JP6701868B2

JP6701868B2 - エンジン暖機装置

Info

Publication number: JP6701868B2
Application number: JP2016062394A
Authority: JP
Inventors: 和成山本; 慶子柴田; 宗昌橋本; 聖鎌倉
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2016-03-25
Filing date: 2016-03-25
Publication date: 2020-05-27
Anticipated expiration: 2036-03-25
Also published as: JP2017172565A

Description

本発明は、冷間始動されたエンジンを暖機するエンジン暖機装置に関するものである。

外部ＥＧＲ装置は、排ガスの一部を排気マニホルドから吸気マニホルドに環流させる。これにより、筒内の酸素量及び燃焼温度を低下させることができ、エンジンから排出されるＮＯｘを低減させることができる。

外部ＥＧＲ装置は、ＥＧＲ通路、ＥＧＲバルブ及びＥＧＲクーラを備える。ＥＧＲクーラは、吸気マニホルドに環流する排ガスを冷却水との熱交換で冷却して排ガスのガス量を増加させ、吸気充填効率の低下を防ぐ。

ところで、エンジンの暖機運転時に外部ＥＧＲ装置を用いて暖機することがなされている。

特開２０１０−０８４６４５号公報特開２００４−２４５１２０号公報

しかしながら、外部ＥＧＲ装置をエンジンの冷間始動時に使用すると（１）ＥＧＲクーラでは排ガスから冷却水へ熱が奪われる。（２）また、これを防止するためにＥＧＲクーラをバイパスさせた場合でもエンジンルーム内は冷却水と同じ温度にあるため、（１）と同様に外気へと熱が奪われる。これらのために暖機に時間がかかり、燃費性能や排ガス性能が悪化するという問題があった。

また、排ガス中には水分が含まれるため、凝縮水が発生する。エンジン始動直後では、外気温度及び冷却水温度が低いこともあり、特にＥＧＲ通路の壁面付近では凝縮水が生成されやすい。このときの凝縮水の生成が繰り返されると、化学変化により凝縮水中に含まれる煤やハイドロカーボンが肥大化し、配管詰まりの原因となる可能性がある。配管詰まりは、排ガス性能や燃費に悪影響を与える可能性がある。

外部ＥＧＲ装置を使用しないと上述の問題は解決するが、それではＮＯｘの排出を抑えることができない。

本発明の目的は、エンジンを冷間始動するときＮＯｘの排出を抑えつつエンジンの暖機が効率よくできるエンジン暖機装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明は、エンジンの冷間始動時に、エンジンを暖機するための昇温装置であって、前記エンジンの吸排気弁を開閉動するバルブ機構と、冷間始動時に前記バルブ機構での排気弁の開閉タイミングを変更して排気行程の途中で前記排気弁を強制的に閉じて排ガスを気筒内に閉じ込める内部ＥＧＲ形成装置とを備えたものである。

本発明によれば、エンジンを冷間始動するときＮＯｘの排出を抑えつつエンジンの暖機が効率よくできる。

本発明の一実施の形態に係るエンジンの概略説明図である。エンジン及び制御装置の概略説明図である。バルブタイミングを説明する線図である。暖機時のエンジンの動作を説明する説明図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１及び図２に示すように、エンジン１は、複数の気筒２を有するディーゼルエンジンからなる。エンジン１は、吸気弁３及び排気弁４を開閉動すると共に吸気弁３及び排気弁４の開閉タイミングが調節可能なバルブ機構５を有する。バルブ機構５は、後述する内部ＥＧＲ形成装置６からの制御信号で駆動されるソレノイドを有する。バルブ機構５は、吸気弁３及び排気弁４を直接的に駆動する。

なお、バルブ機構５は、上述のものに限るものではない。例えばバルブ機構５は、内部ＥＧＲ形成装置６からの制御信号で駆動されるベーン式カム位相可変装置を備えたものであってもよく、他の形式の可変バルブタイミング機構を備えたものであってもよい。

