JP6212419B2

JP6212419B2 - エンジンの排気凝縮水排出装置

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Publication number: JP6212419B2
Application number: JP2014054090A
Authority: JP
Inventors: 高橋　豊; 豊高橋
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2014-03-17
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2017-10-11
Anticipated expiration: 2034-03-17
Also published as: JP2015175335A

Description

本発明は、排気系の配管から排気ガス中に含まれる凝縮水を排出させるエンジンの排気凝縮水排出装置に関する。

従来、エンジンの排気ガス中の水分が凝縮した凝縮水が配管中で結露すると、様々な不具合が発生することが知られている。例えば、排気凝縮水に含まれる成分によって配管の腐食や孔食等を生じさせたり、排気圧力を計測する配管では凝縮水の凍結によって通路が閉塞され圧力計測ができなくなる、また、排気浄化用触媒では、性能低下や寿命低下を引き起こす原因となる。

このため、特許文献１には、ガスヒートポンプ（ＧＨＰ）等のエンジン駆動式ヒートポンプ装置において、排気熱交換器から酸性成分の蒸気或いは油分の蒸気が凝縮したドレン水を中和器を介して排出するためのドレ排水管を、連結アームを介してエンジンに連結し、エンジンから伝わる振動でドレン水の排出を促進して凍結を防止する技術が開示されている。

特開平１１−１８３０８１号公報

しかしながら、自車両等の車両においては、エンジン房内で凝縮水を排出したい配管とエンジンとを連結可能なスペースを確保することは困難であるばかりでなく、無理に連結したとしても対象とする配管に十分な振動を伝えることは期待できない。

更には、近年、エンジンの静粛化の要請により、エンジンの振動そのものが小さくなっており、運転状態によっては、単に機械的にエンジンと連結するのみでは配管を効果的に振動させることは困難である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、配管内への排気凝縮水の停滞を防止して凍結による詰まりや腐食等の不具合発生を未然に回避することのできるエンジンの排気凝縮水排出装置を提供することを目的としている。

本発明によるエンジンの排気凝縮水排出装置は、エンジンの排気系に介装された配管の内部で排気ガス中に含まれる凝縮水が結露するか否かを判定する結露発生判定部と、前記配管の内部で前記凝縮水が結露すると判定されたとき、少なくとも前記エンジンの運転状態を制御して前記配管に強制的な振動を誘発させ、前記配管中で結露した前記凝縮水を前記配管から排出させる配管振動制御部とを備えたものである。

本発明によれば、配管内への排気凝縮水の停滞を防止して凍結による詰まりや腐食等の不具合発生を未然に回避することができる。

エンジンの吸排気系を示す構成図排気凝縮水排出制御に係る機能ブロック図排気凝縮水排出制御のフローチャート

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１において符号１は、エンジンであり、本実施の形態においてはディーゼルエンジンを示し、その出力軸が無段変速機（ＣＶＴ）等の変速機（図示せず）に連結されている。このエンジン１は、吸気ポートに吸気マニホルド２を介して吸気通路３が接続され、排気ポートに排気マニホルド４を介して排気通路５が接続されている。

吸気通路３には、吸気絞り弁としてのスロットル弁６が介装され、このスロットル弁６の上流側にインタークーラ７を介してターボ過給機８のコンプレッサ８ａが介装されている。コンプレッサ８ａの上流側はエアクリーナ９に連通されており、エアインテークから取り入れられた外気がエアクリーナ９で浄化されてコンプレッサ８ａに供給され、所定の過給圧に過給されて昇温した空気がインタークーラ７で冷却されてエンジン１の筒内に導入される。

