JP3992784B2 - エンジンの吸気装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、EGR装置を備えたエンジンの吸気装置に関し、特に吸気系へのEGRガス導入部の位置,方向を工夫することにより、EGR性能を改善した技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
車両用エンジンでは、一般に大きな出力を要求されない通常の運転時に燃費改善によるCO2 低減あるいはNOx排出量低減のため、排気の一部を吸気系に戻すEGR装置を備えている。該EGR装置に関して、種々の改良技術が提案されており、例えば、特開平8−218949号公報等に記載のものでは、第1サージタンクの下流に第2サージタンクを設けて、その第2サージタンクにEGRガス導入部を配置している。こうすることにより、排気の劣化成分がスロットルバルブに付着するのを防止している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来例あるいは通常一般的に用いられているEGR装置においては、EGR導入部が最適な位置に配置されていない。このため、EGR量を増加した大量EGRを行なった場合に、EGRガスと新気との混合が不十分となって各気筒のEGR率にバラツキを生じ、エンジンの安定度が悪化すると共に、エミッション(汚染物質排出量) が増加し、燃費も悪化する。
【0004】
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率の気筒間バラツキを改善することにより、上記課題を解決したエンジンの吸気装置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
このため請求項1の発明に係るエンジンの吸気装置は、
分岐管及びコレクタを備えたインテークマニホールドの上流にスロットルバルブが接続された吸気系を備える一方、排気の一部をEGRガスとして吸気系に還流するEGR装置を備えたエンジンの吸気装置において、EGRガスの吸気系への導入部を、スロットルバルブの軸芯から該スロットルバルブを収納するスロットルチャンバの管径の略1.3〜1.8倍の大きさだけ、吸気流れ方向下流の位置に配置することにより、前記スロットルバルブの下流側に発生する流れが循環する逆流域にEGRガスを導入すると共に、
EGRガスの導入角度は、導入位置から導入位置の反対側のスロットルバルブ軸端部に向けて設定されているようにしたことを特徴とする。
【0006】
これにより、EGRガスはスロットルバルブの下流側に発生する流れが循環する逆流域に導入されるため、EGRガスと新気との混合が促進され、EGR率の気筒間バラツキを低減できる。
また、EGRガスの導入角度は、導入位置から導入位置の反対側のスロットルバルブ軸端部に向けて設定されていることにより、エンジンの運転条件が変化しスロットル開度が変化した場合でも、EGRガスは流れが循環する逆流域に導入されるため、EGRガスと新気との混合が促進され、EGR率の気筒間バラツキを低減できる。
また、請求項2に係る発明は、前記スロットルチャンバとコレクタとが所定角度曲げて接続されており、前記EGRガス導入位置を前記曲がりに対して内側に配置すると共に、該EGR導入部を、スロットルバルブの軸芯から該スロットルバルブを収納するスロットルチャンバの管径の略1.3 〜1.8 倍の大きさだけ吸気流れ方向下流の位置から、前記曲がりの角度に比例した長さ分だけ下流側に補正した位置に配置したことを特徴とする。
【0007】
前記曲がりがある場合は、該曲がりの内側では曲がり角度に比例して前記逆流域が下流側に拡大するが、曲がりの内側からのEGRガス導入位置を曲がり角度に応じた分下流側に補正して配置することにより、EGRガスを流れが循環する逆流域に導入することができ、EGRガスと新気との混合が促進され、EGR率の気筒間バラツキを低減できる。
【0008】
また、請求項3に係る発明は、
前記スロットルチャンバとコレクタとが所定角度曲げて接続されており、前記EGRガス導入位置を前記曲がりに対して外側に配置すると共に、該EGR導入部を、スロットルバルブの軸芯から該スロットルバルブを収納するスロットルチャンバの管径の略1.3 〜1.8 倍の大きさだけ、吸気流れ方向下流の位置から、前記曲がりの角度に比例した長さ分だけ上流側に補正した位置に配置したことを特徴とする。
