JP6470632B2 - エンジンの排気循環装置 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気循環装置（ＥＧＲシステム）に関するものである。

例えば、ディーゼルエンジンにおいては、エンジンの排気を吸気側に還流させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）システムが広く採用されている。このＥＧＲシステムでは、エンジンの排気の一部を吸気側に還流するＥＧＲ通路上に還流排気を冷却するＥＧＲクーラが配置されている。

また、ディーゼルエンジンにおいては、排気の中に含まれている黒鉛微粒子を捕集するためのＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）が装備されている。このＤＰＦには煤が堆積するので、煤の堆積量に応じて、車両を停止した状態で、高温の排気を流すことにより煤を除去して、ＤＰＦの能力を再生するＤＰＦ再生モードを実行している。

ところで、ＥＧＲシステムでは、ＥＧＲクーラにも煤が堆積し続けるという問題がある。煤が堆積すると、ＥＧＲクーラの放熱性能が低下してしまうことになる。

そこで、これを回避する技術として、図８に示すように、ＥＧＲクーラ１０１の前に煤を捕集するフィルタ１０２を設けることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−１１８９５３号公報

ところが、前記従来の特許文献１に記載の技術では、フィルタ１０２に煤が溜まるにつれ、フィルタ１０２を通過する気流に対する圧損が大きくなり、ＥＧＲクーラ１０１のコア部を通過する排気の流量が低下し、結果的に、ＥＧＲクーラの熱交換性能の低下を招いてしまう問題がある。

本発明は、上記事情を考慮し、ＥＧＲクーラに堆積する煤を効率的に除去することができるエンジンの排気循環装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明のエンジンの排気循環装置は、エンジンの排気通路と吸気通路とに両端が接続され、前記排気通路を流れる前記エンジンの排気の一部を前記吸気通路に還流させるＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路の途中に配置され、前記ＥＧＲ通路を通過して前記吸気通路に導入される排気を冷却するＥＧＲクーラと、前記ＥＧＲ通路上の前記ＥＧＲクーラよりも前記吸気通路側の位置に配置され、前記ＥＧＲ通路から前記吸気通路に導入される排気の流量を調整するＥＧＲバルブと、前記ＥＧＲ通路上の前記ＥＧＲバルブと前記ＥＧＲクーラとの間の位置に一端が接続されると共に、前記排気通路上の前記ＥＧＲ通路が前記排気通路に接続された接続点よりも排気流れ方向の下流側の位置に他端が接続され、前記排気通路を流れる前記エンジンの排気の一部を前記ＥＧＲクーラをバイパスして前記吸気通路に還流させるバイパス通路と、前記ＥＧＲクーラを通る排気の流量と前記ＥＧＲクーラをバイパスする排気の流量との比率を変化させるバイパスバルブと、前記排気通路上の前記バイパス通路が前記排気通路に接続された接続点よりも排気流れ方向の上流側で、且つ、前記ＥＧＲ通路が前記排気通路に接続された接続点よりも排気流れ方向の下流側の位置に配置されて排気の流れを制御する制御バルブと、を備えたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のエンジンの排気循環装置であって、前記排気通路上の前記バイパス通路が前記排気通路に接続された接続点よりも排気流れ方向の下流側の位置に、前記エンジンの排気に含まれる微粒子を除去するＤＰＦが設けられ、前記ＤＰＦの再生モードの実行の選択時に、前記ＥＧＲバルブを閉じ、前記制御バルブを閉じ、前記バイパスバルブを中間開度にして、前記エンジンの排気通路を流れる排気を前記ＥＧＲ通路から前記バイパス通路を経由して前記排気通路に戻すＥＧＲクーラ再生モードを実行することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２に記載のエンジンの排気循環装置であって、前記ＥＧＲクーラ再生モードの実行の後に前記ＤＰＦ再生モードを実行することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、ＥＧＲバルブを閉じ、制御バルブを閉じ、バイパスバルブを中間開度にすることで、エンジンの排気通路を流れる排気を、ＥＧＲ通路からバイパス通路を経由して、排気通路に戻すことができる。従って、高温の排気を大量にＥＧＲ通路上のＥＧＲクーラに流すことが可能であり、高温の排気により、ＥＧＲクーラに溜まった煤を完全燃焼させることができる。あるいは、大量の排気の流れによって、ＥＧＲクーラに溜まった煤を、バイパス通路に流して、排気通路に戻すことができる。従って、ＥＧＲクーラに溜まった煤を無くしたり低減させたりすることができ、ＥＧＲクーラの放熱性能を回復することができる。

