JP5006559B2 - 多気筒内燃機関のegr装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の排気還流装置に関する。
エンジンのNOx排出量低減等のために、排気の一部を吸気通路に還流させるEGR装置が知られている。EGR装置は、排気通路と吸気通路とを連通するEGR配管と、EGR配管の流路面積を調節することによって還流させるEGRガス量を調節するEGRバルブを備える。そして、EGRガス量を調節することによって、EGRガス重量と吸入空気重量との比(以下、EGR率という)を運転状態に適した値に制御する。
ところで、EGR装置によって排気は吸入空気と混合した状態でコレクタ部に流入し、そこからエンジンの各気筒へ分配されるわけであるが、各気筒に流入するEGRガス量にバラツキがあると、各気筒でEGR率が異なることとなる。そして、各気筒のEGR率が異なると、NOx排出量低減等の効果を得るための最適EGR率に制御することができなくなるという問題がある。
そこで、各気筒に流入するEGRガス量のバラツキを抑えるための技術が特許文献1に記載されている。
特許文献1では、EGR配管の吸気通路側端部付近を吸気通路の内側に突出させ、突出部分の周面に複数個のEGR供給口を穿設することにより、EGRガスと吸気が各気筒に分配されるまでに十分に混合するようにしている。
特開平9−42069号
ところで、EGRガス中には未燃燃料やオイル分を主成分とするSOF分が含まれており、このSOF分が要因となってデポジットが堆積する。そして、デポジットの堆積量は経時的に増加し、EGR供給口に堆積するデポジットにより、EGR供給口の開口面積は経時的に減少することとなる。
特許文献1のEGR装置のように、周方向及び軸線方向にそれぞれ複数のEGR供給口を設ける場合、各EGR供給口の開口面積は小さくなる。そして、開口面積が小さい場合には、デポジットの堆積により減少する開口面積の、当初の開口面積に対する割合が大きい。すなわち、デポジットが堆積することによって初期設計通りのEGRガス量を供給できなくなるおそれがある。
そこで、本発明では、デポジットの堆積等があった場合にも所望のEGRガス量を供給し、かつ各気筒間でのEGRガス量のバラツキを抑制することを目的とする。
本発明の多気筒内燃機関のEGR装置は、一端に空気導入口を有しかつ他端が閉塞されており、機関の各吸気ポートと連通するブランチ部の開口部が前記空気導入口側から前記他端に向けて並ぶコレクタ部と、前記空気導入口に接続される吸気通路と、を備え、前記機関の排気の一部をEGR配管を介して前記吸気通路に還流させる多気筒内燃機関のEGR装置において、前記EGR配管の前記吸気通路側の一部が前記吸気通路内部に挿入されており、排出されたEGRガスが特定の複数気筒にのみ流入する吸気流れに乗るように前記EGR配管の先端に開口する第1開口部と、排出されたEGRガスが前記特定の複数気筒を除く残りの複数気筒にのみ流入する吸気流れに乗るように前記EGR配管の側面に開口する第2開口部と、を備える。
本発明によれば、EGRガスの供給口を2箇所としたので、それぞれの開口面積を大きくとることが可能となる。これにより、デポジットの堆積等によって開口面積が減少した場合でも、初期の開口面積に対する減少した面積の割合が小さくなるので、性能の低下を抑制できる。
また、それぞれの供給口を、排出されたEGRガスがそれぞれ異なる特定の複数気筒にのみ流入する吸気流れに乗るように設けたことにより、供給するEGRガスは各気筒の吸気ポートに流入する前に互いに交じり合うことがないので、各気筒に狙った量のEGRガスを供給することが可能となり、気筒間でのEGRガス量のバラツキ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。
