JP3873442B2 - エンジンの排気ガス還流装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、排気ガスの再循環により、燃費改善あるいは排気性能向上を図るエンジンの排気ガス還流装置(EGR装置)に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の環境に対する関心の高まりから、高出力を要求されない通常の運転時における燃費改善によるCO2排出量低減、あるいは燃焼温度低下によるNOx排出量低減を狙って、排気の一部を吸気系に戻す排気ガス還流装置(EGR装置)が種々提案されている。
【0003】
従来の排気ガス還流装置としては、例えば、図21の例(実開平3−114563号公報)、図22の例(実開平3−114564号公報)、図23の例(特開平8−218949号公報)等が知られている。
【0004】
図21のものでは、ガス導入通路1からのEGRガスを、吸気管2回りに設けたガス案内溝3を介して水平方向に対向する2ヶ所の開口部4から吸気管2内に導入し、新気とEGRガスを混合している。また、図22のものでは、吸気管5外周にEGRガスが導入される環状路6を形成し、吸気管5内へ導入することにより、新気とEGRガスを混合している。これらは、いずれも各気筒間のEGR率のバラツキ減少を目的としたものである。
【0005】
また、図23のものでは、吸気通路10の第1サージタンク11の下流に第2サージタンク12を設けて、その第2のサージタンクにEGRガス導入部13を配している。このようにスロットルバルブ14から離れた位置のEGRガスを導入することで、排気ガスの劣化部分(デポジット)がスロットルバルブ14に付着するのを防いでいる。
【0006】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、従来の排気ガス還流装置においては、吸気管へのEGRガス導入部が最適な位置、方向にあるとは言えず、以下のような問題が生じる。
【0007】
例えば、図21のように水平方向に対向する開口部4からEGRガスを導入するだけでは、EGRガスと新気の混合を良好に行うことができない。また、吸気管5壁面に設けた孔7からEGRガスを導入する図22のものは、運転条件すなわちスロットルバルブの開度が変わった場合の新気の流れ及び逆流域の状態により、EGRガスと新気の混合が不十分になったり、逆流域にEGRガスが進入しデポジットが増加したりする。また、図23のように第2のサージタンク12にEGRガスを導入するものでは、そのサージタンク12からのEGRガスを各気筒に均等に分配するのが難しい。
【0008】
このため、従来装置では大量のEGRを実施した場合にEGRガスと新気の混合が不十分となり、結果として各気筒間のEGR率にバラツキが生じてエンジンの安定度の悪化、エミッションの増加、燃費の悪化の原因となっていた。また、スロットルバルブへのデポジット形成により、スロットルバルブが固着したり吸気量の制御精度等が低下する心配もあった。
【0009】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、EGR率の各気筒間のバラツキを改善し、スロットルバルブへのデポジット形成を防止するエンジンの排気ガス還流装置を提供することにある。
【0010】
【問題点を解決するための手段】
第1の発明は、各気筒につながる分岐管及びコレクタを備えた吸気管の上流側にスロットルバルブを介装した吸気系を持ち、排気系から外部還流路を介しEGRガスを吸気系のスロットルバルブ後方かつコレクタ上流の吸気管に導入するエンジンの排気ガス還流装置において、
前記外部還流路に接続するとともに、スロットルバルブの自由端下流の吸気管壁から吸気管内に挿入され、前記スロットル軸と直交して吸気管の直径方向に延び、その先端がもう一方の自由端下流の吸気管内周面まで突き出した1つのガイドパイプと、前記ガイドパイプの吸気管内突出部の先端及び基端に形成され、前記先端及び基端における吸気管断面の円周接線方向にそれぞれ開口するEGRガス導入口とを備え、前記EGRガス導入口がスロットルバルブ自由端後方における逆流域最下端より上流であって逆流域と吸気管内壁に挟まれる位置に配設されるよう前記ガイドパイプを配設することを特徴とするものである。
【0014】
第2の発明は、第1の発明において、前記ガイドパイプがスロットルバルブの前傾自由端下流から後傾自由端下流にかけて所定角度だけ下流向きに傾斜していることを特徴とするものである。
【0016】
