JP6051881B2 - 内燃機関とｅｇｒガス混合装置 - Google Patents

Description

本発明は、ターボチャージャのタービンを通過した後の低圧のＥＧＲガスを、ターボチャージャのコンプレッサの上流側の吸気通路を流れる新気に混合する内燃機関と、ＥＧＲガスと新気とを混合するＥＧＲガス混合装置に関する。

従来、エンジン（内燃機関）には、エンジンから排出される排気ガスの一部を新気に混合させて、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を低減するＥＧＲ（排気ガス再循環）システムが搭載されている。

このＥＧＲシステムには、ターボチャージャのタービンの上流側の排気ガス通路から分岐した高圧ＥＧＲ通路からインテークマニホールドに、比較的高温のＥＧＲガスを還流するＨＰ−ＥＧＲ（高圧ＥＧＲ）システムがある。

このＨＰ−ＥＧＲシステムを搭載したエンジンにおいて、コンプレッサにより圧力が高くなった新気にＥＧＲガスを混合する装置がある（例えば、特許文献１、及び特許文献２参照）。

特許文献１に記載の装置は、燃焼用空気供給部と、排気マニホルドと、前記燃焼用空気供給部に接続され且つ連絡された燃焼用空気吸気口、前記排気マニホルドに接続且つ連絡された排気ガス吸気口、排気口、ベンチュリ・スロートで終端し且つ前記燃焼用空気吸気口と連絡されたベンチュリ区間、前記ベンチュリ区間と前記排気口との間に位置され且つそれらと連絡された膨張部、及び、前記膨張部内で前記ベンチュリ・スロートに近接して終端する少なくとも１つの吸入ポートを含む吸入ベンチュリとを含む。この装置では、コンプレッサにより高圧化された新気とＥＧＲガスとを混合する際に、適度な量のＥＧＲガスを、ベンチュリ区間を通って流れる新気の流れの中に引き込み、また、ＥＧＲガスの新気への拡散を向上させる。加えて、膨張部内における圧力回復も向上させる。

特許文献２に記載の装置は、吸気管の途中にベンチュリ部を形成して該ベンチュリ部の外周に環状チャンバを設けると共に、該環状チャンバに対し排気側から排気ガスの一部を抜き出して導くＥＧＲパイプを接続し、前記ベンチュリ部に環状チャンバ内部と吸気管内部とを連通する環状スリットを形成して前記ベンチュリ部を上流側の縮径部と下流側の拡径部とに分割したＥＧＲガス混合装置であって、ベンチュリ部の縮径部の終端に対し拡径部の始端を半径方向外側にずらして段差を形成している。この装置では、高い吸引作用を得ることができるので、大量の排気ガスを吸気に良好に混合し得る。

しかし、特許文献１に記載の装置は、ＥＧＲガスの出口が斜めに開いているため新気の流れを阻害するという問題と、ＥＧＲガスの出口面積がベンチュリ絞り部面積に比して狭く、ＥＧＲガスと新気とが混合する際にＥＧＲガスの流速が加速するので、新気の流れの阻害の程度がさらに大きくなるという問題がある。よって、特許文献１に記載の装置ではＥＧＲガスの圧力損失が大きくなる。また、特許文献２に記載の装置も同様に、ＥＧＲガスの出口面積がベンチュリ絞り面積に比して狭く、ＥＧＲガスの流速が加速するので、ＥＧＲガスの圧力損失が大きくなり、燃費を悪化させる。

特に、特許文献１及び特許文献２に記載の装置は、ＨＰ−ＥＧＲシステムで用いられ、排気圧より吸気圧が高い高負荷時ではある程度意味があるが、低負荷時では圧力損失が大きくなり、燃費が悪化する。

一方、ＨＰ−ＥＧＲシステムに対して、ターボチャージャのタービンの下流側から分岐した低圧ＥＧＲ通路から、ターボチャージャのコンプレッサの上流側の吸気通路に、低温且つ大量のＥＧＲガスを還流するＬＰ−ＥＧＲ（低圧ＥＧＲ）システムがある。

このＬＰ−ＥＧＲシステムとＨＰ−ＥＧＲシステムとを併用することにより、エンジンの高負荷運転領域ではＨＰ−ＥＧＲシステムを使用し、低負荷運転領域ではＬＰ−ＥＧＲシステムを使用することで、ＮＯｘを大幅に低減している。

