JP2008196419A - エンジンのｅｇｒ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高負荷域でもＥＧＲを行うことができるエンジンのＥＧＲ装置を提供する。
【解決手段】ターボチャージャ４を備えるエンジン１のＥＧＲ装置であって、ＥＧＲガスを冷却する空冷式ＥＧＲクーラ３７と、ターボチャージャ４のコンプレッサ５から吐出される吸気の一部を空冷式ＥＧＲクーラ３７に冷却媒体として導くバイパス通路４０と、バイパス弁５０の開閉を運転条件に応じて制御する制御手段（コントロールユニット１４）とを備え、バイパス弁５が開く運転状態では空冷式ＥＧＲクーラ３７にてＥＧＲ通路３３を通過するＥＧＲガスがバイパス通路４０を通過する吸気に放熱する構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャを有するエンジンに設けられるＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環）装置の改良に関するものである。

一般に、エンジンの排気通路から吸気通路に排気の一部（ＥＧＲガス）を再循環させるＥＧＲ装置には、ＥＧＲガスを冷却する水冷式ＥＧＲクーラが設けられ、ＥＧＲ率を部分負荷域等において高めるようになっている（特許文献１参照）。
特開２００５−９４０４号公報

しかしながら、このようなターボチャージャを有するエンジンのＥＧＲ装置にあっては、高負荷域において排気温度、吸気温度がそれぞれ高くなり、ＥＧＲを行うと吸気温度がさらに上昇し、ノッキングが生じるため、高負荷域ではＥＧＲを行うことができず、エンジンの出力を十分に高められないという問題点があった。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、高負荷域でもＥＧＲを行うことができるエンジンのＥＧＲ装置を提供することを目的とする。

本発明では、排気エネルギにより吸気を過給するターボチャージャを備えるエンジンのＥＧＲ装置であって、排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、このＥＧＲ通路を通過するＥＧＲガスを冷却する空冷式ＥＧＲクーラと、ターボチャージャのコンプレッサから吐出される吸気の一部を空冷式ＥＧＲクーラに冷却媒体として導くバイパス通路と、このバイパス通路を開閉するバイパス弁と、このバイパス弁の開閉を運転条件に応じて制御する制御手段とを備え、バイパス弁が開く運転状態では空冷式ＥＧＲクーラにてＥＧＲ通路を通過するＥＧＲガスがバイパス通路を通過する吸気に放熱する構成とした。

本発明によると、ターボチャージャのコンプレッサから吐出される余剰の吸気を利用してＥＧＲガスが冷却され、ＥＧＲガスが混合した吸気の温度を低減することによってエンジンのノッキングを抑えられる。このため、高負荷域でもＥＧＲを行うことができ、エンジンのノッキング限界を延長できる。

本発明を圧縮天然ガスを燃料とするＣＮＧエンジンに適用した実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１に示すように、ＣＮＧエンジン１は、吸気を各気筒に導く吸気通路２、各気筒からの排気を排出する排気通路２２、排気の一部（以下ＥＧＲガスという）を吸気通路２に再循環させるＥＧＲ通路３３、排気エネルギによって吸気を過給するターボチャージャ４等を備える。

吸気通路２には、上流側より順に、外気から塵埃等の異物を取り除くエアクリーナ３、ターボチャージャ４を構成するコンプレッサ５、吸気を冷却するインタークーラ６、燃料を噴射する燃料噴射ノズル８、吸気流路断面積を増減するスロットルバルブ７、吸気圧力を検出する吸気圧力センサ９がそれぞれ介装される。

排気通路２２には、上流側より順に、ターボチャージャ４を構成するタービン２５、排気流路を開閉する排気シャッタ２６、排気中の酸素濃度に応じて信号を出力するＯ２センサ２７、触媒を介して排気を浄化するとともに排気音を消音する触媒付きマフラ２８がそれぞれ介装される。

ＥＧＲ通路３３は排気通路２２の排気マニフォルド２３とスロットルバルブ７より下流側の吸気通路２とを連通している。ＥＧＲ通路３３には、排気マニフォルド２３から吸気通路２に向かって順に、水冷式ＥＧＲクーラ３４、ＥＧＲバルブ３５、ＥＧＲガス温度センサ３６、空冷式ＥＧＲクーラ３７がそれぞれ介装されている。

