JP2017193999A - 内燃機関 - Google Patents

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Abstract

【課題】インタークーラやEGRクーラといった冷却部でのガスの冷却に伴う凝縮水の発生自体を抑えることのできる新規な内燃機関の構成を提供する。【解決手段】内燃機関1は、LPL−EGRシステムに加え、新気用とEGRガス用の2つの水蒸気分離膜モジュールを備えている。新気用のモジュール34は、EGR通路28の接続部とエアクリーナ16の間の吸気通路12に設けられている。EGRガス用のモジュール36は、EGRクーラ32よりも上流側のEGR通路28に設けられている。モジュール34は吸引通路38を介して減圧ポンプ40と接続され、モジュール36は吸引通路42を介して減圧ポンプ44に接続されている。【選択図】図1

Description

この発明は内燃機関に関する。
従来、EGR通路を介して過給機のタービンよりも下流側の排気通路に流す排気の一部を、当該過給機のコンプレッサよりも上流側の吸気通路に還流させるEGRシステムを備える内燃機関が公知である。このようなEGRシステムは、EGR通路を介してタービンよりも上流側の排気通路に流す排気の一部を、コンプレッサよりも下流側の吸気通路に還流させるEGRシステムと区別して、LPL−EGRシステムと称される。
LPL−EGRシステムを備える内燃機関に関し、例えば特開2015−209782号公報には、コンプレッサよりも下流側の吸気通路に設けられて当該コンプレッサで圧縮したガス(新気または新気とEGRガスの混合ガス)を冷却するインタークーラと、当該インタークーラの直下流であって重力方向下側の吸気通路の内壁面に形成された溝と、を備える内燃機関が開示されている。インタークーラを通過することでガス中の水蒸気が露点以下まで冷やされると凝縮水が発生する。この点、上記公報の機関構成によれば、インタークーラでの冷却に伴い発生した凝縮水を上記溝内に一時的に捕集することができる。
特開2015−209782号公報
ところで上記公報では、上述した機関構成において、EGRガスの還流中に車両を減速させる場合であって、EGRガスと凝縮水の両者が筒内に流入することが予測されたときに、EGRガスの吸気通路への還流を制限する制御を行っている。この制御自体は、車両減速時にEGRガスと凝縮水の両者が筒内に流入することで起こる燃焼悪化への対策として有効である。しかし、上記溝の構成が凝縮水を一時的に捕集する構成であり、また、上記溝の容量にも上限があることから、上記溝から溢れ出た凝縮水が意図しないタイミングで筒内に流入して失火を引き起こす可能性が少なくない。
また、LPL−EGRシステムでは、EGRガスを冷却するEGRクーラをEGR通路に設けることが一般的であり、当該EGRクーラでは上述したインタークーラでの現象と同様の現象が認められる。すなわち、EGRクーラを通過することでEGRガス中の水蒸気が露点以下まで冷やされると凝縮水が発生する。そして、上記公報では言及されていないが、EGRクーラでの冷却に伴い発生した凝縮水にEGRガス中の成分が溶解すると凝縮水が酸性化し、EGRクーラを通過したEGRガスの経路上に、すなわち吸気通路上に位置するコンプレッサやインタークーラを腐食する原因となる。
しかし、上記公報にはEGRクーラが開示されていないことから、上記公報の機関構成ではEGRクーラでのEGRガスの冷却に伴う凝縮水の酸性化を抑えることができるかどうかがそもそも不明である。また、このような酸性化は、上記溝に一時的に捕集した凝縮水においても同様に起こり得る。しかし、上記公報の機関構成はインタークーラでのガスの冷却に伴う凝縮水の発生を許容するものである。従って上記公報の機関構成では、インタークーラでのガスの冷却に伴う凝縮水の酸性化を抑えることもできない。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、インタークーラやEGRクーラといった冷却部でのガスの冷却に伴う凝縮水の発生自体を抑えることのできる新規な内燃機関の構成を提供することにある。
本発明に係る内燃機関は、ガス通路と、冷却部と、水蒸気分離部と、減圧部とを備えている。前記ガス通路には、筒内に流入するガスが流れる。前記冷却部は、前記ガス通路に設けられて前記筒内に流入するガスを冷却する。前記水蒸気分離部は、前記冷却部よりもガス流れ方向の上流側において前記ガス通路の一部を構成するものであり、水蒸気分圧の異なる2つの空間を隔てるように設置された場合に水蒸気分圧が高い空間から水蒸気分圧の低い空間に向かって水蒸気を透過させる水蒸気透過膜を備えている。前記減圧部は、前記ガス通路から前記水蒸気分離部に流入したガスが流れる前記水蒸気透過膜の内側の空間と、前記水蒸気透過膜によって前記内側の空間と隔てられた外側の空間との間に水蒸気分圧の差が生じるように、前記外側の空間の水蒸気分圧を減圧する。
前記水蒸気透過膜の内側の空間と、前記水蒸気透過膜によって前記内側の空間と隔てられた外側の空間との間に水蒸気分圧の差が生じるように、前記外側の空間の水蒸気分圧を減圧することで、筒内に流入するガスに含まれる水蒸気が前記内側の空間から前記外側の空間に向かって移動する。つまり、前記冷却部での冷却に先駆けて、筒内に流入するガスから水蒸気が取り除かれる。
本発明に係る内燃機関は、減圧量調整部を更に備えていてもよい。前記減圧量調整部は、前記ガス通路の前記冷却部よりもガス流れ方向の下流側における相対湿度が100%よりも高くなることが予測される場合、前記相対湿度が100%と実質的に等しくなるように、前記減圧部によって減圧する前記外側の空間の水蒸気分圧の減圧量を調整する。
前記ガス通路の前記冷却部よりもガス流れ方向の下流側における相対湿度が100%よりも高くなることが予測される場合において、前記相対湿度が100%と実質的に等しくなるように、前記減圧部によって減圧する前記外側の空間の水蒸気分圧の減圧量を調整することで、前記冷却部でのガスの冷却に伴う凝縮水の発生を抑えるのに最低限必要な水蒸気が前記内側の空間から前記外側の空間に向かって移動する。なお、本明細書において、「相対湿度が100%と実質的に等しくなる」とは、相対湿度が100%と等しくなる場合だけでなく、相対湿度が100%よりも低いものの、100%と等しいと見做すことができる場合をも含むことを意味している。
本発明に係る内燃機関において、前記減圧部によって減圧する前記外側の空間の水蒸気分圧の減圧量が、前記筒内に流入する新気の湿度が高いほど増やされてもよい。また、前記ガス通路に設けられた過給機のコンプレッサよりもガス流れ方向の下流側における圧力が高いほど前記減圧量が増やされてもよい。また、前記冷却部において前記筒内に流入するガスと熱交換させる冷却水の温度が低いほど前記減圧量が増やされてもよい。また、前記冷却部において前記筒内に流入するガスと熱交換させる冷却水の流量が多いほど前記減圧量が増やされてもよい。
本発明に係る内燃機関において、前記ガス通路は、吸気通路と排気通路を接続するEGR通路であってもよい。この場合、前記冷却部は、前記EGR通路内を流れるEGRガスを冷却するEGRクーラであり、前記水蒸気分離部は、前記EGR通路のうちの前記EGRクーラよりもガス流れ方向の上流側において前記EGR通路の一部を構成する。
本発明に係る内燃機関において、前記ガス通路は、過給機のコンプレッサが設けられた吸気通路であってもよい。この場合、前記冷却部は、前記コンプレッサで圧縮されたガスを冷却するインタークーラであり、前記水蒸気分離部は、前記吸気通路のうちの前記コンプレッサよりもガス流れ方向の上流側において前記吸気通路の一部を構成する。
