JP2005344591A - Ｅｇｒガス冷却制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストでＥＧＲクーラの過冷却を防止しながら冷却水の沸騰を防止する。
【解決手段】
本発明は、ＥＧＲ配管（１）と、ＥＧＲクーラ（２）と、ＥＧＲクーラ（２）の冷却能力算出手段（Ｓ１０２）と、冷却能力調整手段（Ｓ１０６、Ｓ１０９）と、エンジン（６）のアイドル判定手段（Ｓ１０３）とを備えて、エンジン（６）の運転状態がオフアイドル運転状態からアイドル運転状態に変化したときにＥＧＲクーラ（２）の冷却能力を目標冷却能力よりも大きくなるように調整することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＥＧＲガス冷却制御装置に関するものである。

エンジンの排気ガス対策において、排気ガス中のＮＯｘの排出量を低減するために、排気ガスの一部を吸気に再循環させることで燃焼温度を低く抑えてＮＯｘの生成を抑制する排ガス再循環（ＥＧＲ）装置が知られている。このＥＧＲ装置はエンジンの排気通路に一端がつながれ吸気通路に他端がつながれたＥＧＲ通路を備え、その途中にＥＧＲガス流量を調整するＥＧＲバルブを備えており、ＥＧＲガスの流量を増加させることでＮＯｘの発生量を低減できるようになっている。

しかし、エンジン回転速度が一定のもとではシリンダ内に吸入されるガスの容積は一定であるので、ＥＧＲガスが増加すると吸入ガス中の新気の割合が減少する。これにより、吸入ガス中の酸素濃度が低下するので燃焼状態が悪化してスモークの発生が増加する。また、ＥＧＲガスが増加するとＥＧＲガスの温度も増加するのでＥＧＲガス体積が増加して燃焼状態が悪化する。

このような問題を解消するために、ＥＧＲパイプに水冷式のＥＧＲクーラを設けてエンジンの冷却水循環流路から導入した冷却水をこの水冷式ＥＧＲクーラに循環させるものがある。これにより、ＥＧＲガスと熱交換をすることでＥＧＲガスの冷却を行い、冷却されたＥＧＲガスを再循環させることができる。ＥＧＲガスの温度が下がることで体積が減少して、シリンダ内の酸素濃度を確保してスモークの発生量を低減させることができる。

しかし、冷却水によってＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラは、エンジンの高負荷かつ高回転時のようなＥＧＲガスの温度が高い運転領域で十分な冷却能力が得られるように熱交換量を設計しているので、アイドル運転時などのＥＧＲガスの温度が低い運転領域においては過冷却することになる。ＥＧＲガスには水蒸気、すす、未燃の燃料などが含まれているので、ＥＧＲガスが過冷却されるとＥＧＲガス中の水蒸気や未燃の燃料が液化する。液化した水にＥＧＲガス中のすすが捕捉されてパイプの内壁に堆積するとＥＧＲクーラの伝熱効率が低減する。また、液化した水にＥＧＲガス中の硫黄酸化物が溶け込むと液性が強酸性となってＥＧＲクーラやエンジン本体の配管などを腐食する。さらにＥＧＲガス中の未燃の燃料がＥＧＲバルブで液化するとＥＧＲバルブとバルブシートとの間で接着剤として働きＥＧＲバルブを開弁できなくなる。

そこで、運転条件に応じてＥＧＲクーラを通流する冷却水量を調整してＥＧＲガスの温度を制御する技術が特許文献１に記載されている。
特開２００２−１４７２９２号公報

しかし、このような技術では排気ガス温度が高い運転状態を長時間行った後に運転状態の変化によってＥＧＲクーラを通流する冷却水量を急激に減少させると、熱容量の大きな排気マニホールドやＥＧＲバルブによって冷却水が沸騰する可能性がある。

よって、キャビテーションが発生してＥＧＲクーラの冷却水配管や冷却水を循環させるウォーターポンプが破損するおそれがある。また、ＥＧＲクーラの冷却管内部の圧力が上昇してＥＧＲクーラ本体が破損するおそれがある。