一方、排気通路５には、ターボ過給機８のタービン８ｂが介装され、このタービン８ｂ上流側の排気通路５とスロットル弁６下流側の吸気通路３との間に、排気の一部を排気系から吸気系に環流させる排気還流通路（ＥＧＲ通路）２０が設けられている。ＥＧＲ通路２０は、浄化処理前の排気を吸気側へ環流させる通路であり、ターボ過給機８のタービン８ｂ上流側の排気通路５からスロットル弁６下流側の吸気通路３に排気の一部を環流させる高圧系のＥＧＲ通路である。このＥＧＲ通路２０には、ＥＧＲ通路２０内を流通する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ２１と、ＥＧＲ通路２０の排気流量を調整するためのＥＧＲ弁２２とが介装されている。

また、ターボ過給機８のタービン８ｂ下流側には、排気を浄化する排気処理装置としての触媒コンバータ１０が介装されている。触媒コンバータ１０は、例えば、主として排気中の炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）を触媒反応により酸化させるディーゼル用酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst;DOC）１１と、ＤＯＣ１１の下流側に配設されて排気中の煤やカーボンスート（Ｓｏｏｔ），可溶性有機成分（Soluble Organic Fraction;SOF），サルフェート（sulfate;SO4）等の粒子状物質（Particulate Matter;PM）を捕集する捕集装置としてのディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter;DPF）１２とを備えている。

また、本実施の形態においては、触媒コンバータ１０の下流側は、排圧調整弁１１を介してマフラ１２から大気に連通されており、触媒コンバータ１０と排圧調整弁１１との間には、触媒コンバータ１０で浄化された排気の一部を吸気側に還流するＥＧＲ通路３０が設けられている。ＥＧＲ通路３０は、触媒コンバータ１０で浄化処理された排気の一部を吸気側へ環流させる低圧系のＥＧＲ通路であり、ＥＧＲ通路３０内を流通する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ３１と、ＥＧＲ通路３０の排気流量を調整するためのＥＧＲ弁３２とを介して、ターボ過給機８のコンプレッサ８ａ上流側に連通されている。

尚、排圧調整弁１１は、低圧ＥＧＲを実施する場合に弁開度を調整して差圧を発生させ、ＥＧＲ通路３０にＥＧＲガスを導入するための制御弁である。

次に、エンジン１の電子制御系について説明する。エンジン１に備えられる各センサ類からの信号やアクチュエータ類の駆動信号はエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０によって処理され、エンジン１の運転が制御される。ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏインターフェイス等からなるマイクロコンピュータを中心として、その他、Ａ／Ｄ変換器、タイマ、カウンタ、各種ロジック回路等の周辺回路を含んで構成されている。

ＥＣＵ５０への信号を出力するセンサ類としては、エアクリーナ９の直下流に配設されて吸入空気量を計測する吸入空気量センサ４０、エンジン１の冷却水通路に臨まされて冷却水温を検出する水温センサ４１、クランク軸の回転位置を検出するクランク角センサ４２、アクセルペダルの踏込み量を検出するアクセルペダルセンサ４３、触媒コンバータ１０の上下流に配設されて排気温度を検出する温度センサ４４，４５、ＤＰＦ１２の入口圧力と出口圧力との差圧を検出する差圧センサ４６、その他、図示しない各種センサ類がある。

また、ＥＣＵ５０によって駆動されるアクチュエータ類としては、スロットル弁６の開度を調整して吸気量（新気量）及び吸気管内圧を制御するスロットルアクチュエータ４８、排圧調整弁１１、ＥＧＲ弁２２，３２、その他、エンジン１の筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁やターボ過給機８の過給圧を制御するためのアクチュエータ等の図示しない各種アクチュエータ類がある。

更に、ＥＣＵ５０は、例えばＣＡＮ（Controller Area Network）等の通信プロトコルに基づく車内ネットワーク１００に接続されている。この車内ネットワーク１００には、ＥＣＵ５０の他、変速機を制御するトランスミッション制御ユニット（ＴＣＵ）６０等の複数の制御ユニットが接続されており、これらの制御ユニットが車内ネットワーク１００を介して互いにデータを送受信し、各種制御情報を共有する。

