JP2008069645A - 排気ガス再循環装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの排気通路から吸気通路に還流するＥＧＲガス量を調整する排気ガス還流量制御弁としてバタフライバルブを用いた排気ガス再循環装置において、ＥＧＲガス中に含まれる煤やデポジットが、バタフライバルブの弁体の外周面に付着することを抑制する。
【解決手段】バタフライバルブ１０２の弁体１２０のうちＥＧＲガス流れの上流側に回転する上流側弁体１２１の外周面１２１ａが対向するＥＧＲガス通路１０１の内壁面１０１ａの形状を、当該上流側弁体１２１の外周面１２１ａの上流側を覆う形状で、上流側弁体１２１の外周面１２１の回転軌跡に沿う形状とすることで、弁体１２０が開いているときに、上流側弁体１２１の外周面１２１ａをＥＧＲガス流れに対して保護し、上流側弁体１２１の外周面１２１ａにＥＧＲガス中に含まれる煤やデポジットが付着することを抑制する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に排出される排気ガスの一部を吸気通路に還流する排気ガス再循環装置に関する。

自動車等に搭載される内燃機関（以下、エンジンともいう）には、燃焼室から排出される排気ガス中に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を低減するために、排気ガス再循環装置（ＥＧＲ装置）が設けられている。排気ガス再循環装置は、排気通路に排出される排気ガスの一部を排気ガス還流通路（以下、ＥＧＲガス通路ともいう）を介して吸気通路に還流ガスとして再循環させ、混合気に混入させて燃焼温度を下げることによってＮＯｘの発生を抑制している。

しかし、排気ガスを吸気通路に再循環（還流）させると、燃焼室内での混合気の着火性が低下し、エンジン出力の低下及びエンジン運転性の低下を招くので、吸気通路内に還流させる排気ガスの流量（排気ガス還流量）をエンジンの運転状態に応じて調整する必要がある。

そこで、この種の排気ガス再循環装置においては、ＥＧＲガス通路に排気ガス還流量制御弁（以下、ＥＧＲバルブともいう）を設け、そのＥＧＲバルブにより吸気通路に還流する排気ガス還流量（ＥＧＲガス量）を制御するようにしている。

ＥＧＲバルブとしては、例えば図４に示すように、ＥＧＲガス通路３０１に直交して配置された回転軸３２３と、その回転軸３２３に取り付けられた円板状の弁体３２０とを備え、前記回転軸３２３の回転駆動（例えば駆動モータによる回転駆動）により、弁体３２０を全閉位置と全開位置との間において回転させることによって、ＥＧＲガス量を調整するバタフライバルブ３０２が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−２３３０６３号公報

ところで、図４に示した構造のバタフライバルブ３０２では、全閉状態のときには弁体３２０の外周面の全周がＥＧＲガス通路３０１の内壁面３０１ａに密着しているが、ＥＧＲガスを流すために、弁体３２０を全閉状態から開弁して全開状態に開度を変えると、弁体３２０の外周面がＥＧＲガス通路３０１の内壁面３０１ａから離れる。このような全開状態のときに、図５（Ａ）に示すように、弁体３２０のＥＧＲガス流れの上流側となる部分（上流側弁体３２１）の外周面（側面）３２１ａに、ＥＧＲガス中に含まれる煤やデポジットが付着しやすくなる。そして、上流側弁体３２１の外周面３２１ａに煤やデポジットが付着したままの状態で、バタフライバルブ３０２を全閉にすると、図５（Ｂ）に示すように、上流側弁体３２１の外周面３２１ａとＥＧＲガス通路３０１の内壁面３０１ａとの間に煤やデポジットが噛み込んでしまい、弁体３２０の固着や閉じ不良等が発生することがある。

本発明はそのような実情を考慮してなされたものであり、内燃機関の排気通路から吸気通路に還流する排気ガスの量を調整する排気ガス還流量制御弁としてバタフライバルブを用いた排気ガス再循環装置において、排気ガス還流通路を通じて吸気通路に還流する排気ガス中に含まれる煤やデポジットが、バタフライバルブの弁体の外周面に付着することを抑制することが可能な構造を提供することを目的とする。

