JP2010144561A - 内燃機関の排気ガス還流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気還流ガスの円滑な還流を阻害することなく且つ簡単な構造で、有害な異物が排気ガス還流装置を通り抜けて吸気系に流入することを確実に抑制する。
【解決手段】排気還流ガス内に含まれる異物粒子の通り抜けを抑制する異物通過抑制部５を設け、この異物通過抑制部に、上向き流れで排気還流ガスを流通させる。そして、この異物通過抑制部に、所定粒径以上の異物粒子を重力の作用で最大流量時でも減速させることが可能な所定の最高ガス流速以下となるようにガス流速を低下させるために、上流側及び下流側の排気還流通路より流路断面積が拡大された拡大断面部１７を設け、この拡大断面部を、最高ガス流速に応じた最小流路断面積以上となるように形成し、さらに、最大流量時でも異物粒子を静止させることが可能な所定の最小流れ方向長さ以上に亙って設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気系と吸気系とを連通して、排気系の排気ガスを排気還流ガスとして吸気系に還流する排気還流通路を備え、この排気還流通路に、排気還流ガス内に含まれる異物粒子の通り抜けを抑制する異物通過抑制部が設けられた内燃機関の排気ガス還流装置に関するものである。

内燃機関には、窒素酸化物の低減や燃費の向上などを目的として、排気ガス還流装置が設けられている。この排気ガス還流装置は、排気系と吸気系とを連通して、排気系の排気ガスを排気還流ガスとして吸気系に還流するものであり、排気還流ガス中に大きな異物が混入していると、吸気系に悪影響を及ぼす。

そこで、このような有害な異物が吸気系に流入することを抑制するため、異物の通り抜けを抑制する手段を排気ガス還流装置に設ける技術が知られている（特許文献１〜３参照）。
実開昭６１−１０１６６３号公報 特開２００８−０８８８１７号公報 特開２００８−１５０９５５号公報

しかるに、前記従来の技術では、異物除去装置内で排気還流ガスの流れが曲折するような形状としたり、あるいは目の細かいフィルタを設けた構成としているが、これらの構成では、異物の通り抜けを抑制する上で十分な効果を得るには、流路抵抗が著しく増大し、排気還流ガスを大量に吸気系に還流させる場合などに、排気還流ガスの円滑な還流を阻害するという問題がある。また、異物除去装置内に異物が堆積する構造となっているため、異物を回収する構造が別に必要になるという問題がある。

本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、排気還流ガスの円滑な還流を阻害することなく且つ簡単な構造で、有害な異物が排気ガス還流装置を通り抜けて吸気系に流入することを確実に抑制することができるように構成された内燃機関の排気ガス還流装置を提供することにある。

このような課題を解決するために、本発明による排気ガス還流装置は、請求項１に示すとおり、内燃機関の排気系（３）と吸気系（４）とを連通して、排気系の排気ガスを排気還流ガスとして吸気系に還流する排気還流通路を備え、この排気還流通路に、排気還流ガス内に含まれる異物粒子の通り抜けを抑制する異物通過抑制部（５、３１、４１、５１、６１、７１）が設けられた排気ガス還流装置であって、前記異物通過抑制部に上向き流れで排気還流ガスを流通させると共に、この異物通過抑制部に、所定粒径以上の異物粒子を重力の作用で最大流量時でも減速させることが可能な所定の最高ガス流速以下となるようにガス流速を低下させる流速抑制手段が設けられると共に、この流速抑制手段が、最大流量時でも異物粒子を静止させることが可能な所定の最小流れ方向長さ以上に亙って設けられたものとした。

これによると、流速抑制手段により異物通過抑制部内のガス流速を最高ガス流速以下に抑えることで、異物粒子を減速させることができ、さらに、流速抑制手段を最小流れ方向長さ以上に亙って設けることで、異物粒子を異物通過抑制部内で静止させることができ、これにより、所定粒径以上の異物粒子が排気ガス還流装置を通り抜けて吸気系に流入することを確実に抑制することができる。

この場合、異物粒子は、ガス流れから受ける抵抗力が、重力による減速力より小さくなるときに減速し、異物粒子がガス流れから受ける抵抗力は、ガス流速を低下させることで小さくなる。そこで、ガス流れから受ける抵抗力が重力による減速力より小さくなる状態とすることが可能なガス流速の最大値として最高ガス流速を設定し、異物通過抑制部内のガス流速を最高ガス流速以下に抑える。これにより異物粒子を減速させることができる。

