JP2012163060A - Exhaust recirculation system of internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、低圧側および高圧側の排気再循環回路を併有する内燃機関の排気再循環システムに関し、特に排気再循環経路中における凝縮水の発生を抑制するようにした内燃機関の排気再循環システムに関する。 The present invention relates to an exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine having both low pressure side and high pressure side exhaust gas recirculation circuits, and more particularly to an exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine that suppresses the generation of condensed water in an exhaust gas recirculation path. About.
車両用のエンジン(内燃機関)においては、NOx(窒素酸化物)の低減に効果的で、エンジンのポンピングロス(吸気負荷)をも低減させることができる排気再循環システム(EGR(Exhaust Gas Recirculation)システム)を装着したものが多くなっており、希薄燃焼が可能でEGR流量が多くなるエンジンにおいては、排気再循環される排気ガス、すなわちEGRガスの温度を下げるためにEGRクーラ(排気冷却器)が多用されている。また、高温の排気ガスの一部を吸気側に還流させるHPL(High Pressure Loop)−EGR回路とは別に、排気後処理装置を通過した後の排気ガスをターボ過給機のコンプレッサより上流側に還流させることで大量の排気再循環を可能にしたLPL(Low Pressure Loop)−EGR回路を装備するものも普及し始めている。 In a vehicle engine (internal combustion engine), an exhaust gas recirculation (EGR) system is effective in reducing NOx (nitrogen oxides) and can reduce pumping loss (intake load) of the engine. EGR coolers (exhaust coolers) are used to reduce the temperature of exhaust gas that is recirculated, that is, EGR gas, in engines that are equipped with a large number of systems) and that can perform lean combustion and increase the EGR flow rate. Is frequently used. In addition to the HPL (High Pressure Loop) -EGR circuit that recirculates a portion of the high-temperature exhaust gas to the intake side, the exhaust gas after passing through the exhaust aftertreatment device is upstream of the turbocharger compressor. A device equipped with an LPL (Low Pressure Loop) -EGR circuit, which enables a large amount of exhaust gas recirculation by recirculation, has begun to spread.
このような内燃機関の排気再循環システムでは、排気ガスを吸気側に再循環させることでエンジンのポンピングロス(吸気負荷)を低減させることもできるが、多量の排気再循環を行うと、排気ガス中の水分が冷やされることで硝酸や硫酸等を含む酸性の凝縮水が多量に発生し易く、その凝縮水が溜まる冷却器や凝縮水が付着し易い吸気系の金属部品、ターボ過給機のコンプレッサ等が腐食し易くなる。したがって、凝縮水の発生を抑制しつつNOx低減効果を高めることが重要である。 In such an exhaust gas recirculation system of an internal combustion engine, the pumping loss (intake load) of the engine can be reduced by recirculating the exhaust gas to the intake side. However, if a large amount of exhaust gas recirculation is performed, the exhaust gas Cooling of the water inside makes it easy to generate a large amount of acidic condensate containing nitric acid, sulfuric acid, etc., and the condenser of the condensate, the metal parts of the intake system where the condensate easily adheres, and the turbocharger Compressors and the like are easily corroded. Therefore, it is important to enhance the NOx reduction effect while suppressing the generation of condensed water.
従来のこのような排気再循環システムとしては、例えばLPL−EGR回路における低圧側排気還流通路の前後差圧が所定値を超えるほど大量の排気再循環を行うと、エンジンのトータルのポンピングロスが増加してしまい、燃費の悪化を招いてしまうという観点で、その前後差圧を検出する差圧センサの検出値が所定差圧より大きいときには、低圧側排気還流通路の流量を所定差圧相当の流量に抑えつつ、残りの要求流量分をHPL−EGR回路の高圧排気還流通路を通した排気還流量で補うようにしたものがある(例えば、特許文献1参照)。 As such a conventional exhaust gas recirculation system, for example, if a large amount of exhaust gas recirculation is performed so that the differential pressure across the low pressure side exhaust gas recirculation passage exceeds a predetermined value in the LPL-EGR circuit, the total pumping loss of the engine increases. If the detected value of the differential pressure sensor for detecting the differential pressure before and after the pressure difference is greater than the predetermined differential pressure, the flow rate of the low-pressure side exhaust recirculation passage is set to a flow rate corresponding to the predetermined differential pressure. The remaining required flow rate is supplemented by the exhaust gas recirculation amount through the high pressure exhaust gas recirculation passage of the HPL-EGR circuit (see, for example, Patent Document 1).
また、EGRガスの流れ方向に対して傾斜する複数の傾斜面およびこれらを接続する略水平面を有するようにジグザグに折られた異物捕集フィルタを、LPL−EGR回路の低圧側排気還流通路中に配置し、還流排気ガスを通す異物捕集フィルタの傾斜面に凝縮水が付着し易くても、その傾斜面上から凝縮水が容易に流下し得るようにしたものが知られている(例えば、特許文献2参照)。 Further, a foreign matter collecting filter folded zigzag so as to have a plurality of inclined surfaces inclined with respect to the flow direction of the EGR gas and a substantially horizontal plane connecting them is disposed in the low pressure side exhaust gas recirculation passage of the LPL-EGR circuit. Even if the condensed water easily attaches to the inclined surface of the foreign matter collecting filter that is arranged and allows the reflux exhaust gas to pass through, it is known that the condensed water can easily flow down from the inclined surface (for example, Patent Document 2).
さらに、LPL−EGR回路を通る還流排気ガスの流量(以下、低圧EGR流量という)とHPL−EGR回路を通る還流排気ガスの流量(以下、高圧EGR流量という)との比であるEGR比が目標値から外れたとき、これを排気還流通路の両端の差圧の変化として検出し、そのEGR比を目標値に近付けるよう低圧EGR流量と高圧EGR流量のうち多量となる方を減少させ、小量となる方を増加させるようにしたものが知られている(例えば、特許文献3参照)。 Further, an EGR ratio which is a ratio of a flow rate of the recirculated exhaust gas passing through the LPL-EGR circuit (hereinafter referred to as a low pressure EGR flow rate) and a flow rate of the recirculated exhaust gas passing through the HPL-EGR circuit (hereinafter referred to as a high pressure EGR flow rate). When the value deviates from the value, this is detected as a change in the differential pressure across the exhaust gas recirculation passage, and the smaller one of the low pressure EGR flow rate and the high pressure EGR flow rate is decreased so that the EGR ratio approaches the target value. There is known one that increases the number of cases (see, for example, Patent Document 3).
しかしながら、上述のような従来の内燃機関の排気再循環システムにあっては、排気還流通路の上流側に特許文献2に記載されるような異物捕集フィルタが配置される場合に、特許文献1、3に記載のように差圧センサを用いたEGR流量の制御を行うと、次のような問題が発生する可能性があった。
However, in the conventional exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine as described above, when a foreign matter collecting filter as described in
すなわち、LPL−EGR回路のEGRクーラの経時劣化等によってその排気還流通路の前後差圧が増加しているような状態であれば、LPL−EGR回路による排気還流量を補うようにHPL−EGR回路による排気管流量を増加させることで、エンジンのポンピングロスを抑えつつ所要のEGR流量を得ることはできる。 That is, if the differential pressure across the exhaust gas recirculation passage is increased due to the deterioration of the EGR cooler of the LPL-EGR circuit over time, the HPL-EGR circuit so as to compensate for the exhaust gas recirculation amount by the LPL-EGR circuit. The required EGR flow rate can be obtained while suppressing the pumping loss of the engine by increasing the exhaust pipe flow rate.
しかし、異物捕集フィルタに凝縮水が付着して水膜が形成され、その異物捕集フィルタによって排気還流通路が閉塞されたり圧力損失が大きくなったりするような状態においては、差圧センサの検出値が大きくなるため、LPL−EGR回路による排気還流量(低圧EGR流量)が低下しているにもかかわらず大量の排気還流状態であると誤検知されてしまう。そのため、異物捕集フィルタに水膜が形成されると、低圧EGR流量が大きく減少することになってシステム全体のEGR流量が不足してしまい、NOx低減効果が十分に得られなくなってしまう可能性がある。 However, when the condensed water adheres to the foreign matter collecting filter and a water film is formed, and the exhaust gas recirculation passage is blocked by the foreign matter collecting filter or the pressure loss increases, the detection of the differential pressure sensor Since the value increases, the exhaust gas recirculation amount (low pressure EGR flow rate) by the LPL-EGR circuit is reduced, but it is erroneously detected that the exhaust gas recirculation state is large. Therefore, if a water film is formed on the foreign matter collecting filter, the low-pressure EGR flow rate is greatly reduced, and the EGR flow rate of the entire system becomes insufficient, and the NOx reduction effect may not be sufficiently obtained. There is.
したがって、特許文献1〜3に記載のような従来技術を単に寄せ集めた程度では、凝縮水の発生の抑制とNOx低減効果の確保とを両立させることが困難であった。
Therefore, it has been difficult to achieve both suppression of condensed water generation and ensuring of NOx reduction effect to the extent that the conventional techniques as described in
そこで、本発明は、凝縮水の発生の抑制とNOx低減効果の確保とを両立させることができる内燃機関の排気再循環システムを提供するものである。 Therefore, the present invention provides an exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine that can achieve both suppression of the generation of condensed water and ensuring of an NOx reduction effect.