図1は本実施形態のシステムの概略図である。
1はエンジン、2は吸気マニホールドのコレクタ部、3は吸気通路、4は排気マニホールド、5は排気通路、6はEGR配管、7はEGRバルブ、8はEGRクーラー、9はEGRパッセージ(EGR配管6の吸気通路3に挿入される部分)、12a〜12dは吸気マニホールドのブランチ部、14a〜14dは吸気ポートである。
コレクタ部2の一端には吸気通路3が接続される空気導入口2aが開口し、他端は閉塞されている。そして、コレクタ部2には、各気筒14の吸気ポート14a〜14dと連通するブランチ部12a〜12dが接続されており、空気導入口2a側から前記他端側に向けて、各ブランチ部12a〜12dの開口部が並ぶ。
EGR配管6は、排気マニホールド4から分岐し、EGRバルブ7を介して後述するEGRパッセージ9に接続する。
EGR配管6にはEGRクーラーを介装する。EGRクーラ8は燃焼後に高温となっている排気を冷却するためのものであり、EGRガスが流入することによる吸入空気の温度上昇を抑制し、エンジン1のシリンダ内の温度上昇を抑制するためのものである。
EGRバルブ7はEGR配管の流路断面積を調節する機能を有し、図示しないコントローラによって、後述する最適EGR率となるように運転状態に応じて開度が制御される。
EGRパッセージ9は、吸気通路3側の一部が吸気通路3内部に挿入されている。なお、EGRパッセージ9は、軸線に対して直交する断面の形状が略円形の部材である。
上記のような構成において、図示しない吸気口から吸入された吸気は、吸気通路3を通ってコレクタ部2に流入する。そして、コレクタ部2とエンジン1の各気筒の吸気ポートと連通するブランチ部12a〜12dを介して、各気筒14へ分配される。なお、図1中左側から#1気筒、#2気筒、#3気筒、#4気筒とし、本実施形態では#2、#1、#3、#4の順に吸入行程を行うものとする。
エンジン1の各気筒から排出される排気は、排気マニホールド4で集合して排気通路5に流入するが、その一部はEGR配管6を介してEGRガスとして吸気通路3内に戻され、再度エンジン1に導入される。
ここで、EGRパッセージ9について図2、図3を参照して説明する。図2はEGRパッセージ9を吸入空気の流れ方向下流側から見た図(図1のA-A矢視図)であり、図面上側がコレクタ部2の軸線に対してブランチ部12a〜12d開口部と対向する側(以下、基端側という)、図面下側がブランチ部12a〜12dが開口する側(以下、開口部側という)である。図3は上図が図2のEGRパッセージ9の拡大図、下図が上図のB−B矢視図である。
EGRパッセージ9は、略直線状の中空円管部材であり、吸気通路3内を流れる吸入空気の流れ方向(吸気通路3の軸線方向)と略直交し、かつ吸気通路3の基端側の壁面から開口部側の壁面に向けて、EGRパッセージ先端面9aが吸気通路3の開口部側の壁面付近に到達するまで挿入されている。
また、EGRパッセージ9は、EGRパッセージ9の内部と吸気通路3内部とを連通する第1開口部10、第2開口部11を備える。
第1開口部10は、後述する図4下図に示すように略円形の開口部であり、その図心がEGRパッセージ先端面9aの図心に対して、吸気流れの上流方向に偏心している。なお、第1開口部10の形状は略円形に限られれるわけではなく、開口部分の大部分がEGRパッセージ先端面9aの上流側半分となるような形状であれば、例えば図9に示すような、吸気流れ下流側が閉塞された半円状であってもよい。
第2開口部11は、EGRパッセージ9側面の、基端側の吸気通路3の壁面3a付近であって吸入空気流れ方向下流側に開口する。
なお、図1において、第2開口部11は基端側の壁面3aから離れた位置からEGRパッセージ9の先端方向に向けて延びる略オーバル形状となっているが、開口部の形状はこれに限られるものではなく、必要な開口面積が確保できるのであれば、長方形や楕円形であってもよい。
