JP5304952B2 - 内燃機関の排気循環装置 - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の排気循環装置に関するものである。
従来から、内燃機関の燃料消費量の低減を図るために、燃焼室において燃焼したガスをEGRガスとして吸気通路に再循環させる排気循環装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
この特許文献1に開示された排気循環装置は、排気通路を流れる排気の一部を吸気通路に再循環させるEGR通路と、このEGR通路に設けられ、吸気通路に再循環させるEGRガスの流量を調整するEGRバルブと、EGRバルブより排気通路側に設けられ、再循環させるEGRガスを機関冷却水との熱交換により冷却するEGRクーラとが設けられている。
このような排気循環装置は、EGR通路を流通するEGRガスの流量をEGRバルブにより調整することによって、内燃機関の運転状態に応じた排気通路から吸気通路へのEGRガスの還流を実現するようになっている。
また、前述したような排気循環装置は、EGRバルブが開状態から閉状態に切り替わっても、排気脈動などに起因してEGR通路に排気ガスが入り込む。そこで、排気通路からEGR通路にEGRガスが流入することを防止する遮断弁を設けた排気循環装置が知られている(例えば、特許文献2参照)。
この特許文献2に開示された排気循環装置は、排気通路にタービンを有し、吸気通路にコンプレッサを有するターボチャージャを備えた車両に搭載され、タービンよりも下流の排気の一部をコンプレッサよりも上流の吸気通路へ還流する低圧のEGR通路を備えている。
また、特許文献2に開示された排気循環装置は、吸気通路と排気通路とを連通し内燃機関からの排気の一部を吸気通路に循環させる低圧のEGR通路と、低圧のEGR通路の途中でEGRガスを冷却するEGRクーラと、EGRクーラよりも下流側に設けられるとともに、EGRクーラによって冷却されたEGRガスを吸気通路に還流させる際にその流量を調整するEGRバルブと、EGRクーラにてEGRガスが冷却されることにより発生する凝縮水がEGRクーラに滞留するか否かを判定する判定手段と、判定手段によりEGRクーラに凝縮水が滞留すると判定され、かつ、EGRガスが吸気通路に還流されないときにEGRクーラへのEGRガスの流入を抑制する遮断弁と、を備えている。
ここで、EGRバルブは、低圧のEGR通路の通路断面積を調整することにより、低圧のEGR通路を流れるEGRガスの量を調整するようになっている。また、遮断弁は、EGRバルブと異なり、全閉または全開のいずれか一方の状態のみをとるようになっている。
特許文献2に開示された排気循環装置は、上述した構成により、EGRバルブが全閉状態となりEGRクーラ内で発生した凝縮水が滞留しやすいときに遮断弁が全閉状態となるので、EGRクーラにEGRガスが流入することを抑制できる。
したがって、EGRクーラ内における凝縮水の滞留を抑制することができ、EGRクーラが腐食することを抑制することができる。
しかしながら、上述した従来の内燃機関の排気循環装置は、EGRクーラより上流側の低圧のEGR通路を形成するEGR管において凝縮水が発生することを抑制するものではなく、EGR管の腐食を抑制することは考慮されていなかった。
例えば、上述した従来の内燃機関の排気循環装置は、冷却水温が低温で内燃機関が暖機状態の場合には、EGRバルブが全閉状態で、かつ遮断弁が全閉状態であるので、EGRガスによりEGR管の温度を上昇させることができない。このような状態で、EGRバルブが全閉状態から開状態に移行すると、遮断弁が全開状態に移行するので、排気通路から流入したEGRガスがEGR管によって冷やされ、低圧のEGR通路上で凝縮水が発生する恐れがあった。そして、一旦EGR管内に凝縮水が発生すると、この凝縮水は燃料中のS成分により強酸化したり、燃料中のCl成分を塩化物イオンとして含むことによりEGR管を腐食させる原因となる恐れがあった。
また、上述した従来の内燃機関の排気循環装置は、暖機時に限らず、EGRバルブが開状態から閉状態に移行すると、遮断弁が全閉状態となるので、EGRガスが低圧のEGR通路に流入した状態となる。このとき、EGR管の温度が露点温度付近まで低下すると、低圧のEGR通路上で凝縮水が発生する恐れがあった。特に、エンジンの間欠運転を繰り返すハイブリッド車両の場合には、エンジンが停止した際に凝縮水が発生することがあり、また、ハイブリッド車両でなくとも、通常の運転状態からアイドル運転状態等に移行すると、EGR弁が全閉状態に移行するので、凝縮水が発生することがあった。
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、EGRクーラより上流側のEGR管において凝縮水が発生することを抑制し、EGR管の腐食を抑制することができる内燃機関の排気循環装置を提供することを目的とする。
