(57)【要約】【課題】直噴式内燃機関において、機関運転中に、診断のために燃焼悪化をもたらすような操作を行うことなく、排気還流装置が正常に作動しているか否かを診断可能とする。【解決手段】燃料噴射ノズルの開弁時期と燃料圧力とに基づいて実着火遅れ期間を検出し、これを排気還流量が正常に制御されているときの基準着火遅れ期間と比較する。実着火遅れ期間が基準着火遅れ期間に対して所定の許容変動幅を超えて変化したときには排気還流装置が異常であると診断する。【選択図】図２
2006090223.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気還流装置を備えた直接噴射式内燃機関において、
燃料噴射ノズルの開弁時期を検出する手段と、
燃焼圧力を検出する手段と、
前記開弁時期と燃焼圧力とから実着火遅れ期間を演算する手段と、
機関運転状態に応じて定めた基準着火遅れ期間と、前記実着火遅れ期間との比較に基づき、実着火遅れ期間が基準着火遅れ期間に対して所定の許容変動幅を超えて変化したときに排気還流装置が異常であることを判定する手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気還流診断装置。
【請求項２】
前記異常判定手段は、機関回転数と燃料噴射量とを検出する手段を備え、機関回転数と燃料噴射量とに基づいて前記基準着火遅れ期間を設定するように構成されている請求項１に記載の内燃機関の排気還流診断装置。
【請求項３】
前記異常判定手段は、内燃機関の冷却水温度を検出する手段を備え、機関冷却水温度が上昇するほど前記基準着火遅れ期間を減少方向に補正する請求項１に記載の内燃機関の排気還流診断装置。
【請求項４】
前記異常判定手段は、大気圧を検出する手段を備え、大気圧が低下するほど前記基準着火遅れ期間を減少方向に補正する請求項１に記載の内燃機関の排気還流診断装置。
【請求項５】
前記異常判定手段は、内燃機関の吸入空気温度を検出する手段を備え、吸入空気温度が低下するほど前記着火遅れ期間を減少方向に補正する請求項１に記載の内燃機関の排気還流診断装置。
【請求項６】
前記燃焼圧力検出手段は、ノックセンサである請求項１に記載の内燃機関の排気還流診断装置。
【請求項７】
前記異常判定手段は、
内燃機関の冷却水温度、吸入空気温度、回転数、燃料噴射量を検出する手段を備え、
冷却水温度が所定の許容冷却水温度域にあること、
かつ吸入空気温度が所定の許容吸入空気温度域にあること、
かつ回転数の時間変化率が所定の許容域にあること、
かつ燃料噴射量の時間変化率が所定の許容域にあること、
を条件として前記排気還流装置の診断を実行する請求項１に記載の内燃機関の排気還流診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気還流装置に関し、特にその故障を診断するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気還流（ＥＧＲ）は内燃機関の燃焼時におけるＮＯｘの生成を抑制する技術として有効である。一方で、排気還流は燃焼性に直接的に影響するため、排気還流装置またはその制御系が故障すると排気エミッションのみならず、騒音、振動、トルクなどの諸性能に影響が及ぶ。したがって排気還流装置が正常に作動して適切な排気還流がなされているか否かを的確に診断する必要がある。
【０００３】
このようなＥＧＲシステムの故障診断装置として、特許文献１または特許文献２のようなものが知られている。特許文献１に開示された技術は、診断時にＥＧＲ弁を強制的に開閉させて実際のＥＧＲ量の変化を監視することで主としてＥＧＲ弁の機械的故障を診断するようにしたものである。特許文献２に開示された技術は、診断中に点火時期を操作してノック制御を行い、点火時期とノッキングの発生状況から目標とする排気還流量が得られているか否かを診断するようにしたものである。
