JP2011185244A

JP2011185244A - 内燃機関のｅｇｒ装置

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Publication number: JP2011185244A
Application number: JP2010054358A
Authority: JP
Inventors: Junpei Shoji; 純平莊司
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-03-11
Filing date: 2010-03-11
Publication date: 2011-09-22

Abstract

【課題】排気通路に設けられる触媒の早期活性化を効果的に行うことが可能な内燃機関のＥＧＲ装置を提供する。
【解決手段】内燃機関１の排気通路５０に排出される排気ガスの一部を吸気通路４０に還流するＥＧＲ通路６１を備えた内燃機関１のＥＧＲ装置６０において、ＥＧＲ通路６１は、排気通路５０に設けられた触媒５２の下流側で排気通路５０から分岐された分岐部６６と、触媒５２の上流側でこのＥＧＲ通路６１を流れるＥＧＲガスと排気通路５０を流れる排気ガスとの間で熱交換を行う熱交換部６７とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のＥＧＲ装置に設けられるＥＧＲ通路の構造に関する。

自動車等に搭載される内燃機関には、燃焼室から排出される排気ガス中に含まれるＮＯｘを低減するために、排気再循環（ＥＧＲ：ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が設けられている。ＥＧＲ装置は、排気通路に排出される排気ガスの一部を、排気通路から分岐されたＥＧＲ通路を介して吸気通路に還流ガス（ＥＧＲガス）として再循環させ、混合気に混入させて燃焼温度を下げることによってＮＯｘの発生を抑制している。

特開２００６−１１２２５３号公報

ところで、内燃機関の冷間始動時、排気通路に排出された排気ガスが排気管に接触することで、排気ガスの温度が低下し、触媒の活性化が遅れてしまい、エミッションが増加することが懸念される。従来では、触媒の早期暖機を図るため、排気管を２重管構造として断熱性を高めて放熱量を低減させたり、排気管をコンパクトな構造として熱容量を低減させたりすることで、排気ガスの温度を保つようにしているが、その保温効果には限界がある。

ここで、排気管の断熱性を高くしすぎると、内燃機関の高負荷時に排気ガスの温度が過度に上昇し、触媒が劣化することが懸念される。従来では、触媒の劣化を抑制するため、混合気の空燃比がリッチ状態となるように燃料噴射制御を行うようにしているが、そのような燃料噴射制御を行うと、排気ガス中のＨＣの増加や、燃費の悪化を招くという問題がある。

本発明は、上述のような問題点に鑑みてなされたものであり、排気通路に設けられる触媒の早期活性化を効果的に行うことが可能な内燃機関のＥＧＲ装置を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題を解決するための手段を以下のように構成している。すなわち、本発明は、内燃機関の排気通路に排出される排気ガスの一部を吸気通路に還流するＥＧＲ通路を備えた内燃機関のＥＧＲ装置であって、上記ＥＧＲ通路は、上記排気通路に設けられた触媒の下流側で排気通路から分岐された分岐部と、上記触媒の上流側でこのＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスと排気通路を流れる排気ガスとの間で熱交換を行う熱交換部とを備えていることを特徴としている。

上記構成によれば、排気通路を流れる排気ガスが触媒を通過すると、触媒での反応により反応熱が発生し、この反応熱により排気ガスが加熱される。このため、触媒を通過した後の排気ガスの温度は、触媒を通過する前の排気ガスの温度に比べて高くなる。そして、ＥＧＲ通路の分岐部へ触媒を通過した後の排気ガスが送られるので、ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスの温度は、排気通路の触媒を通過する前の排気ガス（触媒に導入される排気ガス）の温度に比べて高くなっている。

したがって、排気通路の触媒を通過する前の排気ガスが、ＥＧＲ通路の熱交換部を流れるＥＧＲガスによって保温または加熱されることになる。これにより、内燃機関の冷間始動時、触媒を可及的速やかに活性化させることができ、エミッションの低減を図ることができる。しかも、ＥＧＲ通路の熱交換部を流れるＥＧＲガスが、排気通路の触媒を通過する前の排気ガスによって冷却されるので、ＥＧＲ通路に設けられるＥＧＲクーラの小型化を図るうえで有利となる。