また、エンジンの吸排気系には、過給機７が接続されると共に、外部ＥＧＲ装置８が接続されている。

過給機７は、エンジン１の排気通路９に接続され排ガスで駆動されるタービン１０と、エンジン１の給気通路１１に接続されタービン１０からの動力で駆動されるコンプレッサ１２とを備える。また、給気通路１１には、コンプレッサ１２で圧縮された吸気を冷却するインタクーラ１３が接続されている。

外部ＥＧＲ装置８は、エンジン１の排気側から吸気側に排ガスを再循環させる第１ＥＧＲ通路１４と、第１ＥＧＲ通路１４に接続され第１ＥＧＲ通路１４を開閉する第１ＥＧＲバルブ１５と、第１ＥＧＲ通路１４に接続され吸気側に環流する排ガスを冷却するＥＧＲクーラ１６と、第１ＥＧＲ通路１４にＥＧＲクーラ１６をバイパスするように接続された第２ＥＧＲ通路１７と、第２ＥＧＲ通路１７に接続され第２ＥＧＲ通路１７を開閉する第２ＥＧＲバルブ１８とを備える。第１ＥＧＲ通路１４は、エンジン１のエキゾーストマニホルド１９に接続されると共にインテークマニホルド２０に接続される。ＥＧＲクーラ１６は、排ガスをエンジン冷却水との熱交換で冷却する。第１ＥＧＲバルブ１５及び第２ＥＧＲバルブ１８は、後述する昇温装置２１の内部ＥＧＲ形成装置６に接続されており、内部ＥＧＲ形成装置６からの制御信号で開度調節可能に開閉するようになっている。

昇温装置２１は、エンジン１の冷間始動時に、エンジン１を暖機するためのものである。昇温装置２１は、バルブ機構５と、冷間始動時に外部ＥＧＲを停止させると共に排気弁４のバルブタイミングで内部ＥＧＲを形成する内部ＥＧＲ形成装置６とを備える。

内部ＥＧＲ形成装置６は、制御装置（ＥＣＵ：エンジンコントロールユニット）からなる。内部ＥＧＲ形成装置６は、エンジン冷却水温度を検出する冷却水温度センサ２２に電気的に接続されると共に、排気通路９内の排ガス温度を測定する排ガス温度センサ２３に接続されている。

内部ＥＧＲ形成装置６は、エンジン１が冷間始動されたとき、第１ＥＧＲバルブ１５及び第２ＥＧＲバルブ１８を閉じると共に、バルブ機構５での排気弁４の開閉タイミングを通常運転時より早めるように変更する。具体的には、内部ＥＧＲ形成装置６は、冷却水温度センサ２２の検出値が、設定温度に満たないときには冷間始動されたと判断し、第１ＥＧＲバルブ１５及び第２ＥＧＲバルブ１８を全閉にすると共に、排気弁４の閉弁時期を通常運転時より早い暖機モードにするようにバルブ機構５を制御する。また、内部ＥＧＲ形成装置６は、冷却水温度センサ２２の検出値が設定温度に達したとき、排気弁４の閉弁時期を通常運転時の運転モードに戻すようにバルブ機構５を制御すると共に、第１ＥＧＲバルブ１５及び第２ＥＧＲバルブ１８を通常運転時の開度で開弁させるように制御する。設定温度は、第２ＥＧＲ通路１７が設定温度に昇温されたとき、第２ＥＧＲ通路１７内に排ガスが流れても凝縮水が生成されない温度に設定されている。

また、内部ＥＧＲ形成装置６は、排気弁４の開閉タイミングを制御することで内部ＥＧＲ量を調整してＮＯｘ量を少なくすべく排気弁４の開閉タイミングを制御する。この場合、内部ＥＧＲ量を多くすると、過給機のタービン１０への排気量が少なくなり、コンプレッサ１２の過給圧が低下する。このため、内部ＥＧＲ形成装置６は、吸気弁３を閉から開に動作させたとき、過給機７の過給圧が気筒内圧より高くなるように排気弁４の閉弁時期を制御して内部ＥＧＲ量を調整する。

