JP2011208601A

JP2011208601A - Ｅｇｒ装置

Info

Publication number: JP2011208601A
Application number: JP2010078930A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Sekiyama; 惠夫関山
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2011-10-20
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: JP5651979B2

Abstract

【課題】吸気絞り面積の僅かな変動によって発生するＥＧＲ率のハンチングを回避し、吸気絞りにより生じた負圧をＥＧＲガスの導入に的確に利用する。
【解決手段】エンジン１の排気管５に、排気ガスを取り出してＥＧＲガスとして吸気管３に還流するＥＧＲ管１６を接続し、ＥＧＲ管１６に設けたＥＧＲ弁１８の開度を調節してＥＧＲ率を制御するＥＧＲ装置２３であって、吸気管３内を開閉する開閉弁２４と、開閉弁２４よりも上流の吸気管３に入口部２５ａを有し、吸気管３から取り出した吸気を増速させるため、吸気管３よりも通路面積が小さいバイパス管２５と、バイパス管２５の出口部２５ｂから流出する増速された吸気にＥＧＲガスを合流させるため、出口部２５ｂに接続されたＥＧＲ管１６と、ＥＧＲ管１６とバイパス管２５との接続部２６と開閉弁４よりも下流の吸気管３とを接続する合流管２８とを備えている。
【選択図】図９

Description

本発明は、エンジンの排気管に、排気ガスの一部を取り出してＥＧＲガスとしてエンジンの吸気管に還流するＥＧＲ管を接続し、ＥＧＲ管に設けたＥＧＲ弁の開度を調節してＥＧＲ率を制御するＥＧＲ装置に関する。

ＥＧＲ装置として、過給エンジンの排気マニホールド（高圧部）から吸気マニホールド（高圧部）にＥＧＲガスを還流させる高圧ＥＧＲ（High Pressure EGR、以下ＨＰＥＧＲ）方式が知られている。近年、より大量のＥＧＲを行う手法として、排気マニホールドに装着したターボチャージャ（以下ターボ）のタービンの下流の排気管（低圧部）から取り出したＥＧＲガスをターボのコンプレッサの上流の吸気管（低圧部）に還流させる低圧ＥＧＲ（Low Pressure EGR、以下ＬＰＥＧＲ）方式が注目されている（特許文献１、２参照）。

図１に、ＬＰＥＧＲ方式が組み込まれたエンジンの吸気排気システムの一例を示す。

エンジン（ディーゼルエンジン）１の吸気マニホールド２には吸気管３が、排気マニホールド４には排気管５が、夫々接続されている。吸気管３には、高圧段ターボ６の高圧段コンプレッサ６ｃと低圧段ターボ７の低圧段コンプレッサ７ｃとが配設され、排気管５には、高圧段ターボ６の高圧段タービン６ｔと低圧段ターボ７の低圧段タービン７ｔとが配設されている。低圧段コンプレッサ７ｃと高圧段コンプレッサ６ｃとの間の吸気管３と、高圧段コンプレッサ６ｃの下流の吸気管３とは、吸気バイパス管８で接続されており、吸気バイパス管８と吸気管３との接続部には、吸気切替弁９が設けられている。

高圧段タービン６ｔの上流の排気管５と下流の排気管５とは、排気バイパス管１０で接続されており、排気バイパス管１０には、高圧段排気調整弁１１が設けられている。高圧段タービン６ｔと低圧段タービン７ｔとの間の排気管５には、排気マニホールド４に接続された排気切換ボックス１２が設けられ、排気切換ボックス１２内には、排気切替弁１３が設けられている。排気切替弁１３、吸気切替弁９、高圧段排気調整弁１１は、エンジン１の運転状態（エンジン回転速度、負荷等）に応じて適宜制御され、効率的な過給がなされるようになっている。

低圧段タービン７ｔの下流の排気管５には、ディーゼルパティキュレートフィルター（Diesel Particulate Filter、以下ＤＰＦ）１４が設けられ、ＤＰＦ１４の下流の排気管５には、ＮＯｘ触媒１５が設けられている。ＮＯｘ触媒１５とＤＰＦ１４との間の排気管５と、低圧段コンプレッサ７ｃの上流の吸気管３とは、ＥＧＲ管（低圧ＥＧＲ管）１６で連通されている。ＥＧＲ管１６には、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラー１７が設けられていると共に、流路面積を変更するＥＧＲ弁（ＥＧＲバルブ）１８が設けられている。

