JP6225887B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特開２０１４−１５６８０４号公報には、冷却水が流通するインタークーラの温度制御に関する技術が開示されている。この装置では、ＥＧＲガスの供給を継続しつつ凝縮水の発生を抑制するために、インタークーラの出口温度が露点よりも高くなるように制御することとしている。出口温度の調整は、例えば、冷却水通路に設けられた各種弁を開く時間や開度、冷却水を送水する電動ポンプの作動時間や冷却水の吐出量等を調整することにより行われる。

特開２０１４−１５６８０４号公報 特開平６−２２１１６５号公報 特開２００６−３７７８１号公報

ところで、水冷式のインタークーラは、供給された低温の冷却水がその流通過程において熱交換を行い、高温の冷却水となって導出される。このため、水冷式のインタークーラでは冷却水の入口側と出口側とで熱交換効率に差が生じ、これによりインタークーラを通過した出口部の吸気にも位置的な温度勾配が生じてしまう。このような吸気の温度勾配が生じると、運転状態によっては各気筒の燃焼室に分配される吸気に温度のバラつきが生じるおそれがある。この場合、気筒間のトルク、ノッキング及び空燃比に差が生じ、ドライバビリティ、燃費及びエミッションが悪化してしまう。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、過給機により過給された吸気を冷却する水冷式のインタークーラを備えた内燃機関において、気筒間の吸気温度差のバラつきを抑制しつつ燃費の悪化を抑制することのできる制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、
複数気筒を有する内燃機関の制御装置において、
過給機により過給された吸気を冷却する水冷式のインタークーラと、
所定の水温に調整された冷却水を前記インタークーラへ供給する供給手段と、
前記インタークーラへ供給される冷却水の供給量を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
吸入される吸気の温度が最大となる気筒と最小となる気筒との間の気筒間吸気温度差が大きいほど前記供給量を増量するように、前記供給手段を制御することを特徴としている。

第１の発明によれば、吸入される吸気の温度が最も高い気筒と最も低い気筒との気筒間吸気温度差が大きいほど、インタークーラへ供給する冷却水の供給量が増量される。このように、本発明によれば、気筒間吸気温度差の大きさに応じて冷却水供給量の増量度合が決定されるので、気筒間の吸気温度差のバラつきを抑制しつつ、冷却水供給量の増量による燃費の悪化分を抑制することが可能となる。

本実施の形態の制御装置のシステム構成を示す図である。 実施の形態１で実行される制御のためのルーチンを示すフローチャートである。 ＬＴ流量に対する各種状態量の変化を示す図である。 インタークーラ出口における吸気の位置的な温度勾配を説明するための図である。 ＬＴ流量に対する温度差ΔＴ_ｏｕｔの変化を示す図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１について図面を参照して説明する。

［実施の形態１の構成］
図１は、本実施の形態の制御装置のシステム構成を示す図である。本実施の形態の制御装置は複数気筒を有する内燃機関１０を備えている。内燃機関１０はターボ過給機を備えた４サイクルレシプロエンジンとして構成されている。内燃機関１０の各気筒には、吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２におけるエアクリーナ１６の下流側には、ターボ過給機のコンプレッサ１８が配置されている。ターボ過給機は、排気ガスの排気エネルギによって作動するタービン（図示省略）を排気通路１４に備えている。コンプレッサ１８は、連結軸を介してタービンと一体的に連結されており、タービンに入力される排気ガスの排気エネルギによって回転駆動される。

吸気通路１２におけるコンプレッサ１８の下流側には、スロットル２０が配置されている。また、吸気通路１２におけるスロットル２０の下流側には、ターボ過給機のコンプレッサ１８により過給された吸気を冷却するための水冷式のインタークーラ（ＩＣ）２２が配置されている。インタークーラ２２は、内燃機関１０のシリンダブロックを通過した高温のエンジン冷却水（以下、「ＨＴ冷却水」と称する）が供給されるＨＴインタークーラ２４と、ＨＴ冷却水よりも低温の冷却水（以下、「ＬＴ冷却水」と称する）が供給されるＬＴインタークーラ２６との２系統の冷却系を有するユニットとして構成されている。ＬＴインタークーラ２６はＨＴインタークーラ２４の吸気下流側に配置され、ＨＴインタークーラ２４とＬＴインタークーラ２６とは互いに当接している。

ＨＴインタークーラ２４には、内燃機関１０のシリンダブロックから導出されたＨＴ冷却水が流通するＨＴ冷却水回路２８が接続されている。なお、ＨＴ冷却水は、図示しないラジエータ等の放熱装置によって所定の水温（例えば、８０℃）になるように調整されている。

