JP6024321B2 - 排気還流装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気の一部を還流ガスとして吸気系に還流させる排気還流装置に関する。

従来、内燃機関の燃焼室から排気通路に排出された排気の一部を吸気通路へ還流させ、混合気の燃焼温度を低下させて窒素酸化物（NOx）の排出量を抑制し、排気性能を向上させる技術が知られている。このような排気還流装置では、吸気通路を流通してきた新気（空気）と還流させた排気（Exhaust Gas Recirculation、以下EGRガスという）とが各吸気ポートに流入する前に十分混合している必要がある。この混合が不十分のまま各吸気ポートに吸気が導入されると、エンジン運転時に各気筒間の燃焼バラツキが発生し、エンジン回転数の変動を増大させかねない。

そこで、新気とEGRガスとの混合を促進する技術が種々提案されている。例えば特許文献１に記載の技術では、多気筒エンジンにおいて、エンジンの各気筒に吸気を分配するコレクタ部の上流側のスロットルボディに、EGRガスを導くEGRガス導入口が設けられている。そして、コレクタ部とスロットルボディとの間に案内羽根を有するプレートが挟まれ、ここを通過してコレクタ部に向かう吸気に旋回速度成分を付与するようになっている。これにより、短い通路長でもEGRガスと吸気との混合が十分に図られ、各気筒に分配されるEGRガス量を均一化することができるとされている。

また、例えば特許文献２に記載の技術では、吸気通路に湾曲形状に形成された湾曲部が設けられ、この湾曲部にEGRガスの導入口が設けられている。そして、吸気の流れが偏向する湾曲部にEGRガスを流入させることで、吸気とEGRガスとの混合を促進することができるとされている。

特開２０００−８９６７号公報 特開２０１０−２２２９７５号公報

しかしながら、上記の特許文献１のように、EGRガスの導入口から各吸気ポートまでの距離が短い場合や、吸気通路に湾曲部を設けるスペースが足りない場合には、上記の特許文献２に記載の技術を採用することができない。特に最近は、部品の重量軽減やコスト低減、応答性向上等の観点から、EGRガスの導入口から吸気ポートまでの距離のコンパクト化が進められているため、短い距離でも新気とEGRガスとを十分混合できる構造が待望されている。

なお、上記した特許文献１の技術であれば、EGRガスと新気との混合スペースを十分に確保できない場合であっても採用することができる。しかしながら、案内羽根を有するプレートを挟み込む必要があるため、部品点数が増加し、その分重量も増大し、コスト増大にも繋がるおそれがある。

ところで、上記の特許文献１，２に記載されている排気還流装置は、排気マニホールドから排気通路へ流れる排気を吸気マニホールド近傍に還流させるもの（いわゆる高圧EGRシステム）であるが、このような還流通路に加え、触媒装置の下流側の排気通路から過給機の上流側の吸気通路に排気を還流させる還流通路（いわゆる低圧EGRシステム）を備えた排気還流装置も知られている。

このような高圧EGRシステム及び低圧EGRシステムを備える排気還流装置はデュアルループEGRシステムとも呼ばれ、排気中のNOxを低減させるのに非常に有効であるとされている。このような排気還流装置の場合、吸気マニホールド近傍でEGRガスと混合される新気には、すでに低圧EGRシステムで還流された排気が含まれている。そのため、各吸気ポートに導入される吸気の空燃比を正確に検出するために空燃比センサが設けられることがある。

この空燃比センサは、高圧EGRガスが導入される位置よりも下流側であって各吸気ポートに分岐する前の位置（少なくとも吸気マニホールドのコレクタ部）に設けられる。これにより、一箇所で検出された空燃比が、全ての吸気ポートに流入する吸気の空燃比であるとすることができ、コスト削減や重量削減を実現しながら、正確な空燃比を取得することが可能である。

しかしながら、高圧EGRガスが導入される位置と空燃比センサの検出位置とが近く、十分に混合されていない場合は、空燃比センサで検出される値が各吸気ポートに導入される実際の吸気の空燃比とは異なる値になるおそれが高い。したがって、空燃比センサが設けられているような場合であっても、吸気とEGRガスとを早期に混合させる必要がある。

本件はこのような課題に鑑み案出されたもので、内燃機関の排気の一部を還流ガスとして吸気系に還流させる際に、部品点数を増大させることなく、短い距離でも吸気と還流ガスとの混合を促進することができるようにした、排気還流装置を提供することを目的とする。
なお、この目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的として位置づけることができる。

（１）ここで開示する排気還流装置は、内燃機関の排気系と吸気系とを連通して前記排気系を流通する排気を還流ガスとして前記吸気系へ還流させる還流通路と、前記吸気系に形成された前記還流ガスの導入口とを備えた排気還流装置であって、前記吸気系は、前記内燃機関の複数の気筒に吸気を分配するコレクタ部を有する吸気マニホールドと、前記吸気マニホールドの上流側に接続される吸気通路とを備える。前記還流通路は、前記導入口に接続され前記吸気通路から前記コレクタ部内への吸気の流れ方向に対して交差する方向に向けて前記還流ガスを流入させる接続部と、前記接続部に連通し前記接続部の前記還流ガスの流れ方向に対して交差する方向に向けて前記還流ガスを流入させる通路部とを有する。前記通路部から前記接続部へ前記還流ガスを流入させる前記方向は、前記吸気通路から前記コレクタ部内への前記吸気の流れ方向と反対方向であり、前記接続部の前記還流ガスの流れ方向は、前記コレクタ部から下流側へ向かう吸気の流出方向と一致する。

