JP2015094325A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ノズル噴孔の腐食を防止或いは抑制するにあたり、EGR率を適切に決定可能な内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】ECU150は、内燃機関100が備えるインジェクタ107のノズル先端温度Tnzlを取得する第1の取得部と、内燃機関100のシリンダヘッド101aにおける熱量であるヘッド熱量Qを取得する第2の取得部と、第1の取得部が取得したノズル先端温度Tnzlと、第2の取得部が取得したヘッド熱量Qとに基づき、目標EGR率である腐食回避EGR率γcrsを決定する決定部として機能することで、これら第1の取得部、第2の取得部および決定部を備える構成となっている。ヘッド熱量Qは具体的にはシリンダヘッド101aの受熱量である。
【選択図】図1
【解決手段】ECU150は、内燃機関100が備えるインジェクタ107のノズル先端温度Tnzlを取得する第1の取得部と、内燃機関100のシリンダヘッド101aにおける熱量であるヘッド熱量Qを取得する第2の取得部と、第1の取得部が取得したノズル先端温度Tnzlと、第2の取得部が取得したヘッド熱量Qとに基づき、目標EGR率である腐食回避EGR率γcrsを決定する決定部として機能することで、これら第1の取得部、第2の取得部および決定部を備える構成となっている。ヘッド熱量Qは具体的にはシリンダヘッド101aの受熱量である。
【選択図】図1
Description
本発明は内燃機関の制御装置に関する。
内燃機関では、インジェクタのノズルに腐食が発生する場合がある。特許文献1では、噴射ノズルの温度およびSO3の酸露点に基づいて、燃焼室に吸入される吸気に含まれるSO3をSO3の凝縮が回避される量まで低減する技術が開示されている。
図8(a)から図8(h)はノズル噴孔(以下、単に噴孔とも称す)の腐食進行のメカニズムを説明する図である。図8(a)、図8(b)は噴孔への酸付着のメカニズムを示す。図8(c)から図8(e)は噴孔の腐食のメカニズムを示す。図8(f)から図8(h)は噴孔の壊食(エロージョン)のメカニズムを示す。
図8(a)に示すように、内燃機関100Xの筒内ガスには酸成分(例えばSO3)が含まれている。図8(b)に示すように機関冷却水温が高水温の場合、筒内壁温Twallが、ノズル先端温度Tnzlよりも先に、露点に到達する。以下、機関停止後、露点に到達するまでの時間を露点到達時間と称する。よって、酸成分は水分とともに酸となって筒内壁部に結露する。結果、噴孔の腐食は防止或いは抑制される。ところが、機関冷却水温が低水温の場合、露点到達時間は筒内壁部よりもノズル先端部のほうが短くなる。このためこの場合には、酸がノズル先端部に結露する。この場合、具体的には次のように酸が噴孔を腐食させる。
図8(c)に示すように、機関停止後には酸成分を含む筒内ガス(蒸気)が噴孔内に残留した燃料に侵入する。そして、ノズル先端温度が露点を下回ると、図8(d)に示すように燃料中の酸成分が酸となって噴孔に結露する。さらに、図8(e)に示すように酸の結露によって生じた凝縮水は錆を発生させ、噴孔の表面に荒れを生じさせる。露点は具体的には酸露点である。露点は水蒸気の露点を含んでもよい。酸の結露は、水蒸気の結露によって生じた凝縮水に酸成分が溶け込むことで酸を形成した結露であってもよい。
図8(f)に示すように腐食した部位は、その後内燃機関100Xが始動し、燃料噴射が行われると、図8(g)に示すように噴射燃料で除去される。すると、図8(h)に示すように噴孔の表面には新生面が露出する。その後は同様にして新生面が腐食されることで、腐食が促進される。
図8(b)を用いて説明したように、ノズル先端温度は酸の結露がノズルに発生するか否かに大きく影響する。このため、図8(b)を用いて前述した原理原則に鑑み、噴孔の腐食を防止或いは抑制することが考えられる。具体的には、ノズル先端温度に基づきEGRを減量或いはカットすることで、腐食の発生を防止或いは抑制することが考えられる。この場合、燃焼ガスの温度を高めることで、ノズル先端温度を高めることができる。結果、内燃機関が停止しても腐食の発生を防止或いは抑制できる。
