JP2007303381A - 内燃機関の排気還流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気還流装置において、ＥＧＲクーラに凝縮水が滞留することを抑制できる技術を提供する。
【解決手段】吸気通路３と排気通路４とを接続し内燃機関１からの排気の一部を吸気通路３に還流させるＥＧＲ通路３１と、ＥＧＲ通路３１の途中でＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３３と、ＥＧＲクーラ３３にてＥＧＲガスが冷却されることにより発生する凝縮水がＥＧＲクーラ３３に滞留するか否か判定する判定手段２０と、判定手段２０によりＥＧＲクーラ３３に凝縮水が滞留すると判定され且つＥＧＲガスが吸気通路４に還流されないときにＥＧＲクーラ３３へのＥＧＲガスの流入を抑制する抑制手段３４と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気還流装置に関する。

排気通路にタービンを有し且つ吸気通路にコンプレッサを有するターボチャージャを備え、タービンよりも下流の排気の一部をコンプレッサよりも上流の吸気通路へ還流する低圧ＥＧＲ通路を備える内燃機関の排気還流装置が知られている。このような低圧ＥＧＲ通路に、排気通路側から順にＥＧＲクーラおよびＥＧＲ弁を備え、内燃機関の低負荷時にＥＧＲ弁を閉弁させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−０７６４５６号公報 特開平９−３２４７０７号公報 特開平１０−１７６６１１号公報 特開平８−２４６９６４号公報

しかし、ＥＧＲ弁を閉弁させても、排気脈動等により低圧ＥＧＲ通路に排気が入り込む。このようにして低圧ＥＧＲ通路に入り込んだ排気がＥＧＲクーラで冷却されると、該ＥＧＲクーラにおいて水の凝縮が起こり、該ＥＧＲクーラに水が溜まる。ここで、排気中には硫黄成分等が含まれているため、凝縮水中にもこれらの成分が含まれている。これらの成分はＥＧＲクーラを腐食させるため、該ＥＧＲクーラの性能を低下させる。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気還流装置において、ＥＧＲクーラに凝縮水が滞留することを抑制できる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気還流装置は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明による内燃機関の排気還流装置は、
吸気通路と排気通路とを接続し内燃機関からの排気の一部を吸気通路に還流させるＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路の途中でＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラと、
前記ＥＧＲクーラにてＥＧＲガスが冷却されることにより発生する凝縮水が該ＥＧＲクーラに滞留するか否か判定する判定手段と、
前記判定手段によりＥＧＲクーラに凝縮水が滞留すると判定され且つ前記ＥＧＲガスが吸気通路に還流されないときに前記ＥＧＲクーラへのＥＧＲガスの流入を抑制する抑制手段と、
を備えることを特徴とする。

判定手段は、例えば内燃機関の運転状態に基づいて、凝縮水がＥＧＲクーラに滞留するか否か判定することができる。ＥＧＲガスの流量が多い場合には、例え凝縮水が発生したとしても直ぐに蒸発するため、ＥＧＲクーラに滞留しない。しかし、ＥＧＲガスの流量が少ないと、ＥＧＲクーラでのＥＧＲガスの温度低下が大きくなるため、凝縮水が滞留しやすくなる。したがって判定手段は、例えばＥＧＲクーラ内のＥＧＲガスの流量が少ない場合に凝縮水が該ＥＧＲクーラ内に滞留すると判定することができる。

一方、抑制手段によりＥＧＲクーラへのＥＧＲガスの流入が抑制されると、ＥＧＲクー
ラへの水蒸気の流入も抑制されるため、凝縮水の滞留が抑制される。そのため、ＥＧＲガスを吸気通路に還流する必要がない場合には、ＥＧＲクーラにＥＧＲガスが流入することを抑制することにより、ＥＧＲクーラに凝縮水が滞留することを抑制できる。

本発明においては、前記ＥＧＲ通路を流通するＥＧＲガスの量を前記ＥＧＲクーラよりも吸気通路側で調節するＥＧＲ弁を更に備え、
前記抑制手段は、前記ＥＧＲクーラよりも排気通路側のＥＧＲ通路に備わる遮断弁からなることができる。

ＥＧＲ弁は、全開、全閉、さらには全開から全閉までの任意の開度とすることができ、この開度が調節されることによりＥＧＲガスの流量が調節される。また、遮断弁はＥＧＲクーラへのＥＧＲガスの流入を抑制すればよく、したがってＥＧＲ弁よりも精密な開度調整を必要としない。

