JP4925880B2 - 過給器付内燃機関の排気還流装置 - Google Patents

Description

本発明は、過給器付内燃機関の排気還流（ＥＧＲ）装置に関する。

排気ターボ過給器を備えた内燃機関に設けられるＥＧＲ装置の場合、そのＥＧＲ管において、吸気通路に設けられた排気導入部の吸気圧力が排気通路に設けられた排気取出部の排気圧力よりも高くなり、ＥＧＲが抑制される運転領域が存在する。そこで、たとえば可変容量型（ＶＮＴ）排気ターボ過給器を備えている場合は、タービンへの流入路形状を絞り、タービンへ流入する排気の流速を上げることにより排気圧力を高めるようにして、ＥＧＲを実施できるように対処する手法が知られている。

しかし、排気圧力を高めた場合、吸排気抵抗に影響（ポンピングロス）して燃費を低下させるといった不具合があり、これを軽減する技術として、特許文献１に開示のＥＧＲ装置が提案されている。
特許文献１のＥＧＲ装置は、吸気通路に設ける排気導入部としてエゼクタ（エジェクタ）を使用することにより、燃費改善を図った装置である。エゼクタは、真空ポンプ等の原理として良く知られているもので、ノズルから少し離れたディフューザへ噴出される駆動流体の作用により、該ノズル周囲を囲む吸入室内に負圧を発生させ、この負圧により当該吸入室へ別の流体を吸い込んで、駆動流体と共にディフューザから吐出する構造をもつ。

特許文献１のＥＧＲ装置では、このエゼクタが、ノズルが吸気上流側に位置し且つディフューザが吸気下流側に位置するように吸気通路に配設され、そして吸入室をＥＧＲ管に連通させることにより、吸気を駆動流体としてＥＧＲガスを吸引している。このエゼクタを通したＥＧＲガスの吸引で排気圧力を低め、吸気圧力との差圧を減らすことによって、燃費改善を図っている。
実開平５−６１４４５号公報

ＥＧＲ装置によって還流されるＥＧＲガスの吸気に対する流量比率（以下ＥＧＲ率）は、運転領域に応じて、ＥＧＲ管に設けられたＥＧＲ制御弁の開度により制御される。すなわち、負荷が低く、燃料に対する吸気流量の比率が大きい場合は、空気不足によるスモーク発生の懸念がないことから、ＮＯｘ排出量低減のため、ＥＧＲガス流量を増加させ、ＥＧＲ率を大きくする。

このとき、一般的な商用車用ディーゼルエンジンにおいては、このような負荷の低い領域では過給器効率が低いことから、吸気通路に設けられた排気導入部の吸気圧力は、排気通路に設けられた排気取出部の排気圧力よりも低くなる。そのため、負荷の高い領域と同様にＥＧＲ制御弁の開度を大きくしていては、ＥＧＲ率が必要以上に大きくなりすぎ、吸気流量減少を招き、スモークの発生を引き起こしてしまう。このような現象を防ぐため、負荷の低い領域では、ＥＧＲ制御弁の開度は小さくする必要があり、ＥＧＲ管の抵抗は大きくなる。

上記特許文献１に記載されたＥＧＲ装置では、吸気通路中を流れている吸気をエゼクタの駆動流体としてＥＧＲガスを吸引するよう構成しているが、負荷が低くてＥＧＲ率が大きい場合は、吸気の駆動流体としての吸引力が弱いこと、また、ＥＧＲ制御弁の開度が小さくてＥＧＲ管の抵抗が大きくなることから、十分な排気圧力低減効果を得ることができない。すなわち、特許文献１に記載のＥＧＲ装置の場合、その効果を発揮するためには、高負荷運転領域にあって吸気通路中の吸気流量が多い必要があり、低負荷運転領域では燃費改善の効果が高いとは言えない。

