JP3669407B2 - 排ガス再循環装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排ガス再循環装置に係り、詳しくは再循環ガスであるＥＧＲガスの温度制御技術に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
一般に、車両に搭載された内燃機関（エンジン）から排出される排ガス中には、窒素酸化物（ＮＯx）等の有害物質が含まれており、特にＮＯxについては、燃焼温度が高温であるほど発生し易いものとなっている。
そこで、該ＮＯxを低減すべく、排ガスの一部を再循環ガス、即ちＥＧＲガスとして吸気通路に還流させ新気とともに燃焼室に導入し、これにより燃焼を緩慢にし燃焼温度を低く抑えることの可能な排ガス再循環装置（ＥＧＲ装置）が開発され実用化されている。
【０００３】
また最近では、ＥＧＲ通路にＥＧＲガス冷却器を介装してこのＥＧＲガス冷却器に冷却水を導き、該冷却水でＥＧＲガスを予め冷却することで密度を高めるとともに燃焼温度をより一層低下させるよう構成した装置が開発されている。そして、一般にこのような装置では、冷却水としてエンジンの冷却水が利用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述したような、エンジンの冷却水をＥＧＲガスの冷却に利用する構成の装置の場合、冷却水の温度はエンジンの運転状態に応じて変化するものであり、また同様に排ガス温度もこれに応じて変化するものであるため、ＥＧＲガスの温度がこれら冷却水の温度と排ガスの温度に左右され、エンジンの冷却水を単に還流させただけではＮＯxの発生を安定して低減し続けることができないという問題がある。
【０００５】
また、ＥＧＲ通路に導入されたＥＧＲガスの温度が高く且つ量が多いと、エンジンの冷却水がＥＧＲガスから奪う熱量が多くなりエンジンの冷却能力が低下してエンジンがオーバヒートする虞がある。
さらに、ＥＧＲ通路に導入されたＥＧＲガスの温度が低く且つ量が少ないと、ＥＧＲガスがエンジンの冷却水によって過冷却され、これによりＥＧＲガス中の水分が凝縮して水滴となりＥＧＲガス中の硫黄成分（ＳＯx）がこれに溶けて例えば硫酸となり、この硫酸がＥＧＲ通路の内壁を腐蝕させるという問題もある。
【０００６】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、内燃機関の冷却水を利用してＥＧＲガスを適切に冷却でき、併せて内燃機関の冷却能力の悪化やＥＧＲガスの過冷却を防止可能な排ガス再循環装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項１の発明によれば、内燃機関からの排ガスの一部をＥＧＲガスとして燃焼室に再循環させるＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲガス冷却器には、冷却水通路により内燃機関の冷却水が循環させられており、ＥＧＲ通路にはＥＧＲ制御弁が、また冷却水通路には冷却水制御弁が設けられている。そして、ＥＧＲガス冷却器の入口に配置された第１のＥＧＲガス温度検出手段によってＥＧＲガス冷却器に流入するＥＧＲガスの温度が検出され、第２のＥＧＲガス温度検出手段によってＥＧＲガス冷却器通過後のＥＧＲガスの温度が検出され、また冷却水温度検出手段によってＥＧＲガス冷却器から内燃機関へ返戻する冷却水の温度が検出され、これらの検出情報に基づいて上記冷却水制御弁の開度が適宜制御される。
【０００８】
従って、ＥＧＲガス冷却器通過前後のＥＧＲガスの温度、ＥＧＲガス冷却器から内燃機関へ返戻する冷却水の温度に応じてＥＧＲガスが適切に冷却可能とされ、ＮＯxの発生が安定して低く抑えられる。
また、請求項２の発明では、冷却水制御弁の開度は、第１及び第２のＥＧＲガス温度検出手段によりそれぞれ検出されるＥＧＲガス冷却器通過前後のＥＧＲガスの温度差と第１のＥＧＲガス温度検出手段により検出されるＥＧＲガス冷却器通過前のＥＧＲガス及び冷却水温度検出手段により検出される冷却水の温度差との比、即ち温度効率が予めＮＯxを良好に低減可能に設定された規定値に向けて制御される。
【０００９】
従って、ＥＧＲガスはＮＯx低減に適切な温度に冷却されて再循環されることになり、内燃機関の運転状態に拘わらずＮＯxの発生が常に安定して低く抑えられる。
