JP2008101544A - Egr装置 - Google Patents

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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。

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