JP2017002767A

JP2017002767A - Ｅｇｒ装置

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Publication number: JP2017002767A
Application number: JP2015115693A
Authority: JP
Inventors: 宮下　茂樹; Shigeki Miyashita; 茂樹宮下; 辰巳古久保; Tatsumi Furukubo
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-06-08
Filing date: 2015-06-08
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2035-06-08
Also published as: JP6380239B2

Abstract

【課題】ＥＧＲ管に配される緩衝部材により、内燃機関の暖機運転時にＥＧＲ管が効率よく昇温せず、ＥＧＲ管内壁に結露水が付着する。【解決手段】排気の一部を吸気通路１９ａへと導くＥＧＲ通路２２ａと、ＥＧＲ通路に配されるベローズ２８と、吸気通路へ導かれる排気の流量を調整するためのＥＧＲ制御弁２３と、ＥＧＲ制御弁を冷却する第１の冷却器２５と、排気通路１８ａからＥＧＲ通路に導かれる排気を冷却する第２の冷却器２４と、吸気通路１９ａとの連通部分におけるＥＧＲ通路の領域を冷却する第３の冷却器２７とを具え、第１〜第３の冷却器にエンジン冷却水が通水される本発明によるＥＧＲ装置１７は、第１および第２の冷却器間のＥＧＲ通路と、第１および第３の冷却器間のＥＧＲ通路とのうち、通路長が短い方のＥＧＲ通路にベローズを配した。【選択図】図２

Description

本発明は、排気通路を流れる排気の一部を、吸気通路を流れる吸気に加えて内燃機関の燃焼室へと供給するためのＥＧＲ装置に関する。

排気通路を流れる排気の一部を、吸気通路を流れる吸気に加えて内燃機関の燃焼室へと供給するためのＥＧＲ装置においては、ＥＧＲ通路を画成するＥＧＲ管が排気通路を画成する排気管と、吸気通路を画成する吸気管とに跨がって配されている。このため、内燃機関の作動に伴って排気管および吸気管が振動すると、これらに接続するＥＧＲ管にも振動が伝わることとなる。通常、排気管の振動モードと吸気管の振動モードとは相互に異なっており、従って排気管と吸気管とに跨がって配されるＥＧＲ管は、これらの振動によって損傷を受ける可能性がある。そこで、特許文献１などで提案されているように、可撓性を有する蛇腹状の緩衝部材をＥＧＲ管に配し、排気管からの振動と吸気管側からの振動とをこの緩衝部材の弾性変形により吸収している。

特開２００５−０９８１７１号公報

ＥＧＲ装置においては、上述した緩衝部材や吸気通路へ導かれる排気の流量を調整するためのＥＧＲ制御弁に加え、このＥＧＲ制御弁を冷却するための弁冷却器やＥＧＲ冷却器および合流端冷却器なども具えている。排気通路からＥＧＲ通路に導かれる排気を冷却するためのＥＧＲ冷却器は、ＥＧＲ制御弁よりも排気通路側のＥＧＲ通路に配され、吸気通路との連通部分におけるＥＧＲ通路の領域を冷却するための合流端冷却器は、吸気通路との連通部分に配されている。

通常、振動吸収のために用いられる緩衝部材は、ＥＧＲ管とは異なる熱伝導率を有しており、一般的にはＳＵＳなどのＥＧＲ管を構成する材料よりも熱伝導率が低い、すなわち熱抵抗の大きな材料、例えばＮＢＲなどで構成されている。このため、内燃機関の暖機運転時に燃費改善を目的としてＥＧＲ装置を作動させて高温の排気の一部を内燃機関の燃焼室に送り込むときに、ＥＧＲ管自体が昇温していない場合は、ＥＧＲ管内での凝縮水発生の懸念がある。ＥＧＲ装置の作動前は、上述したＥＧＲ冷却器や弁冷却器および合流端冷却器を流れるエンジン冷却水もＥＧＲ管を昇温させるための加熱源として機能するが、先の緩衝部材はＥＧＲ管の昇温を阻害するものとなる。従って、ＥＧＲ管に関する緩衝部材の位置によっては、ＥＧＲ管の昇温が遅れ、ＥＧＲの早期導入が難しくなる可能性がある。