【0009】
前記曲がりがある場合、曲がりの外側では内側とは逆に曲がり角度に比例して前記逆流域が上流側に減少するが、曲がりの外側からのEGRガス導入位置を曲がり角度に応じた分上流側に補正して配置することにより、EGRガスを流れが循環する逆流域に導入することができ、EGRガスと新気との混合が促進され、EGR率の気筒間バラツキを低減できる。
【0011】
また、請求項4に係る発明は、
EGRガスの導入角度は、導入位置から導入位置の反対側のスロットルバルブ軸端部に向けて設定されていることを特徴とする。
これにより、エンジンの運転条件が変化しスロットル開度が変化した場合でも、EGRガスは流れが循環する逆流域に導入されるため、EGRガスと新気との混合が促進され、EGR率の気筒間バラツキを低減できる。
【0012】
また、請求項5に係る発明は、
直列型エンジンにおいて、スロットルバルブの回転軸と、インテークマニホールドの各気筒の分岐管がコレクタに接合する方向と、を垂直な関係としたことを特徴とする。
これにより、EGR量が非常に大きくなり、逆流での新気と混合が不十分のまま下流に排出された場合においても、EGRガス濃度が高いガスのが流れが、各気筒の分岐間の入口から略等しい位置を流れるため、各気筒に吸い込まれるEGRガス量が均等化し、EGR率の気筒間バラツキを低減できる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態を示す図である。なお、本第1の実施の形態から第4の実施の形態では、本発明に係るEGRガス導入位置のみについて説明し、EGRガス導入角度についての実施の形態については、その後に説明する。
エンジン1は、分岐管2及びコレクタ3を備えたインテークマニホールドの上流にスロットルバルブ4を有し、排気5の一部をEGRパイプ6を介して吸気系に再循環する。ここで、スロットルチャンバ7の管径をDとすると、EGRガス導入位置は、スロットルバルブ4の下流側略1.3 〜1.8 Dに配する。
【0014】
次に、前記第1の実施形態の作用を説明する。
スロットルバルブ4下流の流れを図2に示す。スロットルバルブ4の背面には、主流の流れに対して、流れが循環する逆流域が存在する。図3にエンジン回転速度とスロットル開度で表した常用運転領域を示す。この常用運転領域の中でEGRを利用する領域はスロットル全開に近い高負荷と、アイドル付近の低負荷を除いた領域となる。図4はスロットル開度に対する逆流域の大きさを示す。逆流域の大きさはスロットル開度に依存する。そこで図3のEGR領域の中で負荷の高いEGR領域高負荷条件と負荷の低い領域のEGR領域低負荷条件の逆流域の状態に着目する。図5にEGR領域低負荷条件とEGR領域高負荷条件の逆流域を示す。図4に示したように逆流域の大きさはスロットル開度に依存する。したがって低負荷条件では逆流域は大きくなり、逆流が安定して起こる逆流安定位置は管径Dの約1.8 倍となる。また、高負荷条件では逆流安定位置は管径の約1.3 倍となる。
【0015】
図6にEGR導入位置の影響を示す。まず、逆流域よりも下流からEGRガスを導入した場合は、EGRガスはそのまま下流に流されるため、新気とのミキシングが進まず混合状態が悪い。また、逆流安定位置よりもかなり上流側のスロットルバルブ近傍からEGRガスを導入した場合、EGRガスは新気と混合せずに直接スロットルバルブに当たってしまうため、スロットルバルブにデポジット(堆積物) を形成する原因となる。また、スロットルバルブに当たった後、すぐに主流に乗って下流側に流されるため、新気との混合もあまり進まない。
【0016】
これに対して、逆流安定位置付近である管径Dの1.3 〜1.8 倍の位置からEGRガスを導入した場合、EGRガスは逆流域で長い時間滞留するため新気とのミキシングが進み混合状態が良くなる。図9に従来例として特開平8−218949号の構成図を示す。図から理解できるようにEGRガス導入位置Xはスロットルバルブ21からかなり下流側となっており、逆流域の下流からEGRガスを導入している。図7に本実施形態の効果を示す。従来例ではEGRガスを逆流域の下流から導入していたため、EGR率の気筒間バラツキが増加していたが、本実施形態では逆流域を有効に活用し、逆流安定位置からEGRガスを導入することによって新気との混合が促進されるためEGR率の気筒間バラツキを低減できる。より正確なEGR導入位置は、図8に示すようにEGR領域の中でEGR率が最大となりバラツキが発生しやすい運転領域で設定することが望ましい。
