JP2014114728A

JP2014114728A - Ｅｇｒクーラ

Info

Publication number: JP2014114728A
Application number: JP2012268419A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Negishi; 武志根岸
Original assignee: Volvo Lastvagnar AB
Current assignee: Volvo Truck Corp
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2014-06-26

Abstract

【課題】ＥＧＲクーラの熱交換器をクリーニングする。
【解決手段】ＥＧＲクーラ３４４は、ＥＧＲガスが通過する熱交換器３４４Ａ、これを内包するケーシング３４４Ｂ、熱交換器３４４Ａをバイパスする第１のバイパス通路３４４Ｃ及び第２のバイパス通路３４４Ｄを有する。第１のバイパス通路３４４Ｃ及び第２のバイパス通路３４４Ｄの両端には、開口を開閉する第１のバタフライバルブ３４４Ｅ及び第１のアクチュエータ３４４Ｆが配設される。また、第１のバイパス通路３４４Ｃの両端と第２のバイパス通路３４４Ｄの両端の間に、ケーシング３４４Ｂの内部通路を開閉する第２のバタフライバルブ３４４Ｇ及び第２のアクチュエータ３４４Ｈが配設される。そして、ＥＧＲガスを第１のバイパス通路３４４Ｃ、熱交換器３４４Ａ及び第２のバイパス通路３４４Ｄを通過させることで、熱交換器３４４ＡをＥＧＲガスで逆洗してクリーニングする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation：排気再循環）システムのＥＧＲクーラに関する。

エンジンの排気を浄化する排気浄化装置の１つとして、排気の一部を吸気系に導入して再循環させることで、燃焼温度の低下によりＮＯｘ（窒素酸化物）を低減するＥＧＲシステムが知られている。ＥＧＲシステムにおいては、特開２００５−３４４６７７号公報（特許文献１）に記載されるように、排気を吸気系に導入するＥＧＲ通路にＥＧＲクーラを配設し、吸気系に導入される排気（ＥＧＲガス）の温度を低下させることで、ＮＯｘの発生をさらに抑制することが行われている。

特開２００５−３４４６７７号公報

ところで、ＥＧＲクーラには、ＥＧＲガスを冷却するために、ＥＧＲガスの流れに沿って延びる複数のフィンを有する熱交換器が内蔵されている。ＥＧＲクーラの熱交換器は、ＥＧＲガスに晒されているため、ＥＧＲガスに含まれる煤がフィンに付着して冷却効率が低下してしまうおそれがある。ＥＧＲクーラの熱交換器を分解して調べたところ、特に、フィンの下流端（吸気系側）に煤が付着し易いことが分かった。

そこで、本発明は、熱交換器をクリーニングすることができるＥＧＲクーラを提供することを目的とする。

ＥＧＲクーラは、ＥＧＲガスが通過する熱交換器と、熱交換器を内包するケーシングと、熱交換器をバイパスする第１のバイパス通路と、熱交換器をバイパスする第２のバイパス通路と、を有する。また、ＥＧＲクーラは、ケーシングの一端から流れ込むＥＧＲガスを熱交換器を通過させてケーシングの他端から排出させる第１の経路と、ケーシングの一端から流れ込むＥＧＲガスを第１のバイパス通路、熱交換器及び第２のバイパス通路を通過させてケーシングの他端から排出させる第２の経路と、に切り替える経路切換手段を有する。

本発明によれば、ＥＧＲクーラを第２の経路に切り替えることで、熱交換器の下流側から上流側に向けてＥＧＲガスを逆流させ、特に、熱交換器の下流端に付着した煤を逆洗して除去（クリーニング）することができる。

ＥＧＲシステムを備えたディーゼルエンジンの概要図である。ＥＧＲクーラの一例を示し、（Ａ）は通常時における第１の経路の説明図、（Ｂ）は逆洗時における第２の経路の説明図である。ＥＧＲクーラの内部経路切替制御のフローチャートである。ＥＧＲクーラの他の例を示し、（Ａ）は通常時における第１の経路の説明図、（Ｂ）は逆洗時における第２の経路の説明図である。

