JP6306337B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガス再循環装置が付帯した水冷式内燃機関の制御装置に関する。

近年、排気ガス再循環装置（以下、ＥＧＲ装置と称する）を備えた内燃機関において、吸気に混入する排気ガス（以下、ＥＧＲガスと称する）の量を増加させるべく、ＥＧＲガスをエンジン冷却水との熱交換により冷却するための排気ガス冷却装置（以下、ＥＧＲクーラと称する）を採用する例が増えてきている。このような内燃機関を搭載した車両において、エンジン冷却水は、暖房用ヒータコア及びＥＧＲクーラを経て内燃機関のウォータジャケットに再循環する。ＥＧＲクーラを暖房用ヒータコアよりも上流側に配すると、冷間時にはＥＧＲクーラ内でエンジン冷却水が熱を奪われ、暖房用ヒータコアによる暖房性能が低下することがあるという理由から、ＥＧＲクーラは暖房用ヒータコアよりも下流側に配されている（例えば、特許文献１を参照）。

エンジン冷却水は、暖房用ヒータコアで温度が低下し、しかる後ＥＧＲクーラに導かれる。暖房用ヒータコアでエンジン冷却水の温度低下が起こると、ＥＧＲクーラ内で排気ガス中の水蒸気が凝結して凝縮水が発生することがある。このとき、排気ガス中のＮＯ_xやＳＯ_xが凝縮水に溶解し、ＥＧＲクーラを腐食するおそれがある。これを防ぐために、従来より、冷却水温が所定の閾値を上回るという排気ガス再循環の許可条件を満たす際にのみＥＧＲ装置の作動を許可する制御が行われている。

通常、冷却水温を検知する水温センサはシリンダヘッド又はシリンダブロックに取り付けられており、暖房用ヒータコアより上流側に配されている。ゆえに、ＥＧＲクーラに導入されるエンジン冷却水の実際の水温は水温センサにより検知される水温よりも低くなる。そのため、以下に述べるような問題が発生し得る。すなわち、水温センサが検知した水温が所定の閾値よりも高く、ＥＧＲ装置が作動している一方、ＥＧＲクーラに導入されるエンジン冷却水の水温は暖房用ヒータコアにより熱を奪われているので想定より低く、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラにてエンジン冷却水との熱交換により過剰に冷却され、ＥＧＲガス中の水蒸気が凝結し凝縮水が生じる。

このような問題の発生を防ぐために、エンジン冷却水が暖房用ヒータコアで冷却されることを見越して前記閾値を予め高く設定しておくことが考えられる。しかし、暖房用ヒータコアを利用した車内暖房が行われていない場合等、暖房用ヒータコアでのエンジン冷却水の温度低下が小さいときには、水温センサが検知する冷却水温が前記閾値を下回っておりＥＧＲ装置の作動が許可されないにも関わらず、ＥＧＲクーラに導かれる冷却水温は十分高く、実際にはＥＧＲ装置を作動させて差し支えないという状況であることがある。つまり、ＥＧＲ装置を作動させる機会が減少し、燃費の向上やＮＯ_x排出量の低減といったＥＧＲ装置によるメリットが減殺される。

また、仮に、ＥＧＲクーラの直上流に水温センサを設ける場合、ＥＧＲクーラに導入されるエンジン冷却水の実際の水温が水温センサにより検知される水温から乖離するという問題は解消されるものの、かかる位置に水温センサを設けることはそもそも構造上困難であるし、コスト面でも不利である。さらに、ＥＧＲクーラの直上流の水温センサが検出する水温に基づいて排気ガス再循環の可否を判断するとしても、ＥＧＲ中に当該水温センサにより水温の低下を検知したときには、すでにＥＧＲクーラにその水が流入しており、ＥＧＲガスの過度の冷却が始まっている。つまり、凝縮水の発生を必ずしも予防することはできない。

