JP2009156265A - 排気ガス再循環装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼温度及びＮＯｘ排出量を低減し、エンジンの全体性能を改善する、改良された排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置を提供する。
【解決手段】ＥＧＲ装置であって、空気吸入ポートと、排出ポートと、空気吸入ポートと排出ポートとの間の混合パイプの領域に配設された排気吸入ポートと、を有する混合パイプを備え、排気吸入ポートを、混合パイプ内で排気を空気と混合するように構成した、ＥＧＲ装置を提供する。排気吸入ポートは、更に、排気吸入リングを備え、ＥＧＲ装置は、排気吸入リングと排出ポートの間の混合パイプの領域の内部に配設されたディフューザノズルを更に備え、ディフューザノズルは、ディフューザノズルと混合パイプ領域の間の空間内に外側混合チャネルを形成する。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、一般に、排気ガスの再循環に関し、特に、混合パイプ及びこれと関連する構成要素を含む、排気ガス再循環装置に関する。

排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：ＥＧＲ）装置は、自動車産業において周知である。ＥＧＲ装置は、空気を内燃機関の吸気マニホルドに供給する前に、空気に燃焼排気を混合するシステムである。排気ガスの混合は、一般に、空気と排気の混合物の比熱を増大させ、これにより、ピーク燃焼温度を低下させる。燃焼温度を低下させることは、窒素及び酸素がエンジン内において高温に晒された場合に通常生成するＮＯｘの発生を、抑制する。

この結果、燃焼温度及びＮＯｘ排出量を低減し、エンジンの全体性能を改善する、ＥＧＲ装置の改良に対する継続的な需要が存在する。

一実施例によれば、排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置は、混合パイプであって、一端部に配設された空気吸入ポートと反対側の端部に配設された排出ポートとを有する混合パイプと、空気吸入ポートと排出ポートとの間の混合パイプの領域に配設された排気吸入ポートと、を有し、排気吸入ポートは、排気を供給して混合パイプ内の空気と混合するように構成され、外向きにテーパーになった断面を有するディフューザノズルが、排気吸入ポートと排出ポートとの間の混合パイプの領域内に同軸に配設され、ＥＧＲ混合パイプは、ディフューザノズルと混合パイプとの間に配置された外側混合チャネルと、ディフューザノズルの少なくとも一部を通って延びる中央混合チャネルと、を備える。

別の実施例によれば、排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置は、混合パイプであって、一端部に配設された空気吸入ポートと、反対側の端部に配設された排出ポートとを有する混合パイプと、空気吸入ポートと排出ポートとの間の領域において混合パイプの周りに同軸に配設された排気吸入リングと、を備え、排気吸入リングは、排気吸入リングを通って延びる複数の半径方向開口部を備え、排気吸入リングは、排気を供給して複数の半径方向開口部とディフューザノズルを介して混合パイプ内の空気と混合するように構成され、ディフューザノズルは、排気吸入リングと排出ポートとの間の混合パイプの領域の内部に配設されている。

更に別の実施例においては、排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置は、混合パイプであって、一端部に配設された空気吸入ポートと反対側の端部に配設された排出ポートとを有する混合パイプと、空気吸入ポートと排出ポートとの間の領域において混合パイプの周りに同軸に配設された排気吸入リングと、排気吸入ポートと排出ポートとの間の混合パイプの領域内に同軸に配設されたディフューザノズルと、を備え、ディフューザノズルを同軸に取り囲む混合パイプ領域は、外向きにテーパーになった断面を形成し、ＥＧＲ混合パイプは、ディフューザノズルと混合パイプ領域との間に配置された外側混合チャネルと、ディフューザノズルを通って延びる中央混合チャネルと、を備える。

