JP6553521B2

JP6553521B2 - 排ガス循環システム

Info

Publication number: JP6553521B2
Application number: JP2016009709A
Authority: JP
Inventors: 玄太郎山中; 貴士天野
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2016-01-21
Filing date: 2016-01-21
Publication date: 2019-07-31
Anticipated expiration: 2036-01-21
Also published as: JP2017129080A

Description

本発明は、エンジンの排ガスの一部であるＥＧＲガスを冷却してエンジンの吸気側に戻すＥＧＲクーラを含む排ガス循環システムに関する。

エンジンの排ガスの一部を吸気側に還流させることで、排ガス中のＮＯｘの減少、エンジンの燃費の向上を図る排気再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）システムが知られている。

このＥＧＲシステムにおいては、エンジンでの燃料の燃焼温度を適切なものにするために、ＥＧＲクーラを有し、還流する排ガス（ＥＧＲガス）の温度を適切なものにコントロールしている。

一方、冷間時のエンジン始動時には、エンジンの暖機を促進することが求められる。特許文献１では、ＥＧＲクーラによって回収した排熱によってエンジンの暖機を行っている。

また、特許文献２には、ＥＧＲクーラによって生じた凝縮水を化学蓄熱材と反応させて発熱させ、生じた反応熱によって加熱対象物を加熱することが示されている。

特開２０１４−１８１６５４号公報特開２０１４−２２２０５７号公報

冷間時には、ＥＧＲクーラ自体が低温であり、ここでＥＧＲガスが低温になると、酸性の凝縮水が発生し、腐食などの問題が発生する。また、低温のＥＧＲガスを吸気側に戻すと、エンジンの運転にも問題が生じる。そこで、低温時には、ＥＧＲガスの循環は停止している。

本発明は、エンジンの排ガスの一部であるＥＧＲガスを冷却してエンジンの吸気側に戻すＥＧＲクーラを含む排ガス循環システムであって、ＥＧＲクーラは、エンジン冷却水を流通する冷却水流路と、ＥＧＲガスを流通するＥＧＲガス流路と、媒体を吸着することによって発熱し、媒体の脱離によって吸熱する化学蓄熱材を充填した反応部と、を含み、媒体流路は、ＥＧＲガス流路と反応部の間に存在するとともに、ＥＧＲクーラが低温の場合に、反応部へ媒体を導入することによって化学蓄熱材に媒体を吸着することで化学蓄熱材を発熱させてＥＧＲクーラを加温する。

また、本発明は、エンジンの排ガスの一部であるＥＧＲガスを冷却してエンジンの吸気側に戻すＥＧＲクーラを含む排ガス循環システムであって、ＥＧＲクーラは、エンジン冷却水を流通する冷却水流路と、ＥＧＲガスを流通するＥＧＲガス流路と、媒体を吸着することによって発熱し、媒体の脱離によって吸熱する化学蓄熱材を充填した反応部と、を含み、ＥＧＲクーラが低温の場合に、媒体タンクからの媒体を反応部へ導入することによって化学蓄熱材に媒体を吸着することで化学蓄熱材を発熱させてＥＧＲクーラを加温する。

また、本発明は、エンジンの排ガスの一部であるＥＧＲガスを冷却してエンジンの吸気側に戻すＥＧＲクーラを含む排ガス循環システムであって、ＥＧＲクーラは、エンジン冷却水を流通する冷却水流路と、ＥＧＲガスを流通するＥＧＲガス流路と、媒体を吸着することによって発熱し、媒体の脱離によって吸熱する化学蓄熱材を充填した反応部と、反応部に媒体を送り込むか否かを開閉で切り替えることが可能な媒体バルブと、を含み、エンジン始動後で、媒体バルブが閉じており、冷却水流路のエンジン冷却水が停止しており、ＥＧＲガス流路のＥＧＲガスが停止している状態で、ＥＧＲクーラが低温の場合に、媒体バルブを開き反応部へ媒体を導入することによって化学蓄熱材に媒体を吸着することで化学蓄熱材を発熱させてＥＧＲクーラを加温する。

本発明によれば、化学蓄熱材の発熱によってＥＧＲクーラを暖機でき、またＥＧＲガスの冷却による熱によって化学蓄熱材の再生ができる。従って、ＥＧＲクーラを効果的に動作させることができる。

実施形態に係る排ガス循環システムの構成を示すブロック図である。ＥＧＲクーラの構成を示す図である。排ガス循環システムの動作を説明するフローチャートである。ハイブリッド車の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

