JP7355046B2 - 不具合判定装置および不具合判定方法 - Google Patents

Description

本開示は、排ガス浄化部材の不具合を判定する不具合判定装置および不具合判定方法に関する。

従来、エンジンから排出される排ガスが流れる排気管に、触媒またはフィルタといった排ガス浄化部材を設けることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９－２６４２２１号公報

排ガス浄化部材に不具合が発生した場合、エンジンの故障を招くおそれがある。

本開示の一態様の目的は、エンジンの故障が発生する前に、ユーザが排ガス浄化部材の不具合の発生を把握することができる不具合判定装置および不具合判定方法を提供することである。

本開示の一態様に係る不具合判定装置は、エンジンから排出される排ガスが流れる排気管に設けられた排ガス浄化部材の不具合を判定する不具合判定装置であって、予め定められたアクセル開度が全開のときの目標ブースト圧と、エンジン回転数が所定範囲内でアクセル開度が全開となってから所定時間が経過した場合における実ブースト圧との偏差を算出する算出部と、前記偏差が閾値以上である場合、前記排ガス浄化部材に不具合が発生したと判定する判定部と、を有する。

本開示の一態様に係る不具合判定方法は、エンジンから排出される排ガスが流れる排気管に設けられた排ガス浄化部材の不具合を判定する不具合判定方法であって、予め定められたアクセル開度が全開のときの目標ブースト圧と、エンジン回転数が所定範囲内でアクセル開度が全開となってから所定時間が経過した場合における実ブースト圧との偏差を算出するステップと、前記偏差が閾値以上である場合、前記排ガス浄化部材に不具合が発生したと判定するステップと、を有する。

本開示によれば、エンジンの故障が発生する前に、ユーザが排ガス浄化部材の不具合の発生を把握することができる。

本開示の実施の形態に係る車両に搭載される構成要素の一例を示す模式図 本開示の実施の形態に係る不具合判定装置の構成の一例を示すブロック図 本開示の実施の形態に係る不具合判定装置の動作の一例を示すフローチャート

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

まず、本実施の形態に係る車両１に搭載される構成要素について、図１を用いて説明する。図１は、車両１に搭載される構成要素（具体的には、エンジン周りの構成要素）の一例を示す模式図である。

図１に示す車両１（移動体の一例）は、例えば、トラックまたはバス等の大型車両である。但し車両の種類、形式、用途等に特に限定はなく、車両１は乗用車等の小型車両であってもよい。また、本実施の形態では、移動体が車両である場合を例に挙げて説明するが、これに限定されない。移動体は、例えば、船舶や、その他の移動体であってもよい。

図１に示すように、車両１には、エンジン２（気筒３、インジェクタ４、コモンレール５を含む）、エアフィルタ６、吸気管７、高圧側吸気管７ａ、ターボチャージャ８（コンプレッサ９、タービン１０を含む）、インタークーラ１１、吸気マニホールド１２、排気マニホールド１３、排気管１４、高圧側排気管１４ａ、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）管１５、ＥＧＲクーラ１６、ＥＧＲバルブ１７、吸気圧センサ１８、プレキャタライザ２０、排気ブレーキ装置２１（バタフライバルブ２２を含む）、メインキャタライザ２３が搭載されている。

エンジン２は、例えば、４つの気筒３を有する天然ガスエンジンである。なお、エンジン２は、４気筒以外の多気筒エンジンでもよいし、単気筒エンジンでもよい。エンジン２は、車両１以外の移動体、例えば船舶、建設機械、または産業機械に搭載されたものであってもよい。またエンジンは、移動体に搭載されたものでなくてもよく、定置式のものであってもよい。

各気筒３には、吸気ポート４と排気ポート５とが接続されている。各吸気ポート４は、吸気マニホールド１２に接続されている。各排気ポート５は、排気マニホールド１３に接続されている。各吸気ポート４には、図示しないインジェクタ（燃料噴射弁と言ってもよい）が設けられている。各インジェクタは、燃料（天然ガス）を吸気ポート４に噴射する。

エアフィルタ（エアクリーナと言ってもよい）６には、吸気管７の上流端が接続されている。吸気管７の下流端は、ターボチャージャ８のコンプレッサ９の入口に接続されている。

コンプレッサ９の出口には、高圧側吸気管７ａの上流端が接続されている。また、高圧側吸気管７ａの下流端は、吸気マニホールド１２に接続されている。高圧側吸気管７ａには、インタークーラ１１が設けられている。高圧側吸気管７ａにおけるインタークーラ１１の下流側には、ＥＧＲ管１５の下流端が接続されている。

