JP3796102B2 - Egr装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、EGR装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、自動車のエンジンなどでは、排気側から排ガスの一部を抜き出して吸気側へと戻し、その吸気側に戻された排ガスでエンジン内での燃料の燃焼を抑制させて燃焼温度を下げることによりNOxの発生を低減するようにした、いわゆる排ガス再循環(EGR:Exhaust Gas Recirculation)が行われている。
【0003】
ただし、排ガスの再循環によりNOxの低減化を図ることは、気筒内での燃焼不良により黒煙を発生してしまうこととトレードオフの関係にあるので、黒煙の発生を抑制する観点から排ガスの再循環量に制限がかかるという不具合があり、単純に排ガスの再循環を行うだけで大幅なNOxの低減化を図ることは困難である。
【0004】
このため、近年においては、通常であれば圧縮上死点近辺で行われるべき燃料噴射を圧縮上死点より早いタイミングで行い、気筒内への燃料の先行投入により燃料の予混合化を促進してから着火燃焼させて黒煙の発生を抑制するようにした予混合圧縮着火を併用することが検討されている。
【0005】
即ち、このような予混合圧縮着火により燃焼を行うと、燃料が良好に分散混合して均等に薄まった状態で燃焼が行われることになるので、燃焼温度が比較的低く抑制されてNOxの発生が少なくなり、しかも、局所的に燃料の濃い部分が生じ難くなって黒煙の発生を抑制する上でも有効となるのである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、斯かる予混合圧縮着火を採用した場合、燃料の投入タイミングを圧縮上死点より早めても、その着火については圧縮上死点付近で行われることが望ましいのに対し、通常のエンジンの圧縮比では、圧縮上死点より早いタイミングで着火してしまって熱効率的な損失が生じるという問題があった。
【0007】
この点に関し、本発明者らは、予混合圧縮着火を採用するにあたり、通常のエンジンより圧縮比を低めに設定した上で、EGRクーラなどで冷却した大量の排ガスを再循環することにより着火タイミングを遅らせる対策を考えついたが、このようにすると、今度は低負荷やアイドリングなどの零負荷の運転状態における着火性が悪くなりすぎて失火が起こり易くなるという不具合を招いてしまう結果となる。
【0008】
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、低負荷領域で失火が起こり易くなる問題を解消して、予混合圧縮着火の併用によるNOxと黒煙の同時低減化を実現し得るようにした新規なEGR装置を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ターボチャージャを備えたエンジンのEGR装置であって、ターボチャージャのタービンより下流の排気管から排ガスの一部を抜き出して前記ターボチャージャのコンプレッサより上流の吸気管へ再循環する低圧EGRパイプと、排気マニホールドから排ガスの一部を抜き出して吸気マニホールドに再循環する高圧EGRパイプとを備え、高負荷から中負荷までの運転状態で低圧EGRパイプを選択して排ガスを再循環し、低負荷から零負荷までの運転状態では高圧EGRパイプを選択して排ガスを再循環しながら高負荷を除く運転状態にて圧縮上死点より早いタイミングで燃料の主噴射を行い且つその着火タイミングを圧縮上死点付近まで遅らせる予混合圧縮着火を実施し得るように構成したことを特徴とするものである。
【0010】
従って、本発明では、予混合圧縮着火によりノッキングが生じ易くなる高負荷での運転状態において予混合圧縮着火を併用せず、低圧EGRパイプを通し低温低圧の排ガスを排気側から吸気側へ再循環しながら通常の噴射タイミングで燃料の投入を行うことになるので、ノッキングを起こすことなく通常の排ガス再循環によるNOxの低減効果が得られる。
【0011】
また、ノッキングの心配のない中負荷の運転状態においては、低圧EGRパイプを通し低温低圧の排ガスを排気側から吸気側へ再循環しながら予混合圧縮着火を併用することになるので、排ガスの再循環と予混合圧縮着火との相乗的な作用により黒煙発生を防止しつつ極めて優れたNOxの低減効果を得ることが可能となり、しかも、燃料噴射を圧縮上死点より早いタイミングで行いながらインタクーラなどを介し冷却された大量の排ガスを再循環することにより、着火タイミングを圧縮上死点付近まで遅らせて熱効率的な損失を低減することが可能となる。
【0012】