ＥＣＵ５０は、エンジン運転状態を検出する上述の各種センサ類からの信号、車内ネットワーク１００を介して入力される各種制御情報に基づいて、燃料噴射制御、吸気制御、過給圧制御、ＥＧＲ制御等の各種エンジン制御を、各種アクチュエータ類を駆動して実行し、エンジン１の運転状態を最適状態に維持する。

また、ＥＣＵ５０は、通常のエンジン制御と並行して、所定のタイミングでＤＰＦ１２を再生するためのＤＰＦ再生処理を実行する。ＤＰＦ再生処理は、エンジンから意図的に不完全燃焼成分を含むガスを排出させ、ＤＯＣ１１で燃焼（酸化）させることにより、その発生熱によってＤＰＦ１２に捕集されているＰＭを焼却してフィルタを再生する処理である。

具体的には、ＥＣＵ５０は、ＤＰＦ１２のＰＭ堆積率（捕集率）を推定し、ＰＭ堆積率が予め設定した規定値を超えた場合、ＤＰＦ再生処理を開始する。例えば、上死点前後のメイン噴射のリタード等の多段噴射における遅延噴射、ピストン下死点近傍でのポスト噴射、吸入吸気量を制限する吸気絞り等を実施し、ＤＰＦ１２へ供給する排気ガス（再生ガス）の温度を上昇させ、ＤＰＦ１２に捕集・堆積されているＰＭを焼却して除去する。

ＤＰＦ１２のＰＭ堆積率は、エンジン運転状態、ＤＰＦ１２の上下流側の差圧、排気ガス温度等に基づいて推定することができる。本実施の形態においては、差圧センサ４６でＤＰＦ１２の入口の圧力と出口の圧力との差圧を検出し、この差圧に基づいてＰＭ堆積率を推定する。例えば、ＤＰＭ１２における粒子状物質の堆積率とフィルタ上下流の差圧ΔＰとの関係を、エンジン１の排気量、ＤＰＦ１２の容量、フィルタ性能等を考慮して予め実験或いはシミュレーションによって求めてＰＭ堆積率テーブルを作成しておき、差圧センサ４６によって計測したＤＰＦ１２の上下流の差圧ΔＰを用いてＰＭ堆積率テーブルを参照することにより、ＰＭ堆積率を推定する。

この場合、差圧センサ４６は、ＤＰＦ１２の入口側及び出口側に金属や樹脂からなる差圧計測用配管４７で接続されており、この差圧計測用配管４７中に圧力脈動で入ってきた排ガス中の水分が結露して排気凝縮水が発生する場合がある。このような排気凝縮水が差圧計測用配管４７内に発生すると、この排気凝縮水の水滴によって圧力の計測値が不正確となったり、更には結露が冷やされて凍結し、配管が閉塞して圧力を検出できなくなる場合がある。その結果、ＤＰＦ１２のＰＭ堆積率を誤って推定してしまい、ＤＰＦ１２の再生処理を適切に実行できず、ＤＰＦ１２の耐久性低下や排気エミッションの悪化を招く虞がある。

また、本実施の形態においては、ターボ過給機８のタービン８ｂ上流側からスロットル弁６下流側に排気の一部を環流させる高圧ＥＧＲ系と、触媒コンバータ１０で浄化された排気の一部をターボ過給機８のコンプレッサ８ａからインタークーラ７を介してスロットル弁６上流側に環流させる低圧ＥＧＲ系とを備えている。低圧ＥＧＲは、高圧ＥＧＲに比較して低圧で大量のＥＧＲが可能であるが、低圧ＥＧＲ系のＥＧＲ通路３０を流れるＥＧＲガスは、ターボ過給機８のタービン８ｂや触媒コンバータ１０を通過した後の排気であるため、高圧ＥＧＲ系のＥＧＲガスに比べてガス温度が低い。