ところが、腐食の発生や腐食の度合いはシリンダヘッドが保有する熱量にも依存する。具体的には、ノズル先端温度が同じでも、シリンダヘッドが保有する熱量によっては腐食の発生や腐食の度合いが異なってくる。また、EGRを減量或いはカットすれば、排気エミッションにも影響する。このため、噴孔の腐食を防止或いは抑制するにあたっては、適切なEGR率を決定するという点で改善の余地がある。
本発明は上記課題に鑑み、ノズル噴孔の腐食を防止或いは抑制するにあたり、EGR率を適切に決定可能な内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
本発明は内燃機関が備えるインジェクタのノズル先端温度を取得する第1の取得部と、前記内燃機関のシリンダヘッドにおける熱量を取得する第2の取得部と、前記第1の取得部が取得したノズル先端温度と、前記第2の取得部が取得した熱量とに基づき、目標EGR率を決定する決定部とを備える内燃機関の制御装置である。
本発明によれば、ノズル噴孔の腐食を防止或いは抑制するにあたり、EGR率を適切に決定できる。
図面を用いて本発明の実施例について説明する。
図1は内燃機関100の概略構成図である。内燃機関100は、筒内噴射を行う内燃機関、より具体的にはディーゼル内燃機関である。内燃機関100は4気筒である。内燃機関100は、シリンダヘッド101aとシリンダブロック101bを備えたエンジン本体101を備え、そのエンジン本体101に♯1気筒〜♯4気筒を備える。
燃料噴射装置1は、内燃機関100に組み込まれている。燃料噴射装置1は、♯1気筒〜♯4気筒に対応して、♯1インジェクタ107−1〜♯4インジェクタ107−4を備える。具体的に、♯1気筒には、♯1インジェクタ107−1が装着され、♯2気筒には♯2インジェクタ107−2が装着されている。♯3気筒には♯3インジェクタ107−3が装着され、♯4気筒には♯4インジェクタ107−4が装着されている。♯1インジェクタ107−1〜♯4インジェクタ107−4はそれぞれコモンレール120に接続され、コモンレール120から高圧の燃料が供給される。各インジェクタ107は、シリンダヘッド101aに装着されている。各インジェクタ107は、シート部を介してシリンダヘッド101aとの間で熱の授受を行う。
内燃機関100は、エンジン本体101に取り付けられたインテークマニホールド102、エキゾーストマニホールド103を備える。インテークマニホールド102には吸気管104が接続されている。エキゾーストマニホールド103には排気管105が接続されている。
内燃機関100は外部EGR装置110を備えている。外部EGR装置110はEGR通路111、EGRバルブ112、EGRクーラ113、バイパス通路114およびバイパスバルブ115を備えている。EGR通路111の一端は、エキゾーストマニホールド103に接続されている。EGR通路111の他端は、吸気管104に接続されている。EGR通路111には、排気ガス(EGRガス)の流通状態を制御するEGRバルブ112が設けられている。EGR通路111には、EGRガスを冷却するEGRクーラ113が設けられている。EGR通路111には、EGRクーラ113をバイパスするバイパス通路114が設けられている。EGR通路111には、EGR通路111およびバイパス通路114のうちいずれかにEGRガスの流通経路を決定するバイパスバルブ115が設けられている。外部EGR装置110は少なくともEGR通路111とEGRバルブ112とを備える構成であってもよい。
吸気管104には、エアフロメータ106が接続されている。エアフロメータ106は、ECU150に電気的に接続されている。ECU150には、インジェクタ107−i(iは気筒番号を示す)、具体的に、♯1インジェクタ107−1から♯4インジェクタ107−4が電気的に接続されている。ECU150は、内燃機関の制御装置に相当し、後に詳述する各種制御を行う。
ECU150には、内燃機関100の回転数NEを測定するNEセンサ161、冷却水の水温Twを測定する水温センサ162、外気温Taを測定する外気温センサ163が電気的に接続されている。また、ECU150には、EGR率マップ、結露判定マップ、その他のマップ類が格納されている。EGR率マップには、ベースEGR率γbaseが設定されたベースEGR率マップと、腐食回避EGR率γcrsが設定された腐食回避EGR率マップとの2種類がある。ECU150は、内燃機関周辺の種々の制御を行う。
