JP2010168987A - 内燃機関のｅｇｒ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長いＥＧＲパイプを用いた場合に生じ得る各種問題が発生しない、ＥＧＲガスの温度調整が可能な内燃機関のＥＧＲ制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関のＥＧＲ制御装置を、シリンダヘッドカバー２５下の空間内を通るＥＧＲマニホールド２１と、当該ＥＧＲマニホールド２１内のＥＧＲガスを偏流させることにより、当該ＥＧＲガスの温度を調節するための構成（ＥＧＲ弁２２及び制御装置３０）とを備えた装置として構成しておく。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のＥＧＲ制御装置に関する。

エンジンに取り付けられているＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）通路は、通常、
エンジンの排気マニホールド・吸気マニホールド間を接続（連通）する比較的に長いパイプとなっているが、パイプを使用せずにＥＧＲガスを還流することも提案されている。

具体的には、シリンダヘッドに、その排気ポートより上方へ開口する通路と、その吸気ポートより上方へ開口する通路とを設けると共に、両通路を連通するＥＧＲ通路をシリンダヘッドカバーの壁面内に形成すること（例えば、特許文献１参照）が提案されている。

特開２００８−１１１３７４号公報 実開平２−４０９６１号公報 特開平０７−０４２６３０号公報 特開平０７−０４２６２７号公報 特開平０９−０６８１１０号公報

上記構成を採用しておけば、ＥＧＲパイプを用いた場合に生じ得る幾つかの問題（振動や熱歪等によるパイプの破損等）の発生を防止出来ることになる。また、上記構成を採用した上で、シリンダヘッドに設けた各通路の周囲にウォータージャケットを形成しておけば、ＥＧＲガスを冷却できることにもなる。

しかしながら、ウォータージャケット内を流れる冷却水の温度を変える訳にはいかないので、上記構成を採用した場合、ＥＧＲガスの温度を、実際上、調整できないことになる。

そこで、本発明の課題は、長いＥＧＲパイプを用いた場合に生じ得る各種問題が発生しないＥＧＲ制御装置であって、ＥＧＲガスの温度調整が可能な内燃機関のＥＧＲ制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の内燃機関のＥＧＲ制御装置は、内燃機関の排気系からＥＧＲガスを取り出して前記内燃機関の吸気系に戻すための、前記内燃機関のシリンダヘッドカバー下の空間内を通るＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路内を流れるＥＧＲガスを偏流させる機能を有する偏流手段とを、備える。

すなわち、本発明の“内燃機関のＥＧＲ制御装置”（以下、単に、ＥＧＲ制御装置とも表記する）は、ブローバイガスによりその内部が暖められているシリンダヘッドカバー（以下、ヘッドカバーとも表記する）下の空間内を通るＥＧＲ通路を備えている。そのようなＥＧＲ通路は、通常、用いられているＥＧＲ通路よりも短く、その内部を流れるＥＧＲガスが冷却されにくいものとなる。従って、本発明のＥＧＲ制御装置は、基本的には、排気／吸気マニホールド間をその周囲が外気と接触している長いＥＧＲ通路（パイプ）で接
続する通常のＥＧＲ装置よりも、高温のＥＧＲガスを圧損が少ない形で吸気系に戻せる装置であることになる。

また、ヘッドカバー外面は外気と接触しているので、ヘッドカバー下の空間内には温度分布があり、その結果として、本発明に係るＥＧＲ通路にも温度が高い部分と温度が低い部分とが存在している。そのため、ＥＧＲ通路内に流れるＥＧＲガスを偏流させれば（ＥＧＲ通路の或る部分を流れるＥＧＲガスの流量（流速）が多くなるようにすれば）、ＥＧＲガスの温度を、それまでのＥＧＲガス（偏流させていなかった／他方向に偏流させていたＥＧＲガス）の温度よりも高く又は低くすることが出来ることになる。そして、本発明のＥＧＲ制御装置は、『前記ＥＧＲ通路内を流れるＥＧＲガスを偏流させる機能を有する偏流手段』を備えている。従って、本発明のＥＧＲ制御装置は、内燃機関の吸気系に戻すＥＧＲガスの温度を調節できる装置ともなっていることになる。

