WO2011111205A1 - 内燃機関のegr装置 - Google Patents
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Definitions
- the temperature of the EGR gas can be lowered. That is, the EGR gas can be cooled using intake air. Thereby, the cooling device of EGR gas can also be abolished.
- the EGR passage groove 31C is formed to surround the intake passage 22 in the vicinity of the opening 22A.
- the flange 21 is provided with an EGR outlet 33 serving as an inlet of an EGR introduction passage 31B formed in the intake manifold 2.
- the EGR outlet 33 is formed in accordance with the location where the in-head EGR passage 31A is opened.
- the EGR outlet 33 is formed on the outer side in the cylinder arrangement direction and on the upper side in the vertical direction from the opening 22A located on the outermost side in the cylinder arrangement direction in accordance with the in-head EGR passage 31A.
- the EGR passage groove 31C so as to surround the opening 22A of the intake passage 22, the flow of the EGR gas can be improved and the EGR gas can be prevented from staying. Thereby, the fall of the responsiveness when controlling the amount of EGR gas can also be suppressed.
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Abstract
EGRガスの温度を速やかに低下させる。内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続するEGR通路を備え、該排気通路を流通する排気の一部をEGRガスとして吸気通路へ供給する内燃機関のEGR装置(30)において、吸気通路(22A)の一部を囲むようにEGR通路(31C)の一部を配置する。EGR通路(31C)が吸気通路(22A)を囲むことで、吸気とEGRガスとで熱交換が行なわれるため、EGRガスの温度が低下する。
Description
本発明は、内燃機関のEGR装置に関する。
EGR通路の一部が、シリンダヘッド内に形成され、且つEGRガスを滞留させる空間をシリンダヘッド内に備える技術が知られている(例えば、特許文献1参照。)。この技術によれば、EGRガスがEGR通路を通過する時間が長くなるため、冷却水によるEGRガスの冷却をより促進させることができる。また、シリンダヘッド内に多くのEGRガスを滞留できるため、冷却を促進させることができる。
しかし、排気系から吸気系までの距離が長くなるので、EGRガス制御の応答性が悪化するため、燃焼状態や排気の状態が悪化する虞がある。また、シリンダヘッド内にEGRガス滞留室を設けることで、シリンダヘッドが大きくなり且つ質量が増加してしまう。さらに、EGRガスから熱を受けることにより、シリンダヘッドの局所的な変形が生じる虞がある。
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、EGRガスの温度を速やかに低下させる技術の提供を目的とする。
上記課題を達成するために本発明による内燃機関のEGR装置は、
