JP2002221103A - 排気再循環装置付き内燃機関システム - Google Patents

排気再循環装置付き内燃機関システム

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JP2002221103A
JP2002221103A JP2001015780A JP2001015780A JP2002221103A JP 2002221103 A JP2002221103 A JP 2002221103A JP 2001015780 A JP2001015780 A JP 2001015780A JP 2001015780 A JP2001015780 A JP 2001015780A JP 2002221103 A JP2002221103 A JP 2002221103A
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exhaust
circuit
internal combustion
combustion engine
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Yasuyuki Onodera
康之 小野寺
Yoshiki Kanzaki
芳樹 神崎
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Komatsu Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 エンジンの排気ガスと吸気側の新空気とが均
一に混合され、その結果、燃焼時のNOx低減効果の向
上を図れる排気再循環装置付き内燃機関システムを提供
する。 【解決手段】 排気再循環装置付き内燃機関システム1
を、エンジン2の排気回路28から排気ガスを抽出しか
つ吸気回路23に合流させる排気ガス抽出手段11と、
この排気ガス抽出手段11からの排気ガスが合流される
排気ガス合流位置の下流に設けられ、新空気と排気ガス
とを混合する混合手段19とを備えて構成し、混合手段
19を絞り部とディフューザ部とを備えたものとする。
そのため、排気ガスと空気とが均一に混合され、燃焼温
度をさげることができ、その結果、燃焼時のNOx低減
効果の向上を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンから排出
される排気ガスをエンジンの吸気回路に循環させる排気
再循環装置付き内燃機関システムに関する。
【0002】
【背景技術】従来、ディーゼルエンジン等の内燃機関に
おいて、過給率を大きくするためにターボチャージャ付
エンジンが用いられている。一方、このようなターボチ
ャージャ付エンジンにおいて、排気ガスを吸気側に還流
させることにより、燃焼時の温度を下げてNOx低減を
図る排気再循環装置(EGR;Exhaust Gas Recirculat
ion)が知られている。この排気再循環装置によれば、
吸気マニホールドに接続されるエンジンの吸気回路に
は、ターボチャージャのコンプレッサと吸気回路の途中
に配置されてアフタークーラが設けられ、排気マニホー
ルドには排気回路が接続されている。そして、このよう
な排気回路から前記吸気回路に排気ガスの一部を還流さ
せるため、両回路間に還流管が設けられている。この還
流管には、EGRバルブ、EGRクーラが設けられてお
り、高温の排気ガスは、冷却されて前記吸気回路に還流
されるようになっている。一方、吸気回路にはベンチュ
リが設けられており、このベンチュリののど部に上記還
流管が接続されている。そのため、アフタークーラから
の新空気が吸気回路内からベンチュリを流れるとき、ベ
ンチュリののど部での流速が速くなるので、還流管から
の排気ガスが引っ張られて合流し、これにより、排気ガ
スの環流を可能としている(実開平6−1759号公
報)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前記従来の排
気再循環装置では、排気ガスがベンチュリののど部から
流入されて吸気管内を流れる新空気に合流されるが、吸
気管内では、新空気が、流速の方向がそろった規則的な
流れ、つまり層流状に流れているため、排気ガスと吸気
管内の新空気とが均一に混合しないので、燃焼時の温度
低減が図れず、NOx低減効果が少ないという問題があ
る。
【0004】本発明の目的は、エンジンの排気ガスと吸