また、冷却水の沸騰を防止するために冷却水配管に水温センサを設けるとコストが上昇する。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、ＥＧＲクーラの過冷却を防止しながら冷却水の沸騰を防止してＥＧＲクーラやエンジンの冷却配管の破損を防止するＥＧＲガス冷却制御装置を低コストで提供することを目的としている。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、エンジン（６）の排気を吸気に還流するＥＧＲ配管（１）と、ＥＧＲ配管（１）に設けられ、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ（２）と、エンジン（６）の運転状態に基づいてＥＧＲクーラ（２）の目標冷却能力を算出する冷却能力算出手段（Ｓ１０２）と、冷却能力算出手段（Ｓ１０２）によって算出された目標冷却能力に基づいて前記ＥＧＲクーラ（２）の冷却能力を調整する冷却能力調整手段（Ｓ１０６、Ｓ１０９）と、エンジン（６）の運転状態がアイドル状態であるか否かを判定するアイドル判定手段（Ｓ１０３）とを備え、冷却能力調整手段（Ｓ１０６、Ｓ１０９）は、エンジン（６）の運転状態がアイドル運転状態ではないオフアイドル運転状態からアイドル運転状態に変化したとき、所定時間を経過するまでは、ＥＧＲクーラ（２）の冷却能力を冷却能力算出手段（Ｓ１０２）によって算出された目標冷却能力よりも大きくなるように調整することを特徴とする。

本発明によれば、エンジンがアイドル状態になったときＥＧＲクーラの冷却能力を所定時間だけエンジンの運転状態に基づいて算出される目標冷却能力よりも大きく設定する。よって、新たなセンサなどを設けることなく低コストで冷却水の沸騰を防止してＥＧＲクーラやエンジンの冷却水配管の破損を防止することができる。

以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

図１は、本発明によるＥＧＲガス冷却制御装置を示す構成図である。本装置は、ＥＧＲ配管１と、ＥＧＲクーラ２と、冷却水配管３と、冷却水バルブ４と、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）５とを備えている。

ＥＧＲ配管１は、一端がエンジン６の排気マニホールド７に他端が吸気マニホールド８に接続されており、排気マニホールド７から吸気マニホールド８へと還流する排気（ＥＧＲガス）を通流している。また、ＥＧＲ配管１に設けられたＥＧＲバルブ９はＥＧＲガスの流量を調節している。

ＥＧＲクーラ２は、ＥＧＲ配管１に設けられておりエンジン６の冷却水を導入することで内部を通流するＥＧＲガスを冷却している。なお、詳細については後述する。

冷却水配管３は、エンジン６の冷却水をＥＧＲクーラ２に送流して冷却に使用された冷却水を還流させている。

冷却水バルブ４は、冷却水配管３に設けられておりＥＧＲクーラ２に送流する冷却水の流量を調節している。

ＥＣＵ５は、エンジン６の回転速度を検出する回転速度センサ１０とアクセル開度を検出するアクセル開度センサ１１とによって検出された値を読み込み、これに基づいて冷却水バルブ４の開度を制御している。

ここで図２を用いてＥＧＲクーラ２について説明する。図２はＥＧＲクーラ２の拡大図である。ＥＧＲクーラ２の一端に連結されるＥＧＲ配管１から導入されたＥＧＲガスはＥＧＲクーラ２の内部に設けられたＥＧＲガス通路１ａを通流してＥＧＲクーラ２の他端に連結されるＥＧＲ配管１へと送出される。ＥＧＲクーラ２の内部は冷却水配管３から供給される冷却水で満たされており、ＥＧＲガス通路１ａと冷却水との間で熱交換することで、ＥＧＲガス通路１ａの内部を流れるＥＧＲガスを冷却している。

ここで、ＥＣＵ５で行う制御について図３を参照しながら説明する。図３は本発明のＥＧＲガス冷却制御装置の制御を示したフローチャートである。なお、本制御は微小時間（例えば１０ｍｓｅｃ）ごとに繰り返し実行している。

