JP2020076369A - Ｅｇｒクーラの温度調節装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部環境に対応した適切なＥＧＲクーラの温度調節を可能とする。【解決手段】ＥＧＲクーラ１４の温度調節制御に際して制御回路２９は、ＥＧＲクーラ１４の内壁温度が既定の凝縮判定値以下であることを条件に排気熱回収器１７からＥＧＲクーラ１４への冷却水の供給を実施する。さらに制御回路２９は、車両の走行速度が既定の走行判定値よりも高く、且つ外気温度が既定の低温判定値よりも低い場合には、このときの排気熱回収器１７からＥＧＲクーラ１４に供給する冷却水の流量を、そうでない場合よりも多くしている。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの排気熱を利用してＥＧＲクーラの温度を調節するＥＧＲクーラの温度調節装置に関する。

排気の一部を吸気中に再循環する排気再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）システムを備えるエンジンでは、高温のＥＧＲガスの導入により吸気が熱膨張して、吸気の充填効率が低下することがある。ＥＧＲシステムに、排気通路から吸気通路へとＥＧＲガスを導くためのＥＧＲ通路に、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラを設置することがある。ＥＧＲクーラは、エンジンの冷却水とＥＧＲガスとの間で熱交換を行う熱交換器として構成されている。

低温環境下でのエンジンの冷間始動直後などのＥＧＲクーラの内壁の温度が低い状態では、ＥＧＲクーラ内での冷却により、ＥＧＲガス中の水蒸気が凝縮することがある。ＥＧＲクーラ内に凝縮水が発生すると、ＥＧＲガス中の煤が凝縮水に溶け込むようになる。そして、その後の水分の蒸発により、粘性の高いデポジットが形成されて、ＥＧＲ通路の目詰まりを起こすことがある。また、凝縮水がＥＧＲクーラやＥＧＲ通路等の金属部品の腐食を生じさせる虞もある。

そこで従来、特許文献１に見られるような、エンジンの排気熱を利用してＥＧＲクーラの温度を調節するＥＧＲクーラの温度調節装置が提案されている。特許文献１に記載の温度調節装置は、エンジンの排気と冷却水との間で熱交換を行う排気熱回収器を備えている。そして、エンジン通過後の冷却水の温度（エンジン出口水温）が既定温度まで上昇するまでは、排気熱回収器において排気の熱を受けて温められた冷却水（以下、温水と記載する）をＥＧＲクーラに供給している。

特開２００９−１３８５５８号公報

ところで、ＥＧＲクーラの内壁温度の変化量は、ＥＧＲクーラを通過する冷却水からの受熱と、外気への放熱と、の熱収支により決まる。そして、ＥＧＲクーラの外気への放熱量は、外気温やＥＧＲクーラに当たる走行風の強さなどの外部環境の状況により変化する。そのため、排気熱回収器からの温水供給をエンジン出口水温に基づいて行うだけでは、凝縮水の発生を十分に抑え切れない。

上記課題を解決する温度調節装置は、車両に搭載されたエンジンのＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスと同エンジンの冷却水との間で熱交換を行うＥＧＲクーラに適用されている。そして、同温度調節装置は、エンジンの排気と前記冷却水との間で熱交換を行う排気熱回収器と、排気熱回収器からＥＧＲクーラに供給する冷却水の流量である温水流量を調節する流量調節機構と、ＥＧＲクーラの内壁温度が既定の凝縮判定値以下であることを条件に排気熱回収器からＥＧＲクーラへの冷却水の供給を実施する制御回路と、を備えている。

ＥＧＲクーラの内壁が低温である場合に、排気熱回収器において排気の熱を受けて温められた冷却水をＥＧＲクーラに供給すれば、ＥＧＲクーラの内壁が温められて凝縮水が発生し難くなる。ただし、このときのＥＧＲクーラに、低温の外気が走行風として吹き付けられていると、外気によるＥＧＲクーラからの熱の持ち去りが多くなるため、ＥＧＲクーラの内壁を十分に温められないことがある。その点、上記温度調節装置における制御回路は、車両の走行速度が既定の走行判定値よりも高く、且つ外気温度が既定の低気温判定値よりも低い場合には、そうでない場合よりも、排気熱回収器からＥＧＲクーラへの冷却水の供給を実施する際の上記温水流量が多くなるように流量調節機構を制御している。そのため、外気がＥＧＲクーラから持ち去る熱量の変化に対応しての適切なＥＧＲクーラの温度調節が可能となる。

