JP2011501024A

JP2011501024A - 吸気系を有する内燃機関

Info

Publication number: JP2011501024A
Application number: JP2010529325A
Authority: JP
Inventors: プシュニック，アンドレアス; ムリナール，ヨーゼフ
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2007-10-18
Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2011-01-06
Also published as: WO2009053192A1; AT504179B1; CN101828023B; AT504179A2; US20100288228A1; AT504179A3; DE112008002577A5; CN101828023A

Abstract

本発明は、吸気系（２）と排気系とを有し、前記排気系は吸気路（４）に合流する少なくとも１本の排気還流路（３）を経て前記吸気系（２）に接続され、前記吸気路（４）内には少なくとも１つの旋回流発生部材（８）が設けられている内燃機関（１）に関する。還流される排ガスと新気との良好な混合を達成すべく、前記旋回流発生部材（８）は前記吸気路（４）の壁面（４ａ）の領域に設けられている。

Description

本発明は、吸気系と排気系とを有し、排気系は吸気路に合流する少なくとも１本の排気還流路を経て吸気系に接続され、吸気路内部には少なくとも１つの旋回流発生部材が設けられている内燃機関に関する。

排気還流（排気循環）に際し、冷却された排ガスは新気との均一な混合気によって燃焼温度を低下させる。これにより、排ガス中の窒素酸化物成分は減少する。ただし、多気筒内燃機関において、最適な窒素酸化物低減は、還流される排ガス量がすべてのシリンダに均等に配分される場合にのみ実現可能である。これを達成するには、新気と還流される排ガスとの十分な混合が不可欠である。

ドイツ特許公報第１０００７２４３号は、導入装置を備えた排気還流装置を開示している。排気還流路は排出口または導入口を経て吸気路に合流し、その際、導入装置の導入口領域には旋回流発生部材つまり渦発生部材が設けられている。ただし、達成される混合結果は必ずしも常に十分であるとは限らない。短所はさらに、この導入装置によって部品数が増加し、吸気路内の流れ抵抗に不適な影響がもたらされることである。

日本特許出願公開第２０００−１６１１４８号公報、ならびに同第２００４−２３２６１７号公報から、内燃機関用の排気還流システムが公知であり、該明細書において、排気還流路は２つの合流口を経て接線方向から吸気路に合流している。これにより、還流される排ガスは旋回流の形態で流入することになる。短所は、還流される排ガスの流れ速度によって混合結果が大幅に左右され、排ガスの流入速度が低ければタービュランスの発生は不十分で、排ガスはもっぱら吸気路の内壁表面近傍を流れてしまい、新気のコアゾーンとの十分な混合が達成されないことである。

研究調査から判明したところによれば、排ガス温度が相対的に高くかつ密度が相対的に低いため、還流される排ガスは滑らかな吸気路内において遠心力の作用により吸気エルボの内側湾曲領域に集積する。これにより、給気と排ガスとはなんら十分に混合されることがない。こうした不十分な混合の結果、多気筒内燃機関において、個々のシリンダへの排ガスの均等な配分も行われることがない。

ドイツ特許公報第１０００７２４３号日本特許出願公開第２０００−１６１１４８号公報日本特許出願公開第２００４−２３２６１７号公報

本発明の目的は、上記の短所を回避して、還流される排ガスと新気との十分な混合をできるだけ簡易な方法で達成することである。

本発明によれば上記課題は、旋回流発生部材が吸気路の壁面の領域に設けられることによって達成される。旋回流発生部材が吸気路の壁面領域に設けられることによって、還流される排ガスと新気コアゾーンとの混合も著しく改善することが可能である。

