JP2023117773A - 内燃機関の排気再循環装置、および内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスの逆流を抑制できるとともに機械的故障リスクを低減できる、内燃機関の排気再循環装置および内燃機関を提供する。
【解決手段】内燃機関は、燃料が燃焼する燃焼室と、燃焼室に吸気を導入する吸気通路１４と、燃焼室から排気が排出される排気通路とを有している。排気再循環装置は、排気通路と吸気通路１４とを接続し排気の一部を燃焼室に還流させる接続通路３６と、少なくとも１つのテスラバルブ３８とを備えている。テスラバルブ３８は、接続通路３６内に配置されている。テスラバルブ３８は、排気通路から吸気通路１４へ向かう流れを許容するとともに、吸気通路１４から排気通路へ向かう流れを制限する。
【選択図】図２

Description

本開示は、内燃機関の排気再循環装置、および内燃機関に関する。

特表２００３－５０７６３３号公報（特許文献１）には、過給器を備えた内燃エンジンの排気収集器からその入口導管にＥＧＲガスを移送するための装置に、入口導管内の加圧吸入空気の高いガス圧に打ち勝ってＥＧＲガスを排気収集器から入口導管に吸い込むベンチュリ装置を備えることが開示されている。

エンジンから排出される排気ガスの圧力には脈動がある。圧力の脈動によって吸気通路内の圧力がＥＧＲガスの圧力よりも高くなると、逆流が発生する。逆流を防止するための技術として、特開平０９－１３７７５４号公報（特許文献２）には、排気ガス再循環管の吸気管との連結部近傍に逆止弁を設けることが開示されている。

特表２００３－５０７６３３号公報 特開平０９－１３７７５４号公報

上記文献に記載の逆止弁は、開口を有するバルブシートと、開口を開閉する薄い板状のリード弁体と、リード弁体の開度を規制するストッパとを備える、リードバルブである。リード弁体がストッパに対して相対移動する機械的な機構を有しているため、リード弁体の割れまたは固着などの故障が発生する可能性があった。

本開示では、ガスの逆流を抑制できるとともに機械的故障リスクを低減できる、内燃機関の排気再循環装置および内燃機関が提案される。

本開示に従うと、内燃機関の排気再循環装置が提案される。内燃機関は、燃料が燃焼する燃焼室と、燃焼室に吸気を導入する吸気通路と、燃焼室から排気が排出される排気通路とを有している。排気再循環装置は、排気通路と吸気通路とを接続し排気の一部を燃焼室に還流させる接続通路と、少なくとも１つのテスラバルブとを備えている。テスラバルブは、接続通路内に配置されている。テスラバルブは、排気通路から吸気通路へ向かう流れを許容するとともに、吸気通路から排気通路へ向かう流れを制限する。

係る構成によれば、テスラバルブによって吸気通路から排気通路へ向かう流れが制限されるので、ガスの逆流を抑制することができる。テスラバルブは可動部品を有していないので、機械的故障リスクを低減することができる。

上記の排気再循環装置において、接続通路は、吸気通路内を延びる出口部分を有し、少なくとも１つのテスラバルブは、出口部分内に配置されていてもよい。テスラバルブを吸気通路内に配置することで、装置の大型化を抑制することができる。

上記の排気再循環装置において、出口部分は、吸気通路内の吸気の流れ方向に延びていてもよい。このようにすれば、吸気通路に還流される排気と、吸気通路内の吸気との混合性を向上することができる。

上記の排気再循環装置において、少なくとも１つのテスラバルブは、複数のテスラバルブを有し、複数のテスラバルブが並列に並べられてもよい。これにより、吸気通路に還流される排気の必要な流量を確保でき、かつ吸気通路内の吸気への排気の分散性を向上することができる。

本開示に従うと、燃料が燃焼する燃焼室と、燃焼室に吸気を導入する吸気通路と、燃焼室から排気が排出される排気通路と、排気の一部を燃焼室に還流させる排気再循環装置とを備える、内燃機関が提案される。排気再循環装置は、排気通路と吸気通路とを接続する接続通路と、テスラバルブとを有している。テスラバルブは、接続通路内に配置されている。テスラバルブは、排気通路から吸気通路へ向かう流れを許容するとともに、吸気通路から排気通路へ向かう流れを制限する。係る構成によれば、ガスの逆流を抑制することができ、機械的故障リスクを低減することができる。