さらに、異物粒子の通り抜けを抑制するには、減速する異物粒子を異物通過抑制部内で静止させる必要があり、これには、異物粒子に生じる負の加速度に応じて、流速抑制手段に突入した際の初速から静止するまでに要する流れ方向長さを流速抑制手段に確保する必要がある。そこで、このような異物粒子を静止させることの可能な最小流れ方向長さを設定し、流速抑制手段を最小流れ方向長さ以上に亙って設ける。これにより異物粒子の通り抜けを抑制することができる。

なお、異物通過抑制部では、異物粒子を減速させる向きに重力が作用すれば良く、排気還流ガスの流向は、鉛直方向に限定されず、鉛直方向に対して傾斜していても良く、この場合、流れ方向の鉛直方向に対する傾斜角度に応じた重力の流れ方向成分が、異物粒子がガス流れから受ける抵抗力より大となることで、異物粒子を減速させることができる。

前記排気ガス還流装置においては、請求項２に示すとおり、前記流速抑制手段が、上流側及び下流側の排気還流通路より流路断面積が拡大された拡大断面部（１７、４２、５２、６２）であり、この拡大断面部が、前記最高ガス流速に応じた最小流路断面積以上となるように形成された構成とすることができる。

これによると、簡易な構造によってガス流速を抑制することができる。

この場合、拡大断面部の最小流路断面積は、最大流量時にガス流速を最高ガス流速以下に抑えるために必要な流路断面積の最小値であり、この最小流路断面積以上となるように拡大断面部を形成することで、ガス流速を最高ガス流速以下に抑えて、最大流量時でも異物粒子を減速させることができる。

前記排気ガス還流装置においては、請求項３に示すとおり、前記流速抑制手段が、複数の流路抵抗体（３３、３４、４３、７３）が配設された流路抵抗部（３２、４２、７２）であり、この流路抵抗部が、前記最高ガス流速に応じた最小流路抵抗係数以上となるように前記流路抵抗体が配設された構成とすることができる。

これによると、流路抵抗体による圧力損失に応じてガス流量が小さくなることでガス流速が低下し、ガス流速を確実に抑制することができる。

この場合、流路抵抗部の最小流路抵抗係数は、最大流量時にガス流速を最高ガス流速以下に抑えるために必要な流路抵抗の最小値に対応するものであり、この最小流路抵抗係数以上となるように流路抵抗体を配置することで、排気還流ガスの流速を最高ガス流速以下に抑え、最大流量時でも異物粒子を減速させることができる。

前記排気ガス還流装置においては、請求項４に示すとおり、前記異物通過抑制部が、ガス流入口（１５）における排気還流ガスの主流ベクトルの延長線上にガス流出口（１６）が位置するように形成された構成とすることができる。

これによると、還流抑制装置内でガス流線が曲折されることがなく、異物通過抑制部による流路損失を低減することができる。

前記排気ガス還流装置においては、請求項５に示すとおり、前記流路抵抗体（７３）が、冷媒が流通可能な冷媒流路（７４）を内部に備え、冷媒との熱交換により排気還流ガスを冷却するようにした構成とすることができる。

これによると、排気還流ガスの冷却装置を別に設ける必要がなく、排気ガス還流装置がガス流れ方向に長くなることを抑制して、排気ガス還流装置の簡素化及び小型化を図ることができる。

前記排気ガス還流装置においては、請求項６に示すとおり、前記異物通過抑制部（６１）が、冷媒が流通可能な冷媒流路（６４）を外周に備え、冷媒との熱交換により排気還流ガスを冷却するようにした構成とすることができる。

これによると、排気還流ガスの冷却装置を別に設ける必要がなく、排気ガス還流装置がガス流れ方向に長くなることを抑制して、排気ガス還流装置の簡素化及び小型化を図ることができる。特に、流速抑制手段としての拡大断面部や流路抵抗部の外周に冷媒流路を形成すると、ここでは排気還流ガスの流速が低下することから、熱交換効率を高めることができる。

前記排気ガス還流装置においては、請求項７に示すとおり、排気浄化装置（１１）の下流側で、排気還流ガスとなる排気ガスが取り出されて前記異物通過抑制部に導入されるようにした構成とすることができる。

このような構成では、排気浄化装置の構成部品の欠損物など、比較的大きな異物粒子が排気還流ガスに混入する可能性があるが、前記のような構成の異物通過抑制部を設けることで、吸気系に支障がある所定粒径以上の異物粒子の通過を確実に抑制することができるため、特に支障はない。

