JP5482719B2 - 内燃機関の故障検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、アルコールを含む燃料を使用可能な内燃機関において生じた故障を検出する故障検出装置に関する。

アルコールやアルコールが混合したガソリンを燃料として使用することのできるＦＦＶ（Flexible Fuel Vehicle）が知られている。そのようなＦＦＶ用の内燃機関では、使用されている燃料のアルコール濃度を判別するためにアルコール濃度センサが備えられている。アルコール濃度センサのセンサ出力値は、内燃機関の空燃比制御におけるパラメータとして用いられる。これにより、どのようなアルコール濃度の燃料が用いられている場合であっても、所望のトルクが得られるだけでなく、満足のいくエミッション性能をも担保できるようになる。

このように、ＦＦＶ用内燃機関におけるアルコール濃度センサは、内燃機関の性能を担保する上で重要な役割を有している。ところが、他のセンサの場合と同様、アルコール濃度センサが常に正常に機能しているという保証はない。断線や短絡、或いはセンサ素子の劣化等、何らかの故障がアルコール濃度センサに発生する場合がある。そのような場合にアルコール濃度センサのセンサ出力値を用いて内燃機関の制御を行ってしまうと、使用燃料のアルコール濃度にあった適切な運転を行うことができず、エミッション性能や燃費性能といった内燃機関の性能の悪化を招いてしまうことになる。このため、ＦＦＶ用内燃機関では、アルコール濃度センサに何らかの故障が発生した場合に、それを速やかに且つ正しく検出することが必要とされている。

アルコール濃度センサの故障検出の方法としては、例えば、特開２０１０−０４８１１７号公報に開示されている方法が知られている。この公報に開示された方法によれば、空燃比センサを用いた空燃比フィードバック制御にかかるフィードバック補正量からアルコール濃度の推定が行われる。そして、推定したアルコール濃度とアルコール濃度センサの出力値から得られたアルコール濃度とを比較することによって、アルコール濃度センサに故障が発生していないかどうか判断される。つまり、この方法では、空燃比フィードバック制御において得られたアルコール濃度の推定値を基準として、アルコール濃度センサの故障検出が行われる。

特開２０１０−０４８１１７号公報 特開２０１０−１９００７５号公報 特開２００９−０４７００３号公報

しかしながら、前述の公報に開示された方法には問題がある。前述の公報に開示された方法は、空燃比フィードバック制御において得られたアルコール濃度の推定値が正しいという前提に立っているが、実際には必ずしもそうではない。空燃比の変動要因にはアルコール濃度以外にも様々な要因があり、インジェクタや吸入空気量センサを含む燃料噴射制御システムに故障が生じた場合にも実際の空燃比と目標空燃比との間にはずれが生じてしまう。この場合、フィードバック補正量から推定されたアルコール濃度は真のアルコール濃度を表していないため、故障検出の基準として用いるには不適当なものとなる。つまり、前述の公報に開示された方法では、燃料噴射制御システムの故障とアルコール濃度センサの故障とを区別することはできない。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、アルコールを含む燃料を使用可能な内燃機関において故障が発生した場合に、その故障箇所を特定することのできる故障検出装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、アルコールを含む燃料を使用可能な内燃機関において生じた故障を検出する装置であって、排気ガスの空燃比を目標空燃比に合わせるための空燃比フィードバック制御にかかるフィードバック補正量から燃料のアルコール濃度を推定するアルコール濃度推定手段と、燃料のアルコール濃度に応じて出力が決まるアルコール濃度センサと、燃料タンク内の燃料の残量と燃料のアルコール濃度とに応じて出力値が決まる静電容量式の燃料残量センサと、前記アルコール濃度センサのセンサ出力値によって前記燃料残量センサのセンサ出力値を補正するセンサ出力値補正手段と、アルコール濃度に依存しない所定の基準値を用いて前記燃料残量センサの補正されたセンサ出力値の精度が正常かどうかを診断する第１の診断手段と、アルコール濃度の推定値と前記アルコール濃度センサのセンサ出力値とを比較することによって両者の対応関係が正常かどうかを診断する第２の診断手段と、前記第１の診断手段による診断の結果と前記第２の診断手段による診断の結果との組み合わせによって、前記内燃機関に故障が発生しているかどうか、故障が発生しているのであれば故障の発生箇所が前記アルコール濃度センサ、前記燃料残量センサ、或いは、インジェクタや吸入空気量センサを含む燃料噴射制御システムの何れであるかを判定する故障判定手段と、を備えることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、前記故障判定手段は、前記第１の診断手段により正常であるとの診断が下され、前記第２の診断手段により異常であるとの診断が下された場合には、前記燃料噴射制御システムに故障が発生していると判断することを特徴としている。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記故障判定手段は、前記第１の診断手段により異常であるとの診断が下され、前記第２の診断手段により正常であるとの診断が下された場合には、前記燃料残量センサに故障が発生していると判断することを特徴としている。