ＥＧＲクーラの温度調節装置の一実施形態の構成を模式的に示す図。 同温度調節装置に設けられた制御回路が実行する温度調節制御ルーチンのフローチャート。 エンジンの出口水温及びＥＧＲクーラの内壁温度の少なくとも一方が凝縮限界温度以下の場合の同温度調節装置の制御態様を示す図。 エンジンの出口水温及びＥＧＲクーラの内壁温度が双方共に凝縮限界温度を超えている場合の同温度調節装置の制御態様を示す図。

以下、ＥＧＲクーラの温度調節装置の一実施形態を、図１〜図４を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、温度調節装置の適用対象であるＥＧＲクーラ１４は、エンジン１０の吸気通路１１と排気通路１２とを繋ぐＥＧＲ通路１３に設置されている。ＥＧＲ通路１３におけるＥＧＲクーラ１４よりも吸気通路１１側の部分には、ＥＧＲ通路１３を通って吸気通路１１に再循環される排気（以下、ＥＧＲガスと記載する）の流量を調節するためのＥＧＲバルブ１５が設けられている。ＥＧＲクーラ１４は、エンジン１０の冷却水とＥＧＲガスとの間で熱交換を行う熱交換器として構成されている。さらに、排気通路１２におけるＥＧＲ通路１３の接続位置よりも下流側の部分には、排気熱回収器１７が設置されている。排気熱回収器１７は、エンジン１０の冷却水と排気との間で熱交換を行う熱交換器として構成されている。

エンジン１０には、機械式ウォータポンプ１８が設けられている。機械式ウォータポンプ１８は、エンジン１０の動力を受けて動作して、同エンジン１０の内部に形成されたウォータジャケット１６に向けて冷却水を吐出する。ウォータジャケット１６の冷却水流出口であるウォータアウトレット１９には、ラジエータ２１が設けられたラジエータ水路２０と、上述のＥＧＲクーラ１４が設けられたデバイス水路２２と、の２つの水路が接続されている。ラジエータ水路２０及びデバイス水路２２の下流側はそれぞれ、サーモ−スタット２３を介して機械式ウォータポンプ１８の冷却水吸入口に接続されている。サーモスタット２３は、デバイス水路２２から機械式ウォータポンプ１８への冷却水の流れを常時許容する。一方、サーモスタット２３は、デバイス水路２２から流入する冷却水の温度が既定のサーモスタット開温度未満の場合には、ラジエータ水路２０から機械式ウォータポンプ１８への冷却水の流れを遮断している。そして、サーモ−スタット２３は、上記冷却水の温度がサーモスタット開温度以上となると、ラジエータ水路２０から機械式ウォータポンプ１８への冷却水の流れを開放する。

デバイス水路２２におけるＥＧＲクーラ１４よりも上流側の部分には、第１切換弁２６が設けられている。また、デバイス水路２２におけるＥＧＲクーラ１４よりも下流側の部分には、第２切換弁２７が設けられている。本実施形態の温度調節装置には、第１切換弁２６と第２切換弁２７とを繋ぐ短絡水路２５が設けられている。短絡水路２５には、上述の排気熱回収器１７が設置されている。また、短絡水路２５における排気熱回収器１７よりも第１切換弁２６に近い部分には、電動ウォータポンプ２８が設置されている。電動ウォータポンプ２８は、給電に応じて動作して、排気熱回収器１７側から第１切換弁２６側に向けて冷却水を吐出する。

なお、以下の説明では、デバイス水路２２における第１切換弁２６よりも上流側の部分を同デバイス水路２２の上流部２２Ａと記載する。また、デバイス水路２２における第２切換弁２７よりも下流側の部分を同デバイス水路２２の下流部２２Ｃと記載する。そして、デバイス水路２２においてＥＧＲクーラ１４が設置された、第１切換弁２６と第２切換弁２７との間の部分を、同デバイス水路２２の中流部２２Ｂと記載する。