前記排気ガス還流装置においては、請求項８に示すとおり、吸気過給装置（８）のコンプレッサ（１０）の上流側で、前記異物通過抑制部を流通した排気還流ガスが送入されるようにした構成とすることができる。

このような構成では、薄肉状に形成されたコンプレッサのブレードが、排気還流ガス中に混入する異物で損傷を受ける可能性があるが、前記のような構成の異物通過抑制部を設けることで、コンプレッサに損傷を与える所定粒径以上の異物粒子の流入が阻止されるため、コンプレッサの損傷を確実に防ぐことができる。

前記排気ガス還流装置においては、請求項９に示すとおり、前記流路抵抗部が、前記流路抵抗体の配置形態に応じて補正された最小流れ方向長さ以上となるよう形成された構成とすることができる。

これによると、異物粒子が流路抵抗体に衝突することによる減速効果を考慮することで、異物通過抑制部の流れ方向長さを必要以上に確保することを避けて、異物通過抑制部の小型化を図ることができる。

前記排気ガス還流装置においては、請求項１０に示すとおり、前記異物通過抑制部（５１）は、前記拡大断面部（５２）の上流側に、流路断面積が漸増する漸拡部（５３）を有し、この漸拡部内に、複数の整流板（５４）が、互いの間隙幅が下流側に向かって次第に拡開する態様で設けられた構成とすることができる。

これによると、拡大断面部内での流れの分布が均一化されるため、流路損失を低減することができ、また、局所的にガス流速が高くなることで異物粒子が通り抜けることを避けることができるため、異物粒子が吸気系に流入することをより一層確実に抑制することができる。

このように本発明によれば、流速抑制手段により異物通過抑制部内のガス流速を最高ガス流速以下に抑えることで、異物粒子を減速させることができ、さらに、流速抑制手段を最小流れ方向長さ以上に亙って設けることで、異物粒子を異物通過抑制部内で静止させることができ、これにより、所定粒径以上の異物粒子が排気ガス還流装置を通り抜けて吸気系に流入することを確実に抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明による排気ガス還流装置の一例を示す模式図である。この排気ガス還流装置１は、内燃機関（ディーゼルエンジン）に設けられて、内燃機関の排気系３と吸気系４とを連通して、排気系３の排気を排気還流ガスとして吸気系４に還流するものであり、排気還流ガス内に含まれる異物粒子の通り抜けを抑制する異物通過抑制部５と、その上流側及び下流側の管路６・７とで排気還流通路が形成されている。

さらにここでは、吸気過給装置８が設けられており、排気ガス還流装置１は、吸気過給装置８のタービン９の下流側から取り出された排気ガスを排気還流ガスとして、コンプレッサ１０の上流側に送入する、いわゆる低圧ＥＧＲの排気還流通路が形成されている。

排気系３では、吸気過給装置８のタービン９の下流側に排気浄化装置１１が設けられており、この排気浄化装置１１の下流側の分流部から、排気還流ガスとなる排気ガスが取り出されて排気ガス還流装置１の異物通過抑制部５に導入される。排気浄化装置１１は、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）１２と、ディーゼル排気微粒子除去フィルタ（ＤＰＦ）１３とを備える。この排気浄化装置１１は、中心軸線がほぼ鉛直方向となるように配置され、内部を排気ガスが下向きに流通する。

排気浄化装置１１の下流側の排気には、排気浄化装置１１の構成部品の欠損物などが含まれ、排気浄化装置１１の上流に比べて、比較的大きな異物粒子が排気還流ガスに混入する可能性が高く、後述するように異物通過抑制部５を構成することで、吸気系４に支障がある所定粒径以上の異物粒子の通り抜けを確実に抑制することができるため、排気浄化装置１１の下流側から排気還流ガスとなる排気を取り出すようにしても特に支障はない。

また、この排気ガス還流装置１では、吸気過給装置８のコンプレッサ１０の上流側の合流部で、異物通過抑制部５を流通した排気還流ガスが送入されるようになっている。この場合、薄肉状に形成されたコンプレッサ１０のブレードが、排気還流ガス中に混入する異物で損傷を受ける可能性が考えられるが、後述するようにコンプレッサ１０に損傷を与えることのない異物粒子の最大粒径を定め、この粒径以上の異物粒子の通り抜けを阻止することで、コンプレッサ１０の損傷を確実に防ぐことができる。