更に、低負荷から零負荷までの運転状態においては、高圧EGRパイプを通し高温高圧の排ガスを排気マニホールドから吸気マニホールドへ直接再循環しながら予混合圧縮着火を併用することになるので、排ガスの再循環と予混合圧縮着火との相乗的な作用により黒煙発生を防止しつつ極めて優れたNOxの低減効果が得られ、しかも、燃料噴射を圧縮上死点より早いタイミングで行いつつ高温の排ガスを再循環して吸気温度を上げ、これにより着火を支援して失火を防止しながら着火タイミングを圧縮上死点付近まで遅らせて熱効率的な損失を低減することが可能となる。
【0013】
また、本発明のEGR装置を具体的に実施するにあたっては、エンジンの回転数を検出する回転センサと、エンジンの負荷を検出する負荷センサとを備え、これら回転センサ及び負荷センサからの検出信号に基づいて低圧EGRパイプによる排ガスの再循環と高圧EGRパイプによる排ガスの再循環とを適宜に切り換えるように構成することが好ましい。
【0014】
更に、低圧EGRパイプには、水冷式のEGRクーラを装備することが好ましく、また、排気管における低圧EGRパイプの分岐箇所より下流に開度調節可能な背圧バルブを装備し、該背圧バルブの開度を制御して低圧EGRパイプによるEGR率を調整し得るように構成したり、或いは、ターボチャージャとしてバリアブルジオメトリーターボチャージャを採用し、該バリアブルジオメトリーターボチャージャのタービン側ノズルベーンの開度を制御して高圧EGRパイプによるEGR率を調整し得るように構成したりすることも可能である。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【0016】
図1及び図2は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図中1はディーゼル機関であるエンジンを示し、該エンジン1は、通常のエンジンより圧縮比を低めに設定され、しかも、バリアブルジオメトリーターボチャージャをターボチャージャ2として備えており、エアクリーナ3から導かれた吸気4が吸気管5を通し前記ターボチャージャ2のコンプレッサ2aへと送られ、該コンプレッサ2aで加圧された吸気4がインタクーラ6へと送られて冷却され、該インタクーラ6から更に吸気マニホールド7へと吸気4が導かれてエンジン1の各気筒8(図1では直列6気筒の場合を例示している)に分配されるようになっている。
【0017】
更に、このエンジン1の各気筒8から排出された排ガス9は、排気マニホールド10を介しターボチャージャ2のタービン2bへと送られ、該タービン2bを駆動した排ガス9が排気管11を介し車外へ排出されるようにしてある。
【0018】
そして、ターボチャージャ2のタービン2bより下流の排気管11と、ターボチャージャ2のコンプレッサ2aより上流の吸気管5との間が低圧EGRパイプ12により接続されており、該低圧EGRパイプ12には、排ガス9の再循環を適宜に停止し得るよう開閉自在なEGRバルブ13と、再循環される排ガス9中からパティキュレートを捕集するためのディーゼルパティキュレートフィルタ14と、再循環される排ガス9を冷却するためのEGRクーラ15とが装備されている。
【0019】
更に、排気管11における低圧EGRパイプ12の分岐箇所より下流に開度調節可能な背圧バルブ16が装備されており、該背圧バルブ16の開度を調節して前記分岐箇所における圧力を増減することで低圧EGRパイプ12によるEGR率を調節し得るようにしてある。
【0020】
また、排気マニホールド10と吸気マニホールド7との間が高圧EGRパイプ17により接続され、該高圧EGRパイプ17には、排ガス9の再循環を適宜に停止し得るよう開閉自在なEGRバルブ18が装備されている。
【0021】
更に、図示しない運転席のアクセルには、アクセル開度をエンジン1の負荷として検出するアクセルセンサ19(負荷センサ)が備えられていると共に、エンジン1の適宜位置には、その回転数を検出する回転センサ20が装備されており、これらアクセルセンサ19及び回転センサ20からのアクセル開度信号19a及び回転数信号20aが、エンジン制御コンピュータ(ECU:Electronic Control Unit)を成す制御装置21に対し入力されるようになっている。
【0022】
一方、制御装置21においては、各気筒8に燃料を噴射する燃料噴射装置22に向け燃料の噴射タイミング及び噴射量を指令する燃料噴射信号22aが出力されるようになっていると共に、EGRバルブ13,18と背圧バルブ16とターボチャージャ2のアクチュエータ23とに対し夫々の開度を指令する開度指令信号13a,18a,16a,23aが出力されるようになっている。
【0023】
