JP5447094B2

JP5447094B2 - 内燃機関の排気還流装置

Info

Publication number: JP5447094B2
Application number: JP2010079363A
Authority: JP
Inventors: 茂樹宮下; 裕史吉村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: JP2011208614A

Description

本発明は、内燃機関の排気還流装置に関する。

内燃機関の排気ガスの一部を吸気通路に還流させる排気還流装置が広く用いられている。

特開２００３−３８７９号公報実開平２−４９５８号公報特開平６−８１７２０号公報

排気還流通路の圧力と吸気管圧力との差圧が大きいほど、還流する排気ガスの流量は高くなる。気筒毎の排気還流量は、排気還流通路圧力と吸気管圧力との差を積分した値によって定まる。排気還流通路圧力は、各気筒が順次排気ガスを排出することによって、脈動する。一般的な排気還流装置の排気還流通路は、全気筒の排気通路に連通している。このため、排気還流通路圧力の脈動には、１サイクル（クランク角度で７２０°）の間に、全気筒数と同じ数の山が等間隔で生ずる。この場合には、排気還流通路圧力の脈動の山と、吸気弁開弁期間との間の位相は、どの気筒でもほぼ同じ位相となる。従って、排気還流通路圧力と吸気管圧力との差を積分した値は、どの気筒でもほぼ同じになるので、各気筒の排気還流量は概ね均一になる。

しかしながら、一部の気筒から取り出した排気ガスを全気筒に還流させるように構成された排気還流装置がある。例えば、４気筒型エンジンにおいて、二つの気筒のみから取り出した排気ガスを四つ全部の気筒に還流させる排気還流装置の場合には、排気還流通路圧力の脈動には、１サイクルの間に二つの山しか生じない。このため、四つの気筒のうちの二つでは吸気弁開弁期間が排気還流通路圧力の脈動の山に重なるが、残る二つの気筒では吸気弁開弁期間が排気還流通路圧力の脈動の谷に重なる。この場合、前者の気筒は、後者の気筒と比べ、排気還流通路圧力と吸気管圧力との差圧が大きくなるので、排気還流量が多くなる。このようにして、排気還流量が気筒間で不均一になるという問題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、一部の気筒から取り出した排気ガスを、それより多い数の気筒に還流させる場合に、排気還流量が気筒間で不均一になることを抑制することのできる内燃機関の排気還流装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気還流装置であって、
内燃機関の全気筒のうちの一部の気筒である排気ガス取り出し気筒のみから取り出された排気ガスを、前記排気ガス取り出し気筒とそれ以外の気筒からなる気筒（全気筒の場合を含む）である排気ガス導入気筒に還流させる排気還流装置であって、
前記排気ガス取り出し気筒から排出された排気ガスのみが流れる排気通路に接続された排気ガス取り出し通路と、
前記排気ガス取り出し通路に連通する排気ガス分配通路と、
前記排気ガス分配通路と、前記排気ガス導入気筒の各々の吸気ポートとの間を気筒毎に接続する排気ガス導入通路と、
を備え、
前記排気ガス取り出し気筒と前記排気ガス導入気筒とを兼ねる気筒の吸気ポートに接続された排気ガス導入通路の最小の流路断面積が、前記排気ガス導入気筒であって前記排気ガス取り出し気筒ではない気筒の吸気ポートに接続された排気ガス導入通路の最小の流路断面積より小さくなっていることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記排気ガス導入気筒は、複数の気筒群に分かれ、
前記排気ガス分配通路は、前記複数の気筒群毎に別個に設けられていることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記排気ガス取り出し気筒と前記排気ガス導入気筒とを兼ねる気筒に対する前記排気ガス分配通路である第１の排気ガス分配通路と、前記排気ガス導入気筒であって前記排気ガス取り出し気筒ではない気筒に対する前記排気ガス分配通路である第２の排気ガス分配通路とが別個に設けられていることを特徴とする。

また、第４の発明は、第３の発明において、
前記排気ガス取り出し通路の上流端から前記第１の排気ガス分配通路までの排気ガス経路長が、前記排気ガス取り出し通路の上流端から前記第２の排気ガス分配通路までの排気ガス経路長より長いことを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記排気ガス取り出し通路は、排気ガスの入口が二つあるターボチャージャの一方の入口付近に接続されていることを特徴とする。

