JP2010222976A - 排気ガス還流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
排気ガス還流装置に関し、エンジンの出力向上を図りながら、燃費低減を促進し、さらに、排気ガスの性能を向上させることができるようにする。
【解決手段】
車両に搭載されたエンジン１の吸気管１５と排気管２３とを接続し、排気管２３を流れる排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気管１５に還流させるＥＧＲ通路２４と、吸気管１５においてＥＧＲ通路２４の接続部側端部２４ａが接続された接続部３５と、接続部３５の上流側に接続された上流側通路３６と、接続部３５の下流側に接続された下流側通路３７とを備え、接続部３５の断面積である接続部断面積Ａｂが、上流側通路３６の断面積である上流側断面積Ａａよりも大きく、且つ、下流側通路３７の断面積である下流側断面積Ａｃよりも大きくなるように形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車に用いて好適な、排気ガス還流装置に関するものである。

従来、エンジンの燃焼室から排気通路に排出された排気ガスの一部を、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）通路を介して吸気通路へ還流させ、燃焼室における混合気の燃焼温度を低下させてＮＯｘの排出量を低減することで、排気ガスの性能を向上させる排気ガス還流装置に関する技術が知られている。なお、このような技術は、例えば、特許文献１に開示されている。

特開２００７−２２４８０１号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、同文献の図３中、符号４２で示されるように、吸気ガスの流路の流れを阻害する構造が存在するため、吸気の抵抗が増大し、エンジンの出力が不足したり、酸素不足によるすすの増大を引き起こすことで、排気ガスの性能が低下するおそれがある。
また、図４に示すように、一般的な技術として、吸気たる新気が流れる吸気管１０１に、ＥＧＲガスを流入させるためのＥＧＲ通路１０２を接続することが知られている。しかしながら、かかる構成では、主流たる新気の流速に比べてＥＧＲガスの流速が遅い場合には、ＥＧＲガスは矢印Ｆ₁₀₄に示すように押し流される。その結果、図５に示すように、吸気管１０１の中央部にＥＧＲガスが偏ってしまい、新気とＥＧＲガスは均一に混合しない。他方、主流たる新気の流速に比べてＥＧＲガスの流速が速い場合には、ＥＧＲガスは、図４の矢印Ｆ₁₀₅に示すように、吸気管１０１の一部の内周壁から帯状にＥＧＲガスが偏ってしまう。その結果、図６に示すように、新気とＥＧＲガスは均一に混合しない。なお、図５は、ＥＧＲガスの分布を示す模式図であり、領域Ｇ₀〜Ｇ₄においては、それぞれ吸気ガス中におけるＥＧＲガスの割合が異なっていることを示している。より具体的に、領域Ｇ₀〜Ｇ₄におけるＥＧＲガス濃度は、以下の式（１）の関係を満たすようになっている。

Ｇ₀＜Ｇ₁＜Ｇ₂＜Ｇ₃＜Ｇ₄ ・・・（１）
つまり、ＥＧＲガス通路から距離Ｌ₁（図４参照）離れた地点、即ち、リニア空燃比センサ１０３の設置箇所においても、新気とＥＧＲガスとは均一に混合しない。よって、リニア空燃比センサ１０３により、吸気ガスに含まれる酸素濃度を正確に検出することができないため、精密なエンジン制御を実施することができず、排気ガスの性能を向上させることはできない。

本発明はこのような課題に鑑み案出されたもので、エンジンの出力向上を図りながら、燃費低減を促進し、さらに、排気ガスの性能を向上させることができる、排気ガス還流装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の排気ガス還流装置（請求項１）は、車両に搭載されたエンジンの吸気が流れる吸気通路と排気ガスが流れる排気通路とを接続し、該排気ガスの一部を還流ガスとして該吸気通路に還流させる還流通路を有し、該吸気通路は、該還流通路の一端部が接続された接続部と、該接続部の上流側に接続された上流側通路と、該接続部の下流側に接続された下流側通路とを備え、該接続部の断面積である接続部断面積が、該上流側通路の断面積である上流側断面積よりも大きく、且つ、該下流側通路の断面積である下流側断面積よりも大きく形成されていることを特徴としている。