本発明の実施例によって提供される上述の特徴及び更なる特徴は、以下の詳細な説明を、添付図面とともに参照することにより、更に十分に理解することができよう。

以下の、本発明の特定の実施例の詳細な説明は、添付図面とともに参照された場合に、最も良く理解することができる。

本発明の１以上の実施例によるＥＧＲ混合パイプの斜視図である。 本発明の１以上の実施例によるＥＧＲ混合パイプの斜視図であり、内部構成要素が破線によって表されている。 本発明の１以上の実施例による、リング内に複数の半径方向孔を有する排気吸入リングの部分図である。 本発明の１以上の実施例による、複数の半径方向孔及び吸入チューブを有する排気吸入リングの部分図である。 本発明の１以上の実施例による、複数の延長された半径方向孔及び吸入チューブを有する排気吸入リングの部分図である。 本発明の１以上の実施例による、吸入チューブを有する排気吸入リングの前面図である。 本発明の１以上の実施例による、ＥＧＲ混合パイプ及び吸気マニホルドを備えたＥＧＲ装置の断面図である。 ＥＧＲ混合パイプ及び吸気マニホルドを備えたＥＧＲ装置の別の実施例の断面図である。 本発明の１以上の実施例による、ＥＧＲ混合パイプの側面断面図である。 本発明の１以上の実施例による、図４ＡのＥＧＲ混合パイプの底面断面図である。 ＥＧＲ混合パイプの別の実施例の側面断面図である。 本発明の１以上の実施例による、図５ＡのＥＧＲ混合パイプの底面断面図である。 本発明の１以上の実施例による、ディフューザノズルを有するＥＧＲ混合パイプの一実施例の側面断面図である。 本発明の１以上の実施例による、図６ＡのＥＧＲ混合パイプの底面断面図である。 ディフューザノズルを有するＥＧＲ混合パイプの別の実施例の側面断面図である。 本発明の１以上の実施例による、図７ＡのＥＧＲ混合パイプの底面断面図である。 ディフューザノズルを有するＥＧＲ混合パイプの更に別の実施例の側面断面図である。 本発明の１以上の実施例による、図８ＡのＥＧＲ混合パイプの底面断面図である。

図示の実施例は、説明のためのものであり、請求項によって定義された本発明を限定するものではない。更に、図面及び発明の個々の特徴は、詳細な説明を参照することにより、更に十分に明らかとなり、理解されるであろう。

本発明は、改良されたＥＧＲ混合パイプに関し、これらのＥＧＲ混合パイプは、空気と排気（例えば、内燃機関からの燃焼排気）が吸気マニホルドへ進入する前に、より良い混合を行うようにする。混合を改善するために、本発明の実施例では、排気をより均一に導入する複数の開口部を有する排気リングを利用する。空気と排気が吸気マニホルドへ進入する前に、空気と排気の混合を更に改善するために、混合パイプには、混合パイプ内に配設され、混合パイプ内における滞留時間を増大させるようにした、外向きテーパーのノズル（例えば、ディフューザノズル）を利用することもできる。

図１Ａの実施例を参照すれば、ＥＧＲ装置は、混合パイプ１０の一端部に配設された空気吸入ポート１２を備える混合パイプ１０と、混合パイプの反対側の端部に配設された排出ポート１４と、を含む。図２及び図３を参照すれば、装置１の排出ポート１４は、吸気マニホルド１００と連通している。図１を参照すれば、混合パイプ１０は、空気吸入ポート１２と排出ポート１４との間の混合パイプ１０の領域に配設された排気吸入ポート２０を更に含む。運転中は、吸入ポート１２に供給された空気は、排気吸入ポート２０を通って供給された排気と混合され、この結果、空気と排気の混合物が、混合パイプ１０の排出ポート１４を通って排出される。図１Ａ及び図１Ｂを参照すれば、排気吸入ポート２０は、混合パイプ１０の周りに同軸に配設された排気吸入リング２２を備えることができ、排気吸入リング２２は、排気吸入リング２２を通って延びる（例えば、孔２３やチューブ２５などの）複数の半径方向開口部を有する。更に、図示のように、排気吸入ポート２０は、排気吸入リング２２から延びる排気吸入チューブ２４を備えることもできる。排気吸入チューブ２４は、排気（例えば、燃焼排気）を受け取り、排気を吸入リング２２へ送り、更に（例えば、孔２３やチューブ２５などの）半径方向開口部を通して、排気を供給する。複数の半径方向開口部を有することにより、排気は、混合パイプ１０へ入る場合に、複数の場所において空気と接触することができる。半径方向開口部は、空気供給表面積をより大きくして接触させることにより、空気と排気のより良い混合を行う。

