JP2011111961A

JP2011111961A - 内燃機関の排気還流装置

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Publication number: JP2011111961A
Application number: JP2009268606A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Okada; 吉弘岡田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2029-11-26
Also published as: JP5521508B2

Abstract

【課題】ＯＴ増量に依存せずに排気温度を低下させることができる内燃機関の排気還流装置を提供する。
【解決手段】ガス通路２４の一端は、ＥＧＲクーラ２２の下流位置に接続し、ガス通路２４の他端は、排気マニホールド１４に接続している。外部ＥＧＲ通路２０のサージタンク１２側には、ＥＧＲ弁３１が設けられている。外部ＥＧＲ通路２０における、排気マニホールド１４との接続部と、ＥＧＲクーラ２２との間の位置には、逆止弁４１が備えられている。逆止弁４１は、排気マニホールド１４からＥＧＲクーラ２２側へ向かう方向にのみ、排気ガスの流通を許容する。ガス通路２４には、逆止弁４２が備えられている。逆止弁４２は、ＥＧＲクーラ２２から排気マニホールド１４へ向かう方向にのみ、つまり逆止弁４１と逆の方向にのみ、排気ガスの流通を許容する。
【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関の排気還流装置に関する。

従来、例えば、特開２００９−９１９１７号公報に開示されているように、外部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）システムを備えた内燃機関が知られている。上記従来の内燃機関は、ＥＧＲクーラを経由して排気通路と吸気通路とを結ぶＥＧＲ通路を備えている。また、上記従来の内燃機関は、ＥＧＲ通路に、ＥＧＲクーラと並列に延びるバイパス通路、および、そのバイパス通路への流路切り換えを選択的に行う切替弁を有している。上記従来の内燃機関は、この切替弁を所定条件で遮断状態とすることによって、ＥＧＲ通路やＥＧＲクーラを備えた構成において、排気圧力脈動を利用した充填効率向上制御の効果を十分に発揮させることができる。

特開２００９−９１９１７号公報特開２００４−３３２５７６号公報

内燃機関の排気触媒の過熱を抑制するために、あるいは、過給器を備える内燃機関においては過給器の温度抑制のために、燃料噴射量の増量を行う手法がある。この燃料増量は「ＯＴ増量」とも称される。燃費悪化や排気ガスのエミッション特性悪化を回避するためには、ＯＴ増量をなるべく少なくしたい。そこで、ＥＧＲシステムを備えた内燃機関において、ＯＴ増量を少なくするために、比較的高い出力域でＥＧＲを行うという手法がある。

しかし、内燃機関の負荷を高くしようとする場合、空気量も増えるため、ＥＧＲ量は少なくならざるを得ない。このため、排気触媒の過熱防止に十分な量のＥＧＲガスを導入することはできず、排気温度が上昇し、これに応じて排気触媒の過熱を防止すべくＯＴ増量が必要になってしまう。従って、ＯＴ増量低減にＥＧＲを用いる上述の手法では、排気触媒の過熱抑制を行うに当たり結局はＯＴ増量に頼らざるを得ず、ＯＴ増量を十分に少なく抑えることは困難である。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ＯＴ増量に頼らずに排気温度を低下させることができる内燃機関の排気還流装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気還流装置であって、
内燃機関の排気通路に一端が連通し前記内燃機関の吸気通路に他の一端が連通する外部ＥＧＲ通路と、
前記外部ＥＧＲ通路を介して前記排気通路から前記吸気通路に還流される排気ガスを冷却するＥＧＲクーラと、
前記ＥＧＲクーラにより冷却された前記排気ガスを、前記内燃機関の前記排気通路に戻す還流手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記還流手段は、
前記外部ＥＧＲ通路における前記ＥＧＲクーラ下流に一端が連通し、前記排気通路に他の一端が連通する、ガス通路と、
前記ガス通路において、前記ＥＧＲクーラ下流側から前記排気通路側へ向かう第１の方向に向けて、前記第１の方向と反対の第２の方向に比して、優先的にガスを流すガス方向制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、
前記ガス方向制御手段は、入口を前記ＥＧＲクーラ下流側に向け且つ出口を前記排気通路側に向けて前記ガス通路に取り付けられた逆止弁を含むことを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明のいずれか１つにおいて、
前記還流手段は、前記ＥＧＲクーラにより冷却された前記排気ガスの前記内燃機関の前記排気通路への還流の実行と停止を切替可能な切替手段を含むことを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至４の発明のいずれか１つにおいて、
前記還流手段は、前記内燃機関の排気通路に設けられた触媒の暖機のときに、前記ＥＧＲクーラにより冷却された前記排気ガスの前記内燃機関の前記排気通路への還流を停止または抑制することを特徴とする。