内燃機関100に装着されたインジェクタ107を示す図2を参照すると、インジェクタ107は、先端部にノズル107aを備えている。ノズル107aには、噴孔が設けられている。このようなノズル107aの先端部に酸が結露し、付着すると腐食が発生する可能性がある。噴孔の周辺が腐食すると、噴孔の噴孔径が変化する可能性がある。噴孔径が変化すると、燃料噴射に影響を与えることになる。
そこで、ECU150は、噴孔の腐食と排気エミッションとを考慮したEGR率を決定する。EGR率は排気再循環で還流される排気ガスの量が筒内に吸入されるガス全体の量に占める割合である。ECU150は具体的には、次に説明するノズル先端温度Tnzlとヘッド熱量Qとに基づいてEGR率を決定する。図3はノズル先端温度Tnzlの低下速度の説明図である。実線はシリンダヘッド101aが保有する熱量が相対的に大きい場合を示し、破線はシリンダヘッド101aが保有する熱量が相対的に小さい場合を示す。
ここで、機関停止時のノズル先端温度Tnzlが同じであっても、シリンダヘッド101aが保有する熱量によっては、機関停止後のノズル先端温度Tnzlの低下速度は異なってくる。具体的には、実線の場合には破線の場合と比較して、ノズル107aからシリンダヘッド101aへの放熱は小さくなる。このため、実線の場合のほうが破線の場合よりもシリンダヘッド101aヘの放熱速度が遅い分、機関停止後のノズル先端温度Tnzlの低下速度は遅くなる。結果、実線の場合のほうが破線の場合よりも、露点到達時間tは長くなる。
実線と破線とでノズル先端温度Tnzlの低下速度が異なるのは、機関停止前のノズル受熱量が異なるためと考えられる。図3を参照すると、実線と破線とでは、ノズル先端温度Tnzlの履歴が異なっている。結果、図3中、ハッチングを施して示した分だけ、実線の方が破線よりもノズル受熱量が多い。そして、このノズル受熱量の差が、機関停止後のノズル先端温度Tnzlの低下速度の差として現れていると考えられる。
かかる現象は、換言すれば、シリンダヘッド101aの熱量(より具体的にはここでは受熱量)であるヘッド熱量Qの差が、機関停止後のノズル先端温度Tnzlの低下速度の差として現れているといえる。本発明において、「シリンダヘッドにおける熱量」は、ヘッド熱量Qである場合だけでなく、ノズル受熱量である場合や、ヘッド熱量Qおよびノズル受熱量である場合を含む。
以下、図4を参照しつつ、内燃機関100の制御の一例について説明する。図4は内燃機関100の制御の一例を示すフロー図である。内燃機関100の制御はECU150によって行われる。
まず、ステップS1では、内燃機関100の運転状態を取得する。具体的には、回転数NE、噴射時期IT、噴射量Qv、水温Twおよび外気温Taを取得する。次にステップS2では、ノズル先端温度Tnzlを算出する。ここで、ノズル先端温度Tnzlは、その時点時点、すなわち、瞬時のノズル先端温度である。ノズル先端温度Tnzlは、一例として、以下の式1によって算出、推定される。
Tnzl
=f(NE、IT、Qv、Tw)
=a・NE+b・IT+c・Qv+d・Tw+e 式1
第1項から第3項までは燃焼ガスからの受熱の影響を示し、第4項は放熱の影響を示す。a、b、c、dおよびeは定数である。
Tnzl
=f(NE、IT、Qv、Tw)
=a・NE+b・IT+c・Qv+d・Tw+e 式1
第1項から第3項までは燃焼ガスからの受熱の影響を示し、第4項は放熱の影響を示す。a、b、c、dおよびeは定数である。
ステップS3では、シリンダヘッド101aの温度であるヘッド温度Theadを算出する。ヘッド温度Theadは瞬時のヘッド温度である。ヘッド温度Theadは、一例として、以下の式2によって算出、推定される。
Thead
=f(NE、IT、Qv、Tw)
=f・NE+g・IT+h・Qv+i・Tw+j 式2
第1項から第3項までは燃焼ガスからの受熱の影響を示し、第4項は放熱の影響を示す。f、g、h、iおよびjは定数である。
Thead
=f(NE、IT、Qv、Tw)
=f・NE+g・IT+h・Qv+i・Tw+j 式2
第1項から第3項までは燃焼ガスからの受熱の影響を示し、第4項は放熱の影響を示す。f、g、h、iおよびjは定数である。
ステップS4では、ヘッド熱量Qを算出する。ヘッド熱量Qは具体的には、シリンダヘッド101aの受熱量である。ヘッド熱量Qは、ヘッド温度Theadから算出、推定される瞬時のシリンダヘッド101aの熱量と、それまでの蓄熱量とから求めることができる。ヘッド熱量Qは一例として、以下の式3によって算出、推定される。
