JP7486903B2

JP7486903B2 - 車載の情報収集装置

Info

Publication number: JP7486903B2
Application number: JP2020195498A
Authority: JP
Inventors: 和樹古浜; 裕樹奥田; 勝博正田
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2020-11-25
Filing date: 2020-11-25
Publication date: 2024-05-20
Anticipated expiration: 2040-11-25
Also published as: JP2022083892A

Description

本発明は、車両に搭載される内燃機関の排気系の構成部材の温度に関する情報を収集する情報収集装置に関する。

車両に実装されている制御装置（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）は、車両の運用中、動力源である内燃機関その他種々の機器の現在の状態に関わる情報を常に収集している。その情報を外部に出力させることができれば、これを車両や内燃機関等の開発に有効に活用することが可能になる。

近時、車載の制御装置とスマートフォン等の汎用的な情報通信端末とを有線または無線で接続し、制御装置が保有する情報を情報通信端末を介して外部に送信することが試みられている（例えば、下記先行技術文献を参照）。

国際公開第２０１４／０１７４５４号

"ＳｍａｒｔＤｅｖｉｃｅＬｉｎｋ（ＳＤＬ、登録商標）"、［ｏｎｌｉｎｅ］、令和２年、ＳＤＬコンソーシアム、［令和２年１０月２７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：https://www.smartdevicelink.com/＞

内燃機関の排気系を構成する部材、例えば排気マニホルドを含む排気管や排気浄化用の三元触媒等は、気筒から排出される燃焼ガスの高温に曝される。排気系の構成部材の温度は、その時々で大きく上下動する。このことから、排気系の構成部材には膨脹収縮による熱歪みまたは熱応力が蓄積し、中長期的に構成部材に破損が生じるリスクが存在している。

構成部材の破損を抑止するべく、従来より、充分な耐久性を有する材料を選択して構成部材を作製している。しかしながら、実際の車両の運用中に構成部材が受けている熱的ストレスについての知見は乏しく、構成部材の耐久性能が過剰となっている、換言すれば不必要にコストの騰貴を招いている可能性がある。

内燃機関の運転制御を司る制御装置（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＦｕｅｌＩｎｊｅｃｔｉｏｎＥＣＵ）は、排気系の構成部材の現在温度を推測または実測することができる。この温度の情報を外部の情報処理装置に向けて送信させ、情報処理装置において蓄積すれば、車両の運用中に構成部材が受ける熱的ストレスについて分析することができる。ひいては、耐久性及びコストの両面で最適な材料を選択することが可能となるであろう。

とは言え、制御装置が反復的に推測または実測している構成部材の温度の時系列をそのまま送受信することは、データ量及び通信量が膨大となるため、決して得策ではない。多数台の車両について情報を集積しようとするならば、なおさらである。

以上の問題に着目してなされた本発明は、車両に搭載される内燃機関の排気系の構成部材の温度に関する有益な情報を、そのデータ量を削減しながら効率よく収集することを所期の目的としている。

本発明では、車両に搭載されている内燃機関の排気系を構成する部材の現在温度を反復的に推測または実測する測温部と、前記測温部で推測または実測した前記部材の温度の時系列のうちの複数の極大値及び極小値に関する情報を記憶する情報記憶部と、前記情報記憶部で記憶している前記部材の温度の極大値及び極小値に関する情報を車両の外部に送信する情報出力部とを具備する車載の情報収集装置であって、前記情報記憶部は、前記情報として、前記部材の温度帯を複数の区域に区分したときのある区域から他の区域に前記部材の温度が遷移した回数を区域毎に計数したものを記憶保持し、前記情報出力部は、前記情報記憶部で記憶している情報を車両の外部に送信する、車載の情報収集装置を構成した。なお、前記情報記憶部が記憶する前記情報について、前記部材の温度が極大値から極小値に遷移し、または極小値から極大値に遷移する一回の温度変化において、それら極小値と極大値とが異なる温度の区域に属していたとしても、それら極大値と極小値との差分の絶対値が所定値を下回るならばその温度変化については計数しないこととすることが好ましい。

