JP5326887B2 - 内燃機関の排気系の故障判定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、タービンのノズルベーン及び排気バイパス弁の故障を判定する内燃機関の排気系の故障判定装置に関する。
特許文献1には、過給機付き内燃機関におけるウェストゲートバルブの故障検出のための技術が開示されている。特許文献1では、過給期間における過給圧の上昇度合いを表す過給圧上昇指標値を取得する。そして、過給圧上昇指標値が、基準値以上であればウェストゲートバルブは正常であると判別され、基準値未満であればウェストゲートバルブに閉じ不良が発生していると判別される。
特開2008−095587号公報 特開2009−052408号公報 特開平4−164125号公報 特開2000−329849号公報
内燃機関の排気通路に過給機のタービンが設けられている場合、該タービンのタービンホイールをバイパスして排気が流れるように形成されたバイパス通路が設けられる場合がある。このとき、バイパス通路には、該バイパス通路を流れる排気の流量を調整する排気バイパス弁が設けられる。ウェストゲートバルブは、このような排気バイパス弁の一例である。また、過給機のタービンには、過給圧制御するために、タービンホイールに吹き付けられる排気の流速を可変とするノズルベーンが設けられる場合がある。
上記のようなノズルベーン及び排気バイパス弁が排気系に設けられている場合、これらが故障し、その開度が正常時とは異なったものとなると、排気エミッションやドライバビリティの悪化を招く虞がある。このような不具合を解消するためには、ノズルベーン又は排気バイパス弁の故障が発生した場合、それを正確に把握することが重要である。
ここで、排気の背圧に基づいてこれらの故障判定を行なうことが考えられる。しかしながら、ノズルベーン又は排気バイパス弁のいずれが故障しても排気の背圧は変化する。そのため、排気の背圧に基づく故障判定では、ノズルベーンの故障と排気バイパス弁の故障との区別が困難である。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、ノズルベーンの故障と排気バイパス弁の故障とを区別して故障判定を行うことが可能な技術を提供することを目的とする。
本発明は、タービンから排出された排気の温度とバイパス通路を通過した排気の温度とが異なること、及び、ノズルベーンの開度又は排気バイパス弁の開度が変化すると過給圧が変化することを利用して、ノズルベーンの故障と排気バイパス弁の故障とを区別して故障判定を行なうものである。
より詳しくは、本発明に係る内燃機関の排気系の故障判定装置は、
内燃機関の排気通路に設けられており、ノズルベーンを有する過給機のタービンと、
該タービンのタービンホイールをバイパスして排気が流れるように形成されたバイパス通路と、
該バイパス通路に設けられ該バイパス通路を流れる排気の流量を調整する排気バイパス弁と、を有する内燃機関の排気系の故障判定装置であって、
前記タービンから排出された排気と前記バイパス通路を通過した排気とが合流した後の排気の温度を検出する排気温度検出手段と、
過給圧を検出する過給圧検出手段と、
前記排気温度検出手段によって検出された排気の温度及び前記過給圧検出手段によって検出された過給圧に基づいて、前記ノズルベーンの故障と前記排気バイパス弁の故障とを区別して判定する故障判定手段と、
を備えたことを特徴とする。
タービンから排出された排気(以下、タービン側排気と称する)は、タービンホイールの回転に寄与することで、その温度が低下している。そのため、タービン側排気の温度はバイパス通路を通過した排気(以下、バイパス側排気と称する)の温度に比べて低い。両排気間にこのような温度差があることから、ノズルベーン又は排気バイパス弁が故障することで両排気の流量の割合が正常時とは異なるものとなると、タービン側排気とバイパス側排気とが合流した後の排気(以下、合流排気と称する)の温度も正常時とは異なったものとなる。
