JP4061742B2 - エンジンの排気ガス還流装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排気ガスを吸気側へ還流させるエンジンの排気ガス還流装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関（エンジン）を動力源とした自動車には、排気ガスに含まれるＮＯｘの低減を図るために排気ガス還流装置が取付けられている。
【０００３】
排気ガス還流装置は、エンジンから排気された燃焼ずみの排気ガスの一部をエンジンの吸気側へ還流させ、エンジンでの燃焼を緩慢にすることおよび燃焼ガスの熱容量の増大によって、燃焼温度を低下させて、ＮＯｘの生成を抑える装置である。
【０００４】
こうした排気ガス還流装置には、エンジンの排気側と吸気側との間に、両者間をバイパスするよう排気ガス還流通路を形成し、この排気ガス還流通路にＥＧＲ弁を取付け、このＥＧＲ弁の開度をエンジンの運転状態に応じて調整する構造が用いられ、ＥＧＲ弁の動作によりエンジンの吸気側へ流入する排気ガスの還流量を制御することが行われている。
【０００５】
また近時では、より多くの排気ガスを燃焼室へ充填させるために、特開平７−３１７６０８号公報、特開平１０−１４１１４６号公報にも開示されているように、排気ガス還流通路に水冷式のＥＧＲクーラー（冷却手段に相当）を取付け、同ＥＧＲクーラーで排気ガス還流通路を流れる排気ガスを冷却して、エンジンの吸気側から流入する排気ガスの充填効率を高めることが行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＥＧＲクーラーは、長期間の使用により、冷却能力が劣化することが知られている。
【０００７】
この劣化には、排気ガス還流装置の長期の使用により、排気ガス中に含まれるすす等のスケールが次第にＥＧＲクーラーの排気ガスが流れる通路部分の壁面に堆積して、同通路部分を詰まらせるといった兆候が代表的なものとして挙げられる。
【０００８】
こうした詰まりが生じると、ＥＧＲクーラーが作用していない、すなわちＥＧＲクーラーが無いときと同様の状態となり、最適な排気ガスの還流が行えなくなるので、燃焼温度が高くなり、ＮＯｘの生成をきたすようになる。
【０００９】
そこで、この詰まりの対策として実開平１−１３９０６６号に示されるような技術が提案されている。
【００１０】
これは、ＥＧＲクーラーを挟む排気ガス還流通路の入側と出側とに圧力センサを設け、これら圧力センサで検知した入側の圧力値と出側の圧力値との圧力偏差から、ＥＧＲクーラーの劣化、すなわち排気ガスが流れる通路で詰まりを生じたことを検出し、タンク内に蓄圧された圧縮空気をノズルからＥＧＲクーラーの上流側へ噴射させて、詰まりの原因となる壁面のすす等のスケールを除去しようとする技術である。
【００１１】
ところが、このすす等のスケールを除去する技術は、排気ガス圧力が加わる通路内の排気ガス中に圧縮空気を噴射させるために、高圧な空気を供給するための特別な装置が求められる。
【００１２】
このため、最適なＥＧＲ効果を回復させるのには、かなりコスト的な負担が強いられる。しかも、噴射した圧縮空気は、すすと一緒に吸気側へ流入されてしまうので、最適に制御していたＥＧＲ効果が損なわれるおそれがあり、コストの点、最適なＥＧＲ効果の維持を重点においた改善が望まれている。
【００１３】
一方、ＥＧＲクーラーの劣化には、上記した詰まりの他に、冷却水が流れる通路の壁面に次第にスケールが堆積して、排気ガスの冷却に必要な熱伝達が著しく損なわれる場合も考えられる。
【００１４】
しかしながら、上記したＥＧＲクーラーの上下流側の圧力を検出する手法だと、熱伝達の変化が検出できないので、スケールが壁面に堆積することを原因とした冷却能力の低下については対応できない。しかも、同手法で用いられる圧力センサは、知られているように細孔から導入された通路内の排気ガス圧を歪ゲージで検出する構造なので、歪ゲージに至る通路が排気ガスのすすで詰まり検知不良を生じて、最適なＥＧＲ制御が行えないおそれがあり、詰まりとは別に、スケールの付着、さらには圧力センサの特有の問題について考慮した技術も望まれている。
【００１５】
本発明は、上記事情に着目してなされたもので、その第１の目的とするところは、安価なコストで、冷却手段の劣化を補償するよう、最適なＥＧＲ効果を維持させ続けることができるエンジンの排気ガス還流装置を提供することにある。
