JP5282848B2 - Ｅｇｒ装置の異常検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＥＧＲ装置の異常検出装置、詳しくは、過給機付き内燃機関に搭載されるＥＧＲ装置の異常検出装置に関する。

今日使用されている車両用の内燃機関のなかには、排気ガス性能の改善を目的として、排気ガスの一部を吸気側に再循環させることのできるＥＧＲ装置を備えたものがある。ＥＧＲ装置は、内燃機関の吸気通路と排気通路とを接続するＥＧＲ通路にＥＧＲ弁を備え、ＥＧＲ弁の開度を制御することによって排気側から吸気側に再循環される排気ガスの量を調整できるようになっている。このようなＥＧＲ装置には、ＥＧＲ弁を閉じることができない、或いは、開くことができないといった何らかの異常が発生する場合がある。ＥＧＲ装置の異常は排気ガス性能に影響を与えることから、そのような異常が発生したのであれば速やかに対策を講じるか、或いは、速やかに運転者に知らせるようにしたい。そこで必要となる装置が、特開２００２−２２７７２７号公報に記載されているようなＥＧＲ装置の異常検出装置である。特開２００２−２２７７２７号公報に記載されている装置（以下、従来装置）によれば、スロットルの開度、ＥＧＲ弁の開度、及び内燃機関の回転速度に基づいてＥＧＲ装置が正常に作動した場合の吸気圧力が推定され、その推定値と実際の吸気圧力との偏差が計算される。そして、その偏差が所定値以上である場合には、ＥＧＲ装置が異常であるとの判定がなされるようになっている。

ところで、ＥＧＲ装置は、過給機付きの内燃機関にも搭載されている。過給機付き内燃機関には、運転領域によっては背圧よりも吸気圧のほうが高くなるという特徴がある。このような過給機付き内燃機関に搭載されるＥＧＲ装置の場合、発生しうる異常のうち特に重大な異常は、異物の噛み込みや故障によってＥＧＲ弁が開いたまま閉じなくなってしまうことである。ＥＧＲ弁を閉じることができなくなると、内燃機関の運転領域によっては吸気通路から排気通路への新気の逆流が発生してしまい、その新気がＥＧＲ触媒やスタート触媒に流れ込むことでそれら触媒の過熱を招いてしまうおそれがある。したがって、過給機付き内燃機関に搭載されるＥＧＲ装置の異常検出装置には、ＥＧＲ弁を閉じることができなくなっていることを精度良く検出することが求められている。

ところが、前述の従来装置では、そのような要求に十分に応えることは難しい。なぜなら、従来装置は吸気圧力の推定値と実際値との偏差に基づいて異常を判定しているが、背圧よりも吸気圧のほうが高くなる運転領域では、ＥＧＲ装置に異常があったとしても、吸気圧力の推定値と実際値との間にはあまり差は生じない。このため、従来装置では、運転領域によってはＥＧＲ装置の異常検出を行うことができない場合があり、結果として異常の検出が遅れてしまうおそれがある。

特開２００２−２２７７２７号公報 特開２００９−２５７２２３号公報

本発明は、過給機付き内燃機関においてＥＧＲ装置に発生した異常、詳しくは、異物の噛み込みや故障によりＥＧＲ弁を開いたまま完全に閉じることができなくなっていることを精度良く検出できるようにすることを課題とする。そして、そのような課題を達成するために、本発明は、次のようなＥＧＲ装置の異常検出装置を提供する。

本発明が提供するＥＧＲ装置の異常検出装置は、過給機付き内燃機関の吸気通路と排気通路とをＥＧＲ通路によって接続し、そのＥＧＲ通路に配置されたＥＧＲ弁の開度を制御することによって排気通路から吸気通路に再循環されるガスの量を調整するように構成されたＥＧＲ装置のための異常検出装置である。本異常検出装置は、通過するガスの空燃比がリーンかリッチかを判別できる信号を出力するセンサを１対備えている。そのうちの１つである第１のセンサは、ＥＧＲ通路のＥＧＲ弁より排気通路側に配置されている。一方、もう１つのセンサである第２のセンサは、排気通路のＥＧＲ通路が接続されている位置より下流に配置されている。第１及び第２のセンサとしては、酸素濃度に応じて信号が変化するＯ_２センサや、空燃比（Ａ／Ｆ）に応じて信号が変化するＡ／Ｆセンサを用いることができる。

