JP2014105608A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気の一部を吸気通路へ還流させるＥＧＲ通路を有する多筒式の内燃機関において、気筒内における凝縮水の発生を精度良く抑制する。
【解決手段】ＥＧＲガス内の水蒸気比率と各気筒に流入する吸気のＥＧＲ率に基づいて算出された何れかの気筒内の水蒸気量が、当該気筒内の温度に基づいて算出された飽和水蒸気量以上の場合に、各気筒内における凝縮水の発生を抑制する制御を実行する。
【選択図】図４

Description

本発明は、排気の一部を吸気通路へ還流させるＥＧＲ通路を有する多筒式の内燃機関の制御装置に関する。

従来、自動車用内燃機関においては、窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減や燃費向上を目的に、排気通路を流通する排気の一部を吸気通路へ還流（再循環）させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation：排気再循環）と呼ばれる技術が公知である。排気であるＥＧＲガス内
には水蒸気が含まれるため、還流されたＥＧＲガスの温度が低下すると凝縮水が発生することがある。発生した凝縮水にＥＧＲガス内の酸性物質が溶解すると、酸性水溶液が生じて内燃機関の部品を腐食させる虞がある。

そこで、例えば特許文献１には、ＥＧＲ通路を備える内燃機関の制御装置において、吸気マニホールドの温度を制御することによって吸気マニホールド内に発生する凝縮水を低減させる技術が提案されている。

特開２００３−２０１９０３号公報

ところで、ＥＧＲガス内の水蒸気の凝縮は、ＥＧＲガスの温度や飽和蒸気圧に応じて発生するから、吸気マニホールドより下流に位置する内燃機関の気筒内でも発生することがある。そして、複数の気筒を有する多筒式の内燃機関においては、気筒に吸入される吸気のＥＧＲ率（吸気量に対するＥＧＲガス量の比率）は、吸気通路や吸気マニホールドの形状等によって気筒毎に異なり、また、その値も内燃機関の運転状態によって変化する。つまり、特許文献１に記載されているような、ＥＧＲガスが吸気マニホールドを通過する段階で実行される制御では、気筒内で発生する凝縮水を精度良く低減させることが困難であった。

このような課題を解決するべく、本発明は、排気の一部を吸気通路へ還流させるＥＧＲ通路を有する多筒式の内燃機関において、気筒内における凝縮水の発生を精度良く抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る内燃機関の制御装置は、
複数の気筒と、排気通路を流通する排気の一部を吸気通路へＥＧＲガスとして還流させるＥＧＲ通路とを有する内燃機関の制御装置であって、
前記ＥＧＲガス内の水蒸気比率を取得する水蒸気比率取得手段と、
前記複数の気筒の各気筒について、流入する吸気に対する前記ＥＧＲガスの比率であるＥＧＲ率を取得するＥＧＲ率取得手段と、
前記水蒸気比率と前記各気筒のＥＧＲ率に基づいて前記各気筒内の水蒸気量を算出する水蒸気量算出手段と、
前記各気筒内の温度を取得する温度取得手段と、
前記各気筒内の温度に基づいて前記各気筒内の飽和水蒸気量を算出する飽和水蒸気量算出手段と、
を備え、
前記水蒸気量算出手段によって算出された前記各気筒の何れかの気筒内の水蒸気量が、前記飽和水蒸気量算出手段によって算出された当該気筒内の飽和水蒸気量以上の場合に、前記各気筒内における凝縮水の発生を抑制する制御を実行することを特徴とする。

ここで、閉空間内においては、閉空間の容積と水蒸気の温度から定まる飽和水蒸気量以上の水蒸気（水分）が存在するときに凝縮水が発生する。つまり、内燃機関の気筒内に存在する水蒸気量が、筒内温度と筒内容積から定まる当該気筒内の飽和水蒸気量以上の場合に凝縮水が発生する。

そこで、本発明に係る内燃機関の制御装置は、水蒸気量算出手段によって算出された何れかの気筒内の水蒸気量が、飽和水蒸気量算出手段によって算出された当該気筒内の飽和水蒸気量以上の場合に、各気筒内における凝縮水の発生を抑制する制御を実行する。これにより、内燃機関の各気筒内における凝縮水の発生を効果的に抑制することができる。

なお、本発明に係る内燃機関の制御装置は、ＥＧＲガス内の水蒸気比率を取得する水蒸気比率取得手段と、内燃機関の各気筒のＥＧＲ率を取得するＥＧＲ率取得手段と、各気筒内の温度を取得する温度取得手段と、を備えているため、各気筒内の水蒸気量と飽和水蒸気量を精度良く算出することができる。

また、本発明に係る内燃機関の制御装置は、水蒸気量算出手段が、各気筒の中のＥＧＲ率が最大となる気筒内の水蒸気量を算出し、当該水蒸気量が飽和水蒸気量算出手段によって算出された当該気筒内の飽和水蒸気量以上の場合に、各気筒内における凝縮水の発生を抑制する制御を実行するようにしてもよい。これにより、ＥＧＲ率が最大となる気筒、すなわち、最も凝縮水が発生しやすい気筒における凝縮水の発生を抑制することが可能になるため、内燃機関の各気筒内における凝縮水の発生をより効果的に抑制することができる。

