JP6210706B2 - 内燃機関の排気還流制御装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態に係る内燃機関(以下、「エンジン」という)1及びその排気還流制御装置の構成を示す図である。
アクセルペダルセンサ83は、運転者が操作するアクセルペダルの踏み込み量を検出し、これに応じた検出信号をECU7に出力する。
エアフローメータ86は、吸気管3のうち過給機5のコンプレッサ52より上流側の吸気の流量に略比例した検出信号をECU7へ出力する。
実際にEGR機構内に堆積するデポジットは粘性がある。このため、デポジットの生成過程には、EGR機構内に存在する水分が何等かの影響を及ぼしていると考えられる。また、長時間にわたって車両を停止させた後にエンジンを始動した場合、EGR機構の温度は、ほぼ外気と等しくなっている。このようにEGR機構の配管や弁の温度が低い状態でエンジンの排気を導入すると、排気に含まれる水蒸気が配管内で冷却されることによって凝縮水が発生する。したがって、凝縮水がデポジットの生成に影響を及ぼしていると考えられる。
図2に示すように、エンジンの始動直後に発生する凝縮水の乾燥時間が長くなるほど貼り付き荷重が増加する。乾燥時間が約280秒であった場合、EGR弁及びその周囲には、タール(デポジット)が付着することによる光沢が目視で確認された。これに対し、乾燥時間が約30秒程度であった場合、EGR弁及びその周囲にはタールが全く付着しておらず、光沢も確認されなかった。したがって、貼り付き荷重がデポジットの堆積量に比例すると仮定すれば、図2の結果から、デポジットの堆積量はEGR機構内に生成された凝縮水の乾燥にかかった時間にほぼ比例することが検証された。
上記試験1では、冷え切った状態の車両のエンジンを始動した後、発生した凝縮水が乾燥するまでエンジンを始動し続けた。これに対し試験2では、低温環境下で冷え切った状態の車両のエンジンを始動した後、断続的にエンジンの停止及び始動を繰り返すことにより、EGR機構のうちEGRガスが直に接触する特定箇所の温度(以下、「壁温」という)が所定の上限温度を超えないようにした。特に試験2では、EGR機構の壁温に対する上限温度を、EGR機構内で連続的に凝縮水が発生し、かつ発生した凝縮水が乾燥しないような温度(例えば、40℃)とした。
図3で模式的に示すように、試験2では、EGR機構も含めて車両全体が冷え切った状態からエンジンを始動し、その後所定のアイドル時間にわたってアイドル運転を行ってからエンジンを停止し、所定のソーク時間にわたって車両を放置した後、再びエンジンを始動する。試験2では、EGR機構内の壁温が所定の上限温度を超えないように、所定のアイドル時間にわたるアイドル運転と所定のソーク時間にわたる車両の放置とを繰り返し行った。なお、実際の車両では、エンジンを始動した直後はエンジンの暖機制御を行い、この暖機制御によって水温がある程度上昇してからEGRガスの導入(EGR弁の開弁)を開始する。したがって、実際の試験では、図3で模式的に示すものとは異なり、エンジンの始動を開始してから、EGR機構内の温度が上昇し始めるまでの間に数秒程度の遅れが生じる。
図4は、試験2の結果を示す図である。より具体的には、図4は、試験2が終わった後のEGR機構内のEGR弁近傍を示す図である。図4に示すように、試験2後のEGR機構内には凝縮水が残留していた。また、凝縮水を透かしてEGR弁の金属表面を目視で確認でき、したがってデポジットの生成は確認できなかった。したがって試験2の結果によれば、凝縮水が沢山発生しても、発生した凝縮水が乾燥しなければデポジットも発生しないことが検証された。すなわち、凝縮水が多く発生したからといってそれだけ多くのデポジットが堆積するとは限らないといえる。
図5において、横軸はエンジンを始動してから経過した時間[s]であり、縦軸はEGR機構内の壁温[℃]である。
試験3では、実際にEGR機構内に生成されたデポジットを採取し、これを加熱することによってデポジットが熱分解される過程を検証した。
