JP2016205206A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】冷態時の暖機を促進しながら、排気再循環の機能を有効に活かすことができる内燃機関を提供する。
【解決手段】排気路に排気スロットル弁を配置し、その排気路における排気スロットル弁より上流側の位置に流れる排気ガスを排気再循環路によって吸気路に導く。排気再循環路には熱交換器を配置し、排気再循環路に流れる排気ガスの熱をその熱交換器を介してエンジン冷却水に与える。排気再循環路における熱交換器より下流側の位置に第１流量調整弁を配置し、排気再循環路における熱交換器と第１流量調整弁との間に流れる排気ガスを排気路における排気スロットル弁より下流側の位置に導く。暖機経路には第２流量調整弁を配置する。そして、排気スロットル弁、第１流量調整弁、及び、第２流量調整弁のそれぞれの開度変化を制御する。
【選択図】図１

Description

この発明は、排気ガスの一部を吸気側に導く排気再循環の機能を備えた内燃機関に関する。

排気ガスの一部を吸気側に導く排気再循環いわゆるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）により、排気ガスに含まれる窒素酸化物（NOx）等の有害物質の低減および燃費の向上を図るようにした内燃機関が知られている。

この内燃機関では、排気路と吸気路との間に排気再循環路である低圧ＥＧＲ流路が配置され、そのＥＧＲ流路にＥＧＲクーラおよびＥＧＲバルブが配置される。ＥＧＲクーラは、ＥＧＲ流路に流れる排気ガスの熱を当該内燃機関の冷却水（エンジン冷却水）に与える熱交換器である。このＥＧＲクーラを通る排気ガスは、エンジン冷却水に熱を奪われることで温度低下し、ガス密度が高まった状態で吸気路に流れる。

このような内燃機関では、エンジン冷却水の温度が低い冷態時、エンジン内の潤滑油の粘度が高くてフリクションが大きく、また燃焼室から逃げていく熱量も多いため、燃費が悪化してしまう。対策として、冷態時は、排気路中の全ての排気ガスをＥＧＲ流路に流入させてＥＧＲクーラに通し、ＥＧＲクーラを経た排気ガスを吸気路でなく排気路に導く流路が形成される。この流路により、全ての排気ガスの熱がエンジン冷却水を温める暖機に使用される。

特開２００７−２４０２２号公報 特開２００９−１２７５１３号公報

上記のように、全ての排気ガスをＥＧＲクーラに通して排気路に導く内燃機関では、暖機は促進されるが、暖機中はせっかくの排気再循環の機能がまったく活かされない状態となる。

この発明の目的は、冷態時の暖機を促進しながら、排気再循環の機能を有効に活かすことができる内燃機関を提供することである。

請求項１に係る発明の内燃機関は、燃焼用空気を燃焼室に導く吸気路と、前記燃焼室から流出する排気が通る排気路と、この排気路に配置された排気スロットル弁と、前記排気路における前記排気スロットル弁より上流側の位置に流れる排気ガスを前記吸気路に導く排気再循環路と、この排気再循環路に流れる排気ガスの熱と当該内燃機関の冷却水の熱とを交換する熱交換器と、前記排気再循環路における前記熱交換器より下流側の位置に配置された第１流量調整弁と、前記排気再循環路における前記熱交換器と前記第１流量調整弁との間に流れる排気ガスを前記排気路における前記排気スロットル弁より下流側の位置に導く暖機経路と、この暖機経路に配置された第２流量調整弁と、制御手段と、を備える。制御手段は、前記排気スロットル弁、前記第１流量調整弁、及び、前記第２流量調整弁のそれぞれの開度変化を制御する。

請求項２に係る発明の内燃機関は、請求項１に係る発明の制御手段について限定している。制御手段は、前記内燃機関を流れる冷却水の温度が第１設定値未満の場合、前記第１流量調整弁および前記排気スロットル弁を全閉にして、前記第２流量調整弁を全開にする。

