JP3329123B2 - ディーゼルエンジンの吸気温度制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は排気還流を行うディーゼ
ルエンジンの吸気温度制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンから排出されるＮＯ
を低減する目的から、排気の一部を吸気中に還流するこ
とはよく知られている。

【０００３】しかし、この場合、エンジン低速、低負荷
時など、排気中のＳＯＦ、ＨＣや白煙が増加する傾向に
あり、このため、特開昭６１−５５３５８号公報によっ
て、低速、低負荷時などに吸気温度を高め、これらの排
出量を低減するようにした吸気温度制御方法が提案され
ている。

【０００４】これは、排気還流通路の合流点よりも上流
側の吸気通路にインテークヒータを設け、エンジンの低
速、低負荷時などこのインテークヒータにバッテリから
通電し、吸気を加熱するようにしたもので、これにより
ＳＯＦ、ＨＣや白煙の排出を減少させている。

【０００５】なお、この例では、エンジンの燃焼特性が
良好となる高負荷時などインテークヒータへの通電を停
止すると共に、さらにその上流側に配置したインターク
ーラにより吸気を冷却し、エンジンの吸気充填効率を高
め、出力の向上を図っている。ただし、低速、低負荷時
などはインタークーラをバイパスして吸気を流し、吸気
温度が低下するのを防いでいる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、エンジ
ンの低速、低負荷時などインテークヒータにより吸気加
熱を行う方法では、吸気加熱のために必要なインテーク
ヒータの容量が大きく、大型化するだけでなく、バッテ
リの消費電力も大きくなり、かつ市街地走行時などのよ
うに低速、低負荷状態での運転頻度が高く、インテーク
ヒータに通電する機会が増えると、バッテリの寿命も低
下しやすいという問題もあった。

【０００７】また、このように電気式のインテークヒー
タでは通電してから発熱するまでに時間的な遅れもあ
り、運転条件の変動によりインテークヒータに通電して
も、すぐには吸気温度が上昇せず、この応答遅れの間
は、白煙やパティキュレートの発生量が増加してしま
う。

【０００８】その一方で、低速低負荷域での排気還流に
より排気中のＮＯが低減されるが、エンジン負荷の増加
に伴い、例えば比較的緩やかな加速時などでも、還流排
気の温度は２５０℃を越えて上昇する。この高温排気が
そのまま吸気に合流するため吸気温度は上昇し、エンジ
ンの吸気充填効率が低下し、これによりパーティキュー
レートも増加する。本発明は、エンジン冷却水を利用し
て吸気加熱すると共に排気還流通路の途中に配置した水
冷式冷却器と吸気加熱のための水循環式熱交換器とにエ
ンジン冷却水を導入するに際して水循環式熱交換器の上
流に水冷式冷却器を接続することにより、このような問
題を解決することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、排気の一
部を吸気中に還流する排気還流通路と、少なくともエン
ジン低負荷域で所定の排気還流率となるように排気還流
量を制御する排気還流制御弁とを備えたディーゼルエン
ジンにおいて、排気還流通路の合流点よりも上流の吸気
通路に配置した水循環式熱交換器と、前記排気還流通路
の途中に配置した水冷式冷却器と、これら水循環式熱交
換器と水冷式冷却器にエンジン冷却水を導入する循環通
路であって水循環式熱交換器の上流に水冷式冷却器を接
続する循環通路と、水循環式熱交換器を迂回するバイパ
ス通路と、吸気の流れを水循環式熱交換器またはバイパ
ス通路に切換える切換弁と、少なくともエンジン低負荷
域で水循環式熱交換器に吸気が流れるように切換弁を切
換える制御手段を備える。

