JP2008101544A - Ｅｇｒ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＥＧＲによるＮＯｘ低減効果をより一層効果的に発揮させて、ＰＭ排出量の増加を極力抑制しながらＮＯｘの排出量の低減を促進することができるＥＧＲ装置を提供する。
【解決手段】 燃焼室８からの排気は、排気ポートを介して排気マニホールド１２へ導かれるが、その排気の一部は排気還流通路１０１に導かれ、該排気還流通路１０１に介装されるＥＧＲクーラ１０２において所定に冷却されて後、ＥＧＲバルブ１０３の第１ポート側ポート１０３Ａ及び第２ポート側ポート１０３Ｂを介して吸気通路３を流れる新気と合流されて、再び燃焼室８へ導入される。第１ポート側ポート１０３Ａに配設されているＥＧＲバルブ１０３ａの開度及び第２ポート側ポート１０３Ｂに配設されているＥＧＲバルブ１０３ｂの開度は、内燃機関１の運転状態などに基づいて、例えば所定のＮＯｘ低減効果が得られるように、相互に独立に制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼装置からの排気の一部を燃焼室内に還流させて再燃焼させるＥＧＲ（排気再循環）装置に関する。

燃焼装置からの排気を浄化して大気汚染の拡大を抑制することは重要な課題であるが、このためのシステム（装置）の一つとして、燃焼装置からの排気の一部を燃焼室内に還流させて再燃焼させることで燃焼温度を下げ、排気中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）の濃度（排出量）を低減するための所謂ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環）システムが知られている。

かかるＥＧＲシステムにおいては、燃焼室内に還流されるＥＧＲガス（還流排気）は、燃焼室（シリンダ）に導入される前に外部から導入される吸気（新気）と充分に混合されるように、シリンダヘッド内の吸気ポートと連接されて取り付けられる吸気マニホールドより吸気上流側で吸気（新気）と混合される場合が多い。

また、近年では、ＥＧＲガスと新気とをより効果的に混合させるために、ディーゼルパティキュレートフィルタ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ：排気中のＰＭ（パティキュレートマター：粒子状物質＝主に黒煙（スス）、ＳＯＦと称される燃え残った燃料や潤滑油の成分、サルフェートと称される軽油燃料中の硫黄分から生成される成分を含む）を捕集するためのフィルタ）を通過した後のＰＭの少ない排気の一部を、過給機の吸気上流側で新気と混合させることも考えられている。

更に、特許文献１、特許文献２、特許文献３には、１気筒当りに２つの吸気ポートを備え、かかる２つの或いは２つのうちの１つの吸気ポートにＥＧＲガスを導入するものも記載されている。
特開２００４−２７０６２２号公報 特開２００２−３６４４６２号公報 実開平５−８７２５５号公報（実願平３−７３５９１号明細書）

しかしながら、上述した従来におけるシステムでは、以下に述べるような現象について十分な検討がなされていないのが実情である。

すなわち、ＮＯｘの排出量を低減するためのシステムの他の一つとして、圧縮行程において主燃焼が行われる前に少量の燃料を燃焼室内に噴射供給するパイロット噴射システムが知られているが、パイロット噴射の燃料噴霧の貫徹力（ペネトレーション）は小さいため、燃料噴射ノズル（すなわち燃焼室中心）付近で燃焼が行われるので、燃焼室中心付近でのλ（空気過剰率）が小さくなる。このような状況においてＥＧＲガスを燃焼室に導入した場合、燃焼室中心付近でのλが更に小さくなって燃焼が悪化し（すなわち、燃焼室中心付近の燃焼に新気を有効に供することができず）、ＰＭの排出量が増大してしまうこととなり、ＥＧＲ率（ＥＧＲガス量／（新気量＋ＥＧＲガス量）×１００（％））をある程度以上高めることができず、以ってＥＧＲシステムによるＮＯｘ低減効果を充分に享受することができないといったことが考えられる。

