JP2016037916A - 過給エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インタークーラの冷却水の沸騰を防止しつつ凝縮水の発生を防止することができる過給エンジンの制御装置を提供する。【解決手段】ガス通路と冷却水通路とを備える水冷式のインタークーラを備える過給エンジンの制御装置において、ガス通路の入口におけるガス温度を検出するセンサと、インタークーラへ供給する冷却水の温度を調節する温度調節手段と、インタークーラへ供給する冷却水の流量を調節する流量調節手段と、要求ガス温度変換効率を算出する要求ガス温度変換効率算出手段と、要求ガス温度変換効率に基づいて要求冷却水温度変換効率を算出する要求冷却水温度変換効率算出手段と、冷却水通路の出口における冷却水温度を算出する冷却水出口温度算出手段と、を備え、冷却水通路の出口における冷却水温度が所定値を超える場合、インタークーラへ供給する冷却水の温度を高くするとともに、冷却水流量を増量することを特徴とする。【選択図】図２

Description

この発明は、過給エンジンの制御装置に関する。

従来、燃焼後の排気の一部を吸気通路へと循環するＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置を備えた内燃機関が知られている。特許文献１には、燃焼後の排気の一部（以下、ＥＧＲガスという。）を熱交換によって冷却するＥＧＲクーラを備えたＥＧＲ装置が開示されている。特許文献１に開示されているＥＧＲクーラには、冷却水の入口通路が２つ備えられている。このように、ＥＧＲクーラに冷却水の入口通路を２つ設ける構成を採用することで、１つの入口通路を設ける構成に比べて、冷却水の温度をより低くすることができる。これにより、熱交換後の冷却水の沸騰を防止することができる。

特開２０１０−０９０７８５号公報 特開２０１１−１１１９４２号公報 特開２０１４−００９６１７号公報 特開２０１４−０２０３４５号公報

ところで、過給機を備えた内燃機関には、圧縮した空気を冷却するインタークーラが備えられている。インタークーラの内部では、熱交換によって圧縮した空気が冷却される。ここで、インタークーラに特許文献１のＥＧＲクーラと同様の構成を採用すると、冷却水が過冷却されるおそれがある。冷却水が過冷却されることで、圧縮された空気が冷やされすぎて、インタークーラにおいて凝縮水が発生しやすくなる。凝縮水は、インタークーラ、インジェクタ、そして筒内の壁面の腐食の原因となる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、インタークーラの冷却水の沸騰を防止しつつ凝縮水の発生を防止することができる過給エンジンの制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、
ガス通路と冷却水通路とを備える水冷式のインタークーラを備える過給エンジンの制御装置において、
前記ガス通路の入口に設けられ、前記ガス通路の入口におけるガス温度を検出するセンサと、
前記インタークーラへ供給する冷却水の温度を調節する温度調節手段と、
前記インタークーラへ供給する冷却水の流量を調節する流量調節手段と、
前記ガス通路の出口におけるガス温度の目標値と、前記センサによって検出されたガス温度と、前記冷却水通路の入口における冷却水温度の設定値あるいは計測値と、に基づいて要求ガス温度変換効率を算出する要求ガス温度変換効率算出手段と、
前記要求ガス温度変換効率に基づいて要求冷却水温度変換効率を算出する要求冷却水温度変換効率算出手段と、
前記要求冷却水温度変換効率と、前記冷却水通路の入口における冷却水温度の設定値あるいは計測値と、前記センサによって検出されたガス温度と、に基づいて前記冷却水通路の出口における冷却水温度を算出する冷却水出口温度算出手段と、を備え、
前記冷却水通路の出口における冷却水温度が所定値を超える場合、前記温度調節手段は前記インタークーラへ供給する冷却水の温度を高くするとともに、前記流量調節手段は冷却水流量を増量することを特徴とする。