本発明に係る内燃機関の排気再循環システムは、上記課題解決のため、(1)過給用のコンプレッサが装着された吸気管および排気抵抗となる抵抗要素が設けられた排気管を有する内燃機関の前記コンプレッサより下流側の吸気管に前記抵抗要素より上流側の排気管から高圧側の排気ガスを還流させる高圧排気還流管部を有する高圧EGR装置と、前記内燃機関の前記抵抗要素より下流側の排気管から前記コンプレッサより上流側の吸気管に前記抵抗要素を通過した後の低圧側の排気ガスを還流させる低圧排気還流管部を有する低圧EGR装置と、前記抵抗要素より下流側の排気管から還流する排気ガスを通すとともに該排気ガスに混入する異物を捕集するよう前記低圧排気還流管部の排気還流方向上流側に配置されたフィルタと、前記低圧排気還流管部の排気還流方向における前後の差圧を検出する差圧センサと、前記差圧センサの検出情報に基づいて前記高圧EGR装置および低圧EGR装置を制御する制御装置と、を備えた内燃機関の排気再循環システムであって、前記制御装置は、前記低圧EGR装置によって形成される低圧側排気再循環経路中の凝縮水の量を推定する凝縮水量推定手段と、前記凝縮水量推定手段により推定された前記凝縮水の量が予め設定された閾値水量を超え、かつ、前記差圧センサの検出差圧が所定の通路閉塞判定条件を満たすよう増加したとき、前記高圧側の排気ガスの還流量に対する前記低圧側の排気ガスの還流量の比率を低下させるよう前記高圧側の排気ガスの還流量を増加させる還流比率制御手段と、を有していることを特徴とする。 In order to solve the above problems, an exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine according to the present invention includes: (1) an internal combustion engine having an intake pipe provided with a supercharging compressor and an exhaust pipe provided with a resistance element serving as an exhaust resistance. A high-pressure EGR device having a high-pressure exhaust gas recirculation pipe section for recirculating high-pressure exhaust gas from an exhaust pipe upstream of the resistance element to an intake pipe downstream of the compressor; and downstream of the resistance element of the internal combustion engine A low-pressure EGR device having a low-pressure exhaust gas recirculation pipe section for recirculating low-pressure exhaust gas after passing through the resistance element from the exhaust pipe to an intake pipe upstream of the compressor, and an exhaust pipe downstream of the resistance element A filter disposed on the upstream side in the exhaust gas recirculation direction of the low-pressure exhaust gas recirculation pipe section so as to pass the exhaust gas recirculated from the exhaust gas and collect foreign matter mixed in the exhaust gas, An internal combustion engine comprising: a differential pressure sensor that detects a differential pressure before and after the exhaust gas recirculation pipe portion in the exhaust gas recirculation direction; and a control device that controls the high pressure EGR device and the low pressure EGR device based on detection information of the differential pressure sensor. An exhaust gas recirculation system for an engine, wherein the control device includes a condensed water amount estimating means for estimating an amount of condensed water in a low pressure side exhaust recirculation path formed by the low pressure EGR device, and a condensed water amount estimating means. When the estimated amount of condensed water exceeds a preset threshold water amount and the detected differential pressure of the differential pressure sensor increases to satisfy a predetermined passage blockage determination condition, the return of the high-pressure side exhaust gas is returned. Recirculation ratio control means for increasing the recirculation amount of the high-pressure side exhaust gas so as to reduce the ratio of the recirculation amount of the low-pressure side exhaust gas to the flow rate.
この発明では、低圧側排気再循環経路中の凝縮水の量が閾値水量を超え、かつ、差圧センサの検出差圧が所定の通路閉塞判定条件を満たすよう増加したときには、高圧側の排気ガスの還流量が増加されて、高圧側の排気ガスの還流量に対する低圧側の排気ガスの還流量の比率が低下することになる。したがって、フィルタに付着した凝縮水が水膜を形成して排気還流管部が上流側で閉塞されるような状態が精度良く検出可能になるとともに、要求量に対し高圧側の排気ガスの還流量が増加されるほど低圧側の排気ガスの還流量が少なくて済むことから、例えば内燃機関の暖機完了あるいは冷却水温の上昇まで所要の排気還流量を確保しながら凝縮水の増加を抑えることが可能となり、凝縮水の発生の抑制とNOx低減効果の確保とを両立させることができる。 In the present invention, when the amount of condensed water in the low-pressure side exhaust recirculation path exceeds the threshold water amount and the detected differential pressure of the differential pressure sensor increases to satisfy a predetermined passage blockage determination condition, the high-pressure side exhaust gas Thus, the ratio of the recirculation amount of the low-pressure side exhaust gas to the recirculation amount of the high-pressure side exhaust gas decreases. Therefore, it is possible to accurately detect a state in which the condensed water adhering to the filter forms a water film and the exhaust gas recirculation pipe section is blocked on the upstream side, and the exhaust gas recirculation amount on the high pressure side with respect to the required amount. Therefore, the amount of recirculation of the exhaust gas on the low pressure side becomes smaller as the value of the exhaust gas increases.For example, it is possible to suppress the increase in the condensed water while ensuring the required exhaust gas recirculation amount until the internal combustion engine is warmed up or the cooling water temperature rises. Therefore, it is possible to achieve both suppression of the generation of condensed water and ensuring of the NOx reduction effect.
本発明の内燃機関の排気再循環システムにおいては、好ましくは、(2)前記還流比率制御手段は、前記凝縮水量推定手段により推定された前記凝縮水の量が予め設定された閾値水量を超え、かつ、前記差圧センサの検出差圧が所定の通路閉塞判定条件を満たすよう増加したとき、前記凝縮水の量に応じて前記低圧側の排気ガスの還流量を減少させるとともに、該排気ガスの還流量の減少分を補うように前記高圧側の排気ガスの還流量を増加させるものである。これにより、低圧側の排気ガスの還流量を必要以上に減少させることなく、凝縮水の発生量を的確に減量させることができ、凝縮水の発生の抑制とNOx低減効果の確保とを両立させることができる。 In the exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine of the present invention, preferably, (2) the recirculation ratio control means has an amount of the condensed water estimated by the condensed water amount estimating means exceeding a preset threshold water amount, In addition, when the detected differential pressure of the differential pressure sensor increases to satisfy a predetermined passage blockage determination condition, the recirculation amount of the low-pressure side exhaust gas is decreased according to the amount of the condensed water, and the exhaust gas The recirculation amount of the exhaust gas on the high pressure side is increased so as to compensate for the decrease in the recirculation amount. As a result, the amount of condensed water generated can be accurately reduced without unnecessarily reducing the recirculation amount of the exhaust gas on the low pressure side, and both the suppression of the generation of condensed water and the securing of the NOx reduction effect can be achieved at the same time. be able to.
本発明の内燃機関の排気再循環システムにおいては、(3)前記還流比率制御手段は、前記差圧センサの検出差圧が予め設定された単位時間当りの閾値増加率より大きい増加率で急速に増加したときに前記所定の通路閉塞判定条件を満たすよう増加したと判定するものであるのが好ましい。この場合、フィルタに凝縮水が付着し水膜となって排気還流通路を閉塞すると、差圧センサの検出差圧が急速に増加することから、その閉塞状態の発生が判定可能となる。そして、発生凝縮水量を抑えるよう低圧側の排気ガス還流量の比率を低下させると、低圧側の排気還流通路を水膜による閉塞状態から通常の開通状態に復活させることができる。 In the exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine according to the present invention, (3) the recirculation ratio control means rapidly increases the detected differential pressure of the differential pressure sensor at a rate greater than a preset threshold rate of increase per unit time. It is preferable that when it increases, it is determined that the predetermined passage blockage determination condition has been increased. In this case, if the condensed water adheres to the filter and forms a water film to close the exhaust gas recirculation passage, the detected differential pressure of the differential pressure sensor increases rapidly, so that the occurrence of the closed state can be determined. When the ratio of the low-pressure side exhaust gas recirculation amount is reduced so as to suppress the amount of condensed water generated, the low-pressure side exhaust gas recirculation passage can be restored from the closed state by the water film to the normal open state.
本発明の内燃機関の排気再循環システムにおいては、(4)前記還流比率制御手段は、前記差圧センサの検出差圧が予め設定された通常差圧に対し所定倍率以上となる増加差圧にしたときに前記所定の通路閉塞判定条件を満たすよう増加したと判定するものであっても好ましい。この場合にも、フィルタに凝縮水が付着し水膜となって排気還流通路を閉塞すると、差圧センサの検出差圧が通常差圧に対し所定倍率以上となり、その閉塞状態の発生が判定可能となる。そして、発生凝縮水量を抑えるよう低圧側の排気ガス還流量の比率を低下させると、低圧側の排気還流通路を水膜による閉塞状態から通常の開通状態に復活させることができる。 In the exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine according to the present invention, (4) the recirculation ratio control means increases the differential pressure detected by the differential pressure sensor so that the differential pressure detected by the differential pressure sensor is greater than or equal to a predetermined magnification with respect to a preset normal differential pressure. It is also preferable to determine that it has increased so as to satisfy the predetermined passage blockage determination condition. In this case as well, if condensed water adheres to the filter and forms a water film to block the exhaust gas recirculation passage, the detected differential pressure of the differential pressure sensor exceeds the normal differential pressure by a predetermined factor, and the occurrence of the blocked state can be determined. It becomes. When the ratio of the low-pressure side exhaust gas recirculation amount is reduced so as to suppress the amount of condensed water generated, the low-pressure side exhaust gas recirculation passage can be restored from the closed state by the water film to the normal open state.
