JP5303575B2 - 排気ガス再循環混合装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関空気吸入装置に関し、特に、再循環する排気ガスをエンジン吸入空気中に混合する装置に関する。

現代のディーゼル機関は、ＮＯｘ排出に関するエンジン排気規制に準拠するために、エンジンの空気取入口への排気ガス再循環（「ＥＧＲ」）を必要とする。排気ガス再循環の方法と装置は周知であり、一般にシリンダから排出されるガスの一部分を分岐させて、それをろ過し、冷却して、吸入給気中に混合する。シリンダ間ＥＧＲ分布は、排気排出規制への準拠を達成するとともに、許容可能なエンジン運転を維持し、且つ最適な正味燃料消費率（「ＢＳＦＣ」）で運転するために重要である。

現在周知の解決策は、例えば、特許文献１及び特許文献２に示されるように、ベンチュリの原理に基づく混合器を含む。特許文献３、特許文献４、及び特許文献５等では、その他の周知の混合器は、排気ガスを吸入空気流方向に取り入れる管を開示している。

特許文献６は、切り取られた先端を持つ斜め開口部を有する管を示している。この管の壁部分が吸入空気流を分割し、吸入空気流は管の下流側で再合流して、流入する排気ガスと混ざる。

特許文献７は、ガソリン機関用の排気ガス混合管の取付けを開示している。

米国特許第６，３４３，５９４号明細書 米国特許第６，２６７，１０６号明細書 米国特許第６，４２５，３８２号明細書 米国特許第６，６７２，２９２号明細書 米国特許第６，８８９，６７３号明細書 米国特許第６，４２７，６７１号明細書 米国特許第５，４９２，１０４号明細書

これらの基準を満たすためには、ＥＧＲと流入する給気とを十分に混合することが必要とされる。現在のＥＧＲ混合器の設計は、これらの要件を全てのエンジン運転速度にわたって満たそうと努力している。

図４は、本発明と共通して所有される排気ガス混合管１０を示す。図４の混合管１０は、円筒状の第１の部分１２を有し、この円筒状の第１の部分１２は、流れの方向へと湾曲するとともに外向きに（管軸に対して）横方向に広がって排気ガスを吸入空気流中に導く湾曲したひしゃく形の案内壁１４へと遷移する。

図５は、本発明の混合装置と共通して所有されるまた他の混合管１６を示す。この混合管１６は、円筒状の第１の部分１８に続くエルボ２０を有し、エルボ２０は、第１の部分の軸に対して約９０度屈曲し、口部２２で終端して、排気を吸入空気中へと吸入空気流の方向に導く。

排気ガスをエンジン空気取入口において混合するための本発明に従う装置は、吸入空気コンジット内に配置又は形成される混合室と、排気ガスを混合室内に取り入れる混合管とを含む。混合管は、エンジンに再循環される排気ガスの源に接続される。

混合室は、吸入空気を受ける入口及び吸入空気を排出する出口であって、入口と出口との間に孔部又はポートを有する入口及び出口と、孔部内へと延在する混合管とを有し、混合室内に配置される混合管の端部分は、混合室出口の方を向く細長い斜角開口部と、混合室入口の方を向く壁とを有する円筒状部分として成形される。排気ガスは、細長い開口部を介して混合室内のエンジン吸入空気流に入る。

本発明のまた他の態様によれば、細長い開口部を形成する混合管の端部分の壁の縁部は、混合管の長手軸に対して約５０°以上に配向される。

本発明の好適な実施形態によれば、混合管の端部分の断面積は、混合管が混合室内へと延在する点における混合室の断面積の少なくとも４０％である。混合管の壁は、吸入空気を壁の周りで流動させるパドルを形成して、排気ガスが混合室に入って給気と混ざることを容易にする。

低いエンジン速度且つそれに伴う低い吸入空気流量では、圧力の脈動によって給気流の方向が逆転する。細長い開口部は、逆流を集めて空気と流入する排気ガスが混ざることを可能にする逆流混合容積を提供する。

本発明によれば、混合管の細長い開口部は、混合室内に配置される混合管の略長さにわたる。

本発明のまた他の態様によれば、細長い開口部を形成する混合管の端部分の壁の縁部は、略長円形となるように形成される。略長円形の開口部は、混合管の端において湾曲した先端を形成する。

本発明のまた他の態様によれば、混合管の先端は、孔部の反対側の混合室の壁から混合室の幅の２０％以下の距離だけ離間する。

混合管の先端は、混合室の壁から先端までの狭い隙間を有して、高い空気流量中に空気流に渦放出を生じさせる縁部を提供する。空気流における渦放出は、給気と、混合管開口部を介して入ってくる排気との混合を助長する。

