JP2015094325A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズル噴孔の腐食を防止或いは抑制するにあたり、ＥＧＲ率を適切に決定可能な内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】ＥＣＵ１５０は、内燃機関１００が備えるインジェクタ１０７のノズル先端温度Ｔｎｚｌを取得する第１の取得部と、内燃機関１００のシリンダヘッド１０１ａにおける熱量であるヘッド熱量Ｑを取得する第２の取得部と、第１の取得部が取得したノズル先端温度Ｔｎｚｌと、第２の取得部が取得したヘッド熱量Ｑとに基づき、目標ＥＧＲ率である腐食回避ＥＧＲ率γ_ｃｒｓを決定する決定部として機能することで、これら第１の取得部、第２の取得部および決定部を備える構成となっている。ヘッド熱量Ｑは具体的にはシリンダヘッド１０１ａの受熱量である。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関では、インジェクタのノズルに腐食が発生する場合がある。特許文献１では、噴射ノズルの温度およびＳＯ_３の酸露点に基づいて、燃焼室に吸入される吸気に含まれるＳＯ_３をＳＯ_３の凝縮が回避される量まで低減する技術が開示されている。

特開２０１０−２５５４６２号公報

図８（ａ）から図８（ｈ）はノズル噴孔（以下、単に噴孔とも称す）の腐食進行のメカニズムを説明する図である。図８（ａ）、図８（ｂ）は噴孔への酸付着のメカニズムを示す。図８（ｃ）から図８（ｅ）は噴孔の腐食のメカニズムを示す。図８（ｆ）から図８（ｈ）は噴孔の壊食（エロージョン）のメカニズムを示す。

図８（ａ）に示すように、内燃機関１００Ｘの筒内ガスには酸成分（例えばＳＯ_３）が含まれている。図８（ｂ）に示すように機関冷却水温が高水温の場合、筒内壁温Ｔｗａｌｌが、ノズル先端温度Ｔｎｚｌよりも先に、露点に到達する。以下、機関停止後、露点に到達するまでの時間を露点到達時間と称する。よって、酸成分は水分とともに酸となって筒内壁部に結露する。結果、噴孔の腐食は防止或いは抑制される。ところが、機関冷却水温が低水温の場合、露点到達時間は筒内壁部よりもノズル先端部のほうが短くなる。このためこの場合には、酸がノズル先端部に結露する。この場合、具体的には次のように酸が噴孔を腐食させる。

図８（ｃ）に示すように、機関停止後には酸成分を含む筒内ガス（蒸気）が噴孔内に残留した燃料に侵入する。そして、ノズル先端温度が露点を下回ると、図８（ｄ）に示すように燃料中の酸成分が酸となって噴孔に結露する。さらに、図８（ｅ）に示すように酸の結露によって生じた凝縮水は錆を発生させ、噴孔の表面に荒れを生じさせる。露点は具体的には酸露点である。露点は水蒸気の露点を含んでもよい。酸の結露は、水蒸気の結露によって生じた凝縮水に酸成分が溶け込むことで酸を形成した結露であってもよい。

図８（ｆ）に示すように腐食した部位は、その後内燃機関１００Ｘが始動し、燃料噴射が行われると、図８（ｇ）に示すように噴射燃料で除去される。すると、図８（ｈ）に示すように噴孔の表面には新生面が露出する。その後は同様にして新生面が腐食されることで、腐食が促進される。

図８（ｂ）を用いて説明したように、ノズル先端温度は酸の結露がノズルに発生するか否かに大きく影響する。このため、図８（ｂ）を用いて前述した原理原則に鑑み、噴孔の腐食を防止或いは抑制することが考えられる。具体的には、ノズル先端温度に基づきＥＧＲを減量或いはカットすることで、腐食の発生を防止或いは抑制することが考えられる。この場合、燃焼ガスの温度を高めることで、ノズル先端温度を高めることができる。結果、内燃機関が停止しても腐食の発生を防止或いは抑制できる。

