JP2021134661A - 内燃機関の冷却システム - Google Patents

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Abstract

【課題】EGRガス温度の応答遅れを回避又は抑制しつつ、EGRガスの除湿を利用してインタークーラでの凝縮水の発生を抑制できるようにした内燃機関の冷却システムを提供する。【解決手段】冷却システムは、EGR通路を含むEGR装置を備える内燃機関に搭載されている。冷却システムは、吸気通路に配置されたインタークーラと、EGR通路に配置されたEGRクーラと、凝縮水排出器と、ラジエータと、第1循環流路と、ポンプとを備える。凝縮水排出器は、EGRクーラ内に生じた凝縮水をEGR通路から排出する。ラジエータは、EGRクーラに流入するEGRガスの露点以下に第1冷媒を冷却可能である。第1循環流路は、ラジエータ、EGRクーラ及びインタークーラの順で第1冷媒を循環させる。ポンプは、第1循環流路に配置され、EGRクーラの出口ガス温度がEGRクーラに流入するEGRガスの露点以下となるように第1冷媒を循環させる。【選択図】図2

Description

この発明は、内燃機関の冷却システムに関し、より詳細には、内燃機関の吸気及びEGRガスの冷却機能を有する冷却システムに関する。
特許文献1には、EGR装置付き内燃機関の過給システムが開示されている。このEGR装置は、EGRガスを冷却するEGRクーラを備えている。過給システムは、吸気を冷却するインタークーラを備えている。EGRクーラには、内燃機関(エンジン本体)を冷却する冷媒(ここでは「冷媒A」と称する)が供給される。一方、インタークーラには、EGRクーラに供給される冷媒Aの循環流路とは別系統の循環流路を介して冷媒(ここでは「冷媒B」と称する)が供給される。そのうえで、上記の過給システムは、インタークーラで凝縮水が発生する可能性があると判定した場合、EGRクーラに供給される冷媒Aの循環流量を増やすことによりEGRクーラ内で凝縮水が積極的に発生させ、かつ、発生した凝縮水を気液分離器によって外部に排出する。そして、このように湿度を低下させたEGRガスを吸気系に供給することにより、インタークーラでの凝縮水の発生が抑制される。
特開2017−057788号公報
特許文献1に記載の技術によれば、EGRクーラで積極的に凝縮水を発生させるためのEGRクーラへの冷媒Aの循環流量の増加は、上述のように、インタークーラで凝縮水が発生する可能性があると判定してから実行される。例えば、エンジン運転状態(例えば、ガス流量又は過給圧)が急変した場合、EGRクーラへの冷媒Aの循環流量を増やしても、それに伴ってEGRガス温度が変化するまでには時間を要する。このため、例えば、エンジン運転状態の急変を伴ってインタークーラで凝縮水発生の可能性があると判定された場合には、当該急変に対して応答性良くEGRクーラ内で凝縮水を発生させることが難しくなる可能性がある。
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、EGRガス温度の応答遅れを回避又は抑制しつつ、EGRガスの除湿を利用してインタークーラでの凝縮水の発生を抑制できるようにした内燃機関の冷却システムを提供することを目的とする。
本発明に係る内燃機関の冷却システムは、排気通路と吸気通路とを接続するEGR通路を含むEGR装置を備える内燃機関に搭載されている。
冷却システムは、インタークーラと、EGRクーラと、凝縮水排出器と、ラジエータと、第1循環流路と、ポンプとを備える。インタークーラは、吸気通路に配置され、吸気を冷却する。EGRクーラは、EGR通路に配置され、EGRガスを冷却する。凝縮水排出器は、EGRクーラ内に生じた凝縮水をEGR通路から排出する。ラジエータは、EGRクーラに流入するEGRガスの露点以下に第1冷媒を冷却可能である。第1循環流路は、ラジエータ、EGRクーラ及びインタークーラの順で第1冷媒を循環させる。ポンプは、第1循環流路に配置され、EGRクーラの出口ガス温度がEGRクーラに流入するEGRガスの露点以下となるように第1冷媒を循環させる。
冷却システムは、EGR通路内のEGRガスの流れ方向で見て第1循環流路よりも上流側においてEGRクーラに第1冷媒又は第1冷媒とは別の第2冷媒を供給し、EGRクーラの内部において第1循環流路から分離され、かつ、インタークーラを経由しない第2循環流路をさらに備えてもよい。
第2循環流路は、第1循環流路と独立しており、かつ、第2冷媒を循環させる流路であってもよい。
冷却システムは、EGRクーラに流入するEGRガスの露点よりも高温の第2冷媒が、第2循環流路からEGRクーラに供給されるように構成されてもよい。
EGRクーラは、第1循環流路の一部である第1EGRクーラ内部流路を含む第1EGRクーラ部と、第2循環流路の一部である第2EGRクーラ内部流路を含む第2EGRクーラ部と、を含んでいてもよい。そして、第2EGRクーラ部は、第1EGRクーラ部に対して鉛直方向上側に配置されてもよい。
第1EGRクーラ部は、オーステナイト系ステンレス鋼により形成されてもよい。そして、第2EGRクーラ部は、フェライト系ステンレス鋼により形成されてもよい。
本発明によれば、EGRクーラに流入したEGRガスは、EGRクーラの出口ガス温度がEGRクーラに流入するEGRガスの露点以下となるように、第1循環流路を循環する第1冷媒によって冷却される。そして、EGRガスから発生した凝縮水は凝縮水排出器によってEGR通路から排出される。すなわち、EGRクーラの通過時にEGRガスが除湿される。インタークーラには、除湿されたEGRガスと新気との混合ガスが供給される。この混合ガスの露点は、EGRガスの除湿によって低下している。また、第1循環流路内では、ラジエータ、EGRクーラ及びインタークーラの順で第1冷媒が循環するため、インタークーラに供給される第1冷媒の温度は、EGRクーラへの流入時と比べて高くなる。したがって、インタークーラへの供給時の第1冷媒の温度は、混合ガスの露点に対して高い側となる。このため、EGRガス温度の応答性確保のための複雑な制御等の対策を行わなくても、EGRガスの除湿を利用してインタークーラでの凝縮水の発生を抑制することができる。
