JP6237159B2

JP6237159B2 - 内燃機関の排水制御装置

Info

Publication number: JP6237159B2
Application number: JP2013242845A
Authority: JP
Inventors: 雄輔磯部; 洋之木村
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2013-11-25
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2033-11-25
Also published as: JP2015102011A

Description

本発明は車両の内燃機関に関し、詳しくは吸排気中から水分を排水する排水制御装置に関する。

ディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法として、ＮＯｘトラップ触媒を用いたものが知られている。ＮＯｘトラップ触媒は、排気中のＮＯｘを酸化雰囲気中で捕捉し、捕捉したＮＯｘを還元雰囲気中で放出してＮ_２等に還元することでＮＯｘの排出濃度を低減している。また、ディーゼルエンジン搭載車には、排気中の粒子状物質を除去するフィルタ装置が設けられており、ＮＯｘトラップ触媒はその耐熱性や配置スペースの観点から、一般的にフィルタ装置の下流側に配置されている。

さらに、排気の一部を吸気側に戻すことで燃焼室の燃焼温度を下げ、排気中のＮＯｘを低減させる排気再循環（ＥＧＲ）方式が知られている。ＥＧＲ方式には、過給機のタービン上流側排気通路からコンプレッサ下流側吸気通路に排気を戻す高圧ＥＧＲ方式と、タービン下流側で酸化触媒及びフィルタ装置下流側の排気通路からコンプレッサ上流側吸気通路に排気を戻す低圧ＥＧＲ方式とがある。低圧ＥＧＲ装置及びインタークーラ等の冷却手段を備えた内燃機関では、排気を含む吸気が冷却手段を通過して冷却される際に結露して凝縮水が発生する。この凝縮水が吸気と共に吸気通路から燃焼室に送られると、ウォータハンマを引き起こしてしまう虞がある。

上述の問題を解決すべく、インタークーラで発生した凝縮水を貯留する貯留タンクと、凝縮水を加熱して水蒸気とする加熱装置と、貯留タンクと触媒上流側の排気通路とに接続された水蒸気供給路とを有し、凝縮水を水蒸気に変えて触媒の上流側排気通路に供給する内燃機関が、例えば「特許文献１」に開示されている。

特開２０１３−１２４５６３号公報

上述の技術では、水蒸気供給路に流量調整弁が設けられているものの、この流量調整弁が制御装置によって開閉動作制御されることが開示されているのみであり、開閉動作の詳細については不明である。開閉動作は、貯留タンクに貯留された水の量を精度よく求めることが困難であるため、開弁時間を長めに設定せざるを得ない。ところが、開弁時間が長すぎると水排出完了後に吸気ガスも排出されることとなり、内燃機関のトルク低下や出力低下を引き起こしてしまうという問題点がある。

本発明は上述の問題点を解決し、排水路の途中に設けられた開閉弁の開閉動作を適正に制御し、トルク低下や出力低下を防止することが可能な内燃機関の排水制御装置の提供を目的とする。

請求項１記載の発明は、一端が内燃機関の吸気側に接続された吸気通路と、一端が前記内燃機関の排気側に接続された排気通路と、前記吸気通路に配置されたインタークーラと、前記排気通路に設けられた触媒と、前記インタークーラの下流側の前記吸気通路に一端を、前記触媒の上流側の前記排気通路に他端をそれぞれ接続し、前記インタークーラによって結露した凝縮水を前記排気通路に排出する排水路と、前記排水路の途中に設けられた開閉弁と、前記触媒の近傍に設けられて前記排気通路内の温度を計測する温度センサと、前記温度センサによって検出された温度に基づいて前記開閉弁の開閉制御を行う開閉弁制御部とを有し、前記開閉弁を開制御した際に、前記温度センサによって検出された排気通路内温度が所定期間経過後においてより低温の値に変化しない場合には前記開閉弁が閉固着されていると判定する故障判定制御部を有することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の内燃機関の排水制御装置において、さらに前記故障判定制御部は前記開閉弁を閉制御したにも拘わらず前記排気通路内温度がより高温の値に変化しない場合には前記開閉弁が開固着されていると判定することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の内燃機関の排水制御装置において、さらに前記開閉弁制御部は前記開閉弁の開弁状態時において、前記温度センサによって検出される排気温度がより高温の値に変化した際に前記開閉弁を閉制御することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１ないし３の何れか一つに記載の内燃機関の排水制御装置において、さらに前記温度センサは前記触媒の上流側であって前記排水路から排出された凝縮水が被水する位置に設けられていることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１ないし４の何れか一つに記載の内燃機関の排水制御装置において、さらに前記インタークーラの上流側の前記吸気通路に設けられた過給機と、前記排気通路と前記吸気通路とに接続され排気の一部を前記吸気通路に戻す排気再循環装置と、前記触媒の上流側の前記排気通路に設けられた排気フィルタとを有し、前記排気再循環装置は前記排気フィルタと前記排水路接続位置との間の前記排気通路から前記過給機の上流側の前記吸気通路に排気の一部を戻すことを特徴とする。