なお、本発明のＥＧＲ制御装置の偏流手段は、ＥＧＲ通路内のＥＧＲガスの状態を、少なくとも、偏流した状態を含む２状態に制御できるもの（“前記ＥＧＲ通路内を流れるＥＧＲガスを偏流させる機能を有する”もの）でありさえすれば良い。従って、偏流手段としては、『ＥＧＲ通路内を流れるＥＧＲガスを偏流させることと当該ＥＧＲガスを偏流させないことが可能な手段』（ＥＧＲ通路内を流れるＥＧＲガスを偏流させること、及び、当該ＥＧＲガスを偏流させないことのみが可能な手段、又は、そのようなことに加え、他のことも可能な手段）、『ＥＧＲ通路内を流れるＥＧＲガスを偏流させることと、当該ＥＧＲガスを他方向に偏流させることが可能な手段』、『ＥＧＲ通路内を流れるＥＧＲガスを偏流させることと、当該ＥＧＲガスの偏流の程度を変更することが可能な手段』等を採用することが出来る。また、偏流手段として、偏流の程度や方向を連続的に変更できるものを採用しておくことも出来る。

さらに、偏流手段は、ＥＧＲ弁としての機能（ＥＧＲガスの流量調節機能）を有するものであっても、ＥＧＲ弁としての機能を有さないものであっても良い。例えば、偏流手段として、『前記ＥＧＲ配管の途中に設けられたバタフライ弁の傾きを変更することにより、前記ＥＧＲ配管内に流れるＥＧＲガスを偏流させる手段』を採用し、当該バタフライ弁でＥＧＲガス量の調節も行ってしまうことが出来る。

ただし、偏流手段は、ＥＧＲガスの温度を大きく調節できるものであることが望まれる。そして、ＥＧＲ通路内の前記シリンダヘッドカバー内面に近い側の部分と、その反対側の部分の温度差が、通常、最も大きい。このため、偏流手段としては、『前記ＥＧＲ通路内の前記シリンダヘッドカバー内面に近い側の部分にＥＧＲガスを偏流させることと、前記ＥＧＲ通路内の当該部分とは反対側の部分にＥＧＲガスを偏流させることが可能な手段』を採用しておくことが望ましい。

また、通常、ＥＧＲ通路の前者の部分の方が後者の部分よりも温度が低いので、上記偏流手段としては、『ＥＧＲガスを冷却すべき場合に、前記ＥＧＲ通路内の前記シリンダヘッドカバー内面に近い側の部分にＥＧＲガスを偏流させる手段』を採用しておくことが出来る。

本発明によれば、長いＥＧＲパイプを用いた場合に生じ得る各種問題が発生しないＥＧＲ制御装置であって、ＥＧＲガスの温度調整が可能なＥＧＲ制御装置を提供できる。

本発明の第１実施形態に係るＥＧＲ制御装置を備えた内燃機関システムの構成図である。 第１実施形態に係るＥＧＲ制御装置のＥＧＲマニホールドの導入部の形状を説明するための図である。 第１実施形態に係るＥＧＲ制御装置のＥＧＲマニホールドの、ヘリカルポート側の形状を説明するための図である。 第１実施形態に係るＥＧＲ制御装置の、低負荷時におけるＥＧＲ弁の姿勢の説明図である。 第１実施形態に係るＥＧＲ制御装置の、高負荷時におけるＥＧＲ弁の姿勢の説明図である。 本発明の第２実施形態に係るＥＧＲ制御装置を備えた内燃機関システムの構成図である。

以下、本発明を実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

《第１実施形態》
図１に、本発明の第１実施形態に係るＥＧＲ制御装置を備えた内燃機関システムの構成を示す。なお、この図１におけるＥＧＲマニホールド２１、ＥＧＲ弁２２及び制御装置３０（ＥＧＲ弁２２の開度制御を行う部分）からなる装置が、本実施形態に係るＥＧＲ制御装置であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示してある内燃機関システムのＡ−Ａ断面図である。