また、本発明の排気ガス還流装置（請求項２）は、請求項１に記載の内容において、該接続部は、略円形の断面形状の該上流側通路かつ該下流側通路の径より大きい径を有し、略円形の断面形状に形成されていることを特徴としている。
また、本発明の排気ガス還流装置（請求項３）は、請求項２に記載の内容において、該接続部に形成され、該還流通路の一端部が接続された開口である開口部を備え、該開口部は、還流ガスが該上流側通路または該下流側通路の径に相当する位置で接続部の接線方向に流入するように設定されたことを特徴としている。

また、本発明の排気ガス還流装置（請求項４）は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内容において、該接続部は、湾曲形状に形成されている
ことを特徴としている。
また、本発明の排気ガス還流装置（請求項５）は、請求項４に記載の内容において、該接続部は、第１湾曲半径で湾曲する第１湾曲部と、該第１湾曲半径よりも大きな第２湾曲半径で湾曲する第２湾曲部とを有し、該開口部は、該第２湾曲部に設けられていることを特徴としている。

本発明の排気ガス還流装置（請求項１）によれば、接続部で吸気の流速を低下させ、還流ガスとの混合が促進されることにより、エンジンの出力向上を図りながら、燃費低減を促進し、さらに、排気ガスの性能を向上させることができる。
また、本発明の排気ガス還流装置（請求項２）によれば、吸気通路の径を変更することにより容易に接続部の断面積を大きく設定することができる。

また、本発明の排気ガス還流装置（請求項３）によれば、還流ガスにより、開口部下流の吸気通路内に適度の旋回流を生じさせることで、還流ガスが接続部及び接続部下流の吸気通路の内壁に偏ってしまうことを防ぎ、接続部及び接続部下流において、吸気ガスと排気ガスとの混合を促進することができる。
また、本発明の排気ガス還流装置（請求項４）によれば、接続部は湾曲形状に形成されているので、吸気の偏向を生じさせることができる。そのため、還流ガスと吸気ガスとの混合をさらに促進することができる。

また、本発明の排気ガス還流装置（請求項５）によれば、湾曲部内において、吸気が偏る湾曲部の外側に還流ガスを流入させたので、吸気と還流ガスの混合を効率よく行うことができる。

本発明の実施形態における内燃機関の排気ガス還流装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の実施形態における吸気管長手方向のＥＧＲガスの流れを示す模式図（Ａ）であって、（Ｂ）はａ−ａ断面を示す図である。 本発明の実施形態における湾曲形状に形成された接続部を示す模式図である。 一般的な技術における吸気管長手方向のＥＧＲガスの流れを示す模式図（Ａ）であって、（Ｂ）はｅ−ｅ断面を示す図である。 一般的な技術における図４（Ａ）のｆ−ｆ断面での、主流たる新気の流速に比べてＥＧＲガスの流速が遅い場合における、吸気ガス中のＥＧＲガスの分布を示す模式図である。 一般的な技術における図４（Ａ）のｆ−ｆ断面での、主流たる新気の流速に比べてＥＧＲガスの流速が速い場合における、吸気ガス中のＥＧＲガスの分布を示す模式図である。

［第１実施形態］
以下、図面により、本発明の第１実施形態について説明する。
図１に示すように、自動車ＶＥに搭載された４気筒のディーゼルエンジン１（以下「エンジン」という）は、シリンダヘッド２とシリンダブロック３とロッカーカバー４とを主に有して構成されている。

また、エンジン１の燃焼室７には、サプライポンプ５によってコモンレール６に圧送され、高圧となった燃料がインジェクタ２７から噴射されるようになっている。
シリンダヘッド２には、燃焼室７に臨んで吸気ポート８及び排気ポート９が形成されている。そして、吸気ポート８には吸気マニホールド１０が接続されるとともに、排気ポート９には排気マニホールド１１が接続されている。また、吸気ポート８及び排気ポート９はそれぞれ、吸気バルブ１２又は排気バルブ１３で開閉されるようになっている。

