特許第6672992号(P6672992)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6672992
(24)【登録日】2020年3月9日
(45)【発行日】2020年3月25日
(54)【発明の名称】内燃機関の制御装置
(51)【国際特許分類】
   F01N 5/02 20060101AFI20200316BHJP
【FI】
   F01N5/02 G
【請求項の数】1
【全頁数】8
(21)【出願番号】特願2016-88327(P2016-88327)
(22)【出願日】2016年4月26日
(65)【公開番号】特開2017-198119(P2017-198119A)
(43)【公開日】2017年11月2日
【審査請求日】2019年4月18日
(73)【特許権者】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100106150
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 英樹
(74)【代理人】
【識別番号】100082175
【弁理士】
【氏名又は名称】高田 守
(74)【代理人】
【識別番号】100113011
【弁理士】
【氏名又は名称】大西 秀和
(72)【発明者】
【氏名】発田 崇
【審査官】 櫻田 正紀
(56)【参考文献】
【文献】 実開昭59−146538(JP,U)
【文献】 実開昭59−119976(JP,U)
【文献】 実開昭59−090076(JP,U)
【文献】 実開昭55−083256(JP,U)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F01N 5/02
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
内燃機関のシリンダブロックに形成されて前記内燃機関の排気通路から分岐した第1分岐通路に接続された内部通路と、前記第1分岐通路よりも下流側において前記排気通路から分岐すると共に前記内部通路に接続された第2分岐通路と、前記第1分岐通路に設けられて前記第1分岐通路から前記内部通路への排気の流入を制御する制御弁と、前記第2分岐通路に設けられて前記第2分岐通路を流れる排気の温度を検出する温度センサと、を備える内燃機関を制御するように構成された内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関の始動時において、前記第1分岐通路との接続部よりも上流側の前記排気通路を流れる排気の温度が前記内部通路の壁面温度よりも高く、尚且つ、前記第2分岐通路を流れる排気の温度が前記第2分岐通路を流れる排気中の水蒸気が凝縮し始める温度を下回る場合に、前記第1分岐通路から前記内部通路への排気の流入を許可するように構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、内燃機関の制御装置に関し、より詳細には、排気を導入可能に構成されたシリンダブロックを備える内燃機関を制御する内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【0002】
特開2004−108256号公報には、内燃機関の冷間始動時に、当該内燃機関の排気通路を流れる排気の一部を当該内燃機関のシリンダブロックに形成した内部通路に導入するように構成した内燃機関の制御装置が開示されている。内燃機関の冷間始動時に排気の一部をシリンダブロックに形成した内部通路に導入すれば、当該内燃機関の暖機を促進でき、また、当該内燃機関のピストンとシリンダ壁とのフリクションを低減して燃費向上を図ることもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2004−108256号公報
【特許文献2】特開2001−152960号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、上述した排気の内部通路への導入は、シリンダブロックの構成部材(例えばシリンダ壁)よりも高温の排気による当該構成部材への伝熱を期待したものであり、内部通路に導入される排気の流量が多くなるほど当該構成部材への伝熱量を多くすることができる。しかし、排気から内部通路への熱伝達は基本的に効率が低い。また、内燃機関の冷間始動時は、そもそも、高温の排気が得られ難く、排気の流量もそれ程多くない。故に、内燃機関の冷間始動時にシリンダブロックの内部通路に排気を導入する場合は、排気から内部通路への効率的な熱伝達を実現するための改良が必要であるといえる。
【0005】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の冷間始動時にシリンダブロックの内部通路に排気を導入する場合において、排気から内部通路への熱伝達を効率的に行うことのできる新たな構成を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関のシリンダブロックに形成されて前記内燃機関の排気通路から分岐した第1分岐通路に接続された内部通路と、前記第1分岐通路よりも下流側において前記排気通路から分岐すると共に前記内部通路に接続された第2分岐通路と、前記第1分岐通路に設けられて前記第1分岐通路から前記内部通路への排気の流入を制御する制御弁と、前記第2分岐通路に設けられて前記第2分岐通路を流れる排気の温度を検出する温度センサと、を備える内燃機関を制御するように構成されており、前記内燃機関の始動時において、前記第1分岐通路との接続部よりも上流側の前記排気通路を流れる排気の温度が前記内部通路の壁面温度よりも高く、尚且つ、前記第2分岐通路を流れる排気の温度が前記第2分岐通路を流れる排気中の水蒸気が凝縮し始める温度を下回る場合に、前記第1分岐通路から前記内部通路への排気の流入を許可するように構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【0007】
本発明に係る内燃機関の制御装置では、内燃機関の始動時において、内燃機関からの排出直後の排気の温度が内部通路の壁面温度よりも高く、尚且つ、第2分岐通路を流れる排気の温度が第2分岐通路を流れる排気中の水蒸気が凝縮し始める温度を下回る場合に、第1分岐通路から内部通路への排気の流入が許可される。内燃機関からの排出直後の排気の温度が内部通路の壁面温度よりも高ければ、第1分岐通路から内部通路へ排気を流入させることで内部通路の壁面を温めることができる。また、第2分岐通路を流れる排気の温度が第2分岐通路を流れる排気中の水蒸気が凝縮し始める温度を下回るということは、第2分岐通路よりも上流側の内部通路を流れた際に、内部通路の壁面に排気が接することで冷やされた結果、当該排気中の水蒸気が凝縮していることを意味する。従って本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、内部通路に流す排気中の水蒸気の凝縮に伴って放出される熱を内部通路の壁面に移動させることができるので、内燃機関の冷間始動時においても内部通路の壁面を効率よく温めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
図1】本発明の各実施の形態に係るシステム構成を説明する図である。
図2】水蒸気含有量の異なる2種類の排気をエンジン壁に接触させたときに当該排気から当該エンジン壁に移動する熱量と、エンジン壁への接触後における当該2種類の排気の温度との関係を示した図である。
図3】本発明の実施の形態1においてECU30が実行する処理の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【0010】
実施の形態1.
