JP2006112272A - 内燃機関の吸気温度制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】排気再循環装置を備える内燃機関において、より簡潔に且つより精密な吸気温度の制御を可能とする吸気温度制御システムを提供する。
【解決手段】 内燃機関の吸気温度制御システムにおいて、排気の一部を吸気系に再循環する排気再循環装置と、所定時期における内燃機関の燃焼室内の温度を検出、又は推定する燃焼室内温度検出手段と、内燃機関の吸気系を流れる新気の温度、および排気再循環装置を流れる再循環排気の温度のうち少なくとも何れかを調整する温度調整装置と、燃焼室内温度検出手段によって検出され、又は推定された燃焼室内の温度に基づいて、温度調整装置を介して新気温度、および再循環排気温度をそれぞれの目的温度に制御する制御手段と、を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、排気再循環装置を備える内燃機関において吸気温度を制御する吸気温度制御システムに関する。

内燃機関の排気の状態は、燃焼室内の燃料混合気の燃焼温度と密接に関係し、更に燃焼温度は吸気温度の影響を強く受ける。従って、内燃機関の運転状態をより精密に制御するためには、操作される各種の運転パラメータ（例えば燃料の噴射時期、噴射圧、ＥＧＲ弁の開度、スロットル弁の開度等）が同一であっても、吸気温度（新気温度および再循環排気温度）が異なればＮＯｘ生成量やＨＣ、ＣＯの排出量は変化する。そこで、排気の状態を適正に制御するためには吸気温度を考慮する必要がある。

そこで、排気再循環装置（ＥＧＲ装置）を備える内燃機関において、予め決定されている基準である吸気温度と、現在の基準温度との間に偏差が生じている場合、若しくは該偏差が生じることが推定される場合には、排気再循環装置における熱交換装置（ＥＧＲクーラ）での熱交換量を制御することで、最終的に気筒内に流入する吸気（新気と再循環排気との混合気）の温度を制御する技術が公開されている（例えば、特許文献１を参照。）。この技術によって、吸気温度のずれに起因する燃焼温度への影響が抑制され得る。
特開２００４−４４４８４号公報 特開平１１−２００９５５号公報

内燃機関における吸気温度は、燃焼状態を制御するための重要なパラメータである。特に内燃機関が排気再循環装置を備える場合、該吸気温度は新気と再循環排気との混合率やそれぞれの温度によって決定される。ここで、吸気温度を所定の基準値に基づいて精密に制御する場合、外気温度等の内燃機関の置かれる周囲の環境を正確に把握する必要がある。これは、該基準値と内燃機関の周囲環境との関係によって、内燃機関に必要とされる吸気温度と該基準値との関係にずれが生じるためである。

そのため、吸気温度を基準値に基づいて精密に制御する場合、複数の内燃機関の周囲環境を予め想定して吸気温度制御のための制御マップ等を作成する必要があり、吸気温度制御のための工数が増大する虞がある。

本発明では、上記した問題に鑑み、排気再循環装置を備える内燃機関において、より簡潔に且つより精密な吸気温度の制御を可能とする吸気温度制御システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記した課題を解決するために、内燃機関の燃焼室内の温度、特に燃焼状態に大きく影響する所定時期の燃焼室内温度に着目した。即ち、内燃機関の周囲環境ではなく、直接に燃焼室内の温度、特に燃焼状態に大きく影響する所定時期の燃焼室内温度に基づいて吸気温度を制御することで、該吸気温度の制御をより精密にかつより簡潔に行うことを可能とする。

そこで、本発明は、内燃機関の吸気温度制御システムであって、内燃機関から排出される排気の一部を吸気系に再循環する排気再循環装置と、所定時期における内燃機関の燃焼
室内の温度を検出、又は推定する燃焼室内温度検出手段と、前記内燃機関の吸気系を流れる新気の温度、および前記排気再循環装置を流れる再循環排気の温度のうち少なくとも何れかを調整する温度調整装置と、前記燃焼室内温度検出手段によって検出され、又は推定された燃焼室内の温度に基づいて、前記温度調整装置を介して前記新気温度、および前記再循環排気温度をそれぞれの目的温度に制御する制御手段と、を備える。

