JP3539246B2

JP3539246B2 - 内燃機関の排気還流装置

Info

Publication number: JP3539246B2
Application number: JP33642098A
Authority: JP
Inventors: 光司森; 豊又吉; 康志野田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1998-11-27
Filing date: 1998-11-27
Publication date: 2004-07-07
Anticipated expiration: 2018-11-27
Also published as: JP2000161147A; DE69921583T2; US6272851B1; EP1004767B1; EP1004767A3; DE69921583D1; EP1004767A2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車用ディーゼル機関のような内燃機関において、排気の一部を還流排気として吸気系へ還流するようにした排気還流装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
低負荷域での燃費の改善やＮＯｘの低減のために、排気の一部を吸気系へ戻す排気還流装置が従来から知られている。この排気還流装置においては、多気筒内燃機関に適用する場合に、各気筒への還流排気の分配を均一化する必要があり、従来から種々の工夫がなされている。
【０００３】
例えば、実開平３−１１４５６３号公報には、吸気系のサージタンクとスロットルボディとの間に介在するインシュレータに、吸気通路の中心に向かって開口する一対の排気導入口を設け、１８０°離れた２カ所から還流排気を導入するようにした構成が開示されている。
【０００４】
また、実開平３−１１４５６４号公報には、吸気通路を囲むように環状の通路を設け、ここに還流排気を案内するとともに、この環状通路と吸気通路とを複数の孔によって連通し、これらの複数の孔を通して還流排気を吸気中に導入するようにした構成が開示されている。
【０００５】
さらに、特開平５−１０６５１９号公報には、各気筒毎に、排気ポートと吸気ポートとを連通する連通孔をシリンダヘッド内に貫通形成した構成が開示されている。そして、このものでは、吸気ポートの断面形状の接線方向に沿って上記連通孔が形成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、図１７は、直列４気筒ディーゼル機関の吸気系の一例を示しており、細長い吸気コレクタ５１の一方の側面に、＃１気筒〜＃４気筒の４本の分岐通路５２ａ〜５２ｄがそれぞれ接続されているとともに、該吸気コレクタ５１の一端部、詳しくは＃４気筒側の端部に設けられた吸気入口に、吸気通路５３が接続されている。そして、吸気通路５３の側面、特に各分岐通路５２ａ〜５２ｄと同じ向きの側面に、該吸気通路５３の中心に向かって開口する排気導入口５４が設けられている。
【０００７】
このような構成において、吸気通路５３内を流れる吸気（新気）の流速が比較的小さい場合には、排気導入口５４から出た還流排気（ＥＧＲガス）は、破線矢印で示す新気の主流に押されて、実線矢印で示すように、吸気通路５３内壁面に沿って流れる。つまり、吸気通路５３内に導入された直後の還流排気は、十分に拡散することなく偏流となり、最も上流に位置する＃４気筒の分岐通路５２ｄに大量に流入する。また、下流へ向かうに従って、還流排気の絶対量が少なくなる上に拡散が進むので、最も下流に位置する＃１気筒の排気濃度が最も低下する。従って、図１８に示すように、排気還流率に、大きな気筒間ばらつきが発生する。
【０００８】
また、図１９は、吸気通路５３の特に各分岐通路５２ａ〜５２ｄと反対側の側面に、該吸気通路５３の中心に向かって開口する排気導入口５４が設けられている例を示している。
【０００９】
