JP2014114776A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低温時にＥＧＲガスを再循環させた場合であって、尚且つ、暖機完了前に内燃機関が停止されたようなときにおいても、筒内部品の腐食の進行を抑制可能な内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】低温時にＥＧＲガスを再循環させると、ＥＧＲクーラ３８付近で凝縮水が発生し（発生量Ｗ_１）、該筒内部品に付着する（付着量Ｗ_２）。この際、筒内部品の表面温度Ｔ_Ｓが低温域にあると、この付着凝縮水が蓄積し続ける。時刻ｔ_１において付着量Ｗ_２が閾値Ｃ_ｔｈを超えると、筒内部品の腐食の進行が早まってしまう。そこで、ディーゼルエンジン１０の運転が停止された時刻ｔ_２にディーゼルスロットル２６を開き、ＥＧＲバルブ４０を閉じる。同時に、吸気バルブ４６、排気バルブ５０を操作する。これにより、外気を各気筒１２に吸入、排出させて表面温度Ｔ_Ｓを上記低温域未満の値まで急速に低下させる。
【選択図】図３

Description

この発明は内燃機関の制御装置に関する。詳細には、排気再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）システムを備える内燃機関の制御装置に関する。

従来、内燃機関にＥＧＲシステムを採用することが公知である。ＥＧＲシステムを採用した内燃機関に関し、例えば特許文献１には、筒内に吸入される吸入ガス中のＳＯ_３量が許容量以下となるようにＥＧＲバルブの開度を調節してＥＧＲガスを減量する技術が開示されている。燃料等に含まれる硫黄成分が筒内で燃焼するとＳＯ_３が発生し、このＳＯ_３の一部がＥＧＲガスに混入することがある。また、この混入ＳＯ_３が凝縮水に溶解すると硫酸となり、更にこの硫酸が筒内インジェクタのノズル部等の筒内部品に付着すれば該筒内部品を腐食することがある。この点、上記特許文献１によれば、ＥＧＲガスの減量調整によって上記吸入ガス中のＳＯ_３量を上記許容量以下に抑えるので、ＥＧＲガスを筒内に吸入させつつ上記筒内部品への硫酸付着を抑制できる。

特開２０１０−２５５４６２号公報 特開２０１２−１６３０６０号公報 特開２００９−２２８５６４号公報 特開２０１２−０８７７７９号公報 特開２００７−２６２９５６号公報

ところで、上記硫酸を構成する凝縮水は、ＥＧＲガス中の水蒸気が露点温度よりも低い温度まで冷やされた結果として発生するものであり、外気温が低いときに内燃機関を冷間始動した場合（以下、「低温時」と称す。）、ＥＧＲガスを再循環させるとＥＧＲ通路やＥＧＲクーラにおいて発生し易い。また、発生した凝縮水はそれ単独で上記筒内部品を腐食させることがある。即ち、発生した凝縮水が筒内に吸入され、上記筒内部品に長時間付着し続けるような場合には、硫酸同様に腐食させてしまう。

ここで、上記筒内部品へ付着する凝縮水の付着時間については、上記筒内部品の温度と相関がある。即ち、上記筒内部品の温度が高い場合は凝縮水が蒸発できるので付着時間は短い。ところが、上記筒内部品の温度が低い場合は蒸発できなかった凝縮水が長時間付着し続けることが可能となってしまう。

また、上記筒内部品の温度に関し、低温時、暖機完了前に内燃機関が停止されると、この際の上記筒内部品の温度が低いままである可能性がある。従って、低温時にＥＧＲガスを再循環させた場合であって、尚且つ、暖機完了前に内燃機関が停止されたようなときには、上記筒内部品に凝縮水が長時間付着し続ける可能性がある。

