JP2013130063A - エンジンのｅｇｒ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン冷態時にエンジン冷却水系の温度によりEGRクーラへの冷却水の流通を制限して、ＥＧＲガスの過冷却を防ぎ、エンジン始動早期の排ガス浄化を可能とすると共に、コストの低いＥＧＲ装置の提供を目的とする。
【解決手段】エンジン１を冷却する冷却水系路５と、冷却水系路５に介装され、エンジン１から排出される排ガスを冷却するＥＧＲクーラ２と、ＥＧＲクーラ２上流側に配設されたＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット３と、を備え、冷却水系路５の冷却水温度が低い場合には、ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット３によって冷却水がＥＧＲクーラ２に流れるのを制限するようにしたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ディーゼルエンジンから排出される排ガス中に含まれる有害物質を少なくさせるＥＧＲ装置に関する。

ディーゼルエンジン（以後「エンジン」と称す）の排気系には、エンジンから排出される排ガスに含まれ、有害物質とされるディーゼル排気微粒子〔以後「ＰＭ（Particulate Matter）」と称す〕及びＮＯｘ（窒素酸化物）が含まれている。
この、ＮＯｘは高圧・高温で燃焼するディーゼルエンジンにおいて多く生成されることが知られている。
排ガスに含まれるＮＯｘを少なくする技術として、エンジンにおける燃焼後の排気ガスの一部を取り出し、吸気側へ導き再度燃焼室へ導入させる技術である、所謂、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置が広く採用されている。
そして、ディーゼルエンジン等では、ＥＧＲガスを冷却して多くの排ガスを吸入すると共に、燃焼温度を抑えてＮＯｘの生成量を抑制するため、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラを備えている。
ところが、エンジン始動直後のエンジン冷態時などにＥＧＲガスを吸気に導入すると、過冷却されたＥＧＲガスによって、ＨＣ、ＣＯの生成増加や、失火によるエンジン停止に至ることがある。

その対応の一例としての方法を図６に基づいて説明する。
図６（Ａ）において、０１はエンジンを示し、該エンジン０１は、燃焼室０１５に空気を供給する吸気マニホールド０１１と、燃焼室０１５に導入した空気と燃料噴射ノズル０１６によって燃焼室０１５に噴射された燃料とで燃焼した排ガスが排気マニホールド０１２からエンジン０１外に排出される。
排出された排ガスの一部は、ＥＧＲ配管０７を介して、吸気マニホールド０１１に戻される。
ＥＧＲ配管０７には、ＥＧＲクーラ０２と、排ガスがＥＧＲクーラ０２をバイパスするバイパス通路０７１と、該バイパス通路０７１を開閉する切替え弁０６と、
ＥＧＲクーラ０２及び、バイパス通路０７１の下流側に排ガスを吸気マニホールド０１１に導入するＥＧＲバルブ０３とで構成されている。
そして、切替え弁０６を開閉制御する制御機０５が別途配設されている。

図６（Ａ）に示すように制御機０５は、エンジン０１が暖態時には切替え弁０７はバイパス通路０７１側を閉塞し、ＥＧＲクーラ０２側の通路を開くように制御している。
従って、暖態時には排ガスをＥＧＲクーラ０２側に通して、排ガスを冷却して、ＥＧＲガス量を多くすることにより、燃焼温度を下げてＮＯｘの生成量を抑制する。
また、エンジン０１の冷態時には図６（Ｂ）に示すように、制御機０５は切替え弁０７でバイパス通路０７１側を開き、ＥＧＲクーラ０２側の通路を閉塞するように制御している。
従って、排ガスを過冷却しないようにして、エンジン始動早期（冷態時）のＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯの発生の抑制を可能としている。

先行技術として、特開２０１１−９９３７０号公報（特許文献１）が開示されている。
この特許文献１の技術によると、ＥＧＲクーラを通過する冷却水温度が変動しても、ＥＧＲクーラからエンジンの燃焼室へ導入される吸気温度の変動を最小限にして、エンジンの燃焼性を向上させる技術が開示されている。

