JP3928642B2

JP3928642B2 - Ｅｇｒ装置

Info

Publication number: JP3928642B2
Application number: JP2005010490A
Authority: JP
Inventors: 隆広植田
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2005-01-18
Filing date: 2005-01-18
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2025-01-18
Also published as: JP2006200381A; CN101103195A; WO2006077708A1; CN100590312C; EP1840365A4; US20090188475A1; EP1840365A1

Description

本発明は、エンジンの排気通路を流れる排気ガスの一部を吸気通路に供給することで混合気の燃焼温度を下げ、それによりＮＯｘの排出量を低減させるＥＧＲ装置に関するものであり、吸気通路に供給する排気ガス（ＥＧＲガス）をより低温まで冷却することを可能にしたものである。

ディーゼルエンジン等におけるエミッション対策として、排気通路を流れる排気ガスの一部を吸気通路に供給し、混合気の燃焼温度を低く抑えて、ＮＯｘの生成を抑制するＥＧＲ（排気再循環）装置が知られており、広く実用化されている（特許文献１等）。

ＥＧＲ装置は、例えば、図４に示すように、エンジン１の排気通路９と吸気通路３とを連通するＥＧＲ通路１５と、そのＥＧＲ通路１５に設けられたＥＧＲクーラ３０と、ＥＧＲクーラ３０よりも下流側でＥＧＲ通路１５に設けられたＥＧＲ弁３１とを備える。

排気通路９からＥＧＲ通路１５へと流れ込んだ排気ガス（ＥＧＲガス）はＥＧＲクーラ３０にて冷却された後、ＥＧＲ弁３１により流量が調節されて吸気通路３へと還流される。なお、図中２は吸気マニホールド、７は排気マニホールド、５はインタークーラ、１２はターボチャージャである。

ＥＧＲクーラ３０によりＥＧＲガスを冷却する理由は、高温のＥＧＲガスをそのまま吸気通路３に戻すと、高温で膨張したＥＧＲガスがシリンダ（燃焼室）内に供給されることになるため、ＥＧＲガスの質量が低下し、シリンダ内に入る実質的なＥＧＲガスの割合が低減してしまうからである。特に、燃料噴射量の多い高負荷運転時では、燃焼に多量の空気が必要となるため、ＥＧＲガスを冷却してその容積を減小させ、必要なＥＧＲ量を確保する必要がある。

また、ＥＧＲガスを冷却すると、混合気の燃焼温度がより低くなるため、ＮＯｘ排出量がより低減するという効果も得ることができる。

そこで近年では、ＮＯｘ低減効果を増大させるために、ＥＧＲクーラ３０を複数個設けたり、ＥＧＲクーラ３０の能力・容量を大きくしたりして、ＥＧＲガスをより低温まで冷却させることが提案されている。

特開平１０−１９６４６２号公報

ところが、ＥＧＲガスの冷却度合いを高めると、ＥＧＲ弁３１を通過するときに、ＥＧＲガス中に含まれる炭化水素（ＨＣ）成分が凝縮又は凝固して液体又は固体となり、それがＥＧＲ弁３１の作動部に付着してしまう場合があった。こうなると、ＥＧＲ弁３１の作動部が固着して、作動不良が発生してしまう。

このため、従来のＥＧＲ装置ではＥＧＲガスの冷却度合いを高めることは実際上困難であった。

そこで本発明の目的は、上記課題を解決し、ＥＧＲガスの冷却度合いを高めても、ＥＧＲ弁の作動不良が発生しないＥＧＲ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、エンジンの排気通路を流れる排気ガスの一部を吸気通路に供給すべく、上記排気通路と上記吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、上記ＥＧＲ通路に設けられ、上記ＥＧＲ通路を流れる排気ガスを冷却するＥＧＲクーラと、上記ＥＧＲ通路に設けられ、上記ＥＧＲ通路から上記吸気通路へと供給される排気ガスの流量を調節するためのＥＧＲ弁と、を備えたＥＧＲ装置であって、上記ＥＧＲクーラが、上記ＥＧＲ通路に複数設けられ、上記ＥＧＲ弁が、上記ＥＧＲクーラのうち隣接するいずれか二つのＥＧＲクーラの間に配置され、上記ＥＧＲ弁よりも上流側に位置するＥＧＲクーラの能力が、上記ＥＧＲ弁を通過する排気ガスの温度が排気ガス中に含まれる炭化水素成分が凝縮及び凝固する温度である１００℃よりも高く且つ上記ＥＧＲ弁のシール部材等が熱劣化する温度以下に設定されるものである。