特に良好な混合を達成するには、旋回流発生部材は好ましくは多条のねじ山面として形成され、理想的には、ねじ山ごとに排気還流路の少なくとも１個の別々の合流口が設けられ、しかも、これらの合流口が周方向または流れ方向あるいはその両方向において互いに離間して設けられていれば特に有利である。ただし、単純な幾何的形状を有する短いガイドリブもまた、わずかな圧力損失で十分に良好な混合を達成し得ることがすでに判明している。加えてさらに、これらの単純なガイドリブは、吸気路の断面形状が円形でない場合にも、ピッチ角度を局所的に変化させることによって圧力損失を最適化することを可能にする。排ガスと新気との十分な混合は、吸気路の好ましくは真直ぐに形成された混合区間で行われる。混合区間が１回または複数回にわたって屈曲している場合には、混合区間内の屈曲および曲りは旋回流発生部材のピッチ角度または高さあるいはその両方を局所的に適合化することによって補償することができる。これにより、混合区間を大幅に短縮化することが可能である。さらに、混合区間に続いて、均一に混合された排ガス／新気の混合気が貫流する吸気エルボを設けることができる。

旋回流発生部材は好適にはガイドリブとして形成され、好ましくは、軸方向において互いに離間した複数の旋回流発生部材が吸気路内に設けられてもよい。

排気還流路は横向きに、好ましくは直角をなして吸気路に合流する。圧力損失を最小とした、還流される排ガスと新気との特に良好な混合は、旋回流発生部材が吸気路内において排気還流路の合流口の下流側に設けられている場合に達成される。吸気路が空間的に湾曲して形成されていれば、排気還流路を吸気路の軸に対して横向きに６０°まで傾斜させることにより、特に排気還流路の合流口の領域において遠心力の作用下での、２つの成分である新気と排ガスとの密度差による分離傾向を防止することが可能である。吸気路が湾曲して形成されている場合のさらに別途の改善対策は、排気還流路の合流口を吸気路の水力直径の３０％までに相当する間隔だけ中心面から側方にずらすかまたは上記横向き傾斜との組み合わせによって実現することができる。

個別部品の数をできるだけ少なくするために、旋回流発生部材を吸気路と一体に形成することも可能である。

本発明による内燃機関の模式図である。上記内燃機関の吸気路の縦断面図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線から見た第１実施形態による吸気路の断面図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線から見た第２実施形態による吸気路の断面図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線から見た第３実施形態による吸気路の断面図である。

以下、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。
図１は、吸気系２と、少なくとも１本の排気還流路３を経て吸気路４に接続された詳細不図示の排気系とを有する内燃機関１を示している。符号Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４、Ｚ５は内燃機関１のシリンダを表している。各々のシリンダＺ１〜Ｚ５は、本実施形態において、吸気系と連通した２個の吸気口５と、排気系に接続された２個の排気口６とを有している。

湾曲して形成された吸気路４は湾曲部１２と吸気エルボ１３との間に、本実施形態においてほぼ真直ぐに形成された混合区間９を有している。

吸気路４への排気還流路３の合流口３ａの下流には、吸気路４の壁面４ａに、略ねじ山状のガイドリブ７として形成された複数の旋回流発生部材８が設けられている。本実施形態では、３本のねじ山状ガイドリブ７が互いに等間隔で吸気路４内に設けられている。吸気路４の真直ぐな混合区間９にねじ山面７ａとして形成されたガイドリブ７により、流れ方向Ｓに強度の旋回流、ないしは、付加的な渦流が発生させられる。これにより、真直ぐな混合区間９とそれに続く吸気エルボ１３において、新気１０と還流される排ガス１１との間に最適な混合が行われ、こうして、個々のシリンダＺ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４、Ｚ５への排ガスの均等な配分が実現される。この場合には、ガイドリブ７の近傍に発生する付加的な渦流により、わずかな圧力損失が生ずるにすぎない。

旋回流発生部材８が吸気路４のエルボ区域に設けられている場合には、屈曲によって生ずる不適な効果を補償するために、ガイドリブ７は異なった高さｈおよび異なったピッチ角度βで設けられていてよい。

