JP2004156572A

JP2004156572A - ディーゼルエンジンの排ガス再循環装置

Info

Publication number: JP2004156572A
Application number: JP2002325509A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ishimori; 崇石森
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2002-11-08
Publication date: 2004-06-03

Abstract

【課題】ＥＧＲクーラを大型化せずに、大量のより冷えたＥＧＲガスをエンジンに還流し、エンジン自体の冷却系への負担を軽減する。
【解決手段】本発明の排ガス再循環装置は、ターボ過給機１２付きディーゼルエンジン１１の排気通路１３から所定量のＥＧＲガスをＥＧＲクーラ１６付き第１ＥＧＲパイプ２１を通してエンジンの吸気通路１４へ還流させるように構成される。ターボ過給機とエンジンとの間の吸気通路にはインタクーラ１９が設けられ、ターボ過給機とマフラ１７との間の排気通路には排ガス処理装置２０が設けられる。排ガス処理装置とマフラとの間の排気通路から分岐する第２ＥＧＲパイプ２２がターボ過給機より上流側の吸気通路に連通する。エンジンの運転条件に応じて還流量可変手段２３が第１ＥＧＲパイプと第２ＥＧＲパイプを流れるＥＧＲガスの量をそれぞれ変化させる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボ過給機を有するディーゼルエンジンにおいて、排ガスの一部（ＥＧＲガス）を吸気通路に還流させて再循環する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の装置として、ディーゼルエンジンの排気通路から所定量のＥＧＲガスをエンジンの吸気通路にＥＧＲパイプを通って還流させるように構成され、ディーゼルエンジンの運転条件に応じてＥＧＲガスの温度を制御する手段を備えたディーゼルエンジン用ＥＧＲガス温度制御システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この制御システムでは、ＥＧＲガス温度制御手段が、ＥＧＲパイプに設けられ冷却水通路を通るエンジン冷却水により冷却可能なＥＧＲクーラと、ＥＧＲパイプにＥＧＲクーラをバイパスするように接続されたＥＧＲバイパス通路と、ＥＧＲガスをＥＧＲクーラ又はＥＧＲバイパス通路に切換えるＥＧＲガス通路切換バルブと、ＥＧＲクーラ内の冷却水通路をバイパスするように冷却水通路に接続された冷却水バイパス通路と、エンジン冷却水をＥＧＲクーラ又は冷却水バイパス通路に切換える冷却水通路切換バルブとを有する。
【０００３】
このように構成されたディーゼルエンジン用ＥＧＲガス温度制御システムでは、ＥＧＲガス温度制御手段によってＥＧＲガスの温度をエンジンの運転条件に応じて常に最適値となるように変化させることができるので、ＮＯｘのみならずパティキュレートの排出量をも同時に低減できる。具体的には、ＥＧＲガス切換バルブにより一部のＥＧＲガスをＥＧＲクーラに流し、残りのＥＧＲガスをＥＧＲバイパス通路に流した後に、これらのＥＧＲガスを合流させることにより、エンジンに還流されるＥＧＲガスの全量の温度を正確に最適値に調整できる。