JP2010133287A

JP2010133287A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2010133287A
Application number: JP2008307982A
Authority: JP
Inventors: Shozo Yoshida; 庄三吉田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2010-06-17

Abstract

【課題】内燃機関の運転条件ごとに適切な温度および湿度を有するＥＧＲガスを供給することができる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】車両制御システム１は、充填効率算出手段と、排気露点温度算出手段と、還流ガス温度調節手段とによって、吸入空気の充填効率と排気ガスの露点温度とを算出し、求めた算出結果に基づいてＥＧＲガスの温度を熱交換器４１によって調節することで、ＥＧＲガス中の水分量を所望する水分量へ調節することができる。よって、広範囲の運転条件にわたって適切な温度および湿度を有するＥＧＲガスを供給することができることから、内燃機関の高い出力性能とＮＯｘ排出量の低減とを両立させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。特に、排気ガス還流装置の技術に関する。

従来、内燃機関の制御装置として、排気ガスの一部を吸気側に還流することで窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成量を抑制する排気ガス還流（以下（ＥＧＲ）と略記する）装置が広く適用されている。ＥＧＲ装置が吸気側へ還流させるＥＧＲガスは、その流量や温度、湿度が内燃機関の燃焼状態や吸気特性に大きな影響を与えることが知られている。よって、大気温、湿度などの気候条件や内燃機関の運転条件に応じてＥＧＲガスを制御することが要求される。

このようなＥＧＲガスを制御する手段として、エンジン運転条件、大気温度、湿度からＥＧＲガス中の水分量と吸入空気中の水分量との和を求め、求めた水分量に基づいてＥＧＲガス流量を制御する技術が特許文献１開示されている。
更に、吸入空気温度、季節、大気条件、残存酸素濃度に基づいてＥＧＲガスに所定量の水分を供給することで、還流排気ガスの温度を制御する技術が特許文献２に開示されている。
また、ＥＧＲガスの湿度に着目した関連技術として、ＥＧＲ通路内の湿度に基づいてＥＧＲ装置の故障判定を行う技術が特許文献３に開示されている。

特開平０５−０７１４２８号公報特開平０８−０３５４５１号公報特開２００２−１４７２８８号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、吸入空気および排気ガス中の水分量が少ない冬季などに、多量のＥＧＲガスが還流されることによる吸気充填効率の低下が懸念される、といった問題点がある。また、特許文献２の技術では、失火を抑制しつつＮＯｘ排出量を低下させることが要求される内燃機関の低負荷領域において、ＥＧＲガスの高温化と高湿度化とを両立させることが困難である、といった問題点がある。更に、高い吸気充填効率が要求される内燃機関の高負荷領域において、ＥＧＲガスの低温化と低湿度化とを両立させることが困難である、といった問題点がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の運転条件ごとに適切な温度および湿度を有するＥＧＲガスを供給することができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の内燃機関の制御装置は、排気ガスの一部を吸気側に還流させる排気ガス還流手段を備えた内燃機関であって、前記内燃機関の回転数および吸入空気量の検出結果から吸入空気の充填効率を算出する充填効率算出手段と、前記内燃機関の排気温度および排気湿度の検出結果から排気ガスの露点温度を算出する排気露点温度算出手段と、前記充填効率算出手段と前記排気露点温度算出手段との算出結果に基づいて、前記排気ガス還流手段が吸気側に還流させる排気ガスの温度を調節する還流ガス温度調節手段と、を備えることを特徴とする。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、吸入空気の充填効率と排気ガスの露点温度との算出結果に基づいてＥＧＲガスの温度を広範囲にわたって調節することにより、気候条件や内燃機関の運転条件に応じてＥＧＲガス中の水分量を制御することができる。よって、内燃機関の運転条件ごとに適切な温度および湿度を有するＥＧＲガスを供給することができることから、内燃機関の高い出力性能とＮＯｘ排出量の低減とを両立させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の内燃機関の制御装置を組み込んだ車両制御システム１の概略構成を示した構成図である。なお、図１にはエンジンの１気筒の構成のみを示している。

