JP6375874B2 - 制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。
過給機を備える内燃機関に用いられ、排気の一部を吸気通路へ還流する排気還流装置が知られている。排気還流装置のなかでも、過給機のタービンに対する下流側で比較的低圧となる排気の一部をクーラで冷やしてから過給機のコンプレッサに対する上流側の吸気通路に還流させる低圧排気還流装置は、低温かつ大量の排気還流を可能とする。
低圧排気還流装置が用いられる内燃機関では、排気中の水蒸気がクーラ等で冷やされることで凝縮水が発生し、その凝縮水が各機器を腐食させる問題がある。これに対して、特許文献1に開示された制御装置は、低圧排気還流通路における凝縮水の蓄積量を推定し、その蓄積量が基準量を超えるとき、低圧排気還流量を減少させるとともに高圧排気還流量を増加させる。これにより、基準量以上の凝縮水が蓄積されることの抑制を図っている。
特開2012−163061号公報
ところで、排気還流通路等における凝縮水の蓄積を抑えつつも、できるだけ多くの低圧排気を還流させるには、凝縮水の発生量すなわち所定時間あたりの増加量を正確に推定する必要がある。そのためには、吸入空気中の水蒸気量を精度良く算出することが重要である。
これに対して、特許文献1に開示された制御装置は、外気温度、大気圧、吸気マニホールドの入口付近の温度および圧力に基づき吸入空気中の水蒸気量を推定しているため、吸入空気中の水蒸気量の算出精度が低い。そのため、凝縮水の発生量の推定精度が低いという問題があった。したがって、低圧排気還流量を少なめに設定する必要があり、十分な燃費向上効果を得ることができなかった。
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、凝縮水の発生量の推定精度が向上した内燃機関の制御装置を提供することにある。
本発明は、過給機と、排気抵抗となる抵抗要素に対する下流側の排気通路から過給機のコンプレッサに対する上流側の吸気通路へ排気を還流させる低圧排気還流装置と、吸入空気量を検出する吸入空気量検出部と、吸入空気温度を検出する吸入空気温度検出部と、吸入空気の相対湿度を検出する相対湿度検出部と、吸入空気圧を検出する吸入空気圧検出部と、低圧排気還流装置が還流させる排気を冷却するEGRクーラと、コンプレッサによる圧縮により昇温した過給空気を冷却するインタークーラと、を備える内燃機関を制御する制御装置である。制御装置は、相対湿度と吸入空気温度と吸入空気圧とに基づき吸入空気の絶対湿度を算出する絶対湿度算出手段と、吸入空気量から求めた吸入空気の質量流量と前記絶対湿度とに基づき吸入空気中の水蒸気量を算出する第1水蒸気量算出手段と、を有する。制御装置は、第2水蒸気量算出手段と、発生量推定手段と、還流量制御手段とをさらに有する。第2水蒸気量算出手段は、内燃機関の燃焼室での燃焼によって発生する水蒸気量を算出する。発生量推定手段は、吸入空気中の水蒸気量と、燃焼によって発生する水蒸気量と、EGRクーラおよびインタークーラの冷却条件とに基づき、内燃機関における凝縮水の発生量を推定する。還流量制御手段は、発生量、または、当該発生量から求められる凝縮水の蓄積量に基づき、低圧排気還流装置が還流させる排気の量である低圧排気還流量を制御する。
このように吸入空気の状態を直接的に表す情報に基づき吸入空気中の水蒸気量を算出することにより、当該水蒸気量の算出精度が向上する。そのため、排気還流通路および吸気通路等における凝縮水の発生量を正確に推定することができる。その結果、凝縮水の蓄積を抑えつつも、できるだけ多くの低圧排気を還流させることが可能となり、十分な燃費向上効果を得ることができる。
本発明の一実施形態による制御装置が用いられるエンジンの概略構成を説明する図である。 図1のエンジンの制御系のブロック図である。 図1の制御装置により実行される凝縮水の蓄積を抑えるための処理を示すフローチャートである。
