JP5190313B2

JP5190313B2 - 内燃機関のｅｇｒ装置

Info

Publication number: JP5190313B2
Application number: JP2008189106A
Authority: JP
Inventors: 博舟橋; 栄孝志賀; 裕久桑野
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2008-07-22
Filing date: 2008-07-22
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2028-07-22
Also published as: JP2010025033A

Description

本発明は、内燃機関のＥＧＲ装置、特に、ＥＧＲクーラでＥＧＲガスを冷却することによって生じる結露水を給気通路に供給してＮＯｘの発生を効果的に低減するようにした内燃機関のＥＧＲ装置に関する。

従来より、内燃機関において、排気ガスの一部（以下「ＥＧＲガス」という）を給気系に還流して燃焼を緩慢にし、燃焼温度を下げることによりＮＯｘの低減を図るようにした排気ガス再循環装置（ＥＧＲ装置）が広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。

図６は過給機付き内燃機関の一例を示したもので、この内燃機関は、エンジン１のインテークマニホールド２に接続された給気通路３及びイクゾーストマニホールド４に接続された排気通路５を有しており、前記排気通路５には排気ガス６により駆動されるタービン７を備え、該タービン７によって作動される圧縮機８により圧縮空気９を生成するようにしたターボチャージャからなる過給機１０が設けてあり、過給機１０の圧縮機８で圧縮した圧縮空気９は前記給気通路３に供給されており、前記給気通路３には吸気を冷やすためのインタークーラ１１が配設してある。１２は空気取入ダクト、１３は排気ダクト、２０はエンジン１の気筒である。

前記給気通路３と排気通路５との間にはＥＧＲ装置１４が設けられている。図６のＥＧＲ装置１４は、給気通路３がインテークマニホールド２に連通される入口部と前記イクゾーストマニホールド４との間をＥＧＲ配管１５によって接続しており、該ＥＧＲ配管１５には、内部に配した配管１６内に冷却水１７を循環させて、イクゾーストマニホールド４から取り出したＥＧＲガス６ａを冷却して給気通路３に導くようにした水冷式のＥＧＲクーラ１８が設けてあり、又、ＥＧＲクーラ１８より給気通路３側のＥＧＲ配管１５にはＥＧＲバルブ１９が設けてある。

前記エンジン１において、気筒２０の燃焼温度を下げることによりＮＯｘの発生量を低減できることは良く知られている。このため、前記ＥＧＲ装置１４では、燃焼済みのＥＧＲガス６ａを再度気筒２０の燃焼室に送ることにより燃焼温度を下げてＮＯｘ排出量を抑制するようにしているが、排気系（イクゾーストマニホールド４）から導かれたＥＧＲガス６ａは高温であり、このままでは単位体積当たりのガス濃度が減少して所望のＥＧＲ量を導入できないと共に、導入したＥＧＲガス６ａの熱により吸気温度が上昇して吸気効率が低下する虞れがあるため、前記ＥＧＲクーラ１８によってＥＧＲガス６ａを冷却するようにしている。即ち、ＥＧＲ装置１４による効果は、ＥＧＲガス６ａを如何にして低温まで冷却して給気通路３に対する排気ガスの混入量を増大させるかに掛かっており、このために、ＥＧＲクーラ１８を巨大化させる等の方法が提案されている。

一方、近年では、前記ＥＧＲクーラ１８を水冷又は空冷の２段のクーラによって構成することにより、クーラ全体としての冷却容量を増大させた２段式のＥＧＲクーラが提案されている（例えば、特許文献２、３参照）。このような２段式のＥＧＲクーラによれば、前記ＥＧＲガスを常時１００℃以下の例えば常温のような低い温度（例えば４０℃）に冷却することができ、よって燃焼室に供給するＥＧＲガスの充填量を大幅に増加させることができる。

図６に示すエンジン１の運転時は、ＥＧＲ装置１４のＥＧＲバルブ１９は開作動されてエンジン１の運転状態に応じた開度に保持され、これによりＥＧＲガス６ａが給気通路３に再循環されて排気ガスのＮＯｘ低減が図られており、又、エンジン１の停止時には、ＥＧＲバルブ１９を閉止してＥＧＲ装置１４の作動を停止するようにしている。

しかし、上記従来のＥＧＲ装置１４においては、ＥＧＲクーラ１８でＥＧＲガス６ａを冷却する際にＥＧＲクーラ１８の低温の管壁に結露水が付着する問題があり、特に、前記特許文献２、３に示した二段式ＥＧＲクーラでは常時１００℃以下の低温に冷却されているために、ＥＧＲ装置１４により多くの結露水が付着する問題がある。