ここで、排気ガスの温度が高温となる内燃機関の高負荷時には、通常、ＥＧＲガス量（排気還流量）は、「０」または少量に制御されるため、ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスによる触媒に導入される排気ガスの保温または加熱作用が小さく抑えられる。したがって、内燃機関の高負荷時、触媒に導入される排気ガスの過度の温度上昇を抑制することが可能になり、触媒の劣化を抑制することが可能になる。そして、触媒の劣化を抑制するために、従来では行われていた混合気の空燃比をリッチ状態とする燃料噴射制御を行うことが不要になる。これにより、そのような燃料噴射制御にともなう排気ガス中のＨＣの増加や、燃費の悪化を回避することが可能になる。

本発明によれば、排気通路の触媒を通過する前の排気ガスが、ＥＧＲ通路の熱交換部を流れるＥＧＲガスによって保温または加熱されることになる。これにより、内燃機関の冷間始動時、触媒を可及的速やかに活性化させることができ、エミッションの低減を図ることができる。

本発明の実施形態に係る内燃機関のＥＧＲ装置の概略構成を示す図である。図１のＸ−Ｘ線断面図である。ＥＧＲ通路の変形例を示す断面図である。

本発明を具体化した実施形態について添付図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関のＥＧＲ装置の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、例えば、圧縮自着火式の４気筒エンジンであって、シリンダブロック１０と、シリンダヘッド２０とを備えている。なお、図１では１つの気筒のみ示している。

図１に示すように、内燃機関１のシリンダブロック１０内部に形成されるシリンダボア１１内には、ピストン１２が摺動自在に設けられている。ピストン１２は、コネクティングロッド１３を介してクランクシャフトに連結されており、ピストン１２の往復運動がクランクシャフトの回転運動に変換されるようになっている。

内燃機関１のシリンダヘッド２０には、各気筒にそれぞれ対応したインジェクタ（燃料噴射弁）２１が設けられている。インジェクタ２１は所定電圧が印加されたときに開弁して、各気筒の燃焼室１４内に燃料を噴射供給する電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ２１は、燃料を蓄圧するコモンレール３１に接続されている。コモンレール３１には高圧ポンプ３２が接続されており、この高圧ポンプ３２によってコモンレール３１に高圧燃料が供給される。コモンレール３１は、高圧ポンプ３２から供給された高圧燃料を所定圧力に保持（蓄圧）する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各インジェクタ２１に分配する。

また、シリンダヘッド２０には、外気を燃焼室１４内に導入するための吸気ポート２３と、燃焼室１４から排出される排気ガスを排出するための排気ポート２４とが各気筒に対応して設けられている。吸気ポート２３および排気ポート２４は、吸気バルブ２５および排気バルブ２６によってそれぞれ開閉されるようになっている。

吸気ポート２３には吸気マニホールド４１が接続されている。吸気マニホールド４１は吸気通路４０の一部を構成している。吸気通路４０には、スロットルバルブ４２が設けられている。スロットルバルブ４２は、その開度を無段階に調整することが可能な電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を絞り、この吸入空気の供給量を調整（低減）する機能を有している。スロットルバルブ４２は、電動モータ等のアクチュエータ４３によって駆動される。

排気ポート２４には排気マニホールド５１が接続されている。排気マニホールド５１は排気通路５０の一部を構成している。排気通路５０には、触媒５２が設けられている。触媒５２として、例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）、酸化触媒等が用いられている。ＤＰＦは、排気ガス中に含まれる微粒子状の不純物（パティキュレート）を捕集するものである。ここで、パティキュレートとは、排気ガス中に含まれる排気微粒子（煤、煤に付着している炭化水素、黒煙や不完全燃焼物等の粉末状固体微粒子、主成分はカーボンスーツと未燃燃料、オイル等の高分子炭化水素（ＨＣ））のことである。

また、酸化触媒は、排気ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）および炭化水素（ＨＣ）を酸化して、無害な二酸化炭素（ＣＯ₂）および水蒸気（Ｈ₂Ｏ）に清浄化するものである。なお、酸化触媒は、その酸化反応に伴い反応熱を生じることから、ＤＰＦよりも排気ガスの流れ方向の上流側に設置して、ＤＰＦに対するフィルタ再生手段として用いることも可能である。

