JP2006037931A - 内燃機関の吸気加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構造で効率良く吸気加熱を行える内燃機関の吸気加熱装置を提供する。
【解決手段】 内燃機関１０へ吸気ＴＡを供給する吸気マニホルド２０に設けた熱交換用排気通路２２と、前記内燃機関から流出する排気ガスＥＧを浄化する触媒８の下流側に接続された排気管９と、前記排気管の途中に設けた排気切替バルブ４２と、前記排気切替バルブ又は前記触媒と前記排気切替バルブとの間の前記排気管から、前記熱交換用排気通路２２を経て、前記排気切替バルブ４２よりも下流の前記排気管９に接続した吸気加熱用配管４０とを備えている内燃機関の吸気加熱装置１Ａである。本吸気加熱装置１Ａによると、排気切替バルブ４２を切替えることにより熱を保持した排気ガスＥＧを吸気マニホルド２０に設けた熱交換用排気通路２２へ導入して効率の良い吸気加熱を行える。
【選択図】 図１

Description

本発明は内燃機関の吸気加熱装置に関する。より詳細には、内燃機関から流出する排気ガスが保有する熱を利用して吸気加熱を行う吸気加熱装置に関する。

ディーゼルエンジンなどの内燃機関を安定に駆動させるためには吸気を適度に暖めて供給することが重要である。その一方で内燃機関から流出する燃焼後の排気ガスは高温であり、多量の熱を保持している。そこで、排気ガス熱を利用して吸気加熱を行う技術が従来から多く提案されている。例えば特許文献１は、内燃機関の負荷状態により吸気加熱を変更する吸気加熱装置を開示している。この装置は、内燃機関からの排気ガスを流す排気路とバイパス路とを有している。排気路側に熱交換器を配置して排気ガスが保有する熱により吸気加熱を行う。そして、高負荷時等において吸気加熱を抑制したいときに排気ガスをバイパス路に迂回させるようにしている。また、この装置は排気ガス浄化用の触媒よりも下流に熱交換器を配設することにより触媒温度を維持するように構成されている。

実開平１−１１４９６２号公報

しかしながら、特許文献１の装置は熱交換器が内燃機関から離れて配置されているため、排気ガスとの熱交換で暖められた吸気ガスが内燃機関に入るまでの途中で冷却されてしまうので加熱効率が悪い。また、内燃機関の周部に熱交換器用のスペースを確保することが必要になるので省スペース化の要請に反することにもなる。

したがって、本発明の目的は、簡易な構造で効率良く吸気加熱を行える内燃機関の吸気加熱装置を提供することである。

上記目的は、内燃機関へ吸気を供給する吸気マニホルドに設けた熱交換用排気通路と、前記内燃機関から流出する排気ガスを浄化する触媒の下流側に接続された排気管と、前記排気管の途中に設けた排気切替バルブと、前記排気切替バルブ又は前記触媒と前記排気切替バルブとの間の前記排気管から、前記熱交換用排気通路を経て、前記排気切替バルブよりも下流の前記排気管に接続した吸気加熱用配管とを備えている内燃機関の吸気加熱装置によって達成できる。

本発明によると、排気切替バルブを切替えることにより熱を保持した排気ガスを吸気マニホルドに設けた熱交換用排気通路へ導入して効率の良い吸気加熱を行える。また、熱交換用排気通路を吸気マニホルドに設けるのでコンパクトな吸気加熱装置とすることができる。

また、前記排気切替バルブを制御する制御手段を更に備え、該制御手段は前記内燃機関の運転状態に応じて前記排気切替バルブの開度を調整できるように形成しておくことが好ましい。そして、前記制御手段は、スロットルバルブより下流の吸気温度及び前記触媒の出口温度に基づいて、前記排気切替バルブの開度を調整を行うことができる。また、前記制御手段は、前記内燃機関の冷却水温度に基づいて、前記排気切替バルブの開度を調整することができる。

また、前記吸気マニホルドへ供給する吸気流の向きと逆向きの排気流が生じるように前記吸気加熱用配管が設置されている構造を採用すると、より効率良く熱交換を行える吸気加熱装置となる。また、前記熱交換用排気通路は、前記吸気と混合しないように隔壁で分離されて前記吸気マニホルド内に形成することができる。

また、上記目的は、内燃機関へ吸気を供給する吸気マニホルドに設けた熱交換用排気通路と、前記内燃機関から流出する排気ガスを浄化する触媒の下流側に接続された排気管と、前記排気管の途中に設けた排気切替バルブと、前記排気切替バルブ又は前記触媒と前記排気切替バルブとの間の前記排気管から、前記熱交換用排気通路を経て、前記排気切替バルブよりも下流の前記排気管に接続した吸気加熱用配管と、スロットルバルブより上流側の吸気通路と前記熱交換用排気通路とを接続する掃気用通路と、前記掃気用通路を開閉する吸気導入バルブとを備えている内燃機関の吸気加熱装置によっても達成できる。