このような構成において、吸気通路５３内を流れる吸気（新気）の流速が比較的小さい場合には、排気導入口５４から出た還流排気（ＥＧＲガス）は、破線矢印で示す新気の主流に押されて、実線矢印で示すように、吸気通路５３の各分岐通路５２ａ〜５２ｄと反対側の内壁面に沿って流れるので、この場合は、偏流となった還流排気が、最も下流に位置する＃１気筒の分岐通路５２ａに大量に流入する。つまり、図２０に示すように、図１８とは逆の特性でもって、排気還流率に大きな気筒間ばらつきが発生する。
【００１０】
また、図２１は、吸気通路５３の中心まで排気導入口５４をパイプ状に突出させた例である。また、これは、図１７もしくは図１９のもので、吸気通路５３内の新気の流速が速い場合にも相当する。
【００１１】
このような場合は、排気導入口５４から出た還流排気（ＥＧＲガス）は、吸気通路５３内を流れる新気に周囲を囲まれた形で下流へ流れる。図１７や図１９の場合に比べて拡散性はやや向上するものの、やはり偏流となっているので、図２２に示すように、特定の気筒に、還流排気が多く分配される特性となる。しかも、運転条件によって分配特性が変化し、安定しない。
【００１２】
このように、吸気通路の中心へ向けて排気導入口から還流排気を導入する構成では、仮に、実開平３−１１４５６３号公報や実開平３−１１４５６４号公報のように、排気導入口を複数設けたとしても、還流排気は十分に拡散せずに偏流となり、特定の分岐通路に直線的に流れ込むため、気筒間の排気濃度ばらつきが発生しやすい。これは、特に、吸気通路内の流れが整流に近くなるスロットルバルブを具備しないディーゼルエンジンにおいて一層顕著となる。
【００１３】
また、特開平５−１０６５１９号公報のようにシリンダヘッド内に微細な連通孔を設けたのでは、大量の排気還流を行うことはできず、また、新気との混合が十分に行われないまま燃焼室内に排気が流入し、燃焼が悪化するとともに、排気還流率が機関運転条件に左右され、安定しない。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、コレクタから各気筒へ分岐通路を介して吸気が供給されるとともに、上記コレクタよりも上流側の吸気通路に、排気系から還流通路を介して還流排気が導入される内燃機関の排気還流装置において、上記還流通路と上記吸気通路との接続部となる排気導入口を、上記吸気通路の流れと直交する通路断面の円周接線方向に沿って形成し、上記排気導入口の先端開口を吸気の流れ方向に沿って長くなった長円形に形成し、上記吸気通路の内壁面に、上記排気導入口の上流側に隣接し、かつ該吸気通路の流れと直交する方向に沿って延びたリブを設け、このリブの高さが、上記先端開口の高さと同一であることを特徴としている。
【００１５】
本発明は、特に、請求項２のように、吸気系にスロットルバルブを具備しない内燃機関、例えば過給式ディーゼルエンジンに好適である。
【００１６】
そして、請求項３のように、上記排気導入口が位置する吸気通路の部分で、内部の吸気の流れが実質的に整流となっている場合に好適である。
【００１７】
上記過給式ディーゼルエンジンのように吸気系にスロットルバルブを具備しないものでは、一般に、吸気通路内部の吸気の流れが実質的に整流となっている。
【００１８】
また請求項１〜請求項３の発明をさらに具体化した請求項４の発明では、上記コレクタは、複数の分岐通路が一方の側面にそれぞれ接続された細長い形状をなし、その一端部に、上記吸気通路が接続されている。
【００１９】
すなわち、本発明では、吸気通路の流れと直交する通路断面の円周接線方向から還流排気が導入されることから、還流排気は、吸気通路内壁面に沿って旋回流となり、新気の流れに対し外周側から内周側へ拡散していく。また、乱流の少ない吸気通路内の新気流れに対し、直交する方向から還流排気が流入することにより、吸気通路内に乱流が発生し、その乱流エネルギによって、排気と新気との混合が促進される。これにより、コレクタの上流側で排気と新気との混合ならびに濃度の均一化が図れ、排気還流率の気筒間ばらつきが低減する。
【００２０】
また、本発明では、上記排気導入口の先端開口が、吸気の流れ方向に沿って長くなった長円形をなしている。
【００２１】
