JP2013194704A - ベンチュリ - Google Patents

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Abstract

【課題】ベンチュリのディフューザ部の形状を工夫することで、過大な圧力損失の増加を伴わずにベンチュリの長さを短縮することが出来、各種装置への搭載が容易になるベンチュリを提供する。
【解決手段】内燃機関1の吸気通路2に設けられ、吸気通路2の通路面積を絞るノズル部11と、ノズル部11よりも下流の吸気通路2にノズル部11と間隔を隔てて設けられ、吸気通路2の上流側から下流側に行くに従い吸気通路2の通路面積を増加させるディフューザ部12と、ノズル部11とディフューザ部12との間の間隙の外周に設けられる環状チャンバ13を有するEGR合流部14と、EGR通路6とEGR合流部14の環状チャンバ13とを連通するEGRガス導入通路15を有するEGRガス導入部16とを備え、ディフューザ部12の内壁面12aが、曲率半径が吸気通路2の上流側から下流側に行くに従い徐々に小さくなる緩和曲線により規定される。
【選択図】図1

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に接続された排気再循環通路と内燃機関の吸気通路との接続部に設けられるベンチュリに関する。
過給ディーゼルエンジンにおいては、NOx(窒素酸化物)を低減させるためにEGRシステムが使用されている。図3にEGRシステムの一例を示す。図3に示すEGRシステムは、所謂高圧EGRシステムである。
図3に示すEGRシステム5において、通常は排気圧(タービン4aの入口圧力)が給気圧(コンプレッサ4bの出口圧力)より高いため、EGRバルブ7を開くとEGRが行われる(排気ガスの一部がEGR管6を介して排気管3から吸気管2に戻される)。しかしながら、高負荷領域では、給気圧が排気圧よりも高くなり、EGRがかからなくなることがある。そこで、図4に示すようなベンチュリ30をEGRシステム5において用いる場合がある。
図4に示すベンチュリ30は、インタークーラ9と吸気マニフォールド1cとの間の吸気管2(つまり、インタークーラ9よりも下流の吸気管2)に配設される。
図4に示すベンチュリ30は、吸気管2に設けられ、吸気管2の通路面積を絞るノズル部31と、ノズル部31よりも下流の吸気管2にノズル部31と間隔を隔てて設けられ、吸気管2の下流側に行くに従い吸気管2の通路面積を増加させるディフューザ部32と、ノズル部31とディフューザ部32との間の間隙の外周に設けられる環状チャンバ33を有するEGR合流部34と、EGR管6とEGR合流部34の環状チャンバ33とを連通するEGRガス導入管35を有するEGRガス導入部36とを備える。
図4に示すベンチュリ30では、ディフューザ部32の内壁面32aは、吸気管2の上流側から下流側に対して角度(開き角)αで一定の拡がりを有する直線により規定されている。つまり、ディフューザ部32の側断面形状は、吸気管2の上流側から下流側に行くに従い角度一定で拡径するテーパ形状に形成されている。
特開2007−92592号公報
図4に示すようなベンチュリ30をEGRシステム5において用いる場合、ベンチュリ30の圧力損失が問題になる。ベンチュリ30の圧力損失を最低とするには、例えば、図4に示す角度αを8.0degとする必要がある。そのために、結果として、図4に示す長さL0が長くなり、ベンチュリ30全体の長さも長くなってしまい、エンジン1により駆動される各種装置(例えば、車両等)への搭載上の阻害要因となっている。
そこで、本発明の目的は、ベンチュリのディフューザ部の形状を工夫することで、過大な圧力損失の増加を伴わずにベンチュリの長さを短縮することが出来、内燃機関により駆動される各種装置への搭載が容易になるベンチュリを提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明のベンチュリは、内燃機関の排気通路に接続された排気再循環通路と前記内燃機関の吸気通路との接続部に設けられるベンチュリにおいて、前記吸気通路に設けられ、前記吸気通路の通路面積を絞るノズル部と、前記ノズル部よりも下流の前記吸気通路に前記ノズル部と間隔を隔てて設けられ、前記吸気通路の上流側から下流側に行くに従い前記吸気通路の通路面積を増加させるディフューザ部と、前記ノズル部と前記ディフューザ部との間の間隙の外周に設けられる環状チャンバを有する排気再循環合流部と、前記排気再循環通路と前記排気再循環合流部の環状チャンバとを連通する排気再循環ガス導入通路を有する排気再循環ガス導入部とを備え、前記ディフューザ部の内壁面が、曲率半径が前記吸気通路の上流側から下流側に行くに従い徐々に小さくなる緩和曲線により規定されることを特徴とするものである。