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
[一実施形態]
本発明の一実施形態による制御装置は、図1に示すエンジンに用いられている。
(エンジン)
先ず、エンジン10の基本構成について図1を参照して説明する。
図1に示すように、エンジン10は、エンジン本体20、吸気装置30、排気装置40、過給機50、高圧排気還流装置60、および低圧排気還流装置70を備えている。
エンジン本体20は、空気と燃料との混合気を燃焼室21内で燃焼させ、その燃焼時の爆発力によりピストン22を押し下げて往復運動させる。このピストン22の往復運動は、図示しないクランクシャフトにより回転運動に変換されて出力される。なお、エンジン本体20は複数のシリンダ23を有しているが、便宜上、図1ではシリンダ23を1つだけ示している。
吸気装置30は、一端が外気に開放された吸気管31と、吸気管31の他端とエンジン本体20とを接続している吸気マニホールド32と、吸気管31の吸気通路33に上流側から順に設けられているエアクリーナ34、インタークーラ35およびスロットル36とを有している。インタークーラ35は、過給機50のコンプレッサ51による圧縮により昇温した過給空気を冷却する冷却器である。スロットル36は、エンジン本体20の吸気量を調整する弁である。吸気装置30は、外気からエンジン本体20へ空気を供給するものである。
排気装置40は、一端がエンジン本体20に接続されている排気マニホールド41と、排気マニホールド41の他端と外気とを接続している排気管42と、排気管42の排気通路43の途中に設けられている排気浄化ユニット44とを有している。排気装置40は、エンジン本体20が排出する既燃ガスとしての排気を外気へ放出するものである。
過給機50は、吸気通路33のうちエアクリーナ34とインタークーラ35との間に設けられているコンプレッサ51と、排気通路43のうち排気浄化ユニット44に対する上流側に設けられているタービン52とを有している。排気抵抗となるタービン52は、特許請求の範囲に記載の「抵抗要素」に相当する。コンプレッサ51は、シャフト53によりタービン52と連結されており、タービン52と同期して回転する。過給機50は、排気エネルギを利用して吸気通路33内で吸気を圧縮することによって燃焼室21に空気を過給する。
高圧排気還流装置60は、排気管42のうちタービン52に対する上流側から分岐して、吸気管31のうちスロットル36に対する下流側に合流している高圧EGR管61と、高圧EGR管61の高圧EGR通路62の途中に設けられている高圧EGR弁63とを有している。高圧EGR通路62は、排気通路43のうちタービン52に対する上流側で高圧となる排気の一部を吸気通路33に還流させることができる。高圧EGR弁63は、高圧EGR通路62を通じて吸気通路33へ還流する排気の量(高圧排気還流量)を調整する。還流した排気は、コンプレッサ51により圧縮された空気とともに燃焼室21に供給される。
低圧排気還流装置70は、排気管42のうち排気浄化ユニット44に対する下流側から分岐して、吸気管31のうちコンプレッサ51に対する上流側に合流している低圧EGR管71と、低圧EGR管71の低圧EGR通路72の途中に設けられている低圧EGR弁73と、低圧EGR通路72のうち低圧EGR弁73に対する上流側に設けられているEGRクーラ74とを有している。低圧EGR通路72は、排気通路43のうちタービン52および排気浄化ユニット44に対する下流側で低圧となる排気の一部を吸気通路33に還流させることができる。EGRクーラ74は、低圧EGR通路72を通る排気を冷却する。低圧EGR弁73は、低圧EGR通路72を通じて吸気通路33へ還流する排気の量(低圧排気還流量)を調整する。還流した排気は、外部からエアクリーナ34を経て供給された空気(新気)とともにコンプレッサ51により圧縮される。
