JP2018119416A

JP2018119416A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2018119416A
Application number: JP2017009482A
Authority: JP
Inventors: 隆司守谷; Takashi Moriya
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-01-23
Filing date: 2017-01-23
Publication date: 2018-08-02

Abstract

【課題】車両の外部環境の湿度が急激に変化したとしても、その変化に応じて排気の循環を適正に行うことを可能にした内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】排気還流機構は、通信装置２００が受信した車両の外部環境の湿度の変化量が所定の閾値以下であるときには、湿度センサ２０により検知される吸入空気の湿度に基づき、吸気通路３に還流させる排気の流量を制御し、通信装置２００が受信した車両の外部環境の湿度の変化量が所定の閾値以上であるときには、一定時間が経過するまでの間は、通信装置２００が受信した車両の外部環境の湿度に基づき、吸気通路３に還流させる排気の流量を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

こうした内燃機関の排気浄化装置の一例として、例えば特許文献１に記載の装置は、内燃機関の吸気マニホールドに湿度センサを設け、湿度センサにより検知される湿度が所定の閾値以上であるときには吸気マニホールドへの排気の循環を停止する。これにより、水分を多く含有する高温の排気が吸気マニホールドを腐食させることを抑制している。

特開２００３−２３９８１１号公報

しかしながら、上記文献に記載の装置では、天候の急変等により、車両の外部環境の湿度が急激に変化したときには、湿度センサの応答遅れに起因して、排気に含有される水分量に応じた排気の循環を適正に行うことができないという問題があった。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、車両の外部環境の湿度が急激に変化したとしても、その変化に応じて排気の循環を適正に行うことを可能にした内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

上記課題を解決する内燃機関の排気浄化装置は、吸気通路に設けられ、吸気の湿度を検知する湿度センサと、排気を前記吸気通路に還流させる排気還流機構と、車両の外部環境の湿度に関する情報を含めた各種情報を車両外部の情報処理装置から受信する通信装置と、を備え、前記排気還流機構は、前記通信装置が受信した車両の外部環境の湿度の変化量が所定の閾値以下であるときには、前記湿度センサにより検知される吸気の湿度に基づき、前記吸気通路に還流させる排気の流量を制御し、前記通信装置が受信した車両の外部環境の湿度の変化量が所定の閾値以上であるときには、一定時間が経過するまでの間は、前記通信装置が受信した車両の外部環境の湿度に基づき、前記吸気通路に還流させる排気の流量を制御する。

上記構成によれば、車両の外部環境の湿度の変化が比較的小さいときには、車両に搭載された湿度センサにより精度良く検知される湿度の情報に基づき、吸気通路に還流させる排気の流量を制御する。これにより、車両の外部環境の湿度に応じて排気の循環を適正に行うことが可能となる。その一方で、車両の外部環境の湿度が急激に変化し、車両に搭載された湿度センサのセンサ値が応答遅れを生じるようなときには、湿度センサのセンサ値が車両の外部環境の急激な湿度の変化に応答するまでの間は、湿度センサのセンサ値に代えて、車両外部の情報処理装置から受信した湿度の情報に基づき、吸気通路に還流させる排気の流量を制御する。これにより、車両の外部環境の湿度が急激に変化したとしても、その変化に応じて排気の循環を適正に行うことが可能となる。

内燃機関の排気浄化装置の一実施の形態が適用されるディーゼルエンジン及びその周辺機構を示す模式図。吸入空気の湿度とＥＧＲ量の最大値との関係を規定したＥＧＲマップの一例を示すグラフ。吸入空気の湿度に関する情報の精度ごとに段階的に設定したＥＧＲマップの一例を示すグラフ。同実施の形態の内燃機関の排気浄化装置が実行するＥＧＲ制御の制御手順を示すフローチャート。

以下、内燃機関の排気浄化装置を具体化した一実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、本実施の形態にかかる排気浄化装置が適用される内燃機関はディーゼルエンジンであり、以下においては、単に「エンジン」という。

