JP2015094290A

JP2015094290A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2015094290A
Application number: JP2013234157A
Authority: JP
Inventors: 正章片山; Masaaki Katayama; 橋詰　剛; Takeshi Hashizume; 剛橋詰
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2015-05-18

Abstract

【課題】車載性を悪化させずに気筒に供給する凝縮水量を増やすことができる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】排気通路５から排気の一部を取り出してＥＧＲガスとして吸気通路４に導くＥＧＲ通路１１と、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ１２と、ＥＧＲクーラ１２で生成された凝縮水を貯留する凝縮水タンク３１と、凝縮水タンク３１に貯留された凝縮水をＥＧＲクーラ１２の外周面へ噴霧可能な水噴霧弁３５と、ＥＧＲクーラ１２内のＥＧＲガスの温度を検出するＥＧＲ温度センサ１４と、を備える内燃機関に適用され、ＥＧＲクーラ１２内のＥＧＲガスの温度が、凝縮水の噴霧により得られる凝縮水生成量が凝縮水の噴霧量よりも多い温度領域にある場合に、水噴霧弁３５に凝縮水をＥＧＲクーラ１２の外周面へ噴霧させる噴霧制御手段４０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＥＧＲ装置を備え、ＥＧＲガスの冷却により凝縮水を生成させる内燃機関に適用される制御装置に関する。

ＥＧＲガスの冷却により生成された凝縮水を吸気通路から気筒に供給する内燃機関に適用される制御装置が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。

特開２０１１−１１１８９７号公報特開２００１−１３２５５５号公報

ＮＯｘ排出量を低減するために気筒に凝縮水を多く供給することが必要になる場合には、ＥＧＲクーラで凝縮水が生成される量を増やすためにＥＧＲクーラにおける冷却を強化する必要があるが、ＥＧＲクーラの冷却水流通を可能な限り増大しても不十分な場合がある。追加の冷却手段としてＥＧＲクーラの外部から別の冷却媒体を噴霧してＥＧＲクーラの温度を下げる手法も考えられるが、別途冷却媒体のタンク等の追加が必要となり車載性が悪化する。

そこで、本発明は、車載性を悪化させずに気筒に供給する凝縮水量を増やす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。

本発明の内燃機関の制御装置は、排気通路から排気の一部を取り出してＥＧＲガスとして吸気通路に導くＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に設けられ前記ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラと、を備える内燃機関に適用される内燃機関の制御装置において、前記内燃機関には、前記ＥＧＲクーラで生成された凝縮水を貯留する凝縮水タンクと、前記凝縮水タンクに貯留された前記凝縮水を前記ＥＧＲクーラの外周面へ噴霧可能な凝縮水噴霧手段と、前記ＥＧＲクーラ内の前記ＥＧＲガスの温度を検出又は算出する手段と、が設けられ、前記ＥＧＲクーラ内の前記ＥＧＲガスの温度が、前記凝縮水の噴霧により得られる凝縮水生成量が前記凝縮水の噴霧量よりも多い温度領域にある場合に、前記凝縮水噴霧手段に前記凝縮水を前記ＥＧＲクーラの外周面へ噴霧させる噴霧制御手段を備える（請求項１）。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、ＥＧＲクーラの外周面に噴霧する冷却媒体にＥＧＲクーラで生成された凝縮水を用いるため、車載性を悪化させない。また、ＥＧＲクーラの外周面への噴霧により得られる凝縮水生成量は噴霧量を上回るため、気筒に供給する凝縮水量を増やすことができる。

本発明の一形態に係る制御装置が適用された内燃機関の全体構成を示した図。ＥＧＲガスを１℃冷却するために必要な凝縮水の噴霧量と、ＥＧＲガスを１℃冷却することにより得られる凝縮水生成量とを示した図。ＥＣＵが実行する制御ルーチンの一例を示したフローチャート。第２の形態に係る制御装置が適用された内燃機関の全体構成を示した図。

（第１の形態）
図１に示した内燃機関１Ａは不図示の車両に走行用動力源として搭載される。内燃機関１Ａは、４つの気筒２が一方向に並べられた直列４気筒型の内燃機関として構成されている。各気筒２には、筒内に水を供給できる水噴射弁３が１つずつ設けられている。各気筒２には、吸気通路４及び排気通路５がそれぞれ接続されている。内燃機関１Ａには、排気エネルギーを利用して吸気を過給するターボチャージャ６が搭載されている。