また、第2開口部11の壁面側端部11aは、必ずしも壁面3aから離れている必要はない。例えば、壁面側端部11aと壁面3aとが一致していてもよいし、図10に示すように、壁面側端部11aが吸気通路3の内壁面と外壁面との間に位置していてもよい。図10に示すように第2開口部11を形成すると、EGRパッセージ9の肉厚の分だけ、第2開口部11から吸気通路3へ流入するEGRガスの屈曲が緩やかになる。このため、より多くのEGRガスが吸気通路壁面3a付近に流入することとなり、吸気通路壁面3a近傍を流れる吸入空気の流れに乗せやすくなる。
EGRパッセージ9を上記のように構成した場合の、EGRガスの流れについて、図4を参照して説明する。図4上図は図1のEGRパッセージ9部分を拡大した図であり、EGRパッセージ9の軸線を含み吸気流れに平行な断面を表す。図4下図は先端面9aを表す図である。そして、両図ともに図面左側が吸気流れ上流側、図面右側が吸気流れ下流側である。また、図中の矢印はEGRガスの流れを表す。
EGR配管6からEGRパッセージ9に流入したEGRガスは、第1開口部10及び第2開口部11から吸気通路3内へ排出される。このとき、EGRパッセージ9内部の吸気流れ上流側(以下、第1開口部10側という)を流れるEGRガスはそのまま第1開口部10から排出される。
これに対して、EGRパッセージ9内部の吸気流れ下流側(以下、第2開口部11側という)を流れるEGRガスは、EGRパッセージ9の第2開口部11側の先端部9aが閉塞されており、かつ第1開口部10側のEGRガスの流れがあるために第1開口部10からは排出されにくい。このように、EGRパッセージ9内部の第2開口部11側では、先端部9a付近で流れが滞留することとなるため、EGRガスは屈曲して第2開口部11から排出されることになる。
なお、吸入空気はEGRパッセージ9の外周に沿って流れ、外周のいずれかの点で剥離する。これによりEGRパッセージ9の吸入空気流れ下流側周辺、すなわち第2開口部11周辺の圧力は低下して、EGRパッセージ9内部からEGRガスを吸出す効果が得られるので、第2開口部11からEGRガスが排出されやすくなっている。
第1開口部10と第2開口部11から吸気通路3内に排出されるEGRガス量の略同等になるように、それぞれの開口面積を調整する。このとき、第1開口部10から排出される場合は略直線状に流れ、第2開口部11から排出される場合は屈曲する流れとなるので、流路抵抗に差が生じる。このため、両者から排出されるEGRガス量を略同等にするためには、第2開口部11の面積S2>第1開口部の面積S1、という関係が成立する。
なお、第1開口部10の先端面9aに占める割合や第2開口部11のEGRパッセージ9軸線方向の長さ等については、吸気通路3の形状やEGRパッセージ9の形状、そしてエンジンの仕様等により異なるため、適用するシステムごとにシミュレーション等によって設定する必要がある。
また、デポジット堆積による開口面積の減少の影響を少なくするため、すなわち、設計時の開口面積S1、S2に対するデポジット付着によって減少した開口面積の割合を小さくするために、第1開口部10及び第2開口部11はそれぞれ一つの開口部で形成している。しかし、上記開口面積の減少の影響が許容できる範囲であれば、第1開口部10、第2開口部11をそれぞれ複数の開口部で形成しても構わない。
上記のように、第1開口部10と第2開口部11とから略同量のEGRガスが吸気通路3内に排出されるように調整すると、吸気通路3の軸線を挟んで対向する、吸気通路3の開口部側の壁面付近とブランチ部12aの反対側の壁面付近に、略同量のEGRガスが排出されることになる。
次に、EGRパッセージ9から排出したEGRガスの流れについて、図5を参照して説明する。図5は図1のEGRパッセージ9及びコレクタ部2部分の拡大図である。