本発明は、内燃機関の排気通路に排出される排気ガスの一部を吸気通路に還流する排気ガス還流通路と、前記排気ガス還流通路に設けられ、前記排気通路から前記吸気通路に環流する排気ガスの量を調整する排気ガス環流量制御弁とを備えた排気ガス再循環装置において、前記排気ガス還流量制御弁が、前記排気ガス還流通路内に配置された板状の弁体と、前記排気ガス還流通路に交差（直交）して配置され前記弁体を回転自在に支持する回転軸とを有するバタフライバルブであって、そのバタフライバルブの弁体のうち、バルブ開時に還流排気ガス流れの上流側に回転する上流側弁体の外周面が対向する前記排気ガス還流通路の内壁面が、当該上流側弁体の外周面の上流側を覆う形状に形成されていることを特徴としている。

本発明によれば、バタフライバルブの弁体のうち、バルブ開時に還流排気ガス流れの上流側（全閉位置に対して上流側）に回転する上流側弁体の外周面（側面）が排気ガス還流通路の内壁面によって覆われ、上流側弁体の外周面が還流排気ガス流れに対して保護されるので、弁体全開時等の弁体が開いている状態のときに、上流側弁体の外周面に還流排気ガス中に含まれる煤やデポジットが付着することを抑制することができる。また、上流側弁体の外周面が対向する内壁面を、当該上流側弁体の外周面の上流側を覆う形状とすることにより、全閉時に上流側弁体が当接する排気ガス還流通路の内壁面に煤やデポジットが付着しにくくなる。このように、還流排気ガス流れの上流側に回転する上流側弁体の外周面、及び、全閉時に上流側弁体の外周面が当接する排気ガス還流通路の内壁面に煤やデポジットが付着しにくくなるので、バタフライバルブの全閉時における弁体の閉じ不良や弁体の固着等の問題を解消することができる。

本発明において、バタフライバルブの上流側弁体の外周面が対向する排気ガス還流通路内壁面の形状を、当該上流側弁体の外周面の回転軌跡に沿う形状としておいてもよい。このような構造を採用すると、全閉位置から全開位置の間において、弁体が任意の位置に回転しても、上流側弁体の外周面に還流排気ガスが回り込むことを防ぐことができ、上流側弁体の外周面への煤やデポジットの付着をより効果的に抑制することができる。

本発明によれば、内燃機関の排気通路から吸気通路に還流する排気ガスの量を調整する排気ガス還流量制御弁としてバタフライバルブを用いた排気ガス再循環装置において、バタフライバルブの弁体のうち還流排気ガス流れの上流側に回転する上流側弁体の外周面が対向する排気ガス還流通路の内壁面の形状を、当該上流側弁体の外周面の上流側を覆う形状とし、弁体が開の状態のときに、上流側弁体の外周面に還流排気ガス中に含まれる煤やデポジットが付着しにくい構造としたので、バタフライバルブの動作不良を抑制することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

まず、本発明を適用するディーゼルエンジンについて説明する。

−エンジン−
本発明を適用するディーゼルエンジンの概略構成を図１を参照して説明する。なお、図１にはエンジンの１気筒の構成のみを示している。

図１に示すエンジン１は、例えば筒内直噴４気筒エンジンであって、その各気筒を構成するシリンダブロック１ａ内には上下方向に往復動するピストン１ｃが設けられている。ピストン１ｃはコネクティングロッド１６を介してクランクシャフト１５に連結されており、ピストン１ｃの往復運動がコネクティングロッド１６によってクランクシャフト１５の回転へと変換される。

クランクシャフト１５にはシグナルロータ１７が取り付けられている。シグナルロータ１７の外周面には複数の突起（歯）１７ａ・・１７ａが等角度ごとに設けられている。シグナルロータ１７の側方近傍にはクランクポジションセンサ（エンジン回転数センサ）２５が配置されている。クランクポジションセンサ２５は、例えば電磁ピックアップであって、クランクシャフト１５が回転する際にシグナルロータ１７の突起１７ａに対応するパルス状の信号（出力パルス）を発生する。

