JP2013130111A - Egr gas cooling system in internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、排気還流装置を有する内燃機関におけるEGRガスの冷却システムに関する。 The present invention relates to a cooling system for EGR gas in an internal combustion engine having an exhaust gas recirculation device.
従来、内燃機関において、吸気行程に気筒内に排気を流入させるための排気還流装置(EGR装置)が知られている。この排気の流入により、燃焼温度を低減し、NOx生成を抑制することができる。そして、EGR装置としては、排気通路と吸気通路とをつなぐEGR通路を介して排気を吸気系に還流させる所謂外部EGR装置と、吸気バルブを開くことによって排気を吸気系に還流させる所謂内部EGR装置とが知られている。 Conventionally, in an internal combustion engine, an exhaust gas recirculation device (EGR device) for causing exhaust gas to flow into a cylinder during an intake stroke is known. By this inflow of exhaust gas, the combustion temperature can be reduced and NOx generation can be suppressed. The EGR device includes a so-called external EGR device that recirculates exhaust gas to the intake system via an EGR passage that connects the exhaust passage and the intake air passage, and a so-called internal EGR device that recirculates exhaust gas to the intake system by opening the intake valve. Is known.
特許文献1は、内部EGR装置を備えた内燃機関の一例を開示する。この内燃機関は、吸気ポートに、気筒から直接吸気ポートに還流した排気(EGRガス)を冷却するための熱交換器を備える。
ところで、冷却用熱交換器つまり冷却装置としては冷却フィンを備えるものがよく用いられている。このような冷却フィン付き冷却装置は、上記特許文献1の記載を参照すると、内燃機関の吸気ポート内に冷却フィンが位置するように設けられることができるであろう。しかし、この場合、冷却フィンにより、吸気ポートの開口断面積は、冷却フィンのない吸気ポートの開口断面積に比べて減少し、それにより上記内部EGR装置での吸気系への排気吹き戻し時の吸気系での圧力損失が高くなり、内部EGRガスの生成および供給が難くなる虞がある。
By the way, what is equipped with a cooling fin is often used as a heat exchanger for cooling, ie, a cooling device. Such a cooling device with cooling fins can be provided such that the cooling fins are located in the intake port of the internal combustion engine, referring to the description in
そこで、本発明はかかる点に鑑みて創案されたものであり、吸気系でのガスの流れを阻害せずに、EGRガスを冷却することを可能にする、システムを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of such a point, and an object thereof is to provide a system that makes it possible to cool EGR gas without hindering the flow of gas in the intake system. .
本発明の一態様は、膨張行程から排気行程の間に吸気バルブを開くことによって排気を吸気通路に流入させて、該排気を吸気行程で燃焼室に流入させるように構成された排気還流装置と、該排気還流装置により該燃焼室に流入させられる排気を冷却するように、前記吸気通路に設けられた冷却部材と、該冷却部材とシリンダヘッドの吸気ポートとの間に位置づけられると共に該冷却部材の設置箇所と該吸気ポートとを流体連通状態にするように構成されたスペーサ部とを備える、内燃機関におけるEGRガスの冷却システムを提供する。 One aspect of the present invention is an exhaust gas recirculation device configured to cause exhaust gas to flow into an intake passage by opening an intake valve between an expansion stroke and an exhaust stroke, and to flow the exhaust gas into a combustion chamber during the intake stroke. The cooling member is positioned between the cooling member provided in the intake passage and the cooling member and the intake port of the cylinder head so as to cool the exhaust gas flowing into the combustion chamber by the exhaust gas recirculation device. A cooling system for EGR gas in an internal combustion engine is provided, which includes a spacer portion configured to bring a fluid communication state between the installation location of the intake port and the intake port.
好ましくは、冷却部材は複数のフィンを備える。 Preferably, the cooling member includes a plurality of fins.
好ましくは、1つの気筒に関して、冷却部材の設置箇所における有効通路断面積は吸気ポートにおける有効通路断面積よりも大きく、スペーサ部は該冷却部材の設置箇所と該吸気ポートとを通しての流体の流れを阻害しないように形成されるとよい。 Preferably, with respect to one cylinder, the effective passage cross-sectional area at the installation location of the cooling member is larger than the effective passage cross-sectional area at the intake port, and the spacer portion allows fluid flow through the installation location of the cooling member and the intake port. It may be formed so as not to inhibit.
