JP2006329039A

JP2006329039A - 排気ガス再循環装置

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Publication number: JP2006329039A
Application number: JP2005152555A
Authority: JP
Inventors: Takekazu Ito; 丈和伊藤; Takashi Inoue; 崇井上
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2005-05-25
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2025-05-25
Also published as: JP4559915B2

Abstract

【課題】全閉時の密閉性を確保し、且つＥＧＲ量を適切に調整することを可能とする排気ガス再循環装置を提供する。
【解決手段】排気ガスの一部を燃焼室に還流させる排気ガス再循環通路２６を有する排気ガス再循環装置２０において、排気ガス再循環通路２６にポペット式バルブ３２とバタフライ式バルブ３４とを直列に配置したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガスの一部を燃焼室に還流させる排気ガス再循環装置に関する。

内燃機関に取り付けられる排気ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）装置が知られている。これは、燃焼温度を低下させるために、酸素量が少ない排気ガスをもう一度燃焼室にもどすものであり、これにより例えば排気ガス中の窒素酸化物の発生が抑制される。ＥＧＲ装置には、エンジンの運転状態等に応じてＥＧＲ量を調整するものがあり、例えば専用のバルブによってＥＧＲ量を調整するものがある。

例えば、特許文献１には、排気マニホルドから吸気マニホルドへと排気ガスを再循環させる通路の途中に二つのバタフライ式バルブが並列に取り付けられ、それらのバルブ開度を変化させることでＥＧＲ量が増減調整されるものが開示されている。また、特許文献２には、排気ガスを再循環させる通路の途中にポペット式バルブが取り付けられ、そのバルブ開度を変化させることでＥＧＲ量が増減調整されるものが開示されている。

特開２００４−１３２２９３号公報特開平１１−６２７２１号公報

しかしながら、上記特許文献１のバタフライ式バルブでは、その通路に固着した「すす」等により、その通路における全閉時の密閉性を確保できなくなる可能性がある。また、上記特許文献２のポペット式バルブでは、微量のＥＧＲ量を確保するべく微小のバルブ開度に維持される際、このバルブを挟んで上流側と下流側のその通路の圧力差によってはこのバルブにチャタリングが生じて、ＥＧＲ量を適切に調整できなくなる可能性がある。

そこで、本発明は、全閉時の密閉性を確保し、且つＥＧＲ量を適切に調整することを可能とする排気ガス再循環装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明による排気ガス再循環装置は、排気ガスの一部を燃焼室に還流させる排気ガス再循環通路を有する排気ガス再循環装置において、前記排気ガス再循環通路にポペット式バルブとバタフライ式バルブとを直列に配置したことを特徴とする。

上記構成により、ポペット式バルブとバタフライ式バルブの欠点を相互に補い、それらの特性を生かして適切に排気ガスを再循環させることが可能となる。具体的には、ポペット式バルブにより全閉時の密閉性を確保し、バタフライ式バルブにより微量のＥＧＲ要求量に適した排気ガス再循環通路の開度を実現して、排気ガスのＥＧＲ量を適切に調整することが可能となる。

望ましくは、前記バタフライ式バルブが、前記ポペット式バルブよりも下流側に配置される。これにより、上流側のポペット式バルブを閉じることで排気ガスが確実に遮断され、全閉時の密閉性を確保することが可能となる。また、これにより、全閉時、下流側のバタフライ式バルブおよびその近傍へ「すす」等が堆積するのが抑制されることになる。

特に、前記排気ガス再循環通路によって還流される排気ガスの要求量に基づいて前記ポペット式バルブと前記バタフライ式バルブとを制御する制御手段を備え、該制御手段は、前記要求量が所定量より少ない場合、前記ポペット式バルブを所定の開弁位置で固定させ、前記バタフライ式バルブを前記要求量に応じたバルブ開度に作動させることを特徴とすると好ましい。

