(57)【要約】【課題】凝縮水によるコンプレッサの磨耗及び損傷を抑制し、コンプレッサの寿命を延ばすことが可能な過給機付き内燃機関を提供する。【解決手段】エンジン１０は、吸気通路１２、エアクリーナ１４、タービン１８、コンプレッサ２０、ＥＧＲ配管２４、凝縮水無害化装置２６、ＥＣＵ３０等を備える。凝縮水無害化装置２６は、ヒータ、温水配管、超音波振動子、またはこれらの組合わせ等により構成する。ＥＣＵ３０は、コンプレッサ２０の上流側に存在する凝縮水の量を推定する。そして、推定した凝縮水の量が無害化を必要とする基準値以上である場合には、凝縮水無害化装置２６を作動させる。【選択図】図１
2016070078.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気圧を受けて回転するタービンと前記タービンにより駆動されるコンプレッサとを有し、前記コンプレッサにより吸入空気を過給する過給機と、
前記コンプレッサの上流側で吸気通路にＥＧＲガスを還流するＥＧＲ機構と、
前記吸気通路にＥＧＲガスが流入する流入位置と前記コンプレッサとの間で前記吸気通路に設けられ、前記吸気通路内に生じた凝縮水の液滴を微細化可能な液滴無害化手段と、
前記コンプレッサの上流側に存在する凝縮水の量を推定し、推定した凝縮水の量が無害化を必要とする基準値以上である場合に、前記液滴無害化手段を作動させる制御手段と、
を備え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】
本発明は、コンプレッサのインペラを保護する機能を備えた過給機付き内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術として、例えば特許文献１（特開２０１２−１０７５５１号公報）に開示されているように、過給機及びＥＧＲ機構を備えた内燃機関が知られている。従来技術では、吸気通路の流路面積がＥＧＲの合流部からコンプレッサに向けて順次小さくなるように構成し、ＥＧＲガスの凝縮が生じ難いようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１０７５５１号公報
【特許文献２】特開２０１２−２２９６７７号公報
【特許文献３】特開２００９−２０９８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来技術では、ＥＧＲガスの凝縮を抑制するように構成しているものの、凝縮が生じた場合の対策が考慮されていないという問題がある。即ち、従来技術では、ＥＧＲガスの凝縮が一旦生じると、凝縮水の大きな液滴がそのままコンプレッサに流入する。この結果、コンプレッサが損傷したり、その磨耗が早期に進行する虞れがある。
【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、凝縮水によるコンプレッサの磨耗及び損傷を抑制し、コンプレッサの寿命を延ばすことが可能な過給機付き内燃機関の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、排気圧を受けて回転するタービンと前記タービンにより駆動されるコンプレッサとを有し、前記コンプレッサにより吸入空気を過給する過給機と、前記コンプレッサの上流側で吸気通路にＥＧＲガスを還流するＥＧＲ機構と、前記吸気通路にＥＧＲガスが流入する流入位置と前記コンプレッサとの間で前記吸気通路に設けられ、前記吸気通路内に生じた凝縮水の液滴を微細化可能な液滴無害化手段と、前記コンプレッサの上流側に存在する凝縮水の量を推定し、推定した凝縮水の量が微細化を必要とする基準値以上である場合に、前記液滴無害化手段を作動させる制御手段と、を備えている。
【発明の効果】
【０００７】
