JP5938974B2

JP5938974B2 - ベンチュリ

Info

Publication number: JP5938974B2
Application number: JP2012065947A
Authority: JP
Inventors: 飯島　章; 章飯島
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2032-03-22
Also published as: JP2013194703A

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に接続された排気再循環通路と内燃機関の吸気通路との接続部に設けられるベンチュリに関する。

過給ディーゼルエンジンにおいては、ＮＯｘ（窒素酸化物）を低減させるためにＥＧＲシステムが使用されている。図３にＥＧＲシステムの一例を示す。図３に示すＥＧＲシステムは、所謂高圧ＥＧＲシステムである。

図３に示すＥＧＲシステム５において、通常は排気圧（タービン４ａの入口圧力）が給気圧（コンプレッサ４ｂの出口圧力）より高いため、ＥＧＲバルブ７を開くとＥＧＲが行われる（排気ガスの一部がＥＧＲ管６を介して排気管３から吸気管２に戻される）。しかしながら、高負荷領域では、給気圧が排気圧よりも高くなり、ＥＧＲがかからなくなることがある。そこで、図４に示すようなベンチュリ３０をＥＧＲシステム５において用いる場合がある。

図４に示すベンチュリ３０は、インタークーラ９と吸気マニフォールド１ｃとの間の吸気管２（つまり、インタークーラ９よりも下流の吸気管２）に配設される。

図４に示すベンチュリ３０は、吸気管２に設けられ、吸気管２の通路面積を絞るノズル部３１と、ノズル部３１よりも下流の吸気管２にノズル部３１と間隔を隔てて設けられ、吸気管２の下流側に行くに従い吸気管２の通路面積を増加させるディフューザ部３２と、ノズル部３１とディフューザ部３２との間の間隙の外周に設けられる環状チャンバ３３を有するＥＧＲ合流部３４と、ＥＧＲ管６とＥＧＲ合流部３４の環状チャンバ３３とを連通するＥＧＲガス導入管３５を有するＥＧＲガス導入部３６とを備える。

図４に示すベンチュリ３０では、ディフューザ部３２の内壁面３２ａは、吸気管２の上流側から下流側に対して角度（開き角）αで一定の拡がりを有する直線により規定されている。つまり、ディフューザ部３２の側断面形状は、吸気管２の上流側から下流側に行くに従い角度一定で拡径するテーパ形状に形成されている。また、図４に示すベンチュリ３０では、ＥＧＲガス導入管３５は、環状チャンバ３３の径方向に沿って延びるようにＥＧＲ合流部３４に接続されている。

特開２００７−９２５９２号公報

図４に示すようなベンチュリ３０をＥＧＲシステム５において用いる場合、ベンチュリ３０の圧力損失が問題になる。ベンチュリ３０の圧力損失を最低とするには、例えば、図４に示す角度αを８．０ｄｅｇとする必要がある。そのために、結果として、図４に示す長さＬ₀が長くなり、ベンチュリ３０全体の長さも長くなってしまい、エンジン１により駆動される各種装置（例えば、車両等）への搭載上の阻害要因となっている。

しかしながら、図４に示すようなベンチュリ３０において、ディフューザ部３２の形状を変えることでディフューザ部３２の長さＬ₀を短縮するのみでは、ベンチュリ３０の圧力損失の低減効果には限界がある。また、図４に示すようなベンチュリ３０では、環状チャンバ３３からのＥＧＲガスは、環状チャンバ３３の全周について均一にディフューザ部３２内に吸い込まれるとは限らない。即ち、ベンチュリ３０の圧力損失を低減するために、ＥＧＲガスをベンチュリ３０に導入するＥＧＲガス導入部３６の形状を変える余地があるといえる。