【００１０】第２の発明は、第１の発明において、前記
制御手段は、エンジン冷却水温度が一定値以下のとき
は、バイパス通路に吸気を流すように切換弁を切換え
る。

【００１１】第３の発明は、第１または第２の発明にお
いて、前記制御手段は、エンジン高負荷域でバイパス通
路に吸気を流すように切換弁を切換える。

【００１２】

【００１３】

【００１４】第４の発明は、第１の発明において、前記
水循環式熱交換器の上流の吸気通路に排気エネルギによ
り吸気を過給する過給機を備える。

【００１５】第５の発明は、第４の発明において、前記
制御手段は、エンジン冷却水温度が一定値以下のときだ
けバイパス通路に吸気を流し、それ以外は常に水循環式
熱交換器に吸気を流すように切換弁を切換える。

【００１６】第６の発明は、第１〜第５の発明におい
て、前記水循環式熱交換器はインタークーラである。

【００１７】

【作用】第１の発明では、エンジンの低速、低負荷時な
ど、エンジン冷却水が循環される水循環式熱交換器によ
り吸気を加熱して温度を上昇させる。このため、排気還
流が行われても、吸気温度の上昇により、ＳＯＦ、ＨＣ
や白煙などの発生が抑制される。

【００１８】また、低速、低負荷時以外の運転領域か
ら、低速、低負荷運転に移行すると、切換弁の切換によ
り、直ちに水循環式熱交換器による吸気加熱が開始さ
れ、運転条件が変化しても、応答よく吸気加熱を行うこ
とができ、このような切換直後におけるＳＯＦ、ＨＣや
白煙等の増加を確実に防止できる。また、水冷式冷却装
置により、とくに加速時などに高温化する還流排気の温
度を下げることにより、吸気充填効率を高め、ドライス
ートを減少させ、トータルとしてのパーティキュレート
の発生量を低減できる。また、水循環式熱交換器と水冷
式冷却器とに同一の循環通路によりエンジン冷却水が導
かれるので、通路構成が簡略化する。

【００１９】第２の発明では、エンジン冷却水温度が一
定値以下の低温時には、吸気をバイパス通路に流すの
で、エンジン始動直後のアイドル運転時など、低温の水
循環式熱交換器を吸気が流れることで、かえって吸気温
度が低下するのを防げる。

【００２０】第３の発明では、エンジン高負荷時など水
循環式熱交換器を迂回してバイパス通路に吸気を流すこ
とにより、吸気温度の上昇を防ぎ、吸気充填効率の低下
を回避できる。

【００２１】

【００２２】

【００２３】第４の発明では、過給機により吸気を過給
するので、高負荷域での吸気充填効率が高まり、エンジ
ン出力性能が向上する。

【００２４】第５の発明では、エンジンの高負荷域な
ど、過給により上昇した吸気温度を、エンジン冷却水に
よる水循環式熱交換器の冷却作用により、下げることが
でき、吸気充填効率を高め、パーティキュレートの発生
量も低減できる。また、エンジンの暖機中以外は水循環
式熱交換器に吸気を流すだけのため、切換弁の制御が簡
略化する。

【００２５】第６の発明では、水循環式熱交換器をイン
タークーラとすることにより、低速、低負荷域など効率
よく吸気温度を高めることができる。

【００２６】

【実施例】図１には参考例を示す。

【００２７】図中、１はディーゼルエンジンの本体部、
２は吸気通路、３は排気通路を示し、排気通路３から吸
気通路２へと排気の一部を還流する排気還流通路４が設
けられる。

【００２８】吸気通路２には、排気還流通路４が合流す
るよりも上流側に、水循環式熱交換器であるインターク
ーラ５が設けられ、同時にこのインタークーラ５を迂回
して吸気を流すバイパス通路６が形成される。

【００２９】インタークーラ５には、エンジン冷却水の
一部を循環させる循環通路１５ａ，１５ｂが設けられ
る。

【００３０】バイパス通路６の入口側には吸気の流れを
切換える切換弁７が介装される。切換弁７はダイヤフラ
ムアクチュエータ８により駆動され、このダイヤフラム
アクチュエータ８には電磁弁９を介してバキューポンプ
１０からの負圧が選択的に導入され、これにより切換弁
７が切換作動し、吸気の流れを切換える。