さらに、前記接続部は、前記通路部と連通する開口が形成された開口面に対向するとともに前記導入口まで延在する対向面が平面状に形成され、前記還流ガスの流通断面積が前記通路部側から前記導入口に向かって次第に拡開するように前記開口面と前記対向面との間の両側壁面が配向されることを特徴としている。ここでいう「吸気」とは、上流に低圧EGRシステムを有さないものであれば新気（空気）であり、上流に低圧EGRシステムを有するものであれば新気に低圧EGRガスが混ざった混合気である。

（２）前記接続部は、前記吸気通路から前記コレクタ部内への前記吸気の流れ方向に対して直交する方向に接続され、前記通路部は、前記接続部の前記還流ガスの流れ方向に対して直交する方向に接続されることが好ましい。

（３）また、前記吸気マニホールドは、屈曲して形成された屈曲部を有することが好ましい。このとき、前記接続部は、前記屈曲部よりも吸気流れの上流側に接続されることが好ましい。ここでいう「屈曲部」とは、角のある形に曲がっている部分だけでなく、曲線部分を有して折れ曲がっている部分も含む。

（４）さらに、前記コレクタ部は、前記複数の気筒とそれぞれ連通する一列に並んで形成された複数の連通口を有し、前記接続部は、前記吸気通路から前記複数の連通口へ向かう吸気流れの上流側に接続されるとともに、前記複数の連通口が並ぶ方向に前記還流ガスが広がるように前記流通断面積が拡開して形成されることがより好ましい。

（５）前記屈曲部の流路内外寄りに設けられ、吸気の空燃比を検出する空燃比センサを備え、前記接続部は、前記対向面から前記開口面に向けて突設され、前記流通断面積の略中央に形成された突起を有することが好ましい。

（６）このとき、前記突起は、前記接続部の前記両側壁面と平行又は略平行に対向する側壁面を有していることが好ましい。
（７）また、前記突起の前記導入口側の端部が、前記接続部が接続される前記吸気マニホールド又は前記吸気通路の内周面に沿うように設けられることが好ましい。

開示の排気還流装置では、還流通路を流れる還流ガスが、通路部を流通して開口から接続部に流入する。このとき、開口が形成された開口面に対向する対向面が平面状に形成されているため、還流ガスをこの対向面に衝突させて分散させることができる。また、この平面状の対向面は導入口まで延在されているため、対向面に衝突させて分散させた還流ガスの分散傾向を維持することができる。

さらに接続部は、還流ガスの流通断面積が通路部側から導入口に向かって次第に拡開するように開口面と対向面との間の両側壁面が配向されているため、導入口に向かって分散を促進させることができる。なおかつ流路断面積が大きくなるので、還流ガスの流速を遅くすることができる。これにより、還流ガスが吸気と混合する時間を長く確保することができ、吸気と還流ガスとの混合を促進することができる。また、混合を促進するための新たな部品を追加する必要がなく、部品点数を増大させることはない。

例えば多気筒エンジンにおいて、複数の気筒に吸気が分配される場合に、その分岐点となる位置の近くに導入口が設けられていたとしても、本排気還流装置であれば速やかに混合することができるため、各気筒に導入される還流ガスの濃度を均一化することができる。これにより、内燃機関の運転時に還流ガスを導入しても各気筒間の燃焼バラツキを抑えることができる。捉え方を変えると、導入口を吸気の分岐点となる位置の近くに設けることができるため、吸気系の構成をコンパクトにすることができる。

各実施形態に係る排気還流装置を装備する自動車用エンジンの吸排気系統を示す構成図である。 第一実施形態に係る排気還流装置を示す模式図であり、（ａ）は吸気通路等の縦断面図であって、図２（ｂ）のＡ−Ａ矢視断面図、（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図、（ｃ）は図２（ａ）の導入口を正面から見たときの図である。 図２の排気還流装置におけるEGRガス濃度の度合いを示す模式図であり、（ａ）は図２（ａ）に対応する図、（ｂ）は図２（ｂ）に対応する図である。 第二実施形態に係る排気還流装置を示す模式図であり、（ａ）は吸気通路等の縦断面図、（ｂ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図である。 図４の排気還流装置における吸気の流れを示す図４（ｂ）に対応する模式図であり、（ａ）は第四気筒の吸気弁開時、（ｂ）は第二気筒の吸気弁開時、（ｃ）は第三気筒の吸気弁開時である。 図４の排気還流装置におけるEGRガス濃度の度合いを示す模式図であり、（ａ）は図４（ａ）に対応する図、（ｂ）は図４（ｂ）に対応する図である。

以下、図面により実施の形態について説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。
図１〜図６は発明の実施形態を説明するもので、図１は第一及び第二実施形態に共通な事項を説明する図であり、図２及び図３は第一実施形態を説明する図であり、図４〜図６は第二実施形態を説明する図である。

［１．第一実施形態］
［１−１．全体構成］
はじめに、本実施形態にかかる排気還流装置が適用される自動車用エンジン（内燃機関）及びその吸排気系統を説明する。本実施形態では、低圧EGRシステム及び高圧EGRシステムを備えたデュアルループEGRシステムを備えたエンジン及び吸排気系を説明する。