第１の発明によれば、排気を還流させる吸排気差圧が比較的大きい気筒の排気ガス導入通路の流路断面積を、排気を還流させる吸排気差圧が比較的小さい気筒の排気ガス導入通路の流路断面積より小さくしたことにより、吸排気差圧の違いによって気筒間の排気還流量に差が生ずることを抑制し、各気筒の排気還流量を均一化することができる。

第２の発明によれば、各気筒の排気還流量をより確実に均一化することができる。

第３の発明によれば、各気筒の排気還流量をより確実に均一化することができる。

第４の発明によれば、吸排気差圧が比較的大きい気筒に還流する排気脈動の位相を遅らせることにより、吸排気差圧が比較的小さい気筒との吸排気差圧の差を緩和することができる。このため、各気筒の排気還流量をより確実に均一化することができる。

第５の発明によれば、排気ガスの入口が二つあるツインエントリ型またはツインスクロール型のターボチャージャを備えた内燃機関において、上記効果を達成することができる。

本発明の実施の形態１の排気還流装置を備えた内燃機関を示す平面図である。本発明の実施の形態１の排気還流装置を備えた内燃機関を示す断面側面図である。排気ガス分配通路内の排気脈動と、吸気ポート内の吸気脈動とを示す図である。本発明の実施の形態２の排気還流装置を備えた内燃機関を示す平面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１および図２は、それぞれ、本発明の実施の形態１の排気還流装置を備えた内燃機関を示す平面図および断面側面図である。図１に示すように、本実施形態における内燃機関１０は、＃１〜＃４の四つの気筒を備えた直列４気筒型のものである。爆発順序は、＃１→＃３→＃４→＃２の順である。

吸入空気が通る吸気通路１２には、スロットル弁１４が設置されている。吸気通路１２は、吸気マニホールド１６に接続されている。吸気マニホールド１６は、サージタンク１８と、このサージタンク１８から分岐して突出した４本の吸気ポート（吸気枝管）２０とを有している。各吸気ポート２０は、各気筒にそれぞれ接続されている。

＃１気筒に接続された排気ポート２２と、＃４気筒に接続された排気ポート２４とは、共に排気通路２６に接続されている。一方、＃２気筒に接続された排気ポート２８と、＃３気筒に接続された排気ポート３０とは、共に排気通路３２に接続されている。排気通路２６および排気通路３２の下流側には、排気浄化触媒３４が設けられている。

排気通路２６には、＃１気筒および＃４気筒の排気ガスのみが流れる。この排気通路２６には、排気ガス取り出し通路３６の一端が接続されている。排気ガス取り出し通路３６の途中には、還流する排気ガスを浄化するためのＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）触媒３８と、全体の排気還流量を制御するためのＥＧＲ弁４０とが設置されている。排気ガス取り出し通路３６の他端は、排気ガス分配通路４２に接続されている。

なお、図１中では、排気ポート２２，２４，２８，３０、排気通路２６，３２および排気ガス取り出し通路３６については、簡略化のため、一本の線で表している。

図２に示すように、内燃機関１０の各気筒には、ピストン４４と、吸気弁４６と、排気弁４８とが設けられている。各気筒の吸気ポート２０と、排気ガス分配通路４２とは、排気ガス導入通路５０によって、気筒毎に接続されている。

このような構成により、本実施形態の排気還流装置は、＃１気筒および＃４気筒の排気ガスの一部を排気ガス取り出し通路３６を介して取り出し、その取り出された排気ガスを、排気ガス分配通路４２および各排気ガス導入通路５０を介して、＃１〜＃４の全気筒の吸気ポート２０に還流させることができる。

図３は、排気ガス分配通路４２内の排気脈動と、吸気ポート２０内の吸気脈動とを示す図である。排気ガス分配通路４２には、全気筒のうち＃１気筒および＃４気筒の排気ポート２２，２４しか連通していない。このため、図３に示すように、排気ガス分配通路４２内の排気脈動には、１サイクル（７２０°）の間に、二つの山しか生じない。＃１気筒と＃４気筒との爆発間隔は、３６０°であるので、その二つの山の間隔は３６０°となる。