これにより、吸気通路内の新気の流れに対し、排気導入口から出た排気の流れが直接的に接触する接触面積は狭められ、それだけ新気流れに押し流されにくくなる。従って、吸気通路内壁面に沿う排気の旋回流をさらに確実に形成できることになり、新気の流れに対し外周側から内周側へ拡散していく効果が強まる。
【００２２】
また、上記のように、上記吸気通路の内壁面に、上記排気導入口の上流側に隣接し、かつ該吸気通路の流れと直交する方向に沿って延びたリブが設けられている。
【００２３】
この構成により、排気導入口から吸気通路の接線方向に流れ出た排気流が、上記リブの下流側の面に沿って流れる。そのため、吸気通路内を流れる新気の流れに押し流されることがなく、吸気通路内壁面に沿う排気の旋回流を確実に形成できる。
【００２４】
また、請求項５の発明は、上記排気導入口が、上記通路断面の略半周離れた２カ所に、それぞれ同一旋回方向を指向するように設けられているとともに、上記還流通路が２つの分岐還流通路に分岐して、各排気導入口に連通していることを特徴としている。
【００２５】
この構成では、各排気導入口から出た排気が、同一の方向に旋回するようにそれぞれ接線方向に流れるので、吸気通路内壁面に沿う排気の旋回流を確実に形成できるとともに、２カ所から排気が導入されることで、排気と新気との混合が一層均一となる。
【００２６】
この請求項５の発明をさらに具体化した請求項６の発明は、分岐還流通路の一方が、吸気通路外周に沿って環状に構成され、かつ２つの分岐還流通路は、それぞれ、各排気導入口へ向かって断面積および断面積形状が変化していることを特徴としている。
【００２７】
この構成では、一方の排気導入口からは、環状に延びた分岐還流通路を通して排気が流れ出る。そして、それぞれの断面積および断面形状を通路長方向に沿って適宜に変化させることで、低排気還流率の下でも、慣性過給的効果と相俟って、排気導入口から流れ出る排気の流速を十分に高く確保できる。
【００２８】
また、請求項５および請求項６に従属する請求項７に係る発明は、２つの排気導入口の開口面積がそれぞれ異なっていることを特徴としている。
【００２９】
これにより、各分岐還流通路の流量割合が適宜に調節される。
【００３０】
さらに、請求項８の発明では、上記分岐還流通路の通路途中の位置と上記吸気通路とを連通する連通孔が複数設けられていることを特徴としている。
【００３１】
従って、一部の還流排気は、上記連通孔を通して吸気通路内に噴出し、吸気通路内の乱流エネルギを高める。これにより、排気と新気との混合が促進される。
【００３２】
【発明の効果】
この発明に係る内燃機関の排気還流装置によれば、還流排気が吸気通路内壁面に沿う旋回流となって新気の流れに対し外周側から内周側へ拡散していき、かつ吸気通路内の乱流エネルギを高めて排気と新気との混合が促進される。従って、過給式ディーゼルエンジン等において大量の排気還流を行うような場合に、排気還流率の気筒間ばらつきが低減し、安定した燃焼が可能となる。
【００３３】
また、排気導入口の先端開口を吸気の流れ方向に沿って長くなった長円形に形成したことで、排気導入口から出た排気の流れが新気流れに押し流されにくくなり、吸気通路内壁面に沿う排気の旋回流をさらに確実に形成できる。
【００３４】
さらに、排気導入口から吸気通路の接線方向に流れ出た排気流が、リブの下流側の面に沿って流れ、吸気通路内を流れる新気の流れに押し流されにくくなる。従って、吸気通路内壁面に沿う排気の旋回流を確実に形成できる。
【００３５】
また、請求項５の発明によれば、各排気導入口から出た排気が、同一の方向に旋回するようにそれぞれ接線方向に流れるので、吸気通路内壁面に沿う排気の旋回流を確実に形成できるとともに、２カ所から排気が導入されることで、排気と新気との混合が一層均一となる。従って、排気還流率の気筒間ばらつきが一層低減する。
【００３６】
また、請求項６の発明によれば、低排気還流率の下でも、排気導入口から流れ出る排気の流速を十分に高く確保して、良好な混合が図れ、排気還流率の気筒間ばらつきを抑制することができる。
【００３７】
さらに、請求項７の発明によれば、各分岐還流通路の流量割合が適宜に調節され、旋回流をバランスよく生成することができる。
【００３８】
