JP5120173B2 - 内燃機関の排気循環装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の排気循環装置に関する。

従来の内燃機関の排気循環（Exhaust Gas Recirculation；ＥＧＲ）装置として、排気中の水蒸気（Ｈ₂Ｏ）のみを回収し、その水蒸気を吸気に混合することで燃焼温度を低下させて窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を低減させるものがある（例えば特許文献１参照）。
特開２００６−２２６１４９号公報

しかしながら、前述した従来の内燃機関の排気循環装置では、２原子分子に比べて比熱比の小さい３原子分子である水蒸気を吸気に混合させることになるので、内燃機関の熱効率が低下するという問題点があった。

本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、ＥＧＲ実施時における内燃機関の熱効率の低下を抑制することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明は、内燃機関が所定の運転状態のときに、前記内燃機関の排気通路に排出された排気を、前記排気通路から分岐して吸気通路に接続されるＥＧＲ通路を介して前記吸気通路に戻す排気循環装置であって、前記ＥＧＲ通路の接続部よりも上流の前記排気通路に設けられ、水蒸気を凝縮させて液水にする水分離器と、前記水分離器よりも上流の前記排気通路に設けられ、所定の二酸化炭素吸着温度以下のときに二酸化炭素を吸着し、二酸化炭素吸着温度より高いときに二酸化炭素を放出する二酸化炭素吸着放出器と、前記吸気通路と前記水分離器とを連通し、その水分離器で分離した液水が流れる水通路と、前記水通路に設けられ、前記水分離器で分離した液水を貯蔵する水タンクと、前記水タンクに貯蔵した液水を前記内燃機関に供給する水噴射弁と、前記水タンクよりも下流の水通路に設けられ、前記水噴射弁にその水タンクに貯蔵した液水を供給する加圧ポンプと、高負荷運転時に前記水噴射弁を開いて液水を前記内燃機関に供給する水供給手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、排気から所定の成分を分離して、循環させる排気の比熱比を高めるので、ＥＧＲ実施時における内燃機関の熱効率の低下を抑制することができる。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態によるＥＧＲ制御装置１００の概略システム図である。

ＥＧＲ制御装置１００は、エンジン１と、吸気通路２と、排気通路３と、ＥＧＲ装置４と、水噴射装置５と、コントローラ６と、を備える。

エンジン１は、シリンダブロック１１と、その頂部を覆うシリンダヘッド１２と、を備える。エンジン１は、空気と燃料との混合気を着火させて動力を出力する。

吸気通路２は、シリンダヘッド１２の一方の端面に接続される。

排気通路３は、シリンダヘッド１２の他方の端面に接続される。

ＥＧＲ装置４は、ＥＧＲ通路４１と、ＥＧＲ弁４２と、水分離器４３と、を備える。ＥＧＲ装置４は、排気通路３に排出された排気の一部を吸気通路２に再循環させる。

ＥＧＲ通路４１は、吸気通路２と排気通路３とを連通する。

ＥＧＲ弁４２は、ＥＧＲ通路４１に設けられ、ＥＧＲ量を調整する。

水分離器４３は、ＥＧＲ通路４１よりも上流の排気通路３に設けられる。水分離器４３は、排気中の水蒸気を凝縮させて液水とし、排気から水蒸気を取り除く。これにより、水分離器４３の下流を流れる排気中の水蒸気濃度は低下する。

水噴射装置５は、水通路５１と、水タンク５２と、加圧ポンプ５３と、水噴射弁５４と、を備える。

水通路５１は、水分離器４３と吸気通路２とを連通する。水通路５１には、水分離器４３で分離した液水が水分離器４３から吸気通路２へ向けて流れる。便宜上、水通路５１においては水分離器側を上流、吸気通路側を下流という。

水タンク５２は、水通路５１に設けられ、水分離器４３で分離した液水を貯蔵する。

加圧ポンプ５３は、水タンク５２よりも下流の水通路５１に設けられ、水タンク５２に貯蔵した液水を水噴射弁５４に供給する。

水噴射弁５４は、吸気通路２に臨むように設けられ、吸気通路内に液水を噴射する。

コントローラ６は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ６には、エンジン冷却水温を検出する水温センサ６１など、エンジン１の運転状態を検出する種々のセンサ類からの信号が入力される。

コントローラ６は、図２の運転マップを参照し、ＥＧＲ弁４２を開いてエンジン１の運転状態に応じて水分濃度を低下させた排気でＥＧＲを実施するとともに、水噴射弁５４を開いて水を噴射する。