【0017】
次に、第2の実施の形態について説明する。該第2の実施の形態の基本的な構成は、前記第1の実施の形態の構成(図1) と同様であるが、本実施の形態では、コレクタ3とスロットルチャンバ7とが所定角度θ曲げて接続されており、該構造において前記曲がりの内側からEGRガスを導入する方式とする。図10に吸気の流れ状態を示す。図示のように流れの主流が外側に偏るため、逆流域の形状が変化する。すなわち、逆流域は外側が短くなり、内側が長くなる。図11に、より詳しい逆流域の状態を示す。内側の逆流域はストレートに接続される場合より下流側に大きくなり、逆流安定位置は下流側に移動する。その変化代は前記の接続角度θに比例する。したがって、内側からEGRガスを導入する場合は、EGRガス導入位置は下流側にαθ(0°<θ<30°のとき例えばαは0.8)だけ補正する。このようにすることにより、吸気系に曲がりがある場合においてもEGRガスを逆流安定位置に導入することができ、EGRの気筒間バラツキを低減できる。
【0018】
次に、第3の実施の形態について説明する。本実施の形態は前記第2の実施の形態と同様、コレクタ3とスロットルチャンバ7が角度をなして接続された構造において、該曲がりの外側からEGRガスを導入する方式とする。図11で示したように、外側の逆流域はストレートの場合よりも小さくなり、逆流安定位置は上流側に移動する。したがって、外側からEGRガスを導入する場合は、EGRガス導入位置は上流側にαθ(0°<θ<30°のとき例えばαは0.8)だけ補正する。このようにすることにより、吸気系に曲がりがある場合においてもEGRガスを逆流安定位置に導入することができ、EGR率の気筒間バラツキを低減できる。
【0019】
次に、第4の実施の形態について説明する。本実施の形態の基本的な構成は第1の実施の形態と同様であるが、吸気の流れに対して直角な方向にEGRを導入する場合の導入位置を最適化した実施の形態を示す。図12に、サイド側(スロットルバルブ軸方向) から見たスロットルバルブの下流の流れを示す。逆流域のサイド方向の流れLは位置により異なり、スロットルバルブ軸4aの位置が最長(Lmax) となる。図13にEGRの導入位置を変えたときのEGRガスの流れを示す。スロットルバルブ軸と同じ高さからEGRガスを導入した場合EGRガスはスロットルバルブに当たるまでに十分時間があるため、新気と混合した後スロットルバルブに当たる。これに対して、下方の位置から導入しようとした場合、逆流域が小さいため逆流域に導入するためには導入位置をスロットルバルブに近づけなければならない。そうするとEGRガスは新気と十分混合する前にスロットルバルブに当たる。図14にEGRガス導入位置を変えた場合のスロットルバルブ背面のEGRガス濃度を示す。図からわかるようにEGRガス濃度はスロットルバルブ軸の位置が一番低くなる。そこから離れるにしたがってEGRガス濃度が高くなり、スロットルバルブへのデポジットの問題が発生する。また、EGRガスが逆流域に滞留し、新気とのミキシングする時間を考慮すると混合状態もスロットルバルブ位置が有利となり、図14に示すようにEGR率気筒間バラツキもスロットルバルブ軸位置が最も低くなる。したがって、図13(1) に示したように、EGRガス導入位置をスロットルバルブ軸位置とすることによってEGR率に気筒間バラツキを低減できる。
【0020】
次に、本発明に係るEGR導入角度についての実施の形態について説明する。この構成は、前記第1〜第4の実施形態および後述の第5の実施形態に適用される。本実施の形態の基本的な構成は第1の実施の形態と同様であるが、EGRガスの導入方向を最適化したものである。図5に示したように逆流域は運転条件によって変化する。したがって、最適な位置にEGRガスを導入するためには運転条件に応じてEGRガス導入位置を変える必要がある。しかしながら、その実現には可動装置を付加する必要がありコストが増加する。またEGRガス導入方向を変えた従来例として実開平2−52950号がある。その構成を図18に示す。しかしながらこの従来例ではEGRガスの導入方向(図示矢印Y) は吸気流に対して直交する方向となっているため逆流域の変化には対応できない。
