JP7360336B2 - デポジット付着検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの吸気ポートへのデポジットの付着を検出する装置に関する。

例えば自動車用のエンジンにおいて、燃焼室からピストンリングの隙間などを経由してクランクケース内に吹き抜けたガス（ブローバイガス）は、燃焼室に再導入して燃焼処理するため、専用の配管を用いて吸気管路に導入される。
吸気管路に導入されるブローバイガスには、クランクケース内の潤滑油のミストや、その他の不完全燃焼生成物が含まれている。
このようなオイルミストや不完全燃焼生成物は、燃焼室に新気を導入する流路である吸気ポート内においてデポジット（堆積物）を形成する場合がある。
デポジットの堆積量が過度に多くなった場合、エンジンの始動性が低下するなどの問題が懸念される。
従来、吸気ポート内のデポジットの付着は、エンジンを分解して目視により点検することが一般的であったが、この場合何らかの性能低下が発生してからの事後的な対処とならざるを得ないため、エンジンの分解などを行うことなくデポジットの付着を検出する技術が要望されている。

エンジンの吸気装置へのデポジット付着検出に関する従来技術として、例えば特許文献１には、エアフローメータにより検出されるエンジンの吸入空気量に所定の経時変化がないにも関わらず吸気圧力が上昇している場合に、吸気バルブへのバルブデポジットの堆積量が増加していると判定することが記載されている。

特開２００６－３１２８９０号公報

特許文献１に記載された技術によれば、吸気バルブや吸気ポートへのデポジット付着をエンジンの運転中に検出することは可能であるが、エンジンの吸気圧力が変化する程度に相当多量のデポジットが付着しなければ検出は困難であると認められる。
仮にそのような程度までデポジットが付着するとすれば、エンジンに顕著な性能悪化が発生することは避けられず、より早い段階でデポジットの付着を検出可能な技術が要望されている。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、吸気ポートのデポジット付着を精度よく検出可能なデポジット付着検出装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、燃焼室に新気を導入するとともに吸気バルブによって所定のバルブタイミングで開閉される吸気ポートと、前記吸気ポートに新気を導入する吸気流路と、前記吸気流路の途中に設けられたスロットルバルブとを有するエンジンに設けられるデポジット付着検出装置であって、前記吸気ポートの内面の一部と、前記吸気流路における前記スロットルバルブよりも上流側の領域とを連通させる連通流路と、前記連通流路の内部の圧力を検出する圧力センサと、前記連通流路に設けられ開状態と閉状態とを推移可能なバルブと、前記バルブの状態を推移させた後の前記圧力センサの検出値変化に基づいて前記吸気ポートのデポジット付着量を検出する付着量検出部とを備えることを特徴とするデポジット付着検出装置である。
吸気ポートの内面にデポジットが付着している場合には、連通流路の吸気ポート側の開口端にもデポジットが付着する。この開口端が部分的に閉塞された場合には、流路抵抗、圧損が大きくなって内部を気流が通過する際の流速が低下する。
このような状態でバルブの状態を推移させ、連通流路内の圧力を変化させた場合に、デポジットの付着量が多い場合には、圧力変化に要する時間が長くなる。
本発明によれば、バルブの状態を推移させた後の圧力センサの検出値変化に基づいてデポジットの付着を検出することにより、エンジンの吸気管圧力に顕著な差が生じない程度のデポジットの付着であっても精度よく検出することができる。

請求項２に係る発明は、前記付着量検出部は、前記バルブの状態を推移させた後の前記圧力センサの検出値の変化速度に基づいて前記デポジット付着量を検出することを特徴とする請求項１に記載のデポジット付着検出装置である。
これによれば、簡単な構成により確実に上述した効果を得ることができる。
所定値は、例えば、エンジンが正常な状態（吸気ポートにデポジットが付着していない状態）におけるバルブの状態を推移させた後の圧力センサの検出値の変化速度に基づいて設定することができる。