【００３１】この電磁弁９への通電を運転条件に応じて
制御するために、コントローラ１１が備えられる。コン
トローラ１１にはエンジン負荷に相当するアクセルペダ
ルの開度を検出するアクセル開度センサ１２、エンジン
回転数を検出する回転数センサ１３、エンジン冷却水温
度を検出する冷却水温センサ１４からの各信号が入力
し、これらに基づいて、後述するように電磁弁９への通
電を制御する。

【００３２】また、前記排気還流通路４には排気還流量
を制御する排気還流制御弁１６が設けられ、この排気還
流制御弁１６はダイヤフラムアクチュエータ１７によっ
て開度が制御される。

【００３３】このダイヤフラムアクチュエータ１７は、
デューティ制御される三方電磁弁１８によりコントロー
ルされる負圧に応じて作動し、この三方電磁弁１８を前
記したコントローラ１１が後述するようにして制御し、
運転条件に応じて排気還流率を０％〜８０％の範囲で変
化させる。

【００３４】ここで、コントローラ１１で実行される制
御内容につき、図２を参照しながら説明する。

【００３５】ステップ１で、コントローラ１１はアクセ
ル開度Ａｃｃ、エンジン回転数Ｎｅ、冷却水温Ｔｗをそ
れぞれセンサの出力から読み込み、まず、冷却水温Ｔｗ
が一定値Ｔ（例えば８０℃）以上かどうかを判定し、一
定値以下ならば、エンジンの始動後十分に暖機が進んで
いないものと判断し、ステップ５に進み、切換弁７がバ
イパス通路６に吸気を流すように電磁弁９を制御する。

【００３６】これに対して、冷却水温Ｔｗが一定値Ｔ以
上のときは、ステップ３において、アクセル開度Ａｃｃ
とエンジン回転数Ｎｅが共に所定値Ａ、Ｎ以下であるか
どうか判定し、共に所定値以下の低速、低負荷状態のと
きにステップ４で切換弁７がインタークーラ５側に吸気
を流すように電磁弁９を切換制御する。

【００３７】それ以外の運転域ではステップ５に移行
し、バイパス通路６に吸気を流すように切換弁７を切換
える。なお、図３はこの制御領域をあらわし、斜線領域
がインタークーラ５に吸気を流す領域を示す。

【００３８】次に、ステップ６において、アクセル開度
Ａｃｃ、エンジン回転数Ｎｅ、冷却水温Ｔｗに基づい
て、これらをパラメータとして、予め設定してある排気
還流制御率（ＥＧＲ率）を読み出す。そして、ステップ
７でこのＥＧＲ率がえられるように三方電磁弁１８の開
度を制御する。

【００３９】図３にもあるように、排気還流率は低速、
低負荷域で最も高く、これから回転数、負荷の上昇に伴
い減少し、高速、高負荷域では排気還流率は０となり、
排気還流は停止される。なお、エンジンの暖機が終了し
ない間（例えば、エンジン冷却水温が８０℃以下）も排
気還流は停止する。

【００４０】次に参考例の全体の作用について説明す
る。

【００４１】エンジンの暖機が完了するまでの間は、切
換弁７はバイパス通路６に吸気を流すように切換わって
おり、このため、エンジン暖機中はインタークーラ５を
通過しない吸気のみが供給される。

【００４２】暖機が完了すると、エンジンの低速、低負
荷域を中心にして、切換弁７が切換わり、吸気をインタ
ークーラ５に流す。インタークーラ５は例えば８０℃以
上の冷却水温により、吸気を６０〜７０℃に加熱する。

【００４３】一方、排気還流制御弁１７は暖機後に開か
れ、排気の一部を吸気中に還流するが、このときの還流
率は、図３のように、エンジン回転数と負荷に応じて変
化し、低速、低負荷域で最大の排気還流率となる。