第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、前記故障判定手段は、前記第１の診断手段により異常であるとの診断が下され、前記第２の診断手段により異常であるとの診断が下された場合には、前記アルコール濃度センサに故障が発生していると判断することを特徴としている。

本発明によれば、内容の異なる２つの診断が行われる。まず、第１の診断では、アルコール濃度に依存しない所定の基準値を用いて燃料残量センサの補正されたセンサ出力値の精度が正常かどうか診断される。この診断結果が正常であるならば、アルコール濃度センサと燃料残量センサのどちらも正常であることが判明する。一方、この診断の結果が異常であるならば、アルコール濃度センサと燃料残量センサの何れかに故障が発生していることが判明する。第２の診断では、空燃比フィードバック制御にかかるフィードバック補正量から得られたアルコール濃度の推定値とアルコール濃度センサのセンサ出力値との対応関係が正常かどうか診断される。この診断結果が正常であるならば、アルコール濃度センサと燃料噴射制御システムのどちらも正常であることが判明する。一方、この診断の結果が異常であるならば、アルコール濃度センサと燃料噴射制御システムの何れかに故障が発生していることが判明する。自動車で用いられている内燃機関においては、アルコール濃度センサ、燃料残量センサ、及び燃料噴射制御システムの中の何れか１つが故障する可能性はあっても、それらの内の複数が同時に故障する確率は無視できる程度に極めて低い。したがって、第１の診断の結果と第２の診断の結果とを組み合わせれば、故障の発生箇所がアルコール濃度センサ、燃料残量センサ、或いは、燃料噴射制御システムの何れであるかを高い精度で特定することができる。具体的には、第１の診断の結果が正常であり、第２の診断の結果が異常である場合には、燃料噴射制御システムに故障が発生していると判断することができる。また、第１の診断の結果が異常であり、第２の診断の結果が正常である場合には、燃料残量センサに故障が発生していると判断することができる。そして、第１の診断の結果が異常であり、第２の診断の結果も異常である場合には、アルコール濃度センサに故障が発生していると判断することができる。一方、第１の診断の結果が正常であり、第２の診断の結果も正常である場合には、アルコール濃度センサ、燃料残量センサ、及び燃料噴射制御システムの何れにも故障は発生していないと判断することができる。

本発明の実施の形態の故障検出装置を備える内燃機関の燃料供給システムの構成を示す概略図である。 静電容量式の燃料残量センサの出力特性を示す図である。 本発明の実施の形態にてＥＣＵにより実行される故障検出のためのルーチンを示すフローチャートである。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１について図を参照して説明する。

本実施の形態の故障検出装置は、エタノール、ガソリン、及びエタノール混合ガソリンを燃料として使用可能なＦＦＶ用内燃機関に適用される。図１は、本実施の形態の故障検出装置を備える内燃機関の燃料供給システムの構成を示す概略図である。

図１に示す燃料供給システムは、燃料タンク２の内部にエタノール濃度センサ１６を備えている。ただし、エタノール濃度センサ１６は、燃料タンク２の貯留燃料に直接に浸けられているのではなく、燃料タンク２の内部に用意された燃料容器１８に収容されている。燃料容器１８は上部が開放された容器で、底部には燃料容器１８の内部に溜まった燃料を排出するための燃料排出口１８ａが開けられている。本実施の形態で用いられるエタノール濃度センサ１６は静電容量式センサであり、その電極部１６ａが燃料容器１８の内部に完全に収容されるように配置されている。