水冷式ＥＧＲクーラ３４は、図中矢印で示すようにエンジン冷却水が循環し、ＥＧＲ通路３３を通過するＥＧＲガスがこのエンジン冷却水に放熱することによって冷却される。エンジン冷却水はエンジン１を循環し、図示しないラジエータによって外気に放熱することにより、例えば８０℃程度に保たれる。

ＥＧＲバルブ３５は、コントロールユニット１４からの信号により、ＥＧＲ通路３３の流路断面積を増減し、吸気通路２に再循環するＥＧＲガスの流量を制御する。

コントロールユニット１４は、回転速度センサ１７からエンジン１の回転速度と、吸気圧力センサ９から吸気圧力、すなわちエンジン１の負荷等に応じて、ＥＧＲ流量を演算してＥＧＲバルブ３５の開度を制御する。図５はエンジン１の負荷率とＥＧＲ率の関係を示す特性図である。

そして本発明の要旨とするところであるが、ターボチャージャ４のコンプレッサ５から吐出される吸気の一部を空冷式ＥＧＲクーラ３７に冷却媒体として導くバイパス通路４０が設けられる。

バイパス通路４０は空冷式ＥＧＲクーラ３７より上流側通路４１の上流端（入口）が吸気通路２のインタークーラ６より下流側に接続され、空冷式ＥＧＲクーラ３７より下流側通路４２の下流端（出口）が大気に開放される。

空冷式ＥＧＲクーラ３７は、図中矢印で示すようにインタークーラ６を通過した吸気の一部が循環する流路と、ＥＧＲ通路３３を通過するＥＧＲガスが循環する流路を備える熱交換器であり、ＥＧＲ通路３３を流れるＥＧＲガスがバイパス通路４０を流れる吸気に放熱することによって冷却される。

バイパス通路４０には空冷式ＥＧＲクーラ３７より上流側にバイパス弁５０が介装される。バイパス弁５０は、コントロールユニット１４からの信号により、バイパス通路４０を開閉し、バイパス通路４０を通って空冷式ＥＧＲクーラ３７に導かれる吸気流量を制御する。

コントロールユニット１４は、エンジン１の回転速度と、吸気圧力センサ９から吸気圧力を入力し、エンジン１の低中回転速度、部分負荷域にバイパス弁５０を閉じ、高回転速度、高負荷域にバイパス弁５０を開く制御をする。

図２のフローチャートは上記バイパス弁５０の制御ルーチンを示しており、コントロールユニット１４において一定周期毎に実行される。

まずステップ１（図ではＳ１と表記する、以下同様）では、エンジン１の回転速度Ｎｅを入力し、続くステップ２では、エンジン回転速度Ｎｅが設定値Ｎｅｓ以下か否かを判定する。エンジン回転速度Ｎｅが設定値Ｎｅｓ以下であるときはステップ３に進み、バイパス弁５０を閉じる。

一方、エンジン回転速度Ｎｅが設定値Ｎｅｓより高いときはステップ４に進み、吸気圧力センサ９から吸気圧力Ｐｉを入力し、続くステップ５では、吸気圧力Ｐｉ（エンジン１の負荷）が設定値Ｐｉｓ以下か否かを判定する。吸気圧力Ｐｉが設定値Ｐｉｓ以下であるときはステップ３に進み、バイパス弁５０を閉じる一方、吸気圧力Ｐｉが設定値Ｐｉｓより高いときはステップ６に進み、バイパス弁５０を開く。

図３はエンジン１の回転速度と負荷に対する発生トルクの関係を示す特性図であり、図中斜線を入れた領域にてバイパス弁５０が開かれ、空冷式ＥＧＲクーラ３７が作動する。

また、コントロールユニット１４は、ＥＧＲガス温度センサ３６からＥＧＲガス温度を入力し、ＥＧＲガス温度が所定値を超えて高まるのに伴ってバイパス弁５０を開く制御をしても良い。