図5中矢印で示したように、第1開口部10から排出されたEGRガスは、開口部側の吸気通路3壁面付近を流れる吸入空気の流れに乗って、コレクタ部2の開口部側に流入する。そして、#1気筒、#2気筒のいずれかの気筒が吸入行程となったときに、その気筒に流入する。このとき、#1気筒と#2気筒は交互に吸入行程を迎えるので、それぞれの気筒に流入するEGRガス量は略同等になる。
一方、第2開口部11から排出されたEGRガスは、基端側の吸気通路3壁面付近を流れる吸入空気流れに乗って、コレクタ部2の基端側に流入する。そして、#3気筒、#4気筒のいずれかの気筒が吸入行程となったときに、その気筒に流入する。このとき、#1気筒と#2気筒の場合と同様に、#3気筒と#4気筒に流入するEGRガス量は略同等となる。
また、上述したように第1開口部10から排出されるEGRガス量と第2開口部11から排出されるEGRガス量は略同等であり、第1開口部10付近を流れる吸入空気と第2開口部11付近を流れる吸入はともに壁面近くの流れであるため流速が略同等である。
したがって、#1気筒及び#2気筒の周辺に流入するEGRガス量と、#3気筒及び#4気筒の周辺に流入するEGRガス量は略同等になる。すなわち、#1気筒〜#4気筒までの各気筒に流入するEGRガス量は略同等となる。
ここで、EGRガス導入量について説明する。EGRガス導入量は、吸入空気重量に対するEGRガス重量の割合であるEGR率を用いて、その量を判断する。そして、NOx排出量は少なく、そして燃焼時のスモーク生成を防止するようにEGR率を設定する必要がある。
ところが、NOx排出量はEGR率が高くなるほど少なくなり、一方、スモーク生成量はEGR率が高くなるほど多くなる。すなわち、NOx排出量とスモーク生成量とはトレードオフの関係にあり、両者をともに最小にするようなEGR率を設定することはできない。そこで、NOx排出量とスモーク生成量の和を用いて最適EGR率の設定を行う。
NOx排出量とスモーク生成量の和と、EGR率との関係は、図6に示すようになる。図6は縦軸にNOx排出量とスモーク生成量の和をとり、横軸にEGR率をとったものである。
図6に示すように、NOx排出量とスモーク生成量の和は、EGR率がP2のときに最小値となる。そして、EGR率がP2より小さくなるほど大きくなる。またEGR率がP2より大きくなるほど大きくなる。
そこで、NOx排出量とスモーク生成量の和がほぼ最小値と同視できる範囲であるP1からP3を最適EGR率として設定する。
ところで、一般的なEGR装置においては、吸気通路3内のEGRパッセージ9の開口部は一つである。ここで、開口部が一つの場合について、図1に示した構成のEGRパッセージ9を、開口部が一つのものに置き換えた場合を表す図7を参照して説明する。
EGRパッセージ9から吸気通路3に流入したEGRガスは、吸気通路3の中央部を流れる吸入空気流れに乗ってコレクタ部2に流入する。
吸気通路3からコレクタ部2に流入する吸入空気の流れは、ブランチ部12a〜12dが開口する側とその反対側については、前述したように、それぞれ#1及び#2気筒、#3、#4気筒に流入する。そして、吸気通路3の中央部の流れは、図7に示すように、その大部分は#2、#3気筒に流入し(図7中実線)、#1、#4気筒へは僅かな量しか流入しない(図7中破線)。
したがって、吸気通路3の中央部に流入したEGRガスの大部分は、吸気通路3中央部を流れる吸入空気の流れに乗って#2、#3気筒に流入することになる。
このため、吸気通路3からコレクタ部2に流入する全空気量に対するEGR率が、図6に示した最適EGR率となるようにEGRガスの導入量を調整しても、各気筒でEGR率がばらつきが生じる。
図8上図は、EGRパッセージ9の一の開口部から所定のEGRガス量を還流させた場合の、各気筒のEGR率とNOx排出量の関係の一例を表し、図8下図は同じくEGR率とスモーク生成量の関係の一例を表す図である。
