WO2012107960A1 - 排気還流装置 - Google Patents

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exhaust
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二三郎 高宮
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トヨタ自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an exhaust gas recirculation device that can suppress emission, that is, generation amount of nitrogen oxides, by adding a part of exhaust gas to intake air.
  • EGR in which a part of the exhaust gas flowing in the exhaust passage is returned from the intake passage to the combustion chamber, and the combustion temperature of the air-fuel mixture in the combustion chamber is lowered, thereby reducing the ratio of nitrogen oxide in the exhaust gas.
  • E xhaust G as R ecirculation exhaust gas recirculation
  • an EGR control valve capable of opening and closing the EGR passage is provided in the middle of the EGR passage where both ends communicate with the intake passage and the exhaust passage, and exhaust gas is sent to the intake passage side in a predetermined operation region. Reflux.
  • Patent Document 1 A technique for solving such a problem is proposed in Patent Document 1. That is, in the idle stop control, EGR gas is temporarily stored in the EGR passage when the internal combustion engine is stopped, and when the internal combustion engine is restarted, particularly for the first explosion cylinder in which the first supplied fuel burns. Gas can be supplied in addition to intake air.
  • Patent Document 1 a heat exchanger for cooling and densifying the EGR gas is incorporated in the middle of the EGR passage. For this reason, uncooled exhaust gas is also temporarily stored in the EGR passage, which becomes a factor that hinders the density increase. In addition, when the exhaust is temporarily stored, moisture contained in the exhaust intervening in the heat exchanger condenses and reacts with the sulfur contained in the exhaust to corrode the heat exchanger as sulfuric acid. As a result, the product life of the heat exchanger is significantly shortened.
  • An object of the present invention is to provide an exhaust gas recirculation device that can further increase the density of exhaust gas supplied to intake air when the internal combustion engine is temporarily stopped and then restarted. It is in. It is also included in the object of the present invention to provide an exhaust gas recirculation device that can suppress corrosion of the heat exchanger caused by condensation of moisture contained in the temporarily stored exhaust gas.
  • one end communicates with an intake passage and the other end communicates with an exhaust passage, and an EGR passage for guiding a part of exhaust discharged from the internal combustion engine to the intake passage, and the EGR passage
  • An EGR control valve for controlling the flow rate of the exhaust gas flowing through the EGR passage disposed on one end side of the EGR passage, an on-off valve disposed on the other end side of the EGR passage for opening and closing the EGR passage, and the EGR An exhaust gas recirculation device comprising a heat exchanger for cooling the exhaust gas led to the passage, wherein the heat exchanger is arranged on the other end side of the EGR passage with respect to the on-off valve.
  • a part of the exhaust gas is cooled through the heat exchanger according to the pressure in the exhaust passage, becomes a high density state, and is mixed with the intake air flowing through the intake passage from the EGR control valve.
  • the EGR passage is closed by the EGR control valve, the open / close valve is further closed, and the exhaust gas in accordance with the pressure difference between the pressure on the intake passage side and the pressure on the exhaust passage side becomes the EGR control valve. It is temporarily stored in the EGR passage between the on-off valve. In this case, the exhaust gas temporarily stored in the EGR passage is cooled and densified by the heat exchanger.
  • the EGR control valve When there is a start request for the internal combustion engine in this state, the EGR control valve is immediately opened, and the exhaust gas in a high density state is guided to the intake passage and mixed with the intake air flowing therethrough. After the EGR control valve is opened, the on-off valve is switched to the valve open state with the consumption of the temporarily stored exhaust gas, that is, the outflow to the intake passage, and the state before the stop request for the internal combustion engine is made.
  • the exhaust gas recirculation apparatus it is effective to make the volume of the EGR passage between the EGR control valve and the on-off valve correspond to the exhaust amount of the internal combustion engine. Further, exhaust pressure increasing means for increasing the pressure of the exhaust gas guided to the EGR passage can be further provided.
  • the exhaust gas having a high density after passing through the heat exchanger and being cooled is passed between the EGR control valve and the on / off valve. Can be temporarily held in between.
  • the exhaust gas temporarily stored in the EGR passage when the internal combustion engine is restarted can be guided to the combustion chamber, and emission emission can be further suppressed.
  • the inside of the heat exchanger can be kept in continuous communication with the exhaust passage even when the on-off valve is closed, the adverse effect due to condensation of water vapor in the exhaust gas is reduced, and there is no conventional on-off valve.
  • the progress of corrosion of the heat exchanger can be suppressed to the same extent as the exhaust gas recirculation device.
  • the exhaust pressure increasing means for increasing the pressure of the exhaust gas guided to the EGR passage is further provided, the pressure of the exhaust gas temporarily stored in the EGR passage between the EGR control valve and the on-off valve can be easily increased. . As a result, it is possible to perform EGR control more accurately when the internal combustion engine is restarted.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of an embodiment in which an exhaust gas recirculation device according to the present invention is applied to a compression ignition internal combustion engine.
  • FIG. 2 is a control block diagram in the embodiment shown in FIG. 1. It is a flowchart which shows typically the flow of control of the exhaust gas recirculation apparatus in embodiment shown in FIG.
  • Embodiments in which the exhaust gas recirculation apparatus according to the present invention is applied to a compression ignition type internal combustion engine will be described in detail with reference to FIGS.
  • the present invention is not limited to such an embodiment, and the configuration thereof can be freely changed according to the characteristics required for the application target of the present invention.
  • the present invention is also effective for a spark ignition type internal combustion engine in which gasoline, alcohol, LNG (liquefied natural gas) or the like is used as fuel and is ignited by a spark plug.
  • FIG. 1 shows the concept of the engine system in the present embodiment
  • FIG. 2 shows control blocks in this engine system. That is, the engine 10 in the present embodiment is a compression ignition type multi-cylinder internal combustion engine that spontaneously ignites by directly injecting light oil as fuel into the combustion chamber 12 in a compressed state from the fuel injection valve 11.
  • the present invention can be applied even to a single-cylinder internal combustion engine.
  • a valve mechanism (not shown) and the previous fuel injection valve 11 are incorporated in a cylinder head 15 formed with an intake port 13 and an exhaust port 14 respectively facing the combustion chamber 12.