ステップＳ１０１では、アクセル開度センサ１１とエンジン回転速度センサ１０とによって検出されたアクセル開度とエンジン回転速度とを読み込んでステップＳ１０２へ進む。

ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で読み込んだアクセル開度とエンジン回転速度とに基づいて冷却水バルブ４の目標開度Ｖｏを検索してステップＳ１０３へ進む。ここで、冷却水バルブ４の目標開度Ｖｏの検索方法については後述する。

ステップＳ１０３では、アイドル状態であるか否かを判定する。アイドル状態であればステップＳ１０７へ進み、アイドル状態でないオフアイドル状態であればステップＳ１０４へ進む。ここで、アイドル状態か否かはアクセル開度によって判定しておりアクセル開度が０であればアイドル状態と判定する。

ステップＳ１０４では、ステップＳ１０２で検索された冷却水バルブ４の目標開度Ｖｏが、前回処理時までに記憶された目標開度の最大値ＶｏＭＡＸよりも大きいか否かを判定する。目標開度Ｖｏがその最大値ＶｏＭＡＸより大きければステップＳ１０５へ進み、目標開度Ｖｏがその最大値ＶｏＭＡＸ以下であればステップＳ１０６へ進む。

ステップＳ１０５では、冷却水バルブ４の目標開度Ｖｏを新たな最大値ＶｏＭＡＸとして更新してステップＳ１０６へ進む。ここで、このステップＳ１０５ではオフアイドル状態のときの冷却水バルブ４の目標開度Ｖｏが前回処理時までに記憶された目標開度の最大値ＶｏＭＡＸを超えているときのみ更新して記憶するので、常にオフアイドル状態の間の目標開度の最大値ＶｏＭＡＸが記憶されていることになる。

ステップＳ１０６では、冷却水バルブ４の開度をステップＳ１０２で検索した目標開度Ｖｏに設定して処理を終了する。冷却水バルブ４の開度をアクセル開度とエンジン回転速度とに基づいて検索した目標開度Ｖｏに設定することで要求される冷却能力に応じた冷却水量を設定することができる。

ステップＳ１０７では、前回処理時にアイドル状態と判定されていたか否かを判定する。前回処理時にアイドル状態と判定されていたのであればステップＳ１０８へ進み、前回処理時にアイドル運転ではないオフアイドル状態と判定されていたのであればステップＳ１０９へ進む。ここで、前回処理時の状態を判定することでオフアイドル状態からアイドル状態に変化した直後か否かを判定することができる。すなわち、前回処理時にオフアイドル状態と判定されていたのであれば今回処理時に初めてアイドル状態に変化したことになり、前回処理時にアイドル状態と判定されていたのであれば前回に引き続きアイドル状態が続いていることになる。

ステップＳ１０８では、冷却水バルブ４の目標開度保持期間中であるか否かを判定する。保持期間中であればステップＳ１０９へ進み、保持期間が満了していればステップＳ１１０へ進む。ここで、保持期間についてはＥＧＲクーラ２の冷却水が沸騰しないように、熱容量の大きな排気マニホールド７やＥＧＲバルブ９が十分冷却されるのに要する時間を予め実験などによって求めておく。

ステップＳ１０９では、冷却水バルブ４の開度を、ステップＳ１０５で記憶した目標開度の最大値ＶｏＭＡＸに設定して処理を終了する。以上のように、ステップＳ１０７で今回処理時に初めてアイドル状態に移ったと判定されたとき、又はステップＳ１０８で目標開度Ｖｏを保持する期間中であるアイドル状態になってから一定時間が経過する前であると判定されたときに、冷却水バルブ４の開度Ｖｏを一定時間にわたって目標開度の最大値ＶｏＭＡＸに設定することでＥＧＲクーラ２の冷却水の沸騰を防止してＥＧＲクーラ２やエンジン６の冷却水配管３の破損を防止することができる。

