JP2016098680A - 内燃機関の排気還流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】湿度の影響を考慮して凝縮水の発生を防止することができる内燃機関の排気還流装置を提供する。
【解決手段】吸気通路に設けられるコンプレッサを含む過給機と、過給圧を調節するアクチュエータと、コンプレッサより下流の吸気通路内における吸気湿度を検出する吸気湿度検出センサと、コンプレッサより下流の吸気通路内における吸気温度を検出する吸気温度検出センサと、を備えた内燃機関の排気還流装置において、吸気露点温度が吸気温度よりも低くなる過給圧を吸気湿度に基づいて算出し、算出した過給圧を目標過給圧としてアクチュエータを制御する手段を備えることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

この発明は、内燃機関の排気還流装置に関する。

従来、内燃機関の吸気通路において凝縮水が発生することが知られている。凝縮水は、吸気温度が吸気露点温度より低くなると発生する。特許文献１には、排気の一部を吸気通路に還流させる排気還流（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）装置を備えた内燃機関において、吸気通路とＥＧＲ通路との接続部分における凝縮水の発生を防止する制御が開示されている。この制御は、上記接続部分におけるＥＧＲガス温度が予め設定される所定値より低い場合、コンプレッサ下流側の吸気を上記接続部分に導入する制御である。この制御が実行されることで、コンプレッサによって圧縮加熱された吸気を上記接続部分に導入することができる。このため、上記接続部分における吸気温度を上昇させて、吸気温度を吸気露点温度より高くすることができる。この結果、上記接続部分における凝縮水の発生を防止することができる。

特開２０１３−０９６３５７号公報 特開２０１２−２４６７９２号公報

ところで、内燃機関の吸気通路において、吸気湿度が高くなると吸気露点温度が高くなることが知られている。このため、吸気湿度が高い場合、吸気露点温度が吸気温度より高くなりやすくなり、凝縮水が発生しやすくなる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、湿度の影響を考慮して凝縮水の発生を防止することができる内燃機関の排気還流装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、
吸気通路に設けられるコンプレッサを含む過給機と、
過給圧を調節するアクチュエータと、
前記コンプレッサより下流の前記吸気通路内における吸気湿度を検出する吸気湿度センサと、
前記コンプレッサより下流の前記吸気通路内における吸気温度を検出する吸気温度センサと、を備えた内燃機関の排気還流装置において、
吸気露点温度が前記吸気温度よりも低くなる過給圧を前記吸気湿度に基づいて算出し、算出した過給圧を目標過給圧として前記アクチュエータを制御する手段を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、吸気露点温度が吸気温度よりも低くなるように過給圧を制御することができる。この結果、吸気通路における凝縮水の発生を防止できる。

実施の形態１のシステムの構成を表した図である。 吸気露点温度と過給圧の関係を示した図である。 実施の形態１のＥＣＵで実行される凝縮水発生防止ルーチンを表した図である。 実施の形態２の２ステージターボチャージャについて説明する図である。 実施の形態２のＥＣＵで実行される凝縮水発生防止ルーチンを表した図である。 実施の形態２のＥＣＵで実行される凝縮水発生防止ルーチンを表した図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１のシステムの構成を表した図である。実施の形態１のシステムは、エンジン１０を備える。エンジン１０は、過給機付きエンジンである。

実施の形態１では過給機として、排気を利用して吸気を圧縮するターボチャージャが採用されている。ターボチャージャは、吸気通路２１に設けられるコンプレッサ３０と排気通路に設けられるタービン３２とが軸を介在して連結される構造をとっている。

また、タービン３２をバイパスするウエイストゲートバルブ３５が備えられている。また、コンプレッサ３０をバイパスするエアバイパスバルブ４６が備えられている。ウエイストゲートバルブ３５、そしてエアバイパスバルブ４６は、過給圧を調節する目的で備えられている。

エンジン本体１８には、吸気通路２１が接続されている。吸気通路２１において、コンプレッサ３０の下流には、水冷式のインタークーラ１４が設けられている。

インタークーラ１４には、冷却水を冷却するラジエータ１２が接続されている。ラジエータ１２には、冷却水を流すための電動ウォーターポンプ１６が設けられている。

また、エンジン１０には、排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路２１に還流するＥＧＲ装置が２つ設けられている。以下にこれらのＥＧＲ装置について説明する。