本発明の目的は、内燃機関の暖機運転時にＥＧＲ管を効率よく昇温させることができ、しかもＥＧＲ通路での結露水の発生を抑制し得るように、ＥＧＲ管に対して緩衝部材を取り付けたＥＧＲ装置を提供することにある。

本発明によるＥＧＲ装置は、内燃機関の排気通路と吸気通路とに連通し、前記排気通路を流れる排気の一部を前記吸気通路へと導くためのＥＧＲ通路と、このＥＧＲ通路に配される緩衝部材と、前記ＥＧＲ通路に配されて前記吸気通路へ導かれる排気の流量を調整するためのＥＧＲ制御弁と、このＥＧＲ制御弁を冷却するための第１の冷却器と、前記ＥＧＲ制御弁よりも前記排気通路側のＥＧＲ通路に配されて前記排気通路から前記ＥＧＲ通路に導かれる排気を冷却するための第２の冷却器と、前記吸気通路との連通部分におけるＥＧＲ通路の領域を冷却するための第３の冷却器とを具え、前記第１および第２および第３の冷却器にエンジン冷却水が通水されるＥＧＲ装置であって、前記緩衝部材は、前記第１の冷却器と前記第２の冷却器との間のＥＧＲ通路および前記第１の冷却器と前記第３の冷却器との間のＥＧＲ通路のうち、通路長が短い方のＥＧＲ通路に配されていることを特徴とするものである。

本発明においては、第１の冷却器と第２の冷却器との間にあるＥＧＲ通路および第１の冷却器と第３の冷却器との間にあるＥＧＲ通路のうち、通路長の長い方のＥＧＲ通路に熱抵抗の大きな緩衝部材を配置しない。その理由は、ＥＧＲ管の通路長が長いほど熱抵抗が大きくなり、加熱源として機能する２つの冷却器で仕切られたＥＧＲ通路の中間位置に緩衝部材を配置すると、内燃機関の暖機運転時にこの領域にあるＥＧＲ管の昇温が遅れるためである。ＥＧＲ管の昇温が遅れると、排気に含まれる水分が結露水となってＥＧＲ管の内壁に付着し、硫酸腐食を引き起こしたり、排気に含まれる炭化物がこれに付着堆積するおそれがある。

本発明によると、内燃機関の暖機運転時に通路長が長い方のＥＧＲ管の熱伝達が緩衝部材によって阻害されず、ＥＧＲ管全体を効率よく昇温させてＥＧＲの開始時期を早めることができる。

本発明によるＥＧＲ装置を圧縮点火方式の内燃機関に組み込んだ一実施形態におけるエンジンシステムの概念図である。図１に示した実施形態の一部を抽出拡大した概念図である。

本発明によるＥＧＲ装置を圧縮点火方式の内燃機関に応用した一実施形態について、図１および図２を参照しながら詳細に説明する。しかしながら、本発明はこのような実施形態のみに限らず、要求される特性に応じてその構成を自由に変更することが可能である。例えば、ガソリンやアルコールまたはＬＮＧ（液化天然ガス）などを燃料としてこれを点火プラグにて着火させる火花点火方式の内燃機関に対しても本発明は有効である。

本実施形態におけるエンジンシステムの主要部を模式的に図１に示し、その主要部を抽出拡大して図２に示す。すなわち、本実施形態におけるエンジン１０は、燃料である軽油を燃料噴射弁１１から圧縮状態にある燃焼室１０ａ内に直接噴射することにより、自然着火させる圧縮点火方式の多気筒内燃機関である。しかしながら、単気筒の内燃機関であっても本発明を適用し得ることは言うまでもない。

