JP2013204420A

JP2013204420A - Ｅｇｒ装置

Info

Publication number: JP2013204420A
Application number: JP2012070499A
Authority: JP
Inventors: Munehisa Achinami; 統久阿知波; Masanori Suzuki; 将紀鈴木; Soichiro Kariya; 宗一郎仮谷; Hidekazu Watabe; 秀和渡部; Tandoo Guen; タンドーグェン
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2013-10-07

Abstract

【課題】内燃機関の気筒内でＥＧＲガスを層状化する。
【解決手段】切替装置１のそれぞれユニット１７では、カム１８の輪郭に追従することにより、吸入空気の流れが、新気を含む第１の流れと、排気ガスを含む流れであって第１の流れとは異なる第２の流れとの間で切り替わる。これにより、気筒内に吸入される吸入空気の流れは、新気を含む流れと排気ガスを含む流れとの間で切り替わり、両方の流れは混合せずに気筒内に吸入される。このため、吸入工程において、気筒内の外周側や下側で濃くしたい新気を先に導入し、その後、内周側や上側で濃くしたいＥＧＲガスを導入することで、ＥＧＲガスを充分に層状化することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスを吸気側に還流するＥＧＲ装置に関する（以下、還流される排気ガスまたは還流された排気ガスを「ＥＧＲガス」と呼ぶことがある。）。

従来から、ＥＧＲ装置では、内燃機関の気筒内において燃料の燃焼時に（つまり、ピストンが上死点に達した時に、）、ＥＧＲガスが所望の濃度分布を形成するようにＥＧＲガスを気筒内に吸入させる要請がある。
例えば、自着火式のディーゼルエンジンの場合、理想的な濃度分布は、気筒内の外周側かつ下側ほどＥＧＲリーンとなり、また、内周側かつ上側ほどＥＧＲリッチとなるものと考えられている。また、ガソリンエンジンの場合、ディーゼルエンジンとは逆の濃度分布を形成するのが理想的と考えられている（以下、ＥＧＲガスに関し、理想的な濃度分布を形成することを「ＥＧＲガスを層状化する」と称する。）。

そして、ＥＧＲガスの層状化を達成するため、例えば、特許文献１のＥＧＲ装置によれば、吸気ポートを吸気バルブの直前で仕切り板により上下に仕切り、仕切り板の下側の流路にＥＧＲガスの流路を接続するとともに、仕切り板の上側の流路を弁体により開閉可能としている。そして、吸入工程の初期に上側の流路を閉鎖して下側の流路を通じてＥＧＲガスを気筒内に積極的に導入し、その後に上側の流路を開放する。これにより、ガソリンエンジンに関してＥＧＲガスを層状化することができるとしている。

しかし、特許文献１のＥＧＲ装置によれば、弁体による上側の流路の開閉に係わらず、下側の流路ではＥＧＲガスとＥＧＲガス以外の成分とが混合しながら気筒内に吸入されており、ＥＧＲガスの層状化は必ずしも充分ではないものと考えられる。

特開２００２−１０６４１９号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、内燃機関の気筒内でＥＧＲガスを層状化することができるＥＧＲ装置を提供することにある。

本発明のＥＧＲ装置は、所定の駆動源から伝わるトルクにより回転駆動されるカムと、内燃機関に吸入される吸入空気の流れを切り替える流路切替弁とを備え、流路切替弁は、カムの輪郭に追従することにより、吸入空気の流れを、新気を含む第１の流れと、排気ガスを含む流れであって第１の流れとは異なる第２の流れとの間で切り替える。
これにより、吸入空気の流れは、新気を含む流れと排気ガスを含む流れとの間で切り替わり、両方の流れは混合せずに気筒内に吸入される。

このため、例えば、吸入工程において、気筒内の外周側や下側で濃くしたい成分を先に導入し、その後、流路切替弁を動作させて、内周側や上側で濃くしたい成分を導入することで、ＥＧＲガスを充分に層状化することができる。
また、ＥＧＲガスを層状化する場合、吸入工程の途中で流路切替弁を動作させる必要があり、流路切替弁の動作には数ｍｓもの高速応答が要求される。そこで、本発明では、駆動源により、直接、流路切替弁を動作させるのではなく、カムを介して流路切替弁を動作させることで、高速応答を可能にしている。

内燃機関の吸排気系統を示す説明図である。（ａ）は第１の状態にあるＥＧＲ装置の構成図であり、（ｂ）は第２の状態にあるＥＧＲ装置の構成図である。ディーゼルエンジンの気筒内におけるＥＧＲガスの層状化を示す説明図である（実施例）。