【００４４】この排気還流により排気中のＮＯが低減さ
れるが、反面、ＳＯＦ（可溶性排出物）、ＨＣや白煙が
増加する傾向にある。しかし、このように、吸気をイン
タークーラ５により加熱することで、燃焼状態が改善さ
れ、これらの排出を抑制することができる。とくにＳＯ
Ｆの低減により、トータルとしてのパーティキュレート
の発生率が低下する。

【００４５】エンジンの回転数、負荷が変化し、高速、
高負荷域になると、切換弁７はインタークーラ５を経由
せずにバイパス通路６に吸気を流すように切換わる。

【００４６】このような運転域は排気還流率も小さく、
または停止され、またエンジンの燃焼条件も良好となる
ので、吸気加熱する必要はなく、むしろ体積膨張を伴う
吸気加熱により、また、インタークーラ５を通過すると
きの吸気抵抗により、エンジンの吸気充填効率が低下す
る。そこで、このような運転域では吸気加熱を停止し、
エンジンの出力性能を向上させる。

【００４７】他方、エンジンの減速時など回転数、負荷
が低下すると、切換弁７がインタークーラ５側に吸気を
流すように切換わるが、この切換直後からインタークー
ラ５は即座に吸気を加熱することができ、従来問題とな
っていた低負荷域に移行した直後に加熱応答遅れによる
ＳＯＦ、白煙等の一時的な増加現象を確実に防止でき
る。

【００４８】図４は、吸気加熱をすることにより、従来
に比較して、パーティキュレートの発生が大幅に低下し
たことを示すグラフである。なお、このグラフは、加速
時などでもそのまま吸気加熱を行った場合を示してあ
る。このように、加速時などでもインタークーラ５を経
由して吸気を流すときは、吸気加熱と、吸気抵抗の増大
による吸気充填効率の低下に伴い、増量した加速燃料と
の関係から、インタークーラ５を通さないものに比較し
て、パーティキュレートが増加する。したがって、加速
時など切換弁７をバイパス通路６側に切換えることによ
り、このようなパーティキュレートの発生も抑制でき
る。

【００４９】また、図５は運転領域と吸気温度との対応
関係を示すものである。この場合、運転領域〜は図
３の領域と対応させてある。特性１は吸気加熱をそのま
ま続行した例、特性２は吸気加熱を、の領域では停
止した例を示してある。

【００５０】吸気加熱を行わない従来例と比較して加熱
時の吸気温度は平均的に上昇し、これにより、低速、低
負荷域を中心にして、ＳＯＦ、ＨＣや白煙の排出を大幅
に低減できるのである。

【００５１】次に、図６には本発明の第１の実施例を説
明する。

【００５２】この実施例は、排気還流通路４の排気還流
制御弁１６の下流に水冷式の冷却器２１を介装し、還流
排気の温度を低下させるようにしたものである。

【００５３】水冷式冷却器２１にエンジン冷却水を循環
させるため、前記インタークーラ５からの循環通路１５
ａ，１５ｂが連通する。この冷却器２１は、図７、図８
にも示すように、流路断面積を徐々に縮小する入口部２
２Ａと、逆に拡大する出口部２２Ｂとの間に、還流排気
と熱交換を行う偏平形状の本体部２３が挟まれ、この本
体部２３に形成した偏平な排気通路２４の上下を取り囲
むようにして冷却水路２５が形成され、これにより還流
排気の温度を効率的に低下させる。

【００５４】なお、冷却水路２５の入口２７と出口２８
は、前記循環通路１５ａ，１５ｂのいずれか一方と接続
される。

【００５５】排気還流通路４を流れる還流排気の温度
は、アイドル時などは例えば９０℃付近で、冷却装置２
１を流れる冷却水温度とほとんど変わりはなく、この状
態では冷却効果はほとんど無い。

【００５６】しかし、エンジン負荷の増加に伴い、例え
ば比較的緩やかな加速時などでも、還流排気の温度は２
５０℃を越えて上昇する。この高温排気がそのまま吸気
に合流するため吸気温度は上昇し、エンジンの吸気充填
効率が低下し、これによりパーティキュレートも増加す
る。