異物通過抑制部５において、吸気系４にとって有害な所定粒径以上の異物粒子の通り抜けを抑制するには、少なくとも排気還流ガスの最大流量時に、所定粒径以上の異物粒子を異物通過抑制部５内に停留させる、すなわち異物通過抑制部５内で所定粒径以上の異物粒子を減速させ且つ静止させれば良く、この条件が満たされれば、最大流量時でも所定粒径以上の異物粒子が吸気系４に流入することがなく、また、排気還流ガスの流量が最大流量より小さい運転状態では異物粒子が自重で落下するようになる。

なお、異物通過抑制部５内を落下する異物粒子は、ガス流入口１５から上流側の管路６を通って排気系３の管路に流入して排気ガスと共に放出されるために、特に捕集部を設ける必要はない。

異物通過抑制部５は、ガス流入口１５が下側に、ガス流出口１６が上側にそれぞれ配置され、上向き流れで排気還流ガスを流通させるようになっており、重力が異物粒子を減速させる向きに作用する。なお、この異物通過抑制部５では、異物粒子を減速させる向きに重力が作用すれば良く、排気還流ガスの流向は、鉛直方向上向きに限定されず、鉛直方向に対して傾斜していても良い。

図２は、図１に示した異物通過抑制部５内での異物粒子に作用する外力の状況を示す模式図である。異物粒子２１は、排気還流ガスから受ける抵抗力Ｆにより流れに追随して移動しようとし、このガス流れから受ける抵抗力Ｆが、重力による減速力Ｇより小さくなり、異物粒子２１の負の加速度が生じるときに、異物粒子２１は減速する。このため、異物粒子２１を減速させるには、ガス流れから受ける抵抗力Ｆが重力による減速力Ｇより小さくなる状態とすれば良い。

ここで、異物粒子２１がガス流れから受ける抵抗力Ｆはガス流速Ｕ_ＥＧＲと正の相関関係となり、ガス流速Ｕ_ＥＧＲを低くすることでガス流れから受ける抵抗力Ｆを小さくすることができる。そこで、ガス流れから受ける抵抗力Ｆが重力による減速力Ｇと釣り合うときのガス流速を最高ガス流速Ｕ_{ＥＧＲ Ｍａｘ}として定め、異物通過抑制部内のガス流速を最高ガス流速Ｕ_{ＥＧＲ Ｍａｘ}以下に抑えれば、異物粒子２１を減速させることができる。

特にここでは、図１に示したように、異物通過抑制部５内のガス流速Ｕ_ＥＧＲを低下させるために、上流側及び下流側の管路６・７より流路断面積が拡大された拡大断面部（流速抑制手段）１７が設けられており、ガス流速を最高ガス流速Ｕ_{ＥＧＲ Ｍａｘ}以下に抑えるために必要な流路断面積の最小値として最小流路断面積Ａ_ｍｉｎを設定し、この最小流路断面積Ａ_ｍｉｎ以上となるように拡大断面部１７を形成することで、ガス流速を最高ガス流速以下に抑えて異物粒子を減速させることができる。このとき、最小流路断面積Ａ_ｍｉｎを、最大ガス流量時のガス流速に基づいて求めれば、最大ガス流量時でも異物粒子を減速させることが可能となる。

また、図２の例では、異物通過抑制部５を、そのガス流れ方向軸線が鉛直方向に対して角度θだけ傾斜した状態となるように配置しており、この場合、異物粒子２１には、ガス流れ方向軸線と鉛直方向とのなす傾斜角度θ（０°≦θ＜９０°）に応じた重力の流れ方向成分が減速力として作用し、この重力の流れ方向成分Ｇが、異物粒子２１がガス流れから受ける抵抗力Ｆより大となることで、異物粒子２１を減速させることができる。なお、傾斜角度θ＝０°とすれば、ガス流れ方向が鉛直方向となる。

以下に、異物通過抑制部５内で異物粒子２１を重力の作用で減速させることが可能な条件について、数式を用いて説明する。

まず、異物粒子２１がガス流れから受ける抵抗力Ｆ［Ｎ］は、抵抗係数Ｃ_ｄ、投影面積Ａ_ｄ［ｍ^２］、及び排気還流ガスに対する異物粒子２１の相対速度Ｕ［ｍ／ｓ］から、以下の式１で与えられる。

ここで、抵抗係数Ｃｄは、流れの中にある粒子のレイノルズ数Ｒｅ_ｄにより異なり、Ｐｕｔｎａｍの提案する公式である次の式２・式３にしたがって、ガスの密度ρ_Ｇ［ｋｇ／ｍ^３］、粒径（粒子の直径）Ｄ_ｄ［ｍ］、及びガスの粘性係数μ［Ｐａ−ｓ］から求められる。

