JP6225651B2

JP6225651B2 - 過給機付き内燃機関の故障診断装置

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Publication number: JP6225651B2
Application number: JP2013234569A
Authority: JP
Inventors: 俊夫橋本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2013-11-13
Filing date: 2013-11-13
Publication date: 2017-11-08
Anticipated expiration: 2033-11-13
Also published as: JP2015094300A

Description

本発明は、過給機付き内燃機関の故障診断装置に関するものである。

過給機付き内燃機関のウェイストゲートバルブは、回転軸やバルブの固着、アクチュエータの動作不良、断線などによって開閉動作が不能となる可能性があるため、適切に開閉するかどうかの診断が行われる。ウェイストゲートバルブにロータリエンコーダなどの開度センサを設けると著しくコストアップすることから、過給機の下流に配置した温度センサを用いてウェイストゲートバルブの開閉動作の故障診断を行うことが提案されている（特許文献１）。この従来技術では、ウェイストゲートバルブの開度に応じて排気ガスの温度が変化する位置に温度センサを設け、ウェイストゲートバルブの開度に応じた基準排気温度を予め算出しておき、この基準値と検出値を比較することで、ウェイストゲートバルブの開閉動作に異常があるか否かを診断する。

特開２０１１−１９０７７８号公報

ところで、内燃機関の冷機始動時においては、ウェイストゲートバルブを全開して高温の排気ガスを排気浄化触媒に流し、触媒を活性化させることが必要とされる。しかしながら、上記従来技術では内燃機関の冷機始動時にウェイストゲートバルブの故障診断を実施しない構成であるため、仮に冷機始動時にウェイストゲートバルブが全閉位置で焼付き固着しているにも拘らずこれを放置すると、排気浄化触媒の活性化が遅れエミッション性能が低下するという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、内燃機関の冷機始動時にウェイストゲートバルブの開閉動作の故障診断を行うことで排気性能の低下を抑制できる過給機付き内燃機関の故障診断装置を提供することである。

本発明は、内燃機関の冷機始動時に、ウェイストゲートバルブと排気浄化触媒との間に設けた排気温度センサの出力に基づいてウェイストゲートバルブの開閉動作の故障診断を行うことによって上記課題を解決する。

本発明によれば、内燃機関の冷機始動時にウェイストゲートバルブの開閉動作の故障診断を行うので、当該冷機始動時にウェイストゲートバルブが故障している場合は即座に注意喚起することができる。その結果、内燃機関の冷機始動時における排気性能の低下を抑制することができる。

本発明の一実施の形態に係る過給機付き内燃機関を示すブロック図である。図１のウェイストゲートバルブが全閉した状態を示す拡大断面図である。図１のウェイストゲートバルブが全開した状態を示す拡大断面図である。図１のコントロールユニットによる制御手順を示すフローチャート（その１）である。図１のコントロールユニットによる制御手順を示すフローチャート（その２）である。図１のコントロールユニットによる制御手順を示すタイムチャート（正常診断時）である。図１のコントロールユニットによる制御手順を示すタイムチャート（異常診断時）である。図１のウェイストゲートバルブの全開指示時の排気温度、上限及び下限基準値、推定排気温度の一例を示すグラフである。図１のウェイストゲートバルブの全閉指示時の排気温度、上限基準値及び下限基準値、推定排気温度の一例を示すグラフである。

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る過給機付き内燃機関を示すブロック図であり、内燃機関１（エンジン）の吸気通路１１には、エアーフィルタ１２、吸入空気流量を検出するエアフローメータ１３、吸入空気流量を制御するスロットルバルブ１４、およびコレクタ１５が設けられている。

スロットルバルブ１４には、当該スロットルバルブ１４の開度を検出するスロットルセンサと、スロットルバルブ１４の開度をＤＣモータ等のアクチュエータにより制御することができるスロットルバルブ制御装置とが設けられている。このスロットルバルブ制御装置は、運転者のアクセルペダル操作量等に基づき演算される要求トルクを達成するように、コントロールユニット５０からの駆動信号に基づき、スロットルバルブ１４の開度を電子制御する。

内燃機関１の各気筒の燃焼室１６に臨ませて、燃料噴射バルブ１７が設けられている。燃料噴射バルブ１７は、コントロールユニット５０において設定される駆動パルス信号によって開弁駆動され、燃料ポンプ（不図示）から圧送されてプレッシャレギュレータ（不図示）により所定圧力に制御された燃料を燃焼室１６内に直接噴射する。なお、本例の内燃機関１はこうした直噴式エンジンに限定されず、燃焼室１６の近傍の吸気通路１１に設けられた燃料噴射ポートに燃料噴射バルブ１７からの燃料を噴射し、燃料と空気との混合気を燃焼室１６に導入する内燃機関１でもよい。

