JP2013194691A - 内燃機関の筒内水分検出装置、内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気筒内の水を検出することのできる内燃機関の筒内水分検出装置を提供する。気筒内の水の検出に応じて適切な制御を実行することのできる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】エンジン１０が、少なくとも１つの気筒と、気筒の吸気ポートに設けられた吸気弁と、気筒内に燃料噴射を行う燃料噴射弁１６と、気筒に設けられた筒内圧センサ１４とを備える。ＥＣＵ５０は、筒内圧センサ１４から出力を取得し、熱発生率算出部５２が熱発生率を算出する。ＥＣＵ５０は、吸気弁が閉じてから燃料噴射弁による燃料噴射の開始までの期間における熱発生率の大きさに基づいて、気筒内の凝縮水を検出する。凝縮水が検出されたら、凝縮水抑制制御を実行する。凝縮水抑制制御は、ＥＧＲシステム１８によるＥＧＲ量を低減する制御、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラをバイパスするようにバイパス弁を開いてバイパス通路にＥＧＲガスを流す制御、およびインテークヒータ２０を作動させる制御の少なくとも１つを含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の筒内水分検出装置および内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば、特開２００９−２９９６３１号公報に開示されているように、排気管内の水分発生があったときに、凝縮水発生を抑制するための制御を実行する内燃機関の制御装置が知られている。排気ガスは、燃焼反応によって生成された水蒸気を含んでいる。例えば内燃機関の始動直後で排気管の温度が低いと、その水蒸気を含んだ排出ガスが排気管内で冷やされる。その結果、排出ガス中の水蒸気が凝縮して液体の水が生じる。すなわち、凝縮水が発生する。上記公報にかかる内燃機関の制御装置ではこのような凝縮水を抑制するための凝縮水抑制制御を実行可能であり、凝縮水抑制制御の具体例として、燃料カット中の休止気筒から、水蒸気の含有量が低い高温空気を排気管に排出するようにしている（当該公報の段落０００９等）。

特開２００９−２９９６３１号公報 特開２００９−２３５９０８号公報 特開２００９−１８５７２１号公報 特開２００９−２３５９０９号公報

液体の水（具体的には、上記公報と同様に、凝縮水）が気筒内に浸入することによっても、弊害が生ずる懸念がある。懸念される弊害の典型的なものとしては、燃料噴射弁（筒内燃料インジェクタ）の腐食や、点火プラグの腐食がある。気筒内の水に対しても、何らかの対処が施されるべきである。しかしながら、上記公報は、排気管内の水への対処は考慮されているが、気筒内の水の検出については検討がなされていない。

ところで、近年では筒内圧センサの技術開発が著しい。筒内圧センサによれば、気筒の燃焼圧を直接的に精度良く検出することができる。筒内圧センサは、燃焼圧の検出のみならず種々の燃焼パラメータ検出等への応用が検討されている。本願発明者は、鋭意研究を行った結果、筒内圧センサを用いて気筒内の水を検出することのできる新規な技術を見出した。

本発明の一つの目的は、気筒内の水を検出することのできる内燃機関の筒内水分検出装置を提供することである。
また、本発明の他の目的は、気筒内の水の検出に応じて適切な制御を実行することのできる内燃機関の制御装置を提供することである。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の筒内水分検出装置であって、
前記内燃機関が、少なくとも１つの気筒と、前記気筒の吸気ポートに設けられた吸気弁と、前記気筒内に燃料噴射を行う燃料噴射弁と、前記気筒に設けられた筒内圧センサとを備えるものであり、
前記筒内圧センサから出力を取得する取得手段と、
前記筒内圧センサの出力に基づいて前記気筒の熱発生率を算出する算出手段と、
前記吸気弁が閉じてから前記燃料噴射弁による前記燃料噴射の開始までの期間における前記熱発生率の大きさに基づいて前記気筒内の水を検出する検出手段と、
を備えることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記検出手段は、前記気筒の吸気弁が閉じてから燃料噴射開始までの期間における前記熱発生率の大きさが、所定値を下回った場合には、筒内に所定量以上の水が存在するとの検出を行う手段を含むことを特徴とする。