また、ガス流速Ｕ_ＥＧＲ［ｍ／ｓ］は、次の式４にしたがって、ガス流量Ｇ_ＥＧＲ［ｋｇ／ｓ］、一般ガス定数Ｒ［Ｊ／ｋｇ−Ｋ］、ガス温度Ｔ［Ｋ］、ガス圧力Ｐ［Ｐａ］、及び拡大断面部１７の流路断面積Ａ［ｍ^２］から求められる。

一方、異物粒子２１が受ける重力の流れ方向成分Ｇ［Ｎ］は、粒子密度ρ_ｄ［ｋｇ／ｍ^３］、粒子体積Ｖ_ｄ［ｍ^３］、及び重力加速度ｇ［ｍ／ｓ^２］、流れ方向の鉛直方向に対する傾斜角度θから、次の式５で与えられる。

ここで、Ｇ＞Ｆ、すなわち重力の流れ方向成分Ｇが、ガス流れから受ける抵抗力Ｆより大であれば、両者の合力が下向きとなるので、負の加速度が異物粒子２１に生じ、異物粒子２１は減速する。この関係は、式１と式５とから次の式６のように表される。

また、計算の簡略化のため異物粒子２１を球体と仮定した場合、投影面積Ａ_ｄは、異物粒子２１の粒径Ｄ_ｄより次の式７で与えられる。

また、粒子体積Ｖ_ｄは、異物粒子２１の粒径Ｄ_ｄより次の式８で与えられる。

このようにして異物通過抑制部内で異物粒子を重力の作用で減速させる条件、すなわち重力の流れ方向成分が、異物粒子が排気還流ガスから受ける抵抗力より大となる条件を満たすガス流速Ｕ_ＥＧＲの上限値である最高ガス流速Ｕ_{ＥＧＲ Ｍａｘ}を、異物粒子の粒径Ｄ_ｄ、及び流れ方向の鉛直方向に対する傾斜角度θに応じて求めることができる。

図３は、図１に示した異物通過抑制部５内で異物粒子を重力の作用で減速させることの可能な条件を示している。図３（Ａ）は、異物粒子を重力の作用で減速させることの可能な、粒径Ｄ_ｄ［μｍ］とガス流速Ｕ_ＥＧＲ［ｍ／ｓ］との関係を示し、前記の関係式を元にして求められる。なお、ここでは、ガス流れ方向の鉛直方向に対する傾斜角度θ＝０、すなわちガス流れ方向を鉛直方向としている。

この図３（Ａ）では、ガス流速Ｕ_ＥＧＲが最高ガス流速ラインより小さくなるＯＫ領域で、重力の作用による異物粒子の減速が可能となり、この異物粒子の減速が可能な上限となる最高ガス流速Ｕ_{ＥＧＲ Ｍａｘ}は、異物粒子の粒径Ｄ_ｄが大きくなるのに応じて増大する。例えば、吸気系に支障のない粒径の上限値Ｄ_{ｄ Ｍａｘ}＝２００［μｍ］として、この粒径Ｄ_{ｄ Ｍａｘ}以上の異物粒子の通過を抑制するには、ガス流速を最高ガス流速Ｕ_{ＥＧＲ Ｍａｘ}＝０．３８［ｍ／ｓ］以下に設定すれば良い。

図３（Ｂ）は、異物粒子を重力の作用で減速させることの可能な、異物粒子の粒径Ｄ_ｄと、拡大断面部１７の流路断面積Ａとの関係を示し、図３（Ａ）に示した最高ガス流速Ｕ_{ＥＧＲ Ｍａｘ}による最高ガス流速ラインに基づいて、拡大断面部１７の流路断面積Ａとガス流速Ｕ_ＥＧＲとの関係を示す式４を用いて求められる。

この図３（Ｂ）では、拡大断面部１７の流路断面積Ａが最小流路断面積ラインより大きくなるＯＫ領域で、重力の作用による異物粒子の減速が可能となり、この異物粒子の減速が可能な下限となる最小流路断面積Ａ_ｍｉｎは、異物粒子の粒径Ｄ_ｄが大きくなるのに応じて小さくなる。例えば、粒径Ｄ_{ｄ Ｍａｘ}＝２００［μｍ］以上の異物粒子の通過を抑制するには、拡大断面部１７を最小流路断面積Ａ_ｍｉｎ＝０．０３［ｍ^２］以上に設定すれば良い。このとき、最小流路断面積Ａ_ｍｉｎを、最大ガス流量時のガス流速に基づいて求めれば、最大ガス流量時でも異物粒子を減速させることが可能となる。