特開２０１１−９９３７０号公報（特許文献１）

ところが、従来技術においては、エンジン冷態時に排ガスをバイパスさせるバイパス通路と、該バイパス通路または、ＥＧＲクーラ側のどちらかを通過させる切替え弁と、該切替え弁を制御する制御機が必要となり、部品点数が多くコストも高くなる。
また、特許文献１においても、エンジン燃焼室に導入するＥＧＲの吸気温度の変動を最小限に抑えるために、冷却水温の検出装置、流れる冷却水量を調整するバルブ、これらを制御する制御機等が必要となり、部品点数が多くコストも高くなる。

そこで、本発明はこのような不具合に鑑み成されたもので、エンジン冷態時にエンジン冷却水系の温度によりＥＧＲクーラへの冷却水の流通を制限して、ＥＧＲガスの過冷却を防ぎ、エンジン始動早期の排ガス浄化を可能とすると共に、コストの低いＥＧＲ装置の提供を目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、エンジンの排ガス浄化を行うためのＥＧＲ装置であって、
前記エンジンを冷却する冷却水系路と、
前記冷却水系路に介装され、前記エンジンから排出される排ガスを冷却するＥＧＲクーラと、
前記冷却水系路の前記ＥＧＲクーラ上流側に配設されたＥＧＲクーラ冷却用サーモスタットと、を備え、
前記冷却水系路の冷却水温度が低い場合には、前記ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタットによって冷却水が前記ＥＧＲクーラに流れるのを制限するようにしたことを特徴とする。

かかる発明において、エンジン冷時（冷却水低温時）、ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタットによりＥＧＲクーラに冷却水を流すのを制限することにより、エンジン起動直後のＥＧＲガスが過冷却になるのを防止して、エンジンの失火を防ぐと共に、エンジン冷態時の排ガス浄化が可能となる。
また、ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタットを使用することで、ＥＧＲクーラへの冷却水の流れを制限するようにしたので、構造が簡素化されたことによる品質の確保が容易となり、装置全体の信頼性が向上する。

また、本願発明において好ましくは、前記ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット又は、該ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタットが装着されている部位の少なくとも何れか一方に前記冷却水系路の冷却水が通過する流通孔を設け、該流通孔は前記エンジンの排ガス熱によって、前記ＥＧＲクーラ内に滞留している冷却水が沸騰しない温度で流れる大きさにするとよい。

このような構成にすることにより、ＥＧＲクーラへの冷却水を完全に止めないで、若干の冷却水をＥＧＲクーラ内に流すようにして、ＥＧＲクーラ内を流れる排ガス熱によりＥＧＲクーラ内の滞留冷却水の沸騰による熱負荷を低減して、ＥＧＲクーラの耐久性向上を図る。

また、本願発明において好ましくは、前記ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタットは前記ＥＧＲクーラの前記冷却水系路上流側に、該ＥＧＲクーラと一体的に配設されるとよい。

また、前記ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタットは前記エンジンの前記冷却水系路の冷却水排出部に前記エンジンと一体的に配設され、前記ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタットと前記ＥＧＲクーラとは、専用の冷却水管にて連結するとよい。

このような構成にすることにより、ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタットをEGRクーラ又は、エンジンに一体的に配設することにより、配管部品点数、及び、組立工数の削減になりコスト低減が図れると共に、部品点数削減により、組付け時の組付け不具合の発生確率が減少するため、品質向上効果が期待できる。

また、本願発明において好ましくは、前記ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタットの開弁温度は、前記冷却水系路に介装されている前記エンジンを冷却するためのエンジン冷却用サーモスタットの開弁温度より低く設定されるとよい。

このような構成にすることにより、比熱の大きい冷却水に比べ、比熱の小さい排ガス（気体）は、温度が安定（昇温）するまでの時間が短いので、エンジン始動後早い時期（エンジンが失火を起こさない程度）にＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット開弁させて、ＥＧＲガスのエンジンへの導入量を増加させて、エンジン始動後早い時期（エンジン冷態時）のＨＣ、ＣＯの発生の抑制を可能とした。

本発明によれば、エンジン冷時（冷却水低温時）、ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタットによりＥＧＲクーラに冷却水を流すのを制限することにより、エンジン起動直後のＥＧＲガスが過冷却になるのを防止して、エンジンの失火を防ぐと共に、エンジン冷態時の排ガス浄化が可能となる。
また、ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタットを使用することで、ＥＧＲクーラへの冷却水の流れを制限するようにしたので、構造が簡素化されたことによる品質の確保が容易となり、装置全体の信頼性が向上する。
さらに、ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタットをＥＧＲクーラ又は、エンジンに一体的に配設することにより、配管部品点数、及び、組立工数の削減になりコスト低減が図れる。