また、内燃機関１にはＥＧＲ装置６０が設けられている。ＥＧＲ装置６０は、排気通路５０を流れる排気ガスの一部を吸気通路４０に還流させて、各気筒の燃焼室１４へ再度供給することにより燃焼温度を低下させ、これによってＮＯｘ発生量を低減させる装置である。ＥＧＲ装置６０は、吸気通路４０と排気通路５０とを接続するＥＧＲ通路６１を備えている。

ＥＧＲ通路６１には、ＥＧＲ通路６１を通過（還流）するＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ６２、ＥＧＲバルブ６３が設けられている。ＥＧＲバルブ６３の開度を調整することによって、排気通路５０から吸気通路４０に導入されるＥＧＲガス量（排気還流量）を調整することができる。つまり、排気ガスを吸気通路４０に還流させると、燃焼室１４内での混合気の着火性が低下し、内燃機関１の出力の低下および内燃機関１の運転性の低下を招くので、吸気通路４０に還流させるＥＧＲガスの流量を内燃機関１の運転領域に応じて調整する必要がある。そこで、ＥＧＲ装置６０においては、ＥＧＲ通路６１にＥＧＲバルブ６３を設け、そのＥＧＲバルブ６３により吸気通路４０に還流するＥＧＲガス量を制御するようにしている。ＥＧＲバルブ６３は、電動モータ等のアクチュエータ６４によって駆動される。

この実施形態では、上記構成の内燃機関１のＥＧＲ装置６０において、ＥＧＲ通路６１は、排気通路５０に設けられた触媒５２の下流側で排気通路５０から分岐され、且つ、このＥＧＲ通路６１を流れるＥＧＲガスが触媒５２の上流側で排気通路５０を流れる排気ガスと熱交換可能に設けられていることを特徴としている。以下、実施形態の特徴部分について、図１、図２を参照して詳しく説明する。図２は、図１のＸ−Ｘ線断面図であって、ＥＧＲ通路６１の断面構造を示している。

図１に示すように、排気通路５０において、触媒５２の上流側には、上流側排気管５３が接続されており、触媒５２の下流側には、下流側排気管５４が接続されている。したがって、燃焼室１４から排気ポート２４を介して排出された排気ガスは、排気マニホールド５１、上流側排気管５３、触媒５２、下流側排気管５４の順に排気通路５０を流れることになる。

ＥＧＲ通路６１は、触媒５２を通過した後の排気ガスを吸気通路４０に戻すように構成されている。この実施形態では、ＥＧＲ通路６１は、ＥＧＲガス流れの上流側から順に、分岐部６６と、熱交換部６７と、吸気側連絡部６８とを備えている。

具体的に、ＥＧＲ通路６１の分岐部６６は、触媒５２の下流側で排気通路５０から分岐され、触媒５２の上流側へ向けて延びる部分である。分岐部６６の上流端６６ａは、下流側排気管５４に接続されている。この場合、触媒５２の直後において上流端６６ａが下流側排気管５４に接続されている。分岐部６６の下流端６６ｂは、触媒５２の直前において熱交換部６７の上流端６７ａに接続されている。

熱交換部６７は、ＥＧＲガスと触媒５２の上流側を流れる排気ガス、つまり、上流側排気管５３を流れる排気ガスとの間で熱交換を行う部分である。この実施形態では、図２に示すように、熱交換部６７と上流側排気管５３とが２重管構造になっている。断面円形の熱交換部６７が、断面円形の上流側排気管５３とが同軸上に配置されており、熱交換部６７が上流側排気管５３の外周側を覆うように設けられている。また、図１に示すように、熱交換部６７の下流端６７ｂは、排気マニホールド５１の直後において吸気側連絡部６８の上流端６８ａに接続されている。

吸気側連絡部６８は、上述したＥＧＲクーラ６２およびＥＧＲバルブ６３を有し、吸気通路４０に合流される部分である。この場合、吸気側連絡部６８の下流端６８ｂが吸気マニホールド４１に接続されている。

この実施形態では、ＥＧＲ通路６１の熱交換部６７を流れるＥＧＲガスと、排気通路５０の上流側排気管５３を流れる排気ガスとが、上流側排気管５３の管壁を介して接触する構成となっている。したがって、次のような効果が得られる。