図から明らかなように、本発明の第１実施形態に係るＥＧＲ制御装置は、４つのシリンダ１１を有し、２つの吸気弁及び２つの排気弁がシリンダ１１毎に設けられている内燃機関１０用の装置である。

内燃機関１０のシリンダヘッド１０ａには、シリンダ１１毎に、２つの吸気ポート（タンジェンシャルポート及びヘリカルポート）と２つの排気ポート（図示略）が設けられている。シリンダヘッド１０ａには、各吸気ポートと吸気通路１４とを接続（連通）するための吸気マニホールド１２、及び、各排気ポートと排気通路１８とを接続するための排気マニホールド１３が接続されている。

シリンダヘッド１０ａの上部（図１（ｂ）における左側）には、インジェクタ（図示略）、カムシャフト等が取り付けられている。また、シリンダヘッド１０ａの上部にはカムシャフト等を覆う形状のシリンダヘッドカバー２５が取り付けられている。なお、内燃機関１０は、一般的な内燃機関と同様に、ブローバイガスが、このシリンダヘッドカバー２５下の空間内を経由する形でシリンダ１１内に戻されるものとなっている。

吸気通路１４の端（最上流側）には、空気（吸気）から、塵や埃等を除去するためのエアクリーナ１５が設けられている。吸気通路１４の途中には、吸気を圧縮するためのコンプレッサハウジング１６ａ（ターボチャージャ１６の構成要素）と、コンプレッサハウジング１６ａにより圧縮された吸気を冷却するためのインタークーラ１７とが、設けられている。

排気通路１８の途中には、コンプレッサハウジング１６ａの駆動源であるタービンハウジング１６ｂ（ターボチャージャ１６の構成要素）が設けられている。また、排気通路１８の、タービンハウジング１６ｂよりも下流の部分には、排気を浄化するための排気浄化装置１９が設けられている。

ＥＧＲ制御装置の構成要素であるＥＧＲマニホールド２１は、内燃機関１０の排気系からＥＧＲガスを取り出して内燃機関１０の吸気系に戻すための配管である。このＥＧＲマ
ニホールド２１は、図示してあるように、排気マニホールド１３と各ヘリカルポートとを連通する、その大部分がシリンダヘッドカバー２５下の空間内に配置された配管となっている。

ＥＧＲマニホールド２１の、排気マニホールド１３と接続される側の部分２１ａ（以下、導入部２１ａと表記する）には、扁平管（角を丸めた長方形状の断面形状を有する管）が使用されている。そして、導入部２１ａには、導入部２１ａの内部形状とほぼ同形状の弁体を有するバタフライ弁がＥＧＲ弁２２として配置されている。

導入部２１ａの下流側（シリンダヘッドカバー２５下の空間内に収容される部分）は、その断面形状が図２（ｂ）に示したようなものとなるように加工されている。なお、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。

すなわち、導入部２１ａの下流側は、下側（シリンダヘッド１０ａと対向する側）の管壁の中央部が高くなるように、かつ、下側の管壁の両端（隅）部分の曲率半径（図２（ｂ）における左下隅、右下隅の曲率半径）が小さくなるように、加工されている。

なお、導入部２１ａの下流側の断面形状を上記形状としているのは、導入部２１ａの下流側の断面形状を上記形状としておけば、各シリンダ１１へのＥＧＲガス供給量を等しくする（大きく異ならないようにする）ことが可能である共に、ＥＧＲガス中のすすがＥＧＲマニホールド２１（導入部２１ａ）内に堆積することを防止できるようになるからである。

具体的には、導入部２１ａの下流側を加工しておかなかった場合、内燃機関１０の中央部分に位置している２つのシリンダ１１へのＥＧＲガス供給量が、両サイドのシリンダ１１へのそれよりも多くなってしまう。一方、導入部２１ａの下側の管壁の中央部を高くしておいた場合（中央部の上下の管壁間隔を他の部分の管壁間隔よりも狭くしておいた場合）には、導入部２１ａの両サイド部分におけるＥＧＲガスの流速（流量）が、導入部２１ａの中央部分のそれよりも高くなる結果として、両サイドのシリンダ１１へより多くのＥＧＲガスが供給されるようにすること（各シリンダ１１へのＥＧＲガス供給量を等しくすること）が出来る。