これにより、還流される排気ガスの要求量、すなわちＥＧＲ要求量が所定量より少ない場合、バタフライ式バルブを作動させてその要求量を実現することが可能となる。

本発明によれば、全閉時の密閉性を確保し、且つＥＧＲ量を適切に調整することが可能となる。

以下、本発明の実施形態に係る排気ガス再循環装置について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態における排気ガス再循環装置２０が、エンジン１０を搭載した車両に適用されたところを示す概略構成図である。なお、本実施形態のエンジン１０はディーゼルエンジンであるが、本発明は各種の内燃機関、すなわち火花点火機関や圧縮点火機関に適用され得る。

エンジン１０は、燃料である軽油を燃料噴射弁１２から圧縮状態にある燃焼室１４内に直接噴射することにより、自然着火させる型式のものであり、排気通路１６内を流れる排気ガスの一部を吸気通路１８内に導く排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置２０が組み込まれている。

本実施形態のＥＧＲ装置２０は、排気管２２によって区画形成される排気通路１６に一端が連通すると共に他端が吸気管２４によって区画形成される吸気通路１８内に連通するＥＧＲ通路２６を区画形成するＥＧＲ管２８と、このＥＧＲ管２８に設けられてＥＧＲ通路２６内を流れる排気ガスの流量を制御するＥＧＲ制御弁３０とを具えている。ＥＧＲ制御弁３０は後述する第一制御弁３２と第二制御弁３４との二つの制御弁を有している。ＥＧＲ制御弁３０の第一制御弁３２と第二制御弁３４とは、制御装置３６により制御されるアクチュエータ３２ａ、３４ａにより別個独立に作動される。エンジン１０を搭載した車両が予め設定されたＥＧＲ運転領域にある場合、そのＥＧＲ制御弁３０のバルブ開度が車両の運転状態に応じて制御装置３６によって制御され、それ以外の場合は基本的にＥＧＲ通路２６を塞ぐように閉じた状態に保持される。

燃焼室１４にそれぞれ臨む吸気ポート３８および排気ポート４０が形成されたシリンダヘッド４２には、吸気ポート３８を開閉する吸気弁４４および排気ポート４０を開閉する排気弁４６を含む動弁機構４８と、これら吸気弁４４および排気弁４６に挟まれるように燃焼室１４の上端中央に臨む燃料噴射弁１２とが組み込まれている。

吸気ポート３８に連通するようにシリンダヘッド４２に連結されて吸気ポート３８と共に吸気通路１８を区画形成する吸気管２４の上流端側には、大気中に含まれる塵埃などを除去して吸気通路１８に導くためのエアクリーナ５０が設けられている。上述したＥＧＲ管２８の他端は、吸気弁４４と吸気管２４の途中に形成されたサージタンク５２との間の吸気管２４に接続されている。

排気ポート４０に連通するようにシリンダヘッド４２に連結されて排気ポート４０と共に排気通路１６を区画形成する排気管２２の途中には、燃焼室１４内での混合気の燃焼により生成する有害物質を無害化する触媒５６が組み込まれている。この触媒５６として、ディーゼルエンジンにおいて一般的な酸化触媒のみならず、ＤＰＲ(Diesel Particulate active Reduction system)やＤＰＮＲ(Diesel Particulate-NOx Reduction System)、またはＤＰＦ(Diesel Particulate Filter)を採用することも可能である。従って、この触媒５６に代えてＤＰＲやＤＰＮＲなどを組み込むことができる。なお、上述したＥＧＲ管２８の一端は、この触媒５６よりも上流側の排気管２２に接続されている。

従って、ＥＧＲ管２８を介して吸気管２４内に還流される排気ガスと共にエアクリーナ５０を通って吸気管２４から燃焼室１４内に供給される空気は、燃料噴射弁１２から燃焼室１４内に噴射される燃料と混合気を形成し、ピストン５４の圧縮上死点直前にて自然着火して燃焼し、これによって生成する排気ガスが触媒５６を通って排気管２２から大気中に排出される。この場合、吸気中に含まれるＣＯ_２によって混合気の燃焼温度が低下するため、混合気の燃焼による窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成が抑制されることとなる。