高圧側吸気管７ａには、吸気圧センサ１８が設けられている。吸気圧センサ１８は、高圧側吸気管７ａを流れる吸入空気の圧力（以下、吸気圧という）を検知する。吸気圧センサ１８は、後述する不具合判定装置１００（図２参照）と電気的に接続されており、随時、検知した吸気圧（実ブースト圧ともいう）を不具合判定装置１００へ出力する。なお、吸気圧センサ１８の設置位置は、図１に示す位置に限定されない。

エアフィルタ６から取り込まれた空気（以下、吸入空気という）は、吸気管７を経て、コンプレッサ９により圧縮され、高圧の吸入空気となる。

その後、吸入空気は、コンプレッサ９から高圧側吸気管７ａへ流入し、インタークーラ１１により冷却された後、ＥＧＲ管１５からのＥＧＲガスと混合する。そして、ＥＧＲガスと混合した吸入空気は、吸気マニホールド１２、各吸気ポート４を経て各気筒３の燃焼室へ流入する。

排気マニホールド１３には、高圧側排気管１４ａの上流端が接続されている。高圧側排気管１４ａには、ＥＧＲ管１５が接続されている。ＥＧＲ管１５には、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ１６と、高圧側吸気管７ａへ流入するＥＧＲガスの流量（質量流量を意味する）を調節するＥＧＲバルブ１７とが設けられている。

また、高圧側排気管１４ａの下流端は、ターボチャージャ８のタービン１０の入口に接続されている。タービン１０の出口には、排気管１４が接続されている。

排気管１４には、その上流側から順に、プレキャタライザ２０、排気ブレーキ装置２１、メインキャタライザ２３が設けられている。

プレキャタライザ２０およびメインキャタライザ２３は、排気管１４を流れる排ガスを浄化する触媒（排ガス浄化部材の一例）である。プレキャタライザ２０およびメインキャタライザ２３としては、例えば、三元触媒等が挙げられるが、これに限定されない。なお、プレキャタライザ２０とメインキャタライザ２３とは、同じ種類の触媒でもよいし、異なる種類の触媒でもよい。

また、本実施の形態では、プレキャタライザ２０およびメインキャタライザ２３のうち、少なくともプレキャタライザ２０は、ハニカム構造を有するものとする。よって、高温化したプレキャタライザ２０では、熱膨張によりハニカム構造が変形することで、目詰まり（排ガス浄化部材の不具合の一例）が発生しうる。この目詰まりによって新気量の不足が生じると、最終的には、エンジンの故障（例えば、車両の路上故障）を招くおそれがある。

排気ブレーキ装置２１のバタフライバルブ２２は、シャフト（符号略）を軸に回動し、排気管１４を閉塞したり、開放したりする。

バタフライバルブ２２が開状態であるとき、排気管１４は開放され、排ガスは、排気ブレーキ装置２１の下流側を流れる。

一方、バタフライバルブ２２が閉状態であるとき、排気管１４は閉塞され、排ガスは、排気ブレーキ装置２１の下流側を流れない。すなわち、排ガスの流れが排気ブレーキ装置２１の位置で遮断される。

排気ブレーキ装置２１は、図示しない排気ブレーキ制御装置と電気的に接続されている。

排気ブレーキ装置２１が排気ブレーキ制御装置から、バタフライバルブ２２を閉状態にする指示を意味する閉弁指示信号を受け取った場合、バタフライバルブ２２は閉状態に制御される。これにより、排気ブレーキが実行される。

一方、排気ブレーキ装置２１が排気ブレーキ制御装置から、バタフライバルブ２２を開状態にする指示を意味する開弁指示信号を受け取った場合、バタフライバルブ２２は開状態に制御される。これにより、排気ブレーキが解除される。

各気筒３の燃焼室からの排ガスは、排気マニホールド１３から高圧側排気管１４ａへ流入する。この排ガスのうち、一部はＥＧＲ管１５へ流入し、残りはタービン１０へ流入する。

ＥＧＲ管１５へ流入した排ガス（すなわち、ＥＧＲガス）は、ＥＧＲクーラ１６、開状態であるＥＧＲバルブ１７を順に通過し、高圧側吸気管７ａへ流入する。

一方、タービン１０へ流入した排ガスは、排気管１４を流れる。すなわち、排ガスは、プレキャタライザ２０、バタフライバルブ２２が開状態である排気ブレーキ装置２１、メインキャタライザ２３を順に通過し、最終的に車両外へ排出される。