内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続するEGR通路を備え、該排気通路を流通する排気の一部をEGRガスとして吸気通路へ供給する内燃機関のEGR装置において、
前記吸気通路の一部を囲むように前記EGR通路の一部を配置する。
内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続するEGR通路を備え、該排気通路を流通する排気の一部をEGRガスとして吸気通路へ供給する内燃機関のEGR装置において、
前記吸気通路の一部を囲むように前記EGR通路の一部を配置する。
そうすると、吸気通路を流通する吸気と、EGR通路を流通するEGRガスと、で熱交換が行なわれるため、EGRガスの温度を低下させることができる。すなわち、吸気を利用してEGRガスを冷却することができる。これにより、EGRガスの冷却装置を廃止することもできる。
本発明においては、前記吸気通路は、吸気を各気筒に分配する吸気マニホールドに形成され、
前記吸気マニホールドは、前記内燃機関のシリンダヘッドに固定するためのフランジを備えて構成され、
前記フランジのシリンダヘッドに接する側の面であるフランジ面には前記吸気通路が開口し、
前記EGR通路の一部は、前記フランジ面において前記吸気通路の周りに該吸気通路に沿って形成される溝と、前記シリンダヘッドと、で囲まれる空間により形成されてもよい。
前記吸気マニホールドは、前記内燃機関のシリンダヘッドに固定するためのフランジを備えて構成され、
前記フランジのシリンダヘッドに接する側の面であるフランジ面には前記吸気通路が開口し、
前記EGR通路の一部は、前記フランジ面において前記吸気通路の周りに該吸気通路に沿って形成される溝と、前記シリンダヘッドと、で囲まれる空間により形成されてもよい。
フランジ面に溝を設けておけば、吸気マニホールドをシリンダヘッドに固定したときに、この溝がシリンダヘッドの外壁で覆われるため、通路が形成される。EGRガスは、この通路を流通する。これにより、吸気通路の周り及びシリンダヘッドによってEGRガスから熱が奪われるため、EGRガスを冷却することができる。
本発明においては、前記溝よりもEGRガスの流れ方向の下流側のEGR通路に、該EGR通路の通路面積を調節するEGR弁を備えてもよい。そうすると、吸気により冷却されたEGRガスがEGR弁を通過するため、該EGR弁が熱により故障することを抑制できる。
本発明においては、前記溝よりもEGRガスの流れ方向の上流側のEGR通路が、前記吸気マニホールドの外縁に沿って配置されてもよい。そうすると、吸気マニホールドの外縁において吸気とEGRガスとで熱交換が行なわれる。これによりEGRガスを冷却することができる。
本発明においては、前記EGR通路の前記吸気マニホールドの外縁に沿って配置される部分に隣接して冷却水通路を設けてもよい。すなわち、冷却水とEGRガスとでも熱交換が行なわれるため、EGRガスの温度をより低下させることができる。また、吸気マニホールドの温度を低下させることができるため、吸気の温度を低下させることができるので、充填効率を高めることができる。
本発明においては、前記冷却水通路内の冷却水の温度を取得する温度取得装置と、
前記冷却水通路の通路面積を調節する冷却水制御弁と、
前記温度取得装置により取得される温度に基づいて前記冷却水制御弁または前記EGR弁を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記冷却水制御弁を開く温度を、前記EGR弁を開く温度よりも高くすることができる。
前記冷却水通路の通路面積を調節する冷却水制御弁と、
前記温度取得装置により取得される温度に基づいて前記冷却水制御弁または前記EGR弁を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記冷却水制御弁を開く温度を、前記EGR弁を開く温度よりも高くすることができる。
そうすると、EGRガスに含まれる水分が凝縮することを抑制できる。これにより、EGR通路内に水が溜まることを抑制できるので、EGR通路の壁面が腐食することを抑制できる。
本発明によれば、EGRガスの温度を速やかに低下させることができる。
以下、本発明に係る内燃機関のEGR装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
図1は、本実施例に係る内燃機関とその吸気系および排気系の概略構成を示す図である。図1に示す内燃機関1は、4つの気筒を有するディーゼル機関である。なお、本実施例及びこれ以降の実施例は、ガソリン機関であっても適用できる。