かかるＬＰＥＧＲ方式においては、低圧段タービン７ｔから流出してＤＰＦ１４を通過した排気ガスの一部を排気管５からＥＧＲ管１６で取り出し、ＥＧＲガスとしてＥＧＲ管１６を通して低圧段コンプレッサ７ｃの上流の吸気管３に戻し、還流させている。ここで、ＥＧＲガス取出部１９（ＤＰＦ１４とＮＯｘ触媒１５との間の排気管５）は、低い正圧（ＮＯｘ触媒１５及びその下流のマフラー等の圧損分だけの正圧）であり、ＥＧＲガス戻し部２０（低圧段コンプレッサ７ｃの上流の吸気管３）は、低い負圧である。よって、両者の僅かな圧力差によってＥＧＲガスを還流させている。

ＥＧＲ弁１８は、開度を変更することでＥＧＲ管１６内の流路面積を変更し、ＥＧＲ量（ＥＧＲ率）を調節する。ＥＧＲ弁１８の開度は、エンジン１の回転速度、噴射燃料量（以下、燃料量）、吸入空気量等をセンサー等で夫々センシングし、ＥＧＲを付加した後に適切な空気量となるようにコンピュータＣが調整する。コンピュータＣには、エンジン回転速度と燃料量とをパラメータにして空気量（以下ＭＡＦ値）がマップ化されている。ＥＧＲを行わないときのエンジン回転速度と燃料量におけるＭＡＦ値をＭＡＦ０とし、コンピュータＣ内にマップ化されたＭＡＦ値をＭＡＦとすると、ＥＧＲ量は、ＭＡＦ０−ＭＡＦとなる。よって、エンジン回転速度と燃料量に対し、ＭＡＦを指示すれば、ＥＧＲ量が一義的に定まることになる。これをＭＡＦ制御方式という。

ところで、エンジン１の負荷が低く、ＥＧＲガス取出部１９の圧力と、ＥＧＲ戻し部２０の圧力との圧力差が極小となる運転条件下では、必要量のＥＧＲガスを還流できず、所望のＥＧＲ率でのＥＧＲが困難となる場合も考えられる。そこで、ＥＧＲガス戻し部２０の上流の吸気管３内に絞り弁（吸気スロットル）２１を設け、前記圧力差が極小となる運転条件下では、絞り弁２１の開度を絞ってＥＧＲ戻し部２０の圧力を下げ、前記圧力差を拡大し、ＥＧＲガスの還流量を増やしている。エンジン１の負荷が増し、前記圧力差が大きくなる運転条件下では、絞り弁２１は全開となる。

特開２００８−２４８７２９号公報特開２００８−１８４９２５号公報

図２に、吸気管３、絞り弁２１、ＥＧＲ管１６及びＥＧＲ弁１８の関係を示す。絞り弁２１の開度は、エンジン１の回転速度、噴射燃料量（燃料量）をパラメータにして、マップ化されている。エンジン１の回転速度と燃料量が定まると、絞り弁２１がマップに基づき指定された開度になるようにコンピュータＣによって制御され、その絞り弁２１の開度の下で前記ＭＡＦ制御によってＥＧＲ弁１８の開度が調節され、ＥＧＲ量（ＥＧＲ率）が制御される。図２（ａ）は絞り弁２１を全閉とした状態を示し、図２（ｂ）は絞り弁２１を大きく絞った状態を示し、図２（ｃ）は絞り弁２１を全開とした状態を示す。

図３に、噴射燃料量（燃料量）をパラメータとし、エンジン１の回転速度を１０００ｒｐｍに保った場合におけるＥＧＲガス取出部１９の圧力（図中、ＤＰＦ出口圧）と、ＥＧＲ戻し部２０の圧力（図中、吸気負圧）との関係を示す。燃料量が少ない領域（エンジン軽負荷領域）では、低圧段ターボ７が十分に働いていない（低圧段コンプレッサ７ｃの回転が低く、吸い込みが不十分である）ので、図３に一点鎖線ａで囲んだように、ＤＰＦ出口圧と吸気負圧との圧力差が非常に小さい。この圧力差で、エンジン１が要求するＥＧＲ率に対し、制御可能なＥＧＲ率を図４に示す。図４に一点鎖線ｂで囲んだように、燃料量が少ない領域（エンジン軽負荷領域）では、ＥＧＲ弁１８の開度を最大（図中、リフト量１０ｍｍ）にしても、目標とするＥＧＲ率は達成できない。

