JP2008014250A - 内燃機関の排気再循環システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、還元剤添加弁が配置された排気通路群と、ＥＧＲ通路が接続された排気通路群とが相互に独立した内燃機関の排気再循環システムにおいて、不具合を生じることなくＥＧＲガス量を増加可能な技術の提供を課題とする。
【解決手段】本発明は、還元剤添加弁（１２）が配置された第１排気通路群（３ａ，３ｄ，３０）と、ＥＧＲ通路（９）が接続された第２排気通路群（３ｂ，３ｃ，３１）とを備えた内燃機関の排気再循環システムにおいて、ＥＧＲ実行要求が発生した時に第１排気通路群（３ａ，３ｄ，３０）と第２排気通路群（３ｂ，３ｃ，３１）とを相互に連通させる連通手段（１３，３２）を備えるようにした。これにより、内燃機関（１）へ多量のＥＧＲガスを導入することが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気再循環システムに関する。

内燃機関の排気系を複数に分割し、一の排気系に還元剤添加弁を配置するとともに他の排気系にＥＧＲ通路を接続することにより、還元剤添加弁から添加された還元剤がＥＧＲ通路へ流入することを防止する技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
特許第３１５９１３１号公報 特開２００４−１８３５４６号公報 特開平１０−３０４４６号公報 特開平１１−５０８９８号公報 特開平１０−８２３１５号公報

ところで、上記した従来の技術では、内燃機関の低・中負荷運転時、低温燃焼運転時、或いは予混合燃焼運転時等のように、多量のＥＧＲガスを内燃機関へ導入する必要がある時に、ＥＧＲガス量が不足する可能性がある。

本発明は、上記したような種々の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、還元剤添加弁が配置された排気通路群と、ＥＧＲ通路が接続された排気通路群とが相互に独立した内燃機関の排気再循環システムにおいて、不具合を生じることなくＥＧＲガス量を増加可能な技術の提供にある。

本発明は、上記した課題を解決するために、還元剤添加弁が配置された第１排気通路群と、ＥＧＲ通路が接続された第２排気通路群と、を備えた内燃機関の排気再循環システムにおいて、ＥＧＲ実行要求が発生した時に、前記第１及び第２の排気通路群を相互に連通させる連通手段を備えるようにした。

尚、第１排気通路群と第２排気通路群は、各々１本の排気通路であってもよく、或いは複数の排気通路であってもよい。

かかる内燃機関の排気再循環システムによれば、ＥＧＲ実行要求が発生した時に、第１排気通路群と第２排気通路群が相互に連通するため、第１排気通路群と第２排気通路群の双方からＥＧＲガスを取り出すことが可能になる。よって、多量のＥＧＲガスを内燃機関へ導入することができる。

また、第２排気通路群のみから多量のＥＧＲガスが取り出された場合は、第１排気通路群の排気圧力と第２排気通路群の排気圧力との相対差が大きくなる。すなわち、第２排気通路群のみから多量のＥＧＲガスが取り出された場合は、第１排気通路群に連通する気筒群（以下、「第一気筒群」と称する）の背圧と第２排気通路群に連通する気筒群（以下、「第２気筒群」と称する）の背圧とが大幅に相違する。その結果、内燃機関が比較的大きなトルク変動を発生する可能性がある。

これに対し、第１排気通路群と第２排気通路群の双方からＥＧＲガスが取り出されると、第１気筒群の背圧と第２気筒群の背圧が大幅に相違することがなくなる。よって、ＥＧ
Ｒ実行時における内燃機関のトルク変動を抑制することができる。

更に、ＥＧＲ実行要求が発生していない時は、第１排気通路群と第２排気通路群が非連通状態になるため、還元剤添加弁から添加された還元剤がＥＧＲ通路を介して内燃機関へ回り込むこともない。

本発明に係る内燃機関の排気再循環システムにおいて、第１排気通路群と第２排気通路群は、遠心過給機の相違するスクロール室に連通されるようにしてもよい。より具体的には、第１排気通路群と第２排気通路群は、ツインスクロール式ターボチャージャの相違するスクロール室と連通されるようにしてもよい。