本発明の実施の形態1に係る冷却システムが搭載された内燃機関の構成を表した模式図である。 本発明の実施の形態1に係る冷却システムの構成を表した模式図である。 図2に示すEGRクーラの具体的な構造の一例を表した模式図である。 本発明の実施の形態1に係るEGR制御と冷却システムの制御に関する処理のルーチンを示すフローチャートである。 第1ポンプの流量とEGRクーラ入口ガス温度Tgiとの関係を表したグラフである。 本発明の実施の形態2に係る冷却システムの構成を表した模式図である。 本発明の実施の形態3に係る冷却システムの構成を表した模式図である。 本発明に係る2段冷却構造を有するEGRクーラの他の例を表した模式図である。
以下に説明される各実施の形態において、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略又は簡略する。また、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
1.実施の形態1
図1〜図5を参照して、本発明の実施の形態1について説明する。
1−1.冷却システム及びこれを搭載した内燃機関の構成
図1は、実施の形態1に係る冷却システム1が搭載された内燃機関10の構成を表した模式図である。図1に示す内燃機関10は、一例として火花点火式エンジン(例えば、ガソリンエンジン)であるが、圧縮着火式エンジンであってもよい。内燃機関10は、例えば、車両に搭載される。内燃機関10は、一例として直列4気筒型エンジンであるが、内燃機関10の気筒数及び気筒配置は特に限定されない。内燃機関10は、過給エンジンであり、過給機の一例としてターボ過給機12を備えている。
内燃機関10は、各気筒14には、吸気通路16及び排気通路18が連通している。吸気通路16の入口付近には、エアクリーナ20が取り付けられている。エアクリーナ20の下流には、吸気通路16に取り入れられた空気(新気)の流量に応じた信号を出力するエアフローセンサ22が設けられている。
吸気通路16におけるエアフローセンサ22の下流には、ターボ過給機12のコンプレッサ12aが配置されている。コンプレッサ12aの下流には、コンプレッサ12aにより圧縮された吸気を冷却する水冷式のインタークーラ24が配置されている。インタークーラ24が冷却する吸気は、EGRの非実行中には新気であり、EGRの実行中には新気とEGRガスとの混合ガスである。吸気通路16におけるコンプレッサ12aとインタークーラ24との間の部位には、吸入空気量を制御するための電子制御式のメインスロットル26が配置されている。また、コンプレッサ12aの上流には、電子制御式のサブスロットル28が配置されている。
排気通路18には、上流側から順に、ターボ過給機12のタービン12b、上流側触媒(いわゆる、スタート触媒)30及び下流側触媒(いわゆる、床下触媒)32が配置されている。これらの触媒30及び32は、一例として三元触媒である。
内燃機関10は、EGR装置34を備えている。EGR装置34は、EGR通路36を含む。EGR通路36は、その一端において排気通路18から分岐し、他端において吸気通路16に合流している。すなわち、EGR通路36は、排気通路18と吸気通路16とを接続している。より詳細には、図1に示す一例では、EGR装置34は、EGR通路36は、一例として低圧ループ(LPL)式であり、EGR通路36は、タービン12bよりも下流(図1では、上流側触媒30と下流側触媒32との間)において排気通路18に接続され、コンプレッサ12aの上流において吸気通路16に接続されている。
EGR通路36には、EGRガスの流れ方向D1の上流側から順に、EGRクーラ38、凝縮水排出器40及びEGR弁42が配置されている。EGR弁42が開くと、排気通路18を流れる排気の一部がEGR通路36を通って吸気通路16にEGRガスとして還流される。EGRクーラ38は、EGR通路36を流れるEGRガスを冷却する。EGRクーラ38の具体的な構造例は、図3を参照して説明される。なお、吸気通路16に導入されるEGRガスの流量は、EGR弁42の開度調整によって制御される。また、サブスロットル28を絞ってコンプレッサ12aの入口側圧力を下げることによって、EGRガスの流量を高めることもできる。
凝縮水排出器(以下、単に、「排出器」とも称する)40は、EGRクーラ38内に生じた凝縮水をEGR通路36から排出する。排出器40の一例は、気液分離器(遠心分離式又はバッフル式(衝突式)など)である。このような気液分離器の利用により、凝縮水を含むEGRガスから凝縮水を分離して捕集することができる。排出器40に捕集された凝縮水は、排水路44を介して排気通路18(例えば、上流側触媒30と下流側触媒32との間の部位)に排出される。なお、図1に示す例では、排出器40は、EGRクーラ38の下流側に配置されているが、凝縮水排出器は、EGRクーラ38に組み込まれていてもよい。また、凝縮水排出器の他の例として、EGRクーラ自体に設けられ、かつ、EGRクーラの下部に滴下した凝縮水をEGR通路の外に排出するドレーン機構が用いられてもよい。
EGR通路36におけるEGRクーラ38の入口付近には、EGRクーラ38に流入するEGRガスの温度を検出するEGRクーラ入口ガス温度センサ72が配置されている。
図2は、実施の形態1に係る冷却システム1の構成を表した模式図である。上述した図1に示す内燃機関10の例では、「内燃機関10の冷却システム1」は、吸気を冷却するインタークーラ24と、EGRガスを冷却するEGRクーラ38及びこれに付随する凝縮水排出器40とを含む。図2には、インタークーラ24、EGRクーラ38及び排出器40とともに、冷却システム1の他の主な構成要素の例が表されている。
