JP2011058437A - Ｅｇｒシステムを備えた内燃機関及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気マニホールド内に空冷式ＥＧＲクーラを備えて、ＥＧＲガスの凝縮水の生成を抑制しながら、適正なＥＧＲガスの温度でＥＧＲすることができるＥＧＲシステムを備えた内燃機関及びその制御方法を提供する。
【解決手段】ＥＧＲガスＡを冷却するためのＥＧＲクーラを、吸気マニホールド１１内に設けたＥＧＲガス冷却管２０ａを備えた空冷式ＥＧＲクーラ２０で形成し、吸入空気Ａを冷却するためのインタークーラ１５をバイパスする第１バイパス通路１６を設け、該第１バイパス通路１６に第１バイパスバルブ１７を設けて構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＥＧＲシステムを備えた内燃機関及びその制御方法に関し、より詳細には、空冷式ＥＧＲクーラを吸気マニホールド内に備えて、ＥＧＲガスの温度を制御できて、ＥＧＲガスの凝縮水の生成を抑制しながら、ＥＧＲガスの温度を適正な温度に調整できるＥＧＲシステムを備えた内燃機関及びその制御方法に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関においては、ＥＧＲ通路にＥＧＲクーラを装着して、高ＥＧＲ率でＥＧＲを行うことにより、効果的にＮＯｘを低減できることが知られている。近年、更なる低ＮＯｘ化を図るため、ＥＧＲクーラの冷却性能の向上が望まれているために、ＥＧＲクーラに冷却効率が高い水冷式ＥＧＲクーラが用いられてきている。

図８に、この水冷式ＥＧＲクーラ２０Ｘを用いたＥＧＲシステムを備えた内燃機関１Ｘを示す。この例では水冷式ＥＧＲクーラ２０Ｘをバイパスするバイパス通路２２と、バイパスさせるか否かを操作するバイパスバルブ２３とが設けられている。

しかしながら、この水冷式ＥＧＲクーラを用いた場合に、内燃機関が冷間時にある場合は、ＥＧＲガスが水冷式ＥＧＲクーラで過冷却されることで、シリンダ内の燃焼温度が低下し、ＨＣ，ＣＯの排出量が増加するという問題だけではなく、ＥＧＲクーラ内でＥＧＲガスの温度が露点以下になってＥＧＲガス中の水分が凝縮（液化）して凝縮水が生じるという問題がある。この凝縮水が生じると、煤がラッカー状に堆積し、ＥＧＲクーラが閉塞するという問題に発展する。

そのため、一部の内燃機関では、冷気によるＥＧＲ（ＣＯＯＬ−ＥＧＲ）だけではなく、暖気によるＥＧＲ（ＨＯＴ−ＥＧＲ）を行うべく、ＥＧＲクーラをバイパスするバイパス通路を設けると共に、ＥＧＲクーラのガス入口にバイパスバルブを設けて、ＥＧＲガスをＥＧＲクーラを通さずにバイパスさせて、暖気によるＥＧＲを行うことができるバイパスバルブ付水冷式ＥＧＲクーラが実用化されている。

しかしながら、このバイパスバルブ付水冷式ＥＧＲクーラにおいては、内燃機関の冷間時では、ＥＧＲクーラのバイパスバルブを開弁操作してＥＧＲガスをバイパスさせているが、ＥＧＲクーラの冷却性能（温度効率）を向上させるほど凝縮水が発生し易くなるという問題がある。また、この問題を回避するため、内燃機関の広い運転領域において暖気によるＥＧＲを行う場合には、ＥＧＲガスを十分に冷却できないという問題が生じる。

これに関連して、ＥＧＲ通路に水冷式ＥＧＲクーラと空冷式ＥＧＲクーラを設けて、ＥＧＲガスを、水冷式ＥＧＲクーラでエンジン冷却水を使用して冷却すると共に、空冷式ＥＧＲクーラで吸入空気を使用して冷却する内燃機関のＥＧＲシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