図１Ｃ〜図１Ｅを全体的に参照すれば、半径方向開口部は、図１Ｃに示された孔２３、図１Ｄに示された少なくとも１つのチューブ２５、又はこれらの組み合わせを備えることができる。図１Ｃの実施例においては、排気は、排気吸入チューブ２４から排気吸入リング２２に送られ、吸入リング２２の内側表面に沿って配置された孔２３を通って混合パイプに供給される。図１Ｃには、等間隔に離れて配置された孔２３を示しているが、本明細書においては、孔２３の不等間隔な又は可変の配置も想定している。更に、半径方向開口部は、異なる開口径又は異なる開口形状を有する少なくとも２つの半径方向開口部を有する。例えば、１つの孔２３は、２ｍｍの直径を有し、隣接する孔２３は、５ｍｍの直径を有することができる。様々なサイズ及び形状が考えられるが、複数の半径方向開口部は、約２ｍｍ〜約１０ｍｍの直径を有することができる。更に、孔２３は、排気の流速を調節するのに望ましい、様々な孔の深さ及び様々な断面を有することができる。

図１Ｂ及び図１Ｄを参照すれば、吸入リング２２は、吸入リング２２の内側表面を通って混合パイプ１０の中央に向かって延びるチューブ２５として構成された、半径方向開口部を有することができる。これは、空気供給路の周囲に沿って排気を供給するだけでなく、空気供給路の中心に向う排気の供給を更に促進することができる。図１Ｅを参照すれば、排気吸入リング２２は、様々な長さのチューブを有することができ、例えば、長い吸入チューブ２５や、吸入リング２２の内部表面をわずかに越えて延びる短い吸入チューブ２７などのチューブを有することができる。図１Ｄの典型的な実施例では、吸入リング２２の内側開口は、６０ｍｍの直径を有することができ、チューブ２５は、この直径の約１／４〜約１／２の長さ（例えば、１９ｍｍ）を有することができる。図１Ｂに示すように、チューブ２５及び孔２３の組み合わせを利用することもできる。

図１Ｂ及び図２を参照すれば、混合パイプ内への排気の改善された供給に加えて、本発明の実施例はまた、混合パイプ１０内での混合時間の増大にも及ぶ。混合時間を増大させるために、混合パイプ１０は、排気吸入ポート２０と排出ポート１４との間の混合パイプの領域３０内に配設されたディフューザノズル４０を備えることも可能である。図２及び図３に示すように（図３は、ディフューザノズルの別の実施例を示す）、混合領域３０は、吸気マニホルド１００へ供給する前の空気と排気の混合物の、更なる混合を与えている。図２に示すように、ディフューザノズル４０は、排出ポート１４の方向に外向きにテーパーになった断面を有し、その長さの一部に沿って少なくとも１つの開口部４４を有する。或いは、図３に示すように、ＥＧＲ混合パイプ１０は、その長さに沿って開口部を有さないディフューザノズル５０を備えることも可能である。図２の尖っていない円錐のディフューザノズル４０又は図３の尖った円錐のディフューザノズル５０を参照すると、ノズルの直径は、排気がディフューザノズルを進むのに伴って増大している。例えば、ディフューザノズルは、ディフューザノズルの直径が約２〜約５倍増大するように、外向きにテーパーにすることができる。

図２及び図３の典型的な実施例に示すように、ディフューザノズル４０又は５０は、混合パイプ１０の混合領域３０内に同軸に配置することができる。更なる実施例においては、ディフューザノズル４０又は５０を取り囲む混合パイプ１０の混合領域３０は、外向きにテーパーになった断面を有することもできる。図１Ｂ及び図２を参照すると、ディフューザノズル４０の開口部４４は、ディフューザノズル４０を通って延びる中央混合チャネルを構成するように形成され、また、ディフューザノズル４０と周囲領域３０との間の空間４２内の外側混合チャネル構成するように形成されている。図３を参照すると、閉鎖されたディフューザノズル５０は、ディフューザノズル５０と周囲領域３０との間の空間５２内に外側混合チャネルを形成している。

