JP2013002371A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】機関の回転または車速が減速する過渡期における燃焼を安定化させる。
【解決手段】吸気通路３におけるコンプレッサ５１の上流側に湾曲部３５を形成し、その湾曲部３５の直後の、湾曲した流路の内周側に臨む部位に低圧ループＥＧＲ通路２の出口を接続した。吸気通路３を流れる新気は、湾曲部３５を通過する際に剥離を引き起こす。湾曲部３５の直後では、流路の内周側が負圧化する。これを利用して、ＥＧＲガスの吸気通路３への還流の促進を図る。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置を付帯させた内燃機関に関する。

気筒の燃焼温度を低下させてＮＯ_xの排出量を削減しつつ、ポンピングロスの低減を図るＥＧＲ装置が周知である。ＥＧＲ装置は、排気経路と吸気経路とをＥＧＲ通路を介して接続し、気筒で発生する燃焼ガスの一部をＥＧＲ通路経由で吸気経路に還流させて吸気に混入するものである。

排気ターボ過給機のタービン及び排気ガス浄化用の触媒を通過した排気ガスを吸気通路に還流するものが、低圧ループＥＧＲである（例えば、下記特許文献１を参照）。低圧ループＥＧＲは、大量のＥＧＲガスを吸気に混入できる点で有利である。一方で、低圧ループＥＧＲガスは大気圧に近い低圧低温のガスであり、吸気通路内の新気の圧力が高い時期にはＥＧＲガスの還流が困難になる。

従来は、吸気通路における、ＥＧＲ通路の出口よりも上流側に吸気絞り弁を配設し、この吸気絞り弁を絞ることでＥＧＲ通路の出口周辺に負圧を作り出してＥＧＲガスを還流させるようにしていた。

特開２０１１−０８９４７０号公報

本発明は、低圧ループＥＧＲシステムにおいて、ＥＧＲガスをより円滑に吸気通路に還流させるようにすることを所期の目的としている。

本発明では、排気通路に設けられたタービンと、吸気通路に設けられ前記タービンにより駆動されるコンプレッサと、排気通路における前記タービンの下流側と吸気通路における前記コンプレッサの上流側とを連通するＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁とを具備する排気ガス再循環装置が付帯した内燃機関であって、吸気通路における前記コンプレッサの上流側に湾曲部を形成し、その湾曲部の直後の、湾曲した流路の内周側（換言すれば、入隅側）に臨む部位に前記ＥＧＲ通路の出口を接続していることを特徴とする内燃機関を構成した。

吸気通路の湾曲部の直後では、新気に剥離渦が発生し、湾曲した流路の内周側が外周側（出隅側）に比べて低圧となる。本発明では、吸気通路の湾曲部の直後における負圧化する部位にＥＧＲ通路の出口を接続して、ＥＧＲガスの還流を促進することとした。

本発明によれば、低圧ループＥＧＲシステムにおいて、ＥＧＲガスをより円滑に吸気通路に還流させることができる。

本発明の一実施形態における内燃機関の全体構成を示す図。 同実施形態の内燃機関の吸気通路及びその屈曲部、並びにＥＧＲ通路の出口を拡大して示す図。 本発明の変形例の一を示す図。 同変形例を示す図。 本発明の変形例の一を示す図。 同変形例を示す図。 本発明の変形例の一を示す図。 同変形例を示す図。 本発明の変形例の一を示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態の内燃機関は、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）と、各気筒１内に燃料を噴射するインジェクタ１１と、各気筒１に吸気を供給するための吸気通路３と、各気筒１から排気を排出するための排気通路４と、吸気通路３を流通する吸気を過給する排気ターボ過給機５と、排気通路４から吸気通路３に向けてＥＧＲガスを還流させる外部ＥＧＲ装置２とを具備している。

本実施形態における内燃機関は、二気筒の４サイクルエンジンであり、第一気筒１の行程と第二気筒１の行程との間には３６０°ＣＡ（クランク角度）の位相差が存在する。つまり、第一気筒１のピストン１２と第二気筒１のピストン１２とは同時に上昇し、また同時に下降する。

吸気通路３は、外部から空気を取り入れて気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３２、電子スロットル弁３３、サージタンク３４、吸気マニホルド３６を、上流からこの順序に配置している。

排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２、過給機５の駆動タービン５２及び三元触媒４１を配置している。加えて、タービン５２を迂回する排気バイパス通路４３、及びこのバイパス通路４３の入口を開閉するバイパス弁であるウェイストゲート弁４４を設けてある。ウェイストゲート弁４４は、アクチュエータに制御信号ｌを入力することで開閉操作することが可能な電動ウェイストゲート弁であり、そのアクチュエータとしてＤＣサーボモータを用いている。

排気ターボ過給機５は、駆動タービン５２とコンプレッサ５１とを同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、駆動タービン５２を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサ５１にポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。

外部ＥＧＲ通路２は、いわゆる低圧ループＥＧＲを実現するものである。低圧ループＥＧＲでは、大気圧に近い低圧の排気ガスをＥＧＲ通路２を通じて吸気通路３に還流する。低圧ループＥＧＲ通路２の圧力損失は、数百Ｐａ程度と非常に小さい。外部ＥＧＲ通路２上には、ＥＧＲクーラ２１及びＥＧＲ弁２２を設ける。外部ＥＧＲ通路２の入口は、排気通路４における三元触媒４１の下流の所定箇所に接続している。

外部ＥＧＲ通路２の出口は、吸気通路３におけるエアクリーナ３１の下流かつコンプレッサ５１の上流の所定箇所に接続する。図１及び図２（図２以降では、ＥＧＲ弁２２の図示を省略している）に示しているように、本実施形態では、吸気通路３の当該領域に湾曲部３５を形成しており、その湾曲部３５の直後にＥＧＲ通路２の出口を接続している。