しかしながら、ノズルベーンの開弁側故障(開度が正常時よりも大きい状態となる故障)が生じたときと、排気バイパス弁の閉弁側故障(開度が正常時よりも小さい状態となる故障)が生じたときとでは、いずれの場合もタービン側排気の流量の割合が増加しバイパス側排気の流量の割合が減少するため、合流排気の温度挙動も同一方向(温度低下)となる。また、ノズルベーンの閉弁側故障が生じたときと、排気バイパス弁の開弁側故障が生じたときとでも、いずれの場合もタービン側排気の流量の割合が減少しバイパス側排気の流量の割合が増加するため、合流排気の温度挙動は同一方向(温度上昇)となる。そのため、合流排気の温度挙動のみでは、ノズルベーンの故障と排気バイパス弁の故障とを区別して判定することは困難である。
一方、ノズルベーン又は排気バイパス弁が故障すると、タービンホイールに吹き付けられる排気の流速が正常時とは異なったものとなるため、過給圧も正常時とは異なったものとなる。
しかしながら、ノズルベーンの開弁側故障が生じたときと、排気バイパス弁の開弁側故障が生じたときとでは、いずれの場合もタービンホイールに吹き付けられる排気の流速が低下するため、過給圧の挙動も同一方向(過給圧低下)となる。また、ノズルベーンの閉弁側故障が生じたときと、排気バイパス弁の閉弁側故障が生じたときとでも、いずれの場合もタービンホイールに吹き付けられる排気の流速が上昇するため、過給圧の挙動は同一方向(過給圧上昇)となる。そのため、過給圧の挙動のみでも、ノズルベーンの故障と排気バイパス弁の故障とを区別して判定することは困難である。
そこで、本発明では、合流排気の温度及び過給圧の両方に基づいて故障判定を行なう。これにより、ノズルベーンの故障と排気バイパス弁の故障とを区別して判定することが可能となる。
本発明においては、ノズルベーンの開度の指令値及び排気バイパス弁の開度の指令値に基づいて、合流排気の温度の基準値である基準排気温度を算出する基準排気温度算出手段と、ノズルベーンの開度の指令値及び排気バイパス弁の開度の指令値に基づいて、過給圧
の基準値である基準過給圧を算出する基準過給圧算出手段と、を更に備えてもよい。
ここで、基準排気温度とは、ノズルベーンの開度及び排気バイパス弁の開度がこれらの指令値の通りとなったとき、即ち正常時の合流排気の温度のことある。また、基準過給圧とは、ノズルベーンの開度及び排気バイパス弁の開度がこれらの指令値の通りとなったとき、即ち正常時の過給圧のことである。ノズルベーンの開度及び排気バイパス弁の開度と基準排気温度との関係、及び、ノズルベーンの開度及び排気バイパス弁の開度と基準過給圧との関係は実験等に基づいて予め求めることができる。
そして、上記の場合、故障判定手段は、排気温度検出手段によって検出された合流排気の温度と基準排気温度とを比較すると共に、過給圧検出手段によって検出された過給圧と基準過給圧とを比較することで、ノズルベーンの故障と排気バイパス弁の故障とを区別して判定してもよい。
具体的には、排気温度検出手段によって検出された合流排気の温度が基準排気温度より高く、且つ、過給圧検出手段によって検出された過給圧が基準過給圧より高いときは、ノズルベーンの閉弁側故障が生じていると判定する。また、排気温度検出手段によって検出された合流排気の温度が基準排気温度より高く、且つ、過給圧検出手段によって検出された過給圧が基準過給圧より低いときは、排気バイパス弁の開弁側故障が生じていると判定する。
また、排気温度検出手段によって検出された合流排気の温度が基準排気温度より低く、且つ、過給圧検出手段によって検出された過給圧が基準過給圧より高いときは、排気バイパス弁の閉弁側故障が生じていると判定する。また、排気温度検出手段によって検出された合流排気の温度が基準排気温度より低く、且つ、過給圧検出手段によって検出された過給圧が基準過給圧より低いときは、ノズルベーンの開弁側故障が生じていると判定する。
本発明によれば、ノズルベーンの故障と排気バイパス弁の故障とを区別して故障判定を行うことができる。
実施例に係る内燃機関およびその吸排気系の概略構成を示す図である。 実施例に係るノズルベーン及びWGVの故障判定のフローを示すフローチャートである。
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。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
<実施例>
(内燃機関およびその吸排気系の概略構成)