図１に示すように、エンジン１には、シリンダブロックの長手方向に向かって順番に、第１の気筒＃１、第２の気筒＃２、第３の気筒＃３、及び第４の気筒＃４が並んで設けられている。シリンダヘッド２には複数の燃料噴射弁４ａ〜４ｄが取り付けられている。これら燃料噴射弁４ａ〜４ｄは各気筒＃１〜＃４の燃焼室に燃料をそれぞれ噴射する。また、シリンダヘッド２には新気を気筒内に導入するための吸気ポートと、燃焼ガスを気筒外へ排出するための排気ポート６ａ〜６ｄとが各気筒＃１〜＃４に対応して設けられている。

燃料噴射弁４ａ〜４ｄは、高圧燃料を蓄圧するコモンレール９に接続されている。コモンレール９はサプライポンプ１０に接続されている。サプライポンプ１０は燃料タンク内の燃料を吸入するとともにコモンレール９に高圧燃料を供給する。コモンレール９に供給された高圧燃料は、各燃料噴射弁４ａ〜４ｄの開弁時に同燃料噴射弁４ａ〜４ｄから気筒＃１〜＃４内に噴射される。

吸気ポートには、エンジン１の出力軸であるクランク軸の回転に同期して開閉動作する吸気バルブが設けられている。また、吸気ポートには、インテークマニホールド７が接続されている。インテークマニホールド７は吸気通路３に接続されている。この吸気通路３には吸入空気量を調整するための吸気絞り弁１６が設けられている。

排気ポート６ａ〜６ｄには、エンジン１の出力軸であるクランク軸の回転に同期して開閉動作する排気バルブが設けられている。また、排気ポート６ａ〜６ｄには、エキゾーストマニホールド８が接続されている。エキゾーストマニホールド８は排気通路２６に接続されている。

排気通路２６の途中には、排気圧を利用して気筒に導入される吸入空気を過給するターボチャージャー１１が設けられている。ターボチャージャー１１の吸入空気側コンプレッサーと吸気絞り弁１６との間の吸気通路３にはインタークーラ１８が設けられている。このインタークーラ１８によって、ターボチャージャー１１の過給により温度上昇した吸入空気の冷却が図られる。また、排気通路２６の途中にあって、ターボチャージャー１１の排気側タービンの下流には、排気を浄化するＮＯｘ吸蔵触媒３０が設けられている。

また、エンジン１には排気再循環装置（以下、ＥＧＲ装置という）が設けられている。このＥＧＲ装置は、排気の一部を吸気通路３に戻すことで気筒内での混合気の燃焼温度を低下させ、これによりエンジン１から発生するＮＯｘの量を低減させる装置である。このＥＧＲ装置は、吸気通路３の一部を構成するインテークマニホールド７とエキゾーストマニホールド８とを連通するＥＧＲ通路１３、ＥＧＲ通路１３に設けられたＥＧＲ弁１５、及びＥＧＲ通路１３の途中に設けられたＥＧＲクーラ１４等により構成されている。そして、機関運転状態に応じてＥＧＲ弁１５の開度が調整されることにより、排気通路２６から吸気通路３に戻される排気の量であるＥＧＲ量が調整される。また、ＥＧＲクーラ１４によってＥＧＲ通路１３内を流れる排気の温度が低下される。

エンジン１には、機関運転状態を検出するための各種センサやスイッチが取り付けられている。例えば、エアフロメータ１９は吸気通路３内の吸入空気量を検出する。湿度センサ２０は、吸入空気の湿度を検出する。絞り弁開度センサ２１は吸気絞り弁１６の開度を検出する。吸気温度センサ２２は吸入空気の温度を検出する。クランク角センサ２３はクランク軸の回転速度、すなわち機関回転速度ＮＥを検出する。アクセル操作量センサ２４はアクセルペダルの踏み込み量、すなわちアクセル操作量ＡＣＣＰを検出する。第１の排気温度センサ２８は、排気通路２６におけるＮＯｘ吸蔵触媒３０の上流を流れる排気の温度を検出する。第２の排気温度センサ２９は、排気通路２６におけるＮＯｘ吸蔵触媒３０の下流を流れる排気の温度を検出する。

これら各種センサ等の出力は制御装置１００に入力される。制御装置１００は、ＣＰＵ１１０（中央処理装置）とメモリ１２０とを備えており、メモリ１２０に記憶されたプログラムをＣＰＵ１１０が実行することによりエンジン１の各種制御を実行する。エンジン１の各種制御としては、例えば燃料噴射弁４ａ〜４ｄの燃料噴射量制御・燃料噴射時期制御、サプライポンプ１０の吐出圧力制御、吸気絞り弁１６を開閉するアクチュエータ１７の駆動量制御、ＥＧＲ弁１５の開度制御及び排気浄化制御等が挙げられる。

