JP5825434B2

JP5825434B2 - 内燃機関の排気再循環装置

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Publication number: JP5825434B2
Application number: JP2014521382A
Authority: JP
Inventors: 義記有泉; 雄介青柳
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2033-06-26
Also published as: US10006414B2; WO2014207831A1; JPWO2014207831A1; EP3015675A4; CN105339624A; US20160186701A1; EP3015675B1; CN105339624B; EP3015675A1

Description

本発明は、内燃機関の排気再循環装置に関する。詳細には、過給式の内燃機関に適用される排気再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）装置に関する。

従来、例えば特許文献１に開示されているように、過給式の内燃機関にＥＧＲ装置を適用することが公知である。このＥＧＲ装置は、低圧（ＬＰ：Low Pressure）回路ＥＧＲ装置を構成している。ＬＰ回路ＥＧＲ装置は、排気タービンよりも下流の排気通路と、コンプレッサよりも上流の吸気通路とを接続することによって、低圧の排気を内燃機関に還流するものである。ＬＰ回路ＥＧＲ装置によれば、過給前の吸気にＥＧＲガスを導入できるので、大量のＥＧＲガスを内燃機関に還流できる。

一方、ＬＰ回路ＥＧＲ装置においては、ＥＧＲガスが吸気と合流するときにＥＧＲガスが冷やされて凝縮水が発生するという問題がある。凝縮水が発生すると、コンプレッサのインペラにおけるエロージョンの発生に繋がる。この点、特許文献１のＥＧＲ装置は、ＥＧＲ通路の途中にＥＧＲガスを所定温度に加熱するＥＧＲヒータを備えている。ＥＧＲヒータを作動すれば、吸気との合流前にＥＧＲガスの温度を上昇させることができる。従って、コンプレッサ上流での凝縮水量を減らしてエロージョンの発生を抑制できる。

日本特開２００９−１７４４４４号公報

しかしながら、上記ＥＧＲヒータは加熱専用のものであり、その設置によるコスト増加やスペース確保の問題は避けられない。また、上記ＥＧＲヒータでの圧力損失が増大するので、大量のＥＧＲガスを内燃機関に還流できるというＬＰ回路ＥＧＲ装置の利点が損なわれる可能性もある。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものである。即ち、既存の装置を用いてコンプレッサインペラでのエロージョン発生を抑制可能な内燃機関の排気再循環装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気再循環装置であって、
内燃機関の吸気通路と排気通路とを接続する排気再循環通路と、
前記吸気通路の前記排気再循環通路との接続部よりも下流に設けられ、インペラを収容するコンプレッサと、
前記接続部と前記インペラの間の前記吸気通路の内壁に形成され、前記コンプレッサの上流で発生した凝縮水を貯留する貯留部と、
前記貯留部と連通し、且つ、前記インペラをバイパスして前記インペラの下流から上流に吸気を戻すバイパス通路と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記バイパス通路の前記貯留部との接続部が、前記インペラの回転軸中心よりも下方に設けられることを特徴とする。「インペラの回転軸中心よりも下方」とは、インペラの回転軸中心よりも低い位置を意味している。「インペラの回転軸中心よりも下方」には、インペラの回転軸中心の直下（鉛直下方）の領域のみならず、該回転軸中心よりも下側であって該領域よりも外側の領域もが含まれる。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記貯留部が前記コンプレッサの内部に形成されていることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記貯留部が、前記吸気通路を取り囲むように形成された環状の溝であることを特徴とする。

コンプレッサの上流で発生した凝縮水がインペラの前端面の外周部に接触すると、この外周部においてエロージョンが発生する。この点、第１の発明によれば、当該凝縮水を貯留部に溜めておくことができる。この貯留部は、吸気通路の排気再循環通路との接続部とインペラとの間の吸気通路の内壁に形成されたものであり、インペラをバイパスしてインペラの下流から上流に吸気を戻すバイパス通路と連通している。そのため、インペラの下流から上流に戻された吸気によって、貯留部に溜めておいた凝縮水を排出して吸気通路の中心部に吹き飛ばし、インペラの前端面の中央部に接触させることができる。インペラの前端面において、中央部は外周部よりも周速が低いので、中央部では凝縮水の接触によるエロージョンが発生し難い。また、バイパス通路は過給式の内燃機関に一般的に設けられるものである。従って、第１の発明によれば、既存の装置を用いてコンプレッサインペラでのエロージョン発生を抑制できる。

