JP2009062924A

JP2009062924A - 内燃機関の排気還流装置

Info

Publication number: JP2009062924A
Application number: JP2007232882A
Authority: JP
Inventors: Shintaro Uchiumi; 慎太郎内海; Koichi Nakada; 浩一中田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2007-09-07
Publication date: 2009-03-26

Abstract

【課題】排気の還流を適切に確保しつつ硫酸の発生を抑制できる内燃機関の排気還流装置を提供することを課題とする。
【解決手段】ＥＣＵ１００は、排気通路３０から吸気通路２０へと還流される還流排気が冷却されることに起因した硫酸の発生を予測する予測し、この予測結果に応じて、触媒３１よりも上流側の排気通路３０及び下流側の排気通路３０と吸気通路２０とを選択的に連通状態にする。この構成により、上流側排気と下流側排気とでそれぞれに含まれる硫黄成分濃度は異なるため、硫酸の生成の予測結果に応じて上流側排気及び下流側排気を吸気系へ選択的に還流することにより、還流を適切に確保しつつ硫酸の発生を抑制できる。
【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。

ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関においては、従来から窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減する技術として、排気を吸気系へと還流する排気還流装置が知られている。ところで、このような排気が露点温度以下にまで冷却されると、凝縮水が発生する。この凝縮水と燃料中に含まれている硫黄成分とが反応することにより、硫酸が発生する。この硫酸によって、例えば、排気還流通路や、エンジン内部が腐食するおそれがある。特許文献１には、エンジン始動時などの冷間時には、ＥＧＲクーラをバイパスさせて還流排気の過冷却を防止することにより、硫酸による腐食を防止する技術が開示されている。

特開平１０−２５２５７８号公報

しかしながら特許文献１に開示されている技術では、ＥＧＲクーラによる還流排気への冷却効果が十分に得ることができない。このため、還流された排気の体積が膨張して新気の吸入率が低下するので、排気の還流を適切に確保することができない。

そこで本発明は、排気の還流を適切に確保しつつ硫酸の発生を抑制できる内燃機関の排気還流装置を提供することを課題とする。

上記目的は、排気系から吸気系へと還流される還流排気が冷却されることに起因した硫酸の発生を予測する予測手段と、前記予測手段の予測結果に応じて、前記排気系に設けられた排気浄化用触媒よりも上流側の上流側排気及び下流側の下流側排気を選択的に前記吸気系へと還流可能な還流手段とを備えた、ことを特徴とする内燃機関の排気還流装置によって達成できる。
この構成により、上流側排気と下流側排気とでそれぞれに含まれる硫黄成分濃度は異なるため、硫酸の生成の予測結果に応じて上流側排気及び下流側排気を吸気系へ選択的に還流することにより、排気の還流を適切に確保しつつ硫酸の発生を抑制できる。

上記構成において、前記予測手段は、燃料中の硫黄濃度を検出する検出手段の検出結果に基づいて硫酸の発生を予測する、構成を採用できる。
この構成により、硫酸の発生源となる燃料中の硫黄濃度の検出結果とに応じて、連通状態を切り替えるので、排気の還流を適切に確保しつつ硫酸の生成を抑制できる。

上記構成において、前記予測手段は、当該内燃機関の状態に基づいて硫酸の発生を予測する、構成を採用できる。

上記構成において、前記予測手段は、前記還流排気を冷却する冷却手段の冷媒の温度に基づいて硫酸の発生を予測する、構成を採用できる。
還流排気を冷却する冷却手段の冷媒の温度が低い場合には、還流排気が露点温度以下にまで冷却されて凝縮水が発生し、この凝縮水と硫黄成分とにより硫酸が発生するからである。

上記構成において、前記還流手段は、前記予測手段が硫酸が発生すると予測した場合には、前記下流側排気を前記吸気系へ還流する、構成を採用できる。
この構成により、下流側排気は、上流側排気よりも硫黄濃度成分が低いため、凝縮水が発生する恐れがある場合に、下流側排気を還流することにより、排気の還流を適切に確保しつつ硫酸の生成を抑制できる。

上記構成において、前記還流手段は、前記排気浄化用触媒よりも上流側の上流側排気通路及び下流側の下流側排気通路と吸気通路とが連通した還流通路と、前記上流側排気通路及び下流側排気通路と前記吸気通路との連通状態を選択的に切り替え可能な切替手段と、前記切替手段を制御する制御手段とを含む、構成を採用できる。