また、第６の発明は、第４の発明において、
前記還流手段は、前記外部ＥＧＲ通路における前記ＥＧＲクーラ下流に一端が連通し、前記排気通路に他の一端が連通する、ガス通路を有し、
前記切替手段が、前記外部ＥＧＲ通路の一部と、前記外部ＥＧＲ通路と前記ガス通路との合流部と、前記ガス通路とにより形成される循環経路の途中に備えられた、切替弁を含むことを特徴とする。

また、第７の発明は、第６の発明において、
前記外部ＥＧＲ通路の途中に備えられ、前記吸気通路に還流される排気ガスの量を制御するＥＧＲ弁を備え、
前記切替弁は、前記外部ＥＧＲ通路における前記ＥＧＲ弁より前記排気通路側の位置に備えられ、
前記ＥＧＲ弁を開きかつ前記切替弁を閉じる第１状態を形成し、前記第１状態形成後、前記外部ＥＧＲ通路内が負圧になる程度の所定期間を経過した後に、前記切替弁を開きかつ前記ＥＧＲ弁を閉じる第２状態を形成する負圧生成開放制御手段を、さらに備えることを特徴とする。

また、第８の発明は、第７の発明において、
前記外部ＥＧＲ通路における前記ＥＧＲ弁と前記切替弁との間に、前記ＥＧＲクーラ、または／および、ＥＧＲ触媒を備えることを特徴とする。

また、第９の発明は、第７または８の発明において、
前記内燃機関は、前記排気通路に備えられた排気触媒を備えており、
前記排気触媒の温度が所定温度以下である場合に、前記ＥＧＲ弁を閉じかつ前記切替弁を開いた第１状態を形成し、前記第１状態の形成後、所定期間の経過後に、前記ＥＧＲ弁および前記切替弁を閉じた第２状態を形成し、前記第２状態の形成後に前記排気触媒の温度が前記所定温度を上回った場合に前記第１状態を形成する排気蓄積制御手段を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、ＥＧＲクーラで冷やされた排気ガスを排気通路に再び戻すことにより、ＯＴ増量によらずに排気温度を低下させることができる。

第２の発明によれば、外部ＥＧＲ通路とガス通路とが循環経路を形成し、この循環経路内で、排気通路からＥＧＲクーラを経由して再び排気通路側へと向かう排気ガス流れを作り出すことができる。

第３の発明によれば、排気通路に排気ガスを還流させる方向に、逆止弁が設けられている。これにより、排気の脈動に応じて、ＥＧＲクーラ下流から排気通路に還流する排気ガスの流れを生じさせることができる。

第４の発明によれば、排気通路に対する排気ガスの還流を、所望のタイミングで実行、停止することができる。

第５の発明によれば、排気触媒の暖機や温度維持を行う場合に、排気ガスの還流を遮断することができる。

第６の発明によれば、循環経路の途中に備えられた弁を閉じることにより、排気通路への排気ガスの還流を確実且つ簡易に停止することができる。

第７の発明によれば、外部ＥＧＲ通路内のクリーニングをすることができる。

第８の発明によれば、第７の発明において、ＥＧＲクーラやＥＧＲ触媒のクリーニングをもあわせて行うことができる。

第９の発明によれば、排気触媒の温度が低いときには排気ガスを蓄積することができる。さらに、触媒の温度が高くなった場合には、その蓄積した排気ガスを排気通路に戻すことができる。