本発明は、上記の課題に鑑みなされたものである。即ち、低温時にＥＧＲガスを再循環させた場合であって、尚且つ、暖機完了前に内燃機関が停止されたようなときにおいても、筒内部品の腐食の進行を抑制可能な内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
内燃機関についての所定の運転開始条件の成立後に前記内燃機関の気筒内の筒内部品に付着した凝縮水量が設定量以上で、尚且つ、該筒内部品の温度が設定温度範囲内の値である場合、前記内燃機関についての所定の運転停止条件の成立後に前記気筒内を冷却する停止後筒内冷却手段を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記内燃機関の排気通路と吸気通路を接続するＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲバルブと、
前記気筒を開閉する吸気バルブおよび排気バルブと、を備え、
前記停止後筒内冷却手段は、前記所定の運転停止条件が成立した際に前記ＥＧＲバルブを操作して前記ＥＧＲ通路を閉じ、前記所定の運転停止条件の成立後に訪れる前記内燃機関の吸気行程において前記吸気バルブを開くと共に、該吸気行程直後の圧縮行程において前記吸気バルブおよび排気バルブの少なくとも一方を開くことを特徴とする。

本発明によれば、上記所定の運転開始条件の成立後に上記筒内部品に付着した凝縮水量が設定量以上で、尚且つ、該筒内部品の温度が設定温度範囲内にある場合、上記所定の運転停止条件の成立後に上記気筒内を冷却するので、上記筒内部品の温度を該設定温度範囲未満の値まで低下させることが可能となる。従って、低温時にＥＧＲガスを再循環させた場合であって、尚且つ、暖機完了前に内燃機関が停止されたようなときにおいても、筒内部品の腐食の進行を抑制できる。

実施形態のシステム構成を説明するための図である。 図１の気筒１２の周辺断面図である。 低温時における筒内部品の表面温度Ｔ_Ｓおよび凝縮水量の推移を示した図である。 停止後筒内冷却制御中の吸気バルブ４６、排気バルブ５０の開弁時期を示した図である。 実施の形態において、ＥＣＵ６０が実行する処理ルーチンを説明するフローチャートである。 停止後筒内冷却制御中の吸気バルブ４６、排気バルブ５０の開弁時期の変形例を示した図である。

［システム構成の説明］
以下、図１乃至図６を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施形態のシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、圧縮着火式内燃機関としてのディーゼルエンジン１０を備えている。ディーゼルエンジン１０は、車両等に搭載され、その動力源とされる。なお、図１に示すディーゼルエンジン１０は直列４気筒型であるが、本発明において、気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではない。

ディーゼルエンジン１０の各気筒１２には、吸気通路１４および排気通路１６が接続されている。吸気通路１４の入口付近には、エアクリーナ１８が取り付けられている。エアクリーナ１８の下流近傍には、吸気通路１４に吸入される新気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ２０が設けられている。

エアフローメータ２０下流の吸気通路１４には、ターボ過給機２２が設けられている。ターボ過給機２２は、コンプレッサ２２ａとタービン２２ｂを備えている。コンプレッサ２２ａとタービン２２ｂとは連結軸によって一体に連結されている。コンプレッサ２２ａはタービン２２ｂに入力される排気ガスの排気エネルギによって回転駆動される。

コンプレッサ２２ａ下流の吸気通路１４には、コンプレッサ２２ａで圧縮された新気を冷却するためのインタークーラ２４が設けられている。インタークーラ２４の下流には、ディーゼルスロットル２６が配置されている。ディーゼルスロットル２６は、スロットルモータにより駆動される電子制御式のバルブである。ディーゼルスロットル２６下流の吸気通路１４には、吸気マニホールド２８が設けられている。吸気マニホールド２８は、枝分かれして各気筒１２の吸気ポート３０（後述）と接続されている。

吸気マニホールド２８同様、排気マニホールド３２は、枝分かれして各気筒１２の排気ポート３４（後述）と接続されている。排気マニホールド３２には、ＥＧＲ通路３６の一端が接続されている。ＥＧＲ通路３６の途中には、ＥＧＲクーラ３８が設けられている。ＥＧＲクーラ３８下流のＥＧＲ通路３６には、ＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ４０が設けられている。ＥＧＲ通路３６の他端は、インタークーラ２４よりも下流の吸気通路１４に接続されている。

