KR20160070124A - 인터쿨러 내 흡기 가스의 응축을 방지하는 내연기관용 제어 장치 - Google Patents

인터쿨러 내 흡기 가스의 응축을 방지하는 내연기관용 제어 장치 Download PDF

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Abstract

내연기관의 제어 장치는 흡기 가스 컴프레서, 냉각수 회로, 인터쿨러 및 EGR 장치를 포함한다. ECU는, (a) 외부 공기 온도 및 외부 공기 습도가 특정 온도 및 특정 습도인 특정 외부 공기 상태에서의 목표 온도로 인터쿨러의 냉각수의 온도를 제어하도록 구성되고, 목표 온도는 특정 외부 공기 상태에서 특정 성능을 확보하기 위해 필요로 하는 인터쿨러의 냉각수의 온도이며, (b) EGR 율의 EGR 율 맵핑에 기초하여 EGR 장치를 제어하도록 구성된다. EGR 율 맵핑은, 인터쿨러 안으로 유동하는 가스의 노점이 목표 온도를 초과하지 않도록 설정되어 있다.

Description

인터쿨러 내 흡기 가스의 응축을 방지하는 내연기관용 제어 장치{CONTROL DEVICE FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE PREVENTING CONDENSATION OF INTAKE GAS IN AN INTERCOOLER}
본 발명은, 내연기관의 제어 장치에 관한 것이며, 특히 EGR 장치 및 과급기를 갖는 내연기관의 제어 장치에 관한 것이다. EGR 장치는 배기 가스의 일부가 수냉식 인터쿨러에 비해 상류측에 더 가깝게 흡기 통로에 환류할 수 있게 한다.
종래, 예를 들어 일본 특허 출원 공보 제2012-21524호(JP 2012-21524A)는 LPL(Low Pressure Loop) EGR (Exhaust Gas Recirculation) 장치 및 과급기를 갖는 내연기관의 제어 장치를 개시하였다. 이 종래의 내연기관에서는, 저압 루프 EGR 장치로부터의 EGR 가스가 터보과급기의 컴프레서에 비해 상류측에 더 가깝게 흡기 통로에 공급된다. 이에 기초하여, 상기 제어 장치에서는, 외부 공기의 온도가 특정 온도보다 높고 외부 공기의 습도가 비교적 높다고 결정되는 경우에, 저압 루프 EGR 장치의 작동을 제한한다.
일반적으로, 내연기관에서는, 운전 상태(부하 및 엔진 속도)와의 관계에 따라 EGR 율의 EGR 율 맵핑이 미리 설정되고, 운전 중에 제어되는 EGR 율의 목표 값은 EGR 율 맵핑에 따라 취득된다. EGR 율 맵핑의 맵핑 값은 내연기관의 연비, 배기 가스 에미션 등을 고려하여 설정된다. EGR 가스를 포함하는 가스의 노점은 EGR 율에 기초하여 변화된다. 즉, 수냉식 인터쿨러에서의 응축수의 발생의 용이성은 외부 공기의 온도 및 습도뿐만 아니라 EGR 율에도 기초하여 변화한다. 또한, 수냉식 인터쿨러에서의 응축수의 발생의 용이성은 운전 상태에 따라서도 변화된다. 따라서, 인터쿨러에서 응축수가 발생하지 않는 적절한 온도가 달성되도록, 운전 상태에 따라서 인터쿨러의 냉각수 온도를 조정하는 것이 생각된다. 그러나, 이러한 제어 방법에서는 다음과 같은 문제가 발생하는 것이 염려된다. 즉, 운전 상태가 비교적 단시간 내에 변화할 때, 이행된 운전 상태에서 인터쿨러의 냉각수의 온도가 응축수가 발생하지 않는 온도로 변화되기 전에 시간이 소비되는 경우에는, 이행된 운전 상태에 적절한 EGR 율로 EGR 가스를 도입하기 위한 타이밍이 지연될 것이다. 또한, 응축수의 형성을 방지하기 위해서 냉각수의 온도가 비교적 높게 설정되어 있는 운전 상태로부터 고출력이 요구되는 운전 상태로 이행하는 것이 요구되는 경우에는, 이행된 운전 상태에서 요구되는 비교적 높은 동력 성능을 실행하기 위해서 필요로 하는 값까지 냉각수 온도가 저하될 때까지 응답 지연 동안 고출력을 완벽하게 확보할 수 없다. 위에서 설명된 바와 같이, 수온 제어의 응답 지연에 의해, 이행된 운전 상태에서 원하는 동력 성능, 연비 및 배기 가스 에미션 성능의 포텐셜을 발휘하는 시간이 실질적으로 제한될 수 있다.
본 발명은, 특정 성능 값을 확보하면서 인터쿨러에서의 응축수의 생성을 억제할 수 있으며, 수온 제어의 응답 지연과 무관하게 내연기관의 다양한 성능의 포텐셜을 발휘할 수 있는 내연기관의 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 일 기술적인 해결책에 따른 내연기관의 제어 장치는 컴프레서, 제1 냉각 회로, 인터쿨러, EGR 장치 및 ECU(전자 제어 유닛)을 포함한다. 컴프레서는 내연기관의 흡기 통로에 배치된다. 컴프레서는 흡기 통로를 유동하는 가스를 과급하도록 구성된다. 제1 냉각수 회로는 냉각수를 순환시키도록 구성된다. 인터쿨러는 컴프레서에 비해 하류측에 더 가깝게 흡기 통로에 배치된다. 인터쿨러는 흡기 통로를 유동하는 가스와 제1 냉각수 회로를 순환하는 냉각수와의 사이에서 열을 교환하도록 구성된다. EGR 장치는 내연기관의 배기 통로를 유동하는 배기 가스의 일부를 인터쿨러에 비해 상류측에 더 가깝게 흡기 통로에 공급하는 EGR 가스의 EGR 율을 조정하도록 구성된다. ECU는, (a) 인터쿨러의 냉각수의 온도를 외부 공기 온도 및 외부 공기 습도가 특정 온도 및 특정 습도인 특정 외부 공기 상태에서의 목표 온도로 제어하도록 구성되고, 목표 온도는 특정 외부 공기 상태에서 특정 성능을 보장하는데 필요로 하는 인터쿨러의 냉각수의 온도이며, (b) 내연기관의 운전 상태를 결정하기 위한 파라미터와의 관계에 따라 EGR 율이 설정되는 EGR 율 맵핑에 기초하여 EGR 장치를 제어하도록 구성된다. EGR 율 맵핑은, EGR 가스가 EGR 장치를 사용하여 도입될 때, 인터쿨러 안으로 유동하는 쿨러 유입 가스의 노점이 목표 온도를 초과하지 않도록, EGR 율을 설정하도록 구성된다.
본 발명의 기술적인 해결책에서, EGR 율 맵핑에서 사용되는 파라미터는 엔진 부하 및 엔진 속도일 수 있다. EGR 율 맵핑은, 쿨러 유입 가스의 노점이 고부하 및 고회전 속도 운전 영역에서의 상기 목표 온도를 초과하지 않도록 제한되는 EGR 율을 EGR 율 맵핑의 값으로서 설정하도록 구성될 수 있다.
상기 기술적인 해결책을 채용함으로써, 특정 외부 공기 상태에서 특정 성능 값을 확보할 수 있는 인터쿨러의 냉각수의 온도가 인터쿨러의 냉각수의 목표 온도로서 설정되므로, 내연기관의 운전 상태의 변동에 기초하여 냉각수의 온도를 조정하는 것은 필요하지 않다. 또한, EGR 율 맵핑으로서, EGR 가스가 도입될 때 쿨러 유입 가스의 노점이 목표 온도를 초과하지 않도록 하는 EGR 율이 맵핑 값으로서 설정된다. 따라서, 특정 외부 공기 상태에서 운전될 때, 특정 성능 값이 확보되는 경우에는 인터쿨러에서 결로가 형성되지 않고, EGR 가스는 미리 설정된 EGR 율 맵핑에 따라 도입될 수 있다(즉, 가능한 범위 내에서 최대로 도입될 수 있다). 그러므로, 인터쿨러에서의 응축수의 형성이 억제될 수 있고, 내연기관의 다양한 성능(동력 성능, 연비, 배기 가스 에미션 성능 등)의 포텐셜이 수온 제어의 응답 지연과 무관하게 발휘될 수 있다.
본 발명의 기술적인 해결책에서, 상기 특정 외부 공기 상태는 응축수가 인터쿨러에 제공되는 경향이 있는 고온 상태 또는 다습 상태 또는 고온 다습 상태일 수 있다.
위에서 설명된 기술적인 해결책을 채용함으로써, 인터쿨러에서 응축수가 형성되는 경향이 있는 외부 공기 상태에서도, 특정 성능 값이 확보될 수 있고, 미리 설정된 EGR 율 맵핑에 따른 EGR 가스의 도입 또한 확보될 수 있다.
본 발명의 기술적인 해결책에서, 외부 공기 온도를 검출 또는 추정하도록 구성될 수 있는 외부 공기 온도 검출기와, 외부 공기 습도를 검출 또는 추정하도록 구성될 수 있는 외부 공기 습도 검출기가 제공된다. 상기 ECU는, 외부 공기 온도 및 외부 공기 습도가 위에서 설명한 특정 외부 공기 상태의 것과 상이할 때, 현재의 외부 공기 온도 및 현재의 외부 공기 습도에 대응하는 쿨러 유입 가스의 노점에 기초하여 위에서 설명한 목표 온도를 보정할 수 있다.
위에서 설명한 기술적인 해결책을 채용함으로써, 외부 공기 상태가 특정 외부 공기 상태와 상이한 경우에도, 외부 공기 상태에 따라 변하는 쿨러 유입 가스의 노점에 기초하여 냉각수의 목표 온도를 보정함으로써, 인터쿨러에서의 응축수의 형성은 외부 공기 상태에 의해 유발되는 EGR 율의 변동에 무관하게 보다 신뢰할 수 있게 방지될 수 있다. 따라서, 운전 동안 응축수의 형성을 방지하도록 외부 공기 상태 및 EGR 율 맵핑의 값에 따라 EGR 율이 적절하게 보정되고 연비 등의 다양한 성능이 확보되는 제어 방법과 비교하여, 엔진 제어의 복잡성이 회피될 수 있으며, 제어 방법에 필요로 하는 다양한 맵핑의 요구 인품(adaptive man-hour)이 감소될 수 있다. 또한, EGR 율은 외부 공기 상태에 따라 변경되므로(하나의 EGR 율 맵핑이 적용될 수 있음), EGR 율의 변동으로 인한 연비의 저하가 방지될 수 있다. 또한, 운전 동안의 운전 상태의 변동과 비교하여, 내연기관의 운전 동안의 외부 공기 상태의 변동은 매우 느리다. 그러므로, 냉각수의 온도가 외부 공기 상태의 변화에 따라 변화하는 경우에도, 냉각수의 온도가 운전 상태에 따라 변화되는 제어 방법과 상이하고, 수온 제어의 응답 지연이 문제가 되지 않는다.
본 발명의 기술적인 해결책에서, 위에서 설명한 ECU는, 외부 공기 온도 및 외부 공기 습도가 쿨러 유입 가스의 노점이 특정 온도 상한 이상인 외부 공기의 온도 및 습도 영역 내에 있을 때 상기 EGR 율 맵핑으로부터 취득된 EGR 율 미만의 EGR 율로 위에서 설명된 EGR 장치를 제어할 수 있다.
위에서 설명된 기술적인 해결책을 채용하여, 쿨러 유입 가스의 노점이 비교적 높은 외부 공기 상태를 형성함으로써, 인터쿨러 재료의 부식이 발생할 염려가 있는 경우에, EGR 율을 저하시켜 인터쿨러 재료의 부식을 억제할 수 있으므로, 응축수를 형성하는 것이 용이하지 않게 되며 과대하게 높은 냉각수 온도가 회피될 수 있다.
