JP2014169655A - Ｅｇｒ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲパイプやＥＧＲクーラ及びＥＧＲバルブに煤化合物が付着堆積してしまうことを防止し得るＥＧＲ装置を提供する。
【解決手段】エンジン１の排気通路からＥＧＲパイプ１１を介し排気ガス８の一部を抜き出して還流ガス８’として吸気通路へ再循環するようにしたＥＧＲ装置に関し、排気通路における還流ガス８’の抜き取り位置よりも下流側で排気ガス８の流れを絞り込む排気絞り手段（可変ノズル式ターボチャージャ２）を備え、ＥＧＲパイプ１１やＥＧＲクーラ１３及びＥＧＲバルブ１２への煤化合物の堆積が懸念される条件が成立した時に前記ＥＧＲバルブ１２を全開とし且つ前記排気絞り手段を絞り込み操作して還流ガス８’の流量及び流速を強制的に上昇させる掃気モードを実行する制御装置２１を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＥＧＲ装置に関するものである。

従来、自動車のエンジン等では、排気側から排気ガスの一部を還流ガスとして抜き出して吸気側へと戻し、その吸気側に戻された還流ガスでエンジン内での燃料の燃焼を抑制して燃焼温度を下げることによりＮＯxの発生を低減するようにした、いわゆる排気ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）を実施しているものがある。

一般的に、この種の排気ガス再循環を行う場合には、排気マニホールドから排気管に亘る排気通路の適宜位置と、吸気管から吸気マニホールドに亘る吸気通路の適宜位置との間をＥＧＲパイプにより接続し、該ＥＧＲパイプ途中に装備したＥＧＲバルブを開閉操作することで還流ガスを排気側から吸気側へ差圧を利用して再循環させるようにしている。

ここで、エンジンに再循環する還流ガスをＥＧＲパイプの途中で冷却すると、還流ガスの温度が下がり且つその容積が小さくなることにより、エンジンの出力を余り低下させずに燃焼温度を低下して効果的にＮＯxの発生を低減させることができるため、還流ガスを再循環するＥＧＲパイプの途中には、シェルアンドチューブ型のＥＧＲクーラが装備されている。

尚、この種のＥＧＲ装置に関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献１，２等がある。

特開２００２−３９０１９号公報 特開２００８−２８０８６７号公報

しかしながら、軽負荷の低速走行と停止が断続的に繰り返されるような運行形態の車両（都心の渋滞路線を運行するバスや、配送先が密集した地域で配送業務を行うトラック等）では、排気ガスの流速や温度が低い運転状態が長時間に亘り継続することでＥＧＲパイプや該ＥＧＲパイプ途中のＥＧＲクーラ及びＥＧＲバルブに煤化合物が付着堆積して、ＥＧＲパイプの流路断面積の縮小、ＥＧＲクーラの効率低下や詰まり、ＥＧＲバルブの作動不良等といった不具合を生じる虞れがあった。

即ち、排気ガスの流速や温度が低い運転状態では、該排気ガスの一部である還流ガスの流速や温度も低くなるが、還流ガスの流速が低いと、炭素質から成る煤分が還流ガスの流れに乗りきれずに流路途中に留まり易くなる上、還流ガスの温度まで低いと、燃料由来の高沸点炭化水素成分から成るＳＯＦ分（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）がウェットな状態で流路壁面に揮発しないまま残留してしまうので、このようなウェットな状態の流路壁面に付着した煤分は簡単には吹き飛ばなくなり、そのまま煤化合物となって成長してしまう懸念がある。

特にＥＧＲクーラの出口側においては、もともと温度の低い還流ガスが水冷されて大幅に温度低下してしまうことになるため、ＥＧＲクーラの出口以降にＳＯＦ分の残留が多くなって煤分の付着が増え、ＥＧＲクーラの出口以降で煤化合物が多く付着堆積する傾向にあることが判っている。