次に本実施の形態の作用を述べる。

図１に示すように、エンジン１が始動されると、内部ＥＧＲ形成装置６は、冷却水温度センサ２２の検出値を基にエンジン１が冷間始動されたか否かを判断し、冷間始動されたとき以下の制御を行う。

エンジン１が冷間始動されたとき、内部ＥＧＲ形成装置６は、第１ＥＧＲバルブ１５及び第２ＥＧＲバルブ１８を全閉にすると共に、バルブ機構５での排気弁４の開閉タイミングを変更して排気行程の途中で排気弁４を強制的に閉じて排ガスを気筒２内に閉じ込めるように制御する。

これにより、排気行程中の排ガスの一部が気筒内に残って内部ＥＧＲが達成され、エンジンの暖機運転が行われる。

図３は、吸気弁及び排気弁の開閉タイミングを、吸気弁及び排気弁の開口面積（縦軸）とクランク角（横軸）とで表したものである。横軸のＴＤＣは上死点を表し、ＢＤＣは下死点を表す。また、図中の実線は排気弁４及び吸気弁３の通常モードでの開閉弁動作を表し、破線は暖機モードでの排気弁４の開閉動作を表す。図４は、図３の膨張行程及び排気行程における吸気弁３、排気弁４及びピストン２４の動作を表すエンジンの動作説明図である。

図３及び図４に示すように、エンジンが冷間始動され、内部ＥＧＲ形成装置６が排気弁４の開閉タイミングを進角させると、排気弁４は膨張行程の早いタイミングで開弁動作が開始され、排気行程の早いタイミングで閉弁動作が完了する。

例えば、図４に示すように圧縮行程から膨張行程に移る上死点にて、吸気弁３及び排気弁４は閉じられている。開閉タイミングが進角された排気弁４は、膨張行程の途中で開弁動作を開始し、膨張行程から排気行程に移る下死点近傍で略全開となる。この後、開閉タイミングが進角された排気弁４は、排気行程の早い段階で閉弁動作に移り、排気行程の途中で完全に閉弁される。これにより、気筒２中には、排ガスの一部が残留することとなる。その後、排気行程から吸気行程に移ると、吸気弁３が通常のタイミングで開閉される。インテークマニホルド２０内の圧力は気筒内圧より高いため、気筒２内に残留した排ガスが吸気側に戻ることはほとんどなく、インテークマニホルド２０からの新気が気筒２内に追加供給され、内部ＥＧＲが形成される。気筒２内に残留した排ガスは、エンジンの暖機を促進すると共に、吸気行程後の膨張行程で燃焼温度を抑制するように作用し、ＮＯｘの排出量を低減させる。

また、エンジン１の暖機中は、第１ＥＧＲバルブ１５及び第２ＥＧＲバルブ１８は全閉されており、排気弁４から排出された排ガスが第１ＥＧＲ通路１４及び第２ＥＧＲ通路１７に流れることはない。このため、第１ＥＧＲ通路１４及び第２ＥＧＲ通路１７内で凝縮水が生成されるのを防ぐことができ、煤やハイドロカーボンが肥大化して配管詰まりを引き起こすのを防ぐことができる。

この後、冷却水温度センサ２２で検出されるエンジン冷却水温度が設定温度に達すると、内部ＥＧＲ形成装置６は、排気弁４の閉弁時期を通常の運転モードに戻すと共に、第１ＥＧＲバルブ１５及び第２ＥＧＲバルブ１８を通常運転時の開度で開く。

このように、昇温装置２１が、エンジン１の吸排気弁３、４（吸気弁３及び排気弁４）を開閉動するバルブ機構５と、冷間始動時にバルブ機構５での排気弁４の開閉タイミングを変更して排気行程の途中で排気弁４を強制的に閉じて排ガスを気筒２内に閉じ込める内部ＥＧＲ形成装置６とを備えるものとしたため、ＮＯｘの排出を抑えつつエンジン１の暖機が効率よくできる。