即ち、この制御装置21では、高負荷から中負荷までの運転状態において、低圧EGRパイプ12を選択して排ガス9を再循環し、また、低負荷から零負荷までの運転状態において、高圧EGRパイプ17を選択して排ガス9を再循環するようになっており、しかも、高負荷を除く運転状態においては、予混合圧縮着火を実施し得るようにしてある。
【0024】
より具体的には、図2に示す如きマップが制御装置21に備えられており、このマップには、エンジン1の回転数が増加するのに従い高くなる負荷の敷居値(図2中にて曲線Pで示している負荷の値)が設定されていて、現在のエンジン1の負荷が、その時点でのエンジン1の回転数に対応した敷居値を越えているか否かを判定し、敷居値を越えていると判定された場合には、EGRバルブ13を開け且つEGRバルブ18を閉じて低圧EGRパイプ12による排ガス9の再循環を行うようにしてあり、更には、背圧バルブ16を別のマップによりエンジン1の回転数と負荷とに基づいて最適開度に調節し、低圧EGRパイプ12によるEGR率を最適に制御するようにしてある。
【0025】
ここで、エンジン1が高負荷の運転状態である場合には、燃料噴射装置22が通常の噴射タイミング及び噴射量で制御されることになるが、エンジン1が中負荷の運転状態である場合には、燃料噴射装置22を制御して燃料の主噴射(以下では単に燃料噴射と称する)を圧縮上死点より早いタイミングで行うようにしてある。
【0026】
他方、図2のマップに基づき、現在のエンジン1の負荷が、その時点でのエンジン1の回転数に対応した敷居値以下であると判定された場合には、EGRバルブ13を閉じ且つEGRバルブ18を開けて高圧EGRパイプ17による排ガス9の再循環を行うようにしてあり、更には、背圧バルブ16を全開とした上でターボチャージャ2のアクチュエータ23を制御し、これによりターボチャージャ2のタービン2b側のノズルベーンを別のマップによりエンジン1の回転数と負荷とに基づいて最適開度に調節し、高圧EGRパイプ17によるEGR率を最適に制御するようにしてある。
【0027】
即ち、本形態例で採用しているところのバリアブルジオメトリーターボチャージャから成るターボチャージャ2は、従来より周知である如く、アクチュエータ23によりタービン2b側のノズルベーンを傾動して該各ノズルベーンの開度を調整し得る構造となっているので、タービン2b側のノズルベーンの開度を調節して排気マニホールド10における圧力を増減することで高圧EGRパイプ17によるEGR率が調節されることになる。
【0028】
また、この時にも、燃料噴射装置22を燃料噴射信号22aにより制御して燃料噴射を圧縮上死点より早いタイミングで行うようにしてある。
【0029】
尚、制御装置21に備えられた図2のマップについては、吸気温度やエンジン冷却水温度などを別途検出することにより、その検出値に基づいて敷居値の異なる別のマップに変更したり、或いは、マップの敷居値を補正したりするようにしても良く、更には、吸気側と排気側とで酸素濃度を実際に検出してEGR率の調節などの制御にフィードバックさせるようにしても良い。
【0030】
而して、このようにEGR装置を構成すれば、予混合圧縮着火によりノッキングが生じ易くなる高負荷での運転状態において予混合圧縮着火を併用せず、低圧EGRパイプ12を通し低温低圧の排ガス9を排気側から吸気側へ再循環しながら通常の噴射タイミングで燃料の投入を行うことになるので、ノッキングを起こすことなく通常の排ガス再循環によるNOxの低減効果が得られる。
【0031】
また、ノッキングの心配のない中負荷の運転状態においては、低圧EGRパイプ12を通し低温低圧の排ガス9を排気側から吸気側へ再循環しながら予混合圧縮着火を併用することになるので、排ガス9の再循環と予混合圧縮着火との相乗的な作用により黒煙発生を防止しつつ極めて優れたNOxの低減効果を得ることが可能となり、しかも、燃料噴射を圧縮上死点より早いタイミングで行いながらEGRクーラ15やインタクーラ6などを介し冷却された大量の排ガス9を再循環することにより、着火タイミングを圧縮上死点付近まで遅らせて熱効率的な損失を低減することが可能となる。
【0032】
更に、低負荷から零負荷までの運転状態においては、高圧EGRパイプ17を通し高温高圧の排ガス9を排気マニホールド10から吸気マニホールド7へ直接再循環しながら予混合圧縮着火を併用することになるので、排ガス9の再循環と予混合圧縮着火との相乗的な作用により黒煙発生を防止しつつ極めて優れたNOxの低減効果が得られ、しかも、燃料噴射を圧縮上死点より早いタイミングで行いつつ高温の排ガス9を再循環して吸気温度を上げ、これにより着火を支援して失火を防止しながら着火タイミングを圧縮上死点付近まで遅らせて熱効率的な損失を低減することが可能となる。
