(57)【要約】【課題】ＮＯｘの低減を図りつつ、スモークの低減と燃費の悪化防止とを両立することができる内燃機関の吸気制御装置を提供する。【解決手段】排気管と吸気管との間に、ＥＧＲクーラとＥＧＲバルブとＥＧＲバルブの開度を検出するセンサとを備えたＥＧＲ配管が接続している内燃機関と、ＥＧＲクーラとＥＧＲバルブとの間に設けられるＥＧＲガスを冷却する際に生じる凝縮水を貯蔵するタンクと、吸気管にレギュレータによって調圧された水蒸気を噴射するインジェクタと、所定のＥＧＲガスの量に対して筒内に充填されるガスの比熱比、酸素質量、モル数を算出し、算出された比熱比、酸素質量、モル数と等しくなるように前記所定のＥＧＲガスの量を水蒸気に置き換えたときの水蒸気量を算出し、ＥＧＲバルブを全閉にして、算出した水蒸気量と等しい量の水蒸気をインジェクタにて吸気管に供給することを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気管と吸気管とを接続するＥＧＲ管と、前記ＥＧＲ管に配置されたＥＧＲクーラとＥＧＲバルブとＥＧＲバルブの開度を検出するセンサとを備えたＥＧＲ装置と、
前記ＥＧＲクーラと前記ＥＧＲバルブとの間に設けられるＥＧＲガスを冷却する際に生じる凝縮水を貯蔵するタンクと、
排気の熱エネルギーを利用して凝縮水を蒸発させ水蒸気を得る熱交換器と、
前記タンクから前記熱交換器に凝縮水を圧送するポンプと、
水蒸気を調圧するレギュレータと、
前記吸気管に前記レギュレータによって調圧された水蒸気を噴射するインジェクタと、を備えた内燃機関の吸気制御装置において、
所定のＥＧＲガスの量に対して筒内に充填されるガスの比熱比、酸素質量、モル数を算出する算出手段と、
前記算出手段によって算出された比熱比、酸素質量、モル数と等しくなるように前記所定のＥＧＲガスの量を水蒸気に置き換えたときの水蒸気量を算出し、前記ＥＧＲバルブを全閉にして、算出した水蒸気量と等しい量の水蒸気を前記インジェクタにて前記吸気管に供給する供給手段と、
を備えることを特徴とした内燃機関の吸気制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の吸気制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、排気の一部（以下、ＥＧＲガスという。）を吸気系に還流して燃焼を緩慢にし、燃焼温度を下げることによりＮＯｘの低減を図るようにした排気再循環装置（以下、ＥＧＲ装置という。）を備えた内燃機関が知られている。一般的なＥＧＲ装置は、ＥＧＲガスを吸気系に導通させるためのＥＧＲ配管と、そのＥＧＲ配管に設けられるＥＧＲクーラ、ＥＧＲバルブなどを有する。ＥＧＲクーラは、ＥＧＲガスを冷却して燃焼室に供給するＥＧＲガスの量を増加させるために設けられている。
【０００３】
上記のＥＧＲ装置を備えた内燃機関において、ＥＧＲクーラでＥＧＲガスを冷却する際に、ＥＧＲクーラの低温の管壁に結露水が付着するという問題がある。そこで、特許文献１の記載の技術では、ＥＧＲクーラでＥＧＲガスを冷却することによって生じる凝縮水を吸気通路に供給する手法が採用されている。凝縮水を吸気通路に供給することで、燃焼温度が低下する。これにより、ＮＯｘ排出量を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２５０３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、引用文献１に記載の内燃機関の筒内に凝縮水を供給すると、蒸発潜熱により水の気化にエネルギーを消費するため、燃費が悪化してしまう恐れがある。また、引用文献１に記載の内燃機関において、ＥＧＲガスの量を増加させすぎるとスモークが増えてしまうという課題がある。