  • the valve mechanism in the present embodiment includes an intake valve 16 that opens and closes the intake port 13 and an exhaust valve 17 that opens and closes the exhaust port 14.
  • the opening and closing timings of the intake valve 16 and the exhaust valve 17 are set according to the operating state of the engine 10. It can be changed. However, it is also possible to employ a valve operating mechanism in which the opening / closing timings of the intake valve 16 and the exhaust valve 17 are fixed.
  • the fuel injection valve 11 is arranged facing the center of the upper end of the combustion chamber 12 so as to be sandwiched between the intake valve 16 and the exhaust valve 17.
  • the fuel injection valve 11 in this embodiment is a direct injection single injection type in which light oil, which is fuel, is directly injected into the combustion chamber 12 just before the end of the compression stroke, that is, immediately before the compression top dead center of the piston 18.
  • a multi-injection type that injects in the middle of the intake stroke in order to form a more uniform mixture, or a port injection type that injects into the intake port 13 It is also possible to adopt.
  • the amount and injection timing of fuel from the fuel injection valve 11 is supplied to the combustion chamber 12, the ECU (E lectronic C ontrol U nit ) 20 based on operating conditions of the vehicle including the depression amount of the accelerator pedal 19 by the driver Be controlled.
  • the amount of depression of the accelerator pedal 19 is detected by an accelerator opening sensor 21, and the detection information is output to the ECU 20.
  • a throttle valve 23 for adjusting the opening degree of the intake passage 22a is incorporated in the middle of the intake pipe 22 connected to the cylinder head 15 so as to communicate with the intake port 13 and defining the intake passage 22a together with the intake port 13. It is.
  • the opening degree of the throttle valve 23 is controlled by the ECU 20 via the throttle actuator 24 based on the driving state of the vehicle including the depression amount of the accelerator pedal 19 and the like.
  • a water temperature sensor 26 and a crank angle sensor 27 are attached to the cylinder block 25 in which the piston 18 reciprocates.
  • the water temperature sensor 26 detects the temperature of the cooling water flowing in the water jacket 28 formed in the cylinder block 25 so as to surround the combustion chamber 12 and outputs the detected temperature to the ECU 20.
  • the crank angle sensor 27 detects the rotational phase of the crankshaft 30 to which the piston 18 is connected via the connecting rod 29, that is, the crank angle, and outputs this to the ECU 20.
  • the ECU 20 grasps whether or not the warm-up operation is necessary based on the information from the water temperature sensor 26, and on the basis of the information from the crank angle sensor 27, determines the rotation phase of the crankshaft 30 and the engine speed in real time. To grasp.
  • the engine 10 incorporates an EGR device 32 that guides part of the exhaust gas flowing through the exhaust passage 31a to the intake passage 22a, an exhaust turbine supercharger 33, and an exhaust purification device 34.
  • An EGR device 32 intended to reduce nitrogen oxides in the exhaust gas and improve fuel efficiency, an EGR pipe 35 that defines an EGR passage 35a, and an EGR control valve 36 and an on-off valve 37 that are provided separately from the EGR pipe 35. And a heat exchanger 38.
  • the EGR pipe 35 has one end communicating with the exhaust pipe 31 that defines the exhaust passage 31 a together with the exhaust port 14, and the other end with the above-described throttle valve 23 and the surge tank 39 disposed downstream of the throttle valve 23.
  • An EGR control valve 36 which is disposed on one end side of the EGR pipe 35 in the vicinity of the connection portion between the intake pipe 22 and the EGR pipe 35 and whose operation is controlled by the ECU 20, is based on the driving state of the vehicle, from the EGR passage 35a.
  • the flow rate of the exhaust gas recirculated to the intake passage 22a is controlled.
  • the on-off valve 37 disposed on the connection portion side between the exhaust pipe 31 and the EGR pipe 35 is for simply opening and closing the EGR passage 35a, and its opening / closing operation is controlled by the ECU 20.
  • the distance between the EGR control valve 36 and the on-off valve 37 is set so that the volume of the EGR passage 35 a partitioned by the closed EGR control valve 36 and the on-off valve 37 is substantially the same as the exhaust amount V of the engine 10. And the inner diameter of the EGR passage 35a between them is set appropriately.
  • the heat exchanger 38 for reducing the temperature of the exhaust gas flowing into the EGR passage 35a is an EGR located between the other end side of the EGR pipe 35, that is, between the connection part of the exhaust pipe 31 and the EGR pipe 35 and the on-off valve 37. It is arranged in the middle of the pipe 35. Cooling water flowing through the water jacket 28 formed in the cylinder block 25 is guided to the heat exchanger 38, and high-temperature exhaust gas is efficiently cooled, thereby increasing the charging efficiency of the EGR gas guided to the EGR passage 35a. .
  • An exhaust turbine supercharger (hereinafter simply referred to as a supercharger) 33 supercharges the combustion chamber 12 using the kinetic energy of the exhaust gas flowing through the exhaust passage 31a to increase the charging efficiency of the intake air. belongs to.
  • the supercharger 33 includes a compressor 33a and a turbine 33b that rotates integrally with the compressor 33a.
  • the compressor 33 a is incorporated in the intake pipe 22 located upstream of the throttle valve 23.
  • the turbine 33 b is incorporated in the middle of the exhaust pipe 31 connected to the cylinder head 15 so as to communicate with the exhaust port 14.
  • the turbine 33b in the present embodiment includes a variable vane (not shown) whose opening degree is controlled by the ECU 20 via the vane actuator 40 (see FIG. 2) based on the driving state of the vehicle.
  • variable vane and the vane actuator 40 of the turbine 33b of the supercharger 33 are used as the exhaust pressure increasing means in the present invention.
  • an intercooler is provided in the middle of the intake passage 22a between the compressor 33a and the surge tank 39. 41 is incorporated.
  • An air flow meter 42 that detects the flow rate of the intake air flowing through the intake passage 22a and outputs it to the ECU 20 is provided in the intake pipe 22 upstream of the compressor 33a of the supercharger.
  • the exhaust gas purification device 34 for detoxifying harmful substances generated by the combustion of the air-fuel mixture in the combustion chamber 12 includes an exhaust pipe 31 that defines an exhaust passage 31a downstream of the turbine 33b of the supercharger 33. It is arranged on the way.