본 발명의 기술적인 해결책에서, 제2 냉각수 회로 및 열교환기가 또한 제공될 수 있다. 제2 냉각수 회로가 위에서 설명된 제1 냉각수 회로와 별도로 배치되며, 위에서 설명된 내연기관은 제2 냉각수 회로의 순환수를 사용하여 냉각된다. 열교환기는 제2 냉각수 회로를 순환하는 제2 냉각수와 위에서 설명된 제1 냉각수 회로를 순환하는 냉각수와의 사이에서 열을 교환하도록 구성될 수 있다. 위에서 설명한 제1 냉각수 회로는 라디에이터, 제1 냉각수 바이패스, 및 제1 유로 전환기를 포함할 수 있다. 라디에이터는 냉각수를 냉각하도록 구성될 수 있다. 제1 냉각수 바이패스는 라디에이터를 우회하도록 구성될 수 있다. 제1 유로 전환기는, 냉각수가 라디에이터 안으로 도입되는 유로 패턴과 냉각수가 라디에이터가 아닌 제1 냉각수 바이패스를 통해 유동하는 유로 패턴과의 사이에서 냉각수의 유로 패턴을 전환하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 낮은 부하에서 연속적으로 주행하는 동안 외부 공기 온도가 낮은 경우에는, 냉각수의 온도를 쿨러 유입 가스의 노점보다 높게 유지시키기 위한 열은 제2 냉각수로부터 냉각수에 공급되지 않을 수 있다. 이러한 경우에, 위에서 설명한 기술적인 해결책을 채용함으로써, 냉각수가 라디에이터 안으로 도입되지 않는 유로 패턴이 선택될 수 있어, 라디에이터에 의한 불필요한 열 소산이 회피될 수 있다. 그 결과, 냉각수는 보다 높은 온도에서 유지될 수 있다.
본 발명의 기술적인 해결책에서, 제2 냉각수 회로 및 열교환기가 더 포함될 수 있다. 제2 냉각수 회로는 위에서 설명한 제1 냉각수 회로와 별도로 배치되고, 위에서 설명한 내연기관은 제2 냉각수 회로의 순환수를 사용하여 냉각된다. 열교환기는 제2 냉각수 회로를 순환하는 제2 냉각수와 위에서 설명한 제1 냉각수 회로를 순환하는 냉각수와의 사이에서 열을 교환하도록 구성될 수 있다. 위에서 설명한 제1 냉각수 회로는 제2 냉각수 바이패스 및 제2 유로 전환기를 포함할 수 있다. 제2 냉각수 바이패스는 열교환기를 우회하도록 구성될 수 있다. 제2 유로 전환기는, 냉각수가 열교환기 안으로 도입되는 유로 패턴과 냉각수가 열교환기가 아닌 제2 냉각수 바이패스를 통해 유동하는 유로 패턴과의 사이에서 냉각수의 유로 패턴을 전환하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 전부하 운전과 같은 고부하 운전 동안, 과도한 열이 제2 냉각수로부터 냉각수에 적용되고, 저온 냉각수의 온도를 원하는 온도로 저하시키는 것은 어려우며, 내연기관은 더 이상 원하는 바에 따라 출력할 수 없다. 이 경우, 위에서 설명한 기술적인 해결책을 채용함으로써, 냉각수가 열교환기 안으로 도입되지 않는 유로 패턴이 선택될 수 있으므로, 열교환기에서의 제2 냉각수와의 열교환으로 인한 냉각수의 불필요한 온도 상승이 회피될 수 있다. 그 결과, 냉각수는 보다 낮은 온도에서 유지될 수 있다.
본 발명의 기술적인 해결책에서, 제2 냉각수 회로 및 열교환기가 더 포함될 수 있다. 제2 냉각수 회로는 위에서 설명한 제1 냉각수 회로와 별도로 배치될 수 있고, 위에서 설명한 내연기관은 제2 냉각수 회로의 냉각수를 사용하여 냉각된다. 열교환기는 제2 냉각수 회로를 순환하는 제2 냉각수와 위에서 설명한 제1 냉각수 회로를 순환하는 냉각수와의 사이에서 열을 교환하도록 구성될 수 있다. 제2 냉각수 회로에는 수량 조정기가 제공될 수 있다. 수량 조정기는 제2 냉각수 회로의 순환수의 양을 조정한다.
위에서 설명한 기술적인 해결책을 채용함으로써, 제2 냉각수로부터 냉각수에 적용된 과도한 열로 인해 저온 냉각수의 온도를 원하는 온도로 저하시키는 것이 어려운 경우에도, 제2 냉각수의 순환수량을 억제함으로써 열교환기에서의 제2 냉각수와의 열교환으로 인한 냉각수의 온도 상승을 억제할 수 있다. 그 결과, 냉각수는 보다 낮은 온도로 유지된다.
본 발명의 기술적인 해결책에서, 내연기관의 배기 통로에 제공되는 흡장 환원형 NOx 촉매가 제공될 수 있다. ECU는, (c) 운전 동안 NOx 촉매 안으로 유동하는 가스의 공연비가 일시적으로 농후해지는 농후 스파이크 제어를 실행하고, (d) 농후 스파이크 제어가 실행되고 EGR 가스가 EGR 장치를 사용하여 흡기 통로에 공급될 때 위에서 설명한 EGR 율 맵핑에 기초하여 EGR 율 미만의 EGR 율로 EGR 장치를 제어하도록 구성될 수 있다.
위에서 설명한 기술적인 해결책을 채용함으로써, 냉각수의 온도의 제어 동안 농후 스파이크 제어에 따라 쿨러 유입 가스의 노점이 일시적으로 상승되는 경우에도, 응축수가 인터쿨러에서 형성되는 것이 또한 방지될 수 있다.
본 발명의 기술적인 해결책에서, 배기 가스 열교환기 및 배기 가스 정화 촉매가 더 포함될 수 있다. 배기 가스 열교환기는 배기 통로를 유동하는 배기 가스와 냉각수 회로를 순환하는 냉각수와의 사이에서 열을 교환하도록 구성될 수 있다. 배기 가스 정화 촉매는 배기 가스 열교환기에 비해 하류측에 더 가깝게 배기 통로에 제공될 수 있다. 냉각수 회로는 제3 냉각수 바이패스 및 제3 유로 전환기를 포함할 수 있다. 제3 냉각수 바이패스는 배기 가스 열교환기를 우회하도록 구성될 수 있다. 제3 유로 전환기는, 냉각수가 배기 가스 열교환기 안으로 도입되는 유로 패턴과 냉각수가 배기 가스 열교환기가 아닌 제3 냉각수 바이패스를 통해 유동하는 유동 패턴과의 사이에서 냉각수의 유로 패턴을 전환하도록 구성될 수 있다. ECU는, 배기 가스 정화 촉매의 온도가 특정 값 미만인 경우에는 냉각수가 배기 가스 열교환기 안으로 도입되는 것이 금지되도록 제3 유로 전환기를 제어하도록 구성될 수 있다.
위에서 설명한 기술적인 해결책을 채용함으로써, 배기 가스 정화 촉매의 온도가 비교적 낮은 경우에는, 배기 가스 열로 인한 냉각수의 온도 상승보다 배기 가스 정화 촉매의 예열에 더 높은 우선도가 부여된다. 따라서, 뛰어난 촉매 예열 특성이 확보될 수 있고, 냉각수는 응축수의 형성을 방지하도록 배기 가스 열을 이용하여 가열될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시형태의 특징, 장점 및 기술적 및 산업적 중요성을 첨부의 도면을 참고하여 이하에서 설명할 것이며, 도면에서 유사한 번호는 유사한 요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에서의 내연기관의 시스템 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시하는 내연기관의 냉각 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 특정 외부 공기 상태에서의 운전 상태와 노점과의 사이의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 5에 도시된 EGR 율 맵핑과의 비교를 위해서 참조되는 EGR 율 맵핑을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시형태 1에서 사용되는 특징적인 설정을 갖는 EGR 율 맵핑을 나타내는 도면이다.
도 6은 외부 공기 온도 및 외부 공기 습도와 쿨러 유입 가스의 노점과의 사이의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시형태 1에서 실행되는 루틴의 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시형태 2에서 실행되는 루틴의 흐름도이다. 도 9는 인터쿨러의 코어 재료의 부식 속도와 그 온도와의 사이의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은 코어 재료의 부식 우려 영역을 나타내기 위해서 외부 공기 온도 및 외부 공기 습도와 쿨러 유입 가스의 노점과의 사이의 관계를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시형태 3에서 실행되는 루틴의 흐름도이다.
도 12는 저온 냉각수에 열을 공급하기 위한 다른 구성을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시형태 4에서 사용되는 인터쿨러 냉각 회로의 구성을 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시형태 4에서 실행되는 루틴의 흐름도이다.
도 15는 본 발명의 실시형태 4의 제어에 의해 달성되는 효과를 나타내는 도면이다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에서의 내연기관(10)의 제어 시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시형태의 제어 시스템은 내연기관(가솔린 엔진을 일례로 함)(10)을 구비하고 있다. 내연기관(10)의 각 실린더에는 흡기 통로(12) 및 배기 통로(14)가 연통하고 있다.
흡기 통로(12)의 입구 근방에는 에어 필터(16)가 장착되어 있다. 에어 필터(16)의 하류 근방에는 에어 플로우 미터(18)가 배치되어 있고, 에어 플로우 미터(18)는 흡기 통로(12) 안으로 흡입되는 공기의 유량에 대응하는 신호를 출력한다. 에어 플로우 미터(18)의 하류에는 터보과급기(20)의 컴프레서(20a)가 배치되어 있다. 컴프레서(20a)는 배기 통로(14)에 배치된 터빈(20b)과 연결 축에 의해 일체적으로 연결되어 있다.
컴프레서(20a)의 하류에는, 컴프레서(20a)에 의해 압축된 공기를 냉각하기 위한 수냉식 인터쿨러(22)가 배치되어 있다. 인터쿨러(22)에 냉각수를 공급하기 위한 구체적인 구성을 포함하는 내연기관(10)의 냉각 시스템의 구성에 대해서 도 2를 참조하여 이하에서 상세하게 설명한다. 또한, 인터쿨러(22)의 하류에는 전자 제어식 스로틀 밸브(24)가 배치되어 있다. 또한, 스로틀 밸브(24)의 하류 측의 흡기 통로(12)에는 흡기 압력(과급압)을 검출하기 위한 흡기 압력 센서(26)가 배치되어 있다.
배기 가스를 정화하기 위한 다양한 촉매가 터빈(20b)에 비해 하류측에 더 가깝게 배기 통로(14)에 배치되어 있다. 여기에서는, 일례로서, 3원 촉매로서의 역할을 하는 S/C(개시 촉매)(28) 및 NSR(흡장 환원형 NOx 촉매)(30) 등이 배기 가스의 상류 측으로부터 순차적으로 배치되어 있다. NSR(30)을 제공함으로써, 이론 공연비보다 희박한 공연비의 희박 연소 운전 동안 NOx의 배출을 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 도 1에 도시하는 내연기관(10)은, 저압 루프(LPL)식 배기 재순환 장치(EGR 장치)(32)를 구비하고 있다. EGR 장치(32)에는 EGR 통로(34)가 제공되고, EGR 통로(34)는 터빈(20b)에 비해 하류측에 더 가까이 있는 배기 통로(14)(특히, S/C(28)과 NSR(30)과의 사이의 배기 통로(14)의 부위)를 컴프레서(20a)에 비해 상류측에 더 가까이 있는 흡기 통로(12)와 연결시킨다. 흡기 통로(12)에 도입된 EGR 가스의 가스 흐름의 상류측으로부터, EGR 통로(34)의 도중에는 EGR 쿨러(36) 및 EGR 밸브(38)가 순차적으로 배치된다. EGR 쿨러(36)는 EGR 통로(34)를 유동하는 EGR 가스를 냉각하기 위한 수냉식 쿨러이다. EGR 밸브(38)는, EGR 통로(34)를 통해서 흡기 통로(12)에 환류되는 EGR 가스의 양을 조정하도록 구성된다. 이상과 같은 구성을 갖는 EGR 장치(32)를 채용함으로써, 과급 시에도 EGR 가스를 도입할 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 시스템은 ECU(Electronic Control Unit)(40)를 구비하고 있다. ECU(40)의 입력부에는, 상술한 에어 플로우 미터(18) 이외에, 엔진의 회전 속도를 검출하기 위한 크랭크각 센서(42) 등의 내연기관(10)의 운전 상태를 검출하기 위한 다양한 센서가 연결되어 있다. 또한, ECU(40)의 입력부에는, 외부 공기 온도를 검출하기 위한 외부 공기 온도 센서(44) 및 외부 공기 습도를 검출하기 위한 외부 공기 습도 센서(46)이 각각 연결되어 있다. 한편, ECU(40)의 출력부에는, 상술한 스로틀 밸브(24) 및 EGR 밸브(38) 이외에, 내연기관(10)의 실린더 또는 흡기부에 연료를 분사하기 위한 연료 분사 밸브(48) 및, 실린더 내의 혼합 가스를 점화하기 위한 스파크 플러그(50) 등의 내연기관(10)의 운전을 제어하기 위한 다양한 액추에이터가 연결되어 있다. ECU(40)는 상술한 다양한 센서의 출력과 특정 루틴에 따라서 다양한 액추에이터의 작동을 제어하여 내연기관(10)의 운전을 제어한다.
