(57)【要約】【課題】内燃機関の排気循環装置において、燃費の悪化を抑制しつつ気筒内により多くのＥＧＲガスを供給することができる技術を提供する。【解決手段】内燃機関１の排気通路７と吸気通路３とを接続するＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの温度を低下させるＥＧＲクーラ２３と、ＥＧＲクーラ２３を迂回するバイパス通路２２と、ＥＧＲクーラ２３およびバイパス通路２２に流れるＥＧＲガスの量を調整する切替弁２４と、バイパス通路２２を流れるＥＧＲガスと吸気通路３を流れる空気との間で熱交換を行う熱交換器２６と、を具備する。【選択図】図１
2006112310.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続し排気の一部を排気通路から吸気通路へ導入するＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスの温度を低下させるＥＧＲクーラと、
前記ＥＧＲクーラを迂回するバイパス通路と、
前記ＥＧＲクーラおよび前記バイパス通路に流れるＥＧＲガスの量を調整する切替弁と、
前記バイパス通路を流れるＥＧＲガスと前記吸気通路を流れる空気との間で熱交換を行う熱交換手段と、
を具備することを特徴とする内燃機関の排気循環装置。
【請求項２】
前記切替弁は、内燃機関が所定の負荷以下で運転されているときに前記バイパス通路へＥＧＲガスを流す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。
【請求項３】
前記吸気通路において前記熱交換手段により熱交換が行われる箇所よりも上流側に、該吸気通路を流れる空気の量を調整する吸気絞り弁をさらに備え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循環装置。
【請求項４】
前記吸気通路において前記熱交換手段により熱交換が行われる箇所よりも上流側に、該吸気通路を流れる空気の温度を低下させるインタークーラをさらに備えることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の排気循環装置。
【請求項５】
前記吸気絞り弁は、前記インタークーラよりも下流に備え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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気循環装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＥＧＲ通路の途中にＥＧＲクーラを備え、該ＥＧＲクーラによりＥＧＲガスを冷却してＥＧＲガスの体積を縮小させることにより、内燃機関の気筒内により多くのＥＧＲガスを入れることができる。しかし、軽負荷時においてＥＧＲガスを冷却すると、気筒内の吸気（ＥＧＲガスおよび新気）の温度が低くなりすぎて燃焼状態が不安定となり、ＨＣを排出するおそれがある。そのため、ＥＧＲクーラを迂回させるバイパス通路が備えられ、軽負荷時にはＥＧＲガスを該バイパス通路に流してＥＧＲガス温度の低下を抑制していた。
【０００３】
そして、ＥＧＲクーラおよびバイパス通路を備えた内燃機関の排気循環装置において、吸気温度の基準値と現在値との差に基づいてＥＧＲクーラおよびバイパス通路に流すＥＧＲガスの分配率を変更することにより、ＥＧＲクーラでの熱交換量を制御して、吸気温度を基準値に近づける技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−４４４８４号公報
【特許文献２】特開平１１−１１７８１５号公報
【特許文献３】特開平７−１６６９７３号公報
【特許文献４】特開平１０−２８１０１８号公報
【特許文献５】特開平８−８２２５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、バイパス通路に多くのＥＧＲガスを流す軽負荷時においては、吸気通路に循環されるＥＧＲガスの密度が小さいため、気筒内にＥＧＲガスを多く入れることが困難となる。そのため、吸気絞り弁を絞って吸気通路内の圧力（以下、吸気圧という。）を低下させたり、若しくは可変容量型ターボチャージャにおいてノズルベーンを閉じる等により背圧を上昇させたりして、背圧と吸気圧との差を大きくさせて、ＥＧＲガスの循環量を増加させていた。その結果、ポンプ損失が増大し、燃費を悪化させていた。
