JP5918474B2 - Ｅｇｒ装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気側から吸気側へ排気ガスの一部をＥＧＲガスとして再循環してＮＯxの低減化を図るためのＥＧＲ装置に関するものである。

従来より、自動車のエンジンなどでは、排気側から排気ガスの一部を抜き出して吸気側へと戻し、その吸気側に戻された排気ガスでエンジン内での燃料の燃焼を抑制させて燃焼温度を下げることによりＮＯx（窒素酸化物）の発生を低減するようにした、いわゆる排気ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）が行われている。

一般的に、この種の排気ガス再循環を行う場合には、排気マニホールドから排気管に亘る排気通路の適宜位置と、吸気管から吸気マニホールドに亘る吸気通路の適宜位置との間をＥＧＲパイプにより接続し、該ＥＧＲパイプを通して排気ガスをＥＧＲガスとして再循環するようにしている。

尚、エンジンに再循環するＥＧＲガスをＥＧＲパイプの途中で冷却すると、ＥＧＲガスの温度が下がり且つその容積が小さくなることにより、エンジンの出力を余り低下させずに燃焼温度を低下して効果的にＮＯxの発生を低減させることができるため、エンジンにＥＧＲガスを再循環するＥＧＲパイプの途中に水冷式のＥＧＲクーラが装備されている。

図６は前述した排気ガス再循環を行うためのＥＧＲ装置の一例を示すもので、図中１はディーゼル機関であるエンジンを示し、該エンジン１は、ターボチャージャ２を備えており、エアクリーナ３から導いた吸気４を吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへ送り、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気４をインタークーラ６へと送って冷却し、該インタークーラ６から更に吸気マニホールド７へと吸気４を導いてエンジン１の各気筒（図６では直列６気筒の場合を例示している）に分配するようにしてある。

また、このエンジン１の各気筒から排出された排気ガス８を排気マニホールド９を介し前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへ送り、該タービン２ｂを駆動した排気ガス８を排気管１０を介し車外へ排出するようにしてある。

そして、排気マニホールド９の一端部と吸気マニホールド７の入口付近の吸気管５との間がＥＧＲパイプ１１により接続されており、排気マニホールド９から排気ガス８の一部をＥＧＲガス８’として抜き出して吸気管５に導き得るようにしてある。

前記ＥＧＲパイプ１１には、ＥＧＲガス８’の再循環量を適宜に調節し得るよう開度調整可能なＥＧＲバルブ１２と、ＥＧＲガス８’を冷却するための水冷式ＥＧＲクーラ１３とが装備されており、該水冷式ＥＧＲクーラ１３では、冷却水１４とＥＧＲガス８’とを熱交換させることによりＥＧＲガス８’の温度を低下し得るようになっている。

ここで、前記水冷式ＥＧＲクーラ１３では、エンジン１の冷却に使用している冷却水１４の一部が抜き出されて冷媒として用いられるようになっており、ＥＧＲガス８’との熱交換により昇温した冷却水１４は、サーモスタットケース１５を介しエンジン１の冷却水１４を冷却する系統に戻され、該エンジン１を経た冷却水１４と共にラジエータ１６に送られて外気との熱交換により冷却され、然る後に、サーモスタット１７を経由してサーモスタットケース１５に戻され、ここからクーラントポンプ１８によりエンジン１へ再び送り込まれるようになっている。

尚、この種のＥＧＲ装置に関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献１等がある。

特表２００７−５３０８６９号公報

しかしながら、斯かる従来のＥＧＲ装置においては、エンジン１の冷却に使用している冷却水１４の一部を抜き出して水冷式ＥＧＲクーラ１３でのＥＧＲガス８’の冷却に使用しているため、該ＥＧＲガス８’の温度をエンジン１の冷却水１４より低い温度まで下げることができないという問題があり、将来的に排気ガス規制が益々厳しくなることを考えると、更なるＮＯx低減を図るためには、ＥＧＲガス８’の温度を吸気温度レベルまで低減する必要があると考えられているが、ＥＧＲガス８’の過度な冷却は、エンジン１の冷機状態において白煙の排出を招き、暖機後においても、軽負荷運転時に大量のＨＣ，ＣＯを排出してしまう問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、白煙やＨＣ，ＣＯの排出を招くことなく適切な運転状態でＥＧＲガスの温度をエンジンの冷却水より低い温度まで下げてＮＯx低減効果の向上を図り得るＥＧＲ装置を提供することを目的とする。

