JP2006500516A - 内燃機関用排ガス再循環システム - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの燃焼室と、シリンダーヘッドと、そこに配置される少なくとも１つのシリンダーと、各シリンダーにつき少なくとも１つの吸気管路（１２）と１つの排出管路（２３）と、排出管路から分岐し、吸気管路の少なくとも１つに延在する外部排ガス再循環管路（８）とを備える内燃機関に関する。前記排ガス再循環管路は、制御された態様で密封されるようにすることができる。そのために、枢動可能なフラップ（５）が、排ガス再循環管路（８）が吸気管路（１２）と合流する領域において、排ガス再循環管路（８）とその関連する吸気管路（１２）との間に配置される。前記枢動可能なフラップ（５）は、枢動変位に従って、吸気管路（１２）と排ガス再循環管路（８）との間の接続を開閉する。

Description

本発明は、少なくとも１つの燃焼室と、シリンダーヘッドとそこに配置される少なくとも１つのシリンダーと、各シリンダーにつき少なくとも１つの吸気通路と１つの排気通路と、排気通路から分岐して少なくとも吸気通路の１つに開口する外部排ガス再循環通路とを備える内燃機関に関する。

最新の内燃機関の設計において、ますます大きくなる環境保護に基づく要求、例えば、汚染物質エミッションの低減が、考慮されるべきである。汚染物質エミッションは、高度の触媒コンバータの使用によって、著しく減少され得る。しかし、触媒コンバータによって排ガスを後処理するのみならず、設計上の手段によって、実際のエンジン作動中の良好な燃費を達成すると都合がよい。環境に対して問題のある排ガス成分の量は、燃料を実質的に完全に燃焼させることによって、排気管から排出される前に著しく減少されるようにすることができる。

汚染物質の含有量を改良するよく知られている方法は、外部排ガス再循環装置である。

排ガスの少なくとも一部が再び燃焼室内に導かれる排ガス再循環装置の場合、それまで完全に燃焼されていない炭化水素の実質的に完全な燃焼が、達成される。さらに、窒素酸化物のエミッションの減少が達成されるようにすることができる。

特許文献１は、内燃機関用の排ガス再循環のための装置を開示している。内燃機関は、少なくとも1つの燃焼室、及び少なくとも１つの吸気通路と排気通路を有している。排ガス再循環通路は、吸気通路の少なくとも１つに開口し、フラップが、その吸気通路側部分に配置され、このフラップは、吸気通路の壁に配置され、吸気通路を横切って枢動可能である。変形実施形態によれば、フラップは、その一端位置において、吸気通路側表面が、吸気通路の隣接する壁部分と同一の平面になるように、吸気通路に対して横方向に位置し、一方、その他端位置において、吸気通路側表面が、吸気通路内において、回転軸に隣接する斜面状の連続する狭窄部を形成する。排ガス再循環通路は、上記の一端位置において、遮断され、上記の他端位置において、吸気通路に接続される。排ガス再循環通路を通る排ガスの流れは、フラップを調整することによって、制御されるようにすることができ、例えば、開／閉式のスライド弁の形態にある単純な弁が、フラップの制御を補助するために流入側に配置されるようにすることができ、この弁は、排ガス供給の信頼性のある遮断を確実にする。

特許文献２は、排ガス再循環を調整するための第１絞りフラップを開示している。この絞りフラップは、排ガス再循環通路が吸気通路に開口している点のすぐ上流側、又はその点に配置されている。吸気通路内において、好ましくは、前述の第１絞りフラップと直交して配置されているのは、その第１絞りフラップに連結される第２絞りフラップである。これらの２つの絞りフラップの共通の枢軸は、排ガス再循環通路と吸気通路の両方を横切っている。２つの絞りフラップが互いに対して、好ましくは、直交配置されているので、吸気通路内の空気流れは、第１絞りフラップが完全に開いたときに、最大量まで絞られる。