この点を詳述すると、近年、排気ガス対策と燃費向上のために、予混合圧縮着火方式（Premixed Compression Ignition 方式、以下ＰＣＩ方式）の研究がなされている。ＰＣＩ方式は、燃料噴射弁から燃料をシリンダ内に従来の一般的なディーゼル燃焼（拡散燃焼）方式よりも早く上死点前に噴射することで、均一な予混合気を形成し、その予混合気を燃料の噴射完了後に着火させる燃焼方式である。ＰＣＩ方式は、主として軽負荷領域（図４の矢印ｃの領域）で行われ、その燃焼制御（着火制御）として、ＥＧＲガスを用いて吸気の酸素濃度を下げることが行われている。そのため、従来の一般的なディーゼル燃焼方式に対して大量のＥＧＲガスが必要となり、軽負荷ほど高いＥＧＲ率が要求される。しかし乍ら、図３で一点鎖線ａで囲んだように、エンジン軽負荷領域では、ＤＰＦ出口圧と吸気負圧との圧力差が小さく、図４に一点鎖線ｂで囲んだように、ＥＧＲ弁１８の開度を最大（図中、リフト１０ｍｍ）にしても、目標ＥＧＲ率を満足する量のＥＧＲガスを導入できない。

そこで、図１、図２を用いて述べたように、吸気管３内に絞り弁２１を設け、絞り弁２１により吸気管３の通路面積を絞ることで、吸気負圧を下げ、前記圧力差を大きくしている。これにより、エンジン軽負荷領域であっても、ＤＰＦ出口圧と吸気負圧との圧力差を拡大でき、ＥＧＲガスの還流量を増やして目標ＥＧＲ率を達成している。

図５に、絞り弁２１によって吸気管３の通路面積（絞り率）を変更したときの吸気負圧の変化を示す。絞り率０％は図２（ｃ）に示すように絞り弁２１が全開であり、絞り率１００％は図２（ａ）に示すように絞り弁２１が全閉である。図５に示すように、エンジン１が１０００ｒｐｍで軽負荷では絞り率が８５％を越えた辺りで吸気負圧が急激に増大し、７５０ｒｐｍ（アイドリング）では絞り率が９５％を越えた辺りで吸気負圧が急激に増大している。

図６に、１０００ｒｐｍ軽負荷において要求されるＥＧＲ率を確保するため、絞り弁２１によって吸気管３の通路面積を８５％絞ったときのＥＧＲ率を示す。図６で一点鎖線ｄで囲んだ部分が絞り弁２１によって吸気管３の通路面積を８５％絞った領域である。このようにエンジン軽負荷領域では絞り弁２１によって吸気管３の通路面積を８５％絞って吸気負圧を増大させているので、ＥＧＲ弁１８の開度を最大付近（図中、リフト１０ｍｍ程度）に開くことで、目標ＥＧＲ率を達成できる量のＥＧＲガスを導入している。

以上述べたように、ＰＣＩ領域（ＰＣＩ方式の運転領域）のように、軽負荷でＤＰＦ出口圧と吸気負圧との圧力差が小さい条件下で大量のＥＧＲガスを還流させる必要のある場合には、絞り弁２１によって吸気管３の通路面積を絞る必要がある。そして、吸気管３を通過する空気量の少ない軽負荷領域で、前述したように高いＥＧＲ率を得るために必要な圧力差を発生させようとすると、絞り弁２１を大きく絞って、吸気管３の通路面積を大きく減少させなければならない。

しかし乍ら、図５に示したように、軽負荷で必要な量のＥＧＲガスを還流させる領域では、絞り弁２１の絞り率（吸気管３の絞り面積）に対する吸気負圧の変化が大きいため、僅かな絞り率（絞り面積）の変化で、吸気負圧が大きく変動してしまい、ＥＧＲ率がハンチングし易くなる。そのため、目標ＥＧＲ率に安定させることが困難となり、ＮＯｘ、ＰＭ（パティキュレートマター）等の有害な排気ガス成分の抑制やＰＣＩ燃焼制御（着火時期制御）が極めて不安定となってしまう。

また、図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、絞り弁２１によって吸気管３の通路面積を大きく絞った場合、絞り弁２１を通過する吸気（新気）は、絞り弁２１と吸気管３との隙間（小面積部）２２を通過することによって、その箇所での流速が上がり、静圧が動圧に変換されることによって圧力が下がって負圧が増大する。しかし、絞り弁２１を通過した下流側では、流路面積が拡大し、流速が低下するので、動圧に変換された圧力が再び静圧に回復されてしまう。よって、最も負圧が大きくなる部分に、ＥＧＲガスを合流させることができない。

