JP7309583B2

JP7309583B2 - 内燃機関システムの異常診断装置

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Publication number: JP7309583B2
Application number: JP2019209657A
Authority: JP
Inventors: 平中野
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2019-11-20
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2023-07-18
Anticipated expiration: 2039-11-20
Also published as: JP2021080890A

Description

本発明は、内燃機関システムの異常診断装置に関する。

例えば、特許文献１に記載されているように、ターボチャージャ付のディーゼルエンジンシステムが知られている。このシステムでは、ターボチャージャによって加圧された空気がインタークーラによって冷やされてエンジンに供給される。

上述したようなシステムにおいては、インタークーラ効率（冷却効率）を求めることが行われている。このインタークーラ効率は、外気温センサによって検出された外気温等の各種センサの検出値に基づいて算出される。

特開２０１３－２４５６００号公報

ここで、インタークーラ効率の低下を精度よく判定するためには、外気温センサに特性異常が生じておらず外気温を正しく検出できている必要がある。そこで、本発明は、インタークーラの効率低下、及び外気温センサの特性異常の有無を判定することが可能な内燃機関システムの異常診断装置を提供することを目的とする。

本発明は、内燃機関と、ガスを加圧して内燃機関に供給するターボチャージャと、ターボチャージャから内燃機関に供給されるガスを冷却するインタークーラとを備える内燃機関システムの異常を診断する異常診断装置であって、ターボチャージャのコンプレッサに導入されるガスの温度である吸気温を検出する吸気温センサと、外気温を検出する外気温センサと、インタークーラを通過して内燃機関に供給されるガスの温度であるインタークーラ通過後ガス温度を検出するインタークーラ通過後ガス温度センサと、吸気温に基づいて推定される温度でありインタークーラに導入されるガスの温度であるインタークーラ入口温度と、外気温と、インタークーラ通過後ガス温度とに基づいてインタークーラ効率を算出する効率算出部と、吸気温と外気温との差分である吸気外気温度差分値を算出する温度差分値算出部と、吸気外気温度差分値及びインタークーラ効率に基づいて、インタークーラの効率低下、及び、外気温センサの特性異常を判定する異常判定部と、を備え、異常判定部は、吸気外気温度差分値が温度差分閾値範囲以内であり、インタークーラ効率が正常効率閾値範囲より低い場合、インタークーラの効率が低下していると判定し、吸気外気温度差分値が温度差分閾値範囲外であり、吸気温が外気温よりも低く、インタークーラ効率が１００％を超えている場合、外気温センサに過剰側特性異常が生じていると判定し、吸気外気温度差分値が温度差分閾値範囲外であり、吸気温が外気温よりも高く、インタークーラ効率が正常効率閾値範囲より低い場合、外気温センサに過少側特性異常が生じていると判定する。

この内燃機関システムの異常診断装置は、吸気外気温度差分値及びインタークーラ効率に基づいて、インタークーラの効率低下を判定でき、更に、インタークーラ効率を算出するために用いられる外気温を検出する外気温センサの特性異常を判定できる。すなわち、内燃機関システムの異常診断装置は、外気温センサの特性異常を判定できるため、インタークーラの効率低下の判定結果の信頼性を向上させることができる。このように、内燃機関システムの異常診断装置は、インタークーラの効率低下、及び外気温センサの特性異常の有無を判定することができる。

内燃機関システムの異常診断装置において、異常判定部は、吸気外気温度差分値が温度差分閾値範囲以内であり、インタークーラ効率が０％以下である場合、インタークーラ通過後ガス温度センサに過剰側特性異常が生じていると判定し、吸気外気温度差分値が温度差分閾値範囲以内であり、インタークーラ効率が１００％を超えている場合、インタークーラ通過後ガス温度センサに過少側特性異常が生じていると判定してもよい。このように、内燃機関システムの異常診断装置では、インタークーラ効率を算出するために用いられるインタークーラ通過後ガス温度を検出するインタークーラ通過後ガス温度センサの特性異常を判定できる。これにより、内燃機関システムの異常診断装置は、インタークーラ通過後ガス温度センサの特性異常に起因する誤判定を抑制して、インタークーラの効率低下をより精度よく判定できる。