特開２０１２−１６３０８２号公報

本発明は以上の点に着目し、排気ガス再循環装置を作動させる機会の増加を図りつつ、ＥＧＲガス中の凝縮水の発生を抑制することを目的とする。

以上の課題を解決すべく、本発明に係る内燃機関の制御装置は、以下に述べるような構成を有する。すなわち本発明に係る内燃機関の制御装置は、排気ガス冷却装置を備える排気ガス再循環装置、及び内燃機関から流出した冷却水を暖房用ヒータコアに導いて暖房の熱源に供した後前記排気ガス冷却装置に導きＥＧＲガスの冷却に供するための配管が付帯した水冷式内燃機関を制御するものであって、水温センサを介して内燃機関の内部を流通する冷却水の温度を検知するとともに、内燃機関から流出した冷却水が流入する暖房用ヒータコアにおける冷却水の放熱の度合いを示唆するパラメータである吸気温に対応して冷却水温、又は冷却水温と比較する対象の閾値を補正し、吸気温が低くなるにつれ、前記冷却水温をより低温側に補正するか又は冷却水温と比較する対象の閾値をより高温側に補正した上で、補正した冷却水温及び吸気温がいずれも閾値を上回る場合に排気ガス再循環を許可し、その他の場合に排気ガス再循環を禁止する。

このようなものであれば、暖房用ヒータコアにおける冷却水の放熱量が大きくなる、換言すれば吸気温が低下するにつれ冷却水温をより低温側に補正すること、又は冷却水温と比較する対象の閾値をより高温側に補正することによって、排気ガス再循環の可否を判定する際にＥＧＲクーラに流入する冷却水温の低下を反映させることができる。従って、ＥＧＲクーラに流入する冷却水温が低下した状態で排気ガス再循環装置が作動することを未然に防止し、ＥＧＲクーラにおける凝縮水の発生を抑制することができる。その一方で、前記放熱量が小さい場合つまり吸気温が高い場合には、冷却水温の低温側への補正幅を小さくし、又は冷却水温と比較する対象の閾値の高温側への補正幅を小さくし、ＥＧＲ装置を作動させる機会の減少を抑制することができる。

なお、本発明において、「補正した冷却水温」とは、冷却水温の補正を行わなかった場合の冷却水温を含む。また、「暖房用ヒータコアにおける冷却水の放熱の度合いを示唆するパラメータである吸気温」とは、暖房用ヒータコアに送風される空気の温度を示す概念であり、車外の気温を検知する外気温センサから出力される信号が示す外気温をこの「吸気温」として用いてもよい。

前記暖房用ヒータコアに向けて送風するためのブロワのＯＮ／ＯＦＦ状態を検知し、ブロワがＯＮである場合には、ブロワがＯＦＦである場合と比較して冷却水温をより低温側に補正する制御又は冷却水温と比較する対象の閾値をより高温側に補正する制御を行うものであれば、ブロワがＯＮであるときにはブロワがＯＦＦであるときと比べて暖房用ヒータコアにおける冷却水の放熱量がより大きくなることが予測されることを反映して冷却水温をより低温側に補正するか、あるいは冷却水温と比較する対象の閾値をより高温側に補正することとなる。従って、ＥＧＲクーラに流入する冷却水温が低下した状態で排気ガス再循環装置が作動することを未然に防止できる。

凝縮水の発生量を低減しつつ、排気ガス再循環装置を作動させる機会を増加させるための構成の一例として、前記排気ガス再循環装置の作動中に前記暖房用ヒータコアに向けて送風するためのブロワがＯＮとなり、冷却水温を低温側に補正する制御又は冷却水温と比較する対象の閾値を高温側に補正する制御を行った結果冷却水温が閾値を下回った場合、ＥＧＲ量を減少させる制御を行うものが挙げられる。

本発明によれば、排気ガス再循環装置を作動させる機会の増加を図りつつ、ＥＧＲガス中の凝縮水の発生を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る車両の内燃機関を概略的に示す図。 同実施形態に係る車両のエンジン冷却水配管を概略的に示す図。 同実施形態に係る制御装置が実行する処理の手順を概略的に示すフローチャート。

図１に、車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関Ｅは、火花点火式ガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

また、この内燃機関Ｅには、排気ガス再循環装置たるＥＧＲ装置２が付帯している。このＥＧＲ装置２は、排気通路４における前記三元触媒４１の上流側と吸気通路３におけるサージタンク３３とを連通する排気ガス再循環通路（以下、ＥＧＲ通路２１と称する）と、ＥＧＲ通路２１上に設けた排気ガス冷却装置（以下、ＥＧＲクーラ２２と称する）と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れる排気ガス（以下、ＥＧＲガスと称する）の流量を制御する排気ガス再循環弁（以下、ＥＧＲバルブ２３と称する）とを備えている。

