JP2015063910A - 排気ガス還流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の気筒にＥＧＲガスが不均等に分配されることを防止する。
【解決手段】排気ガス還流装置５０は、気筒１１〜１４を有するエンジン１００からエキゾーストマニホールド１８に排出されたＥＧＲガスをエンジン１００のインテークマニホールド１６に還流させる。排気ガス還流装置５０は、エキゾーストマニホールド１８からインテークマニホールド１６に連通するＥＧＲパイプ５２，５８と、ＥＧＲパイプ５２に設けられ、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ５４と、ＥＧＲパイプ５８に設けられ、ＥＧＲガスの流量を調整するためのＥＧＲバルブ５６とを備える。ＥＧＲパイプ５８は、ＥＧＲクーラ５４により冷却されたＥＧＲガスを気筒１１〜１４の各々に分配するための分岐通路６０を含む。ＥＧＲパイプ５８のうち、ＥＧＲクーラ５４と分岐通路６０との間の絞り９０の断面積の最小値は、分配通路６０の断面積の最小値よりも小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガス還流装置に関し、特に、複数の気筒を有するエンジンに設けられる排気ガス還流装置に関する。

排気ガス還流装置は、排気ガスの一部（以下、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスとも称する）をエンジンの吸気通路に還流させる装置である。排気ガス還流装置を設けることにより、排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減したり、燃費を向上したりすることができる。排気ガス還流装置の一例が特開２０００−２４９００４号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１に開示のＥＧＲ装置では、ＥＧＲ通路に圧力差拡大手段（絞り部またはベンチュリー部）が設けられる。

たとえば特開平１０−１２２０３６号公報（特許文献２）は、排ガス流通路を備える排ガス再循環装置を開示する。この排ガス流通路は、共通通路から分岐する複数の分配通路を含む。また、たとえば実開昭６３−９３４６２号公報（特許文献３）は、内燃機関の吸気マニホールド装置を開示する。特許文献３に開示された吸気マニホールド装置は、空気の流れ方向下流に向かって断面積が漸減された制御管を有する。

特開２０００−２４９００４号公報 特開平１０−１２２０３６号公報 実開昭６３−９３４６２号公報

ＥＧＲガスは、ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲクーラによって冷却される。冷却されたＥＧＲガスは、インテークマニホールドに導入される常温の吸気に混ざる。この過程でＥＧＲガス中の水蒸気が凝縮して水が生成する。凝縮水は未燃燃料成分（煤、炭化水素（ＨＣ）等）を含む。このため、未燃燃料成分がＥＧＲ通路に付着して、徐々に堆積する。

複数の気筒を有するエンジンに設けられる排気ガス還流装置において、ＥＧＲガスを各気筒に分配するための分岐通路を含む構成が知られている（たとえば特許文献２参照）。この分岐通路は、各々が各気筒に連通する、気筒数と同数の通路を有する。一般に各気筒へのＥＧＲガスの分配量は不均等である。このため、未燃燃料成分の堆積量は上記通路ごとに異なる。したがって、複数の気筒のうちのいずれかに連通する上記通路が堆積物で閉塞する可能性がある。

ある気筒に連通する上記通路が閉塞すると、その気筒に導入されるべき排気ガスは、それ以外の気筒に分配される。ＥＧＲガスが分配された気筒ではＥＧＲガスが過多になる。ＥＧＲガスが過多になった気筒内の燃焼状態は不安定になる。ＥＧＲガスの流量が大きい場合には、気筒内での燃焼が失火状態に至り得る。この場合、トルクが気筒間で異なるので、エンジンに異常な振動が生じる。その結果、運転者に違和感を与える。また、失火状態が継続すると、未燃燃料が触媒に達する。このため、未燃燃料と酸素との反応により触媒の温度が上昇して、触媒が溶損する可能性がある。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、複数の気筒に
ＥＧＲガスが不均等に分配されることを防止することである。

