JP2012197719A - 排気ガス再循環装置の構造 - Google Patents

Abstract

【課題】気筒に充填される吸気のＥＧＲ率のばらつきを抑制するとともに、減速時等における燃焼の不安定化を防止する。
【解決手段】ＥＧＲ通路２１におけるＥＧＲバルブ２２よりも下流に連絡路２５を介して容積部２４を接続し、この連絡路２５に、ＥＧＲバルブ２２の開度が小さくなるほど当該連絡路２５の断面積を小さく絞るようＥＧＲバルブ２２に連動する遮蔽体２６を付設した。容積部２４は、ＥＧＲガスの脈動の影響を緩和して気筒毎のＥＧＲ率を均一化する。遮蔽体２６は、減速時等において、容積部２４内に充満しているＥＧＲガスが吸気経路に向けて流出することを抑止する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関に付帯する排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置の構造に関する。

気筒内の燃焼温度を低下させてＮＯ_xの排出量を削減しつつ、ポンピングロスの低減を図るＥＧＲ装置が周知である（例えば、下記特許文献を参照）。ＥＧＲ装置は、排気経路と吸気経路とをＥＧＲ通路を介して接続し、気筒で発生する燃焼ガスの一部をＥＧＲ通路経由で吸気経路に還流させて吸気に混入するものである。

近時では、燃費性能の一層の向上を目論み、多量のＥＧＲガスを吸気経路に還流させるようになってきている。このため、吸排気の脈動の影響をもろに受けて、気筒に充填される吸気のＥＧＲ率が気筒間で大きくばらついてしまう傾向にある。

気筒毎のＥＧＲ率のばらつきを抑制するためには、ＥＧＲ通路におけるＥＧＲバルブの下流（吸気経路により近い側）にＥＧＲサージタンクを設置することが効果的である。だが、減速時等、要求されるＥＧＲガス量が低下する状況において、ＥＧＲバルブを閉弁したとしても、既にＥＧＲサージタンクに充満しているＥＧＲガスが吸気に混入することは避けられない。そして、そのＥＧＲガスが特定の気筒に流入した結果、当該気筒で失火を引き起こすことがあった。

特開２０１０−２５５５９９号公報

本発明は、気筒に充填される吸気のＥＧＲ率のばらつきを抑制するとともに、減速時等における燃焼の不安定化を防止することを所期の目的としている。

本発明に係るＥＧＲ装置の構造は、内燃機関の排気経路と吸気経路とを連通するＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路を開閉することのできるＥＧＲバルブと、前記ＥＧＲ通路における前記ＥＧＲバルブよりも下流の部位に接続された容積部と、前記ＥＧＲ通路の下流部位と容積部とを連絡する通路、または前記ＥＧＲ通路の下流部位と吸気経路とを連絡する通路に付設され、前記ＥＧＲバルブの開度が小さくなるほど当該通路の断面積を小さく絞るようＥＧＲバルブに連動する遮蔽体とを具備する。

容積部は、ＥＧＲサージタンクの如く作用し、ＥＧＲガスの脈動の影響を緩和して気筒毎の吸気のＥＧＲ率を均一化する。遮蔽体は、減速時等において、容積部とＥＧＲバルブの下流とを連絡する通路、またはＥＧＲバルブの下流と吸気経路とを連絡する通路の断面積を縮小し、または当該通路を閉鎖して、容積部内に滞留しているＥＧＲガスが吸気経路に向けて流出することを抑止する。

本発明によれば、気筒に充填される吸気のＥＧＲ率のばらつきを抑制することができ、かつ減速時等における燃焼の不安定化をも防止することができる。

本発明の一実施形態における内燃機関及びＥＧＲ装置の構成を示す図。 同実施形態のＥＧＲ装置の詳細を模式的に示す図。 同実施形態のＥＧＲ装置の詳細を模式的に示す図。 本発明の変形例の一を模式的に示す図。 本発明の変形例の一を示す要部斜視図。 本発明の変形例の一の詳細を模式的に示す図。 同変形例の詳細を模式的に示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関０の概要を示す。内燃機関０は、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）と、各気筒１内に燃料を噴射するインジェクタ１１と、各気筒１に吸気を供給するための吸気経路３と、各気筒１から排気を排出するための排気経路４と、吸気経路３を流通する吸気を過給する排気ターボ過給機５と、排気経路４から吸気経路３に向けてＥＧＲガスを還流させる外部ＥＧＲ装置２とを備えている。