図2に示すように、冷却システム1は、2系統の第1及び第2循環流路50、60を備えている。第1循環流路50及び第2循環流路60は、共に閉ループであり、互いに独立している。第1循環流路50内では、第1冷媒が循環し、第2循環流路60内では、第2冷媒とは別の第2冷媒が循環する。第1及び第2冷媒は、典型的には冷却水(クーラント)である。より詳細には、第2循環流路60は、内燃機関10の本体(エンジン本体)10aを主に冷却する。ここでいうエンジン本体10aは、少なくともシリンダブロックを含む。第1循環流路50は、エンジン本体10aと別系統でインタークーラ24を冷却するために第2循環流路60と分離されている。換言すると、第2循環流路60は、インタークーラ24を経由しないように構成されている。エンジン本体10aを冷却する第2冷媒は、基本的に、インタークーラ24を冷却する第1冷媒よりも高温となる。このため、第2冷媒は「HT(高温)冷却水」とも称され、第1冷媒は「LT(低温)冷却水」とも称される。
図2に示す冷却システム1の例では、EGRクーラ38は、LT冷却水(第1冷媒)及びHT冷却水(第2冷媒)の双方を利用して冷却される。具体的には、EGRクーラ38は、詳細は図3を参照して後述されるように、LT冷却水が流れる第1EGRクーラ部38aと、HT冷却水が流れる第2EGRクーラ部38bとを有する。
第1循環流路50には、第1ポンプ52が配置されている。第1ポンプ52は、例えば電動ポンプであり、第1循環流路50を循環するLT冷却水の流量を制御可能である。第1ポンプ52は、EGRクーラ出口ガス温度TgoがEGRガスの露点Td以下となるようにLT冷却水(第1冷媒)を第1循環流路50内で循環させる。
また、第1循環流路50には、第1ポンプ52の作動中に、第1ラジエータ54、第1EGRクーラ部38a、及びインタークーラ24の順でLT冷却水が循環するように、これらの機器が配置されている。より詳細には、第1EGRクーラ部38aは、第1循環流路50の一部である第1EGRクーラ内部流路56を含む。インタークーラ24は、第1循環流路50の一部であるICクーラ内部流路58を含む。
第1ラジエータ54は、第1EGRクーラ部38a内においてEGRガスを露点Td以下に冷却するために必要な温度にまでLT冷却水(第1冷媒)を冷却可能な冷却能力を有している。より詳細には、第1ラジエータ54は、例えば、LT冷却水温度がEGRガスの露点Tdに対して充分低くなるように第1ラジエータ54の熱交換面積を大きくしておくことにより、このような冷却能力を有することができる。また、例えば、第1ラジエータ54は、第1ラジエータ54と外気との熱交換のための通風ファン(図示省略)とLT冷却水温度を検出するLT冷却水温センサ(図示省略)とを利用して上記の冷却能力を有するように構成されていてもよい。具体的には、「EGRガスを露点Td以下に冷却するために必要とされるLT冷却水温度に維持できるだけの冷却能力」が得られるようにLT冷却水温センサの出力に応じて通風ファンを駆動することによって、第1ラジエータ54が「EGRガスを露点Td以下に冷却するために必要な温度にまでLT冷却水(第1冷媒)を冷却可能な冷却能力」を有していてもよい。なお、図2に示す冷却システム1では、第1ポンプ52及び第1ラジエータ54が、それぞれ、本発明に係る「ポンプ」及び「ラジエータ」の一例に相当する。
第2循環流路60には、第2ポンプ62が配置されている。第2ポンプ62は、例えば内燃機関10のクランク軸駆動式であり、或いは電動式であってもよい。また、第2循環流路60には、エンジン本体10a、第2EGRクーラ部38b及び第2ラジエータ64が配置されている。より詳細には、第2EGRクーラ部38bは、第2循環流路60の一部である第2EGRクーラ内部流路66を含む。第2循環流路60には、HT冷却水の温度を検出するエンジン水温センサ74が配置されている。エンジン水温センサ74は、一例としてエンジン本体10aの出口付近に配置されている。
図2に示す第2循環流路60の例では、第2ラジエータ64において大気に放熱した後のHT冷却水は、エンジン本体10a及び第2EGRクーラ部38bの順で流れる。しかしながら、第2循環流路60は、この例とは逆に、第2ラジエータ64通過後のHT冷却水が第2EGRクーラ部38b及びエンジン本体10aの順で流れるように構成されてもよい。
また、EGRガスの流れ方向D1で見たとき、図1に示すように、高温側の第2EGRクーラ内部流路66を有する第2EGRクーラ部38bは、低温側の第1EGRクーラ内部流路56を有する第1EGRクーラ部38aよりも上流側に配置されている。
図3は、図2に示すEGRクーラ38の具体的な構造の一例を表した模式図である。図3の紙面上側は鉛直方向D2の上側に相当する。図3に示すように、高温側の第2EGRクーラ部38bは、低温側の第1EGRクーラ部38aに対して鉛直方向D2の上側に配置されている。
より詳細には、EGRクーラ38の内部には、EGR通路36の一部として機能する複数の内部ガス流路38cが形成されている。個々の内部ガス流路38cは、例えば管状に形成されている。これらの内部ガス流路38cは、図3に示すように、鉛直方向D2に沿って延びる向きで配置されている。すなわち、EGRガスの流れ方向D1は鉛直方向D2と平行であり、EGRクーラ38のEGRガス入口38dは、EGRガス出口38eに対して鉛直方向D2の上側に位置している。
