JP5244708B2 - Egr冷却装置 - Google Patents
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Description
このようなEGR装置において、高温の排気ガスをそのまま吸気管路に導入すると、エンジンの吸気温度が高くなり、体積効率の低下による燃費の悪化や、燃焼温度の上昇によるNOx発生量の増加の原因となる。
このため、EGR装置には、EGRガスを冷却するEGRクーラを設けることが一般的である。
冷却されたEGRガスは吸入空気と混合されることによって、燃焼温度を下げることができるので、NOx排出量を低減できるとともに、燃費の悪化を防止することができる。
また、EGRクーラの冷却水とエンジン冷却水とを共用するシステムの場合、エンジンのコールドスタート直後であってもウォーターポンプを停止した状態ではEGRクーラ内の冷却水温が高くなるため、ウォーターポンプを駆動する必要がある。しかし、エンジンが冷間時にも関わらずウォーターポンプを駆動して冷却水を循環させると、エンジンの暖機に時間がかかって燃料消費率が悪化し、さらに暖房開始時期も遅くなって乗員の快適性も損なわれる。
本発明の課題は、EGRガスの冷却性能を確保するとともにウォーターポンプ駆動損失を低減しかつエンジン始動時の暖機促進を図ったEGR冷却装置を提供することである。
請求項1の発明は、エンジンの排ガスの一部をEGRガスとして排気管路から吸気管路に導入するEGR装置に設けられ、前記EGRガスを冷却するEGR冷却装置であって、前記EGRガスと冷却水との熱交換によって前記EGRガスを冷却するEGRクーラと、前記冷却水を冷却する熱交換器及び前記EGRクーラを含む冷却水路内で前記冷却水を循環させるウォーターポンプと、前記ウォーターポンプの駆動及び停止を制御するウォーターポンプ制御手段と、前記冷却水の温度を検出する温度検出手段とを備え、前記ウォーターポンプ制御手段は、前記エンジンの始動後に前記ウォーターポンプを常時駆動した場合に想定される仮想冷却水温に基づいた下限値及び所定の上限値を設定するとともに、前記冷却水の温度が前記上限値に到達した際に前記ウォーターポンプの駆動を開始し、前記冷却水の温度が前記下限値に到達した際に前記ウォーターポンプを停止することを特徴とするEGR冷却装置である。
請求項3の発明は、前記ウォーターポンプ制御手段は、前記エンジンの始動後、所定の暖機終了時間が経過した後は前記ウォーターポンプを常時駆動することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のEGR冷却装置である。
(1)冷却水の温度が所定の上限値に到達した際にウォーターポンプの駆動を開始し、下限値に到達した際に停止することによって、ウォーターポンプを間歇的に作動させながらEGR冷却機能を確保することができ、またエンジンのウォーターポンプ駆動損失を低減して燃料消費率を改善することができる。
また、冷却水の温度は常時ウォーターポンプを駆動した場合に対して高温に維持されることから、エンジンの暖機を促進して燃料消費率をさらに改善するとともに、暖房開始時間を短縮することができる。
(2)エンジンの始動後所定の期間内において下限値と上限値との温度差をその後よりも大きく設定することによって、冷却水を早期に昇温させて暖機をより促進することができる。
(3)暖機終了時間の経過後、ウォーターポンプを常時駆動することによって、ウォーターポンプの起動、停止頻度を低減し、クラッチ装置等の耐久性を確保できる。
図1は、実施例1のEGR冷却装置を含む車両用ディーゼルエンジンのシステム構成を示す図である。
エンジン10は、ターボチャージャ20、インテークシステム30、エキゾーストシステム40、燃料供給装置50、EGR装置60、酸化触媒(DOC)70、ディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)80、エンジン制御ユニット(ECU100)等を備えて構成されている。
エンジン10は、クランクシャフト11、ピストン12、シリンダブロック13、ヘッド14、燃焼室15、グロープラグ16、グローコントローラ17等を備えて構成されている。
クランクシャフト11は、エンジン10の出力軸である。
ピストン12は、シリンダ内を往復運動し、コンロッドを介して燃焼圧力をクランクシャフト11に伝達する部材である。
シリンダブロック13は、ピストン12が収容されるシリンダ部及びクランクシャフト11が回転可能に支持されるクランクケース部を一体に形成したものである。
ヘッド14は、シリンダブロック13のピストン12の冠側の端部に設けられ、吸気ポート、排気ポート及びこれらに設けられた吸気バルブ及び排気バルブを開閉する動弁駆動機構等を備えている。
燃焼室15は、ピストン12の冠面とヘッド14のこれに対向する部分との間に形成されている。
グロープラグ16は、先端部が燃焼室15内に露出した状態でヘッド14に設けられた予備加熱装置である。