도 2는, 도 1에 도시된 내연기관(10)의 냉각 시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 내연기관(10)의 냉각 시스템은, 냉각수의 순환에 의해 형성되는 수냉식 2-계통 냉각 회로로서 사용되는, 엔진 냉각 회로(52) 및 인터쿨러 냉각 회로(54)를 구비하고 있다. 엔진 냉각 회로(52)는, 주로 내연기관(10)의 본체(이하, 간단히 "엔진 본체"라고 칭한다)(10a)를 냉각하기 위해 사용되는 회로이다. 인터쿨러 냉각 회로(54)는, 엔진 냉각 회로(52)와는 별도로 형성되고 인터쿨러(22)를 통해 유동하는 가스를 냉각하기 위한 회로이다.
엔진 냉각 회로(52)는, 인터쿨러(22)의 것보다 더 높은 열부하를 갖는 엔진 본체(10a)를 냉각하기 위해 사용된다. 이로 인해, 엔진 냉각 회로(52)를 순환하는 냉각수의 온도는 실질적으로 인터쿨러 냉각 회로(54)를 순환하는 냉각수의 온도보다 높다. 즉, 상기 구성을 갖는 인터쿨러 냉각 회로(54)는, 엔진 냉각 회로(52)를 순환하는 냉각수보다 낮은 온도를 갖는 냉각수를 순환시킬 수 있는 순환 회로라 칭할 수 있다. 따라서, 이하의 설명에서는, 두 개의 회로(52, 54)를 유동하는 냉각수를 구별하기 위해서, 엔진 냉각 회로(52)를 유동하는 냉각수를 "고온 냉각수"라 칭하고, 인터쿨러 냉각 회로(54)를 유동하며 상대적으로 낮은 온도를 갖는 냉각수를 "저온 냉각수"라 칭한다.
엔진 냉각 회로(52)는, 엔진 본체(10a) 내에 형성된 본체 냉각수 통로(10a1)의 출구가 당해 본체 냉각수 통로(10a1)의 입구에 연결되는 제1 고온 냉각수 순환 통로(56)를 구비하고 있다. 즉, 제1 고온 냉각수 순환 통로(56)는 제1 고온 냉각수 통로(56)와 본체 냉각수 통로(10a1)와의 사이에서 고온 냉각수를 순환시키는 통로이다. 제1 고온 냉각수 순환 통로(56)의 도중에는 고온 냉각수를 냉각하기 위한 고온측 라디에이터(58)가 배치되어 있다. 고온측 라디에이터(58)보다 하류측의 제1 고온 냉각수 순환 통로(56)의 단부에는 서모스탯(60)이 배치된다. 서모스탯(60)은, 고온 냉각수의 온도가 특정 온도에 도달할 때에 개방되도록 구성된다. 또한, 본체 냉각수 통로(10a1)는, 엔진 본체(10a)(실린더 커버, 실린더 몸체 등) 내의 개별 부위를 냉각하도록 엔진 본체(10a) 전체를 통해 배치되어 있다.
엔진 냉각 회로(52)는, 고온측 라디에이터(58)를 우회하는 통로로서의 역할을 하는 제2 고온 냉각수 순환 통로(62)를 구비하고 있다. 제2 고온 냉각수 순환 통로(62)는, 고온측 라디에이터(58)보다 상류측의 위치에서 제1 고온 냉각수 순환 통로(56)로부터 분기하도록 구성되고, 서모스탯(60)이 배치되는 위치에 가까운 위치에서 본체 냉각수 통로(10a1)의 입구측에 합류하도록 구성된다. 제2 고온 냉각수 순환 통로(62)에서의 본체 냉각수 통로(10a1)의 입구 측의 단부에는, 엔진 냉각 회로(52) 내로 고온 냉각수를 순환시키기 위한 고온측 워터 펌프(64)가 배치되어 있다. 일례로서, 고온측 워터 펌프(64)는 크랭크축(도면에서 생략)으로부터의 토크 출력에 의해 구동된다.
또한, 제2 고온 냉각수 순환 통로(62)의 도중에는, 상류측부터 순차적으로 고온측 전동 워터 펌프(66) 및 열교환기(68)가 배치되어 있다. 열교환기(68)는, 제2 고온 냉각수 순환 통로(62)를 유동하는 고온 냉각수와, 후술하는 저온 냉각수 순환 통로(70)를 유동하는 저온 냉각수와의 사이에서 열을 교환하도록 구성된다. 고온측 전동 워터 펌프(66)는, 열교환기(68)에 공급되는 고온 냉각수의 유량을 제어하기 위해서 제공되어 있으며, ECU(40)에 전기적으로 연결되어 있다. 또한, 고온 냉각수의 유량이 제어될 수 있는 한, 고온측 전동 워터 펌프(66)는 예를 들어 유량 조정 밸브로 대체될 수 있다.
엔진 냉각 회로(52) 내의 고온 냉각수의 온도가 상기 특정 온도보다 낮기 때문에 서모스탯(60)이 폐쇄되어 있는 조건하에서는(즉, 냉간 상태에서는), 고온 냉각수는, 고온측 라디에이터(58)을 통과하지 않고, 제2 고온 냉각수 순환 통로(62)를 통해 엔진 냉각 회로(52) 내를 순환한다. 한편, 고온 냉각수의 온도가 상기 특정 온도에 도달함에 따라 서모스탯(60)이 개방되는 조건하에서는(즉, 내연기관(10)의 예열이 완료된 후에는), 고온측 라디에이터(58)를 통과하는 제1 고온 냉각수 순환 통로(56)에서도 고온 냉각수가 순환하게 된다. 그 결과, 고온측 라디에이터(58)에 의해 고온 냉각수가 냉각된다.
한편, 도 2에 도시한 바와 같이, 인터쿨러(22)의 내부에는, 흡기(EGR도입시에는, 신기(fresh air)와 EGR 가스의 혼합 가스)가 유동하는 내부 흡기 통로(22a)가 형성된다. 내부 흡기 통로(22a)는 흡기 통로(12)의 일부로서 기능한다. 또한, 인터쿨러(22)의 내부에는, 저온 냉각수가 유동하는 내부 냉각수 통로(22b)가 제공된다. 인터쿨러 냉각 회로(54)는, 내부 냉각수 통로(22b)의 출구와 입구를 연결하기 위한 저온 냉각수 순환 통로(70)를 구비하고 있다. 즉, 저온 냉각수 순환 통로(70)는, 저온 냉각수 순환 통로(70)와 내부 냉각수 통로(22b)와의 사이에서 저온 냉각수를 순환시키는 통로이다.
저온 냉각수 순환 통로(70)의 도중에는, 상류 측으로부터 순차적으로 저온측 라디에이터(72), 저온측 전동 워터 펌프(74), 상기 열교환기(68) 및 온도 센서(76)가 배치된다. 저온측 라디에이터(72)는 저온 냉각수를 냉각하기 위해서 제공된다. 저온측 전동 워터 펌프(74)는 인터쿨러 냉각 회로(54) 내로 저온 냉각수를 순환시키기 위해서 제공된다. 온도 센서(76)는, 내부 냉각수 통로(22b)의 입구에서의 저온 냉각수의 온도를 검출하기 위해서 제공된다.
또한, 인터쿨러 냉각 회로(54)는, 저온측 라디에이터(72)를 우회하는 통로로서의 역할을 하는 제1 저온 냉각수 바이패스 통로(78)를 구비하고 있다. 저온측 라디에이터(72)의 상류측(또는 하류측)에서의 제1 저온 냉각수 바이패스 통로(78)의 단부에는 제1 삼방 전동 밸브(80)가 배치된다. 제1 삼방 밸브(80)는, 저온 냉각수가 저온측 라디에이터(72)를 통해 유동하는 유로 패턴과, 저온 냉각수가 제1 저온 냉각수 바이패스 통로(78)를 통해 유동하고 따라서 저온측 라디에이터(72)를 통해 유동하지 않는 유로 패턴을 전환하도록 구성된다.
또한, 인터쿨러 냉각 회로(54)는, 열교환기(68)를 우회하는 통로로서의 역할을 하는 제2 저온 냉각수 바이패스 통로(82)를 구비하고 있다. 열교환기(68)의 상류측(또한 하류측)에서의 제2 저온 냉각수 바이패스 통로(82)의 단부에는 제2 삼방 전동 밸브(84)가 배치된다. 제2 삼방 밸브(84)는, 저온 냉각수가 열교환기(68)를 통해 유동하는 유로 패턴과, 저온 냉각수가 제2 저온 냉각수 바이패스(82)를 통해 유동하고 따라서 열교환기(68)를 통해 유동하지 않는 유로 패턴을 전환하도록 구성된다. 또한, 상술한 저온측 전동 워터 펌프(74), 온도 센서(76), 제1 삼방 밸브(80) 및 제2 삼방 밸브(84)는 ECU(40)에 전기적으로 연결되어 있다.
위에서 설명된 구성을 갖는 인터쿨러 냉각 회로(54)를 채용함으로써, 인터쿨러(22)에 저온 냉각수를 공급함으로써, 과급에 의해 온도가 상승하는 흡기를 컴프레서(20a)를 사용하여 냉각할 수 있다.
인터쿨러(22)에 공급되는 저온 냉각수(인터쿨러(22)의 입구에서의 저온 냉각수)의 온도(이하, 간단히 "IC 수온"이라 칭한다)가 인터쿨러(22) 안으로 유입되는 가스(이하, 간단히 "쿨러 유입 가스"라 칭한다)의 노점보다 낮으면, 인터쿨러(22) 내에서 가스가 냉각될 때에 당해 가스 중의 수분이 응축하고, 때로는 응축수가 생성된다. 인터쿨러(22)의 내부에서 응축수가 발생하면, 인터쿨러(22)에 부식이 발생할 것이 염려된다. 상술한 구성을 갖는 내연기관(10)에서는, EGR 가스가 도입될 때, 신기와 EGR 가스의 혼합 가스가 인터쿨러(22) 안으로 도입된다. EGR 가스는, 연소에 의해 발생하는 수분을 포함하기 때문에, EGR 가스가 도입될 때 응축수가 용이하게 형성된다.
보다 상세하게는, 인터쿨러(22) 안으로 유입하는 상기 혼합 가스의 노점은, 외부 공기 온도, 외부 공기 습도, 과급압(엔진 부하), 엔진 속도, EGR 율 및 공연비에 따라 변화한다. 따라서, 인터쿨러(22)의 내부에서 응축수가 형성되는 것을 방지하여 부식을 방지하기 위해서, 상기 파라미터에 기초하여 상기 혼합 가스의 노점을 취득하고, 취득한 노점보다 낮아지도록 IC 수온을 제어하는 것이 생각된다. 이러한 방법을 채용할 때, 운전 상태(엔진 부하와 엔진 속도)에 따라서 노점이 변화하고, 따라서 운전 상태에 따라서 IC 수온이 변화한다. 그 결과, 운전 상태가 빈번히 변화하는 경우에, IC 수온 또한 빈번히 변화한다.
여기서, 쿨러 유입 가스의 노점에 영향을 주는 파라미터 중 하나로서의 EGR 율의 목표 EGR 율은, 일반적으로 이하의 도 4에 도시하는 EGR 율 맵핑과 같이, 운전 상태와의 관계에 따라 결정되도록 설정된다. 보다 구체적으로는, 엔진 부하와 엔진 속도와의 사이의 관계에 따라 EGR 가스를 도입하기 위한 EGR영역이 특정되고, EGR 영역 내의 각 맵핑 값 중의 EGR 율이 연비 및 배기 가스 에미션 성능을 고려하여 최적이 되도록 설정된다. 또한, 노점에 영향을 주는 다른 파라미터로서의 공연비의 목표 공연비(기본 공연비)가 일반적으로 운전 상태에 따라서 설정된다. 따라서, 하나의 운전 상태로부터 다른 운전 상태로 이행되는 경우에는, 이행된 운전 상태에서의 엔진 부하(과급압) 및 엔진을 향해서 엔진 부하(과급압) 및 엔진이 변화하는 것에 따라서 EGR 율 및 공연비 또한 변화한다.
