JP2013160062A - Ｅｇｒシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲ効率を向上させることができるＥＧＲシステムを提供する。
【解決手段】内燃機関１のＥＧＲ専用気筒２ｅから排出された排気ガスを吸気側に戻すＥＧＲパイプ７を備えるＥＧＲシステムＴであって、ＥＧＲパイプ７の管路容積を変更する容積可変機構Ｖを有し、容積可変機構Ｖは、内燃機関１のＥＧＲ専用気筒２ｅから排出される排気ガスの排気脈動に応じて、ＥＧＲパイプ７の管路容積を変更する。排気脈動に同調するようにＥＧＲパイプ７の管路容積を変更することで、排気ガスの排気脈動を強めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に備えられるＥＧＲシステムに関する。

自動車等の内燃機関には、気筒内の燃料の燃焼を抑制させて燃焼温度を下げることによりＮＯｘの発生等を低減するため、排気ガスの一部を吸気側へ戻すＥＧＲ［Exhaust Gas Recirculation］システムが備えられている（例えば特許文献１，２参照）。

ＥＧＲによる排気ガスの再循環は、吸気圧と排気圧の差圧に依存するため、吸気圧が高い場合にはＥＧＲを行うことができない。これを解決するため、特許文献１，２に記載の内燃機関では、ＥＧＲ専用の気筒を設け、当該気筒から排出された排気ガスの全てを吸気側に再循環させる強制ＥＧＲが提案されている。

特開２００１−１２３８８９号公報 特開平１１−２５７１６４号公報

しかしながら、上述した従来のＥＧＲシステムにおいても、吸気圧が高い場合には排気ガスの再循環が妨げられ、ＥＧＲ効率が減少してしまう。また、ＥＧＲ専用気筒を用いる強制ＥＧＲの場合には、高い吸気圧が排気ガスを押し戻す結果、ポンピング損失が増加するという問題も生じる。

そこで、本発明は、ＥＧＲ効率を向上させることができるＥＧＲシステムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、内燃機関の気筒から排出された排気ガスの少なくとも一部を吸気側に戻すＥＧＲパイプを備えるＥＧＲシステムであって、ＥＧＲパイプの管路容積を変更する容積可変機構を有し、容積可変機構は、内燃機関の気筒から排出される排気ガスの排気脈動に応じてＥＧＲパイプの管路容積を変更することを特徴とする。

本発明に係るＥＧＲシステムによれば、排気脈動に応じてＥＧＲパイプの管路容積を変更することにより、気筒から排出される排気ガスの排気脈動と管路容積を同調させて強めることができる。従って、このＥＧＲシステムによれば、排気圧が吸気圧より低い場合であっても、排気脈動を強めることで排気圧が吸気圧を超えるタイミングを作り出し、排気ガスを吸気側に送り込むことができるので、ＥＧＲ効率を向上させることができる。

上記ＥＧＲシステムにおいて、容積可変機構は、ＥＧＲパイプの少なくとも一部を構成する第１のパイプと、第１のパイプの内側に設けられ、第１のパイプに沿って延在する第２のパイプと、第１のパイプ及び第２のパイプの少なくとも一方を開放状態及び閉鎖状態の何れかに切り換え可能なバルブと、を有する構成であってもよい。

また、上記ＥＧＲシステムにおいて、容積可変機構は、ＥＧＲパイプの少なくとも一部を構成する主パイプと、主パイプから分岐して分岐して設けられた第１の分岐パイプ及び第２の分岐パイプと、第１の分岐パイプ及び第２の分岐パイプの少なくとも一方を開放状態及び閉鎖状態の何れかに切り換え可能なバルブと、を有する構成であってもよい。

上記構成によれば、バルブにより第１のパイプ及び第２のパイプの少なくとも一方を、開放状態及び閉鎖状態の何れかに切り換えることで、ＥＧＲパイプの管路容積を変更することができるので、システム構成の簡素化及びコスト低減を図ることができる。

