JP2010285971A - 排気再循環装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単な構造でEGRガスの温度を調整し得る排気再循環装置を実現する。
【解決手段】EGRガスを吸気系に環流するための通路として、クーラ通路とバイパス通路とを並列に設け、両通路の流量の割合を変化させる流量調整弁を設けると共に、クーラ通路の圧力損失係数とバイパス通路の圧力損失係数とが同一になるように、例えばバイパス通路に通路断面積減少部を設ける。クーラ通路とバイパス通路との両圧力損失係数が同じになるようにされていることから、両通路に流入する流量を同じにすることで両通路から流出する各流量を同じにすることができる。そして、開度変化に対する流量変化を両通路で同じにすることができるため、流量調整弁による各通路に対する各開度の大きさだけで各流量を調整し得る。
【選択図】図1

Description

本発明は、EGRガスを冷却する冷却装置を有するクーラ通路とそれをバイパスするバイパス通路とを設けた排気再循環装置に関するものである。
従来、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンに設けられた排気再循環装置(EGR装置)において、燃費やEM(排気ガスエミッション)の要求として、大容量および高冷却性が求められている。EGRガスの冷却装置の冷却性能は大きさやクーラコアの内部形状等により決まるため、ある一定温度のEGRガスでも、ガス流量の大小により冷却後のガス温度は異なってしまい、また、過冷却による燃焼不安定化を回避するべく適切なEGRガスの温度制御が求められている等、EGRガスの冷却温度の制御は困難であった。
EGRガスの冷却温度の制御としては、例えば、EGRガスの取り出し部から環流先に至る間に冷却装置を有するクーラ通路を設けると共にクーラ通路にバイパス通路を並列に設け、かつEGRガスの各通路への流れを切り替えるための通路切替弁を設けて、使用条件に応じて切替弁を制御して、EGRガスを選択的に冷却するようにしたものがある(例えば特許文献1・2参照)。
特開2003−328864号公報 特許第4091584号公報
上記特許文献1では、クーラ通路(冷却通路)とバイパス通路(保温通路)とを並列に有し、調量弁の開度調整により両通路の流量を変えて混合割合を調整して、EGRガスの温度を調整するようにしている。この場合、吸気温センサからの吸気温度情報に基づいて調量弁の開度調整をするとしている。
しかしながら、伝熱フィンや伝熱チューブが設けられている冷却装置を設けたクーラ通路は、バイパス通路が単純な管路で形成できるため、その場合にはバイパス通路に対して流路抵抗が大きくなる。そのため、上記特許文献1に記載のように単純に両通路に対する調量弁による開度調整するのでは、流路抵抗の違いに対する圧力損失を考慮した流量の均等化はできないという問題がある。
それに対して、上記特許文献2では、クーラ通路とバイパス通路とを切り替える弁の、クーラ通路と連通する弁座の口径を、バイパス通路と連通する弁座の口径よりも大きくして、流路抵抗の大きいクーラ通路と、それに対して流路抵抗の小さいバイパス通路とに流れる各流量を均等化するようにしている。
しかしながら、クーラ通路側の弁座口径とバイパス通路側の弁座口径とが異なる場合には1つの弁体による開度制御ができないという問題がある。上記特許文献2では、それぞれに対応した異なる径の2つの弁体を同軸に有するダブルポペット弁を用いており、2つの弁座と2つの弁体との相対的な精度を高める必要があり、加工および組み付けコストが高騰化するという問題があった。
このような課題を解決して、簡単な構造でEGRガスの温度を調整し得る排気再循環装置を実現するために、本発明に於いては、EGRガスを冷却する冷却装置(15)を有するクーラ通路(4)と、前記冷却装置(15)を迂回するように前記クーラ通路(4)に並列に設けられたバイパス通路(5)と、これら2つの通路(4・5)に流れるEGRガスの各ガス流量を調整する流量調整弁(14)とを備える排気再循環装置において、前記クーラ通路(4)の圧力損失係数と前記バイパス通路(5)の圧力損失係数とが同一になるように設定されているものとした。