吸気経路３は、外部から空気を取り入れて気筒１の吸気ポートへと導く。吸気経路３上には、エアクリーナ３１、吸気絞りバルブ３５、過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３２、電子スロットルバルブ３３、サージタンク３４、吸気マニホルド３６を、上流からこの順序に配置している。

排気経路４は、気筒１内で燃料を燃焼させることで発生する燃焼ガス、即ち排気を気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気経路４上には、排気マニホルド４２、過給機５の駆動タービン５２及び三元触媒４１を配置している。

排気ターボ過給機５は、駆動タービン５２とコンプレッサ５１とを同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、駆動タービン５２を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサ５１にポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。

外部ＥＧＲ装置２は、いわゆる低圧ループＥＧＲを実現するものである。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気経路４における三元触媒４１の下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気経路３における吸気絞りバルブ３５の下流、かつコンプレッサ５１の上流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１上には、ＥＧＲクーラ２３及びＥＧＲバルブ２２を設けてある。

低圧ループＥＧＲでは、大気圧に近い低圧の排気ガスをＥＧＲ通路２１を通じて大量に吸気経路３に還流する。ＥＧＲ通路２１の圧力損失は、数百Ｐａ程度と非常に小さい。そのために、ＥＧＲ通路２１の出口の上流にある吸気絞りバルブ３５を絞ることで、ＥＧＲ通路２１の出口の周囲を負圧化する。なお、吸気経路３における、吸気絞りバルブ３５よりも上流側の圧力は略大気圧、またはコンプレッサ５１の稼働によって幾分負圧となる。

内燃機関０の運転制御を司るＥＣＵ（電子制御装置）６は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、エンジン回転数を検出する回転数センサから出力される回転数信号ｂ、アクセルペダルの踏込量を検出するアクセルセンサから出力されるアクセル開度要求信号ｃ、サージタンク３４内の吸気圧（過給圧）を検出する圧力センサから出力される吸気圧信号ｄ、サージタンク３４の吸気温を検出する温度センサから出力される吸気温信号ｅ等が入力される。アクセルペダルの踏込量は、運転者が指令する要求負荷（エンジン出力）と捉えることができる。

出力インタフェースからは、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｆ、点火プラグ（のイグニッションコイル）に対して点火信号ｇ、ＥＧＲバルブ２２に対して開度操作信号ｈ、スロットルバルブ３３に対して開度操作信号ｉ、吸気絞りバルブ３５に対して開度操作信号ｊ等を出力する。

ＥＣＵ６のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行して、内燃機関０の運転を制御する。ＥＣＵ６は、内燃機関０の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅを入力インタフェースを介して取得し、それらに基づいて吸気量や要求燃料噴射量、点火時期、要求ＥＧＲガス量等を演算する。そして、演算結果に対応した各種制御信号ｆ、ｇ、ｈ、ｉ、ｊを出力インタフェースを介して印加する。

以降、ＥＧＲ装置２に関して詳述する。本実施形態では、ＥＧＲ通路２１における、ＥＧＲバルブ２２よりも下流の部位に、連絡路２５を介して容積部２４を接続している。図２及び図３に、ＥＧＲ通路２１の下流部位及びＥＧＲバルブ２２、容積部２４、連絡路２５、遮蔽体２６を模式的に示す。図２（及び、図６）中の矢印は、ＥＧＲガスの流れる方向を表している。

容積部２４には、ＥＧＲ通路２１を流れて吸気経路３へと向かうＥＧＲガスの一部が流入する。吸気に混入されるＥＧＲガスには、容積部２４を経由せず直接吸気経路３に至るものと、一旦容積部２４に入った後再び容積部２４からＥＧＲ通路２１へと帰還して吸気経路３に至るものとが存在している。容積部２４及び連絡路２５はレゾネータとして機能し、ＥＧＲガスの脈動を打ち消して複数の気筒１間の吸気のＥＧＲ率のばらつきを抑制する。

