JP6819563B2 - 内燃機関システム - Google Patents

Description

本発明はＥＧＲ装置を備える内燃機関システムに関する。

特許文献１には、低圧ＥＧＲと高圧ＥＧＲとの２つのＥＧＲ通路を備える内燃機関が記載されている。特許文献１に記載されたシステムにおいて、高圧ＥＧＲ通路には、排気ガスを冷却するための高圧ＥＧＲクーラが設けられると共に、高圧ＥＧＲクーラをバイパスするバイパス通路が接続されている。そして、内燃機関が低負荷又は低回転の場合、低圧ＥＧＲ通路からのＥＧＲガスの還流とともに、高圧ＥＧＲのバイパス通路から高圧ＥＧＲクーラをバイパスしてＥＧＲガスが供給されるように制御される。

また、他のＥＧＲ装置として、ＥＧＲガスの吸気側から排気側への逆流を防止するため、ＥＧＲ通路に逆止弁が設置されたものが知られている。このようなＥＧＲ装置において、逆止弁は、一般に、ＥＧＲ通路の下流側、即ち、吸気通路に近いところに設置される。

特開２０１５−０６８２７２号公報 特開平１０−１７６６８１号公報 特開２００４−２５７３０６号公報

ＥＧＲ通路に逆止弁が設置されている構成の場合、ＥＧＲガスは常に逆止弁を通過して吸気通路に導入される。しかし、内燃機関の低負荷、低回転の運転領域など、ＥＧＲガスの逆流が発生しない運転領域もある。このような運転領域では、ＥＧＲ通路への逆止弁設置にメリットがないばかりでなく、ＥＧＲガスが逆止弁を通過することで圧力損失が発生し、ＥＧＲガスの還流効率が低下する虞がある。ＥＧＲガスの還流効率の低下は、燃費向上の観点からは好ましいものではない。

従って、本発明は、上記課題を解決するため、ＥＧＲ通路におけるＥＧＲガスの逆流を抑制しつつ、ＥＧＲガスの逆止弁通過による圧力損失を低減するよう改良された内燃機関システムを提供するものである。

本発明は内燃機関システムであって、ＥＧＲ装置と制御装置とを備える。ＥＧＲ装置は、ＥＧＲ通路とＥＧＲ装置とバイパス通路とＥＧＲクーラバイパス弁と逆止弁とを備える。ＥＧＲ通路は、内燃機関の排気通路と吸気通路とに接続し、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路に流入させる通路である。ＥＧＲクーラは、ＥＧＲ通路に設置され、通過するＥＧＲガスを冷却する。バイパス通路は、ＥＧＲ通路の、ＥＧＲクーラより上流側の分岐部と、ＥＧＲクーラより下流側の合流部とに接続して、ＥＧＲクーラをバイパスする通路である。ＥＧＲクーラバイパス弁は、バイパス通路へのＥＧＲガスの流量を調節する。逆止弁は、ＥＧＲガスが吸気通路側から排気通路側に逆流するのを防止する弁であり、ＥＧＲ通路の、バイパス通路との分岐部と合流部との間に設置されている。

制御装置は、ＥＧＲクーラバイパス弁の開閉を制御する。制御装置は、内燃機関の運転領域が、所定の低負荷かつ低回転の領域にある場合に、ＥＧＲクーラバイパス弁を制御して、ＥＧＲガスをバイパス通路側に流入させるように構成されている。

本発明の内燃機関システムにおいては、ＥＧＲ通路の、バイパス通路との分岐部と合流部との間の部分に、ＥＧＲガスの逆流防止のための逆止弁が設置される。そして、内燃機関の運転領域が低負荷かつ低回転の領域にある場合、ＥＧＲガスはバイパス通路を通過するように制御される。ここで、内燃機関の低負荷かつ低回転の領域は、ＥＧＲガスの逆流が発生しないと推定される領域である。つまり本発明によれば、ＥＧＲガスの逆流が発生しない領域でのＥＧＲガスの逆止弁通過を回避することができる。これにより、逆止弁通過による圧力損失を低減し、燃費の改善を図ることができる。