エンジン１のシリンダブロック１ａにはエンジン冷却水温を検出する水温センサ２１が配置されている。また、シリンダブロック１ａの上端にはシリンダヘッド１ｂが設けられており、このシリンダヘッド１ｂとピストン１ｃとの間に燃焼室１ｄが形成されている。

エンジン１のシリンダブロック１ａの下側には、潤滑オイルを貯留するオイルパン１８が設けられている。このオイルパン１８に貯留された潤滑オイルは、エンジン１の運転時に、異物を除去するオイルストレーナを介してオイルポンプによって汲み上げられ、さらにオイルフィルタで浄化された後に、ピストン１ｃ、クランクシャフト１５、コネクティングロッド１６などに供給され、各部の潤滑・冷却等に使用される。そして、このようにして供給された潤滑オイルは、エンジン１の各部の潤滑・冷却等のために使用された後、オイルパン１８に戻され、再びオイルポンプによって汲み上げられるまでオイルパン１８内に貯留される。

エンジン１のシリンダヘッド１ｂには、エンジン１の燃焼室１ｄ内に燃料を直接噴射するためのインジェクタ（燃料噴射弁）２が設けられている。インジェクタ２にはコモンレール（蓄圧室）３が接続されており、インジェクタ２の電磁弁が開いている間、コモンレール３内の燃料がインジェクタ２から燃焼室１ｄ内に噴射される。コモンレール３には、このコモンレール３内の高圧燃料の圧力（レール圧）を検出するためのレール圧センサ２４が配置されている。コモンレール３には燃料ポンプであるサプライポンプ４が接続されている。

サプライポンプ４は、エンジン１のクランクシャフト１５の回転力よって駆動され、このサプライポンプ４の駆動により、燃料タンク９から燃料をコモンレール３に供給し、インジェクタ２を所定のタイミングで開弁することにより、エンジン１の各気筒の燃焼室１ｄ内に燃料が噴射される。この噴射された燃料は燃焼室１ｄ内で燃焼され排気ガスとなって排気通路１４に排出される。なお、インジェクタ２の開弁タイミング（噴射期間）は後述するＥＣＵ（電子制御ユニット）２００によって制御される。

一方、エンジン１の燃焼室１ｄには吸気通路１１と排気通路１２が接続されている。吸気通路１１と燃焼室１ｄとの間に吸気バルブ１３が設けられており、この吸気バルブ１３を開閉駆動することにより、吸気通路１１と燃焼室１ｄとが連通または遮断される。また、排気通路１２と燃焼室１ｄとの間に排気バルブ１４が設けられており、この排気バルブ１４を開閉駆動することにより、排気通路１２と燃焼室１ｄとが連通または遮断される。これら吸気バルブ１３及び排気バルブ１４の開閉駆動は、クランクシャフト１５の回転が伝達される吸気カムシャフト及び排気カムシャフトの各回転によって行われる。

吸気通路１１には、エアクリーナ７、吸入空気量を検出するエアフローメータ２２、吸気温センサ２３（エアフローメータ２２に内蔵）及びスロットルバルブ６などが配置されている。スロットルバルブ６はスロットルモータ６１によって駆動される。

排気通路１２には触媒装置８などが配置されている。触媒装置８は、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒８１とＤＰＮＲ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ−ＮＯｘ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）触媒８２とを備えている。

ＮＯｘ吸蔵還元型触媒８１は、排気中に多量の酸素が存在している状態においてはＮＯｘを吸蔵し、排気中の酸素濃度が低く、かつ還元成分（例えば燃料の未燃成分（ＨＣ））が多量に存在している状態においてはＮＯｘをＮＯ₂もしくはＮＯに還元して放出する。ＮＯ₂やＮＯとして放出されたＮＯｘは、排気中のＨＣやＣＯと速やかに反応することによってさらに還元されてＮ₂となる。また、ＨＣやＣＯは、ＮＯ₂やＮＯを還元することで、自身は酸化されてＨ₂ＯやＣＯ₂となる。