また冷却水通路切換バルブにより一部の冷却水をＥＧＲクーラ内の冷却水通路に流し、残りの冷却水を冷却水バイパス通路に流すことにより、ＥＧＲガスの冷却の程度を微細に調整することができ、エンジンに還流されるＥＧＲガスの温度を更に正確に最適値に調整できるようになっている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１１７８１５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の特許文献１に示されたディーゼルエンジン用ＥＧＲガス温度制御システムでは、近年の益々厳しくなる排ガス規制をクリアするために、大量のＥＧＲガスをエンジンに乾留する必要があるけれども、この大量のＥＧＲガスを冷却するために、ＥＧＲクーラを大型化したり、或いは複数台のＥＧＲクーラを搭載する必要があった。
また、上記従来の特許文献１に示されたディーゼルエンジン用ＥＧＲガス温度制御システムでは、ＥＧＲガスをＥＧＲクーラで冷却するときにエンジンの冷却水を用いているため、冷却水の温度が上昇して冷却水の温度をラジエータで十分に低下できず、エンジン自体の冷却系に多大な負担を与えるおそれがあった。
【０００６】
本発明の目的は、ＥＧＲクーラを大型化したり或いは複数台用いたりせずに、大量のより冷えたＥＧＲガスをエンジンに還流できるとともに、エンジン自体の冷却系への負担を軽減できる、ディーゼルエンジンの排ガス再循環装置を提供することにある。
本発明の別の目的は、エンジンにパティキュレート等を殆ど含まない清浄なＥＧＲガスを還流できる、ディーゼルエンジンの排ガス再循環装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、ターボ過給機１２付きディーゼルエンジン１１の排気通路１３から所定量のＥＧＲガスを第１ＥＧＲパイプ２１を通してエンジン１１の吸気通路１４へ還流させるように構成され、第１ＥＧＲパイプ２１に設けられエンジン１１の冷却水により上記所定量のＥＧＲガスを冷却可能なＥＧＲクーラ１６と、ターボ過給機１２とエンジン１１との間の吸気通路１４に設けられたインタクーラ１９と、ターボ過給機１２とマフラ１７との間の排気通路１３に設けられた排ガス処理装置２０とを備えたディーゼルエンジンの排ガス再循環装置の改良である。
その特徴ある構成は、排ガス処理装置２０とマフラ１７との間の排気通路１３から分岐してターボ過給機１２より上流側の吸気通路１４に連通する第２ＥＧＲパイプ２２が設けられ、エンジン１１の運転条件に応じて第１ＥＧＲパイプ２１と第２ＥＧＲパイプ２２を流れるＥＧＲガスの量をそれぞれ変化させる還流量可変手段２３を備えたところにある。
【０００８】
この請求項１に記載されたディーゼルエンジンの排ガス再循環装置では、エンジン１１の定常運転時に、第１ＥＧＲパイプ２１を閉じかつ第２ＥＧＲパイプ２２を開き、ＥＧＲガスを排気通路１３から排ガス処理装置２０及び第２ＥＧＲパイプ２２を通して吸気通路１４に還流する。これにより排ガス処理装置２０で処理され大部分のパティキュレート等が除去された清浄な排ガスがエンジン１１に還流されるので、パティキュレート等による吸気通路１４、ターボ過給機１２及びエンジン１１の汚損を防止できるとともに、エンジン１１における燃料の燃焼温度が低下してＮＯｘを低減できる。また第１ＥＧＲパイプ２１に設けられたＥＧＲクーラ１６内を通るエンジン１１の冷却水の温度は上昇しない。