  • Exhaust gas purifying device 34 in the present embodiment has at least oxidative catalytic converter 34a, DPF (D iesel P articulate F ilter) and, it is also possible to add other catalytic converter, such as NO X catalyst.
  • the intake air supplied into the combustion chamber 12 together with the exhaust gas recirculated into the intake passage 22a through the EGR passage 35a forms a mixture with the fuel injected from the fuel injection valve 11 into the combustion chamber 12.
  • the piston 18 spontaneously ignites and burns immediately before the compression top dead center of the piston 18, and the exhaust gas generated thereby is exhausted from the exhaust pipe 31 to the atmosphere through the exhaust purification device 34.
  • the combustion temperature of the air-fuel mixture decreases due to CO 2 contained in the intake air, the amount of nitrogen oxides generated with the combustion of the air-fuel mixture is suppressed.
  • EGR control valve 36 is opened and the EGR gas stored in the EGR passage 35 a is removed. It adds to the intake air flowing through the intake passage 22a. Thereby, EGR control is performed from the time of the first explosion at engine restart.
  • the “engine stop request” in the present invention refers to a case where the amount of depression of the accelerator pedal 19 is 0 and the vehicle speed is 0 during the operation of the engine 10 as in the idling operation state of the vehicle.
  • the “engine start request” in the present invention refers to a case where the driver depresses the accelerator pedal 19 for starting the vehicle from a state where the engine 10 is stopped by the “engine stop request”.
  • the ECU 20 grasps
  • the driving state determination unit 43 grasps the driving state of the vehicle and the engine 10 based on detection information from the accelerator opening sensor 21, the water temperature sensor 26, the crank angle sensor 27, the air flow meter 42, and the like. That is, the operation state determination unit 43 also determines whether or not there is an engine stop request or an engine start request.
  • the starter motor drive unit 44 controls the operation of an engine starter motor 55 (see FIG. 2) connected to the crankshaft 30 via a joint (not shown) based on an ON signal of an ignition key switch (not shown) or a previous engine start request. .
  • the engine starting motor 55 performs motoring of the engine 10.
  • the throttle opening setting unit 45 sets an optimal throttle opening that is set in advance based on the depression amount of the accelerator pedal 19 detected by the accelerator opening sensor 21 and the driving state of the vehicle.
  • the throttle valve drive unit 46 controls the throttle valve 23 to the opening set by the throttle opening setting unit 45 via the throttle actuator 24.
  • the fuel injection setting unit 47 sets the driving torque of the engine 10, that is, the fuel injection amount from the fuel injection valve 11 and the injection timing thereof, based on the detection signal from the accelerator opening sensor 21.
  • the fuel injection valve driving unit 48 drives the fuel injection valve 11 so that fuel corresponding to the fuel injection amount set by the fuel injection setting unit 47 is injected at the set injection timing.
  • the EGR amount setting unit 51 determines whether the combustion chamber 12 is in accordance with the driving state of the vehicle at this time.
  • the amount of EGR to be refluxed that is, the opening degree of the EGR control valve 36 is set.
  • the EGR valve drive unit 52 controls the EGR control valve 36 at the opening set by the EGR amount setting unit 51, and otherwise holds the EGR passage 35a in a closed state basically. Even when an engine stop request is made, the EGR control valve 36 is kept closed.
  • the vane opening degree setting unit 49 sets the vane opening degree of the turbine 33b of the supercharger 33 based on the engine rotation speed and the driving state of the vehicle.
  • the vane drive unit 50 drives the variable vane via the vane actuator 40 so that the vane opening set by the vane opening setting unit 49 is obtained.
  • the opening of the variable vane is reduced to the minimum, and the exhaust pressure in the exhaust passage 31a on the upstream side of the turbine 33b of the supercharger 33 is increased. It can lead to the EGR passage 35a.
  • the variable vane is returned to the maximum opening so that a quick response can be made when the engine start request is made.
  • the EGR accumulation amount calculation unit 53 calculates the amount G E of EGR gas stored in the EGR passage 35 a and outputs this to the operating state determination unit 43. More specifically, the exhaust flow rate G e the EGR control valve 36 is discharged from the engine 10 after the vane actuator 40 closes the variable vanes of the turbine 33b together to close the EGR passage 35a is calculated.
  • the on-off valve drive unit 54 controls the opening / closing of the on-off valve 37 according to a preset program based on the previous engine stop request or engine start request. More specifically, if the exhaust gas flow rate G e calculated by the EGR accumulation amount calculation unit 53 based on the engine stop request is made more than the exhaust amount V of the engine 10, it closes the on-off valve 37. When the combustion of fuel in all cylinders is completed based on the engine start request, the on-off valve 37 is switched to the fully open state.
  • cooling water temperature T W of the engine 10 detected by the water temperature sensor 26 is equal to or the threshold value T R or first at step S10
  • cooling water temperature T W of the engine 10 is equal to or more than a threshold T R Until this step of S10 is repeated.
  • the threshold value T R is the minimum value of the cooling water temperature can be performed EGR control smoothly, in general Is set to around 80 ° C.
  • step S10 is the step in a cooling water temperature T W is the threshold T R above, that is, when it is determined that it is possible to perform the EGR control smoothly is whether the engine stop request proceeds to step S11 judge. If it is determined that there is no engine stop request, the process returns to step S10 and the above determination is repeated.
  • step S11 If it is determined in step S11 that there is an engine stop request, the process proceeds to step S12 to close the EGR control valve 36 and reduce the opening of the variable vane to the minimum.
  • step S12 the exhaust pressure in the exhaust passage 31a on the upstream side of the turbine 33b temporarily rises, and the exhaust gas having a higher pressure flows into the EGR passage 35a.
  • Predetermined amount of exhaust flow rate G e is led to the exhaust passage 31a after executing the steps in S12 Under these circumstances, in the present embodiment determines whether exceeds engine capacity V. Then, steps of the S13 is repeated amount G e of the exhaust gas led to the exhaust passage 31a is to over engine displacement V.