上記の内燃機関には排気再循環装置が備えられているため、内燃機関の気筒に流入する吸気は、内燃機関外部からの新気と排気再循環装置による再循環排気とから構成される。従って、上記の内燃機関における吸気温度は、新気温度と再循環排気温度、および両者の混合率等によって決定される。当然に、吸気が新気のみ、若しくは再循環排気のみと言う場合も存在し得る。

ここで、上記の内燃機関の吸気温度制御システムの特徴点は、内燃機関の周囲環境ではなく、燃焼室内温度検出手段によって検出され又は推定される燃焼室内の温度に基づいて、吸気温度が調整される点である。燃焼状態に直接起因する所定時期における燃焼室内温度に基づいて吸気温度を制御することで、内燃機関の運転パラメータ以外の外的要因である内燃機関の周囲環境にかかわらず、燃焼室における燃焼状態が目的の状態となるべく吸気温度をより精密に制御することが可能となる。換言すると、燃焼室内温度と吸気温度を制御上、直接に関連付けることで、より簡潔に且つより精密に吸気温度の適正な制御が可能となる。尚、燃焼室内温度検出手段によって検出、推定される燃焼室内の温度は所定時期における燃焼室内温度である。この所定時期とは、燃焼室内での燃焼状態に強い関連性を有する時期であり、例えば燃焼室内温度が大きく上昇する圧縮上死点の時期等である。

また、吸気温度の調整は温度調整装置を介して行われる、この温度調整装置は、新気および再循環排気の少なくとも何れかの温度をそれぞれの目的温度に調整するものであるが、その特徴点は、上記の燃焼室内温度検出手段による検出温度等に基づいて、新気および再循環排気の温度調整が行われる点である。尚、ここでいう目的温度とは、新気と再循環排気とが混合されて吸気となるとき、その吸気温度が燃焼室で行われる燃焼が到達する目標の燃焼状態に対応した新気および再循環排気の温度である。従って、必要に応じて、温度調整装置によって、新気および再循環排気のそれぞれの温度が、上昇、下降される。

また、上記の内燃機関がその圧縮比を任意の圧縮比に変更可能な可変圧縮比機構を有している内燃機関であって、内燃機関の運転状態（機関負荷や機関回転速度等）に応じて可変圧縮比機構によってその圧縮比を変更するような場合であっても、上記の吸気温度制御システムにおいては、所定時期における燃焼室内温度に基づいて吸気温度を制御しているため、変更される圧縮比にかかわらず、燃焼室で行われる燃焼状態の目標となる状態に対応した吸気温度に、より簡潔に且つより精密に制御することが可能となる。

ここで、上記の内燃機関の吸気温度制御システムにおいて、前記温度調整装置は、前記内燃機関の吸気系を流れる新気と熱交換を行うことで該新気温度を調整する新気用熱交換装置、若しくは前記排気再循環装置を流れる再循環排気と熱交換を行うことで該再循環排気温度を調整する再循環排気用熱交換装置であってもよい。即ち、いわゆる熱交換機によって、新気および再循環排気の温度を調整するものである。

また、上述までの内燃機関の吸気温度制御システムにおいて、前記内燃機関において新気に対して過給を行う過給機を更に備える場合、前記制御手段によって前記温度調整装置を介して前記新気温度又は前記再循環排気温度が上昇されたとき、前記過給機による過給圧を上昇させるようにしてもよい。

制御手段によって温度調整装置を介して吸気温度が制御されると吸気密度が変化する。
即ち、吸気温度が上昇すると吸気密度が低下して結果的に吸気量が低下する。そこで、吸気温度が上昇するとき、即ち新気温度又は再循環排気温度が上昇するときは、過給機による過給圧を上昇させることで、温度上昇に伴って低下した吸気量を増加させて、以て燃焼室で必要な吸気量を確保し、エミッションの悪化等を抑制することが可能となる。

