複数のターボチャージャを備えた過給式エンジンの診断装置
【課題】複数のターボチャージャと複数の制御バルブを備えたエンジンにおいて、各制御バルブの作動を監視し、異常時には、作動不良の制御バルブを正確に特定する。
【解決手段】エンジン１には、高圧段ターボチャージャＨＴＣ及び低圧段ターボチャージャＬＴＣが装備されるとともに、それらを制御するバイパスバルブ５１、ウエイストゲートバルブ６１及びバイパス絞り弁７１が設置される。これらの制御バルブの作動を診断するため、エンジン制御装置ＥＣＵには診断装置８が設けてあり、診断装置８では、エンジン１のシリンダに供給される吸気圧を検出し、これが予め記憶された正常時の吸気圧の範囲内にあるか否かを判定する。さらに、正常時の吸気圧の範囲から外れたときは、上記の制御バルブを単独で順次作動して吸気圧の変化を検出し、吸気圧に所定の変化がない制御バルブを作動不良のバルブと特定する。
【解決手段】エンジン１には、高圧段ターボチャージャＨＴＣ及び低圧段ターボチャージャＬＴＣが装備されるとともに、それらを制御するバイパスバルブ５１、ウエイストゲートバルブ６１及びバイパス絞り弁７１が設置される。これらの制御バルブの作動を診断するため、エンジン制御装置ＥＣＵには診断装置８が設けてあり、診断装置８では、エンジン１のシリンダに供給される吸気圧を検出し、これが予め記憶された正常時の吸気圧の範囲内にあるか否かを判定する。さらに、正常時の吸気圧の範囲から外れたときは、上記の制御バルブを単独で順次作動して吸気圧の変化を検出し、吸気圧に所定の変化がない制御バルブを作動不良のバルブと特定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のターボチャージャを備え、エンジンシリンダに供給される空気等を加圧する過給式エンジンにおける診断装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの吸入空気量を増加させるため、吸気通路に吸入空気加圧用のコンプレッサを配置し、これを排気通路に設置したタービンで駆動するターボチャージャは、エンジンを高出力化する手段としてよく知られており、車両用のエンジンでも、小型軽量化、燃料経済性の向上（燃料消費率の低減）等を目的として広く採用されている。車両用のターボチャージャでは、エンジンの負荷変動に応じてターボチャージャの作動を最適な状態に制御することが望ましく、そのため、排気通路に設置したタービンにバイパス通路を設け、タービンに作用する排気ガス量を調整するいわゆるウエイストゲートバルブ（バイパスバルブと呼ばれる場合もある）を設けるものが多い。タービンの排気ガス入口に可変ノズル等を設け、エンジンの負荷変動に対応してタービン容量を変更するいわゆるＶＮＴターボが用いられることもある。
【０００３】
ターボチャージャを備えたエンジンにおいて、さらなる出力あるいは燃料消費率の改善を目指して、近年では、複数のターボチャージャを装備し、エンジンの種々の特性に合わせた過給を行う過給方式の開発が行われている。このような過給方式としては、例えば、低圧段ターボチャージャと高圧段ターボチャージャとを直列に配置した２段ターボチャージャが知られている。一般的に、ターボチャージャで用いられるコンプレッサは、空気流量に応じて効率が変化する特性を有しており、２段ターボチャージャの低圧段と高圧段のターボチャージャには、特性の異なるコンプレッサが使用される。
【０００４】
２段ターボチャージャを装備し、運転状態に対応して低圧段ターボチャージャ及び高圧段ターボチャージャの作動を制御するエンジンについて、図４によって説明する。
エンジン１には、低圧段ターボチャージャＬＴＣ及び高圧段ターボチャージャＨＴＣが直列に設置されており、エンジン吸気通路において、低圧段コンプレッサＬＣの出口が高圧段コンプレッサＨＣの入口に接続され、圧縮空気を冷却する空気冷却器２を介してエンジン１の吸気マニホールド３に連結される。エンジン１の排気マニホールド４には、高圧段タービンＨＴと低圧段タービンＬＴとが直列に接続されるとともに、高圧段タービンＨＴをバイパスして排気ガスを直接低圧段タービンＬＴに導くバイパス管路５が設けられ、その管路にはバイパスバルブ５１が配置されている。また、低圧段タービンＬＴをバイパスする低圧バイパス管６が設けてあり、その管路にはウエイストゲートバルブ６１が配置される。吸気通路の高圧段コンプレッサＨＣには、これをバイパスする吸気バイパス通路７とバイパス絞り弁７１が設けられている。
【０００５】
エンジンが低速低負荷で運転されている場合には、排気マニホールド４に連結されたバイパス管路５のバイパスバルブ５１を閉鎖し、かつ、ウエイストゲートバルブ６１の開度を大とする。これによって、排気ガスは主に高圧段タービンＨＴにおいて膨張して高圧段コンプレッサＨＣを駆動する。高圧段コンプレッサＨＣには小流量域で高効率となるコンプレッサが採用されているので、エンジンの低速低負荷時における排気エネルギが効率よく利用され燃料消費率が低減する。エンジンの負荷が高まるにつれ、バイパスバルブ５１の開度を増加してウエイストゲートバルブ６１の開度を減少する。高速高負荷の運転状態になると、排気ガスが低圧段タービンＬＴに直接導入されて実質的に低圧段コンプレッサＬＣによって吸入空気が圧縮され、吸気バイパス通路７のバイパス絞り弁７１が開放される。低圧段コンプレッサＬＣは大流量域で高効率となる特性を有しているので、高速高負荷時には、エンジン１に大量の空気が効率的に供給されることとなる。このような２段ターボチャージャは、一例として、本出願人の先行出願に係る特開２００７−１５４６８４号公報に開示されている。
【０００６】