特許文献３は、内燃機関用の吸気通路内に開口している排ガス再循環通路を開閉するためのスライド弁を開示している。この場合、スライド弁は、吸気通路を横切って平行移動する態様で調整され、従って、吸気通路に対して横切って繋がれている排ガス再循環通路内に挿入されるか、又はそこから引き出される。挿入された状態において、スライド弁は、吸気通路内に突出するいかなる妨害する外形も形成しないが、そのスライド弁を作動するのに必要とされるスライドロッドが、このような妨害する外形を形成する。

特許文献４は、内燃機関の空気の供給を切り換えるための切換装置を開示している。この場合、内燃機関の各燃焼室は、制御可能及び制御不可能な空気供給通路と、排ガス供給のための制御可能な通路を有している。後者の通路は、隣接する燃焼室の制御不可能な空気供給通路からの分岐を介して、空気を受容する。さらに、共通の回転軸に配置された２つのスライド弁を有する回転スライド弁部材が設けられ、この回転スライド弁部材は、それぞれの燃焼室の制御可能な通路を互いに逆の方向に制御する。

特許文献５は、排ガス再循環装置を有する内燃機関を開示している。ここで、平行移動可能なスライド弁又は回転スライド弁のいずれかが、導入通路の壁内に配置された、排ガス再循環通路のオリフィスのすぐ上流側に配置され、燃焼空気の残りに対する供給ガスの量を計量する。

特許文献６は、多重シリンダー内燃機関用の排ガス再循環システムを開示している。この場合、排ガス再循環の流れは、個々の導入ライン内に配置された遮断フラップによって設定され、その操作は、駆動軸を介して連結され、それらは同時に操作されるようにすることができる。この場合、遮断弁は、再循環された排ガスの流れを急速停止及び設定する両方の目的に、用いられる。これらの導入ラインと平行に配置されているのは、空気を供給し、排ガスを供給しないために設けられるさらに他の導入ラインである。

特許文献７は、各シリンダーに対して、各場合に、少なくとも２つの吸気通路を有する内燃機関を開示している。これらの吸気通路は、共通の導入通路から分岐している。導入通路から分岐しているのは、少なくとも吸気通路の１つに開口する排ガス再循環通路である。排ガス再循環通路とそれに接続される吸気通路は、それらが遮断され得るように、設計されている。この目的を達するために、回転可能な遮断シリンダーを有する回転スライド弁が、排ガス再循環通路が吸気通路に開口する領域に配置される。回転位置に依存して、遮断シリンダーは、そのシリンダーに対する吸気通路を開状態に維持することができ、吸気通路が遮断されたとき、回転スライド弁を介するシリンダーへの排ガス再循環通路の接続部を開き、又は排ガス再循環通路と吸気通路を全体的に遮断することができる。

特許文献８は、排ガス再循環を有する内燃機関を開示している。この排ガス再循環において、排ガス再循環ラインが、ピストンの下死点の領域において、シリンダーから直接分岐し、各ピストンによって単独に制御される。

特許文献９は、同じ側に配置される吸気及び排気ラインを有し、圧力の関数として作動され得る排ガス再循環を有する内燃機関を開示している。この目的を達するために、接続通路が、排気通路と吸気通路を分離する分割壁によって、内燃機関のシリンダーヘッド内に配置される。接続通路内に挿入されているのは、燃焼室内に流れる排ガスの量を調節するように機能するバネ付勢される弁である。吸気通路と排気通路が、内燃機関の同じ側に配置されているので、排ガス再循環のために、いかなる付加的なラインも必要とされない。

内燃機関の排ガス再循環に対して、マニフォールドをシリンダーヘッドとクランクケースとの間の合せ面に設けることが、特許文献１０から知られている。このマニフォールドは、シリンダーヘッド内の分岐通路を介して、内燃機関の吸気及び排気通路に接続されている。マニフォールドの排気通路側部分と吸気通路側部分との間に配置されているのは、排気側から吸気側への排ガスの流れを制御する弁である。マニフォールドが、クランクケースとシリンダーヘッドとの間の合せ面に配置されているので、マニフォールド内の高温の排ガスは、エンジン冷却システムによって冷却される。

