JP4830741B2

JP4830741B2 - 内燃機関の故障診断システム

Info

Publication number: JP4830741B2
Application number: JP2006248068A
Authority: JP
Inventors: 大介柴田; 裕澤田; 大輔原井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-09-13
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2026-09-13
Also published as: JP2008069693A

Description

本発明は、内燃機関の故障診断技術に関し、特に燃料供給系の故障を診断する技術に関する。

従来、内燃機関の燃料供給系の故障或いは異常を診断する技術として、アイドル運転時における機関回転数の変動を解消すべく各気筒の燃料噴射量を補正するシステムにおいて、補正量が基準範囲を超える気筒が存在する場合に、補正量を強制的に増加又は減少させ、それによって生じる機関回転数の変動が補正量の増加又は減少に見合っているか否かを判別する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００２−１８８５０１号公報特開２００６−１３８２９３号公報特開２０００−１８６６０３号公報特開平１０−１２２０３１号公報特許第２５９５６６３号公報特開平１１−４４２４６号公報

ところで、内燃機関のアイドル運転時は各気筒の燃料噴射量が極めて少なくなるため、燃料供給系の故障による機関回転数の変動量も極めて少なくなり易い。よって、前述した従来の技術において故障診断の精度を高めるためには、燃料噴射量の補正量が大幅に増加又は減少される必要がある。

しかしながら、燃料噴射量の補正量が大幅に増加又は減少されると、機関回転数の変動が顕著となるため、運転者に違和感を与える可能性がある。

これに対し、燃料噴射量の補正量を徐々に増減させる方法も考えられるが、故障診断処理の所要時間が長くなる。故障診断処理の所要時間が長くなると、故障診断処理の終了前に内燃機関がアイドル運転状態から逸脱してしまう場合が想定される。そのような場合は、燃料供給系の故障を早期に検出することができない可能性がある。

本発明は、上記したような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、各気筒の燃料供給系の故障を診断する内燃機関の故障診断システムにおいて、燃料供給系の異常を早期に且つ正確に検出可能な技術の提供にある。

本発明は、上記した課題を解決するために、内燃機関が定常運転状態にある時に気筒毎の機関回転変動量を検出可能な内燃機関の故障診断システムにおいて、気筒毎の機関回転変動量に加え、気筒毎のトルク変動量も考慮して各気筒の燃料供給系の異常を診断するようにした。

詳細には、本発明にかかる内燃機関の故障診断システムは、内燃機関が定常運転状態にある時に気筒毎の機関回転変動量を検出する第１検出手段と、前記内燃機関の気筒毎のトルク変動量を検出する第２検出手段と、前記第１及び第２検出手段の検出結果に基づいて各気筒の燃料供給系の故障を診断する診断手段と、を備えるようにした。

気筒間のトルク変動量は、内燃機関が定常運転状態から逸脱した場合であっても検出可能である。逆に、内燃機関が定常運転状態から逸脱している時は各気筒の目標燃料噴射量が多くなるため、故障時のトルク変動量と正常時のトルク変動量との差が明確になり易い。このため、内燃機関が定常運転状態を長期間継続しなくとも故障診断を行うことが可能である。

一方、内燃機関が過渡運転状態にある時のトルク変動量は、燃料供給系が正常な気筒においても比較的大きくなる場合がある。このため、該気筒の燃料供給系が故障していると誤診断される可能性がある。

しかしながら、本発明にかかる内燃機関の故障診断システムは、定常運転時の機関回転変動量に基づいて正常な気筒が選別されるため、正常な気筒が故障していると誤診断されることがない。さらに、定常運転時の機関回転変動量は極短時間に検出可能であるため、内燃機関が定常運転状態を長期間継続しなくともよい。

よって、本発明にかかる内燃機関の故障診断システムによれば、燃料供給系の故障を早期に且つ正確に検出することが可能となる。

本発明にかかる内燃機関の故障診断システムにおいて、診断手段は、第１検出手段により検出された機関回転変動量が最大となる気筒の燃料供給系について、第２検出手段により検出されたトルク変動量に基づく故障診断を行うようにしてもよい。

かかる構成によれば、機関回転変動量が相対的に大きな気筒に対してのみトルク変動量に基づく故障診断が行われるため、故障診断精度の向上を図ることができる。

本発明にかかる内燃機関の故障診断システムにおいて、診断手段は、第１検出手段により検出された機関回転変動量が所定量を超えた気筒の燃料供給系について、第２検出手段により検出されたトルク変動量に基づく故障診断を行うようにしてもよい。