これによれば、クーラ通路とバイパス通路との両圧力損失係数が同じになるようにされていることから流量調整弁による両通路の開度を同一にすることのみで両通路の流量を均等化することができる。そして、開度変化に対する流量変化を両通路で同じにすることができるため、流量調整弁による各通路に対する各開度の大きさだけで各流量を調整し得る。
特に、前記流量調整弁(14)は、前記クーラ通路(4)および前記バイパス通路(5)に対する各開度を同時に調整可能な1つの弁体(14a)を有するものであると良い。これによれば、各通路に対する開度を調整する弁体が共通のものとなり、部品点数の削減および弁体の駆動力の低減を図ることができる。1つの弁体で一方の通路の開度を増大させた分だけ他方の開度を減少させることができ、一方の開度の変化に対して他方の開度が反比例して変化し、1つの弁体により各開度を変化させるだけで両流量の割合を調整することができ、両流量の割合に応じたEGRガスの温度調整を容易に制御し得る。
さらに、前記弁体(14a)が貫通路(14c)を有し、前記流量調整弁(14)は、前記貫通路(14c)が前記クーラ通路(4)および前記バイパス通路(5)と連通する位置を取り得るように前記弁体(14a)を摺動可能に保持する弁ハウジング(14b)を有し、前記弁ハウジング(14b)における前記クーラ通路(4)に連通するクーラ側開口(16)の面積と前記バイパス通路(5)に連通するバイパス側開口(17)の面積とが同一になるようにされていると良い。これによれば、例えば通路内を横切る回動軸を有する弁体とは異なり、弁体の貫通路には流路抵抗を増大させるものが無いため、流量調整弁の配置に伴う通路圧力損失の増大を回避し得ると共に、両通路に連通する各開口の面積を同一としたので、両通路の開度量を同一にするという簡単な弁体の操作で、両通路の流量を均等化することができる。
特に、前記貫通路(14c)は、前記クーラ側開口(16)および前記バイパス側開口(17)の各面積と同一の流路断面積で形成されていると良い。これによれば、弁体を通路に対して全開状態にした場合に貫通路と通路との流路断面積が同一になるので、例えば貫通路の流路断面積の方が小さいと貫通路に流れ込む部分で大きな通路圧力損失が生じたり、貫通路の流路断面積方が大きいと弁体が大型化したりするという不具合が生じることを抑制し得る。
さらに、前記弁体(14a)の前記弁ハウジング(14b)に対する摺動面(19)が球面の一部となるように形成されていると共に、前記弁ハウジング(14b)の前記弁体(14a)を摺動自在に保持する保持面(20)が前記球面と同一曲率の凹面に形成されていると良い。これによれば、弁体の弁ハウジングに保持される部分が球面状に形成されていることから、弁体を回動させる場合の摺動を円滑に行うことができ、回動時のこじり等の発生を防止し得ると共に、弁体を摺動させる駆動力を低減し得るため、例えば弁体駆動用に電動アクチュエータを用いた場合の省エネルギ化を促進し得る。
また、前記流量調整弁(14)は、前記クーラ通路(4)を流れる前記クーラ流量と前記バイパス通路(5)を流れる前記バイパス流量との比が1:0から0:1まで連続的に調整可能に設けられていると良い。これによれば、クーラ流量とバイパス流量とが、一方が増大するとそれに合わせて他方が減少するように流量調整弁により調整されるため、弁体の作動位置(開度)によらず、両通路および調整弁を含む排気再循環装置全体としての通路圧力損失は変化しないので、流量調整弁によりクーラ流量とバイパス流量との分配を連続的に変更することができ、EGRガスの温度制御を高精度に行うことができる。
さらに、前記クーラ通路(4)の内部に冷却装置の一部が配設され、前記バイパス通路(5)は、前記クーラ通路(4)における圧力損失に相当する圧力損失が生じるように前記バイパス側開口(17)よりも狭い通路断面積となる通路断面積減少部(5a)を有すると良い。これによれば、冷却装置の一部として例えば伝熱フィンや伝熱チューブがクーラ通路内に露出している場合には、EGRガスが流れる際に冷却装置と接触する量が増えてEGRガスの流速が低下するので、熱交換量が増加するため、EGRガスがより冷却される。そのようなクーラ通路における圧力損失分に相当する圧力損失がバイパス通路にも生じるように、バイパス通路に通路断面積減少部を設けたことにより、両通路による圧力損失を同一にすることができ、上記したようにクーラ通路内部に冷却装置の一部を配設することができ、冷却性能をより一層向上させることができる。