本発明の内燃機関の排気再循環システムにおいては、(5)前記制御装置は、前記高圧側の排気ガスの還流量が増加するのに伴って増加する前記内燃機関の排気ガス中の特定排出成分の濃度が許容範囲内に入るよう、前記特定排出成分の濃度に基づいて前記高圧側の排気ガスの還流量を選択的に制限する制約条件判定手段をさらに有しているのがよい。この構成により、高圧側の排気ガスの還流量が増加しても、それに伴う特定排出成分の排出量が許容範囲内に抑えられ、NOx低減効果の確保のために他の排気エミッションが悪化することが防止される。 In the exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine according to the present invention, (5) the control device increases the specific exhaust component in the exhaust gas of the internal combustion engine that increases as the recirculation amount of the exhaust gas on the high pressure side increases. It is preferable to further include constraint condition determining means for selectively restricting the recirculation amount of the high-pressure side exhaust gas based on the concentration of the specific exhaust component so that the concentration of the exhaust gas falls within an allowable range. With this configuration, even if the exhaust gas recirculation amount on the high-pressure side increases, the emission amount of the specific exhaust components associated therewith is suppressed within an allowable range, and other exhaust emissions deteriorate to ensure the NOx reduction effect. Is prevented.
本発明の内燃機関の排気再循環システムにおいては、(6)前記内燃機関に吸入空気コンプレッサおよび排気タービンを有するターボ過給機が装着されており、前記コンプレッサが、前記ターボ過給機の前記吸入空気コンプレッサで構成され、前記抵抗要素が、前記ターボ過給機の前記排気タービンで構成されていることが好ましい。この構成により、厳しいNOx低減要求に対し大量の排気再循環を実行する場合であっても、低圧側排気再循環経路を通る排気ガスのエネルギによって排気タービンの回転数が十分に確保され、車両走行時の良好な加速応答性が得られる。 In the exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine of the present invention, (6) the turbocharger having an intake air compressor and an exhaust turbine is mounted on the internal combustion engine, and the compressor is connected to the intake of the turbocharger. It is preferable that the resistance element is constituted by the exhaust turbine of the turbocharger. With this configuration, even when a large amount of exhaust gas recirculation is executed in response to severe NOx reduction requirements, the exhaust gas energy passing through the low pressure side exhaust gas recirculation path ensures a sufficient number of revolutions of the exhaust turbine, and the vehicle travels. Good acceleration response at the time can be obtained.
本発明の内燃機関の排気再循環システムにおいては、(7)前記抵抗要素が、前記排気管内を通る排気ガスを浄化する排気浄化ユニットで構成されていてもよい。この構成により、ターボ過給機以外の過給機を用いる場合であっても、凝縮水の発生の抑制とNOx低減効果の確保とを両立させることができる。 In the exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine of the present invention, (7) the resistance element may be configured by an exhaust gas purification unit that purifies exhaust gas passing through the exhaust pipe. With this configuration, even when a supercharger other than the turbocharger is used, it is possible to achieve both suppression of the generation of condensed water and securing of an NOx reduction effect.
本発明によれば、低圧側排気再循環経路中の凝縮水の量が閾値水量を超え、かつ、差圧センサの検出差圧が所定の通路閉塞判定条件を満たすよう増加したときには、高圧側の排気ガスの還流量が増加されて高圧側の排気ガスの還流量に対する低圧側の排気ガスの還流量の比率が低下するようにしているので、フィルタに付着した凝縮水が水膜を形成して排気還流管部が上流側で閉塞されるような状態が精度良く検出可能になるとともに、要求量に対し高圧側の排気ガスの還流量が増加されるほど低圧側の排気ガスの還流量が少なくて済むことから、内燃機関が凝縮水の発生し難い運転状態になるまで所要の排気還流量を確保しながら凝縮水の増加を抑えることが可能となり、凝縮水の発生の抑制とNOx低減効果の確保とを両立させることができる内燃機関の排気再循環システムを提供することができる。 According to the present invention, when the amount of condensed water in the low-pressure side exhaust recirculation path exceeds the threshold water amount and the detected differential pressure of the differential pressure sensor increases to satisfy the predetermined passage blockage determination condition, Since the exhaust gas recirculation amount is increased so that the ratio of the low pressure exhaust gas recirculation amount to the high pressure exhaust gas recirculation amount decreases, the condensed water adhering to the filter forms a water film. A state in which the exhaust gas recirculation pipe portion is blocked on the upstream side can be accurately detected, and the recirculation amount of the low pressure side exhaust gas decreases as the recirculation amount of the high pressure side exhaust gas increases with respect to the required amount. Therefore, it is possible to suppress the increase of the condensed water while ensuring the required exhaust gas recirculation amount until the internal combustion engine is in an operation state in which the condensed water is difficult to be generated. To ensure both It is possible to provide an exhaust gas recirculation system of kill internal combustion engine.
以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1〜図6は、本発明に係る内燃機関の排気再循環システムの第1実施形態を示しており、この実施形態は、本発明を多気筒内燃機関である直列4気筒のディーゼルエンジン10(以下、単にエンジン10という)に適用したものである。
(First embodiment)
1 to 6 show a first embodiment of an exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine according to the present invention. This embodiment is an in-line four-cylinder diesel engine 10 (a multi-cylinder internal combustion engine). Hereinafter, it is simply applied to the engine 10).
図1に示すように、本実施形態のエンジン10は、その本体ブロック10Mに複数の気筒11を有しており、このエンジン10には、各気筒11内の燃焼室(詳細を図示していない)に燃料を噴射するコモンレール型の燃料噴射装置12と、燃焼室に空気を吸入させる吸気装置13と、燃焼室からの排気ガスを排気させる排気装置14と、排気装置14内の排気エネルギを利用して吸気装置13内で吸入空気を圧縮し燃焼室に空気を過給するターボ過給機15と、このターボ過給機15より上流側の高圧側の排気ガスの一部を吸気側に還流させ再循環させるHPL−EGR装置16(高圧EGR装置)と、このターボ過給機15より下流側の低圧側の排気ガスの一部を吸気側に還流させ再循環させるLPL−EGR装置17(低圧EGR装置)とが装備されている。
As shown in FIG. 1, the
燃料噴射装置12は、図外の燃料タンクから燃料を汲み上げて高圧の燃圧(燃料圧力)に加圧し吐出するサプライポンプ21と、そのサプライポンプ21からの燃料が導入されるコモンレール22と、このコモンレール22を通して供給される燃料を後述するECU(電子制御ユニット)50からの噴射指令信号に対応するタイミングおよび開度(デューティー比)で燃焼室内に噴射する燃料噴射弁23とを含んで構成されている。なお、サプライポンプ21は、例えばエンジン10の回転動力を利用して駆動され、コモンレール22はサプライポンプ21から供給された高圧燃料を均等な圧力に保ちながら複数の燃料噴射弁23に分配・供給する。燃料噴射弁23は、電磁駆動される公知のニードル弁で構成され、噴射指令信号に応じてその開弁時間を制御されることにより噴射指令信号に応じた噴射量の燃料(例えば軽油)を燃焼室内に噴射・供給することができる。