ここで、上記ＥＧＲ弁よりも下流側に位置するＥＧＲクーラの能力が、上記吸気通路へと供給される排気ガスの温度が１００℃以下となるように設定されることが好ましい。

また、上記ＥＧＲ通路における、上記ＥＧＲ弁の設置位置と、上記ＥＧＲ弁よりも下流側で、一つ又は複数のＥＧＲクーラよりも下流側の位置とを連通するバイパス通路が設けられ、上記ＥＧＲ弁は、上記ＥＧＲ弁に流れ込んだ排気ガスを、上記ＥＧＲ通路及び上記バイパス通路のいずれか一方へと選択的に流すことが可能な方向切替弁であっても良い。

本発明によれば、ＥＧＲ弁の下流側に少なくとも一つのＥＧＲクーラが配置されるので、このＥＧＲクーラ（つまりＥＧＲ弁よりも下流側のＥＧＲクーラ）により、排気ガスを炭化水素成分の凝縮温度又は凝固温度以下まで冷却しても、ＥＧＲ弁の作動不良が発生することはない。また本発明によれば、ＥＧＲ弁の上流側にも少なくとも一つのＥＧＲクーラが配置されるので、高温の排気ガスによりＥＧＲ弁のシール部材等が熱劣化することを防止できる。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は本実施形態のＥＧＲ装置の概略図である。

本実施形態のＥＧＲ装置はディーゼルエンジンに適用したものであり、そのディーゼルエンジンは、エンジン１、エンジン１に吸気マニホールド２を介して接続された吸気通路３、吸気通路３に設けられたインタークーラ５、インタークーラ５よりも下流側で吸気通路３に設けられたスロットル弁６、エンジン１に排気マニホールド７を介して連結された排気通路９、排気通路９に設けられたタービン１０と吸気通路３に設けられたコンプレッサ１１とを備えるターボチャージャ１２、スロットル弁６等の各種装置を電子制御するコントローラ１３などを備えている。

ＥＧＲ装置は、タービン１０よりも上流側の排気通路９と、スロットル弁６よりも下流側の吸気通路３とを連通するＥＧＲ通路１５と、そのＥＧＲ通路１５に設けられ、ＥＧＲ通路１５内を流れる排気ガス（ＥＧＲガス）を冷却するためのＥＧＲクーラ１６ａ，１６ｂと、ＥＧＲ通路１５に設けられ、ＥＧＲ通路１５から吸気通路３へと供給されるＥＧＲガスの流量を調節するためのＥＧＲ弁１７とを備える。

ＥＧＲ弁１７は、弁開度が段階的又は連続的に調節可能なものであり、コントローラ１３によりその弁開度が制御・調節される。コントローラ１３にはエンジン１の運転状態毎にＥＧＲ弁１７の最適な弁開度を定めたロジックが構築されており、コントローラ１３は、エンジン回転センサやアクセル開度センサや吸気流量センサなどの図示しない検出手段の検出値に基づいて、ＥＧＲ弁１７の弁開度の目標値を決定し、その目標値に従ってＥＧＲ弁１７を開閉制御する。ＥＧＲ弁１７の弁開度が最適に制御・調節されることにより、ＥＧＲ通路１５から吸気通路３へと供給されるＥＧＲガスの流量が適切に制御・調節される。

図から分かるように、本実施形態のＥＧＲ装置では、二つのＥＧＲクーラ１６ａ，１６ｂがＥＧＲ通路１５に直列に設けられ、それらＥＧＲクーラ１６ａ，１６ｂ間にＥＧＲ弁１７が設けられる。即ち、本実施形態のＥＧＲ装置では、ＥＧＲ弁１７の上流側及び下流側にそれぞれ一つずつＥＧＲクーラが配置される。なお、以下の説明では、ＥＧＲ弁１７よりも上流側のＥＧＲクーラ１６ａを第１クーラと称し、ＥＧＲ弁１７よりも下流側のＥＧＲクーラ１６ｂを第２クーラと称する。