第1EGRクーラ内部流路56は、LT冷却水入口56aとLT冷却水出口56bとを有する。一例として、LT冷却水入口56aは鉛直方向D2の上側(EGRガスの上流側)の端部に形成され、LT冷却水出口56bは鉛直方向D2の下側(EGRガスの下流側)の端部に形成されている。LT冷却水入口56aから第1EGRクーラ内部流路56内に流入したLT冷却水は、各内部ガス流路38cの周りを流れた後にLT冷却水出口56bから流出する。第2EGRクーラ内部流路66は、HT冷却水入口66aとHT冷却水出口66bとを有する。第2EGRクーラ内部流路66の形状例は、第1EGRクーラ内部流路56のそれと同じであるので、ここではその説明を省略する。
EGRガス流れの下流側かつ鉛直方向D2の下側に位置する第1EGRクーラ部38aは、一例として、オーステナイト系ステンレス鋼により形成されている。オーステナイト系ステンレス鋼は、フェライト系ステンレス鋼と比べて耐食性に優れている。一方、EGRガス流れの下流側かつ鉛直方向D2の上側に位置する第2EGRクーラ部38bは、一例として、フェライト系ステンレス鋼により形成されている。フェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼と比べて耐熱性に優れている。
EGRガスの流れ方向D1の上流側に位置する第2EGRクーラ部38b内の内部ガス流路38cは、その下流側に位置する第1EGRクーラ部38aの内部ガス流路38cと連続している。換言すると、図3に示すEGRクーラ38の構成例では、2つの熱交換器が第1EGRクーラ部38a及び第2EGRクーラ部38bとして一体的に組み合わされている。このような構造によれば、2段冷却構造を有するEGRクーラをコンパクトに構成できる。なお、EGRクーラ38に対する第1EGRクーラ部38a及び第2EGRクーラ部38bのそれぞれの容積の割合は、例えば、EGRクーラ38内を流れるEGRガスの温度分布及びLT冷却水の受熱量を考慮して決定される。
図1に示すシステムは、内燃機関10及び冷却システム1を制御する電子制御ユニット(ECU)70を備えている。ECU70は、プロセッサ70aとメモリ70bとを有する。メモリ70bには、内燃機関10及び冷却システム1の各制御に用いられるマップを含む各種のデータ及び各種の制御プログラムが記憶されている。ECU70は、内燃機関10及び冷却システム1を制御するための各種センサからセンサ信号を取り込む。ここでいう各種センサは、上述のエアフローセンサ22、EGRクーラ入口ガス温度センサ72及びエンジン水温センサ74を含む。プロセッサ70aは、取り込まれたセンサ信号を用いつつメモリ70bから制御プログラムを読み出して実行し、各種アクチュエータを操作するための操作信号を出力する。ここでいう各種アクチュエータは、上述のスロットル26、28、EGR弁42及び第1ポンプ52を含む。これにより、ECU70による各種制御が実現される。
1−2.冷却システムの動作
上述のように構成された冷却システム1によれば、EGRガスの流れ方向D1の上流側に位置する第2EGRクーラ部38bを通過するEGRガスは、HT冷却水によって冷却される。HT冷却水の温度は、内燃機関10の暖機が進むにつれて上昇し、少なくとも内燃機関10の暖機完了後にはEGRガスの露点Tdよりも高くなる。また、EGRガスは、第2EGRクーラ部38bの通過後に第1EGRクーラ部38aにおいてLT冷却水によって更に冷却される。このように、EGRクーラ38は2段冷却構造を有している。
第1循環流路50によれば、第1ラジエータ54において大気中に放熱した直後の相対的に低温のLT冷却水が、インタークーラ24(ICクーラ内部流路58)よりも先に第1EGRクーラ部38a(第1EGRクーラ内部流路56)に供給される。第1ポンプ52は、EGRクーラ出口ガス温度TgoがEGRガスの露点Td以下となるようにLT冷却水(第1冷媒)を第1循環流路50内で循環させる。これにより、第1EGRクーラ部38a内においてEGRガスが露点Td以下にまで冷却される。その結果、EGRガス中の水分が凝縮する。このように、第1EGRクーラ部38aにおいて凝縮水が積極的に生成される。発生した凝縮水は、排出器40によって捕集され、EGR通路36の外(排気通路18)に排出される。これにより、EGRガスが除湿される。
上述のように除湿されたEGRガスは、吸気通路16に導入される。図1に示す例では、EGRガスは、コンプレッサ12aの上流位置に導入される。その結果、EGRガスは新気と混合しながらコンプレッサ12aに吸入される。
EGRガスの導入時には、インタークーラ24には、除湿されたEGRガスと新気との混合ガスが流入する。この混合ガスの露点は、EGRガスが除湿されたことにより、除湿なしの場合と比べて低下する。さらに、本実施形態の第1循環流路50の構成によれば、インタークーラ24(ICクーラ内部流路58)には、第1EGRクーラ部38aにおいてEGRガスと熱交換することで受熱した後のLT冷却水が供給される。すなわち、第1EGRクーラ部38aではEGRガス中の水分を凝縮させてEGRガスを除湿しつつ、第1EGRクーラ部38aへの供給時と比べて高温のLT冷却水がインタークーラ24に供給される。したがって、インタークーラ24への供給時のLT冷却水の温度は、混合ガスの露点に対して高い側の値となる。
1−3.EGR制御と冷却システムの制御
図4は、実施の形態1に係るEGR制御と冷却システム1の制御に関する処理のルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、内燃機関10の運転中に繰り返し実行される。
図4に示すルーチンでは、ECU70は、まず、ステップS100においてHT冷却水温度(エンジン冷却水温)ThがEGRガスの露点Tdよりも高いか否かを判定する。露点Tdは、より詳細には、EGRクーラ38に流入するEGRガス(EGRクーラ38によって除湿される前のEGRガス)の露点である。HT冷却水は、基本的には、内燃機関10の運転中(クランク軸の回転中)には常に第2循環流路60内を循環している。内燃機関10が冷間始動すると、HT冷却水温度Thは、内燃機関10から受け取る熱によって時間経過とともに上昇していく。本判定に用いられるHT冷却水温度Thは、例えばエンジン水温センサ74を用いて取得される。