請求項３に係る発明の内燃機関は、請求項１又は２に係る発明の制御手段について限定している。制御手段は、前記冷却水の温度が前記第１設定値以上であって前記第１設定値より高い第２設定値未満の場合、前記排気スロットル弁の全閉を保った状態で、前記第１流量調整弁の開度を増していき、かつ前記第２流量調整弁の開度を徐々に絞る。

請求項４に係る発明の内燃機関は、請求項３に係る発明の制御手段について限定している。制御手段は、前記冷却水の温度が前記第１設定値以上であって前記第１設定値より高い第２設定値未満の場合、前記第１流量調整弁の開度を所定の速さで増していき、その第１流量調整弁が全開に至った後、その第１流量調整弁が全開に至るまでの開度変化より遅い速さで前記第２流量調整弁の開度を徐々に絞る。

請求項５に係る発明の内燃機関は、請求項３又は４に係る発明の制御手段について限定している。制御手段は、前記冷却水の温度が前記第２設定値以上となった場合、前記第１流量調整弁の全開を保った状態で、前記第２流量調整弁を全閉にしかつ前記排気路から前記吸気路への排気再循環量が目標値となるよう前記排気スロットル弁の開度を制御する。

請求項６に係る発明の内燃機関は、請求項３から５のいずれか１項に係る発明の制御手段について限定している。制御手段は、前記冷却水の温度が前記第２設定値に達するまでの期間において、当該内燃機関の負荷が所定値以上となった場合、前記排気スロットル弁を前記冷却水の温度にかかわらず強制的に所定開度に開く。

この発明によれば、冷態時の暖機を促進しつつ、排気再循環の機能を有効に活かすことができる。これにより、燃費の大幅な向上が図れるとともに、窒素酸化物等の有害物質の低減効果が向上する。

この発明の一実施形態の内燃機関の構成を示す図。 同実施形態の制御を示すフローチャート。 同実施形態におけるエンジン冷却水温度、低圧ＥＧＲ流量、暖機経路流量を各バルブの開度変化と共に示すタイムチャート。

以下、この発明の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１において、多気筒の筒内直接噴射式内燃機関であるディーゼルエンジン１は、吸気ポート２から燃焼室１ａに取込んだ空気をピストンで圧縮し、その圧縮空気に燃料を噴射することで着火・燃焼を行い、燃焼により生じる排気ガスを排気ポート３から排出する。

吸気ポート２は、吸気管（吸気路）１１およびその吸気管１１に配置されたインタークーラ１２を介してターボチャージャ１３の過給側流路に連通される。ターボチャージャ１３は、吸気管（吸気路）１４およびその吸気管１４に配置された塵埃除去用のフィルタ１５を通して大気を取込み、取込んだ大気をタービン回転により圧縮し吐出する。吐出される空気は、吸気管１１およびインタークーラ１２を通って吸気ポート２に流入する。また、吸気管１１には、吸気の流れ方向においてインタークーラ１２より下流側の位置に、吸気流量調整用の吸気スロットル弁１６が配置される。

排気ポート３から排出される排気ガスは、排気管（排気路）２１、ターボチャージャ１３のタービン側流路、排気管（排気路）２２、その排気管２２に配置された酸化触媒２３およびディーゼルパティキュレートフィルタ２４を通って大気中に放出される。ディーゼルパティキュレートフィルタ２４は、排気ガスに含まれる微粒子状物質（Particulate）を除去する。また、排気管２２には、排気の流れ方向においてディーゼルパティキュレートフィルタ２４より下流側の位置に、排気流量調整用の排気スロットル弁２５が配置される。