点火プラグ２０は、各気筒の燃焼室１６に臨んで装着され、コントロールユニット５０からの点火信号に基づいて吸入混合気に対して点火を行う。なお、本例の内燃機関１は火花点火式エンジンに限定されず、ディーゼルエンジンその他の圧縮着火式エンジンにも適用することができる。

一方、排気通路２１には、排気を浄化するための排気浄化触媒２４が設けられている。この排気浄化触媒２４としては、ストイキ（理論空燃比，λ＝１、空気重量／燃料重量＝１４．７）近傍において排気中の一酸化炭素ＣＯと炭化水素ＨＣを酸化するとともに、窒素酸化物ＮＯｘの還元を行って排気を浄化することができる三元触媒、或いは排気中の一酸化炭素ＣＯと炭化水素ＨＣの酸化を行う酸化触媒を用いることができる。
なお、図１において２３はマフラである。

本例の内燃機関１は過給機３０を有する機関であり、図示する過給機３０は、排気通路２１に設けられたタービン３２と、ロータシャフト３３を介してタービン３２に直結されたコンプレッサ３４とを備え、排気ガスによりタービン３２を回転させ、これにより回転するコンプレッサ３４によって吸気を圧縮してコレクタ１５へ送り込むものである。過給機３０のタービン３２側には、燃焼室１６からの排気ガスの一部または全部が、タービン３２を迂回して排気浄化触媒２４に至る迂回通路３５が設けられている。このタービン３２及び迂回通路３５の周囲を図２Ａ及び図２Ｂに拡大して示す。図２Ａはウェイストゲートバルブ３１が迂回通路３５を全閉した状態を示す拡大断面図、図２Ｂはウェイストゲートバルブ３１が迂回通路３５を全開した状態を示す拡大断面図である。

迂回通路３５の出口には、当該迂回通路３５を通過する排気ガス量とタービン３２を通過する排気ガス量との比を制御するウェイストゲートバルブ３１が設けられている。そして、ウェイストゲートバルブ３１は、内燃機関１の運転状態に応じた目標過給圧となるように、排気ガスの一部または全部を迂回通路３５側へ逃がすように開閉制御する。すなわち、目標過給圧が大きい場合は、図２Ａに示すようにウェイストゲートバルブ３１の開度を小さくして、迂回通路３５を通過する排気ガス量を少なくタービン３２を通過する排気ガス量を多くする。逆に、目標過給圧が小さい場合は、図２Ｂに示すようにウェイストゲートバルブ３１の開度を大きくして、迂回通路３５を通過する排気ガス量を多くタービン３２を通過する排気ガス量を少なくする。なお、ウェイストゲートバルブ３１の開度とは、図２Ａに示す迂回通路３５の出口を閉塞した位置からの開度をいい、図２Ｂに示すように迂回通路３５の出口を全開した状態に近づくほど開度が大きくなる。

ウェイストゲートバルブ３１は、回転軸を中心に図２Ａに示す全閉位置と図２Ｂに示す全開位置との間を開閉駆動する。このためのアクチュエータ３６がウェイストゲートバルブ３１に設けられている。そして、コントロールユニット５０からの開閉指令はこのアクチュエータ３６に対して出力される。なお、本例のウェイストゲートバルブ３１には、ポジショニングセンサなど、その開度を専用で検出するバルブ開度センサは設けられていない。過給機３０の過給圧の制御は、アクチュエータ３６に内蔵されたモータの回転センサと、吸気通路１１に設けられた過給圧センサ（コンプレッサ３４前後の温度センサ２５，２６の検出値により過給圧を演算してもよい）により実行される。なお、排気通路２１のタービン３２の下流であって迂回通路３５との合流部より上流側に、タービン３２の下流の排気通路２１を通過する排気ガス量を制御する排気シャットバルブを設けてもよい。

本例の内燃機関１にあっては、冷機始動時などのように排気浄化触媒２４の温度が活性化温度に達していない場合には、図２Ｂに示すようにウェイストゲートバルブ３１を全開にすることで高温の排気ガスを排気浄化触媒２４に供給し、当該排気浄化触媒２４を短時間で昇温させる。ウェイストゲートバルブ３１は、高温の排気ガスに曝されて高温になり、また排気ガスには未燃ガスやＰＭなど種々の異物が含まれるため異物が付着し易く、これによりウェイストゲートバルブ３１が焼付いて固着し、開閉動作不良になる可能性がある。この動作不良を含めた本例のウェイストゲートバルブ３１の開閉動作の故障診断については後述する。

排気通路２１のタービン３２と排気浄化触媒２４との間には、排気ガスの温度を検出してコントロールユニット５０へ出力する排気温度センサ２２が設けられている。この排気温度センサ２２は、排気ガスの温度が高温となって排気浄化触媒２４、エギゾーストマニホールド３８、タービン３２が損傷するのを抑制するために設けられ、所定温度以上の排気ガス温度を検出したら、コントロールユニット５０から燃料噴射バルブ１７に対して燃料を一時的に増量する指令信号が出力され、これにより排気ガス温度を適切な温度に戻す制御が実行される。

