JP2019116837A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲクーラ等の腐食を抑制しつつ、内燃機関の自動停止の機会を確保する。【解決手段】本発明の内燃機関の制御装置は、内燃機関の排気通路に配置された触媒と、触媒より排気下流側の排気通路と、内燃機関の吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路の途中に配置され、冷媒との熱交換によりＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラと、を備える内燃機関を制御する。この制御装置は、ＥＧＲガス中のＳＯｘ濃度が基準以上であり、かつ、冷媒の温度がＥＧＲガスの露点以下であり、かつ、ＥＧＲの実行中である場合、内燃機関を自動停止する条件が成立する場合であっても、内燃機関の自動停止を実行しないように構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、排気ガスの一部を吸気通路へ還流させるＥＧＲ装置を備えた内燃機関の制御装置に関する。

ＥＧＲ装置を備える内燃機関では、低温のＥＧＲ通路を排気が流通することにより、あるいはＥＧＲクーラによって排気が冷却されることにより、排気中の水分が凝縮して酸性の凝縮水が発生する場合がある。特に、所定の停止条件が成立する場合に内燃機関を自動停止させる自動停止制御が採用されている車両では、ＥＧＲ通路やＥＧＲクーラ内に凝縮水が発生している内燃機関の暖機完了前の状態で、内燃機関の停止が行われる機会が増加する。従って、ＥＧＲ通路及びＥＧＲクーラに凝縮水が滞留しやすくなり、これによりＥＧＲクーラ等での腐食が発生しやすくなる。これに対し特許文献１には、ＥＧＲ通路やＥＧＲクーラに凝縮水が滞留しやすい条件であると判定された場合に、内燃機関の自動停止を禁止する制御が記載されている。

特開２０１０−１２１５７４号公報 特開２００８−１９６３６８号公報

ＥＧＲクーラ等の腐食を加速させるのは、強酸性の凝縮水が同じ箇所に付着し続けるような場合であり、凝縮水が発生していても、酸性濃度が比較的低い場合など腐食には至りにくい場合もある。しかし特許文献１の制御では、ＥＧＲ通路に凝縮水が存在すると推定される場合、無条件で自動停止が禁止されることになる。このため自動停止を実行する機会は少なくなる。しかし、燃費改善の観点からは、自動停止の実行機会を多く確保することが望ましく、この点、特許文献１の制御には改善の余地が残る。

本発明は上記課題を解決することを目的として、ＥＧＲクーラ等の腐食を抑制しつつ、内燃機関の自動停止の機会を多く確保できるよう改良された内燃機関の制御装置を提供するものである。

本発明が適用される内燃機関は、内燃機関の排気通路に配置された触媒と、触媒より排気下流側の排気通路と、内燃機関の吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路の途中に配置され、冷媒との熱交換によりＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラと、を備える。本発明の内燃機関の制御装置は、ＥＧＲガス中のＳＯｘ濃度が基準以上であり、かつ、冷媒の温度がＥＧＲガスの露点以下であり、かつ、ＥＧＲの実行中である場合、内燃機関を自動停止する条件が成立する場合であっても、内燃機関の自動停止を実行しないように構成されている。

本発明によれば、内燃機関の自動停止条件が成立する場合であっても、ＥＧＲガス中のＳＯｘ濃度が基準以上であり、かつ、ＥＧＲクーラの冷媒温度がＥＧＲガスの露点以下であり、かつ、ＥＧＲの実行中である場合には、内燃機関の自動停止が禁止される。これにより、ＳＯｘ濃度が高い強酸性の凝縮水が発生しやすい条件下で、内燃機関が自動停止されるのを禁止することができる。従って、ＥＧＲクーラ等に強酸性の凝縮水が滞留するのを抑制することができる。その一方、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラ等に流入しない場合、凝縮水が発生しない場合や、ＥＧＲガス中のＳＯｘ濃度が低いため、凝縮水が発生してもその酸性濃度が比較的低いと推定される場合には、自動停止が禁止されない。従って、自動停止の機会を不必要に減らすことがなく、自動停止実行による燃費の改善効果を高く確保することができる。