排気再循環装置を備える内燃機関の吸気温度制御システムにおいて、より簡潔に且つより精密な吸気温度の制御を可能とする。

ここで、本発明に係る内燃機関の吸気温度制御システムの実施の形態について図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る吸気温度制御システムが適用される圧縮着火内燃機関（以下、単に「内燃機関」という。）１およびその制御系統の概略構成を表すブロック図である。内燃機関１は、４つの気筒２を有する圧縮着火式内燃機関である。また、気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。燃料噴射弁３は、所定圧に加圧された燃料を貯留する蓄圧室４と接続されている。内燃機関１には吸気枝管７が接続されており、吸気枝管７の各枝管は、吸気ポートを介して燃焼室に接続される。同様に、内燃機関１には排気枝管１２が接続され、排気枝管１２の各枝管は排気ポートを介して燃焼室に接続される。ここで、吸気ポートおよび排気ポートには、各々吸気弁および排気弁が設けられている。

また、吸気枝管７は吸気管８に接続されている。吸気管８の上流部には吸気管８を流れる吸入空気量を検出するエアフローメータ９が設けられ、更にその下流には、吸気管８内を流れる吸気の流量を調節する吸気絞り弁１０が設けられている。この吸気絞り弁１０には、ステップモータ等で構成されて該吸気絞り弁１０を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ１１が取り付けられている。

吸気絞り弁１０の下流側の吸気管８には、排気のエネルギーを駆動源として作動する過給機１６のコンプレッサ側が設けられ、排気枝管１２には過給機１６のタービン側が設けられている。過給機１６はいわゆる可変容量型過給機であって、その内部に可動式のノズルベーンを有し、該ノズルベーンの開度を調整することで、過給機１６による過給圧が制御される。過給機１６より下流の吸気管８には、過給機１６によって加圧されて高温となった吸入空気を冷却するためのインタークーラ１５が設けられている。インタークーラ１５は冷却用の冷却水が供給されており、その供給量が調整されることで、インタークーラ１５の冷却能力が制御される熱交換装置である。

また、過給機１６のタービン側は、排気管１３と接続され、この排気管１３は、下流にてマフラーに接続されている。そして、排気管１３の途中には、いわゆる吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ触媒１４が設けられている。

更に、内燃機関１には、ＥＧＲ装置２１が設けられている。ＥＧＲ装置２１は排気枝管１２を流れる排気の一部を吸気枝管７へ再循環させる。ＥＧＲ装置２１は、排気枝管１２（上流側）から吸気枝管７（下流側）へ延出しているＥＧＲ通路２２と、ＥＧＲ通路２２上に上流側から順に設けられたＥＧＲガス冷却用のＥＧＲクーラ２３と、ＥＧＲガスの流量調整用のＥＧＲ弁２４と、から構成される。ＥＧＲクーラ２３は、冷却用の冷却水が供給されており、その供給量が調整されることで、ＥＧＲクーラ２３の冷却能力が制御される熱交換装置である。

また、内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）２０が併設されている。このＥＣＵ２０は、ＣＰＵの他、後述する各種のプログラム及びマップを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。

ここで、燃料噴射弁３は、ＥＣＵ２０からの制御信号によって開閉動作を行う。即ち、ＥＣＵ２０からの指令によって、燃料噴射弁３からの燃料噴射時期および燃料噴射量が、内燃機関１の機関負荷や機関回転速度等の運転状態に応じて、噴射弁毎に制御される。また、ＥＧＲ弁２４の開度やインタークーラ１５への冷却水供給量、ＥＧＲクーラ２３への冷却水供給量、過給機１６のノズルベーン開度等も、ＥＣＵ２０からの指令に従って制御される。