第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記検出手段は、前記気筒の吸気弁が閉じてから燃料噴射開始までの期間における前記熱発生率が、負の熱発生率を示したか否かに基づいて、前記気筒内の水を検出する手段を含むことを特徴とする。

第４の発明は、上記の他の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関が、少なくとも１つの気筒と、前記気筒の吸気ポートに設けられた吸気弁と、前記気筒内に燃料噴射を行う燃料噴射弁と、前記気筒に設けられた筒内圧センサとを備えるものであり、
前記筒内圧センサから出力を取得する取得手段と、
前記筒内圧センサの出力に基づいて前記気筒の熱発生率を算出する算出手段と、
前記吸気弁が閉じてから前記燃料噴射弁による前記燃料噴射の開始までの期間における前記熱発生率の大きさに基づいて前記気筒内の水を検出する検出手段と、
前記検出手段で前記水が検出されたら、凝縮水抑制制御を実行する制御手段と、
を備えることを特徴とする。

第５の発明は、第４の発明において、
前記内燃機関が、ＥＧＲシステムおよびインテークヒータの少なくとも一方を備え、
前記凝縮水抑制制御が、前記ＥＧＲシステムによるＥＧＲ量を低減する制御、前記ＥＧＲシステムによるＥＧＲガス温度を相対的に上昇させるための制御、および前記インテークヒータを作動させる制御のうち、少なくとも１つの制御を含むことを特徴とする。

第６の発明は、内燃機関の筒内水分検出装置であって、
前記内燃機関が、少なくとも１つの気筒と、前記気筒の吸気ポートに設けられた吸気弁と、前記気筒について設けられたポート噴射弁および筒内噴射弁の少なくとも一方と、前記気筒に設けられた点火プラグと、前記気筒に設けられた筒内圧センサとを備えるものであり、
前記筒内圧センサから出力を取得する取得手段と、
前記筒内圧センサの出力に基づいて前記気筒の熱発生率を算出する算出手段と、
前記吸気弁が閉じてから前記点火プラグの点火時期までの期間における前記熱発生率の大きさに基づいて前記気筒内の水を検出する検出手段と、
を備えることを特徴とする。

第７の発明は、内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関が、少なくとも１つの気筒と、前記気筒の吸気ポートに設けられた吸気弁と、前記気筒について設けられたポート噴射弁および筒内噴射弁の少なくとも一方と、前記気筒に設けられた点火プラグと、前記気筒に設けられた筒内圧センサとを備えるものであり、
前記筒内圧センサから出力を取得する取得手段と、
前記筒内圧センサの出力に基づいて前記気筒の熱発生率を算出する算出手段と、
前記吸気弁が閉じてから前記点火プラグの点火時期までの期間における前記熱発生率の大きさに基づいて前記気筒内の水を検出する検出手段と、
前記検出手段で前記水が検出されたら、凝縮水抑制制御を実行する制御手段と、
を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、筒内圧センサを用いて気筒内の水を検出することができる。

第２の発明によれば、熱発生率の大きさを所定値と比較することにより、気筒内の水の量を検出することができる。

第３の発明によれば、熱発生率が負の熱発生率を示したか否かに基づいて、気筒内の水を検出することができる。

第４の発明によれば、気筒内の水の検出に応じて凝縮水抑制制御を実行することができる。

第５の発明によれば、ＥＧＲシステムやインテークヒータを制御して凝縮水を抑制し、気筒内の水を低減することができる。

第６の発明によれば、筒内圧センサを用いて気筒内の水を検出することができる。

第７の発明によれば、気筒内の水の検出に応じて凝縮水抑制制御を実行することができる。

本発明の実施の形態にかかる内燃機関の筒内水分検出装置および内燃機関の制御装置の構成を、これが適用される内燃機関システムとともに説明するためのブロック図である。 本発明の実施の形態にかかる内燃機関の筒内水分検出装置および内燃機関の制御装置における制御動作を説明するための図である。 負の熱発生率が発生する様子を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる内燃機関の筒内水分検出装置および内燃機関の制御装置において、ＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。

