JP2006132440A - Ｅｇｒ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ラジエータの負担を軽減しつつ、ＥＧＲガスの温度を効率よく低下させることで、ＮＯｘの発生を低減させることができるＥＧＲ装置を提供すること。
【解決手段】 排気通路(18)のうちタービン(8b)より排気下流側の排ガスとＥＧＲ通路(26)を通るＥＧＲガスとの熱交換を可能とする熱交換器(20)を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＥＧＲ装置に係り、ＥＧＲガスを冷却する技術に関する。

従来より、内燃機関における排ガス中のＮＯｘを低減させる方法の一つとして、排ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気系に再循環させる排ガス循環装置、所謂ＥＧＲ装置がある。
しかし、ＥＧＲガスは高温であるため、そのまま吸気系に導入すると内燃機関の出力低下やノッキングの原因となるおそれがある。

そこで一般には、ＥＧＲ通路にＥＧＲクーラ等を設けＥＧＲガスを冷却してから吸気系に導入させている。
ここでＥＧＲクーラには、内燃機関の冷却にも使用される冷却水を使用している場合が多く、ＥＧＲクーラに十分な性能を持たせるためにはラジエータの冷却性能を向上させなければならず、ラジエータの大型化及びこれに伴う車両搭載性の悪化を招くという問題があった。

そこで、例えば、ＥＧＲ通路の途中に吸熱部を設けるとともに、前記排気通路におけるＥＧＲガスの抜き出し箇所より下流の排気温度が相対的に低い位置に放熱部を設け、該放熱部と前記吸熱部との間をヒートパイプにより接続することでＥＧＲガスの冷却性能を向上させるという技術が開発されている（特許文献１参照）。
特開２００２−１９５１０６号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術のようにヒートパイプによるＥＧＲ通路と排気通路との熱交換では一旦ヒートパイプの作動流体を介することになるため冷却性能の大幅な向上は期待できない。
また、ヒートパイプを使用した熱交換の場合、放熱部に対し吸熱部を上方側に配置した場合、凝縮された作動流体が吸熱部へ還流できないという所謂ドライアウト現象が生じ、熱交換器としての機能が著しく低下するというおそれがある。このため、ヒートパイプによる熱交換を行う場合にはレイアウト上の制約も生じるという問題もある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ラジエータの負担を軽減しつつ、ＥＧＲガスの温度を効率よく低下させＮＯｘの発生を十分に低減させることができるＥＧＲ装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１のＥＧＲ装置では、内燃機関の排気通路に配設されたタービンを排ガスにより回転させることで吸気通路に配設されたコンプレッサを同期回転させて吸気の過給を行うターボ過給機と、前記排気通路のうち前記タービンよりも排気上流側の部分と前記吸気通路のうち前記コンプレッサよりも吸気下流側の部分とを連通し、排ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気系に還流させるＥＧＲ通路と、前記排気通路のうち前記タービンよりも排気下流側の部分に該排気通路と前記ＥＧＲ通路とが交差するよう設けられ、排ガスとＥＧＲガスとの熱交換を行う熱交換器とを備えたことを特徴としている。

これより、タービンを回転させることでエネルギを損失し低温となったタービン通過後の排ガスと、燃焼後の排ガスの一部であり高温のままであるＥＧＲガスとが熱交換器により直接熱交換される。
また、請求項２のＥＧＲ装置では、前記熱交換器は、排ガスの流通する部分とＥＧＲガスが流通する部分とが交互に積層して構成されていることを特徴としている。

これより、熱交換器では排気通路とＥＧＲ通路とが交互に層をなし、当該排気通路に排ガスが、当該ＥＧＲ通路にＥＧＲガスが通ることで互いに熱交換する。
また、請求項３のＥＧＲ装置では、前記吸気通路のうち前記コンプレッサよりも吸気直下流側の部分と、前記排気通路のうち前記タービンよりも排気下流側且つ前記熱交換器よりも排気上流側の部分とを連通する吸気導入通路と、該吸気導入通路を流通する吸気導入量を調節する吸気導入量制御手段とを備えたことを特徴としている。