図6は、試験3の結果であって、デポジットを加熱した場合の外観の変化を示す図である。図6には、左側から順に、(a)常温時、(b)100℃以上に加熱した時、(c)150℃以上に加熱した時のデポジットの外観を示す。
実際のデポジットは、EGR機構内において漆のように壁面に貼り付いている。図6の(a)は、壁面に貼り付いたデポジットをへらで削ぎ落として採取したものである。したがって、図6の(a)に示すように常温では削ぎ落とした際に生じた角が確認される。
図6の(c)に示すように、さらに150℃以上まで加熱すると、水分だけでなく有機成分も飛び、ほぼ粉末状になるまで小さくなる。これは実際の車両に置き換えれば、堆積していたデポジットが熱分解され、ほぼ完全に除去された状態であるといえる。
図7は、試験3の結果であって、デポジットを加熱した際に放出される成分とその瞬間発生量[ppm/s]の変化を示す図であり、図8は総発生量[ppm]の変化を示す図である。
図7に示すように、常温からデポジットを加熱し始めると、ほぼ100℃において水の瞬間発生量がピークを迎え、デポジットの軟化が開始する。ただし、100℃程度ではデポジットからは水しか抜けていないため、この温度から常温に戻ると再び固化してしまう。すなわち、100℃程度ではデポジットを除去できない。100℃からさらに加熱すると、約150℃からCO2、低分子有機ガス、酢酸、クレゾール、アセトン、C8H10、SO2、及びN2等のガスが放出されることが確認された。なお、図7では、図示を明確にするため、酢酸、C8H10、SO2、及びN2は省略した。これらCO2、有機ガス等は、デポジットの熱分解によって生じたものである。したがって、一旦生成されたデポジットは、少なくとも150℃程度まで加熱しなければ除去できないことが確認された。以下では、このようなデポジットに含まれる水分が蒸発する温度よりも高く、かつデポジットが加熱分解されて有機成分等が放出され始める温度をデポジット分解温度という。
次に、上記試験1,2によって明らかとなったデポジットの生成過程を考慮したデポジットの堆積抑制制御と、このデポジット堆積抑制制御と関連したエンジン始動時の制御の具体的な手順について、図9から図13を参照して説明する。
EGR機構のうちEGR弁の周囲及びこれを駆動するアクチュエータは、エンジンの冷却水によって暖められる。したがって、エンジンの暖機が終了し、EGRガスの導入が開始し、さらにその後十分な時間が経過すると、EGR機構内の壁温は水温と概ね等しくなる。このため、エンジン暖機後十分に時間が経過した後であれば、壁温は水温とほぼ等しい。ただし、EGR機構内には排気が導入されるため、図12に示すように、EGR機構内の壁温は水温より少し高くなる傾向がある。また、エンジンを停止すると、壁温及び水温はともに低下し、最終的には何れも外気温とほぼ等しくなる。
ここで、暖状態とは、より具体的には、エンジンの暖機が完了し、EGRガスの導入を開始し、さらにその後十分に暖められた冷却水がエンジンルーム内の各種装置に行き渡る程度に十分な時間が経過した後の状態に相当する。また、エンジンの暖機完了直後であっても、例えばソーク時間が短くエンジンルーム内が冷え切らない状態で始動された場合も、この暖状態に相当する。
冷状態とは、上記暖状態以外の状態をいう。より具体的には、冷状態とは、エンジンの始動直後(エンジンの暖機中)や、エンジンの暖機が完了し、EGRガスの導入を開始してから間もない状態に相当する。また、エンジンの暖機が完了し、EGRガスの導入を開始してから十分な時間が経過した後であっても、例えばソーク時間が長くエンジンルーム内が冷え切った状態で始動された場合も、この冷状態に相当する。
次に、上記試験3によって明らかとなったデポジットの分解過程を考慮したデポジットの除去制御の具体的な手順について、図14から図17を参照して説明する。
