JP2024073697A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】氷結の原因となる水を除去することにより、氷結によるスロットルバルブの動作異常を確実に、また容易に解消する。【解決手段】吸気量を調整するスロットルバルブが吸気路に設けられるとともに、スロットルバルブを通る吸気を強制的に送る過給機を備えている内燃機関の制御装置であって、過給機による過給および過給の停止を制御するコントローラを有し、コントローラは、内燃機関が停止していることを検出する停止検出部（ステップＳ１）と、内燃機関が停止している状態での温度を検出する温度検出部（ステップＳ２）と、内燃機関が停止した後に温度検出部で検出された温度が予め定めた基準温度以下の場合に、過給機を駆動してスロットルバルブに強制的に吸気を送って水分を吹き飛ばす送気制御部（ステップＳ７～Ｓ９）とを備えている。【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関の吸気側での氷結を防止もしくは回避する制御を行う制御装置に関するものである。

内燃機関がエアフィルタを通過させて吸入する空気中には不可避的に水分が含まれており、その量は高湿度であるほど多い。また、内燃機関の吸気に燃焼排ガスの一部を還流させることがあるが、水素ガスや液化天然ガス（ＬＰＧ）などのガスを燃料とする場合には燃料中の水素分子の量が多いことにより、吸気側の水分が更に多くなることがある。吸気側の水分は、内燃機関が停止して冷えれば、吸気管路の内壁や吸気バルブなどで結露して付着し、その温度が氷点下まで下がれば、氷結する。こうして生じた氷は、吸気バルブやそのバルブシャフトをバルブシートやバルブハウジングなどに連結して固定してしまうので、内燃機関を始動できなくなり、あるいは出力（吸気量）を調整できなくなる原因となることがある。

このような不都合を解消することを目的とした装置が特許文献１や特許文献２に記載されている。特許文献１に記載された装置は、内燃機関が停止している間の所定時間の経過の都度、バルブを開閉させるように構成されている。また、特許文献２に記載された装置は、アイドルストップ実行中にスロットルを加熱して氷結を除去するように構成されている。その加熱は、スロットルモータを正転・逆転させてスロットルモータの発熱量を増大させて行い、あるいは温水パイプを流れる冷却水の循環量を増大させることにより行っている。

特開２０１４－１５６８４５号公報 特開２０１７－６６９０９号公報

特許文献１に記載された装置では、スロットルバルブに付着している水が氷結することを回避するためにスロットルバルブを開閉させている。すなわち、特許文献１の装置は、スロットルバルブに付着している水はそのままにしておき、スロットルバルブを動かし続けることにより氷結を防ぐ装置であり、したがってスロットルバルブには水が付着したままになるので、温度が過度に低下したり、開閉が不十分であったりすると、付着している水が氷結してしまう可能性がある。言い換えると、内燃機関が停止している間、スロットルバルブを開閉し続けなければならない不都合がある。

また、特許文献２に記載された装置では、スロットルバルブに付着し、あるいはその近傍に存在している水を加熱して氷結を防止している。しかしながら、水はスロットルバルブやその近傍に存在し続けるのであるから、加熱を止めると氷結してしまい、したがって内燃機関が低温状態で停止している間は加熱し続ける必要があり、その結果、消費する熱量あるいは電力量が増大して、内燃機関を搭載している車両の燃費あるいは電費が悪化する可能性がある。

この発明は上述した技術的課題に着目してなされたものであって、氷結の原因となる水を除去することにより、氷結によるスロットルバルブの動作異常を確実に、また容易に解消することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、この発明は、吸気量を調整するスロットルバルブが吸気路に設けられるとともに、前記スロットルバルブを通る吸気を強制的に送る過給機を備えている内燃機関の制御装置であって、前記過給機による過給および過給の停止を制御するコントローラを有し、前記コントローラは、前記内燃機関が停止していることを検出する停止検出部と、前記内燃機関が停止している状態での温度を検出する温度検出部と、前記内燃機関が停止した後に前記温度検出部で検出された温度が予め定めた基準温度以下の場合に、前記過給機を駆動して前記スロットルバルブに強制的に吸気を送って水分を吹き飛ばす送気制御部とを備えていることを特徴とするものである。