グローコントローラ17は、ECU100の制御に応じてグロープラグ16への通電量を制御するものである。
ターボチャージャ20は、コンプレッサ21、タービン22、アクチュエータ23、負圧制御弁24等を備えている。
コンプレッサ21は、燃焼用空気を圧縮する遠心型圧縮機である。
タービン22は、コンプレッサ21と同軸に設けられ、エンジン10の排ガスによって駆動されるとともに、コンプレッサ21を駆動するものである。タービン22は、タービンホイールの周囲のノズルに設けられる可動式のべーンによってジオメトリを連続的に変更可能な可変ジオメトリ式のものである。
アクチュエータ23は、タービン22の可動ベーンを駆動する負圧式のアクチュエータである。
負圧制御弁24は、図示しない負圧源からの負圧を、ECU100の制御に従ってアクチュエータ23に導入する電磁弁である。
インテークシステム30は、インテークダクト31、エアクリーナ32、エアフローメータ33、インタークーラ34、スロットルバルブ35、アクチュエータ36、インテークチャンバ37、吸気圧センサ38、インテークマニホールド39等を備えて構成されている。
エアクリーナ32は、空気を濾過して埃等を除去するフィルタエレメントを備えている。エアクリーナ32を通過した空気はターボチャージャ20のコンプレッサ21に導入され、圧縮される。
エアフローメータ33は、エアクリーナ32の出口部に設けられ、空気流量を検出するセンサを備えている。また、エアフローメータ33には、吸気温度を検出する吸気温度センサが内蔵されている。
スロットルバルブ35は、インタークーラ34の下流側に設けられ、エンジン10の吸入空気量を調節するものである。
アクチュエータ36は、ECU100からの制御信号に応じてスロットルバルブ35を開閉駆動するものである。
インテークチャンバ37は、スロットルバルブ35を通過した空気が導入される空気室であって、インテークマニホールド39を介してエンジン10の吸気ポートに接続されている。
吸気圧センサ38は、インテークチャンバ37に設けられ、エンジン10の吸気圧力と実質的に等しいインテークチャンバ37内の圧力を検出するものである。
インテークマニホールド39は、インテークチャンバ37からエンジン10の各気筒の吸気ポートに空気を導入する分岐管路である。
エキゾーストマニホールド41は、エンジン10の各気筒の排気ポートから排出される排ガスを集合させてターボチャージャ20のタービン22に導入する管路である。
エキゾーストパイプ42は、タービン22から出た排気を車外に排出する管路である。エキゾーストパイプ42には、DOC70、DPF80等の排ガス後処理装置が設けられている。
吸入調量電磁弁52は、サプライポンプ51の燃料の吸入量を調整するものであって、ECU100からの制御信号に応じて駆動される。
燃料温度センサ53は、サプライポンプ51における燃料の温度を検出するものである。
燃圧センサ55は、コモンレール54内の燃料の圧力(燃圧)を検出するものである。上述した吸入調量電磁弁52は、燃圧センサ55の出力を用いたフィードバック制御により、燃圧が例えばエンジン回転数及び負荷に応じて設定される所定の目標値となるようにその開度を調節される。
インジェクタ56は、コモンレール54から供給される燃料を各気筒の燃焼室15内に噴射するものである。インジェクタ56は、例えばピエゾ素子やソレノイド等のアクチュエータによって開閉される弁体を有し、ECU100からの噴射パルス信号に応じて開弁される。インジェクタ56の噴射タイミング及び噴射量はECU100によって制御されている。
EGR装置60は、EGR通路61、EGR制御弁62、EGRクーラ63等を備えて構成されている。
EGR通路61は、エキゾーストマニホールド41からインテークダクト31に排ガスを導入する管路である。
EGR制御弁62は、ECU100の制御に応じてEGR通路61の排ガス流量(EGR量)を調節するものである。
EGRクーラ63は、EGR通路61を流れる排ガス(EGRガス)を、ウォーターポンプWが吐出する冷却水との熱交換によって冷却するものである。
なお、EGRクーラ63で用いられる冷却水は、エンジン10の冷却水と共通となっており、ウォーターポンプWから吐出された冷却水は、EGRクーラ63及びエンジン10内の図示しない冷却水路内を循環し、図示しないラジエータにおいて走行風との熱交換によって冷却されるようになっている。
ウォーターポンプWは、エンジン10によって図示しないクラッチ装置を介して駆動され、冷却水を循環させる必要がない場合にはクラッチを切断することによって停止することができる。クラッチの接続、切断(ウォーターポンプWのオンオフ)は、ECU100によって制御されている。この点については後に詳しく説明する。
また、EGRクーラ63は、その内部における冷却水温を検出する図示しない水温センサを備えている。
DOC70には、入口部分の排ガス温度を検出する温度センサ71が設けられている。
