JP4007651B2 - ディーゼルエンジン用egrガス温度制御システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジン用の排気ガス再循環(EGR)装置に係り、特にEGR装置によって吸気通路から排気通路へ還流される一部の排気ガス(EGRガス)の温度を制御するシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれている窒素酸化物(NOx )の量を低減させるために、ガソリンエンジンの場合と同様にEGRを行うことが試みられている。即ち、排気通路から排気ガスの一部を取り出して吸気通路へ還流させることにより、吸気中の酸素濃度を低下させると共に吸気の保有する熱量を増大させて燃焼速度及び最高燃焼温度を低下させ、それによってNOx の生成量を低減させて排気エミッションを改善しようとするものである。
【0003】
また、再循環されるEGRガスの充填率を高めるために、特開平4−47156号公報には、排気通路から取り出されたEGRガスを、自動車の走行風、又は冷却ファンによって強制的に流される空気によって冷却される所謂EGRガスクーラを通過させることによって、EGRガスを予め冷却してから吸気通路へ供給する技術が記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
EGRを行うことによって排気ガス中のNOx は確実に低減するし、EGRガスを予め冷却してから再循環させてEGRガスの充填率を高めることによりその作用を高めることができるが、従来技術のようにEGRガスを無定量に一方的に冷却して再循環させるというだけでは、エンジンの運転条件によっては排気微粒子(パティキュレート・マター、以下PMと呼ぶ)の排出量が増大するという別の問題を生じる。
【0005】
従って、本発明は、従来技術におけるこのような問題に対処して、EGRを行う際にNOx だけでなくPMをも同時に低減することができるような、ディーゼルエンジン用の改良されたEGR装置を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、PMの排出量が最も減少するEGRガス温度がエンジンの運転条件によって異なるというエンジンの性質、即ち、エンジンの運転条件に応じて最適のEGRガス温度というものが存在することと、その値が運転条件の変化に応じて大幅に変化するという事実を見出したことに立脚し、エンジンの色々な運転条件に対応してPMの排出量が減少するようにEGRガス温度を制御することによって、EGRの本来の目的であるNOx の排出量の低減のみならず、併せてPMの排出量をも低減させるものである。
【0007】
そのための具体的な手段として、本発明は特許請求の範囲の各請求項に記載されたディーゼルエンジン用EGRガス温度制御システムを提供する。
【0008】
本発明のEGRガス温度制御システムによれば、基本的に、ディーゼルエンジンの排気通路からEGRガスを吸気通路へ還流させるEGR装置に、EGRガス冷却通路に設けられたEGRガスの冷却手段と、この冷却手段をバイパスするEGRガスバイパス通路と、EGRガス冷却通路とEGRガスバイパス通路とを切り換えるEGRガス通路切換バルブと、EGRガスバイパス通路に設けたEGRガスの加熱手段と、少なくともディーゼルエンジンの負荷の大きさ及び回転数を含む運転条件に応じて、還流されるEGRガスの温度をあらかじめ定められた値に加熱或いは冷却制御する手段とを備えているEGRガス温度制御装置を具備し、加熱及び冷却手段が、ディーゼルエンジンの負荷が高いほどEGRガスの温度を冷却するとともに、所定の負荷以上の運転状態では、EGRガスの温度をあらかじめ定められた値以下に冷却しないようにしたものであり、これによって、EGRガスの温度をエンジンの運転条件に応じて常に最適値となるように変化させることができ、NOx のみならずPMの排出量をも同時に低減させることが可能になる。この場合に、ディーゼルエンジンの運転条件を示す値としては、ディーゼルエンジンの負荷の大きさを示す数値、或いはエンジン回転数等を採用することができる。