好ましくは、1つの気筒に関して、スペーサ部は、流体流れ方向の全領域において、冷却部材の設置箇所における有効通路断面積よりも大きな有効通路断面積を有する通路を区画形成する。 Preferably, with respect to one cylinder, the spacer section defines a passage having an effective passage cross-sectional area larger than an effective passage cross-sectional area at the installation location of the cooling member in the entire region in the fluid flow direction.
好ましくは、1つの気筒に関して、スペーサ部は、吸気ポート側から冷却部材側に至るにつれて、有効通路断面積が大きくなるように変化する通路を区画形成する。 Preferably, with respect to one cylinder, the spacer section defines a passage that changes so that the effective passage sectional area increases from the intake port side to the cooling member side.
好ましくは、内燃機関は複数の気筒を有し、スペーサ部は、各々が該複数の気筒のうちのいずれか1つに対応する複数の通路を有し、該複数の通路は互いに独立している。 Preferably, the internal combustion engine has a plurality of cylinders, and the spacer portion has a plurality of passages each corresponding to any one of the plurality of cylinders, and the plurality of passages are independent of each other. .
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。 Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
図1および図2に本発明の第1実施形態に係る内燃機関(以下、エンジン)10が概念的に示されている。エンジン10は、車両に搭載されることができ、ここでは圧縮着火式内燃機関として構成されている。
1 and 2 conceptually show an internal combustion engine (hereinafter referred to as an engine) 10 according to a first embodiment of the present invention. The
エンジン10は、エンジン本体部12を備え、エンジン本体部12には吸気マニホールド14と、排気マニホールド16とが接続されている。エンジン本体部12は、シリンダヘッド18、シリンダブロック20、図示しないクランクケースを備えて構成されている。
The
シリンダヘッド18には、吸気ポート22と、排気ポート24とが形成されている。また、シリンダヘッド18には、燃料噴射弁26と、吸気ポート22を開閉する吸気バルブ28と、排気ポート24を開閉する排気バルブ30とが設けられている。吸気バルブ28は動弁装置32によって駆動され、排気バルブ30は動弁装置34によって駆動される。
An
なお、動弁装置32、34のそれぞれは、動弁カムの周方向の幅を変えたり動弁カムを軸方向に移動させたりすることによってバルブの開閉タイミングやバルブリフト量を変更可能な可変動弁機構を有することができる。あるいは、動弁装置32、34のそれぞれは、電気的なアクチュエータを用いてそれらを変更可能な構成を有することができる。なお、動弁装置32、34は、それぞれ、従来公知の構成を有することができる。
Each of the
図示しないエアクリーナを介して吸気通路36に導入された空気は、ターボチャージャ38のコンプレッサ40を介して吸気マニホールド14に至り、各吸気ポート22を通り、吸気バルブ28が開いたときに各燃焼室42に供給される。なお、燃焼室42は、シリンダヘッド18と、シリンダブロック20の気筒44と、ピストン46とにより区画形成されている。
Air introduced into the
燃料噴射弁26から燃焼室42に噴射された燃料は、燃焼室42で燃焼される。混合気つまり燃料の燃焼により生じたガスつまり排気は、排気バルブ30を介して燃焼室42から排気通路48に排出される。排気は、各燃焼室42から各排気ポート24を介して排気マニホールド16に至り、排気通路48に設けられたターボチャージャ38のタービン49および図示しない排気浄化装置を介して外部に放出される。
The fuel injected from the
エンジン10は、排気還流装置(EGR装置)50を備えている。EGR装置50は、吸気行程で燃焼室に排気を流入させるための装置である。EGR装置50は、所謂内部EGR装置であり、膨張行程から排気行程の間に吸気通路36に排気を流入(または流出または還流)させ、その後の吸気行程でその排気を空気(新気)と共に気筒44内または燃焼室42に流入させるように構成されている。EGR装置50は、吸気バルブ28、動弁装置32、動弁装置32の制御部を含む。
The
エンジン10は、制御装置または制御手段としての機能を担う電子制御ユニット(ECU)52を有している。ECU52は、演算装置および記憶装置を含み、所謂コンピュータとして構成されている。EGR装置50の制御部は、ECU52の一部に相当する。ECU52には、各種センサが接続されていて、例えば、エンジン回転速度センサ54およびエンジン負荷センサ56が接続されている。エンジン回転速度センサ54は、ピストン46にコンロッド58を介して連結されたクランクシャフトの回転角(クランク角度)を検出するためのクランク角センサであり得る。また、エンジン負荷センサ56は、吸気通路36に設けられるエアフローメータや吸気圧センサ、または、アクセルペダルの踏み込み量を検出するためのアクセル開度センサであり得る。そして、ECU52はこれらセンサからの出力に基づいて、燃料噴射弁26、動弁装置32、34などに作動信号を出力する。これにより、燃料噴射弁26から噴射される燃料の量および燃料噴射時期が制御され、吸排気バルブ28、30の各開閉タイミングが制御される。なお、ECU52は、低負荷運転時にはEGR率を高くし、高負荷運転時にはEGR率を低くするためのデータを記憶している。ただし、ECU52は、これと異なるEGR率制御用のデータまたはマップを有することもできる。