本発明に係る内燃機関の排気循環装置は、上記目的達成のため、内燃機関から排気通路に排出された排気の一部をEGRガスとして吸気通路に循環させる内燃機関の排気循環装置であって、前記排気通路と前記吸気通路とを連通するEGR通路が形成されたEGR管と、前記排気通路側に設けられ、開状態と閉状態との間で駆動されるとともに、前記閉状態の場合に前記EGRガスが前記EGR通路に流入するのを遮断する第1の弁と、前記第1の弁よりも前記吸気通路側に設けられ、開状態と閉状態との間で駆動されるとともに、前記EGRガスが前記吸気通路に流入する量を調整する第2の弁と、前記第1の弁と前記第2の弁の間の前記EGR管に設けられ、前記EGR通路に流入するEGRガスを冷却するEGRクーラと、前記第1の弁から前記EGRクーラまでの間の前記EGR管を加熱する加熱部と、を備えたことを特徴とする。
この構成により、第1の弁からEGRクーラまでの間のEGR管を加熱することができるので、エンジン運転中にEGR管の温度が露点温度付近まで低下することを抑制することができる。したがって、EGRクーラより上流側のEGR管における凝縮水の発生を抑制し、EGR管の腐食を抑制することができる。
また、本発明に係る内燃機関の排気循環装置は、前記加熱部は、前記内燃機関の冷却水との熱交換により前記EGR管を加熱することを特徴とする。
この構成により、排気循環装置は、内燃機関の冷却水との熱交換によりEGR管を加熱するので、別途熱源を設けなくても実現でき、別途熱源を設ける場合と比較してコスト低減を図ることができる。また、内燃機関の暖機終了後は、加熱部に供給される冷却水によりEGRガスを冷却できるので、EGRクーラによるEGRガスの冷却を加熱部にも分担させることが可能となる。したがって、EGRクーラを簡易な構成にし、コストを下げることができる。
また、本発明に係る内燃機関の排気循環装置は、前記加熱部および前記EGR管が2重管構造を形成するよう前記加熱部が前記EGR管の外周側に設置されることを特徴とする。
この構成により、加熱部が簡単な構造により実現できるので、コストを低減できるとともに、排気循環装置の車両への設置が容易になる。
また、本発明に係る内燃機関の排気循環装置は、前記内燃機関の冷却水の温度を検出する水温センサと、前記水温センサによって検出された前記冷却水の温度が閾値以上となった場合に、前記第1の弁が閉状態から開状態に移行するよう制御するとともに前記第2の弁の開度を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
この構成により、制御部は、冷却水温が閾値以上となった場合に第1の弁が閉状態から開状態に移行するよう制御するとともに第2の弁の開度を制御するので、好適に内燃機関の燃焼状態に応じた排気還流量の制御を実行することができる。さらに、暖機が終了した状態でEGR通路にEGRガスを流入させることができるので、EGRガス温度が露点温度以下に低下することがなく、EGR管やEGRクーラに凝縮水が発生することを抑制することができる。
また、本発明に係る内燃機関の排気循環装置は、外気温を検出する外気温センサをさらに備え、前記制御部は、前記外気温センサにより検出された外気温に応じて前記閾値を設定することを特徴とする。
この構成により、制御部は、第1の弁および第2の弁を閉状態から開状態に移行する条件を外気温に応じて設定することができるので、外気温に応じた第1の弁および第2の弁の制御を実行することができる。したがって、第2の弁をEGRバルブにより構成した場合には、EGR管の温度環境に応じてEGRバルブを制御することができ、凝縮水の発生を好適に抑制することができる。
また、本発明に係る内燃機関の排気循環装置は、前記加熱部は、前記内燃機関から前記排気通路に排気ガスを導入する排気マニホールドにより構成され、前記EGR管は、前記加熱部からの輻射熱で加熱されることを特徴とする。
この構成により、EGR管は、排気マニホールドの輻射熱により加熱されるので、簡単な構造により実現できコストを低減できる。
本発明によれば、EGRクーラより上流側のEGR管において凝縮水が発生することを抑制し、EGR管の腐食を抑制することができる内燃機関の排気循環装置を提供できる。
以下、本発明の第1の実施の形態について、図1ないし図5を参照して説明する。なお、本実施の形態においては、本発明に係る排気循環装置を4気筒のガソリンエンジンを搭載した車両に適用する場合について説明する。
まず、構成について説明する。
図1に示すように、エンジン1は、シリンダヘッド10と、不図示のシリンダブロックを備えており、シリンダヘッド10およびシリンダブロックは、4つの気筒5を形成している。これらの気筒5には、ピストンにより燃焼室7がそれぞれ画成されている。また、シリンダヘッド10には、外気を気筒5に導入するための吸気ポートおよび排気ガスを気筒5から排出するための排気ポートが形成されている。
各吸気ポートには、燃料を噴射するためのインジェクタが設置されており、噴射された燃料は空気と混ざり混合気として燃焼室7に導入される。シリンダヘッド10には、各燃焼室7に導入された混合気に点火するための点火プラグ15が配置されており、点火プラグ15は後述するECU(Electronic Control Unit)100によって点火時期を制御されるようになっている。
また、インジェクタは電磁駆動式の開閉弁により構成されており、ECU100により所定電圧が印加されると、開弁して各気筒5の吸気ポートに燃料を噴射するようになっている。
