JP4882688B2 - 内燃機関の排気還流装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の排気還流装置に関する。
ターボチャージャのタービンよりも下流の排気通路から排気の一部を低圧EGRガスとして取り込みターボチャージャのコンプレッサよりも上流の吸気通路へ低圧EGRガスを還流させる低圧EGR通路と、タービンよりも上流の排気通路から排気の一部を高圧EGRガスとして取り込みコンプレッサよりも下流の吸気通路へ高圧EGRガスを還流させる高圧EGR通路と、を備える内燃機関の排気還流装置が知られている。
そして、低圧EGR通路に配置され、機関冷却水を用いて低圧EGR通路内を流れる低圧EGRガスを冷却する低圧EGRクーラを備える技術が開示されている(特許文献1参照)。
特開2005−076456号公報 特開2001−140701号公報 特開平11−193753号公報
ところで、低負荷時や冷間始動時には、内燃機関の燃焼温度が低く未燃HCが発生し易い状態であるため、低圧EGRクーラで冷却された大量の低圧EGRガス(排気)を還流させることができない。このため、低負荷時や冷間始動時に、低圧EGR弁を閉弁して排気の還流を制限している。しかし、従来の構成であると、低圧EGR弁を閉弁すれば低圧EGRクーラに排気が流れなくなるので、低圧EGRクーラで排気からの廃熱を機関冷却水に回収することはできず、機関冷却水が暖まらないことによって内燃機関の暖機が遅れる場合がある。
本発明の目的は、内燃機関の排気還流装置において、低圧EGRクーラで排気からの廃熱を機関冷却水に回収し、機関冷却水を暖めることで内燃機関の暖機を促進する技術を提供することにある。
本発明にあっては、以下の構成を採用する。すなわち、
内燃機関の排気通路に配置されたタービン及び内燃機関の吸気通路に配置されたコンプレッサを有するターボチャージャと、
前記タービンよりも下流の排気通路に配置された排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒よりも下流の排気通路から排気の一部を低圧EGRガスとして取り込み前記コンプレッサよりも上流の吸気通路へ低圧EGRガスを還流させる低圧EGR通路と、
前記低圧EGR通路に配置され、低圧EGRガス量を調節する低圧EGR弁と、
前記低圧EGR弁よりも上流の前記低圧EGR通路に配置され、機関冷却水を用いて低圧EGRガスを冷却する低圧EGRクーラと、
前記低圧EGR通路と疎通可能に前記低圧EGRクーラに一端が接続され、前記低圧EGR通路との接続部位よりも下流の排気通路に他端が接続された排気連通路と、
前記低圧EGR通路との接続部位と、前記排気連通路との接続部位と、の間の排気通路に配置される排気絞り弁と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気還流装置である。
この構成によると、機関冷却水が所定温度以下の場合には、排気気絞り弁を閉じ側に制御すると共に低圧EGR弁を閉じ側に制御すれば、排気通路を流れる排気が低圧EGR通路の上流側に流入して低圧EGRクーラまで流れ、低圧EGRクーラから排気連通路を流れ、再び排気通路へ排出される第1の経路を形成できる。
ここで、所定温度とは、機関冷却水がそれ以下の低温であると、機関冷却水が過剰に低温であり、内燃機関の暖機に時間がかかる温度である。
このような第1の経路を排気が流れる際に、途中に低圧EGRクーラが備えられているので、低圧EGRクーラで排気からの廃熱を機関冷却水に回収できる。これにより、機関冷却水を暖めることで内燃機関の暖機を促進できる。
また、このような第1の経路を流れる排気はタービンよりも下流の排気通路から低圧EGR通路に流れ込むので、十分な過給を維持可能な量の排気がタービンを通過する。このため、機関冷却水が所定温度以下の場合に上記制御を行っても、十分な過給を維持して燃費を損なわない。
さらに、このような第1の経路を流れる排気は排気浄化触媒よりも下流の排気通路から低圧EGR通路に流れ込むので、排気は排気浄化触媒を暖め、加えて排気は排気浄化触媒における触媒の反応熱を持ちさることになる。このため、低圧EGRクーラで回収する排気の廃熱には上記触媒の反応熱も含まれることから、熱量が大きくなり機関冷却水をより一層暖めることで内燃機関の暖機をさらに促進できる。また、排気は排気浄化触媒を通過し、排気に含まれるHCは排気浄化触媒で除去されるため、低圧EGRクーラに流入する排気が低圧EGRクーラを汚染することが抑制できる。