以下、添付された図面を参照し、本発明を実施するための実施形態について詳述する。
図１は、ＥＧＲシステムを備えたディーゼルエンジンの概要を示す。
ディーゼルエンジン１００の吸気マニフォールド１２０に接続された吸気管１４０には、吸気流通方向に沿って、吸気中の埃などを濾過するエアクリーナ１６０、吸気を過給するターボチャージャ１８０のコンプレッサ１８２、コンプレッサ１８２を通過した吸気を冷却するインタークーラ２００がこの順番で配設されている。

一方、ディーゼルエンジン１００の排気マニフォールド２２０に接続された排気管２４０には、排気流通方向に沿って、ターボチャージャ１８０のタービン１８４、連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter、以下「ＤＰＦ」という。）装置２６０、尿素水溶液を噴射供給する還元剤噴射装置２８０、尿素水溶液から生成されるアンモニアを用いてＮＯｘを選択還元浄化するＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）コンバータ３００、ＳＣＲコンバータ３００を通過したアンモニアを酸化させる酸化触媒コンバータ３２０がこの順番で配設されている。連続再生式ＤＰＦ装置２６０は、少なくともＮＯ（一酸化窒素）をＮＯ₂（二酸化窒素）へと酸化させるＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）コンバータ２６２と、排気中のＰＭ（Particulate Matter）を捕集・除去するＤＰＦ２６４と、を含む。なお、ＤＰＦ２６４の代わりに、その表面に触媒（活性成分及び添加成分）を担持させたＣＳＦ（Catalyzed Soot Filter）を使用することもできる。

また、ディーゼルエンジン１００には、排気の一部を吸気系に導入して再循環させることで、燃焼温度の低下によりＮＯｘを低減するＥＧＲシステム３４０が取り付けられている。ＥＧＲシステム３４０は、排気管２４０を流れる排気の一部を吸気管１４０へと導入するためのＥＧＲ管３４２と、ＥＧＲ管３４２を流れる排気（ＥＧＲガス）を冷却するＥＧＲクーラ３４４と、吸気管１４０へと導入するＥＧＲガスのＥＧＲ率を制御するＥＧＲ制御弁３４６と、を含む。ここで、ＥＧＲ制御弁３４６は、ＥＧＲクーラ３４４の下流、即ち、ＥＧＲクーラ３４４を通過したＥＧＲガスを吸気管１４０に導入する箇所に配設されている。

連続再生式ＤＰＦ装置２６０と還元剤噴射装置２８０との間に位置する排気管２４０には、ＳＣＲコンバータ３００に流入する排気の温度（排気温度）Ｔexを検出する温度センサ３６０が取り付けられている。また、ＥＧＲシステム３４０のＥＧＲクーラ３４４の下流、即ち、ＥＧＲクーラ３４４とＥＧＲ制御弁３４６との間に位置するＥＧＲ管３４２には、ＥＧＲクーラ３４４を通過したＥＧＲガスの温度（ＥＧＲガス温度）Ｔ_EGRを検出する温度センサ３８０が取り付けられている。ここで、温度センサ３８０が、温度検出手段の一例として挙げられる。

温度センサ３６０及び３８０の各出力信号は、コンピュータを内蔵したコントロールユニット４００に入力されている。また、コントロールユニット４００には、ディーゼルエンジン１００の運転状態の一例として、回転速度Ｎeを検出する回転速度センサ４２０、負荷Ｑを検出する負荷センサ４４０の出力信号も入力されている。ここで、ディーゼルエンジン１００の負荷Ｑとしては、例えば、吸気流量、吸気圧力、過給圧力、アクセル開度、スロットル開度など、トルクと密接に関連する状態量を適用することができる。なお、ディーゼルエンジン１００の回転速度Ｎe及び負荷Ｑは、例えば、ＣＡＮ（Controller Area Network）などの車載ネットワークを介して、ディーゼルエンジン１００を電子制御するエンジンコントロールユニット（図示せず）から読み込むようにしてもよい。