特に、前記通路断面積減少部(5a)は、前記バイパス通路(5)の全長の半分以上の長さを有する縮径部として形成されていると良い。これによれば、クーラ通路と圧力損失を同一にするためにバイパス通路内に何等かの抵抗体を配設するというのではなく、単純に管径を縮小して形成し得る縮径部をバイパス通路の半分以上の長さに渡って形成することから、バイパス通路の小型化も促進し得る。
あるいは、前記通路断面積減少部は、前記バイパス通路(5)の途中の短い範囲で縮径された局所縮径部(21)からなると良い。これによれば、局所縮径部として例えばオリフィスやベンチュリー、またはそれらに代わる突起物といった簡単な形状のものを設けることができ、圧力損失の設計変更を容易におこなうことができる。
このように本発明によれば、クーラ通路とバイパス通路との両圧力損失係数が同じになるようにして、両通路に流入する流量を同じにすることで両通路から流出する各流量を同じにすることができるため、流量調整弁による両通路の開度を同一にするという簡単な制御で両通路の流量を均等化することができると共に、流量調整弁の開度調整による各通路に流れる流量の調整も容易に行うことができ、EGRガスの高精度な温度制御を簡単な構造で容易に行うことができる。
本発明に基づく排気再循環装置(EGR装置)の例を示す模式図である。 (a)は冷却装置のフィン配置の一例を示す要部断面図であり、(b)はフィン配置の他の例を示す(a)に対応する図である。 (a)はクーラ通路との連通状態を示す図であり、(b)はバイパス通路との連通状態を示す図である。 バイパス通路にオリフィスを設けた図である。 (a)はプレート弁型の流量調整弁示す正面図であり、(b)はバタフライ弁型の流量調整弁を示す側断面図である。
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は本発明に基づく排気再循環装置(EGR装置)の例を示す模式図である。この排気再循環装置1は、内燃機関(例えばディーゼルエンジン)に設けられており、内燃機関の排気系2と吸気系3とを連通して、排気系2の排気をEGRガスとして吸気系3に環流するものである。排気再循環装置1の上流側となる排気系2と下流側となる吸気系3とを連通する排気環流通路にはクーラ通路4と、クーラ通路4を並列にバイパスするようにその上流側および下流側に接続されたバイパス通路5とが設けられている。
図示例の内燃機関では、排気タービン式過給装置6が設けられており、排気再循環装置1は、過給装置6のタービン7の下流側から取り出された排気ガスをEGRガスとして過給装置6のコンプレッサ8の上流側に環流する。また、排気系2には、タービン7の下流側に排気浄化装置11が設けられており、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とを備えている。
この排気浄化装置11の下流側に排気再循環装置1への分流通路1aが接続されており、分流通路1aの下流側でクーラ通路4とバイパス通路5との各上流側が分岐されている。クーラ通路4とバイパス通路5との各下流側には共通の1つの流量調整弁14が配設されており、流量調整弁14の下流側は1本の合流通路1bを介して吸気系3におけるコンプレッサ8の上流側に接続されている。
クーラ通路4には冷却装置15が配設されている。冷却装置15は、図2に示されるように、クーラ通路4の内部に配設された複数のフィン15aを有するものであって良い。冷却装置15の一部である複数のフィン15aは、例えばクーラ通路4の外部に設けられた熱交換器(図示せず)と結合されている。
図2(a)に示す例では、複数の伝熱フィン15aが、EGRガスの流れ方向(図の矢印)に沿って断面形状の長手方向がそれぞれ延在するように配置されている。また、図2(a)に示す例に限られず、図2(b)に示すように、複数の伝熱フィン15bが、EGRガスの流れ方向に直交する向きに断面形状の長手方向がそれぞれ延在するように配置されていても良い。また、図2の各例では、複数の伝熱フィン15a・15bは、互い違いに並ぶように市松模様状に配置されている。なお、伝熱フィンに代えて、伝熱チューブを配置しても良い。
