JP2016084727A - Ｅｇｒシステム - Google Patents

Abstract

【課題】冷却水の部分沸騰の発生を抑制すると共に水ポンプの駆動損失を低減できるＥＧＲシステムを提供する。
【解決手段】ＥＧＲシステム５０は、高圧側ＥＧＲクーラ６３内に冷却水Ｗを通す高圧側冷却水通路８１と、高圧側冷却水通路８１の上流側に配置されて低圧側ＥＧＲクーラ７３内に冷却水Ｗを通す低圧側冷却水通路８３と、低圧側冷却水通路８３をバイパスする低圧側バイパス通路８５と、冷却水Ｗを低圧側バイパス通路８５へバイパスさせるか否かを切り替える第１の切替弁Ｖ１と、を有する冷却水通路８０を備える。ＥＧＲシステム５０は、冷却水通路８０を通る冷却水Ｗを加圧する水ポンプＰと、第１の切替弁Ｖ１を制御するＥＣＵ９０と、を備える。ＥＣＵ９０は、低圧側ＥＧＲシステム７０の非作動条件下において、冷却水Ｗの少なくとも一部が低圧側バイパス通路８５へバイパスされるように第１の切替弁Ｖ１を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＥＧＲシステムに関する。

従来、エンジン等における排気ガスの低ＮＯｘ化に有効な手段として、排気ガスを吸気側へ還流させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）システムが知られている。例えば、特許文献１に記載のＥＧＲ装置では、ＥＧＲクーラ内を流れる冷却水によって排気ガスの一部を冷却し、ＥＧＲガスとして吸気側へ還流している。このＥＧＲ装置では、ＥＧＲガスの過冷却を防止するために、冷却水の温度が低い場合にはＥＧＲクーラへの冷却水の流入を制限している。

特開２０１３−１３００６３号公報

ＥＧＲシステムとしては、過給機付きエンジンにおける過給機のタービンより上流側の排気通路から比較的高圧の排気ガスを取り入れ、過給機のコンプレッサより下流側の吸気通路へ還流する高圧側ＥＧＲ（ＨＰＬ：High Pressure Loop）システムが一般的である。これに対し、近年では、タービンより下流側の排気通路から比較的低圧の排気ガスを取り入れ、コンプレッサより上流側の吸気通路へ還流する低圧側ＥＧＲ（ＬＰＬ：Low Pressure Loop）システムを高圧側ＥＧＲシステムに組み合わせたＤＬ（DualLoop）−ＥＧＲシステムが提案されている。

このＤＬ−ＥＧＲシステムにおいて、高圧側ＥＧＲシステム及び低圧側ＥＧＲシステムの各々にＥＧＲクーラを設け、低圧側のＥＧＲクーラから順に冷却水を流した場合、前段の低圧側ＥＧＲクーラでの圧力損失によって後段の高圧側ＥＧＲクーラに供給される冷却水の水量が要求量に対して少なくなり、高圧側ＥＧＲクーラでの熱交換量が不足するおそれがある。このため、例えばエンジンの高速、高負荷運転時には、高圧側ＥＧＲクーラの出口における冷却水の温度が上昇し、冷却水が部分沸騰するおそれがある。

また、ＥＧＲシステムの非作動時にもＥＧＲクーラに冷却水を供給しているため、冷却水を加圧する水ポンプにおいて駆動損失（無駄仕事）が生じている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、冷却水の部分沸騰の発生を抑制すると共に水ポンプの駆動損失を低減できるＥＧＲシステムを提供することを目的とする。

本発明に係るＥＧＲシステムは、高圧側ＥＧＲシステムのＥＧＲガスを冷却する高圧側ＥＧＲクーラと、低圧側ＥＧＲシステムのＥＧＲガスを冷却する低圧側ＥＧＲクーラと、高圧側ＥＧＲクーラ内に冷却水を通す高圧側冷却水通路と、高圧側冷却水通路の上流側に配置されて低圧側ＥＧＲクーラ内に冷却水を通す低圧側冷却水通路と、低圧側冷却水通路をバイパスする低圧側バイパス通路と、冷却水を低圧側バイパス通路へバイパスさせるか否かを切り替える第１の切替弁と、を有する冷却水通路と、冷却水通路を通る冷却水を加圧する水ポンプと、第１の切替弁を制御する制御部と、を備え、制御部は、低圧側ＥＧＲシステムの非作動条件下において、冷却水の少なくとも一部が低圧側バイパス通路へバイパスされるように第１の切替弁を制御する。