内燃機関システムの異常診断装置において、異常判定部は、吸気外気温度差分値が温度差分閾値範囲外であり、吸気温が外気温よりも高く、インタークーラ効率が正常効率閾値範囲以内である場合、吸気温センサに過剰側特性異常が生じていると判定し、吸気外気温度差分値が温度差分閾値範囲外であり、吸気温が外気温よりも低く、インタークーラ効率が正常効率閾値範囲以内である場合、吸気温センサに過少側特性異常が生じていると判定してもよい。上述したように、インタークーラ入口温度は、吸気温センサで検出された吸気温に基づいて推定される。異常診断装置は、推定されたインタークーラ入口温度等に基づいてインタークーラ効率を算出する。ここで、異常診断装置は、吸気外気温度差分値及びインタークーラ効率に基づいて、インタークーラ入口温度を推定するために用いられる吸気温を検出する吸気温センサの特性異常を判定することができる。これにより、内燃機関システムの異常診断装置は、吸気温センサの特性異常に起因する誤判定を抑制して、インタークーラの効率低下をより精度よく判定できる。

本発明によれば、インタークーラの効率低下、及び外気温センサの特性異常の有無を判定できる。

図１は、実施形態に係る異常診断装置及びエンジンシステムの概略構成を示す図である。図２は、異常診断装置の機能構成を示すブロック図である。図３は、センサの特性異常を示す図である。図４は、エンジンシステム等に生じる種々の異常内容と吸気外気温度差分値等との対応関係を示す表である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当する要素同士には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示されるように、異常診断装置１０は、内燃機関としてのディーゼルエンジン２を備えるエンジンシステム（内燃機関システム）１の異常等を診断する。エンジンシステム１は、例えばトラック等の車両に搭載されている。

より詳細には、エンジンシステム１は、ディーゼルエンジン２、ターボチャージャ３、及びインタークーラ４を備えている。ターボチャージャ３は、ディーゼルエンジン２から排出された排気ガスによってコンプレッサ３ａを作動させ、ディーゼルエンジン２に供給するガス（空気）を加圧する。ターボチャージャ３によって加圧されたガスは、インタークーラ４によって冷却されてディーゼルエンジン２に供給される。インタークーラ４は、ターボチャージャ３によって加圧されたガスを外気によって冷却する。

異常診断装置１０は、エンジンシステム１の異常等を診断する。異常診断装置１０は、異常診断ユニット５、吸気温センサＳ１、外気温センサＳ２、インタークーラ通過後ガス温度センサＳ３、ブースト圧センサＳ４、及び大気圧センサＳ５を備えている。

吸気温センサＳ１は、ターボチャージャ３のコンプレッサ３ａの上流側において、コンプレッサ３ａに導入されるガス（空気）の温度である吸気温を検出する。外気温センサＳ２は、ディーゼルエンジン２の周囲の外気温を検出する。インタークーラ通過後ガス温度センサＳ３は、インタークーラ４を通過してディーゼルエンジン２に供給されるガスの温度であるインタークーラ通過後ガス温度を検出する。すなわち、インタークーラ通過後ガス温度センサＳ３は、インタークーラ４によって冷やされたガスの温度を検出する。インタークーラ通過後ガス温度センサＳ３は、インタークーラ４とディーゼルエンジン２との間のガス流通経路のいずれの位置に設けられていてもよい。例えば、インタークーラ通過後ガス温度センサＳ３は、ディーゼルエンジン２のインテークマニホールド部分に設けられていてもよい。

ブースト圧センサＳ４は、ターボチャージャ３によって加圧されてディーゼルエンジン２に供給されるガスのブースト圧を検出する。例えば、ブースト圧センサＳ４は、ディーゼルエンジン２のインテークマニホールド部分に設けられていてもよい。大気圧センサＳ５は、ディーゼルエンジン２の周囲の大気圧を検出する。

異常診断ユニット５は、吸気温センサＳ１～大気圧センサＳ５の検出結果に基づいて、種々の異常の有無の判定等を行う。異常診断ユニット５は、例えば、ＣＰＵ［Central Processing Unit］、ＲＯＭ［Read Only Memory］、ＲＡＭ［Random Access Memory］、ＣＡＮ［Controller Area Network］通信回路等を有する電子制御ユニットである。異常診断ユニット５では、ＲＯＭに記憶されているプログラムをＲＡＭにロードし、ＲＡＭにロードされたプログラムをＣＰＵで実行することにより各種の機能を実現する。