熱交換部６７を流れるＥＧＲガスと、上流側排気管５３を流れる排気ガスとの間で熱交換が行われる。ここで、排気ガスが触媒５２を通過すると、触媒５２内での反応により反応熱が発生し、この反応熱により触媒５２内で排気ガスが加熱される。このため、触媒５２を通過した後の排気ガスの温度は、触媒５２を通過する前の排気ガスの温度に比べて高くなる。熱交換部６７には分岐部６６を介して触媒５２を通過した後の排気ガスが送られるので、熱交換部６７を流れるＥＧＲガスの温度は、上流側排気管５３を流れる排気ガスの温度に比べて高くなっている。

したがって、上流側排気管５３を流れる排気ガス、言い換えれば、触媒５２に導入される排気ガスが、熱交換部６７を流れるＥＧＲガスによって保温または加熱されることになる。これにより、内燃機関１の冷間始動時、触媒５２を可及的速やかに活性化させることができ、エミッションの低減を図ることができる。しかも、熱交換部６７を流れるＥＧＲガスが、上流側排気管５３を流れる排気ガスによって冷却されるので、ＥＧＲクーラ６２の小型化を図るうえで有利となる。

ここで、排気ガスの温度が高温となる内燃機関１の高負荷時には、通常、ＥＧＲガス量（排気還流量）は、「０」または少量に制御されるため、熱交換部６７を流れるＥＧＲガスによる触媒５２に導入される排気ガスの保温または加熱作用が小さく抑えられる。したがって、内燃機関１の高負荷時、触媒５２に導入される排気ガスの過度の温度上昇を抑制することが可能になり、触媒５２の劣化を抑制することが可能になる。そして、触媒５２の劣化を抑制するために、従来では行われていた混合気の空燃比をリッチ状態とする燃料噴射制御を行うことが不要になる。これにより、そのような燃料噴射制御にともなう排気ガス中のＨＣの増加や、燃費の悪化を回避することが可能になる。

−他の実施形態−
本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内および当該範囲と均等の範囲で包含されるすべての変形や応用が可能である。

（１）図２に示すＥＧＲ通路６０の熱交換部６７の構成は一例であって、排気通路５０の上流側排気管５３を流れる排気ガスと熱交換可能な構成であれば、それ以外の構成を採用してもよい。例えば、ＥＧＲ通路の熱交換部を、図３に示すような構成としてもよい。図３は、ＥＧＲ通路の変形例を示す断面図である。

図３に示す変形例では、断面略半円形のＥＧＲ通路１６１の熱交換部１６７が、断面略半円形の排気通路１５０の上流側排気管１５３と接触した構成となっている。この場合、熱交換部１６７の管壁１６７ｃと、上流側排気管１５３の管壁１５３ｃとが互いに接触している。そして、ＥＧＲ通路１６１の熱交換部１６７を流れるＥＧＲガスと、排気通路１５０の上流側排気管１５３を流れる排気ガスとが、上流側排気管１５３の管壁１５３ｃおよび熱交換部１６７の管壁１６７ｃを介して接触する構成となっている。これにより、熱交換部１６７を流れるＥＧＲガスと、上流側排気管１５３を流れる排気ガスとの間で熱交換が行われるようになっている。

（２）また、上述した触媒５２の構成は一例であって、それ以外の構成を採用してもよい。

（３）さらに、内燃機関１として、ガソリンエンジンを採用してもよい。また、内燃機関１として、過給機付きエンジン（ターボ過給機付きエンジン）を採用してもよい。

本発明は、内燃機関の排気通路に排出される排気ガスの一部を吸気通路に還流するＥＧＲ通路を備えた内燃機関のＥＧＲ装置に利用可能である。

１内燃機関
４０吸気通路
５０排気通路
５２触媒
５３上流側排気管
５４下流側排気管
６０ＥＧＲ装置
６１ＥＧＲ通路
６６分岐部
６７熱交換部
６８吸気側連絡部

Claims

内燃機関の排気通路に排出される排気ガスの一部を吸気通路に還流するＥＧＲ通路を備えた内燃機関のＥＧＲ装置において、
上記ＥＧＲ通路は、上記排気通路に設けられた触媒の下流側で排気通路から分岐された分岐部と、上記触媒の上流側でこのＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスと排気通路を流れる排気ガスとの間で熱交換を行う熱交換部とを備えていることを特徴とする内燃機関のＥＧＲ装置。