JP2019138247A

JP2019138247A - 内燃機関のｅｇｒ機構、内燃機関、及び内燃機関のｅｇｒ方法

Info

Publication number: JP2019138247A
Application number: JP2018023443A
Authority: JP
Inventors: 児玉　裕; Yutaka Kodama; 裕児玉
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2018-02-13
Filing date: 2018-02-13
Publication date: 2019-08-22

Abstract

【課題】内燃機関のＥＧＲにおいて、各気筒へのＥＧＲガスの量の均等化と、吸気マニホールド及び吸気用配管の内部における凝縮水の滞留の防止を共に図ることができる、内燃機関のＥＧＲ機構、内燃機関、及び内燃機関のＥＧＲ方法を提供する。【解決手段】内燃機関１の各気筒１３から排出された排気ガスＧの一部であるＥＧＲガスＧｅを吸気Ａと混合して各気筒１３に再循環する内燃機関のＥＧＲ機構４０において、ＥＧＲガスの通路４１に、ＥＧＲガス分配装置４４を設けて、このＥＧＲガス分配装置４４から気筒１３の数のＥＧＲ分岐通路４５を分岐し、これらのＥＧＲ分岐通路４５を、吸気マニホールド２１と各気筒１３の間に設けられた吸気ポート１１にそれぞれ接続して、ＥＧＲガスＧを、ＥＧＲガス分配装置４４、ＥＧＲ分岐通路４５、吸気ポート１１を順に経由させて、気筒１３のそれぞれに供給する。【選択図】図１

Description

本開示は、内燃機関のＥＧＲにおいて、各気筒へのＥＧＲガスの量の均等化と、吸気マニホールド及び吸気用配管の内部における凝縮水の滞留の防止を共に図ることができる、内燃機関のＥＧＲ機構、内燃機関、及び内燃機関のＥＧＲ方法に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関では、各気筒から排出された排気ガスを再度吸入空気と混合させて、この混合気を各気筒に再循環させることにより、燃焼室における酸素濃度を低下させて燃焼を緩やかにすることでＮＯｘ（窒素酸化物）の発生量を低減させている。この排気ガスの再循環であるＥＧＲにおいては、各気筒での燃焼を安定化するためには、排気ガスの再循環量を各気筒で均等にすることが望ましい。

これに関連して、内燃機関における各気筒間のＥＧＲ率のばらつきを改善して、燃費および排気性能を向上するために、各気筒に吸気を分配するコレクタ（吸気マニホールド）の上流側にて、ＥＧＲガス(排気ガス)の導入部を第１吸気管に設けて、吸気とＥＧＲガスを混合すると共に、この第１の分岐管の一部をその下流部位の第２の分岐管と互いの管路軸を略直交かつオフセットして連結する構造にして、吸気とＥＧＲガスとの混合気を、第１の分岐管で混合してから、第２の分岐管の吸気ガスの流れにオフセットさせた直交して流入させて旋回流を発生させることで、吸気にＥＧＲガスを均等に混合させて、この混合気をコレクタに入れてから各気筒に分配供給する内燃機関の排気再循環装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

一方、エンジン性能の向上の要求に対応するために、吸気マニホールドから各気筒へ通じる吸気ポートを長く設計する場合も生じている。このような場合には、吸気マニホールドの形状が、内燃機関を搭載する車両のスペースの制限により、吸気用通路に高低差が発生して、混合気が冷却されて生じる凝縮水が吸気マニホールド内や配管内に滞留する形状になり易い。特に、天然ガス（ＣＮＧ）エンジンなどでは、燃焼により発生する水分が多いので、この凝縮水の滞留の問題を解決することが重要となっている。

特開２００１−７３８８２号公報

本開示は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関のＥＧＲにおいて、各気筒へのＥＧＲガスの量の均等化と、吸気マニホールド及び吸気用配管の内部における凝縮水の滞留の防止を共に図ることができる、内燃機関のＥＧＲ機構、内燃機関、及び内燃機関のＥＧＲ方法を提供することである。

上記の目的を達成するための本発明の態様の内燃機関のＥＧＲ機構は、内燃機関の各気筒から排出された排気ガスの一部であるＥＧＲガスを吸気と混合して各気筒に再循環する内燃機関のＥＧＲ機構において、ＥＧＲガスの通路に、ＥＧＲガス分配装置を設けて、このＥＧＲガス分配装置から前記気筒の数のＥＧＲ分岐通路を分岐し、これらのＥＧＲ分岐通路を、吸気マニホールドと前記気筒の間に設けられた吸気ポートにそれぞれ接続して、ＥＧＲガスを、前記ＥＧＲガス分配装置、前記ＥＧＲ分岐通路、前記吸気ポートを順に経由させて、前記気筒のそれぞれに供給するように構成されている。