排気管２１に排気再循環路である高圧ＥＧＲ流路（配管）１７の一端が接続され、その高圧ＥＧＲ流路１７の他端が吸気管１１における吸気スロットル弁１６より下流側の位置に接続される。そして、高圧ＥＧＲ流路１７の中途部に、高圧ＥＧＲバルブ１８が配置される。高圧ＥＧＲ流路１７は、排気管２１に流れる排気ガスの一部を吸気管１１に導く。高圧ＥＧＲバルブ１８は、全閉から全開まで開度が連続的に変化する流量調整弁であり、開度変化によって排気ガスの流量を調整する。

排気管２２におけるディーゼルパティキュレートフィルタ２４と排気スロットル弁２５との間の位置に排気再循環路である低圧ＥＧＲ流路（配管）２６の一端が接続され、その低圧ＥＧＲ流路２６の他端が吸気管１４におけるフィルタ１５とターボチャージャ１３との間の位置に接続される。そして、低圧ＥＧＲ流路２６の中途部に、低圧ＥＧＲクーラ２７および低圧ＥＧＲバルブ２８が配置される。

低圧ＥＧＲ流路２６は、排気管２２から流入する排気ガスを吸気管１４に導く。低圧ＥＧＲクーラ２７は、排気ガスが通る排気ガス流路、および冷却水タンクとの間で循環するエンジン冷却水が通る水流路を含み、排気ガス流路とエンジン冷却水とを熱交換を行う熱交換器である。低圧ＥＧＲバルブ２８は、全閉から全開まで開度が連続的に変化する流量調整弁（第１流量調整弁）であり、その開度変化によって排気ガスの流量を調整する。なお、低圧ＥＧＲクーラ２７と低圧ＥＧＲバルブ２８の位置関係は、排気ガスの流れ方向において、低圧ＥＧＲクーラ２７が上流側、低圧ＥＧＲバルブ２８が下流側の関係となる。

低圧ＥＧＲ流路２６における低圧ＥＧＲクーラ２７と低圧ＥＧＲバルブ２８との間の位置に暖機経路（配管）３１の一端が接続され、その暖機経路３１の他端が排気管２２における排気スロットル弁２５より下流側の位置に接続される。そして、暖機経路３１の中途部に、暖機経路バルブ３２が配置される。暖機経路３１は、低圧ＥＧＲ流路２６に流れる排気ガスを排気管２２における排気スロットル弁２５より下流側の位置に導く。暖機経路バルブ３２は、全閉から全開まで開度が連続的に変化する流量調整弁（第２流量調整弁）であり、その開度変化によって排気ガスの流量を調整する。

一方、コントロールユニット４０に、吸気スロットル弁１６、高圧ＥＧＲバルブ１８、排気スロットル弁２５、低圧ＥＧＲバルブ２８、暖機経路バルブ３２、冷却水温度センサ（温度検知手段）４１、およびアクセル開度センサ４２が接続される。冷却水温度センサ４１は、上記冷却水タンク内のエンジン冷却水の温度Ｔｗを検知する。アクセル開度センサ４２は、エンジン１の負荷の大きさに対応するアクセル開度（アクセルペダルの踏込み量）を検知する。

コントロールユニット４０は、冷却水タンク内のエンジン冷却水の温度Ｔｗと、排気管２２から吸気管１４への排気再循環量（低圧ＥＧＲ流量）とを、排気スロットル弁２５、低圧ＥＧＲバルブ２８、暖機経路バルブ３２のそれぞれ開度変化により制御するもので、主要な機能として次の（１）〜（４）の手段を備える。
（１）冷却水温度センサ４１の検知温度Ｔｗが設定値（第１設定値）Ｔｗ１未満の場合、低圧ＥＧＲバルブ２８および排気スロットル弁２５を全閉にして、暖機経路バルブ３２を全開にする第１制御手段。

（２）冷却水温度センサ４１の検知温度Ｔｗが設定値Ｔｗ１以上かつ設定値（第２設定値）Ｔｗ２未満の場合、排気スロットル弁２５の全閉を保った状態で、低圧ＥＧＲバルブ２８の開度を増していき、かつ暖機経路バルブ３２の開度を徐々に絞っていく第２制御手段。設定値Ｔｗ２は、設定値Ｔｗ１より高い完全暖機温度である。