すなわち、吸気管３内を流れる吸気（新気）は、絞り弁２１と吸気管３との隙間２２では速度が最大となって圧力が最小となるが、その下流側では流路面積が拡大するので速度が減速され圧力が増加してしまう。また、新気は、最小面積部である隙間２２を通過した後、図７（ｂ）に示すように、管径方向に広がるため、管軸方向への流れは減速され、圧力が増加してしまう。よって、最も負圧が大きくなる部分にＥＧＲガスを合流させることができず、吸気絞りによって生じた負圧をＥＧＲガスの導入量の増加に的確に利用できているとはいえない。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、絞り面積の僅かな変化によって発生するＥＧＲ率のハンチングを回避でき、且つ、吸気絞りにより生じた負圧をＥＧＲガスの導入に的確に利用できるＥＧＲ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、エンジンの排気管に、排気ガスを取り出してＥＧＲガスとして前記エンジンの吸気管に還流するＥＧＲ管を接続し、該ＥＧＲ管に設けたＥＧＲ弁の開度を調節してＥＧＲ率を制御するＥＧＲ装置であって、エンジンの吸気管に設けられ、該吸気管内を開閉する開閉弁と、該開閉弁よりも上流の前記吸気管に入口部を有し、前記吸気管から取り出した吸気を増速させるため、前記吸気管よりも通路面積が小さいバイパス管と、該バイパス管の出口部から流出する増速された吸気にＥＧＲガスを合流させるため、前記出口部に接続されたＥＧＲ管と、該ＥＧＲ管と前記バイパス管との接続部と前記開閉弁よりも下流の前記吸気管とを接続する合流管とを備えたものである。

前記開閉弁は、全開状態にて前記吸気管内の圧力と前記ＥＧＲ管内の圧力との差圧がＥＧＲ可能差圧以上となる運転条件下では全開状態が維持され、全開状態にて前記差圧がＥＧＲ可能差圧未満となる運転条件下では全閉状態に切り替えられるものであってもよい。

前記開閉弁は、前記エンジンの中回転中負荷以上の運転条件下では全開とされ、前記エンジンの中回転中負荷未満の運転条件下では全閉とされるものであってもよい。

前記開閉弁は、前記エンジンを拡散燃焼させる運転条件下では全開とされ、前記エンジンを予混合圧縮着火燃焼させる運転条件下では全閉とされるものであってもよい。

本発明に係るＥＧＲ装置によれば、次のような効果を発揮できる。
（１）吸気管に、従来の絞り弁の代わりに、吸気管内を閉じる開閉弁と開閉弁を迂回する小さな通路面積のバイパス管を設けたので、開閉弁を閉じたときの絞り面積が固定され、絞り弁を絞る場合のように絞り面積が変動することはない。よって、吸気負圧が安定し、ＥＧＲ率のハンチングを回避できる。
（２）バイパス管の出口部にＥＧＲ管を接続し、それらの合流部を合流管を介して吸気管に接続したので、バイパス管を通って増速され最も負圧が大きくなる部分にＥＧＲガスが合流することになる。よって、吸気絞りにより生じた負圧をＥＧＲガスの導入に的確に利用できる。

従来の絞り弁タイプのＥＧＲ装置が組み込まれたエンジンの吸気排気システムの概略図である。図１の従来のＥＧＲ装置を示す説明図であり、（ａ）は絞り弁を全閉とした状態、（ｂ）は絞り弁によって吸気管内を大きく絞った状態、（ｃ）は絞り弁を全開とした状態を示す。絞り弁が無い状態における、噴射燃料量に応じたＤＰＦ出口圧と吸気負圧との変化を示すグラフである。絞り弁が無い状態における、噴射燃料量に応じたＥＧＲ弁のリフト毎のＥＧＲ率の変化と目標ＥＧＲ率との関係を示すグラフである。絞り弁の絞り率に応じた増加負圧の変化を示すグラフである。軽負荷領域にて絞り弁で吸気管内を絞った場合における、噴射燃料量に応じたＥＧＲ弁のリフト毎のＥＧＲ率の変化と目標ＥＧＲ率との関係を示すグラフである。従来のＥＧＲ装置の絞り弁を大きく絞った状態における吸気とＥＧＲガスの流れを示す説明図であり、（ａ）はＥＧＲ装置の全体図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図であって、絞り弁を通過する吸気の流れを示す本発明の一実施形態に係るＥＧＲ装置の説明図である。（ａ）は、図８のＥＧＲ装置の開閉弁を全開状態にしたときの吸気及びＥＧＲガスの流れを示す説明図、（ｂ）は、前記開閉弁を全閉状態にしたときの吸気及びＥＧＲガスの流れを示す説明図である。図８のＥＧＲ装置の開閉弁を全閉状態にしたときの各部分の圧力分布を示す説明図である。図８のＥＧＲ装置のＥＧＲ制御の概念を示すフローチャートである。図８のＥＧＲ装置の開閉弁（図中、ＯＮ−ＯＦＦ弁）の開閉を定めたマップである。本発明の実施形態ではない比較例に係るＥＧＲ装置を示す説明図である図１３の比較例に係るＥＧＲ装置の部分拡大図である。