図２及び図３に示すように、ディフューザノズルを介して排気と空気の混合物を分割し、外向きにテーパーになった断面を利用することは、空気と排気の混合物に、混合パイプ１０を出て吸気マニホルド１００に入る前に、より大きな距離を流れさせる。従って、混合パイプ１０内における空気と排気の混合物の滞留時間が増大され、これにより、混合パイプ１０内における空気と排気の混合物のより良い混合を行わせる。この結果、吸気マニホルド１００は、より良く混合された空気と排気の流れを受け取り、マニホルド１００は、次に、これを内燃機関（図示せず）に供給する。前述のように、改善された空気と排気の混合物は、燃焼温度を低減すると共にＮＯｘの発生を低減することにより、内燃機関の性能を改善する。

図４Ａ〜図８Ｂは、内部にディフューザとディフューザノズルのいくつかの典型的な実施例を備えるＥＧＲ混合パイプの、いくつかの実施例を示している。例えば、図４Ａ及び図４Ｂは、開口部を伴わない尖った円錐のディフューザノズル４５０を備えたＥＧＲ混合パイプ４１０を示している。ＥＧＲ混合パイプ４１０はまた、空気吸入ポート４１２と、排気吸入リング４２２及び排気吸入チューブ４２４を有する排気吸入ポート４２０と、を備える。図４Ａ及び図４Ｂを参照すると（図４Ｂは、図４Ａを回転させた図である）、排気吸入リング４２２は、チューブ４２５又は半径方向孔４２３を利用し、排気を混合パイプ４１０に供給する。更に、図４Ａ及び図４Ｂの混合パイプの実施例４１０は、ヘリカルベーン４７０を備え、ヘリカルベーン４７０は、空気と排気の混合物がディフューザノズル４５０上を流れた後に、空気と排気の混合物を（例えば、螺旋又は渦巻き方向に）旋回させるために使用される。更なる実施例においては、追加のチャンバ４８０を使用し、空気と排気の適切な流れを確実に排出ポート４１４に向かわせることも可能である。図４Ａ及び図４Ｂに示されているように、このヘリカルベーン４７０によって生成される渦巻き状又は螺旋状の流れは、滞留時間を増大させ、この結果、混合パイプ４１０内における空気と排気の混合を促進させることができる。

図５Ａ及び図５Ｂに示す実施例は、それぞれ、図４Ａ及び図４Ｂに示す実施例に類似しているが、それぞれ、排出ポート４１４及び５１４と混合領域４３０及び５３０との間の接続が異なっている。図４Ａでは、混合領域４３０は、ほぼ直角に排出ポート４１４に接続しており、一方、図５Ａの混合領域５３０及び排出ポート５１４は、湾曲した接続部５６０に接続している。湾曲した接続部５６０は、図４Ａ及び図４Ｂの平らな接続部４６０と比べて、空気と排気の混合物の圧力損失を最小にするため、湾曲した接続部５６０を使用することが望ましい。

図６Ａ〜図８Ｂは、ＥＧＲ混合パイプの実施例６１０、７１０、及び８１０を示し、ＥＧＲ混合パイプの実施例６１０、７１０、及び８１０は、ディフューザノズル６４０、７４０、及び８４０をそれぞれ備え、ディフューザノズル６４０、７４０、及び８４０は、その中を空気と排気の混合物が流れる中央チャネルを形成するために使用される開口部６４４、７４４、８４４を備える。中央チャネルを使用することにより、混合パイプ６１０、７１０、８１０は、図４Ａ及び図４Ｂに示されるヘリカルベーン又は追加の混合チャンバを設ける必要性をなくすか又は最小にすることができる。更に、それぞれのＥＧＲ混合パイプ１０は、それぞれの排出ポート６１４、７１４、及び８１４と混合領域６３０、７３０、８３０との間に傾斜した接続部６６０、７６０、及び８６０を有する。図６Ａ〜図８Ｂの実施例では、ディフューザノズル６４０、７４０、及び８４０が、それぞれ、混合パイプ６１０、７１０、及び８１０の、吸気マニホルドの手前の混合領域６３０、７３０、８３０に、どのように結合するかが異なっている。更に、図６Ｂに示すように、ディフューザノズル６４０は、中央混合チャネル６４４に供給する２つの開口部を備える。これに対して、図７Ａ及び図８Ａでは、中央混合チャネル７４４、８４４内への１つの開口部を備えたディフューザノズル７１０及び８１０を示している。２つの開口部は、ディフューザノズルの必要な直径を最小にすることができ、一方、単一の開口部は、ディフューザノズル及び混合パイプの必要な長さを最小にすることができる。ディフューザノズルは、中央混合チャネル内への２以上の開口部を有することも想定されている。図８Ａの実施例に示すように、ディフューザノズル８４０はまた、中央混合チャネル８４４に加えて、空気と排気の流れを旋回させるために使用するヘリカルベーン８７０を備えることができる。更に、図示のように、図７Ａの延長部７７０は、ほぼ真っ直ぐな断面を形成しているのに対して、図８Ａの延長部８７０は、湾曲した断面を形成している。この構成は、圧力損失を最小にするために使用される。