先ず、図1乃至図3を参照して、本発明の実施の形態1について説明する。
【0011】
[システム構成の説明]
図1は、本発明の実施の形態1に係るシステム構成を説明する図である。図1に示すシステムは、内燃機関10を備えている。内燃機関10は例えば車両に搭載される直列4気筒ガソリンエンジンであり、内燃機関10に吸入されるガス(吸気)が流れる吸気通路12と、内燃機関10から排出されるガス(排気)が流れる排気通路14と、を備えている。排気通路14は途中2箇所で分岐しており、排気流れ方向の上流側に分岐通路(第1分岐流路)16が位置し、同方向の下流側に分岐通路(第2分岐流路)18が位置している。分岐通路16,18は、内燃機関10の内部(より正確には内燃機関10のシリンダブロックの内部)に形成された内部通路20を介して接続されている。分岐通路16には、分岐通路16から内部通路20に流入する排気の流量を調整可能な制御弁22が設けられている。分岐通路18には、分岐通路18を流れる排気の温度TEXを検出する温度センサ24が設けられている。
【0012】
また、図1に示すシステムは、制御装置としてのECU(Electronic Control Unit)30を備えている。ECU30は、例えばRAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、CPU(Central Processing Unit)を備えている。ECU30は、車両に搭載された各種センサの信号を取り込んで処理する。各種センサには、上述した温度センサ24が少なくとも含まれている。ECU30は、取り込んだ各センサの信号を処理して所定の制御プログラムに従って各種アクチュエータを操作する。ECU30によって操作されるアクチュエータには、上述した制御弁22が少なくとも含まれている。
【0013】
[ECU30による始動時制御]
本実施の形態では、図1に示したECU30による内燃機関10の冷間始動時の制御として、制御弁22を開く制御(以下「始動時開弁制御」ともいう。)が行われる。図1に示した内燃機関10の排気側に示す矢印は、制御弁22を開いた場合に生じる排気の流れを表したものである。この矢印から分かるように、制御弁22を開くと、内燃機関10からの排気の一部が分岐通路16に導入され、ここから内部通路20、分岐通路18の順に流れ、排気通路14に戻る。排気が内部通路20を流れる際、当該排気の温度が内部通路20の壁面の温度よりも高いと、当該排気から当該壁面へ熱が移動する。これにより、内部通路20の壁面が温められて内燃機関10の冷却水やオイルが温められる。
【0014】
始動時開弁制御では、内部通路20に流す排気中の水蒸気の凝縮に伴って放出される熱を内部通路20の壁面に移動させるべく、制御弁22の開弁タイミングと開弁期間とが制御される。具体的には、分岐通路16よりも上流側の排気通路14を流れる排気の温度が内燃機関10の冷却水温よりも高いと判断されたタイミングで制御弁22を開き始める。また、制御弁22を開いた後において、分岐通路18を流れる排気の温度TEXが露点を下回っていると判断されている間は制御弁22を開き側にする制御を続けて排気流量を多くして伝達熱量を増加させる。また、温度TEXが露点を上回ったと判断されたタイミングで制御弁22を閉じ側に制御し、排気流量を減らす。それにより、排気側が冷え易くなり、温度TEXが露点よりも僅かに低くなる状態で制御できるので、水蒸気の凝縮熱を制御弁22が完全に閉じるまで有効に内部通路20の壁面に与え続けることができる。ここでいう露点とは、分岐通路18を流れる排気中の水蒸気が凝縮し始める温度を意味している。
【0015】
内燃機関10から排出された直後の排気の温度、つまり、分岐通路16との接続部よりも上流側の排気通路14を流れる排気の温度は水の沸点(約100℃)よりも高くなることから、ここを流れる間に排気中の水蒸気が凝縮することは殆どない。また、制御弁22を開けば、上述したように、内燃機関10からの排気の一部が分岐通路16に導入され、ここから内部通路20、分岐通路18の順に流れることになる。従って、分岐通路18を流れる排気の温度TEXが露点を下回っているということは、分岐通路18よりも上流側の内部通路20を流れた際に、内部通路20の壁面に排気が接することで冷やされた結果、当該排気中の水蒸気が凝縮していることを意味する。
【0016】
ここで、水蒸気含有量の異なる2種類の排気が有する熱量を比較すると、相対的に水蒸気含有量の多い排気の熱量の方が、水蒸気の潜熱差分だけ高くなる。図2は、水蒸気含有量の異なる2種類の排気をエンジン壁(具体的には内部通路20の壁面)に接触させたときに当該排気から当該エンジン壁に移動する熱量と、エンジン壁への接触後における当該2種類の排気の温度(具体的には温度TEX)との関係を示した図である。但し、この図の関係は、水蒸気含有量のみを変えた排気をエンジン壁に接触させることを前提としている。すなわち、エンジン壁に接触させる排気の流量や、排気接触前のエンジン壁の温度は同一条件とされている。