ＤＰＮＲ触媒８２は、例えば多孔質セラミック構造体にＮＯｘ吸蔵還元型触媒を担持させたものであり、排気ガス中のＰＭは多孔質の壁を通過する際に捕集される。また、排気ガスの空燃比がリーンの場合、排気ガス中のＮＯｘはＮＯｘ吸蔵還元型触媒に吸蔵され、空燃比がリッチになると吸蔵したＮＯｘは還元・放出される。さらに、ＤＰＮＲ触媒８２には、捕集したＰＭを酸化・燃焼する触媒（例えば白金等の貴金属を主成分とする酸化触媒）が担持されている。

エンジン１には、排気圧を利用して吸入空気を過給するターボチャージャ（過給機）５が設けられている。ターボチャージャ５は、排気通路１２に配置されたタービンホイール５１と、吸気通路１１に配置されたコンプレッサインペラ５２によって構成されており、排気通路１２に配置のタービンホイール５１が排気のエネルギによって回転し、これに伴って吸気通路１１に配置のコンプレッサインペラ５２が回転する。そして、コンプレッサインペラ５２の回転により吸入空気が過給され、エンジン１の各気筒の燃焼室１ｄに過給空気が強制的に送り込まれる。

ターボチャージャ５は可変ノズル式ターボチャージャであって、タービンホイール５１側に可変ノズルベーン機構５３が設けられており、この可変ノズルベーン機構５３の開度を調整することにより、エンジン１の過給圧を調整することができる。可変ノズルベーン機構５３の開度は、ＥＣＵ２００によって制御されるＤＣモータ等のアクチュエータ５４によって調整される。ターボチャージャ５のコンプレッサインペラ５２の下流側の吸気通路１１には、コンプレッサインペラ５２にて圧縮されて高温となった吸入空気を冷却するためのインタークーラ５５が設けられている。

さらに、エンジン１にはＥＧＲ装置（排気ガス再循環装置）１００が設けられている。ＥＧＲ装置１００は、吸入空気に排気ガスの一部を導入することで、燃焼室１ｄ内の燃焼温度を低下させてＮＯｘの発生量を低減させる装置であって、吸気通路１１と排気通路１２とを連通する断面円形のＥＧＲガス通路１０１、及び、ＥＧＲガス通路１０１に設けられたバタフライバルブ（ＥＧＲバルブ）１０２などによって構成されている。バタフライバルブ１０２は駆動モータ１０３によって開閉駆動される。そして、このようなＥＧＲ装置１００において、バタフライバルブ１０２の開度を調整することにより、排気通路１２からＥＧＲガス通路１０１を通じて吸気通路１１に還流されるＥＧＲガス量（排気ガス還流量）を調整することができる。なお、バタフライバルブ１０２の構造については後述する。

−ＥＣＵ−
ＥＣＵ２００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びバックアップＲＡＭなどを備えている。ＲＯＭは、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。また、ＲＡＭは、ＣＰＵでの演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリであり、バックアップＲＡＭは、例えばエンジン１の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。

ＥＣＵ２００には、水温センサ２１、エアフローメータ２２、吸気温センサ２３、レール圧センサ２４、及び、クランクポジションセンサ２５などの各種センサ類が接続されている。また、ＥＣＵ２００には、インジェクタ２、スロットルバルブ６のスロットルモータ６１、ターボチャージャ５の可変ノズルベーン機構５３の開度を調整するアクチュエータ５４、及び、バタフライバルブ１０２の駆動モータ１０３などが接続されている。

そして、ＥＣＵ２００は、上記した各種センサの出力に基づいて、燃料噴射制御（インジェクタ２の開閉制御）、バタフライバルブ１０２の開度制御などを含むエンジン１の各種制御を実行する。

