JP4671044B2

JP4671044B2 - 内燃機関のｅｇｒ装置

Info

Publication number: JP4671044B2
Application number: JP2006247960A
Authority: JP
Inventors: 義幸干場; 清隆細野; 俊一平尾
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2006-09-13
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2026-09-13
Also published as: JP2008069689A

Description

本発明は、内燃機関のＥＧＲ装置に係り、特に、過給機を備えた内燃機関に適用されるＥＧＲ装置に関する。

内燃機関（エンジン）本体から排出された排気の一部を吸気通路に還流させることにより、燃焼温度を低下させてＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を抑制するＥＧＲ装置が広く知られている。更に、このＥＧＲ装置を、ターボチャージャ等の過給機を備えたエンジンに採用する場合がある。このように過給機を備えたエンジンに採用されたＥＧＲ装置では、排気中に含まれるカーボン等の物質がコンプレッサに堆積して作動不良を引き起こさないように、コンプレッサの下流側の吸気通路に排気を導入している（特許文献１参照）。
特開２００５−３４４６７８号公報

しかしながら、過給機を備えたエンジンでは、コンプレッサより下流側で吸気圧が増加するので、吸気圧と排気圧との差が減少し、排気が還流し難くなる。したがって、特に高負荷運転時において還流する排気が不足し、所望のＥＧＲ効果が得られなくなる虞がある。これに対し、例えば、ＥＧＲ通路を大径として排気を還流し易くする方法が考えられるが、この方法では、アイドリング時等の低負荷運転時において排気が必要以上に還流してノックが発生してしまう虞がある。

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、過給機を備えた内燃機関において、ＥＧＲ効果が確保されるエンジンの運転領域を拡大可能な内燃機関のＥＧＲ装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、過給機を備えた内燃機関における吸気通路の過給機より下流側の部分と排気通路とを接続した第１のＥＧＲ通路と、前記吸気通路の過給機より下流側の部分と前記排気通路とを接続し、前記第１のＥＧＲ通路と並列に配設された、前記第１のＥＧＲ通路よりも流路面積の大きな第２のＥＧＲ通路と、前記第１のＥＧＲ通路を開閉する第１の開閉手段と、前記第２のＥＧＲ通路を開閉する第２の開閉手段と、前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記内燃機関の回転速度が所定範囲内であって前記内燃機関の負荷が所定値未満であるときには前記第１のＥＧＲ通路を開放するとともに前記第２のＥＧＲ通路を閉じ、前記内燃機関の回転速度が所定範囲内であって前記内燃機関の負荷が前記所定値以上であるときには前記第１のＥＧＲ通路を閉じるとともに前記第２のＥＧＲ通路が開放するように、前記運転状態検出手段により検出された前記運転状態に基づいて、前記第１の開閉手段及び第２の開閉手段を制御する制御手段と、を含んで内燃機関のＥＧＲ装置を構成することを特徴とする。

また、請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記第２のＥＧＲ通路を通過する排気を冷却する冷却装置を更に備えたことを特徴とする。

本発明の請求項１の内燃機関のＥＧＲ装置によれば、排気通路から吸気通路に還流する排気の流通経路が第１のＥＧＲ通路とこれよりも流路面積の大きな第２のＥＧＲ通路を開閉する第１開閉手段と第２開閉手段を設けているので、第２のＥＧＲ通路を絞り第１のＥＧＲ通路を開放することで還流する排気の流量が抑制され、内燃機関でのノックの発生を防止できる一方、過給機の作動によって吸気圧と排気圧との差が減少するような場合には、第２のＥＧＲ通路を開放することで還流する排気の流量を十分に確保することができる。そして、過給機の作動によって吸気圧と排気圧との差が減少するような内燃機関の回転速度が所定範囲内であって内燃機関の負荷が所定値以上であるときには、流路面積の大きな第２のＥＧＲ通路を通過して排気が還流するので、その流量が十分に確保され、ＥＧＲ効果を十分に発揮することができる。また、内燃機関の回転速度が所定範囲内であって内燃機関の負荷が所定値未満であるときには、流路面積の小さな第１のＥＧＲ通路を通過して排気が還流するので、必要以上の排気の還流を防止することができる。このようにＥＧＲ通路の開閉は、内燃機関の運転状態に基づいて吸気圧と排気圧との差を見ながら制御されるので、広い運転領域においてＥＧＲ効果を確保することができる。

また、請求項２の内燃機関のＥＧＲ装置によれば、負荷が所定値以上であって吸気圧が所定圧を超えるときには、第２のＥＧＲ通路のみを通過して排気が還流し、この還流した排気が冷却装置により冷却されるので、ＥＧＲ効果を促進させることができる。