ステップＳ１１０では、冷却水バルブ４の目標開度の最大値を０に設定してステップＳ１０６へ進む。このステップＳ１１０では、ステップＳ１０８で冷却水バルブ４の目標開度Ｖｏを保持しておく期間が満了していると判定されたので冷却水バルブ４の目標開度の最大値ＶｏＭＡＸをリセットする。

ここで、ステップＳ１０２においてアクセル開度とエンジン回転速度とに基づいて冷却水バルブ４の目標開度Ｖｏを検索する方法について図４を用いて説明する。図４は、アクセル開度及びエンジン回転速度と冷却水バルブ４の目標開度Ｖｏとの関係を示したマップである。

排気ガスの温度はアクセル開度とエンジン回転速度とが大きくなるほど高くなり、これによってＥＧＲガスの温度も上昇するので冷却水バルブ４の開度Ｖｏを大きくする必要がある。しかし、アクセル開度とエンジン回転速度とが大きくなるような高負荷かつ高回転の運転領域では、吸気に占める新気の割合を増加させる必要があり、逆にＥＧＲガスの流量を低減させる必要がある。ＥＧＲガスの流量を低減させるとＥＧＲバルブ９などのＥＧＲ装置の温度は低下するので冷却水バルブ４の開度を小さくする。したがって、図４に示すようなマップとなり冷却水バルブ４の目標開度Ｖｏは、アクセル開度及びエンジン回転速度の増大とともに増加させていき、アクセル開度及びエンジン回転速度が或る値を超えると低下させていく。以上によって、アクセル開度とエンジン回転速度とに基づいて冷却水バルブ４の適切な目標開度Ｖｏを検索することができる。

以上の制御をまとめて作用を説明する。オフアイドル状態において冷却水バルブ４の開度はアクセル開度とエンジン回転速度とに基づいて検索された目標開度Ｖｏに設定される。これによりＥＧＲガス温度に応じて適切な冷却水の流量を調節している。またここで、検索された冷却水バルブ４の目標開度Ｖｏが前回処理時の目標開度Ｖｏより大きいときにのみ、その目標開度Ｖｏを目標開度の最大値ＶｏＭＡＸとして記憶する。これらの制御をアイドル状態に移行するまで繰り返し、アイドル状態に移行したとき冷却水バルブ４の開度をオフアイドル状態のときに記憶した目標開度の最大値ＶｏＭＡＸに設定する。この開度ＶｏＭＡＸを一定時間保持した後に記憶されている目標開度の最大値ＶｏＭＡＸを０にリセットし、再度アクセル開度とエンジン回転速度とに基づいて検索された目標開度Ｖｏに設定する。

次に本発明による制御を実施することでＥＧＲクーラ２の冷却水温度がどのように変化するかについて図５、６を用いて説明する。図５は本発明による制御を実施しないときのアクセル開度と、エンジン回転速度と、冷却水バルブ開度と、ＥＧＲクーラ２の冷却水流量と、ＥＧＲクーラ２の冷却水温度とを示した時系列データである。図６は本発明による制御を実施したときのアクセル開度と、エンジン回転速度と、冷却水バルブ開度と、ＥＧＲクーラ２の冷却水流量と、ＥＧＲクーラ２の冷却水温度とを示した時系列データである。

従来の技術ではエンジン回転速度とアクセル開度とに基づいて冷却水バルブ４の開度を決定しているので、アクセル開度が減少すると（図５（ｅ）においては、時刻Ｔ１においてアクセル開度＝０）、エンジン回転速度も低下していき（図５（ｄ））、これに伴って冷却水バルブ４の開度を減少させるのでＥＧＲクーラ２の冷却水流量も減少する（図５（ｂ）、（ｃ））。よってＥＧＲクーラ２の冷却水温度は、熱容量の大きい排気マニホールド７やＥＧＲバルブ９の熱によって図５（ａ）に示すように上昇して時刻Ｔ２において沸騰水温を超えることになる。