【0009】
このように、EGRガス通路にEGRガスの温度を制御するEGRガス温度制御装置を設けることにより、ディーゼルエンジンの運転条件に応じて還流される排気ガスの温度を変化させることができる。この場合に、EGRガス温度制御装置としては、EGRガス通路に設けられたEGRガスの冷却手段を含むものとすることができる。
【0010】
EGRガス温度制御装置として冷却手段を設ける場合に、冷却手段をバイパスするEGRガスのバイパス通路と、EGRガス通路切換バルブを設けると、切換バルブによって分流させられた一部のEGRガスだけが冷却手段を流れるので、これをバイパス通路の方へ分流させられて冷却されなかった残りのEGRガスと合流させることにより、エンジンへ還流するEGRガスの全量の温度を正確に最適値に調整することができる。それによってPMの排出量を最小限に抑えることが可能になる。
【0011】
冷却手段のバイパス通路及び切換バルブは冷却水通路に設けることもできる。それによって冷却手段を通る冷却水の量を調整して、冷却手段におけるEGRガスの冷却の程度を微細に調整し、冷却手段を通過してエンジンへ還流するEGRガスの温度を正確に最適値を基準にした目標値に調整することができる。それによって同様にPMの排出量を最小限に抑えることが可能になる。
【0012】
場合によっては、EGRガス温度制御装置に更にEGRガスの加熱手段を設けることもできる。それによって、EGRガスを冷却するだけでは最適値の温度に調整することが困難である場合に温度制御を正確に行うことができ、PMの排出量を最小限に抑えることが可能になる。
【0013】
【発明の実施の形態】
図1に本発明の第1実施形態の全体構成を示す。図2はその一部を拡大して示すものである。これらの図において、ディーゼルエンジン1は通常のものと同様に、図示しない冷却水套を流れることによって加熱される冷却水を走行風や図示しない冷却ファン等によって冷却するためのラジエータ2と、冷却された冷却水を再びエンジン1の冷却水套へ供給する冷却水ポンプ3を備えている。4はそれらを接続する冷却水通路である。この場合、エンジン1とラジエータ2との間の冷却水通路4にはEGRガスクーラ5が挿入されるので、ガスクーラ5の上流側の冷却水通路を冷却水入口通路6と呼び、ガスクーラ5の下流側の冷却水通路を冷却水出口通路7と呼ぶことにする。
【0014】
EGRガスを取り出すためにディーゼルエンジン1の図示しない排気通路から分岐してエンジン1の外部へ出ているEGRガス入口通路8は、EGRガス通路切換バルブ9によってガスクーラ5へ流入するEGRガス冷却通路10と、EGRガスバイパス通路11とに分岐している。切換バルブ9は入口通路8のEGRガスを2つに分割して冷却通路10とバイパス通路11のそれぞれに送り込むと共に、それら2つの量を相反的に増減させるものである。ガスクーラ5から出るEGRガス冷却通路12はバイパス通路11と合流してEGRガス出口通路13となり、エンジン1の図示しない吸気通路へ合流している。
【0015】
なお、図示していないが、通常のEGR装置と同様にEGRガス出口通路13の途中にはEGR制御弁が設けられると共に、電子式制御装置(ECU)14、或いはそれに代わるものによって、エンジン1の色々な運転条件に応じてEGRを行うかどうか、EGRを行う場合にどれだけのEGRガスを供給するかということが決定されてEGR制御弁を開閉制御するようになっている。
【0016】
第1実施形態の場合、EGRガスバイパス通路11には、通電することによってバイパス通路11を通過するEGRガスを加熱することができるヒータ15が設けられている。この場合、前述の切換バルブ9の作動とヒータ15への通電はいずれもECU14によって制御されるようになっている。そのために、ECU14にはエンジン1の運転条件を示すエンジン回転数、スロットル開度、吸入空気温度、冷却水温度や、ガスクーラ5の入口又は出口の温度、切換バルブ9或いは図示しないEGR制御弁の開閉作動状態等を示す信号等が各種のセンサ類から入力される。なお、図2においてはガスクーラ5にEGRガス温度センサ17,18及び冷却水温度センサ19,20が例示されている。このように、ガスクーラ5、通路切換バルブ9、バイパス通路11、ECU14、ヒータ15、EGRガス温度センサ17,18、冷却水温度センサ19,20等によって、本発明の特徴に対応する第1実施形態のEGRガス温度制御装置16が構成される。