ここで、ＥＧＲ弁１７よりも上流側に位置する第１クーラ１６ａの能力・容量は、ＥＧＲ弁１７を通過するＥＧＲガス（排気ガス）の温度が、ＥＧＲガス中に含まれる炭化水素（ＨＣ）成分の凝縮温度及び凝固温度以下とならないように設定される。より具体的には、ＥＧＲ弁１７を通過するＥＧＲガスの温度が、１００℃よりも高くなるように、第１クーラ１６ａの能力・容量が設定される。

一方、ＥＧＲ弁１７よりも下流側に位置する第２クーラ１６ｂの能力・容量は、吸気通路３へと供給されるＥＧＲガスの温度が、ＥＧＲガス中に含まれる炭化水素成分の凝縮温度及び凝固温度以下となるように、つまり１００℃以下となるような能力・容量が設定されている。

次に、本実施形態のＥＧＲ装置の作用を説明する。

エンジン１の運転中、排気通路９内を流れる排気ガスの一部はＥＧＲ通路１５へと流れ込み、第１クーラ１６ａにて第１温度まで冷却された後、ＥＧＲ弁１７へと流れる。このとき、コントローラ１３に定められた弁開度に従ってＥＧＲ弁１７を開くと、その弁開度に応じた流量の排気ガス（ＥＧＲガス）がＥＧＲ弁１７の下流側へと流れ、第２クーラ１６ｂにて第１温度よりも低い第２温度まで更に冷却される。その後、ＥＧＲガスは吸気通路３へと流れ込み、スロットル弁６よりも上流側から供給される空気（新気）と共にエンジン１のシリンダ（燃焼室）内へ供給される。低温のＥＧＲガスがシリンダ内に供給されることにより、混合気の燃焼温度及び酸素濃度が下がり、ＮＯｘの生成が抑制される。

ここで、ＥＧＲ通路１５内を流れるＥＧＲガスの温度を、図２を用いて説明する。

図は、ＥＧＲ通路１５内の三つの測定ポイントにおけるＥＧＲガス温度を示しており、ラインＡが第１クーラ１６ａの入口（図１のポイントａ）を流れるＥＧＲガスの温度、ラインＢが第２クーラ１６ｂの入口（図１のポイントｂ）を流れるＥＧＲガスの温度、ラインＣが第２クーラ１６ｂの出口（図１のポイントｃ）を流れるＥＧＲガスの温度を示している。

図から分かるように、第１クーラ１６ａの入口のＥＧＲガス温度（ラインＡ）が最も高く、ＥＧＲ弁１７の出口側、即ち第２クーラ１６ｂの入口のＥＧＲガス温度（ラインＢ）はラインＡの半分程度まで低減している。

しかしながら、第２クーラ１６ｂの入口（ＥＧＲ弁１７の出口）のＥＧＲガス温度（ラインＢ）は、その平均値が、ＥＧＲガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）成分の凝縮温度及び凝固温度（約１００℃）よりも高くなる。上述したように、ＥＧＲ弁１７へと流れるＥＧＲガスの温度が、炭化水素成分の凝縮温度及び凝固温度よりも高くなるように、第１クーラ１６ａの能力・容量が設定されるからである。従って、ＥＧＲガスがＥＧＲ弁１７を通過する際に、その炭化水素成分が液化又は固化することはない。

次に、第２クーラ１６ｂの出口のＥＧＲガス温度（ラインＣ）は、第２クーラ１６ｂの入口のＥＧＲガス温度（ラインＢ）の更に半分程度まで低減している。この温度は、ＥＧＲガスに含まれる炭化水素成分の凝縮温度及び凝固温度（約１００℃）よりも低く、これが吸気通路３に供給されるＥＧＲガスの温度となる。

以上説明してきたように、本実施形態のＥＧＲ装置では、二つのＥＧＲクーラ１６ａ，１６ｂの間にＥＧＲ弁１７を設けると共に、ＥＧＲ弁１７よりも上流側に位置するＥＧＲクーラ１６ａの能力・容量を、ＥＧＲ弁１７を通過するＥＧＲガスの温度が炭化水素成分の凝縮温度及び凝固温度以下とならないように設定している。従って、ＥＧＲ弁１７内をＥＧＲガスが通過するときに、その炭化水素成分が液化又固化して作動部に付着することはなく、作動部の固着によるＥＧＲ弁１７の作動不良が生じることはない。