本実施形態では、エンジン１０およびこのエンジン１０が搭載される車両の運転状態を把握して、制御装置３６が、燃料噴射弁１２からの燃料の噴射量および噴射時期や、ＥＧＲ制御弁３０（第一制御弁３２および第二制御弁３４）のバルブ開度を制御するため、以下に記すような各種センサ類を具えている。すなわち、運転者によって操作されるアクセルペダル５８の踏み込み量を検出してこれを制御装置３６に出力するアクセル開度センサ６０を備えている。また、吸気弁４４よりも上流側の吸気通路１８の途中には、この吸気通路１８内の吸気圧を検出してこれを制御装置３６に出力する吸気圧センサ６２が取り付けられている。なお、吸気管２４に対する吸気圧センサ６２の取り付け位置は、図１の如き位置に限定されるものではない。また、ピストン５４が往復動するシリンダブロック６４には、連接棒６６を介してピストン５４が連結されるクランク軸６８の回転位相、つまりクランク角を検出してこれを制御装置３６に出力するクランク角センサ７０が取り付けられている。さらに、排気管２２には触媒５６よりも上流側の排気通路１６内の排気圧、酸素濃度をそれぞれ検出してこれらを制御装置３６に出力する排気圧センサ７２、Ｏ_２センサ７４が設けられている。なお、本実施形態では、クランク角センサ７０により検出されたクランク角によりエンジン回転数が求められる。

制御装置３６は、これらセンサ６０、６２、７０〜７４などからの検出信号に基づき、予め設定されたプログラムに従って円滑なエンジン１０の運転がなされるように、燃料の噴射量や噴射時期が求められて燃料噴射弁１２の作動を制御すると共に、還流される排気ガスの流量（ＥＧＲ要求量）が求められてＥＧＲ制御弁３０などの作動を制御するようになっている。本実施形態の制御装置３６には、ＥＧＲ要求量を求めるに当たり、燃料の噴射量とエンジン回転数とに対応させたＥＧＲ要求量に関するマップ（不図示）が予め記憶されていて、制御装置３６は、トルクに対応する燃料の噴射量とエンジン回転数とに基づいてそのマップを検索してＥＧＲ要求量を求めるようにしている。そして、制御装置３６は、求めたＥＧＲ要求量を実現すべく、後述する如く、第一制御弁３２と第二制御弁３４とのバルブ開度をそれぞれ求め、それらを作動させるようにしている。なお、ＥＧＲ要求量を介して燃料の噴射量およびエンジン回転数と、後述する如き第一制御弁３２および第二制御弁３４におけるそれぞれのバルブ開度との関係を予め求め、それを制御装置３６に記憶しておいても良く、これにより制御装置３６は燃料の噴射量とエンジン回転数とから直接に第一制御弁３２と第二制御弁３４とのバルブ開度を導き出し、第一制御弁３２および第二制御弁３４がそのようなバルブ開度になるようにアクチュエータ３２ａ、３４ａを制御することが出来るようになる。

本実施形態のＥＧＲ制御弁３０の拡大図を図２に示す。なお、図２にはアクチュエータ３２ａ、３４ａは示されていない。ＥＧＲ制御弁３０は、上述の如く、第一制御弁３２と第二制御弁３４との二つの制御弁からなっていて、ポペット式バルブである第一制御弁３２と、バタフライ式バルブである第二制御弁３４とは直列にＥＧＲ管２８に組み込まれて、ＥＧＲ通路２６に配置されている。そして本実施形態では、第一制御弁３２の下流側に第二制御弁３４が配置されている。従って、第一制御弁３２と第二制御弁３４との協働によりＥＧＲ通路２６を流れる排気ガスの流量（ＥＧＲ量）が調整される。第一制御弁３２と、第二制御弁３４とは、それらの弁軸３２ｂ、３４ｂがＥＧＲ通路２６に直交するように、それぞれ配置されている。ＥＧＲ管２８には、ポペット式バルブである第一制御弁３２の着座を形成する着座部２８ｓが配置されている。着座部２８ｓが一部を区画形成するＥＧＲ通路２６は、第一制御弁３２の構成上、それよりも下流側の第二制御弁３４が配置されるＥＧＲ通路２６よりも狭くなっている。