燃焼室１０ａにそれぞれ臨む吸気ポート１２ａおよび排気ポート１２ｂが形成されたシリンダーヘッド１２には、図示しない動弁機構と、先の燃料噴射弁１１とが組み込まれている。ピストン１３が往復動するシリンダーボア１４ａを形成したシリンダーブロック１４には、シリンダーボア１４ａの内周壁を冷却するための水ジャケット１４ｂが形成されている。この水ジャケット１４ｂには、エンジン１０によって駆動される図示しない水ポンプを用いてエンジン冷却水が循環供給される。

エンジン１０には、排気タービン式過給機（以下、単に過給機と記述する）１５と、排気浄化装置１６と、ＥＧＲ装置１７とがさらに組み込まれている。

過給機１５は、排気通路１８ａを流れる排気の運動エネルギーを利用して燃焼室１０ａへの過給を行い、吸気の充填効率を高めるためのものである。この過給機１５は、コンプレッサー１５ａとこのコンプレッサー１５ａと一体に回転するタービン１５ｂとで主要部が構成されている。コンプレッサー１５ａは排気ポート１２ｂと共にシリンダーヘッド１２に形成された吸気ポート１２ａに連通する吸気管１９に組み込まれ、タービン１５ｂは、排気ポート１２ｂに連通する排気管１８に組み込まれている。過給機１５には、コンプレッサー１５ａおよびタービン１５ｂの高回転に伴って高温となる軸受部分を冷却するための軸クーラー２０が組み込まれ、エンジン冷却水が循環供給されるようになっている。

なお、高温の排気にさらされるタービン１５ｂ側からの伝熱によりコンプレッサー１５ａを介して加熱される吸気温を低下させるため、エンジン１０とコンプレッサー１５ａとの間の吸気通路１９ａには、インタークーラー２１が組み込まれている。このインタークーラー２１にもエンジン冷却水が循環供給されるようになっている。

燃焼室１０ａ内での混合気の燃焼により生成する有害物質を無害化するための排気浄化装置１６は、過給機１５のタービン１５ｂよりも下流側の排気通路１８ａを画成する排気管１８に配されている。

排気中の窒素酸化物の低減や燃費の向上を企図したＥＧＲ装置１７は、ＥＧＲ通路２２ａを画成するＥＧＲ管２２と、このＥＧＲ管２２に設けられるＥＧＲ制御弁２３とを具えている。ＳＵＳ（熱伝導率：２０Ｗ/m・K）などで構成されるＥＧＲ管２２は、排気ポート１２ｂと共に排気通路１８ａを画成する排気管１８に一端が連通すると共に他端がインタークーラー２１よりも下流側にて吸気管１９に連通している。ＥＧＲ通路２２ａに流入する排気の温度を低減させるための本発明の第２の冷却器としてのＥＧＲクーラー２４は、排気管１８との接続部分に近接した状態でＥＧＲ管２２の一端側に配されている。このＥＧＲクーラー２４には、シリンダーブロック１４に形成された水ジャケット１４ｂを流れる冷却水が導かれ、高温の排気を効率よく冷却することによって、ＥＧＲ通路２２ａに導かれるＥＧＲガスの充填効率を高める。車両の運転状態に基づき、ＥＧＲ通路２２ａから吸気通路１９ａへと還流される排気の流量を制御するＥＧＲ制御弁２３は、ＥＧＲクーラー２４と吸気管１９に接続するＥＧＲ管２２の他端との間のＥＧＲ管２２の部分に配されている。ＥＧＲ制御弁２３には、主にＥＧＲ制御弁２３の弁座および弁体の部分を冷却するための本発明の第１の冷却器としての弁体冷却器２５と、主にソレノイドの部分を冷却するためのソレノイド冷却器２６とが付設されている。これら弁体冷却器２５およびソレノイド冷却器２６にはエンジン冷却水が循環供給されるようになっている。