実施形態のＥＧＲ装置を実施例に基づき説明する。

〔実施例の構成〕
実施例のＥＧＲ装置１の構成を、図１〜図３を用いて説明する。
ＥＧＲ装置１は、内燃機関２の排気ガスの一部を吸気側に還流するものであり、例えば、車両のエンジンルームに搭載されて内燃機関２の吸排気系統３の一部を構成する。なお、内燃機関２は、例えば４気筒のディーゼルエンジンである。また、吸排気系統３は、ＥＧＲ装置１とともに、例えば、以下のような構成を備える。

すなわち、吸排気系統３は、タービンおよびコンプレッサを有するターボチャージャー、コンプレッサにより加圧された空気を受け入れて内燃機関２の各気筒に導く吸気マニホールド５、コンプレッサと吸気マニホールド５との間の吸気路６に配置され、吸気路６を経て吸気マニホールド５に吸入される空気の流量を増減するスロットル装置７、タービン上流側の排気路８から排気ガスを高圧のまま吸気マニホールド５に還流する高圧ＥＧＲ流路９、高圧ＥＧＲ流路９に配置され、高圧ＥＧＲ流路９を経て吸気マニホールド５に吸入される排気ガス（ＥＧＲガス）の流量を増減する高圧ＥＧＲ装置１０を備える。

なお、スロットル装置７および高圧ＥＧＲ装置１０は、内燃機関２の動作を制御する電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ。）１２により動作を制御され、それぞれ、吸気路６を経て吸気マニホールド５に吸入される空気の流量、高圧ＥＧＲ流路９を経て吸気マニホールド５に吸入されるＥＧＲガスの流量を増減する。また、吸気マニホールド５は、サージタンク１３および４つの分岐管１４を有し、それぞれの分岐管１４は、各気筒の吸気ポート１５に接続している。

そして、ＥＧＲ装置１は、気筒内でＥＧＲガスの層状化を達成するため、吸気ポート１５に吸入される吸入空気の流れを、以下に説明する第１の流れと、第２の流れとの間で切り替えるものとして設けられている（以下、ＥＧＲ装置１を切替装置１と呼ぶ。）。
ここで、第１の流れとは、新気を含む流れであり、例えば、吸気路６およびスロットル装置７を経て吸気マニホールド５に吸入される空気の流れである。また、第２の流れとは、第１の流れとは異なる流れであって排気ガスを含む流れであり、例えば、高圧ＥＧＲ流路９を経て吸気マニホールド５に吸入されるＥＧＲガスの流れである。

また、切替装置１は、例えば、分岐管１４ごとに組み入れられた合計４つのユニット１７により構成され、高圧ＥＧＲ流路９は、高圧ＥＧＲ装置１０の下流側で気筒数と同数に分岐し、分岐後の高圧ＥＧＲ流路９は、それぞれ、１つのユニット１７に接続している。
そして、それぞれのユニット１７は、以下に説明するカム１８、流路切替弁１９、揺動部材２０および直動部材２１等を備え、第１、第２の流れを受け入れるとともに、吸入空気の流れを第１、第２の流れの間で切り替える。

カム１８は、駆動源としての電動機２３から伝わるトルクにより回転駆動されるものであり、カム１８の輪郭（周縁形状）は１つの山１８ａを有している。ここで、電動機２３は、ユニット１７ごとに装備されており、すべての電動機２３は、内燃機関２に同期するようにＥＣＵ１２により通電制御される。このため、カム１８の回転は内燃機関２の動作に同期する。

流路切替弁１９は、回転駆動される弁体２５と、弁体２５にトルクを伝達する揺動体２６とを有し、弁体２５の回転に応じて、吸入空気の流れを第１の流れと第２の流れとの間で切り替える。また、弁体２５の回転軸と揺動体２６の揺動軸とは同軸かつ一体に設けられ、揺動体２６は、揺動軸を回転中心として２回対称を呈するように２本のアーム２６ａ、２６ｂを有する。そして、一方のアーム２６ａは直動部材２１に係合して直動部材２１から推力を受け、他方のアーム２６ｂにはコイルスプリング２７の一端が接続している。なお、コイルスプリング２７は、圧縮されてセットされており、アーム２６ｂを押すように付勢力を及ぼす。

また、ユニット１７には、ユニット１７の上流側の分岐管１４に接続して第１の流れを受け入れる第１流入ポート２９、分岐後の高圧ＥＧＲ流路９に接続して第２の流れを受け入れる第２流入ポート３０、ユニット１７の下流側の分岐管１４に接続する流出ポート３１、および弁体２５を収容する弁室３２が設けられている。また、弁室３２には、第１、第２流入ポート２９、３０および流出ポート３１が開口する。