かかる構成によれば、機関回転変動量の絶対値が大きな気筒に対してのみトルク変動量に基づく故障診断が行われるため、故障診断精度の向上を図ることができる。

尚、診断手段は、第１検出手段により検出された機関回転変動量が最大且つ所定量を超えている気筒の燃料供給系について、第２検出手段により検出されたトルク変動量に基づく故障診断を行うことにより、故障診断精度の更なる向上を図るようにしてもよい。

また、本発明における故障診断の具体的な実行方法としては、第１検出手段により検出された機関回転変動量と第２検出手段により検出されたトルク変動量との乗算値が基準値を超えていることを条件に燃料供給系が故障していると診断する方法を例示することができる。

機関回転変動量とトルク変動量との乗算値がパラメータにされた場合は、機関回転変動量若しくはトルク変動量の何れか一方のみがパラメータとされた場合に比べ、正常時と故障時との差が助長及び増幅される。よって、故障診断精度の一層の向上を図ることが可能になるとともに、軽微な故障も検出することが可能になる。

尚、本発明における故障診断の他の実行方法としては、機関回転変動量が最大および／または所定量を超える気筒についてトルク変動量が所定の診断基準値より大きいか否かを判別する方法において、前記診断基準値が機関回転変動量の大きさに応じて可変とされるようにしてもよい。

例えば、機関回転変動量が小さくなるほど診断基準値を大きくすることにより、誤診断の発生を抑制するとともに診断精度の向上を図るようにしてもよい。

本発明によれば、各気筒の燃料供給系の故障を診断する内燃機関の故障診断システムにおいて、燃料供給系の異常を早期に且つ正確に検出可能となる。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。

図１は、本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、複数の４つの気筒（１番気筒（＃１）、２番気筒（＃２）、３番気筒（＃３）、及び４番気筒（＃４））２を有する圧縮着火式の内燃機関（ディーゼルエンジン）である。

各気筒２には、気筒２内へ直接燃料を噴射する燃料噴射弁３が取り付けられている。燃料噴射弁３はコモンレール４と接続され、コモンレール４は燃料供給管５を介して燃料ポンプ６と連通している。

燃料ポンプ６から吐出された燃料は、燃料供給管５を経てコモンレール４へ供給され、該コモンレール４から各気筒２の燃料噴射弁３へ分配される。燃料噴射弁３から噴射された燃料は、吸気通路７から導入された空気とともに燃焼される。気筒２内で燃焼されたガス（既燃ガス）は、排気通路８へ排出される。

このように構成された内燃機関１には、該内燃機関１の運転状態を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）９が併設されている。ＥＣＵ９は、燃料噴射弁３や燃料ポンプ６と電気的に接続され、クランクポジションセンサ１０等の各種センサの測定値に基づいて燃料噴射弁３や燃料ポンプ６を制御する。

例えば、ＥＣＵ９は、内燃機関１の運転条件に基づく燃料噴射量制御などの既知の制御に加え、本発明の要旨となる故障診断処理を実行する。故障診断処理は、各気筒２の燃料供給系（コモンレール４から燃料噴射弁３に至る経路、及び燃料噴射弁３を含む）の故障を診断する処理である。

以下、本実施例における故障診断処理について述べる。本実施例における故障診断処理では、ＥＣＵ９は、内燃機関１がアイドル運転状態にあるときの機関回転変動量と、内燃機関１が非アイドル運転状態にあるときのトルク変動量との２つのパラメータに基づいて各気筒２の燃料供給系の故障診断を行う。

ＥＣＵ９は、内燃機関１がアイドル運転状態にある時に、気筒間の機関回転変動を抑制するために各気筒２の燃料噴射量を補正する（以下、このような制御を「アイドル時燃料噴射制御」と称する）。

具体的には、ＥＣＵ９は、各気筒２の膨張行程時の機関回転速度（例えば、膨張行程上死点から９０°ＣＡ回転するのに要する時間）を直前に燃焼された気筒２の機関回転速度と比較する。

直前に燃焼された気筒２に比して機関回転速度が高い気筒２については、ＥＣＵ９は、該気筒２の次サイクルの燃料噴射量を減量補正する。一方、直前に燃焼された気筒２に比して機関回転速度が低い気筒２については、ＥＣＵ９は、該気筒２の次サイクルの燃料噴
射量を増量補正する。

その際、燃料供給系に故障が生じた気筒２の燃料噴射量は、目標燃料噴射量に比して過多或いは過少となるため、該気筒２の機関回転変動量が多くなるとともに燃料噴射量の補正量が多くなる。その際の補正量は、図２に示すように、故障の程度が高くなるほど（言い換えれば、目標燃料噴射量と実際の燃料噴射量との差が大きくなるほど）多くなる。

