JP2018013068A - 車両用のエンジン及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】天候に左右されずに、気筒での燃焼により発生する窒素酸化物を低減する車両用のエンジン及びその制御方法を提供する。【解決手段】吸気通路１３、貯蔵タンク３１、加圧ポンプ３２、水噴霧弁３３、湿度センサ３４、及び制御装置３８を備え、湿度センサ３４を介して取得した吸気Ａ１の相対湿度Ｈｘが、雨天運転時における雨天湿度Ｈａより低い場合は、相対湿度Ｈｘと雨天湿度Ｈａとの差分に基づいて、制御装置３８により、水噴霧弁３３から吸気Ａ１に水Ｗ１を噴霧する構成にした。【選択図】図１

Description

本発明は、車両用のエンジン及びその制御方法に関し、詳しくは、気筒での燃焼により発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減する車両用のエンジン及びその制御方法に関する。

エンジンの気筒に吸入される吸気の湿度を高くすると、排出される窒素酸化物の発生量を低減できることが知られている。これは、湿度の高い（水分を多く含んだ）空気は比熱が高くなるので、気筒における燃焼が緩慢になりピーク温度が低下し、燃焼温度の上昇に伴って増加する窒素酸化物の発生量が低減するからである。

これに関して、気筒に吸入される吸気に蒸気発生源から蒸気を供給して、吸入空気水分量を目標水分量にする装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置は、エンジンの周囲環境における絶対湿度に応じて水分量を調節して、吸気の湿度を目標絶対湿度にすることで、雨季や乾季の季節間による絶対湿度差を無くして、年間を通して窒素酸化物を低レベルに抑制している。

特開２００２−５４５１０号公報

ところが、上記の装置では、蒸気発生源が必要となり装置が重厚長大化するため、車両用のエンジンには適さないという問題がある。また、コージェネレーションシステムなどに利用されるエンジンに比して車両用のエンジンの場合には、吸気の湿度は天候に左右され易い。それ故、上記の装置における雨季や乾季の絶対湿度差を無くすレベルの湿度調節では、雨天時や高湿度時に比して晴天時の窒素酸化物の発生量が増加するという問題もある。

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、天候に左右されずに、気筒での燃焼により発生する窒素酸化物を低減する車両用のエンジン及びその制御方法を提供することにある。

上記の目的を達成する本発明の車両用のエンジンは、外気に開口した入口から気筒まで連通する吸気通路と、水を貯蔵する貯蔵タンクと、この貯蔵タンクに貯蔵された水を加圧して排出する加圧ポンプと、この加圧ポンプに配管を介して接続された水噴霧弁と、前記入口から流入し前記気筒で燃料と共に燃焼するまでの間に吸気の湿度を取得する湿度取得装置と、この湿度取得装置及び前記水噴霧弁に接続された制御装置と、を備え、前記湿度取得装置で取得したその湿度が、予め設定された雨天運転時における雨天湿度より低い場合は、その湿度とその雨天湿度との差分に基づいて、前記制御装置により、前記燃焼するまでの間に前記水噴霧弁から前記吸気に水を噴霧する構成にしたことを特徴とするものである。なお、この湿度としては相対湿度であっても、重量絶対湿度や容積絶対湿度であってもよい。

上記の目的を達成する本発明の車両用のエンジンの制御方法は、吸気に水を噴霧する車両用のエンジンの制御方法であって、吸気が吸気通路の入口から流入して気筒で燃料と共
に燃焼するまでの間に前記吸気の湿度を取得し、取得したその湿度が、予め設定された雨天運転時における雨天湿度より低い場合は、その湿度とその雨天湿度との差分に基づいて、前記燃焼するまでの間に前記吸気に水噴霧弁から水を噴霧することを特徴とする方法である。

本発明によれば、吸気に水を噴霧する方式にしたことで、水蒸気を吸気に供給する従来技術に比して装置の重厚長大化を抑制することができ、車両用のエンジンに適用可能になる。

