JP2013245572A - 排気ガス還流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、エンジンから吸気スロットルまでを短くした吸気通路で、十分にＥＧＲガスと吸気とが混合される排気ガス還流装置を提供する。
【解決手段】本発明の排気ガス還流装置は、吸気スロットル７の下流側を流れる吸気とＥＧＲガスとを混合させる混合部として、吸気スロットル７の下流側を流れる吸気の一部を吸気通路５外へ導く導入路１８と、吸気通路５の外部に設けられ、ＥＧＲ通路１１からのＥＧＲガスと導入路１８からの吸気とを受け、吸気通路５外でＥＧＲガスと吸気とを混合させる混合室１５と、混合室１５内で混合した混合ガスを吸気通路５へ戻す戻し路１９とを有して構成される外部混合構造を用いた。同構成により、ＥＧＲガスと吸気とは、吸気通路５外で混合されてから、再び吸気通路５に戻るから、混合に求められる距離や時間は、吸気通路５の外部で稼げ、エンジンから吸気スロットル７までの配置を変更せずに、十分にＥＧＲガスと吸気との混合が行える。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの排気ガスの一部をＥＧＲガスとして、エンジンの吸気側へ戻す排気ガス還流装置に関する。

エンジンでは、排気ガス中のＮＯｘを低減させる手法として、排気ガス還流装置が用いられている。排気ガス還流装置は、エンジンから排出された排気ガスの一部をＥＧＲガス（不活性ガス）として、エンジンの吸気側へ戻し、燃焼温度を低下させるものである。
近時のディーゼルエンジンでは、こうしたＥＧＲガスの還流が効率良く行えるよう、吸気通路に吸気スロットルを設け、この吸気スロットルの下流側へＥＧＲガスを導入させることが行われつつある（最適な混合比率でＥＧＲガスと吸気とを混合させるため）。

こうした排気ガス還流装置では、ＥＧＲガスと吸気とを十分に混合させるため、混合構造部（混合部）を用いて、ＥＧＲガスと吸気との混合を促進させることが求められる。
ところで、吸気スロットルを搭載したディーゼルエンジンは、ＥＧＲ制御性（応答性）の要求から、インテークマニホルドから近い位置に吸気スロットルを配置させている。このため、この短い区間で、ＥＧＲガスと吸気とを混合することが求められる。

従来、ＥＧＲガスと吸気の混合を促進させる技術は、特許文献１のような吸気通路内を流れる吸気流に、多くの噴出孔からＥＧＲガスを当てたり、特許文献２のような吸気通路内に導入されたＥＧＲガスと吸気通路内の吸気とを、吸気通路内の流通方向に複数重に設置した撹拌部材で混合したりするなど、吸気通路内にＥＧＲガスを導入した後で、吸気と混合させる技術がほとんどである。

特開平０８−３１９９００号公報 特開２０００− ８９６７号公報

ところが、こうした技術で、ＥＧＲガスと吸気との混合の促進を十分に果たすためには、混合部をなす、ＥＧＲガスを当たる距離を長くしたり（特許文献１）、混合部をなす、撹拌部材を複数重、配置したり（特許文献２）して、混合に費やす距離と時間を稼ぐことが必要となる。
このため、特許文献１，２のような技術だと、吸気スロットルをエンジンから遠ざけるという変更をしないと、ＥＧＲガスと吸気とを十分に混合させるのは難しく、ディーゼルエンジンの吸気側（インテークマニホルド廻り）のコンパクト性が損なわれやすい。

そこで、本発明の目的は、エンジンから吸気スロットルまでが短い吸気通路で、十分にＥＧＲガスと吸気とが混合される排気ガス還流装置を提供することにある。

請求項１に記載の排気ガス還流装置は、吸気スロットルの下流側を流れる吸気とＥＧＲガスとを混合させる混合部として、吸気スロットルの下流側を流れる吸気の一部を吸気通路外へ導く導入路と、吸気通路の外部に設けられ、ＥＧＲ通路からのＥＧＲガスと導入路からの吸気とを受け、吸気通路外でＥＧＲガスと吸気とを混合させる混合室と、混合室内で混合した混合ガスを吸気通路へ戻す戻し路とを有して構成される外部混合構造を用いることとした。