Qi
=f(Thead、Qi−1)
=k・Thead+Qi−1 式3
ここで、kは定数である。第1項は瞬時のシリンダヘッド101aの熱量を示し、第2項はそれまでの蓄熱量を示す。
Qi
=f(Thead、Qi−1)
=k・Thead+Qi−1 式3
ここで、kは定数である。第1項は瞬時のシリンダヘッド101aの熱量を示し、第2項はそれまでの蓄熱量を示す。
ステップS5では、ベースEGR率γbaseを決定する。ベースEGR率γbaseは第1の目標EGR率であり、燃焼要求に応じたEGR率である。ベースEGR率γbaseでEGRを行うことで、排気改善が図られる。ベースEGR率γbaseは一例として、以下の式4によって決定される。式4はベースEGR率マップに基づきベースEGR率γbaseを決定する過程を式で表現したものである。一例として、ベースEGR率マップでは、機関運転状態、具体的には回転数NE、噴射量Qv、水温Twおよび外気温Taに応じてベースEGR率γbaseを設定できる。
γbase=f(Tw、Ta、NE、Qv) 式4
γbase=f(Tw、Ta、NE、Qv) 式4
ステップS6では、腐食回避EGR率γcrsを決定する。腐食回避EGR率γcrsは第2の目標EGR率であり、噴孔の腐食を回避するためのEGR率である。腐食回避EGR率γcrsには、噴孔の腐食を回避可能な範囲内で最大のEGR率が設定されている。腐食回避EGR率γcrsは一例として、以下の式5によって決定される。式5は腐食回避EGR率マップに基づき腐食回避EGR率γcrsを決定する過程を式で表現したものである。腐食回避EGR率マップでは、ノズル先端温度Tnzlとヘッド熱量Qとに応じて腐食回避EGR率γcrsを設定できる。
γcrs=f(Tnzl、Qi) 式5
γcrs=f(Tnzl、Qi) 式5
ステップS7では、ベースEGR率γbaseが腐食回避EGR率γcrsよりも小さいか否かを判定する。そして、肯定判定であればステップS8に進み、否定判定であればステップS9に進む。ステップS8では、ベースEGR率γbaseを最終EGR率γfとする。ステップS9では、腐食回避EGR率γcrsを最終EGR率γfとする。すなわち、ベースEGR率γbaseと腐食回避EGR率γcrsとのうち小さいほうの目標EGR率を最終EGR率γfとする。最終EGR率γfは、EGRを行う際に実際に適用する目標EGR率である。
ECU150はステップS2でノズル先端温度Tnzlを算出することで、ノズル先端温度Tnzlを取得する第1の取得部として機能する。ECU150は、ステップS4でヘッド熱量Qを算出することで、ヘッド熱量Qを取得する第2の取得部として機能する。ECU150は、ステップS6でノズル先端温度Tnzlとヘッド熱量Qとに基づき、腐食回避EGR率γcrsを決定する決定部として機能する。
決定部としてのECU150は、さらにステップS5で機関運転状態に応じてベースEGR率γbaseを決定するとともに、ステップS7からステップS9でベースEGR率γbaseと腐食回避EGR率γcrsとのうち小さいほうの目標EGR率を最終EGR率γfとする。これにより、噴孔の腐食が回避可能な場合には、燃焼要求に応じたEGR率でEGRを行うことができる。
このように、腐食回避EGR率γcrsを決定することで、噴孔の腐食を防止或いは抑制しつつ、排気エミッションへの影響を最小限に留めることができる。結果、ノズル先端温度Tnzlが低くても(水温Twが低くても)、ヘッド熱量Qが高ければEGRを減量或いはカットせずに済ませることができる。次にこの点についてさらに説明する。
図5(a)から図5(c)はEGRの実行例を示す図である。図5(a)では回転数NEの変化を示す。図5(b)では水温Twとヘッド熱量Qの変化を示す。図5(c)ではEGR量の変化を示す。図5(b)では、EGR率決定要素としてノズル先端温度Tnzlの代わりに水温Twを示す。これは、ノズル先端温度Tnzlが水温Twに比例するためである。この点、EGR率決定要素として水温Twを計測することも、ノズル先端温度Tnzlを取得することに含まれる。図5(a)から図5(c)間で横軸の時間は共通である。
