように取り付けられている。インジェクタ６の燃料の噴射量および噴射タイミングは、後述するＥＣＵ２からの駆動信号によって制御される（図２参照）。

エンジン３のクランクシャフト３ｄには、クランク角センサ２１が設けられている。クランク角センサ２１は、マグネットロータ２１ａとＭＲＥピックアップ２１ｂで構成されており、クランクシャフト３ｄの回転に伴い、いずれもパルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号を発生する。ＣＲＫ信号は、所定のクランク角（例えば１°）ごとに出力され、ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づいて、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを算出する。ＴＤＣ信号は、各気筒のピストン３ａが吸気行程開始時のＴＤＣ付近の所定クランク角度位置にあることを表す信号であり、４気筒タイプの本例では、クランク角１８０°ごとに出力される。

吸気管４には、過給装置７が設けられている。過給装置７は、ターボチャージャで構成された過給機８と、これに連結されたアクチュエータ９と、ベーン開度制御弁１０を備えている。

過給機８は、吸気管４に設けられた回転自在のコンプレッサブレード８ａと、排気管５に設けられた回転自在のタービンブレード８ｂおよび複数の回動自在の可変ベーン８ｃ（２つのみ図示）と、これらのブレード８ａ，８ｂを一体に連結するシャフト８ｄを有している。過給機８は、排気管５内の排ガスによりタービンブレード８ｂが回転駆動されるのに伴い、これと一体のコンプレッサブレード８ａが回転駆動されることによって、吸気管４内の吸気（吸入空気）を加圧する過給動作を行う。

アクチュエータ９は、負圧によって作動するダイアフラム式のものであり、各可変ベーン８ｃに機械的に連結されている。アクチュエータ９には、負圧ポンプから負圧供給通路（いずれも図示せず）を介して負圧が供給され、この負圧供給通路の途中にベーン開度制御弁１０が設けられている。ベーン開度制御弁１０は、電磁弁で構成されており、その開度がＥＣＵ２からの駆動信号で制御されることにより、アクチュエータ９への供給負圧が変化し、それに伴い、可変ベーン８ｃの開度が変化することにより、過給圧が制御される。

吸気管４の過給機８よりも下流側には、上流側から順に、空冷式のインタークーラ１１および吸気絞り弁１２（吸気量制御手段）が設けられている。インタークーラ１１は、過給装置７の過給動作により吸気の温度が上昇したときなどに、吸気を冷却するものである。吸気絞り弁１２には、例えば直流モータで構成されたアクチュエータ１２ａが接続されている。吸気絞り弁１２の開度（以下「スロットル開度」という）ＴＨは、アクチュエータ１２ａに供給される電流のデューティ比をＥＣＵ２で制御することによって、制御される。

また、吸気管４には、過給機８よりも上流側にエアフローセンサ２２が、インタークーラ１１と吸気絞り弁１２の間に吸気温センサ２３が設けられている。エアフローセンサ２２は吸気量ＱＡを検出し、吸気温センサ２３は吸気管４内のインタークーラ１１よりも下流側の吸気の温度（以下「吸気温」という）ＴＡを検出し、それらの検出信号はＥＣＵ２に出力される。

さらに、ＥＣＵ２には、車速センサ２４およびアクセル開度センサ２５から、車速ＶＰおよびアクセルペダル（図示せず）の操作量（以下「アクセル開度」という）ＡＰを表す検出信号がそれぞれ出力される。

ＥＣＵ２は、Ｉ／Ｏインターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭなどからなるマイクロコンピュータで構成されている。前述した各種のセンサ２１〜２５からの検出信号はそれぞれ、Ｉ／ＯインターフェースでＡ／Ｄ変換や整形がなされた後、ＣＰＵに出力される。なお、本実施形態では、ＥＣＵ２が、吸気量制御手段、吸気温変化量算出手段、異常判定手段および燃料供給停止手段に相当する。

ＣＰＵは、これらの入力信号に応じ、ＲＯＭに記憶された制御プログラムなどに従って、エンジン３の運転状態を判別するとともに、判別した運転状態に応じて、インジェクタ６、過給装置７や吸気絞り弁１２などを制御する。また、インタークーラ１１の異常判定処理を実行する。

図３は、このインタークーラ１１の異常判定処理を示すフローチャートである。本処理は、所定時間ごとに実行される。本処理では、まず、ステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）において、エンジン３が減速時の燃料カット（以下「Ｆ／Ｃ」という）中であるか否かを判別する。この判別結果がＮＯのときには、後述する判定終了フラグＦ＿ＩＮＴＣＯＬＦＩＮおよび絞り制御フラグＦ＿ＩＮＴＣＯＬをいずれも「０」にセットした（ステップ２および３）後、本処理を終了する。

