JP5360980B2 - 内燃機関の暖機促進装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼装置からの排気の一部を燃焼室内に還流させて再燃焼させるＥＧＲ（排気再循環）装置を備えた内燃機関の暖気促進装置に関する。

内燃機関からの排気を浄化して大気汚染の拡大を抑制することは重要な課題であるが、このためのシステム（装置）の一つとして、燃焼装置からの排気の一部を燃焼室内に還流させて再燃焼させることで燃焼温度を下げ、排気中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）の濃度（排出量）を低減するための所謂ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環）システムが知られている。

かかるＥＧＲシステムにおいて、例えば内燃機関が所定温度以下である冷間時に、ＮＯｘの排出量を所望とするために燃焼室内に還流されるＥＧＲガス量（排気還流量）を所定量に制御してＥＧＲを実行すると、燃焼室内における燃焼が悪化が著しく、失火等を招いたり、白煙、未燃の燃料が大気中に排出されてしまうといった惧れがある。

このため、冷間時には、ＥＧＲガス量を少量に制限したり、ＥＧＲを停止したりすることが考えられるが、かかる方法では、ＮＯｘの排出量を所望に低減することができなくなってしまう。

このようなことから、暖機を促進して、始動後早期に暖機を完了すること（冷間時間を短縮すること）によって、冷間始動から所定時間経過するまでのトータルとしてのＮＯｘの排出量の低減を図るといった方法が提案されている。

例えば、特許文献１には、特許文献１の図１に示されているように、暖機後において通常ＥＧＲガスを冷却するために利用するＥＧＲクーラ（同図中符号１４参照）に、冷間時に、三方弁で構成したＥＧＲバルブ（同図中符号１５参照）の流路を切り換えることで排気を導入して、排気の熱で冷却水（内燃機関の冷却水と共用）を暖めることで、内燃機関の暖機を促進するようにしたシステムが記載されている。

特開２００６−５７４６０号公報

ところで、更なるＮＯｘ排出量の低減を図るために、図５に示すように、ＥＧＲクーラのＥＧＲガス流れの下流側に、内燃機関１の冷媒（冷却媒体、例えば冷却水）から独立した冷却システムによりＥＧＲガスを効果的に冷却することを可能とした低温ＥＧＲクーラを備え、当該低温ＥＧＲクーラにより暖機後においてＥＧＲガス温度をより一層効果的に下げることでＥＧＲ率（ＥＧＲガス量／（新気量＋ＥＧＲガス量）×１００（％））を高めてＮＯｘ排出量をより一層低減できるようにしたシステムも提案されている。

しかしながら、上述したシステムでは、内燃機関の冷却システムから独立した冷却システムを用いて、通常運転時におけるＥＧＲガスを効果的に冷却してＥＧＲ率を高めることを目的とするものであり、冷間時におけるＮＯｘ低減の促進に寄与するものではなかった。

本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、簡単かつ安価な構成としながら、内燃機関の冷却システムから独立した冷却システムによりＥＧＲガスを冷却可能なＥＧＲクーラを備えた内燃機関において、従来に比べて始動後早期に暖機を完了させることができるようにして、排気特性を改善することを目的とする。

このため、本発明に係る内燃機関の暖機促進装置は、
排気の一部をＥＧＲガスとしてＥＧＲ通路を介して燃焼室に還流させるＥＧＲ装置を備えた内燃機関であって、
内燃機関が暖機された後において、ＥＧＲ通路内のＥＧＲガスと、内燃機関の冷却システムの熱媒体と、の間で熱交換を行うＥＧＲクーラと、
内燃機関が暖機された後において、ＥＧＲ通路内のＥＧＲガスと、内燃機関の冷却システムから独立した低温ＥＧＲ冷却システムの熱媒体と、の間で熱交換を行う低温ＥＧＲクーラと、
を備え、
内燃機関の冷間運転の際に、ＥＧＲクーラと低温ＥＧＲクーラを通過したＥＧＲガスの少なくとも一部を排気通路に戻すと共に、熱媒体を共用することを特徴とする。

