JP2011508850A - 自動車内燃機関のｅｇｒ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】正確なＥＧＲ流量を保証し、背圧がもたらす問題に対する解決方法を提供する。
【解決手段】−ＥＧＲバルブ（１）の空気入口通路（２）における新鮮な空気の流量を最大に設定し、
−前記ＥＧＲバルブ（１）におけるＥＧＲガスのためのガス入口通路（３）を徐々に開き、
−前記ＥＧＲバルブ（１）におけるＥＧＲガスの流量がさらに増加する前に、
−ＥＧＲガスの流量を単調増加曲線に従って連続的に増加させるため、新鮮な空気の前記空気入口通路（２）を徐々に閉じる
ことを特徴とする自動車内燃機関のＥＧＲ回路。
【選択図】図２ｃ

Description

本発明は、添付の図７に示すように、自動車内燃機関のＥＧＲ回路に関するものである。自動車内燃機関は、エンジン２１と、燃焼ガス排気マニホールド２２と、ターボチャージャ２４と、タービン２５と、排気ガス再循環（ＥＧＲ）回路２８と、コンプレッサ２６からの排気ガスおよび空気を受け入れるためのエンジン吸気マニホールド２３とを備えている。ＥＧＲ回路２８は、クーラ２９と、ターボチャージャ２４のコンプレッサ２６の上流に配置され、クーラ２９の出口に連結されている低圧３方向バルブ３０を有し、低圧３方向バルブ３０は、コンプレッサ２６で昇圧される新鮮な空気、および冷却された排気ガスを受け入れて混合する２つの入口通路を有する。

ＥＧＲ回路の目的は、燃焼温度を低下させ、酸化剤の混合により燃焼速度を低下させて、エネルギの一部を吸収することにより、窒素酸化物の排出を減少させることである。ＥＧＲ回路におけるクーラは、燃焼温度を急速に（高負荷で）低下させる。

米国特許出願公開第２００５／０１９３９７８号明細書

３方向バルブと、排気ガスを再循環させることなく新鮮な空気だけを受け入れることのできるエンジンとを動作させるため、多数の方法が考えられる。エンジンは、ターボチャージャコンプレッサの排気側と入口側との間の圧力差が排気ガスを再循環させるのに十分である場合、排気ガスの一部が混合された新鮮な空気を受け入れることができる。圧力差が、排気ガスを再循環させ、適切なＥＧＲ率とするのに十分でない場合、エンジンの吸気通路に向かう排気ガスの一部が作用し、ＥＧＲ回路の下流側の排気通路のスロットルにより背圧が発生する。しかしながら、この方法は、複雑であるため、十分に満足できるものではない。本発明は、適切なＥＧＲ流量を保証し、背圧がもたらす問題に対する他の方法を提供するものである。

−すなわち、本発明は、上記ＥＧＲ回路を用いた特定の方法に関するものであり、
−３方向バルブの空気入口通路における新鮮な空気の流量を最大に設定し、
−前記３方向バルブにおけるＥＧＲガスのためのガス入口通路を徐々に開き、
−前記３方向バルブにおけるＥＧＲガスの流量がさらに増加する前に、
−ＥＧＲガスの流量を単調増加曲線に従って連続的に増加させるため、新鮮な空気の前記空気入口通路を徐々に閉じる、
ことを特徴とする。

本発明は、新鮮な空気およびＥＧＲガスの２つの入口通路のそれぞれに対応する２つのフラップを有する３方向バルブを備えていることが好ましい。新鮮な空気の前記空気入口通路を閉じる位相変位は、角度範囲が極めて狭い単一のフラップを有する３方向バルブを用いても達成できる。

本発明の好適な方法としては、２つのフラップを有する３方向バルブを使用し、前記３方向バルブにおける空気入口通路を閉じるために、空気フラップが回転を開始するとき、ＥＧＲガスのガスフラップを約５５°の角度位置から回転させ、前記３方向バルブのガス入口通路におけるＥＧＲガスの流量が減少を開始するようにする。空気フラップ（５）は、９０°まで回転する。この回転により、空気入口通路（２）は完全に閉じる。これに代えて、例えば、通路の直径よりも直径が小さいフラップを用いることにより、通路が部分的に閉じるようにしてもよい。