かかる構成においては、連通手段は、遠心過給機の状態に応じて第１及び第２排気通路群の連通／非連通を切り換えることも可能となる。例えば、排気流量が多い時に第１及び第２排気通路群が連通させられると、遠心過給機より上流の排気圧力が過上昇し難くなるため、機関出力の低下や燃費の悪化が抑制される。

ところで、第２排気通路群における第１排気通路群との連通部位がＥＧＲ通路の接続部位より下流に位置すると、第１排気通路群から第２排気通路群へ流入した排気が第２排気通路群を逆流してＥＧＲ通路に流入することになる。

この場合、第１排気通路群の排気圧力と第２排気通路群の排気圧力との相対差が気筒毎又はサイクル毎に変動するため、ＥＧＲガス量が不安定となる可能性がある。

そこで、本発明にかかる内燃機関の排気再循環システムにおいて、連通手段は、第２排気通路群におけるＥＧＲ通路の接続部より上流の部位を第１排気通路群と連通させるようにしてもよい。

第２排気通路群における第１排気通路群との連通部位がＥＧＲ通路の接続部位より上流に位置すると、第１排気通路群から第２排気通路群へ流入した排気が第２排気通路群を逆流しなくなるため、ＥＧＲガス量が安定し易い。

本発明にかかる内燃機関の排気再循環システムにおいて、連通手段は、第１排気通路群における還元剤添加弁の位置より上流の部位を第２排気通路群と連通させるようにしてもよい。

かかる構成によれば、ＥＧＲ実行時に還元剤添加弁が作動しても、該還元剤添加弁から添加された還元剤がＥＧＲガスとともに内燃機関へ導入されることがなくなる。よって、還元剤添加弁の作動時期がＥＧＲ実行時期によって制限され、若しくはＥＧＲ実行時期が還元剤添加弁の作動時期によって制限されることがなくなる。

尚、還元剤添加弁を第１排気通路群における第２排気通路群との連通部より下流に配置することが困難である場合には、連通手段は、還元剤添加弁の作動要求が発生した時は第１排気通路群と第２排気通路群とを連通させないようにすればよい。

本発明の連通手段としては、第１排気通路群と第２排気通路群との隔壁に設けられたバタフライバルブやシャッターバルブなどを用いることができる。

但し、本発明の連通手段としてバタフライバルブが用いられる場合は、該バタフライバルブの支軸が第１及び第２排気通路群の軸方向（軸方向と平行）に配置されることが好ましい。

このように連通手段が構成されると、連通手段の配置に起因した排気抵抗の増加を最小限に抑えることができるとともに、第１排気通路群における排気抵抗の大きさと第２排気通路群における排気抵抗の大きさを略均等にすることができる。

本発明によれば、内燃機関に接続された複数の排気通路の一部からＥＧＲガスを取り出す内燃機関の排気再循環システムにおいて、不具合を生じることなくＥＧＲガス量を増加させることができる。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。

＜実施例１＞
先ず、本発明の第１の実施例について図１〜図２に基づいて説明する。図１は、本実施例における内燃機関の排気再循環システムの構成を示す図である。

図１に示す内燃機関１は、圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）である。この内燃機関１は、１番気筒（＃１）２ａ、２番気筒（＃２）２ｂ、３番気筒（＃３）２ｃ、及び４番気筒（＃４）２ｄの４つの気筒２を有している。

内燃機関１には、エキゾーストマニフォルド３が接続されている。エキゾーストマニフォルド３は、１番気筒（＃１）２ａに連通する第１分岐管３ａと、２番気筒（＃２）２ｂに連通する第２分岐管３ｂと、３番気筒（＃３）２ｃに連通する第３分岐管３ｃと、４番気筒（＃４）２ｄに連通する第４分岐管３ｄを備えている。

第１分岐管３ａと第４分岐管３ｄは、相互に合流して第１合流管３０を形成している。第２分岐管３ｂと第３分岐管３ｃも相互に合流して第２合流管３１を形成している。第１合流管３０と第２合流管３１は、遠心過給器（ターボチャージャ）４のタービンハウジング４０に設けられた２つのエントリ４１，４２（以下、第１エントリ４１、第２エントリ４２と記す）に各々接続されている。

タービンハウジング４０は、スクロール室が２つに区画されたツインスクロール式のタービンハウジングであり、第１エントリ４１及び第２エントリ４２は２本のスクロール室と各々連通している。タービンハウジング４０のスクロール室を通過した排気は、排気管５へ排出される。