The
図3は、EGR装置50の作動により燃焼室42へ排気つまりEGRガスを導入する時の、クランク角度の変化に対する吸気バルブ28および排気バルブ30のバルブリフトの変化の一例を表した図である。排気バルブ30は主に排気行程中に図3にExで示す軌跡でリフトするように動弁装置34によって駆動される。これに対して、吸気バルブ28は、排気行程の途中で開弁して、主に吸気行程中に図3にInで示す軌跡でリフトするように動弁装置32によって駆動される。このように、EGR装置50は吸気バルブ28と排気バルブ30との開弁期間をオーバーラップさせることで内部EGRガスを燃焼室42に導入することができる。要するに、排気行程で吸気バルブ28を開弁することで排気を一旦吸気通路に流入させて、この排気を吸気行程で燃焼室42に流入させることで、EGR装置50は所謂内部EGRガスを燃焼室42に導入することができる。なお、EGR装置50は、排気行程で吸気バルブ28を上記の如く開く以外に、膨張行程から排気行程で吸気バルブ28が図4にIn2で示す軌跡でリフトするように動弁装置34を制御することで、内部EGRガスを燃焼室42に導入するように構成されてもよい。なお、内部EGRガス量の調節は、吸排気バルブ28、30の両方またはいずれか一方の開閉タイミングの少なくとも一方を制御することで実現されることができる。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of changes in the valve lifts of the
さらに、エンジン10は、冷却装置60を備えている。冷却装置60は、EGR装置50により燃焼室に流入させられる排気を冷却するように設けられている。本実施形態では、冷却装置60は、吸気マニホールド14に一体的に備えられている。冷却装置60は、冷媒通過パイプ62と複数のフィン64とを備えたクーラコア60aと、図示しない冷媒タンクと、冷媒供給用のポンプとを備えている。そして、この冷却装置60を設けることに伴い、スペーサ部66がシリンダヘッド18の吸気ポート22と、冷却装置60の冷却部材としての複数のフィン64との間に位置づけられている。したがって、スペーサ部66は、クーラコア60aつまり冷却部材としての冷却フィン64の設置箇所と吸気ポート22とを離間状態に保つ。ただし、本実施形態では、スペーサ部66は、シリンダヘッド18と一体的に設けられている。なお、冷却装置60は、液冷式冷却装置であり、ここでは冷媒として水が用いられるが、他の冷媒が用いられてもよい。ただし、本発明は、冷却装置が空冷式の装置として構成されることを排除しない。
Further, the
図5は、エンジン10の吸気系の一部の拡大模式図である。図5(b)は図5(a)のA−A線断面模式図であり、図5(c)は図5(a)の吸気マニホールド14の側面の模式図である。
FIG. 5 is an enlarged schematic view of a part of the intake system of the
図5に示すように、吸気マニホールド14は、吸気集合部14aを有し、吸気集合部14aの下流側に冷却装置60のクーラコア60aを備えている。クーラコア60aは、吸気通路部分の外側に配置された冷媒通過パイプ62と、パイプ62からパイプ軸線方向に対して略直角の方向に延びるように形成された複数の冷却フィン64とを備えている。ここでは、パイプ62のパイプ軸線方向はエンジン本体12の気筒配列方向Dに略平行であるので、冷却部材としての複数の冷却フィン62は気筒配列方向Dに略直角に延び、シリンダヘッド18に略直角に延びる。
As shown in FIG. 5, the
スペーサ部66は、クーラコア60aつまり冷却部材としての冷却フィン64の設置箇所と吸気ポート22とを適切に流体連通状態にするように構成されている。なお、冷却フィン64の設置箇所は、吸気マニホールド14内つまり吸気通路であり、吸気集合部14aの下流側である。スペーサ部66は、冷却フィン64の設置箇所と吸気ポート22とを通してのガス(流体)の流れを阻害しないようにまたは円滑にするように設けられている。スペーサ部66は、互いに独立した4つの通路66aを区画形成し、4つの通路66aの各々は別々の気筒44の吸気ポート22に連通する。
The
ここで、吸気マニホールド14のクーラコア60aから吸気ポート22までの吸気通路の有効通路断面積の変化を図6に模式的に示す。なお、ここでは有効通路断面積とは、流体つまりガスが流れることができる通路(空間)部分の、流体流れ方向に対して直角を成す方向での断面の面積である。例えば、クーラコア60aつまり複数の冷却フィン64の設置箇所では、それらフィンを除いた、フィン間のすき間または通路の断面積の総和が有効通路断面積とされる。
Here, FIG. 6 schematically shows a change in the effective passage cross-sectional area of the intake passage from the
図6に示されるように、1つの気筒44に関して、複数のフィン64の設置箇所Sにおける有効通路断面積は吸気ポート22(ここでは2つの吸気ポート22)における有効通路断面積よりも大きい。そして、1つの気筒44に関して、スペーサ部66は、流体流れ方向の全領域において、複数のフィン64の設置箇所Sにおける有効通路断面積よりも大きな有効通路断面積を有する通路66aを区画形成する。また、1つの気筒44に関して、スペーサ部66の通路66aは、吸気ポート22側から冷却部材64側に至るにつれて、有効通路断面積が大きくなるように変化する。そして、これらの関係がいずれの気筒44に関しても成り立つように、クーラコア60aおよびスペーサ部66は設計されている。なお、1つの気筒44に関しての複数のフィン64の設置箇所Sは、吸気枝通路と称されることもできる。
As shown in FIG. 6, with respect to one