本例の内燃機関１では、この排気温度センサ２２を共用し、ウェイストゲートバルブ３１の開閉動作の故障診断を行うこととしている。このため、排気温度センサ２２は、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、タービン３２を通過した低温の排気ガスと迂回通路３５を通過した高温の排気ガスの両者を検出できる排気通路２１の位置に設けられている。なお、燃焼室１６からエギゾーストマニホールド３８を介して流下する排気ガスがタービン３２を通過すると、当該タービン３２に熱が吸収される。このため、図２Ａに示すようにウェイストゲートバルブ３１を全閉することでタービン３２を通過した排気ガスの温度は、図２Ｂに示すようにウェイストゲートバルブ３１を全開することで迂回通路３５を通過した排気ガスの温度に比べて１００〜１５０度の温度差が生じることが本発明者によって確認されている。

吸気通路１１のコンプレッサ３４の下流とスロットルバルブ１４との間には、過給機３０のコンプレッサ３４によって圧縮されて高温となった吸気を冷却するインタークーラ３７が設けられている。このインタークーラ３７は空冷式または水冷式のいずれをも用いることができる。また、吸気通路１１のコンプレッサ３４の上流とインタークーラ３７の下流との間には、インタークーラ３７を迂回する還流通路７０が設けられ、この還流通路７０に還流バルブ７１が設けられている。還流バルブ７１はコントロールユニット５０からの駆動信号に基づいて還流通路７０を開閉し、たとえばアクセル開度がゼロになってスロットルバルブ１４が閉じたときにコンプレッサ３４で圧縮された吸気を、還流通路７０を介して吸気通路１１の上流に還流させる。

吸気通路１１のコンプレッサ３４の上流側と下流側には、それぞれ温度センサ２５，２６が設けられ、ここを通過する吸気温度をそれぞれ検出し、その検出信号をコントロールユニット５０へ出力する。この２つの温度センサ２５，２６で検出される温度差ΔＴは、過給機３０により圧縮され昇温する前後の吸気温度の差であることから、タービン３２の仕事量に相当する物理量とみなすことができる。なお、タービン３２の仕事量を検出する手段として、温度センサ２５，２６に代えて、コンプレッサ３４の上流及び下流に圧力センサを設け、コンプレッサ３４前後の圧力差をタービン３２の仕事量とみなしてもよい。さらに、これら温度センサ２５，２６および圧力センサに代えて、タービン３２の回転数を検出する回転センサを設け、タービン３２の回転数からタービン３２の仕事量を演算してもよい。

内燃機関１のクランク軸にはクランク角センサ２７が設けられ、コントロールユニット５０は、クランク角センサ２７から機関回転と同期して出力されるクランク単位角信号を一定時間カウントすることで、又は、クランク基準角信号の周期を計測することで、エンジン回転速度Ｎｅを検出することができる。また、運転者により操作されるアクセルペダルには、その踏込み量に相当するアクセル開度を検出するアクセル開度センサ２９が設けられ、その検出信号はコントロールユニット５０へ出力される。さらに、内燃機関１の負荷に相当する駆動系のトルクを検出するトルクセンサ２８が駆動系統に設けられ、その検出信号はコントロールユニット５０へ出力される。また、内燃機関１の冷却ジャケットには、水温センサ３９が当該冷却ジャケットに臨んで設けられ、冷却ジャケット内の冷却水温度を検出し、これをコントロールユニット５０へ出力する。本例の水温センサ３９は内燃機関１の冷機始動状態を検出する手段としても用いられる。

既述したように、各種センサ類１３，１４，２２，２５，２６，２７，２８，２９，３９からの検出信号は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェース等を含んで構成されるマイクロコンピュータからなるコントロールユニット５０に入力され、当該コントロールユニット５０は、センサ類からの信号に基づいて検出される運転状態に応じて、スロットルバルブ１４の開度を制御し、燃料噴射バルブ１７を駆動して燃料噴射量を制御し、点火時期を設定して当該点火時期で点火プラグ２０を点火させる制御を行う。

次にコントロールユニット５０におけるウェイストゲートバルブ３１の故障診断に関する制御手順を説明する。図３及び図４はコントロールユニット５０による制御手順を示すフローチャート、図５及び図６は同じく制御時のタイムチャートであり図５は正常診断時、図６は異常診断時をそれぞれ示す。

まずステップＳＴ１では、内燃機関１が駆動したか否かを判定する。本例のウェイストゲートバルブ３１の故障診断は内燃機関１が駆動している間に実行される。内燃機関１の駆動は、たとえばコントロールユニット５０に入力されるクランク角センサ２７からの出力が所定の周期でＯＮ／ＯＦＦしているか否かにより判定することができる。内燃機関１が駆動している場合はステップＳＴ２へ進み、駆動していない場合は内燃機関１が駆動するまでステップＳＴ１を繰り返す。