そして、コントロールユニット４００は、フラッシュＲＯＭ（Read Only Memory）などの不揮発性メモリに格納された制御プログラムを実行することで、温度センサ３６０、回転速度センサ４２０及び負荷センサ４４０の各出力信号に応じて還元剤噴射装置２８０を電子制御する。また、コントロールユニット４００は、後述するように、他の制御プログラムを実行することで、温度センサ３８０の出力信号に応じてＥＧＲクーラ３４４の内部経路を適宜切り替える。

ＥＧＲクーラ３４４は、図２に示すように、ＥＧＲガスが通過する熱交換器３４４Ａと、熱交換器３４４Ａを内包するケーシング３４４Ｂと、熱交換器３４４Ａをバイパスする第１のバイパス通路３４４Ｃ及び第２のバイパス通路３４４Ｄと、を有する。ここで、熱交換器３４４Ａは、例えば、エンジン冷却水を使用してＥＧＲガスを冷却するものであって、ＥＧＲガスの流れに沿った複数のフィンを有する。また、第２のバイパス通路３４４Ｄの両端開口は、第１のバイパス通路３４４Ｃの両端開口よりＥＧＲガスの流通方向において下流側で開口している。

第１のバイパス通路３４４Ｃ及び第２のバイパス通路３４４Ｄの両端、即ち、ケーシング３４４Ｂに対する第１のバイパス通路３４４Ｃ及び第２のバイパス通路３４４Ｄの接続箇所には、その開口を開閉する第１のバタフライバルブ３４４Ｅ及びこれを開閉駆動する第１のアクチュエータ３４４Ｆが夫々配設されている。また、第１のバイパス通路３４４Ｃの両端開口と第２のバイパス通路３４４Ｄの両端開口との間に位置するケーシング３４４Ｂの内部通路には、この内部通路を開閉する第２のバタフライバルブ３４４Ｇ及びこれを開閉駆動する第２のアクチュエータ３４４Ｈが夫々配設されている。第１のアクチュエータ３４４Ｆ及び第２のアクチュエータ３４４Ｈとしては、例えば、電動モータ、油圧モータなどを使用することができる。なお、第１のバイパス通路３４４Ｃ及び第２のバイパス通路３４４Ｄの両端開口並びにケーシング３４４Ｂの内部通路を開閉するために、バタフライバルブに代えて、ポペットバルブなど公知の弁体を使用することもできる。

従って、第１のバタフライバルブ３４４Ｅ及び第２のバタフライバルブ３４４Ｇを適宜制御することで、ＥＧＲクーラ３４４におけるＥＧＲガスの流路を、図２（Ａ）に示す第１の経路、又は、図２（Ｂ）に示す第２の経路に切り替えることができる。第１の経路は、ケーシング３４４Ｂの一端から流れ込むＥＧＲガスを熱交換器３４４Ａを通過させてケーシング３４４Ｂの他端から排出させる、通常時の経路である。第２の経路は、ケーシング３４４Ｂの一端から流れ込むＥＧＲガスを第１のバイパス通路３４４Ｃ、熱交換器３４４Ａ及び第２のバイパス通路３４４Ｄを通過させてケーシング３４４Ｂの他端から排出させる、逆洗時（クリーニング時）の経路である。

ここで、第１のバタフライバルブ３４４Ｅ、第１のアクチュエータ３４４Ｆ、第２のバタフライバルブ３４４Ｇ及び第２のアクチュエータ３４４Ｈが、経路切替手段の一例として挙げられる。

図３は、ディーゼルエンジン１００が始動されたことを契機として、コントロールユニット４００が繰り返し実行する、ＥＧＲクーラ３４４の内部経路切替制御を示す。なお、コントロールユニット４００が内部経路切替制御を実行することで、制御手段が実現される。

ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様。）では、コントロールユニット４００が、温度センサ３８０からＥＧＲガス温度Ｔ_EGRを読み込む。