同構成により、ＥＧＲガスと吸気とは、吸気通路外で混合されてから、再び吸気通路に戻るから、混合に求められる距離や時間は、吸気通路の外部で稼げる。このため、エンジンから吸気スロットルまでの配置はそのままに、十分なＥＧＲガスと吸気との混合が行える。
請求項２に記載の排気ガス還流装置は、さらにコンパクトな構造で、バタフライ弁が開いたときには、空気流の抵抗になるのが抑えられ、バタフライ弁が閉じたときでも、ＥＧＲガスとの混合が果たせるよう、吸気スロットルは、開閉可能なバタフライ弁を有し、混合室は、吸気通路の外周面のうち、バタフライ弁が開閉する開閉方向側に配置され、内部に混合流を誘起する誘起空間を有した室を有し、ＥＧＲ通路は、誘起空間につながり、導入路は、誘起空間の一部を吸気通路の壁部に開口させた入口路を有し、戻し路は、誘起空間の一部を吸気通路の壁部に開口させた戻し路を有するものとした。

請求項３に記載の排気ガス還流装置は、さらにバタフライ弁の閉じたとき、バタフライ弁を通過する吸気が効果的に混合室へ導入されるよう、吸気通路の壁部に開口する入口路の開口部の縁部のうち、バタフライ弁に近い側の開口縁部分を、吸気通路の内面に沿う層流を前記入口路内へ引き寄せるコアンダ面で形成することとした。
請求項４に記載の排気ガス還流装置は、さらにできる限り占有スペースを抑えた構造でＥＧＲガスと吸気との混合が行えるよう、誘起空間は、混合室へ導入されるＥＧＲガス流、吸気流により、旋回流を誘起する空間で形成されるものとした。

請求項５に記載の排気ガス還流装置は、さらに混合ガスを用いて、高い精度でＥＧＲ制御が行えるよう、混合室から下流側の吸気通路には、ＥＧＲガスと吸気とが混合した混合ガスの空燃比を検知するＡ／Ｆセンサを設けるものとした。

請求項１の発明によれば、ＥＧＲガスと吸気とは、吸気通路外で混合されてから、再び吸気通路に戻るから、混合に求められる距離や時間は、吸気通路の外部で稼げ、エンジンから吸気スロットルまでの配置を変更せずに、十分にＥＧＲガスと吸気との混合が行える。
それ故、エンジンから吸気スロットルまでが短い吸気通路で、十分にＥＧＲガスと吸気とを混合させることができる。

請求項２の発明によれば、吸気通路の外周面に混合室を設けるというコンパクトな構造ですむ。しかも、バタフライ弁が開いたときは、空気流の抵抗になるのを抑えながら、吸気を混合室内へ導け、バタフライ弁が閉じたときは、バタフライ弁の端と吸気通路の壁面との間（隙間）を通過する吸気流を混合室へ導けるから、どのようなバタフライ弁でも、バタフライ弁の開度に応じた十分な混合が約束できる。

請求項３の発明によれば、さらに入口路の開口縁部に形成されたコアンダ面により、バタフライ弁の閉じたとき、バタフライ弁を通過する吸気は、コアンダ効果により、十分に混合室へ導入させることができ、バタフライ弁が閉じたときでも、十分なＥＧＲガスと吸気との混合が約束できる。
請求項４の発明によれば、旋回流を誘起する空間により、ＥＧＲガスと吸気とを混合させるため、占有スペースを抑えた構造で、混合に求められる距離、時間が十分に確保でき、コンパクトな構造で、ＥＧＲガスと吸気との混合が行える。

請求項５の発明によれば、混合したガスを用い、高い精度でＥＧＲ制御を行うことができる。

本発明の第１の実施形態に係るエンジンの排気ガス還流装置の概略を示す構成図。 図１中のＡ部の要部の構造を、バタフライ弁が閉じたときの状態と共に示す断面図。 図２中のＢ−Ｂ線に沿う断面図。 バタフライ弁が開いたときの状態を示す断面図。 図４中のＣ−Ｃ線に沿う断面図。 本発明の第２の実施形態の要部を示す断面図。

以下、本発明を図１〜図５に示す第１の実施形態にもとづいて説明する。
図１は、本発明を適用したエンジン、例えば多気筒のディーゼルエンジンの周辺を示していて、図中１は同エンジンのエンジン本体、２は同エンジン本体１の吸気側に装着されたインテークマニホルド、３は同エンジン本体１の排気側に装着されたエキゾーストマニホルドを示している。５は、インテークマニホルド２に接続された吸気管（本願の吸気通路に相当）、６は、エキゾーストマニホルド３に接続された排気管（本願の排気通路に相当）であり、吸入空気たる外気（新気）が、吸気管５およびインテークマニホルド２を通じ、エンジン本体１の各気筒（図示しない）へ導入されたり、各気筒から排出された排気ガスが、エキゾーストマニホルド３、排気管６を通じ、外部へ排出される構造となっている。

