JP6156415B2 - エアクリーナの圧損推定方法、および圧損推定装置 - Google Patents

エアクリーナの圧損推定方法、および圧損推定装置 Download PDF

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Description

本発明は、過給機を構成するコンプレッサの上流側に配置されるエアクリーナの圧損推定方法、および圧損推定装置に関する。
この種の方法および装置に関する従来技術として、下記の特許文献１〜３に記載されたものがある。
特許文献１に記載の従来技術は、次のように構成されている。空気清浄器のエレメントの入口側の負圧と当該エレメントの出口側の負圧とをそれぞれ圧力変換器によって電気的に検出し、この検出値に基づいてエレメントの目詰まり具合を推定する。
特許文献２に記載の従来技術は、次のように構成されている。エアクリーナとエアフロメータとの間の吸気管にエアクリーナ出口圧力センサを取り付け、この圧力センサで検出されたエアクリーナの出口圧力と、エアフロメータで検出された吸入空気量とに基づいてエアクリーナの圧力損失を算出する。
特許文献３に記載の従来技術は、次のように構成されている。エアフローセンサとエンジンとの間の吸気通路に吸気圧センサを取り付け、この圧力センサで検出された吸入空気の圧力と、エアフローセンサで検出された吸入空気量とに基づいてエアクリーナの寿命パラメータを算出する。
実公昭５８−１５８９５号公報 特開２０００−９７０１１号公報 特開２０１３−３６３８２号公報
上記の従来技術には次の問題がある。特許文献１、２に記載の従来技術では、エアクリーナの圧力損失などを推定（算出）するために、通常は設置されていない計器（特許文献１では前記した圧力変換器、特許文献２では前記したエアクリーナ出口圧力センサ）を設置しなければならないので、部品点数がその分増大して製造コストが上がってしまう。特許文献３に記載の従来技術は、自然吸気エンジンのみに適用可能で、過給機を構成するコンプレッサがエアクリーナとエンジンとの間の吸気通路に配置される過給機付きエンジンには適用できない。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、過給機付きエンジンの吸気通路に設置されるエアクリーナの圧損を、部品点数を増大させることなく推定することができる方法を提供することである。
本発明は、過給機を構成するコンプレッサの上流側に配置されるエアクリーナの圧損推定方法であり次の工程を備える。前記コンプレッサの出口側圧力を既存の状態量センサの出力値を用いて算出する第１工程と、前記コンプレッサの入口側圧力と出口側圧力との比と、吸気管を流れるガス流量との関係を表す前記コンプレッサの特性マップを用いて、算出された前記出口側圧力の値から前記入口側圧力を算出する第２工程と、算出された前記入口側圧力の値から前記エアクリーナの圧損を算出する第３工程と、を備えるエアクリーナの圧損推定方法である。
なお、本発明は、前記した各工程を行う制御装置（例えばＥＣＵ）を備えるエアクリーナの圧損推定装置でもある。
本発明によれば、過給機付きエンジンの吸気通路に設置されるエアクリーナの圧損を既存の状態量センサの出力値を利用して算出するので、部品点数を増大させることなく当該圧損を推定することができる。
本発明の一実施形態に係るエアクリーナの圧損推定方法を説明するための過給機付きエンジンの概略図である。 本発明の一実施形態に係るエアクリーナの圧損推定方法の手順を示すフローチャートである。 ガス流量と圧損との関係を表すテーブルを示す図である。 コンプレッサの特性マップを示す図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
（過給機付きエンジンの構成）
まず、図１に基づいて、一例として示す過給機付きエンジンの構成を説明する。エンジン本体１には、インテークマニホールド２と排気マニホールド３が接続される。インテークマニホールド２には吸気管１３が接続され、吸気管１３にはインタークーラ８が接続され、インタークーラ８には吸気管１２が接続され、吸気管１２には過給機６のコンプレッサ４を介して吸気管１１が接続され、吸気管１１にはエアクリーナ７が接続される。エンジン本体１への吸気量は、吸気管１１に取り付けられたエアフロメータ２１（ガス流量センサ）で検出される。
排気マニホールド３には排気管１４が接続され、排気管１４の経路中に過給機６の排気タービン５が配置される。また、インテークマニホールド２と排気マニホールド３との間はＥＧＲ管１７で接続されており、ＥＧＲ管１７の経路中にＥＧＲクーラ９が配置される。インテークマニホールド２とＥＧＲ管１７との間にはＥＧＲバルブ１５が設置される。ＥＧＲバルブ１５は、エンジン本体１へ還流させる排ガスの流量を調節するためのバルブである。なお、ＥＧＲは、「Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ」の略語である。また、排気管１４のバイパス管１８にはウェイストゲートバルブ１６が設置される。ウェイストゲートバルブ１６は、エンジン本体１への過給圧を制御するための排気逃がし弁であり、排気のバイパス量を変化させることで排気タービン５に流入する排気流量を調整する。エンジン本体１への過給圧は、インテークマニホールド２に取り付けられた過給圧センサ２２で検出される。
エアフロメータ２１および過給圧センサ２２の出力信号は、ＥＣＵ１０（電子制御ユニット、制御装置）に入力される。ＥＧＲバルブ１５およびウェイストゲートバルブ１６はＥＣＵ１０により制御される。
エンジン本体１への過給を行う過給機６は、回転数制御を行うことが可能な電動過給機であり、排気タービン５のタービンホイール（不図示）とコンプレッサ４のインペラ（不図示）とがタービンシャフト（不図示）を介して一体構造とされている。エンジン本体１からの排気によってタービンホイールが回転し、その動力でインペラが回転する。インペラの回転により圧縮した空気がエンジン本体１に供給される。
過給機６の回転数（ターボ回転数）はＥＣＵ１０により制御される。過給機６の回転数の検出は、過給機６に取り付けられる回転数センサ（不図示）、過給機６を構成する電動モータ（不図示）の電流センサなどで行われる。これらセンサの出力信号がＥＣＵ１０に入力され当該ＥＣＵ１０にて回転数に変換される。
（エアクリーナの圧力損失の推定）
図１、２を参照しつつ、エアクリーナ７の圧損推定方法について説明する。なお、以下に記載する図２に示す各工程（各処理）はＥＣＵ１０が行う。