１つ目のＥＧＲ装置として、ＨＰＬ（High Pressure Loop）ＥＧＲ装置が設けられている。図１において、ＨＰＬＥＧＲ通路４０、ＨＰＬＥＧＲバルブ（不図示）がＨＰＬＥＧＲ装置を構成している。ＨＰＬＥＧＲ通路４０は、エンジン本体１８とタービン３２との間の排気通路と、インタークーラ１４とエンジン本体１８との間の吸気通路２１とを接続している。

２つ目のＥＧＲ装置として、ＬＰＬ（Low Pressure Loop）ＥＧＲ装置が設けられている。図１において、ＬＰＬＥＧＲ通路４５、ＥＧＲクーラ（不図示）、そしてＬＰＬＥＧＲバルブ（不図示）がＬＰＬＥＧＲ装置を構成している。ＬＰＬＥＧＲ通路４５は、触媒より下流の排気通路と、コンプレッサ３０より上流の吸気通路２１とを接続している。

エンジン１０には、各種センサが取り付けられている。コンプレッサ３０とインタークーラ１４との間の吸気通路２１には、吸気温度を検出する吸気温度センサ２０が取り付けられている。コンプレッサ３０とインタークーラ１４との間の吸気通路２１には、吸気湿度を検出する吸気湿度センサ２４が取り付けられている。インタークーラ１４とエンジン本体１８との間の吸気通路２１には、過給圧を検出する過給圧センサ２２が取り付けられている。

実施の形態１のエンジンは、ＥＣＵ１００（Electronic Control Unit）を備えている。ＥＣＵ１００の入力側には、吸気温度センサ２０、過給圧センサ２２、吸気湿度センサ２４等の各種センサが接続されている。ＥＣＵ１００の出力側には、電動ウォーターポンプ１６、ＨＰＬＥＧＲバルブ、ＬＰＬＥＧＲバルブ、ウエイストゲートバルブ３５、エアバイパスバルブ４６等の各種アクチュエータが接続されている。

ところで、吸気通路２１において、吸気温度が吸気露点温度より低くなると、凝縮水が発生する。例えば、エンジン１０の冷間始動時は、エンジン水温が通常運転時に比べて低下しており、吸気通路２１を暖機することができない。このため、エンジン１０の冷間始動時には、吸気温度が吸気露点温度より低くなり、凝縮水が発生しやすい。

また、吸気露点温度は、吸気湿度によって変化する。これは、吸気湿度が上がると吸気中に含まれる水蒸気量が上昇し、これに応じて吸気露点温度も上昇するためである。さらに、吸気露点温度は、過給圧によっても変化する。

そこで、実施の形態１では、吸気露点温度と吸気湿度と過給圧との関係をマップ化して、このマップをＥＣＵ１００に記憶させる。そして、このマップに吸気湿度と仮過給圧が代入されて、吸気温度よりも低くなる吸気露点温度が探索される。そして、探索された吸気露点温度に対応する過給圧が目標過給圧となる。そして、現在の過給圧をこの目標過給圧に近づけるように各アクチュエータが制御される。以下、吸気露点温度と吸気湿度と過給圧との関係のマップについて、図２を参照して説明する。

図２は、吸気露点温度と吸気湿度と過給圧との関係を示した図である。図２には、９０％、７０％、５０％、３０％の４種類の湿度における吸気露点温度と過給圧との関係が示されている。図２に示すように、吸気湿度が高くなるほど吸気露点温度も高くなる。この吸気露点温度と過給圧の関係を示すデータをマップ化したものがＥＣＵ１００に記憶されている。なお、図２のデータは、外気温度が２５℃かつＥＧＲガスの導入がカットされている場合における吸気露点温度と過給圧のデータである。このため、外気温度が変化することで、図２に示す吸気露点温度と過給圧との関係を示す数値が変化する。ＥＣＵ１００には、予め実験で求められた、様々な外気温度における吸気露点温度と過給圧との関係を示すデータがマップ化されて記憶されている。

以下、実施の形態１において、上記マップを用いて行われる凝縮水発生防止制御について、図３を参照して説明する。

［凝縮水発生防止ルーチン］
図３は、実施の形態１のＥＣＵ１００で実行される凝縮水発生防止ルーチンを表した図である。ＥＣＵ１００は、本ルーチンを記憶するためのメモリーを有している。ＥＣＵ１００は、記憶した本ルーチンを実行するためのプロセッサを有している。

まず、ＥＣＵ１００は、冷間始動時かつＥＧＲガスの導入がカットされているか否かを判定する（Ｓ１００）。冷間始動時かつＥＧＲガスの導入がカットされていないと判定された場合、本ルーチンは繰り返される。