The
吸気装置13には、吸気マニホールド31と、それより上流側の吸気管32と、吸気管32の最上流部でフィルタにより吸入空気を清浄化するエアクリーナ33と、ターボ過給機15より下流側の吸気管部32b内で吸入空気コンプレッサ15aによる圧縮により昇温した過給空気を冷却するインタークーラ34(中間冷却器)と、新気の吸入流量を検出するエアフローメータ35と、エンジン10内への吸気量を調整するスロットルバルブ36と、吸気マニホールド31より上流側で吸気温度を検出する吸気温度センサ37(図2参照)とが、それぞれ装着されている。
The
排気装置14は、排気マニホールド41と、それより下流側の排気管42と、アイドル時に排気温度を上げることができるとともにLPL−EGR装置17の背圧を制御することができる排気絞り弁43と、ターボ過給機15より下流側の排気管42に装着された公知の酸化触媒コンバータおよびディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)からなる排気浄化ユニット44と、排気浄化ユニット44を通過した排気ガスの温度を検出する排気温度センサ47と、を含んで構成されている。
The exhaust device 14 includes an
ターボ過給機15は、互いに回転方向一体に結合された吸入空気コンプレッサ15aおよび排気タービン15bを有し、排気エネルギにより排気タービン15bを回転させるとともに吸入空気コンプレッサ15aを回転させることで、この吸入空気コンプレッサ15aにより吸入空気を圧縮してエンジン10内に正圧の空気を供給することができる。
The
HPL−EGR装置16は、排気マニホールド41および吸気管32の間に介装されたHPL−EGRパイプ61と、このHPL−EGRパイプ61の途中に装着されて排気ガスの還流量を調整することができるHPL−EGR弁62と、を有している。
The HPL-
HPL−EGRパイプ61は、排気管42内の排気通路のうち排気タービン15bより上流側の上流側排気管部42aまたは排気マニホールド41の内部と、吸気管32のうち吸入空気コンプレッサ15aより下流側の下流側吸気管部32bまたは吸気マニホールド31の内部とを連通させ、排気タービン15bを抵抗要素としてそれより上流側で高圧となる高圧側の排気ガスをエンジン10の吸気マニホールド31の直前または内部に還流させることができるようになっており、還流させた排気ガスを吸入空気コンプレッサ15a側から過給される空気と共にエンジン10に吸入させることができるようになっている。このHPL−EGRパイプ61は、吸気マニホールド31および排気マニホールド41と共にエンジン10に高圧側の排気ガスを再循環させる高圧側排気再循環経路L1を形成するとともに、その内部に高圧側排気再循環経路L1の主要部をなす高圧側排気還流通路61wを形成している。また、HPL−EGR弁62は、HPL−EGRパイプ61内の高圧側排気還流通路61wを開通させる開弁状態と、この高圧側排気還流通路61wの開通を制限(例えば遮断)する閉弁状態とに切替え可能になっている。
The HPL-EGR pipe 61 includes an upstream
LPL−EGR装置17は、排気管42および吸気管32の間に介装されたLPL−EGRパイプ71(低圧側の排気還流管部)と、このLPL−EGRパイプ71の途中に装着されて排気ガスの還流量を調整することができるLPL−EGR弁72と、LPL−EGRパイプ71内を通る排気ガスをその途中で冷却することができる排気冷却器としてのLPL−EGRクーラ73と、LPL−EGRクーラ73より排気還流方向の上流側に位置する異物捕集フィルタ74と、下流側の排気管42内の排気通路42wのうち排気浄化ユニット44より下流側の排気通路部分でその通路断面積を絞るように開度を縮小させることができる前述の排気絞り弁43と、を有している。
The LPL-
LPL−EGRパイプ71は、排気管42のうち排気タービン15bより下流側の下流側排気管部42bと吸気管32のうち吸入空気コンプレッサ15aより上流側の上流側吸気管部32aとを連通させ、排気タービン15bを抵抗要素としてそれより下流側で低圧となる低圧側の排気ガスを上流側吸気管部32a内に還流させることができるようになっており、還流させた排気ガスを上流側吸気管部32a内に導入された吸入空気と共に吸入空気コンプレッサ15aにより圧縮させた後にエンジン10に再度吸入させることができるようになっている。
The LPL-
また、LPL−EGRパイプ71は、LPL−EGRパイプ71が吸気管32に接続される位置J1より下流側の吸気管32およびLPL−EGRパイプ71が排気管42に接続される位置J2より上流側の排気管42と共に、エンジン10に低圧側の排気ガスを再循環させる低圧側排気再循環経路L2を形成するとともに、その内部に低圧側排気再循環経路L2の主要部をなす低圧側排気還流通路71wを形成している。
Further, the LPL-
LPL−EGR弁72は、LPL−EGRクーラ73と吸気管32の上流側吸気管部32aとの間に配置されて低圧側の排気ガスの還流量を制御する、開閉および開度制御可能な弁であり、低圧側排気還流通路71wを開通させる開弁状態と、この低圧側排気還流通路71wの開通を制限(例えば遮断)する閉弁状態とに切替え可能になっている。
The LPL-
LPL−EGRクーラ73は、詳細を図示しないが、低圧側排気還流通路71wの一部を形成するガス管部と、そのガス管部の周囲に冷却用流体通路を形成するハウジング部とを有しており、ハウジング部に導入される冷却用流体(例えば、エンジン冷却水)とガス管部内の低圧側排気還流通路71wの一部を通る還流排気ガスとの間における熱交換によって、低圧側の還流排気ガスを冷却できるようになっている。
Although not shown in detail, the LPL-
異物捕集フィルタ74は、FOD(Foreign Object Damage)フィルタと呼ばれる網目の細かいメッシュ状のもので、排気浄化ユニット44を通過した還流排気ガス中の混入異物、例えばスパッタ(溶接時の飛散物)や排気浄化ユニット44からの脱落片等の異物がターボ過給機15の吸入空気コンプレッサ15aに入ってダメージを与えたりすることがないよう、そのような異物をLPL−EGRクーラ73より排気還流方向の上流側で捕集して還流排気ガス中から除去するようになっている。
The foreign
インタークーラ34は、LPL−EGR装置17によって形成される低圧側排気再循環経路L2のうち吸入空気コンプレッサ15aより下流側の第3区間内において、吸入空気コンプレッサ15aからの過給空気(圧縮により昇温した空気)を冷却するようになっている。このインタークーラ34は、詳細を図示しないが、低圧側排気還流通路L2の一部となる吸気通路32wの第3区間の一部を形成するガス管部と、そのガス管部の周囲に冷却用流体通路を形成するハウジング部とを有しており、ハウジング部に導入される冷却用流体(例えば、エンジン冷却水)とガス管部内を通る低圧側の還流排気ガスとの間における熱交換によって、低圧側の還流排気ガスを冷却できるようになっている。
The
HPL−EGR装置16およびLPL−EGR装置17は、電子制御ユニットであるECU50(制御装置)によってHPL−EGR弁62およびLPL−EGR弁72の開閉動作および開度を制御され、吸気管32の下流側吸気管部32bへの高圧側排気ガスの還流量(以下、HP流量ともいう)と、吸気管32の上流側吸気管部32aへの低圧側排気ガスの還流量(以下、LP流量ともいう)とをそれぞれに制御されるようになっている。
The HPL-
ECU50は、詳細なハードウェア構成を図示しないが、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、EEPROM(Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory)等の不揮発性メモリ、A/D変換器やバッファ等を有する入力インターフェース回路、および、駆動回路等を有する出力インターフェース回路を含んで構成されている。そして、このECU50が、エンジン10の運転制御、例えばサプライポンプ21の吐出制御(例えば、その電磁スピル弁の制御)、燃料噴射弁23による燃料噴射量制御、スロットルバルブ36の開度制御、HPL−EGR弁62やLPL−EGR弁72の開度(EGR率)制御、排気絞り弁43の開度制御等を実行するようになっている。
Although the detailed hardware configuration is not illustrated, the
図2に示すように、ECU50には、エアフローメータ35、吸気温度センサ37および排気温度センサ47の他に、図外のアクセルペダルの踏み込みを検出するアクセル開度センサ101、スロットルバルブ36の開度を検出するスロットル開度センサ102、所定角度単位のクランク軸回転信号を出力するクランク角センサ103、エンジン10の冷却水温を検出する水温センサ104、吸気マニホールド31の入口付近でエンジン10の過給圧を検出する吸気管内圧力センサ105、外気温度を検出する外気温度センサ106、低圧側排気還流通路71wの両端(図1中の位置j1,j2)の間の差圧を検出する差圧センサ107、エンジン10が搭載された車両の走行速度または車輪回転速度を検出する車速センサ108等がそれぞれ接続されており、これらのセンサ群35,37,47および101〜108からのセンサ情報がECU50に取り込まれるようになっている。一方、ECU50には、図示しないそれぞれの駆動回路を介してサプライポンプ21(例えば、その電磁スピル弁)、複数の燃料噴射弁23、スロットルバルブ36、HPL−EGR弁62、LPL−EGR弁72(具体的には、これらの電磁駆動部(符号無し))がそれぞれ接続されている。また、ECU50のROMには、入力インターフェース回路に取り込まれるアクセル開度センサ101からの加速要求やクランク角センサ103からのエンジン回転数等を所定時間毎に取り込んでエンジン10の燃焼室内への燃料噴射量等を算出するための演算処理プログラムやマップ等が格納されている。
As shown in FIG. 2, in addition to the
ところで、本実施形態のエンジン10においては、HPL−EGR装置16およびLPL−EGR装置17により排気管42側から吸気管32側に排気ガスを還流させてエンジン10に再度吸入させる高圧側排気再循環経路L1および低圧側排気再循環経路L2を形成し、かつ、低圧側排気再循環経路L2中の排気ガスをLPL−EGRクーラ73により冷却するとともに、吸気管32内の吸気通路のうち吸入空気コンプレッサ15aより下流側の過給空気をインタークーラ34により冷却するようにしている。したがって、特に、LPL−EGRクーラ73やインタークーラ34により還流排気ガスやそれが混じった吸入空気(以下、双方を指してEGRガスという)が冷却され、EGRガス中の水分が冷やされることで、酸性の凝縮水が発生し易くなる。
By the way, in the
そこで、HPL−EGR装置16およびLPL−EGR装置17を制御するECU50は、次に述べる凝縮水量推定部51(凝縮水量推定手段)および還流比率制御部52(還流比率制御手段)の機能を発揮するように、ROM内にこれらの機能部に対応する制御プログラムを内蔵している。
Therefore, the
凝縮水量推定部51は、LPL−EGR装置17によって形成される低圧側排気再循環経路L2中の凝縮水の量を推定するものであり、具体的には、低圧側排気再循環経路L2のうち少なくとも異物捕集フィルタ74の近傍であって還流排気ガスを冷却するLPL−EGRクーラ73のガス出口の近傍における凝縮水の量を推定するようになっている。
The condensate
この凝縮水量推定部51は、低圧側排気再循環経路L2中に生じる凝縮水量の概略値を公知の方法により推定するもの、例えば排気管温度が所定値より低い時間が継続した低温継続時間に応じて推定するもの(例えば、特開2007−205303号公報参照)や、管壁温度等を考慮して凝縮水量を算出・推定するもの(例えば、特開2009−228564号公報参照)であってもよいが、ECU50の処理負荷や装置コストを抑えつつ凝縮水量を精度良くかつ安定して推定できるものであるのが好ましい。
This condensate
具体的には、凝縮水量推定部51は、例えば発生する凝縮水量を予めROM内に格納された算出モデルによって算出・推定するとともに、第1〜第3区間のうち対象区間内で単位時間毎に発生する凝縮水量Qw1(図3参照)のうち下流側に持ち去られる持ち去られ凝縮水量Qw2を予めの実験結果を基に作成したマップM1とその引数となるセンサ情報とにより推定し、凝縮水の発生量Qw1の推定値から持ち去られ量Qw2の推定値を差し引いて実際に発生したことになる凝縮水量(以下、凝縮水量Qwaという)を算出・推定するようになっている。