ＬＴインタークーラ２６には、ＬＴ冷却水回路３０が接続されている。ＬＴ冷却水回路３０の途中には、ＬＴ冷却水から熱を放熱するためのＬＴラジエータ３２が設けられている。ＬＴ冷却水回路３０には、ＬＴラジエータ３２をバイパスするバイパス流路３４が設けられ、当該バイパス流路３４とＬＴ冷却水回路３０との合流部には混合弁３６が設けられている。混合弁３６は、バイパス流路を通過したＬＴ冷却水の流量とＬＴラジエータ３２を通過したＬＴ冷却水の流量との比率を調整可能な弁として構成されている。ＬＴ冷却水回路３０における混合弁３６の下流側には、ＬＴ冷却水をＬＴインタークーラ２６に供給するための供給手段としての電動ウォーターポンプ（ＥＷＰ）３８が配置されている。また、ＥＷＰ３８の下流側には、ＬＴインタークーラ２６に供給されるＬＴ冷却水の水温を検出するための温度センサ４２が配置されている。

また、本実施の形態のシステムは、吸気通路１２におけるコンプレッサ１８の上流側と排気通路１４におけるタービンの下流側とを接続するＥＧＲ通路４４を備えている。ＥＧＲ通路４４には、当該ＥＧＲ通路４４の開度を調整するためのＥＧＲ弁（図示省略）が設けられている。

さらに、本実施形態のシステムは、制御手段としてのＥＣＵ(Electronic Control Unit)４０を備えている。ＥＣＵ４０は、少なくとも入出力インターフェースとメモリと演算処理装置（ＣＰＵ）とを備えている。入出力インターフェースは、内燃機関１０もしくはこれを搭載する車両に取り付けられた各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、内燃機関１０が備える各種アクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられている。ＥＣＵ４０が信号を取り込むセンサには、上述した温度センサ４２に加え、クランク軸の回転位置およびエンジン回転速度を取得するためのクランク角センサ等のエンジン運転状態を取得するための各種センサが含まれる。ＥＣＵ４０が操作信号を出すアクチュエータには、上述した混合弁３６に加え、各気筒の燃焼室内に燃料を供給するための燃料噴射弁、および各燃焼室内の混合気に点火するための点火装置等のエンジン運転を制御するための各種アクチュエータが含まれる。メモリには、内燃機関１０を制御するための各種の制御プログラムおよびマップ等が記憶されている。ＣＰＵは、制御プログラム等をメモリから読み出して実行し、取り込んだセンサ信号に基づいて各種アクチュエータの操作信号を生成する。

［実施の形態１の動作］
次に、実施の形態１のシステムの動作について説明する。本実施の形態のシステムでは、インタークーラ２２を用いた吸気温制御が行われる。より詳しくは、ＨＴ冷却水は所定の水温（例えば、８０℃）になるように調整されている。一方、ＬＴ冷却水は、混合弁３６の開度を調整することにより、所定の目標水温（例えば３５℃）となるように制御される。

コンプレッサ１８によって過給された吸気は、先ずＨＴインタークーラ２４によってＨＴ冷却水の水温近傍まで冷却される。ＨＴインタークーラ２４を通過した吸気は次いでＬＴインタークーラ２６へ導入される。ＬＴインタークーラ２６では、ＥＷＰ３８のデューティ(duty)制御が行われる。デューティ制御では、ＬＴインタークーラ２６を通過した吸気の温度が目標値である吸気温目標値以下まで冷却されるように、ＬＴインタークーラ２６へ供給されるＬＴ冷却水の供給量（以下、「ＬＴ流量」と称する）を制御することが行われる。このような吸気温制御によれば、過給された高温の吸気を吸気温目標値まで冷却することができるので、ノッキングの発生を抑制することができる。

ここで、インタークーラ２２は、内燃機関１０のシリンダヘッドの吸気ポート近傍に隣接して配置されている。この理由は、インタークーラ２２において冷却された吸気が内燃機関１０からの受熱によって再び温まる事態を抑制するためである。また、インタークーラ２２において凝縮水が発生したとしても、直ちに燃焼室内に吸引されることで吸気系に堆積した水が一気に燃焼室内に流入することにより水を圧縮してしまう、いわゆるウォーターハンマー現象を防ぐためでもある。

しかしながら、上述したインタークーラ２２の配置では、特に低出力域において各気筒に吸入される吸気の温度に気筒間の温度差が発生しやすい。すなわち、低出力域などで吸気の冷却に要するＬＴ流量が少量である場合には、インタークーラ２２の出口の吸気温に位置的な勾配が発生しやすい。このため、上述したように、インタークーラ２２が吸気ポートの近傍に近接配置されていると、当該インタークーラ２２の出口の吸気は、温度勾配を保った状態で分配されて各燃焼室に吸入されてしまう。この場合、気筒間のトルク差、ノッキング及び空燃比に差が生じ、ドライバビリティ、燃費及びエミッションが悪化してしまう。