本発明によれば、ＥＧＲ効率を向上させることができる。

本発明に係るＥＧＲシステムを備える内燃機関の一実施形態を示す概略図である。 （ａ）容積可変機構における開放状態を説明するための図である。（ｂ）容積可変機構における閉鎖状態を説明するための図である。 内燃機関の運転状態に応じたＥＧＰパイプの管路容積の変更を説明するためのグラフである。 （ａ）他の例に係る容積可変機構の第１の閉鎖状態を説明するための図である。（ｂ）他の例に係る容積可変機構の第２の閉鎖状態を説明するための図である。（ｃ）他の例に係る容積可変機構の開放状態を説明するための図である。 内燃機関の運転状態に応じたＥＧＰパイプの管路容積の変更を説明するためのグラフである。 管路変更による排気脈動の変化を説明するためのグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１に示されるように、本実施形態に係る内燃機関１は、四つの気筒２ａ〜２ｅとターボチャージャ３とを備えた自動車用の四気筒エンジンである。内燃機関１は、四つの気筒２ａ〜２ｅのうちＥＧＲ専用気筒２ｅから排出された排気ガスを吸気側（インテークマニホールド４側）に再循環させるＥＧＲシステムＴを有している。ＥＧＲシステムＴは、ＥＧＲ専用気筒２ｅの排気圧を利用して排気ガスを吸気側に再循環させる強制ＥＧＲシステムであり、ＥＧＲパイプ７、ＥＧＲクーラ９、及びＥＧＲバルブ１０を備えている。

気筒２ａ〜２ｅの吸気側では、ターボチャージャ３のコンプレッサ３ａで圧縮され、インタークーラ５で冷却された空気がインテークマニホールド４を通じて各気筒２ａ〜２ｅに供給される。

気筒２ａ〜２ｅの排気側では、ＥＧＲ専用気筒２ｅ以外の気筒２ａ〜２ｃから排出された排気ガスがエキゾーストマニホールド６を通じてターボチャージャ３のタービン３ｂへと送られ、図示しない浄化装置を経て外へと排出される。

一方、ＥＧＲ専用気筒２ｅから排出された排気ガスは、ＥＧＲパイプ７を通じて吸気側（インテークマニホールド４側）へと戻される。ＥＧＲパイプ７の途中には、排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ９と排気ガスの流量を制御するＥＧＲバルブ１０とが設けられている。

また、ＥＧＲパイプ７は、ＥＧＲパイプ７の管路容積を変更する容積可変機構Ｖを有している。容積可変機構Ｖを除くＥＧＲパイプ７の各部分を、ＥＧＲ専用気筒２ｅに近い順に７ａ〜７ｄの符号で示す。

パイプ７ａはＥＧＲ専用気筒２ｅ及び容積可変機構Ｖを繋ぐ部位であり、パイプ７ｂは容積可変機構Ｖ及びＥＧＲクーラ９を繋ぐ部位である。また、パイプ７ｃはＥＧＲクーラ９及びＥＧＲバルブ１０を繋ぐ部位であり、パイプ７ｄはＥＧＲバルブ１０及びインテークマニホールド４を繋ぐ部位である。パイプ７ａは、ＥＧＲパイプ７内が必要以上に高圧となることを防ぐための排気用パイプ１１及び排気用弁１２と接続されている。

ここで、図２は容積可変機構Ｖを示す断面図である。図２（ａ）は容積可変機構Ｖの開放状態を説明するための図であり、図２（ｂ）は容積可変機構Ｖの閉鎖状態を説明するための図である。

図２（ａ）に示されるように、容積可変機構Ｖは、ＥＧＲパイプ７を構成する第１のパイプ２０と、第１のパイプ２０の内側に設けられた第２のパイプ２１と、第２のパイプ２１を開放状態及び閉鎖状態に切り換え可能な切り換えバルブ２２と、を備えている。

第１のパイプ２０及び第２のパイプ２１は、いわゆる二重管構造を構成している。第２のパイプ２１は、第１のパイプ２０に沿って延在しており、その両端（上流側の端部、下流側の端部）には切り換えバルブ２２が設けられている。図２には、第２のパイプ２１の上流側の端部を示す。

第２のパイプ２１は、バタフライ弁である切り換えバルブ２２の開閉により、閉鎖状態及び開放状態に切り換えられる。閉鎖状態とは、第２のパイプ２１の両端の切り換えバルブ２２が閉じられ、第２のパイプ２１の内部が排気ガスの流路を構成しない状態である。開放状態とは、第２のパイプ２１の両端の切り換えバルブ２２が開かれ、第２のパイプ２１の内部が排気ガスの流路を構成する状態である。