図1は、本実施例に係る内燃機関およびその吸排気系の概略構成を示す図である。内燃機関1は4つの気筒2を有する車両駆動用のディーゼルエンジンである。各気筒2には該気筒2内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁3が設けられている。
内燃機関1には、インテークマニホールド5およびエキゾーストマニホールド7が接続されている。インテークマニホールド5には吸気通路4の一端が接続されている。エキゾーストマニホールド7には排気通路6の一端が接続されている。
吸気通路4にはターボチャージャ8のコンプレッサ8aが設置されている。排気通路6にはターボチャージャ8のタービン8bが設置されている。吸気通路4におけるコンプレッサ8aよりも上流側にはエアフローメータ11が設けられている。吸気通路4におけるコンプレッサ8aよりも下流側にはスロットル弁12が設けられている。
タービン8bにはノズルベーン9が設けられている。ノズルベーン9の開度が変更されることで、タービンホイールに吹きつけられる排気の流速が変化し、それによって、ターボ出力が変化する。つまり、本実施例に係るターボチャージャ8は、ノズルベーン9の開度を変更することで過給圧を制御することが可能な可変容量型ターボチャージャである。
また、排気通路6には、タービン8bをバイパスして排気が流れるように形成されたバイパス通路17が設けられている。該バイパス通路17の両端部は、排気通路6におけるタービン8bの直上流及び直下流にそれぞれ接続されている。そして、バイパス通路17にはウェストゲートバルブ(以下、WGVと称する)18が設けられている。WGV18は、バイパス通路17を流れる排気の流量を調整することでタービン8bに流入する排気の流量を制御する。尚、バイパス通路17は、タービン8bのタービンホイールをバイパスして排気が流れるように形成されていればよく、その上流側の端部はタービン8bに接続されていてもよい。
排気通路6におけるタービン8bより下流側には排気浄化触媒10が設けられている。また、エキゾーストマニホールド7には排気の圧力を検出する圧力センサ23が設けられている。本実施例では、該圧力センサ23によって検出される排気の圧力を過給圧として用いる。
排気通路6におけるバイパス通路17の下流側端部の接続部分には排気の温度を検出する温度センサ24が設けられている。タービン8bから排出されたタービン側排気とバイパス通路17を通過したバイパス側排気とが合流した後の合流排気の温度が該温度センサ24によって検出される。
本実施例に係る内燃機関1は排気の一部をEGRガスとして吸気系に導入するEGR装置14を備えている。EGR装置14は、EGR通路15およびEGR弁16を有している。EGR通路15は、その一端がエキゾーストマニホールド7に接続されその他端がインテークマニホールド5に接続されている。該EGR通路15を介してEGRガスがエキゾーストマニホールド7からインテークマニホールド5に導入される。EGR弁16はEGR通路15に設けられており、インテークマニホールド5に導入されるEGRガス量が該EGR弁16によって制御される。
内燃機関1には電子制御ユニット(ECU)20が併設されている。このECU20は内燃機関1の運転状態等を制御するユニットである。ECU20には、エアフローメータ11、圧力センサ23、温度センサ24、クランクポジションセンサ21及びアクセル開度センサ22が電気的に接続されている。各センサの出力信号がECU20に入力される。ECU20は、クランクポジションセンサ21の検出値に基づいて内燃機関1の機関回転数を算出し、アクセル開度センサ22の検出値に基づいて内燃機関1の機関負荷を算出する。
また、ECU20には、各燃料噴射弁3、スロットル弁12、ノズルベーン9、WGV18及びEGR弁16が電気的に接続されている。そして、ECU20によってこれらが制御される。
本実施例においては、バイパス通路17が本発明に係るバイパス通路に相当し、WGV18が本発明に係る排気バイパス弁に相当する。尚、本発明に係るバイパス弁はWGVに限定されるものではない。例えば、エキゾーストマニホールドに一端が接続され、タービンより下流側の排気通路に他端が接続されるようなバイパス通路を設け、該バイパス通路に排気バイパス弁を設置してもよい。