複数のターボチャージャを装備し、エンジンの種々の特性に合わせた過給を行う過給方式は、２個のターボチャージャを直列に配置した２段ターボチャージャに限られるものではない。例えば、特許第３１１７７８４号公報には、２個のターボチャージャを並列に配置し、エンジンの負荷に応じて、１個のターボチャージャを使用するモードと２個のターボチャージャを使用するモードとを切り換える、シーケンシャルターボと称する過給方式が開示されている。
また、実公平２−４１３０８号公報には、それぞれウエイストゲートバルブを備える２個のターボチャージャを並列に配置したエンジンにおいて、ウエイストゲートバルブの作動不良を診断するため、各ターボチャージャのコンプレッサの過給圧力を比較する方法が記載されている。この公報に開示されたエンジンには、図５に示すとおり、２個のターボチャージャＴＣＡ、ＴＣＢが並列に配置してあり、それぞれのターボチャージャは、ウエイストゲートバルブＷＡ、ＷＢにより制御される。これらのウエイストゲートバルブＷＡ、ＷＢは、各ターボチャージャのコンプレッサの吐出圧力で駆動されるダイヤフラム式空気アクチュエータＤＡ、ＤＢにより操作される。各ターボチャージャの吐出圧力は、診断装置を構成する圧力スイッチＰＳにも導入されており、圧力スイッチＰＳでは、両方の吐出圧力を比較して所定の差圧が生じると警報を発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１５４６８４号公報
【特許文献２】特許第３１１７７８４号公報
【特許文献３】実公平２−４１３０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ターボチャージャの作動を制御するには、タービンに作用する排気ガス量を調整するウエイストゲートバルブ等が使用されるが、これらの制御用バルブは、例えばダイヤフラム式空気アクチュエータを用いてエンジンの高温の排気ガス中で開閉される。そのため、熱膨張の影響や排気ガス中の煤等のかみ込みに起因して、制御用バルブの弁軸などに固着が生じ易い。固着が発生すると、エンジンの運転状態に応じた過給圧の適正な制御が不可能となるばかりでなく、場合によっては、ターボチャージャのオーバランによるエンジン等の破損を招くことがある。
【０００９】
複数のターボチャージャを装備する過給式エンジンでは、ターボチャージャの作動を制御する制御用バルブの数が増加し制御系統も複雑となるので、固着等、制御バルブの作動不良の起こる頻度が増えることとなる。上述したように、特許文献３には、２個のターボチャージャを並列に配置したエンジンに診断装置を設けることが開示されており、この診断装置では、各ターボチャージャのコンプレッサの吐出圧力を比較し、これが大きいターボチャージャでウエイストゲートバルブが開放不能になったと判断する。しかし、実際にはウエイストゲートバルブが開いたままで固着して閉鎖不能となる場合もあり、このときは各コンプレッサの吐出圧力の大小関係が逆になるため、各ターボチャージャのコンプレッサの吐出圧力を比較するだけでは、固着の生じたウエイストゲートバルブを正確に特定することができない。
本発明は、複数のターボチャージャとこれを制御する複数の制御バルブを備えたエンジンにおいて、各制御バルブの作動を総合的に監視するとともに、異常が生じたときは、作動不良を起こした制御バルブを正確に特定することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題に鑑み、本発明は、複数のターボチャージャを装備する過給式エンジンにおいて、エンジンのシリンダに供給される吸気圧（ブースト）を検出し、これに異常が生じたと判断されたときは、各制御用バルブを単独で順次操作して、作動不良の制御バルブを正確に特定するものである。すなわち、本発明は、
「複数のターボチャージャと、これらのターボチャージャを制御する複数の制御バルブとを備えた過給式エンジンの診断装置であって、
前記過給式エンジンは、前記過給式エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記過給式エンジンのシリンダに供給される吸気圧を検出する吸気圧検出手段とを備えており、さらに、
前記診断装置は、前記運転状態検出手段で検出した運転状態が予め設定した診断実施運転状態であるときに、前記吸気圧検出手段で検出された吸気圧が予め設定した吸気圧の範囲にあるか否かを判断し、かつ、予め設定された吸気圧の範囲にないときは、前記複数の制御バルブを各々単独で順次作動させてそのときの吸気圧の変化を検出し、吸気圧に所定の変化が検出されない制御バルブを作動不良と判断する」
ことを特徴とする過給式エンジンの診断装置となっている。
【００１１】
請求項２に記載のように、前記診断装置は、前記過給式エンジンの正常時における運転状態に対応する吸気圧を記憶した正常時吸気圧記憶手段を備えており、前記予め設定された吸気圧の範囲が、前記正常時吸気圧記憶手段に基づき決定されるよう構成されていることが好ましい。
【００１２】
請求項３に記載のように、本発明の診断装置は、低圧段ターボチャージャ及び高圧段ターボチャージャを直列に配置した２段ターボチャージャを備えており、前記低圧段ターボチャージャ及び高圧段ターボチャージャには、タービンをバイパスする排気ガス通路と制御バルブとがそれぞれ設置されている過給式エンジンに好適なものである。
【発明の効果】
【００１３】
複数のターボチャージャとこれを制御する複数の制御バルブを備えた過給式エンジンにおいて、主に制御バルブの不具合を監視する本発明の診断装置には、運転状態検出手段と吸気圧検出手段とが設けてあり、これらによりエンジンの運転状態とシリンダに供給される吸気圧（ブースト）を検出する。そして、診断装置では、運転状態が予め設定した診断実施運転状態であるときに、まず、吸気圧が予め設定した吸気圧の範囲にあるか否かを判断している。