ところが、腐食の発生や腐食の度合いはシリンダヘッドが保有する熱量にも依存する。具体的には、ノズル先端温度が同じでも、シリンダヘッドが保有する熱量によっては腐食の発生や腐食の度合いが異なってくる。また、ＥＧＲを減量或いはカットすれば、排気エミッションにも影響する。このため、噴孔の腐食を防止或いは抑制するにあたっては、適切なＥＧＲ率を決定するという点で改善の余地がある。

本発明は上記課題に鑑み、ノズル噴孔の腐食を防止或いは抑制するにあたり、ＥＧＲ率を適切に決定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。

本発明は内燃機関が備えるインジェクタのノズル先端温度を取得する第１の取得部と、前記内燃機関のシリンダヘッドにおける熱量を取得する第２の取得部と、前記第１の取得部が取得したノズル先端温度と、前記第２の取得部が取得した熱量とに基づき、目標ＥＧＲ率を決定する決定部とを備える内燃機関の制御装置である。

本発明によれば、ノズル噴孔の腐食を防止或いは抑制するにあたり、ＥＧＲ率を適切に決定できる。

内燃機関の概略構成図である。 インジェクタを示す図である。 ノズル先端温度の低下速度の説明図である。 内燃機関の制御の一例を示すフロー図である。 ＥＧＲの実行例を示す図である。 結露発生条件を示すマップ上でＥＧＲの実行例にあるＥＧＲ率決定要素の推移を示す図である。 ｃａｓｅ１、２で設定可能なＥＧＲ率の比較例を示す図である。 噴孔の腐食進行のメカニズムを説明する図である。

図面を用いて本発明の実施例について説明する。

図１は内燃機関１００の概略構成図である。内燃機関１００は、筒内噴射を行う内燃機関、より具体的にはディーゼル内燃機関である。内燃機関１００は４気筒である。内燃機関１００は、シリンダヘッド１０１ａとシリンダブロック１０１ｂを備えたエンジン本体１０１を備え、そのエンジン本体１０１に♯１気筒〜♯４気筒を備える。

燃料噴射装置１は、内燃機関１００に組み込まれている。燃料噴射装置１は、♯１気筒〜♯４気筒に対応して、♯１インジェクタ１０７−１〜♯４インジェクタ１０７−４を備える。具体的に、♯１気筒には、♯１インジェクタ１０７−１が装着され、♯２気筒には♯２インジェクタ１０７−２が装着されている。♯３気筒には♯３インジェクタ１０７−３が装着され、♯４気筒には♯４インジェクタ１０７−４が装着されている。♯１インジェクタ１０７−１〜♯４インジェクタ１０７−４はそれぞれコモンレール１２０に接続され、コモンレール１２０から高圧の燃料が供給される。各インジェクタ１０７は、シリンダヘッド１０１ａに装着されている。各インジェクタ１０７は、シート部を介してシリンダヘッド１０１ａとの間で熱の授受を行う。

内燃機関１００は、エンジン本体１０１に取り付けられたインテークマニホールド１０２、エキゾーストマニホールド１０３を備える。インテークマニホールド１０２には吸気管１０４が接続されている。エキゾーストマニホールド１０３には排気管１０５が接続されている。

内燃機関１００は外部ＥＧＲ装置１１０を備えている。外部ＥＧＲ装置１１０はＥＧＲ通路１１１、ＥＧＲバルブ１１２、ＥＧＲクーラ１１３、バイパス通路１１４およびバイパスバルブ１１５を備えている。ＥＧＲ通路１１１の一端は、エキゾーストマニホールド１０３に接続されている。ＥＧＲ通路１１１の他端は、吸気管１０４に接続されている。ＥＧＲ通路１１１には、排気ガス（ＥＧＲガス）の流通状態を制御するＥＧＲバルブ１１２が設けられている。ＥＧＲ通路１１１には、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ１１３が設けられている。ＥＧＲ通路１１１には、ＥＧＲクーラ１１３をバイパスするバイパス通路１１４が設けられている。ＥＧＲ通路１１１には、ＥＧＲ通路１１１およびバイパス通路１１４のうちいずれかにＥＧＲガスの流通経路を決定するバイパスバルブ１１５が設けられている。外部ＥＧＲ装置１１０は少なくともＥＧＲ通路１１１とＥＧＲバルブ１１２とを備える構成であってもよい。

