(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボチャージャを備えたエンジンのＥＧＲ装置であって、ターボチャージャのタービンより下流の排気管から排ガスの一部を抜き出して前記ターボチャージャのコンプレッサより上流の吸気管へ再循環する低圧ＥＧＲパイプと、排気マニホールドから排ガスの一部を抜き出して吸気マニホールドに再循環する高圧ＥＧＲパイプとを備え、高負荷から中負荷までの運転状態で低圧ＥＧＲパイプを選択して排ガスを再循環し、低負荷から零負荷までの運転状態では高圧ＥＧＲパイプを選択して排ガスを再循環しながら高負荷を除く運転状態にて圧縮上死点より早いタイミングで燃料の主噴射を行い且つその着火タイミングを圧縮上死点付近まで遅らせる予混合圧縮着火を実施し得るように構成したことを特徴とするＥＧＲ装置。
【請求項２】
エンジンの回転数を検出する回転センサと、エンジンの負荷を検出する負荷センサとを備え、これら回転センサ及び負荷センサからの検出信号に基づいて低圧ＥＧＲパイプによる排ガスの再循環と高圧ＥＧＲパイプによる排ガスの再循環とを適宜に切り換えるように構成したことを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲ装置。
【請求項３】
低圧ＥＧＲパイプに水冷式のＥＧＲクーラを装備したことを特徴とする請求項１又は２に記載のＥＧＲ装置。
【請求項４】
排気管における低圧ＥＧＲパイプの分岐箇所より下流に開度調節可能な背圧バルブを装備し、該背圧バルブの開度を制御して低圧ＥＧＲパイプによるＥＧＲ率を調整し得るように構成したことを特徴とする請求項１、２又は３に記載のＥＧＲ装置。
【請求項５】
ターボチャージャとしてバリアブルジオメトリーターボチャージャを採用し、該バリアブルジオメトリーターボチャージャのタービン側ノズルベーンの開度を制御して高圧ＥＧＲパイプによるＥＧＲ率を調整し得るように構成したことを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載のＥＧＲ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＥＧＲ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、自動車のエンジンなどでは、排気側から排ガスの一部を抜き出して吸気側へと戻し、その吸気側に戻された排ガスでエンジン内での燃料の燃焼を抑制させて燃焼温度を下げることによりＮＯxの発生を低減するようにした、いわゆる排ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）が行われている。
【０００３】
ただし、排ガスの再循環によりＮＯxの低減化を図ることは、気筒内での燃焼不良により黒煙を発生してしまうこととトレードオフの関係にあるので、黒煙の発生を抑制する観点から排ガスの再循環量に制限がかかるという不具合があり、単純に排ガスの再循環を行うだけで大幅なＮＯxの低減化を図ることは困難である。
【０００４】
このため、近年においては、通常であれば圧縮上死点近辺で行われるべき燃料噴射を圧縮上死点より早いタイミングで行い、気筒内への燃料の先行投入により燃料の予混合化を促進してから着火燃焼させて黒煙の発生を抑制するようにした予混合圧縮着火を併用することが検討されている。
【０００５】
即ち、このような予混合圧縮着火により燃焼を行うと、燃料が良好に分散混合して均等に薄まった状態で燃焼が行われることになるので、燃焼温度が比較的低く抑制されてＮＯxの発生が少なくなり、しかも、局所的に燃料の濃い部分が生じ難くなって黒煙の発生を抑制する上でも有効となるのである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、斯かる予混合圧縮着火を採用した場合、燃料の投入タイミングを圧縮上死点より早めても、その着火については圧縮上死点付近で行われることが望ましいのに対し、通常のエンジンの圧縮比では、圧縮上死点より早いタイミングで着火してしまって熱効率的な損失が生じるという問題があった。
【０００７】
この点に関し、本発明者らは、予混合圧縮着火を採用するにあたり、通常のエンジンより圧縮比を低めに設定した上で、ＥＧＲクーラなどで冷却した大量の排ガスを再循環することにより着火タイミングを遅らせる対策を考えついたが、このようにすると、今度は低負荷やアイドリングなどの零負荷の運転状態における着火性が悪くなりすぎて失火が起こり易くなるという不具合を招いてしまう結果となる。
【０００８】