フィルタは、例えば、コーディエライト等の耐熱性セラミックスをハニカム構造に形成し、ガス流路となる多数のセルを、入口側、出口側が互い違いとなるように端面に封をして形成されたいわゆるウォールフロータイプのものである。
DPF80は、入口圧力と出口圧力との間の差圧を検出する差圧センサ81、及び、出口の排ガス温度を検出する温度センサ82を備えている。
ECU100には、上述した各種センサのほか、アクセルペダルセンサ101、大気圧センサ102の出力が入力される。
アクセルペダルセンサ101は、ドライバが操作するアクセルペダルのポジションを検出することによって、ドライバ要求トルクを検出する要求トルク検出手段である。
大気圧センサ102は、車両の周囲雰囲気における大気圧を検出するものである。
ECU100は、アクセルペダルセンサ101の出力に応じて設定される要求トルクに応じて、スロットルバルブ35の開度、燃料供給装置50の燃料噴射量及び時期、燃圧等を制御する。
ECU100は、EGRクーラ63及びウォーターポンプWと協働して本発明のEGR冷却装置を構成する。
図2は、実施例1における冷間状態からのエンジン始動後のウォーターポンプ制御を示すフローチャートである。以下、ステップ毎に順を追って説明する。
<ステップS01:エンジン始動後所定時間経過判断>
ECU100は、エンジン10を始動してからの運転時間が予め設定された所定時間である暖機終了時間を経過しているか否かを判断する。そして、経過していない場合は、エンジン10の暖機が完了していないものとして、ウォーターポンプWの間歇駆動制御を行うためステップS02に進み、経過している場合はエンジン10の暖機が完了しているものとしてステップS10に進む。
ECU100は、EGRクーラ63の水温センサの出力に基づいて、EGRクーラ63における現在の冷却水温をチェックする。
その後、ステップS03に進む。
ECU100は、ステップS02において検出した現在の冷却水温を予め設定された目標冷却水温と比較し、冷却水温が目標冷却水温以上である場合はステップS04に進む。
一方、冷却水温が目標冷却水温未満である場合はステップS01に戻ってそれ以降の処理を繰り返す。
実施例1において、目標冷却水温は冷却水温のフィードバック制御において用いられる上限値である。目標冷却水温は、例えば、エンジン10の暖機終了後における冷却水温と略同じ一定値(例えば約110℃前後)に設定される。
ECU100は、クラッチを接続してウォーターポンプWを起動させ、冷却水の循環を開始させる。
その後、ステップS05に進む。
ECU100は、EGRクーラ63の水温センサの出力に基づいて、EGRクーラ63における現在の冷却水温をチェックする。
その後、ステップS06に進む。
ECU100は、エンジン10の始動後からウォーターポンプWを常時駆動した場合に想定される冷却水温である仮想冷却水温を演算する。仮想冷却水温は、例えば、エンジン10の始動後における負荷状態の履歴に基づいて算出される。
この仮想冷却水温は、冷却水温のフィードバック制御において用いられる下限値である。
その後、ステップS07に進む。
ECU100は、ステップS05において検出した現在の冷却水温を、ステップS06において算出した仮想冷却水温と比較し、冷却水温が仮想冷却水温以下である場合はステップS08に進む。
一方、冷却水温が仮想冷却水温を超えている場合はステップS09に進む。
ECU100は、クラッチを切断してウォーターポンプWを停止させ、冷却水の循環を停止させる。
その後、ステップS01に戻ってそれ以降の処理を繰り返す。
ECU100は、クラッチの接続を維持してウォーターポンプWを運転継続状態のまま維持し、冷却水の循環を継続する。
その後、ステップS05に戻ってそれ以降の処理を繰り返す。
ECU100は、上述したウォーターポンプWの間歇駆動制御を終了し、ウォーターポンプWを常時駆動させ、冷却水の循環が連続して行われるようにする。
その後、一連の処理を終了する。
図3に示すように、エンジン10の始動直後はウォーターポンプWを停止しているため、駆動した場合(仮想冷却水温)に対して冷却水温は早く上昇して目標冷却水温に達する。ここでウォーターポンプWの駆動が開始され、冷却水温は低下する。その後、冷却水温が仮想冷却水温まで低下するとウォーターポンプWが停止され、目標冷却水温まで上昇するとウォーターポンプWが再起動することを繰り返しつつ、最終的には目標冷却水温と仮想冷却水温とが収束し、所定時間の経過によりウォーターポンプの常時駆動が開始される。
(1)冷却水の温度が目標冷却水温に到達した際にウォーターポンプWの駆動を開始し、仮想冷却水温に到達した際に停止することによって、ウォーターポンプWを間歇的に作動させながらEGRクーラ63の冷却機能を確保することができ、またエンジン10のウォーターポンプW駆動損失を低減して燃料消費率を改善することができる。