続いて本発明の場合を説明する。なお、図３のフローチャートとの対応を明確にするために、フローチャートの各ステップ番号を括弧内に付した。

本発明による制御においてもエンジン回転速度とアクセル開度とに基づいて冷却水バルブ４の開度を決定している。

図６の（ｅ）のように、アクセルが開いているときには（時刻Ｔ１以前）、アクセル開度及びエンジン回転速度を読み込んで（Ｓ１０１）、その読込値に基づいて目標開度Ｖｏを検索する（Ｓ１０２）。アクセル開度が０ではないとき（Ｓ１０３においてＮＯ）、目標開度Ｖｏが前回処理時までの目標開度の最大値ＶｏＭＡＸより大きいか否かを判定して（Ｓ１０４）、目標開度Ｖｏが最大値ＶｏＭＡＸより大きいときはこのときの目標開度Ｖｏを新たな最大値ＶｏＭＡＸに設定する（Ｓ１０５）。その後、冷却水バルブ４の開度を目標開度Ｖｏに設定する（Ｓ１０６）。アクセル開度が０になるまで以上の処理（Ｓ１０１〜Ｓ１０６）を繰り返す。このとき、ＥＧＲクーラの冷却水温度（図６（ａ））及びＥＧＲクーラの冷却水量（図６（ｂ））は、ほぼ一定である（時刻Ｔ１以前）。

そして、アクセル開度が０になったら（Ｓ１０３においてＹＥＳ；図６の時刻Ｔ１）、前回処理がアイドル状態であるか否かを判定する（Ｓ１０７）。図６の時刻Ｔ１においては、前回処理時がアイドル状態ではないので、ステップＳ１０９へ進んで冷却水バルブ４の開度を目標開度の最大値ＶｏＭＡＸに設定する（図６（ｃ））。

そして次回処理時以降はステップＳ１０７において前回処理時がアイドル状態と判定されるのでステップＳ１０８へ進んで、冷却水バルブ４の目標開度保持期間中であればさらにステップＳ１０９へ進んで冷却水バルブ４の開度を目標開度の最大値ＶｏＭＡＸに設定する。冷却水バルブ４の目標開度保持期間が終了するまで、以上の処理（Ｓ１０１→Ｓ１０２→Ｓ１０３→Ｓ１０７→Ｓ１０８→Ｓ１０９）を繰り返す。このとき、ＥＧＲクーラの冷却水温度（図６（ａ））は沸騰水温を超えることなく低下していき、ＥＧＲクーラの冷却水流量（図６（ｂ））はほぼ一定である。

そして冷却水バルブ４の目標開度保持期間が終了したとき（Ｓ１０８においてＮＯ；図６の時刻Ｔ３）、冷却水バルブ４の目標開度の最大値ＶｏＭＡＸを０にリセットして（Ｓ１１０）冷却水バルブ４の開度を目標開度Ｖｏに設定する（Ｓ１０６）。

このように図６に示すようにアクセル開度が減少して０になったとき（時刻Ｔ１）、冷却水バルブ４の開度を一定時間（Ｔ１〜Ｔ３）オフアイドル状態のときの開度の最大値ＶｏＭＡＸに設定するので、ＥＧＲクーラ２の冷却水流量は一定時間減少しない（図６（ｂ））。よって、ＥＧＲクーラ２の冷却水温度はアクセル開度が０になった後も上昇することなく（図６（ａ））沸騰による不具合を防止することができる。

以上のように本実施形態では、アイドル状態に移行したとき一定時間冷却水バルブ４の開度をオフアイドル状態のときに記憶した目標開度の最大値ＶｏＭＡＸに設定するので、ＥＧＲクーラ２の冷却水は十分な流量を保持される。よって、ＥＧＲクーラ２の冷却水の沸騰を防止してＥＧＲクーラ２やエンジン６の冷却水配管３の破損を防止することができる。

また、本実施形態ではアクセル開度とエンジン回転速度とに基づいて冷却水バルブ４の目標開度Ｖｏを設定しているので、あらゆる運転領域において適切な流量を調節することができる。さらに、アクセル開度センサとエンジン回転速度センサとは、本発明と関係なくエンジン６で燃焼させる燃料の噴射量などを算出するために備えられているものであり、新たなセンサなどを設けることがないのでコストの上昇を抑えることができる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。