このＥＧＲシステムによれば、低圧側ＥＧＲシステムが非作動となった場合、すなわち高圧側ＥＧＲシステムを主体として作動させる場合に、制御部が第１の切替弁を低圧側冷却水通路側から低圧側バイパス通路側に切り替えることで、冷却水は低圧側ＥＧＲクーラをバイパスして高圧側ＥＧＲクーラに供給される。このため、低圧側ＥＧＲクーラでの圧力損失を回避することで、高圧側ＥＧＲクーラに供給する冷却水の水量を増加させることができる。これにより、高圧側ＥＧＲクーラに供給する冷却水の水量が要求量に対して少なくなることを抑制でき、冷却水の部分沸騰の発生を抑制できる。また、低圧側ＥＧＲシステムの非作動時や、低圧側ＥＧＲシステム及び高圧側ＥＧＲシステムの双方の非作動時に、低圧側ＥＧＲクーラをバイパスする低圧側バイパス通路に冷却水を通すことで、水ポンプの駆動損失を低減できる。よって、このＥＧＲシステムによれば、冷却水の部分沸騰の発生を抑制すると共に水ポンプの駆動損失を低減することが可能となる。

また、本発明に係るＥＧＲシステムでは、冷却水通路は、高圧側冷却水通路をバイパスする高圧側バイパス通路と、冷却水を高圧側バイパス通路へバイパスさせるか否かを切り替える第２の切替弁と、を更に有し、制御部は、高圧側ＥＧＲシステムの非作動条件下において、冷却水の少なくとも一部が高圧側バイパス通路へバイパスされるように第２の切替弁を制御してもよい。このＥＧＲシステムによれば、高圧側ＥＧＲシステムが非作動となった場合、すなわち高圧側ＥＧＲシステム及び低圧側ＥＧＲシステムの双方が非作動となった場合に、冷却水が低圧側ＥＧＲクーラ及び高圧側ＥＧＲクーラの双方をバイパスすることで、水ポンプの駆動損失を一層低減できる。

本発明によれば、冷却水の部分沸騰の発生を抑制すると共に水ポンプの駆動損失を低減できるＥＧＲシステムを提供できる。

第１の実施形態のＥＧＲシステムが搭載されたエンジンを示す概略構成図である。 第２の実施形態のＥＧＲシステムが搭載されたエンジンを示す概略構成図である。 ＥＧＲシステムの切替条件を概略的に示すグラフである。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態のＥＧＲシステムが搭載されたエンジンを示す概略構成図である。図１に示すように、本実施形態のＥＧＲシステム５０は、車両のエンジン１０に搭載されている。ＥＧＲシステム５０は、エンジン１０の排気ガス５の少なくとも一部を吸気側へ還流させるために用いられる。

エンジン１０は、例えば、過給機４０を備えた過給機付きエンジンであり、例えばディーゼルエンジンである。エンジン１０としては、ディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジンであってもよい。また、適用される車両についても限定されるものではなく、例えばトラック、バスもしくは重機等の大型車両や中型車両、普通乗用車、小型車両又は軽車両等であってもよい。

エンジン１０では、吸気通路２０によってエンジン外部（車両外部）から空気が取り込まれる。取り込まれた空気は、吸気３として、吸気通路２０内を通りエンジン１０の吸気マニホールドへ導かれる。吸気通路２０は、エンジン外部と過給機４０のコンプレッサ４１とを接続する第１の吸気通路２１と、コンプレッサ４１とエンジン１０の吸気口とを接続する第２の吸気通路２３と、を有している。第１の吸気通路２１上には、取り込んだ空気中の粉塵等を除去するためのエアクリーナ１３が設けられている。