本発明のある局面に従う排気ガス還流装置は、複数の気筒を有するエンジンから排気通路に排出された排気ガスの一部（ＥＧＲガス）をエンジンの吸気通路に還流させる。排気ガス還流装置は、排気通路から吸気通路に連通する還流通路と、還流通路に設けられ、上記一部の排気ガスを冷却するＥＧＲクーラと、還流通路に設けられ、上記一部の排気ガスの流量を調整するためのＥＧＲバルブとを備える。還流通路は、ＥＧＲクーラにより冷却された上記一部の排気ガスを複数の気筒の各々に分配するための分岐通路を含む。還流通路のうち、ＥＧＲクーラと分岐通路との間の部分の断面積の最小値は、分配通路の断面積の最小値よりも小さい。

上記の構成によれば、未燃燃料成分が最も堆積し易い部分は、還流通路のうち、ＥＧＲクーラと分岐通路との間の部分である。これにより、この部分での未燃燃料成分の堆積量は増大する一方で、未燃燃料成分は分岐通路には堆積しにくくなる。また、ＥＧＲガスの全量が上記の部分を通過する。そのため、上記の部分に未燃燃料成分が堆積した場合、ＥＧＲガスの流量はすべての気筒で均等に減少する。したがって、分岐通路が有する通路のいずれかに未燃燃料成分が堆積し易くなることはない。よって、複数の気筒にＥＧＲガスが不均等に分配されることを防止できる。

本発明によれば、複数の気筒に一部の排気ガス（ＥＧＲガス）が不均等に分配されることを防止できる。

本発明の実施の形態１に係る排気ガス還流装置を備えるエンジンシステムの構成を概略的に示す図である。 図１に示すＥＧＲ通路の構成を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態２に係る排気ガス還流装置に含まれるＥＧＲ通路の構成を説明するための模式図である。

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

以下で説明する実施の形態において、「閉塞」とは、通路の全部または一部が塞がれた状態を意味する。つまり、通路が「閉塞」した状態とは、その通路を流れるガスが完全に遮断された状態だけでなく、ガスの流量が大幅に減少した状態を含む。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る排気ガス還流装置を備えるエンジンシステムの構成を概略的に示す図である。図１を参照して、エンジンシステム１は、エンジン１００と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２００と、排気ガス還流装置５０とを備える。

エンジン１００は、図示しない車両の駆動源としての内燃機関であって、たとえばガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等である。エンジン１００は、エンジン本体１０と、インテークマニホールド１６と、エキゾーストマニホールド１８とを含む。

エンジン本体１０は４つの気筒１１〜１４を有する。図中において気筒１１〜１４には、それらの並び方向の一方端から他方端に向かって、それぞれ＃１〜＃４の番号が付され
ている。なお、気筒数は複数であればよく、４つに限定されるものではない。

インテークマニホールド１６は吸気を気筒１１〜１４に分配する。インテークマニホールド１６は、主管２０と、サージタンク３０と、４本の枝管２１〜２４とを含む。

吸気は主管２０に導入される。主管２０には、電子スロットルバルブ２６と、スロットルポジションセンサ２８とが設置される。電子スロットルバルブ２６は、主管２０に導入される空気量を調整する。スロットルポジションセンサ２８は、電子スロットルバルブ２６の開度を検出して、その検出結果を示す信号をＥＣＵ２００に出力する。

サージタンク３０は、インテークマニホールド１６で分配されるべき空気を蓄える。枝管２１〜２４の各々の一方端はサージタンク３０に接続される。枝管２１〜２４の他方端は、それぞれ気筒１１〜１４の吸気ポート（図示せず）に接続される。

枝管２１〜２４には、それぞれ燃料噴射弁７１〜７４が設置される。燃料噴射弁７１〜７４の各々は、ＥＣＵ２００からの信号に基づいて燃料を噴射する。

エキゾーストマニホールド１８は、気筒１１〜１４からの排気ガスを排出するために設けられる。エキゾーストマニホールド１８は、主管４０と、４本の枝管３１〜３４とを含む。

枝管３１〜３４の一方端は、それぞれ気筒１１〜１４の排気ポート（図示せず）に接続される。枝管３１〜３４には、それぞれ空燃比センサ８１〜８４が設置される。空燃比センサ８１〜８４の各々は、設置された位置における排気ガスの酸素濃度に応じた信号をＥＣＵ２００に出力する。ＥＣＵ２００は、空燃比センサ８１〜８４からの信号を受けて、気筒１１〜１４ごとの空燃比を算出する。ＥＣＵ２００は、算出した空燃比に基づいて燃料噴射弁７１〜７４に信号を出力する。