上記構成において、前記還流排気を冷却する冷却手段を備えた、構成を採用できる。

本発明によれば、排気の還流を適切に確保しつつ硫酸の発生を抑制できる内燃機関の排気還流装置を提供できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は、本実施例に係るエンジンシステムの模式図である。本実施例に係るエンジンシステムは、エンジン１０、吸気通路２０、排気通路３０、還流通路４０、冷却水通路５０、ＥＣＵ１００などから構成される。

吸気通路２０には、エアクリーナ２１、スロットル弁２２が配置されており、スロットル弁２２は、ＥＣＵ１００からの制御信号に基づいて、エンジン１０への吸入空気量を調整可能に形成されている。

排気通路３０には、触媒３１、マフラ３２が配置されており、触媒３１は、排気を浄化する機能を有する。また、排気通路３０には、触媒３１よりも上流側に硫黄濃度センサ３３が設けられている。硫黄濃度センサ３３は、排気通路３０内を通過した排気に晒されるように排気通路３０内に設置されている。硫黄濃度センサ３３は、排気中の硫黄濃度を検出し、その検出信号をＥＣＵ１００へ出力する。硫黄濃度センサ３３で検出された硫黄濃度は、燃料中に含まれる硫黄濃度に依存するため、排気中の硫黄濃度を検出することにより、間接的に燃料中に含まれる硫黄濃度を検出することができる。従って、硫黄濃度センサ３３は、燃料中の硫黄濃度を検出する検出手段として機能する。

尚、燃料中の硫黄濃度を検出する検出手段としては、このような構成に限定されない。例えば、燃料タンク又は燃料配管（共に不図示）に硫黄濃度を検出するセンサ等を配置してもよいし、触媒３１の硫黄被毒劣化の状態を推定して、これにより間接的に燃料中の硫黄濃度を検出するようにしてもよいし、その他公知の硫黄濃度を検出する装置及び方法を採用してもよい。

還流通路４０は、排気通路３０と吸気通路２０とを連通しており、詳細には、触媒３１よりも下流側の排気通路３０と連通した分岐路４１と、触媒３１よりも上流側の排気通路３０と連通した分岐路４２と、分岐路４１と分岐路４２とが合流して吸気通路２０と連通したメイン通路４３とから構成される。また、分岐路４１と分岐路４２とが合流した部分には、切替弁４６が設けられている。切替弁４６は、ＥＣＵ１００からの制御信号により、分岐路４１及び分岐路４２と、メイン通路４３との連通状態を選択的に切替可能に形成されている。即ち、切替弁４６は、分岐路４１とメイン通路４３とが連通した状態、又は分岐路４２とメイン通路４３とが連通した状態に切り替えることができる。従って、切替弁４６は、触媒３１よりも上流側の排気通路３０及び下流側の排気通路３０と、吸気通路２０との連通状態を選択的に切替可能な切替手段として機能する。また、ＥＣＵ１００は、切替手段として機能する切替弁４６を制御する制御手段として機能する。従って、還流通路４０、切替弁４６及びＥＣＵ１００は、還流手段として機能する。

また、還流通路４０には、排気通路３０から吸気通路２０へと還流される還流排気を冷却するためのＥＧＲクーラ４４が設けられている。また、還流通路４０には、吸気通路２０に導入される還流排気量を調整可能なＥＧＲ弁４５が配置されている。ＥＧＲ弁４５は、ＥＣＵ１００からの制御信号に基づいて、その還流排気量を制御する。

冷却水通路５０は、エンジン１０内部を通過するように形成され、冷却水通路５０を通過した冷却水（冷媒）がエンジン１０から熱を奪う。冷却水通路５０上には、冷却水を放熱させるためのラジエタ６０が配置されている。また、冷却水通路５０上には、ＥＧＲクーラ４４が配置されている。従って、エンジン１０の冷却と、還流された排気の冷却とは、共通の冷却水によって行われる。また、冷却水通路５０を通過する冷却水の温度を検出する水温センサ５２が設けられている。水温センサ５２からの検出信号は、ＥＣＵ１００に出力される。

ＥＧＲクーラ４４は、還流排気を冷却することにより、還流排気の体積の膨張を抑え、還流排気が吸気通路２０に導入された際における新気の充填率の低下を抑制する。

ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などから構成され、不図示のクランク角センサや、エアフロメータ等の各種センサからの信号に基づいて、本実施例に係るエンジンシステム全体の作動を制御する。また、ＥＣＵ１００は、所定の条件が成立した場合には、硫酸の発生を抑制する硫酸発生抑制処理を実行する。また、ＲＯＭには、硫酸発生抑制処理を実行するためのプログラムが格納されている。