Specifically, the condensate
より具体的には、マップM1は、図3に示すように、例えば専ら対象区間内を単位時間毎に通る低圧側排気ガスの還流量の増加に対応して増加する傾向となる持ち去られ凝縮水量Qw2を、第1〜第3区間の各区間について予めの実験によって求めたものであるか、さらに低圧EGRガス温度を引数に含めて凝縮水量をより精度良く推定可能にしたマップで構成され、あるいは、特定区間についての実験結果から作成したマップとそれを基に他の区間での持ち去られ凝縮水量を算出するための計算式の組合せで構成される。ここで、単位時間毎の低圧側排気ガス還流量(LP流量)は、例えば差圧センサ107の検出値から算出可能である。
More specifically, as shown in FIG. 3, the map M1, for example, is the amount of condensed water taken away that tends to increase corresponding to an increase in the recirculation amount of the low-pressure side exhaust gas that exclusively passes through the target section every unit time. Qw2 is obtained by a prior experiment for each of the first to third sections, or is configured with a map that can estimate the amount of condensed water more accurately by including the low-pressure EGR gas temperature as an argument, or The map is made up of a combination of calculation formulas for calculating the amount of condensed water taken away in other sections based on the map created from the experimental results for a specific section. Here, the low-pressure side exhaust gas recirculation amount (LP flow rate) per unit time can be calculated from the detection value of the
また、凝縮水量推定部51での算出モデルによる凝縮水の発生量Qw1の算出においては、まず、外気温度や大気圧、吸気マニホールド31の入口付近の吸入空気の温度および圧力等を基に、吸入空気中の水分量(蒸気/空気(mol%)=水蒸気圧/大気圧)および露点温度を算出するとともに、吸入空気の組成(各気体分子(N2 ,O2 ,Ar)および水(H2O)のモル比)を求め、さらに、既知の燃料および吸入空気組成成分の質量と、センサ情報として得られる吸入空気量および制御値として把握している燃料噴射量から求まる空燃比とに基づき、燃焼前後のガスの分子量をガス中の各成分のモル比と質量(次に述べる式中では括弧付の値と記号で示す)の積の和で表したモデル、例えば燃焼前のガスの分子量=(1)・CHx+(1+x/4+a)・O2+(b)・N2+(c)・Ar+(d)・H2O に対して、既燃ガスすなわち燃焼後のガスの分子量=(1)・CO2+(x/2+d)・H2O+(a)・O2+(b)・N2+(c)・Arによって算出し、その算出結果と既燃ガスの温度および圧力の検出値とから求まる既燃ガスの蒸気圧、分子量および密度等に基づいて、既燃ガス中の水分量(既燃ガスの絶対湿度)を算出する。そして、凝縮水量推定部51は、その既燃ガス中の水分量と、LPL−EGRクーラ73での冷却条件下における相対湿度100%の既燃ガス中の水分量との差として、異物捕集フィルタ74のガス出口の近傍における凝縮水の発生量Qw1を算出する。
In the calculation of the condensate generation amount Qw1 by the calculation model in the condensate
還流比率制御部52は、凝縮水量推定部51によって予め設定され計算周期で単位期間毎に凝縮水の発生量算出値Qw1から持ち去られ凝縮水量Qw2を差し引いた今回の実発生の凝縮水量Qwa[g/s]が算出されるとき、その凝縮水量Qwaを、予めの実験結果に基づいて設定された閾値水量αと比較するようになっており、その凝縮水量Qwaが閾値水量αを超えるか否かにより、低圧側排気還流通路71wが異物捕集フィルタ74に付着した凝縮水の水膜によって閉塞される詰まり状態が発生し得る凝縮水の発生量か否かを判定するようになっている。
The recirculation
なお、ここでの閾値水量αは、低圧側排気還流通路71wに異物捕集フィルタ74を通して還流排気ガスが流入するときに凝縮水が付着し、その表面張力により異物捕集フィルタ74の異物捕集面上に一定面積以上の水膜が形成されるときの凝縮水量として設定されている。この閾値水量αは、予めの実験結果に基づく固定値であってもよいし、エンジン10の回転負荷に応じたマップ値であってもよい。また、凝縮水量Qwaが閾値水量αを超えるとき、エンジン10のLPL−EGR装置17は専らLPL−EGR弁72の開度が大きいか排気絞り弁43の開度が小さい状態である。
Here, the threshold water amount α is such that condensed water adheres when the recirculated exhaust gas flows into the low pressure side
還流比率制御部52は、また、凝縮水量推定部51により算出・推定された今回の凝縮水量Qwaが閾値水量αを超えるとき、LP差圧センサ107の検出差圧が所定の通路閉塞判定条件を満たすよう増加したか否かを判定するようになっている。
The reflux
ここにいう所定の通路閉塞判定条件とは、例えばLP差圧センサ107の検出差圧が予め設定された単位時間当りの閾値増加率β(例えば、0.4kPa/60sec)より大きい増加率で急速に増加する時間が一定時間(例えば、60秒)以上継続したときに、低圧側排気還流通路71wが異物捕集フィルタ74上に形成された水膜等によって閉塞され圧力損失が大きくなった詰まり状態(以下、LP詰まり状態ともいう)であると判定するための判定条件である。
The predetermined passage blockage determination condition mentioned here is, for example, a rapid increase with a rate of increase in which the differential pressure detected by the LP
なお、凝縮水の付着や水膜形成によって低圧側排気還流通路71wにおける圧力損失を増大させるものは、異物捕集フィルタ74に限定されるものではなく、目が細かく低圧側排気還流通路71w中に配される他の部材であってもよい。また、この還流比率制御部52は、LP差圧センサ107の検出差圧でなく、異物捕集フィルタ74の前後差圧を直接検出可能な差圧センサの検出差圧を基に、その検出差圧が所定の通路閉塞判定条件を満たすよう増加したか否かを判定するようになっていてもよい。
In addition, what increases the pressure loss in the low-pressure side exhaust
還流比率制御部52は、さらに、今回の凝縮水量Qwaが閾値水量αを超え、かつ、LPL−EGR弁72の開弁状態でLP差圧センサ107の検出差圧が所定の通路閉塞判定条件を満たすよう増加したと判定されたとき、高圧側排気還流通路61w内の高圧側の排気ガスの還流量(以下、HP流量ともいう)に対する低圧側排気還流通路71w内の低圧側の排気ガスの還流量(以下、LP流量ともいう)の比率であるLP流量比率を低下させるように、その凝縮水量Qwaに応じてLP流量を減少させるとともに(図4参照)、そのLP流量の減少分を補うようにHP流量を増加させるようになっている。
The recirculation
すなわち、還流比率制御部52は、凝縮水量Qwaが閾値水量αを上回るLP詰まり状態になったときには、凝縮水量Qwaを閾値水量αまでに抑えるべく、その閾値水量αに対応する閾値LP流量X(図4参照)を算出するとともに、その閾値LP流量XまでのLP流量の低下によってLPL−EGR装置17およびHPL−EGR装置16におけるNOx低減効果が低下するのを抑えるよう、閾値LP流量XまでのLP流量の減少量に応じてHP流量の増加量を変化させ、LP流量のHP流量に対する比率であるLP流量比率を好適な減少比率に可変制御するようになっている。なお、LP流量を閾値LP流量Xまで減少させるときには、LPL−EGR弁72の開度を縮小させるか、排気絞り弁43を開く、あるいは、その双方を実行することになる。また、閾値LP流量Xは、例えば定常走行時の適合値であるLPL−EGR弁72のベース開度に固定されるか、全閉位置に固定される。ここにいうベース開度は、例えば、過給圧センサである吸気管内圧力センサ105の検出圧および推定吸気温度から算出されるシリンダ吸入ガス量と、エアフローメータ35の検出値から得られる吸入空気量(新気量)とを用いて、両者の差であるLP流量値を算出することで推定できるし、凝縮水量Qwaに対応するLP流量の減少値として予めマップ化されたデータによって推定されてもよい。
That is, when the condensed water amount Qwa is in an LP clogged state where the condensed water amount Qwa exceeds the threshold water amount α, the reflux
ECU50は、さらに、次の制約条件判定部53(制約条件判定手段)の機能を発揮するように、ROM内にこの機能部に対応する制御プログラムを内蔵している。
The
制約条件判定部53は、例えば高圧側の排気ガスの還流量が増加するのに伴って増加傾向を示すエンジン10の排気ガス中の特定排出成分の濃度値が許容範囲内に入るようにするという制約条件に従って、その特定排出成分の濃度が予め設定した制約値に達するときのエンジン10の運転条件に基づいて、高圧側の排気ガスの還流量を選択的に減少させることができるようになっている。
For example, the constraint
より具体的には、制約条件判定部53は、例えば図5に示すように、エンジン回転数、燃料噴射量および吸気中の酸素濃度が一定となる運転条件下において吸気マニホールド31内の吸気温度が高くなるほど増加する傾向を示すスモーク成分の濃度値(FSN:Filter Smoke Number)が許容範囲内に入るように、図2に示すマップM2(公知の簡易Sootモデルでもよい)によりスモーク成分の濃度値を所定時間毎に算出し、その算出値が制約値(例えば、スモークFSN=1)に達するときの吸気温度を超えないようにするという制約条件の下で、吸気マニホールド31内の吸気温度を高圧側の排気ガスの還流量を適宜制限するようになっている。
More specifically, as shown in FIG. 5, for example, the constraint
勿論、ここにいう特定排出成分は、スモークでなくHC(炭化水素)であってもよいしこれらの双方を含むもの(複数種類の排出成分)であってもよい。なお、以下の説明においては、制約条件判定部53は、特定排出成分としてスモークおよびHCの双方の濃度値がそれぞれ許容範囲内に入るようにするという制約条件を設定し、その制約条件に従って高圧側の排気ガスの還流量を選択的に減少させるものとする。
Of course, the specific emission component mentioned here may be HC (hydrocarbon) instead of smoke, or may include both (multiple types of emission components). In the following description, the constraint
次に、作用について説明する。 Next, the operation will be described.
