JP6314546B2 - 排気還流装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気還流装置に関する。

車両用の内燃機関において、燃費性能の向上等を目的として排気ガスの一部を吸気側に還流させる排気還流装置（ＥＧＲ装置）が知られている。特許文献１には、低温の排気ガスを大量に還流させることを目的として、排気浄化装置を通過した排気ガスをターボ過給機のコンプレッサより上流側の吸気通路に還流させる低圧ＥＧＲ装置が開示されている。

特開２００９‐２６４３３９号公報

ところで、上記文献１のように、排気ガスをターボ過給機の上流側かつエアフローセンサの下流側に合流させる低圧ＥＧＲ装置では、排気ガスの還流を実行すると内燃機関が失火する場合があることがわかった。この失火の原因は次のように考えられる。

ＥＧＲ装置により還流する排気ガス（ＥＧＲガス）の量は計算により推定されており、エアフローセンサの検出値とＥＧＲガス量とに基づいて、燃料噴射量が算出される。しかし、吸気通路の曲がり部分における吸気流れの剥離により発生した乱流渦が、ＥＧＲガスの合流によって増幅されて、その一部が逆流してエアフローセンサを通過し、エアフローセンサの検出値が実際の吸入空気量よりも大きなものとなる。そして、実際の吸入空気量より大きな検出値に基づいて算出された燃料が噴射されて、リッチ失火が生じる。

そこで本発明では、排気ガスの還流を実行しても、エアフローセンサが正確な吸入空気量を検出し得る低圧ＥＧＲ装置を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、内燃機関の排気ガスの一部を、ターボ過給機のコンプレッサよりも吸気流れ上流側かつエアフローセンサより吸気流れ下流側の吸気通路に還流させる排気還流通路と、吸気通路に還流させる排気ガスの量を調整する還流制御弁とを備える排気還流装置が提供される。

排気還流装置の吸気通路は少なくとも一つの屈曲部を有し、排気還流通路の吸気通路への接続部は、吸気流れの剥離が発生していない領域で排気ガスと吸気とが合流するように設けられている。剥離が発生していない領域は、前記屈曲部より吸気流れ下流側の吸気通路の流路から、前記屈曲部の曲率と前記内燃機関の最大吸入空気量とに基づいて定まる剥離領域を除外した領域である。

上記態様によれば、排気ガスと吸気とが吸気流れの剥離が発生していない領域で合流するので、排気ガスの合流による吸気流れの乱れの増幅を防止でき、その結果、吸気の逆流に起因するエアフローセンサの誤計測を防止できる。

図１は、ＥＧＲ装置を備えるシステムの概略構成図である。 図２は、比較例としてのコンプレッサ上流側通路の構造を示す図である。 図３は、図２のコンプレッサ上流側通路の、軸線を含む断面図である。 図４は、図３のIV−IV線に沿った断面図である。 図５は、本実施形態のコンプレッサ上流側通路の構造を示す図である。 図６は、図５のコンプレッサ上流側通路の、軸線を含む断面図である。 図７は、図３のVII−VII線に沿った断面図である。 図８は、本実施形態の効果を説明するための図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明における「上流側」、「下流側」は、それぞれ吸気流れ（又は排気流れ）の上流側、下流側を意味する。

図１は、本発明の実施形態に係るＥＧＲ装置（排気還流装置）を備えるシステムの概略構成図である。内燃機関１に供給される空気（以下、吸入空気ともいう）は、エアクリーナ９から吸入され、エアフローセンサ１０を通過し、コンプレッサ上流側通路３を通ってターボ式過給機２のコンプレッサ２Ａに流入する。コンプレッサ２Ａで過給された吸入空気は、コンプレッサ下流側通路４に介装されたインタークーラ５で冷却されてから内燃機関１に流入し、燃焼する。燃焼後に内燃機関１から排出された排気ガスは、排気通路６に介装されたターボ式過給機２のタービン２Ｂを回転させ、排気浄化用触媒１１で浄化されてから大気中に排出される。

また、排気浄化用触媒１１を通過した排気ガスの一部は、ＥＧＲ通路（排気還流通路）７を通って上流側通路３に還流する。なお、ＥＧＲ通路７には、ＥＧＲ通路７を通る排気ガス（以下、ＥＧＲガスともいう）の量を調整し得るＥＧＲ弁（還流制御弁）が介装されている。

上記のように、本実施形態におけるＥＧＲ装置は、排気浄化用触媒１１の下流側からコンプレッサ２Ａの上流側にＥＧＲガスを還流させる、いわゆる低圧ＥＧＲ装置である。

図２は、本実施形態の比較例としての低圧ＥＧＲ装置における、コンプレッサ上流側通路３の構造を示す図である。

エアフローセンサ１０は、エアクリーナ９を収めるケースの出口側に取り付けられている。コンプレッサ上流側通路３は、樹脂またはゴム等の可撓性の素材で形成されたパイプ部３Ａと、鋳鉄等で形成されたエルボー部３Ｂと、を含んで構成されている。エルボー部３Ｂは、下流端にコンプレッサ２Ａとの接続用のフランジ部２０を備える。また、エルボー部３ＢにはＥＧＲ通路７が接続されている。