本発明によれば、内燃機関の排気系の構成部材の温度に関する有益な情報を、そのデータ量を削減しながら効率よく収集できる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関及び制御装置（情報収集装置）の概略構成を示す図。同実施形態の制御装置の機能ブロック図。同実施形態の制御装置が推測及び実測する排気系の構成部材の温度の推移を例示する図。同実施形態の制御装置が記憶し出力する情報の内容を説明する図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、車両用内燃機関の一例を示す。図示例の内燃機関は、火花点火式の４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気ガスを各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

排気通路４における触媒４１の上流及び下流には、排気通路４を流通するガスの空燃比を検出するための空燃比センサ４３、４４を設置する。空燃比センサ４３、４４はそれぞれ、排気ガスの空燃比に対して非線形な出力特性を有するＯ₂センサであってもよく、排気ガスの空燃比に比例した出力特性を有するリニアＡ／Ｆセンサであってもよい。

排気ガス再循環（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、排気通路４と吸気通路３とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における触媒４１の下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所（特に、サージタンク３３または吸気マニホルド３４）に接続している。

本実施形態の制御装置（情報収集装置）たるＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有した既知のマイクロコンピュータシステムである。ＥＣＵ０は、ＥＦＩＥＣＵを含む複数基のＥＣＵまたはコントローラが、ＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）等の電気通信回線を介して相互に通信可能に接続されてなるものである。ＥＣＵ０においてプロセッサにより実行されるべきプログラムは、補助記憶メモリに格納されており、プログラムの実行の際には補助記憶メモリから主記憶メモリに読み込まれ、プロセッサによって解読される。

ＥＣＵ０の入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、内燃機関のクランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するクランク角センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、内燃機関に要求されるエンジン負荷率またはエンジントルク）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３３または吸気マニホルド３４）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｅ、触媒４１の上流側における排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４３から出力される空燃比信号ｆ、触媒４１の下流側における排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４４から出力される空燃比信号ｇ、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタ１３に対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に吸入される空気（新気）量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸入空気量等に基づき、要求燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲガス量）、点火タイミング（一度の燃焼に対する火花点火の回数を含む）等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

燃料噴射量を決定するにあたり、ＥＣＵ０は、まず、気筒１に吸入される空気の量Ｇ_aを求め、その吸入空気量Ｇ_aに比例する、吸入空気量Ｇ_aに対して目標空燃比を実現できような燃料噴射量の基本量ＴＰを決定する。吸入空気量Ｇ_aは、エンジン回転数及び吸気圧を基に推算する。必要であれば、その推算値に、吸気温や大気圧等に応じた補正を加えることができる。なお、吸気通路３にエアフローメータが設置されているならば、エアフローメータを介して吸入空気量Ｇ_aを直接に実測することが可能である。

目標空燃比は、通常、現在の内燃機関の運転領域［エンジン回転数，アクセル開度］に応じて決定する。広汎な領域において、目標空燃比は理論空燃比またはその近傍である。但し、高回転域や高負荷域では、内燃機関の出力を増大させるべく、目標空燃比を理論空燃比よりもリッチに設定することがある。

次に、この基本噴射量ＴＰを、触媒４１に流入するガスの空燃比とその目標値との偏差に応じたフィードバック補正係数ＦＡＦや、環境条件その他に応じて定まる各種補正係数Ｋにより補正する。補正係数ＦＡＦ、Ｋはそれぞれ、１を中心に増減する正数である。さらに、インジェクタ１１を開弁しても燃料が噴出しない無効噴射時間ＴＡＵＶを加味して、最終的な燃料噴射時間Ｔ、即ちインジェクタ１１を開弁するべくこれに通電する時間を算定する。燃料噴射時間Ｔは、
Ｔ＝ＴＰ×ＦＡＦ×Ｋ＋ＴＡＵＶ
となる。ＥＣＵ０は、燃料噴射時間Ｔだけインジェクタ１１に対して信号ｊを入力し、インジェクタ１１を開弁して燃料を噴射させる。