また、下側管壁の中央部が高くなるように（下側管壁が傾斜するように）、導入部２１ａを加工しておけば、ＥＧＲガス中の水やオイルが凝縮した場合、凝縮した水等が、液滴として下側管壁に留まらず、下側管壁の傾斜／勾配により、すすを取り込みつつ下側管壁の隅に向かって流れることになる。さらに、下側管壁の両端部分の曲率半径が小さくなるようにも導入部２１ａを加工しておけば、すすを取り込んだ水等が、特定の部分（曲率半径の小さい部分）に集まることになる。そして、集まっている水等の方が、液滴として存在している水等よりも流れやすい（ＥＧＲガスと共にシリンダ１１へ吸入されやすい）ので、導入部２１ａの下流側の断面形状を上記形状としておけば、ＥＧＲガス中のすすがＥＧＲマニホールド２１内に堆積することも防止できることになるのである。

また、図３に模式的に示してあるように、ＥＧＲマニホールド２１の各ヘリカルポートとの接続部分は、各ヘリカルポートの螺旋部に接線状に接続できる形状（曲げられた形状）を有している。すなわち、ＥＧＲマニホールド２１の各ヘリカルポートとの接続部分は、各ヘリカルポートの螺旋部でのスワール生成を促進できる形状を有している。

なお、各ヘリカルポートとの接続部分を上記形状のものとしたため、ＥＧＲマニホールド２１（図１（ａ）参照）の、最も右側のシリンダ１１にＥＧＲガスを供給するための経路上には、ＥＧＲガスの流れ方向が鋭角的に変わる箇所（矢印４０で示してある、ＥＧＲ
ガスの流れにくい箇所）が存在している。このため、ＥＧＲマニホールド２１は、導入部２１ａから当該箇所に至る部分の断面積を、導入部２１ａから矢印４１で示してある箇所に至る部分の断面積よりも大きくすることにより、最も右側のシリンダ１１へのＥＧＲガスの供給量が低減しないようにしたものともなっている。

制御装置３０は、各部を統合的に制御することにより内燃機関システム（内燃機関１０）を動作させる装置である。この制御装置３０は、既存のＥＣＵ（electronic control unit）を、ＥＧＲ弁２２に対して特殊な制御を行うように、ソフトウェア的に改良したも
の（プログラミングし直したもの）となっている。このため、以下では、制御装置３０の具体的なハードウェア構成の説明は省略し、制御装置３０のＥＧＲ弁２２に対する制御内容のみを説明することにする。

制御装置３０は、一般的なＥＣＵと同様に、内燃機関１０の現運転状態（機関回転数及び負荷）からマップを利用して現運転状態に適したＥＧＲ弁２２の開度を決定し、決定した開度となるようにＥＧＲ弁２２を制御する処理を周期的に行う装置である。

ただし、制御装置３０は、負荷が高くない場合（負荷が基準値未満である場合）には、図４に示してある方向にＥＧＲ弁２２を傾け、負荷が高い場合には、図５に示してある方向にＥＧＲ弁２２を傾ける装置となっている。

すなわち、制御装置３０は、負荷が高くない場合（図４）には、ＥＧＲガスをＥＧＲマニホールド２１の下側壁面側に偏流させ、負荷が高い場合（図５）には、ＥＧＲガスをＥＧＲマニホールド２１の上側壁面側に偏流させる装置となっている。

要するに、シリンダヘッドカバー２５（以下、ヘッドカバー２５とも表記する）下の空間内は、ブローバイガスにより暖められている。そして、ＥＧＲマニホールド２１の大部分は、当該空間内に収容されているので、本実施形態に係るＥＧＲ制御装置（ＥＧＲマニホールド２１、ＥＧＲ弁２２、制御装置３０）は、基本的には、ＥＧＲガスを冷やすことなく吸気系に戻せる装置であることになる。

ただし、高負荷時には、ＮＯｘの排出量を低減するため（燃焼温度を低くするため）に、ＥＧＲガスを冷却した方が良い。このため、本実施形態に係るＥＧＲ制御装置を、負荷が高い場合（図５）には、ＥＧＲガスをＥＧＲマニホールド２１の上側壁面側に偏流させる装置として構成してあるのである。