また、図１では図示を省略しているが、車両１には、図２に示す不具合判定装置１００、エンジン回転数センサ２５、およびアクセル開度センサ２６が搭載されている。エンジン回転数センサ２５およびアクセル開度センサ２６は、不具合判定装置１００と電気的に接続されている。

エンジン回転数センサ２５は、随時、エンジン２の回転数（以下、エンジン回転数という）を検知し、そのエンジン回転数を不具合判定装置１００へ通知する。

アクセル開度センサ２６は、随時、図示しないアクセルペダルの開度（以下、アクセル開度という）を検知し、そのアクセル開度を不具合判定装置１００へ通知する。なお、アクセル開度はアクセルペダルの開度に限定されず、エンジン２単体で用いられる場合におけるエンジンの回転数を変化させるレバーその他の機構をも含む。

なお、不具合判定装置１００の詳細については、後述する。

以上、車両１に搭載される構成要素について説明した。

次に、本実施の形態に係る不具合判定装置１００の構成について、図２を用いて説明する。図２は、不具合判定装置１００の構成例を示すブロック図である。

図示は省略するが、不具合判定装置１００は、ハードウェアとして、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、コンピュータプログラムを格納したＲＯＭ（Read Only Memory）、作業用メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）等を有する。以下に説明する不具合判定装置１００の各機能は、ＣＰＵがＲＯＭから読み出したコンピュータプログラムをＲＡＭにて実行することにより実現される。不具合判定装置１００は、例えば、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）によって実現されてもよい。

図２に示すように、不具合判定装置１００は、算出部１１０、判定部１２０を有する。

算出部１１０は、後述する判定部１２０により所定の条件（詳細は後述）が満たされたと判定された場合、目標ブースト圧と実ブースト圧との偏差（実ブースト圧と目標ブースト圧との偏差と言ってもよい）を算出する。

目標ブースト圧は、アクセル開度に応じて予め定められた吸気圧の目標値である。本実施の形態では、目標ブースト圧は、アクセル開度が全開のときの吸気圧の目標値を意味するものとする。

実ブースト圧は、吸気圧センサ１８により検知される吸気圧である。また、偏差の算出に用いられる実ブースト圧は、アクセルペダルの踏み込みにより上昇した後で一定の値となった実ブースト圧である。

なお、上述したプレキャタライザ２０の目詰まりが発生した場合、実ブースト圧は、目標ブースト圧よりも低くなる。

判定部１２０は、例えばエンジン２の始動後、所定の条件が満たされたか否かを判定する。

所定の条件とは、エンジン回転数が所定範囲内であり、かつ、アクセル開度が全開であり、かつ、エンジン回転数が所定範囲内でアクセル開度が全開となった状態のまま所定時間が経過したことである。

例えば、まず、判定部１２０は、エンジン回転数センサ２５により検知されたエンジン回転数が所定範囲内であるか否かを判定する。

エンジン回転数が所定範囲内である場合、判定部１２０は、アクセル開度センサ２６により検知されたアクセル開度が全開となったか否かを判定する。

そして、判定部１２０は、エンジン回転数が所定範囲内でアクセル開度が全開となった場合、その時点から所定時間が経過したか否かを判定する。

所定時間とは、アクセル開度が全開となった時点（すなわち、乗員によりアクセルペダルが最大限踏み込まれた時点）から、上昇する実ブースト圧が一定の値となるまでの時間である。よって、換言すれば、判定部１２０は、エンジン回転数が所定範囲内でアクセル開度が全開となった場合、吸気圧センサ１８により検知される実ブースト圧が一定の値となったか否かを判定する。

また、判定部１２０は、算出部１１０により算出された、目標ブースト圧と実ブースト圧との偏差（以下、単に偏差ともいう）が予め定められた閾値以上であるか否かを判定する。

ここでいう閾値とは、プレキャタライザ２０の目詰まりにより新気量の不足が発生しうる、目標ブースト圧と実ブースト圧との偏差である。また、この閾値は、例えば、シミュレーションの結果、または、実機（例えば、エンジン２や車両１）による評価等に基づいて、予め定められる。

偏差が閾値以上である場合、判定部１２０は、プレキャタライザ２０の目詰まりが発生したと判定する。

一方、偏差が閾値以上ではない場合（換言すれば、偏差が閾値未満である場合）、判定部１２０は、プレキャタライザ２０の目詰まりが発生していないと判定する。

判定部１２０は、プレキャタライザ２０の目詰まりが発生したと判定した場合、プレキャタライザ２０の目詰まりが発生した旨を乗員（ユーザの一例）に対して報知するように、車室内に設けられた報知用デバイス（図示略）を制御する。

