JP2009174444A - Ｅｇｒ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲ通路を流通するＥＧＲガスと吸気通路を流通する吸入新気とが合流したとき又はインタクーラにおける結露の発生を回避すること。
【解決手段】内燃機関１４の排気管３４から排ガスの一部である低圧ＥＧＲガスを取り込み吸気管２２へ前記低圧ＥＧＲガスを再循環させる低圧ＥＧＲ通路４４に配設され、前記低圧ＥＧＲガスを冷却する低圧ＥＧＲクーラ４８と、冷却されて発生した凝縮水をトラップする凝縮水トラップ手段５０と、前記低圧ＥＧＲ通路４４中であって前記凝縮水トラップ手段５０の下流側に配設され、前記低圧ＥＧＲクーラ４８によって冷却された低圧ＥＧＲガスを所定温度に加熱するＥＧＲヒータ５２とを設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排ガスを再循環させるＥＧＲ装置に関する。

従来から、例えば、自動車用ディーゼル機関等においては、排気系から排ガスの一部をＥＧＲガスとして取り出して吸気系へ戻し、前記吸気系に戻されたＥＧＲガスを混合気に付加してエンジン内での燃料の燃焼を抑制して燃焼温度を低減させることによりＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を抑制するようにした、いわゆる排ガス再循環（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）が知られている。

このＥＧＲとしては、例えば、過給機（ターボチャージャ）を備えたディーゼル機関において、過給機のタービン上流の排気マニホールドから排ガスの一部を抜き出して前記過給機のコンプレッサ下流の吸気マニホールドへ再循環させる高圧ＥＧＲと、前記過給機のタービン下流の排気通路から排ガスの一部を抜き出して前記過給機のコンプレッサ上流の吸気通路へ再循環させる低圧ＥＧＲとを用いる場合がある。

この場合、低圧ＥＧＲを有するエンジンでは、再循環する排ガス中に含まれる水分がインタクーラ等で凝縮されて液化し、金属部品を浸食するために凝縮水対策が提案されている。例えば、特許文献１には、ディーゼルエンジンの吸気通路と排気通路との間に連結されたＥＧＲ管に冷却フィンを設けると共に、前記ＥＧＲ管に対して排水バルブ付きの凝縮水受けを装着することが開示され、また、特許文献２には、ＥＧＲガスを冷却媒体と熱交換して冷却するＥＧＲガス冷却装置とエンジンの吸気弁との間にミストセパレータ又は防滴装置を配設することが開示されている。

また、特許文献３には、外気温度（大気温度）に対応して、インタクーラで冷却されるＥＧＲガスで凝縮水が発生することを回避するように、低圧ＥＧＲ通路を流通するＥＧＲガス量と高圧ＥＧＲ通路を流通するＥＧＲガス量とを調整する排気還流装置が開示されている。
特開平８−２４６９６４号公報 特開平９−３２４７０７号公報 特開２００７−２１１５９５号公報

しかしながら、ＥＧＲガスを冷却する低圧ＥＧＲクーラを用いて排ガスの水分をトラップする特許文献１及び特許文献２に開示された技術的思想では、低圧ＥＧＲ通路と吸入新気とが合流したときに発生する結露、及びインタクーラで冷却されたときに発生する結露を回避することが困難である。この結果、前記結露によって発生する凝縮水により過給機やインタクーラ等に不具合が生じるおそれがある。

また、特許文献３では、インタクーラにおける凝縮を回避するために、低圧ＥＧＲの作動量が減少することにより高圧ＥＧＲの作動量が増加する。一般的に、高圧ＥＧＲでは、インタクーラよりも温度が高くなっていると共に、インタクーラを通過しないために、吸気温度が上昇してＮＯｘ排出量が増加するおそれがある。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、ＥＧＲ通路を流通するＥＧＲガスと吸気通路を流通する吸入新気とが合流したとき又はインタクーラにおける結露の発生を回避して凝縮水が生ずることを好適に抑制することが可能なＥＧＲ装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、内燃機関の排気通路から排ガスの一部を取り込み前記内燃機関の吸気通路へ前記排ガスを再循環させるＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に配設され前記排ガスを冷却する冷却手段と、前記冷却手段の冷却作用によって生じた凝縮水をトラップして排水する水分捕集手段と、前記ＥＧＲ通路中であって前記冷却手段の下流側に配設され、前記冷却手段によって冷却された排ガスを所定温度に加熱する加熱手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、ＥＧＲ通路の上流側に設けられた冷却手段によって前記ＥＧＲ通路を流通する排ガス（ＥＧＲガス）が冷却され、前記冷却作用によって発生した凝縮水が水分捕集手段を介して除水及び排水され、さらに、前記ＥＧＲ通路を流通する排ガス（ＥＧＲガス）は、前記ＥＧＲ通路の下流側に設けられた加熱手段によって所定温度に加熱されて湿度が低い状態となるので、吸気通路に沿って吸入される高湿度、低温度の吸入新気と合流点で混合された場合であっても、ＥＧＲ通路の冷却手段によって冷却されたＥＧＲガスの温度よりも高い温度とすることにより、合流点以降における吸気通路内で結露の発生を好適に抑制することができる。この結果、本発明では、例えば、過給機やインタクーラ等を含む吸気系の要素が凝縮水によって浸食される不具合を好適に回避することができる。

この場合、ＥＧＲ通路は、排気通路における過給機のタービンの下流側から排ガスの一部を取り込んで吸気通路における前記過給機のコンプレッサの上流側へ前記排ガス（低圧ＥＧＲガス）を再循環させる低圧ＥＧＲ通路とするとよい。

また、本発明では、内燃機関の排気通路から排ガスの一部を取り込み前記内燃機関の吸気通路へ前記排ガスを再循環させるＥＧＲ通路を有し、前記ＥＧＲ通路と合流する前記吸気通路の上流側に、前記吸気通路によって吸入される吸気ガスを加熱する第２加熱手段が設けられるとよい。