そして、前記吸気導入バルブを制御する制御手段を更に備え、該制御手段は前記内燃機関の燃料カット時に前記掃気用通路へ前記吸気を導入することが好ましい。また、前記制御手段は、アクセルが所定時間以上オフであるときに制御を実行することができる。前記制御手段は、前記熱交換用排気通路に滞留した排気ガスを押し出すことができる量で吸気供給を行うことが望ましい。

また、上記目的は、内燃機関へ吸気を供給する吸気マニホルドに設けた熱交換用排気通路と、前記内燃機関から流出する排気ガスを浄化する触媒の下流側に接続された排気管と、前記排気管の途中に設けた排気切替バルブと、前記排気切替バルブ又は前記触媒と前記排気切替バルブとの間の前記排気管から、前記熱交換用排気通路を経て、前記排気切替バルブよりも下流の前記排気管に接続した吸気加熱用配管とを有すると共に、排気ガス再循環装置を更に備え、該排ガス再循環装置が前記吸気加熱用配管の途中と、スロットルバルブより下流の吸気通路とを接続する排気ガス循環通路と、前記排気ガス循環通路と前記熱交換用排気通路との合流部に設けた排気ガス循環通路切替バルブとを備えた内燃機関の吸気加熱装置によっても達成できる。

そして、前記排気ガス循環通路切替バルブ及び前記排気切替バルブを制御する制御手段を更に備え、該制御手段は吸気加熱の必要がないときに前記排気ガスを前記吸気通路へ還流させることが好ましい。

本発明によれば、省スペースで効率の良い吸気加熱を行える内燃機関の吸気加熱装置を提供できる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る内燃機関の吸気加熱装置を説明する。

図１は、内燃機関に適用した実施例１の吸気加熱装置１Ａについて示した図である。図１を参照して内燃機関及び吸気加熱装置１Ａの大略構成を説明する。図１では、内燃機関として４ストローク圧縮着火式のディーゼルエンジン１０（以下、単にエンジン１０と称す）を例示している。吸気マニホルド（インテークマニホルド）２０で分岐された吸気ＴＡは、吸気ポート１２を介してエンジン１０の各燃焼室１１に供給されるようになっている。吸気マニホルド２０は、吸気ＴＡの流れる方向で見て上流側が吸気通路２に接続されている。吸気通路２に導入された吸気ＴＡは、エアーフィルタ３、過給機４のコンプレッサ４ａ、インタークーラ５を介して吸気マニホルド２０に供給されている。インタークーラ５より下流の吸気通路２内にはスロットルバルブ６が配置されている。

また、エンジン１０の吸気マニホルド２０と対向する側には燃焼後の排気ガスＥＧを集合する排気マニホルド（エキゾーストマニホルド）１５が配置されている。この排気マニホルド１５には排気ガスを機外に放出するための排気通路７が接続されている。排気通路７は過給機４のタービン４ｂ側を介して、排気ガス浄化用の触媒８に接続されている。触媒８の下流側には浄化された排気ガスＥＧを排出するための排気管９が接続されている。また、上記排気マニホルド１５には、排気ガスの一部を吸気側に還流して窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減する排気ガス再循環装置３０（以下、単にＥＧＲ装置３０という）の排気ガス循環通路３１（以下、ＥＧＲ通路３１という）が接続されている。ＥＧＲ通路３１は、排気マニホルド１５とスロットルバルブ６より下流の吸気通路２とを接続している。ＥＧＲ通路３１には、排気マニホルド１５を出たＥＧＲガス（排気ガス）を冷却するＥＧＲ用クーラ３２及び吸気通路２へのＥＧＲガスの還流量を調整するＥＧＲ用バルブ３３が配置されている。上記ＥＧＲ通路３１、ＥＧＲ用クーラ３２及びＥＧＲ用バルブ３３を含んでＥＧＲ装置３０が形成されている。

以下、更に吸気加熱装置１Ａに係る各部の構成をより詳細に説明する。吸気マニホルド２０には、吸気ＴＡをエンジン１０の各ポート１２に接続する吸気供給通路２１と略平行に熱交換用排気通路２２が形成されている。この熱交換用排気通路２２は、隔壁２３により吸気供給通路２１と分離し、吸気マニホルド２０内に形成されている。吸気マニホルド２０は、例えばアルミ合金等の熱伝導性の金属材によって形成されている。よって、吸気マニホルド２０は、吸気供給通路２１に導入される吸気と熱交換用排気通路２２側を通る排気ガスとが隔壁２３によって分離され混合しない構造となる。その一方で、隔壁２３は熱伝導性であるので吸気供給通路２１側の吸気と熱交換用排気通路２２側の排気ガスとの間でスムーズに熱交換を行える構造となっている。上記のように吸気加熱装置１Ａの熱交換用排気通路２２は、既存の吸気マニホルド２０の形状を一部変更することで容易に形成できる。よって、従来のように熱交換器を別に配置する場合と比較して、部品点数を抑制できると共に省スペース化を図ることができる。また、吸気マニホルド２０内で熱交換が行なわれ、加熱された吸気は直ぐに吸気ポート１２に入るので熱を効率よく利用できる。吸気マニホルド２０はエンジン１０のシリンダヘッド内に形成する形態でもよいし、別体で形成してシリンダヘッドに固定するという形態でもよい。