また、請求項３の発明では、冷却水温度検出手段により検出される冷却水の温度が第１の所定値より大であるときには冷却水制御弁が最大開度とされるとともにＥＧＲ制御弁が閉弁状態とされ、一方ＥＧＲガス冷却器通過後のＥＧＲガスの温度が第２の所定値より小であるときには冷却水制御弁が最小開度とされる。
【００１０】
従って、ＥＧＲ通路に導入されたＥＧＲガスの温度が高く且つ量が多い場合には、ＥＧＲガスの再循環が中止されて冷却水の昇温が防止されるとともに、内燃機関の冷却水がＥＧＲ通路及びＥＧＲガス冷却器を大量に流れることで冷却水の熱が大気中に放散されて冷却水が良好に冷却され、内燃機関のオーバヒートが好適に防止される。
【００１１】
また、ＥＧＲ通路に導入されたＥＧＲガスの温度が低く且つ量が少ない場合には、内燃機関の冷却水によってＥＧＲガスが冷却されなくなり、故にＥＧＲガス中の水分が凝縮して水滴となることがなくなり、硫酸の生成が抑えられてＥＧＲ通路の内壁の腐蝕が好適に防止される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１を参照すると、車両に搭載された排ガス再循環装置（ＥＧＲ装置）の概略構成図が示されており、以下同図に基づいて本発明に係る排ガス再循環装置の構成を説明する。
【００１３】
エンジン（内燃機関）１の吸気ポートに接続された吸気マニホールド２からは吸気管４が延びており、該吸気管４の先端にはエアクリーナ６が接続されている。また、吸気管４には吸気密度を上げるべく吸入空気を冷却するためのインタークーラ７が介装されている。
一方、エンジン１の排気ポートに接続された排気マニホールド８からは排気管１０が延びており、該排気管１０には排ガスの浄化を行う触媒装置１２が介装されている。
【００１４】
また、吸気管４と排気管１０間にはターボチャージャ１４が介装され、排ガスの圧力によってタービンが回転し吸入空気量が増加するように図られている。
さらに、吸気管４と排気管１０との間には、排ガス再循環ユニット（ＥＧＲユニット）が設けられている。つまり、排気管１０からは分岐してＥＧＲ管（ＥＧＲ通路）１６が延びており、その先端が吸気管４に接続され、これにより排気管１０内を流れる排ガスの一部がＥＧＲガスとして吸気管４内に合流可能とされている。
【００１５】
ＥＧＲ管１６には、ＥＧＲガスの流量を制御する電磁式のＥＧＲ弁（ＥＧＲ制御弁）１８の他にＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ（ＥＧＲガス冷却器）２０が介装されている。
そして、エンジン１とＥＧＲクーラ２０との間には入側冷却水管（冷却水通路）２６と出側冷却水管（冷却水通路）２８が渡されており、エンジン１を冷却するための冷却水が入側冷却水管２６を通ってＥＧＲクーラ２０内の冷却タンク２２に導かれた後、出側冷却水管２８を経て再びエンジン１に戻るようにされている。
【００１６】
つまり、同図に示すように、ＥＧＲ管１６は、冷却タンク２２を貫通するようにしてＥＧＲクーラ２０内を通っており、ＥＧＲ管１６内を流れるＥＧＲガスが冷却タンク２２に満たされた冷却水によりＥＧＲ管１６を介して冷却可能とされている。このようにＥＧＲガスが冷却されると、上述したようにＥＧＲガスの密度が大きくなり燃焼室に導入されるＥＧＲガス量が多くなるとともに、燃焼温度が低下してＮＯxがより一層低減するという効果がある。
【００１７】
なお、入側冷却水管２６及び出側冷却水管２８の内径は、ＥＧＲ管１６内を最大限ＥＧＲガスが流れた場合であっても該ＥＧＲガスを十分に冷却する冷却水流量を確保可能な大きさとされている。つまり、これらの内径は、ＥＧＲガスが最大量流れた場合であっても後述する温度効率ηがやはり後述する所定値（規定値）η0に少なくとも等しくなるよう設定されている。
【００１８】
また、ＥＧＲ管１６のＥＧＲクーラ２０近傍の部分にはそれぞれＥＧＲクーラ２０上流のＥＧＲガス温度ＴAを検出する温度センサ（第１のＥＧＲガス温度検出手段）３０とＥＧＲクーラ２０下流のＥＧＲガス温度ＴBを検出する温度センサ（第２のＥＧＲガス温度検出手段）３２とが設けられている。そして、さらに、入側冷却水管２６には冷却水流量を制御する電磁式の冷却水弁（冷却水制御弁）４０が介装され、出側冷却水管２８にはＥＧＲクーラ２０から排出された冷却水の温度、即ち冷却水温度ＴCを検出する水温センサ（冷却水温度検出手段）４２が設けられている。