図１に示す車両制御システム１は、動力源であるエンジン１００を備えており、エンジン１００の運転動作を総括的に制御するエンジンＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）１０を備えている。エンジンＥＣＵ１０は、図示しない電源ラインを通じてオルタネータおよびバッテリから電力の供給を受けて稼動し、ＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）等の通信プロトコルに従って、各電装品の制御装置と通信を行う。また、車両制御システム１は、合流排気通路１６と吸気通路１１とを連通させる排気ガス導入通路３１と、排気ガス導入通路３１の途中にＥＧＲバルブ３２とを備えており、合流排気通路１６を通過する排気ガスの一部を吸気通路１１に還流供給する。そして、車両制御システム１は、吸気通路１１とＥＧＲバルブ３２との間の排気ガス導入通路３１に熱交換器４１を備えており、排気ガス導入通路３１を通過するＥＧＲガスの温度を調節する。更に、車両制御システム１は、合流排気通路１６と排気ガス導入通路３１との分岐部付近に排気温センサ２２と湿度センサ２３とを備えており、吸気通路１１に還流される排気ガスの温度および湿度を検出する。

エンジン１００は、車両に搭載される多気筒エンジンであって、各気筒は燃焼室１３を構成するピストンを備えている。各燃焼室のピストンはそれぞれコネクティングロッドを介して出力軸であるクランクシャフトの軸に連結されており、各ピストンの往復運動がコネクティングロッドによってクランクシャフトの回転へと変換される。吸気ポート１２から流入された吸入空気はインジェクタ１９から噴射された燃料と混合し、ピストンの上昇運動により燃焼室１３内で圧縮される。エンジンＥＣＵ１０は、クランク角センサ２１からのピストンの位置、および吸気カム角センサからのカム軸回転位相の情報に基づき、燃焼室１３内の点火プラグを点火させて圧縮混合ガスを着火させ、燃焼室１３内を膨張させてピストンを下降させる。これがコネクティングロッドを介してクランクシャフトの軸回転に変更されることにより、エンジン１００は動力を得る。

各気筒の排気通路１５は下流で合流して合流排気通路１６を形成し、合流排気通路１６の先には浄化触媒１７が設けられている。浄化触媒１７は、エンジン１００の排ガスを浄化するために用いられるもので、例えば三元触媒やＮＯｘ吸蔵還元型触媒などが適用される。合流排気通路１６には排気温センサ２２、湿度センサ２３、Ａ／Ｆセンサ、Ｏ２センサが設けられており、燃焼室１３から排出される排気ガスの温度、湿度や空燃比を検出し、その結果をエンジンＥＣＵ１０へと送信する。

燃焼後の排気ガスは、排気弁が開いた際に排気ポート１４、排気通路１５を通って合流排気通路１６で合流する。更に、排気ガスは、合流排気通路１６より分岐した排気ガス導入通路３１を通じて吸気通路１１へと進むものと、浄化触媒１７を通過してエンジン１００の外部へと排出されるものとに分岐する。排気ガス導入通路３１へと分岐した排気ガスは、ＥＧＲバルブ３２にて流量を調節されつつ吸気通路１１へ進み、吸入空気とともに吸気ポート１２に噴射される燃料と混合されて、燃焼室１３へと供給される。ＥＧＲバルブ３２は、エンジンＥＣＵ１０の指令に従ってバルブ開度を調節することで、吸気通路１１への排気ガスの還流供給量を適切な量へと調節する。このように、運転状態に応じた適切な量のＥＧＲガスを吸気通路１１に還流供給することにより、エンジン１００のＮＯｘ排出量を低減することができる。なお、合流排気通路１６と排気ガス導入通路３１との分岐部は、浄化触媒１７の下流側に設けられてもよい。