しかし、エンジンにＬＰ−ＥＧＲシステムを搭載するとよりＮＯｘを低減することができる反面、排気ガスと新気が混合する際に圧力損失が大きくなり、エンジンそのもののポンプ損失が増加して、燃費が悪化するという問題がある。

ここで、このＬＰ−ＥＧＲシステムを搭載したエンジンについて、図５を参照しながら説明する。このエンジン（内燃機関）１Ｘは、エンジン本体２に新気を吸入する吸気通路３と、エンジン本体２から排気ガスを排出する排気通路４とを備える。

また、このエンジン１Ｘはターボチャージャ５のタービン６の上流側の排気通路４から分岐したＨＰ−ＥＧＲ通路７からインテークマニホールド８にＥＧＲガスを還流するＨＰ−ＥＧＲシステム９と、タービン６の下流側の排気通路４から分岐したＬＰ−ＥＧＲ通路１０から、ターボチャージャ５のコンプレッサ１１の上流側の吸気通路３にＥＧＲガスを還流するＬＰ−ＥＧＲシステム１２とを備える。

エアクリーナー１３から吸入された新気は、コンプレッサ１１とインタークーラー１４を経由して、スロットルバルブ１５からインテークマニホールド８に送られる。

一方、エンジン本体２から排出された排気ガスの一部は、ＨＰ−ＥＧＲシステム９のＨＰ−ＥＧＲクーラー１６を介してＨＰ−ＥＧＲバルブ１７からインテークマニホールド８に環流される、あるいはバイパス弁１８によりＨＰ−ＥＧＲクーラー１６を介さずにバイパス通路１９を通ってインテークマニホールド８に環流される。

また、タービン６を通過した排気ガスは、排気ガス浄化装置（ＤＰＦ；ディーゼルパティキュレートフィルタなど）２０を経由して、ＬＰ−ＥＧＲシステム１２のＬＰ−ＥＧＲクーラー２１を介してＬＰ−ＥＧＲバルブ２２から吸気通路３に環流される。このとき、ＬＰ−ＥＧＲ通路１０を通過したＥＧＲガスは、ターボチャージャ５のコンプレッサ１１の上流側で新気と混合されるが、排気シャッター２５により排気通路４を閉鎖し、排圧を上げることにより、ＬＰ−ＥＧＲ通路１０の入口２３と出口２４との間に差圧を発生させている。これにより、ＬＰ−ＥＧＲ通路１０をＥＧＲガスが環流する。

しかし、排気シャッター２５で排気通路４を閉鎖することによりＥＧＲガスの排圧を高くしてＥＧＲガスを環流することはできるが、その反面、排気シャッター２５により圧力損失が増加し、エンジン１そのもののポンプ損失が増えて、燃費が悪化するという問題がある。

特開２００１−１６５００２号公報 特開２００７−０９２５９２号公報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、ターボチャージャのタービンを通過した後の低圧のＥＧＲガスを、ターボチャージャのコンプレッサの上流側の吸気通路を流れる新気に混合する際に発生する圧力損失を低減する内燃機関とＥＧＲガス混合装置を提供することである。

上記の目的を解決するための本発明のＥＧＲガス混合装置は、新気が流れる吸気通路の中途位置で、この吸気通路とＥＧＲガスが流れるＥＧＲ通路との合流地点に配置されたＥＧＲガス混合装置において、入口から出口に向かって縮径し、その入口にＥＧＲガスが混合される前の新気が流れる第一吸気通路が接続されているベンチェリ部と、このベンチェ
リ部の外周を周方向に覆い、径方向外側に前記ＥＧＲ通路が接続されている環状チャンバで構成された合流部とを備えていて、前記ベンチェリ部の出口、前記合流部の出口、及びＥＧＲガスが混合された後の新気が流れる第二吸気通路の入口が連通していて、前記ベンチェリ部の出口が上面、前記合流部の出口が側面、及び前記第二吸気通路の入口が前記上面よりも面積の大きい下面の円錐台が形成されていて、前記側面の面積が前記上面の面積よりも大きいことを特徴とするものである。
また、本発明の内燃機関は、上記のＥＧＲガス混合装置を備えたことを特徴とするものである。