第１の発明によれば、水冷インタークーラの冷却水通路の出口における冷却水を沸騰させることを防止するとともに、水冷インタークーラのガス通路の出口におけるガス温度が露点温度以下になることを防止することができる。これにより、冷却水を沸騰させず、かつ水冷インタークーラにおける凝縮水の発生を防止することができる。この結果、凝縮水による水冷インタークーラ、インジェクタ、筒内の壁面等の腐食を防止することができる。

実施の形態１の冷却システムの構成を表した図である。 冷却水温度調節制御について説明するための図である。 外気温度と各種温度との関係を示した図である。 冷却水濃度と各種温度との関係を示した図である。 実施の形態２の冷却システムを表した図である。 実施の形態３の冷却システムを表した図である。

実施の形態１．
［冷却システムの構成］
実施の形態１のエンジンは、ターボ過給機を備えたエンジンである。ターボ過給機は、燃焼行程で発生した排気を利用して吸入空気を過給する。実施の形態１のエンジンには、ターボ過給機によって圧縮された吸入空気を冷却する冷却システムが備えられている。以下、図１を参照して冷却システムについて説明する。

図１は、実施の形態１の冷却システムの構成を表した図である。図１に示す冷却システムは、熱交換器１４、ラジエータ１６、そして水冷インタークーラ１８を備えている。

熱交換器１４、ラジエータ１６、そして水冷インタークーラ１８は、冷却水が循環する冷却水通路によって、それぞれ並列に連結されている。冷却水通路には、冷却水を循環させるウォーターポンプ１０が設けられている。熱交換器１４の出口側の冷却水通路とラジエータ１６の出口側の冷却水通路とが交差する箇所には、サーモスタット２０が設けられている。

水冷インタークーラ１８には、圧縮された吸入空気が通過するガス通路が接続されている。水冷インタークーラ１８の入口側のガス通路には、ガス温度検出センサ２２が設けられている。

熱交換器１４には、エンジン内部を流れる冷却水が通過する通路が設けられている。この通路には、エンジン内部を流れる冷却水を循環させるメカウォーターポンプ１２が設けられている。

図１には図示されていないが、実施の形態１のエンジンは、ＥＣＵ（Engine Control Unit）を備えている。ＥＣＵの入力側には、ガス温度検出センサ２２等の各種センサが接続されている。ＥＣＵの出力側には、ウォーターポンプ１０等の各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵは、ガス温度検出センサ２２の出力に基づいて圧縮された吸入空気の温度であるガス温度を算出する。ＥＣＵは、ウォーターポンプ１０に信号を出力して、ウォーターポンプ１０を駆動させる。

実施の形態１の冷却システムにおける冷却水の流れについて説明する。まず、ウォーターポンプ１０が駆動することで、冷却水が水冷インタークーラ１８に流入する。次に、水冷インタークーラ１８内において吸入空気と熱交換が行われた冷却水は、ラジエータ１６及び熱交換器１４に流入する。次に、ラジエータ１６で冷却された冷却水と熱交換器１４においてエンジン内部を流れる冷却水と熱交換が行われ加温された冷却水とがサーモスタット２０の設けられている箇所で合流する。そして、合流した冷却水は、サーモスタット２０によって温度調節された後、ウォーターポンプ１０によって水冷インタークーラ１８に送られる。

ところで、水冷インタークーラ１８において熱交換が行われた際に、冷却水が加熱されて沸点を超えることがある。この結果、水冷インタークーラ１８の冷却水通路の出口で冷却水が沸騰する可能性がある。冷却水の沸騰は、例えば、冷間時、低外気温度、高車速の際に発生しやすい。

ここで、冷却水流量を増やすことで熱交換時間が短くなり、水冷インタークーラ１８の冷却水通路の出口における冷却水温度を低下させることができる。しかしながら、冷却水流量を増加すると、水冷インタークーラ１８のガス通路の出口におけるガス温度が下がりやすくなる。これにより、水冷インタークーラ１８内に凝縮水が発生することがある。この結果、水冷インタークーラ１８のガス通路や筒内の壁面等の各部品が腐食するおそれがある。また、凝縮水が凍結することによる通路の閉塞やウォーターハンマが発生する可能性がある。