この際、排気管の途中にパティキュレートフィルタが介装されていて、該パティキュレートフィルタを再生する制御が開始されてしまうと更に状況が悪くなり、エンジン側でポスト噴射（圧縮上死点付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングで追加される燃料噴射）が実施されることでＳＯＦ分が増えると共に、煤化合物の原因物質となる反応性の高い炭化水素系ガスが増え、煤化合物の付着堆積が益々顕著となってしまう懸念がある。

尚、ここで言うところのパティキュレートフィルタを再生する制御とは、該パティキュレートフィルタの前段に配置した酸化触媒に対しエンジン側のポスト噴射で燃料を添加し、その添加した燃料（ＨＣ）を前記酸化触媒で酸化反応させて反応熱により直後のパティキュレートフィルタの触媒床温度を上げて捕集済みパティキュレートを燃焼除去させることを指している。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、ＥＧＲパイプやＥＧＲクーラ及びＥＧＲバルブに煤化合物が付着堆積してしまうことを防止し得るＥＧＲ装置を提供することを目的とする。

本発明は、エンジンの排気通路からＥＧＲパイプを介し排気ガスの一部を抜き出して還流ガスとして吸気通路へ再循環するようにしたＥＧＲ装置であって、前記排気通路における還流ガスの抜き取り位置よりも下流側で排気ガスの流れを絞り込む排気絞り手段を備え、前記ＥＧＲパイプや該ＥＧＲパイプ途中のＥＧＲクーラ及びＥＧＲバルブへの煤化合物の堆積が懸念される条件が成立した時に前記ＥＧＲバルブを規定開度まで開き且つ前記排気絞り手段を絞り込み操作して還流ガスの流量及び流速を強制的に上昇させる掃気モードを実行する制御装置を備えたことを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、ＥＧＲパイプやＥＧＲクーラ及びＥＧＲバルブに煤化合物の堆積が懸念される条件が成立した際に、制御装置によりＥＧＲバルブが規定開度まで開けられ且つ前記排気絞り手段が絞り込み操作されて還流ガスの流量及び流速が強制的に上昇されるので、該還流ガスの勢いのある流れにより煤化合物の前駆物質である煤分や炭化水素系ガスが掃気され、ＥＧＲパイプやＥＧＲクーラ及びＥＧＲバルブにおける煤化合物の生成が防止されることになる。

ここで、ＥＧＲパイプやＥＧＲクーラ及びＥＧＲバルブに煤化合物の堆積が懸念される条件には、例えば、ＥＧＲクーラの出口ガス温度が所定温度を超えないまま走行した積算時間が規定時間を超えた場合や、所定回転数以下の軽負荷運転状態でパティキュレートフィルタの再生制御が実施された場合等が考えられるが、煤化合物の堆積が懸念される条件であれば、どのような事象を基準とするものであっても良く、条件そのものは任意に決めて良いものである。

また、タービンのノズルベーン開度を調整可能な可変ノズル式ターボチャージャがエンジンに搭載され、排気マニホールドから排気ガスの一部が還流ガスとして抜き出されて吸気マニホールドの入口付近に再循環されるように構成されている場合には、前記可変ノズル式ターボチャージャを排気絞り手段とすることが好ましい。

このようにすれば、新たに排気絞り手段を設けなくても、既存の可変ノズル式ターボチャージャを有効に活用し、該可変ノズル式ターボチャージャの制御ロジックを変更するだけで安価に実施することが可能となる。

更に、本発明においては、ＥＧＲクーラの入口及び出口の少なくとも何れか一方に電気ヒータを設け、掃気モードの実行時に前記電気ヒータによる還流ガスの加熱を併せて実行するように制御装置を構成することも可能である。

このようにすれば、電気ヒータにより還流ガスを加熱してＥＧＲクーラの出口ガス温度を上昇させ、燃料由来のＳＯＦ分を可能な限り揮発させて流路壁面への残留を抑制することが可能となり、流路壁面をドライな状態に保持して煤分の吹き飛ばしを容易化することが可能となる。