エンジン本体１（エンジン）の冷却水の温度が、所定の温度よりも高いか否かをまず判定する（ステップ１、以下、Ｓ１と呼ぶ。他のステップも同様）。Ｓ１において「低水温」と判定されたら、以降の処理（ステップ）を行わない。低水温の場合、インタークーラ８内に氷が発生している可能性があり、インタークーラ８での圧損（ΔＰic）を、エアフロメータ２１で検出される吸気管１１，１２，１３を流れるガスの流量から推定すると誤差が大きい可能性があるからである。
冷却水の温度が所定の温度よりも高いことが確認されたら、コンプレッサ４の出口側圧力Ｐ３（出口部圧力）を次式から算出する（Ｓ２、第１工程）。
Ｐ３＝ＰＩＭ＋ΔＰpipe1＋ΔＰpipe2＋ΔＰic
ＰＩＭ：エンジン本体１への過給圧
ΔＰpipe1：吸気管１３部分の配管圧損
ΔＰpipe2：吸気管１２部分の配管圧損
ΔＰic：インタークーラ８での圧損
ＰＩＭは、過給圧センサ２２で検出される。ΔＰpipe1、ΔＰpipe2、およびΔＰicは、エアフロメータ２１で検出されたガス流量（単位：ｇ／ｓ）から、図３に示すような予め作成されているテーブル（ガス流量と圧損との関係を表すテーブル）を参照してガス流量に対して２次関数で求められる。配管圧損（ΔＰpipe1、ΔＰpipe2）、およびΔＰicは、経年劣化による圧損増加（圧損変動）がほとんどない。
次に、コンプレッサ４の入口側圧力Ｐ１（入口部圧力）と前記Ｐ３との比であるＰ３／Ｐ１と、エアフロメータ２１で検出される吸気管１１，１２，１３を流れるガス流量（単位：ｇ／ｓ）との関係を表す、ターボ回転数（コンプレッサ４の回転数でもある）毎の図４に示すコンプレッサ４の特性マップを用いて上記圧力比Ｐ３／Ｐ１を求め、入口側圧力Ｐ１を次式から算出する（Ｓ３、第２工程）。
Ｐ１＝Ｐ３÷圧力比Ｐ３／Ｐ１
入口側圧力Ｐ１が算出されたら、エアクリーナ７の圧損を次式から算出する（Ｓ４、第３工程）。なお、大気圧は、例えば１０１３．２５ｈＰａの値がＥＣＵ１０に入れられている。
エアクリーナの圧損＝Ｐ１−大気圧
上記したＳ１〜Ｓ３により算出（推定）されたエアクリーナ７の圧損が大きければ（Ｓ５）、予め格納されている寿命データに基づいてエアクリーナ７の寿命判定を行い、エアクリーナ７が交換時期に到達していることを警告の点灯表示などでドライバーに知らせる。また、算出（推定）されたエアクリーナ７の圧損が非常に大きい場合には、エアクリーナ７に異物（例えば、雪や氷）が吸い込まれており、一時的な異常状態になっている可能性が想定されるので、これを点灯表示などでドライバーに知らせる（Ｓ６）。
（作用・効果）
前記したエアクリーナ７の圧損推定方法においては、エアフロメータ２１、過給圧センサ２２、回転数制御の電動過給機の回転数センサまたは電流センサ、エンジンの冷却水の温度を検出する温度センサというような電動過給機付きの水冷式エンジンにおいてそもそも必要な（既存の）状態量センサの出力値を利用して、エアクリーナ７の圧損を算出（推定）する。そのため部品点数が増大することはない。すなわち、過給機付きエンジンの吸気通路に設置されるエアクリーナ７の圧損を、部品点数を増大させることなく推定することができる。
なお、特許文献３に記載の従来技術は、吸入空気量と吸気圧とが１対１となるような条件でのみ使用可能であり、本願の図１で示すようなＥＧＲシステムを有するエンジンにおけるＥＧＲ導入時には使用できない。一方、本発明に係る前記したエアクリーナ７の圧損推定方法においては、過給圧センサ２２で検出されるエンジン本体１への過給圧をベースとして、コンプレッサ４の入口側圧力Ｐ１を算出（推定）することでエアクリーナ７の圧損を算出する。そのため、本発明に係るエアクリーナの圧損推定方法は、ＥＧＲシステムを有するエンジンにおけるＥＧＲ導入時にも使用することができる。また、コンプレッサ４の入口側圧力Ｐ１、出口側圧力Ｐ３が推定できることで、過給機６のセンサレス（専用のセンサなし）でのセンシングも可能となる。
また、前記した圧損推定方法は、エンジン本体１（エンジン）の冷却水の温度が所定の温度よりも高いか低いかを判定する工程（Ｓ１）を有しており、エンジンの冷却水の温度が所定の温度よりも高い場合に、Ｓ２〜Ｓ４を実施することでエアクリーナ７の圧損を算出している。この構成によると、インタークーラ８付きの過給機付きエンジンであった場合に、インタークーラ８内での氷発生に起因する圧損の誤推定を防止することができる。
（変形例）
上記の実施形態は、次のように変更可能である。
エアクリーナ７の圧損計算（推定）を行うか否かの前記したＳ１のＥＣＵ１０での処理において、エンジンの冷却水の温度を判定に用いる代わりに外気温（外気の温度）を判定に用いてもよい。この場合、外気の温度が所定の温度よりも高い場合に、Ｓ２〜Ｓ４によりエアクリーナの圧損を算出することになる。なお、外気の温度を検出する温度センサは、自動車に通常取り付けられている既存の状態量センサの一つである。また、自動車に大気圧センサが取り付けられている場合は、エアクリーナ７の圧損を大気圧センサの値を用いて算出してもよい。
インタークーラ８を設置していない場合には、インタークーラ８内に氷が発生することがそもそもないため、前記したＳ１を省略してもよい。
吸気管１１の長さが長い場合には、この吸気管１１部分での配管圧損を考慮する必要が出てくる。この場合、前記したＳ４においてエアクリーナ７の圧損を次式から算出する。
エアクリーナの圧損＝Ｐ１＋ΔＰpipe3−大気圧
ΔＰpipe3：吸気管１１部分の配管圧損
過給機が電動過給機でない場合、すなわちターボ回転数を検出するセンサが通常は設けられていない排気過給機などの過給機に関しては、ターボ回転数を検出するセンサを過給機に取り付けることになる。この場合、エアクリーナの圧損推定のために上記センサを取り付けることになるが、その他の計器は既存の状態量センサのみでよい。すなわち、上記センサの取り付けのみでエアクリーナの圧損を推定でき、従来技術に比べて部品点数の増加を最小限に抑えることができる（部品点数の増大は生じない）。
その他に、当業者が想定できる範囲で種々の変更を行えることは勿論である。
１：エンジン本体
２：インテークマニホールド
３：排気マニホールド
４：コンプレッサ
５：排気タービン
６：過給機
７：エアクリーナ
８：インタークーラ
９：ＥＧＲクーラ
１０：ＥＣＵ（制御装置）
１１，１２，１３：吸気管
１４：排気管
１５：ＥＧＲバルブ
１６：ウェイストゲートバルブ
１７：ＥＧＲ管
１８：排気バイパス配管
２１：エアフロメータ（ガス流量センサ）
２２：過給圧センサ
Ｐ１：入口側圧力
Ｐ３：出口側圧力