この構成によれば、低圧ＥＧＲシステムを搭載した内燃機関のＥＧＲガスと新気との合流地点にベンチュリ部を有するＥＧＲガス混合装置を備え、ベンチュリ部を通過する新気の流速を加速して、圧力を低くし、その圧力が低くなった部分にＥＧＲガスの出口を設けることで、排気シャッターなどを用いることなく、低圧ＥＧＲ通路のＥＧＲガスの入口と出口に差圧を発生させることができる。これにより、ターボチャージャのタービンを通過した後の低圧のＥＧＲガスを環流することができる。

また、このＥＧＲガス混合装置ではベンチュリ部でＥＧＲガスの圧力損失を回復することができ、且つ、出口を通過後のＥＧＲガスの流速が加速しないため、新気の流れを阻害することを抑制することができるので、ＥＧＲガスと新気の両方の圧力損失を低減することができる。これにより、排気シャッターを用いる場合に対して内燃機関そのもののポンプ損失を低減し、燃費を向上することができる。

なお、低圧ＥＧＲ通路の出口はベンチュリ部の出口側、つまり拡径した部分に接続されると、ＥＧＲガスを新気と合流する際に、新気の流れに沿って合流させることができるので、より新気の流れを阻害することを抑制することができるので、好ましい。この場合には、例えば、合流部がベンチュリ部の外側に設けた環状チャンバで形成され、低圧ＥＧＲ通路の出口がベンチュリ部の縮径した部分側に小さい方の面を配置する円錐台の側面で形成される。

また、上記の内燃機関において、前記出口の総面積と前記ベンチュリ部の縮径した部分の断面積との比率（総面積／断面積）を、ＥＧＲガスと新気の両方の圧力損失を低減する圧力損失低減比率にすると、ＥＧＲガスと新気の圧力損失をより低減することができ、より燃費を向上することができる。

なお、ここでいう出口の総面積とは、低圧ＥＧＲ通路の噴き出し面積のことをいう。また、ベンチュリ部の縮径した部分の断面積とは、ベンチュリ部の最も縮径した部分の新気の流通面積のことをいう。そして、圧力損失低減比率は、ＥＧＲガスの圧力損失が３ｋＰａ以下になる値が好ましく、４．５以上、４．９以下の値に設定すると効果が高い。

上記の目的を解決するための本発明のＥＧＲガス混合装置は、吸気通路を流れる新気に、ＥＧＲ通路を通過後のＥＧＲガスを混合するＥＧＲガス混合装置において、前記吸気通路に設けられて、新気の流速を加速するベンチュリ部と、該ベンチュリ部に前記ＥＧＲ通路の出口を接続すると共に、前記出口を通過したＥＧＲガスの流速の加速を抑制する合流部とを備えて構成される。

また、上記のＥＧＲガス混合装置において、前記出口の総面積と前記ベンチュリ部の縮径した部分の断面積との比率（総面積／断面積）を、ＥＧＲガスと新気の両方の圧力損失を低減する圧力損失低減比率にすることが好ましい。

上記のＥＧＲガス混合装置は、従来のＥＧＲガス混合装置に比べて、ＥＧＲ通路の出口が、ベンチュリ部の縮径した部分の断面積に比して、充分に広いため、新気の流れを阻害することが無く、且つＥＧＲガスの圧力損失も回復することができる。

本発明によれば、ターボチャージャのタービンを通過した後の低圧のＥＧＲガスを、ターボチャージャのコンプレッサの上流側の吸気通路を流れる新気に混合する際に発生する圧力損失を低減することができる。これにより、内燃機関のポンプ損失を低減して、燃費を向上することができる。

本発明に係る実施の形態の内燃機関を示す構成図である。 図１に示すＥＧＲガス混合装置の拡大断面図である。 本発明に係る実施の形態の内燃機関の面積比率と圧力損失を示した表である。 図２に示すＥＧＲガス混合装置内の流速を示す拡大断面図である。 従来の内燃機関を示す構成図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関とＥＧＲガス混合装置について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態のエンジン（内燃機関）はディーゼルエンジンを例に説明するが、本発明はディーゼルエンジンに限定されずに、ガソリンエンジンにも適用することができ、その気筒数や、気筒の配列も限定されない。