また、機関冷却水が所定温度よりも高い通常の場合には、低圧EGR弁を開弁すれば、排気通路を流れる排気が低圧EGR通路の上流側及び排気連通路に流入して低圧EGRクーラまで流れ、低圧EGRクーラからは2つの流れは低圧EGR通路の下流側に合流して流れ、吸気通路に排出される第2の経路を形成できる。
このような第2の経路を流れる排気は排気絞り弁の上流側及び下流側の両方から流入するので、排気絞り弁の開度によらず、第2の経路を流れる排気は大量の低圧EGRガスの還流を実現できる。
前記機関冷却水が所定温度以下の場合には、前記排気絞り弁を閉じ側に制御すると共に前記低圧EGR弁を閉じ側に制御する制御手段を備えるとよい。
この構成によると、機関冷却水が所定温度以下の場合には、排気絞り弁を閉じ側に制御すると共に低圧EGR弁を閉じ側に制御することで、排気通路を流れる排気が低圧EGR通路の上流側に流入して低圧EGRクーラまで流れ、低圧EGRクーラから排気連通路を流れ、再び排気通路へ排出される第1の経路を形成できる。
前記タービンよりも上流の排気通路から排気の一部を高圧EGRガスとして取り込み前記コンプレッサよりも下流の吸気通路へ高圧EGRガスを還流させる高圧EGR通路と、前記高圧EGR通路に配置され、高圧EGRガス量を調節する高圧EGR弁と、を備え、前記制御手段は、前記機関冷却水が所定温度以下の場合には、前記排気絞り弁を閉じ側に制御すると共に前記低圧EGR弁を閉じ側に制御しつつ前記高圧EGR弁を開き側に制御するとよい。
この構成によると、低圧EGR弁を閉じ側に制御することにより低圧EGRガス量が低減した分、高圧EGR弁を開き側に制御することにより高圧EGRガス量を増加させてトータルのEGRガス量を確保できる。このため、上記制御を行ってもEGR運転を継続でき、EGR運転を行うことによる窒素酸化物(NOx)低減効果を引き続き得ることができる。
また、上記のように高圧EGRガスとしての排気を内燃機関へ還流させることから、内燃機関に吸入される吸気に含まれる高温の高圧EGRガスが増加する。これによって、内燃機関に吸入される吸気の温度が上昇し、さらには排気の温度も上昇し、高温の排気が低圧EGRクーラに流入することで機関冷却水を暖めることも促進できる。
本発明によると、内燃機関の排気還流装置において、低圧EGRクーラで排気からの廃熱を機関冷却水に回収でき、機関冷却水を暖めることで内燃機関の暖機を促進できる。
以下に本発明の具体的な実施例を説明する。
<実施例1>
図1は、本実施例に係る内燃機関の排気還流装置を適用する内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。
図1に示す内燃機関1は、燃焼室を形成する気筒2を4つ有する水冷式の4サイクル・ディーゼルエンジンである。内燃機関1は、車両に搭載されている。内燃機関1には、吸気通路3及び排気通路4が接続されている。
内燃機関1に接続された吸気通路3の途中には、排気のエネルギを駆動源として作動するターボチャージャ5のコンプレッサハウジング5aが配置されている。また、コンプレッサハウジング5aよりも上流の吸気通路3には、該吸気通路3内を流通する吸気の流量を調節する第1スロットル弁6が配置されている。この第1スロットル弁6は、電動アクチュエータにより開閉される。第1スロットル弁6よりも上流の吸気通路3には、該吸気通路3内を流通する吸気(新気)の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ7が配置されている。このエアフローメータ7により、内燃機関1の吸入空気量(新気量)が測定される。
コンプレッサハウジング5aよりも下流の吸気通路3には、吸気と外気とで熱交換を行うインタークーラ8が配置されている。そして、インタークーラ8よりも下流の吸気通路3には、該吸気通路3内を流通する吸気の流量を調整する第2スロットル弁9が設けられている。この第2スロットル弁9は、電動アクチュエータにより開閉される。
