JP6219592B2 - Ｅｇｒシステム - Google Patents

Description

本発明は、ＥＧＲシステムに関する。

従来、例えばエンジンにおける排気ガスの低ＮＯｘ化に有効な手段として、排気ガスを吸気側へ還流させるＥＧＲ［Exhaust Gas Recirculation］システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなＥＧＲシステムでは、還流させる排気ガスをＥＧＲクーラで冷却することにより、その効果を強めることが図られている。

特開２０１２−２０２２６５号公報

ところで、ＥＧＲシステムにおいては、上述したように、更なる低ＮＯｘ化を達成するため、還流させる排気ガスの冷却強化がなされる場合がある。この場合、例えば排気ガスが１５０℃レベルから１００℃以下まで冷却されることもあるため、当該排気ガスの水分が凝縮して凝縮水が発生し、この凝縮水がＥＧＲ配管やエンジン内部に付着又は滞留し、エンジンの腐食や破損等の損傷を引き起こすおそれがある。

そのため、近年のＥＧＲシステムでは、排気ガスから発生した凝縮水によるエンジン損傷を防止することが要求されている。この点、上記特許文献１に記載のＥＧＲシステムでは、吸水材により凝縮水を吸水することが図られているものの、その使用等に伴って吸水能力が低下してしまうおそれがある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、排気ガスから発生した凝縮水を吸水してエンジン損傷を防止でき、且つ、その吸水能力を回復させることが可能なＥＧＲシステムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るＥＧＲシステムは、エンジンにおける排気ガスを排気する排気流路に接続され、当該排気ガスの少なくとも一部を吸気側のＥＧＲ合流部へ還流させるＥＧＲ配管と、ＥＧＲ配管に設けられたＥＧＲクーラと、ＥＧＲ配管に設けられたＥＧＲバルブと、ＥＧＲ配管においてＥＧＲクーラとＥＧＲ合流部との間に設けられた吸水部材と、ＥＧＲ配管においてＥＧＲクーラと吸水部材との間に接続され、ＥＧＲクーラを介さずに排気ガスをＥＧＲ配管へ流通させる第１配管と、ＥＧＲ配管において吸水部材よりもＥＧＲ合流部側に接続され、吸水部材を通過した排気ガスを排気流路又は外部へ流通させる第２配管と、第１配管に設けられた第１バルブと、第２配管に設けられた第２バルブと、を備えること、を特徴とする。

このＥＧＲシステムでは、例えば通常運転時にて、ＥＧＲバルブを開とし、第１及び第２バルブを閉とすることにより、排気ガスの少なくとも一部を、ＥＧＲクーラ及び吸水部材をこの順に介して吸気側のＥＧＲ合流部へ還流可能となる。これにより、ＥＧＲクーラで冷却されることで発生した凝縮水は吸水部材で吸着されて吸水されることになり、よって、凝縮水によるエンジン損傷を防止することができる。一方、ＥＧＲバルブを閉とし、第１及び第２バルブを開とすることにより、排気ガスの少なくとも一部をＥＧＲクーラを介さずに吸水部材を通過させて排気流路へ流通可能となる。これにより、高温の排気ガスが吸水部材に流れ、当該吸水部材は水分を放出することになり、よって、吸収能力を回復させることが可能となる。

また、ＥＧＲバルブ、第１バルブ及び第２バルブの開閉を制御する開閉制御部を備え、制御部は、ＥＧＲバルブを閉とすることにより排気ガスの還流を停止させるＥＧＲカット運転制御を実行すると共に、ＥＧＲカット運転制御の実行時において、第１及び第２バルブを開とすることにより、排気ガスを、ＥＧＲクーラを介さずに吸水部材を通過させて排気流路へ流通させることが好ましい。この場合、排気ガスの還流を停止させるＥＧＲカット運転に連動するように、吸水能力の回復を実施することができる。

また、吸水部材を通過する排気ガスが所定流量となるように、第１及び第２バルブの少なくとも一方の開度を制御する開度制御部を備えることが好ましい。これにより、吸水部材に流れる排気ガスの流量を制御することができる。

本発明によれば、排気ガスから発生した凝縮水を吸水してエンジン損傷を防止でき、且つ、その吸水能力を回復させることが可能なＥＧＲシステムを提供することができる。

第１実施形態に係るＥＧＲシステムにおける通常運転時の概略構成を示す図である。 第１実施形態に係るＥＧＲシステムにおけるＥＧＲカット運転時の概略構成を示す図である。 第２実施形態に係るＥＧＲシステムの概略構成を示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は第１実施形態に係るＥＧＲシステムにおける通常運転時の概略構成を示す図であり、図２は第１実施形態に係るＥＧＲシステムにおけるＥＧＲカット運転時の概略構成を示す図である。図１及び図２に示すように、本実施形態のＥＧＲシステム１は、例えば車両におけるディーゼルエンジン等のエンジン１０に搭載されるものであり、当該エンジン１０の排気ガスの少なくとも一部を吸気側へ還流させる。