内燃機関1には、シリンダヘッド10が備わる。このシリンダヘッド10には、各気筒へ吸気を分配するための吸気マニホールド2及び各気筒からの排気を集合させるための排気マニホールド3が接続されている。なお、図1中の一点鎖線は、EGRガスの流路(EGR通路31)を示している。
内燃機関1には、排気マニホールド3内を流通する排気の一部を吸気マニホールド2へ再循環させるEGR装置30が備えられている。図2は、EGR装置30の断面図である。黒い矢印はEGRガスの流通方向を示しており、白い矢印は新気の流通方向を示している。このEGR装置30は、EGR通路31およびEGR弁32を備えて構成されている。EGR通路31は、排気マニホールド3と、吸気マニホールド2と、を接続している。このEGR通路31を通って、排気の一部が再循環される。また、EGR弁32は、EGR通路31の通路断面積を調整することにより、該EGR通路31を流れるEGRガスの量を調整する。
EGR通路31は、排気マニホールド3からシリンダヘッド10の内部を通って吸気マニホールド2へ接続されている。内燃機関1の内部には、EGR通路31の一部として、ヘッド内EGR通路31Aが設けられている。
吸気マニホールド2には、EGR通路31の一部として、EGR導入通路31B,EGR通路溝31C,およびEGR外部通路31Dが設けられている。なお、本実施例ではEGR通路溝31Cが、本発明における溝に相当する。
図3Aは、本実施例に係る吸気マニホールド2を側面から見た図である。図3Bは、本実施例に係る吸気マニホールド2を内燃機関1の上方から見た図である。図3Cは、本実施例に係る吸気マニホールド2を側面から見た図である。図3Aは、吸気マニホールド2をシリンダヘッド10側から見た図である。図3Aは、分かり易くするため、左右を逆にして描いている。図3Aは、吸気マニホールド2の内部から、シリンダヘッド10側を見たときの図としても良い。また、図3Aのハッチング部は、EGRガスが流れる箇所を示している。また、図3Bの矢印は、EGRガスの流通方向を示している。図3Cは、吸気マニホールド2を、シリンダヘッド10とは反対側から見た図である。
吸気マニホールド2には、該吸気マニホールド2をシリンダヘッド10に固定するためのフランジ21が形成されている。吸気マニホールド2は、シリンダヘッド10にボルトおよびナットで固定される。吸気マニホールド2とシリンダヘッド10との間にガスケットを挟んでも良い。
吸気マニホールド2には、吸気が流通する吸気通路22が形成されている。そして、フランジ21のシリンダヘッド10側の面(フランジ面21A)には、吸気通路22の開口部22Aが設けられている。この開口部22Aは、シリンダヘッド10に形成されている吸気ポートに合わせて、各気筒に2つずつ設けられている。吸気マニホールド2には吸気通路22の入口22Bが一つ設けられており、吸気マニホールド2内で吸気通路22が分岐して、夫々の開口部22Aに通じている。
吸気マニホールド2には、EGR通路溝31Cが形成されている。EGR通路溝31Cは、フランジ面21Aから水平方向に吸気マニホールド2の内部へ向かって所定の深さで形成される。このEGR通路溝31Cは、吸気通路22の開口部22Aの少なくとも一部と、該フランジ21の外縁との間に、該開口部22Aに沿うように形成されている。また、EGR通路溝31Cは、開口部22Aの上側および下側を囲み、一部では隣り合う開口部22Aの間にも形成されている。このEGR通路溝31Cは、吸気マニホールド2をシリンダヘッド10に固定することにより、シリンダヘッド10で覆われる。すなわち、EGR通路溝31Cとシリンダヘッド10とで囲まれる空間が形成されるため、該EGR通路溝31CにEGRガスを流しても、EGRガスが外部に流出することはない。なお、EGR通路溝31Cの通路面積が、EGR通路31の他の箇所における通路面積と比較して同じか、またはその近傍になるように、該EGR通路溝31Cの幅及び深さが決定される。このように、EGR通路溝31Cは、開口部22A付近で、吸気通路22を取り巻くように形成されている。
また、フランジ21には、吸気マニホールド2に形成されているEGR導入通路31Bの入口となるEGR取出口33が設けられている。EGR取出口33は、ヘッド内EGR通路31Aが開口する箇所に合わせて形成されている。EGR取出口33は、ヘッド内EGR通路31Aに合わせて、気筒配列方向で最も外側に位置する開口部22Aよりも、気筒配列方向の外側で且つ上下方向の上側に形成されている。