また、制御装置１００は、車両外部との通信を行う通信装置２００に接続されている。そして、制御装置１００は、他車両３００、又は気象情報を管理する外部サーバ４００から通信装置２００を介して車両の外部環境の湿度を含めた各種情報を受信する。

制御装置１００は、ＥＧＲ弁１５の開度制御として、吸入空気量と機関回転速度ＮＥ等の機関運転状態に基づいてＥＧＲ弁１５の開度を制御することにより、ＥＧＲ量を機関運転状態に応じた量に調整する。より詳細には、制御装置１００は、吸入空気の湿度とＥＧＲ量の最大値との関係を規定したＥＧＲマップＭ１をメモリ１２０に記憶している。そして、制御装置１００は、このＥＧＲマップＭ１を参照しつつ、湿度センサ２０により取得した吸入空気の湿度に基づき、機関運転状態に応じてＥＧＲ量を制御する。なお、制御装置１００は、湿度センサ２０から吸入空気の湿度が適正に取得できないときには、通信装置２００を介して取得した車両の外部環境の湿度を吸入空気の湿度として推定することにより、機関運転状態に応じてＥＧＲ量を制御する。

この場合、図２に示すように、ＥＧＲマップＭ１には、吸入空気の湿度が高くなるほど、ＥＧＲ量の最大値が高くなる傾向をもって、吸入空気の湿度とＥＧＲ量の最大値とが対応付けられている。

また、図３に示すように、制御装置１００は、吸入空気の湿度に関する情報の精度に応じて段階的に設定された複数のＥＧＲマップＭ１をメモリ１２０に記憶している。より詳細には、制御装置１００は、吸入空気の湿度に関する情報の精度が低いほど、ＥＧＲ量の最大値が小さくなる傾向をもって、吸入空気の湿度とＥＧＲ量の最大値との関係を示す複数のＥＧＲマップＭ１をメモリ１２０に記憶している。この場合、制御装置１００は、車両に搭載された湿度センサ２０から吸入空気の湿度を取得したときには、当該取得した吸入空気の湿度を比較的精度の高い情報として扱う。その一方で、制御装置１００は、通信装置２００を介して取得した車両の外部環境の湿度に基づき吸入空気の湿度を推定したときには、当該推定した吸入空気の湿度を比較的精度の低い情報として扱う。また、制御装置１００は、吸入空気の湿度に関する情報を更新してからの経過時間が短いほど、吸入空気の湿度を精度の高い情報として扱う。

次に、本実施の形態の内燃機関の排気浄化装置において制御装置１００が実行するＥＧＲ制御について、その具体的な制御手順を説明する。ここで、制御装置１００は、図４に示すＥＧＲ制御を所定の周期で実行する。

図４に示すように、ＥＧＲ制御ではまず、制御装置１００は、自車両に湿度センサ２０が搭載されているか否かを判定する（ステップＳ１０）。
そして、制御装置１００は、湿度センサ２０が搭載されているときには（ステップＳ１０＝ＹＥＳ）、当該搭載された湿度センサ２０が正常に動作しているか否かを判定する（ステップＳ１１）。

また、制御装置１００は、湿度センサ２０が正常に動作しているときには（ステップＳ１１＝ＹＥＳ）、通信装置２００を介して取得した車両の外部環境の湿度の変化量が所定の閾値未満であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。

そして、制御装置１００は、車両の外部環境の湿度の変化量が所定の閾値未満であるときには（ステップＳ１２＝ＹＥＳ）、その処理をステップＳ１４に移行する。なお、制御装置１００は、車両の外部環境の湿度の変化量が所定の閾値以上であっても（ステップＳ１２＝ＮＯ）、その変化があってから一定時間が経過したときには（ステップＳ１３＝ＹＥＳ）、その処理をステップＳ１４に移行する。

そして、ステップＳ１４において、制御装置１００は、湿度センサ２０から取得した吸入空気の湿度に基づき、湿度センサ２０から取得した湿度に対応するＥＧＲマップＭ１に従ってＥＧＲ量の最大値を決定する。