燃料容器１８には、リターン流路１２の先端部が接続されている。リターン流路１２は、燃料タンク２内の燃料を吸い上げて加圧する燃料ポンプ４と、各気筒のインジェクタ１０に燃料を分配するデリバリパイプ８とを接続するメイン流路６から分岐した流路である。リターン流路１２の途中にはプレッシャレギュレータ１４が設けられている。プレッシャレギュレータ１４は、メイン流路６の内部の燃料圧力を調整するための弁であり、それが開くことで加圧燃料の一部がリターン流路１２を経由して燃料タンク２へ戻されるようになる。そのときリターン流路１２から排出される燃料が燃料容器１８に注入されることで、エタノール濃度センサ１６の電極部１６ａが燃料に浸かり、エタノール濃度センサ１６によるエタノール濃度の計測が可能になる。なお、燃料容器１８の内部に燃料を貯めることができるように、燃料排出口１８ａの穴径は、そこから排出される燃料の流量がリターン流路１２から注入される燃料の流量を超えることのないように設計されている。

また、燃料タンク２の内部には、燃料残量センサ２２が配置されている。燃料残量センサ２２は静電容量式センサであり、その電極部２２ａが燃料タンク２の天井部から底部に向けて延びている。静電容量式センサである燃料残量センサ２２は、図２に示すように、その出力値が燃料タンク２内の燃料の残量と燃料のエタノール濃度とによって決まるという出力特性を有している。図２では、エタノール濃度が０％の燃料（Ｅ０）における燃料残量とセンサ出力値の関係と、エタノール濃度が８５％の燃料（Ｅ８５）における燃料残量とセンサ出力値の関係とがグラフで示されている。なお、本明細書における燃料残量とは、燃料の質量ではなく燃料の体積を意味する。

エタノール濃度センサ１６と燃料残量センサ２２の各センサ出力値は、内燃機関の制御装置であるＥＣＵ２０に取り込まれる。ＥＣＵ２０は、エタノール濃度センサ１６のセンサ出力値から使用燃料のエタノール濃度を判別する。判別されたエタノール濃度は、空燃比制御において燃料噴射量を決定するためのパラメータとして使用される。また、判別されたエタノール濃度は、燃料残量センサ２２のセンサ出力値から燃料残量を得る過程でも使用される。前述のように、燃料残量センサ２２のセンサ出力値は、燃料残量とエタノール濃度の双方の影響を受けている。このため、燃料残量センサ２２のセンサ出力値を用いて燃料残量を計測するためには、センサ出力値からエタノール濃度に依存する成分を排除する必要がある。ＥＣＵ２０は、燃料残量センサ２２のセンサ出力値をエタノール濃度センサ１６のセンサ出力値で補正し、燃料残量センサ２２の補正されたセンサ出力値をもとに燃料残量を計算している。

また、エタノール濃度センサ１６や燃料残量センサ２２のセンサ出力値以外にも、他の各種センサのセンサ出力値がＥＣＵ２０に取り込まれている。本実施の形態において内燃機関に備えられるセンサには、燃料タンク２内の所定高さに配置されて貯留燃料の液面を検出する液面検出スイッチ２４が含まれている。液面検出スイッチ２４は、燃料タンク２内の燃料の液面がスイッチよりも高い位置ではオン信号を出力し、液面がスイッチよりも低くなったらオフ信号を出力する。ＥＣＵ２０は、液面検出スイッチ２４の信号を後述する故障検出処理に利用している。

さらに、ＥＣＵ２０には、排気通路に配置された排気ガスセンサ２６のセンサ出力値も取り込まれている。排気ガスセンサ２６は排気ガス中の酸素濃度に応じた信号を出力するセンサである。ＥＣＵ２０は、排気ガスセンサ２６のセンサ出力値をもとに排気ガスの空燃比を目標空燃比に合わせるための空燃比フィードバック制御を実施している。また、ＥＣＵ２０は、この空燃比フィードバック制御にかかるフィードバック補正量から使用燃料のアルコール濃度を推定している。フィードバック補正量からエタノール濃度を推定する方法は既によく知られた方法であることから、その詳細な内容についての説明は省略する。ＥＣＵ２０は、空燃比制御において燃料噴射量を決定するためのパラメータとしてエタノール濃度の推定値を使用している。