（３）冷却水温度センサ４１の検知温度Ｔｗが設定値Ｔｗ２以上となった場合、低圧ＥＧＲバルブ２８の全開を保った状態で、暖機経路バルブ３２を全閉しかつ低圧ＥＧＲ流量が目標値となるよう排気スロットル弁２５の開度を制御する第３制御手段。

（４）冷却水温度センサ４１の検知温度Ｔｗが設定値Ｔｗ２に達するまでの期間において、アクセル開度センサ４２により検知されるアクセル開度（エンジン１の負荷）が所定値以上となった場合、排気スロットル弁２５を第１および第２制御手段の制御にかかわらず所定開度に開く第４制御手段。

なお、上記（２）の第２制御手段は、具体的には、冷却水温度センサ４１の検知温度Ｔｗが設定値Ｔｗ１以上かつ設定値（第２設定値）Ｔｗ２未満の場合、排気スロットル弁２５の全閉を保った状態で、低圧ＥＧＲバルブ２８の開度を所定の速さで増していき、その低圧ＥＧＲバルブ２８が全開に至った後、その低圧ＥＧＲバルブ２８が全開に至るまでの開度変化より遅い速さで暖機経路バルブ３２の開度を徐々に絞っていく。

つぎに、コントロールユニット４０が実行する制御を図２のフローチャートおよび図３のタイムチャートを参照しながら説明する。図３は、エンジン冷却水の温度Ｔｗ、低圧ＥＧＲ流量、暖機経路流量の変化を排気スロットル弁２５、低圧ＥＧＲバルブ２８、暖機経路バルブ３２の開度変化と共に示している。

［１］Ｔｗ＜Ｔｗ１の場合
冷却水温度センサ４１の検知温度Ｔｗが設定値Ｔｗ１未満の場合（ステップＳ１のＹＥＳ）、コントロールユニット４０は、低圧ＥＧＲバルブ２８を全閉し（ステップＳ２）、排気スロットル弁２５を全閉し（ステップＳ３）、かつ暖機経路バルブ３２を全開する（ステップＳ４）。そして、コントロールユニット４０は、ステップＳ１の温度判定処理に戻る。

低圧ＥＧＲバルブ２８および排気スロットル弁２５が全閉して暖機経路バルブ３２が全開するので、排気管２２のディーゼルパティキュレートフィルタ２４を経た排気ガスはその全てが低圧ＥＧＲ流路２６に流入する。低圧ＥＧＲ流路２６に流入した排気ガスは、低圧ＥＧＲクーラ２７を通る際に、低圧ＥＧＲクーラ２７に流れるエンジン冷却水と熱交換する。低圧ＥＧＲクーラ２７を経た排気ガスは、その全てが暖機経路３１に流入する。暖機経路３１に流入した排気ガスは、全開の暖機経路バルブ３２を通って排気管２２の末端側に流れる。

排気ガスの全てが低圧ＥＧＲクーラ２７を通って流れるので、エンジン冷却水の温度Ｔｗが効率よく迅速に上昇し、暖機が促進される。よって、燃費の大幅な向上が図れる。また、暖機経路バルブ３２が全開するので、低圧ＥＧＲクーラ２７から流出する排気ガスを排気管２２に効率よく導くことができる。

なお、コントロールユニット４０は、アクセル開度センサ４２により検知されるアクセル開度（エンジン１の負荷）が所定値以上となった場合、全閉状態となっている排気スロットル弁２５を冷却水温度センサ４１の検知温度Ｔｗにかかわらず所定開度に開く。排気スロットル弁２５が開くことにより、排気の圧力損失が解消される。つまり、暖機よりも圧力損失の解消が優先される。