吸気管１０４には、エアフロメータ１０６が接続されている。エアフロメータ１０６は、ＥＣＵ１５０に電気的に接続されている。ＥＣＵ１５０には、インジェクタ１０７−ｉ（ｉは気筒番号を示す）、具体的に、♯１インジェクタ１０７−１から♯４インジェクタ１０７−４が電気的に接続されている。ＥＣＵ１５０は、内燃機関の制御装置に相当し、後に詳述する各種制御を行う。

ＥＣＵ１５０には、内燃機関１００の回転数ＮＥを測定するＮＥセンサ１６１、冷却水の水温Ｔｗを測定する水温センサ１６２、外気温Ｔａを測定する外気温センサ１６３が電気的に接続されている。また、ＥＣＵ１５０には、ＥＧＲ率マップ、結露判定マップ、その他のマップ類が格納されている。ＥＧＲ率マップには、ベースＥＧＲ率γ_ｂａｓｅが設定されたベースＥＧＲ率マップと、腐食回避ＥＧＲ率γ_ｃｒｓが設定された腐食回避ＥＧＲ率マップとの２種類がある。ＥＣＵ１５０は、内燃機関周辺の種々の制御を行う。

内燃機関１００に装着されたインジェクタ１０７を示す図２を参照すると、インジェクタ１０７は、先端部にノズル１０７ａを備えている。ノズル１０７ａには、噴孔が設けられている。このようなノズル１０７ａの先端部に酸が結露し、付着すると腐食が発生する可能性がある。噴孔の周辺が腐食すると、噴孔の噴孔径が変化する可能性がある。噴孔径が変化すると、燃料噴射に影響を与えることになる。

そこで、ＥＣＵ１５０は、噴孔の腐食と排気エミッションとを考慮したＥＧＲ率を決定する。ＥＧＲ率は排気再循環で還流される排気ガスの量が筒内に吸入されるガス全体の量に占める割合である。ＥＣＵ１５０は具体的には、次に説明するノズル先端温度Ｔｎｚｌとヘッド熱量Ｑとに基づいてＥＧＲ率を決定する。図３はノズル先端温度Ｔｎｚｌの低下速度の説明図である。実線はシリンダヘッド１０１ａが保有する熱量が相対的に大きい場合を示し、破線はシリンダヘッド１０１ａが保有する熱量が相対的に小さい場合を示す。

ここで、機関停止時のノズル先端温度Ｔｎｚｌが同じであっても、シリンダヘッド１０１ａが保有する熱量によっては、機関停止後のノズル先端温度Ｔｎｚｌの低下速度は異なってくる。具体的には、実線の場合には破線の場合と比較して、ノズル１０７ａからシリンダヘッド１０１ａへの放熱は小さくなる。このため、実線の場合のほうが破線の場合よりもシリンダヘッド１０１ａヘの放熱速度が遅い分、機関停止後のノズル先端温度Ｔｎｚｌの低下速度は遅くなる。結果、実線の場合のほうが破線の場合よりも、露点到達時間ｔは長くなる。

実線と破線とでノズル先端温度Ｔｎｚｌの低下速度が異なるのは、機関停止前のノズル受熱量が異なるためと考えられる。図３を参照すると、実線と破線とでは、ノズル先端温度Ｔｎｚｌの履歴が異なっている。結果、図３中、ハッチングを施して示した分だけ、実線の方が破線よりもノズル受熱量が多い。そして、このノズル受熱量の差が、機関停止後のノズル先端温度Ｔｎｚｌの低下速度の差として現れていると考えられる。

かかる現象は、換言すれば、シリンダヘッド１０１ａの熱量（より具体的にはここでは受熱量）であるヘッド熱量Ｑの差が、機関停止後のノズル先端温度Ｔｎｚｌの低下速度の差として現れているといえる。本発明において、「シリンダヘッドにおける熱量」は、ヘッド熱量Ｑである場合だけでなく、ノズル受熱量である場合や、ヘッド熱量Ｑおよびノズル受熱量である場合を含む。

以下、図４を参照しつつ、内燃機関１００の制御の一例について説明する。図４は内燃機関１００の制御の一例を示すフロー図である。内燃機関１００の制御はＥＣＵ１５０によって行われる。

