JP2006090167A - エンジンの排気還流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの運転状態に応じてＥＧＲ冷却の有無を切り換え可能に構成され、且つ作動安定性をより一層高められた切換弁を備えるＥＧＲ装置を提供する。
【解決手段】ＥＧＲを冷却するクーラ通路（１３ｂ）と該クーラ通路を迂回するバイパス通路（１３ａ）とを並列に設けると共に、これら２つの通路の排気マニホルド（５）に対する連通を選択的に切り換える切換弁（１５）を該２つの通路の分岐部に設けてなるエンジンの排気還流装置（ＥＧＲ装置１０）において、前記切換弁を、ポペット弁（１８）が一端に設けられてダイヤフラムアクチュエータ（１６）が他端に連結され、且つ中間部がスライド支持された弁軸（３２）と、クーラ通路に連なるクーラポート弁座（２９ｂ）およびバイパス通路に連なるバイパスポート弁座（２９ａ）を有すると共に、排気マニホルドに連なる入力ポート（２５）を挟んでダイアフラム側にバイパポート弁座を配し、反ダイアフラム側にクーラポート弁座を配したものとする。
【選択図】図４

Description

本発明は、エンジンの排気還流装置に関し、特にディーゼルエンジンにおける未燃炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、並びに煤（ＰＭ）の排出量を、広範囲なエンジン運転領域に渡って低減可能な排気還流装置に関するものである。

エンジンの燃焼室からの排気の一部を吸気系に還流させ、燃焼室内での混合気の燃焼温度を低下させることにより、排気中の有害成分であるＮＯｘを低減し得ることが知られている。しかし、吸気系に環流させる排気（以下ＥＧＲと表す）の温度によって燃焼室からの排気成分は変化し、例えば、ホットＥＧＲには、ＨＣ及びＮＯｘを同時に低減できるという長所がある反面、吸入空気温度が高くなる中高負荷域ではＰＭの排出量が増大するという短所があり、コールドＥＧＲには、ＮＯｘ低減効果が大きく且つＰＭの排出量が少ないという長所がある反面、ＨＣ排出量が増大するという欠点がある。

このような二律背反の不都合に対処し、より広範囲なエンジン運転領域におけるＨＣ、ＮＯｘ、並びにＰＭの排出量の低減を実現するために、インタクーラを備える通路（以下クーラ通路と表す）とインタクーラを備えない通路（以下バイパス通路と表す）とを排気マニホルドと吸気マニホルドとの間に並列に接続し、エンジンの運転状態に応じてこれら両通路の連通を選択的に切り換える切換弁を両通路の分岐部に設けた排気還流装置（以下ＥＧＲ装置と表す）が、特許文献１に提案されている。
特開平６−２８８３０６号公報

しかるに、文献１に開示された構造によると、切換弁の弁軸および弁軸を駆動するソレノイドが、高温の排気に直接曝される位置に設けられており、例えば弁軸にＰＭが付着して弁軸の作動が損なわれる可能性があるなど、高い作動安定性を確保することが困難であった。

本発明は、このような従来技術の不都合を解消すべく案出されたものであり、その主な目的は、エンジンの運転状態に応じてＥＧＲ冷却の有無を切り換え可能に構成され、且つ作動安定性をより一層高められた切換弁を備えるＥＧＲ装置を提供することにある。

このような課題を解決するため、本発明の請求項１は、ＥＧＲを冷却するクーラ通路（１３ｂ）と該クーラ通路を迂回するバイパス通路（１３ａ）とを並列に設けると共に、これら２つの通路の排気マニホルド（５）に対する連通を選択的に切り換える切換弁（１５）を該２つの通路の分岐部に設けてなるエンジンの排気還流装置（ＥＧＲ装置１０）において、前記切換弁を、ポペット弁（１８）が一端に設けられてダイヤフラムアクチュエータ（１６）が他端に連結され、且つ中間部がスライド支持された弁軸（３２）と、クーラ通路に連なるクーラポート弁座（２９ｂ）およびバイパス通路に連なるバイパスポート弁座（２９ａ）を有すると共に、排気マニホルドに連なる入口ポート（２６）を挟んでダイアフラム側にバイパスポート弁座を配し、反ダイアフラム側にクーラポート弁座を配したものとした。