より具体的には、ヘッドカバー２５外面は空気と接触しているので、ヘッドカバー２５下の空間内の上側の部分の温度は、下側の部分の温度よりも低くなっている。そのため、ＥＧＲマニホールド２１の上側壁面の温度も、ＥＧＲマニホールド２１の下側壁面の温度よりも低くなっている。

従って、ＥＧＲガスをＥＧＲマニホールド２１の上側壁面方向へ偏流させれば（ＥＧＲマニホールド２１の上側壁面に沿って流れるＥＧＲガスの流量（流速）が多くなるようにすれば）、ＥＧＲガスを或る程度冷却できることになる。また、逆に、ＥＧＲガスをＥＧＲマニホールド２１の下側壁面方向へ偏流させれば、ＥＧＲガスをより冷却されにくくすることできることになる。

そして、高負荷時には、ＮＯｘの排出量を低減するために、ＥＧＲガスを冷却することが望ましい。また、低負荷時には、ＥＧＲガスの温度を上げた方が、ＨＣの排出量が少なくなる。このため、本実施形態に係るＥＧＲ制御装置を、負荷が高くない場合には、ＥＧＲガスをＥＧＲマニホールド２１の下側壁面方向へ偏流させ、負荷が高い場合には、ＥＧ
ＲガスをＥＧＲマニホールド２１の上側壁面方向へ偏流させる装置として構成しているのである。

また、本実施形態に係るＥＧＲ制御装置は、ＥＧＲ通路として、一般的なＥＧＲ通路よりも圧損が少ないもの（ＥＧＲマニホールド２１）が用いられた装置となっている。従って、このＥＧＲ制御装置は、吸気絞り等により吸気マニホールド１２と排気マニホールド１３との間に大きな差圧を作り出さなくても、ＥＧＲガス量を増やせる装置（ポンプ損を増やさずにＥＧＲガス量を増やせるが故に、内燃機関１０を燃費が良い状態で動作させることが可能な装置）となっていることにもなる。

《第２実施形態》
図６に、本発明の第２実施形態に係るＥＧＲ制御装置を備えた内燃機関システムの構成を示す。なお、この図２におけるＥＧＲマニホールド２１′、偏流弁２３、ＥＧＲ弁２４及び制御装置３０′（偏流弁２３、ＥＧＲ弁２４の開度制御を行う部分）からなる装置が、第２実施形態に係るＥＧＲ制御装置である。また、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示してある内燃機関システムのＡ−Ａ断面図である。

図から明らかなように、第２実施形態に係るＥＧＲ制御装置は、ＥＧＲマニホールド２１と本質的には同形状のＥＧＲマニホールド２１′を備えている。ただし、ＥＧＲマニホールド２１′は、最上流側に、ＥＧＲ弁２４が設けられ、ＥＧＲ弁２４よりも下流の部分に、偏流弁２３が設けられたものとなっている。

このＥＧＲマニホールド２１′に設けられているＥＧＲ弁２４は、ＥＧＲ弁２２と同じものである。また、偏流弁２３は、図６（特に、図６（ｂ））に示してあるように、ＥＧＲマニホールド２１′の導入部２１ａ内のＥＧＲガスの流れ方向は変更できるが、導入部２１ａ内のＥＧＲガスの流れを止めることは出来ない形状の弁体（弁軸が端に取り付けられている弁体）を有するものとなっている。

制御装置３０′は、制御装置３０を改良した（プログラミングし直した）ユニットである。この制御装置３０′は、以下のような制御を偏流弁２３及びＥＧＲ弁２４に対して行うものとなっている。

制御装置３０′は、内燃機関１０の現運転状態（機関回転数及び負荷）からマップを利用して現運転状態に適したＥＧＲ弁２４の開度を決定し、決定した開度となるようにＥＧＲ弁２４を制御する処理を周期的に行う。

また、制御装置３０′は、通常は、偏流弁２３を全開状態（ＥＧＲガスの流れ方向に弁体面が並行となる状態）に制御している。そして、制御装置３０′は、負荷が低負荷となった場合には、偏流弁２３を図６（ｂ）に示してある方向に傾けることによりＥＧＲガスをＥＧＲマニホールド２１の下側壁面方向へ偏流させる。