また、本発明においては、ＥＧＲクーラに対し吸排される冷却水の流量を絞り込む冷却水絞り手段を設け、掃気モードの実行時に前記冷却水絞り手段による冷却水の流量の絞り込みを併せて実行するように制御装置を構成することも可能である。

このようにすれば、冷却水の流量の絞り込みによりＥＧＲクーラにおける冷却効率を低下させてＥＧＲクーラの出口ガス温度を上昇させ、燃料由来のＳＯＦ分を可能な限り揮発させて流路壁面への残留を抑制することが可能となり、流路壁面をドライな状態に保持して煤分の吹き飛ばしを容易化することが可能となる。

上記した本発明のＥＧＲ装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、ＥＧＲパイプやＥＧＲクーラ及びＥＧＲバルブに煤化合物の堆積が懸念される条件で還流ガスの流量及び流速を強制的に上昇させ、該還流ガスの勢いのある流れにより煤化合物の前駆物質である煤分や炭化水素系ガスを掃気してしまうことができるので、ＥＧＲパイプやＥＧＲクーラ及びＥＧＲバルブに煤化合物が付着堆積してしまうことを防止できる。

（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、新たに排気絞り手段を設けなくても、既存の可変ノズル式ターボチャージャを有効に活用することができ、該可変ノズル式ターボチャージャの制御ロジックを変更するだけで安価に実施することができるので、その実施コストを大幅に削減することができる。

（ＩＩＩ）本発明の請求項３に記載の発明によれば、電気ヒータにより還流ガスを加熱してＥＧＲクーラの出口ガス温度を上昇させることができるので、燃料由来のＳＯＦ分を可能な限り揮発させて流路壁面への残留を抑制することができ、流路壁面をドライな状態に保持して煤分の吹き飛ばしを容易化することができる。

（ＩＶ）本発明の請求項４に記載の発明によれば、冷却水の流量の絞り込みによりＥＧＲクーラにおける冷却効率を低下させてＥＧＲクーラの出口ガス温度を上昇させることができるので、燃料由来のＳＯＦ分を可能な限り揮発させて流路壁面への残留を抑制することができ、流路壁面をドライな状態に保持して煤分の吹き飛ばしを容易化することができる。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 図１の制御装置での具体的な制御手順を示すフローチャートである。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における１はディーゼル機関であるエンジンを示し、ここに図示しているエンジン１は、タービン２ｂのノズルベーン開度を調整可能な可変ノズル式ターボチャージャ２を搭載しており、図示しないエアクリーナから導いた吸気３を吸気管４を通し前記可変ノズル式ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへ送り、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気３をインタクーラ５へと送って冷却し、該インタクーラ５から更に吸気マニホールド６へと吸気３を導いてエンジン１の各気筒７に分配するようにしてある。

また、このエンジン１の各気筒７から排出された排気ガス８を排気マニホールド９を介し前記可変ノズル式ターボチャージャ２のタービン２ｂへ送り、該タービン２ｂを駆動した排気ガス８を排気管１０を介し車外へ排出するようにしてある。

そして、排気マニホールド９における各気筒７の並び方向の一端部と、吸気マニホールド６の入口付近との間がＥＧＲパイプ１１により接続されており、排気マニホールド９から排気ガス８の一部を抜き出して還流ガス８’として前記吸気マニホールド６の入口付近へ再循環し得るようにしてある。

ここで、前記ＥＧＲパイプ１１の途中には、還流ガス８’の再循環量を調整するＥＧＲバルブ１２と、再循環される還流ガス８’を冷却するためのＥＧＲクーラ１３とが装備されており、該ＥＧＲクーラ１３では、冷却水１４と還流ガス８’とを熱交換させることにより還流ガス８’の温度を低下し得るようになっている。

尚、還流ガス８’を冷却するための冷却水１４は、給水管１５によりＥＧＲクーラ１３内に導入され且つ排水管１６によりＥＧＲクーラ１３内から排出されるようになっていて、前記給水管１５には、冷却水１４の流量を絞り込む冷却水絞り手段として冷却水絞り弁１７が備えられており、前記排水管１６には、冷却水１４の温度を検出する冷却水温センサ１８が備えられている。