第１の発明によれば、エロージョンの発生が懸念される場合には、凝縮水無害化手段を作動させて凝縮水を無害化することができる。特に、凝縮水の量が基準値よりも大きい場合には、コンプレッサのインペラに衝突する凝縮水の液滴径が大きくなり、インペラが損傷し易くなる。これに対し、本発明では、液滴径が大きくなる状況において、凝縮水無害化手段により液滴径を小さくし、インペラへの衝突力を軽減することができる。従って、エロージョンによるコンプレッサの磨耗及び損傷を抑制し、コンプレッサの寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１によるエンジンのシステム構成を部分的に示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１において、ＥＣＵにより実行されるエロージョン対応制御の一例を示すフローチャートである。
【図３】車両の走行距離とコンプレッサのエロージョン量との関係を示す特性線図である。
【図４】インペラのエロージョン量と、凝縮水の液滴の衝突回数との関係を示す特性線図である。
【図５】ベースのエロージョン量Ａを示す特性線図である。
【図６】インペラの硬さと損傷感度との関係を示す特性線図である。
【図７】凝縮水の液滴径とインペラの損傷感度との関係を示す特性線図である。
【図８】凝縮水の衝突速度とインペラの損傷感度との関係を示す特性線図である。
【図９】インペラの表面粗さと損傷感度との関係を示す特性線図である。
【図１０】本発明の実施の形態１が適用されるシステムの一例を示す構成図である。
【図１１】本発明の実施の形態１が適用されるシステムの変形例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
以下、図１乃至図１１を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。まず、図１は、本発明の実施の形態１によるエンジンのシステム構成を部分的に示す構成図である。図１に示すように、本実施の形態のシステムは、過給機付きの内燃機関であるエンジン１０を備えている。エンジン１０は、吸入空気を吸込む吸気通路１２と、排気ガスを排出する排気通路（図示せず）とを備えている。吸気通路１２の基端側は、吸気マニホールド等を介してエンジン１０の各気筒の燃焼室に接続されている。吸気通路１２の先端側には、吸入空気を清浄化するエアクリーナ１４が設けられている。
【００１０】
また、エンジン１０は、以下の過給機１６、ＥＧＲ機構２２及び凝縮水無害化装置２６を備えている。過給機１６は、排気圧を利用して吸入空気を過給するもので、排気通路に設けられたタービン１８と、吸気通路１２の途中に設けられたコンプレッサ２０とを備えている。コンプレッサ２０は、複数のインペラを有している。過給機１６の作動時には、タービンが１８が排気圧を受けて回転し、タービン１８によりコンプレッサ２０が駆動される。これにより、コンプレッサ２０は、インペラが回転して吸入空気を過給する。
【００１１】
ＥＧＲ機構２２は、コンプレッサ２０の上流側で吸気通路１２にＥＧＲガスを還流するもので、例えばＬＰＬ（Low Pressure Loop）型のＥＧＲ機構により構成されている。ＥＧＲ機構２２は、吸気通路１２と排気通路とを接続するＥＧＲ配管２４と、ＥＧＲ配管２４を流れるＥＧＲガスの量を調整する電磁駆動式のＥＧＲ弁（図示せず）とを備えている。ＥＧＲ配管２４の出口側は、コンプレッサ２０の上流側で吸気通路１２に接続されている。ＥＧＲの実行中には、排気ガスの一部がＥＧＲガスとなってＥＧＲ配管２４及び吸気通路１２を流通し、このＥＧＲガスは、吸入空気と共にコンプレッサ２０を通過して燃焼室に流入する。
【００１２】
凝縮水無害化装置２６は、吸気通路１２内に生じた凝縮水の液滴を無害化する液滴無害化手段の具体例を構成している。凝縮水無害化装置２６は、例えばヒータ、温水配管、超音波振動子、またはこれらの組合わせ等により構成されている。凝縮水無害化装置２６としてヒータまたは温水配管を用いた場合には、凝縮水の液滴径を加熱により小さくしたり、液滴を蒸発させて消去することができる。
