JP6041690B2

JP6041690B2 - Ｅｇｒ装置付き内燃機関

Info

Publication number: JP6041690B2
Application number: JP2013016304A
Authority: JP
Inventors: 翔太田村
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2033-01-31
Also published as: JP2014148895A

Description

本願発明は、ＥＧＲ装置を備えた内燃機関に関し、特に、車両用内燃機関を好適な対象にしている。

近年の車両用内燃機関では、排気ガスの直接的な浄化手段として触媒コンバータを備えていると共に、排気ガスの有害成分濃度低下や燃費改善等のためにＥＧＲ装置を設けていることが多い。触媒コンバータはある程度の温度以上で活性度が高くなる性質があり、従って、機関を早期暖機して触媒コンバータの温度を早く昇温させるのが好ましい。

他方、ＥＧＲ装置に関しては、排気ガスの還流は燃焼の不安定化をもたらす虞があるため、暖機運転中はＥＧＲバルブを閉じて排気ガスが還流しないように制御しており、暖機運転が終了してから負荷や回転数が予め設定された条件に至ると、排気ガスを還流させる制御システムになっている。

そして、ＥＧＲ装置は排気通路から排気ガスを取り出すためのＥＧＲパイプを備えていることが多く、特許文献１には、排気通路に２つの触媒コンバータを備えた内燃機関において、排気通路のうち上流側の触媒コンバータと下流側の触媒コンバータとの間の部位にＥＧＲパイプを接続すると共に、ＥＧＲパイプの中途部と排気通路とを連通させる接続管を設けて、排気通路と接続管との接続部に、接続管の終端を閉じて排気通路を開き状態にする態様と、接続管の終端を閉じて排気通路を閉じ状態にする態様とに切り替える制御弁を設けた構成が開示されている。

特許文献１は暖機運転中での排気ガスの廃熱の有効利用を目的としたもので、ＥＧＲパイプの中途部に廃熱回収のための熱交換器を設けており、暖機運転中は排気ガスが接続管を経由して下流側の触媒コンバータに流れて、暖機運転終了後は接続管の終端を閉じることで、ＥＧＲガスはＥＧＲパイプのみを流れて、ＥＧＲガス以外の排気ガスは上流側の触媒コンバータから下流側の触媒コンバータにダイレクトに流れるように制御している。

特開２００７−２４０２２号公報

さて、上記のとおり、排気ガスは暖機運転終了後に吸気系に還流するようになっており、機関の温度は例えば冷却水の温度によって検知されるが、暖機運転終了後でも、ＥＧＲパイプが十分に昇温していないと、排気ガスがＥＧＲパイプで冷やされることで燃焼が不安定化するおそれがある。すなわち、シリンダブロックやシリンダヘッドの機関本体は設定温度に昇温していても、ＥＧＲパイプが十分に昇温していないことで、低い温度の排気ガスの還流によって燃焼が不安定化するおそれがある。

この点、特許文献１は暖機運転中にもＥＧＲパイプに排気ガスが流れるため、温度が過度に低下した排気ガスの還流による燃焼の不安定化を抑制できると言えるが、排気ガスの流れの切り替えのために制御弁を設けねばならないため、それだけ構造が複雑化することになる。また、制御弁が故障すると、例えば、高出力状態で大量の排気ガスが発生しているのに接続管をバイパスした流れしか確保できないといった事態が発生する可能性もあり、実際の内燃機関に適用するに当たっての信頼性が低いという問題もある。

更に、吸気系に還流するＥＧＲガスの温度が過度に高くなると充填効率が低下する問題があることから、ＥＧＲガスはある程度以上の温度域に達すると今度は冷却するのが好ましく、従って、ＥＧＲ装置はできるだけ放熱性を高くするのが好ましいが、特許文献１の接続管は放熱にはなんら寄与しておらず、放熱性はＥＧＲパイプと熱交換器に依存しているため、それらＥＧＲパイプ及び熱交換器の熱負荷が大きくなる問題もある。