第3の発明は、第1または第2の発明において、前記EGRガス導入口を所定の角度だけ下流方向に向けて開口させたことを特徴とするものである。
【0017】
第4の発明は、第1から第3の発明において、前記ガイドパイプを吸気管内の流れ方向に対して抵抗の少ない流線形としたことを特徴とするものである。
【0018】
【作用及び効果】
第1の発明によると、EGRガス導入口から吸気管断面の円周接線方向に噴出されたEGRガスは、吸気の流れに押されつつ吸気管内に内周下流方向の螺旋流(スパイラル流れ)を形成する。これにより、EGRガスと新気とのミキシングが促進される。このため、大量のEGR率のもとでも各気筒間のEGR率のバラツキを低減でき、燃費及び排気性能を改善できる。また、EGRガスが吸気管断面の円周接線方向から導入されるので、スロットルバルブの背面下流に生じる逆流域にEGRガスが直接進入せず、スロットルバルブへのデポジット形成を抑えられる。
【0019】
さらに、EGRガスがスロットルバルブの自由端下流にて吸気管内に導入されるので、EGRガスを流速の高い新気主流に乗せることができ、EGRガスと新気の混合が促進される。また、スロットルバルブの自由端下流では逆流域が小さくなるので、逆流域に流れ込むEGRガスの量を抑えられ、デポジット形成を抑えられる。
【0022】
第2の発明によると、スロットルバルブの前傾自由端下流のEGRガス導入口から最上流側分岐管までの距離が延長され、EGRガスの滞留時間が長くなり、EGRガスと新気の混合が促進される。
【0024】
また、第3の発明によると、 EGRガス導入口を所定の角度だけ下流方向に向けて開口させることにより、EGRガスが上流側に向かって流れるのを防止し、スロットルバルブの背面下流の逆流域に流れ込むのを抑えることができるため、スロットルバルブへのデポジット形成を抑えることができる。
【0025】
また、第4の発明によると、ガイドパイプを流線形とするのでEGRガス導入部における吸気抵抗が低減され、エンジンの出力及びトルクが向上する。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
【0027】
図1〜図3は本発明の第1の実施形態を示し、図中の20はエンジン、21は吸気マニホールド、22は排気マニホールドである。
【0028】
吸気マニホールド21は、吸気管23と、吸気管23に続く所定容積のコレクタ24と、コレクタ24からエンジン20の各気筒に接続する分岐管25から構成され、吸気管23の上流側に接続されたスロットルボディ26にはエンジン20への吸入空気量を制御するスロットルバルブ27が介装されている。スロットルバルブ27はスロットル軸27cを中心に回動し、自由端のうち下流側(エンジン側)に傾く方を後傾自由端27a、それと逆に上流側に傾く方を前傾自由端27bとする。
【0029】
排気マニホールド22は、エンジン20の各気筒に接続する分岐管28と、分岐管28が集合する排気管30から構成され、排気管30からはエンジン20の排気ガスの一部を吸気系に還流するためのEGR通路31(外部還流路)が分岐形成される。
【0030】
このような構成において、本実施形態では、先端が閉じた円筒状のガイドパイプ32をEGR通路31に接続、あるいはEGR通路31と一体的に形成し、そのガイドパイプ32を、前傾自由端27b下流にて吸気管23に形成した孔34から吸気管23内に垂直に入り込ませ、その先端を後傾自由端27a下流の吸気管23の内周面近傍まで突き出させる。ガイドパイプ32はスロットル軸27cと略直交するように吸気管23の直径方向に配設される。
【0031】
さらに、図3に示すように、ガイドパイプ32の先端近傍の側面に吸気管23断面の円周接線方向に開口するEGRガス導入口33aを形成するとともに、ガイドパイプ32の挿入位置近傍のガイドパイプ32側面にも吸気管23断面の円周接線方向に開口するEGRガス導入口33bを形成する。これらEGRガス導入口33a、33bは略180°離れた位置で逆方向に開口し、吸気管23内に流入するEGRガスの方向が相対するクロスフロー式となる。
【0032】
次に作用について図4、5を参照しながら説明する。
【0033】
図4、図5はスロットルバルブ27下流における新気及びEGRガスの流れを示す。EGRガス導入口33a、33bより吸気管23内に導入されたEGRガスは、それぞれスロットルバルブ27の両自由端27a、27bと吸気管23の隙間を通った流速の高い新気主流(上主流及び下主流)に押し流されつつ、吸気管23内周面に沿った下流方向のスパイラル流れとなってミキシングされる。