一方、エンジン１１の過渡運転時には、第１及び第２ＥＧＲパイプ２１，２２の双方を開き、ＥＧＲガスを排気通路１３から第１及び第２ＥＧＲパイプ２１，２２を通して吸気通路１４に大量に還流する。これによりエンジン１１における燃料の燃焼温度が低下するので、ＮＯｘを低減できる。また第１ＥＧＲパイプ２１を高温のＥＧＲガスが流れ、この第１ＥＧＲパイプ２１に設けられたＥＧＲクーラ１６内を通るエンジン１１の冷却水の温度は上昇するけれども、エンジン１１の過渡運転時間は短いため、エンジン１１の冷却水の温度上昇は僅かで済む。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、更に図１に示すように、吸気通路１４にエアクリーナ１８が設けられ、エアクリーナ１８より吸気上流側の吸気通路１４に第２ＥＧＲパイプ２２が接続されたことを特徴とする。
この請求項２に記載されたディーゼルエンジンの排ガス再循環装置では、第２ＥＧＲパイプ２２を通って吸気通路１４に還流されるＥＧＲガス中のパティキュレート等を、排ガス処理装置２０のみならずエアクリーナ１８でも除去できるので、パティキュレート等を殆ど含まない更に清浄なＥＧＲガスをエンジン１１に還流できる。
【００１０】
またエンジン１１の運転条件を検出するセンサは、エンジン１１の回転速度を検出する回転センサ２４と、エンジン１１の負荷を検出する負荷センサ２６とを有することが好ましい。
更に還流量可変手段２０は、第１ＥＧＲパイプ２１に設けられこの第１ＥＧＲパイプ２１を流れるＥＧＲガス流量を調整可能な第１ＥＧＲ弁２３ａと、第２ＥＧＲパイプ２２の排気通路１３への接続部より排気下流側の排気通路１３に設けられ第２ＥＧＲパイプ２２を流れるＥＧＲガス流量を調整可能な第２ＥＧＲ弁２３ｂとを有することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本発明の排ガス再循環装置は、ターボ過給機１２付きディーゼルエンジン１１の排気通路１３から所定量のＥＧＲガス（排ガスの一部）を第１ＥＧＲパイプ２１を通してエンジン１１の吸気通路１４へ還流させるように構成される。ターボ過給機１２は、タービンケース１２ａに回転可能に収容されかつエンジン１１の排ガスのエネルギにより回転可能なタービンホイール（図示せず）と、コンプレッサケース１２ｂに回転可能に収容されタービンホイールに連結されかつ吸気を圧縮してエンジン１１に供給可能なコンプレッサホイール（図示せず）とを有する。また第１ＥＧＲパイプ２１には、この第１ＥＧＲパイプ２１を流れるＥＧＲガスをエンジン１１の冷却水により冷却可能なＥＧＲクーラ１６が設けられる。なお、上記エンジン１１の冷却水は図示しないラジエータにより冷却されてその温度が低下するように構成される。
【００１２】
更に排気通路１３はエンジン１１の排気ポートに接続された排気マニホルド１３ａと、この排気マニホルド１３ａに接続された排気管１３ｂとを有し、吸気通路１４はエンジン１１の吸気ポートに接続された吸気マニホルド１４ａと、この吸気マニホルド１４ａに接続された吸気管１４ｂとを有する。排気管１３ｂには排気音を低減するマフラ１７が設けられ、吸気管１４ｂには吸気に含まれる塵埃を除去するエアクリーナ１８が設けられる。
【００１３】
ターボ過給機１２のコンプレッサケース１２ｂとエンジン１１との間の吸気管１４ｂには、コンプレッサホイールにより圧縮された吸気をエンジン１１の冷却水により冷却するインタクーラ１９が設けられる。またターボ過給機１２のタービンケース１２ａとマフラ１７との間の排気管１３ｂには排ガス処理装置２０が設けられる。この排ガス処理装置２０には、排ガスに含まれるパティキュレートのうちの燃料未燃分や潤滑油未燃分であるＳＯＦ（ＳｏｌｕｂｌｅＯｒｇａｎｉｃＦｒａｃｉｏｎ）を酸化処理する酸化触媒（図示せず）と、排ガスに含まれるパティキュレートのうちの煤を捕集するパティキュレートフィルタ（図示せず）とが収容される。第１ＥＧＲパイプ２１の一端は排気マニホルド１３ａに接続され、第１ＥＧＲパイプ２１の他端は吸気マニホルド１４ａとインタクーラ１９との間の吸気管１４ｂに接続される。第１ＥＧＲパイプ２１に設けられたＥＧＲクーラ１６は第１ＥＧＲパイプ２１を流れるＥＧＲガスをエンジン１１の冷却水により冷却するように構成される。