図１に示すように、本実施形態にかかるエンジン１はコモンレールディーゼルエンジンである。このエンジン１は多気筒直噴式（図１では複数気筒のうち１気筒のみ示している）である。エンジン１のシリンダブロック１Ｂ内には複数のシリンダ（気筒）２が形成され、各シリンダ２内には、図中上下方向に往復摺動するピストン３が設けられる。ピストン３は、コネクティングロッドを介してクランクシャフトに接続される。ピストン３は、その頂面に燃焼室となるキャビティ３ａが形成されている。なお、複数のシリンダ２は、図１の紙面と直交する方向に併設されており、いずれのシリンダ２も同様の構成となっている。ここでは、シリンダ２が四つ（第一気筒２ａ，第二気筒２ｂ，第三気筒２ｃ，第四気筒２ｄ）設けられている場合を例示する。

シリンダ２上部のシリンダヘッド１Ｈには、インジェクタ４が装備されている。インジェクタ４は、その先端部がシリンダ２の筒内空間に突出して設けられ、シリンダ２内に直接燃料を噴射する。インジェクタ４から噴射される燃料の噴射方向は、ピストン３のキャビティ３ａに向かう方向に設定される。また、インジェクタ４の基端部には図示しない燃料配管が接続され、この燃料配管から加圧された燃料がインジェクタ４に供給される。

シリンダヘッド１Ｈには、シリンダ２の筒内空間と連通する吸気ポート６及び排気ポート７が設けられ、これらの各ポート６，７を開閉するための吸気弁８及び排気弁９が設けられる。吸気ポート６よりも吸気流の上流側には、吸気マニホールド（以下、インマニという）１０が接続される。インマニ１０は、吸気ポート６側へと流れる空気を一時的に溜めるためのサージタンク（コレクタ部）１１と、各吸気ポート６と連通するブランチ管１３ａ〜１３ｄとから構成される。

サージタンク１１は、各々のシリンダ２で発生する吸気脈動や吸気干渉を緩和するように機能するとともに、四つのシリンダ２ａ〜２ｄに吸気を分配するコレクタ部として機能する。ブランチ管１３ａ〜１３ｄは、サージタンク１１の吸気流れの下流側に接続され、四つのシリンダ２ａ〜２ｄに向かって分岐する配管である。サージタンク１１は、ブランチ管１３ａ〜１３ｄに分岐する前の分岐点に位置する。インマニ１０の上流端（すなわち、サージタンク１１の上流端）には、種々の機器が付設された吸気通路２１が接続される。

また、排気ポート７よりも排気流の下流側には、排気マニホールド（以下、エキマニという）３０が接続される。エキマニ３０は、排気ポート７に各上流端が接続されて四つのシリンダ２ａ〜２ｄから排気が合流するように形成される。エキマニ３０の下流端の集合部には、種々の機器が付設された排気通路３１に接続される。

本エンジン１には、その吸排気系を跨って設けられたターボチャージャ４０，低圧EGR装置６０及び高圧EGR装置（排気還流装置）５０が装備されている。低圧EGR装置６０及び高圧EGR装置５０は、排気の一部をEGRガス（還流ガス）として吸気系に還流させる装置である。低圧EGR装置６０及び高圧EGR装置５０において、低圧EGR通路６１及び高圧EGR通路５１のそれぞれの中間部にはEGRクーラ６９，EGRクーラ５９が介装される。

吸気通路２１には、吸気流れの上流側から、エアクリーナ２２，第一吸気絞り弁（スロットル弁）２３，低圧EGR装置６０の低圧EGR通路６１の出口６３，ターボチャージャ４０のコンプレッサ４１，インタークーラ２４，第二吸気絞り弁（スロットル弁）２５が順に設けられる。また、サージタンク１１には、高圧EGR装置５０の高圧EGR通路（還流通路）５１の出口５３が設けられる。なお、低圧EGR通路６１の出口６３には、低圧EGRバルブ６７が設けられる。また、高圧EGR通路５１のEGRクーラ５９と出口５３との間には、高圧EGRバルブ５７が設けられる。

低圧EGR通路６１を流れるEGRガス（以下、第一EGRガスという）の流量は、エアクリーナ２２を通過した新気（空気）の流量を調整する第一吸気絞り弁２３と低圧EGRバルブ６７の双方の弁開度によって調整される。また、高圧EGR通路５１を流れるEGRガス（以下、第二EGRガスという）の流量は、インタークーラ２４を通過した新気と第一EGRガスとの混合気の流量を調整する第二吸気絞り弁２５と高圧EGRバルブ５７の双方の弁開度によって調整される。
以下、新気と第一EGRガスとの混合気と、この混合気に第二EGRガスが混合した混合気とを区別する場合は、前者を第一混合気といい、後者を第二混合気という。また、これらを特に区別しない場合は、単に吸気という。

一方、排気通路３１には、排気流れの上流側から、高圧EGR装置５０の高圧EGR通路５１の入口５２，ターボチャージャ４０のタービン４２，排気浄化装置３２，低圧EGR装置６０の低圧EGR通路６１の入口６２が順に設けられる。排気浄化装置３２は、排気通路３１上に介装された触媒装置であって、排気中に含まれる炭化水素（HC）成分や一酸化炭素（CO），窒素酸化物（NOx），粒子状物質（PM）等を浄化，捕集する機能を持ち、例えば酸化触媒やDPF（フィルタ）を備える。エンジン１の燃焼室から排出された排気中のHC，PM等は排気浄化装置２２の触媒の働きにより除去される。