また、以下の実施の形態のエンジンは、ＨＰ−ＥＧＲシステム（高圧ＥＧＲシステム）とＬＰ−ＥＧＲシステム（低圧ＥＧＲシステム）の両方を搭載したものを例に説明するが、本発明はこの構成に限定されずに、ＬＰ−ＥＧＲシステムのみを搭載したエンジンにも適用することができる。

本発明に係る実施の形態のエンジンについて、図１及び図２を参照しながら説明する。このエンジン１は、ターボチャージャ５のタービン６の下流側の排気通路４から分岐し、ＬＰ−ＥＧＲクーラー（低圧ＥＧＲクーラー）２１とＬＰ−ＥＧＲバルブ（低圧ＥＧＲ弁）２２とを設けたＬＰ−ＥＧＲ通路（低圧ＥＧＲ通路）１０から、タービン６を通過後の低圧のＥＧＲガスを、ターボチャージャ５のコンプレッサ１１の上流側の吸気通路３に導いて、吸気通路３を流れる新気に混合するＬＰ−ＥＧＲシステム１２を搭載したエンジン１であり、図５に示す従来のエンジン１Ｘの排気シャッター２５を外し、図１に示すように、コンプレッサ１１の上流側の吸気通路３に、ＥＧＲガス混合装置３０を備えて構成される。

また、このエンジン１は、ＥＧＲガス混合装置３０に、図２に示すように、吸気通路３に設けられて、新気の流速を加速するベンチュリ部３１と、ベンチュリ部３１にＬＰ−ＥＧＲ通路（低圧ＥＧＲ通路）１０の出口３２ａを接続させると共に、出口３２ａを通過したＥＧＲガスの流速の加速を抑制する合流部３２と、を有するＥＧＲガス混合装置３０を備えて構成される。

これにより、ＥＧＲガス混合装置３０のベンチュリ部３１により、吸気通路３を流通する新気の流れを絞り、新気の流速を加速させ、ＥＧＲガス混合装置３０の合流部３２で、その新気の流速が加速したことにより圧力が低くなった部分にＬＰ−ＥＧＲ通路１０の出口３２ａを接続させるので、ＬＰ−ＥＧＲ通路１０の入口２３と出口３２ａに差圧を発生させることができる。よって、ＬＰ−ＥＧＲシステム１２を搭載したエンジン１は、排気シャッター２５などを用いることなく、ＬＰ−ＥＧＲ通路１０のＥＧＲガスの入口２３と出口３２ａに差圧を発生させるので、ターボチャージャ５のタービン６を通過後の低圧のＥＧＲガスを、コンプレッサ１１を通過する前の低圧の新気に環流することができる。

また、このエンジン１は、ＥＧＲガス混合装置３０のベンチュリ部３１を通過後にＥＧＲガスの圧力損失を回復すると共に、出口３２ａを通過後のＥＧＲガスの流速の加速を抑制する。これにより、ＥＧＲガスの圧力損失と新気の圧力損失の両方を低減する。よって、排気シャッター２５を用いる場合に対してエンジン１そのもののポンプ損失を低減し、燃費を向上することができる。

加えて、コンプレッサ１１の上流側の吸気通路３にＥＧＲガス混合装置３０を備えると、コンプレッサ１１を通過前の低圧の新気にタービン６を通過後の低圧のＥＧＲガスを環流することができる。コンプレッサ１１の下流側に配置すると、コンプレッサ１１により新気の圧力が大きくなるため、低圧のＥＧＲガスを環流できなくなってしまう。また、コンプレッサ１１の上流側の吸気通路３に設けると、ＥＧＲガスと新気をコンプレッサ１１内で充分に攪拌して均一にすることができる。これにより、ＨＰ−ＥＧＲシステム９で問題となるＥＧＲ率の気筒間差を無くすことができる。

次に、上記のＥＧＲガス混合装置３０について、図２を参照しながら詳しく説明する。ここで、合流部３２の出口３２ａの総面積をＭ、ベンチュリ部３１の縮径部３１ａの断面積をＳとする。総面積Ｍは、拡径部３１ｂの点線で示した円錐台Ｌの側面積であり、ＥＧＲガスの噴き出し面積である。また、断面積Ｓは、縮径部３１ａの一点鎖線で示した管ΦＤの断面積であり、新気の流通面積である。