過給式エンジンの吸気圧は、ターボチャージャ及び制御バルブ等が正常に作動している限り、例えば回転数、燃料噴射量等で定まる運転状態に対応して、予め定められた範囲内にある。この吸気圧は、複数の制御バルブの中でいずれのものが固着等の作動不良を起こしたとしても正常の範囲から逸脱することになる。本発明の診断装置では、吸気圧が予め設定した吸気圧の範囲から外れたときに制御バルブに異常が生じたと判断し、複数の制御バルブを各々単独で順次作動させる。このとき、吸気圧に所定の変化が検出されない場合は、単独で作動させた制御バルブが作動不良であると判断できる。固着等を起こした制御バルブを特定するには、例えば、個々の制御バルブに開度位置検出用のポジションセンサ等を装着するなどの方法が考えられるが、本発明の診断装置では、こうした機器を用いることなく作動不良を起こした制御バルブの正確な特定が可能となり、迅速な修理や部品交換を行うことができる。
【００１４】
また、本発明の診断装置では、運転状態が診断実施運転状態であるときに、吸気圧が正常な範囲にあるか否かをまず判断し、吸気圧が異常な場合にのみ、複数の制御バルブを順次作動させる操作を行う。吸気圧が正常か否かの判断がエンジンの運転になんら影響を及ぼさないのに対し、診断のため制御バルブを単独で作動する操作は、エンジンの作動に影響を与えるので、なるべく実行しないことが望ましい。何れかの制御バルブの作動不良が検知されたときのみに制御バルブを単独で操作し、正常時には操作を実施しない本発明の診断装置は、この点でも有効なものである。
【００１５】
本発明の診断装置は、正常、異常を判断するため、診断実施運転状態であるときに吸気圧が予め設定した吸気圧の範囲にあるか否かを判断する手段を有している。この手段としては、診断実施運転状態を特定の限られた運転状態（例えば、回転数、燃料噴射量の特定の狭い範囲）として、そのときの吸気圧が設定範囲にあるかどうかを判定することもできるが、こうすると、診断を実施する運転状態の実現する頻度が非常に小さくなる。これに対し、請求項２に記載の発明では、過給式エンジンの正常時における運転状態に対応する吸気圧を記憶した正常時吸気圧記憶手段を、例えば、エンジン制御装置に設け、これに基づいて設定範囲を決定するので、運転状態に対応した正常の吸気圧を多数記憶しておくことができる。したがって、診断実施運転状態を広い運転状態に設定することができ、診断を実施する機会が大幅に増大する。
【００１６】
そして、本発明の診断装置は、複雑な過給システムを装備するエンジンの診断に適しており、ことに、請求項３に記載の発明のように、低圧段及び高圧段ターボチャージャを直列に配置した２段ターボチャージャを備え、これらのターボチャージャのタービンがウエイストゲートバルブにより制御される過給式エンジンに好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の診断装置を備えた過給式エンジンの一例を示す図である。
【図２】本発明の診断装置のフローチャートである。
【図３】本発明の診断装置の作動不良制御バルブ特定ルーチンを示す図である。
【図４】従来の２段過給エンジンの管路構成等を示す概要図である。
【図５】従来の過給エンジンの警報装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面に基づいて、複数のターボチャージャを装備し、本発明の診断装置を備えた過給式エンジン（ディーゼルエンジン）について説明する。図１は、本発明の診断装置を図４の２個のターボチャージャを直列に配置する２段ターボチャージャ付エンジンに適用した実施例を示すものであり、図４の部品や装置と対応するものについては、同一の符号が付してある。
【００１９】
本発明の診断装置を備えた図１に示す過給式エンジンにおいて、２個のターボチャージャの構成及び作動、エンジン吸気通路及び排気通路の構成等は、基本的に図４の従来例のエンジンと変わりはない。すなわち、エンジン１には、大容量型の低圧段ターボチャージャＬＴＣ及び小容量型の高圧段ターボチャージャＨＴＣが直列に設置され、エンジン１の吸気通路において、低圧段コンプレッサＬＣの出口は高圧段コンプレッサＨＣの入口に接続される。高圧段コンプレッサＨＣには、これをバイパスする吸気バイパス通路７とバイパス絞り弁７１が設けられている。エンジン１の排気通路には、高圧段タービンＨＴと低圧段タービンＬＴとが直列に配置されるとともに、これらのタービンをバイパスする管路には、バイパスバルブ５１及びウエイストゲートバルブ６１が設置される。バイパス絞り弁７１、バイパスバルブ５１及びウエイストゲートバルブ６１は、ターボチャージャの作動を制御する制御バルブを構成するものであり、通常はエンジンの作動を制御するエンジン制御装置（ＥＣＵ）によってその開閉状態が制御される。
【００２０】
本発明の過給式エンジンでは、エンジン制御装置（ＥＣＵ）内に、制御バルブの作動を診断する診断装置８が設けられている。この診断装置８には、エンジンシリンダに供給される吸気圧の信号が、高圧段コンプレッサＨＣの下流に置かれた吸気圧センサ９から入力される。また、診断装置８は、必要時には操作信号を出力し、制御バルブであるバイパス絞り弁７１、バイパスバルブ５１又はウエイストゲートバルブ６１を単独で操作できるよう構成されている。
【００２１】
本発明の診断装置８の作動について、図２及び図３に示すフローチャートを参照しながら説明する。
図２において、制御バルブ診断のフローチャートがスタートすると、まず、現在のエンジン運転状態の検出（ＳＴ１）及び現在の吸気圧ＰＡの検出（ＳＴ２）が行われる。エンジン運転状態としては、この実施例では、エンジンの回転数Ｎ及び燃料噴射量ＱがＥＣＵから読み込まれる。次いで、検出された現在のエンジン運転状態が、制御バルブ診断に適した運転状態として予め設定した診断実施運転状態であるか否かが判定される（ＳＴ３）。
【００２２】