【特許文献１】特開平８−３１２４６７号公報
【特許文献２】特開平７−１３９４３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これら従来の技術は、ＥＧＲの診断に伴って内燃機関の出力トルクが変動したり、燃焼騒音が増大したりする問題がある。すなわち、特許文献１のものでは、診断時にＥＧＲ弁が正常に開閉すればこれに伴って排気還流量および燃焼状態が変動し、引用文献２のものでは点火時期の操作に伴い、排気還流量に関わらず直接的に燃焼が悪化するおそれを生じる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では、排気還流装置を備えた直接噴射式内燃機関を前提として、燃料噴射ノズルの開弁時期を検出する手段と、燃焼圧力を検出する手段を設け、前記開弁時期と燃焼圧力とから実着火遅れ期間を演算する手段と、機関運転状態に応じて定めた基準着火遅れ期間と前記実着火遅れ期間との比較に基づき排気還装置の異常を判定する手段を設ける。
【０００６】
前記異常判定手段は、実着火遅れ期間が基準着火遅れ期間に対して所定の許容変動幅を超えて変化したときに排気還流装置が異常であると診断する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料噴射ノズルの開弁時期と燃焼圧力変動との関係から排気還流量が異常変動したことを検出することができるので、診断のために燃焼悪化をもたらすような操作を行う必要がなく、内燃機関の運転中に排気還流装置が正常に作動しているか否かを的確に診断することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明が適用可能な火花点火式の直噴内燃機関の概略構成を示している。図中１は内燃機関本体、２は吸気通路、３は排気通路である。吸気通路２には上流側からエアクリーナ４、エアフロメータ５、排気ターボ過給器６のコンプレッサ６ｃ、インタークーラ７、スロットルバルブ８を介装している。排気通路３には上流側から排気ターボ過給器６のタービン６ｔ、触媒コンバータ９を介装している。
【０００９】
排気通路３のタービン６ｔよりも上流部分と、吸気通路２のスロットルバルブ８よりも下流の吸気コレクタ部１０とはＥＧＲ通路１１で接続してあり、その途中には排気還流量（またはＥＧＲ率）を制御するためのＥＧＲ制御弁１２を介装している。
【００１０】
前記ＥＧＲ制御弁１２は、コントロールユニット１３からの制御信号に基づきその開度すなわち排気還流量が制御される。コントロールユニット１３はＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータとして構成してあり、機関運転状態に応じて燃料噴射時期、燃料噴射量、点火時期、および前記ＥＧＲ制御弁１２の開度を制御する。運転状態としては、この場合機関本体１に設けたクランク角センサ１４からの回転数信号と、負荷代表信号としてエアフロメータ５から出力される吸入空気量信号である。コントロールユニット１３は、排気還流を実施するときには必要に応じてスロットルバルブ８の開度をも制御する。この場合、スロットルバルブ８として電子制御スロットルバルブ装置を適用する。
【００１１】
前記コントロールユニット１３には、本発明との関係では、燃料噴射ノズル１６の開弁時期を検出する手段、燃焼圧力を検出する手段、前記開弁開始時期と燃焼圧力から実着火遅れ期間を演算する手段、実着火遅れ期間と基準着火遅れ期間（後述）との比較に基づき排気還流装置の異常を判定する手段としての機能を備えている。
【００１２】
燃料噴射ノズル１６の開弁時期についてはそのノズル針弁がリフトする時期を圧力センサ等により直接的に検出するか、もしくは燃料噴射制御のために演算した燃料噴射信号（以下「指示燃料噴射量」という。）を用いることで実際の開弁時期の検出に代えることができる。また、前記燃焼圧力を検出するために、この実施形態ではノックセンサ１７を備えている。ノックセンサ１７は、火花点火式内燃機関では点火時期制御のために備えられているものをそのまま使用することができる。