本発明によれば、吸気通路の上流側にＥＧＲガスと合流前の吸入新気を加熱する第２加熱手段を設けることにより、吸入新気の温度を上昇させて、ＥＧＲガスと合流したときの温度が、第２加熱手段で加熱しない場合と比較して高温とすることができる。この結果、本発明では、吸入新気とＥＧＲガス（低圧ＥＧＲガス）とが合流した混合ガスの温度が高く、湿度が低い状態となり、結露の発生をより一層抑制することができる。

さらに、本発明は、内燃機関の排気通路から排ガスの一部を取り込み前記内燃機関の吸気通路へ前記排ガスを再循環させるＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に配設され前記排ガスを冷却するＥＧＲクーラと、前記ＥＧＲクーラの冷却作用によって生じた凝縮水をトラップして排水する水分捕集手段と、前記吸気通路の吸気マニホールドの上流側に配設され前記吸気通路によって吸入される吸気ガスと排ガスとの混合ガスを冷却するインタクーラとを備え、前記ＥＧＲクーラと前記インタクーラとを共通の作動媒体とし、前記ＥＧＲクーラで前記作動媒体が作動した後、前記インタクーラで前記作動媒体が作動する冷却回路が設けられることを特徴とする。

本発明によれば、共通の作動媒体（冷媒）がＥＧＲクーラで作動（熱交換）した後、温度上昇した前記作動媒体がインタクーラで作動（熱交換）することにより、前記インタクーラでの冷却温度をＥＧＲクーラでの冷却温度よりも高い温度に維持しやすくなる。この結果、本発明では、インタクーラの冷却温度をＥＧＲクーラの冷却温度よりも高くすることによりインタクーラにおける結露の発生を抑制し、前記インタクーラや吸気系の要素が凝縮水によって浸食される可能性をより一層低減することができる。なお、ＥＧＲ通路を流通する排ガスは、ＥＧＲクーラで冷却され、前記冷却作用によって発生した凝縮水が水分捕集手段を介して除水及び排水された後、吸気通路によって吸入される吸気ガスと混合される。

さらにまた、本発明は、前記冷却回路が、前記ＥＧＲクーラと前記インタクーラとを接続する往路及び復路を有し、前記往路と前記復路とを連通させるバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉制御することにより前記インタクーラに送給される作動媒体量を調整するバイパス弁が設けられることを特徴とする。

本発明によれば、例えば、バイパス弁の弁開度を小さくしてインタクーラへ供給される作動媒体量を減少させることにより、インタクーラにおける冷却温度が高くなり、一方、バイパス弁の弁開度を大きくしてインタクーラへ供給される作動媒体量を増大させることにより、インタクーラにおける冷却温度が低くなる。このようにして、本発明では、冷却回路に設けられたバイパス弁を介してインタクーラでの冷却温度を好適に制御することができる。

本発明では、ＥＧＲ通路を流通するＥＧＲガスと吸気通路を流通する吸入新気とが合流したとき又はインタクーラにおける結露の発生を回避して凝縮水が生ずることを好適に抑制することが可能なＥＧＲ装置を得ることができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るＥＧＲ装置の概略構成図である。

この第１実施形態に係るＥＧＲ装置１０は、例えば、４つの気筒（燃焼室）１２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンからなる車両駆動用の内燃機関１４と、内燃機関１４に接続される吸気系１６及び排気系１８とを含む。

内燃機関１４には、吸気マニホールド２０が接続され、前記吸気マニホールド２０には、大気に連通して大気を取り込む吸気通路を内部に有する吸気管２２が接続される。前記吸気管２２の上流側には、該吸気管２２内の吸気通路を開閉制御する第１スロットル弁２４ａが設けられ、前記第１スロットル弁２４ａの下流側には過給機２６を構成するコンプレッサ２６ａが設けられている。なお、前記第１スロットル弁２４ａとコンプレッサ２６ａとの間には、後記するように、吸入新気と低圧ＥＧＲガスとが合流する合流点（Ｊ）が設けられる。

また、前記吸気管２２には、コンプレッサ２６ａの下流側に配置され吸気管２２内を流通する吸気ガスと排ガスとの混合ガス（コンプレッサ２６ａの圧縮作用によってガス温度が上昇している）を冷却するインタクーラ２８が設けられ、前記インタクーラ２８の下流側には、吸気管２２内の吸気通路を開閉制御する第２スロットル弁２４ｂが設けられる。なお、前記第１スロットル弁２４ａ及び前記第２スロットル弁２４ｂは、後記するＥＣＵ３０からの制御信号に基づいて付勢・滅勢される図示しない電動アクチュエータによって弁開度が制御される。

前記内燃機関１４には、排気マニホールド３２が接続され、前記排気マニホールド３２には、内部に排気通路を有する排気管３４が接続される。前記排気管３４には、その上流側から下流側に向かって、順に、排気エネルギを駆動源として作動する過給機２６のタービン２６ｂと、ディーゼル用酸化触媒（ＤＯＣ：Ｄｉｅｓｅｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ）３６と、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）３８と、マフラー４０と、排気絞り弁４２とがそれぞれ設けられる。なお、前記ディーゼルパティキュレートフィルタ３８には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が担持され、排ガス中の粒子状物質が捕集される。

また、前記内燃機関１４は、排気管３４の途中から分岐して吸気管２２の途中に接続される低圧ＥＧＲ通路４４を有し、排気管３４を流通する排ガスの一部である低圧ＥＧＲガスを低圧で吸気管２２に戻して再循環させる低圧ＥＧＲ（ＬＰ ＥＧＲ）４６が設けられる。なお、低圧ＥＧＲ通路４４では、排気管３４側を上流とし、吸気管２２側を下流として以下説明する。