このようなエンジン１の吸排気系には、エンジン１を制御するため等の情報を取得するために種々のセンサが装備されている。例えば、エアクリーナ２２の出口近傍にはエアーフローセンサや吸気温センサ２６が装備され、サージタンク１１近傍の吸気通路２１には吸気系圧力センサや温度センサ２７が装備され、サージタンク１１内には空燃比センサ２８が装備される。また、排気通路３１の排気浄化装置３２には、排気系圧力センサ３３や温度センサ３４，空燃比センサ３５等が装備される。

［１−２．EGRガス混合促進構造］
次に図２を用いて、本排気還流装置である高圧EGR装置５０と吸気系との接続部分の構造を説明する。本実施形態では、上記したように高圧EGR通路５１がインマニ１０のコレクタ部としてのサージタンク１１に接続される場合を例示する。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、サージタンク１１には、四つのシリンダ２ａ〜２ｄとそれぞれ連通する開口である四つの連通口１２ａ〜１２ｄが一列に並んで設けられている。これら連通口１２ａ〜１２ｄには、各シリンダ２ａ〜２ｄへ繋がるブランチ管１３ａ〜１３ｄが接続される。これにより、サージタンク１１内の吸気は、連通口１２ａ〜１２ｄからブランチ管１３ａ〜１３ｄを通り、各シリンダ２ａ〜２ｄへと分配される。以下、四つの連通口１２ａ〜１２ｄを特に区別しない場合は、単に連通口１２という。

サージタンク１１には、サージタンク１１内に吸気が流入するための開口である流入口１４が設けられ、この流入口１４には吸気通路２１の下流端２１ａが接続される。流入口１４は、サージタンク１１から連通口１２ａ〜１２ｄに向かう吸気の流れに対して交差する方向に吸気が流入してくるように形成される。ここでは、流入口１４からサージタンク１１内へ流入してくる吸気の流れ方向と、サージタンク１１から連通口１２ａ〜１２ｄに向かう吸気の流れ方向とが直交するように、連通口１２ａ〜１２ｄ及び流入口１４が設けられる。なお、流入口１４は第三気筒２ｃと連通する第三連通口１２ｃに最も近接して設けられている。

つまり、吸気通路２１を流通してサージタンク１１内へ導入された吸気は、流れ方向が略90度曲げられてブランチ管１３ａ〜１３ｄを介して吸気ポート６へ送られる。言い換えると、サージタンク１１には、流入口１４から連通口１２へ向かう途中で略90度に屈曲形成された屈曲部１１Ｌが設けられる。なお、図２（ａ）では、屈曲部１１Ｌの外側の角部が面取りされて平らに形成されているように示しているが、実際にはサージタンク１１は滑らかな曲線や曲面状に形成されており、図２（ａ）及び（ｂ）等に示すサージタンク１１は模式図である。

サージタンク１１には、高圧EGR通路５１の出口５３と連通する導入口１５が形成される。この導入口１５は、高圧EGR通路５１を流通してきた第二EGRガスを吸気系に導入するための開口である。導入口１５は、吸気通路２１から四つの連通口１２ａ〜１２ｄへ向かう吸気流れの上流側であって、屈曲部１１Ｌの面取りされた部分（以下、面取り部１１Ｍという）よりも吸気流れの上流側に設けられる。なおここでは、四つの連通口１２ａ〜１２ｄのうち、第三連通口１２ｃに最も近接している。導入口１５は、図２（ｃ）に示すように角部が丸められて形成された略矩形状である。

高圧EGR通路５１は、一端側に出口５３を有し他端側に開口５４ｈを有する接続部５４と、接続部５４の開口５４ｈに接続される通路部５５とを有する。接続部５４は、高圧EGR通路５１の出口側の端部であり、導入口１５に接続される部分である。通路部５５は、上流端が排気系に接続され、第二EGRガスが流通する部分である。

通路部５５を流通してきた第二EGRガスは、接続部５４を介して導入口１５から吸気系（サージタンク１１）へ流入する。接続部５４は、流入口１４からサージタンク１１内へ流入してくる吸気の流れ方向に対して直交する方向に接続される。また、通路部５５は、接続部５４を流通する第二EGRガスの流れ方向に対して直交する方向に接続される。

これら接続部５４及び通路部５５は、一つの管が屈曲形成されて形成されたものであってもよく、二つの部材が接続されて一体に形成されたものであってもよい。また通路部５５の形状は特に限定されず、高圧EGRガスの流通方向に直交する断面が円形であっても矩形であってもよい。ただし、通路部５５の流通断面積は、吸気通路２１の流通断面積よりも小さい。

接続部５４は、開口５４ｈが設けられている面５４Ａ（以下、開口面５４Ａという）と対向する対向面５４Ｂが平面状に形成されている。なお、ここでは対向面５４Ｂ以外の四面（開口面５４Ａ，導入口１５と対向する端面５４Ｃ，開口面５４Ａと対向面５４Ｂとの間の対向する両側壁面５４Ｄ，５４Ｅ）も平面状に形成されている。これら平面状の開口面５４Ａ，対向面５４Ｂ及び対向する両側壁面５４Ｄ，５４Ｅの導入口１５側の各一端辺は、矩形状の導入口１５に接続される。つまり、接続部５４の平面状に形成された各面は、平面状のまま導入口１５まで延在している。