一方、ステップ１の判別結果がＹＥＳで、Ｆ／Ｃ中のときには、判定終了フラグＦ＿ＩＮＴＣＯＬＦＩＮが「１」であるか否かを判別する（ステップ４）。この判別結果がＹＥＳのときには、本処理を終了する。

一方、ステップ４の判別結果がＮＯのとき、すなわち現在のＦ／Ｃ中において異常判定が終了していないときには、絞り制御フラグＦ＿ＩＮＴＣＯＬが「１」であるか否かを判別する（ステップ５）。この判別結果がＮＯのときには、このときの吸気温ＴＡおよび吸気量ＱＡを、それぞれ基準吸気温ＴＡ０および基準吸気量ＱＡ０として記憶する（ステップ６および７）。次に、ステップ８において、吸気絞り弁１２を最小開度に制御する（以下「絞り制御」という）とともに、絞り制御フラグＦ＿ＩＮＴＣＯＬを「１」にセットする（ステップ９）。そして、吸気絞り弁１２の絞り制御を開始した後の経過時間（以下「絞り制御時間」という）ＴＴＨＣを計時するためのアップカウント式のタイマ（図示せず）を０にリセットする（ステップ１０）。

また、ステップ９の実行により、前記ステップ５の判別結果がＹＥＳになるので、その場合には、ステップ１１に進む。このステップ１１では、前記ステップ６で記憶した基準吸気温ＴＡ０と今回の吸気温ＴＡとの偏差（＝ＴＡ０−ＴＡ）を、吸気温変化量ΔＴＡ（吸気の温度の変化量）として算出する。次に、吸気温変化量ΔＴＡと比較されるしきい値ＴＡＪＵＤを算出する（ステップ１２）。

図４は、このしきい値ＴＡＪＵＤの算出処理のサブルーチンを示している。まず、ステップ３１では、タイマで計時されたそのときの絞り制御時間ＴＨＨＣに基づき、図５に示すテーブルを検索することによって、しきい値の基本値ＴＡＪＵＤＢＳを算出する。このテーブルは、インタークーラ１１が正常で、車速ＶＰが一定のときの、吸気絞り弁１２の絞り制御の開始時からの吸気温の低下量を、例えば実験によって求め、基本値ＴＡＪＵＤＢＳとして表したものである。この基本値ＴＡＪＵＤＢＳは、絞り制御時間ＴＴＨＣがＴ１付近までは緩やかに増加し、その後、より大きな傾きで増加し、Ｔ２以降は、一定の値に設定されている。これは、絞り制御に伴う吸気量ＱＡの減少に応じて、吸気温ＴＡの低下量が大きくなるとともに、絞り制御の開始後、インタークーラ１１を通過する吸気量ＱＡは、吸気絞り弁１２とインタークーラ１１の間の吸気管４の容積が存在するため、実際に吸気絞り弁１２の開度に応じた値になるまでに時間を要するからである。

次に、今回の車速ＶＰと絞り制御を開始したときの車速ＶＰ０との偏差（＝ＶＰ−ＶＰ０）を車速変化量ΔＶＰとして算出する（ステップ３２）。次いで、算出した車速変化量ΔＶＰに基づいて、図６に示すテーブルを検索することによって、車速補正係数ＫＶＰを算出する（ステップ３３）。このテーブルでは、車速補正係数ＫＶＰは、ΔＶＰ＝０で、今回の車速ＶＰが絞り制御の開始時の車速ＶＰ０から変化していないときには、値１に設定されるとともに、また、車速変化量ΔＶＰが大きいほど、より大きな値に設定されている。

そして、ステップ３１で算出した基本値ＴＡＪＵＤＢＳに、ステップ３３で算出した車速補正係数ＫＶＰを乗算することによって、しきい値ＴＡＪＵＤを算出する（ステップ３４）。このようにしきい値ＴＡＪＵＤを車速ＶＰに応じて補正するのは、空冷式のインタークーラ１１では、その冷却効率は、車速ＶＰに応じて変化し、車速ＶＰが大きくなるほど、高くなる傾向にあるからである。

図３に戻り、前記ステップ１２に続くステップ１３では、前記ステップ１１で算出した吸気温変化量ΔＴＡが、ステップ１２で算出したしきい値ＴＡＪＵＤよりも小さいか否かを判別する。この判別結果がＮＯで、吸気温変化量ΔＴＡがしきい値ＴＡＪＵＤ以上のときには、吸気絞り弁１２の絞り制御に伴って吸気温ＴＡが大きく低下しており、インタークーラ１１が正常であるとして、インタークーラ異常フラグＦ＿ＩＮＴＣＯＬＮＧを「０」にセットする（ステップ１４）。また、異常判定が終了したことを表すために、判定終了フラグＦ＿ＩＮＴＣＯＬＦＩＮを「１」にセットする（ステップ１９）。そして、吸気絞り弁１２を、例えば全開状態に制御する通常制御を行う（ステップ２０）とともに、絞り制御フラグＦ＿ＩＮＴＣＯＬを「０」にセットし（ステップ２１）、本処理を終了する。