さらに、本実施形態では、エンジン冷却水は、図２に示すようなエンジン冷却系の配管内を循環する。すなわち、エンジン冷却水の一部は、ラジエータ通路９３内を流通し、内燃機関Ｅの図示しないウォータジャケットからラジエータ９１に導かれて外気と熱交換を行うことにより冷却された後ウォータポンプＰを経て前記ウォータジャケットに再循環する。また、エンジン冷却水の他の一部は内燃機関Ｅの前記ウォータジャケットから、空調用ヒータ通路９４内を流通して暖房用ヒータコア９２に導かれ、客室内の暖房の熱源に供された後、さらに前記ＥＧＲクーラ２２に導かれてＥＧＲガスの冷却に供され、ウォータポンプＰを経て前記ウォータジャケットに再循環する。そして、暖房用ヒータコア９２の前方にはブロワ又はファン（以下、ブロワ９５と称する）が設けられており、このブロワ９５から暖房用ヒータコア９２に向けて送風することにより、客室内の暖房を行うようにしている。本実施形態のブロワ９５は、ＯＮ／ＯＦＦの切換のみが可能である。なお、内燃機関Ｅのシリンダヘッド又はシリンダブロックには、内燃機関Ｅの内部を流通する冷却水の温度を検出する水温センサ９６が取り付けられている。

内燃機関の運転制御を司る制御装置であるＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、前記水温センサ９６から出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｇ、ブロワ９５のＯＮ／ＯＦＦ状態を検知するスイッチ又はセンサから出力されるブロワ運転状態信号ｈ等が入力される。なお、前記スイッチは、ユーザが暖房を作動させるために操作するスイッチであることがある。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２に対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開閉制御信号ｌ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の機会を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）といった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。しかして、ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

さらに本実施形態では、ＥＣＵ０は、前記暖房用ヒータコア９２における冷却水の放熱量を示唆するパラメータである吸気温に対応して冷却水温を補正し、吸気温が低くなるほど前記冷却水温をより低温側に補正する制御、及び、（補正後の）冷却水温及び吸気温がいずれも閾値を上回るときは前記ＥＧＲ装置２の作動を許可し、その他の場合は前記ＥＧＲ装置２の作動を禁止する制御を行う。

より具体的には、ブロワ９５がＯＦＦである場合は、暖房用ヒータコア９２における冷却水の放熱量が少なく、冷却水温信号ｆが示す冷却水温と暖房用ヒータコア９２における冷却水温との乖離が少ないと考えられることから、冷却水温信号ｆが示す冷却水温をそのまま閾値と比較する。一方、ブロワ９５がＯＮである場合は、ブロワ９５がＯＦＦである場合と比較して暖房用ヒータコア９２における冷却水の放熱量が大きく、冷却水温の大幅な低下が予測されるので、冷却水温を低温側に補正した上で、閾値と比較する。

暖房用ヒータコア９２における冷却水の放熱量は、ブロワ９５により送風される空気の温度（以下、外気温と称する）によって変化する。そこで、外気温を暖房用ヒータコアにおける冷却水の放熱の度合いを示すパラメータとして利用し、冷却水温の補正幅を決定する。外気温が低くなるほど、冷却水温の補正幅は大きくなるようにしている。車外の気温を検知する外気温センサを備えた車両であれば、この外気温センサから出力される信号が示す気温をそのまま外気温として利用し、冷却水温の補正幅を決定する。一方、外気温センサを備えていない車両においては、外気温を推測し冷却水温の補正幅を決定すべく、以下の処理を行う。

ＥＧＲバルブ２３が閉弁状態である場合は、外気温と吸気温・吸気圧信号ｅが示すサージタンク３３内の吸気温との乖離が少ないと考えられることから、前記吸気温をそのまま外気温の推測値として利用し、冷却水温の補正幅を決定する。

ＥＧＲバルブ２３が開弁状態である場合は、サージタンク３３内にＥＧＲガスが導入されることにより、サージタンク３３内の吸気温は外気温と比較して大幅に上昇する。そのため、前記吸気温をそのまま外気温の推測値として利用することには難がある。そこで、ＥＧＲガスの混入による影響を除去するために、以下のような補正を加える。すなわち、吸気温・吸気圧信号ｅが示す吸気温、吸気圧及びクランク角信号（Ｎ信号）ｂが示すエンジン回転数から総吸気量を求めるとともに、前記吸気温、吸気圧及びエンジン回転数、並びにＥＧＲバルブ２３の開度から吸気に占めるＥＧＲガスの分圧を求め、これらＥＧＲガスの分圧及び総吸気量をパラメータとして補正幅を決定する。その上で、吸気温・吸気圧信号ｅが示す吸気温をこの補正幅だけ低温側に補正した値を外気温の推測値として利用し、冷却水温の補正幅を決定する。