よって、ＥＣＵ９は、アイドル時燃料噴射制御における補正量が閾値を超えた気筒２を検出した場合は、該気筒２の燃料供給系が異常であると診断することも可能である。

ところで、内燃機関１がアイドル運転状態にある時は目標燃料噴射量が少ないため、正常時の機関回転変動量と故障時の機関回転変動量との差が小さくなり易い。その結果、アイドル時燃料噴射制御の補正量のみをパラメータとして燃料供給系の故障診断が行われると、診断精度が低くなり易いとともに軽微な故障を検出することが困難となる。

これに対し、目標燃料噴射量が比較的多くなる非アイドル運転時における気筒間のトルク変動量をパラメータとして、各気筒２の燃料供給系の故障を診断する方法が考えられる。

図３は、トルク変動量と相関するクランクシャフトの角加速度変動量と、燃料供給系の故障の程度との関係を示す図である。図３に示すように、燃料供給系の故障の程度が高くなるほど、角加速度変動量が大きくなる。よって、角加速度変動量が閾値を超える気筒２の燃料供給系が異常であると診断することができる。

但し、内燃機関１が非アイドル運転状態にある時は加減速に伴う角加速度変動量のバラツキ（図３中の△α）も考慮する必要がある。このようなバラツキ△αを考慮して故障診断が行われると、図３中の例Ｃにおいて燃料供給系が正常であるにもかかわらず故障していると誤診断され、或いは図３中の例Ｄにおいて燃料供給系が故障しているにもかかわらず正常であると誤診断される可能性がある。

そこで、本実施例の故障診断処理では、ＥＣＵ９は、アイドル時燃料噴射制御における補正量が４気筒中で最大となり、および／またはアイドル時燃料噴射制御における補正量が所定量を超える気筒２についてのみ、角加速度変動量に基づく故障診断を行うようにした。

このような故障診断方法によれば、図３中の例Ｃのような正常な気筒２について角加速度変動量に基づく故障診断が行われなくなるため、該気筒２の燃料供給系が正常であるにもかかわらず故障していると誤診断されることをなくなる。

また、図３中の例Ｄのような軽微な故障については、アイドル時燃料噴射制御の補正量と角加速度変動量との乗算値をパラメータとして故障診断を行うことにより、誤診断の発生を抑制することができる。

詳細には、アイドル時燃料噴射制御の補正量と角加速度変動量との乗算値が予め定められた基準値より大きいことを条件に故障の診断が下されるようにすればよい。このような故障診断方法によれば、アイドル時燃料噴射制御の補正量若しくは非アイドル運転時の角加速度変動量の何れか一方のみパラメータとして故障診断が行われる場合に比して、正常時と故障時との差が助長及び増幅される。よって、故障診断精度が向上するとともに図３中の例Ｄに示すような軽微な故障も検出することが可能になる。

以下、本実施例における故障診断処理について図４に基づいて説明する。図４は、故障診断ルーチンを示すフローチャートである。この故障診断ルーチンは、所定期間毎に割り込み処理されるルーチンであり、予めＥＣＵ９のＲＯＭに記憶されている。

故障診断処理ルーチンにおいて、ＥＣＵ９は、先ずＳ１０１において故障診断条件が成立しているか否かを判別する。故障診断条件としては、目標燃料噴射量が一定量以上である等の条件を例示することができる。その際、前記した一定量は、アイドル運転時の目標燃料噴射量に比して十分に多い量である。

前記Ｓ１０１において否定判定された場合は、ＥＣＵ９は、本ルーチンの実行を一旦終了する。一方、前記Ｓ１０１において肯定判定された場合は、ＥＣＵ９は、Ｓ１０２へ進む。

Ｓ１０２では、ＥＣＵ９は、膨張行程を迎える気筒２が１番気筒（＃１）〜４番気筒（＃４）の何れの気筒２であるかを判別する。

Ｓ１０３では、ＥＣＵ９は、前記Ｓ１０２で判別された気筒（以下、「診断気筒」と称する）２のアイドル時燃料噴射制御の補正量が４つの気筒２のうち最大量であるか否かを判別する。

尚、各気筒２のアイドル時燃料噴射制御の補正量は、図５に示すようなアイドル時燃料噴射制御ルーチンによって求められる。図５のアイドル時燃料噴射制御ルーチンでは、ＥＣＵ９は、Ｓ２０１において所定条件が成立しているか否かを判別する。所定条件としては、内燃機関１を搭載した車両の速度が零である、アクセルペダルの操作量が零である、及び実際の機関回転数と目標回転数との差が許容値以内である等の条件を例示することができる。