本異常検出装置は、第１のセンサから出力される信号と第２のセンサから出力される信号とを用いてＥＧＲ装置に異常が発生しているかどうか判定する。詳しくは、内燃機関がストイキ運転或いはリッチ運転を実施している状況において第１のセンサから出力される信号がリーンを示し、その後、内燃機関の運転状態に応じた所定の時間範囲において第２のセンサから出力される信号がリーンを示すに至った場合に、ＥＧＲ弁が閉じなくなっているとの判断がなされる。また、内燃機関がストイキ運転或いはリッチ運転を実施している状況において第１のセンサから出力される信号がリーン側とリッチ側との間で周期的に変化し、且つ、その変化の周期が吸気脈動の周期と合致する場合にも、ＥＧＲ弁が閉まらなくなっているとの判断がなされる。

つまり、本異常検出装置は、ＥＧＲ弁が閉じなくなっていることの証拠としてＥＧＲ通路における新気の逆流を検出する。これによれば、過給機付き内燃機関においてＥＧＲ弁が閉じなくなっていることを精度良く検出することができる。

本発明の実施の形態１のＥＧＲ装置の異常検出装置が適用される過給機付き内燃機関の構成を示す概略図である。 図１の要部を拡大して示す図である。 本発明の実施の形態１にてＥＣＵにより実行されるＥＧＲ弁の異常判定のルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２にてＥＣＵにより実行されるＥＧＲ弁の異常判定のルーチンを示すフローチャートである。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について図を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態１のＥＧＲ装置の異常検出装置が適用される過給機付き内燃機関の構成を示す概略図である。本実施の形態にかかる過給機付き内燃機関は、主としてストイキ或いはストイキ近傍の空燃比で運転する火花点火式の内燃機関である。

本実施の形態にかかる過給機付き内燃機関は、排気ガスのエネルギを利用して空気（新気）を圧縮するターボ過給機４を備えている。ターボ過給機４のコンプレッサ６は吸気通路１０に配置され、タービン８は排気通路２０に配置されている。吸気通路１０におけるコンプレッサ６の下流にはインタークーラー１８が取り付けられ、さらにその下流にはスロットル１６が配置されている。吸気通路１０におけるスロットル１６の下流にはサージタンク１２が設けられていて、サージタンク１２とエンジン本体２とは吸気マニホールド１４によって接続されている。一方、エンジン本体２の排気側には排気マニホールド２２が取り付けられ、排気マニホールド２２の出口はタービン８に接続されている。排気通路２０におけるタービン８の下流にはスタート触媒２４が設けられている。なお、本明細書においては、サージタンク１２及び吸気マニホールド１４は吸気通路１０の一部であるとする。また、本明細書においては、排気マニホールド２２は排気通路２０の一部であるとする。

本実施の形態にかかる過給機付き内燃機関は、排気系から吸気系へ排気ガスを再循環させるＥＧＲ装置３０を搭載している。ＥＧＲ装置３０は、サージタンク１２と排気マニホールド２２とを接続するＥＧＲ通路３２と、ＥＧＲ通路３２に配置されるＥＧＲ弁３４、ＥＧＲクーラー３６及びＥＧＲ触媒３８とよって構成されている。ＥＧＲ弁３４は最もサージタンク１２に近い位置に配置され、ＥＧＲ触媒３８は排気マニホールド２２に近い位置に配置されている。ＥＧＲクーラー３６は、ＥＧＲ弁３４とＥＧＲ触媒３８の間に配置されている。

本実施の形態にかかる過給機付き内燃機関は、通過するガスの空燃比がリーンかリッチかを判別できる信号を出力するセンサを１対備えている。その１つは、ＥＧＲ通路３２におけるＥＧＲ触媒３８よりも排気マニホールド２２に近い位置に配置されたＯ_２センサ４２であり、もう１つは、排気通路２０におけるタービン８とスタート触媒２４との間に配置されたＡ／Ｆセンサ４４である。Ｏ_２センサ４２は、酸素濃度に応じた信号を出力するセンサであって、空燃比の変化に対してストイキの前後で出力が大きく変化するような出力特性を有している。Ａ／Ｆセンサ４４は、排気ガスの空燃比に応じた信号を出力するセンサであって、空燃比の変化に対して出力がリニアに変化するような出力特性を有している。Ｏ_２センサ４２及びＡ／Ｆセンサ４４の出力信号は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０に入力される。ＥＣＵ４０は、Ｏ_２センサ４２及びＡ／Ｆセンサ４４を含む種々のセンサからの信号を受け、所定の制御プログラムにしたがってＥＧＲ弁３４を含む種々のアクチュエータを操作する。