エンジン1は、さらに、シリンダヘッド10に接続される吸気マニホールド11aを有しており、この吸気マニホールド11aは吸気通路11の一部を構成している。吸気通路11は、吸気管14の内部に形成されており、上流側から順に図示しないエアクリーナおよびエアフロメータ22が設けられている。吸気通路11には、さらに、吸入空気量を調整するためのスロットルバルブ18が吸気マニホールド11aの上流側に設けられている。また、吸気マニホールド11aには、吸気温センサ23および圧力センサ24が設けられている。
スロットルバルブ18は、その開度を無段階に調整することが可能な電子制御式の開閉弁により構成されており、所定の条件下において吸入空気の流路面積を絞り、この吸入空気の供給量を調整するようになっている。ECU100は、スロットルバルブ18に設置されたスロットルモータを制御してスロットルバルブ18の開度を調節するようになっている。
エンジン1は、さらに、シリンダヘッド10に接続される排気マニホールド12aを有しており、この排気マニホールド12aは排気通路12の一部を構成している。排気通路12には、例えば三元触媒により構成される触媒装置13が配置されている。触媒装置13の上流側の排気通路12にはA/Fセンサ25が配置されている。また、触媒装置13の下流側の排気通路12には排気温センサ26が配置されている。これらA/Fセンサ25および排気温センサ26の各出力信号はECU100に入力される。
エンジン1は、さらに、EGR装置30を備えている。EGR装置30は、排気通路12を流れる排気ガスの一部を吸気通路11に還流させて、各気筒5の燃焼室7へEGRガスとして供給することにより燃焼温度を低下させ、これによってNOx発生量を低減させるようになっている。また、ポンピングロスが低減し、燃費が向上するようになっている。
EGR装置30は、吸気マニホールド11aと排気管16とを接続し、内部にEGR通路34が形成されたEGR管33を備えている。このEGR管33には、EGRガス流れの上流側から順に、EGR通路34を流れるEGRガスを冷却するためのEGRクーラ31およびEGRバルブ32が設けられている。
吸気マニホールド11aには、ステンレスにより形成された図示しないデリバリパイプが配置されている。デリバリパイプは、EGR通路34と吸気マニホールド11aとを連通させる管状部材により構成されている。
EGR装置30は、さらに、後述するEGR遮断弁35とEGRクーラ31との間のEGR管33を加熱する加熱用配管45を有している。加熱用配管45は、ステンレスなどの金属部材により構成されており、加熱用配管45およびEGR管33が2重管構造を形成するよう加熱用配管45がEGR管33の外周側に設置されている。
そして、EGR管33の外周面と加熱用配管45の内周面により冷却水路46が形成されている。この冷却水路46は、後述する冷却水回路40の第3経路49の一部を構成しており、エンジン1の冷却水が、流入ポート46aを介して供給され排出ポート46bを介して排出されるようになっている。つまり、本実施の形態に係る加熱用配管45は、本発明に係る加熱部を構成する。
なお、EGR管33の排気管16に近い部分は、排気通路12を流れる高温の排気ガスにより加熱される。そのため、EGR管33の排気管16に近い部分に加熱用配管45が配置されると、冷却水温は排気温よりも低いため、エンジン1の暖機中においては加熱がむしろ遅くなる。したがって、加熱用配管45は、エンジン1の暖機時に、排気通路12を流れる排気ガスより冷却水による加熱の効果が大きい位置に設置されると好適である。このため、本実施の形態においては、図1に示すように加熱用配管45の上流側端部が排気管16とEGR管33の分岐部から所定距離離れた場所に位置している。
EGRクーラ31は、主にステンレスにより形成されており、図1および図2に示すように、筐体31a内におけるEGRガスの通路の外周部に冷却水配管が張り巡らされた構成を有している。EGR通路34から供給されたEGRガスは、EGRガスの通路を通過する際に冷却水配管を流れる冷却水との熱交換により冷却され、下流側へ導かれるようになっている。EGRクーラ31には、エンジン1を通過した冷却水を導入するためのインレットパイプ31dおよびEGRバルブ32の不図示のインレットパイプと接続されるアウトレットパイプ31eが接続されており、冷却水は、インレットパイプ31dから冷却水配管に流入し、アウトレットパイプ31eから排出される。
EGRバルブ32は、その内部に設けられたEGRバルブ駆動手段32aと、基端部分がEGRバルブ駆動手段32aに挿通された状態で配設され、その先端部分にEGR通路34を開閉する弁体32bが設けられたシャフト32cとを備えている。EGRバルブ駆動手段32aは、例えばステップモータやDCモータにより構成されている。そして、ECU100は、EGRバルブ駆動手段32aを通電制御することにより、その電磁力と図示しないスプリングの付勢力によりシャフト32cがその軸方向に往復駆動され、弁体32bによりEGR通路34が開閉される。ここで、本実施の形態に係るEGRバルブ32は、本発明に係る第2の弁を構成する。
また、EGRバルブ32は、主にアルミニウムやステンレスなどの金属により構成されている。EGRバルブ32の筐体32dには、EGRバルブ水路がシャフト32cを囲むように形成されている。このEGRバルブ水路の上流側の端部にはインレットパイプが接続されており、EGRクーラ31のアウトレットパイプ31eから排出された冷却水は、このインレットパイプを介してEGRバルブ水路に導入される。また、EGRバルブ水路の下流側の端部にはアウトレットパイプ32fが接続されている。そして、EGRバルブ水路を流れる冷却水により、高温の排気に曝されることとなるシャフト32cおよび弁体32bが冷却されるとともに、EGRバルブ駆動手段32aも冷却されるようになっている。