本発明によれば、排水路内から凝縮水が抜けた適正なタイミングで開閉弁を閉弁制御することができるので、排水路内からの凝縮水排出完了後に吸気ガスが排出されることを防止でき、これにより内燃機関のトルク低下や出力低下が発生することを確実に防止することができる。

本発明の一実施形態を適用した内燃機関の排水制御装置の概略図である。本発明の一実施形態に用いられる制御部のブロック図である。本発明の第１の実施形態における排水制御装置の動作を説明するフローチャートである。本発明の第１の実施形態における温度センサの検出値の変化を示す線図である。本発明の第２の実施形態における開弁制御時における温度センサの検出値の変化を示す線図である。本発明の第２の実施形態における閉弁制御時における温度センサの検出値の変化を示す線図である。本発明の第２の実施形態における排水制御装置の動作を説明するフローチャートである。

本発明の一実施形態を示す図１において、内燃機関である車載用ディーゼルエンジン（以下エンジンという）１のシリンダブロック２の上部にはシリンダヘッド３が設けられており、シリンダヘッド３の吸気側には吸気通路を構成する吸気管４が、排気側には排気通路を構成する排気管５がそれぞれ接続されている。またシリンダヘッド３には、コモンレール１３を介して燃料噴射ポンプ１４が接続されている。さらにシリンダヘッド３には、一端をエアフィルタ６よりも下流側の吸気管４に接続されたブローバイガスを排出するブローバイガス通路２１の他端が接続されている。

吸気管４には、吸気の上流側からエアフィルタ６、低圧スロットル弁７、低圧ＥＧＲバルブ８、過給機であるターボチャージャ９の図示しないコンプレッサ、インタークーラ１０、高圧スロットル弁１１、高圧ＥＧＲバルブ１２等が設けられている。

排気管５には、シリンダブロック２側からターボチャージャ９の図示しないタービン、酸化触媒１５及び排気フィルタとしてのフィルタ装置１６が設けられている。酸化触媒１５は、例えば白金のような貴金属触媒を担持しており、排気中のＮＯをＮＯ_２に転換する作用と、排気中のＨＣやＣＯ等の有害成分を酸化させる作用とを有している。ＮＯ_２はＮＯよりも酸化作用が強く、ＮＯ_２によってフィルタ装置１６に捕獲された粒子状物質の酸化反応が促進され、また後述するＮＯｘトラップ触媒で還元される。フィルタ装置１６は排気中の粒子状物質を捕獲するフィルタ装置であり、捕獲された粒子状物質はＮＯ_２の強力な酸化作用で燃焼除去される。

フィルタ装置１６の下流側には、排気中の酸素濃度量を検知する酸素濃度センサ（ＬＡＦＳ）１７が設けられており、その下流側に触媒であるＮＯｘトラップ触媒１８を内蔵した触媒コンバータ１９が、さらにその下流側に酸素濃度センサ２０が設けられている。ＮＯｘトラップ触媒１８は、酸化雰囲気においてＮＯｘを捕捉し、捕捉したＮＯｘを例えばＨＣやＣＯ等を含む還元雰囲気中で放出してＮ_２等に還元する浄化装置である。つまり、酸化触媒１５で生成されたＮＯ_２及び酸化触媒１５で酸化されずに排気ガス中に残存するＮＯを捕捉し、Ｎ_２等に還元して放出する。さらにＮＯｘトラップ触媒１８の上流側近傍には、排気管５内の温度を検知するための温度センサ３１が配設されている。

高圧ＥＧＲバルブ１２の下方には、高圧ＥＧＲ管２３と高圧ＥＧＲクーラ２４とを有する高圧ＥＧＲ装置２２が配設されている。高圧ＥＧＲ管２３は、その一端を高圧スロットル弁１１とシリンダヘッド３との間の吸気管４に、その他端をシリンダヘッド３とターボチャージャ９のタービンとの間の排気管５にそれぞれ接続されており、その途中には高圧ＥＧＲクーラ２４が設けられている。高圧ＥＧＲ管２３の一端は、高圧ＥＧＲバルブ１２によって開閉される。