以下、外気温センサを備えていない車両における、ＥＧＲ装置２の作動の許可を判定するためのプログラムによる制御の手順についてフローチャートである図３を参照しつつ以下に述べる。

まず、冷却水温信号ｆが示す冷却水温及び吸気温・吸気圧信号ｅが示す吸気温を取得し（ステップＳ１）、ＥＧＲ装置２が作動中である場合には、吸気温、吸気圧、エンジン回転数、ＥＧＲバルブ２３の開度及び総吸気量をパラメータとして補正幅を決定し、吸気温を低温側に補正して外気温の推測値を得る。ＥＧＲ装置２が作動中でない場合には、吸気温をそのまま外気温の推測値とする。ブロワ９５がＯＮである場合には（ステップＳ５）、外気温の推測値をパラメータとして冷却水温の補正幅を決定し、低温側に補正する（ステップＳ６）。一方、ブロワ９５がＯＦＦである場合には、冷却水温の補正は行わない。そして、ＥＧＲ作動条件を満たすことの判定を行い、換言すれば（補正した）冷却水温、及び吸気温をそれぞれ閾値と比較し（ステップＳ７）、ＥＧＲ作動条件を満たす場合は、換言すれば（補正した）冷却水温及び吸気温がいずれも閾値を上回るときはＥＧＲ装置２の作動を許可する（ステップＳ８）。一方、ＥＧＲ作動条件を満たさない場合は、換言すれば（補正した）冷却水温及び吸気温のいずれかが閾値を下回るときはＥＧＲ装置２の作動を禁止する（ステップＳ９）。

内燃機関の始動後、暖機が完了するまでの期間は、冷却水温が十分上昇しておらず、ＥＧＲバルブ２３が閉弁状態となる。よって、当該期間中においては、ステップＳ２の制御の後、ステップＳ４の制御がもっぱら行われる。

なお、外気温センサを備えた車両の場合は、上述した、ＥＧＲ装置２が作動中である場合には、吸気温、吸気圧、エンジン回転数、ＥＧＲバルブ２３の開度及び総吸気量をパラメータとして補正幅を決定し、吸気温を低温側に補正して外気温の推測値を得る一方、ＥＧＲ装置２が作動中でない場合には、吸気温をそのまま外気温の推測値とする処理に替えて、外気温センサから出力される信号が示す外気温を取得し、そのまま外気温の推測値とする処理を行うとよい。

すなわち、本実施形態によれば、ブロワ９５がＯＮである場合にはブロワ９５がＯＦＦである場合と比較して暖房用ヒータコア９２における冷却水の放熱量が大きく、ＥＧＲクーラ２２に流入する冷却水温の大幅な低下が予測されるので、ＥＧＲ作動条件を満たしていることを判定する際に、冷却水温を低温側に補正した上で閾値と比較する。そのため、ＥＧＲクーラ２２に流入する冷却水温が低下した状態でＥＧＲ装置２が作動することを未然に阻止し、ＥＧＲクーラ２２における凝縮水の発生を抑制することができる。その一方で、ブロワ９５がＯＦＦである場合には冷却水温の低温側への補正を行わないので、エンジン冷却水が暖房用ヒータコア９２で冷却されることを見越して冷却水温と比較する閾値を常時高温側に設定する態様と比較して、ＥＧＲ装置２の作動が許可される機会が増加する。従って、燃費の向上やＮＯ_x排出量の低減といったメリットを得るべくＥＧＲ装置２を作動させる機会の増加を図ることができる。

加えて本実施形態では、ＥＧＲ装置２の作動中すなわちＥＧＲバルブ２３が開弁状態である場合に、前記暖房用ヒータコア９２に空気を送るためのブロワ９５がＯＮとなり、補正した冷却水温が閾値を下回った場合、ＥＧＲクーラ２２に流入する冷却水温の低下が予測されるものとして、ＥＧＲ装置２の作動を禁止する制御を行うようにしているので、ＥＧＲ装置２を作動させることによる燃費の向上等を図りつつ、凝縮水の発生量を低減することができる。