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、低負荷領域で失火が起こり易くなる問題を解消して、予混合圧縮着火の併用によるＮＯxと黒煙の同時低減化を実現し得るようにした新規なＥＧＲ装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ターボチャージャを備えたエンジンのＥＧＲ装置であって、ターボチャージャのタービンより下流の排気管から排ガスの一部を抜き出して前記ターボチャージャのコンプレッサより上流の吸気管へ再循環する低圧ＥＧＲパイプと、排気マニホールドから排ガスの一部を抜き出して吸気マニホールドに再循環する高圧ＥＧＲパイプとを備え、高負荷から中負荷までの運転状態で低圧ＥＧＲパイプを選択して排ガスを再循環し、低負荷から零負荷までの運転状態では高圧ＥＧＲパイプを選択して排ガスを再循環しながら高負荷を除く運転状態にて圧縮上死点より早いタイミングで燃料の主噴射を行い且つその着火タイミングを圧縮上死点付近まで遅らせる予混合圧縮着火を実施し得るように構成したことを特徴とするものである。
【００１０】
従って、本発明では、予混合圧縮着火によりノッキングが生じ易くなる高負荷での運転状態において予混合圧縮着火を併用せず、低圧ＥＧＲパイプを通し低温低圧の排ガスを排気側から吸気側へ再循環しながら通常の噴射タイミングで燃料の投入を行うことになるので、ノッキングを起こすことなく通常の排ガス再循環によるＮＯxの低減効果が得られる。
【００１１】
また、ノッキングの心配のない中負荷の運転状態においては、低圧ＥＧＲパイプを通し低温低圧の排ガスを排気側から吸気側へ再循環しながら予混合圧縮着火を併用することになるので、排ガスの再循環と予混合圧縮着火との相乗的な作用により黒煙発生を防止しつつ極めて優れたＮＯxの低減効果を得ることが可能となり、しかも、燃料噴射を圧縮上死点より早いタイミングで行いながらインタクーラなどを介し冷却された大量の排ガスを再循環することにより、着火タイミングを圧縮上死点付近まで遅らせて熱効率的な損失を低減することが可能となる。
【００１２】
更に、低負荷から零負荷までの運転状態においては、高圧ＥＧＲパイプを通し高温高圧の排ガスを排気マニホールドから吸気マニホールドへ直接再循環しながら予混合圧縮着火を併用することになるので、排ガスの再循環と予混合圧縮着火との相乗的な作用により黒煙発生を防止しつつ極めて優れたＮＯxの低減効果が得られ、しかも、燃料噴射を圧縮上死点より早いタイミングで行いつつ高温の排ガスを再循環して吸気温度を上げ、これにより着火を支援して失火を防止しながら着火タイミングを圧縮上死点付近まで遅らせて熱効率的な損失を低減することが可能となる。
【００１３】
また、本発明のＥＧＲ装置を具体的に実施するにあたっては、エンジンの回転数を検出する回転センサと、エンジンの負荷を検出する負荷センサとを備え、これら回転センサ及び負荷センサからの検出信号に基づいて低圧ＥＧＲパイプによる排ガスの再循環と高圧ＥＧＲパイプによる排ガスの再循環とを適宜に切り換えるように構成することが好ましい。
【００１４】
更に、低圧ＥＧＲパイプには、水冷式のＥＧＲクーラを装備することが好ましく、また、排気管における低圧ＥＧＲパイプの分岐箇所より下流に開度調節可能な背圧バルブを装備し、該背圧バルブの開度を制御して低圧ＥＧＲパイプによるＥＧＲ率を調整し得るように構成したり、或いは、ターボチャージャとしてバリアブルジオメトリーターボチャージャを採用し、該バリアブルジオメトリーターボチャージャのタービン側ノズルベーンの開度を制御して高圧ＥＧＲパイプによるＥＧＲ率を調整し得るように構成したりすることも可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１６】
図１及び図２は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図中１はディーゼル機関であるエンジンを示し、該エンジン１は、通常のエンジンより圧縮比を低めに設定され、しかも、バリアブルジオメトリーターボチャージャをターボチャージャ２として備えており、エアクリーナ３から導かれた吸気４が吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気４がインタクーラ６へと送られて冷却され、該インタクーラ６から更に吸気マニホールド７へと吸気４が導かれてエンジン１の各気筒８（図１では直列６気筒の場合を例示している）に分配されるようになっている。
【００１７】
更に、このエンジン１の各気筒８から排出された排ガス９は、排気マニホールド１０を介しターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排ガス９が排気管１１を介し車外へ排出されるようにしてある。
【００１８】