図２は、図１の気筒１２の周辺断面図である。図２に示すように、気筒１２には、燃料を筒内に直接噴射するインジェクタ４２と、ピストン４４とが設置されている。また、気筒１２と吸気ポート３０との間には、吸気バルブ４６が設けられている。吸気バルブ４６は、その開弁特性を変更可能とする可変動弁機構４８に接続されている。可変動弁機構４８は、吸気バルブ４６のリフト量および作用角を連続的に変更できる機能（リフト可変機能）と、油圧もしくはモータを用いて吸気カムの位相を変更することにより吸気バルブ４６の開閉時期を変更できる機能（位相可変機能）とを具備する機構であるものとする。

吸気バルブ４６同様、気筒１２と排気ポート３４との間には、排気バルブ５０が設けられている。排気バルブ５０は、その開弁特性を変更可能とする可変動弁機構５２に接続されている。可変動弁機構５２は可変動弁機構４８と同様の機能を有する。

また、本実施形態のシステムは、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）６０を備えている。図１，２に示すように、ＥＣＵ６０の入力部には、上述したエアフローメータ２０の他、ディーゼルエンジン１０の制御に必要な各種センサ（例えば、エンジン回転数を検出するクランク角センサ、ディーゼルスロットル２６の開度を検出するスロットル開度センサ、ＥＧＲバルブ４０の開度を検出するＥＧＲ開度センサ等）が電気的に接続されている。また、ＥＣＵ６０の入力部には、ＩＧキー５４も電気的に接続されている。ＩＧキー５４は、車両等のドライバにより所定の操作（例えば、ＩＧキー５４を所定位置まで回す等の操作）がなされた場合、ディーゼルエンジン１０を始動させる信号を出力する構成となっている。なお、本明細書においては、この信号の出力中はイグニッションがＯＮに相当する状態であるとし、非出力中はＯＦＦに相当する状態であるとする。

他方、ＥＣＵ６０の出力側には、ディーゼルスロットル２６、ＥＧＲバルブ４０、インジェクタ４２、可変動弁機構４８，５２といった各種アクチュエータが電気的に接続されている。ＥＣＵ６０は、上述の各種センサからの入力情報に基づいて所定のプログラムを実行し、上述の各種アクチュエータ等を作動させることにより、ディーゼルエンジン１０の運転に関する種々の制御を実行する。

［本実施形態の特徴的制御］
ＥＧＲガスを各気筒１２に導入すれば、燃焼温度を低下できるので排出ＮＯｘ量を低減でき、燃費の向上を図ることもできる。そのため、ディーゼルエンジン１０の運転状態に関わらず、各気筒１２にＥＧＲガスを導入できることが望ましい。しかしながら、低温時はＥＧＲ通路３６の壁面の温度も低く、また、ＥＧＲガスはＥＧＲクーラ３８を通過する。そのため、低温時にＥＧＲガスを導入しようとすると、ＥＧＲガスの導入経路、すなわちＥＧＲクーラ３８設置箇所や、その周辺のＥＧＲ通路３６において凝縮水が発生することがある（図１参照）。発生した凝縮水は、ＥＧＲガスと共に各気筒１２に吸入され、通常は、燃料の燃焼に伴い気化する。しかしながら、凝縮水の発生時にディーゼルエンジン１０の運転が停止されると、各気筒１２に吸入された凝縮水が、その気筒１２内にその一部が露出する筒内部品（インジェクタ４２、気筒１２の内壁など）に付着する。

凝縮水が付着した状態でディーゼルエンジン１０の運転が停止されると、この凝縮水が上記筒内部品を腐食する可能性がある。また、大量の凝縮水が上記筒内部品に長時間付着し続けるような場合には、この腐食の進行を早めてしまう。ここで、大量の凝縮水が上記筒内部品に付着した場合であっても、該筒内部品の表面温度Ｔ_Ｓが高温域にあるときは凝縮水が蒸発できる環境にあるといえる。そのため、凝縮水の一部が蒸発せずに付着し続けたとしても、上述の腐食の進行が大幅に早まることはない。しかしながら、上記筒内部品の表面温度Ｔ_Ｓが低温域（具体的には５０℃〜１００℃）にあるときは、凝縮水のほとんどが蒸発できずに付着し続けることができてしまう。