内燃機関１Ａには、排気通路５から排気の一部を取り出して吸気通路４にＥＧＲガスとして供給するＥＧＲ装置として、第１ＥＧＲ装置１０及び第２ＥＧＲ装置２０が設けられている。第１ＥＧＲ装置１０は、排気通路５から排気の一部をＥＧＲガスとして取り出して吸気通路４に導く第１ＥＧＲ通路１１と、第１ＥＧＲ通路１１に導かれたＥＧＲガスを冷却する第１ＥＧＲクーラ１２と、第１ＥＧＲ通路１１を流れるＥＧＲガスの流量を調整できる第１ＥＧＲ弁１３とを備えている。同様に、第２ＥＧＲ装置２０は、第２ＥＧＲ通路２１と、第２ＥＧＲクーラ２２と、第２ＥＧＲ弁２３とを備えている。第１ＥＧＲクーラ１２には、第１ＥＧＲクーラ１２内のＥＧＲガスの温度を検出できる第１ＥＧＲ温度センサ１４が設けられている。同様に、第２ＥＧＲクーラ２２には、第２ＥＧＲクーラ２２内のＥＧＲガスの温度を検出できる第２ＥＧＲ温度センサ２４が設けられている。第１ＥＧＲ温度センサ１４及び第２ＥＧＲ温度センサ２４は、本発明に係る温度を検出又は算出する手段に相当する。

ＥＧＲガスの温度が第１ＥＧＲクーラ１２の内部で露点温度を跨ぐように低下した場合、ＥＧＲガス中の水蒸気が第１ＥＧＲクーラ１２の内部の表面で凝縮（結露）して水となり、第１凝縮水収集管３０を経由して凝縮水タンク３１に貯留される。同様に、第２ＥＧＲクーラ２２の内部で凝縮された水も、第２凝縮水収集管３２を経由して凝縮水タンク３１に貯留される。凝縮水タンク３１に貯留された凝縮水は、水供給管３３を経由して各気筒２に設けられた４つの水噴射弁３に供給される。また、凝縮水タンク３１に貯留された凝縮水は、第１ＥＧＲ水供給管３４を経由して第１水噴霧弁３５に供給され、第２ＥＧＲクーラ水供給管３６を経由して第２水噴霧弁３７に供給される。第１水噴霧弁３５は、第１ＥＧＲクーラ１２の外周面に凝縮水を噴霧できる。第２水噴霧弁３７は、第２ＥＧＲクーラ２２の外周面に凝縮水を噴霧できる。第１水噴霧弁３５及び第２水噴霧弁３７は、本発明に係る凝縮水噴霧手段に相当する。

第１水噴射弁３５が凝縮水を第１ＥＧＲクーラ１２の外周面に噴霧しなくても、ＥＧＲガスが第１ＥＧＲクーラ１２を通ることによって冷却され、ＥＧＲガスの温度が露点温度を跨ぐように低下した場合は、第１ＥＧＲクーラ１２で凝縮水が生成される。このように第１ＥＧＲクーラ１２で凝縮水が生成されている場合、第１水噴霧弁３５が第１ＥＧＲクーラ１２に凝縮水を噴霧すると、ＥＧＲガスは更に冷却されるため、噴霧により得られる凝縮水生成量が上乗せされて第１ＥＧＲクーラ１２における凝縮水生成量は更に増加する。同様に、第２水噴射弁３７が凝縮水を第２ＥＧＲクーラ２２の外周面に噴霧すると、噴霧により得られる凝縮水生成量が上乗せされて第２ＥＧＲクーラ２２における凝縮水生成量は更に増加する。

内燃機関１Ａの各部の制御は、コンピュータとして構成されたエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）４０にて制御される。ＥＣＵ４０は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺機器を含む。ＥＣＵ４０は、水噴射弁３、第１水噴霧弁３５及び第２水噴霧弁３７等に対して各種の制御を行う。ＥＣＵ４０には、第１ＥＧＲ温度センサ１４、第２ＥＧＲ温度センサ２４及びクランク角センサ４１の出力信号等が入力される。クランク角センサ４１の出力により、エンジン回転速度（エンジン回転数）を検出することができる。