独国特許出願公表第６９５ １７ ９３８ Ｔ２号明細書 欧州特許出願公開第１ ００２ ９４７ Ａ１号明細書 特開平１０−７７９１４号公報 独国特許出願公開第１９９ ２７ ６７３ Ａ１号明細書 欧州特許出願公開第０ ８５５ ５０２ Ａ２号明細書 独国特許発明第１９９ ００ ６４０ Ｃ１号明細書 独国特許発明第１９６ ３３ ６０３ Ｃ１号明細書 独国特許出願公開第１００ ３２ ５６２ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第２７ ４０ ４６５ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１９６ ４２ ６８５ Ａ１号明細書

本発明は、冒頭に述べた型式の内燃機関用の改良された実施形態を、この場合、特に、排ガス再循環の計量及び燃焼室内の排ガスの層形成に関する設計手段を考慮して、規定する課題を扱う。

この課題は、独立請求項の主題によって、解決される。有利な実施形態は、従属請求項の主題である。

本発明は、燃焼室及び少なくとも１つの吸気通路と排気通路を有する内燃機関内に排ガス再循環装置を設ける一般的な概念に基づくもので、この排ガス再循環は、排ガス再循環通路が吸気通路に開口する領域に配置される扇形／多重表面回転スライド弁によって、制御される。この場合、回転スライド弁は、吸気通路の壁に配置され、吸気通路を横切って配向された回転軸を中心として、その一端位置において、吸気通路側の表面が、吸気通路の隣接する壁部分と同一の平面になるように、吸気通路に対して横方向に位置し、その他端位置において、吸気通路側の表面が、吸気通路内において回転軸に隣接する斜面状の連続する狭窄部を形成するように、枢動可能である。この場合、排ガス再循環通路は、回転スライド弁によって、一端位置において遮断され、一方、他端位置において、吸気通路に接続される。さらに、扇形／多重表面回転スライド弁は、一端位置において、吸気通路に配置された凹部内に旋回し、この過程において、吸気通路側表面に対して傾斜し、回転軸から遠く離れた表面が、凹部又はその凹部を吸気通路に接続する通路内に開口する排ガス再循環ラインを、前記排ガス再循環ライン又は前記通路を遮断するように、覆う。

この場合、回転スライド弁が、多重表面フラップ体として設計され、従って、頑強な機能的に信頼性のある構造を有すると、特に有利である。従来の実質的に二次元の弁フラップと比較して、回転スライド弁の三次元の設計は、剛性に関して著しい利点を有し、従って、排ガス再循環の著しく改良された制御をもたらす。

しかし、互いに機能的に分離している流れを導く表面と流れを遮断する表面が、フラップに設けられるのが、本発明にとって特に必要不可欠である。この場合、適切な流れを導く表面は、吸気通路側の表面であり、適切な流れを遮断する表面は、吸気通路側の表面に対して傾斜し、回転軸から遠く離れている表面である。公知のフラップにおいて、この機能の分離は設けられていない。

従って、本発明は、異なった機能を多重表面の回転スライド弁の異なる側面に割り当てる。

本発明による解決案の好ましい実施形態によれば、回転軸から遠く離れた表面が、凹部内への排ガス再循環通路の開口度を制御し、貫通通路が、フラップ内に配置され、この貫通通路は、上記の凹部をフラップの吸気通路側の表面の排ガス出口と接続するようにされている。このように、一方では、フラップに再循環された排ガスの量に関する制御機能が割り当てられ、他方では、凹部を吸気通路に接続する付加的な流れ通路が省略され得るように、流れ通路がフラップ内に一体化されることによって、フラップ、すなわち、回転スライド弁の機能性が、増大されるようにすることができる。

本発明の特に有利な発展形態によれば、吸気通路内に突出する位置にあるフラップは、回転軸から遠く離れているその表面によって、１つの通路部のフラップ側の端を閉鎖することができる。その結果、吸気通路内、従って、下流側に位置する燃焼室内の排ガス／空気の混合物の確定された層形成が制御されるようにすることができ、その結果、燃焼、従って、内燃機関の出力が、改良されるようにすることができる。