吸気加熱装置１Ａは、触媒８の下流に接続されている排気管（第１の排気経路）９から分岐し、迂回させた吸気加熱用配管（第２の排気経路）４０を有している。この吸気加熱用配管４０は、排気管９の途中から出て前記熱交換用排気通路２２を経て分岐部分よりも下流の排気管９に再び接続されている。吸気加熱用配管４０の分岐部分には排気切替バルブ４２が設けられている。よって、この排気切替バルブ４２を切替えることにより、触媒８を通過した排気ガスＥＧをそのまま排気管９へ向けて流出させることもできるし、吸気加熱用配管４０へバイパスさせることもできる。排気ガスＥＧを吸気加熱用配管４０側へバイパスさせたときには熱交換用排気通路２２を通過する。このときに排気ガスが保持している熱を吸気マニホルド２０の隔壁２３を介して吸気供給通路２１内の吸気ＴＡに伝達できる。なお、図１では、吸気加熱用配管４０側へバイパスされた排気ガスは符号ＳＧで示している。

上記排気切替バルブ４２はアクチュエータ４３によって駆動され開度が調整される。なお、図１で示す例では排気管９の途中に排気切替バルブ４２として３方弁を設け、この排気切替バルブ４２に吸気加熱用配管４０を接続した場合を例示している。しかし、このような構造に限らず排気切替バルブ４２として２方弁を用いることもできる。２方弁を用いる場合には触媒８と排気切替バルブ４２との間の排気管９から吸気加熱用配管４０を分岐すればよい。

上記のように形成した吸気加熱装置１Ａでは、吸気加熱を行うときに、触媒８を通過した排気ガスＥＧを吸気加熱用配管４０を介して吸気マニホルド２０の熱交換用排気通路２２に導入する。このように吸気加熱装置１Ａは触媒８を暖機した後の排気ガスを吸気加熱に利用するので、触媒活性と両立しながら吸気加熱による燃焼改善を行える。

そして、吸気加熱装置１Ａでは、図１に示すように、吸気供給通路２１内を右向きに流れる吸気ＴＡに対して熱交換用排気通路２２へ流す暖気用排気ガスＳＧの向きが逆向き（左向き）となるように吸気加熱用配管４０が熱交換用排気通路２２に接続されている。このように暖気用にバイパスさせた排気ガスＳＧを逆向きに流すと吸気ＴＡとの熱交換をより効率よく行なえる。

吸気加熱装置１Ａによる上記のような吸気加熱はエンジン１０の状態に応じて行うことが好ましい。そこで、吸気加熱装置１Ａは各種センサの出力信号を用いて、排気切替バルブ４２の開度を調整する。つぎにこの点について説明する。

図１に示す吸気加熱装置１Ａは、複数のセンサからの出力信号を参照して排気切替バルブ４２の開度を調整して、吸気加熱用配管４０側へ流す（バイパスさせる）排気ガスＳＧの量を制御する。本実施例の吸気加熱装置１Ａでは、エンジン１０のクランクシャフトの回転角を検出するクランク角センサ５１、スロットルバルブ６の開度を検出するスロットル開度センサ５２、アクセル５７の開度を検出するアクセル開度センサ５３、スロットルバルブ６より下流の吸気温度を検出する吸気温度センサ５４、エンジン１０の冷却水の水温を検出する水温センサ５５及び触媒８を出た直後の排気ガス温度を検出する触媒温度センサ５６が配置されている。制御手段となる後述の電子制御ユニット（以下、単にＥＣＵと称する）が、上記複数のセンサからの出力信号を確認して排気切替バルブ４２の開度を調整する。

図２は、吸気加熱装置１Ａが備えている排気切替バルブ４２の制御系を示すブロック図である。吸気加熱装置１ＡのＥＣＵ６０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス６２によって互いに接続されたＣＰＵ（マイクロプロセッサ）６１、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）６３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）６４、入力インターフェース部６５および出力インターフェース部６６を含んでいる。前述したクランク角センサ５１、スロットル開度センサ５２、アクセル開度センサ５３、吸気温度センサ５４、水温センサ５５及び触媒温度センサ５６からの出力信号は入力インターフェース部６５を介してＣＰＵ６１に入力される。一方、出力インターフェース部６６は排気切替バルブ４２を駆動するアクチュエータ４３に接続されており、ＣＰＵ６１によって排気切替バルブ４２の開度が制御される。

ＣＰＵ６１は、所定の吸気加熱用のプログラム及びこのプログラム処理に用いるデータをＲＯＭ６４から読出して排気切替バルブ４２の開度を調整する。図３は、ＣＰＵ６１が排気切替バルブ４２の駆動制御を実行するときのルーチン例を示したフローチャートである。ＣＰＵ６１は、例えばイグニッションキーがオンされたときに本ルーチンを起動する。ＣＰＵ６１はクランク角センサ５１から求めたエンジン回転数ＮＥ（rpm）、アクセル開度センサ５３からアクセル開度Ａccp（％）、エンジン回転数ＮＥ（rpm）とアクセル開度Ａccp（％）から算出された燃料噴射量Ｑfin(mm^３/st)を読み込む。また、ＣＰＵ６１は水温センサ５５からエンジン水温thw（℃）、吸気温度センサ５４から吸気温度thia（℃）、触媒温度センサ５６から触媒出口温度thcat（℃）を読み込んでエンジン１０の状態を確認する（Ｓ１０１）。