本実施の形態の故障検出装置は、以上のような燃料供給システムの構成において、ＥＣＵ２０が故障検出装置の演算処理装置として機能することによって実現される。ＥＣＵ２０がそのような装置として機能する場合、ＥＣＵ２０は、図３のフローチャートに示す故障検出のためのルーチンを実行する。このルーチンでは、２種類の特徴的な診断が行われ、その診断結果の組み合わせによって故障の発生の有無が判定されるとともに、故障の発生箇所の特定が行われる。故障特定の対象となっているのは、エタノール濃度センサ１６、燃料残量センサ２２、そして、燃料噴射制御システムの３箇所である。ここでいう燃料噴射制御システムとは、インジェクタ１０や図示しない吸入空気量センサ（エアフローメータ）及び排気ガスセンサ２６などのハードを含む燃料噴射制御のためのシステムを意味する。なお、本ルーチンは、内燃機関の運転中に一定の周期で実行される。

本ルーチンによれば、その最初のステップＳ２において空燃比フィードバック制御において得られたエタノール濃度の推定値がメモリより読み込まれる。ステップＳ４ではエタノール濃度センサ１６のセンサ出力値が取り込まれる。また、ステップＳ６において燃料残量センサ２２のセンサ出力値が取り込まれる。そして、ステップＳ８においてエタノール濃度センサ１６のセンサ出力値により燃料残量センサ２２のセンサ出力値を補正することが行われる。例えば、エタノール濃度センサ１６のセンサ出力値に応じて補正係数を決定し、その補正係数を燃料残量センサ２２のセンサ出力値に乗算することが行われる。ステップＳ１０では、燃料残量センサ２２の補正されたセンサ出力値から燃料タンク２の燃料残量が計算される。

ステップＳ１２では、ステップＳ１０で計算された燃料残量の計算値が正しいかどうか診断される。これが故障検出のための第１の診断である。この診断は、液面検出スイッチ２４の信号がオンからオフへ、或いはオフからオンへ切り替わるのを待って行われる。信号のオンからオフへの切り替わりは、燃料の消費によって液面が低下したときに生じる。信号のオフからオンへの切り替わりは、給油によって液面が上昇したときに生じる。液面検出スイッチ２４の信号が切り替わるとき、そのときの液面の高さは液面検出スイッチ２４が設置されている高さに一致している。液面検出スイッチ２４の高さにおける燃料残量は既知であり、検証用の既知情報としてＥＣＵ２０に記憶されている。

ステップＳ１２の第１の診断では、液面検出スイッチ２４の信号が切り替わったとき、その時点においてステップＳ１０で計算された燃料残量の計算値と、ＥＣＵ２０に記憶されている検証用の燃料残量とが比較される。その比較の結果、燃料残量の計算値と検証用の燃料残量との差の大きさが所定の閾値以下である場合、燃料残量の計算値は正しいと診断される。燃料残量の計算値が正しければ、その計算に使用されているエタノール濃度センサ１６のセンサ出力値と燃料残量センサ２２のセンサ出力値のどちらも正常な値であると判断することができる。つまり、エタノール濃度センサ１６と燃料残量センサ２２のどちらも正常であると判断することができる。

一方、燃料残量の計算値と検証用の燃料残量との差の大きさが閾値を越えるのであれば、燃料残量の計算値は正しいとは言えない。燃料残量の計算値が正しくない場合、その原因となっているのはエタノール濃度センサ１６と燃料残量センサ２２の何れかの故障である。これらのセンサの両方が同時に故障する確率は無視できる程度に低いため、燃料残量の計算値が正しくないのであれば、エタノール濃度センサ１６と燃料残量センサ２２の何れか一方に故障が発生していると判断することができる。