このＥＧＲ弁は、ＥＧＲクーラよりも吸気通路側に備えられているので、熱による機能低下を抑制できる。そのため、精密な制御を長期間行うことができる。一方、遮断弁はＥＧＲクーラよりも排気通路側に備わるためＥＧＲ弁よりも温度が高くなる。しかし、ＥＧＲガスの流量の制御はＥＧＲ弁で行われるため、遮断弁ではＥＧＲガスの流量を精密に制御する必要がない。そのため、精密な制御はできないが、耐久性は高い部材を遮断弁に採用することができる。そして、遮断弁を閉じ側若しくは全閉とすることにより、ＥＧＲクーラへのＥＧＲガスの流入を抑制することができるので、ＥＧＲクーラでの凝縮水の発生および滞留を抑制することができる。

本発明においては、前記抑制手段は、前記ＥＧＲクーラよりも排気通路側のＥＧＲ通路に設けられ該ＥＧＲ通路を流通するＥＧＲガスの流量を調節するＥＧＲ弁からなり、
前記ＥＧＲ弁を冷却する冷却手段を備えることができる。

このＥＧＲ弁は、全開、全閉、さらには全開から全閉までの任意の開度とすることができ、この開度が調節されることによりＥＧＲガスの流量が調節される。しかし、ＥＧＲ弁をＥＧＲクーラよりも排気通路側に備えると、高温のＥＧＲガスに晒されることになる。そして、熱の影響によりＥＧＲガス流量の精密な制御が困難となる。その点、冷却手段によりＥＧＲ弁が冷却されるので、該ＥＧＲ弁の耐久性を向上させることができる。これにより、ＥＧＲガスの流量を精度良く調節することが可能となる。そして、ＥＧＲガスを流さないときにはＥＧＲ弁が全閉とされるので、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラへ流入することを抑制できる。

本発明においては、前記ＥＧＲ弁が全閉のときに、
前記判定手段は前記ＥＧＲクーラに凝縮水が滞留すると判定し、
前記遮断弁を全閉とすることができる。

つまり、ＥＧＲ通路から吸気通路へＥＧＲガスが流入していないときには、ＥＧＲクーラでのＥＧＲガスはほとんど流れないが、排気脈動等により少量のＥＧＲガスがＥＧＲクーラに流入するおそれがある。そして、ＥＧＲクーラでのＥＧＲガスの流れがほとんどないと、該ＥＧＲガスの温度低下が大きくなり凝縮水が発生しやすい。また、ＥＧＲガスの流量が少ないと発生した凝縮水が蒸発し難い。そのため、凝縮水が滞留するおそれがある。すなわち、判定手段はこのような状態のときに凝縮水が滞留すると判定することができる。

本発明においては、排気通路にタービンを有し且つ吸気通路にコンプレッサを有するターボチャージャを備え、
前記ＥＧＲ通路は、前記タービンよりも下流の排気の一部を前記コンプレッサよりも上流の吸気通路へ還流させる低圧ＥＧＲ通路であることができる。

このような低圧ＥＧＲ通路にはタービン等を通過した後の温度の低いＥＧＲガスが流れるため、ＥＧＲクーラで発生した凝縮水が蒸発し難い。このような低圧ＥＧＲ通路であっても、ＥＧＲクーラにて凝縮水が滞留するおそれのあるときに該ＥＧＲクーラへのＥＧＲガスの流入を抑制すれば、凝縮水の滞留を抑制することができる。

本発明に係る内燃機関の排気還流装置は、ＥＧＲクーラに凝縮水が滞留することを抑制できる。

以下、本発明に係る内燃機関の排気還流装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関の排気還流装置を適用する内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。

内燃機関１には、吸気管３および排気管４が接続されている。この吸気管３の途中には、排気のエネルギを駆動源として作動するターボチャージャ５のコンプレッサハウジング５ａが設けられている。また、コンプレッサハウジング５ａよりも上流の吸気管３には、該吸気管３内を流通する吸気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ７が設けられている。このエアフローメータ７により、内燃機関１の吸入空気量が測定される。

コンプレッサハウジング５ａよりも下流の吸気管３には、吸気と大気とで熱交換を行うインタークーラ８が設けられている。そして、インタークーラ８よりも下流の吸気管３には、該吸気管３内を流通する吸気の流量を調整するスロットル９が設けられている。このスロットル９は、電動アクチュエータにより開閉される。