本発明の更にまた他の態様によれば、混合管の壁は、少なくとも先端において、管直径の約１０％以下の厚さを有する。

本発明は、以下の詳細な説明を添付図面と併せて参照することにより、より明確に理解されよう。図面は下記のとおりである。

高エンジン速度中における流れ特性を示す、本発明に従う排気ガス再循環混合装置の概略図である。 混合室の流れ方向と反対に見た、すなわち図１の上から見た図１の装置の端面図である。 低エンジン速度中における流れ特性を示す、図１の装置の図である。 先行技術の混合管の斜視図である。 また他の先行技術の混合管の斜視図である。

本発明の好適な実施形態に従う排気ガス再循環（「ＥＧＲ」）混合装置を、図１、２及び３の略図に示す。

本発明に従う混合装置は、内燃機関（図示せず）の給気又は吸入空気コンジット構造内に配置されて、排気ガス２６と流入する給気２８が混合できるようになっている。混合室３０は、単に吸入コンジットの指定部分とされ、又は特定の位置によって必要とされるように成形される。また、混合室３０は、給気コンジット内において接続される別個の構成要素とされる。混合室３０は、給気源から給気を受ける入口３２を含み、給気源は、ターボ過給機、給気冷却器及び当該技術分野において周知のその他の装置を含む。混合室３０は、給気を排出する出口３４も含み、給気は、排気ガス再循環が行なわれている場合に排気ガスと混合される。入口３２から出口３４への方向が、混合室３０の流れの方向を画定する。混合室３０は更に、入口３２と出口３４との間にポート３８を含み、混合室３０内で混合される排気ガス２６を受け入れる。

混合管４０は、ポート３８を通って混合室３０内へと（流れの方向に対して）略垂直に延在して取り付けられる。混合管４０は、斜角開口部４２により形成される端部分で終端する筒長の管として形成される。また、混合管は、混合室３０の一体的部分として形成される。

本発明によれば、斜角開口部４２は、管４０の長手軸に対して５０°より大きい角度αで切断される。斜角開口部４２は、図２により明確に図示される略長円形の口又は出口４４を形成し、この口又は出口４４は、排気ガスを混合室内に取り入れるために、混合室３０の下流に向かう流れの方向に向いて配向される。従って、混合室３０の上流方向に配向される端部分の壁４６は、以下に詳細に説明するように、２つの機能を有する「パドル」を形成する。簡単に言うと、１つの機能では、パドル壁４６は、給気を案内して斜角開口部４２の周りにおいて、すなわち図２に示すように開口部４２を取り巻く空間５０を通って流動させ、口４４から混合室３０に流入する排気ガスと混合する。第２の機能では、パドル壁４６は、より低いエンジン速度における逆流脈動中に給気を捕えるとともに、捕えられた給気と再循環排気ガスとの混合を促進する。

斜角開口部４２は、図２に示すように、略長円形の形状である。略長円形の開口部４２は、混合管４０の端部において湾曲した先端４８を形成する。

好ましくは、少なくとも先端４８における混合管の壁は、混合管４０の直径ｄの約１０％以下とされる厚さを有する。

図２に最も分かりやすく図示する本発明の好適な実施形態によれば、混合管４０の端部分、混合室３０の流れに対して提示される管の前側部分の断面積は、混合管が混合室内へと延在する点における混合室３０の断面積の少なくとも４０％である。

本発明のまた他の態様によれば、混合管４０の先端４８は、ポート３８の反対側の混合室３０の壁３６から、混合室の幅ｗの２０％以下の距離ｓだけ離間する。先端４８と混合室の壁３６との間の距離は、好ましくは管の肉厚と略同様である。

本発明に従う混合装置は、低いエンジン速度且つそれに伴う低い給気流量と、高いエンジン速度且つそれに伴う高い給気流量との両方で有利に機能するように構成される。次に図３を参照すると、低いエンジン速度では、シリンダ弁の開閉によって引き起こされる圧力の脈動が吸気マニホルド及び混合室３０内において広がる。これらの圧力の脈動は、ＥＧＲ流と新鮮空気流とを含む混合室３０内の流れの方向を、矢印６０によって示すように逆転させる。パドル壁４６は、逆流の大部分を捕え、これを管４０内に案内し、管４０において逆流する空気混合物は管内を流れる排気ガス２６と衝突し、小さい湾曲矢印６２によって示すように混合する。この更に十分に混合された給気は、その後、燃焼サイクルの次の吸入中に混合室３０に吸入される。