また、エンジン１０では、排気通路３０によってエンジン外部に排気ガス５が排出される。排気通路３０は、エンジン１０の排出口と過給機４０のタービン４３とを接続する第１の排気通路３１と、タービン４３とエンジン外部とを接続する第２の排気通路３３と、を有している。第２の排気通路３３には、排気ガスを浄化するためのＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１５及びＮＯｘ触媒１６が上流側から順に設けられている。また、エンジン１０には、エンジン回転数を測定する回転数センサ１１が設けられている。回転数センサ１１は、ＥＣＵ９０に電気的に接続されており、エンジン回転数の計測結果をＥＣＵ９０に出力している。

過給機４０は、コンプレッサ４１と、コンプレッサ４１にシャフト（図示せず）を介して連結されたタービン４３と、を有している。タービン４３は、第１の排気通路３１を通る排気ガス５によって回転駆動される。この駆動によって排気ガス５のエネルギーが失われることから、第２の排気通路３３内の排気ガス５は、第１の排気通路３１内の排気ガス５よりも低圧となる。タービン４３における駆動力がシャフトを介してコンプレッサ４１に伝達されることで、コンプレッサ４１に駆動力が付与される。コンプレッサ４１は、第１の吸気通路２１から流入した吸気３を当該駆動力によって圧縮し、圧縮した吸気３を第２の吸気通路２３へ送出する。

ＥＧＲシステム５０は、高圧側ＥＧＲ（ＨＰＬ：High Pressure Loop）システム６０と、低圧側ＥＧＲ（ＬＰＬ：LowPressure Loop）システム７０と、を組み合わせたＤＬ（Dual Loop）−ＥＧＲシステムとされている。

高圧側ＥＧＲシステム６０は、第１の排気通路３１と第２の吸気通路２３とを接続する高圧側ＥＧＲ通路６１を有しており、第１の排気通路３１から比較的高圧の排気ガス５を取り入れ、高圧側ＥＧＲガス７として第２の吸気通路２３へ還流する。高圧側ＥＧＲ通路６１上には、高圧側ＥＧＲガス７を冷却する高圧側ＥＧＲクーラ６３が設けられており、高圧側ＥＧＲクーラ６３の内部を流れる冷却水Ｗと高圧側ＥＧＲガス７とが熱交換することで、高圧側ＥＧＲガス７が冷却さされる。

低圧側ＥＧＲシステム７０は、第２の排気通路３３と第１の吸気通路２１とを接続する低圧側ＥＧＲ通路７１を有しており、第２の排気通路３３から比較的低圧の排気ガス５を取り入れ、低圧側ＥＧＲガス９として第１の吸気通路２１へ還流する。低圧側ＥＧＲ通路７１上には、低圧側ＥＧＲガス９を冷却する低圧側ＥＧＲクーラ７３が設けられており、低圧側ＥＧＲクーラ７３の内部を流れる冷却水Ｗと低圧側ＥＧＲガス９とが熱交換することで、低圧側ＥＧＲガス９が冷却さされる。

高圧側ＥＧＲクーラ６３及び低圧側ＥＧＲクーラ７３に冷却水Ｗを供給するための構成として、ＥＧＲシステム５０は、冷却水通路８０と、水ポンプＰと、ＥＣＵ（Electronic Control Unit、制御部）９０と、を備えている。冷却水通路８０は、高圧側ＥＧＲクーラ６３内に冷却水Ｗを通す高圧側冷却水通路８１と、高圧側冷却水通路８１の上流側に配置されて低圧側ＥＧＲクーラ７３内に冷却水Ｗを通す低圧側冷却水通路８３と、低圧側冷却水通路８３をバイパスする低圧側バイパス通路８５と、低圧側冷却水通路８３の上流側と低圧側バイパス通路８５との接続箇所に設けられた第１の切替弁Ｖ１と、を有している。低圧側バイパス通路８５は、低圧側冷却水通路８３の上流側と、低圧側冷却水通路８３と高圧側冷却水通路８１との間と、に接続されている。