【０００６】
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、ＮＯｘの低減を図りつつ、スモークの低減と燃費の悪化防止とを両立することができる内燃機関の吸気制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の吸気制御装置であって、
排気管と吸気管との間に、ＥＧＲクーラとＥＧＲバルブとＥＧＲバルブの開度を検出するセンサとを備えたＥＧＲ配管が接続している内燃機関と、
前記ＥＧＲクーラと前記ＥＧＲバルブとの間に設けられるＥＧＲガスを冷却する際に生じる凝縮水を貯蔵するタンクと、
排気の熱エネルギーを利用して凝縮水を蒸発させ水蒸気を得る熱交換器と、
前記タンクから前記熱交換器に凝縮水を圧送するポンプと、
水蒸気を調圧するレギュレータと、
前記吸気管に前記レギュレータによって調圧された水蒸気を噴射するインジェクタと、を備えた内燃機関の吸気制御装置において、
所定のＥＧＲガスの量に対して筒内に充填されるガスの比熱比、酸素質量、モル数を算出する算出手段と、
前記算出手段によって算出された比熱比、酸素質量、モル数と等しくなるように前記所定のＥＧＲガスの量を水蒸気に置き換えたときの水蒸気量を算出し、前記ＥＧＲバルブを全閉にして、算出した水蒸気量と等しい量の水蒸気を前記インジェクタにて前記吸気管に供給する供給手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
第１の発明によれば、ＮＯｘの低減を図りつつ、スモークの低減と燃費の悪化防止とを両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１におけるシステム構成を示した図である。
【図２】実施の形態１においてＥＣＵ１６で行われる噴射量の算出ルーチンである。
【図３】実施の形態１における雰囲気密度とスモーク排出量の関係、雰囲気密度と噴霧体積の関係を示す図である。
【図４】実施の形態２におけるシステム構成を示した図である。
【図５】実施の形態３におけるシステム構成を示した図である。
【図６】実施の形態４におけるシステム構成を示した図である。
【図７】実施の形態５における燃焼室を示した図である。
【図８】実施の形態５においてＥＣＵで行われる噴射量の算出ルーチンである。
【図９】実施の形態５において水蒸気を噴射する時期を説明するための図である。
【図１０】実施の形態５において水蒸気を噴射する時期を説明するための図である。
【図１１】図９に示すパターンでのピストン位置と水蒸気を噴射する噴射時期の一例である。
【図１２】水蒸気を噴射するインジェクタからの噴霧方向を吸気バルブ方向とすることを説明するための図である。
【図１３】水蒸気を噴射するインジェクタからの噴霧方向を吸気バルブ方向とすることを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１におけるシステム構成を示した図である。図１の内燃機関は、各シリンダ１に燃料を噴射する燃料噴射弁２を備えた圧縮着火式の内燃機関である。各シリンダ内には、ピストン３がシリンダ軸方向へ摺動自在に挿入されている。図１には示されていないが、ピストン３は、コネクティングロッドを介してクランクシャフトに連結されている。ピストン３の往復運動は、クランクシャフトにおいて回転運動に変換されて外部に伝達される。各シリンダ１には、吸気管４を通って空気が供給される。吸気管４には、吸気ポート５及び吸気ポート５を開閉する吸気バルブ６が設けられている。