したがって、冷却装置60とスペーサ部66とを備える、本実施形態の冷却システムまたは冷却構造によれば、EGR装置50による排気つまりEGRガスの吸気通路36への流れ込みが阻害されることはない。つまり、図3または図4に示すような膨張行程から排気行程の間の吸気バルブ28の開弁時のピストン46によるポンプ作用により、排気を適切に吸気通路36に導入し、この排気を吸気ポート22ばかりでなくクーラコア60aにまで送ることができる。したがって、適切に内部EGRガスを生成することができ、また、そのEGRガスを好適に冷却することが可能になり、より効果的に、NOx生成を抑制することができる。
Therefore, according to the cooling system or the cooling structure of the present embodiment including the
なお、ここで、比較例としてのエンジン110での、吸気マニホールド114のクーラコア160aから吸気ポート122までの吸気通路の有効通路断面積の変化を、図7に模式的に表す。エンジン110は、上記エンンジン10と異なり、上記スペーサ部66を有さない。エンジン110では、シリンダヘッド118の吸気ポート122に直接的につなげられた吸気マニホールド114に単に複数の冷却フィン164付きの冷却装置160が適用され、吸気ポート122の上流側にクーラコア160aが隣接している。図6から明らかなように、この場合、吸気ポート122の直ぐ上流側での有効通路断面積は、吸気ポート122での有効通路断面積よりもかなり小さくなり、内部EGR装置による排気の吸気通路への流入は阻害され得る。
Here, changes in the effective passage cross-sectional area of the intake passage from the
次に、本発明に係る第2実施形態について図8に基づいて説明する。第2実施形態のエンジン210は、冷却装置260のクーラコア260aのパイプの配置の点で、第1実施形態のエンジン10と相違する。
Next, a second embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG. The
図8は、第2実施形態のエンジン210の吸気系の拡大模式図である。図8(b)は図8(a)のB−B線断面模式図であり、図8(c)は図8(a)の吸気マニホールド214の側面の模式図である。
FIG. 8 is an enlarged schematic diagram of the intake system of the
図8に示すように、シリンダヘッド218と吸気集合部214aとの間に冷却装置260のクーラコア260aが設けられる。クーラコア260aの冷媒通過パイプ262は、吸気通路236に位置付けられている。そして、冷媒通過パイプ262からその軸線に略直角の方向に延びるように、複数の冷却フィン264が配置されている。
As shown in FIG. 8, the cooler core 260a of the
このように、本実施形態では、冷却部材としての冷媒通過パイプ262と冷却フィン264とが吸気通路に直接設けられるので、冷却装置260による排気の冷却効果は極めて優れる。なお、さらなる説明はしないが、第2実施形態でも、第1実施形態において図6に基づいて説明したように吸気通路の有効通路断面積が変化するように、冷却装置260およびスペーサ部266は構成されている。
Thus, in this embodiment, since the
次に、本発明に係る第3実施形態について図9に基づいて説明する。第3実施形態のエンジン310は、冷却装置360のクーラコア360aの構成の点で、第1実施形態のエンジン10と相違する。
Next, a third embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG. The
クーラコア360aは、吸気マニホールド314の吸気集合部314aとスペーサ部366との間に位置づけられている。スペーサ部366は、各々が各気筒344に対応した4つの通路366aを区画形成する。そして、クーラコア360aは、各気筒344への吸気枝通路を仕切る壁部360bを有する。
The
以上、第1から第3実施形態では、スペーサ部はシリンダヘッドに一体的に設けられたが、スペーサ部つまりスペーサ部材とシリンダヘッドとは別の部材とされて、連結されることも可能である。ただし、スペーサ部は種々の材料から作製可能であるが、信頼性および強度、特に熱応力の点から、スペーサ部はシリンダヘッドと同じ材料から構成されるとよい。また、スペーサ部は、クーラコアまたは吸気マニホールドと一体的に構成されてもよい。さらに、第1から第3実施形態では、吸気マニホールドに冷却装置を一体的に設けたが、吸気マニホールド、特に吸気集合部と、冷却装置とは別の要素とされて、連結されることもできる。例えば、冷却装置は、シリンダヘッドと一体的に構成されてもよい。 As described above, in the first to third embodiments, the spacer portion is provided integrally with the cylinder head. However, the spacer portion, that is, the spacer member and the cylinder head can be separated and connected. . However, although the spacer portion can be made of various materials, the spacer portion is preferably made of the same material as the cylinder head from the viewpoint of reliability and strength, particularly thermal stress. Further, the spacer portion may be configured integrally with the cooler core or the intake manifold. Furthermore, in the first to third embodiments, the cooling device is integrally provided in the intake manifold. However, the intake manifold, particularly the intake manifold portion, and the cooling device may be separate elements and connected. . For example, the cooling device may be configured integrally with the cylinder head.