［２］Ｔｗ１≦Ｔｗ＜Ｔｗ２の場合
冷却水温度センサ４１の検知温度Ｔｗが上昇して設定値Ｔｗ１以上・設定値Ｔｗ２未満の領域に達した場合（ステップＳ１のＮＯ、ステップＳ５のＹＥＳ）、コントロールユニット４０は、排気スロットル弁２５の全閉を保った状態で（ステップＳ６）、低圧ＥＧＲバルブ２８の開度を所定の速さで増していくとともに（ステップＳ７）、この低圧ＥＧＲバルブ２８の開度変化より遅い速さで暖機経路バルブ３２の開度を徐々に絞っていく（ステップＳ８）。そして、コントロールユニット４０は、ステップＳ１の温度判定処理に戻る。

低圧ＥＧＲバルブ２８が開いていくので、低圧ＥＧＲクーラ２７を経て暖機経路３１に流入していた排気ガスが、少しずつ低圧ＥＧＲバルブ２８および低圧ＥＧＲ流路２６を通って吸気管１４に流入するようになる。すなわち、低圧ＥＧＲバルブ２８の開度変化に伴って低圧ＥＧＲ流量が徐々に増えていく。低圧ＥＧＲ流量は、暖機経路バルブ３２の開度変化に委ねられる。

低圧ＥＧＲバルブ２８が全開に至っても、暖機経路バルブ３２が開いて暖機経路３１がまだ導通しているので、しかも排気管２２の末端側の内部圧力のほうが吸気管１４の内部圧力よりも低いので、低圧ＥＧＲ流路２６から吸気管１４に流れる低圧ＥＧＲ流量は急には増大しない。できるだけ多くの排気ガスが低圧ＥＧＲクーラ２７を通って暖機経路３１に流入する暖機優先の流路が保たれる。

この場合、暖機を優先しながらも、低圧ＥＧＲバルブ２８が開き始めるのと同時に低圧ＥＧＲが導入開始となり、低圧ＥＧＲ流量が徐々に増えていく。すなわち、低圧ＥＧＲの機能を有効に活かすことができる。これにより、窒素酸化物等の有害物質の低減効果が向上する。

とくに、コントロールユニット４０は、暖機経路バルブ３２の開度を徐々に絞っていく処理を、低圧ＥＧＲバルブ２８が全開した後で開始する。これにより、コントロールユニット４０は、暖機経路バルブ３２の開度変化を低圧ＥＧＲ流量としてそのまま的確に認識することができる。

なお、コントロールユニット４０は、アクセル開度センサ４２により検知されるアクセル開度（エンジン１の負荷）が所定値以上となった場合、全閉状態となっている排気スロットル弁２５を冷却水温度センサ４１の検知温度Ｔｗにかかわらず所定開度に開く。排気スロットル弁２５が開くことにより、排気の圧力損失が解消される。つまり、暖機よりも圧力損失の解消が優先される。

［３］Ｔｗ２＜Ｔｗの場合
冷却水温度センサ４１の検知温度Ｔｗがさらに上昇して完全暖機温度である設定値Ｔｗ２に達した場合（ステップＳ１のＮＯ、ステップＳ５のＮＯ）、コントロールユニット４０は、低圧ＥＧＲバルブ２８の全開を保った状態で（ステップＳ９）、暖機経路バルブ３２を全閉し（ステップＳ１０）、かつ低圧ＥＧＲ流量が目標値となるよう排気スロットル弁２５の開度を制御する（ステップＳ１１）。そして、コントロールユニット４０は、ステップＳ１の温度判定処理に戻る。

暖機経路バルブ３２が全閉するので、低圧ＥＧＲクーラ２７を経た排気ガスは、低圧ＥＧＲバルブ２８および低圧ＥＧＲ流路２６を通って吸気管１４に流入する。コントロールユニット４０は、エンジン１の運転に最適な低圧ＥＧＲ流量を各種センサの検知結果を用いる演算により目標値として求め、求めた目標値に低圧ＥＧＲ流量が一致するように排気スロットル弁２５の開度を制御する。すなわち、低圧ＥＧＲの機能を最大限に活かすことができる。