この低圧ＥＧＲ４６は、低圧ＥＧＲ通路４４の上流側に配設され空冷式クーラからなる低圧ＥＧＲクーラ４８と、前記低圧ＥＧＲクーラ４８の下流側に配置され凝縮水をトラップする凝縮水トラップ手段（水分捕集手段）５０と、前記凝縮水トラップ手段５０の下流側に配置される熱交換器からなるＥＧＲヒータ（第１加熱手段）５２と、低圧ＥＧＲ通路４４を流通する低圧ＥＧＲガスの流量を調整する低圧ＥＧＲ弁５４とを備えて構成される。

なお、前記凝縮水トラップ手段５０は、例えば、周知のミストセパレータ等によって構成され、前記凝縮水トラップ手段でトラップした凝縮水をドレンとして排気管３４側に排出するドレン通路５６が設けられている。また、ＥＧＲヒータ５２は、従来においてエンジン冷却機構を構成するエンジン冷却水を作動媒体として利用してもよい。

前記低圧ＥＧＲ通路４４は、排気管３４の途中に配設されたディーゼルパティキュレートフィルタ３８の下流側と、吸気管２２の途中に配設されたコンプレッサ２６ａよりも上流側で且つ第１スロットル弁２４ａの下流側とを連通接続するものである。この場合、低圧ＥＧＲ通路４４に沿って再循環される排ガスを低圧ＥＧＲガスといい、低圧ＥＧＲ通路４４が吸気管２２に接続されて前記低圧ＥＧＲガスと吸気新気とが合流する部位を合流点（Ｊ）という。

さらに、前記内燃機関１４には、排気マニホールド３２の下流（排気管３４の上流であってもよい）から分岐して吸気マニホールド２０の上流に接続される高圧ＥＧＲ通路５８を有し、排気マニホールド３２から排気管３４に排気される排ガスの一部を高圧で吸気マニホールド２０へ戻して再循環させる高圧ＥＧＲ（ＨＰ ＥＧＲ）６０が設けられる。

この高圧ＥＧＲ６０は、並列に分岐して配置された一方の高圧ＥＧＲ通路５８中に配設された高圧ＥＧＲクーラ６２と、並列に分岐して配置された一方の高圧ＥＧＲ通路５８と他方の高圧ＥＧＲ通路５８とが接続する部位に配設され高圧ＥＧＲ通路５８を流通する高圧ＥＧＲガスの流量を調整する高圧ＥＧＲ弁６４とを有する。

さらにまた、前記内燃機関１４には、内燃機関１４の運転条件や運転者の要求に対応して該内燃機関１４の運転状態を制御する電子制御ユニットからなるＥＣＵ３０が設けられる。前記ＥＣＵ３０には、第１スロットル弁２４ａ、第２スロットル弁２４ｂ、低圧ＥＧＲ弁５４、高圧ＥＧＲ弁６４、及び排気絞り弁４２がそれぞれ電気配線を介して電気的に接続され、ＥＣＵ３０から導出される制御信号に基づいてこれらの制御要素が制御される。

第１実施形態に係るＥＧＲ装置１０は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。

低圧ＥＧＲ通路４４を用いて低圧ＥＧＲ４６を作動させる場合、ＥＣＵ３０は、第１スロットル弁２４ａ又は排気絞り弁４２のいずれか一方に制御信号を導出して前記第１スロットル弁２４ａ又は排気絞り弁４２を閉弁方向に向かって制御すると共に、低圧ＥＧＲ弁５４に制御信号を導出して前記低圧ＥＧＲ弁５４を開弁状態とする。その際、低圧ＥＧＲ弁５４の弁開度を所定値に制御することにより、低圧ＥＧＲ通路４４を通って内燃機関１４に再循環される低圧ＥＧＲガスの流量を調整することができる。

ところで、低圧ＥＧＲ通路４４には、低圧ＥＧＲクーラ４８が配設され、前記低圧ＥＧＲクーラ４８によって低圧ＥＧＲガスが外気温度（大気温度）と同等の約４０度に冷却（飽和・凝縮）される。続いて、凝縮水トラップ手段５０によって凝縮水がトラップされた後、ＥＧＲヒータ５２によって低圧ＥＧＲガスが約８０度に加熱される（図２（ａ）参照）。

後記する第１比較例に係るＥＧＲ装置（図２（ｂ）参照）のようにＥＧＲヒータ５２がない場合、低圧ＥＧＲ通路４４を通って流通する低圧ＥＧＲガスと、低圧ＥＧＲクーラ４８によって冷却された低圧ＥＧＲガスよりも低温で吸気管２２に沿って流通する吸入新気とが合流点（Ｊ）で合流することにより、結露が発生するおそれがある。

しかしながら、第１実施形態では、低圧ＥＧＲ通路４４の下流側に設けられたＥＧＲヒータ５２によって低圧ＥＧＲガスが所定温度（本実験では約８０℃）に加熱され、高湿度、低温度の吸入新気（温度２０℃、湿度１００％）と混合された場合であっても、低圧ＥＧＲクーラ４８によって冷却された低圧ＥＧＲガスの温度よりも高い温度とすることにより、合流点（Ｊ）以降における吸気管２２内で結露の発生を好適に抑制することができる。

なお、高圧ＥＧＲ通路５８を用いて高圧ＥＧＲ６０を作動させる場合、ＥＣＵ３０は、高圧ＥＧＲ弁６４に対して制御信号を導出して高圧ＥＧＲ弁６４の弁開度を所定値に制御することにより、排気マニホールド３２から高圧ＥＧＲ通路５８を介して吸気マニホールド２０に再循環される高圧ＥＧＲガスの流量を調整することができる。この結果、気筒１２内に供給される高圧ＥＧＲガスの流量は、前記高圧ＥＧＲ弁６４によって調整されるため、ＮＯｘ発生を抑制することができる。