また、本発明に係る内燃機関の制御装置は、各気筒に設けられた筒内圧力センサによって検出された筒内圧力値に基づいて、各気筒内の温度を取得するようにしてもよい。これにより、筒内温度をより高精度に取得することが可能になるため、内燃機関の各気筒における凝縮水の発生をより精度良く抑制することが可能になる。

また、本発明に係る内燃機関が、各気筒に設けられた燃料噴射弁によって、圧縮上死点近傍におけるメイン噴射の前にパイロット噴射を行うものであれば、本発明に係る内燃機関の制御装置は、ＥＧＲ率取得手段が、筒内圧力センサによって検出された、パイロット噴射によって噴射された燃料の着火時期に基づいて、ＥＧＲ率を取得するようにしてもよい。これにより、各気筒のＥＧＲ率をより高精度に取得することが可能になるため、内燃機関の各気筒における凝縮水の発生をより精度良く抑制することが可能になる。

本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、排気の一部を吸気通路へ還流させるＥＧＲ通路を有する多筒式の内燃機関において、気筒内における凝縮水の発生を精度良く抑制することが可能になる。

実施例１に係る内燃機関の構成を示す概略図である。 実施例１に係る内燃機関のＥＧＲ装置におけるＥＧＲガス量と還流遅れの関係を示すグラフである。 実施例１に係る内燃機関の気筒における筒内温度の推移を示すグラフである。 実施例１に係る制御装置における制御ルーチンを示すフローチャートである。 実施例２に係る制御装置によるＥＧＲ率の取得方法を説明するグラフである。

［実施例１］
＜内燃機関の構成＞
以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。なお、本実施の形態に記載されている構成要素の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に特定的な記載がない限りは、発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本実施例における内燃機関の構成を示す概略図である。図１に示す内燃機関１０は、４つの気筒１１を有するディーゼルエンジンである。図１に示されるように、内燃機関１０には、吸気通路１２の一部としての吸気マニホールド１３が接続されており、吸気マニホールド１３の各枝管は吸気ポート（不図示）を介して各気筒１１の燃焼室に連通されている。吸気通路１２の上流側には、吸気通路１２内を流通する空気の流量を調節するスロットル１４と、この流量を電気信号として出力するエアーフローメータ１５が配設されている。また、吸気マニホールド１３には、気筒１１内に流入する吸気の吸気圧を出力する吸気圧センサ１６が設置されている。

また、各気筒１１には、燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁２０が設けられている。燃料噴射弁２０から噴射された燃料は、燃焼室内で圧縮された吸気内で自然着火されることによって燃焼する。また、各気筒１１には、筒内圧力を電気信号として出力する筒内圧力センサ２１が設けられている。そして、内燃機関１０には、機関回転数（以下、「ＮＥ」という。）を検出するクランクセンサ２２が設置されている。

また、内燃機関１０には、排気通路３０の一部としての排気マニホールド３１が接続されており、排気マニホールド３１の各枝管は排気ポート（不図示）を介して各気筒１１の燃焼室と接続されている。また、排気マニホールド３１には、気筒１１から排出された排気の温度を検出するための排気温度センサ３２が設置されている

そして、内燃機関１０は、排気マニホールド３１を通過する排気の一部を吸気通路１２に還流させるＥＧＲ装置４０を備えている。このＥＧＲ装置４０は、排気マニホールド３１と吸気通路１２とを接続するＥＧＲ通路４１を備えている。ＥＧＲ通路４１には、内部を流れる排気（以下、「ＥＧＲガス」という。）を冷却するＥＧＲクーラ４２、ＥＧＲガスの流量（以下、「ＥＧＲガス量」という。）に対応した電気信号を出力するＥＧＲガス量計４３、及びＥＧＲガス量を調節可能なＥＧＲ弁４４が配設されている。更に、ＥＧＲ通路４１には、ＥＧＲクーラ４２をバイパスさせるバイパス通路４５が設けられており、バイパス通路４５への分岐部に設けられた調節弁４６によって、ＥＧＲクーラ４２を流通するＥＧＲガス量が調節される。

このように構成されたＥＧＲ装置４０では、ＥＧＲ弁４４を開弁することによって、開弁量に応じた流量のＥＧＲガスを排気マニホールド３１から吸気通路１２へと還流させることができる。その際に、ＥＧＲガスは、ＥＧＲクーラ４２内を通過することによって冷却されてから吸気通路１２へ還流される。ここで、ＥＧＲクーラ４２を通過するＥＧＲガス量を調節弁４６を用いて調節することによって、最終的に吸気通路１２に流入するＥＧＲガスの温度を増減させることができる。

以上のような構成を有する内燃機関１０は、本実施例における凝縮水発生の抑制制御も含めた統括的な制御を実行する制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）１
００によって制御される。このＥＣＵ１００には、上述した各種のメータやセンサが電気配線を介して接続されており、それらからの出力信号がＥＣＵ１００に入力されるようになっている。また、ＥＣＵ１００には、スロットル１４、燃料噴射弁２０、ＥＧＲ弁４４、調節弁４６等が電気配線を介して接続されており、ＥＣＵ１００からの信号によって制御されるようになっている。また、ＥＣＵ１００は、内部に記憶装置としてのＲＯＭ１０１を備えている。ＲＯＭ１０１には、内燃機関１０の種々の制御を行うためのプログラムや、種々のデータから構成される数値マップが記憶されている。また、制御実行中にＥＣＵ１００が算出・取得した値はＲＯＭ１０１内に適宜記憶される。

