JP4671044B2 - 内燃機関のegr装置 - Google Patents

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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
25 EGRクーラー
30 電子コントロールユニット(ECU)

Claims (2)

  1. 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。
  2. 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ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関のEGR装置。
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