【0034】
ところで、スロットルバルブ27の背面下流には、図6に示すように新気が下流から上流に向けて逆流する逆流域が存在しており、スロットルバルブ27とEGRガス導入口の距離Lが短いとEGRガスが逆流域に流入し、逆に長いとEGRガスがそのまま偏流となって下流に流れる。EGRガスが逆流域に流入すると新気との混合が促進されるが、 EGRガスがスロットルバルブ27に当たってしまいスロットルバルブ27へのデポジット付着が多くなる。また、偏流となって下流に流れると逆流域にEGRガスが流入せずデポジット形成は防止できるが、新気との混合が進まずEGR率の気筒間バラツキが増加する。つまり、デポジット形成量とEGR率の気筒間バラツキとの間には図7に示すようなトレードオフの関係があり、従来、EGR率の気筒間バラツキの低減とデポジット形成防止を両立させることは難しかった。
【0035】
これに対して本実施形態では、上記の通り、新気主流の流速が高く逆流域の大きさが小さいスロットルバルブ27の自由端27a、27b下流で新気とEGRガスを合流させ、吸気管23の内周下流方向のスパイラル流れを形成させてミキシングするので、スロットルバルブ27下流の逆流域にEGRガスを流入させずに、EGRガスと新気の混合を促進することができ、EGR率の気筒間バラツキを低減すると同時にスロットルバルブ27へのデポジット形成も十分に防止できる。図8は本実施形態の効果を示し、これによると本実施形態では従来困難であったEGR率の気筒間バラツキ低減とデポジット形成低減が両立されていることがわかる。
【0036】
また、従来装置のようにEGR導入口を吸気管に直接的に形成するのではなく、本実施形態ではガイドパイプ32上にEGRガス導入口33a、33bを形成し、それを吸気管23に形成した孔34から挿入してEGRガス導入部を形成するようにしたので、EGRガス導入部の形成が容易になり、組立工数、コスト等を低減できる。
【0037】
なお、ここではガイドパイプ32を前傾自由端27bの下流から吸気管23内に入り込ませているが、前傾自由端27bではなく後傾自由端27aの下流から吸気管23内に入り込ませるようにしてもよい。
【0038】
続いて本発明の第2の実施形態について説明する。
【0039】
図9はそのEGRガス導入部を示す。 第1の実施形態と同じくEGRガス導入口33a、33bを持つガイドパイプ32を前傾自由端27b下流の孔34から吸気管23内へと挿入するのであるが、スパイラル流れによるEGR性能の改善効果を高めるために、後傾自由端27a下流のEGRガス導入口33aが前傾自由端27b下流のEGRガス導入口33bよりも下流側になるように、前傾自由端27b下流から後傾自由端27a下流にかけてガイドパイプ32を下流方向に傾斜させ、吸気管23内壁に垂直な方向に対して所定の傾き角φを持たせている。
【0040】
これにより、図10に示すように、前傾自由端27b下流のEGRガス導入口33bのスロットル軸27cからの距離Lbが、後傾自由端27a下流のEGRガス導入口33aのスロットル軸27cからの距離Laよりも短くなる。その結果、図11に示すように前傾自由端27b下流のEGRガス導入口33bから最上流側分岐管25までの距離が延長され、EGRガスと新気が混合する時間を長くでき、コレクタ24内のEGRガス濃度分布をより均一にすることができる。
【0041】
しかも、スロットルバルブ27の背面下流に発生する逆流域は図10に示すように後傾自由端27a下流で大きく前傾自由端27b下流で小さくなるので、前傾自由端27b下流のEGRガス導入口33bを上流側に移動してもEGRガスが逆流域に進入せず、スロットルバルブ27へのデポジット形成を十分に抑えることができる。
【0042】
続いて第3の実施形態について説明する。
【0043】
図12はそのEGRガス導入部を示す。ガイドパイプ32を前傾自由端27b下流から吸気管23内へと入り込ませ、その先端が後傾自由端27a下流まで突き出すようにしている点においては第1の実施形態と共通しているが、ガイドパイプ32が吸気管23断面の円周接線方向から入り、吸気管23の内周面に沿って円曲した形状(J字型)になっている点において相違している。
【0044】
このとき、ガイドパイプ32の先端が吸気管23断面の接線方向に開口しEGRガス導入口33aを形成する。また、ガイドパイプ32が吸気管23内に入り込む位置の近くで吸気管23断面の円周接線方向に開口するEGRガス導入口33bをガイドパイプ32の側面に形成する。 したがって、EGRガス導入口33aをスロットルバルブ27の後傾自由端27a下流に、EGRガス導入口33bをそこから略180°離れた位置の前傾自由端27b下流にそれぞれ設けることになり、それぞれのEGRガス導入口33a、33bから導入されるEGRガスの流入方向は相対するクロスフロー方式となる。
