JP2020133419A

JP2020133419A - 制御システム

Info

Publication number: JP2020133419A
Application number: JP2019023736A
Authority: JP
Inventors: 陽横田; Akira Yokota
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-02-13
Filing date: 2019-02-13
Publication date: 2020-08-31

Abstract

【課題】EGRクーラを容易に暖めることが可能な制御システムを提供する。【解決手段】内燃機関２の排気を吸気に戻すEGR通路の途中に設けられたEGRクーラ８と、車室内空調用のエアコン９の冷媒を圧縮する圧縮機１２と、EGRクーラ８に配設されて、圧縮機１２により圧縮された冷媒が流れる冷媒流路１０と、EGRクーラ８の温度が規定温度よりも低い場合に、冷媒流路１０に前記冷媒を流す制御を行う制御部とを備えたことを特徴とする制御システム。【選択図】図１

Description

本発明は制御システムに関する。

燃費を改善する等の目的で排気ガスの一部をEGR(Exhaust Gas Recirculation)ガスとして吸気に戻すEGR方式を採用した内燃機関がある。そのEGR方式では、高温のEGRガスを吸気に直接戻すのではなく、EGRクーラによる冷却で密度が高められたEGRガスを吸気に戻すことでノッキング等が発生するのを抑制することができる。

EGRクーラを利用した技術として、ハイブリッド自動車の走行用の動力源である電気モータを冷媒で冷却しつつ、それにより温度が高くなった冷媒でEGRクーラを予め暖める技術が開示されている（例えば特許文献１）。低温のEGRクーラにEGRガスを導入するとEGRクーラの内部に凝縮水が発生するが、上記の技術では予めEGRクーラを暖めることで凝縮水が発生するのを抑制し、内燃機関を始動してから速い段階でEGRクーラにEGRガスを導入できるとされている。

国際公開２０１３／１６８５２０号

しかし、上記の技術では、内燃機関の始動前に電気モータで十分な走行を行っていないと冷媒の温度が上がらない。そのため、電気モータによる走行が不十分な場合には冷媒でEGRクーラを暖めることができず、内燃機関を始動してから速やかにEGRクーラにEGRガスを導入するのが困難となる。しかも、電気モータがなく、内燃機関のみで走行を行う車両にはこの技術を適用することができない。そこで、EGRクーラを容易に暖めることが可能な制御システムを提供することを目的とする。

上記目的は、内燃機関の排気を吸気に戻すEGR通路の途中に設けられたEGRクーラと、車室内空調用のエアコンの冷媒を圧縮する圧縮機と、前記EGRクーラに配設されて、前記圧縮機により圧縮された前記冷媒が流れる冷媒流路と、前記EGRクーラの温度が規定温度よりも低い場合に、前記冷媒流路に前記冷媒を流す制御を行う制御部とを備えたことを特徴とする制御システムによって達成できる。

EGRクーラを容易に暖めることが可能な制御システムを提供できる。

図１は、本実施形態に係る制御システムの構成図である。図２は、本実施形態に係る内燃機関の拡大断面図である。図３（ａ）、（ｂ）は、本実施形態に係る制御システムの動作について説明するための模式図（その１）である。図４は、本実施形態に係る制御システムの動作について説明するための模式図（その２）である。図５は、本実施形態に係る制御システムの制御方法を示すフローチャートである。図６は、比較例に係る制御システムの構成図である。

図１は、本実施形態に係る制御システムの構成図である。
図１に示すように、この制御システム１は、内燃機関２、ウォータポンプ３、サーモスタット４、ラジエタ５、第１の冷却水流路６、第２の冷却水流路７、EGRクーラ８、及びエアコン９を有する。

内燃機関２は、自動車の走行用の動力源であり、例えばハイブリッド自動車に搭載された水冷式のガソリンエンジンである。また、内燃機関２にはEGRシステムが採用されており、排気ガス一部であるEGRガスGがEGRクーラ８を通って内燃機関２の吸気側に供給される。

ウォータポンプ３は、内燃機関２を冷却する冷却水を各冷却水流路６、７に送出するための電動式のポンプである。また、サーモスタット４は、内燃機関２に流入する冷却水の水温が所定温度T₀未満の場合に、第２の冷却水流路７における冷却水の流れを遮断し、第１の冷却水流路６のみを冷却水が流れるようにする装置である。なお、冷却水の水温が所定温度T₀以上となった場合には、サーモスタット４が開状態となり、第１の冷却水流路６と第２の冷却水流路７の両方に冷却水が流れるようになる。