エンジン10が備える電子制御式の機器、すなわち、スロットル36、低圧EGR弁73、高圧EGR弁63、および図示しない燃料噴射装置や点火装置は、制御装置80により電子制御される。エンジン10は、制御装置80が上記各種機器を電子制御することによって運転状態が制御される。
(制御装置)
次に、制御装置80について図1、図2、図3を参照して説明する。
図1、図2に示す制御装置80は、マイクロコンピュータを主体として構成されており、エンジン10の各種機器および車両に設けられる各種センサと電気的に接続される。上記各種センサには、例えば、エアフロメータ81、EGRクーラ74に設けられている第1冷却温度センサ82、インタークーラ35に設けられている第2冷却温度センサ83、排気温度センサ84、大気圧センサ85、ブースト圧センサ86、低圧EGR通路72の分岐点と合流点との差圧を検出する差圧センサ87の他に、図示しないクランク角センサ、アクセル開度センサ、スロットル開度センサ、水温センサ、車速センサなどが含まれる。本実施形態では、エアフロメータ81には、吸入空気温度センサ88および相対湿度センサ89が内蔵されている。
制御装置80は、各種センサの検出信号に基づき所定の処理を実行することによってエンジン10の機器を制御する。高圧排気還流装置60および低圧排気還流装置70に関して言えば、制御装置80は、高圧EGR弁63の開閉動作および開度を制御して高圧排気還流量を制御し、また、低圧EGR弁73の開閉動作および開度を制御して低圧排気還流量を制御する。
ここで、エンジン10では、新気と還流排気とがコンプレッサ51により圧縮されたあとインタークーラ35で冷却され、また、低圧EGR通路72を通じて還流する排気がEGRクーラ74で冷却されるようになっている。その際、過給空気や還流排気に含まれる水蒸気が冷やされることで凝縮水が発生すると、その凝縮水に起因して機器が腐食したり損傷するおそれがある。具体的には、EGRクーラ74での冷却により発生する凝縮水は、EGRクーラ74および低圧EGR弁73の腐食およびコンプレッサ51の損傷の原因となる。また、インタークーラ35での冷却により発生する凝縮水は、インタークーラ35の腐食およびエンジン本体20のシリンダ部品の損傷の原因となる。
これに対して、本実施形態による制御装置80は、図3に示す処理を実行することによって、各通路における凝縮水の発生量を推定して凝縮水の蓄積量を算出し、その蓄積量に応じて低圧排気還流量を制御することで凝縮水の蓄積を抑える。以下に示す一連のステップの処理は、制御装置80が起動されている間に繰り返し実行される。
図3の処理の実行が開始されると、先ずステップS1では、イグニッションスイッチからの信号等に基づきエンジン10が運転中であるか否かが判定される。ステップS1の判定が肯定された場合(S1:Yes)、処理はステップS2に移行する。一方、ステップS1の判定が否定された場合(S1:No)、処理は図3のルーチンを抜ける。
ステップS2では、各種センサの検出信号が取得される。ステップS2のあと、処理はステップS3に移行する。
ステップS3では、吸入空気圧PFA[Pa]が推定される。具体的には、先ず、吸入空気量QFA[m3/s]に基づき吸入空気の質量流量MFA[kg/s]が算出される。続いて、質量流量MFAに基づきエアクリーナ34での圧力損失ΔPCL[Pa]が推定される。続いて、大気圧PATMと圧力損失ΔPCLとに基づき吸入空気圧PFAが推定される。ステップS3のあと、処理はステップS4に移行する。
ステップS4では、吸入空気の相対湿度RH[%]と吸入空気温度TFA[℃]と吸入空気圧PFAとに基づき、吸入空気の重量絶対湿度SH[g/kg]が算出される。
具体的には、先ず、式(1)の関係から容積絶対湿度VH[g/m3]が算出される。式(1)において、e(TFA)は飽和水蒸気圧[Pa]であり、吸入空気温度TFAに基づき例えばマップ等から求められる。