次に、ＥＣＵ１００が実行する硫酸発生抑制処理について説明する。
ＥＣＵ１００は、エンジン１０の状態に基づいて、還流排気がＥＧＲクーラ４４によって冷却されることに起因した硫酸の発生を予測する。具体的には、機関回転数や、機関負荷、冷却水温度等の機関の状態や、燃料中の硫黄濃度に基づいて、硫酸の発生を予測する。例えば、ＥＣＵ１００は、水温センサ５２からの出力信号に基づいて、冷却水温度が所定温度よりも低いと判定した場合には、ＥＧＲクーラ４４によって還流排気が露点温度以下になると予測され、これにより、エンジン１０又は還流通路４０内で硫酸が発生する恐れがあると予測できる。一方、冷却水温度が所定温度よりも高いと判断した場合には、還流排気が露点温度以下になることはないと予測され、これにより、エンジン１０又は還流通路４０内で硫酸が発生する恐れがないと予測できる。従って、ＥＣＵ１００は、排気系から吸気系へと還流される還流排気が冷却されることに起因した硫酸の発生を予測する予測手段として機能する。

次に、ＥＣＵ１００が実行する硫酸発生抑制処理について、フローチャートを参照して説明する。図２は、ＥＣＵ１００が実行する硫酸発生抑制処理の一例を示したフローチャートである。尚、この処理は所定の周期で繰り返し実行される。

ＥＣＵ１００は、機関回転数、機関負荷、及び冷却水の温度を各種センサからの出力に基づいて取得する（ステップＳ１）。次に、ＥＧＲ要求、即ち、排気を吸気系へと還流させる要求があるか否かを判定する（ステップＳ２）。否定判定の場合には、この処理を終了する。肯定判定の場合には、ＥＣＵ１００は、硫黄濃度センサ３３からの出力に基づいて取得した硫黄濃度が、所定の閾値αより大きいか否かを判定する（ステップＳ３）。この閾値αは、エンジン１０又は還流通路４０内で硫酸が発生する可能性があるか否かを判定するための基準の一つである。

否定判定の場合には、ＥＣＵ１００は、切替弁４６を制御して、触媒３１の上流側の排気通路３０と、吸気通路２０とを連通状態にし、触媒３１の上流側の排気を吸気通路２０へと還流させる（ステップＳ４）。肯定判定の場合には、ＥＣＵ１００は、ＥＧＲ、即ち排気を吸気系に還流させることにより、エンジン１０及び還流通路４０内で硫酸は発生する可能性があるか否かを判定する（ステップＳ５）。具体的には、ステップＳ１において取得した機関回転数、機関負荷、冷却水温や、ステップＳ３において取得した硫黄濃度に基づいて、判定する。例えば、機関冷却水が所定の温度よりも低い場合には、還流排気がＥＧＲクーラ４４によって露点温度以下にまで冷却される恐れがあり、還流通路４０内において凝縮水が発生する恐れがあると推定される。この場合には、ＥＣＵ１００は、還流通路４０内で発生した凝縮水によって硫酸が発生する恐れがあると判定する。機関冷却水が前記所定の温度よりも高い場合には、ＥＣＵ１００は、還流排気がＥＧＲクーラ４４によって露点温度以下にまで冷却される恐れはないとして、硫酸の発生する可能性はないと判定する。尚、前記所定の温度とは、還流排気が冷却されることによって、凝縮水が発生する恐れがあるか否かの基準の一つである。

ステップＳ５において否定判定の場合には、ＥＣＵ１００は、ステップＳ４の処理を実行し、肯定判定の場合には、ＥＣＵ１００は、切替弁４６を制御して、触媒３１の下流側の排気通路３０と、吸気通路２０とを連通状態にし、触媒３１の下流側の排気を吸気通路２０へと還流させる（ステップＳ６）。

このように、硫黄濃度が所定の閾値αよりも大きく、還流排気によって硫酸が発生する可能性がある場合には、触媒３１の下流側の排気を吸気通路２０へと還流させる。これは、触媒３１によって排気中の硫黄成分がある程度吸着されるため、触媒３１よりも上流側の排気中の硫黄濃度よりも、触媒３１よりも下流側の排気中の硫黄濃度の方が低いからである。硫黄濃度が低いと、硫酸の発生は抑制されるので、硫酸が発生すると予測された場合には、ＥＣＵ１００は、触媒３１の下流側の排気を還流させる。このように、ＥＣＵ１００は、硫酸の発生の予測結果に応じて、触媒３１よりも上流側の排気及び下流側の排気を選択的に吸気系へと還流するように、切替弁４６によって切り替えられる連通状態を制御する。また、触媒３１よりも上流側の排気を還流させた場合であっても、下流側の排気を還流させた場合であっても、ＥＧＲクーラ４４により還流排気は冷却されるので、排気の還流を適切に確保しつつ、硫酸の発生を抑制できる。