＜筒内凝縮水の発生予測＞
次に、ＥＣＵ１００によって実行される、内燃機関１０の各気筒１１内で凝縮する凝縮水（以下、「筒内凝縮水」という。）の発生予測について説明する。この発生予測は、本実施例に係る筒内凝縮水の発生を抑制する制御の制御ルーチン（図４参照。以下、「制御ルーチン」という。）において実行される。なお、この発生予測においては５つの処理が実行されるため、以下これらを順に説明する。

（処理１：ＥＧＲガスの還流遅れ予測処理）
上述のように、ＥＧＲガスは、排気マニホールド３１からＥＧＲ通路４１を経由して吸気通路１２に還流される。そのため、気筒１１から排出された排気がＥＧＲガスとして再び気筒１１内に流入するまでには、ＥＧＲガスがＥＧＲ通路４１等を通過するのに要した時間だけ遅れ（以下、「還流遅れ」という。）が発生する。つまり、制御ルーチン実行時に各気筒１１内に流入するＥＧＲガスは、所定の還流遅れ前に各気筒１１から排出された排気であると考えてよい。そこで、本処理においては、還流遅れと還流されるＥＧＲガス量との間に成立する以下の関係に基づいて、制御ルーチン実行時に各気筒１１内に流入するＥＧＲガスの還流遅れが取得される。

図２は、内燃機関１０のＥＧＲ装置４０における、ＥＧＲガスの還流遅れとＥＧＲガス量の関係を示すグラフである。なお、横軸が内燃機関１０の１回転毎に還流されるＥＧＲガス量［ｇ／回転］を示し、縦軸が還流遅れ［回転数］を示している。なお、図２には、吸気圧が０．３４ＭＰａの場合における、内燃機関１０のＮＥが１２００ｒｐｍと２４００ｒｐｍのときの還流遅れの実測値が示されており、更に、同吸気圧における還流遅れのシミュレーション値が示されている。

図２に示されるように、還流遅れを回転数で表わした場合には、還流遅れとＥＧＲガス量との間にグラフＬ_１で示されるような相関関係があることが分かる。つまり、吸気圧が一定の場合には、ＮＥに関わらず還流遅れはグラフＬ_１で示される特性に概ね従う。したがって、この特性に基づけば、制御ルーチン実行時に気筒１１内に流入したＥＧＲガスが、何回転前に気筒１１から排出された排気であるかを、制御ルーチン実行時におけるＥＧＲガス量から予測することが可能になる。そこで、グラフＬ_１で示されるような還流遅れの特性を、想定される範囲内の吸気圧に対して予め求めておけば、制御ルーチン実行時に各気筒１１内に流入するＥＧＲガスが、何回転前に各気筒１１から排出された排気であるかを、制御ルーチン実行時における吸気圧とＥＧＲガス量から予測することが可能になる。

そこで、本実施例においては、想定される範囲内の吸気圧に対応する還流遅れ特性が、予め実験等によって求められたデータから構成される数値マップとしてＲＯＭ１０１に記憶されている。そして、ＥＣＵ１００は、この数値マップから、制御ルーチン実行時に吸
気圧センサ１６によって検出される吸気圧とＥＧＲガス量計４３によって検出されるＥＧＲガス量とに対応する回転数ｎを、本制御ルーチン時に各気筒１１内に流入するＥＧＲガスの還流遅れとして取得する。なお、ＥＣＵ１００は、後述する処理３において、このようにして取得した回転数ｎを用いて、当該制御ルーチン実行時に気筒１１内に流入するＥＧＲガスの組成を予測する。

（処理２：気筒別ＥＧＲ率取得処理）
本処理では、ＥＣＵ１００によって、制御ルーチン実行時における各気筒１１のＥＧＲ率（吸気量に対するＥＧＲガス量の比率）が取得され、更にその中から最大のＥＧＲ率が取得される。ここで、４つの気筒１１の全てにおいて吸入・圧縮・燃焼・排気の４行程が一巡するサイクル（クランクシャフト２回転）を内燃機関１０の燃焼サイクルと定義すると、１燃焼サイクルにおいて各気筒１１に流入するＥＧＲガス量は、吸気通路１２や吸気マニホールド１３の形状等によってそれぞれ異なる。また、吸気量やＥＧＲガス量は、内燃機関１０の運転状態によって常に変化する。つまり、各気筒１１のＥＧＲ率は、気筒１１毎に異なり、また、内燃機関１０の運転状態に応じて常に変化する。そこで、本実施例では、予め実験等によって求められた各気筒１１のＥＧＲ率が、内燃機関１０の運転状態等の諸条件に対応付けてＲＯＭ１０１内に記憶されている。そして、ＥＣＵ１００は、制御ルーチンの実行時において、ＲＯＭ１０１内の数値マップを参照して諸条件に対応する各気筒１１のＥＧＲ率を取得する。