本発明の実施の形態１にかかる内燃機関の排気還流装置の構成を模式的に示す図である。４気筒内燃機関の排気圧力脈動の例である。実施の形態１における排気ガス流量のイメージを示す図である。本発明の実施の形態３にかかる内燃機関の排気還流装置の構成を模式的に示す図である。本発明の実施の形態３におけるＥＧＲ弁３１，３２の開閉制御を、機関回転数と負荷との間の関係で規定したマップの一例を示す。本発明の実施の形態４にかかる排気還流装置の動作を説明するための図である。本発明の実施の形態６にかかる排気還流装置の動作を説明するための図である。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１にかかる内燃機関の排気還流装置の構成を模式的に示す図である。本実施形態では、動力源として車両に搭載された内燃機関に、本実施形態にかかる排気還流装置が設けられているものとする。図において、内燃機関本体１０は、直列４気筒の内燃機関である。なお、本発明にかかる内燃機関の具体的構成はこれに限定されるものではなく、内燃機関本体１０は、直列４気筒以外の他の気筒数や他の気筒配列方式でもよく、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジンの種別にも限定はない。

内燃機関本体１０には、サージタンク１２を含む吸気系と、排気マニホールド１４とを含む排気系とが、それぞれ接続している。排気マニホールド１４には、外部ＥＧＲ通路２０が接続されている。外部ＥＧＲ通路２０の途中には、ＥＧＲクーラ２２が設けられている。なお、図示しないが、排気マニホールド１４の下流には、排気管、排気触媒、排気ガスセンサなど排気系の構成が、適宜に連通、接続している。

本実施形態にかかる排気還流装置は、ガス通路２４を備えている。ガス通路２４の一端は、ＥＧＲクーラ２２の下流位置に接続し、ガス通路２４の他端は、排気マニホールド１４に接続している。外部ＥＧＲ通路２０のサージタンク１２側には、ＥＧＲ弁３１が設けられている。

外部ＥＧＲ通路２０における、排気マニホールド１４との接続部と、ＥＧＲクーラ２２との間の位置には、逆止弁４１が備えられている。逆止弁４１は、排気マニホールド１４からＥＧＲクーラ２２側へ向かう方向にのみ、排気ガスの流通を許容する。ガス通路２４には、逆止弁４２が備えられている。逆止弁４２は、ＥＧＲクーラ２２から排気マニホールド１４へ向かう方向にのみ、つまり逆止弁４１と逆の方向にのみ、排気ガスの流通を許容する。実施の形態１によれば、ＥＧＲ弁３１を閉じた場合には、これに応じて、逆止弁４１、４２の機能により、排気ガスのループを生じさせることができる。このように、逆止弁の存在により、ＥＧＲクーラ２２を通過して再び排気マニホールド１４へと還流するような、排気ガスのループ（循環）経路を形成することができる。

実施の形態１の内燃機関は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０は、内燃機関の各種センサ（例えば、エアフローメータ、エンジン水温センサ、排気ガスセンサその他）および各種アクチュエータ（例えば、過変動弁機構や燃料噴射弁その他）と接続している。内燃機関が搭載するこれらの一般的な構成については、既に各種技術が公知であり新規な事項ではないため、説明を省略する。ＥＣＵ５０の制御信号に基づいて、ＥＧＲバルブ３１の開閉も行われる。

図２は、４気筒内燃機関の排気圧力脈動の例である。図３は、実施の形態１における排気ガス流量のイメージを示す図である。逆止弁４１を流れる排気ガスの流量と、逆止弁４２を流れる排気ガスの流量とをそれぞれ示す。