吸気管５の途中には、吸気スロットル７が設けられている。吸気スロットル７は、例えば中央の回動軸線を支点に開閉するバタフライ弁で構成してある（図２〜図５に図示）。このバタフライ弁（吸気スロットル７）は、応答性の確保のため、インテークマニホルド２から近い位置に配置してある。
一方、図中１０は、気筒内の燃焼温度を下げるため（排気ガス中のＮＯｘの低減）に用いられる排気ガス還流装置を示している。排気ガス還流装置１０は、エンジン本体１から排気管６へ排出された排気ガスの一部を排気管６から分岐したＥＧＲ通路１１へ導き、同排気ガスをガスＥＧＲガスとして吸気スロットル７の下流側の吸気管部分からディーゼルエンジンへ還流させる装置である。ちなみに１１ａは、ＥＧＲガス流量を制御するＥＧＲバルブを示す。排気ガス還流装置１０は、これらＥＧＲガスと吸気（新気）とを混合させる混合部１３を有している。

混合部１３は、エンジン本体１の近くに配置してある吸気スロットル７の位置を変更させずに、ＥＧＲガスと吸気（新気）とを十分に混合させることが求められる（コンパクト性の確保のため）。
そのため、排気ガス還流装置１０の混合部１３には、吸気管５（吸気通路）の外部でＥＧＲガスと吸気とを混合させてから、吸気管５の下流側へ戻す外部混合構造が用いられている。この混合部１３には、吸気管５の外部に混合室１５を設け、この混合室１５にＥＧＲ通路１１を接続し、さらに混合室１５に、吸気の一部を導く導入路１８を設けて、外部の混合室１５内でＥＧＲガスと吸気とを混合させる構造とし、さらに混合室１５に戻し路１９を設けて、混合を終えた混合ガスを吸気スロットル７の下流側の吸気管部分へ戻す構造が用いられる。

詳しくは、図２および図３に示されるように例えば混合室１５は、吸気スロットル７と直近となる吸気管部分の外周面のうち、吸気スロットル７を構成するバタフライ弁が開閉する開閉方向側の外周面にそれぞれ取着された一対の箱形室１６ａ，１６ｂをもつ。各箱形室１６ａ，１６ｂ内には、例えば充填物２０を利用して形成された、例えば吸気管５の軸心方向と交差する方向を軸心とした円筒形の空間２１が設けられている。これら箱形室１６ａ，１６ｂのうちの、吸気管部分と向き合う壁部２１ａには、それぞれ円筒形空間２１の接線方向に沿って開口させたＥＧＲガス入口２３が設けられている。これら各ＥＧＲ入口２３に上記ＥＧＲ通路１１の端部がそれぞれ接続され、ＥＧＲ通路１１からのＥＧＲガスがそれぞれ円筒形空間２１へ導出されるようにしている。

また各箱形室１６ａ，１６ｂ内のうち、例えば各円筒形空間２１と隣接する上流側の部分には、上記導入路１８が設けられている。導入路１８は、吸気管部分内を流れる吸気流の一部を円筒形空間２１へ取り込む通路で、例えば入口２４ａ（一端）が吸気管部分の上流側の壁部に開口し、出口２４ｂ（他端）が円筒形空間２１の接線方向で開口したＬ形の入口路２４から形成してある。

これで、ＥＧＲガス入口２３から円筒形空間２１へ導入されるＥＧＲガス、入口路２４から円筒室空間２１へ導入される吸気（新気）により、円筒形空間２１内で旋回流を誘起させて、円筒形空間２１内で、ＥＧＲガスと吸気とが混合されるようにしている。すなわち、円筒形空間２１を、混合流（旋回流）を誘起させる誘起空間として、ＥＧＲガスと吸気（新気）との混合が十分に行える構造にしている。特に吸気スロットル７（バタフライ弁）が閉じたときでも（全閉）、ＥＧＲガスと吸気（新気）との混合が果たせるよう、図２に示されるように入口２４ａの開口縁部のうち、吸気スロットル７（バタフライ弁）と近い上流側の開口縁部分には、例えば大きな円弧形の曲面でなるコアンダ面２５が形成されている。つまり、コアンダ面２５がもたらすコアンダ効果により、吸気管５の内面に沿って流れる層流ａが入口路２４内へ引き寄せられるようにしている。これで、吸気スロットル７（バタフライ弁）閉じたとき、吸気スロットル７（バタフライ弁）と吸気管５との隙間αを通過する吸気流（新気）が、十分に入口路２４へ取り込めるようにしている。