一方、前記ステップ１３の判別結果がＹＥＳで、吸気温変化量ΔＴＡがしきい値ＴＡＪＵＤよりも小さいときには、絞り制御時間ＴＴＨＣが所定時間ＴＭＮＧ（例えば７ｓｅｃ）以上であるか否かを判別する（ステップ１５）。この判別結果がＮＯで、絞り制御の開始後、十分に時間が経過していないときには、本処理を終了する。一方、ステップ１５の判別結果がＹＥＳのときには、前記ステップ７で記憶した基準吸気温ＱＡ０と今回の吸気量ＱＡとの偏差（＝ＱＡ０−ＱＡ）を、吸気量変化量ΔＱＡとして算出する（ステップ１６）。

次いで、この吸気量変化量ΔＱＡが所定値ＱＡＪＵＤよりも大きいか否かを判別する（ステップ１７）。この判別結果がＮＯで、ΔＱＡ≦ＱＡＪＵＤのときには、絞り制御による実際の吸気量変化量ΔＱＡが小さいため、インタークーラ１１の正常か異常かの判定を保留し、前記ステップ１９以降に進み、本処理を終了する。

一方、ステップ１７の判別結果がＹＥＳで、ΔＱＡ＞ＱＡＪＵＤのときには、絞り制御に伴って吸気量ＱＡが実際に大きく減少しており、吸気温ＴＡが大きく低下していなければならないのに対して、実際にはそうなっていないため、インタークーラ１１に異常が生じているとして、インタークーラ異常フラグＦ＿ＩＮＴＣＯＬＮＧを「１」にセットする（ステップ１８）。そして、前記ステップ１９以降に進み、本処理を終了する。

図７は、上述した異常判定処理によって得られる、吸気絞り弁１２の絞り制御に伴う吸気量ＱＡおよび吸気温変化量ΔＴＡなどの推移を示している。まず、タイミングｔ１以前では、吸気絞り弁１２のスロットル開度ＴＨが所定の開度に維持されており、それにより、吸気量ＱＡや吸気温変化量ΔＴＡがほぼ一定になっている。ｔ１において、Ｆ／Ｃが開始されると、吸気絞り弁１２の絞り制御を開始するとともに、タイマをスタートさせる。この絞り制御に伴い、吸気量ＱＡが徐々に減少し、それに伴って吸気温ＴＡも徐々に低下する。インタークーラ１１が正常であれば、吸気温変化量ΔＴＡは実線で示すように徐々に増加し、しきい値ＴＡＪＵＤを上回るようになる（ｔ２）。これにより、前記ステップ１３の判別結果がＮＯになることによって、インタークーラ１１が正常であると判定することができる。

これに対し、インタークーラ１１に異常が生じ、その冷却性能が低下したときには、熱交換率が低下するため、絞り制御の開始時から吸気温ＴＡがあまり変化しなくなることによって、吸気温変化量ΔＴＡは、破線で示すよに非常に小さな傾きで増加する。このため、絞り制御時間ＴＴＨＣが所定時間ＴＭＮＧに達し、かつ吸気量ＱＡが十分に減少していても吸気温変化量ΔＴＡがしきい値ＴＡＪＵＤを上回らない（ｔ３）。これにより、前記ステップ１３および１７の判別結果がいずれもＹＥＳになることによって、インタークーラ１１が異常であると判定することができる。

以上のように、本実施形態によれば、吸気絞り弁１２を絞り制御した後の吸気温ＴＡと絞り制御の開始時の基準吸気温ＴＡ０との偏差を、吸気温変化量ΔＴＡとして算出するとともに、算出した吸気温変化量ΔＴＡとしきい値ＴＡＪＵＤを比較することによって、インタークーラ１１の異常判定を実行する。前述したように、インタークーラ１１が正常であれば、吸気絞り弁１２の絞り制御に伴う吸気量ＱＡの減少により、吸気温ＴＡがより低くなり、それに応じて吸気温変化量ΔＴＡは大きくなる。したがって、吸気温変化量ΔＴＡがしきい値ＴＡＪＵＤよりも小さいときに、インタークーラ１１に異常が生じていると適切に判定することができる。