ところで、概してポペット式バルブは、配管の密閉性を確保するのに優れているが、ポペット式バルブを挟んで上流側と下流側との配管中の圧力差によっては、特に下流側の圧力よりも上流側の圧力が低く圧力差が大きい特定の場合には、ポペット式バルブを開くためにそれに作用されている保持力が、その圧力差によってポペット式バルブが閉まる方向へ作用される力に負けてしまうことがあり得、ポペット式バルブにチャタリングが生じる可能性がある。特にこれは、ポペット式バルブの開度が微少または極微少である場合に起こる可能性がある。それ故、仮に第一制御弁３２のバルブ開度を調整して所望のＥＧＲ量、特に微量または極微量のＥＧＲ量を得ようとすると、第一制御弁３２のバルブ開度を所定の開度にし続けることが出来ずに、要求されるＥＧＲ要求量を達成できなくなる可能性がある。

一方、概してバタフライ式バルブでは、上述のポペット式バルブの如きチャタリングは生じない。しかしながら、配管におけるすす、塵などがバタフライ式バルブと配管との接触箇所に堆積または固着するとバタフライ式バルブは完全に閉まらず、バタフライ式バルブが最も閉鎖側に動作していても配管の十分な密閉性を得ることが、一時的または恒久的に出来なくなる可能性がある。

そこで、本実施形態では、上述の如く、ポペット式バルブである第一制御弁３２と、バタフライ式バルブである第二制御弁３４とをＥＧＲ制御弁３０としてＥＧＲ管２８に設けて、それぞれのバルブの欠点を補いつつ、長所を生かしてＥＧＲ管２８の開閉を調整するようにしている。以下にその一例について図３に基づいて説明する。なお、図３は、それぞれのバルブについてのバルブ開度をＥＧＲ要求量に対して表しているグラフである。なお、図３（ａ）はポペット式バルブである第一制御弁３２に関するグラフであり、図３（ｂ）はバタフライ式バルブである第二制御弁３４に関するグラフである。

本実施形態の制御装置３６は、エンジンの運転状態、本実施形態では燃料の噴射量およびエンジン回転数に基づいて不図示のマップを検索してＥＧＲ要求量を求める。そしてこのＥＧＲ要求量に基づいて、図３（ａ）、（ｂ）のマップを検索することで第一制御弁３２と第二制御弁３４のバルブ開度をそれぞれ求めて、これに基づいて制御装置３６はアクチュエータ３２ａ、３４ａを制御してＥＧＲ通路２６の開度を調整するが、その際本実施形態の制御装置３６はＥＧＲ要求量に応じて第一制御弁３２と第二制御弁３４とのバルブ開度を以下に述べるようなバルブ開度にさせ、それらのバルブを協働させる。

まずＥＧＲ通路２６によって還流される排気ガスの要求量、すなわちＥＧＲ要求量が０から次第に増える場合について説明する。図３における第一制御弁３２の「Ｐ」のバルブ開度は、第一制御弁３２にチャタリングが生じない閉じ側の限界点（以下、チャタリング限界点と称する。）よりも大であり、これ以上のバルブ開度では第一制御弁３２にチャタリングは生じない。それ故、ＥＧＲ要求量が所定量、すなわち第一制御弁３２のバルブ開度Ｐに対応するＥＧＲ量Ｒ（図３参照）より少ないか否かをまず制御装置３６は判定する。