【００１９】
また、同図に示すように、エンジン１には、エンジン１内を流れる冷却水温度Ｔwを検出する水温センサ５０の他、クランク角に基づいてエンジン回転速度Ｎeを検出するエンジン回転センサ５２が設けられている。なお、これら水温センサ５０とエンジン回転センサ５２とは通常のエンジンであれば一般的に取り付けられているものである。
【００２０】
電子コントロールユニット（ＥＣＵ）６０は、エンジン１及び車両の各種制御を行うものであり、ＣＰＵ（中央処理装置）、各種記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）及びタイマ等から構成されている。
ＥＣＵ６０の入力側には、上記温度センサ３０，３２、水温センサ４２，５０及びエンジン回転センサ５２が接続されており、さらに、アクセルペダル７０の踏込度合である開度情報を電気信号に変換しエンジン１の負荷情報Ｌpとする変換器７２や図示しない種々のセンサ類が接続されている。
【００２１】
一方、ＥＣＵ６０の出力側には、上記ＥＧＲ弁１８のソレノイド部１９、冷却水弁４０のソレノイド部４１の他、図示しない種々の出力装置類が接続されている。
以下、このように構成された排ガス再循環装置の本発明に係る作用、即ち、ＥＧＲガスの冷却制御について説明する。
【００２２】
図２を参照すると、本発明に係る排ガス再循環装置におけるＥＧＲガス冷却制御ルーチンのフローチャートが示されており、以下、このフローチャートに沿って説明する。
ステップＳ１０では、エンジン１内の冷却水温度Ｔwが所定温度Ｔ1以上であるか否か、即ち、エンジン１が始動後十分に暖機したか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）でエンジン１が未だ暖機状態にないと判定される場合には、次にステップＳ１２に進み、冷却水弁４０の開度Ｖwを最小開度Ｖminとする。このようにすることにより、冷却水がＥＧＲクーラ２０側に流れないようになり、エンジン１の暖機が促進される。
【００２３】
ステップＳ１０の判別結果が真（Ｙｅｓ）でエンジン１が十分暖機状態にあると判定された場合には、次にステップＳ１４に進む。
ステップＳ１４では、ＥＧＲクーラ２０出口の冷却水温度ＴCが所定温度（第１の所定値）Ｔ2（例えば、１００℃）以下であるか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）で冷却水温度ＴCが所定温度Ｔ2よりも大きい場合には、次にステップＳ１６に進み、冷却水弁４０の開度Ｖwを最大開度Ｖmaxとするとともに、ＥＧＲ弁１８の開度ＶEGRを全閉状態にする。
【００２４】
つまり、冷却水温度ＴCが所定温度Ｔ2よりも大きいような場合には、冷却水がＥＧＲガスの熱を奪って過剰に昇温しており、エンジン１を十分に冷却できないような状況と判定でき、このような場合には、ＥＧＲ弁１８を絞ってＥＧＲガスの循環を止めて冷却水が昇温しないようにするとともに、冷却水弁４０を略全開として冷却水を大量にＥＧＲクーラ２０に導入して昇温した冷却水の熱を入側冷却水管２６、出側冷却水管２８及びＥＧＲクーラ２０を介して大気中に急速に放散させ、冷却水を十分に冷却するようにするのである。これにより、エンジン１のオーバヒートが防止される。
【００２５】
一方、ステップＳ１４の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、冷却水温度ＴCが所定温度Ｔ2以下である場合には、次にステップＳ１８に進む。
ステップＳ１８では、上記ＥＧＲガス温度ＴA，ＴB及び冷却水温度ＴCとに基づいて温度効率ηを次式(1)から算出する。
η＝（ＴA−ＴB）／（ＴA−ＴC） …(1)
この温度効率ηは、即ちＥＧＲクーラ２０におけるＥＧＲガスから冷却水への熱の伝播度合を示す指標であって、この場合、温度効率ηの値が値１に近いほどＥＧＲガスの冷却率が高いとみなすことができる。
【００２６】
そして、次のステップＳ２０では、上記ステップＳ１８で算出した温度効率ηが所定値（規定値）η0以上であるか否かを判別する。なお、所定値η0は予めＮＯxを効率よく低減できる値（例えば、０．９）に設定されている。