第１の切替弁Ｖ１は、例えば電磁式の方向制御弁（二方弁）であり、冷却水Ｗを低圧側バイパス通路８５へバイパスさせるか否かを切り替える。すなわち、第１の切替弁Ｖ１は、冷却水Ｗが低圧側冷却水通路８３内へ流入する状態と、冷却水Ｗが低圧側バイパス通路８５へ流入する状態とを切り替える。水ポンプＰは、冷却水通路８０の最上流部に配置されて冷却水通路８０を通る冷却水Ｗを加圧している。

ＥＣＵ９０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read OnlyMemory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を含むコンピュータにより構成されている。ＥＣＵ９０は、第１の切替弁Ｖ１に電気的に接続されており、第１の切替弁Ｖ１の切替状態を制御する。

ＥＣＵ９０による第１の切替弁Ｖ１の切替状態の制御について説明する。図３は、ＥＧＲシステム５０の切替条件を概略的に示すグラフであり、横軸はエンジン１０の回転数を表し、縦軸はエンジン１０の負荷を表している。ＥＣＵ９０は、例えば、燃料の噴射指示量と負荷との関係を表すマップを記憶しており、当該マップに基づいてエンジン１０の負荷を算出する。

本実施形態では、ＥＣＵ９０は、低圧側ＥＧＲシステム７０の非作動条件下において、冷却水Ｗが低圧側バイパス通路８５へバイパスされるように第１の切替弁Ｖ１を制御する。低圧側ＥＧＲシステム７０が非作動となる場合としては、例えば、図３に示すように、エンジン１０の回転数及び負荷が増加してエンジン１０が高速、高負荷運転状態となった場合が挙げられる。この場合、過給機４０の効率低下を抑制するために、ＥＣＵ９０は、低圧側ＥＧＲシステム７０を非作動状態とし、高圧側ＥＧＲシステム６０のみを作動させる。また、エンジン１０が低速、軽負荷運転状態となった場合や、低水温時の始動、暖機時にも、過冷却による凝縮水の発生や白煙の発生を抑制するために、低圧側ＥＧＲシステム７０を非作動状態とし、高圧側ＥＧＲシステム６０のみを作動させる。なお、低圧側ＥＧＲシステム７０の非作動状態は、低圧側ＥＧＲシステム７０の低圧側ＥＧＲバルブ７５を閉じることにより実現することができる。

このように、本実施形態では、エンジン１０の回転数及び負荷の値が低圧側ＥＧＲシステム７０の作動及び非作動を決定する条件の１つとなっている。このため、ＥＣＵ９０は、エンジン１０の回転数及び負荷が低圧側ＥＧＲシステム７０の非作動条件として設定された条件を満たしている場合に、冷却水Ｗが低圧側バイパス通路８５へバイパスされるように第１の切替弁Ｖ１を制御している。これにより、低圧側ＥＧＲシステム７０の非作動条件下において、冷却水Ｗが低圧側バイパス通路８５へバイパスされることとなる。なお、上記条件は、主に過給機４０の特性に基づいて予め定められる。

また、低圧側ＥＧＲシステム７０が非作動となる場合としては、高圧側ＥＧＲシステム６０及び低圧側ＥＧＲシステム７０の双方が非作動となる場合も含まれる。例えば、エンジン１０の低温時や、ＤＰＦ１５の再生時等のＥＧＲカット条件においては、高圧側ＥＧＲシステム６０及び低圧側ＥＧＲシステム７０の双方が非作動とされる。本実施形態では、ＥＣＵ９０は、これらの低圧側ＥＧＲシステム７０の非作動条件下においても、冷却水Ｗが低圧側バイパス通路８５へバイパスされるように第１の切替弁Ｖ１を制御している。なお、高圧側ＥＧＲシステム６０の非作動状態は、高圧側ＥＧＲシステム６０のＥＧＲバルブ６５を閉じることにより実現することができる。