本発明はこの点に鑑みたもので、全域で燃費改善効果の高い構成とした過給器付内燃機関のＥＧＲ装置を提案するものである。

本発明による過給器付内燃機関のＥＧＲ装置は、過給器のタービンより排気上流の排気通路から排気の一部を取り出して、前記過給器のコンプレッサより吸気下流の吸気通路へ還流させるＥＧＲ管と、ノズルがＥＧＲ上流側且つディフューザがＥＧＲ下流側に位置するように前記ＥＧＲ管に配設され、前記ノズルの周囲を囲んでいる吸入室を前記吸気通路に連通させたエゼクタと、を含んで構成され、前記ＥＧＲ管及び前記エゼクタを所定数の気筒ごとにわけて複数並列に設け、前記気筒の排気ブローダウン時の排気パルスが前記エゼクタにおける吸気の吸引に影響するように構成してあり、前記エゼクタにおいて、前記ノズルの噴出口が前記吸入室内に開口し且つ該噴出口と対峙して前記ディフューザの流入口が前記吸入室内に開口しており、前記噴出口から噴出して前記流入口へ流入するＥＧＲガスにより前記吸入室に負圧が生じて、前記吸入室に吸気が吸引されることを特徴とする。このＥＧＲ装置においては、前記エゼクタよりもＥＧＲ下流の前記ＥＧＲ管に設けられたＥＧＲ制御弁をさらに含むことができる。
あるいは、本発明による過給器付内燃機関のＥＧＲ装置は、過給器のタービンより排気上流の排気通路から排気の一部を取り出して、前記過給器のコンプレッサより吸気下流の吸気通路へ還流させるＥＧＲ管と、ノズルがＥＧＲ上流側且つディフューザがＥＧＲ下流側に位置するように前記ＥＧＲ管に配設され、前記ノズルの周囲を囲んでいる吸入室を前記吸気通路に連通させたエゼクタと、前記エゼクタよりもＥＧＲ下流の前記ＥＧＲ管に設けられたＥＧＲ制御弁と、を含んで構成され、前記エゼクタにおいて、前記ノズルの噴出口が前記吸入室内に開口し且つ該噴出口と対峙して前記ディフューザの流入口が前記吸入室内に開口しており、前記噴出口から噴出して前記流入口へ流入するＥＧＲガスにより前記吸入室に負圧が生じて、前記吸入室に吸気が吸引されることを特徴とする。

さらに、上記構成に加え、吸気通路と吸入室とを連通させる連通管に設けられ、吸入室から吸気通路への逆流を防止する逆止弁や、エゼクタよりもＥＧＲ下流のＥＧＲ管に設けられ、吸気通路からエゼクタへの逆流を防止する逆止弁を含んだ構成としてもよい。

本発明のＥＧＲ装置によれば、ＥＧＲガスをエゼクタの駆動流体として吸気を吸引し、これによるＥＧＲガス＋吸気を排気導入部から吸気通路へ導入する構成となっている。すなわち、ＥＧＲガスで吸気を吸引して混合することにより、ＥＧＲガス流量と共に吸気流量を増やすことができるので、過給器効率が低く、吸気圧力よりも排気圧力が大きな低負荷領域において、排気圧力低減のためにＥＧＲ制御弁の開度を大きくしたとしても、それによるＥＧＲガス流量の増加に合わせて吸気流量も確保され、両立を図れる。つまり、負荷の低い領域でもＥＧＲ制御弁の開度を大きくすることが可能となり、排気圧力を低めて吸気圧力との差圧を減らし、吸排気抵抗を改善して燃費の向上を期待することができる。

また、ＥＧＲ管及びエゼクタを複数並列に設けた構成とすることで、エゼクタにおける吸気の吸引に関し、各気筒の排気ブローダウン時の排気パルスを影響させることができ、より勢いよく吸気を吸引することが可能となる。
さらに、ＥＧＲ制御弁を、エゼクタよりもＥＧＲ下流のＥＧＲ管に設けた構成とすれば、ＥＧＲ制御弁を閉じているときに、エゼクタを介した吸気の回り道が形成されないので、好ましい。加えて、吸気通路と吸入室とを連通させる連通管や、エゼクタよりもＥＧＲ下流のＥＧＲ管に、逆止弁を設けておけば、吸気及び排気の逆流を防ぐことができるのでよい。

図１に、本発明に係るＥＧＲ装置について、第１の実施形態を示す。
この実施形態のエンジンＥは、可変容量型（ＶＮＴ）排気ターボ過給器Ｔを備えた４気筒ディーゼルエンジンで、過給器ＴのタービンＴ１への流入路形状を絞り、タービンＴ１へ流入する排気の流速を上げることにより排気圧力を高めるようにして、ＥＧＲを実施できるように対処することが可能となっている。当該エンジンＥにおいて、ＥＧＲ装置は、ＥＧＲ管１０とエゼクタ２０とを含んで構成されている。