判別結果が偽（Ｎｏ）で温度効率ηが所定値η0に満たない場合には、ＥＧＲガスが十分に冷却されておらずＥＧＲガスの冷却率が小さいとみなし、この場合には、次のステップＳ２２において冷却水弁４０の開度Ｖwを増大させる。これにより、冷却水流量が増量されてＥＧＲガスの冷却能力が向上し、温度効率ηが所定値η0に向けて上昇することになる。
【００２７】
一方、ステップＳ２０の判別結果が真（Ｙｅｓ）で温度効率ηが所定値η0以上の場合には、次のステップＳ２４において温度効率ηが所定値η0に等しいか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で温度効率ηが所定値η0に一致している場合には、ＥＧＲガスが良好に冷却されてＮＯxが効率よく低減されていると判定でき、次のステップＳ２６において冷却水弁４０の開度Ｖwをそのままに保持する。
【００２８】
一方、ステップＳ２４の判別結果が偽（Ｎｏ）で温度効率ηが所定値η0より大きい場合には、次にステップＳ２８に進む。
ステップＳ２８では、ＥＧＲガス温度ＴBが所定温度（第２の所定値）Ｔ3（例えば、１００℃）以上であるか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）でＥＧＲガス温度ＴBが所定温度Ｔ3に満たない場合には、次にステップＳ３０に進み、冷却水弁４０の開度Ｖwを最小開度Ｖminとする。
【００２９】
つまり、ＥＧＲガス温度ＴBが所定温度Ｔ3に満たないような場合には、温度効率ηが高くＥＧＲガスの冷却率が良い一方でＥＧＲガスが過冷却となっており、ＥＧＲガス中に含まれる水分が凝縮して水となっている虞があると判定でき、このような場合には、冷却水弁４０を絞り冷却水のＥＧＲクーラ２０への導入を中止してＥＧＲガスの冷却を止めるようにするのである。これにより、ＥＧＲガス中に含まれるＳＯx成分が水に溶け硫酸（Ｈ₂ＳＯ₄）となってＥＧＲ管１６の内壁面に付着することがなくなり、ＥＧＲ管１６の腐蝕が防止される。
【００３０】
なお、この際、ＥＧＲ弁１８の開度ＶEGRを全閉状態としてＥＧＲガスのＥＧＲクーラ２０への導入を中止するようにしてもよく、このようにすれば硫酸が一切生成されなくなり、ＥＧＲ管１６の腐蝕がより一層好適に防止される。
一方、ステップＳ２８の判別結果が真（Ｙｅｓ）でＥＧＲガス温度ＴBが所定温度Ｔ3以上である場合には、次にステップＳ３２に進み、冷却水弁４０の開度Ｖwを減少させる。これにより、冷却水流量が絞られてＥＧＲガスの冷却能力が低下し、温度効率ηが所定値η0に向けて低下することになる。
【００３１】
なお、上述した実施形態では、ＥＧＲガス温度ＴA，ＴB及び冷却水温度ＴCをそれぞれ温度センサ３０、温度センサ３２、水温センサ４２で検出するようにしているが、ＥＧＲガス温度ＴAについては、エンジン回転センサ５２からのエンジン回転速度情報Ｎeとアクセルペダル７０の操作に基づく負荷情報Ｌpとから検出することもできる（第１のＥＧＲガス温度検出手段）。
【００３２】
つまり、ＥＧＲガスは排ガスの一部であるため、負荷情報Ｌpとエンジン回転速度情報Ｎeとから一義に決定される燃焼温度に基づいて排気管１０から分岐した直後のＥＧＲガス温度ＴAを容易に推定できるのである。
具体的には、図３に示すようなエンジン回転速度Ｎeと負荷Ｌpに対応するＥＧＲガス温度ＴAのマップを予め実験等により設定しておき、上記ＥＧＲガス冷却制御ルーチンのステップＳ１８において、該マップからＥＧＲガス温度ＴAを読み出し、この値に基づいて温度効率ηを算出する。
【００３３】
これにより、別途温度センサ３０を設けることなく、つまり温度センサの数を少なくして部品コストを低減しながら、また故障箇所を減らして装置の信頼性の向上を図りながら、上記同様のＥＧＲガス冷却制御を行うことができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、請求項１の排ガス再循環装置によれば、ＥＧＲガス冷却器通過前後のＥＧＲガスの温度、ＥＧＲガス冷却器から内燃機関へ返戻する冷却水の温度に応じてＥＧＲガスを適切に冷却することができ、ＮＯxの発生を安定して低く抑えることができる。
【００３５】
また、請求項２の排ガス再循環装置によれば、ＥＧＲガスをＮＯx低減に適切な温度に冷却して再循環させることができ、内燃機関の運転状態に拘わらずＮＯxの発生を常に安定して低く抑えることができる。