一方、排気管４の途中には、前記ターボチャージャ５のタービンハウジング５ｂが設けられている。また、タービンハウジング５ｂよりも下流の排気管４には、パティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタという。）１０が設けられている。このフィルタ１０にはＮＯx触媒が担持されている。

そして、内燃機関１には、排気管４内を流通する排気の一部を低圧で吸気管３へ再循環させる低圧ＥＧＲ装置３０が備えられている。この低圧ＥＧＲ装置３０は、低圧ＥＧＲ通路３１、低圧ＥＧＲ弁３２、低圧ＥＧＲクーラ３３、および遮断弁３４を備えて構成されている。

低圧ＥＧＲ通路３１は、フィルタ１０よりも下流側の排気管４と、コンプレッサハウジング５ａよりも上流且つエアフローメータ７よりも下流の吸気管３と、を接続している。この低圧ＥＧＲ通路３１を通って、排気が低圧で再循環される。そして、本実施例では、低圧ＥＧＲ通路３１を通って再循環される排気を低圧ＥＧＲガスと称している。また、低圧ＥＧＲ弁３２は、低圧ＥＧＲ通路３１の通路断面積を調整することにより、該低圧ＥＧＲ通路３１を流れる低圧ＥＧＲガスの量を調整する。さらに、低圧ＥＧＲクーラ３３は、該低圧ＥＧＲクーラ３３を通過する低圧ＥＧＲガスと、内燃機関１の冷却水とで熱交換をして、該低圧ＥＧＲガスの温度を低下させる。

また、遮断弁３４は、低圧ＥＧＲクーラ３３よりも排気管４側に設けられている。この遮断弁３４は低圧ＥＧＲ弁３２と異なり、全閉または全開の何れか一方の状態のみを選択可能である。この遮断弁３４には、ダイアフラム弁や電磁駆動弁等の全開および全閉のみを維持可能な弁を例示することができる。なお、本実施例においては遮断弁３４が、本発明における抑制手段に相当する。

また、内燃機関１には、排気管４内を流通する排気の一部を高圧で吸気管３へ再循環させる高圧ＥＧＲ装置４０が備えられている。この高圧ＥＧＲ装置４０は、高圧ＥＧＲ通路４１、高圧ＥＧＲ弁４２、および高圧ＥＧＲクーラ４３を備えて構成されている。

高圧ＥＧＲ通路４１は、タービンハウジング５ｂよりも上流側の排気管４と、スロットル９よりも下流の吸気管３と、を接続している。この高圧ＥＧＲ通路４１を通って、排気が高圧で再循環される。そして、本実施例では、高圧ＥＧＲ通路４１を通って再循環される排気を高圧ＥＧＲガスと称している。また、高圧ＥＧＲ弁４２は、高圧ＥＧＲ通路４１の通路断面積を調整することにより、該高圧ＥＧＲ通路４１を流れる高圧ＥＧＲガスの量を調整する。さらに、高圧ＥＧＲクーラ４３は、該高圧ＥＧＲクーラ４３を通過する高圧ＥＧＲガスと、内燃機関１の冷却水とで熱交換をして、該高圧ＥＧＲガスの温度を低下させる。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ２０が併設されている。このＥＣＵ２０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。また、ＥＣＵ２０には、上記センサの他、運転者がアクセルペダル１４を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検出可能なアクセル開度センサ１５、及び機関回転数を検出するクランクポジションセンサ１６が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ２０に入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ２０には、スロットル９、低圧ＥＧＲ弁３２、及び高圧ＥＧＲ弁４２が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ２０によりこれらの機器が制御される。

そして、本実施例においては、低圧ＥＧＲ弁３２が全閉とされるときと同時に遮断弁３４を全閉とする。また低圧ＥＧＲ弁３２が少しでも開いている場合には、遮断弁３４を全開とする。すなわち、低圧ＥＧＲ弁３２が全閉にされると低圧ＥＧＲガスが還流されなくなるが、排気の脈動等により低圧ＥＧＲクーラ３３にＥＧＲガスが流入するので凝縮水が滞留するおそれがある。これに対し、遮断弁３４を全閉とすることにより、低圧ＥＧＲクーラ３３にＥＧＲガスが流入するのを抑制できるので、凝縮水の滞留を抑制できる。また、低圧ＥＧＲ弁３２が少しでも開弁しているときには、低圧ＥＧＲガスを還流させるために遮断弁３４を全開とする。