EGR率は#4<#1<#3<#2という関係になるので、NOx排出量は図8上図に示すように、#4>#1>#3>#2という関係になる。一方、スモーク生成量は、図8下図に示すように#4<#1<#3<#2という関係になる。
したがって、いずれかの気筒のEGR率を最適EGR率となるようにEGRガス量を調整すると、他の気筒では最適EGR率にならないおそれがある。
以上のように、すべての気筒のEGR率をNOx排出量とスモーク生成量の和が最小になるような値に制御することが困難であり、機関全体としてNOx排出量とスモーク生成量を低減することが困難であった。
ところが、本実施形態では、上述したように各気筒に導入されるEGRガス量及び吸入空気量が略同等になるので、各気筒のEGR率は略同等となる。したがって、EGR率が図6のP1〜P3の範囲となるようにEGRガス量を調整すれば、各気筒のEGR率は最適EGR率となり、機関全体としてのNOx排出量とスモーク生成量の和を最小にすることができる。
なお、本実施形態では、直列4気筒エンジンについて説明したが、例えば直列6気筒、V型8気筒等の他の形式のエンジンについても適用可能である。この場合も、吸気通路からコレクタ部に流入する吸入空気の、ブランチ部までの流れを調べたうえで、各気筒のEGR率が略同等になるように、EGRパッセージの開口部を設ける位置、大きさ等を設定すればよい。
以上により、本実施形態では以下のような効果を得ることができる。
(1)コレクタ2の軸線に対してブランチ部12a〜12dの開口部が並ぶ側を開口部側、ブランチ部12a〜12dの開口部と対向する側を基端側としたときに、吸気通路3に、吸気通路3の基端側の壁面から開口部側の壁面へ向けて、その一部が開口部側の吸気通路壁面付近に達するように挿入されるEGRパッセージ9と、EGRパッセージ9の開口部側の吸気通路3壁面付近に、開口部側の壁面と対向するように設けた第1開口部10と、EGRパッセージ9の側面の基端側の吸気通路3壁面近傍に設けた第2開口部11と、を備えるので、EGRガスの供給口を2箇所となり、それぞれの開口面積を大きくとることが可能となる。
これにより、デポジットの堆積等によって開口面積が減少した場合でも、初期の開口面積に対する減少した面積の割合が小さくなるので、性能の低下を抑制できる。
また、第1開口部10と第2開口部11を、それぞれ基端側と開口部側の吸気通路3壁面付近に設けたことにより、供給するEGRガスは基端側の壁面付近を流れる吸気流と開口部側の壁面付近を流れる2つの独立した吸気流れに乗り、各気筒14の吸気ポート14a〜14dに流入する前に互いに交じり合うことがないので、各気筒14に狙った量のEGRガスを供給することが可能となり、気筒間でのEGRガス量のバラツキを抑制することができる。
(2)EGRパッセージ9は、略直線状の中空円管部材で構成され、かつ前記EGR配管の先端面が前記開口部側の吸気通路3壁面付近に位置するので、簡単な構成でEGRガスを前記開口部側の吸気流れに乗せることができる。
(3)第1開口部10を先端面9aに設け、また形状を略円形とするので、EGRパッセージ9の成型が容易である。
(4)第2開口部11を、EGRパッセージ9の吸気流れ下流側であってEGRパッセージ9周りの吸気流によって圧力が低下する部分に向けて開口するので、吸出し効果によって第2開口部11から供給するEGRガス量を確保することができる。
(5)EGRパッセージ9は、吸気通路3の軸線に略直交しているので、吸気通路3のEGRパッセージ9挿入部分のシール性を確保し易い。
(6)第1開口部10の図心は、EGRパッセージ9の軸線に対して、吸気流れ上流側に偏心しているので、EGRパッセージ9の先端面9aの前記偏心している側とは反対側が閉塞されることとなり、第2開口部11から吸気通路3へのEGRガスの供給を確保できる。