図２に示すように、低回転低負荷側の領域Ｐで、水蒸気濃度を低下させた排気でＥＧＲを実施するとともに、水分離器４３で凝縮分離した水を水タンク５２に貯蔵する。低回転高負荷側の領域Ｑで、水タンク５２に貯蔵した水を水噴射弁５４から噴射する。それ以外の領域で、水分離器４３で凝縮分離した水を水タンク５２に貯蔵する。

図３は、コントローラ６が実行する本実施形態による制御について説明するフローチャートである。コントローラ６は、本ルーチンをエンジン１の運転中に所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。

ステップＳ１において、コントローラ６は、エンジン運転状態が領域Ｐにあるか否かを判定する。コントローラ６は、エンジン運転状態が領域ＰにあればステップＳ２に処理を移行し、領域ＰになければステップＳ３に処理を移行する。

ステップＳ２において、コントローラ６は、ＥＧＲ弁４２を開いてＥＧＲを実施する。

ステップＳ３において、コントローラ６は、水噴射弁５４を閉じて水分離器４３で凝縮分離した水を水タンク５２に貯蔵する。

ステップＳ４において、コントローラ６は、ＥＧＲ弁４２を閉じてＥＧＲを停止する。

ステップＳ５において、コントローラ６は、エンジン運転状態が領域Ｑにあるか否かを判定する。コントローラ６は、エンジン運転状態が領域ＱにあればステップＳ６に処理を移行し、領域ＱになければステップＳ７に処理を移行する。

ステップＳ６において、コントローラ６は、水噴射弁５４を開くとともに加圧ポンプ５３を駆動して、水噴射を実施する。

ステップＳ７において、コントローラ６は、ステップＳ３と同様の処理を実施する。

次に、本実施形態によるＥＧＲ制御装置１００の作用について説明する。

排気中には、主に窒素（Ｎ₂）、二酸化炭素（ＣＯ₂）水蒸気（Ｈ₂Ｏ）及び希薄燃焼時には酸素（Ｏ₂）が含まれる。これらのうち、３原子分子である二酸化炭素及び水蒸気は、２原子分子である窒素及び酸素に比べて比熱比が小さい。そのため、二酸化炭素及び水蒸気の濃度が高い排気でＥＧＲを実施して吸気に循環させるとエンジン１の熱効率が低下する。

そこで本実施形態のように、水蒸気濃度を低下させた比熱比の大きい排気でＥＧＲを実施することで、エンジン１の熱効率の低下を抑制することができる。特にガソリンエンジンの場合には、比熱比の大きい排気でＥＧＲを実施して理論空燃比で運転することで三元触媒によって排気を浄化できる。そのため、比熱比の小さい排気でＥＧＲを実施して、比熱比を大きくするために２原子分子（空気中の窒素及び酸素）を増やして希薄空燃比で運転する場合と比較して排気後処理を簡素化することができる。

また、排気の水蒸気濃度を低下させるために、水分離器４３で凝縮させて水タンク５２に貯蔵した液水を低回転高負荷側の領域Ｑで噴射することで、水の冷却効果によって対ノック性を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図４から図６を参照して説明する。本実施形態は、二酸化炭素濃度を低下させた排気でＥＧＲを実施する点で、第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

図４は、本発明の第２実施形態によるＥＧＲ制御装置１００の概略システム図である。

ＥＧＲ制御装置１００は、エンジン１と、吸気通路２と、排気通路３と、ＥＧＲ装置４と、コントローラ６と、を備える。

ＥＧＲ装置４は、ＥＧＲ通路４１と、ＥＧＲ弁４２と、二酸化炭素吸着放出器４４と、を備える。

二酸化炭素吸着放出器４４は、ＥＧＲ通路４１よりも上流の排気通路３に設けられる。二酸化炭素吸着放出器４４は、二酸化炭素吸着放出器４４の温度が所定の二酸化炭素放出温度より小さいときに二酸化炭素を吸着し、二酸化炭素放出温度より高いときに吸着した二酸化炭素を放出する。そのため、二酸化炭素吸着放出器４４には、温度調節用のヒータ４５が設けられる。なお、このような二酸化炭素の吸着放出性能を有する物質としては、チタン酸二バリウム（Ｂａ₂ＴｉＯ₄）が挙げられる。

