JP2013241834A

JP2013241834A - 内燃機関の排気還流装置

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Publication number: JP2013241834A
Application number: JP2012113671A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Nokawa; 真一郎能川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-05-17
Filing date: 2012-05-17
Publication date: 2013-12-05

Abstract

【課題】この発明は、運転領域による気筒毎のＥＧＲガスの導入量のばらつきを低減できる内燃機関の排気還流装置を提供することを目的とする。
【解決手段】気筒毎に分岐後の各吸気通路に開口するＥＧＲ導入部を有し、排気通路と該各吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ導入部と前記各吸気通路との開口位置よりも吸気上流側の前記各吸気通路に設けられ、閉弁することにより該開口位置付近の吸気流量を他の部分に比して低減可能な気流制御弁とを備える。ここで、前記ＥＧＲ導入部と前記各吸気通路との開口面積は、前記ＥＧＲ通路の上流側に位置する気筒ほど下流側に位置する気筒に比べて大きく設定される。前記開口位置は、前記ＥＧＲ通路の上流側に位置する気筒ほど下流側に位置する気筒に比べて前記気流制御弁から離れて設定される。そして、軽負荷領域では前記気流制御弁を閉弁し、前記軽負荷領域よりも機関負荷が高い高負荷領域では前記気流制御弁を開弁する。
【選択図】図６

Description

この発明は、内燃機関の排気還流装置に関する。

従来、例えば特許文献１に開示されるように、内燃機関の排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気側に還流させて、再び燃焼室へ導入するＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置が知られている。ＥＧＲ装置は、排気通路と吸気通路を接続するＥＧＲ通路を備える。ＥＧＲ通路には、開閉制御可能なＥＧＲバルブが設けられている。また、本公報には、ＥＧＲ通路端を複数の分岐管に分岐させて吸気マニホールドの吸気ポートに合わせて連結し、且つ該各分岐管は、気筒毎に異なる角度で吸気マニホールドに挿入させることが開示されている。

特開２００７−２１１６９８号公報

ところで、ＥＧＲガス量が少ない軽負荷領域では、ＥＧＲガスの流速が小さいため、ＥＧＲ通路のＥＧＲバルブ近傍の上流側の気筒にＥＧＲガスが流れやすい。一方、ＥＧＲガス量の多い高負荷領域では、ＥＧＲガスの流速が大きいため、ガスの慣性力が大きく、下流側の気筒にＥＧＲガスが流れやすい。このように、運転領域によって気筒毎のＥＧＲガスの導入量がばらつくという問題がある。上述の特許文献１の技術によれば、ＥＧＲガスの流入管を複数の分岐管に分岐させ、分岐管の角度を設定することとしているが、ＥＧＲガスの流速は運転領域により変化するため、必ずしも十分に改善されるとは言えない。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、運転領域による気筒毎のＥＧＲガスの導入量のばらつきを低減することのできる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、内燃機関の排気還流装置であって、
気筒毎に分岐後の各吸気通路にそれぞれ開口するＥＧＲ導入部を有し、排気通路と該各吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ導入部と前記各吸気通路との開口位置よりも吸気上流側の前記各吸気通路に設けられ、閉弁することにより該開口位置付近の吸気流量を他の部分に比して低減可能な気流制御弁と、を備え、
前記ＥＧＲ導入部と前記各吸気通路との開口面積は、前記ＥＧＲ通路の上流側に位置する気筒ほど下流側に位置する気筒に比べて大きく、
前記開口位置は、前記ＥＧＲ通路の上流側に位置する気筒ほど下流側に位置する気筒に比べて前記気流制御弁から離れており、
軽負荷領域では前記気流制御弁を閉弁し、前記軽負荷領域よりも機関負荷が高い高負荷領域では前記気流制御弁を開弁することを特徴とする。

軽負荷領域では、上流側気筒にＥＧＲガスが導入され易いところ、第１の発明によれば、軽負荷領域で気流制御弁が閉じられる。このとき、各気筒の開口位置の圧力は、気流制御弁に近い下流側気筒ほど上流側気筒に比して低くなる。そのため、下流側気筒にＥＧＲガスが導入され易くなる。その結果、上流側気筒にＥＧＲガスが導入され易い軽負荷領域においてＥＧＲガス量の気筒間のばらつきを低減することができる。