本願発明は、かかる現状を改善すべく成されたものである。

本願発明は、途中に触媒コンバータを介挿した排気通路と、吸気系に排気ガスを還流させるために前記排気通路に一端部を接続したＥＧＲパイプと、排気ガスの還流量を制御するＥＧＲバルブとを備えた構成であって、一端部が前記ＥＧＲパイプのうち前記ＥＧＲバルブよりも上流側の部位に接続されて他端部が前記排気通路に接続されたバイパス管路を、当該バイパス管路の他端部が前記ＥＧＲパイプの一端部よりも下流側に位置するようにして設けている。

そして、前記排気通路のうち前記ＥＧＲパイプの一端部の箇所での排気ガスの圧力とバイパス管路の他端部の箇所での排気ガスの圧力との圧力差をＥＧＲパイプ及びバイパス管路の流れ抵抗に勝る大きさとすることにより、前記ＥＧＲバルブを閉じた状態では排気ガスがＥＧＲパイプからバイパス管路に自然に流れて、前記ＥＧＲバルブを開いた状態では排気ガスが前記バイパス管路からもＥＧＲパイプに自然に流れるように設定している。

排気通路のうちＥＧＲパイプの一端部の箇所とバイパス管路の他端部の箇所とに所望の圧力差を設ける手段（圧力差確保手段）としては、例えば、ＥＧＲパイプの一端部を触媒コンバータのロアコーン部に接続して、バイパス管路の他端部をロアコーン部よりも下流側に配置するなど、種々の手段を採用できる。端的には、ＥＧＲパイプの一端部とバイパス管路の他端部との距離を長く取ったらよいが、オリフィス作用やエゼクター作用を利用することで、両者の間隔を短くしつつ必要な圧力差を確保することも可能である。

本願発明では、暖機運転のためにＥＧＲバルブを閉じた状態では排気ガスの一部がＥＧＲパイプからバイパス管路を通って排気通路に戻るため、暖機運転しながらＥＧＲパイプを温めることができる。このため、機関本体が所定の温度に昇温してＥＧＲガスを還流させたときに、排気ガスがＥＧＲパイプの冷却作用で温度低下することはなく、暖機運転直後にＥＧＲ装置を作動させても安定した燃焼を確保することができる。

また、ＥＧＲバルブを開くとバイパス管路からもＥＧＲガスが還流するため、バイパス管路を放熱管として機能させることができる。そのため、ＥＧＲパイプの熱負担を軽減して耐久性を向上できる。そして、本願発明は排気ガスの圧力差を利用してバイパス管路に排気ガスを流すものであり、特許文献１のような制御弁は不要であるため、構造が簡単でコスト面で有利であると共に、故障の問題もなくて現実適応性に優れている。

さて、内燃機関では燃焼（爆発）と排気とが間欠的に行われことから、排気通路を通る排気ガスの流れに脈動が生じている。このため、排気ガスの還流量の正確な制御が阻害されるおそれや、排気ガスの脈動が吸気系の脈動と共振してスムースな燃焼を阻害するおそれが懸念される。

この点、本願発明では、ＥＧＲパイプの一端部とバイパス管路の他端部との位置関係やＥＧＲパイプの長さとバイパス管路の長さとを調整することで、ＥＧＲパイプを流れるＥＧＲガスの脈動とバイパス管路を流れるＥＧＲガスの脈動とを打ち消し合うように合流させることができる。これにより、ＥＧＲバルブや吸気系に至る段階でＥＧＲガスの脈動を消滅又は大幅に減衰させることが可能になる。その結果、ＥＧＲガスの正確な制御やスムースな燃焼を確保することが可能になる。

第１実施形態の概略正面図である。第１実施形態の概略平面図である。（Ａ）は作用を説明するための模式的な平面図、（Ｂ）は排気ガス圧力の関係を示すグラフである。脈動の減衰状態を示すグラフである。第２実施形態を示す図で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図である。第３実施形態の要部断面図である。