本発明に係る内燃機関において、前記ガス通路は、過給機のコンプレッサが設けられた吸気通路、および、前記吸気通路のうちの前記コンプレッサよりもガス流れ方向の上流側と、排気通路のうちの前記過給機のタービンよりもガス流れ方向の下流側とを接続するEGR通路であってもよい。この場合、前記冷却部は、前記コンプレッサで圧縮されたガスを冷却するインタークーラ、および、前記EGR通路内を流れるEGRガスを冷却するEGRクーラであり、前記水蒸気分離部は、前記吸気通路のうちの前記EGR通路との接続部よりもガス流れ方向の上流側において前記吸気通路の一部を構成すると共に、前記EGR通路のうちの前記EGRクーラよりもガス流れ方向の上流側において前記EGR通路の一部を構成する。
本発明に係る内燃機関によれば、インタークーラやEGRクーラといった冷却部でのガスの冷却に伴う凝縮水の発生自体を抑えることができる。
本発明の実施の形態1に係る内燃機関の全体構成を示す概略図である。 モジュール34,36の構成を示す概略図である。 モジュール34,36に流入したガスの流れを説明する図である。 管状膜48における水蒸気の透過原理を説明する図である。 凝縮水の発生原理を示した図である。 本発明の実施の形態1の構成による効果を説明する図である。 外壁面48bを囲む空間の水蒸気分圧を相対的に低くする他の手段を説明する図である。 本発明の実施の形態2に係る内燃機関の全体構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態2に係るバルブ制御の概要を説明する図である。 本発明の実施の形態2において、ECU70により実行される処理の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態2において、ECU70により実行される処理の一例を示すフローチャートである。 分離限界値cを使用してモジュール34,36での水蒸気の目標分離量を算出する場合において、ECU70により実行される処理の一例を示すフローチャートである。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
先ず、図1乃至図7を参照して、本発明の実施の形態1について説明する。
[内燃機関の構成の説明]
図1は、本発明の実施の形態1に係る内燃機関の全体構成を示す概略図である。図1に示す内燃機関1は、車両等に搭載されるLPL−EGRシステム付きの内燃機関である。内燃機関1は、直列4気筒型のエンジン本体10を備えている。但し、エンジン本体10の気筒数および気筒配列はこれに限定されない。エンジン本体10の各気筒には、吸気通路12および排気通路14が接続されている。
吸気通路12の入口近傍には、エアクリーナ16が取り付けられている。エアクリーナ16の下流には、過給機18のコンプレッサ18aが設置されている。コンプレッサ18aは、排気通路14に配置されたタービン18bの回転により駆動される。コンプレッサ18aよりも下流側の吸気通路12には、電子制御式のスロットルバルブ20が設けられている。スロットルバルブ20よりも下流側の吸気通路12は、各気筒の吸気ポート(図示省略)に接続されるサージタンク22が設けられている。サージタンク22には、コンプレッサ18aで圧縮されたガスを冷却するインタークーラ24が内蔵されている。
排気通路14のタービン18bよりも下流側には、エンジン本体10の各気筒からの排気を浄化する触媒(一例として三元触媒)26が備えられている。触媒26よりも下流側の排気通路14には、EGR通路28の一端が接続されている。EGR通路28の他端は、コンプレッサ18aよりも上流側の吸気通路12と接続されている。EGR通路28の途中には、EGRバルブ30が設けられている。EGRバルブ30を開くことで、排気通路14を流れる排気の一部がEGRガスとして吸気通路12に導入される。EGRバルブ30よりも上流側(EGRガスの流れ方向の上流側)のEGR通路28には、EGR通路28を流れるEGRガスを冷却するEGRクーラ32が設けられている。
過給機18、インタークーラ24、EGR通路28、EGRバルブ30やEGRクーラ32が、LPL−EGRシステムを構成する。本実施の形態の内燃機関1は、このようなLPL−EGRシステムに加え、新気用とEGRガス用の2つの水蒸気分離膜モジュールを備えている。新気用のモジュール34は、EGR通路28の接続部とエアクリーナ16の間の吸気通路12に設けられている。一方、EGRガス用のモジュール36は、EGRクーラ32よりも上流側のEGR通路28に設けられている。モジュール34とモジュール36の基本的な構成は共通しており、モジュール34は吸引通路38を介して減圧ポンプ40と接続され、モジュール36は吸引通路42を介して減圧ポンプ44に接続されている。
[水蒸気分離膜モジュールの構成の説明]
図2は、モジュール34,36の構成を示す概略図である。図2に示すように、モジュール34,36は、円管状のハウジング46と、ハウジング46内に充填された多数の管状膜48と、を備えている。ハウジング46は、例えば樹脂から構成され、その側面には、図1に示した吸引通路38,42の一端に接続される排出口50が形成されている。モジュール34のハウジング46の側面は吸気通路12の外壁面と連続し、モジュール36のハウジング46の側面はEGR通路28の外壁面と連続している。つまり、モジュール34のハウジング46の側面は、吸気通路12の外壁面の一部を構成し、モジュール36のハウジング46の側面は、EGR通路28の外壁面の一部を構成している。管状膜48は、例えば親水性高分子、ゼオライト等から構成された中空糸膜であり、内壁面48aと外壁面48bとを備えている。管状膜48のそれぞれは、ハウジング46の開口方向(図2中に示す矢印の方向)に沿って互いに平行かつ密に集合すると共に、ハウジング46に対して一体的に固定されている。
ハウジング46の一端からモジュール34に流入した新気、または、ハウジング46の一端からモジュール36に流入したEGRガスは、ハウジング46の他端から排出される。図3は、モジュール34,36に流入したガスの流れを説明する図であり、この図には図2に示した多数の管状膜48のうちの1本が描かれている。この図に太い矢印で示すように、管状膜48に流入したガスは、内壁面48aの内側を流れて下流に向かう。また、膜厚方向に細い矢印で示すように、内壁面48aの内側を流れるガスに含まれる水蒸気の一部は、内壁面48aから外壁面48bに向かって管状膜48の内部を移動する。
管状膜48の膜厚方向に水蒸気の一部が移動する理由は、管状膜48を隔てた2つの空間の水蒸気分圧に差が生じているからである。図4は、管状膜48における水蒸気の透過原理を説明する図であり、この図には図3に示した管状膜48の一部が模式的に描かれている。図4に示す管状膜48の左方空間の水蒸気分圧pが右方空間の水蒸気分圧pより高い場合、左方空間との界面を形成する管状膜48の表面に水蒸気が溶解することで膜内に濃度勾配が生じ、この濃度勾配を駆動力として、左方空間側から右方空間側に水蒸気(より正確には水分子)が移動する。この水蒸気の移動は、2つの空間の水蒸気分圧差Δp(=p−p)が無くなるまで続く。なお、管状膜48は、水蒸気以外のガスが内部移動し難い構成とされており、故に、基本的には水蒸気のみが管状膜48を隔てた2つの空間を移動する。
[実施の形態1における水蒸気分離]
本実施の形態では、図1に示した減圧ポンプ40,44が駆動されており、減圧ポンプ40,44よりも下流側の吸引通路38,42に送り出されるガス量が所定量に保たれている。そのため、減圧ポンプ40,44の駆動中は、図3に示した内壁面48aによって囲まれる空間よりも、外壁面48bを囲む空間の方が水蒸気分圧において低くなる。モジュール34では、内壁面48aの内側を流れる新気に含まれる水蒸気の一部が、内壁面48aから外壁面48bに向かって移動する。そして、外壁面48bを囲む空間に移動した水蒸気は、排出口50を介して吸引通路38に流入する。モジュール36においても同様である。すなわち、モジュール36では、内壁面48aの内側を流れるEGRガスに含まれる水蒸気の一部が外壁面48bを囲む空間に移動し、排出口50を介して吸引通路42に流入する。