本発明においては、内燃機関の冷間運転の際に、低温ＥＧＲクーラと、低温ＥＧＲ冷却システムの熱媒体と冷却媒体（例えば外気その他の冷媒）との間で熱交換を行う熱交換器と、の間で熱媒体を循環させる循環通路の、前記低温ＥＧＲクーラと、前記熱交換器と、の間部分の一方に、内燃機関の冷却システムから熱媒体が供給され、前記間部分の他方から内燃機関の冷却システムに熱媒体を戻すことを特徴とすることができる。

本発明においては、内燃機関の冷間運転の際に、前記熱交換器への熱媒体の流入が規制されることを特徴とすることができる。

本発明によれば、簡単かつ安価な構成でありながら、内燃機関の冷却システムから独立した冷却システムによりＥＧＲガスを冷却可能なＥＧＲクーラを備えた内燃機関において、従来に比べて始動後早期に暖機を完了させることができるようにしたので、排気特性を改善することができる。

本発明の一実施の形態に係るＥＧＲ装置を備えた内燃機関の一構成例を概略的に示す概略全体構成図である。 同上実施の形態に係るＥＧＲガス冷却システムの冷間運転時における作動の様子を説明するための図である。 同上実施の形態に係るＥＧＲガス冷却システムの暖機運転完了後における作動の様子を説明するための図である。 同上実施の形態に係るＥＧＲガス冷却システムの他の構成例を概略的に示す概略全体構成図である。 従来のＥＧＲ装置を備えた内燃機関の一例を示す図である。

以下、本発明に係る一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

図１に示すように、本実施の形態に係る内燃機関１においては、図示しないエアクリーナ等を介して外気（新気）が吸入されるが、該新気は吸気通路２を介して過給機３のコンプレッサ（インペラ）に導かれて所定に圧縮された後、吸気通路２に介装されるインタークーラ４を介して所定に冷却されて、燃焼室（シリンダ）５内に導かれる。

燃焼室５から排出される燃焼後のガスは、燃焼室５に臨んで開口される排気ポート（図示せず）を介して排気通路（排気マニホールド部分）６に導かれ、その後、過給機３の排気タービンの回転エネルギを供給した後、排気通路６の下流に配設されている図示しない排気処理装置（酸化触媒、ＮＯｘ低減触媒、ディーゼルパティキュレートフィルタなど）において所定の処理を受けて浄化され、大気中に排出される。

ここで、本実施の形態では、燃焼後のガス（すなわち、排気）の一部を吸気（新気）と共に燃焼室５に再び導くことで、燃焼温度を低下させてＮＯｘの低減を図るためのＥＧＲ装置１００が設けられている。

本実施の形態に係るＥＧＲ装置１００は、排気通路（排気マニホールド部分）６に連通されるＥＧＲ通路（排気還流通路）１０１を含んで構成され、該ＥＧＲ通路１０１には当該ＥＧＲ通路１０１を流れる排気（ＥＧＲガス：還流排気）を所定に冷却するためのＥＧＲクーラ１０２が介装されている。

また、本実施の形態においては、ＥＧＲ通路１０１におけるＥＧＲクーラ１０２のＥＧＲガス流れ下流側に、ＥＧＲクーラ１０２で冷却されたＥＧＲガスを更に冷却するための低温ＥＧＲクーラ１０３が介装されている。

ＥＧＲ通路１０１と、吸気通路２と、の接続部付近には、ＥＧＲバルブ１１０が介装され、所定の運転状態において、所定に開弁されて、排気通路６を流れる排気の一部を、ＥＧＲガスとして、ＥＧＲクーラ１０２、低温ＥＧＲクーラ１０３により冷却しつつ、内燃機関１の吸気通路２に導くようになっている。