本発明による解決案の有利な発展形態は、流れの方向においてフラップの下流側に配置される整流板が吸気通路内に設けられ、吸気通路を少なくとも２つの通路部分に細分し、その整流板は、燃焼室内の排ガスの層形成を生成することによって特徴付けられる。フラップが開けられると、排ガスは、実施形態に依存して、吸気通路を２つの区分に細分する整流板に対して流れる。この整流板によって、内燃機関の燃焼室内の燃焼の最適な層形成が達成される。この場合、排ガス再循環が、好ましくは、関連する通路部分において、達成されるようにされるとよい。燃焼室内におけるフレッシュエアーと排ガスの最適な層形成は、燃料／フレッシュエアー／排ガスの混合物の最適な燃焼を生成し、従って、滑らかなエンジン作動と、同時に燃費の低減を促進する。

本発明のさらに重要な特徴と利点は、従属請求項、図面、及び図面を参照する図の関連する説明から得られる。

本発明の好ましい例示的実施形態が、図面に示され、以下、さらに詳細に説明される。ここで、同一の参照番号は、同一、類似、又は、機能的に等しい構成要素に関する。

図１によれば、概略的に示される車両用エンジン１は、複数のシリンダー（図１には示されていない）を有し、シリンダーヘッド３が、クランクシャフトから遠く離れたシリンダーの端に配置されている。排気通路（図示されていない）と吸気通路１２（図２を参照）は、シリンダーヘッド３内に一体化されている。排気管２３から分岐しているのは、排ガス再循環通路８であり、この排ガス再循環通路８は、排ガス再循環弁２を介して、排ガス再循環レール４に接続されている。その結果、排ガスの一部が、排ガス再循環通路８と排ガス再循環レール４を介して、吸気通路１２に排出され、従って、燃焼室１５（図４と図５を参照）に再び送給され、繰り返し燃焼される。

本発明による解決案は、図１において、Ｖ型シリンダー配置を有する車両用エンジン１に対して、示されているが、直列エンジンに対しても適用できる。

図２によれば、紙面と直交して延在する回転軸１８を中心に枢動可能なフラップ５が、シリンダーヘッド３に繋がる吸気通路１２内に配置され、吸気通路の内壁９内に含まれる凹部１９内に完全に旋回されるようにすることができる。フラップ５は、第１表面１０と、その第１表面１０に対して傾斜した第２表面１１を有している。フラップ５が閉じられると、第１表面１０は、吸気通路１２の隣接する壁部分と同一の平面になるように終端し、それによって、吸気通路の連続的かつ平滑な内壁９を生成し、開位置において、吸気通路１２内に突出する。図２による例示的実施形態において、貫通通路６が、第１表面１０とフラップ５内を貫通している。

さらに、流れの方向においてフラップ５の下流に位置する整流板７は、吸気通路１２内に組み込まれ、吸気通路１２を第１通路部分１３と第２通路部分１４とに細分する。この場合、実施形態に依存して、整流板７は、吸気通路１２を２つの半円通路部分１３、１４に細分するか、又は吸気通路１２を、扇状に、２つの異なる断面の通路部分１３、１４に細分するように設計されるようにすることができる。

整流板７は、吸気通路１２内を流れるフレッシュエアーと、排ガス再循環通路８と貫通通路６を通過する燃焼室内の排ガスの層形成を改良し、それによって、最大排ガス再循環率の増大と、燃料コスト及び窒素酸化物のエミッションの関連する減少を達成するように働く。

フラップ５は、排ガス再循環通路８を開けるか又は閉じる開位置と閉位置との間で調整されるようにすることができる。

開位置において、フラップ５は、吸気通路１２内に突出し、図２によれば、第２表面１１によって、第２通路部分１４を閉じる。この場合、整流板７とフラップ５の第１表面１０は、共通の接触端に沿って曲げられた連続的な表面を形成する。この位置において、排ガスは、排ガス再循環通路８とフラップ５内に一体化された貫通通路６を通って、通路部分１３内に流れることができ、一方、フラップ５が閉じられるとき、フレッシュエアーは、妨害なしで、２つの通路部分１３、１４内を流れるが、排ガスは、排ガス再循環通路８と貫通通路６を通って吸気通路１２内に流れない。しかし、原理的に、整流板７のない設計も考えられる。