図１に戻り、より高いエンジン速度では、圧力パルスはもはや混合における支配的な要素ではない。エンジン速度が増加すると、混合と移送に使用可能な時間量は減少して、急速な混合が重要になる。上述のように、混合室３０内に突出する混合管４０は、混合室内部における給気流のための断面積を減少させる。減少した面積５０（図２参照）は、給気を混合管４０の周りにおいて加速させる。この速度の増加により、給気中の局所的な低圧が生ずる。加速とそれによる圧力変化は、混合管の先端４８において最も大きく、これは、面積の減少がその位置において最も大きいためである。給気は、混合管４０の先端４８を通過して移動する時に、口４４から混合室３０内に流入する相対的に高圧の排気ガスの領域に遭遇する。圧力の差によって空気流中に流体せん断が生じ、これが小矢印６４によって示される渦放出を引き起こす。これらのカオス的不規則流パターンが、流入する排気ガス流と加速された給気流との更に十分な混合をもたらす。渦の形成が最も強い混合管の先端に関して例示したが、ある程度の渦放出は、斜角開口部の周縁部の周りにおいて、特に開口部の前縁部と見なされる先端４８を含む斜角開口部の約半分で起こる。

提案された設計は、エンジン運転速度全体にわたってＥＧＲと新鮮な給気との混合においてより効果的であり、製造が容易であり、丈夫であり、且つ低コストである。

好適な原則、実施形態及び構成要素に関して本発明を説明してきたが、当業者は、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書に記載されたものが均等物に置き換えられ得ることを理解されよう。

Claims (5)

1. エンジンの空気取入口において排気ガスを混合する装置であって、
   吸入空気コンジット内に配置される混合室であって、吸入空気を受ける入口と前記吸入空気を排出する出口とを有し、前記入口と前記出口との間にポートを有する混合室と、
   前記ポートを通って延在する混合管であって、前記混合室内に配置される前記混合管の端部分は、前記混合室出口の方を向く細長い長円形の開口部と前記混合室入口の方を向く壁とを有するように区分された円筒部分として形作られ、前記混合管の先端は前記ポートの反対側の前記混合室の壁から、前記混合室の幅の２０％以下の距離だけ離間し、前記混合管の前記端部分の断面積は、前記混合管が前記混合室内へと延在する点における前記混合室の断面積の少なくとも４０％である混合管とを備え、
   前記細長い開口部を形成する前記混合管の前記端部分の前記壁の縁部は、前記混合管の長手軸に対して約５０°以上に配向され、
   前記混合室の内面（Ａ）と前記混合管の先端と反対側の前記細長い長円形の開口部端部（Ｂ）とがほぼ前記混合室の長手軸方向に配置されており、
   前記細長い開口部は低いエンジン速度における逆流脈動中に給気を捕えるとともに、前記捕えられた給気と前記排気ガスとの混合を促進する装置。
2. 前記細長い開口部を形成する前記混合管の前記端部分の前記壁の縁部は、略長円形である、請求項１に記載の装置。
3. 前記混合管の前記細長い開口部は、前記混合室内に配置される前記混合管の略長さにわたる、請求項１に記載の装置。
4. 少なくとも前記先端における混合管の壁は、管直径の約１０％以下の厚さを有する、請求項１に記載の装置。
5. エンジンの空気取入口において排気ガスを混合する装置であって、
   吸入空気コンジット内に配置される混合室であって、吸入空気を受ける入口と前記吸入空気を排出する出口とを有し、前記入口と前記出口との間にポートを有する混合室と、
   前記ポートを通って延在する混合管であって、前記混合室内に配置される前記混合管の端部分は、前記混合室出口の方を向く細長い斜角開口部と、前記混合室入口の方を向く壁とを形成するように、前記混合管の長手軸に対して斜めに区分された円筒部分として成形され、前記混合管の先端は、前記ポートの反対側の前記混合室の壁から前記混合室の幅の２０％以下の距離だけ離間し、前記混合管の前記端部分の断面積は、前記混合管が前記混合室内へと延在する点における前記混合室の断面積の少なくとも４０％である混合管とを備え、
   前記細長い斜角開口部を形成する前記混合管の前記端部分の前記壁の縁部は、前記混合管の長手軸に対して約５０°以上に配向され、
   前記混合室の内面（Ａ）と前記混合管の先端と反対側の前記細長い斜角開口部端部（Ｂ）とがほぼ前記混合室の長手軸方向に配置されており、
   前記細長い斜角開口部は低いエンジン速度における逆流脈動中に給気を捕えるとともに、前記捕えられた給気と前記排気ガスとの混合を促進する装置。

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