米国特許出願公開第２００５／０１９３９７８号明細書（特許文献１）に開示されているエンジンにおいて、限定されたバルブにより規定される過圧は、常に、エンジンの動作に対応するレベルとなる点に留意するべきである。過圧がこのバルブの結果として変化すると、入力される空気の量も変化する。

添付の図面を参照して、３方向バルブ、すなわち、ＥＧＲ回路および３方向バルブを使用する以下の方法の記述から、本発明をより良く理解しうると思う。

図１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、本願で請求する特定の使用方法であるＥＧＲ回路の３方向バルブを使用する４つのモードを示す。 図２ａ、２ｂ、２ｃは、対応するフラップの角度（α）の関数としての空気流量（ｄａ）、ＥＧＲガスの自然流量（ｄｇｎ）、および、本発明に係る強制されたＥＧＲガスの流量（ｄｇｆ）の曲線を示す。 図３は、空気フラップを開き、ガスフラップを閉じた状態の２つのフラップを有する３方向バルブの駆動トレインの斜視図である。 図４は、ガスフラップが一部開いた位置に設定された状態の図３に示す３方向バルブの図である。 図５は、ガスフラップが開き、空気フラップが閉じた状態の図３に示す３方向バルブの図である。 図６は、ガスフラップが開くのに関連して、空気フラップが一時的に閉じる方向に位相変位機構の他の形態にかかる３方向バルブの駆動トレインの一部斜視図である。 図７は、本発明で使用されるＥＧＲ回路の簡略図である。

図１ａ、１ｂ、１ｃのＥＧＲバルブ１は、空気入口通路２と、再循環排気ガス入口通路３と、空気・ガス出口通路４とを備えている。

ＥＧＲバルブ１は、ここでは、空気入口通路２に配設される空気フラップ５と、ガス出口通路３に配設されるガスフラップ６との２つのフラップを有するバルブである。

第１に、空気フラップ５は、空気入口通路２を介して最大の空気流量を許容する角度位置（０°）にあり、ガスフラップ６は、ガス入口通路３を閉じる角度位置（９０°）にある。

次に、空気フラップ５は回転させず、ＥＧＲガスのガス入口通路３を徐々に開くため、ガスフラップ６が回転を開始する（図１ａ）。これは、曲線の領域Ｉである（図２）。次いで、空気入口通路２が広く開き、空気フラップ５を同じ位置に維持した状態で、ガス入口通路３を広く開くためにガスフラップ６を回転させる（図１ｂ）。これは、曲線の領域ＩＩである（図２）。ガスフラップ６が所定の角度位置、この例では、３５°となったとき、すなわち５５°回転したとき、ガス入口通路３におけるガスの流量は、これ以上実質的に増加することはない。そして、ガスフラップ６を回転させ続ける一方、対応するオフセット時間経過後に空気入口通路２を閉じるため、空気フラップ５の回転を開始し、エンジンにさらにＥＧＲガスを取り込ませる（図１ｃ）。

これは、上昇を維持するための変曲点を通過したＥＧＲガスの流量曲線の領域ＩＩＩの開始である（図２）。

この領域ＩＩＩは、ガス入口通路３が広く開いたガスフラップ６の角度位置０°となり、空気入口通路２が完全に、又は、部分的に閉じる空気フラップ５の角度位置（９０°）となるまで続く（図１ｄ）。

上記で定義した方法により、３方向のＥＧＲバルブを駆動するため、ＥＧＲバルブ１は、図３〜図５に記載された駆動トレインを有する。

ＥＧＲバルブ１の駆動トレインは、ＤＣモータ７と２本のスピンドル５１、６１との間に配設され、空気フラップ５及びガスフラップ６をそれぞれ回転させるギアセットを備えている。２本のスピンドル５１、６１は、互いに並行をなしている。