この発明では、内燃機関が停止するとその後に温度が検出される。その温度は、外気温や吸気の温度あるいは内燃機関の冷却水温度などスロットルバルブもしくはその近辺の温度に関連する温度であってよい。検出された温度が基準温度以下であれば、内燃機関が停止しているにも関わらず、過給機が駆動されてスロットルバルブに対する強制的な送気が生じ、スロットルバルブやその近辺から水分が吹き飛ばされる。したがってスロットルバルブやその近辺で氷結が生じたり、その結果、スロットルバルブが開閉しなくなるなどの事態を未然に回避することができる。特に、この発明では、スロットルバルブの動作不良の原因となる水分を送気によって除去するのであるから、そのような送気もしくは水分除去操作を行った後に、再度、送気もしくは水分除去操作を行う必要がないから、エネルギを不必要に、あるいは過剰に消費することを防止もしくは抑制することができる。

この発明で対象とする内燃機関およびその吸排気系統を模式的に示す図である。 この発明の実施形態で実行される制御の一例を説明するためのフローチャートである。

つぎに、この発明の実施形態を図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態はこの発明を実施した場合の一例に過ぎないのであって、この発明を限定するものではない。

図１に内燃機関１の吸排気系統を模式的に示してある。内燃機関１は、空気と燃料との混合気を燃焼させて機械的な動力を出力し、燃焼によって生じた排ガスを浄化して大気中に排出する、広く知られた構成の内燃機関である。具体的には、シリンダ２の内部にピストン３が図１の上下方向に往復動するように収容され、クランクケース４の内部の図示しないクランク軸をピストン３の上下動によって回転させてトルクを出力する。

ピストン３の上部に形成される空間部分が燃焼室であって、ここで混合気を爆発的に燃焼させることにより、ピストン３が押し下げられてクランク軸を回転させる。その燃料は、ガソリンや軽油あるいは水素ガスなどであってよい。燃焼室に開口する吸気ポート５と排気ポート６とが形成されており、その吸気ポート５は吸気バルブ７によって開閉し、また排気ポート６は排気バルブ８によって開閉するようになっている。

エアフィルタ９を介して吸入した空気を吸気ポート５に導く吸気管路（吸気路）１０を備えており、その吸気管路１０のうち各吸気ポート５に分岐している部分が吸気マニホールド１１であり、その吸気マニホールド１１の上流側に、吸気量を調整するスロットルバルブ１２が設けられている。このスロットルバルブ１２は一例として所定のアクチュエータ（スロットルモータ）１３によって開閉されるように構成されている。さらに、吸気管路１０のうちエアフィルタ９とスロットルバルブ１２との間の部分には、上流側（エアフィルタ９側）から順に、電動式ターボ過給機１４のコンプレッサインペラ１５と、圧縮されて温度が高くなった空気を放熱させて冷却するインタークーラ１６とが設けられている。

一方、排気ポート６から流出させた排ガスを導く排気管路１７が排気浄化触媒１８に接続され、ここから図示しないマフラーを介して大気中に排ガスを排出するようになっている。その排気管路１７のうち排気浄化触媒１８の上流側（排気ポート６側）に、上記の電動式ターボ過給機１４におけるタービンホイール１９が配置されている。電動式ターボ過給機１４は、排ガスによって駆動するだけでなく、電動機２０によって少なくともコンプレッサインペラ１５を回転させるように構成されている。すなわち、電動式ターボ過給機１４は、内燃機関１が停止している場合であっても、吸気管路１０の内部に送気することができるように構成されている。

なお、排ガスの一部を吸気ポート５側に戻す排気再循環（ＥＧＲ）管路２１が設けられており、そのＥＧＲ管路２１を通過する排ガス量を調整するバルブ（ＥＧＲバルブ）２２が設けられている。また、クランクケース４の内部に漏れ出た未燃焼混合気や排ガスを吸気ポート５側に戻す管路２３が設けられ、その管路２３を開閉するＰＣＶバルブ２４が設けられている。さらに、特には図示していないが、燃料を噴射するインジェクタが設けられている。そのインジェクタは、吸気ポート５に燃料を噴射するように構成されていてよく、あるいはシリンダ（燃焼室）に燃料を噴射するように構成されていてもよい。また、ガソリンエンジンや水素ガスエンジンであれば、点火栓が設けられている。

上述した電動式ターボ過給機１４は、内燃機関１の運転中に過給を行うことに加えて、内燃機関１が停止している際にスロットルバルブ１２やその近傍から水を除去する氷結防止手段としても機能するように構成されている。その制御のためのコントローラ（ＥＣＵ）２５が設けられている。ＥＣＵ２５は、マイクロコンピュータを主体として構成された電子制御装置であって、入力されたデータや予め記憶しているデータならびにプログラムを使用して演算を行い、その演算の結果を制御指令信号として出力するように構成されている。