【0021】
本実施の形態では運転条件によりEGRガス流量が変わり、EGRガス流入流速が変化することに着目した。図16にEGR率が一定の場合のスロットル開度に対するEGRガス流速を示す。スロットル開度が大きくなり負荷が高くなるほど流速が大きくなる。この傾向を踏まえて本実施の形態ではEGRガス導入方向をスロットルバルブ軸端部に向かう方向とした。図15(1) ,(2) は、本実施の形態において負荷条件が変化した時のEGRガス流れを示す。低負荷条件ではガス導入流速は低いが、逆流域が大きくなるためEGRガスは逆流域に導入される。負荷が高い場合には逆流域は小さくなるがEGRガス流入流速が高くなるため、EGRガスは逆流域に導入される。したがって、図17に示すように本実施の形態では各運転条件においてEGRガスの気筒間バラツキを低減することができる。
【0022】
次に、インテークマニホールド分岐管とスロットルバルブ軸との関係を工夫した第5の実施の形態について説明する。図19に従来例を示す。従来例では、スロットルバルブ軸と分岐管の流れ方が平行となっている。したがって、図2に示すように上下方向に主流が流れるため、EGRガス導入位置はサイド方向となる。ここでEGR量が非常に多くなった場合を考えると、EGRガスを逆流域に導入しても新気との混合が進まず、EGRガス濃度の濃いガスが下流側に流れることとなる。A位置からEGRガスを導入した場合、EGR濃度の濃いガスは分岐管から遠い位置を流れるため、1, 2番気筒には吸い込まれず3, 4番気筒に吸い込まれることとなる。したがって、3, 4番気筒のEGR率が高くなり、EGR率の気筒間バラツキが増加する。B位置から導入した場合は、逆にEGR濃度の高いガスが1, 2番気筒に吸い込まれやすくなるため、1, 2番気筒のEGR率が高くなり、A位置と同様にEGR率の気筒間バラツキが増加する。
【0023】
そこで、本実施の形態では、図20に示すようにスロットルバルブ軸と分岐管の流れ方向を垂直とした。このようにすると、主流は両サイド側を流れるため上下方向からEGRガスを導入することができる。これにより、EGRガス濃度の濃いガスは上下(この図では上) 方向から流れ、コレクタ内では各気筒の分岐管から略等しい距離を通過するため各気筒に均等に吸い込まれる。したがって、EGR率の気筒間バラツキを低減できる。
【0024】
以上説明してきたように、第1の実施の形態では、EGRガスの導入を逆流安定位置であるスロットルバルブの軸芯からスロットルチャンバ管径の略1.3 〜1.8 倍下流の位置としたためEGRガスと新気の混合が促進され、EGR率の気筒間バラツキが低減できる。
また、EGRガス導入方向をEGRガス導入位置の反対側のスロットルバルブ軸端部に向けて導入することとしたため、運転条件により逆流域が変化した場合においてもEGRガスを逆流域に導入できるため各運転条件においてEGR率の気筒間バラツキを低減できる。
また、第2の実施の形態では、スロットルチャンバとコレクタが所定角度曲げて接続されている場合において、EGRガス導入位置が曲がりに対して内側にある場合は、EGRガス導入部を流れに対してスロットルバルブの軸芯からスロットルチャンバ管径の略1.3 〜1.8 倍下流の位置から曲がり角度に比例した長さ分下流側に補正した位置に配置することとしたため、EGRガスを逆流安定位置に導入でき、EGRガスと新気との混合が促進されるため、EGR率の気筒間バラツキが低減できる。
【0025】
第3の実施の形態では、スロットルチャンバとコレクタが所定角度曲げて接続されている場合において、EGRガス導入位置が曲がりに対して外側にある場合は、EGRガス導入部を流れに対して曲がり角度に比例した長さ分上流側に補正した位置に配置することとしたため、EGRガスを逆流安定位置に導入でき、EGRガスと新気の混合が促進されるためEGR率の気筒間バラツキを低減できる。
【0026】
第4の実施の形態では、EGRガス導入部の流れに対して垂直方向の導入位置を、スロットル軸と同一位置から導入することとしたため、逆流域の最長部分にEGRガスを導入でき、EGRガスと新気の混合が促進されるため、EGR率の気筒間バラツキを低減できる。
【0027】