排気ガス導入通路３１に備えられた熱交換器４１には冷却水が循環しており、エンジンＥＣＵ１０からの指令に従って冷却水の流速や流量を調整することで、排気ガス導入通路３１を通過するＥＧＲガスの温度を排気温から常温の間で調節する。冷却水は、図示しない冷却水貯蔵タンクからウォータポンプ等にて熱交換器４１に送られて、排気ガス導入通路３１を通過するＥＧＲガスから熱を吸収し、ＥＧＲガス温度を所望する温度へと調節する。この場合、熱交換器４１の冷却水入口部に冷却水流量調整バルブを設けて、熱交換器４１を循環する冷却水の流量を調整することが望ましい。また、熱交換器４１と吸気通路１１との間の排気ガス導入通路３１に温度センサを設けて、熱交換器４１を通過した後のＥＧＲガス温度が所望する温度に調節されているか否かを確認することが望ましい。そして、熱交換後の冷却水は、図示しない熱交換器にて冷却された後に冷却水貯蔵タンクに戻り、再び熱交換器４１へと送られる。なお、冷却水は、エンジン１００の冷却水を用いることもできるし、冷却水に替えて他の冷却媒体を採用することもできる。

熱交換器４１は、エンジン１００の運転領域が低負荷領域にある場合は、ＥＧＲガスを冷却せずに温度を排気温同等に維持することで、ＥＧＲガスを高温、多湿に制御する。これにより、吸入空気温度の高温化によってエンジン１００の失火を抑制しつつ、ＥＧＲガスを保湿することによってＮＯｘ排出量を低減させることができる。
また、熱交換器４１は、エンジン１００の運転領域が中負荷領域にある場合は、ＥＧＲガスを排気ガスの露点温度を下回らない温度まで冷却することで、ＥＧＲガスを低温、多湿に制御する。これにより、吸入空気温度の低温化によってエンジン１００の吸入空気の充填効率を向上させつつ、ＥＧＲガスを保湿することによってＮＯｘ排出量を低減させることができる。
そして、熱交換器４１は、エンジン１００の運転領域が高負荷領域にある場合は、ＥＧＲガスを排気ガスの露点温度以下の温度まで冷却し、ＥＧＲガスの含有水分の一部を凝縮回収することで、ＥＧＲガスを低温、低湿に制御する。これにより、吸入空気温度の低温化によってエンジン１００の耐ノック性能を向上させつつ、ＥＧＲガスを除湿することによって吸入空気の充填効率を向上させることができる。熱交換器４１で凝縮回収された水分は、ウォータドレン４２から外部に輩出するが、冷却水貯蔵タンクに貯蔵して冷却水として使用することもできる。
なお、熱交換器４１は、本発明の還流ガス温度調節手段に相当する。

エンジンＥＣＵ１０は、クランク角センサ２１、カム角センサ、エアフロメータ２４、スロットルポジションセンサ２５、水温センサ２６等の検出結果を読み込み、スロットルバルブ１８の動作、吸気弁、排気弁の動作、インジェクタ１９の動作、点火プラグの点火時期など、エンジン１００の運転動作を統合的に制御する。また、エンジンＥＣＵ１０は、排気温センサ２２、Ａ／ＦセンサおよびＯ２センサの検出結果に基づいて燃焼室１３の燃焼情報を取得し、最適な燃焼状態となるように気筒内への燃料噴射量を調整するフィードバック制御を実行する。