これより、吸気導入量制御手段を制御することにより、ＥＧＲガスとの熱交換が行なわれる前の排ガス中に吸気導入通路を通じて比較的低温である吸気が導入される。
また、請求項４のＥＧＲ装置では、前記ターボ過給機による過給圧を検出する過給圧検出手段を備え、前記吸気導入量制御手段は該過給圧検出手段により検出された過給圧に応じて吸気導入量を調節することを特徴としている。

これより、熱交換器の排気通路とＥＧＲ通路とは交互に層をなして構成されていることから、当該排気通路を通る排ガスと当該ＥＧＲ通路を通る吸気導入量制御手段により必要以上に過給された分の吸気が排ガスに導入される。
また、請求項５のＥＧＲ装置では、前記吸気導入量制御手段は、前記ターボ過給機による過給圧に応じて開閉する圧力応動弁により構成されていることを特徴としている。

これより、圧力応動弁を用いた簡単な構成にして、過給圧が適切に制御されつつ、必要以上に過給された分の吸気が排ガスに導入される。
また、請求項６のＥＧＲ装置では、前記排気通路のうち前記熱交換器よりも排気下流側の部分に排気浄化手段を備えたことを特徴としている。
これより、熱交換器を流通した排ガスが排気浄化手段に流入する。

また、請求項７のＥＧＲ装置では、前記排気浄化手段は、排気浄化触媒であることを特徴としている。
また、請求項８のＥＧＲ装置では、前記排気浄化手段は、排気中のパティキュレート・マターを捕集するフィルタであることを特徴としている。

上記手段を用いる本発明の請求項１のＥＧＲ装置によれば、タービン通過後の温度の低下した排ガスと、高温のままであるＥＧＲガスとを熱交換器により直接熱交換させることで、排ガス温度は昇温させ、ＥＧＲガスの温度は低下させることができる。
この際、当該熱交換器は冷却水等を使用せず、排ガスとの熱交換のみによりＥＧＲガス温度を低下させるのでラジエータに負担をかけない。

したがって、ＥＧＲクーラを併用したとしてもＥＧＲクーラの負担を減らせることができ、ラジエータの負担を軽減させつつ、ＥＧＲガス温度をより低下させることができ、吸気系に導入するＥＧＲガスの量を増加させてＮＯｘの発生を大幅に低減させることができる。
請求項２のＥＧＲ装置によれば、熱交換器の排気通路とＥＧＲ通路とは交互に層をなして構成されていることから、当該排気通路と当該ＥＧＲ通路との熱交換面積を十分に確保することができることから、当該排気通路を通る排ガスと当該ＥＧＲ通路を通るＥＧＲガスとの熱交換を効率よく行うことができる。

請求項３のＥＧＲ装置によれば、ＥＧＲガスとの熱交換前の排ガスに比較的低温である吸気を導入することで排ガスの温度をさらに低下させ、熱交換によるＥＧＲガスの温度低下をさらに促進させることができる。
請求項４のＥＧＲ装置によれば、必要以上に過給された分の吸気を熱交換前の排ガスに導入することで、適切な過給圧を維持しつつ、排ガスの温度をさらに低下させることができる。

請求項５のＥＧＲ装置によれば、吸気導入量制御手段として圧力応動弁を用いることで、容易にして、適切な過給圧を維持しつつ、排ガスの温度をさらに低下させることができる。
請求項６のＥＧＲ装置によれば、ＥＧＲガスとの熱交換によりタービン通過直後の温度よりも昇温した排ガスが排気浄化手段に流入することで、排気浄化手段をより早期に昇温することができる。

