JP2013113214A - 内燃機関の排気還流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲ導入ノズルの開口面積の増大化や吸気系と排気系との差圧の増大化をすることなく、ＥＧＲガスの気筒への導入量をより多く確保する。
【解決手段】内燃機関の排気の一部をＥＧＲガスとして燃焼室に還流させるＥＧＲ装置を備える内燃機関の排気還流装置において、ＥＧＲガスを内燃機関の吸気系に還流させるＥＧＲ通路と、内燃機関の吸気系とに接続するように、熱交換器を配置する。熱交換器では、ＥＧＲガスと吸入空気とが互いに混入することなく、熱交換がされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気還流装置に関し、詳しくは、内燃機関の排気ガスの一部をＥＧＲガスとして内燃機関の燃焼室に還流させるＥＧＲ装置を備えた内燃機関の排気還流装置に関する。

特許文献１には、ＥＧＲ装置を備えた内燃機関の排気還流装置に関する技術が開示されている。特許文献１に開示された装置において、排気通路の排気マニホールドにはＥＧＲ通路の一端が接続され、ＥＧＲ通路の他端は、吸気通路の吸気マニホールド近傍に接続されている。ＥＧＲ通路にはＥＧＲ弁が設けられている。ＥＧＲ弁のリフト量を変更することで、ＥＧＲ通路の開口面積が変更される。特許文献１の技術では、ＥＧＲ弁のリフト量を制御することで、ＥＧＲ弁を通過するガス量を制御し、内燃機関に還流するＥＧＲガス量を所望のガス量に制御する。

特開２０１１−１１１９１８号公報 特開２００９―２７０５０８号公報

吸入空気量に対し、導入するＥＧＲガス量の割合をより増大させようとする場合、例えば、各吸気ポートに設置されたＥＧＲ導入ノズルの開口面積を大きくするといった方法が考えられる。しかし、ノズル開口部は吸気ポートへ連通口となっている。従って、ノズルの開口径を増大させれば、吸気ポート部に大きな連通口ができることになる。その結果、吸気脈動が低下し、慣性効果などによる吸入空気量の増加効果が低減するため、出力性能が低下する事態を生じ得る。

また、例えば、ＥＧＲ導入ノズルの前後の圧力差を大きくすることで、ＥＧＲガス量を増大させることが考えられる。ここで、ノズル前後の圧力差を大きくするためには、スロットル弁を絞って吸気管圧力を下げる、あるいは、排気絞り弁を設置してこれを絞り、排気管の圧力を上げるなどが考えられる。しかし、このような方法は、内燃機関のポンプ損失の増加による、機関効率の低下を生じ得るため好ましいものではない。

また、ＥＧＲガスは吸入空気量より温度が高い。従って、質量基準のある比率でＥＧＲガスを導入させるためには、多くの容量を導入する必要がある。従って、例えば、ＥＧＲ通路等にクーラを設置し、ＥＧＲガス温度を低下させることが考えられる。これにより、同じ容積のＥＧＲガスを導入した場合であっても、質量基準で見ると、温度が高い場合に比べて、より多くのＥＧＲガスを導入することができる。しかし、ＥＧＲガス冷却のためのクーラを別途設けることは、システムの複雑化につながる。更に、各気筒へ流入する混合気の温度が低下することとなり、ＥＧＲガス導入による燃焼改善効果が低減することとなる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ＥＧＲガスの気筒への導入量をより多く確保することができるよう改良された内燃機関の排気還流装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気の一部をＥＧＲガスとして燃焼室に還流させるＥＧＲ装置を備える内燃機関の排気還流装置であって、
ＥＧＲガスを内燃機関の吸気系に還流させるＥＧＲ通路と、
内燃機関の吸気系に配置され、かつ、前記ＥＧＲ通路が接続する熱交換器と、
前記熱交換器に接続され、前記熱交換器から、ＥＧＲガスを前記吸気系に導入させる導入路と、
を備え、
前記熱交換器において、ＥＧＲガスと吸入空気との間で熱交換がされるものである。

第２の発明は、第１の発明において、前記熱交換器が、前記吸気系に設置されたサージタンク内に配置される。

第３の発明は、第１の発明において、前記熱交換器が、前記吸気系の、スロットル弁より上流側に配置される。

第４の発明は、第３の発明において、
前記熱交換器より下流側かつ前記スロットル弁より上流側の吸入空気の温度を検出又は推定する手段と、
検出又は推定された吸入空気の温度が規定温度より高い場合に、前記熱交換器に導入するＥＧＲガス量を制限する制限手段と、
を更に備える。