請求項２の発明によれば、ＥＧＲクーラ再生モードで完全に燃焼しきらなかった煤をＤＰＦで捕集することができる。

請求項３の発明によれば、ＥＧＲクーラ再生モードで完全に燃焼しきれずにＤＰＦに捕集された煤も取り去ることができる。

本発明の実施形態の排気循環装置のシステム系統図である。 同システムの通常運転モードの内容を示すフローチャートである。 同システムのＥＧＲクーラ再生モード及びＤＰＦ再生モードの内容を示すフローチャートである。 ＥＧＲバイパスモード（暖気運転）時の排気の流れを示す要部の説明図である。 ＥＧＲクーラモード時の排気の流れを示す要部の説明図である。 ＥＧＲクーラ再生モード時の排気の流れを示す要部の説明図である。 ＤＰＦ再生モード時の排気の流れを示す要部の説明図である。 従来のシステムの説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は実施形態の排気循環装置のシステム系統図である。

車両用の４気筒圧縮着火式のエンジン（ディーゼルエンジン）１は、吸気通路１０から吸気弁４を介して各気筒の燃焼室６に吸入した空気に、燃料噴射弁４０が燃料を噴射することで気筒内に混合気を生成する。

混合気は、気筒内に収装されたピストン２の往復運動によって圧縮され、圧縮に伴う温度上昇により燃焼室６内で着火して燃焼する。燃焼により燃焼室６内に発生する燃焼ガス（以下、「排気」という）は、排気弁５から排気通路２０を通って排出される。エンジン１は、各気筒において吸気、圧縮、膨張、排気の各行程を順番に繰り返す、４−ストロークサイクルエンジンとして構成されている。

吸気通路１０には、吸気を過給するターボ過給器５０のコンプレッサと、吸気流量を調整する吸気スロットル３２と、が設けられている。吸気通路１０は、吸気コレクタ１１を介して各気筒に接続されている。排気通路２０には、ターボ過給器５０の排気タービン５１と、酸化触媒２２と、排気中の黒煙微粒子（パティキュレート）を捕集するＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）２１と、が設けられている。

ターボ過給器５０の排気タービン５１は、可変ノズル２４を備えている。可変ノズル２４は、エンジン１の低速回転時における排気タービン５１へ流入する排気の流速を高めて吸気の過給効果を高める一方、高速回転時には全開して排気の排気タービン５１への流入抵抗を小さくする役割をもつ。

また、排気通路２０の排気タービン５１および可変ノズル２４の上流側の位置と、吸気通路１０が接続された吸気コレクタ１１との間には、ＥＧＲ通路３０と、バイパス通路３７と、ＥＧＲクーラ３４と、ＥＧＲバルブ３１と、バイパスバルブ３８と、制御バルブ８０と、を備えたＥＧＲシステム（排気循環装置）Ａが設けられている。

ＥＧＲ通路３０は、排気通路２０を流れるエンジン１の排気の一部を吸気コレクタ１１に還流させる通路であり、エンジン１の排気通路２０と吸気コレクタ１１とに両端が接続されている。

ＥＧＲクーラ３４は、ＥＧＲ通路３０を通過して吸気コレクタ１１に導入される排気を冷却する熱交換器であり、ＥＧＲ通路３０の途中に配置されている。

ＥＧＲバルブ３１は、ＥＧＲ通路３０から吸気コレクタ１１に導入される排気の流量を調整するバルブであり、ＥＧＲ通路３０上のＥＧＲクーラ３４よりも吸気コレクタ１１側の位置、ここではＥＧＲ通路３０の吸気コレクタ１１への導入口に配置されている。