この実施例の診断装置８は、エンジンの正常時における運転状態に対応する吸気圧を記憶した正常時吸気圧記憶手段を備えており、正常時吸気圧記憶手段は、回転数Ｎと燃料噴射量Ｑとをパラメータとして正常時の吸気圧ＰＤを定めた図２のマップＭの形で診断装置８に格納されている。ステップＳＴ３で診断実施運転状態であると判断されると、現在のエンジン運転状態に対応する正常時の吸気圧ＰＤがマップＭから読み込まれ（ＳＴ４）、さらに、現在の吸気圧ＰＡが吸気圧ＰＤと所定値α以上乖離しているか否かの判断が行われる（ＳＴ５）。所定値αは測定誤差等を考慮しながら定められる数値であって、ステップＳＴ５の判断は、現在の吸気圧ＰＡが予め設定した吸気圧（正常値）の範囲内にあるか否かを判定するものである。
この実施例におけるマップＭは、複数のターボチャージャの中少なくとも１つが作動するような、いわば通常時の運転状態を広くカバーしている。そのため、こうしたマップを使用して吸気圧の正常、異常を判断すると、殆ど全ての運転状態で制御バルブの診断を実施することができる。
【００２３】
ステップＳＴ５において、現在の吸気圧ＰＡが正常値の範囲から外れると判断されたときは、バイパス絞り弁７１、バイパスバルブ５１又はウエイストゲートバルブ６１の何れかに作動不良が生じたとして、後述する作動不良制御バルブ特定のルーチン（ＳＴ６）に進む。ただし、作動不良が生じるのは稀なケースであって、大部分の診断実施時にはこのルーチンに進むことはない。ステップＳＴ５までの手順は、エンジンの運転に何ら影響を与えることなく実行できるから、診断の実施によりエンジンの運転に支障が生じることは殆どない。なお、図２のフローチャートは、制御バルブ等の異常を迅速に発見して対処し得るように、適当な時間間隔（例えば１分毎）で繰り返し実行される。
【００２４】
図３に、作動不良制御バルブ特定のルーチン（ＳＴ６）のフローチャートを示す。このルーチンは、制御バルブを各々単独で順次作動させてそのときの吸気圧の変化を検出するものであるが、この実施例では、例えば、バイパス絞り弁７１をＮ＝１の制御バルブ、バイパスバルブ５１をＮ＝２の制御バルブ、ウエイストゲートバルブ６１をＮ＝３の制御バルブとし、各々の制御バルブを反転（正常時には閉じているはずのものであればこれを開くようアクチュエータを駆動する等）して診断のための作動を実行する。
【００２５】
作動不良制御バルブ特定のルーチンでは、まず、反転させる制御バルブを特定（ＳＴ６１）し、吸気圧センサ９で検出した、反転させる前の運転状態における吸気圧ＰＸを保存する（ＳＴ６２）。次いで、特定した制御バルブを反転して（ＳＴ６３）、そのときの吸気圧ＰＹを検出、保存する（ＳＴ６４）。さらに、ＰＸとＰＹとの間に、正常に作動しているときに予想される差が存在するかどうか、つまり、吸気圧に所定の変化が検出されるかどうかが判断される（ＳＴ６５）。そして、変化が検出されなければ、特定した制御バルブが固着していると判定し、特定した制御バルブが固着したときのバックアップ処理（例えば、燃料噴射量の制限あるいはエンジンの停止）を実施する（ＳＴ６６）。
【００２６】
ステップＳＴ６５の判断で吸気圧に所定の変化が検出されたとき又はステップＳＴ６６の処理が終了したときは、Ｎを一つ増やし（ＳＴ６７）別の制御バルブで同様な手順を実行する。全ての制御バルブで診断が終了すると（ＳＴ６８）、作動不良の制御バルブを特定できるので、作動不良制御バルブ特定のルーチン（ＳＴ６）と制御バルブ診断の全体のフローチャート（図２）が終わることとなる。
【００２７】
以上詳述したように、本発明は、複数のターボチャージャとこれを制御する複数の制御バルブを備えたエンジンにおいて、エンジンのシリンダに供給される吸入空気の吸気圧を検出し、異常が生じたと判断されたときは、各制御用バルブを単独で順次操作して、作動不良の制御バルブを特定するものである。上記の実施例では、複数のターボチャージャを直列に配置した２段ターボエンジンに本発明を適用した場合について説明しているが、本発明がターボチャージャを並列に配置した過給式エンジンに適用できることは言うまでもない。また、上記の実施例では、吸気圧が正常範囲内にあるか否かを判定するに際し、診断装置内に吸気圧の正常値を記憶したマップを格納して行っているが、正常値を運転状態を表すパラメータから演算により求めるなど、実施例に対して種々の変形が可能であることは明らかである。
【符号の説明】
【００２８】
ＨＴＣ 高圧段ターボチャージャ
ＨＣ 高圧段コンプレッサ、 ＨＴ 高圧段タービン
ＬＴＣ 低圧段ターボチャージャ
ＬＣ 低圧段コンプレッサ、 ＬＴ 低圧段タービン
１ エンジン
５ 高圧バイパス管
５１ バイパスバルブ
６ 低圧バイパス管
６１ ウエイストゲートバルブ
７ 吸気バイパス通路
７１ バイパス絞り弁
８ 診断装置
９ 吸気圧センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のターボチャージャを備え、エンジンシリンダに供給される空気等を加圧する過給式エンジンにおける診断装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの吸入空気量を増加させるため、吸気通路に吸入空気加圧用のコンプレッサを配置し、これを排気通路に設置したタービンで駆動するターボチャージャは、エンジンを高出力化する手段としてよく知られており、車両用のエンジンでも、小型軽量化、燃料経済性の向上（燃料消費率の低減）等を目的として広く採用されている。車両用のターボチャージャでは、エンジンの負荷変動に応じてターボチャージャの作動を最適な状態に制御することが望ましく、そのため、排気通路に設置したタービンにバイパス通路を設け、タービンに作用する排気ガス量を調整するいわゆるウエイストゲートバルブ（バイパスバルブと呼ばれる場合もある）を設けるものが多い。タービンの排気ガス入口に可変ノズル等を設け、エンジンの負荷変動に対応してタービン容量を変更するいわゆるＶＮＴターボが用いられることもある。