このような状況について、図３を参照しながら説明する。図３は、低温時における筒内部品の表面温度Ｔ_Ｓ（例えばインジェクタ４２のノズル部の表面温度）および凝縮水量（ＥＧＲクーラ３８付近で発生する凝縮水の発生量Ｗ_１、該ノズル部に付着する凝縮水の付着量Ｗ_２）の推移を示した図である。図３において、ディーゼルエンジン１０の運転は時刻ｔ_０で開始されるものとする。また、ＥＧＲバルブ４０は時刻ｔ_０で開かれ、その後も開かれ続けるものとする。

図３に示すように、表面温度Ｔ_Ｓは時刻ｔ_０から上昇し、その後、上述の低温域の値となる。また、発生量Ｗ_１は、時刻ｔ_０直後に急激に増加するが、その後、ＥＧＲ通路３６の壁温等の上昇により減少に転ずる。一方、付着量Ｗ_２は、時刻ｔ_０直後は発生量Ｗ_１同様に増加するが、発生量Ｗ_１が減少に転じた後も依然として増加し続ける。この理由は、表面温度Ｔ_Ｓが上述の低温域にあり、筒内部品に付着した凝縮水が蒸発できずに蓄積し続けるためである。そして、時刻ｔ_１において付着量Ｗ_２が閾値Ｃ_ｔｈを超えると、大量の凝縮水が上記筒内部品に付着し続けることになるので、腐食の進行が早まってしまう。

そこで、本実施形態においては、表面温度Ｔ_Ｓが上述の低温域にあり、尚且つ、付着量Ｗ_２が閾値Ｃ_ｔｈを超えている場合は、ディーゼルエンジン１０の運転停止の際に、各気筒１２内を冷却する制御を実行する（停止後筒内冷却制御）。この停止後筒内冷却制御について、上述の図３の他、図４を参照しながら説明する。図３の時刻ｔ_２でディーゼルエンジン１０の運転が停止されたとする。停止後筒内冷却制御では、この時刻ｔ_２にディーゼルスロットル２６を開き、ＥＧＲバルブ４０を閉じる。これにより、極低温の外気のみを吸気ポート３０に導入する。同時に、可変動弁機構４８，５２を制御して吸気バルブ４６、排気バルブ５０を操作する。これにより、吸気ポート３０内に導入した外気を各気筒１２に吸入、排出させる。

図４は、停止後筒内冷却制御中の吸気バルブ４６、排気バルブ５０の開弁時期を示した図である。図４に示すように、停止後筒内冷却制御においては、通常時よりも開弁時期を延長し、吸気行程中のみならず圧縮行程中も吸気バルブ４６を開く。吸気行程中に吸気バルブ４６を開けば、吸気ポート３０内の外気を各気筒１２に吸入できる。また、圧縮行程中も吸気バルブ４６を開けば、吸気行程の終了と同時に吸気バルブ４６を閉じる通常の場合に比してより多くの外気を各気筒１２に吸入できる。加えて、吸入した外気がピストン４４の上昇に伴い高温化の抑制を図ることもできる。そして、排気行程に排気バルブ５０を開けば、吸入した外気を排気ポート３４側に排出できる。よって、各気筒１２内を急速に冷却できる。

各気筒１２内を急速に冷却できれば、表面温度Ｔ_Ｓを上記低温域未満の値まで急速に低下させることができる。そのため、付着量Ｗ_２は閾値Ｃ_ｔｈを超えてはいるものの、上述した腐食の進行を抑えることができる。従って、停止後筒内冷却制御によれば、付着凝縮水による上記筒内部品の腐食を最小限に留めることが可能となる。よって、低温時においてもＥＧＲガスを導入でき、ＥＧＲによる各種恩恵を享受できる。