図6は、ECU50でLP流量比率制御のために所定時間毎に実行される制御プログラムの概略の処理手順を示すフローチャートである。この制御プログラムは、ECU50により上述した燃料噴射量の制御等を実行させるための制御プログラムと並行して、ECU50に凝縮水量推定部51、還流比率制御部52および制約条件判定部53の機能を発揮させるべく、所定時間毎にあるいはエンジン10の冷却水温度が所定温度以下となっている期間中の所定時間毎に繰り返し実行される。
FIG. 6 is a flowchart showing a schematic processing procedure of a control program executed by the
図6に示すように、この制御においては、まず、各種センサ群35,37,47および101〜108からのセンサ情報がECU50に取り込まれて、エンジン10の運転状態が取得される(ステップS11)。
As shown in FIG. 6, in this control, first, sensor information from the
次いで、凝縮水量推定部51によって予め設定され計算周期で単位期間毎の凝縮水発生量Qw1から持ち去られ凝縮水量Qw2を差し引いた今回の実発生の凝縮水量Qwaが算出される(ステップS12)。 Next, the actual amount of condensed water Qwa generated this time is calculated by subtracting the amount of condensed water Qw2 that is taken away from the amount of condensed water generated Qw1 for each unit period and calculated in advance by the condensed water amount estimation unit 51 (step S12).
次いで、この凝縮水量Qwaが予めの実験結果に基づいて設定された閾値水量αと比較され、その結果に応じて、異物捕集フィルタ74に凝縮水の水膜が形成される詰まり状態が発生し得るか否かが判定される(ステップS13)。
Next, this condensate water amount Qwa is compared with a threshold water amount α set based on the result of a previous experiment, and according to the result, a clogged state in which a water film of condensate water is formed on the foreign
このとき、凝縮水量Qwaが閾値水量αを超えていなければ(ステップS13でNOの場合)、最初のステップに戻って、上述の処理を再度開始する。 At this time, if the condensed water amount Qwa does not exceed the threshold water amount α (NO in step S13), the process returns to the first step and the above-described processing is started again.
一方、凝縮水量Qwaが閾値水量αを超えていれば(ステップS13でYESの場合)、次いで、LP差圧センサ107の検出差圧が単位時間当りの閾値増加率βより大きい増加率で急速に増加しているか否かが判定され、異物捕集フィルタ74上に形成された水膜等によって低圧側排気還流通路71wにおける圧力損失が急に上昇している状態か否かが判定される(ステップS14)。
On the other hand, if the condensed water amount Qwa exceeds the threshold water amount α (in the case of YES in step S13), then, the detected differential pressure of the LP
このとき、LP差圧センサ107の検出差圧の単位時間当りの増加率が閾値増加率βを超えていなければ(ステップS14でNOの場合)、最初のステップに戻って、上述の処理を再度開始する。
At this time, if the increase rate per unit time of the differential pressure detected by the LP
一方、LP差圧センサ107の検出差圧の単位時間当りの増加率が閾値増加率βを超えていれば(ステップS14でYESの場合)、異物捕集フィルタ74上に形成された水膜等によって低圧側排気還流通路71wにLP詰まり状態が発生したと判定され(ステップS15)、以下の各ステップを伴うLP流量比率の制御が開始される。
On the other hand, if the increase rate per unit time of the differential pressure detected by the LP
ここで、LP詰まり状態が発生するときのシステムの作動状態の一例について、図7を用いて説明する。 Here, an example of the operating state of the system when the LP clogging state occurs will be described with reference to FIG.
まず、図7(b)に実線で示すように、LPL−EGR弁72がある開度まで所定時間t(例えば、20秒程度)毎に段階的に開かれ、LP流量が大きくなる。すると、低圧側のEGR量が増大し、低圧側排気還流通路71w中に発生する凝縮水量Qwaが増加する。そして、異物捕集フィルタ74に付着する凝縮水量が増加し、LPL−EGR弁72の開放によるLP流量の増大から比較的短時間(例えば1〜2分程度)のうちに、凝縮水の表面張力によって異物捕集フィルタ74に水膜が張り始める。このとき、図7(c)に実線で示すように、低圧側排気還流通路71w内の排気ガスの温度は、HP流量の低下によってあるいはエンジン10の暖機の進行に伴って上昇していたガス温度T1(排気浄化ユニット44を通過した後のガス温度)から水膜の張った異物捕集フィルタ74を通過した後のガス温度T2に急落する。
First, as shown by a solid line in FIG. 7B, the LPL-
このような状態においては、異物捕集フィルタ74の異物捕集面に徐々に水膜が張ることで、図7(d)中に矢印A1で示すように異物捕集フィルタ74の前後差圧(図中ではFOD差圧)が増加し始め、異物捕集フィルタ74の異物捕集面のほぼ全域に水膜が形成される段階で、同図中に矢印A2,A3で示すように、異物捕集フィルタ74の前後差圧が急上昇することになる。
In such a state, a water film gradually stretches on the foreign matter collecting surface of the foreign
そして、矢印A1またはA2で示すように異物捕集フィルタ74の前後差圧が急上昇するとき、LP差圧センサ107の検知差圧が同様な上昇傾向を示すことで、LP差圧センサ107の検出差圧の単位時間当りの増加率が閾値増加率βを超え、低圧側排気還流通路71wにLP詰まり状態が発生したと判定される(ステップS15)。
When the differential pressure across the foreign
本実施形態では、このようなLP詰まり状態の発生判定(ステップS15)に次いで、以下の各ステップを伴うLP流量比率の制御が実行される。 In the present embodiment, after such an LP clogging occurrence determination (step S15), the control of the LP flow rate ratio with the following steps is executed.
まず、閾値水量αを超える凝縮水量Qwaを生じさせる操作がなされてきたLPL−EGR弁72の開度が固定される(ステップS16)。なお、LPL−EGR弁72の開度が固定された状態で、排気絞り弁43の開度の縮小操作がなされていたとすれば、その排気絞り弁43の開度が固定される。
First, the opening degree of the LPL-
次いで、凝縮水量Qwaを閾値水量αまでの値に抑えるべく、閾値水量αに対応する閾値LP流量Xが算出されるとともに、現在のLP流量からのLP流量の減少量が算出され(ステップS17)、閾値LP流量XまでのLP流量の低下によってLPL−EGR装置17およびHPL−EGR装置16におけるNOx低減効果が低下するのを抑えるよう、LP流量の減少量(低下量)に応じてこれを補うHP流量の増加量が算出される(ステップS18)。そして、ECU50は、これらの算出値に応じて、HPL−EGR弁62およびLPL−EGR弁72の開度を、図7(a)および図7(b)中に太い点線で示す開度Vb,Vaに変更する。
Next, in order to suppress the condensed water amount Qwa to a value up to the threshold water amount α, a threshold LP flow rate X corresponding to the threshold water amount α is calculated, and a decrease amount of the LP flow rate from the current LP flow rate is calculated (step S17). In order to suppress the decrease in the NOx reduction effect in the LPL-
この状態においては、異物捕集フィルタ74は熱容量の大きい排気浄化ユニット44のケースからの受熱等によって加熱され、異物捕集フィルタ74の近傍のガス温度は、図7(c)に示すように、それまでのガス温度T2から徐々に上昇するガス温度T3のような上昇傾向を示す。
In this state, the foreign
そして、このような排気ガス温度の上昇、異物捕集フィルタ74の温度上昇、低圧側排気還流通路71w内における発生凝縮水量の減少等によって、図7(d)に太い点線で示すように、異物捕集フィルタ74の前後差圧が低下し始め、低圧側排気還流通路71wの詰まり状態が解消され始める。
Then, due to such a rise in exhaust gas temperature, a rise in the temperature of the foreign
次いで、制約条件判定部53により排気ガス中のスモーク成分やHCの濃度値が制約値を超えないか判定される(ステップS19)。そして、排気ガス中のスモーク成分やHCの濃度値がその制約値を超えなければ(ステップS19のYESの場合)、今回の処理を終了する。
Next, the restriction
一方、排気ガス中のスモーク成分やHCの濃度値がその制約値を超えると判定されたときには(ステップS19のNOの場合)、次いで、排気ガス中のスモーク成分やHCの濃度値がその制約値以下になるように、HP流量の増加量が小さい値に補正される。このとき、低圧側排気ガス還流量および高圧側排気ガス還流量の和である全EGR流量が減少し、NOx低減効果は多少低下するが、排気ガス中のスモーク成分やHCの増加によって排気浄化性能が損なわれることが回避できることになる。 On the other hand, when it is determined that the smoke component or HC concentration value in the exhaust gas exceeds the restriction value (NO in step S19), then the smoke component or HC concentration value in the exhaust gas is the restriction value. The increase amount of the HP flow rate is corrected to a small value so as to become the following. At this time, the total EGR flow rate, which is the sum of the low pressure side exhaust gas recirculation amount and the high pressure side exhaust gas recirculation amount, is reduced, and the NOx reduction effect is somewhat reduced, but the exhaust purification performance is increased by the increase of smoke components and HC in the exhaust gas. It is possible to avoid the damage.