図７は図６をＶＩＩ−ＶＩＩ方向から見たＥＧＲ装置１４の一例を示したものであり、このようなＥＧＲ装置１４では、ＥＧＲクーラ１８でＥＧＲガス６ａを冷却することによって生じた結露水はＥＧＲ配管１５の底部に溜まるようになるが、この時、ＥＧＲ配管１５には凹部２１が存在しているためにこの凹部２１に結露水が貯留される。又、エンジン１が停止した際にもＥＧＲ配管１５の温度が低下しＥＧＲガス６ａ中の水分が結露することにより前記凹部２１に結露水が貯留されるようになる。更に、エンジン１の停止時にはＥＧＲバルブ１９が閉止されるために、ＥＧＲバルブ１９の凹部２１にも結露水が貯留されるようになる。

このように、ＥＧＲ装置１４に結露水が貯留された状態から、エンジン１が始動されて、前記ＥＧＲバルブ１９が開作動されると、前記ＥＧＲ配管１５の凹部２１に貯留されていた結露水が給気通路３の吸引によって最初の気筒２０に一気に供給されてヘッドロックを生じるという不具合がある。

このような不具合を防止するために、従来のＥＧＲ装置１４では、ＥＧＲバルブ１９の開作動時にＥＧＲ配管１５に貯留された結露水が給気通路３に供給されないように、ＥＧＲ装置１４は、図７に示す如くＥＧＲ配管１５が給気通路３に接続されるＥＧＲバルブ出口２２の高さが最も高く、ＥＧＲクーラ１８における排気導入部２３の高さが最も低くなるように排気通路５側から給気通路３側に向かって所要の上り角度Ｘを有して傾斜配置されており、これにより、結露水が排気通路５側へ流れ落ちるようにして、給気通路３側へは流入しないようにしている。

図７では、ＥＧＲ装置１４が１つのＥＧＲクーラ１８を備えた場合を示しているが、二段式のＥＧＲクーラを備えた場合にも、２つのクーラが、図７と同様に排気通路５から給気通路３に向かって所要の上り角度Ｘを有するように傾斜配置している。

一方、前記内燃機関において、気筒の燃焼室に水噴射ノズルで水を噴射することにより燃焼温度を下げてＮＯｘ排出量を抑制するようにしたものが提案されている（特許文献４参照。）。
特開平１１−３２４８２１号公報特開２００３−１６１２０９号公報特開２００６−１３２４７０号公報特開平０６−１１７２２３号公報

しかし、特許文献４に示された方式は、燃焼室に水を噴射することで燃焼温度を低下させるようにしたものであり、よって、各燃焼室に水噴射ノズルを備える必要があるために構造が複雑になると共に、各燃焼室に対して水を噴射するための制御が難しいという問題がある。又、特許文献４ではＥＧＲガスの温度を低下させて燃焼室に供給するＥＧＲガスの充填量を増加させるようなことはできない。

更に、特許文献４のように、燃焼室に水を噴射するためには、噴射する水を溜めておくためのタンクが必要であり、更に該タンクに対して水を補給するための操作が常時必要になるといった問題がある。

本発明は、上記実情に鑑みてなしたもので、ＥＧＲクーラでＥＧＲガスを冷却することによって生じる結露水を給気通路に供給してＮＯｘの発生を効果的に低減するようにした内燃機関のＥＧＲ装置を提供しようとするものである。

本発明は、エンジンの排気通路と給気通路との間を、ＥＧＲクーラとＥＧＲバルブとを備えたＥＧＲ配管により接続している内燃機関のＥＧＲ装置であって、前記ＥＧＲ配管は、内底面が凹部を有しない平坦面であり、前記ＥＧＲ配管を、前記ＥＧＲクーラにおける排気導入部の高さが最も高く前記給気通路に対する接続部の高さが最も低くなるように傾斜配置し、前記ＥＧＲクーラ内で生じた結露水が前記ＥＧＲバルブを経て前記接続部から前記給気通路に導入されるよう構成し、前記ＥＧＲ配管は、前記ＥＧＲバルブを備えた部分が前記ＥＧＲクーラを備えた部分よりも更に大きな下り角度であることを特徴とするものである。

而して、上記ＥＧＲ装置では、排気ガスを冷却することによって生じた結露水が、傾斜配置されたＥＧＲ配管を介して給気通路に供給されるため、気筒に結露水が供給され、よって燃焼温度が低下してＮＯｘ排出量を抑制することができる。

ここで、ＥＧＲ装置で生じた結露水を給気通路に供給するようにしたので、各燃焼室に水を噴射する場合のように、各燃焼室に新たな水噴射弁を設けたり、噴射する水を溜めておくためのタンクを設けたりする必要がなく、且つタンクに対して水を補給するための操作等も省略できる。