本発明の実施の形態における内燃機関システムの全体構成を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態の内燃機関システムのＥＧＲ通路に設置される逆止弁の構成例を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態において制御装置が実行する制御ルーチンについて説明するためのフローチャートである。 本発明の内燃機関システムが奏する効果について説明するための図である。 本発明の内燃機関システムの逆止弁の上流圧と下流圧との差の変化を説明するための図である 本発明の内燃機関システムが奏する効果について説明するための図である。 本発明の実施の形態の内燃機関システムの他の構成例を模式的に示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

図１は本実施の形態の内燃機関システムの構成を模式的に示す図である。本実施の形態にかかるシステムは、自動車に動力装置として搭載される内燃機関（以下、単に「エンジン」と称す）２を備える。エンジン２は複数の気筒を備える。図示を省略するが、エンジン２の各気筒には、ピストン、吸気バルブ、排気バルブ、燃料噴射弁等が設けられている。エンジン２は、過給機１０を備えている。

過給機１０は、排気ガスの排気エネルギによって作動するタービン１２と、タービン１２と一体的に連結され、タービン１２に入力される排気ガスの排気エネルギによって回転駆動されるコンプレッサ１４とを有している。更に、過給機１０は、タービン１２に供給される排気ガスの流量を調整するための可変ノズル（以下「ＶＮ」とも略する）１６を有している。

エンジン２の吸気通路４は吸気マニホールドにより分岐してエンジン２の各気筒の吸気ポートに連通している。エンジン２の排気通路６は、排気マニホールドにより分岐してエンジン２の各気筒の排気ポートに連通している。

エンジン２の吸気通路４の入口付近には、エアクリーナ２０が設けられ、エアクリーナ２０の下流には、過給機１０のコンプレッサ１４、インタークーラ２２、スロットルバルブ２４が設置されている。エアクリーナ２０を通って吸入された空気は、過給機１０のコンプレッサ１４で圧縮された後、インタークーラ２２で冷却され、スロットルバルブ２４を通過して、吸気マニホールドにより各気筒の吸気ポート（図示せず）に分配される。

排気通路６には、過給機１０のタービン１２が設置され、タービン１２よりも下流側には、排気ガスを浄化するための触媒２６が設置されている。

エンジン２はＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置を備えている。吸気通路４における吸気マニホールド近傍には、ＥＧＲ装置のＥＧＲ通路３０の一端が接続されている。ＥＧＲ通路３０の他端は、排気通路６の排気マニホールドに接続されている。このＥＧＲ通路３０を通して、排気ガス（既燃ガス）の一部を吸気通路４へ還流させること、つまり外部ＥＧＲを行うことができる。

ＥＧＲ通路３０は、その途中の分岐部で、ＥＧＲ通路３２とバイパス通路３４とに分岐しており、ＥＧＲ通路３２とバイパス通路３４とは下流側の合流部で、再びＥＧＲ通路３０に合流している。ＥＧＲ通路３０の分岐部と合流部との間の部分であるＥＧＲ通路３２には、上流から順に、ＥＧＲクーラ３６と、逆止弁３８とが設置されている。

バイパス通路３４は、ＥＧＲ通路３２と並行に設けられたＥＧＲガスの通路であり、ＥＧＲクーラ３６より上流側の分岐部で、ＥＧＲ通路３０から分岐し、逆止弁３８より下流側の合流部でＥＧＲ通路３０に合流する。つまり、バイパス通路３４は、ＥＧＲクーラ３６と逆止弁３８とをバイパスする通路である。バイパス通路３４とＥＧＲ通路３２との合流部には、ＥＧＲクーラバイパス弁（以下、単に「バイパス弁」と称する）４０が設置されている。バイパス弁４０は、バイパス通路３４に流入するＥＧＲガス量を調節するために用いられる。