上記の２つのセンサ４２，４４は、ＥＧＲ弁３４に発生した異常、具体的には、異物の噛み込みや故障によりＥＧＲ弁３４が開いたまま閉じなくなってしまっていることの検出に用いることができる。内燃機関がストイキ運転或いはリッチ運転を実施している状況では、普通であれば、Ｏ_２センサ４２の出力信号はリッチを示すか、或いは、空燃比フィードバック制御の制御周期と同周期でリーン・リッチの反転を繰り返している。また、Ａ／Ｆセンサ４４の出力信号は内燃機関の目標空燃比に連動して変化している。ところが、ＥＧＲ弁３４が開いたままになっている場合、背圧よりも吸気圧のほうが高い運転領域では、図１に“経路１”で示すようにサージタンク１２から排気マニホールド２２への新気の逆流が発生する。その結果、まず、Ｏ_２センサ４２の周囲の雰囲気がリーンになり、Ｏ_２センサ４２が出力する信号はリーン側に張り付くことになる。そして、排気マニホールド２２に流入した新気によって排気ガスが希釈されることで、Ａ／Ｆセンサ４４が出力する信号もリーンを示すようになる。したがって、内燃機関がストイキ運転或いはリッチ運転を実施しているにも関わらず、Ｏ_２センサ４２の出力信号がリーン側に張りつき、続いて、Ａ／Ｆセンサ４４の出力信号がリーンを示したのであれば、ＥＧＲ弁３４が開いたまま閉じなくなっている可能性があると判断することができる。

ただし、エンジン本体２の燃料噴射系に異常が生じた場合にもそのような状況は生じうる。例えばインジェクタの詰まりや燃料圧力の低下等によって燃料噴射量に不足が生じた場合、エンジン本体２から排出される排気ガスの空燃比はリーンになる。その場合、図２の拡大図に“経路２”で示すように、リーンな排気ガスは、まず、エンジン本体２により近いＯ_２センサ４２に到達し、Ｏ_２センサ４２の出力信号をリーン側に張り付かせる。続いて、図２の拡大図に“経路３”で示すように、リーンな排気ガスはエンジン本体２から離れたＡ／Ｆセンサ４４に到達し、Ａ／Ｆセンサ４４の出力信号をリーン側に変化させる。したがって、Ｏ_２センサ４２及びＡ／Ｆセンサ４４の出力信号を用いてＥＧＲ弁３４の異常検出を行うのであれば、燃料噴射系の異常と区別できるよう判定ロジックに何らかの工夫を施す必要がある。

そこで着目されるのが、Ｏ_２センサ４２の出力信号がリーンに張り付いてからＡ／Ｆセンサ４４の出力信号がリーンを示すに至るまでの時間差である。ＥＧＲ弁３４の異常の場合と燃料噴射系の異常の場合とでは、その時間差には違いがある。燃料噴射系の異常の場合は、図２に示す“経路３”と“経路２”の距離の差分と排気ガスの流速とによって前記の時間差が決まる。排気ガスの流速はエンジン回転速度や負荷などの運転状態によって決まることから、燃料噴射系の異常の場合における時間差は計算によって推定することができる。したがって、実際に計測された時間差が、計算で求めた燃料噴射系の異常の場合における推定時間差と一致するかその違いが誤差範囲の場合には、発生している異常は燃料噴射系の異常であってＥＧＲ弁３４の異常ではないと判断することができる。言い換えれば、実際に計測された時間差が前記の推定時間差と実質的に異なっているのであれば、ＥＧＲ弁３４に異常が発生している、すなわち、ＥＧＲ弁３４が開いたまま閉じなくなっていると判断することができる。

本実施の形態の異常検出装置は、以上のような判定ロジックにてＥＧＲ弁３４の異常判定を実施する。なお、本実施の形態の異常検出装置は、ＥＣＵ４０が異常検出装置の異常判定手段として機能することによって実現される。ＥＣＵ４０がそのような手段として機能する場合、ＥＣＵ４０は、図３のフローチャートに示す異常判定のためのルーチンを実行する。このルーチンは、内燃機関の運転中に一定の周期で実行される。

図３に示すルーチンによれば、その最初のステップＳ１０１においてＯ_２センサ４２の出力信号がリーンに張り付いているかどうか判定される。その判定結果が否定判定の場合には、ＥＧＲ弁３４は正常に動作しているとの推測が成り立つので、本ルーチンは終了される。