気側の新空気とが均一に混合され、その結果、燃焼時の
NOx低減効果の向上を図れる排気再循環装置付き内燃
機関システムを提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段と作用効果】請求項1に記
載の発明は、エンジンから排出される排気ガスの一部を
前記エンジンの吸気回路に循環させる排気再循環装置付
き内燃機関システムにおいて、前記エンジンの排気回路
から前記排気ガスを抽出しかつ前記吸気回路の排気ガス
合流位置に合流させる排気ガス抽出手段と、前記排気ガ
ス合流位置の下流に設けられ、前記吸気回路内の新空気
と前記合流された排気ガスとを混合する混合手段と、を
備え、この混合手段は、前記排気ガス合流位置側に形成
された絞り部およびこの絞り部に連続しかつ下流側にな
だらかに拡大するディフューザ部を有していることを特
徴とする排気再循環装置付き内燃機関システムである。
【0006】このような本発明では、排気ガス抽出手段
によりエンジンの排気回路から抽出された排気ガスの一
部は吸気回路内に合流され、そこから混合手段の絞り部
とディフューザ部とを通ってエンジンに吸気される。排
気ガスと新空気とは、絞り部で縮小されることにより、
均一に混合されるので、エンジンでの燃焼温度が低くな
り、その結果、NOx低減効果の向上を図ることができ
る。また、絞り部で速度の高くなった循環ガスの流れ
を、なだらかに拡大するディフューザ部でロスなく圧力
に変換しつつエンジンに送ることができるので、圧力損
失を抑えることができる。
【0007】以上の本発明において、エンジンとして
は、無過給エンジン、過給機付きエンジン、ディーゼル
エンジン、ガソリンエンジン、およびガスエンジン等を
使用することができる。また、混合手段の絞り部および
ディフューザ部の形状等は限定されない。特にディフュ
ーザ部のテーパの中心角度は、圧力の損失を少なくでき
る小さな角度の方が好ましいが、テーパ角度が小さいと
ディフューザ部が長くなって混合手段が大型化する。従
って、混合手段の全長を短くでき、かつ、圧力の損失を
できる限り小さくできるものであれば、多少は大きな角
度であってもよい。
【0008】請求項2に記載の発明は、請求項1に記載
の排気再循環装置付き内燃機関システムにおいて、前記
排気ガス合流位置にはベンチュリが設けられていること
を特徴とするものである。
【0009】このような本発明では、排気ガス合流位置
にベンチュリを設けたので、ベンチュリ内で流速の速く
なっている新空気に引っ張られて排気ガスが合流しやす
くなり、排気ガスの還流が容易となる。
【0010】以上の請求項2の発明において、排気ガス
抽出手段からの排気ガスは、ベンチュリののど部から合
流されることが好ましい。また、排気ガス抽出手段から
の排気ガスの流入は、どのような方式で行ってもよい。
例えば、ベンチュリにあけられた複数個の孔から流入さ
せてもよい。また、排気ガス抽出手段を管状部材を含ん
で形成し、その管状部材を吸気回路の内部に差し込み、
その管状部材の先端から吸気回路内の空気の流れに合流
させるようにしてもよい。
【0011】請求項3に記載の発明は、請求項2に記載
の排気再循環装置付き内燃機関システムにおいて、前記
ベンチュリは、前記排気ガス抽出手段からの排気ガスを
前記吸気回路内の空気の流れに対しほぼ接線方向から流
入させるように構成されていることを特徴とするもので
ある。
【0012】このような本発明では、排気ガスと吸気回
路内の空気との合流時に、吸気回路内の新空気の流れに
回転が与えられるので、ベンチュリでも排気ガスと吸気
回路内の新空気とをある程度混合させることができる。
この後、ある程度混合させた排気ガスと新空気とが混合
手段に流され、混合手段の絞り部で縮小されるので、排
気ガスと新空気とをより効率よく均一に混合することが
できる。
【0013】
【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る排気再循環
装置付き内燃機関システムの一実施形態を図面に基づい
て説明する。図1に示すように、本実施形態の排気再循
環装置付き内燃機関システム1はエンジン2を備えてい
る。このエンジン2の吸気側には吸気回路20が設けら
れ、排気側には排気回路28が設けられている。エンジ
ン2の近傍にはターボチャージャ5が設けられ、このタ
ーボチャージャ5は、吸気回路20に設けられるととも