【００５７】ところが、このように冷却器２１におい
て、エンジン冷却水を利用して還流排気を冷却すること
により、図９にも示すように、この還流排気が合流する
吸気の温度が低下する。

【００５８】なお、この場合、運転領域、について
は、排気還流率が０となり、排気還流を停止しているた
め、参考例と同じ温度特性となっている。

【００５９】このようにして吸気温度を下げることがで
きる結果、吸気充填効率が向上し、図１０にも示すよう
に、排気中のパーティキュレートが、領域を含む加速
時などでも、大幅に低減できるようになった。

【００６０】加速時など燃料の増量により、パーティキ
ュレートの発生量が増加する傾向にあるが、吸気温度を
下げ、エンジンの吸気充填効率を高めことにより、燃焼
を改善し、パーティキュレートを抑制でき、この結果、
トータルとしての、パーティキュレートの発生量を著し
く低減することが可能となった。

【００６１】また、この実施例において、図示はしない
が、エンジンの排気エネルギで回転する排気タービンに
より、吸気コンプレッサを駆動し、吸気を過給する過給
機を備えることもできる。

【００６２】この場合、エンジンの高負荷時などの過給
領域において、吸気温度はインタークーラ５を流れる冷
却水温度よりもはるかに高くなる。したがって、このと
きには、インタークーラ５により吸気は冷却作用を受
け、温度が低下する。

【００６３】したがって、図１１にも示すように、イン
タークーラ５を備えない場合に比較して、高速、高負荷
域での吸気温度が低下し、吸気充填効率が高まり、エン
ジン出力性能が向上すると共に、パーティキュレートの
排出量も低減できる。

【００６４】なお、この場合には、切換弁７はエンジン
暖機が終了するまでは、バイパス通路６に吸気を流す
が、それ以後はすべてインタークーラ５に吸気を流すよ
うに切換保持しておくだけでよく、制御機構は簡略とな
る。

【００６５】このように、高速、高負荷域などではイン
タークーラ５が本来の機能、すなわち冷却機能を発揮
し、吸気充填効率を高め、エンジン出力性能の向上が図
れ、また、低速、低負荷域などでは吸気温度よりもイン
タークーラ５の温度が高いので、前記と同じように、吸
気加熱を行い、排気清浄化に寄与できることに変わりは
ない。

【００６６】

【発明の効果】第１の発明によれば、エンジンの低速、
低負荷時など、水循環式熱交換器により吸気を加熱して
温度を上昇させ、排気還流が行われても、吸気温度の上
昇により、ＳＯＦ、ＨＣや白煙などの発生が抑制される
一方、低速、低負荷時以外の運転領域から、低速、低負
荷運転に移行したときは、切換弁の切換により、直ちに
水循環式熱交換器による吸気加熱が開始され、このよう
に運転条件が変化しても、応答よく吸気加熱を行うこと
ができ、このような切換直後におけるＳＯＦ、ＨＣや白
煙等の増加を確実に防止できる。また、水冷式冷却器に
より、とくに加速時などに高温化する還流排気の温度を
下げることにより、吸気温度を下げて吸気充填効率を高
め、ドライスートを減少させ、トータルとしてのパーテ
ィキュレートの発生量を効果的に低減できる。また、水
循環式熱交換器と水冷式冷却器とに同一の循環通路によ
りエンジン冷却水が導かれるので、冷却水の通路構成が
簡略化する。

【００６７】第２の発明によれば、エンジン冷却水温度
が一定値以下の低温時には、吸気をバイパス通路に流す
ので、エンジン始動直後のアイドル運転時など、低温の
水循環式熱交換器を吸気が流れることで、かえって吸気
温度が低下するのを防げる。

【００６８】第３の発明によれば、エンジン高負荷時な
ど水循環式熱交換器を迂回してバイパス通路に吸気を流
すことにより、吸気温度の上昇を防ぎ、吸気充填効率の
低下を回避し、エンジンの出力性能を向上させられる。