また請求項２は、クーラポート弁座の口径（Ｂ）を、バイパスポート弁座の口径（Ａ）よりも大きくするものとした。

また請求項３は、ポペット弁を、クーラポート側の弁（下側弁体３１）とバイパスポート側の弁（上側弁体３０）との間が肉抜き（肉抜き部３５）されて２連に構成されるものとした。

さらに請求項４は、ポペット弁を、当該エンジンの暖機運転時は入口ポートをバイパス通路側へ連通させ、当該エンジンの暖機完了後は入口ポートをクーラ通路側へ連通させるように駆動されるものとした。

このような本発明の請求項１によれば、ダイヤフラムアクチュエータから離間したクーラ通路と、ダイヤフラムアクチュエータに近接したバイパス通路とのいずれか一方をＥＧＲが流れるように、ポペット弁でＥＧＲ通路を適宜に切り換えることができるので、バイパス通路側にある弁軸へのＨＣ及びＰＭの付着、及びバイパス通路側のダイヤフラムやシール部材に対する熱負荷を、ＥＧＲ通路を切り換えることによって低減することができる。従って、切換弁の作動安定性をより一層高める上に多大な効果を奏することができる。

また請求項２によれば、流路抵抗がより大きいクーラ通路側の弁開度をより大きくすることができるので、限られた弁の揚程の中で両通路の流量を均等化することが可能となり、通路の切換に伴う流量制御の容易化に寄与するところ大である。

また請求項３によれば、ポペット弁回りへのＥＧＲの流入抵抗が減少し、且つ弁の慣性質量を軽減することができるので、応答性を高め、且つ弁座への着座時の衝撃荷重を低減する上に大きく貢献し得る。

さらに請求項４によれば、ＥＧＲは、排気温度の低い暖機運転時にのみダイヤフラムアクチュエータに近く且つポペット弁の弁軸が露出したバイパス通路側を流れ、排気温度の高い暖機完了後はダイヤフラムアクチュエータから離間し且つ弁軸の存在しないクーラ通路側を流れるので、バイパス通路側に露出したポペット弁の弁軸は比較的短時間な暖機運転時にのみＥＧＲに曝され、暖機完了後の通常運転時は弁軸がＥＧＲに接触しない。このため、弁軸へのＨＣ及びＰＭの付着が抑制されると共に、ダイヤフラムやシール部材に対する熱負荷が低減される。またＨＣは主として暖機運転時に多く発生し、燃焼が安定する暖機完了後は減少するため、ＥＧＲクーラへのＨＣの付着も抑制される。

以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。

図１は、本発明が適用されたＥＧＲ装置を装備したディーゼルエンジンの要部構成図である。このエンジン１の吸気ポート２および排気ポート３のそれぞれには、吸気マニホルド４および排気マニホルド５が接続されている。吸気マニホルド４には、エアクリーナ６及びターボチャージャ７のコンプレッサの吐出口８が接続され、排気マニホルド５には、ターボチャージャ７のタービンへの流入口９が接続されている。

ＥＧＲ装置１０は、エンジン１のシリンダヘッドに内設された貫通孔１１に接続されたＥＧＲパイプ１２ａ・１２ｂを介して排気マニホルド５にその上流端が接続され、且つ吸気マニホルド４にＥＧＲパイプ１２ｃを介してその下流端が接続されたＥＧＲ通路体１３を備えており、図２に併せて示すように、エンジン１のシリンダブロックの一側と対向する位置に、ＥＧＲ通路体１３の管路をシリンダ列方向に延在させた状態で設置されている。

ＥＧＲ通路体１３の中間部には、ＥＧＲクーラ１４を備えたクーラ通路１３ｂおよび単純管路のバイパス通路１３ａが、互いに並列に接続されている。そしてこれら両通路１３ａ・１３ｂの分岐部には、両通路１３ａ・１３ｂのいずれか一方を選択的に連通させるための切換弁１５が設けられている。

切換弁１５は、公知のダイヤフラムアクチュエータ１６に連結されており、ダイヤフラムアクチュエータ１６に供給する負圧をオン／オフ制御される電磁弁１７で断続制御することによって内部に組み込まれたポペット弁１８の位置を変化させ、排気マニホルド５からのＥＧＲがバイパス通路１３ａとクーラ通路１３ｂとのいずれか一方のみへ流れるように制御する機能を備えている。