請求項７のＥＧＲ装置によれば、熱交換後の排ガスにより排気浄化触媒がより早期に昇温されることで、排気浄化触媒を早期に活性化することができる。
請求項８のＥＧＲ装置によれば、熱交換後の排ガスによりフィルタがより早期に昇温されることで、フィルタに溜まったパティキュレート・マターを高温に保持してフィルタに捕集したパティキュレート・マターを容易に燃焼させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１を参照すると、本発明に係るＥＧＲ装置の概略構成図が示されている。
図１に示すように、エンジン１の吸気側には吸気マニホールド２が接続されており、当該吸気マニホールド２からは吸気管４が延びている。当該吸気管４には、吸気上流から下流に向けて順に、エアクリーナ６、ターボ過給機８のコンプレッサ８ａ、リリーフバルブ１０（吸気導入量制御手段）、インタークーラ１２が設けられている。また、吸気管４の吸気マニホールド２近傍には、吸気管４内において過給された吸気圧、即ち過給圧を検出する過給圧センサ１４（過給圧検出手段）が設けられており、当該過給圧センサ１４はＥＣＵ（電子コントロールユニット）４０に接続されている。なお、リリーフバルブ１０は電磁弁からなりコンプレッサ８ａの直下流側に設けられている。

一方、エンジン１の排気側には排気マニホールド１６が接続されており、当該排気マニホールド１６からは排気管１８が延びている。当該排気管１８には、排気上流から下流に向けて順に、コンプレッサ８ａと同軸上に同期回転可能に連結されているターボ過給機８のタービン８ｂ、熱交換器２０、排気浄化触媒２２（排気浄化手段）が設けられている。
また、排気管１８におけるタービン８ｂと熱交換器２０との間の部分と、吸気管４のリリーフバルブ１０とはバイパス通路２４（吸気導入通路）により接続されている。リリーフバルブ１０は上記ＥＣＵ４０に接続されており、過給圧センサ１４により検出される過給圧に応じて開閉制御される。

また、排気マニホールド１６と吸気マニホールド２とはＥＧＲ通路２６により接続されており、ＥＧＲ通路２６に排気マニホールド１６側から吸気マニホールド２側に向けて順に、上記熱交換器２０、ＥＧＲクーラ２８、ＥＧＲガスの還流量を調節するＥＧＲバルブ３０が設けられている。
熱交換器２０はＥＧＲ通路２６と排気管１８が交差するようにＥＧＲ通路２６と排気管１８とにそれぞれ接続されており、内部は図２に示すように、複数の隔壁板により所定の間隔で複数の扁平な空間が形成されて構成されている。詳しくは、各空間は、それぞれＥＧＲ通路２６と排気管１８とを一旦分岐させて複数のＥＧＲ通路２６ａと排気通路１８ａとを形成しており、熱交換器２０はこれらＥＧＲ通路２６ａと排気通路１８ａとが交互に層状をなして構成されている。

また、ＥＧＲクーラ２８は水冷式であり、当該ＥＧＲクーラ２８内には冷却水が流通している。ＥＧＲクーラ２８の冷却にはエンジン１の冷却水が共用され、当該冷却水は所定温度以上昇温すると、ラジエータ３２を通り再び冷却されてＥＧＲクーラ２８やエンジン１内を循環する。
以下このように構成された本発明に係るＥＧＲ装置の作用について説明する。

先ず、エンジン１にかかる負荷が低負荷である場合について説明する。
エンジン１にかかる負荷が低負荷である場合、エアクリーナ６から吸気管４を通りコンプレッサ８ａにより圧縮された空気がエンジン１に吸気され燃焼が生起される。燃焼後の排ガスは排気マニホールド１６から排気管１８内を通り、途中タービン８ｂを回転させる。この際、排ガスはタービン８ｂを回転させることでエネルギを損失し、排ガスの温度は低下する。そして、タービン８ｂを回転させた後の排ガスは、熱交換器２０内の複数の排気通路１８ａを流通する。