また、本実施例においては、圧力センサ23が本発明に係る過給圧検出手段に相当する。尚、本発明に係る過給圧検出手段はこのような排気の圧力を検出するセンサに限られるものではない。例えば、インテークマニホールドの吸気の圧力を検出する圧力センサを設けた場合は、該圧力センサを本発明に係る過給圧検出手段としてもよい。また、本実施例においては、温度センサ24が本発明に係る排気温度検出手段に相当する。
(故障判定)
本実施例においては、ECU20が、内燃機関1の運転状態に基づいてノズルベーン9の開度の指令値及びWGV18の開度の指令値を決定する。内燃機関1の運転状態とノズルベーン9の開度及びWGV18の開度との関係は実験等によって予め定められており、これらの関係がECU20にマップとして記憶されている。ECU20はこのマップからこれらの開度の指令値を決定する。
そして、それぞれの開度がその指令値となるように制御される。
しかしながら、ノズルベーン9又はWGV18に故障が生じると、これらの実際の開度が指令値とは異なったものとなる。そのため、これらに故障が生じると、過給圧や排気の背圧を所望の値に制御することが困難となる。また、排気浄化触媒10に流入する排気の流量や温度も所望の値に制御することが困難となり、該排気浄化触媒10の劣化の促進あるいは暖気の遅延を招く場合がある。これらの不具合の結果として、排気エミッションやドライバビリティの悪化を招く虞がある。このような不具合を解消するためには、ノズルベーン9又はWGV18の故障が発生した場合、それを正確に把握することが重要である。
ここで、ノズルベーン9又はWGV18の故障が発生した場合の合流排気の温度及び過給圧の挙動について説明する。タービン側排気は、タービン8bのタービンホイールの回転に寄与することで、その温度が低下している。そのため、タービン側排気の温度はバイパス側排気の温度に比べて低い。両排気間にこのような温度差があることから、ノズルベーン9又はWGV18が故障することで両排気の流量の割合が正常時とは異なるものとなると合流排気の温度が正常時とは異なったものとなる。
つまり、ノズルベーン9の開弁側故障が生じた場合、又は、WGV18の閉弁側故障が生じた場合は、タービン側排気の流量の割合が増加しバイパス側排気の流量の割合が減少するため、合流排気の温度は正常時よりも低くなる。また、ノズルベーン9の閉弁側故障が生じた場合、又は、WGV18の開弁側故障が生じた場合は、タービン側排気の流量の割合が減少しバイパス側排気の流量の割合が増加するため、合流排気の温度は正常時よりも高くなる。
さらに、ノズルベーン9又はWGV18が故障すると、タービンホイールに吹き付けられる排気の流速が正常時とは異なったものとなるため、過給圧も正常時とは異なったものとなる。
つまり、ノズルベーン9の開弁側故障が生じた場合、又は、WGV18の開弁側故障が生じた場合は、タービンホイールに吹き付けられる排気の流速が低下するため、過給圧は正常時よりも低くなる。また、ノズルベーン9の閉弁側故障が生じた場合、又は、WGV
18の閉弁側故障が生じた場合は、タービンホイールに吹き付けられる排気の流速が上昇するため、過給圧は正常時よりも高くなる。
そこで、本実施例では、このような故障発生時の合流排気の温度及び過給圧の挙動を利用して、ノズルベーン9の故障とWGV18の故障とを区別して故障判定を行なう。以下、本実施例に係るノズルベーン及びWGVの故障判定のフローについて、図2に示すフローチャートに基づいて説明する。本フローは、ECU20に予め記憶されており、ECU20によって所定の間隔で繰り返し実行される。尚、本実施例では、本フローを実行するECU20が、本発明に係る故障判定手段に相当する。
本フローでは、先ずステップS101において、ノズルベーン9の開度の指令値及びWGV18の開度の指令値に基づいて合流排気の温度の基準値である基準排気温度Tgbaseが算出される。ここで、基準排気温度Tgbaseとは、ノズルベーン9の開度及びWGV18の開度がこれらの指令値の通りとなったとき、即ち正常時の合流排気の温度のことである。ノズルベーン9の開度及びWGV18の開度と基準排気温度Tgbaseとの関係は実験等に基づいて予め求めることが出来る。本実施例では、これらの関係がマップとしてECU20に記憶されている。尚、ステップS101の処理を実行するECU20が、本発明に係る基準排気温度算出手段に相当する。