なお、必ずしも第２のパイプ２１の両端に切り換えバルブ２２を設ける必要はない。例えば、第２のパイプ２１の下流側は、ＥＧＲクーラ９に接続されている構成であってもよい。

図２（ａ）に示す開放状態では、第２のパイプ２１の両端の切り換えバルブ２２が開放される。矢印Ｇ１で示すように、排気ガスの一部は第２のパイプ２１内を通り、残りは第１のパイプ２０と第２のパイプ２１との間を通って吸気側へと流れる。開放状態では、第２のパイプ２１の管路容積もＥＧＲパイプ７の管路容積に含まれる。

図２（ｂ）に示す閉鎖状態では、第２のパイプ２１の両端の切り換えバルブ２２が閉鎖される。矢印Ｇ２で示すように、排気ガスは第２のパイプ２１内を通らず、第１のパイプ２０と第２のパイプ２１との間のみを通って吸気側へと流れる。閉鎖状態では、第２のパイプ２１は排気ガスが入り込まない閉鎖状態となり、第２のパイプ２１の管路容積はＥＧＲパイプ７の管路容積から除かれる。

このように、容積可変機構Ｖでは、切り換えバルブ２２の開閉により第２のパイプ２１を開放状態及び閉鎖状態の何れかに切り換えることで、ＥＧＲパイプ７の管路容積の変更を実現する。

図３は、内燃機関１の運転状態に応じたＥＧＰパイプ７の管路容積変更を説明するためのグラフである。ＥＧＲ専用気筒２ｅから生じる排気脈動は、内燃機関１の運転状態に依存するため、運転状態に応じてＥＧＰパイプ７の管路容積を変更することで排気脈動に応じたＥＧＰパイプ７の管路容積の変更が行われる。内燃機関１の運転状態に関するデータは、例えばＥＣＵ［Engine Control Unit］から得ることができる。

図３において、Ｔｒはエンジン回転数に対するトルク曲線、領域Ａ_１は容積可変機構Ｖを閉鎖状態に維持するエンジン回転数の領域、領域Ａ_２は容積可変機構Ｖを開放状態に維持するエンジン回転数の領域、Ｒ_０は領域Ａ_１及び領域Ａ_２の境界線である。

図３に示されるように、内燃機関１では、エンジン回転数の低い領域Ａ_１において容積可変機構Ｖを閉鎖状態に維持する。そして、エンジン回転数が増して境界線Ｒ_０に至ると、切り換えバルブ２２を閉鎖から開放に切り換えることで、容積可変機構Ｖを開放状態に切り換える。エンジン回転数の高い領域Ａ_２では、容積可変機構Ｖは開放状態に維持される。

容積可変機構Ｖは、上述した配置に限られず、ＥＧＰパイプ７の他の場所（７ｃや７ｄ）に設けられていてもよい。また、容積可変機構Ｖは、ＥＧＲバルブ１０より手前に設けられていることが好ましい。

また、容積可変機構の構成は、図２に示すものに限られない。図４は、他の例に係る容積可変機構Ｗを示す断面図である。具体的には、図４（ａ）は容積可変機構Ｗの第１の閉鎖状態を説明するための図であり、図４（ｂ）は容積可変機構Ｗの第２の閉鎖状態を説明するための図であり、図４（ｃ）は容積可変機構Ｗの開放状態を説明するための図である。

図４（ａ）に示されるように、他の例に係る容積可変機構Ｗは、ＥＧＲパイプ７の一部７ａに接続する主パイプ３０と、主パイプ３０から分岐して並列に設けられた第１の分岐パイプ３１及び第２の分岐パイプ３２と、第１の分岐パイプ３１及び第２の分岐パイプ３２を開閉する切り換えバルブ３３と、を備えている。

第１の分岐パイプ３１及び第２の分岐パイプ３２は、異なる内径を有する円管であり、第１の分岐パイプ３１の内径Ｄ_１の方が第２の分岐パイプ３２の内径Ｄ_２よりも小さい。なお、主パイプ３０の内径Ｄ_０が最も大きく、主パイプ３０、第２の分岐パイプ３２、第１の分岐パイプ３１の順に内径は小さくなる。

第１の分岐パイプ３１及び第２の分岐パイプ３２は、ＥＧＲクーラ９の手前で一本のパイプに合流する。切り換えバルブ３３は、図４に示す第１の分岐パイプ３１及び第２の分岐パイプ３２の分岐側だけではなく、合流側にも設けられている。