第１切換弁２６及び第２切換弁２７はそれぞれ、駆動信号ＥＶ１、ＥＶ２に応じて動作する電磁弁として構成されている。駆動信号ＥＶ１がオンであるときの第１切換弁２６は、デバイス水路２２の中流部２２Ｂに対して、同デバイス水路２２の上流部２２Ａを接続する一方で短絡水路２５を切断した状態とする。また、駆動信号ＥＶ１がオフであるときの第１切換弁２６は、デバイス水路２２の中流部２２Ｂに対して、短絡水路２５を接続する一方で同デバイス水路２２の上流部２２Ａを切断した状態とする。これに対して、駆動信号ＥＶ２がオンであるときの第２切換弁２７は、デバイス水路２２の中流部２２Ｂに対して、同デバイス水路２２の下流部２２Ｃを接続する一方で短絡水路２５を切断した状態とする。また、駆動信号ＥＶ２がオフであるときの第２切換弁２７は、デバイス水路２２の中流部２２Ｂに対して、短絡水路２５を接続する一方で同デバイス水路２２の下流部２２Ｃを切断した状態とする。

さらに本実施形態の温度調節装置は、第１切換弁２６、第２切換弁２７、及び電動ウォータポンプ２８を制御する制御回路２９を備えている。制御回路２９には、ウォータアウトレット１９における冷却水の温度（以下、出口水温ＴＨＷと記載する）を検出する水温センサ３０、及びＥＧＲクーラ１４の内壁温度ＴＨＣを検出する内壁温度センサ３１のそれぞれ検出信号が入力されている。さらに、制御回路２９には、外気温度ＴＨＡを検出する外気温センサ３２、及びエンジン１０が搭載された車両の走行速度（以下、車速Ｖと記載する）を検出する車速センサ３３のそれぞれの検出信号も入力されている。そして、制御回路２９は、エンジン１０の運転中、ＥＧＲクーラ１４の内壁温度を調節するための温度調節制御を実施している。

図２に、温度調節制御のために制御回路２９が実行する温度調節制御ルーチンのフローチャートを示す。制御回路２９は、エンジン１０の運転中に本ルーチンの処理を既定の制御周期毎に繰り返し実行する。

本ルーチンの処理が開始されると、まずステップＳ１００において、出口水温ＴＨＷが既定の凝縮判定値Ｔ１以下であるか否かが判定される。そして、出口水温ＴＨＷが凝縮判定値Ｔ１以下の場合（ＹＥＳ）にはステップＳ１１０に、出口水温ＴＨＷが凝縮判定値Ｔ１を超えている場合（ＮＯ）にはステップＳ１４０に、それぞれ処理が進められる。なお、凝縮判定値Ｔ１には、ＥＧＲクーラ１４内に凝縮水が発生する内壁温度ＴＨＣの上限値が値として設定されている。

出口水温ＴＨＷが凝縮判定値Ｔ１以下であってステップＳ１１０に処理が進められた場合には、そのステップＳ１１０においてＥＧＲクーラ１４の内壁温度ＴＨＣが凝縮判定値Ｔ１以下であるか否かが判定される。そして、内壁温度ＴＨＣが凝縮判定値Ｔ１以下の場合（ＹＥＳ）にはステップＳ１２０に、内壁温度ＴＨＣが凝縮判定値Ｔ１を超えている場合（ＮＯ）にはステップＳ１４０に、それぞれ処理が進められる。

出口水温ＴＨＷ及び内壁温度ＴＨＣの少なくとも一方が凝縮判定値Ｔ１以下であってステップＳ１４０に処理が進められた場合には、そのステップＳ１４０において、電動ウォータポンプ２８の給電量ＥＷＰが０とされる。すなわち、このときの電動ウォータポンプ２８は、動作が停止される。そして続くステップＳ１５０において、第１切換弁２６及び第２切換弁２７の駆動信号ＥＶ１，ＥＶ２が双方共にオフとされた後、今回の本ルーチンの処理が終了される。

これに対して、出口水温ＴＨＷ及び内壁温度ＴＨＣが双方ともに凝縮判定値Ｔ１を超えていてステップＳ１２０に処理が進められた場合には、そのステップＳ１２０において車速Ｖが既定の走行判定値Ｖ０を超えているか否かが判定される。そして、車速Ｖが走行判定値Ｖ０を超えている場合（ＹＥＳ）にはステップＳ１３０に、超えていない場合（ＮＯ）にはステップＳ１６０に、それぞれ処理が進められる。なお、本実施形態では、０［km/hour］が走行判定値Ｖ０の値として設定されている。このときのステップＳ１２０での判定結果は、車両が停車しているときには否定判定（ＮＯ）となり、車両が走行していれば肯定判定（ＹＥＳ）となる。