また、接続部５４は、第二EGRガスの流通断面積が通路部５５側（端面５４Ｃ側）から導入口１５に向かって次第に拡開するように両側壁面５４Ｄ,５４Ｅが配向されている。ここでいう流通断面積とは、第二EGRガスが流通する方向に対して直交する断面の面積を意味する。つまり、接続部５４は、対向する両側壁面５４Ｄ，５４Ｅが平行ではなく、導入口１５に近付くほど互いの距離が離隔するように設けられている。さらに接続部５４は、四つの連通口１２ａ〜１２ｄが一列に並ぶ方向に第二EGRガスが広がるように、流通断面積が拡開して形成されている。

［１−３．作用・効果］
次に、図３（ａ），（ｂ）を用いて、吸気通路２１を流通してきた第一混合気と高圧EGR通路５１を流通してきた第二EGRガスとの混合について説明する。図３（ａ），（ｂ）は、第四気筒２ｄの吸気弁開時のEGRガスの濃度分布を示し、サージタンク１１内の吸気は第四気筒２ｄの吸気ポート６に続く連通口１２ｄへ導入される。なお、第一混合気は、吸気通路２１を流通する過程で十分均一に混合された状態となっている。

図３（ａ）に示すように、高圧EGR通路５１の通路部５５を流通してきた第二EGRガスは、開口５４ｈから接続部５４に流入するとき、平面状に形成された対向面５４Ｂに衝突して分散する。対向面５４Ｂは平面状のまま導入口５４まで延在しているため、一度分散した第二EGRガスは、分散傾向を保ったまま導入口１５に向かって流れていく。この点が一般的な円形断面の還流通路を流通するEGRガスと大きく異なる。つまり、還流通路の流通方向に直交する断面が円形の場合、対向面５４Ｂに対応する面は凹曲面となり、導入口１５に対応する出口も円形となる。そのため、EGRガスは凹曲面に衝突しても真ん中に集合しようとしてしまい、EGRガスを効率的に分散させることができなかった。

これに対して、本排気還流装置５０では、平面状の対向面５４Ｂが導入口１５まで延在しているため、一度分散した第二EGRガスが集合せず、分散傾向を保ったままとなる。さらに本排気還流装置５０は、接続部５４が第二EGRガスの流通断面積が通路部５５側から導入口１５に向かって次第に拡開するように両側壁面５４Ｄ，５４Ｅが配向されているため、導入口１５に向かう第二EGRガスがより分散するとともに、第二EGRガスの流速が低下する。

吸気通路２１と高圧EGR通路５１とでは、高圧EGR通路５１の通路部５５の方が吸気通路２１に比べて流通断面積が小さいため、エンジン運転状態によっては第二EGRガスの方が第一混合気よりも流速が速くなることがある。そのため、通路部５５を流れる第二EGRガスの流速のまま吸気通路２１へ導入されると、流れの速い第二EGRガスの方が先に連通口１２へ到達し易くなり、混合が十分に行われなくなることがある。そこで、接続部５４により第二EGRガスの流速を低下させ、混合が十分行われるようにしている。

導入口１５からサージタンク１１内に導入された第二EGRガスは、吸気通路２１を流れてサージタンク１１内へ流入してきた第一混合気の流れ方向に対して略直交に衝突し、混ざり合う。このようにして第一混合気と第二EGRガスとは、サージタンク１１内の上流部で混合が開始される。EGRガスの濃度は、吸気通路２１の流入口１４から屈曲部１１Ｌの面取り部１１Ｍに向かって徐々に高くなるが、屈曲部１１Ｌで流れ方向が変わるときにさらに混合が促進され、図３（ｂ）に示すように、サージタンク１１の出口付近（すなわち、連通口１２近傍）ではEGRガス濃度が略均一な状態となる。つまり、各連通口１２ａ〜１２ｄに流入する段階では、混合が終了した状態となる。

したがって、本排気還流装置５０によれば、開口５４ｈが形成された開口面５４Ａに対向する対向面５４Ｂが平面状に形成されているため、第二EGRガスをこの対向面５４Ｂに衝突させて分散させることができる。また、この平面状の対向面５４Ｂが吸気系に形成された導入口１５まで延在されているため、対向面５４Ｂに衝突させて分散させた第二EGRガスの分散傾向が維持される。

さらに接続部５４は、第二EGRガスの流通断面積が通路部５５側から導入口１５に向かって次第に拡開するように両側壁面５４Ｄ,５４Ｅが配向されているため、導入口１５に向かって分散を促進させることができる。なおかつ、流路断面積が大きくなるので第二EGRガスの流速を遅くすることができる。これにより、第二EGRガスが吸気通路２１を流通してきたガスと混合する時間を長く確保することができ、第二EGRガスの混合を促進することができる。また、混合を促進するための新たな部品を追加する必要がなく、部品点数を増大させることはない。

また、本実施形態のように多気筒エンジン１において、複数のシリンダ２に吸気が分配される場合に、その分岐点となる位置（すなわち、コレクタ部）の近くに導入口１５が設けられていたとしても、速やかに第二EGRガスを混合することができるため、各シリンダ２に導入されるEGRガスの濃度を均一化することができる。これにより、エンジン１の運転時における各気筒間の燃焼バラツキを抑制させることができる。言い換えると、導入口１５を吸気の分岐点となる位置の近くに設けることができるため、吸気系の構成をコンパクトにすることができる。

また、高圧EGR通路５１の接続部５４が吸気系を流通する吸気の流れに対して直交するように接続され、通路部５５が接続部５４を流通する第二EGRガスの流れ方向に対して直交する方向に接続されているため、第二EGRガスの分散を促進させながら、吸気系を流通する吸気と第二EGRガスとの混合をより促進することができる。