図４（ａ）に示す第１の閉鎖状態では、切り換えバルブ３３が第２の分岐パイプ３２の両端（分岐側、合流側）を閉鎖する。第１の閉鎖状態では、矢印Ｇ１０で示すように、排気ガスは全て第１の分岐パイプ３１を通って吸気側へと流れる。第１の閉鎖状態では、第１の分岐パイプ３１及び第２の分岐パイプ３２のうち、第１の分岐パイプ３１の管路容積のみがＥＧＲパイプ７の管路容積に含まれる。

図４（ｂ）に示す第２の閉鎖状態では、切り換えバルブ３３が第１の分岐パイプ３１の両端（分岐側、合流側）を閉鎖する。第２の閉鎖状態では、矢印Ｇ２０で示すように、排気ガスは全て第２の分岐パイプ３２を通って吸気側へと流れる。第２の閉鎖状態では、第１の分岐パイプ３１及び第２の分岐パイプ３２のうち、第２の分岐パイプ３２の管路容積のみがＥＧＲパイプ７の管路容積に含まれる。第２の閉鎖状態におけるＥＧＲパイプ７の管路容積は、第１の閉鎖状態の場合と比べて大きくなる。

図４（ｃ）に示す開放状態では、切り換えバルブ３３は何れのパイプも閉鎖することなく、第１の分岐パイプ３１及び第２の分岐パイプ３２の両方が開放される。開放状態では、矢印Ｇ３０で示すように、排気ガスは第１の分岐パイプ３１及び第２の分岐パイプ３２の両方を通って吸気側へと流れる。開放状態では、第１の分岐パイプ３１及び第２の分岐パイプ３２の両方の管路面積がＥＧＲパイプ７の管路容積に含まれる。開放状態におけるＥＧＲパイプ７の管路容積は、第１の閉鎖状態及び第２の閉鎖状態の何れの場合より大きな最大値となる。

図５は、運転状態（内燃機関状態）に応じたＥＧＰパイプ７の管路容積変更を説明するためのグラフである。図５において、Ｔｒはエンジン回転数に対するトルク曲線、領域Ｂ_１は容積可変機構Ｗを第１の閉鎖状態に維持するエンジン回転数の領域、領域Ｂ_２は容積可変機構Ｖを第２の閉鎖状態に維持するエンジン回転数の領域、領域Ｂ_３は容積可変機構Ｖを開放状態に維持するエンジン回転数の領域である。また、Ｒ_１は領域Ｂ_１及び領域Ｂ_２の境界線、Ｒ_２は領域Ｂ_２及び領域Ｂ_３の境界線である。

図５に示されるように、内燃機関１では、エンジン回転数の低い領域Ｂ１において容積可変機構Ｗを図４（ａ）の第１の閉鎖状態に維持する。そして、エンジン回転数が増して境界線Ｒ１に至ると、切り換えバルブ３３の移動により容積可変機構Ｗを図４（ｂ）の第２の閉鎖状態に切り換える。エンジン回転数のやや高い領域Ｂ２において、容積可変機構Ｗは第２の閉鎖状態に維持される。

更にエンジン回転数が増して境界線Ｒ２に至ると、切り換えバルブ３３の移動により容積可変機構Ｗを図４（ｃ）の開放状態に切り換える。エンジン回転数の高い領域Ｂ３において、容積可変機構Ｗは開放状態に維持される。

以上説明した内燃機関１におけるＥＧＲシステムＴによれば、排気脈動に応じてＥＧＲパイプ７の管路容積を変更することにより、ＥＧＲ専用気筒２ｅから排出される排気ガスの排気脈動を強めることができる。

図６は、管路変更による排気脈動の変化を説明するためのグラフである。縦軸は圧力、横軸はクランク角を意味する。図６に示すＰｉｎｔは吸気圧の圧力変動、Ｐｅｘｔ１は管路変更しない場合の排気圧の圧力変動（排気脈動）、Ｐｅｘｔ２は管路変更した場合の排気圧の圧力変動（排気脈動）である。Ｐｉｎｔ、Ｐｅｘｔ１、Ｐｅｘｔ２の平均圧力についても破線で示す。