吸気マニホールド１０の上流側には、サージタンク１４を介して吸気管（吸気通路）１５が接続されている。
この吸気管１５には、上流側から順に、エアクリーナ１６、吸気温センサ１７、ターボチャージャ１８、インタークーラ１９及びスロットルバルブ２０、リニア空燃比センサ（Linear A/F Sensor，以下「ＬＡＦＳ」という）２１が設けられている。

エアクリーナ１６は、自動車ＶＥの外部から吸入した新気を濾過することで、新気に含まれている異物を取り除くものである。
吸気温センサ１７は、自動車ＶＥの外部から吸入した吸気ガスの温度を検出するものである。以下、混合ガスとは、新気及び後述するＥＧＲガスが混合しているガスの意である。また、吸気ガスとは、新気及び／又は混合ガスの意である。

また、ターボチャージャ１８は、吸気圧を高めるものであって、コンプレッサ（図示略）とタービン（図示略）とを有している。そして、タービンが排気ガスの流れにより回転駆動され、タービンと同軸上に連結されたコンプレッサがタービンと一体に回転駆動することで過給し、吸気圧を高めるようになっている。
また、インタークーラ１９は、ターボチャージャ１８で圧縮された吸気を冷却するものである。

また、スロットルバルブ２０は、インタークーラ１９を通過した新気の流量を調整することで、後述するＥＧＲ通路（還流通路）２４を流れるＥＧＲガスの量を間接的に調整するようになっている。
一方、排気マニホールド１１の下流側には排気管（排気通路）２３が接続されており、排気管２３には、上流側から順に、ターボチャージャ１８のタービン、排気浄化装置（図示略）、及び、ＮＯｘトラップ触媒（図示略）が設けられている。

排気浄化装置は、酸化触媒（いわゆるＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）；図示略）と、この酸化触媒よりも下流に位置するディーゼルパティキュレートフィルタ（いわゆるＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）；図示略）とを有している。そして、この排気浄化装置は、酸化触媒に燃料が供給され酸化反応することにより生じる反応熱をＤＰＦへ流入させてＤＰＦを昇温させ、ＤＰＦが捕集した粒子状物質（ＰＭ；Particulate Matter）を燃焼，除去するようになっている。

ＮＯｘトラップ触媒は、排気ガス中のＮＯｘを一時的に吸蔵し、その後、その吸蔵したＮＯｘを還元雰囲気中で間欠的に還元することで浄化するようになっている。
また、スロットルバルブ２０及びＬＡＦＳ２１間の吸気管１５と、ターボチャージャ１８よりも上流側の排気管２３とが、ＥＧＲ通路２４により接続されている。つまり、このＥＧＲ通路２４は、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして排気管２３から吸気管１５へと還流させる管路である。そして、ＥＧＲ通路２４により、後述する接続部３５内にＥＧＲガスを流入させ、接続部３５の内部を流れる新気とＥＧＲガスとを混合させるようになっている。なお、この混合ガス（新気＋ＥＧＲガス）は、接続部３５から下流方向（即ち、エンジン１側）に流れていく。

また、ＥＧＲ通路２４には、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ２５が設けられている。
また、吸気管１５には、スロットルバブル２０とＬＡＦＳ２１との間に、ＥＧＲ通路２４の接続部側端部（還流通路の一端部）２４ａが接続された接続部３５が設けられている。具体的には、この接続部３５には、開口である開口部３８が形成されており、この開口部３８に、ＥＧＲ通路２４の接続部側端部２４ａが接続されている。そして、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、開口部３８は、この開口部３８の中心軸Ｃ_aと、中心軸Ｃ_aに平行な接続部３５の内壁の接線Ｌｔとが、所定距離Dos離隔するように配設されている。また、所定距離Dosは、接続部３５の内壁の半径よりも小さい値となるように設定している。なお、接続部３５の内壁の径方向断面形状は、円形に形成されている。

ここで、図２を用いて、開口部３８と上述したＬＡＦＳ２１との位置関係について説明する。接続部３５の内壁と接線Ｌｔとの交点を接点Ｂとする。そして、この接点Ｂから、吸気管１５の中心軸Ｃ_b方向であり且つ下流側に所定距離Ｌ₁離れた位置、即ちＣの位置に、ＬＡＦＳ２１を設けている。つまり、ＬＡＦＳ２１を、接点Ｂが位置する下流側の吸気管１５の内周面に設けている。