主管４０の一方端は枝管３１〜３４に接続される。主管４０の他方端は、三元触媒を内蔵する触媒コンバータ４２の一方端に接続される。触媒コンバータ４２の他方端は、排気管４４に接続される。排気ガスは排気管４４から大気に排出される。

排気ガス還流装置５０は、エンジン本体１０からエキゾーストマニホールド１８に排出された排気ガスの一部（ＥＧＲガス）をインテークマニホールド１６に還流させる。ＥＧＲガスを新しい混合気と混ぜて燃焼温度を下げることにより窒素酸化物を低減したり、ポンピングロスを低減して燃費を向上したりすることができる。

排気ガス還流装置５０は、ＥＧＲパイプ５２と、ＥＧＲクーラ５４と、ＥＧＲバルブ５６と、ＥＧＲパイプ５８とを含む。理解の容易のために、ＥＧＲパイプ５８をインテークマニホールド１６の上に重ねて描く。しかし実際には、ＥＧＲガスはインテークマニホールド１６の管内に放出される。また、ＥＧＲガスの流れ方向を図中白抜き矢印で示す。ＥＧＲガスは、ＥＧＲパイプ５２―ＥＧＲクーラ５４―ＥＧＲバルブ５６―ＥＧＲパイプ５８の順に流れる。

ＥＧＲパイプ５２の一方端は、エキゾーストマニホールド１８と触媒コンバータ４２との間に接続される。そのため、エキゾーストマニホールド１８から触媒コンバータ４２に流れる排気ガスの一部がＥＧＲパイプ５２に流入する。ＥＧＲパイプ５２の他方端はＥＧＲクーラ５４に接続される。

ＥＧＲクーラ５４はＥＧＲガスを冷却する。ＥＧＲガスを冷却することにより、ＥＧＲ
ガスの体積が減少する。そのため、より密度の高いＥＧＲガスをインテークマニホールド１６に還流させることができる。これにより、吸入空気量とＥＧＲガスの流量との比（ＥＧＲ率）を向上することができるため、燃費をさらに向上することができる。

ＥＧＲバルブ５６は、ＥＧＲクーラ５４とＥＧＲパイプ５８との間に設けられる。ＥＧＲバルブ５６は、ＥＣＵ２００の制御に基づいてＥＧＲガスの流量を調整する。より詳細には、ＥＣＵ２００は、エンジン回転数を示す信号、アクセルポジションセンサ（図示せず）からの信号などの各種信号に基づいて、ＥＧＲバルブ５６の開度を制御する。

ＥＧＲパイプ５８は、共通通路５９と、分岐通路６０とを含む。共通通路５９の一方端はＥＧＲバルブ５６に接続される。共通通路５９の他方端は分岐通路６０に接続される。分岐通路６０は、ＥＧＲクーラ５４により冷却されたＥＧＲガスを気筒１１〜１４の各々に分配する。

本実施の形態において、分岐通路６０は、通路６１２，６３４と、通路６１〜６４とを有する。共通通路５９は通路６１２，６３４に分岐される。通路６１２は、通路６１，６２にさらに分岐される。通路６３４は、通路６３，６４にさらに分岐される。通路６１〜６４は、それぞれインテークマニホールド１６の枝管２１〜２４に接続される。つまり、共通通路５９を通過したＥＧＲガスは、通路６１２，６３４および通路６１〜６４で分岐されてから気筒１１〜１４に還流される。

図２は、図１に示すＥＧＲパイプ５８の構成を説明するための図である。図２を参照して、絞り９０が共通通路５９に設けられる。絞り９０の内径φ０は、ＥＧＲパイプ５８全体（共通通路５９および分岐通路６０）の内径の中で最も小さい。言い換えると、ＥＧＲパイプ５８のうち、ＥＧＲクーラ５４と分岐通路６０との間の絞り９０の断面積の最小値は、通路６１２，６３４および通路６１〜６４の断面積の最小値よりも小さい。