低圧ＥＧＲバルブ８の下方には、低圧ＥＧＲ管２６と低圧ＥＧＲクーラ２７とを有する排気再循環装置としての低圧ＥＧＲ装置２５が配設されている。低圧ＥＧＲ管２６は、その一端を低圧スロットル弁７とターボチャージャ９のコンプレッサとの間の吸気管４に、その他端をフィルタ装置１６とＮＯｘトラップ触媒１８との間の排気管５にそれぞれ接続されており、その途中には低圧ＥＧＲクーラ２７が設けられている。低圧ＥＧＲ管２６の一端は、低圧ＥＧＲバルブ８によって開閉される。

インタークーラ１０と高圧スロットル弁１１との間の吸気管４には排水路を形成する排水管２８の一端が接続されており、排水管２８の他端はＮＯｘトラップ触媒１８の上流側近傍に位置する排気管５に接続されている。排水管２８の途中には開閉弁２９が配設されている。

図２は、本発明の一実施形態に用いられるエンジン１の開閉弁制御部として機能する制御手段３０のブロック図である。制御手段３０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有する周知のマイクロコンピュータによって構成されており、温度センサ３１を含む各種センサからの検知信号に基づいて、各スロットル弁７，１１、各ＥＧＲバルブ８，１２及び開閉弁２９の動作を制御する。

上述の構成において、シリンダヘッド３から排出された排気はターボチャージャ９のタービンを回転させ、同時にターボチャージャ９のコンプレッサを回転させて吸気を吸気管４に吸入する。各センサの検出値は制御手段３０に入力され、各スロットル弁７，１１、各ＥＧＲバルブ８，１２及び開閉弁２９の動作が制御される。エンジン１の運転中、シリンダヘッド３から排出された排気中のＮＯは酸化触媒１５でＮＯ_２に転換され、フィルタ装置１６に捕獲された粒子状物質はＮＯ_２の酸化作用で燃焼除去される。その下流側の触媒コンバータ１９では、ＮＯｘトラップ触媒１８に吸着されたＮＯｘが還元されて無害化される。

さらに、高圧ＥＧＲバルブ１２を開くことで、ターボチャージャ９の上流側の排気管５を流れる排気の一部が高圧ＥＧＲ管２３に導入され、高圧ＥＧＲ管２３に導入された排気ガスは高圧ＥＧＲクーラ２４で冷却されてインタークーラ１０の下流側の吸気管４に供給される。また、低圧ＥＧＲバルブ８を開くことで、フィルタ装置１６の下流側の排気管５を流れる排気ガスの一部が低圧ＥＧＲ管２６に導入され、低圧ＥＧＲ管２６に導入された排気ガスは低圧ＥＧＲクーラ２７で冷却されてターボチャージャ９の上流側の吸気管４に供給される。

高圧ＥＧＲ装置２２及び低圧ＥＧＲ装置２５により排気ガスの一部を吸気に還流させることで、エンジン１の燃焼室内の燃焼温度を低下させてＮＯｘの排出量を低減することができる。高圧ＥＧＲ装置２２はターボチャージャ９の上流側の排気ガスの一部を循環させるため、ターボチャージャ９による過給が十分に必要となる運転状態（空気量を確保する必要がある運転状態）の場合には低圧ＥＧＲ装置２５を用いてＮＯｘの排出量を低減する。つまり、負荷（トルク）が小さくエンジン回転速度が低い領域で高圧ＥＧＲ装置２２が用いられる高圧ＥＧＲ領域となり、負荷が高圧ＥＧＲ領域よりも大きくエンジン回転速度が高い領域で低圧ＥＧＲ装置２５が用いられる低圧ＥＧＲ領域（空気量を確保する必要がある運転領域）となる。

エンジン１の運転中、特に低圧ＥＧＲ装置２５使用時にはインタークーラ１０の出口部に多量の凝縮水が発生する。発生した凝縮水は、排水管２８を通ってＮＯｘトラップ触媒１８の上流側近傍に位置する排気管５に送られ、触媒コンバータ１９を介して車外に排出されるが、排水管２８の途中に設けられた開閉弁２９が閉じられているときには排水管２８内に貯留される。開閉弁２９は、排水管２８内に設けられた図示しない水位センサによって貯留された凝縮水の量が一定量に達したとき、あるいはエンジン１の運転時間や走行距離が一定値に達したときに開弁され、これによって排水管２８内の凝縮水が触媒コンバータ１９を介して車外に排出される。

ここで開閉弁２９の開弁時間が長すぎると、排水管２８内からの凝縮水排出完了後に吸気ガスも排出されることとなり、内燃機関のトルク低下や出力低下を引き起こしてしまうため、本発明の第１の実施形態では開閉弁２９を適正に閉弁する制御を行っている。以下にこの閉弁制御について説明する。