フラップ５のさらに他の実施形態が、図３に示されている。ここで、吸気通路の内壁９へのフラップ５の取付けと配置は、図２に基づき、フラップ５は、多重表面フラップ体として設計されている。図２と対照的に、再循環された排ガスは、吸気通路の内壁９に一体化された通路１９を通って吸気通路１２に入る。フラップ５が閉じられるとき、通路１９’は、フラップ５の第２表面１１によって閉じられ、一方、排ガス再循環通路８は、フラップ５の第３表面２０によって閉じられる。

図２におけるのと同様に、フラップ５が閉じられるとき、第１表面１０は、吸気通路の内壁９の隣接する壁部分と同一の平面になるように位置する。

フラップ５が開けられるとき、第１表面１０は邪魔面として機能するので、この実施形態において、燃焼室１５における排ガスの層形成が、流れの方向にフラップ５の下流に付加的に位置して吸気通路１２を細分する整流板７なしで、達成される。しかし、原理的に、付加的な整流板７の使用も考えられる。

吸気通路１２を二股通路１６として設計したものが、図４に示されている。この二股通路１６は、吸気弁のすぐ上流側に、吸気通路１２を分離している。フラップ５は、流れの方向において、通路が左側通路２１と右側通路２２に分岐する点の上流側に、配置されている。フラップ５を図３による多重表面フラップ体として、又は図２による貫通通路６を備えるフラップ５として設計したものが、そのまま配置される。

さらに、２つのフラップ５の配置、すなわち、流れの方向における分岐点の下流側において、二股通路１６の通路部分２１、２２の各々への各フラップ５の配置も、考えられる。

吸気通路１２を２連通路として設計したものが、図５に示されている。ここで、各フラップ５は、左側通路部分２１と右側通路部分２２の各々に、配置されている。しかし、フラップ５を通路部分２１又は２２の１つのみに配置することも、考えられる。図４に基づいて、図５において、フラップ５を多重表面のフラップ体として、又は貫通通路６を備えるフラップ５として設計することもできる。

左側通路部分２１と右側通路部分２２の各々への１つのフラップ５の配置によって、より正確に調整され得る排ガスの層形成が、燃焼室１５において達成される。この場合、フラップ５を同時に又は個別に操作可能とするように設計するようにされている。

車両用エンジン１の作動されている間、吸気工程中に、フレッシュエアーがシリンダーヘッド３を介して、吸気通路１２を通って燃焼室内１５内に引き込まれる。窒素酸化物のエミッションと燃費を減少させるために、ある量の排ガスが、排ガス再循環通路８又は１９を介して、引き込まれたフレッシュエアーに混和される。混和される排ガスの比率は、紙面を通る回転軸１８を中心として枢動可能に取り付けられたフラップ５を介して、制御される。

フラップ５が開かれるとき、排ガスは、排ガス再循環通路８又は通路１９から吸気通路１２内に排出される。一方では、フラップ５は、貫通通路６がそこに一体化されるように設計されてもよく、前記貫通通路６の一端は、排ガス再循環通路８に隣接し、前記貫通通路６の他端は、吸気通路１２に隣接する。しかし、他方では、フラップを多重表面のフラップ体として設計することも考えられる。

フラップ５が開かれるとき、それは吸気通路１２内に突出し、その第１表面１０及び／又は吸気通路１２内に組み込まれた整流板７によって、燃料室１５内の排ガスの所定の層形成をもたらす。閉鎖状態において、フラップ５は、排ガス再循環通路８を閉じ、その第１表面１０は、吸気通路の内壁９と同一の平面になるように終端する。

２つの排ガス再循環弁２、２’を有する実施形態が、図６に示されている。排気管２３又は２３’から始まって、排ガスは、各排ガス再循環通路８又は８’を介して、各排ガス再循環弁２、２’に向けられ、計量されて、そこから排ガス再循環通路４又は４’に送給される。その結果、２つのシリンダーバンク（図６においてより詳細には図示されない）のための再循環される排ガスの量の個別の制御が、可能である。