なお、本実施例に係る筒内凝縮水の発生予測は、各制御ルーチン実行時において最も凝縮水の発生しやすい気筒１１について行われる。つまり、各燃焼サイクルにおいて最も凝縮水が発生しやすい気筒１１について筒内凝縮水の発生予測を実行すれば、筒内凝縮水の発生を抑制する制御を精度良くかつ効率的に実行することが可能になる。なお、最も凝縮水が発生しやすい気筒１１は、筒内の水蒸気量が最も多くなる気筒１１、すなわち、流入するＥＧＲガス量が最も多い気筒１１であると考えてよい。したがって、本処理においては、上述の数値マップから取得された各気筒１１のＥＧＲ率の中から最大のＥＧＲ率が選択される。

（処理３：燃焼後筒内ガス組成予測処理）
本処理は、燃焼後に気筒１１内に存在する気体の組成、すなわち、気筒１１から排出される排気内に含まれる各気体成分のモル比率を予測する処理である。なお、本処理においては、気筒１１内で理想的な燃焼が発生することを前提にする。そのため、予測対象の気体は、窒素（Ｎ_２）、酸素（Ｏ_２）、二酸化炭素（ＣＯ_２）及び水蒸気（Ｈ_２Ｏ）の４種類とする。また、本処理は、上述の処理２で取得された最大ＥＧＲ率を有する最も凝縮水の発生しやすい気筒１１（以下、「気筒１１ａ」という。）について実行される。

以下、各気体成分の物質量に着目して本処理を説明する。まず、本処理実行時の燃焼サイクルにおいて気筒１１ａに流入するＥＧＲガス量Ｍｅｇｒ［ｍｏｌ］は、最大ＥＧＲ率ρｍａｘを用いて、次の式で求められる。
Megr = Mair * ρmax / (1-ρmax) …（１）

なお、Ｍａｉｒ［ｍｏｌ］は本燃焼サイクルにおいて気筒１１ａに流入する筒内吸入空気量であって、エアーフローメータ１５によって検出された空気量から求められる。

次に、本燃焼サイクルにおいて気筒１１ａに流入した吸気（空気とＥＧＲガスの合計）における各気体成分量ＭＮ_２ｉｎ、ＭＯ_２ｉｎ、ＭＣＯ_２ｉｎ、ＭＨ_２Ｏｉｎ［ｍｏｌ］は、以下の式で表わされる。
MN₂in = N₂air * Mair + N₂egr(n) * Megr …（２）
MO₂in = O₂air * Mair + O₂egr(n) * Megr …（３）
MCO₂in = CO₂air * Mair + CO₂egr(n) * Megr …（４）
MH₂Oin = H₂Oair * Mair + H₂Oegr(n) * Megr …（５）

ここで、Ｎ_２ａｉｒ、Ｏ_２ａｉｒ、ＣＯ_２ａｉｒ、Ｈ_２Ｏａｉｒは、空気中におけるＮ_２、Ｏ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏのモル比率である。なお、空気中の水蒸気比率であるＨ_２Ｏａｉｒは、例えば、内燃機関１０が搭載される自動車に設置された湿度計の検出値から取得することができる。また、Ｎ_２ａｉｒ、Ｏ_２ａｉｒ及びＣＯ_２ａｉｒは、取得されたＨ_２Ｏａｉｒと、一般的な空気の各気体成分比から適宜算出すればよい。

また、Ｎ_２ｅｇｒ（ｎ）、Ｏ_２ｅｇｒ（ｎ）、ＣＯ_２ｅｇｒ（ｎ）、Ｈ_２Ｏｅｇｒ（ｎ）は、本燃焼サイクルにおいて気筒１１ａ内に流入するＥＧＲガスの予測組成（各気体成分の予測モル比率）であって、上述の処理１によって取得されたｎ回転前に気筒１１ａから排出された排気の組成である。つまり、ｎ回転前に本処理によって予測された各気体成分のモル比率である。

次に、本燃焼サイクルにおいて気筒１１ａ内で発生する燃焼について説明する。気筒１１ａ内の燃料噴射弁２０から噴射される噴射量をＱ［ｇ］とすると、噴射燃料内の炭素モル数Ｍｆｕｅｌ［ｍｏｌ］は、燃料内の水素／炭素比率をｍとすると、
Mfuel = Q / (12+m) …（６）
より表わされる。そして、当該燃料の燃焼の化学反応式は次の化学式で表わされる。
CHm + (1+m/4)O₂ → CO₂ + (m/2)H₂O …（７）

そうすると、当該燃料の燃焼後において気筒１１ａ内に存在する各気体成分量ＭＮ_２ｅｘ、ＭＯ_２ｅｘ、ＭＣＯ_２ｅｘ、ＭＨ_２Ｏｅｘ［ｍｏｌ］は、以下の式で表わされる。
MN₂ex = MN₂in …（８）
MO₂ex = MO₂in - (1+m/4)Mfuel …（９）
MCO₂ex = MCO₂in + Mfuel …（１０）
MH₂Oex = MH₂Oin + (m/2)Mfuel …（１１）