特に、低圧ＥＧＲのＥＧＲガスが通過するインタークーラ７内では、内部の残留排気成分が結露し、凝縮水が発生し易い。このような凝縮水が発生すると、凝縮水に含まれる硫黄等の成分により、インタークーラ７更にはターボ過給機８のコンプレッサ８ａに腐食や孔食等を生じさせ、寿命低下を引き起こす原因となる。

このため、ＥＣＵ５０は、排気ガスの主通路である排気通路５の排気管と比較して相対的に温度の低い配管中に、排気凝縮水が停滞して凍結による詰まりや腐食等の不具合が発生しないよう、これらの配管内の排気凝縮水をメインの排気管に排出するための制御機能を備えている。ＥＣＵ５０の排気凝縮水排出制御に係る機能は、図２に示すように、結露発生判定部５１、配管振動制御部５２によって代表される。

概略的には、結露発生判定部５１で、処理対象とする配管内に排気凝縮水の結露が発生する条件を判定し、結露発生の条件が成立すると判定したとき、配管振動制御部５２で、少なくともエンジン１の運転状態を制御して対象の配管に共振を誘発させる。これにより、配管内の排気凝縮水を相対的に温度の高い排気管に排出して排気凝縮水の停滞を防止することができる。

以下においては、主としてＤＰＦ１２の上下流と差圧センサ４６とを接続する差圧計測用配管４７を対象として、排気凝縮水を差圧計測用配管４７から排出させる制御（排気凝縮水排出制御）を例に取って説明する。尚、以下に説明する排気凝縮水排出制御は、基本的には、ＥＧＲ通路２０，３０の配管にも適用可能であり、更には、排気通路５を構成する排気管自体に適用することも可能である。

結露発生判定部５１は、差圧計測用配管４７内に排気凝縮水の結露が発生する条件が成立するか否かを判定し、判定結果を配管振動制御部５２に送信する。排気凝縮水が発生するか否かは、例えば、外気温Ｔemp、車速Ｖs、エンジン回転数Ｎｅ、エンジン負荷Ｌ、配管圧力データＰに基づいて判定する。また、結露発生判定部５１は、これまでの運転履歴や外気温データから本制御の適用対象に至らない少量の結露水が蓄積して凍結する可能性を判定し、その判定結果を、結露水発生の判定結果と併せて配管振動制御部５２に送信する。

配管振動制御部５２は、差圧計測用配管４７内に結露水が発生する条件が成立した場合、エンジン１の負荷と回転数を差圧計測用配管４７の共振点と同一となるように制御して差圧計測用配管４７に振動を誘発させる。具体的には、エンジン回転数、エンジン負荷、変速機の変速位置、トルクコンバータのロックアップ率等を制御してエンジン１と差圧計測用配管４７とを共振させて差圧計測用配管４７を強制振動させ、これにより、配管内壁に付着した水分（排気凝縮水）を排気管に排出して結露の堆積を防止し、また、配管内の排気凝縮水の凍結を防止する。

エンジンと差圧配管を共振させるための制御（共振制御）は、エンジン１のみの制御でも可能であるが、エンジン１の運転状態が変化してドライバに違和感を与える可能性があるため、本実施の形態においては、エンジン１と変速機（ＣＶＴ）との双方を制御し、運転フィーリングの変化を最小限に抑制しつつエンジン１と差圧計測用配管４７が共振する運転状態に制御する。この共振制御は、差圧計測用配管４７の形状や長さ、取り付け位置等から配管内の排気凝縮水を排気管内に排出するに要する時間を予め調べておき、この排出時間と結露水の凍結可能性に基づく制御時間で実施される。

以上の処理は、具体的には、図３のフローチャートに示す排気凝縮水排出制御のプログラム処理によって実行される。次に、この排気凝縮水排出制御のプログラム処理について説明する。