また、本形態例においては、ＥＧＲクーラ１３の入口に電気ヒータ１９が備えられ、該電気ヒータ１９により還流ガス８’を加熱して該還流ガス８’の温度を強制的に上昇させ得るようにしてあり、前記ＥＧＲクーラ１３の出口には、還流ガス８’の温度（出口ガス温度）を検出する温度センサ２０が備えられている。

そして、この温度センサ２０と前記冷却水温センサ１８の検出値が、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を兼ねた制御装置２１に入力されるようになっており、この制御装置２１により前記可変ノズル式ターボチャージャ２と前記ＥＧＲバルブ１２と前記冷却水絞り弁１７の制御が実施されるようになっている。

即ち、前記制御装置２１においては、後述する如きＥＧＲパイプ１１やＥＧＲクーラ１３及びＥＧＲバルブ１２への煤化合物の堆積が懸念される条件が成立した時に、前記ＥＧＲバルブ１２を全開とし且つ前記可変ノズル式ターボチャージャ２のタービン２ｂのノズルベーン開度を絞り込み操作して還流ガス８’の流量及び流速を強制的に上昇させる掃気モードを実行するようにしてある。

より具体的に述べると、前記制御装置２１による通常のＥＧＲバルブ１２の制御では、運転状態に応じ目標空気量を決定してエアフロセンサ２２による実測の空気量を前記目標空気量とするべく前記ＥＧＲバルブ１２を制御するようにしているが、前記掃気モードが実行されている場合に限っては、このような通常の制御から離れて前記ＥＧＲバルブ１２を全開とする制御が実行されるようになっている。

また、前記制御装置２１による通常の可変ノズル式ターボチャージャ２の制御では、タービン２ｂの駆動力が弱いために空気を取り込み難い低速運転領域と、タービン２ｂが回りすぎて空気が過剰に取り込まれる虞れのある高速運転領域とで容量を適宜に変更して低速重視の過給特性と高速重視の過給特性とを使い分けできるように制御が実行されるが、前記掃気モードが実行されている場合に限っては、このような通常の制御から離れて可変ノズル式ターボチャージャ２を排気絞り手段として利用し得るようタービン２ｂ側のノズルベーン開度を小さく絞り込む制御が実行されるようになっている。

しかも、本形態例においては、前記掃気モードの実行時に、前記制御装置２１によりＥＧＲクーラ１３の入口の電気ヒータ１９が通電され、該電気ヒータ１９により還流ガス８’の加熱が併せて実行されるようになっており、更には、前記冷却水絞り弁１７により冷却水１４の流量の絞り込みも併せて実行されるようになっている。

尚、図１中における符号の２３はパティキュレートフィルタ、２４はその前段に配置された酸化触媒を示し、パティキュレートフィルタ２３内におけるパティキュレートの堆積量の推定値が規定値を超えた時に前記制御装置２１により再生制御が実行されるようになっており、より具体的には、エンジン１側でポスト噴射により排気ガス８への燃料添加が行われ、その添加した燃料（ＨＣ）が前記酸化触媒２４で酸化反応することで反応熱により直後のパティキュレートフィルタ２３の触媒床温度が上げられ、捕集済みパティキュレートが燃焼除去されるようになっている。

ここで、本形態例においては、ＥＧＲパイプ１１やＥＧＲクーラ１３及びＥＧＲバルブ１２に煤化合物の堆積が懸念される条件として、ＥＧＲクーラ１３の出口ガス温度が所定温度（例えば９０℃）を超えないまま走行した積算時間が規定時間（例えば１時間）を超えた場合と、所定回転数（例えば１２００ｒｐｍ）以下の軽負荷運転状態でパティキュレートフィルタ２３の再生制御が実施された場合を採用しており、この二つの何れかの条件が成立した際に掃気モードを実行するようにしているが、煤化合物の堆積が懸念される条件は、どのような事象を基準とするものであっても良く、条件そのものは任意に決めて良いものである。