【０００３】
ターボチャージャを備えたエンジンにおいて、さらなる出力あるいは燃料消費率の改善を目指して、近年では、複数のターボチャージャを装備し、エンジンの種々の特性に合わせた過給を行う過給方式の開発が行われている。このような過給方式としては、例えば、低圧段ターボチャージャと高圧段ターボチャージャとを直列に配置した２段ターボチャージャが知られている。一般的に、ターボチャージャで用いられるコンプレッサは、空気流量に応じて効率が変化する特性を有しており、２段ターボチャージャの低圧段と高圧段のターボチャージャには、特性の異なるコンプレッサが使用される。
【０００４】
２段ターボチャージャを装備し、運転状態に対応して低圧段ターボチャージャ及び高圧段ターボチャージャの作動を制御するエンジンについて、図４によって説明する。
エンジン１には、低圧段ターボチャージャＬＴＣ及び高圧段ターボチャージャＨＴＣが直列に設置されており、エンジン吸気通路において、低圧段コンプレッサＬＣの出口が高圧段コンプレッサＨＣの入口に接続され、圧縮空気を冷却する空気冷却器２を介してエンジン１の吸気マニホールド３に連結される。エンジン１の排気マニホールド４には、高圧段タービンＨＴと低圧段タービンＬＴとが直列に接続されるとともに、高圧段タービンＨＴをバイパスして排気ガスを直接低圧段タービンＬＴに導くバイパス管路５が設けられ、その管路にはバイパスバルブ５１が配置されている。また、低圧段タービンＬＴをバイパスする低圧バイパス管６が設けてあり、その管路にはウエイストゲートバルブ６１が配置される。吸気通路の高圧段コンプレッサＨＣには、これをバイパスする吸気バイパス通路７とバイパス絞り弁７１が設けられている。
【０００５】
エンジンが低速低負荷で運転されている場合には、排気マニホールド４に連結されたバイパス管路５のバイパスバルブ５１を閉鎖し、かつ、ウエイストゲートバルブ６１の開度を大とする。これによって、排気ガスは主に高圧段タービンＨＴにおいて膨張して高圧段コンプレッサＨＣを駆動する。高圧段コンプレッサＨＣには小流量域で高効率となるコンプレッサが採用されているので、エンジンの低速低負荷時における排気エネルギが効率よく利用され燃料消費率が低減する。エンジンの負荷が高まるにつれ、バイパスバルブ５１の開度を増加してウエイストゲートバルブ６１の開度を減少する。高速高負荷の運転状態になると、排気ガスが低圧段タービンＬＴに直接導入されて実質的に低圧段コンプレッサＬＣによって吸入空気が圧縮され、吸気バイパス通路７のバイパス絞り弁７１が開放される。低圧段コンプレッサＬＣは大流量域で高効率となる特性を有しているので、高速高負荷時には、エンジン１に大量の空気が効率的に供給されることとなる。このような２段ターボチャージャは、一例として、本出願人の先行出願に係る特開２００７−１５４６８４号公報に開示されている。
【０００６】
複数のターボチャージャを装備し、エンジンの種々の特性に合わせた過給を行う過給方式は、２個のターボチャージャを直列に配置した２段ターボチャージャに限られるものではない。例えば、特許第３１１７７８４号公報には、２個のターボチャージャを並列に配置し、エンジンの負荷に応じて、１個のターボチャージャを使用するモードと２個のターボチャージャを使用するモードとを切り換える、シーケンシャルターボと称する過給方式が開示されている。
また、実公平２−４１３０８号公報には、それぞれウエイストゲートバルブを備える２個のターボチャージャを並列に配置したエンジンにおいて、ウエイストゲートバルブの作動不良を診断するため、各ターボチャージャのコンプレッサの過給圧力を比較する方法が記載されている。この公報に開示されたエンジンには、図５に示すとおり、２個のターボチャージャＴＣＡ、ＴＣＢが並列に配置してあり、それぞれのターボチャージャは、ウエイストゲートバルブＷＡ、ＷＢにより制御される。これらのウエイストゲートバルブＷＡ、ＷＢは、各ターボチャージャのコンプレッサの吐出圧力で駆動されるダイヤフラム式空気アクチュエータＤＡ、ＤＢにより操作される。各ターボチャージャの吐出圧力は、診断装置を構成する圧力スイッチＰＳにも導入されており、圧力スイッチＰＳでは、両方の吐出圧力を比較して所定の差圧が生じると警報を発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１５４６８４号公報
【特許文献２】特許第３１１７７８４号公報
【特許文献３】実公平２−４１３０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ターボチャージャの作動を制御するには、タービンに作用する排気ガス量を調整するウエイストゲートバルブ等が使用されるが、これらの制御用バルブは、例えばダイヤフラム式空気アクチュエータを用いてエンジンの高温の排気ガス中で開閉される。そのため、熱膨張の影響や排気ガス中の煤等のかみ込みに起因して、制御用バルブの弁軸などに固着が生じ易い。固着が発生すると、エンジンの運転状態に応じた過給圧の適正な制御が不可能となるばかりでなく、場合によっては、ターボチャージャのオーバランによるエンジン等の破損を招くことがある。
【０００９】
複数のターボチャージャを装備する過給式エンジンでは、ターボチャージャの作動を制御する制御用バルブの数が増加し制御系統も複雑となるので、固着等、制御バルブの作動不良の起こる頻度が増えることとなる。上述したように、特許文献３には、２個のターボチャージャを並列に配置したエンジンに診断装置を設けることが開示されており、この診断装置では、各ターボチャージャのコンプレッサの吐出圧力を比較し、これが大きいターボチャージャでウエイストゲートバルブが開放不能になったと判断する。しかし、実際にはウエイストゲートバルブが開いたままで固着して閉鎖不能となる場合もあり、このときは各コンプレッサの吐出圧力の大小関係が逆になるため、各ターボチャージャのコンプレッサの吐出圧力を比較するだけでは、固着の生じたウエイストゲートバルブを正確に特定することができない。