請求項３に係る発明は、前記連通流路の前記吸気ポート側の端部を、前記吸気バルブの弁体部周縁と当接するバルブシートに隣接する箇所に配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のデポジット付着検出装置である。
これによれば、デポジットの堆積が問題となりやすいバルブシートに近接する箇所の局所的なデポジットの付着状態を適切に検出することができる。

以上説明したように、本発明によれば、吸気ポートのデポジット付着を精度よく検出可能なデポジット付着検出装置を提供することができる。

本発明を適用したデポジット付着検出装置の実施形態を有するエンジンの構成を模式的に示す図である。 実施形態のデポジット付着検出装置の動作を示すフローチャートである。 実施形態のデポジット付着検出装置における圧力センサ検出値の推移の一例を示す図である。

以下、本発明を適用したデポジット付着検出装置の実施形態について説明する。
図１は、実施形態のデポジット付着検出装置を有するエンジンの構成を模式的に示す図である。
エンジン１は、シリンダブロック１０、ピストン２０、シリンダヘッド３０、吸気装置４０、排気装置５０、インジェクタ６０、ブローバイガス流路７０、デポジット検出流路８０、エンジン制御ユニット１００等を有して構成されている。

シリンダブロック１０は、ピストン２０が挿入されるスリーブ、及び、クランクケースを一体に形成したものである。
クランクケースは、エンジン１の出力軸である図示しないクランクシャフトを回転可能に支持し、収容するものである。
シリンダブロック１０には、シリンダヘッド３０及びスリーブの周囲に形成されたウォータージャケット内に通流される冷却水の水温を検出する水温センサ１１が設けられている。
水温センサ１１の出力は、エンジン制御ユニット１００に伝達される。
シリンダブロック１０のクランクケース部には、ブローバイガス流路７０の端部が内部に連通した状態で接続されている。

ピストン２０は、シリンダブロック１０のスリーブ内部に挿入され往復運動する部材である。
ピストン２０は、コンロッド２１を介して図示しないクランクシャフトに接続されている。
ピストン２０の冠面２２は、シリンダヘッド３０と協働してエンジン１の燃焼室を構成する。

シリンダヘッド３０は、シリンダブロック１０のクランクシャフト側とは反対側の端部に設けられている。
シリンダヘッド３０は、燃焼室３１、吸気ポート３２、排気ポート３３、吸気バルブ３４、排気バルブ３５、点火栓３６等を備えている。

燃焼室３１は、ピストン２０の冠面２２と対向して形成された凹部であって、例えばペントルーフ型に形成されている。
吸気ポート３２は、燃焼室３１に燃焼用空気（新気）を導入する流路である。
排気ポート３３は、燃焼室３１から既燃ガス（排ガス）を排出する流路である。
吸気バルブ３４、排気バルブ３５は、吸気ポート３２、排気ポート３３を、所定のバルブタイミングでそれぞれ開閉するものである。
吸気バルブ３４、排気バルブ３５は、カムシャフト、ロッカアーム等の動弁駆動系によって駆動される。
点火栓３６は、エンジン制御ユニット１００が生成する点火信号に応じて、所定の点火時期にスパーク（火花）を発生し、混合気に点火するものである。
点火栓３６は、燃焼室３１の実質的に中心部（シリンダブロック１０のスリーブの中心軸近傍）に配置されている。