第５の発明は、第４の発明において、
前記熱交換器をバイパスして、ＥＧＲガスを前記導入路に導入させるバイパス通路と、
前記ＥＧＲガス量を制限する手段は、前記吸入空気の温度が前記規定温度より高い場合に、前記規定温度より低い場合に比べて、前記バイパス通路側へ導入されるＥＧＲガス量の割合が多くなるように制御する。

第１の発明によれば、燃焼室への供給前に、熱交換器においてＥＧＲガスと吸入空気の間で熱交換される。その結果、ＥＧＲガスは吸入空気によって冷却され、吸入空気はＥＧＲガスにより加熱される。従って、燃焼室に供給される、吸入空気に対するＥＧＲガスの体積流量比が同じであっても、質量流量比を増大させることができる。従って、ノズルの開口面積を大きくするなどの構成の変更や、吸気系と排気系との差圧を大きくするなどといった変更をすることなく、ＥＧＲガスの導入量を実質的に多く確保することができる。

第２の発明によれば、サージタンク内に熱交換器を設置するため、システム全体を増大化、複雑化することなく、ＥＧＲガスの導入量を多く確保することができる。

第３の発明によれば、熱交換器はスロットル弁より上流側に配置される。これにより、スロットル下流の容量やサージタンクの容量変化の影響を小さく抑えることができる。

第４又は５の発明によれば、吸入空気の温度が基準温度より高い場合に、熱交換器に導入するＥＧＲガス量が制限される。これにより、吸入空気の過剰な温度上昇が抑制され、例えばサージタンク等の温度を許容範囲に抑えることができる。

本発明の実施の形態１の排気還流装置が適用されるシステムの構成について説明するための模式図である。 本発明の実施の形態２の排気還流装置が適用されるシステムの構成について説明するための模式図である。 本発明の実施の形態３の排気還流装置が適用されるシステムの構成について説明するための模式図である。

実施の形態１．
以下、図１を参照して本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１の排気還流装置が適用されるシステムの構成を示す図である。本実施の形態１にかかる内燃機関２は、複数の気筒４を備えている。図１においては４つの気筒を表しているが、本発明の内燃機関は、他の気筒数であってもよい。内燃機関２の各気筒４には、吸気ポート６と排気ポート８とがそれぞれが連通している。吸気ポート６は、サージタンク１０を介して吸気通路１２に連通している。サージタンク１０内部には、熱交換器１４が設置されている。吸気の流れる方向において吸気通路１２のサージタンク１０の上流側には、スロットル弁１６が設置されている。このシステムにおいて吸気通路１２から導入された吸入空気は、サージタンク１０の熱交換器１４を通過した後、吸気ポート６から各気筒４に導入される。

一方、排気ポート８には排気通路２０が連通している。排気通路２０には触媒コンバータ２２が設置されている。排気通路２０の触媒コンバータ２２下流には、ＥＧＲ通路３０の一端接続している。ＥＧＲ通路３０には、ＥＧＲクーラ３２が設けられている。ＥＧＲクーラ３２には内燃機関２の冷却水が導入され、これによりＥＧＲクーラ３２を通過するＥＧＲガスが、例えば、約１００℃程度に冷却される。

ＥＧＲガスの流れる方向に対し、ＥＧＲ通路３０のＥＧＲクーラ３２よりも下流側には、ＥＧＲ弁３４が設置されている。ＥＧＲ弁３４を制御することで、還流するＥＧＲガス量が制御される。

ＥＧＲ通路３０の他端は、サージタンク１０の熱交換器１４に接続する。熱交換器１４のＥＧＲ通路３０との接続部とは対向する側には、通路３６の一端が接続され、通路３６の他端はＥＧＲデリバリ３８に接続されている。ＥＧＲデリバリ３８には、吸気ポート６に対応する数のＥＧＲ導入ノズル４０が設けられている。ＥＧＲ導入ノズル４０それぞれの先端は各吸気ポート６内に取り付けられている。

このシステムでは、排気通路２０からの排気ガスの一部が、ＥＧＲガスとして還流され、内燃機関２の各気筒４に導入される。より具体的に、排気通路２０からＥＧＲ通路３０に導入されたＥＧＲガスは、ＥＧＲクーラ３２を通過した後、ＥＧＲ弁３４を通り、サージタンク１０の熱交換器１４に流入される。ＥＧＲガスは熱交換器１４を通過した後、通路３６を介してＥＧＲデリバリ３８に到達し、ＥＧＲ導入ノズル４０により各吸気ポート６に導入される。

以上のように、このシステムでは、サージタンク１０内の熱交換器１４を、ＥＧＲ通路３０からのＥＧＲガスと、吸気通路１２からの吸入空気とが共に通過する。熱交換器１４内に吸入空気とＥＧＲガスとが導入されると、吸入空気はＥＧＲガスにより加熱され、ＥＧＲガスは吸入空気により冷却される。なお、熱交換器１４は、ＥＧＲガスと吸入空気とが混合しないよう、それぞれの通路が隔離されている。