そこで、実施の形態１では、冷却水の沸騰を防止するとともに凝縮水の発生を防止する目的で、水冷インタークーラ１８に流入する冷却水の温度を調節する冷却水温度調節制御をおこなう。以下、冷却水温度調節制御について、図２を参照して説明する。

［冷却水温度調節制御］
図２は、冷却水温度調節制御について説明するための図である。図２には、要求ガス温度変換効率が実線で示されている。要求ガス温度変換効率は、冷却水温度調節制御が実行されるとまず算出される値であり、下記式（１）によって算出される。ここで、Ｔｇｉｎはガス温度検出センサ２２によって検出された温度であり、Ｔｔｒｇは水冷インタークーラ１８のガス通路の出口におけるガス温度の目標値であり、Ｔｗｉｎは水冷インタークーラ１８の冷却水通路の入口における冷却水温度の設定値あるいは計測値である。

以下、Ｔｗｉｎの設定について図３及び図４を参照して説明する。

図３は、外気温度と各種温度との関係を示した図である。図３には、外気温度が上昇するにつれてラジエータ１６の出口における冷却水温度も上昇する様子が示されている。また、外気温度が上昇するにつれて圧縮された吸入空気の露点温度も上昇する。そして、Ｔｗｉｎは、圧縮された吸入空気の露点温度より低く、かつラジエータ１６の出口における冷却水温度よりも高く設定される。

図４は、冷却水濃度と各種温度との関係を示した図である。図４には、冷却水中のクーラントの濃度が低いほどＴｗｉｎが高く設定される様子が示されている。

図２には、算出された要求ガス温度変換効率の例として、９４％、７６％があげられている。要求ガス温度変換効率が９４％になるのは、Ｔｇｉｎ＝１３０℃、Ｔｔｒｇ＝５０℃、Ｔｗｉｎ＝４５℃のときである。また、要求ガス温度変換効率が７６％になるのは、Ｔｇｉｎ＝１３０℃、Ｔｔｒｇ＝５０℃、Ｔｗｉｎ＝２５℃のときである。このように、Ｔｗｉｎが高いほど、要求ガス温度変換効率が高くなる。

次に、予めＥＣＵに記憶されているマップに算出された要求ガス温度変換効率が代入されることによって、冷却水流量及び要求冷却水温度変換効率が算出される。

図２には、具体例として、９４％の要求ガス温度変換効率から、２．６Ｌ／ｍｉｎの冷却水流量と３０％の要求冷却水温度変換効率が算出される様子が示されている。また、７６％の要求ガス温度変換効率から、０．５Ｌ／ｍｉｎの冷却水流量と７９％の要求冷却水温度変換効率が算出される様子が示されている。

要求冷却水温度変換効率が算出されると、下記式（２）から、水冷インタークーラの冷却水通路の出口における冷却水温度（Ｔｗｏｕｔ）を算出することができる。図２の例では、要求冷却水温度変換効率が７９％の場合、Ｔｗｏｕｔは１０８℃となる。また要求冷却水温度変換効率が３０％の場合、Ｔｗｏｕｔは７０℃となる。このように要求冷却水温度変換効率が高いほど、Ｔｗｏｕｔが高くなる。

ここで、冷却水の沸騰を防止するためには、Ｔｗｏｕｔを冷却水の沸点以下に抑える必要がある。このため、冷却水温度調節制御において、算出されたＴｗｏｕｔが冷却水の沸点より高い場合には、サーモスタット２０の設定温度が現在値より高く設定される。これにより、Ｔｗｉｎが現在の設定値より高くなる。Ｔｗｉｎが現在の設定値より高くなることにより、水冷インタークーラ１８に流入する冷却水と圧縮された空気との温度差を小さくしてエネルギーの移動速度を抑制することができる。この結果、Ｔｗｏｕｔの温度を低下させることができる。さらに、Ｔｗｉｎが現在の設定値より高くなることにより、要求ガス温度変換効率が高くなり、さらにウォーターポンプ１０の回転数が高くなり冷却水流量が増量される。これにより、熱交換時間が減少して単位流量当たりの受熱量が減少する。この結果、水冷インタークーラ１８内において圧縮された吸入空気が過冷却されることを防止できる。