内壁面48aの内側から吸引通路38(または吸引通路42)に流入した水蒸気は、吸引通路38(または吸引通路42)の減圧ポンプ40(または減圧ポンプ44)よりも下流側にそのまま放出され、または、当該下流側において収集される。一方、吸引通路38に流入しなかった水蒸気、つまり、モジュール34の内壁面48aから外壁面48bに向かって移動しなかった水蒸気は、新気と共に内壁面48aの内側を流れ、モジュール34の下流に位置するコンプレッサ18aに向かう。同様に、吸引通路42に流入しなかった水蒸気、つまり、モジュール36の内壁面48aから外壁面48bに向かって移動しなかった水蒸気は、EGRガスと共に内壁面48aの内側を流れ、モジュール36の下流に位置するEGRクーラ32に向かう。
図5は、凝縮水の発生原理を示した図である。この図に「圧縮、冷却前」として示す相対湿度が100%未満のガスを等圧条件のもとで冷却した場合において、当該ガスの水蒸気分圧が低下して飽和水蒸気圧を上回ったときに凝縮水が発生する。「圧縮、冷却前」のガスを等温条件のもとで圧縮した場合において、当該ガスの水蒸気分圧が上昇して飽和水蒸気圧を上回ったときにも凝縮水が発生する。この原理に従えば、図1に示したインタークーラ24での冷却に伴い、ガス(新気または新気とEGRガスの混合ガスをいう。以下、新気とEGRガスの混合ガスを単に「混合ガス」と称す。また、新気または混合ガスを「ガス(新気または混合ガス)」と称す。)中の水蒸気分圧が飽和水蒸気圧を上回ったときに凝縮水が発生することになる。EGRクーラ32での冷却に伴いEGRガス中の水蒸気分圧が飽和水蒸気圧を上回ったとき、および、コンプレッサ18aでの圧縮に伴いガス(新気または混合ガス)中の水蒸気分圧が飽和水蒸気圧を上回ったときにも、凝縮水が発生することになる。
この点、図2乃至図3で説明した管状膜48は、水蒸気以外のガスが透過し難い構成とされているので、減圧ポンプ40,44を駆動することで、インタークーラ24に流入する前のガス(新気または混合ガス)や、EGRクーラ32に流入する前のEGRガスから、水蒸気を選択的に取り除くことができる。図6は、本発明の実施の形態1の構成による効果を説明する図である。図5と図6を比較すると分かるように、本実施の形態によれば、圧縮後、または、冷却後に凝縮水が発生しそうな状態にある「圧縮、冷却前」のガス中の水蒸気分圧を予め下げておくことができる。従って、図1に示したコンプレッサ18aでの圧縮、インタークーラ24やEGRクーラ32での冷却に伴う凝縮水の発生を抑えることができる。
なお、上記実施の形態1においては、図1に示した吸気通路12およびEGR通路28が本発明の「ガス通路」に、図1に示したインタークーラ24およびEGRクーラ32が本発明の「冷却部」に、図2乃至図3に示した管状膜48が本発明の「水蒸気透過膜」に、図2に示したモジュール34,36が本発明の「水蒸気分離部」に、図1に示した吸引通路38,42および減圧ポンプ40,44が本発明の「減圧部」に、それぞれ相当している。
[減圧部の他の構成例]
ところで、上記実施の形態1では、モジュール34,36と組み合わせた減圧ポンプ40,44の駆動によって、内壁面48aで囲まれる空間よりも外壁面48bを囲む空間の水蒸気分圧を低くした。しかし、減圧ポンプ40,44とは異なる手段によって外壁面48bを囲む空間の水蒸気分圧を相対的に低くしてもよい。図7は、外壁面48bを囲む空間の水蒸気分圧を相対的に低くする他の手段を説明する図である。この図に示すハウジング52は、図2に示したハウジング46の代わりにモジュール34,36に備え付けられるものであり、その側面には、供給口54と排出口56が形成されている。供給口54は乾燥ガス(パージガス)を送り出すガス供給装置(図示しない)に接続されており、排出口56は大気開放されている。モジュール34,36が備える管状膜48の構成については、図3の説明の際に述べたとおりである。
図4の説明の際に述べたように、管状膜48は水蒸気以外のガスが内部移動し難い膜構成とされていることから、ガス供給装置の駆動によって供給口54からハウジング52の内部に流入した乾燥ガスは、管状膜48の内部を移動することなく外壁面48bに沿って流れ、排出口56に向かう。乾燥ガスが外壁面48bに沿って流れることで、外壁面48bを囲む空間の水蒸気分圧が内壁面48aによって囲まれる空間の水蒸気分圧よりも低くなるので、図4で説明した水蒸気の移動が起こることになる。このように、モジュール34,36と組み合わせたガス供給装置の駆動によっても、外壁面48bを囲む空間の水蒸気分圧を相対的に低くできる。
[モジュールの他の構成例]
また、上記実施の形態1では、モジュール34,36が多数の管状膜48を備える中空糸タイプであることを前提として説明した。しかし、中空糸タイプのモジュール構造に代えて、ハニカムモノリスタイプのモジュール構造、平膜タイプのモジュール構造、または、シェルアンドチューブタイプのモジュール構造を採用することができる。中空糸タイプのモジュール構造と同様に、新気やEGRガスから水蒸気のみを分離できる機能を有する限りにおいて、モジュール構造は各種の変形が可能である。
[内燃機関の他の構成例]
また、上記実施の形態1では、LPL−EGRシステムを前提として説明した。しかし本発明は、LPL−EGRシステムから図1に示したEGR通路28、EGRクーラ32等を除いた非EGR−過給システムにも適用することができ、また、LPL−EGRシステムから図1に示した過給機18やインタークーラ24等を除いた非過給−EGRシステムにも適用することができる。
具体的に、非EGR−過給システムを前提とする場合は、モジュール36の無いモジュール34のみを備える機関構成となる。この場合は、モジュール34と組み合わせた減圧ポンプ40の駆動によって、図1に示したコンプレッサ18aでの圧縮やインタークーラ24での冷却に伴う凝縮水の発生を抑えることができる。一方、非過給−EGRシステムを前提とする場合には、上記実施の形態1と同様にモジュール34,36を備える機関構成、または、モジュール36のみを備える機関構成となる。モジュール34,36を備える場合は、上記実施の形態1と同様に、両モジュールと組み合わせた減圧ポンプ40,44の駆動によって、EGRクーラ32での冷却に伴う凝縮水の発生を抑えることができる。モジュール36のみを備える機関構成の場合は、モジュール36と組み合わせた減圧ポンプ44の駆動によって、EGRクーラ32での冷却に伴う凝縮水の発生を抑えることができる。
[減圧ポンプの他の駆動例]
また、上記実施の形態1では、図1に示した減圧ポンプ40,44よりも下流側の吸引通路38,42に送り出すガス量を所定量に保った。しかし、減圧ポンプ40,44よりも下流側の吸引通路38,42に送り出すガス量を可変にしてもよい。
例えば、新気の湿度が高いほどインタークーラ24およびEGRクーラ32において凝縮水が発生し易くなるので、当該湿度が高いほど吸引通路38,42に送り出すガス量を増やしてもよい。また、コンプレッサ18aよりも下流側かつインタークーラ24の上流側のガスの圧力(過給圧)が高いほどインタークーラ24およびEGRクーラ32において凝縮水が発生し易くなるので、過給圧が高いほど吸引通路38,42に送り出すガス量を増やしてもよい。
また、インタークーラ24においてガス(新気または混合ガス)と熱交換させる冷却水の温度が低いほど凝縮水が発生し易くなるので、当該温度が低いほど吸引通路38に送り出すガス量を増やしてもよい。この熱媒体の流量が多いほど凝縮水が発生し易くなるので、当該流量が多いほど吸引通路38に送り出すガス量を増やしてもよい。
また、EGRクーラ32においてEGRガスと熱交換する冷却水の温度が低いほど凝縮水が発生し易くなるので、当該温度が低いほど吸引通路42に送り出すガス量を増やしてもよい。また、この熱媒体の流量が多いほど凝縮水が発生し易くなるので、当該流量が多いほど吸引通路42に送り出すガス量を増やしてもよい。
実施の形態2.