さらに、上記実施形態では、冷却装置は内部EGRガスを冷却するように設けられたが、上記したような冷却装置は外部EGRガスを冷却するように用いられることもできる。なお、外部EGRガスは、排気通路と吸気通路とをつなぐEGR通路を介して吸気系に導入される排気のことである。このEGR通路を備える所謂外部EGR装置は、EGRバルブを備えることができる。 Further, in the above embodiment, the cooling device is provided to cool the internal EGR gas. However, the cooling device as described above may be used to cool the external EGR gas. The external EGR gas is exhaust introduced into the intake system via the EGR passage that connects the exhaust passage and the intake passage. A so-called external EGR device including the EGR passage can include an EGR valve.
なお、上記実施形態におけるエンジンは、圧縮着火式内燃機関として構成されたが、本発明は、火花点火式内燃機関のような他の構成の内燃機関に同様に適用されることができる。また、本発明が適用されるエンジンは、気筒配列および気筒数、並びに、1気筒あたりの吸気ポート数を問わない。 Although the engine in the above embodiment is configured as a compression ignition type internal combustion engine, the present invention can be similarly applied to an internal combustion engine having another configuration such as a spark ignition type internal combustion engine. Further, the engine to which the present invention is applied does not matter about the cylinder arrangement, the number of cylinders, and the number of intake ports per cylinder.
以上、本発明を上記実施形態およびその変形例に基づいて説明した。しかし、本発明は、それら実施形態等に限定されず、他の実施形態を許容する。本発明には、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が含まれる。 As described above, the present invention has been described based on the above embodiment and its modifications. However, the present invention is not limited to these embodiments and the like, and other embodiments are allowed. The present invention includes all modifications, applications, and equivalents included in the spirit of the present invention defined by the claims.
10、210、310 エンジン
14、214、314 吸気マニホールド
50 EGR装置
60、260、360 冷却装置
64、264、364 フィン
66、266、366 スペーサ部
10, 210, 310
Claims (6)
該排気還流装置により該燃焼室に流入させられる排気を冷却するように、前記吸気通路に設けられた冷却部材と、
該冷却部材とシリンダヘッドの吸気ポートとの間に位置づけられると共に該冷却部材の設置箇所と該吸気ポートとを流体連通状態にするように構成されたスペーサ部と
を備える、内燃機関におけるEGRガスの冷却システム。 An exhaust gas recirculation device configured to cause the exhaust gas to flow into the intake passage by opening the intake valve between the expansion stroke and the exhaust stroke, and to flow the exhaust gas into the combustion chamber in the intake stroke;
A cooling member provided in the intake passage so as to cool the exhaust gas flowing into the combustion chamber by the exhaust gas recirculation device;
EGR gas in an internal combustion engine comprising: a spacer portion positioned between the cooling member and an intake port of the cylinder head and configured to place the cooling member in fluid communication with the intake port. Cooling system.
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