本発明の実施の形態の内燃機関の構成を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態におけるスタート触媒の床温と硫黄成分の蓄積量との関係を示す図である。 本発明の実施の形態におけるスタート触媒の床温と硫黄成分の過飽和量と硫黄成分の脱離速度との関係を示す図である。 本発明の実施の形態における排気の当量比と硫黄成分の脱離速度に対する補正係数との関係を示す図である。 本発明の実施の形態における硫黄成分の脱離速度と、排ガス流量と、排気ガス中のＳＯｘ濃度との関係を示す図である。 本発明の実施の形態における排ガス中のＳＯｘ濃度と凝縮水のｐＨとの関係を示す図である。 本発明の実施の形態における間欠運転制御について説明するためのタイミングチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態１の制御装置が適用される内燃機関２の構成を示す図である。本実施の形態に係る内燃機関２は、ハイブリッド車両に搭載され、動力源として用いられる。本実施の形態に係る内燃機関２は、エンジン本体に複数の気筒４が備えられた火花点火式の４ストロークレシプロエンジンである。気筒４の数に制限はない。

吸気通路６は吸気マニホールド８により分岐して各気筒４の吸気ポートに接続している。吸気通路６の入口にはエアクリーナ１０が設けられ、その吸気下流側には、気筒４内に供給される空気量を調整するためのスロットルバルブ１２が配置されている。

排気通路２０は排気マニホールド２２により分岐して各気筒４の排気ポートに接続している。排気通路２０には、排気上流側から順に、スタート触媒（以下、「Ｓ／Ｃ」と称する）２４およびアンダーフロア触媒（以下、「Ｕ／Ｆ」と称する）２６が設置されている。Ｓ／Ｃ２４及びＵ／Ｆ２６は所謂三元触媒であって、理論空燃比近傍において排気ガスに含まれるＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの３成分を効率的に浄化する。

また、本実施の形態に係る内燃機関２は、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして筒内へ還流させるＥＧＲ装置を備えている。ＥＧＲ装置は、ＥＧＲ通路３０を備えている。ＥＧＲ通路３０は、その一端がＳ／Ｃ２４とＵ／Ｆ２６との間の排気通路２０に接続され、他端が吸気通路６の吸気マニホールド８に接続されている。ＥＧＲ通路３０の途中には、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ３２が設けられている。ＥＧＲクーラ３２は、水冷式のクーラであり、冷媒としての冷却水が流通可能な内部流路を備えている。本実施の形態ではＥＧＲクーラ３２の冷媒はエンジン冷却水であるが、他の冷媒が用いられるものであってもよい。ＥＧＲクーラ３２よりも下流側のＥＧＲ通路３０には、ＥＧＲ通路３０を開閉することで筒内に流入させるＥＧＲガス量を調節するためのＥＧＲ弁３４が設けられている。

図示を省略するが、本実施の形態に係るシステムはＥＣＵ（Electronic Control Unit）を備えている。ＥＣＵは、内燃機関２全体を総合制御する制御装置である。本発明に係る制御装置はＥＣＵの一つの機能として具現化されている。

ＥＣＵは、内燃機関の各所に設置されたセンサの信号を取り込み処理する。センサには、例えば、排気通路２０のＳ/Ｃ２４上流側に設置されたＡ/Ｆセンサ３６のほか、Ｓ/Ｃ２４の床温を検出するための温度センサ、冷却水の温度Ｔ＿ｗを検出するための温度センサ等が含まれる。ＥＣＵは、取り込んだ各センサの信号を処理して所定の制御プログラムにしたがって各アクチュエータを操作する。ＥＣＵによって操作されるアクチュエータには、上述したＥＧＲ弁３４、スロットルバルブ１２などが含まれている。なお、ＥＣＵに接続されるアクチュエータやセンサは図中に示す以外にも多数存在するが、本明細書においてはその説明は省略する。

ＥＣＵは、内燃機関２の間欠運転制御を行う。即ち、内燃機関２の運転中に、例えば、内燃機関２に要求されるパワーが所定のパワーを下回る等の所定の停止条件が成立した場合、内燃機関２を自動停止（即ち、間欠停止）させる。また、内燃機関２を間欠停止して走行しているときに、内燃機関２に要求されるパワーが所定のパワーを超える等の所定の始動条件が成立した場合に、内燃機関２を再始動させる。