VH=[{RH×e(TFA)}/{8.31447×(273.15+TFA)}]×18・・・(1)
続いて、式(2)の関係から重量絶対湿度SHが算出される。式(2)において、ρDAは乾燥空気の密度であり、式(3)から求められる。
SH=VH/ρDA・・・(2)
ρDA=PFA/{287×(273.15+TFA)}・・・(3)
ステップS4のあと、処理はステップS5に移行する。
ステップS5では、重量絶対湿度SHと質量流量MFAとに基づき、単位時間あたりの吸入空気中の水蒸気量MW1[g/s]が算出される。ステップS5のあと、処理はステップS6に移行する。
ステップS6では、質量流量MFAと、燃料噴射弁による燃料噴射量MFUE[cm3/s]とに基づき、燃焼室21における空気と燃料との燃焼反応によって発生する水蒸気量MW2[g/s]が算出される。ステップS6のあと、処理はステップS7に移行する。
ステップS7では、吸入空気中の水蒸気量MW1と、燃焼によって発生する水蒸気量MW2と、第1冷却温度センサ82により検出されるEGRクーラ74の温度TEGRと、第2冷却温度センサ83により検出されるインタークーラ35の温度TINTとに基づき、EGRクーラ74での冷却により発生する凝縮水の量である発生量ΔMCON1、および、インタークーラ35での冷却により発生する凝縮水の量である発生量ΔMCON2が推定される。発生量ΔMCON1は、EGRクーラ74での冷却により発生して所定の第1区間に蓄積される凝縮水の量(蓄積量)MCON1の演算周期あたりの増加量である。第1区間は、EGRクーラ74から低圧EGR弁73までの間の区間である。発生量ΔMCON2は、インタークーラ35での冷却により発生して所定の第2区間に蓄積される凝縮水の量(蓄積量)MCON2の演算周期あたりの増加量である。第2区間は、インタークーラ35からシリンダ23までの間の区間である。本実施形態では、発生量ΔMCON1の推定時には、温度TEGRから求められるEGRクーラ74における飽和水蒸気量a(TEGR)[g/m3]が参照され、また、発生量ΔMCON2の推定時には、温度TINTから求められるインタークーラ35における飽和水蒸気量a(TINT)[g/m3]が参照される。温度TEGRおよび温度TINTは、特許請求の範囲に記載の「冷却条件」に相当する。ステップS7のあと、処理はステップS8に移行する。
ステップS8では、前回の蓄積量MCON1と今回の発生量ΔMCON1との和から、還流排気により下流側に持ち去られる凝縮水量が差し引かれて、今回の蓄積量MCON1が算出される。還流排気により下流側に持ち去られる凝縮水量は、例えば低圧排気還流量に応じて増減する量であり、マップ等から算出される。ステップS8のあと、処理はステップS9に移行する。
ステップS9では、前回の蓄積量MCON2と今回の発生量ΔMCON2との和から、吸入空気により下流側に持ち去られる凝縮水量が差し引かれて、今回の蓄積量MCON2が算出される。吸入空気により下流側に持ち去られる凝縮水量は、例えば吸入空気量に応じて増減する量であり、マップ等から算出される。ステップS9のあと、処理はステップS10に移行する。
ステップS10では、蓄積量MCON1が所定の許容限界量M1より大きいか否かが判定される。許容限界量M1は、EGRクーラ74および低圧EGR弁73の腐食およびコンプレッサ51の損傷に影響を与えない凝縮水量の上限値であり、予め例えば実験的に求められる。ステップS10の判定が肯定された場合(S10:Yes)、処理はステップS12に移行する。一方、ステップS10の判定が否定された場合(S10:No)、処理はステップS11に移行する。
ステップS11では、蓄積量MCON2が所定の許容限界量M2より大きいか否かが判定される。許容限界量M2は、インタークーラ35の腐食およびエンジン本体20のシリンダ部品の損傷に影響を与えない凝縮水量の上限値であり、予め例えば実験的に求められる。ステップS11の判定が肯定された場合(S11:Yes)、処理はステップS12に移行する。一方、ステップS11の判定が否定された場合(S11:No)、処理は図3のルーチンを抜ける。