この排気凝縮水排出制御のプログラム処理は、最初のステップＳ１において、処理対象とする差圧計測用配管４７内に排気凝縮水が発生するか否かを判定する。この判定は、外気温Ｔemp、車速Ｖs、エンジン回転数Ｎｅ、エンジン負荷Ｌ、配管圧力データＰに基づいて排気ガス中の水分が配管中で結露し、所定量以上の排気凝縮水が発生する条件を予め求めて該当する運転領域をマップ化しておき、このマップを参照して判定する。

その結果、排気凝縮水が発生すると判定した場合、ステップＳ２へ進んで、エンジンとＴＣＵ６０を介した変速機の協調制御により、エンジン１と差圧計測用配管４７が共振する運転状態に制御する共振制御を実行する。具体的には、エンジン１と差圧計測用配管４７が共振する条件を、主としてエンジン回転数及び負荷に基づいて求めておき、更に、このエンジン回転数及び負荷への制御に対して車速変化を最小限に抑制する変速機の変速位置やトルクコンバータのロックアップ率等を制御する。これらの制御条件は予めマップに格納しておき、このマップに従ってエンジン１を制御すると共にＴＣＵ６０に変速機の制御を指示する。

以上のステップＳ２の共振制御によって差圧計測用配管４７を強制的に振動させた後はステップＳ３へ進み、共振制御開始後の経過時間を計時するカウンタ値Ｃが設定値Ｃ１に達しか否かを調べる。設定値Ｃ１は、差圧計測用配管４７内の排気凝縮水を排出するに要する時間に相当する値であり、設定値Ｃ１以上の制御時間が経過するまで共振制御を実施する。

一方、ステップＳ１において、排気凝縮水の結露が発生しないと判定した場合には、ステップＳ１からステップＳ４へ進み、これまでの運転履歴と外気温とを調べ、少量の結露水が蓄積して凍結する可能性があるか否かを判定する。そして、凍結の可能性ありと判定したときには、ステップＳ２からステップＳ５へ進み、ステップＳ２と同様の共振制御をカウンタ値Ｃが設定値Ｃ２に達するまで実施する。設定値Ｃ２は、運転履歴から推定される量の排気凝縮水を差圧計測用配管４７から排出するに要する時間に相当し、外気温が低くなるほど長く設定される。

このように本実施の形態においては、配管内に排気凝縮水が発生する条件を判定したとき、少なくともエンジンの運転状態を制御して配管中に結露した水分が停滞しないように配管を強制的に振動させる。これにより、配管内に排気凝縮水が堆積することを防止することができる。排気凝縮水が配管内に停滞して凍結による詰まりや腐食等の不具合が発生することを未然に防止することができる。

１エンジン
５排気通路
１２ＤＰＦ（捕集装置）
２０，３０ＥＧＲ通路
４６差圧センサ
４７差圧計測用配管
５０エンジン制御ユニット
５１結露発生判定部
５２配管振動制御部
６０トランスミッション制御ユニット

Claims

エンジンの排気系に介装された配管の内部で排気ガス中に含まれる凝縮水が結露するか否かを判定する結露発生判定部と、
前記配管の内部で前記凝縮水が結露すると判定されたとき、少なくとも前記エンジンの運転状態を制御して前記配管に強制的な振動を誘発させ、前記配管中で結露した前記凝縮水を前記配管から排出させる配管振動制御部と
を備えたことを特徴とするエンジンの排気凝縮水排出装置。
前記配管振動制御部は、前記エンジンと前記配管とが共振するように、少なくとも前記エンジンの回転数と負荷とを制御することを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気凝縮水排出装置。
前記配管振動制御部は、前記エンジンの回転数と負荷とを制御すると共に、車速変化を抑制する方向に変速機を制御することを特徴とする請求項２記載のエンジンの排気凝縮水排出装置。
前記配管は、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集する捕集装置の上流側と下流側との差圧を計測するための差圧計測用配管であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載のエンジンの排気凝縮水排出装置。