吸気装置４０は、エンジン１に燃焼用空気を導入するものである。
吸気装置４０は、インテークダクト４１、エアクリーナ４２、スロットルバルブ４３、インテークマニホールド４４、エアフローメータ４５等を有して構成されている。
インテークダクト４１は、大気中から空気を導入してエンジン１へ供給する管路（吸気流路）である。
エアクリーナ４２は、インテークダクト４１の入口近傍に設けられ、空気中のダスト等を濾過して浄化するものである。
スロットルバルブ４３は、インテークダクト４１におけるエアクリーナ４２の下流側に設けられ、吸気空気量を絞ることによってエンジン１の出力調整を行うものである。
スロットルバルブ４３は、バタフライバルブ等の弁体、弁体を駆動する電動アクチュエータ（スロットルアクチュエータ）、及び、スロットル開度を検出するスロットルセンサ等を備えて構成されている。
スロットルアクチュエータは、エンジン制御ユニット１００からの制御信号に応じて駆動される。
インテークマニホールド４４は、スロットルバルブ４３の下流側に設けられ、容器状に形成されたサージタンク、及び、各気筒の吸気ポート３２に接続され新気を導入する分岐管を有して構成されている。
エアフローメータ４５は、エアクリーナ４２の下流側に設けられ、インテークダクト４１内を通過する空気の流量（エンジン１の吸気流量）を測定する吸入空気量センサである。
エアフローメータ４５の出力は、エンジン制御ユニット１００に逐次伝達される。

排気装置５０は、エンジン１から排ガスを排出するものである。
排気装置５０は、エキゾーストパイプ５１、触媒コンバータ５２、空燃比センサ５３、リアＯ_２センサ５４等を有して構成されている。
エキゾーストパイプ５１は、排気ポート３３から出た排ガスを排出する管路である。
触媒コンバータ５２は、エキゾーストパイプ５１の中間部に設けられている。
触媒コンバータ５２は、ハニカム状のアルミナ担体にプラチナ、ロジウム等の貴金属を担持させて構成され、ＨＣ、ＮＯｘ、ＣＯ等を浄化する三元触媒を備えている。

空燃比（Ａ／Ｆ）センサ５３は、エンジン１の現在の空気過剰率λを、排ガスの性状に基づいて検出するリニア出力のラムダセンサである。
空燃比センサ５３は、エキゾーストパイプ５１の触媒コンバータ５２よりも上流側の領域に設けられている。

リアＯ_２センサ５４は、触媒コンバータ５２を通過した後の排ガス中における酸素含有量を検出するものである。
リアＯ_２センサ５４は、例えば、ジルコニアからなる筒体の内面（大気側）及び外面（排ガス側）にそれぞれ白金をコーティングして構成され、酸素濃度差に起因する起電力を発生するものである。
リアＯ_２センサ５４は、空燃比が理論空燃比よりも濃い場合（燃料リッチ状態・酸素不足状態）には電圧が発生し、薄い場合（燃料リーン状態・酸素余剰状態）には実質的に電圧が発生しない特性を有する。
リアＯ_２センサ５４は、エキゾーストパイプ５１の触媒コンバータ５２よりも下流の領域に設けられている。

インジェクタ６０は、例えばソレノイドやピエゾ素子を有するアクチュエータによって駆動されるニードルバルブを備え、図示しない高圧燃料ポンプから圧送され、デリバリーパイプ内に蓄圧された高圧燃料を、エンジン制御ユニット１００が生成する噴射信号（開弁信号）に応じて、所定の時期に所定の噴射量だけ燃焼室３１の内部に噴射するものである。

ブローバイガス流路７０は、燃焼室３１からシリンダブロック１０のクランクケース側に吹き抜けたガス（ブローバイガス）を、燃焼室３１で燃焼処理するため、吸気装置４０に還流させるものである。
ブローバイガスには、クランクケース内で混入するオイルミストや、その他の不完全燃焼生成物が含まれる。
ブローバイガス流路７０は、シリンダブロック１０のクランクケース部と、インテークダクト４１におけるスロットルバルブ４３よりも下流側（シリンダヘッド３０側）の領域とに、それぞれ連通した状態で接続されている。
ブローバイガス流路７０の中間部には、バルブ７１が設けられている。
バルブ７１は、エンジン制御ユニット１００からの指令に応じて開閉される電磁弁である。
バルブ７１は、例えばスロットルバルブ４３の下流側の吸気管圧力がブローバイガスの処理に適した範囲であるときに開弁される。