쿨러 유입 가스의 노점 미만이 되도록 IC 수온을 변경하는 위에서 설명한 방법이 채용되는 경우에는, 운전 상태에 따라 과급압, EGR 율 및 공연비가 변화하는 비교적 단시간에 비해 IC 수온의 응답 시간이 비교적 길면, 다음과 같은 문제가 발생할 염려가 있다. 즉, 이러한 IC 수온의 응답 지연에 의해, 이행된 운전 상태에서 요망되는 동력 성능, 연비 및 배기 에미션 성능을 발휘하는 사간이 실질적으로 제한된다. 보다 구체적으로는, 응축수 형성을 방지하기 위해서 IC 수온이 비교적 높게 설정되어 있는 운전 상태로부터 고출력이 요구되는 운전 상태로 이행되는 것이 요구되는 경우에는, 이행된 운전 상태에서 요구되는 바와 같은 높은 동력 성능을 발휘하기 위해 요구되는 값까지 IC 수온이 저하되는 응답 지연 동안에는 고출력이 완벽하게 확보될 수 없다. 또한, 운전 상태의 이행에 따라 IC 수온을 상승시키는 과정에서 IC 수온의 응답 지연이 여전히 존재하는 경우, 이행된 운전 상태에 대응하는 값까지 EGR 율을 상승시키는 것이 요구되면, 응축수가 형성될 수 있다. 응축수의 형성을 회피하기 위해서 IC 수온의 응답 지연이 종료될 때까지 EGR 율의 변경을 지연시키면, 그 기간 중에는 EGR 율을 적절한 값으로 제어할 수 없으므로, 연비 및 배기 에미션 성능을 더 이상 충분히 발휘시킬 수 없다. 이상과 같이, 운전 상태에 따라 IC 수온을 인터쿨러 유입 가스의 노점보다 낮은 값으로 변경하는 방법이 채용되는 경우, IC 수온의 응답 지연으로 인해 동력 성능, 연비 등의 포텐셜을 발휘할 기회가 실질적으로 제한될 것이다.
또한, 일반적으로, 내연기관에서는, 후술하는 도 4에 도시한 바와 같이, 운전 상태(부하 및 엔진 속도)와의 관계에 따라 EGR 율이 미리 설정되는 EGR 율 맵핑이 있고, 운전 중에 제어되는 EGR 율의 목표 값은 그러한 EGR 율 맵핑에 따라 취득된다. EGR 율 맵핑의 맵핑 값은, 내연기관의 연비, 배기 에미션 성능에 따라 결정된다. 여기서, 운전 중에 응축수룰 형성시키지 않기 위해서, 외부 공기 상태를 고려하여 EGR 율 맵핑의 값에 기초하여 EGR 율을 적절히 보정하고 연비 등의 다양한 성능을 확보하는 제어 방법이 생각된다. 그러나, 이러한 방법을 사용하여 EGR 율 맵핑으로부터 취득된 값에 따라 운전 동안의 EGR 율을 변경하면, 높은 연비 및 배기 에미션 성능으로 운전하는 것이 요구될 때, 점화 타이밍과 흡기 및 배기 밸브의 밸브 타이밍과 같은 많은 운전 파라미터를 적절하게 조정해야 한다. 즉, EGR 율의 변경에 수반하여 다른 운전 파라미터를 최적화하기 위해서, 제어 장치에 많은 정보를 미리 입력해야 한다. 이것은 엔진의 제어를 복잡화시킨다. 또한, 이러한 조정을 행하기 위해서 EGR 율과 다양한 운전 파라미터와의 사이의 관계를 맵핑으로서 결정해 두려고 할 때, 많은 요구 인품이 필요해진다.
따라서, 본 실시형태에서는, EGR 가스의 도입 영역에서 인터쿨러(22)의 내부에서의 응축수의 형성을 방지하고, 특정 동력 성능이 발휘되고 EGR 가스의 도입으로 인해 연비 및 배기 에미션이 향상되는 최대 범위를 확보하기 위해서, 이하의 제어 방법이 채용된다.
도 3은, 특정 외부 공기 상태에서의 운전 상태와 노점과의 사이의 관계를 나타낸 도면이다. 도 4는, 도 5에 도시된 EGR 율 맵핑과의 비교를 위한 EGR 율 맵핑을 나타내는 도면이다. 도 5는 본 발명의 실시형태 1에서 사용되는 특징적인 EGR 율 맵핑을 나타내는 도면이다.
본 실시형태의 제어에서는, 외부 공기 온도 및 외부 공기 습도가 각각 특정 온도 및 특정 습도인 상태인 특정 외부 공기 상태에서 특정 동력 성능 값(예를 들어, 토크)를 확보하기 위해서 필요한 IC 수온이, IC 수온의 목표 온도(여기서는, 일례로서, 목표 온도는 특정 마진(α)을 40 ℃에 부가하여 얻은 값을 갖는다)로 미리 설정된다. 또한, 내연기관(10)의 운전에서는, 외부 공기 상태가 특정 외부 공기 상태에 있을 때, IC 수온은 목표 온도가 얻어지도록 제어된다.
여기에서 특정 외부 공기 상태는, 인터쿨러(22)에서 응축수가 형성되기 쉬운 고온 상태 또는 다습 상태 또는 고온 다습 상태이다. 보다 구체적으로는, 특정 외부 공기 상태는, 예를 들어 내연기관(10)이 탑재된 차량이 사용되는 지역의 온도 및 습도 영역 내의 온도 및 습도 하위-영역(응축수가 용이하게 형성될 수 있는 고온 및 다습 하위-영역)의 중심에 위치되는 온도 및 습도를 갖는 상태로서 설정될 수 있다. 또한, 특정 외부 공기 상태는, 예를 들어 특정 외부 공기 상태가 외부 공기 온도가 25℃이고 외부 공기 습도가 100%인 상태가 되도록, 차량이 사용되는 외부 공기의 온도 및 습도 영역을 커버하는 상태로서 설정될 수 있다.
상기 특정 외부 공기 상태에서의 쿨러 유입 가스의 노점은 도 3에 도시된 바와 같이 엔진 부하와 엔진 속도와의 사이의 관계를 사용하여 표현된다. 즉, 엔진 부하 및 엔진 속도(특히, 엔진 부하)가 높을수록, 노점이 높아진다. 도 4에 도시된 EGR 율 맵핑에서는, EGR 영역 내의 각 맵핑 값으로의 역할을 하는 EGR 율은 연비 및 배기 에미션 성능을 고려하여 설정된다. 그러나, 이 맵핑은, 후술되는 도 5에 도시된 바와 같은 본 실시형태의 EGR 율 맵핑과 상이하고, 도 4의 맵핑 값은 쿨러 유입 가스의 노점을 고려하지 않고 설정되는데, 즉 도 4의 맵핑 값은 응축수의 형성의 억제를 고려하지 않고 설정된다. 또한, 도 3에서의 노점의 분포는, 도 4에 도시된 EGR 율 맵핑에 따라서 EGR 가스가 도입되는 조건(즉, 응축수의 형성의 억제를 고려하지 않고 EGR 가스가 최대로(최적으로) 도입되는 것)을 상정한다. 또한, 전술한 바와 같이, 기본 공연비는, 일반적으로, 엔진 부하와 엔진 속도와의 사이의 관계에 따라 설정된다. 이상과 같이, 도 3에 도시된 노점 온도 맵핑은, 노점에의 EGR 율과 공연비의 영향도 포함할 수 있고, 운전 상태와의 관계에 따라 쿨러 유입 가스의 노점이 결정된다.
상기와 같이 특정 외부 공기 상태에서 특정 동력 성능 값을 확보할 수 있는 IC 수온의 미리 결정된 목표 온도(여기서는, 40℃+α)로 IC 수온을 제어하는 상태에서, 목표 온도로부터 마진(α)을 감산하여 얻은 값(40℃)보다 높은 노점을 갖는 고부하 및 고회전 속도 측의 운전 영역(도 3 참조)이 사용되면, 도 4에 도시된 바와 같은 EGR 율 맵핑에 기초하여 결정된 EGR 율에 따라 응축수가 형성될 것이다.
따라서, 본 실시형태에서 사용되는 EGR 율 맵핑으로서, ECU(40)의 저장부에는, EGR 가스를 도입할 때의 쿨러 유입 가스의 노점이 IC 수온의 상기 목표 온도를 초과하지 않도록 각 맵핑 값이 설정되는 EGR 율 맵핑이 저장되어 있다. 이러한 EGR 율 맵핑에는, 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 목표 온도로부터 마진(α)을 감산하여 얻은 값(40℃)을 EGR 영역에서의 최고의 노점으로서 사용한다. 이와 같이, 본 실시형태에서 사용되는 EGR 율 맵핑에서는, IC 수온의 목표 온도에 대응하는 노점(본 실시형태의 조건에서는 40℃+α에 대한 40℃)을 고려하여 각 맵핑 값이 설정된다. 이와 같이, EGR 율 맵핑은, 특정 내연기관(10)의 운전 상태의 파라미터, 즉 엔진 부하(엔진 부하를 나타내는 지표값으로서는, 예를 들어 흡입 공기량 또는 흡입 부하율(=충전 효율))와 엔진 속도와의 사이의 관계에 따라 EGR 율을 설정한다.
보다 구체적으로는, 도 5에 도시된 바와 같은 EGR 율 맵핑은, IC 수온의 목표 온도(보다 상세하게는, 목표 온도로부터 특정 마진(α)을 감산하여 얻은 특정 온도(여기서는, 40℃))보다 쿨러 유입 가스의 노점이 더 높은 고부하 및 고회전 속도측의 운전 영역에서는, 특정 외부 공기 상태에서의 쿨러 유입 가스의 노점이 상기 목표 온도(엄밀하게는, 특정 온도)로 모두 제한되는 EGR 율을 설정한다. 이와 같이 설정함으로써, 쿨러 유입 가스의 노점이 IC 수온의 목표 온도를 초과하지 않는 범위에서, 노점이 목표 온도(엄밀하게는, 특정 온도)보다 높은 고부하 및 고회전 속도측의 EGR 영역의 각 맵핑 값을 설정할 수 있다. 또한, 바꾸어 말하면, 도 5에 도시된 EGR 율 맵핑은, 쿨러 유입 가스의 노점을 IC 수온의 목표 온도에 기초하여 결정된 값으로 제한하는 경우에 최대 도입이 달성될 수 있는 EGR 율을 결정하기 위한 맵핑이다. 도 5에 도시된 바와 같이 설정된 EGR 율 맵핑을 채용함으로써, IC 수온의 목표 온도에 대응하는 노점(특정 온도)을 최고 노점으로서 사용함으로써, EGR 영역 내의 쿨러 유입 가스의 노점이 조정된다. 위에서 설명된 바와 같이 설정된 도 5에 도시된 EGR 율 맵핑을 채용함으로써, 노점을 고려하지 않고 맵핑이 설정되는 도 4에 도시된 EGR 율 맵핑에 따라 IC 목표 온도가 일정하도록 제어될 때 결로가 발생하는 고부하 및 고회전 속도측의 영역에서, 결로를 방지할 수 있다.
본 실시형태에서는, EGR 율을 취득하기 위해서 사용되는 EGR 율 맵핑으로서, ECU(40)는 상술한 사상에 기초하여 미리 설정된 1개의 EGR 율 맵핑만을 구비하며, 외부 공기 상태가 상술한 특정 외부 공기 상태인지의 여부와 무관하게 EGR 율 맵핑을 사용함으로써 현재의 운전 상태에 대응하는 EGR 율이 취득된다. 또한, 특정 외부 공기 상태에서, 상술한 사상에 기초하여 미리 설정된 목표 온도로 되도록 IC 수온이 일정하게 제어된다.