さらに、本発明によれば、取得した吸気の湿度が雨天湿度よりも低い場合は、湿度と雨天湿度との差分に基づいて、水噴霧弁から吸気に水を噴霧するので、その吸気を気筒で燃料と共に燃焼するときに、気筒の内部における水分量を雨天時と同様に高い状態に常時維持できる。また、吸気に水を噴霧することで、水分の蒸発潜熱（気化熱）の吸収も利用できるので吸気温度低下によるＮＯｘ低減と充填効率向上できる。これらの効果により、気筒における燃焼のピーク温度の低下には有利になり、天候に左右されずに、燃焼により発生する窒素酸化物の発生量を従来技術に比して低減できる。

本発明の車両用のエンジンの第一実施形態を例示する構成図である。 本発明の車両用のエンジンの制御方法の第一実施形態を例示するフロー図である。 吸気の相対湿度、温度、容積絶対湿度との関係を例示する関係図である。 本発明の車両用のエンジンの第二実施形態を例示する構成図である。

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図中では、Ａ1を吸気とし、Ｇ１を排気ガスとし、Ｇ２をＥＧＲガスとし、Ｗ１を水とする。

図１に例示するように、本発明の第一実施形態のエンジン１０は、車両用のディーゼルエンジンやガソリンエンジンである。エンジン１０においては、外気に開口したエアクリーナ１１（入口）から気筒１２までを連通する吸気通路１３へ吸入された吸気Ａ１が、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５により圧縮されて高温になり、インタークーラ１６で冷却される。その後、この吸気Ａ１は、インテークスロットル１７で流量が調節された後に、インテークマニホールド１８を経て、気筒１２に供給される。

気筒１２に供給された吸気Ａ１は、インジェクタ１９から噴射された燃料と混合されて燃焼して熱エネルギーを発生させた後に、排気ガスＧ１となる。また、このときに発生した熱エネルギーが、クランクシャフト２０を回転させ、その回転動力が、図示しない動力伝達機構により駆動輪に伝達される。

排気ガスＧ１は、エキゾーストマニホールド２１を経由して排気通路２２へ排気されて、ターボチャージャ１４のタービン２３を駆動した後に図示しない排気ガス浄化装置で浄化されてから大気中へ放出される。また、排気ガスＧ１の一部は、排気通路２２から分岐するＥＧＲ通路２４に分流し、ＥＧＲクーラー２５で冷却された後に、ＥＧＲバルブ２６により流量が調節されて、吸気通路１３に供給される。

エンジン１０は、湿度調節システム３０を備えており、湿度調節システム３０は、貯蔵タンク３１、加圧ポンプ３２、水噴霧弁３３、湿度センサ３４、温度センサ３５、圧力センサ３６、マスフローセンサ（吸気吸入量センサ）３８、及び制御装置３８から構成され
ている。貯蔵タンク３１、加圧ポンプ３２、及び水噴霧弁３３はそれぞれ配管を介して接続されている。

貯蔵タンク３１は、水噴霧弁３３から噴射される水Ｗ１が貯蔵されているタンクである。貯蔵タンク３１は、エンジン１０の冷却水を貯蔵するタンクとは異なるものであり、貯蔵タンク３１と冷却水用のタンクとはそれぞれ独立している。

加圧ポンプ３２は、貯蔵タンク３１に貯蔵された水Ｗ１を吸い上げて、所定の圧力に加圧して圧送するポンプである。この実施形態で、加圧ポンプ３２は、エンジン１０のクランクシャフト２０に動力伝達機構３９を介して連結されており、クランクシャフト２０の回転動力により駆動している。加圧ポンプ３２としては、電動機により駆動するものを用いてもよい。

水噴霧弁３３は、加圧ポンプ３２で加圧された水Ｗ１を噴霧する電磁弁である。この実施形態で、水噴霧弁３３は、吸気Ａ１の流れに関してコンプレッサ１５の上流側の吸気通路１３に配置されており、エアクリーナ１１とコンプレッサ１５との間に介在している。

湿度センサ３４は、吸気Ａ１の相対湿度Ｈｘを取得する湿度取得装置として機能するセンサである。相対湿度Ｈｘを取得する湿度センサ３４としては、高分子抵抗式、高分子静電容量式、ＭＥＭＳ式のセンサが例示できる。

湿度センサ３４は、気筒１２が設けられているエンジン本体から十分に離間した位置に配置することが好ましい。この実施形態で、湿度センサ３４は、吸気通路１３の入口であるエアクリーナ１１の近傍に配置されており、エアクリーナ１１とコンプレッサ１５との間に介在している。