また、例えば、過給機付燃焼機関の高負荷運転領域においては、単位時間当たりに燃焼室内に導入される空気量が多く燃焼室内の空気旋回速度が高くなるため、比較的低温で密度の大きい新気は燃焼室の外側へ偏移し易く、比較的高温で密度の低いＥＧＲガスは燃焼室の中心付近に留まり易いことなどから、燃焼室中心付近での燃焼に新気を有効に供することができず、ＰＭの排出量が増大することとなり、ＥＧＲ率をある程度以上高めることができず、以ってＥＧＲシステムによるＮＯｘ低減効果を充分に享受することができないといったことが考えられる。

本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、ＥＧＲによるＮＯｘ低減効果をより一層効果的に発揮させて、トレードオフの関係にあるＰＭ排出量の増加を極力抑制しながらＮＯｘの排出量の低減を促進することができるＥＧＲ装置を提供することを目的とする。

このため、本発明に係るＥＧＲ装置は、
燃焼室一つ当りに複数の吸気ポートを有し、対応する吸気ポートに連通される少なくとも２つの吸気経路を有する燃焼装置からの排気の一部を還流排気として燃焼装置の燃焼室に還流させるＥＧＲ装置であって、
前記少なくとも２つの吸気経路のうち還流排気を還流させるべき少なくとも２つの吸気経路に還流させる還流排気の流量を、吸気経路毎に制御可能に構成した。

なお、前記燃焼装置の吸気経路の途中に、対応する複数の吸気ポートと連通する吸気マニホールドが配設され、該吸気マニホールドに流入する還流排気の流量が制御されるように構成することができる。

本発明に係るＥＧＲ装置においては、還流排気の流量の制御を、燃焼装置の運転状態に基づいて行うことができる。

本発明によれば、ＥＧＲによるＮＯｘ低減効果をより一層効果的に発揮させて、トレードオフの関係にあるＰＭ排出量の増加を極力抑制しながらＮＯｘの排出量の低減を促進することができるＥＧＲ装置を提供することができる。

以下、本発明に係る一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

図１に示すように、本実施の形態に係る内燃機関１においては、エアクリーナ２を介して外気（新気）が吸入されるが、該新気は吸気通路３を介して過給機４のコンプレッサ（インペラ）に導かれて所定に圧縮された後、吸気通路３に介装されるインタークーラ５を介して所定に冷却され、その後、後述するＥＧＲバルブ１０３を介して第１ポート用マニホールド６と第２ポート用マニホールド７に分流され、シリンダヘッドに形成される第１ポート９と第２ポート１０（図２参照）を介して、燃焼室（シリンダ）８内に導かれる。

ここで、エアクリーナ２から吸気ポートの入口までの経路が、本発明に係る吸気経路に相当し、途中で分岐されるものにおいては分岐された数だけ吸気経路を有するものとする。

前記第１ポート９は、第１ポート用マニホールド６に連通され、例えば燃焼室（シリンダ）８内におけるスワール（旋回方向空気流れ）の生成に主に寄与するべくシリンダヘッドに形成される吸気ポートであり、前記第２ポート１０は第２ポート用マニホールド７に連通され、例えば燃焼室（シリンダ）８内における縦方向空気流れの生成に主に寄与するべくシリンダヘッドに形成される吸気ポートである。

燃焼室８には、その中心付近に所定に調量された燃料を所定圧力で噴射供給する燃料噴射弁１１が配設されており、図示しないＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）からの駆動制御信号に基づき、所定のタイミングで所定の期間開弁することで燃料を噴射供給する。

燃焼後のガスは、燃焼室８に臨んで開口される排気ポート（図示せず）を介して排気マニホールド１２に導かれ、その後、過給機３の排気タービンの回転エネルギとして利用された後、排気通路１３の下流に配設されている図示しない排気処理装置（酸化触媒、ＮＯｘ低減触媒、ディーゼルパティキュレートフィルタなど）において所定の処理を受けて浄化され、大気中に排出される。

ここで、本実施の形態では、燃焼後のガス（すなわち、排気）の一部を吸気（新気）と共に燃焼室８に再び導くことで、燃焼温度を低下させてＮＯｘの低減を図るためのＥＧＲ装置１００が設けられている。