ECU100は、EGRバルブ32の開度を調整することによって、排気通路12と吸気通路11とを連通し排気マニホールド12aから吸気マニホールド11aに導入されるEGRガス量、すなわち排気還流量を調整するようになっている。
EGRクーラ31の筐体31aは、熱伝導性を有する金属により形成されており、上流端部および下流端部に締結部31b、31cをそれぞれ有している。また、EGRバルブ32の筐体32dも、熱伝導性を有する金属により形成されており、上流端部に締結部32eを有している。
そして、本実施の形態に係るEGRクーラ31およびEGRバルブ32は、図2に示すように、締結部31c、32eによってEGR管を介さずに互いに締結されるようになっている。これらの締結部31c、32eは、例えば気密結合用のフランジにより構成されており、ボルト等の締結手段により互いに締め付け固定されたり、溶接など公知の方法により固定されるようになっている。これらの締結部31cおよび32eを介してEGRクーラ31とEGRバルブ32との間における熱伝導が可能となっている。
また、EGRクーラ31の締結部31bは、EGR管33に形成されている締結部33aと互いに締結するようになっている。これらの締結部31b、33aも、例えば気密結合用のフランジにより構成されており、ボルト等の締結手段により互いに締め付け固定されたり、溶接など公知の方法により固定されるようになっている。
本実施の形態に係るEGR装置30は、さらに、EGRクーラ31の上流側にEGR遮断弁35を備えている。EGR遮断弁35は、アルミニウムやステンレスなどの金属により形成されており、ダイヤフラム弁や電磁駆動弁など、全開となる開状態および全閉となる閉状態とを取ることが可能な弁により構成されている。このEGR遮断弁35は、後述するように、所定の運転条件下においてEGR通路34を遮断し、排気マニホールド12aに排出された排気ガスがEGR装置30に流入することを防止するようになっている。なお、EGR遮断弁35は、開状態と閉状態との間の任意の状態を取ることが可能な弁により構成されていてもよい。ここで、本実施の形態に係るEGR遮断弁35は、本発明に係る第1の弁を構成する。
図1および図3に示すように、エンジン1の各部には、上述した各種センサのほかに、冷却水温センサ21、排気温センサ26、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号を出力するアクセル開度センサ29、スロットルバルブ18の開度に応じた検出信号を出力するスロットル開度センサ27、バルブ開度センサ36および遮断弁開度センサ39が設置されている。また、エンジン1が積載される車両には、エンジン1のクランクシャフトの回転数を検出し、エンジン回転数として出力するエンジン回転数センサ37および外気温センサ38が設置されている。
冷却水温センサ21は、エンジン1のシリンダブロックに形成されたウォータージャケットに配置され、エンジン1の冷却水温THWに応じた検出信号をECU100に出力する。エアフロメータ22は、吸気通路11のスロットルバルブ18の上流側に配置され、吸入空気量に応じた検出信号をECU100に出力する。吸気温センサ23は、吸気マニホールド11aに配置され、吸入空気の温度に応じた検出信号をECU100に出力する。圧力センサ24は、吸気マニホールド11aに配置され、吸気圧に応じた検出信号をECU100に出力する。
A/Fセンサ25は、触媒装置13の上流側の排気通路12に配置されており、排気ガス中の酸素濃度(排気A/F)に応じた検出信号をECU100に出力する。排気温センサ26は、触媒装置13の下流側の排気通路12に配置され、排気ガスの温度に応じた検出信号をECU100に出力する。バルブ開度センサ36は、EGRバルブ32の開度に応じた信号をECU100に出力する。外気温センサ38は、外気温を表す信号をECU100に出力する。遮断弁開度センサ39は、EGR遮断弁35の開度に応じた信号をECU100に出力する。
ECU100は、エンジン1を搭載する車両に搭載されており、図3に示すように、CPU(Central Processing Unit)101、ROM(Read Only Memory)102、RAM(Random Access Memory)103およびバックアップRAM104などを備えている。なお、本実施の形態に係るECU100は、本発明に係る排気循環装置の一部を構成する。
ROM102は、排気還流量を調節するEGR制御を実施するためのプログラムおよび気筒5に対する燃料噴射量を制御するための制御プログラムを含む各種制御プログラムや、これらの各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップなどが記憶されている。CPU101は、ROM102に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行するようになっている。また、RAM103は、CPU101による演算結果や、上述した各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するようになっている。バックアップRAM104は、不揮発性のメモリにより構成されており、例えばエンジン1の停止時に保存すべきデータ等を記憶するようになっている。