具体例を挙げてより詳細に説明すると、共通通路５９が通路６１２，６３４に分岐する部分の内径φ１は、たとえば１５ｍｍである。通路６１２，６３４の内径φ２は、たとえば１２ｍｍである。通路６１〜６４の終端での内径φ３は、たとえば６〜７ｍｍである。この場合、絞り９０の内径φ０は６ｍｍ未満に設定される。

比較例として、絞り９０が設けられていない場合について説明する。ＥＧＲガスの流量は、ＥＧＲパイプ５８内でＥＧＲガスの分配が進むにつれて減少する。そのため、多くの場合、共通通路５９および分岐通路６０の内径は、ＥＧＲガスの流れ方向に進むに従って小さくなるように設計される（たとえば特許文献３および上記の具体例参照）。したがって、通路６１〜６４の終端が堆積物で最も閉塞され易い。

たとえば通路６１の終端が閉塞すると、通路６１を介して気筒１１に導入されるべきＥＧＲガスは、気筒１２〜１４に分配される。気筒１２〜１４ではＥＧＲガスが過多になるので、気筒１２〜１４内では燃焼状態が不安定になる。ＥＧＲガスの流量が大きい場合には、気筒１２〜１４内での燃焼が失火状態に至り得る。この場合、失火状態に至った気筒で発生するトルクの大きさと、それ以外の気筒で発生するトルクの大きさとが異なるので、エンジン１００に異常な振動が生じ得る。その結果、運転者に違和感を与える。

これに対し、本実施の形態によれば、未燃燃料成分は絞り９０に最も堆積し易い。そのため、絞り９０での未燃燃料成分の堆積量が増大する分、未燃燃料成分は分岐通路６０（たとえば通路６１〜６４の終端）には堆積しにくくなる。

また、絞り９０は、共通通路５９すなわちＥＧＲガスの全量が通過する通路に設けられ
る。そのため、絞り９０に未燃燃料成分が堆積した場合でも、ＥＧＲガスの流量はすべての分岐通路６０の通路（通路６１２，６３４および通路６１〜６４）で均等に減少する。したがって、分岐通路６０の通路のいずれかに未燃燃料成分が堆積し易くなることはない。よって、気筒１１〜１４にＥＧＲガスが不均等に分配されることを防止できる。また、分岐通路６０の通路のいずれかが、分岐通路６０のそれ以外の通路よりも早く閉塞することを防止できる。

このように、本実施の形態によれば、ＥＧＲガスの全量が通過する通路に最も閉塞し易い箇所を敢えて設定することにより、複数の気筒にＥＧＲガスが不均等に分配されることを防止できる。その結果、分岐通路での閉塞が防止される。これにより、トルクが気筒間で大きく異なることが防がれるので、運転者に違和感を与えない。言い換えると、ドライバビリティの悪化を防止できる。

別の観点から本実施の形態の効果を説明すると、絞り９０に未燃燃料成分が堆積するに従って、気筒１１〜１４に還流されるＥＧＲガスの流量が減少する。これに伴い、燃費が悪化し得るとともに、排気ガスに含まれる窒素酸化物が増加し得る。しかしながら、これらはドライバビリティの悪化をもたらす要因ではない。つまり、本実施の形態は、窒素酸化物の低減および燃費の向上よりも良好なドライバビリティを重視する場合に特に効果的である。

なお、未燃燃料成分の堆積によりＥＧＲガスの流量が減少した場合、燃料の噴射量を調整してもよい。ＥＧＲガスの流量が減少すると、気筒１１〜１４では、ＥＧＲガスの流量に対する吸入空気量の比が高くなる。このため、ＥＧＲガスの減少量に応じて、空燃比センサ８１〜８４により検出される酸素濃度は高くなる。この場合、ＥＣＵ２００は、空燃比センサ８１〜８４からの信号から算出した空燃比と目標空燃比（たとえば理論空燃比）との差に基づいて、燃料噴射弁７１〜７４から噴射される燃料の量を変更することができる。これにより、排気ガスの悪化（窒素酸化物の増加）を最小限に抑えることができる。

また、本実施の形態によれば、ＥＧＲガスが気筒で過多になることが防がれるので、気筒内での燃焼が失火状態に至る可能性が低減される。したがって、触媒の溶損を防止することができる。

