JP5795947B2 - 過給機付エンジンの排気還流装置 - Google Patents

Description

この発明は、過給機付エンジンに係り、詳しくは、エンジンから排気通路に排出される排気ガスを吸気通路へ還流させる過給機付エンジンの排気還流装置に関する。

従来、この種の技術として、例えば、下記の特許文献１に記載される過給機付エンジンの排気還流装置が知られている。この装置は、過給機を備えたエンジンにおいて、排気通路に設けられたタービンの下流側と、吸気通路に設けられたコンプレッサの上流側とを接続するＥＧＲ用通路が設けられ、ＥＧＲ用通路にはＥＧＲ調整弁が設けられる。排気通路には、タービンを迂回する排気バイパス通路が設けられ、排気バイパス通路には、排気バイパス弁が設けられる。また、タービン及び触媒より下流の排気通路と、コンプレッサ及びクーラより下流の吸気通路とを接続するＥＧＲ通路が設けられる。ＥＧＲ通路には、ＥＧＲ弁が設けられる。そして、過給機を作動させた過給時には、ＥＧＲ調整弁を開くことで、排気通路を流れる排気ガスをコンプレッサ上流の吸気通路へ還流させる。一方、過給機を作動させない非過給時には、ＥＧＲ弁を開くことで、排気通路を流れる排気ガスをクーラ下流の吸気通路へ還流させるようになっている。

特開２０１１−６９３０５号公報

ところが、特許文献１に記載の装置では、過給時に吸気通路で発生する負圧が比較的小さくなることから、ＥＧＲ用通路を通じて吸気通路へ排気ガスを少量しか還流させることができなかった。そのため、過給時でも適量の排気ガスを吸気通路へ還流させることが望まれている。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、過給機の作動時に適量の排気還流ガスを吸気通路へ還流させることを可能とした過給機付エンジンの排気還流装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、吸気通路に過給機を備えたエンジンに設けられ、過給機の下流側にて吸気通路にスロットルバルブが設けられ、エンジンから排気通路へ排出される排気ガスの一部を排気還流ガスとしてスロットルバルブの下流側の吸気通路へ還流させる排気還流通路を備えた過給機付エンジンの排気還流装置において、排気還流通路から分岐する分岐通路と、吸気通路における過給機の上流側と下流側とを接続するバイパス通路と、バイパス通路に負圧を発生させるエゼクタとを備え、分岐通路の出口がエゼクタを介してバイパス通路に接続されたことと、エゼクタは、バイパス通路の上流側から流入する過給機により過給された空気を作動流体として導入して負圧を発生させ、分岐通路の出口から排気還流ガスを吸入してバイパス通路の下流側へ流出させることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、過給機の作動時には、吸気通路における過給機の上流側と下流側との間で吸気に圧力差が生じ、バイパス通路の両端の間にも圧力差が生じる。この圧力差によってバイパス通路に空気が流れ、その空気流によってエゼクタに負圧が発生する。従って、分岐通路の出口にはエゼクタによる負圧が作用し、エンジンから排気通路へ排出される排気ガスの一部が排気還流ガスとして排気還流通路、分岐通路、エゼクタ及びバイパス通路を通じて吸気通路へ流れる。また、過給機による過給圧が増大すると、それに応じてエゼクタにより発生する負圧が大きくなる。従って、排気還流通路及び分岐通路からバイパス通路へ流れる排気還流ガス流量が増大し、吸気通路へ流れる排気還流ガス流量が増大する。ここで、バイパス通路は吸気通路の一部を迂回して設けられるので、バイパス通路とエゼクタが、吸気通路の吸気抵抗に影響を与えることはない。また、過給機の非作動時には、吸気通路における過給機の上流側と下流側との間で吸気に圧力差が生じ難くなり、バイパス通路の両端の間の圧力差が小さくなる。このとき、スロットルバルブの下流側にて吸気通路で発生する負圧が排気還流通路の出口に作用し、排気還流ガスが排気還流通路を通じて吸気通路へ流れる。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、排気還流通路における分岐通路の分岐位置より下流側に、排気還流ガスの流量を調節するための排気還流ガス流量調節弁が設けられたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、過給機の非作動時には、排気還流通路を介して吸気通路へ流れる排気還流ガスの流量が排気還流ガス流量調節弁により調節される。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、分岐通路に、分岐通路を開閉するための開閉弁が設けられたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１又は２に記載の発明の作用に加え、過給機の作動時に開閉弁により分岐通路を開くことで、分岐通路に排気還流ガスが流れ、エゼクタ及びバイパス通路を介して吸気通路へ排気還流ガスが流れる。一方、開閉弁により分岐通路を閉じることで、排気還流通路から分岐通路への排気還流ガスの流れが遮断されると共に、バイパス通路から分岐通路への吸気の逆流が遮断される。