そこで、本発明の目的は、ベンチュリのディフューザ部及び排気再循環ガス導入部の形状を工夫することで、過大な圧力損失の増加を伴わずにベンチュリの長さを短縮することが出来、内燃機関により駆動される各種装置への搭載が容易になるベンチュリを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明のベンチュリは、内燃機関に接続されたターボチャージャのタービンよりも上流の排気通路に接続された排気再循環通路と前記ターボチャージャのコンプレッサよりも下流の吸気通路との接続部に設けられるベンチュリにおいて、前記吸気通路に設けられ、前記吸気通路の通路面積を絞るノズル部と、前記ノズル部よりも下流の前記吸気通路に前記ノズル部と間隔を隔てて設けられ、前記吸気通路の上流側から下流側に行くに従い前記吸気通路の通路面積を増加させるディフューザ部と、前記ノズル部と前記ディフューザ部との間の間隙の外周に設けられる環状チャンバを有する排気再循環合流部と、前記排気再循環通路と前記排気再循環合流部の環状チャンバとを連通する排気再循環ガス導入通路を有する排気再循環ガス導入部とを備え、前記ノズル部の内壁面を、曲率半径が前記吸気管の上流側から下流側に対して曲率半径が一定で縮径する円弧曲線形状に形成され、前記ディフューザ部の上流端の内径が前記ノズル部の下流端の内径と等しく形成されると共に、前記ディフューザ部の内壁面の曲率半径が、前記ディフューザ部の上流端から下流側の吸気管に対して無限大から一定の比率で小さくなるクロソイド曲線により規定され、さらに、前記排気再循環ガス導入通路が、前記環状チャンバの内壁面の接線方向に沿って延びるように前記排気再循環合流部に接続されることを特徴とする。

本発明によれば、ベンチュリのディフューザ部及び排気再循環ガス導入部の形状を工夫することで、過大な圧力損失の増加を伴わずにベンチュリの長さを短縮することが出来、内燃機関により駆動される各種装置への搭載が容易になるベンチュリを提供することができるという優れた効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るベンチュリを示し、（ａ）は側断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線断面図である。ディフューザ部の長さを短縮した時のディフューザ部の長さの比とベンチュリの圧力損失との関係を示す説明図である。ベンチュリが用いられるＥＧＲシステムの一例を示す概略図である。比較例に係るベンチュリを示し、（ａ）は側断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩＶｂ−ＩＶｂ線断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図３に本実施形態に係るベンチュリ（ＥＧＲ用ベンチュリ）が用いられるＥＧＲシステムを示す。

図３に示すように、内燃機関（エンジン）１は、エンジン本体１ａと、エンジン本体１ａに吸気を供給する吸気管（吸気通路）２と、エンジン本体１ａからの排気を排出する排気管（排気通路）３と、エンジン本体１ａに供給する吸気を昇圧するためのターボチャージャ（過給機）４と、排気通路内の排気ガスの一部を吸気通路に戻すＥＧＲシステム（排気再循環システム）５とを備える。

エンジン１は、エンジン本体１ａに複数の気筒（燃焼室）１ｂが形成された多気筒エンジン（本実施形態では、直列６気筒ディーゼルエンジン）であり、エンジン本体１ａには、吸気通路の下流端をなす吸気マニフォールド１ｃと、排気通路の上流端をなす排気マニフォールド１ｄとが接続される。

ターボチャージャ４は、排気管３に配設されたタービン４ａと、吸気管２に配設されたコンプレッサ４ｂとを有する。タービン４ａよりも下流の排気管３には、図示しない排気ガス後処理装置やマフラー等が設けられる。コンプレッサ４ｂよりも上流の吸気管２には、図示しないエアクリーナ等が設けられ、コンプレッサ４ｂよりも下流の吸気管２には、インタークーラ９等が設けられる。

ＥＧＲシステム５は、所謂高圧ＥＧＲシステムであり、タービン４ａよりも上流の排気管３とコンプレッサ４ｂよりも下流の吸気管２とを連通するＥＧＲ管（ＥＧＲ通路、即ち排気再循環通路）６と、ＥＧＲ管６に設けられたＥＧＲバルブ（排気再循環バルブ）７とを有する。なお、図示はしないが、ＥＧＲクーラを、ＥＧＲ管６におけるＥＧＲバルブ７の上流側又は下流側に設けても良い。

図３に示すＥＧＲシステム５では、ベンチュリ１０は、ＥＧＲ管６と吸気管２との接続部に配設される。より詳細には、ベンチュリ１０は、インタークーラ９と吸気マニフォールド１ｃとの間の吸気管２（つまり、インタークーラ９よりも下流の吸気管２）に配設される。