車速Ｖが走行判定値Ｖ０を超えていてステップＳ１３０に処理が進められた場合には、そのステップＳ１３０において、外気温度ＴＨＡが既定の低気温判定値Ｔ２未満であるか否かが判定される。そして、外気温度ＴＨＡが低気温判定値Ｔ２未満の場合（ＹＥＳ）にはステップＳ１７０に、低気温判定値Ｔ２以上の場合（ＮＯ）には上述のステップＳ１６０に処理が進められる。

ステップＳ１６０に処理が進められた場合には、そのステップＳ１６０において、既定の小流量値ＬＯＷが電動ウォータポンプ２８の給電量ＥＷＰの値として設定される。これに対して、ステップＳ１７０に処理が進められた場合には、そのステップＳ１７０において、上記小流量値ＬＯＷよりも大きい既定の大流量値ＨＩＧＨが電動ウォータポンプ２８の給電量ＥＷＰの値として設定される。そして、ステップＳ１６０又はステップＳ１７０での給電量ＥＷＰの設定後には、ステップＳ１８０において、第１切換弁２６及び第２切換弁２７の駆動信号ＥＶ１，ＥＶ２が双方共にオンとされた後、今回の本ルーチンの処理が終了される。

本実施形態の作用及び効果について説明する。
上述のように凝縮判定値Ｔ１には、ＥＧＲクーラ１４内に凝縮水が発生する内壁温度ＴＨＣの上限値（以下、凝縮限界温度と記載する）が値として設定されている。内壁温度ＴＨＣが凝縮限界温度以下の場合には、ＥＧＲクーラ１４内で凝縮水が発生する虞がある。また、内壁温度ＴＨＣが凝縮限界温度を超えていても出口水温ＴＨＷが凝縮限界温度以下の場合には、エンジン１０のウォータアウトレット１９から流出する、凝縮限界温度以下の冷たい冷却水がＥＧＲクーラ１４に流されると、ＥＧＲクーラ１４の内壁が冷却水により凝縮限界温度以下となるまで冷やされる虞がある。

上記温度調節制御において制御回路２９は、エンジン１０の出口水温ＴＨＷ及びＥＧＲクーラ１４の内壁温度ＴＨＣの少なくとも一方が凝縮判定値Ｔ１以下の場合には、第１切換弁２６及び第２切換弁２７の駆動信号ＥＶ１，ＥＶ２を共にオンとする。また、この場合の制御回路２９は、電動ウォータポンプ２８を稼働させる。図３に示すように、このときには、ＥＧＲクーラ１４が設置されたデバイス水路２２の中流部２２Ｂは、エンジン１０のウォータジャケット１６を通る冷却水の循環経路からは切り離されて、短絡水路２５に接続される。これにより、ＥＧＲクーラ１４と排気熱回収器１７とを巡る冷却水の循環経路が形成されて、電動ウォータポンプ２８によりその循環経路に冷却水が流される。これにより、排気熱回収器１７において排気の熱を受けて温められた冷却水がＥＧＲクーラ１４に供給される。そしてその結果、排気から回収した熱を利用してＥＧＲクーラ１４が温められるようになる。したがって、このときのエンジン１０のウォータアウトレット１９から流出する冷たい冷却水をＥＧＲクーラ１４に供給する場合よりも、ＥＧＲクーラ１４での凝縮水の発生が抑えられる。

なお、外気温度ＴＨＡが低く、且つその冷たい外気が走行風としてＥＧＲクーラ１４に吹き付けられる場合には、外気により持ち去られる熱量が多くなる。そのため、そうした場合には、排気熱回収器１７で温められた冷却水をＥＧＲクーラ１４に供給しても、同ＥＧＲクーラ１４を十分に加温できない虞がある。その点、本実施形態では、車両の走行速度（車速Ｖ）が既定の走行判定値Ｖ０よりも高く、且つ外気温度ＴＨＡが既定の低気温判定値Ｔ２よりも低い場合には、そうでない場合よりも、電動ウォータポンプ２８の給電量ＥＷＰを多くしている。すなわち、外気によるＥＧＲクーラ１４からの熱の持ち去りが多い場合には、そうでない場合よりも、ＥＧＲクーラ１４に供給される、排気熱回収器１７で温められた冷却水の流量を多くしている。そのため、外気によるＥＧＲクーラ１４からの熱の持ち去りが多い場合に、排気熱回収器１７から供給される温かい冷却水によるＥＧＲクーラ１４の加温が不十分となって凝縮水が発生する状況にはなり難くなる。このように、本実施形態の温度調節装置では、ＥＧＲクーラ１４の外部環境（外気温度ＴＨＡや走行風の強さ）に対応して排気熱回収器１７からＥＧＲクーラ１４に供給する冷却水の流量を調節することで、適切なＥＧＲクーラ１４の温度調整を実現している。ちなみに、こうした本実施形態では、電動ウォータポンプ２８が、このときの排気熱回収器１７からＥＧＲクーラ１４に供給する冷却水の流量を調節する流量調節機構に相当する構成となっている。