上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の発明において、過給機の下流側における吸気通路には、過給機から流れる空気を冷却するためのクーラが設けられ、バイパス通路の上流側は、クーラの下流側における吸気通路に接続され、バイパス通路の下流側は、過給機の上流側における吸気通路に接続されることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の作用に加え、過給機の作動時には、クーラで冷却された空気がバイパス通路へも流れる。従って、分岐通路からエゼクタを介してバイパス通路へ流れる排気還流ガスが、吸気通路からバイパス通路を流れる空気に合流しても、バイパス通路を流れる排気還流ガスの温度が必要以上に上昇することはない。

請求項１に記載の発明によれば、過給機の作動時に適量の排気還流ガスを吸気通路へ還流させることができ、過給機の非作動時に排気還流通路を通じて適量の排気還流ガスを吸気通路へ還流させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、過給機の非作動時に、排気通路から吸気通路へ還流される排気還流ガス流量を適度に調節することができる。また、過給機の作動時に、吸気通路から排気還流通路への空気の逆流を防止することができ、エゼクタから分岐通路を通じて排気還流通路に作用する負圧への悪影響を防止することができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の発明の効果に加え、過給機の非作動時に、排気通路から吸気通路へ排気還流通路を通じて確実に排気還流ガスを還流させることができる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の効果に加え、エゼクタ及びバイパス通路を過熱から保護することができる。

一実施形態に係り、排気還流装置を含む過給機付エンジンシステムを示す概略構成図。 同実施形態に係り、エゼクタを示す断面図。 別の実施形態に係り、排気還流装置を含む過給機付エンジンシステムを示す概略構成図。

以下、本発明における過給機付エンジンの排気還流装置を具体化した一実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

図１に、この実施形態における排気還流装置（Exhaust Gas Recirculation（ＥＧＲ）装置）を含む過給機付エンジンシステムを概略構成図により示す。このエンジンシステムは、レシプロタイプのエンジン１を備える。エンジン１の吸気ポート２には、吸気通路３が接続され、排気ポート４には、排気通路５が接続される。吸気通路３の入口には、エアクリーナ６が設けられる。エアクリーナ６より下流の吸気通路３には、排気通路５との間に吸気通路３における吸気を昇圧させるための過給機７が設けられる。

過給機７は、吸気通路３に配置されたコンプレッサ８と、排気通路５に配置されたタービン９と、コンプレッサ８とタービン９を一体回転可能に連結する回転軸１０とを含む。過給機７は、排気通路５を流れる排気ガスによりタービン９を回転させて回転軸１０を介してコンプレッサ８を一体回転させることにより、吸気通路３における吸気を昇圧させる、すなわち過給を行うようになっている。

過給機７に隣接して排気通路５には、タービン９を迂回する排気バイパス通路１１が設けられる。この排気バイパス通路１１には、ウエストゲートバルブ１２が設けられる。ウエストゲートバルブ１２により排気バイパス通路１１を流れる排気ガスが調節されることにより、タービン９に供給される排気ガス流量が調節され、タービン９及びコンプレッサ８の回転速度が調節され、過給機７による過給圧が調節されるようになっている。

吸気通路３において、過給機７のコンプレッサ８とエンジン１との間には、クーラ１３が設けられる。このクーラ１３は、コンプレッサ８により昇圧されて高温となった吸気を適温に冷却するためのものである。クーラ１３とエンジン１との間の吸気通路３には、サージタンク３ａが設けられる。また、クーラ１３の下流側であってサージタンク３ａの上流側には、スロットルバルブ１４が設けられる。

タービン９の下流側の排気通路５には、排気ガスを浄化するための触媒コンバータ１５が設けられる。また、触媒コンバータ１５の下流側の排気通路５と、サージタンク３ａとの間には、本発明の排気還流通路であるＥＧＲ通路２１が設けられる。つまり、排気通路５を流れる排気ガスの一部をＥＧＲガスとしてＥＧＲ通路２１を通じて吸気通路３へ還流させるために、ＥＧＲ通路２１の出口２１ａが、スロットルバルブ１４の下流側にてサージタンク３ａに接続される。また、この実施形態では、ＥＧＲ通路２１の入口２１ｂが、触媒コンバータ１５の下流側における排気通路５に接続される。そして、エンジン１から排気通路５へ排出される排気ガスの一部は、ＥＧＲガスとして、ＥＧＲ通路２１を通じて吸気通路３へ還流されるようになっている。