また、インタークーラ１１の下流側の吸気温ＴＡに基づいて異常判定を行うので、前述した従来の異常判定装置と異なり、インタークーラの上流側の温度センサが不要になり、その分、製造コストを削減することができる。さらに、エンジン３を制御するために通常、用いられている既存の吸気温センサ２３を利用しているので、センサをまったく付加することなく、異常判定を行うことができる。

また、異常判定をエンジン３のＦ／Ｃ中に実行することによって、通常運転中に実行した場合の空燃比や出力の変動の影響を排除でき、エミッションの悪化やドライバビリティの低下を防止することができる。同じ理由から、異常判定の実行機会を十分に確保することができる。

さらに、しきい値ＴＡＪＵＤの基本値ＴＡＪＵＤＢＳを、絞り制御時間ＴＴＨＣに基づいて算出するとともに、車速補正係数ＫＶＰを車速ＶＰに応じて算出するので、絞り制御開始時からのインタークーラ１１による冷却遅れや、インタークーラ１１の冷却効率の変化を反映させながら、しきい値ＴＡＪＵＤを適切に設定でき、したがって、異常判定をより精度良く行うことができる。また、吸気量変化量ΔＱＡが所定値ＱＡＪＵＤよりも大きいときに異常と判定する。このため、絞り制御時のスロットル開度ＴＨの変化量が小さいなどのために、実際の吸気量変化量ΔＱＡが小さい場合に、インタークーラ１１が異常であると誤判定するのを回避することができる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、吸気量ＱＡを、吸気絞り弁１２を制御することによって、変化させているが、これに限らず、例えば過給機８の可変ベーン８ｃの開度を制御し、過給圧を変化させることによって、変化させてもよい。その場合、吸気絞り弁１２を有しない内燃機関にも本発明を適用することができる。また、実施形態では、吸気温変化量ΔＴＡとして、吸気絞り弁１２を絞り制御したときの吸気温変化量を用いているが、これとは逆に、例えば吸気絞り弁１２をより大きな所定の開度に開いたときの吸気温変化量を用いてもよく、例えば、実施例の絞り制御に基づく異常判定に引き続き、開き制御を行い、それに基づき異常判定を行ってもよい。

また、実施形態では、車速ＶＰに基づいて、しきい値ＴＡＪＵＤを補正しているが、これに代えて、吸気温変化量ΔＴＡを補正してもよい。さらに、実施形態では、インタークーラ１１の異常判定を、吸気温変化量ΔＴＡとしきい値ＴＡＪＵＤを比較することによって行っているが、これに限らず、例えば両者の偏差と所定値とを比較することによって行ってもよい。また、実施形態では、インタークーラ１１は、空冷式のものであるが、これに限らず、例えば水冷式のものでもよいことはもちろんである。

さらに、本発明は、クランク軸が鉛直方向に配置された船外機などのような船舶推進機用エンジンを含む、様々な産業用の内燃機関に適用できることはもちろんである。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

本発明の異常判定装置を備えた内燃機関の概略構成を示す図である。 異常判定装置の一部を示す図である。 異常判定処理を示すフローチャートである。 しきい値の算出処理を示すフローチャートである。 図４の処理で用いられる基本値を算出するためのテーブルである。 図４の処理で用いられる車速補正係数を算出するためのテーブルである。 図３の異常判定処理によって得られる動作の一例を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ 異常判定装置
２ ＥＣＵ（吸気量制御手段、吸気温変化量算出手段、異常判定手段および
燃料供給停止手段）
３ 内燃機関
４ 吸気管（吸気系）
６ インジェクタ（燃料供給停止手段）
１１ インタークーラ
１２ 吸気絞り弁（吸気量制御手段）
２３ 吸気温センサ（吸気温検出手段）
ΔＴＡ 吸気温変化量（吸気の温度の変化量）

Claims (2)

1. 内燃機関の吸気系に設けられ、前記内燃機関に供給される吸気を冷却するインタークーラの異常判定装置であって、
   吸気の量を制御する吸気量制御手段と、
   当該インタークーラよりも下流側の吸気の温度を検出する吸気温検出手段と、
   前記吸気量制御手段により吸気の量を変化させたときに前記吸気温検出手段により検出された吸気の温度の変化量を算出する吸気温変化量算出手段と、
   当該算出された吸気の温度の変化量に基づいて、当該インタークーラの異常を判定する異常判定手段と、
   を備えることを特徴とするインタークーラの異常判定装置。
2. 前記内燃機関の運転中に当該内燃機関への燃料の供給を停止する燃料供給停止手段をさらに備え、
   前記異常判定手段は、前記燃料供給停止手段により燃料の供給が停止されているときに、異常判定を実行することを特徴とする、請求項１に記載のインタークーラの異常判定装置。

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