ＥＧＲ管１０は、過給器ＴのタービンＴ１より排気上流の排気通路Ｅ１に設けられた排気取出部１１と、過給器ＴのコンプレッサＴ２より吸気下流の吸気通路Ｅ２に設けられた排気導入部１２と、を備えている。排気取出部１１は、排気マニホールドからタービンＴ１へ至る排気管に形成され、排気導入部１２は、インタークーラから吸気マニホールドへ至る吸気管に形成されている。この排気取出部１１から排気導入部１２までのＥＧＲ管１０の途中に、エゼクタ２０が配設されている。

ＥＧＲ管１０にはこの他に、エゼクタ２０よりもＥＧＲ下流のＥＧＲ制御弁１３と、ＥＧＲ制御弁１３よりもさらにＥＧＲ下流の逆止弁１４と、が設けられている。ＥＧＲ制御弁１３は、負圧式や電動式制御の弁で、負荷等に応じてエンジンＥＣＵにより開度が制御され、これによりＥＧＲ管１０を通るＥＧＲガス流量が制御される。逆止弁１４は、ＥＧＲガスの逆流を防止するチェックバルブである。

エゼクタ２０は、図２に詳細を示すように、駆動流体であるＥＧＲガスを加速して噴出するノズル２１と、排気導入部１２よりも吸気上流の吸気通路Ｅ２に連通して吸気を吸引する吸入室２２と、吸入室２２から送出される流体の速度を落とすべく末広がりとなっているディフューザ２３と、を備えている。ノズル２１は、噴出口２１ａを吸入室２２内に開口させてあり、そして、この噴出口２１ａと対峙するように少し離してディフューザ２３の流入口２３ａを吸入室２２内に開口させてある。噴出口２１ａと流入口２３ａとの間には間隔があるので、噴出口２１ａから噴出して流入口２３ａへ流れ込むＥＧＲガスにより、ノズル２１の周囲を囲んでいる吸入室２２に負圧が生じ、これに従って吸入室２２へ吸気が吸引され、ＥＧＲガスと共にディフューザ２３へ流れ込むことになる。

このようなエゼクタ２０は、ノズル２１がＥＧＲ上流側且つディフューザ２３がＥＧＲ下流側に位置するようにＥＧＲ管１０に配設されてＥＧＲガスを通し、その吸入室２２は、吸気通路Ｅ２から分岐した連通管２４を通して吸気を吸引する。吸気通路Ｅ２と吸入室２２とを連通させる連通管２４には、吸気の逆流を防止するチェックバルブの逆止弁２５が設けられている。

本実施形態において、ＥＧＲ制御弁１３はエゼクタ２０よりも下流に設けてあるが、当該ＥＧＲ制御弁１３をエゼクタ２０よりも上流に設けた場合、ＥＧＲ制御弁１３が閉じているときに、連通管２４からエゼクタ２０及びこれより下流のＥＧＲ管１０を通る吸気の回り道が形成され得る。したがって、ＥＧＲ制御弁１３は、エゼクタ２０よりもＥＧＲ下流に設けておくのが好ましい。また、エゼクタ２０よりも下流のＥＧＲ管１０や連通管２４には、逆止弁１４，２５を設けておいた方が、吸気や排気の逆流（あるいは吸排気の短絡路形成）を防ぐうえで好ましい。

上記構成のＥＧＲ装置によれば、エゼクタ２０においてＥＧＲガスにより吸気を吸引し、ＥＧＲガスと吸気を混合して排気導入部１２から吸気通路Ｅ２へ導入するので、ＥＧＲガス流量と共に吸気流量を増やすことができ、排気圧力低減のためにＥＧＲ制御弁１３の開度を大きくしたとしても、それによるＥＧＲガス流量の増加に合わせて吸気流量も確保され、吸気流量及びＥＧＲガス流量の両立を図れる。つまり、過給器効率が低く吸気と排気の差圧が大きい低負荷運転領域でもＥＧＲ制御弁１３の開度を大きくしてＥＧＲ管１０の抵抗を小さくすることが可能となり、排気圧力を低めて吸気圧力との差圧を減らし、吸排気抵抗を改善して燃費の向上を期待することができる。

