JP2018159326A - 排気システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱回収機能及び冷却機能を有する冷却器をエンジンの動作状況に応じて効果的に利用する。【解決手段】排気システム１は、エンジン１０の排気ガスが流れる第１排気通路３０と、第１排気通路３０から分岐して、排気ガスをエンジン１０へ還流させるＥＧＲ通路４０と、ＥＧＲ通路４０に設けられ、排気ガスの熱を回収する機能と、排気ガスを冷却水と熱交換させて冷却する機能とを有するＥＧＲクーラ４２と、ＥＧＲ通路４０においてＥＧＲクーラ４２よりも下流側から分岐した第２排気通路６０と、第１排気通路３０からＥＧＲ通路４０への排気ガスの流れを制御する切り替えバルブ３６と、ＥＧＲクーラ４２を通過した排気ガスの第２排気通路６０への流れを制御するＥＧＲバルブ４４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの排気ガスが流れる排気システムに関する。

車両においては、エンジンにおける燃焼温度を低下させてＮＯｘ排出量を低減するために、排気ガスの一部をエンジンへ還流させる還流通路（ＥＧＲ通路）が利用されている。この還流通路には、冷媒（例えばエンジンの冷却水）によって排気ガスを冷却する冷却器（ＥＧＲクーラー）が設けられている。

また、車両の中には、排気ガスと冷媒（例えばエンジンの冷却水）とを熱交換して、排気熱を回収する熱回収器を有するものがある。排気ガスと熱交換した冷却水は、エンジンの暖機に利用される。

特開２００７−２４７５５５号公報

ところで、省スペースの観点等から、上記の冷却器及び熱回収器を一体化することが提案されている。例えば、冷却器に熱回収の機能を持たせる方式が提案されている。
しかし、熱回収機能及び冷却機能を有する冷却器を、エンジンの動作状況に応じて、効果的に利用することについては、実現化されていない。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、熱回収機能及び冷却機能を有する冷却器をエンジンの動作状況に応じて効果的に利用することを目的とする。

本発明の一の態様においては、エンジンの排気ガスが流れる第１排気通路と、前記第１排気通路から分岐して、前記排気ガスを前記エンジンへ還流させる還流通路と、前記還流通路に設けられ、前記排気ガスの熱を回収する機能と、前記排気ガスを冷却媒体と熱交換させて冷却する機能とを有する冷却器と、前記還流通路において前記冷却器よりも下流側から分岐した第２排気通路と、前記第１排気通路から前記還流通路への前記排気ガスの流れを制御する第１バルブと、前記冷却器を通過した前記排気ガスの前記第２排気通路への流れを制御する第２バルブと、を備える、排気システムを提供する。
かかる排気システムによれば、第１バルブによって、冷却器を通過する排気ガスの流量を制御できる。また、第２バルブによって、冷却器を通過した排気ガスのエンジンへの還流量を制御できる。これにより、例えば排気ガスの熱回収を多くする場合でも、排気ガスを第２排気通路から排出させることで、排気ガスが過大にエンジンに還流させることを防止できる。すなわち、熱回収機能及び冷却機能を有する冷却器を、エンジンの動作状況に応じて、効果的に利用できる。

また、前記排気システムは、前記エンジンの暖機の際に、前記第１バルブを動作させて前記排気ガスを前記還流通路へ向かわせ、かつ前記第２バルブを動作させて前記排気ガスを前記第２排気通路へ向かわせる制御部を更に備えることとしてもよい。

また、前記排気システムは、前記エンジンの暖機後、前記第１バルブを動作させて前記排気ガスを前記還流通路へ向かわせ、かつ前記第２バルブを動作させて前記排気ガスを前記エンジンへ向かわせる制御部を更に備えることとしてもよい。

また、前記排気システムは、前記第１排気通路に設けられ、前記排気ガスを後処理する後処理部を更に備え、前記還流通路は、前記第１排気通路において前記後処理部よりも下流側から分岐していることとしてもよい。

本発明によれば、熱回収機能及び冷却機能を有する冷却器を効果的に利用できるという効果を奏する。

本発明の一の実施形態に係る排気システム１の構成の一例を説明するための模式図である。 エンジン１０の暖機時の切り替えバルブ３６及びＥＧＲバルブ４４の状態を説明するための模式図である。 切り替えバルブ３６及びＥＧＲバルブ４４の制御位置を説明するための模式図である。 切り替えバルブ３６及びＥＧＲバルブ４４の制御位置を説明するための模式図である。

＜排気システムの構成＞
図１を参照しながら、本発明の一の実施形態に係る排気システム１の構成について説明する。

図１は、一の実施形態に係る排気システム１の構成の一例を説明するための模式図である。なお、図１には、エンジン１０の排気ガスの流れが矢印で示されている。また、図１では、説明の便宜上、冷却水通路５０が破線で示されている。