本開示に従った内燃機関の排気再循環装置および内燃機関によると、ガスの逆流を抑制することができ、かつ、機械的故障リスクを低減することができる。

エンジンの構成の一例の概略を示す図である。 実施形態の排気再循環装置の主要部の構成を示す模式図である。 排気再循環装置の主要部を異なる角度から見た模式図である。 排気再循環装置の主要部を異なる角度から見た模式図である。 圧力反転時の気体の流れを示す模式図である。

以下、実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下の実施形態の説明において、同一または実質的に同一の構成については、同一の符号を付して、重複した説明は繰り返さない。

図１は、実施形態に従った排気再循環装置を備える内燃機関の一例としての、エンジン１０の構成の一例の概略を示す図である。実施形態において、エンジン１０は、ディーゼルエンジンである。しかし、これに限定されず、その他の形式のエンジン、たとえば、ガソリンエンジンであってもよい。

図１に示されるように、エンジン１０は、複数の燃焼室１１、ならびに、燃焼室１１ごとに１つ以上の吸気バルブ１２および排気バルブ１３を備えている。実施形態のエンジン１０のようなディーゼルエンジンなどのレシプロエンジンでは、燃焼室１１は、シリンダ、シリンダヘッドおよびピストンで囲まれた空間である。この燃焼室１１の空間を形成する部分を便宜的に気筒と呼ぶ。この実施の形態のエンジン１０は、以下のように作動する。

（１）吸気バルブ１２が開けられ、排気バルブ１３が閉じられた後、燃焼室１１に吸気が吸入される。（２）吸気バルブ１２が閉じられ、燃焼室１１内の吸気が圧縮される。（３）圧縮後、燃焼室１１に燃料が噴射されて燃焼することにより燃焼ガスが膨張することで動力が発生する。（４）排気バルブ１３が開けられ、燃焼室１１内の燃焼ガスが排気として排出される。

吸気口から吸入された吸気は、エアクリーナ２１および吸気管２２などを経由してターボチャージャ２３に吸入される。ターボチャージャ２３は、排気経路に設けられるタービンおよび吸気経路に設けられるコンプレッサを含み、排気通路の排気からタービンに与えられたエネルギにより作動するコンプレッサによって、吸気の圧力を高める。

ターボチャージャ２３で圧力が高められた吸気は、吸気管２４を経由してインタークーラ２５に入る。インタークーラ２５は、ターボチャージャ２３において断熱圧縮により温度が上昇した吸気を冷却する。

インタークーラ２５で冷却された吸気は、吸気管２６を経由して流れる。電動コンプレッサ２７を駆動するときは、バイパスバルブ２８が閉じられることで、吸気は電動コンプレッサ２７に吸入される。電動コンプレッサ２７を駆動しないときは、バイパスバルブ２８が開かれ、吸気は吸気管２９に流れる。電動コンプレッサ２７は、電気モータにより作動するコンプレッサによって、吸気の圧力を高める。排気のエネルギが高まっておらず、車両の加速時に車速およびアクセル開度などに応じて必要とされる圧力にターボチャージャ２３の過給圧が達しないときに、電動コンプレッサ２７が補助的に駆動状態（オン状態）とされる。

電動コンプレッサ２７で圧力がさらに高められた吸気、または、バイパスバルブ２８を経由した吸気は、吸気管２９を経由してディーゼルスロットル１９で流量が制御され、インテークマニホールド１４に流入する。ディーゼルスロットル１９は、燃焼室１１に流入する吸気の量を調整する弁であり、後述する再循環される排気の量に応じて制御される。インテークマニホールド１４に流入した吸気は、所定のバルブタイミングで順次開けられたいずれかの吸気バルブ１２を経由して、燃焼室１１に流入する。

燃焼室１１の排気は、所定のバルブタイミングで開けられた排気バルブ１３を経由して、燃焼室１１から排出され、エキゾーストマニホールド１５に流入する。エキゾーストマニホールド１５で集合された排気は、ターボチャージャ２３のタービン側に流入する。ターボチャージャ２３でタービンにエネルギを与えた排気は、排気管４１を経由して排気口から排出される。

可変バルブ機構１６は、吸気バルブ１２および排気バルブ１３の少なくとも一方のリフト量の変化態様（開閉タイミングおよび最大リフト量）を、状況に応じて変化させる。

エキゾーストマニホールド１５で集合された排気の一部は、排気再循環装置３０によって、燃焼室１１に還流する。排気再循環装置３０は、エキゾーストマニホールド１５内の排気の圧力とインテークマニホールド１４内の吸気の圧力との差圧を利用して、排気を吸気側に還流する装置である。排気再循環装置３０は、排気を吸気側に導くための接続通路３２，３４，３６と、高温の排気を冷却するＥＧＲクーラ３３と、排気の流量を制御するＥＧＲバルブ３５とを備えている。