【0045】
これにより、図13に示すように、吸気管23内へと導入されたEGRガスがスパイラル流れとなってEGRガスと新気の混合が促進され、EGR率の気筒間バラツキを低減することができる。また、EGRガスが逆流域に直接進入しないのでスロットルバルブ27へのデポジット形成が抑えられる。
【0046】
さらに、スロットルバルブ27が全開の時は図14に示すように吸気管23中央で流速が高くなり、逆に吸気管23内周面付近で流速が低くなるが、本実施形態のようにガイドパイプ32を吸気管23の内周面に沿ったJ字型とすることにより、EGR導入部における吸気抵抗を低減することができ、高負荷時の出力及びトルクを向上することができる。
【0047】
続いて第4の実施形態について説明する。
【0048】
図15はそのEGR導入部を示す。前傾自由端27b下流でガイドパイプ32を吸気管23断面の円周接線方向から入り込ませ、吸気管23内周面に沿った形状(J字型)としている点においては第3の実施形態と共通しているが、ガイドパイプ32の吸気管23内周面に沿って円曲した部分(吸気管内突出部)の長さを第3の実施形態に比べて短くし、ガイドパイプ32の先端がスロットル軸27cと略同一平面上まで、すなわち、挿入位置から略90°離れた位置まで突き出すようにしている点で相違している。
【0049】
このとき、ガイドパイプ32の先端が開口しEGRガス導入口33aを形成する。また、ガイドパイプ32が吸気管23内に入り込む位置の近くで吸気管23断面の円周接線方向に開口するEGRガス導入口33bを形成する。 したがって、EGRガス導入口33bをスロットルバルブ27の前傾自由端27b下流に、 EGRガス導入口33aをそこから略90°離れた位置のスロットル軸27c端下流にそれぞれ設けることになる。
【0050】
さらに、スロットル軸27c端下流に位置するEGRガス導入口33aから導入されたEGRガスはスロットルバルブ27の背面下流に形成される逆流域に進入しやすいため、本実施形態では、スロットル軸27c端下流のEGRガス導入口33aの開口面積を前傾自由端27a下流のEGRガス導入口33bよりも小さくしている。
【0051】
図16はスロットルバルブ27下流における新気及びEGRガスの流れを示し、EGRガス33a、33bより導入されたEGRガスは吸気管23の内周下流方向に2重のスパイラル流れを形成する。このため、スパイラル流れが強化されて新気とEGRガスの混合が促進され、EGR率の気筒間バラツキが低減される。
【0052】
また、EGRガス導入口33aの開口面積をEGRガス導入口33bの開口面積よりも小さくしたことにより、EGRガス導入口33aから導入されるEGRガスの流速が高まり、高速のEGRガスが吸気管23の円周接線方向に導入される。この結果、逆流域に進入するEGRガスの量を抑えられ、スロットルバルブ27へのデポジット形成を十分に抑えることができる。
【0053】
また、ガイドパイプ32の長さを短くしたことにより、ガイドパイプ32が吸気管23内に占める体積を小さくできるので、EGRガス導入部における吸気抵抗を抑えることができ、エンジン出力及びトルクの増大といった効果も得られる。
【0054】
続いて第5の実施形態について説明する。
【0055】
図17、図18はそのEGR導入部を示す。これは第1の実施形態においてEGRガス導入口33a、33bを吸気管23断面の接線方向に対して所定の下流向き角度θを持たせて開口させたものである。
【0056】
これにより、EGRガス導入口33a、33bから導入されたEGRガスは、図18に示すように吸気管23の内周下流方向のスパイラル流れとなって新気と混合されるが、EGRガス導入口33a、33bが下流に向けて開口しているのでEGRガスが上流に向けて流れず、スロットルバルブの背面下流に形成される逆流域に進入しにくくなり、デポジット形成を抑えることができる。
【0057】
このように、EGRガスが逆流域に進入しにくくなるので、EGR導入口33a、33bをさらに上流側に設けることも可能である。EGRガス導入口33a、33bを上流側に設ければそれだけEGRガス導入口33a、33bから最上流側分岐管25までの距離が長くなり新気とEGRガスの混合が促進され、EGR率の気筒間バラツキを抑えることができる。
【0058】