吸気通路３における過給機７の上流側と下流側は、吸気バイパス通路２２により接続される。すなわち、過給圧の高いコンプレッサ８の下流側の吸気通路３と、コンプレッサ８の上流側の吸気通路３との間には、コンプレッサ８を迂回した吸気バイパス通路２２が設けられる。この実施形態では、吸気バイパス通路２２の上流側は、クーラ１３の下流側であってスロットルバルブ１４の上流側における吸気通路３に接続される。また、吸気バイパス通路２２の下流側は、コンプレッサ８の上流側であってエアクリーナ６の下流側における吸気通路３に接続される。

吸気バイパス通路２２には、同通路２２を流れる空気により負圧を発生させるエゼクタ２３が設けられる。図２に、エゼクタ２３の概略構成を断面図により示す。エゼクタ２３は、外側パイプ３１を備える。外側パイプ３１の空気の入口側には、減圧室３１ａが設けられる。外側パイプ３１の、空気の出口側には、ディフューザ３１ｂが設けられる。また、外側パイプ３１の、空気の入口側には、減圧室３１ａの中に配置されて吸気を噴射するノズル３２が設けられる。ノズル３２の先端３２ａは、ディフューザ３１ｂへ向けて配置される。外側パイプ３１には、減圧室３１ａに対応して、減圧室３１ａにＥＧＲガスを吸入するための吸入口３１ｄが設けられる。吸入口３１ｄには、後述する分岐通路２５が接続される。ノズル３２の入口３２ｂには、吸気バイパス通路２２の上流側が接続され、外側パイプ３１の出口３１ｃには、吸気バイパス通路２２の下流側が接続される。

上記したエゼクタ２３は、吸気バイパス通路２２を流れる空気を作動流体としてノズル３２に導入し、ノズル３２の先端３２ａから空気を噴射させることで低圧超音速流を生じさせ、減圧室３１ａに負圧を発生させる。すなわち、過給機７の作動時に、コンプレッサ８により吸気が昇圧することにより、コンプレッサ８の上流側の吸気通路３と、コンプレッサ８の下流側の吸気通路３との間で吸気に圧力差が生じる。このため、吸気バイパス通路２２の上流側と下流側との間には圧力差が生じ、エゼクタ２３のノズル３２の入口３２ｂと外側パイプ３１の出口３１ｃとの間に、吸気バイパス通路２２を通じて異なる吸気圧力が作用する。これにより、吸気バイパス通路２２に空気が流れてノズル３２の先端３２ａから空気が噴射されることで、減圧室３１ａに負圧が発生し、吸入口３１ｄから減圧室３１ａへＥＧＲガスが吸入される。そして、吸入されたＥＧＲガスが、ディフューザ３１ｂを介して吸気と共に外側パイプ３１の出口３１ｃから排出される。減圧室３１ａで発生する負圧の大きさは、過給機７による過給圧の大きさに応じて変わり得る。

ＥＧＲ通路２１の途中には、同通路２１を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２４が設けられる。また、ＥＧＲクーラ２４の下流側におけるＥＧＲ通路２１には、同通路２１から分岐する分岐通路２５が設けられる。この分岐通路２５の出口２５ａは、エゼクタ２３を介して吸気バイパス通路２２に接続される。すなわち、エゼクタ２３の吸入口３１ｄには、分岐通路２５の出口２５ａが接続される。従って、過給機７の作動時に、エゼクタ２３の減圧室３１ａに負圧が発生することにより、その負圧が分岐通路２５に作用する。この負圧の作用により、ＥＧＲ通路２１から分岐通路２５へＥＧＲガスが導出
され、そのＥＧＲガスがエゼクタ２３から吸気バイパス通路２２を介して吸気通路３へ流れる。吸気通路３へ流れたＥＧＲガスは、コンプレッサ８及び吸気通路３等を経由して吸気と共にエンジン１の燃焼室へ導入される。

この実施形態で、ＥＧＲ通路２１における分岐通路２５の分岐位置より下流側には、ＥＧＲガスの流量を調節するための本発明の排気還流ガス流量調節弁としてのＥＧＲ弁２６が設けられる。このＥＧＲ弁２６は、アクチュエータ２６ａにより弁体２６ｂを動作させてＥＧＲ通路２１の開度を調節することにより、ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲ流量を調節するように構成される。