実施の形態．
［実施の形態の構成］
図１は、本発明の実施の形態にかかる内燃機関の筒内水分検出装置および内燃機関の制御装置の構成を、これが適用される内燃機関システムとともに説明するためのブロック図である。本実施の形態の内燃機関システムは、エンジン１０を備えている。エンジン１０の各気筒には、ピストンが設けられており、ピストンにより燃焼室が形成されている。ピストンは、エンジン１０の出力軸であるクランク軸に連結されている。エンジン１０は、複数の気筒を備えるものとする。車両搭載用のエンジン１０は多くの場合複数の気筒を備えており、エンジン１０もこれと同様に複数の気筒を備えたものである。

各気筒には、吸気ポートを筒内に対して開，閉する吸気弁が設けられている。また、気筒には、気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁（筒内噴射弁）１６も備えられている。気筒は排気ポートに連通しており、排気ポートを筒内に対して開，閉する排気弁が設けられている。エンジン１０は、インテークヒータ２０も備えている。

エンジン１０は、排気ガス再循環を行うＥＧＲシステム１８を備えている。ＥＧＲシステム１８は、具体的には、排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁およびＥＧＲクーラとを備えている。また、本実施の形態では、ＥＧＲクーラをバイパスするバイパス通路がＥＧＲ通路に備えられており、このバイパス通路を開閉するバイパス弁も備えられている。

さらに、本実施の形態のシステムは、クランク角センサ１２および筒内圧センサ１４を含むセンサ系統と、エンジン１０の運転状態を制御するＥＣＵ５０(Electronic Control Unit)とを備えている。まず、センサ系統について説明すると、クランク角センサ１２は、クランク軸の回転に同期した信号を出力するもので、ＥＣＵ５０は、この出力に基いてエンジン１０回転数（機関回転数）及びクランク角を検出することができる。クランク角によって決まる筒内容積も算出可能である。本実施の形態では、ＥＣＵ５０が、クランク角に基づいて、吸気弁の閉じ時期を検出する。筒内圧センサ１４は、気筒内の燃焼圧を検出できる。ＥＣＵ５０は、筒内圧センサ１４の出力信号に基づいて、エンジン１０の燃焼圧（筒内圧）のクランク角度ごとの値を算出することができる。

センサ系統には、車両やエンジン１０の制御に必要な各種のセンサ（例えばエンジン１０冷却水の温度を検出する水温センサ、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ、カムシャフトの回転角を検出するカム角センサ等）が含まれており、これらのセンサはＥＣＵ５０の入力側に接続されている。ＥＣＵ５０の出力側には、燃料噴射弁１６を含む各種のアクチュエータが接続されている。そして、ＥＣＵ５０は、エンジン１０の運転情報をセンサ系統により検出し、その検出結果に基いて各アクチュエータを駆動することにより、運転制御を行う。なお、ＥＣＵ５０は、ＥＧＲシステム１８におけるＥＧＲ弁およびバイパス弁、並びにインテークヒータ２０とも接続している。ＥＣＵ５０は、それらをエンジン１０の運転状態に応じて制御する制御プログラムを実行し、その開度、開閉、オンオフを制御する。

ＥＣＵ５０は、熱発生率算出部５２および凝縮水抑制制御部５４を備えている。熱発生率算出部５２は、筒内圧センサ１４の出力に基づいて、筒内圧センサ１４が取り付けられた気筒の熱発生率を算出する。熱発生率の算出は既に公知の各種計算方法を利用すればよい。