接続通路３２は、エキゾーストマニホールド１５に接続されている。排気の一部は、エキゾーストマニホールド１５から接続通路３２に入り、接続通路３２を経由してＥＧＲクーラ３３に入る。ＥＧＲクーラ３３で冷却された排気は、接続通路３４を経由してＥＧＲバルブ３５に入る。排気は、さらに接続通路３６を経由して、インテークマニホールド１４に戻される。接続通路３６は、インテークマニホールド１４に接続されている。

接続通路３２，３４，３６は、インテークマニホールド１４とエキゾーストマニホールド１５とを接続している。インテークマニホールド１４は、燃焼室１１に吸気を導入する実施形態の吸気通路を構成している。エキゾーストマニホールド１５は、燃焼室１１から排気が排出される実施形態の排気通路を構成している。

ＥＧＲバルブ３５は、吸気側に戻される排気の量を調整する弁であり、エンジン１０の動作状態に応じて制御される。インテークマニホールド１４に戻された排気は、インテークマニホールド１４に流入した吸気とともに燃焼室１１に流入する。

ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１００は、エンジン１０を制御する装置である。インテークマニホールド１４に設けられた圧力センサ１７は、ＥＧＲシステムの吸気側の接続部の圧力（本実施形態では、インテークマニホールド１４の圧力）を検知する。エキゾーストマニホールド１５に設けられた圧力センサ１８は、ＥＧＲシステムの排気側の接続部の圧力（本実施形態では、エキゾーストマニホールド１５の圧力）を検知する。ＥＣＵ１００は、圧力センサ１７，１８などから検知信号を受ける。

ＥＣＵ１００は、圧力センサ１７，１８からの検知信号でそれぞれ示される値などのセンサ値に応じて、可変バルブ機構１６、ディーゼルスロットル１９、バイパスバルブ２８、ＥＧＲバルブ３５、および、電動コンプレッサ２７を制御する。

図２は、実施形態の排気再循環装置３０の主要部の構成を示す模式図である。図２および以下の図において、白抜き矢印ＡＲ１は、インテークマニホールド１４内の吸気の流れを示す。白抜き矢印ＡＲ２は、接続通路３６内をインテークマニホールド１４に向けて還流する排気の流れを示す。

図２に示されるように、接続通路３６は、出口部分３７を有している。出口部分３７は、接続通路３６から排気が流出する側の、接続通路３６の端部を構成している。排気は、出口部分３７から流出して、インテークマニホールド１４に戻される。出口部分３７は、インテークマニホールド１４内に配置されている。出口部分３７は、インテークマニホールド１４内を延びている。出口部分３７は、インテークマニホールド１４内の吸気の流れ方向（図２においては、図中の左右方向）に延びている。

実施形態の排気再循環装置３０は、少なくとも１つのテスラバルブ３８をさらに備えている。テスラバルブ３８は、接続通路３６内に配置されている。テスラバルブ３８は、出口部分３７内に配置されている。ブロック状の部材にテスラバルブ３８の流路形状を形成し、ブロックごと出口部分３７に組み付けられている。テスラバルブ３８は、インテークマニホールド１４内を延びている。テスラバルブ３８は、インテークマニホールド１４内の吸気の流れ方向に延びている。テスラバルブ３８内の排気の流路は、全体として、インテークマニホールド１４内の吸気の流れと略平行に形成されている。

テスラバルブ３８は、管内に流れる流体が迂回する複数の涙滴型ループが直列に連結された形状を有している。このループは、順方向には流体が少ない抵抗でなめらかに流れるが、逆方向に流そうとすると大きな抵抗を生じさせて流れを規制するように設置されている。これにより、テスラバルブ３８は、可動部品なしに管の形状だけで流体の逆流を抑制できる機能を奏する。

具体的に、実施形態のテスラバルブ３８は、エキゾーストマニホールド１５からインテークマニホールド１４に向かう方向（図２においては、図中の右から左方向）の、ガスの流れを許容する。テスラバルブ３８は、インテークマニホールド１４からエキゾーストマニホールド１５へ向かって逆流する方向（図２においては、図中の左から右方向）の、ガスの流れを制限する。

図３および図４は、図２に示される排気再循環装置３０の主要部を異なる角度から見た模式図である。具体的に、図３には、排気再循環装置３０の主要部を図２の上方から見た場合の、テスラバルブ３８のより具体的な構成が図示されている。図４には、排気再循環装置３０の主要部を図２の左方から見た場合の、テスラバルブ３８のより具体的な構成が図示されている。