エンジン１０は、ターボチャージャ１１を備えた過給機付きエンジンとされ、１又は複数の気筒（図示する例では、６気筒）を有している。なお、エンジン１０としては、ディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジンであってもよい。また、適用される車両は限定されるものではなく、例えばトラック、バスもしくは重機等の大型車両や中型車両、普通乗用車、小型車両又は軽車両等であってもよい。

このＥＧＲシステム１は、ターボチャージャ１１の排気タービン１１ｅ通過前の高圧の排気ガスを吸気側に還流するＨＰＬ（High Pressure Loop）方式のものであって、ＥＧＲ配管２、ＥＧＲクーラ３、ＥＧＲバルブ４、吸水部材５、第１配管６、第２配管７、及び制御部８を備えている。

ＥＧＲ配管２は、その一端側がエキゾーストマニホールド１２に接続されていると共に、その他端側が吸気管１３におけるインタークーラ１５下流側のＥＧＲ合流部１３ａに接続されている。このＥＧＲ配管２は、排気ガスの少なくとも一部をＥＧＲ合流部１３ａへ還流させる。

ＥＧＲクーラ３は、排気ガスを冷却するものであり、ＥＧＲ配管２に設けられている。ＥＧＲクーラ３としては、特に限定されず、様々なＥＧＲクーラを用いることができる。ＥＧＲバルブ４は、ＥＧＲ配管２においてＥＧＲ合流部１３ａ側の下流部に設けられている。このＥＧＲバルブ４は、電磁弁等が用いられ、その開閉によって排気ガスの吸気側への還流を許容又は停止させる。

吸水部材５は、ＥＧＲ配管２においてＥＧＲクーラ３とＥＧＲ合流部１３ａとの間に設けられており、排気ガスから発生した凝縮水を吸着して吸水する。具体的には、吸水部材５は、ＥＧＲ配管２内を流通する排気ガスに露出する（さらされる）ように設けられており、例えばゼオライト系触媒等を含んでいる。なお、吸水部材５としては、その形状や材質が限定されるものではなく、種々のものを採用することができる。吸水部材５は、吸水性に加え、耐熱性や耐酸性を有していてもよい。

第１配管６は、その一端側がエキゾーストマニホールド１２に接続されていると共に、その他端側がＥＧＲ配管２におけるＥＧＲクーラ３と吸水部材５との間に接続されている。この第１配管６は、ＥＧＲクーラ３を介さずに、排気ガスをエキゾーストマニホールド１２からＥＧＲ配管２へと流通させる。第１配管６には、当該第１配管６における排気ガスの流通を制御する電磁弁等の第１バルブ１６が設けられている。

第２配管７は、その一端側がＥＧＲ配管２における吸水部材５よりもＥＧＲ合流部１３ａ側（換言すると、ＥＧＲ配管２における吸水部材５の出口側）に接続されている。また、第２配管７は、その他端側が排気管１４における排気タービン１１ｅ下流側に接続されている。この第２配管７は、吸水部材５を通過した排気ガスを排気管１４へ流通させる。第２配管７には、当該第２配管７における排気ガスの流通を制御する電磁弁等の第２バルブ１７が設けられている。

制御部８は、例えばＣＰＵ（CentralProcessing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を含むコンピュータにより構成されている。この制御部８は、ＥＧＲバルブ４、第１バルブ１６及び第２バルブ１７に電気的に接続されており、これらの開閉及び開度を制御する。

具体的には、制御部８は、ＥＧＲバルブ４を開とすることによって排気ガスを吸気側へ還流させる通常運転を行う通常運転制御と、ＥＧＲバルブ４を閉とすることによって排気ガスの還流を停止させるＥＧＲカット運転を行うＥＧＲカット運転制御と、を実行する。また、制御部８は、ＥＧＲカット運転制御の実行時において、第１及び第２バルブ１６，１７を開とすることにより、吸水部材５の吸水能力を回復（再生）させる。さらに、制御部８は、第１及び第２バルブの少なくとも一方の開度を制御する開度制御を実行し、これにより、吸水部材５を通過する排気ガスの流量を制御する。