ステップ２では、コントロールユニット４００が、ＥＧＲガス温度Ｔ_EGRが第１の所定温度より高いか否かを判定する。ここで、第１の所定温度は、ＥＧＲクーラ３４４の熱交換器３４４ＡのフィンにＥＧＲガスの煤が付着して冷却効率が低下したか否かを判定するための閾値であって、例えば、定常状態におけるエンジン冷却水の温度より高い１８０℃をとる。そして、コントロールユニット４００は、ＥＧＲガス温度Ｔ_EGRが第１の所定温度より高いと判定すれば、ＥＧＲクーラ３４４のクリーニングを実行する時期が到来したと判断し、処理をステップ３へと進める（Ｙｅｓ）。一方、コントロールユニット４００は、ＥＧＲガス温度Ｔ_EGRが第１の所定温度以下であると判定すれば、ＥＧＲクーラ３４４のクリーニングが不要であると判断し、処理を終了させる（Ｎｏ）。

ステップ３では、コントロールユニット４００が、第１のバイパス通路３４４Ｃ及び第２のバイパス通路３４４Ｄの両端開口を開くと共に、ケーシング３４４Ｂの内部通路を閉じるように、第１のアクチュエータ３４４Ｆ及び第２のアクチュエータ３４４Ｈを夫々制御する。これによって、図２（Ｂ）に示すように、ケーシング３４４Ｂの一端から流れ込むＥＧＲガスを第１のバイパス通路３４４Ｃ、熱交換器３４４Ａ及び第２のバイパス通路３４４Ｄを通過させてケーシング３４４Ｂの他端から排出させる第２の経路に切り替えられる。従って、熱交換器３４４Ａの下流側から上流側にＥＧＲガスが逆流し、フィンの下流端に付着した煤を逆洗によって除去することができる。

ステップ４では、コントロールユニット４００が、温度センサ３８０からＥＧＲガス温度Ｔ_EGRを読み込む。

ステップ５では、コントロールユニット４００が、ＥＧＲガス温度Ｔ_EGRが第２の所定温度未満であるか否かを判定する。ここで、第２の所定温度は、熱交換器３４４ＡをＥＧＲガスにより逆洗してフィンに付着した煤が除去できたか否かを判定するための閾値であって、第１の所定温度より低い値、例えば、定常状態におけるエンジン冷却水の温度より若干高い値（例えば、８５℃）をとる。そして、コントロールユニット４００は、ＥＧＲガス温度Ｔ_EGRが第２の所定温度未満であると判定、即ち、ＥＧＲクーラ３４４のクリーニングを開始した後、ＥＧＲガス温度Ｔ_EGRが第２の所定温度まで低下したと判定すれば、そのクリーニングを中止すべく処理をステップ６へと進める（Ｙｅｓ）。一方、コントロールユニット４００は、ＥＧＲガス温度Ｔ_EGRが第２の所定温度以上であると判定すれば、ＥＧＲクーラ３４４のクリーニングを継続すべく処理をステップ４へと戻す（Ｎｏ）。

ステップ６では、コントロールユニット４００が、第１のバイパス通路３４４Ｃ及び第２のバイパス通路３４４Ｄの両端開口を閉じると共に、ケーシング３４４Ｂの内部通路を開くように、第１のアクチュエータ３４４Ｆ及び第２のアクチュエータ３４４Ｈを夫々制御する。これによって、図２（Ａ）に示すように、ケーシング３４４Ｂの一端から流れ込むＥＧＲガスを熱交換器３４４Ａを通過させてケーシング３４４Ｂの他端から排出させる第１の経路に切り替えられる。従って、排気の一部を冷却しつつ吸気系に導入し、ＥＧＲシステム３４０の機能を発揮させることができる。