【０００５】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排気循環装置において、燃費の悪化を抑制しつつ気筒内により多くのＥＧＲガスを供給することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気循環装置は、
内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続し排気の一部を排気通路から吸気通路へ導入するＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスの温度を低下させるＥＧＲクーラと、
前記ＥＧＲクーラを迂回するバイパス通路と、
前記ＥＧＲクーラおよび前記バイパス通路に流れるＥＧＲガスの量を調整する切替弁と、
前記バイパス通路を流れるＥＧＲガスと前記吸気通路を流れる空気との間で熱交換を行う熱交換手段と、
を具備することを特徴とする。
【０００７】
ここで、ＥＧＲクーラは、例えばＥＧＲガスと、内燃機関外部の空気若しくは内燃機関
の冷却水と、で熱交換をしてＥＧＲガスの温度を低下させる。また、バイパス通路は、例えばＥＧＲクーラの上流側のＥＧＲ通路と下流側のＥＧＲ通路とを接続する通路により構成される。切替弁は、例えば、ＥＧＲクーラが備わるＥＧＲ通路とバイパス通路との通路面積を変更することにより、ＥＧＲクーラおよびバイパス通路に流れるＥＧＲガスの量を調整する。この切替弁は、ＥＧＲガスの流量割合を変更する弁としてもよい。
【０００８】
ＥＧＲガスがＥＧＲクーラを通過すると、該ＥＧＲガスの温度が低下する。これによりＥＧＲガスの体積が縮小し密度が大きくなるので、気筒内へより多くのＥＧＲガスを入れることができる。
【０００９】
一方、ＥＧＲガスがバイパス通路を通過すると、該バイパス通路を流れるＥＧＲガスと吸気通路を流れる新気とで熱交換が行われるので、ＥＧＲガスの体積は縮小して密度は大きくなり、且つ新気の体積は膨張して密度は小さくなる。この場合、ＥＧＲガスが持っていた熱が新気に移動するので、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラにより冷却される場合と異なり、ＥＧＲガスが持っていた熱が外部に放出されることはほとんどない。
【００１０】
そして、ＥＧＲガスは体積が縮小しているので、背圧と吸気圧との差を大きくすることなく、気筒内へ多くのＥＧＲガスを入れることができる。また、ＥＧＲガスの持っていた熱が新気に移動し、この新気が気筒内に流入するので、気筒内の吸気の温度が低下することもない。
【００１１】
このようにして、燃費の低下を抑制しつつ、また吸気の温度が低下することを抑制しつつ、気筒内の吸気におけるＥＧＲガスの割合（以下、ＥＧＲ率という。）を大きくすることができる。
【００１２】
なお、本発明においては、前記切替弁は、内燃機関が所定の負荷以下で運転されているときに前記バイパス通路へＥＧＲガスを流すことができる。
ここで、ＥＧＲクーラへＥＧＲガスを流すと、ＥＧＲガスが冷却される。しかし、内燃機関が軽負荷で運転されている場合には、ＥＧＲガスの温度がもともと低いので、さらにＥＧＲクーラにてＥＧＲガスの温度を低下させてしまうと、吸気の温度が下がりすぎてその後の燃焼状態が悪化するおそれがある。その点、内燃機関が軽負荷で運転されている場合にバイパス通路へＥＧＲガスを流すようにすれば、吸気の温度が下がりすぎるのを抑制できる。すなわち、前記所定の負荷とは、軽負荷とすることができ、ＥＧＲクーラへＥＧＲガスを流した場合に気筒内の温度が下がりすぎて燃焼状態が悪くなる負荷状態とすることもできる。また、内燃機関が発生し得る最高トルクの３分の１以下のトルクが発生される負荷状態を「軽負荷」としてもよい。
【００１３】
また、本発明においては、前記吸気通路において前記熱交換手段により熱交換が行われる箇所よりも上流側に、該吸気通路を流れる空気の量を調整する吸気絞り弁をさらに備えることができる。
【００１４】
吸気絞り弁は、例えば、吸気通路の通路面積を変更することにより吸気通路を流れる空気の量を調整する。