排気システム１は、車両（一例としてトラック）に搭載されている。排気システム１は、図１に示すように、エンジン１０と、吸気通路２０と、第１排気通路３０と、ＥＧＲ通路４０と、冷却水通路５０と、第２排気通路６０と、センサ８０と、制御部９０とを有する。

エンジン１０は、複数の気筒を含むエンジンであり、ここではディーゼルエンジンであるが、ガソリンエンジンにも適用可能である。エンジン１０は、気筒内で燃料と吸気（空気）の混合気を燃焼、膨張させて、動力を発生させる。

吸気通路２０は、エンジン１０に吸入される吸気が流れる通路である。吸気通路２０には、エアクリーナ２２と、スロットル２４と、コンプレッサ２６と、インタークーラー２８とが設けられている。

エアクリーナ２２は、例えばフィルターを有し、吸気通路２０を流れる吸気中の異物を除去する。スロットル２４は、例えばスロットルバルブの開度を調整することで、吸気の流量を調整する。

コンプレッサ２６は、吸気通路２０を流れる吸気を加圧圧縮する。コンプレッサ２６は、第１排気通路３０のタービン３２と連結しており、タービン３２の回転に連動して回転して、吸気を加圧圧縮する。インタークーラー２８は、コンプレッサ２６によって加圧圧縮された吸気を冷却する。

第１排気通路３０は、エンジン１０の排気ガスを車両の外部へ排出するための通路である。第１排気通路３０の端部には開放口３７ａが設けられており、排気ガスは、開放口３７ａから大気開放される。第１排気通路３０には、タービン３２と、後処理部３４と、切り替えバルブ３６とが設けられている。

タービン３２は、排気ガスの流れを受けて回転する。タービン３２は、吸気通路２０のコンプレッサ２６と共に、過給機であるターボチャージャを構成する。

後処理部３４は、排気ガスを浄化（後処理）する装置である。後処理部３４は、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）やＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）などを有する。ＤＰＦは、排気ガス中のＰＭを捕集する。ＳＣＲは、尿素水から加水分解されて生成されるアンモニア（ＮＨ_３）を還元剤として排気ガス中のＮＯ_ｘを選択的に還元浄化する選択触媒還元部である。

切り替えバルブ３６は、第１排気通路３０とＥＧＲ通路４０との接続部に設けられており、排気ガスの流れを制御する第１バルブである。例えば、切り替えバルブ３６は、第１位置（図１に示す位置）と、第２位置（図２に示す位置）との間で回動する。切り替えバルブ３６が第１位置に位置する際には、図１に示すように、排気ガスを開放口３７ａ及びＥＧＲ通路４０へ向かわせる。切り替えバルブ３６が第２位置に位置する際には、図２に示すように、排気ガスを全てＥＧＲ通路４０へ向かわせる。

ＥＧＲ通路４０は、第１排気通路３０と吸気通路２０を接続しており、排気ガスをエンジン１０へ還流させる還流通路である。ＥＧＲクーラ４２で冷却された排気ガスをエンジン１０へ還流させることで、エンジン１０内の燃焼温度の上昇を抑制できるので、ＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を抑制できる。

本実施形態では、ＥＧＲ通路４０は、第１排気通路３０において後処理部３４よりも下流側から分岐している。このため、後処理部３４で後処理された排気ガスが、エンジン１０へ還流される。すなわち、低温かつ大量の排気ガスが、エンジン１０へ還流されることになる。

ＥＧＲ通路４０には、ＥＧＲクーラ４２と、ＥＧＲバルブ４４とが設けられている。
ＥＧＲクーラ４２は、ＥＧＲ通路４０を流れる排気ガスを冷却する冷却器である。具体的には、ＥＧＲクーラ４２は、ＥＧＲ通路４０を流れる排気ガスを、冷却水通路５０を流れる冷却水と熱交換させることで冷却させる。

また、ＥＧＲクーラ４２は、ＥＧＲ通路４０を流れる排気ガスの熱を回収する熱回収器としての機能も有する。例えば、ＥＧＲクーラ４２が排気ガスの熱で冷却水を温め、温められた冷却水がエンジン１０へ送られることで、エンジン１０が暖機される。例えば、エンジン１０の暖機の際に、ＥＧＲクーラ４２を通過する際に排気ガスの熱を回収した冷却水がエンジン１０へ戻ることで、暖機を早期に行える。