このＥＧＲシステムでは、ターボ過給機のコンプレッサの上流側の吸気通路にバイパス通路を設け、このバイパス通路に空冷式ＥＧＲクーラを配置し、コンプレッサの下流側の空気温度が予め設定された所定温度を超えたときにバイパス通路に設けた流量調整バルブで吸入空気量を減少して、コンプレッサに入る吸入空気の温度が高温になるのを防いで、高温の吸入空気によるコンプレッサの破損を防止している。

特開２００６−２０７４６７号公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、吸気マニホールド内に空冷式ＥＧＲクーラを備えて、ＥＧＲガスの凝縮水の生成を抑制しながら、適正なＥＧＲガスの温度でＥＧＲすることができるＥＧＲシステムを備えた内燃機関及びその制御方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明のＥＧＲシステムを備えた内燃機関は、ＥＧＲシステムを備えた内燃機関において、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラを、吸気マニホールド内に設けたＥＧＲガス冷却管を備えた空冷式ＥＧＲクーラで形成し、吸入空気を冷却するためのインタークーラをバイパスする第１バイパス通路を設け、該第１バイパス通路に第１バイパスバルブを設けて構成される。

この構成によれば、ＥＧＲクーラを空冷式ＥＧＲクーラで形成しているので、ＥＧＲガスの過冷却によるＥＧＲガス中の水分の凝縮を抑制することができる。更に、エンジン冷間時には、第１バイパスバルブを開いて、吸入空気（新気）をインタークーラで冷却せず、空冷式ＥＧＲに送り、暖かい吸入空気でＥＧＲガスを冷却することにより、ＥＧＲの過冷却を抑制することができる。また、エンジン温間時には、第１バイパスバルブを閉じて、インタークーラで冷却された吸入空気でＥＧＲガスを冷却でき、シリンダでの吸気効率を高めることができる。

上記のＥＧＲシステムを備えた内燃機関において、前記空冷式ＥＧＲクーラをバイパスする第２バイパス通路を設け、該第２バイパス通路に第２バイパスバルブを設けて構成すると、ＥＧＲガスを空冷式ＥＧＲクーラで冷却することを回避できるので、ＥＧＲガスが過冷却されることを回避でき、ＥＧＲガス中の水分の凝縮を防止できる。

上記のＥＧＲシステムを備えた内燃機関において、前記ＥＧＲガス冷却管に当たる、吸入空気の量、又は、吸入空気とＥＧＲガスとの混合ガスの量を調整する冷却風量調整手段を設けて構成すると、次のような効果を得ることができる。

つまり、エンジン冷間時において、内燃機関の低速運転領域では、冷却風量調整手段により、ＥＧＲガス冷却管に当たる、吸入空気又は混合ガスの量を減少して、ＥＧＲガス冷却管からの放熱量を減少させることができ、また、エンジン温間時において、内燃機関の高速運転領域では、冷却風量調整手段により、ＥＧＲガス冷却管に当たる吸入空気又は混合ガスの量を増加して、ＥＧＲガス冷却管からの放熱量を増加させることができる。そのため、ＥＧＲガス中の水分の凝縮を抑制しながら、内燃機関の運転条件に適したＥＧＲガスの温度で、ＥＧＲを行うことができる。

この冷却風量調整手段は、例えば、吸気マニホールドの入口部分で、且つ、ＥＧＲガス冷却管の上流側に設けた整流バルブ（整流フィン）で形成することができる。

なお、第１バイパスバルブ、第２バイパスバルブ及び冷却風量調整手段は、内燃機関の運転条件（エンジン回転速度、吸気温度、排気温度、冷却水温度、負荷、燃料噴射量）等に応じて弁開度及び冷却風量を制御するように構成する。また、ＥＧＲガス冷却管にフィンを設ける等してＥＧＲガス冷却管の放熱効果を高めることが好ましい。また、ＥＧＲガス冷却管の高温側を、吸気マニホールドの混合ガスの入口側に配置することにより、より冷却効果を増すように構成することが好ましい。