また、第１の冷却水流路６の途中には前述のEGRクーラ８が設けられる。第１の冷却水流路６は、EGRクーラ８を冷却する機能も兼ねており、これによりEGRガスGが冷却されてその密度が高まり、内燃機関２においてノッキング等が発生するのを抑制することができる。

ラジエタ５は、外気との熱交換によって第２の冷却水流路７を流れる冷却水を冷却する装置である。

一方、エアコン９は、車室内の空調に使用される空調機であって、第１の冷媒流路１０、第２の冷媒流路１１、圧縮機１２、膨張弁１３、バイパス流路１５、開閉弁１６、及びエバポレータ１７を備える。

このうち、第１の冷媒流路１０は、圧縮機１２により圧縮された液相の高温の冷媒が通る流路であって、EGRクーラ８の壁面に配設される。このようにEGRクーラ８に第１の冷媒流路１０を設けることで、高温の冷媒によってEGRクーラ８を加熱することができる。これにより、EGRガスGが導入されたときにEGRクーラ８の内部に凝縮水が発生するのが抑制され、その凝縮水でEGRクーラ８の内部が腐食するのを防止することができる。

また、バイパス流路１５は、EGRクーラ８を迂回する冷媒が流れる流路である。この例では、EGRクーラ８の上流側の第１の冷媒流路１０に開閉弁１６を設ける。これにより、開閉弁１６が閉状態の場合には冷媒がバイパス流路１５を流れるようになる。そして、開閉弁１６が開状態の場合には、冷媒はバイパス流路１５を流れずに、第１の冷媒流路１０の内部を流れるようになる。

膨張弁１３は、エバポレータ１７内に冷媒を噴射して膨張させる弁である。これにより、冷媒が周囲から温度を奪いながらエバポレータ１７内で気化し、車室内に冷却風を供給することが可能となる。

図２は、内燃機関２の拡大断面図である。
図２に示すように、内燃機関２は、ピストン２０、シリンダ２１、吸気マニホールド２２、排気マニホールド２３、EGR通路２４、及びEGRバルブ２５を備える。

このうち、ピストン２０は、シリンダ２１内で燃焼する燃料の膨張力で往復運動を行うことにより、自動車を走行させる駆動力を発生する。また、吸気マニホールド２２は、燃料と空気の混合ガスをシリンダ２１に供給する管路である。そして、排気マニホールド２３は、シリンダ２１で発生した排気ガスを排出する管路である。

また、EGR通路２４は、吸気マニホールド２２と排気マニホールド２３を接続する管路であって、排気ガスの一部がそのEGR通路２４にEGRガスGとして供給される。EGR通路２４の途中には前述のEGRクーラ８が設けられる。EGRクーラ８で冷却されたEGRガスGは吸気マニホールド２２を経由してシリンダ２１に供給される。EGRバルブ２５は、EGRガスGの流れを遮断するバルブであって、ECU(Electronic Control Unit)３０によって開閉が制御される。

ECU３０は、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、及びROM(Read Only Memory)等を備えた制御部の一例であり、ROMに記憶されたプログラムを実行することにより各種の制御を行う。例えば、ECU３０は、シリンダ２１にEGRガスGを供給する必要がない場合にはEGRバルブ２５を閉じ、それ以外の場合にはEGRバルブ２５を開く制御を行う。その他に、ECU３０は、ウォータポンプ３の制御や、開閉弁１６の開閉の制御等も行う。

次に、本実施形態に係る制御システム１の動作の一例について説明する。図３（ａ）〜図４は、本実施形態に係る制御システム１の動作について説明するための模式図である。

低温のEGRクーラ８にEGRガスGを供給すると、そのEGRクーラ８の内部に凝縮水が発生する。凝縮水の発生を抑制できるEGRクーラ８の最低温度を以下では規定温度T_thと呼ぶ。その規定温度T_thは例えば６０℃である。この場合、EGRクーラ８の温度が６０℃未満の場合には凝縮水が発生し、EGRクーラ８の温度が６０℃以上の場合には凝縮水が発生しないということになる。そこで、以下ではEGRクーラ８の壁面の温度が６０℃以上となるような制御を行う。