以上の第１の実施形態は、エンジンＥの全気筒に対し共通のＥＧＲ管１０を１本設けたＥＧＲ装置の例であるが、ＥＧＲ管及びエゼクタを複数本並列に設けるようにした第２の実施形態も可能である。すなわち、ＥＧＲ管及びその排気取出部について、所定数の気筒ごとにわけて複数設け、該複数のＥＧＲ管それぞれにエゼクタを配設した構成とすることもできる。この第２の実施形態につき、図３に示している。なお、ＥＧＲ管を設ける気筒数は、適宜設計することができる。

第２の実施形態は、４気筒ディーゼルエンジンＥの２気筒ごとにＥＧＲ管３０，４０を設け、この２本のＥＧＲ管３０，４０にそれぞれ、エゼクタ５０，６０を設けた例を示している。排気通路Ｅ１において、ＥＧＲ管３０の排気取出部３１は、２気筒分の排気マニホールドに接続した排気管に設けられており、ＥＧＲ管４０は、他の２気筒分の排気マニホールドに接続した排気管に設けられている。そして、吸気通路Ｅ２において、両ＥＧＲ管３０，４０に共通の排気導入部３２が、インタークーラから吸気マニホールドへ至る吸気管に設けられている。

ＥＧＲ管３０，４０には、エゼクタ５０，６０よりもＥＧＲ下流にＥＧＲ制御弁３３，４２が、該ＥＧＲ制御弁３３，４２よりもさらにＥＧＲ下流に逆止弁３４，４３が、それぞれ設けられている。ＥＧＲ制御弁３３，４２は、上記同様、エンジンＥＣＵにより開度が制御される負圧式や電動式制御の弁であり、逆止弁３４，４３も、上記同様のチェックバルブである。

第２の実施形態におけるエゼクタ５０，６０は、図４に示すように、Ｔ字エルボ管の直管部内に、ノズル５１，６１、吸入室５２，６２、ディフューザ５３，６３を形成した構造をもつ。たとえば、ノズル５１，６１は、漏斗状の仕切りを分岐部上流の管内に固定して形成することができ、ディフューザ５３，６３は、***部を分岐部下流の管内壁に周設して形成することができる。そして、これらノズル５１，６１の仕切りとディフューザ５３，６３の***部とで囲まれた分岐部近傍の管内部が吸入室５２，６２となり、分岐部が連通管５４，６４により吸気通路Ｅ２につながることで、吸入室５２，６２が吸気通路Ｅ２と連通する。ただし、第２の実施形態でも第１の実施形態同様のエゼクタを使用することができるし、第１の実施形態で第２の実施形態同様のエゼクタを使用することも可能である。

このように形成されるノズル５１，６１、吸入室５２，６２、ディフューザ５３，６３の関係は上述の通りで、ノズル５１，６１の噴出口５１ａ，６１ａが吸入室５２，６２内に開口し、この噴出口５１ａ，６１ａと対峙するようにしてディフューザ５３，６３の流入口５３ａ，６３ａが吸入室５２，６２内に開口する。そして、上記同様にエゼクタ５０，６０は、ノズル５１，６１がＥＧＲ上流側且つディフューザ５３，６３がＥＧＲ下流側に位置するようにＥＧＲ管３０，４０に配設されてＥＧＲガスを通し、その吸入室５２，６２に、吸気通路Ｅ２から分岐した連通管５４，６４を通して吸気を吸引する。吸気通路Ｅ２と吸入室５２，６２とを連通させる連通管５４，６４には、吸気の逆流を防止するチェックバルブの逆止弁５５，６５が設けられる。

第２の実施形態のＥＧＲ装置によれば、エゼクタ５０，６０においてＥＧＲガスにより吸気を吸引し、ＥＧＲガスと吸気を混合して排気導入部３２から吸気通路Ｅ２へ導入するので、ＥＧＲガス流量と共に吸気流量を増やすことができ、排気圧力低減のためにＥＧＲ制御弁３３，４２の開度を大きくしたとしても、それによるＥＧＲガス流量の増加に合わせて吸気流量も確保され、両立を図れる。つまり、過給器効率が低く吸気と排気の差圧が大きい低負荷運転領域でもＥＧＲ制御弁３３，４２の開度を大きくして両ＥＧＲ管３０，４０の抵抗を小さくすることが可能となり、排気圧力を低めて吸気圧力との差圧を減らし、吸排気抵抗を改善して燃費の向上を期待することができる。