次に、第１実施形態に係るＥＧＲ装置１０を用いて行った実験結果を図２（ａ）に示す。この第１実施形態に係るＥＧＲ装置１０を用いた場合、低圧ＥＧＲクーラ４８で冷却された低圧ＥＧＲガスの温度が約４０℃で湿度が１００％であったが、この冷却除湿された低圧ＥＧＲガスが下流側のＥＧＲヒータ５２で加熱されることにより、温度が約８０℃で湿度が約１３％となった。そこで、このような温度が約８０℃で湿度が約１３％の低圧ＥＧＲガスと、温度が約２０℃で湿度が１００％の吸入新気とが１対１の割合（ＥＧＲ率５０％）で合流して混合された場合、合流点（Ｊ）以降では、温度が約５０℃で湿度が約３８％（＝［０．１４＋０．４７］／１．５９×１００）の混合ガスとなり、合流点（Ｊ）以降における吸気管内での結露量が零であることがわかった。

これに対して、第１実施形態に係るＥＧＲ装置１０で低圧ＥＧＲ通路４４中にＥＧＲヒータ５２が設けられていない（ＥＧＲヒータ５２のみを取り除いた）第１比較例に係るＥＧＲ装置（図示せず）を用いて行った実験では、図２（ｂ）に示されるように、吸入新気と低圧ＥＧＲガスとの合流点（Ｊ）以降の混合ガスの温度が約３０℃で湿度が１００％となり、合流点（Ｊ）以降における吸気管２２内で約０．０８ｇ／ｓ（＝［０．１４＋０．４７］−０．５３）の結露が発生した。これは、低圧ＥＧＲクーラ４８の温度（４０℃）よりも低温の吸入新気と１対１の割合（ＥＧＲ率５０％）で合流したときの温度が３０℃で、低圧ＥＧＲクーラ４８で冷却除湿後の温度（４０℃）よりも低くなったために結露が発生したものと推定される。

このように、第１実施形態に係るＥＧＲ装置１０では、第１比較例と比較して低圧ＥＧＲ通路４４の下流側に低圧ＥＧＲガスを加熱するＥＧＲヒータ５２を設けることにより、吸入新気との合流点（Ｊ）以降における結露の発生を回避して、凝縮水が生じることを好適に抑制することができた。この結果、第１実施形態では、過給機２６やインタクーラ２８が凝縮水によって浸食される不具合を好適に回避することができる。

次に、本発明の第２実施形態に係るＥＧＲ装置７０を図３に示す。なお、第２実施形態以降において、第１実施形態と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。

この第２実施形態に係るＥＧＲ装置７０では、第１スロットル弁２４ａが配設された吸気管２２の上流側に、吸入新気を加熱する吸気ヒータ（第２加熱手段）７２を設けた点で第１実施形態と相違している。

第２実施形態では、吸入新気と低圧ＥＧＲガスとが合流した際、より一層結露の発生を抑制するために、合流前の吸入新気を加熱する吸気ヒータ７２を設けることにより、吸入新気の温度を上昇させて、低圧ＥＧＲガスと合流したときの温度が、吸気ヒータ７２で加熱しない場合と比較して高温とすることができる。

この結果、第２実施形態では、吸入新気と低圧ＥＧＲガスとが合流した混合ガスの温度が高く、湿度が低い状態となり、結露の発生をより一層抑制することができる。また、特許文献３に示されるように低圧ＥＧＲ４６の作動量を減少させることがなく、高いＮＯｘ低減効果が得られる。

次に、第２実施形態に係るＥＧＲ装置７０を用いて行った実験結果を図４（ａ）に示す。この第２実施形態に係るＥＧＲ装置７０を用いた場合、低圧ＥＧＲクーラ４８で冷却された低圧ＥＧＲガスの温度が約４０℃で湿度が１００％であったが、この冷却除湿された低圧ＥＧＲガスが下流側のＥＧＲヒータ５２で加熱されることにより、温度が約８０℃で湿度が約１３％となった。一方、温度が０℃で湿度が１００％の吸入新気が吸気ヒータ７２で加熱されることにより、前記吸入新気の温度が約４０℃で湿度が約６％となった。

そこで、このような温度が約８０℃で湿度が約１３％の低圧ＥＧＲガスと、温度が約４０℃で湿度が約６％の吸入新気とが合流して混合された場合、合流点（Ｊ）以降では、温度が約６０℃で湿度が約１９％の混合ガスとなり、合流点（Ｊ）以降における吸気管２２内での結露量が零であることがわかった。

これに対して、第２実施形態に係るＥＧＲ装置７０で低圧ＥＧＲ通路４４中のＥＧＲヒータ５２と吸気管２２の吸気ヒータ７２との両方が設けられていない（ＥＧＲヒータ５２及び吸気ヒータ７２のみを取り除いた）第２比較例に係るＥＧＲ装置（図示せず）を用いて行った実験では、図４（ｂ）に示されるように、吸入新気と低圧ＥＧＲガスとの合流点（Ｊ）以降の混合ガスの温度が約２０℃で湿度が１００％となり、合流点（Ｊ）以降における吸気管２２内で約０．３６ｇ／ｓの結露が発生した。これは、低圧ＥＧＲクーラ４８の温度（４０℃）よりも低温の吸入新気と合流したときの温度が約２０℃で、低圧ＥＧＲクーラ４８で冷却除湿後の温度（４０℃）よりも低くなったために結露が発生したものと推定される。

このように、第２実施形態に係るＥＧＲ装置７０では、第２比較例と比較して吸気管２２の上流側に吸気新気を加熱する吸気ヒータ７２を設けることにより、吸入新気との合流点（Ｊ）以降における結露の発生をより一層回避して、凝縮水が生じることを好適に抑制することができた。この結果、第２実施形態では、過給機２６やインタクーラ２８が凝縮水によって浸食される不具合を好適に回避することができる。