本発明は、複数のターボチャージャとこれを制御する複数の制御バルブを備えたエンジンにおいて、各制御バルブの作動を総合的に監視するとともに、異常が生じたときは、作動不良を起こした制御バルブを正確に特定することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題に鑑み、本発明は、複数のターボチャージャを装備する過給式エンジンにおいて、エンジンのシリンダに供給される吸気圧（ブースト）を検出し、これに異常が生じたと判断されたときは、各制御用バルブを単独で順次操作して、作動不良の制御バルブを正確に特定するものである。すなわち、本発明は、
「複数のターボチャージャと、これらのターボチャージャを制御する複数の制御バルブとを備えた過給式エンジンの診断装置であって、
前記過給式エンジンは、前記過給式エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記過給式エンジンのシリンダに供給される吸気圧を検出する吸気圧検出手段とを備えており、さらに、
前記診断装置は、前記運転状態検出手段で検出した運転状態が予め設定した診断実施運転状態であるときに、前記吸気圧検出手段で検出された吸気圧が予め設定した吸気圧の範囲にあるか否かを判断し、かつ、予め設定された吸気圧の範囲にないときは、前記複数の制御バルブを各々単独で順次作動させてそのときの吸気圧の変化を検出し、吸気圧に所定の変化が検出されない制御バルブを作動不良と判断する」
ことを特徴とする過給式エンジンの診断装置となっている。
【００１１】
請求項２に記載のように、前記診断装置は、前記過給式エンジンの正常時における運転状態に対応する吸気圧を記憶した正常時吸気圧記憶手段を備えており、前記予め設定された吸気圧の範囲が、前記正常時吸気圧記憶手段に基づき決定されるよう構成されていることが好ましい。
【００１２】
請求項３に記載のように、本発明の診断装置は、低圧段ターボチャージャ及び高圧段ターボチャージャを直列に配置した２段ターボチャージャを備えており、前記低圧段ターボチャージャ及び高圧段ターボチャージャには、タービンをバイパスする排気ガス通路と制御バルブとがそれぞれ設置されている過給式エンジンに好適なものである。
【発明の効果】
【００１３】
複数のターボチャージャとこれを制御する複数の制御バルブを備えた過給式エンジンにおいて、主に制御バルブの不具合を監視する本発明の診断装置には、運転状態検出手段と吸気圧検出手段とが設けてあり、これらによりエンジンの運転状態とシリンダに供給される吸気圧（ブースト）を検出する。そして、診断装置では、運転状態が予め設定した診断実施運転状態であるときに、まず、吸気圧が予め設定した吸気圧の範囲にあるか否かを判断している。
過給式エンジンの吸気圧は、ターボチャージャ及び制御バルブ等が正常に作動している限り、例えば回転数、燃料噴射量等で定まる運転状態に対応して、予め定められた範囲内にある。この吸気圧は、複数の制御バルブの中でいずれのものが固着等の作動不良を起こしたとしても正常の範囲から逸脱することになる。本発明の診断装置では、吸気圧が予め設定した吸気圧の範囲から外れたときに制御バルブに異常が生じたと判断し、複数の制御バルブを各々単独で順次作動させる。このとき、吸気圧に所定の変化が検出されない場合は、単独で作動させた制御バルブが作動不良であると判断できる。固着等を起こした制御バルブを特定するには、例えば、個々の制御バルブに開度位置検出用のポジションセンサ等を装着するなどの方法が考えられるが、本発明の診断装置では、こうした機器を用いることなく作動不良を起こした制御バルブの正確な特定が可能となり、迅速な修理や部品交換を行うことができる。
【００１４】
また、本発明の診断装置では、運転状態が診断実施運転状態であるときに、吸気圧が正常な範囲にあるか否かをまず判断し、吸気圧が異常な場合にのみ、複数の制御バルブを順次作動させる操作を行う。吸気圧が正常か否かの判断がエンジンの運転になんら影響を及ぼさないのに対し、診断のため制御バルブを単独で作動する操作は、エンジンの作動に影響を与えるので、なるべく実行しないことが望ましい。何れかの制御バルブの作動不良が検知されたときのみに制御バルブを単独で操作し、正常時には操作を実施しない本発明の診断装置は、この点でも有効なものである。
【００１５】
本発明の診断装置は、正常、異常を判断するため、診断実施運転状態であるときに吸気圧が予め設定した吸気圧の範囲にあるか否かを判断する手段を有している。この手段としては、診断実施運転状態を特定の限られた運転状態（例えば、回転数、燃料噴射量の特定の狭い範囲）として、そのときの吸気圧が設定範囲にあるかどうかを判定することもできるが、こうすると、診断を実施する運転状態の実現する頻度が非常に小さくなる。これに対し、請求項２に記載の発明では、過給式エンジンの正常時における運転状態に対応する吸気圧を記憶した正常時吸気圧記憶手段を、例えば、エンジン制御装置に設け、これに基づいて設定範囲を決定するので、運転状態に対応した正常の吸気圧を多数記憶しておくことができる。したがって、診断実施運転状態を広い運転状態に設定することができ、診断を実施する機会が大幅に増大する。
【００１６】
そして、本発明の診断装置は、複雑な過給システムを装備するエンジンの診断に適しており、ことに、請求項３に記載の発明のように、低圧段及び高圧段ターボチャージャを直列に配置した２段ターボチャージャを備え、これらのターボチャージャのタービンがウエイストゲートバルブにより制御される過給式エンジンに好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の診断装置を備えた過給式エンジンの一例を示す図である。