また、本実施の形態においては、開閉弁１１２が介装された分岐通路１１１が設けられており、この分岐通路１１１は、一端がＥＧＲバルブ１１０と低温ＥＧＲクーラ１０３との間でＥＧＲ通路１０１に接続され、他端が過給機３の排気タービンの下流側において排気通路６に合流されている。

ここで、前記ＥＧＲクーラ１０２は、熱媒体として、内燃機関１の冷却システムの熱媒体（例えば冷却水）が利用される構成となっている。すなわち、ＥＧＲクーラ１０２には、当該ＥＧＲクーラ１０２に内燃機関１の冷却水を供給するための供給通路１０２Ａと、当該ＥＧＲクーラ１０２から内燃機関１に冷却水をリターンするためのリターン通路１０２Ｂと、が接続され、これらを介して内燃機関１の冷却水が、図示しないウォーターポンプ等により給送されてＥＧＲクーラ１０２に対して循環されるようになっている。

また、前記低温ＥＧＲクーラ１０３には、熱交換器１０４との間で熱媒体を循環させるための循環通路１０５が接続されている。なお、例えば、図示しない電動ポンプ等により熱媒体を給送することができるようになっている。熱交換器１０４は、当該熱媒体と、例えば外気その他の気体や液体等の冷却媒体と、の間で熱交換を行うように構成されている。
そして、熱交換器１０４の出口付近の循環通路１０５（低温ＥＧＲクーラ１０３と、熱交換器１０４と、の間部分の一方に相当する）に、開閉弁１０６が介装されると共に、その先において、循環通路１０５は、供給通路１０２Ａから分岐された通路１０３Ａが接続されている。なお、この通路１０３Ａには、開閉弁１０７が介装されている。

この一方で、熱交換器１０４の入口付近の循環通路１０５（低温ＥＧＲクーラ１０３と、熱交換器１０４と、の間部分の他方に相当する）には、供給通路１０２Ａに合流される通路１０３Ｂが接続されている。なお、この通路１０３Ｂには、開閉弁１０８が介装されている。

更に、本実施の形態では、通路１０３Ａと供給通路１０２Ａとの接続部１０３ａと、通路１０３Ｂと供給通路１０２Ａとの接続部１０３ｂと、の間の供給通路１０２Ａには、開閉弁１０９が介装されている。

かかる構成を備えた本実施の形態に係る内燃機関１は、図示しないエンジンコントロールユニット等を介して、以下のように制御される。
＜内燃機関１の冷間時＞
内燃機関１の温度が所定温度以下の冷間時（冷機時）には、失火の発生や白煙の排出量を抑制するために、従来同様に、ＥＧＲガスを吸気通路２に還流させない、或いは還流量を所定に制限するように、ＥＧＲバルブ１１０を閉弁或いは所定の微小開度に制御する。
これにより、ＥＧＲ通路１０１、ＥＧＲクーラ１０２、低温ＥＧＲクーラ１０３には、ＥＧＲガスは流れない、或いは微量のＥＧＲガスしか流れない状態となるが、本実施の形態では、かかるＥＧＲバルブ１１０を閉じた（或いは所定の微小開度に制御した）冷間時において、開閉弁１１２を開弁させる制御を行い、分岐通路１１１、ＥＧＲクーラ１０２、低温ＥＧＲクーラ１０３を通過するＥＧＲガス量を増加させる。

このとき、本実施の形態では、図２に示すように、開閉弁１０７と開閉弁１０８を開弁させると共に、開閉弁１０６と開閉弁１０９を閉弁させるように制御する。これにより、ＥＧＲクーラ１０２、低温ＥＧＲクーラ１０３には熱媒体として内燃機関１の冷却水が共用されるため、ＥＧＲクーラ１０２、低温ＥＧＲクーラ１０３においては、比較的高温であるＥＧＲガスと、比較的低温である内燃機関１の冷却水と、の間で効率良く熱交換が行われ、内燃機関１の冷却水の温度上昇、すなわち暖機が促進されることになる。