次に、前記ＥＧＲ装置７０に設けられたＥＧＲヒータ５２と吸気ヒータ７２とを効率的に作動させるヒータ作動条件判定方法を説明する。

ＥＧＲヒータ５２及び吸気ヒータ７２の作動条件を判定するためには、ＥＧＲヒータ５２の作動温度、吸気ヒータ７２の作動温度、吸気温度及び外気湿度を図示しない各種センサを用いて検出しておく。ＥＧＲヒータ５２の作動温度は、ＥＧＲヒータ５２の作動媒体が液体であれば、媒体温度を図示しない温度センサによって検出する。また、電気的に加熱される電気ヒータであれば、印加電圧と外気温度、排気温度等によって作動温度を推定することができる。また、ヒータ本体の温度を測定することにより、ＥＧＲヒータ５２の作動温度及び吸気ヒータ７２の作動温度をそれぞれ高精度に求めることができる。

各測定項目によって、低圧ＥＧＲガスと吸入新気とが合流したとき、最も効率良く凝縮水を抑制する手法を導出することができる。凝縮水の発生は、ガスの温度より求められる飽和水蒸気圧と各ガスの湿度より求めることができる。低圧ＥＧＲガスの湿度は、ＥＧＲ率と吸入新気の湿度からも求めることができる。なお、作動条件の判定は、吸入新気の湿度が１００％、低圧ＥＧＲクーラ４８による冷却後の低圧ＥＧＲガスの湿度を１００％と仮定することにより、簡便に算出することができる。

最も効率がよい方法は、凝縮水を発生させることがなく、且つＥＧＲヒータ５２及び吸気ヒータ７２の作動によって燃料消費量を最も減少させることができる手法である。また、ＥＧＲヒータ５２及び吸気ヒータ７２をそれぞれ作動させて凝縮水の発生を回避することができない場合には、低圧ＥＧＲ４６を作動させることがなく、高圧ＥＧＲ６０を作動させるとよい。

この作動条件判定により、ＥＧＲヒータ５２及び吸気ヒータ７２を作動させる頻度を低下させることができ、ＥＧＲヒータ５２及び吸気ヒータ７２の作動による燃料消費量を節減することができる。また、この作動条件判定により、内燃機関１４の始動直後等において、ＥＧＲヒータ５２の加熱温度が所定温度に到達していない場合でも、予め吸気ヒータ７２を作動させておくことにより、結露の発生を回避することができ、低圧ＥＧＲ４６の作動時期を早期に実施することができ、高いＮＯｘ低減効果を得ることができる。

ここで、上記したヒータ作動条件判定方法の一例を図５に基づいて説明する。

先ず、ＥＣＵ３０は、低圧ＥＧＲ４６を作動させるか否かを以下に基づいて確認する（Ａ０参照）。

図示しない温度センサからの検出信号によって外気（大気）の温度を確認すると共に、図示しない湿度センサからの検出信号によって外気の湿度を確認する（Ａ１参照）。続いて、ＥＣＵ３０は、吸気管２２に沿って吸入される吸入新気の流量と前記吸入新気中に含有される水分を算出する（Ａ２参照）。

次に、ＥＣＵ３０は、吸気ヒータ７２の作動媒体の温度を確認すると共に、吸気ヒータ７２のヒータ本体の温度を確認し（Ａ３参照）、前記確認された作動媒体温度及びヒータ本体温度に基づいて、吸気ヒータ７２の作動時における吸入新気の温度、蒸気状態、及び燃料消費量を算出する（Ａ４参照）。一方、ＥＣＵ３０は、吸気ヒータ７２の非作動時における吸入新気の温度、蒸気状態、及び燃料消費量を算出する（Ａ５参照）。

また、ＥＣＵ３０は、ＥＧＲ系におけるＥＧＲ率（再循環率）を確認すると共に（Ａ６参照）、内燃機関１４のシリンダ（燃焼室）内に投入される燃料量を確認する（Ａ７参照）。さらに、ＥＣＵ３０は、低圧ＥＧＲガスのガス流量及び前記低圧ＥＧＲガス中に含有される水分を算出する（Ａ８参照）。

続いて、ＥＣＵ３０は、低圧ＥＧＲクーラ４８において冷却作用を営む作動媒体の温度を確認すると共に、低圧ＥＧＲクーラ４８のクーラ本体の温度を確認する（Ａ９参照）。また、ＥＣＵ３０は、低圧ＥＧＲクーラ４８での除湿量を算出すると共に、前記低圧ＥＧＲクーラ４８によって冷却された後の低圧ＥＧＲガスの温度を算出する（Ａ１０参照）。さらに、ＥＣＵ３０は、ＥＧＲヒータ５２において加熱作用を営む作動媒体の温度を確認すると共に、前記ＥＧＲヒータ５２のヒータ本体の温度を確認する（Ａ１１参照）。

さらにまた、ＥＣＵ３０は、ＥＧＲヒータ５２の非作動時における低圧ＥＧＲガスの温度、蒸気状態、及び燃料消費量をそれぞれ算出すると共に（Ａ１２参照）、ＥＧＲヒータ５２の作動時における低圧ＥＧＲガスの温度、蒸気状態、及び燃料消費量をそれぞれ算出する（Ａ１３参照）。

そこで、ＥＣＵ３０は、ブロックＡ４、Ａ５、Ａ１２、Ａ１３でそれぞれ算出された各種データに基づいて、吸入新気と低圧ＥＧＲガスとが合流したときの混合ガスの温度を算出すると共に、前記合流したときの混合ガスの温度と湿度を基にして、結露発生の有無を算出する（Ａ１４参照）。さらに、ＥＣＵ３０は、結露発生の有無を判定すると共に、燃料消費量が最小となるヒータの組み合わせを抽出する（Ａ１５参照）。

この結果、ＥＣＵ３０は、結露が発生しないと判定したとき、前記抽出されたヒータの組み合わせ（ＥＧＲヒータ５２単独、吸気ヒータ７２単独、ＥＧＲヒータ５２及び吸気ヒータ７２の両方）を作動させてブロックＡ０に戻って低圧ＥＧＲ４６を作動させる（Ａ１６参照）。一方、ＥＣＵ３０は、ＥＧＲヒータ５２及び吸気ヒータ７２のいずれのヒータを作動させても結露が発生すると判定したとき、低圧ＥＧＲ４６を作動させることがなく、高圧ＥＧＲ６０を作動させる（Ａ１７参照）。