Ｓ２０１において否定判定された場合は、ＥＣＵ９は、本ルーチンの実行を終了する。一方、前記Ｓ２０１において肯定判定された場合は、ＥＣＵ９は、Ｓ２０２において各気筒２の機関回転変動量を演算する。

Ｓ２０３では、ＥＣＵ９は、前記Ｓ２０２において算出された機関回転変動量に応じて各気筒２の燃料噴射量の補正量を算出し、それらの算出結果をＥＣＵ９のＲＡＭ又はバックアップＲＡＭの所定領域に記憶させる。

Ｓ２０４では、ＥＣＵ９は、前記Ｓ２０３において算出された補正量に基づいて各気筒２の目標燃料噴射量を補正する。

ここで図４に戻り、ＥＣＵ９は、Ｓ１０３において前記図３のアイドル時燃料噴射制御ルーチンにより求められた各気筒２の補正量をＲＡＭ又はバックアップＲＡＭから読み出し、診断気筒２の補正量が４つの気筒２のうち最大であるか否かを判別する。

Ｓ１０３において否定判定された場合は、ＥＣＵ９は、本ルーチンの実行を終了する。一方、前記Ｓ１０３において肯定判定された場合は、ＥＣＵ９は、Ｓ１０４へ進む。

Ｓ１０４では、ＥＣＵ９は、診断気筒２の補正量が所定量より多いか否かを判別する。前記Ｓ１０４において否定判定された場合は、ＥＣＵ９は本ルーチンの実行を終了する。一方、前記Ｓ１０４において肯定判定された場合は、ＥＣＵ９はＳ１０５へ進む。

Ｓ１０５では、ＥＣＵ９は、診断気筒２の角加速度変動量を演算する。具体的には、Ｅ
ＣＵ９は、先ず診断気筒の膨張行程上死点から９０°ＣＡ回転する時の機関回転速度を演算する。次いで、ＥＣＵは、前記機関回転速度を微分して角加速度を演算する。さらに、ＥＣＵ９は、診断気筒２の直前に燃焼された気筒２の角加速度と該診断気筒２の角加速度との差の絶対値を演算する。

Ｓ１０６では、ＥＣＵ９は、診断気筒２の補正量と角加速度変動量との乗算値を演算する。

Ｓ１０７では、ＥＣＵ９は、前記Ｓ１０６で算出された乗算値が基準値より大きいか否かを判別する。

前記Ｓ１０７において肯定判定された場合は、ＥＣＵ９はＳ１０８へ進み、診断気筒２の燃料供給系が故障していると診断する。一方、前記Ｓ１０７において否定判定された場合は、ＥＣＵ９はＳ１０９へ進み、診断気筒２の燃料供給系が正常であると診断する。

以上述べたようにＥＣＵ９が故障診断処理ルーチンを実行することにより、本発明にかかる第１検出手段、第２検出手段、及び診断手段が実現される。その結果、燃料供給系の故障を早期に且つ正確に検出することが可能となる。

尚、本実施例では、直列４気筒の圧縮着火式内燃機関を例に挙げたが、これに限られるものではないことは勿論であり、多気筒の内燃機関であればよく、火花点火式内燃機関であってもよい。

本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。燃料供給系の故障の程度とアイドル時燃料噴射制御の補正量との関係を示す図である。燃料供給系の故障の程度と角加速度変動量との関係を示す図である。故障診断処理ルーチンを示すフローチャートである。アイドル時燃料噴射制御ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１・・・・・内燃機関
２・・・・・気筒
３・・・・・燃料噴射弁
４・・・・・コモンレール
５・・・・・燃料供給管
６・・・・・燃料ポンプ
９・・・・・ＥＣＵ
１０・・・・クランクポジションセンサ

Claims

内燃機関が定常運転状態にある時に気筒毎の機関回転変動量を検出する第１検出手段と、
前記内燃機関の気筒毎のトルク変動量を検出する第２検出手段と、
前記第１及び第２検出手段の検出結果に基づいて各気筒の燃料供給系の故障診断を行う診断手段と、
を備え、
前記診断手段は、内燃機関がアイドル運転状態にあるときに前記第１検出手段により検出される機関回転変動量が最大且つ所定量を超える気筒の燃料供給系について、内燃機関が非アイドル運転状態にあるときに前記第２検出手段により検出されるトルク変動量に基づく故障診断を行うことを特徴とする内燃機関の故障診断システム。
請求項１において、前記診断手段は、前記第１検出手段により検出された機関回転変動量と前記第２検出手段により検出されたトルク変動量との乗算値が基準値を超えていることを条件に前記気筒の燃料供給系が故障していると診断することを特徴とする内燃機関の故障診断システム。