ステップＳ１０１の判定結果が肯定判定の場合には、ステップＳ１０２の判定が続いて実行される。ステップＳ１０２では、ＥＧＲ弁３４の異常と燃料噴射系の異常とを見分けるための判定が行われる。具体的には、Ｏ_２センサ４２の出力信号がリーンに張り付いた後、所定の時間範囲においてＡ／Ｆセンサ４４の出力信号がリーンを示すに至ったかどうか判定される。前記の時間範囲は、燃料噴射系の異常の場合にＯ_２センサ４２の出力信号がリーンに張り付いてからＡ／Ｆセンサ４４の出力信号がリーンを示すに至るまでの時間を含まない時間範囲であって、その値はエンジン回転速度や負荷等の運転状態から計算される。ステップＳ１０２の判定結果が否定判定の場合には、異常が発生しているのは燃料噴射系であってＥＧＲ弁３４は正常に動作しているとの推測が成り立つので、本ルーチンは終了される。

そして、ステップＳ１０２の判定結果が肯定判定の場合に、ステップＳ１０３においてＥＧＲ弁３４に異常が発生しているとの判断がなされる。具体的には、ＥＧＲ弁３４が開いたまま閉じなくなっているとの判断がなされる。新気が逆流する程度にＥＧＲ弁３４が開いたままとなる原因としては、ＥＧＲ弁３４が異物を噛み込んだことの可能性が高い。したがって、ステップＳ１０３では、ＥＧＲ弁３４の異物の噛み込みが発生したと判断することもできる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図を参照して説明する。

本発明の実施の形態２のＥＧＲ装置の異常検出装置は、実施の形態１の場合と同様、図１に示す構成の過給機付き内燃機関に適用される。本実施の形態と実施の形態１との相違は、異常判定手段としてのＥＣＵ４０の機能、より詳しくは、異物の噛み込みや故障によりＥＧＲ弁３４が開いたまま閉じなくなってしまっていることの判断方法にある。実施の形態１にて説明した異常判定の方法は、多量の新気が排気マニホールド２２に流入する程度にＥＧＲ弁３４が大きく開いたままとなっている状態を検出するのには有効である。しかし、ＥＧＲ弁３４がわずかに開いた状態で閉じなくなっているような状態を検出するのであれば、以下に説明する本実施の形態の異常判定の方法のほうがより有効である。

本実施の形態において着目したのは、Ｏ_２センサ４２の出力信号の反転周期の変化である。ＥＧＲ弁３４がわずかに開いたままとなっている場合、サージタンク１２からＥＧＲ通路３２に新気が逆流してくるものの、その量は多くはない。このため、ＥＧＲ通路３２に流入した新気は、吸気脈動の影響によって排気マニホールド２２側に押し出されたりサージタンク１２側に引き戻されたりを繰り返すことになる。その結果、Ｏ_２センサ４２の周囲の雰囲気はリッチとリーンとの間で交互に変動することになって、Ｏ_２センサ４２の出力信号は吸気脈動の周期と同周期でリーン・リッチの反転を繰り返すようになる。内燃機関がストイキ運転を実施している場合にもＯ_２センサ４２の出力信号はリーン・リッチの反転を繰り返す。しかし、その反転周期は空燃比フィードバック制御の制御周期と同周期であり、ＥＧＲ弁３４が開いたままのときとは反転周期に明確な違いがある。したがって、Ｏ_２センサ４２の出力信号の反転周期を測ることで、ＥＧＲ弁３４が開いたままになっているかどうか正確に判断することができる。

本実施の形態の異常検出装置は、以上のような判定ロジックにてＥＧＲ弁３４の異常判定を実施する。図４は、本実施の形態にてＥＣＵ４０により実行されるＥＧＲ弁３４の異常判定のルーチンを示すフローチャートである。このルーチンは、内燃機関の運転中に一定の周期で実行される。

図４に示すルーチンによれば、その最初のステップＳ２０１においてＯ_２センサ４２の出力信号がリーンに変化しているかどうか判定される。ＥＧＲ弁３４がわずかに開いた状態で閉じなくなっている場合、吸気脈動の影響によりＥＧＲ通路３２内を行き来している新気がＯ_２センサ４２まで到達することで、Ｏ_２センサ４２の出力信号はリーンに張り付くまでには至らないとしても、少なくとも一時的にはリーンに変化する。したがって、ステップＳ２０１の判定結果が否定判定の場合には、ＥＧＲ弁３４は正常に動作しているとの推測が成り立つので、本ルーチンは終了される。