次に、EGR導入通路31Bは、フランジ21の一端側から他端側に吸気マニホールド2の外縁に沿って形成されている。具体的には、EGR導入通路31Bは、EGR取出口33からすぐに下方へ進み、吸気マニホールドの下部に達する。そこから、水平方向にシリンダヘッド10から一旦離れるように吸気マニホールド2の外縁に沿って進み、吸気通路22の入口22B付近に達する。その後、フランジ21の他端側に近付くように、吸気マニホールド2の外縁に沿って進む。そして、フランジ21の近傍で上方へ進み、フランジ21に形成されているEGR取入口34に接続される。すなわち、フランジ21の気筒配列方向で一端側にはEGR取出口33が設けられ、他端側にはEGR取入口34が設けられている。
EGR取入口34は、EGR通路溝31Cと連通している溝(以下、連通溝35という。)の中に開口している。すなわち、連通溝35により、EGR取入口34と、EGR通路溝31Cとが連通されている。連通溝35は、吸気通路22の開口部22Aと、フランジ21の外縁と、の間のフランジ面21Aに形成されている溝である。そして、EGR取入口34および連通溝35は、吸気マニホールド2をシリンダヘッド10に固定すると、シリンダヘッド10により覆われるため、ここからEGRガスが外部へ漏れることはない。
そして、フランジ21の一端側のEGR通路溝31Cの端部、すなわち、EGR取入口34とは気筒配列方向で反対側のEGR通路溝31Cの端部には、EGR外部通路31Dの一端が接続されている。このEGR外部通路31Dの他端は、吸気マニホールド2の上部に設置されるEGR弁32に接続されている。そして、EGR外部通路31Dは、吸気マニホールド2よりも上側に設置されている。また、EGR弁32よりも下流側のEGR通路31は、吸気通路22の入口22B付近に接続されている。
このように構成されたEGR装置30では、排気マニホールド3を流通する排気の一部がEGRガスとしてEGR通路31に取り込まれる。このEGRガスは、ヘッド内EGR通路31A、EGR取出口33、EGR導入通路31B、EGR取入口34、連通溝35、EGR通路溝31C、EGR外部通路31D、EGR弁32、の順に流れて吸気マニホールド2内の吸気通路22内へ導入される。このときに、シリンダヘッド10内では、EGRガスと内燃機関1の冷却水とで熱交換が行なわれるため、EGRガスの温度が低下する。また、EGR導入通路31Bでは、EGRガスと外気および吸気とで熱交換が行なわれるため、EGRガスの温度が低下する。さらに、EGR通路溝31Cでは、EGRガスと吸気とで熱交換が行なわれるためEGRガスの温度が低下する。また、シリンダヘッド10によりEGR通路溝31Cを流れるEGRガスから熱が奪われるため、これによってもEGRガスの温度が低下する。
このようにして、EGRガスの温度を低下させることができる。したがって、EGRクーラを備える必要がないため、部品点数を減少させることができるので、コストダウンを図ることができる。また、EGRクーラは、排気通路や触媒からの熱を受けないように設置しなければならないので、EGRクーラの設置が困難な場合もあるが、本実施例によればEGRクーラを備えることなくEGRガスを冷却することができる。また、EGR弁32の上流側でEGRガスの温度を低下させることができるため、該EGR弁32が故障することを抑制できる。
また、吸気通路22の開口部22Aを取り巻くようにEGR通路溝31Cを形成することにより、EGRガスの流れを良くし、EGRガスが滞留することを抑制できる。これにより、EGRガス量を制御するときの応答性の低下も抑制できる。
なお、EGR導入通路31Bを設けないこともできる。すなわち、EGR取入口34をヘッド内EGR通路31Aの開口部に合わせて設けても良い。この場合、EGR通路溝31Cの気筒配列方向の一端側にEGR取入口34を接続し、他端側にEGR外部通路31Dを接続する。すなわち、EGRガスは、EGR取入口34、連通溝35、EGR通路溝31C、EGR外部通路31D、EGR弁32の順に流通する。このように構成されたEGR装置30においても、EGRガスと吸気とで熱交換が行なわれるため、EGRガスを冷却することができる。
図4Aは、本実施例に係る吸気マニホールド2を内燃機関1の上方から見た図である。図4Bは、本実施例に係る吸気マニホールド2を側面から見た図である。図4Aの矢印は、EGRガスの流通方向を示している。図4Bは、吸気マニホールド2を、シリンダヘッド10とは反対側から見た図である。また、図5は、本実施例に係る装置間の関係を示したブロック図である。本実施例では、主に、実施例1と異なる点について説明する。