高出力域でＥＧＲ弁３１を閉じることにより、排気ガスを冷却して還流させるループが形成され、排気温度を低下させることができる。これにより、ＯＴ増量を少なく抑えても排気温度の低下を達成でき（ＯＴ増量に頼らなくとも排気触媒等の温度抑制を達成でき）、出力向上、高速燃費・実用燃費の改善を達成できる。

実施の形態１では、ガス通路２４に逆止弁４２を設けた。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。逆止弁４２に代えて、絞り機構（絞り弁）を設けても良い。これにより、ループの流れに若干の逆流が生じて冷却できるガス量が減少するおそれがあるものの、安価にシステムを構築できるという利点がある。

実施の形態１の構成において、逆止弁４１とＥＧＲクーラ２２の位置を入れ替えてもよい。つまり、逆止弁４１を、外部ＥＧＲ通路２０におけるＥＧＲクーラ２２下流位置に設けてもよい。これにより、逆止弁４１が、高い耐熱性を有さなくとも良くなる。

実施の形態２．
ツインエントリ式ターボチャージャーを備える内燃機関において、ＥＧＲシステムを備える場合がある。この場合、通常、２つの排気流路に対して、圧力に差ができるように設計が行われる。高圧の排気流路にＥＧＲシステムを接続して排気ガスを抜くことにより、吸気圧との差圧を大きくし、ＥＧＲ導入性の向上を図ることができる。

ＥＧＲシステムによる排気ガスの取り出し位置が、Ｔ／Ｃ前のとき、高温・高圧側から抜いたＥＧＲガスを実施の形態１にかかるループによって排気通路に戻す場合には、再び高温・高圧側の排気通路に戻す。これにより、ＥＧＲガスの導入性を維持しつつ、圧力（温度）のアンバランスを抑制できる。その結果、圧力（温度）のアンバランスによるＯＴ増量の増大（これに伴う燃費悪化等）を、抑制することができる。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３にかかる内燃機関の排気還流装置の構成を模式的に示す図である。図４に示すハードウェア構成は、ＥＧＲ弁３２が備えられている点を除き、図１に示したハードウェア構成と同じであるため、重複説明を避ける。ＥＧＲ弁３２は、ＥＧＲ弁３１と同様に、ＥＣＵ５０と接続しその制御信号により開閉される。

排気触媒の暖機運転時や軽負荷運転時には、ＥＧＲ弁３１を閉じているか或いはその開度が微小であることが普通である。実施の形態１の構成では、そのような場合にも排気ガス冷却ループが形成されてしまう。このため、排気触媒の暖機の遅れや触媒床温の低下によりエミッション特性の悪化を招くおそれがある。

そこで、実施の形態３では、逆止弁４１の上流側にＥＧＲ弁３２を設け、上記の運転条件下においては、ＥＧＲ弁３２を閉じる。これにより排気ガス冷却ループを遮断でき、エミッション特性の悪化を防止できる。

図５は、実施の形態３におけるＥＧＲ弁３１，３２の開閉制御を、機関回転数と負荷との間の関係で規定したマップの一例を示す。領域Ａ、Ｂ、Ｃのそれぞれは、下記のように定められている。
領域Ａ：高負荷かつ高回転数の領域であり、排気冷却を行うべき領域である。
領域Ｂ：領域Ａと領域Ｃの中間の領域であり、ＥＧＲを導入する領域である。
領域Ｃ：軽負荷かつ低回転数の領域であり、排気触媒の暖機や温度維持を行う領域である。

実施の形態３では、領域ＡではＥＧＲ弁３１を閉じかつＥＧＲ弁３２を開く。これにより、排気冷却を行うべき場合には排気ガスの冷却ループを活用できる。また、実施の形態３では、領域ＣではＥＧＲ弁３１とＥＧＲ弁３２の双方を閉じる。これにより、排気触媒の暖機や温度維持を行う場合には排気ガス冷却ループを遮断してエミッション特性の悪化を防止できる。領域ＢではＥＧＲ弁３１とＥＧＲ弁３２の双方を開くことにより、ＥＧＲを導入する。