＜システム構成＞
図１は、排ガス循環システムの構成を示すブロック図である。本実施形態において、排ガス循環システムは、車両に搭載される。エンジン１０は、燃料を燃焼させて回転力を出力する内燃機関であり、この例ではガソリンエンジンである。エンジン１０の出力は車両走行の駆動力として利用され、またハイブリッド車では発電機の駆動にも利用される。エンジン１０には、吸気管および排気管が接続されており、吸気管から気筒内に吸気し、燃焼後の排ガスを排気管から排出する。燃料は、吸気に含ませても、気筒内に導入してもよい。また、通常は、複数の気筒を有しており、各気筒に吸気管、排気管が個別に接続されるが、外部において吸気管、排気管とも１つにまとめられている。

排気管の排ガスは三元触媒などによって、有害物質が除去された後マフラーを介し排出される。ここで、排気管内の排ガスの一部が分岐されてＥＧＲクーラ１２に供給され、ＥＧＲクーラ１２で冷却されたＥＧＲガスが、吸気側に戻される。

また、エンジン１０には、冷却水通路が設けられ、ここに冷却水を流すことによって冷却される。この冷却水通路は、冷却水配管によってラジエータ１４に接続されており、冷却水は、冷却水配管に設けられた冷却水ポンプ１６によって、エンジン１０内の冷却水通路からラジエータ１４に循環される。ラジエータ１４は、冷却水を空気との熱交換で冷却する。

エンジン１０の冷却水通路とラジエータ１４を接続する冷却する配管には、三方弁１８が設けられ、この三方弁１８の操作によって冷却水がＥＧＲクーラ１２内の冷却水通路に供給できるようになっている。ＥＧＲクーラ１２内の冷却水通路を通過した冷却水は冷却水配管を介し、エンジン１０内の冷却水通路、ラジエータ１４に循環される。

そして、ＥＧＲクーラ１２には、反応部３２が設けられており、ここに媒体タンク２０が媒体バルブ２８を介し接続されている。従って、媒体バルブ２８を開くことによって、媒体タンク２０からの媒体を反応部３２に供給でき、また反応部３２からの媒体を媒体タンク２０に戻すことができる。なお、媒体は例えばアンモニア（ＮＨ_３）であり、この場合には媒体タンク２０に活性炭が充填される。

＜ＥＧＲクーラの構成＞
図２には、ＥＧＲクーラ１２の模式的断面図が示してある。ケーシング３０は、金属製の密閉容器であり、例えば扁平な直方体状の形状を有する。このケーシング３０の内部は反応部３２となっている。ケーシング３０および反応部３２を貫通して２本の冷却水流路３４が設けられている。

２つの冷却水流路３４は、エンジン１０内部の冷却水通路とラジエータ１４に循環する冷却水の一部の冷却水が流通されるものであり、基本的に反応部３２の内部に位置し、端部はケーシング３０を貫通して外部に至り、１つの冷却水配管にまとめられる。

冷却水流路３４の内側には、これを貫通して外部に至るＥＧＲガス流路３６が配置されている。このＥＧＲガス流路３６には、分岐バルブ２４が設けられており、分岐バルブ２４の操作によりエンジン１０の排ガスの一部がＥＧＲガスとして循環して流通される。

図においては、ＥＧＲガスの流通方向と、冷却水の流通方向を同一方向としたが、熱交換のためには反対方向（向流）とすることが好適である。なお、ケーシング３０が扁平なので、冷却水流路３４、ＥＧＲガス流路３６も扁平形状にすることが好適である。

反応部３２内の冷却水流路３４の外壁には化学蓄熱材３８が配置されている。この化学蓄熱材３８としては、媒体としてアンモニアが用いられる場合には、塩化ストロンチウム（ＳｒＣｌ_２）や、塩化カルシウム（ＣａＣｌ_２）が用いられる。化学蓄熱材３８は、基本的に固体であり、固定金具や接着材で固定すればよいが、メッシュ材で全体を覆って固定するなどしてもよい。

ＥＧＲクーラ１２には、その温度を計測する温度計２２が取り付けられている。温度計２２は、ＥＧＲクーラ１２のケーシングの温度を計測するものでよいが、内部の冷却水通路や、冷却水の温度を計測するものとしてもよい。

温度計２２の計測結果は、制御部２６に供給される。制御部２６は、冷却水ポンプ１６、三方弁１８、分岐バルブ２４、媒体バルブ２８を制御すると共に、システム全体を制御する。