(1).第１実施形態の構造
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１〜４に基づいて第１実施形態を説明する。図１，２のとおり、内燃機関は、シリンダブロック１とその上面に固定されたシリンダヘッド２とからなる機関本体を有しており、シリンダヘッド２の上面には動弁機構を覆うヘッドカバー３が固定されている。

本実施形態の内燃機関は３気筒であり、そこで、シリンダヘッド２の一側面２ａには、１つの集合部４ｂから３本の枝部４ａが分岐した吸気マニホールド４が固定されて、シリンダヘッド２の他側面２ｂには、排気通路の一部として、３本の枝部５ａを有する排気マニホールド５が固定されている。あえて述べる間でもないが、吸気マニホールド４にはエアクリーナを始端とする吸気通路が接続されており、吸気通路にスロットルバルブやサージタンクなどを設けている。

排気マニホールド５の枝部５ａは下向きに開口した集合部５ｂに集合しており、集合部５ｂには、触媒コンバータ６を構成する触媒ケース７が接続されている。触媒ケース７は、三元触媒が収納された円筒状のストレート部７ａとその上端に連続した上窄まり台錘状のアッパーコーン部７ｂ、及び、ストレート部７ａの下端に連続した下窄まり台錘状のロアコーン部７ｃから成っており、アッパーコーン部７ｂが排気マニホールド５の集合部５ｂに接続されている。

触媒ケース７のロアコーン部７ｃにはその下端と同径のストレート部６ｄが設けられており、ストレート部６ｄに板金製のブラケット８を溶接等で固定し、ブラケット８をボルト（図示せず）でシリンダブロック１の一側面に固定している。触媒ケース７のストレート部６ｄには、排気管９が接続されている。そして、触媒ケース７におけるロアコーン部７ｃの傾斜面にＥＧＲパイプ１０の一端部１０ａが接続されている。ＥＧＲパイプ１０はその一端部１０ａから上向きに立ち上がっており、他端部１０ｂは、端板１１を介してシリンダヘッド２の他側面２ｂに固定されている。

図２に示すように、シリンダヘッド２にはＥＧＲパイプ１０に連通した還流穴１２が一側面２ａと他側面２ｂとに貫通するように形成されており、シリンダヘッド２の一側面２ｂには、ＥＧＲガスの還流量を調節するＥＧＲバルブ１３を固定している。従って、ＥＧＲパイプ１０はその全体がＥＧＲバルブ１３よりも上流側に位置している。ＥＧＲバルブ１３の出口と吸気マニホールド５の集合部とは、還流パイプ１４で接続されている。従って、本実施形態では、ＥＧＲパイプ１０と還流穴１２と還流パイプ１４とでＥＧＲ通路が構成されている。

なお、還流パイプ１４を設けることに代えて、図２に一点鎖線で示すように、吸気マニホールド４に還流路１５を一体に設けて、還流路１５からシリンダヘッド２の各吸気ポートに還流させたり、シリンダヘッド２に還流路を形成したりすることも可能である。

本願発明の特徴として、排気ガスをＥＧＲパイプ１０の他端部１０ｂから排気管９に戻すバイパス管路１６を設けている。すなわち、バイパス管路１６は概ねＥＧＲパイプ１０と同じ程度の内径であり、その一端部１６ａはＥＧＲパイプ１０の他端部に接続されて、他端部１７ｂは排気管９のうち触媒コンバータ６よりもかなり下流側に接続されている。排気通路に複数の触媒コンバータを設けている場合は、バイパス管路１６の他端部１６ｂは下流側の触媒コンバータの下流側に接続するのが好ましい。

(2).第１実施形態のまとめ
図３（Ｂ）では、排気マニホールド５の集合部５ｂの排気ガスの圧力Ｐ１、触媒ケース７のロアコーン部７ｃの箇所での排気ガスの圧力Ｐ２、ＥＧＲバルブ１３を閉じた状態でのＥＧＲパイプ１０の他端部１０ｂ及びバイパス管路１６の一端部１６ａの個所での排気ガスの圧力Ｐ３、排気管９のうちバイパス管路１６の他端部１６ｂの個所での排気ガスの圧力Ｐ４、ＥＧＲバルブ１３を開いた状態でのＥＧＲパイプ１０の他端部１０ｂ及びバイパス管路１６の一端部１６ａの個所での排気ガスの圧力Ｐ５を表示している。

