JP2017160814A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも低温において適切なＥＧＲの環流を可能とし、内燃機関の熱効率を向上させる。【解決手段】排気再循環装置（ＥＧＲ）を備える内燃機関１００であって、内燃機関１００から流出する冷却水の温度が所定温度以下である場合、ＥＧＲクーラ１６への冷却水の供給を維持しつつ、冷却水の温度が所定温度を超える場合に比べてその流量を減少させる制御を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、排気再循環手段を有する内燃機関に関する。

排気再循環装置（ＥＧＲ装置）を備える内燃機関において凝縮水の発生を防止しつつ、効率的な暖機を可能とする技術が開示されている。例えば、内燃機関の本体部を冷却する第１経路と、冷却水を昇温する熱源を有する第２経路と、ＥＧＲクーラを冷却する第３経路と、を備え、第３経路のＥＧＲクーラの上流に配置された水温センサにおいて測定された水温がＥＧＲガスの露点温度以上となった場合にＥＧＲガスの環流を開始させる技術が開示されている（特許文献１）。

特開２０１４−９６３４号公報

ところで、ＥＧＲを作動させることにより吸気抵抗を低減でき、内燃機関における燃費を向上させることができる。したがって、できるだけ広い運転条件においてＥＧＲを作動させることが望まれる。

従来技術では、ＥＧＲクーラの上流側の水温センサにより温度測定をし、酸露点以上の温度においてＥＧＲガスの環流を実施するものである。したがって、低水温時にてＥＧＲを駆動することができず、内燃機関における燃費を向上させることができない。

本発明の1つの態様は、排気再循環装置（ＥＧＲ）を備える内燃機関であって、内燃機関から流出する冷却水の温度が所定温度以下である場合、ＥＧＲクーラへの前記冷却水の供給を維持しつつ、前記冷却水の温度が前記所定温度を超える場合に比べてその流量を減少させる制御を行うことを特徴とする内燃機関である。

ここで、前記冷却水の前記ＥＧＲクーラへの流量を調整する調整弁と、前記冷却水の温度を計測する温度センサと、を備え、前記温度センサによって計測された前記冷却水の温度が前記所定温度以下である場合、ＥＧＲクーラへの前記冷却水の供給を維持しつつ、前記調整弁にて前記ＥＧＲクーラへの前記冷却水の流量を調整することが好適である。

また、前記所定の温度は、５０℃以上８０℃以下の温度範囲内であることが好適である。

また、本発明の別の態様は、排気再循環装置（ＥＧＲ）を備える内燃機関であって、前記排気再循環装置内に中和剤を備えることが好適である。ここで、前記中和剤は、アルカリであることが好適である。

本発明によれば、従来よりも低温において適切なＥＧＲの環流が可能となり、内燃機関の熱効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態における内燃機関のシステム構成を示す図である。 本発明の実施の形態における内燃機関のシステム構成の別例を示す図である。 本発明の実施の形態における内燃機関のシステム構成の別例を示す図である。

本発明の実施の形態における内燃機関１００は、図１に示すように、スロットルバルブ１０、燃料噴射弁１２、点火プラグ１４、排気再循環クーラ（ＥＧＲクーラ）１６、排気再循環バルブ（ＥＧＲバルブ）１８、第１冷却経路２０、第２冷却経路２２、ラジエータ２４、水温センサ２６、冷却水バルブ２８、エンジン温度センサ３０及び制御部（ＥＣＵ）３２を含んで構成される。

内燃機関１００は、シリンダブロック、シリンダヘッド及びシリンダブロック内を移動するピストンを備える。シリンダブロック、シリンダヘッド及びピストンで囲まれる空間が燃焼室となる。

内燃機関１００の燃焼室には、シリンダヘッドに設けられた吸気ポートから空気が供給される。吸気バルブによる吸気ポートの開閉タイミングは、機械的又は制御部３２からの制御信号によって制御される。空気はスロットルバルブ１０によって流量が調整されて内燃機関１００の燃焼室へ供給される。スロットルバルブ１０の開度は、アクセル操作等に応じて制御部３２からの制御信号によって調整される。供給される空気には燃料噴射弁１２から供給される燃料が混合され、混合気として内燃機関１００の燃焼室に供給される。燃料噴射弁１２からの燃料噴射の量及び噴射タイミングは制御部３２からの制御信号によって調整される。