  • step S14 The amount G e of the exhaust gas led to the exhaust passage 31a in S13 of step exceeds the engine capacity V, and if i.e. an amount sufficient high-pressure EGR gas is judged to have flowed into the EGR passage 35a, the step in S14 Migrate to In step S14, the on-off valve 37 is closed, the fuel injection from the fuel injection valve 11 is stopped, the engine 10 is temporarily stopped, and the variable vane is returned from the fully closed state to the fully open state.
  • the EGR gas stored in the EGR passage 35 a between the EGR control valve 36 and the on-off valve 37 is isolated from the heat exchanger 38.
  • step S15 determines whether or not there is an engine start request, and the step of S15 is repeated until there is an engine start request. If it is determined in step S15 that there is an engine start request, the process proceeds to step S16, and engine start processing, that is, the engine start motor 55 is driven to perform motoring.
  • step S17 the EGR control valve 36 is opened to perform EGR control, and fuel is injected from the fuel injection valve 11 to shift the motoring engine 10 to an operating state.
  • step S18 it is determined whether or not combustion is performed in all cylinders, and steps S17 and S18 are repeated until combustion is performed in all cylinders.
  • step S18 when it is determined in step S18 that all cylinders have been burned, the on-off valve 37 is shifted to the open state in step S19, and exhaust gas is again introduced from the exhaust passage 31a into the EGR passage 35a. . That is, normal EGR control according to the driving state of the vehicle is performed by the EGR control valve 36. Further, the opening degree of the variable vane of the turbine 33b is shifted from the fully closed state to the normal control according to the driving state of the vehicle.
  • the EGR control valve 36 is operated and the high-pressure EGR gas stored in the EGR passage 35a flows through the intake passage 22a. Can be included. As a result, EGR control can be reliably performed from the first explosion cylinder, and the amount of nitrogen oxides can be further reduced.

Abstract

　一端が吸気通路（２２ａ）に連通すると共に他端が排気通路（３１ａ）に連通し、エンジン（１０）から排出される排気の一部を吸気通路（２２ａ）内に導くためのＥＧＲ通路（３５ａ）と、このＥＧＲ通路（３５ａ）の一端側に配されてここを流れる排気の流量を制御するためのＥＧＲ制御弁（３６）と、ＥＧＲ通路（３５ａ）の一端側に配されてＥＧＲ通路（３５ａ）を開閉するための開閉弁（３７）と、ＥＧＲ通路（３５ａ）に導かれる排気を冷却するための熱交換器（３８）とを具えた本発明の排気還流装置（３２）は、熱交換器（３８）が開閉弁（３７）よりもＥＧＲ通路（３５ａ）の他端側に配されている。本発明によると、ＥＧＲ通路（３５ａ）に導かれるＥＧＲガスの充填効率を高めることができると共にこのＥＧＲガスを冷却するための熱交換器（３８）の腐食による劣化が抑制される。

Description

排気還流装置
　本発明は、排気の一部を吸気に加えることによってエミッション、つまり窒素酸化物の発生量を抑制できるようにした排気還流装置に関する。
　排気通路内を流れる排気ガスの一部を吸気通路から燃焼室内に戻し、燃焼室内における混合気の燃焼温度を低下させることにより、排気ガス中に占める窒素酸化物の割合を低減させるようにしたＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation：排気還流）装置が知られている。このＥＧＲ装置においては、両端が吸気通路と排気通路とに連通するＥＧＲ通路の途中にこのＥＧＲ通路を開閉し得るＥＧＲ制御弁を介装し、所定の運転領域にて排気ガスを吸気通路側へ還流させている。