なお、低温ＥＧＲクーラ１０３において効率良く熱交換を行うためには、開閉弁１０６及び開閉弁１０９は完全に閉弁することが好ましいが、暖機促進の程度は劣るものの、要求に応じて開弁状態を維持しても良いし、完全に閉弁することなく、開閉弁１０６及び開閉弁１０９を通過する熱媒体の流量を制限するよう開度を絞るような構成とすることもできる。

このように、本実施の形態では、内燃機関１の冷間運転の際には、高温であるＥＧＲガス（排気の一部）が、ＥＧＲクーラ１０２、低温ＥＧＲクーラ１０３を多量に通過するように開閉弁１１２を制御すると共に、開閉弁１０６〜１０９を制御して、ＥＧＲクーラ１０２、低温ＥＧＲクーラ１０３を循環する熱媒体の循環経路を切り換えるようにしたので、従来に対して、冷間始動後早期に内燃機関１の冷却水の温度を上昇させることができ、以って内燃機関１の暖機の促進を図ることができる。

従って、本実施の形態では、従来に比べて、始動後早期に比較的多量のＥＧＲガスを内燃機関１に還流させることができるようになるため、冷間時に十分にＥＧＲをかけられずＮＯｘ排出量を所望に低減できないとしても、トータルとしてＮＯｘ排出量を低減でき、延いては排気特性を改善することができる。

＜内燃機関１の暖機後＞
内燃機関１が所定に暖機された後（例えば、内燃機関１の冷却水温度が所定温度以上となった後）は、失火等の発生の惧れが少なく比較的多量のＥＧＲガスを内燃機関１の燃焼室に還流させて所望にＮＯｘ排出量を低減させることができるため、本実施の形態においては、図３に示したように、ＥＧＲバルブ１１０を所定に開弁させる一方で、開閉弁１１２を閉弁するように制御して、分岐通路１１１を介してＥＧＲガスが排気通路６へ流出される状態を停止する。

また、ＥＧＲクーラ１０２、低温ＥＧＲクーラ１０３の冷却回路（熱媒体の循環回路）については、図３に示したように、開閉弁１０７及び開閉弁１０８を閉弁させると共に、開閉弁１０６及び開閉弁１０９を開弁させる。

これにより、ＥＧＲクーラ１０２については、内燃機関１から送られてくる冷却水を熱媒体として利用し、ＥＧＲ通路１０１を流れる比較的高温なＥＧＲガスから熱量を奪うことでＥＧＲガスを冷却し、効果的にＥＧＲ率を高めＮＯｘの低減効果を高めることができる。

また、低温ＥＧＲクーラ１０３については、開閉弁１０７及び開閉弁１０８を閉弁することで、低温ＥＧＲクーラ１０３、熱交換器１０４、循環通路１０５により、内燃機関１の冷却システムから独立した冷却システムを構築することとして、ＥＧＲクーラ１０２により冷却されたＥＧＲガスを更に冷却することを可能として、より一層効果的にＥＧＲ率を高めてＮＯｘの低減効果を高めることができるようになっている。

このように、本実施の形態によれば、内燃機関１の冷間運転時においては、熱媒体が循環する冷却回路が独立していたとしても複数のＥＧＲクーラを内燃機関１の暖機促進に利用することができる構成としたので、内燃機関１を始動後早期に昇温させることが可能となり、内燃機関１の暖機特性を改善することができるため、以って排気特性が悪化するため十分にＥＧＲをかけられない冷間運転時間を短縮することができるため、トータルとして排気特性を改善することができる。

なお、本実施の形態では、開閉弁１０６〜１０９は、以上で説明した機能を奏することができれば、それぞれを別体として構成する必要はなく、システムの小型・軽量化等のために、例えば、開閉弁１０６と開閉弁１０７とを共通化したバルブ（例えば三方弁）として接続部１０３ａに配設したり、開閉弁１０８と開閉弁１０９とを共通化したバルブ（例えば三方弁）として接続部１０３ｂに配設したりすることも可能である。