そしてＥＧＲ要求量がＥＧＲ量Ｒより少ない場合には、ＥＧＲ通路２６を全閉状態からＥＧＲ要求量に応じた開度にするために、第二制御弁３４がＥＧＲ要求量に対応するバルブ開度にされ（図３（ｂ）の矢印Ｅ１）、第一制御弁３２が図３（ａ）のバルブ開度Ｐまで一気に、且つＥＧＲ要求量とは無関係に開かれる（図３（ａ）の矢印Ｃ１）。そしてＥＧＲ要求量がＥＧＲ量Ｒを超えない限りは、第一制御弁３２は動かされず、第二制御弁３４のバルブ開度が、全閉状態から図３（ａ）のバルブ開度Ｐに対応する図３（ｂ）におけるバルブ開度Ｑまで、ＥＧＲ要求量に対応して徐々に増えるように調整される（図３（ｂ）の矢印Ｅ１）。すなわち、図３におけるバルブ開度Ｐ、Ｑ（本実施形態ではバルブ開度Ｐ、Ｑは「１０％」）までは、制御装置３６によるアクチュエータ３２ａ、３４ａの制御により、第一制御弁３２が所定の開弁位置（本実施形態ではバルブ開度「１０％」の位置）で固定され、第二制御弁３４がＥＧＲ要求量に応じたバルブ開度で作動させられる。そして、バルブ開度Ｐ、Ｑに対応するＥＧＲ量ＲがＥＧＲ要求量として要求されると、両バルブ３２、３４のバルブ開度はバルブ開度Ｐ、Ｑ（１０％）とされる（図３（ａ）、（ｂ）の矢印Ｃ２、Ｅ１）。一方、ＥＧＲ要求量が所定量、すなわちＥＧＲ量Ｒより多い場合には、第一制御弁３２および第二制御弁３４は共にＥＧＲ要求量に対応するバルブ開度にされる（図３（ａ）、（ｂ）の矢印Ｃ３、Ｅ２）。

逆にＥＧＲ要求量がＥＧＲ量Ｒを挟んで徐々に減る場合について説明する。ＥＧＲ要求量がバルブ開度Ｐ、Ｑに対応するＥＧＲ量Ｒ以上の場合は、第一制御弁３２および第二制御弁３４は共に対応するＥＧＲ要求量に対応するバルブ開度にされる（図３（ａ）、（ｂ）の矢印Ｄ１、Ｆ１）。ＥＧＲ量Ｒよりも少ない量の微量のＥＧＲ要求量が要求された場合には、第一制御弁３２は所定の開弁位置である開度Ｐに固定され（図３（ａ）の矢印Ｄ２）、第二制御弁３４がＥＧＲ要求量に対応したバルブ開度で作動される（図３（ｂ）の矢印Ｆ２）。そして、ＥＧＲ量を０とする場合には、まず第一制御弁３２が閉じられ（（図３（ａ）の矢印Ｄ３）、第二制御弁３４が固着等の生じない所定の微小開度にまで閉じられる（図３（ｂ）の矢印Ｆ２）。

このように上記実施形態による構成で上記制御を行うと、微量のＥＧＲ要求量に対して、第一制御弁３２がチャタリング限界点よりも大きいバルブ開度にされるので、第一制御弁３２（ポペット式バルブ）にチャタリングが生じるのが防止される。そして、そのような微量のＥＧＲ要求量の場合には、第一制御弁３２がＥＧＲ要求量よりも多いＥＧＲ量に対応するバルブ開度に固定され、第二制御弁３４（バタフライ式バルブ）がＥＧＲ要求量に対応するバルブ開度で連続的に変化されるので、ＥＧＲ量をＥＧＲ要求量に適切に調整することが可能となる。また、第一制御弁３２により全閉時のＥＧＲ通路２６の密閉性が確保される。特に本実施形態では、ＥＧＲ量を「０」にする場合、ＥＧＲ通路２６の上流側に配置された第一制御弁３２がまず閉じられるので、排気ガスがこれにより確実に遮断されて、ＥＧＲ通路２６の密閉性を応答良く確保することが可能となる。また、上流側の第一制御弁３２でＥＧＲ通路２６の密閉性が確保されるので、ＥＧＲ通路２６が閉じられている場合に、下流側の第二制御弁３４およびその近傍へ排気ガスが流れることが防止され、ひいてはそこに「すす」等が堆積するのが抑制されることになる。