また、制御装置３０′は、負荷が高負荷となった場合には、偏流弁２３を逆方向に傾けることによりＥＧＲガスをＥＧＲマニホールド２１の上側壁面方向へ偏流させる。

要するに、第１実施形態に係るＥＧＲ制御装置は、ＥＧＲガスの偏流方向の制御とＥＧＲガスの流量制御とを、１つのバタフライ弁（ＥＧＲ弁２２）で行うものであったが、本実施形態に係るＥＧＲ制御装置は、ＥＧＲガスの偏流方向の制御を偏流弁２３で行い、ＥＧＲガスの流量制御をＥＧＲ弁２４で行うものとなっている。

従って、この第２実施形態に係るＥＧＲ制御装置を用いておけば、ＥＧＲガスの還流量
が多い場合にも、ＥＧＲガスを偏流させることによりＥＧＲガスの温度を制御できることになる。

《変形形態》
上記した各実施形態に係るＥＧＲ制御装置は各種の変形を行うことが出来る。例えば、ＥＧＲマニホールド２１、２１′の導入部２１ａを、断面が円形状のものとしておくことが出来る。ただし、導入部２１ａを断面が円形状のものとした場合には、ＥＧＲマニホールド２１、２１′の全体としてのサイズを大きくすることなく、通路断面積を確保することが出来ない。このため、導入部２１ａに関しては、上記した形状のものを採用しておくことが望ましい。

また、外気に触れる部分の面積が多くなってしまうことにはなるが、ＥＧＲマニホールド２１、２１′を、吸気マニホールド１２に接続されるものに変形しておくことも出来る。

また、第２実施形態に係るＥＧＲ制御装置の偏流弁２３は、ＥＧＲガスをＥＧＲマニホールド２１′の上側と下側とに偏流できるものであることが望ましいが、偏流弁２３として、ＥＧＲガスをＥＧＲマニホールド２１′の上側或いは下側に偏流させること、及び、ＥＧＲガスを偏流させないことが可能なものを採用しておくことも出来る。

１０・・・内燃機関
１０ａ・・・シリンダヘッド
１１・・・シリンダ
１２・・・吸気マニホールド
１３・・・排気マニホールド
１４・・・吸気通路
１５・・・エアクリーナ
１６・・・ターボチャージャ
１６ａ・・・コンプレッサハウジング
１６ｂ・・・タービンハウジング
１７・・・インタークーラ
１８・・・排気通路
１９・・・排気浄化装置
２１、２１′・・・ＥＧＲマニホールド
２１ａ・・・導入部
２２、２４・・・ＥＧＲ弁
２３・・・偏流弁
２５・・・シリンダヘッドカバー
３０、３０′・・・制御装置

Claims (4)

1. 内燃機関の排気系からＥＧＲガスを取り出して前記内燃機関の吸気系に戻すための、前記内燃機関のシリンダヘッドカバー下の空間内を通るＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路内を流れるＥＧＲガスを偏流させる機能を有する偏流手段と
   を備えることを特徴とする内燃機関のＥＧＲ制御装置。
2. 前記偏流手段が、
   前記ＥＧＲ通路の途中に設けられたバタフライ弁の傾きを変更することにより、前記ＥＧＲ通路内に流れるＥＧＲガスを偏流させる手段である
   ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関のＥＧＲ制御装置。
3. 前記偏流手段が、
   前記ＥＧＲ通路内の前記シリンダヘッドカバー内面に近い側の部分にＥＧＲガスを偏流させることと、前記ＥＧＲ通路内の当該部分とは反対側の部分にＥＧＲガスを偏流させることが可能な手段である
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関のＥＧＲ制御装置。
4. 前記偏流手段が、
   ＥＧＲガスを冷却すべき場合に、前記ＥＧＲ通路内の前記シリンダヘッドカバー内面に近い側の部分にＥＧＲガスを偏流させる手段である
   ことを特徴とする請求項３記載の内燃機関のＥＧＲ制御装置。

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