上記のＥＧＲシステムを備えた内燃機関において、エンジン冷間時の場合には前記第１バイパスバルブを開弁し、その他の場合には前記第１バイパスバルブを閉じるように制御すると、この第１バイパスバルブの制御により、エンジン冷間時には、第１バイパスバルブを開いて、吸入空気（新気）をインタークーラで冷却せず、空冷式ＥＧＲクーラに送り、暖かい吸入空気でＥＧＲガスを冷却することにより、ＥＧＲガスの過冷却を抑制することができる。また、エンジン温間時には、第１バイパスバルブを閉じて、インタークーラで冷却された吸入空気でＥＧＲガスを冷却でき、シリンダでの吸気効率を高めることができる。

また、上記のＥＧＲシステムを備えた内燃機関において、エンジン冷間時の場合には前記第１バイパスバルブと前記第２バイパスバルブを開弁し、その他の場合には前記第１バイパスバルブと前記第２バイパスバルブを閉じるように制御すると、この第１及び第２バイパスバルブの制御により、エンジン冷間時には、第１及び第２バイパスバルブを開いて、吸入空気（新気）をインタークーラで冷却せず、空冷式ＥＧＲクーラに送ると共に、ＥＧＲガスを空冷式ＥＧＲクーラをバイパスさせて冷却せずに、吸気マニホールドに供給して、ＥＧＲガスの過冷却を抑制することができる。また、エンジン温間時には、第１バイパスバルブを閉じて、インタークーラで冷却された吸入空気でＥＧＲガスを冷却でき、また、第２バイパスバルブを閉じてＥＧＲガスを空冷式ＥＧＲクーラで冷却できるので、シリンダでの吸気効率を高めることができる。

更に、上記のＥＧＲシステムを備えた内燃機関において、エンジン冷間時の内燃機関の低速運転領域では、前記風量調整手段を、前記ＥＧＲガス冷却管に当たる吸入空気又は混合ガスの量を減少して、前記ＥＧＲガス冷却管からの放熱量を減少させるように制御すると共に、エンジン温間時の内燃機関の高速運転領域では、前記ＥＧＲガス冷却管に当たる吸入空気又は混合ガスの量を増加して、ＥＧＲガス冷却管からの放熱量を増加させるように制御すると、この冷却風量調整手段の制御により、ＥＧＲガス中の水分の凝縮を抑制しながら、内燃機関の運転条件に適したＥＧＲガスの温度で、ＥＧＲを行うことができる。

本発明に係るＥＧＲシステムを備えた内燃機関及びその制御方法によれば、空冷式ＥＧＲクーラのクーラ部を吸気マニホールド内に設け、バイパス付インタークーラと組合せてＥＧＲガスの温度を制御することにより、ＥＧＲガスの凝縮水の生成を抑制しながら、内燃機関の運転条件に適したＥＧＲガスの温度でＥＧＲを行うことができる。

本発明に係る実施の形態のＥＧＲシステムを備えた内燃機関の構成を示した図である。 本発明に係る実施の形態のＥＧＲシステムを備えた内燃機関の空冷式ＥＧＲクーラの構成を示した図である。 風量調整手段の整流バルブの平面図である。 図３の側面図である。 風量調整手段を、ＥＧＲガス冷却管に当たる吸入空気又は混合ガスの量を減少する方向にした場合を示した図である。 風量調整手段を、ＥＧＲガス冷却管に当たる吸入空気又は混合ガスの量を増加する方向にした場合を示した図である。 内燃機関の運転状態と、ＥＧＲバルブ、ＥＧＲクーラの第２バイパスバルブ、吸気マニホールド内整流バルブ、インタークーラの第１バイパスバルブの各バルブの開閉状態の関係を示した図である。 従来技術の水冷式ＥＧＲクーラを装着したＥＧＲシステムを備えた内燃機関の構成を示した図である。

以下、本発明に係る実施の形態のＥＧＲシステムを備えた内燃機関について、図面を参照しながら説明する。

図１及び図２に示すように、本発明に係る実施の形態のＥＧＲシステムを備えた内燃機関１は、エンジン本体１０に吸気マニホールド１１と排気マニホールド１２が設けられ、この吸気マニホールド１１には、吸入空気ＡとＥＧＲガスＧｅが流れる吸気通路１３が接続されている。また、排気マニホールド１２には排気ガスＧが流れる排気通路１８が接続されている。