凝縮水抑制制御部５４は、後述する図４のフローチャートでも述べるが、「凝縮水抑制制御」として下記の（１）〜（３）の制御を実行する。
（１）ＥＧＲシステム１８によるＥＧＲ量を低減する制御。すなわち、ＥＧＲバルブの開度を絞る制御。
（２）ＥＧＲシステム１８によるＥＧＲガス温度を相対的に上昇させるための制御。すなわち、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラをバイパスするように、バイパス弁を開いてバイパス通路にＥＧＲガスを流す制御。
（３）インテークヒータ２０を作動させる制御。

［実施の形態の制御動作］
エンジン１０における気筒内への凝縮水の浸入は、燃料噴射弁１６のノズル腐食という問題を生じさせる懸念がある。従って、凝縮水の発生を抑制するようにエンジン１０を制御することが望ましい。そこで、本実施の形態では、下記の手法により、気筒内の液体の水（凝縮水）の有無を検出することにした。

図２は、本発明の実施の形態にかかる内燃機関の筒内水分検出装置および内燃機関の制御装置における制御動作を説明するための図である。図２は、クランク角に応じた熱発生率および燃料噴射率を示すグラフである。横軸はクランク角、縦軸は熱発生率（図２上段）または燃料噴射率（図２下段）を示す。

実施の形態では、「吸気弁が閉じてから、燃料噴射弁１６の燃料噴射の開始まで」の期間における熱発生率の値を用いて、気筒内の水の検出を行う。気筒内に液体の水が浸入している場合には、吸気弁が閉じた後の圧縮行程中にその水が蒸発する。そうすると、蒸発潜熱の影響により、負の熱発生率が算出される。つまり、その蒸発潜熱の影響が無い場合と比べて、熱発生率の値が低く算出される。
すなわち、気筒内から何らかの要因で熱が逃げてしまうと、熱発生率が負の値となる。典型的なのが、筒内に噴射された燃料の蒸発潜熱による負の熱発生率である。凝縮水が気筒内に浸入し、圧縮行程中に蒸発した場合にも、基本的に同様の現象が生ずると考えられる。なお、図３は、負の熱発生率が発生する様子の一例を示す図である。
一方、燃料噴射が始まってしまうと、燃料の蒸発による負の熱発生率と、水の蒸発による負の熱発生率とを区別することが難しい。
そこで、本実施の形態では、好ましい形態として、図２に示すように「吸気弁の閉弁後から、圧縮行程中において燃料噴射弁１６の燃料噴射が開始される前」の期間の熱発生率の値を用いる。この期間の値を用いることで、熱発生率の大きさに基づく気筒内への液体の水の検出を、精度良く行うことができる。

なお、凝縮水の発生有無は、エンジン１０を運転している環境、具体的には湿度、気温および気圧や、燃料Ｈ／Ｃ比などに影響される。また、エンジン１０の局所の壁温などにも左右される。これらを全て考慮に入れて制御を行うのは容易ではなく、適合を行うにしても安全マージを相当に大きく取っておく必要があるため、非効率的である。この点、本実施の形態によれば、それらの手法の持つ弊害を避けつつ、筒内圧センサ１４の出力に基づいて安定して気筒内の水を検出することができる。

［実施の形態の具体的処理］
図４は、本発明の実施の形態にかかる内燃機関の筒内水分検出装置および内燃機関の制御装置において、ＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。このルーチンは、エンジン１０の運転中に実行される。

図４のルーチンでは、先ず、ＥＣＵ５０が、所定範囲における熱発生率が所定値を下回ったか否かを判定する判定処理を実行する（ステップＳ１００）。所定範囲とは、図２に示した「判定範囲」であり、吸気弁が閉じてから燃料噴射が開始される迄の期間である。
ここで、ステップＳ１００の条件が不成立（ＮＯ）であった場合には、今回のルーチンが終了する。