ＤＣモータ７のシャフト１４には、周縁の歯のセット１０、および中央の歯のセット１１を有する中間ギアホイール９を駆動する駆動ピニオン８が固定されている。

中間ギアホイール９の周縁の歯のセット１０は、空気フラップ５を回転させる環形歯車１２に噛合している。環形歯車１２は、空気フラップ５のスピンドル５１に対して回転自在である。この空気フラップ５は、空気フラップ５のスピンドル５１と一体に回転する駆動ピン１５を介して環形歯車１２により回転駆動される。この駆動ピン１５は、バルブ本体（図示せず）に固定された調整係止端１６に当接して静止する。環形歯車１２は、駆動ピン１５、すなわち、空気フラップ５を駆動することなく、環形歯車１２が所定の角度範囲で回転自在となる角度方向の切り欠き１７を備えている。環形歯車１２がこの角度範囲を超えて一方向または他方向に回転するとき、切り欠き１７の縁部が駆動ピン１５を駆動する。

中間ギアホイール９の中央の歯のセット１１の一部は、ガスフラップ６を回転駆動するための環形歯車１３に噛合している。環形歯車１３は、ガスフラップ６のスピンドル６１と一体に回転する。

従って、ガスフラップ６は、環形歯車１３の回転によって直接回転駆動される。一方、空気フラップ５は、環形歯車１２が駆動ピン１５を回転駆動するときのみ、回転駆動される。

想定される例として、ＤＣモータ７は、反時計方向に回転することにより、駆動ピニオン８を介して、中間ギアホイール９を時計方向に回転駆動する。次いで、中間ギアホイール９は、歯のセット１０、１１を介して、２つの環形歯車１２、１３を反時計方向に回転駆動する。従って、これらの２つの環形歯車１２、１３は、２つの異なる歯のセット１０、１１を介して、同じ中間ギアホイール９により回転させられる。ＤＣモータ７のシャフト１４とガスフラップ６との間のギア比は、ここでは１５．６７であり、シャフト１４と空気フラップ５との間のギア比は、空気フラップ５が駆動されているとき、６．６７である。

次に、空気フラップ５を閉じる位相変位の機構について説明する。

図３、４、５は、駆動ピニオン８の回転による環形歯車１２、１３、および中間ギアホイール９の種々の状態を示す。

図３から図４にかけて、環形歯車１２、１３は、反時計方向に回転駆動され、ガスフラップ６が開く。一方、空気フラップ５は、角度方向の切り欠き１７があるために固定されたままである。図４に示す位置において、この切り欠き１７の縁部の１つが、駆動ピン１５に当接する。

従って、環形歯車１２は、図５に示す位置の方向に回転し続け、駆動ピン１５（および空気フラップ５）が回転駆動される。そのため、空気フラップ５は、切り欠き１７によって許容されたオフセット時間経過後に閉じる。

位相変位機構の変形例を図６に示す。この変形例では、２つの径方向の腕５２、５３を有するクロスメンバ５０が、空気フラップ５のスピンドル５１に装着されている。各腕５２、５３は、端部に、スピンドル５１に対して実質上平行に延在する駆動ピン５４、５５を有する。

駆動ピン５４、５５を回転変換運動として駆動する２つの環状スロット５６、５７が、環形歯車１２に形成されている。駆動ピン５４、５５は、これらの２つの環状スロット５６、５７までそれぞれ延在している。

駆動ピン５４、５５が環状スロット５６、５７の端部壁５８の１つに当接しない限り、スピンドル５１および空気フラップ５は、回転できない。駆動ピン５４、５５が、２つの環状スロット５６、５７の各端部壁５８に当接すると、環形歯車１２は、駆動ピン５４、５５を駆動し、空気フラップ５は回転する。

ＥＧＲバルブ１を正しく動作させるため、環状スロット５６、５７により１８０°よりも小さい角度に制限する必要がある。α_gをガスフラップ６の回転角度、α_aを空気フラップ５の回転角度とすると、式（１）すなわち
（α_g−α_a）×α_g／α_a＜１８０° （１）
を満たさなければならない。

α_g＝９０°（図２ｂ）であるとき、空気フラップ５の回転角度αａは、式（２）を満たさなければならない。
α_a＞３０° （２）

ギア比Ｒ＝α_g／α_aは、式（３）を満たさなければならない。
Ｒ＜３ （３）

上述した例において、想定されるギア比Ｒは、
Ｒ＝１５．６７／６．６７＝２．３５
である。

環状スロット５６、５７は、空気フラップ５が回転を開始する前に、ガスフラップ６が回転する角度の大きさを考慮して設定した環形歯車１２の歯の範囲内で、環形歯車１２に形成されている。