図１に本実施形態に係るベンチュリ１０を示す。

図１に示すように、本実施形態に係るベンチュリ１０は、吸気管２に設けられ、吸気管２の通路面積を絞るノズル部１１と、ノズル部１１よりも下流の吸気管２にノズル部１１と間隔を隔てて設けられ、吸気管２の下流側に行くに従い吸気管２の通路面積を増加させるディフューザ部１２と、ノズル部１１とディフューザ部１２との間の間隙の外周に設けられる環状チャンバ１３を有するＥＧＲ合流部（排気再循環合流部）１４と、ＥＧＲ管６とＥＧＲ合流部１４の環状チャンバ１３とを連通するＥＧＲガス導入管（ＥＧＲガス導入通路、即ち排気再循環ガス導入通路）１５を有するＥＧＲガス導入部（排気再循環ガス導入部）１６とを備える。

ノズル部１１は、吸気管２の上流側から下流側に行くに従い吸気管２の通路面積を面積Ａから面積Ａ₁まで減少させることにより、吸気管２の通路面積を絞るものである。具体的には、ノズル部１１の内壁面１１ａを、曲率半径が吸気管２の上流側から下流側に対して一定（Ｒ＝ｙ）である円弧曲線を用いて規定することにより、ノズル部１１は吸気管２の上流側から下流側に行くに従い吸気管２の通路面積を面積Ａから面積Ａ₁まで減少させる。つまり、ノズル部１１の側断面形状（図１（ａ）参照）は、吸気管２の上流側から下流側に行くに従い曲率半径一定で縮径する円弧曲線形状に形成されている。

ディフューザ部１２は、吸気管２の上流側から下流側に行くに従い吸気管２の通路面積を面積Ａ₁から面積Ａまで順次増加させるものである。具体的には、ディフューザ部１２の内壁面１２ａを、曲率半径が吸気管２の上流側から下流側に行くに従い徐々に小さくなる緩和曲線を用いて規定することにより、ディフューザ部１２は吸気管２の上流側から下流側に行くに従い吸気管２の通路面積を面積Ａ₁から面積Ａまで順次増加させる。

特に本実施形態では、ディフューザ部１２の内壁面１２ａを、曲率半径が吸気管２の上流側から下流側に対して無限大（Ｒ＝∞）から所定の曲率半径（Ｒ＝ｘ）まで一定の比率で小さくなる所謂クロソイド曲線（直線逓減）を用いて規定している。つまり、ディフューザ部１２の側断面形状（図１（ａ）参照）は、吸気管２の上流側から下流側に行くに従い徐々に小さくなる曲率半径（Ｒ＝∞〜ｘ）で拡径するクロソイド曲線形状に形成されている。

また、ディフューザ部１２は、ノズル部１１に対して同心的に配設される。なお、本実施形態では、ディフューザ部１２の上流端の内径がノズル部１１の下流端の内径と等しく設定されているが、ディフューザ部１２の上流端の内径がノズル部１１の下流端の内径よりも小さく設定されていても良い。つまり、ディフューザ部１２は、吸気管２の上流側から下流側に行くに従い吸気管２の通路面積を面積Ａ₁よりも小さい面積Ａ₂（不図示）（Ａ₂＜Ａ₁）から面積Ａまで順次増加させるものであっても良い。

ＥＧＲ合流部１４は、ノズル部１１の下流端及びディフューザ部１２の上流端を覆うように設けられるものである。即ち、ＥＧＲ合流部１４内に環状チャンバ１３が区画形成される。また、ＥＧＲ合流部１４には、ＥＧＲガス導入管１５の下流端が接続される。

ＥＧＲガス導入部１６は、ＥＧＲ管６内の排気ガスの一部をＥＧＲガス（排気再循環ガス）としてＥＧＲ合流部１４の環状チャンバ１３に導入するためのものである。ＥＧＲガス導入部１６は、上流端がＥＧＲ管６の下流端に接続され、下流端がＥＧＲ合流部１４に接続されるＥＧＲガス導入管１５を有する。本実施形態では、ＥＧＲガス導入管１５は、環状チャンバ１３の内壁面１３ａの接線方向に沿って延びるように環状チャンバ１３に対して偏心させてＥＧＲガス合流部１４に接続されている（図１（ｂ）参照）。