Ｐ５はＥＧＲバルブ１３の開度によって変化するが、ここでは圧力の変化は捨象している。また、ＥＧＲバルブ１３を開くとバイパス管路１６を流れる排気ガスの量が変化するのでＰ４も変化するが、ここではＰ４の変化は無視している。

排気系では、流れ抵抗があるため下流に行くほど圧力は低くなる傾向を呈し、また、圧力は内径によっても変化する。いずれにしても、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ４の関係は常に成立している。この場合、触媒ケース６のロアコーン部７ｃは容積が大きいため相対的に圧力は高く、このため、Ｐ２とＰ４との圧力差は同径である場合よりも大きい。

ＥＧＲパイプ１０の他端部１０ｂ及バイパス管路１６の一端部１６ａの個所での圧力Ｐ３，Ｐ５は、ＥＧＲバルブ１３の開閉によって大きく変化する。すなわち、ＥＧＲバルブ１３が閉じている状態での圧力Ｐ３はＰ２よりは低いがＰ４よりは高く、ＥＧＲバルブ１３が閉じている状態での圧力Ｐ５はＰ４よりも低くなっている。

このため、ＥＧＲバルブ１３を閉じた状態では、図３（Ａ）に白抜き矢印で示すように、排気ガスの一部はＥＧＲパイプ１０に流入してバイパス管路１６を経由して排気管９に戻るように流れる。排気ガスがＥＧＲパイプ１０とバイパス管路１６を流れるに当たっては流れ抵抗が存在するが、Ｐ２とＰ４との間には、流れ抵抗に打ち勝って排気ガスがＥＧＲパイプ１０からバイパス管路１６を通過するような圧力差が生じている。

このように、ＥＧＲバルブ１３を閉じた状態で排気ガスがＥＧＲパイプ１０とバイパス管路１６とを流れることにより、暖機運転中においてもそれらＥＧＲパイプ１０とバイパス管路１６とは排気ガスによって温められる。その結果、暖機運転直後にＥＧＲガスを吸気系に還流させたときに、低い温度のＥＧＲガスが吸気系に還流して燃焼が不安定なることを防止できる。

また、ＥＧＲバルブ１３を開くと、ＥＧＲパイプ１０の他端部１０ｂ及びバイパス管路１６の一端部１６ａの個所での圧力は、バイパス管路１６の他端部１６ｂの個所の圧力Ｐ４よりも低いＰ５に低下するため、図３（Ａ）に黒抜き矢印で示すように、排気ガスはバイパス管路１６からも還流穴１２に流入する。このようにバイパス管路１６もＥＧＲガスの還流通路として機能するため、暖機運転後のＥＧＲガスの放熱性も向上できる。

図４では、ＥＧＲバルブ１３の脈動Ｍ１とバイパス管路１６の脈動Ｍ２とが打ち消し合う状態を表示している。３気筒内燃機関の場合は脈動Ｍ１，Ｍ２はクランク軸の回転角度において２７０°の周期なので、ＥＧＲパイプ１０とバイパス管路１６との集合部において両脈動Ｍ１，Ｍ２の山と谷とが重なるように（位相が１／２周期ずつずれるように）、ＥＧＲパイプ１０及びバイパス管路１６の長さや、ＥＧＲパイプ１０の一端部１０ａとバイパス管路１６の他端部１６ｂとの間隔を調整することで、吸気系に至る脈動を著しく減衰させることができる。

排気管９は触媒ケース６から下向きに延びたのち横向きや後ろ向きの略水平姿勢に曲げられるが、排気管９の曲がりによって圧力が低くなるので、図１に二点鎖線で示すように、バイパス管路１６の他端部１６ｂを排気管９のうち曲がり部よりも下流側に接続すると、圧力差を大きくすることができて好適である。