冷却水温度調節制御を行うことで、水冷インタークーラ１８の冷却水通路の出口における冷却水を沸騰させることを防止するとともに、水冷インタークーラ１８の冷却水通路の出口におけるガス温度が露点温度以下になることを防止することができる。これにより、冷却水を沸騰させず、かつ水冷インタークーラ１８における凝縮水の発生を防止することができる。この結果、凝縮水による水冷インタークーラ、インジェクタ、筒内の壁面等の腐食を防止することができる。

なお、実施の形態１においては、サーモスタット２０が前記第１発明における「温度調節手段」に、ウォーターポンプ１０が前記第１発明における「流量調節手段」に、それぞれ相当する。

本発明における冷却水温度調節制御は、図１で説明した冷却システムに適応することに限られるものではない。以下、冷却水温度調節制御が適応できる冷却システムについて、図５及び図６を参照して説明する。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２の冷却システムを表した図である。図５には、水冷インタークーラ１８に流入する冷却水を、メカウォーターポンプ１２とウォーターポンプ１０とで制御する構成が示されている。具体的には、メカウォーターポンプ１２は、エンジン内部を流れる加温された冷却水を水冷インタークーラ１８に流入させる。ウォーターポンプ１０は、ラジエータ１６で冷却された冷却水を水冷インタークーラ１８に流入させる。そして、ウォーターポンプ１０の流量を制御することにより、水冷インタークーラ１８内の冷却水の温度を調節する。図５に表す冷却システムに冷却水温度調節制御を適用してもよい。

なお、実施の形態２においては、ウォーターポンプ１０が前記第１発明における「温度調節手段」及び「流量調節手段」に相当する。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３の冷却システムを表した図である。図６には、熱交換器１４、ラジエータ１６、そして水冷インタークーラ１８が、冷却水が循環する冷却水通路によって、それぞれ直列に連結されている。熱交換器１４には、エンジン内部を流れる加温された冷却水とラジエータ１６によって冷却された冷却水とが流入する。そして、熱交換器１４において冷却水の温度が調節され、温度調節された冷却水が水冷インタークーラ１８に流入する。図６に表す冷却システムに冷却水温度調節制御を適用してもよい。

なお、実施の形態３においては、熱交換器１４が前記第１発明における「温度調節手段」に、ウォーターポンプ１０が前記第１発明における「流量調節手段」に、それぞれ相当する。

１４ 熱交換器
１６ ラジエータ
１８ 水冷インタークーラ

Claims (1)

1. ガス通路と冷却水通路とを備える水冷式のインタークーラを備える過給エンジンの制御装置において、
   前記ガス通路の入口に設けられ、前記ガス通路の入口におけるガス温度を検出するセンサと、
   前記インタークーラへ供給する冷却水の温度を調節する温度調節手段と、
   前記インタークーラへ供給する冷却水の流量を調節する流量調節手段と、
   前記ガス通路の出口におけるガス温度の目標値と、前記センサによって検出されたガス温度と、前記冷却水通路の入口における冷却水温度の設定値あるいは計測値と、に基づいて要求ガス温度変換効率を算出する要求ガス温度変換効率算出手段と、
   前記要求ガス温度変換効率に基づいて要求冷却水温度変換効率を算出する要求冷却水温度変換効率算出手段と、
   前記要求冷却水温度変換効率と、前記冷却水通路の入口における冷却水温度の設定値あるいは計測値と、前記センサによって検出されたガス温度と、に基づいて前記冷却水通路の出口における冷却水温度を算出する冷却水出口温度算出手段と、を備え、
   前記冷却水通路の出口における冷却水温度が所定値を超える場合、前記温度調節手段は前記インタークーラへ供給する冷却水の温度を高くするとともに、前記流量調節手段は冷却水流量を増量することを特徴とする過給エンジンの制御装置。

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