本発明は、排気側から排気ガスの一部を抜き出してＥＧＲガスとして吸気側へ再循環するＥＧＲパイプと、該ＥＧＲパイプの途中に装備された水冷式ＥＧＲクーラと、該水冷式ＥＧＲクーラより下流側のＥＧＲパイプに装備された空冷式ＥＧＲクーラと、該空冷式ＥＧＲクーラを迂回してＥＧＲガスを流す第一バイパスパイプと、水冷式ＥＧＲクーラを迂回してＥＧＲガスを流す第二バイパスパイプと、ＥＧＲパイプを流れるＥＧＲガスの流れを第一バイパスパイプ及び第二バイパスパイプの夫々に切り替える流路切替手段とを備え、該流路切替手段によりＥＧＲガスを水冷式ＥＧＲクーラ及び空冷式ＥＧＲクーラの両方に流したり、何れか一方に流したり、両方を迂回させて流したりすることで、エンジンの運転状態に応じてＥＧＲガスの温度を適宜に変更し得るように構成したことを特徴とするＥＧＲ装置、に係るものである。

而して、流路切替手段によりＥＧＲパイプを流れるＥＧＲガスの流れを水冷式ＥＧＲクーラ及び空冷式ＥＧＲクーラの両方に流すように切り替えると、ＥＧＲガスが水冷式ＥＧＲクーラにて冷却水との熱交換により先行して冷却された後、下流側の空冷式ＥＧＲクーラにて外気との熱交換により更に冷却されることになり、排気側から吸気側へ再循環されるＥＧＲガスの温度をエンジンの冷却水より低い温度まで下げることが可能となる。

しかも、流路切替手段によりＥＧＲパイプを流れるＥＧＲガスの流れを第一バイパスパイプに切り替えれば、空冷式ＥＧＲクーラを迂回させてＥＧＲガスを流すことが可能となり、流路切替手段によりＥＧＲパイプを流れるＥＧＲガスの流れを第二バイパスパイプに切り替えれば、水冷式ＥＧＲクーラを迂回させてＥＧＲガスを流すことが可能となるので、エンジンの運転状態に応じ流路切替手段を切り替えてＥＧＲガスを水冷式ＥＧＲクーラ及び空冷式ＥＧＲクーラの何れか一方に対して流したり、或いは、水冷式ＥＧＲクーラ及び空冷式ＥＧＲクーラの両方を迂回させて流したりすることが可能となる。

例えば、エンジンの冷間始動時及び極軽負荷時に、流路切替手段によりＥＧＲガスを水冷式ＥＧＲクーラ及び空冷式ＥＧＲクーラの両方を迂回させて流すようにすれば、高温のＥＧＲガスを冷却せずに再循環することでエンジンの暖機が優先されることになり、過度に冷却されたＥＧＲガスにより燃焼性が低下して白煙の排出を招く虞れが回避される。

また、エンジンの軽負荷時に、流路切替手段によりＥＧＲガスを空冷式ＥＧＲクーラを迂回させて水冷式ＥＧＲクーラだけに流すようにすれば、ＥＧＲガスの冷却を水冷式ＥＧＲクーラの冷却だけに留めて前記ＥＧＲガスの温度を過度に冷却しなくて済み、大量のＨＣ，ＣＯを排出してしまう虞れが回避される。

尚、エンジンの中・高負荷時にあっては、流路切替手段によりＥＧＲパイプを流れるＥＧＲガスの流れを水冷式ＥＧＲクーラ及び空冷式ＥＧＲクーラの両方に流し、ＥＧＲガスの温度をエンジンの冷却水より低い温度まで下げても、白煙やＨＣ，ＣＯの増大を招く虞れがなく、これまで以上のＥＧＲガスの温度低下によりＮＯxを効果的に低減することが可能となる。

また、本発明においては、第一バイパスパイプ及び第二バイパスパイプにおける中途箇所、最上流端の分岐箇所、最下流端の合流箇所の何れかに設けられた開閉式の切替バルブ、或いは、開度調整可能な切替バルブにより流路切替手段を構成することが可能であり、開閉式の切替バルブを採用すれば、水冷式ＥＧＲクーラ及び空冷式ＥＧＲクーラの両方を迂回したり、何れか一方を選択したり、両方に流したりする切り替えを選択的に行うことが可能となり、開度調整可能な切替バルブを採用すれば、同様の切り替えを段階的に行うことが可能となる。