また、吸気管１５には、接続部３５の上流側に接続された上流側通路３６と、下流側に接続された下流側通路３７とが設けられている。そして、接続部３５と上流側通路３６とは、接続部３５の一端部周面である上流側周面３９により、徐々に内径が大きくなるように接続されている。他方、接続部３５と下流側通路３７とは、接続部３５の他端部周面である下流側周面４０により、徐々に内径が小さくなるように接続されている。

また、接続部３５の断面積である接続部断面積Ａｂが、上流側通路３６の断面積である上流側断面積Ａａよりも大きく、且つ、下流側通路３７の断面積である下流側断面積Ａｃよりも大きく形成されている。つまり、上流側断面積Ａａ，接続部断面積Ａｂ及び下流側断面積Ａｃは以下の式（２）及び式（３）を満たすように設定されている。
Ａｂ＞Ａａ ・・・（２）
Ａｂ＞Ａｃ ・・・（３）
本発明の第１実施形態にかかる排気ガス還流装置は上述のように構成されているので、以下のような作用・効果を奏する。

まず、接続部断面積Ａｂが上流側断面積Ａａよりも大きくなるように接続部３５を形成することで、上流側通路３６から接続部３５に新気が流れ込む際に、この新気の流速を遅くすることができる。そのため、ＥＧＲ通路２４から接続部３５へ流入するＥＧＲガスが、主流たる新気に押し退けられることが抑制される。よって、新気とＥＧＲガスとの混合を促進させることができる。

また、接続部断面積Ａｂを下流側断面積Ａｃよりも大きくなるように接続部３５を形成することで、接続部３５から下流側通路３７に混合ガスが流れ込む際に、図２（Ａ）の矢印Ｆ₁及びＦ₂に示すように、広がった混合ガスを下流側周面４０の形状に沿って中心軸Ｃ_b方向に圧縮させることができる。よって、新気とＥＧＲガスとの混合が不十分であったとしても圧縮により不均一な混合のエリアを小さくして下流に位置するＬＡＦＳ２１に対する影響を抑制することができる。また、圧縮により混合ガスに生じる流れの乱れにより新気とＥＧＲガスとの混合を促進させることも期待できる。さらに、上流側断面積Ａａと下流側断面積Ａｃとを同じ断面積とすれば、接続部３５で遅くなった新気の流速を下流側通路３７で元の流速に戻すこともできる。なお、図２（Ａ）及び（Ｂ）の矢印Ｆ₁は、主流たる新気の流速に比べてＥＧＲガスの流速が遅い場合における混合ガスの流れを模式的に示しており、矢印Ｆ₂は、矢印Ｆ₁と比べてＥＧＲガスの流速が新気の流速よりも速い場合の流れを模式的に示している。

また、図２（Ｂ）に示すように、ＥＧＲガスが接続部３５に流入する方向となるＥＧＲ通路２４の接続部側端部２４ａが接続されている開口部３８の中心軸Ｃ_aは、接続部３５の内壁の接線Ｌｔと平行に設けられている。
これにより、図２（Ｂ）中矢印Ｆ₁及びＦ₂に示すように、接続部３５の内部においてＥＧＲガスの旋回流を生じさせることができる。

また、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、開口部３８が中心軸Ｃ_aは上流側通路３６や下流側通路３７の内壁と同じ高さに設定され、中心軸Ｃ_aと接線Ｌｔとが所定距離Ｄ_OS（接続部の径と上流側通路３６または下流側通路３７の径との差）離隔するように配設されている。
これにより、開口部３８から吸気管１５内に流入するＥＧＲガスが、新気の主流（吸気管１５の中心軸Ｃ_b近傍の流れ）により混合することなく下流側通路３７に押し流されたり、接続部３５の内壁に滞留したりすることなく新気とＥＧＲガスとの混合を促進することができる。