次に、本実施例による遮断弁３４の開閉制御のフローについて説明する。図２は、本実施例による遮断弁３４の開閉制御のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、高圧ＥＧＲガスのみを気筒２内に供給する条件（高圧ＥＧＲ条件）が成立しているか否か判定される。

ここで、図３は、機関回転数と機関負荷と気筒内に供給されるＥＧＲガスの種類との関係を示した図である。図３において「高圧」で示される運転領域では、高圧ＥＧＲガスのみが気筒２へ供給される。また、「混合」で示される運転領域では、高圧ＥＧＲガスおよび低圧ＥＧＲガスの両方が気筒２へ供給される。さらに「低圧」で示される運転領域では
、低圧ＥＧＲガスのみが気筒２へ供給される。これらの関係は予め実験等により求めてＥＣＵ２０に記憶させておく。このように、低回転低負荷時に高圧ＥＧＲガスのみが供給されるため、低回転低負荷時に遮断弁３４を全閉にしてもよい。ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方否定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進む。なお、本実施例においてはステップＳ１０１の判定を行うＥＣＵ２０が、本発明における判定手段に相当する。

ステップＳ１０２では、低圧ＥＧＲ弁３２および遮断弁３４が全閉とされる。すなわち、低圧ＥＧＲクーラ３３に低圧ＥＧＲガスが流れ込まないようにする。

ステップＳ１０３では、遮断弁３４が全開とされる。同時に低圧ＥＧＲ弁３２の開度がそのときの運転状態に基づいて制御される。

このようにして、低圧ＥＧＲクーラ３３内で発生した凝縮水が滞留しやすいとき、すなわち低圧ＥＧＲ弁３２が全閉となっているときに遮断弁３４が閉弁されるので、このときに低圧ＥＧＲクーラ３３へ低圧ＥＧＲガスが流入することを抑制できる。したがって、低圧ＥＧＲクーラ３３内における凝縮水の滞留を抑制することができる。これにより、低圧ＥＧＲクーラ３３が腐食することを抑制できる。そのため、低圧ＥＧＲクーラ３３に安価な材料を採用することができる。

なお、本実施例では、低圧ＥＧＲ装置３０に遮断弁３４を備えているが、高圧ＥＧＲ装置４０にも同様に遮断弁を備えても良い。そして、高圧ＥＧＲガスを供給しないときに、高圧ＥＧＲ装置４０に備えられている遮断弁を全閉としてもよい。これにより、高圧ＥＧＲクーラ４３内における凝縮水の滞留を抑制できる。

図４は、本実施例に係る内燃機関の排気還流装置を適用する内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。実施例１とは低圧ＥＧＲ装置３００が異なる。なお、図１に記載された部材と同じ部材については同じ符号を付して説明を省略する。

本実施例に係る低圧ＥＧＲ装置３００は、低圧ＥＧＲ通路３１、低圧ＥＧＲクーラ３３、および低圧ＥＧＲ弁３４０を備えて構成されている。そして、本実施例では、低圧ＥＧＲ弁３４０が低圧ＥＧＲクーラ３３よりも排気管４側に取り付けられている。

低圧ＥＧＲ弁３４０は、低圧ＥＧＲ通路３１の通路断面積を調整することにより、該低圧ＥＧＲ通路３１を流れる低圧ＥＧＲガスの量を調整する。この、低圧ＥＧＲ弁３４０はリニアソレノイド流量制御弁で構成され、任意の開度とすることができる。そして、本実施例に係る低圧ＥＧＲ弁３４０は、実施例１における低圧ＥＧＲ弁３２と遮断弁３４との両方の機能を有する。つまり、低圧ＥＧＲガスの流量を調節するという点で実施例１の低圧ＥＧＲ弁３２と同じ機能を有し、低圧ＥＧＲガスが低圧ＥＧＲクーラ３３に流入することを抑制するという点で実施例１の遮断弁３４と同じ機能を有する。

そして、低圧ＥＧＲ弁３４０には、該低圧ＥＧＲ弁３４０が持つ熱を大気へ逃がすためのヒートパイプ３４１の一端が接続されている。このヒートパイプ３４１の他端は熱交換器３４２に接続されている。熱交換器３４２は、ヒートパイプ３４１内の熱媒体と大気との間で熱交換を行なうことにより、該熱媒体の温度を低下させる。

