JP5836030B2 - Ｅｇｒ装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関等の燃焼装置からの排気の一部を燃焼室内に還流させて再燃焼させるＥＧＲ（排気再循環）装置に関する。

内燃機関からの排気を浄化して大気汚染の拡大を抑制することは重要な課題であるが、このためのシステム（装置）の一つとして、内燃機関からの排気の一部を燃焼室内に還流させて再燃焼させることで燃焼温度を下げ、排気中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）の濃度（排出量）を低減するための所謂ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環）システムが知られている。

かかるＥＧＲシステムにおいては、燃焼室内に還流させるＥＧＲガスを冷却することにより、燃焼温度を低下させることができ、これにより一層効果的にＮＯｘの排出量を低減することができる。

このようなことから、例えば、特許文献１に記載されるＥＧＲシステムでは、ＥＧＲガスを冷却するための熱交換器であるＥＧＲクーラを、ＥＧＲガスを排気通路から内燃機関の吸気通路へ導くＥＧＲ通路に介装することが行われている。

なお、ＥＧＲクーラを備えてＥＧＲガス温度を下げることによって、ＥＧＲガスの膨張も抑制されるため、吸気中に混合されるＥＧＲガス量（排気還流量）を増加させたい、すなわちＥＧＲ率（＝ＥＧＲガス量／（新気量＋ＥＧＲガス量）×１００（％））を一層稼ぎたいといった要求がある場合などにおいても有利となる。

特開２００６−１２５３５６号公報

ところで、ＮＯｘ排出量を一層低減するために高いＥＧＲ率で内燃機関を運転すると、高ＥＧＲ率化に伴い新気の空気量（新気量）が少なくなるため、排気の黒煙濃度が増加するおそれがある。

黒煙濃度の増加を抑制するためには、新気の空気量を維持しながら高ＥＧＲ率化を図る必要があるため、吸気側の過給圧（ブースト圧）を上げると共に排気側のエキマニ圧力（排気マニホールド圧力）を上げる必要があり、この結果、内燃機関のポンピングロスが大きくなるため、燃費が悪化してしまうといった実情がある。

本発明は、このような実情に鑑みなされたもので、簡単かつ安価な構成でありながら、ポンピングロス等を増大させずに、高いＥＧＲ率での運転を実現することができ、以って排出黒煙濃度（パティキュレート）の増加を抑制しながらＮＯｘ排出量を効果的に低減することができるＥＧＲ装置を提供することを目的とする。

このため、本発明に係るＥＧＲ装置は、
内燃機関の排気の一部をＥＧＲガスとして燃焼室に還流させるＥＧＲ装置であって、
ＥＧＲガスが排気通路から導かれ吸気通路に接続されるＥＧＲ通路の途中に容積室が設けられると共に、
該容積室から排気通路までの長さの異なる容積室上流側のＥＧＲ通路が複数備えられ、
ＥＧＲガスが流れる容積室上流側のＥＧＲ通路を切り換える切換バルブが備えられ、
内燃機関の運転状態に応じて、前記切換バルブにより、ＥＧＲガスが流れる容積室上流側のＥＧＲ通路を切り換えることを特徴とする。

本発明において、内燃機関の回転速度が低い場合に、容積室から排気通路までの長さの長い容積室上流側のＥＧＲ通路をＥＧＲガスが流れ、
内燃機関の回転速度が高い場合に、容積室から排気通路までの長さの長い容積室上流側のＥＧＲ通路をＥＧＲガスが流れるように、
容積室上流側のＥＧＲ通路が切り換えられることを特徴とすることができる。

また、本発明において、前記容積室は、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラのＥＧＲガスの入口部を構成していることを特徴とすることができる。

本発明において、ＥＧＲ通路の吸気通路との接続部付近にＥＧＲバルブが備えられると共に、切換バルブは、切換後の容積室上流側のＥＧＲ通路に無駄な容積を接続しない構成であることを特徴とすることができる。

本発明によれば、簡単かつ安価な構成でありながら、ポンピングロス等を増大させずに、高いＥＧＲ率での運転を実現することができ、以って排出黒煙濃度（パティキュレート）の増加を抑制しながらＮＯｘ排出量を効果的に低減することができるＥＧＲ装置を提供することができる。