加えて、第２の実施形態の場合、２気筒ごとにＥＧＲ管３０，４０を設け、それぞれにエゼクタ５０，６０を設けているので、エゼクタ５０，６０における吸気の吸引に関し、各気筒の排気ブローダウン時の排気パルスを影響させることができ、より勢いよく吸気を吸引することが可能となる。

本発明に係るＥＧＲ装置の第１の実施形態を示した概略図。 図１中のエゼクタの構造を示した断面図。 本発明に係るＥＧＲ装置の第２の実施形態を示した概略図。 図３中のエゼクタの構造を示した断面図。

符号の説明

１０，３０，４０ ＥＧＲ管
１１，３１，４１ 排気取出部
１２，３２ 排気導入部
２０，５０，６０ エゼクタ
２１，５１，６１ ノズル
２１ａ，５１ａ，６１ａ 噴出口
２２，５２，６２ 吸入室
２３，５３，６３ ディフューザ
２３ａ，５３ａ，６３ａ 流入口
２４，５４，６４ 連通管
２５，５５，６５ 逆止弁
Ｅ ディーゼルエンジン
Ｅ１ 排気通路
Ｅ２ 吸気通路
Ｔ 可変容量型排気ターボ過給器
Ｔ１ タービン
Ｔ２ コンプレッサ

Claims (5)

1. 過給器のタービンより排気上流の排気通路から排気の一部を取り出して、前記過給器のコンプレッサより吸気下流の吸気通路へ還流させるＥＧＲ管と、
   ノズルがＥＧＲ上流側且つディフューザがＥＧＲ下流側に位置するように前記ＥＧＲ管に配設され、前記ノズルの周囲を囲んでいる吸入室を前記吸気通路に連通させたエゼクタと、
   を含んで構成され、
   前記ＥＧＲ管及び前記エゼクタを所定数の気筒ごとにわけて複数並列に設け、前記気筒の排気ブローダウン時の排気パルスが前記エゼクタにおける吸気の吸引に影響するように構成してあり、
   前記エゼクタにおいて、前記ノズルの噴出口が前記吸入室内に開口し且つ該噴出口と対峙して前記ディフューザの流入口が前記吸入室内に開口しており、前記噴出口から噴出して前記流入口へ流入するＥＧＲガスにより前記吸入室に負圧が生じて、前記吸入室に吸気が吸引される、
   ことを特徴とする過給器付内燃機関の排気還流装置。
2. 前記エゼクタよりもＥＧＲ下流の前記ＥＧＲ管に設けられたＥＧＲ制御弁をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の過給器付内燃機関の排気還流装置。
3. 過給器のタービンより排気上流の排気通路から排気の一部を取り出して、前記過給器のコンプレッサより吸気下流の吸気通路へ還流させるＥＧＲ管と、
   ノズルがＥＧＲ上流側且つディフューザがＥＧＲ下流側に位置するように前記ＥＧＲ管に配設され、前記ノズルの周囲を囲んでいる吸入室を前記吸気通路に連通させたエゼクタと、
   前記エゼクタよりもＥＧＲ下流の前記ＥＧＲ管に設けられたＥＧＲ制御弁と、
   を含んで構成され、
   前記エゼクタにおいて、前記ノズルの噴出口が前記吸入室内に開口し且つ該噴出口と対峙して前記ディフューザの流入口が前記吸入室内に開口しており、前記噴出口から噴出して前記流入口へ流入するＥＧＲガスにより前記吸入室に負圧が生じて、前記吸入室に吸気が吸引される、
   ことを特徴とする過給器付内燃機関の排気還流装置。
4. 前記吸気通路と前記吸入室とを連通させる連通管に設けられ、前記吸入室から前記吸気通路への逆流を防止する逆止弁をさらに含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の過給器付内燃機関の排気還流装置。
5. 前記エゼクタよりもＥＧＲ下流の前記ＥＧＲ管に設けられ、前記吸気通路から前記エゼクタへの逆流を防止する逆止弁をさらに含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の過給器付内燃機関の排気還流装置。

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