また、本実施の形態は、内燃機関１の暖機促進のために、従来のように内燃機関１の回転速度を上昇させたり、エキゾーストブレーキ（図示せず）を作動させて排気抵抗を増加させたりする必要がないため、出力低下に伴うドライバビリティの低下や燃費の悪化等を招かなくて済むといった利点もある。

ところで、本実施の形態は、図４に示したように、ＥＧＲクーラ１０２が省略されている構成にも適用可能で、図２、図３で説明したと同様、内燃機関１が暖機された状態では図４中実線の矢印で示すように、開閉弁１０６〜１０８を制御して、低温ＥＧＲクーラ１０３と熱交換器１０４との間で熱媒体を循環させる一方で、熱媒体の内燃機関１の冷間運転の際には、高温であるＥＧＲガスが、低温ＥＧＲクーラ１０３を多量に通過するように開閉弁１１２を制御すると共に、図４中２点鎖線の矢印で示すように、開閉弁１０６〜１０８を制御して、低温ＥＧＲクーラ１０３を循環する熱媒体の循環経路を切り換えるようにすることで、従来に対して、冷間始動後早期に内燃機関１の冷却水の温度を上昇させることができ、以って内燃機関１の暖機の促進を図ることができるものである。

なお、冷却水の流れる方向は、図２、図３、図４において例示した方向に限定されるものではなく、ＥＧＲクーラ１０２、低温ＥＧＲクーラ１０３、熱交換器１０４などの熱交換器内におけるＥＧＲガスの流れ方向に対して、種々の事情や要求に応じて、冷却水（熱媒体）の流れる方向を対向方向（カウンター方向）としたり、順方向としたりすることができるものである。

本発明は、上述した実施の形態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、種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 内燃機関
２ 吸気通路
６ 排気通路
１００ ＥＧＲ装置
１０１ ＥＧＲ通路
１０２ ＥＧＲクーラ
１０３ 低温ＥＧＲクーラ
１０４ 熱交換器
１０５ 循環通路
１０６〜１０９ 開閉弁
１１０ ＥＧＲバルブ
１１１ 分岐通路１１１
１１２ 開閉弁

Claims (3)

1. 排気の一部をＥＧＲガスとしてＥＧＲ通路を介して燃焼室に還流させるＥＧＲ装置を備えた内燃機関であって、
   内燃機関が暖機された後において、ＥＧＲ通路内のＥＧＲガスと、内燃機関の冷却システムの熱媒体と、の間で熱交換を行うＥＧＲクーラと、
   内燃機関が暖機された後において、ＥＧＲ通路内のＥＧＲガスと、内燃機関の冷却システムから独立した低温ＥＧＲ冷却システムの熱媒体と、の間で熱交換を行う低温ＥＧＲクーラと、
   を備え、
   内燃機関の冷間運転の際に、ＥＧＲクーラと低温ＥＧＲクーラを通過したＥＧＲガスの少なくとも一部を排気通路に戻すと共に、熱媒体を共用することを特徴とする内燃機関の暖機促進装置。
2. 内燃機関の冷間運転の際に、低温ＥＧＲクーラと、低温ＥＧＲ冷却システムの熱媒体と冷却媒体との間で熱交換を行う熱交換器と、の間で熱媒体を循環させる循環通路の、前記低温ＥＧＲクーラと、前記熱交換器と、の間部分の一方に、内燃機関の冷却システムから熱媒体が供給され、前記間部分の他方から内燃機関の冷却システムに熱媒体を戻すことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の暖機促進装置。
3. 内燃機関の冷間運転の際に、前記熱交換器への熱媒体の流入が規制されることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の暖機促進装置。
   

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