温度センサ３５は、吸気Ａ１の温度Ｔｘを取得する温度取得装置として機能するセンサである。相対湿度Ｈｘは温度により変化する。この実施形態では、その温度による相対湿度Ｈｘの変化を検出するために、温度センサ３５が、湿度センサ３４の周囲に配置されている。

圧力センサ３６は、吸気Ａ１の圧力Ｐｘを取得する圧力取得装置として機能するセンサである。吸気Ａ１の飽和水蒸気圧は、圧力Ｐｘに関係するため、圧力センサ３６により圧力Ｐｘを監視することが好ましい。

マスフローセンサ３７は、吸気Ａ１の吸入量Ｑａを取得する吸入量取得装置として機能するセンサである。この実施形態で、マスフローセンサ３７はコンプレッサ１５の上流側に配置されているが、コンプレッサ１５の下流側に配置して、コンプレッサ１５の過給比から吸入量Ｑａを算出してもよい。

制御装置３８は、各種情報処理を行うＣＰＵ、その各種情報処理を行うために用いられるプログラムや情報処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェースなどから構成される。この制御装置３８は、信号線（一点鎖線で示す）を介してインジェクタ１９、インテークスロットル１７、ＥＧＲバルブ２６、水噴霧弁３３、湿度センサ３４、温度センサ３５、圧力センサ３６、及びマスフローセンサ３７に接続されている。

制御装置３８は、湿度センサ３４を介して取得した相対湿度Ｈｘが予め設定された雨天湿度Ｈａより低い場合は、相対湿度Ｈｘと雨天湿度Ｈａとの差分に基づいて、水噴霧弁３３から噴射される水Ｗ１の噴霧量Ｑｗを調節する機能要素を有して構成されている。この実施形態で、水噴霧弁３３から水Ｗ１を噴射する機能要素は、プログラムとして制御装置３８の内部記憶装置に記憶されているが、この機能要素が個別のハードウェアで構成されてもよい。

図２に例示するように、この実施形態のエンジン１０の制御方法は、エンジン１０が始動すると開始されて、一定周期ごとに行われて、エンジン１０が停止すると終了する。以下に、この制御方法について、制御装置３８の機能として説明する。

スタートすると、制御装置３８は、各センサを介して各パラメータを取得する（Ｓ１０）。各パラメータは、吸気Ａ１のパラメータであり、湿度センサ３４で取得した相対湿度Ｈｘ、温度センサ３５で取得した温度Ｔｘ、圧力センサ３６で取得した圧力Ｐｘ、マスフローセンサ３７で取得した吸入量Ｑａである。

次いで、制御装置３８は、取得した相対湿度Ｈｘが予め設定した雨天湿度Ｈａよりも低いか否かを判定する（Ｓ２０）。このステップで、相対湿度Ｈｘが雨天湿度Ｈａよりも低いと判定した場合は次に進む。一方、このステップで、相対湿度Ｈｘが雨天湿度Ｈａ以上と判定した場合はこの制御方法は終了する。

雨天湿度Ｈａは、湿度センサ３４の設置場所に基づいて設定されており、雨天運転時に湿度センサ３４が取得すると予測される相対湿度、あるいはその予測される相対湿度よりも高い湿度に設定されている。この実施形態で、湿度センサ３４は、エアクリーナ１１とコンプレッサ１５との間に介在しており、湿度センサ３４の取得する相対湿度Ｈｘは、外気の相対湿度と見做せる。そこで、この実施形態で、雨天湿度Ｈａは、雨天時の外気の相対湿度の平均値、あるいはその平均値よりも高い値に設定されている。具体的に、雨天湿度Ｈａとしては、８０％以上の値が例示できる。

次いで、制御装置３８は、水噴霧弁３３から噴射する水Ｗ１の噴霧量Ｑｗを算出する（Ｓ３０）。噴霧量Ｑｗは、取得した相対湿度Ｈｘと雨天湿度Ｈａとの差分に基づいている。この実施形態で、噴霧量Ｑｗは、水噴霧弁３３から噴射した水Ｗ１を水蒸気と見做した場合に、噴射後の吸気Ａ１の相対湿度を雨天湿度Ｈａにする量である。