そこで、本実施の形態のシステムでは、気筒間の吸気温度差が大きいほどＬＴ流量が増量されるように、ＥＷＰ３８のデューティ(duty)制御を行うこととする。ＬＴ流量が増量されると、インタークーラ２２の出口部の温度勾配が小さくなるため、気筒間の吸気温度差を小さくすることができる。

なお、ノッキング抑制のためにはＬＴ流量を増量させることが有効であるが、一方において、燃費の最小化のためにはＥＷＰ３８の作動を最小限の出力に抑えることが望ましい。そこで、本実施の形態のシステムでは、ＬＴ流量がノッキングを抑制しうる最小流量となるようにＥＷＰ３８を作動させることとする。これにより、ノッキングを抑制しつつ燃費の悪化を最小限に抑えることができる。以下、本実施の形態のシステムにおいて行われる制御についてフローチャートに沿ってさらに詳しく説明する。

図２は、実施の形態１でＥＣＵ４０により実行される制御のためのルーチンを示すフローチャートである。図２に示すルーチンでは、先ず、インタークーラ２２の出口の吸気温を代表する点として、例えば出口の中心位置での代表吸気温が計測される。そして、計測された吸気温度を吸気温目標値にフィードバックするためのＥＷＰ３８の制御デューティ（duty1）が算出される（ステップＳ１）。

図３は、ＬＴ流量に対する各種状態量の変化を示す図である。図３中の（ａ）は、ＬＴ流量に対する代表吸気温の変化を示している。この（ａ）中に「１」で示す点は、代表吸気温が吸気温目標値となるためのＬＴ流量、すなわちＥＷＰ３８の制御デューティをduty1とした場合に対応している。

次のステップＳ２では、インタークーラ２２出口における出口吸気温度の勾配が予測される。図４は、インタークーラ出口における吸気の位置的な温度勾配を説明するための図である。この図に示すように、インタークーラ２２の冷却水入口側の一端の位置を０とし、冷却水の流通方向に進んだ他端の位置をＬとした場合に、インタークーラ２２の出口吸気温度は、位置Ｌに近いほど高温となり、またＬＴ流量が低流量であるほど高温となる傾向を示す。そこで、出口吸気温度は、位置ｘに基づく関数Ｔ_ｏｕｔ（ｘ）として、次式（１）を用いて予測することができる。

なお、上式（１）において、Ｔ_ｉｎはインタークーラ２２へ導入される吸気の温度であって、例えば次式（２）により算出することができる。

従って、インタークーラ２２の出口吸気温度は端同士が最も乖離し、その温度差ΔＴ_ｏｕｔは、次式（３）によって算出される。

なお、算出された温度差ΔＴ_ｏｕｔは、筒内吸気温が最大となる気筒と最小となる気筒との間の気筒間吸気温度差の指標として用いることができる。

図５は、ＬＴ流量に対する温度差ΔＴ_ｏｕｔの変化を示す図である。ステップＳ２では、予測された温度差ΔＴ_ｏｕｔが許容値以下となるようなＬＴ流量が図５に示す関係から特定され、特定されたＬＴ流量を実現するためのＥＷＰ３８の制御デューティ（duty2）が算出される。なお、許容値は、温度差によるトルクの気筒間差、ノッキングの差から生じる燃費悪化、そして空気量（すなわちＡ／Ｆ）の差によるエミッション悪化の観点から定められる固定値であって、上記観点により生じるドライバビリティ、燃費及びエミッションの悪化が限定的であり問題ないと判断できる値に設定される。

なお、図３中の（ｂ）は、ＬＴ流量に対する温度差ΔＴ_ｏｕｔの変化を示している。この（ｂ）中に「２」で示す点は、温度差ΔＴ_ｏｕｔが許容値となるためのＬＴ流量、すなわちＥＷＰ３８の制御デューティをduty2とした場合に対応している。

次のステップＳ３では、上記ステップＳ１において算出されたＥＷＰ３８のduty1と上記ステップＳ２において算出されたＥＷＰ３８のduty2との大きさが比較される。その結果、duty2＞duty1の成立が認められない場合には、ＥＷＰ３８の制御デューティをduty1に設定したとしても温度差ΔＴ_ｏｕｔが許容値以下に収まると判断されて、次のステップＳ４に移行して、ＥＷＰ３８の制御デューティがduty1に設定される。

一方、上記ステップＳ３において、duty2＞duty1の成立が認められた場合には、ＥＷＰ３８の制御デューティをduty1に設定すると温度差ΔＴ_ｏｕｔが許容値を超えてしまうと判断されて、次のステップＳ５に移行する。