その後、制御装置１００は、先のステップＳ１４において決定したＥＧＲ量の最大値の範囲内で、機関運転状態に応じてＥＧＲ制御を行った上で（ステップＳ１５）、図４に示すＥＧＲ制御を終了する。

その一方で、制御装置１００は、車両の外部環境の湿度の変化量が所定の閾値以上であるときには（ステップＳ１２＝ＮＯ）、その変化があってから一定時間が経過するまでの間は（ステップＳ１３＝ＮＯ）、その処理をステップＳ１５に移行する。

また、制御装置１００は、自車両に湿度センサ２０が搭載されていないとき（ステップＳ１０＝ＮＯ）、又は、湿度センサ２０の動作に異常があるときにも（ステップＳ１１＝ＮＯ）、その処理をステップＳ１５に移行する。

そして、ステップＳ１５において、制御装置１００は、通信装置２００を介して取得した車両の外部環境の湿度のうち、最も精度の高い湿度の情報を選択する。また、制御装置１００は、こうして選択した湿度の情報の精度に対応するＥＧＲマップＭ１に従ってＥＧＲ量の最大値を決定する。

その後、制御装置１００は、先のステップＳ１５において決定したＥＧＲ量の最大値の範囲内で、機関運転状態に応じてＥＧＲ制御を行った上で（ステップＳ１６）、図４に示すＥＧＲ制御を終了する。

次に、本実施の形態における内燃機関の排気浄化装置の作用について説明する。
一般に、エンジンの排気を再循環させるＥＧＲは、燃費の向上や排気の浄化に効果がある。ただし、吸入空気に多くの湿度が含まれている場合、排気中の硫黄成分と吸入空気中の水分で硫酸が生成され、燃料噴射弁４ａ〜４ｄの腐食を招く虞がある。そのため、吸入空気の湿度に応じてＥＧＲにより再循環させる排気の流量を制限することが望ましい。

しかしながら、車両の外部環境の湿度が急激に変化するときには、この変化に対して車両に搭載された湿度センサ２０のセンサ値は応答遅れを生じる。すると、湿度センサ２０のセンサ値と実際の吸入空気の湿度とが乖離して、排気の流量の制限が不十分となってしまう。その結果、燃料噴射弁の腐食を招いたり、また逆に排気の流量の制限が過大となって燃費の向上や排気の浄化の効果が適正に得られなくなったりする。

この点、本実施の形態では、通信装置２００を介して他車両３００又は外部サーバ４００から車両の外部環境の湿度に関する情報を定期的に取得しており、当該取得した情報に基づき車両の走行環境の湿度が急激に変化したか否かを監視している。そして、車両の外部環境の湿度が急激に変化したときには、車両に搭載された湿度センサ２０のセンサ値に代えて、通信装置２００を介して取得した車両の外部環境の湿度を吸入空気の湿度として用いてＥＧＲを行う。これにより、車両の外部環境の湿度が急激に変化したとしても、その変化に応じて排気の循環を適正に行うことが可能となる。

特に、本実施の形態では、車両の外部環境の湿度が急激に変化したとしても、その変化があってから一定時間が経過した後には、湿度センサ２０のセンサ値に基づいてＥＧＲを行う。すなわち、車両に搭載された湿度センサ２０のセンサ値の応答遅れが解消したものと判断したときには、通信装置２００を介した取得した車両の外部環境の湿度と比較して、相対的に精度の高い湿度センサ２０のセンサ値に基づいてＥＧＲを行う。これにより、車両の外部環境の湿度の変化に対応しつつ、排気の循環をより一層適正に行うことが可能となる。

また、本実施の形態では、車両に湿度センサ２０が搭載されていない場合や、車両に搭載された湿度センサ２０の動作に異常を生じた場合であっても、他車両３００又は外部サーバ４００から通信装置２００を介して車両の外部環境の湿度を吸入空気の湿度として取得する。これにより、車両の走行時にＥＧＲが実行される頻度が高められ、ＥＧＲによる燃費の向上や排気の浄化を高い汎用性をもって行うことが可能となる。

