JP2016094900A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲガスの供給量を変化させることなく酸性凝縮水の発生を防止する。
【解決手段】水冷式のインタークーラと、触媒と、ＥＧＲ装置と、を備えた内燃機関の制御装置において、ＥＧＲガスの露点温度を算出する露点温度算出手段と、空燃比をリッチ化して触媒から硫黄成分を排出する硫黄成分排出手段と、硫黄成分排出手段によって空燃比がリッチ化されているとき、触媒における硫黄成分の堆積位置を推定する硫黄成分堆積位置推定手段と、硫黄成分排出手段によって空燃比がリッチ化され、かつ、前記ＥＧＲ装置からＥＧＲガスが供給されていて、前記硫黄成分堆積位置推定手段によって推定された前記硫黄成分の堆積位置が所定位置より下流にある場合、前記インタークーラの通水温度を前記露点温度算出手段によって算出された露点温度より高く設定するインタークーラ温度設定手段と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図６

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来、ディーゼルエンジンのようにリーン燃焼を行う内燃機関では、窒素酸化物（以下、ＮＯｘという。）が比較的多く発生することが懸念されている。このＮＯｘの発生量を低減させるため、排気の一部を吸気通路に還流させる排気還流（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）装置が備えられることが知られている。特許文献１には、後述するＮＯｘ吸蔵還元型触媒より下流の排気通路とターボチャージャのタービンより上流の吸気通路とを接続するＥＧＲ通路を介して排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路に戻すＬＰＬ（Low Pressure Loop）ＥＧＲ装置を備えた内燃機関が開示されている。

また、特許文献１に開示されている内燃機関の排気通路には、排気中に含まれるＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ吸蔵還元型触媒が設けられている。ここで、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒には、燃焼で発生した硫黄酸化物が硫酸塩などの科学的に安定な物質として堆積することが知られている。この硫酸塩などがＮＯｘ吸蔵還元型触媒に堆積すると、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力が低下する。本明細書において、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に堆積する硫酸塩などの硫黄酸化物を硫黄成分という。

特許文献１では、上記硫黄成分をＮＯｘ吸蔵還元型触媒から排出する制御が開示されている。この制御は、空燃比をリッチ化してＮＯｘ吸蔵還元型触媒を還元雰囲気にすることにより、ＮＯｘ吸蔵材から硫黄成分を排出させる制御である。

ここで、上記の硫黄成分を排出させる制御によって排出された硫黄成分がＬＰＬＥＧＲ装置を介して吸気通路に流入することがある。そして、吸気通路に流入した硫黄成分が、吸気通路に設けられるインタークーラで発生した凝縮水に溶解されて酸性凝縮水が発生することがある。この酸性凝縮水は、吸気通路やインタークーラを腐食させる原因となる。

特許文献１では、上記酸性凝縮水の発生を防止するため、上記の硫黄成分を排出する制御とＥＧＲガスの供給量を変化させる制御とが協調して行われる。具体的には、上記の硫黄成分を排出させる制御を行う際に、ＬＰＬＥＧＲ装置からのＥＧＲガスの供給を停止するか、またはＥＧＲガスの供給量を減少させる制御が行われる。これによって、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒から放出された硫黄成分がＬＰＬＥＧＲ装置を介して吸気通路に流入することを防止することができる。

特開２０１３−２３１３６３号公報 特開平７−２９３３５６号公報

しかしながら、特許文献１の制御を実行すると、ＥＧＲガスの供給量が変化するため、ＮＯｘの発生量を低減できなくなる可能性がある。

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、ＥＧＲガスの供給量を変化させることなく酸性凝縮水の発生を防止する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。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、
吸気通路に設けられる水冷式のインタークーラと、
排気通路に設けられる触媒と、
前記触媒より下流の排気通路と前記インタークーラより上流の吸気通路とを接続するＥＧＲ通路を介して排気の一部をＥＧＲガスとして前記インタークーラより上流の吸気通路に戻すＥＧＲ装置と、を備えた内燃機関の制御装置において、
前記ＥＧＲガスの露点温度を算出する露点温度算出手段と、
空燃比をリッチ化して前記触媒から硫黄成分を排出する硫黄成分排出手段と、
前記硫黄成分排出手段によって空燃比がリッチ化されているとき、前記触媒における硫黄成分の堆積位置を推定する硫黄成分堆積位置推定手段と、
前記硫黄成分排出手段によって空燃比がリッチ化され、かつ、前記ＥＧＲ装置からＥＧＲガスが供給されていて、前記硫黄成分堆積位置推定手段によって推定された前記硫黄成分の堆積位置が所定位置より下流にある場合、前記インタークーラの通水温度を前記露点温度算出手段によって算出された露点温度より高く設定するインタークーラ温度設定手段と、
を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、触媒から排出された硫黄成分がインタークーラや吸気通路等で発生した凝縮水に溶解して酸性凝縮水となることを防止することができる。この結果、インタークーラや吸気通路の腐食を防止できる。