また、エンジン10の暖機を促進して燃料消費率をさらに改善するとともに、暖房開始時間を短縮することができる。
(2)エンジン10の始動後所定の期間内において下限値と上限値との温度差を通常時よりも大きく設定することによって、冷却水を早期に昇温させて暖機をより促進することができる。
(3)暖機終了時間の経過後、ウォーターポンプWを常時駆動することによって、ウォーターポンプWの起動、停止頻度を低減し、クラッチ装置等の耐久性を確保できる。
実施例2のEGR冷却装置は、ウォーターポンプWの制御において用いられる上限値である目標冷却水温を、実施例1における一定値に代えて、以下説明する値に変更したものである。
図4は、エンジン始動後の冷却水温の推移の一例を示すグラフである。
図4に示すように、目標冷却水温は、仮想冷却水温よりも高い初期値から時間の経過に応じて徐々に上昇する。目標冷却水温と仮想冷却水温とは、時間の経過に応じて温度差が徐々に減少し、暖機終了時にこれらは収束する。すなわち、目標冷却水温は、仮想冷却水温に対して高温側となるように所定の幅(温度差)を持たせた値であり、この幅は運転開始からの時間に応じて徐々に減少する。
以上説明した実施例2においても、上述した実施例1の効果と同様の効果を得ることができる。
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
(1)EGR冷却装置の構成は上述した各実施例の構成に限らず適宜変更することができる。例えば、各実施例のウォーターポンプはエンジンにより駆動されるとともにクラッチ装置の接続、切断によって駆動、非駆動を切り替えているが、これに限らず、例えば、電動モータにより駆動されるとともに、電動モータのオンオフによって駆動、非駆動を切り替えてもよい。
(2)ウォーターポンプ制御における上限値、下限値は、各実施例の構成に限定されず適宜変更することができる。例えば、上限値の推移を各実施例と異なったパターンとしてもよい。また、下限値は仮想冷却水温をそのまま適用するものに限らず、仮想冷却水温をもとに所定の補正を施した値を用いてもよい。
(3)各実施例のエンジンは例えばディーゼルエンジンであるが、本発明はこれに限らず、その他の種類の内燃機関にも適用することができる。
12 ピストン 13 シリンダブロック
14 ヘッド 15 燃焼室
16 グロープラグ 17 グローコントローラ
20 ターボチャージャ 21 コンプレッサ
22 タービン 23 アクチュエータ
24 負圧制御弁
30 インテークシステム 31 インテークダクト
32 エアクリーナ 33 エアフローメータ
34 インタークーラ 35 スロットルバルブ
36 アクチュエータ 37 インテークチャンバ
38 吸気圧センサ 39 インテークマニホールド
40 エキゾーストシステム 41 エキゾーストマニホールド
42 エキゾーストパイプ
50 燃料供給装置 51 サプライポンプ
52 吸入調量電磁弁 53 燃料温度センサ
54 コモンレール 55 燃圧センサ
56 インジェクタ
60 EGR装置 61 EGR通路
62 EGR制御弁 63 EGRクーラ
W ウォーターポンプ
70 酸化触媒(DOC) 71 温度センサ
80 ディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)
81 差圧センサ 82 温度センサ
100 エンジン制御ユニット(ECU)
101 アクセルペダルセンサ 102 大気圧センサ
Claims (3)
- エンジンの排ガスの一部をEGRガスとして排気管路から吸気管路に導入するEGR装置に設けられ、前記EGRガスを冷却するEGR冷却装置であって、
前記EGRガスと冷却水との熱交換によって前記EGRガスを冷却するEGRクーラと、
前記冷却水を冷却する熱交換器及び前記EGRクーラを含む冷却水路内で前記冷却水を循環させるウォーターポンプと、
前記ウォーターポンプの駆動及び停止を制御するウォーターポンプ制御手段と、
前記冷却水の温度を検出する温度検出手段とを備え、
前記ウォーターポンプ制御手段は、前記エンジンの始動後に前記ウォーターポンプを常時駆動した場合に想定される仮想冷却水温に基づいた下限値及び所定の上限値を設定するとともに、前記冷却水の温度が前記上限値に到達した際に前記ウォーターポンプの駆動を開始し、前記冷却水の温度が前記下限値に到達した際に前記ウォーターポンプを停止すること
を特徴とするEGR冷却装置。 - 前記ウォーターポンプ制御手段は、前記エンジンの始動後所定の期間内において前記下限値と前記上限値との温度差を前記所定の期間後よりも大きく設定すること
を特徴とする請求項1に記載のEGR冷却装置。 - 前記ウォーターポンプ制御手段は、前記エンジンの始動後、所定の暖機終了時間が経過した後は前記ウォーターポンプを常時駆動すること
を特徴とする請求項1又は請求項2に記載のEGR冷却装置。
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