【図２】本発明の診断装置のフローチャートである。
【図３】本発明の診断装置の作動不良制御バルブ特定ルーチンを示す図である。
【図４】従来の２段過給エンジンの管路構成等を示す概要図である。
【図５】従来の過給エンジンの警報装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面に基づいて、複数のターボチャージャを装備し、本発明の診断装置を備えた過給式エンジン（ディーゼルエンジン）について説明する。図１は、本発明の診断装置を図４の２個のターボチャージャを直列に配置する２段ターボチャージャ付エンジンに適用した実施例を示すものであり、図４の部品や装置と対応するものについては、同一の符号が付してある。
【００１９】
本発明の診断装置を備えた図１に示す過給式エンジンにおいて、２個のターボチャージャの構成及び作動、エンジン吸気通路及び排気通路の構成等は、基本的に図４の従来例のエンジンと変わりはない。すなわち、エンジン１には、大容量型の低圧段ターボチャージャＬＴＣ及び小容量型の高圧段ターボチャージャＨＴＣが直列に設置され、エンジン１の吸気通路において、低圧段コンプレッサＬＣの出口は高圧段コンプレッサＨＣの入口に接続される。高圧段コンプレッサＨＣには、これをバイパスする吸気バイパス通路７とバイパス絞り弁７１が設けられている。エンジン１の排気通路には、高圧段タービンＨＴと低圧段タービンＬＴとが直列に配置されるとともに、これらのタービンをバイパスする管路には、バイパスバルブ５１及びウエイストゲートバルブ６１が設置される。バイパス絞り弁７１、バイパスバルブ５１及びウエイストゲートバルブ６１は、ターボチャージャの作動を制御する制御バルブを構成するものであり、通常はエンジンの作動を制御するエンジン制御装置（ＥＣＵ）によってその開閉状態が制御される。
【００２０】
本発明の過給式エンジンでは、エンジン制御装置（ＥＣＵ）内に、制御バルブの作動を診断する診断装置８が設けられている。この診断装置８には、エンジンシリンダに供給される吸気圧の信号が、高圧段コンプレッサＨＣの下流に置かれた吸気圧センサ９から入力される。また、診断装置８は、必要時には操作信号を出力し、制御バルブであるバイパス絞り弁７１、バイパスバルブ５１又はウエイストゲートバルブ６１を単独で操作できるよう構成されている。
【００２１】
本発明の診断装置８の作動について、図２及び図３に示すフローチャートを参照しながら説明する。
図２において、制御バルブ診断のフローチャートがスタートすると、まず、現在のエンジン運転状態の検出（ＳＴ１）及び現在の吸気圧ＰＡの検出（ＳＴ２）が行われる。エンジン運転状態としては、この実施例では、エンジンの回転数Ｎ及び燃料噴射量ＱがＥＣＵから読み込まれる。次いで、検出された現在のエンジン運転状態が、制御バルブ診断に適した運転状態として予め設定した診断実施運転状態であるか否かが判定される（ＳＴ３）。
【００２２】
この実施例の診断装置８は、エンジンの正常時における運転状態に対応する吸気圧を記憶した正常時吸気圧記憶手段を備えており、正常時吸気圧記憶手段は、回転数Ｎと燃料噴射量Ｑとをパラメータとして正常時の吸気圧ＰＤを定めた図２のマップＭの形で診断装置８に格納されている。ステップＳＴ３で診断実施運転状態であると判断されると、現在のエンジン運転状態に対応する正常時の吸気圧ＰＤがマップＭから読み込まれ（ＳＴ４）、さらに、現在の吸気圧ＰＡが吸気圧ＰＤと所定値α以上乖離しているか否かの判断が行われる（ＳＴ５）。所定値αは測定誤差等を考慮しながら定められる数値であって、ステップＳＴ５の判断は、現在の吸気圧ＰＡが予め設定した吸気圧（正常値）の範囲内にあるか否かを判定するものである。
この実施例におけるマップＭは、複数のターボチャージャの中少なくとも１つが作動するような、いわば通常時の運転状態を広くカバーしている。そのため、こうしたマップを使用して吸気圧の正常、異常を判断すると、殆ど全ての運転状態で制御バルブの診断を実施することができる。
【００２３】
ステップＳＴ５において、現在の吸気圧ＰＡが正常値の範囲から外れると判断されたときは、バイパス絞り弁７１、バイパスバルブ５１又はウエイストゲートバルブ６１の何れかに作動不良が生じたとして、後述する作動不良制御バルブ特定のルーチン（ＳＴ６）に進む。ただし、作動不良が生じるのは稀なケースであって、大部分の診断実施時にはこのルーチンに進むことはない。ステップＳＴ５までの手順は、エンジンの運転に何ら影響を与えることなく実行できるから、診断の実施によりエンジンの運転に支障が生じることは殆どない。なお、図２のフローチャートは、制御バルブ等の異常を迅速に発見して対処し得るように、適当な時間間隔（例えば１分毎）で繰り返し実行される。
【００２４】
図３に、作動不良制御バルブ特定のルーチン（ＳＴ６）のフローチャートを示す。このルーチンは、制御バルブを各々単独で順次作動させてそのときの吸気圧の変化を検出するものであるが、この実施例では、例えば、バイパス絞り弁７１をＮ＝１の制御バルブ、バイパスバルブ５１をＮ＝２の制御バルブ、ウエイストゲートバルブ６１をＮ＝３の制御バルブとし、各々の制御バルブを反転（正常時には閉じているはずのものであればこれを開くようアクチュエータを駆動する等）して診断のための作動を実行する。
【００２５】
作動不良制御バルブ特定のルーチンでは、まず、反転させる制御バルブを特定（ＳＴ６１）し、吸気圧センサ９で検出した、反転させる前の運転状態における吸気圧ＰＸを保存する（ＳＴ６２）。次いで、特定した制御バルブを反転して（ＳＴ６３）、そのときの吸気圧ＰＹを検出、保存する（ＳＴ６４）。さらに、ＰＸとＰＹとの間に、正常に作動しているときに予想される差が存在するかどうか、つまり、吸気圧に所定の変化が検出されるかどうかが判断される（ＳＴ６５）。そして、変化が検出されなければ、特定した制御バルブが固着していると判定し、特定した制御バルブが固着したときのバックアップ処理（例えば、燃料噴射量の制限あるいはエンジンの停止）を実施する（ＳＴ６６）。