上記したように、排気行程が相互に連続若しくは重複しない気筒（１番気筒（＃１）２ａと４番気筒（＃４）２ｄ、２番気筒（＃２）２ｂと３番気筒（＃３）２ｃ）の排気を合流させ、且つ、合流後の排気を相互に独立したスクロール室に流通させると、排気干渉が抑制されるため、タービンブレードに対して大きな排気脈動を作用させることが可能となる。

尚、タービンハウジング４０から排気管５へ排出された排気は、排気浄化装置５０を経て大気中へ排出されるようになっている。排気浄化装置５０は、酸化能とＮＯｘ吸蔵能を有する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、酸化能とＰＭ捕集能を有するパティキュレートフィルタ、或いは、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が担持されたパティキュレートフィルタ等をケーシングに内装した装置である。

また、内燃機関１には、インテークマニフォルド６が接続されている。インテークマニ
フォルド６は吸気管７に接続され、吸気管７はターボチャージャ４のコンプレッサハウジング４３に接続されている。また、吸気管７の途中にはインタークーラ８が配置され、コンプレッサハウジング４３において高温・高圧となった吸気が冷却されるようになっている。

上記したインテークマニフォルド６は、第２合流管３１とＥＧＲ通路９によって接続されている。ＥＧＲ通路９の途中には、該ＥＧＲ通路９内を流れる排気（ＥＧＲガス）を冷却するためのＥＧＲクーラ１０と、該ＥＧＲ通路９内を流れるＥＧＲガス量を調整するＥＧＲ弁１１とが配置されている。

エキゾーストマニフォルド３の第４分岐管３ｄには、還元剤添加弁１２が配置されている。還元剤添加弁１２は、第４分岐管３ｄ内へ還元剤を噴射する弁である。還元剤添加弁１２から噴射される還元剤としては、内燃機関１の燃料（例えば、軽油）を例示することができる。

ここで、上記した第１分岐管３ａ、第４分岐管３ｄ、及び第１合流管３０は、本発明にかかる「第１排気通路群」に相当する。一方、上記した第２分岐管３ｂ、第３分岐管３ｃ、及び第２合流管３１は、本発明にかかる「第２排気通路群」に相当する。

このように内燃機関１の排気系では、還元剤添加弁１２が配置された排気通路群とＥＧＲ通路９が接続された排気通路群とが相互に独立しているため、還元剤添加弁１２から噴射された還元剤がＥＧＲ通路９を介して内燃機関１へ流入することがない。

その結果、排気浄化装置５０へ供給される還元剤が過少になったり、内燃機関１の発生トルクが不要に増加したりすることがない。

ところで、圧縮着火式の内燃機関１においては、該内燃機関１の低・中負荷運転時等に多量のＥＧＲガスを気筒内へ導入する場合がある。しかしながら、第２合流管３１のみからＥＧＲガスが取り出される構成では、ＥＧＲガス量の最大量が２気筒分の排気量以下に制限されるため、ＥＧＲガス量の不足を生じる場合がある。

また、第２合流管３１のみから多量のＥＧＲガスが取り出されると、第１合流管３０内の排気圧力と第２合流管３１内の排気圧力との差が大きくなる（第１合流管３０内の排気圧力＞第２合流管３１内の排気圧力）。

これは、１番気筒（＃１）２ａ及び４番気筒（＃４）２ｄに作用する背圧に対して、２番気筒（＃２）２ｂ及び３番気筒（＃３）２ｃに作用する背圧が過剰に小さくなることを意味する。

この場合、１番気筒（＃１）２ａ及び４番気筒（＃４）２ｄの発生トルクは、２番気筒（＃２）２ｂ及び３番気筒（＃３）２ｃの発生トルクに対して過小となる。よって、内燃機関１が比較的大きなトルク変動を発生する。

更に、内燃機関１が高回転運転される場合のように、内燃機関１から排出される排気量が多くなる場合は、第１エントリ４１上流の排気圧力及び第２エントリ４２上流の排気圧力が過上昇して、機関出力の低下や燃費の悪化を招く可能性がある。