第２の発明によれば、バイパス通路の貯留部との接続部をインペラの回転軸中心よりも下方に設けたので、貯留部から排出した凝縮水を吸気通路の中心部に吹き飛ばすことができる。

第３の発明によれば、貯留部をコンプレッサの内部に形成したので、インペラの直上流で凝縮水を溜めておくことができる。また、貯留部から排出された凝縮水のインペラ到達までの移動距離を短くできるので、凝縮水がインペラに接触する際の接触エネルギーを少なくすることができる。よって、コンプレッサインペラでのエロージョン発生をより一層抑制できる。

第４の発明によれば、吸気通路を取り囲むように形成した環状の溝に、コンプレッサの上流で発生した凝縮水を溜めておくことができる。

実施の形態のＬＰ回路ＥＧＲ装置の構成を説明するための図である。図１のＡ矢視模式図である。図２のＢＢ矢視模式図である。従来のＬＰ回路ＥＧＲ装置における問題を説明するための図である。エロージョン対策ＡＢＶ作動制御を説明するための図である。実施の形態において、ＥＣＵ５０により実行されるエロージョン対策ＡＢＶ作動制御の処理ルーチンを示すフローチャートである。実施の形態の変形例を説明するための図である。実施の形態の変形例を説明するための図である。実施の形態の変形例を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

［装置構成の説明］
図１は、本実施の形態のＬＰ回路ＥＧＲ装置の構成を説明するための図である。図１に示すように、ＬＰ回路ＥＧＲ装置は、車両等に搭載される内燃機関としてのエンジン１０を備えている。エンジン１０の各気筒には、ピストン、吸気弁、排気弁、燃料インジェクタ等が設けられている。なお、図１においては、エンジン１０を直列４気筒エンジンとして示すが、エンジン１０の気筒数および気筒配置はこれに限定されない。

ＬＰ回路ＥＧＲ装置は、過給機１２を備えている。過給機１２は、排気通路１４に設けられたタービン１６と、吸気通路１８に設けられたコンプレッサ２０とを備えている。タービン１６とコンプレッサ２０とは相互に連結されている。過給機１２の作動時には、タービン１６が排気圧を受けて回転し、これによりコンプレッサ２０が駆動され、コンプレッサ２０内部に流入したガスが圧縮される。吸気通路１８には、圧縮ガスを冷却するインタークーラ２２が設けられている。インタークーラ２２の下流には、スロットルバルブ２４が設けられている。

ＬＰ回路ＥＧＲ装置は、排気通路１４を流れる排気を吸気通路１８に導入するためのＥＧＲ通路２６を備えている。ＥＧＲ通路２６は、排気処理装置２８よりも下流の排気通路１４と、コンプレッサ２０よりも上流の吸気通路１８とを接続するものである。ＥＧＲ通路２６の途中には、ＥＧＲ通路２６を流れる排気（つまりＥＧＲガス）を冷却するＥＧＲクーラ３０が設けられている。ＥＧＲクーラ３０には、吸気通路１８に導入するＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ３２が取り付けられている。

図２は、図１のＡ矢視模式図である。図２に示すように、コンプレッサ２０は、コンプレッサ２０の外殻を構成し正面略円形を呈するハウジング３４と、ハウジング３４の中央部に設けられたフランジ３６と、ハウジング３４の外周部に設けられたエアバイパスバルブ（ＡＢＶ）３８とを備えている。ハウジング３４内には、シャフト４０の周りに回転自在に設置されたインペラ４２が収納されている。ＡＢＶ３８は常閉の電磁式バルブであり、重力方向（鉛直方向）下方に設けられている。