【００１１】
また、燃焼後に発生する排気は排気管７を通して排出される。排気管７には、排気ポート８及び排気ポート８を開閉する排気バルブ９が設けられている。排気ポート８及び排気バルブ９は、各シリンダ１に連結している。吸気管４と排気管７は、過給機１０に接続している。排気通路を通過する排気ガスにより過給機１０のタービンが回転することで、排気側のタービンと連結した吸気側のコンプレッサが回転して、吸入した空気は圧縮され各シリンダ１に送られる。過給機１０で圧縮された空気は高温状態となるため、充填効率を高めるため吸気管４に設けたインタークーラ１１にて冷却される。インタークーラ１１にて冷却された吸入空気は吸気絞り弁１２、吸気ポート５を介して各シリンダ１に充填される。
【００１２】
吸気管４と排気管７との間には、ＥＧＲクーラ１３とＥＧＲバルブ１４を備えたＥＧＲ配管１５が接続している。排気の一部はＥＧＲクーラ１３で冷却され、ＥＧＲ配管１５を介して吸気管４に循環される。
【００１３】
実施の形態１の内燃機関には、燃焼状態を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１６が設けられている。ＥＣＵ１６には、ＥＧＲバルブ１４の開度を検出するセンサ１７、図示はしないが吸入空気量を検出するエアフローメータ、水温センサ、アクセルの開度を検出するアクセル開度センサなど各種センサの出力情報が入力される。これにより、内燃機関の運転状態や各シリンダ１内の状態を把握することができる。ＥＧＲクーラ１３を介して吸気管４に循環した排気のガス量（ＥＧＲガス量）は、ＥＣＵ１６にてマッピングされたデータをもとにＥＧＲバルブ１４の開度を設定することで制御する。吸気に排気の一部が循環されることで、各シリンダ１に吸入されるガスの酸素濃度は減少し、かつ空気より比熱比の小さいＣＯ２が増えることで燃焼温度は低下し、燃焼にて生成されるＮＯｘが減る。
【００１４】
しかし、高負荷運転などの条件にてＮＯｘを抑制するには、多量のＥＧＲガス量が必要となる。ＥＧＲガス量を増加させると酸素濃度が減少するため、スモークが増加することは公知として知られている。ＥＧＲガス量の増加による雰囲気の変化点としては、酸素濃度以外にも気体密度の増加が挙げられる。
【００１５】
図３は、実施の形態１における雰囲気密度とスモーク排出量の関係、雰囲気密度と噴霧体積の関係を示す図である。図３に示すように、等酸素濃度下においても、雰囲気密度を減少させることで燃料噴射弁２から噴射される燃料がより拡散し、スモークが減少する。
【００１６】
そこで、実施の形態１ではＣＯ２に比べて気体密度が小さく、空気に比べて比熱比の小さい水を筒内に供給することで、ＮＯｘとスモーク低減の両立を図る。ただし、水を液体の状態で筒内に供給すると、蒸発潜熱により水の気化にエネルギーを消費するため、燃費が悪化し、ガス温度の低下による着火遅れの増大で未燃ＨＣが増加する。このため、実施の形態１では、水を蒸気の状態で筒内に供給する。
【００１７】
水の供給方法を以下に示す。ＥＧＲクーラ１３にて吸気管４に循環する排気ガスを冷却する際、低温のＥＧＲクーラ１３の管壁に排気ガス中の水蒸気が結露し、凝縮水が生じる。本発明では、供給する水を別途用意しなくても良いように、このＥＧＲ凝縮水を利用する。
【００１８】
図１に示すように、ＥＧＲクーラ１３を排気ガスの流入側が流出側よりも高い位置となるように傾斜して設置する。これにより、凝縮水の排気側への流出が防止でき、凝縮水はＥＧＲクーラ１３の出口側に流れる。ＥＧＲ配管１５はＥＧＲクーラ１３の傾斜に合わせた角度で設置するが、図１で示すように、途中で上向きに配管を曲げて吸気管４と接続する。ＥＧＲ配管１５にて上向きに配管を曲げたコーナ部には別途配管を下向きに設け、この配管には貯蔵タンク１８を取り付ける。これにより、ＥＧＲクーラ１３で生成された凝縮水はＥＧＲ配管１５を伝って貯蔵タンク１８に貯留され、吸気管４に液体として流入することを防ぐことができる。