また、インマニ１０のサージタンク１１に設けられた屈曲部１１Ｌよりも上流側に高圧EGR通路５１の接続部５４が接続されているため、第二EGRガスが流入した後の吸気の流れ方向が屈曲部１１Ｌで変わるので、混合をより促進することができる。

また、接続部５４が、吸気通路２１から複数の連通口１２ａ〜１２ｄへ向かう吸気流れの上流側に接続され、且つ、複数の連通口１２ａ〜１２ｄが並ぶ方向に第二EGRガスが広がって分散するように拡開して形成されているため、混合が促進されながら複数のシリンダ２に均等に第二EGRガスを送り込むことができる。言い換えると、EGRガスの濃度を連通口１２に流入する前に均一化することができ、燃焼安定性を確保することができる。

［２．第二実施形態］
［２−１．構成］
次に、第二実施形態に係る排気還流装置について、図４〜図６を用いて説明する。本排気還流装置は、サージタンク１１にインマニ１０内の吸気の空燃比（A/F）を検出する空燃比センサ（A/Fセンサ）２８が装備されている点と、接続部５４の一部の構成が異なる点を除いて、第一実施形態の構造と同様である。以下、第一実施形態と同様の部品や構造については、第一実施形態と同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図４（ａ），（ｂ）に示すように、空燃比センサ２８は、サージタンク１１の屈曲部１１Ｌの流路内の外寄りに設けられている。具体的には、面取り部１１Ｍであって、吸気通路２１の軸心の延長線上に設けられる。空燃比センサ２８は、棒状のセンサ素子（図示略）と、このセンサ素子が活性温度に昇温するように加熱するヒータ（図示略）と、センサ素子の周囲に配設されてセンサ素子を保護する保護カバー２８ａとを有している。保護カバー２８ａは、サージタンク１１の壁部に近接する位置に形成された小さな孔部を複数有し、ここから保護カバー２８ａの内部へガスが取り込まれる。

空燃比センサ２８は、第一混合気に第二EGRガスが混合した第二混合気の酸素濃度をセンサ素子によって検出することで、第二混合気の空燃比を検出する。ここで検出された空燃比の情報は、各シリンダ２へ導入される吸気の空燃比の情報として、自動車を制御するコントローラ（図示略）へ伝達される。

つまり、各吸気ポート６へ分配される前の上流側（すなわち、サージタンク１１）で検出された空燃比を各シリンダ２へ導入される吸気の空燃比とみなして、各種制御に利用する。これにより空燃比センサ２８は一つ装備されていればよいため、コスト削減や重量低減等に有効である。ただし、空燃比センサ２８によって酸素濃度が検出される部分（以下、検出部２９という）の酸素濃度と各吸気ポート６に導入される吸気の酸素濃度とが異なっていては、センサ値と実際の値との間に誤差が生じることになり、制御の精度が低下することになる。

そこで、本実施形態では、接続部５４に対向面５４Ｂから開口面５４Ａに向けて突設された突起５６が設けられる。突起５６は、流通断面積の略中央に設けられ、高圧EGR通路５１を流通してきた第二EGRガスを二手に分散させるものである。突起５６は、端面５４Ｃ側から導入口１５側に向かって延設されており、端面５４Ｃ側の一端部５６ａは端面５４Ｃと離隔して設けられ、導入口１５側の他端部５６ｂは吸気通路２１の内周面に沿って設けられる。

また、突起５６は、接続部５４を完全に二つに分断するものではなく、突起５６の上面５６Ｃと開口面５４Ａとの間に隙間が設けられる。さらに突起５６は、接続部５４の両側壁面５４Ｄ，５４Ｅと平行又は略平行に対向する側壁面５６Ｄ，５６Ｅを有している。つまり、突起５６の幅方向長さＷ（側壁面５６Ｄから側壁面５６Ｅまでの長さ）が通路部５５側から導入口１５に向かって次第に大きくなるように形成されている。これにより突起５６は、接続部５４の対向面５４Ｂに衝突して分散した第二EGRガスの流通を妨げることなく、第二EGRガスを接続部５４に沿って二つの方向に分かれるように導くものとして機能する。

［２−２．作用・効果］
次に、図５（ａ）〜（ｃ）及び図６（ａ），（ｂ）を用いて、吸気通路２１を流通してきた第一混合気と高圧EGR通路５１を流通してきた第二EGRガスとの混合について説明する。図５（ａ）〜（ｃ）は吸気の流れを示す図であり、（ａ）は第四気筒２ｄの吸気弁開時，（ｂ）は第一気筒２ａ又は第二気筒２ｂの吸気弁開時，（ｃ）は第三気筒２ｃの吸気弁開時をそれぞれ示す。

図５（ａ）に示すように、第四気筒２ｄの吸気弁８が開弁されると、サージタンク１１内の吸気は第四気筒２ｄの吸気ポート６に続く連通口１２ｄへ導入される。このとき、高圧EGR通路５１を流れてきた第二EGRガスは、接続部５４において対向面５４Ｂに衝突して分散した後、突起５６によって二つの流れに分散する。このとき、太破線で示す二つのEGR主流のうち導入先の連通口１２ｄに近い方を流れるEGR主流は、検出部２９を通過せず直接連通口１２ｄへ流れていく。これに対して導入先の連通口１２ｄから遠い方を流れるEGR主流は、細破線で示すEGR副流を周りに発生させながら検出部２９の近傍を通過する。