【００１３】
また、凝縮水無害化装置２６として超音波振動子を用いた場合には、凝縮水の液滴を超音波により微細化（ミスト化）することができる。なお、本発明の液滴無害化手段は、上記具体例に限定されるものではない。また、凝縮水無害化装置２６は、吸気通路１２にＥＧＲガスが流入する流入位置とコンプレッサ２０との間で吸気通路１２に設けられている。即ち、凝縮水無害化装置２６は、ＥＧＲガスの流入位置よりも下流側で、かつ、コンプレッサ２０の上流側に配置されている。
【００１４】
次に、システムの制御系統について説明する。本実施の形態のシステムは、エンジン１０及び車両の運転に必要な各種のセンサを含むセンサ系統と、エンジン１０の運転制御を行う制御手段としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）３０とを備えている。センサ系統には、クランク角の回転を検出するクランク角センサ、吸入空気量を検出するエアフローセンサ、外気温度（吸気温度）を検出する気温センサ、過給機１６のターボ回転速度を検出する回転速度センサ等が含まれている。
【００１５】
ＥＣＵ３０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリ等からなる記憶回路と、入出力ポートとを備えた演算処理装置により構成されている。ＥＣＵ３０の入力側には、センサ系統を構成する各センサがそれぞれ接続されている。ＥＣＵ３０の出力側には、各気筒の燃料噴射弁及び点火プラグの他に、スロットルバルブ、ＥＧＲ弁等を含む各種のアクチュエータが接続されている。また、ＥＣＵ３０の出力側には、凝縮水無害化装置２６が接続されている。ＥＣＵ３０は、凝縮水無害化装置２６の作動及び停止を制御することができる。
【００１６】
ＥＣＵ３０は、センサ系統により検出したエンジンの運転情報に基いて各アクチュエータを駆動し、エンジン１０の運転制御を行う。運転制御の一例を挙げると、ＥＣＵ３０は、クランク角センサの出力に基いてクランク角及びエンジン回転速度を検出し、エアフローセンサにより吸入空気量（吸気量）を検出する。そして、エンジン回転速度と吸入空気量とに基いて負荷率を算出し、吸入空気量、負荷率等に基いて燃料噴射量を算出する。また、クランク角に基いて燃料の噴射タイミングを決定し、燃料噴射弁を駆動することにより各気筒で燃料噴射を実行する。また、ＥＣＵ３０は、以下のエロージョン対応制御を実行し、コンプレッサ２０で発生するエロージョンを抑制する。
【００１７】
（エロージョン対応制御）
一般に、ＬＰＬ−ＥＧＲ等のような低圧型のＥＧＲ機構２２と、過給機１６とを組合わせたシステムでは、ＥＧＲの実行時において、ＥＧＲガスが吸気通路１２内で結露して凝縮水となる運転条件が存在する。このようにして発生した凝縮水がコンプレッサ２０に流入すると、高速回転するインペラに凝縮水が衝突することによりインペラが損傷する現象（エロージョン）が発生する。特に、エロージョンの発生は、衝突する凝縮水の液滴径が大きいほど顕著なものとなる。
【００１８】
このため、エロージョン対応制御では、エロージョンが発生し易い運転条件を既存のセンサのみで検出する。そして、必要に応じて凝縮水無害化装置２６を作動させることにより、凝縮水を無害化する。詳しく述べると、エロージョン対応制御では、まず、インペラに生じるエロージョンの量と相関がある制御パラメータ（例えば、ＥＧＲ率、吸気温度、燃料噴射量、ターボ回転数、吸気量等）の現在の値を取得する。そして、これらの制御パラメータの値を維持して現在の運転状態を継続すると、信頼性保証時間が到来する前にエロージョンの量が許容限度を超えると判定した場合には、凝縮水無害化装置２６を作動させる。なお、信頼性保証時間は、例えば走行距離で表すと、３０万ｋｍ程度に対応する時間である。
【００１９】