図6は結露発生条件を示すマップ上で、図5(b)に示すEGR率決定要素の推移を示す図である。図5(c)および図6では、EGR率決定要素を水温Twおよびヘッド熱量Qとする場合case1を実線で示し、EGR率決定要素を水温Twとする場合case2を破線で併せて示す。図6に示すマップでは、ノズル先端温度Tnzlとヘッド熱量Qとに応じて結露発生領域と結露回避領域とを設定している。
図5(a)に示すように内燃機関100が運転されると、図5(b)に示すように水温Twは高まり、ヘッド熱量Qは大きくなる。図5(b)に示すように、区間Aではヘッド熱量QがEGR導入閾値を上回る。このため、図5(c)に示すように、case1では区間AでEGRの導入が可能になる。
図5(b)に示すように、区間Bでは水温TwもEGR導入閾値を上回っている。ところが、図6に示すように、case2ではEGR率決定要素が区間Bで結露発生領域にある。このため、図5(b)に示すように、case2では噴孔の腐食発生を回避するためにcase1と比較してEGR量が制限される。
逆に言えば、水温Twおよびヘッド熱量QをEGR率決定要素とするcase1では、区間Bでcase2よりもEGR量を増量することができる。これは、図6に示すように、case1ではEGR率決定要素が区間Bで結露回避領域にあると判断できるためである。図6に示すように、区間Cではcase1、2ともに、EGR率決定要素が結露回避領域にある。このため、図5(b)に示すように、区間Cではcase1、2ともにEGR量を同様に増量できる。
図7(a)、図7(b)はcase1、2で設定可能なEGR率の比較例を示す図である。図7(a)はcase2で設定可能なEGR率の例を示す。図7(b)はcase1で設定可能なEGR率の例を示す。図7(a)、図7(b)では水温Twを併せて示す。図7(a)では、ベースEGR率γbaseを破線で併せて示す。
図7(a)に示すように、case2では水温TwがEGR導入閾値を上回ったときにEGRの導入が開始される。case2では、噴孔の腐食を回避するために、ベースEGR率γbaseよりもEGR率を低く設定する。図7(b)に示すように、case1ではヘッド熱量Qが十分大きければ、水温TwがEGR導入閾値を上回る前にEGRの導入を開始できる。結果、EGR実行領域を拡大できる。また、水温TwがEGR導入閾値を上回った後には、ベースEGR率γbaseよりもEGR率を低く設定しなくて済む。すなわち、ベースEGR率γbaseでEGRを行うことができる。したがって、case1ではcase2よりもEGR量を増量できる。
このように、case1はcase2と比較して噴孔の腐食を回避しつつ、EGR量を増量することができる。したがって、ECU150は噴孔の腐食を防止或いは抑制するにあたり、排気への影響を最小限に留めることができる点で、EGR率を適切に決定できる。
上記実施形態は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
内燃機関 100、100X
シリンダヘッド 101a
インジェクタ 107
外部EGR装置 110
EGR通路 111
EGRバルブ 112
EGRクーラ 113
バイパス通路 114
バイパスバルブ 115
ECU 150
シリンダヘッド 101a
インジェクタ 107
外部EGR装置 110
EGR通路 111
EGRバルブ 112
EGRクーラ 113
バイパス通路 114
バイパスバルブ 115
ECU 150
Claims (1)
- 内燃機関が備えるインジェクタのノズル先端温度を取得する第1の取得部と、
前記内燃機関のシリンダヘッドにおける熱量を取得する第2の取得部と、
前記第1の取得部が取得したノズル先端温度と、前記第2の取得部が取得した熱量とに基づき、目標EGR率を決定する決定部とを備える内燃機関の制御装置。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013235434A JP2015094325A (ja) | 2013-11-13 | 2013-11-13 | 内燃機関の制御装置 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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Cited By (1)
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