バイパス通路３４とＥＧＲ通路３２との合流部よりも下流側のＥＧＲ通路３０には、ＥＧＲ弁４２が設置されている。ＥＧＲ弁４２は、吸気通路に流入するＥＧＲガス量を調節するために用いられる。

図２は、逆止弁３８の構成の一例を模式的に示す図であり、（ａ）は開弁時の状態、（ｂ）は閉弁時の状態をそれぞれ表している。図２に示されるように、逆止弁３８は、弁体４４と弁座部４６とを有する。弁座部４６にはＥＧＲガスを通過させるための複数の孔４８が形成されている。弁体４４は弾性を有する板状の部材により形成されており、閉弁時には弁座部４６の孔４８を塞ぐように設置されている。

図２の（ａ）に示されるように、逆止弁３８の入口側（即ち上流側）のＥＧＲ通路３２内の圧力（以下「上流圧」とも称する）が、出口側（即ち、下流側）のＥＧＲ通路３２内の圧力（以下「下流圧」とも称する）よりも大きい場合、ＥＧＲガスの流れは正流となる。このとき、弁体４４が押されて孔４８の一部が開かれ、孔４８を介してＥＧＲガスは逆止弁３８の下流側に流入する。

一方、図２の（ｂ）に示されるように、逆止弁３８の上流圧が下流圧より小さい場合、弁体４４が孔４８を塞ぐ。これにより吸気側から排気側へのＥＧＲガスの逆流が防止される。

この内燃機関システムは、制御装置を有している。エンジン２が有する各種のセンサ及びアクチュエータは、制御装置に電気的に接続されている。制御装置はＥＣＵ(Electronic Control Unit)である。制御装置は、エンジン２のシステム全体の制御を行うものであり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータを主体として構成されている。ＲＯＭには、後述するバイパス弁４０の制御ルーチンを含む各種制御ルーチンが記憶されている。制御装置は、各センサからの信号に基づいて各アクチュエータを操作することによってエンジン２を制御する。

図３は、本実施の形態において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図３のルーチンは一定の制御期間ごとに繰り返し実行されるルーチンである。図３のルーチンでは、まず、ステップＳ１０２において、エンジン回転速度、燃料噴射量、エンジン冷却水温等の、各種センサ値及びアクチュエータ指令値が取得される。

次に、ステップＳ１０４に進み、エンジン回転速度と燃料噴射量とをパラメータとするマップに従って、ＥＧＲクーラ３６をバイパスするエンジン冷却水の基準温が算出される。

次に、ステップＳ１０６に進み、ＥＧＲクーラバイパス条件が成立するか否かが判別される。ＥＧＲクーラバイパス条件は、ＥＧＲクーラ３６をバイパスさせることができる運転条件である。具体的にステップＳ１０６では、エンジン２の運転領域が予め設定された所定の低回転かつ低負荷の領域にあり、かつ、エンジン冷却水温がステップＳ１０４で算出された基準温域内である場合に、ＥＧＲクーラバイパス条件が成立すると判定される。なお、ここでの所定の低回転かつ低負荷の領域は、逆止弁３８の上流圧が下流圧を上回ることがないと推定されるエンジン回転速度及び負荷に基づいて設定される。

ステップＳ１０６において、ＥＧＲクーラバイパス条件が成立すると判別された場合、ステップＳ１０８に進み、ＥＧＲクーラ３６がバイパスされる。即ち、バイパス弁４０の開弁によりバイパス通路３４側が開かれ、ＥＧＲガスはバイパス通路３４側を通過して吸気通路４に導入される。これによりＥＧＲクーラ３６と共に逆止弁３８もバイパスされる。その後、今回の処理は終了する。