フランジ３６とインペラ４２の間のハウジング３４には、円環状の溝４４が形成されている。図３は、図２のＢＢ矢視模式図である。図３に示すように、溝４４は、インペラ４２の吸引側にガスを導くインレット４６の外周部に形成されている。この溝４４の一部は、ＡＢＶ３８によってその一部が閉塞されたエアバイパス通路４８のエア出口部と連通している。エアバイパス通路４８のエア入口部は、ハウジング３４のスクロール（図示しない）と連通している。つまり、エアバイパス通路はハウジング３４内部に形成されている。ＡＢＶ３８を開くことでエアバイパス通路４８の閉塞が解除され、スクロールとエアバイパス通路４８とが連通する。過給時にＡＢＶ３８を開くと、インペラ４２上下流の圧力差によって、インペラ４２下流の圧縮ガスがインペラ４２上流に戻される。

再び図１に戻り、装置構成の説明を続ける。ＬＰ回路ＥＧＲ装置は、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の入力側には、吸気通路１８に流入した吸気（新気）の流量および温度を検出するエアフロメータ５２、スロットルバルブ２４の開度を検出するスロットル開度センサ５４、ＥＧＲバルブ３２の開度を検出するＥＧＲ開度センサ５６の他、エンジン１０の制御に必要な各種センサ（例えば、エンジン冷却水温を検出する温度センサ、エンジン回転数を検出するクランク角センサ等）が電気的に接続されている。他方、ＥＣＵ５０の出力側には、スロットルバルブ２４、ＥＧＲバルブ３２、ＡＢＶ３８の他、各種アクチュエータが電気的に接続されている。ＥＣＵ５０は、上述の各種センサからの入力情報に基づいて所定のプログラムを実行し、上述の各種アクチュエータ等を作動させることにより、以下に説明するエロージョン対策ＡＢＶ作動制御の他、エンジン１０の運転に関する種々の制御を実行する。

［実施の形態の特徴］
図４は、従来のＬＰ回路ＥＧＲ装置における問題を説明するための図である。図４に示すように、従来の装置においては、インペラ６０上流の吸気通路６２内で凝縮水が生じることがある。この理由は、ＥＧＲガス中の水蒸気が吸気通路６２の内壁または新気によって冷やされるためであり、外気温が低い場合にこの凝縮水が特に生じ易い。新気との接触によって生じた凝縮水は、吸気通路６２およびインレット６４の中心部を流れてインペラ６０の中央部（つまり、シャフト６６近傍）からインペラ６０内に流入する。一方、吸気通路６２の内壁との接触によって生じた凝縮水や、新気との接触によって生じ当該内壁に付着した凝縮水は、当該内壁に沿って移動する。当該内壁に沿って移動する凝縮水は、そのサイズを拡大しつつインレット６４の内壁へと移動し、インペラ６０の前端面の外周部６０ａに接触する。そうすると、外周部６０ａにおいてエロージョンが発生し、その結果、過給効率が低下するという問題がある。

この点、本実施の形態のＬＰ回路ＥＧＲ装置によれば、吸気通路１８の内壁を移動する凝縮水を溝４４に収集することができる。従って、凝縮水との接触によるインペラ４２の前端面の外周部の損傷を未然に防止できる。但し、溝４４の容量には限界があるので溝４４から凝縮水が溢れ出てしまう可能性が残る。溝４４に凝縮水が長時間溜まった状態が続くことは溝４４周辺の腐食に繋がる可能性もある。そこで、本実施の形態においては、溝４４に凝縮水を収集しつつ、ＡＢＶ３８を作動させて溝４４から凝縮水を排出する制御を行うこととしている（エロージョン対策ＡＢＶ作動制御）。

［エロージョン対策ＡＢＶ作動制御］
エロージョン対策ＡＢＶ作動制御とは、ＡＢＶ３８の作動条件かつ凝縮水発生条件が成立した場合に、ＡＢＶ３８を開く制御である。上記作動条件は、ＡＢＶ３８の通常の作動条件であり、高過給時にスロットルバルブ２４を急激に閉じた際に成立する。上記作動条件の成立時にＡＢＶ３８を開く理由は、高過給時にスロットルバルブ２４を急激に閉じるとインペラ４２下流の圧力が高まりターボ回転が低下し、次回加速時にエンジントルクが出ず車両等の運転者の意図どおりの運転ができないためである。また、上記凝縮水発生条件は、本実施の形態の特徴的な条件であり、インペラ４２上流の吸気通路１８の内壁に凝縮水が発生し、または付着する際に成立する。上記凝縮水発生条件の成立時にＡＢＶ３８を開くことで、スクロールと溝４４とを連通して溝４４に収集した凝縮水を排出できる。