EGRガスの露点Tdは55℃程度である。一方、第2EGRクーラ部38bに流入するHT冷却水の温度Thは、冷間時には露点Tdよりも低くなるが、エンジン暖機が進むと露点よりも高くなる。本ステップS100で用いられる露点Tdとしては、例えば、事前に求められた一定値を用いることができる。その一方で、露点Tdは、より詳細にはEGRガスの湿度に応じて変化する。このため、EGRクーラ38に流入するEGRガスの湿度が検出または推定され、EGRガスの湿度を考慮して算出される露点Tdが本判定に用いられてもよい。
ステップS100においてHT冷却水温度ThがEGRガスの露点Tdよりも高い場合には、ECU70はステップS102に進む。ステップS102では、ECU70は、EGRを実行する。EGRは、エンジン暖機中にHT冷却水温度Thが上昇し、露点Tdを上回った時に開始される。露点Tdを上回ってからEGRを開始するようにすることで、冷間時に露点Tdよりも低いHT冷却水の供給に起因する第2EGRクーラ部38b内での凝縮水の発生が防止される。EGRの実行中には、例えばエンジン運転条件(エンジントルクとエンジン回転数)に応じたEGR率でEGRガスが導入されるようにEGR弁42の開度が調整される。
ECU70は、ステップS102に進んでEGRを実行する場合には、ステップS104の処理によるLT冷却水循環制御を実行する。具体的には、ステップS104では、ECU70は、EGRクーラ出口ガス温度TgoがEGRガスの露点Td以下となるように、第1ポンプ52の流量(循環流量)を制御する。
EGR実行時のLT冷却水循環制御の一例は次の通りである。図5は、第1ポンプ52の流量とEGRクーラ入口ガス温度Tgiとの関係を表したグラフである。図5の縦軸は、EGRクーラ出口ガス温度Tgoを露点Td以下とするために必要な第1ポンプ52の必要流量Qpを示している。この必要流量Qpは、EGRガス流量が同じであれば、図5に示すようにEGRクーラ入口ガス温度Tgiが高いほど多くなる。そこで、LT冷却水循環制御の一例では、必要流量Qpは、図5に示すような関係を定めたマップにおいて、EGRクーラ入口ガス温度Tgiが高いほど多くなるように事前に設定され、メモリ70bに記憶されている。そして、ECU70は、そのようなマップからEGRクーラ入口ガス温度Tgiに応じた必要流量Qpを取得し、取得した必要流量Qpとなるように第1ポンプ52の流量を制御する。EGRクーラ入口ガス温度Tgiは、例えば上述の温度センサ72を用いて取得できる。また、ここでは図示は省略されるが、EGRクーラ入口ガス温度Tgiと同様に、必要流量Qpは、EGR通路36を流れるEGRガスの流量が多いほど多くなる。このため、必要流量Qpは、EGRガスの流量が多いほど多くなるように設定されてもよい。EGRガスの流量は、例えば、エアフローセンサ22により検出される吸入空気流量とEGR率とに基づいて算出できる。
一方、内燃機関10が冷間状態にあるためにステップS100においてHT冷却水温度ThがEGRガスの露点Td以下となる場合には、ECU70はステップS106に進む。ステップS106では、ECU70は、EGRを停止(禁止)する。
また、ECU70は、ステップS106に進んでEGRを停止(禁止)する場合には、ステップS108の処理によるLT冷却水循環制御を実行する。このEGR停止時のLT冷却水循環制御では、ECU70は、インタークーラ24の冷却要求に応じて第1ポンプ52の流量を制御する。具体的には、内燃機関10が冷間状態にあるときに低負荷域でおいてインタークーラ24で吸気を冷やしすぎると、失火が生じ易くなる。また、EGRが停止されている場合には、第1EGRクーラ部38aにはLT冷却水は供給されなくてもよいし、逆に供給されてもよい。そこで、EGR停止時のLT冷却水循環制御の一例では、ECU70は、エンジントルクが所定値以下の低負荷条件では、エンジントルクが当該所定値よりも高い負荷条件と比べて少なくなるようにLT冷却水の流量(第1ポンプ52の流量)を制御する。或いは、このような低負荷条件では、LT冷却水の循環が停止されてもよい。また、エンジントルクが上記所定値よりも高い負荷条件では、内燃機関10の出力性能を高めるために、エンジントルク及びエンジン回転数の少なくとも一方が高いほど、LT冷却水の流量を高めてもよい。
1−4.効果
以上説明した本実施形態の冷却システム1によれば、EGRの実行中には、第1ポンプ52は、EGRクーラ出口ガス温度TgoがEGRガスの露点Td以下となるようにLT冷却水(第1冷媒)を第1循環流路50内で循環させる。これにより、EGRガスが第1EGRクーラ部38aと排出器40とによって除湿される。インタークーラ24には、除湿されたEGRガスと新気との混合ガスが供給される。この混合ガスの露点は、EGRガスの除湿によって低下している。また、第1循環流路50内では、第1ラジエータ54、EGRクーラ38(第1EGRクーラ部38a)及びインタークーラ24の順でLT冷却水が循環するため、インタークーラ24に供給されるLT冷却水の温度は、第1EGRクーラ部38aへの流入時と比べて高くなる。したがって、インタークーラ24への供給時のLT冷却水の温度は、混合ガスの露点に対して高い側となる。このため、EGRガス温度の応答性確保のための複雑な制御等の対策を行わなくても、EGRガスの除湿を利用してインタークーラでの凝縮水の発生を抑制することができる。