報知用デバイスとしては、ランプ、ディスプレイ、スピーカ等が挙げられる。報知用デバイスがランプである場合、判定部１２０は、ランプを点灯（または、点滅でもよい）させてもよい。報知用デバイスがディスプレイである場合、判定部１２０は、プレキャタライザ２０の目詰まりが発生した旨を示す画像をディスプレイに表示させてもよい。報知用デバイスがスピーカである場合、判定部１２０は、プレキャタライザ２０の目詰まりが発生した旨を示す音声（または、効果音でもよい）をスピーカから出力させてもよい。

なお、本実施の形態では、判定部１２０は、車両１内に設けられた報知用デバイスを制御する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、判定部１３０は、プレキャタライザ２０の目詰まりが発生した旨を示す報知情報を、車両１の外部（遠隔地）に設置された報知用デバイスへ送信するように、車両１に搭載された通信装置（図示略）を制御してもよい。これにより、遠隔地の報知用デバイスにおいて報知情報が出力され、車両１の運行管理者（ユーザの一例）は、プレキャタライザ２０の目詰まりが発生した旨を把握することができる。

以上、不具合判定装置１００の構成について説明した。

次に、不具合判定装置１００の動作について、図３を用いて説明する。図３は、不具合判定装置１００の動作例を示すフローチャートである。図３に示すフローは、エンジン２の始動後に開始される。

まず、判定部１２０は、エンジン回転数センサ２５により検知されたエンジン回転数が所定範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ１）。

エンジン回転数が所定範囲内ではない場合（ステップＳ１：ＮＯ）、フローは、ステップＳ１へ戻る。一方、エンジン回転数が所定範囲内である場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）、フローは、後述するステップＳ２へ進む。

次に、判定部１２０は、アクセル開度センサ２６により検知されたアクセル開度が全開となったか否かを判定する（ステップＳ２）。

アクセル開度が全開となっていない場合（ステップＳ２：ＮＯ）、フローは、ステップＳ２へ戻る。一方、アクセル開度が全開となった場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）、フローは、後述するステップＳ３へ進む。

次に、判定部１２０は、所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ３）。

所定時間が経過していない場合（ステップＳ３：ＮＯ）、フローは、ステップＳ３へ戻る。一方、所定時間が経過した場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、フローは、後述するステップＳ４へ進む。

次に、算出部１１０は、目標ブースト圧と実ブースト圧との偏差を算出する（ステップＳ４）。

次に、判定部１２０は、算出部１１０により算出された偏差が閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ５）。

偏差が閾値以上である場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、判定部１２０は、プレキャタライザ２０の目詰まりが発生したと判定する（ステップＳ６）。

そして、判定部１２０は、プレキャタライザ２０の目詰まりの発生を報知するように報知用デバイスを制御する（ステップＳ７）。これにより、車両１の乗員は、プレキャタライザ２０の目詰まりが発生したことを把握（認識と言ってもよい）することができる。

一方、偏差が閾値以上ではない場合（ステップＳ５：ＮＯ）、判定部１２０は、プレキャタライザ２０の目詰まりが発生していないと判定する（ステップＳ８）。この場合、報知用デバイスによる報知は行われない。

なお、上記フローにおいて、ステップＳ１とＳ２の順番は、逆であってもよい。

また、ステップＳ３の処理は、「判定部１２０は、吸気圧センサ１８により検知される実ブースト圧が一定の値となったか否かを判定する」と言ってもよい。その場合、フローは、実ブースト圧が一定の値となればステップＳ４へ進み、実ブースト圧が一定の値となっていなければステップＳ３へ戻る。

以上、不具合判定装置１００の動作について説明した。

例えば、排気ブレーキ装置の不具合（具体的には、排気ブレーキの頻度が多いことによって生じる、バタフライバルブ２２のシャフトの渋り）が生じると、瞬間的に排ガス圧が上昇し、ＥＧＲ率の増加によってエンジン２（具体的には燃焼室内）において失火が発生する（なお、失火の要因は、ＥＧＲ率の増加以外であってもよい）。失火が発生すると、プレキャタライザ２０に燃料が流入し、化学反応によりプレキャタライザ２０が高温化する。その結果、熱膨張によってプレキャタライザ２０のハニカム構造が変形して目詰まりが発生してしまい、新気量の不足が起こる。本開示は、このような現象を利用したものである。すなわち、本実施の形態の不具合判定装置１００は、エンジン回転数が所定範囲内でアクセル開度が全開となり、そのタイミングから所定時間が経過した場合、目標ブースト圧と実ブースト圧との偏差を算出し、その偏差が閾値以上であれば、排ガス浄化部材の不具合（具体的には、プレキャタライザ２０の目詰まり）が発生したと判定することを特徴とする。これにより、エンジン２の故障（例えば、車両１の路上故障）が発生する前に、乗員は、排ガス浄化部材（例えば、プレキャタライザ２０）に不具合が発生したことを把握することができる。