前記緩和曲線は、クロソイド曲線、三次曲線又はサイン半波長逓減曲線であっても良い。
本発明によれば、ベンチュリのディフューザ部の形状を工夫することで、過大な圧力損失の増加を伴わずにベンチュリの長さを短縮することが出来、内燃機関により駆動される各種装置への搭載が容易になるベンチュリを提供することができるという優れた効果を奏する。
本発明の一実施形態に係るベンチュリを示し、(a)は側断面図であり、(b)は(a)のIb−Ib線断面図である。 ディフューザ部の長さを短縮した時のディフューザ部の長さの比とベンチュリの圧力損失との関係を示す説明図である。 ベンチュリが用いられるEGRシステムの一例を示す概略図である。 比較例に係るベンチュリを示し、(a)は側断面図であり、(b)は(a)のIVb−IVb線断面図である。
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図3に本実施形態に係るベンチュリ(EGR用ベンチュリ)が用いられるEGRシステムを示す。
図3に示すように、内燃機関(エンジン)1は、エンジン本体1aと、エンジン本体1aに吸気を供給する吸気管(吸気通路)2と、エンジン本体1aからの排気を排出する排気管(排気通路)3と、エンジン本体1aに供給する吸気を昇圧するためのターボチャージャ(過給機)4と、排気通路内の排気ガスの一部を吸気通路に戻すEGRシステム(排気再循環システム)5とを備える。
エンジン1は、エンジン本体1aに複数の気筒(燃焼室)1bが形成された多気筒エンジン(本実施形態では、直列6気筒ディーゼルエンジン)であり、エンジン本体1aには、吸気通路の下流端をなす吸気マニフォールド1cと、排気通路の上流端をなす排気マニフォールド1dとが接続される。
ターボチャージャ4は、排気管3に配設されたタービン4aと、吸気管2に配設されたコンプレッサ4bとを有する。タービン4aよりも下流の排気管3には、図示しない排気ガス後処理装置やマフラー等が設けられる。コンプレッサ4bよりも上流の吸気管2には、図示しないエアクリーナ等が設けられ、コンプレッサ4bよりも下流の吸気管2には、インタークーラ9等が設けられる。
EGRシステム5は、所謂高圧EGRシステムであり、タービン4aよりも上流の排気管3とコンプレッサ4bよりも下流の吸気管2とを連通するEGR管(EGR通路、即ち排気再循環通路)6と、EGR管6に設けられたEGRバルブ(排気再循環バルブ)7とを有する。なお、図示はしないが、EGRクーラを、EGR管6におけるEGRバルブ7の上流側又は下流側に設けても良い。
図3に示すEGRシステム5では、ベンチュリ10は、EGR管6と吸気管2との接続部に配設される。より詳細には、ベンチュリ10は、インタークーラ9と吸気マニフォールド1cとの間の吸気管2(つまり、インタークーラ9よりも下流の吸気管2)に配設される。
図1に本実施形態に係るベンチュリ10を示す。
図1に示すように、本実施形態に係るベンチュリ10は、吸気管2に設けられ、吸気管2の通路面積を絞るノズル部11と、ノズル部11よりも下流の吸気管2にノズル部11と間隔を隔てて設けられ、吸気管2の下流側に行くに従い吸気管2の通路面積を増加させるディフューザ部12と、ノズル部11とディフューザ部12との間の間隙の外周に設けられる環状チャンバ13を有するEGR合流部(排気再循環合流部)14と、EGR管6とEGR合流部14の環状チャンバ13とを連通するEGRガス導入管(EGRガス導入通路、即ち排気再循環ガス導入通路)15を有するEGRガス導入部(排気再循環ガス導入部)16とを備える。