CPU101、ROM102、RAM103およびバックアップRAM104は、バス107を介して互いに接続されるとともに、入力インターフェース105および出力インターフェース106と接続されている。
入力インターフェース105には、冷却水温センサ21、エアフロメータ22、吸気温センサ23、圧力センサ24、A/Fセンサ25、排気温センサ26、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号を出力するアクセル開度センサ29、スロットルバルブ18の開度に応じた検出信号を出力するスロットル開度センサ27、バルブ開度センサ36、エンジン1のクランクシャフトの回転数を検出し、エンジン回転数として出力するエンジン回転数センサ37、外気温センサ38および遮断弁開度センサ39などが接続されている。
出力インターフェース106は、点火プラグ15、スロットルバルブ18、EGRバルブ32、EGR遮断弁35および図示しないインジェクタなどに接続されている。
そして、ECU100は、上記した各種センサの出力に基づいて、EGR制御および燃料噴射量制御などを含むエンジン1の各種制御を実行する。
図4は、本実施の形態に係るEGR装置30に冷却水を供給する冷却水回路40を示す模式図である。冷却水回路40は、ウォーターポンプ44から吐出した冷却水を、エンジン1、ヒータコア41、EGRクーラ31、EGRバルブ32およびスロットルバルブ18の順に供給し、ウォーターポンプ44に戻す第1経路47と、エンジン1を構成するシリンダヘッド10の下流に設置されている図示しない三方弁により第1経路47から分岐され、エンジン1から流出した冷却水の一部をラジエータ42に供給し、ウォーターポンプ44に戻す第2経路48とを有している。
冷却水回路40は、さらに、ヒータコア41の下流側の第1経路47から分岐し、加熱用配管45を経て、スロットルバルブ18の上流側の第1経路47に合流する第3経路49を有している。
第1経路47を還流する冷却水は、エンジン1を構成するシリンダブロックおよびシリンダヘッド10との熱交換により加熱される。そして、冷却水の一部は、ヒータコア41との熱交換により冷却され、その後EGRクーラ31に供給される。また、冷却水の残りは、ヒータコア41との熱交換が行われた後、第3経路49に流入し、加熱用配管45においてEGR管33との熱交換により冷却される。そして、スロットルバルブ18の上流側において第1経路47を還流する冷却水と合流する。
一方、第2経路48を還流する冷却水は、シリンダヘッド10の下流に設置されている図示しないサーモスタットにより第1経路47から分岐されると、ラジエータ42に供給され外気との熱交換により冷却される。また、サーモスタットは、暖機中や寒冷地域の走行に起因してエンジン1の冷却水温THWが通常走行時の冷却水温と比較して低温となっている場合には、ラジエータ42とウォーターポンプ44との間の経路を遮断するようになっている。また、サーモスタットは、冷却水温THWが上昇するにしたがって、ラジエータ42とウォーターポンプ44との間の経路を徐々に開放し、第1経路47を還流する冷却水量に対する第2経路48を還流する冷却水量の割合を増加するようになっている。
本発明の実施の形態に係る制御装置を構成するECU100は、さらに、冷却水温センサ21から入力される信号に基づいて、冷却水温THWが所定値THWth未満であると判断すると、EGR遮断弁35を閉状態に移行するようになっている。
所定値THWthとしては、例えば、70℃などエンジン1の暖機が終了しEGR制御が開始される温度に設定されている。ここで、排気ガスの露点温度は60℃以下である。したがって、冷却水温THWが70℃以上である場合には、EGR装置30に排気ガスが供給されたとしても、EGRクーラ31内において凝縮水が発生することを抑制できる。また、冷却水は、EGRバルブ32にも供給されるので、EGRバルブ32において凝縮水が発生することも抑制できる。
また、本実施の形態に係るEGR装置30は、従来のEGR装置と異なり、EGRクーラ31とEGRバルブ32の間に冷却水により加熱されないEGR管が設置されていない。そのため、従来のEGR装置においては、冷却水温THWが所定値THWthに達しEGR遮断弁35が全閉状態から全開状態に移行した際に、このEGR管がまだ十分に温まっておらず、このEGR管内において凝縮水が発生する場合があった。これに対し、本実施の形態に係るEGR装置30は、暖機が終了しEGR遮断弁が開状態に移行した際に、EGRクーラ31とEGRバルブ32の間においてEGRガスが冷却され凝縮水が発生しない構成を有している。
また、ECU100は、EGR制御を実行せず、EGRバルブ32を全閉状態に移行している場合には、EGR遮断弁35も全閉状態に移行することにより、EGRバルブ32が全閉状態である場合に排気脈動で排気がEGR装置30に流入することを防止するようになっている。このように、EGRバルブ32が全閉状態を取ると、EGR遮断弁35も全閉状態をとり、EGRバルブ32が開状態、すなわち全閉状態以外の状態を取る場合には、EGR遮断弁35は全開状態を取るようになっている。