　近年、排気の浄化に対する社会的要求が著しく高まっており、このような観点から車両が停止中の場合には内燃機関の作動を停止させ、燃料の無駄な消費を抑制すると同時に二酸化炭素の無駄な排出を防止する、いわゆるアイドルストップ制御も推進されている。しかしながら、このようなアイドルストップ制御における内燃機関の再始動時には、ＥＧＲ通路には有効となる排気が介在していないため、特に始動の最初に燃料と共に燃焼室に供給される吸気に対し、排気を含ませることが困難である。
　このような問題を解決する技術が特許文献１にて提案されている。すなわち、アイドルストップ制御において、内燃機関の停止時にＥＧＲ通路にＥＧＲガスを一時的に貯留しておき、内燃機関の再始動時、特に最初に供給される燃料が燃焼する初爆気筒に対し、ＥＧＲガスを吸気に加えて供給できるようにしている。
特開２００７－２６２９０２号公報
　特許文献１においては、ＥＧＲガスを冷却して高密度化させるための熱交換器がＥＧＲ通路の途中に組み込まれている。このため、未冷却の排気もＥＧＲ通路に一時的に貯留されることとなり、その高密度化を阻害する要因となる。また、排気を一時的に貯留した状態にあっては、熱交換器に介在する排気に含まれる水分が凝縮してこれが排気に含まれる硫黄分と反応し、硫酸となって熱交換器を腐食する結果、熱交換器の製品寿命を著しく狭めてしまうこととなる。
　本発明の目的は、内燃機関を一時的に停止してからこれを再始動させる際に、吸気に与えられる排気の高密度化をさらに向上させることができるようにした排気還流装置を提供することにある。また、一時的に貯留される排気に含まれる水分の凝縮に伴って生ずる熱交換器の腐食を抑制し得るようにした排気還流装置を提供することも本発明の目的に含まれる。
　本発明の第１の形態は、一端が吸気通路に連通すると共に他端が排気通路に連通し、内燃機関から排出される排気の一部を吸気通路に導くためのＥＧＲ通路と、このＥＧＲ通路の一端側に配されて当該ＥＧＲ通路を流れる排気の流量を制御するためのＥＧＲ制御弁と、前記ＥＧＲ通路の他端側に配されて前記ＥＧＲ通路を開閉するための開閉弁と、前記ＥＧＲ通路に導かれる排気を冷却するための熱交換器とを具えた排気還流装置であって、前記熱交換器が前記開閉弁よりも前記ＥＧＲ通路の他端側に配されていることを特徴とするものである。
　本発明においては、排気通路内の圧力に応じて排気の一部が熱交換器を通って冷却され、高密度状態となってＥＧＲ制御弁から吸気通路を流れる吸気に混合される。内燃機関に対する停止要求があった場合、ＥＧＲ制御弁によりＥＧＲ通路が閉止され、さらに開閉弁が閉じて吸気通路側の圧力と排気通路側の圧力との差圧に応じた排気がＥＧＲ制御弁と開閉弁との間のＥＧＲ通路に一時的に貯留される。この場合、ＥＧＲ通路に一時的に貯留される排気は、熱交換器により冷却されて高密度化したものとなっている。この状態で内燃機関に対する始動要求があった場合、ＥＧＲ制御弁が直ちに開弁して高密度状態の排気が吸気通路に導かれ、ここを流れる吸気と混合される。開閉弁はＥＧＲ制御弁の開弁後、一時的に貯留されていた排気の消費、つまり吸気通路への流出に伴って開弁状態へと切り替えられ、内燃機関に対する停止要求のあった以前の状態に戻る。
　本発明による排気還流装置において、ＥＧＲ制御弁と開閉弁との間のＥＧＲ通路の容積を内燃機関の排気量に対応させることが有効である。また、ＥＧＲ通路に導かれる排気の圧力を上昇させるための排気昇圧手段をさらに具えることができる。
　本発明によると、熱交換器を開閉弁よりもＥＧＲ通路の他端側に配したことにより、熱交換器を通過して冷却された後の密度の高い排気をＥＧＲ制御弁と開閉弁との間に一時的に保持することができる。この結果、内燃機関を再始動させる際にＥＧＲ通路に一時的に貯留されていた排気を燃焼室に導くことが可能となり、エミッションの排出をさらに抑制することができる。また、開閉弁を閉止しても熱交換器内を排気通路に継続的に連通させた状態に保持することができるため、排気中の水蒸気の凝縮による悪影響が少なくなり、開閉弁を持たない従来の排気還流装置と同程度に熱交換器の腐食の進行を抑えることができる。
　ＥＧＲ制御弁と開閉弁との間のＥＧＲ通路の容積を内燃機関の排気量に対応させた場合、内燃機関の再始動時に各気筒に燃料と共に供給される吸気にＥＧＲ通路に一時的に蓄えられていた排気をそれぞれ含ませることが可能となる。この結果、より確実にエミッションを低減させることができる。
　ＥＧＲ通路に導かれる排気の圧力を上昇させるための排気昇圧手段をさらに具えた場合、ＥＧＲ制御弁と開閉弁との間のＥＧＲ通路に一時的に蓄えられる排気の圧力を容易に高めることができる。この結果、内燃機関の再始動時でのＥＧＲ制御をより正確に行うことが可能である。
本発明による排気還流装置を圧縮点火方式の内燃機関に応用した一実施形態の概念図である。 図１に示した実施形態における制御ブロック図である。 図１に示した実施形態における排気還流装置の制御の流れを模式的に示すフローチャートである。
　本発明による排気還流装置を圧縮点火方式の内燃機関に応用した実施形態について、図１～図３を参照しながら詳細に説明する。しかしながら、本発明はこのような実施形態のみに限らず、本発明の適用対象となるものに要求される特性に応じてその構成を自由に変更することが可能である。例えば、ガソリンやアルコールまたはＬＮＧ（液化天然ガス）などを燃料としてこれを点火プラグにて着火させる火花点火方式の内燃機関に対しても本発明は有効である。
　本実施形態におけるエンジンシステムの概念を図１に示し、このエンジンシステムにおける制御ブロックを図２に示す。すなわち、本実施形態におけるエンジン１０は、燃料である軽油を燃料噴射弁１１から圧縮状態にある燃焼室１２内に直接噴射することにより、自然着火させる圧縮点火方式の多気筒内燃機関である。しかしながら、単気筒の内燃機関であっても本発明を適用し得ることは言うまでもない。
　燃焼室１２にそれぞれ臨む吸気ポート１３および排気ポート１４が形成されたシリンダーヘッド１５には、図示しない動弁機構と、先の燃料噴射弁１１とが組み込まれている。