一方、ステップＳ１０６において、ＥＧＲクーラバイパス条件が成立しないと判別された場合、次に、ステップＳ１１０に進み、バイパス弁４０によりバイパス通路３４が閉じられる。これによりＥＧＲガスはＥＧＲクーラ３６を通過して冷却された後、逆止弁３８を通過して吸気通路４に導入される。その後、今回の処理は終了する。

図４〜図６を用いて、本実施の形態の内燃機関システムが奏する効果について説明する。図４には、順に、全負荷運転時のＥＧＲ率及びＮＯｘ量、ＷＬＴＣ（Worldwide-harmonized Light vehicles Test Cycles）燃費の試験結果が表されている。また、左側の列には従来構成１の場合、中央の列には従来構成２の場合の比較例が示されており、右側の列に本実施の形態の内燃機関システムの場合が示されている。なお、比較のため横並びに配置された各グラフには同一目盛りが付されている。ここで、従来構成１は、ＥＧＲ通路に逆止弁を有さない構成の場合であり、従来構成２は、逆止弁が、ＥＧＲ通路の吸気通路に近い側、即ち、バイパス通路がＥＧＲ通路に合流した合流部よりも下流側のＥＧＲ通路に設置されている構成の場合である。

逆止弁を有さない従来構成１の場合、ＥＧＲガスの逆流を防ぐことができないため、吸気マニホールド内圧力（以下「インマニ圧」）Ｐｉｍが、排気圧Ｐ４よりも大きくなる場合ＥＧＲガスを導入することができない。つまり、従来構成１の場合、低回転全負荷のようにインマニ圧Ｐｉｍの平均が排気圧Ｐ４の平均より大きくなるような領域では、ＥＧＲを実行できない。このため、図４に示されるように、従来構成２の場合や、本実施の形態の内燃機関システムの場合と比較すると、低回転全負荷の運転領域でのＮＯｘ排出量も多くなっている。

また、従来構成２の場合、平均インマニ圧Ｐｉｍが平均排気圧Ｐ４より大きくなる領域でもＥＧＲ導入が可能となっているが、ＥＧＲガスは、逆流が発生しない低負荷・低回転領域でも、常に逆止弁を通過することになる。このため逆止弁が圧力損失となり、ポンプ損失（即ち、Ｐ４−Ｐｉｍ）が大きくなる。このため従来構成２の場合、ＷＬＴＣ燃費は従来構成１よりも悪化する場合がある。

これに対し、本実施の形態の内燃機関システムでは、逆止弁３８を有することで、低回転全負荷運転時のＥＧＲが可能となりＮＯｘ排出量が低減されている。更に、低負荷かつ低回転領域では、逆止弁３８を通過しない構成となっているため、ポンプ損失が低減される。これにより、本実施の形態の内燃機関システムのＷＬＴＣ燃費は、従来構成１に対しても従来構成２に対しても、改善するという結果が得られた。

また、本実施の形態の内燃機関システムの場合及び上記従来構成２のように逆止弁を有する構成の場合、インマニ圧Ｐｉｍの平均が排気圧Ｐ４の平均を上回る運転領域でも、ＥＧＲを実行することができる。より具体的に、図５の逆止弁の上流圧と下流圧との差に示されるように、インマニ圧Ｐｉｍの平均が排気圧Ｐ４の平均を上回る運転領域であっても、瞬時排気圧Ｐ４が瞬時インマニ圧Ｐｉｍを上回るときがあり、この脈動によりＥＧＲガスを吸気側に導入できる。この脈動によるＥＧＲ導入の効果は、脈動振幅が大きいほど、大きくなる。

図６には、順に、逆止弁の瞬時上流圧及び瞬時下流圧の変化、逆止弁を通過するＥＧＲガスの瞬時流量の変化、過給機のＶＮの閉度、ディーゼルスロットルの閉度、瞬時排気圧Ｐ４及び瞬時吸気マニホールド内圧力Ｐｉｍの変化が示されている、また、図６の左側の列には、従来構成２の場合、即ち、ＥＧＲ通路の吸気通路に近い部分に逆止弁が設置されて場合が示され、右側の列には、本実施の形態の内燃機関システムの場合が示されている。また、比較のため横並びに配置された各グラフには同一目盛りが付されている。