そして、ターボチャージャ２のタービン２ｂより下流の排気管１１と、ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａより上流の吸気管５との間が低圧ＥＧＲパイプ１２により接続されており、該低圧ＥＧＲパイプ１２には、排ガス９の再循環を適宜に停止し得るよう開閉自在なＥＧＲバルブ１３と、再循環される排ガス９中からパティキュレートを捕集するためのディーゼルパティキュレートフィルタ１４と、再循環される排ガス９を冷却するためのＥＧＲクーラ１５とが装備されている。
【００１９】
更に、排気管１１における低圧ＥＧＲパイプ１２の分岐箇所より下流に開度調節可能な背圧バルブ１６が装備されており、該背圧バルブ１６の開度を調節して前記分岐箇所における圧力を増減することで低圧ＥＧＲパイプ１２によるＥＧＲ率を調節し得るようにしてある。
【００２０】
また、排気マニホールド１０と吸気マニホールド７との間が高圧ＥＧＲパイプ１７により接続され、該高圧ＥＧＲパイプ１７には、排ガス９の再循環を適宜に停止し得るよう開閉自在なＥＧＲバルブ１８が装備されている。
【００２１】
更に、図示しない運転席のアクセルには、アクセル開度をエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ１９（負荷センサ）が備えられていると共に、エンジン１の適宜位置には、その回転数を検出する回転センサ２０が装備されており、これらアクセルセンサ１９及び回転センサ２０からのアクセル開度信号１９ａ及び回転数信号２０ａが、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置２１に対し入力されるようになっている。
【００２２】
一方、制御装置２１においては、各気筒８に燃料を噴射する燃料噴射装置２２に向け燃料の噴射タイミング及び噴射量を指令する燃料噴射信号２２ａが出力されるようになっていると共に、ＥＧＲバルブ１３，１８と背圧バルブ１６とターボチャージャ２のアクチュエータ２３とに対し夫々の開度を指令する開度指令信号１３ａ，１８ａ，１６ａ，２３ａが出力されるようになっている。
【００２３】
即ち、この制御装置２１では、高負荷から中負荷までの運転状態において、低圧ＥＧＲパイプ１２を選択して排ガス９を再循環し、また、低負荷から零負荷までの運転状態において、高圧ＥＧＲパイプ１７を選択して排ガス９を再循環するようになっており、しかも、高負荷を除く運転状態においては、予混合圧縮着火を実施し得るようにしてある。
【００２４】
より具体的には、図２に示す如きマップが制御装置２１に備えられており、このマップには、エンジン１の回転数が増加するのに従い高くなる負荷の敷居値（図２中にて曲線Ｐで示している負荷の値）が設定されていて、現在のエンジン１の負荷が、その時点でのエンジン１の回転数に対応した敷居値を越えているか否かを判定し、敷居値を越えていると判定された場合には、ＥＧＲバルブ１３を開け且つＥＧＲバルブ１８を閉じて低圧ＥＧＲパイプ１２による排ガス９の再循環を行うようにしてあり、更には、背圧バルブ１６を別のマップによりエンジン１の回転数と負荷とに基づいて最適開度に調節し、低圧ＥＧＲパイプ１２によるＥＧＲ率を最適に制御するようにしてある。
【００２５】
ここで、エンジン１が高負荷の運転状態である場合には、燃料噴射装置２２が通常の噴射タイミング及び噴射量で制御されることになるが、エンジン１が中負荷の運転状態である場合には、燃料噴射装置２２を制御して燃料の主噴射（以下では単に燃料噴射と称する）を圧縮上死点より早いタイミングで行うようにしてある。
【００２６】
他方、図２のマップに基づき、現在のエンジン１の負荷が、その時点でのエンジン１の回転数に対応した敷居値以下であると判定された場合には、ＥＧＲバルブ１３を閉じ且つＥＧＲバルブ１８を開けて高圧ＥＧＲパイプ１７による排ガス９の再循環を行うようにしてあり、更には、背圧バルブ１６を全開とした上でターボチャージャ２のアクチュエータ２３を制御し、これによりターボチャージャ２のタービン２ｂ側のノズルベーンを別のマップによりエンジン１の回転数と負荷とに基づいて最適開度に調節し、高圧ＥＧＲパイプ１７によるＥＧＲ率を最適に制御するようにしてある。
【００２７】
即ち、本形態例で採用しているところのバリアブルジオメトリーターボチャージャから成るターボチャージャ２は、従来より周知である如く、アクチュエータ２３によりタービン２ｂ側のノズルベーンを傾動して該各ノズルベーンの開度を調整し得る構造となっているので、タービン２ｂ側のノズルベーンの開度を調節して排気マニホールド１０における圧力を増減することで高圧ＥＧＲパイプ１７によるＥＧＲ率が調節されることになる。
【００２８】
また、この時にも、燃料噴射装置２２を燃料噴射信号２２ａにより制御して燃料噴射を圧縮上死点より早いタイミングで行うようにしてある。
【００２９】