前記ＥＧＲクーラが、二段式のＥＧＲクーラである場合には排気ガスがより低温に冷却されるため、多くの結露水を給気通路に供給することができる。

エンジン始動時に、ＥＧＲバルブを閉止状態から開作動させる際に、低速開作動させてＥＧＲバルブに貯留した水を少量ずつ流出させるようにすると、特定の気筒に貯留水が一気に供給される不都合を解消できる。

又、エンジンの停止時に、ＥＧＲバルブを微小開状態に保持してＥＧＲバルブに水が貯留されないようにしておくと、特定の気筒に貯留水が一気に供給される不都合を解消できる。

上記本発明の内燃機関のＥＧＲ装置によれば、ＥＧＲ装置において排気ガスを冷却することによって生じた結露水を、傾斜配置したＥＧＲ配管によって自動的に給気通路に供給するようにしたので、ＥＧＲ装置で生じた結露水が気筒に供給されて燃焼温度を低下しＮＯｘ排出量を抑制できるという優れた効果を奏し得る。

又、ＥＧＲ装置で生じた結露水を給気通路に供給するため、各燃焼室に水を噴射する場合のように、各燃焼室に新たな水噴射ノズルを設けたり、噴射する水を溜めておくためのタンクを設けたりする必要がなく、更に該タンクに対して水を補給するための操作等も省略できる効果がある。

ＥＧＲバルブを閉止状態から開作動させる際に、低速開作動させることによりＥＧＲバルブに貯留された水を少量ずつ流出させる、或いは、エンジンの停止時に、ＥＧＲバルブを微小開状態に保持してＥＧＲバルブに水が貯留されないようにすることにより、ＥＧＲバルブの開作動時に、特定の気筒に貯留水が一気に供給される不都合を解消できる効果がある。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は本発明を実施するＥＧＲ装置の形態の一例を示す平面図、図２は図１をＩＩ−ＩＩ方向である背面から見たＥＧＲ装置を展開して示した展開図あり、図６と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。

図１、図２に示すＥＧＲ装置５０は、エンジン１の側部に配置される水冷式の第１段クーラ５１ａとエンジン１の前面に配置される空冷式の第２段クーラ５１ｂとを有する二段式のＥＧＲクーラ５１と、ＥＧＲバルブ１９とをＥＧＲ配管１５に備えた場合を示している。

そして、上記ＥＧＲ装置５０は、前記ＥＧＲ配管１５が、前記ＥＧＲクーラ５１における排気導入部５２の高さが最も高く、ＥＧＲ配管１５が給気通路３に接続される接続部５３の高さが最も低くなるように排気通路５側から給気通路３側に向かって所要の下り角度Ｙを有する傾斜配置としている。

図２では、直線状に配置された第１段クーラ５１ａと第２段クーラ５１ｂからなるＥＧＲクーラ５１の排気導入部５２と排気導出部５２’が前記下り角度Ｙで傾斜しているのに対し、ＥＧＲバルブ１９を備えた部分のＥＧＲ配管１５は前記下り角度Ｙよりも更に大きな下り角度で給気通路３に接続されているが、これらの下り角度の大きさは任意に選定することができ、ＥＧＲ装置５０内で生成した結露水が全て給気通路３に流れ落ちるようになっていればよい。又、前記ＥＧＲ配管１５の少なくとも内底面は結露水が流下し易いように凹部を有しない平坦面としている。

図３にはＥＧＲバルブ１９の開閉を制御するための制御器５４が備えてあり、この制御器５４は、開作動信号５５が入力されてＥＧＲバルブ１９を閉止状態から開作動させる際に、ＥＧＲバルブ１９に低速開指令５６を出力してＥＧＲバルブ１９に貯留した水を少量ずつ流出させる低速開指令部５７を備えている。

又、図３に示す制御器５４は、エンジン１の停止信号５８が入力されるエンジン１の停止時には、ＥＧＲバルブ１９に微小開指令５９を出力してＥＧＲバルブ１９を微小開状態に保持する微小開指令部６０を備えている。尚、制御器５４は、図２の低速開指令部５７か図３の微小開指令部６０のいずれか一方を備えていればよい。

又、図５は図７と同様に１つのＥＧＲクーラ１８を備えた場合を示しており、この場合のＥＧＲ装置５０も、前記図２と同様に排気通路５から給気通路３に向かって所要の下り角度Ｙを有するように傾斜配置されている。

而して、上記したＥＧＲ装置５０の構成によれば、図２のＥＧＲクーラ５１或いは図５のＥＧＲクーラ１８によって排気ガス（ＥＧＲガス６ａ）を冷却することによって、ＥＧＲ配管１５内には結露水が生じるが、ＥＧＲ配管１５は給気通路３に向かって下り角度Ｙを有して傾斜配置されているため、ＥＧＲ配管１５内部に生じた結露水は自動的に給気通路３に供給されるようになり、この結露水によって燃焼温度が低下されることによりＮＯｘ排出量が抑制されるようになる。