また、ＥＣＵ０は、所定の燃料カット条件が成立したときに、気筒１に対する燃料噴射を一時中断する燃料カットを実行する。ＥＣＵ０は、少なくとも、アクセル開度が０または０に近い所定値以下となり、かつエンジン回転数が燃料カット許可回転数以上あることを以て、燃料カット条件が成立したものと判断する。

燃料カット条件の成立後、所定の燃料カット終了条件が成立したときには、燃料カットを終了して燃料噴射を再開する。ＥＣＵ０は、アクセル開度が０または０に近い所定値を上回った、エンジン回転数が燃料カット復帰回転数を下回るまで低下した等のうちの何れかを以て、燃料カット終了条件が成立したものと判断する。

しかして、本実施形態のＥＣＵ０は、プログラムに従ってハードウェア資源を作動させ、図２に示す測温部０１、情報記憶部０２及び情報出力部０３としての機能を発揮する。

測温部０１は、内燃機関の排気系４の構成部材４１、４２の現在温度を、所定周期毎に反復的に求める。本実施形態では、触媒４１の温度を推測または実測し、これを排気系４の構成部材４１、４２の温度を代表するもの、特に排気マニホルド４２の温度を代替するものとして扱う。

触媒４１の温度を検出するセンサを設置していないシステムでは、既知の手法に則って触媒４１の現在温度を推定することになる。具体的には、まず、現在の内燃機関の運転領域を基に、気筒１から排出され排気通路４に流入する排気の温度の基本値を求める。ＥＣＵ０のメモリには予め、内燃機関の運転領域［エンジン回転数，アクセル開度］と排気温度の基本値との関係を規定したマップデータ格納されている。ＥＣＵ０は、現在の運転領域のパラメータをキーとして当該マップを検索し、排気温度の基本値を知得する。

そして、排気温度の基本値を、現在の火花点火タイミング、混合気の空燃比、外気温及び車速等に応じて補正する。排気温度は、点火タイミングが遅角するほど上昇し、空燃比が理論空燃比から乖離するほど低下し、外気温が低くなるほど、また車速が高くなるほど（エンジンルームに吹き込む走行風の流量が増加して排気通路４がより空冷されることから）低下する。

さらに、触媒４１に流入した排気の持つ熱が触媒４１に伝わり触媒４１を昇温させるのに要する時間を加味して、触媒４１の現在の推定温度を算出する。

当然のことながら、触媒４１の温度を検出するセンサを設置しているシステムでは、ＥＣＵ０が当該温度センサの出力信号を参照して触媒４１の現在温度を直接に実測することが可能である。

情報記憶部０２は、測温部０１が推測または実測した触媒４１の温度に関する情報を、ＥＣＵ０のメモリの所要の記憶領域を用いて記憶保持する。本実施形態では、情報記憶部０２に記憶し、情報出力部０３を介して出力するデータ量及び通信量をできるだけ削減するべく、測温部０１が推測または実測した触媒４１の現在温度の時系列のうちの極大値及び極小値（即ち、変曲点）のみを抽出する。加えて、温度帯を複数の区域に区分し、ある区域から別の区域に触媒４１の温度が遷移した回数を区域毎に計数し、その回数を記憶保持する。

図３及び図４を参照して、情報記憶部０２が記憶保持する情報について補足する。図３は、実際の車両の運用中の触媒４１の温度変化の推移の例を示すものである。内燃機関の運転領域に応じて、排気の流量及び温度が変動し、それに呼応して触媒４１を含む排気系４の部材４１、４２の温度が上下動する。測温部０１は、その温度推移の時系列を得る。

図４は、情報記憶部０２がＥＣＵ０のメモリを利用して記憶する温度変化の回数のカウンタの配列である。本実施形態では、触媒４１の温度帯を、１００℃毎に切り分けている。１００℃域は５０℃以上１５０℃未満、２００℃域は１５０℃以上２５０℃未満、３００℃域は２５０℃以上３５０℃未満、……、７００℃域は６５０℃以上７５０℃未満、８００℃域は７５０℃以上８５０℃未満である。図４のマトリクスの行（縦軸）ｉは、触媒４１の温度が上昇または下降する変化の始期の触媒４１の温度域である。同マトリクスの列（横軸）ｊは、触媒４１の温度が上昇または下降する変化の終期の触媒４１の温度域である。