本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図８に示すように、本実施形態に係るＥＧＲ装置２３は、エンジン１の吸気管（主吸気管）３に設けられた開閉弁２４と、開閉弁２４よりも上流の吸気管３に接続されたバイパス管（新気バイパス管）２５と、バイパス管２５に接続されたＥＧＲ管１６と、ＥＧＲ管１６とバイパス管２５との接続部２６と吸気管３とを接続する合流管２８とを備えている。

このＥＧＲ装置２３は、図１に示すエンジン１の吸気排気システムに、従来の絞り弁２１を用いたＥＧＲ装置に代わって組み込まれる。

すなわち、ＥＧＲ管１６は、一端が低圧段タービン７ｔの下流のＤＰＦ１４とＮＯｘ触媒１５の間の排気管５に接続され、他端が低圧段コンプレッサ７ｃの上流の吸気管３に接続されており、ＬＰＥＧＲ方式の低圧ＥＧＲ管を構成する。なお、ＥＧＲ管１６の一端は、低圧段タービン７ｔの下流であれば、排気管５のどの部分に接続されていてもよい。また、本発明は、図１に示すようにターボ６、７が２個の過給システムに適用されるのみならず、ターボが１個の１段過給システムにも適用でき、その場合、ＥＧＲ管１６は、ターボのタービン下流の排気管とターボのコンプレッサ上流の吸気管とを接続して設けられる。

図１、図８に示すように、開閉弁２４は、低圧段コンプレッサ７ｃの上流の吸気管３に配置されており、エンジン１の回転速度と噴射燃料量（燃料量）とに基づいてコンピュータＣによって開閉され、開時には図８に破線２４ｘで示すように吸気管３を全開とし、閉時には図８に実線で示すように吸気管３を全閉とする。なお、ターボが１個の１段過給システムに本発明を適用した場合、開閉弁２４は、ターボのコンプレッサの上流の吸気管に配置される。

バイパス管２５は、開閉弁２４よりも上流の吸気管３に入口部２５ａを有し、入口部２５ａを通して吸気管３から取り出した吸気（新気）を増速して減圧するため、吸気管３よりも通路面積（最小通路面積）が小さく形成されている。バイパス管２５の通路面積は、ＥＧＲが最も困難となるエンジンアイドリング時に目標ＥＧＲ率を達成できる負圧を発生させることができる面積に設定されている。図５に示すように、従来の絞り弁２１を用いてアイドリング時には絞り率を９５％とすることで必要なＥＧＲ率（目標ＥＧＲ率）を得るシステムに本発明を適用した場合、バイパス管２５の通路面積を吸気管３の流路面積の５％とすることで絞り率９５％相当を実現する。なお、これらの数値（９５％、５％）は例示であり、限定されるものではない。

バイパス管２５の出口部２５ｂには、出口部２５ｂから流出する増速されて減圧された吸気の流れに対して略直交方向からＥＧＲガスを合流させるように、ＥＧＲ管１６が接続されている。バイパス管２５とＥＧＲ管１６との接続部２６には、バイパス管２５の出口部２５ｂから流出した吸気とＥＧＲ管１６内のＥＧＲガスとが合流される合流部２７が形成されており、この合流部２７と開閉弁２４よりも下流の吸気管３とは、合流管２８によって接続されている。すなわち、開閉弁２４より上流の吸気管３からバイパス管２５に流れ込んだ吸気は、合流部２７にてＥＧＲガスと合流された後、合流管２８を通って開閉弁２４より下流の吸気管３に流出する。ＥＧＲ管１６は、バイパス管２５の出口部２５ｂと合流管２８の入口部との接続部に、両者を跨いで接続されている。なお、バイパス管２５の出口部２５ｂは、図８に破線２５ｘで示すように、合流管２８の入口部まで延長してもよい。