図５は、エロージョン対策ＡＢＶ作動制御を説明するための図である。図４で説明した従来の装置と同様、本実施の形態のＬＰ回路ＥＧＲ装置においても、インペラ４２上流の吸気通路１８の内壁に凝縮水が発生することがある。この点、本実施の形態によれば、発生した凝縮水を溝４４に流入させて一時的に溜めておくことができる（図５（ａ））。溝４４内に流入した凝縮水は、溝４４内を重力方向下方（つまり、ＡＢＶ３８側）に移動する（図５（ａ））。

エロージョン対策ＡＢＶ作動制御を実行すると、ＡＢＶ３８側の溝４４に溜まった凝縮水が排出される（図５（ｂ））。ＡＢＶ３８側の溝４４に溜まった凝縮水は、インペラ４２の下流から上流に向かう戻りガスの流れに乗せられインレット４６の中心部に吹き飛ばされ、該中心部を流れる吸気とともにインペラ４２の前端面の中央部４２ｂ（つまり、シャフト４０近傍）からコンプレッサ２０内に流入する（図５（ｂ））。インペラ４２の前端面において、中央部４２ｂは外周部４２ａに比べて周速が低いので、外周部４２ａに比べて凝縮水の接触によるエロージョンが発生し難い。即ち、インペラ４２でのエロージョン発生を抑制できる。

［具体的処理］
図６は、本実施の形態において、ＥＣＵ５０により実行されるエロージョン対策ＡＢＶ作動制御の処理ルーチンを示すフローチャートである。なお、図６に示すルーチンは、過給圧が設定値以上となった場合に繰り返して実行されるものとする。

図６に示すルーチンにおいて、先ず、ＥＣＵ５０は、ＥＧＲガスの温度および流量と、吸気の温度および流量とを取得する（ステップ１００）。本ステップにおいて、ＥＧＲガスの温度はＥＣＵ５０内に別途記憶しておいたモデル等を用いて算出する。ＥＧＲガスの流量は、ＥＧＲ開度センサ５６の信号から算出する。吸気温度および流量はエアフロメータ５２の信号から算出する。

続いて、ＥＣＵ５０は、ステップ１００で取得した値を用いて、上記凝縮水発生条件の成否を判定する（ステップ１１０）。具体的に、ＥＣＵ５０は、先ず、ステップ１００で取得した値を用いてインペラ４２上流の吸気通路１８の内壁温度を算出すると共に、ＥＧＲガスと吸気の混合ガスの露点温度を算出する。内壁温度が露点温度を下回る場合、当該内壁に凝縮水が発生し、または付着すると判断できるのでＥＣＵ５０はステップ１２０に進む。一方、内壁温度が露点温度以上の場合、上記凝縮水発生条件が不成立であると判断できるので、ＥＣＵ５０は本ルーチンを終了する。

ステップ１２０において、ＥＣＵ５０は、上記作動条件の成否を判定する。具体的に、ＥＣＵ５０は、スロットル開度センサ５４の信号からスロットル開度の勾配を用いて上記作動条件の成否を判定する。上記勾配の絶対値が所定の基準値を上回った場合、スロットルバルブ２４が急激に閉じられたと判断できるので、ＥＣＵ５０はステップ１３０に進み、ＡＢＶ３８を作動させる。一方、上記勾配の絶対値が所定基準値以下の場合、上記作動条件が不成立であると判断できるので、ＥＣＵ５０は本ルーチンを終了する。

以上、図６に示したルーチンによれば、吸気通路１８の内壁温度が露点温度を下回り、かつ、スロットル開度の勾配の絶対値が所定の基準値を上回った場合に、ＡＢＶ３８を作動させることができる。従って、ＡＢＶ３８側の溝４４に収集した凝縮水を戻りガスによって排出し、中央部４２ｂに接触させた後にインペラ４２内に流入させることができる。よって、インペラ４２の外周部４２ａでのエロージョン発生を抑制できる。