［実施の形態２］
図３は、本発明の実施の形態２に係る排気ガス還流装置に含まれるＥＧＲ通路の構成を説明するための図である。図３を参照して、実施の形態２に係る排気ガス還流装置の構成は、ＥＧＲパイプが共通通路５９に替えて共通通路５９Ａを含む点において、排気ガス還流装置５０（図１参照）の構成と異なる。なお、実施の形態２に係る排気ガス還流装置の他の構成は、排気ガス還流装置５０の対応する構成と同等であるため、詳細な説明を繰り返さない。

共通通路５９Ａの内径φ０は、共通通路５９Ａの全長にわたって一定であり、内径φ１〜φ３よりも小さい。言い換えると、ＥＧＲパイプ５８Ａのうち、ＥＧＲクーラ５４と分岐通路６０との間の共通通路５９Ａの断面積の最小値は、通路６１２，６３４および通路６１〜６４の断面積の最小値よりも小さい。

未燃燃料成分は共通通路５９Ａのいずれかの箇所に最も堆積し易い。これにより、共通通路５９Ａでの未燃燃料成分の堆積量が増大する分、未燃燃料成分は分岐通路６０には堆積しにくくなる。また、共通通路５９ＡはＥＧＲガスの全量が通過するので、共通通路５９Ａに未燃燃料成分が堆積した場合、ＥＧＲガスの流量はすべての分岐通路６０の通路で均等に減少する。したがって、気筒１１〜１４にＥＧＲガスが不均等に分配されることを
防止できる。また、分岐通路６０の通路のいずれかが、分岐通路６０のそれ以外の通路よりも早く閉塞することを防止できる。

なお、インテークマニホールド１６およびエキゾーストマニホールド１８は、それぞれ本発明に係る「吸気通路」および「排気通路」に相当する。ＥＧＲパイプ５２およびＥＧＲパイプ５８は、本発明に係る「還流通路」に相当する。

また、分岐通路の構成は、共通の通路から複数の通路に分岐するのであれば、図２および図３に示す構成に特に限定されるものではない。たとえば、共通通路５９は、通路６１２，６３４を介さずに気筒数と同数の通路に分岐してもよい。

さらに、ＥＧＲクーラ５４とＥＧＲバルブ５６との順序を入れ替えてもよい。すなわち、ＥＧＲバルブ５６は、ＥＧＲクーラ５４よりもＥＧＲガスの流れの上流側に設けられてもよい。

今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内で全ての変更が含まれることが意図される。

１ エンジンシステム、１００ エンジン、１０ エンジン本体、１１〜１４ 気筒、１６ インテークマニホールド、１８ エキゾーストマニホールド、２０，４０ 主管、２１〜２４，３１〜３４ 枝管、２６ 電子スロットルバルブ、２８ スロットルポジションセンサ、３０ サージタンク、４２ 触媒コンバータ、４４ 排気管、５０ 排気ガス還流装置、５２，５８，５８Ａ ＥＧＲパイプ、５９，５９Ａ 共通通路、６０ 分岐通路、６１２，６３４，６１〜６４ 通路、５４ ＥＧＲクーラ、５６ ＥＧＲバルブ、７１〜７４ 燃料噴射弁、８１〜８４ 空燃比センサ、９０ 絞り、２００ ＥＣＵ。

Claims (1)

1. 複数の気筒を有するエンジンから排気通路に排出された排気ガスの一部を前記エンジンの吸気通路に還流させる排気ガス還流装置であって、
   前記排気通路から前記吸気通路に連通する還流通路と、
   前記還流通路に設けられ、前記一部の排気ガスを冷却するＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）クーラと、
   前記還流通路に設けられ、前記一部の排気ガスの流量を調整するためのＥＧＲバルブとを備え、
   前記還流通路は、前記ＥＧＲクーラにより冷却された前記一部の排気ガスを前記複数の気筒の各々に分配するための分岐通路を含み、
   前記還流通路のうち、前記ＥＧＲクーラと前記分岐通路との間の部分の断面積の最小値は、前記分岐通路の断面積の最小値よりも小さい、排気ガス還流装置。

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