Claims (4)

  1. 過給機を構成するコンプレッサの上流側に配置されるエアクリーナの圧損推定方法であって、
    前記コンプレッサの出口側圧力を既存の状態量センサの出力値を用いて算出する第１工程と、
    前記コンプレッサの入口側圧力と出口側圧力との比と、吸気管を流れるガス流量との関係を表す前記コンプレッサの特性マップを用いて、算出された前記出口側圧力の値から前記入口側圧力を算出する第２工程と、
    算出された前記入口側圧力の値から前記エアクリーナの圧損を算出する第３工程と、
    を備える、エアクリーナの圧損推定方法。
  2. 請求項１に記載のエアクリーナの圧損推定方法において、
    外気またはエンジンの冷却水の温度が所定の温度よりも高いか低いかを判定する工程をさらに備え、
    外気またはエンジンの冷却水の温度が所定の温度よりも高い場合に、前記第１工程、前記第２工程、および前記第３工程によりエアクリーナの圧損を算出する、エアクリーナの圧損推定方法。
  3. 請求項１または２に記載のエアクリーナの圧損推定方法において、
    前記状態量センサが、インテークマニホールドに取り付けられた過給圧センサ、および吸気管に取り付けられたガス流量センサであり、
    前記コンプレッサの特性マップを用いて、前記過給機の回転数毎に前記コンプレッサの入口側圧力と出口側圧力との比を、吸気管を流れるガス流量から算出する、エアクリーナの圧損推定方法。
  4. 請求項１または２に記載の各工程を行う制御装置を備えるエアクリーナの圧損推定装置。
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