＜媒体の吸着脱離＞
ここで、反応部３２の化学蓄熱材３８への媒体の吸着、脱離について説明する。アンモニアは塩化ストロンチウムや、塩化カルシウムと配位結合して吸着され、その際に発熱する。また、アンモニアは活性炭に物理吸着されこの際にも発熱する。このような２つの反応は可逆的な反応であり、温度が高くなった場合には、アンモニアが脱離して吸熱される。そして、アンモニアに対する吸着、脱離の温度が塩化ストロンチウムや塩化カルシウムと、活性炭とで異なる。例えば、理論的な化学平衡の計算によれば、活性炭の温度が２５°Ｃ、塩化ストロンチウムや塩化カルシウムの温度が５０°Ｃの場合、活性炭からアンモニアが脱離し、塩化ストロンチウムや塩化カルシウムに吸着され、両者の圧力差が０．３ａｔｍとなる。従って、媒体タンク２０が２５°Ｃ程度、塩化ストロンチウム、塩化カルシウムが５０°Ｃ以下の場合には、アンモニアは媒体タンク２０から反応部３２に圧力差で輸送され、反応部３２の化学蓄熱材３８がアンモニアを吸着して発熱する。

実験によれば、媒体タンク２０が２５°Ｃ程度で、塩化ストロンチウム、塩化カルシウムが７０°Ｃまではアンモニアが塩化ストロンチウム、塩化カルシウムに配位結合して吸着され発熱する。また、塩化ストロンチウム、塩化カルシウムが９０°Ｃであれば、アンモニアは塩化ストロンチウム、塩化カルシウムから脱離し活性炭に物理吸着される。媒体タンク２０を若干加熱することで、アンモニアの脱離を促進し、反応部３２への移動を促進できる。そして、アンモニアの吸着により急速な加熱が行える。

また、化学蓄熱材３８として、ゼオライト、媒体として水を採用することもできる。この場合、媒体タンク２０内に液体の水を貯留し、これを蒸発させて反応部３２に導入してゼオライトに吸着させる。ゼオライトが水（水蒸気）を物理吸着することで、発熱する。ゼオライトを高温状態にすることで、ゼオライトから水蒸気を脱離させ、これを媒体タンク２０に導入して液化（相変化）させて水として貯留する。この系では、水を低温で蒸発させる必要があり、系内は減圧状態とされる。

＜システムの動作＞
図３に基づいて、システムの動作について説明する。まず、エンジン１０が始動したかを判定し（Ｓ１１）、エンジン１０が始動し、Ｓ１１の判定がＹＥＳになった場合に初期設定を行う（Ｓ１２）。初期設定では、媒体バルブ２８、分岐バルブ２４、三方弁１８を閉じ、ＥＧＲクーラ１２への媒体、冷却水、排ガスの流通を停止する。また、始動時はエンジン１０の温度も低いので冷却水ポンプ１６もオフにするとよい。

初期設定をした場合には、ＥＧＲクーラ１２の温度が第１閾値（例えば、７０°Ｃ）以上かを判定する（Ｓ１３）。Ｓ１３の判定でＮＯの場合には、ＥＧＲクーラ１２の暖機運転を行う（Ｓ１４）。この暖機運転では、媒体バルブ２８を開く。エンジン１０の始動時には、ＥＧＲクーラ１２は第１閾値以下で、Ｓ１３の判定はＮＯの場合が多いと考えられる。また、ＥＧＲクーラ１２と、媒体タンク２０の温度はあまり変わらない場合が多いと考えられ、媒体タンク２０からアンモニアが反応部３２に輸送される。これによって、アンモニアが化学蓄熱材３８に吸着され、発熱し、急速な加熱が行える。すなわち、ケーシング３０、冷却水通路およびその中の冷却水を含むＥＧＲクーラ１２が全体として加熱される。なお、排ガス温度が高ければ、ＥＧＲガスは流通してもよい。

この状態で、Ｓ１３に戻り判定を繰り返すことで、温度が第１閾値以上になった場合に、加温運転に入る（Ｓ１５）。この加温運転では、媒体バルブ２８を閉じ、分岐バルブ２４を開いて排ガスをＥＧＲガスとして、ＥＧＲクーラ１２内に流通して、エンジン１０の吸気側に戻す。エンジン１０の排ガスは、その運転が開始されれば、高温となっており、ＥＧＲガスによってＥＧＲクーラ１２がさらに温度上昇する。また、ＥＧＲガスが吸気側に循環することで、エンジン１０の燃費を改善できる。また、必要に応じて、冷却水ポンプ１６の運転を開始し、エンジン１０を冷却する。