上記した本発明のＥＧＲ装置によれば、ＥＧＲパイプを流れるＥＧＲガスの流れを流路切替手段により切り替え、水冷式ＥＧＲクーラ及び空冷式ＥＧＲクーラの両方を迂回させたり、何れか一方を選択させたり、両方を流させたりすることができ、エンジンの運転状態に応じてＥＧＲガスの温度を適宜に変更することができるので、ＥＧＲガスの過度な冷却によりエンジンの冷機状態において白煙の排出を招いてしまったり、暖機後において負荷の低い運転状態で大量のＨＣ，ＣＯを排出してしまったりすることを確実に防止することができ、しかも、ＥＧＲガスの温度をエンジンの冷却水より低い温度まで下げても支障のない暖機後の負荷の高い運転状態では、水冷式ＥＧＲクーラ及び空冷式ＥＧＲクーラの両方を使用してＥＧＲガスを二段階で冷却し、ＥＧＲガスの温度をエンジンの冷却水より低い温度まで下げることができるので、同じＥＧＲ率でＥＧＲガスを再循環しても従来よりＮＯx低減効果を大幅に向上することができる等種々の優れた効果を奏し得る。

本発明の第一形態例を示す概略図である。 本発明の第二形態例を示す概略図である。 本発明の第三形態例を示す概略図である。 本発明の第四形態例を示す概略図である。 本発明の第五形態例を示す概略図である。 従来例を示す概略図である。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明の第一形態例を示すもので、図６と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。

図１に示す如く、本形態例のＥＧＲ装置においては、排気マニホールド９の一端部と吸気マニホールド７の入口付近の吸気管５との間を接続しているＥＧＲパイプ１１の途中に、水冷式ＥＧＲクーラ１３が従来と同様に装備されていると共に、該水冷式ＥＧＲクーラ１３より下流側のＥＧＲパイプ１１には、空冷式ＥＧＲクーラ１９が新たに装備されている。

ここで図示している例では、前記空冷式ＥＧＲクーラ１９をインタークーラ６付近に配置して外気と良好な熱交換が成されるようにしてあり、このような位置に配置された空冷式ＥＧＲクーラ１９を経由するようにＥＧＲパイプ１１が形成されている。

更に、前記ＥＧＲパイプ１１には、水冷式ＥＧＲクーラ１３の出側から空冷式ＥＧＲクーラ１９を迂回してＥＧＲバルブ１２の入側に繋がる第一バイパスパイプ２０と、排気マニホールド９の出側から水冷式ＥＧＲクーラ１３を迂回して水冷式ＥＧＲクーラ１３と切替バルブ２２との間のＥＧＲパイプ１１に繋がる第二バイパスパイプ２１とが付設されている。

また、前記ＥＧＲパイプ１１に対する第一バイパスパイプ２０の最上流端の分岐箇所には、ＥＧＲパイプ１１を流れるＥＧＲガス８’の流れを第一バイパスパイプ２０に切り替える流路切替手段としてスリーウェイ方式の切替バルブ２２が配設されており、前記第二バイパスパイプ２１の中途箇所には、ＥＧＲパイプ１１を流れるＥＧＲガス８’の流れを第二バイパスパイプ２１に切り替える流路切替手段としてツーウェイ方式の切替バルブ２３が配設されている。

而して、このようにＥＧＲ装置を構成した場合に、切替バルブ２２，２３によりＥＧＲパイプ１１を流れるＥＧＲガス８’の流れを水冷式ＥＧＲクーラ１３及び空冷式ＥＧＲクーラ１９の両方に流すように切り替えると、ＥＧＲガス８’が水冷式ＥＧＲクーラ１３にて冷却水１４との熱交換により先行して冷却された後、下流側の空冷式ＥＧＲクーラ１９にて外気との熱交換により更に冷却されることになり、排気側から吸気側へ再循環されるＥＧＲガス８’の温度をエンジン１の冷却水１４より低い温度まで下げることが可能となる。

しかも、切替バルブ２２によりＥＧＲパイプ１１を流れるＥＧＲガス８’の流れを第一バイパスパイプ２０に切り替えれば、空冷式ＥＧＲクーラ１９を迂回させてＥＧＲガス８’を流すことが可能となり、切替バルブ２３によりＥＧＲパイプ１１を流れるＥＧＲガス８’の流れを第二バイパスパイプ２１に切り替えれば、水冷式ＥＧＲクーラ１３を迂回させてＥＧＲガス８’を流すことが可能となるので、エンジン１の運転状態に応じ切替バルブ２２，２３を切り替えてＥＧＲガス８’を水冷式ＥＧＲクーラ１３及び空冷式ＥＧＲクーラ１９の何れか一方に対して流したり、或いは、水冷式ＥＧＲクーラ１３及び空冷式ＥＧＲクーラ１９の両方を迂回させて流したりすることが可能となる。