その入力されるデータの例を挙げると、内燃機関１の駆動／停止の信号、温度の検出信号などである。ここで、検出する温度は、吸気の温度や内燃機関１の冷却水温度あるいは外気温などであってよく、要は、スロットルバルブ１２やその近辺の温度に関連する温度である。これらの温度は、従来の車両に搭載されている一般的なセンサによって検出することができる。また、記憶しているデータは、検出された温度の高低を判断するための基準温度がその一例である。この基準温度は、スロットルバルブ１２やその近辺に付着した水が氷結するか否かを判断するためのものであり、実験などに基づいて予め定めておくことができる。また、出力される制御指令信号は、前述した電動式ターボ過給機１４の電動機２０を駆動／停止させる信号であり、その制御は、内燃機関１で停止している（回転していない）状態で実行される。

なお、上記のコントローラ２５は、氷結防止のための制御装置として設けられたものであってもよいが、電動式ターボ過給機１４を制御する電子制御装置の一部として組み込まれたもの、あるいは内燃機関１の制御のための電子制御装置の一部として組み込まれたものであってもよい。

スロットルバルブ１２やその近傍で結露して付着した水の氷結を防止するために行う電動式ターボ過給機１４の制御の一例を次に説明する。図２はその制御を説明するためのフローチャートであって、前述したコントローラ２５によって実行される。先ず、内燃機関１が停止しているか否かを判断する（ステップＳ１）。これは、内燃機関１を制御し、あるいは動作状態を検出する各種の信号に基づいて判断することができる。なお、このステップＳ１の判断を行う機能的手段が、この発明の実施形態における停止検出部に相当する。

内燃機関１が停止していないことによりステップＳ１で否定的に判断された場合には、特に制御を行うことなく「開始」に戻る。これとは反対に内燃機関１が停止中であることによりステップＳ１で肯定的に判断された場合には、温度情報を取得する（ステップＳ２）。この温度情報は、前述した吸気温度や冷却水温度（水温）あるいは外気温度のいずれか、もしくはそれらの全てであり、各温度センサからの検出信号として取得することができる。なお、このステップＳ２の制御を行う機能的手段が、この発明の実施形態における温度検出部に相当する。

ついで、吸気温度や冷却水温度（水温）あるいは外気温度のいずれか（すなわち検出された温度）が所定値（基準温度）以下か否かを判断する（ステップＳ３）。このステップＳ３で否定的に判断された場合には、スロットルバルブ１２やその近辺で水が氷結するおそれがないので、特に制御を行うことなく図２に示すルーチンを一旦終了する。これとは反対にステップＳ３で肯定的に判断された場合には、スロットルバルブ１２やその近辺から水を吹き飛ばすための制御を行う。すなわち、先ず、電動式ターボ過給機１４の電動機２０を駆動するための開始時期Ｔ1、駆動時間Ｔ2、駆動間隔Ｔ3、ならびに繰り返し回数ｎを計算する（ステップＳ４）。

ここで、開始時期Ｔ1は、内燃機関１の運転（回転）を停止した後、電動機２０を駆動してスロットルバルブ１２やその近辺に対する強制的な送気を開始するまでの時間である。電動機２０を駆動することによる強制的な送気は、結露した水を吹き飛ばすために行うので、内燃機関１の停止後、結露が生じるのを待つために開始時期Ｔ1を設定してある。結露は、自然放熱によって温度が低下することにより生じるから、開始時期Ｔ1は、内燃機関１自体の温度や外気温度などによって異なり、実験やシミュレーションなどによって予めマップとして定めておくことができる。

駆動時間Ｔ2は、送気を継続する時間であり、予め定めておくことができる。吹き飛ばすべき水の量が燃料の種類や内燃機関１の運転状態などによって異なっていることがあり、駆動時間Ｔ2は、燃料の種類や内燃機関１の運転状態などに応じて予め定めておくことができる。駆動間隔Ｔ3は、電動機２０を駆動することによる強制的な送気を繰り返す場合の時間間隔（インターバル）である。結露した水を吹き飛ばしても、スロットルバルブ１２の周囲の空気中に水分が含まれていてそれが再度結露する可能性があるから、電動機２０の駆動は、複数回行うことが好ましい。

一方、水を一旦吹き飛ばした後、再度結露するまでにはある程度の時間が掛かるから、無駄に送気を行うことを避けるために、再度の結露を待つことが好ましい。駆動間隔Ｔ3はそのような送気の待機時間として、外気温や内燃機関１の直前の運転状態などに応じて予め定めておくことができる。繰り返し回数ｎは、電動機２０を駆動することによる強制的な送気を行う回数であり、スロットルバルブ１２の近辺の吸気の湿度や温度などによって結露が繰り返すことが考えられ、そのような条件に応じて繰り返し回数ｎを予め定めておくことができる。