また、本実施形態の冷却システム1は、2段冷却構造を有するEGRクーラ38とともに、第2循環流路60を備えている。第2循環流路60は、第1循環流路50と独立しており、かつ、EGRガスの流れ方向D1で見て第1循環流路50よりも上流側に位置する第2EGRクーラ部38bに第2冷媒(HT冷却水)を供給する。このような構成によれば、EGRガスが第1EGRクーラ部38aに流入する前に、第2EGRクーラ部38bにおいて予備的にEGRガスを冷却できる。これにより、例えば後述の図7に示す例と比べて、インタークーラ24の冷却に用いられる第1冷媒(LT冷却水)へのEGRガスからの受熱量を減らせるので、第1冷媒の温度上昇に起因するインタークーラ24の吸気冷却能力の低下を抑制できる。したがって、インタークーラ24での凝縮水の発生を抑制しつつ、吸気(混合ガス)を良好に冷却できるようになる。付け加えると、第1EGRクーラ部38aには、第2EGRクーラ部38bによって予備冷却された後のEGRガスが流れる。このため、凝縮水に対する耐食性を満足すれば比較的耐熱性の低い材質(例えば、オーステナイト系ステンレス鋼)であっても、第1EGRクーラ部38aの材質として選択できるようになる。
EGRクーラ38の2段冷却構造に関し、図2に示す冷却システム1の例では、例えば後述の図6に示す例とは異なり、第2循環流路60は第1循環流路50から完全に独立しており、第2循環流路60内ではLT冷却水と別のHT冷却水が流れる。このような構成によれば、EGRガスの冷却を互いに異なる系統のLT冷却水とHT冷却水とによって分担することができる。このため、例えば図6に示す例と比較すると、第1循環流路50全体としての冷却負荷を下げつつ(第1ラジエータ54の小型化を図りつつ)、インタークーラ24の冷却に用いられるLT冷却水(第1冷媒)へのEGRガスからの受熱量を減らすことができる。また、第1循環流路50から完全に独立した第2循環流路60を利用することにより、図6に示す例とは異なり予備冷却のために第1冷媒を利用する必要がないので、第1冷媒の流量を減らしつつ予備冷却を行うことが可能となる。
また、本実施形態の冷却システム1では、HT冷却水(第2冷媒)は、基本的には(換言すると、冷間時を除き)、EGRガスの露点Tdよりも高温である。このように露点Tdよりも高温のHT冷却水が第2EGRクーラ部38bに供給されても、第2EGRクーラ部38bの内部ではEGRガスから凝縮水は発生しない。このため、耐熱性を満足すれば比較的耐食性の低い材質(例えば、フェライト系ステンレス鋼)であっても、第2EGRクーラ部38bの材質として選択できるようになる。
また、本実施形態の冷却システム1では、図3に示すように、HT冷却水が流れる第2EGRクーラ部38bは、LT冷却水が流れる第1EGRクーラ部38aに対して鉛直方向D2の上側に配置されている。そして、第2EGRクーラ部38bは、第1EGRクーラ部38aと比べてEGRガス流れの上流側に位置している。このような構成によれば、第1EGRクーラ部38a内の内部ガス流路38cで生じた凝縮水が、ガス流れ及び重力の作用によって第2EGRクーラ部38bに流入することを防止できる。なお、図3に示す例では、EGRクーラ38は、EGRガスの流れ方向D1が鉛直方向D2と平行になるように配置されている。しかしながら、本効果を奏するうえでは、これらの方向D1及びD2は厳密に平行でなくてもよい。すなわち、鉛直方向D2の上側に位置する第2EGRクーラ部38bから下側の第1EGRクーラ部38aに向けてEGRガスが流れるように配置されていれば、EGRガスの流れ方向D1は鉛直方向D2に対して傾斜していてもよい。
さらに、本実施形態の冷却システム1では、第1EGRクーラ部38aは、耐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼により形成され、かつ、第2EGRクーラ部38bは、耐熱性に優れたフェライト系ステンレス鋼により形成されている。これにより、第1EGRクーラ部38a内で生じる凝縮水による腐食を抑制でき、かつ、高温のHT冷却水が第2EGRクーラ部38bに導入されても熱による不具合の発生を抑制できる。このように、冷却システム1によれば、EGRクーラ38の耐熱性と耐食性とを両立しつつ、EGRガスを効率的に冷却できるようになる。
1−5.実施の形態1に対する変形例
1−5−1.EGR実行時の第1ポンプの制御の他の例
EGRの実行中にEGRクーラ出口ガス温度TgoをEGRガスの露点Td以下とするための第1ポンプ52の制御(LT冷却水循環制御)は、ステップS104において説明した例のように第1ポンプ52の流量を調整するものに限られない。すなわち、LT冷却水は、第1EGRクーラ部38a及びインタークーラ24の順に流れるため、インタークーラ24への流入時のLT冷却水の温度は、LT冷却水の流量(第1ポンプ52の流量)に関係なく、第1EGRクーラ部38aへの流入時と比べて高くなる。そして、インタークーラ24に流入するガス(つまり、第1EGRクーラ部38aにおいて除湿されたEGRガスと新気との混合ガス)の露点は、EGRガスの除湿により低下している。したがって、第1ポンプ52によるLT冷却水の流量を必要流量Qpに対して過剰に高めても、インタークーラ24での凝縮水の発生を抑制できる。そして、第1ポンプ52の流量が多いほど、第1EGRクーラ部38aにおいてEGRガスをより十分に除湿でき、かつ、インタークーラ24において吸気をより効果的に冷却できるので内燃機関10の燃費及び出力の観点で好ましい。
そこで、EGR実行中の第1ポンプ52の流量は、EGRクーラ出口ガス温度TgoをEGRガスの露点Td以下に下げることが可能な値であることを条件として、最大流量(第1ポンプ52が出し得る流量)等の所望の一定値であってもよい。このように、EGRクーラ出口ガス温度TgoをEGRガスの露点Td以下とするための第1ポンプ52の作動は、必ずしも、ステップS104の処理のようなECU70による流量制御を必要としない。付け加えると、ステップS104の処理のように必要流量Qpに従って流量制御を行う例によれば、第1ポンプ52の省動力化を図りつつ、EGRクーラ出口ガス温度Tgoを露点Td以下に下げることができる。
1−5−2.処理ルーチンの他の例