に、図示しないエアクリーナから空気を吸い込み、圧縮
するコンプレッサ3と、排気回路28に設けられるとと
もに排気ガスにより回転するタービン4とを含み構成さ
れている。
【0014】吸気回路20は、エンジン2に取り付けら
れた吸気マニホールド7に接続されており、また、吸気
回路20の途中には、コンプレッサ3で圧縮した新空気
を冷却するアフタークーラ6と、エンジン2に供給する
新空気の量を調整するコントロールスロットル22とが
設けられている。さらに、吸気回路20には、コントロ
ールスロットル22を跨いでバイパス回路12が接続さ
れており、このバイパス回路12は吸気回路23の一部
を構成している。
【0015】吸気マニホールド7には、エンジン2の図
示しない複数のシリンダが接続され、吸気マニホールド
7からの新空気がそれぞれのシリンダに吸気されるよう
になっている。また、エンジン2には、吸気マニホール
ド7と対向して、例えば2個の排気マニホールド8が接
続されている。
【0016】2個の排気マニホールド8のうち1つの排
気マニホールド8には、第1排気用配管25が接続さ
れ、他の排気マニホールド8には、第2排気用配管26
が接続されている。これらの第1、第2排気用配管2
5,26は下流で合流して1本の排気用配管27とな
り、前記ターボチャージャ5のタービン4に接続され、
排気用配管27からの排気ガスでタービン4を回転させ
るようになっている。そして、これらの第1、第2排気
用配管25,26および排気用配管27を含み前記排気
回路28が構成されている。
【0017】なお、前記給気配管20と排気用配管27
との間には、バイパス30が架けわたされており、コン
プレッサ3から送り込まれる圧縮空気を、必要に応じて
給気配管20から、吸気回路28の排気用配管27に送
り込めるようになっている。この圧縮空気の送り込み
は、バイパスバルブ31を必要に応じて開閉することで
行われ、これにより、エンジン2の過給圧の上昇を抑え
ることができるようになっている。
【0018】前記排気再循環装置10は、前記エンジン
2から排出される排気ガスの一部を吸気側に戻し、その
排気ガスと吸気回路20内の新空気とを均一に混合させ
てエンジン2に送り込み、そのエンジン2での燃焼温度
を下げてNOxを低減させるものである。この排気再循
環装置10は、排気ガスを抽出しかつ吸気回路20に合
流させる排気ガス抽出手段としてのEGR用回路11
と、ベンチュリ18および混合手段19が設けられた前
記バイパス回路12とを含み構成されている。
【0019】EGR用回路11は、前記第1排気用配管
25から排気ガスを取り込む第1排気還流管13と、前
記第2排気用配管26から排気ガスを取り込む第2排気
還流管14と、各排気還流管13、14が合流して1本
となった排気還流管15とを含み形成されている。第1
排気還流管13および第2排気還流管14の途中には、
EGRバルブ16とEGRクーラ17とがそれぞれ設け
られ、EGRバルブ16を開くことで、第1排気用配管
25、第2排気用配管26からそれぞれ排気ガスを取り
込めるようになっている。また、取り込んだ排気ガス
を、EGRクーラ17により、図示しない水タンク等か
ら冷却用水を取り入れることで冷却し、冷却した排気ガ
スを前記バイパス回路12に送り込むように構成されて
いる。
【0020】バイパス回路12の途中には、吸気の上流
側にベンチュリ18が設けられ、このベンチュリ18と
所定距離をおいた吸気の下流側に混合手段19が設けら
れている。ベンチュリ18では、そののど部18A(図
2参照)を新空気が流れるとき、のど部18Aの断面積
が小さいため流速が速くなるため、EGR用回路11の
還流管15から流入される排気ガスは、ベンチュリ18
ののど部18Aを流れる新空気に引っ張られて新空気に
合流する。ここで、還流管15側の排気ガスの圧力は、
吸気側バイパス回路12のベンチュリ18の内部を流れ
る新空気の圧力より高くなっており、排気ガスがベンチ
ュリ18に流入されるようになっている。
【0021】また、EGR用回路11の還流管15とベ
ンチュリ18との接続は、図2,3に示すように、ベン
チュリ18の軸線に直交する方向にあけられた排気ガス
導入孔18Bに、還流管15の端部を当接・固定して行
われる。つまり、排気ガス導入孔18Bが排気ガス合流
位置となっている。
【0022】混合手段19は、図2に詳細を示すよう
に、吸気の上流側、つまりベンチュリ18側に形成され