更に、本形態例では、掃気モードを二段階に分けて、最初に電気ヒータ１９の加熱と冷却水１４の絞り込みとを併用しながらＥＧＲバルブ１２の全開とタービン２ｂ側のノズルベーン開度の絞り込みを行う加熱掃気モードを実施し、次いで、ＥＧＲバルブ１２の全開とタービン２ｂ側のノズルベーン開度の絞り込みのみを行う流速掃気モードを実施するようにしている。この際、電気ヒータ１９の加熱は、温度センサ２０の検出値（ＥＧＲクーラ１３の出口ガス温度）が所定温度（例えば１２０℃）となるように実施され、冷却水絞り弁１７による冷却水１４の絞り込みは、冷却水温センサ１８の検出値（排水管１６の冷却水１４の温度）が所定温度（例えば９０℃）を下まわるように実施されることになる。

前記制御装置２１における具体的な制御手順は図２にフローチャートで示す通りであり、先ずステップＳ１において、ＥＧＲクーラ１３の出口ガス温度Ｔgoが９０℃を超えないまま走行した積算時間Ｉceをリセットして「０」とし、次のステップＳ２において、前記積算時間Ｉceが１時間を超えているか、或いは、エンジン回転数Ｎeが１２００ｒｐｍ以下の軽負荷運転状態でパティキュレートフィルタ２３の再生制御Ｒceが実施されているか、を確認し、その何れかの条件が成立した際に、次のステップＳ３へと進んで前記加熱掃気モードをスタートさせ、次のステップＳ４で前記加熱掃気モードが５分経過したことを確認した後、ステップＳ５において、前記流速掃気モードをスタートさせ、次のステップＳ６で前記流速掃気モードが３分経過したことを確認した後に終了してスタートに戻るようにしている。

このようにすれば、ＥＧＲパイプ１１やＥＧＲクーラ１３及びＥＧＲバルブ１２に煤化合物の堆積が懸念される条件が成立した際に、制御装置２１によりＥＧＲバルブ１２が全開となり且つ前記可変ノズル式ターボチャージャ２のタービン２ｂのノズルベーン開度が絞り込み操作されて還流ガス８’の流量及び流速が強制的に上昇されるので、該還流ガス８’の勢いのある流れにより煤化合物の前駆物質である煤分や炭化水素系ガスが掃気され、ＥＧＲパイプ１１やＥＧＲクーラ１３及びＥＧＲバルブ１２における煤化合物の生成が防止されることになる。

この際、前述した加熱掃気モードのように、電気ヒータ１９の加熱と冷却水１４の絞り込みとを併用すれば、電気ヒータ１９により還流ガス８’を加熱してＥＧＲクーラ１３の出口ガス温度を上昇させ、しかも、冷却水１４の流量の絞り込みによりＥＧＲクーラ１３における冷却効率を低下させてＥＧＲクーラ１３の出口ガス温度を上昇させることが可能となるので、燃料由来のＳＯＦ分を可能な限り揮発させて流路壁面への残留を抑制し、流路壁面をドライな状態に保持することが可能となり、これに続けて流速掃気モードを実施することで煤分の吹き飛ばしを容易化することが可能となる。

従って、上記形態例によれば、ＥＧＲパイプ１１やＥＧＲクーラ１３及びＥＧＲバルブ１２に煤化合物の堆積が懸念される条件で還流ガス８’の流量及び流速を強制的に上昇させ、該還流ガス８’の勢いのある流れにより煤化合物の前駆物質である煤分や炭化水素系ガスを掃気してしまうことができるので、ＥＧＲパイプ１１やＥＧＲクーラ１３及びＥＧＲバルブ１２に煤化合物が付着堆積してしまうことを防止できる。