【００１６】
また本発明の第２の目的とするところは、さらに上記目的に加え、トラブルの発生なく、熱伝達の低下を原因とする劣化にも対応できるエンジンの排気ガス還流装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために請求項１に記載したエンジンの排気ガス還流装置は、冷却手段の劣化が検出されると、ＥＧＲ弁を制御するとともに、ＥＧＲ弁が全開まで開かれると吸気絞り弁を制御して吸入空気量を減量して排気ガスの還流量の割合を高める還流量補正手段を採用して、冷却手段の劣化により、最適なＥＧＲ効果を保つのに必要な排気ガス還流量が保たれなくなると、不足する排気ガスの還流量を補償するように排気ガスの環流量の割合を高めて、最適なＥＧＲ効果が保たれるようにした。
【００１８】
上記第２の目的を達成するために請求項２に記載したエンジンの排気ガス還流装置は、冷却手段の劣化を検出する検出手段を、排気ガス還流通路の入側と出側の排気ガス温度を検出する温度検出手段と、入側の排気ガス温度と出側の排気ガス温度との偏差が所定値内になるとき冷却手段が劣化したと判定する判定手段とを有した構成とし、冷却手段において、たとえすす等のスケールの詰まりを原因とした劣化、スケールの付着により熱伝達が低下することを原因とした劣化のいずれが生じても、排気ガス還流通路の入側と出側との排気ガス温度の偏差から劣化の判定が行えるようにして、いずれを原因とした場合でも、還流量不足の補償が行えるようにした。しかも、温度偏差から劣化を判定する手法なので、排気ガスの影響によるトラブル、例えば圧力センサ特有とされるすすによる検知不良といったトラブルが生じることなく、高い信頼性で排気ガス還流量の補償制御が行える。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図１および図２に示す一実施形態にもとづいて説明する。
【００２０】
図１は本発明を適用した例えば自動車（車両）のエンジン、例えばディーゼルエンジンを示し、図中１は例えば水冷式のエンジン本体である。エンジン本体１は、シリンダ２を有するシリンダブロック３と、シリンダ毎に吸気弁（図示しない）および排気弁４が組み付けられたシリンダヘッド５とを組み合わせてある。そして、シリンダ２内にはピストン６が往復運動可能に収容されていて、ピストン６が吸入、圧縮（着火）、膨張、排気の各行程を繰り返して往復動することにより、ピストン６につながるクランクシャフト７から、走行に必要な回転動力が出力されるようにしてある。なお、噴射ノズルは図示していない。
【００２１】
シリンダヘッド５の吸気口５ａから延びている吸気管路８は、過給機、例えばターボチャージャ９（同軸にコンプレッサホイールとタービンホイールとを固定してなる構造）のコンプレッサ側の空気吐出部９ａに接続されている。またシリンダヘッド５の排気口５ｂから延びている排気管路１０は、ターボチャージャ９のタービン側の排気入口部９ｂに接続されていて、エンジンの排熱エネルギーによりターボチャージャ９を駆動して、吸気の過給を行えるようにしている。
【００２２】
また吸気管路８の上流部分と排気管路１０の上流部分との間は、排気ガス還流通路１１を介して接続されている。この排気ガス還流通路１１により、吸気管路８と排気管路１０との上流部間をバイパスさせて、エンジンから排気された排気ガスの一部をエンジンの吸気側へ還流できるようにしている。
【００２３】
この排気ガス還流通路１１には、例えば同通路１１を囲うようにして、冷却手段、例えば水冷式のＥＧＲクーラー１２が取付けてあり、ＥＧＲクーラー１２を流通する冷却水（冷却媒体）により排気ガス還流通路１１を流れる排気ガスを冷却できるようにしている。この排気ガス還流通路１１の下流側、例えば出口には、例えばソレノイド等のアクチュエーター１３で開度調整されるＥＧＲ弁１４（還流量調整手段に相当）が取付けられていて、エンジンの吸気側へ流入する排気ガスの還流量を調整可能としている。またこのＥＧＲ弁１４から上流側の吸気管路部分には、例えばソレノイド等のアクチュエーター１５で絞り調整される吸気絞り弁１６が組み付けられていて、エンジンの吸気側へ流入する吸入空気量の絞りが行えるようにもしてある。
【００２４】