図３（ａ）は、内燃機関２が暖気中の場合の制御システム１の模式図である。例えば、内燃機関２を停止させた状態で、電気モータの動力のみで車両が走行するEV(Electric Vehicle)走行時に内燃機関２が暖気中となる。この場合は、内燃機関２の昇温を促すために、ECU３０がウォータポンプ３を停止させており、各冷却水流路６、７に冷却水は流れていない。また、EGRクーラ８の壁面の温度は６０℃よりも低いものとする。

この場合は、ECU３０が開閉弁１６を開き、EGRクーラ８の壁面の第１の冷媒流路１０にエアコン９の冷媒を流す。これにより、圧縮機１２で圧縮された高温の冷媒によってEGRクーラ８を予備加熱することができる。

なお、この例では車両の搭乗者がエアコン９を使用中の場合を想定しているが、搭乗者がエアコン９を使用していない場合にはECU３０が圧縮機１２を動作させてエアコン９をオン状態にすればよい。

図３（ｂ）は、内燃機関２が起動した直後の制御システム１の模式図である。なお、EGRクーラ８の壁面の温度は、前述の予備加熱によって６０℃以上となっているものとする。また、内燃機関２の暖気を促すために、ECU３０がウォータポンプ３を停止させており、各冷却水流路６、７に冷却水は流れていないものとする。

この場合は、ECU３０がEGRバルブ２５（図２参照）を開き、EGRクーラ８へのEGRガスGの導入を許可する。この時点では前述のようにEGRクーラ８の壁面の温度が６０℃以上となっているため、EGRクーラ８にEGRガスGを導入しても凝縮水は発生しない。

これにより、内燃機関２が起動してから速やかにEGRクーラ８にEGRガスGを導入することができ、EGRシステムによる燃費改善の効果が向上する。

図４は、内燃機関２の暖気が終了し、かつEGRクーラ８の壁面の温度が６０℃以上の場合の制御システム１の模式図である。この場合は、ECU３０がウォータポンプ３を動作させることで第１の冷却水流路６に冷却水を流し、その冷却水で内燃機関２を冷却する。また、その第１の冷却水流路６を流れる冷却水はEGRクーラ８にも供給されており、これによりEGRクーラ８の温度を６０℃以上に保ちながら、その冷却水でEGRクーラ８が冷却される。

また、この場合はエアコン９の冷媒でEGRクーラ８を加熱する必要がないため、ECU３０が開閉弁１６を閉じて冷媒をバイパス流路１５に流す。これにより、搭乗者が使用中のエアコン９を停止させることなく、EGRクーラ８を通る冷却水と冷媒との間で不要な熱交換が行われるのを防止でき、圧縮機１２の負荷を軽減して燃費を改善することが可能となる。なお、搭乗者がエアコン９を使用する必要がない場合には、開閉弁１６を閉じずに、ECU３０が圧縮機１２を停止させてもよい。更に、バイパス流路１５と開閉弁１６を省き、ECU３０が圧縮機１２を停止させて冷媒の流れを止めてもよい。

また、図４の例ではサーモスタット４が開く基準となる所定温度T₀よりも冷却水の水温が低く、サーモスタット４は閉じている場合を想定している。そのため、冷却水は、第１の冷却水流路６のみを流れ、第２の冷却水流路７には冷却水は流れない。

次に、本実施形態に係る制御システム１の更に詳細な制御の例について説明する。図５は、本実施形態に係る制御システム１の制御方法を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１において、ECU３０が冷間始動かどうかを判断する。なお、この例ではEGRクーラ８の温度が６０℃未満の場合に内燃機関２が始動した場合を冷間始動と呼ぶ。これによれば、例えばショートトリップ後の半暖気状態から内燃機関２を再始動させた場合も冷間始動となる。

また、EGRクーラ８の壁面の温度は、圧縮機１２の仕事量からECU３０が推定することができる。この場合、圧縮機１２の仕事量がEGRクーラ８とその内部の冷却水とへの入熱量となる。また、EGRクーラ８の内部における冷却水の容積と比熱も既知である。よって、圧縮機１２の仕事量を時間で積算すれば、EGRクーラ８の壁面の凡その温度を推定することができる。