この時、給気通路３に供給される結露水は、水滴状の比較的粒径が大きい粒状水として気筒２０に供給されるようになり、気筒２０での圧縮後の燃焼時にはじめて潜熱を奪って気化するように作用するため、燃焼温度が効果的に低下されるようになり、よってＮＯｘの抑制効果を大幅に高めることができる。

更に、ＥＧＲ装置５０で生じた結露水を給気通路３に供給するようにしたので、各燃焼室に水噴射ノズルによって水を噴射する場合のように、新たに水噴射弁を設けたり、噴射する水を溜めておくためのタンクを設けたりする必要がなく、更に、タンクに対して水を補給するための操作等も省略することができる。

又、前記ＥＧＲバルブ１９には図３に示した制御器５４が備えられており、制御器５４は、開作動信号５５が入力されてダンパ１９の閉止状態から開作動させる際に、低速開指令部５７から発せられる低速開指令５６によってＥＧＲバルブ１９をゆっくり開作動するようにしているので、ＥＧＲバルブ１９に貯留していた結露水が少量ずつ流出されるようになり、よって、貯留していた結露水が特定の気筒２０に一気に供給される不都合が解消される。

又、図３に示す制御器５４の場合には、エンジン１の停止信号５８が入力されるエンジン１の停止時に、微小開指令部６０から発せられる微小開指令５９によってＥＧＲバルブ１９を微小開の状態に保持するようにしているので、ＥＧＲバルブ１９が全閉となることはなく、よって、エンジン１の停止によってＥＧＲ装置５０の温度が低下しＥＧＲ装置５０内に結露水が発生しても、ＥＧＲバルブ１９に結露水が貯留されることはなく、微小開状態のＥＧＲバルブ１９から給気通路３に流出されるため、エンジン１の起動時に、特定の気筒２０に貯留水が一気に供給される不都合は解消される。

なお、上記形態では、水冷式の第１段クーラ５１ａと空冷式の第２段クーラ５１ｂとからなる二段式のＥＧＲクーラ５１の場合について例示したが、水冷式と空冷式の組み合わせは任意であること、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施するＥＧＲ装置の形態の一例を示す平面図である。図１をＩＩ−ＩＩ方向である背面から見たＥＧＲ装置を展開して示した展開図である。ＥＧＲバルブの開閉を制御するための制御器の一例を示す背面図である。ＥＧＲバルブの開閉を制御するための制御器の他の例を示す背面図である。１つのＥＧＲバルブを備えた場合の本発明の形態を示す背面図である。過給機付き内燃機関の一例を示す平面図である。図６のＥＧＲ装置をＶＩＩ−ＶＩＩ方向から見た背面図である。

符号の説明

１エンジン
３給気通路
５排気通路
１５ＥＧＲ配管
１８ＥＧＲクーラ
１９ＥＧＲバルブ
５０ＥＧＲ装置
５１二段式のＥＧＲクーラ
５１ａ第１段クーラ
５１ｂ第２段クーラ
５２排気導入部
５３接続部
５４制御器
５６低速開指令
５７低速開指令部
５９微小開指令
６０微小開指令部

Claims

エンジンの排気通路と給気通路との間を、ＥＧＲクーラとＥＧＲバルブとを備えたＥＧＲ配管により接続している内燃機関のＥＧＲ装置であって、
前記ＥＧＲ配管は、内底面が凹部を有しない平坦面であり、
前記ＥＧＲ配管を、前記ＥＧＲクーラにおける排気導入部の高さが最も高く前記給気通路に対する接続部の高さが最も低くなるように傾斜配置し、前記ＥＧＲクーラ内で生じた結露水が前記ＥＧＲバルブを経て前記接続部から前記給気通路に導入されるよう構成し、
前記ＥＧＲ配管は、前記ＥＧＲバルブを備えた部分が前記ＥＧＲクーラを備えた部分よりも更に大きな下り角度であることを特徴とする内燃機関のＥＧＲ装置。
ＥＧＲクーラが、二段式のＥＧＲクーラである請求項１に記載の内燃機関のＥＧＲ装置。
エンジン始動時に、ＥＧＲバルブを閉止状態から開作動する際に、ＥＧＲバルブに低速開指令を出力してＥＧＲバルブに貯留した水を少量ずつ流出させる低速開指令部を備えた制御器を有する請求項１又は２に記載の内燃機関のＥＧＲ装置。
エンジンの停止時に、ＥＧＲバルブに微小開指令を出力してＥＧＲバルブを微小開状態に保持する微小開指令部を備えた制御器を有する請求項１又は２に記載の内燃機関のＥＧＲ装置。