次に、ＣＰＵ６１は触媒出口温度thcatが吸気温度thiaよりも高くなっており排気ガスＥＧにより吸気加熱を行える状況になっていることを確認して（Ｓ１０２）、熱交換用排気通路２２側に排気ガスＥＧをバイパスさせるための準備状態に入る。そして、ＣＰＵ６１は以下のステップ１０３から１０７で示すように、上記センサ５１〜５６の出力信号からエンジン１０の運転状態を確認して排気切替バルブ４２の最適な開度値を決定して排気切替バルブ４２を駆動する。なお、説明の便宜から全ての排気ガスＥＧが熱交換用排気通路２２側へ流れる（バイパスされる）状態となっているとき、すなわち第２の排気経路へ全排気ガスを流すときの排気切替バルブ４２の開度を１００（％）として説明する。また、このときには第１の排気経路（本来の排気経路）へは排気ガスが流れないので全閉状態とも称する。すなわち、排気切替バルブ４２の開度が１００（％）のときに本来の排気経路が全閉状態となる。

ＣＰＵ６１は、エンジン回転数ＮＥ及び燃料噴射量Ｑfinからエンジン１０の負荷状況に対応した排気切替バルブ４２のベース開度exbase（％）を設定する（Ｓ１０３）。高速回転時及び高負荷時等においては、熱交換用排気通路２２側に過剰な排気ガスを送り込むと吸気が過加熱の状態となり吸気充填効率の低下やスモーク発生の原因となる。スモーク発生を抑制するためにステップ１０３ではエンジン回転数ＮＥ及び燃料噴射量Ｑfinに基づいて、排気切替バルブ４２のベース開度を設定している。ＣＰＵ６１は、図４に例示する排気切替バルブベース開度を定める２次元マップをＲＯＭ６４から読み出す。そして、エンジン回転数ＮＥ及び燃料噴射量Ｑfinから、対応する排気切替バルブ４２のベース開度exbase（％）を読み込む。図４の排気切替バルブベース開度マップは、エンジン回転及び燃料噴射量が小さいときには開度を大きく、これとは逆にエンジン回転及び燃料噴射量が大きいときには開度を小さくするように設定されている。よって、吸気加熱装置１Ａでは高速回転時及び高負荷時等での過剰な吸気加熱を抑制できる。

次のステップ１０４（Ｓ１０４）では、水温センサ５５で検出しているエンジン水温thwに対応して排気切替バルブ４２の開度を補正するための水温補正係数exthwを設定する。冷却水の水温はエンジン１０の状態をよく反映する。冷却水の水温も確認することでより好ましい吸気加熱制御を行える。このステップ１０４を含むことで、低水温側では排気切替バルブ４２の開度を大きくして積極的に吸気温度を上昇させ、これとは逆にエンジン水温が上昇した場合にはスモーク発生を防止するため排気切替バルブ４２の開度を小さくするように制御内容が補正される。例えば、エンジン１０の始動直後から高負荷状態に入ったときなどの様に、一般には吸気加熱が制限されてしまう運転条件でも本ステップ１０４を含むことで必要な暖気が行えるようになる。

ＣＰＵ６１は、図５に例示する排気切替バルブ水温補正係数マップをＲＯＭ６４から読み出して、エンジン水温thwに対応する補正係数exthwを読み込む。図５の補正係数マップは、エンジン水温thwが低いときには開度を大きくする方向へ補正し、逆にエンジン水温が高いときには開度を小さくする方向へ補正するように補正係数exthwが設定されている。

さらに、ＣＰＵ６１は次のステップ１０５（Ｓ１０５）でエンジン回転数ＮＥ及びエンジン水温thwから吸気上限温度α℃を設定する。吸気加熱装置１Ａは、所定のエンジン水温毎に吸気温度の上限基準（クライテリア）を設定することでスモーク排出を抑制する。このように吸気加熱装置１Ａは、吸気温度thiaが吸気上限温度α℃以下であることを条件に吸気加熱を行うという条件も付加することで、スモーク発生を確実に抑止しながら吸気加熱を行うように設計されている。ＣＰＵ６１は、図６に例示する吸気温度の上限を定めた２次元マップをＲＯＭ６４から読み出し、エンジン回転数ＮＥ及び水温thwに基づいて吸気上限温度α℃を読み込む。図６で示す吸気温度上限設定マップによって、所定のエンジン回転数及びエンジン温度に対応する具体的な吸気上限温度α℃が求められる。

よって、ＣＰＵ６１は吸気温度thiaが吸気上限温度α℃より低いことを確認してから（Ｓ１０６）、排気切替バルブ４２を実際に開閉駆動する制御に入る。すなわち、前記ステップ１０３で得たベース開度exbase（％）と、ステップ１０４で得た水温補正係数exthwとの積から最終的なバルブ開度値exfinを演算し（Ｓ１０７）、アクチュエータ４３を駆動して排気切替バルブ４２を最適な開度に調整する（Ｓ１０８）。以上のルーチンをエンジン１０が停止されるまで繰り返すように設定しておくことで（Ｓ１０９）、エンジン１０の状態に応じた最適な吸気加熱を継続して行える。