なお、式（１１）によって算出されたＭＨ_２Ｏｅｘが、本燃焼サイクルにおいて気筒１１ａ内に発生した水蒸気量（以下、「筒内水蒸気量」という。）である。

以上より、燃焼後における気筒１１ａ内の各気体成分のモル比率は、以下の式で求められる。
N₂ex = MN₂ex / (MN₂ex + MO₂ex + MCO₂ex + MH₂Oex) …（１２）
O₂ex = MO₂ex / (MN₂ex + MO₂ex + MCO₂ex + MH₂Oex) …（１３）
CO₂ex = MCO₂ex / (MN₂ex + MO₂ex + MCO₂ex + MH₂Oex) …（１４）
H₂Oex = MH₂Oex / (MN₂ex + MO₂ex + MCO₂ex + MH₂Oex) …（１５）

このようにして、本燃焼サイクルにおける燃焼後の気筒１１ａ内のガス組成、つまり、本燃焼サイクルで気筒１１ａから排出される排気のガス組成を予測することができる。そして、ＥＣＵ１００は、この予測結果をＲＯＭ１０１内に記憶させる。

（処理４：筒内飽和水蒸気量算出処理）
本処理では、燃焼後における気筒１１ａ内の飽和水蒸気量（以下、「筒内飽和水蒸気量」という。）が算出される。なお、閉空間内における飽和水蒸気量は温度上昇と共に上昇する。したがって、気筒１１ａの筒内凝縮水の発生を予測する際には、凝縮水の最も発生しやすい温度、すなわち、気筒１１ａの筒内温度が燃焼後において最も低下するときの飽和水蒸気量を求めればよい。そこで、まず燃焼の前後における気筒１１ａの筒内温度の推移について図面を用いて説明する。

図３は、気筒１１ａの筒内温度の推移を示すグラフであり、横軸が上死点後クランク角［ｄｅｇＡＴＤＣ］を示し、縦軸が筒内温度を示している。なお、図３のグラフＬ_２は、圧縮工程前の下死点（−１８０ｄｅｇＡＴＤＣ）から、燃焼工程後の下死点（１８０ｄｅｇＡＴＤＣ）までの筒内温度の推移を示している。グラフＬ_２に示されるように、圧縮工程において上昇した筒内温度は、圧縮上死点直後における燃料着火によってクランク角θ_１において最高温度に達する。その後、筒内温度は、ピストンの降下による筒内容積の増大に伴って徐々に低下していく。ここで、気筒１１ａの排気バルブはクランク角θ_２において開弁される。そのため、クランク角θ_２以降においては、筒内温度が更に低下するものの、気筒１１ａ内の排気が排出されるために筒内の水蒸気量も低下する。つまり、排気バルブの開弁開始時点であるクランク角θ_２が、燃焼後の全水蒸気が筒内に存在している場合における最も筒内温度が低い時点、すなわち、最も凝縮水が発生しやすい時点となる。そこで、本処理においてはクランク角θ_２における筒内飽和水蒸気量を取得する。

なお、クランク角θ_２における筒内温度Ｔｅｖｏ［°Ｃ］に対応する飽和水蒸気量ＤＨ_２Ｏｓ[ｍｏｌ／ｃｍ＾３]は、予めＲＯＭ１０１内に用意された数値マップから適宜選択すればよい。そして、クランク角θ_２における筒内容積をＶｅｖｏ［ｃｍ＾３］とすると、クランク角θ_２における気筒１１ａの筒内飽和水蒸気量ＭＨ_２Ｏｓ[ｍｏｌ]は、次の式で算出される。
MH₂Os = DH₂Os * Vevo …（１７）

（処理５：筒内凝縮水発生予測処理）
既に述べたように、気筒１１ａ内に存在する水蒸気量が、気筒１１ａ内の飽和水蒸気量以上の場合に筒内凝縮水が発生すると予測される。したがって、本処理では、処理３の式（１１）において算出された筒内水蒸気量ＭＨ_２Ｏｅｘが、処理４の式（１７）において算出された筒内飽和水蒸気量ＭＨ_２Ｏｓ以上であるかが判定される。そして、肯定的な判定が下されれば、気筒１１ａにおいて筒内凝縮水が発生すると判定される。

なお、制御ルーチンにおいては、この判定をもって、ＥＣＵ１００による筒内凝縮水の発生を抑制する制御（以下、「抑制制御」という。）の実行が決定される。つまり、この判定は、最も筒内凝縮水が発生しやすい気筒についての、最も筒内凝縮水が発生しやすい時点における筒内凝縮水の発生予測であるから、この判定に基づくことによって精度良く抑制制御を実行することが可能になる。

＜抑制制御の制御ルーチン＞
次に、本実施例における筒内凝縮水発生の抑制制御の制御ルーチンについてフローチャートを用いて説明する。なお、この制御ルーチンは、ＥＧＲ装置４０によるＥＧＲガスの還流中において燃焼サイクル毎に実行される。