以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る内燃機関のＥＧＲ装置の構成図である。
図１に示すように、内燃機関であるエンジン１としては、例えば、ターボチャージャ２を備えた直列４気筒のガソリンエンジンが採用される。エンジン１の吸気ポート３には、吸気マニホールド４を介して吸気管５が接続されており、一方、エンジン１の排気ポート６には、排気マニホールド７を介して排気管８が接続されている。

ターボチャージャ２は、吸気管５に介装されたコンプレッサ１０と、排気管８に介装されたタービン１１と、を含んで構成されており、エンジン１の排気によって駆動されたタービン１１の回転力を利用して、コンプレッサ１０を駆動して吸気を圧縮することで、エンジン１の出力を向上させる。
コンプレッサ１０の上流側の吸気管５には、吸気中の塵埃を捕集するエアクリーナ１２が介装されている。また、コンプレッサ１０と吸気マニホールド４との間の吸気管５には、インタークーラ１３が介装されている。インタークーラ１３は、コンプレッサ１０により圧縮されて昇温した吸気を冷却することにより、エンジン１の体積効率を向上させる機能を有する。また、インタークーラ１３より下流側の吸気管５には、吸気量を調節する電磁式のスロットル弁１４が設けられている。

吸気マニホールド４と排気マニホールド７とは、並列に配置された第１のＥＧＲ通路２０及び第２のＥＧＲ通路２１により接続されている。第２のＥＧＲ通路２１は第１のＥＧＲ通路２０より流路断面積が大きく大径に構成されている。第１のＥＧＲ通路２０には第１のＥＧＲ弁（第１の開閉手段）２２が介装されており、当該第１のＥＧＲ弁２２は第１のＥＧＲ通路２０の開閉を行う機能を有している。一方、第２のＥＧＲ通路２１には第２のＥＧＲ弁（第２の開閉手段）２３が介装されており、当該第２のＥＧＲ弁２３は第２のＥＧＲ通路２１の開閉を行う機能を有している。

これより、第１のＥＧＲ弁２２が開状態であるときは、エンジン１から排出された排気の一部（ＥＧＲガス）が第１のＥＧＲ通路２０を通過して吸気マニホールド４に還流し、第２のＥＧＲ弁２３が開状態であるときは、ＥＧＲガスが第２のＥＧＲ通路２１を通過して吸気マニホールド４に還流する。このように吸気中に排気が混入されることにより、エンジン１の燃焼室内における燃料の燃焼が緩慢となり、燃焼温度が低下してＮＯｘの発生が抑制される。

また、第２のＥＧＲ通路２１にはＥＧＲクーラー２５が介装されている。ＥＧＲクーラー２５は、第２のＥＧＲ通路２１を通過する排気を冷却し、ＥＧＲガスが吸気に環流することによる吸気温度の上昇を抑制して、燃焼温度を更に低下させる機能を有している。
ＥＣＵ（電子コントロールユニット）３０は、エンジン１等の制御を行うよう構成され、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成されている。

ＥＣＵ３０の入力側には、エンジン１の回転速度Ｎeを検出する回転速度センサ３１、エンジン１の負荷Ｌに関連する情報としてのアクセル開度を検出するアクセル開度センサ３２等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。
一方、ＥＣＵ３０の出力側には、第１のＥＧＲ弁２２、第２のＥＧＲ弁２３、スロットル弁１４の他に、図示しない燃料噴射弁、点火コイル等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づきＥＣＵ３０において演算された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等がそれぞれ出力され、これにより、適正なタイミングでスロットル弁１４が開閉操作され、吸気に適正量の燃料が適正なタイミングで噴射されるとともに、適正なタイミングで火花点火が実施される。

更に、ＥＣＵ３０は、回転速度センサ３１から入力したエンジン１の回転速度Ｎe及びアクセル開度センサ３２から入力したアクセル開度（エンジン１の負荷Ｄに相当する）に基づいて、第１のＥＧＲ弁２２及び第２のＥＧＲ弁２３を開閉制御している（制御手段）。
図２は、上記ＥＧＲ弁２２、２３の開閉制御を実行するためのＥＣＵ３０における制御手順を示すフローチャートであり、以下同フローチャートに沿い本発明に係るＥＧＲ制御について説明する。