まず、ステップＳ１では、内燃機関１００の運転状態を取得する。具体的には、回転数ＮＥ、噴射時期ＩＴ、噴射量Ｑｖ、水温Ｔｗおよび外気温Ｔａを取得する。次にステップＳ２では、ノズル先端温度Ｔｎｚｌを算出する。ここで、ノズル先端温度Ｔｎｚｌは、その時点時点、すなわち、瞬時のノズル先端温度である。ノズル先端温度Ｔｎｚｌは、一例として、以下の式１によって算出、推定される。
Ｔｎｚｌ
＝ｆ（ＮＥ、ＩＴ、Ｑｖ、Ｔｗ）
＝ａ・ＮＥ＋ｂ・ＩＴ＋ｃ・Ｑｖ＋ｄ・Ｔｗ＋ｅ 式１
第１項から第３項までは燃焼ガスからの受熱の影響を示し、第４項は放熱の影響を示す。ａ、ｂ、ｃ、ｄおよびｅは定数である。

ステップＳ３では、シリンダヘッド１０１ａの温度であるヘッド温度Ｔｈｅａｄを算出する。ヘッド温度Ｔｈｅａｄは瞬時のヘッド温度である。ヘッド温度Ｔｈｅａｄは、一例として、以下の式２によって算出、推定される。
Ｔｈｅａｄ
＝ｆ（ＮＥ、ＩＴ、Ｑｖ、Ｔｗ）
＝ｆ・ＮＥ＋ｇ・ＩＴ＋ｈ・Ｑｖ＋ｉ・Ｔｗ＋ｊ 式２
第１項から第３項までは燃焼ガスからの受熱の影響を示し、第４項は放熱の影響を示す。ｆ、ｇ、ｈ、ｉおよびｊは定数である。

ステップＳ４では、ヘッド熱量Ｑを算出する。ヘッド熱量Ｑは具体的には、シリンダヘッド１０１ａの受熱量である。ヘッド熱量Ｑは、ヘッド温度Ｔｈｅａｄから算出、推定される瞬時のシリンダヘッド１０１ａの熱量と、それまでの蓄熱量とから求めることができる。ヘッド熱量Ｑは一例として、以下の式３によって算出、推定される。
Ｑ_ｉ
＝ｆ（Ｔｈｅａｄ、Ｑ_ｉ−１）
＝ｋ・Ｔｈｅａｄ＋Ｑ_ｉ−１ 式３
ここで、ｋは定数である。第１項は瞬時のシリンダヘッド１０１ａの熱量を示し、第２項はそれまでの蓄熱量を示す。

ステップＳ５では、ベースＥＧＲ率γ_ｂａｓｅを決定する。ベースＥＧＲ率γ_ｂａｓｅは第１の目標ＥＧＲ率であり、燃焼要求に応じたＥＧＲ率である。ベースＥＧＲ率γ_ｂａｓｅでＥＧＲを行うことで、排気改善が図られる。ベースＥＧＲ率γ_ｂａｓｅは一例として、以下の式４によって決定される。式４はベースＥＧＲ率マップに基づきベースＥＧＲ率γ_ｂａｓｅを決定する過程を式で表現したものである。一例として、ベースＥＧＲ率マップでは、機関運転状態、具体的には回転数ＮＥ、噴射量Ｑｖ、水温Ｔｗおよび外気温Ｔａに応じてベースＥＧＲ率γ_ｂａｓｅを設定できる。
γ_ｂａｓｅ＝ｆ（Ｔｗ、Ｔａ、ＮＥ、Ｑｖ） 式４

ステップＳ６では、腐食回避ＥＧＲ率γ_ｃｒｓを決定する。腐食回避ＥＧＲ率γ_ｃｒｓは第２の目標ＥＧＲ率であり、噴孔の腐食を回避するためのＥＧＲ率である。腐食回避ＥＧＲ率γ_ｃｒｓには、噴孔の腐食を回避可能な範囲内で最大のＥＧＲ率が設定されている。腐食回避ＥＧＲ率γ_ｃｒｓは一例として、以下の式５によって決定される。式５は腐食回避ＥＧＲ率マップに基づき腐食回避ＥＧＲ率γ_ｃｒｓを決定する過程を式で表現したものである。腐食回避ＥＧＲ率マップでは、ノズル先端温度Ｔｎｚｌとヘッド熱量Ｑとに応じて腐食回避ＥＧＲ率γ_ｃｒｓを設定できる。
γ_ｃｒｓ＝ｆ（Ｔｎｚｌ、Ｑ_ｉ） 式５