　本実施形態における動弁機構は、吸気ポート１３を開閉する吸気弁１６および排気ポート１４を開閉する排気弁１７を含み、エンジン１０の運転状態に応じて吸気弁１６および排気弁１７の開閉タイミングを変更し得るものである。しかしながら、吸気弁１６および排気弁１７の開閉タイミングが固定された動弁機構を採用することも可能である。
　燃料噴射弁１１は、これら吸気弁１６および排気弁１７に挟まれるように燃焼室１２の上端中央に臨んで配されている。本実施形態における燃料噴射弁１１は、燃料である軽油を圧縮行程の終了直前、つまりピストン１８の圧縮上死点直前にのみ燃焼室１２内に直接噴射する直噴単噴射型式のものである。しかしながら、この圧縮行程での燃料噴射に加え、より均一な混合気を形成するために吸気行程の途中においてにも噴射する多噴射型式のものや、吸気ポート１３内に噴射するポート噴射形式のものなどを採用することも可能である。
　燃料噴射弁１１から燃焼室１２内に供給される燃料の量および噴射タイミングは、運転者によるアクセルペダル１９の踏み込み量を含む車両の運転状態に基づいてＥＣＵ(Electronic Control Unit)２０により制御される。アクセルペダル１９の踏み込み量は、アクセル開度センサー２１により検出され、その検出情報がＥＣＵ２０に出力される。
　吸気ポート１３に連通するようにシリンダーヘッド１５に連結されて吸気ポート１３と共に吸気通路２２ａを画成する吸気管２２の途中には、吸気通路２２ａの開度を調整するためのスロットル弁２３が組み込まれている。このスロットル弁２３の開度は、アクセルペダル１９の踏み込み量などを含む車両の運転状態に基づき、ＥＣＵ２０によりスロットルアクチュエーター２４を介して制御される。
　ピストン１８が往復動するシリンダーブロック２５には、水温センサー２６と、クランク角センサー２７とが取り付けられている。水温センサー２６は、燃焼室１２を囲むようにシリンダーブロック２５に形成された水ジャケット２８内を流れる冷却水の温度を検出してこれをＥＣＵ２０に出力する。クランク角センサー２７は、連接棒２９を介してピストン１８が連結されるクランク軸３０の回転位相、つまりクランク角を検出してこれをＥＣＵ２０に出力する。ＥＣＵ２０は、水温センサー２６からの情報に基づいて暖機運転の必要性の有無などを把握する一方、クランク角センサー２７からの情報に基づいてクランク軸３０の回転位相やエンジン回転数を実時間で把握する。
　エンジン１０には、排気通路３１ａ内を流れる排気の一部を吸気通路２２ａに導くＥＧＲ装置３２と、排気タービン式過給機３３と、排気浄化装置３４とが組み込まれている。
　排気中の窒素酸化物の低減や燃費の向上を企図したＥＧＲ装置３２は、ＥＧＲ通路３５ａを画成するＥＧＲ管３５と、このＥＧＲ管３５に相隔てて設けられるＥＧＲ制御弁３６および開閉弁３７と、熱交換器３８とを具えている。ＥＧＲ管３５は、排気ポート１４と共に排気通路３１ａを画成する排気管３１に一端が連通すると共に他端が上述したスロットル弁２３とこのスロットル弁２３よりも下流側に配されたサージタンク３９との間の吸気管２２内に連通している。吸気管２２とＥＧＲ管３５との接続部分に近接してＥＧＲ管３５の一端側に配され、ＥＣＵ２０によりその作動が制御されるＥＧＲ制御弁３６は、車両の運転状態に基づき、ＥＧＲ通路３５ａから吸気通路２２ａへと還流される排気の流量を制御する。排気管３１とＥＧＲ管３５との接続部分側に配される開閉弁３７は、ＥＧＲ通路３５ａを単純に開閉するためのものであり、ＥＣＵ２０によってその開閉動作が制御される。本実施形態では、閉止したＥＧＲ制御弁３６と開閉弁３７とで仕切られるＥＧＲ通路３５ａの容積がエンジン１０の排気量Ｖとほぼ同じになるように、ＥＧＲ制御弁３６と開閉弁３７との間隔およびこれらの間のＥＧＲ通路３５ａの内径が適切に設定されている。ＥＧＲ通路３５ａに流入する排気の温度を低減させるための熱交換器３８は、ＥＧＲ管３５の他端側、つまり排気管３１およびＥＧＲ管３５の接続部分と開閉弁３７との間に位置するＥＧＲ管３５の途中に配されている。この熱交換器３８には、シリンダーブロック２５に形成された水ジャケット２８を流れる冷却水が導かれ、高温の排気を効率よく冷却することによって、ＥＧＲ通路３５ａに導かれるＥＧＲガスの充填効率を高める。
　排気タービン式過給機（以下、単に過給機と記述する）３３は、排気通路３１ａを流れる排気の運動エネルギーを利用して燃焼室１２への過給を行い、吸気の充填効率を高めるためのものである。この過給機３３は、コンプレッサー３３ａとこのコンプレッサー３３ａと一体に回転するタービン３３ｂとで主要部が構成されている。コンプレッサー３３ａは、スロットル弁２３よりも上流側に位置する吸気管２２の途中に組み込まれている。タービン３３ｂは、排気ポート１４に連通するようにシリンダーヘッド１５に連結された排気管３１の途中に組み込まれている。本実施形態におけるタービン３３ｂは、車両の運転状態に基づき、ＥＣＵ２０によりベーンアクチュエーター４０（図２参照）を介して開度が制御される図示しない可変ベーンを具えている。つまり、ベーンアクチュエーター４０を作動して可変ベーンの開度を変更することにより、排気の運動エネルギーの利用効率を変え、結果として吸気の充填効率を変更することができる。本実施形態では、この過給機３３のタービン３３ｂの可変ベーンおよびベーンアクチュエーター４０を本発明における排気昇圧手段として利用している。
　なお、高温の排気にさらされるタービン３３ｂ側からの伝熱によりコンプレッサー３３ａを介して加熱される吸気温を低下させるため、コンプレッサー３３ａとサージタンク３９との間の吸気通路２２ａの途中には、インタークーラー４１が組み込まれている。また、過給器のコンプレッサー３３ａよりも上流側の吸気管２２には、ここの吸気通路２２ａを流れる吸気の流量を検出してこれをＥＣＵ２０に出力するエアーフローメーター４２が設けられている。
　燃焼室１２内での混合気の燃焼により生成する有害物質を無害化するための排気浄化装置３４は、過給機３３のタービン３３ｂよりも下流側の排気通路３１ａを画成する排気管３１の途中に配されている。本実施形態における排気浄化装置３４は、少なくとも酸化触媒コンバーター３４ａを有するが、ＤＰＦ(Diesel Particulate Filter)や、ＮＯＸ触媒などの他の触媒コンバーターを追加することも可能である。