도 6은, 외부 공기 온도 및 외부 공기 습도와 쿨러 유입 가스의 노점과의 사이의 관계를 나타내는 도면이다. 또한, 도 6에 나타낸 관계는, 위에서 설명된 특정 외부 공기 상태에서 IC 수온의 목표 온도가 설정되는 운전 조건과 동일한 운전 조건(엔진 부하(과급압), 엔진 속도, 공연비 및 EGR 율이 동일한 조건) 하에서 취득된다. 즉, 예를 들어 외부 공기 온도가 25℃이고 외부 공기 습도가 100%인 외부 공기 상태를 특정 외부 공기 상태로서 설정하고, 특정 외부 공기 상태의 IC 수온의 목표 온도를 40℃를 마진(α)에 부가하여 얻은 값으로서 설정한 경우에는, 도 6에 도시된 관계에 의해, 외부 공기 온도가 25℃ 이며 외부 공기 습도가 100%인 노점이 40℃로서 취득된다.
내연기관(10)의 운전 중에 특정 외부 공기 상태와 상이한 외부 공기 상태에서 도 5에 도시된 EGR 율 맵핑이 사용되는 경우, 고부하 및 고회전 속도측의 운전 영역에서의 쿨러 유입 가스의 노점(최고 노점)은 특정 외부 공기 상태에서의 노점과 상이하다. 그 결과, 노점이 특정 외부 공기 상태에서의 노점의 값보다 높은 외부 공기 상태가 발생하더라도, 상기와 같이 설정된 목표 온도에 따라 IC 수온이 전체적으로 제어되면, 노점이 목표 온도를 초과하는 경우에 응축수가 또한 형성될 것이다.
따라서, 본 실시형태에서는, 외부 공기 상태가 특정 외부 공기 상태와 상이한 경우에는, 도 6에 나타낸 관계를 이용하여 현재의 외부 공기 온도 및 현재의 외부 공기 습도에 대해 취득된 쿨러 유입 가스의 노점에 기초하여 IC 수온의 목표 온도를 보정한다. 보다 구체적으로는, 예를 들어 외부 공기 온도 및 외부 공기 습도 중 하나 또는 양쪽 모두가 특정 외부 공기 상태의 것보다 높아 노점이 특정 외부 공기 상태의 것보다 높은 경우에는, 현재의 외부 공기 상태의 노점을 초과하지 않도록 목표 온도가 상승된다(현재의 외부 공기 상태의 노점을 마진(α)에 부가함으로써 얻어진 값으로 목표 온도가 변경된다).
상기 실시형태의 제어 방법을 채용함으로써, 특정 외부 공기 상태에서 특정 동력 성능 값이 확보되는 IC 수온을 목표 온도로서 취함으로써 IC 수온이 제어되고, IC 수온은 운전 상태에 따라 변하지 않는다. 또한, EGR 율 맵핑으로서는, EGR 가스가 도입될 때에 쿨러 유입 가스의 노점이 상기 목표 온도를 초과하지 않도록 EGR 율이 맵핑 값으로서 설정되는 맵핑이 도입된다. 이에 의해, 특정 외부 공기 상태에서 운전되는 경우, 상기 특정 동력 성능 값을 확보하면서 인터쿨러(22)에서 결로가 없는 상태에서, 미리 설정된 EGR 율 맵핑(즉, 가능한 범위 내에서 최대한으로)으로서 EGR 가스를 도입할 수 있다. 그러므로, 인터쿨러(22)에서의 응축수의 형성을 억제할 수 있고, 수온 제어의 응답 지연에 무관하게, 내연기관(10)의 다양한 성능(동력 성능, 연비 성능, 배기 가스 에미션 성능 등)의 포텐셜을 발휘할 수 있다. 또한, 고온 상태 또는 다습 상태 또는 고온 다습한 외부 공기 상태를 IC 수온의 목표 온도를 결정하기 위한 특정 외부 공기 상태로서 사용함으로써, 인터쿨러(22)에서 응축수가 용이하게 형성되는 외부 공기 상태에서도, 특정 동력 성능 값이 확보될 수 있고, 미리 설정된 EGR 율 맵핑대로 EGR 가스의 도입을 확보할 수 있다.
또한, 본 실시형태의 제어 방법을 채용함으로써, 외부 공기 상태가 특정 외부 공기 상태와 상이한 경우에도, 외부 공기 상태의 변화에 따라 변화하는 쿨러 유입 가스의 노점(최고 노점)에 따라서 IC 수온의 목표 온도를 변경함으로써, 외부 공기 상태에 따라서 EGR 율 맵핑을 변경할 필요 없이 인터쿨러(22)에서의 응축수의 형성을 방지할 수 있다. 이에 의해, 운전 중에 응축수가 형성되지 않도록 외부 공기 상태에 따라서 EGR 율 맵핑의 값에 기초하여 EGR 율을 적절히 보정하고 연비 등의 다양한 성능을 확보하는 제어 방법과 비교하여, 엔진 제어의 복잡화를 회피할 수 있고, 당해 제어 방법을 실행하는데 필요한 다양한 맵핑의 요구 인품을 감소시킬 수 있다. 또한, 이와 같이, 외부 공기 상태에 따라 EGR 율이 변경되지 않으므로(1개의 EGR 율 맵핑이 적용될 수 있음), EGR 율의 변화에 의한 연비의 저하가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 내연기관(10)의 운전 중에서의 외부 공기 상태의 변화는, 운전 중의 운전 상태의 변화와 비교하여, 매우 느리다. 따라서, 외부 공기 상태의 변화에 따라 IC 수온을 변경하는 경우에도, 운전 상태에 따라 IC 수온이 변경되는 경우에서와 같이 수온 제어의 응답 지연이 문제가 되지 않는다.
도 7은, 본 발명의 실시형태 1에서 IC 수온의 목표 온도를 설정하기 위해서 ECU(40)에 의해 실행되는 루틴을 나타내는 흐름도이다. 또한, 본 루틴은 특정 제어 주기마다 반복적으로 실행된다.
도 7에 나타내는 루틴에서는, ECU(40)는, 우선, 외부 공기 온도 센서(44) 및 외부 공기 습도 센서(46)를 사용하여, 현재의 외부 공기 온도 및 현재의 외부 공기 습도를 검출한다(단계 100). 또한, 외부 공기의 온도 및 습도를 취득하는 방법은, 이러한 온도 및 습도가 센서에 의해 검출되는 방법으로 제한되지 않고, 외부 공기의 온도 및 습도는 다른 주지의 방법에 의해 추정될 수도 있다.
그리고, ECU(40)는, 현재의 외부 공기 상태(온도 및 습도)에 대한 쿨러 유입 가스의 노점을 산출한다(단계 102). 단계 102에서, 도 6에 도시하는 바와 같이, 외부 공기 온도 및 외부 공기 습도와 쿨러 유입 가스의 노점과의 사이의 관계가 미리 설정되어 있는, ECU(40)에 저장된 맵핑을 참조함으로써, 현재의 쿨러 유입 가스의 노점이 취득된다.
이어서, ECU(40)는, 취득된 현재의 노점에 대응하는 IC 수온의 목표 온도를 설정한다(단계 104). 보다 구체적으로는, 취득된 노점과 특정 마진(α)을 더하여 취득한 값이 IC 수온의 목표 온도로서 설정된다. 이에 의해, 외부 공기 상태가 특정 외부 공기 상태와 상이한 경우에는, IC 수온의 목표 온도는 보정된다. 그리고, ECU(40)는 설정된 목표 온도가 얻어지도록 이하의 제어 방법에 의해 IC 수온을 제어한다(단계 106).
엔진 냉각 회로(52) 및 인터쿨러 냉각 회로(54)를 포함하는 내연기관(10)의 냉각 시스템에 의하면, 저온측 전동 워터 펌프(74)의 토출 유량을 변화시킴으로써, 열교환기(68)의 출구에서의 저온 냉각수의 온도를 조정할 수 있다. 따라서, IC 수온이 목표 온도와 일치하도록 토출 유량을 피드백 제어함으로써, IC 수온을 원하는 온도로 제어할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 본 실시형태의 냉각 시스템은 제1 저온 냉각수 바이패스(78), 제2 저온 냉각수 바이패스(82) 및 고온측 전동 워터 펌프(66)를 더 포함하며, 제1 저온 냉각수 바이패스(78)는 제1 삼방 밸브(80)를 사용하는 유로를 전환함으로써 선택적으로 사용될 수 있고, 제2 저온 냉각수 바이패스(82)는 제2 삼방 밸브(84)를 사용하는 유로를 전환함으로써 선택적으로 사용될 수 있으며, 고온측 전동 워터 펌프(66)는 열교환기(68)에 공급되는 고온 냉각수의 유량을 조정할 수 있다. 내연기관(10)의 상이한 운전 상태 및 상이한 외부 공기 상태에 따라, 저온측 전동 워터 펌프(74)의 토출 유량을 제어하는 것만으로 IC 수온을 목표 온도에 도달시키는 것은 어렵다. 따라서, 이러한 경우에는, 상기 구성을 사용할 수도 있고, 예를 들어 저온 냉각수의 제어 범위는 이하의 방법을 채용함으로써 확대된다.
예 1로서, 저부하 주행을 유지하는 상태에서 외부 공기 온도가 낮은 경우에는, IC 수온을 쿨러 유입 가스의 노점보다 높게 유지시키기 위한 열이 고온 냉각수로부터 저온 냉각수로 공급되지 않을 수 있다. 따라서, 이러한 경우에는, 저온 냉각수가 저온측 라디에이터(72)를 우회하고 제1 저온 냉각수 바이패스(78) 측으로 유입하도록, 제1 삼방 밸브(80)를 제어하는 것이 적합하다. 따라서, 저온측 라디에이터(72)의 불필요한 열 소산을 회피할 수 있다. 그 결과, 인터쿨러 냉각 회로(54)를 순환하는 저온 냉각수의 온도는 보다 높은 온도로 유지된다. 또한, 예 1의 경우에는, 상기 방법에 대한 대안으로서 또는 상기 방법과 함께, 고온측 전동 워터 펌프(66)에 의해 열교환기(68)에 공급되는 고온 냉각수의 유동이 증가될 수 있다. 이러한 방법에 의해, 저온 냉각수의 온도는 더 상승될 수도 잇다.
또한, 예 2로서, 전부하 운전과 같은 고부하 운전 동안에는, 고온 냉각수로부터의 과도한 열이 저온 냉각수에 부여되어, 저온측 라디에이터(72)의 열 소산만으로는 저온 냉각수의 온도를 원하는 온도로 저하시키는 것이 어렵고, 내연기관(10)은 원하는 출력을 더 이상 달성할 수 없다. 특히, 내연기관(10)의 고온측 워터 펌프(64)가 그렇듯이, 크랭크축 토크에 의해 구동되는 워터 펌프의 경우에는, 워터 펌프의 회전 속도(토출 유량)가 엔진 속도에 비례하여 증가된다. 이는 고속 회전 영역에서 열교환기(68)에 공급되는 열이 증가하는 주된 요인이 된다. 따라서, 이러한 경우에는, 저온 냉각수가 열교환기(68)를 우회하고 제2 저온 냉각수 바이패스(82)측으로 유동하도록, 제2 삼방 밸브(84)가 제어되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 열교환기(68)에서의 고온 냉각수와의 열교환에 의한 저온 냉각수의 불필요한 온도 상승을 회피할 수 있다. 그 결과, 인터쿨러 냉각 회로(54)를 순환하는 저온 냉각수의 온도가 보다 낮은 온도로 유지된다. 대안적으로, 고온측 전동 워터 펌프(66)에 의해 열교환기(68)에 공급되는 고온 냉각수의 유량을 억제하는 것이 바람직하다. 이러한 방법에 의해, 저온 냉각의 온도를 낮추는 것이 용이하다.