ところで、上述したように、Ｓ/Ｃ２４は理論空燃比近傍において排気ガスに含まれるＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの３成分を効率的に浄化する機能を有する触媒である。しかし排気ガス中に硫黄成分が含まれる場合にはＳ/Ｃ２４は硫黄成分を吸着する。Ｓ/Ｃ２４に吸着された硫黄成分は、所定の条件で脱離し、ＳＯｘの形態でＳ/Ｃ２４下流に排出される。このとき、Ｓ/Ｃ２４下流の排気ガスのＳＯｘ濃度は高くなる。ＳＯｘ濃度が高い排気ガスがＥＧＲ通路３０に取り込まれ、ＥＧＲクーラ３２等で凝縮水が発生した場合、その凝縮水の酸性濃度も高くなる。

ＥＧＲクーラ３２等で高酸性濃度の凝縮水が発生している状態で、内燃機関２が間欠停止されると、ＥＧＲガスの流通も停止するため高酸性濃度の凝縮水が同じ箇所に滞留し続けることとなる。この場合ＥＧＲクーラ３２等の腐食を招く虞がある。

このためＥＣＵは、ＥＧＲ実行中であって、ＥＧＲクーラ３２に供給される冷却水の温度Ｔ＿ｗがＥＧＲガスの露点以下であり、かつ、排気ガス中のＳＯｘ濃度が基準より高い場合に、内燃機関２の間欠停止を禁止する。以下、この制御について詳細に説明する。

図２は、本実施の形態においてＥＣＵが実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図２のルーチンは、一定の制御間隔で繰り返し実行されるルーチンである。図２のルーチンでは、まず、ステップＳ１０２においてＳ/Ｃ２４の床温（以下「Ｓ/Ｃ床温」）が検出される。Ｓ/Ｃ床温は、温度センサにより検出される。

次に、ステップＳ１０４に進み、Ｓ/Ｃ２４の硫黄成分の飽和吸着量（以下「Ｓ飽和蓄積量」）が算出される。図３は、Ｓ/Ｃ床温と硫黄成分の吸着量（以下「Ｓ蓄積量」）との関係を示す図であり、破線ＡはＳ飽和蓄積量を表している。図３に示されるように、Ｓ/Ｃ床温とＳ飽和蓄積量とには相関関係がある。ステップＳ１０４では、このような関係に基づいて、ステップＳ１０２で検出されたＳ/Ｃ床温に応じたＳ飽和蓄積量が算出される。なお、図３の破線Ａより上側の領域は硫黄成分の過飽和領域（以下「Ｓ過飽和領域」）であり、この領域ではＳ/Ｃ２４からの硫黄成分の脱離が起きる。また、ステップＳ１０２及びＳ１０４の処理と並行して、ステップＳ１０６では、Ｓ/Ｃ２４への硫黄成分の吸着量であるＳ蓄積量が算出される。

次に、ステップＳ１０８に進み、Ｓ飽和蓄積量がＳ蓄積量以下であるか否かが判別される。ステップＳ１０８においてＳ飽和蓄積量がＳ蓄積量より大きいと判別された場合、Ｓ/Ｃ２４における硫黄成分の脱離は起こらないか、あるいは脱離量はごく少量であり、Ｓ/Ｃ下流の排ガス中のＳＯｘ濃度はごく小さいものと判別される。従って、ＥＧＲ実行中であっても循環されるＥＧＲガスのＳＯｘ濃度もごく小さく、仮にＥＧＲクーラ３２において凝縮水が発生してもその酸性の濃度は低いものと考えられる。従って、ステップＳ１２０に進み、通常の制御モードが選択される。このモードでは間欠運転制御による自動停止も許容される。

一方、ステップＳ１０８においてＳ飽和蓄積量がＳ蓄積量以下であると判別された場合、次に、ステップＳ１１０に進み、Ｓ/Ｃ床温、Ｓ過飽和量、及び当量比に基づいて、単位時間当たりのＳ/Ｃ２４からの硫黄成分の脱離量であるＳ脱離速度が算出される。ここでＳ過飽和量は、そのＳ/Ｃ床温におけるＳ蓄積量とＳ飽和蓄積量との差である。