図４のフローチャートは上記バイパス弁５０の制御ルーチンを示しており、コントロールユニット１４において一定周期毎に実行される。

まずステップ１１では、ＥＧＲガス温度Ｔｉを入力し、続くステップ１２では、ＥＧＲガス温度Ｔｉが設定値Ｔｉｓ以下か否かを判定する。ＥＧＲガス温度Ｔｉが設定値Ｔｉｓ以下であるときはステップ１３に進み、バイパス弁５０を閉じる一方、ＥＧＲガス温度Ｔｉが設定値Ｔｉｓより高いときはステップ１４に進み、バイパス弁５０を開く。

以上のように構成されて、次に作用及び効果について説明する。

エアクリーナ３に吸い込まれた外気は、エンジン１の吸気として、エアクリーナ３により塵埃等の異物が除去された後、コンプレッサ５により圧縮される。この圧縮された吸気は、高温となるが、インタークーラ６を通過することによって冷却される。これにより、吸気の体積が減少し、エンジン１の吸気効率が向上する。インタークーラ６にて冷却された吸気は、スロットルバルブ７によってその流量を調節されつつエンジン１の各気筒に供給される。

一方、エンジン１の各気筒から排出された排気は、タービン２５に供給され、排気の圧力エネルギによってタービン２５が回転し、タービン２５と同軸上に設けられるコンプレッサ５が回転駆動される。タービン２５を通過した排気は、触媒付きマフラ２８を通過して大気中へ放出される。

また、エンジン１の各気筒から排出された排気の一部は、タービン２５に供給されずに、ＥＧＲガスとして、排気マニフォルド２３からＥＧＲ通路３３に流入する。そして、ＥＧＲガスは、水冷式ＥＧＲクーラ３４を通過することによって冷却され、さらに空冷式ＥＧＲクーラ３７を経て吸気通路２に再循環する。このようにして、低温になったＥＧＲガスが吸気通路２に再循環するので、エンジン１の燃焼温度が低下し、排気中の窒素酸化物を低減させることができる。

エンジン１の低中回転速度、部分負荷域にバイパス弁５０が閉じられることにより、コンプレッサ５から吐出される吸気の全量が吸気通路２に導かれる。このとき、空冷式ＥＧＲクーラ３７を通過するＥＧＲガスの冷却はほとんど行われないが、この部分負荷域では排気マニフォルド２３からＥＧＲ通路３３に流入するＥＧＲガス温度が高負荷域に比べて低いため、ＥＧＲガスは水冷式ＥＧＲクーラ３４を通過することで十分に冷却されている。

エンジン１の高回転速度、高負荷域にバイパス弁５０が開かれることにより、コンプレッサ５から吐出される余剰の吸気がバイパス通路４０を通って空冷式ＥＧＲクーラ３７に導かれ、水冷式ＥＧＲクーラ３４を通過したＥＧＲガスを空冷式ＥＧＲクーラ３７にてさらに冷却する。エンジン１の高負荷域に排気マニフォルド２３からＥＧＲ通路３３に流入するＥＧＲガス温度は例えば７００〜８００℃程度となり、水冷式ＥＧＲクーラ３４にてエンジン冷却水（例えば８０℃程度）に放熱することにより、水冷式ＥＧＲクーラ３４を通過したＥＧＲガス温度は例えば１２０〜１３０℃程度となるが、空冷式ＥＧＲクーラ３７を通過する過程でインタークーラ６から出た吸気に放熱することにより、吸気マニフォルド１０内の吸気温度を例えば６０〜７０℃程度以下に低下させることができる。

図６はエンジン負荷と吸気マニフォルド１０内の圧力、タービン２５の入口圧力、インタークーラ６の出口圧力の関係を示すとともに、エンジン負荷と吸気マニフォルド１０内の温度、タービン２５の入口圧力の関係を示す特性図である。この図６において、Ｃ線とＤ線の間の負荷領域がバイパス弁５０が開かれて空冷式ＥＧＲクーラ３７が稼働する領域である。吸気マニフォルド１０内の吸気温度は空冷式ＥＧＲクーラ３７を使用しない場合のＡ線で示す特性に比べて、空冷式ＥＧＲクーラ３７を使用する場合のＢ線で示す特性にて低くなる。こうして高負荷域では空冷式ＥＧＲクーラ３７が作動して各気筒に供給される吸気温度が低下することにより、エンジン１のノッキングを抑えられ、図６に白抜き矢印で示すようにノッキング限界を延長できる。