ここで、弁体２５は、第１流入ポート２９と流出ポート３１とが連通する第１の状態と、第２流入ポート３０と流出ポート３１とが連通する第２の状態とを切り替えるロータリバルブとして設けられている。そして、弁体２５は、第１の状態において、第１流入ポート２９および流出ポート３１を弁室３２に対して開状態に保つとともに、第２流入ポート３０を弁室３２に対して閉状態に保つ。また、弁体２５は、第２の状態において、第２流入ポート３０および流出ポート３１を弁室３２に対して開状態に保つとともに、第１流入ポート２９を弁室３２に対して閉状態に保つ。

そして、揺動体２６は、直動部材２１から受けた推力をトルクに変換して弁体２５に伝達し、弁体２５を第１の状態から第２の状態へ回転移行させる。また、コイルスプリング２７の付勢力は、弁体２５を第２の状態から第１の状態へ移行させる方向に作用し、揺動体２６は、コイルスプリング２７の付勢力をトルクに変換して弁体２５に伝達し、弁体２５を第２の状態から第１の状態へ回転移行させる（以下、弁体２５の回転方向に関し、第１の状態から第２の状態へ切り替わる方向（図２において反時計方向）を正方向とし、第２の状態から第１の状態へ切り替わる方向（図２において時計方向）を負方向とする。）。

揺動部材２０は、揺動軸の一方側でカム１８の当接を受ける短アーム２０ａ、および、短アーム２０ａよりも長く設けられて揺動軸の他方側で直動部材２１の当接を受ける長アーム２０ｂを有し、カム１８の輪郭に応じて揺動する。そして、揺動部材２０は、カム１８から伝わったトルクを直線的な推力として直動部材２１に伝達するとともに、いわゆる梃子の原理により、山１８ａの高さ分に相当する揺動幅を増幅して直動部材２１に伝達し、山１８ａの高さよりも長く直動部材２１を前進させる。

直動部材２１は、揺動部材２０の揺動に応じて直線的に進退するものであり、揺動部材２０から伝わる推力により前進して弁体２５を正方向に回転させ、第１の状態から第２の状態に移行させる（図２（ｂ）参照。）。また、直動部材２１は、揺動体２６を介して伝わるコイルスプリング２７の付勢力により後退する（図２（ａ）参照。）。ここで、直動部材２１は、部分的に太径化した膨出部２１ａを有し、アーム２６ａは膨出部２１ａと係合することで直動部材２１に係合している。
また、直動部材２１は、膨出部２１ａの両側で軸受３４ａ、３４ｂにより進退自在に支持されている。

〔実施例の作用〕
実施例の切替装置１の作用を説明する。
図２（ａ）に示すように、カム１８が山１８ａ以外の円形の周縁により短アーム２０ａに当接している間、揺動部材２０は揺動せず、直動部材２１も静止している。また、弁体２５は、コイルスプリング２７の付勢力により第１の状態を保っており、吸入空気の流れは第１の流れになっている。

やがて、山１８ａの裾部分が短アーム２０ａに当接し始めると、揺動部材２０は揺動を開始し、直動部材２１は前進を開始する。また、弁体２５は、直動部材２１から伝わる推力によりコイルスプリング２７の付勢力に抗して正方向に回転を開始し、吸入空気の流れは、第１の状態から第２の状態に移行する。

その後、山１８ａの裾部分が、再度、短アーム２０ａに当接し始めると、弁体２５は、コイルスプリング２７の付勢力により負方向に回転を開始し、吸入空気の流れは、第２の状態から第１の状態に移行する。また、直動部材２１は、揺動体２６から伝わるコイルスプリング２７の付勢力により後退を開始し、さらに、揺動部材２０は、直動部材２１から伝わるコイルスプリング２７の付勢力により揺動を開始する。この間、短アーム２０ａは直動部材２１から伝わるコイルスプリング２７の付勢力により、確実にカム１８に当接し続ける。

そして、山１８ａが短アーム２０ａに当接している期間を、例えば、内燃機関２における吸入工程開始後、所定時間が経過した時点から吸入工程終了までの期間に合わせることで、吸入工程の前段において第１の状態を実現して新気を含む空気を積極的に気筒内に導入する。そして、吸入工程の後段において第２の状態を実現してＥＧＲガスを積極的に気筒内に導入する。このため、吸入工程の前段において気筒内に導入された空気は、吸入工程の後段において気筒内に導入されたＥＧＲガスにより、気筒内の外周側かつ下側に押されて移動する。そして、吸入工程の後段において気筒内に導入されたＥＧＲガスは、気筒内の内周側かつ上側に留まる。

この結果、気筒内の外周側かつ下側ほどＥＧＲリーンとなり、また、内周側かつ上側ほどＥＧＲリッチとなってＥＧＲガスが層状化され、気筒内はディーゼルエンジンの理想的な濃度分布になる（図３参照。）。
また、気筒内に排気ガスを還流する必要がないときには、電動機２３を停止することにより、弁体２５を第１の状態に留め、新気を含む空気のみを気筒内に導入する。