また、請求項３の排ガス再循環装置によれば、ＥＧＲ通路に導入されたＥＧＲガスの温度が高く且つ量が多い場合には、ＥＧＲガスの再循環を中止して冷却水の昇温を防止できるとともに、内燃機関の冷却水をＥＧＲ通路及びＥＧＲガス冷却器に大量に流すことで冷却水の熱を大気中に放散させて冷却水を良好に冷却させるようにでき、内燃機関のオーバヒートを好適に防止できる。
【００３６】
また、ＥＧＲ通路に導入されたＥＧＲガスの温度が低く且つ量が少ない場合には、内燃機関の冷却水によってＥＧＲガスを冷却させないようにでき、故にＥＧＲガス中の水分が凝縮して水滴とならないようにして硫酸の生成を抑えるようにでき、ＥＧＲ通路の内壁の腐蝕を好適に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両に搭載された本発明に係る排ガス再循環装置の概略構成図を示す図である。
【図２】本発明に係るＥＧＲガス冷却制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】エンジン回転速度Ｎeと負荷Ｌpに応じて設定されたＥＧＲガス温度ＴAのマップを示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン（内燃機関）
４ 吸気管
１０ 排気管
１６ ＥＧＲ管（ＥＧＲ通路）
１８ ＥＧＲ弁（ＥＧＲ制御弁）
２０ ＥＧＲクーラ（ＥＧＲガス冷却器）
２２ 冷却タンク
２６ 入側冷却水管（冷却水通路）
２８ 出側冷却水管（冷却水通路）
３０ 温度センサ（第１のＥＧＲガス温度検出手段）
３２ 温度センサ（第２のＥＧＲガス温度検出手段）
４０ 冷却水弁（冷却水制御弁）
４２ 水温センサ（冷却水温度検出手段）
５０ 水温センサ
５２ エンジン回転センサ（第１のＥＧＲガス温度検出手段）
６０ 電子コントロールユニット（ＥＣＵ）
７０ アクセルペダル
７２ 変換器（第１のＥＧＲガス温度検出手段）

Claims (3)

1. 内燃機関からの排ガスの一部をＥＧＲガスとして燃焼室に再循環させるＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路に設けられ、ＥＧＲガスを通過させ冷却するＥＧＲガス冷却器と、
   前記内燃機関の冷却水を前記ＥＧＲガス冷却器に導き循環させる冷却水通路と、
   前記ＥＧＲ通路に設けられ、ＥＧＲガス流量を調節するＥＧＲ制御弁と、
   前記冷却水通路に設けられ、冷却水流量を調節する冷却水制御弁と、
   前記ＥＧＲガス冷却器の入口に配置され、該ＥＧＲガス冷却器に流入するＥＧＲガスの温度を検出する第１のＥＧＲガス温度検出手段と、
   前記ＥＧＲガス冷却器通過後のＥＧＲガスの温度を検出する第２のＥＧＲガス温度検出手段と、
   前記ＥＧＲガス冷却器から前記内燃機関へ返戻する冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段と、
   前記第１及び第２のＥＧＲガス温度検出手段と前記冷却水温度検出手段からの検出情報に基づき前記冷却水制御弁の開度を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする排ガス再循環装置。
2. 前記制御手段は、前記第１及び第２のＥＧＲガス温度検出手段によりそれぞれ検出される前記ＥＧＲガス冷却器通過前後のＥＧＲガスの温度差と、前記第１のＥＧＲガス温度検出手段により検出される前記ＥＧＲガス冷却器通過前のＥＧＲガス及び前記冷却水温度検出手段により検出される冷却水の温度差との比が規定値となるよう前記冷却水制御弁の開度を制御することを特徴とする、請求項１記載の排ガス再循環装置。
3. 前記制御手段は、さらに前記ＥＧＲ制御弁の開度を制御するものであって、
   該制御手段は、前記冷却水温度検出手段により検出される冷却水の温度が第１の所定値より大であるとき前記冷却水制御弁を最大開度とするとともに前記ＥＧＲ制御弁を閉弁状態とし、前記ＥＧＲガス冷却器通過後のＥＧＲガスの温度が第２の所定値より小であるとき前記冷却水制御弁を最小開度とすることを特徴とする、請求項１または２記載の排ガス再循環装置。

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