以上のように構成されたＥＧＲシステム１では、図１に示すように、通常運転時、制御部８によりＥＧＲバルブ４が開とされると共に第１及び第２バルブ１６，１７が閉とされる。これにより、排気ガスは、エキゾーストマニホールド１２から排気タービン１１ｅを介して排気管１４に流れると共に、排気ガスの少なくとも一部は、エキゾーストマニホールド１２からＥＧＲクーラ３へ流れ、吸水部材５を通って吸気管１３のＥＧＲ合流部１３ａへ還流される。その結果、ＥＧＲクーラ３の冷却により排気ガスから発生した凝縮水は、吸水部材５で吸着されて吸水され、当該排気ガス中から除去される。

一方、、図２に示すように、例えばエンジン１０を暖気する際やＤＰＦ（不図示）を再生する際には、ＥＧＲカット運転が実施され、このＥＧＲカット運転時には、制御部８によりＥＧＲバルブ４が閉とされ、排気ガスの吸気管１３への還流が停止される。また、ＥＧＲカット運転時においては、制御部８により第１及び第２バルブ１６，１７が開とされ、これにより、排気ガスの少なくとも一部は、エキゾーストマニホールド１２から第１配管６へ流れ、ＥＧＲクーラ３を介さずに吸水部材５を通って第２配管７へ流れた後、排気管１４の排気ガスと合流されて外部へ排気される。その結果、高温の排気ガスが吸水部材５に流れ、当該吸水部材５は、水分を放出して吸収能力を回復することとなる。

以上、本実施形態のＥＧＲシステム１では、上述したように、通常運転時において、ＥＧＲクーラ３の冷却で発生した凝縮水を吸水部材５で吸着し吸水できる。よって、ＥＧＲ強化冷却による低ＮＯｘ化を実現しつつ、凝縮水がエンジン１０内部に付着及び滞留するのを抑制して、エンジン損傷を防止することが可能となる。一方、ＥＧＲバルブ４を閉とし、第１及び第２バルブ１６，１７を開とすることにより、排気ガスをＥＧＲクーラ３を介さずに吸水部材５を通過させることができる。よって、高温の排気ガスを吸水部材５に流すことができ、吸水部材５の吸収能力を回復させることが可能となる。

また、吸水部材５の吸収能力を回復する際に吸水部材５から放出された水分は、排気ガスと合流されて排気されることから、当該水分がエンジン１０内部に付着及び滞留するのも抑制できる。

また、ＥＧＲシステム１では、上述したように、ＥＧＲカット運転時（ＥＧＲカット運転制御の実行時）において、第１及び第２バルブ１６，１７を開として流路を切り替えることができ、これにより、吸水部材５の吸水能力の回復をＥＧＲカット運転に連動するように実施することが可能となる。つまり、通常運転時に還流される排気ガスを、ＥＧＲカット運転時には、吸水部材５の再生に利用することができる。

また、ＥＧＲシステム１では、制御部８により第１及び第２バルブ１６，１７の少なくとも一方の開度が調整され、吸水部材５を通過する排気ガスが所定流量となるように制御される。その結果、排気タービン１１ｅへ流れる排気ガスを制御でき、ひいては、ターボ回転を一定に維持させることが可能となる。すなわち、第１及び第２バルブ１６，１７の少なくとも一方の開度を調整してターボチャージャ１１の過回転を防止でき、これにより、例えばＷ／Ｇバルブを不要にできる。また、排気タービン１１ｅへ流れる排気ガスを制御できることから、流量レンジは狭いが低コスト高効率なＦ／Ｆターボを用い、広い運転域でターボの高効率化を得ることができる。

なお、本実施形態の吸水部材５は、その構成の自由度が高いものとなっており、例えばＥＧＲ配管２の延在方向に所望に長尺化でき、又は、ＥＧＲ配管２の延在方向に沿って複数並置できる。すなわち、吸水部材５は、凝縮水の吸水量の増加に好適に対応することが可能となっている。

また、凝縮水には硝酸や硫黄分が含まれる場合があるところ、本実施形態の吸水部材５はＥＧＲクーラ３と別体で配置されるため、ＥＧＲクーラ３の腐食を防止するという点で効果的なものともいえる。

ちなみに、凝縮水によるエンジン損傷を防止するため、ＥＧＲクーラ３による冷却を弱めつつ高ＥＧＲ化を図る場合も考えられるが、この場合、ポンピングロスが増大して燃費が悪化するおそれがある。この点、本実施形態は、エキゾーストマニホールド１２における排気ガスの圧力を低下させることができ、よって、高ＥＧＲ化しつつポンピングロス低減（燃費向上）が可能となる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明では、上記第１実施形態と異なる点について主に説明する。