なお、本発明は以上に述べた実施形態に限らない。

例えば、ブロワ９５がＯＮ状態である（ブロワの出力が０でない）場合に冷却水温を低温側に補正し閾値と比較するようにしている上述した実施形態の態様とは逆に、閾値を高温側に補正し、冷却水温と比較するようにしてもよい。

ＯＮ／ＯＦＦの切換のみが可能なブロワ９５に替えて、出力を段階的又は無段階で変更可能なブロワを利用してもよい。この場合、ブロワの出力が大きくなるにつれ冷却水温をより低温側に補正する（又は、冷却水温と比較する対象の閾値を高温側に補正する）とよい。

客室内の空気を循環させて空調を行うようにしているとともに、客室内の気温を検知するための内気温センサを備えている車両であれば、外気温に替えて、前記内気温センサから出力される信号が示す客室内の気温を、暖房用ヒータコアにおける冷却水の放熱の度合いを示すパラメータとして利用するとよい。この場合、客室内の気温が低くなるにつれ冷却水温をより低温側に補正する（又は、冷却水温と比較する対象の閾値を高温側に補正する）とよい。

外気を取り込んで暖房用ヒータコアに送風するタイプの車両においては、暖房用ヒータコアにおける冷却水の放熱の度合いを示すパラメータとして外気温に加えて車速を用い、車速が高くなるにつれ冷却水温をより低温側に補正する（又は、冷却水温と比較する対象の閾値を高温側に補正する）するとよい。

ブロワ（又はファン）と暖房用ヒータコアとの間に空調装置のエバポレータを配している車両において、空調装置の冷媒回路が作動しているときには、エバポレータにより空気が冷却されていることを反映し、エバポレータ温度を考慮に入れて冷却水温をより低温側に補正する（又は、冷却水温と比較する対象の閾値を高温側に補正する）するとよい。

ターボチャージャーを搭載した車両では、エンジン回転数、要求負荷、及び可変容量ターボの場合はノズルベーンの開度によって示される過給度合いをパラメータとし、過給度合いが高くなるほど吸気温・吸気圧信号ｅが示す吸気温を低温側に補正して外気温の推測値を求めた上で上述した実施形態のような制御を行えば、本発明の主要な効果を得ることができる。

その他、本発明の趣旨を損ねない範囲で種々に変更してよい。

０…制御装置（ＥＣＵ）
２…排気ガス再循環装置（ＥＧＲ装置）
２２…排気ガス冷却装置（ＥＧＲクーラ）
９２…暖房用ヒータコア
９６…水温センサ
Ｅ…内燃機関

Claims (3)

1. 排気ガス冷却装置を備える排気ガス再循環装置、及び内燃機関から流出した冷却水を暖房用ヒータコアに導いて暖房の熱源に供した後前記排気ガス冷却装置に導きＥＧＲガスの冷却に供するための配管が付帯した水冷式内燃機関を制御するものであって、
   水温センサを介して内燃機関の内部を流通する冷却水の温度を検知するとともに、
   内燃機関から流出した冷却水が流入する暖房用ヒータコアにおける冷却水の放熱の度合いを示唆するパラメータである吸気温に対応して冷却水温、又は冷却水温と比較する対象の閾値を補正し、吸気温が低くなるにつれ、前記冷却水温をより低温側に補正するか又は冷却水温と比較する対象の閾値をより高温側に補正した上で、
   補正した冷却水温及び吸気温がいずれも閾値を上回る場合に排気ガス再循環を許可し、その他の場合に排気ガス再循環を禁止することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記暖房用ヒータコアに向けて送風するためのブロワのＯＮ／ＯＦＦ状態を検知し、ブロワがＯＮである場合には、ブロワがＯＦＦである場合と比較して冷却水温をより低温側に補正する制御又は冷却水温と比較する対象の閾値をより高温側に補正する制御を行う請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記排気ガス再循環装置の作動中に前記暖房用ヒータコアに向けて送風するためのブロワがＯＮとなり、冷却水温を低温側に補正する制御又は冷却水温と比較する対象の閾値を高温側に補正する制御を行った結果冷却水温が閾値を下回った場合、ＥＧＲ量を減少させる制御を行う請求項１又は２記載の内燃機関の制御装置。

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