ノズル部11は、吸気管2の上流側から下流側に行くに従い吸気管2の通路面積を面積Aから面積A1まで減少させることにより、吸気管2の通路面積を絞るものである。具体的には、ノズル部11の内壁面11aを、曲率半径が吸気管2の上流側から下流側に対して一定(R=y)である円弧曲線を用いて規定することにより、ノズル部11は吸気管2の上流側から下流側に行くに従い吸気管2の通路面積を面積Aから面積A1まで減少させる。つまり、ノズル部11の側断面形状(図1(a)参照)は、吸気管2の上流側から下流側に行くに従い曲率半径一定で縮径する円弧曲線形状に形成されている。
ディフューザ部12は、吸気管2の上流側から下流側に行くに従い吸気管2の通路面積を面積A1から面積Aまで順次増加させるものである。具体的には、ディフューザ部12の内壁面12aを、曲率半径が吸気管2の上流側から下流側に行くに従い徐々に小さくなる緩和曲線を用いて規定することにより、ディフューザ部12は吸気管2の上流側から下流側に行くに従い吸気管2の通路面積を面積A1から面積Aまで順次増加させる。
特に本実施形態では、ディフューザ部12の内壁面12aを、曲率半径が吸気管2の上流側から下流側に対して無限大(R=∞)から所定の曲率半径(R=x)まで一定の比率で小さくなる所謂クロソイド曲線(直線逓減)を用いて規定している。つまり、ディフューザ部12の側断面形状(図1(a)参照)は、吸気管2の上流側から下流側に行くに従い徐々に小さくなる曲率半径(R=∞〜x)で拡径するクロソイド曲線形状に形成されている。
また、ディフューザ部12は、ノズル部11に対して同心的に配設される。なお、本実施形態では、ディフューザ部12の上流端の内径がノズル部11の下流端の内径と等しく設定されているが、ディフューザ部12の上流端の内径がノズル部11の下流端の内径よりも小さく設定されていても良い。つまり、ディフューザ部12は、吸気管2の上流側から下流側に行くに従い吸気管2の通路面積を面積A1よりも小さい面積A2(不図示)(A2<A1)から面積Aまで順次増加させるものであっても良い。
EGR合流部14は、ノズル部11の下流端及びディフューザ部12の上流端を覆うように設けられるものである。即ち、EGR合流部14内に環状チャンバ13が区画形成される。また、EGR合流部14には、EGRガス導入管15の下流端が接続される。
EGRガス導入部16は、EGR管6内の排気ガスの一部をEGRガス(排気再循環ガス)としてEGR合流部14の環状チャンバ13に導入するためのものである。EGRガス導入部16は、上流端がEGR管6の下流端に接続され、下流端がEGR合流部14に接続されるEGRガス導入管15を有する。本実施形態では、EGRガス導入管15は、環状チャンバ13の径方向に沿って延びるようにEGRガス合流部14に接続されている(図1(b)参照)。
ノズル部11、ディフューザ部12、EGR合流部14及びEGRガス導入部16(EGRガス導入管15)は、例えば鋳造等により一体成形されるのが好ましい。なお、ノズル部11、ディフューザ部12、EGR合流部14及びEGRガス導入部16(EGRガス導入管15)の一部又は全部を、別体としても設けても良いのは勿論である。
次に、本実施形態の作用効果を説明する。
本実施形態に係るベンチュリ10のディフューザ部12の側断面形状は、図4に示す比較例に係るベンチュリ30のディフューザ部32のように単なる角度一定で拡径するテーパ形状とせず、クロソイド曲線(緩和曲線)を用いて規定したクロソイド曲線形状とされている。
図2に、ディフューザ部12、32の長さ短縮の影響を調べるために行ったシミュレーションの結果を示す。なお、当該シミュレーションでは、図4に示す角度αを8.0degとしたときのディフューザ部32の長さL0を基準として、図1に示すディフューザ部12の長さL並びに図4に示すディフューザ部32の長さL0をそれぞれ短縮したベンチュリ10、30について圧力損失を求めた。
図2に示すように、ディフューザ部12の側断面形状をクロソイド曲線(緩和曲線)を用いて規定したクロソイド曲線形状とすることで、図1に示すディフューザ部12の長さLを短縮しても、ベンチュリ10の圧力損失がさほど大きくならないことが分かる。つまり、図1に示す本実施形態に係るベンチュリ10は、図4に示す比較例に係るベンチュリ30と比較してディフューザ部12、32の長さL、L0を短縮した影響が少ないといえる。また、図2から分かるように、本実施形態に係るベンチュリ10によれば、図4に示す長さL0(角度α=8.0deg)としたディフューザ部32と同じ圧力損失で、ディフューザ部12の長さLを70%短縮することが出来る。