第１の診断に続いて行われるのが、故障検出のための第２の診断である。この第２の診断は、診断の結果が正常であった場合にも、異常であった場合にも共に実行される。ステップＳ１４で行われるのが診断の結果が正常であった場合の第２の診断であり、ステップＳ１６で行われるのが診断の結果が異常であった場合の第２の診断である。両ステップＳ１４、Ｓ１６では共通の方法で診断が行われる。

第２の診断では、ステップＳ２で読み込まれたエタノール濃度の推定値とステップＳ４で取得されたエタノール濃度センサ１６のセンサ出力値とが比較される。そして、両者の対応関係が正常かどうか、具体的には、エタノール濃度の推定値とエタノール濃度センサ１６のセンサ出力値から得られるエタノール濃度との差が所定の閾値以下であるかどうか判定される。両者の差が閾値以下であるならば、エタノール濃度の推定値はエタノール濃度センサ１６のセンサ出力値に対して正常な関係にあると診断される。エタノール濃度の推定値の信頼性は、フィードバック制御量を左右する燃料噴射制御システムが正常かどうかによって決まる。したがって、この場合は、燃料噴射制御システムとエタノール濃度センサ１６のどちらにも異常は無いと判断することができる。

一方、エタノール濃度の推定値とエタノール濃度センサ１６のセンサ出力値から得られるエタノール濃度との差が閾値を越えるのであれば、エタノール濃度の推定値はエタノール濃度センサ１６のセンサ出力値に対して正常な関係には無いと診断される。その原因となっているのは、燃料噴射制御システムとエタノール濃度センサ１６の何れかの故障である。この場合、燃料噴射制御システムとエタノール濃度センサ１６の両方が同時に故障する確率は無視できる程度に低いことから、燃料噴射制御システムとエタノール濃度センサ１６の何れか一方に故障が発生していると判断することができる。

故障の有無の判定と故障箇所の特定は以上の２つの診断の結果に基づいて行われる。まず、ステップＳ１２における第１の診断の結果は正常であり、ステップＳ１４の第２の診断の結果も正常である場合には、ステップＳ１８においてエタノール濃度センサ１６、燃料残量センサ２２、及び燃料噴射制御システムの何れにも故障は発生していないとの判断がなされる。

ステップＳ１２における第１の診断の結果は正常であるが、ステップＳ１４の第２の診断の結果は異常である場合には、ステップＳ２０において燃料噴射制御システムに故障が発生しているとの判断がなされる。第２の診断の結果は、燃料噴射制御システムとエタノール濃度センサ１６のどちらかに故障の可能性があることを示し、第１の診断の結果は、そのうちのエタノール濃度センサ１６に関しては正常であることを示しているからである。つまり、第１の診断の結果と第２の診断の結果とを照らし合わせることによって、故障箇所が燃料噴射制御システムであることが特定される。

また、ステップＳ１２における第１の診断の結果は異常であるが、ステップＳ１４の第２の診断の結果は正常である場合には、ステップＳ２２において燃料残量センサ２２に故障が発生しているとの判断がなされる。第１の診断の結果は、エタノール濃度センサ１６と燃料残量センサ２２のどちらかに故障の可能性があることを示し、第２の診断の結果は、そのうちのエタノール濃度センサ１６に関しては正常であることを示しているからである。つまり、第１の診断の結果と第２の診断の結果とを照らし合わせることによって、故障箇所が燃料残量センサ２２であることが特定される。

そして、ステップＳ１２における第１の診断の結果は異常であり、ステップＳ１４の第２の診断の結果も異常である場合には、ステップＳ２４においてエタノール濃度センサ１６に故障が発生しているとの判断がなされる。第１の診断の結果は、エタノール濃度センサ１６と燃料残量センサ２２のどちらかに故障の可能性があることを示し、第２の診断の結果は、燃料噴射制御システムとエタノール濃度センサ１６のどちらかに故障の可能性があることを示しているからである。同時に２箇所以上が故障するする可能性は極めて低いことを考慮すれば、第１の診断の結果と第２の診断の結果とを照らし合わせることによって、故障箇所がエタノール濃度センサ１６であることを特定することができる。