ステップＳ１００では、具体的には、図２の「判定範囲」における熱発生率の大きさが、「−ΔＱ」を下回るほどに大きいか否かが判定される。負の熱発生率であることが判別できれば、単純に絶対値の比較をしてもよい。この「−ΔＱ」は、熱発生率が「エンジン壁面への熱の逃げ」以上に低いと判断できるか否かを判定できる程度の値に定めておく。つまり、エンジン壁面への熱の逃げを考慮に入れた上で、負の熱発生率が凝縮水の蒸発潜熱によるものと考えることができる程度に、「−ΔＱ」の大きさを定めておく。判定範囲内における熱発生率を「−ΔＱ」と比較することにより、エンジン１０の気筒内の水を精度良く検出することができる。なお、この「−ΔＱ」の値は、運転条件等に応じてマップとしてＥＣＵ５０に持たせておけばよい。

ステップＳ１００の条件が成立（ＹＥＳ）であった場合には、次に、ＥＣＵ５０は、気筒内に凝縮水があるという判定を下す処理を実行する（ステップＳ１０２）。例えば、凝縮水発生フラグをオンとする等の処理である。

次に、ＥＣＵ５０は、凝縮水抑制制御を実施する（ステップＳ１０４）。このステップでは、前述したように、凝縮水抑制制御部５４が「凝縮水抑制制御」として前述した（１）〜（３）の制御を実行する。これにより、凝縮水の発生を抑制することができる。その後、処理がリターンする。

なお、図２に示すように、「吸気弁が閉じてから燃料噴射開始までの期間における熱発生率の大きさ」が所定値「−ΔＱ」を下回った場合には、筒内に所定量以上の水が存在するとの検出を行っても良い。つまり、負の熱発生率の値と、その原因となる蒸発潜熱を起こさせる水の量との間の相関を利用することができる。
なお、「吸気弁が閉じてから燃料噴射開始までの期間における熱発生率の大きさ」については、クランク角の一点や数点にわたって、「−ΔＱ」を下回っているかを判定してもよい。また、判定範囲内の熱発生率の平均値や、判定範囲内の熱発生率のマイナス側の最大値を、所定の値と比較しても良い。また、判定範囲内の熱発生率の積分値を、他の所定の値と比較しても良い。これら種々の判定方法を単独又は組み合わせて用いることにより、判定範囲内における負の熱発生率の大きさが水の蒸発潜熱による影響を受けているか否かを評価すればよい。

なお、本実施形態では特に明記しなかったが、本発明は、圧縮着火式エンジンおよび火花点火式エンジンで使用可能である。火花点火式エンジンの場合には、筒内直噴インジェクタを備えるエンジン、またはポート噴射および筒内噴射の双方を実施可能なデュアルインジェクションシステムを備えるエンジンにおいて、本発明を適用することができる。それらのエンジンの筒内直噴インジェクタが、エンジン１０の燃料噴射弁１６と同様の役割を発揮できるからである。

また、火花点火式エンジンにおいては、筒内への水侵入により点火プラグの腐食も懸念される。そこで、実施の形態の変形例として、火花点火式エンジンの場合には「吸気弁が閉じてから点火までの期間における熱発生率の大きさ」に基づいて気筒内の水検出を行っても良く、具体的にはその熱発生率を所定値と比較してもよい。点火プラグの腐食懸念に対処する観点からは、ポート噴射のみを備えた火花点火式エンジンに対して本発明を適用しても良い。この場合には、上述した「凝縮水抑制制御」、「実施の形態にかかる制御動作」、および「実施の形態の具体的処理」において、所定範囲としての「吸気弁が閉じてから燃料噴射が開始される迄の期間」を、「吸気弁が閉じてから点火までの期間」と読み替えて、これに伴う変形を行えばよい。例えば上記フローチャートのステップＳ１００の判定処理における所定範囲を変更したり、比較判定に用いるΔＱの値を実験等で適正な値に調節するなどの変形である。