本実施例では、内燃機関1の冷却水が流通する冷却水通路23を、EGR導入通路31Bに沿って設けている。冷却水通路23は、冷却水とEGRガスとで熱交換が行なわれるように、EGR導入通路31Bの近くに且つEGR導入通路31Bに沿って設ける。本実施例では、EGR導入通路31Bが吸気マニホールド2の下部に設けられているため、冷却水通路23は該EGR導入通路31Bの上側であって吸気マニホールド2の上部に設ける。また、冷却水通路23の途中には、該冷却水通路23の断面積を変更する冷却水制御弁24が設けられている。また、内燃機関1には、冷却水の温度を測定する温度センサ41が取り付けられている。なお、本実施例では温度センサ41が、本発明における温度取得装置に相当する。なお、冷却水の温度は、内燃機関1の始動からの経過時間または内燃機関1の運転状態に基づいて推定してもよい。
以上述べたように構成された内燃機関1には、該内燃機関1を制御するための電子制御ユニットであるECU40が併設されている。このECU40は、内燃機関1の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関1の運転状態を制御する。
また、ECU40には、上記センサの他、運転者がアクセルペダルを踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検知するアクセル開度センサ42が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がECU40に入力されるようになっている。一方、ECU40には、EGR弁32及び冷却水制御弁24が電気配線を介して接続されており、該ECU40によりEGR弁32及び冷却水制御弁24が制御される。なお、本実施例ではECU40が、本発明における制御装置に相当する。
そして、本実施例では、内燃機関1の冷却水温度または内燃機関1の負荷に応じてEGR弁32及び冷却水制御弁24を制御する。
図6は、本実施例に係るEGR弁32及び冷却水制御弁24の制御フローを示したフローチャートである。本ルーチンは、ECU40により所定時間毎に実行される。
ステップS101では、冷却水温度が第1所定値以上であるか否か判定される。この第1所定値は、内燃機関1にEGRガスを供給しても燃焼状態が悪化しない冷却水温度の下限値とする。すなわち、冷却水温度が低いときにEGRガスを供給すると、燃焼状態が悪化するおそれがあるため、本ステップでは、EGRガスを供給することができるほど冷却水温度が高いか否か判定している。ステップS101で肯定判定がなされた場合には、ステップS102へ進む。また、ステップS101で否定判定がなされた場合には、ステップS103へ進んで、EGR弁32が全閉とされる。このように、EGR弁32が全閉とされることでEGRガスの供給が停止されるので、燃焼状態が悪化することを抑制できる。
ステップS102では、内燃機関1の負荷が閾値以下であるか否か判定される。この閾値は、内燃機関1にEGRガスを供給しても燃焼状態が悪化しない負荷の上限値、または、EGRガスの供給を停止しても充填効率が許容範囲内となる負荷の上限値とする。すなわち、負荷が高いときにEGRガスを供給すると、燃焼状態が悪化する虞がある。また、負荷が高いときには、EGRガスの供給を停止することで吸気マニホールド2の温度を低下させることができるので、充填効率を高めて出力を高めることができる。すなわち、本ステップでは、EGRガスを供給することができる程度の負荷であるか否か判定している。ステップS102で肯定判定がなされた場合にはステップS104へ進む。また、ステップS102で否定判定がなされた場合には、ステップS103へ進んでEGR弁32が全閉とされる。EGR弁32が全閉とされることでEGRガスの供給が停止されるので、燃焼状態が悪化することを抑制でき、また、充填効率を向上させることができる。
ステップS104では、EGR弁32が開かれる。このときには、EGR弁32の開度を、吸入空気量が目標値となるようにフィードバック制御しても良い。
このフィードバック制御は、吸入空気量が目標値となるように、EGR弁32の開度を調節することにより行なわれる。吸入空気量は、例えばエアフローメータにより測定する。吸入空気量の目標値は、内燃機関1の運転状態(例えば機関回転数及び機関負荷)に応じて決定される。例えば、吸入空気量の測定値が目標値よりも少ない場合には、EGRガス量が目標値よりも多いとして、該EGRガス量を減少させるようにEGR弁32の開度を小さくする。また、例えば、吸入空気量の測定値が目標値よりも多い場合には、EGRガス量が目標値よりも少ないとして、EGRガス量を増加させるようにEGR弁32の開度を大きくする。なお、機関回転数及び機関負荷からEGR弁32の開度を決定させても良い。