ＥＧＲガスがバイパス通路および熱交換手段へ流され、該熱交換手段においてＥＧＲガスと新気とで熱交換が行われることにより、該新気の温度が上昇されたとしても、熱交換手段よりも上流の新気の温度は上昇しない。したがって、吸気絞り弁を熱交換手段の上流側に備えれば、温度の低い箇所に吸気絞り弁を設置することができる。また、吸気絞り弁の開度が小さい場合には、吸気絞り弁の上流と下流とで圧力差が生じ、新気が吸気絞り弁を通過する際に該新気の温度が低下する。そのため、下流の熱交換手段においてＥＧＲガスからより多くの熱を奪うことが可能となる。これにより、ＥＧＲガスの温度はより低下
されるので、該ＥＧＲガスの密度はより大きくなり、気筒内により多くのＥＧＲガスを入れることができる。
【００１５】
また、本発明においては、前記吸気通路において前記熱交換手段により熱交換が行われる箇所よりも上流側に、該吸気通路を流れる空気の温度を低下させるインタークーラをさらに備えることができる。
【００１６】
すなわち、インタークーラにおいて新気の温度が低下されるので、該インタークーラを通過した新気を熱交換手段に流入させることにより、熱交換手段においてＥＧＲガスからより多くの熱を奪うことができる。また、熱交換手段において温度が上昇した新気がインタークーラを流れて温度が低下してしまうことがなく、新気の温度を高く保つことができる。
【００１７】
本発明においては、前記吸気絞り弁は、前記インタークーラよりも下流に備えることができる。これにより、より温度の低い所に吸気絞り弁を設置することができ、熱による影響を低減することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る内燃機関の排気循環装置では、新気とＥＧＲガスとで熱交換をすることにより、ＥＧＲガスの密度を大きくすることができ気筒内により多くのＥＧＲガスを供給することができる。しかも、新気の温度が上昇されるので、気筒内での温度が低くなることを抑制することができる。さらに、ポンプ損失を増加させることもないので、燃費の悪化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る内燃機関の排気循環装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１は、本実施例に係る内燃機関の排気循環装置を適用する内燃機関１とその吸・排気系の概略構成を示す図である。
図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。
【００２１】
内燃機関１には、吸気通路３が接続されている。吸気通路３の途中には、排気のエネルギを駆動源として作動するターボチャージャ４のコンプレッサハウジング４ａが設けられている。ターボチャージャ４よりも下流の吸気通路３には、該吸気通路３内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁５が設けられている。また、ターボチャージャ４よりも上流の吸気通路３の途中には、該吸気通路３を通過する空気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ６が取り付けられている。このエアフローメータ６の出力信号により内燃機関１に吸入される新気の量を得ることができる。
【００２２】
一方、内燃機関１には、排気通路７が接続されている。排気通路７の途中には、前記ターボチャージャ４のタービンハウジング４ｂが設けられている。
また、内燃機関１には、排気通路７内を流通する排気の一部（以下、ＥＧＲガスという。）を吸気通路３へ再循環させるＥＧＲ装置２０が備えられている。このＥＧＲ装置２０は、ＥＧＲ通路２１、バイパス通路２２、ＥＧＲクーラ２３、切替弁２４、ＥＧＲ弁２５を備えて構成されている。ＥＧＲ通路２１は、ターボチャージャ４よりも上流の排気通路７と、吸気絞り弁５よりも下流の吸気通路３と、を接続している。このＥＧＲ通路２１を通って、ＥＧＲガスが再循環される。
【００２３】
ＥＧＲ通路２１には、排気通路７側から順に、ＥＧＲクーラ２３、切替弁２４、ＥＧＲ弁２５が配設されている。そして、バイパス通路２２の一端は、ＥＧＲクーラ２３よりも排気通路７側のＥＧＲ通路２１に接続され、他端は、切替弁２４に接続されている。
【００２４】
ＥＧＲクーラ２３には、内燃機関１の冷却水が循環しており、該ＥＧＲクーラ２３においてＥＧＲガスと内燃機関の冷却水とで熱交換が行われ、ＥＧＲガスが冷却される。切替弁２４は、後述するＥＣＵ１０からの信号により作動し、ＥＧＲガスの全体量に対して、ＥＧＲクーラ２３とバイパス通路２２とを通過するＥＧＲガスの割合を変更する弁である。ＥＧＲ弁２５は、後述するＥＣＵ１０からの信号により開閉し、該ＥＧＲ通路２１から吸気通路３へ流出するＥＧＲガスの量を調整する。