以上のように、排気エネルギにより吸気を過給するターボチャージャ４を備えるエンジン１のＥＧＲ装置であって、排気マニフォルド２３（排気通路２２）と吸気通路２とを連通するＥＧＲ通路３３と、このＥＧＲ通路を通過するＥＧＲガスを冷却する空冷式ＥＧＲクーラ３７と、ターボチャージャ４のコンプレッサ５から吐出される吸気の一部を空冷式ＥＧＲクーラ３７に冷却媒体として導くバイパス通路４０と、このバイパス通路４０を開閉するバイパス弁５０と、このバイパス弁５０の開閉を運転条件に応じて制御する制御手段（コントロールユニット１４）とを備え、バイパス弁５０が開く運転状態では空冷式ＥＧＲクーラ３７にてＥＧＲ通路３３を通過するＥＧＲガスがバイパス通路４０を通過する吸気に放熱する構成としたため、ターボチャージャ４のコンプレッサ５から吐出される余剰の吸気を利用してＥＧＲガスが冷却され、ＥＧＲガスと新気が混合した吸気の温度を低減することによってエンジン１のノッキングを抑えられる。このため、高負荷域でもＥＧＲを行うことができ、エンジンのノッキング限界を延長できる。

また、コントロールユニット１４（制御手段）は、エンジンの回転速度と吸気圧力（負荷）を入力し、エンジンの低中回転速度、部分負荷域にバイパス弁５０を閉じ、高回転速度、高負荷域にバイパス弁５０を開く制御をするため、ＥＧＲガスの冷却が必要な運転条件を的確に判定し、空冷式ＥＧＲクーラ３７を有効に作動させることができる。

また、コントロールユニット１４（制御手段）は、ＥＧＲガス温度を入力し、ＥＧＲガス温度が所定値を超えて高まるのに伴ってバイパス弁５０を開く制御をするため、ＥＧＲガスの冷却が必要な運転条件を的確に判定し、空冷式ＥＧＲクーラ３７を有効に作動させることができる。

次に図７に示す他の実施形態を説明する。これは基本的には図１の実施形態と同じ構成を有し、相違する部分のみ説明する。

バイパス通路４０の空冷式ＥＧＲクーラ３７より下流側通路４２が、ＥＧＲ通路３３の水冷式ＥＧＲクーラ３４より上流側通路３８と排気マニフォルド２３内に設けられ、下流側通路４２の下流端（出口）が大気に開放される。

この場合も、所定の運転条件にてバイパス弁５０が開かれることにより、コンプレッサ５から吐出される余剰の吸気がバイパス通路４０を通って空冷式ＥＧＲクーラ３７に導かれ、水冷式ＥＧＲクーラ３４を通過したＥＧＲガスを空冷式ＥＧＲクーラ３７にて冷却する。そして、空冷式ＥＧＲクーラ３７から出た吸気がＥＧＲ通路３３の上流側通路３８内と排気マニフォルド２３内に設けられたバイパス通路４０を通る過程で上流側通路３８と排気マニフォルド２３を流れるＥＧＲガスを冷却する。こうして、ターボチャージャ４のコンプレッサ５から吐出される余剰の吸気を利用してＥＧＲガスは水冷式ＥＧＲクーラ３４より上流側と下流側で冷却される。

さらに、他の実施の形態として、図８に示すように、バイパス通路４０の空冷式ＥＧＲクーラ３７より下流側通路４２が、ＥＧＲ通路３３の水冷式ＥＧＲクーラ３４より上流側通路３８を包囲する包囲部４２ａと、排気マニフォルド２３内に設けられ貫通部４２ｂとを有し、下流側通路４２の下流端（出口）が大気に開放されるようにしても良い。