また各箱形室１６ａ，１６ｂ内のうち、例えば吸気管部分と円筒形空間２１との境界部には、上記戻し路１９が設けられている。戻し路１９は、円筒形空間２１内で旋回している流体（混合ガス）を円筒形空間２１外へ導くガイド路２６を上記境界部に形成し、このガイド路２６の出口を吸気管５の壁部に形成した戻し口、具体的には入口２４ａよりも下流側の地点に形成した戻し口２７に連通させた構造が用いられる。これで、円筒形空間２１内で混合したＥＧＲガスと吸気（新気）との混合ガスを、入口２４ａより下流側の地点から、吸気管５へ戻す構造にしている。

特に高い精度でＥＧＲ制御が行えるよう、混合室１５から下流側、具体的にはインテークマニホルド２までの吸気管部分には、ＥＧＲガスと吸気（新気）との混合した混合ガスの空燃比を検知するＡ／Ｆセンサ２８が設けられ、ＥＧＲガスと吸気（新気）との混合比率を正確に検知して、高い精度で、ＥＧＲ制御（導入量の制御）や燃料噴射量や噴射時期などといった制御が行える構造としている。

このように構成された排気ガス還流装置１０によると、例えばディーゼルエンジンの運転条件により、ＥＧＲバルブ１１ａが開かれると、図２，４に示されるようにエンジン本体１から排出された排気ガスの一部がＥＧＲガスとして、ＥＧＲ通路１１を通じて、それぞれ吸気スロットル７の両側の混合室１５内へ導出される。
このとき、ＥＧＲガスは円筒形空間２１へ導入される。具体的にはＥＧＲガスは、接線方向から円筒形空間２１へ導入される。これにより、ＥＧＲガスは、円筒形空間２１を旋回し、円筒形空間２１内で旋回流を誘起する。

一方、吸気スロットル７（バタフライ弁）を通過した吸気（新気）の一部は、入口２４ａから入口路２４（導入路１８）を通じて、円形空間２１内へ導出される。具体的には吸気は、接線方向から円筒形空間部２１内へ導入される。これにより、吸気（新気）は、円筒形空間２１内で、旋回流により、ＥＧＲガスとの混合が行われる。この混合は、吸気管５外で行われるから、吸気管５の長さや吸気スロットル７の位置はそのままに、混合に求められる距離、時間の双方を稼ぎながら十分に行われる。

この混合したＥＧＲガスと吸気（新気）との混合ガスが、ガイド路２６を経て、戻し口２７から、すなわち入口２４よりも下流の地点から、吸気管５内へ戻される。これにより、同混合ガスが、Ａ／Ｆセンサ２８を経て、各気筒へ供給される。
このとき、図２および図３に示されるように吸気スロットル７（バタフライ弁）が閉じられている状態（例えば全閉）であれば、入口２４ａに形成したコアンダ面２５によって、例えば図２中の矢印に示されるように吸気スロットル７（バタフライ弁）の開閉方向側の端と吸気管５の内面との隙間αを通過する吸気管５の内面に沿う層流ａが、入口路２４内（導入路１８）へ引き寄せられて、混合室１５内へ供給される。

また図４および図５に示されるように吸気スロットル７（バタフライ弁）が開かれている状態（例えば全開）であれば、吸気の流れの抵抗とはならずに、吸気（新気）が混合室１５内へ供給される。
こうした排気ガス還流装置１０の構造、すなわち吸気管５外でＥＧＲガスと吸気（新気）とを混合してから吸気管５に戻す排気ガス還流装置１０だと、ＥＧＲガスと吸気（新気）との混合に求められる距離や時間は、吸気管５の外部で十分に稼げるから、ディーゼルエンジンから吸気スロットル７（バタフライ弁）までの配置はそのまま、すなわちエンジンから吸気スロットルまでの配置を変更せずに、十分にＥＧＲガスと吸気（新気）とを混合させることができる。

したがって、ディーゼルエンジンから吸気スロットル７（バタフライ弁）までが短い吸気管７（吸気通路）でも、十分にかつ良好にＥＧＲガスと吸気を混合させることができる。
しかも、混合構造には、吸気管５（吸気通路）の外周面に、混合を促す円筒形空間２１（誘起空間）を形成し、円筒形空間２１に、ＥＧＲ通路１１や入口路２４（導入路）や戻し路１９を設ける構造を採用したので、コンパクトな構造で、十分にＥＧＲガスと吸気（新気）とを混合させることができる。加えて、吸気スロットル７（バタフライ弁）が開いたときは、空気流の抵抗になるのが抑えられ、吸気スロットル７（バタフライ弁）が閉じたときは、吸気スロットル７（バタフライ弁）の端と吸気管５の壁面との間（隙間）を通過する吸気流が混合室１５へ導けるから、どのような吸気スロットル７（バタフライ弁）の状態でも、吸気スロットル７（バタフライ弁）の開度に応じた十分な混合ができる。特に入口路２４の入口２４ａにコアンダ面２５を形成すると、吸気スロットル７（バタフライ弁）が閉じた状態のとき、コアンダ効果により、混合に用いる吸気が十分に確保され、良好なるＥＧＲガスとの混合が約束できる。