また、この実施形態で、分岐通路２５には、分岐通路２５を開閉するための本発明の開閉弁としてのＶＳＶ２７が設けられる。このＶＳＶ２７は、アクチュエータ２７ａにより弁体２７ｂを動作させて分岐通路２５を選択的に開閉するように構成される。

以上説明したこの実施形態における過給機付エンジンの排気還流装置によれば、エンジン１の運転時であって過給機７の作動時には、過給機７より下流側の吸気通路３が正圧となる。ここで、サージタンク３ａにおいてＥＧＲ通路２１の出口２１ａには、負圧が作用しなくなり、排気通路５から吸気通路３へはＥＧＲ通路２１を通じてＥＧＲガスが流れない。このとき、吸気通路３における過給機７の上流側と下流側との間で吸気に圧力差が生じ、吸気バイパス通路２２の両端の間にも圧力差が生じる。この圧力差によって吸気バイパス通路２２に空気が流れ、その空気流によってエゼクタ２３に負圧が発生する。よって、分岐通路２５には、エゼクタ２３による負圧が作用する。従って、ＶＳＶ２７を開弁することで、エンジン１から排気通路５へ排出される排気ガスの一部が、ＥＧＲガスとして、ＥＧＲ通路２１、分岐通路２５、エゼクタ２３及び吸気バイパス通路２２を通じて吸気通路３へ流れる。このため、過給機７の作動時に適量のＥＧＲガスを吸気通路３へ還流させることができる。

また、この実施形態では、過給機７による過給圧が増大すると、吸気バイパス通路２２の両端の圧力差が増大し、それに応じてエゼクタ２３により発生する負圧が大きくなる。従って、排気通路５からＥＧＲ通路２１及び分岐通路２５へ流れるＥＧＲガス流量が増大し、吸気通路３へ流れるＥＧＲガス流量が増大する。ここで、吸気バイパス通路２２は、吸気通路３の一部を迂回して設けられるので、吸気バイパス通路２２とエゼクタ２３が、吸気通路３の吸気抵抗に影響を与えることはない。このため、過給機７の作動時に吸気通路３の吸気抵抗を増やすことなくＥＧＲガスを吸気通路３へ還流することができる。また、過給圧の増大に応じてＥＧＲガス流量を増大させることができる。

一方、この実施形態では、エンジン１の運転時であって過給機７の非作動時には、吸気通路３に負圧が作用する。このため、吸気通路３における過給機７の上流側と下流側との間で吸気に圧力差が生じ難くなり、吸気バイパス通路２２の両端の間の圧力差が小さくなる。このとき、スロットルバルブ１４の下流側にてサージタンク３ａで発生する負圧がＥＧＲ通路２１の出口２１ａに作用する。従って、ＥＧＲ弁２６を開弁させることにより、ＥＧＲ通路２１に作用する負圧によって、排気通路５を流れる排気ガスの一部が、ＥＧＲガスとして、ＥＧＲ通路２１を通じてサージタンク３ａへ流れる。このため、過給機７の非作動時に、ＥＧＲ通路２１を通じて適量のＥＧＲガスを吸気通路３へ還流させることがきる。このとき、吸気通路３へ還流されるＥＧＲガス流量は、ＥＧＲ弁２６の開度を調節することで任意に調節することができる。

この実施形態では、ＥＧＲ通路２１における分岐通路２５の分岐位置より下流側に、ＥＧＲガス流量を調節するためのＥＧＲ弁２６が設けられる。従って、過給機７の非作動時には、ＥＧＲ通路２１を介して吸気通路３へ流れるＥＧＲガスの流量がＥＧＲ弁２６により調節される。このため、過給機７の非作動時に、排気通路５から吸気通路３へ還流されるＥＧＲガス流量を適度に調節することができる。

一方、過給機７の作動時には、ＥＧＲ弁２６を閉弁することで、サージタンク３ａからＥＧＲ通路２１へ作用する正圧を遮断することができる。このため、過給機７の作動時に、ＥＧＲ通路２１への空気の逆流を防止することができ、エゼクタ２３から分岐通路２５を通じてＥＧＲ通路２１に作用する負圧への悪影響を防止することができる。この結果、ＥＧＲ通路２１から分岐通路２５、エゼクタ２３及び吸気バイパス通路２２を通じて、ＥＧＲガスを吸気通路３へ適正に還流することができる。