ＥＧＲバルブ４４は、ＥＧＲ通路４０と第２排気通路６０の接続部に設けられており、ＥＧＲクーラ４２を通過した排気ガスの流れを制御する第２バルブである。例えば、ＥＧＲバルブ４４は、第１位置（図１に示す位置）と、第２位置（図２に示す位置）との間で回動する。ＥＧＲバルブ４４が第１位置に位置する際には、排気ガスの全てをエンジン１０へ向かわせる。ＥＧＲバルブ４４が第２位置に位置する際には、排気ガスの全てを第２排気通路６０へ向かわせる。また、切り替えバルブ３６を第１位置と第２位置の間で止めるよう制御することで、還流させる排ガス量を最適に制御できる。なお、切り替えバルブ３６の第１位置が図１に示す位置である場合には、排気通路３０の排気ガスをＥＧＲ通路４０へ誘導しやすくなる。

冷却水通路５０は、エンジン１０の冷却媒体である冷却水が流れる冷却媒体通路である。冷却水は、エンジン１０の内部を冷やす機能を有する。冷却水通路５０は、冷却水がエンジン１０とＥＧＲクーラ４２との間で循環するように設けられている。エンジン１０の暖機時には、ＥＧＲクーラ４２において排気ガスと熱交換して温められた冷却水がエンジン１０へ送られる。

第２排気通路６０は、ＥＧＲ通路４０においてＥＧＲクーラ４２の下流側から分岐するように設けられており、ＥＧＲクーラ４２を通過した排気ガスを車両の外部へ排出するための通路である。第２排気通路６０の端部には開放口６１ａが設けられており、排気ガスは、開放口６１ａから大気開放される。このような第２排気通路６０を設けたことで、ＥＧＲクーラ４２で熱回収に寄与した排気ガスをエンジン１０へ還流させずに、外部に排出できるので、排気ガスが過大に還流されることを抑制できる。

センサ８０は、車両に関する様々な状態を検出する検出器である。例えば、センサ８０は、排気ガスの温度や冷却水の温度を検出する温度センサと、ＮＯｘの濃度を検出するＮＯｘセンサを含む。センサ８０は、検出結果を制御部９０へ出力する。

制御部９０は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するマイクロコンピュータを備えた電子制御装置（Electric Control Unit）である。制御部９０は、前述した各装置の動作を制御する。制御部９０は、エンジン１０の動作中に、切り替えバルブ３６やＥＧＲバルブ４４の動作を制御する。

上述した排気システム１を搭載した車両においては、エンジン１０の暖機が行われる。そして、エンジン１０の暖機を適切にかつ早期に完了させるために、制御部９０は、切り替えバルブ３６及びＥＧＲバルブ４４を動作させる。

図２は、エンジン１０の暖機時の切り替えバルブ３６及びＥＧＲバルブ４４の状態を説明するための模式図である。
制御部９０は、エンジン１０の暖機の際に、切り替えバルブ３６を動作させて排気ガスをＥＧＲ通路４０へ向かわせ、かつＥＧＲバルブ４４を動作させて排気ガスを第２排気通路６０へ向かわせる。具体的には、制御部９０は、図２に示すように、切り替えバルブ３６を第２位置に位置させ、ＥＧＲバルブ４４を第２位置に位置させる。かかる場合には、後処理部３４を通過した排気ガスが、全てＥＧＲ通路４０へ流れるので、ＥＧＲ通路４０に設けられたＥＧＲクーラ４２において、冷却水が排気ガスによって高温に温められる。これにより、高温になった冷却水がエンジン１０へ送られることで、エンジン１０を早期に暖機できる。なお、ＥＧＲクーラ４２を通過した排気ガスは、第２排気通路６０の開放口６１ａから排出される。

制御部９０は、エンジン１０の暖機終了後には、切り替えバルブ３６を動作させて排気ガスをＥＧＲ通路４０へ向かわせ、かつＥＧＲバルブ４４を動作させて排気ガスをエンジン１０へ向かわせる。具体的には、制御部９０は、図１に示すように、切り替えバルブ３６を第１位置に位置させ、ＥＧＲバルブ４４を第１位置に位置させる。
これにより、後処理部３４を通過した排気ガスの一部が、ＥＧＲクーラ４２を通過して、エンジン１０へ還流される。これにより、低温の排気ガスがエンジン１０へ還流されることになり、ＮＯｘの発生を抑制できる。

また、制御部９０は、エンジン１０の暖機の際に、センサ８０の検出結果に応じて切り替えバルブ３６及びＥＧＲバルブ４４を動作させてもよい。例えば、制御部９０は、エンジン１０の暖機の際に、センサ８０が検出したＮＯｘの濃度及び排気ガスの温度に応じて、切り替えバルブ３６及びＥＧＲバルブ４４の位置を制御する。

図３及び図４は、切り替えバルブ３６及びＥＧＲバルブ４４の制御位置を説明するための模式図である。
ＮＯｘの濃度が所定の閾値Ｔ１よりも小さく、排気ガスの温度が所定の閾値Ｔ２よりも小さい場合には、制御部９０は、図３に示すように、切り替えバルブ３６を第１位置に位置させ、ＥＧＲバルブ４４を第２位置に位置させる。かかる場合には、排気ガスの一部がＥＧＲクーラ４２を通過するので、排気ガスの熱回収が可能である。