−バタフライバルブ−
バタフライバルブ１０２の構造を図２及び図３を参照して説明する。

この例のバタフライバルブ１０２は、円形断面のＥＧＲガス通路１０１内に配置された円板状の弁体１２０、弁体１２０を回転自在に支持する回転軸１２３、及び、回転軸１２３に回転力を与える駆動モータ１０３などによって構成されている。

弁体１２０は、バルブ開時（弁体１２０が開き側に回転するとき）にＥＧＲガス流れの上流側（全閉位置に対して上流側）に回転する上流側弁体１２１と、バルブ開時（弁体１２０が開き側に回転するとき）にＥＧＲガス流れの下流側（全閉位置に対して下流側）に回転する下流側弁体１２２によって構成されている。これら上流側弁体１２１と下流側弁体１２２とは互いに対称な形状（半円板形状）となっている。このような弁体１２０を回転自在に支持する回転軸１２３は当該弁体１２０の中央に取り付けられている。回転軸１２３はＥＧＲガス通路１０１に直交して配置されている。また、回転軸１２３の一端は駆動ユニット１３０内に配置の駆動モータ１０３にギヤ等を介して連結されている。

以上の構造のバタフライバルブ１０２において、ＥＣＵ２００からの指令信号に応じて駆動モータ１０３を駆動することにより、弁体１２０を全閉位置（図２において二点差線で示す位置）から全開位置（図２において実線で示す位置）までの間において回転させることができ、この弁体１２０の開度制御により、エンジン１の排気通路１２からＥＧＲガス通路１０１を通じて吸気通路１１に還流するＥＧＲガス量をエンジン１の運転状態に応じて調整することができる。

そして、この例のバタフライバルブ１０２においては、ＥＧＲガス通路１０１内で弁体１２０の上流側の位置に突出壁部１０１ｂを設けて、ＥＧＲガス流れの上流側に回転する上流側弁体１２１の外周面（側面）１２１ａが対向する内壁面１０１ａの形状を、上流側弁体１２１の外周面１２１ａの回転軌跡に沿う形状（略球面状の凹面）として、上流側弁体１２１の外周面１２１ａの上流側を内壁面１０１ａで覆う構造とした点に特徴がある。

このような構造を採用することにより、上流側弁体１２１の外周面１２１ａがＥＧＲガス通路１０１の内壁面１０１ａによって覆われ、上流側弁体１２１の外周面１２１ａがＥＧＲガス流れに対して保護されるので、弁体１２０の全開時あるいは任意の開度で弁体１２０が開いているときに、上流側弁体１２１の外周面１２１ａにＥＧＲガス通路１０１を流れるＥＧＲガス中に含まれる煤やデポジットが付着することを抑制することができる。また、上流側弁体１２１の外周面１２１ａが対向する内壁面１０１ａを、当該上流側弁体１２１の外周面１２１ａの上流側を覆う形状とすることにより、全閉時に上流側弁体１２１の外周面１２１ａが当接するＥＧＲガス通路１０１の内壁面に煤やデポジットが付着しにくくなる。

このように、この例のバタフライバルブ１０２では、ＥＧＲガス流れの上流側に回転する上流側弁体１２１の外周面１２１ａ、及び、上流側弁体１２１の外周面１２１ａが当接するＥＧＲガス通路１０１の内壁面に煤やデポジットが付着しにくくなるので、バタフライバルブ１０２の全閉時における弁体１２０の閉じ不良や弁体１２０の固着等の問題を解消することができ、バタフライバルブ１０２の動作不良を抑制することができる。

さらに、この例では、バタフライバルブ１０２の上流側弁体１２１の外周面１２１ａが対向する内壁面１０１ａの形状を、当該上流側弁体１２１の外周面１２１ａの回転軌跡に沿う形状としているので、全閉位置から全開位置の間において弁体１２０が任意の位置に回転しても、上流側弁体１２１の外周面１２１ａにＥＧＲガスが回り込むことを防ぐことができ、上流側弁体１２１の外周面１２１ａへの煤やデポジットの付着をより効果的に抑制することができる。