図３，４に示されるように、排気再循環装置３０は、複数のテスラバルブ３８を備えている。複数のテスラバルブ３８は、並列に並べられている。接続通路３６内の排気の流れ方向に対して、複数のテスラバルブ３８は横に並べられている。図３，４には、３つのテスラバルブ３８が並べられる例を示すが、テスラバルブ３８の個数は任意である。排気の流量を確保するために必要な流路の断面積を得ることを考慮して、適切な個数のテスラバルブ３８が設けられてもよい。

図２，４に示されるように、テスラバルブ３８は、インテークマニホールド１４の壁面からインテークマニホールド１４の中央部付近にまで亘って配置されている。インテークマニホールド１４の壁面から離れた位置である、インテークマニホールド１４内の吸気の流れの中央部に、テスラバルブ３８の出口が開口している。

また、テスラバルブ３８は、接続通路３６の出口部分３７にテスラバルブ３８が存在しない場合と比較して、排気の流路の断面積を減少させている。そのため、テスラバルブ３８内を流れる排気の流速が増大しており、テスラバルブ３８からインテークマニホールド１４に噴出する排気の流速が増大している。

以上の構成を備えている実施形態の排気再循環装置３０では、図２～４に示されるように、エキゾーストマニホールド１５とインテークマニホールド１４とを接続し排気の一部を燃焼室１１に還流させる接続通路３２，３４，３６のうち、接続通路３６内に、テスラバルブ３８が配置されている。テスラバルブ３８は、エキゾーストマニホールド１５からインテークマニホールド１４へ向かう流れを許容する。テスラバルブ３８は、インテークマニホールド１４からエキゾーストマニホールド１５へ向かう流れを制限する。

電動コンプレッサ２７を運転することによって、またターボチャージャ２３の高効率化に伴って、インテークマニホールド１４の吸気の圧力がエキゾーストマニホールド１５の排気の圧力より高くなる、圧力反転が発生する場合がある。圧力反転時に、圧力の高いインテークマニホールド１４内の吸気が、圧力の低いエキゾーストマニホールド１５へ向けて、接続通路３６へ流入することがある。

図５は、圧力反転時の気体の流れを示す模式図である。実施形態の排気再循環装置３０は、接続通路３６内にテスラバルブ３８が配置されている。インテークマニホールド１４からテスラバルブ３８に流入し図５中の左から右方向へ流れようとする吸気は、テスラバルブ３８内の分岐において、直線状の主流路とループ状の副流路とに分岐する。副流路に流れ込んだ吸気は、副流路内でその流れの方向を変え、主流路に合流するときに主流路内の吸気の流れと衝突する。これにより、主流路内の吸気流れに対する抵抗が増大する。インテークマニホールド１４からエキゾーストマニホールド１５へ向かう吸気の流れが、テスラバルブ３８によって制限される。したがって、ガスの逆流を抑制することができる。

従来のリードバルブと異なり、テスラバルブ３８は、可動部品を有しておらず、作業中に幾何学的形状または配置を変えることがない。そのためテスラバルブ３８では、摩耗または疲労などによる可動部品の損傷の可能性がなく、排気中の微粒子などにより可動部品が固着することもなく、機械的故障リスクを低減できる。これにより、排気再循環装置３０のメンテナンス頻度を低減でき、排気再循環装置３０の信頼性を向上することができる。加えて、テスラバルブ３８は、可動部品がないことで、高い応答性を有している。

接続通路３２，３４，３６内のガスの逆流が抑制されているので、カーボンなどによる接続通路３２，３４，３６内の閉塞を抑制でき、ＥＧＲバルブ３５の固着を抑制できる。ＥＧＲクーラ３３を一度通過した排気が逆流して再度ＥＧＲクーラ３３に入ると過冷却状態となり、凝縮水を発生しエンジン１０の不調の原因となるが、排気の逆流が抑制されているので、過冷却もまた抑制することができる。

テスラバルブ３８によって排気の流路が絞られており、排気の流速が増大しているので、テスラバルブ３８内の流路の詰まりを防止できる。流速の大きい排気によって、テスラバルブ３８の出口に付着するすすなどの微粒子を吹き飛ばす効果が奏されるので、微粒子の堆積を抑制することができる。排気の流速が大きくなることで、レイノルズ数が増大するので、テスラバルブ３８から噴き出る排気とインテークマニホールド１４内の吸気との混合性を向上することができる。