以上のようにして、ＥＣＵ３０は、各種ヒータの中から最も効率の良いヒータ作動条件を判定することができる。

次に、本発明の第３実施形態に係るＥＧＲ装置７４を図６に示す。この第３実施形態以降では、インタクーラ２８における結露の発生を回避する点に特徴がある。例えば、特許文献１及び特許文献２に開示された低圧ＥＧＲクーラで低圧ＥＧＲガス中の水分を結露・トラップする手法では、インタクーラで吸入新気と低圧ＥＧＲガスとの混合ガスが冷却されて結露が発生し、インタクーラ等の吸気系要素が凝縮水によって浸食されるおそれがあるからである。

第３実施形態に係るＥＧＲ装置７４では、第１実施形態及び第２実施形態に係るＥＧＲ装置１０、７０と異なってＥＧＲヒータ５２及び吸気ヒータ７２を設けることがなく、インタクーラ２８における混合ガスの冷却温度を低圧ＥＧＲクーラ４８の冷却温度よりも高く設定している点に特徴がある。

すなわち、外気温度と同様の温度まで低圧ＥＧＲクーラ４８で冷却し、水分を除去する。そこで、インタクーラ２８の冷却温度を前記低圧ＥＧＲクーラ４８の冷却温度よりも高く設定することにより、インタクーラ２８での結露の発生を低減することができる。低圧ＥＧＲクーラ４８で冷却除湿された湿度１００％の低圧ＥＧＲガスがインタクーラ２８で、前記冷却温度よりも低い温度まで冷却されないため、結露が発生する可能性を低減することができる。

ここで、第３実施形態に係るＥＧＲ装置７４を用い、インタクーラ２８の冷却温度を３０℃と５０℃とにそれぞれ切り換えて結露の発生の有無を確認した実験結果を図７に示す。

低圧ＥＧＲガスを冷却する低圧ＥＧＲクーラ４８の冷却温度が、約４０℃に設定されている場合において、インタクーラ２８（図７中おいて、Ｉ／Ｃで示している）を流通する混合ガスの冷却温度を低圧ＥＧＲクーラ４８の冷却温度よりも低い約３０℃にしたとき、約０．４２ｇ／ｓ（＝０．９４−０．５２）の結露量が発生したが、前記インタクーラ２８での冷却温度を低圧ＥＧＲクーラ４８の冷却温度よりも高い約５０℃に切り換えたとき、結露量が零となることがわかった。

このように、第３実施形態では、混合ガスを冷却するインタクーラ２８の冷却温度が、低圧ＥＧＲガスを冷却する低圧ＥＧＲクーラ４８の冷却温度よりも高く設定されることにより、インタクーラ２８における結露の発生を回避して、凝縮水による浸食を好適に防止することができる。

次に、第４実施形態に係るＥＧＲ装置８０を図８に示す。
この第４実施形態に係るＥＧＲ装置８０では、インタクーラ２８の冷却温度を低圧ＥＧＲクーラ４８の冷却温度よりも高く設定するため、インタクーラ２８及び低圧ＥＧＲクーラ４８の作動媒体が液体である場合、共通の作動媒体（冷媒）によって低圧ＥＧＲクーラ４８を冷却した後にインタクーラ２８を冷却するように構成している。

すなわち、冷媒が低圧ＥＧＲクーラ４８で作動（熱交換）した後、温度上昇した前記冷媒がインタクーラ２８で作動（熱交換）させることにより、前記インタクーラ２８での冷却温度（約３５℃）を低圧ＥＧＲクーラ４８での冷却温度（約３０℃）よりも高い温度に維持しやすくなる。この結果、第４実施形態に係るＥＧＲ装置８０では、インタクーラ２８や吸気系１６の要素が凝縮水によって浸食される可能性をより一層低減することができる。

換言すると、冷媒が低圧ＥＧＲクーラ４８で熱交換して暖められることにより、低圧ＥＧＲクーラ４８の後段に配置されたインタクーラ２８での冷却温度が低圧ＥＧＲクーラ４８での冷却温度よりも高く設定することができ、インタクーラ２８における結露の発生を抑制することができる。

なお、第４実施形態に係るＥＧＲ装置８０では、第３実施形態に係るＥＧＲ装置７４に冷媒冷却用ラジエータ８２を追加し、前記冷媒冷却用ラジエータ８２を用いて、先ず、低圧ＥＧＲクーラ４８で作動させた後、続いてインタクーラ２８で作動させ、その後、冷媒が前記冷媒冷却用ラジエータ８２に戻って再度循環する冷却回路８４が設けられている。

次に、第５実施形態に係るＥＧＲ装置９０を図９に示す。この第５実施形態に係るＥＧＲ装置９０では、図８に示される冷却回路８４中に低圧ＥＧＲクーラ４８からインタクーラ２８へ流通する往路８４ａと前記インタクーラ２８から冷媒冷却用ラジエータ８２に戻る復路８４ｂとを連通させるバイパス通路９２を設けると共に、前記バイパス通路９２を開閉制御するバイパス弁９４を配設している点で前記第４実施形態に係るＥＧＲ装置８０と異なっている。

低圧ＥＧＲクーラ４８及びインタクーラ２８の作動媒体が液体で、前記作動媒体（冷媒）が低圧ＥＧＲクーラ４８の後にインタクーラ２８を冷却する冷却回路８４を設けた場合、低圧ＥＧＲクーラ４８及びインタクーラ２８での冷却温度をそれぞれ推定し、インタクーラ２８の作動媒体量を調整することにより、凝縮水が発生するときに低圧ＥＧＲ４６の作動を回避することができる。

低圧ＥＧＲクーラ４８及びインタクーラ２８における各冷却温度は、冷媒作動温度、クーラ本体温度に基づいて推定することができる。この場合、インタクーラ２８に供給される作動媒体量を前記バイパス弁９４によって調整することにより、インタクーラ２８における冷却温度を制御することができる。