また、上記の目的を達成するための本発明の態様の内燃機関は、上記の内燃機関のＥＧＲ機構を備えて構成されている。

また、上記の目的を達成するための本発明の態様の内燃機関のＥＧＲ方法は、内燃機関の各気筒から排出された排気ガスの一部であるＥＧＲガスを吸気と混合して各気筒に再循環する内燃機関のＥＧＲ方法において、ＥＧＲガスを、ＥＧＲガスの通路に設けたＥＧＲガス分配装置、このＥＧＲガス分配装置から分岐した前記気筒の数のＥＧＲ分岐通路、これらのＥＧＲ分岐通路が接続された、吸気マニホールドと前記気筒の間に設けられた吸気ポートを順に経由させて、前記気筒のそれぞれに供給する方法である。

本開示の内燃機関のＥＧＲ機構、内燃機関、及び内燃機関のＥＧＲ方法によれば、内燃機関のＥＧＲにおいて、ＥＧＲガス分配装置でＥＧＲ分岐通路にＥＧＲガスを均等分配してから各気筒にＥＧＲガスを供給するので、各気筒へのＥＧＲガスの量を均等化することができる。また、各気筒に入る直前の吸気ポートにＥＧＲガスを供給して、ＥＧＲガスを吸気マニホールドを経由しないで、ＥＧＲガスが吸気に混合した混合ガスが通過する吸気用通路の部分を短くしているので、ＥＧＲガスの水分に起因する凝縮水が吸気マニホールド及び吸気用通路の内部に滞留することを防止できる。

本発明に係る実施の形態のＥＧＲ機構の構成を模式的に示す図である。ＥＧＲ分岐通路と吸気ポートの構成を模式的に示す図である。比較例のＥＧＲ機構の構成を模式的に示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関のＥＧＲ、内燃機関、及び内燃機関のＥＧＲ浄化方法について、図面を参照しながら説明する。ここでは、天然ガス（ＣＮＧ：ＣｏｍｐｒｅｓｓｅｄＮａｔｕｒａｌＧａｓ）エンジンを例にして説明するが、本発明の実施の形態としてはこの天然ガスエンジンに限定されず、その他のディーゼルエンジン等であってもよい。

図１に示すように、本発明の実施の形態の内燃機関のＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）機構４０は、エンジン１の各気筒１３から排出された排気ガスＧの一部であるＥＧＲガスＧｅを吸気Ａと混合して各気筒１３に再循環する内燃機関のＥＧＲ機構である。

エンジン本体１０には吸気マニホールド２１とこの吸気マニホールド２１に接続される吸気配管(吸気通路)２２が設けられており、図示しないが、エアクリーナー、ターボ式過給機のコンプレッサ、吸気スロットル、インタークーラーなどを経由して、吸気Ａが吸気配管２２から吸気マニホールド２１に流入し、エンジン本体１０に設けられた吸気ポート１１から吸気弁１２を経由して気筒１３に流入する。なお、ここでは、吸気ポート１１には、シリンダヘッド２の内部の通路だけでなく、シリンダヘッド２の外部の設けられている、吸気マニホールド２１から各気筒１３へ個別に延びる吸気分岐配管である外部配管がある場合には、この外部配管も含めている。

一方、燃料の燃焼で発生する排気ガスＧは、気筒１３から排気弁１４と排気ポート１５を経由して排気マニホールド３１に入り、排気マニホールド３１から排気配管(排気通路)３２に流出し、図示しないが、ターボ式過給機のタービン、排気絞り弁、排気ガス後処理装置、マフラーなどを経由して、大気中に放出される。

そして、この排気ガスＧの一部であるＥＧＲガスＧｅは、エンジン１の運転状態に応じて、吸気Ａと混合されて気筒１３に供給される。このＥＧＲガスＧｅは、排気マニホールド３１または排気配管３２から分岐されたＥＧＲ管（ＥＧＲ通路）４１から、ＥＧＲクーラー４２とＥＧＲ弁４３を経由して、吸気Ａと混合して気筒１３に供給される。

本発明においては、このＥＧＲ管４１にＥＧＲガス分配装置４４を設けて、このＥＧＲガス分配装置４４から気筒１３の数と同じ数のＥＧＲ分岐通路４５を分岐して設ける。これらのＥＧＲ分岐通路４５を、吸気マニホールド２１と気筒１３の間に設けられた吸気ポート１１にそれぞれ接続して、ＥＧＲガスＧｅを、ＥＧＲガス分配装置４４、各ＥＧＲ分岐通路４５、吸気ポート１１を順に経由させて、気筒１３のそれぞれに供給するように構成している。