さらに、請求項８の発明によれば、一部の還流排気が連通孔を通して吸気通路内に噴出し、吸気通路内の乱流エネルギを高めることにより、排気と新気との混合が一層促進される。
【００３９】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係る排気還流装置を、過給式ディーゼルエンジンに適用した実施の形態を示している。この例では、エンジン本体１は、直列４気筒の構成であって、一方の側面に吸気マニホルド２が、他方の側面に排気マニホルド３が、それぞれ取り付けられている。上記吸気マニホルド２は、気筒列方向に沿って細長い吸気コレクタ４を有し、該吸気コレクタ４の一方の側面に、＃１気筒〜＃４気筒の４本の分岐通路５ａ〜５ｄがそれぞれ接続されている。そして、上記吸気コレクタ４の＃４気筒側の端部に吸気通路６が接続されている。この吸気通路６は、図示せぬ上流側が、エアクリーナを介して大気に開放されている。
【００４０】
上記排気マニホルド３は、４本の通路を１本に集合させた形となっており、その集合部に、例えば金属配管等からなる還流通路７の基端が接続されている。そして、この還流通路７の先端は、上記吸気通路６に接続されている。これにより、エンジン本体１から排出された排気の一部が吸気系へ還流される。なお、上記還流通路７の通路途中には、一般に、排気還流率を制御するための排気還流制御弁等が設けられているが、図１では、図示省略されている。
【００４１】
図２は、上記還流通路７先端が吸気通路６に接続されている部分の要部断面図を示している。図示するように、吸気通路６は、例えばアルミニウム合金の鋳造品からなる吸気管によって構成されており、断面略円形をなしている。そして、還流通路７の接続部となる排気導入口８が、吸気通路６の流れと直交する通路断面の円周接線方向に沿って形成されている。この排気導入口８は、吸気通路６の円周上のどの位置にあってもよい。なお、この図２の例では、排気導入口８部分が吸気管と一体のボス状に形成され、ここに還流通路７を構成する金属配管が接続固定されるようになっている。
【００４２】
図３および図４は、上記のように構成された排気導入口８から吸気通路６に流入した還流排気の挙動を示している。スロットルバルブを具備しないディーゼルエンジンにおいては、吸気通路６内を流れる吸気（新気）の流れは、破線矢印で示すように、実質的に整流となる。還流通路７を経て排気導入口８から導入された還流排気は、実線矢印で示すように、吸気通路６の接線方向へ向かうので、内壁面に沿って螺旋状に進む旋回流となる。このように還流排気が旋回流となることにより、排気は、中心の新気の流れに対し外周側から内周側へ拡散していく。また、乱流の少ない吸気通路６内の新気流れに対し、直交する断面に沿って還流排気が流入することにより、吸気通路６内に乱流が発生し、その乱流エネルギによって、排気と新気との混合が促進される。これにより、コレクタ４の上流側で排気と新気とが良好に混合して、排気濃度の均一化が図れ、図５に示すように、排気還流率の気筒間ばらつきが低減する。
【００４３】
次に、図６は、この発明の第２の実施の形態を示している。この実施の形態では、２つの排気導入口８，９を備えており、還流通路７を分岐してなる一対の分岐還流通路７ａ，７ｂがそれぞれ接続されている。各排気導入口８，９は、吸気通路６の通路断面の略半周離れた位置にそれぞれ配置され、かつ、通路断面の円周接線方向に沿って形成されているとともに、同一旋回方向を指向している。
【００４４】
なお、この実施の形態では、吸気通路６の同一の断面の上に両排気導入口８，９が配置されているが、吸気通路６の長手方法の位置が多少オフセットしていてもよい。
【００４５】
この構成によれば、各排気導入口８，９から出た排気が、同一の方向に旋回するようにそれぞれ接線方向に流れるので、吸気通路６内壁面に沿う排気の旋回流を一層確実に形成できるとともに、２カ所から排気が導入されることで、排気と新気との混合が一層均一となる。
【００４６】