一方、内燃機関1に接続された排気通路4の途中には、ターボチャージャ5のタービンハウジング5bが配置されている。また、タービンハウジング5bよりも下流の排気通路4には、パティキュレートフィルタ(以下、単にフィルタという。)10が配置されている。このフィルタ10には、吸蔵還元型NOx触媒(以下、単にNOx触媒という。)が担持されている。フィルタ10は、排気中の粒子状物質(PM)を捕集する。また、NOx触媒は、該NOx触媒に流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のNOxを吸蔵し、一方、該NOx触媒に流入する排気の酸素濃度が低下したときは吸蔵していたNOxを放出する。その放出の際、排気中にHCや一酸化炭素(CO)等の還元成分が存在していれば、該NOx触媒から放出されたNOxが還元される。なお、NOx触媒の代わりに、酸化触媒または三元触媒をフィルタ10に担持させてもよい。本実施例におけるNOx触媒を担持したフィルタ10が、本発明における排気浄化触媒に相当する。
フィルタ10よりも下流の排気通路4には、該排気通路4内を流通する排気の流量を調節する排気絞り弁11が設けられている。この排気絞り弁11は、電動アクチュエータにより開閉される。
そして、内燃機関1には、排気通路4内を流通する排気の一部を低圧で吸気通路3へ還流(再循環)させる低圧EGR装置30が備えられている。この低圧EGR装置30は、低圧EGR通路31、低圧EGR弁32、及び低圧EGRクーラ33を備えて構成されている。
低圧EGR通路31は、フィルタ10よりも下流且つ排気絞り弁11よりも上流側の排気通路4と、コンプレッサハウジング5aよりも上流且つ第1スロットル弁6よりも下流側の吸気通路3と、を接続している。この低圧EGR通路31を通って、排気が低圧で内燃機関1へ送り込まれる。そして、本実施例では、低圧EGR通路31を流通して還流される排気を低圧EGRガスと称している。
また、低圧EGR弁32は、低圧EGR通路31に配置され、低圧EGR通路31の通路断面積を調整することにより、該低圧EGR通路31を流れる低圧EGRガスの量を調節する。
さらに、低圧EGRクーラ33は、低圧EGR弁32よりも上流の低圧EGR通路31に配置され、該低圧EGRクーラ33を通過する低圧EGRガスと、内燃機関1の機関冷却水とで熱交換をして、該低圧EGRガスの温度を低下させる。また、低圧EGRクーラ33は、機関冷却水が低圧EGRガスよりも低温の場合には、低圧EGRガスによって逆に機関冷却水を暖めることもできる。
ここで、機関冷却水の温度は、機関冷却水の流路に配置された冷却水温度センサ34によって検出可能となっている。
また、本実施例では、低圧EGRクーラ33に一端が接続され、排気絞り弁11よりも下流の排気通路4に他端が接続された排気連通路50が備えられている。排気連通路50は、低圧EGRクーラ33内で低圧EGR通路31と疎通しており、排気は低圧EGR通路31及び排気連通路50の両通路に流れることが可能となっている。
一方、内燃機関1には、排気通路4内を流通する排気の一部を高圧で吸気通路3へ還流させる高圧EGR装置40が備えられている。この高圧EGR装置40は、高圧EGR通路41、及び高圧EGR弁42を備えて構成されている。
高圧EGR通路41は、タービンハウジング5bよりも上流側の排気通路4と、コンプレッサハウジング5aよりも下流側の吸気通路3と、を接続している。この高圧EGR通路41を通って、排気が高圧で内燃機関1へ送り込まれる。そして、本実施例では、高圧EGR通路41を流通して還流される排気を高圧EGRガスと称している。
また、高圧EGR弁42は、高圧EGR通路41に配置され、高圧EGR通路41の通路断面積を調整することにより、該高圧EGR通路41を流れる高圧EGRガスの量を調節する。
以上述べたように構成された内燃機関1には、該内燃機関1を制御するための電子制御ユニットであるECU12が併設されている。このECU12は、内燃機関1の運転条件
や運転者の要求に応じて内燃機関1の運転状態を制御するユニットである。
ECU12には、エアフローメータ7、冷却水温度センサ34、運転者がアクセルペダル13を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検出可能なアクセル開度センサ14、及び機関回転速度を検出するクランクポジションセンサ15が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がECU12に入力されるようになっている。
一方、ECU12には、第1スロットル弁6、第2スロットル弁9、排気絞り弁11、低圧EGR弁32、及び高圧EGR弁42の各アクチュエータが電気配線を介して接続されており、該ECU12によりこれらの機器が制御される。