吸気通路１３には、上流側から、エアクリーナ（図示しない）、吸気空気量センサ（図示しない）、吸気絞り弁（図示しない）、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４ａ、インタークーラ１５等が設けられている。また、排気通路１８には、上流側からターボチャージャ１４のタービン１４ｂ、排気ガス処理装置（図示しない）、消音装置（図示しない）等が設けられている。更に、排気マニホールド１２と、インタークーラ１５と吸気マニホールド１１の間の吸気通路１３とを接続するＥＧＲ通路１９が設けられている。なお、タービン１４ｂには、ウェストゲートバルブ１４ｂｃが設けられている。

本発明においては、吸気通路１３において、吸入空気（新気）Ａをインタークーラ１５を迂回させて流す第１バイパス通路１６を設け、この第１バイパス通路１６に第１バイパスバルブ１７を設ける。この第１バイパスバルブ１７を開閉及び弁開度を調整することにより、インタークーラ１５を通過する吸入空気Ａの量を調整できるので、吸入空気Ａの冷却量、及び、吸入空気Ａの温度を調整できる。

それと共に、図２に示すように、ＥＧＲ通路１９に設けるＥＧＲクーラを、吸気マニホールド１１内に設けたＥＧＲガス冷却管２０ａを備えた空冷式ＥＧＲクーラ２０で形成する。また、このＥＧＲガスＧｅを空冷式ＥＧＲクーラ２０を迂回させて流す第２バイパス通路２２を設け、この第２バイパス通路２２に第２バイパスバルブ２３を設ける。

この空冷式ＥＧＲクーラ２０は、ＥＧＲガス冷却管２０ａと、このＥＧＲガス冷却管２０ａに接続しその周囲に配置されるフィン２０ｂと、冷却風量調整手段で構成する。なお、ＥＧＲガス冷却管の高温側を、吸気マニホールドの混合ガスの入口側に配置することにより、より冷却効果を増すことが出来るので、このように構成することが好ましい。

この冷却風量調整手段を、吸気マニホールド１１の入口部分で、且つ、ＥＧＲガス冷却管２０ａの吸入空気Ａ又は混合ガス（吸入空気ＡとＥＧＲガスＧｅ）Ａ＋Ｇｅに関して上流側に設けた整流バルブ（整流フィン）２０ｃで形成する。

この整流バルブ（整流フィン）２０ｃで流れを制御された吸入空気Ａ又は混合ガスＡ＋Ｇｅが、ＥＧＲガス冷却管２０ａとフィン２０ｂに当たることにより、ＥＧＲガス冷却管２０ａの内部を流れるＥＧＲガスＧｅの熱が吸入空気Ａ又は混合ガスＡ＋Ｇｅに伝達される。言い換えれば、ＥＧＲガス冷却管２０ａからＥＧＲガスＧｅの熱が吸入空気Ａ又は混合ガスＡ＋Ｇｅに放熱される。

図３及び図４に示すように、この整流バルブ２０ｃは、電動モータ等のアクチュエータ２０ｃａに接続された回転軸２０ｃｂ回りに回動する平板状の弁体２０ｃｃを有して形成される。図５に示すように、風量調整手段の弁体２０ｃｃを閉方向に回動させると、ＥＧＲガス冷却管２０ａに当たる吸入空気Ａ又は混合ガスＡ＋Ｇｅの量を減少させ、図６に示すように弁体２０ｃｃを開方向（閉方向と逆の方向）回動させると、ＥＧＲガス冷却管２０ａに当たる吸入空気Ａ又は混合ガスＡ＋Ｇｅの量を増加させるように構成する。