【0017】
第1実施形態のEGR装置とその一部となるEGRガス温度制御装置16はこのように構成されているので、ディーゼルエンジンの本体を冷却した冷却水がラジエータ2へ流れる途中で入口通路6からEGRガスクーラ5へ流入し、それを通過して冷却水出口通路7からラジエータ2へ流出する。従って、ECU14の指令によって作動する切換バルブ9の作動位置によって入口通路8を通るEGRガスの一部が冷却通路10からガスクーラ5内へ流入すると、ガスクーラ5内を流れる冷却水によって冷却されて、冷却通路12から出口通路13へ流出する。また、切換バルブ9の作動位置によってガスクーラ5を通るEGRガスの他の一部がバイパス通路11を通って冷却されないまま流出し、出口通路13へ合流する。従って、出口通路13にはECU14の指令による切換バルブ9の作動位置に応じて任意の高さに温度制御されたEGRガスが流出し、それがディーゼルエンジン1の吸気通路へ合流することになる。
【0018】
第1実施形態のEGRガス温度制御装置16は、バイパス通路11にECU14によって制御されるヒータ15を備えているので、始動直後や低回転、低負荷時等においてEGRガスの温度が最適値よりも低いときは、ECU14の指令によってヒータ15に通電が行われて、バイパス通路11を通るEGRガスが加熱されるので、エンジン1がどのような運転条件にあっても、エンジン1へ還流するEGRガスの温度は、ECU14が内蔵しているメモリーに記録されたマップに基づいて決定する最適値になるように制御される。
【0019】
このときにECU14が実行する制御のプログラムが図3のフローチャートに例示されている。
即ち、エンジン1の図示しないイグニッションスイッチがONになってエンジン1が始動すると、ステップ101においてEGRガスの温度制御のプログラムがスタートし、ステップ102において各センサ類から入力されたそのときのエンジン1の運転条件を示すエンジン回転数、スロットル開度、冷却水温度、吸入空気温度、EGRガス温度、切換バルブ9の開度等が読み込まれる。そしてステップ103に進んでガスクーラ5による冷却(或いはヒータ15による加熱)のような、いわゆるEGRガス温度の制御を行う必要性の有無が判定される。
【0020】
より詳細に説明すると、ステップ103の判定は、ECU14に読み込まれた各センサからの信号によって知り得るエンジンの運転条件、即ちエンジンの回転数(Ne )及び負荷トルク(T)が次の表1のどの領域にあるかということを見ることによって、ガスクーラ5による冷却を行うか否かを判定する。また、第1実施形態のようにヒータ15をも設けている場合には、ガスクーラ5によってEGRガスを冷却しないときに、更に進んでヒータ15による加熱を行うか否かを判定する。言うまでもなく、エンジン回転数Ne に対する最大トルクTx や最高出力をもたらすエンジン回転数Nexの値は、予めECU14内のROMに設定されている。なお、第1実施形態の場合、ガスクーラ5はエンジン1を冷却して加温された後の冷却水を使用するので、運転条件による温度関係によってはガスクーラ5において冷却水がEGRガスを加熱することになる場合があり得る。
【0021】
【表1】
【0022】
ステップ103の判定を行うときの運転条件においてEGRガスの温度が適正であって変更する必要がなければ、ステップ102に戻って信号の読み込みと判定を繰り返すが、ステップ103における判定がYES、即ちEGRガス温度がそのときのエンジン1の運転条件に対して最適でなく、冷却或いは加熱の温度制御の必要があると判定されたときは、ステップ104に進んで、ECU14のROMに内蔵されたマップから最適値を読み込む。このときに使用するマップの例を図4〜図6に示す。図4はエンジン回転数から、図5はエンジン負荷から、また、図6はエンジン回転数及びエンジン負荷の双方から、いずれも最適の筒内吸入ガス温度を知るためのものである。