【００２６】
ステップＳＴ６５の判断で吸気圧に所定の変化が検出されたとき又はステップＳＴ６６の処理が終了したときは、Ｎを一つ増やし（ＳＴ６７）別の制御バルブで同様な手順を実行する。全ての制御バルブで診断が終了すると（ＳＴ６８）、作動不良の制御バルブを特定できるので、作動不良制御バルブ特定のルーチン（ＳＴ６）と制御バルブ診断の全体のフローチャート（図２）が終わることとなる。
【００２７】
以上詳述したように、本発明は、複数のターボチャージャとこれを制御する複数の制御バルブを備えたエンジンにおいて、エンジンのシリンダに供給される吸入空気の吸気圧を検出し、異常が生じたと判断されたときは、各制御用バルブを単独で順次操作して、作動不良の制御バルブを特定するものである。上記の実施例では、複数のターボチャージャを直列に配置した２段ターボエンジンに本発明を適用した場合について説明しているが、本発明がターボチャージャを並列に配置した過給式エンジンに適用できることは言うまでもない。また、上記の実施例では、吸気圧が正常範囲内にあるか否かを判定するに際し、診断装置内に吸気圧の正常値を記憶したマップを格納して行っているが、正常値を運転状態を表すパラメータから演算により求めるなど、実施例に対して種々の変形が可能であることは明らかである。
【符号の説明】
【００２８】
ＨＴＣ 高圧段ターボチャージャ
ＨＣ 高圧段コンプレッサ、 ＨＴ 高圧段タービン
ＬＴＣ 低圧段ターボチャージャ
ＬＣ 低圧段コンプレッサ、 ＬＴ 低圧段タービン
１ エンジン
５ 高圧バイパス管
５１ バイパスバルブ
６ 低圧バイパス管
６１ ウエイストゲートバルブ
７ 吸気バイパス通路
７１ バイパス絞り弁
８ 診断装置
９ 吸気圧センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のターボチャージャと、これらのターボチャージャを制御する複数の制御バルブとを備えた過給式エンジンの診断装置であって、
前記過給式エンジンは、前記過給式エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記過給式エンジンのシリンダに供給される吸気圧を検出する吸気圧検出手段とを備えており、さらに、
前記診断装置は、前記運転状態検出手段で検出した運転状態が予め設定した診断実施運転状態であるときに、前記吸気圧検出手段で検出された吸気圧が予め設定した吸気圧の範囲にあるか否かを判断し、かつ、予め設定された吸気圧の範囲にないときは、前記複数の制御バルブを各々単独で順次作動させてそのときの吸気圧の変化を検出し、吸気圧に所定の変化が検出されない制御バルブを作動不良と判断することを特徴とする過給式エンジンの診断装置。
【請求項２】
前記診断装置は、前記過給式エンジンの正常時における運転状態に対応する吸気圧を記憶した正常時吸気圧記憶手段を備えており、前記予め設定された吸気圧の範囲が、前記正常時吸気圧記憶手段に基づき決定される請求項１に記載の過給式エンジンの診断装置。
【請求項３】
前記過給式エンジンは、低圧段ターボチャージャ及び高圧段ターボチャージャを直列に配置した２段ターボチャージャを備えており、前記低圧段ターボチャージャ及び高圧段ターボチャージャには、タービンをバイパスする排気ガス通路と制御バルブとがそれぞれ設置されている請求項１又は請求項２に記載の過給式エンジンの診断装置。
【請求項１】
複数のターボチャージャと、これらのターボチャージャを制御する複数の制御バルブとを備えた過給式エンジンの診断装置であって、
前記過給式エンジンは、前記過給式エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記過給式エンジンのシリンダに供給される吸気圧を検出する吸気圧検出手段とを備えており、さらに、
前記診断装置は、前記運転状態検出手段で検出した運転状態が予め設定した診断実施運転状態であるときに、前記吸気圧検出手段で検出された吸気圧が予め設定した吸気圧の範囲にあるか否かを判断し、かつ、予め設定された吸気圧の範囲にないときは、前記複数の制御バルブを各々単独で順次作動させてそのときの吸気圧の変化を検出し、吸気圧に所定の変化が検出されない制御バルブを作動不良と判断することを特徴とする過給式エンジンの診断装置。
【請求項２】
前記診断装置は、前記過給式エンジンの正常時における運転状態に対応する吸気圧を記憶した正常時吸気圧記憶手段を備えており、前記予め設定された吸気圧の範囲が、前記正常時吸気圧記憶手段に基づき決定される請求項１に記載の過給式エンジンの診断装置。
【請求項３】
前記過給式エンジンは、低圧段ターボチャージャ及び高圧段ターボチャージャを直列に配置した２段ターボチャージャを備えており、前記低圧段ターボチャージャ及び高圧段ターボチャージャには、タービンをバイパスする排気ガス通路と制御バルブとがそれぞれ設置されている請求項１又は請求項２に記載の過給式エンジンの診断装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２１６４０２（Ｐ２０１０−２１６４０２Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６５４０５（Ｐ２００９−６５４０５）
【出願日】平成２１年３月１８日（２００９．３．１８）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１８日（２００９．３．１８）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]