図２に示されるように、異常診断ユニット５は、機能的には、効率算出部１１、温度差分値算出部１２、及び異常判定部１３を備えている。

効率算出部１１は、外気温センサＳ２で検出された外気温と、インタークーラ通過後ガス温度センサＳ３で検出されたインタークーラ通過後ガス温度と、インタークーラ入口温度とに基づいてインタークーラ効率を算出する。インタークーラ入口温度とは、ターボチャージャ３からインタークーラ４に導入されるガスの温度である。

インタークーラ入口温度は、吸気温センサＳ１で検出された吸気温に基づいて周知の方法によって推定することができる。例えば、効率算出部１１は、インタークーラ入口温度を次の式（１）に基づいて算出することができる。ここでは、効率算出部１１は、大気圧センサＳ５で検出された大気圧とブースト圧センサＳ４で検出されたブースト圧とを用いてコンプレッサ３ａの圧力比を算出し、コンプレッサ３ａによる圧縮（加圧）をポリトロープ圧縮とみなすことによって、吸気温センサＳ１で検出された吸気温からコンプレッサ３ａの出口でのガス温度、すなわちインタークーラ入口温度を推定することができる。

Ｔ_２：インタークーラ入口温度＝コンプレッサ出口でのガス温度
Ｔ_１：吸気温センサで検出された吸気温＝コンプレッサ入口でのガス温度
Ｐ_２：ブースト圧センサで検出されたブースト圧＝コンプレッサ出口での圧力
Ｐ_１：大気圧センサで検出された大気圧＝コンプレッサ入口での圧力
γ：ポリトロープ指数

また、効率算出部１１は、インタークーラ入口温度と、外気温と、インタークーラ通過後ガス温度とに基づいて、周知の方法によってインタークーラ効率を算出することができる。例えば、効率算出部１１は、次の式（２）に基づいて、インタークーラ効率を算出することができる。

η：インタークーラ効率
Ｔ_２’：インタークーラ通過後ガス温度センサで検出されたインタークーラ通過後ガス温度
Ｔ_０：外気温センサで検出された外気温

温度差分値算出部１２は、吸気温センサＳ１で検出された吸気温と外気温センサＳ２で検出された外気温との差分である吸気外気温度差分値Ａを算出する。本実施形態において、温度差分値算出部１２は、吸気外気温度差分値Ａを次の式（３）に基づいて算出する。
吸気外気温度差分値Ａ＝吸気温－外気温 …（３）

異常判定部１３は、吸気外気温度差分値Ａ及びインタークーラ効率ηに基づいて、インタークーラの効率低下、及び、外気温センサＳ２の特性異常を判定する。外気温センサＳ２の特性異常の判定とは、図３に示されるように、検出されたセンサ値が実際の値（実値）よりも過剰側にずれているか又は過少側にずれているかの判定である。以下で説明する他のセンサの特性異常の判定についても同様とする。

より詳細には、異常判定部１３は、図４に示されるように、吸気外気温度差分値Ａが温度差分閾値範囲ＡＸ以内であり、インタークーラ効率ηが正常効率閾値範囲ＢＸ以内である場合、エンジンシステム１等の各部は正常であると判定する。なお、温度差分閾値範囲ＡＸの上限値及び下限値は、予め設定されている。また、正常効率閾値範囲ＢＸの上限値及び下限値は、予め設定されている。例えば、正常効率閾値範囲ＢＸの下限値は、０％より大きい値が設定され、正常効率閾値範囲ＢＸの上限値は１００％以下の値が設定される。

また、異常判定部１３は、インタークーラ４の効率の低下の有無を判定する。具体的には、異常判定部１３は、吸気外気温度差分値Ａが温度差分閾値範囲ＡＸ以内であり、インタークーラ効率ηが正常効率閾値範囲ＢＸよりも低い場合、インタークーラ４の効率が低下していると判定する。