ステップS12では、蓄積量MCON2が許容限界量M2以下となり且つ蓄積量MCON1が許容限界量M1以下となるように、低圧排気還流量が低下させられる。
制御装置80は、ステップS4に対応して絶対湿度算出部(絶対湿度算出手段)として機能し、ステップS5に対応して第1水蒸気量算出部(第1水蒸気量算出手段)として機能し、ステップS6に対応して第2水蒸気量算出部(第2水蒸気量算出手段)として機能し、ステップS7に対応して発生量推定部(発生量推定手段)として機能し、ステップS8、S9に対応して蓄積量算出部(蓄積量算出手段)として機能し、ステップS10、S11、S12に対応して、凝縮水の蓄積量MCON1、MCON2に基づき低圧排気還流量を制御する還流量制御部(還流量制御手段)として機能する。上記各手段は、ROM等に予め記憶されたプログラムをCPUで実行することによるソフトウェア処理で実現されてもよいし、専用の電子回路によるハードウェア処理で実現されてもよい。
(効果)
以上説明したように、本実施形態では、制御装置80は、吸入空気の相対湿度RHと吸入空気温度TFAと吸入空気圧PFAとに基づき吸入空気の重量絶対湿度SHを算出し、吸入空気量QFAから求めた吸入空気の質量流量MFAと重量絶対湿度SHとに基づき吸入空気中の水蒸気量MW1を算出する。
このように吸入空気の状態を直接的に表す情報に基づき吸入空気中の水蒸気量MW1を算出することにより、当該水蒸気量MW1の算出精度が向上する。そのため、凝縮水の発生量ΔMCON1、ΔMCON2を正確に推定することができる。その結果、凝縮水の蓄積を抑えつつも、できるだけ多くの低圧排気を還流させることが可能となり、十分な燃費向上効果を得ることができる。
また、本実施形態では、制御装置80は、吸入空気の質量流量MFAと燃料噴射量MFUEとに基づき、燃焼室21における空気と燃料との燃焼反応によって発生する水蒸気量MW2を算出する。そして、制御装置80は、吸入空気中の水蒸気量MW1と、燃焼によって発生する水蒸気量MW2と、EGRクーラ74の温度TEGRおよびインタークーラ35の温度TINTとに基づき、凝縮水の発生量ΔMCON1、ΔMCON2を推定する。そして、制御装置80は、発生量ΔMCON1、ΔMCON2に基づき凝縮水の蓄積量MCON1、MCON2を算出する。そして、制御装置80は、蓄積量MCON1が許容限界量M1よりも大きいか或いは蓄積量MCON2が許容限界量M2よりも大きい場合、低圧排気還流量を通常よりも低下させる。
このように構成することで、凝縮水の蓄積を抑えつつも、できるだけ多くの低圧排気を還流させることができる。例えば、許容限界量M1および許容限界量M2が極小さい値に設定される場合、凝縮水を発生させない範囲で最大の低圧排気還流量を実現することができ、一層大きな燃費向上効果を得ることができる。
また、本実施形態では、制御装置80は、吸入空気の質量流量MFAに基づきエアクリーナ34での圧力損失ΔPCLを推定する。そして、制御装置80は、大気圧PATMと圧力損失ΔPCLとに基づき吸入空気圧PFAを推定する。
このように構成することで、吸入空気圧検出用のセンサを追加することなく、元々車両に設けられる大気圧センサを用いて吸入空気圧PFAを推定することができるので、コストダウンが可能である。
また、本実施形態では、エアフロメータ81には、吸入空気温度センサおよび相対湿度センサが内蔵されている。
したがって、センサのハウジングの共通化、センサを外部に接続するためのハーネスの本数の削減、センサ取り付け工数の削減によりコストダウンが可能である。
[他の実施形態]
第1実施形態では、制御装置は、凝縮水の蓄積量MCON1、MCON2に基づき低圧排気還流量を制御するように構成されていた。これに対し、本発明の他の実施形態では、制御装置は、凝縮水の発生量ΔMCON1、ΔMCON2に基づき低圧排気還流量を制御するように構成されてもよい。