バイパス通路３７は、排気通路２０を流れるエンジン１の排気の一部を、ＥＧＲクーラ３４をバイパスして吸気コレクタ１１に還流させる通路であり、ＥＧＲ通路３０上のＥＧＲバルブ３１とＥＧＲクーラ３４との間の位置に一端が接続されると共に、排気通路２０上のＥＧＲ通路３０が排気通路２０に接続された接続点３０ａよりも排気流れ方向の下流側の位置に他端（接続点３７ａ）が接続されている。

また、バイパスバルブ３８は、ＥＧＲクーラ３４を通る排気の流量とＥＧＲクーラ３４をバイパスする排気の流量との比率を変化させるバルブであり、バイパス通路３７とＥＧＲ通路３０の合流点に配置されている。

また、制御バルブ８０は、排気通路２０中の排気の流れを制御するバルブで、排気通路２０上の、バイパス通路３７が排気通路２０に接続された接続点３７ａよりも排気流れ方向の上流側で、且つ、ＥＧＲ通路３０が排気通路２０に接続された接続点３０ａよりも排気流れ方向の下流側の位置に配置されている。

また、燃料噴射弁４０へ燃料を供給するために、エンジン１のクランク軸により駆動される高圧燃料ポンプ４３と、高圧燃料ポンプ４３が吐出した高圧燃料を一時的に貯留するコモンレール４１とが設けられている。

高圧燃料ポンプ４３とコモンレール４１は燃料配管４２で接続されている。燃料噴射弁４０はコモンレール４１に接続され、コントローラ７０から入力されるパルス幅変調信号に応じてコモンレール４１に貯留された燃料を燃焼室６に噴射する。

燃料噴射弁４０の燃料噴射、吸気スロットル３２の開度、ターボ過給器５０の可変ノズル２４の開度、ＥＧＲバルブ３１の開度、バイパスバルブ３８の開度、制御バルブ８０の開度は、それぞれコントローラ７０により制御される。コントローラ７０は、これらの制御を通じて、ＥＧＲクーラ３４の再生やＤＰＦ２１の再生を行なう。

コントローラ７０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたプログラム可能なマイクロコンピュータで構成されている。コントローラを複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。

燃料噴射制御のために、コントローラ７０には、車両が備えるアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダル踏み込み量センサ６１、エンジン１の回転速度とクランク角を検出するクランク角センサ６０、排気温度を検出する温度センサ６２、ＤＰＦ２１の上下流の差圧を検出する差圧センサ６３、ＤＰＦ２１のベッド温度を検出する温度センサ６４、酸化触媒２２のベッド温度を検出する温度センサ６５、排気通路２０に設けた空燃比センサ６６、エンジン１の吸入新気量を検出するエアフローメータ６７、ＥＧＲ通路３０の還流排気量を検出する流量センサ６８、及び燃焼室６から排出される排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度センサ６９から、それぞれ検出データが信号入力される。

次に運転モードについて説明する。

図２は、通常運転モードの内容を示すフローチャートである。

図２に示す通常運転のプログラムがスタートとすると、まず、エンジン１の冷却水温度を検知し、冷却水温度が閾値より大きいか否かを判断する（ステップＳ１、Ｓ２）。冷却水温度が閾値より低い場合は、ＥＧＲバイパスモード（暖気運転モード）を実行する（ステップＳ３）。

即ち、ＥＧＲバイパスモードでは、制御バルブ８０を開き、バイパスバルブ３８をＥＧＲクーラ側閉位置に操作し、ＥＧＲバルブを開く。そうすると、図４に示すように、排気がバイパス通路３７を通り（ＥＧＲクーラ３４を通過せず）、吸気コレクタ１１に導入される。

また、エンジン１の冷却水温度が閾値より高くなると、ＥＧＲクーラモードを実行する（ステップＳ４）。

即ち、ＥＧＲクーラモードでは、制御バルブ８０を開き、バイパスバルブ３８をＥＧＲクーラ側開位置に操作し、ＥＧＲバルブ３１を開く。そうすると、図５に示すように、排気がＥＧＲ通路３０を通り（ＥＧＲクーラ３４を通過して）、吸気コレクタ１１に導入される。