また、本実施の形態では、車両外部から通信装置２００を介して車両の外部環境の湿度に関する情報を取得したときには、当該取得した情報の精度に応じて段階的に設定されたＥＧＲマップＭ１を参照してＥＧＲを行う。すなわち、車両の外部環境の湿度に関する情報の精度が低いほど、ＥＧＲ量の最大値を小さくする傾向をもって、吸入空気の湿度とＥＧＲ量の最大値との関係を規定する。これにより、通信装置２００を介して取得した車両の外部環境の湿度が実際の吸入空気の湿度よりも若干高かったとしても、ＥＧＲにより再循環させる排気の流量が十分に制限される。そのため、燃料噴射弁４ａ〜４ｄの腐食が発生することを適正に抑えることが可能となる。

以上説明したように、上記実施の形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
車両の外部環境の湿度の変化が比較的小さいときには、車両に搭載された湿度センサ２０により精度良く検知される湿度の情報に基づき、吸気通路３に還流させる排気の流量を制御する。これにより、車両の外部環境の湿度に応じて排気の循環を適正に行うことが可能となる。その一方で、車両の外部環境の湿度が急激に変化し、湿度センサ２０のセンサ値が車両の外部環境の急激な湿度の変化に応答するまでの間は、他車両３００又は外部サーバ４００から受信した車両の外部環境の湿度に基づき、吸気通路３に還流させる排気の流量を制御する。これにより、車両の外部環境の湿度が急激に変化したとしても、その変化に応じて排気の循環を適正に行うことが可能となる。

なお、上記実施の形態は、以下のような形態にて実施することもできる。
・上記実施の形態においては、情報源や情報の更新時間に応じて吸入空気の湿度に関する情報の精度を判断するようにした。ただし、こうした判断基準としてはその他にも、例えば複数の車両から情報を収集するのであれば情報源となる車両の台数を適用したり、外部サーバ４００における気象情報の予測確率を適用したりすることも可能である。

・上記実施の形態においては、吸入空気の湿度に関する情報の精度に応じて複数のＥＧＲマップＭ１を段階的に設定するようにした。ただし、燃料噴射弁の腐食を防止する効果や、燃費の向上や排気の浄化の効果が一定程度得られるのであれば、吸入空気の湿度に関する情報の精度に関わらずＥＧＲマップＭ１を一律に設定するようにしてもよい。

・排気浄化装置が適用される内燃機関は、上記実施の形態で限定した構成に限定されない。例えば、内燃機関は直列４気筒以外の内燃機関であってもよいし、ガソリンエンジンであってもよい。

１…ディーゼルエンジン、＃１〜＃４…気筒、２…シリンダヘッド、３…吸気通路、４ａ〜４ｄ…燃料噴射弁、５…燃料添加弁、６ａ〜６ｄ…排気ポート、７…インテークマニホールド、８…エキゾーストマニホールド、９…コモンレール、１０…サプライポンプ、１１…ターボチャージャ、１３…ＥＧＲ通路、１４…ＥＧＲクーラ、１５…ＥＧＲ弁、１６…吸気絞り弁、１７…アクチュエータ、１８…インタークーラ、１９…エアフロメータ、２０…湿度センサ、２１…絞り弁開度センサ、２２…吸気温度センサ、２３…クランク、２４…アクセル操作量センサ、２６…排気通路、２８…第１の排気温度センサ、２９…第２の排気温度センサ、３０…ＮＯｘ吸蔵触媒、１００…制御装置、２００…通信装置、３００…他車両、４００…外部サーバ。

Claims

吸気通路に設けられ、吸気の湿度を検知する湿度センサと、
排気を前記吸気通路に還流させる排気還流機構と、
車両の外部環境の湿度に関する情報を含めた各種情報を車両外部の情報処理装置から受信する通信装置と、
を備え、
前記排気還流機構は、
前記通信装置が受信した車両の外部環境の湿度の変化量が所定の閾値以下であるときには、前記湿度センサにより検知される吸気の湿度に基づき、前記吸気通路に還流させる排気の流量を制御し、
前記通信装置が受信した車両の外部環境の湿度の変化量が所定の閾値以上であるときには、一定時間が経過するまでの間は、前記通信装置が受信した車両の外部環境の湿度に基づき、前記吸気通路に還流させる排気の流量を制御する
内燃機関の排気浄化装置。