ベンチュリ部３１は、図２に示すように、吸気通路３を流れる新気の流れを絞ることによって新気の流速を加速し、新気の圧力を小さくする縮径部３１ａと、縮径部３１ａを流れる新気の流れを広げることによって新気の流速を減速し、圧力を回復する拡径部３１ｂとを備える。このベンチュリ部３１により、縮径部３１ａで新気の流れを絞り流速を加速するので、圧力を低くすることができる。

合流部３２は、ベンチュリ部３１の外周に設けられた環状チャンバであり、ベンチュリ部３１の出口側である拡径部３１ｂにＬＰ−ＥＧＲ通路１０の出口３２ａを接続して、ＬＰ−ＥＧＲ通路１０の入口２３と出口３２ａに差圧を発生し、タービン６を通過した低圧のＥＧＲガスを吸気通路３に導いている。

ＬＰ−ＥＧＲ通路１０の出口３２ａがベンチュリ部３１の拡径部３１ｂに接続されると、ＥＧＲガスを新気と合流する際に、ＥＧＲガスを新気の流れに沿って合流させることができるので、より新気の流れを阻害することを抑制することができる。

また、この合流部３２は、出口３２ａを通過したＥＧＲガスの流速の加速を抑制するように構成されている。具体的には、出口３２ａを、拡径部３１ｂの点線で示した円錐台Ｌの側面で形成する。この円錐台Ｌは、ベンチュリ部３１の縮径部３１ａ側に面積が小さい方の面を、拡径部３１ｂ側に面積が大きい方の面を配置する円錐台である。この構成により、出口３２ａのベンチュリ部３１の拡径部３１ｂ側が、縮径部３１ａ側よりも広く形成
されるので、出口３２ａを通過したＥＧＲガスは、新気の流れに沿って吸気通路３に導入される。これにより、ＥＧＲガスが新気の流れを阻害することを抑制することができる。

さらに、本発明では、ＥＧＲガス混合装置３０の合流部３２の出口３２ａの総面積Ｍとベンチュリ部３１の縮径部３１ａの断面積Ｓとの面積比率（総面積Ｍ／断面積Ｓ）を、ＥＧＲガスと新気の両方の圧力損失を低減する圧力損失低減比率Ｒにして構成される。

この圧力損失低減比率Ｒについて、図３に示す表を参照しながら説明する。この図３に示す表は、特許文献１（特開２００１−１６５００２号公報）の装置（以下、従来例１とする）、特許文献２（特開２００７−０９２５９２号公報）の装置（以下、従来例２とする）、比較例１〜比較例３、及び本発明に係る実施の形態のＥＧＲガス混合装置３０（以下、実施例１とする）の面積比率におけるＥＧＲガスの圧力損失を比較したものである。なお、従来例１については図面から、また従来例２については図面と段落〔００１８〕に記載の数値から面積比率を求めた。

この図３の表によれば、面積比率が４より小さい従来例１、従来例２、及び比較例１では、ＥＧＲガスの圧力損失が４ｋＰａよりも大きく、燃費が悪化する。また、比較例２では、ＥＧＲガスの圧力損失が３．４ｋＰａと低くなるが、燃費を向上する効果が低い。一方、面積比率が５を超える比較例３では、実施例１と比べるとＥＧＲガスの圧力損失が大きくなる。そこで、この図３の表からＥＧＲガスの圧力損失を充分に低減することができる圧力損失低減比率Ｒは、ＥＧＲガスの圧力損失が３ｋＰａ以下になる値が好ましく、特に、４．５以上、４．９以下の値に設定すると最も効果が高い。

次に、このＥＧＲガス混合装置３０の動作について、図４を参照しながら説明する。エンジン１が始動して、エンジン本体２から排気ガスが排出されると、図４に示すように、ＬＰ−ＥＧＲ通路１０からＥＧＲガスが、吸気通路３を流通する新気に混合される。