図７は、同様に２つの排気導入口８，９を備えた第３の実施の形態（参考例）を示している。上記排気導入口８，９は、吸気通路６の通路断面の略半周離れた位置にそれぞれ配置され、かつ、通路断面の円周接線方向に沿って形成されているとともに、同一旋回方向を指向している。そして、還流通路７を分岐してなる分岐還流通路７ａ，７ｂの中で、一方の分岐還流通路７ａは略直線状の短い通路として排気導入口８に接続されており、また排気導入口９に接続される他方の分岐還流通路７ｂは吸気通路６外周に沿って環状に構成されている。ここで、分岐還流通路７ａ，７ｂは、図中にＳ１〜Ｓ７として示すように、断面積および断面形状が各排気導入口８，９へ向かって適宜に変化している。具体的には、排気導入口８，９へ向かって徐々に断面積が縮小している。
【００４７】
なお、上記分岐還流通路７ａ，７ｂは、鋳造される吸気管と一体に形成されており、かつフランジ部１０に１本の外部配管が接続されることによって、ここで分岐されている。
【００４８】
この図７の構成では、一方の排気導入口９に接続される分岐還流通路７ｂが環状に長く延びていることから、慣性過給的効果が得られる。そして、分岐還流通路７ａ，７ｂの断面積および断面形状を通路長方向に沿って適宜に変化させることで、排気流量が少ない場合でも、排気導入口８，９から流れ出る排気の流速を十分に高く確保できる。従って、低排気還流率のときにも、良好な分配特性が得られる。
【００４９】
次に、図８〜図１０は、第３の実施の形態に類似した第４の実施の形態を示している。この実施の形態においては、分岐還流通路７ａ，７ｂが、吸気通路６の長手方向に沿って細長くなった偏平形状をなしており、かつその先端の排気導入口８，９も、吸気の流れ方向に沿って長くなった長円形に開口している。
【００５０】
従って、吸気通路６内の新気の流れに対し、排気導入口８，９から出た排気の流れが直接的に接触する接触面積が狭くなり、それだけ新気流れに押し流されにくくなる。従って、吸気通路６内壁面に沿う排気の旋回流をさらに確実に形成できる。
【００５１】
また、図１１〜図１３は、排気導入口８の開口面積と排気導入口９の開口面積とを互いに異ならせた第５の実施の形態を示している。この例では、分岐点からの通路長が長くなる排気導入口９の方が排気導入口８よりも大きく設定されている。
【００５２】
このように排気導入口８，９の開口面積を異ならせることで、各分岐還流通路７ａ，７ｂの流量割合が適宜に調節され、旋回流をバランスよく生成することができる。
【００５３】
また、図１４は、第４の実施の形態をさらに変更した第６の実施の形態を示している。この実施の形態においては、各分岐還流通路７ａ，７ｂの通路途中の位置から吸気通路６へ向けて複数の連通孔１１が形成されている。なお、これらの連通孔１１は、分岐還流通路７ａ，７ｂ内の排気の流れに沿うように斜めに設けられている。
【００５４】
この構成においては、一部の還流排気が、複数の連通孔１１を通して吸気通路６内に噴出し、吸気通路６内の乱流エネルギを高める。これにより、排気と新気との混合が促進される。また、吸気通路６内に円周方向の複数箇所から排気が流入することにより、排気濃度が一層均一化しやすいものとなる。
【００５５】
次に、図１５および図１６は、同じく第４の実施の形態をさらに変更した第７の実施の形態を示している。この実施の形態は、特に本発明の要部を示すものであって、吸気通路６の内壁面の２カ所に、内周側へ突出したリブ１２，１３が設けられている。これらのリブ１２，１３は、図１６に示すように、それぞれ排気導入口８，９の上流側に隣接して位置し、かつ吸気通路６の新気の流れと直交する方向に沿って延びている。特に、図示例では、リブ１２，１３の端縁１２ａ，１３ａが排気導入口８，９開口幅と同一の高さ位置（図１６参照）に沿って、排気導入口８，９と同じく接線方向に延びている。つまり、リブ１２，１３は、略三日月形に形成されている。
【００５６】
この構成では、排気導入口８，９から吸気通路６の接線方向に流れ出た排気流が、リブ１２，１３の下流側の面に沿って流れる。つまり、図１６に破線矢印で示すように流れてくる新気と排気流との衝突がリブ１２，１３によって抑制される。そのため、吸気通路６内を流れる新気の流れに押し流されにくくなり、吸気通路６内壁面に沿う排気の旋回流を一層確実に形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る排気還流装置の全体的な構成を示す構成説明図。