(7)第2開口部11の開口面積S2は第1開口部10の開口面積S1よりも大きくすることにより、直線的な流路で第1開口部10から供給されるEGRガス量と、略直角に屈曲する流路で第2開口部11から供給されるEGRガス量との差を小さくすることが可能となる。なお、第1開口部10から供給されるEGRガス量と、第2開口部11から供給されるEGRガス量とが略同等になるような、開口面積S1及び開口面積S2を予め求めておけば、各気筒14に流入するEGRガス量のバラツキを抑えることができ、結果として各気筒のEGR率を略同等にすることができる。
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。
本実施形態のシステム構成の概略図である。 EGRパッセージ挿入部を表す図である。 第1開口部及び第2開口部を説明するためのEGRパッセージの側面図及び下面図である。 EGRパッセージ内のEGRガスの流れを説明するための図である。 コレクタ部のガス流動を説明するためのコレクタ部断面図である。 最適EGR率とNOx排出量及びスモーク生成量との関係を表す図である。 EGRガス供給口が一箇所の場合のコレクタ部のガス流動を説明するためのコレクタ断面図である。 上図はNOx排出量とEGR率、下図はスモーク生成量とEGR率の関係を表す図である。 第1開口部の別の例を表す図である。 第2開口部の別の例を表す図である。
符号の説明
1 エンジン
2 コレクタ部
3 吸気通路
4 排気マニホールド
5 排気通路
6 EGR配管
7 EGRバルブ
8 EGRクーラー
9 EGRパッセージ
10 第1開口部
11 第2開口部
12a〜12d ブランチ部
14a〜14d 吸気ポート

Claims (7)

  1. 一端に空気導入口を有しかつ他端が閉塞されており、機関の各吸気ポートと連通するブランチ部の開口部が前記空気導入口側から前記他端に向けて並ぶコレクタ部と、
    前記空気導入口に接続される吸気通路と、を備え、
    前記機関の排気の一部をEGR配管を介して前記吸気通路に還流させる多気筒内燃機関のEGR装置において、
    前記EGR配管の前記吸気通路側の一部が前記吸気通路内部に挿入されており、
    排出されたEGRガスが特定の複数気筒にのみ流入する吸気流れに乗るように前記EGR配管の先端に開口する第1開口部と、
    排出されたEGRガスが前記特定の複数気筒を除く残りの複数気筒にのみ流入する吸気流れに乗るように前記EGR配管の側面に開口する第2開口部と、
    を備えることを特徴とする多気筒内燃機関のEGR装置。
  2. 前記第1開口部の形状は略円形であることを特徴とする請求項1に記載の多気筒内燃機関のEGR装置。
  3. 前記第2開口部は、前記EGR配管の吸気流れ下流側であって前記EGR配管周りの吸気流によって圧力が低下する部分に向けて開口することを特徴とする請求項1または2に記載の多気筒内燃機関のEGR装置。
  4. 前記EGR配管の前記吸気通路に挿入される部分は、前記吸気通路の軸線に略直交していることを特徴とする請求項1から3のいずれか一つに記載の多気筒内燃機関のEGR装置。
  5. 前記第1開口部の図心は、前記EGR配管の軸線に対して、吸気流れ上流側に偏心していることを特徴とする請求項1から4のいずれか一つに記載の多気筒内燃機関のEGR装置。
  6. 前記第1開口部は前記吸気流れ下流側が閉塞された半月状であることを特徴とする請求項5に記載の多気筒内燃機関のEGR装置。
  7. 前記第2開口部の開口面積は前記第1開口部の開口面積よりも大きいことを特徴とする請求項1から6のいずれか一つに記載の多気筒内燃機関のEGR装置。
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