実施の形態１のシステムの構成を説明するための概略構成図である。 実施の形態１の冷却システムの構成を表した図である。 実施の形態１において、硫黄成分排出制御実行中の触媒に堆積している硫黄成分の移動について説明するための図である。 リッチ期間の積算時間をパラメータとして、硫黄成分の移動距離を求めるためのマップを示した図である。 リッチ期間の積算時間および触媒床温をパラメータとして、硫黄成分の移動距離を求めるためのマップを示した図である。 実施の形態１のＥＣＵで実行される酸性凝縮水発生防止ルーチンを表した図である。

実施の形態１．
［システムの構成］
図１は、実施の形態１のシステムの構成を説明するための概略構成図である。図１に示すシステムは、エンジン１０を備える。エンジン１０は、過給機付きディーゼルエンジンである。

実施の形態１では過給機として、排気を利用して吸気を圧縮するターボチャージャが採用されている。ターボチャージャは、吸気通路１８に設けられるコンプレッサ１６と排気通路３０に設けられるタービン２６とが軸を介在して連結される構造をとっている。

エンジン本体２４には、吸気通路１８が接続されている。吸気通路１８は、その入口にエアクリーナ（Ａ／ＣＬ）１２を備えている。エアクリーナ１２の下流には、第１のスロットルバルブ１４が設けられている。第１のスロットルバルブ１４の下流には、コンプレッサ１６が設けられている。コンプレッサ１６の下流には、水冷式のインタークーラ３８が設けられている。インタークーラ３８の下流には、第２のスロットルバルブ２０が設けられている。

インタークーラ３８には、冷却水を冷却するラジエータ４０が接続されている。ラジエータ４０には、冷却水を流すための電動ウォーターポンプ４２が設けられている。

エンジン本体２４には、排気通路３０が接続されている。排気通路３０には、エンジン本体２４から下流に向けて、タービン２６、触媒３２が設けられている。エンジン本体２４からの排気によりタービン２６が回転する。タービン２６が回転することにより、軸を介してコンプレッサ１６が回転して過給が行われている。また、タービン２６と触媒３２との間の排気通路３０には、排気燃料添加弁２８が取り付けられている。実施の形態１では、触媒３２として、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒（NSR：NOx Storage Reduction）が用いられる。

また、エンジン１０には、排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路１８に還流するＥＧＲ装置が２つ設けられている。以下にこれらのＥＧＲ装置について説明する。

１つ目のＥＧＲ装置として、ＨＰＬ（High Pressure Loop）ＥＧＲ装置が設けられている。図１において、ＨＰＬＥＧＲ通路２１、ＨＰＬＥＧＲバルブ２２がＨＰＬＥＧＲ装置を構成している。ＨＰＬＥＧＲ通路２１は、エンジン本体２４とタービン２６との間の排気通路３０と、第２のスロットルバルブ２０より下流の吸気通路１８とを接続している。

２つ目のＥＧＲ装置として、ＬＰＬ（Low Pressure Loop）ＥＧＲ装置が設けられている。図１において、ＬＰＬＥＧＲ通路３６、ＥＧＲクーラ３４、そしてＬＰＬＥＧＲバルブ３５がＬＰＬＥＧＲ装置を構成している。ＬＰＬＥＧＲ通路３６は、触媒３２より下流の排気通路３０と、コンプレッサ１６より上流の吸気通路１８とを接続している。

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、後述する温水温度センサ５４、通水温度センサ５８、吸気入口温度センサ６２、出口吸気温度センサ６４等の各種センサが接続されている。ＥＣＵの出力側には、第１のスロットルバルブ１４、第２のスロットルバルブ２０、電動ウォーターポンプ４２、ＨＰＬＥＧＲバルブ２２、ＬＰＬＥＧＲバルブ３５等の各種アクチュエータが接続されている。

実施の形態１の冷却システムは、エンジン本体２４内部に形成されているウォータージャケット、インタークーラ３８、そしてラジエータ４０のそれぞれに冷却水が循環する構成となっている。以下、この冷却システムについて、図２を参照して説明する。

図２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２に示す冷却システムは、エンジン本体２４、ラジエータ４０、そしてインタークーラ３８を備えている。