一方、ＥＣＵ１００は、冷間始動時かつＥＧＲガスの導入がカットされていると判定した場合、吸気温度及び吸気湿度を検出する（Ｓ１０２）。

次に、ＥＣＵ１００は、目標過給圧を算出する（Ｓ１０４）。ＥＣＵ１００には、図２で説明したマップが予め記憶されており、このマップに外気温度、吸気湿度、仮過給圧を代入して吸気露点温度を算出する。そして、仮過給圧を変化させて、吸気温度よりも低くなる吸気露点温度が得られる仮過給圧を探索する。そして、探索された仮過給圧を目標過給圧に設定する。

次に、ＥＣＵ１００は、現在の過給圧が目標過給圧より高いか否かが判定する（Ｓ１０６）。現在の過給圧が目標過給圧以下の場合、本ルーチンは繰り返される。

一方、現在の過給圧が目標過給圧より高いと判定された場合、ウエイストゲートバルブ３５（ＷＧＶ）が全開であるか否かが判定される（Ｓ１０８）。ウエイストゲートバルブ３５（ＷＧＶ）が全開ではないと判定された場合、ウエイストゲートバルブ３５（ＷＧＶ）の開度が大きく設定される（Ｓ１１４）。その後、本ルーチンは繰り返される。

一方、ＥＣＵ１００は、ウエイストゲートバルブ３５（ＷＧＶ）が全開であると判定した場合、エアバイパスバルブ４６が全開か否かを判定する（Ｓ１１０）。エアバイパスバルブ４６が全開ではないと判定された場合、エアバイパスバルブ４６の開度が大きく設定される（Ｓ１１６）。次に、ウエイストゲートバルブ３５（ＷＧＶ）の開度がベース値に戻される（Ｓ１１２）。これによって、過給遅れを抑制することができる。その後、本ルーチンは繰り返される。

一方、エアバイパスバルブ４６が全開であると判定された場合、ウエイストゲートバルブ３５（ＷＧＶ）の開度がベース値に戻される（Ｓ１１２）。その後、本ルーチンは繰り返される。

実施の形態１の凝縮水発生防止ルーチンが繰り返されることにより、まず、ウエイストゲートバルブ３５の開度を大きくしていき現在の過給圧を目標過給圧に近づけることができる。そして、ウエイストゲートバルブ３５が全開になったときには、エアバイパスバルブ４６の開度を大きくすることで現在の過給圧を目標過給圧に近づけることができる。このように、各アクチュエータを段階的に制御して現在の過給圧を目標過給圧に近づける制御が行われる。

凝縮水発生防止制御を行うことで、吸気露点温度と過給圧の関係を設定したマップに基づいて算出された過給圧になるように各アクチュエータが制御される。過給圧を制御することで、吸気露点温度が吸気温度以下にならないように制御することができる。この結果、吸気通路２１における凝縮水の発生を防止できる。

なお、実施の形態１では、ウエイストゲートバルブ３５によって過給圧が制御されているがこれに限るものではない。例えば、ウエイストゲートバルブ３５の代わりに、タービン３２に設けられる可変ノズル（ＶＮ）を用いて過給圧を制御してもよい。

実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１とターボチャージャの構成が異なる。具体的には、実施の形態２のシステムには、ターボチャージャを２つ備えた２ステージターボチャージャが採用されている。実施の形態２における２ステージターボチャージャについて、図４を参照して説明する。

図４は、実施の形態２の２ステージターボチャージャについて説明する図である。図４に示すように、実施の形態２のシステムには、低圧ターボチャージャ１０２と高圧ターボチャージャ２００とが設けられる。低圧ターボチャージャ１０２は、低圧コンプレッサ６０と低圧タービン６２とが軸を介在して連結される構造をとっている。高圧ターボチャージャ２００は、高圧コンプレッサ７０と高圧タービン７２とが軸を介在して連結される構造をとっている。高圧ターボチャージャ２００は、低圧ターボチャージャ１０２と比べて、エンジン本体１８に近い位置に設置されている。

また、図４に示すように、実施の形態２のシステムには、過給圧を調節する各種バルブが設けられる。高圧コンプレッサ７０をバイパスする通路には、吸気切換弁５０（ＡＣＶ：Ａｉｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅ）が設けられる。高圧タービン７２をバイパスする通路には、排気切換弁５４（ＥＣＶ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅ）が設けられる。低圧タービン６２をバイパスする通路には、排気バイパス弁５２（ＥＢＶ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｂｙｐａｓｓ Ｖａｌｖｅ）が設けられる。