また、ＥＧＲ弁１７の下流側にＥＧＲクーラ１６ｂが配置されるので、このＥＧＲクーラ１６ｂによりＥＧＲガスを十分に冷却して、その容量を低減することができる。

この点を詳述すると、図４に示したような従来のＥＧＲ装置では、ＥＧＲクーラ３０によりＥＧＲガスの温度を炭化水素成分の凝縮温度及び凝固温度以下まで低下させると、液化又は固化した成分がＥＧＲ弁３１に付着して作動不良を引き起こしてしまうため、ＥＧＲガスを炭化水素成分の凝縮温度及び凝固温度以下まで冷却することができない。これに対して、本実施形態のＥＧＲ装置では、ＥＧＲ弁１７よりも下流側にＥＧＲクーラ１６ｂが位置しているので、このＥＧＲクーラ１６ｂによりＥＧＲガスの温度を炭化水素成分の凝縮温度及び凝固温度以下まで低下させることができる。

このように、本実施形態のＥＧＲ装置では、ＥＧＲガスを従来より低温まで冷却してその容積を充分に減小させ、密度を増加することができるので、エンジン１のシリンダ内においてＥＧＲガスが占める質量割合を大きくでき、大きな割合でＥＧＲガスをシリンダ（燃焼室）内に供給することが可能となる。従って、高負荷運転領域でもＥＧＲ装置を作動させてＮＯｘの低減を図ることが可能となる。

また、ＥＧＲガスを従来より低温まで冷却することができるので、混合気の燃焼温度が従来より低くなり、ＮＯｘ低減効果が向上する。

更に、本実施形態のＥＧＲ装置では、ＥＧＲ弁１７の上流側にもＥＧＲクーラ１６ａ（第１クーラ）が配置されるため、ＥＧＲ弁１７のシール部材等の熱劣化を防止できる。つまり、高温のＥＧＲガスをそのままＥＧＲ弁１７へ流すとＥＧＲ弁１７のシール部材等が熱劣化してしまうおそれがあるが、本実施形態のＥＧＲ装置ではＥＧＲ弁１７に流れ込むＥＧＲガスの温度をある程度低くできるので、ＥＧＲ弁１７のシール部材等の熱劣化を防止でき、ＥＧＲ弁１７の耐久性が向上する。しかしながら、ＥＧＲ弁１７よりも上流側に位置するＥＧＲクーラ１６ａの能力・容量は、ＥＧＲ弁１７へと流れるＥＧＲガスの温度が、炭化水素成分の凝縮温度及び凝固温度よりも高くなるように設定されることは上記の通りである。

次に、図３を用いて、他の実施形態を説明する。

この実施形態の基本的な構成は、図１に示したものと同様なので、図１と同様の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略し、相違点のみを説明する。

この実施形態の特徴は、ＥＧＲ通路１５において、ＥＧＲ弁１７’が設けられた位置と、ＥＧＲ弁１７’よりも下流側に位置するＥＧＲクーラ１６ｂ（第２クーラ）よりも下流側の位置とを連通するバイパス通路１９が設けられ、ＥＧＲ弁１７’として、ＥＧＲ弁１７’に流れ込んだ排気ガスを、下流側のＥＧＲ通路１５及びバイパス通路１９のいずれか一方へと選択的に流すことができると共に、その流量を調節可能な方向切替弁が用いられる点にある。

この実施形態では、コントローラ１３によりＥＧＲ弁１７’を切り替えて、第１クーラ１６ａを通過したＥＧＲガスをバイパス通路１９へと流すことで、第２クーラ１６ｂによる冷却を行わないようにすることができる。これにより、エンジン１の低温時や低負荷運転時などにおけるＥＧＲガスの過冷却を回避して、不完全燃焼による未燃ＨＣの発生や失火などを防止できる。より具体的に説明すると、コントローラ１３が、図示しない水温センサや負荷検出センサ（アクセル開度センサ等）などの検出値に基づいてＥＧＲ弁１７’を切り替える（つまり、低温時や低負荷時にはＥＧＲガスをバイパス通路１９へと流し、高温時や高負荷時などにはＥＧＲガスをＥＧＲ通路１５へと流す）ようにすることで、吸気通路３に供給されるＥＧＲガスの温度を常に適切にすることができる。