【0023】
ここで「筒内吸入ガス温度」というのは、新気とEGRガスの混合気の温度のことであり、新気の温度は一定としてよいから、そのマップ値から最適のEGRガス温度を算出することができる。従って、ECU14はステップ105において切換バルブ9を制御して、ガスクーラ5を通過することにより冷却されるEGRガスの量を調整することにより、EGRガス温度が最適値となるように冷却制御し、場合によってはヒータ15に通電して積極的に加熱制御をも行う。そしてステップ106からステップ102へ戻って以上の制御を繰り返す。
【0024】
図7は、このようにEGRガスを冷却或いは加熱してEGRガス温度を制御することにより筒内吸入ガス温度を変化させた場合に、排気エミッション(PM及びNOx )が増減することを調べた結果を示すものである。排出されるPM及びNOx の値はエンジン回転数や負荷トルクによって変化するだけでなく、吸入ガス温度によってもかなり大幅に変化することが判ったので、その変化の様子を(a)〜(f)のように代表的なエンジンの運転条件を選んでそれぞれ別の線図によって示している。図7(a)〜(f)においてPMのスケールは全て同じであり、また、NOx のスケールも全て同じである。
【0025】
図7の全ての線図から判るように、エンジンの回転数や負荷トルクの大きさにかかわりなく、EGRガスを冷却することによって吸入ガス温度を低下させるとNOx の排出量が減少するが、図7(a)〜(c)から判るように、比較的低回転、低負荷の運転条件においては、EGRガスを冷却することによってPMの排出量が増加する。それと反対に、図7(d)〜(f)から判るように、比較的高回転、高負荷の運転条件においては、EGRガスを冷却することによってPMの排出量が減少する傾向があるが、それには下限値があって、それよりも冷却し過ぎると、寧ろPMの排出量が増加するという注目すべき現象が見られる。
【0026】
従って、最適のEGRガス温度の制御は、従来技術のようにEGRガスを一方的に冷却してEGRガス温度を低下させれば良いというものではなく、エンジンの運転条件に応じてEGRガスの冷却の程度を微妙に変えたり、場合によってはEGRガスを加熱した方が良いことすらもある。本発明はこのような観点の上に初めて成立したものであり、表1に示したマップはこのような条件に適合するような制御を実行するためのものである。
【0027】
なお、PMの排出量は、図7の(a)〜(c)に示すように比較的低回転・低負荷の運転条件においては吸入ガス温度、従ってEGRガス温度が低いときほど多くなるのに反して、図7の(d)〜(f)に示すように比較的高回転・高負荷の運転条件においては吸入ガス温度、従ってEGRガス温度が高いときほど多くなる傾向が認められるが、一口にPMと言っても、低回転・低負荷の運転条件において生成されるPMは所謂SOF(可溶性有機成分)を多く含んでおり、高回転・高負荷の運転条件ににおいて生成されるPMは所謂SOOT(煤、遊離炭素粒子)を多く含んでいるためと考えられる。
【0028】
次に、図8は本発明の第2実施形態を示すもので、図1に示した第1実施形態においてはガスクーラ5へ流すエンジン冷却水の量については、エンジン回転数のようなエンジン1の運転条件によって自然に変化するのにまかせて意図的な制御を行わずに、ガスクーラ5を通過するEGRガスの量を切換バルブ9によって制御しているが、図8に示す第2実施形態においては、EGRガス入口通路8からガスクーラ5へ流入して冷却されるEGRガスの量は特に制御しないで、図示しないEGR制御弁の開閉によって決まるEGRガスの全量とする一方、ガスクーラ5へ流入する冷却水の量をエンジン回転数の変化だけでなく、扱う流体が違っても図1に示したような構造で、やはりECU14によって作動される冷却水通路切換バルブ21を用いて制御している点に特徴がある。