例えば、ＥＧＲガス量の目標値を、一定の質量流量比に設定する場合、熱交換器１４を通過させることで、その比率におけるＥＧＲガスの体積流量が低下し、逆に、吸入空気の体積流量が増加する。つまり、ノズルの開口面積や圧力を変更させることなく、より大きな質量流量比でＥＧＲガスを導入させることができる。

また、このシステムでは、ＥＧＲガスと吸入空気との間で熱交換がされるため、ＥＧＲガスと吸入空気のトータル熱量はほぼ一定である。従って、各気筒４に導入される混合気の温度の低下を抑制しつつ、ＥＧＲガスを冷却して質量流量比を増大させることができる。従って、混合気の温度低下による燃焼悪化を起こすことなく、ＥＧＲ量を確保することができる。

また、熱交換器１４で生じた凝縮水は、ＥＧＲ導入ノズル４０から吸気ポート６に導入される。ここで、吸入空気が過熱されているため、過熱がない場合に比べて速やかに気化し液体として吸気ポート６内に残りにくくなる。

なお、本実施の形態１では、ＥＧＲ通路３０の途中に、内燃機関２の冷却水を利用したＥＧＲクーラ３２が設置される場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、他の冷却器を設置してもよく、また、ＥＧＲクーラが設置されていないものであってもよい。これは、以下の実施の形態についても同様である。

本質的に、本実施の形態１における排気還流装置は、ＥＧＲガスを還流させるＥＧＲ通路と、吸気通路とが接続し、ＥＧＲガスと、吸入空気との間で熱交換できるよう構成された熱交換器を有するものであればよく、従って、本発明において、その他の部分の構成について図１に示されたものに限定されるものではなく、他の構成であってもよい。これは、以下の実施の形態についても同様である。

また、本実施の形態１において、例えば、吸気通路１２、サージタンク１０、及び、吸気ポート６を含む、吸入空気の通路は、本発明の「吸気系」に該当する。また、例えば、通路３６、ＥＧＲデリバリ３８及びＥＧＲ導入ノズル４０を含む、熱交換器１４下流のＥＧＲガスの通路は、本発明の「導入路」に該当する。

実施の形態２．
以下、図２を参照して、本実施の形態２について説明する。図２において、図１と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。図２は、本発明の実施の形態２の排気還流装置を含むシステムの構成を説明するための模式図である。

図２のシステムの構成は、熱交換器２１４の設置位置が異なる点と、吸気通路１２に温度センサ２０２を有する点とを除き、図１のシステムと同様である。具体的に、本実施の形態２において、熱交換器２１４は、サージタンク１０内には設置されず、別途独立し、吸気通路１２のスロットル弁１６よりも上流側に設置される。従って、ＥＧＲ通路３０の一端とＥＧＲデリバリ３８に接続される通路３６の一端とは、それぞれ熱交換器２１４に接続されている。

また、吸気通路１２の熱交換器２１４の下流であって、スロットル弁１６より上流側の位置に、温度センサ２０２が設置されている。

本実施の形態２においては、制御装置（図示せず）により、スロットル弁１６上流の吸入空気の温度が、温度センサ２０２の出力に応じて検出される。更に、検出された吸入空気の温度が規定値（例えば８０℃）を超えるような場合には、ＥＧＲガスの還流を制限する制御を行う。

このような制御により、熱交換器２１４での熱交換による吸気温度の過度な上昇を抑制することができる。従って、熱交換器２１４により吸入空気を加熱する場合であっても、スロットル弁１６やサージタンク１０の温度が規定より高くならないようにすることができる。従って、吸入空気の温度上昇によるスロットル弁１６下流の容量やサージタンク１０の容量への影響を抑えることができる。

また、本実施の形態２では、ＥＧＲ通路３０から供給されるＥＧＲガスと吸入空気との熱交換が、スロットル弁１６の上流側で行われる。従って、スロットル弁１６により吸入空気が混合されるため、より吸入空気の温度を均一化することができる。

実施の形態３．
以下、図３を参照して、本実施の形態３について説明する。図３において、図１、図２と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略化する。図３は、本発明の実施の形態３におけるシステムの構成について説明するための模式図である。

図３のシステムは、ＥＧＲ通路３０から熱交換器２１４を介さず、直接ＥＧＲデリバリ３８に接続するバイパス通路３３０を有する点、ＥＧＲ通路３０とバイパス通路３３０とのそれぞれに、第１バルブ３４、第２バルブ３３４を有する点を除き、図２のシステムと同一の構成を有している。