さらに、異常判定部１３は、外気温センサＳ２の特性異常を判定する。具体的には、異常判定部１３は、吸気外気温度差分値Ａが温度差分閾値範囲ＡＸ外であり、吸気温が外気温よりも低く、インタークーラ効率ηが１００％を超えている場合、外気温センサＳ２に過剰側特性異常が生じていると判定する。すなわち、異常判定部１３は、吸気外気温度差分値Ａが温度差分閾値範囲ＡＸ外であり、吸気外気温度差分値Ａが負の値であり、インタークーラ効率ηが１００％を超えている場合、外気温センサＳ２に過剰側特性異常が生じていると判定する。

一方、異常判定部１３は、吸気外気温度差分値Ａが温度差分閾値範囲ＡＸ外であり、吸気温が外気温よりも高く、インタークーラ効率ηが正常効率閾値範囲ＢＸより低い場合、外気温センサＳ２に過少側特性異常が生じていると判定する。すなわち、異常判定部１３は、吸気外気温度差分値Ａが温度差分閾値範囲ＡＸ外であり、吸気外気温度差分値Ａが正の値であり、インタークーラ効率ηが正常効率閾値範囲ＢＸより低い場合、外気温センサＳ２に過少側特性異常が生じていると判定する。

このように、異常診断装置１０は、吸気外気温度差分値Ａ及びインタークーラ効率ηに基づいて、インタークーラ４の効率低下を判定でき、更に、インタークーラ効率を算出するために用いられる外気温を検出する外気温センサＳ２の特性異常を判定できる。すなわち、異常診断装置１０は、外気温センサＳ２の特性異常を判定できるため、インタークーラ４の効率低下の判定結果の信頼性を向上させることができる。このように、異常診断装置１０は、インタークーラ４の効率低下、及び外気温センサＳ２の特性異常の有無を判定することができる。

また、異常判定部１３は、インタークーラ通過後ガス温度センサＳ３の特性異常を判定することができる。具体的には、異常判定部１３は、吸気外気温度差分値Ａが温度差分閾値範囲ＡＸ以内であり、インタークーラ効率ηが０％以下である場合、インタークーラ通過後ガス温度センサＳ３に過剰側特性異常が生じていると判定する。

一方、異常判定部１３は、吸気外気温度差分値Ａが温度差分閾値範囲ＡＸ以内であり、インタークーラ効率ηが１００％を超えている場合、インタークーラ通過後ガス温度センサＳ３に過少側特性異常が生じていると判定する。

このように、異常診断装置１０は、吸気外気温度差分値Ａ及びインタークーラ効率ηに基づいて、インタークーラ効率ηを算出するために用いられるインタークーラ通過後ガス温度を検出するインタークーラ通過後ガス温度センサＳ３の特性異常を判定できる。これにより、異常診断装置１０は、インタークーラ通過後ガス温度センサＳ３の特性異常に起因する誤判定を抑制して、インタークーラ４の効率低下をより精度よく判定できる。

また、異常判定部１３は、吸気温センサＳ１の特性異常を判定することができる。具体的には、異常判定部１３は、吸気外気温度差分値Ａが温度差分閾値範囲ＡＸ外であり、吸気温が外気温よりも高く、インタークーラ効率ηが正常効率閾値範囲ＢＸ以内である場合、吸気温センサＳ１に過剰側特性異常が生じていると判定する。すなわち、異常判定部１３は、吸気外気温度差分値Ａが温度差分閾値範囲ＡＸ外であり、吸気外気温度差分値Ａが正の値であり、インタークーラ効率ηが正常効率閾値範囲ＢＸ以内である場合、吸気温センサＳ１に過剰側特性異常が生じていると判定する。

一方、異常判定部１３は、吸気外気温度差分値Ａが温度差分閾値範囲ＡＸ外であり、吸気温が外気温よりも低く、インタークーラ効率ηが正常効率閾値範囲ＢＸ以内である場合、吸気温センサＳ１に過少側特性異常が生じていると判定する。すなわち、異常判定部１３は、吸気外気温度差分値Ａが温度差分閾値範囲ＡＸ外であり、吸気外気温度差分値Ａが負の値であり、インタークーラ効率ηが正常効率閾値範囲ＢＸ以内である場合、吸気温センサＳ１に過少側特性異常が生じていると判定する。