は本発明の第１実施形態にかかる冷却水系路の概略構成図を示す。 は本発明の第２実施形態にかかる冷却水系路の概略構成図を示す。 は本発明の第３実施形態にかかる冷却水系路の概略構成図を示す。 は本発明の第４実施形態にかかる冷却水系路の概略構成図を示す。 は本発明にかかる排気ガスと冷却水の温度上昇変化を概念的に表わした比較図を示す。 （Ａ）は従来技術の一実施例におけるエンジン暖態時の切替え弁位置図、（Ｂ）はエンジン冷態時の切替え弁位置図を示す。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。
但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

（第１実施形態）
図１は本発明の実施形態にかかる冷却水系路の概略構成図を示す。
１はエンジンを示す。エンジン１には、該エンジンを冷却するための冷却水系路５が付設されている。
冷却水系路５には、冷却水の温度により水路を切替えるエンジン冷却用サーモスタット４と、冷却水を冷却するラジエータ６と、冷却水系路５内の冷却水を循環させるウォータポンプ８と、エンジン１から排出される排気ガスの一部を冷却するＥＧＲクーラ２と、冷却水のＥＧＲクーラ２への流通を冷却水温度により流通又は、停止するＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット７とが配設されている。

夫々の装置は、エンジン１から排出された冷却水は第６冷却水管５６を介してエンジン冷却用サーモスタット４が内装されている第１サーモスタットケース７１に導入される。
尚、一般的には第１サーモスタットケース７１はエンジン１に一体的に形成されている場合があり、その場合には第６冷却水管５６は省略される。
冷却水が設定温度より高い場合には、第８冷却水管５８を介してラジエータ６に流れる。ラジエータ６で冷却された冷却水は第７冷却水管５７を介してウォータポンプ８に導入される。ウォータポンプ８から第１冷却水管５１を介して第２冷却水管５２に流れ、冷却水の大部分がエンジン１に圧送される。残りの冷却水は第２冷却水管５２を介して、ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット３が収納されている第２サーモスタットケース７２に導入される。
冷却水温が設定値より高いと、冷却水は第３冷却水管５３を介してＥＧＲクーラ２に入る。
そして、冷却水は、ＥＧＲクーラ２内を通過している排ガスを冷却する。排ガスを冷却した冷却水は、第４冷却水管５４を介して、第１サーモスタット７１に戻り、エンジン冷却用サーモスタット４を通過して、ラジエータ６に流れ、冷却される。
一方、冷却水が設定温度より低い場合には、エンジン冷却用サーモスタット４は流通停止状態になっているので、第５冷却水管５５を介して第７冷却水管５７に流れ、ウォータポンプ８を介して、エンジン１のウォータジャケット１１に送出され、エンジン１が暖状態（冷却水が設定温度になり、エンジン冷却用サーモスタット４が開弁した状態）になるまで続く。

従って、エンジン１が暖状態になるまで、ＥＧＲクーラ２内には冷却水が流れないので、ＥＧＲクーラ２内を通過するＥＧＲガスの過冷却が防止され、エンジン１の起動時における失火を防止すると共に、エンジン冷態時の排ガス浄化が可能となる。

また、本実施形態においては、ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット３に、該ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット３が閉弁している際に、冷却水が通過する流通孔３１を配設した。
これは、図５に基づいて説明する。図５において、横軸に時間、縦軸に温度をとり、エンジン冷却水温が昇温して安定するまでの傾斜が暖勾配（なだらか）であるのに対し、排ガス温度が昇温して安定するまでの傾斜が急勾配になっている。
これは冷却水と排ガスとの比熱の差によるものである。
図示の通り、排ガス温度は冷却水に対し比熱が小さいので、冷却水温度に対し安定するまでの時間が短く、冷却水は温度上昇が遅く、安定するまでの時間は長い。
従って、ＥＧＲクーラを冷却する冷却水は低い温度（ＥＧＲクーラ開弁温度より低い）の場合に、ＥＧＲクーラ２内を通過する排ガスは高くなっている状況に対し、ＥＧＲクーラ２内の冷却水は流れを生じていないため、冷却水は排ガス熱によって沸騰する場合が生じている。
冷却水が沸騰すると、ＥＧＲクーラ２の熱交換部に腐蝕、熱負荷による強度減少等の不具合が発生する。
それを防止するため、ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット３に流通孔３１を設けた。