一方、１８はＥＣＵ（例えばマイクロコンピュータで構成されるもの）である。このＥＣＵ１８には、エンジン回転数を検出するクランク角センサ１９、アクセルペダル２０ａの開度を検出するアクセルポジションセンサ２０（ＡＰＳ）、水温センサ２１（いずれも運転状態検出手段に相当）が接続されていて、エンジンの運転状態（負荷、冷／温態等）を検出できるようにしてある。またＥＣＵ１８は、アクチュエーター１３に接続されていて、エンジンの運転状態、具体的には図２（ａ）に示すＥＧＲ有の領域（判定領域を含む）とＥＧＲ無の領域を有するマップ（アクセル開度とエンジン回転数とをパラメータとしたもの）にしたがい、ＥＧＲ弁１４の開度を制御して、エンジンの吸気側へ流入する排気ガスの還流量を最適に調整できるようにしている。
【００２５】
またＥＣＵ１８には、ＥＧＲクーラー１２の入側および出側となる排気ガス還流通路１１の各地点に取り付けられた温度センサ２２ａ，２２ｂ（温度検出手段に相当）が接続されていて、各温度センサ２２ａ，２２ｂで検出されるＥＧＲクーラー１２の入側／出側温度から、ＥＧＲクーラー１２の劣化、具体的にはＥＧＲクーラー１２が壁面に堆積した排気ガスのすすで詰まりを起こしたり、ＥＧＲクーラー１２が壁面に付着した冷却水のスケールで熱伝達が著しく損なわれる状態を検出できるようにしている。例えばＥＣＵ１８には、図２（ａ）に示されるように「ＥＧＲ有の領域」のうち、劣化を判定しやすい温態の中負荷〜高負荷域のうちで、例えば所定の温度偏差をもたらす運転状態Ｐのとき、温度センサ２２ａ，２２ｂから入側／出側温度を検出し両温度値の温度偏差を算出する機能と、この温度偏差値を予め設定された運転状態Ｐの設定温度偏差値（しきい値）と対比する機能が設定されていて、算出された温度偏差値が設定偏差値より小さいか否かにより、詰まり、スケールの付着を原因としたＥＧＲクーラー１２の冷却能力の低下、すなわちＥＧＲクーラー１２の劣化が検出できるようにしてある。
【００２６】
さらにＥＣＵ１８には、ＥＧＲクーラー１２の劣化が検出されると、劣化による還流量不足を補償する機能が設定されている。
【００２７】
この補償機能には、排気ガスの還流量を増量させる機能（第１還流量補正手段）のと、吸入空気を減量させる機能（第２還流量補正手段）とを組み合せた制御が用いられている。
【００２８】
還流量を増量させる機能には、例えば図２（ｂ）に示される温度偏差値とＥＧＲ弁１４の補正量とをパラメータとした反比例的な線図のマップと、ＥＧＲクーラー１２の劣化判定により該マップから補正量を読み取り、補正量の相当分、ＥＧＲ弁１４の開度を増加させる機能とを採用して、不足する排気ガスの還流量を回復（増量）させる補正制御が用いてある。
【００２９】
また吸入空気量を減量させる機能には、例えば図２（ｃ）に示されるＥＧＲ弁１４の補正量と吸気絞り弁１６の絞り開度とをパラメータとした反比例的な線図のマップと、ＥＧＲ弁１４の全開位置でも補正が足りないとき、該マップから吸気絞り弁の絞り開度を読み取り、吸気絞り弁１６を絞り動作させる機能とを採用して、吸入空気量の減量から排気ガスの還流量の割合を高め、見かけ上、排気ガスの還流量を増量させる制御が用いてある。
【００３０】
またＥＣＵ１８には、温度センサ２２ａ，２２ｂの温度偏差値が設定偏差値より小さいと、点灯動作するインジケータ２３（報知手段）が接続され、運転者にＥＧＲクーラー１２が劣化していることを知らせられるようにしてある。
【００３１】
こうしたインジケータ１２、排気ガスの還流量を補正する制御により、ＥＧＲクーラー１２が劣化すると、インジケータ１２で運転者にその旨を報知しながら、劣化前と同等のＥＧＲ効果が発揮され続けるようにしている。
【００３２】
この制御が図２のフローチャートに示されている。
【００３３】
すなわち、今、エンジンの作動により、自動車が走行しているとする。
【００３４】
このときには、エンジンのピストン６は、吸入、圧縮、着火、膨張、排気の各行程を繰り返して往復動している。そして、排気ガスが大気に放出される間に、排気ガスの排熱エネルギーによりターボチャージャ９が駆動され、過給が行われる。
【００３５】
このとき、ＥＣＵ１８は、ステップＳ１〜ステップＳ３のようにアクセルポジションセンサ２０からアクセル開度、クランク角センサ１９からエンジン回転数、水温センサ２１から水温をそれぞれ検知して、エンジンの運転状態を検出している（例えば温態、中負荷、高負荷等）。