【００１９】
なお、凝縮水が吸気管４に流入せずに貯蔵タンクに貯留できる構造であれば、配管形状や凝縮水の補水方法は図１に示す以外でもよい。貯蔵タンク１８には液面計１９が設けられており、貯蔵タンク１８内の凝縮水が所定の貯留量以下になるとＥＣＵ１６に信号を出力する。貯蔵タンク１８内の凝縮水は、圧送ポンプ２０を介して熱交換器２１に送られる。熱交換器２１内には排気ガスの一部を導入し、排気ガスと凝縮水の間で熱交換を行うことで、凝縮水を沸騰させて水蒸気に相変化させる。熱交換器２１の下流側の配管にはレギュレータ２２を設け、配管内の水蒸気が所定の圧力になるように調圧する。
【００２０】
レギュレータ２２の設定圧は、過給圧よりも高い圧力に設定される。レギュレータ２２によって調圧された水蒸気は、ガス噴射用インジェクタを転用した水蒸気噴射用インジェクタ２３にて吸気管４に噴射する。水蒸気の噴射量は、ＥＣＵ１６にて水蒸気噴射用インジェクタ２３の噴射期間を変更することで制御する。噴射量の算出方法について図２を参照して説明する。
【００２１】
図２は、実施の形態１においてＥＣＵ１６で行われる噴射量の算出ルーチンである。ＥＣＵ１６は、本ルーチンを記憶するためのメモリーを有している。ＥＣＵ１６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。
【００２２】
まず、ＥＣＵ１６は、貯蔵タンク１８の液面が所定値より高いか否かを判定する（Ｓ１００）。ＥＣＵ１６は、貯蔵タンク１８の液面が所定値以下であると判定した場合、通常のＥＧＲ制御を実行する（Ｓ１０２）。
【００２３】
一方、ＥＣＵ１６は、貯蔵タンクの液面が所定値より高いと判定した場合、目標ＥＧＲ率、各エンジン条件における排気ガス成分から、吸気のガス成分を算出する（Ｓ１０４）。
【００２４】
次に、ＥＣＵ１６は、過給圧、吸気温度、及び化学便覧などに記載されている各排気ガス成分の比熱比と温度・圧力の関係式を用いて、各シリンダ１に充填されるガスの酸素質量、モル数、比熱比を算出する（Ｓ１０６）。
【００２５】
次に、ＥＣＵ１６は、ＥＧＲガスの全量を水蒸気に置き換えたと仮定し、酸素質量、モル数、比熱比が等しくなる水蒸気の量と吸入される新気の質量を算出する（Ｓ１０８）。
【００２６】
次に、ＥＣＵ１６は、水蒸気噴射用インジェクタ２３の噴射期間、吸気絞り弁１２の開度を算出する（Ｓ１１０）。
【００２７】
次に、ＥＣＵ１６は、ＥＧＲバルブ１４を全閉にして、Ｓ１１０で算出した吸気絞り弁１２の開度において水蒸気を吸気管４に噴射する（Ｓ１１２）。
【００２８】
水の分子量はＣＯ２よりも小さいため、ＥＧＲガスの全量に対して等モル数の水蒸気に置き換わることで各シリンダ１に充填されるガスの気体密度は低減する。
【００２９】
実施の形態１の構成でＥＧＲガスの代わりに水蒸気噴射を行うことで、筒内に充填される酸素質量が等しく、ガス密度のみが減少することで、噴霧の拡散によりスモークが低減し、かつ比熱比も等しいため、ＥＧＲを行うのと同等の火炎温度、すなわちＮＯｘの低減を図ることができる。また、ＥＧＲガスと等モル数の水蒸気を各シリンダ１に充填するため筒内圧の低下は生じない。加えて、水の供給量は最小限に制御され、水の気化には排気廃熱を利用するため、燃費の悪化を抑制でき、蒸発潜熱による筒内ガス温度の低下に伴うＨＣの増加や失火も防ぐことができる。なお、図１では吸気管４に水蒸気を噴射しているが、各シリンダ１や吸気ポート５に水蒸気噴射用インジェクタ２３を設け、水蒸気を噴射する構成にしても同様の効果が得られる。