なお、実施の形態３では、ＥＧＲ弁３２が、前記第４の発明における「切替手段」に相当するとともに、前記第６の発明における「切替弁」に相当している。
なお、ＥＧＲ弁３２は、ＥＧＲ弁３１と同様の流量制御機能を有さなくてもよく、また、連通と遮断を択一的に切替可能な弁でＥＧＲ弁３２を代用してもよい。
また、実施の形態３では、図５のマップに従って上述したＥＧＲ弁３１、３２の開閉状態の切替制御を行うことにより、前記第５の発明における「還流手段」が実現されている。

実施の形態４．
実施の形態４は、ＥＧＲシステムのクリーニングを行うことのできる制御手法を提供する。図６は、本発明の実施の形態４にかかる排気還流装置の動作を説明するための図である。実施の形態４のハードウェア構成は、図４で示した構成と基本的に同様とする。ただし、実施の形態４では、外部ＥＧＲ通路２０にＥＧＲ触媒（図示せず）が備えられるものとする。

軽負荷域（スロットル下流の負圧が大）の運転条件では、ＥＧＲ弁３１を開き、ＥＧＲ弁３２を閉じるように、ＥＣＵ５０による制御が行われる。これにより、外部ＥＧＲ通路２０の内部（配管の内部）を低圧状態にすることができる。その後、ＥＧＲ弁３２を急激に開くことで、排気ガスが、外部ＥＧＲ通路２０内部を高速で通過する。その結果、この高速流により、外部ＥＧＲ通路２０の配管内壁、ＥＧＲクーラ２２、ＥＧＲ触媒（図示せず）などに付着したデポジットを剥がすことができる。

一方、過大なＥＧＲは、燃焼悪化を引き起こしてしまう。そこで、実施の形態４では、ＥＧＲ弁３２を開くと同時に或いは開く直前にＥＧＲ弁３１が閉じられるように、ＥＣＵ５０がＥＧＲ弁３１を制御する。外部ＥＧＲ通路２０の配管内部を低圧にすべくＥＧＲ弁３１を開き、ＥＧＲ弁３２を閉じる際には、ＥＧＲ弁３２を即座に閉じ、ＥＧＲ弁３１は外部ＥＧＲ通路２０の排気内部の残留排気ガスによる燃焼悪化が起きないように小リフト状態で開弁する。さらに、低圧と高速流入のサイクルを、連続あるいは断続的に、複数回繰り返すことにより、デポジットを剥がす効果を高めても良い。

実施の形態５．
実施の形態４にかかるクリーニング制御は、所定時期（定期的なものとする）であって、所定のエンジン水温以上のアイドル時に、行うことが好ましい。高エンジン水温により燃焼耐性に余裕があり、スロットル下流の圧力が低い状態だからである。ＥＧＲシステムの圧損増加を検知できる構成を持つ場合には、所定の圧損以上になった際に、上記の運転条件で行うことが好ましい。そこで、実施の形態５では、ＥＣＵ５０が、前回のクリーニング制御の実行後に予め定めた一定の期間が経過したら、エンジン水温が所定温度以上であり且つアイドル運転である場合に、実施の形態４にかかるクリーニングを実行する。

実施の形態６．
図７は、本発明の実施の形態６にかかる排気還流装置の動作を説明するための図である。実施の形態６のハードウェア構成は、図４で示した構成と同じであるものとする。低温始動時には、始動直後の高ＨＣかつ低温の排気ガスを、ループ経路の容量分（つまり、排気ガスのループ経路を形成する、外部ＥＧＲ通路２０の一部およびガス通路２４の容積）、保持する。その後、排気触媒の暖機完了後に、保持した排気ガスを排気マニホールド１４内に放出する。