また、ECU100は、冷却水温センサ21から入力される信号に基づいて冷却水温THWが70℃を超えたと判断した場合には、EGR遮断弁35を全開状態に移行するとともに、EGR制御を開始するようになっている。
また、ECU100は、暖機が終了したと判断し、EGR遮断弁35を開状態に移行すると、EGRバルブ32を制御して、EGRガスの流量を調節するEGR制御を実行するようになっている。ECU100は、エンジン回転数及びエンジン負荷とEGRバルブ32の開度とを対応付けた開度マップをROM102に記憶しており、エンジン回転数センサ37により検出されたエンジン回転数およびエアフロメータ22により検出された吸入空気量から求められるエンジン負荷を取得すると、ROM102に記憶されている開度マップを参照してEGRバルブ32の開度を設定するようになっている。
なお、ECU100は、吸入空気量とエンジン負荷とを対応付けたエンジン負荷マップを予めROM102に記憶している。吸入空気量とエンジン負荷との対応は予め実験的な測定により求められている。なお、エンジン負荷は、例えば、吸入空気量の代わりにエンジン1における燃料噴射量から算出する方法など、公知の方法により算出されていればよい。
次に、本発明の実施の形態に係る排気循環装置の動作について説明する。
図5は、本発明の実施の形態に係るEGR制御を説明するためのフローチャートである。なお、以下の処理は、ECU100を構成するCPU101によって所定の時間間隔で実行されるとともに、CPU101によって処理可能なプログラムを実現する。
ECU100は、まず、冷却水温センサ21から取得した信号に基づいて、冷却水温THWが所定値THWth以上であるか否かを判断する(ステップS1)。
ECU100は、冷却水温THWが所定値THWth以上であると判断した場合には(ステップS1でYES)、EGR通路34に排気ガスがEGRガスとして流入しても、EGRクーラ31やEGRバルブ32において凝縮水が発生しないため、EGR遮断弁35を閉状態から開状態に移行する(ステップS2)。このとき、EGR管33も冷却水路46に供給された冷却水により加熱されているので、EGR管33においても凝縮水が発生しない。
一方、冷却水温THWが所定値THWthに達していないと判断した場合には(ステップS1でNO)、EGR通路34に排気ガスが流入し、EGRクーラ31あるいはEGRバルブ32において露点温度以下になることにより凝縮水が発生することを防止するため、EGR遮断弁35を閉状態に移行し(ステップS3)、RETURNに移行する。このとき、エンジン1により加熱された冷却水が冷却水路46に供給されるので、EGR管33は、高温の排気ガスが流入せずとも加熱される。
なお、ステップS3において、EGR遮断弁35がすでに閉状態にあるならば、ECU100はEGR遮断弁35の閉状態を継続する。
ステップS4に移行した場合、ECU100は、エンジン1の燃焼状態に応じたEGRバルブ32の制御を実行する。具体的には、ECU100は、エンジン回転数センサ37からエンジン回転数を表す信号を取得するとともに、エアフロメータ22から入力された信号とROM102に記憶されているエンジン負荷マップによりエンジン負荷を算出する。そして、ECU100は、ROM102に記憶されている開度マップに基づいてEGRバルブ32の開度を設定する。
以上のように、本発明の第1の実施の形態に係る内燃機関の排気循環装置は、EGR遮断弁35からEGRクーラ31までの間のEGR管33を加熱することができるので、エンジン1の運転中にEGR管33の温度が露点温度付近まで低下することを抑制することができる。したがって、EGRクーラ31より上流側のEGR管33における凝縮水の発生を抑制し、EGR管33の腐食を抑制することができる。
また、EGR装置30は、エンジン1の冷却水との熱交換によりEGR管33を加熱するので、別途熱源を設けなくても実現でき、別途熱源を設ける場合と比較してコスト低減を図ることができる。
また、エンジン1の暖機終了後は、加熱用配管45に供給される冷却水によりEGRガスを冷却できるので、EGRクーラ31によるEGRガスの冷却を加熱用配管45にも分担させることが可能となる。したがって、EGRクーラ31を簡易な構成にし、コストを下げることができる。
また、加熱用配管45とEGR管33が2重管構造を形成しているので、加熱用配管45が簡単な構造により実現でき、コストを低減できるとともに、EGR装置30の車両への設置が容易になる。
また、ECU100は、冷却水温が閾値以上となった場合にEGR遮断弁35が閉状態から開状態に移行するよう制御するとともにEGRバルブ32の開度を制御するので、好適にエンジン1の燃焼状態に応じた排気還流量の制御を実行することができる。さらに、暖機が終了した状態でEGR通路34にEGRガスを流入させることができるので、EGRガス温度が露点温度以下に低下することがなく、EGR管33やEGRクーラ31に凝縮水が発生することを抑制することができる。
なお、以上の説明においては、ECU100は、冷却水温THWが所定値THWth以上となった場合にEGR制御を実行する場合について説明した。しかしながら、EGR管33において、加熱用配管45よりも上流側の部分の温度は、外気温により変化する。したがって、ECU100は、所定値THWthを外気温に応じて補正するようにしてもよい。