更に、エンジンＥＣＵ１０は、吸入空気の充填効率と排気ガスの露点温度との算出結果に基づいてＥＧＲガスの温度を調節することで、気候や内燃機関の運転条件に応じてＥＧＲガス中の水分量を制御する。具体的には、以下の制御を実行する。
エンジンＥＣＵ１０は、クランク角センサ２１およびエアフロメータ２４の検出結果に基づいて、以下の（１）式から吸入空気の充填効率ＫＬを算出する。
［充填効率算出式］
ＫＬ＝｛（６０×２×Ｎ×Ｇ_Ａ）／（ＮＥ）｝×｛（２９８×Ｒ）／（１０１．３×Ｄ）｝×１００・・・（１）
（Ｎ：エンジン気筒数，Ｇ_Ａ：吸入空気量，ＮＥ：エンジン回転数，Ｒ：気体定数，Ｄ：総排気量）
ここで、上記の各数値はそれぞれ時間６０［ｓｅｃ］、温度２９８［Ｋ］、圧力１０１．３［ｋＰａ］を示している。
更に、エンジンＥＣＵ１０は、排気温センサ２２および湿度センサ２３の検出結果に基づいて、以下の（２）式から排気ガスの露点温度Ｔｄを算出する。
［排気ガス露点温度算出式］
排気ガスの飽和蒸気圧をｅとして、
ｅ＝（１＋３．６６×１０^−３×Ｔ_ＥＸ）×Ｈ_ＥＸ／（７．９４×１０^−３）
（Ｔ_ＥＸ：排気ガス温度，Ｈ_ＥＸ：排気ガス湿度）
（Ａ）ｙ＝ｌｎ（ｅ／６１１．２１３）≧０のとき
Ｔｄ＝１３．７１５ｙ＋８．４２６２×１０^−１ｙ^２＋１．９０４８×１０^−２ｙ^３＋７．８１５８×１０^−３ｙ^４・・・（２）（Ａ）
（Ｂ）ｙ＝ｌｎ（ｅ／６１１．２１３）＜０のとき
Ｔｄ＝１３．７２０４ｙ＋７．３６６３１×１０^−１ｙ^２＋３．３２１３６×１０^−２ｙ^３＋７．７８５９１×１０^−３ｙ^４・・・（２）（Ｂ）
ここで、上記の各数値は、大気圧下の任意の温度、湿度における空気の露点温度の計測結果から実験的に求めたものである。

エンジンＥＣＵ１０は、（１）式で算出した充填効率ＫＬが３０以下である場合に、エンジン１００が低負荷領域にあると判断して、ＥＧＲガス温度Ｔ_ＥＧＲを排気ガス温度Ｔ_ＥＸ同等に保持する制御を実行する。この制御により、ＥＧＲガス温度を高く維持することでエンジン１００の失火を抑制しつつ、多量の水分を含有するＥＧＲガスを供給することでＮＯｘ排出量を低減させることができる。
また、エンジンＥＣＵ１０は、（１）式で算出した充填効率ＫＬが３０を超えて７０以下の間にある場合に、エンジン１００が中負荷領域にあると判断して、ＥＧＲガス温度Ｔ_ＥＧＲを（２）式で算出した排気ガス露点温度Ｔｄを下回らない温度（例えばＴｄ＋２０℃）まで冷却する制御を実行する。この制御により、ＥＧＲガス温度を排気ガス温度より低下させることで吸入空気の充填効率を向上させつつ、多量の水分を含有するＥＧＲガスを供給することでＮＯｘ排出量を低減させることができる。なお、排気ガス露点温度Ｔｄを下回らない温度は、気候条件や運転条件等に基づいて任意に設定することができる。
そして、エンジンＥＣＵ１０は、（１）式で算出した充填効率ＫＬが７０を超える場合に、エンジン１００が高負荷領域にあると判断してＥＧＲガス温度Ｔ_ＥＧＲを（２）式で算出した排気ガス露点温度以下の温度（例えばＴｄ−２０℃）まで冷却する制御を実行する。この制御により、ＥＧＲガス温度を排気ガス温度より低下させることで耐ノック性能を向上させつつ、ＥＧＲガスが含有する水分の一部を凝縮回収し、含有水分量を減少させることで吸入空気の充填効率を向上させることができる。なお、排気ガス露点温度Ｔｄ以下の温度は、気候条件や運転条件等に基づいて任意に設定することができる。
なお、エンジンＥＣＵ１０は、本発明の充填効率算出手段、排気露点温度算出手段に相当する。