国又は地域によっては、内燃機関10に供給される燃料に塩素が含まれることがある。このような国又は地域では、塩素を含む燃料成分を有するEGRガスが第2EGRクーラ部38bに供給される可能性がある。HT冷却水温度ThがEGRガスの露点Td以下となる冷間状態において、塩素を含む燃料成分を有するEGRガスが第2EGRクーラ部38bに供給されると、第2EGRクーラ部38bでの腐食の発生が懸念される。この点に関し、上述の図4に示すルーチンによれば、ステップS100においてHT冷却水温度Thが露点Td以下となる場合には、EGRが停止(禁止)される。これにより、燃料に塩素が含まれる国又は地域であっても、冷間状態における第2EGRクーラ部38bでの腐食を防止しつつ、実施の形態1のEGR制御及び冷却システム1の制御を行えるようになる。
また、図4に示すルーチンは、次のように変形されてもよい。すなわち、ステップS100の処理の前に、燃料に塩素が含有されているか否かを判定するステップの処理が追加されてもよい。そして、燃料に塩素が含有されている場合にはステップS100に進み、塩素が含有されていない場合にはステップS100の判定を行わずにステップS102に進んでEGRが実行されるように、図4に示すルーチンの処理が変更されてもよい。燃料に塩素が含まれない国又は地域であれば、第2EGRクーラ部38bの材質として比較的耐食性の低いフェライト系ステンレス鋼が用いられた場合であっても、冷間状態において第2EGRクーラ部38bに腐食は生じないといえる。このため、上述のように変更されたルーチンのように、HT冷却水温度Thによらずに(冷間状態であっても)EGRを実行することが可能となり、また、EGRを実行するエンジン運転領域を拡大することも可能となる。
2.実施の形態2
次に、図6を参照して、本発明の実施の形態2について説明する。図6は、実施の形態2に係る冷却システム2の構成を表した模式図である。本実施形態の冷却システム2は、以下に説明する点において、実施の形態1の冷却システム1と相違している。
冷却システム2は、インタークーラ24と2段冷却構造のEGRクーラ38とを冷却する冷却水(第1冷媒)が循環する循環流路80を、インタークーラ24、EGRクーラ38、凝縮水排出器40、ポンプ52及びラジエータ86とともに備えている。循環流路80は、第1循環流路82と第2循環流路84とからなる。第1循環流路82は、実施の形態1の第1循環流路50と同様に構成されている。
実施の形態1の第2循環流路60は、第1循環流路50から完全に独立している。これに対し、第2循環流路84は、EGRクーラ38の内部においては、第1循環流路82と分離している。すなわち、第2循環流路84の一部である第2EGRクーラ内部流路66は、第1循環流路82の一部である第1EGRクーラ内部流路56と分離している。また、EGRクーラ38の外部においては、第2循環流路84の一部は、第1循環流路82の一部と共有されている。具体的には、第1循環流路82におけるラジエータ86の上流部、内部及び下流部を「ラジエータ部流路82a」と総称する。第2循環流路84は、一例として、このラジエータ部流路82aを第1循環流路82と共有している。そして、第2循環流路84は、ラジエータ部流路82aの下流端と第2EGRクーラ内部流路66の冷却水入口66aとを接続する冷却水供給流路84aと、冷却水出口66bとラジエータ部流路82aの上流端とを接続する冷却水還流路84bとを含む。
以上説明したように、本実施形態の冷却システム2では、EGRクーラ38は2段冷却構造を有しているが、吸気とEGRガスの冷却のための循環流路80全体としては単一の冷却水(第1冷媒)を利用する一系統の流路となっている。すなわち、冷却システム2では、エンジン本体10aを冷却する冷却水の循環回路(図示省略)をEGRクーラ38の冷却のためには利用していない。
そして、本実施形態の冷却システム2によっても、EGRの実行中には、ポンプ52は、EGRクーラ出口ガス温度TgoがEGRガスの露点Td以下となるように低温の冷却水(第1冷媒)を第1循環流路50内で循環させる。この低温の冷却水は、冷却水供給流路84aを通って第2EGRクーラ部38bにも供給される。このような構成によっても、実施の形態1と同様に、EGRガスが第1EGRクーラ部38aに流入する前に、第2EGRクーラ部38bにおいて予備的にEGRガスを冷却できる。また、第2循環流路84は、第2EGRクーラ部38bを通過した後は、インタークーラ24の上流側ではなくインタークーラ24の下流側において第1循環流路82に合流している。すなわち、第2循環流路84も、実施の形態1の第2循環流路60と同様に、インタークーラ24を経由していない。これにより、例えば後述の図7に示す例と比べて、冷却水の温度上昇に起因するインタークーラ24の吸気冷却能力の低下を抑制できる。したがって、インタークーラ24での凝縮水の発生を抑制しつつ、吸気(混合ガス)を良好に冷却できるようになる。また、このように第2EGRクーラ部38bにおいて予備冷却を行うことにより、実施の形態1と同様に、凝縮水に対する耐食性を満足すれば比較的耐熱性の低い材質(例えば、オーステナイト系ステンレス鋼)であっても、第1EGRクーラ部38aの材質として選択できるようになる。
3.実施の形態3
次に、図7を参照して、本発明の実施の形態3について説明する。図7は、実施の形態3に係る冷却システム3の構成を表した模式図である。本実施形態の冷却システム3は、以下に説明する点において、実施の形態1、2の冷却システム1、2と相違している。