図４は、図１に示した異物通過抑制部５内で異物粒子が減速して静止するまでの状況を示している。これは、図２に示したように、ガス流れから受ける抵抗力Ｆと重力による減速力Ｇとの合力が負になるよう設定した場合であり、このような場合、異物粒子は、負の合力の大きさに応じて定まる負の加速度に応じて、速度ｖが次第に低下して０となる、すなわち静止し、この静止するまでに要するガス流れ方向長さを異物通過抑制部５に確保することで、異物粒子を異物通過抑制部５内で静止させて、異物粒子の通り抜けを抑制することができる。

異物粒子が静止するまでに要するガス流れ方向長さＬは、異物粒子に生じる負の加速度と、ガス流入口から突入した際の異物粒子の流入初速ｖ０に応じて定まり、この異物粒子に生じる負の加速度と異物粒子の流入初速ｖ０とに基づいて、異物粒子を静止させることの可能な流れ方向長さの最小値を最小流れ方向長さＬ_ｍｉｎとして設定し、この最小流れ方向長さＬ_ｍｉｎ以上となるように拡大断面部１７を形成することで、異物粒子を静止させることができる。このとき、最小流れ方向長さＬ_ｍｉｎを、最大ガス流量時の異物粒子の流入初速、すなわち最高流入初速ｖ０_Ｍａｘに基づいて求めれば、最大ガス流量時でも異物粒子を静止させることが可能となり、異物粒子の通り抜けを確実に抑制することができる。

以上のように、拡大断面部１７によりガス流速を最高ガス流速以下に抑えることで、異物粒子を減速させることができ、さらに、拡大断面部１７を最小流れ方向長さ以上に亙って設けることで、異物粒子を拡大断面部１７内で静止させることができ、これにより、所定粒径以上の異物粒子が異物通過抑制部５を通り抜けて吸気系に流入することを確実に抑制することができる。

また、図１に示したように、異物通過抑制部５は、ガス流入口１５における排気還流ガスの主流ベクトルの延長線上にガス流出口１６が位置するように形成されている。これにより、異物通過抑制部５内でガス流線が曲折されることがなく、異物通過抑制部５による流路損失を低減することができる。

図５は、本発明による排気ガス還流装置の別の例を示す模式図である。図６は、図５に示した流路抵抗部を詳しく示す模式図である。ここでは、異物通過抑制部３１に、排気還流ガスの流速を低下させる流路抵抗部（流速抑制手段）３２が設けられている。この異物通過抑制部３１は、図１の例での異物通過抑制部５のように、上流側及び下流側の管路６・７より流路断面積が拡大された構成とはなっておらず、流路抵抗部３２は、図６に示すように、複数の流路抵抗体（フィン）３３・３４からなる流路抵抗体群を内部に備えている。

図６（Ａ）に示す例では、流路抵抗体３３が、ガス流れ方向に沿う向きに配置されている。図６（Ｂ）に示す例は、流路抵抗体３４が、ガス流れ方向に直交する向きに配置されている。また、各例での流路抵抗体３３・３４は、互い違いに千鳥状に配置されている。

図６（Ａ）の構成では、流量特性が良いが、異物粒子を減速する効果は低くなる。図６（Ｂ）の構成では、異物粒子を減速する効果が高くなるが、流量特性は低下する。このように流路抵抗体３３・３４は、異物粒子を減速する効果を高める上では、ガス流れを遮るように設定するほうが良いが、同時に流量特性も悪化してしまうため、異物粒子の減速効果と流量特性との双方を考慮して、流路抵抗体３３・３４の配置数や寸法、流路抵抗部３２の流れ方向長さを決定すると良い。

流路抵抗部３２では、流路抵抗体３３・３４による圧力損失に応じてガス流量が小さくなることでガス流速Ｕ_ＥＧＲが低下し、このガス流速Ｕ_ＥＧＲの低下量は、流路抵抗係数Ｋｒと正の相関関係にあり、流路抵抗係数Ｋｒは、流路抵抗体群の構成、すなわち流路抵抗体３３・３４の配置形態に応じて定まる。そこで、ガス流速を最高ガス流速Ｕ_{ＥＧＲ Ｍａｘ}以下に抑えるために必要な流路抵抗の最小値に対応する最小流路抵抗係数Ｋｒ_ｍｉｎを設定し、この最小流路抵抗係数Ｋｒ_ｍｉｎ以上となるように流路抵抗体３３・３４を配置することで、ガス流速を最高ガス流速以下に抑えて異物粒子を減速させることができる。このとき、最小流路抵抗係数Ｋｒ_ｍｉｎを、最大ガス流量時のガス流速に基づいて求めれば、最大ガス流量時でも異物粒子を減速させることが可能となる。