まず、デポジット生成時間D1はデポジットの生成量に比例し、デポジット分解時間D2は除去されたデポジットの量に比例する。したがって、時間差ΔDは、図16に示すように、実際にEGR機構内に堆積しているデポジットの量に比例する。そしてS152における開始判定時間DLは、EGR機構内に堆積させておくことができるデポジットの限界量を、時間に換算したものである。すなわち、この限界量を超えてデポジットが堆積すると、EGR管内における排気の流れやEGR弁の動特性に悪影響が生じる可能性がある。
上記実施形態では、EGR機構の壁温を推定し、この推定した壁温に基づいてデポジット抑制制御及びデポジット除去制御を開始するタイミングを決定したが、本発明はこれに限らない。推定した壁温ではなく、温度センサによって直接検出された壁温に基づいて、これらデポジット抑制制御やデポジット除去制御を開始するタイミングを決定してもよい。またこの場合、温度センサを設ける場所、すなわち温度センサの検出箇所は、EGR機構のうちデポジットが生成され得る場所であればどこでもよい。
3…吸気管(吸気通路)
4…排気管(排気通路)
6…EGR機構(還流装置)
7…ECU(温度取得手段、除去制御手段、凝縮水生成判定手段)
82…水温センサ(温度取得手段)
Td…凝縮水連続発生上限温度
Te…凝縮水完全乾燥温度
Tb…デポジット分解壁温
Claims (6)
- 内燃機関の排気通路から吸気通路へ排気の一部を還流する還流装置と、
前記還流装置の還流装置温度を取得する温度取得手段と、
前記還流装置内に堆積したデポジットの温度を上昇させることで、当該デポジットを除去する除去制御を行う除去制御手段と、を備えた内燃機関の排気還流制御装置であって、
前記除去制御手段は、前記還流装置温度が前記還流装置内における凝縮水の発生と関連付けられた第1温度以上でありかつ前記還流装置内における凝縮水の蒸発と関連付けられた第2温度以下であった時間に基づいて前記除去制御を行い、
前記第1温度は、前記還流装置内において凝縮水が継続的に発生する温度の上限であり、
前記第2温度は、前記還流装置内の凝縮水が全て蒸発する温度の下限であることを特徴とする内燃機関の排気還流制御装置。 - 前記還流装置温度が前記第1温度以上でありかつ前記第2温度以下であるとき、前記還流装置内の凝縮水は蒸発し減少することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排気還流制御装置。
- 前記除去制御手段は、前記還流装置温度が前記第1温度以上でありかつ前記第2温度以下であったデポジット生成時間から、前記還流装置温度が前記還流装置内のデポジットの熱分解が開始する温度と関連付けられた第3温度以上であったデポジット分解時間を減算して得られる時間に基づいて前記除去制御を行うことを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関の排気還流制御装置。
- 前記除去制御では、デポジットに含まれる水分が蒸発する温度よりも高く、かつデポジットが加熱分解されて有機成分が放出され始める温度よりも高い温度まで前記還流装置温度を上昇させることを特徴とする請求項1から3の何れかに記載の内燃機関の排気還流制御装置。
- 前記還流装置温度が前記第1温度以下である状態から、その後前記第2温度を超えるまでの間は前記還流装置内には凝縮水が存在した状態であると判定する凝縮水生成判定手段をさらに備え、
前記除去制御手段は、前記還流装置温度が前記第1温度以上前記第2温度以下でありかつ前記凝縮水生成判定手段によって凝縮水が存在した状態であると判定されていた時間をデポジット生成時間とすることを特徴とする請求項3に記載の内燃機関の排気還流制御装置。 - 前記除去制御手段は、前記還流装置温度が前記第2温度を超えた場合には、その後前記第1温度を下回らない限り、前記除去制御を行わないことを特徴とする請求項1から4の何れかに記載の内燃機関の排気還流制御装置。
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