連絡路２５には、当該連絡路２５の流路断面積を拡縮させる可動の遮蔽体２６を付設してある。遮蔽体２６は、連絡路２５の延伸方向に沿って拡張している。図示例では、連絡路２５の内面に対向する面板２６１と、面板２６１の前後両端部から略垂直に屈曲して垂下する前板２６２及び後板２６３とを備えた板状体である。前板２６２は連絡路２５の入口（ＥＧＲ通路２１に接続する口）側を閉塞することができ、後板２６３は連絡路２５の出口（容積部２４を接続する口）側を閉塞することができる。

ＥＧＲバルブ２２はポペットバルブであり、弁体２２１が弁座２２２に着座することでＥＧＲ通路２１を遮断し、弁体２２１が弁座２２２から離反することでＥＧＲ通路２１を開通する。弁体２２１と弁座２２２との離間距離が、ＥＧＲバルブ２２の開度となる。弁体２２１からは、弁体２２１の進退動作する方向、換言すればＥＧＲガスの流通方向に沿って軸２２３が伸び出している。そして、遮蔽体２６は、弁体２２１から伸びた軸２２３に固着している。

遮蔽体２６は、ＥＧＲバルブ２２の開閉動作に従動し、連絡路２５の実効的な流路断面積を連絡路２５の略全長に亘って拡大または縮小させる、遮蔽体２６により、連絡路２５の流路断面積は、ＥＧＲバルブ２２の開度が小さくなるほど小さく絞られ、逆にＥＧＲバルブ２２の開度が大きくなるほど大きく開かれる。図３に示しているように、ＥＧＲバルブ２２の全閉時には、連絡路２５の流路断面積が０となり、前板２６２が連絡路２５の入口側を、後板２６３が連絡路２５の出口側をそれぞれ閉止して、ＥＧＲ通路２１と容積部２４との間の流通を遮断する。

容積部２４の容積をＶ、ＥＧＲ通路２１と容積部２４とを連通する連絡路２５の流路断面積をＳ、同連絡路２５の長さをＬ、同連絡路２５の断面積の等価半径をｒ、ＥＧＲガスを媒質とした音速をｃとおくと、ヘルムホルツのレゾネータの共鳴周波数ｆは下式（数１）となる。

ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの脈動の周波数は、内燃機関０のエンジン回転数に比例して高くなる。一方、エンジン回転数が上昇すると、要求されるＥＧＲガス量も増大するので、ＥＣＵ６がＥＧＲバルブ２２の開度を大きく拡がる方向に操作する。さすれば、連絡路２５の流路断面積Ｓも大きく拡がるので、レゾネータの共鳴周波数ｆが高くなる。逆に、エンジン回転数が下降すると、ＥＧＲバルブ２２の開度及び連絡路２５の流路断面積Ｓが小さく絞られるので、レゾネータ共鳴周波数ｆが低くなる。このようにして、幅広い運転領域に亘ってＥＧＲガスの脈動を打ち消すことができる。

本実施形態によれば、内燃機関０の排気経路４と吸気経路３とを連通するＥＧＲ通路２１と、前記ＥＧＲ通路２１を開閉することのできるＥＧＲバルブ２２と、前記ＥＧＲ通路２１における前記ＥＧＲバルブ２２よりも下流の部位に接続された容積部２４と、前記ＥＧＲ通路２１の下流部位と容積部２４とを連絡する通路２５に付設され、前記ＥＧＲバルブ２２の開度が小さくなるほど当該通路２５の断面積を小さく絞るようＥＧＲバルブ２２に連動する遮蔽体２６とを具備するＥＧＲ装置２を構成したため、ＥＧＲガスの脈動の影響を緩和して気筒１毎の吸気のＥＧＲ率を均一化することができ、
その上、減速時等、要求ＥＧＲガス量が低減する状況においては、ＥＧＲバルブ２２の閉弁に伴って通路２５の断面積も縮小し、または通路２５が閉鎖されるので、容積部２４内に充満しているＥＧＲガスが吸気経路３に向けて流出することを抑止できる。従って、減速時等の失火が未然に防がれる。