図６に示されるように、排気圧（Ｐｅｘｔ１）の平均圧力より吸気圧（Ｐｉｎｔ）の平均圧力が高く、ＰｉｎｔをＰｅｘｔ１が超えない場合には、ＥＧＲパイプ７を通じて排気ガスを吸気側に送り込むことができない。しかし、ＥＧＲシステムＴでは、ＥＧＲ専用気筒２ｅの排気脈動に同調する管路容積となるように、ＥＧＲパイプ７の管路容積を変更することで、排気脈動を強めることができる。

従って、このＥＧＲシステムＴによれば、Ｐｅｘｔ２に示すように排気脈動を強めることで、一時的に排気圧が吸気圧を超えるタイミングを作り出すことができるので、排気圧の平均圧力より吸気圧の平均圧力が高い場合や排気圧及び吸気圧の差圧が小さい場合であっても、排気ガスを吸気側に送り込むことができ、ＥＧＲ効率を向上させることができる。

また、このＥＧＲシステムＴによれば、図２に示す容積可変機構Ｖや図４に示す容積可変機構Ｗの構成を採用することで、バルブの切り換えによりＥＧＲパイプ７の管路容積を変更することができるので、システム構成の簡素化及びコスト低減を図ることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、必ずしもＥＧＲ専用気筒を備える強制ＥＧＲのシステムを採用する必要はなく、エキゾーストマニホールド６から全気筒の排気ガスの一部を導入して再循環させる通常のＥＧＲのシステムであってもよい。この場合、ＥＧＲパイプはエキゾーストマニホールド６とインテークマニホールド４とを接続するように構成される。

また、容積可変機構の構成は、上述したものに限られない。例えば、図２の容積可変機構Ｖにおいて、第１のパイプ２０の内部に内径の異なる複数のパイプを備えていてもよく、バルブの構成も上述したものに限られない。

また、図４の容積可変機構Ｗにおいて、三本以上の分岐パイプを備えていてもよく、必ずしも内径が異なっている必要はない。容積可変機構Ｗの分岐パイプの下流側（インテークマニホールド４側）は、必ず合流する必要はなく、分岐したままＥＧＲバルブ１０やエキゾーストマニホールド５に接続する態様であってもよい。また、図２の容積可変機構Ｖと図４の容積可変機構Ｗとを組み合わせて用いてもよい。

１…内燃機関 ２ａ-２ｅ…気筒 ２ｅ…ＥＧＲ専用気筒 ３…ターボチャージャ ３ａ…コンプレッサ ３ｂ…タービン ４…インテークマニホールド ５…インタークーラ ６…エキゾーストマニホールド ７…ＥＧＲパイプ ９…ＥＧＲクーラ １０…ＥＧＲバルブ １１…排気用パイプ １２…排気用弁 ２０…第１のパイプ ２１…第２のパイプ ２２…切り換えバルブ ３０…主パイプ ３１…第１の分岐パイプ ３２…第２の分岐パイプ ３３…切り換えバルブ Ｔ…ＥＧＲシステム Ｖ…容積可変機構 Ｗ…容積可変機構

Claims (3)

1. 内燃機関の気筒から排出された排気ガスの少なくとも一部を吸気側に戻すＥＧＲパイプを備えるＥＧＲシステムであって、
   前記ＥＧＲパイプの管路容積を変更する容積可変機構を有し、
   前記容積可変機構は、前記気筒から排出される排気ガスの排気脈動に応じて、前記ＥＧＲパイプの管路容積を変更することを特徴とするＥＧＲシステム。
2. 前記容積可変機構は、
   前記ＥＧＲパイプの少なくとも一部を構成する第１のパイプと、
   前記第１のパイプ内に設けられ、前記第１のパイプに沿って延在する第２のパイプと、
   前記第１のパイプ及び前記第２のパイプの少なくとも一方を開放状態及び閉鎖状態の何れかに切り換え可能なバルブと、
   を有することを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲシステム。
3. 前記容積可変機構は、
   前記ＥＧＲパイプの少なくとも一部を構成する主パイプと、
   前記主パイプの端部から分岐して設けられた第１の分岐パイプ及び第２の分岐パイプと、
   前記第１の分岐パイプ及び前記第２の分岐パイプの少なくとも一方を開放状態及び閉鎖状態の何れかに切り換え可能なバルブと、
   を有することを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲシステム。
   
   
   
   
   
   

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