この実施形態で、噴霧量Ｑｗは、温度Ｔｘ及び相対湿度Ｈｘから算出される容積絶対湿度ｈｘと温度Ｔｘ及び雨天湿度Ｈａから算出される雨天容積絶対湿度ｈａとの差分Δｈをゼロにする量である。容積絶対湿度は、吸気中に含まれる水蒸気の密度であり、換言すると容積あたりの水蒸気の質量である。よって、噴霧量Ｑｗは、差分Δｈ及びマスフローセンサ３７で取得した吸気Ａ１の吸入量Ｑａから水Ｗ１の必要質量を算出し、その必要質量から算出する。噴霧量Ｑｗの算出方法は、一例であり、例えば、気体の状態方程式から吸気Ａ１の乾燥空気の密度を算出し、その密度に基づいて算出してもよい。

次いで、制御装置３８は、算出した噴霧量Ｑｗに基づいて、水噴霧弁３３から水Ｗ１を噴射する（Ｓ４０）。そして、スタートへ戻り、上記のステップを繰り返す。

上記の制御方法により、噴霧された水Ｗ１を含有した吸気Ａ１は、コンプレッサ１５により圧縮されて高温になり、インタークーラ１６で冷却された後に、インテークマニホールド１８を経て、気筒１２に供給される。

気筒１２でインジェクタ１９から噴射された燃料と混合して燃焼するときに、気筒１２の内部の水分量は、雨天時と略同等となる。つまり、燃焼時の比熱が高くなるので、気筒１２における燃焼が緩慢になりピーク温度が低下し、燃焼温度に比例する窒素酸化物の発生量が低減する。また、水Ｗ１は、蒸発潜熱（気化熱）により熱吸収するので、より気筒１２における吸入吸気温度が低下し圧縮温度も低下するのでピーク温度を低下する。

このように、上記の湿度調節システム３０は、吸気Ａ１に水Ｗ１を直接、噴霧する方式にして、噴霧した水Ｗ１を気筒１２まで到達させる方式にしたことで、水蒸気を利用する従来技術に比して装置の重厚長大化を抑制することができる。それ故、車両用のエンジン１０に適用可能になる。

そして、この湿度調節システム３０を備えたエンジン１０によれば、燃焼時の比熱を常時高く維持するので、気筒１２における燃焼のピーク温度の低下には有利になり、天候に左右されずに、燃焼により発生する窒素酸化物の発生量を従来技術に比して低減できる。

この実施形態では、湿度センサ３４を吸気通路１３の入口であるエアクリーナ１１の近傍に配置するので、使用温度範囲の上限温度が低い湿度センサ３４の耐久性を損なわずに吸気Ａ１の相対湿度Ｈｘを取得できる。これにより、湿度センサ３４における耐熱性の対策や、湿度センサ３４の交換頻度の増加に伴うコストの増加を回避できる。

また、この実施形態では、水噴霧弁３３を吸気Ａ１の流れに関してコンプレッサ１５の上流側に配置するので、噴霧された水Ｗ１により、コンプレッサ１５で過給された吸気Ａ１の温度を低減できる。これにより、コンプレッサ１５の過給後の吸気Ａ１の温度を低減できる分、コンプレッサ１５における過給圧を増加できるので、燃費の向上には有利になる。

加えて、この実施形態では、水噴霧弁３３から噴射する水Ｗ１の噴霧量Ｑｗを相対湿度Ｈｘと雨天湿度Ｈａとの差分に基づいて算出するので、天候に左右されずに、燃焼時の気筒１２の内部の水分量を一定に維持できる。これにより、晴天時の窒素酸化物の発生量の抑制には有利になる。特に、天候により窒素酸化物の発生量にばらつきが多い車両用のエンジン１０に好適である。

図４に例示するように、第二実施形態のエンジン１０は、水噴霧弁３３の配置位置が第一実施形態と異なる。この実施形態の水噴霧弁３３は、吸気Ａ１の流れに関して吸気通路１３とＥＧＲ通路２４との合流部１３ａよりも下流側に配置されている。具体的に、水噴霧弁３３は、インテークマニホールド１８に配置されている。