また、吸気通路２１を流れてきた第一混合気は、二手に分かれたEGR主流の間を、太実線で示す主流と細実線で示す主流の周りを取り囲む副流とに分散しながら連通口１２ｄに向かって流れる。第一混合気の副流は、検出部２９の近傍でEGR副流と混ざり合い、図中のドットで示す領域１６においてEGRガス濃度が均一化される。この領域１６は第一混合気と第二EGRガスとが混合した混合部であり、検出部２９はこの混合部１６に含まれる。なお、他の副流や主流は連通口１２ｄに向かう途中で混ざり合い、吸気ポート６に導入されるときには均一に混合した状態となる。

このような第四気筒２ｄの吸気弁開時におけるEGRガスの濃度分布を図６（ａ），（ｂ）に示す。図６（ａ），（ｂ）に示すように、サージタンク１１内のEGRガスの濃度は、検出部２９と第四気筒２ｄに連通する連通口１２ｄとで均一な濃度となる。これは、突起５６により二手に分けられた第二EGRガスの間に、面取り部１１Ｍの壁部に向かって第一混合気が流れ込んでくるため、吸気通路２１の軸心の延長線上において、第一混合気と第二EGRガスとが素早く混ざり合うからである。

なお、第二気筒２ｂの吸気弁開時は、図５（ｂ）に示すように、第四気筒２ｄの吸気弁開時の流れを反転させたようになる。すなわち、第二EGRガスは突起５６によって二つの流れに分散し、二つのEGR主流のうち第二気筒２ｂの吸気ポート６に続く連通口１２ｂに近い方を流れるEGR主流は、検出部２９を通過せず直接連通口１２ｂへ流れていく。これに対して導入先の連通口１２ｂから遠い方を流れるEGR主流は、EGR副流を周りに発生させながら検出部２９の近傍を通過する。

また、吸気通路２１を流れてきた第一混合気は、二手に分かれたEGR主流の間を、主流と主流の周りを取り囲む副流とに分散しながら連通口１２ｂに向かって流れる。第一混合気の副流は、検出部２９の周りでEGR副流と混ざり合い、検出部２９を含む混合部１６でEGRガス濃度が均一化され、他の副流や主流は連通口１２ｂに向かう途中で混ざり合い、吸気ポート６に導入されるときには均一に混合した状態となる。なお、第一気筒２ａの吸気弁開時は、第二気筒２ｂの吸気弁開時と同様の流れとなる。

また、第三気筒２ｃの吸気弁開時は、図５（ｃ）に示すように、第二EGRガスは突起５６によって二つの流れに分散し、検出部２９の周りを迂回して第三気筒２ｃの吸気ポート６に続く連通口１２ｃに向かって流れる。太破線で示す二つのEGR主流は、何れも細破線で示すEGR副流を周りに発生させながら検出部２９の近傍を通過する。また、吸気通路２１を流れてきた第一混合気は、二手に分かれたEGR主流の間を、主流と主流の周りを取り囲む副流とに分散しながら連通口１２ｃに向かって流れる。第一混合気の副流は、検出部２９の周りでEGR副流と混ざり合い、検出部２９を含む混合部１６でEGRガス濃度が均一化される。

したがって、空燃比センサ２８を備えた本排気還流装置５０によれば、第一実施形態に係る構成により得られる効果に加え、空燃比センサ２８の検出部２９におけるEGRガス濃度を均一化させることができる。つまり、接続部５４の対向面５４Ｂから開口面５４Ａに向けて突設され、流通断面積の略中央に形成された突起５６によって、接続部５４の対向面５４Ｂに衝突して分散された第二EGRガスを二手に分散させることができる。そして、二手に分散させた第二EGRガスの流れの間に第一混合気が流通することになるため、第二EGRガスを第一混合気に巻き込ませながら混合することができる。これにより、吸気が分配される前の上流側の一箇所で検出された空燃比を、各シリンダ２に導入される吸気の空燃比とすることができ、コスト削減や重量低減を実現することができる。

また、突起５６には、接続部５４の両側壁面５４Ｄ，５４Ｅと平行又は略平行に対向する側壁面５６Ｄ，５６Ｅが設けられているため、対向面５４Ｂに衝突して分散した第二EGRガスを、拡開して形成された接続部５４に沿って流すことができる。また、一度二つに分かれたガスはその後集合する傾向があるが、突起５６が導入口１５に向かって広がって形成されているため、第二EGRガスが集合する位置を検出部２９よりも吸気流れの下流側にすることができる。これにより、検出部２９でのEGRガス濃度を均一化することができる。

また、突起５６の導入口１５側の端部５６ｂは吸気通路２１の内周面に沿って設けられているため、突起５６が吸気通路２１を流通する第一混合気の流通抵抗となることを防ぐことができる。

［３．その他］
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
上記各実施形態では、高圧EGR装置５０に加えて低圧EGR装置６０が設けられたデュアルループEGRシステムについて説明したが、低圧EGR装置６０が装備されていなくてもよい。この場合は、吸気通路２１を流通してサージタンク１１内に導入されるのは新気（空気）となり、サージタンク１１内で新気とEGRガスとが混合されることになる。

また、上記各実施形態では、接続部５４が吸気通路２１を流通する吸気の流れ方向に対して直交する方向に接続されているが、吸気系内の吸気の流れ方向に対して交差する方向に向けて排気を流入させるように接続されていればよい。また、通路部５５も、接続部５４の排気流れ方向に対して交差する方向に向けて排気を流入させるように接続部５４に連通されていればよい。