本発明の実施の形態（実施例１）に係るＥＧＲ装置を備えた内燃機関の一構成例を概略的に示す概略全体構成図（高速域での運転時）である。 同上実施の形態（実施例１）に係るＥＧＲ装置を備えた内燃機関の一構成例を概略的に示す概略全体構成図（低速域での運転時）である。 ＥＧＲ装置におけるＥＧＲガスの圧力波の伝播の様子を説明するための模式図である。 ＥＧＲ装置におけるＥＧＲガスの容積室（開放端）からの返波（負圧波）による掃気効果を説明するための排気弁閉時期（ＥＣ：Ｅｘｔｈｏｓｔ ｖａｌｖｅ Ｃｌｏsｅ ｔｉｍｉｇ）と返波の様子を示すタイミングチャートの一例である。

以下、本発明に係る一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

図１に示すように、本実施の形態の実施例１に係る内燃機関１においては、図示しないエアクリーナ等を介して外気（新気）が吸入されるが、該新気は吸気通路２を介して過給機３のコンプレッサ（インペラ）３Ａに導かれて所定に圧縮された後、吸気通路２に介装されるインタークーラ４を介して所定に冷却されて、燃焼室（シリンダ）５内に導かれる。

燃焼室５から排出される燃焼後のガスは、燃焼室５に臨んで開口される排気ポート（図３の５Ｂ）を介して排気通路（排気マニホールド部分）６に導かれ、その後、過給機３の排気タービン３Ｂに回転エネルギを供給した後、排気通路７の下流に配設されている図示しない排気処理装置（酸化触媒、ＮＯｘ低減触媒、ディーゼルパティキュレートフィルタなど）において所定の処理を受けて浄化され、大気中に排出される。

ここで、本実施例では、燃焼後のガス（すなわち、排気）の一部を吸気（新気）と共に燃焼室５に再び導くことで、燃焼温度を低下させてＮＯｘの低減を図るためのＥＧＲ装置１００が設けられている。

本実施例に係るＥＧＲ装置（システム）１００（ＨＰＬ−ＥＧＲ：Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｌｏｏｐ−ＥＧＲ）は、排気タービン３Ｂの上流側において排気通路（排気マニホールド部分）６に連通されるＥＧＲ通路（排気還流通路）１０１を含んで構成され、該ＥＧＲ通路１０１には当該ＥＧＲ通路１０１を流れる排気（ＥＧＲガス：還流排気）を所定に冷却するためのＥＧＲクーラ１１０が介装されている。

ＥＧＲクーラ１１０のＥＧＲガス流れ下流側において、ＥＧＲ通路１０１は、ＥＧＲバルブ１２０が介装されると共に吸気通路２に接続されている。

ここで、本実施例では、図１に示すように、ＥＧＲクーラ１１０のＥＧＲガス流れ上流側において、ＥＧＲ通路１０１は、一旦、比較的短い管長の高速用ＥＧＲ通路１０１Ａと、比較的長い管長の低速用ＥＧＲ通路１０１Ｂと、に分岐され、再び合流されるようになっている。

そして、ＥＧＲガスが流れる通路を切り換えることができるように、高速用ＥＧＲ通路１０１Ａと低速用ＥＧＲ通路１０１Ｂの分岐部Ｘには、第１切換バルブ１３０が設けられると共に、合流部Ｙには、第２切換バルブ１４０が設けられている。

かかる構成を備えた本実施例に係るＥＧＲ装置１００は、排気の圧力波を利用して残留ガスを多く掃気することができる技術を利用した装置である。

すなわち、燃焼室５内の高温（すなわち低密度）の残留ガス（燃焼ガス：燃焼後のガス）を多く掃気することができれば、ＥＧＲクーラ１１０で冷却された（すなわち高密度）のＥＧＲガスを多く燃焼室５内へ導入することができるため、ポンピングロスを増大させることなく高ＥＧＲ率化を図ることができる。

本実施例に係るＥＧＲ装置１００における排気の圧力波の伝播の様子を、図３に示す。燃焼ガスの圧力波は、排気バルブ（図示せず）が開いた後、排気ポート５Ｂ、排気通路（排気マニホールド部分）６を介してＥＧＲ通路１０１へ伝達され、ＥＧＲクーラ１１０のＥＧＲガスの入口部分に設置されている容積室１１０Ａに到達する。