以上説明した吸気加熱装置１Ａでは、吸気マニホルド２０に形成した熱交換用排気通路２２が隔壁２３を介して吸気供給通路２１と直に接している。そのため排気ガスＳＧが保持する熱を吸気ＴＡ側に効率良く伝達できるので、短時間に吸気温を上昇させて燃焼改善を図ることができる。よって、吸気温度が低い場合に速やかに吸気を暖めることで冷間時の燃焼を安定化できる。また、吸気加熱装置１Ａは触媒８を通過した後の排気ガスＥＧが吸気加熱に利用されるので触媒活性の維持と両立させることができる。

さらに、吸気加熱装置１ＡはＣＰＵ６１によってエンジン１０の状態に応じて排気切替バルブ４２の開度を調整する。例えば、触媒８の活性温度が確保された運転条件やスモーク発生が懸念される運転条件等のように、吸気加熱を抑制する或いは停止するのが好ましい場合には、排気切替バルブ４２の開度を絞り、或いは開度ゼロとする制御が実行される。このように吸気加熱装置１Ａは、効率的な吸気加熱を行える構造を備えると共に、過不足の無い吸気加熱を行うように排気切替バルブ４２を制御するので、ＨＣ排出の抑制及び燃費の改善と共にスモーク排出の抑制を図ることができる。

次に、図７に示した実施例２に係る吸気加熱装置１Ｂについて説明する。なお、実施例１の吸気加熱装置１Ａと同一の部分については同じ符号を付すことで重複する説明を省略する。この吸気加熱装置１Ｂも、実施例１の吸気加熱装置１Ａと同様に、吸気加熱のために吸気加熱用配管４０及び熱交換用排気通路２２を有している。ところで、吸気加熱のために吸気加熱用配管４０側へ排気ガスＥＧが供給されていた後に、吸気加熱を必要とないエンジン運転状態となる場合がある。ＣＰＵ６１は過剰な吸気への加熱を防止するため、排気切替バルブ４２の開度をゼロとする制御を実行する。しかし、排気切替バルブ４２の切替により、排気ガスＳＧが吸気加熱用配管４０や熱交換用排気通路２２内に滞留する。熱交換用排気通路２２内に滞留した排気ガスＳＧは、吸気加熱を必要としないときに不必要な熱を吸気側へ供給することになる。また、排気ガスＳＧが滞留することで断熱空間が形成されるので、吸気温度を低下させることが困難となる。そこで、吸気加熱を行う必要が無いときに排気ガスＳＧを熱交換用排気通路２２内から掃気できる構造を追加したのが実施例２の吸気加熱装置１Ｂである。

図７を参照して実施例２に係る吸気加熱装置１Ｂについて説明する。ここでは、前述した吸気加熱装置１Ａに付加された構成について説明する。吸気加熱装置１Ｂは、スロットルバルブ６よりも上流の吸気通路２と熱交換用排気通路２２とを接続する掃気用通路７０を備えている。そして、この掃気用通路７０と熱交換用排気通路２２との接続位置に、掃気用通路７０を開閉する吸気導入バルブ７５が設置されている。この吸気導入バルブ７５はアクチュエータ７６によって駆動され、掃気用通路７０と熱交換用排気通路２２とが連通した状態と掃気用通路７０を閉じた状態とを形成する。なお、吸気導入バルブ７５の設置位置は掃気用通路７０と熱交換用排気通路２２との接続位置が好ましいが、吸気通路２と掃気用通路７０との接続位置や掃気用通路７０内でもよい。

熱交換用排気通路２２内に不必要な排気ガスＳＧが滞留したときに、吸気導入バルブ７５を開として吸気ＴＡを熱交換用排気通路２２内に導入すると共に排気切替バルブ４２を開とすることで滞留していた排気ガスＳＧを送り側の吸気加熱用配管４０を逆流させて排気管９へ押し戻すようにして排出できる。

ところで、通常運転時において吸気を掃気用通路７０に導入して滞留した排気ガスＳＧの掃気を行うと、過給圧が低下して排気エミッションのスモーク悪化を招くことが想定される。そこで、上記の掃気操作はエンジン１０の燃焼に影響を与えない条件で実施することが好ましい。例えば、減速時などでアクセル５７がオフとされた燃料カット時に掃気操作を行うことが好ましい。吸気加熱装置１Ｂでは、アクセル開度センサ５３の出力からアクセル５７の開度（踏み込み量）を確認する。なお、スロットルバルブ６はアクチュエータ７９によって駆動される。

図８は、吸気加熱装置１Ｂの制御系を示したブロック図である。この図８でも実施例１の吸気加熱装置１Ａと同一の部分には同じ符号を付している。吸気加熱装置１Ｂの出力インターフェース部６６には排気切替バルブ４２を駆動するアクチュエータ４３、吸気導入バルブ７５を駆動するアクチュエータ７６及びスロットルバルブ６を駆動するアクチュエータ７９が接続されている。ＣＰＵ６１はアクセル開度センサ５３の出力信号に基づいて、排気切替バルブ４２の開度、吸気導入バルブ７５及びスロットルバルブ６の開閉制御を行う。