ステップＳ７では、ベースＥＧＲ率γ_ｂａｓｅが腐食回避ＥＧＲ率γ_ｃｒｓよりも小さいか否かを判定する。そして、肯定判定であればステップＳ８に進み、否定判定であればステップＳ９に進む。ステップＳ８では、ベースＥＧＲ率γ_ｂａｓｅを最終ＥＧＲ率γ_ｆとする。ステップＳ９では、腐食回避ＥＧＲ率γ_ｃｒｓを最終ＥＧＲ率γ_ｆとする。すなわち、ベースＥＧＲ率γ_ｂａｓｅと腐食回避ＥＧＲ率γ_ｃｒｓとのうち小さいほうの目標ＥＧＲ率を最終ＥＧＲ率γ_ｆとする。最終ＥＧＲ率γ_ｆは、ＥＧＲを行う際に実際に適用する目標ＥＧＲ率である。

ＥＣＵ１５０はステップＳ２でノズル先端温度Ｔｎｚｌを算出することで、ノズル先端温度Ｔｎｚｌを取得する第１の取得部として機能する。ＥＣＵ１５０は、ステップＳ４でヘッド熱量Ｑを算出することで、ヘッド熱量Ｑを取得する第２の取得部として機能する。ＥＣＵ１５０は、ステップＳ６でノズル先端温度Ｔｎｚｌとヘッド熱量Ｑとに基づき、腐食回避ＥＧＲ率γ_ｃｒｓを決定する決定部として機能する。

決定部としてのＥＣＵ１５０は、さらにステップＳ５で機関運転状態に応じてベースＥＧＲ率γ_ｂａｓｅを決定するとともに、ステップＳ７からステップＳ９でベースＥＧＲ率γ_ｂａｓｅと腐食回避ＥＧＲ率γ_ｃｒｓとのうち小さいほうの目標ＥＧＲ率を最終ＥＧＲ率γ_ｆとする。これにより、噴孔の腐食が回避可能な場合には、燃焼要求に応じたＥＧＲ率でＥＧＲを行うことができる。

このように、腐食回避ＥＧＲ率γ_ｃｒｓを決定することで、噴孔の腐食を防止或いは抑制しつつ、排気エミッションへの影響を最小限に留めることができる。結果、ノズル先端温度Ｔｎｚｌが低くても（水温Ｔｗが低くても）、ヘッド熱量Ｑが高ければＥＧＲを減量或いはカットせずに済ませることができる。次にこの点についてさらに説明する。

図５（ａ）から図５（ｃ）はＥＧＲの実行例を示す図である。図５（ａ）では回転数ＮＥの変化を示す。図５（ｂ）では水温Ｔｗとヘッド熱量Ｑの変化を示す。図５（ｃ）ではＥＧＲ量の変化を示す。図５（ｂ）では、ＥＧＲ率決定要素としてノズル先端温度Ｔｎｚｌの代わりに水温Ｔｗを示す。これは、ノズル先端温度Ｔｎｚｌが水温Ｔｗに比例するためである。この点、ＥＧＲ率決定要素として水温Ｔｗを計測することも、ノズル先端温度Ｔｎｚｌを取得することに含まれる。図５（ａ）から図５（ｃ）間で横軸の時間は共通である。

図６は結露発生条件を示すマップ上で、図５（ｂ）に示すＥＧＲ率決定要素の推移を示す図である。図５（ｃ）および図６では、ＥＧＲ率決定要素を水温Ｔｗおよびヘッド熱量Ｑとする場合ｃａｓｅ１を実線で示し、ＥＧＲ率決定要素を水温Ｔｗとする場合ｃａｓｅ２を破線で併せて示す。図６に示すマップでは、ノズル先端温度Ｔｎｚｌとヘッド熱量Ｑとに応じて結露発生領域と結露回避領域とを設定している。