吸気通路３を流れる新気は、湾曲部３５を通過する際に剥離を引き起こす。図中、気流の剥離が生じる部分を、網点で表示している。湾曲部３５の直後では、湾曲している流路の内周（内回り、入隅）側に剥離渦が発生するため、流路の内周側が外周側に比べて（つまりは、大気圧よりも）低圧になる。このことを利用して、本実施形態では、湾曲部３５の直後における気流の剥離により負圧化する部位、即ち湾曲した流路の内周側に臨む部位にＥＧＲ通路２の出口を接続し、ＥＧＲガスの吸気通路３への還流の促進を図っている。気流の剥離に起因した負圧の度合いは、湾曲部３５の曲率半径が小さいほど強くなる。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ（電子制御装置）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。入力インタフェースには、車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、エンジン回転数を検出する回転数センサから出力される回転数信号ｂ、アクセルペダルの踏込量を検出するアクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３４）内の吸気温及び吸気圧（過給圧）を検出する温度・圧力センサから出力される温度・圧力信号ｄ、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｅ、吸気カムシャフトの端部にあるタイミングセンサから出力されるクランク角度信号及び気筒判別用信号ｆ、排気カムシャフトの端部にあるタイミングセンサから所定クランク角度の回転毎に出力される排気カム信号ｇ等が入力される。出力インタフェースからは、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｈ、点火プラグ（のイグニッションコイル）に対して点火信号ｉ、ＥＧＲ弁２２に対して開度操作信号ｊ、スロットル弁３３に対して開度操作信号ｋ、ウェイストゲート弁４４に対して開度操作信号ｌ等を出力する。アクセルペダルの踏込量は、運転者が指令する要求負荷（エンジン出力）と捉えることができる。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行して、内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇを入力インタフェースを介して取得し、それらに基づいて吸気量や要求燃料噴射量、点火時期、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）等を演算する。そして、演算結果に対応した各種制御信号ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。上記制御入力ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、ｌの算定手法は、既知の内燃機関の運転制御と同様とすることができるので、詳細な解説は割愛する。

本実施形態では、排気通路４に設けられたタービン５２と、吸気通路３に設けられ前記タービン５２により駆動されるコンプレッサ５１と、排気通路４における前記タービン５２の下流側と吸気通路３における前記コンプレッサ５１の上流側とを連通するＥＧＲ通路２と、前記ＥＧＲ通路２に設けられたＥＧＲ弁２２とを具備するＥＧＲ装置が付帯した内燃機関であって、吸気通路３における前記コンプレッサ５１の上流側に湾曲部３５を形成し、その湾曲部３５の直後の、湾曲した流路の内周側に臨む部位に前記ＥＧＲ通路２の出口を接続していることを特徴とする内燃機関を構成した。

本実施形態によれば、湾曲部３５を通過する新気の剥離現象に起因した負圧を利用し、簡便な構造により低コストにて大気圧に近い低圧ＥＧＲガスを吸気通路３に還流せしめることができる。新気の剥離現象は、吸気脈動及びその最大流速が大きい少数気筒（二気筒または単気筒）の内燃機関において特に顕著となり、より多量のＥＧＲガスを吸気に混入することが可能となって、燃費の向上及び排気ガスの清浄化に資する。さらには、吸気通路３における、ＥＧＲ通路２の出口の上流側に吸気絞り弁を設置する必要がなくなる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、吸気通路３における湾曲部３５よりも下流の部位と、当該部位に接続するＥＧＲ通路２とを略直交させていたが、図３及び図４（図３は正面視、図４は平面視）、または図５及び図６（図５は正面視、図６は平面視）に示すように、吸気通路３とＥＧＲ通路２とを直交させず、吸気通路３を流れる新気の流通方向とＥＧＲ通路２を流れるＥＧＲガスの流通方向とがなす角度を直角よりも小さくするようにしてもよい。

また、図７及び図８（図７は斜視、図８は平面視）に示すように、湾曲部３５及びその直前の部位３７、直後の部位３８における吸気通路３の断面を、その他の部位の断面とは異形の扁平形状、例えば長円、楕円、長方形等に成形してもよい。即ち、湾曲部３５の直前の部位３７については、直後の部位３８の流路の延伸方向に沿った内寸Ｌ１を、当該方向と直交する方向の内寸Ｌ２よりも長くする。並びに、湾曲部３５の直後の部位３８については、直前の部位３７の流路の延伸方向に沿った内寸Ｌ３を、当該方向と直交する方向の内寸Ｌ４よりも長くする。これにより、湾曲部３５の直後の部位における新気の剥離現象を強化できる。

加えて、図９（図９は平面視）に示すように、ＥＧＲ通路２の出口近傍を一旦分岐させた後再び合流させて、吸気通路３の湾曲部３５の直後の部位３８に接続しても構わない。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関に利用することができる。

２…ＥＧＲ通路
２２…ＥＧＲ弁
３…吸気通路
３５…湾曲部
４…排気通路
５１…コンプレッサ
５２…タービン

Claims (1)

1. 排気通路に設けられたタービンと、
   吸気通路に設けられ前記タービンにより駆動されるコンプレッサと、
   排気通路における前記タービンの下流側と吸気通路における前記コンプレッサの上流側とを連通するＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁と
   を具備する排気ガス再循環装置が付帯した内燃機関であって、
   吸気通路における前記コンプレッサの上流側に湾曲部を形成し、その湾曲部の直後の、湾曲した流路の内周側に臨む部位に前記ＥＧＲ通路の出口を接続していることを特徴とする内燃機関。

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