このように、本実施形態の排気再循環システムにおいては、低圧側排気再循環経路L2中の凝縮水量Qwaが閾値水量αを超え、かつ、LP差圧センサ107の検出差圧が所定の通路閉塞判定条件を満たすよう増加したときには、HP流量が増加されてLP流量比率が低下する。したがって、異物捕集フィルタ74等に付着した凝縮水が水膜を形成してLPL−EGRパイプ71内の低圧側排気還流通路71wにLP詰まり状態が発生するとき、そのLP詰まり状態が精度良く検出可能になる。しかも、エンジン10の運転状態に応じた排気還流量の要求量に対して、HP流量が増加されるほどLP流量が少なくて済むことから、エンジン10の暖機完了あるいは凝縮水量が少なくなる冷却水温に達するまで所要の排気還流量を確保しながら、LP詰まり状態を継続させるような凝縮水の増加を抑えることができ、凝縮水の発生の抑制とNOx低減効果の確保とを両立させることができる。
Thus, in the exhaust gas recirculation system of the present embodiment, the condensed water amount Qwa in the low pressure side exhaust recirculation path L2 exceeds the threshold water amount α, and the detected differential pressure of the LP
また、本実施形態では、LP流量(低圧側の排気ガスの還流量)を必要以上に減少させることなく、凝縮水の発生量をLP詰まり状態を回避できる程度に的確に減量させることができる。 Further, in the present embodiment, the amount of condensed water generated can be accurately reduced to such an extent that the LP clogging state can be avoided without reducing the LP flow rate (the amount of low-pressure exhaust gas recirculation) more than necessary.
さらに、還流比率制御部52が差圧センサ107の単位時間当りの検出差圧増加率が閾値増加率βを超えるときに所定の通路閉塞判定条件を満たすと判定することから、異物捕集フィルタ74に凝縮水が付着し水膜となって排気還流通路を閉塞すると、差圧センサ107の検出差圧が急速に増加することでその閉塞状態の発生が精度良く判定される。そして、凝縮水量Qwaを抑えるようLP流量比率が低下されることで、LP詰まり状態の発生が未然に防止されるか、LP詰まり状態が発生し始めたとしても、低圧側排気還流通路71wがその水膜による部分的な閉塞状態から通常の開通状態に迅速に復活可能となる。
Further, since the reflux
加えて、本実施形態では、制約条件判定部53の作動によって、HP流量(高圧側の排気ガスの還流量)が増加しても、それに伴う特定排出成分の排出量が許容範囲内に抑えられ、NOx低減効果の確保のために他の排気エミッションが悪化してしまうようなことが未然に防止される。
In addition, in the present embodiment, even if the HP flow rate (exhaust gas recirculation amount on the high-pressure side) increases due to the operation of the constraint
また、本実施形態においては、厳しいNOx低減要求に対し大量の排気再循環を実行する場合であっても、低圧側排気再循環経路L2を通る排気ガスのエネルギによって排気タービン15bの回転数[rpm]が十分に確保されるので、車両走行時の良好な加速応答性が得られることになる。
Further, in the present embodiment, even when a large amount of exhaust gas recirculation is executed in response to a strict NOx reduction request, the rotational speed [rpm of the
このように、本実施形態の排気再循環システムにおいては、低圧側排気再循環経路L2中に発生する凝縮水量Qwaが閾値水量αを超え、かつ、差圧センサ107の検出差圧が所定の通路閉塞判定条件を満たすよう増加したときに、HP流量が増加されてLP流量比率が低下するようになっているので、異物捕集フィルタ74等に付着した凝縮水が水膜を形成して低圧側排気還流通路71wにLP詰まり状態が発生する状態が精度良く検出可能になるとともに、要求量に対し高圧側の排気ガスの還流量が増加されるほど低圧側の排気ガスの還流量が少なくて済むことから、エンジン10が凝縮水の発生し難い運転状態になるまで所要の排気還流量を確保しながら凝縮水の増加を抑えることが可能となる。その結果、凝縮水の発生の抑制とNOx低減効果の確保とを両立させることができる内燃機関の排気再循環システムを提供することができる。
(第2実施形態)
図8は、本発明に係る内燃機関の排気再循環システムの第2実施形態を示す図であり、その制御装置で実行されるLP流量比率制御のための制御プログラムの概略処理手順を示している。
As described above, in the exhaust gas recirculation system of the present embodiment, the condensed water amount Qwa generated in the low pressure side exhaust gas recirculation path L2 exceeds the threshold water amount α, and the detected differential pressure of the
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a diagram showing a second embodiment of the exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine according to the present invention, and shows a schematic processing procedure of a control program for LP flow rate control executed by the control device. .
なお、この第2実施形態の排気再循環システムは、制御装置であるECU50のうち還流比率制御部52の処理の一部が第1実施形態と相違する以外は、第1実施形態と同様なものであるので、図1〜図7に示した第1実施形態の構成要素や処理ステップの符号を用いつつ、相違点である還流比率制御部52の処理の一部についてのみ、以下に説明する。
The exhaust gas recirculation system of the second embodiment is the same as that of the first embodiment, except that a part of the processing of the recirculation
本実施形態においては、ECU50の還流比率制御部52は、凝縮水量推定部51により算出・推定された凝縮水量Qwaが閾値水量αを超えるとき、LP差圧センサ107の検出差圧が車両の定常走行中のエンジン10の運転状態における適合値として予め設定された通常差圧に対して所定倍率γ(検出差圧/適合差圧>1)以上となる増加差圧に達したときに、LP差圧センサ107の検出差圧が所定の通路閉塞判定条件を満たすよう増加したと判定するようになっている。
In the present embodiment, the recirculation
具体的には、図8に示すように、本実施形態では、まず、エンジン10の運転状態が取得され(ステップS11)、凝縮水量推定部51によって予め設定され計算周期で単位期間毎の凝縮水発生量Qw1から持ち去られ凝縮水量Qw2を差し引いた今回の実発生の凝縮水量Qwaが算出された後(ステップS12)、この凝縮水量Qwaが予めの実験結果に基づいて設定された閾値水量αと比較されることで、異物捕集フィルタ74に凝縮水の水膜が形成される詰まり状態が発生し得るか否かが判定される(ステップS13)。
Specifically, as shown in FIG. 8, in the present embodiment, first, the operating state of the
そして、凝縮水量Qwaが閾値水量αを超えると(ステップS13でYESの場合)、次いで、LP差圧センサ107の検出差圧と通常差圧の適合値である適合差圧との比(検出差圧/適合差圧)に対し所定倍率γを超える増加差圧に達しているか否かが判定され、異物捕集フィルタ74上に形成された水膜等によって低圧側排気還流通路71wにおける圧力損失が急に上昇している状態か否かが判定される(ステップS34)。
When the condensed water amount Qwa exceeds the threshold water amount α (in the case of YES in step S13), then the ratio (detection difference) between the detected differential pressure of the LP
このとき、LP差圧センサ107の検出差圧の適合差圧に対する倍率が所定倍率γを超えていなければ(ステップS34でNOの場合)、最初のステップに戻って、上述の処理を再度開始する。
At this time, if the magnification of the detected differential pressure of the LP
一方、LP差圧センサ107の検出差圧の適合差圧に対する倍率が所定倍率γを超えていれば(ステップS34でYESの場合)、異物捕集フィルタ74上に形成された水膜等によって低圧側排気還流通路71wにLP詰まり状態が発生したと判定され(ステップS15)、上述のようなLP流量比率の制御(ステップS16〜S20)が実行される。
On the other hand, if the magnification of the detected differential pressure of the LP
本実施形態の排気再循環システムにおいても、低圧側排気再循環経路L2中の凝縮水量Qwaが閾値水量αを超え、かつ、LP差圧センサ107の検出差圧が所定の通路閉塞判定条件を満たすよう増加したときには、HP流量が増加されてLP流量比率が低下するので、上述の第1実施形態と同様な効果が期待できる。
Also in the exhaust gas recirculation system of the present embodiment, the condensed water amount Qwa in the low pressure side exhaust recirculation path L2 exceeds the threshold water amount α, and the detected differential pressure of the LP
なお、上述の各実施形態においては、凝縮水量推定部51によって一定時間毎の実凝縮水量Qwaを算出していたが、低圧側排気再循環経路L2中に生じた実際の凝縮水の部分的な蓄積量や貯留液面レベルをセンサで検知して対象区間内の凝縮水量を算出・推定するようなものであってもよい。
In each of the above embodiments, the condensate
また、上述の各実施形態においては、エンジン10にターボ過給機15が装着されるとともに、排気管42内の排気通路を高圧側と低圧側に区画する抵抗要素がターボ過給機15の排気タービン15bで構成されていたが、本発明は、ターボ過給機を有しない内燃機関についても適用可能である。例えば、排気管42内を通る排気ガスを浄化する排気浄化ユニット44によって本発明にいう抵抗要素が構成され、エンジン10が排気タービン15bを有しないような場合にも本発明は適用可能である。そして、そのような構成を採用する場合においても、凝縮水量が多くなったときに的確にLP流量比率が低減され、凝縮水の発生量が抑えられるので、凝縮水の発生の抑制とNOx低減効果の確保とを両立させることができる。
In each of the above-described embodiments, the