なお、上述した実施の形態においては、ＥＧＲ通路２６が上記第１の発明の「排気再循環通路」に、コンプレッサ２０が同発明の「コンプレッサ」に、溝４４が同発明の「貯留部」に、エアバイパス通路４８が同発明の「バイパス通路」に、それぞれ相当している。
また、エアバイパス通路４８のエア出口部が上記第２の発明の「接続部」に相当している。

ところで、上述した実施の形態においては、吸気の流れ方向に対して垂直な方向に溝４４を形成したが、この溝４４の形成方向はこれに限られず各種の変形が可能である。図７は、本実施の形態の変形例を説明するための図である。例えば、吸気の流れ方向と平行な方向に溝７０を形成してもよい（図７（ａ））。或いは、インレット４６の傾斜方向に沿って溝７２を形成してもよい（図７（ｂ））。このような溝７０，７２であれば、吸気通路１８の内壁で発生等した凝縮水を一時的に留めておくことができるので、上述した実施の形態と同様の効果を得ることが可能となる。

更に言うと、当該凝縮水を一時的に貯留可能なハウジングであれば、上述した実施の形態と同様の効果を得ることが可能となる。図８は、本実施の形態の変形例を説明するための図である。図８に示すハウジング７４においては、インレット７６の径が、吸気通路１８側から内壁７８まで略一定であり、内壁７８よりも下流側で小さくなっている。内壁７８はインペラ４２の前端面と平行面を形成し、当該前端面の外周部を取り囲むように形成されている。そのため、図８に示すように、吸気通路１８の内壁を移動する凝縮水は、内壁７８で堰き止められ、重力方向下方（即ち、エアバイパス通路４８側）に一時的に貯留される。よって、このような堰部がハウジングに形成されていれば、上述した実施の形態と同様の効果を得ることが可能となる。

また、上述した実施の形態においては、ＡＢＶ３８を重力方向下方に設けると共に、エアバイパス通路４８のエア出口部を重力方向下方から溝４４に接続させたが、エア出口部の溝４４との接続手法やＡＢＶ３８の位置はこれに限られず各種の変形が可能である。図９は、本実施の形態の変形例を説明するための図である。図９に示すように、溝４４の外周に複数の戻り部８０ａ〜８０ｄを有するエア出口部８０を設けたとしても、溝４４に溜まった凝縮水を戻りガスによって排出し、インペラ４２の中央部からインペラ４２内に流入させることができる。よって、本実施の形態と同様の効果を得ることが可能となる。

また、上述した実施の形態においては、エアバイパス通路４８および溝４４をハウジング３４内部に形成したが、ハウジング３４外部に形成してもよい。即ち、ＥＧＲ通路２６のガス出口部とインペラ４２の間の吸気通路１８の内壁にこれらを形成してもよい。

１０エンジン
１２過給機
１４排気通路
１８，６２吸気通路
２０コンプレッサ
２４スロットルバルブ
２６ＥＧＲ通路
３４，７４ハウジング
３８エアバイパスバルブ（ＡＢＶ）
４２，６０インペラ
４４，７０，７２溝
４６，６４，７６インレット
４８エアバイパス通路
５０ＥＣＵ

Claims

内燃機関の吸気通路と排気通路とを接続する排気再循環通路と、
前記吸気通路の前記排気再循環通路との接続部よりも下流に設けられ、インペラを収容するコンプレッサと、
前記接続部と前記インペラの間の前記吸気通路の内壁に形成され、前記コンプレッサの上流で発生した凝縮水を貯留する貯留部と、
前記貯留部と連通し、且つ、前記インペラをバイパスして前記インペラの下流から上流に吸気を戻すバイパス通路と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気再循環装置。
前記バイパス通路の前記貯留部との接続部が、前記インペラの回転軸中心よりも下方に設けら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再循環装置。
前記貯留部が前記コンプレッサの内部に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気再循環装置。
前記貯留部が、前記吸気通路を取り囲むように形成された環状の溝であることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載の内燃機関の排気再循環装置。