図５（ａ）に示すように内燃機関１００が運転されると、図５（ｂ）に示すように水温Ｔｗは高まり、ヘッド熱量Ｑは大きくなる。図５（ｂ）に示すように、区間Ａではヘッド熱量ＱがＥＧＲ導入閾値を上回る。このため、図５（ｃ）に示すように、ｃａｓｅ１では区間ＡでＥＧＲの導入が可能になる。

図５（ｂ）に示すように、区間Ｂでは水温ＴｗもＥＧＲ導入閾値を上回っている。ところが、図６に示すように、ｃａｓｅ２ではＥＧＲ率決定要素が区間Ｂで結露発生領域にある。このため、図５（ｂ）に示すように、ｃａｓｅ２では噴孔の腐食発生を回避するためにｃａｓｅ１と比較してＥＧＲ量が制限される。

逆に言えば、水温Ｔｗおよびヘッド熱量ＱをＥＧＲ率決定要素とするｃａｓｅ１では、区間Ｂでｃａｓｅ２よりもＥＧＲ量を増量することができる。これは、図６に示すように、ｃａｓｅ１ではＥＧＲ率決定要素が区間Ｂで結露回避領域にあると判断できるためである。図６に示すように、区間Ｃではｃａｓｅ１、２ともに、ＥＧＲ率決定要素が結露回避領域にある。このため、図５（ｂ）に示すように、区間Ｃではｃａｓｅ１、２ともにＥＧＲ量を同様に増量できる。

図７（ａ）、図７（ｂ）はｃａｓｅ１、２で設定可能なＥＧＲ率の比較例を示す図である。図７（ａ）はｃａｓｅ２で設定可能なＥＧＲ率の例を示す。図７（ｂ）はｃａｓｅ１で設定可能なＥＧＲ率の例を示す。図７（ａ）、図７（ｂ）では水温Ｔｗを併せて示す。図７（ａ）では、ベースＥＧＲ率γ_ｂａｓｅを破線で併せて示す。

図７（ａ）に示すように、ｃａｓｅ２では水温ＴｗがＥＧＲ導入閾値を上回ったときにＥＧＲの導入が開始される。ｃａｓｅ２では、噴孔の腐食を回避するために、ベースＥＧＲ率γ_ｂａｓｅよりもＥＧＲ率を低く設定する。図７（ｂ）に示すように、ｃａｓｅ１ではヘッド熱量Ｑが十分大きければ、水温ＴｗがＥＧＲ導入閾値を上回る前にＥＧＲの導入を開始できる。結果、ＥＧＲ実行領域を拡大できる。また、水温ＴｗがＥＧＲ導入閾値を上回った後には、ベースＥＧＲ率γ_ｂａｓｅよりもＥＧＲ率を低く設定しなくて済む。すなわち、ベースＥＧＲ率γ_ｂａｓｅでＥＧＲを行うことができる。したがって、ｃａｓｅ１ではｃａｓｅ２よりもＥＧＲ量を増量できる。

このように、ｃａｓｅ１はｃａｓｅ２と比較して噴孔の腐食を回避しつつ、ＥＧＲ量を増量することができる。したがって、ＥＣＵ１５０は噴孔の腐食を防止或いは抑制するにあたり、排気への影響を最小限に留めることができる点で、ＥＧＲ率を適切に決定できる。

上記実施形態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、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。

内燃機関 １００、１００Ｘ
シリンダヘッド １０１ａ
インジェクタ １０７
外部ＥＧＲ装置 １１０
ＥＧＲ通路 １１１
ＥＧＲバルブ １１２
ＥＧＲクーラ １１３
バイパス通路 １１４
バイパスバルブ １１５
ＥＣＵ １５０

Claims (1)

1. 内燃機関が備えるインジェクタのノズル先端温度を取得する第１の取得部と、
   前記内燃機関のシリンダヘッドにおける熱量を取得する第２の取得部と、
   前記第１の取得部が取得したノズル先端温度と、前記第２の取得部が取得した熱量とに基づき、目標ＥＧＲ率を決定する決定部とを備える内燃機関の制御装置。
   

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