【００１４】
本実施の形態の特徴ある構成は、排ガス処理装置２０とマフラ１７との間の排気管１３ｂから分岐してターボ過給機１２のコンプレッサケース１２ｂより上流側の吸気管１４ｂに連通する第２ＥＧＲパイプ２２が設けられ、エンジン１１の運転条件に応じて第１ＥＧＲパイプ２１と第２ＥＧＲパイプ２２を流れるＥＧＲガスの量をそれぞれ変化させる還流量可変手段２３が設けられたところにある。第２ＥＧＲパイプ２２の他端はエアクリーナ１８より吸気上流側の吸気管１４ｂに接続される。また還流量可変手段２３は、第１ＥＧＲパイプ２１に設けられこの第１ＥＧＲパイプ２１を流れるＥＧＲガス流量を調整可能な第１ＥＧＲ弁２３ａと、第２ＥＧＲパイプ２２の排気通路１４への接続部より排気下流側の排気管１３ｂに設けられ第２ＥＧＲパイプ２２を流れるＥＧＲガス流量を調整可能な第２ＥＧＲ弁２３ｂとを有する。
【００１５】
一方、エンジン１１の運転条件は、エンジン１１の回転速度を検出する回転センサ２４と、エンジン１１の負荷を検出する負荷センサ２６とにより検出される。また第１ＥＧＲパイプ２１他端の吸気通路１４への接続部より吸気下流側の吸気通路１４、即ち吸気マニホルド１４ａには、吸気通路１４を流れる吸気ガス中の二酸化炭素濃度を検出する第１ガスセンサ３１が設けられる。更に第２ＥＧＲパイプ２２他端の吸気通路１４への接続部とターボ過給機１２のコンプレッサケース１２ｂとの間の吸気管１４ｂには、吸気通路１４を流れる吸気ガス中の二酸化炭素濃度を検出する第２ガスセンサ３２が設けられる。回転センサ２４、負荷センサ２６、第１ガスセンサ３１及び第２ガスセンサ３２の各検出出力はコントローラ２７の制御入力に接続され、コントローラ２７の制御出力は第１及び第２ＥＧＲ弁２３ａ，２３ｂに接続される。またコントローラ２７にはメモリ２８が設けられ、このメモリ２８にはエンジン１１の運転条件に応じて第１ＥＧＲ弁２３ａの開度及び第２ＥＧＲ弁２３ｂの絞り度を調整することによりエンジン１１に還流されるＥＧＲガスの目標ＥＧＲ率（図２（ａ）の一点鎖線）が記憶される。
【００１６】
このように構成されたディーゼルエンジン１１の排ガス再循環装置の動作を説明する。
回転センサ２４及び負荷センサ２６の各検出出力に基づいてエンジン１１が定常運転時であるとコントローラ２７が判断すると、コントローラ２７は第１ＥＧＲ弁２３ａを閉じたまま第２ガスセンサ３２の検出した吸気ガス中の二酸化炭素濃度に基づいて第２ＥＧＲ弁２３ｂの絞り度を所定の割合（例えば、１００％）に調整する（図２のＸで示す部分）。これにより排ガス処理装置を通ってパティキュレート等の大部分が除去された排ガス中の一部（ＥＧＲガス）が第２ＥＧＲパイプ２２を通って吸気管１４ｂに還流される。この清浄なＥＧＲガスに残留する僅かなパティキュレート等はエアクリーナ１８を通ることにより除去され、パティキュレート等を殆ど含まない更に清浄なＥＧＲガスがエンジン１１に還流される。燃焼に寄与しないＥＧＲガスがエンジン１１に還流されると、エンジン１１における燃料の燃焼温度が低下するので、排ガス中に発生するＮＯｘを低減できる。また第１ＥＧＲパイプ２１を高温のＥＧＲガスが流れないので、この第１ＥＧＲパイプ２１に設けられたＥＧＲクーラ１６内を通るエンジン１１の冷却水の温度は上昇しない。