次に、図8乃至図12を参照して、本発明の実施の形態2について説明する。
[内燃機関の構成の説明]
図8は、本発明の実施の形態2に係る内燃機関の全体構成を示す概略図である。図8に示す内燃機関2は、LPL−EGRシステムと、新気用とEGRガス用の2つの水蒸気分離膜モジュール(つまり、モジュール34,36)を備える構成において図1に示した内燃機関1と共通する。従って、これらの構成の説明については省略する。
図8に示す内燃機関2は、減圧ポンプ40よりも上流側の吸引通路38に設けられた制御バルブ60と、減圧ポンプ44よりも上流側の吸引通路42に設けられた制御バルブ62と、これらの開度を制御するECU70と、を備えている。制御バルブ60,62は何れも電子制御式のバルブであり、ECU70の出力側に接続されている。上記実施の形態1同様、本実施の形態においても、減圧ポンプ40,44よりも下流側に向けて送り出されるガス量が所定量に保たれている。
図8に示したECU70の入力側には、各種センサが接続されている。各種センサには、エアクリーナ16の近傍に取り付けられて新気流量Gaを検出するエアフローメータ71、大気温度Tを検出する温度センサ72、大気圧力Pを検出する圧力センサ73、大気湿度RHを検出する湿度センサ74が含まれる。また、各種センサには、エンジン本体10の気筒に流入するガス(新気または混合ガス)の温度と圧力をそれぞれ検出する複数の温度センサと複数の圧力センサが更に含まれる。
これらのセンサは具体的に次のとおりである。すなわち、コンプレッサ18aよりも下流側かつインタークーラ24の上流側のガスの温度(以下「I/C前温度」と称す。)TI/Cinを検出する温度センサ75、コンプレッサ18aよりも下流側かつインタークーラ24の上流側のガスの圧力(以下「I/C前圧力」と称す。)PI/Cinを検出する圧力センサ76、インタークーラ24よりも下流側のガスの温度(以下「I/C後温度」と称す。)TI/Coutを検出する温度センサ77、EGRクーラ32よりも上流側のガスの温度(以下「EGR/C前温度」と称す。)TEGR/Cinを検出する温度センサ78、EGRクーラ32よりも上流側のガスの圧力(以下「EGR/C前圧力」と称す。)PEGR/Cinを検出する圧力センサ79、および、EGRクーラ32よりも下流側のガスの温度(以下「EGR/C後温度」と称す。)TEGR/Coutを検出する温度センサ80である。
[実施の形態2における水蒸気分離]
上記実施の形態1では、モジュール34,36と組み合わせた減圧ポンプ40,44の駆動によって、インタークーラ24に流入する前のガス(新気または混合ガス)や、EGRクーラ32に流入する前のEGRガスから、水蒸気を選択的に取り除いた。しかし、インタークーラ24等に流入するガス(新気または混合ガス)中の水蒸気分圧(つまり、図5に示した「圧縮、冷却前」のガス中の水蒸気分圧)がそもそも高い場合には、新気やEGRガスから水蒸気を取り除いたにも関わらず凝縮水が発生してしまう可能性がある。また、水の比熱は比較的大きいことから、モジュール34,36で必要以上に水蒸気を分離してしまうと、筒内での燃焼温度が上昇してNOxの発生量が増えてしまう。
そこで本実施の形態では、ECU70においてインタークーラ24の下流におけるガス(新気または混合ガス)中の水蒸気分圧と、EGRクーラ32の下流におけるEGRガス中の水蒸気分圧とを予測する。そして、予測したインタークーラ24の下流におけるガス(新気または混合ガス)中の水蒸気分圧が、インタークーラ24の下流における飽和水蒸気圧よりも高い場合には、当該水蒸気分圧が当該飽和水蒸気圧と実質的に等しくなるように制御バルブ60の開度を調整する。つまり、インタークーラ24の下流の相対湿度が100%よりも高くなることが予測される場合には、この相対湿度が100%と実質的に等しくなるように制御バルブ60の開度を調整する。なお、本明細書において、「水蒸気分圧が飽和水蒸気圧と実質的に等しくなる」とは、水蒸気分圧が飽和水蒸気圧と完全に等しい場合だけでなく、水蒸気分圧が飽和水蒸気圧よりも低いものの、飽和水蒸気圧と等しいと見做すことができる場合をも含むことを意味している。
また、本実施の形態では、予測したインタークーラ24の下流におけるガス(新気または混合ガス)中の水蒸気分圧が、インタークーラ24の下流における飽和水蒸気圧以下の場合であっても、予測したEGRクーラ32の下流におけるEGRガス中の水蒸気分圧が、EGRクーラ32の下流における飽和水蒸気圧よりも高い場合には、当該水蒸気分圧が当該飽和水蒸気圧と実質的に等しくなるように制御バルブ62の開度を調整する。つまり、インタークーラ24の下流の相対湿度が100%以下となることが予測される場合であっても、EGRクーラ32の下流の相対湿度が100%よりも高くなることが予測されるときには、EGRクーラ32の下流の相対湿度が100%と実質的に等しくなるように制御バルブ62の開度を調整する。
図9は、本発明の実施の形態2に係るバルブ制御の概要を説明する図である。この図の横軸に示す温度TI/Coutは、インタークーラ24から流出したガス(新気または混合ガス)の温度(つまり、I/C後温度)である。また、温度TEGR/Coutは、EGRクーラ32から流出したEGRガスの温度(つまり、EGR/C後温度)である。図6で説明したように、「圧縮、冷却前」のガス中の水蒸気分圧を予め下げておけば、コンプレッサ18aでの圧縮や、インタークーラ24またはEGRクーラ32での冷却に伴う凝縮水の発生を抑えることができる。
本実施の形態に係るバルブ制御の手法は基本的にはこれと同じである。但し、本実施の形態に係るバルブ制御では、インタークーラ24での冷却後のガス(新気または混合ガス)中の水蒸気分圧がI/C後温度TI/Coutでの飽和水蒸気圧よりも高くなることが予測される場合に、当該ガス(新気または混合ガス)中の水蒸気分圧がI/C後温度TI/Coutでの飽和水蒸気圧と実質的に等しくなるように制御バルブ60の開度を調整する。このような開度調整をすることで、インタークーラ24での冷却前のガス(新気または混合ガス)から必要最小限の水蒸気を分離して、インタークーラ24での冷却に伴う凝縮水の発生を抑えつつ、NOxの発生量の増大を抑えることができる。
また、本実施の形態に係るバルブ制御では、インタークーラ24での冷却後のガス(新気または混合ガス)中の水蒸気分圧がI/C後温度TI/Coutでの飽和水蒸気圧以下となることが予測される場合であっても、EGRクーラ32での冷却後のEGRガス中の水蒸気分圧がEGR/C後温度TEGR/Coutでの飽和水蒸気圧よりも高くなることが予測されるときには、当該EGRガス中の水蒸気分圧がI/C後温度TI/Coutでの飽和水蒸気圧と実質的に等しくなるように制御バルブ62の開度を調整する。このような開度調整をすることで、EGRクーラ32での冷却前のEGRガスから必要最小限の水蒸気を分離して、EGRクーラ32での冷却に伴う凝縮水の発生を抑えることもできる。
なお、図6の説明で述べたように、コンプレッサ18aでの圧縮に伴い凝縮水が発生することがある。そのため、コンプレッサ18aから流出したガスに対してもバルブ制御の思想を適用して、制御バルブ60の開度の調整に反映することもできる。しかし、吸気通路12を流れるガス(新気または混合ガス)がコンプレッサ18aでの圧縮直後にインタークーラ24に流入すること、および、コンプレッサ18aでの圧縮に伴う水蒸気分圧の上昇よりも、インタークーラ24での冷却に伴う水蒸気分圧の低下の方が、凝縮水の発生に強く影響すること等の理由から、本実施の形態に係るバルブ制御では、コンプレッサ18aから流出したガスには着目していない。
[具体的な制御手法]