例えば、外気温が高い場合には、EGR管33における加熱用配管45よりも上流側の部分も温度が高くなっている。したがって、冷却水温が所定値THWthより低い状態でもEGR管33の温度はEGRガスの露点温度より高くなっている。一方、外気温が低い場合には、EGR管33における加熱用配管45よりも上流側の部分も温度が低くなっている。そのため、EGR管33の温度を高めるためには、冷却水温を所定値THWthより高くする必要が生じる。
したがって、ECU100は、外気温センサ38から入力される信号に基づいて、外気温が高いほど所定値THWthを高く補正し、外気温が低いほど所定値THWthを低く補正する。なお、ECU100は、補正後の所定値THWthがEGRガスの露点温度より高い範囲で所定値THWthに対する補正を行うようになっている。つまり、本実施の形態に係るECU100は、本発明に係る制御部を構成する。
これにより、ECU100は、EGRバルブ32およびEGR遮断弁35を閉状態から開状態に移行する条件を外気温に応じて設定することができるので、外気温に応じたEGRバルブ32およびEGR遮断弁35の制御を実行することができる。したがって、ECU100は、EGR管33の温度環境に応じてEGRバルブ32を制御することができ、凝縮水の発生を好適に抑制することができる。
また、以上の説明においては、加熱用配管45に供給される冷却水がヒータコア41から供給される場合について説明したが、これに限定されず、冷却水がエンジン1からヒータコア41を介さずに加熱用配管45に供給されるようにしてもよい。この場合、冷却水は、ヒータコア41における熱交換により温度が低下することなく加熱用配管45に供給されるので、加熱用配管45をより短時間で加熱することができる。
また、以上の説明においては、加熱用配管45によりEGR管33を加熱する場合について説明したが、これに限定されず、EGR管が、排気マニホールド12aからの伝熱あるいは輻射熱により加熱されるようにしてもよい。
以下、本発明の第2の実施の形態に係る内燃機関の排気循環装置について、図6を参照して説明する。
なお、第2の実施の形態に係る排気循環装置において、上述の第1の実施の形態に係る排気循環装置と同様の構成要素については、第1の実施の形態と同様の符号を用いて説明し、特に相違点についてのみ詳述する。
本実施の形態に係るEGR装置50は、EGRクーラ31より上流側のEGR管61が、排気マニホールド12aの近傍に設置されている。EGR管61と排気マニホールド12aとの距離は、エンジン1の暖機時において、排気マニホールド12aの輻射熱がEGR管61に到達しEGR管61を加熱可能となるよう設定されている。つまり、本実施の形態においては、排気マニホールド12aが本発明に係る加熱部を構成する。
これにより、EGR管61は、EGR遮断弁35が全閉となりEGR管61内に形成されたEGR通路62に高温の排気ガスが流入しない場合においても、排気マニホールド12aの輻射熱により加熱される。したがって、エンジン1の暖機が終了しEGR遮断弁35が全開状態に移行した際に、排気ガスはEGR通路62に流入しても露点温度以下とならず、凝縮水の発生を抑制することができる。
ここで、EGR管61の上流端近傍は、第1の実施の形態に係るEGR装置30と同様、排気通路12を流通する高温の排気ガスにより加熱される。したがって、EGR管61は、排気ガスによる加熱の効果が低い位置が排気マニホールド12aの近傍に位置していればよい。
また、EGR管61は、排気マニホールド12aによる輻射熱の代わり排気マニホールド12aからの伝熱により加熱されるようにしてもよい。この場合、EGRクーラ31より上流側のEGR管61の長さを従来よりも短くすることにより、EGRクーラ31より上流側に位置するEGR管61全体を伝熱により加熱することが可能となる。また、EGR管61は、排気マニホールド12aによる輻射熱および伝熱により加熱されるようにしてもよい。
以上のように、本発明の第2の実施の形態に係る内燃機関の排気循環装置は、EGR管33が、排気マニホールド12aの輻射熱により加熱されるので、簡単な構造により実現できコストを低減できる。
なお、以上の説明においては、EGR装置30、50がターボユニットを備えないエンジン1に適用される場合について説明したが、これに限定されず、EGR装置30、50がターボユニットを備えるエンジン1に適用されてもよい。
この場合、EGR装置30、50は、タービンホイールの上流側から排気ガスを取得してコンプレッサホイールの下流側にEGRガスとして還流するいわゆるHPL(High-Pressure Loop)を構成してもよい。また、EGR装置30、50が、タービンホイールの下流側から排気ガスを取得してコンプレッサホイールの上流側にEGRガスとして還流するLPL(Low-Pressure Loop)を構成していてもよい。
また、以上の説明においては、EGR管33、61が触媒装置13の下流側の排気管16から分岐される場合について説明したが、これに限定されず、EGR管33、61が触媒装置13の上流側の排気管16あるいは排気マニホールド12aから分岐されていてもよい。EGR管33、61が排気マニホールド12aから分岐される場合には、EGR管33、61は排気マニホールド12aと一体的に形成されていてもよく、あるいはEGR管33、61と排気マニホールド12aとが気密結合用のフランジ等により互いに接続されていてもよい。