内燃機関１００の燃焼室に供給された混合気は点火プラグ１４によって点火され、混合気の燃焼によって生じた圧力によってピストンが駆動される。燃焼後の混合気は排気ガスとしてシリンダヘッドに設けられた排気ポートから内燃機関１００の燃焼室から排気される。排気バルブによる排気ポートの開閉タイミングは、機械的又は制御部３２からの制御信号によって制御される。

本実施の形態では、内燃機関１００の排気系に排気再循環（ＥＧＲ）システムが設けられる。排気再循環システムとは、燃焼後の排気ガスの一部を内燃機関１００の燃焼室に再び吸気させる技術である。燃焼後の排気ガス中の酸素濃度は希薄であり、この排気を吸気と混ぜると吸気中の酸素濃度が低下する。このことにより、大気より酸素濃度が低い状態での燃焼となり、燃焼温度が低下し、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生が抑制される。また、燃焼温度の低下は、シリンダブロック及びシリンダヘッド等の内燃機関１００の構造物からの熱エネルギーの放散を低減し、熱解離による損失を低減させる。さらに、吸気管の負圧を小さくでき、スロットル損失の減少により燃料消費率を向上させることができる。

ＥＧＲクーラ１６は、高温の排気ガスを冷却することによりガス密度を高め、内燃機関１００の損失低減及びノッキングを抑制する。ＥＧＲバルブ１８は、再循環される排気ガスの量を調整するためのバルブである。ＥＧＲバルブ１８は、制御部３２からの制御信号によって開閉度が調整される。すなわち、制御部３２からの制御によってＥＧＲバルブ１８の開閉度を調整することによって、内燃機関１００の排気再循環率（ＥＧＲ率）が制御される。

第１冷却経路２０は、ラジエータ２４を介して内燃機関１００の冷却水を循環させるための経路である。第２冷却経路２２は、ＥＧＲクーラ１６を介して内燃機関１００の冷却水を循環させるための経路である。第２冷却経路２２は、第１冷却経路２０から分岐して冷却水の一部が流れるように設けられる。

ラジエータ２４は、熱交換器の一種であり、内燃機関１００を冷却するための冷却水を内部に流し、熱伝導を利用して周囲の空気や水等に放熱する。ラジエータ２４は、第１冷却経路２０上に設けられる。

水温センサ２６は、第２冷却経路２２を流れる冷却水の温度を測定して制御部３２へ出力するセンサである。水温センサ２６は、ＥＧＲクーラ１６に流れ込む冷却水の温度が正確に測れるように、ＥＧＲクーラ１６の近傍に設けることが好適である。

冷却水バルブ２８は、第２冷却経路２２を流れる冷却水の流量を調整するためのバルブである。冷却水バルブ２８の開度は、制御部３２からの開度制御信号によって制御される。冷却水バルブ２８によりＥＧＲクーラ１６に流れる冷却水の流量を調整することによって、内燃機関１００に環流されるＥＧＲガスの温度を制御することが可能となる。

エンジン温度センサ３０は、内燃機関１００の冷却水の出口付近の温度を測定して制御部３２へ出力するセンサである。エンジン温度センサ３０によって内燃機関１００の冷却水の出口付近の温度を測定することによって内燃機関１００の暖気状態等を確認することができる。例えば、エンジン温度センサ３０で測定された水温が暖気基準温度以上となった場合、十分に暖気されたものとして内燃機関１００の運転を制御することができる。

制御部３２は、アクセル操作によるアクセル開度や内燃機関１００の回転数等の入力に応じて燃料噴射量、空気量、点火時期及びＥＧＲ率等を設定し、その設定値となるようにスロットルバルブ１０、燃料噴射弁１２、点火プラグ１４、ＥＧＲバルブ１８等を制御する。また、本実施の形態では、制御部３２は、水温センサ２６で測定される冷却水の水温に基づいて冷却水バルブ２８の開度を制御する。

以下、本実施の形態の内燃機関１００におけるＥＧＲ制御について説明する。本実施の形態では、水温センサ２６で測定される冷却水の水温に基づいて第２冷却経路２２を介してＥＧＲクーラ１６に流される冷却水の流量を調整しつつＥＧＲ制御を行う。