上記したような種々の問題に対し、本実施例の内燃機関の排気再循環システムでは、図２に示すように、第１合流管３０と第２合流管３１との隔壁に連通孔３２を設けるとともに、該連通孔３２を開閉する弁機構１３を設けるようにした。

前記連通孔３２及び前記弁機構１３の位置は、第２合流管３１におけるＥＧＲ通路９の接続部より上流であることが好ましい。これは、前記連通孔３２及び前記弁機構１３の位置が第２合流管３１におけるＥＧＲ通路９の接続部より下流になると、第１合流管３０から第２合流管３１へ流入した排気が第２合流管３１を逆流する必要が生じ、ＥＧＲガス量が不安定となり易いからである。

前記した弁機構１３は、第１合流管３０及び第２合流管３１に対して回転自在に係止された支軸１３０と、支軸１３０に固定された円板状の弁体１３１と、前記支軸１３０を回転駆動するアクチュエータ１３０とを備えたバタフライバルブである（以下、弁機構１３をバタフライバルブ１３と記す）。

尚、バタフライバルブ１３の支軸１３０は、第１合流管３０及び第２合流管３１の軸方向と平行に配置されることが好ましい。これは、バタフライバルブ１３に起因した排気抵抗の増加を最小限に抑えるとともに、弁体１３１の開弁による排気抵抗の増加量を第１合流管３０と第２合流管３１とにおいて均等にするためである。

上記したバタフライバルブ１３のアクチュエータ１３２は、ＥＣＵ１４と電気的に接続されている。ＥＣＵ１４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ等を備えた電子制御ユニットであり、前述したＥＧＲ弁１１や還元剤添加弁１２に加え、前記アクチュエータ１３２を電気的に制御する。

例えば、ＥＣＵ１４は、還元剤添加弁１２から還元剤を噴射させる必要がある時は、バタフライバルブ１３を閉弁させるべくアクチュエータ１３２を制御する。

この場合、還元剤添加弁１２から噴射された還元剤がＥＧＲ通路９を介して内燃機関１へ流入することがなくなる。その結果、排気浄化装置５０へ到達する還元剤が過少となったり、内燃機関１のトルクが不要に増加したりすることがなくなる。

尚、バタフライバルブ１３が閉弁している時は、ＥＧＲ弁１１が閉弁されてもよいが、要求ＥＧＲガス量に応じて開弁されていてもよい。但し、要求ＥＧＲガス量が比較的多くなった時は、ＥＣＵ１４は、還元剤添加弁１２の作動を停止させるとともに、バタフライバルブ１３を開弁させるべくアクチュエータ１３２を制御してもよい（若しくは、還元剤添加弁１２の作動が停止するタイミングを見計らって、バタフライバルブ１３を開弁させるべくアクチュエータを制御してもよい）。

上記した手順によりバタフライバルブ１３が開弁されると、還元剤がＥＧＲ通路９を介して内燃機関１に流入することを防止しつつ、内燃機関１へ導入されるＥＧＲガス量を増加させることができる。

また、内燃機関１から排出される排気量が多くなる時も、ＥＣＵ１４は、バタフライバルブ１３を開弁させるべくアクチュエータ１３２を制御してもよい。この場合、第１エントリ４１及び第２エントリ４２の上流における排気圧力が過上昇し難くなるため、機関出力の低下や燃費の悪化が抑制される。

＜実施例２＞
次に、本発明の第２の実施例について図３に基づいて説明する。図３は、本発明を適用する内燃機関の吸排気系の構成を示す図である。

前述した第１の実施例と本実施例との差違は、前述した第１の実施例では還元剤添加弁
１２が第１合流管３０と第２合流管３１の連通孔３２より上流（第４分岐管３ｄ）に配置されているのに対し、本実施例では連通孔３２より下流の第１合流管３０に配置される。

かかる構成によれば、還元剤添加弁１２が還元剤を噴射している時にバタフライバルブ１３を開弁させることが可能になるとともに、バタフライバルブ１３が開弁している時に還元剤添加弁１２から還元剤を添加させることも可能となる。

このため、還元剤添加弁１２の作動時期がＥＧＲ実行時期によって制限され、若しくはＥＧＲ実行時期が還元剤添加弁１２の作動時期によって制限されることがなくなる。その結果、還元剤添加制御の自由度、及びＥＧＲ制御の自由度を低下させることなく、前述した第１の実施例と同様の効果を得ることができる。