なお、吸気通路１９ａとの連通部分におけるＥＧＲ通路２２ａの領域を冷却するための本発明の第３の冷却器としての合流端冷却器２７がＥＧＲ管２２の他端部に設けられ、ここにもエンジン冷却水が循環供給されるようになっている。

ＥＧＲクーラー２４とＥＧＲ制御弁２３のための弁体冷却器２５との間に位置するＥＧＲ管２２には、エンジン１０の作動に伴って吸気管１９および排気管１８から伝わる振動を吸収する本発明の緩衝部材としてのベローズ２８が配されている。可撓性を有するベローズ２８は、ＥＧＲ管２２を構成する材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率を持った材料、例えばＮＢＲ（熱伝導率：０.０３６Ｗ/m・K）にて形成されている。このため、エンジン１０の暖機運転時にＥＧＲ管２２の昇温、すなわち暖機を促進させて排気に含まれる水分の凝縮による結露水の生成を抑制する必要上、熱抵抗の大きなベローズ２８をＥＧＲ管２２の熱抵抗の小さな領域に配することが望ましい。このような観点から、ベローズ２８は、ＥＧＲクーラー２４と弁体冷却器２５との間のＥＧＲ通路２２ａおよび弁体冷却器２５と合流端冷却器２７との間のＥＧＲ通路２２ａのうち、通路長が短い方のＥＧＲ通路２２ａに配される。

本実施形態では、ＥＧＲクーラー２４と弁体冷却器２５との間のＥＧＲ通路２２ａの通路長Ｌ₁が弁体冷却器２５と合流端冷却器２７との間のＥＧＲ通路２２ａの通路長Ｌ₂よりも短い。換言すると、ＥＧＲクーラー２４と弁体冷却器２５との間のＥＧＲ通路２２ａにベローズ２８が配されている。これにより、エンジン１０の暖機運転時に通路長が長い方（Ｌ₂）の弁体冷却器２５と合流端冷却器２７との間のＥＧＲ管２２の昇温がベローズ２８によって阻害されず、より迅速にこのＥＧＲ管２２の部分を昇温させることができる。また、ベローズ２８からＥＧＲクーラー２４および弁体冷却器２５までの距離がほぼ等しくなるように、ベローズ２８はＥＧＲクーラー２４と弁体冷却器２５との間のＥＧＲ通路２２ａに配されている。

ＥＧＲ通路２２ａを介して吸気通路１９ａ内に還流される排気ガスと共に燃焼室１０ａ内に供給される吸気は、燃料噴射弁１１から燃焼室１０ａ内に噴射される燃料と混合気を形成する。そして、ピストン１３の圧縮上死点直前にて自然着火して燃焼し、これによって生成する排気ガスが排気浄化装置１６を通って排気管１８から大気中に排出される。この場合、吸気中に含まれるＣＯ₂によって混合気の燃焼温度が低下するため、混合気の燃焼に伴って生成する窒素酸化物の量が抑制されることとなる。

エンジン１０の暖機運転時には、ＥＧＲクーラー２４および弁体冷却器２５および合流端冷却器２７は、ＥＧＲ管２２を昇温させるための加熱源として機能し、排気に含まれる水分が凝縮してＥＧＲ管２２の内壁に結露水として付着するのを未然に阻止する。この場合、本実施形態ではエンジン冷却水をＥＧＲクーラー２４→過給機１５の軸クーラー２０→弁体冷却器２５→合流端冷却器２７→ソレノイド冷却器２６の順に流すようにしている。そして、エンジン冷却水温が所定温度（例えば６０℃）に達した時点でＥＧＲ制御弁２３のデューティ制御を開始して高温の排気の一部をＥＧＲ通路２２ａから吸気通路１９ａへと導き、エンジン１０の暖機促進を図る。なお、上述したエンジン冷却水の所定温度は、弁体冷却器２５と合流端冷却器２７との間のＥＧＲ通路２２ａを画成するＥＧＲ管２２が弁体冷却器２５と合流端冷却器２７とで加熱され、排気に含まれる水分がその内壁に凝縮して結露水として付着しないような最低温度以上であればよい。