図３は、第２実施形態に係るＥＧＲシステムの概略構成を示す図である。図３に示すように、本実施形態のＥＧＲシステム１Ｂは、ターボチャージャ１１の排気タービン１１ｅ通過後の低圧の排気ガスを吸気側に還流するＬＰＬ（Low Pressure Loop）方式のものである。ＥＧＲシステム１Ｂは、上記第１実施形態に対し、ＥＧＲ配管２Ｂ、ＥＧＲクーラ３Ｂ、ＥＧＲバルブ４Ｂ及び第３バルブ９をさらに備えている。

ＥＧＲ配管２Ｂは、その一端側が排気管１４に接続されている。ＥＧＲ配管２Ｂの他端側は、吸気管１３におけるターボチャージャ１１のコンプレッサ１１ｉ上流側のＥＧＲ合流部１３ａに接続されている。ＥＧＲクーラ３Ｂは、排気ガスを冷却するものであり、ＥＧＲ配管２Ｂに設けられている。ＥＧＲバルブ４Ｂは、ＥＧＲ配管２ＢにおいてＥＧＲ合流部１３ａ側の下流部に設けられている。第３バルブ９は、排気管１４における排気側の下流部（ＥＧＲ配管２Ｂの接続部１４ａよりも下流側）に設けられている。

また、ＥＧＲシステム１Ｂは、上記第１実施形態に対し、吸水部材５に代えて吸水部材５Ｂ、第１配管６に代えて第１配管６Ｂ、第２配管７に代えて第２配管７Ｂをそれぞれ備えている。

吸水部材５Ｂは、ＥＧＲ配管２ＢにおいてＥＧＲクーラ３ＢとＥＧＲ合流部１３ａとの間に設けられている。第１配管６Ｂの一端側は、排気管１４において排気タービン１１ｅ出口側（排気タービン１１ｅとＥＧＲ配管２Ｂの接続部１４ａとの間）に接続されている。第１配管６Ｂの他端側は、ＥＧＲ配管２ＢにおけるＥＧＲクーラ３Ｂと吸水部材５Ｂとの間に接続されている。この第１配管６Ｂには、第１バルブ１６Ｂが設けられている。

第２配管７Ｂの一端側は、ＥＧＲ配管２における吸水部材５よりもＥＧＲ合流部１３ａ側（ＥＧＲ配管２Ｂにおける吸水部材５Ｂの出口側）に接続されている。第２配管７Ｂの他端側は、外部に開放されている。この第２配管７Ｂには、第２バルブ１７Ｂが設けられている。

以上のように構成されたＥＧＲシステム１Ｂでは、通常運転時、制御部８によりＥＧＲバルブ４Ｂ及び第３バルブ９が開とされると共に第１及び第２バルブ１６Ｂ，１７Ｂが閉とされる。これにより、排気ガスの少なくとも一部は、排気タービン１１ｅ出口側からＥＧＲクーラ３Ｂへ流れ、吸水部材５Ｂを通って吸気管１３のＥＧＲ合流部１３ａへ還流される。その結果、ＥＧＲクーラ３Ｂの冷却により排気ガスから発生した凝縮水は、吸水部材５Ｂで吸着されて吸水され、当該排気ガス中から除去される。

一方、ＥＧＲカット運転時には、制御部８によりＥＧＲバルブ４Ｂ及び第３バルブ９が閉とされ、排気ガスの吸気管１３への還流が停止される。このとき、制御部８により第１及び第２バルブ１６Ｂ，１７Ｂが開とされ、これにより、排気ガスは、排気タービン１１ｅ出口側から第１配管６Ｂへ流れ、ＥＧＲクーラ３Ｂを介さずに吸水部材５Ｂを通って第２配管７Ｂへ流れた後、外部へ排気される。その結果、ＥＧＲクーラ３Ｂで冷却されていない高温の排気ガスが吸水部材５に流れ、当該吸水部材５は、水分を放出して吸収能力を回復することとなる。

以上、本実施形態のＥＧＲシステム１Ｂにおいても、上記作用効果、すなわち、排気ガスから発生した凝縮水を吸水してエンジン損傷を防止でき、且つ、その吸水能力を回復させることが可能となるという作用効果を奏する。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用してもよい。

例えば、上記第１実施形態では、第２配管７の他端側を排気管１４における排気タービン１１ｅ出口側に接続したが、エキゾーストマニホールド１２又は排気タービン１１ｅ入口側に接続してもよいし、外部へ解放してもよい。この場合、圧力差を生じさせるためのベンチュリ構造や絞り構造等を設けることが好ましい。