この場合、空冷式ＥＧＲクーラ３７から出た吸気がＥＧＲ通路３３の上流側通路３８の外側の包囲部４２ａと排気マニフォルド２３の内側の貫通部４２ｂを通る過程で上流側通路３８と排気マニフォルド２３を流れるＥＧＲガスを冷却する。こうして、ターボチャージャ４のコンプレッサ５から吐出される余剰の吸気を利用してＥＧＲガスは水冷式ＥＧＲクーラ３４より上流側と下流側で冷却される。

以上のように、ＥＧＲ通路３３に水冷式ＥＧＲクーラ３４を設け、空冷式ＥＧＲクーラ３７をＥＧＲ通路３３の水冷式ＥＧＲクーラ３４より下流側に設け、空冷式ＥＧＲクーラ３７から出た吸気によってＥＧＲ通路３３の水冷式ＥＧＲクーラ３４より上流側を流れるＥＧＲガスを冷却する構成としたため、ＥＧＲガスはターボチャージャ４のコンプレッサ５から吐出される余剰の吸気を利用して水冷式ＥＧＲクーラ３４より上流側と下流側で冷却され、エンジン１のノッキングを有効に抑えられる。

本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明のＥＧＲ装置は、ＣＮＧエンジンに限らず、ガソリンや他の燃料を用いる火花点火式のエンジンに利用できる。

また、本発明のＥＧＲ装置をディーゼルエンジンに適用し、ＥＧＲ率を高めるようにしても良い。

本発明の実施形態を示すエンジンのＥＧＲ装置の構成図。 同じくバイパス弁の制御内容を示すフローチャート。 同じくエンジンの回転速度と負荷に対する発生トルクの関係を示す特性図。 同じくバイパス弁の制御内容を示すフローチャート。 同じくエンジンの負荷率とＥＧＲ率の関係を示す特性図。 同じくエンジン負荷と吸気マニフォルド内の温度等の関係を示す特性図。 他の実施形態を示すエンジンのＥＧＲ装置の構成図。 さらに他の実施形態を示すエンジンのＥＧＲ装置の構成図。

符号の説明

１ エンジン
２ 吸気通路
４ ターボチャージャ
５ コンプレッサ
６ インタークーラ
９ 吸気圧力センサ
１４ コントロールユニット
１７ 回転速度センサ
２２ 排気通路
２５ タービン
３３ ＥＧＲ通路
３４ 水冷式ＥＧＲクーラ
３５ ＥＧＲバルブ
３６ ＥＧＲガス温度センサ
３７ 空冷式ＥＧＲクーラ

Claims (4)

1. 排気エネルギにより吸気を過給するターボチャージャを備えるエンジンのＥＧＲ装置であって、
   排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、このＥＧＲ通路を通過するＥＧＲガスを冷却する空冷式ＥＧＲクーラと、前記ターボチャージャのコンプレッサから吐出される吸気の一部を前記空冷式ＥＧＲクーラに冷却媒体として導くバイパス通路と、このバイパス通路を開閉するバイパス弁と、このバイパス弁の開閉を運転条件に応じて制御する制御手段とを備え、前記バイパス弁が開く運転状態では前記空冷式ＥＧＲクーラにて前記ＥＧＲ通路を通過するＥＧＲガスが前記バイパス通路を通過する吸気に放熱する構成としたことを特徴とするエンジンのＥＧＲ装置。
2. 前記制御手段は、前記エンジンの負荷を入力し、前記エンジンの部分負荷域に前記バイパス弁を閉じ、前記エンジンの高負荷域に前記バイパス弁を開くことを特徴とする請求項１に記載のエンジンのＥＧＲ装置。
3. 前記制御手段は、ＥＧＲガス温度を入力し、このＥＧＲガス温度が所定値を超えて高まるのに伴って前記バイパス弁を開くことを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンのＥＧＲ装置。
4. 前記ＥＧＲ通路に水冷式ＥＧＲクーラを設け、前記空冷式ＥＧＲクーラを前記ＥＧＲ通路の前記水冷式ＥＧＲクーラより下流側に設け、前記空冷式ＥＧＲクーラから出た吸気によって前記ＥＧＲ通路の前記水冷式ＥＧＲクーラより上流側を流れるＥＧＲガスを冷却することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のエンジンのＥＧＲ装置。

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