本実施の形態に係るＥＧＲ装置１００は、排気マニホールド１２に連通される排気還流通路１０１と、該排気還流通路１０１に介装され当該排気還流通路１０１を流れる排気（ＥＧＲガス：還流排気）を所定に冷却するためのＥＧＲクーラ１０２と、該ＥＧＲクーラ１０２を通過した後のＥＧＲガスを吸気通路２内の新気に合流させるためのＥＧＲバルブ１０３と、を含んで構成されている。

なお、前記ＥＧＲクーラ１０２は省略することができるものであるし、排気還流通路１０１は排気マニホールド１２に接続される場合に限らず、燃焼室８から出た排気が流れる排気経路の途中の何れかの部位に接続されることができるものである。

前記ＥＧＲバルブ１０３は、その入口側が排気還流通路１０１に連通され、出口側が２系統に分岐して構成されている。２系統のうちの一方の第１ポート側ポート１０３Ａは、前記第１ポート用マニホールド６に連通され、他方の第２ポート側ポート１０３Ｂは、前記第２ポート用マニホールド７に連通されている。

前記ＥＧＲバルブ１０３には、第１ポート側ポート１０３Ａに流入するＥＧＲガスの流量を制御可能な第１ポート側バルブ１０３ａが配設されると共に、第２ポート側ポート１０３Ｂに流入するＥＧＲガスの流量を制御可能な第２ポート側バルブ１０３ｂが配設されている。なお、吸気経路の通気抵抗とならないように、第１ポート側バルブ１０３ａ、第２ポート側バルブ１０３ｂは開弁した際に吸気経路側に突出しないように配設されることができる。第１ポート側バルブ１０３ａ、第２ポート側バルブ１０３ｂは、例えば、バタフライ式バルブ、ポペット式バルブ、ギロチン式バルブなど適宜のバルブを採用することができる。

かかる構成を備えたＥＧＲ装置１００は、以下のように作用する。
すなわち、燃焼室８で燃焼が行われた後のガス（排気）は、図示しない排気バルブの開弁動作に伴い排気ポートを介して排気マニホールド１２へ導かれるが、その排気の一部は、前記排気マニホールド１２に連通されている排気還流通路１０１に導かれ、該排気還流通路１０１に介装されるＥＧＲクーラ１０２において所定に冷却され、その後ＥＧＲバルブ１０３の第１ポート側ポート１０３Ａ、第２ポート側ポート１０３Ｂを介して吸気通路３を流れる新気と合流後、再び燃焼室８へ導入される。

ここで、前記第１ポート側ポート１０３Ａに配設されているＥＧＲバルブ１０３ａの開度及び前記第２ポート側ポート１０３Ｂに配設されているＥＧＲバルブ１０３ｂの開度は、図示しないＥＣＵにより、内燃機関１の運転状態（例えば、回転速度、負荷）などに基づいて、例えば所定のＮＯｘ低減効果が得られるように、各ＥＧＲバルブ１０３ａ、１０３ｂ毎に相互に独立して制御可能に構成されている。

ところで、通常の４弁式のディーゼル機関においては、第１ポート９、第２ポート１０は、図２に示すようなレイアウトを採っている。この場合、例えば、第１ポート９から流入するガスは燃焼室（シリンダ）８の壁面に沿う旋回方向流れを主に生成し、第２ポート１０から流入するガスは燃焼室（シリンダ）８の中心付近で渦を生成するために縦方向流れを主に生成するように形成される。

従って、例えば、第１ポート９側だけに（或いは第１ポート９側に多くの）ＥＧＲガスを導入した場合には、図２においてハッチングで示すように、燃焼室８の壁面領域に成層化してＥＧＲガスを導入することができることになる。

例えば、高ＥＧＲ率が要求される低負荷運転領域でパイロット噴射を行った場合、既述したようにパイロット噴射による燃料噴霧は貫徹力が小さく、燃焼室８の中心付近に配設される燃料噴射弁１１の付近で燃焼が行われ、燃焼室８の中心付近に酸素が少ない（空気過剰率λが小さい）領域が形成されるため、パイロット噴射後のメイン噴射の燃料噴霧は酸素の少ないガスを巻き込むため、ＰＭの排出量が増大するおそれなどが想定される場合がある。