【００３０】
実施の形態２．
実施の形態２について、図４を参照して説明する。図４は、実施の形態２におけるシステム構成を示した図である。実施の形態２では、実施の形態１で用いた熱交換器２１の代わりに、エンジンのラジエータ３１を用いて、ＥＧＲクーラ１３で生じる凝縮水の蒸発を行う。ラジエータ３１に、冷却水配管に加えて凝縮水を通過させる配管を別途設け、エンジンからラジエータ３１に流入する高温の冷却水と熱交換させることで凝縮水を蒸発させる。
【００３１】
実施の形態２では、別途に熱交換器２１を用意する必要がないため、コストの低減を図ることができる。なお、凝縮水を蒸発させる熱交換器２１の代わりとしては、ラジエータ３１の他に、インタークーラ１１やＥＧＲクーラ１３を利用してもよい。
【００３２】
実施の形態３．
実施の形態３について、図５を参照して説明する。図５は、実施の形態３におけるシステム構成を示した図である。実施の形態３は、実施の形態１の熱交換器２１とレギュレータ２２、インタークーラ１１を取り外し、吸気管４に直接水を噴射する構成である。過給機１０で圧縮された高温の吸入空気に向けて、インジェクタ４１で水を噴射することで、噴射した水の蒸発と、蒸発潜熱による吸入空気の冷却を行う。また、インジェクタ４１による凝縮水の噴射は、過給圧が高く、より温度の高くなる高負荷に限定して行うことで、凝縮水の蒸発の促進、および、噴射する凝縮水が不足することを防ぐことができる。
【００３３】
実施の形態４．
実施の形態４について、図６を参照して説明する。図６は、実施の形態４におけるシステム構成を示した図である。実施の形態４は、第１の実施例の水蒸気噴射用インジェクタ２３と熱交換器２１、レギュレータ２２の代わりに、加湿エレメント２４と逆止弁２５、液面計２６、排水バルブ２７、排水管２８を用いて、凝縮水が圧送ポンプ２０を介して加湿エレメント２４に送られる。加湿エレメント２４に凝縮水を吸湿させることで、吸気が加湿エレメント２４を通過する際に加湿エレメント２４に吸湿された凝縮水が蒸発気化し、吸気に水蒸気が含まれる。
【００３４】
加湿エレメント２４の下流側の配管には逆止弁２５を設け、加湿エレメント２４に供給された凝縮水が逆流するのを防止する。加湿エレメント２４には液面計２６が設けられており、加湿エレメント２４内の凝縮水が所定の貯留量以上になると、排水バルブ２７を開き、吸気管４よりも低い位置に設けられた排水管２８から貯蔵タンク１８に凝縮水を還流させる。
【００３５】
実施の形態５．
実施の形態５について、図７乃至図１３を参照して説明する。
【００３６】
図７は、実施の形態５における燃焼室を示した図である。実施の形態５は、実施の形態１の水蒸気噴射用インジェクタ２３が各シリンダの吸気ポートに設けられている。
【００３７】
図８は、実施の形態５においてＥＣＵ１６で行われる噴射量の算出ルーチンである。図８のルーチンのＳ２１０において、ＥＣＵ１６は、水蒸気噴射の噴射期間の算出と共に噴射時期の算出を行う。
【００３８】
以下に、算出された噴射時期について図９及び図１０を参照して説明する。
【００３９】
図９は、実施の形態５において水蒸気を噴射する時期を説明するための図である。図９には、吸気行程開始より遅れて噴射開始し吸気行程終了と共に噴射終了する様子が示されている。
【００４０】
図１０は、実施の形態５において水蒸気を噴射する時期を説明するための図である。図１０には、吸気行程終了よりも前に噴射を終了する様子が示されている。
【００４１】
実施の形態５では、図９及び図１０で説明した水蒸気の噴射を運転条件により選択する。