図３は、ＥＧＲクーラ再生モード及びＤＰＦ再生モードの内容を示すフローチャートである。

ＥＧＲクーラ再生モード及びＤＰＦ再生モードは、通常運転とは別のタイミングで実施されるモードであり、１年に１〜２回程度実施される。このモードを実施する場合は、車両を停止した状態でエンジン１を駆動し、ＤＰＦ再生スイッチをＯＮする。そうすると、排気の温度が例えば６００℃程度に高まるような運転が行われ、その状態が２０〜３０分だけ継続される。

図３のプログラムがスタートすると、ＤＰＦ再生スイッチの状態を検知し、スイッチがＯＮかどうかを判断する（ステップＳ１１、１２）。スイッチがＯＮの場合は、最初に所定時間だけＥＧＲクーラ再生モードを実行する（ステップＳ１３、１４）。

このＥＧＲクーラ再生モードでは、制御バルブ８０を閉じ、バイパスバルブ３８を中間開度に操作し、ＥＧＲバルブ３１を閉じる。そうすると、図６に示すように、排気がＥＧＲ通路３０を通り、ＥＧＲクーラ３４を通過した後、バイパス通路３７を経由して、排気通路２０に戻る。

このとき、６００℃程度の高温の排気が大量にＥＧＲクーラ３４に流れることで、ＥＧＲクーラ３４内に溜まった煤が焼き尽くされる（酸化させる）。あるいは、焼き尽くされない場合でも、大量の排気の流れによって煤が排気通路２０に流される。従って、ＥＧＲクーラ３４の煤が除去または低減される。

所定時間だけＥＧＲクーラ再生モードを実施した後は、ＤＰＦ再生モードを所定時間だけ実行する（ステップＳ１５、１６）。このＤＰＦ再生モードでは、制御バルブ８０を開き、バイパスバルブ３８をクーラ側閉位置に操作し、ＥＧＲバルブ３１を閉じる。そうすると、図７に示すように、高温の排気が大量に排気通路２０の下流にあるＤＰＦに流れ、堆積した煤が除去されて、ＤＰＦの機能が回復される。

以上の説明のように、本実施形態の排気循環装置Ａでは、ＥＧＲバルブ３１を閉じ、制御バルブ８０を閉じ、バイパスバルブ３８を中間開度にすることで、エンジン１の排気通路２０を流れる排気を、ＥＧＲ通路３０からバイパス通路３７を経由して、排気通路２０に戻すことができる。従って、高温の排気を大量にＥＧＲ通路３０上のＥＧＲクーラ３４に流すことが可能であり、高温の排気により、ＥＧＲクーラ３４に溜まった煤を完全燃焼させることができる。あるいは、大量の排気の流れによって、ＥＧＲクーラ３４に溜まった煤をバイパス通路３７に流して、排気通路２０に戻すことができる。従って、ＥＧＲクーラ３４に溜まった煤を無くしたり低減させたりすることができ、ＥＧＲクーラ３４の放熱性能を回復することができる。

また、ＥＧＲクーラ再生モードで完全に燃焼しきらなかった煤をＤＰＦ２１で捕集することができ、このＤＰＦ２１で捕集した煤をＤＰＦ再生モードで取り去ることができるので、ＥＧＲクーラ３４の再生とＤＰＦ２１の再生を一緒に行うことができる。

なお、通常運転時に、煤堆積防止モードとして、制御バルブ８０を閉じ側に制御し、バイパスバルブ３８を中間開度に制御することで、風量を増加した排気を、ＥＧＲクーラ３４に流すことができる。つまり、ＥＧＲクーラ３４に流す排気の流量を増大させながら、増量分を吸気側に流さずに、バイパス通路３７を通して、排気通路２０側に戻すこともできる。この場合は、ＥＧＲクーラ３４に流す風量を増加することで、煤の堆積を減らすことができる。あるいは、堆積した煤を大量の排気の流れで流し去ることができる。