【0029】
即ち、図8に示す第2実施形態においては、ディーゼルエンジン1の冷却水套によって加熱された冷却水が、冷却水入口通路6から冷却水通路切換バルブ21を通って利用される流量が制限され、必要な量が冷却水流入通路22からガスクーラ5に流入して冷却水流出通路23へ流出する間にEGRガスを最適温度まで冷却(エンジン1の運転条件によっては加熱)するようになっている。そして、その運転条件において余分な量の冷却水は切換バルブ21によって分割されて冷却水バイパス通路24へ逃がされる。また、切換バルブ21によって分流した冷却水は冷却水出口通路7で合流し、共にラジエータ2へ流入する。
【0030】
第2実施形態のEGRガス温度制御装置の構成、及び作用はこのようなものであるから、EGRガス温度を制御することによって吸入ガス温度をマップ通りの最適値に維持することにより、排出されるNOx の量と共にPMの量をも同時に低減させて、第1実施形態の場合と同様な効果を奏することができる。なお、第1実施形態と第2実施形態の特徴を双方とも備えている他の実施形態、即ちガスクーラ5を通過するEGRガスと冷却水の双方をバイパス制御するものも当然実施可能であることは言うまでもない。
【0031】
このように、第1実施形態及び第2実施形態のEGRガス温度制御装置においては、ガスクーラ5をバイパスするEGRガス或いは冷却水の通路とECU14を使用して積極的にEGRガス温度を制御しているが、図9に示す本発明の第3実施形態によれば、ECU14のような制御装置やバイパス通路11,24、切換バルブ9,21等を設けない極めて簡単な構成によっても、実用上は十分な程度にEGRガス温度を変化させて概ね最適値とし、排出されるNOx 及びPMの量を同時に低減させることが可能である。
【0032】
即ち、図9に示す第3実施形態のEGRガス温度制御装置においては、冷却水入口通路6は、切換バルブのようなものを介することなく、そのままガスクーラ5を経て冷却水出口通路7に接続されると共に、EGRガス入口通路8も、そのままガスクーラ5を経てEGRガス出口通路13に接続されている。言うまでもなく、ガスクーラ5を通過する冷却水通路及びEGRガス通路は、本発明の目的に適う流量を発生するように特別に設定される。冷却水の全量、及びEGRガスの全量をガスクーラ5へ流すと流量が過大となる場合には、第3実施形態の変形として図示しない固定径のバイパス通路や絞り手段等を設けて、一定の割合の冷却水又はEGRガスがガスクーラ5をバイパスするようにすることもできる。
【0033】
一般に冷却水ポンプ3の回転数はエンジン1の図示しないクランクシャフトの回転数に依存して変化するから、ガスクーラ5を通過する冷却水の流量はエンジン1の回転数が高くなるほど大きくなる。従って、何ら意図的な制御を加えなくても、エンジン1の高回転、高負荷時には多量の冷却水がガスクーラ5に流入してEGRガスをよく冷却する。また、低回転、低負荷時にはガスクーラ5を通過する冷却水の量が自然に減少し、EGRガスを冷却する程度が低くなるか、或いは冷却水がEGRガスを加熱するような逆の温度関係になる場合もある。
【0034】
これは第3実施形態のEGRガス温度制御装置が、表1に示したような意図的な制御(第1実施形態及び第2実施形態)と同じ方向のEGRガス温度制御を自然に行っていることを意味する。従って、きめ細かな制御が必要でない場合は、冷却水とEGRガスを共にガスクーラ5を通過させるという構造だけをとる第3実施形態によって構成を著しく簡単にすることができ、低コストで実用上十分な効果を奏することができる。第3実施形態は、その構成をとることによってECU14等による意図的な制御を行うことなくEGRガス温度の大まかな最適値制御が可能になるので、この自然の制御を「なりゆき制御」と呼ぶことにする。
【0035】
図10は、以上詳細に説明した第1から第3までの3つの実施形態を整理して1つの表にまとめたものである。順序が変わっているが、「なりゆき制御」は第3実施形態に、「バイパス制御」は第1実施形態に、「冷却水量制御」は第2実施形態にそれぞれ対応している。なりゆき制御については、EGRガス温度の最適値制御が可能な諸元としてガスクーラ5内におけるEGRガスの冷却パイプの長さや、交換熱量、冷却水量を具体的に例示している。