ところで、ターボ式過給機２は吸排両通路と接続する必要があり、さらには排気ガスを高エネルギの状態で流入させたいという要請もあるため、その配置は制約を受ける。また、エアクリーナ９及びエアフローセンサ１０の配置も、高いメンテナンス性を確保したいという要請や、高温になる場所を避けたいという要請等により制約を受ける。これらにより、エアフローセンサ１０からコンプレッサ２Ａまで曲がりのない配管で接続することは難しい。そして、コンプレッサ２Ａに対しては、吸入空気をコンプレッサ２Ａの回転軸方向に沿って流入させることが望ましい。その結果、コンプレッサ上流側通路３は、図２に示すように軸線が湾曲した形状となる。

図３は、比較例としての低圧ＥＧＲ装置のエルボー部３Ｂの、コンプレッサ上流側通路３の軸線（図中の破線）を含む平面で切った断面図である。図４は図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。図中の矢印Ｍはコンプレッサ上流側通路３内の吸気の主流を示している。図中の領域Ａは、後述する剥離領域を示している。図中の破線で示した円は、ＥＧＲ通路７の接続部を示している。

出願人が図２に示すＥＧＲ装置を用いて実験したところ、ＥＧＲガスの還流を実行すると内燃機関１で失火が生じる場合があった。この失火の原因については、次のように考えられる。

図３のようにＳ字状に屈曲するエルボー部３Ｂでは、吸気流が通路壁面に追従できなくなることで屈曲部の下流側に剥離領域Ａが生じる。剥離領域Ａは乱流状態であり、逆流渦が発生している。そして、図３、４に示すように、流入するＥＧＲガスが剥離領域Ａに合流するようにＥＧＲ通路７を接続すると、ＥＧＲガスの合流によって乱流状態がさらに促進され、逆流した吸気の一部がエアフローセンサ１０をコンプレッサ２Ａ側からエアフローセンサ１０側へ通過する。エアフローセンサ１０が逆流した吸気を計測することで、計測値は実際の吸入空気量よりも大きくなり、計測値に基づいて決定される燃料噴射量は実際に必要な噴射量よりも多くなる。その結果リッチ失火が生じる。

これに対し、エアフローセンサ１０が吸入空気量を正確に計測し、リッチ失火を防止し得る構成が、本実施形態のＥＧＲ装置である。コンプレッサ２Ａ、エアフローセンサ１０、及びエアクリーナ９の配置は、上述したように種々の制約があるため、変更することは難しい。そこで、本実施形態では以下に説明する構成により、リッチ失火を防止し得る構成とした。

図５は、本実施形態のＥＧＲ装置における、コンプレッサ上流側通路３の構造を示す図である。図６は、本実施形態に係るエルボー部３Ｂの、コンプレッサ上流側通路３の軸線を含む平面で切った断面図である。図７は図６のVII−VII線に沿った断面図である。図中の矢印Ｍはコンプレッサ上流側通路３内の吸気の主流を示している。図中の領域Ａは、後述する乱流領域を示している。図中の破線で示した円は、ＥＧＲ通路７の接続部を示している。

図６、７に示すように、ＥＧＲ通路７のエルボー部３Ｂへの接続部は、ＥＧＲガスがエルボー部３Ｂ内を流れる主流に合流する位置に設けられている。ＥＧＲガスがエルボー部３Ｂ内の主流と合流する場合は、剥離領域Ａに合流する場合に比べて合流部での圧力差が小さくなるので、合流するＥＧＲガスの流速も剥離領域Ａに合流する場合に比べて低くなる。合流するＥＧＲガスの流速が高いほど、合流によって吸気の流れを阻害して乱流を生じさせ易いが、本実施形態ではＥＧＲガスの流速が低く抑えられるので、乱流が生じにくい。

また、ＥＧＲガスが乱流状態の剥離領域Ａに合流すると、上述したように乱流状態が促進されてしまうが、本実施形態のように主流に合流させると、ＥＧＲガスは主流に引かれてスムーズに流れる。

上述したように、ＥＧＲガスがエルボー部３Ｂの乱流状態を促進することなくスムーズに流れるので、逆流がエアフローセンサ１０を通過することがなく、エアフローセンサ１０は正確な吸気量を計測できる。

なお、ＥＧＲ通路７の接続部は、ＥＧＲガスが剥離領域Ａに合流しない位置であればよく、図５、６に示す位置に限られるわけではない。例えば、図７の破線矢印で示した範囲であれば同様の効果が得られる。さらには、図６に示す位置から、エルボー部３Ｂの軸線に沿ってコンプレッサ２Ａの方向またはエアフローセンサ１０の方向にずらしてもよい。