容積室１１０Ａは開放端となるため、容積室１１０Ａに到達した燃焼ガス（ＥＧＲガス）の圧力波は、負圧となって開放端から再び排気ポート５Ｂへと戻ることになる。

この負圧波の戻るタイミングと、排気バルブが閉じるタイミングと、を適宜に調整することで（例えばＥＧＲ通路１０１の管長など）、燃焼室５内の残留ガスを排気ポート５Ｂ側へ吸い出すことができ、残留ガスを効率良く掃気することができることになる。

図４に、掃気効果が最大となる負圧波のタイミングを示す。
図４に示すように、排気バルブが閉じるタイミングと、負圧波のピークと、が一致したときが、掃気効果が最大となる。

内燃機関１の回転速度が高い場合、排気バルブが開いてから閉じるまでの時間が比較的短いため、高い掃気効果を得るためには、排気バルブから開放端（容積室１１０Ａ）までのＥＧＲ通路１０１などのＥＧＲガスが流れる管路長さ（管長）を短くし、負圧波の戻りを早くする必要がある。

一方、内燃機関１の回転速度が低い場合、排気バルブが開いてから閉じるまでの時間が比較的長いため、高い掃気効果を得るためには、排気バルブから開放端（容積室１１０Ａ）までのＥＧＲ通路１０１などのＥＧＲガスが流れる管路長さ（管長）を長くして、負圧波の戻りを遅くする必要がある。

このため、本実施例に係るＥＧＲ装置１００では、内燃機関１の回転速度に応じて、ＥＧＲガスが流れるＥＧＲ通路１０１の長さを切り換えることができる構成とし、広い回転域に亘って高い掃気効果を得ることで、広い回転域に亘ってポンピングロスを増大させることなく高ＥＧＲ率化を図る。

詳細には、内燃機関１の回転速度が高速である場合は、図１に示したように、第１切換バルブ１３０、第２切換バルブ１４０を閉じて、ＥＧＲガスが流れるＥＧＲ通路１０１を、高速用ＥＧＲ通路１０１Ａ側へ切り換える。

これにより、全長の短い高速用ＥＧＲ通路１０１Ａが容積室１１０Ａに接続されることになるため、開放端にて発生した負圧波の戻りが早くなるため、高速域において高い掃気効果を得ることができる。

内燃機関１の回転速度が低速である場合は、図２に示したように、第１切換バルブ１３０、第２切換バルブ１４０を開いて、ＥＧＲガスが流れるＥＧＲ通路１０１を、低速用ＥＧＲ通路１０１Ｂ側へ切り換える。

これにより、全長の長い低速用ＥＧＲ通路１０１Ｂが容積室１１０Ａに接続されることになるため、開放端にて発生する負圧波の戻りが遅くなるため、低速域において高い掃気効果を得ることができる。

このように、本実施例に係るＥＧＲ装置１００によれば、内燃機関１の回転速度等の運転状態に応じて、管長の異なる高速用ＥＧＲ通路１０１Ａと、低速用ＥＧＲ通路１０１Ｂと、を切り換えることができるようにしたので、広い回転領域に亘って高い掃気効果を得ることができる。

このため、燃焼室５内の高温の残留ガスを多く掃気し、ＥＧＲクーラ１１０で冷却した高密度のＥＧＲガスを多く燃焼室５内へ導入することができるため、高ＥＧＲ率化が可能となる。

従って、本実施例に係るＥＧＲ装置１００によれば、吸気側の過給圧（ブースト圧）や排気側のエキマニ圧力（排気マニホールド圧力）を従来に対して増大させることなく、吸入空気量を維持したままで高いＥＧＲ率を実現可能であるから、内燃機関のポンピングロスが増大することがない。このため、燃費を維持しながらＮＯｘ排出量を効果的に低減することができる。

すなわち、本実施例に係るＥＧＲ装置１００によれば、簡単かつ安価な構成でありながら、ポンピングロス等を増大させずに、高いＥＧＲ率での運転を実現することができ、以って排出黒煙濃度（パティキュレート）の増加を抑制しながらＮＯｘ排出量を効果的に低減することができるＥＧＲ装置を提供することができる。