　従って、ＥＧＲ通路３５ａを介して吸気通路２２ａ内に還流される排気ガスと共に燃焼室１２内に供給される吸気は、燃料噴射弁１１から燃焼室１２内に噴射される燃料と混合気を形成する。そして、ピストン１８の圧縮上死点直前にて自然着火して燃焼し、これによって生成する排気ガスが排気浄化装置３４を通って排気管３１から大気中に排出される。この場合、吸気中に含まれるＣＯ２によって混合気の燃焼温度が低下するため、混合気の燃焼に伴って生成する窒素酸化物の量が抑制されることとなる。
　ここで、車両の運転中にエンジン停止要求があった場合、ＥＧＲ通路３５ａに高圧のＥＧＲガスを蓄えておき、燃料噴射弁１１からの燃料の供給を停止し、エンジン始動要求があるまでエンジン１０を停止する。エンジン始動要求があった場合、再び燃料噴射弁１１からエンジン１０の燃焼室１２に燃料を供給するが、この時、ＥＧＲ制御弁３６を開弁してＥＧＲ通路３５ａに蓄えられていたＥＧＲガスを吸気通路２２ａを流れる吸気に加える。これにより、エンジン再始動の初爆時からＥＧＲ制御が行われるようにする。なお、本発明における「エンジン停止要求」とは、車両のアイドリング運転状態のように、エンジン１０の運転中にアクセルペダル１９の踏み込み量が０かつ車速が０となった場合を言う。また、本発明における「エンジン始動要求」とは、「エンジン停止要求」によってエンジン１０を停止した状態から、運転者が車両の発進のためにアクセルペダル１９が踏み込まれた場合を言う。
　ＥＣＵ２０は、アクセル開度センサー２１，水温センサー２６，クランク角センサー２７，エアーフローメーター４２などからの検出情報に基づき、エンジン１０およびこのエンジン１０が搭載される車両の運転状態を把握する。そして、予め設定されたプログラムに従って円滑なエンジン１０の運転がなされるように、燃料噴射弁１１，スロットル弁２３，ＥＧＲ制御弁３６，可変ベーン，開閉弁３７などの作動を制御する。このため、本実施形態におけるＥＣＵ２０は、運転状態判定部４３と、始動モーター駆動部４４と、スロットル開度設定部４５と、スロットル弁駆動部４６と、燃料噴射設定部４７と、燃料噴射弁駆動部４８と、ベーン開度設定部４９と、ベーン駆動部５０と、ＥＧＲ量設定部５１と、ＥＧＲ弁駆動部５２と、ＥＧＲ蓄積量算出部５３と、開閉弁駆動部５４とを具えている。
　運転状態判定部４３は、アクセル開度センサー２１，水温センサー２６，クランク角センサー２７，エアーフローメーター４２などからの検出情報に基づいて車両およびエンジン１０の運転状態を把握する。つまり、この運転状態判定部４３ではエンジン停止要求やエンジン始動要求の有無なども併せて判定される。
　始動モーター駆動部４４は、図示しないイグニッションキースイッチのオン信号や先のエンジン始動要求に基づき、クランク軸３０に図示しない継手を介して接続するエンジン始動モーター５５（図２参照）の作動を制御する。エンジン始動モーター５５は、エンジン１０のモータリングを行う。
　スロットル開度設定部４５は、アクセル開度センサー２１によって検出されるアクセルペダル１９の踏み込み量や車両の運転状態に基づき、あらかじめ設定された最適なスロットル開度を設定する。スロットル弁駆動部４６は、スロットルアクチュエーター２４を介してこのスロットル開度設定部４５にて設定された開度にスロットル弁２３を制御する。
　燃料噴射設定部４７は、アクセル開度センサー２１からの検出信号に基づいてエンジン１０の駆動トルク、つまり燃料噴射弁１１からの燃料の噴射量とその噴射時期とを設定する。燃料噴射弁駆動部４８は、この燃料噴射設定部４７にて設定された燃料噴射量に対応した燃料が設定された噴射時期に噴射されるように燃料噴射弁１１を駆動する。
　エンジン１０を搭載した車両が予め設定されたＥＧＲ運転領域にあることをＥＣＵ２０の運転状態判定部４３が判定した場合、ＥＧＲ量設定部５１は、この時の車両の運転状態に応じて燃焼室１２内に還流すべきＥＧＲ量、つまりＥＧＲ制御弁３６の開度を設定する。ＥＧＲ弁駆動部５２は、ＥＧＲ量設定部５１にて設定された開度にＥＧＲ制御弁３６を制御し、それ以外の場合は基本的にＥＧＲ通路３５ａを塞ぐように閉じた状態に保持する。エンジン停止要求があった場合にもＥＧＲ制御弁３６は閉止状態に保持される。
　ベーン開度設定部４９は、エンジン回転速度や車両の運転状態に基づいて過給機３３のタービン３３ｂのベーン開度を設定する。ベーン駆動部５０は、このベーン開度設定部４９にて設定されたベーン開度となるように、ベーンアクチュエーター４０を介して可変ベーンを駆動する。なお、エンジン停止要求があった場合には可変ベーンの開度が最少に絞られ、過給機３３のタービン３３ｂよりも上流側の排気通路３１ａの排気圧が高められ、これにより高圧の排気をＥＧＲ通路３５ａへ導くことができる。また、エンジン停止要求によりエンジン１０を一時的に停止した時点で可変ベーンを最大開度に戻し、エンジン始動要求があった場合に迅速な応答ができるように配慮している。
　ＥＧＲ蓄積量算出部５３は、エンジン停止要求があった場合、ＥＧＲ通路３５ａに蓄えられるＥＧＲガスの量Ｇｅを算出し、これを運転状態判定部４３に出力する。より具体的には、ＥＧＲ制御弁３６がＥＧＲ通路３５ａを閉止すると共にベーンアクチュエーター４０がタービン３３ｂの可変ベーンを閉止した後のエンジン１０から排出される排気流量Ｇｅが算出される。
　開閉弁駆動部５４は、先のエンジン停止要求やエンジン始動要求に基づき、あらかじめ設定されたプログラムに従って開閉弁３７の開閉を制御する。より具体的には、エンジン停止要求に基づきＥＧＲ蓄積量算出部５３にて算出される排気流量Ｇｅがこのエンジン１０の排気量Ｖよりも多くなった場合、開閉弁３７を閉止する。また、エンジン始動要求に基づき全気筒での燃料の燃焼が完了した場合、開閉弁３７を全開状態に切り換える。
　このような本実施形態におけるＥＧＲ制御に関する手順は、図３に示すフローチャートに従って行われる。すなわち、まずＳ１０のステップにて水温センサー２６によって検出されるエンジン１０の冷却水温ＴＷが閾値ＴＲ以上であるか否かを判定し、エンジン１０の冷却水温ＴＷが閾値ＴＲ以上となるまでこのＳ１０のステップが繰り返される。エンジン１０が燃焼の安定しない暖機状態にある場合、ＥＧＲ制御に移行することは望ましくないので、この閾値ＴＲはＥＧＲ制御を円滑に行うことができる冷却水温の最低値であり、一般的には８０℃前後に設定される。