以上のように、ＥＧＲバルブ１は、その制御の特異性から、ＤＣモータ７によって単独で制御され、経済的且つ小型である点で注目に値する。

この制御は、バッテリ電圧とグランドとの間に直列に接続される２つのスイッチと、２つのスイッチ間に接続されている、例えば、モータで制御される要素とを有する、当業者にとって周知のＨ−ブリッジを用いて達成することができる。

１ ＥＧＲバルブ
２ 空気入口通路
３ ガス入口通路
４ 空気・ガス出口通路
５ 空気フラップ
６ ガスフラップ
７ ＤＣモータ
８ 駆動ピニオン
９ 中間ギアホイール
１０ 歯のセット
１１ 歯のセット
１２ 環形歯車
１３ 環形歯車
１４ シャフト
１５ 駆動ピン
１７ 切り欠き
２１ エンジン
２２ 排気マニホールド
２３ 吸気マニホールド
２４ ターボチャージャ
２５ タービン
２６ コンプレッサ
２８ ＥＧＲ回路
２９ クーラ
３０ ３方向バルブ
５０ クロスメンバ
５１ スピンドル
５２、５３ 腕
５４、５５ 駆動ピン
５６、５７ 環状スロット
６１ スピンドル

Claims (6)

1. エンジン（２１）と、燃焼ガス排気マニホールド（２２）と、ターボチャージャ（２４）と、タービン（２５）と、排気ガス再循環（ＥＧＲ）回路（２８）と、コンプレッサ（２６）からの排気ガス、および空気を受け入れるためのエンジン吸気マニホールド（２３）とを備え、前記ＥＧＲ回路（２８）は、クーラ（２９）と、前記ターボチャージャ（２４）の前記コンプレッサ（２６）の上流に配置され、前記クーラ（２９）の出口に連結される３方向バルブ（１）とを有し、前記３方向バルブ（１）は、前記コンプレッサ（２６）で昇圧される新鮮な空気および冷却された排気ガスを受け入れて混合する２つの入口通路を有する自動車内燃機関のＥＧＲ回路の使用方法において、
   −ＥＧＲバルブ（１）の空気入口通路（２）における新鮮な空気の流量を最大に設定し、
   −前記３方向バルブ（１）におけるＥＧＲガスのためのガス入口通路（３）を徐々に開き、
   −前記３方向バルブ（１）におけるＥＧＲガスの流量がさらに増加する前に、
   −ＥＧＲガスの流量を単調増加曲線に従って増加させるため、新鮮な空気の前記空気入口通路（２）を徐々に閉じる
   ことを特徴とする自動車内燃機関のＥＧＲ回路の使用方法。
2. 前記３方向バルブ（１）は、新鮮な空気およびＥＧＲガスの２つの前記入口通路（２、３）のそれぞれに対応する２つのフラップ（５、６）を有することを特徴とする請求項１記載の自動車内燃機関のＥＧＲ回路の使用方法。
3. 前記ＥＧＲバルブ（１）における前記空気入口通路（２）を閉じるために空気フラップ（５）が回転を開始するとき、ＥＧＲガスのガスフラップ（６）を約５５°の角度位置から回転させ、前記ガス入口通路（３）におけるＥＧＲガスの流量が減少を開始し、前記空気フラップ（５）が９０°まで回転し続けて、空気入口通路（２）が完全に閉じることを特徴とする請求項２記載の自動車内燃機関のＥＧＲ回路の使用方法。
4. 前記空気フラップ（５）は、９０°まで回転することを特徴とする請求項３記載の自動車内燃機関のＥＧＲ回路の使用方法。
5. 前記空気フラップ（５）は、空気入口通路（２）が完全に閉じるまで回転することを特徴とする請求項３または４記載の自動車内燃機関のＥＧＲ回路の使用方法。
6. 前記空気フラップ（５）は、空気入口通路（２）が部分的に閉じるまで回転することを特徴とする請求項３または４記載の自動車内燃機関のＥＧＲ回路の使用方法。

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