なお、コントロールユニット４０は、冷却水温度センサ４１の検知温度Ｔｗと設定値Ｔｗ１，Ｔｗ２とを比較する温度判定処理において、検知温度Ｔｗの上昇時は設定値Ｔｗ１，Ｔｗ２をそのまま用い、検知温度Ｔｗの下降時は設定値Ｔｗ１，Ｔｗ２よりヒステリシス値ΔＴだけ低い値をＴｗ１´（＝Ｔｗ１−ΔＴ），Ｔｗ２´（＝Ｔｗ２−ΔＴ）を用いる。

［４］変形例
上記実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…エンジン、１ａ…燃焼室、２…吸気ポート、３…排気ポート、１１…吸気管（吸気路）、１２…インタークーラ、１３…ターボチャージャ、１４…吸気管（吸気路）、１５…フィルタ、２１，２２…排気管（排気路）、２３…酸化触媒、２４…ディーゼルパティキュレートフィルタ、２５…排気スロットル弁、２６…低圧ＥＧＲ流路（排気再循環流路）、２７…低圧ＥＧＲクーラ、２８…低圧ＥＧＲバルブ（第１流量調整弁）、３１…暖機経路、３２…暖機経路バルブ（第２流量調整弁）、４０…コントロールユニット、４１…冷却水温度センサ、４２…アクセル開度センサ

Claims (6)

1. 燃焼用空気を燃焼室に導く吸気路と、
   前記燃焼室から流出する排気が通る排気路と、
   前記排気路に配置された排気スロットル弁と、
   前記排気路における前記排気スロットル弁より上流側の位置に流れる排気ガスを前記吸気路に導く排気再循環路と、
   前記排気再循環路に流れる排気ガスの熱と当該内燃機関の冷却水の熱とを交換する熱交換器と、
   前記排気再循環路における前記熱交換器より下流側の位置に配置された第１流量調整弁と、
   前記排気再循環路における前記熱交換器と前記第１流量調整弁との間に流れる排気ガスを前記排気路における前記排気スロットル弁より下流側の位置に導く暖機経路と、
   前記暖機経路に配置された第２流量調整弁と、
   前記排気スロットル弁、前記第１流量調整弁、及び、前記第２流量調整弁のそれぞれの開度変化を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関。
2. 前記制御手段は、前記内燃機関を流れる冷却水の温度が第１設定値未満の場合、前記第１流量調整弁および前記排気スロットル弁を全閉にして、前記第２流量調整弁を全開にする
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記制御手段は、前記冷却水の温度が前記第１設定値以上であって前記第１設定値より高い第２設定値未満の場合、前記排気スロットル弁の全閉を保った状態で、前記第１流量調整弁の開度を増していき、かつ前記第２流量調整弁の開度を徐々に絞る
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 前記制御手段は、前記冷却水の温度が前記第１設定値以上であって前記第１設定値より高い第２設定値未満の場合、前記第１流量調整弁の開度を所定の速さで増していき、その第１流量調整弁が全開に至った後、その第１流量調整弁が全開に至るまでの開度変化より遅い速さで前記第２流量調整弁の開度を徐々に絞る
   ことを特徴とする請求項３記載の内燃機関。
5. 前記制御手段は、前記冷却水の温度が前記第２設定値以上となった場合、前記第１流量調整弁の全開を保った状態で、前記第２流量調整弁を全閉にしかつ前記排気路から前記吸気路への排気再循環量が目標値となるよう前記排気スロットル弁の開度を制御する
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載の内燃機関。
6. 前記制御手段は、前記冷却水の温度が前記第２設定値に達するまでの期間において、当該内燃機関の負荷が所定値以上となった場合、前記排気スロットル弁を前記冷却水の温度にかかわらず強制的に所定開度に開く
   ことを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の内燃機関。

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