流量調整弁14は、第1の例としてボール弁であって良い。その場合には弁体14aの球状外周面が摺動面19となり、その摺動面19と同一曲率の凹面にて弁体14aを摺動自在に保持する保持面20を弁ハウジング14bに形成する。また、弁体14aには、その直径方向に同軸に貫通する貫通孔14cが設けられている。弁ハウジング14bには、クーラ通路4と連通するクーラ側開口16と、バイパス通路5と連通するバイパス側開口17とが設けられている。
弁体クーラ側開口16の通路断面積とバイパス側開口17の通路断面積とは同一面積となるようにされている。また、弁体14aの貫通路14cの通路断面積も各開口16・17と同一面積となるようにされている。なお、各通路4・5と各開口16・17と貫通路14cとは円形断面形状に形成されているものであって良い。
弁体14aは、例えばモータ駆動型アクチュエータ18により貫通孔14cに直交する軸線回りに回動するように駆動制御される。弁体14aの回動範囲は、貫通路14cがクーラ通路4と整合する位置とバイパス通路5と整合する位置との間である。
上記したように、クーラ通路4には複数のフィン15aが配設されており、それらフィン15aは、クーラ通路4を流れるEGRガスに対する流路抵抗となる。一方、バイパス通路5には内部に流路抵抗となるようなものは無いため、例えば両通路4・5の内径が同一の場合には、圧力損失が両通路4・5間で大きく異なってしまう。
それに対して、クーラ通路4におけるフィン15aによる流路抵抗に相当する流路抵抗となるように、バイパス通路5には、通路断面積減少部として、バイパス通路5の全長Lの半分以上の長さとなる長さLsに渡る縮径部5aが設けられている。これにより、クーラ通路4とバイパス通路5との両流路抵抗が同一になるようにされている。バイパス通路5における縮径部5aの両側の拡径部との間の径変化部分は、急激ではなく緩やかに変化するように形成されている。
弁体14aが回動して、図3(a)に示されるように貫通路14cがクーラ側開口16と整合すると、それら両通路断面が一致する。また、図3(b)に示されるように貫通路14cがバイパス側開口17と整合すると、それら両通路断面が一致する。それらの間では、貫通路14に対する各開口16・17の連通する通路面積の割合が1:0から0:1まで連続的に変化する。また、図1に示されるように貫通路14cが両開口16・17に対してそれぞれに1/2ずつ連通している状態(0.5:0.5)では、両開口16・17を通る流量が均等化される。
このように、バイパス通路5に縮径部5aを設けるという簡単な構造で、両通路4・5の流路抵抗を同一にすることができ、任意の流れに対する圧力損失も同一になるため、両開口16・17の開度の割合を1:0から0:1に連続的に変化させることにより、両通路5・6に流れる流量の割合も1:0ら0.5:0.5を経て0:1に連続的にかつ同じ変化率で変化させることができる。これにより、1つの弁体14aによる両通路4・5に対する開度の割合の制御だけで、各流量の割合を比例的に変えることができるため、EGRガス温度の調整を容易に行うことができる。
なお、バイパス通路5における流路抵抗の調整としては、上記縮径部5aに限られず、例えば図4に示されるように局所縮径部としてのオリフィス21を設けるようにしても良い。あるいは、ベンチュリー、また突起物を設ける等しても良い(図示せず)。いずれにしても、それらにより流路抵抗が上昇し、両開口16・17を同一面積にしても、両通路4・5の流路抵抗を同一にし得る。
また、流量調整弁14は、上記実施形態ではボール弁として説明したが、ボール弁に限られるものではなく、図3・4における断面視で同一となる断面形状を有しかつ摺動面が円柱の外周面となるドラム型弁であっても良く、その他の種々の弁構造が適用可能である。例えば、図5(a)にプレート弁型の流量調整弁22を示す。この流量調整弁22は、図に示されるように、クーラ側開口16とバイパス側開口17との間に設けられた回動軸22aと、回転軸22aに直交しかつ一体に設けられた半月形のプレート状弁体22bとを有する。プレート状弁体22bは、回動軸22aを中心として正逆回転することにより(図の矢印)、クーラ側開口16を全閉にしかつバイパス側開口17を全開にする状態と、クーラ側開口16を全開にしかつバイパス側開口17を全閉にする状態とを取り得ると共に、図の状態ではクーラ側開口16とバイパス側開口17とを1/2ずつ遮蔽している。このようなプレート状弁体22の弁構造においても、上記実施形態と同様に、1:0から0:1の開度状態を連続的に取り得る。