図３は、制御手段３０による開閉弁２９の開閉制御動作を説明するフローチャートである。制御手段３０は、先ず上述したように、排水管２８内に設けられた図示しない水位センサによって貯留された凝縮水の量が一定量に達したか、あるいはエンジン１の運転時間や走行距離が一定値に達したかを判断し、一定量または一定値に達した場合に開閉弁２９を開弁する（ＳＴ０１）。

開閉弁２９が開弁されたことを確認すると、次に制御手段３０は温度センサ３１の出力値を確認する（ＳＴ０２）。ここで、排水管２８内に凝縮水が残っている場合には、温度センサ３１が検出する排気管５内の温度は、排気管５内で蒸発する凝縮水の気化熱あるいは温度センサ３１に接触する凝縮水の影響を受けるため、図４に示すように低温側に位置している。そして完全に凝縮水が抜けると、温度センサ３１は排水管２８を通じて排気管５に漏出する吸気ガス、及び排気ガスを検出して出力値が高温側に変化する。これにより制御手段３０は排水管２８から凝縮水が完全に抜けたと判断し、開閉弁２９を閉弁させる（ＳＴ０３）。

ここで、開閉弁２９が閉弁しているときの温度をＴ１、開閉弁２９が開弁しており排水管２８を通じて凝縮水が排出されているときの温度をＴ２、開閉弁２９が開弁しており排水管２８を通じて吸気ガスが排気管５に漏出しているときの温度をＴ３とする。開閉弁２９が閉弁しているときは、温度センサ３０は排気管５内の排気ガスの温度のみを検出するため、Ｔ１の値は排気管５内の排気ガスの温度と等しい。開閉弁２９が開弁されて凝縮水が排出されているときは、温度センサ３０は温度センサ３０に直接かかる凝縮水や排気管５内で蒸発する凝縮水の気化熱の影響を受けるため、Ｔ２は凝縮水によって温度低下した排気ガスの温度となる。その後、凝縮水の排出が完了し吸気ガスが排気管５に漏出しているときは、温度センサ３０は排気管５内の排気ガス及び漏出している吸気ガスの温度を検知するため、Ｔ３の値は吸気ガスによって温度低下した排気ガスの温度となる。すなわち、温度センサ３０が検出する温度の関係は、Ｔ１＞Ｔ３＞Ｔ２となる。

上述の構成により、排水管２８内から凝縮水が抜けた適正なタイミングで開閉弁２９を閉弁制御することができるので、排水管２８内からの凝縮水排出完了後に吸気ガスが排出されることを防止でき、これによりエンジン１のトルク低下や出力低下が発生することを確実に防止することができる。

次に、本発明の第２の実施形態を説明する。第１の実施形態では、排水管２８に設けられた開閉弁２９を制御手段３０によって開閉制御する構成を示した。しかし、異物が詰まったり弁が破損したりして開閉弁２９が故障していると、制御手段３０による開閉制御が不能となり不具合が生じてしまう。そこで、開閉弁２９が故障しているか否かを判定する故障判定制御を本発明の第２の実施形態として以下に説明する。

開閉弁２９が閉じられている状態から制御手段３０により開弁指令が送られると、図５に破線で示すように、開弁に伴い温度センサ３１の検出値が定常値から凝縮水の流出により水温を検出することで低温側に変化し、排水管２８から凝縮水が抜けきった所定期間経過後に吸気を伴う排気ガスの温度である所定の値を示す。そして制御手段３０より閉弁指令が送られると、閉弁に伴い温度センサ３１の検出値が吸気を伴わない排気ガス温度を検出することから高温側に変化して定常値に戻る。しかし開閉弁２９が何等かの理由により閉状態から開放されない閉固着の状態となっていると、図５に実線で示すように、所定期間が経過しても温度センサ３１の検出値が定常値から変化しない。

一方、開閉弁２９が開放されている状態から制御手段３０により閉弁指令が送られると、図６に破線で示すように、閉弁に伴い温度センサ３１の検出値が吸気を伴う排気ガスの流出停止により吸気を伴わない排気ガス温度を検出することから高温側に変化して定常値に戻る。しかし開閉弁２９が何等かの理由により開状態から閉塞されない開固着の状態となっていると、図６に実線で示すように、温度センサ３１の検出値が所定の値から定常値に戻らない。