このように、水噴霧弁３３を合流部１３ａよりも下流側に配置することで、ＥＧＲガスＧ２が混合された吸気Ａ１の温度の低下には有利になり、気筒１２への吸気Ａ１の充填率を向上できる。

既述した実施形態の他に、水噴霧弁３３は、インジェクタ１９と同様に各気筒１２に配置してもよい。

また、気筒１２の内部の温度やインテークマニホールド１８の内部の温度を測定可能な構成にすれば、気筒１２の内部やインテークマニホールド１８の内部における吸気Ａ１の湿度を予測して、その予測値に基づいて噴霧量Ｑｗを算出してもよい。

第一実施形態のように、気筒１２から十分に離間した位置に水噴霧弁３３を配置する場合は、吸気通路１３の中途位置で結露が生じないように、コンプレッサ１５の過給圧などを利用して噴霧量Ｑｗを補正するとよい。

また、既述した実施形態では、相対湿度Ｈｘを取得する湿度センサ３４を用いた例を説明したが、容積絶対湿度や重量絶対湿度を取得するセンサを用いてもよい。また、湿度センサ３４と温度センサ３５と圧力センサ３６を別々のセンサとして備えているが、これら
のセンサの機能が一つにしたセンサを用いてもよい。

噴霧量Ｑｗの算出には、相対湿度Ｈｘを検出してから容積絶対湿度ｈｘを求めているが、容積絶対湿度や重量絶対湿度を検出できるときは、最初からこれらの絶対湿度差を用いてよい。

加圧ポンプ３２及び水噴霧弁３３は、吸気Ａ１に噴霧した水Ｗ１の少なくとも一部が液滴の状態を維持したまま気筒１２まで到達してもよく、噴霧した水Ｗ１の全てが水蒸気となり吸気Ａ１に混合されてもよい。

１０ エンジン
１１ エアクリーナ（入口）
１２ 気筒
１３ 吸気通路１３
３１ 貯蔵タンク
３２ 加圧ポンプ
３３ 水噴霧弁
３４ 湿度センサ
３８ 制御装置
Ａ１ 吸気
Ｈｘ 相対湿度
Ｈａ 雨天湿度
Ｗ１ 水

Claims (5)

1. 外気に開口した入口から気筒まで連通する吸気通路と、水を貯蔵する貯蔵タンクと、この貯蔵タンクに貯蔵された水を加圧して排出する加圧ポンプと、この加圧ポンプに配管を介して接続された水噴霧弁と、前記入口から流入し前記気筒で燃料と共に燃焼するまでの間に吸気の湿度を取得する湿度取得装置と、この湿度取得装置及び前記水噴霧弁に接続された制御装置と、を備え、
   前記湿度取得装置で取得したその湿度が、予め設定された雨天運転時における雨天湿度より低い場合は、その湿度とその雨天湿度との差分に基づいて、前記制御装置により、前記燃焼するまでの間に前記水噴霧弁から前記吸気に水を噴霧する構成にしたことを特徴とする車両用のエンジン。
2. 前記湿度取得装置が、前記入口の近傍に配置された請求項１に記載の車両用のエンジン。
3. 前記吸気通路に前記吸気を圧縮するコンプレッサを備え、
   前記水噴霧弁が、前記吸気の流れに関して前記コンプレッサの上流側に配置された請求項１又は２に記載の車両用のエンジン。
4. 前記気筒から排出された排気ガスが通過する排気通路と前記吸気通路とを連通するＥＧＲ通路を備え、
   前記水噴霧弁が、前記吸気の流れに関して前記吸気通路と前記ＥＧＲ通路との合流部よりも下流側に配置された請求項１又は２に記載の車両用のエンジン。
5. 吸気に水を噴霧する車両用のエンジンの制御方法であって、
   前記吸気が吸気通路の入口から流入して気筒で燃料と共に燃焼するまでの間に前記吸気の湿度を取得し、
   取得したその湿度が、予め設定された雨天運転時における雨天湿度より低い場合は、その湿度とその雨天湿度との差分に基づいて、前記燃焼するまでの間に前記吸気に水噴霧弁から水を噴霧することを特徴とする車両用のエンジンの制御方法。

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