以上のように、新気とＥＧＲガスとの混合を促進することができ、その結果、ＥＧＲ通路２４から距離Ｌ₁離れた位置、即ち、ＬＡＦＳ２１の位置において、吸気ガス中のＥＧＲガスは、新気と均一に混合する。
よって、接続部３５の下流側における吸気管１５、即ち下流側通路３７に設けたＬＡＦＳ２１により、新気とＥＧＲガスとが混合した混合ガス中に含まれる酸素濃度を正確に検出することができ、さらに、精密なエンジン制御を実施することができる。したがって、エンジン１の出力向上を図りながら、燃費低減を促進し、さらに、排気ガスの性能を向上させることができる。

また、ターボチャージャ１８により大気圧を超える圧力に加圧された吸気ガスをエンジン１に供給することが可能となり、エンジン出力を向上することができる。
また、エンジン１の各気筒へ供給される混合ガス内に含まれるＥＧＲガスの割合（即ち、混合割合）をほぼ等しくすることができるため、各気筒の出力や各気筒から排出される排気ガスの成分を均一にでき、エンジン１の振動低減や正確なエミッションコントロールが可能となる。

また、本実施形態に係る本発明によれば、先行技術文献として例示した特許文献１で用いられている吸気ガスの流路を阻害する構造を必要としないため、吸気ガスの流れの抵抗を小さくできる。
また、本実施形態に係る本発明によれば、ＬＡＦＳ２１を吸気管１５に設けることで、排気ガス成分のみに基づいたエンジン１のフィードバック制御を行なうのではなく、吸気ガス成分に基づいたエンジン１のフィードバック制御を行なうことも出来るようになっている。つまり、排気ガス成分に基づくフィードバック制御のみによってエンジン１を制御する場合と比して、より正確なエンジン制御を実施することができる。

［第２実施形態］
次に、図３により、本発明の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と重複する部分については説明を省略すると共に、第１実施形態と同じ装置や部材等は、第１実施形態の説明と同一の符号を付して説明する。
本実施形態では、接続部４５が湾曲形状に形成されている点で、第１実施形態と異なっている。具体的には、図３に示すように、この接続部４５は、第１湾曲半径（第１湾曲半径）Ｒ１で湾曲する内側湾曲部（第１湾曲部）２８と、第１湾曲半径Ｒ１よりも大きな第２湾曲半径（第２湾曲半径）Ｒ２で湾曲する外側湾曲部（第２湾曲部）２９とを有している。また、接続部４５には、開口である開口部４８が形成されている。

また、この開口部４８は、外側湾曲部２９に設けられており、且つ、開口部４８には、ＥＧＲ通路２４の接続部側端部２４ａが接続されている。このＥＧＲ通路２４により、接続部４５内にＥＧＲガスを流入させ、接続部４５の内部を流れる新気とＥＧＲガスとを混合させるようになっている。なお、この混合ガス（新気＋ＥＧＲガス）は、接続部４５から下流方向（即ち、エンジン１側）に流れていく。

また、図３に示すように、開口部４８は、この開口部４８の中心軸Ｃ_aと、中心軸Ｃ_aに平行な接続部４５の内壁の接線Ｌｔとが、所定距離Ｄ_OS離隔するように配設されている。また、所定距離Ｄ_OSは、接続部４５の内壁の半径よりも小さい値となるように設定している。なお、接続部４５の内壁の径方向断面形状は、円形に形成されている。
また、第１実施形態を説明する際に用いた図２を用いて、開口部４８と上述したＬＡＦＳ２１との位置関係について説明する。なお、ここでは図２中符号３８で示す開口部を符号４８として読み替えるものとする。接続部４５の内壁と、接線Ｌｔとの交点を接点Ｂとする。そして、この接点Ｂから、吸気管１５の中心軸Ｃ_b方向であり且つ下流側に所定距離Ｌ₁離れた位置、即ちＣの位置に、ＬＡＦＳ２１を設けている。