そして、本実施例では、運転状態に応じて低圧EGR弁32を用い低圧EGRガス量を制御しつつ高圧EGR弁42を用い高圧EGRガス量を制御する。これにより、内燃機関1に吸入される吸気に低圧EGRガス及び高圧EGRガスが含まれた状態で内燃機関1を運転させる、いわゆるEGR運転を行い、吸気の酸素濃度を低下させて燃焼温度、燃焼速度を低下させて、燃焼時に発生するNOxを低減させる効果を発揮させている。
ところで、低負荷時や冷間始動時は、内燃機関1の燃焼温度が低く未燃HCが発生し易い状態である。よって、低圧EGRクーラ33で冷却された大量の低圧EGRガス(排気)を還流させることができない。このため、低負荷時や冷間始動時に、低圧EGR弁32を閉弁して低圧EGRガス(排気)の還流を制限している。
しかしながら、低負荷時や冷間始動時には、機関冷却水を暖めることで内燃機関1の暖機を促進することが望まれる。
そこで、本発明者らは、低圧EGRガスとして還流しないタービンハウジング5bよりも下流の排気通路4を流れる排気を無駄にしないために、排気の廃熱を回収し、この熱によって機関冷却水を暖めることができないか思案した。そして、通常時においては機関冷却水を用いて熱交換して低圧EGRガスを冷却する低圧EGRクーラ33を、低負荷時や冷間始動時には高温の排気と低温の機関冷却水とを熱交換して機関冷却水を暖めることができることを見出した。
ここで、低圧EGRクーラ33に排気を流すために、低圧EGR通路31を用いて低圧EGRガスを内燃機関1へ還流させてしまうと、上記と同様に内燃機関1の燃焼温度が低く未燃HCが発生し易くなってしまうので、低圧EGRクーラ33を流れた排気を低圧EGR通路31から低圧EGR通路31の接続部位よりも下流の排気通路4へ流すよう、排気連通路50を設けた。
このため、排気連通路50は、低圧EGR通路31と疎通可能に低圧EGRクーラ33に一端が接続され、排気絞り弁11よりも下流の排気通路4に他端が接続される。
そして、排気絞り弁11を閉じ側に制御すると共に低圧EGR弁32を全閉に制御することで、図2に示す矢印のように、排気通路4を流れる排気が低圧EGR通路31の上流側に流入し、低圧EGRクーラ33に流れ込み、低圧EGRクーラ33から排気連通路50を流れ、再び排気通路4へ排出される、機関冷却水を暖めるための排気の経路(第1の経路)を形成できることを見出した。
したがって、本実施例では、低負荷時や冷間始動時において、特に内燃機関1の暖機に時間がかかる機関冷却水が所定温度としての温度T1以下の場合には、排気絞り弁11を閉じ側に制御すると共に低圧EGR弁32を全閉に制御する。
ここで、温度T1とは、機関冷却水がそれ以下の低温であると、機関冷却水が過剰に低温であり、内燃機関1の暖機に時間がかかる温度である。
したがって、本実施例によると、機関冷却水が温度T1以下の場合には、図2に示す矢印のように、排気絞り弁11を閉じ側に制御すると共に低圧EGR弁32を全閉に制御することで、排気通路4を流れる排気が低圧EGR通路31の上流側に流入し、低圧EGRクーラ33に流れ込んだ排気が低圧EGRクーラ33から排気連通路50を流れ、再び排気通路4へ排出される、第1の経路が形成できる。
このような第1の経路を排気が流れる際に、排気が流れる低圧EGR通路31の途中に低圧EGRクーラ33が備えられているので、低圧EGRクーラ33で排気からの廃熱を機関冷却水に回収できる。これにより、機関冷却水を暖めることで内燃機関1の暖機を促進できる。
また、機関冷却水が温度T1以下の場合の上記第1の経路を流れる排気はタービンハウジング5bよりも下流の排気通路4から低圧EGR通路31に流れ込むので、十分な過給を維持可能な量の排気がタービンハウジング5bを通過する。このため、機関冷却水が温度T1以下の場合に上記制御を行っても、内燃機関1は十分な過給を維持して燃費を損なわない。
さらに、このように第1の経路を流れる排気はフィルタ10よりも下流の排気通路4から低圧EGR通路31に流れ込むので、排気はフィルタ10を暖め、加えて排気はフィルタ10における触媒の反応熱を持ちさることになる。このため、低圧EGRクーラ33で回収する排気の廃熱には上記触媒の反応熱も含まれることから、熱量が大きくなり機関冷却水をより一層暖めることで内燃機関1の暖機をさらに促進できる。また、排気はフィルタ10を通過し、排気に含まれるHCはフィルタ10で除去されるため、低圧EGRクーラ33に流入する排気が低圧EGRクーラ33を汚染することが抑制できる。
また、本実施例では、機関冷却水が温度T1以下の場合には、排気絞り弁11を閉じ側に制御すると共に低圧EGR弁32を全閉に制御しつつ、高圧EGR弁42を開き側に制御する。