また、煤堆積防止モードとして、エンジン１を停止させた後、通常に対して流し方を逆にした排気ガスをＥＧＲクーラ３４に流すことで、順流しでは飛ばなかった煤を飛ばすことも可能である。

さらに、６００℃の高温の排気を流す場合、水冷のＥＧＲクーラでは、水の管理が大変となる。そこで、水冷のＥＧＲクーラでは、排気の流速を上げて煤を飛ばした方がよい場合もある。特にフィン型のＥＧＲクーラでは、専用のバイパス通路を用いないで、単に流速を上げることで煤を飛ばすこともできる。

なお、前記実施形態によれば、エンジン（内燃機関）としてディーゼルエンジンについて説明したが、ガソリンエンジンに前記実施形態を適用しても良い。

１ エンジン
１０ 吸気通路
２０ 排気通路
２１ ＤＰＦ
３０ ＥＧＲ通路
３０ａ 接続点
３１ ＥＧＲバルブ
３４ ＥＧＲクーラ
３７ バイパス通路
３７ａ 他端（接続点）
３８ バイパスバルブ
８０ 制御バルブ

Claims (3)

1. エンジン（１）の排気通路（２０）と吸気通路（１０）とに両端が接続され、前記排気通路（２０）を流れる前記エンジン（１）の排気の一部を前記吸気通路（１０）に還流させるＥＧＲ通路（３０）と、
   前記ＥＧＲ通路（３０）の途中に配置され、前記ＥＧＲ通路（３０）を通過して前記吸気通路（１０）に導入される排気を冷却するＥＧＲクーラ（３４）と、
   前記ＥＧＲ通路（３０）上の前記ＥＧＲクーラ（３４）よりも前記吸気通路（１０）側の位置に配置され、前記ＥＧＲ通路（３０）から前記吸気通路（１０）に導入される排気の流量を調整するＥＧＲバルブ（３１）と、
   前記ＥＧＲ通路（３０）上の前記ＥＧＲバルブ（３１）と前記ＥＧＲクーラ（３４）との間の位置に一端が接続されると共に、前記排気通路（２０）上の前記ＥＧＲ通路（３０）が前記排気通路（２０）に接続された接続点（３０ａ）よりも排気流れ方向の下流側の位置に他端（３７ａ）が接続され、前記排気通路（２０）を流れる前記エンジン（１）の排気の一部を前記ＥＧＲクーラ（３４）をバイパスして前記吸気通路（１０）に還流させるバイパス通路（３７）と、
   前記ＥＧＲクーラ（３４）を通る排気の流量と前記ＥＧＲクーラ（３４）をバイパスする排気の流量との比率を変化させるバイパスバルブ（３８）と、
   前記排気通路（２０）上の前記バイパス通路（３７）が前記排気通路（２０）に接続された接続点（３７ａ）よりも排気流れ方向の上流側で、且つ、前記ＥＧＲ通路（３０）が前記排気通路（２０）に接続された接続点（３０ａ）よりも排気流れ方向の下流側の位置に配置されて排気の流れを制御する制御バルブ（８０）と、
   を備えたことを特徴とするエンジンの排気循環装置。
2. 前記排気通路（２０）上の前記バイパス通路（３７）が前記排気通路（２０）に接続された接続点（３７ａ）よりも排気流れ方向の下流側の位置に、前記エンジン（１）の排気に含まれる微粒子を除去するＤＰＦ（２１）が設けられ、前記ＤＰＦ（２１）の再生モードの実行の選択時に、前記ＥＧＲバルブ（３１）を閉じ、前記制御バルブ（８０）を閉じ、前記バイパスバルブ（３８）を中間開度にして、前記エンジン（１）の排気通路（２０）を流れる排気を前記ＥＧＲ通路（３０）から前記バイパス通路（３７）を経由して前記排気通路（２０）に戻すＥＧＲクーラ再生モードを実行することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気循環装置。
3. 前記ＥＧＲクーラ再生モードの実行の後に前記ＤＰＦ再生モードを実行することを特徴とする請求項２に記載のエンジンの排気循環装置。

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