図４は、ＥＣＵ１００によって実行される制御ルーチンを示すフローチャートである。この制御ルーチンが開始されると、まず、ステップＳ１０１において、ＥＣＵ１００は、本制御ルーチン実行時に内燃機関１０の各気筒１１に流入する空気量である筒内吸入空気量Ｍａｉｒ［ｍｏｌ］を取得する。Ｍａｉｒは、エアーフローメータ１５からの出力値に基づいて求められる。また、本ステップにおいて、上述の方法によって流入する空気の組成も取得される。

次に、ステップＳ１０２では、本制御ルーチン実行時に各気筒１１に流入するＥＧＲガスの組成が取得される。具体的には、まず、上述のＥＧＲガスの還流遅れ取得処理（処理１）によって、本制御ルーチン実行時に各気筒１１に流入するＥＧＲガスの還流遅れ回転数ｎが取得される。そして、ＥＣＵ１００は、ＲＯＭ１０１内に記憶されている、ｎ回転
前の制御ルーチンにおいて予測された燃焼後筒内ガス組成（Ｎ_２ｅｇｒ（ｎ）、Ｏ_２ｅｇｒ（ｎ）、ＣＯ_２ｅｇｒ（ｎ）、Ｈ_２Ｏｅｇｒ（ｎ））を取得する。なお、この筒内ガス組成は、ｎ回転前の制御ルーチンのステップＳ１０５において、上述の燃焼後筒内ガス組成予測処理（処理３）によって算出された組成である。

次に、ステップＳ１０３では、ＥＣＵ１００は、上述の気筒別ＥＧＲ率取得処理（処理２）によって、本制御ルーチン実行時における各気筒１１のＥＧＲ率を取得し、その中から最大のＥＧＲ率である最大ＥＧＲ率ρｍａｘを取得する。

次に、ステップＳ１０４では、ＥＣＵ１００は、本制御ルーチン実行時においてＥＧＲ率が最大となる気筒１１、つまり取得されたρｍａｘに係る気筒１１ａ内に噴射される燃料噴射量Ｑ［ｇ］を取得する。

次に、ステップＳ１０５では、上述の燃焼後筒内ガス組成予測処理（処理３）によって、本制御ルーチン実行時において気筒１１ａに発生した筒内ガス組成を予測する。すなわち、ステップＳ１０１で取得された空気の組成、ステップＳ１０２で取得されたＥＧＲガス組成、及び前ステップで取得された燃料量Ｑに基づいて燃焼後筒内ガス組成が算出される。なお、このステップにおいて算出された、筒内水蒸気量ＭＨ_２Ｏｅｘが、後述するステップＳ１０８において筒内飽和水蒸気量ＭＨ_２Ｏｓと比較される。また、このようにして取得されたガス組成は、ＲＯＭ１０１に記憶され、以降の制御ルーチンのステップＳ１０２において、当該制御ルーチン時の還流遅れに応じて読み出される。

次に、ステップＳ１０６では、上記の筒内飽和水蒸気量算出処理（処理４）の説明で述べたように、気筒１１ａの排気バルブの開弁開始時点における筒内温度Ｔｅｖｏが取得される。本実施例においては、筒内温度Ｔｅｖｏは、排気マニホールド３１に設けられた排気温度センサ３２によって検出された排気温度を用いる。

次に、ステップＳ１０７では、ＥＣＵ１００は、ＲＯＭ１０１に用意された数値マップを参照して前ステップで取得された筒内温度Ｔｅｖｏに対応する飽和水蒸気量ＤＨ_２Ｏｓを取得する。そして、開弁開始時点における筒内容積Ｖｅｖｏを用いて、式（１７）より本制御ルーチン実行時における気筒１１ａの筒内飽和水蒸気量ＭＨ_２Ｏｓを算出する。

次に、ステップＳ１０８では、上述の筒内凝縮水発生予測処理（処理５）によって、気筒１１ａ内における筒内凝縮水の発生予測が実行される。すなわち、ステップＳ１０５で取得された筒内水蒸気量ＭＨ_２Ｏｅｘが、前ステップで算出された筒内飽和水蒸気量ＭＨ_２Ｏｓ以上であるかが判定される。肯定的な判定がなされた場合には、気筒１１ａ内で凝縮水が発生すると予測されて、ステップＳ１０９に進んで抑制制御が実行される。一方、否定的な判定がなされた場合には、気筒１１ａ内で凝縮水は発生しないと予測されるため、抑制制御は実行されずに本制御ルーチンは終了する。

なお、ステップＳ１０９において実行される筒内凝縮水発生の抑制制御としては、複数の方法が考えられる。例えば、調節弁４６を調節してバイパス通路４５を流通するＥＧＲガスを増大させることによって、ＥＧＲクーラ４２によって冷却されるＥＧＲガス量を減少させる。これにより、吸気通路１２に還流されるＥＧＲガス温度が上昇して、各気筒１１内の燃焼後筒内温度が上昇する。したがって、各気筒１１の筒内飽和水蒸気量が上昇して凝縮水の発生が抑制される。また、ＥＧＲ弁４４を調節してＥＧＲガス量を低減させてもよい。これにより、各気筒１１内に流入するＥＧＲガス量が減少することによって、各気筒における燃焼後の筒内水蒸気量が減少する。その結果、各気筒１１内での凝縮水の発生が抑制される。