〔実施例の効果〕
実施例の切替装置１のそれぞれユニット１７では、カム１８の輪郭に追従することにより、吸入空気の流れが、新気を含む第１の流れと、排気ガスを含む流れであって第１の流れとは異なる第２の流れとの間で切り替わる。
これにより、吸入空気の流れは、新気を含む流れと排気ガスを含む流れとの間で切り替わり、両方の流れは混合せずに気筒内に吸入される。

このため、吸入工程において、気筒内の外周側や下側で濃くしたい新気を先に導入し、その後、内周側や上側で濃くしたいＥＧＲガスを導入することで、ＥＧＲガスを充分に層状化することができる。
また、ＥＧＲガスを層状化する場合、吸入工程の途中で弁体２５を第１の状態から第２の状態に切り替える必要があり、弁体２５の回転には数ｍｓもの高速応答が要求される。そこで、電動機２３により、直接、弁体２５を回転駆動するのではなく、カム１８を介して弁体２５を回転させることで、高速応答を可能にしている。

また、切替装置１は、カム１８の輪郭に応じて揺動する揺動部材２０と、揺動部材２０の揺動に応じて直線的に進退することで流路切替弁１９を動作させる直動部材２１とを備える。
これにより、揺動部材２０に梃子の原理を適用することで、カム１８により、直接、流路切替弁１９の弁体２５を回転させる場合よりも、流れの切替を安定させることができる。つまり、カム１８により、直接、弁体２５を回転させようとすると、カム１８の山１８ａを高くする必要があるので、カム１８と弁体２５側の当接部との当接が不充分になる「ジャンピング」を生じる虞が高まる。そこで、切替装置１に揺動部材２０と直動部材２１とを装備して揺動部材２０に梃子の原理を適用することで、山１８ａの高さを高めずに弁体２５を回転させて流れの切替を安定させることができる。

〔変形例〕
切替装置１の態様は、実施例に限定されず種々の変形例を考えることができる。
例えば、実施例の切替装置１によれば、カム１８の駆動源は、ユニット１７ごとに装備された電動機２３であり、合計４つの電動機２３が装備されていたが、駆動源はこのような態様に限定されない。

例えば、駆動源として１つの電動機２３を装備し、１つの電動機２３によりそれぞれのユニット１７が備えるカム１８を駆動してもよい（つまり、４つのカム１８を１つの電動機２３により同時に駆動してもよい。）。この場合、電動機２３の数を削減してコストダウンを達成することができる。
また、内燃機関２のクランクシャフトとカム１８の回転軸とを機械的にリンクさせ、内燃機関２によりカム１８を駆動するようにしてもよい。この場合、カム１８の回転を確実に内燃機関２の動作に同期させることができる。

また、タービン下流側の排気路８から低圧の排気ガスを吸気路６に還流する低圧ＥＧＲ流路が吸排気系統３に備わっている場合、低圧ＥＧＲ流路を経て吸気路６に還流されるＥＧＲガスを第１の流れに含めてもよい。
さらに、実施例の切替装置１によれば、内燃機関２は、４気筒のディーゼルエンジンであったが、気筒数は４に限定されない。また、内燃機関２をガソリンエンジンとしてもよい。

１切替装置（ＥＧＲ装置）２内燃機関（駆動源）１８カム１９流路切替弁２０揺動部材２１直動部材２３電動機（駆動源）

Claims

所定の駆動源（２、２３）から伝わるトルクにより回転駆動されるカム（１８）と、
このカム（１８）の輪郭に追従することにより、内燃機関（２）に吸入される吸入空気の流れを、新気を含む第１の流れと、排気ガスを含む流れであって前記第１の流れとは異なる第２の流れとの間で切り替える流路切替弁（１９）とを備えるＥＧＲ装置（１）。
請求項１に記載のＥＧＲ装置（１）において、
前記カム（１８）の輪郭に応じて揺動する揺動部材（２０）と、
この揺動部材（２０）の揺動に応じて直線的に進退することで前記流路切替弁（１９）を動作させる直動部材（２１）とを備えるＥＧＲ装置（１）。
請求項１または請求項２に記載のＥＧＲ装置（１）において、
前記カム（１８）および前記流路切替弁（１９）は前記内燃機関（２）の気筒毎に配置され、
前記駆動源（２、２３）は１つの電動機（２３）であって全ての前記カム（１８）を同時に回転駆動することを特徴とするＥＧＲ装置（１）。
請求項１または請求項２に記載のＥＧＲ装置（１）において、
前記カム（１８）および前記流路切替弁（１９）は前記内燃機関（２）の気筒毎に配置され、
前記駆動源（２、２３）は前記内燃機関（２）であって全ての前記カム（１８）を同時に回転駆動することを特徴とするＥＧＲ装置（１）。