一方、上述した現在の運転状態を継続しても、信頼性保証時間を超える前にエロージョンの量が許容限度を超えることはないと判定した場合には、凝縮水無害化装置２６を停止させる（停止状態に保持する）。なお、上記各制御パラメータを特定の値に維持して現在の運転状態を継続した場合のエロージョン量は、図３に示すエロージョン推移線として得られる。図３は、車両の走行距離とコンプレッサのエロージョン量との関係を示す特性線図である。
【００２０】
車両の走行距離（即ち、凝縮水の液滴との衝突回数）が増加すると、インペラのエロージョンも増加する傾向がある。このとき、エロージョン推移線は、上記各制御パラメータに基いて算出することができる。また、許容エロージョン量は、例えばコンプレッサ２０の性能等を維持するために必要なエロージョン量の上限値を示し、コンプレッサ２０の仕様等に基いて予め定められている。ＥＣＵ３０には、上記各制御パラメータに基いてエロージョン推移線を推定するための特性データと、信頼性クライテリアに関する領域データとが予め記憶されている。エロージョン対応制御は、信頼性保証時間が到来する前にエロージョン推移線が許容エロージョン量を超えないように、エロージョンの量を制御するものである。
【００２１】
次に、エロージョン対応制御の具体例について詳細に説明する。図２は、本発明の実施の形態１において、ＥＣＵ３０により実行されるエロージョン対応制御の一例を示すフローチャートである。図２に示すルーチンにおいて、まず、ステップＳ１００では、例えばＥＣＵ３０がＥＧＲ制御で設定した目標のＥＧＲ率が０％以上であるか否か、即ち、ＥＧＲを実行しているか否かを判定する。この判定が不成立の場合には、ＥＧＲ制御が実行されるまで待機する。
【００２２】
次に、ステップＳ１０２では、予測凝縮水発生量が凝縮水量基準値よりも大きいか否かを判定する。ここで、予測凝縮水発生量は、コンプレッサ２０の上流側で発生する凝縮水の発生量を推定したものであり、例えば吸気温度と燃料噴射量とに基いて推定される。詳しく述べると、凝縮水の発生量は、吸気温度が低いほど、また、燃料噴射量が多いほど増加する特性を有している。従って、この特性を予めデータ化しておくことにより、吸気温度と燃料噴射量とに基いて予測凝縮水発生量を算出することができる。なお、凝縮水の発生量は、ＥＧＲガスの量が多いほど増加する傾向もあるので、ＥＧＲガスの量に応じて予測凝縮水発生量を補正してもよい。
【００２３】
一方、凝縮水量基準値は、例えばエロージョンが発生しない凝縮水量の最大値（コンプレッサ２０の上流側で発生する凝縮水量の許容限度）に対応して設定されている。即ち、ステップＳ１０２の判定が成立した場合には、エロージョンが発生する可能性があるので、ステップＳ１０４に移行する。一方、ステップＳ１０２の判定が不成立の場合には、エロージョンが発生する可能性がないので、ステップＳ１００に戻って待機する。
【００２４】
次に、ステップＳ１０４では、予測凝縮水発生量によりエロージョンが発生すると判定した前提において、予測衝撃力がエロージョン発生基準値よりも大きいか否かを判定する。ここで、予測衝撃力は、凝縮水がインペラに衝突するときに与える衝撃力を推定したものであり、例えばターボ回転速度と吸気量とに基いて算出される。予測衝撃力は、ターボ回転速度が大きいほど、また、吸気量が多いほど増加する。一方、エロージョン発生基準値は、例えばエロージョンが発生しない衝撃力の最大値に対応して設定されるもので、詳しくは後述する。
【００２５】
ステップＳ１０４の判定が成立した場合には、凝縮水との衝突によりインペラにエロージョンが発生すると判定する。この場合には、ステップＳ１０６に移行し、凝縮水無害化装置２６を作動させる。ステップＳ１０６の処理は、ステップＳ１００〜１０４による３つの判定が全て成立している期間中に継続され、これらの判定のうち少なくとも１つが不成立となった時点で終了される。ステップＳ１０６の終了時には、ステップＳ１００に移行する。一方、ステップＳ１０４の判定が不成立の場合には、エロージョンが発生しない程度の衝撃力であると推定し、ステップＳ１００に戻って待機する。
【００２６】