上述した実施の形態1及び2においては、2段冷却構造を有するEGRクーラ38が例示された。これに対し、冷却システム3は、1段冷却構造のEGRクーラ90と第1循環流路92とを、インタークーラ24、凝縮水排出器40、ポンプ52及びラジエータ86とともに備えている。EGRクーラ90は、単一の冷却水入口90a及び冷却水出口90bを備えている。冷却システム3によっても、EGRの実行中には、ポンプ52は、EGRクーラ出口ガス温度TgoがEGRガスの露点Td以下となるように低温の冷却水(第1冷媒)を第1循環流路92内で循環させる。ラジエータ86から流出した冷却水(第1冷媒)は、冷却水入口90aからEGRクーラ90に供給され、その後、冷却水出口90bにおいてEGRクーラ90から流出した冷却水がインタークーラ24に向かう。
以上説明した本実施形態の冷却システム3によっても、EGRガスがEGRクーラ90と排出器40とによって除湿される。インタークーラ24には、除湿されたEGRガスと新気との混合ガスが供給される。この混合ガスの露点は、EGRガスの除湿によって低下している。また、インタークーラ24に供給される冷却水の温度は、EGRクーラ90への流入時と比べて高くなる。したがって、インタークーラ24への供給時の冷却水の温度は、混合ガスの露点に対して高い側となる。このため、冷却システム3によっても、EGRガス温度の応答性確保のための複雑な制御を行わなくても、EGRガスの除湿を利用してインタークーラでの凝縮水の発生を抑制することができる。
4.2段冷却構造を有するEGRクーラの他の例
図8は、本発明に係る2段冷却構造を有するEGRクーラの他の例を表した模式図である。図3に示すEGRクーラ38では、既述したように、第2EGRクーラ部38bの内部ガス流路38cは、第1EGRクーラ部38aの内部ガス流路38cと連続している。これに対し、図8に示すEGRクーラ100では、第2EGRクーラ部38b内の内部ガス流路38cは、内部ガス流路100aを介して、第1EGRクーラ部38aの内部ガス流路38cと連通している。2段冷却構造を有するEGRクーラを備える場合には、このEGRクーラ100の例のように、第2循環流路側の第2EGRクーラ部に相当する熱交換器と、第1循環流路側の第1EGRクーラ部に相当する熱交換器とは、内部ガス流路を介して離れて配置されていてもよい。
以上説明した各実施の形態に記載の例及び他の各変形例は、明示した組み合わせ以外にも可能な範囲内で適宜組み合わせてもよいし、また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形してもよい。
1、2、3 冷却システム
10 内燃機関
10a エンジン本体
12 ターボ過給機
16 吸気通路
18 排気通路
24 インタークーラ
34 EGR装置
36 EGR通路
38、90、100 EGRクーラ
38a 第1EGRクーラ部
38b 第2EGRクーラ部
38c EGRクーラの内部ガス流路
40 凝縮水排出器
42 EGR弁
44 排水路
50、82、92 第1循環流路
52 ポンプ(第1ポンプ)
54、86 ラジエータ(第1ラジエータ)
56 第1循環流路のクーラ内部流路
60、84 第2循環流路
62 第2ポンプ
64 第2ラジエータ
66 第2循環流路のクーラ内部流路
70 電子制御ユニット(ECU)
72 EGRクーラ入口ガス温度センサ
74 エンジン水温センサ

Claims (6)

  1. 排気通路と吸気通路とを接続するEGR通路を含むEGR装置を備える内燃機関に搭載された冷却システムであって、
    前記冷却システムは、
    前記吸気通路に配置され、吸気を冷却するインタークーラと、
    前記EGR通路に配置され、EGRガスを冷却するEGRクーラと、
    前記EGRクーラ内に生じた凝縮水を前記EGR通路から排出する凝縮水排出器と、
    前記EGRクーラに流入するEGRガスの露点以下に第1冷媒を冷却可能なラジエータと、
    前記ラジエータ、前記EGRクーラ及び前記インタークーラの順で前記第1冷媒を循環させる第1循環流路と、
    前記第1循環流路に配置され、前記EGRクーラの出口ガス温度が前記EGRクーラに流入するEGRガスの露点以下となるように前記第1冷媒を循環させるポンプと、
    を備えることを特徴とする内燃機関の冷却システム。
  2. 前記冷却システムは、
    前記EGR通路内のEGRガスの流れ方向で見て前記第1循環流路よりも上流側において前記EGRクーラに前記第1冷媒又は前記第1冷媒とは別の第2冷媒を供給し、前記EGRクーラの内部において前記第1循環流路から分離され、かつ、前記インタークーラを経由しない第2循環流路をさらに備える
    ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の冷却システム。
  3. 前記第2循環流路は、前記第1循環流路と独立しており、かつ、前記第2冷媒を循環させる流路である
    ことを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の冷却システム。
  4. 前記冷却システムは、前記EGRクーラに流入するEGRガスの露点よりも高温の前記第2冷媒が、前記第2循環流路から前記EGRクーラに供給されるように構成されている
    ことを特徴とする請求項2又は3に記載の内燃機関の冷却システム。
  5. 前記EGRクーラは、
    前記第1循環流路の一部である第1EGRクーラ内部流路を含む第1EGRクーラ部と、
    前記第2循環流路の一部である第2EGRクーラ内部流路を含む第2EGRクーラ部と、
    を含み、
    前記第2EGRクーラ部は、前記第1EGRクーラ部に対して鉛直方向上側に配置されている
    ことを特徴とする請求項4に記載の内燃機関の冷却システム。
  6. 前記第1EGRクーラ部は、オーステナイト系ステンレス鋼により形成され、
    前記第2EGRクーラ部は、フェライト系ステンレス鋼により形成されている
    ことを特徴とする請求項5に記載の内燃機関の冷却システム。
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