次に、ステップS102において、ノズルベーン9の開度の指令値及びWGV18の開度の指令値に基づいて過給圧の基準値である基準過給圧Pcbaseが算出される。ここで、基準過給圧Pcbaseとは、ノズルベーン9の開度及びWGV18の開度がこれらの指令値の通りとなったとき、即ち正常時の過給圧のことである。ノズルベーン9の開度及びWGV18の開度と基準過給圧Pcbaseとの関係は実験等に基づいて予め求めることが出来る。本実施例ではこれらの関係がマップとしてECU20に記憶されている。尚、ステップS102の処理を実行するECU20が、本発明に係る基準過給圧算出手段に相当する。
次に、ステップS103において、温度センサ24によって検出された合流排気の温度Tgが基準排気温度Tgbaseと同一であり、且つ、圧力センサ23によって検出された過給圧Pcが基準過給圧Pcbaseと同一であるか否かを判別する。このステップS103において肯定判定された場合、ノズルベーン9の開度及びWGV18の開度は共にそれぞれの指令値の通りとなっていると判断できる。そのため、次にステップS107の処理が実行され、ノズルベーン9及びWGV18は正常と判定される。
尚、ステップS103においては、温度センサ24によって検出された合流排気の温度Tgと基準排気温度Tgbaseとが完全に同一ではない場合、また、圧力センサ23によって検出された過給圧Pcと基準過給圧Pcbaseとが完全に同一ではない場合であっても、これらの値とそれぞれの基準値との差がノズルベーン9及びWGV18が正常であると判断できる許容範囲内であれば肯定判定される。
一方、ステップS103において否定判定された場合、次にステップS104の処理が実行される。温度センサ24によって検出された合流排気の温度Tgが基準排気温度Tgbaseよりも高いか否かが判別される。このステップS104において肯定判定された場合、つまり、合流排気の温度Tgが基準排気温度Tgbaseよりも高い場合、上述した故障発生時の合流排気の温度の挙動から、ノズルベーン9の閉弁側故障又はWGV18の開弁側故障が生じていると判断できる。この場合、次にステップS105の処理が実行される。
ステップS105においては、圧力センサ23によって検出された過給圧Pcが基準過
給圧Pcbaseよりも高いか否かが判別される。このステップS105において肯定判定された場合、つまり、過給圧Pcが基準過給圧Pcbaseよりも高い場合、上述した故障発生時の過給圧の挙動から、ノズルベーン9の閉弁側故障が生じていると判断できる。そのため、次にステップS108の処理が実行され、ノズルベーン9の閉弁側故障が生じていると判定される。
また、ステップS105において否定判定された場合、つまり、過給圧Pcが基準過給圧Pcbaseよりも低い場合、WGV18の開弁側故障が生じていると判断できる。そのため、次にステップS108の処理が実行され、WGV18の開弁側故障が生じていると判定される。
一方、ステップS104において否定判定された場合、つまり、合流排気の温度Tgが基準排気温度Tgbaseよりも低い場合、ノズルベーン9の開弁側故障又はWGV18の閉弁側故障が生じていると判断できる。この場合、次にステップS106の処理が実行される。
ステップS106においては、圧力センサ23によって検出された過給圧Pcが基準過給圧Pcbaseよりも低いか否かが判別される。このステップS106において肯定判定された場合、つまり、過給圧Pcが基準過給圧Pcbaseよりも低い場合、ノズルベーン9の開弁側故障が生じていると判断できる。そのため、次にステップS110の処理が実行され、ノズルベーン9の開弁側故障が生じていると判定される。
また、ステップS106において否定判定された場合、つまり、過給圧Pcが基準過給圧Pcbaseよりも高い場合、WGV18の閉弁側故障が生じていると判断できる。そのため、次にステップS111の処理が実行され、WGV18の閉弁側故障が生じていると判定される。
以上説明したフローによれば、ノズルベーン9の故障とWGV18の故障とを区別して故障判定を行うことができる。
1・・・内燃機関
2・・・気筒