この構成により、アクチュエータ２０ｃａの回動を制御することにより、ＥＧＲガス冷却管２０ａに当たる吸入空気Ａ又は混合ガスＡ＋Ｇｅの量を増減させることができ、ＥＧＲガスＧｅの温度を調整できるようになる。なお、吸入空気Ａ又は混合ガスＡ＋Ｇｅは、ＥＧＲガス冷却管２０ａの外部を通過した後、シリンダヘッド１０ａに設けられた吸気通路に入る。

次に、上記の内燃機関１における制御方法について説明する。図１及び図２に示すように、この内燃機関１のＥＧＲシステムでは、ＥＧＲバルブ２１、ＥＧＲクーラ２０の第２バイパスバルブ２３、吸気マニホールド１１内の整流バルブ２０ｃ、インタークーラ１５の第１バイパスバルブ１７を、開弁及び閉弁制御する。この制御では、図７に示すように、内燃機関の運転状態によって、即ち、エンジン冷間時のエンジン回転数の低速、中速、高速と、エンジン温間時のエンジン回転数の低速、中速、高速の運転状態によって、開閉状態を使い分ける。

つまり、内燃機関１のエンジン冷間時の場合には、ＥＧＲバルブ２１を開いてＥＧＲを行うと共に、ＥＧＲクーラ２０の第２バイパスバルブ２３を開弁してＥＧＲガスＧｅの冷却を避ける。また、インタークーラ１５の第１バイパスバルブ１７を開弁し、冷却されない吸入空気Ａを吸気マニホールド１１内に流す。これによりＥＧＲガスＧｅの過冷却を防止し、ＥＧＲガスＧｅ中の水分が凝縮するのを防止する。

また、このエンジン冷間時の低速運転領域では、吸気マニホールド１１内の整流バルブ２０ｃを閉弁して、ＥＧＲガス冷却管２０ａに当たる吸入空気Ａ又は混合ガスＡ＋Ｇｅの量を減少させる。これにより、ＥＧＲガスＧｅの冷却量を少なくする。次に、中速運転領域では、整流バルブ２０ｃを弁開度の調整により、ＥＧＲガス冷却管２０ａに当たる吸入空気Ａ又は混合ガスＡ＋Ｇｅの量を調整する。これにより、ＥＧＲガスＧｅの冷却量を調整し、適切なＥＧＲガス温度にする。更に、高速運転領域では、整流バルブ２０ｃを開弁して、ＥＧＲガス冷却管２０ａに当たる吸入空気Ａ又は混合ガスＡ＋Ｇｅの量を増加させる。これにより、ＥＧＲガスＧｅの冷却量を増加し、適切なＥＧＲガス温度にする。

また、内燃機関１のエンジン温間時の場合には、ＥＧＲバルブ２１を開いてＥＧＲを行うと共に、ＥＧＲクーラ２０の第２バイパスバルブ２３を閉弁して、ＥＧＲガスＧｅを空冷式ＥＧＲクーラ２０で冷却する。また、インタークーラ１５の第１バイパスバルブ１７を閉弁し、冷却された吸入空気Ａを吸気マニホールド１１内に流し、空冷式ＥＧＲクーラ２０の冷却能力を増加する。これによりＥＧＲガスＧｅの温度を適正なＥＧＲガス温度に低下させる。

また、このエンジン温間時の低速運転領域では、吸気マニホールド１１内の整流バルブ２０ｃを閉弁して、ＥＧＲガス冷却管２０ａに当たる吸入空気Ａ又は混合ガスＡ＋Ｇｅの量を減少させる。これにより、ＥＧＲガスＧｅの冷却量を少なくする。次に、中速運転領域では、整流バルブ２０ｃを弁開度の調整により、ＥＧＲガス冷却管２０ａに当たる吸入空気Ａ又は混合ガスＡ＋Ｇｅの量を調整する。これにより、ＥＧＲガスＧｅの冷却量を調整し、適切なＥＧＲガス温度にする。更に、高速運転領域では、整流バルブ２０ｃを開弁して、ＥＧＲガス冷却管２０ａに当たる吸入空気Ａ又は混合ガスＡ＋Ｇｅの量を増加させる。これにより、ＥＧＲガスＧｅの冷却量を増加し、適切なＥＧＲガス温度にする。