これに対して、例えば、第１ポート９を介してパイロット噴射の燃焼領域より外側の領域にＥＧＲガスを導入することにすれば、燃焼室８の中心付近の酸素濃度の低下を抑制できるため、着火遅れ期間の短縮効果はそのままにメイン噴射の燃料噴霧は新気（酸素）を多く含むガスを巻き込むことが可能となるため、活発な燃焼が行われる外側の領域では着火遅れ期間の短縮効果とＥＧＲガスによる燃焼温度の上昇抑制効果とによりＮＯｘを効果的に低減することが可能となる。

また、例えば、パイロット噴射を行わない低負荷運転領域については、むしろ第２ポート１０側だけに（或いは第２ポート１０側に多くの）ＥＧＲガスを導入することで燃焼室８の中心付近にＥＧＲガスを導入し、ＥＧＲガスの導入による着火遅れ期間の短縮と燃焼温度の上昇抑制効果とを有効に働かせて効果的にＮＯｘの低減を図ることができる場合もある。

そして、例えば、高負荷運転領域では、第１ポート９側だけに（或いは第１ポート９側に多くの）ＥＧＲガスを導入して積極的にＥＧＲガスを燃焼室８の壁面付近の外周部に導入し、少ないＥＧＲ率で燃焼を行わせることで燃焼の悪化を極力抑制しつつ効果的にＮＯｘの低減を図ることができ、以ってＰＭの排出量を抑制しつつ同時にＮＯｘの排出量も低減することが可能となる場合がある。

かかる解析結果から、本実施の形態では、図示しないＥＣＵにより、内燃機関１の運転状態などに基づいて、所定のＥＧＲ率、更には所望の燃焼内のＥＧＲガス分布が得られるように（より具体的には、例えば、トレードオフの関係にあるＮＯｘ排出量とＰＭ排出量を両立できるように）、第１ポート側ポート１０３Ａに配設されているＥＧＲバルブ１０３ａの開度及び前記第２ポート側ポート１０３Ｂに配設されているＥＧＲバルブ１０３ｂの開度を、相互に独立して制御可能に構成したものである。

なお、例えば、実験結果などに基づいて、機関運転状態（回転速度、負荷など）に対するＥＧＲバルブ１０３ａの目標開度及びＥＧＲバルブ１０３ｂの目標開度を示す開度テーブルを予め準備しておき、ＥＣＵでは、検出される機関運転状態に応じて前記開度テーブルをルックアップしてＥＧＲバルブ１０３ａの開度及びＥＧＲバルブ１０３ｂの開度を目標値に制御するよう構成することができる。

ところで、内燃機関１のスペック（例えば、ボア、ストローク、ピストンスピード、吸気ポートのレイアウト、燃料噴射弁のオフセット、燃焼方式、使用燃料など）、燃料噴射圧、燃料憤口数、燃料噴射弁の突出量、噴射期間、パイロット噴射の時期・期間、燃焼室８内の空気流動、壁面温度など、燃焼延いては排気特性に影響を与える種々の要因により、上述した解析内容とは一致しない場合があるため、上述した解析内容は一例として把握されるべきものであることは勿論である。

また、例えば、予混合燃焼の場合には、ＥＧＲガスと新気とを均質に混合させることが好ましいため、これらを均質に混合可能な開度となるように、ＥＧＲバルブ１０３ａの開度及びＥＧＲバルブ１０３ｂの開度を制御することができる。

なお、内燃機関１は、例えばディーゼル燃焼を行うディーゼルエンジンとすることができるが、これに限定されるものではなく、ＥＧＲ装置を適用可能な燃焼装置であれば、ガソリンエンジンその他の内燃機関の他、外燃機関とすることもでき、燃焼方式に拘わらず、あらゆる移動式・定置式の燃焼装置とすることができる。