コントローラ６は、図５の運転マップを参照し、エンジン１の運転状態に応じて二酸化炭素濃度を低下させた排気でＥＧＲを実施する。

図５に示すように、低回転低負荷側の領域Ｐで、二酸化炭素吸着放出器４４によって二酸化炭素を吸着し、二酸化炭素濃度を低下させた排気でＥＧＲを実施する。

ただし、排気浄化触媒が活性していない暖機時にはＥＧＲを実施せず、ヒータ４５によって二酸化炭素吸着放出器４４を暖めて二酸化炭素吸着放出器４４から二酸化炭素を放出する。これは、暖機時には排気通路３の下流に設けられた排気浄化触媒を早期に活性させるため燃焼室から排出される排気の温度が高くなるように制御する（例えば点火時期をリタードする）ので、二酸化炭素吸着放出器４４の温度も高くなり、二酸化炭素を放出させるためのヒータ４５による加熱量を低減できるためである。

なお、燃焼室から排出される排気の温度が十分に高く、二酸化炭素吸着放出器４４を二酸化炭素を放出する温度まで高めることができる場合には、二酸化炭素吸着放出器４４はヒータ４５を省略したものであっても良い。

高回転高負荷側の領域Ｒで、二酸化炭素吸着放出器４４から二酸化炭素を放出する。このとき、二酸化炭素吸着放出器４４の温度が二酸化炭素放出温度よりも低いときは、ヒータ４５によって暖めて二酸化炭素を放出する。それ以外の領域では、ヒータ４５への通電を実施しない。

図６は、コントローラ６が実行する本実施形態による制御について説明するフローチャートである。コントローラ６は、本ルーチンをエンジン１の運転中に所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。

ステップＳ１からステップＳ３で実施される処理は第１実施形態と同様なので、ここでは説明は省略する。

ステップＳ２１において、コントローラ６は、エンジン１が暖機中か否かを判定する。具体的には、水温センサ６１で検出した冷却水温が所定温度より低ければ暖機中であると判定する。コントローラ６は、エンジン１が暖機中であればステップＳ２２に処理を移行し、暖機中でなければステップＳ２４に処理を以降する。

ステップＳ２２において、コントローラ６は、二酸化炭素吸着放出器４４の温度が二酸化炭素吸着温度より低いか否かを判定する。二酸化炭素吸着放出器４４の温度が二酸化炭素吸着温度より低ければステップＳ２３に処理を移行し、高ければステップＳ２５に処理を移行する。

ステップＳ２３において、コントローラ６は、ヒータ４５に通電して（ヒータＯＮ）、二酸化炭素吸着放出器４４の温度を二酸化炭素吸着温度まで上昇させる。

ステップＳ２４において、コントローラ６は、ヒータ４５への通電を停止する（ヒータＯＦＦ）。

ステップＳ２５において、コントローラ６は、エンジン運転状態が領域Ｒにあるか否かを判定する。コントローラ６は、エンジン運転状態が領域ＲにあればステップＳ２６に処理を移行し、領域ＲになければステップＳ２８に処理を移行する。

ステップＳ２６からステップＳ２８までの処理は、ステップＳ２２からステップＳ２４までの処理と同様なので説明を省略する。

以上説明した本実施形態によれば、二酸化炭素濃度を低下させた比熱比の高い排気でＥＧＲを実施することで、エンジン１の熱効率の低下を抑制することができる。また、暖機時には、ヒータ４５によって二酸化炭素吸着放出器４４の温度を二酸化炭素吸着温度よりも高くして二酸化炭素を放出する。これにより、二酸化炭素を放出させるためのヒータ４５による加熱量を低減できる。

さらに、排気温度が比較的に高温になる高回転高負荷側の領域Ｒで、二酸化炭素を放出させるため、ヒータ４５に通電する頻度や時間が少なくできる。したがって、ヒータ４５を通電することによる燃費の悪化を抑制できる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図７から図９を参照して説明する。本実施形態は、水蒸気及び二酸化炭素濃度を低下させた排気でＥＧＲを実施する点で、第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

図７は、本発明の第３実施形態によるＥＧＲ制御装置１００の概略システム図である。

ＥＧＲ制御装置１００は、エンジン１と、吸気通路２と、排気通路３と、ＥＧＲ装置４と、水噴射装置５と、コントローラ６と、を備える。

ＥＧＲ装置４は、ＥＧＲ通路４１と、ＥＧＲ弁４２と、水分離器４３と、二酸化炭素吸着放出器４４と、を備える。

水分離器４３は、二酸化炭素吸着放出器４４よりも下流、かつ、ＥＧＲ通路４１よりも上流の排気通路３に設けられる。

コントローラ６は、図８の運転マップを参照し、エンジン１の運転状態に応じて水蒸気及び二酸化炭素濃度を低下させた排気でＥＧＲを実施するとともに、水噴射弁５４から水を噴射する。