ステップS105では、冷却水温度が第2所定値以上であるか否か判定される。この第2所定値は、第1所定値よりも大きな値であり、EGRガスと冷却水とで熱交換が行われたときにEGR通路31内で水が凝縮しない温度の下限値である。すなわち、本ステップでは、冷却水を循環させることにより、EGR通路31内で水が凝縮しないか否か判定している。
ステップS105で肯定判定がなされた場合にはステップS106へ進んで、冷却水制御弁24が開かれる。このときには冷却水制御弁24を全開としても良い。冷却水制御弁24を開くことにより、EGRガスと冷却水とで熱交換が行われるため、EGRガスの温度が低下する。また、ステップS105で否定判定がなされた場合にはステップS107へ進んで、冷却水制御弁24が全閉とされる。これによりEGR導入通路31BやEGR通路溝31Cに凝縮水が溜まることを抑制できる。
以上説明したように本実施例によれば、実施例1の効果に加えて、内燃機関1の冷却水によりEGRガスを冷却することができる。これにより、EGRクーラを廃止できる。また、吸気の温度が低くなるため、インタークーラを小型化できる。また、吸気マニホールド2を冷却することができるため、充填効率を向上させることができる。さらに、EGR弁32及び冷却水制御弁24を制御することで、EGRガスが冷却されることによる凝縮水の発生を抑制できるため、EGR通路31内に凝縮水が溜まることを抑制できる。
1 内燃機関
2 吸気マニホールド
3 排気マニホールド
10 シリンダヘッド
21 フランジ
21A フランジ面
22 吸気通路
22A 開口部
22B 入口
23 冷却水通路
24 冷却水制御弁
30 EGR装置
31 EGR通路
31A ヘッド内EGR通路
31B EGR導入通路
31C EGR通路溝
31D EGR外部通路
32 EGR弁
33 EGR取出口
34 EGR取入口
35 連通溝
40 ECU
41 温度センサ
42 アクセル開度センサ
2 吸気マニホールド
3 排気マニホールド
10 シリンダヘッド
21 フランジ
21A フランジ面
22 吸気通路
22A 開口部
22B 入口
23 冷却水通路
24 冷却水制御弁
30 EGR装置
31 EGR通路
31A ヘッド内EGR通路
31B EGR導入通路
31C EGR通路溝
31D EGR外部通路
32 EGR弁
33 EGR取出口
34 EGR取入口
35 連通溝
40 ECU
41 温度センサ
42 アクセル開度センサ
Claims (6)
- 内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続するEGR通路を備え、該排気通路を流通する排気の一部をEGRガスとして吸気通路へ供給する内燃機関のEGR装置において、
前記吸気通路の一部を囲むように前記EGR通路の一部を配置することを特徴とする内燃機関のEGR装置。 - 前記吸気通路は、吸気を各気筒に分配する吸気マニホールドに形成され、
前記吸気マニホールドは、前記内燃機関のシリンダヘッドに固定するためのフランジを備えて構成され、
前記フランジのシリンダヘッドに接する側の面であるフランジ面には前記吸気通路が開口し、
前記EGR通路の一部は、前記フランジ面において前記吸気通路の周りに該吸気通路に沿って形成される溝と、前記シリンダヘッドと、で囲まれる空間により形成されることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関のEGR装置。 - 前記溝よりもEGRガスの流れ方向の下流側のEGR通路に、該EGR通路の通路面積を調節するEGR弁を備えることを特徴とする請求項2に記載の内燃機関のEGR装置。
- 前記溝よりもEGRガスの流れ方向の上流側のEGR通路が、前記吸気マニホールドの外縁に沿って配置されることを特徴とする請求項2に記載の内燃機関のEGR装置。
- 前記EGR通路の前記吸気マニホールドの外縁に沿って配置される部分に隣接して冷却水通路を設けることを特徴とする請求項4に記載の内燃機関のEGR装置。
- 前記冷却水通路内の冷却水の温度を取得する温度取得装置と、
前記冷却水通路の通路面積を調節する冷却水制御弁と、
前記温度取得装置により取得される温度に基づいて前記冷却水制御弁または前記EGR弁を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記冷却水制御弁を開く温度を、前記EGR弁を開く温度よりも高くすることを特徴とする請求項5に記載の内燃機関のEGR装置。
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