ここで、図２中のステップＳ１０２に記載した予測凝縮水発生量は、凝縮水の発生量に依存するもので、後述するエロージョン量の予測式（１）における液滴径補正係数Ｃに相当している。また、ステップＳ１０４に記載した予測衝撃力は、凝縮水の衝突力に依存するもので、予測式（１）における衝突速度補正係数Ｄに相当している。一方、運転状態に依存する制御パラメータは、予測式（１）中に示すベースのエロージョン量Ａと係数Ｂ〜Ｅのうち、係数Ｃ，Ｄとなるので、信頼性保証時間が到来するまでにエロージョンの量が許容限度を超えるか否かについては、係数Ｃ，Ｄに基いて判定することができる。
【００２７】
従って、ステップＳ１０２では、予測凝縮水発生量（≒液滴径補正係数Ｃ）が凝縮水量基準値を超えるか否かを判定し、ステップＳ１０４では、予測衝撃力（≒衝突速度補正係数Ｄ）がエロージョン発生基準値を超えるか否かを判定する。これら２つの判定が成立した場合には、現在の運転状態によると、図３中のエロージョン推移線が信頼性保証時間の到来前に許容エロージョン量を超えると判定する。即ち、凝縮水量基準値及びエロージョン発生基準値は、エロージョン推移線が信頼性保証時間の到来前に許容エロージョン量を超えるような係数Ｃ，Ｄの値に対応して予め設定されるものである。
【００２８】
（エロージョン量の予測）
次に、インペラのエロージョン量の予測方法について説明する。まず、図４は、インペラのエロージョン量と、凝縮水の液滴の衝突回数との関係を示す特性線図である。この図に示す特性線のように、実際のエロージョン量は、他の要因の影響を受けてベースのエロージョン式からずれる傾向がある。このため、本実施の形態では、まず、ベースのエロージョン量Ａを算出し、各種の補正係数Ｂ〜Ｅによりエロージョン量Ａを補正することで、最終的なエロージョン量Ｙを推定する。
【００２９】
最終的なエロージョン量（インペラの質量減少量）Ｙは、ベースのエロージョン量Ａと、インペラ硬さ補正係数Ｂと、液滴径補正係数Ｃと、衝突速度補正係数Ｄと、表面粗さ補正係数Ｅとに基いて、下記の予測式（１）により表すことができる。以下、個々の数値Ａ〜Ｅについて説明する。
【００３０】
Ｙ＝Ａ×Ｂ×Ｃ×Ｄ×Ｅ      ・・・（１）
【００３１】
図５は、ベースのエロージョン量Ａを示す特性線図である。なお、ベースのエロージョン量Ａとは、他の変動要因を考慮しないエロージョン量であることを意味している。一般に、エロージョン量は、図５に示すように、凝縮水との衝突回数が増加するにつれて大きくなる傾向がある。また、凝縮水との衝突によりエロージョンが進行する速さ（単位衝突回数当たりの質量減少量）は、インペラの構成材料、加工処理等によって異なる。従って、ベースのエロージョン量Ａの数式は、既知であるインペラの構成材料、加工処理等に基いて予め実験的に求めておき、ＥＣＵ３０に記憶しておくことができる。
【００３２】
図６は、インペラの硬さと損傷感度との関係を示す特性線図である。この図に示すように、インペラを構成する材料が硬いほど、損傷感度は小さくなる傾向がある。インペラ硬さ補正係数Ｂは、図６に示す特性線に基いて設定されるもので、インペラの構成材料が硬いほど、インペラ硬さ補正係数Ｂが小さくなる特性を有している。
【００３３】
図７は、凝縮水の液滴径とインペラの損傷感度との関係を示す特性線図である。この図に示すように、インペラの損傷感度は、液滴径が大きいほど増加する傾向がある。液滴径補正係数Ｃは、図７に示す特性線に基いて設定される。図８は、凝縮水の衝突速度とインペラの損傷感度との関係を示す特性線図である。この図に示すように、インペラの損傷感度は、衝突速度が大きくなるほど増加する。衝突速度補正係数Ｄは、図８に示す特性線に基いて設定される。
【００３４】
図９は、インペラの表面粗さと損傷感度との関係を示す特性線図である。この図に示すように、インペラの損傷感度は、表面粗さが大きいほど増加する傾向がある。表面粗さ補正係数Ｅは、図９に示す特性線に基いて設定される。ＥＣＵ３０には、上述したベースのエロージョン量Ａに関するデータと、各補正係数Ｂ〜Ｅに関するデータとが予め記憶されている。これにより、ＥＣＵ３０は、上記予測式（１）に基いてインペラのエロージョン量Ｙを算出することができる。