デポジット検出流路８０は、吸気ポート３２と、インテークダクト４１におけるスロットルバルブ４３よりも上流側（エアクリーナ４２側）の領域とを連通させる配管（連通流路）である。
デポジット検出流路８０の吸気ポート３２側の端部は、吸気ポート３２内においてデポジットの堆積が発生しやすい箇所に開口している。
例えば、デポジット検出流路８０の吸気ポート３２側の端部は、吸気バルブ３４の弁体の周縁部が当接するバルブシートに隣接する箇所に配置することができる。

デポジット検出流路８０の中間部には、インテークダクト４１側から順に、バルブ８１、圧力センサ８２が設けられている。
バルブ８１は、エンジン制御ユニット１００からの指令に応じて開閉される電磁弁である。
バルブ８１は、エンジン１の通常運転時には閉状態に維持されるとともに、吸気ポート３２のデポジット付着検出を行う場合には一時的に開状態とされる。
圧力センサ８２は、バルブ８１よりも吸気ポート３２側におけるデポジット検出流路８０の内部の圧力を検出するものである。

エンジン制御ユニット１００は、エンジン１及びその補機類を統括的に制御するものである。
エンジン制御ユニット１００は、例えばＣＰＵ等の情報処理部、ＲＡＭやＲＯＭなどの記憶部、入出力インターフェイス及びこれらを接続するバス等を有して構成されている。
エンジン制御ユニット１００は、例えばドライバによるアクセルペダルの操作量などに基づいて要求トルクを設定し、エンジン１の実際の出力トルクが要求トルクと一致するよう出力制御を行う。

また、実施形態においては、エンジン制御ユニット１００は、デポジット検出流路８０と協働して、吸気ポート３２のデポジット付着量を検出するデポジット付着検出装置としての機能（付着量検出部としての機能）を有する。
この点について、以下詳細に説明する。
図２は、実施形態のデポジット付着検出装置の動作を示すフローチャートである。

＜ステップＳ０１：デポジット検出可能条件判断＞
エンジン制御ユニット１００は、現在のエンジン１の運転状態が、デポジット付着検出に適した所定の条件を充足するか否かを判別する。
例えば、エンジン回転数（クランクシャフト回転速度）、出力トルクが予め設定された所定の範囲内であり、かつ、これらに顕著な変動がない定常状態である場合に、デポジット付着検出が可能であると判定する。
例えば、エンジン１がアイドリング状態であるときにデポジット付着検出が可能であると判定することができる。
デポジット付着検出が可能であると判定された場合はステップＳ０２に進み、その他の場合は一連の処理を終了（リターン）する。

＜ステップＳ０２：バルブ開状態に推移＞
エンジン制御ユニット１００は、デポジット検出流路８０のバルブ８１を閉状態から開状態に推移させる。
エンジン１が比較的低負荷で運転されている状態においては、スロットルバルブ４３が絞られた状態となっており、スロットルバルブ４３の下流側のほうが上流側に対して吸気管内圧力が低くなる。
このため、バルブ８１を開くとデポジット検出流路８０内の空気は、圧力差によりインテークダクト４１側から吸気ポート３２側へ流れ、吸気ポート３２側の端部から吸気ポート内へ流入する。
その後、ステップＳ０３に進む。

＜ステップＳ０３：圧力センサ出力取得＞
エンジン制御ユニット１００は、圧力センサ８２の出力（圧力検出値）を取得し、記憶部に保持する。
その後、ステップＳ０４に進む。

＜ステップＳ０４：開状態タイマ値カウントアップ＞
エンジン制御ユニット１００は、ステップＳ０２においてバルブ８１を開状態に推移させてからの経過時間を計時するタイマ手段（開状態タイマ）のタイマ値をカウントアップする。
なお、タイマ値は、デポジット付着検出の開始時にリセットされる。
その後、ステップＳ０５に進む。