상술한 바와 같이, 본 실시형태의 제어에 의하면, 외부 공기 상태가 변하지 않는 한, IC 수온은 일정하도록 제어된다. 그러나, EGR 가스가 도입되지 않는 고출력 영역(도 5에 도시된 바와 같이, EGR 율이 설정되어 있지 않은 고부하 및 고회전 속도측의 운전 영역)을 자주 이용하는 경우, 예를 들어 경사로를 오르면서 다른 차량이 견인되는 경우에는, 이하의 제어가 예외적으로 실행될 수 있다. 즉, 고출력 영역이 자주 이용되고 있다고 결정되는 경우에는, EGR 영역이 일시적으로 사용되는 경우에도, EGR 가스의 도입이 실행되지 않고, IC 수온은 가능한 낮게 유지된다. 이에 의해, 노킹을 효과적으로 억제할 수 있으므로, 점화 타이밍이 진각된다. 또한, IC 수온의 저감에 수반하여 흡기 온도가 저하되고 그에 따라 배기 가스 온도가 저하되므로, 터빈(20b) 및 촉매(S/C(28) 등)의 과도한 온도의 상승(OT)을 방지하기 위한 연료 증량을 억제할 수 있다. 이러한 주요 요인에 의해 연료 소비가 감소될 수 있다. 또한, 상기 경우가 고출력 영역이 자주 이용되는 경우인지의 여부를 결정하는 방법으로서, 예를 들어 과거 특정 시간 내의 고부하 및 고회전 속도측에서의 EGR 없는 영역의 사용율이 도 5에 도시된 바와 같은 특정 값을 초과하는지의 여부를 결정하는 방법이 사용될 수 있다.
또한, 상술한 실시형태 1에서는, 인터쿨러 냉각 회로(54)는 "제1 냉각수 회로"에 상당하고, ECU(40)에 통합된 저장부는 "EGR 율 맵핑"에 상당한다. 또한, 외부 공기 온도 센서(44)는 "외부 공기 온도 검출기"에 상당하고, 외부 공기 습도 센서(46)는 "외부 공기 습도 검출기"에 상당한다. 또한, 저온측 라디에이터(72)는 "라디에이터"에 상당하고, 제1 저온 냉각수 바이패스(78)는 "제1 냉각수 바이패스"에 상당한다. 또한, ECU(40)는 제1 삼방 밸브(80)를 제어함으로써 "제1 유로 전환기"를 실현한다. 또한, 엔진 냉각 회로(52)는 "제2 냉각수 회로"에 상당하고, 고온 냉각수는 "제2 냉각수"에 상당하고, 열교환기(68)는 "열교환기"에 상당하며, 제2 저온 냉각수 바이패스(82)는 "제2 냉각수 바이패스"에 상당한다. 또한, ECU(40)는 제2 삼방 밸브(84)를 제어함으로써 "제2 유로 전환기"를 실현하며, 고온측 전동 워터 펌프(66)를 제어함으로써 "수량 조정기"를 실현한다.
이어서, 도 8을 참조하여, 본 발명의 실시형태 2에 대해서 설명한다. 도 1 및 도 2에 도시된 하드웨어 구성을 사용함으로써, ECU(40)는 도 7에 도시된 루틴 및 후술하는 도 8에 도시된 루틴을 더 실행하여 본 실시형태의 시스템을 실현한다.
내연기관(10)의 NSR(30)을 사용하여 NOx를 처리하는 시스템에서는, NSR(30)에 흡장된 NOx를 환원하기 위해서, 단시간 내에 공연비를 보다 농후하게 변경하는 제어(소위, 농후 스파이크 제어)가 행해진다. 희박 연소 운전 동안 EGR 가스가 도입될 때, EGR 가스의 도입 동안 농후 스파이크 제어가 실행되는 경우가 있다.
여기서, EGR 율이 동일한 경우에는, 희박 공연비에 비해, 농후 공연비에서 쿨러 유입 가스의 노점이 더 높다. 그 이유는, 연료 중의 수소와 공기 중의 산소가 연소 동안 결합되어 물이 되므로, 희박 공연비와 비교하여, 비교적 높은 수소량을 갖는 높은 공연비에서 배기 가스의 수분량이 더 높기 때문이다. 따라서, EGR 가스가 도입되고 있을 때 농후 스파이크 제어가 실행되는 경우, 비교적 높은 공연비를 갖는 배기 가스의 일부가 EGR 가스가 되므로, 쿨러 유입 가스의 노점이 일시적으로 상승된다. 이러한 현상을 고려할 때, 인터쿨러(22)에서 결로가 발생할 수 있다.
따라서, 본 실시형태에서는, 실질적으로는 단일 EGR 율 맵핑을 수반하는 실시형태 1에서 사용되는 IC 수온 제어와 함께, EGR 가스의 도입 동안에 농후 스파이크 제어가 실행되는 경우에는, EGR 율 맵핑에 따라 결정되는 EGR 율에 예외적으로 보정이 적용된다. 상세하게는, 농후 스파이크 제어가 실행되는 경우, 쿨러 유입 가스의 노점이 EGR 영역 내의 최고 노점(상술한 특정 온도)을 초과하지 않는 EGR 율이 되도록, 현재의 운전 상태에서 사용되는 EGR 율이 EGR 율 맵핑에 따라 결정된 값으로부터 감산된다.
도 8은, 본 발명의 실시형태 2에서의 특징적인 제어를 실현하기 위해서 ECU(40)에 의해 실행되는 루틴을 나타내는 흐름도이다. 또한, 본 루틴은 특정 제어 주기마다 반복적으로 실행된다.
도 8에 나타내는 루틴에서는, ECU(40)는, 우선, 현재의 운전 영역이 EGR 장치(32)를 사용하여 EGR 가스가 도입되는 EGR 구간인지의 여부를 결정한다(단계 200). 그 결과, 단계 200의 결정이 성립되는 경우에는, ECU(40)는 그 다음 특정 농후 스파이크 실행 조건이 성립되는지의 여부를 결정한다(단계 202).
단계 202의 결정이 성립되는 경우, 즉 EGR 가스의 도입 동안에 농후 스파이크 제어가 실시된다고 결정되는 경우, 쿨러 유입 가스의 노점이 EGR 영역 내에서의 최고 노점을 초과하지 않는 EGR 율이 되도록, 현재의 운전 상태에서 사용되는 EGR 율을 EGR 율 맵핑에 따라 결정된 값에 대하여 저감하는 보정이 ECU(40)에 의해 행해진다(단계 204). 이러한 보정을 이하의 방법에 의해 실행할 수 있다. 즉, 농후 스파이크가 실행될 때의 특정 고 공연비에 대해 EGR 율의 변화와 쿨러 유입 가스의 노점의 변화와의 사이의 관계를 미리 설정하는 맵핑(도면에서는 생략)을 ECU(40)에 저장해 둔다. 또한, 그러한 맵핑을 참조하여, 쿨러 유입 가스의 노점이 EGR 영역 내에서의 최고 노점을 초과하지 않도록 하기 위해서 필요한 EGR 율의 보정량이 산출되고, 당해 보정량을 사용하여 EGR 율 맵핑에 따른 EGR 율이 보정된다.
도 8에 도시된 상기 루틴을 채용함으로써, 실시형태 1에서의 상술한 IC 수온 제어의 실행 과정에서 농후 스파이크 제어의 실행에 따라 쿨러 유입 가스의 노점이 일시적으로 상승하는 경우에도, 인터쿨러(22)의 내부에서의 응축수의 형성을 방지할 수도 있다.
이어서, 도 9 내지 도 11을 참조하여, 본 발명의 실시형태 3에 대해서 설명한다. 후술하는 도 11에 도시된 루틴은 도 1 및 도 2에 도시된 하드웨어 구성을 사용하여 ECU(40)에 의해 도 7에 도시된 루틴 대신에 실행될 수 있고, 따라서 본 실시형태의 시스템이 실현된다. 또한, 실시형태 2에서의 도 8에 나타낸 루틴은, 도 11에 도시된 루틴과 함께 실행될 수 있다.
도 9는 인터쿨러(22)의 코어 재료의 부식 속도와 코어 재료의 온도와의 사이의 관계를 나타내는 도면이다. 도 6과 마찬가지로, 도 10은 외부 공기 온도 및 외부 공기 습도와 쿨러 유입 가스의 노점과의 사이의 관계를 나타내는 도면이며, 코어 재료의 부식 우려 영역을 설명하기 위한 것이다. 또한, 도 10중에 표시된 "특정 온도" 및 "특정 습도"는 상술한 특정 외부 공기 상태에서의 온도 및 습도를 각각 나타낸다.
실시형태 1에서의 IC 수온 제어에서는, 외부 공기 상태의 변화에 따라 응축수가 형성되는 것을 방지하기 위해서, 외부 공기 상태(온도 및 습도)에 따라서 IC 수온의 목표 온도를 변경한다. 여기서, 인터쿨러(22)의 코어 재료의 온도(인터쿨러 내의 저온 냉각수의 온도와 실질적으로 동등)가 비교적 높은 경우에는, 코어 재료의 부식 반응이 용이하게 촉진된다. 보다 구체적으로는, 도 9에 도시한 바와 같이, 코어 재료의 온도가 소정 온도 레벨을 초과하는 경우, 부식 속도의 변화 정도는 온도 변화에 대해 증대된다. 따라서, 코어 재료의 부식을 억제하기 위해 결로를 방지하기 위해서 IC 수온이 고온이 될 수 있게 하는 방법은, 코어 재료의 온도가 특정 온도(도 9에 도시된 온도 상한, 예를 들어 50℃)보다 높아지는 경우에는 역효과가 일어날 수 있다.
따라서, 본 실시형태에서는, 쿨러 유입 가스의 노점이 상기 온도 상한(IC 수온의 상승에 수반하여 부식이 발생하는 코어 재료의 온도)보다 높아지는 외부 공기의 온도 및 습도 영역(도 10에서 음영으로 나타낸 부식 우려 영역) 내에 외부 공기 온도 및 외부 공기 습도가 있는 경우에는, 쿨러 유입 가스의 노점이 부식 우려 영역의 노점보다 높아지도록 IC 수온의 목표 온도를 변경하는 것이 아니라, EGR 율을 감소시킴으로써 쿨러 유입 가스의 노점을 감소시킨다.
도 11은, 본 발명의 실시형태 3에서의 특징적인 제어를 실현하기 위해서 ECU(40)에 의해 실행되는 루틴을 나타내는 흐름도이다. 또한, 도 11에서, 실시형태 1의 도 7에 나타내는 단계와 동일한 단계는 동일한 참조 부호를 부여하여 그 설명을 생략하거나 간략화한다.
도 11에 도시된 루틴에서는, ECU(40)는, 단계 102에서 외부 공기 상태에 대응하는 쿨러 유입 가스의 노점을 취득한 후에, 취득한 노점이 특정 온도(도 10에 나타낸 온도 상한) 보다 높은지의 여부를 결정한다(단계 300). 단계 300의 결정이 성립되지 않는 경우에는, 단계 104 및 106의 처리에 따라서 실시형태 1에서의 IC 수온 제어가 실행된다.
한편, 단계 300의 결정이 성립하는 경우, 즉 현재의 외부 공기 온도 및 외부 공기 습도가 코어 재료의 부식 우려 영역 내에 있다고 결정되는 경우에는, ECU(40)는, 계속해서, 쿨러 유입 가스의 노점을 저하시키기 위해서, 현재의 운전 상태에서 사용하는 EGR 율을 EGR 율 맵핑에 따른 값에 대하여 저하시키는 보정을 행한다(단계 302). 이러한 보정을 통해, EGR 율 맵핑에 따른 값에 대하여 EGR 율을 특정량만큼 저하시킬 수 있거나, EGR 율이 0이 될 수 있다.
도 11에 도시된 상기 루틴을 채용함으로써, 현재의 외부 공기 온도 및 외부 공기 습도가 코어 재료의 부식 우려 영역 내의 고온 및 다습 상태로 진입되는 경우, EGR 율이 저하되어, 응축수의 형성이 용이하지 않게 되고, 과도하게 높은 IC 수온이 회피되어 코어 재료의 부식이 억제될 수 있다.
또한, 실시형태 1 내지 3의 각 시스템에 관해서, 인터쿨러 냉각 회로(54)를 순환하는 저온 냉각수에 열을 공급하기 위한 구성을 설명할 때, 저온 냉각수와 고온 냉각수와의 사이에서 열을 교환하기 위한 열교환기(68)를 구비한 구성이 사용될 수 있다. 그러나, 인터쿨러(22)에 공급되는 저온 냉각수에 열을 공급하기 위한 구성은, 상기 구성으로 제한되지 않고 예를 들어 이하의 구성일 수 있다.