尚、制御装置２１に備えられた図２のマップについては、吸気温度やエンジン冷却水温度などを別途検出することにより、その検出値に基づいて敷居値の異なる別のマップに変更したり、或いは、マップの敷居値を補正したりするようにしても良く、更には、吸気側と排気側とで酸素濃度を実際に検出してＥＧＲ率の調節などの制御にフィードバックさせるようにしても良い。
【００３０】
而して、このようにＥＧＲ装置を構成すれば、予混合圧縮着火によりノッキングが生じ易くなる高負荷での運転状態において予混合圧縮着火を併用せず、低圧ＥＧＲパイプ１２を通し低温低圧の排ガス９を排気側から吸気側へ再循環しながら通常の噴射タイミングで燃料の投入を行うことになるので、ノッキングを起こすことなく通常の排ガス再循環によるＮＯxの低減効果が得られる。
【００３１】
また、ノッキングの心配のない中負荷の運転状態においては、低圧ＥＧＲパイプ１２を通し低温低圧の排ガス９を排気側から吸気側へ再循環しながら予混合圧縮着火を併用することになるので、排ガス９の再循環と予混合圧縮着火との相乗的な作用により黒煙発生を防止しつつ極めて優れたＮＯxの低減効果を得ることが可能となり、しかも、燃料噴射を圧縮上死点より早いタイミングで行いながらＥＧＲクーラ１５やインタクーラ６などを介し冷却された大量の排ガス９を再循環することにより、着火タイミングを圧縮上死点付近まで遅らせて熱効率的な損失を低減することが可能となる。
【００３２】
更に、低負荷から零負荷までの運転状態においては、高圧ＥＧＲパイプ１７を通し高温高圧の排ガス９を排気マニホールド１０から吸気マニホールド７へ直接再循環しながら予混合圧縮着火を併用することになるので、排ガス９の再循環と予混合圧縮着火との相乗的な作用により黒煙発生を防止しつつ極めて優れたＮＯxの低減効果が得られ、しかも、燃料噴射を圧縮上死点より早いタイミングで行いつつ高温の排ガス９を再循環して吸気温度を上げ、これにより着火を支援して失火を防止しながら着火タイミングを圧縮上死点付近まで遅らせて熱効率的な損失を低減することが可能となる。
【００３３】
尚、低負荷から零負荷までの運転状態にて予混合圧縮着火を行うに際し、必要に応じてパイロット噴射（主噴射に先立ち着火を誘導するために行う微量の先行噴射）を併用して着火の更なる安定化を図るようにしても良い。
【００３４】
従って、上記形態例によれば、高負荷を除く運転状態にて排ガス９を再循環しながら予混合圧縮着火を併用するに際し、高負荷から中負荷までの運転状態では低圧ＥＧＲパイプ１２を選択して、ＥＧＲクーラ１５やインタクーラ６などを介し冷却された低温低圧の排ガス９を再循環し、低負荷から零負荷までの運転状態では高圧ＥＧＲパイプ１７に切り換えて排気マニホールド１０から吸気マニホールド７へ高温高圧の排ガス９を直接再循環するようにしているので、低負荷領域で失火が起こり易くなる問題を吸気温度の上昇による着火支援で解消することができ、予混合圧縮着火の併用によるＮＯxと黒煙の良好な同時低減化を実現することができる。
【００３５】
尚、本発明のＥＧＲ装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、負荷センサには、燃料噴射装置に装備されて燃料の噴射量を検出するセンサ（噴射ポンプラックセンサなど）を採用しても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００３６】
【発明の効果】
上記した本発明のＥＧＲ装置によれば、高負荷を除く運転状態にて排ガスを再循環しながら予混合圧縮着火を併用するに際し、高負荷から中負荷までの運転状態では低圧ＥＧＲパイプを選択して、インタクーラなどを介し冷却された低温低圧の排ガスを再循環し、低負荷から零負荷までの運転状態では高圧ＥＧＲパイプに切り換えて排気マニホールドから吸気マニホールドへ高温高圧の排ガスを直接再循環するようにしているので、低負荷領域で失火が起こり易くなる問題を吸気温度の上昇による着火支援で解消することができ、予混合圧縮着火の併用によるＮＯxと黒煙の良好な同時低減化を実現することができるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。
【図２】図１の制御装置に備えられた制御用マップの一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１  エンジン
２  ターボチャージャ
２ａ コンプレッサ
２ｂ タービン
５  吸気管
７  吸気マニホールド
９  排ガス
１０  排気マニホールド
１１  排気管
１２  低圧ＥＧＲパイプ
１３  ＥＧＲバルブ
１５  ＥＧＲクーラ
１６  背圧バルブ
１７  高圧ＥＧＲパイプ
１９  アクセルセンサ（負荷センサ）
１９ａ  アクセル開度信号（検出信号）
２０  回転センサ
２０ａ  回転数信号（検出信号）
【図１】
0003796102.tif 000002
【図２】
0003796102.tif 000003