例えば、エンジン１の冷間始動時及び極軽負荷時（一般車両のアイドリング時、若しくは、ミキサー車等の特装車におけるエンジン動力による補機駆動時等）に、切替バルブ２２の空冷式ＥＧＲクーラ１９に向かう流路を閉じた上で切替バルブ２３を開け、ＥＧＲガス８’を第二バイパスパイプ２１及び第一バイパスパイプ２０を介し水冷式ＥＧＲクーラ１３及び空冷式ＥＧＲクーラ１９の両方を迂回させて流すようにすれば、高温のＥＧＲガス８’を冷却せずに再循環することでエンジン１の暖機が優先されることになり、過度に冷却されたＥＧＲガス８’により燃焼性が低下して白煙の排出を招く虞れが回避される。

また、エンジン１の軽負荷時に、切替バルブ２２の空冷式ＥＧＲクーラ１９に向かう流路のみを閉じた上で切替バルブ２３を閉じることにより、ＥＧＲガス８’を空冷式ＥＧＲクーラ１９を迂回させて水冷式ＥＧＲクーラ１３だけに流すようにすれば、ＥＧＲガス８’の冷却を水冷式ＥＧＲクーラ１３の冷却だけに留めて前記ＥＧＲガス８’の温度を過度に冷却しなくて済み、大量のＨＣ，ＣＯを排出してしまう虞れが回避される。

尚、エンジン１の中・高負荷時にあっては、切替バルブ２２の第一バイパスパイプ２０に向かう流路のみを閉じた上で切替バルブ２３を閉じ、ＥＧＲパイプ１１を流れるＥＧＲガス８’の流れを水冷式ＥＧＲクーラ１３及び空冷式ＥＧＲクーラ１９の両方に流し、これによりＥＧＲガス８’の温度をエンジン１の冷却水１４より低い温度まで下げても、白煙やＨＣ，ＣＯの増大を招く虞れがなく、これまで以上のＥＧＲガス８’の温度低下によりＮＯxを効果的に低減することが可能となる。

また、本形態例のＥＧＲ装置においては、切替バルブ２２，２３がオン・オフ的な開閉式のものであっても良いし、開度調整可能なものであっても良く、開閉式の切替バルブ２２，２３を採用すれば、水冷式ＥＧＲクーラ１３及び空冷式ＥＧＲクーラ１９の両方を迂回したり、何れか一方を選択したり、両方に流したりする切り替えを選択的に行うことが可能となり、開度調整可能な切替バルブ２２，２３を採用すれば、同様の切り替えを段階的に行うことが可能となる。

従って、上記形態例によれば、ＥＧＲパイプ１１を流れるＥＧＲガス８’の流れを切替バルブ２２，２３により切り替え、水冷式ＥＧＲクーラ１３及び空冷式ＥＧＲクーラ１９の両方を迂回させたり、何れか一方を選択させたり、両方を流させたりすることができ、エンジン１の運転状態に応じてＥＧＲガス８’の温度を適宜に変更することができるので、ＥＧＲガス８’の過度な冷却によりエンジン１の冷機状態において白煙の排出を招いてしまったり、暖機後において負荷の低い運転状態で大量のＨＣ，ＣＯを排出してしまったりすることを確実に防止することができ、しかも、ＥＧＲガス８’の温度をエンジン１の冷却水１４より低い温度まで下げても支障のない暖機後の負荷の高い運転状態では、水冷式ＥＧＲクーラ１３及び空冷式ＥＧＲクーラ１９の両方を使用してＥＧＲガス８’を二段階で冷却し、ＥＧＲガス８’の温度をエンジン１の冷却水１４より低い温度まで下げることができるので、同じＥＧＲ率でＥＧＲガス８’を再循環しても従来よりＮＯx低減効果を大幅に向上することができる。

図２は本発明の第二形態例を示すもので、図１の第一形態例で第二バイパスパイプ２１の中途箇所に配設されていたツーウェイ方式の切替バルブ２３を、ＥＧＲパイプ１１に対する第二バイパスパイプ２１の最上流端の分岐箇所にスリーウェイ方式の切替バルブ２３として変更すると共に、水冷式ＥＧＲクーラ１３と切替バルブ２２との間のＥＧＲパイプ１１に繋がるようになっていた第二バイパスパイプ２１の最下流端を、第一バイパスパイプ２０の途中に繋がるように変更し、更に、ＥＧＲパイプ１１に対する第一バイパスパイプ２０の最上流端の分岐箇所に配設されていたスリーウェイ方式の切替バルブ２２を、ＥＧＲパイプ１１に対する第一バイパスパイプ２０の最下流端の合流箇所にスリーウェイ方式の切替バルブ２２として変更したものである。