第1実施形態では、エンジン10にはターボ式の過給機50が設けられていた。これに対し、本発明の他の実施形態では、エンジンには機械式過給機が設けられてもよい。この場合、「排気抵抗となる抵抗要素」は例えば排気浄化ユニットが相当する。
本発明の他の実施形態では、エンジン本体はレシプロ型に限らず、他の型式のものであってもよい。
本発明の他の実施形態では、吸入空気温度センサおよび相対湿度センサの一方または両方は、エアフロメータ81に内蔵されていなくてもよい。
本発明の他の実施形態では、吸入空気圧検出部は、吸気通路に設けられた圧力センサであってもよい。
本発明の他の実施形態では、高圧排気還流装置が設けられなくてもよい。
以上、本発明は、上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
10・・・エンジン(内燃機関)
33・・・吸気通路
43・・・排気通路
50・・・過給機
51・・・コンプレッサ
52・・・タービン(抵抗要素)
70・・・低圧排気還流装置
80・・・制御装置(絶対湿度算出手段、第1水蒸気量算出手段、第2水蒸気量算出手段、発生量推定手段、蓄積量算出手段、還流量制御手段、吸入空気圧推定手段)
81・・・エアフロメータ(吸入空気量検出部)
85・・・大気圧センサ(吸入空気圧検出部)
88・・・吸入空気温度センサ(吸入空気温度検出部)
89・・・相対湿度センサ(相対湿度検出部)

Claims (2)

  1. 過給機(50)と、排気抵抗となる抵抗要素(52)に対する下流側の排気通路(43)から前記過給機のコンプレッサ(51)に対する上流側の吸気通路(33)へ排気を還流させる低圧排気還流装置(70)と、吸入空気量(QFA)を検出する吸入空気量検出部(81)と、吸入空気温度(TFA)を検出する吸入空気温度検出部(88)と、吸入空気の相対湿度(RH)を検出する相対湿度検出部(89)と、吸入空気圧(PFA)を検出する吸入空気圧検出部(85)と、前記低圧排気還流装置が還流させる排気を冷却するEGRクーラ(74)と、前記コンプレッサによる圧縮により昇温した過給空気を冷却するインタークーラ(35)と、を備える内燃機関(10)を制御する制御装置(80)であって、
    前記相対湿度と前記吸入空気温度と前記吸入空気圧とに基づき吸入空気の絶対湿度(SH)を算出する絶対湿度算出手段と、
    前記吸入空気量から求めた吸入空気の質量流量(MFA)と前記絶対湿度とに基づき吸入空気中の水蒸気量(MW1)を算出する第1水蒸気量算出手段と、
    前記内燃機関の燃焼室(21)での燃焼によって発生する水蒸気量(M W2 )を算出する第2水蒸気量算出手段と、
    前記吸入空気中の水蒸気量と、前記燃焼によって発生する水蒸気量と、前記EGRクーラおよび前記インタークーラの冷却条件(T EGR 、T INT )とに基づき、前記内燃機関における凝縮水の発生量(ΔM CON1 、ΔM CON2 )を推定する発生量推定手段と、
    前記発生量、または、当該発生量から求められる凝縮水の蓄積量(M CON1 、M CON2 )に基づき、前記低圧排気還流装置が還流させる排気の量である低圧排気還流量を制御する還流量制御手段と、
    を有することを特徴とする制御装置。
  2. 前記吸入空気圧検出部は大気圧センサであり、
    前記吸入空気量から求められる吸入空気の質量流量に基づき、前記内燃機関の吸気通路に設けられているエアクリーナ(34)での圧力損失(ΔPCL)を推定し、大気圧と前記圧力損失とに基づき前記吸入空気圧を推定する吸入空気圧推定手段をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の制御装置。
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