図３の（ａ）は、排気ガス分配通路４２内の排気脈動と、＃１気筒の吸気ポート２０内の吸気脈動との関係を示している。吸気弁４６が開くことにより、吸気脈動の谷が生ずる。この図に示すように、＃１気筒では、吸気脈動の谷と、排気ガス分配通路４２内の排気脈動の山とが重なる。この山は、＃１気筒自身の排気ブローダウンによって生じた山である。＃１気筒では、吸気脈動の谷（吸気弁開弁期間）と、排気ガス分配通路４２内の排気脈動の山とが重なることにより、両者の差圧（以下、「吸排気差圧」と称する）が大きくなる。同様にして、＃４気筒においても、吸排気差圧が大きくなる。

図３の（ｂ）は、排気ガス分配通路４２内の排気脈動と、＃３気筒の吸気ポート２０内の吸気脈動との関係を示している。この図に示すように、＃３気筒では、吸気脈動の谷（吸気弁開弁期間）は、排気ガス分配通路４２内の排気脈動の谷と重なる。このため、吸排気差圧は小さい。同様にして、＃２気筒においても、吸排気差圧は小さい。

以上のように、＃１および＃４気筒の吸排気差圧は、＃２および＃３気筒の吸排気差圧より大きい。このため、他の条件が同じであるとすると、＃１および＃４気筒の排気還流量は、＃２および＃３気筒の排気還流量より多くなり、両者の間で不均衡が生ずる。このような不均衡を是正するため、本実施形態では、図１に示すように、＃１および＃４気筒の吸気ポート２０に接続する排気ガス導入通路５０の口径を、＃２および＃３気筒の吸気ポート２０に接続する排気ガス導入通路５０の口径より小さくすることとした。これにより、＃１および＃４気筒用の排気ガス導入通路５０は、＃２および＃３気筒用の排気ガス導入通路５０と比べ、流路断面積が小さいので、通過抵抗が大きい。このため、＃１および＃４気筒の吸排気差圧が＃２および＃３気筒の吸排気差圧より大きいことの効果を相殺することができる。すなわち、＃１および＃４気筒の排気還流量と、＃２および＃３気筒の排気還流量との間に差が生ずることを抑制し、各気筒の排気還流量を均一化することができる。

なお、排気ガス導入通路５０が、流れ方向に沿って流路断面積が変化する形状をしている場合には、＃１および＃４気筒用の排気ガス導入通路５０の最小の流路断面積が、＃２および＃３気筒用の排気ガス導入通路５０の最小の流路断面積より小さくなっていればよい。

上述した実施の形態１においては、＃１および＃４気筒が、前記第１の発明における「排気ガス取り出し気筒と排気ガス導入気筒を兼ねる気筒」に該当しており、＃２および＃３気筒が、前記第１の発明における「排気ガス導入気筒であって排気ガス取り出し気筒ではない気筒」に該当している。

実施の形態２．
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。

図４は、本発明の実施の形態２の排気還流装置を備えた内燃機関を示す平面図である。本実施形態の内燃機関１０には、ターボチャージャ５２が備えられている。ターボチャージャ５２は、内燃機関１０の排気ガスのエネルギによって作動するタービン５２１と、このタービン５２１によって駆動されるコンプレッサ５２２とを有している。コンプレッサ５２２は、吸気通路１２の途中に配置されている。エアクリーナ５４を通過した吸入空気は、コンプレッサ５２２により圧縮され、インタークーラ５６で冷却される。

タービン５２１は、排気ガスの入口を二つ有している。すなわち、ターボチャージャ５２は、ツインエントリ型またはツインスクロール型のものである。タービン５２１の一方の入口には、＃１および＃４気筒からの排気ガスが流れる排気通路２６が接続されており、他方の入口には、＃２および＃３気筒からの排気ガスが流れる排気通路３２が接続されている。このようなツインエントリ型またはツインスクロール型のターボチャージャ５２によれば、気筒間の排気脈動の干渉を抑制することができ、優れた過給特性が得られる。

タービン５２１の一方の入口付近の排気通路２６には、排気ガス取り出し通路５８の一端が接続されている。排気ガス取り出し通路５８の途中には、ＥＧＲ弁４０が設置されている。排気ガス取り出し通路５８の下流側は、第１ＥＧＲ通路６０と第２ＥＧＲ通路６２とに分岐している。第１ＥＧＲ通路６０は、第１の排気ガス分配通路６４に接続されている。第２ＥＧＲ通路６２は、第２の排気ガス分配通路６６に接続されている。第１ＥＧＲ通路６０の長さは、第２ＥＧＲ通路６２より長くなっている。