［本実施形態における具体的処理］
次に、図５を参照しながら、上述した機能を実現するための具体的処理について説明する。図５は、本実施形態において、ＥＣＵ６０が実行する処理ルーチンを説明するフローチャートである。

図５に示すルーチンにおいて、ＥＣＵ６０は、先ず、ディーゼルエンジン１０の運転が開始されたか否か判定する（ステップ１００）。具体的に、ＥＣＵ６０は、ＩＧキー５４からの信号が出力されているか否かを判定する。本ステップにおいて、ＩＧキー５４からの信号が出力されていないと判定された場合、ＥＣＵ６０は本ステップの処理を再度行う。一方、ＩＧキー５４からの信号が出力されていると判定された場合、イグニッションがＯＮに相当する状態であり、ディーゼルエンジン１０の運転が開始されたと判断できる。そのため、ＥＣＵ６０は、ステップ１１０に進む。

ステップ１１０において、ＥＣＵ６０は、ＥＧＲガスが導入されているか否かを判定する。具体的に、ＥＣＵ６０は、上記ＥＧＲ開度センサからの信号に基づいて、ＥＧＲバルブ４０が開弁中であるか否かを判定する。ＥＧＲバルブ４０が閉弁中であると判定された場合、ＥＣＵ６０は本ステップの処理を再度行う。一方、ＥＧＲバルブ４０が開弁中であると判定された場合、発生した凝縮水がＥＧＲガスと共に各気筒１２に吸入される可能性があると判断できる。そのため、ＥＣＵ６０は、ステップ１２０，１３０の処理に進む。

ステップ１２０，１３０において、ＥＣＵ６０は、凝縮水の付着量Ｗ_２および表面温度Ｔ_Ｓを計算する。ＥＣＵ６０は、例えば、ディーゼルエンジン１０の運転状態（エンジン回転数、燃料噴射量、ＥＧＲ量など）と、外気の状況（温度、湿度）とに基づいて凝縮水の発生量Ｗ_１を算出し、この発生量Ｗ_１を積算して付着量Ｗ_２を算出する。同様に、ＥＣＵ６０は、エンジン冷却水温、外気温度に基づいて表面温度Ｔ_Ｓを推定する。

続いて、ＥＣＵ６０は、ステップ１２０で算出した付着量Ｗ_２が閾値Ｃ_ｔｈ（例えば５ｇ）以上か否かを判定する（ステップ１４０）。本ステップにおいて、付着量Ｗ_２＜閾値Ｃ_ｔｈと判定された場合、ＥＣＵ６０はステップ１２０に戻り、凝縮水の付着量Ｗ_２を再度計算する。一方、付着量Ｗ_２≧閾値Ｃ_ｔｈと判定された場合、大量の凝縮水が付着していると判断できるので、ＥＣＵ６０はステップ１５０に進む。

ステップ１５０において、ＥＣＵ６０は、ステップ１３０で推定した表面温度Ｔ_Ｓが上記低温域の値であるか否かを判定する。本ステップにおいて、表面温度Ｔ_Ｓが上記低温域の値でないと判定された場合、ＥＣＵ６０はステップ１２０に戻る。一方、表面温度Ｔ_Ｓが上記低温域の値であると判定された場合、この状態でディーゼルエンジン１０の運転が停止されると腐食の進行が早くなると予想できる。そのため、ＥＣＵ６０は、ステップ１６０に進み、ディーゼルエンジン１０の運転が停止されたか否か判定する。具体的に、ＥＣＵ６０は、ＩＧキー５４からの信号の出力の有無を判定する。

ステップ１６０において、ＩＧキー５４からの信号が出力されていると判定された場合、ＥＣＵ６０はステップ１２０に戻る。一方、ＩＧキー５４からの信号が出力されていないと判定された場合、イグニッションがＯＦＦに相当する状態であり、ディーゼルエンジン１０の運転が停止されたと判断できる。そのため、ＥＣＵ６０は、各気筒１２内を急速に冷却すべく、停止後筒内冷却制御を実行する（ステップ１７０）。停止後筒内冷却制御の具体的な内容は、既述のとおりである。