−他の実施形態−
以上の例では、上流側弁体１２１の外周面１２１ａの回転軌跡に沿う形状（略球面形状）の内壁面１０１ａが形成された突出壁部１０１ｂをＥＧＲガス通路１０１の内壁に一体形成した例を示しているが、これに限られることなく、図２に示す形状（略球面形状）の内壁面１０１ａを有する突出壁部１０１ｂを別途作製しておき、その別部材の突出壁部１０１ｂをＥＧＲガス通路１０１の内壁に取り付けるようにしてもよい。

以上の例では、バタフライバルブ１０２の上流側弁体１２１の外周面１２１ａが対向する内壁面１０１ａの形状を当該上流側弁体１２１の外周面１２１ａの回転軌跡に沿う形状としているが、これに限られることなく、上流側弁体１２１の外周面１２１ａが対向する内壁面の形状は、上流側弁体１２１の外周面１２１ａを覆うことが可能で、上流側弁体１２１の外周面１２１ａへの煤やデポジットの付着を抑制できる形状であれば、他の任意の形状を採用してもよい。

以上の例では、ＥＧＲガス通路１０１に弁体１２０及び回転軸１２３などを直接配置した構造を示したが、この種の排気ガス再循環装置では、ＥＧＲガス通路１０１の一部を構成するバルブボディに弁体及び回転軸などを設けた構造のバタフライバルブをＥＧＲガス通路１０１に配置する方式も一般に採用されており、このような方式の排気ガス再循環装置にも本発明を適用することができる。この場合、バルブボディの内壁面に図２に示すような内壁面１０１ａを形成して、上流側弁体の外周面の上流側を覆う構造とすればよい。

以上の例では、ディーゼルエンジンに搭載した排気ガス再循環装置に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限られることなく、ガソリンエンジンに搭載した排気ガス再循環装置にも本発明を適用することができる。さらに、ガソリンエンジンに限られることなく、例えばＬＰＧ（液化石油ガス）やＬＮＧ（液化天然ガス）などの他の燃料とする点火方式のエンジンに搭載した排気ガス再循環装置にも適用可能であり、また、エンジンについては、筒内直噴型ガソリンに限られることなく、ポート噴射型エンジンであってもよい。

本発明の排気ガス再循環装置を適用するエンジンの一例を示す概略構成図である。 図１の排気ガス循環装置に適用するバタフライバルブの縦断面図である。 図２のＸ−Ｘ断面図である。 従来のバタフライバルブの縦断面図である。 従来のバタフライバルブの問題点の説明図である。

符号の説明

１ エンジン
１ｄ 燃焼室
１１ 吸気通路
１２ 排気通路
１３ 吸気バルブ
１４ 排気バルブ
１００ ＥＧＲ装置（排気ガス再循環装置）
１０１ ＥＧＲガス通路（排気ガス還流通路）
１０１ａ 内壁面
１０１ｂ 突出壁部
１０２ バタフライバルブ
１２０ 弁体
１２１ 上流側弁体
１２１ａ 外周面
１２２ 下流側弁体
１２３ 回転軸
１０３ 駆動モータ

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路に排出される排気ガスの一部を吸気通路に還流する排気ガス還流通路と、前記排気ガス還流通路に設けられ、前記排気通路から前記吸気通路に環流する排気ガスの量を調整する排気ガス環流量制御弁とを備えた排気ガス再循環装置において、
   前記排気ガス還流量制御弁が、前記排気ガス還流通路内に配置された板状の弁体と、前記排気ガス還流通路に交差して配置され前記弁体を回転自在に支持する回転軸とを有するバタフライバルブであって、そのバタフライバルブの弁体のうち還流排気ガス流れの上流側に回転する上流側弁体の外周面が対向する前記排気ガス還流通路の内壁面が、当該上流側弁体の外周面の上流側を覆う形状に形成されていることを特徴とする排気ガス再循環装置。
2. 請求項１記載の排気ガス再循環装置において、
   前記バタフライバルブの上流側弁体の外周面が対向する前記排気ガス還流通路の内壁面が、当該上流側弁体の外周面の回転軌跡に沿う形状に形成されていることを特徴とする排気ガス再循環装置。

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