また、上記したサージタンク１１の構造は一例であって、上記したものに限定されない。例えば、屈曲部１１Ｌに面取り部１１Ｍが設けられていなくてもよいし、空燃比センサ２８は屈曲部１１Ｌの流路内の外寄りに装着されていればよい。また、屈曲部１１Ｌは角のある形状だけでなく、湾曲した部分を有していてもよい。つまり、流入口１４から連通口１２へ向かう途中で大きくカーブするような形状であってもよい。
また、四つの連通口１２ａ〜１２ｄは、サージタンク１１において一列に並んで形成されていなくてもよく、接続部５４も四つの連通口１２ａ〜１２ｄが一列に並ぶ方向に第二EGRガスが広がるように、流通断面積が拡開して形成されているものに限られない。

上記した導入口１５の位置や形状は一例であって、上記したものに限定されない。例えば、導入口１５がサージタンク１１ではなく、サージタンク１１の直上流の吸気通路２１に形成されていてもよい。つまり、吸気通路２１において第一混合気と第二EGRガスとが混合される構成であってもよく、吸気通路２１とサージタンク１１との接続部分に高圧EGR通路５１の接続部５４が接続される構成であってもよい。
また、導入口１５の形状は上記したものに限られず、例えば対向面５４Ｂが接続される辺のみが直線状であってもよい。接続部５４の対向面５４Ｂ以外の四面が平面状に形成されていなくてもよい。

また、エンジン１の構成は、図１に示したものに限られず、四気筒エンジンに限られない。さらに本排気還流装置は、上記した多気筒直噴式のディーゼルエンジンが搭載された自動車に限られず、ガソリンエンジンが搭載された自動車やハイブリッド電気自動車、自動車以外の車両にも適用可能である。

１ エンジン（内燃機関）
２ シリンダ（気筒）
１０ インマニ（吸気マニホールド）
１１ サージタンク（コレクタ部）
１１Ｌ 屈曲部
１２，１２ａ〜１２ｄ 連通口
１５ 導入口
２１ 吸気通路
２８ 空燃比センサ
５０ 高圧EGR装置（排気還流装置）
５１ 高圧EGR通路（還流通路）
５４ 接続部
５４ｈ 開口
５４Ａ 開口面
５４Ｂ 対向面
５４Ｄ，５４Ｅ 側壁面
５５ 通路部
５６ 突起
５６Ｄ，５６Ｅ 側壁面

Claims (7)

1. 内燃機関の排気系と吸気系とを連通して前記排気系を流通する排気の一部を還流ガスとして前記吸気系へ還流させる還流通路と、前記吸気系に形成された前記還流ガスの導入口とを備えた排気還流装置であって、
   前記吸気系は、前記内燃機関の複数の気筒に吸気を分配するコレクタ部を有する吸気マニホールドと、前記吸気マニホールドの上流側に接続される吸気通路とを備え、
   前記還流通路は、前記導入口に接続され前記吸気通路から前記コレクタ部内への吸気の流れ方向に対して交差する方向に向けて前記還流ガスを流入させる接続部と、前記接続部に連通し前記接続部の前記還流ガスの流れ方向に対して交差する方向に向けて前記還流ガスを流入させる通路部とを有し、
   前記通路部から前記接続部へ前記還流ガスを流入させる前記方向が、前記吸気通路から前記コレクタ部内への前記吸気の流れ方向と反対方向であり、
   前記接続部の前記還流ガスの流れ方向が、前記コレクタ部から下流側へ向かう吸気の流出方向と一致し、
   前記接続部は、前記通路部と連通する開口が形成された開口面に対向するとともに前記導入口まで延在する対向面が平面状に形成され、前記還流ガスの流通断面積が前記通路部側から前記導入口に向かって次第に拡開するように前記開口面と前記対向面との間の両側壁面が配向される
   ことを特徴とする、排気還流装置。
2. 前記接続部は、前記吸気通路から前記コレクタ部内への前記吸気の流れ方向に対して直交する方向に接続され、
   前記通路部は、前記接続部の前記還流ガスの流れ方向に対して直交する方向に接続される
   ことを特徴とする、請求項１記載の排気還流装置。
3. 前記吸気マニホールドは、屈曲して形成された屈曲部を有し、
   前記接続部は、前記屈曲部よりも吸気流れの上流側に接続される
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載の排気還流装置。
4. 前記コレクタ部は、前記複数の気筒とそれぞれ連通する一列に並んで形成された複数の連通口を有し、
   前記接続部は、前記吸気通路から前記複数の連通口へ向かう吸気流れの上流側に接続されるとともに、前記複数の連通口が並ぶ方向に前記還流ガスが広がるように前記流通断面積が拡開して形成される
   ことを特徴とする、請求項３記載の排気還流装置。
5. 前記屈曲部の流路内外寄りに設けられ、吸気の空燃比を検出する空燃比センサを備え、
   前記接続部は、前記対向面から前記開口面に向けて突設され、前記流通断面積の略中央に形成された突起を有する
   ことを特徴とする、請求項３又は４記載の排気還流装置。
6. 前記突起は、前記接続部の前記両側壁面と平行又は略平行に対向する側壁面を有している
   ことを特徴とする、請求項５記載の排気還流装置。
7. 前記突起の前記導入口側の端部が、前記接続部が接続される前記吸気マニホールド又は前記吸気通路の内周面に沿うように設けられる
   ことを特徴とする、請求項５又は６記載の排気還流装置。

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