ノズル部１１、ディフューザ部１２、ＥＧＲ合流部１４及びＥＧＲガス導入部１６（ＥＧＲガス導入管１５）は、例えば鋳造等により一体成形されるのが好ましい。なお、ノズル部１１、ディフューザ部１２、ＥＧＲ合流部１４及びＥＧＲガス導入部１６（ＥＧＲガス導入管１５）の一部又は全部を、別体としても設けても良いのは勿論である。

次に、本実施形態の作用効果を説明する。

本実施形態に係るベンチュリ１０のディフューザ部１２の側断面形状は、図４に示す比較例に係るベンチュリ３０のディフューザ部３２のように単なる角度一定で拡径するテーパ形状とせず、クロソイド曲線（緩和曲線）を用いて規定したクロソイド曲線形状とされている。さらに、本実施形態に係るベンチュリ１０のＥＧＲガス導入管１５は、環状チャンバ１３に対して偏心させてＥＧＲ合流部１４に接続されている。

図２に、ディフューザ部１２、３２の長さ短縮の影響を調べるために行ったシミュレーションの結果を示す。なお、当該シミュレーションでは、図４に示す角度αを８．０ｄｅｇとしたときのディフューザ部３２の長さＬ₀を基準として、図１に示すディフューザ部１２の長さＬ並びに図４に示すディフューザ部３２の長さＬ₀をそれぞれ短縮したベンチュリ１０、３０について圧力損失を求めた。

図２に示すように、ディフューザ部１２の側断面形状をクロソイド曲線（緩和曲線）を用いて規定したクロソイド曲線形状とし、さらにＥＧＲガス導入管１５を環状チャンバ１３に対して偏心させてＥＧＲ合流部１４に接続することで、図１に示すディフューザ部１２の長さＬを短縮しても、ベンチュリ１０の圧力損失がさほど大きくならないことが分かる。つまり、図１に示す本実施形態に係るベンチュリ１０は、図４に示す比較例に係るベンチュリ３０と比較してディフューザ部１２、３２の長さＬ、Ｌ₀を短縮した影響が少ないといえる。また、図２から分かるように、本実施形態に係るベンチュリ１０によれば、図４に示す長さＬ₀（角度α＝８．０ｄｅｇ）としたディフューザ部３２と同じ圧力損失で、ディフューザ部１２の長さＬを７８％短縮することが出来る。

図４に示す比較例に係るベンチュリ３０では、ディフューザ部３２の側断面形状がテーパ形状とされているので、ディフューザ部３２の長さＬ₀を短縮するに従い図４に示す角度αが大きくなり、ディフューザ部３２の下流側では流れが内壁面３２ａから剥離して縮流となり易くなる。そのため、ディフューザ部３２の長さＬ₀を短縮するに従い、ベンチュリ３０の圧力損失が大幅に増加する傾向を示す。

一方、図１に示す本実施形態に係るベンチュリ１０では、ディフューザ部１２の側断面形状がクロソイド曲線形状とされているので、ディフューザ部１２の通路面積がなだらかに変化し、流れの剥離及び縮流は発生し難い。そのため、同じ長さで比較すると、図１に示す本実施形態に係るベンチュリ１０の圧力損失は、図４に示す比較例に係るベンチュリ３０の圧力損失よりも低い。

また、ディフューザ部１２の長さＬを短縮していった場合でも、通路面積がなだらかに変化するディフューザ部１２では流れの剥離及び縮流は発生し難い。そのため、図１に示す本実施形態に係るベンチュリ１０は、過大な圧力損失の増加を伴わずにディフューザ部１２の長さＬを短縮することが出来、結果としてベンチュリ１０全体の長さを短縮することが可能となる。