＜ステップＳ０５：圧力増加量判断＞
エンジン制御ユニット１００は、ステップＳ０２においてバルブ８１を開状態に推移させてからのデポジット検出流路８０内の圧力の増加量を、予め設定された閾値ＴｈＰ（図３参照）と比較する。
閾値ＴｈＰは、例えば、スロットルバルブ４３よりも上流側のインテークダクト４１内の圧力（自然吸気エンジンの場合には大気圧と同等）に基づいて設定することができる。
圧力増加量が閾値ＴｈＰ以上である場合はステップＳ０６に進み、それ以外の場合はステップＳ０３に戻り、以降の処理を繰り返す。

＜ステップＳ０６：バルブ閉状態へ推移＞
エンジン制御ユニット１００は、バルブ８１を開状態から閉状態に推移させる。
その後、ステップＳ０７に進む。

＜ステップＳ０７：開状態タイマ値判断＞
エンジン制御ユニット１００は、現在の開状態タイマのタイマ値Ｔ（バルブ８１を開いてから、圧力増加量が閾値ＴｈＰに達するまでの時間）を予め設定された閾値ＴｈＴ（図３参照）と比較する。
このときのタイマ値Ｔは、バルブ８１を開いてからのデポジット検出流路８０内の圧力増加速度を示している。
この閾値ＴｈＴは、吸気ポート３２にデポジットが付着していない場合においてバルブ８１を開いてから圧力が閾値ＴｈＰに達するまでの時間に、所定の許容時間（エンジン１の運転に影響を及ぼさない程度のデポジットが付着した場合の遅延時間）を加算して設定することができる。
開状態タイマ値が閾値ＴｈＴ以上である場合はステップＳ０８に進み、その他の場合はステップＳ０９に進む。

＜ステップＳ０８：デポジット堆積判断成立＞
エンジン制御ユニット１００は、デポジット検出流路８０の吸気ポート３２側の開口端部に所定量以上のデポジットが付着しているデポジット堆積状態であると判定する。
エンジン制御ユニット１００は、エンジン１の運転制御を所定のセーフモード制御に切り替えるとともに、警告灯（ＭＩＬ）点灯などによりユーザにデポジット堆積状態が発生していることを報知する。
またエンジン制御ユニット１００は、開状態タイマ値の閾値からの乖離に応じて、デポジットの堆積量を推定することも可能である。
その後、一連の処理を終了する。

＜ステップＳ０９：デポジット堆積判断不成立＞
エンジン制御ユニット１００は、デポジット堆積状態が発生していないと判定する。
その後、一連の処理を終了する。

図３は、実施形態のデポジット付着検出装置における圧力センサ検出値の推移の一例を示す図である。
図３において、横軸は時間を示し、縦軸はデポジット検出流路８０内の圧力を示している。
バルブ８１が閉状態であり、エンジン１をスロットルバルブ４３が絞られた状態で定常運転（例えばアイドリング状態）している場合、圧力センサ８２が設けられた箇所におけるデポジット検出流路８０内の圧力は、吸気ポート３２内の圧力（いわゆる吸気管負圧）と同等になり、スロットルバルブ４３よりも上流側のインテークダクト４１内の圧力（大気圧とほぼ同等）よりは低い圧力となる。