加温運転をしている状態で、ＥＧＲクーラ１２の温度が目標となる高温に到達したか、すなわち第２閾値（９０°Ｃ）以上になったかを判定する（Ｓ１６）。Ｓ１６の判定でＹＥＳとなった場合には、化学蓄熱材３８の再生処理を行う（Ｓ１７）。この再生処理では、媒体バルブ２８を開く。三方弁１８は、冷却水温度が第２閾値に到達する前の段階（例えば８０°Ｃ）で開いておき、水量調整によってＥＧＲクーラ１２の温度があまり高くならないように制御する。また、冷却水が沸騰しないように、冷却水ポンプ１６を制御する。

再生処理の段階では、ＥＧＲクーラ１２の温度が第２閾値以上の高温であり、媒体バルブ２８が開いていれば、媒体（アンモニア）は化学蓄熱材３８（塩化ストロンチウム、塩化カルシウム）から脱離され、圧力差で媒体タンク２０に至り、活性炭に吸着される。

そして、再生完了かを判定し（Ｓ１８）、ＹＥＳであれば媒体バルブ２８を閉じ（Ｓ１９）、再生処理を終了する。再生完了の判定は、所定時間としてもよいし、反応部３２と媒体タンク２０の圧力差、媒体の流量、媒体タンク２０の温度（所定の温度上昇）などで判定することもできる。すなわち、冷却水量を制御してＥＧＲガスを目標温度まで冷却する。

Ｓ１９で、媒体バルブ２８を閉じた場合には、ＥＧＲガス、冷却水を循環する通常運転に入る。なお、通常運転は、エンジン１０が停止したときに終了する。通常運転では冷却水量、ＥＧＲガス量などを通常通り制御する。

＜ハイブリッド車の構成＞
ここで、図４にハイブリッド車の概略構成を示す。駆動源としてエンジン１０の他にモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を有する。モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２には、バッテリ４０からの直流電力がインバータなどから構成される電力変換器４２−１，４２−２でそれぞれ所定の交流電力に変換されて供給される。エンジン１０、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の出力軸は動力伝達機構４４に接続されており、動力伝達機構４４には駆動軸を介し車輪が接続されている。

このようなハイブリッド車において、エンジン１０の駆動力によって、車輪を駆動するとともに、モータジェネレータＭＧ２を発電機として機能させて発電することができる。また、モータジェネレータＭＧ２の出力によっても車輪を駆動でき、モータジェネレータＭＧ２によって車輪を回生制動することもできる。モータジェネレータＭＧ１の回生電力、モータジェネレータＭＧ２の発電電力は、電力変換器４２-１，４２-１を介しバッテリ４０に充電される。

このようなハイブリッド車では、エンジン１０を間欠的に動作して運転する。すなわち、高速走行時や、発電時においてエンジン１０を運転するが、常時運転はしていない。このため、冷間時に始動される確率が高い。そして、ＥＧＲクーラ１２を暖機するために必要な化学蓄熱材３８の蓄熱量と、エンジン運転期間にＥＧＲクーラ１２を流通するＥＧＲガスの冷却水量とのバランスがガソリン、ディーゼル車に比べてマッチする。そこで、本システムはハイブリッド車に好適である。

＜実施形態の効果＞
本実施形態によれば、化学蓄熱材３８の発熱によって急速な温度上昇ができ、ＥＧＲを早期に導入できる。すなわち、化学蓄熱材３８による化学的蓄熱により、ＥＧＲクーラ１２、その内部の冷却水（冷却水循環なし）を目標温度まで昇温させるため、発熱量が少なく、加えて化学的蓄熱は単位体積当たりの熱出力が大きいため、短時間で昇温が可能となる。

ＥＧＲガスの冷却によって得られる熱によって化学蓄熱材３８の再生が可能となるため、媒体バルブ２８の開閉によってＥＧＲクーラ１２の暖機と、化学蓄熱材３８の再生が行える。特に、高温のＥＧＲガスを化学蓄熱材３８の再生に利用する際、化学蓄熱材３８と結合した媒体の脱離に伴う吸熱反応により、ＥＧＲガスを冷却できる。