図９は、ＣＰＵ６１が排気ガスを掃気するときに実行するルーチン例を示したフローチャートである。ＣＰＵ６１は、例えば排気切替バルブ４２が駆動されたときに本ルーチンを起動する。そして、排気切替バルブ４２が駆動後に開度ゼロとなり（Ｓ２０１）、更に所定時間が経過したかを確認する（Ｓ２０２）。ＣＰＵ６１は、この２つのステップから吸気加熱を行った後に、吸気加熱が不要な状態に入ったと推定する。このステップ２０２の所定時間は滞留した排気ガスＳＧが保持している熱が吸気側に影響を及ぼさない時間の範囲で任意に定めればよい。

次にＣＰＵ６１は、次のステップでアクセル開度センサ５３の出力信号からアクセル５７が所定時間以上閉じているか、否かを確認する（Ｓ２０３）。所定時間以上アクセルの踏み込みが無いときには燃料カット状態にあるとして掃気操作を実行する（Ｓ２０４）。このステップ２０４でＣＰＵ６１は、スロットルバルブ６を強制的に閉じると共に、吸気導入バルブ７５と排気切替バルブ４２とを開くという制御を所定時間実行し、各バルブへの制御を解除して本ルーチンを終了する。ここでの所定時間は、熱交換用排気通路２２内に滞留した排気ガスＳＧを押し出す量の吸気を供給できる程度の短時間でよい。吸気加熱装置１Ｂは、燃料カット時に限ることでエンジン１０の燃料に悪影響を与えないときに掃気操作を行なう。なお、ここではアクセル開度を用いて燃料カット時を判断しているが、スロットル開度センサ５２等他のセンサからの検出信号を使用して燃料カットを判断するようにしてもよい。

以上説明した実施例２の吸気加熱装置１Ｂは、熱交換用排気通路２２内に滞留した排気ガスＳＧを掃気する構造を更に備えている。よって、吸気加熱装置１Ｂはエンジン１０の状態に応じ吸気加熱の不必要時には、加熱を抑制できるより好ましい吸気加熱装置となる。また、吸気加熱装置１Ｂは燃料カット時に掃気操作を行うので過給圧低下による排気エミッションへの影響が少なく、また滞留した排気ガスを単時間に掃気することで吸気が不必要に加熱されることもない。さらに、減速時等の燃料カット時に掃気操作を行うようにすることで、触媒８を単に通過してしまう吸気の量を低減させて燃料カット時における触媒の温度低下を抑制することもできる。

次に、図１０に示した実施例３に係る吸気加熱装置１Ｃについて説明する。実施例１の吸気加熱装置１Ａと同一の部分については同じ符号を付している。この吸気加熱装置１Ｃも、実施例１、２の吸気加熱装置１Ａ、１Ｂと同様に、吸気加熱のために吸気加熱用配管４０及び熱交換用排気通路２２を有している。ところで、実施例１及び実施例２の吸気加熱装置１Ａ，１Ｂでは、ＥＧＲガスを再循環させるため排気マニホルド１５とスロットルバルブ６より下流の吸気通路２とを接続するようにＥＧＲ通路３１を設置する例を示している。このようにＥＧＲ通路３１を設けてもエンジン１０の燃焼温度を低下させてＮＯｘの発生量を抑制できる。

しかし、排気マニホルド１５から排出される排気ガスＥＧをＥＧＲガスとして利用すると、排気ガスが多量の熱を保持しているのでＥＧＲ用クーラ３２で十分に冷却することが必要である。また、ＥＧＲ用クーラ３２がＥＧＲガスによって汚され、また詰まりを生じ易くなる。

また、触媒８より下流にある排気管９と過給機４のコンプレッサ４ａ上流の吸気通路２とを接続するようにＥＧＲ通路３１を設置することも考えられる。しかし、このようにＥＧＲ通路３１を設置すると、インタークーラ５や吸気通路２に滞留するＥＧＲガスのボリュームが大きくなる。大量のＥＧＲガスを還流している状態から急加速時にその要求トルクに応じて燃料噴射量を直ちに増加するとスモークが発生し易くなるため、燃料噴射量を増量できず加速応答性が劣ることになる。

そこで、実施例２で示した吸気加熱装置１Ｂを更に改善し、上記ＥＧＲガスの循環系についても改善したのが実施例３の吸気加熱装置１Ｃである。この吸気加熱装置１Ｃは吸気加熱が不要であるときに吸気加熱用配管４０からＥＧＲガス（排気ガス）をＥＧＲ通路へ還流するように形成している。特に触媒８を通過した排気ガスを吸気加熱用配管４０からＥＧＲ通路を介してスロットルバルブ６より下流の吸気通路へ還流することで上記したＥＧＲに関する不都合も解消できるように形成されている。