図4に示す比較例に係るベンチュリ30では、ディフューザ部32の側断面形状がテーパ形状とされているので、ディフューザ部32の長さL0を短縮するに従い図4に示す角度αが大きくなり、ディフューザ部32の下流側では流れが内壁面32aから剥離して縮流となり易くなる。そのため、ディフューザ部32の長さL0を短縮するに従い、ベンチュリ30の圧力損失が大幅に増加する傾向を示す。
一方、図1に示す本実施形態に係るベンチュリ10では、ディフューザ部12の側断面形状がクロソイド曲線形状とされているので、ディフューザ部12の通路面積がなだらかに変化し、流れの剥離及び縮流は発生し難い。そのため、同じ長さで比較すると、図1に示す本実施形態に係るベンチュリ10の圧力損失は、図4に示す比較例に係るベンチュリ30の圧力損失よりも低い。
また、ディフューザ部12の長さLを短縮していった場合でも、通路面積がなだらかに変化するディフューザ部12では流れの剥離及び縮流は発生し難い。そのため、図1に示す本実施形態に係るベンチュリ10は、過大な圧力損失の増加を伴わずにディフューザ部12の長さLを短縮することが出来、結果としてベンチュリ10全体の長さを短縮することが可能となる。
以上要するに、本実施形態によれば、ベンチュリ10のディフューザ部12の形状を工夫することで、過大な圧力損失の増加を伴わずにベンチュリ10全体の長さを劇的に短縮することが出来る。これにより、エンジン1により駆動される各種装置への搭載が格段に容易になる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。
例えば、ディフューザ部12の内壁面12aの形状を規定するのに用いる緩和曲線は、クロソイド曲線には限定はされず、所謂三次曲線(直線逓減)又は所謂サイン半波長逓減曲線(曲線逓減)であっても良い。つまり、ディフューザ部12の側断面形状が、吸気管2の上流側から下流側に行くに従い拡径する二次曲線形状又はサイン半波長逓減曲線形状に形成されていても良い。
また、エンジン1は、ディーゼルエンジンには限定はされず、例えばガソリンエンジン等であっても良い。
さらに、エンジン1は、直列6気筒エンジンには限定はされず、例えば、単気筒エンジンであっても良く、直列4気筒エンジンやV型6気筒エンジン等の他の多気筒エンジンであっても良い。
1 エンジン(内燃機関)
1c 吸気マニフォールド(吸気通路)
1d 排気マニフォールド(排気通路)
2 吸気管(吸気通路)
3 排気管(排気通路)
5 EGRシステム(排気再循環システム)
6 EGR管(EGR通路、排気再循環通路)
7 EGRバルブ(排気再循環バルブ)
10 ベンチュリ
11 ノズル部
12 ディフューザ部
12a 内壁面
13 環状チャンバ
14 EGR合流部(排気再循環合流部)
15 EGRガス導入管(排気再循環ガス導入通路)
16 EGRガス導入部(排気再循環ガス導入部)

Claims (2)

  1. 内燃機関の排気通路に接続された排気再循環通路と前記内燃機関の吸気通路との接続部に設けられるベンチュリにおいて、
    前記吸気通路に設けられ、前記吸気通路の通路面積を絞るノズル部と、前記ノズル部よりも下流の前記吸気通路に前記ノズル部と間隔を隔てて設けられ、前記吸気通路の上流側から下流側に行くに従い前記吸気通路の通路面積を増加させるディフューザ部と、前記ノズル部と前記ディフューザ部との間の間隙の外周に設けられる環状チャンバを有する排気再循環合流部と、前記排気再循環通路と前記排気再循環合流部の環状チャンバとを連通する排気再循環ガス導入通路を有する排気再循環ガス導入部とを備え、
    前記ディフューザ部の内壁面が、曲率半径が前記吸気通路の上流側から下流側に行くに従い徐々に小さくなる緩和曲線により規定されることを特徴とするベンチュリ。
  2. 前記緩和曲線は、クロソイド曲線、三次曲線又はサイン半波長逓減曲線である請求項1に記載のベンチュリ。
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