具体的に、図３のシステムにおいて、ＥＧＲ通路３０のＥＧＲクーラ３２下流側の位置には、バイパス通路３３０の一端が接続されている。バイパス通路３３０の他端はＥＧＲデリバリ３８に接続されている。バイパス通路３３０には、バイパス通路３３０を開閉する第２バルブ３３４が設置されている。また、ＥＧＲ通路３０を開閉する第１バルブ３４は、ＥＧＲ通路３０の、バイパス通路３３０の接続部より下流側に設置されている。

この構成において、第１バルブ３４、第２バルブ３３４の開閉は、制御装置（図示せず）に制御される。制御装置は、ＥＧＲの還流を行っている間、温度センサ２０２の出力を取得し、吸入空気の温度を検出する。

吸入空気の温度が規定値より低い場合、第１バルブ３４が開く方向に制御され、第２バルブ３３４は閉じる方向に制御される。これにより、ＥＧＲガスは、熱交換器２１４に導入されるＥＧＲガス量が多くなる。その結果、吸入空気と多くのＥＧＲガスとの間で熱交換が行われ、ＥＧＲガスが冷却されると共に、吸入空気が過熱される。従って、実施の形態２の場合と同様に、ＥＧＲガスの質量流量を大きくすることができ、ＥＧＲ量を大きく確保することができる。また、スロットル弁１６の上流で熱交換が行われるため、より吸入空気の温度を均質化させて内燃機関に供給することができる。

一方、吸気温度が規定値度より高い場合、第１バルブ３４が閉じる方向に制御され、第２バルブ３３４が開く方向に制御される。その結果、ＥＧＲガスの多くは熱交換器２１４を通過することなく、そのままＥＧＲデリバリ３８に導入され、ＥＧＲ導入のノズル４０から吸気ポートに供給される。従って、吸入空気も、ＥＧＲガスにより過剰に加熱されることなく低温のまま、スロットル弁１６を通過し、サージタンク１０から吸気ポート６に供給される。これにより、スロットル弁１６やサージタンク１０の過熱が抑制されると共に、その場合であっても、ある程度のＥＧＲ量を確保することができる。

なお、本実施の形態３においては、第１バルブ３４と第２バルブ３３４との開度が、吸気温度が高いか低いかにより、調整される場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、例えば、吸気温度が規定値より高い場合には、第１バルブ３４を閉弁し、第２バルブ３３４を開弁し、一方、規定値以下の場合には、第１バルブ３４を開弁し、第２バルブ３３４を閉弁するものであってもよい。

また、第１バルブ３４、第２バルブ３３４の両者を有するものに限らず、例えば第１バルブ３４、あるいは第２バルブ３３４のみを設置したものであってもよい。

また、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造や方法等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

２ 内燃機関
４ 気筒
６ 吸気ポート
８ 排気ポート
１０ サージタンク
１２ 吸気通路
１４、２１４ 熱交換器
１６ スロットル弁
２０ 排気通路
２２ 触媒コンバータ
３０ ＥＧＲ通路
３２ ＥＧＲクーラ
３４ ＥＧＲ弁、第１バルブ
３６ 通路
３８ ＥＧＲデリバリ
４０ 導入ノズル
２０２ 温度センサ
３３０ バイパス通路
３３４ 第２バルブ

Claims (5)

1. 内燃機関の排気の一部をＥＧＲガスとして燃焼室に還流させるＥＧＲ装置を備える内燃機関の排気還流装置であって、
   ＥＧＲガスを内燃機関の吸気系に還流させるＥＧＲ通路と、
   内燃機関の吸気系に配置され、かつ、ＥＧＲ通路が接続する熱交換器と、
   前記熱交換器に接続され、前記熱交換器から、ＥＧＲガスを前記吸気系に導入させる導入路と、
   を備え、
   前記熱交換器において、ＥＧＲガスと吸入空気との間で熱交換されることを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
2. 前記熱交換器は、前記吸気系に設置されたサージタンク内に配置されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気還流装置。
3. 前記熱交換器は、前記吸気系の、スロットル弁より上流側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気還流装置。
4. 前記熱交換器より下流側かつ前記スロットル弁より上流側の吸入空気の温度を検出又は推定する手段と、
   検出又は推定された吸入空気の温度が規定温度より高い場合に、前記熱交換器に導入するＥＧＲガス量を制限する制限手段と、
   を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気還流装置。
5. 前記熱交換器をバイパスして、ＥＧＲガスを前記導入路に導入させるバイパス通路と、
   前記ＥＧＲガス量を制限する手段は、前記吸入空気の温度が前記規定温度より高い場合に、前記規定温度より低い場合に比べて、前記バイパス通路側へ導入されるＥＧＲガス量の割合が多くなるように制御することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気還流装置。

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