以上説明したように、本発明に係る内燃機関の排気再循環システムは、低圧側排気再循環経路中の凝縮水の量が閾値水量を超え、かつ、差圧センサの検出差圧が所定の通路閉塞判定条件を満たすよう増加したときに、高圧側の排気ガスの還流量が増加されて高圧側の排気ガスの還流量に対する低圧側の排気ガスの還流量の比率を低下させるようにしているので、フィルタに付着した凝縮水が水膜を形成して排気還流管部が上流側で閉塞されるような状態が精度良く検出可能になるとともに、要求量に対し高圧側の排気ガスの還流量が増加されるほど低圧側の排気ガスの還流量が少なくて済み、内燃機関が凝縮水の発生し難い運転状態になるまで所要の排気還流量を確保しながら凝縮水の増加を抑えることが可能となり、凝縮水の発生の抑制とNOx低減効果の確保とを両立させることができる内燃機関の排気再循環システムを提供することができるという効果を奏するものであり、排気再循環経路中における凝縮水の発生を抑制するようにした内燃機関の排気再循環システム全般に有用である。 As described above, the exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine according to the present invention is such that the amount of condensed water in the low pressure side exhaust gas recirculation path exceeds the threshold water volume, and the detected differential pressure of the differential pressure sensor is a predetermined path. When increasing to satisfy the blockage determination condition, the recirculation amount of the high-pressure side exhaust gas is increased, and the ratio of the recirculation amount of the low-pressure side exhaust gas to the recirculation amount of the high-pressure side exhaust gas is decreased. In addition, it is possible to accurately detect a state in which the condensed water adhering to the filter forms a water film and the exhaust gas recirculation pipe section is blocked on the upstream side, and the exhaust gas recirculation amount on the high-pressure side with respect to the required amount can be detected. The higher the increase, the smaller the recirculation amount of the exhaust gas on the low pressure side, and it is possible to suppress the increase of the condensate while ensuring the required exhaust gas recirculation amount until the internal combustion engine is in an operating state where it is difficult to generate condensate. , Suppressing the generation of condensed water An internal combustion engine that has an effect of providing an exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine that can achieve both an Ox reduction effect and suppresses the generation of condensed water in the exhaust gas recirculation path. Useful for engine exhaust gas recirculation systems in general.
10 エンジン(内燃機関、ディーゼルエンジン)
11 気筒
15 ターボ過給機
15a 吸入空気コンプレッサ
15b 排気タービン(抵抗要素)
16 HPL−EGR装置(高圧EGR装置)
17 LPL−EGR装置(低圧EGR装置)
32 吸気管
35 エアフローメータ
37 吸気温度センサ
42 排気管
43 排気絞り弁
44 排気浄化ユニット(抵抗要素)
47 排気温度センサ
50 ECU(電子制御ユニット、制御装置)
51 凝縮水量推定部(凝縮水量推定手段)
52 還流比率制御部
53 制約条件判定部
61 HPL−EGRパイプ(高圧側の排気還流管部)
61w 高圧側排気還流通路
62 HPL−EGR弁
71 LPL−EGRパイプ(低圧側の排気還流管部)
71w 低圧側排気還流通路
72 LPL−EGR弁(低圧EGR弁)
73 LPL−EGRクーラ(排気冷却器、低圧EGRクーラ)
74 異物捕集フィルタ(フィルタ)
104 水温センサ
105 吸気管内圧力センサ
107 LP差圧センサ(差圧センサ)
L1 高圧側排気再循環経路
L2 低圧側排気再循環経路
Qwa 実発生凝縮水量(凝縮水量)
α 閾値水量
β 閾値増加率
γ 所定倍率
10 engines (internal combustion engines, diesel engines)
11
16 HPL-EGR equipment (high pressure EGR equipment)
17 LPL-EGR device (low pressure EGR device)
32
47
51 Condensate Estimator (Condensate Estimator)
52 Reflux
61w High-pressure side
71w Low pressure side
73 LPL-EGR cooler (exhaust cooler, low pressure EGR cooler)
74 Foreign matter collection filter (filter)
104
L1 High pressure side exhaust recirculation path L2 Low pressure side exhaust recirculation path Qwa Actual amount of condensed water (condensed water volume)
α Threshold water volume β Threshold increase rate γ Specified magnification
Claims (7)
前記制御装置は、
前記低圧EGR装置によって形成される低圧側排気再循環経路中の凝縮水の量を推定する凝縮水量推定手段と、
前記凝縮水量推定手段により推定された前記凝縮水の量が予め設定された閾値水量を超え、かつ、前記差圧センサの検出差圧が所定の通路閉塞判定条件を満たすよう増加したとき、前記高圧側の排気ガスの還流量に対する前記低圧側の排気ガスの還流量の比率を低下させるよう前記高圧側の排気ガスの還流量を増加させる還流比率制御手段と、を有していることを特徴とする内燃機関の排気再循環システム。 A high-pressure side from an exhaust pipe upstream of the resistance element to an intake pipe downstream of the compressor of the internal combustion engine having an intake pipe provided with a supercharging compressor and an exhaust pipe provided with a resistance element serving as an exhaust resistance A high-pressure EGR device having a high-pressure exhaust gas recirculation pipe section for recirculating the exhaust gas, and a low pressure after passing through the resistance element from an exhaust pipe downstream of the resistance element of the internal combustion engine to an intake pipe upstream of the compressor A low-pressure EGR device having a low-pressure exhaust gas recirculation pipe section that recirculates the exhaust gas on the side, and the low-pressure EGR device that passes the exhaust gas recirculated from the exhaust pipe downstream from the resistance element and collects foreign matters mixed in the exhaust gas A filter disposed upstream of the exhaust gas recirculation pipe section in the exhaust gas recirculation direction; a differential pressure sensor for detecting a differential pressure before and after the low pressure exhaust gas recirculation pipe section in the exhaust gas recirculation direction; A control device for controlling the high-pressure EGR device and the low-pressure EGR device based on the detection information of the differential pressure sensor, an internal combustion engine exhaust gas recirculation system with a
The controller is
Condensed water amount estimation means for estimating the amount of condensed water in the low pressure side exhaust gas recirculation path formed by the low pressure EGR device;
When the amount of condensate estimated by the condensate amount estimation means exceeds a preset threshold water amount and the detected differential pressure of the differential pressure sensor increases to satisfy a predetermined passage blockage determination condition, the high pressure Recirculation ratio control means for increasing the recirculation amount of the high-pressure side exhaust gas so as to decrease the ratio of the recirculation amount of the low-pressure side exhaust gas to the recirculation amount of the side exhaust gas. An exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine.
前記高圧側の排気ガスの還流量が増加するのに伴って増加する前記内燃機関の排気ガス中の特定排出成分の濃度が許容範囲内に入るよう、前記特定排出成分の濃度に基づいて前記高圧側の排気ガスの還流量を選択的に制限する制約条件判定手段をさらに有していることを特徴とする請求項1ないし請求項4のうちいずれか1の請求項に記載の内燃機関の排気再循環システム。 The controller is
Based on the concentration of the specific exhaust component, the concentration of the specific exhaust component in the exhaust gas of the internal combustion engine, which increases as the recirculation amount of the exhaust gas on the high pressure side increases, falls within an allowable range. The exhaust of the internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4, further comprising constraint condition determining means for selectively limiting a recirculation amount of the exhaust gas on the side. Recirculation system.
前記コンプレッサが、前記ターボ過給機の前記吸入空気コンプレッサで構成され、
前記抵抗要素が、前記ターボ過給機の前記排気タービンで構成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項5のうちいずれか1の請求項に記載の内燃機関の排気再循環システム。 The internal combustion engine is equipped with a turbocharger having an intake air compressor and an exhaust turbine,
The compressor is constituted by the intake air compressor of the turbocharger;
The exhaust gas recirculation system for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5, wherein the resistance element is configured by the exhaust turbine of the turbocharger.
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CN116335838A (en) * | 2023-05-12 | 2023-06-27 | 中国第一汽车股份有限公司 | Control method, device, equipment and medium of low-pressure exhaust gas recirculation system |
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