一方、高負荷領域では、下流側気筒にＥＧＲガスが導入され易いところ、第１の発明によれば、高負荷領域で気流制御弁が開かれる。ＥＧＲ導入部と各吸気通路との開口面積は、上流側気筒ほど大きく設定されているため、上流側気筒にＥＧＲガスが導入され易くなる。その結果、下流側気筒にＥＧＲガスが導入され易い高負荷領域においてＥＧＲガス量の気筒間のばらつきを低減することができる。このため、本発明によれば、運転領域による気筒毎のＥＧＲガスの導入量のばらつきを低減することができる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するためのシステム構成図である。本発明の実施の形態１における吸気ポート付近の構成を説明するための縦断面図である。一般的なＥＧＲ配管の構成を示す概念構成図である。軽負荷領域における一般的なＥＧＲガス量の偏りについて説明するための図である。中〜高負荷領域における一般的なＥＧＲガス量の偏りについて説明するための図である。本発明の実施の形態１における特徴的構成を説明するための概念構成図である。気流制御弁を閉じた場合の作用について説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための概要構成図である。図１に示すシステムは、内燃機関（以下、単にエンジンとも記す。）１０を備えている。内燃機関１０は、車両等に搭載されその動力源とされる。図１に示す内燃機関１０は、複数の気筒１１を備える。図１に示す内燃機関１０は直列４気筒型であるが、本発明において、気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではない。便宜上、以下の説明において、第１気筒〜第４気筒をそれぞれ＃１〜＃４と表記する。

内燃機関１０には、空気を筒内に取り込むための吸気通路１２と、筒内から排気ガスを排出するための排気通路１４とが接続されている。吸気通路１２の入口付近には、エアクリーナ１６が設けられている。エアクリーナ１６の下流には、吸気通路１２に吸入される空気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ１８が設けられている。

エアフローメータ１８の下流には、吸気通路１２を流れる空気量を調整するための電子制御式のスロットルバルブ２０が設けられている。スロットルバルブ２０の下流には、気筒毎に吸気ポート２２が設けられている。吸気ポート２２は吸気通路１２の一部を構成している。吸気通路１２の下流端には、気筒１１内（燃焼室内）と吸気ポート２２との間を開閉する吸気バルブ２４が設けられている。

内燃機関１０の各気筒には、燃料を気筒１１内に供給するインジェクタ２６、混合気に点火するための点火プラグ２８が設けられている。

排気通路１４の上流端には、気筒１１内と排気通路１４との間を開閉する排気バルブ３０が設けられている。排気バルブ３０の下流には、排気ガス中の有害成分を浄化する触媒３２が設けられている。

また、本実施形態のシステムは、ＥＧＲ装置（排気還流装置）を備えている。ＥＧＲ装置は、排気通路１４を流れる排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路１２に還流させる。具体的には、排気通路１４と吸気通路１２（各気筒の吸気ポート２２）とを接続するＥＧＲ通路３４が設けられている。ＥＧＲ通路３４には、ＥＧＲクーラ３６が設けられている。ＥＧＲクーラ３６の下流には、ＥＧＲバルブ３８が設けられている。

図２は、吸気ポート２２付近の構成を説明するための縦断面図である。吸気ポート２２内空間の一部は、吸気ポート隔壁４０により上下に分割されている。吸気ポート隔壁４０の上流端には、気流制御弁としてのタンブルコントロールバルブ（以下、単にＴＣＶと記す。）４２が設けられている。ＴＣＶ４２は開閉制御可能なフラップ弁を有する。

本実施形態のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を更に備えている。ＥＣＵ５０は、例えばＲＯＭ、ＲＡＭ等を含む記憶回路を備えた演算処理装置により構成されている。ＥＣＵ５０の入力側には、上述したエアフローメータ１８の他、クランク角及びクランク角速度を検出するためのクランク角センサ５２等の内燃機関１０の運転状態を検出するための各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ５０の出力側には、上述したスロットルバルブ２０、インジェクタ２６、点火プラグ２８、ＥＧＲバルブ３８、ＴＣＶ４２等の内燃機関１０の運転状態を制御するための各種アクチュエータが接続されている。