ステップＳＴ２では、内燃機関１が冷機始動状態であるか否かを判定する。内燃機関１の冷機始動状態の検出は、水温センサ３９により検出されるエンジン冷却水の温度が所定値以下である場合に冷機始動状態であると判定し、所定値を超える場合は冷機始動状態ではないと判定する。なお、冷機始動状態の検出は水温センサ３９によるエンジン冷却水の温度以外にも、たとえば排気浄化触媒２４の温度を測定又は推定し、この触媒の温度が所定値以下である場合に冷機始動状態であると判定し、所定値を超える場合は冷機始動状態ではないと判定してもよい。内燃機関１が冷機始動状態である場合はステップＳＴ３へ進み、冷機始動状態でない場合はステップＳＴ１４へ進む。

ステップＳＴ３では、ウェイストゲートバルブ（ＷＧＶ）３１を全開させる指令をアクチュエータ３６に出力する。これにより、図２Ｂに示すよう迂回通路３５の出口が開放されるのでエギゾーストマニホールド３８から流下した排気ガスの大部分は迂回通路３５を通過して排気浄化触媒２４に流入することになる。既述したとおり迂回通路３５を通過した排気ガスは、タービン３２を通過した排気ガスに比べて１００〜１５０度程度高温となっていることから、これを排気浄化触媒２４に導入することで触媒の活性温度まで短時間で昇温することができる。なお、ここでいうウェイストゲートバルブ３１の開度は全開にのみ限定されず、実質的に全開となる開度であればよい。

ステップＳＴ４では、予めコントロールユニット５０内のメモリに記憶されている、ウェイストゲートバルブ３１の全開時の第１基本排気温度Ｔ_１０を読み出す。この第１基本排気温度Ｔ_１０は、内燃機関１がスタートしてからたとえば２０秒以内（いわゆるファーストアイドル運転状態）の排気ガス温度を予め測定し、これをメモリに記憶させたものである。

ステップＳＴ５では、エンジン回転速度Ｎｅが安定したか否かを判定する。エンジン回転速度の安定判定は、クランク角センサ２７により検出される回転速度Ｎｅのばらつきが所定範囲内に収束したか否かにより判定することができる。図５及び図６のタイムチャートに示すように、エンジンスタートｔ_０直後のエンジン回転速度は一旦急上昇してから安定領域に入り、エンジンスタートｔ_０直後の期間（診断開始ｔ_１まで）では排気ガスの温度が安定せず、故障診断に適さないからである。エンジン回転速度が安定した場合はステップＳＴ６へ進み、安定していない場合はステップＳＴ４，５を繰り返す。

ステップＳＴ６では、排気温度センサ２２によりタービン３２と排気浄化触媒２４との間の排気ガスの実際の温度Ｔ_１を入力する。次いで、ステップＳＴ７では、ステップＳＴ４で読み出した第１基本排気温度Ｔ_１０を現在の運転状態に応じて補正し、第１推定排気温度Ｔ_１ｅを算出する。運転状態に応じた第１推定排気温度の算出は、内燃機関１の回転速度Ｎｅ、点火プラグ２０の点火時期、吸気量、燃料噴射バルブ１７からの噴射燃料の空燃比、吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミング、内燃機関１の冷却水温度、吸気温度、外気温度及び排気温度センサ２２の応答遅れ時間を考慮して行う。

燃焼室１６で燃焼した後の排気ガスは、内燃機関１の回転速度Ｎｅに応じて排気温度センサ２２に至る時間が変動するので、燃焼室１６からエギゾーストマニホールド３８及び排気温度センサ２２が設けられた位置までの排気通路２１の体積とから第１基本排気温度Ｔ_１０を補正する。また、点火プラグ２０の点火時期が遅角するほど燃焼終期の排気ガスが多く排気されるので点火時期を進角するのに比べて排気ガス温度が高くなる。この点火時期と排気ガス温度との関係によって第１基本排気温度Ｔ_１０を補正する。また、吸気量が多くなると燃焼エネルギが増加するので排気ガス温度が高くなり、噴射燃料の空燃比がストイキから外れると燃焼エネルギが減少するので排気ガス温度が低くなる。この吸気量と排気ガス温度及び空燃比と排気ガス温度との関係によって第１基本排気温度Ｔ_１０を補正する。同様に、吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングと排気ガス温度との関係、冷却水温度と排気ガス温度との関係、吸気温度と排気ガス温度との関係、外気温度と排気ガス温度との関係、排気温度センサ２２の応答遅れ時間と排気ガス温度との関係なども予め実機実験やシミュレーションによって取得しておき、これらの関係に基づいて第１基本排気温度Ｔ_１０を補正する。以上のステップＳＴ７により、図５及び図６の最上段に点線で示す第１基本排気温度Ｔ_１０に対して補正を加えた第１推定排気温度Ｔ_１ｅ（一点鎖線）が算出される。