この実施形態では、過給機７の作動時にＶＳＶ２７により分岐通路２５を開くことで、分岐通路２５にＥＧＲガスが流れ、エゼクタ２３及び吸気バイパス通路２２を介して吸気通路３へＥＧＲガスが流れる。一方、過給機７の非作動時にＶＳＶ２７により分岐通路２５を閉じることで、ＥＧＲ通路２１から分岐通路２５へのＥＧＲガスの流れが遮断されると共に、吸気バイパス通路２２から分岐通路２５への吸気の逆流が遮断される。このため、過給機７の非作動時には、排気通路５から吸気通路３へＥＧＲ通路２１を通じて確実にＥＧＲガスを還流させることができる。

この実施形態では、過給機７の作動時には、クーラ１３で冷却された空気が吸気バイパス通路２２へも流れる。従って、分岐通路２５からエゼクタ２３を介して吸気バイパス通路２２へ流れるＥＧＲガスが、吸気通路３から吸気バイパス通路２２へ流れる空気に合流しても、ＥＧＲガスの温度が必要以上に上昇することがない。このため、エゼクタ２３及び吸気バイパス通路２２を過熱から保護することができる。

また、この実施形態では、ＥＧＲ通路２１の入口２１ｂを、排気通路５における触媒コンバータ１５の下流側に接続したので、触媒コンバータ１５を通過して圧力の下がった排気ガスがＥＧＲガスとして利用される。このため、高い過給圧の領域でも、ＥＧＲ通路２１、分岐通路２５、エゼクタ２３及び吸気バイパス通路２２を介してＥＧＲガスを適正に還流させることができる。また、排気ガス中に含まれるデポジット等の異物が、触媒コンバータ１５で除去されてから、ＥＧＲ通路２１へ流れることになる。このため、ＥＧＲ通路２１、ＥＧＲ弁２６、分岐通路２５、ＶＳＶ２７、エゼクタ２３及び吸気バイパス通路２２に関するデポジット対策として有利となる。また、この実施形態では、過給機７の非作動時から作動時への切り替え時に、ＥＧＲ率のつながりを良好なものにすることができる。

なお、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更して実施することもできる。

例えば、前記実施形態では、ＥＧＲ通路２１の入口２１ｂを、触媒コンバータ１５の下流側の排気通路５に接続したが、図３にエンジンシステムの概略構成図により示すように、ＥＧＲ通路２１の入口２１ｂを、過給機７のタービン９の上流側における排気通路５に接続するように構成してもよい。

この発明は、過給機付エンジンであって、ＥＧＲ装置を備えたエンジンシステムに利用することができる。

１ エンジン
３ 吸気通路
３ａ サージタンク
５ 排気通路
７ 過給機
８ コンプレッサ
９ タービン
１３ クーラ
１４ スロットルバルブ
２１ ＥＧＲ通路（排気還流通路）
２１ａ 出口
２１ｂ 入口
２２ 吸気バイパス通路
２３ エゼクタ
２５ 分岐通路
２５ａ 出口
２６ ＥＧＲ弁（排気還流ガス流量調節弁）
２７ ＶＳＶ（開閉弁）

Claims (4)

1. 吸気通路に過給機を備えたエンジンに設けられ、前記過給機の下流側にて前記吸気通路にスロットルバルブが設けられ、前記エンジンから排気通路へ排出される排気ガスの一部を排気還流ガスとして前記スロットルバルブの下流側の前記吸気通路へ還流させる排気還流通路を備えた過給機付エンジンの排気還流装置において、
   前記排気還流通路から分岐する分岐通路と、
   前記吸気通路における前記過給機の上流側と下流側とを接続するバイパス通路と、
   前記バイパス通路に負圧を発生させるエゼクタと
   を備え、前記分岐通路の出口が前記エゼクタを介して前記バイパス通路に接続されたことと、前記エゼクタは、前記バイパス通路の上流側から流入する前記過給機により過給された空気を作動流体として導入して負圧を発生させ、前記分岐通路の出口から前記排気還流ガスを吸入して前記バイパス通路の下流側へ流出させることを特徴とする過給機付エンジンの排気還流装置。
2. 前記排気還流通路における前記分岐通路の分岐位置より下流側に、前記排気還流ガスの流量を調節するための排気還流ガス流量調節弁が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の過給機付エンジンの排気還流装置。
3. 前記分岐通路に、前記分岐通路を開閉するための開閉弁が設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載の過給機付エンジンの排気還流装置。
4. 前記過給機の下流側における前記吸気通路には、前記過給機から流れる空気を冷却するためのクーラが設けられ、前記バイパス通路の上流側は、前記クーラの下流側における前記吸気通路に接続され、前記バイパス通路の下流側は、前記過給機の上流側における前記吸気通路に接続されることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の過給機付エンジンの排気還流装置。

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