図２に示すように、エンジン本体２４とインタークーラ３８との循環系において、ラジエータ４０とエンジン本体２４とが並列になるように連結されている。エンジン本体２４の出口側の冷却水通路には、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５０及びサーモスタット５２が設けられている。さらに、サーモスタット５２より下流の冷却水通路には、流量制御弁５６が設けられている。また、ラジエータ４０の出口側の冷却水通路には、電動ウォーターポンプ４２が設けられている。電動ウォーターポンプ４２の下流には、逆止弁７０が設けられている。

この冷却システムには各種センサが取り付けられている。具体的には、図２に示すように、サーモスタット５２の下流には、温水温度センサ５４が取り付けられている。ラジエータ４０によって冷却された冷却水とエンジン本体２４によって加温された冷却水との合流部より下流の冷却水通路には、インタークーラ３８に流入する冷却水の温度である通水温度を検出する通水温度センサ５８が取り付けられている。インタークーラ３８の入口側の吸気通路１８には、入口温度センサ６２が取り付けられている。インタークーラ３８の出口側の吸気通路１８には、出口温度センサ６４が取り付けられている。

実施の形態１の冷却システムにおける冷却水の温度調節について説明する。エンジン本体２４によって加温された冷却水は、メカウォーターポンプ５０が駆動すると、サーモスタット５２を通過して流量制御弁５６まで流れる。一方、ラジエータ４０で冷却された冷却水は、メカウォーターポンプ５０が駆動すると逆止弁７０を通過する。そして、流量制御弁５６を通過した加温された冷却水とラジエータ４０で冷却された冷却水とが合流する。この合流した冷却水の温度が通水温度センサ５８によって検出される。そして、通水温度センサ５８で検出した通水温度が目標通水温度になるように流量制御弁５６を制御することで、所望の通水温度に調節できる。

ところで、触媒３２には、エンジン本体２４における燃焼で発生した硫黄成分が堆積することが知られている。硫黄成分が堆積すると、触媒３２のＮＯｘ吸蔵能力が低下する。このため、実施の形態１では、触媒３２の硫黄成分を排出する硫黄成分排出制御が行われる。

硫黄成分排出制御では、まず空燃比のリーンな状態で排気通路３０への燃料供給やポスト噴射が行われ、その酸化反応熱によって触媒３２の床温を所定値以上に上昇させる。その後、空燃比をリッチ化させて触媒３２を還元雰囲気にすることにより、ＮＯｘ吸蔵材から硫黄成分を排出させて還元浄化する。以下、硫黄成分排出制御実行中の触媒３２における硫黄成分の移動の様子について、図３を参照して説明する。

図３は、実施の形態１において、硫黄成分排出制御実行中の触媒３２に堆積している硫黄成分の移動について説明するための図である。図３（Ａ）は、硫黄成分排出制御が行われる前の触媒３２における硫黄成分の堆積位置について示した図である。図３（Ａ）に示すように、触媒３２の上流側は、触媒３２の下流側、つまり触媒３２の長手方向に比べて硫黄成分の堆積量が多い。これは、燃焼で発生した硫黄成分は排気に含まれているため、触媒３２の上流側に堆積しやすいからである。

図３（Ｂ）は、硫黄成分排出制御実行中の触媒３２における硫黄成分の堆積位置が移動する様子を表している。図３（Ｂ）のＸは、硫黄成分の堆積量ピーク位置を示している。ここで、硫黄成分排出制御が行われると、硫黄成分が触媒３２の長手方向に移動する。このため、硫黄成分排出制御が実行されると、硫黄成分の堆積量ピーク位置が触媒３２の長手方向に移動していく。そして、硫黄成分が触媒３２の最下流に到達すると、硫黄成分が触媒３２から排出される。また、図３（Ｂ）には、所定位置が示されている。この所定位置は、硫黄成分が触媒３２から排出されるタイミングを把握するための指標となる位置である。

ここで、硫黄成分排出制御を実行した際に、触媒３２から排出された硫黄成分がＬＰＬＥＧＲ通路３６を通過して、インタークーラ３８に流入することがある。このときに、インタークーラ３８で凝縮水が発生していると、その凝縮水に硫黄成分が溶解して酸性凝縮水が発生する。酸性凝縮水は、インタークーラ３８や吸気通路１８の腐食の原因となる。

そこで、実施の形態１では、酸性凝縮水発生防止制御が行われる。具体的には、硫黄成分排出制御中に、触媒３２における硫黄成分の堆積位置を推定する硫黄成分堆積位置推定制御が実行される。そして、推定した硫黄成分の堆積位置に基づいて硫黄成分が排出されると判定された場合、インタークーラ３８の通水温度をＬＰＬＥＧＲ装置から導入されるＥＧＲガスの露点温度よりも高くなるように設定される。これによって、インタークーラ３８で凝縮水が発生しにくい状態になる。この結果、硫黄成分がインタークーラ３８に流入した場合でも酸性凝縮水の発生を防止することができる。以下、硫黄成分堆積位置推定制御で用いられるマップについて、図４及び図５を参照して説明する。