この構成によると、低圧EGR弁32を全閉に制御することにより低圧EGRガス量が低減した分、高圧EGR弁42を開き側に制御することにより高圧EGRガス量を増加させてトータルのEGRガス量を確保できる。このため、EGR運転を継続でき、EGR運転を行うことによるNOx低減効果を引き続き得ることができる。
また、上記のように高圧EGRガスとしての排気を内燃機関1へより多く還流させることから、内燃機関1に吸入される吸気に含まれる高温の高圧EGRガスが増加する。これによって、内燃機関1に吸入される吸気の温度が上昇し、さらには排気の温度も上昇し、高温の排気が低圧EGRクーラ33に流入することで機関冷却水を暖めることも促進できる。
一方、本実施例では、内燃機関1の暖機が必要ない機関冷却水が所定温度としての温度T1よりも高い場合には、低圧EGR弁32を開き側に制御する。
したがって、本実施例によると、低圧EGR弁32を開弁することにより、図3に示す矢印のように、排気通路4を流れる排気が低圧EGR通路31の上流側及び排気連通路50に流入して低圧EGRクーラ33まで流れ、低圧EGRクーラ33からは2つの流れは
低圧EGR弁32の配置された低圧EGR通路31の下流側に合流して流れ、吸気通路3に排出される、第2の経路を形成できる。
この第2の経路を形成する際には、排気が排気絞り弁11の上流側及び下流側の両方から低圧EGR通路31の上流側及び排気連通路50に流入するので、排気絞り弁11の開度によらず、第2の経路を流れる排気は大量の低圧EGRガスの還流を実現できる。また、第2の経路を流れる排気は低圧EGRクーラ33を通過し冷却されるので、暖かい排気が吸気通路へ流入しコンプレッサの温度が上昇してしまうことも防止できる。
本発明に係る内燃機関の排気還流装置は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもよい。
実施例1に係る内燃機関とその吸・排気系を示す図である。 実施例1に係る排気の第1の経路を示す内燃機関とその吸・排気系を示す図である。 実施例1に係る排気の第2の経路を示す内燃機関とその吸・排気系を示す図である。
符号の説明
1 内燃機関
2 気筒
3 吸気通路
4 排気通路
5 ターボチャージャ
5a コンプレッサハウジング
5b タービンハウジング
6 スロットル弁
7 エアフローメータ
8 インタークーラ
9 スロットル弁
10 フィルタ
11 排気絞り弁
12 ECU
13 アクセルペダル
14 アクセル開度センサ
15 クランクポジションセンサ
30 低圧EGR装置
31 低圧EGR通路
32 低圧EGR弁
33 低圧EGRクーラ
34 冷却水温度センサ
40 高圧EGR装置
41 高圧EGR通路
42 高圧EGR弁
50 排気連通路

Claims (1)

  1. 内燃機関の排気通路に配置されたタービン及び内燃機関の吸気通路に配置されたコンプレッサを有するターボチャージャと、
    前記タービンよりも下流の排気通路に配置された排気浄化触媒と、
    前記排気浄化触媒よりも下流の排気通路から排気の一部を低圧EGRガスとして取り込み前記コンプレッサよりも上流の吸気通路へ低圧EGRガスを還流させる低圧EGR通路と、
    前記低圧EGR通路に配置され、低圧EGRガス量を調節する低圧EGR弁と、
    前記低圧EGR弁よりも上流の前記低圧EGR通路に配置され、機関冷却水を用いて低圧EGRガスを冷却する低圧EGRクーラと、
    前記低圧EGR通路と疎通可能に前記低圧EGRクーラに一端が接続され、前記低圧EGR通路との接続部位よりも下流の排気通路に他端が接続された排気連通路と、
    前記低圧EGR通路との接続部位と、前記排気連通路との接続部位と、の間の排気通路に配置される排気絞り弁と
    記タービンよりも上流の排気通路から排気の一部を高圧EGRガスとして取り込み前記コンプレッサよりも下流の吸気通路へ高圧EGRガスを還流させる高圧EGR通路と、
    前記高圧EGR通路に配置され、高圧EGRガス量を調節する高圧EGR弁と
    記機関冷却水が所定温度以下の場合には、前記排気絞り弁を閉じ側に制御すると共に前記低圧EGR弁を閉じ側に制御しつつ前記高圧EGR弁を開き側に制御する制御手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
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