ステップＳＴ８では、ステップＳＴ７で算出した第１推定排気温度Ｔ_１ｅに対して上限値Ｔ_{１ｅｍａｘ}と下限値Ｔ_{１ｅｍｉｎ}を設定する。第１推定排気温度Ｔ_１ｅに対する所定幅｜Ｔ_{１ｅｍａｘ}−Ｔ_１ｅ｜，｜Ｔ_１ｅ−Ｔ_{１ｅｍｉｎ}｜は予め実機実験やシミュレーションによって取得しておく。図７は、ウェイストゲートバルブ３１の全開指示時の実際の排気温度、第１推定排気温度及びその上限値・下限値の一例を示すグラフである。以上のステップによって第１推定排気温度Ｔ_１ｅを中心とする第１基準温度範囲Ｔ_{１ｅｍａｘ}〜Ｔ_{１ｅｍｉｎ}が設定されるので、ステップＳＴ９では、排気温度センサ２２により検出された実際の排気温度Ｔ_１がこの第１基準温度範囲内にあるか否かを判定する。実際の排気温度Ｔ_１が第１基準温度範囲Ｔ_{１ｅｍａｘ}〜Ｔ_{１ｅｍｉｎ}内にあればステップＳＴ１０へ進み、なければステップＳＴ１１へ進む。

ステップＳＴ１０では、ウェイストゲートバルブ３１を全開することにより高温の排気ガスが排気温度センサ２２により検出されたと判断し、ウェイストゲートバルブ３１の全開近傍の開度における開閉動作は、焼付き固着などの不具合なく、正常に行われたと診断する。図５のタイムチャートにおいて診断開始ｔ_１以降に相当する。

ステップＳＴ１１では、実際の排気温度Ｔ_１が第１基準温度範囲Ｔ_{１ｅｍａｘ}〜Ｔ_{１ｅｍｉｎ}内にないので、第１基準温度範囲の下限値Ｔ_{１ｅｍｉｎ}未満か否かを判定する。実際の排気温度Ｔ_１が第１基準温度範囲の下限値Ｔ_{１ｅｍｉｎ}未満である場合はステップＳＴ１２へ進み、そうでない場合、すなわち実際の排気温度Ｔ_１が第１基準温度範囲の上限値Ｔ_{１ｅｍａｘ}を超える場合はステップＳＴ１３へ進む。そして、ステップＳＴ１２では、実際の排気温度Ｔ_１が第１基準温度範囲の下限値Ｔ_{１ｅｍｉｎ}未満であるので、ウェイストゲートバルブ３１が全閉又はこれに近い閉塞状態で固着するなどの作動不良を起し、その結果、エギゾーストマニホールド３８から流下した排気ガスはタービン３２を通過したものと判断する。そして、ウェイストゲートバルブ３１には、全閉近傍の開度における開閉動作に異常があると診断し、警告表示灯を点灯するなど所定の注意喚起を行う。図６のタイムチャートにおいて診断開始ｔ_１以降に相当する。

これに対して、ステップＳＴ１３では、実際の排気温度Ｔ_１が第１基準温度範囲の上限値Ｔ_{１ｅｍａｘ}を超える温度であるので、内燃機関１そのものが失火又は部分失火等により排気温度が異常に高温になったものと診断し、警告表示灯を点灯するなど所定の注意喚起を行う。

一方、図３のステップＳＴ２において内燃機関１が冷機始動状態ではなかった場合、すなわち暖機状態である場合にも、ウェイストゲートバルブ３１の開閉動作の故障診断を行うことができる。内燃機関１が暖機状態である場合は、ステップＳＴ１４にてウェイストゲートバルブ３１を全閉させる指令をアクチュエータ３６に出力する。これにより、図２Ａに示すよう迂回通路３５の出口が閉塞されるのでエギゾーストマニホールド３８から流下した排気ガスの大部分はタービン３２を通過して排気浄化触媒２４に流入することになる。なお、ここでいうウェイストゲートバルブ３１の開度は全閉にのみ限定されず、実質的に全閉となる開度であればよい。

ステップＳＴ１５では、予めコントロールユニット５０内のメモリに記憶されている、ウェイストゲートバルブ３１の全閉時の第２基本排気温度Ｔ_２０を読み出す。この第２基本排気温度Ｔ_２０は、内燃機関１が暖機状態でウェイストゲートバルブ３１を全閉した状態の排気ガス温度を予め測定し、これをメモリに記憶させたものである。

ステップＳＴ１６では、エンジン回転速度Ｎｅが安定したか否かを判定する。エンジン回転速度の安定判定は、クランク角センサ２７により検出される回転速度Ｎｅのばらつきが所定範囲内に収束したか否かにより判定することができる。エンジン回転速度がばらついていると排気ガスの温度が安定せず、故障診断に適さないからである。エンジン回転速度が安定した場合はステップＳＴ１７へ進み、安定していない場合はステップＳＴ１５を繰り返す。