尚、前述した第１〜第２の実施例では、第１合流管３０と第２合流管３１との連通孔３２を開閉する手段として、バタフライバルブ１３を例示したが、バタフライバルブ１３の代わりにシャッターバルブが用いられてもよい。その際、第１合流管３０と第２合流管３１の隔壁と平行にシャッターバルブが配置されれば、シャッターバルブに起因した排気抵抗の増加を最小限に抑えることが可能となる。

また、前述した第１〜第２の実施例では、第１合流管３０と第２合流管３１とがツインスクロール式のタービンハウジングの２つのエントリに接続される例について述べたが、シングルスクロール式のタービンハウジングの単一のエントリへ接続されてもよい。

また、前述した第１〜第２の実施例では、直列４気筒の内燃機関の排気系を第１排気通路群（第１合流管３０）と第２排気通路群（第２合流管３１）に分割する例について述べたが、Ｖ型内燃機関の一方のバンクに接続された排気通路を第１排気通路群とし、他方のバンクに接続された排気通路を第２排気通路群として、本発明を適用してもよい。

第１の実施例における内燃機関の排気再循環システムの構成を示す図である。 第１合流管と第２合流管との連通部分の拡大図である。 第２の実施例における内燃機関の排気再循環システムの構成を示す図である。

符号の説明

１・・・・・内燃機関
２・・・・・気筒
２ａ・・・・１番気筒（＃１）
２ｂ・・・・２番気筒（＃２）
２ｃ・・・・３番気筒（＃３）
２ｄ・・・・４番気筒（＃４）
３・・・・・エキゾーストマニフォルド
３ａ・・・・第１分岐管（第１排気通路群）
３ｂ・・・・第２分岐管（第２排気通路群）
３ｃ・・・・第３分岐管（第２排気通路群）
３ｄ・・・・第４分岐管（第１排気通路群）
４・・・・・遠心過給機（ターボチャージャ）
５・・・・・排気管
６・・・・・インテークマニフォルド
７・・・・・吸気管
９・・・・・ＥＧＲ通路
１０・・・・ＥＧＲクーラ
１１・・・・ＥＧＲ弁
１２・・・・還元剤添加弁
１３・・・・バタフライバルブ（連通手段）
１４・・・・ＥＣＵ
３０・・・・第１合流管（第１排気通路群）
３１・・・・第２合流管（第２排気通路群）
３２・・・・連通孔（連通手段）
４０・・・・タービンハウジング
４１・・・・第１エントリ
４２・・・・第２エントリ
５０・・・・排気浄化装置
１３０・・・支軸
１３１・・・弁体
１３２・・・アクチュエータ

Claims (6)

1. 還元剤添加弁が配置された第１排気通路群と、
   ＥＧＲ通路が接続された第２排気通路群と、
   を備えた内燃機関の排気再循環システムにおいて、
   ＥＧＲ実行要求が発生した時に、前記第１及び第２排気通路群を相互に連通させる連通手段を備える内燃機関の排気再循環システム。
2. 請求項１において、前記第１排気通路群と前記第２排気通路群は、遠心過給機の相違するスクロール室に連通することを特徴とする内燃機関の排気再循環システム。
3. 請求項１又は２において、前記連通手段は、前記第２排気通路群におけるＥＧＲ通路の接続部より上流の部位を前記第１排気通路群と連通させることを特徴とする内燃機関の排気再循環システム。
4. 請求項１〜３の何れか一において、前記連通手段は、前記第１排気通路群における還元剤添加弁の位置より上流の部位を前記第２排気通路群と連通させることを特徴とする内燃機関の排気再循環システム。
5. 請求項１〜３の何れか一において、前記連通手段は、前記還元剤添加弁の作動要求が発生した時は、前記第１及び第２排気通路群を連通させないことを特徴とする内燃機関の排気再循環システム。
6. 請求項１〜５の何れか一において、前記連通手段は、前記第１排気通路群と前記第２排気通路群との隔壁に設けられたバタフライバルブであり、前記バタフライバルブの支軸は前記第１及び第２排気通路群の軸方向に配置されることを特徴とする内燃機関の排気再循環システム。

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