また、燃焼後の排ガスの一部がＥＧＲガスとして排気マニホールド１６からＥＧＲ通路２６へ流入する。そして、ＥＧＲガスは熱交換器２０内の複数のＥＧＲ通路２６ａを流通する。
このように排ガスとＥＧＲガスとが熱交換器２０内を流通すると、排気通路１８ａとＥＧＲ通路２６ａとは交互に層をなして構成されていることから、これら排ガスとＥＧＲガスとは直接に効率よく熱交換される。

詳しくは、タービン８ｂを回転させて低温となった排ガスと、ほぼ燃焼後の排ガスの温度のままである高温のＥＧＲガスとが熱交換することで、排ガスの温度は上昇する一方、ＥＧＲガスの温度が低下する。
熱交換器２０を流通後の排ガスは次に排気浄化触媒２２に流入する。排気浄化触媒２２は、流通する排ガスの温度により昇温され、ある程度の高温となることで活性化し排ガス中の有害物質を浄化するものである。この点、熱交換後の排ガスはタービン８ｂ通過直後の温度よりも昇温されているので、より早期に排気浄化触媒２２を活性化させることになる。

一方、熱交換器２０を流通後のＥＧＲガスは次にＥＧＲクーラ２８に流入する。これより、ＥＧＲガスは当該ＥＧＲクーラ２８内を通る冷却水によりさらに冷却され、吸気マニホールド２へと流入する。
次に、エンジン１にかかる負荷が高負荷である場合について説明する。
エンジン１にかかる負荷が高負荷である場合、過給圧は上昇し、過給圧センサ１４により検出される過給圧が所定圧以上となると、ＥＣＵ４０はリリーフバルブ１０を開弁するよう制御する。リリーフバルブ１０が開弁することにより、必要以上に過給された吸気の一部がバイパス通路２４を通り排ガスに流入される。

そして、吸気が流入する前の排ガスは、タービン８ｂを回転させた後であるために温度が低下しているものの、さらに比較的低温である吸気と混合することでより一層温度が低下する。
このように温度低下した排ガスが熱交換器２０に流入すると、ＥＧＲガスとの温度差が拡がり、熱交換によるＥＧＲガスの温度低下がさらに促進される。

また、高負荷時は排ガスの温度が比較的高くなっているのであるが、当該排ガスの温度は熱交換前に吸気導入により十分に下げられているため、ＥＧＲガスとの熱交換後の排ガスにおいても温度は比較的低く、排気浄化触媒２２が過度に高温になることが抑制される。
以上のように、本発明に係るＥＧＲ装置では、ターボ過給機８のタービン８ｂを通過後の低温化した排ガスとＥＧＲガスとの直接の熱交換によりＥＧＲガスの温度を低下させることができるので、ＥＧＲクーラの負担を軽減し、ラジエータ３２の負担を軽減しつつ、ＮＯｘの発生を十分に低減させることができる。

また、ＥＧＲクーラを併用することで、ＥＧＲガスの温度をより一層低下させることができるので、吸気系に導入するＥＧＲガスの量を増加させ、ＮＯｘの発生をさらに低減させることができる。
また、排ガスはＥＧＲガスとの熱交換により温度が上昇することで、排気下流側にある排気浄化触媒２２を早期に活性化させることができる。

さらに、高負荷時においては必要以上に過給された分の吸気を熱交換前の排ガスに導入することで、適切な過給圧を維持しつつ、熱交換器２０に流入する排ガスの温度をさらに低下させることができ、熱交換器２０を流通後の排ガスの温度を排気浄化触媒２２に適した温度域に保つことができる。
以上で本発明に係るＥＧＲ装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。