また、接続部４５の断面積である接続部断面積Ａｂが、上流側通路３６の断面積である上流側断面積Ａａよりも大きく、且つ、下流側通路３７の断面積である下流側断面積Ａｃよりも大きくなるように設定されている。
つまり、本実施形態においても、上述した第１実施形態の説明で用いた式（２）及び式（３）の関係が満たされるように、これらの接続部断面積Ａｂ，上流側断面積Ａａ及び下流側断面積Ａｃが設定されている。

本発明の第２実施形態にかかる排気ガス還流装置は上述のように構成されているので、以下のような作用・効果を奏する。
まず、湾曲形状に形成した接続部３５において、新気の流れに偏向を生じさせることができる。
また、この湾曲形状に形成された接続部３５に対し、ＥＧＲ通路２４から開口部３８を通じてＥＧＲガスを流入させることで、新気とＥＧＲガスとの混合をさらに促進することができる。

また、接続部３５内において、吸気が湾曲外側に偏るため外側湾曲部２９近傍における気圧が内側湾曲部２８近傍における気圧よりも高くなる。さらに、上述の通り、開口部３８は、外側湾曲部２９に設けられており、この開口部３８には、ＥＧＲ通路２４の接続部側端部２４ａが接続されている。故に、ＥＧＲガスを、このような気圧が比較的高い接続部３５の内部、即ち、吸気が集まる外側湾曲部２９の近傍に流入させることで混合の効率が向上し、混合した吸気とＥＧＲガスを気圧が比較的低い方向、即ち、内側湾曲部２８へ誘導し、吸気の圧力差を抑制しながら新気とＥＧＲガスとの混合を促進することができる。

［その他］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
上述の実施形態においてはディーゼルエンジンであるエンジン１に対して適用されているが、例えば、ガソリンエンジンに対して適用しても良い。

また、上述の実施形態においてはエンジン１が４気筒である場合を説明したが、このような場合に限定するものではない。例えば、エンジン１が単気筒，２気筒或いは３気筒であっても良いし、５気筒以上であっても良い。

本発明は、車両の製造産業などに利用可能である。

１ エンジン
１５ 吸気管（吸気通路）
２３ 排気管（排気通路）
２４ ＥＧＲ通路（還流通路）
２４ａ 接続部側端部（還流通路の一端部）
２８ 内側湾曲部（第１湾曲部）
２９ 外側湾曲部（第２湾曲部）
３５ 接続部
３６ 上流側通路
３７ 下流側通路
３８ 開口部
４５ 接続部
４８ 開口部
Ａａ 上流側断面積
Ａｂ 接続部断面積
Ａｃ 下流側断面積
Ｃ_a 中心軸
Ｌｔ 接線
Dos 所定距離
Ｒ１ 第１湾曲半径
Ｒ２ 第２湾曲半径

Claims (5)

1. 車両に搭載されたエンジンの吸気が流れる吸気通路と排気ガスが流れる排気通路とを接続し、該排気ガスの一部を還流ガスとして該吸気通路に還流させる還流通路を有し、
   該吸気通路は、
   該還流通路の一端部が接続された接続部と、
   該接続部の上流側に接続された上流側通路と、
   該接続部の下流側に接続された下流側通路とを備え、
   該接続部の断面積である接続部断面積が、該上流側通路の断面積である上流側断面積よりも大きく、且つ、該下流側通路の断面積である下流側断面積よりも大きく形成されている
   ことを特徴とする、排気ガス還流装置。
2. 該接続部は、略円形の断面形状の該上流側通路かつ該下流側通路の径より大きい径を有し、略円形の断面形状に形成されている
   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. 該接続部に形成され、該還流通路の一端部が接続された開口である開口部を備え、
   該開口部は、還流ガスが該上流側通路または該下流側通路の径に相当する位置で接続部の接線方向に流入するように設定された
   ことを特徴とする請求項２に記載の排気ガス還流装置。
4. 該接続部は、湾曲形状に形成されている
   ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気ガス還流装置。
5. 該接続部は、第１湾曲半径で湾曲する第１湾曲部と、該第１湾曲半径よりも大きな第２湾曲半径で湾曲する第２湾曲部とを有し、
   該開口部は、該第２湾曲部に設けられている
   ことを特徴とする、請求項４記載の排気ガス還流装置。

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