【0017】
図2に実線で示す排気(乾燥ガス)と破線で示す排気(湿潤ガス)を比較すると分かるように、排気の水分凝縮温度(約100℃)よりも低い温度域では、排気から当該エンジン壁に移動する熱量が多くなる。エンジン壁への接触後における排気の温度が水分凝縮温度よりも低いということは、エンジン壁への接触によって排気中の水蒸気が凝縮するまで排気が冷やされていることを意味しており、故に、水分凝縮温度よりも低い温度域では、排気からエンジン壁へ移動する熱量が、排気がエンジン壁に接触することで移動する熱量(排気ガス−エンジン壁熱伝達熱量)と、水蒸気の凝縮に伴って放出される熱量(排気中の水分の凝縮伝達熱量)との和に等しくなる。
【0018】
従って、内部通路20に流す排気中の水蒸気の凝縮に伴って放出される熱を内部通路20の壁面に移動させる始動時開弁制御によれば、高温の排気が得られ難く、また、排気の流量もそれ程多くない内燃機関10の冷間始動時においても、内部通路20の壁面を効率よく温めて、内燃機関10の冷却水やオイルを温めることができる。よって、内燃機関10のピストンとシリンダ壁とのフリクションの更なる低減や、燃費の向上を実現することができる。
【0019】
[具体的処理]
図3は、本発明の実施の形態1においてECU30が実行する処理の一例を示すフローチャートである。なお、図3に示すルーチンは、内燃機関10の始動直後から繰り返し実行されるものとする。
【0020】
図3に示すルーチンでは、先ず、被加熱部の温度が内燃機関10からの排気の温度を下回るか否かが判定される(ステップS10)。本ステップにおいてECU30は、例えば内燃機関10のウォータージャケットの出口部に設けた温度センサの検出値を用いて被加熱部(つまり、内部通路20の壁面)の温度を推定すると共に、推定した被加熱部の温度を、内燃機関10の排気マニホルドに設けた温度センサの検出値と比較することで両者の大小関係を判定する。判定の結果、被加熱部の温度が排気の温度を下回ると判定された場合(“YES”の場合)、ECU30は制御弁22を開き側に制御する(ステップS12)。一方、そうでないと判定された場合(“NO”の場合)は、制御弁22を開いても排気から被加熱部に熱が移動しないと判断できるので、ステップS16に進み制御弁22を閉じ側に制御する。
【0021】
ステップS12に続き、ECU30は、被加熱部に接触した後の排気の温度が水分凝縮温度を上回るか否かが判定される(ステップS14)。本ステップにおいてECU30は、温度センサ24の検出値(つまり温度TEX)と、別途算出した分岐通路18を流れる排気の露点とを比較することで両者の大小関係を判定する。判定の結果、被加熱部に接触した後の排気の温度が水分凝縮温度を上回ると判定された場合(“YES”の場合)は、内部通路20の壁面の温度がある程度上昇しており、内部通路20に流した排気中の水蒸気を凝縮することができないと判断できるので、ECU30はステップS16に進み制御弁22を閉じ側に制御する。一方、そうでないと判定された場合(“NO”の場合)、ECU30はステップS10に戻る。
【0022】
ステップS16に続き、ECU30は、制御弁22が完全に閉じられたか否かを判定する(ステップS18)。そして、制御弁22が完全に閉じられたと判定された場合(“YES”の場合)、ECU30本ルーチンによる処理を終了する。一方、そうでないと判定された場合(“NO”の場合)、ECU30はステップS10に戻る。
【0023】
以上、図3に示したルーチンによれば、被加熱部の温度が排気の温度を下回ると判定された場合に、制御弁22を開き側に制御することができる。そのため、内部通路20に流す排気中の水蒸気の凝縮に伴って放出される熱を内部通路20の壁面に移動させることができるので、内燃機関10の冷間始動時においても、内部通路20の壁面を効率よく温めて、内燃機関10の冷却水やオイルを温めることができる。
また、図3に示したルーチンによれば、ステップS10において被加熱部の温度が排気の温度を上回ると判定された場合(“NO”の場合)、ステップS16に進んで制御弁22を閉じ側に制御することができる。ステップS10において被加熱部の温度が排気の温度を上回ると判定された場合に制御弁22を閉じ側に制御することで、排気側が冷え易くなり、温度TEXが露点よりも僅かに低くなる状態で制御できるので、水蒸気の凝縮熱を制御弁22が完全に閉じるまで有効に内部通路20の壁面に与え続けることができる。また、ステップS10において被加熱部の温度が排気の温度を上回ると判定された場合に制御弁22を閉じ側に制御することで、内燃機関10の一時的な停止の後の再始動時といった、被加熱部の温度が排気の温度よりも高いような場合に低温の排気によって被加熱部の温度が下がり、燃費が悪化するような事態を未然に防ぐこともできる。
【0024】
実施の形態2.