도 12는, 저온 냉각수에 열을 공급하기 위한 다른 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 12에 도시된 내연기관(90)에서는, 저온 냉각수를 순환시키기 위한 저온 냉각수 통로(92a)가 실린더 커버(92)의 내부에 형성된다. 또한, 도 12에 나타내는 인터쿨러 냉각 회로(94)(본 발명에서의 "냉각수 회로"에 상당)에서는, 실린더 커버 내에 형성된 저온 냉각수 통로(92a), 저온 냉각수 순환 통로(70), 및 인터쿨러(22)의 내부 냉각수 통로(22b)가 폐쇄된 회로를 형성한다. 이러한 구성을 채용함으로써, 저온 냉각수는, 실린더 커버 내에 형성된 저온 냉각수 통로(92a)를 통해 유동할 때 실린더 커버(92)로부터 열을 수취한다. 또한, 저온 냉각수에 열을 공급하는 부재는, 실린더 커버(92)에 한정되지 않고, 실린더 몸체와 같은 엔진 본체의 다른 부재일 수 있다.
이어서, 도 13 내지 도 15를 참조하여, 본 발명의 실시형태 4에 대해서 설명한다. 본 실시형태의 시스템은, 도 2에 도시된 바와 같은 인터쿨러 냉각 회로(54)를 대체하는 인터쿨러 냉각 회로(100)를 제외하고, 실질적으로 실시형태 1등의 시스템과 동일한 하드웨어 구성을 갖는다. 또한, 본 시스템에서는, 실시형태 1 내지 3의 제어 및 후술하는 제어가 실행된다.
도 13은, 본 발명의 실시형태 4에서 사용되는 인터쿨러 냉각 회로(100)의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 13에서, 도 2의 요소와 동일한 요소는 동일한 참조 부호를 부여하여 그 설명을 생략 또는 간략화한다.
저온 냉각수에 열을 공급하기 위한 구성으로서의 역할을 하는 언급된 인터쿨러 냉각 회로(54)는, 저온 냉각수와 고온 냉각수와의 사이에서 열을 교환하기 위한 열교환기(68)를 구비하고 있다. 대조적으로, 본 실시형태의 인터쿨러 냉각 회로(100)는, 도 13에 도시한 바와 같이, 저온 냉각수와 배기 통로(14)를 유동하는 배기 가스와의 사이에서 열을 교환하기 위한 배기 가스 열교환기(102)를 구비하고 있다. 배기 가스 열교환기(102)는, S/C(28)보다 상류 측의 배기 통로(14)를 구성하는 배기 가스관에 장착된다.
보다 구체적으로는, 인터쿨러 냉각 회로(100)에는 저온 냉각수 바이패스(104)가 제공되고, 저온 냉각수 바이패스(104)는 저온측 라디에이터(72)의 하류측(이 예에서는, 저온측 전동 워터 펌프(74)의 하류측이기도 함)과 인터쿨러(22)의 상류측과의 사이의 구간에서 저온 냉각수 순환 통로(70)로부터 분기되며 상기 구간에서 다시 저온 냉각수 순환 통로(70)와 합류한다. 또한, 저온 냉각수 바이패스 통로(104)의 도중에 상기의 배기 가스 열교환기(102)가 배치되어 있다. 배기 가스 열교환기(102)의 상류측(또는 하류측)에서의 저온 냉각수 바이패스(104)의 단부에는 전동식 삼방 밸브(106)가 배치된다. 삼방 밸브(106)는, 저온 냉각수가 저온 냉각수 바이패스(104)를 통해 유동하여 배기 가스 열교환기(102)를 통해 유동하는 유로 패턴과, 저온 냉각수가 배기 가스 열교환기(102)를 통해 유동하지 않는 유로 패턴과의 사이에서 유로 패턴을 전환하도록 구성된다. 또한, 삼방 밸브(106)는 ECU(40)와 전기적으로 연결되고, ECU(40)는 삼방 밸브(106)의 개방도를 제어함으로써 2개의 유로에 분배되는 저온 냉각수의 비율을 제어할 수 있다. 상기 구성을 채용함으로써, 저온 냉각수는 필요에 따라 선택적으로 배기 가스와 열을 교환한다.
위에서 설명한 구성을 갖는 인터쿨러 냉각 회로(100)를 채용함으로써, 저온 냉각수의 온도는 배기 가스 열을 이용함으로써 증가될 수 있다. 이는 인터쿨러(22)의 내부에서 응축수가 형성되는 것을 방지하는데 유효하다. 그러나, 저온 냉각수를 가열하는데 배기 가스 열이 이용되면, 냉간 시동시 등에서 S/C(28)와 같은 촉매를 예열하기 위한 열이 감소된다. 그 결과, 촉매의 예열 속도가 저하되어, 배기 가스 에미션 성능이 악화될 수 있다.
따라서, 본 실시형태에서는, 촉매 온도가 특정 값(X1) 미만인 경우에는, 저온 냉각수가 배기 가스 열교환기(102)에 도입되는 것이 금지된다. 따라서, 촉매 온도가 비교적 낮은 경우에는, 저온 냉각수의 온도 상승에 비해 촉매의 예열에 더 높은 우선도가 부여된다.
그러나, 냉간 시동시 등에 촉매의 예열에 더 높은 우선도가 부여되는 경우, 인터쿨러(22)의 예열은 시간이 지연될 수 있다. 따라서, 본 실시형태에서는, 촉매의 예열이 종료될 때까지 배기 가스 열에 의해 유발되는 저온 냉각수의 온도 상승이 완전히 금지되지 않고, 이하의 제어가 실행된다. 즉, 촉매 온도가 특정 값(X1) 이상이며 저온 냉각수의 온도가 특정 값(X2) 이하인 경우에는, 촉매 온도 및 저온 냉각수의 온도를 고려하여, 배기 가스 열을 이용한 저온 냉각수의 온도 상승이 가능한 한 실행되도록, 삼방 밸브(106)의 개방 정도를 조정한다. 또한, 배기 가스 열이 증가할 것으로 예상되는 경우(예를 들어, 가속시)에는, 촉매의 예열의 우선도가 감소되고, 배기 가스 열과 열을 교환하는 저온 냉각수의 유량을 증가시키도록 삼방 밸브(106)의 개방 정도가 조정된다.
또한, 냉간 시동 및 저부하 등의 경우의 낮은 배기 가스 열의 조건하에서는, 배기 가스 열이 이용되는 경우에도, 저온 냉각수는 빠르게 가열되지 않을 수 있다. 따라서, 본 실시형태에서는, 부하가 낮을 때에 배기 가스 열교환기(102) 내의 저온 냉각수의 온도가 특정 값(X3)(≤X2) 미만인 경우에는, 배기 가스 열교환기(102) 내의 저온 냉각수가 특정 값(X3) 이상으로 가열되도록, 저온 냉각수가 배기 가스 열교환기(102) 안으로 유동하는 것을 방지하도록 삼방 밸브(106)를 제어하기 위한 "엔진 저부하 제어"를 실행한다.
도 14는, 본 발명의 실시형태 4에서의 제어를 실행하기 위해서 ECU(40)에 의해 실행되는 루틴을 나타내는 흐름도이다. 또한, 본 루틴은 특정 제어 주기마다 반복적으로 실행된다.
도 14에 도시된 루틴에서는, ECU(40)는, 우선, 엔진 저부하 제어를 실시하는 조건이 성립되는지의 여부를 결정한다(단계 400). 엔진 부하 상태가 저부하 상태이고 배기 가스 열교환기(102) 내의 저온 냉각수의 온도가 특정 값(X3) 미만인 경우, 엔진 저부하 제어가 실행된다. 또한, 엔진 부하 상태는 흡입 공기량에 기초하여 추정될 수 있다. 예를 들어, 배기 가스 열교환기(102)에는 온도 센서가 제공될 수 있으므로, 배기 가스 열교환기(102) 내의 저온 냉각수의 온도가 취득될 수 있다.
단계 400에서 엔진 저부하 제어를 실시하기 위한 조건이 성립된다고 결정되는 경우, ECU(40)는 저온 냉각수를 배기 가스 열교환기(102) 안으로 도입시키지 않도록 삼방 밸브(106)를 제어한다(단계 402). 이에 의해, 배기 가스 열교환기(102) 내의 저온 냉각수는 유동이 정지하므로, 배기 가스 열교환기(102) 내에 체류하는 저온 냉각수가 배기 가스 열에 의해 연속적으로 가열된다.
한편, 단계 400에서 엔진 저부하 제어를 실행하기 위한 조건이 성립되지 않는다고 결정되는 경우에는, ECU(40)는 추정된 촉매(S/C28) 온도를 산출한다(단계 404). 촉매 온도는, 예를 들어 흡입 공기량의 적산값에 기초하여 추정될 수 있다. 그러나, 본 실시형태의 제어가 실행될 때, 배기 가스 열은 저온 냉각수와 열을 연속적으로 교환하므로(즉, 촉매를 예열하기 위한 열이 단속적으로 교환되므로), 흡입 공기량에 기초하는 방법에서는 촉매 온도가 추정될 때 오차가 발생할 수 있다. 따라서, 촉매 온도는 이하의 방법을 채용함으로써 취득되는 것이 바람직하다. 즉, 예를 들어 배기 가스 열교환기(102)를 통해 유동하는 저온 냉각수의 유량, 삼방 밸브(106)의 제어 개방도 및 배기 열교환기(102)의 열교환 효율에 기초하여 배기 가스와 저온 냉각수와의 사이의 열교환량이 산출된다. 또한, 산출된 열교환량에 따라 촉매 온도의 추정값을 보정한다. 이에 의해, 배기 가스와 저온 냉각수와의 사이의 열교환을 고려하고, 보다 정확한 촉매 온도를 취득할 수 있다. 대안적으로는, 촉매의 온도는 온도 센서를 제공함으로써 직접적으로 측정될 수 있다.
그리고, ECU(40)는, 단계 404에서의 촉매 온도 추정이 특정 값(X1) 이상인지의 여부를 결정한다(단계 406). 그 결과, 단계 406의 결정이 성립되지 않는 경우에는, 단계 402이 실행되고, 배기 가스 열교환기(102) 안으로 저온 냉각수가 도입되는 것이 금지된다. 한편, 단계 406의 결정이 성립되는 경우에는, ECU(40)는, 온도 센서(76)를 사용하여 인터쿨러(22)의 입구에서의 저온 냉각수의 온도가 특정 값(X2) 이하인지의 여부를 결정한다(단계 408).
단계 408의 결정이 성립되지 않는 경우, 즉 인터쿨러(22)의 입구에서의 저온 냉각수의 온도가 비교적 높은 경우에는, 단계 402가 실행되고, 배기 가스 열교환기(102) 안으로 저온 냉각수가 도입되지 않는다. 한편, 단계 408의 결정이 성립되는 경우, 즉 촉매 온도가 온도(X1) 이상이고 저온 냉각수의 온도가 비교적 낮은 경우에는, 단계 410이 실행된다.
단계 410에서는, ECU(40)는 저온 냉각수 분배 비율을 산출한다. 저온 냉각수 분배 비율은, 배기 가스 열교환기(102)에 도입되는 저온 냉각수의 유량과 저온 냉각수 순환 통로(70)를 순환하는 저온 냉각수의 유량과의 사이의 비율이다. 구체적으로는, 저온 냉각수가 촉매 예열 상태에 의해 허용되는 한계까지 가열될 수 있도록, 촉매 온도가 높을수록(즉, 촉매의 예열에 큰 여유가 있기 때문) 저온 냉각수 분배 배율은 더 커지며, 저온 냉각수의 온도가 낮을수록(수온 상승이 더 강하게 요구되기 때문) 저온 냉각수 분배 비율은 더 커진다. 또한, 저온 냉각수 분배 비율은 비가속 상태에서보다 가속 상태에서 더 커지도록 설정된다. 또한, 가속 상태는 흡입 공기량 및 스로틀 밸브의 개방도에 기초하여 추정될 수 있다.