【００１３】
なお図１において、１８は機関冷却水温度を検出する水温センサ、１９は吸入空気温度を検出する吸気温センサ、２０は大気圧を検出する大気圧センサであり、それぞれ本発明との関係においては水温検出手段、吸入空気温度検出手段、大気圧検出手段に相当する。これらの意義については以下の制御動作に関連する部分にて説明する。
【００１４】
図２は前記コントローラ１３によって実行されるＥＧＲ診断のためのメインルーチンを表す流れ図である。このルーチンは後述する他のサブルーチンとともに一定周期で繰り返し実行される。以下その内容につき順を追って説明する。なお以下の各図および説明中で符号Ｓを付して示した数字は処理ステップ番号を表している。
【００１５】
図２において、まずＳ１にて内燃機関の現在の運転状態が診断可能な条件であるか否かを判定する。診断許可条件の詳細については後述する。診断許可条件であるときにはＳ２以下の診断処理に移行し、診断許可条件でないときにはＳ２以下の処理を迂回して今回のルーチンを終了する。
【００１６】
Ｓ２では基準着火遅れ期間ＤＴｂを算出する。基準着火遅れ期間ＤＴｂは、ＥＧＲ装置が正常に作動してＥＧＲ率が目標値通りに制御されているときの着火遅れ期間であり、予め運転状態（回転数および燃料噴射量）に応じた値が得られるように実験的に求めてコントローラ１３の記憶装置上にマップ化しておいたものを検索することで求めるようにしている。基準着火遅れ期間ＤＴｂの詳細については後述する。
【００１７】
Ｓ３では実着火遅れ期間ＤＴａを求める。実着火遅れ期間ＤＴａは、前述したように燃料噴射ノズル１６の開弁開始時期を基準として、ノックセンサ１７により燃焼圧力が検出されるまでの時間である。実着火遅れ期間ＤＴａの演算に関する詳細については後述する。
【００１８】
Ｓ４では異常判定のために、実着火遅れ期間ＤＴａの許容変動幅を、基準着火遅れ期間ＤＴｂを中心として正負両方向について与える閾値ＤＴｔを算出する。その詳細については後述する。
【００１９】
Ｓ５では前記基準着火遅れ期間ＤＴｂと実着火遅れ期間ＤＴａとの比較によりその差分ΔＤＴを算出する。ΔＤＴは、排気に含まれるデポジットの付着や故障により、ＥＧＲ制御弁１２やＥＧＲ通路１１における還流排気流量が目標値から乖離するほど大きくなる。
【００２０】
Ｓ６では、前記着火遅れ期間の差分ΔＤＴが異常判定の閾値ＤＴｔを超えたか否かを判定する。ΔＤＴが正負方向何れかの閾値ＤＴｔを超えたらＥＧＲ装置に異常ありと判定し、超えていない場合はＥＧＲ装置は正常と判定する（Ｓ７）。
【００２１】
図３に前記判定の基準となるＥＧＲ率と着火遅れ期間との関係を示す。図示したように、ＥＧＲ率が増加するほど機関が吸入する空気中の酸素濃度が減少することから着火遅れ期間は長くなり、ＥＧＲ率が減少するほど吸入空気中の酸素濃度が増大することから着火遅れ期間は短くなる。そこで着火遅れ期間について閾値による所定の許容変動幅を設定することでＥＧＲ装置の異常を判定することが可能となる。
【００２２】
図４は、図２の流れ図におけるＳ１（診断許可条件判定処理）の詳細を示している。図４のＳ１では、機関冷却水温度を読み込み、Ｓ２では前記水温が規定値を超えたか否かを判断し、超えているときはＳ３に移行し、規定値以下の低水温時はＳ３以下を迂回して診断不許可とする（Ｓ１０）。このようにして冷却水温度がある規定値以下では診断を行わないようにしているのは、暖機が完了するまでは圧縮温度が低く着火遅れ期間が安定して再現されない蓋然性が高いからであり、このような条件下での診断を回避することにより診断の精度を高められる。
【００２３】