図10乃至図11を参照して、バルブ制御の具体的な処理について説明する。図10乃至図11は、本発明の実施の形態2において、ECU70により実行される処理の一例を示すフローチャートである。なお、この図に示すルーチンは、所定の制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。
図10に示すルーチンでは、先ず、外気条件が検出される(ステップS100)。本ステップにおいてECU70は、温度センサ72、圧力センサ73および湿度センサ74を用いて、大気温度T、大気圧力Pおよび大気湿度RHを検出する。
続いて、エンジン運転状態が検出される(ステップS102)。本ステップにおいてECU70は、インタークーラ24の直下流を流れるガス(新気または混合ガス)の飽和水蒸気流量GH20max,I/Cと水蒸気流量GH20,I/C、および、EGRクーラ32の直下流を流れるEGRガスの飽和水蒸気流量GH20max,EGR/Cと水蒸気流量GH20,EGR/Cの算出に必要な情報を検出する。具体的に、ECU70は、新気流量Ga、I/C前温度TI/Cin、I/C前圧力PI/Cin、I/C後温度TI/Cout、EGR/C前温度TEGR/Cin、EGR/C前圧力PEGR/CinおよびEGR/C後温度TEGR/Coutを検出する。これらのパラメータは、上述した各種センサから取得される。また、ECU70は、EGR通路28から吸気通路12に流入するEGRガス流量GEGRと、筒内に噴射される燃料流量GFを検出する。
続いて、新気中の水蒸気流量GH20,airが算出される(ステップS104)。水蒸気流量GH20,airはモジュール34よりも上流側の吸気通路12を流れる新気に含まれる水蒸気の流量である。本ステップにおいてECU70は、ステップS100またはステップS102での検出値と次式(1)とに基づいて、水蒸気流量GH20,airを算出する。
水蒸気流量GH20,air[g/s]
=新気流量Ga[g/s]×(大気の飽和水蒸気圧[kPa]×大気湿度RH/大気圧力P)×(HO分子量[g/mol]/新気分子量[g/mol]) ・・・(1)
なお、式(1)中の新気分子量とHO分子量は設定値であり、大気の飽和水蒸気圧はステップS100で検出した大気温度Tに基づいて別途算出されるものとする。
続いて、EGRガスが導入中であるか否かが判定される(ステップS106)。本ステップにおいてECU70は、例えばエンジン回転速度と負荷に基づいて、EGR通路28から吸気通路12にEGRガスが導入されているか否かを判定する。その結果、EGRガスが導入されていると判定された場合(“YES”の場合)にはステップS108に進み、そうでないと判定された場合(“NO”の場合)にはステップS116に進む。
ステップS108では、EGRガス中の水蒸気流量GH20,EGRが算出される。水蒸気流量GH20,EGRはモジュール36よりも上流側のEGR通路28を流れるEGRガスに含まれる水蒸気の流量である。本ステップにおいてECU70は、ステップS100またはステップS102での検出値と次式(2)〜(4)とに基づいて、水蒸気流量GH20,EGRを算出する。
水蒸気流量GH20,EGR[g/s]
=EGRガス流量GEGR[g/s]×EGRガス中の水蒸気の割合×(HO分子量[g/mol]/排気分子量[g/mol]) ・・・(2)
EGRガス中の水蒸気の割合
=排気中の水蒸気の割合
=燃焼ガスの水蒸気流量GH20,CG[g/s]/(新気流量Ga[g/s]+燃料流量GF[g/s]) ・・・(3)
燃焼ガスの水蒸気流量GH20,CG[g/s]
=水蒸気流量GH20,air[g/s]+燃料流量GF[g/s]×(8×HO分子量[g/mol]/燃料分子量[g/mol]) ・・・(4)
なお、式(2)中の排気分子量や式(4)中の燃料分子量は、使用燃料がヘプタンであると仮定したときの下記の反応式(5)に基づいて別途計算される設定値であり、式(4)中のHO分子量の係数もこの反応式(5)に基づいている。使用燃料に応じて式(2)中の排気分子量や式(4)中の燃料分子量が変わることは言うまでもない。
16+11O→7CO+8HO ・・・(5)
続いて、飽和水蒸気流量GH20max,I/Cと飽和水蒸気流量GH20max,EGR/Cが算出される(ステップS110,S112)。これらのステップにおいてECU70は、ステップS100またはステップS102での検出値を次式(6),(7)に代入して飽和水蒸気流量GH20max,I/Cと飽和水蒸気流量GH20max,EGR/Cを算出する。
飽和水蒸気流量GH20max,I/C
混合ガスの流量[g/s]×(混合ガスの飽和水蒸気圧[kPa]/I/C前圧力PI/Cin[kPa])×(HO分子量[g/mol]/混合ガスの分子量[g/mol]) ・・・(6)
飽和水蒸気流量GH20max,EGR/C
EGRガスの流量[g/s]×(EGRガスの飽和水蒸気圧[kPa]/EGR/C前圧力PEGR/Cin[kPa])×(HO分子量[g/mol]/混合ガスの分子量[g/mol]) ・・・(7)
なお、式(6),(7)中の混合ガスの分子量は、新気分子量や式(2)中の排気分子量とから算出される設定値である。また、式(6)中の混合ガスの飽和水蒸気圧は、I/C後温度TI/Coutに基づいて別途算出されるものとする。同様に、式(7)中のEGRガスの飽和水蒸気圧は、EGR/C後温度TEGR/Coutに基づいて別途算出されるものとする。
インタークーラ24の下流におけるガス(新気または混合ガス)中の水蒸気分圧をI/C後温度TI/Coutでの飽和水蒸気圧と等しくするためには、式(6)のI/C前圧力PI/Cinをインタークーラ24よりも下流側のガスの圧力(以下「I/C後圧力」と称す。)PI/Coutとすべきであるが、I/C前圧力PI/Cinを使用している理由は、吸気通路12内で混合ガスの圧力が最も高くなる冷却前の混合ガスの圧力(つまり、I/C前圧力PI/Cin)を採用することで、凝縮水が発生し得る最悪の条件に設定するためである。同様の理由により、式(7)中でEGR/Cよりも下流側のガスの圧力(以下「EGR/C後圧力」と称す。)PEGR/CoutではなくEGR/C前圧力PEGR/Cinを使用している。そのため、式(6),(7)を用いる本ルーチンでは、インタークーラ24の下流におけるガス(新気または混合ガス)中の水蒸気分圧がI/C後温度TI/Coutでの飽和水蒸気圧を下回ることが予想され、EGRクーラ32の下流におけるEGRガス中の水蒸気分圧がEGR/C後温度TEGR/Coutでの飽和水蒸気圧を下回ることが予想される。なお、式(6)中のI/C前圧力PI/CinをI/C後圧力PI/Coutとしてもよいこと、および、式(7)中のEGR/C前圧力PEGR/CinをEGR/C後圧力PEGR/Coutとしてもよいことは言うまでもない。
続いて、各モジュールでの水蒸気の目標分離量が算出される(ステップS114)。本ステップの処理の詳細について、図11を参照して説明する。この図に示すルーチンでは、先ず、インタークーラ24での冷却に伴い発生する凝縮水の予測値aが算出される(ステップS140)。本ステップにおいてECU70は、図10のステップS104で算出された水蒸気流量GH20,air、ステップS108で算出された水蒸気流量GH20,EGR、および、ステップS110で算出された飽和水蒸気流量GH20max,I/Cを次式(8)に代入することで予測値aを算出する。
予測値a[g/s]
=(水蒸気流量GH20,air[g/s]+水蒸気流量GH20,EGR[g/s])−飽和水蒸気流量GH20max,I/C[g/s] ・・・(8)
続いて、EGRクーラ32での冷却に伴い発生する凝縮水の予測値bが算出される(ステップS142)。本ステップにおいてECU70は、図10のステップS108で算出された水蒸気流量GH20,EGR、および、ステップS112で算出された飽和水蒸気流量GH20max,EGR/Cを次式(9)に代入することで予測値bを算出する。