更に、空気と排気の混合の改善に加えて、本発明のＥＧＲ混合パイプは、空気と排気の混合物の流れを増大させるように構成されている。図２及び図３に示すように、吸気マニホルド１００の全シリンダが十分な空気と排気を受け取ることが望ましく、従って、混合パイプからの十分な流れが必要である。図２及び図３に示すように、ディフューザノズル４０又は５０（又は、図４〜図８のノズル）を使用することにより、混合領域３０内の容積が低減される。圧力と容積との間の関係により、この容積の減少は、混合パイプ１０を離れる空気と排気の混合物の圧力を増大させ、これにより、空気と排気の混合物に、吸気マニホルド１００のシリンダに供給するための十分な圧力を持たせる。

本発明を説明し定義する目的のため、「ほぼ」及び「約」という用語が、任意の量的な比較、値、測定、又は他の表現に帰する固有の不確かさの程度を表すために、本明細書において利用されていることに留意されたい。これらの用語はまた、量的な表現が、対象物の基本的な機能を変化させることなしに、記述された例から変化し得る程度を表すために、本明細書において利用されている。

以上、本発明の特定の実施例を参照し、本発明について詳細に説明したが、請求項に定義された本発明の範囲を逸脱することなしに、変更及び変形が可能であることが明らかであろう。特に、本明細書においては、本発明のいくつかの実施例を好ましい又は特に有利なものとして取り上げているが、本発明は、これらの発明の実施例に必ずしも限定されないことを意図している。

Claims (21)