この構成により、ＥＧＲガス分配装置４４で、ＥＧＲガスＧｅをＥＧＲ分岐通路４５のそれぞれに均等分配してから、気筒１３のそれぞれにＥＧＲガスＧｅを供給するので、各気筒１３へのＥＧＲガスＧｅの量を均等化することができる。

また、各気筒１３に入る直前の吸気ポート１１にＥＧＲガスＧｅを供給して、ＥＧＲガスＧｅが吸気マニホールド２１を経由せず、又はＥＧＲガスＧｅが吸気Ａに混合した混合ガスが通過する吸気用通路２１、１１の部分を短くしているので、ＥＧＲガスＧｅの水分に起因する凝縮水が吸気マニホールド１１及び吸気用通路２１、１１の内部に滞留することを防止できる。

そして、このＥＧＲガス分配装置４４を圧力調整用のコモンレールとして構成する。言い換えれば、このＥＧＲガス分配装置４４を、各ＥＧＲ分岐通路４５に流出するＥＧＲガスＧｅの量がより確実に均等化するように、各ＥＧＲ分岐通路４５に同じ圧力でＥＧＲガスＧｅを排出できるようにある程度の容量を持った構成とする。これにより、ＥＧＲガスＧｅを各気筒１３により均等に配分できるようになる。この容量は、エンジン１の種類等により異なるが、それぞれのエンジン１に対して最適な容量を実験などにより求めることができる。

また、図２に示すように、吸気ポート１１の少なくとも気筒１３への入口側を、このエンジン１を車両に搭載した状態で、下流側が下方に傾斜する傾斜部１１ａを有して構成する。それと共に、この傾斜部１１ａにＥＧＲ分岐通路４５を接続して構成する。この構成により、ＥＧＲガスＧｅが吸気Ａと混合して冷却されてＥＧＲガスＧｅ中の水分が凝縮して凝縮水が生じても、そのまま傾斜部１１ａの下降傾斜により、吸気ＡとＥＧＲガスＧｅの流れに沿って、気筒１３の内部に随時流入するので、この凝縮水は気筒１３の内部の燃焼により随時消費される。従って、より確実に、配管内に大量に滞留することを回避でき、この凝縮水による不具合が発生することを防止できる。

なお、ＥＧＲ分岐通路４５の全部または一部をシリンダヘッド２の内部に設けると、気筒１３に非常に近い位置で、ＥＧＲ分岐通路４５を傾斜部１１ａに合流させることができ、シリンダヘッド２の温度が外部より高いので、ＥＧＲガスＧｅ中の水分が凝縮すること自体を防止でき、また、凝縮水が生じても短い距離で気筒１３に導入することができる。

また、ＥＧＲ分岐通路４５の全部をシリンダヘッド２の外部に設けて、シリンダヘッド２の外部でＥＧＲ分岐通路４５を排気ポート１１の外部配管（シリンダヘッド２の外部の設けられている吸気分岐配管）に接続すると、シリンダヘッド２の構造を変更することなく、この内燃機関のＥＧＲ機構４０を採用できるので、従来のエンジン１においても、容易に、この内燃機関のＥＧＲ機構４０を採用した構造に改造することができる。

そして、本発明に係る実施の形態の内燃機関１は、上記の内燃機関のＥＧＲ機構４０を備えて構成される。この構成により、上記の内燃機関のＥＧＲ機構４０と同様の作用効果を発揮できる。そして、この内燃機関１が、天然ガスエンジンであると、主燃料がメタンであり、このメタンは炭素に対する水素の量が原子量で１：４と水素の割合が多く、水素分が多いため、主燃料が燃焼すると水分を発生し易いので、有効である。

次に、本発明に係る実施の形態の内燃機関のＥＧＲ方法について説明する。この方法は、エンジン１の各気筒１３から排出された排気ガスＧの一部であるＥＧＲガスＧｅを吸気Ａと混合して各気筒１３に再循環する内燃機関のＥＧＲ方法であり、この方法において、ＥＧＲガスＧｅを、ＥＧＲガス通路４１に設けたＥＧＲガス分配装置４４、このＥＧＲガス分配装置４４から分岐した気筒１３の数のＥＧＲ分岐通路４５、これらのＥＧＲ分岐通路４５が接続された、吸気マニホールド２１と各気筒１３の間に設けられた吸気ポート１１を順に経由させて、各気筒１１に供給する方法である。