上述したように、インタークーラ入口温度Ｔ_２は、吸気温センサＳ１で検出された吸気温Ｔ_１に基づいて推定される。異常診断装置１０は、推定されたインタークーラ入口温度Ｔ_２等に基づいてインタークーラ効率ηを算出する。ここでは、異常診断装置１０は、吸気外気温度差分値Ａ及びインタークーラ効率ηに基づいて、インタークーラ入口温度Ｔ_２を推定するために用いられる吸気温を検出する吸気温センサＳ１の特性異常を判定することができる。これにより、異常診断装置１０は、吸気温センサＳ１の特性異常に起因する誤判定を抑制して、インタークーラ４の効率低下をより精度よく判定できる。

ここで、例えば、インタークーラ効率が１００％を超えるような現象は、インタークーラ４の出口でのガス温度（インタークーラ通過後ガス温度）が外気温よりも冷やされた温度となるため、インタークーラ通過後ガス温度センサＳ３又は外気温センサＳ２の特性異常が疑われる。このため、異常診断装置１０は、インタークーラ効率ηが１００％を超える場合、吸気外気温度差分値Ａに基づいて外気温センサＳ２又はインタークーラ通過後ガス温度センサＳ３の特性異常の有無を判定する。

一方、例えば、インタークーラ効率が０％以下となるような現象は、インタークーラ４の出口でのガス温度（インタークーラ通過後ガス温度）と入口でのガス温度（インタークーラ入口温度Ｔ_２）とが逆転することとなり、インタークーラ４の出口でのガス温度を検出するインタークーラ通過後ガス温度センサＳ３の特性異常が疑われる。このため、異常診断装置１０は、インタークーラ効率ηが０％以下の場合、吸気外気温度差分値Ａに基づいてインタークーラ通過後ガス温度センサＳ３の特性異常の有無を判定する。

また、インタークーラ効率が正常効率閾値範囲以内であっても、吸気温センサＳ１と外気温センサＳ２との差分（吸気外気温度差分値Ａ）が大きい場合、吸気温センサＳ１の特性異常が疑われる。このため、異常診断装置１０は、インタークーラ効率ηが正常効率閾値範囲ＢＸ以内の場合、吸気外気温度差分値Ａに基づいて吸気温センサＳ１の特性異常の有無を判定する。

なお、上述した式（１）に示されるように、インタークーラ入口温度Ｔ_２の推定に吸気温Ｔ_１が用いられているが、式（２）に示されるようにインタークーラ効率ηの計算時に分子と分母とのそれぞれに同じ値（Ｔ_２）が入るため、吸気温の影響が取り除かれている。

以上のように異常診断装置１０は、図４に示されるように、吸気外気温度差分値Ａ及びインタークーラ効率ηを用いることによって、インタークーラ４の効率低下と、吸気温センサＳ１、外気温センサＳ２、及びインタークーラ通過後ガス温度センサＳ３の特性異常の有無とを精度よく判定することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、吸気外気温度差分値Ａは、変形例として、「外気温－吸気温」によって算出されてもよい。この場合、図４に示される正差分及び負差分の正負をそれぞれ逆にして上述した判定を行えばよい。

また、異常診断装置１０は、上限値と下限値とを有する温度差分閾値範囲ＡＸを用いたが、上限値と下限値とが同じであり温度差分閾値範囲ＡＸの範囲が無い場合、すなわち、温度差分閾値範囲ＡＸの値を０（ゼロ）として、上述した判定を行ってもよい。具体的には、異常診断装置１０は、上述した差分値Ａが温度差分閾値範囲ＡＸ以内であるか否かという判定条件に代えて、吸気温と外気温との差分値が０（差分が無い）であるか否かという判定条件を用いて上述した種々の判定を行ってもよい。これと同様に、異常診断装置１０は、上限値と下限値とを有する正常効率閾値範囲ＢＸに代えて、正常効率閾値範囲ＢＸの値を０（ゼロ）として、上述した判定を行ってもよい。