予測値b[g/s]
=水蒸気流量GH20,EGR[g/s]−飽和水蒸気流量GH20max,EGR/C[g/s] ・・・(9)
続いて、ステップS140で算出した予測値aについて、a>0が成立するか否かが判定される(ステップS144)。その結果、a>0が成立すると判定された場合(“YES”の場合)は、モジュール34で除湿をしないとインタークーラ24での冷却に伴い凝縮水が発生すると予測できるので、ステップS146に進む。そうでないと判定された場合(“NO”の場合)は、モジュール34で除湿をしなくてもインタークーラ24での冷却に伴い凝縮水は発生しないと予測できるので、ステップS148に進む。
ステップS146では、ステップS140で算出した予測値aについて、a>dが成立するか否かが判定される。本ステップにおいて予測値aと比較されるのは、モジュール36の分離限界値dであり、具体的には次式(10)に基づいて設定されている。
分離限界値d[g/s]
=透過係数PH20,EGR[g/(s・m・kPa)]×膜面積AEGR[m]×水蒸気分圧の最大差圧ΔPH20max,EGR[kPa]/膜厚δEGR[m] ・・・(10)
なお、式(10)における透過係数PH20,EGRは、図2で説明した管状膜48に固有の係数である。また、膜面積AEGRおよび膜厚δEGRは、管状膜48の膜面積と膜厚にそれぞれ相当している。また、最大差圧ΔPH20max,EGRは、減圧ポンプ44から送り出すガス量を最大としたときに、管状膜48で隔てられた2つの空間に生じる水蒸気分圧差に相当している。
ステップS146においてa>dが成立すると判定された場合(“YES”の場合)は、モジュール34,36の両方で除湿が必要と予測できるので、ステップS150に進み、モジュール36での水蒸気の目標分離量を分離限界値dと等しい値に設定し、モジュール34での水蒸気の目標分離量を予測値aと分離限界値dの差に等しい値に設定する。そうでないと判定された場合(“NO”の場合)は、モジュール36で除湿してしまえば、モジュール34で除湿をしなくてもインタークーラ24での除湿に伴い凝縮水は発生しないと予測できるので、ステップS152に進む。
ステップS152では、ステップS140で算出した予測値aとステップS142で算出した予測値bについて、a>bが成立するか否かが判定される。その結果、a>bが成立すると判定された場合(“YES”の場合)は、モジュール36で予め多めに除湿しておけばインタークーラ24での除湿に伴い凝縮水は発生しないと予測できるので、ステップS154に進み、モジュール36での水蒸気の目標分離量を予測値aと等しい値に設定すると共に、モジュール34での水蒸気の目標分離量をゼロに設定する。そうでないと判定された場合(“NO”の場合)は、ステップS156に進み、モジュール36での水蒸気の目標分離量を予測値bと等しい値に設定すると共に、モジュール34での水蒸気の目標分離量をゼロに設定する。
ステップS148では、ステップS142で算出した予測値bについて、b>0が成立するか否かが判定される。その結果、b>0が成立すると判定された場合(“YES”の場合)は、モジュール36で除湿をしないとEGRクーラ32での冷却に伴い凝縮水が発生すると予測できるので、ステップS158に進み、モジュール36での水蒸気の目標分離量を予測値bと等しい値に設定すると共に、モジュール34での水蒸気の目標分離量をゼロに設定する。そうでないと判定された場合(“NO”の場合)は、モジュール36で除湿をしなくてもEGRクーラ32での冷却に伴い凝縮水は発生しないと予測できるので、ステップS160に進み、モジュール34,36の両方での水蒸気の目標分離量をゼロに設定する。
図10に戻り、ステップS116〜S120では、吸気通路12にEGRガスの導入がない場合の各モジュールでの水蒸気の目標分離量が算出される。具体的に、ステップS116では、EGRガス用のモジュール、つまり、モジュール36での水蒸気の目標分離量がゼロに設定される。この理由は単純で、EGRガスの導入がないからである。続いて、ステップS118では、飽和水蒸気流量GH20max,I/Cが算出される。本ステップの処理はステップS110の処理と同じである。続いて、ステップS120では、新気用のモジュール、つまり、モジュール34での水蒸気の目標分離量が、ステップS104で算出された水蒸気流量GH20,I/C、および、ステップS118で算出された飽和水蒸気流量GH20max,I/Cを次式(11)に代入することで算出される(ステップS120)。
モジュール34での水蒸気の目標分離量
=GH20,I/C[g/s]−GH20max,I/C[g/s] ・・・(11)
ステップS114またはステップS120に続いて、各モジュールでの目標水蒸気分圧差が算出される(ステップS122)。本ステップにおいてECU70は、EGRガスの導入がある場合はステップS114で算出された目標分離量を次式(12),(13)に代入して、各モジュールでの目標水蒸気分圧差を算出する。EGRガスの導入がない場合、ECU70は、ステップS120で算出された目標分離量を次式(12)に代入して、モジュール34での目標水蒸気分圧差を算出する。
モジュール34での目標水蒸気分圧差[kPa]
=モジュール34での水蒸気の目標分離量[g/s]×膜厚δair[m]/透過係数PH20,air[g/(s・m・kPa)]/膜面積Aair[m] ・・・(12)
モジュール36での目標水蒸気分圧差[kPa]
=モジュール36での水蒸気の目標分離量[g/s]×膜厚δEGR[m]/透過係数PH20,EGR[g/(s・m・kPa)]/膜面積AEGR[m] ・・・(13)
なお、式(12)における透過係数PH20,airは式(13)における透過係数PH20,EGRと同一の値である。また、式(12)における膜厚δairおよび膜面積Aairは、式(13)における膜面積AEGRおよび膜厚δEGRとそれぞれ同一の値である。
続いて、各モジュールでの目標減圧量が算出される(ステップS124)。本ステップにおいてECU70は、ステップS122で算出された各モジュールでの目標水蒸気分圧差などを次式(14),(15)に代入して、各モジュールでの目標減圧量を算出する。
モジュール34での目標減圧量[kPa]
=モジュール34での目標水蒸気分圧差[kPa]−大気圧力P[kPa]×大気湿度RH ・・・(14)
モジュール36での目標減圧量[kPa]
=モジュール36での目標水蒸気分圧差[kPa]−EGR/C前圧力PEGR/Cin[kPa]×EGRガス中の水蒸気の割合 ・・・(15)
なお、式(15)中のEGRガス中の水蒸気の割合は、式(3)から算出される。
続いて、各制御バルブの開度が調整される(ステップS126)。本ステップにおいてECU70は、ステップS124で算出された各モジュールでの目標減圧量に到達するまで、制御バルブ60,62の開度をフィードバック制御によって調整する。
以上、図10乃至図11に示したルーチンによれば、インタークーラ24の下流におけるガス(新気または混合ガス)中の水蒸気分圧が、I/C前温度TI/Cinでの飽和水蒸気圧よりも高い場合に、当該ガス(新気または混合ガス)中の水蒸気分圧を、I/C前温度TI/Cinでの飽和水蒸気圧と等しくすることができる。I/C後温度TI/CoutはI/C前温度TI/Cinよりも低いので、I/C後温度TI/Coutでの飽和水蒸気圧はI/C前温度TI/Cinでの飽和水蒸気圧よりも低くなる。従って、インタークーラ24の下流におけるガス(新気または混合ガス)中の水蒸気分圧をI/C前温度TI/Cinでの飽和水蒸気圧と等しくすることができる図10乃至図11に示したルーチンによれば、当該ガス(新気または混合ガス)中の水蒸気分圧を、I/C後温度TI/Coutでの飽和水蒸気圧と実質的に等しくすることができる。従って、インタークーラ24での冷却に伴う凝縮水の発生を抑えつつ、NOxの発生量の増大を抑えることができる。