【００１７】
一方、回転センサ２４及び負荷センサ２６の各検出出力に基づいてエンジン１１が過渡運転時であるとコントローラ２７が判断すると、コントローラ２７は第２ガスセンサ３２の検出した吸気ガス中の二酸化炭素濃度に基づいて第２ＥＧＲ弁２３ｂの絞り度を所定の割合（例えば、１００％）に調整し、かつ第１ガスセンサ３１の検出した吸気ガス中の二酸化炭素濃度に基づいて第１ＥＧＲ弁２３ａの開度を所定の割合（例えば、０〜１００％に徐々に開いた後に１００〜０％に徐々に閉じる。）に調整する（図２のＹで示す部分）。これによりエンジン１１で大量の燃料が燃焼しても燃焼に寄与しない大量のＥＧＲガスがエンジン１１に還流されるので、燃料の燃焼温度が低下し、排ガス中に発生するＮＯｘを低減できる。また第１ＥＧＲパイプ２１を高温のＥＧＲガスが流れ、この第１ＥＧＲパイプ２１に設けられたＥＧＲクーラ１６内を通るエンジン１１の冷却水の温度は上昇するけれども、エンジン１１の過渡運転時間は短いため、エンジン１１の冷却水の温度上昇は僅かで済む。この結果、ＥＧＲクーラ１６を大型化したり或いは複数台用いたりすることなく、大量のより冷えたＥＧＲガスをエンジン１１に還流できるとともに、エンジン１１自体の冷却系への負担を軽減できる。
【００１８】
ここで、エンジン１１の定常運転から過渡運転への移行時には、エンジン１１に急激な負荷変動が発生しないように、エンジン１１への燃料噴射量の変更や噴射時期の変更等を故意に遅らせることが好ましい。即ち、第１及び第２ガスセンサ３１，３２により吸気ガスに含まれるＥＧＲガスが目標ＥＧＲ率になったことを確認した後に、エンジン１１への燃料噴射量を増大したり、或いはエンジン１１への燃料噴射時期を変更することにより、黒煙等の排出を防止できる。
【００１９】
なお、この実施の形態では、吸気管を流れる吸気ガス中の二酸化炭素濃度を検出する第１及び第２ガスセンサを設けたが、第１及び第２ガスセンサにより吸気管を流れる吸気ガス中の酸素濃度を検出してもよく、或いは二酸化炭素濃度及び酸素濃度の双方を検出してもよい。
また、この実施の形態では、エンジンの運転条件を検出するセンサとして、回転センサ及び負荷センサを挙げたが、これらに車両の速度を検出する車速センサや、アクセル開度を検出するアクセルセンサや、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサ等を加えてもよい。ここで上記水温センサによって検出される水温が高ければ、負荷の高い運転であると判断される。
更に、この実施の形態では、絞り度が０％及び１００％の２段制御である第２ＥＧＲ弁を挙げたが、これは一例であって絞り度を３段、４段、又は５段以上に制御可能な第２ＥＧＲ弁であっても、或いは無段階の連続制御可能な第２ＥＧＲ弁であってもよい。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ＥＧＲクーラ付き第１ＥＧＲパイプに加えて、排ガス処理装置とマフラとの間の排気通路から分岐しかつターボ過給機より上流側の吸気通路に連通する第２ＥＧＲパイプを設け、エンジンの運転条件に応じて還流量可変手段が第１ＥＧＲパイプと第２ＥＧＲパイプを流れるＥＧＲガスの量をそれぞれ変化させるように構成したので、エンジンの定常運転時には第１ＥＧＲパイプを高温のＥＧＲガスが流れず、ＥＧＲクーラ内を通るエンジンの冷却水の温度は上昇しない。またエンジンの過渡運転時には、第１ＥＧＲパイプを高温のＥＧＲガスが流れ、ＥＧＲクーラ内を通るエンジンの冷却水の温度は上昇するけれども、エンジンの過渡運転時間は短いため、エンジンの冷却水の温度上昇は僅かで済む。この結果、ＥＧＲクーラを大型化したり或いは複数台用いたりすることなく、大量のより冷えたＥＧＲガスをエンジンに還流できるとともに、エンジン自体の冷却系への負担を軽減できる。