이어서, ECU(40)는, 상기 단계 410에서 산출된 저온 냉각수 분배 비율의 개방도를 달성하도록 삼방 밸브(106)를 제어한다(단계 412). 삼방 밸브(106)의 개방도는, 저온 냉각수 분배 비율과의 관계에 따라 삼방 밸브(106)의 개방도가 미리 설정되는 맵핑(도면에서는 생략)을 이용해서 설정될 수 있다. 상기 단계 412의 처리를 사용함으로써, 삼방 밸브(106)의 개방도를, 촉매의 예열과 저온 냉각수의 온도 상승의 양쪽 모두를 고려하여 최적 분배 개방도로 제어할 수 있다. 또한, 위에서 설명한 엔진 저부하 제어가 종료된 직후에 단계 412가 실행되어서 배기 가스 열교환기(102)에서 저온 냉각수가 유동하게 되는 경우에는, 비교적 낮은 배기 가스 열을 갖는 저부하에서 물 순환이 정지될 때 배기 가스 열교환기(102) 에서 가열된 저온 냉각수가 인터쿨러(22)에 공급된다. 이로 인해, 인터쿨러(22)의 예열 특성을 향상시킬 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시형태 4의 제어에 의해 달성되는 효과를 설명하기 위한 도면이다. 본 실시형태의 제어를 채용함으로써, 촉매 온도(S/C(28)의 저부 플레이트 온도)가 특정 값(X1) 미만인 경우에는, 저온 냉각수가 배기 가스 열교환기(102) 안으로 도입되는 것이 금지된다. 이러한 제어를 이용함으로써 저온 냉각수의 온도 상승보다 촉매의 예열에 더 높은 우선도가 부여되므로, 도 15에 도시된 바와 같이 냉간 시동 동안 뛰어난 촉매 예열 특성이 확보될 수 있고, 응축수의 형성을 방지하도록 배기 가스 열을 사용하여 저온 냉각수의 온도 상승을 달성할 수 있다.
또한, 상술한 실시형태 4에서는, 인터쿨러 냉각 회로(100)는 "냉각수 회로"에 상당한다. 또한, S/C(28)는 "배기 가스 정화 촉매"에 상당한다. 또한, 인터쿨러 냉각 회로(100)의 일부는 "제3 냉각수 바이패스"에 상당한다. 또한, ECU(40)는 삼방 밸브(106)를 제어함으로써 "제3 유로 전환기"를 실현한다.
또한, 위에서 설명한 실시형태 1 내지 4에서, 일례로서 EGR 가스가 컴프레서(20a)에 비해 상류측에 더 가깝게 흡기 통로(12) 안으로 도입되는 내연기관(10)을 취하여 설명이 이루어진다. 그러나, 내연기관이 인터쿨러보다 상류측에 더 가깝게 흡기 통로 안으로 EGR 가스를 도입하기 위한 구성을 갖는 한, 어떠한 내연기관도 본 발명의 대상이 될 수 있고, 내연기관은 위에서 설명된 구성으로 제한되지 않으며 컴프레서와 인터쿨러와의 사이의 위치로부터 흡기 통로 안으로 EGR 가스를 도입하기 위한 구성을 갖는 내연기관일 수 있다.
또한, 위에서 설명한 실시형태 1 내지 4에서는, 외부 공기 온도 및 외부 공기 습도가 각각 특정 온도 및 특정 습도가 되는 상태에서 특정 동력 성능값(예를 들어, 토크)을 확보하기 위해 필요로 하는 IC 수온의 예에 대해서 설명했다. 그러나, 본 발명의 인터쿨러의 냉각수의 목표 온도를 특정하기 위해서 적용되는 성능 값은, 동력 성능 값으로 한정되지 않고, 예를 들어 차량의 운전자가 액셀러레이터 페달을 밟을 때의 내연기관 응답성(예를 들어, 토크의 응답성)을 나타내는 특정 성능 값일 수 있다.
또한, 상술한 실시형태 1 내지 4에서는, 흡기를 과급하는 컴프레서(20a)를 갖는 과급기로서, 배기 가스 에너지를 구동력으로서 이용하는 터보과급기(20)를 예로 들어 설명을 하였다. 그러나, 본 발명에서의 과급기는 터보과급기로 한정되는 것은 아니다. 즉, 흡기가 컴프레서에 의해 과급되는 한은, 본 발명에서의 컴프레서는 내연기관의 크랭크축으로부터의 동력을 구동력으로서 이용할 수 있거나 전동 모터를 구동력으로서 이용할 수 있다.
또한, 상술한 실시형태 1 내지 4에서는, 저온 냉각수의 온도를 제어하기 위해서 사용되는 액추에이터로서, ECU(40)에 의해 제어되는 삼방 밸브(80, 84, 106)를 예로 들어 설명을 행했다. 그러나, 본 발명에서의 "수온 제어 기구"는, 전자 제어되는 액추에이터를 사용하는 상기 기구로 한정되지 않고, 예를 들어 서모스탯 등의 전자 제어되지 않는 액추에이터를 적용하거나 조합할 수 있다.
또한, 본 발명에서의 "냉각수 회로"의 대상은, 상술한 인터쿨러 냉각 회로(54)와 같이, 엔진 본체를 냉각하는 엔진 냉각 회로와 상이하도록 구성되는 회로로 한정되는 것이 아니라, 엔진 냉각 회로와 냉각수를 공유하는 회로일 수도 있다.

Claims (10)

  1. 내연기관의 제어 장치이며, 상기 제어 장치는,
    내연기관의 흡기 통로에 배치되는 컴프레서로서, 컴프레서는 흡기 통로를 유동하는 가스를 과급하도록 구성되는, 컴프레서,
    냉각수를 순환시키도록 구성되는 제1 냉각수 회로,
    컴프레서에 비해 하류측에 더 가깝게 흡기 통로에 배치되는 인터쿨러로서, 인터쿨러는 흡기 통로를 유동하는 가스와 제1 냉각수 회로를 순환하는 냉각수와의 사이에서 열을 교환하도록 구성되는, 인터쿨러,
    내연기관의 배기 통로를 유동하는 배기 가스의 일부를 인터쿨러에 비해 상류측에 더 가깝게 흡기 통로에 공급하는 EGR 가스의 EGR 율을 조정하도록 구성되는 EGR 장치, 및
    ECU를 포함하고, ECU는,
    (a) 외부 공기 온도 및 외부 공기 습도가 특정 온도 및 특정 습도인 특정 외부 공기 상태에서 인터쿨러의 냉각수의 온도를 목표 온도로 제어하도록 구성되고, 목표 온도는 상기 특정 외부 공기 상태에서의 특정 성능 값을 확보하는데 필요로 하는 인터쿨러의 냉각수의 온도이며,
    (b) 내연기관의 운전 상태를 결정하기 위한 파라미터와의 관계에 따라 EGR 율이 설정되는 EGR 율 맵핑에 기초하여 EGR 장치를 제어하도록 구성되고, EGR 율 맵핑은, EGR 가스가 EGR 장치를 사용하여 도입될 때 인터쿨러 안으로 유동하는 쿨러 유입 가스의 노점이 목표 온도를 초과하지 않도록 EGR 율을 설정하도록 구성되는, 내연기관의 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    EGR 율 맵핑에서 사용되는 파라미터는 엔진 부하 및 엔진 속도이고,
    EGR 율 맵핑은, 고부하 및 고회전 속도 운전 영역에서, 쿨러 유입 가스의 노점이 목표 온도를 초과하지 않도록 제한되는 EGR 율을 EGR 율 맵핑의 값으로서 설정하도록 구성되는, 내연기관의 제어 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    특정 외부 공기 상태는, 응축수가 인터쿨러에 제공되는 경향이 있는, 고온 상태 또는 다습 상태 또는 고온 다습 상태인, 내연기관의 제어 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    외부 공기 온도를 검출 또는 추정하도록 구성되는 외부 공기 온도 검출기, 및
    외부 공기 습도를 검출 또는 추정하도록 구성되는 외부 공기 습도 검출기를 더 포함하고,
    ECU는, 외부 공기 온도 및 외부 공기 습도가 특정 외부 공기 상태의 외부 공기 온도 및 외부 공기 습도와 상이할 때, 현재의 외부 공기 온도 및 현재의 외부 공기 습도에 대응하는 쿨러 유입 가스의 노점에 기초하여 목표 온도를 보정하는, 내연기관의 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    ECU는, 외부 공기 온도 및 외부 공기 습도가 쿨러 유입 가스의 노점이 특정 온도 상한 이상인 외부 공기의 온도 및 습도 영역에 내에 있을 때, EGR 율 맵핑으로부터 취득된 EGR 율 미만의 EGR 율로 EGR 장치를 제어하는, 내연기관의 제어 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 냉각수 회로와 별도로 배치되고 제2 냉각수 회로의 순환수를 사용하여 내연기관을 냉각하도록 구성되는 제2 냉각수 회로,
    제2 냉각수 회로를 순환하는 제2 냉각수와 제1 냉각수 회로를 순환하는 냉각수와의 사이에서 열을 교환하도록 구성되는 열교환기를 더 포함하고,
    제1 냉각수 회로는, 라디에이터, 제1 냉각수 바이패스 및 제1 유로 전환기를 포함하고, 라디에이터는 냉각수를 냉각하도록 구성되고, 제1 냉각수 바이패스는 라디에이터를 우회하도록 구성되며, 제1 유로 전환기는 냉각수가 라디에이터 안으로 도입되는 유로 패턴과 냉각수가 라디에이터가 아닌 제1 냉각수 바이패스를 통해 유동하는 유로 패턴과의 사이에서 냉각수의 유로 패턴을 전환하도록 구성되는, 내연기관의 제어 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 냉각수 회로와 별도로 배치되고 제2 냉각수 회로의 순환수를 사용하여 내연기관을 냉각하도록 구성되는 제2 냉각수 회로, 및
    제2 냉각수 회로를 순환하는 제2 냉각수와 제1 냉각수 회로를 순환하는 냉각수와의 사이에서 열을 교환하도록 구성되는 열교환기를 더 포함하며,
    제1 냉각수 회로는 제2 냉각수 바이패스 및 제2 유로 전환기를 포함하고, 제2 냉각수 바이패스는 열교환기를 우회하도록 구성되고, 제2 유로 전환기는 냉각수가 열교환기 안으로 도입되는 유로 패턴과 냉각수가 열교환기가 아닌 제2 냉각수 바이패스를 통해 유동하는 유로 패턴과의 사이에서 냉각수의 유로 패턴을 전환하도록 구성되는, 내연기관의 제어 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 냉각수 회로와 별도로 배치되고 제2 냉각수 회로의 순환수를 사용하여 내연기관을 냉각하도록 구성되는 제2 냉각수 회로,
    제2 냉각수 회로를 순환하는 제2 냉각수와 제1 냉각수 회로를 순환하는 냉각수와의 사이에서 열을 교환하도록 구성되는 열교환기를 포함하며,
    제2 냉각수 회로는 수량 조정기를 포함하고, 수량 조정기는 제2 냉각수 회로의 순환수의 양을 조정하는, 내연기관의 제어 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 내연기관의 배기 통로에 제공되는 흡장 환원형 NOx 촉매를 더 포함하고,
    ECU는,
    (c) NOx 촉매 안으로 유동하는 가스의 공연비가 운전 동안 일시적으로 농후해지는 농후 스파이크 제어를 실행하고,
    (d) 농후 스파이크 제어가 실행되고 EGR 가스가 EGR 장치에 의해 흡기 통로에 공급될 때 EGR 율 맵핑으로부터 취득된 EGR 율 미만의 EGR 율로 EGR 장치를 제어하도록 구성되는, 내연기관의 제어 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    배기 통로를 유동하는 배기 가스와 제1 냉각수 회로를 순환하는 냉각수와의 사이에서 열을 교환하도록 구성되는 배기 가스 열교환기, 및
    배기 가스 열교환기에 비해 하류측에 더 가깝게 배기 통로에 제공되는 배기 가스 정화 촉매를 더 포함하며,
    제1 냉각수 회로는 제3 냉각수 바이패스 및 제3 유로 전환기를 포함하고, 제3 냉각수 바이패스는 배기 가스 열교환기를 우회하도록 구성되고, 제3 유로 전환기는 냉각수가 배기 가스 열교환기 안으로 도입되는 유로 패턴과 냉각수가 배기 가스 열교환기가 아닌 제3 냉각수 바이패스를 통해 유동하는 유로 패턴과의 사이에서 냉각수의 유로 패턴을 전환하도록 구성되고, ECU는 배기 가스 정화 촉매의 온도가 특정 값 미만인 경우에는 냉각수가 배기 가스 열교환기 안으로 도입되는 것이 금지되도록 제3 유로 전환기를 제어하도록 구성되는, 내연기관의 제어 장치.
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