ＥＣＵ５０は、各種センサ出力に基づいて、所定のプログラムに従って各種アクチュエータを駆動させることにより、内燃機関１０の運転状態を制御する。例えば、クランク角センサ５２の出力に基づいてクランク角やエンジン回転数を算出し、エアフローメータ１８の出力に基づいて吸入空気量を算出する。また、吸入空気量、エンジン回転数、吸気圧力等に基づいてエンジンの機関負荷（負荷率）を算出する。吸入空気量、機関負荷等に基づいて燃料噴射量を算出する。クランク角に基づいて燃料噴射時期や点火時期を決定する。そして、これらの時期が到来したときに、インジェクタ２６、点火プラグ２８を駆動する。これにより、筒内で混合気を燃焼させ、内燃機関１０を運転することができる。

また、ＥＣＵ５０は、エンジン回転数、機関負荷に基づいて定まる運転領域に応じてＴＣＶ４２を開閉制御する。例えば、ＴＣＶ４２のフラップ弁は、軽負荷領域において閉弁され、高負荷領域において開弁される。

（各気筒に導入されるＥＧＲガス量のばらつき）
次に、図３〜図５を用いて、一般的なＥＧＲ配管でのＥＧＲガス量のばらつきについて説明する。図３は、一般的なＥＧＲ配管の構成を示す概念構成図である。図３に示す構成では、ＥＧＲバルブの下流に、ＥＧＲ通路の一部としてＥＧＲデリバリが設けられている。ＥＧＲデリバリには、各気筒（＃１〜＃４）の吸気ポートに連通する同径の導入孔がそれぞれ設けられている。このような構成においては、次に述べるように、運転領域によって各気筒に導入されるＥＧＲガス量にばらつきが生じる。

図４は、軽負荷領域における一般的なＥＧＲガス量の偏りについて説明するための図である。ＥＧＲガス量が少ない軽負荷領域では、ＥＧＲガスの流速が小さい。そのため、ＥＧＲバルブ近傍のＥＧＲデリバリの上流側に位置する気筒（＃１）ほどＥＧＲガスが導入され易い。

図５は、中〜高負荷領域における一般的なＥＧＲガス量の偏りについて説明するための図である。中〜高負荷のＥＧＲガス量が多い領域では、ＥＧＲガスの流速が大きい。そのため、ガスの慣性力が大きく、ＥＧＲデリバリの下流側に位置する気筒（＃４）ほどＥＧＲガスが導入され易い。

［実施の形態１の特徴的構成］
そこで、本実施形態のシステムでは、次の図６〜図７に示す構成により、運転領域による気筒毎のＥＧＲガスの導入量のばらつきを低減することとした。

図６は、本発明の実施の形態１における特徴的構成を説明するための概念構成図である。ＥＧＲバルブ３８下流のＥＧＲ通路３４を、特にＥＧＲデリバリ４４と呼称する。ＥＧＲデリバリ４４は、各吸気ポート２２に開口するＥＧＲ導入部としてのＥＧＲ導入通路４６を有している。また、ＥＧＲ導入通路４６と各吸気ポート２２との開口位置（以下、単に開口位置と記す。）よりも吸気上流側の各吸気ポート２２には、上述したフラップ弁を有するＴＣＶ４２が設けられている。

特に、開口位置は、ＥＧＲデリバリ４４の上流側に位置する気筒（＃１側）ほど下流側に位置する気筒（＃４側）に比べてＴＣＶ４２のフラップ弁から離れた位置に設定されている。

加えて、ＥＧＲ導入通路４６と各吸気ポート２２との各開口部の面積（以下、単に開口面積と記す。）は、ＥＧＲデリバリ４４の上流側に位置する気筒（＃１側）ほど下流側に位置する気筒（＃４側）に比べて大きく設定されている。なお、開口面積に代えて穴径を用いてもよい。

図７は、気流制御弁を閉じた場合の作用について説明するための図である。ＴＣＶ４２のフラップ弁を閉弁することにより、閉弁したプラップ弁下流の圧力が低下する。この圧力はフラップ弁に近い位置ほど低下するため、開口位置がフラップ弁に近いＥＧＲデリバリ４４の下流側気筒（＃４側）程、開口位置付近の圧力が低下することとなる。

本実施形態のシステムでは、図６及び図７で述べた構成・作用を踏まえて、軽負荷領域ではＴＣＶ４２のフラップ弁を閉弁し、軽負荷領域よりも機関負荷が高い高負荷領域ではＴＣＶ４２のフラップ弁を開弁することで、次のようにＥＧＲガス量の気筒間のばらつきを低減することとした。