次に、本発明の実施の形態2について説明する。
なお、本実施の形態のシステムは図1で説明した構成を前提としている。
【0025】
本実施の形態では、始動時開弁制御を行っている際に、内燃機関10の運転状態(一例としてエンジン回転速度とエンジン負荷)と、制御弁22の開度とに基づいて内部通路20に生じている凝縮水の蓄積量をECU30において推測する。そして、推測した蓄積量が設定値以上の場合には、内燃機関10の暖機完了後であって、内燃機関10から排出された直後の排気の温度と流量が各設定値以上であることを条件として、ECU30によって制御弁22を一時的に開く制御(暖機後水除去制御)を行う。内燃機関10から排出された直後の排気の温度は、例えば内燃機関10のウォータージャケットの出口部に設けた温度センサの検出値から取得できる。内燃機関10から排出された直後の排気の流量は、例えば吸気通路12の入口部に設けたエアフローメータから推定できる。
【0026】
上記実施の形態1で説明した始動時開弁制御を行えば、内部通路20で凝縮水が生じることになる。そのため、内部通路20で生じた凝縮水が溜まり続けると、内部通路20の詰まりが生じるおそれがある。また、排気中には酸性成分が含まれることから、内部通路20に凝縮水が長時間留まり続ければこの凝縮水が酸性化して内部通路20の壁面を腐食するおそれもある。この点、内燃機関10から排出された直後の排気の温度と流量が各設定値以上である場合に暖機後水除去制御を行えば、内部通路20に導入した高温の排気によって内部通路20に溜まった凝縮水を分岐通路18側に排出し、または、蒸発させることができる。よって、上述した不具合の発生を抑えることができる。
【0027】
実施の形態3.
次に、本発明の実施の形態3について説明する。
なお、本実施の形態のシステムは図1で説明した構成を前提としている。
【0028】
本実施の形態では、内燃機関10の暖機完了後において、機関温度を高温に維持する要求がある場合には、内燃機関10から排出された直後の排気の温度が温度TEXよりも設定値以上高く、尚且つ、当該排気の流量が設定値以上であることを条件として、ECU30によって制御弁22を開く制御(暖機後加熱制御)を行う。内燃機関10から排出された直後の排気の温度は、例えば内燃機関10のウォータージャケットの出口部に設けた温度センサの検出値から取得できる。内燃機関10から排出された直後の排気の流量は、例えば吸気通路12の入口部に設けたエアフローメータから推定できる。
【0029】
上記実施の形態2で説明したように、内部通路20には凝縮水が溜まっていることから、暖機後水除去制御を行ってこの凝縮水を蒸発させれば、内部通路20の壁面から熱が奪われることになる。本実施の形態でも同様で、暖機後加熱制御を行えば、内部通路20に溜まった凝縮水の蒸発に伴って内部通路20の壁面から熱が奪われることになる。但し、暖機後加熱制御は、内燃機関10から排出された直後の排気の温度が温度TEXよりも設定値以上高く、尚且つ、当該排気の流量が設定値以上である場合に行われることから、凝縮水の気化による損失よりも多くの熱を、排気から内部通路20の壁面に移動させることができる。よって、内部通路20の壁面を効率よく温めて機関温度を高温に維持し、燃費を向上させることができる。
【符号の説明】
【0030】
10 内燃機関
12 吸気通路
14 排気通路
16,18 分岐通路
20 内部通路
22 制御弁
24 温度センサ
30 ECU
図1
図2
図3