また、内部ＥＧＲ形成装置６は、冷間始動時に第１ＥＧＲバルブ１５及び第２ＥＧＲバルブ１８を閉じるものとしたため、排ガスがエンジン冷却水や外気に冷やされるのを防ぐことができる。このため、第１ＥＧＲ通路１４及び第２ＥＧＲ通路１７内で凝縮水の生成が繰り返されるのを防ぐことができ、第１ＥＧＲ通路１４及び第２ＥＧＲ通路１７内で凝縮水中に含まれる煤やハイドロカーボンが肥大化するのを防ぐことができる。

内部ＥＧＲ形成装置６は、発生するＮＯｘ量が少なくなるように排気弁４の開閉タイミングを変更して内部ＥＧＲ量を調節するものとしたため、ＮＯｘ発生量を抑えつつ効率よくエンジン１を暖機できる。

内部ＥＧＲ形成装置６は、排気行程でピストン２４が上死点に達する前に排気弁４を閉じるように制御すると共に、吸気弁３を閉から開に動作させたとき、過給機７の過給圧が気筒内圧より高くなるように排気弁４の閉弁時期を制御するものとしたため、吸気行程時に気筒２内に新気を安定して供給することができ、エンジン１を安定して駆動させることができる。

１エンジン
２気筒
３吸気弁
４排気弁
５バルブ機構
６内部ＥＧＲ形成装置

Claims

エンジンの冷間始動時に、エンジンを暖機するための昇温装置であって、
前記エンジンの吸排気弁を開閉動するバルブ機構と、冷間始動時に前記バルブ機構での排気弁の開閉タイミングを変更して排気行程の途中で前記排気弁を強制的に閉じて排ガスを気筒内に閉じ込める内部ＥＧＲ形成装置とを備え、
前記エンジンの吸排気系には、外部ＥＧＲ装置が接続され、
前記外部ＥＧＲ装置は、前記エンジンの排気側から吸気側に排ガスを再循環させる第１ＥＧＲ通路と、前記第１ＥＧＲ通路に接続された第１ＥＧＲバルブと、前記第１ＥＧＲ通路に接続されたＥＧＲクーラと、前記第１ＥＧＲ通路に前記ＥＧＲクーラをバイパスするように接続された第２ＥＧＲ通路と、前記第２ＥＧＲ通路に接続された第２ＥＧＲバルブとを備え、
前記内部ＥＧＲ形成装置は、前記エンジンが冷間始動されたとき、前記第１ＥＧＲバルブ及び前記第２ＥＧＲバルブを閉じ、
前記内部ＥＧＲ形成装置は、エンジン冷却水温度が設定温度に達したとき、前記排気弁の閉弁時期を通常の運転モードに戻すように前記バルブ機構を制御すると共に、前記第１ＥＧＲバルブ及び前記第２ＥＧＲバルブを通常運転時の開度にするように制御し、
前記設定温度は、前記第２ＥＧＲ通路が設定温度に昇温されたとき、前記第２ＥＧＲ通路内に排ガスが流れても凝縮水が生成されない温度に設定された
ことを特徴とする昇温装置。
内部ＥＧＲ形成装置は、発生するＮＯｘ量が少なくなるように前記排気弁の開閉タイミングを変更して内部ＥＧＲ量を調節する請求項１に記載の昇温装置。
エンジンの吸排気系に過給機が接続され、前記内部ＥＧＲ形成装置は、排気行程でピストンが上死点に達する前に排気弁を閉じるように制御すると共に、吸気弁を閉から開に動作させたとき、前記過給機の過給圧が気筒内圧より高くなるように前記排気弁の閉弁時期を制御する請求項１又は２に記載の昇温装置。