２つの成分である新気と排ガスとは遠心力の作用下でそれらの密度に応じて層を生ずることから、逆配分が初期設定されることにより、十分な混合を意図的に促進することができる。それゆえ、一実施形態において、湾曲部１２の領域で、排気還流路３は、吸気路４の中心面εに対して、６０°までの角度αをなして吸気路に合流させられる（図５）。また、合流口３ａの中心は、湾曲部１２の軸１２’を含んだ中心面εに対して間隔ｂだけ偏位して設けられていてもよい（図４）。この間隔ｂは水力直径ｄ_ｈ＝４Ａ／Ｕ（式中、Ａは合流口３ａの領域における吸気路４の流れの断面積を表し、Ｕは濡れ縁を表している）の略３０％までに相当する長さである。

特に良好な混合を達成すべく、図２および図３に鎖線で示唆したように、ねじ山ごとに排気還流路３、３’の少なくとも１つの別々の合流口３ａ、３ａ’が設けられていてよい。その際、合流口３ａ、３ａ’は吸気路４の長手軸４’の方向に互いに偏位して設けられているか（図２）または吸気路４において長手軸４’に対して垂直をなす面内に互いに周方向にオフセットして設けられてもよい（図３）。

Claims

吸気系（２）と排気系とを有し、前記排気系は吸気路（４）に合流する少なくとも１本の排気還流路（３、３’）を経て前記吸気系（２）に接続され、前記吸気路（４）内には少なくとも１つの旋回流発生部材（８）が設けられている内燃機関（１）であって、
前記旋回流発生部材（８）は前記吸気路（４）の壁面（４ａ）の領域に設けられていることを特徴とする内燃機関。
前記旋回流発生部材（８）がガイドリブ（７）として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関（１）。
前記ガイドリブ（７）が少なくとも１箇所、好ましくは複数箇所で中断されていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関（１）。
前記旋回流発生部材（８）が好ましくは多条のねじ山面（７ａ）として形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関（１）。
前記ねじ山面（７ａ）のねじ山ごとに排気還流路（３、３’）の少なくとも１個の合流口（３ａ、３ａ’）が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関（１）。
合流口（３ａ、３ａ’）が周方向において互いにオフセットして設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関（１）。
合流口（３ａ、３ａ’）が流れ方向において互いに離間していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関（１）。
前記旋回流発生部材（８）が前記吸気路（４）内において、前記排気還流路（３、３’）の合流口（３ａ、３ａ’）の下流側、好ましくは流れ方向（Ｓ）における第１の合流口（３ａ、３ａ’）の下流側に設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の内燃機関（１）。
前記旋回流発生部材（８）が前記吸気路（４）と一体に形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の内燃機関（１）。
前記旋回流発生部材（８）が前記吸気路（４）の直進区間内に設けられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の内燃機関（１）。
前記旋回流発生部材（８）が前記吸気路（４）の少なくとも１回だけ屈曲した区間に設けられ、その際、好ましくは前記旋回流発生部材（８）は局所的に異なった高さ（ｈ）または異なったピッチ角度（β）あるいはその両方を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の内燃機関（１）。
軸方向において互いに離間した複数の旋回流発生部材（８）が前記吸気路（４）内に設けられていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の内燃機関（１）。
前記排気還流路（３、３’）が前記吸気路（４）に対して横向きに、好ましくは直角をなして合流することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の内燃機関（１）。
前記排気還流路（３、３’）が前記吸気路（４）の湾曲部（１２）の領域において横向きに、好ましくは、前記湾曲部（１２）の軸（１２’）を含んだ中心面（ε）に対して６０°までの角度（α）をなして前記吸気路（４）に合流することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の内燃機関（１）。
前記排気還流路（３）の前記合流口（３ａ）は前記湾曲部（１２）の領域において、前記湾曲部（１２）の軸（１２’）を含んだ中心面（ε）に対して前記吸気路（４）の水力直径（ｄ_ｈ）の３０％までに相当する所定の間隔（ｂ）だけ側方に偏位して設けられていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の内燃機関（１）。