一方、上記温度調節制御において制御回路２９は、エンジン１０の出口水温ＴＨＷ及びＥＧＲクーラ１４の内壁温度ＴＨＣが双方共に凝縮判定値Ｔ１を超えている場合には、第１切換弁２６及び第２切換弁２７の駆動信号ＥＶ１，ＥＶ２を共にオフとする。また、これと共に制御回路２９は、電動ウォータポンプ２８の給電量ＥＷＰを０に、すなわち電動ウォータポンプ２８の稼働を停止している。図４に示すように、このときには、ＥＧＲクーラ１４が設置されたデバイス水路２２の中流部２２Ｂは、短絡水路２５から切り離されて、エンジン１０のウォータジャケット１６を通る冷却水の循環経路に接続される。そのため、このときのＥＧＲクーラ１４には、エンジン１０のウォータアウトレット１９から流出した冷却水が供給されるようになる。このときには、ＥＧＲクーラ１４の内壁が凝縮限界温度を超えるまで温められており、且つエンジン１０の出口水温ＴＨＷも凝縮限界温度を超えている。そのため、エンジン１０のウォータアウトレット１９から流出する冷却水をＥＧＲクーラ１４に供給しても、凝縮水は発生しなくなる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態では、ＥＧＲクーラ１４に内壁温度センサ３１を設置して、温度調節制御に用いるＥＧＲクーラ１４の内壁温度ＴＨＣとして同内壁温度センサ３１が検出した値を用いるようにしていた。ＥＧＲクーラ１４を通過する冷却水やＥＧＲガスの温度や外気温度ＴＨＡなどに基づいてＥＧＲクーラ１４の内壁温度を推定するとともに、その推定値を用いて温度調節制御を行うようにしてもよい。

・上記実施形態では、電動ウォータポンプ２８の給電量ＥＷＰを制御することで、排気熱回収器１７からＥＧＲクーラ１４に供給する冷却水の流量を調節していたが、排気熱回収器１７とＥＧＲクーラ１４との間の部分に流量調節用のバルブを設置して、そのバルブの開度制御により上記冷却水の流量を調節するようにしてもよい。そうした場合には、流量調節用のバルブが、流量調節機構に相当する構成となる。

１０…エンジン、１１…吸気通路、１２…排気通路、１３…ＥＧＲ通路、１４…ＥＧＲクーラ、１５…ＥＧＲバルブ、１６…ウォータジャケット、１７…排気熱回収器、１８…機械式ウォータポンプ、１９…ウォータアウトレット、２０…ラジエータ水路、２１…ラジエータ、２２…デバイス水路（２２Ａ…上流部、２２Ｂ…中流部、２２Ｃ…下流部）、２３…サーモスタット、２５…短絡水路、２６…第１切換弁、２７…第２切換弁、２８…電動ウォータポンプ、２９…制御回路、３０…水温センサ、３１…内壁温度センサ、３２…外気温センサ、３３…車速センサ。

Claims (1)

1. 車両に搭載されたエンジンのＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスと同エンジンの冷却水との間で熱交換を行うＥＧＲクーラと、
   前記エンジンの排気と前記冷却水との間で熱交換を行う排気熱回収器と、
   前記排気熱回収器から前記ＥＧＲクーラに供給する前記冷却水の流量である温水流量を調節する流量調節機構と、
   前記ＥＧＲクーラの内壁温度が既定の凝縮判定値以下であることを条件に前記排気熱回収器から前記ＥＧＲクーラへの前記冷却水の供給を実施するとともに、前記車両の走行速度が既定の走行判定値よりも高く、且つ外気温度が既定の低気温判定値よりも低い場合には、そうでない場合よりも前記温水流量が多くなるように前記流量調節機構を制御する制御回路と、
   を備えるＥＧＲクーラの温度調節装置。