また、吸気ポートの数は２つに限定されるものではなく、３つ以上の複数の吸気ポートを１つの燃焼室が備える場合にも本発明は適用することができるものである。この場合、全ての吸気ポートに対応してＥＧＲガスの流入量を制御できる必要はなく、複数の吸気ポートのうち少なくとも２つの吸気ポートに流入するＥＧＲガス量を相互に独立して制御可能に構成することができるものである。

なお、本実施の形態では、１つの燃焼室に２つの吸気ポートが備えられた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、３つの吸気ポート（１つはＥＧＲガスが流入されるスワールポート、１つはＥＧＲガスが流入されるストレートポート、１つはＥＧＲガスを流入させない吸気ポート）が備えられている場合に、ＥＧＲガスを導入しない吸気ポートに対してはＥＧＲガス流量を制御しないが、ＥＧＲガスが導かれるスワールポートとストレートポートに流入するＥＧＲガス量を相互に独立して制御可能に構成するような場合にも、本発明は適用可能である。

更に、シリンダヘッドに形成される吸気ポートの入口側は複数に分岐されているが、吸気ポートの出口部において集合されているような吸気ポートの場合にも本発明は適用でき、かかる場合には、吸気ポートの入口側の複数の分岐通路のそれぞれに流入するＥＧＲガス量を相互に独立に制御可能な構成とすることができるものである。

加えて、複数の吸気ポートを１つの燃焼室が備える場合に、１つの吸気ポートに対応して１つの吸気マニホールドが他の吸気マニホールドから独立して構成される必要はなく、例えば、３つの吸気ポートのうち２つの吸気ポート（例えば、２つのスワールポート）が、他の吸気マニホールドから独立して配設される共通の吸気マニホールドに連通され、残りの吸気ポート（例えば、１つのストレートポート）が前記他の吸気マニホールドに連通されている場合なども想定可能であり、すなわち、流入されるＥＧＲガス量を制御したい吸気ポートに対応して、他の吸気マニホールドから独立した吸気マニホールドが設けられていれば良いものである。

そして、本発明が、単気筒の燃焼装置に適用される場合や、複数の吸気ポートと連通する吸気マニホールドではなく、各吸気ポート毎に独立して設けられる吸気マニホールドであってＥＧＲバルブ１０３の下流側付近でこれらが合流されているような吸気マニホールドの場合でも、対応する吸気ポート毎に流入するＥＧＲガス流量を制御することができるものであれば、本発明の適用範囲であることは勿論である。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の一実施の形態に係るＥＧＲ装置を備えた内燃機関の構成例を示す図である。 燃焼室内におけるＥＧＲガスの分布状態の一例を示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
３ 吸気通路
６ 第１ポート用マニホールド
７ 第２ポート用マニホールド
８ 燃焼室
９ 第１ポート
１０ 第２ポート
１１ 排気マニホールド通路
１３ 排気通路
１００ ＥＧＲ装置
１０１ 排気還流通路
１０２ ＥＧＲクーラ
１０３ ＥＧＲバルブ
１０３Ａ 第１ポート側ポート
１０３Ｂ 第２ポート側ポート
１０３ａ ＥＧＲバルブ
１０３ｂ ＥＧＲバルブ

Claims (3)

1. 燃焼室一つ当りに複数の吸気ポートを有し、対応する吸気ポートに連通される少なくとも２つの吸気経路を有する燃焼装置からの排気の一部を還流排気として燃焼装置の燃焼室に還流させるＥＧＲ装置であって、
   前記少なくとも２つの吸気経路のうち還流排気を還流させるべき少なくとも２つの吸気経路に還流させる還流排気の流量を、吸気経路毎に制御可能に構成したことを特徴とするＥＧＲ装置。
2. 前記燃焼装置の吸気経路の途中に、対応する複数の吸気ポートと連通する吸気マニホールドが配設され、該吸気マニホールドに流入する還流排気の流量が制御されることを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲ装置。
3. 前記還流排気の流量の制御が、燃焼装置の運転状態に基づいて行われることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＥＧＲ装置。