上述した第２の実施形態における制御動作を、図７に示すフローチャートに基づいて説明する。先ず、開閉弁２９の開弁制御が行われたか否かが制御手段３０によって判断され（ＳＴ１１）、開弁制御が行われたと判断されると次に温度センサ３１の検出値が変化したか否かが判断される（ＳＴ１２）。そして温度センサ３１の検出値が変化したと判断されると正常であるとして制御動作が終了し、検出値が変化しないと判断されると開閉弁２９の故障であると判定してエンジン警告灯を点灯または点滅させてドライバに故障であることを警告する（ＳＴ１３）。

また、ステップＳＴ１１において開弁制御が行われていないと判断されると、次に閉弁制御が行われたか否かが制御手段３０によって判断され（ＳＴ１４）、閉弁制御が行われたと判断されると次に温度センサ３１の検出値が定常値か否かが判断される（ＳＴ１５）。そして温度センサ３１の検出値が定常値であると判断されると正常であるとして制御動作が終了し、検出値が所定の値から定常値に変化していないと判断されるとステップＳＴ１３に進み、開閉弁２９の故障であると判定してエンジン警告灯を点灯または点滅させてドライバに故障であることを警告する。

この第２の実施形態において、制御手段３０は故障判定制御部として機能する。この構成により、センサを増設することなく開閉弁２９の故障判定を行うことができるので、コストアップすることなく正確に排水制御装置の故障判定を行うことができる。

上記実施形態において、温度センサ３１をＮＯｘトラップ触媒１８の上流側であって排水管２８から排出された凝縮水が被水する位置に設けることにより、排出される凝縮水の水温を確実に検出することができ、検出精度を向上することができる。また、低圧ＥＧＲ装置２５はＤＰＦフィルタ装置１６と排水路接続位置との間の排気管５からターボチャージャ９の上流側の吸気管４に排気の一部を戻すので、戻される排気はＤＰＦフィルタ装置１６を通過しており不純物が少ないため、エンジン１の燃焼効率を低下させることを防止できる。

１内燃機関（エンジン）
４吸気通路（吸気管）
５排気通路（排気管）
９過給機（ターボチャージャ）
１０インタークーラ
１６排気フィルタ（フィルタ装置）
１８触媒（ＮＯｘトラップ触媒）
２５排気再循環装置（低圧ＥＧＲ装置）
２８排水路（排水管）
２９開閉弁
３０開閉弁制御部、故障判定制御部（制御手段）
３１温度センサ

Claims

一端が内燃機関の吸気側に接続された吸気通路と、
一端が前記内燃機関の排気側に接続された排気通路と、
前記吸気通路に配置されたインタークーラと、
前記排気通路に設けられた触媒と、
前記インタークーラの下流側の前記吸気通路に一端を、前記触媒の上流側の前記排気通路に他端をそれぞれ接続し、前記インタークーラによって結露した凝縮水を前記排気通路に排出する排水路と、
前記排水路の途中に設けられた開閉弁と、
前記触媒の近傍に設けられて前記排気通路内の温度を計測する温度センサと、
前記温度センサによって検出された温度に基づいて前記開閉弁の開閉制御を行う開閉弁制御部とを有し、
前記開閉弁を開制御した際に、前記温度センサによって検出された排気通路内温度が所定期間経過後においてより低温の値に変化しない場合には前記開閉弁が閉固着されていると判定する故障判定制御部を有することを特徴とする内燃機関の排水制御装置。
請求項１記載の内燃機関の排水制御装置において、
前記故障判定制御部は前記開閉弁を閉制御したにも拘わらず前記排気通路内温度がより高温の値に変化しない場合には前記開閉弁が開固着されていると判定することを特徴とする内燃機関の排水制御装置。
請求項１または２記載の内燃機関の排水制御装置において、
前記開閉弁制御部は前記開閉弁の開弁状態時において、前記温度センサによって検出される排気温度がより高温の値に変化した際に前記開閉弁を閉制御することを特徴とする内燃機関の排水制御装置。
請求項１ないし３の何れか一つに記載の内燃機関の排水制御装置において、
前記温度センサは前記触媒の上流側であって前記排水路から排出された凝縮水が被水する位置に設けられていることを特徴とする内燃機関の排水制御装置。
請求項１ないし４の何れか一つに記載の内燃機関の排水制御装置において、
前記インタークーラの上流側の前記吸気通路に設けられた過給機と、前記排気通路と前記吸気通路とに接続され排気の一部を前記吸気通路に戻す排気再循環装置と、前記触媒の上流側の前記排気通路に設けられた排気フィルタとを有し、前記排気再循環装置は前記排気フィルタと前記排水路接続位置との間の前記排気通路から前記過給機の上流側の前記吸気通路に排気の一部を戻すことを特徴とする内燃機関の排水制御装置。