図４は、Ｓ/Ｃ床温とＳ過飽和量とＳ脱離速度との関係を示す図である。図４に示されるように、Ｓ脱離速度は、Ｓ/Ｃ床温が高く、Ｓ過飽和量が大きいほど大きくなり、Ｓ/Ｃ床温とＳ過飽和量とＳ脱離速度との間には、図４に示すような相関関係がある。この図４に示すような関係に基づいて、Ｓ/Ｃ床温とＳ過飽和量に応じたＳ脱離速度が算出される。

更に、算出されたＳ脱離速度は当量比に応じて補正される。図５は、排気ガスの当量比とＳ脱離速度に対する補正係数との関係を示す図である。排気ガス空燃比Ａ/Ｆがリッチである場合ほど、Ｓ脱離速度は早くなる。従って、図５に示されるように、Ｓ脱離速度の補正係数は、当量比が１の場合に１であり、当量比が１より大きい領域において、当量比が大きくなるほど、補正係数も大きくなるように設定されている。このように算出されたＳ脱離補正係数を、算出されたＳ脱離速度に掛けることで、補正後のＳ脱離速度が算出される。ステップＳ１１０では、補正後のＳ脱離速度が、Ｓ脱離速度の算出値とされる。

次に、ステップＳ１１２に進み、Ｓ脱離速度と、排ガス流量に応じて、Ｓ／Ｃ２４下流の排気ガスの推定ＳＯｘ濃度が算出される。図６は、排気ガス流量とＳ脱離速度と、排気ガス中のＳＯｘ濃度との関係を示す図である。図６に示されるように、Ｓ脱離速度が大きく、排ガス流量が小さい場合ほど、排気ガス中のＳＯｘ濃度は高くなり、Ｓ脱離速度と、排ガス流量と、ＳＯｘ濃度との間には相関関係がある。この図６に示されるような関係に基づいて、Ｓ脱離速度と排ガス流量とに応じて、Ｓ/Ｃ２４出口側、即ちＥＧＲ通路３０入口における排ガスの推定ＳＯｘ濃度ＳＯｘ＿ｒｅａｌが算出される。

次に、ステップＳ１１４に進み、ステップＳ１１２において算出された推定ＳＯｘ濃度ＳＯｘ＿ｒｅａｌが、限界濃度ＳＯｘ＿ｌｉｍ以上であるか否かが判別される。限界濃度ＳＯｘ＿ｌｉｍは、ＥＧＲクーラ３２等の腐食が進行すると考えられるｐＨである上限ｐＨに基づいて設定される値である。排気ガスのＳＯｘ濃度と凝縮水が発生した場合の凝縮水のｐＨとには、図７に示すような関係がある。限界濃度ＳＯｘ＿ｌｉｍは、このような関係に基づいて算出された上限ｐＨに応じたＳＯｘ濃度である。

ステップＳ１１４において、推定ＳＯｘ濃度ＳＯｘ＿ｒｅａｌが、限界濃度ＳＯｘ＿ｌｉｍ以上であると判別された場合、次に、ステップＳ１１６に進み、ＥＧＲ弁３４が開弁しているか否かが判別される。即ち、現在、ＥＧＲ実行中であるか否かが判別される。

ステップＳ１１６において、ＥＧＲ弁３４が開弁していると判別された場合、次に、ステップＳ１１８に進み、冷却水の温度Ｔ＿ｗが、ＥＧＲガスの露点温度Ｔ＿ｄｐより低温である場合の間欠停止が禁止されるモードに設定される。その後、今回の処理が終了する。

一方、ステップＳ１１４において、推定ＳＯｘ濃度ＳＯｘ＿ｒｅａｌが限界濃度ＳＯｘ＿ｌｉｍよりも小さいと判別された場合、あるいはステップＳ１１６において、ＥＧＲ弁３４が閉弁していると判別された場合、ステップＳ１２０に進み、通常運転モードとされ、間欠運転制御による間欠停止が許可される。その後今回の処理が終了する。