かかるＥＧＲクーラ３４４によれば、ＥＧＲガス温度Ｔ_EGRに応じて、ケーシング３４４Ｂの一端から流れ込むＥＧＲガスを熱交換器３４４Ａを通過させてケーシング３４４Ｂの他端から排出させる第１の経路、又は、ケーシング３４４Ｂの一端から流れ込むＥＧＲガスを第１のバイパス通路３４４Ｃ、熱交換器３４４Ａ及び第２のバイパス通路３４４Ｄを通過させてケーシング３４４Ｂの他端から排出させる第２の経路に切り替えられる。具体的には、ＥＧＲガス温度Ｔ_EGRが第１の所定温度より高くなると、ＥＧＲクーラ３４４の熱交換器３４４Ａのフィンに煤が付着して冷却効率が低下したと判断し、第１の経路から第２の経路に切り替えることで、熱交換器３４４Ａの下流側から上流側にＥＧＲガスを逆流させて逆洗する。このとき、熱交換器３４４Ａのフィンは、その下流端に煤が付着し易いので、これを逆洗することで煤を効率的に除去することができる。

また、熱交換器３４４Ａの逆洗を開始した後、ＥＧＲガス温度Ｔ_EGRが第２の所定温度まで低下すると、そのフィンに付着した煤が除去されて冷却効率が回復したと判断し、第２の経路から第１の経路へと切り替える。

よって、ＥＧＲクーラ３４４のクリーニングが適宜実行され、ＥＧＲ機能を持続的に発揮することができる。
ケーシング３４４Ｂに対する第１のバイパス通路３４４Ｃ及び第２のバイパス通路３４４Ｄの接続箇所は、図４に示すように、ケーシング３４４ＢにおけるＥＧＲガスの流れ対して同一位置であってもよい。この場合には、第２のバタフライバルブ３４４Ｇは、第１のバイパス通路３４４Ｃ及び第２のバイパス通路３４４Ｄの両端開口に挟まれた位置に配設され、第２のアクチューエータ３４４Ｈは、図４（Ａ）に示す状態と図４（Ｂ）に示す状態との間で第２のバタフライバルブ３４４Ｇを開閉駆動すればよい。

なお、第１のバイパス通路３４４Ｃ及び第２のバイパス通路３４４Ｄは、ケーシング３４４Ｂを挟んだ対向する位置で開口する構成に限らず、ケーシング３４４Ｂの任意の位置で開口してもよい。また、本実施形態に係るＥＧＲシステム３４０は、ディーゼルエンジン１００に限らず、ガソリンエンジンにも適用することができる。

３４４ＥＧＲクーラ
３４４Ａ熱交換器
３４４Ｂケーシング
３４４Ｃ第１のバイパス通路
３４４Ｄ第２のバイパス通路
３４４Ｅ第１のバタフライバルブ
３４４Ｆ第１のアクチュエータ
３４４Ｇ第２のバタフライバルブ
３４４Ｈ第２のアクチュエータ
３８０温度センサ
４００コントロールユニット

Claims

ＥＧＲガスが通過する熱交換器と、
前記熱交換器を内包するケーシングと、
前記熱交換器をバイパスする第１のバイパス通路と、
前記熱交換器をバイパスする第２のバイパス通路と、
前記ケーシングの一端から流れ込むＥＧＲガスを前記熱交換器を通過させて前記ケーシングの他端から排出させる第１の経路と、前記ケーシングの一端から流れ込むＥＧＲガスを前記第１のバイパス通路、前記熱交換器及び前記第２のバイパス通路を通過させて前記ケーシングの他端から排出させる第２の経路と、に切り替える経路切替手段と、
を有することを特徴とするＥＧＲクーラ。
前記熱交換器を通過したＥＧＲガスの温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段により検出されたＥＧＲガスの温度に応じて、前記経路切替手段を制御する制御手段と、
を更に有することを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲクーラ。
前記制御手段は、前記ＥＧＲガスの温度が第１の所定温度より高くなった場合に、前記第１の経路から前記第２の経路に切り替えるように、前記経路切替手段を制御する、
ことを特徴とする請求項２に記載のＥＧＲクーラ。
前記制御手段は、前記第１の経路から前記第２の経路に切り替えた後、前記ＥＧＲガスの温度が前記第１の所定温度よりも低い第２の所定温度まで低下した場合に、前記第２の経路から前記第１の経路に切り替えるように、前記経路切替手段を制御する、
ことを特徴とする請求項３に記載のＥＧＲクーラ。