内燃機関１００の運転開始時には、内燃機関１００は暖気されておらず、内燃機関１００の冷却水は低温である。水温センサ２６によって測定される冷却水の水温が第１基準温度未満である場合には、ＥＧＲを作動させるが、ＥＧＲクーラ１６によるＥＧＲガスの冷却を行わない。すなわち、水温センサ２６によって測定される冷却水の水温が第１基準温度未満である場合、制御部３２は、ＥＧＲバルブ１８を開状態として排気ガスを内燃機関１００に環流させる。一方、制御部３２は、冷却水バルブ２８を閉状態としてＥＧＲクーラ１６へ冷却水を循環させない状態とする。

第１基準温度は、冷却水の温度がその温度未満ではＥＧＲガスが酸露点以下となる温度に設定することが好適である。例えば、第１基準温度は、５０℃に設定することが好適である。

このような制御を行うことによって、ＥＧＲクーラ１６に滞留している冷却水は排気ガスによって暖められ、その結果、内燃機関１００へ環流されるＥＧＲガスは酸露点を超える温度に維持される。これによって、内燃機関１００のピストンに設けられたオイルリングの摩耗を抑制することができる。

ここで、オイルリングの摩耗のメカニズムを説明すると共に、ＥＧＲガスが酸露点を超える温度に維持されることによってその摩耗を抑制できる理由を説明する。内燃機関１００で燃焼された排気ガス中には、燃料中の硫黄（Ｓ）が燃焼により酸化された三酸化硫黄（ＳＯ_３）が含まれる。ＥＧＲガスが酸露点以下である場合、ガス中の水分（Ｈ_２Ｏ）と三酸化硫黄（ＳＯ_３）とが結合して硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）が生成される。この硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）がＥＧＲガスと共に内燃機関１００の燃焼室内に環流されることによって、ピストンのオイルリングが硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）によって摩耗する。そこで、水温センサ２６によって測定される冷却水の水温が第１基準温度未満である場合にはＥＧＲクーラ１６によるＥＧＲガスの冷却を停止することによって、ＥＧＲガスが酸露点を超える温度に保たれ、オイルリングの摩耗が抑制される。

内燃機関１００の暖気が進むと内燃機関１００の冷却水の水温も上昇する。水温センサ２６によって測定される冷却水の水温が第１基準温度以上第２基準温度以下である場合、ＥＧＲを作動させつつ、ＥＧＲクーラ１６へ冷却水を供給する。ただし、ＥＧＲクーラ１６への冷却水の流量は、冷却水の水温が第２基準温度を超える場合に比べて減少させる。すなわち、水温センサ２６によって測定される冷却水の水温が第１基準温度以上第２基準温度以下である場合、制御部３２は、ＥＧＲバルブ１８を開状態として排気ガスを内燃機関１００に環流させる。また、制御部３２は、冷却水バルブ２８を開状態としてＥＧＲクーラ１６へ冷却水を循環させる。このとき、冷却水の水温が第２基準温度を超える場合に比べて冷却水バルブ２８の開度を小さくして、冷却水の水量を減少させる調整を行う。

第２基準温度は、ＥＧＲクーラ１６によって冷却しても、冷却水の流量を調整することによって、内燃機関１００に環流されるＥＧＲガスが酸露点を超える温度に維持される状態において水温センサ２６で測定される水温に設定することが好適である。例えば、第２基準温度は、８０℃に設定することが好適である。

水温センサ２６によって測定される冷却水の水温が第１基準温度以上第２基準温度以下である場合にはＥＧＲクーラ１６への冷却水の流量を減少させることによって、ＥＧＲガスが酸露点を超える温度に保たれ、オイルリングの摩耗が抑制される。

なお、冷却水の水温が第１基準温度以上第２基準温度以下である場合、ＥＧＲクーラ１６への冷却水を絞って一定量にしてもよいし、冷却水の温度に応じて冷却水の流量を調整するようにしてもよい。例えば、制御部３２によって、冷却水の温度が第１基準温度以上第２基準温度以下の温度範囲において高くなるほどＥＧＲクーラ１６へ供給される冷却水の流量を増加させるように冷却水バルブ２８の開度を制御してもよい。このとき、ＥＧＲクーラ１６へ供給される冷却水の流量は、ＥＧＲガスが酸露点を超える温度に保たれる程度とすることが好適である。