ＥＧＲ管１６には、ＥＧＲ率を制御するＥＧＲ弁１８が設けられている。ＥＧＲ弁１８は、開度を変更することでＥＧＲ管１６内の流路面積を変更し、ＥＧＲ量（ＥＧＲ率）を調節する。ＥＧＲ弁１８の開度は、エンジン１の回転速度、噴射燃料量（燃料量）、吸入空気量等をセンサー等で夫々センシングし、ＥＧＲを付加した後に適切な空気量となるようにコンピュータＣが調整する。コンピュータＣには、エンジン回転速度と燃料量とをパラメータにして空気量（ＭＡＦ値）がマップ化されている。ＥＧＲを行わないときのエンジン回転速度と燃料量におけるＭＡＦ値をＭＡＦ０とし、コンピュータＣ内にマップ化されたＭＡＦ値をＭＡＦとすると、ＥＧＲ量は、ＭＡＦ０−ＭＡＦとなる。よって、エンジン回転速度と燃料量に対し、ＭＡＦを指示すれば、ＥＧＲ量が一義的に定まることになる（ＭＡＦ制御方式）。

開閉弁２４は、全開状態にて、吸気管３内の圧力とＥＧＲ管１６内の圧力との差圧が目標ＥＧＲ率でのＥＧＲ可能差圧以上となる運転条件下ではコンピュータＣによって全開状態が維持され、前記差圧が目標ＥＧＲ率でのＥＧＲ可能差圧未満となる運転条件下ではコンピュータＣによって全閉状態に切り替えられる。本実施形態では、開閉弁２４は、図１２に示すように、エンジン１の中回転中負荷以上の運転条件下では全開とされ、エンジン１の中回転中負荷未満の運転条件下では全閉とされる。図１２にて、ＯＮ−ＯＦＦ弁とは開閉弁２４のことであり、ＯＮ領域とは開閉弁２４を全閉にする運転領域であり、ＯＦＦ領域とは開閉弁２４を全開にする運転領域をいう。また、ＯＮ領域はエンジン１をＰＣＩ方式で燃焼させる領域に該当し、ＯＦＦ領域はエンジン１をディーゼル燃焼（拡散燃焼）させる領域に該当する。よって、開閉弁２４は、エンジン１を拡散燃焼させる運転条件下では全開とされ、エンジン１を予混合圧縮着火燃焼させる運転条件下では全閉とされることになる。

本実施形態の作用を述べる。

エンジン回転速度が中速以上で噴射燃料量（燃料量）が中負荷以上の運転状態（図１２のＯＦＦ領域）では、吸気管３の内圧（負圧）と排気管５に接続したＥＧＲ管１６の接続部（正圧）との圧力差が大きく、ＥＧＲガスの還流は容易であるので、図９（ａ）に示すように、開閉弁２４が全開とされる。すなわち、この運転条件下においては、開閉弁２４が全開であっても目標ＥＧＲ率でのＥＧＲが可能なので、開閉弁２４を全開とする。吸気管３内を流れる吸気（新気）は、その殆どが全開とされた開閉弁２４を通過して吸気管３を通ってエンジン１に供給され、残りの一部がバイパス管２５を通って合流部２７にてＥＧＲガスと合流され、合流管２８及び吸気管３を通ってエンジン１に供給される。ＥＧＲガスの流量は、そのときのエンジン運転状態に応じた必要量がＥＧＲ弁１８の開度を制御することで調整される。

エンジン回転速度が低速で噴射燃料量が中負荷未満の運転状態（図１２のＯＮ領域）では、吸気管３の内圧（負圧）と排気管５に接続したＥＧＲ管１６の接続部（正圧）との圧力差が小さく、ＥＧＲガスの還流が困難であるので、図９（ｂ）に示すように、開閉弁２４が全閉とされる。すなわち、この運転条件下では、開閉弁２４を全閉としなければ目標ＥＧＲ率でのＥＧＲが不可能なので、開閉弁２４を全閉とする。吸気管３内を流れる吸気の全ては、吸気管３よりも通路面積が小さい（本実施形態では吸気管３の５％の通路面積）バイパス管２５を通り、合流部２７にてＥＧＲガスと合流されてエンジン１に供給される。バイパス管２５の通路面積は吸気管３の通路面積よりも遙かに小さいので、吸気管３からバイパス管２５に流入した吸気は流速が上がって圧力が低下し、合流部２７でＥＧＲガスと合流され、合流管２８及び吸気管３を通ってエンジン１に供給される。