その後、デポジット付着検出のためバルブ８１を開くと、上述した圧力差によりインテークダクト４１側から吸気ポート３２側へ空気が流入し、圧力センサ８２が検出する圧力は増加を開始し、その後閾値ＴｈＰに達する。
圧力が閾値ＴｈＰに達するとバルブ８１は閉じられ、圧力は低下を開始する。
ここで、デポジットが堆積している場合には、デポジット検出流路８０の開口端の流路抵抗（圧損）が増加することにより、バルブ８１を開状態としてから圧力が閾値ＴｈＰに達するまでの時間（タイマ値Ｔ）が大きくなる。（圧力の増加速度が遅くなる。）
タイマ値Ｔが閾値ＴｈＴ以上である場合には、所定以上のデポジットが付着しているデポジット堆積状態であると判定することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）バルブ８１を閉状態から開状態へ推移させた後に圧力センサ８２が検出する圧力の増加に基づいてデポジットの付着を検出することにより、エンジン１の吸気管圧力に顕著な差が生じない程度のデポジットの付着であっても精度よく検出することができる。
例えば、デポジットが未付着状態から、デポジット検出流路８０が完全に閉塞された状態まで、デポジット付着状態の検出を行うことができる。
（２）バルブ８１を開いた後に圧力センサ８２が検出する圧力が閾値ＴｈＰまで増加するまでの時間（圧力の増加速度を意味する）を、正常時のデータに基づいて設定した閾値ＴｈＴと比較して判定を行うことにより、簡単な構成により確実に上述した効果を得ることができる。
（３）デポジット検出流路８０の吸気ポート３２側の端部をバルブシート近傍に配置することにより、デポジットの堆積が問題となりやすいバルブシートに近接する箇所の局所的なデポジットの付着状態を適切に検出することができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
（１）デポジット付着検出装置及びエンジンの構成は、上述した実施形態に限定されることなく、適宜変更することができる。
例えば、エンジンの気筒数、シリンダレイアウト、燃料噴射方式などは適宜変更することができる。
また、実施形態ではエンジンは一例としてガソリンエンジンであるが、本発明は、スロットルバルブを有する他種のエンジンにも適用することが可能である。
（２）実施形態のエンジンは一例として自然吸気エンジンであるが、本発明は過給エンジンにも適用することができる。
例えば、エンジンがターボ過給機を備える場合には、デポジット検出流路の吸気ポート側とは反対側の端部を、ターボ過給機のコンプレッサの入口側に接続する構成とすることができる。
（３）実施形態においては、定常状態でバルブを開いた後の圧力増加時間に基づいてデポジット付着検出を行っているが、バルブを開いて圧力が上昇した後にバルブを閉じた際の圧力減少時間に基づいてデポジット付着を検出してもよい。
また、このような圧力の増加時間と減少時間との両方に基づいてデポジット付着を検出してもよい。

１ エンジン
１０ シリンダブロック １１ 水温センサ
２０ ピストン ２１ コンロッド
２２ 冠面 ３０ シリンダヘッド
３１ 燃焼室 ３２ 吸気ポート
３３ 排気ポート ３４ 吸気バルブ
３５ 排気バルブ ３６ 点火栓
４０ 吸気装置 ４１ インテークダクト
４２ エアクリーナ ４３ スロットルバルブ
４４ インテークマニホールド ４５ エアフローメータ
５０ 排気装置
５１ エキゾーストパイプ ５２ 触媒コンバータ
５３ 空燃比センサ ５４ リアＯ_２センサ
６０ インジェクタ
７０ ブローバイガス流路 ７１ バルブ
８０ デポジット検出流路 ８１ バルブ
８２ 圧力センサ

Claims (3)

1. 燃焼室に新気を導入するとともに吸気バルブによって所定のバルブタイミングで開閉される吸気ポートと、
   前記吸気ポートに新気を導入する吸気流路と、
   前記吸気流路の途中に設けられたスロットルバルブと
   を有するエンジンに設けられるデポジット付着検出装置であって、
   前記吸気ポートの内面の一部と、前記吸気流路における前記スロットルバルブよりも上流側の領域とを連通させる連通流路と、
   前記連通流路の内部の圧力を検出する圧力センサと、
   前記連通流路に設けられ開状態と閉状態とを推移可能なバルブと、
   前記バルブの状態を推移させた後の前記圧力センサの検出値変化に基づいて前記吸気ポートのデポジット付着量を検出する付着量検出部と
   を備えることを特徴とするデポジット付着検出装置。
2. 前記付着量検出部は、前記バルブの状態を推移させた後の前記圧力センサの検出値の変化速度に基づいて前記デポジット付着量を検出すること
   を特徴とする請求項１に記載のデポジット付着検出装置。
3. 前記連通流路の前記吸気ポート側の端部を、前記吸気バルブの弁体部周縁と当接するバルブシートに隣接する箇所に配置したこと
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のデポジット付着検出装置。

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