また、新たに排気絞り手段を設けなくても、既存の可変ノズル式ターボチャージャ２を有効に活用することができ、該可変ノズル式ターボチャージャ２の制御ロジックを変更するだけで安価に実施することができるので、その実施コストを大幅に削減することができる。

ただし、排気絞り手段は必ずしも可変ノズル式ターボチャージャ２を活用することに限定されるものではなく、タービン２ｂより下流の排気ブレーキ２５等を排気絞り手段として活用しても良く、更には、排気絞り手段を新たに設けるようにしてもコスト面以外での格別な問題はない。

更に、電気ヒータ１９による還流ガス８’の加熱と、冷却水絞り弁１７による冷却水１４の絞り込みとを併用することにより、ＥＧＲクーラ１３の出口ガス温度を上昇させることができるので、燃料由来のＳＯＦ分を可能な限り揮発させて流路壁面への残留を抑制することができ、流路壁面をドライな状態に保持して煤分の吹き飛ばしを容易化することができる。

尚、本発明のＥＧＲ装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、この形態例においては、一般的な走行環境を想定して掃気モードでＥＧＲバルブを全開とするように説明しているが、高所等の酸素濃度の低い特殊な走行環境を想定した場合には、掃気モードでＥＧＲバルブを全開とすることで極端なエンジン性能の低下（出力低下、ＰＭ排出量増大）を招く虞れがあるため、掃気モード時のＥＧＲバルブは、想定される走行環境に応じて決められた適切な規定開度まで開くようにしておけば良いこと、また、図示では、ＥＧＲクーラの入口側に電気ヒータを設けた場合を例示しているが、出口側に設けても良いし、入口と出口の両方に設けても良く、冷却水絞り手段についても、給水管と排水管の何れに設けても良いこと、また、電気ヒータによる還流ガスの加熱や、冷却水絞り弁による冷却水の絞り込みは、必要に応じて併用すれば良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ エンジン
２ 可変ノズル式ターボチャージャ（排気絞り手段）
２ｂ タービン
６ 吸気マニホールド（吸気通路）
８ 排気ガス
８’ 還流ガス
９ 排気マニホールド（排気通路）
１１ ＥＧＲパイプ
１２ ＥＧＲバルブ
１３ ＥＧＲクーラ
１４ 冷却水
１７ 冷却水絞り弁（冷却水絞り手段）
１９ 電気ヒータ
２１ 制御装置

Claims (4)

1. エンジンの排気通路からＥＧＲパイプを介し排気ガスの一部を抜き出して還流ガスとして吸気通路へ再循環するようにしたＥＧＲ装置であって、前記排気通路における還流ガスの抜き取り位置よりも下流側で排気ガスの流れを絞り込む排気絞り手段を備え、前記ＥＧＲパイプや該ＥＧＲパイプ途中のＥＧＲクーラ及びＥＧＲバルブへの煤化合物の堆積が懸念される条件が成立した時に前記ＥＧＲバルブを規定開度まで開き且つ前記排気絞り手段を絞り込み操作して還流ガスの流量及び流速を強制的に上昇させる掃気モードを実行する制御装置を備えたことを特徴とするＥＧＲ装置。
2. タービンのノズルベーン開度を調整可能な可変ノズル式ターボチャージャがエンジンに搭載され、排気マニホールドから排気ガスの一部が還流ガスとして抜き出されて吸気マニホールドの入口付近に再循環されるように構成されている場合に、前記可変ノズル式ターボチャージャを排気絞り手段としたことを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲ装置。
3. ＥＧＲクーラの入口及び出口の少なくとも何れか一方に電気ヒータを設け、掃気モードの実行時に前記電気ヒータによる還流ガスの加熱を併せて実行するように制御装置を構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のＥＧＲ装置。
4. ＥＧＲクーラに対し吸排される冷却水の流量を絞り込む冷却水絞り手段を設け、掃気モードの実行時に前記冷却水絞り手段による冷却水の流量の絞り込みを併せて実行するように制御装置を構成したことを特徴とする請求項１、２又は３に記載のＥＧＲ装置。

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