ステップＳＴ１７では、排気温度センサ２２によりタービン３２と排気浄化触媒２４との間の排気ガスの実際の温度Ｔ_２を入力する。次いで、ステップＳＴ１８では、ステップＳＴ１５で読み出した第２基本排気温度Ｔ_２０を現在の運転状態に応じて補正し、第２推定排気温度Ｔ_２ｅを算出する。運転状態に応じた第２推定排気温度の算出は、図３のステップＳＴ７と同様に、内燃機関１の回転速度Ｎｅ、点火プラグ２０の点火時期、吸気量、燃料噴射バルブ１７からの噴射燃料の空燃比、吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミング、内燃機関１の冷却水温度、吸気温度、外気温度及び排気温度センサ２２の応答遅れ時間を考慮して行う。

ステップＳＴ１９では、ステップＳＴ１８で算出した第２推定排気温度Ｔ_２ｅに対して上限値Ｔ_{２ｅｍａｘ}と下限値Ｔ_{２ｅｍｉｎ}を設定する。第２推定排気温度Ｔ_２ｅに対する所定幅｜Ｔ_{２ｅｍａｘ}−Ｔ_２ｅ｜，｜Ｔ_２ｅ−Ｔ_{２ｅｍｉｎ}｜は予め実機実験やシミュレーションによって取得しておく。図８は、ウェイストゲートバルブ３１の全閉指示時の実際の排気温度、第２推定排気温度及びその上限値・下限値の一例を示すグラフである。以上のステップによって第２推定排気温度Ｔ_２ｅを中心とする第２基準温度範囲Ｔ_{２ｅｍａｘ}〜Ｔ_{２ｅｍｉｎ}が設定されるので、ステップＳＴ２０では、排気温度センサ２２により検出された実際の排気温度Ｔ_２がこの第２基準温度範囲内にあるか否かを判定する。実際の排気温度Ｔ_２が第２基準温度範囲Ｔ_{２ｅｍａｘ}〜Ｔ_{２ｅｍｉｎ}内にあればステップＳＴ２１へ進み、なければステップＳＴ２２へ進む。

ステップＳＴ２１では、ウェイストゲートバルブ３１を全閉することにより低温の排気ガスが排気温度センサ２２により検出されたと判断し、ウェイストゲートバルブ３１の全閉近傍の開度における開閉動作は、焼付き固着などの不具合なく、正常に行われたと診断する。

ステップＳＴ２２では、実際の排気温度Ｔ_２が第２基準温度範囲Ｔ_{２ｅｍａｘ}〜Ｔ_{２ｅｍｉｎ}内にないので、第２基準温度範囲の下限値Ｔ_{２ｅｍｉｎ}未満か否かを判定する。実際の排気温度Ｔ_２が第２基準温度範囲の下限値Ｔ_{２ｅｍｉｎ}未満である場合はステップＳＴ２３へ進み、そうでない場合、すなわち実際の排気温度Ｔ_２が第２基準温度範囲の上限値Ｔ_{２ｅｍａｘ}を超える場合はステップＳＴ２４へ進む。そして、ステップＳＴ２３では、実際の排気温度Ｔ_２が第２基準温度範囲の下限値Ｔ_{２ｅｍｉｎ}未満であるので、排気温度センサ２２そのものが故障して低温の検出信号を出力しているものと診断する。そして、排気温度センサ２２に故障がある旨の警告表示灯を点灯するなど所定の注意喚起を行う。

これに対して、ステップＳＴ２４では、実際の排気温度Ｔ_２が第２基準温度範囲の上限値Ｔ_{２ｅｍａｘ}を超える温度であるので、内燃機関１そのものが失火又は部分失火等により排気温度が異常に高温になったか、あるいはウェイストゲートバルブ３１が全開又はこれに近い開放状態で固着するなどの作動不良を起し、その結果、エギゾーストマニホールド３８から流下した排気ガスは迂回通路３５を通過したものと判断する。そして、ウェイストゲートバルブ３１には全開近傍の開度における開閉動作に異常があるか又は内燃機関１そのものが失火又は部分失火等により排気温度が異常に高温になったものと診断し、警告表示灯を点灯するなど所定の注意喚起を行う。

以上のとおり、本例の過給機付き内燃機関の故障診断装置によれば、以下の効果を奏する。
（１）本例では、内燃機関１の冷機始動時にウェイストゲートバルブ３１の開閉動作の故障診断を行うので、当該冷機始動時にウェイストゲートバルブ３１が故障している場合は即座に注意喚起することができる。その結果、内燃機関１の冷機始動時における排気性能の低下を抑制することができる。特に、冷機始動時は排気浄化触媒２４の昇温のためにウェイストゲートバルブ３１を全開にする必要があるので、この期間を利用して故障を診断することができる。

（２）本例において、内燃機関１の冷機始動状態をエンジン冷却水の水温により検出すれば、冷却水の温度降下は排気浄化触媒２４の温度降下より遅いので、換言すれば、冷却水の温度が所定値より低ければ排気浄化触媒２４は必ず非活性温度になっているので、排気浄化触媒２４の冷機状態を精度よく検出することができる。