第5の実施の形態では、スロットルバルブの回転軸とインテークマニホールドの各気筒の分岐管がコレクタに接合する方向とを垂直な位置関係としたため、EGR量が増加し逆流域でのEGRガスと新気とのミキシングが不十分となりEGRガス濃度の濃いガスが下流に流れた場合においても、各気筒に均等に吸い込まれるためEGR率の気筒間バラツキを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態を示す構成図。
【図2】スロットルバルブ下流の流れを説明する図。
【図3】運転条件中のEGR領域を説明する図。
【図4】スロットル開度と逆流域の大きさの関係を示す特性図。
【図5】負荷条件による逆流域の変化を説明する図。
【図6】EGRガス導入位置を変えた場合のEGRガスの流れを説明する図。
【図7】第1の実施の形態の効果を示す図。
【図8】実際のEGR導入位置の決め方を説明する図。
【図9】第1の実施の形態に対応する従来例の構成図。
【図10】スロットルチャンバとコレクタが所定角度曲げて接続された場合の逆流域の変化を説明する図。
【図11】第2,第3の実施の形態における逆流安定位置を説明する図。
【図12】第4の実施の形態を説明する図。
【図13】EGRガス導入位置を変えた場合のEGRガス流れを説明する図。
【図14】第4の実施の形態の効果を説明する図。
【図15】第5の実施の形態を説明する図。
【図16】スロットル開度とEGRガス流速の関係を示す特性図。
【図17】第5の実施の形態の効果を示す図。
【図18】第5の実施の形態に対応する従来例の構成図。
【図19】第6の実施の形態に対応する従来例の構成図。
【図20】第6の実施の形態を説明する図。
【符号の説明】
1 エンジン
2 分岐管
3 コレクタ
4 スロットルバルブ
4a スロットルバルブ軸
5 EGRガス
6 EGRパイプ
7 スロットルチャンバ
Claims (5)
- 分岐管及びコレクタを備えたインテークマニホールドの上流にスロットルバルブが接続された吸気系を備える一方、排気の一部をEGRガスとして吸気系に還流するEGR装置を備えたエンジンの吸気装置において、EGRガスの吸気系への導入部を、スロットルバルブの軸芯から該スロットルバルブを収納するスロットルチャンバの管径の略1.3〜1.8倍の大きさだけ、吸気流れ方向下流の位置に配置することにより、前記スロットルバルブの下流側に発生する流れが循環する逆流域にEGRガスを導入すると共に、
EGRガスの導入角度は、導入位置から導入位置の反対側のスロットルバルブ軸端部に向けて設定されているようにしたことを特徴とするエンジンの吸気装置。 - 前記スロットルチャンバとコレクタとが所定角度曲げて接続されており、前記EGRガス導入位置を前記曲がりに対して内側に配置すると共に、該EGR導入部を、スロットルバルブの軸芯から該スロットルバルブを収納するスロットルチャンバの管径の略1.3 〜1.8 倍の大きさだけ吸気流れ方向下流の位置から、前記曲がりの角度に比例した長さ分だけ下流側に補正した位置に配置したことを特徴とする請求項1に記載のエンジンの吸気装置。
- 前記スロットルチャンバとコレクタとが所定角度曲げて接続されており、前記EGRガス導入位置を前記曲がりに対して外側に配置すると共に、該EGR導入部を、スロットルバルブの軸芯から該スロットルバルブを収納するスロットルチャンバの管径の略1.3 〜1.8 倍の大きさだけ、吸気流れ方向下流の位置から、前記曲がりの角度に比例した長さ分だけ上流側に補正した位置に配置したことを特徴とする請求項1に記載のエンジンの吸気装置。
- 前記EGRガス導入部の吸気流れ方向に対して垂直方向の導入位置は、スロットルバルブ軸方向からみでスロットルバルブ軸と同一の高さ位置に設定したことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載のエンジンの吸気装置。
- 直列型エンジンにおいて、スロットルバルブの回転軸と、インテークマニホールドの各気筒の分岐管がコレクタに接合する方向と、を垂直な関係としたことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載のエンジンの吸気装置。
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