例えば、本実施形態では要求トルクをアクセル開度によって検出しているが、これに限定されることなく燃料噴射量などで検出してもよい。

また、本実施形態ではアクセル開度によってアイドル状態を判定しているが、これに限定されることなくエンジン回転速度などで判定してもよいし、２つ以上の条件によって判定してもよい。

本発明によるＥＧＲガス冷却制御装置の構成図である。 ＥＧＲクーラの拡大図である。 本実施形態の制御フローチャートである。 アクセル開度及びエンジン回転速度と冷却水バルブの目標開度Ｖｏとの関係を示したマップである。 本発明による制御を実施しない場合の各種時系列データである。 本発明による制御を実施した場合の各種時系列データである。

符号の説明

１ ＥＧＲ配管
１ａ ＥＧＲガス通路
２ ＥＧＲクーラ
３ 冷却水配管
４ 冷却水バルブ
５ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
６ エンジン
７ 排気マニホールド
８ 吸気マニホールド
９ ＥＧＲバルブ
１０ 回転速度センサ（回転速度検出手段）
１１ アクセル開度センサ（要求トルク検出手段）
Ｓ１０２ 冷却能力算出手段
Ｓ１０３ アイドル判定手段
Ｓ１０５ 最大冷却能力記憶手段
Ｓ１０６ 冷却能力調整手段
Ｓ１０９ 冷却能力調整手段

Claims (6)

1. エンジンの排気を吸気に還流するＥＧＲ配管と、
   前記ＥＧＲ配管に設けられ、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラと、
   エンジンの運転状態に基づいてＥＧＲクーラの目標冷却能力を算出する冷却能力算出手段と、
   前記冷却能力算出手段によって算出された目標冷却能力に基づいて前記ＥＧＲクーラの冷却能力を調整する冷却能力調整手段と、
   エンジンの運転状態がアイドル状態であるか否かを判定するアイドル判定手段と、
   を備え、
   前記冷却能力調整手段は、エンジンの運転状態がアイドル運転状態ではないオフアイドル運転状態からアイドル運転状態に変化したとき、所定時間を経過するまでは、前記ＥＧＲクーラの冷却能力を前記冷却能力算出手段によって算出された目標冷却能力よりも大きくなるように調整する、
   ことを特徴とするＥＧＲガス冷却制御装置。
2. エンジンの運転状態がオフアイドル状態である間のＥＧＲクーラの最大冷却能力を記憶する最大冷却能力記憶手段をさらに備え、
   前記冷却能力調整手段は、エンジンの運転状態がオフアイドル運転状態からアイドル運転状態に変化したとき、所定時間を経過するまでは、前記ＥＧＲクーラの冷却能力を前記最大冷却能力記憶手段によって記憶された最大冷却能力となるように調整する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲガス冷却制御装置。
3. エンジンの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   運転者の要求トルクを検出する要求トルク検出手段と、
   をさらに備え、
   前記冷却能力算出手段は、前記回転速度検出手段と前記要求トルク検出手段とによって検出される値に基づいて前記ＥＧＲクーラの目標冷却能力を算出する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＥＧＲガス冷却制御装置。
4. 前記要求トルク検出手段はアクセル開度に基づいて要求トルクを検出する、
   ことを特徴とする請求項３に記載のＥＧＲガス冷却制御装置。
5. 前記アイドル判定手段は、アクセル開度とエンジン回転速度との少なくとも一方に基づいてアイドル状態を判定している、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のＥＧＲガス冷却制御装置。
6. 前記ＥＧＲクーラに供給する冷却水を通流する冷却水配管と、
   前記冷却水配管に設けられ、冷却水の流量を調節する冷却水バルブと、
   をさらに備え、
   前記冷却能力調整手段は、前記冷却水バルブによって冷却水の流量を調節することで前記ＥＧＲクーラの冷却能力を調整する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のＥＧＲガス冷却制御装置。

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