以下、実施の形態２における凝縮水発生防止ルーチンについて、図５を参照して説明する。

図５は、実施の形態２のＥＣＵ１００で実行される凝縮水発生防止ルーチンを表した図である。なお、Ｓ２００、Ｓ２０２、Ｓ２０４、Ｓ２０６は、図３で説明したＳ１００、Ｓ１０２、Ｓ１０４、Ｓ１０６と同様の処理であるため、説明を省略する。

ＥＣＵ１００は、Ｓ２０６において現在の過給圧が目標過給圧より高いと判定した場合、排気切換弁５４（ＥＣＶ）が全開か否かを判定する（Ｓ２０８）。ＥＣＵ１００は、排気切換弁５４が全開ではないと判定した場合、排気切換弁５４の開度を大きくする（Ｓ２１８）。その後、本ルーチンは繰り返される。

一方、ＥＣＵ１００は、排気切換弁５４（ＥＣＶ）が全開であると判定した場合、排気バイパス弁５２（ＥＢＶ）が全開か否かを判定する（Ｓ２１０）。ＥＣＵ１００は、排気バイパス弁５２が全開ではないと判定した場合、排気バイパス弁５２の開度を大きくする（Ｓ２２０）。その後、本ルーチンは繰り返される。

一方、ＥＣＵ１００は、排気バイパス弁５２（ＥＢＶ）が全開であると判定した場合、吸気切換弁５０（ＡＣＶ）が全開か否かを判定する（Ｓ２１２）。ＥＣＵ１００は、吸気切換弁５０が全開ではないと判定した場合、吸気切換弁５０の開度を大きくする（Ｓ２２２）。その後、本ルーチンは繰り返される。

一方、ＥＣＵ１００は、吸気切換弁５０（ＡＣＶ）が全開であると判定した場合、エアバイパスバルブ４６が全開か否かを判定する（Ｓ２１４）。エアバイパスバルブ４６が全開ではないと判定された場合、エアバイパスバルブ４６の開度が大きく設定される（Ｓ２２４）。次に、排気切換弁５４（ＥＣＶ）、排気バイパス弁５２（ＥＢＶ）、吸気切換弁５０（ＡＣＶ）の開度がベース値に戻される（Ｓ２１６）。その後、本ルーチンは繰り返される。

一方、エアバイパスバルブ４６が全開であると判定された場合、排気切換弁５４（ＥＣＶ）、排気バイパス弁５２（ＥＢＶ）、吸気切換弁５０（ＡＣＶ）の開度がベース値に戻される（Ｓ２１６）。その後、本ルーチンは繰り返される。

実施の形態２の凝縮水発生防止ルーチンが繰り返されることにより、まず、排気切換弁５４（ＥＣＶ）の開度を大きくしていき現在の過給圧を目標過給圧に近づけることができる。そして、排気切換弁５４（ＥＣＶ）が全開になったときには、排気バイパス弁５２（ＥＢＶ）の開度を大きくすることで現在の過給圧を目標過給圧に近づけることができる。そして、排気バイパス弁５２（ＥＢＶ）が全開になったときには、吸気切換弁５０（ＡＣＶ）の開度を大きくすることで現在の過給圧を目標過給圧に近づけることができる。このように、各アクチュエータを段階的に制御して現在の過給圧を目標過給圧に近づける制御が行われる。

実施の形態２の変形例について、図６を参照して説明する。

図６は、実施の形態２のＥＣＵ１００で実行される凝縮水発生防止ルーチンを表した図である。以下、図５のルーチンとの相違点についてのみ説明する。

図６に示すルーチンと図５のルーチンの相違点は、排気バイパス弁５２（ＥＢＶ）の全開判定（Ｓ３１２）と、吸気切換弁５０（ＡＣＶ）の全開判定（Ｓ３１４）とが入れ替わっている点である。

１０ エンジン
１８ エンジン本体
２０ 吸気温度センサ
２２ 過給圧センサ
２４ 吸気湿度センサ
３０ コンプレッサ
３２ タービン
３５ ウエイストゲートバルブ
４６ エアバイパスバルブ
１００ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 吸気通路に設けられるコンプレッサを含む過給機と、
   過給圧を調節するアクチュエータと、
   前記コンプレッサより下流の前記吸気通路内における吸気湿度を検出する吸気湿度センサと、
   前記コンプレッサより下流の前記吸気通路内における吸気温度を検出する吸気温度センサと、を備えた内燃機関の排気還流装置において、
   吸気露点温度が前記吸気温度よりも低くなる過給圧を前記吸気湿度に基づいて算出し、算出した過給圧を目標過給圧として前記アクチュエータを制御する手段を備えることを特徴とする内燃機関の排気還流装置。

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