流通孔３１の大きさは、冷却水温が低い時には排ガスが過冷却にならないと共に、冷却水温がＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット３の開弁温度以下の状態において、冷却水が沸騰しない温度でＥＧＲクーラ２内を冷却水が流れる大きさの流通孔３１とした。
尚、流通孔３１の大きさは、ウォータポンプ８の吐出能力、冷却水系路の流動抵抗によって異なるので、実験等により最適の大きさを決めるとよい。
このような、構造にすることにより、ＥＧＲクーラ２の耐久性を向上させることが可能となる。
また、図２に示すように、ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット９が閉催している時に、第３サモーモスタットケース７５側に流通孔７６を設け、第２冷却水管５２からの冷却水を第３冷却水管５３を介して、ＥＧＲクーラ２側に流通させても、同様の効果をえることができる。

また、本実施形態においては、ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット３の開弁温度を、エンジン冷却用サーモスタット４に対し低くした。
これも、図５に示すように、排ガス温度は冷却水に対し比熱が小さいので、冷却水温度に対し安定するまでの時間が短く、温度上昇は速い。
一方、冷却水は比熱が大きいので、温度上昇は遅く安定するまでの時間が長い。
従って、ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット３の開弁温度を低くすることにより、冷却（この時期は冷却水も昇温し、排ガスも昇温し、安定した温度になっているので、排ガスの過冷却はない）したＥＧＲガスを早い時期に燃焼室に導入することにより、燃焼温度上昇の抑制をはかり、ＮＯｘの低減効果が得られる。

このような構成にすることによって、エンジン冷時（冷却水低温時）、ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット３によりＥＧＲクーラ２に冷却水を流すのを制限することで、エンジン起動直後のＥＧＲガスが過冷却になるのを防止して、エンジンの失火を防ぐと共に、エンジン冷態時の排ガス浄化が可能となる。
また、ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット３を使用することで、ＥＧＲクーラ２への冷却水の流れを制限するようにしたので、構造が簡素化されたことによる品質の確保が容易となり、装置全体の信頼性が向上する。
さらに、ＥＧＲクーラ２への冷却水を完全に止めないで、若干の冷却水をＥＧＲクーラ内に流すようにして、ＥＧＲクーラ内を流れる排ガス熱によりＥＧＲクーラ２内の滞留冷却水の沸騰によるＥＧＲクーラ２に対する熱負荷を低減して、ＥＧＲクーラ２の耐久性向上を図る。
エンジン始動後早い時期にＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット３開弁させて、ＥＧＲガスのエンジン１への導入量を増加させてＨＣ、ＣＯの発生の抑制効果が得られる。

（第２実施形態）
図３に基づいて第２実施形態について説明する。
尚、本実施形態は、ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタットの配設位置が異なる以外は第１実施形態と同じである。従って、同一部品については同一符号を付して、その説明は省略する。

図３において、２２はＥＧＲクーラ２と、ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット９と、該ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット９を収納した第２サーモスタットケース７２とを備えたサーモスタット一体型ＥＧＲクーラである。
サーモスタット一体型ＥＧＲクーラ２２のサーモスタットケース７２には、第２冷却水管５２が連結されている。
ＥＧＲクーラ２には、該ＥＧＲクーラ２と第１サーモスタットケースとを連結する第４冷却水管５４が配設されている。
他は第１実施形態と同じなので説明を省略する。

第２実施形態の場合、ＥＧＲクーラ２とＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット９を収納した第２サーモスタットケース７２とが一体的に結合されている。ＥＧＲクーラ２とＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット９を収納した第２サーモスタットケース７２とを連結する冷却水管が不要となり、部品点数削減及び、削減に伴う組付け工数の低減によるコスト低減効果が得られる。
また、部品同士の組付け箇所が減少することにより、組付け不具合の発生確率が減少し、製品の信頼性が向上する。