本実施形態のＥＧＲ装置２の構造は、排気脈動や吸気脈動の大きい少数気筒（一気筒、二気筒または三気筒）の内燃機関０に極めて好適である。本ＥＧＲ装置２を採用することにより、大量ＥＧＲが容易となることから、燃費性能の向上にも少なからず寄与し得る。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。図２及び図３に示している遮蔽体２６の形状はあくまでも一例であり、この形状に限定されるわけではない。例えば、図４に示すように、後板２６３を省略してもよい。遮蔽体２６（の前板２６２）をＥＧＲバルブ２２の弁体２２１の軸２２３に固着する連結部分の形状も、必要十分な剛性や強度を確保できる限りにおいて任意であり、図５に示すように肉抜きをしたり、細棒状に成形したりすることが許される。遮蔽体２６を、ＥＧＲバルブ２２の弁体２２１の軸２２３に一体成形しても構わない。

上記実施形態では、ＥＧＲ通路２１と容積部２４とを連通する連絡路２５に遮蔽体２６を付設していたが、図６及び図７に示すように、ＥＧＲ通路２１におけるＥＧＲバルブ２２よりも下流の部位と吸気経路３とを連絡する通路２７に遮蔽体２８を付設してもよい。遮蔽体２８は、通路２７の延伸方向に沿って拡張している。図示例では、通路２７の内面に対向する面板２８１と、面板２８１の前端部から略垂直に屈曲して垂下する前板２８２とを備えた板状体である。前板２８２は、通路２７の出口（吸気経路３に接続する口）側を閉塞することができる。

遮蔽体２８もまた、ＥＧＲバルブ２２に連動し、ＥＧＲバルブ２２の開度が小さくなるほど当該通路２７の断面積を小さく絞るように動作する。図７に示しているように、ＥＧＲバルブ２２の全閉時には、通路２７の流路断面積が０となり、前板２８２が通路２８の出口側を閉止して、容積部２４及びＥＧＲ通路２１と吸気経路３との間の流通を遮断する。

上記実施形態、及び図４ないし図７に示した変形例では、遮蔽体２６、２８をＥＧＲバルブ２２の弁体２２１の軸２２３に固着し、ＥＧＲバルブ２２を駆動する駆動源（ステッピングモータ等）により遮蔽体２６、２８をも動作させていた。これとは異なり、遮蔽体２６、２８をＥＧＲバルブ２２から切り離した別個の部材とし、遮蔽体２６、２８を駆動する駆動源をＥＧＲバルブ２２の駆動源とは別に設けてもよい。この場合にも、遮蔽体２６、２８は、ＥＧＲバルブ２２の開度が小さくなるほど通路２５、２７の断面積を小さく絞るように動作させることは言うまでもない。

本発明に係るＥＧＲ装置の構造は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものにも適用することが可能である。高圧ループＥＧＲの場合、ＥＧＲ通路の入口は排気経路４におけるタービン５２の上流の所定箇所に接続し、出口は吸気経路３におけるスロットルバルブ３３の下流の所定箇所（典型的には、サージタンク３４）に接続する。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関に適用することができる。

０…内燃機関
２…ＥＧＲ装置
２１…ＥＧＲ通路
２２…ＥＧＲバルブ
２４…容積部
２５、２７…通路
２６、２８…遮蔽体
３…吸気経路
４…排気経路

Claims (1)

1. 内燃機関に付帯する排気ガス再循環装置の構造であって、
   内燃機関の排気経路と吸気経路とを連通するＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路を開閉することのできるＥＧＲバルブと、
   前記ＥＧＲ通路における前記ＥＧＲバルブよりも下流の部位に接続された容積部と、
   前記ＥＧＲ通路の下流部位と容積部とを連絡する通路、または前記ＥＧＲ通路の下流部位と吸気経路とを連絡する通路に付設され、前記ＥＧＲバルブの開度が小さくなるほど当該通路の断面積を小さく絞るようＥＧＲバルブに連動する遮蔽体と
   を具備する排気ガス再循環装置の構造。

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