た絞り部19Aと、この絞り部19Aに続くディフュー
ザ部19Bとを有して一体的に形成されている。絞り部
19Aは、バイパス回路12の内形寸法より小さな内形
寸法となっており、ベンチュリ18を通過した排気ガス
と新空気とがこの絞り部19Aで縮小されて混合され
る。
【0023】また、ディフューザ部19Bは、絞り部1
9Aから吸気の下流側に向かって、所定のテーパ角度で
なだらかに拡大し、絞り部19Aを通過した混合ガスの
圧力の損失がないように、もしくは、できる限り少なく
なるように形成されている。このディフューザ部19B
のテーパ角度は、例えば6°程度が圧力損失を最も少な
くできるテーパ角度とされるが、この角度だとディフュ
ーザ部19Bの全長が長くなり、排気再循環装置10が
大型化する。そこで、ディフューザ部19Bの全長をそ
れほど長くせずにすみ、かつ、圧力損失をできる限り少
なくなるような、例えば15〜16°のテーパ角度に形
成されている。
【0024】次に、このような内燃機関の排気再循環装
置10の作用を説明する。エンジン2が運転され、排気
再循環装置10を用いるときは、第1、第2の排気還流
管13,14に設けられたEGRバルブ16を同時に、
あるいはいずれかを開き、それぞれ、第1排気用配管2
5および第2排気用配管26から、あるいはいずれかか
ら排気ガスを取り込む。排気還流管13,14の両方、
あるいはいずれかに取り込まれた排気ガスはEGRクー
ラ17により冷却されるとともに、排気還流管15内
を、ベンチュリ18内の新空気に引っ張られて流れる。
【0025】ベンチュリ18内部では、前述のように、
バイパス回路12の新空気が、のど部18A内を流れる
とき流速が速くなっており、この新空気に引っ張られて
排気還流管15内の排気ガスが流入され、合流される。
この排気ガスは新空気とわずかに混合しながら、ベンチ
ュリ18ののど部18Aから広がる方向に新空気の流れ
に沿って層流状に流れ、ベンチュリ18の下流に設けら
れている混合手段19に流れ込む。
【0026】混合手段19に流れ込んだ排気還流管15
からの排気ガスと、バイパス回路12内の新空気とは、
絞り部19Aで縮小されて均一に混合されるとともに、
絞り部19Aを通過した後、低速、高圧の流体となって
ディフューザ部19Bから吸気回路20におけるコント
ロールスロットル22の下流側に戻され、エンジン2に
吸気される。ここで、吸気回路20においてコントロー
ルスロットル22の開度を大きくするとバイパス回路1
2へ流れる新空気の量が少なくなり、開度を絞ると、バ
イパス回路12へ流れる新空気の量が多くなる。
【0027】排気ガスと新空気とが均一に混合されるの
で、エンジン2での燃焼を抑えることができ、つまり、
燃焼温度を低減することができ、その結果、NOx低減
が図られる。
【0028】以上のような本実施形態によれば、次のよ
うな効果がある。 (1) EGR用回路11からの排気ガスは、ベンチュリ1
8ののど部18Aからバイパス回路12の新空気に合流
され、その後、混合手段19の絞り部19Aで縮小され
て均一に混合されるので、燃焼温度を低減することがで
き、その結果、NOx低減を図ることができる。図4
に、混合手段19のディフューザ部19Bを設けた場合
と、設けない場合との実験結果を示す。この図4からわ
かるように、ディフューザ部19Bを設けた場合が、設
けない場合よりも、EGR率が低くてもNOx低減率が
よいことがわかる。
【0029】(2) ベンチュリ18ののど部18Aを流れ
るバイパス回路12内の新空気は、流速が速くなってお
り、こののど部18Aに接続された排気還流管15の内
部の排気ガスは、のど部18Aを流れる新空気に引っ張
られて流入、合流される。従って、複雑な構成をとらず
に排気ガスを吸気回路20へ還流させることができる。
【0030】なお、本発明は、前記実施形態に限定され
るものではなく、本発明の目的を達成できるものであれ
ば、他の変形形態を含むものである。例えば、前記実施
形態において、排気還流管15とベンチュリ18との接
続は、ベンチュリ18の軸線の中心に直交するように排
気還流管15を接続したが、これに限らない。図5に示
すように、ベンチュリ18の外周から内径のほぼ接線方
向に沿った排気ガス導入孔18Bをあけ、排気還流管1
5の端部を排気ガス導入孔18B(排気ガス合流位置)
に当接・固定し、排気ガスを、新空気の流れに対してほ
ぼ接線方向から流入させ、流れに回転を与えて吸気用配