【００３６】
ついで、ステップ４に進み、図２（ａ）に示すマップにしたがい、エンジン運転状態が「ＥＧＲ有」の領域であれば、エンジン回転数およびアクセル開度に応じた開度量で、ＥＧＲ弁１４を開き、排気ガス還流通路１１を開放させる。すると、排気管路１０を流れる排気ガスの一部が、ＥＧＲクーラー１２を通じて、吸気管路８へ流入され、燃焼ずみの排気ガスがエンジンの吸気側へ還流される。
【００３７】
これにより、エンジンの燃焼は、ＥＧＲクーラー１２の冷却によって体積密度が増した多量の排気ガスと新規の吸入空気とが混じった空気により緩慢となり、燃焼温度が低下して、ＮＯｘの生成が抑制される。
【００３８】
こうしたエンジンのＥＧＲ運転の際、図２（ａ）中の判定領域のある地点ＰでＥＧＲ運転が行われると、ＥＣＵ１８は、ＥＧＲクーラー１２の劣化判定に適した運転であると判定して、ＥＧＲクーラー１２の劣化判定の処理に移る。
【００３９】
これは、まず、ステップＳ５およびステップＳ６のように温度センサ２２ａ，２２ｂからそれぞれＥＧＲクーラー１２の入側温度、出側温度を検出する。ついで、ステップＳ７のように入側温度と出側温度との温度偏差を求め、しきい値となる地点Ｐのときの温度偏差値αと対比する。
【００４０】
ここで、温度偏差値αは、ＥＧＲクーラー１２が正常に機能している冷却能力を示す値であるから、同温度偏差値αより、算出した温度偏差値が小さければ、ＥＧＲクーラー１２は、すすで詰まり生じている、あるいは冷却水又は排ガスのスケールで熱伝達が損なわれて冷却能力が低下していると判定される。つまり、ＥＧＲクーラー１２は劣化していると判定される。むろん、算出した温度偏差値が温度偏差値αを越えれば、正常であると判定して、そのまま、ＥＧＲ運転を継続させる。
【００４１】
ＥＧＲクーラー１２が劣化と判定されると、まず、ステップＳ８のようにインジケータ２３を点灯し、ＥＧＲクーラー１２の修理点検が必要であることを運転者に報知する。
【００４２】
ついで、ステップＳ９へ進み、図２（ｂ）のマップから、算出した温度偏差値に応じたＥＧＲ弁１４の補正量を読み取り、不足している排気ガスの還流量を検出する。
【００４３】
続いて、ステップＳ１０において、現在のＥＧＲ弁１２の開度と補正量にもどづく補正開度とを加算する。そして、得られた補正ずみのＥＧＲ弁１２の開度が、同ＥＧＲ弁１２の全開開度より小さいか否かを判定する。
【００４４】
補正ずみのＥＧＲ弁１２の開度が全開開度より小さければ、ＥＧＲ弁１２の開度制御だけで、不足している排気ガス還流量の充当が十分あると判定して、ステップＳ１１へ進み、補正ずみの開度にしたがいＥＧＲ弁１２の開度を制御する。
【００４５】
また補正ずみのＥＧＲ弁１２の開度が全開開度より大きいと、ＥＧＲ弁１２だけでは、不足した排気ガス還流量の充当が十分でないと判定して、吸気絞り弁１６を作動させる。
【００４６】
すなわち、ステップＳ１２へ進み、図２（ｃ）のマップから、足りない補正量に対応した吸気絞り弁１６の開度を読み取る。そして、ステップＳ１３のようにＥＧＲ弁１２の開度を全開に保ちつつ、ステップ１４のように検出吸気絞り弁１６を絞り、検出した開度量にしたがい、新規の吸入空気量を減量する。
【００４７】
これにより、排気ガスの還流量の割合を高めて、見かけ上、排気ガスの還流量を増量させる。
【００４８】
こうした還流量の増量制御により、ＥＧＲクーラー１２の劣化に伴ない不足する排気ガスの還流量は補償される。
【００４９】
したがって、ＥＧＲクーラー１２は、修理点検をするまでの間、劣化前と同等のＮＯｘの生成抑制をもたらす排気ガスの還流量を確保できる。しかも、ＥＧＲクーラー１２を修理点検するまでの間は、ＥＧＲ効果が損なわれることがない。そのうえ、既存のＥＧＲ弁１２の開度を補正制御するだけで大部分の還流量の不足が改善されるから、安価なコストで、最適なＥＧＲ効果を維持させ続けることができる。特に吸気絞り弁１６の絞り制御を併用すると、より広範囲な補正制御が約束できる。
【００５０】
またＥＧＲクーラー１２の劣化判定は、ＥＧＲクーラー１２の入側と出側の温度偏差が所定値内になるときを劣化とする手法なので、すすの詰まりを原因とした劣化、スケールの付着により熱伝達が低下することを原因とした劣化のいずれが生じても、排気ガス温度の偏差から劣化の判定が行え、いずれを原因とした場合でも、還流量不足を補償できる。しかも、温度偏差から劣化を判定する手法は、すすによる検知不良といった排気ガスの影響によるトラブルが生じることないので、高い信頼性の下で排気ガス還流量の補償制御を行うことができる。