また、以上の説明においては、EGRクーラ31とEGRバルブ32とが別々の部品として形成される場合について説明した。しかしながら、EGRクーラ31とEGRバルブ32とが一つの筐体内に収容されるよう形成されていてもよい。
また、EGR装置30、50は、ガソリンエンジンにより構成されたエンジン1を搭載した車両に適用される場合について説明したが、これに限定されず、EGR装置30、50は、ディーゼルエンジンなど公知の内燃機関を搭載した車両に適用されていればよい。
また、以上の説明においては、燃料が吸気ポートに噴射されるポート噴射式エンジンにEGR装置30、50が適用される場合について説明したが、これに限定されず、燃料が各燃焼室7に直接噴射される筒内噴射式エンジンにEGR装置30、50が適用されていてもよい。また、筒内噴射およびポート噴射のいずれもが行われるエンジンにEGR装置30、50が適用されていてもよい。
また、EGR装置30、50は、エンジン1のみを動力源とする車両のみならず、エンジンおよび回転電機を動力源とするハイブリッド車両に適用されていてもよい。
以上のように、本発明に係る排気循環装置は、EGRクーラより上流側のEGR管において凝縮水が発生することを抑制し、EGR管の腐食を抑制することができるという効果を奏するものであり、内燃機関の排気循環装置に有用である。
1 エンジン
5 気筒
7 燃焼室
11 吸気通路
11a 吸気マニホールド
12 排気通路
12a 排気マニホールド
13 触媒装置
16 排気管
18 スロットルバルブ
21 冷却水温センサ
22 エアフロメータ
23 吸気温センサ
24 圧力センサ
26 排気温センサ
30 EGR装置
31 EGRクーラ
32 EGRバルブ
32a リニアソレノイド
33 EGR管
34 EGR通路
35 EGR遮断弁
36 バルブ開度センサ
37 エンジン回転数センサ
38 外気温センサ
39 遮断弁開度センサ
40 冷却水回路
45 加熱用配管
46 冷却水路
50 EGR装置
61 EGR管
100 ECU
5 気筒
7 燃焼室
11 吸気通路
11a 吸気マニホールド
12 排気通路
12a 排気マニホールド
13 触媒装置
16 排気管
18 スロットルバルブ
21 冷却水温センサ
22 エアフロメータ
23 吸気温センサ
24 圧力センサ
26 排気温センサ
30 EGR装置
31 EGRクーラ
32 EGRバルブ
32a リニアソレノイド
33 EGR管
34 EGR通路
35 EGR遮断弁
36 バルブ開度センサ
37 エンジン回転数センサ
38 外気温センサ
39 遮断弁開度センサ
40 冷却水回路
45 加熱用配管
46 冷却水路
50 EGR装置
61 EGR管
100 ECU
Claims (6)
- 内燃機関から排気通路に排出された排気の一部をEGRガスとして吸気通路に循環させる内燃機関の排気循環装置であって、
前記排気通路と前記吸気通路とを連通するEGR通路が形成されたEGR管と、
前記排気通路側に設けられ、開状態と閉状態との間で駆動されるとともに、前記閉状態の場合に前記EGRガスが前記EGR通路に流入するのを遮断する第1の弁と、
前記第1の弁よりも前記吸気通路側に設けられ、開状態と閉状態との間で駆動されるとともに、前記EGRガスが前記吸気通路に流入する量を調整する第2の弁と、
前記第1の弁と前記第2の弁の間の前記EGR管に設けられ、前記EGR通路に流入するEGRガスを冷却するEGRクーラと、
前記第1の弁から前記EGRクーラまでの間の前記EGR管を加熱する加熱部と、を備えたことを特徴とする内燃機関の排気循環装置。 - 前記加熱部は、前記内燃機関の冷却水との熱交換により前記EGR管を加熱することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排気循環装置。
- 前記加熱部および前記EGR管が2重管構造を形成するよう前記加熱部が前記EGR管の外周側に設置されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の内燃機関の排気循環装置。
- 前記内燃機関の冷却水の温度を検出する水温センサと、
前記水温センサによって検出された前記冷却水の温度が閾値以上となった場合に、前記第1の弁が閉状態から開状態に移行するよう制御するとともに前記第2の弁の開度を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1の請求項に記載の内燃機関の排気循環装置。 - 外気温を検出する外気温センサをさらに備え、
前記制御部は、前記外気温センサにより検出された外気温に応じて前記閾値を設定することを特徴とする請求項4に記載の内燃機関の排気循環装置。 - 前記加熱部は、前記内燃機関から前記排気通路に排気ガスを導入する排気マニホールドにより構成され、
前記EGR管は、前記加熱部からの輻射熱で加熱されることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排気循環装置。
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