以上説明したＥＧＲシステム５０によれば、低圧側ＥＧＲシステム７０が非作動となった場合、すなわち高圧側ＥＧＲシステム６０を主体として作動させる場合に、ＥＣＵ９０が第１の切替弁Ｖ１を低圧側冷却水通路８３から低圧側バイパス通路８５側に切り替えることで、冷却水Ｗは低圧側ＥＧＲクーラ７３をバイパスして高圧側ＥＧＲクーラ６３に供給される。このため、低圧側ＥＧＲクーラ７３での圧力損失を回避することで、高圧側ＥＧＲクーラ６３に供給する冷却水Ｗの水量を増加させることができる。これにより、高圧側ＥＧＲクーラ６３に供給する冷却水Ｗの水量が要求量に対して少なくなることを抑制でき、冷却水Ｗの部分沸騰の発生を抑制できる（部分沸騰に対する耐性を向上できる）。また、低圧側ＥＧＲシステム７０の非作動時や、低圧側ＥＧＲシステム７０及び高圧側ＥＧＲシステム６０の双方の非作動時に、低圧側ＥＧＲクーラ７３をバイパスする低圧側バイパス通路８５に冷却水Ｗを通すことで、水ポンプＰの駆動損失を低減できる。よって、このＥＧＲシステム５０によれば、冷却水Ｗの部分沸騰の発生を抑制すると共に水ポンプＰの駆動損失を低減することが可能となる。

また、ＥＧＲシステム５０によれば、エンジン１０の回転数及び負荷が低圧側ＥＧＲシステム７０の非作動条件として設定された条件を満たしている場合に、低圧側ＥＧＲクーラ７３をバイパスした冷却水Ｗが高圧側ＥＧＲクーラ６３に供給される。このため、高圧側ＥＧＲクーラ６３する冷却水Ｗの水量を増加させることができ、冷却水Ｗの部分沸騰の発生を抑制できる。また、この場合に、冷却水Ｗが低圧側ＥＧＲクーラ７３をバイパスすることで、水ポンプＰの駆動損失を低減できる。

［第２の実施形態］
図２は、第２の実施形態のＥＧＲシステムが搭載されたエンジンを示す概略構成図である。第２の実施形態のＥＧＲシステム５０Ａは、冷却水通路８０が、高圧側冷却水通路８１をバイパスする高圧側バイパス通路８７と、冷却水Ｗを高圧側バイパス通路８７へバイパスさせるか否かを切り替える第２の切替弁Ｖ２と、を更に有する点で第１の実施形態のＥＧＲシステム５０と相違する。高圧側バイパス通路８７は、高圧側冷却水通路８１の上流側と下流側とに接続されており、第２の切替弁Ｖ２は、高圧側冷却水通路８１の上流側と高圧側バイパス通路８７との接続箇所に設けられている。ＥＧＲシステム５０Ａでは、ＥＣＵ９０は、第１の切替弁Ｖ１及び第２の切替弁Ｖ２の双方に電気的に接続されており、これら双方の切替状態を制御する。

ＥＧＲシステム５０Ａでは、ＥＣＵ９０は、高圧側ＥＧＲシステム６０の非作動条件下において、冷却水Ｗが高圧側バイパス通路８７へバイパスされるように第２の切替弁Ｖ２を制御する。上述したように、高圧側ＥＧＲシステム６０が非作動となる場合とは、高圧側ＥＧＲシステム６０及び低圧側ＥＧＲシステム７０の双方が非作動となる場合であり、上述したＥＧＲカット条件が満たされた場合である。ＥＧＲシステム５０Ａでは、ＥＣＵ９０は、これらのＥＧＲカット条件下において、冷却水Ｗが高圧側バイパス通路８７へバイパスされるように第２の切替弁Ｖ２を制御する。

このＥＧＲシステム５０Ａによれば、高圧側ＥＧＲシステム６０が非作動となった場合、すなわち高圧側ＥＧＲシステム６０及び低圧側ＥＧＲシステム７０の双方が非作動となった場合に、冷却水Ｗが高圧側ＥＧＲクーラ６３及び低圧側ＥＧＲクーラ７３の双方をバイパスすることで、水ポンプＰの駆動損失を一層低減できる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用してもよい。