エンジン１０の暖機が終了した場合には、エンジン冷却水を合流端冷却器２７→ＥＧＲクーラー２４の順に流し、ＥＧＲ通路２２ａを流れる排気の冷却を促進させることが好ましい。また、目的に応じて軸クーラー２０，ＥＧＲクーラー２４，弁体冷却器２５，ソレノイド冷却器２６，合流端冷却器２７に対するエンジン冷却水の通水順を適宜変更することができることは言うまでもない。

なお、ベローズ２８からＥＧＲクーラー２４および弁体冷却器２５までの距離をほぼ等しくする必要性はない。より正確には、通路長が長い方の弁体冷却器２５と合流端冷却器２７との間のＥＧＲ管２２の通路長Ｌ₂の半分以下となるように、ベローズ２８からＥＧＲクーラー２４および弁体冷却器２５までの距離を設定することが好ましい。例えば、ベローズ２８をＥＧＲクーラー２４側に寄せて配し、ベローズ２８から弁体冷却器２５までの距離が弁体冷却器２５と合流端冷却器２７との間のＥＧＲ管２２の通路長Ｌ₂の半分を越えると、弁体冷却器２５からベローズ２８までの伝熱距離が最大となる。これは、弁体冷却器２５および合流端冷却器２７からこれらの中間位置までの伝熱距離よりも長くなってしまい、弁体冷却器２５側のベローズ２８に接続するＥＧＲ管２２の部分の昇温が最も遅れてしまうことを意味する。従って、通路長が長い方の弁体冷却器２５と合流端冷却器２７との間のＥＧＲ管２２の通路長Ｌ₂の半分以下となるように、ベローズ２８からＥＧＲクーラー２４および弁体冷却器２５までの距離を設定することが好ましい。

本発明はその特許請求の範囲に記載された事項のみから解釈されるべきものであり、上述した実施形態においても、本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が記載した事項以外に可能である。つまり、上述した実施形態におけるすべての事項は、本発明を限定するためのものではなく、本発明とは直接的に関係のない構成を含め、その用途や目的などに応じて任意に変更し得るものである。

１７ＥＧＲ装置
１８排気管
１８ａ排気通路
１９吸気管
１９ａ吸気通路
２２ＥＧＲ管
２２ａＥＧＲ通路
２３ＥＧＲ制御弁
２４ＥＧＲクーラー
２５弁体冷却器
２７合流端冷却器
２８ベローズ
Ｌ₁，Ｌ₂ 通路長

Claims

内燃機関の排気通路と吸気通路とに連通し、前記排気通路を流れる排気の一部を前記吸気通路へと導くためのＥＧＲ通路と、
このＥＧＲ通路に配される緩衝部材と、
前記ＥＧＲ通路に配されて前記吸気通路へ導かれる排気の流量を調整するためのＥＧＲ制御弁と、
このＥＧＲ制御弁を冷却するための第１の冷却器と、
前記ＥＧＲ制御弁よりも前記排気通路側のＥＧＲ通路に配されて前記排気通路から前記ＥＧＲ通路に導かれる排気を冷却するための第２の冷却器と、
前記吸気通路との連通部分におけるＥＧＲ通路の領域を冷却するための第３の冷却器と
を具え、前記第１および第２および第３の冷却器にエンジン冷却水が通水されるＥＧＲ装置であって、
前記緩衝部材は、前記第１の冷却器と前記第２の冷却器との間のＥＧＲ通路および前記第１の冷却器と前記第３の冷却器との間のＥＧＲ通路のうち、通路長が短い方のＥＧＲ通路に配されていることを特徴とするＥＧＲ装置。