上記の各バルブ１７、２０ｃ、２１、２３の制御により、内燃機関１の冷間時と温間時の両方で効果的にＥＧＲガスＧｅの温度を制御することができる。

従って、上記の構成のＥＧＲシステムを備えた内燃機関及びその制御方法によれば、空冷式ＥＧＲクーラ２０のクーラ部であるＥＧＲガス冷却管２０ａを吸気マニホールド１１内に設け、第１バイパス通路１６付きのインタークーラ１５と組合せてＥＧＲガスＧｅの温度を制御することにより、ＥＧＲガスＧｅの凝縮水の生成を抑制しながら、内燃機関１の運転条件に適したＥＧＲガスＧｅの温度でＥＧＲを行うことができる。

本発明のＥＧＲシステムを備えた内燃機関及びその制御方法によれば、空冷式ＥＧＲクーラのＥＧＲガス冷却管を吸気マニホールド内に設け、バイパス通路付きのインタークーラと組合せてＥＧＲガスの温度を制御することにより、ＥＧＲガスの凝縮水の生成を抑制しながら、内燃機関の運転条件に適したＥＧＲガスの温度でＥＧＲを行うことができるので、自動車搭載の内燃機関などに利用することができる。

１ 内燃機関（エンジン）
１１ 吸気マニホールド
１３ 吸気通路
１５ インタークーラ
１６ 第１バイパス通路
１７ 第１バイパスバルブ
１８ 排気通路
１９ ＥＧＲ通路
２０ 空冷式ＥＧＲクーラ
２０ａ ＥＧＲガス冷却管
２０ｂ フィン
２０ｃ 整流バルブ
２１ ＥＧＲバルブ
２２ 第２バイパス通路
２３ 第２バイパスバルブ
Ａ 吸入空気
Ａ＋Ｇｅ 混合ガス
Ｇ 排気ガス
Ｇｅ ＥＧＲガス

Claims (6)

1. ＥＧＲシステムを備えた内燃機関において、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラを、吸気マニホールド内に設けたＥＧＲガス冷却管を備えた空冷式ＥＧＲクーラで形成し、吸入空気を冷却するためのインタークーラをバイパスする第１バイパス通路を設け、該第１バイパス通路に第１バイパスバルブを設けたことを特徴とするＥＧＲシステムを備えた内燃機関。
2. 前記空冷式ＥＧＲクーラをバイパスする第２バイパス通路を設け、該第２バイパス通路に第２バイパスバルブを設けたことを特徴とする請求項１記載のＥＧＲシステムを備えた内燃機関。
3. 前記ＥＧＲガス冷却管に当たる、吸入空気の量、又は、吸入空気とＥＧＲガスとの混合ガスの量を調整する冷却風量調整手段を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のＥＧＲシステムを備えた内燃機関。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のＥＧＲシステムを備えた内燃機関において、エンジン冷間時の場合には前記第１バイパスバルブを開弁し、その他の場合には前記第１バイパスバルブを閉じることを特徴とするＥＧＲシステムを備えた内燃機関の制御方法。
5. 請求項２又は３のいずれか１項に記載のＥＧＲシステムを備えた内燃機関において、エンジン冷間時の場合には前記第１バイパスバルブと前記第２バイパスバルブを開弁し、その他の場合には前記第１バイパスバルブと前記第２バイパスバルブを閉じることを特徴とするＥＧＲシステムを備えた内燃機関の制御方法。
6. 請求項３に記載のＥＧＲシステムを備えた内燃機関において、エンジン冷間時の内燃機関の低速運転領域では、前記風量調整手段を、前記ＥＧＲガス冷却管に当たる吸入空気又は混合ガスの量を減少して、前記ＥＧＲガス冷却管からの放熱量を減少させるように制御すると共に、エンジン温間時の内燃機関の高速運転領域では、前記ＥＧＲガス冷却管に当たる吸入空気又は混合ガスの量を増加して、ＥＧＲガス冷却管からの放熱量を増加させるように制御することを特徴とするＥＧＲシステムを備えた内燃機関の制御方法。

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