【0036】
また、バイパス制御の具体的な制御方法として、図7の(a)に示すように、エンジン回転数が600rpmで負荷トルクが35Nmの極めて低回転、低負荷のときだけEGRガスをバイパス通路11へ逃してEGRガス冷却の程度を緩和する場合を▲1▼とし、一般的に低負荷時にEGRガスをバイパス通路11へ逃がす場合を▲2▼として、図11の線図において分けて示している。
【0037】
この図11は、EGRガス温度を制御した場合におけるNOx の排出量の変化とPMの排出量の変化との関係を示したもので、EGRガスの温度制御をしない場合のNOx 及びPMの排出量をそれぞれ100%として、温度制御を行った場合に生じるそれらの低減の程度を示しており、結果として本発明の効果を示すものとなっている。この図から判るようにNOx とPMの各排出量の間には相関関係があるから、図11においてはNOx とPMの変化率を横軸と縦軸にとってそれらの間の相関関係を示している。従って、NOx 及びPMのいずれに重きを置くかということが決まれば、図11によって3つの実施形態のいずれを採用するのが良いかを決定することができる。なお、図11において、LはEGRクーラの交換熱量の指標とする。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態を示すシステム構成図である。
【図2】第1実施形態の要部の拡大断面図である。
【図3】制御の手順を例示するフローチャートである。
【図4】制御において使用するマップを例示する線図である。
【図5】制御において使用する他のマップを例示する線図である。
【図6】制御において使用する更に他のマップを例示する線図である。
【図7】(a)〜(f)はそれぞれ異なる運転条件における吸入ガス温度とNOx 及びPMの排出量との関係を示す線図である。
【図8】本発明の第2実施形態を示すシステム構成図である。
【図9】本発明の第3実施形態を示すシステム構成図である。
【図10】3つの実施形態をまとめて1つの表として示す比較対照図である。
【図11】本発明の効果を示す線図である。
【符号の説明】
1…ディーゼルエンジン
3…冷却水ポンプ
5…EGRガスクーラ
6…冷却水入口通路
8…EGRガス入口通路
9…EGRガス通路切換バルブ
11…EGRガスバイパス通路
14…電子式制御装置(ECU)
15…ヒータ
21…冷却水通路切換バルブ
22…冷却水流入通路
24…冷却水バイパス通路
Claims (2)
- ディーゼルエンジンの排気通路から所定量の排気ガスを吸気通路へ還流させるように構成されていて、
EGRガス冷却通路に設けられたEGRガスの冷却手段と、
前記冷却手段をバイパスするEGRガスバイパス通路と、
前記EGRガス冷却通路と前記EGRガスバイパス通路とを切り換えるEGRガス通路切換バルブとよりなるEGRガス温度制御装置を備えているEGR装置において、
前記EGRガス温度制御装置がさらに、
前記EGRガスバイパス通路に設けたEGRガスの加熱手段と、
少なくともディーゼルエンジンの負荷の大きさ及び回転数を含む運転条件に応じて、還流されるEGRガスの温度をあらかじめ定められた値に加熱或いは冷却制御する手段と、
を備えていて
前記加熱及び冷却手段は、ディーゼルエンジンの負荷が高いほどEGRガスの温度を冷却するとともに、所定の負荷以上の運転状態では、EGRガスの温度をあらかじめ定められた値以下に冷却しないことを特徴とするディーゼルエンジン用EGRガス温度制御システム。 - 前記EGRガス温度制御装置が、前記冷却手段をバイパスする冷却水のバイパス通路と、冷却水通路切換バルブとを備えていることを特徴とする請求項1に記載されたディーゼルエンジン用EGRガス温度制御システム。
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