【００３５】
以上詳述した通り、本実施の形態によれば、コンプレッサ２０の上流側に存在する凝縮水の量が凝縮水量基準値よりも大きく、エロージョンの発生が懸念される場合には、凝縮水無害化装置２６を作動させて凝縮水を無害化（微細化または蒸気化）することができる。特に、凝縮水の量が凝縮水量基準値よりも大きい場合には、インペラに衝突する凝縮水の液滴径が大きくなり、インペラが損傷し易くなる。これに対し、本実施の形態では、液滴径が大きくなる状況において、凝縮水無害化装置２６により液滴径を小さくし、インペラへの衝突力を軽減することができる。
【００３６】
従って、エロージョンによるコンプレッサ２０の磨耗及び損傷を抑制し、コンプレッサ２０の寿命を延ばすことができる。また、インペラのエロージョンに起因する運転の制約を軽減することができ、過給領域を広げることができる。また、本実施の形態では、エロージョンが発生し易い場合にのみ、凝縮水無害化装置２６を効率よく使用することができる。これにより、凝縮水無害化装置２６を使用しつつ、燃費を向上させることができる。しかも、凝縮水の発生量を推定して凝縮水無害化装置２６を作動させるか否かの判定処理は、既存のセンサの出力及びＥＣＵ３０の指令値に基いて実行することができる。これにより、エロージョンを抑制するために新たなセンサ等を追加する必要がなく、コスト性に優れたシステムを実現することができる。
【００３７】
なお、前記実施の形態１では、図１０に示すＬＰＬ型のＥＧＲ機構２２を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば図１１に示す変形例のように、タービン１８の上流側からＥＧＲガスを取出すシステムに適用してもよい。図１０及び図１１は、本発明の実施の形態１が適用されるシステムの一例をそれぞれ示す構成図である。
【００３８】
また、実施の形態１では、図２中に示すステップＳ１００〜Ｓ１０４の判定が全て成立した場合に、凝縮水無害化装置２６を作動させる構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、ステップＳ１０４を採用しない構成としてもよい。即ち、本発明では、ステップＳ１００及びＳ１０２が成立した場合に、凝縮水無害化装置２６を作動させる構成としてもよい。
【００３９】
また、実施の形態１では、信頼性保証時間を考慮しない構成としてもよい。具体的に述べると、本発明では、凝縮水量基準値及びエロージョン発生基準値を、信頼性保証時間と関係なく設定し、図２中のステップＳ１００，Ｓ１０２，Ｓ１０４の全てが成立した場合に、凝縮水無害化装置２６を作動させる構成としてもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１０  エンジン（内燃機関）
１２  吸気通路
１４  エアクリーナ
１６  過給機
１８  タービン
２０  コンプレッサ
２２  ＥＧＲ機構
２４  ＥＧＲ配管
２６  凝縮水無害化装置（液滴無害化手段）
３０  ＥＣＵ（制御手段）
【図１】
2016070078.tif 000003
【図２】
2016070078.tif 000004
【図３】
2016070078.tif 000005
【図４】
2016070078.tif 000006
【図５】
2016070078.tif 000007
【図６】
2016070078.tif 000008
【図７】
2016070078.tif 000009
【図８】
2016070078.tif 000010
【図９】
2016070078.tif 000011
【図１０】
2016070078.tif 000012
【図１１】
2016070078.tif 000013