本ルーチンは、エンジン１の作動に伴い実行され、先ず、ステップＳ１０では、回転速度センサ３１からエンジン１の回転速度Ｎeを入力し、ステップＳ１２に進む。
ステップＳ１２では、アクセル開度センサ３２からアクセル開度（負荷Ｄ）を入力し、ステップＳ１４に進む。
ステップＳ１４では、エンジン１の運転状態が領域Ａ内であるか否かを判別する。具体的には、ステップＳ１０において入力された回転速度ＮeとステップＳ１２において入力された負荷Ｄが領域Ａ内であるか否かを判別する。この判別は、あらかじめ実験等により設定し記憶しておいた図３に示すような吸気圧及び排気圧と相関のある回転速度Ｎeと負荷Ｄとの関係を示すマップを用いて行われる。なお、このマップでは、負荷Ｄに関連する情報として体積効率を用いており、アクセル開度から体積効率を換算してこのマップを参照すればよい。

領域Ａは、図中に示すように、回転速度Ｎeが所定範囲Ｒ１〜Ｒ２内であるとともに負荷Ｄ（体積効率）が所定値Ｄa未満となるような範囲である。この所定範囲Ｒ１〜Ｒ２は、ＥＧＲの実施想定範囲に設定される。一方、所定値Ｄaは、エンジン１の回転速度Ｎeにより変化し、吸気マニホールド４内の圧力である吸気圧Ｐaが所定圧Ｐ１（例えば、−１００mmHg）となる値に略相当する。そして、ステップＳ１４において、エンジン１の運転状態が領域Ａ内であると判定されたときにはステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６では、第１のＥＧＲ弁２２を開作動させるとともに、第２のＥＧＲ弁２３を閉作動させる。そして、エンジン１が作動状態である限り本ルーチンを繰り返し実行する。
一方、ステップＳ１４において、エンジン１の運転状態が領域Ａ内でないと判定されたときには、ステップＳ１８に進む。

ステップＳ１８では、エンジン１の運転状態が領域Ｂ内であるか否かを判別する。
領域Ｂは、図中に示すように、回転速度Ｎeが所定範囲Ｒ１〜Ｒ２内であるとともに、負荷Ｄが所定値Ｄa以上となって例えば吸気圧Ｐaが所定圧Ｐ１を越え、吸気圧と排気圧との差が小さくなるような状態である。そして、ステップＳ１８において、エンジン１の運転状態が領域Ｂ内であると判定されたときにはステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、第１のＥＧＲ弁２２を閉作動させるとともに、第２のＥＧＲ弁２３を開作動させる。そして、エンジン１が作動状態である限り本ルーチンを繰り返し実行する。
一方、ステップＳ１８において、エンジン１の運転状態が領域Ｂ内でないと判定されたときには、ステップＳ２２に進む。

ステップＳ２２では、第１のＥＧＲ弁２２及び第２のＥＧＲ弁２３を共に閉作動させる。そして、エンジン１が作動状態である限り本ルーチンを繰り返し実行する。
このように、本発明に係るＥＧＲ装置では、エンジン１の運転状態に基づいて、ＥＧＲ通路を小径の第１のＥＧＲ通路２０と大径の第２のＥＧＲ通路２１との間で切り換えるようにしており、エンジン１が低負荷状態であるときには（領域Ａ）、吸気圧Ｐaも低下し、排気マニホールド７内の圧力である排気圧Ｐbと吸気圧Ｐaとの差が増加してＥＧＲガスが環流し易くなることから、小径である第１のＥＧＲ通路２０のみを介してＥＧＲガスを環流させるようにしている（ステップＳ１６）。これにより、小径である第１のＥＧＲ通路２０に見合った小型の流量弁を第１のＥＧＲ弁２２として使用することで、必要以上の排気の還流を防止しつつ、ＥＧＲガスの流量を精度よく制御して十分に確保することができる。

一方、エンジン１が高負荷状態であるときには（領域Ｂ）、吸気圧Ｐaも上昇し、排気圧Ｐbと吸気圧Ｐaとの差が減少してＥＧＲガスが環流し難くなるため、このような場合には、大径である第２のＥＧＲ通路２１を介してＥＧＲガスを環流させるようにしている（ステップＳ２０）。これにより、エンジン１が高負荷状態であって、排気圧Ｐbと吸気圧Ｐaとの差が減少しても、ＥＧＲガスを環流し易くでき、ＥＧＲ効果を十分に確保することができる。なお、第１のＥＧＲ通路２０の第１のＥＧＲ弁２２は開のままでもよい。この場合、第１のＥＧＲ通路２０と第２のＥＧＲ通路２１の両方を介してＥＧＲガスを還流させることができ、よりＥＧＲ効果を十分に確保することができる。