図１０を参照して実施例３に係る吸気加熱装置１Ｃを説明する。吸気加熱装置１Ｃは、熱交換用排気通路２２より上流にある吸気加熱用配管４０の途中と、前記スロットルバルブ６よりも下流の吸気通路２とを接続するように新たにＥＧＲ通路３５を設置している。そして、吸気加熱用配管４０のＥＧＲ通路３５を分岐した部分には、ＥＧＲ通路３５を開閉する排気ガス循環通路切替バルブ８０（以下、ＥＧＲ通路切替バルブ８０と称す）が設置されている。このＥＧＲ通路切替バルブ８０はアクチュエータ８１によって駆動される。ＥＧＲ通路切替バルブ８０によって、吸気加熱用配管４０へ導入されている排気ガスＳＧが、吸気マニホルド２０の熱交換用排気通路２２側又はＥＧＲ通路３５側へ切替えて流される。

なお、ＥＧＲ通路３５へ排気ガスＳＧを流す場合には、ＥＧＲ通路切替バルブ８０を切替えると共に排気切替バルブ４２を開くことになる。その際に、排気切替バルブ４２の開度を絞ることで差圧を発生させて、排気ガスＳＧを吸気通路２側へスムーズに導入できる。

吸気加熱装置１Ｃでは、吸気加熱の必要がないエンジン運転状態のときにＥＧＲ通路切替バルブ８０を切替えて、排気ガスをＥＧＲ通路３５側へ流して還流させる。先に説明した実施例１、２で示すＥＧＲ通路３１の場合と比較して、触媒８より下流の低温の排気ガスを用いるので大量のＥＧＲガスを必要とする場合に有利であり、ＥＧＲ用クーラ３２への負荷を軽減できる。また、触媒８より下流側の排気管９とコンプレッサ４ａより上流の吸気通路２とを接続するＥＧＲ通路を設置する場合と比較して、吸気加熱装置１ＣはＥＧＲガスが滞留するボリュームが少ないので大量にＥＧＲガスを供給している状態から急加速する際の加速応答性に優れる。また、吸気加熱装置１Ｃは触媒８を通過した後の排気ガスを用いるので、過給機４のコンプレッサ４ａ、インタークーラ５及びスロットルバルブ６を通過しないので汚れや詰まりについても改善される。

図１１は、吸気加熱装置１Ｃの制御系を示したブロック図である。この吸気加熱装置１Ｃの出力インターフェース部６６には、排気切替バルブ４２を駆動するアクチュエータ４３、吸気導入バルブ７５を駆動するアクチュエータ７６、スロットルバルブ６を駆動するアクチュエータ７９に加えて更にＥＧＲ通路切替バルブ８０を駆動するアクチュエータ８１が接続されている。ＥＧＲガスの切替に関して、ＣＰＵ６１が排気切替バルブ４２の開度制御及びＥＧＲ通路切替バルブ８０の開閉制御を行う。

図１２は、ＣＰＵ６１が吸気加熱用配管４０に導入された排気ガスＳＧをＥＧＲガスとして使用するときに実行するルーチン例を示したフローチャートである。ＣＰＵ６１は、例えばイグニッションキーがオンされたときに本ルーチンを起動する。ＣＰＵ６１は、吸気温度センサ５４、水温センサ５５及び触媒温度センサ５６それぞれの出力信号から、エンジン水温thw（℃）、吸気温度thia（℃）及び触媒出口温度thcat（℃）を読み込で、エンジン１０が吸気加熱を必要としない運転状態となっていることを確認する（Ｓ３０１）。

ＣＰＵ６１は吸気加熱の必要がないと判断すると、ＥＧＲ通路切替バルブ８０を開とすると共に（Ｓ３０２）、排気切替バルブ４２の開度を絞って開く（Ｓ３０３）。このような操作により吸気加熱用配管４０内の排気ガスＳＧがＥＧＲガスとして利用される。以上のルーチンはエンジンが停止されるまで繰り返される（Ｓ３０４）。

以上説明した実施例３の吸気加熱装置１Ｃは、エンジン１０が吸気加熱を必要としない運転状態にあるときに、吸気加熱用配管４０の途中から排気ガスＳＧをＥＧＲ通路３５側へ流して活用する。吸気加熱装置１Ｃは、吸気加熱用配管４０内の排気ガスを加熱用及びＥＧＲ用として切替使用できるので、さらに効率のよい吸気加熱装置となる。なお、図１０の吸気加熱装置１Ｃは、実施例２の吸気加熱装置１Ｂを更に多機能化した装置として例示したものである。図１に示す実施例１の吸気加熱装置１Ａに本実施例３で説明したＥＧＲ通路３５及びＥＧＲ通路切替バルブ８０を配置してもよい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