更に、クランクポジションセンサ３０がＥＣＵ２０と電気的に接続されており、ＥＣＵ２０は内燃機関１の出力軸の回転角に応じた信号を受け取り、内燃機関１の機関回転速度や、各気筒２におけるピストン位置等を検出する。更に、気筒２の燃焼室内の圧力を検出する気筒内圧力センサ３１が設けられ、ＥＣＵ２０と電気的に接続されている。これによりＥＣＵ２０は、燃焼室内の圧力を検出する。尚、図１においては、表示の都合上、一つの気筒にのみ気筒内圧力センサ３１が取り付けられている。また、エアフローメータ９もＥＣＵ２０と電気的に接続されており、燃焼室内に流れ込む新気量が検出される。

図１のように構成される内燃機関１においては、気筒２の燃焼室における燃焼状態に大きな影響を及ぼす吸気温度を、ＥＣＵ２０は、図２に示す吸気温度制御のフローに従って調整する。尚、本実施例における吸気温度制御は、ＥＣＵ２０によって一定のサイクルで繰り返し実行されるルーチンである。

Ｓ１０１では、気筒２の圧縮上死点時における燃焼室内温度Ｔｃが推定される。具体的には、エアフローメータ９によって検出された新気量とＥＧＲ弁２４の開度から推定される吸気枝管７に流れ込む再循環排気量との総量と、気筒内圧力センサ３１によって検出される圧縮上死点時の気筒内圧力とから、圧縮上死点時における燃焼室内温度Ｔｃが算出される。尚、圧縮上死点を迎えているか否かの判定は、クランクポジションセンサ３０からの信号に基づいて行われる。ＥＣＵ２０によるこのＳ１０１の処理が、本発明に係る吸気温度制御システムの燃焼室内温度検出手段に相当する。Ｓ１０１の処理が終了すると、Ｓ１０２へ進む。

Ｓ１０２では、Ｓ１０１で推定された燃焼室内温度Ｔｃに基づいて、インタークーラ１５に供給される冷却水量およびＥＧＲクーラ２３に供給される冷却水量が調整される。具体的には、図３に示す制御マップに従って、インタークーラ１５とＥＧＲクーラ２３への各冷却水量が決定される。該制御マップは、内燃機関１が異なる機関負荷に対して仕事を行っている場合の、燃焼室内温度Ｔｃと該仕事を行うために好適な吸気温度となるインタークーラ１５への供給冷却水量とＥＧＲクーラ２３への供給却水量との関係を予め実験等で求め、それをマップ化したものである。即ち、内燃機関１における燃焼状態は燃焼室内の温度Ｔｃに大きく左右され、且つ燃焼室内温度Ｔｃと吸気温度とは密接な関係があることを鑑みて、燃焼室内温度Ｔｃと吸気温度を決定する新気温度と再循環排気温度との関係を一義的にマップ化したものである。

尚、図３の制御マップには、燃焼室内温度Ｔｃと、インタークーラ１５とＥＧＲクーラ２３への供給冷却水量との関係のみが示されているが、一定のインタークーラ冷却水量ＷＩＣｎ、ＥＧＲクーラ冷却水量ＷＥＣｎが決定されるとき、ＥＧＲ弁２４の開度も併せて決定される。即ち、新気と再循環排気との混合率も決定される。このＳ１０２の処理によ
って、気筒２の燃焼室に供給される吸気温度が、燃焼室内温度Ｔｃに基づいて直接的に決定されることになる。ＥＣＵ２０によるこのＳ１０２の処理が、本発明に係る吸気温度制御システムの制御手段に相当する。Ｓ１０２の処理が終了すると、Ｓ１０３へ進む。

Ｓ１０３では、過給機１６のノズルベーンの開度を調整することで、過給圧が調整される。これは、Ｓ１０２において結果的に吸気温度が調整されるため、吸気の密度が変更する。その結果、内燃機関での燃焼状態において必要とされる吸気量が十分に供給できない場合、若しくは吸気量が過度に多すぎる場合が存在する。例えば、Ｓ１０２において、インタークーラ１５やＥＧＲクーラ２３に供給される冷却水量が少なく調整されると、吸気温度は上昇する。その結果、吸気の密度が低下するため、このような場合は過給機１６による過給圧を上昇させて、最終的に気筒２内に流入する吸気量を目的とする量とする。Ｓ１０３の処理が終了後、本制御を終了する。