なお、本開示は、上記実施の形態の説明に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。以下、変形例について説明する。

［変形例１］
実施の形態において、不具合判定装置１００は、上述した排気ブレーキ制御装置の機能を有してもよい。例えば、不具合判定装置１００は、排気ブレーキ装置２１のバタフライバルブ２２の開閉を制御する制御部を有してもよい。

具体的には、車両１の乗員によって排気ブレーキの実行（開始と言ってもよい）を指示する操作が行われた場合、制御部は、上述した閉弁指示信号を排気ブレーキ装置２１へ出力してもよい。また、車両１の乗員によって排気ブレーキの解除（終了と言ってもよい）を指示する操作が行われた場合、制御部は、上述した開弁指示信号を排気ブレーキ装置２１へ出力してもよい。

［変形例２］
実施の形態では、排気管１４に設けられる排ガス浄化部材が触媒である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。

例えば、排ガス浄化部材は、ハニカム構造を有し、排ガス中の微粒子を捕集するフィルタ（例えば、ＤＰＦ：Diesel particulate filter）であってもよい。

［変形例３］
プレキャタライザ２０が正常であっても、吸気圧センサ１８により検知される実ブースト圧は、気温が高いほど、または、気圧が低いほど、小さくなる。よって、上述した閾値（算出部１１０により算出された偏差との比較に用いられる閾値）は、気温が高いほど大きくなるように、または、気圧が低いほど大きくなるように、設定されてもよい。例えば、閾値は、気温または気圧に応じて、段階的に設定されてもよい。

本開示の不具合判定装置および不具合判定方法は、排ガス浄化部材の不具合の判定に有用である。

１ 車両
２ エンジン
３ 気筒
４ 吸気ポート
５ 排気ポート
６ エアフィルタ
７ 吸気管
７ａ 高圧側吸気管
８ ターボチャージャ
９ コンプレッサ
１０ タービン
１１ インタークーラ
１２ 吸気マニホールド
１３ 排気マニホールド
１４ 排気管１４
１４ａ 高圧側排気管
１５ ＥＧＲ管
１６ ＥＧＲクーラ
１７ ＥＧＲバルブ
１８ 吸気圧センサ
２０ プレキャタライザ
２１ 排気ブレーキ装置
２２ バタフライバルブ
２３ メインキャタライザ
１００ 不具合判定装置
１１０ 算出部
１２０ 判定部

Claims (5)

1. エンジンから排出される排ガスが流れる排気管に設けられた排ガス浄化部材の不具合を判定する不具合判定装置であって、
   予め定められたアクセル開度が全開のときの目標ブースト圧と、エンジン回転数が所定範囲内でアクセル開度が全開となってから所定時間が経過した場合における実ブースト圧との偏差を算出する算出部と、
   前記偏差が閾値以上である場合、前記排ガス浄化部材に不具合が発生したと判定する判定部と、を有する、
   不具合判定装置。
2. 前記判定部は、
   前記排ガス浄化部材に不具合が発生した旨の報知を行うように、前記不具合判定装置が搭載された移動体の内部または前記移動体の外部に設けられた報知用デバイスを制御する、
   請求項１に記載の不具合判定装置。
3. 前記不具合は、
   前記排ガス浄化部材のハニカム構造の目詰まりである、
   請求項１または２に記載の不具合判定装置。
4. 前記排ガス浄化部材は、
   前記排気管において、前記排ガスの流れを遮断することにより排気ブレーキを実現する排気ブレーキ装置よりも上流側に設けられた触媒である、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の不具合判定装置。
5. エンジンから排出される排ガスが流れる排気管に設けられた排ガス浄化部材の不具合を判定する不具合判定方法であって、
   予め定められたアクセル開度が全開のときの目標ブースト圧と、エンジン回転数が所定範囲内でアクセル開度が全開となってから所定時間が経過した場合における実ブースト圧との偏差を算出するステップと、
   前記偏差が閾値以上である場合、前記排ガス浄化部材に不具合が発生したと判定するステップと、を有する、
   不具合判定方法。