ここで、冷間始動ではない（ＮＯ）と判断された場合には、EGRクーラ８にEGRガスGを導入してもEGRクーラ８の内部で凝縮水は発生しない。よって、この場合にはステップＳ２に移り、ECU３０がEGRバルブ２５を開くことにより、EGRクーラ８へのEGRガスGの導入を許可する。

一方、ステップＳ１において冷間始動である（ＹＥＳ）と判断された場合には、EGRクーラ８にEGRガスGを導入するとEGRクーラ８の内部で凝縮水が発生するおそれがある。よって、この場合には、凝縮水の発生を防止するために以下の各ステップを行う。

まず、ステップＳ３において、上記と同様にしてEGRクーラ８の温度をECU３０が推定する。
次いで、ステップＳ４に移り、ECU３０が、EGRクーラ８の温度が６０℃以上かどうかを判断する。

ここで、６０℃以上である（ＹＥＳ）と判断された場合には、EGRガスGの導入によってEGRクーラ８の内部で凝縮水が発生するおそれはない。よって、この場合には、前述のステップＳ２に移り、ECU３０がEGRバルブ２５を開く。

一方、ステップＳ４において水温が６０℃以上ではない（ＮＯ）と判断された場合にはステップＳ５に移る。

ステップＳ５においては、図３（ａ）のようにECU３０の制御下でエアコン９の冷媒の熱でEGRクーラ８に対して予備加熱を行う。なお、図３（ａ）の例では、開閉弁１６を開くことで第１の冷媒流路１０に冷媒を流し、その冷媒の熱で予備加熱を行ったが、場合によってはバイパス流路１５と開閉弁１６とを省いてもよい。その場合には、ECU３０が圧縮機１２を動作させることで予備加熱を行い、予備加熱が不要となった時点でECU３０が圧縮機１２を停止させればよい。

この後は、EGRクーラ８の温度が６０℃以上となるまでステップＳ３〜Ｓ５を繰り返す。以上により、本実施形態に係る制御システム１の制御方法の基本ステップを終了する。

上記した本実施形態によれば、図３（ａ）に示したように、内燃機関２の起動前にエアコン９の冷媒の熱を利用してEGRクーラ８に対して予備加熱をする。そのため、図３（ｂ）に示したように、内燃機関２を起動した時点でEGRクーラ８の壁面の温度を６０℃以上とすることができる。その結果、内燃機関２が起動してから速やかにEGRクーラ８にEGRガスGを導入することが可能となり、EGRシステムによる燃費改善の効果が向上する。

しかも、本実施形態では、ハイブリッド車の走行用のモータを冷却するための冷媒を用いることなしにEGRクーラ８に対して予備加熱を行う。そのため、内燃機関２のみで走行を行う車両においてもEGRクーラ８を容易に暖めて燃費を改善することが可能となる。
（比較例）

図６は、比較例に係る制御システム４０の構成図である。なお、図６において、本実施形態と同じ要素には本実施形態におけるのと同じ符号を付し、その説明を省略する。

この比較例は、本実施形態に係る制御システム１からエアコン９を省いた例である。この場合は、内燃機関２が起動中で第１の冷却水流路６に冷却水が流れていないと、内燃機関２から排出された温かな冷却水でEGRクーラ８を加熱できない。よって、内燃機関２が停止中に予めEGRクーラ８を加熱することができないため、EGRクーラ８にEGRガスGを導入できるタイミングが本実施形態よりも遅くなってしまい、EGRシステムによる燃費改善の効果が薄くなってしまう。

１制御システム
２内燃機関
３ウォータポンプ
４サーモスタット
５ラジエタ
６第１の冷却水流路
７第２の冷却水流路
８ＥＧＲクーラ
９エアコン
１０第１の冷媒流路
１１第２の冷媒流路
１２圧縮機
１３膨張弁
１５バイパス流路
１６開閉弁
１７エバポレータ
２０ピストン
２１シリンダ
２２吸気マニホールド
２３排気マニホールド
２４ＥＧＲ通路
２５ＥＧＲバルブ
４０制御システム

Claims

内燃機関の排気を吸気に戻すEGR通路の途中に設けられたEGRクーラと、
車室内空調用のエアコンの冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記EGRクーラに配設されて、前記圧縮機により圧縮された前記冷媒が流れる冷媒流路と、
前記EGRクーラの温度が規定温度よりも低い場合に、前記冷媒流路に前記冷媒を流す制御を行う制御部と、
を備えたことを特徴とする制御システム。