内燃機関１の運転を停止するとその時点からの経過時間Ｔのカウントが開始されており、その経過時間Ｔが上記の開始時期Ｔ1を超えたか否か（Ｔ＞Ｔ1？）を判断する（ステップＳ５）。このステップＳ５で否定的に判断された場合には、吹き飛ばすべき水の結露が生じていないと考えられるので、従前の制御状態を継続する。これとは反対に経過時間Ｔが開始時期Ｔ1を超えてステップＳ５で肯定的に判断された場合には、停止中の内燃機関１がその後に再度起動され、かつ停止したか否かを判断する（ステップＳ６）。すなわち、上記のステップＳ１で判断された内燃機関１の停止状態が継続しているか否かを判断する。

このステップＳ６の判断に到る過程で内燃機関１が１回でも起動された場合には、スロットルバルブ１２やその近辺で生じた結露による水が除去されている可能性が高く、あるいは結露が生じていない可能性があるので、ステップＳ６で肯定的に判断された場合には特には制御を行うことなく、図２に示すルーチンを一旦終了する。これとは反対に内燃機関１の停止状態が継続していてステップＳ６で否定的に判断された場合には、ステップＳ４で算出された駆動時間Ｔ2の間、電動式ターボ過給機１４における電動機２０を駆動する（ステップＳ７）。電動機２０を駆動すると、吸気側に設けられているコンプレッサインペラ１５が回転して吸気ポート５に向けて空気が送られるので、スロットルバルブ１２やその近辺に付着していた水が吹き飛ばされる。

電動機２０を駆動時間Ｔ2の間駆動した後、その駆動が、上記のステップＳ４で算出された繰り返し回数のｎ回目であるか否かを判断する（ステップＳ８）。このステップＳ８で否定的に判断された場合には、前回の駆動から上記の駆動間隔Ｔ3（すなわちステップＳ４で算出したインターバル）が経過したか否かを判断する（ステップＳ９）。その駆動間隔Ｔ3が経過していないことによりステップＳ９で否定的に判断された場合に、その駆動間隔Ｔ3が経過することを待つ。

これとは反対に駆動間隔Ｔ3が経過したことによりステップＳ９で肯定的に判断された場合には、上述したステップＳ６に戻り、それまでの間に内燃機関１が１回でも起動されたことがあるか否かを判断する。以降、上述したステップＳ７およびステップＳ８の制御を行う。そして、電動機２０の駆動回数がｎ回に達してステップＳ８で肯定的に判断された場合には、図２に示すルーチンを終了する。なお、上記のステップＳ７～Ｓ９の制御を行う機能的手段が、この発明の実施形態における送気制御部に相当する。

したがって、この発明の実施形態における制御装置によれば、スロットルバルブ１２やその近辺に水を残留させないので、水の氷結によるスロットルバルブ１２の動作不良を未然に回避もしくは抑制することができる。また、送気は水分を吹き飛ばせば停止してよいので、電動式ターボ過給機１４の電動機２０を駆動し続ける必要がなく、したがってエネルギ（電力）を過剰に消費することを回避できる。

１ 内燃機関
２ シリンダ
３ ピストン
４ クランクケース
５ 吸気ポート
６ 排気ポート
７ 吸気バルブ
８ 排気バルブ
９ エアフィルタ
１０ 吸気管路
１１ 吸気マニホールド
１２ スロットルバルブ
１３ アクチュエータ（スロットルモータ）
１４ 電動式ターボ過給機
１５ コンプレッサインペラ
１６ インタークーラ
１７ 排気管路
１８ 排気浄化触媒
１９ タービンホイール
２０ 電動機
２１ 排気再循環（ＥＧＲ）管路
２２ バルブ（ＥＧＲバルブ）
２３ 管路
２４ ＰＣＶバルブ
２５ コントローラ

Claims (1)

1. 吸気量を調整するスロットルバルブが吸気路に設けられるとともに、前記スロットルバルブを通る吸気を強制的に送る過給機を備えている内燃機関の制御装置であって、
   前記過給機による過給および過給の停止を制御するコントローラを有し、
   前記コントローラは、
   前記内燃機関が停止していることを検出する停止検出部と、
   前記内燃機関が停止している状態での温度を検出する温度検出部と、
   前記内燃機関が停止した後に前記温度検出部で検出された温度が予め定めた基準温度以下の場合に、前記過給機を駆動して前記スロットルバルブに強制的に吸気を送って水分を吹き飛ばす送気制御部と
   を備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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