カウンタ値Ｎ_ijは、触媒４１の温度がある温度域ｉから別の温度域ｊに変化した回数を示す。例えば、Ｎ₁₄は、触媒４１の温度が１００℃域（ｉ＝１）に属する極小値から４００℃域（ｊ＝４）に属する極大値まで上昇した回数のカウンタ値である。Ｎ₃₁は、触媒４１の温度が３００℃域（ｉ＝３）に属する極大値から１００℃域（ｊ＝１）に属する極小値まで下降した回数のカウンタ値である。

図３の例に則して述べると、１００℃域に属する極小点Ｔ１から４００℃域に属する極大点Ｔ２までの一回の温度上昇は、カウンタ値Ｎ₁₄を１増加させる。４００℃域に属する極大点Ｔ２から２００℃域に属する極小点Ｔ３までの一回の温度降下は、カウンタ値Ｎ₄₂を１増加させる。同様にして、１００℃域に属する極小点Ｔ５から５００℃域に属する極大点Ｔ６までの一回の温度上昇はカウンタ値Ｎ₁₅を１増加させ、６００℃域に属する極大点Ｔ８から２００℃域に属する極小点Ｔ９までの一回の温度降下は、カウンタ値Ｎ₇₂を１増加させる。

このような温度変化の情報を収集する理由は、内燃機関の排気系４の構成部材４１、４２、特に気筒１に直結する排気管である排気マニホルド４２が現実に受ける熱的ストレスを把握するためである。実際に車両が運用されている最中の排気マニホルド４２等の構成部材の熱歪みそのものを計測することは、現実的に困難である。そこで、その代替指標として、排気マニホルド４２等の温度、本実施形態では触媒４１の温度の推移の極大値及び極小値を得ている。構成部材４１、４２の熱歪みは、その温度の極小値から極大値まで、またはその極大値から極小値までの温度変化により発生するからである。それらの情報を収集できれば、線形累積損傷則（マイナー則。部材４１、４２が一定波形ではない変動応力を受ける場合に疲労破壊を起こすまでの寿命を予測する経験則）及びレインフロー法（不規則な繰り返し変動荷重を受ける部材４１、４２の歪みまたは応力の振幅及び範囲並びにその発生回数（負荷繰り返し数）を決定する手法）等を用いて、実際の構成部材４１、４２の破損のリスクや寿命を見積もることが可能になる。

但し、一回の温度変化における極小値及び極大値が異なる温度域に属していたとしても、それら極小値と極大値との差分の絶対値が所定値（例えば、５０℃）を下回るならば、その温度変化についてはカウントしない、即ちカウンタ値Ｎ_ijを増加させないこととする。極小値１４５℃から極大値１５５℃まで触媒４１の推定温度が微上昇したとしても、それは誤差を含む可能性があり、また排気系４の構成部材４１、４２に顕著な熱的ストレスを与えるとは言い難い。にもかかわらず、極小値１４５℃と極大値１５５℃とでは、それぞれが属する温度域が異なる。前者は１００℃域、後者は２００℃域である。このような温度変化は、寧ろカウントしない方が好ましい。

情報出力部０３は、情報記憶部０２に記憶保持している情報、特に図４に例示するようなカウンタ値の配列を、車両またはその原動機である内燃機関の種類（型式）を示す識別子やタイムスタンプ等の付随情報とともに、車両の外部に送信する。

情報出力部０３の機能は、例えばＳＤＬのような既知の規格を利用して実現することができる。本実施形態のＥＣＵ０は、汎用的なスマートフォン、タブレット型コンピュータ、ノートブック型コンピュータ等の情報通信端末５と、有線または無線で情報通信可能に接続する。ＥＣＵ０と情報通信端末５との接続には、ＵＳＢ（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｅｒｉａｌＢｕｓ）やＷｉ－Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の通信インタフェースを介する。情報通信端末５は、既存の移動体通信網（携帯電話網等）に接続し、その基地局６及びインターネットその他の電気通信回線７を通じて、所定のサーバコンピュータ等の情報処理装置８に向けて情報を送信する。情報処理装置８は、個々の車両からもたらされる情報を受信して蓄積する。