Ｓ３では、吸入空気温度を読み込み、Ｓ４では前記吸入空気温度が規定範囲内かどうかを判断し、規定範囲内であれぱＳ５に移行し、規定範囲外であれば診断不許可とする。このようにして吸入空気温度がある規定範囲外では診断を行わないようにしているのは、吸入空気温度によって圧縮温度が変化して着火遅れ期間が影響を受けるからであり、このような条件下での診断を回避することにより診断の精度を高められる。
【００２４】
Ｓ５では、機関回転数を読み込み、Ｓ６では前記回転数の時間変化率を算出する。次いでＳ７では前記機関回転数の時問変化率が規定範囲内かどうかを判断し、規定範囲内あればＳ８に移行し、規定範囲外であれば診断不許可とする。このようにして機関が回転数において定常状態かどうかを判断し、定常状態のときに限り診断を許可することで診断の精度を高めている。
【００２５】
Ｓ８では、指示燃料噴射量の時間変化率を算出し、Ｓ９では前記指示燃料噴射量の時間変化率が規定範囲内かどうかを判断し、規定範囲内であれば診断許可とし、規定範囲外であれば診断不許可とする（Ｓ１０）。このようにして機関が負荷において定常状態かどうかを判断し、負荷変動が少ないときに限り診断を許可することで診断の精度を高めている。
【００２６】
図５は、図２の流れ図におけるＳ２の処理（基準着火遅れ期間ＤＴｂ演算）の詳細を示している。図５において、Ｓ１で現在の機関回転数を読み込み、Ｓ２で指示燃料噴射量を読み込んでいる。指示燃料噴射量とは、前述したようにコントロールユニット１３内で演算された燃料噴射量指令値である。
【００２７】
Ｓ３では前記読み込んだ回転数と指示燃料噴射量に対応する基準着火遅れ期間ＤＴｂを前述した基準着火遅れ期間を付与するように予め実験的に形成しておいたマップ（図６参照）から読み出す。
【００２８】
Ｓ４で水温センサ１８から機関冷却水温を読み込み、Ｓ５で大気圧センサ２０から大気圧を読み込み、Ｓ６で吸気温センサ１９から吸入空気温度を読み込む。
【００２９】
Ｓ７では、前記Ｓ３で算出した着火遅れ期間を冷却水温で補正する。これは、図７に示したような冷却水温度に対する着火遅れ期間補正係数を乗ずることで行う。前記冷却水温度に対する着火遅れ期間補正係数は、冷却水温度が高いときほど着火遅れ期間が短くなることに対応して、冷却水温度が上昇するほど基準着火遅れ期間を減少方向に補正するようにしている。
【００３０】
Ｓ８では、Ｓ７で算出した着火遅れ期間を大気圧で補正する。これは、図８に示したような大気圧に対する着火遅れ期間補正係数を乗ずることで行う。前記大気圧に対する着火遅れ補正係数は、大気圧が減少して酸素密度が低下するほど着火遅れ期間が長くなることに対応して、大気圧が減少するほど前記基準着火遅れ期間を増大方向に補正するようにしている。
【００３１】
Ｓ９では、Ｓ８で算出した着火遅れ期間を吸入空気温度で補正する。これは、図９に示したような吸入空気温度に対する着火遅れ期間補正係数を乗ずることで行う。前記吸入空気温度に対する着火遅れ期間補正係数は、吸入空気温度が低下するほど着火遅れ期間が長くなることに対応して、吸入空気温度が低下するほど前記基準着火遅れ期間を増大方向に補正するようにしている。
【００３２】
図１０は、図２の流れ図におけるＳ３の処理（実着火遅れ期間ＤＴａ演算）の詳細を示している。図１０において、Ｓ１は燃料噴射弁の開弁（ノズル針弁の上昇）開始を判定し、開弁開始時期であれぱＳ２以下の処理に移行し、開弁開始時期でなければ以下の処理を迂回して今回のルーチンを終了する条件判断である。
【００３３】
Ｓ２では、着火遅れ期間を計測するためのタイマーのカウントを開始する。Ｓ３ではノックセンサ１７が燃焼振動を検出したかどうかを判定し、燃焼振動検出時はＳ４に、非検出であれぱＳ２の直後に戻る条件判断をしている。
【００３４】
Ｓ４では、燃焼が開始したと判断してタイマーのカウントを停止している。この時のタイマーの読み値を実着火遅れ期間ＤＴａとする。
【００３５】