再生の際に、冷却水によりＥＧＲクーラ１２の温度調整を行っているため、高温のＥＧＲガスによるアンモニアの分解、化学蓄熱材３８の融解による性能劣化などを回避することができる。特に、ＥＧＲガスと、化学蓄熱材３８との間に冷却水の層が存在し、その冷却水の流量調整機能を有することにより、化学蓄熱材３８が高温にさらされる危険を回避することができる。

１０エンジン、１２ＥＧＲクーラ、１４ラジエータ、１６冷却水ポンプ、１８三方弁、２０媒体タンク、２２温度計、２４分岐バルブ、２６制御部、２８媒体バルブ、３０ケーシング、３２反応部、３４冷却水流路、３６ＥＧＲガス流路、３８化学蓄熱材、４０バッテリ、４２−１，４２−２電力変換器、４４動力伝達機構。

Claims

エンジンの排ガスの一部であるＥＧＲガスを冷却してエンジンの吸気側に戻すＥＧＲクーラを含む排ガス循環システムであって、
ＥＧＲクーラは、
エンジン冷却水を流通する冷却水流路と、
ＥＧＲガスを流通するＥＧＲガス流路と、
媒体を吸着することによって発熱し、媒体の脱離によって吸熱する化学蓄熱材を充填した反応部と、
を含み、
媒体流路は、ＥＧＲガス流路と反応部の間に存在するとともに、
ＥＧＲクーラが低温の場合に、反応部へ媒体を導入することによって化学蓄熱材に媒体を吸着することで化学蓄熱材を発熱させてＥＧＲクーラを加温する、
排ガス循環システム。
エンジンの排ガスの一部であるＥＧＲガスを冷却してエンジンの吸気側に戻すＥＧＲクーラを含む排ガス循環システムであって、
ＥＧＲクーラは、
エンジン冷却水を流通する冷却水流路と、
ＥＧＲガスを流通するＥＧＲガス流路と、
媒体を吸着することによって発熱し、媒体の脱離によって吸熱する化学蓄熱材を充填した反応部と、
を含み、
ＥＧＲクーラが低温の場合に、媒体タンクからの媒体を反応部へ導入することによって化学蓄熱材に媒体を吸着することで化学蓄熱材を発熱させてＥＧＲクーラを加温する、
排ガス循環システム。
エンジンの排ガスの一部であるＥＧＲガスを冷却してエンジンの吸気側に戻すＥＧＲクーラを含む排ガス循環システムであって、
ＥＧＲクーラは、
エンジン冷却水を流通する冷却水流路と、
ＥＧＲガスを流通するＥＧＲガス流路と、
媒体を吸着することによって発熱し、媒体の脱離によって吸熱する化学蓄熱材を充填した反応部と、
反応部に媒体を送り込むか否かを開閉で切り替えることが可能な媒体バルブと、
を含み、
エンジン始動後で、媒体バルブが閉じており、冷却水流路のエンジン冷却水が停止しており、ＥＧＲガス流路のＥＧＲガスが停止している状態で、ＥＧＲクーラが低温の場合に、媒体バルブを開き反応部へ媒体を導入することによって化学蓄熱材に媒体を吸着することで化学蓄熱材を発熱させてＥＧＲクーラを加温する、
排ガス循環システム。
請求項１〜３のいずれか１つに記載の排ガス循環システムであって、
冷却水流路と、ＥＧＲガス流路は、流れの方向が反対である、
排ガス循環システム。
請求項２〜４のいずれか１つに記載の排ガス循環システムであって、
媒体流路は、ＥＧＲガス流路と反応部の間に存在する、
排ガス循環システム。
請求項１〜５のいずれか１つに記載の排ガス循環システムであって、
ＥＧＲクーラが目標となる高温に到達した後に、ＥＧＲガスからの熱によって化学蓄熱材を加熱することで化学蓄熱材から媒体を脱離する、
排ガス循環システム。
請求項６に記載の排ガス循環システムであって、
化学蓄熱材から脱離した媒体は媒体タンクに収容する、
排ガス循環システム。
請求項６または７に記載の排ガス循環システムであって、
化学蓄熱材から媒体を脱離する際にエンジン冷却水を冷却水流路に流通させる、
排ガス循環システム。
請求項６または８に記載の排ガス循環システムであって、
化学蓄熱材から媒体を脱離する際にＥＧＲガスをＥＧＲガス流路に流通する、
排ガス循環システム。
請求項１〜９のいずれか１つに記載の排ガス循環システムにおいて、
化学蓄熱材として、ＣａＣｌ_２またはＳｒＣｌ_２を用い、媒体としてＮＨ_３を用いる、
排ガス循環システム。