　Ｓ１０のステップにて冷却水温ＴＷが閾値ＴＲ以上である、すなわちＥＧＲ制御を円滑に行うことができると判断した場合には、Ｓ１１のステップに移行してエンジン停止要求があるか否かを判定する。ここで、エンジン停止要求がないと判断した場合には、Ｓ１０のステップに戻って上述の判断が繰り返される。
　Ｓ１１のステップにてエンジン停止要求があると判断した場合には、Ｓ１２のステップに移行してＥＧＲ制御弁３６を閉止すると共に可変ベーンの開度を最少に絞る。これにより、タービン３３ｂよりも上流側の排気通路３１ａの排気圧が一時的に上昇し、より高圧となった排気がＥＧＲ通路３５ａに流入することとなる。このような状況下でＳ１２のステップを実行してから排気通路３１ａに導かれる排気流量Ｇｅが所定量、本実施形態ではエンジン排気量Ｖを越えたか否かを判定する。そして、排気通路３１ａに導かれる排気の量Ｇｅがエンジン排気量Ｖを越えるまでこのＳ１３のステップが繰り返される。
　Ｓ１３のステップにて排気通路３１ａに導かれる排気の量Ｇｅがエンジン排気量Ｖを越えた、すなわち充分な量の高圧ＥＧＲガスがＥＧＲ通路３５ａに流入したと判断した場合には、Ｓ１４のステップに移行する。このＳ１４のステップでは、開閉弁３７を閉止すると共に燃料噴射弁１１からの燃料噴射を停止してエンジン１０を一時的に停止させ、さらに可変ベーンを全閉状態から全開状態に戻しておく。ここで、ＥＧＲ制御弁３６と開閉弁３７との間のＥＧＲ通路３５ａに貯留されたＥＧＲガスは、熱交換器３８から隔離された状態となる。このため、ＥＧＲ制御弁３６と開閉弁３７との間のＥＧＲ通路３５ａに蓄えられたＥＧＲガスに含まれる水分が凝縮してＥＧＲ管３５の内壁に水滴となって付着するような不具合を防止することができる。
　しかる後、Ｓ１５のステップに移行してエンジン始動要求があるか否かを判定し、エンジン始動要求があるまでＳ１５のステップが繰り返される。Ｓ１５のステップにてエンジン始動要求があると判断した場合には、Ｓ１６のステップに移行してエンジン始動処理、すなわちエンジン始動モーター５５を駆動してモータリングを行う。次いで、Ｓ１７のステップにてＥＧＲ制御弁３６を開弁してＥＧＲ制御を行うと共に燃料噴射弁１１から燃料の噴射を行ってモータリング中のエンジン１０を運転状態に移行させる。そして、Ｓ１８のステップにて全気筒での燃焼がなされているか否かを判定し、全気筒の燃焼がなされるまでＳ１７およびＳ１８のステップが繰り返される。
　このようにして、Ｓ１８のステップにて全気筒が燃焼したと判断した場合には、Ｓ１９のステップにて開閉弁３７を開放状態に移行させて排気通路３１ａからＥＧＲ通路３５ａに再び排気を導入する。すなわち、車両の運転状態に応じた通常のＥＧＲ制御をＥＧＲ制御弁３６によって行う。また、タービン３３ｂの可変ベーンの開度を全閉状態から車両の運転状態に応じた通常の制御へと移行させる。
　このように、エンジン１０の始動要求に基づき、エンジン１０を再び運転状態に移行させる際に、ＥＧＲ制御弁３６を操作してＥＧＲ通路３５ａに蓄えられた高圧のＥＧＲガスを吸気通路２２ａを流れる吸気に含ませることができる。この結果、初爆の気筒から確実にＥＧＲ制御が可能となり、窒素酸化物の量をさらに少なくすることができる。
　なお、本発明はその特許請求の範囲に記載された事項のみから解釈されるべきものであり、上述した実施形態においても、本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が記載した事項以外に可能である。つまり、上述した実施形態におけるすべての事項は、本発明を限定するためのものではなく、本発明とは直接的に関係のないあらゆる構成を含め、その用途や目的などに応じて任意に変更し得るものである。
　１０　エンジン
　１１　燃料噴射弁
　１２　燃焼室
　１３　吸気ポート
　１４　排気ポート
　１５　シリンダーヘッド
　１６　吸気弁
　１７　排気弁
　１８　ピストン
　１９　アクセルペダル
　２０　ＥＣＵ
　２１　アクセル開度センサー
　２２　吸気管
　２２ａ　吸気通路
　２３　スロットル弁
　２４　スロットルアクチュエーター
　２５　シリンダーブロック
　２６　水温センサー
　２７　クランク角センサー
　２８　水ジャケット
　２９　連接棒
　３０　クランク軸
　３１　排気管
　３１ａ　排気通路
　３２　ＥＧＲ装置
　３３　排気タービン式過給機
　３３ａ　コンプレッサー
　３３ｂ　タービン
　３４　排気浄化装置
　３４ａ　酸化触媒コンバーター
　３５　ＥＧＲ管
　３５ａ　ＥＧＲ通路
　３６　ＥＧＲ制御弁
　３７　開閉弁
　３８　熱交換器
　３９　サージタンク
　４０　ベーンアクチュエーター
　４１　インタークーラー
　４２　エアーフローメーター
　４３　運転状態判定部
　４４　始動モーター駆動部
　４５　スロットル開度設定部
　４６　スロットル弁駆動部
　４７　燃料噴射設定部
　４８　燃料噴射弁駆動部
　４９　ベーン開度設定部
　５０　ベーン駆動部
　５１　ＥＧＲ量設定部
　５２　ＥＧＲ弁駆動部
　５３　ＥＧＲ蓄積量算出部
　５４　開閉弁駆動部
　５５　エンジン始動モーター
　Ｖ　エンジンの排気量
　Ｇｅ　排気流量

Claims (3)

  1. 　一端が吸気通路に連通すると共に他端が排気通路に連通し、内燃機関から排出される排気の一部を吸気通路に導くためのＥＧＲ通路と、このＥＧＲ通路の一端側に配されて当該ＥＧＲ通路を流れる排気の流量を制御するためのＥＧＲ制御弁と、前記ＥＧＲ通路の他端側に配されて前記ＥＧＲ通路を開閉するための開閉弁と、前記ＥＧＲ通路に導かれる排気を冷却するための熱交換器とを具えた排気還流装置であって、
    　前記熱交換器が前記開閉弁よりも前記ＥＧＲ通路の他端側に配されていることを特徴とする排気還流装置。
  2. 　前記ＥＧＲ制御弁と前記開閉弁との間の前記ＥＧＲ通路の容積が内燃機関の排気量に対応していることを特徴とする請求項１に記載の排気還流装置。
  3. 　前記ＥＧＲ通路に導かれる排気の圧力を上昇させるための排気昇圧手段をさらに具えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排気還流装置。
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