内燃機関に適用した実施例１の吸気加熱装置について示した図である。 実施例１の吸気加熱装置が備えているバルブ制御系を示すブロック図である。 ＣＰＵが排気切替バルブの駆動制御を実行するときのルーチン例を示したフローチャートである。 排気切替バルブベース開度を示したマップ例を示す図である。 排気切替バルブ水温補正係数を示したマップ例を示す図である。 吸気温度の上限設定を示したマップ例を示す図である。 実施例２の吸気加熱装置について示した図である。 実施例２の吸気加熱装置が備えているバルブ制御系を示すブロック図である。 ＣＰＵが排気ガスを掃気するときに実行するルーチンを示したフローチャートである。 実施例３の吸気加熱装置について示した図である。 実施例３の吸気加熱装置が備えているバルブ制御系を示すブロック図である。 ＣＰＵが吸気加熱用配管に導入された排気ガスをＥＧＲガスとして使用するとき実行するルーチン例を示したフローチャートである。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 吸気加熱装置
２ 吸気通路
６ スロットルバルブ
８ 触媒
９ 排気管
１０ ディーゼルエンジン
１５ 排気マニホルド
２０ 吸気マニホルド
２２ 熱交換用排気通路
２３ 隔壁
３０ ＥＧＲ装置（排気ガス再循環装置）
３１ ＥＧＲ通路（排気ガス循環通路）
３５ 吸気加熱用配管から分岐したＥＧＲ通路
４０ 吸気加熱用配管
４２ 排気切替バルブ
５４ 吸気温度センサ
５５ 水温センサ
５６ 触媒温度センサ
６０ ＥＣＵ
６１ ＣＰＵ
７０ 掃気用通路
７５ 吸気導入バルブ
８０ ＥＧＲ通路切替バルブ
ＴＡ 吸気
ＥＧ 排気ガス
ＳＧ 吸気加熱用配管へ入った排気ガス

Claims (12)

1. 内燃機関へ吸気を供給する吸気マニホルドに設けた熱交換用排気通路と、
   前記内燃機関から流出する排気ガスを浄化する触媒の下流側に接続された排気管と、
   前記排気管の途中に設けた排気切替バルブと、
   前記排気切替バルブ又は前記触媒と前記排気切替バルブとの間の前記排気管から、前記熱交換用排気通路を経て、前記排気切替バルブよりも下流の前記排気管に接続した吸気加熱用配管とを備えていることを特徴とする内燃機関の吸気加熱装置。
2. 前記排気切替バルブを制御する制御手段を更に備え、該制御手段は前記内燃機関の運転状態に応じて前記排気切替バルブの開度を調整することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気加熱装置。
3. 前記制御手段は、スロットルバルブより下流の吸気温度及び前記触媒の出口温度に基づいて、前記排気切替バルブの開度を調整することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の吸気加熱装置。
4. 前記制御手段は、前記内燃機関の冷却水温度に基づいて、前記排気切替バルブの開度を調整することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の吸気加熱装置。
5. 前記吸気マニホルドへ供給する吸気流の向きと逆向きの排気流が生じるように前記吸気加熱用配管が設置されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気加熱装置。
6. 前記熱交換用排気通路は、前記吸気と混合しないように隔壁で分離されて前記吸気マニホルド内に形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関の吸気加熱装置。
7. 内燃機関へ吸気を供給する吸気マニホルドに設けた熱交換用排気通路と、
   前記内燃機関から流出する排気ガスを浄化する触媒の下流側に接続された排気管と、
   前記排気管の途中に設けた排気切替バルブと、
   前記排気切替バルブ又は前記触媒と前記排気切替バルブとの間の前記排気管から、前記熱交換用排気通路を経て、前記排気切替バルブよりも下流の前記排気管に接続した吸気加熱用配管と、
   スロットルバルブより上流側の吸気通路と前記熱交換用排気通路とを接続する掃気用通路と、
   前記掃気用通路を開閉する吸気導入バルブとを備えていることを特徴とする内燃機関の吸気加熱装置。
8. 前記吸気導入バルブを制御する制御手段を更に備え、該制御手段は前記内燃機関の燃料カット時に前記掃気用通路へ前記吸気を導入することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の吸気加熱装置。
9. 前記制御手段は、アクセルが所定時間以上オフであるときに制御を実行することを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の吸気加熱装置。
10. 前記制御手段は、前記熱交換用排気通路に滞留した排気ガスを押し出すだけの吸気が供給されるように前記吸気導入バルブを開閉することを特徴とする請求項７から９のいずれか一項に記載の内燃機関の吸気加熱装置。
11. 内燃機関へ吸気を供給する吸気マニホルドに設けた熱交換用排気通路と、
    前記内燃機関から流出する排気ガスを浄化する触媒の下流側に接続された排気管と、
    前記排気管の途中に設けた排気切替バルブと、
    前記排気切替バルブ又は前記触媒と前記排気切替バルブとの間の前記排気管から、前記熱交換用排気通路を経て、前記排気切替バルブよりも下流の前記排気管に接続した吸気加熱用配管とを有すると共に、
    排気ガス再循環装置を更に備え、該排ガス再循環装置が前記吸気加熱用配管の途中と、スロットルバルブより下流の吸気通路とを接続する排気ガス循環通路と、
    前記排気ガス循環通路と前記熱交換用排気通路との合流部に設けた排気ガス循環通路切替バルブとを備えたことを特徴とする内燃機関の吸気加熱装置。
12. 前記排気ガス循環通路切替バルブ及び前記排気切替バルブを制御する制御手段を更に備え、該制御手段は吸気加熱の必要がないときに前記排気ガスを前記吸気通路へ還流させることを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関の吸気加熱装置。
    

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