また、上記第１実施形態では、第１バルブ１６に代えて三方弁構造のバルブを用い、吸水部材５の吸水能力回復時にＥＧＲクーラ３からの排気ガスの流れを止める構造としてもよい。また、上記第２実施形態では、第２配管７Ｂの他端側を排気管１４に接続し、吸水部材５Ｂを通過した排気ガスを排気管１４を介して外部へ排気してもよい。

また、上記第２実施形態において、ＥＧＲカット運転時には、制御部８によりＥＧＲバルブ４Ｂ及び第３バルブ９が閉とされ、排気ガスの吸気管１３への還流が停止され、制御部８により第１及び第２バルブ１６Ｂ，１７Ｂが開とされる構造としたが、第１、第２及び第３バルブ１６Ｂ，１７Ｂ，９の開度を調整して吸水部材５Ｂを通過する排気ガスの流量を調整するように制御してもよい。

上記において、制御部８が、特許請求の範囲の開閉制御部及び開度制御部を構成する。また、エキゾーストマニホールド１２及び排気管１４が、特許請求の範囲の排気流路を構成する。

１，１Ｂ…ＥＧＲシステム、２，２Ｂ…ＥＧＲ配管、３，３Ｂ…ＥＧＲクーラ、４，４Ｂ…ＥＧＲバルブ、５，５Ｂ…吸水部材、６，６Ｂ…第１配管、７，７Ｂ…第２配管、８…制御部（開閉制御部，開度制御部）、１０…エンジン、１２…エキゾーストマニホールド（排気流路）、１３ａ…ＥＧＲ合流部、１４…排気管（排気流路）、１６，１６Ｂ…第１バルブ、１７，１７Ｂ…第２バルブ。

Claims (3)

1. エンジンにおける排気ガスを排気する排気流路に接続され、当該排気ガスの少なくとも一部を吸気側のＥＧＲ合流部へ還流させるＥＧＲ配管と、
   前記ＥＧＲ配管に設けられたＥＧＲクーラと、
   前記ＥＧＲ配管に設けられたＥＧＲバルブと、
   前記ＥＧＲ配管において前記ＥＧＲクーラと前記ＥＧＲ合流部との間に設けられた吸水部材と、
   前記ＥＧＲ配管において前記ＥＧＲクーラと前記吸水部材との間に接続されると共に前記排気流路に接続され、前記ＥＧＲクーラを介さずに前記排気流路の前記排気ガスを前記ＥＧＲ配管へ流通させる第１配管と、
   前記ＥＧＲ配管において前記吸水部材よりも前記ＥＧＲ合流部側に接続され、前記吸水部材を通過した前記排気ガスを前記排気流路又は外部へ流通させる第２配管と、
   前記第１配管に設けられた第１バルブと、
   前記第２配管に設けられた第２バルブと、を備えること、を特徴とするＥＧＲシステム。
2. 前記ＥＧＲバルブ、前記第１バルブ及び前記第２バルブの開閉を制御する開閉制御部と、
   前記第１及び前記第２バルブの開度を制御する開度制御部と、を備え、
   前記開閉制御部は、
   前記ＥＧＲバルブを閉とすることにより前記排気ガスの還流を停止させるＥＧＲカット運転制御を実行すると共に、
   前記ＥＧＲカット運転制御の実行時において、前記第１及び第２バルブを開とすることにより、前記排気ガスを、前記ＥＧＲクーラを介さずに前記吸水部材を通過させて前記排気流路へ流通させ、
   前記開度制御部は、
   前記ＥＧＲカット運転制御の実行時において、前記第１及び前記第２バルブの少なくとも一方の開度を制御することにより、前記吸水部材を通過する前記排気ガスが所定流量となるようにすること、を特徴とする請求項１記載のＥＧＲシステム。
3. 前記ＥＧＲ配管は、前記排気流路における排気タービンの下流側に接続され、前記排気タービンの下流側の前記排気ガスの少なくとも一部を吸気側の前記ＥＧＲ合流部へ還流させ、
   前記第１配管は、前記ＥＧＲ配管において前記ＥＧＲクーラと前記吸水部材との間に接続されると共に前記排気流路において前記排気タービンの出口側に接続され、前記ＥＧＲクーラを介さずに前記排気タービンの出口側の前記排気ガスを前記ＥＧＲ配管へ流通させること、を特徴とする請求項１又は２記載のＥＧＲシステム。

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