【００２５】
バイパス通路２２の途中には、熱交換器２６が備えられている。この熱交換器２６は２つの通路が設けられており、一方の通路はバイパス通路２２の一部となり、他方の通路は吸気絞り弁５よりも下流の吸気通路３の一部となっている。そして、熱交換器２６内の一方の通路を流れるＥＧＲガスと、他方の通路を流れる新気と、の間で熱交換が行われる。なお、本実施例においては、熱交換器２６が、本発明における熱交換手段に相当する。
【００２６】
また、内燃機関１には該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。
【００２７】
ＥＣＵ１０には、エアフローメータ６の他、アクセル開度に応じた信号を出力するアクセル開度センサ１１が電気配線を介して接続され、該センサ等の出力信号が入力されるようになっている。このアクセル開度センサ１１により内燃機関１の負荷を得ることができる。
【００２８】
一方、ＥＣＵ１０には吸気絞り弁５、切替弁２４、およびＥＧＲ弁２５が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ１０によりこれらが制御される。
なお、本実施例においては、内燃機関１に流入するＥＧＲガスの流量をそのときの内燃機関１の運転状態に応じて適正な量となるように、エアフローメータ６の出力値に基づいて吸入空気量のフィードバック制御（以下、吸入空気量フィードバック制御という。）を行う。この吸入空気量フィードバック制御では、内燃機関１の運転状態に対して予め設定された目標新気量と、エアフローメータ６から得られる吸入空気量とが等しくなるように吸気絞り弁５やＥＧＲ弁２５の開度を調整する。
【００２９】
ところで、従来、内燃機関１の軽負荷時において、ＥＧＲガスをバイパス通路２２に流していたが、ＥＧＲ率を高めるために、ＥＧＲ通路２１の入口付近の排気通路７の圧力（以下、背圧Ｐ４という。）と、ＥＧＲ通路２１の出口付近の吸気通路３の圧力（以下、吸気圧ＰＢという。）と、の差を大きくする必要があった。そのために、吸気絞り弁５を閉じたり、可変容量型ターボチャージャではノズルベーンを閉じたり、排気絞り弁を閉じたりしていた。これにより、ポンプ損失が増大して燃費が悪化していた。
【００３０】
すなわち、気筒２内に流入するＥＧＲガスの体積ＶＥＧＲは、背圧Ｐ４と吸気圧ＰＢとの差にＥＧＲ弁２５の通路面積Ｓを乗じた値に比例するが、軽負荷時においてはＥＧＲ弁２５の通路面積Ｓはほぼ最大となっているので、背圧Ｐ４を大きくするか吸気圧ＰＢを小さくすることで、気筒２内に流入するＥＧＲガスの体積ＶＥＧＲを大きくしていた。しかし、ポンプ損失は背圧Ｐ４と吸気圧ＰＢとの差に比例するので、ＥＧＲガスの体積ＶＥＧＲを大きくすると、ポンプ損失が大きくなる。
【００３１】
一方、本実施例においては、内燃機関１の軽負荷時にも高いＥＧＲ率を確保するために、切替弁２４により主に熱交換器２６へＥＧＲガスを流通させる。なお、本実施例においては、アクセル開度センサ１１により得られる開度が予め定められた開度よりも小さいときを軽負荷とする。
【００３２】
ここで、ＥＧＲガスが熱交換器２６を通過することにより、該ＥＧＲガスの温度は低下するが、該熱交換器２６を通過する新気の温度は上昇する。そのため、ＥＧＲガスの体積は縮小し、新気の体積は膨張する。このＥＧＲガスと新気とが混ざり合って気筒２内に流入する。ここで、ＥＧＲガスの密度は大きく、新気の密度は小さいので、混ざり合った吸気ではＥＧＲガスの割合が相対的に高くなりＥＧＲ率が高くなる。すなわち、ＥＧＲガスの体積ＶＥＧＲを小さくすることにより気筒２内に流入するＥＧＲ量を多くすることができる。また、熱交換器２６を通過する前にＥＧＲガスが持っていた熱は新気に与えられているので、混ざり合った吸気の温度が下がりすぎることもない。
【００３３】
したがって、軽負荷時においては、背圧と吸気圧との差を大きくする必要はない。そのため、ポンプ損失が大きくなることがなく、燃費の悪化を抑制できる。
また、本実施例においては、内燃機関１の中負荷時若しくは高負荷時に、高いＥＧＲ率を確保するために、切替弁２４により主にＥＧＲクーラ２３側へＥＧＲガスを流通させる。ＥＧＲガスがＥＧＲクーラ２３を通過することにより、該ＥＧＲガスの温度が低下し、該ＥＧＲガスの体積が縮小する。これにより、気筒２内のＥＧＲ率を高くすることができる。