バイパス管２５を通過する吸気の流速は最も速く、合流部２７、合流管２８と流れるに従って流速は徐々に遅くなる。詳しくは、バイパス管２５を通過して増速された吸気は、合流部２７を介して合流管２８に流入するが、流体の慣性によって合流部２７の近傍では速度の減速が小さく、バイパス管２５内の流速が比較的維持される。その後、合流部２７の下流の合流管２８では流速が減衰される。その結果、図１０に示すように、ＥＧＲ弁１８の直下のＥＧＲ管１６の内圧をＰｅ、合流部２７の近傍の内圧をＰｇ１、合流部２７の下流の合流管２８の内圧をＰｇ２、バイパス管２５の内圧をＰｂ、合流管２８より下流の吸気管３の内圧をＰｍ、大気圧をＰ０とすると、Ｐｅ＞Ｐ０＞Ｐｍ≧Ｐｇ２＞Ｐｇ１＞Ｐｂの関係となる。

ＥＧＲ管１６を、負圧が最も大きくなるバイパス管２５の出口部２５ｂと合流管２８の入口部とを跨ぐように接続しているので、ＥＧＲガスの還流量を最大限に増やすことが可能となる。すなわち、バイパス管２５の出口部２５ｂにＥＧＲ管１６を接続し、それらの接続部２６を合流管２８を介して吸気管３に接続したので、吸気管３からバイパス管２５を通ることで増速されて減圧された新気が、大きな減圧を保った状態でＥＧＲガスと合流され、吸気管３に戻される。この結果、吸気負圧が最も大きくなる位置でＥＧＲガスが吸気と合流することになり、吸気絞りにより生じた負圧をＥＧＲガスの導入に的確に利用でき、ＥＧＲガスの還流量を最大限に増やすことができる。なお、バイパス管２５を先細管状に形成し、新気を増速させて減圧させるノズル効果を高めてもよい。

バイパス管２５の通路面積は固定値であって変動しないため、従来の絞り弁２１による開度調節のように要求される絞り面積と実際の絞り面積との間に面積誤差は生じない。よって、図５に示したように、絞り率が高い（８５〜９５％程度）領域にて絞り率（絞り面積）の僅かな変動によって生じる吸気負圧の変動を回避でき、ＥＧＲ率のハンチング（不安定）を抑制できる。すなわち、吸気管３に、従来の絞り弁２１の代わりに、吸気管３内を閉じる開閉弁２４と開閉弁２４を迂回する小さな通路面積のバイパス管２５を設けたので、開閉弁２４を閉じたときの絞り面積が固定され、絞り弁２１を絞る場合のように絞り面積が変動してしまうことはない。よって、吸気負圧が安定し、ＥＧＲ率のハンチングを回避できる。この結果、ＮＯｘ、ＰＭ等の有害な排気ガス成分を抑制でき、燃費のばらつきを抑制でき、ＰＣＩ燃焼制御（着火時期制御）を安定して行える。

また、バイパス管２５の通路面積はエンジン１の全運転領域で必要となる最小絞り面積（本実施形態ではエンジンアイドリング時に必要となる９５％絞り面積）に設定されているので、その他（アイドリング以外）のエンジン回転速度、噴射燃料量（負荷域）では絞りが過大となるが、ＥＧＲ弁１８の開度（図４、図６のリフト量）を少なくすることで容易に目標ＥＧＲ率に制御できる。すなわち、ＥＧＲ弁１８の開度をそれ程開かなくても目標ＥＧＲ率を実現できるので、ＥＧＲ弁１８の開度の制御幅を少なくでき、制御性（応答性）が向上する。

図１１に本実施形態に係るＥＧＲ装置２３のＥＧＲ制御の概念を示す。

図１１に示すように、エンジン１の始動時に、ステップＳ１でキースイッチをＯＮにすると、ステップＳ２でコンピュータＣがエンジン回転速度と噴射燃料量（燃料量）とをパラメータにしたＭＡＦ値のマップ（ＭＡＦマップ）を読み取り、ステップＳ３で図１２に示すＯＮ−ＯＦＦ弁（開閉弁２４）の作動マップを読み取る。その後、ステップＳ４で、エンジン回転速度と燃料量とが図示しないセンサー等によって測定され、ステップＳ５では、測定されたエンジン回転速度と燃料量とが図１２の作動マップのＯＮ領域にあればＯＮ−ＯＦＦ弁をＯＮ（全閉）とし、ＯＦＦ領域にあればＯＮ−ＯＦＦ弁をＯＦＦ（全開）とする。