【0033】
尚、低負荷から零負荷までの運転状態にて予混合圧縮着火を行うに際し、必要に応じてパイロット噴射(主噴射に先立ち着火を誘導するために行う微量の先行噴射)を併用して着火の更なる安定化を図るようにしても良い。
【0034】
従って、上記形態例によれば、高負荷を除く運転状態にて排ガス9を再循環しながら予混合圧縮着火を併用するに際し、高負荷から中負荷までの運転状態では低圧EGRパイプ12を選択して、EGRクーラ15やインタクーラ6などを介し冷却された低温低圧の排ガス9を再循環し、低負荷から零負荷までの運転状態では高圧EGRパイプ17に切り換えて排気マニホールド10から吸気マニホールド7へ高温高圧の排ガス9を直接再循環するようにしているので、低負荷領域で失火が起こり易くなる問題を吸気温度の上昇による着火支援で解消することができ、予混合圧縮着火の併用によるNOxと黒煙の良好な同時低減化を実現することができる。
【0035】
尚、本発明のEGR装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、負荷センサには、燃料噴射装置に装備されて燃料の噴射量を検出するセンサ(噴射ポンプラックセンサなど)を採用しても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【0036】
【発明の効果】
上記した本発明のEGR装置によれば、高負荷を除く運転状態にて排ガスを再循環しながら予混合圧縮着火を併用するに際し、高負荷から中負荷までの運転状態では低圧EGRパイプを選択して、インタクーラなどを介し冷却された低温低圧の排ガスを再循環し、低負荷から零負荷までの運転状態では高圧EGRパイプに切り換えて排気マニホールドから吸気マニホールドへ高温高圧の排ガスを直接再循環するようにしているので、低負荷領域で失火が起こり易くなる問題を吸気温度の上昇による着火支援で解消することができ、予混合圧縮着火の併用によるNOxと黒煙の良好な同時低減化を実現することができるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。
【図2】図1の制御装置に備えられた制御用マップの一例を示すグラフである。
【符号の説明】
1 エンジン
2 ターボチャージャ
2a コンプレッサ
2b タービン
5 吸気管
7 吸気マニホールド
9 排ガス
10 排気マニホールド
11 排気管
12 低圧EGRパイプ
13 EGRバルブ
15 EGRクーラ
16 背圧バルブ
17 高圧EGRパイプ
19 アクセルセンサ(負荷センサ)
19a アクセル開度信号(検出信号)
20 回転センサ
20a 回転数信号(検出信号)
Claims (5)
- ターボチャージャを備えたエンジンのEGR装置であって、ターボチャージャのタービンより下流の排気管から排ガスの一部を抜き出して前記ターボチャージャのコンプレッサより上流の吸気管へ再循環する低圧EGRパイプと、排気マニホールドから排ガスの一部を抜き出して吸気マニホールドに再循環する高圧EGRパイプとを備え、高負荷から中負荷までの運転状態で低圧EGRパイプを選択して排ガスを再循環し、低負荷から零負荷までの運転状態では高圧EGRパイプを選択して排ガスを再循環しながら高負荷を除く運転状態にて圧縮上死点より早いタイミングで燃料の主噴射を行い且つその着火タイミングを圧縮上死点付近まで遅らせる予混合圧縮着火を実施し得るように構成したことを特徴とするEGR装置。
- エンジンの回転数を検出する回転センサと、エンジンの負荷を検出する負荷センサとを備え、これら回転センサ及び負荷センサからの検出信号に基づいて低圧EGRパイプによる排ガスの再循環と高圧EGRパイプによる排ガスの再循環とを適宜に切り換えるように構成したことを特徴とする請求項1に記載のEGR装置。
- 低圧EGRパイプに水冷式のEGRクーラを装備したことを特徴とする請求項1又は2に記載のEGR装置。
- 排気管における低圧EGRパイプの分岐箇所より下流に開度調節可能な背圧バルブを装備し、該背圧バルブの開度を制御して低圧EGRパイプによるEGR率を調整し得るように構成したことを特徴とする請求項1、2又は3に記載のEGR装置。
- ターボチャージャとしてバリアブルジオメトリーターボチャージャを採用し、該バリアブルジオメトリーターボチャージャのタービン側ノズルベーンの開度を制御して高圧EGRパイプによるEGR率を調整し得るように構成したことを特徴とする請求項1、2、3又は4に記載のEGR装置。
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