また、前記の例と同様に、最大流量時でも異物粒子を流路抵抗部３２内で静止させるために、流路抵抗部３２に流入する異物粒子の最高流入初速ｖ０_Ｍａｘと、流れ方向の鉛直方向に対する傾斜角度θとに基づいて、前記の例と同様にして、最小流れ方向長さＬ_ｍｉｎを決定し、流路抵抗部３２を最小流れ方向長さＬ_ｍｉｎ以上に亙って形成する。

このとき、特に流路抵抗部３２では、異物粒子が流路抵抗体３３・３４との衝突によって減速することから、図４に示したように、流路抵抗体３３・３４がない場合に比較して、流れ方向長さを短くすることができ、流路抵抗体３３・３４との衝突による減速特性は、流路抵抗体３３・３４の配置形態に応じて異なる。そこで、ガス流速により規定される最小流れ方向長さＬ_ｍｉｎを、流路抵抗体３３・３４の配置形態に応じて補正する、例えば、最小流れ方向長さＬ_ｍｉｎに補正係数Ｋｃ（Ｋｃ≦１）を乗じる補正を行い、これにより得られた最小流れ方向長さＬ_ｍｉｎ以上となるように、流路抵抗部３２を形成する。

このように流路抵抗体３３・３４による減速効果を考慮することで、異物通過抑制部３１の流れ方向長さを必要以上に確保することを避けて、異物通過抑制部３１の小型化を図ることができる。

図７は、本発明による排気ガス還流装置の別の例を示す要部模式図である。ここでは、異物通過抑制部４１が、拡大断面部兼流路抵抗部４２を有し、この拡大断面部兼流路抵抗部４２では、図１の例と同様に、上流側及び下流側の管路６・７より流路断面積が拡大され、さらに、図６の例と同様に、内部に流路抵抗体４３が配設されている。

このようにすると、拡大断面部４２と流路抵抗体４３との相乗効果により、ガス流速を大幅に抑制することができ、これより異物通過抑制部４１の長さを短くして小型化を図ることができる。

図８は、本発明による排気ガス還流装置の別の例を示す要部模式図である。ここでは、異物通過抑制部５１における拡大断面部５２の上流側に、流路断面積が漸増する漸拡部５３が設けられており、この漸拡部５３内には、複数の整流板（ガスガイド）５４が、互いの間隙幅が下流側に向かって次第に拡開する態様で設けられている。この整流板５４は、円形断面をなし、下流側に向かって径が漸増する筒状に形成されており、複数の整流板５４が同心円状に配置されている。

このようにすると、ガス流入口５５から流入した排気還流ガスが、漸拡部５３を経て拡大断面部５２に至る間に、整流板５４により径方向外側に誘導され、これにより拡大断面部５２内での排気還流ガスの流れの分布が均一化されるため、流路損失を低減することができ、また、局所的にガス流速が高くなることで異物粒子が通り抜けることを避けることができるため、異物粒子が吸気系に流入することを確実に抑制することができる。

図９は、本発明による排気ガス還流装置の別の例を示す要部模式図である。これらの例は、ＥＧＲセパレータとしての異物通過抑制部６１・７１がＥＧＲクーラを兼用する構成となっている。

図９（Ａ）に示す例では、異物通過抑制部６１の拡大断面部６２を筒状に外囲するように、冷却水（冷媒）が流通可能な冷媒流路６４を画成するジャケット６３が設けられており、拡大断面部６２の内部を流通する排気還流ガスを冷却水との熱交換により冷却するようになっている。なお、図示するような拡大断面部を有するものの他、図５・図６の例と同様に、拡大断面部を有しない異物通過抑制部の外周に冷媒流路を形成するジャケットを設けることも可能である。

図９（Ｂ）に示す例では、異物通過抑制部７１の流路抵抗部７２に配設された流路抵抗体７３が、中空に形成されて、その空洞が冷却水（冷媒）が流通可能な冷媒流路７４となっており、流路抵抗体７３の外側を流通する排気還流ガスを冷却水との熱交換により冷却するようになっている。なお、このような構成は、図６の例のように拡大断面部を有しないものや、図７の例のように拡大断面部を有するもののいずれに適用することも可能である。