＃１および＃４気筒の吸気ポート２０と、第１の排気ガス分配通路６４とは、排気ガス導入通路６８によって、気筒毎に接続されている。＃２および＃３気筒の吸気ポート２０と、第２の排気ガス分配通路６６とは、排気ガス導入通路７０によって、気筒毎に接続されている。排気ガス導入通路６８の口径（流路断面積）は、排気ガス導入通路７０の口径（流路断面積）より小さくなっている。

上述したように、本実施形態では、実施の形態１と同様に、＃１および＃４気筒用の排気ガス導入通路６８は、＃２および＃３気筒用の排気ガス導入通路７０と比べ、流路断面積が小さくなっているので、通過抵抗が大きい。このため、＃１および＃４気筒の吸排気差圧が＃２および＃３気筒の吸排気差圧より大きいことの効果を相殺することができる。

また、本実施形態では、排気ガス（ＥＧＲガス）の取り出し位置（排気ガス取り出し通路５８の上流端）から、＃１および＃４気筒用の第１の排気ガス分配通路６４までの排気ガス経路長が、＃２および＃３気筒用の第２の排気ガス分配通路６６までの排気ガス経路長より長くなっている。すなわち、＃１および＃４気筒用の第１の排気ガス分配通路６４では、排気ガス取り出し位置からの経路長が長いので、排気脈動の位相が遅れる。これにより、＃１および＃４気筒において、第１の排気ガス分配通路６４内の排気脈動の山が吸気脈動の谷（吸気弁開弁期間）に重なることを抑制することができる。よって、＃１および＃４気筒の吸排気差圧と、＃２および＃３気筒の吸排気差圧との差を緩和することができる。

本実施形態では、上述した二つの作用により、＃１および＃４気筒の排気還流量と、＃２および＃３気筒の排気還流量との間に差が生ずることをより確実に抑制し、各気筒の排気還流量をより確実に均一化することができる。

１０内燃機関
２０吸気ポート
２２排気ポート
３４排気浄化触媒
３６排気ガス取り出し通路
４０ＥＧＲ弁
４２排気ガス分配通路
４６吸気弁
４８排気弁
５０排気ガス導入通路
５２ターボチャージャ
５８排気ガス取り出し通路
６４第１の排気ガス分配通路
６６第２の排気ガス分配通路
６８排気ガス導入通路
７０排気ガス導入通路

Claims

内燃機関の全気筒のうちの一部の気筒である排気ガス取り出し気筒のみから取り出された排気ガスを、前記排気ガス取り出し気筒とそれ以外の気筒からなる気筒（全気筒の場合を含む）である排気ガス導入気筒に還流させる排気還流装置であって、
前記排気ガス取り出し気筒から排出された排気ガスのみが流れる排気通路に接続された排気ガス取り出し通路と、
前記排気ガス取り出し通路に連通する排気ガス分配通路と、
前記排気ガス分配通路と、前記排気ガス導入気筒の各々の吸気ポートとの間を気筒毎に接続する排気ガス導入通路と、
を備え、
前記排気ガス取り出し気筒と前記排気ガス導入気筒とを兼ねる気筒の吸気ポートに接続された排気ガス導入通路の最小の流路断面積が、前記排気ガス導入気筒であって前記排気ガス取り出し気筒ではない気筒の吸気ポートに接続された排気ガス導入通路の最小の流路断面積より小さくなっていることを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
前記排気ガス導入気筒は、複数の気筒群に分かれ、
前記排気ガス分配通路は、前記複数の気筒群毎に別個に設けられ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。
前記排気ガス取り出し気筒と前記排気ガス導入気筒とを兼ねる気筒に対する前記排気ガス分配通路である第１の排気ガス分配通路と、前記排気ガス導入気筒であって前記排気ガス取り出し気筒ではない気筒に対する前記排気ガス分配通路である第２の排気ガス分配通路とが別個に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の排気還流装置。
前記排気ガス取り出し通路の上流端から前記第１の排気ガス分配通路までの排気ガス経路長が、前記排気ガス取り出し通路の上流端から前記第２の排気ガス分配通路までの排気ガス経路長より長いことを特徴とする請求項３記載の内燃機関の排気還流装置。
前記排気ガス取り出し通路は、排気ガスの入口が二つあるターボチャージャの一方の入口付近に接続されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の排気還流装置。