ＥＣＵ４０には、エンジン回転数及びトルクにて特定される内燃機関１Ａの各運転領域における、気筒２の筒内へ噴射すべき水噴射量の値が記憶されている。この水噴射量は、各運転領域におけるＮＯｘ排出量を低減できる値であり、予め実験や数値計算等により求められたものである。また、ＥＣＵ４０には、ＥＧＲガスを１℃冷却するために必要な凝縮水のＥＧＲクーラへの噴霧量とＥＧＲガス温度との相関関係Ａのデータが記憶されている。また、ＥＣＵ４０には、ＥＧＲガスを１℃冷却することにより得られる凝縮水生成量とＥＧＲガス温度との相関関係Ｂのデータが記憶されている。相関関係Ａ及び相関関係Ｂは、いずれも予め実験や数値計算等により求められたものである。

図２は、排気量が２０００ｃｃ、ＥＧＲガスの相対湿度が５０％、ＥＧＲクーラへの凝縮水の噴霧による熱交換率が５０％、噴霧される凝縮水の温度が２０℃、水の比熱が４１８６．８Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）という条件で、相関関係Ａ及び相関関係Ｂを計算した計算例を示したものである。図２の破線Ｌ１が相関関係Ａを示し、実線Ｌ２が相関関係Ｂを示している。飽和水蒸気量はＥＧＲガスの温度が高くなるほど多くなり、１℃上昇分当たりの増加量も拡大する。そのため、ＥＧＲガスの温度が高い領域Ｃでは実線Ｌ２が破線Ｌ１を上回る。この領域ＣでＥＧＲクーラ外周面へ凝縮水を噴霧すると、噴霧により得られる凝縮水生成量は噴霧量よりも多くなる。

図３は、ＥＣＵ４０が実施する制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。図３の制御ルーチンのプログラムはＥＣＵ４０に保持されており、適時に読み出されて所定間隔で繰り返し実行される。ＥＣＵ４０は、図３の制御ルーチンを実行することにより、本発明に係る噴霧制御手段として機能する。

この制御ルーチンにおいてＥＣＵ４０は、まずステップＳ１において、クランク角センサ４１の出力からエンジン回転数を検出し、燃料噴射量からトルクを検出することによって、現状の内燃機関１Ａの運転領域を特定する。そして、ＥＣＵ４０は、予めＥＣＵ４０に記憶されている上記の運転領域における気筒２の筒内へ噴射すべき水噴射量の値から、水噴射弁３に噴射させる水噴射量を算出する。

次のステップＳ２において、ＥＣＵ４０は、凝縮水生成量を増やす必要があるか判定する。判定基準には、例えば、ステップＳ１で算出した水噴射量が予め定められた規定値を超えたか否かを用いる。この場合、規定値を超えた場合には凝縮水生成量を増やす必要があると判定する。凝縮水生成量を増やす必要があると判定した場合は、ステップＳ３に進む。一方、凝縮水生成量を増やす必要がないと判定した場合は、第１水噴霧弁３５及び第２水噴霧弁３７を動作させることなく、今回のルーチンを終了する。

ステップＳ３において、ＥＣＵ４０は、第１ＥＧＲ温度センサ１４から第１ＥＧＲクーラ１２内のＥＧＲガスの温度を検出し、第２ＥＧＲ温度センサ２４から第２ＥＧＲクーラ２２内のＥＧＲガスの温度を検出する。

次のステップＳ４において、ＥＣＵ４０は、ステップＳ３で検出したＥＧＲガスの温度と、予めＥＣＵ４０に記憶されている相関関係Ａ及び相関関係Ｂのデータとから、ＥＧＲガスを１℃冷却するために必要な凝縮水のＥＧＲクーラへの噴霧量と、ＥＧＲガスを１℃冷却することにより得られる凝縮水生成量とを算出する。そして、ＥＣＵ４０は、ＥＧＲガスを１℃冷却するために必要な噴霧量よりも、ＥＧＲガスを１℃冷却することによる得られる凝縮水生成量の方が多いか判定する。ＥＧＲガスを１℃冷却することによる得られる凝縮水生成量の方が多い場合でなければ、第１水噴霧弁３５及び第２水噴霧弁３７を動作させることなく、今回のルーチンを終了する。一方、ＥＧＲガスを１℃冷却することによる得られる凝縮水生成量の方が多い場合は、ステップＳ５に進む。ステップＳ５において、ＥＣＵ４０は、第１水噴霧弁３５及び第２水噴霧弁３７に凝縮水を噴霧させる。そして、今回の制御ルーチンを終了する。