【００５１】
なお、一実施形態では、判定をできるだけ簡素に行うために、判定しやすいＥＧＲ運転領域の一点における温度偏差値をしきい値として定め、このしきい値と、実際にＥＧＲ運転しているＥＧＲクーラーの入側と出側の温度偏差とを対比する劣化判定の手法を採用したが、これに限らず、判定しやすいＥＧＲ運転領域の複数個所におけるしきい値を設定して、各地点でＥＧＲクーラーの劣化判定を行ってもよい。
【００５２】
また一実施形態では、ディーゼルエンジンの排気ガス還流装置に本発明を適用したが、これに限らず、他のエンジンの排気ガス還流装置に適用してもよい。
【００５３】
また一実施形態では、水冷式のＥＧＲクーラーを用いたが、これに限らず、他の冷却方式のＥＧＲクーラーを用いた構造でもよい。むろん、ＥＧＲクーラーと並列にバイパス路を組んで、冷態時と温態とで通路を使い分けるようにしたバイパス式のＥＧＲクーラーに本発明を適用しても構わない。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に記載の発明によれば、排気ガスの還流量を増量するので、たとえ冷却手段が劣化しても、劣化前と同等のＮＯｘの生成抑制をもたらす排気ガスの還流量を確保できる。しかも、この間は排気ガスの還流量が増量されているだけなので、ＥＧＲ効果が損なわれることがない。そのうえ、排気ガスの還流量を増量させるだけなので、特別な機器は必要とせずにすみ、コスト的な負担が軽くてすむ。
【００５５】
したがって、安価なコストで、還流量不足を補償でき、最適なＥＧＲ効果を継続させ続けることができる。
【００５６】
請求項２に記載の発明によれば、さらに上記目的に加え、排気ガス還流通路の入側と出側の温度偏差から劣化を判定するので、すす等のスケールの詰まりを原因とした劣化、スケールの付着により熱伝達が低下することを原因とした劣化のいずれが生じた場合でも、最適なＥＧＲ効果を維持させ続けることができる。
【００５７】
しかも、温度偏差から劣化を判定するので、スケールによる検知不良といった排気ガスの影響によるトラブルは生じることなく、高い信頼性の元で排気ガス還流量の補償制御を行うことができるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンジンの排気ガス還流装置の構成を説明するための図。
【図２】ＥＧＲクーラーの劣化で不足する排気ガス還流量を補償する制御を説明するフローチャート。
【符号の説明】
１１…排気ガス還流通路
１２…ＥＧＲクーラー（冷却手段）
１４…ＥＧＲ弁（還流量調整手段）
１８…ＥＣＵ（還流量補正手段、判定手段）
１９，２０，２１…クランクセンサ、アクセルポジションセンサ、水温センサ（運転状態検出手段）
２２ａ，２２ｂ…温度センサ（温度検出手段）。

Claims (2)

1. エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記エンジンから排気された排気ガスを前記エンジンの吸気側へ還流させる排気ガス還流通路と、
   前記排気ガス還流通路を流れる排気ガスを冷却する冷却手段と、
   前記運転状態検出手段にしたがい前記エンジンの吸気側へ流入する排気ガス還流量を制御するＥＧＲ弁と、
   前記冷却手段の劣化を検出する検出手段と、
   前記冷却手段の劣化が検出されるにしたがい前記排気ガス還流量を増量するよう前記ＥＧＲ弁を制御するとともに、前記ＥＧＲ弁が全開まで開かれると吸気絞り弁を制御して吸入空気量を減量して排気ガスの還流量の割合を高める還流量補正手段と
   を具備したことを特徴とするエンジンの排気ガス還流装置。
2. 前記検出手段は、前記排気ガス還流通路の入側と出側の排気ガス温度を検出する温度検出手段と、前記入側の排気ガス温度と前記出側の排気ガス温度との偏差が所定値内になるとき前記冷却手段が劣化したと判定する判定手段とを有して構成されることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気ガス還流装置。

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