1. 排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置であって、
   混合パイプの一端部に配設された空気吸入ポートを有する前記混合パイプと、
   前記混合パイプの反対側の端部に配設された排出ポートと、
   前記空気吸入ポートと前記排出ポートとの間の前記混合パイプの領域に配設された排気吸入ポートであって、排気を、前記混合パイプ内で空気と混合されるように供給する、排気吸入ポートと、
   前記排気吸入ポートと前記排出ポートとの間の前記混合パイプの領域内に同軸に配設された、外向きにテーパーになる断面を有するディフューザノズルと、
   を備えるＥＧＲ装置において、
   前記ＥＧＲ混合パイプが、前記ディフューザノズルと前記混合パイプとの間の空間内の外側混合チャネルと、前記ディフューザノズルの少なくとも一部を通って延びる中央混合チャネルと、を備える、ＥＧＲ装置。
2. 前記排出ポートの上流に配設され、空気と排気の混合物を旋回させるように形成された、ヘリカルベーンを更に備える、請求項１に記載のＥＧＲ混合装置。
3. 前記ディフューザノズルが、前記中央混合チャネルへ入る複数の開口部を備える、請求項１に記載のＥＧＲ混合装置。
4. 前記混合パイプ領域が、前記排出ポートにほぼ直角に接続する、請求項１に記載のＥＧＲ混合装置。
5. 前記混合パイプ領域が、湾曲した接続部を介して前記排出ポートに接続する、請求項１に記載のＥＧＲ混合装置。
6. 前記混合パイプ領域が、傾斜した延長部を介して前記排出ポートに接続する、請求項１に記載のＥＧＲ混合装置。
7. 前記混合パイプ領域が、外向きにテーパーになった断面を有する、請求項１に記載のＥＧＲ混合装置。
8. 前記空気吸入ポートと前記排出ポートとの間の領域において前記混合パイプの周りに同軸に配設された排気吸入リングを更に備え、前記排気吸入リングが、前記排気吸入リングを通って延びる複数の半径方向開口部を有する、請求項１に記載のＥＧＲ混合装置。
9. 前記半径方向開口部が、孔、チューブ、又はこれらの組み合わせを備える、請求項８に記載のＥＧＲ混合装置。
10. 排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置であって、
    混合パイプの一端部に配設された吸入ポートを有する前記混合パイプと、
    前記混合パイプの反対側の端部に配置された排出ポートと、
    前記空気吸入ポートと前記排出ポートとの間の領域において前記混合パイプの周りに同軸に配設された排気吸入リングであって、前記排気吸入リングが、前記吸入リングを通って延びる複数の半径方向開口部を有し、前記排気吸入リングが、排気を、前記複数の半径方向開口部を介して前記混合パイプ内で空気と混合されるように供給する、排気吸入リングと、
    前記排気吸入リングと前記排出ポートとの間の前記混合パイプの領域内の内部に配設されたディフューザノズルと、
    を備える、ＥＧＲ装置。
11. 前記ＥＧＲ混合パイプが、前記ディフューザノズルと前記混合パイプ領域との間の空間内に、外側混合チャネルを備える、請求項１０に記載のＥＧＲ混合装置。
12. 前記ディフューザノズルが、前記ディフューザノズルを通って延びる中央混合チャネルを更に形成する、請求項１０に記載のＥＧＲ混合装置。
13. 前記ディフューザノズルが、前記中央混合チャネルへ入る複数の開口部を有する、請求項１２に記載のＥＧＲ混合装置。
14. 前記排出ポートの上流に配設され、空気と排気の混合物を旋回させるように構成されたヘリカルベーンを更に有する、請求項１０に記載のＥＧＲ混合装置。
15. 前記排気吸入リングが、前記排気吸入リングの外側表面から延び、前記複数の半径方向開口部と連通する排気吸入チューブを備え、前記吸入チューブが、排気を受け取り、排気を、前記複数の半径方向開口部に供給し、更に前記混合パイプに供給するように形成された、請求項１０に記載のＥＧＲ混合装置。
16. 前記半径方向開口部が、孔、チューブ、又はこれらの組み合わせを備える、請求項１０に記載のＥＧＲ混合装置。
17. 前記吸入チューブが、前記吸入リングの内側表面を通過して延びる、請求項１６に記載のＥＧＲ混合装置。
18. 各半径方向開口部が、前記排気ガス吸入リングの内側表面に沿って、隣接する半径方向開口部から所定の間隔で配置された、請求項１０に記載のＥＧＲ混合装置。
19. 前記複数の半径方向開口部が、約２ｍｍ〜約１０ｍｍの直径を有する、請求項１０に記載のＥＧＲ混合装置。
20. 排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置であって、
    混合パイプの一端部に配設された空気吸入ポートを有する前記混合パイプと、
    前記混合パイプの反対側の端部に配設された排出ポートと、
    前記空気吸入ポートと前記排出ポートとの間の領域で前記混合パイプの周りに同軸に配設された排気吸入リングと、
    前記排気吸入リングと前記排出ポートとの間の前記混合パイプの領域内に同軸に配設されたディフューザノズルであって、前記ディフューザノズルを同軸で囲む前記混合パイプ領域が、外向きにテーパーになった断面を形成する、ディフューザノズルと、
    を備える、ＥＧＲ装置において、
    前記ＥＧＲ混合パイプが、前記ディフューザノズルと混合パイプ領域との間に配置された外側混合チャネルと、前記ディフューザノズルを通って延びる中央混合チャネルと、を備える、ＥＧＲ装置。
21. 前記排気吸入リングが、前記吸入リングを通って延びる複数の半径方向開口部を備え、前記排気吸入リングが、排気を、前記複数の半径方向開口部を介して前記混合パイプ内で空気と混合されるように供給する、請求項２０に記載のＥＧＲ混合装置。

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