図１１は、実着火遅れ期間についての説明図、図１２は、ノックセンサ出力波形の概略図である。ノックセンサー検出波形はフィルタおよび増幅処理を経て矩形波に整形している。
【００３６】
図１３は、図２の流れ図におけるＳ４の処理（閾値ＤＴｔ演算処理）の詳細を示している。閾値ＤＴｔの算出手順は、図２のＳ２での基準着火遅れ期間ＤＴｂの算出と同様である。ここでは機関回転数と指示燃料噴射量(エンジン負荷)に応じて閾値ＤＴｔを変更できるようにしている。これは、本実施形態に係る内燃機関を搭載した車両が所定のモード走行をしたときのＮＯｘ排出分担率が、機関回転数と指示燃料噴射量に依存することから、例えばＥＧＲ率の変化によるＮＯｘ排出への影響が大きい領域では閾値ＤＴｔを縮小して着火遅れ期間の許容変動幅を狭め、その反対にＥＧＲ率の変化によるＮＯｘ排出への影響が小さい領域では閾値ＤＴｔを拡大して着火遅れ期間の許容変動幅を広げるためである。
【００３７】
また、ＮＯｘ排出分担率は機関の機種と車種によって異なるので、閾値ＤＴｔの設定を変更できるようにしておくことが好ましい。図１４にＥＧＲバラツキ限界の設定例を示した。なお、前記閾値ＤＴｔはあらかじめ実験により求めてマップ化しておく。
【００３８】
前記実施形態は火花点火式内燃機関への本発明の適用例を示したものであるが、これに限られず本発明は圧縮着火機関にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明を適用可能な内燃機関の一例を示す概略構成図。
【図２】本発明の実施形態の制御ルーチンを示す第１の流れ図。
【図３】着火遅れ期間とＥＧＲ率との関係および着火遅れ期間の判定域を示す特性線図。
【図４】本発明の実施形態の制御ルーチンを示す第２の流れ図。
【図５】本発明の実施形態の制御ルーチンを示す第３の流れ図。
【図６】機関回転数と燃料噴射量から基準着火遅れ期間を与えるマップの説明図。
【図７】機関冷却水温による基準着火遅れ期間の補正係数を与えるマップの説明図。
【図８】大気圧による基準着火遅れ期間の補正係数を与えるマップの説明図。
【図９】吸入空気温度による基準着火遅れ期間の補正係数を与えるマップの説明図。
【図１０】本発明の実施形態の制御ルーチンを示す第４の流れ図。
【図１１】着火遅れ期間の検出手法を表したタイミング図。
【図１２】ノックセンサ信号の波形成形状態を表したタイミング図。
【図１３】本発明の実施形態の制御ルーチンを示す第５の流れ図。
【図１４】機関回転数と燃料噴射量からＥＧＲ率のバラツキ限界を与えるマップの説明図。
【符号の説明】
【００４０】
１    内燃機関本体
２    吸気通路
３    排気通路
５    エアフロメータ（吸入空気量検出手段）
１１    ＥＧＲ通路
１２    ＥＧＲ制御弁
１３    コントロールユニット
１４    クランク角センサ（回転数検出手段）
１６    燃料噴射ノズル
１７    ノックセンサ（燃焼圧力検出手段）
１８    水温センサ（冷却水温度検出手段）
１９    吸気温センサ（吸入空気温度検出手段）
２０    大気圧センサ（大気圧検出手段）
【図１】
2006090223.tif 000003
【図２】
2006090223.tif 000004
【図３】
2006090223.tif 000005
【図４】
2006090223.tif 000006
【図５】
2006090223.tif 000007
【図６】
2006090223.tif 000008
【図７】
2006090223.tif 000009
【図８】
2006090223.tif 000010
【図９】
2006090223.tif 000011
【図１０】
2006090223.tif 000012
【図１１】
2006090223.tif 000013
【図１２】
2006090223.tif 000014
【図１３】
2006090223.tif 000015
【図１４】
2006090223.tif 000016