例えば、上記実施形態ではリリーフバルブ１０の開閉をＥＣＵ４０により制御しているが、当該リリーフバルブ１０に代え、過給圧に応じて自動的に開閉する圧力応動弁を用いてもよい。圧力応動弁を用いることにより、特別な制御を行うことなく、容易にして、最適な過給圧を保ちつつ、吸気を熱交換前の排ガスに導入可能である。
また、上記実施形態では排気浄化手段としては排気浄化触媒２２を用いているが、これに限られるものではなく、エンジン１が例えばディーゼルエンジンである場合には、パティキュレート・マターを捕集するフィルタ、所謂ＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）としても構わない。当該フィルタを設けた場合には、フィルタを高温に保持して当該フィルタに捕集したパティキュレート・マターを燃焼させやすいという効果を奏する。

また、上記実施形態では熱交換器２０は排気通路１８ａとＥＧＲ通路２６ａとが交互に層状をなした構造であるが、熱交換可能であればこの構成に限られるものでない。
また、上記実施形態ではＥＧＲ通路２６に熱交換器２０とＥＧＲクーラ２８を設けＥＧＲガスの冷却を行っているが、ＥＧＲクーラ２８を設けずに熱交換器２０のみでＥＧＲガスを冷却するようにしてもよい。ＥＧＲクーラ２８を設けないことでラジエータ３２の負担をさらに軽減することができる。

本発明に係るＥＧＲ装置の概略構成図である。 本発明に係るＥＧＲ装置の熱交換器の内部構成図である。

符号の説明

１ エンジン
２ 吸気マニホールド
４ 吸気管
８ ターボ過給機
８ａ コンプレッサ
８ｂ タービン
１０ リリーフバルブ（吸気導入量制御装置）
１４ 過給圧センサ（過給圧検出手段）
１６ 排気マニホールド
１８ 排気管
１８ａ 排気通路
２０ 熱交換器
２２ 排気浄化触媒（排気浄化手段）
２４ バイパス通路（吸気導入通路）
２６、２６ａ ＥＧＲ通路
２８ ＥＧＲクーラ
４０ ＥＣＵ

Claims (8)

1. 内燃機関の排気通路に配設されたタービンを排ガスにより回転させることで吸気通路に配設されたコンプレッサを同期回転させて吸気の過給を行うターボ過給機と、
   前記排気通路のうち前記タービンよりも排気上流側の部分と前記吸気通路のうち前記コンプレッサよりも吸気下流側の部分とを連通し、排ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気系に還流させるＥＧＲ通路と、
   前記排気通路のうち前記タービンよりも排気下流側の部分に該排気通路と前記ＥＧＲ通路とが交差するよう設けられ、排ガスとＥＧＲガスとの熱交換を行う熱交換器と、
   を備えたことを特徴とするＥＧＲ装置。
2. 前記熱交換器は、排ガスの流通する部分とＥＧＲガスが流通する部分とが交互に積層して構成されていることを特徴とする請求項１記載のＥＧＲ装置。
3. 前記吸気通路のうち前記コンプレッサよりも吸気直下流側の部分と、前記排気通路のうち前記タービンよりも排気下流側且つ前記熱交換器よりも排気上流側の部分とを連通する吸気導入通路と、
   該吸気導入通路を流通する吸気導入量を調節する吸気導入量制御手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１または２記載のＥＧＲ装置。
4. 前記ターボ過給機による過給圧を検出する過給圧検出手段を備え、
   前記吸気導入量制御手段は該過給圧検出手段により検出された過給圧に応じて吸気導入量を調節することを特徴とする請求項３記載のＥＧＲ装置。
5. 前記吸気導入量制御手段は、前記ターボ過給機による過給圧に応じて開閉する圧力応動弁により構成されていることを特徴とする請求項３記載のＥＧＲ装置。
6. 前記排気通路のうち前記熱交換器よりも排気下流側の部分に排気浄化手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載のＥＧＲ装置。
7. 前記排気浄化手段は、排気浄化触媒であることを特徴とする請求項６記載のＥＧＲ装置。
8. 前記排気浄化手段は、排気中のパティキュレート・マターを捕集するフィルタであることを特徴とする請求項６記載のＥＧＲ装置。

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