新気は、ベンチュリ部３１の縮径部３１ａで流れが絞られるため、流速が速くなる。これにより、新気の圧力は低くなる。この圧力が低くなった部分にＥＧＲガスの出口３２ａが設けられているので、ＬＰ−ＥＧＲ通路１０の入口２３と出口３２ａとの間に差圧を発生させることができ、タービン６を通過後の低圧のＥＧＲガスを、排気シャッターなどを用いることなく吸気通路３に環流することができる。

出口３２ａから排出されたＥＧＲガスは、拡径部３１ｂで圧力損失がある程度回復するので、ポンプ損失を低減することができる。また、出口３２ａの総面積Ｍが、縮径部３１ａの断面積Ｓに比して広いため、ＥＧＲガスの流速が合流部３２で上がることがないため、新気の流れを阻害することがないので、圧力損失を低減することができる。

このＥＧＲガス混合装置３０では、タービン６を通過後の低圧のＥＧＲガスを新気に混合すると共に、ＥＧＲガスの圧力損失と、新気の圧力損失の両方を低減することができる。つまり、ＮＯｘを低減するためのＬＰ−ＥＧＲシステム１２をエンジン１に搭載しても、ＥＧＲガスを新気に混合する際に発生する圧力損失を低減することができる。これにより、エンジン１のポンプ損失を低減して、燃費を向上することができる。

本発明の内燃機関は、ターボチャージャのタービンを通過した後の低圧のＥＧＲガスを、ターボチャージャのコンプレッサの上流側の吸気通路を流れる新気に混合する際に発生する圧力損失を低減することができるので、特にディーゼルエンジンを搭載するトラックなどの車両に利用することができ、燃費を向上することができる。

１、１Ｘ エンジン（内燃機関）
２ エンジン本体
３ 吸気通路
４ 排気通路
５ ターボチャージャ
６ タービン
７ ＨＰ−ＥＧＲ通路（高圧ＥＧＲ通路）
８ インテークマニホールド
９ ＨＰ−ＥＧＲシステム（高圧ＥＧＲシステム）
１０ ＬＰ−ＥＧＲ通路（低圧ＥＧＲ通路）
１１ タービン
１２ ＬＰ−ＥＧＲシステム（低圧ＥＧＲシステム）
１３ エアクリーナー
１４ インタークーラー
１５ スロットルバルブ
１６ ＨＰ−ＥＧＲクーラー
１７ ＨＰ−ＥＧＲバルブ
２０ 排気ガス浄化装置
２１ ＬＰ−ＥＧＲクーラー（低圧ＥＧＲクーラー）
２２ ＬＰ−ＥＧＲバルブ（低圧ＥＧＲ弁）
２３ 入口
３０ ＥＧＲガス混合装置
３１ ベンチュリ部
３１ａ 縮経部
３１ｂ 拡経部
３２ 合流部
３２ａ 出口

Claims (4)

1. 新気が流れる吸気通路の中途位置で、この吸気通路とＥＧＲガスが流れるＥＧＲ通路との合流地点に配置されたＥＧＲガス混合装置において、
   入口から出口に向かって縮径し、その入口にＥＧＲガスが混合される前の新気が流れる第一吸気通路が接続されているベンチェリ部と、このベンチェリ部の外周を環状に覆い、径方向外側に前記ＥＧＲ通路が接続されている合流部とを備えていて、
   前記ベンチェリ部の出口、前記合流部の出口、及びＥＧＲガスが混合された後の新気が流れる第二吸気通路の入口が連通し、前記ベンチェリ部の出口が上面、前記合流部の出口が側面、及び前記第二吸気通路の入口が前記上面よりも面積の大きい下面の円錐台が形成されていて、
   前記側面の面積が前記上面の面積よりも大きいことを特徴とするＥＧＲガス混合装置。
2. 前記側面の面積と、前記上面の面積との比率（側面の面積／上面の面積）が、４．５以上、４．９以下に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲガス混合装置。
3. 請求項１又は２に記載のＥＧＲガス混合装置を備えたことを特徴とする内燃機関。
4. 前記ＥＧＲ通路が、ターボチャージャのタービンの下流側の排気通路から分岐して、前記ターボチャージャのコンプレッサの上流側の前記吸気通路に合流する低圧ＥＧＲ通路であることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。

Images