１０ エンジン
１２ クランク角センサ
１４ 筒内圧センサ
１６ 燃料噴射弁
１８ ＥＧＲシステム
２０ インテークヒータ
５０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
５２ 熱発生率算出部
５４ 凝縮水抑制制御部

Claims (7)

1. 内燃機関の筒内水分検出装置であって、
   前記内燃機関が、少なくとも１つの気筒と、前記気筒の吸気ポートに設けられた吸気弁と、前記気筒内に燃料噴射を行う燃料噴射弁と、前記気筒に設けられた筒内圧センサとを備えるものであり、
   前記筒内圧センサから出力を取得する取得手段と、
   前記筒内圧センサの出力に基づいて前記気筒の熱発生率を算出する算出手段と、
   前記吸気弁が閉じてから前記燃料噴射弁による前記燃料噴射の開始までの期間における前記熱発生率の大きさに基づいて前記気筒内の水を検出する検出手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の筒内水分検出装置。
2. 前記検出手段は、前記気筒の吸気弁が閉じてから燃料噴射開始までの期間における前記熱発生率の大きさが、所定値を下回った場合には、筒内に所定量以上の水が存在するとの検出を行う手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の筒内水分検出装置。
3. 前記検出手段は、前記気筒の吸気弁が閉じてから燃料噴射開始までの期間における前記熱発生率が、負の熱発生率を示したか否かに基づいて、前記気筒内の水を検出する手段を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の筒内水分検出装置。
4. 内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関が、少なくとも１つの気筒と、前記気筒の吸気ポートに設けられた吸気弁と、前記気筒内に燃料噴射を行う燃料噴射弁と、前記気筒に設けられた筒内圧センサとを備えるものであり、
   前記筒内圧センサから出力を取得する取得手段と、
   前記筒内圧センサの出力に基づいて前記気筒の熱発生率を算出する算出手段と、
   前記吸気弁が閉じてから前記燃料噴射弁による前記燃料噴射の開始までの期間における前記熱発生率の大きさに基づいて前記気筒内の水を検出する検出手段と、
   前記検出手段で前記水が検出されたら、凝縮水抑制制御を実行する制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
5. 前記内燃機関が、ＥＧＲシステムおよびインテークヒータの少なくとも一方を備え、
   前記凝縮水抑制制御が、前記ＥＧＲシステムによるＥＧＲ量を低減する制御、前記ＥＧＲシステムによるＥＧＲガス温度を相対的に上昇させるための制御、および前記インテークヒータを作動させる制御のうち、少なくとも１つの制御を含むことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
6. 内燃機関の筒内水分検出装置であって、
   前記内燃機関が、少なくとも１つの気筒と、前記気筒の吸気ポートに設けられた吸気弁と、前記気筒について設けられたポート噴射弁および筒内噴射弁の少なくとも一方と、前記気筒に設けられた点火プラグと、前記気筒に設けられた筒内圧センサとを備えるものであり、
   前記筒内圧センサから出力を取得する取得手段と、
   前記筒内圧センサの出力に基づいて前記気筒の熱発生率を算出する算出手段と、
   前記吸気弁が閉じてから前記点火プラグの点火時期までの期間における前記熱発生率の大きさに基づいて前記気筒内の水を検出する検出手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の筒内水分検出装置。
7. 内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関が、少なくとも１つの気筒と、前記気筒の吸気ポートに設けられた吸気弁と、前記気筒について設けられたポート噴射弁および筒内噴射弁の少なくとも一方と、前記気筒に設けられた点火プラグと、前記気筒に設けられた筒内圧センサとを備えるものであり、
   前記筒内圧センサから出力を取得する取得手段と、
   前記筒内圧センサの出力に基づいて前記気筒の熱発生率を算出する算出手段と、
   前記吸気弁が閉じてから前記点火プラグの点火時期までの期間における前記熱発生率の大きさに基づいて前記気筒内の水を検出する検出手段と、
   前記検出手段で前記水が検出されたら、凝縮水抑制制御を実行する制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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