【００４２】
図１１は、図９に示すパターンでのピストン位置と水蒸気を噴射する噴射時期の一例である。吸気行程が開始し吸気前半は水蒸気の噴射がないため空気のみを筒内に吸気し、吸気行程途中から水蒸気の噴射が始まり吸気終了まで水蒸気を含んだ空気が吸入されるため、吸気行程が終了したピストン下死点にて、シリンダ下部には水蒸気が少なく、シリンダ上部に水蒸気が多く含まれる成層状態が形成できる。圧縮後には、燃焼室内に中央部が水蒸気リッチ、燃焼室外周の底面側に水蒸気リーンの成層状態で配置できる。
【００４３】
燃料噴射弁から燃料が噴射されると、噴射された燃料は燃焼室中央部の水蒸気濃度の高いガスを取り込んで霧化着火に至る。水蒸気は空気よりも比熱が大きくまた酸素濃度が低いために緩やかに燃焼を開始し、急な燃焼にともなう燃焼騒音や燃焼温度の急激な増大が抑制されるためにＮＯｘの生成も抑制できる。
【００４４】
同時に、燃焼室中央部は密度が小さいため、噴射初期の噴霧の貫徹力が強化され噴霧が拡散され、さらに燃焼室外周は水蒸気濃度が低く酸素濃度が高いためスモークが低減できる。これは、負荷の高い噴射量が多いときに効果が大きい。
【００４５】
負荷が低い噴射量が少ないときや水温の低いときなど燃焼室壁の温度が低いときには、着火遅れが長くなり燃焼室壁に到達する燃料が多くＨＣが増加する。このようなときには、水蒸気を噴射する噴射時期を図１０に示すパターンとし、燃焼室内に中央部が水蒸気リーン、燃焼室外周部に水蒸気リッチの成層状態を配置する。燃焼室中央部は密度が高いために噴霧の貫徹力が弱くなり、燃焼室壁面に到達する燃料が減りＨＣが低減できるとともに、噴射された燃料が燃焼室中央部の酸素濃度の高いガスを取り込んで霧化し着火するため、燃焼が安定する。
【００４６】
図１２は、水蒸気を噴射するインジェクタからの噴霧方向を吸気バルブ方向とすることを説明するための図である。吸気行程開始より遅れて噴射開始し吸気行程終了とともに噴射終了するパターンで噴射すると、噴射された水蒸気は吸気バルブ笠部に衝突してシリンダの径方向の速度成分が強められ、水蒸気の筒内での分布をシリンダ上部に効果的に配置できる。また高温の吸気バルブ笠部はポート温度より高温であるため、熱交換器２１で沸騰させて水蒸気に相変化されなかった凝縮水を水蒸気に変化させることができ、筒内で蒸発潜熱による水の気化にエネルギーを消費させない効果を高めることができる。
【００４７】
図１３は、水蒸気を噴射するインジェクタからの噴霧方向を吸気バルブ方向とすることを説明するための図である。図１３に示すように、吸気行程終了よりも前に噴射を終了するパターンでは、吸気バルブが開弁する前に水蒸気を噴射させることで、シリンダの径方向の速度成分増加を抑制してシリンダ下方向に水蒸気を吸入させるともに、吸気バルブ笠部で熱交換器２１で沸騰させて水蒸気に相変化されなかった凝縮水を水蒸気に変化させることができる。
【符号の説明】
【００４８】
４  吸気管
５  吸気ポート
６  吸気バルブ
１０  過給機
１１  インタークーラ
１３  ＥＧＲクーラ
１４  ＥＧＲバルブ
１５  ＥＧＲ配管
１７  センサ
１８  貯蔵タンク
１９  液面計
２０  圧送ポンプ
２１  熱交換器
２２  レギュレータ
２３  水蒸気噴射用インジェクタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2015175351.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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