エンジンシステム１の構成は、図１に示される構成に限定されない。例えば、エンジンシステム１は、排気ガスの一部をＥＧＲ（排気再循環）ガスとして還流させるＥＧＲユニットを備えていてもよい。

また、エンジンシステム１は、内燃機関としてディーゼルエンジン２を備えていることに限定されない。例えば、エンジンシステム１は、ガソリンエンジン、ガスタービン等のディーゼルエンジン２以外の内燃機関を備えていてもよい。そして、異常診断装置１０は、ディーゼルエンジン２以外の内燃機関を備えるエンジンシステム１の種々の異常の診断を行ってもよい。

以上に記載された実施形態及び種々の変形例の少なくとも一部が任意に組み合わせられてもよい。

１…エンジンシステム（内燃機関システム）、２…ディーゼルエンジン（内燃機関）、３…ターボチャージャ、３ａ…コンプレッサ、４…インタークーラ、５…異常診断ユニット、１０…異常診断装置、１１…効率算出部、１２…温度差分値算出部、１３…異常判定部、Ｓ１…吸気温センサ、Ｓ２…外気温センサ、Ｓ３…インタークーラ通過後ガス温度センサ、Ｓ４…ブースト圧センサ、Ｓ５…大気圧センサ。

Claims

内燃機関と、ガスを加圧して前記内燃機関に供給するターボチャージャと、前記ターボチャージャから前記内燃機関に供給される前記ガスを冷却するインタークーラとを備える内燃機関システムの異常を診断する異常診断装置であって、
前記ターボチャージャのコンプレッサに導入されるガスの温度である吸気温を検出する吸気温センサと、
外気温を検出する外気温センサと、
前記インタークーラを通過して前記内燃機関に供給される前記ガスの温度であるインタークーラ通過後ガス温度を検出するインタークーラ通過後ガス温度センサと、
前記吸気温に基づいて推定される温度であり前記インタークーラに導入されるガスの温度であるインタークーラ入口温度と、前記外気温と、前記インタークーラ通過後ガス温度とに基づいてインタークーラ効率を算出する効率算出部と、
前記吸気温と前記外気温との差分である吸気外気温度差分値を算出する温度差分値算出部と、
前記吸気外気温度差分値及び前記インタークーラ効率に基づいて、前記インタークーラの効率低下、及び、前記外気温センサの特性異常を判定する異常判定部と、
を備え、
前記異常判定部は、
前記吸気外気温度差分値が温度差分閾値範囲以内であり、前記インタークーラ効率が正常効率閾値範囲より低い場合、前記インタークーラの効率が低下していると判定し、
前記吸気外気温度差分値が前記温度差分閾値範囲外であり、前記吸気温が前記外気温よりも低く、前記インタークーラ効率が１００％を超えている場合、前記外気温センサに過剰側特性異常が生じていると判定し、
前記吸気外気温度差分値が前記温度差分閾値範囲外であり、前記吸気温が前記外気温よりも高く、前記インタークーラ効率が前記正常効率閾値範囲より低い場合、前記外気温センサに過少側特性異常が生じていると判定する、内燃機関システムの異常診断装置。
前記異常判定部は、
前記吸気外気温度差分値が前記温度差分閾値範囲以内であり、前記インタークーラ効率が０％以下である場合、前記インタークーラ通過後ガス温度センサに過剰側特性異常が生じていると判定し、
前記吸気外気温度差分値が前記温度差分閾値範囲以内であり、前記インタークーラ効率が１００％を超えている場合、前記インタークーラ通過後ガス温度センサに過少側特性異常が生じていると判定する、請求項１に記載の内燃機関システムの異常診断装置。
前記異常判定部は、
前記吸気外気温度差分値が前記温度差分閾値範囲外であり、前記吸気温が前記外気温よりも高く、前記インタークーラ効率が前記正常効率閾値範囲以内である場合、前記吸気温センサに過剰側特性異常が生じていると判定し、
前記吸気外気温度差分値が前記温度差分閾値範囲外であり、前記吸気温が前記外気温よりも低く、前記インタークーラ効率が前記正常効率閾値範囲以内である場合、前記吸気温センサに過少側特性異常が生じていると判定する、請求項１又は２に記載の内燃機関システムの異常診断装置。