そのうえ、混合室１５は、旋回流を誘起する室、すなわち円筒形空間２１を用いたことで、占有スペースを抑えた誘起空間で、混合に求められる距離、時間を十分に確保することができ、コンパクトな構造ですむ。
特に、混合室１５の下流直近にＡ／Ｆセンサ２８を設けると、混合されたＥＧＲガスと吸気（新気）との混合比率を正確に検知でき、高い精度で各種制御（ＥＧＲ制御、燃料噴射量、噴射時期など）ができる。

図６は、本発明の第２の実施形態を示す。
本実施形態は、入口２４ａの、コアンダ面２５とは反対の下流側の開口縁部に、同開口縁部から吸気管５内へ突き出る円弧形のガイド部３０を設けて、吸気管５を流れる吸気を取り込むようにしたものである。
ガイド部３０を設ける構造は、吸気スロットル２７（バタフライ弁）の全開時、多くの吸気量が取り込めるので、多くのＥＧＲガスと混合させる場合には有効である。

但し、図６において、第１の実施形態と同じ部分には同一符号を付して、その説明を省略した。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々可変して実施しても構わない。例えば上述した実施形態では、円筒形空間で誘起される旋回流で、ＥＧＲガスと吸気（新気）とを混合させたが、これに限らず、他の構造や手段でＥＧＲガスと吸気（新気）とを混合させても構わない。また上述の実施形態では、一対の混合室を用いた例を挙げたが、これに限らず、一つの混合室でも環状の混合室でもよく、その構造には限定されるものではない。

１ エンジン本体
２ インテークマニホルド
３ エキゾーストマニホルド
５ 吸気管（吸気通路）
６ 排気管（排気通路）
７ 吸気スロットル（バタフライ弁）
１１ ＥＧＲ通路
１５ 混合室
１８ 導入路
１９ 戻し路

Claims (5)

1. エンジンへ吸気を導く、途中に吸気スロットルを有する吸気通路と、前記エンジンの排気ガスの一部をＥＧＲガスとして前記吸気通路の吸気スロットル下流側へ導くＥＧＲ通路と、前記吸気スロットルの下流側を流れる吸気と前記ＥＧＲガスとを混合させる混合部とを有する排気ガス還流装置であって、
   前記混合部は、
   前記吸気スロットルの下流側を流れる吸気の一部を吸気通路外へ導く導入路と、
   前記吸気通路の外部に設けられ、前記ＥＧＲ通路からのＥＧＲガスと前記導入路からの吸気とを受け、前記吸気通路外で前記ＥＧＲガスと前記吸気とを混合させる混合室と、
   前記混合室内で混合した混合ガスを前記吸気通路へ戻す戻し路と
   を有して形成されることを特徴とする排気ガス還流装置。
2. 前記吸気スロットルは、開閉可能なバタフライ弁を有してなり、
   前記混合室は、前記吸気通路の外周面のうち、前記バタフライ弁が開閉する開閉方向側に配置され、内部に混合流を誘起する誘起空間を有した室を有して構成され、
   前記ＥＧＲ通路は、前記誘起空間につながり、
   前記導入路は、前記誘起空間の一部を前記吸気通路の壁部に開口させた入口路を有して形成され、
   前記戻し路は、前記誘起空間の一部を前記吸気通路の壁部に開口させた戻し路を有して形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の排気ガス還流装置。
3. 前記入口路は、前記吸気通路の壁部に開口する開口部の縁部のうち、前記バタフライ弁に近い側の開口縁部分が、前記吸気通路の内面沿いに流れる吸気の層流を前記入口路内へ引き寄せるコアンダ面で形成してあることを特徴とする請求項２に記載の排気ガス還流装置。
4. 前記誘起空間は、前記混合室へ導入されるＥＧＲガス流、吸気流により、旋回流を誘起する空間で形成されることを特徴とする請求項２ないし請求項３に記載の排気ガス還流装置。
5. 前記混合室から下流側の吸気通路には、前記ＥＧＲガスと前記吸気とが混合した混合ガスの空燃比を検知するＡ／Ｆセンサが設けられることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一つに記載の排気ガス還流装置。

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