【００３４】
また、本実施例においては、吸気絞り弁５が熱交換器２６よりも上流に設けられているため、該熱交換器２６において新気の温度が上昇したとしても、該新気が吸気絞り弁５を通過することがないため、該吸気絞り弁５が受ける熱の影響が小さい。
【００３５】
以上説明したように、本実施例によれば、軽負荷時においても燃費の悪化を抑制しつつＥＧＲ率を高くすることができる。
【実施例２】
【００３６】
本実施例においては、吸気絞り弁５よりも上流で且つターボチャージャ４よりも下流の吸気通路３の途中にインタークーラ２７を備えている。その他のハードウェアについては、実施例１と共通なので説明を省略する。
【００３７】
図２は、本実施例に係る内燃機関の排気循環装置を適用する内燃機関１とその吸・排気系の概略構成を示す図である。
インタークーラ２７では、ターボチャージャ４により圧縮されることで温度が上昇した新気と、該インタークーラ２７の外部の空気と、の間で熱交換がなされ、新気の温度が低下される。
【００３８】
ここで、バイパス通路２２へＥＧＲガスが流されると、熱交換器２６においてＥＧＲガスの温度が低下されると供に、吸気通路３を流れる新気の温度が上昇される。そして、仮に熱交換器２６よりも下流にインタークーラ２７が備えられているとすると、熱交換器２６において上昇した新気の温度がインタークーラ２７により低下され、気筒２内での吸気の温度が低くなってしまう。
【００３９】
その点、インタークーラ２７を熱交換器２６よりも上流に備えることにより、熱交換器２６において上昇された新気の温度がインタークーラ２７において低下されることがない。そのため、新気の温度を高いまま維持することができ、気筒２内の温度を高くすることができる。
【００４０】
また、気筒２内の吸気の温度が低いほうが好ましい高負荷時においては、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラ２３を通過するように切替弁２４が制御されるので、インタークーラ２７により低下された新気の温度が、熱交換器２６において上昇されることがない。そのため、新気の温度を低いまま維持することができ、且つ気筒２内へ多くのＥＧＲガスを入れることもできる。
【００４１】
一方、インタークーラ２７を吸気絞り弁５よりも上流に備えることにより、該インタークーラ２７において温度が低下された新気が吸気絞り弁５を通過することになり、該吸気絞り弁５は熱の影響を受けにくくなる。すなわち、ターボチャージャ４よりも下流を流れる新気の温度が一番低くなる場所に吸気絞り弁５を配置することができる。
【００４２】
また、軽負荷時においては、吸気絞り弁５の開度が閉じ側へ制御されるが、このような場合、吸気絞り弁５よりも下流側の新気の圧力が上流側よりも低くなるため、新気が該吸気絞り弁５を通過するときに該新気の温度が低下する。そのため、熱交換器２６に温度の低い新気が流入し、該熱交換器２６において新気とＥＧＲガスとの間でより多くの熱交換が行われる。これにより、ＥＧＲガスの温度をより低くすることができ、ＥＧＲガスの密度がより大きくなるので、より多くのＥＧＲガスを気筒２内に入れることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施例１に係る内燃機関の排気循環装置を適用する内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。
【図２】実施例２に係る内燃機関の排気循環装置を適用する内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１     内燃機関
２     気筒
３     吸気通路
４     ターボチャージャ
４ａ   コンプレッサハウジング
４ｂ   タービンハウジング
５     吸気絞り弁
６     エアフローメータ
７     排気通路
１０   ＥＣＵ
１１   アクセル開度センサ
２０   ＥＧＲ装置
２１   ＥＧＲ通路
２２   バイパス通路
２３   ＥＧＲクーラ
２４   切替弁
２５   ＥＧＲ弁
２６   熱交換器
２７   インタークーラ
【図１】
2006112310.tif 000003
【図２】
2006112310.tif 000004