なお、図10乃至図11に示したルーチンにおいて、式(6)中のI/C前圧力PI/CinをI/C後圧力PI/Coutに置き換えた場合には、インタークーラ24の下流におけるガス(新気または混合ガス)中の水蒸気分圧がI/C後温度TI/Coutでの飽和水蒸気圧よりも高い場合に、当該ガス(新気または混合ガス)中の水蒸気分圧をI/C後温度TI/Coutでの飽和水蒸気圧と等しくすることができる。
また、図10乃至図11に示したルーチンによれば、インタークーラ24の下流におけるガス(新気または混合ガス)中の水蒸気分圧がI/C前温度TI/Cinでの飽和水蒸気圧以下の場合であっても、EGRクーラ32の下流におけるEGRガス中の水蒸気分圧がEGR/C前温度TEGR/Cinでの飽和水蒸気圧よりも高いときには、当該EGRガス中の水蒸気分圧を、EGR/C前温度TEGR/Cinでの飽和水蒸気圧と等しくすることができる。EGR/C後温度TEGR/CoutはEGR/C前温度TEGR/Cinよりも低いので、EGR/C後温度TEGR/Coutでの飽和水蒸気圧はEGR/C前温度TEGR/Cinでの飽和水蒸気圧よりも低くなる。従って、EGRクーラ32の下流におけるEGRガス中の水蒸気分圧を、EGR/C前温度TEGR/Cinでの飽和水蒸気圧と等しくすることのできる図10乃至図11に示したルーチンによれば、当該EGRガス中の水蒸気分圧を、EGR/C後温度TEGR/Coutでの飽和水蒸気圧と実質的に等しくすることができる。従って、EGRクーラ32での冷却に伴う凝縮水の発生を抑えることもできる。
なお、図10乃至図11に示したルーチンにおいて、式(7)中のEGR/C前圧力PEGR/CinをEGR/C後圧力PEGR/Coutに置き換えた場合には、EGRクーラ32の下流におけるEGRガス中の水蒸気分圧がEGR/C後温度TEGR/Coutでの飽和水蒸気圧よりも高い場合に、当該水蒸気分圧をEGR/C後温度TEGR/Coutでの飽和水蒸気圧と等しくすることができる。
なお、上記実施の形態2においては、ECU70が図10乃至図11のルーチンの処理を実行することにより、本発明の「減圧量調整部」が実現されている。
[各モジュールでの水蒸気の目標分離量の他の算出例]
ところで、上記実施の形態2では、図11に示したルーチンにおいて、予測値a,bにモジュール36の分離限界値dを組み合わせてモジュール34,36での水蒸気の目標分離量を算出した。しかし、分離限界値dの代わりにモジュール34の分離限界値cを使用してモジュール34,36での水蒸気の目標分離量を算出してもよい。図12は、分離限界値cを使用してモジュール34,36での水蒸気の目標分離量を算出する場合において、ECU70により実行される処理の一例を示すフローチャートである。
図12に示すステップS162〜S166およびステップS170,S174〜S182の処理は、図11に示したステップS140〜S144およびステップS148,S152〜S160の処理と同じである。図11と図12の処理における第1の違いは、ステップS168において予測値aと比較されるのが分離限界値cである点である。分離限界値cは具体的には次式(16)に基づいて設定されている。
分離限界値c[g/s]
=透過係数PH20,air[g/(s・m・kPa)]×膜面積Aair[m]×水蒸気分圧の最大差圧ΔPH20max,air[kPa]/膜厚δair[m] ・・・(16)
なお、式(16)における最大差圧ΔPH20max,airは、減圧ポンプ40から送り出すガス量を最大としたときに、管状膜48で隔てられた2つの空間に生じる水蒸気分圧差に相当している。
図11と図12の処理における第2の違いは、ステップS168においてa>cが成立すると判定された場合(“YES”の場合)に、モジュール34での水蒸気の目標分離量を分離限界値cと等しい値に設定し、モジュール36での水蒸気の目標分離量を予測値aと分離限界値cの差に等しい値に設定する点である。
以上説明したように、分離限界値dの代わりに、予測値a,bにモジュール36の分離限界値cを組み合わせてモジュール34,36での水蒸気の目標分離量を算出することもできる。図11に示したルーチンによれば、モジュール36で最大限除湿しつつモジュール34で不足分を補うことができる。図12に示したルーチンによれば、モジュール34で最大限除湿しつつモジュール36で不足分を補うことができる。
更に言うと、分離限界値c,dを組み合わせてモジュール34,36での水蒸気の目標分離量を算出することもできる。図11(または図12)に示したルーチンに従って処理した場合には、モジュール36(図12に示したルーチンではモジュール34)において最大限の除湿を行うケースが発生する(図11のステップS150または図12のステップS172参照)。水蒸気分離は減圧ポンプ40,44の駆動を伴うことから、モジュール36(図12に示したルーチンではモジュール34)において最大限の除湿を行うことは、消費エネルギの増大に繋がり望ましくない。この点、モジュール34,36の構成は同一であることから、分離限界値c,dを組み合わせ、図11のステップS140で算出した予測値aと、ステップS142で算出した予測値bとを足し合わせた予測値a+bを、モジュール34,36で均等に分担するように目標分離量を算出すれば、減圧ポンプ40,44の駆動エネルギの総和を最小とした除湿を行うことが可能となる。
[内燃機関の他の構成例を適用した場合におけるモジュールでの水蒸気の目標分離量の算出例]
上記実施の形態2のバルブ制御を上記実施の形態1で述べた非EGR−過給システムに適用する場合には、図8の構成からEGR通路28、EGRクーラ32、モジュール36、温度センサ78,80、圧力センサ79等を除いた上で、吸気通路12にEGRガスの導入がない場合と同様の処理をすればよい。具体的には、図11のステップS106の処理をスキップして、ステップS100〜S104の処理と、ステップS116〜S120の処理とを行って、モジュール34での水蒸気の目標分離量を算出すればよい。
上記実施の形態2のバルブ制御を上記実施の形態1で述べた非過給−EGRシステムに適用する場合には、機関構成に応じてモジュールでの水蒸気の目標分離量を算出すればよい。具体的に、モジュール34,36を備える機関構成の場合は、図8の構成から過給機18、インタークーラ24、温度センサ75,77、圧力センサ76等を除いた上で、図10乃至図11の処理において、インタークーラ24での冷却に関する処理をスキップ等すればよい。具体的には、図11のステップS110,S118,S120、および、図11のステップ,S118,S120,S140をスキップし、尚且つ、図11のステップS144,S146,S150の処理において予測値aを予測値bに置き換えた処理を行えばよい。また、予測値aを予測値bに置換した後にステップS146において、b<dが成立すると判定された場合(“NO”の場合)に、モジュール36での水蒸気の目標分離量を分離限界値dと等しい値に設定すると共に、モジュール34での水蒸気の目標分離量をゼロに設定すればよい。
一方、モジュール36のみを備える機関構成の場合は、図8の構成から過給機18、インタークーラ24、モジュール34、温度センサ75,77、圧力センサ76等を除いた上で、図10乃至図11の処理において、インタークーラ24での冷却に関する処理と、モジュール34の目標分離量の算出に関する処理とをスキップ等すればよい。具体的には、図11のステップS110,S118,S120をキャンセルすると共に、図11のステップS142以外の処理をキャンセルし、吸気通路12にEGRガスの導入がある場合(ステップS106の判定が“YES”の場合)には、図11のステップS142で算出した予測値bをモジュール36での水蒸気の目標分離量として設定し、そうでない場合(ステップS106の判定が“NO”の場合)には、モジュール36での水蒸気の目標分離量をゼロに設定すればよい。