つづいて、エンジンＥＣＵ１０の制御の流れに沿って、車両制御システム１の動作を説明する。図２はエンジンＥＣＵ１０の処理の一例を示すフローチャートである。本実施例の車両制御システム１は、充填効率算出手段と、排気露点温度算出手段と、還流ガス温度調節手段とを備えることで、気候や内燃機関の運転条件に応じてＥＧＲガスの温度および湿度を調節する制御を実行する。

エンジンＥＣＵ１０の制御は、エンジンの始動要求がされると、すなわちイグニッションスイッチがＯＮにされると開始する。まず、エンジンＥＣＵ１０はステップＳ１で、水温センサ２６の検出結果に基づいてエンジン１００の冷却水の温度が所定温度以上であるか否かを判断する。ここで、所定温度は、エンジン１００が充分に暖気されたと判断できるエンジン冷却水の温度を適用するが、例えば８０℃とすることができる。冷却水の温度が所定温度以上でないと判断した場合（ステップＳ１／ＮＯ）、エンジンＥＣＵ１０は、冷却水の温度が所定温度以上となるまでステップＳ１の処理を繰り返す。冷却水の温度が所定温度以上であると判断した場合（ステップＳ１／ＹＥＳ）は、エンジンＥＣＵ１０は次のステップＳ２へ進む。

ステップＳ２で、エンジンＥＣＵ１０は、クランク角センサ２１およびエアフロメータ２４の検出結果に基づいて、エンジン回転数ＮＥと吸入空気量Ｇ_Ａとを取得する。エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳ２の処理を終えると、次のステップＳ３へ進む。

ステップＳ３で、エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳ２で取得したエンジン回転数ＮＥと吸入空気量Ｇ_Ａから、充填効率ＫＬを（１）式を用いて算出する。この処理を実行することによって、運転中にあるエンジン１００の負荷領域を認識することができることから、認識した負荷領域に基づいてＥＧＲガス温度、湿度を適切な値に調節することができる。エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳ３の処理を終えると、次のステップＳ４へ進む。

ステップＳ４で、エンジンＥＣＵ１０は、排気温センサ２２および湿度センサ２３の検出結果に基づいて、排気ガス温度Ｔ_ＥＸと排気ガス湿度Ｈ_ＥＸとを取得する。エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳ４の処理を終えると、次のステップＳ５へ進む。

ステップＳ５で、エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳ４で取得した排気ガス温度Ｔ_ＥＸと排気ガス湿度Ｈ_ＥＸから、排気露点温度Ｔｄを（２）（Ａ）または（２）（Ｂ）式を用いて算出する。この処理を実行することによって、エンジン１００の排気ガスが含有する水分の露点温度を認識することができる。よって、認識した排気ガスの露点温度に基づいてＥＧＲガス温度を調節することで、ＥＧＲガス中の余分な水分を凝縮回収し、ＥＧＲガスを所望する湿度に調節することができる。エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳ５の処理を終えると、次のステップＳ６へ進む。

ステップＳ６で、エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳ３で算出した充填効率ＫＬが３０を超えるか否かを判断する。充填効率ＫＬが３０を超えると判断した場合（ステップＳ６／ＹＥＳ）、エンジンＥＣＵ１０はエンジン１００が中負荷領域または高負荷領域にあると判断し、ステップＳ８へ進む。充填効率ＫＬが３０以下であると判断した場合（ステップＳ６／ＮＯ）は、エンジンＥＣＵ１０はエンジン１００が低負荷領域にあると判断し、次のステップＳ７へ進む。

ステップＳ７で、エンジンＥＣＵ１０は、ＥＧＲガス温度Ｔ_ＥＧＲを排気ガス温度Ｔ_ＥＸ同等に保持するよう、熱交換器４１を循環する冷却水の流速、流量を調整する制御を実行する。この制御により、ＥＧＲガス温度を高く維持することでエンジン１００の失火を抑制しつつ、多量の水分を含有するＥＧＲガスを供給することでＮＯｘ排出量を低減させることができる。エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳ７の処理を終えると、その制御を終了する。