このように構成された低圧ＥＧＲ弁３４０では、低圧ＥＧＲクーラ３３よりも排気管４側に取り付けられているため、温度が高くなる。これに対し、低圧ＥＧＲ弁３４０が受けた熱は、ヒートパイプ３４１を介して熱交換器３４２に移動する。熱交換器３４２では、
大気とヒートパイプ３４１内の熱媒体との間で熱交換が行われる。このようにして、低圧ＥＧＲ弁３４０の温度が低下される。そのため、低圧ＥＧＲクーラ３３よりも排気管４側に低圧ＥＧＲ弁３４０が取り付けられていても、該低圧ＥＧＲ弁３４０を熱から保護することができる。そのため、低圧ＥＧＲ弁３４０の機能低下を抑制することができる。なお、本実施例においては低圧ＥＧＲ弁３４０が、本発明における抑制手段に相当する。また、本実施例においてはヒートパイプ３４１が、本発明における冷却手段に相当する。

そして、低圧ＥＧＲガスを供給する必要がない場合には低圧ＥＧＲ弁３４０が全閉とされるので、このときに低圧ＥＧＲガスが低圧ＥＧＲクーラ３３へ流入することが抑制される。したがって、低圧ＥＧＲクーラ３３内における凝縮水の滞留を抑制することができる。これにより、低圧ＥＧＲクーラ３３が腐食することを抑制できる。そのため、低圧ＥＧＲクーラ３３に安価な材料を採用することができる。

なお、本実施例では、低圧ＥＧＲ装置３０について説明したが、高圧ＥＧＲ装置４０も同様の構成としても良い。これにより、高圧ＥＧＲクーラ４３内における凝縮水の滞留を抑制できる。

実施例１に係る内燃機関の排気還流装置を適用する内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。 実施例１による遮断弁の開閉制御のフローを示したフローチャートである。 機関回転数と機関負荷と気筒内に供給されるＥＧＲガスの種類との関係を示した図である。 実施例２に係る内燃機関の排気還流装置を適用する内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 気筒
３ 吸気管
４ 排気管
５ ターボチャージャ
５ａ コンプレッサハウジング
５ｂ タービンハウジング
７ エアフローメータ
８ インタークーラ
９ スロットル
１０ パティキュレートフィルタ
１４ アクセルペダル
１５ アクセル開度センサ
１６ クランクポジションセンサ
２０ ＥＣＵ
３０ 低圧ＥＧＲ装置
３１ 低圧ＥＧＲ通路
３２ 低圧ＥＧＲ弁
３３ 低圧ＥＧＲクーラ
３４ 遮断弁
４０ 高圧ＥＧＲ装置
４１ 高圧ＥＧＲ通路
４２ 高圧ＥＧＲ弁
４３ 高圧ＥＧＲクーラ
３００ 低圧ＥＧＲ装置
３４０ 低圧ＥＧＲ弁
３４１ ヒートパイプ
３４２ 熱交換器

Claims (5)

1. 吸気通路と排気通路とを接続し内燃機関からの排気の一部を吸気通路に還流させるＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路の途中でＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラと、
   前記ＥＧＲクーラにてＥＧＲガスが冷却されることにより発生する凝縮水が該ＥＧＲクーラに滞留するか否か判定する判定手段と、
   前記判定手段によりＥＧＲクーラに凝縮水が滞留すると判定され且つ前記ＥＧＲガスが吸気通路に還流されないときに前記ＥＧＲクーラへのＥＧＲガスの流入を抑制する抑制手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
2. 前記ＥＧＲ通路を流通するＥＧＲガスの量を前記ＥＧＲクーラよりも吸気通路側で調節するＥＧＲ弁を更に備え、
   前記抑制手段は、前記ＥＧＲクーラよりも排気通路側のＥＧＲ通路に備わる遮断弁からなることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気還流装置。
3. 前記抑制手段は、前記ＥＧＲクーラよりも排気通路側のＥＧＲ通路に設けられ該ＥＧＲ通路を流通するＥＧＲガスの流量を調節するＥＧＲ弁からなり、
   前記ＥＧＲ弁を冷却する冷却手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気還流装置。
4. 前記ＥＧＲ弁が全閉のときに、
   前記判定手段は前記ＥＧＲクーラに凝縮水が滞留すると判定し、
   前記遮断弁を全閉とすることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気還流装置。
5. 排気通路にタービンを有し且つ吸気通路にコンプレッサを有するターボチャージャを備え、
   前記ＥＧＲ通路は、前記タービンよりも下流の排気の一部を前記コンプレッサよりも上流の吸気通路へ還流させる低圧ＥＧＲ通路であることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の排気還流装置。

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