次に、本実施例に係るエンジンシステムの第１変形例について説明する。図３は、第１変形例に係るエンジンシステムの模式図である。尚、前述したエンジンシステムと同一の部分には同一の符号を用いることにより、その説明を省略する。
図３に示すように、還流通路４０ａは、触媒３１よりも上流側の排気通路３０と吸気通路２０とを連通している。例えばＥＣＵ１００は、機関冷却水の温度等により硫酸が発生する可能性があると予測した場合には、冷却水調整弁５１の開度を絞り、冷却水通路５０ｂの冷却水の循環を停止、又は抑制する。これにより、ＥＧＲクーラ４４によって還流排気が露点温度以下にまで冷却されることを防止でき、硫酸の発生を抑制することができる。

次に、エンジンシステムの第２変形例について説明する。図４は、第２変形例に係るエンジンシステムの模式図である。図４に示すように、エンジン１０を冷却するための冷却水通路５０ａと、還流排気を冷却するための冷却水通路５０ｂとが個別に設けられている。冷却水通路５０ａには、高温ラジエタ６０ａが、冷却水通路５０ｂには、低温ラジエタ６０ｂがそれぞれ設けられている。冷却水通路５０ｂを通過する冷却水は、冷却水通路５０ａを通過する冷却水よりも低温となるように、低温ラジエタ６０ｂが設けられている。また、冷却水通路５０ｂには、冷却水調整弁５１が設けられている。例えばＥＣＵ１００は、機関冷却水の温度等により硫酸が発生する可能性があると予測した場合には、ＥＧＲクーラ４４によって冷却される還流排気の冷却後の目標温度を、露点温度以上になるように制御する。これにより、硫酸の発生を抑制できる。

次に、エンジンシステムの第３変形例について説明する。図５は、第３変形例に係るエンジンシステムの構成図である。図５に示すように、還流通路４０ａには、ＥＧＲクーラ４４をバイパスするバイパス通路４１ａ、バイパス弁４６ａが設けられている。例えばＥＣＵ１００は、機関冷却水の温度等により硫酸が発生する可能性があると予測した場合には、バイパス弁４６ａを制御して、還流排気がバイパス通路４１ａを通過するように制御する。これにより、還流排気がＥＧＲクーラ４４によって露点温度以下にまで冷却されることを防止できる。従って、硫酸の発生を抑制できる。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

本実施例に係るエンジンシステムの模式図である。ＥＣＵが実行する硫酸発生抑制処理の一例を示したフローチャートである。第１変形例に係るエンジンシステムの模式図である。第２変形例に係るエンジンシステムの模式図である。第３変形例に係るエンジンシステムの模式図である。

符号の説明

１０エンジン
２０吸気通路
３０排気通路
３１触媒
４０還流通路（還流手段）
４１、４２分岐路
４３メイン通路
４４ＥＧＲクーラ（冷却手段）
４５ＥＧＲ弁
４６切替弁（還流手段）
５０冷却水通路
５１冷却水調整弁
５２水温センサ
６０ラジエタ
１００ＥＣＵ（予測手段、還流手段）

Claims

排気系から吸気系へと還流される還流排気が冷却されることに起因した硫酸の発生を予測する予測手段と、
前記予測手段の予測結果に応じて、前記排気系に設けられた排気浄化用触媒よりも上流側の上流側排気及び下流側の下流側排気を選択的に前記吸気系へと還流可能な還流手段とを備えた、ことを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
前記予測手段は、燃料中の硫黄濃度を検出する検出手段の検出結果に基づいて硫酸の発生を予測する、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。
前記予測手段は、当該内燃機関の状態に基づいて硫酸の発生を予測する、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。
前記予測手段は、前記還流排気を冷却する冷却手段の冷媒の温度に基づいて硫酸の発生を予測する、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。
前記還流手段は、前記予測手段が硫酸が発生すると予測した場合には、前記下流側排気を前記吸気系へ還流する、ことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の内燃機関の排気還流装置。
前記還流手段は、前記排気浄化用触媒よりも上流側の上流側排気通路及び下流側の下流側排気通路と吸気通路とが連通した還流通路と、前記上流側排気通路及び下流側排気通路と前記吸気通路との連通状態を選択的に切り替え可能な切替手段と、前記切替手段を制御する制御手段とを含む、ことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の内燃機関の排気還流装置。
前記還流排気を冷却する冷却手段を備えた、ことを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の内燃機関の排気還流装置。