ステップＳ６で、吸気管３に設けたエアフローセンサ等でＭＡＦ値を測定し、測定されたＭＡＦ値をＭＡＦ１とする。ステップＳ７では、そのときのエンジン回転速度と燃料量とに基づいてＭＡＦマップで規定されたＭＡＦ値（ＭＡＦ０）を求め、そのＭＡＦ０に合致するように、ＭＡＦ１を、ＥＧＲ弁１８の開度を調整することで、制御する。その後、ステップＳ４からＳ７を繰り返す。このような制御により、エンジン回転速度が低速で噴射燃料量が中負荷未満の運転状態（図１２のＯＮ領域）であっても、所望する目標ＥＧＲ率（ＰＣＩ方式で要求される高いＥＧＲ率）でのＥＧＲを行うことができる。

なお、図１１の破線ｅで囲んだ部分は従来からあるＭＡＦ制御のフローであり、一点鎖線ｆで囲んだ部分が本実施形態で新たに追加した部分である。

本発明の実施形態ではない比較例に係るＥＧＲ装置を図１３、図１４に示す。

この比較例においては、図２に示す従来の絞り弁２１に固定穴２１ｘを形成し、絞り弁２１を全閉としたときの絞り面積（絞り率）を固定したものである。この比較例では、絞り面積が固定されているため、確かにＥＧＲ率のハンチング（不安定）を抑制できるものの、図１４に示すように、固定穴２１ｘを通過するときに増速されて減圧された新気が固定穴２１ｘを通過した後に拡散して減速され圧力が戻ってしまうため、新気を絞ることで生じた負圧をＥＧＲガスを導入するために十分に活用できない。詳しくは、新気は、全閉とされた絞り弁２１の固定穴２１ｘを通過する際に増速されて減圧されるものの、絞り弁２１の厚さＷでは十分な整流距離が取れないので流れが整流されない。このため、固定穴２１ｘを通過した新気は、直後に拡散して減速され、圧力が回復してしまう。よって、本発明とは異なり、新気を絞ることで生じた負圧をＥＧＲガスの導入に十分に活用できないのである。加えて、絞り弁２１の外縁近傍に新気の渦又は澱み領域２９が発生してしまう。

１エンジン
３吸気管
５排気管
１６ＥＧＲ管
１８ＥＧＲ弁
２３ＥＧＲ装置
２４開閉弁
２５バイパス管
２５ａ入口部
２５ｂ出口部
２６接続部
２７合流部
２８合流管

Claims

エンジンの排気管に、排気ガスを取り出してＥＧＲガスとして前記エンジンの吸気管に還流するＥＧＲ管を接続し、該ＥＧＲ管に設けたＥＧＲ弁の開度を調節してＥＧＲ率を制御するＥＧＲ装置であって、
エンジンの吸気管に設けられ、該吸気管内を開閉する開閉弁と、
該開閉弁よりも上流の前記吸気管に入口部を有し、前記吸気管から取り出した吸気を増速させるため、前記吸気管よりも通路面積が小さいバイパス管と、
該バイパス管の出口部から流出する増速された吸気にＥＧＲガスを合流させるため、前記出口部に接続されたＥＧＲ管と、
該ＥＧＲ管と前記バイパス管との接続部と前記開閉弁よりも下流の前記吸気管とを接続する合流管と
を備えたことを特徴とするＥＧＲ装置。
前記開閉弁は、
全開状態にて前記吸気管内の圧力と前記ＥＧＲ管内の圧力との差圧がＥＧＲ可能差圧以上となる運転条件下では全開状態が維持され、
全開状態にて前記差圧がＥＧＲ可能差圧未満となる運転条件下では全閉状態に切り替えられる
請求項１に記載のＥＧＲ装置。
前記開閉弁は、
前記エンジンの中回転中負荷以上の運転条件下では全開とされ、
前記エンジンの中回転中負荷未満の運転条件下では全閉とされる
請求項１又は２に記載のＥＧＲ装置。
前記開閉弁は、
前記エンジンを拡散燃焼させる運転条件下では全開とされ、
前記エンジンを予混合圧縮着火燃焼させる運転条件下では全閉とされる
請求項１から３のいずれかに記載のＥＧＲ装置。