以上、図５に示したルーチンによれば、付着量Ｗ_２≧閾値Ｃ_ｔｈと判定され、尚且つ、表面温度Ｔ_Ｓが上記低温域内の値であると判定された場合、ディーゼルエンジン１０の運転の停止と同時に停止後筒内冷却制御を実行することができるので、各気筒１２に外気を吸入、排出させて急速に冷却できる。そのため、表面温度Ｔ_Ｓを上記低温域未満の値まで急速に低下させることが可能となる。従って、付着凝縮水による上記筒内部品の腐食を最小限に留めることが可能となる。

ところで、上述の実施形態では、ＥＧＲシステムとして、インタークーラ２４よりも下流の吸気通路１４と排気マニホールド３２とを接続するＥＧＲ通路３６を備える所謂高圧ＥＧＲシステムを例に説明したが、コンプレッサ２２ａよりも上流の吸気通路１４とタービン２２ｂよりも下流の排気通路１６とを接続するＥＧＲ通路を備える所謂低圧ＥＧＲシステムに本発明を適用することもできる。
また、非過給式のディーゼルエンジン１０に本発明を適用することもでき、更には、ガソリンエンジンに本発明を適用することもできる。
また、ディーゼルスロットル２６非搭載のディーゼルエンジンに本発明を適用することもできる。この場合、上記停止後筒内冷却制御では、ディーゼルスロットル２６の操作を省略すればよい。即ち、図３の時刻ｔ_２にＥＧＲバルブ４０を閉じ、可変動弁機構４８，５２を制御して吸気バルブ４６、排気バルブ５０を操作すればよい。

また、上述の実施形態では、停止後筒内冷却制御において、吸気行程のみならず圧縮行程中も吸気バルブ４６を開いたが、このうちの圧縮行程中については、吸気バルブ４６の代わりに排気バルブ５０を開いてもよい。この変形例について、図６を参照しながら説明する。図６は、停止後筒内冷却制御中の吸気バルブ４６、排気バルブ５０の開弁時期の変形例を示した図である。図６に示すように、吸気バルブ４６については通常時と同様に吸気行程中に開き、その後の圧縮行程においては排気バルブ５０を開く。圧縮行程中に排気バルブ５０を開けば、気筒１２内に吸入した外気の高温化を抑制できる。よって、上述の実施形態と同様の効果が期待できる。また、圧縮行程中に吸気バルブ４６と排気バルブ５０を同時に開いてもよい。

なお、上述の実施形態では、ＥＣＵ６０が図５の一連の処理を実行することにより上記第１の発明の「停止後筒内冷却手段」が実現されている。

１０ ディーゼルエンジン
１２ 気筒
１４ 吸気通路
１６ 排気通路
２６ ディーゼルスロットル
３６ ＥＧＲ通路
３８ ＥＧＲクーラ
４０ ＥＧＲバルブ
４２ インジェクタ
４６ 吸気バルブ
４８，５２ 可変動弁機構
５０ 排気バルブ
５４ ＩＧキー
６０ ＥＣＵ

Claims (2)

1. 内燃機関についての所定の運転開始条件の成立後に前記内燃機関の気筒内の筒内部品に付着した凝縮水量が設定量以上で、尚且つ、該筒内部品の温度が設定温度範囲内の値である場合、前記内燃機関についての所定の運転停止条件の成立後に前記気筒内を冷却する停止後筒内冷却手段を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記内燃機関の排気通路と吸気通路を接続するＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲバルブと、
   前記気筒を開閉する吸気バルブおよび排気バルブと、を備え、
   前記停止後筒内冷却手段は、前記所定の運転停止条件が成立した際に前記ＥＧＲバルブを操作して前記ＥＧＲ通路を閉じ、前記所定の運転停止条件の成立後に訪れる前記内燃機関の吸気行程において前記吸気バルブを開くと共に、該吸気行程直後の圧縮行程において前記吸気バルブおよび排気バルブの少なくとも一方を開くことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。

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