なお、ＥＧＲ率については、ＥＧＲバルブ１２０の開度を制御することで、内燃機関１の運転状態（回転速度、負荷、機関温度など）に応じて設定される目標ＥＧＲ率に制御することができる。

ところで、本実施例では、ＥＧＲ通路１０１を、比較的短い管長の高速用ＥＧＲ通路１０１Ａと、比較的長い管長の低速用ＥＧＲ通路１０１Ｂと、の間で切り換える構成として説明したが、これに限定されるものではなく、低速用ＥＧＲ通路、中速用ＥＧＲ通路、高速用ＥＧＲ通路などの管長の異なるＥＧＲ通路を３以上備えて切り換えの組み合わせを増やすことで、負圧の戻りに同期される回転速度を細分化することができ、以ってよりきめ細かなＥＧＲ制御が可能となる。

ところで、本実施例では、ＥＧＲ装置（システム）１００（ＨＰＬ−ＥＧＲ：Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｌｏｏｐ−ＥＧＲ）を備えて構成した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＥＧＲ装置（システム）として低圧ＥＧＲ装置（ＬＰＬ−ＥＧＲ：Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｌｏｏｐ−ＥＧＲ）を備えた場合にも適用できるものである。

なお、本発明は、ＥＧＲクーラ１１０を省略して構成することもでき、その場合には、容積室１１０Ａが省略されるが、ＥＧＲ通路１０１のＥＧＲガス流れの下流端と、吸気通路２と、の接続部が開放端となる。或いは、高速用ＥＧＲ通路１０１Ａと、低速用ＥＧＲ通路１０１Ｂと、が合流した後のＥＧＲ通路１０１に、容積室を設ける構成とすることもできる。

なお、本実施例では、内燃機関１の回転速度に応じて、ＥＧＲ通路を切り換えたり、ＥＧＲバルブの開閉状態を切り換えることとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、内燃機関１の負荷や温度（水温など）など内燃機関１の運転状態に応じて、ＥＧＲ通路を切り換えたり、ＥＧＲバルブの開閉状態を切り換える構成とすることもできる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、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。

１ 内燃機関
２ 吸気通路
５ 燃焼室
１００ ＥＧＲ装置
１０１ ＥＧＲ通路
１０１Ａ 高速用ＥＧＲ通路
１０１Ｂ 低速用ＥＧＲ通路
１１０ ＥＧＲクーラ
１１０Ａ 容積室
１２０ ＥＧＲバルブ
１３０ 第１切換バルブ
１４０ 第２切換バルブ

Claims (4)

1. 内燃機関の排気の一部をＥＧＲガスとして燃焼室に還流させるＥＧＲ装置であって、
   ＥＧＲガスが排気通路から導かれ吸気通路に接続されるＥＧＲ通路の途中に容積室が設けられると共に、
   該容積室から排気通路までの長さの異なる容積室上流側のＥＧＲ通路が複数備えられ、
   ＥＧＲガスが流れる容積室上流側のＥＧＲ通路を切り換える切換バルブが備えられ、
   内燃機関の運転状態に応じて、前記切換バルブにより、ＥＧＲガスが流れる容積室上流側のＥＧＲ通路を切り換えることを特徴とするＥＧＲ装置。
2. 内燃機関の回転速度が低い場合に、容積室から排気通路までの長さの長い容積室上流側のＥＧＲ通路をＥＧＲガスが流れ、
   内燃機関の回転速度が高い場合に、容積室から排気通路までの長さの長い容積室上流側のＥＧＲ通路をＥＧＲガスが流れるように、
   容積室上流側のＥＧＲ通路が切り換えられることを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲ装置。
3. 前記容積室は、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラのＥＧＲガスの入口部を構成していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＥＧＲ装置。
4. ＥＧＲ通路の吸気通路との接続部付近にＥＧＲバルブが備えられると共に、
   切換バルブは、切換後の容積室上流側のＥＧＲ通路に無駄な容積を接続しない構成であることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つに記載のＥＧＲ装置。
   

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