（第３実施形態）
図４に基づいて第２実施形態について説明する。
尚、本実施形態は、ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタットの配設位置が異なる以外は第１実施形態と同じである。従って、同一部品については同一符号を付して、その説明は省略する。

図４において、第２サーモスタットケース７２は、エンジン１のウォータジャケット１２のメインジャケット１３と、冷却水の流路を連結して、該エンジン１と一体的に形成されている。
第２サーモスタットケース７２にはＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット９が内装されている。
第２サーモスタットケース７２はＥＧＲクーラ２と第９冷却水管５９を介して連結されている。
ＥＧＲクーラ２は第１サーモスタットケース７１に第４冷却水管５４を介して連結されている。
他は第１実施形態と同じなので説明を省略する。

このような構成において、冷却水系路５に滞留していた冷却水は、エンジン１が始動されると、ウォータポンプ８によって矢印方向に流通を開始する。冷却水は一旦、エンジン１のウォータジャケット１２のメインジャケット１３に導入され、冷却水の大部分はエンジン１内の各部を冷却して、第６冷却水管５６を介して、第１サーモスタットケース７１に流出していく。
メインジャケット１３に導入された冷却水の一部は、第２サーモスタットケース７２に導入される。
冷却水温が低いとき（エンジン冷態時）は第２サーモスタットケース７２のＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット９が閉弁しており、ＥＧＲクーラ２側には流れない。
冷却水温が上昇時（エンジンが暖態時）にはＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット９が開弁して、ＥＧＲクーラ２によってＥＧＲガスが冷却されるようになっている。

第３実施形態の場合、エンジン１にＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット９を収納した第２サーモスタットケース７２とが一体的に結合されている。
この場合、エンジン１とＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット９を収納した第２サーモスタットケース７２とを連結する冷却水管が不要となり、部品点数削減及び、削減に伴う組付け工数の低減によるコスト低減効果が得られる。
また、部品同士の組付け箇所が減少することにより、組付け不具合の発生確率が減少し、製品の信頼性が向上する。

ディーゼルエンジン等において、ＥＧＲガスを冷却して多くの排ガスを吸入することで、燃焼温度を低く抑えてＮＯｘの生成量を抑制するため、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲ装置に利用できる。

１ エンジン
２ ＥＧＲクーラ
３、９ ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット
４ エンジン冷却用サーモスタット
５ 冷却水系路
６ ラジエータ
８ ウォータポンプ
１１，１２ ウォータジャケット
１３ メインジャケット
７１ 第１サーモスタットケース
７２ 第２サーモスタットケース
７５ 第３サーモスタットケース

Claims (5)

1. エンジンの排ガス浄化を行うためのＥＧＲ装置であって、
   前記エンジンを冷却する冷却水系路と、
   前記冷却水系路に介装され、前記エンジンから排出される排ガスを冷却するＥＧＲクーラと、
   前記冷却水系路の前記ＥＧＲクーラ上流側に配設されたＥＧＲクーラ冷却用サーモスタットと、を備え、
   前記冷却水系路の冷却水温度が低い場合には、前記ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタットによって冷却水が前記ＥＧＲクーラに流れるのを制限するようにしたことを特徴とするエンジンのＥＧＲ装置。
2. 前記ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタット又は、該ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタットが装着されている部位の少なくとも何れか一方に前記冷却水系路の冷却水が通過する流通孔を設け、該流通孔は前記エンジンの排ガス熱によって、前記ＥＧＲクーラ内に滞留している冷却水が沸騰しない温度で流れる大きさとしたことを特徴とする請求項１記載のエンジンのＥＧＲ装置。
3. 前記ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタットは前記ＥＧＲクーラの前記冷却水系路上流側に、該ＥＧＲクーラと一体的に配設されていることを特徴とする請求項１又は２記載のエンジンのＥＧＲ装置。
4. 前記ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタットは前記エンジンの前記冷却水系路の冷却水排出部に前記エンジンと一体的に配設され、前記ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタットと前記EGRクーラとは、専用の冷却水管にて連結したことを特徴とする請求項１又は２記載のエンジンのＥＧＲ装置。
5. 前記ＥＧＲクーラ冷却用サーモスタットの開弁温度は、前記冷却水系路に介装されている前記エンジンを冷却するためのエンジン冷却用サーモスタットの開弁温度より低く設定されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のエンジンのＥＧＲ装置。

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