（軽負荷領域におけるＥＧＲガス量の気筒間ばらつき低減）
ＥＧＲガス量が少ない軽負荷領域では、燃焼を促進するためにＴＣＶ４２のフラップ弁を閉じる。上述の図４の様に、軽負荷領域ではＥＧＲデリバリ４４の上流側気筒（＃１側）程ＥＧＲガスが導入され易い。本発明では、下流側気筒ほどフラップ弁に近い位置に開口位置が設定され、上流側気筒ほどフラップ弁から離れた位置に開口位置が設定される。そのため、プラップ弁を閉弁すると、開口位置がフラップ弁に近い下流側気筒ほど上流側気筒に比して開口位置付近の圧力が低くなり、下流側気筒にＥＧＲガスが導入され易くなる。その結果、軽負荷領域においてＥＧＲガス量の気筒間のばらつきを低減することができる。

（高負荷領域におけるＥＧＲガス量の気筒間ばらつき低減）
一方、ＥＧＲガス量の多い高負荷領域では、圧力損失を軽減するためＴＣＶ４２のフラップ弁を開く。上述の図５の様に、高負荷領域ではＥＧＲデリバリ４４の下流側気筒（＃４側）程ＥＧＲガスが導入され易い。本発明では、上流側気筒ほど各吸気ポート２２とＥＧＲ導入通路４６との開口面積が大きく設定され、下流側気筒ほど開口面積が小さく設定される。そのため、開口面積が大きく設定された上流側気筒にＥＧＲガスが導入され易くなる。その結果、高負荷領域においてＥＧＲガス量の気筒間のばらつきを低減することができる。

このため、本実施形態のシステムによれば、運転領域に応じたＴＣＶ４２の制御と同調して、運転領域による気筒毎のＥＧＲガスの導入量のばらつきを低減することができる。

ところで、上述した実施の形態１のシステムにおいては、気流制御弁としてＴＣＶ４２を用いることとしているが、これに限定されるものではない。ＴＣＶ４２に代えてスワールコントロールバルブ（ＳＣＶ）を用いることとしても良い。この場合、吸気ポート２２内空間の一部は、吸気ポート隔壁により左右に分割されている。吸気ポート隔壁の上流端には、気流制御弁としてのＳＣＶが設けられている。ＳＣＶは開閉制御可能なフラップ弁を有する。

また、上述した実施の形態１のシステムにおいては、吸気ポート２２の上流部にＴＣＶ４２を備えることとしているが、これに限定されるものではない。各気筒に分岐後のインテークマニホールドの下流部にＴＣＶ４２を備えることとしてもよい。

また、本発明が適用されるエンジンは、上述の実施の形態のような筒内直噴エンジンには限定されない。ポート噴射式のエンジンにも本発明は適用可能である。

尚、上述した実施の形態１においては、気筒毎の吸気ポート２２が前記第１の発明における「気筒毎に分岐後の各吸気通路」に、ＥＧＲ導入通路４６が前記第１の発明における「ＥＧＲ導入部」に、ＴＣＶ４２が前記第１の発明における「気流制御弁」に、それぞれ相当している。

１０内燃機関（エンジン）
１１気筒
１２吸気通路
１４排気通路
２２吸気ポート
３４ＥＧＲ通路
３８ＥＧＲバルブ
４０吸気ポート隔壁
４２タンブルコントロールバルブ（ＴＣＶ）
４４ＥＧＲデリバリ
４６ＥＧＲ導入通路
５０ＥＣＵ

Claims

気筒毎に分岐後の各吸気通路にそれぞれ開口するＥＧＲ導入部を有し、排気通路と該各吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ導入部と前記各吸気通路との開口位置よりも吸気上流側の前記各吸気通路に設けられ、閉弁することにより該開口位置付近の吸気流量を他の部分に比して低減可能な気流制御弁と、を備え、
前記ＥＧＲ導入部と前記各吸気通路との開口面積は、前記ＥＧＲ通路の上流側に位置する気筒ほど下流側に位置する気筒に比べて大きく、
前記開口位置は、前記ＥＧＲ通路の上流側に位置する気筒ほど下流側に位置する気筒に比べて前記気流制御弁から離れており、
軽負荷領域では前記気流制御弁を閉弁し、前記軽負荷領域よりも機関負荷が高い高負荷領域では前記気流制御弁を開弁すること、
を特徴とする内燃機関の排気還流装置。