なお、本実施例においては、ステップＳ１０２でのＥＧＲガス組成の取得時において、ＥＧＲガス内の水蒸気のモル比率（Ｈ_２Ｏｅｇｒ（ｎ））を取得するＥＣＵ１００が、本発明における水蒸気比率取得手段に相当する。また、ステップＳ１０３において各気筒１１のＥＧＲ率を取得するＥＣＵ１００が、本発明におけるＥＧＲ率取得手段に相当し、ステップＳ１０５において筒内水蒸気量ＭＨ_２Ｏｅｘを算出するＥＣＵ１００が、本発明における水蒸気量算出手段に相当する。更に、ステップＳ１０６において筒内温度Ｔｅｖｏを取得する排気温度センサ３２が、本発明における温度取得手段に相当し、ステップＳ１０７において筒内飽和水蒸気量ＭＨ_２Ｏｓを算出するＥＣＵ１００が、本発明における飽和水蒸気量算出手段に相当する。

以上のように、この制御ルーチンによれば、最も凝縮水の発生しやすい気筒１１ａの筒内水蒸気量が、気筒１１ａの筒内飽和水蒸気量以上の場合に、各気筒１１内における凝縮水の発生を抑制する制御が実行される。これにより、内燃機関１０の各気筒１１内における凝縮水の発生を効果的かつ効率的に抑制することができる。

なお、本実施例に係るＥＧＲ装置４０は、ＥＧＲ通路４１が排気マニホールド３１に接続されていることによって、高温高圧のＥＧＲガスが還流されるいわゆるＨＰＬ−ＥＧＲ装置である。しかしながら、ＥＧＲ通路４１が排気通路３０のより下流に接続されることによって、低温低圧のＥＧＲガスが還流されるいわゆるＬＰＬ−ＥＧＲ装置が設置された内燃機関においても、本実施例と同様の手法によって各気筒内における凝縮水の発生を抑制することができる。また、ＨＰＬ−ＥＧＲ装置とＬＰＬ−ＥＧＲ装置の双方を備えた内燃機関に関しても同様である。

また、本実施例では、制御ルーチンのＳ１０３において選択された最大ＥＧＲ率ρｍａｘを有する気筒１１ａのみについて凝縮水の発生予測が行われるが、全ての気筒１１について発生予測を行ってもよい。つまり、内燃機関１０が有する全ての気筒１１について、筒内水蒸気量と筒内飽和水蒸気量を算出し、何れかの気筒１１において、筒内水蒸気量が筒内飽和水蒸気量以上である場合に、凝縮水の発生を抑制する制御を実行するようにしてもよい。

更にまた、本実施例では、制御ルーチンのステップＳ１０６において排気温度センサ３２によって排気バルブ開弁開始時点の筒内温度Ｔｅｖｏを取得しているが、当該時点において筒内圧力センサ２１によって検出される筒内圧力値から筒内温度Ｔｅｖｏを取得してもよい。つまり、検出された筒内圧力値と、当該時点における気筒１１の容積Ｖｅｖｏ、更に当該時点において気筒１１内に存在する気体の総物質量（上述の式（８）〜（１１）によって算出された各気体成分の物質量を合算して算出される）を気体の状態方程式に代入すれば、排気バルブ開弁開始時点における筒内温度Ｔｅｖｏを算出することができる。この方法によれば、各気筒１１の筒内温度Ｔｅｖｏをより高精度に取得することができるため、筒内水蒸気量や筒内飽和水蒸気量をより精度良く算出することができる。その結果、各気筒１１における凝縮水の発生をより精度良く抑制することが可能になる。

[実施例２]
次に、本発明に係る内燃機関の制御装置の他の実施例である実施例２について説明する。実施例２においては、内燃機関１０の燃料噴射弁２０が、圧縮上死点近傍におけるメイン噴射の前にパイロット噴射を行う場合を前提とする。なお、実施例２は、実施例１によって実行される制御ルーチンにおいて、ステップＳ１０３におけるＥＧＲ率取得の処理方法が異なるのみである。したがって、以下においてはこれについてのみ説明を行い、実施例１と同一又は同等の構成部分については同一の符号を用いて説明を省略する。

実施例２におけるＥＧＲ率の取得方法においては、燃料噴射弁２０によって実行される
パイロット噴射によって噴射された燃料の着火時期（パイロット着火遅れ）に基づいて各気筒１１のＥＧＲ率が算出される。なお、パイロット噴射とは、燃焼に供される燃料の大部分が噴射される圧縮上死点近傍におけるメイン噴射の前に実行される噴射であって、より少ない量の燃料が噴射される。以下、このパイロット噴射について図面を用いて説明する。

図５は、燃料噴射弁２０によって実行されるパイロット噴射を説明する図であり、（ａ）は燃料噴射パルスの出力時期と熱発生率との関係を示すグラフ、（ｂ）はパイロット着火遅れと気筒１１内の吸気酸素濃度との関係を示すグラフである。