図８に示すように、低回転低負荷側の領域Ｐで、水蒸気濃度および二酸化炭素を低下させた排気でＥＧＲを実施する。低回転高負荷側の領域Ｑ、高回転高負荷側の領域Ｒ及びそれ以外の領域では、第１及び第２実施形態と同様である。

図９は、コントローラ６が実行する本実施形態による制御について説明するフローチャートである。コントローラ６は、本ルーチンをエンジン１の運転中に所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。

ステップＳ１からステップＳ７までの処理及びステップＳ２１からステップＳ２８までの処理は第１及び第２実施形態と同様なので、ここでは説明を省略する。

以上説明した本実施形態によれば、水分離器４３を、二酸化炭素吸着放出器４４よりも下流、かつ、ＥＧＲ通路４１よりも上流の排気通路３に設けた。これにより、二酸化炭素吸着放出器４４によって二酸化炭素濃度が低下し、相対的に水蒸気濃度が増大した排気が水分離器４３に流入する。そのため、第１及び第２実施形態と同様の効果が得られるほか、水分離器４３で水蒸気を液水に凝縮するための温度を上昇させることができ、水蒸気を凝縮させるために必要な冷却量を低減できる。

なお、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。

例えば、上記実施形態では、吸気通路２に液水を噴射したが、筒内に直接噴射してもよい。

第１実施形態によるＥＧＲ制御装置の概略システム図である。 第１実施形態による運転マップである。 第１実施形態による制御について説明するフローチャートである。 第２実施形態によるＥＧＲ制御装置の概略システム図である。 第２実施形態による運転マップである。 第２実施形態による制御について説明するフローチャートである。 第３実施形態によるＥＧＲ制御装置の概略システム図である。 第３実施形態による運転マップである。 第３実施形態による制御について説明するフローチャートである。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
２ 吸気通路
４３ 水分離器（比熱比制御器）
４４ 二酸化炭素吸着放出器（比熱比制御器）
４５ ヒータ
５１ 水通路
５２ 水タンク
５３ 加圧ポンプ
５４ 水噴射弁
Ｓ６ 水供給手段
Ｓ２３ 第１ヒータ制御手段
Ｓ２７ 第２ヒータ制御手段

Claims (3)

1. 内燃機関が所定の運転状態のときに、前記内燃機関の排気通路に排出された排気を、前記排気通路から分岐して吸気通路に接続されるＥＧＲ通路を介して前記吸気通路に戻す排気循環装置であって、
   前記ＥＧＲ通路の接続部よりも上流の前記排気通路に設けられ、水蒸気を凝縮させて液水にする水分離器と、
   前記水分離器よりも上流の前記排気通路に設けられ、所定の二酸化炭素吸着温度以下のときに二酸化炭素を吸着し、二酸化炭素吸着温度より高いときに二酸化炭素を放出する二酸化炭素吸着放出器と、
   前記吸気通路と前記水分離器とを連通し、その水分離器で分離した液水が流れる水通路と、
   前記水通路に設けられ、前記水分離器で分離した液水を貯蔵する水タンクと、
   前記水タンクに貯蔵した液水を前記内燃機関に供給する水噴射弁と、
   前記水タンクよりも下流の水通路に設けられ、前記水噴射弁にその水タンクに貯蔵した液水を供給する加圧ポンプと、
   高負荷運転時に前記水噴射弁を開いて液水を前記内燃機関に供給する水供給手段と、
   を備えることを特徴とする排気循環装置。
2. 前記二酸化炭素吸着放出器は、その二酸化炭素吸着放出器の温度を制御するヒータを含み、
   前記内燃機関の暖機時には、前記ヒータに通電して前記二酸化炭素吸着放出器の温度を二酸化炭素吸着温度まで上昇させる第１ヒータ制御手段を備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の排気循環装置。
3. 高回転高負荷運転時に前記二酸化炭素吸着放出器の温度が二酸化炭素吸着温度よりも低いときは、前記ヒータに通電してその二酸化炭素吸着放出器の温度を二酸化炭素吸着温度まで上昇させる第２ヒータ制御手段を備える、
   ことを特徴とする請求項２に記載の排気循環装置。

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