なお、ここでは第1の実施形態においてEGRガス導入口33a、33bに下流向き角度θを持たせるとしたが、他の実施形態においてEGRガス導入口33a、33bに下流向き角度θを持たせるようにしても同様の効果が得られる。
【0059】
続いて、第6の実施形態について説明する。
【0060】
図19、20はそのEGRガス導入部を示す。これは第1の実施形態において吸気管23内に突き出したガイドパイプ32の断面形状を吸気管23内の流れ方向に対して空気抵抗が少ない流線形にしたものである。図19、図20では、ガイドパイプ32の断面形状を上流側及び下流側が尖った吸気流れ方向に長い形状としているが、空気抵抗が少ない形状であれば他の形状であってもよい。このようにガイドパイプ32を流線形とすることにより、EGRガス導入部における吸気抵抗を低減することができ、エンジンの出力及びトルクを向上することができる。
【0061】
なお、ここでは第1の実施形態においてガイドパイプ32を流線形としたが、他の実施形態においてガイドパイプ32を流線形としても同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態の全体構成図である。
【図2】そのEGRガス導入部の説明図である。
【図3】同じくそのEGRガス導入部の説明図である。
【図4】スロットルバルブ下流に生じるスパイラル流れの説明図である。
【図5】同じくスパイラル流れの説明図である。
【図6】スロットルバルブの背面下流に生じる逆流域の説明図である。
【図7】EGR率の気筒間バラツキとデポジット形成量の関係を示す特性図である。
【図8】第1の実施形態の効果を示す図である。
【図9】第2の実施形態のEGRガス導入部の説明図である。
【図10】同じく第2の実施形態のEGRガス導入部の説明図である。
【図11】第2実施形態におけるスパイラル流れの説明図である。
【図12】第3の実施形態のEGRガス導入部の説明図である。
【図13】同じく第3の実施形態のEGRガス導入部の説明図である。
【図14】吸気管内の流速分布の説明図である。
【図15】第4の実施形態のEGRガス導入部の説明図である。
【図16】同じく第4の実施形態のEGRガス導入部の説明図である。
【図17】第5の実施形態のEGRガス導入部の説明図である。
【図18】同じく第5の実施形態のEGRガス導入部の説明図である。
【図19】第6の実施形態のEGRガス導入部の説明図である。
【図20】同じく第6の実施形態のEGRガス導入部の説明図である。
【図21】従来例の部分断面図である。
【図22】別の従来例の部分斜視図である。
【図23】さらに別の従来例の概略構成図である。
【符号の説明】
20 エンジン
23 吸気管
24 コレクタ
25 分岐管
27 スロットルバルブ
27a 後傾自由端
27b 前傾自由端
27c スロットル軸
31 EGR通路(外部還流路)
32 ガイドパイプ
33a、b EGR導入口
Claims (4)
- 各気筒につながる分岐管及びコレクタを備えた吸気管の上流側にスロットルバルブを介装した吸気系を持ち、排気系から外部還流路を介しEGRガスを吸気系のスロットルバルブ後方かつコレクタ上流の吸気管に導入するエンジンの排気ガス還流装置において、
前記外部還流路に接続するとともに、スロットルバルブの自由端下流の吸気管壁から吸気管内に挿入され、前記スロットル軸と直交して吸気管の直径方向に延び、その先端がもう一方の自由端下流の吸気管内周面まで突き出した1つのガイドパイプと、前記ガイドパイプの吸気管内突出部の先端及び基端に形成され、前記先端及び基端における吸気管断面の円周接線方向にそれぞれ開口するEGRガス導入口とを備え、
前記ガス導入口がスロットルバルブ自由端後方における逆流域最下流端より上流であって逆流域と吸気管内壁に挟まれる位置に配設されるよう前記ガイドパイプを配設することを特徴とするエンジンの排気ガス還流装置 - 前記ガイドパイプがスロットルバルブの前傾自由端下流から後傾自由端下流にかけて所定角度だけ下流向きに傾斜していることを特徴とする請求項1に記載のエンジンの排気ガス還流装置。
- 前記EGRガス導入口を所定の角度だけ下流方向に向けて開口させたことを特徴とする請求項1または2に記載のエンジンの排気ガス還流装置。
- 前記ガイドパイプを吸気管内の流れ方向に対して抵抗の少ない流線形としたことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一つに記載のエンジンの排気ガス還流装置。
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