【図２】還流通路が接続された吸気通路の要部を示す第１の実施の形態の断面図。
【図３】この排気還流装置における新気と排気の流れを示す説明図。
【図４】吸気通路内での排気の流れを示す説明図。
【図５】第１の実施の形態における還流排気の分配特性を示す特性図。
【図６】この発明の第２の実施の形態を示す吸気通路の断面図。
【図７】第３の実施の形態を示す吸気通路の断面図。
【図８】第４の実施の形態を示す吸気通路の断面図。
【図９】図８のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図１０】図８のＢ−Ｂ線に沿った断面図。
【図１１】第５の実施の形態を示す吸気通路の断面図。
【図１２】図１１のＣ−Ｃ線に沿った断面図。
【図１３】図１１のＤ−Ｄ線に沿った断面図。
【図１４】第６の実施の形態を示す吸気通路の断面図。
【図１５】第７の実施の形態を示す吸気通路の断面図。
【図１６】図１５のＥ−Ｅ線に沿った断面図。
【図１７】従来の排気還流装置における新気と排気の流れを示す説明図。
【図１８】この従来における還流排気の分配特性を示す特性図。
【図１９】従来の他の構成例における新気と排気の流れを示す説明図。
【図２０】図１９の構成例における還流排気の分配特性を示す特性図。
【図２１】従来のさらに他の構成例における新気と排気の流れを示す説明図。
【図２２】図２１の構成例における還流排気の分配特性を示す特性図。
【符号の説明】
１…エンジン本体
４…吸気コレクタ
５ａ〜５ｄ…分岐通路
６…吸気通路
７…還流通路
８，９…排気導入口
１２，１３…リブ

Claims

コレクタから各気筒へ分岐通路を介して吸気が供給されるとともに、上記コレクタよりも上流側の吸気通路に、排気系から還流通路を介して還流排気が導入される内燃機関の排気還流装置において、上記還流通路と上記吸気通路との接続部となる排気導入口を、上記吸気通路の流れと直交する通路断面の円周接線方向に沿って形成し、上記排気導入口の先端開口を吸気の流れ方向に沿って長くなった長円形に形成し、上記吸気通路の内壁面に、上記排気導入口の上流側に隣接し、かつ該吸気通路の流れと直交する方向に沿って延びたリブを設け、このリブの高さが、上記先端開口の高さと同一であることを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
上記内燃機関が、吸気系にスロットルバルブを具備しないものであることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気還流装置。
上記排気導入口が位置する吸気通路の部分では、内部の吸気の流れが実質的に整流となっていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気還流装置。
上記コレクタは、複数の分岐通路が一方の側面にそれぞれ接続された細長い形状をなし、その一端部に、上記吸気通路が接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の排気還流装置。
上記排気導入口が、上記通路断面の略半周離れた２カ所に、それぞれ同一旋回方向を指向するように設けられているとともに、上記還流通路が２つの分岐還流通路に分岐して、各排気導入口に連通していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の排気還流装置。
分岐還流通路の一方が、吸気通路外周に沿って環状に構成され、かつ２つの分岐還流通路は、それぞれ、各排気導入口へ向かって断面積および断面積形状が変化していることを特徴とする請求項５記載の内燃機関の排気還流装置。
２つの排気導入口の開口面積がそれぞれ異なっていることを特徴とする請求項５または６に記載の内燃機関の排気還流装置。
上記分岐還流通路の通路途中の位置と上記吸気通路とを連通する連通孔が複数設けられていることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の内燃機関の排気還流装置。