上述したように、脈動によるＥＧＲガス導入は、排気脈動の振幅が大きいほど効果的である。従って、逆止弁の設置位置は排気通路側に近いほうがよい。この点、図６からも、従来構成２の場合に比べて、ＥＧＲ通路３２に逆止弁が設置された本実施の形態の内燃機関システムのほうが、脈動振幅が大きくなっていることがわかる。これにより、本実施の形態の内燃機関システムでは、ＥＧＲガスの逆止弁の瞬時流量も、従来構成２に比べて多くなる。そして、ＥＧＲ流量が多くなることで、ディーゼルスロットルを閉じなくてもＥＧＲが入る。従って、ディーゼルスロットルの開度も従来構成２に比べて大きくなる。これにより、本実施の形態の内燃機関システムでは、従来構成２と比較してインマニ圧Ｐｉｍが高くなり、ポンプ損失を小さく抑えられている。

なお、本実施の形態では、逆止弁３８をＥＧＲ通路３２のＥＧＲクーラ３６より下流に設置する場合について説明した。逆止弁３８をＥＧＲクーラ３６の下流に設置することで、高温の排気ガスによる逆止弁３８の溶解を防ぐことができる。しかし、逆止弁３８の設置位置はこれに限られない。図７に、逆止弁３８の他の設置位置の例を示す。図７に示されるように、逆止弁３８は、ＥＧＲ通路３２のＥＧＲクーラ３６より上流側に設置してもよい。但し、設置される逆止弁の耐熱温度を考慮して、流入する排気ガスの温度に耐えうる逆止弁を設置する必要がある。図７のように逆止弁３８をＥＧＲクーラ３６より上流側に設置することにより、より大きな脈動振幅を確保することができる。

なお、以上の説明において「上流」「下流」とは、各ガス通路内のガスの正流方向の流れにおける上流、下流を意味するものとする。つまり、ＥＧＲ通路の上流、下流は、ＥＧＲガスの正流方向の流れにおける上流、下流を意味し、即ち、ＥＧＲ通路のより排気系に近い側が上流側であり、吸気系への流入部に近い側が下流側である。

なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

２ エンジン
４ 吸気通路
６ 排気通路
１０ 過給機
１２ タービン
１４ コンプレッサ
１６ 可変ノズル
２０ エアクリーナ
２２ インタークーラ
２４ スロットルバルブ
２６ 触媒
３０ ＥＧＲ通路
３２ ＥＧＲ通路
３４ バイパス通路
３６ ＥＧＲクーラ
３８ 逆止弁
４０ バイパス弁（ＥＧＲクーラバイパス弁）
４２ ＥＧＲ弁
４４ 弁体
４６ 弁座部
４８ 孔

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路と吸気通路とに接続し、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして前記吸気通路に流入させるＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路に設置され、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラと、
   前記ＥＧＲ通路の、前記ＥＧＲクーラより上流側の部分である分岐部と、前記ＥＧＲクーラより下流側の部分である合流部とに接続し、前記ＥＧＲクーラをバイパスするバイパス通路と、
   前記バイパス通路へのＥＧＲガスの流量を調節するためのＥＧＲクーラバイパス弁と、
   前記分岐部と前記合流部との間の前記ＥＧＲ通路に設置され、前記吸気通路側から前記排気通路側への前記ＥＧＲガスの逆流を防止する逆止弁と、
   前記ＥＧＲクーラバイパス弁の開閉を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記内燃機関の運転領域が、所定の低負荷かつ低回転の領域にある場合に、前記ＥＧＲクーラバイパス弁を制御して、ＥＧＲガスを前記バイパス通路に流入させるように構成されていることを特徴とする内燃機関システム。

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