更に、第２のＥＧＲ通路２１にはＥＧＲクーラー２５が介装されているので、エンジン１が高負荷状態にある場合において、ＥＧＲガスを十分に冷却でき、ＥＧＲ効果を促進させることができる。この場合には、第１のＥＧＲ通路２０にはＥＧＲクーラーが介装されていないため第１のＥＧＲ弁２２は閉の方が好ましい。
図４を参照すると、ＥＧＲ率（ＥＧＲガスの流量／排気流量）の維持効果が示されているが、同図に示すように、第１のＥＧＲ通路２０のみを通過して排気が環流されると、エンジンの負荷が増加するに従ってＥＧＲ率Ｒeが低下し、過給域では十分なＥＧＲ効果が得られなくなるのであるが（図中、破線Ｅで示す）、本発明に係るＥＧＲ装置では、負荷Ｄａ以上で第２のＥＧＲ通路２１を通過して排気が環流されるように切り換わるので、過給域においてもＥＧＲ率Ｒeが良好に維持され、十分なＥＧＲ効果が得られることになる（図中、実線Ｆで示す）。

また、図５を参照すると、ＥＧＲ領域の拡大効果が示されているが、同図に示すように、第１のＥＧＲ通路２０及び第２のＥＧＲ通路２１のうち、第１のＥＧＲ通路２０のみ使用してＥＧＲを行うような従来のＥＧＲ装置では、ＥＧＲ効果が十分に得られる運転領域（ＥＧＲ領域）が自然吸気域内に限定されるのに対し（図中、領域Ｇとして示す）、本発明に係るＥＧＲ装置では、ＥＧＲ効果が十分に得られる運転領域が過給域まで良好に拡大されることとなる（図中、領域Ｈとして示す）。

なお、本実施形態では、過給機としてターボチャージャを備えたエンジンに本発明を適用しているが、これに限定されるものではなく、スーパーチャージャー等他の過給機を備えたエンジンに適用することができる。
また、本実施形態では、第１のＥＧＲ弁２２と第２のＥＧＲ弁２３を個別の開閉手段として説明したが、必ずしも個別にする必要もなく、例えば、第１のＥＧＲ通路２０と第２のＥＧＲ通路２１の入口を選択的に塞ぐ開閉弁にすれば、第１の開閉弁と第２の開閉弁を共通の開閉弁とすることができる。

また、本実施形態では、エンジン１としてガソリンエンジンを用いるようにしたが、これに限られず、ディーゼルエンジン等他の内燃機関にも適用することができる。

本発明に係る内燃機関のＥＧＲ装置の構成図である。ＥＧＲ通路の開閉制御を実行するためのＥＣＵにおける制御手順を示すフローチャートである。ＥＧＲ通路の切換を判別するために使用されるマップである。本実施形態におけるＥＧＲ率の維持効果を示すグラフである。本実施形態におけるＥＧＲ領域の拡大効果を示すグラフである。

符号の説明

１エンジン
５吸気マニホールド
７排気マニホールド
２０第１のＥＧＲ通路
２１第２のＥＧＲ通路
２２第１のＥＧＲ弁
２３第２のＥＧＲ弁
２５ＥＧＲクーラー
３０電子コントロールユニット（ＥＣＵ）

Claims

過給機を備えた内燃機関の排気通路から吸気通路に排気を還流させるＥＧＲ装置であって、
前記吸気通路の前記過給機より下流側の部分と前記排気通路とを接続した第１のＥＧＲ通路と、
前記吸気通路の前記過給機より下流側の部分と前記排気通路とを接続し、前記第１のＥＧＲ通路と並列に配設された、前記第１のＥＧＲ通路よりも流路断面積の大きな第２のＥＧＲ通路と、
前記第１のＥＧＲ通路を開閉する第１の開閉手段と、
前記第２のＥＧＲ通路を開閉する第２の開閉手段と、
前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記内燃機関の回転速度が所定範囲内であって前記内燃機関の負荷が所定値未満であるときには前記第１のＥＧＲ通路を開放するとともに前記第２のＥＧＲ通路を閉じ、前記内燃機関の回転速度が所定範囲内であって前記内燃機関の負荷が前記所定値以上であるときには前記第１のＥＧＲ通路を閉じるとともに前記第２のＥＧＲ通路が開放するように、前記運転状態検出手段により検出された前記運転状態に基づいて、前記第１の開閉手段及び前記第２の開閉手段を制御する制御手段と、
を含んで構成されることを特徴とする内燃機関のＥＧＲ装置。
前記第２のＥＧＲ通路を通過する排気を冷却する冷却装置を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のＥＧＲ装置。