次のステップＳ５では、現運転条件での最高吸気温気筒の吸気温度が算出され、算出された吸気温度が吸気温目標値になるためのＥＷＰ３８の制御デューティ（duty3）が算出される。なお、図３中の（ｃ）は、ＬＴ流量に対する各気筒の吸気温度を示す図である。この（ｃ）中に「３」で示す点は、最高吸気温気筒の吸気温度が吸気温目標値になるためのＬＴ流量、すなわちＥＷＰ３８の制御デューティをduty3とした場合に対応している。

次のステップＳ６では、現運転条件において、エミッションの代表値（例えばＨＣ）が、所定のエミッション許容クライテリアに収まるようなＥＷＰ３８の制御デューティ（duty4）が算出される。なお、図３中の（ｄ）は、ＬＴ流量に対するエミッション代表値を示す図である。この（ｄ）中に「４」で示す点は、エミッションの代表値がエミッション許容クライテリアとなるためのＬＴ流量、すなわちＥＷＰ３８の制御デューティをduty4とした場合に対応している。

次のステップＳ７では、上記ステップＳ５において算出されたＥＷＰ３８のduty3と、上記ステップＳ６において算出されたＥＷＰ３８のduty4と、の最大値選択が行われる。ここでは、図３（ｃ）中の「３」と図３（ｄ）中の「４」とが比較されて、「３」に対応するduty3が選択される。なお、上記ステップＳ５及びＳ６において、duty3及びduty4の何れも算出不能であった場合には、上記ステップＳ２において算出されたduty2が選択される。

図３中の（ｅ）は、ＬＴ流量に対する燃料消費量悪化分の変化を示す図である。この図に示すように、高温気筒のノッキングによる点火遅角によって生じる燃料消費量悪化分は、高温気筒の温度が吸気温目標値となるＬＴ流量（つまり（ｃ）中の「３」点）を境に、ＬＴ流量の減量に対応して急激に増加する。一方、ＥＷＰ３８を駆動することによって生じる燃料消費量悪化分は、ＬＴ流量の増量に対して緩やかに増加する。このため、これら両方を考慮したトータルの燃料消費量悪化分は、（ｃ）中の「３」点に対応するＬＴ流量付近で最小となる。このため、ＬＴ流量が「３」点に対応する値になるようにＥＷＰ３８の制御デューティをduty3に制御することにより、ノッキングを抑制しつつ燃料消費量悪化分を最小にすることが可能となる。

ところで、本実施の形態のシステムは、ＨＴインタークーラ２４とＬＴインタークーラ２６とが当接して構成された水冷式のインタークーラ２２を用いたシステムとして構成されているが、インタークーラ出口の吸気温に位置的な勾配が発生する構造のものであれば、インタークーラの種類は限定されない。例えば、ＨＴインタークーラを備えずにＬＴインタークーラのみで構成されたインタークーラを用いることとしてもよい。

また、本実施の形態のシステムでは、ノッキング抑制及びエミッション悪化抑制の観点からduty3およびduty4を算出しＥＷＰ３８のデューティ制御の判定に用いることとしている。しかしながら、これらのduty3およびduty4を算出することは必須ではなく、少なくともduty1とduty2との間でＥＷＰ３８のデューティを選択することとすれば、気筒間の吸気温度のバラつきを抑制しつつ燃費の悪化を抑制することができる。

また、本実施の形態のシステムでは、温度差ΔＴ_ｏｕｔとして、インタークーラ２２の出口吸気温度の端同士の温度差（すなわち最大となる温度差）を用いることとしているが、筒内吸気温が最大となる気筒と最小となる気筒との間の気筒間吸気温度差の指標として用いることができるのであれば他の値を用いてもよい。また、各気筒に吸入された吸気の温度を検出或いは推定するための構成を備えているのであれば、直接検出或いは推定された温度を用いて気筒間吸気温度差を算出してもよい。

１０ 内燃機関
１２ 吸気通路
１４ 排気通路
１６ エアクリーナ
１８ コンプレッサ
２０ スロットル
２２ インタークーラ
２４ ＨＴインタークーラ
２６ ＬＴインタークーラ
２８ ＨＴ冷却水回路
３０ ＬＴ冷却水回路
３２ ＬＴラジエータ
３４ バイパス流路
３６ 混合弁
３８ 電動ウォーターポンプ（ＥＷＰ）
４０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
４２ 温度センサ
４４ ＥＧＲ通路

Claims (1)

1. 複数気筒を有する内燃機関の制御装置において、
   過給機により過給された吸気を冷却する水冷式のインタークーラと、
   所定の水温に調整された冷却水を前記インタークーラへ供給する供給手段と、
   前記インタークーラへ供給される冷却水の供給量を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、
   吸入される吸気の温度が最大となる気筒と最小となる気筒との間の気筒間吸気温度差が大きいほど前記供給量を増量するように、前記供給手段を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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