また、図３は本発明の第三形態例を示すもので、図２の第二形態例でＥＧＲパイプ１１に対する第一バイパスパイプ２０の最下流端の合流箇所に配設されていたスリーウェイ方式の切替バルブ２２を、ＥＧＲパイプ１１に対する第一バイパスパイプ２０の最上流端の分岐箇所に変更したものである。

更に、図４は本発明の第四形態例を示すもので、図３の第三形態例でＥＧＲパイプ１１に対する第二バイパスパイプ２１の最上流端の分岐箇所に配設されていたスリーウェイ方式の切替バルブ２３を、ＥＧＲパイプ１１に対する第二バイパスパイプ２１の最下流端の合流箇所に変更したものである。

また、図５は本発明の第五形態例を示すもので、図４の第四形態例でＥＧＲパイプ１１に対する第二バイパスパイプ２１の最下流端の合流箇所に配設されていたスリーウェイ方式の切替バルブ２３を、第二バイパスパイプ２１の中途箇所にツーウェイ方式の切替バルブ２３として変更したものである。

以上に述べた第二〜第五形態例の何れにおいても、前述した第一形態例の場合と同様に、ＥＧＲパイプ１１を流れるＥＧＲガス８’の流れを切替バルブ２２，２３により切り替え、水冷式ＥＧＲクーラ１３及び空冷式ＥＧＲクーラ１９の両方を迂回させたり、何れか一方を選択させたり、両方を流させたりすることができ、同様の作用効果を奏することができる。
ここで、水冷式ＥＧＲクーラ１３及び空冷式ＥＧＲクーラ１９の何れか一方を選択する場合につき補足しておくと、第一及び第二形態例では、水冷式ＥＧＲクーラ１３及び空冷式ＥＧＲクーラ１９の何れかを択一的に選択できる一方、第三〜第五形態例では、水冷式ＥＧＲクーラ１３のみを選択することができる。

尚、本発明のＥＧＲ装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、形態例中に一例として挙げた制御例は、定常運転時の制御手法に関するものであり、過渡運転時では、流路切替手段を吸気温度、排気温度、冷却水温度、吸気酸素濃度等を勘案して別の制御手法を用いても良いこと、その他、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 エンジン
４ 吸気
５ 吸気管
７ 吸気マニホールド
８ 排気ガス
８’ ＥＧＲガス
９ 排気マニホールド
１０ 排気管
１１ ＥＧＲパイプ
１２ ＥＧＲバルブ
１３ 水冷式ＥＧＲクーラ
１４ 冷却水
１５ サーモスタットケース
１６ ラジエータ
１７ サーモスタット
１８ クーラントポンプ
１９ 空冷式ＥＧＲクーラ
２０ 第一バイパスパイプ
２１ 第二バイパスパイプ
２２ 切替バルブ（流路切替手段）
２３ 切替バルブ（流路切替手段）

Claims (3)

1. 排気側から排気ガスの一部を抜き出してＥＧＲガスとして吸気側へ再循環するＥＧＲパイプと、該ＥＧＲパイプの途中に装備された水冷式ＥＧＲクーラと、該水冷式ＥＧＲクーラより下流側のＥＧＲパイプに装備された空冷式ＥＧＲクーラと、該空冷式ＥＧＲクーラを迂回してＥＧＲガスを流す第一バイパスパイプと、水冷式ＥＧＲクーラを迂回してＥＧＲガスを流す第二バイパスパイプと、ＥＧＲパイプを流れるＥＧＲガスの流れを第一バイパスパイプ及び第二バイパスパイプの夫々に切り替える流路切替手段とを備え、該流路切替手段によりＥＧＲガスを水冷式ＥＧＲクーラ及び空冷式ＥＧＲクーラの両方に流したり、何れか一方に流したり、両方を迂回させて流したりすることで、エンジンの運転状態に応じてＥＧＲガスの温度を適宜に変更し得るように構成したことを特徴とするＥＧＲ装置。
2. 流路切替手段が、第一バイパスパイプ及び第二バイパスパイプにおける中途箇所、最上流端の分岐箇所、最下流端の合流箇所の何れかに設けられた開閉式の切替バルブにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲ装置。
3. 流路切替手段が、第一バイパスパイプ及び第二バイパスパイプにおける中途箇所、最上流端の分岐箇所、最下流端の合流箇所の何れかに設けられた開度調整可能な切替バルブにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲ装置。

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