例えば、上記第１の実施形態では、冷却水Ｗの全量を低圧側バイパス通路８５へバイパスさせる例を説明したが、冷却水Ｗの少なくとも一部を低圧側バイパス通路８５へバイパスすればよく、冷却水Ｗの一部を低圧側冷却水通路８３へバイパスさせ、残りを低圧側バイパス通路８５へ通してもよい。この場合、第１の切替弁Ｖ１として開度を制御可能なものを用い、ＥＣＵ９０で第１の切替弁Ｖ１の開度を制御すればよい。この点は、上記第２の実施形態における高圧側バイパス通路８７についても同様である。

また、上記実施形態では、エンジン１０の回転数及び負荷に基づいて低圧側ＥＧＲシステム７０の非作動条件を判定する例を説明したが、コンプレッサ４１を通過する空気流量（コンプレッサ流量）に基づいて判定してもよい。ＥＣＵ９０は、例えば、コンプレッサ４１の特性をモデル化したモデルを用いて、コンプレッサ４１に流入する空気流量をコンプレッサ入口の温度、圧力、大気条件等で修正し、修正した値に基づいて低圧側ＥＧＲシステム７０の非作動条件を判定する（モデルベース制御）。コンプレッサ流量（低圧側ＥＧＲシステム７０の作動時は空気量と低圧側ＥＧＲガス量の和）が過多になると、コンプレッサ効率が低下し、燃費が悪化する。このため、上記非作動条件は、エンジン１０の性能に基づいて実験的に求められる。

３…吸気、５…排気ガス、７…高圧側ＥＧＲガス、９…低圧側ＥＧＲガス、１０…エンジン、１１…回転数センサ、１３…エアクリーナ、１５…ＤＰＦ、１６…ＮＯｘ触媒、２０…吸気通路、３０…排気通路、４０…過給機、４１…コンプレッサ、４３…タービン、５０，５０Ａ…ＥＧＲシステム、６０…高圧側ＥＧＲシステム、６１…高圧側ＥＧＲ通路、６３…高圧側ＥＧＲクーラ、７０…低圧側ＥＧＲシステム、７１…低圧側ＥＧＲ通路、７３…低圧側ＥＧＲクーラ、８０…冷却水通路、８１…高圧側冷却水通路、８３…低圧側冷却水通路、８５…低圧側バイパス通路、８７…高圧側バイパス通路、９０…ＥＣＵ（制御部）、Ｐ…水ポンプ、Ｖ１…第１の切替弁、Ｖ２…第２の切替弁、Ｗ…冷却水。

Claims (2)

1. 高圧側ＥＧＲシステムのＥＧＲガスを冷却する高圧側ＥＧＲクーラと、
   低圧側ＥＧＲシステムのＥＧＲガスを冷却する低圧側ＥＧＲクーラと、
   前記高圧側ＥＧＲクーラ内に冷却水を通す高圧側冷却水通路と、前記高圧側冷却水通路の上流側に配置されて前記低圧側ＥＧＲクーラ内に前記冷却水を通す低圧側冷却水通路と、前記低圧側冷却水通路をバイパスする低圧側バイパス通路と、前記冷却水を前記低圧側バイパス通路へバイパスさせるか否かを切り替える第１の切替弁と、を有する冷却水通路と、
   前記冷却水通路を通る前記冷却水を加圧する水ポンプと、
   前記第１の切替弁を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記低圧側ＥＧＲシステムの非作動条件下において、前記冷却水の少なくとも一部が前記低圧側バイパス通路へバイパスされるように前記第１の切替弁を制御する、ＥＧＲシステム。
2. 前記冷却水通路は、前記高圧側冷却水通路をバイパスする高圧側バイパス通路と、前記冷却水を前記高圧側バイパス通路へバイパスさせるか否かを切り替える第２の切替弁と、を更に有し、
   前記制御部は、前記高圧側ＥＧＲシステムの非作動条件下において、前記冷却水の少なくとも一部が前記高圧側バイパス通路へバイパスされるように前記第２の切替弁を制御する、請求項１記載のＥＧＲシステム。

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