ＮＯｘの濃度が閾値Ｔ１よりも小さく、排気ガスの温度が閾値Ｔ２よりも大きい場合には、制御部９０は、図２に示すように、切り替えバルブ３６を第２位置に位置させ、ＥＧＲバルブ４４を第２位置に位置させる。かかる場合には、温度が高い排気ガスがＥＧＲクーラ４２を通過することで、排気ガスの熱回収を効果的に行える。

ＮＯｘの濃度が閾値Ｔ１よりも高く、排気ガスの温度が閾値Ｔ２よりも大きい場合には、制御部９０は、図２に示すように、切り替えバルブ３６を第２位置に位置させ、ＥＧＲバルブ４４を第２位置に位置させる。かかる場合にも、温度が高い排気ガスがＥＧＲクーラ４２を通過することで、排気ガスの熱回収を効果的に行える。

ＮＯｘの濃度が閾値Ｔ１よりも高く、排気ガスの温度が閾値Ｔ２よりも低い場合には、制御部９０は、図４に示すように、切り替えバルブ３６を第２位置に位置させ、ＥＧＲバルブ４４を第１位置に位置させる。かかる場合には、温度が低い排気ガスを大量にエンジン１０へ還流させることで、ＮＯｘの発生を抑制できる。

＜本実施形態における効果＞
上述した実施形態によれば、ＥＧＲ通路４０に設けられたＥＧＲクーラ４２は、排気ガスの熱を回収する機能と、排気ガスを冷却水で冷却する機能とを有する。また、第１排気通路３０からＥＧＲ通路４０への排気ガスの流れを制御する切り替えバルブ３６と、ＥＧＲクーラ４２を通過した排気ガスの第２排気通路６０への流れを制御するＥＧＲバルブ４４とが、設けられている。
上記構成により、切り替えバルブ３６によって、ＥＧＲクーラ４２を通過する排気ガスの流量を制御できる。また、ＥＧＲバルブ４４によって、ＥＧＲクーラ４２を通過した排気ガスのエンジン１０への還流量を制御できる。これにより、例えば排気ガスの熱回収を多くする場合でも、排気ガスを第２排気通路６０から排出させることで、排気ガスが過大にエンジン１０に還流させることを防止できる。すなわち、熱回収機能及び冷却機能を有するＥＧＲクーラ４２を、エンジン１０の動作状況に応じて、効果的に利用できる。

なお、上記では、ＥＧＲクーラ４２が、ＥＧＲ通路４０に設けられていることとしたが、これに限定されない。例えば、ＥＧＲクーラ４２が、第１排気通路３０とＥＧＲ通路４０との接続部に設けられていてもよい。かかる場合には、ＥＧＲクーラ４２の内部に、切り替えバルブ３６が設けられる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１ 排気システム
１０ エンジン
３０ 第１排気通路
３４ 後処理部
３６ 切り替えバルブ
４０ ＥＧＲ通路
４２ ＥＧＲクーラ
４４ ＥＧＲバルブ
６０ 第２排気通路
９０ 制御部

Claims (4)

1. エンジンの排気ガスが流れる第１排気通路と、
   前記第１排気通路から分岐して、前記排気ガスを前記エンジンへ還流させる還流通路と、
   前記還流通路に設けられ、前記排気ガスの熱を回収する機能と、前記排気ガスを冷却媒体と熱交換させて冷却する機能とを有する冷却器と、
   前記還流通路において前記冷却器よりも下流側から分岐した第２排気通路と、
   前記第１排気通路から前記還流通路への前記排気ガスの流れを制御する第１バルブと、
   前記冷却器を通過した前記排気ガスの前記第２排気通路への流れを制御する第２バルブと、
   を備える、排気システム。
2. 前記エンジンの暖機の際に、前記第１バルブを動作させて前記排気ガスを前記還流通路へ向かわせ、かつ前記第２バルブを動作させて前記排気ガスを前記第２排気通路へ向かわせる制御部を更に備える、
   請求項１に記載の排気システム。
3. 前記エンジンの暖機後、前記第１バルブを動作させて前記排気ガスを前記還流通路へ向かわせ、かつ前記第２バルブを動作させて前記排気ガスを前記エンジンへ向かわせる制御部を更に備える、
   請求項１又は２に記載の排気システム。
4. 前記第１排気通路に設けられ、前記排気ガスを後処理する後処理部を更に備え、
   前記還流通路は、前記第１排気通路において前記後処理部よりも下流側から分岐している、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の排気システム。
   
   
   

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