すなわち、ＥＣＵ３０からの制御信号に基づいてバイパス弁９４の弁開度を小さくしてインタクーラ２８へ供給される作動冷媒量を減少させることにより、インタクーラ２８における冷却温度が高くなる。一方、バイパス弁９４の弁開度を大きくしてインタクーラ２８へ供給される作動冷媒量を増大させることにより、インタクーラ２８における冷却温度が低くなる。このようにしてインタクーラ２８での冷却温度を好適に制御することができる。なお、図９中において、参照数字９６は、作動冷媒を加圧して冷却回路８４内を循環させる冷却水ポンプを示している。

なお、インタクーラ２８における目標冷却温度が高すぎると、エンジン吸入空気温度が高いため、吸入空気量が減少する。また、インタクーラ２８のクーラ本体温度が冷媒の温度よりも一定以上低い場合、例えば、エンジンの始動直後のとき、低温度のインタクーラ２８の熱容量で吸気ガスが想定以上に冷却されて結露が発生する場合がある。正確なインタクーラ２８での目標冷却温度は、外気温度及び外気湿度、吸入新気量、低圧ＥＧＲガスの温度及び湿度、ＥＧＲ量に基づいて結露しないインタクーラ冷却温度を算出することによって不必要に高い目標冷却温度を設定しないことが可能となる。

仮に、インタクーラ２８の目標冷却温度が実際に得られる温度よりも高い場合、低圧ＥＧＲ４６から高圧ＥＧＲ６０に切り換えることも可能である。このようにしてインタクーラ２８や吸気系１６の要素が凝縮水に浸食される可能性をより一層低減することができる。

ここで、インタクーラ２８の冷却温度制御方法の一例を図１０に基づいて説明する。

先ず、ＥＣＵ３０は、インタクーラ２８のクーラ本体温度、インタクーラ２８の冷媒温度、低圧ＥＧＲガスのガス量、低圧ＥＧＲガスの温度、低圧ＥＧＲガスの湿度、吸入新気の流量、吸入新気の温度、吸入新気の湿度をそれぞれ確認する（Ｂ１〜Ｂ３参照）。

続いて、ＥＣＵ３０は、ブロックＢ１〜Ｂ３によって確認された各種データに基づいてインタクーラ２８で冷却されるインタクーラ冷却温度を算出する（Ｂ４参照）。また、ＥＣＵ３０は、ブロックＢ２、Ｂ３で確認されたデータ（低圧ＥＧＲガス温度、吸入新気温度、吸入新気湿度等）から結露温度を算出し（Ｂ５参照）、結露温度に到達しない（結露しない）インタクーラ目標冷却温度を算出する（Ｂ６参照）。

次に、ＥＣＵ３０は、前記インタクーラ冷却温度及びインタクーラ目標冷却温度に基づいて、インタクーラ２８の作動冷媒量が適正であるか否かを判定する（Ｂ７参照）。この場合、インタクーラ冷却温度がインタクーラ目標冷却温度よりも低い場合には、例えば、バイパス弁９４の弁開度を小さくしてインタクーラ２８の作動媒体量（冷媒量）を減少させる（Ｂ８参照）。これとは反対に、インタクーラ冷却温度がインタクーラ目標冷却温度よりも高い場合には、例えば、バイパス弁９４の弁開度を大きくしてインタクーラ２８の作動媒体量（冷媒量）を増大させる（Ｂ９参照）。

このようにして、インタクーラ２８の作動媒体量を適宜調整することにより、インタクーラ２８の冷却温度を好適に制御することができる。

次に、インタクーラ２８での目標冷却温度とその達成の可否を判定し、低圧ＥＧＲ４６の作動可否を決定する低圧ＥＧＲ作動可否制御方法の一例を図１１に基づいて説明する。なお、図１１中におけるブロックＣ１〜Ｃ６は、図１０中のブロックＢ１〜Ｂ６と同一内容であるため、その詳細な説明を省略する。

ＥＣＵ３０は、ブロックＣ４で算出したインタクーラ冷却温度に対し、例えば、バイパス弁９４の弁開度を増減させてインタクーラ作動冷媒量を調整することにより、ブロックＣ６で算出したインタクーラ目標冷却温度を達成することが可能かどうか、その達成の可否について判定する（Ｃ７参照）。

そこで、ＥＣＵ３０は、インタクーラ作動冷媒量の調整によってインタクーラ目標冷却温度の実現が可能であると判定したとき、低圧ＥＧＲ４６を作動させる（Ｃ８参照）。これとは反対に、ＥＣＵ３０は、インタクーラ作動冷媒量の調整によってインタクーラ目標冷却温度の実現が不可能であると判定したとき、高圧ＥＧＲ６０を作動させる（Ｃ９参照）。

なお、ブロックＣ６において、インタクーラ目標冷却温度を算出する際、予め設定された所定インタクーラ温度リミットよりも高い場合には、前記不可能であると判定したときと同様に、高圧ＥＧＲ６０を作動させる。

次に、低圧ＥＧＲクーラ４８及びインタクーラ２８のエンジンルーム内での配置について説明する。

低圧ＥＧＲクーラ４８及びインタクーラ２８がそれぞれ空冷式である場合、図１２に示されるように、車両進行方向に対して低圧ＥＧＲクーラ４８の略水平方向に沿った後方にインタクーラ２８が設置されるとよい。

例えば、車両の図示しないフロントグリルから送入された冷却風（又は図示しないラジエータのファンによる冷却風）が低圧ＥＧＲクーラ４８を冷却した後、熱交換によって温度が上昇した冷却風が後方に配置されたインタクーラ２８を好適に冷却することにより、インタクーラ２８の冷却温度（例えば、約２５℃）を低圧ＥＧＲクーラ４８の冷却温度（約２０℃）よりも高く設定することができる。これにより、低圧ＥＧＲクーラ４８での冷却温度をインタクーラ２８よりも低くしやすくなり、インタクーラ２８及び吸気系１６の要素が凝縮水に浸食される可能性を低減させることができる。