ステップＳ６の判断がＹＥＳである場合、エンジンＥＣＵ１０はステップＳ８へ進む。ステップＳ８で、エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳ３で算出した充填効率ＫＬが７０を超えるか否かを判断する。充填効率ＫＬが７０を超えると判断した場合（ステップＳ８／ＹＥＳ）、エンジンＥＣＵ１０はエンジン１００が高負荷領域にあると判断し、ステップＳ１０へ進む。充填効率ＫＬが７０以下であると判断した場合（ステップＳ８／ＮＯ）は、エンジンＥＣＵ１０はエンジン１００が中負荷領域にあると判断し、次のステップＳ９へ進む。

ステップＳ９で、エンジンＥＣＵ１０は、ＥＧＲガス温度Ｔ_ＥＧＲをステップＳ５で算出した排気ガス露点温度Ｔｄ＋２０℃まで冷却するよう、熱交換器４１を循環する冷却水の流速、流量を調整する制御を実行する。この制御により、ＥＧＲガス温度を排気ガス温度より低下させることで吸入空気の充填効率を向上させつつ、多量の水分を含有するＥＧＲガスを供給することでＮＯｘ排出量を低減させることができる。エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳ９の処理を終えると、その制御を終了する。

ステップＳ８の判断がＹＥＳである場合、エンジンＥＣＵ１０はステップＳ１０へ進む。ステップＳ１０で、エンジンＥＣＵ１０は、ＥＧＲガス温度Ｔ_ＥＧＲをステップＳ５で算出した排気ガス露点温度Ｔｄ−２０℃まで冷却するよう、熱交換器４１を循環する冷却水の流速、流量を調整する制御を実行する。この制御により、ＥＧＲガス温度を排気ガス温度より低下させることで耐ノック性能を向上させつつ、ＥＧＲガスが含有する水分の一部を凝縮回収し、含有水分量を減少させることで吸入空気の充填効率を向上させることができる。エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳ１０の処理を終えると、その制御を終了する。

以上のように、本実施例の車両制御システムは、充填効率算出手段と、排気露点温度算出手段と、還流ガス温度調節手段とによって、吸入空気の充填効率と排気ガスの露点温度とを算出し、求めた算出結果に基づいてＥＧＲガスの温度を調節することで、ＥＧＲガス中の水分量を所望する水分量へ調節することができる。よって、広範囲の運転条件にわたって適切な温度および湿度を有するＥＧＲガスを供給することができることから、内燃機関の高い出力性能とＮＯｘ排出量の低減とを両立させることができる。

上記実施例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

実施例の車両制御システムの概略構成を示した構成図である。実施例のエンジンＥＣＵが行う制御のフローを示している。

符号の説明

１車両制御システム
１０エンジンＥＣＵ（充填効率算出手段，排気露点温度算出手段）
１１吸気通路
１２吸気ポート
１３燃焼室
１４排気ポート
１５排気通路
１６合流排気通路
１７浄化触媒
１８スロットルバルブ
２１クランク角センサ
２２排気温センサ
２３湿度センサ
２４エアフロメータ
２６水温センサ
３１排気ガス導入通路
３２ＥＧＲバルブ
４１熱交換器（還流ガス温度調節手段）
４２ウォータドレン
１００エンジン

Claims

排気ガスの一部を吸気側に還流させる排気ガス還流手段を備えた内燃機関であって、
前記内燃機関の回転数および吸入空気量の検出結果から吸入空気の充填効率を算出する充填効率算出手段と、
前記内燃機関の排気温度および排気湿度の検出結果から排気ガスの露点温度を算出する排気露点温度算出手段と、
前記充填効率算出手段と前記排気露点温度算出手段との算出結果に基づいて、前記排気ガス還流手段が吸気側に還流させる排気ガスの温度を調節する還流ガス温度調節手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。