以上説明した図３の制御ルーチンをＥＣＵ４０が実行することにより、ＥＧＲクーラ内のＥＧＲガスの温度が凝縮水の噴霧により得られる凝縮水生成量が噴霧量よりも多い温度領域にある条件でＥＧＲクーラの外周面へ凝縮水を噴霧させるため、気筒２に供給する凝縮水量を増やすことができる。

（第２の形態）
次に、本発明の第２の形態を図４を参照して説明する。この形態は、凝縮水を中和する中和装置を備えることを除き、第１の形態と同一構成を有している。以下、第２の形態の特徴部分を説明し、第１の形態との共通部分については図面に同一符号を付して説明を省略する。

図４に示した内燃機関１Ｂには凝縮水を中和できる中和装置５０が設けられている。凝縮水タンク３１に溜まった凝縮水は、中和装置５０で中和された上で、第１ＥＧＲ水供給管３４を経由して第１水噴霧弁３５に供給され、第２ＥＧＲクーラ水供給管３６を経由して第２水噴霧弁３７に供給される。

凝縮水が強酸性の場合、凝縮水を中和せずに第１ＥＧＲクーラ１２及び第２ＥＧＲクーラ２２の外周面に噴霧すると、噴霧された周辺の部品を腐食させるおそれがあり、凝縮水が大気に放出されれば周囲の環境にも悪影響を与えるおそれがある。本形態の場合、中和装置５０で凝縮水を中和された後に噴霧されるため、上記の腐食を抑制し、環境への悪影響も抑制することができる。

本発明は、上記各形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において、種々の形態にて実施できる。上記各形態ではＥＧＲ装置を２つ備えた内燃機関に本発明を適用したが、ＥＧＲ装置の数を問わず本発明を適用できる。また、上記各形態では凝縮水を水供給管から直接気筒の筒内に供給しているが、凝縮水を水供給管から吸気通路に供給し吸気と共に凝縮水を気筒に供給する形態であってもよい。また、上記各形態では４気筒の内燃機関に本発明を適用したが、気筒数を問わず本発明を適用できる。また、上記各形態ではターボチャージャを備えた内燃機関に本発明を適用したが、ターボチャージャを備えていない内燃機関にも本発明を適用できる。

１Ａ、１Ｂ内燃機関
４吸気通路
５排気通路
１１第１ＥＧＲ通路
１２第１ＥＧＲクーラ
１４第１ＥＧＲ温度センサ（温度を検出又は算出する手段）
２１第２ＥＧＲ通路
２２第２ＥＧＲクーラ
２４第２ＥＧＲ温度センサ（温度を検出又は算出する手段）
３１凝縮水タンク
３５第１水噴霧弁（凝縮水噴霧手段）
３７第２水噴霧弁（凝縮水噴霧手段）
４０ＥＣＵ（噴霧制御手段）

Claims

排気通路から排気の一部を取り出してＥＧＲガスとして吸気通路に導くＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に設けられ前記ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラと、を備える内燃機関に適用される内燃機関の制御装置において、
前記内燃機関には、前記ＥＧＲクーラで生成された凝縮水を貯留する凝縮水タンクと、前記凝縮水タンクに貯留された前記凝縮水を前記ＥＧＲクーラの外周面へ噴霧可能な凝縮水噴霧手段と、前記ＥＧＲクーラ内の前記ＥＧＲガスの温度を検出又は算出する手段と、が設けられ、
前記ＥＧＲクーラ内の前記ＥＧＲガスの温度が、前記凝縮水の噴霧により得られる凝縮水生成量が前記凝縮水の噴霧量よりも多い温度領域にある場合に、前記凝縮水噴霧手段に前記凝縮水を前記ＥＧＲクーラの外周面へ噴霧させる噴霧制御手段を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。