ステップＳ２０１の判定結果が肯定判定の場合には、ステップＳ２０２の判定が続いて実行される。ステップＳ２０２では、Ｏ_２センサ４２の出力信号の反転周期が計算され、吸気脈動の周期と比較される。吸気脈動の周期はエンジン回転速度などの運転状態から計算で求めることができる。Ｏ_２センサ４２の出力信号の反転周期が吸気脈動の周期とは異なる場合には、ＥＧＲ弁３４は正常に動作しているとの推測が成り立つので、本ルーチンは終了される。

そして、ステップＳ２０２の判定結果が肯定判定の場合に、ステップＳ２０３においてＥＧＲ弁３４に異常が発生しているとの判断がなされる。具体的には、ＥＧＲ弁３４が開いたまま閉じなくなっているとの判断がなされる。吸気脈動がＯ_２センサ４２の出力信号に影響する程度にＥＧＲ弁３４が開いたままとなる原因としては、小さな異物の噛み込みやＥＧＲ弁３４の開故障を挙げることができる。

その他．
本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。

Ｏ_２センサ４２はＡ／Ｆセンサに変えることができる。また、Ａ／Ｆセンサ４４はＯ_２センサ変えることができる。

ＥＧＲ通路３２の吸気側は、サージタンク１２に変えて吸気マニホールド１４に接続することもできる。その場合、ＥＧＲ通路３２の先端は気筒ごとに分岐させて、気筒ごとに排気ガスを供給できるようにする。

ターボ過給機４は、エンジン本体２の出力軸から取り出したトルクによって駆動される機械式の過給機に変えることができる。

また、実施の形態２の異常判定の方法は実施の形態１の異常判定の方法と組み合わせることが好ましい。具体的には、異常判定のためにＥＣＵ４０が実行するルーチンとして、図２のフローチャートに示すルーチンと図３のフローチャートに示すルーチンの両方を実行する。そうすることで、ＥＧＲ弁３４が大きく開いた状態で閉じなくなっている場合と、ＥＧＲ弁３４がわずかに開いた状態で閉じなくなっている場合のいずれの場合においても、そのようなＥＧＲ弁３４の異常を精度良く検出することができる。

２ エンジン本体
４ ターボ過給機
１０ 吸気通路
１２ サージタンク
１４ 吸気マニホールド
１６ スロットル
２０ 排気通路
２２ 排気マニホールド
２４ スタート触媒
３０ ＥＧＲ装置
３２ ＥＧＲ通路
３４ ＥＧＲ弁
３８ ＥＧＲ触媒
４０ ＥＣＵ
４２ Ｏ_２センサ
４４ Ａ／Ｆセンサ

Claims (2)

1. 過給機付き内燃機関の吸気通路と排気通路とをＥＧＲ通路によって接続し、前記ＥＧＲ通路に配置されたＥＧＲ弁の開度を制御することによって前記排気通路から前記吸気通路に再循環されるガスの量を調整するように構成されたＥＧＲ装置のための異常検出装置において、
   前記ＥＧＲ通路の前記ＥＧＲ弁より排気通路側に配置されたセンサであって、通過するガスの空燃比がリーンかリッチかを判別できる信号を出力する第１のセンサと、
   前記排気通路の前記ＥＧＲ通路が接続されている位置より下流に配置されたセンサであって、通過するガスの空燃比がリーンかリッチかを判別できる信号を出力する第２のセンサと、
   前記第１のセンサから出力される信号と前記第２のセンサから出力される信号とを用いて前記ＥＧＲ装置に異常が発生しているかどうか判定する異常判定手段とを備え、
   前記異常判定手段は、前記内燃機関がストイキ運転或いはリッチ運転を実施している状況において前記第１のセンサから出力される信号がリーンを示し、その後、前記内燃機関の運転状態に応じた所定の時間範囲において前記第２のセンサから出力される信号がリーンを示すに至った場合に、前記ＥＧＲ弁が閉じなくなっていると判断することを特徴とするＥＧＲ装置の異常検出装置。
2. 前記異常判定手段は、前記内燃機関がストイキ運転或いはリッチ運転を実施している状況において前記第１のセンサから出力される信号がリーン側とリッチ側との間で周期的に変化し、且つ、その変化の周期が吸気脈動の周期と合致する場合に、前記ＥＧＲ弁が閉じなくなっていると判断することを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲ装置の異常検出装置。

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