なお、本発明は以上説明した実施形態に限定はされない。

例えば、上述した二つの実施形態ではＥＧＲクーラを二つ設けるとしたが、本発明はこの点において限定されず、ＥＧＲクーラを三つ以上設けても良い。その場合、ＥＧＲ弁を、複数のＥＧＲクーラのうち隣接するいずれか二つのＥＧＲクーラの間に配置すると共に、ＥＧＲ弁よりも上流側に位置する一つ又は複数のＥＧＲクーラの能力・容量を、ＥＧＲ弁を通過する排気ガスの温度が、ＥＧＲガスに含まれる炭化水素成分の凝縮温度及び凝固温度（約１００℃）よりも高くなるように設定すれば良い。

なお、ＥＧＲ弁よりも下流側に複数のＥＧＲクーラが存在する場合、図３の実施形態で示したバイパス通路１９の下流側を、最も下流側のＥＧＲクーラよりも下流側でＥＧＲ通路１５と接続しても良いし、一つ又は複数のＥＧＲクーラよりも上流側でＥＧＲ通路１５と接続しても良い。要するに、バイパス通路１９は、ＥＧＲ弁１７’の設置位置と、そのＥＧＲ弁１７’よりも下流側で、一つ又は複数のＥＧＲクーラよりも下流側の位置とを連通すれば良く、ＥＧＲ通路１５全体を通るときよりもバイパス通路１９を通るときの方が、通過するＥＧＲクーラの数が少なくなるようにすれば良い。

本発明の一実施形態に係るＥＧＲ装置の概略図である。ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスの温度を示すグラフである。本発明の他の実施形態に係るＥＧＲ装置の概略図である。従来のＥＧＲ装置の概略図である。

符号の説明

１エンジン
３吸気通路
９排気通路
１５ＥＧＲ通路
１６ａＥＧＲクーラ（第１クーラ）
１６ｂＥＧＲクーラ（第２クーラ）
１７ＥＧＲ弁
１７’ ＥＧＲ弁
１９バイパス通路

Claims

エンジンの排気通路を流れる排気ガスの一部を吸気通路に供給すべく、上記排気通路と上記吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、
上記ＥＧＲ通路に設けられ、上記ＥＧＲ通路を流れる排気ガスを冷却するＥＧＲクーラと、
上記ＥＧＲ通路に設けられ、上記ＥＧＲ通路から上記吸気通路へと供給される排気ガスの流量を調節するためのＥＧＲ弁と、を備えたＥＧＲ装置であって、
上記ＥＧＲクーラが、上記ＥＧＲ通路に複数設けられ、
上記ＥＧＲ弁が、複数のＥＧＲクーラのうち隣接するいずれか二つのＥＧＲクーラの間に配置され、
上記ＥＧＲ弁よりも上流側に位置するＥＧＲクーラの能力が、上記ＥＧＲ弁を通過する排気ガスの温度が排気ガス中に含まれる炭化水素成分が凝縮及び凝固する温度である１００℃よりも高く且つ上記ＥＧＲ弁のシール部材等が熱劣化する温度以下に設定される
ことを特徴とするＥＧＲ装置。
上記ＥＧＲ弁よりも下流側に位置するＥＧＲクーラの能力が、上記吸気通路へと供給される排気ガスの温度が１００℃以下となるように設定される
請求項１記載のＥＧＲ装置。
上記ＥＧＲ通路における、上記ＥＧＲ弁の設置位置と、上記ＥＧＲ弁よりも下流側で、一つ又は複数のＥＧＲクーラよりも下流側の位置とを連通するバイパス通路が設けられ、上記ＥＧＲ弁は、上記ＥＧＲ弁に流れ込んだ排気ガスを、上記ＥＧＲ通路及び上記バイパス通路のいずれか一方へと選択的に流すことが可能な方向切替弁である
請求項１又は２記載のＥＧＲ装置。