JP2010285971A - 排気再循環装置 - Google Patents

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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