(3).他の実施形態
次に、他の実施形態を説明する。図５に示す第２実施形態では、１本のパイプの内部を仕切り板１８で仕切ることで、ＥＧＲパイプ１０とバイパス管路１６とを一体化している。内部を仕切り板１８で仕切ることに代えて、断面半円状の２本のパイプを背中合わせに接合してもよい。

この実施形態では、仕切り板１８の一端部を触媒ケース６のロアコーン部７ｃから排気管９の下流側に長く延長して、延長部１８ａと排気管９との間にバイパス管路１６を構成している。すなわち、バイパス管路１６の他端部をＥＧＲパイプ１０の一端部から遠ざけている。このため、ＥＧＲパイプ１０の一端部１０ａとバイパス管路１６の他端部１６ｂとの間の圧力差を確保している。

図６ではオリフィスを利用した例を示している。すなわち、排気管９に第１及び第２の２つの内向きオリフィス部１９，２０を形成し、ＥＧＲパイプ１０は第１オリフィス部１９の上流側のテーパ部１９ａに接続し、バイパス管路１６は第２オリフィス部２０の下流側のテーパ部２０ｂに接続している。

第１オリフィス部１９の上流側のテーパ部１９ａでは、断面積が縮小していることで圧力は高くなっている一方、第２オリフィス部２０の下流側のテーパ部２０ｂでは、断面積が拡大していることで圧力は低くなっており、このため、ＥＧＲパイプ１０の一端部１０ａとバイパス管路１６の他端部１６ｂとの間には大きな圧力差生じている。バイパス管路１６の他端部１６ｂの個所ではエゼクタ効果による吸引作用も発生しているため、ＥＧＲパイプ１０からバイパス管路１６への排気ガスの流れを的確に確保できる。

本願発明は、上記の各実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、上記の各実施形態ではＥＧＲパイプ１０は触媒コンバータのロアコーン部７ｃ又はその下流側に接続したが、複数の触媒コンバータを備えている場合は、ＥＧＲパイプ１０を触媒ケース６のアッパーコーン部７ｂや排気マニホールド５に接続して、バイパス管路１６の他端部を２つの触媒コンバータの間に接続するといったことも可能である。

本願発明は実際に内燃機関に適用できる。従って、産業上利用できる。

１シリンダブロック
２シリンダヘッド
４吸気マニホールド
５排気通路を構成する排気マニホールド
６触媒コンバータ
７触媒ケース
７ｂアッパーコーン部
７ｃロアコーン部
９排気通路を構成する排気管
１０ＥＧＲパイプ
１０ａＥＧＲパイプの一端部
１０ｂＥＧＲパイプの他端部
１２還流穴
１３ＥＧＲバルブ
１４還流パイプ
１６バイパス管路
１６ａバイパス管路の一端部
１６ｂバイパス管路の他端部

Claims

途中に触媒コンバータを介挿した排気通路と、吸気系に排気ガスを還流させるために前記排気通路に一端部を接続したＥＧＲパイプと、排気ガスの還流量を制御するＥＧＲバルブとを備えた構成であって、
一端部が前記ＥＧＲパイプのうち前記ＥＧＲバルブよりも上流側の部位に接続されて他端部が前記排気通路に接続されたバイパス管路を、当該バイパス管路の他端部が前記ＥＧＲパイプの一端部よりも下流側に位置するようにして設けており、
前記排気通路のうち前記ＥＧＲパイプの一端部の箇所での排気ガスの圧力とバイパス管路の他端部の箇所での排気ガスの圧力との圧力差をＥＧＲパイプ及びバイパス管路の流れ抵抗に勝る大きさとすることにより、前記ＥＧＲバルブを閉じた状態では排気ガスがＥＧＲパイプからバイパス管路に自然に流れて、前記ＥＧＲバルブを開いた状態では排気ガスが前記バイパス管路からもＥＧＲパイプに自然に流れるように設定している、
ＥＧＲ装置付き内燃機関。