（３）本例において、運転状態に応じた排気温度を推定し、これに基づいて第１基準温度範囲を設定し、この第１基準温度範囲と実温度とを比較するので、誤診断の発生を防止することができる。

（４）本例では、ウェイストゲートバルブ３１を全開にすれば高温の排気ガスが検出されル一方、ウェイストゲートバルブ３１を全閉にすれば低温の排気ガスが検出されるとの知見に基づいて、ウェイストゲートバルブ３１の全開近傍及び全閉近傍における開閉動作の異常を診断する。そして、検出される排気ガスの実温度が高温側の第１基準温度範囲内にある場合には、ウェイストゲートバルブが正常に全開していると見做されるので、開弁側の開閉動作は正常であると診断することができる。これに対して、検出される排気ガスの実温度が第１基準温度範囲より低い場合には、ウェイストゲートバルブ３１が開弁せずに閉弁状態で焼付き固着しているなど、ウェイストゲートバルブ３１の閉弁側に何らかの不具合が生じているものと見做されるので、閉弁側の開閉動作は異常であると診断することができる。さらに、検出される排気ガスの実温度が高温側の第１基準温度範囲より高い場合には、もはやウェイストゲートバルブ３１の故障ではないと見做されるので、内燃機関１の異常であると診断することができる。

（５）本例では、冷機始動状態以外の暖機状態においてもウェイストゲートバルブ３１の故障を診断することができる。この診断についても、ウェイストゲートバルブ３１を全開にすれば高温の排気ガスが検出されル一方、ウェイストゲートバルブ３１を全閉にすれば低温の排気ガスが検出されるとの知見に基づいて、ウェイストゲートバルブ３１の全開近傍及び全閉近傍における開閉動作の異常を診断する。そして、この場合はウェイストゲートバルブ３１を全閉にした状態で、検出される排気ガスの実温度が低温側の排気ガスの第２基準温度範囲内にある場合には、ウェイストゲートバルブ３１が正常に全閉していると見做されるので、ウェイストゲートバルブの閉弁側の開閉動作は正常であると診断することができる。これに対して、検出される排気ガスの実温度が低温側の第２基準温度範囲より低い場合には、もはやウェイストゲートバルブ３１の故障ではないと見做されるので、排気温度センサ２２の異常であると診断することができる。さらに、検出される排気ガスの実温度が低温側の第２基準温度範囲より高い場合には、ウェイストゲートバルブ３１が正常に全閉せずに迂回通路３５を流下して高温の排気ガスが検出されたか、あるいは内燃機関１の失火等により高温の排気ガスが検出されたかのいずれかであると見做されるので、ウェイストゲートバルブ３１の開弁側の開閉動作の異常又は内燃機関１の異常であると診断することができる。

上記水温センサ３９は本発明に係る冷機始動検出手段に相当し、上記排気温度センサ２２は本発明に係る排気温度検出手段に相当し、上記コントロールユニット５０は本発明に係る診断手段に相当する。

１…内燃機関（エンジン）
１１…吸気通路
１２…エアーフィルタ
１３…エアフローメータ
１４…スロットルバルブ
１５…コレクタ
１６…燃焼室
１７…燃料噴射バルブ
２０…点火プラグ
２１…排気通路
２２…排気温度センサ
２３…マフラ
２４…排気浄化触媒
２５…温度センサ
２６…温度センサ
２７…クランク角センサ
２８…トルクセンサ
２９…アクセル開度センサ
３０…過給機
３１…ウェイストゲートバルブ
３２…タービン
３３…ロータシャフト
３４…コンプレッサ
３５…迂回通路
３６…アクチュエータ
３７…インタークーラ
３８…エギゾーストマニホールド
３９…水温センサ
５０…コントロールユニット（制御手段）
７０…還流通路
７１…還流バルブ