この方法によれば、ＥＧＲガス分配装置４４でＥＧＲ分岐通路４５にＥＧＲガスＧｅを均等分配するので、各気筒１３へのＥＧＲガスＧｅの量を均等化することができる。また、ＥＧＲガスＧｅが吸気マニホールド２１を経由せず、各気筒１３に入る直前の吸気ポート１１にＥＧＲガスＧｅを供給しているので、ＥＧＲガスＧｅの水分に起因する凝縮水を滞留させることなく、気筒１３に送り込むことができる。

上記の効果をより理解し易くするために、図３に示す、比較例と比較すると、図３の比較例のエンジン１Ｘでは、ＥＧＲガスＧｅは、ＥＧＲガス分配装置４４とＥＧＲ分岐通路４５を備えずに、ＥＧＲ管４１がそのまま、吸気マニホールド２１の上流側の吸気配管２２に接続されている、内燃機関のＥＧＲ機構４０Ｘとなっている。

そのため、吸気配管２２に入ったＥＧＲガスＧｅは、吸気Ａと混合して、吸気マニホールド２１に入るが、ＥＧＲガスＧｅと吸気Ａとの混合が不十分のままであると、ＥＧＲガスＧｅの混合率が不均等のまま、吸気マニホールド２１から各吸気ポート１１に流入して、各気筒で燃焼状態が異なり、良好な燃焼状態が得られなくなるという問題が生じる。また、吸気Ａと混合したＥＧＲガスＧｅは、吸気マニホールド２１で冷却されて、ＥＧＲガスＧｅの水分から凝縮水が発生し、吸気マニホールド２１の内部に滞留してしまうという問題が生じる。

これに対して、図１及び図２の本発明に係る実施の形態の内燃機関のＥＧＲ機構４０では、各気筒１３へのＥＧＲガスＧｅの量の均等化と、吸気マニホールド２１及び吸気用配管２１，１１の内部における凝縮水の滞留の防止を共に図ることができる、

１、１Ｘエンジン
１０エンジン本体
１１吸気ポート(吸気用通路)
１２吸気弁
１３気筒
１４排気弁
１５排気ポート
２１吸気マニホールド(吸気用通路)
２２吸気配管（吸気通路）
３１排気マニホールド
３２排気配管(排気通路)
４０、４０Ｘ内燃機関のＥＧＲ機構
４１ＥＧＲ管（ＥＧＲ通路）
４２ＥＧＲクーラー
４３ＥＧＲ弁
４４ＥＧＲガス分配装置
４５ＥＧＲ分岐通路
Ａ吸気
Ｇ排気ガス
ＧｅＥＧＲガス

Claims

内燃機関の各気筒から排出された排気ガスの一部であるＥＧＲガスを吸気と混合して前記各気筒に再循環する内燃機関のＥＧＲ機構において、
ＥＧＲガスの通路に、ＥＧＲガス分配装置を設けて、このＥＧＲガス分配装置から前記気筒の数のＥＧＲ分岐通路を分岐し、これらのＥＧＲ分岐通路を、吸気マニホールドと前記気筒の間に設けられた吸気ポートにそれぞれ接続して、ＥＧＲガスを、前記ＥＧＲガス分配装置、前記ＥＧＲ分岐通路、前記吸気ポートを順に経由させて、前記気筒のそれぞれに供給することを特徴とする内燃機関のＥＧＲ機構。
前記ＥＧＲガス分配装置を圧力調整用のコモンレールで構成していることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のＥＧＲ機構。
前記吸気ポートの少なくとも前記気筒への入口側を、当該内燃機関を車両に搭載した状態で、下流側が下方に傾斜する傾斜部を有して構成すると共に、この傾斜部に前記ＥＧＲ分岐通路を接続していることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関のＥＧＲ機構。
請求項１〜３のいずれか一つの内燃機関のＥＧＲ機構を備えていることを特徴とする内燃機関。
当該内燃機関が、天然ガスエンジンであることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
内燃機関の各気筒から排出された排気ガスの一部であるＥＧＲガスを吸気と混合して前記各気筒に再循環する内燃機関のＥＧＲ方法において、
ＥＧＲガスを、ＥＧＲガスの通路に設けたＥＧＲガス分配装置、このＥＧＲガス分配装置から分岐した前記気筒の数のＥＧＲ分岐通路、これらのＥＧＲ分岐通路が接続された、吸気マニホールドと前記気筒の間に設けられた吸気ポートを順に経由させて、前記気筒のそれぞれに供給することを特徴とする内燃機関のＥＧＲ方法。