この様な制御は、第一制御弁３２や第二制御弁３４の応答性に関わらず有効である。但し、ポペット式バルブである第一制御弁３２の方が、第二制御弁３４よりも応答性に優れる場合には、上記チャタリング限界点近傍および以下のＥＧＲ要求量に対して、第二制御弁３４よりも第一制御弁３２を先に動かすのが好ましい。なお、チャタリング限界点よりも大であるバルブ開度Ｐ、Ｑに対応するＥＧＲ量Ｒ以上の量が要求されている場合には、制御装置３６は第一制御弁３２または第二制御弁３４のいずれか一方を全開にさせる制御を行い、他方のバルブのみでＥＧＲ量を調整しても良い。

以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されず、第一制御弁３２はポペット式バルブと共通の特性を有するバルブであれば他のバルブでも良く、また第二制御弁３４はバタフライ式バルブと共通の特性を有するバルブであれば他のバルブでも良い。もちろん、第一制御弁３２や第二制御弁３４の形状は、図示した形状に限定されない。

なお、上記実施形態では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。

本発明の実施形態における排気ガス再循環装置が、エンジンを搭載した車両に適用されたところを示す概略構成図である。図１に示した実施形態のＥＧＲ制御弁である第一制御弁と第二制御弁の拡大図である。第一制御弁と第二制御弁についてのそれぞれのバルブ開度をＥＧＲ要求量に対して表したグラフであり、（ａ）はポペット式バルブである第一制御弁に関するグラフであり、（ｂ）はバタフライ式バルブである第二制御弁に関するグラフである。

符号の説明

１０エンジン
１２燃料噴射弁
１４燃焼室
１６排気通路
１８吸気通路
２０排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置
２２排気管
２４吸気管
２６ＥＧＲ通路
２８ＥＧＲ管
２８ｓ着座部
３０ＥＧＲ制御弁
３２第一制御弁
３２ａアクチュエータ
３２ｂ弁軸
３４第二制御弁
３４ａアクチュエータ
３４ｂ弁軸
３６制御装置
３８吸気ポート
４０排気ポート
４２シリンダヘッド
４４吸気弁
４６排気弁
４８動弁機構
５０エアクリーナ
５２サージタンク
５４ピストン
５６触媒
５８アクセルペダル
６０アクセル開度センサ
６２吸気圧センサ
６４シリンダブロック
６６連接棒
６８クランク軸
７０クランク角センサ
７２排気圧センサ
７４Ｏ_２センサ

Claims

排気ガスの一部を燃焼室に還流させる排気ガス再循環通路を有する排気ガス再循環装置において、
前記排気ガス再循環通路にポペット式バルブとバタフライ式バルブとを直列に配置したことを特徴とする排気ガス再循環装置。
前記バタフライ式バルブが、前記ポペット式バルブよりも下流側に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の排気ガス再循環装置。
前記排気ガス再循環通路によって還流される排気ガスの要求量に基づいて前記ポペット式バルブと前記バタフライ式バルブとを制御する制御手段を備え、
該制御手段は、前記要求量が所定量より少ない場合、前記ポペット式バルブを所定の開弁位置で固定させ、前記バタフライ式バルブを前記要求量に応じたバルブ開度に作動させることを特徴とする請求項１または２に記載の排気ガス再循環装置。