これにより、冷却水の水温が第１基準温度以上第２基準温度以下である状態においても、内燃機関１００からの排気ガスがＥＧＲクーラ１６により冷却され、ＥＧＲガスのガス密度が高まり、内燃機関１００の損失低減及びノッキングが抑制される。

内燃機関１００の暖気がさらに進むと内燃機関１００の冷却水の水温はさらに上昇する。水温センサ２６によって測定される冷却水の水温が第２基準温度を超えた場合にはＥＧＲを作動させと共に、ＥＧＲクーラ１６によるＥＧＲガスの冷却を行う。すなわち、水温センサ２６によって測定される冷却水の水温が第２基準温度を超える場合、制御部３２は、ＥＧＲバルブ１８を開状態として排気ガスを内燃機関１００に環流させと共に、冷却水バルブ２８を完全に開状態としてＥＧＲクーラ１６へ冷却水を循環させる。

なお、この状態では、排気ガスの温度は十分高く、さらに内燃機関１００の冷却水の水温もＥＧＲガスが酸露点を超える温度に維持される第２基準温度を超えているのでオイルリングの摩耗も抑制することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、冷却水の水温が第１基準温度以上第２基準温度以下である状態においても、内燃機関１００のピストンのオイルリングの摩耗を抑制しつつ、ＥＧＲを作動させることができる。すなわち、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑制することができ、内燃機関１００の熱効率を向上させることができ、燃料消費率を向上させることができる。さらに、ＥＧＲクーラ１６によりＥＧＲガスを適度に冷却することによって、ＥＧＲガスのガス密度を高め、内燃機関１００の損失低減及びノッキングを抑制することができる。

また、本実施の形態では、水温センサ２６及び冷却水バルブ２８を別々に設ける構成としたが、これに限定されるものではない。例えば、図２に示すように、水温センサ２６及び冷却水バルブ２８を一体化させたサーモスタット４０を設けた内燃機関１０２としてもよい。

また、図３に示すように、ＥＧＲガス中に硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）が生成された場合に備えて、ＥＧＲクーラ１６内に中和剤４２を設けた内燃機関１０４としてもよい。中和剤４２は、炭酸カルシウム等のアルカリとすることが好適である。

ＥＧＲクーラ１６内に中和剤４２を設けることによって、ＥＧＲガス中に硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）が生成されたときにおいても硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）が中和剤４２によって中和されるので内燃機関１００のピストンのオイルリングの摩耗をより確実に防ぐことができる。特に、ＥＧＲガスが低温である場合においてオイルリングの摩耗を抑制することができる。

１０ スロットルバルブ、１２ 燃料噴射弁、１４ 点火プラグ、１６ ＥＧＲクーラ、１８ ＥＧＲバルブ、２０ 第１冷却経路、２２ 第２冷却経路、２４ ラジエータ、２６ 水温センサ、２８ 冷却水バルブ、３０ エンジン温度センサ、３２ 制御部、４０ サーモスタット、１００ 内燃機関。

Claims (5)

1. 排気再循環装置（ＥＧＲ）を備える内燃機関であって、 内燃機関から流出する冷却水の温度が所定温度以下である場合、ＥＧＲクーラへの前記冷却水の供給を維持しつつ、前記冷却水の温度が前記所定温度を超える場合に比べてその流量を減少させる制御を行うことを特徴とする内燃機関。
2. 請求項１に記載の内燃機関であって、 前記冷却水の前記ＥＧＲクーラへの流量を調整する調整弁と、 前記冷却水の温度を計測する温度センサと、を備え、 前記温度センサによって計測された前記冷却水の温度が前記所定温度以下である場合、ＥＧＲクーラへの前記冷却水の供給を維持しつつ、前記調整弁にて前記ＥＧＲクーラへの前記冷却水の流量を調整することを特徴とする内燃機関。
3. 請求項１又は２に記載の内燃機関であって、 前記所定温度は、５０℃以上８０℃以下の温度範囲内であることを特徴とする内燃機関。
4. 排気再循環装置（ＥＧＲ）を備える内燃機関であって、 前記排気再循環装置内に中和剤を備えることを特徴とする内燃機関。
5. 請求項４に記載の内燃機関であって、 前記中和剤は、アルカリであることを特徴とする内燃機関。

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