具体的には、図７に示すように、排気触媒暖機完了前に、ＥＧＲ弁３１が閉じられ、かつ、ＥＧＲ弁３２が開かれている期間を設ける。この期間に、ループ経路に排気ガスが満たされる。排気触媒の暖機が完了したことの判定は、例えば触媒床温センサによる直接測定や、排気温度センサ等や始動経過時間による間接的測定によって、適宜に、所定条件が満たされた場合に成立する判定処理をＥＣＵ５０上で実行させればよい。その後、ＥＧＲ弁３２を閉じ、排気触媒の暖機が完了した後、ＥＧＲ弁３２を開放する。これにより、エミッション特性の向上を図ることができる。

１０内燃機関本体
１２サージタンク
１４排気マニホールド
２０外部ＥＧＲ通路
２２ＥＧＲクーラ
２４ガス通路
３１，３２ＥＧＲ弁
４１、４２逆止弁

Claims

内燃機関の排気通路に一端が連通し前記内燃機関の吸気通路に他の一端が連通する外部ＥＧＲ通路と、
前記外部ＥＧＲ通路を介して前記排気通路から前記吸気通路に還流される排気ガスを冷却するＥＧＲクーラと、
前記ＥＧＲクーラにより冷却された前記排気ガスを、前記内燃機関の前記排気通路に戻す還流手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
前記還流手段は、
前記外部ＥＧＲ通路における前記ＥＧＲクーラ下流に一端が連通し、前記排気通路に他の一端が連通する、ガス通路と、
前記ガス通路において、前記ＥＧＲクーラ下流側から前記排気通路側へ向かう第１の方向に向けて、前記第１の方向と反対の第２の方向に比して、優先的にガスを流すガス方向制御手段と、
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。
前記ガス方向制御手段は、入口を前記ＥＧＲクーラ下流側に向け且つ出口を前記排気通路側に向けて前記ガス通路に取り付けられた逆止弁を含む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。
前記還流手段は、前記ＥＧＲクーラにより冷却された前記排気ガスの前記内燃機関の前記排気通路への還流の実行と停止を切替可能な切替手段を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気還流装置。
前記還流手段は、前記内燃機関の排気通路に設けられた触媒の暖機のときに、前記ＥＧＲクーラにより冷却された前記排気ガスの前記内燃機関の前記排気通路への還流を停止または抑制することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気還流装置。
前記還流手段は、前記外部ＥＧＲ通路における前記ＥＧＲクーラ下流に一端が連通し、前記排気通路に他の一端が連通する、ガス通路を有し、
前記切替手段が、前記外部ＥＧＲ通路の一部と、前記外部ＥＧＲ通路と前記ガス通路との合流部と、前記ガス通路とにより形成される循環経路の途中に備えられた、切替弁を含むことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気還流装置。
前記外部ＥＧＲ通路の途中に備えられ、前記吸気通路に還流される排気ガスの量を制御するＥＧＲ弁を備え、
前記切替弁は、前記外部ＥＧＲ通路における前記ＥＧＲ弁より前記排気通路側の位置に備えられ、
前記ＥＧＲ弁を開きかつ前記切替弁を閉じる第１状態を形成し、前記第１状態形成後、前記外部ＥＧＲ通路内が負圧になる程度の所定期間を経過した後に、前記切替弁を開きかつ前記ＥＧＲ弁を閉じる第２状態を形成する負圧生成開放制御手段を、さらに備えることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の排気還流装置。
前記外部ＥＧＲ通路における前記ＥＧＲ弁と前記切替弁との間に、前記ＥＧＲクーラ、または／および、ＥＧＲ触媒を備えることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気還流装置。
前記内燃機関は、前記排気通路に備えられた排気触媒を備えており、
前記排気触媒の温度が所定温度以下である場合に、前記ＥＧＲ弁を閉じかつ前記切替弁を開いた第１状態を形成し、前記第１状態の形成後、所定期間の経過後に、前記ＥＧＲ弁および前記切替弁を閉じた第２状態を形成し、前記第２状態の形成後に前記排気触媒の温度が前記所定温度を上回った場合に前記第１状態を形成する排気蓄積制御手段を備えることを特徴とする請求項７または８に記載の内燃機関の排気還流装置。