図２，４に示されるように、接続通路３６の出口部分３７は、インテークマニホールド１４内を延びており、テスラバルブ３８は、出口部分３７内に配置されている。テスラバルブ３８によるガスの逆流を抑制する効果を十分に得るためには、テスラバルブ３８はある程度の長さを有している必要がある。固有的にある程度の体格があるインテークマニホールド１４の内部にテスラバルブ３８を配置することで、テスラバルブ３８の長さを確保したとしても、エンジン１０の全体としての大型化を抑制することができる。かつ、インテークマニホールド１４の外部における接続通路３２，３４，３６の配置がテスラバルブ３８のために制限されることがないので、設計の自由度を向上することができる。

図２に示されるように、出口部分３７は、インテークマニホールド１４内の吸気の流れ方向に延びている。そのため出口部分３７内に配置されているテスラバルブ３８も、吸気の流れ方向に延びている。インテークマニホールド１４の壁面から離れた位置にテスラバルブ３８を配置することができ、インテークマニホールド１４の壁面から離れた位置に排気を噴出させることができる。これにより、排気の壁面剥離を起こりやすくできるので、インテークマニホールド１４に還流される排気と、インテークマニホールド１４内の吸気との混合性を向上することができる。

図３，４に示されるように、複数のテスラバルブ３８が並列に並べられている。テスラバルブ３８内の排気の流路の断面積を増大させることで、インテークマニホールド１４に還流される排気の必要な流量を確保できる。テスラバルブ３８を横に複数並べると、広範囲に排気を噴射できるので、インテークマニホールド１４内の吸気への排気の分散性を向上することができる。

これまでの説明においては、接続通路３６がインテークマニホールド１４に接続され、インテークマニホールド１４内に配置されている出口部分３７にテスラバルブ３８が収容されている例について説明した。出口部分３７およびテスラバルブ３８は、必ずしもインテークマニホールド１４内に配置されなくてもよい。たとえば、ディーゼルスロットル１９よりも吸気の流れの下流側の吸気管の内部に、接続通路３６の出口部分３７が配置され、その出口部分３７内にテスラバルブ３８が配置されてもよい。

以上のように実施形態について説明を行なったが、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ エンジン、１１ 燃焼室、１２ 吸気バルブ、１３ 排気バルブ、１４ インテークマニホールド、１５ エキゾーストマニホールド、１６ 可変バルブ機構、１７，１８ 圧力センサ、１９ ディーゼルスロットル、２１ エアクリーナ、２２，２４，２６，２９ 吸気管、２３ ターボチャージャ、２５ インタークーラ、２７ 電動コンプレッサ、２８ バイパスバルブ、３０ 排気再循環装置、３２，３４，３６ 接続通路、３３ ＥＧＲクーラ、３５ ＥＧＲバルブ、３７ 出口部分、３８ テスラバルブ、４１ 排気管。

Claims (5)

1. 内燃機関の排気再循環装置であって、
   前記内燃機関は、燃料が燃焼する燃焼室と、前記燃焼室に吸気を導入する吸気通路と、前記燃焼室から排気が排出される排気通路とを有し、
   前記排気再循環装置は、
   前記排気通路と前記吸気通路とを接続し前記排気の一部を前記燃焼室に還流させる接続通路と、
   前記接続通路内に配置され、前記排気通路から前記吸気通路へ向かう流れを許容するとともに前記吸気通路から前記排気通路へ向かう流れを制限する、少なくとも１つのテスラバルブと、を備える、内燃機関の排気再循環装置。
2. 前記接続通路は、前記吸気通路内を延びる出口部分を有し、
   前記少なくとも１つのテスラバルブは、前記出口部分内に配置されている、請求項１に記載の内燃機関の排気再循環装置。
3. 前記出口部分は、前記吸気通路内の前記吸気の流れ方向に延びる、請求項２に記載の内燃機関の排気再循環装置。
4. 前記少なくとも１つのテスラバルブは、複数のテスラバルブを有し、
   前記複数のテスラバルブが並列に並べられる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気再循環装置。
5. 燃料が燃焼する燃焼室と、
   前記燃焼室に吸気を導入する吸気通路と、
   前記燃焼室から排気が排出される排気通路と、
   前記排気の一部を前記燃焼室に還流させる排気再循環装置とを備え、
   前記排気再循環装置は、前記排気通路と前記吸気通路とを接続する接続通路と、前記接続通路内に配置され、前記排気通路から前記吸気通路へ向かう流れを許容するとともに前記吸気通路から前記排気通路へ向かう流れを制限する、テスラバルブと、を有する、内燃機関。

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