本発明による排ガス再循環を有する車両用エンジンの概略平面図。 本発明によるフラップを有する吸気通路の概略断面図。 他のフラップを有する図２におけるのと同様の概略断面図。 二股通路における図３におけるのと同様の概略断面図。 ２連通路における図３におけるのと同様の概略的断面図。 異なる排ガス再循環を有する図１におけるのと同様の概略的平面図。

Claims (11)

1. 内燃機関であって、
   少なくとも１つの燃焼室（１５）と、該燃焼室のガス変換のための少なくとも１つの吸気通路（１２）と排気通路と、
   前記吸気通路（１２）の少なくとも１つに開口する排ガス再循環通路（８）と、
   前記排ガス再循環通路（８）の吸気通路側部分に配置され、前記吸気通路（１２）の壁に配置されて前記吸気通路（１２）を横切って配向された回転軸（１８）を有するフラップ（５）であって、その一端位置において、吸気通路側表面（１０）が、前記吸気通路（１２）の隣接する壁部分と同一の平面になるように、前記吸気通路（１２）に対して横方向に位置し、その他端位置において、前記吸気通路側表面（１０）が、前記吸気通路（１２）において、前記回転軸（１８）に隣接する斜面状の連続する狭窄部を形成し、前記排ガス再循環通路（８）は、前記フラップ（５）の前記一端位置において遮断され、前記他端位置において前記吸気通路に接続されるフラップ（５）と
   を備える内燃機関において、
   前記回転軸（１８）の横断面において、前記フラップ（５）は、扇状／多重表面の回転スライド弁として設計され、該スライド弁は、前記一端位置において、前記吸気通路（１２）に配置された凹部（１９）内に旋回され、前記吸気通路側表面（１０）に対して傾斜して前記回転軸から遠く離れている表面（１１）が、前記凹部（１９）又は前記凹部（１９）を前記吸気通路（１２）に接続する通路（１９’）に開口する前記排ガス再循環通路（８）を、前記通路（８）又は前記通路（１９’）を遮断するように、覆うことを特徴とする内燃機関。
2. 前記回転軸から遠く離れた前記表面（１１）は、前記凹部（１９）への前記排ガス再循環通路（８）の開口度を制御し、貫通通路（６）が前記フラップ（５）内に配置され、この貫通通路（６）は、前記凹部（１９）を前記フラップ（５）の前記吸気通路側表面（１０）の排ガス出口部分に接続することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記凹部（１９）を前記吸気通路（１２）に接続する前記通路（１９’）は、流れ方向における前記フラップ（５）の下流側において、前記フラップ（５）から距離を隔てて、前記吸気通路（１２）内に開口することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
4. 流れ方向において前記フラップ（５）の下流側に配置される整流板（７）が、前記吸気通路（１２）内に設けられ、前記吸気通路（１２）を少なくとも２つの通路部分（１３、１４）に細分することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関。
5. 前記フラップ（５）は、前記吸気通路（１２）内に突出する位置において、前記回転軸から遠く離れたその表面（１１）によって、前記１つの通路部分（１４）の前記フラップ側端を閉じることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
6. 前記排ガス再循環は、好ましくは、関連する通路部分（１３）において、なされることを特徴とする請求項４あるいは５に記載の内燃機関。
7. ２つの吸気弁が、各シリンダーに割り当てられ、前記吸気通路（１２）は、２つの関連する分岐部分（２１、２２）を有する二股通路（１６）として設計され、前記フラップ（５）は、流れ方向において分岐部の下流側に配置されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関。
8. ２つの吸気弁が、各シリンダーに割り当てられ、前記吸気通路（１２）は、２つの個別の通路（２１、２２）を有する２連通路（１７）として設計されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関。
9. フラップ（５）が、前記２連通路（１７）の両方の通路（２１、２２）に配置されることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関。
10. フラップ（５）が、前記２連通路（１７）の１つの通路（２１）のみに配置されることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関。
11. 前記フラップ（５）は、制御ユニットを介して、同時又は個別に制御できることを特徴とする請求項９に記載の内燃機関。
    

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