1,2 内燃機関
10 エンジン本体
12 吸気通路
14 排気通路
18 過給機
18a コンプレッサ
18b タービン
22 サージタンク
24 インタークーラ
28 EGR通路
32 EGRクーラ
34,36 水蒸気分離膜モジュール
38,42 吸引通路
40,44 減圧ポンプ
46,52 ハウジング
48 管状膜
48a 内壁面
48b 外壁面
50,56 排出口
54 供給口
60,62 制御バルブ
70 ECU
71 エアフローメータ
72,75,77,78,80 温度センサ
73,76,79 圧力センサ
74 湿度センサ
ステップS146においてa>dが成立すると判定された場合(“YES”の場合)は、モジュール34,36の両方で除湿が必要と予測できるので、ステップS150に進み、モジュール36での水蒸気の目標分離量を分離限界値dと等しい値に設定し、モジュール34での水蒸気の目標分離量を予測値aと分離限界値dの差に等しい値に設定する。そうでないと判定された場合(“NO”の場合)は、モジュール36で除湿してしまえば、モジュール34で除湿をしなくてもインタークーラ24での冷却に伴い凝縮水は発生しないと予測できるので、ステップS152に進む。
ステップS152では、ステップS140で算出した予測値aとステップS142で算出した予測値bについて、a>bが成立するか否かが判定される。その結果、a>bが成立すると判定された場合(“YES”の場合)は、モジュール36で予め多めに除湿しておけばインタークーラ24での冷却に伴い凝縮水は発生しないと予測できるので、ステップS154に進み、モジュール36での水蒸気の目標分離量を予測値aと等しい値に設定すると共に、モジュール34での水蒸気の目標分離量をゼロに設定する。そうでないと判定された場合(“NO”の場合)は、ステップS156に進み、モジュール36での水蒸気の目標分離量を予測値bと等しい値に設定すると共に、モジュール34での水蒸気の目標分離量をゼロに設定する。
上記実施の形態2のバルブ制御を上記実施の形態1で述べた非過給−EGRシステムに適用する場合には、機関構成に応じてモジュールでの水蒸気の目標分離量を算出すればよい。具体的に、モジュール34,36を備える機関構成の場合は、図8の構成から過給機18、インタークーラ24、温度センサ75,77、圧力センサ76等を除いた上で、図10乃至図11の処理において、インタークーラ24での冷却に関する処理をスキップ等すればよい。具体的には、図10のステップS116,S118,S120、および、図11のステップS140をスキップし、尚且つ、図11のステップS144,S146,S150の処理において予測値aを予測値bに置き換えた処理を行えばよい。また、予測値aを予測値bに置換した後にステップS146において、b<dが成立すると判定された場合(“NO”の場合)に、モジュール36での水蒸気の目標分離量を分離限界値dと等しい値に設定すると共に、モジュール34での水蒸気の目標分離量をゼロに設定すればよい。
一方、モジュール36のみを備える機関構成の場合は、図8の構成から過給機18、インタークーラ24、モジュール34、温度センサ75,77、圧力センサ76等を除いた上で、図10乃至図11の処理において、インタークーラ24での冷却に関する処理と、モジュール34の目標分離量の算出に関する処理とをスキップ等すればよい。具体的には、図10のステップS116,S118,S120をキャンセルすると共に、図11のステップS142以外の処理をキャンセルし、吸気通路12にEGRガスの導入がある場合(ステップS106の判定が“YES”の場合)には、図11のステップS142で算出した予測値bをモジュール36での水蒸気の目標分離量として設定し、そうでない場合(ステップS106の判定が“NO”の場合)には、モジュール36での水蒸気の目標分離量をゼロに設定すればよい。

Claims (9)

  1. 筒内に流入するガスが流れるガス通路と、
    前記ガス通路に設けられて前記筒内に流入するガスを冷却する冷却部と、
    前記冷却部よりもガス流れ方向の上流側において前記ガス通路の一部を構成する水蒸気分離部であって、水蒸気分圧の異なる2つの空間を隔てるように設置された場合に水蒸気分圧が高い空間から水蒸気分圧の低い空間に向かって水蒸気を透過させる水蒸気透過膜を備える水蒸気分離部と、
    前記ガス通路から前記水蒸気分離部に流入したガスが流れる前記水蒸気透過膜の内側の空間と、前記水蒸気透過膜によって前記内側の空間と隔てられた外側の空間との間に水蒸気分圧の差が生じるように、前記外側の空間の水蒸気分圧を減圧する減圧部と、
    を備えることを特徴とする内燃機関。
  2. 前記ガス通路の前記冷却部よりもガス流れ方向の下流側における相対湿度が100%よりも高くなることが予測される場合、前記相対湿度が100%と実質的に等しくなるように、前記減圧部によって減圧する前記外側の空間の水蒸気分圧の減圧量を調整する減圧量調整部を更に備えることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。
  3. 前記減圧部によって減圧する前記外側の空間の水蒸気分圧の減圧量が、前記筒内に流入する新気の湿度が高いほど増やされることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。
  4. 前記ガス通路に設けられた過給機のコンプレッサよりもガス流れ方向の下流側における圧力が高いほど前記減圧量が増やされることを特徴とする請求項3に記載の内燃機関。
  5. 前記冷却部において前記筒内に流入するガスと熱交換させる冷却水の温度が低いほど前記減圧量が増やされることを特徴とする請求項3または4に記載の内燃機関。
  6. 前記冷却部において前記筒内に流入するガスと熱交換させる冷却水の流量が多いほど前記減圧量が増やされることを特徴とする請求項3乃至5何れか1項に記載の内燃機関。
  7. 前記ガス通路は、吸気通路と排気通路を接続するEGR通路であり、
    前記冷却部は、前記EGR通路内を流れるEGRガスを冷却するEGRクーラであり、
    前記水蒸気分離部が、前記EGR通路のうちの前記EGRクーラよりもガス流れ方向の上流側において前記EGR通路の一部を構成することを特徴とする請求項1乃至6何れか1項に記載の内燃機関。
  8. 前記ガス通路は、過給機のコンプレッサが設けられた吸気通路であり、
    前記冷却部は、前記コンプレッサで圧縮されたガスを冷却するインタークーラであり、
    前記水蒸気分離部が、前記吸気通路のうちの前記コンプレッサよりもガス流れ方向の上流側において前記吸気通路の一部を構成することを特徴とする請求項1乃至6何れか1項に記載の内燃機関。
  9. 前記ガス通路は、過給機のコンプレッサが設けられた吸気通路、および、前記吸気通路のうちの前記コンプレッサよりもガス流れ方向の上流側と、排気通路のうちの前記過給機のタービンよりもガス流れ方向の下流側とを接続するEGR通路であり、
    前記冷却部は、前記コンプレッサで圧縮されたガスを冷却するインタークーラ、および、前記EGR通路内を流れるEGRガスを冷却するEGRクーラであり、
    前記水蒸気分離部が、前記吸気通路のうちの前記EGR通路との接続部よりもガス流れ方向の上流側において前記吸気通路の一部を構成すると共に、前記EGR通路のうちの前記EGRクーラよりもガス流れ方向の上流側において前記EGR通路の一部を構成することを特徴とする請求項1乃至6何れか1項に記載の内燃機関。
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