Claims

排気通路に設けられたタービンと吸気通路に設けられたコンプレッサとを有し排気圧により吸入空気を過給する過給機と、前記排気通路に設けられた排気浄化触媒と、を備え、冷機始動状態においてウェイストゲートバルブを開弁制御する内燃機関の、前記ウェイストゲートバルブの故障を診断するための過給機付き内燃機関の故障診断装置において、
前記内燃機関が冷機始動状態であるか否かを検出する冷機始動検出手段と、
前記ウェイストゲートバルブと前記排気浄化触媒との間の前記排気通路に設けられ、排気ガスの温度を検出する排気温度検出手段と、
前記冷機始動状態における前記排気ガスの温度に基づいて前記ウェイストゲートバルブの開閉動作の故障を診断する診断手段と、を備え、
前記診断手段は、
前記内燃機関の運転状態に基づいて推定排気温度を算出するとともに、前記推定排気温度に対して第１基準温度範囲を設定し、
前記冷機始動状態において前記排気ガスの実温度が前記第１基準温度範囲より低い場合に、前記ウェイストゲートバルブの閉弁側の開閉動作は異常であると診断する過給機付き内燃機関の故障診断装置。
排気通路に設けられたタービンと吸気通路に設けられたコンプレッサとを有し排気圧により吸入空気を過給する過給機と、前記排気通路に設けられた排気浄化触媒と、を備え、冷機始動状態においてウェイストゲートバルブを開弁制御する内燃機関の、前記ウェイストゲートバルブの故障を診断するための過給機付き内燃機関の故障診断装置において、
前記内燃機関が冷機始動状態であるか否かを検出する冷機始動検出手段と、
前記ウェイストゲートバルブと前記排気浄化触媒との間の前記排気通路に設けられ、排気ガスの温度を検出する排気温度検出手段と、
前記冷機始動状態における前記排気ガスの温度に基づいて前記ウェイストゲートバルブの開閉動作の故障を診断する診断手段と、を備え、
前記診断手段は、
前記内燃機関の運転状態に基づいて推定排気温度を算出するとともに、前記推定排気温度に対して第１基準温度範囲を設定し、
前記冷機始動状態において前記排気ガスの実温度が前記第１基準温度範囲より高い場合に、前記内燃機関の異常であると診断する過給機付き内燃機関の故障診断装置。
前記冷機始動検出手段は、前記内燃機関の冷却水の温度を検出する水温センサを含み、
前記冷却水の温度が所定値以下の場合に前記冷機始動状態であると検出する請求項１又は２に記載の過給機付き内燃機関の故障診断装置。
前記内燃機関の運転状態は、内燃機関の回転速度、点火時期、吸気量、噴射燃料の空燃比、吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミング、内燃機関の冷却水温度、吸気温度、外気温度及び前記排気温度検出手段の応答時間を含む請求項１〜３のいずれか一項に記載の過給機付き内燃機関の故障診断装置。
前記診断手段は、前記冷機始動状態において前記排気ガスの実温度が前記第１基準温度範囲内にある場合に、前記ウェイストゲートバルブの開弁側の開閉動作は正常であると診断する請求項１〜４のいずれか一項に記載の過給機付き内燃機関の故障診断装置。
前記診断手段は、
前記冷機始動状態でない場合に前記ウェイストゲートバルブを閉弁する指令信号を出力し、
前記排気ガスの実温度が予め設定された排気ガスの第２基準温度範囲内にある場合に、前記ウェイストゲートバルブの閉弁側の開閉動作は正常であると診断する請求項１〜５のいずれか一項に記載の過給機付き内燃機関の故障診断装置。
前記診断手段は、前記冷機始動状態でない場合において前記排気ガスの実温度が前記第２基準温度範囲より低い場合に、前記排気温度検出手段の異常であると診断する請求項６に記載の過給機付き内燃機関の故障診断装置。
前記診断手段は、前記冷機始動状態でない場合において前記排気ガスの実温度が前記第２基準温度範囲より高い場合に、前記ウェイストゲートバルブの開弁側の開閉動作の異常又は前記内燃機関の異常であると診断する請求項６又は７に記載の過給機付き内燃機関の故障診断装置。
排気通路に設けられたタービンと吸気通路に設けられたコンプレッサとを有し排気圧により吸入空気を過給する過給機と、前記排気通路に設けられた排気浄化触媒と、を備え、冷機始動状態においてウェイストゲートバルブを開弁制御する内燃機関の、前記ウェイストゲートバルブの故障を診断するための過給機付き内燃機関の故障診断方法において、
前記内燃機関が冷機始動状態であるか否かを検出し、
前記内燃機関が冷機始動状態である場合に前記ウェイストゲートバルブを開弁し、この状態で前記ウェイストゲートバルブと前記排気浄化触媒との間の排気ガスの温度を検出し、
前記冷機始動状態における前記排気ガスの実温度が予め設定された排気ガスの第１基準温度範囲より低い場合は前記ウェイストゲートバルブの閉弁側の開閉動作は異常であると診断する過給機付き内燃機関の故障診断方法。
排気通路に設けられたタービンと吸気通路に設けられたコンプレッサとを有し排気圧により吸入空気を過給する過給機と、前記排気通路に設けられた排気浄化触媒と、を備え、冷機始動状態においてウェイストゲートバルブを開弁制御する内燃機関の、前記ウェイストゲートバルブの故障を診断するための過給機付き内燃機関の故障診断方法において、
前記内燃機関が冷機始動状態であるか否かを検出し、
前記内燃機関が冷機始動状態である場合に前記ウェイストゲートバルブを開弁し、この状態で前記ウェイストゲートバルブと前記排気浄化触媒との間の排気ガスの温度を検出し、
前記冷機始動状態における前記排気ガスの実温度が予め設定された排気ガスの第１基準温度範囲より高い場合は前記内燃機関が異常であると診断する過給機付き内燃機関の故障診断方法。