図４は、リッチ期間の積算時間をパラメータとして、硫黄成分の移動距離を求めるためのマップを示した図である。このようにリッチ期間の積算時間が長いほど硫黄成分の移動距離は長くなり、上記堆積量ピーク位置が、触媒３２の下流側に移動していくことになる。このリッチ期間の長さと、上記堆積量ピーク位置との関係は予め実験により求められている。

図５は、リッチ期間の積算時間および触媒床温をパラメータとして、硫黄成分の移動距離を求めるためのマップを示した図である。このようにリッチ期間の積算時間が長いほど、また、触媒床温が高いほど硫黄成分の移動距離は長くなり、上記堆積量ピーク位置が、触媒３２の下流側に移動していくことになる。

以下、実施の形態１で実行される酸性凝縮水発生防止制御の具体的な処理内容について図６を参照して説明する。

［酸性凝縮水発生防止ルーチン］
図６は、実施の形態１のＥＣＵで実行される酸性凝縮水発生防止ルーチンを表した図である。ＥＣＵは、本ルーチンを記憶するためのメモリーを有している。ＥＣＵは、記憶した本ルーチンを実行するためのプロセッサを有している。

まず、ＥＣＵは、硫黄成分排出制御を実行する（Ｓ１００）。ＥＣＵは、空燃比をリッチ化することで触媒３２に堆積している硫黄成分を排出する。

次に、ＥＣＵは、硫黄成分の堆積量ピーク位置を推定する（Ｓ１０２）。ＥＣＵには、図４及び図５で説明したマップが記憶されている。ＥＣＵは、記憶されているマップを用いて、触媒３２における硫黄成分の堆積量ピーク位置を推定する。

次に、ＥＣＵは、硫黄成分の堆積量ピーク位置が所定位置より下流まで移動したか否かを判定する（Ｓ１０４）。硫黄成分の堆積量ピーク位置が所定位置より下流まで移動していないと判定された場合、インタークーラ３８の通水温度は成り行きで制御される（Ｓ１０６）。次に、ＥＣＵは、硫黄成分排出制御が終了したか否かを判定する（Ｓ１１０）。硫黄成分排出制御が終了していない場合、Ｓ１０２が再度実行される。一方、硫黄成分排出制御が終了したと判定された場合、本ルーチンは終了する。

一方、Ｓ１０４において、硫黄成分の堆積量ピーク位置が所定位置より下流まで移動したと判定された場合、インタークーラ３８の通水温度がＥＧＲガスの露点温度よりも高くなるように制御される（Ｓ１０８）。次に、ＥＣＵは、硫黄成分排出制御が終了したか否かを判定する（Ｓ１１０）。硫黄成分排出制御が終了していない場合、Ｓ１０２が再度実行される。一方、硫黄成分排出制御が終了したと判定された場合、本ルーチンは終了する。

実施の形態１では、ディーゼルエンジンにおいて、酸性凝縮水の発生を防止するための制御を適用したがこれに限るものではない。例えば、ガソリンエンジンに対しても本制御を適用することができる。

１０ エンジン
１８ 吸気通路
２４ エンジン本体
３０ 排気通路
３２ 触媒
３８ インタークーラ
４０ ラジエータ
４２ 電動ウォーターポンプ

Claims (1)

1. 吸気通路に設けられる水冷式のインタークーラと、
   排気通路に設けられる触媒と、
   前記触媒より下流の排気通路と前記インタークーラより上流の吸気通路とを接続するＥＧＲ通路を介して排気の一部をＥＧＲガスとして前記インタークーラより上流の吸気通路に戻すＥＧＲ装置と、を備えた内燃機関の制御装置において、
   前記ＥＧＲガスの露点温度を算出する露点温度算出手段と、
   空燃比をリッチ化して前記触媒から硫黄成分を排出する硫黄成分排出手段と、
   前記硫黄成分排出手段によって空燃比がリッチ化されているとき、前記触媒における硫黄成分の堆積位置を推定する硫黄成分堆積位置推定手段と、
   前記硫黄成分排出手段によって空燃比がリッチ化され、かつ、前記ＥＧＲ装置からＥＧＲガスが供給されていて、前記硫黄成分堆積位置推定手段によって推定された前記硫黄成分の堆積位置が所定位置より下流にある場合、前記インタークーラの通水温度を前記露点温度算出手段によって算出された露点温度より高く設定するインタークーラ温度設定手段と、
   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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