空冷式のインタクーラ２８を空冷式の低圧ＥＧＲクーラ４８の後方に配置する場合、それぞれのクーラ本体の温度を図示しない温度センサ等によって検出し、その検出信号がＥＣＵに導入されるようにするとよい。この場合の低圧ＥＧＲ作動可否確認方法の一例を図１３に示す。

ＥＣＵ３０は、外気温度、インタクーラ２８のヒータ本体温度、低圧ＥＧＲ量、吸入新気量をそれぞれ確認する（Ｄ１参照）。続いて、ＥＣＵ３０は、前記確認された各種データに基づいて低圧ＥＧＲ４６を作動させるか否かを判断する（Ｄ２参照）。

例えば、インタクーラ２８のヒータ本体温度が外気温度や予想される低圧ＥＧＲガス温度に対して一定温度以上低い場合、具体的にはエンジンの始動直後等でインタクーラ２８の熱容量で吸気ガスが想定以上に冷却されて結露する可能性があると判断される場合には、低圧ＥＧＲ４６を作動させることがなく停止状態で保持する（Ｄ３参照）。これにより、始動直後等においても、インタクーラ２８や吸気系１６の要素が凝縮水に浸食される可能性を低減させることができる。なお、ＥＣＵ３０は、結露が発生しないと判断されるとき、低圧ＥＧＲ４６を作動させる（Ｄ４参照）。

本発明の第１実施形態に係るＥＧＲ装置の概略構成図である。 （ａ）は、図１に示す第１実施形態に係るＥＧＲ装置を用いて実験した結果を示す説明図、（ｂ）は、第１比較例に係るＥＧＲ装置を用いて実験した結果を示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係るＥＧＲ装置の概略構成図である。 （ａ）は、図３に示す第２実施形態に係るＥＧＲ装置を用いて実験した結果を示す説明図、（ｂ）は、第２比較例に係るＥＧＲ装置を用いて実験した結果を示す説明図である。 低圧ＥＧＲ作動可否確認方法の一例を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態に係るＥＧＲ装置の概略構成図である。 図６に示す第３実施形態に係るＥＧＲ装置において、インタクーラの冷却温度を切り換えて結露の発生の有無を確認した実験結果を示す説明図である。 本発明の第４実施形態に係るＥＧＲ装置の概略構成図である。 本発明の第５実施形態に係るＥＧＲ装置の概略構成図である。 インタクーラの冷却温度制御方法の一例を示すブロック図である。 低圧ＥＧＲ作動可否制御方法の一例を示すブロック図である。 低圧ＥＧＲクーラとインタクーラのエンジンルーム内での配置関係を示す説明図である。 低圧ＥＧＲ作動可否確認方法の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１０、７０、７４、８０、９０ ＥＧＲ装置
１４ 内燃機関
２０ 吸気マニホールド
２２ 吸気管（吸気通路）
２６ 過給機
２６ａ コンプレッサ
２６ｂ タービン
２８ インタクーラ
３４ 排気管（排気通路）
４４ 低圧ＥＧＲ通路（ＥＧＲ通路）
４８ 低圧ＥＧＲクーラ（ＥＧＲクーラ）
５０ 凝縮水トラップ手段（水分捕集手段）
５２ ＥＧＲヒータ（第１加熱手段）
７２ 吸気ヒータ（第２加熱手段）
８４ 冷却回路
９２ バイパス通路
９４ バイパス弁

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路から排ガスの一部を取り込み前記内燃機関の吸気通路へ前記排ガスを再循環させるＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路に配設され前記排ガスを冷却する冷却手段と、
   前記冷却手段の冷却作用によって生じた凝縮水をトラップして排水する水分捕集手段と、
   前記ＥＧＲ通路中であって前記冷却手段の下流側に配設され、前記冷却手段によって冷却された排ガスを所定温度に加熱する加熱手段と、
   を備えることを特徴とするＥＧＲ装置。
2. 請求項１記載のＥＧＲ装置において、
   前記内燃機関から排出される排ガスにより駆動されて吸入空気を過給する過給機を備え、
   前記ＥＧＲ通路は、前記排気通路における前記過給機のタービンの下流側から前記排ガスの一部を取り込んで前記吸気通路における前記過給機のコンプレッサの上流側へ前記排ガスを再循環させる低圧ＥＧＲ通路からなることを特徴とするＥＧＲ装置。
3. 内燃機関の排気通路から排ガスの一部を取り込み前記内燃機関の吸気通路へ前記排ガスを再循環させるＥＧＲ通路を有し、前記ＥＧＲ通路と合流する前記吸気通路の上流側に、前記吸気通路によって吸入される吸気ガスを加熱する第２加熱手段が設けられることを特徴とするＥＧＲ装置。
4. 内燃機関の排気通路から排ガスの一部を取り込み前記内燃機関の吸気通路へ前記排ガスを再循環させるＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路に配設され前記排ガスを冷却するＥＧＲクーラと、
   前記ＥＧＲクーラの冷却作用によって生じた凝縮水をトラップして排水する水分捕集手段と、
   前記吸気通路の吸気マニホールドの上流側に配設され前記吸気通路によって吸入される吸気ガスと排ガスとの混合ガスを冷却するインタクーラと、
   を備え、
   前記ＥＧＲクーラと前記インタクーラとを共通の作動媒体とし、前記ＥＧＲクーラで前記作動媒体が作動した後、前記インタクーラで前記作動媒体が作動する冷却回路が設けられることを特徴とするＥＧＲ装置。
5. 請求項４記載のＥＧＲ装置において、
   前記冷却回路は、前記ＥＧＲクーラと前記インタクーラとを接続する往路及び復路を有し、前記往路と前記復路とを連通させるバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉制御することにより前記インタクーラに送給される作動媒体量を調整するバイパス弁が設けられることを特徴とするＥＧＲ装置。

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