以上のようなルーチンによる故障検出の方法によれば、故障が発生した場合に、その故障の発生箇所がエタノール濃度センサ１６、燃料残量センサ２２、或いは、燃料噴射制御システムの何れであるかを高い精度で特定することができる。なお、本ルーチンの実行によって故障が検出された場合、ＥＣＵ２０は、特定した故障箇所に応じたフラグを立てるとともにＭＩＬなどの報知手段によってドライバに故障の発生を報知する。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、上述の実施の形態のものから種々変形して実施することができる。例えば、アルコール濃度センサ（上述の実施の形態ではエタノール濃度センサ）はメイン流路の途中に搭載することも可能である。さらに、燃料タンクの燃料にアルコール濃度センサが直接浸かるように搭載することも可能である。また、アルコール濃度センサは静電容量式のものには限定されない。センサ出力値からアルコール濃度を判別できるセンサであるならば、そのセンシングの方法には限定はない。例えば、屈折率、透過率、比重、或いは密度等からアルコール濃度を計測するセンサを用いることができる。

また、液面検出スイッチに代えてフロート式燃料残量センサを備えてもよい。フロート式燃料残量センサのセンサ出力値は、静電容量式のものとは異なってアルコール濃度の影響を受けない。このため、フロート式燃料残量センサのセンサ出力値から燃料タンクの燃料残量を計測すれば、燃料残量の計算値の精度を診断するための情報として使用することができる。具体的には、アルコール濃度センサの出力値と燃料残量センサの出力値とを用いて計算された燃料残量の計算値と、フロート式燃料残量センサにより計測された燃料残量の計測値とを比較することにより、燃料残量の計算値が正しいかどうかを診断することができる。

２ 燃料タンク
４ 燃料ポンプ
６ メイン流路
８ デリバリパイプ
１０ インジェクタ
１２ リターン流路
１４ プレッシャレギュレータ
１６ エタノール濃度センサ
１８ 燃料容器
２０ ＥＣＵ
２２ 燃料残量センサ
２４ 液面検出スイッチ
２６ 排気ガスセンサ

Claims (4)

1. アルコールを含む燃料を使用可能な内燃機関において生じた故障を検出する装置であって、
   排気ガスの空燃比を目標空燃比に合わせるための空燃比フィードバック制御にかかるフィードバック補正量から燃料のアルコール濃度を推定するアルコール濃度推定手段と、
   燃料のアルコール濃度に応じて出力が決まるアルコール濃度センサと、
   燃料タンク内の燃料の残量と燃料のアルコール濃度とに応じて出力値が決まる静電容量式の燃料残量センサと、
   前記アルコール濃度センサのセンサ出力値によって前記燃料残量センサのセンサ出力値を補正するセンサ出力値補正手段と、
   アルコール濃度に依存しない所定の基準値を用いて前記燃料残量センサの補正されたセンサ出力値の精度が正常かどうかを診断する第１の診断手段と、
   アルコール濃度の推定値と前記アルコール濃度センサのセンサ出力値とを比較することによって両者の対応関係が正常かどうかを診断する第２の診断手段と、
   前記第１の診断手段による診断の結果と前記第２の診断手段による診断の結果との組み合わせによって、前記内燃機関に故障が発生しているかどうか、故障が発生しているのであれば、故障の発生箇所が前記アルコール濃度センサ、前記燃料残量センサ、或いは、インジェクタや吸入空気量センサを含む燃料噴射制御システムの何れであるかを判定する故障判定手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の故障検出装置。
2. 前記故障判定手段は、前記第１の診断手段により正常であるとの診断が下され、前記第２の診断手段により異常であるとの診断が下された場合には、前記燃料噴射制御システムに故障が発生していると判断することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の故障検出装置。
3. 前記故障判定手段は、前記第１の診断手段により異常であるとの診断が下され、前記第２の診断手段により正常であるとの診断が下された場合には、前記燃料残量センサに故障が発生していると判断することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の故障検出装置。
4. 前記故障判定手段は、前記第１の診断手段により異常であるとの診断が下され、前記第２の診断手段により異常であるとの診断が下された場合には、前記アルコール濃度センサに故障が発生していると判断することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関の故障検出装置。

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