図５（ａ）は、クランク角θ_３とθ_４においてパイロット噴射が実行された後にクランク角θ_６でメイン噴射が実行された場合における、燃料噴射弁２０に入力される噴射パルスと噴射された燃料の熱発生率［Ｊ／ｄｅｇ］の推移（グラフＬ_３）を示している。なお、燃料噴射の実行時期と噴射パルスの入力時期は等しいと考えてよい。グラフＬ_３に示されるように、クランク角θ_３において１回目のパイロット噴射が実行されて気筒１１内に燃料が供給されると、クランク角θ_５から熱発生率が急激に上昇し始める。このことは、１回目のパイロット噴射によって噴射された燃料がクランク角θ_５において着火（パイロット着火）されたことを意味する。ここで、パイロット噴射からパイロット着火までの期間であるθ_５−θ_３［ｄｅｇ］をパイロット着火遅れと定義すると、パイロット着火遅れと燃焼前における気筒１１内の吸気酸素濃度との間には、図５（ｂ）のグラフＬ_４で示されるような関係が成立する。つまり、グラフＬ_４で示される関係を予め求めておけば、気筒１１内で発生する燃焼のパイロット着火遅れに基づいて、当該気筒１１内に吸入された吸気の酸素濃度を決定することができる。なお、パイロット着火時点であるクランク角θ_５においては筒内圧力も急激に上昇する。したがって、筒内圧力センサ２１によってこの急激な筒内圧力上昇を検出することによって、パイロット着火時期を検出することができる。そして、この検出時期においてクランクセンサ２２によって検出されたクランク角をθ_５とすれば、パイロット着火遅れを算出することができる。

そして、制御ルーチンのステップＳ１０３におけるＥＧＲ率の取得は次のように実行する。例えば、直前の燃焼サイクルにおけるパイロット着火遅れから決定された筒内酸素濃度と、制御ルーチンのステップＳ１０１において取得された筒内吸入空気量Ｍａｉｒと流入する空気の組成、及びステップＳ１０２において取得されたＥＧＲガス組成より、今回の制御ルーチンの燃焼サイクルにおいて各気筒１１に流入したＥＧＲガス量Ｍｅｇｒが求められる。すると、上述の式（１）を変形した次の式より、各気筒１１のＥＧＲ率ρを求めることができる。
ρ= Megr / (Mair + Megr) …（１８）

なお、最大ＥＧＲ率ρｍａｘが必要な場合は、このようにして取得された各気筒１１のＥＧＲ率の中から最も大きい値を選択すればよい。

本実施例によれば、内燃機関１０の燃焼噴射弁２０がパイロット噴射を実行する場合において、ＥＣＵ１００が、筒内圧力センサ２１によって検出されたパイロット着火時期に基づいて、各気筒１１のＥＧＲ率を取得する。これにより、各気筒１１間や各燃料噴射弁２０間の個体差に影響されずに、精度良く各気筒１１のＥＧＲ率を取得することできる。したがって、本実施例によれば、筒内水蒸気量や筒内飽和水蒸気量をより精度よく算出して、高精度な筒内凝縮水の発生予測を行うことができる。その結果、内燃機関１０の各気筒１１における凝縮水の発生をより高精度に抑制することが可能になる。

１０ 内燃機関
１１ 燃焼室
１２ 吸気通路
２０ 燃料噴射弁
３１ 排気間にホールド
４０ ＥＧＲ装置
４１ ＥＧＲ通路
１００ ＥＣＵ

Claims (4)

1. 複数の気筒と、排気通路を流通する排気の一部を吸気通路へＥＧＲガスとして還流させるＥＧＲ通路とを有する内燃機関の制御装置であって、
   前記ＥＧＲガス内の水蒸気比率を取得する水蒸気比率取得手段と、
   前記複数の気筒の各気筒について、流入する吸気に対する前記ＥＧＲガスの比率であるＥＧＲ率を取得するＥＧＲ率取得手段と、
   前記水蒸気比率と前記各気筒のＥＧＲ率に基づいて前記各気筒内の水蒸気量を算出する水蒸気量算出手段と、
   前記各気筒内の温度を取得する温度取得手段と、
   前記各気筒内の温度に基づいて前記各気筒内の飽和水蒸気量を算出する飽和水蒸気量算出手段と、
   を備え、
   前記水蒸気量算出手段によって算出された前記各気筒の何れかの気筒内の水蒸気量が、前記飽和水蒸気量算出手段によって算出された当該気筒内の飽和水蒸気量以上の場合に、前記各気筒内における凝縮水の発生を抑制する制御を実行することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記水蒸気量算出手段は、前記各気筒の中の前記ＥＧＲ率が最大となる気筒内の水蒸気量を算出し、当該水蒸気量が前記飽和水蒸気量算出手段によって算出された当該気筒内の飽和水蒸気量以上の場合に、前記各気筒内における凝縮水の発生を抑制する制御を実行することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記温度取得手段は、前記各気筒に設けられた筒内圧力センサによって検出された筒内圧力値に基づいて、前記各気筒内の温度を取得することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記内燃機関は、前記各気筒に設けられた燃料噴射弁によって、圧縮上死点近傍におけるメイン噴射の前にパイロット噴射を行うものであって、
   前記ＥＧＲ率取得手段は、前記筒内圧力センサによって検出された、前記パイロット噴射によって噴射された燃料の着火時期に基づいて、前記ＥＧＲ率を取得することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置。

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