このようにすると、排気還流ガスの冷却装置を別に設ける必要がなく、排気ガス還流装置がガス流れ方向に長くなることを抑制して、排気ガス還流装置の簡素化及び小型化を図ることができる。さらに、流速抑制手段としての拡大断面部や流路抵抗部では、排気還流ガスの流速が低下することから、ここで排気還流ガスを冷却するようにすると、熱交換効率を高めることができる。

なお、前記の例では、吸気過給装置を、排気圧力により駆動する、いわゆる排気ターボ過給機としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、機械式過給機や電動過給機であっても良い。

本発明による排気ガス還流装置の一例を示す模式図である。 図１に示した異物通過抑制部内での異物粒子に作用する外力の状況を示す模式図である。 図１に示した異物通過抑制部内で異物粒子を重力の作用で減速させることの可能な条件を示す図である。 図１に示した異物通過抑制部内で異物粒子が減速して静止するまでの状況を示す図である。 本発明による排気ガス還流装置の別の例を示す模式図である。 図５に示した流路抵抗部を詳しく示す模式図である。 本発明による排気ガス還流装置の別の例を示す要部模式図である。 本発明による排気ガス還流装置の別の例を示す要部模式図である。 本発明による排気ガス還流装置の別の例を示す要部模式図である。

符号の説明

１ 排気ガス還流装置
３ 排気系
４ 吸気系
５、３１、４１、５１、６１、７１ 異物通過抑制部
６・７ 管路
８ 吸気過給装置、９ タービン、１０ コンプレッサ
１１ 排気浄化装置
１５ ガス流入口、１６ ガス流出口
１７、５２、６２ 拡大断面部
２１ 異物粒子
３２、７２ 流路抵抗部
４２ 拡大断面部兼流路抵抗部
３３、３４、４３、７３ 流路抵抗体
５３ 漸拡部
５４ 整流板
５５ ガス流入口
６３ ジャケット
６４、７４ 冷媒流路

Claims (10)

1. 内燃機関の排気系と吸気系とを連通して、排気系の排気ガスを排気還流ガスとして吸気系に還流する排気還流通路を備え、この排気還流通路に、排気還流ガス内に含まれる異物粒子の通り抜けを抑制する異物通過抑制部が設けられた排気ガス還流装置であって、
   前記異物通過抑制部に上向き流れで排気還流ガスを流通させると共に、この異物通過抑制部に、所定粒径以上の異物粒子を重力の作用で最大流量時でも減速させることが可能な所定の最高ガス流速以下となるようにガス流速を低下させる流速抑制手段が設けられると共に、この流速抑制手段が、最大流量時でも異物粒子を静止させることが可能な所定の最小流れ方向長さ以上に亙って設けられたことを特徴とする排気ガス還流装置。
2. 前記流速抑制手段が、上流側及び下流側の排気還流通路より流路断面積が拡大された拡大断面部であり、この拡大断面部が、前記最高ガス流速に応じた最小流路断面積以上となるように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の排気ガス還流装置。
3. 前記流速抑制手段が、複数の流路抵抗体が配設された流路抵抗部であり、この流路抵抗部が、前記最高ガス流速に応じた最小流路抵抗係数以上となるように前記流路抵抗体が配設されたことを特徴とする請求項１若しくは請求項２に記載の排気ガス還流装置。
4. 前記異物通過抑制部が、ガス流入口における排気還流ガスの主流ベクトルの延長線上にガス流出口が位置するように形成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の排気ガス還流装置。
5. 前記流路抵抗体が、冷媒が流通可能な冷媒流路を内部に備え、冷媒との熱交換により排気還流ガスを冷却するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の排気ガス還流装置。
6. 前記異物通過抑制部が、冷媒が流通可能な冷媒流路を外周に備え、冷媒との熱交換により排気還流ガスを冷却するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の排気ガス還流装置。
7. 排気浄化装置の下流側で、排気還流ガスとなる排気ガスが取り出されて前記異物通過抑制部に導入されるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の排気ガス還流装置。
8. 吸気過給装置のコンプレッサの上流側で、前記異物通過抑制部を流通した排気還流ガスが送入されるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の排気ガス還流装置。
9. 前記流路抵抗部が、前記流路抵抗体の配置形態に応じて補正された最小流れ方向長さ以上となるよう形成されたことを特徴とする請求項３に記載の排気ガス還流装置。
10. 前記異物通過抑制部は、前記拡大断面部の上流側に、流路断面積が漸増する漸拡部を有し、この漸拡部内に、複数の整流板が、互いの間隙幅が下流側に向かって次第に拡開する態様で設けられたことを特徴とする請求項２に記載の排気ガス還流装置。

Images