バイパス通路１３ａとクーラ通路１３ｂとの合流部の直下流には、吸気マニホルド４へ流すＥＧＲ量を調節するためのＥＧＲ弁１９が設けられている。このＥＧＲ弁１９は、図３に示すように、公知のダイヤフラムアクチュエータ２０に連結されたポペット弁２１を備え、ダイヤフラムアクチュエータ２０の負圧室２０ａに供給する負圧をデューティ制御される電磁弁２２によって連続的に変化させることによってダイヤフラム２０ｂに直結されたポペット弁２１の開度を連続的に変化させ、ＥＧＲ通路１３を経て吸気マニホルド４に流入するＥＧＲ量を制御している。

ＥＧＲ装置１０は、エンジン１の運転状態に応じて切換弁１５及びＥＧＲ弁１９の作動を制御するための、マイクロプロセッサ，メモリ，入出力回路などからなるＥＣＵ２３を備えている。このＥＣＵ２３には、流量センサ２４が計測したエアクリーナ６を経て流れ込む新気の流量および水温センサ２５が計測したエンジンのウォータジャケットを流れる冷却水の温度などが入力され、これらの値に基づいて切換弁１５及びＥＧＲ弁１９に付設された各電磁弁１７・２２の作動を制御するようになっている。

なお、本実施例においては、水温センサ２５によって計測したエンジン冷却水温が所定値より低い時は、エンジン１の運転状態が暖機運転中であることをＥＣＵ２３が判断し、入口ポート２６をバイパス通路１３ａに連通させるように切換弁１５を駆動制御し、エンジン冷却水温が所定値を超えると、ＥＣＵ２３が暖機完了と判断し、入口ポート２６をクーラ通路１３ｂに連通させるように切換弁１５を駆動制御する。

次に図４を参照して切換弁１５の構造について説明する。この切換弁１５は、ＥＧＲパイプ１２ｂを介して排気マニホルド５に連通する入口ポート２６を中間に置き、入口ポート２６の上方に、バイパス通路１３ａに連通するバイパスポート２７を置き、入口ポート２６の下方に、クーラ通路１３ｂに連通するクーラポート２８を置いている。これらバイパスポート２７並びにクーラポート２８のそれぞれには、入口ポート２６を上下から挟んで同軸的に対向配置された弁座２９ａ・２９ｂが設けられている。

切換弁１５は、前記した通りポペット弁で構成されており、バイパスポート２７の弁座２９ａを開閉するための上側弁体３０と、これと一体移動し且つクーラポート２８の弁座２９ｂを開閉するための下側弁体３１とを同一の弁軸３２の下端側に一体形成してなり、弁軸３２の中間部がシール部材３３を介装したスライドガイド３４にて摺動自在に支持され、弁軸３２の上端がダイヤフラムアクチュエータ１６に結合されている。また上側弁体３０と下側弁体３１との間は、切削加工で肉抜きされている。この肉抜き部３５により、弁体回りへのＥＧＲの流入抵抗を低減し得ることはもとより、弁体の慣性質量を低減し得るので、応答性を向上すると共に、弁座への着座時の衝撃荷重を低減することができる。

切換弁１５の弁軸３２を駆動するダイヤフラムアクチュエータ１６は、公知形式のものであり、ダイヤフラム３６の上方に負圧室３７が画定されると共に、ダイヤフラム３６の下方に大気室３８が画定されており、負圧室３７を拡大する向きにダイヤフラム３６をコイルばね３９で弾発付勢することにより、弁軸３２を下向きに駆動し、ターボチャージャ７の上流側の吸気管内圧を負圧室３７に導入する負圧通路４０に設けられたオン／オフ電磁弁１７を開くことにより、弁軸３２を上向きに駆動するようになっている。これにより、入口ポート２６と、バイパスポート２７並びにクーラポート２８との連通状態が選択的に切り換えられる。

クーラ通路１３ｂに設けられたＥＧＲクーラ１４は、例えば、両端が閉じられた円筒体の内部に、複数の放熱チューブを円筒体の軸線に沿って並列に延設してなり、円筒体の一端から円筒体内に流入させたラジエタの冷却水を、円筒体の他端からエンジン１のシリンダブロック内のウォータジャケット（図示せず）に流出させるようになっている。なお、冷却水の流出口４３は、エンジン１のシリンダブロックに直接結合されている。