3・・・燃料噴射弁
4・・・吸気通路
5・・・インテークマニホールド
6・・・排気通路
7・・・エキゾーストマニホールド
8・・・ターボチャージャ
8a・・コンプレッサ
8b・・タービン
9・・・ノズルベーン
10・・排気浄化触媒
11・・エアフローメータ
12・・スロットル弁
14・・EGR装置
15・・EGR通路
16・・EGR弁
17・・バイパス通路
18・・ウェストゲートバルブ(WGV)
20・・ECU
21・・クランクポジションセンサ
22・・アクセル開度センサ
23・・圧力センサ
24・・温度センサ

Claims (6)

  1. 内燃機関の排気通路に設けられており、ノズルベーンを有する過給機のタービンと、
    該タービンのタービンホイールをバイパスして排気が流れるように形成されたバイパス通路と、
    該バイパス通路に設けられ該バイパス通路を流れる排気の流量を調整する排気バイパス弁と、を有する内燃機関の排気系の故障判定装置であって、
    前記タービンから排出された排気と前記バイパス通路を通過した排気とが合流した後の排気の温度を検出する排気温度検出手段と、
    過給圧を検出する過給圧検出手段と、
    前記排気温度検出手段によって検出された排気の温度及び前記過給圧検出手段によって検出された過給圧に基づいて、前記ノズルベーンの故障と前記排気バイパス弁の故障とを区別して判定する故障判定手段と、
    を備えたことを特徴とする内燃機関の排気系の故障判定装置。
  2. 前記ノズルベーンの開度の指令値及び前記排気バイパス弁の開度の指令値に基づいて、前記タービンから排出された排気と前記バイパス通路を通過した排気とが合流した後の排気の温度の基準値である基準排気温度を算出する基準排気温度算出手段と、
    前記ノズルベーンの開度の指令値及び前記排気バイパス弁の開度の指令値に基づいて、過給圧の基準値である基準過給圧を算出する基準過給圧算出手段と、を更に備え、
    前記故障判定手段が、前記排気温度検出手段によって検出された排気の温度と前記基準排気温度とを比較すると共に、前記過給圧検出手段によって検出された過給圧と前記基準過給圧とを比較することで、前記ノズルベーンの故障と前記排気バイパス弁の故障とを区別して判定することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排気系の故障判定装置。
  3. 前記故障判定手段が、前記排気温度検出手段によって検出された排気の温度が前記基準排気温度より高く、且つ、前記過給圧検出手段によって検出された過給圧が前記基準過給圧より高いときは、前記ノズルベーンの閉弁側故障が生じていると判定することを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の排気系の故障判定装置。
  4. 前記故障判定手段が、前記排気温度検出手段によって検出された排気の温度が前記基準排気温度より高く、且つ、前記過給圧検出手段によって検出された過給圧が前記基準過給圧より低いときは、前記排気バイパス弁の開弁側故障が生じていると判定することを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の排気系の故障判定装置。
  5. 前記故障判定手段が、前記排気温度検出手段によって検出された排気の温度が前記基準排気温度より低く、且つ、前記過給圧検出手段によって検出された過給圧が前記基準過給圧より高いときは、前記排気バイパス弁の閉弁側故障が生じていると判定することを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の排気系の故障判定装置。
  6. 前記故障判定手段が、前記排気温度検出手段によって検出された排気の温度が前記基準排気温度より低く、且つ、前記過給圧検出手段によって検出された過給圧が前記基準過給圧より低いときは、前記ノズルベーンの開弁側故障が生じていると判定することを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の排気系の故障判定装置。
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