本制御によると、気筒２の燃焼室内温度Ｔｃに基づいて、新気の温度調整装置であるインタークーラ１５および再循環排気の温度調整装置であるＥＧＲクーラ２３を介して、吸気温度を、ＥＣＵ２０が直接に制御する。従って、より簡潔に且つより精密な吸気温度の制御をすることが可能となる。

尚、本制御においては、燃焼室内温度Ｔｃは、気筒内圧力センサ３１等からの信号に基づいて推定されるが、燃焼室内の温度を検出する温度センサを設け、直接燃焼室内温度Ｔｃを検出してもよい。また、吸気枝管７を流れる吸気の温度と内燃機関１の冷却水温度とから推定するようにしてもよい。

また、新気の温度調整装置として吸気管８に吸気を加熱するヒータを設け、該ヒータに通電することで吸気を加熱し、その温度調整を行っても良い。このとき、新気に関して図３に相当する制御マップは、燃焼室内温度Ｔｃとヒータへの通電量との関係を示す制御マップとなる。

また、再循環排気の温度調整装置として、ＥＧＲクーラ２３と並列にバイパス路を設け、ＥＧＲクーラ２３を流れる排気量と該バイパス路を流れる排気量の比率を調整する調整弁を設けてもよい。この調整弁による該比率の調整を行うことで、再循環排気の温度が調整される。このとき、再循環排気に関して図３に相当する制御マップは、燃焼室内温度Ｔｃと該比率との関係を示す制御マップとなる。

本発明の実施例に係る内燃機関の吸気温度制御システムが適用される圧縮着火内燃機関の概略構成を表す図である。 本発明の実施例に係る内燃機関の吸気温度制御システムにおける吸気温度制御に関するフローチャートである。 本発明の実施例に係る内燃機関の吸気温度制御システムにおける吸気温度制御で用いられる制御マップを示す図である。

符号の説明

１・・・・圧縮着火内燃機関（内燃機関）
７・・・・吸気枝管
８・・・・吸気管
９・・・・エアフローメータ
１２・・・・排気枝管
１３・・・・排気管
１５・・・・インタークーラ
１６・・・・過給機
２０・・・・ＥＣＵ
２１・・・・ＥＧＲ装置
２３・・・・ＥＧＲクーラ
２４・・・・ＥＧＲ弁
３１・・・・気筒内圧力センサ

Claims (3)

1. 内燃機関から排出される排気の一部を吸気系に再循環する排気再循環装置と、
   所定時期における内燃機関の燃焼室内の温度を検出、又は推定する燃焼室内温度検出手段と、
   前記内燃機関の吸気系を流れる新気の温度、および前記排気再循環装置を流れる再循環排気の温度のうち少なくとも何れかを調整する温度調整装置と、
   前記燃焼室内温度検出手段によって検出され、又は推定された燃焼室内の温度に基づいて、前記温度調整装置を介して前記新気温度、および前記再循環排気温度をそれぞれの目的温度に制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の吸気温度制御システム。
2. 前記温度調整装置は、前記内燃機関の吸気系を流れる新気と熱交換を行うことで該新気温度を調整する新気用熱交換装置、若しくは前記排気再循環装置を流れる再循環排気と熱交換を行うことで該再循環排気温度を調整する再循環排気用熱交換装置であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気温度制御システム。
3. 前記内燃機関において新気に対して過給を行う過給機を更に備え、
   前記制御手段によって前記温度調整装置を介して前記新気温度又は前記再循環排気温度が上昇されたとき、前記過給機による過給圧を上昇させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の吸気温度制御システム。

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