さて、燃焼安定性が不十分なためにＨＣ量が比較的多くなる冷間時（暖機過程）にＥＧＲクーラ１４にＥＧＲを流し続けると、ＥＧＲクーラ１４内の放熱チューブがＨＣで目詰まりを起こして冷却効率が低下したり、ＥＧＲ弁１９のポペット弁２１が固着してＥＧＲ流量制御の不調を来したりする不都合がある。このような不都合に対処するには、ＥＧＲクーラ１４の冷却容量を大き目に設定したり、ＥＧＲ弁１９に何らかの対策を施しておく必要があるが、これらはエンジンの製造コストを増大させる要因となる。

それが本発明によれば、ＨＣ量が比較的多くなる暖機過程ではバイパス通路１３ａを流れるためにＥＧＲが冷却されないので、ＨＣによるＥＧＲクーラの目詰まりを抑制できる上、燃焼の不安定化を招かないのでＥＧＲの増量が可能となり、ＮＯｘのより一層の低減に寄与し得る。

他方、熱間時に高温のＥＧＲが流過する切換弁１５には、熱負荷に強く、しかも流路抵抗を低く抑えたいという要望がある。それが本発明の構造によると、シール部材３３及びダイヤフラム３６に近いバイパス通路１３ａ側をＥＧＲが通るのは、暖機過程など、ＥＧＲが比較的低温の時であり、またその連通時間も比較的短いので、弁軸３２、シール部材３３、及びダイヤフラム３６に対する熱負荷が低くて済む。

そして熱間時に比較的高温のＥＧＲが通過するクーラ通路１３ｂは、シール部材３３及びダイヤフラム３６から離間している上、ＥＧＲが弁軸３２に直接接触しないので、伝熱による影響が小さくて済む。

また、クーラ通路１３ｂはＥＧＲクーラ１４のために流路抵抗が大きく、バイパス通路１３ａは単純管路なために流路抵抗が小さいので、図４中に符号Ａ、Ｂで示した各弁座２９ａ・２９ｂの口径寸法を、クーラ側Ｂ＞バイパス側Ａと設定し、パイパス通路１３ａの流過時とクーラ通路１３ｂの流過時とのリフト／流量特性を略同一にすることにより、切換弁１６のリフト量を大きくすることなくＥＧＲ弁１９の流量制御を容易化し得る。

本発明装置が適用されたエンジンの要部構成図である。 エンジンに装着されたＥＧＲ装置の斜視図である。 ＥＧＲ弁の縦断面図である。 切換弁の縦断面図である。

符号の説明

１ エンジン
５ 排気マニホルド
１０ ＥＧＲ装置
１３ａ バイパス通路
１３ｂ クーラ通路
１５ 切換弁
１６ ダイヤフラムアクチュエータ
１８ ポペット弁
２６ 入力ポート
２９ａ バイパスポート弁座
２９ｂ クーラポート弁座
３０ 上側弁体
３１ 下側弁体
３２ 弁軸
３５ 肉抜き部

Claims (4)

1. ＥＧＲを冷却するクーラ通路と該クーラ通路を迂回するバイパス通路とを並列に設けると共に、これら２つの通路の排気マニホルドに対する連通を選択的に切り換える切換弁を該２つの通路の分岐部に設けてなるエンジンの排気還流装置であって、
   前記切換弁は、ポペット弁が一端に設けられてダイヤフラムアクチュエータが他端に連結され、且つ中間部がスライド支持された弁軸と、前記クーラ通路に連なるクーラポート弁座および前記バイパス通路に連なるバイパスポート弁座を有すると共に、
   前記排気マニホルドに連なる入口ポートを挟んでダイアフラム側にバイパスポート弁座を配し、反ダイアフラム側にクーラポート弁座を配したものであることを特徴とするエンジンの排気還流装置。
2. 前記クーラポート弁座の口径が、前記バイパスポート弁座の口径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気還流装置。
3. 前記ポペット弁は、前記クーラポート側の弁と前記バイパスポート側の弁との間が肉抜きされて２連に構成されることを特徴とする請求項１若しくは２に記載のエンジンの排気還流装置。
4. 前記ポペット弁は、当該エンジンの暖機運転時は前記入口ポートを前記バイパス通路側へ連通させ、当該エンジンの暖機完了後は前記入口ポートを前記クーラ通路側へ連通させるように駆動されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のエンジンの排気還流装置。

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