管21からの新空気と混合させるようにしてもよい。こ
の場合、ベンチュリ18の軸線の中心に直交するように
排気還流管15を接続するとともに、その排気還流管1
5の先端をベンチュリ18の内径に沿うように曲げ、排
気還流管15内の排気ガスを新空気の流れに対してほぼ
接線方向から流入させるようにしてもよい。このように
すれば、排気ガスの流入時、ベンチュリ18内の新空気
の流れに回転を与えるため、新空気と排気ガスとをある
程度混合させることができ、NOx低減効果をよりよく
発揮させることができる。
【0031】また、前記実施形態において、排気還流管
15とベンチュリ18との接続を前述のように、ベンチ
ュリ18の軸線の中心に直交するように排気還流管15
を接続したが、これに限らない。排気還流管15の先端
を例えば90°に曲げ、その排気還流管15をベンチュ
リ18ののど部18Aの上流側に接続させるとともに、
先端をベンチュリ18の内部に差し込み、ベンチュリ1
8の軸線に沿って排気ガスが流れるようにしてもよい。
【0032】さらに、前記実施形態において、内燃機関
の排気再循環装置10の吸気側のバイパス回路12にベ
ンチュリ18を設けたが、このベンチュリ18は必ずし
も設ける必要はなく、排気還流管15側に例えばポンプ
を設け、排気還流管15側の圧力を高くして排気ガスを
バイパス回路12に合流させ、合流した排気ガスと新空
気とを混合手段19に流すようにしてもよい。
【0033】また、前記実施形態において、混合手段1
9は絞り部19Aとディフューザ部19Bとが一体的に
形成されているが、これに限らず、両者19A,19B
を別体で形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る排気再循環装置付き内燃機関シス
テムの実施形態を示す全体図である。
【図2】前記実施形態の要部を示す一部断面の図であ
る。
【図3】前記実施形態の要部を示す断面図である。
【図4】前記実施形態の排気再循環装置を使用した場合
と使用しない場合とを比較した比較図である。
【図5】本発明の変形形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
1 排気再循環装置付き内燃機関システム 2 エンジン 7 吸気マニホールド 8 排気マニホールド 10 内燃機関の排気再循環装置 11 排気ガス抽出手段を構成するEGR用回路 12 吸気回路を構成するバイパス回路 13 EGR用回路を構成する第1排気還流管 14 EGR用回路を構成する第2排気還流管 15 EGR用回路を構成する排気還流管 18 ベンチュリ 18A ベンチュリののど部 19 混合手段 19A 絞り部 19B ディフューザ部 20 吸気回路 25 第1排気用配管 26 第2排気用配管 27 排気用配管 28 排気回路

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 エンジンから排出される排気ガスの一部
    を前記エンジンの吸気回路に循環させる排気再循環装置
    付き内燃機関システムにおいて、 前記エンジンの排気回路から前記排気ガスを抽出しかつ
    前記吸気回路の排気ガス合流位置に合流させる排気ガス
    抽出手段と、 前記排気ガス合流位置の下流に設けられ、前記吸気回路
    内の新空気と前記合流された排気ガスとを混合する混合
    手段と、を備え、 この混合手段は、前記排気ガス合流位置側に形成された
    絞り部およびこの絞り部に連続しかつ下流側になだらか
    に拡大するディフューザ部を有していることを特徴とす
    る排気再循環装置付き内燃機関システム。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の排気再循環装置付き内
    燃機関システムにおいて、 前記排気ガス合流位置にはベンチュリが設けられている
    ことを特徴とする排気再循環装置付き内燃機関システ
    ム。
  3. 【請求項3】 請求項2に記載の排気再循環装置付き内
    燃機関システムにおいて、 前記ベンチュリは、前記排気ガス抽出手段からの排気ガ
    スを前記吸気回路内の空気の流れに対しほぼ接線方向か
    ら流入させるように構成されていることを特徴とする排
    気再循環装置付き内燃機関システム。
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