【００６９】

【００７０】

【００７１】第４の発明によれば、過給機により吸気を
過給するので、高負荷域での吸気充填効率が高まり、エ
ンジン出力性能が向上する。

【００７２】第５の発明によれば、エンジンの高負荷域
など、過給により上昇した吸気温度を、エンジン冷却水
による水循環式熱交換器の冷却作用により、下げること
ができ、吸気充填効率を高め、パーティキュレートの発
生量も低減でき、また、エンジンの暖機中以外は水循環
式熱交換器に吸気を流すだけのため、切換弁の制御が簡
略化する。

【００７３】第６の発明では、水循環式熱交換器をイン
タークーラとすることにより、低速、低負荷域など効率
よく吸気温度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】参考例を示す概略構成図である。

【図２】同じくその制御動作を示すフローチャートであ
る。

【図３】吸気加熱と排気還流特性を示す説明図である。

【図４】パーティキュレートの発生特性を従来例と比較
して示す説明図である。

【図５】吸気温度と運転領域との関係を示す説明図であ
る。

【図６】本発明の実施例を示す概略構成図である。

【図７】水冷式冷却器を示す分解斜視図である。

【図８】同じくその断面図である。

【図９】吸気温度と運転領域との関係を示す説明図であ
る。

【図１０】パーティキュレートの発生特性を示す説明図
である。

【図１１】吸気温度と運転領域の関係を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

２ 吸気通路 ３ 排気通路 ４ 排気還流通路 ５ インタークーラ ６ バイパス通路 ７ 切換弁 １１ コントローラ １６ 排気還流制御弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５８０ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５８０Ｅ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02M 31/10 F02B 29/04 F02B 37/00 302 F02M 25/07 570 F02M 25/07 580

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】排気の一部を吸気中に還流する排気還流通
   路と、 少なくともエンジン低負荷域で所定の排気還流率となる
   ように排気還流量を制御する排気還流制御弁とを備えた
   ディーゼルエンジンにおいて、 前記排気還流通路の合流点よりも上流の吸気通路に配置
   した水循環式熱交換器と、前記排気還流通路の途中に配置した水冷式冷却器と、 これら水循環式熱交換器と水冷式冷却器にエンジン冷却
   水を導入する循環通路であって水循環式熱交換器の上流
   に水冷式冷却器を接続する循環通路と、 水循環式熱交換器を迂回するバイパス通路と、 吸気の流れを水循環式熱交換器またはバイパス通路に切
   換える切換弁と、 少なくともエンジン低負荷域で水循環式熱交換器に吸気
   が流れるように切換弁を切換える制御手段を備えたこと
   を特徴とするディーゼルエンジンの吸気温度制御装置。
2. 【請求項２】前記制御手段は、エンジン冷却水温度が一
   定値以下のときは、バイパス通路に吸気を流すように切
   換弁を切換える請求項１に記載のディーゼルエンジンの
   吸気温度制御装置。
3. 【請求項３】前記制御手段は、エンジン高負荷域でバイ
   パス通路に吸気を流すように切換弁を切換える請求項１
   または２に記載のディーゼルエンジンの吸気温度制御装
   置。
4. 【請求項４】前記水循環式熱交換器の上流の吸気通路に
   排気エネルギにより吸気を過給する過給機を備える請求
   項１に記載のディーゼルエンジンの吸気温度制御装置。
5. 【請求項５】前記制御手段は、エンジン冷却水温度が一
   定値以下のときだけバイパス通路に吸気を流し、それ以
   外は常に水循環式熱交換器に吸気を流すように切換弁を
   切換える請求項４に記載のディーゼルエンジンの吸気温
   度制御装置
6. 【請求項６】前記水循環式熱交換器はインタークーラで
   ある請求項１〜５のいずれか一つに記載のディーゼルエ
   ンジンの吸気温度制御装置。