さらに、図１に示す本実施形態に係るベンチュリ１０では、ＥＧＲガス導入管１５を環状チャンバ１３に対して偏心させてＥＧＲ合流部１４に接続することで、環状チャンバ１３内のＥＧＲガスに内壁面１３ａに沿って周方向の渦を巻かせる（図１（ｂ）参照）。環状チャンバ１３内のＥＧＲガスが内壁面１３ａに沿って周方向の渦を巻くことで、環状チャンバ１３からのＥＧＲガスは吸気管２の周方向に対する旋回流が付与された状態でディフューザ部１２に流入すると共に、そのＥＧＲガスの旋回流によりディフューザ部１２内の給気にも旋回流が付与される。そのため、ディフューザ部１２の長さＬを短縮することでディフューザ部１２の拡がり度合いが多少強くなっても、遠心力によりディフューザ部１２内の流れ（ＥＧＲガス及び給気）が内壁面１２ａに沿うので、ディフューザ部１２での流れの剥離が抑制され、ベンチュリ１０の圧力損失が低減される。

以上要するに、本実施形態によれば、ベンチュリ１０のディフューザ部１２及びＥＧＲガス導入部１６の形状を工夫することで、過大な圧力損失の増加を伴わずにベンチュリ１０全体の長さを劇的に短縮することが出来る。これにより、エンジン１により駆動される各種装置への搭載が格段に容易になる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。

例えば、ディフューザ部１２の内壁面１２ａの形状を規定するのに用いる緩和曲線は、クロソイド曲線には限定はされず、所謂三次曲線（直線逓減）又は所謂サイン半波長逓減曲線（曲線逓減）であっても良い。つまり、ディフューザ部１２の側断面形状が、吸気管２の上流側から下流側に行くに従い拡径する二次曲線形状又はサイン半波長逓減曲線形状に形成されていても良い。

また、エンジン１は、ディーゼルエンジンには限定はされず、例えばガソリンエンジン等であっても良い。

さらに、エンジン１は、直列６気筒エンジンには限定はされず、例えば、単気筒エンジンであっても良く、直列４気筒エンジンやＶ型６気筒エンジン等の他の多気筒エンジンであっても良い。

１エンジン（内燃機関）
１ｃ吸気マニフォールド（吸気通路）
１ｄ排気マニフォールド（排気通路）
２吸気管（吸気通路）
３排気管（排気通路）
５ＥＧＲシステム（排気再循環システム）
６ＥＧＲ管（ＥＧＲ通路、排気再循環通路）
７ＥＧＲバルブ（排気再循環バルブ）
１０ベンチュリ
１１ノズル部
１２ディフューザ部
１２ａ内壁面
１３環状チャンバ
１３ａ内壁面
１４ＥＧＲ合流部（排気再循環合流部）
１５ＥＧＲガス導入管（排気再循環ガス導入通路）
１６ＥＧＲガス導入部（排気再循環ガス導入部）

Claims

内燃機関に接続されたターボチャージャのタービンよりも上流の排気通路に接続された排気再循環通路と前記ターボチャージャのコンプレッサよりも下流の吸気通路との接続部に設けられるベンチュリにおいて、
前記吸気通路に設けられ、前記吸気通路の通路面積を絞るノズル部と、前記ノズル部よりも下流の前記吸気通路に前記ノズル部と間隔を隔てて設けられ、前記吸気通路の上流側から下流側に行くに従い前記吸気通路の通路面積を増加させるディフューザ部と、前記ノズル部と前記ディフューザ部との間の間隙の外周に設けられる環状チャンバを有する排気再循環合流部と、前記排気再循環通路と前記排気再循環合流部の環状チャンバとを連通する排気再循環ガス導入通路を有する排気再循環ガス導入部とを備え、
前記ノズル部の内壁面を、曲率半径が前記吸気管の上流側から下流側に対して曲率半径が一定で縮径する円弧曲線形状に形成され、
前記ディフューザ部の上流端の内径が前記ノズル部の下流端の内径と等しく形成されると共に、前記ディフューザ部の内壁面の曲率半径が、前記ディフューザ部の上流端から下流側の吸気管に対して無限大から一定の比率で小さくなるクロソイド曲線により規定され、さらに、
前記排気再循環ガス導入通路が、前記環状チャンバの内壁面の接線方向に沿って延びるように前記排気再循環合流部に接続される
ことを特徴とするベンチュリ。
前記クロソイド曲線は、ディフューザ部の上流端から下流側の吸気管まで開き角８．０ｄｅｇとしたときのディフューザ部の長さに対して、７８％短縮するように規定した請求項１記載のベンチュリ。