図８は、ＥＧＲ率ごとに、エアフローセンサ１０の計測値に対する実際の吸入空気量の割合を算出した結果を示す図である。縦軸の「ＡＦＭ誤差」が、エアフローセンサ１０の計測値に対する実際の吸入空気量の割合であり、エアフローセンサ１０が実際の吸気量を正確に計測した場合には、ＡＦＭ誤差は１となる。つまり、エアフローセンサ１０の計測値が実際の吸入空気量より大きくなるほど、ＡＦＭ誤差の値は小さくなる。図中の黒丸が本実施形態のＥＧＲ装置の結果であり、図中の四角が比較例としての図２の構成のＥＧＲ装置の結果である。

ＥＧＲ率がゼロの場合は、本実施形態及び比較例のいずれもＡＦＭ誤差は１であるが、ＥＧＲガスを還流させると、本実施形態は比較例と比較して、ＡＦＭ誤差の落ち込みが小さい。すなわち、ＥＧＲガスの還流を実行した場合には、本実施形態の方が実際の吸入空気量に近い計測値であることがわかる。

また、本実施形態の構成によるＡＦＭ誤差程度であれば、計測値に基づいて算出された燃料噴射量に、ＡＦＭ誤差に応じた補正係数を用いて補正することで、実際に必要な燃料噴射量を噴射できる。これに対し、比較例のようにＡＦＭ誤差が小さくなると、燃料噴射量の補正可能範囲を超えている。

次に、上述した本実施形態の作用効果についてまとめる。

本実施形態の低圧ＥＧＲ装置は、コンプレッサ上流側通路３は少なくとも一つの屈曲部を有し、ＥＧＲ通路７のコンプレッサ上流側通路３への接続部は、吸気流れの剥離が発生していない領域でＥＧＲガスと吸気とが合流するように設けられている。これにより、ＥＧＲガスが合流することにより吸気流れの乱れが増幅されることを防止できるので、エアフローセンサ１０の誤計測によるリッチ失火を防止できる。

コンプレッサ上流側通路３は、コンプレッサ側の端部の上流側に二つの屈曲部が設けられたエルボー部３Ｂを備え、ＥＧＲ通路７の接続部は、二つの屈曲部の間に設けられている。これにより、吸気流れの乱れを増幅させることなく、ＥＧＲガスをコンプレッサ２Ａのより近くに合流させることができる。

剥離が発生していない領域を、屈曲部より吸気流れ下流側の吸気通路の流路から、屈曲部の曲率と吸気流量とに基づいて定まる剥離領域Ａを除外した領域として特定する。例えば、屈曲部の曲率が大きい程、広い剥離領域Ａが特定され、吸気流量が多い程、広い剥離領域Ａが特定される。これにより、ＥＧＲガスの合流による吸気流れの乱れの増幅を的確に防止できる。

剥離領域Ａを算出する際に用いる吸気流量は、内燃機関１の最大吸気流量である。剥離領域Ａの広さは運転状態により変動するが、最大吸気流量に基づいて剥離領域Ａを特定すれば、内燃機関１の運転状態にかかわらず吸気流の乱れの増幅を防止し、エアフローセンサ１０の誤計測によるリッチ失火を防止できる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１ 内燃機関
２ ターボ式過給機
３ コンプレッサ上流通路
４ コンプレッサ下流通路
５ インタークーラ
６ 排気通路
７ ＥＧＲ通路
８ ＥＧＲバルブ
９ エアクリーナ
１０ エアフローセンサ
１１ 排気浄化用触媒

Claims (4)

1. 内燃機関の排気ガスの一部を、ターボ過給機のコンプレッサよりも吸気流れ上流側かつエアフローセンサより吸気流れ下流側の吸気通路に還流させる排気還流通路と、
   前記吸気通路に還流させる排気ガスの量を調整する還流制御弁と、
   を備える排気還流装置において、
   前記吸気通路は少なくとも一つの屈曲部を有し、
   前記排気還流通路の前記吸気通路への接続部は、吸気流れの剥離が発生していない領域で前記排気ガスと吸気とが合流するように設けられており、
   前記剥離が発生していない領域は、前記屈曲部より吸気流れ下流側の吸気通路の流路から、前記屈曲部の曲率と前記内燃機関の最大吸入空気量とに基づいて定まる剥離領域を除外した領域であることを特徴とする排気還流装置。
2. 請求項１に記載の排気還流装置において、
   前記吸気通路は、前記コンプレッサ側の端部の上流側に二つの屈曲部が設けられ、
   前記接続部は、前記二つの屈曲部の間に設けられていることを特徴とする排気還流装置。
3. 請求項１または２に記載の排気還流装置において、
   前記屈曲部の曲率が大きい程、前記剥離領域が広いことを特徴とする排気還流装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の排気還流装置において、
   前記最大吸入空気量が多い程、前記剥離領域が広いことを特徴とする排気還流装置。

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