本実施形態では、車両に搭載されている内燃機関の排気系４を構成する部材４１、４２の現在温度を反復的に推測または実測する測温部０１と、前記測温部０１で推測または実測した排気系４の構成部材４１、４２の温度の極大値及び極小値に関する情報を記憶する情報記憶部０２と、前記情報記憶部０２で記憶している排気系４の構成部材４１、４２の温度の極大値及び極小値に関する情報を車両の外部に送信する情報出力部０３とを具備する制御装置（情報収集装置）０を構成した。

本実施形態によれば、排気系４の構成部材４１、４２の温度に関する有益な情報を、効率よく収集することができる。特に、部材４１、４２の温度の極大値及び極小値以外の中間の温度の時系列の一部または全部を間引くことができるので、データ量及び通信量が圧倒的に削減される。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、車載の制御装置（情報収集装置）たるＥＣＵ０から車両の外部の情報処理装置８に向けて、汎用的な情報通信端末５を介して情報を送信するようにしていたが、ディーラや整備工場等において、ＥＣＵ０に付帯する既存のインタフェース（ＯＢＤ故障診断コネクタ等）に既知の装置（ＯＢＤ故障診断機等）を接続し、ＥＣＵ０が記憶保持している情報を読み出す形で、情報を出力することとしても構わない。

上記実施形態では、排気系４の構成部材４１、４２の温度の極大値及び極小値に関する情報として、図４に示すようなカウンタ値Ｎ_ij、即ち極小点（図３中、Ｔ１、Ｔ３、Ｔ５、Ｔ７）から極大点（図３中、Ｔ２、Ｔ４、Ｔ６、Ｔ８）に向かう複数回の温度上昇、及び極大点から極小点（図３中、Ｔ３、Ｔ５、Ｔ７、Ｔ９）に向かう複数の温度降下の情報を情報記憶部０２に記憶保持し、情報出力部０３を介して車両の外部の情報処理装置８に送信していた。だが、これに代えて、構成部材４１、４２の温度の複数の極小値（図３におけるＴ１、Ｔ３、Ｔ５、Ｔ７、Ｔ９の温度値）及び複数の極大値（図３におけるＴ２、Ｔ４、Ｔ６、Ｔ８の温度値）の時系列を情報記憶部０２に記憶保持し、情報出力部０３を介して車両の外部の情報処理装置８に送信するようにしても構わない。

その他、各部の具体的な構成や処理の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

０…制御装置（ＥＣＵ）
４…排気系（排気通路）
４１、４２…排気系の構成部材（触媒、排気マニホルド）
５…情報処理端末

Claims

車両に搭載されている内燃機関の排気系を構成する部材の現在温度を反復的に推測または実測する測温部と、
前記測温部で推測または実測した前記部材の温度の時系列のうちの複数の極大値及び極小値に関する情報を記憶する情報記憶部と、
前記情報記憶部で記憶している前記部材の温度の極大値及び極小値に関する情報を車両の外部に送信する情報出力部と
を具備する車載の情報収集装置であって、
前記情報記憶部は、前記情報として、前記部材の温度帯を複数の区域に区分したときのある区域から他の区域に前記部材の温度が遷移した回数を区域毎に計数したものを記憶し、
前記情報出力部は、前記情報記憶部で記憶している情報を車両の外部に送信する、車載の情報収集装置。
前記情報記憶部が記憶する前記情報について、前記部材の温度が極大値から極小値に遷移し、または極小値から極大値に遷移する一回の温度変化において、それら極小値と極大値とが異なる温度の区域に属していたとしても、それら極大値と極小値との差分の絶対値が所定値を下回るならばその温度変化については計数しない請求項１記載の情報収集装置。