図８は、間欠運転制御による間欠停止が禁止される場合と間欠停止が許可される場合それぞれの制御について説明するためのタイミングチャートである。図８の（ａ）は間欠停止が禁止される場合の制御の例を示し、図８（ｂ）は間欠停止が許可される場合の制御の例を示している。

ステップＳ１１８の処理により、間欠停止禁止モードとされた場合、図８の（ａ）に示されるように、冷却水の水温Ｔ＿ｗが露点温度Ｔ＿ｐｄより高い間は、間欠停止が実行される。しかし、例えば、間欠停止中に冷却水の水温Ｔ＿ｗが露点温度Ｔ＿ｐｄまで低下すると、間欠停止が禁止され、冷却水の水温Ｔ＿ｗが露点温度Ｔ＿ｐｄ以下となる前に、内燃機関２は再始動される。

一方、ステップＳ１２０の処理により、間欠停止が許可される場合、即ち、推定ＳＯｘ濃度ＳＯｘ＿ｒｅａｌが、限界濃度ＳＯｘ＿ｌｉｍより小さい場合、あるいは、ＥＧＲ実行中ではない場合（即ち、ＥＧＲ弁３４が閉弁中の場合）、図８（ｂ）に示されるように、間欠停止は禁止されず、水温Ｔ＿ｗが露点温度Ｔ＿ｐｄを超えて低下しても、限界水温Ｔ＿ｗ＿ｍｉｎに達するまでの間は、間欠停止が許容される。なおここで、限界水温Ｔ＿ｗ＿ｍｉｎは、触媒の排ガス浄化性能を確保できる限界の水温であり、この水温より低下する場合には、別ルーチンによって間欠運転制御が禁止される。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ＥＧＲクーラ３２に流入するＥＧＲガスのＳＯｘ濃度が高い場合にのみ、自動停止が禁止される。従って、ＥＧＲクーラ３２に高酸性の凝縮水が滞留する虞がある場合の自動停止が禁止されることで、ＥＧＲクーラ等の腐食を抑制することができる。一方、本実施の形態の制御によれば、凝縮水が発生しない場合や凝縮水が発生しても酸性濃度が低い場合には、自動停止が許容される。これにより自動停止の実行機会を増やすことができ、燃費の改善を図ることができる。

なお、本実施の形態では内燃機関２がハイブリッド車両の動力源として用いられる場合の、間欠運転制御における間欠停止を禁止する制御について説明した。しかし、本実施の形態の制御は、これに限られず、例えば、アイドルストップ制御における自動停止等、他の自動停止を禁止する場合にも適用することができる。

また、本実施の形態では、図２のステップＳ１０２〜Ｓ１１２の処理により、ＥＧＲ通路３０入口側の排ガスの推定ＳＯｘ濃度を算出する場合について説明した。しかし、排ガスのＳＯｘ濃度の推定値の算出方法はこれに限られるものではなく、他の方法により推定してもよい。また、Ｓ/Ｃ２４の出口付近にＳＯｘ濃度を検出できるセンサを設置して、排ガスのＳＯｘ濃度を検出し、この検出値を排ガスのＳＯｘ濃度ＳＯｘ＿ｒｅａｌとして用いる構成としてもよい。

なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

２ 内燃機関
４ 気筒
６ 吸気通路
８ 吸気マニホールド
１０ エアクリーナ
１２ スロットルバルブ
２０ 排気通路
２２ 排気マニホールド
３０ ＥＧＲ通路
３２ ＥＧＲクーラ
３４ ＥＧＲ弁
３６ Ａ/Ｆセンサ

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に配置された触媒と、
   前記触媒より排気下流側の前記排気通路と、前記内燃機関の吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路の途中に配置され、冷媒との熱交換によりＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラと、
   を備える内燃機関を制御する制御装置であって、
   ＥＧＲガス中のＳＯｘ濃度が基準以上であり、かつ、前記冷媒の温度がＥＧＲガスの露点以下であり、かつ、ＥＧＲの実行中である場合、前記内燃機関を自動停止する条件が成立する場合であっても、前記内燃機関の自動停止を実行しないように構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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