また、流量調整弁の他の例として、図5(b)に示されるバタフライ弁型の流量調整弁23であっても良い。図に示されるように、クーラ側開口16を開閉するクーラ用バタフライ弁23aと、バイパス側開口17を開閉するバイパス用バタフライ弁23bとが回動軸23cに同軸かつ一体に設けられている。この場合も、両開口16・17の一方が全開の時に他方が全閉となり、1/2開度で両開口16・17が1/2ずつ開いた状態になり、上記と同様の作用効果を奏し得る。
このように各通路4・5(開口16・17)にそれぞれ弁体を設けた場合には、それぞれ別個に駆動するようにしても良い。それにより、両弁体間の相対的な調整が可能になり、組立を簡易化しても、開弁精度を高精度化し得る。
なお、上記図示例では、流量調整弁14(22・23)を両通路4・5の下流側に設けたが、上流側に設けても良く、その場合にも作用効果は同じである。
4 クーラ通路
5 バイパス通路
5a 通路断面積減少部
14 流量調整弁
14a 弁体
14b 弁ハウジング
14c 貫通路
15 冷却装置
16 クーラ側開口
17 バイパス側開口
21 局所縮径部

Claims (9)

  1. EGRガスを冷却する冷却装置を有するクーラ通路と、前記冷却装置を迂回するように前記クーラ通路に並列に設けられたバイパス通路と、これら2つの通路に流れるEGRガスの各ガス流量を調整する流量調整弁とを備える排気再循環装置において、
    前記クーラ通路の圧力損失係数と前記バイパス通路の圧力損失係数とが同一になるように設定されていることを特徴とする排気再循環装置。
  2. 前記流量調整弁は、前記クーラ通路および前記バイパス通路に対する各開度を同時に調整可能な1つの弁体を有するものであることを特徴とする請求項1に記載の排気再循環装置。
  3. 前記弁体が貫通路を有し、
    前記流量調整弁は、前記貫通路が前記クーラ通路および前記バイパス通路と連通する位置を取り得るように前記弁体を摺動可能に保持する弁ハウジングを有し、
    前記弁ハウジングにおける前記クーラ通路に連通するクーラ側開口の面積と前記バイパス通路に連通するバイパス側開口の面積とが同一になるようにされていることを特徴とする請求項2に記載の排気再循環装置。
  4. 前記貫通路は、前記クーラ側開口および前記バイパス側開口の各面積と同一の流路断面積で形成されていることを特徴とする請求項3に記載の排気再循環装置。
  5. 前記弁体の前記弁ハウジングに対する摺動面が球面の一部となるように形成されていると共に、前記弁ハウジングの前記弁体を摺動自在に保持する保持面が前記球面と同一曲率の凹面に形成されていることを特徴とする請求項3または請求項4のいずれかに記載の排気再循環装置。
  6. 前記流量調整弁は、前記クーラ通路を流れる前記クーラ流量と前記バイパス通路を流れる前記バイパス流量との比が1:0から0:1まで連続的に調整可能に設けられている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再循環装置。
  7. 前記クーラ通路の内部に冷却装置の一部が配設され、
    前記バイパス通路は、前記クーラ通路における圧力損失に相当する圧力損失が生じるように前記バイパス側開口よりも狭い通路断面積となる通路断面積減少部を有する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再循環装置。
  8. 前記通路断面積減少部は、前記バイパス通路の全長の半分以上の長さを有する縮径部として形成されていることを特徴とする請求項7に記載の排気再循環装置。
  9. 前記通路断面積減少部は、前記バイパス通路の途中の短い範囲で縮径された局所縮径部からなることを特徴とする請求項7に記載の排気再循環装置。
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