【００２１】
また吸気通路にエアクリーナを設け、エアクリーナより吸気上流側に第２ＥＧＲパイプを接続すれば、第２ＥＧＲパイプを通って吸気通路に還流されるＥＧＲガス中のパティキュレート等を、排ガス処理装置のみならずエアクリーナでも除去できるので、エンジンにパティキュレート等を殆ど含まないＥＧＲガスを還流できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施形態のディーゼルエンジンの排ガス再循環装置の構成図。
【図２】（ａ）そのディーゼルエンジンの運転条件の変化に伴う目標ＥＧＲ率の変化と、第１及び第２ＥＧＲ手段によるＥＧＲ率の変化とを示す図。
（ｂ）そのディーゼルエンジンの運転条件の変化に伴う第２ＥＧＲ弁の絞り度の変化を示す図。
（ｃ）そのディーゼルエンジンの運転条件の変化に伴う第１ＥＧＲ弁の開度の変化を示す図。
【符号の説明】
１１ディーゼルエンジン
１２ターボ過給機
１３排気通路
１４吸気通路
１６ＥＧＲクーラ
１７マフラ
１８エアクリーナ
１９インタクーラ
２０排ガス処理装置
２１第１ＥＧＲパイプ
２２第２ＥＧＲパイプ
２３還流量可変手段
２３ａ第１ＥＧＲ弁
２３ｂ第２ＥＧＲ弁
２４回転センサ
２６負荷センサ

Claims

ターボ過給機（１２）付きディーゼルエンジン（１１）の排気通路（１３）から所定量のＥＧＲガスを第１ＥＧＲパイプ（２１）を通して前記エンジン（１１）の吸気通路（１４）へ還流させるように構成され、前記第１ＥＧＲパイプ（２１）に設けられ前記エンジン（１１）の冷却水により冷却可能なＥＧＲクーラ（１６）と、前記ターボ過給機（１２）と前記エンジン（１１）との間の吸気通路（１４）に設けられたインタクーラ（１９）と、前記ターボ過給機（１２）とマフラ（１７）との間の排気通路（１３）に設けられた排ガス処理装置（２０）とを備えたディーゼルエンジンの排ガス再循環装置において、
前記排ガス処理装置（２０）と前記マフラ（１７）との間の排気通路（１３）から分岐して前記ターボ過給機（１２）より上流側の吸気通路（１４）に連通する第２ＥＧＲパイプ（２２）が設けられ、
前記エンジン（１１）の運転条件に応じて前記第１ＥＧＲパイプ（２１）と前記第２ＥＧＲパイプ（２２）を流れるＥＧＲガスの量をそれぞれ変化させる還流量可変手段（２３）を備えたことを特徴とするディーゼルエンジンの排ガス再循環装置。
吸気通路（１４）にエアクリーナ（１８）が設けられ、前記エアクリーナ（１８）より吸気上流側の吸気通路（１４）に第２ＥＧＲパイプ（２２）が接続された請求項１記載のディーゼルエンジンの排ガス再循環装置。
エンジン（１１）の運転条件を検出するセンサが、エンジン（１１）の回転速度を検出する回転センサ（２４）と、前記エンジン（１１）の負荷を検出する負荷センサ（２６）とを有する請求項１記載のディーゼルエンジンの排ガス再循環装置。
還流量可変手段（２３）が、第１ＥＧＲパイプ（２１）に設けられこの第１ＥＧＲパイプ（２１）を流れるＥＧＲガス流量を調整可能な第１ＥＧＲ弁（２３ａ）と、第２ＥＧＲパイプ（２２）の排気通路（１３）への接続部より排気下流側の排気通路（１３）に設けられ第２ＥＧＲパイプ（２２）を流れるＥＧＲガス流量を調整可能な第２ＥＧＲ弁（２３ｂ）とを有する請求項１記載のディーゼルエンジンの排ガス再循環装置。