JP5018400B2 - 内燃機関の排気還流装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気通路から排気を取り出して吸気通路に導く内燃機関の排気還流装置に関する。

内燃機関の排気還流装置として、ターボチャージャーのタービン下流の排気通路から排気の一部をＥＧＲガスとして取り出してコンプレッサ上流の吸気通路に導入する低圧排気還流通路と、タービン上流の排気通路から排気の一部をＥＧＲガスとして取り出してコンプレッサ下流の吸気通路に導入する高圧排気還流通路とを内燃機関の運転状態に応じて使い分けるものが知られている（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として、特許文献２及び３が存在する。

特開２００５−７６４５６号公報 特許第２６０７１７５号公報 特開２００３−２６９２６０号公報

低圧排気還流通路を利用する場合、ターボチャージャーのコンプレッサの上流にＥＧＲガスを導くので、ＥＧＲガスに含まれるカーボン微粒子や、ＥＧＲガスの冷却等を原因として発生する水蒸気、水滴及び氷結等の異物がコンプレッサに流入する。ターボチャージャーのコンプレッサは吸気通路の中央を貫く軸線の回りに回転するインペラーを備えていてそのインペラーは吸気通路内に臨んでいる。そのため、異物がインペラーに衝突してインペラーの破損や摩耗を促進するおそれがある。

そこで、本発明は、ＥＧＲガスに含まれる異物の衝突によるコンプレッサのインペラーの破損や摩耗を抑制できる内燃機関の排気還流装置を提供することを目的とする。

本発明の排気還流装置は、吸気通路の横断方向の中央部を貫くように延びる軸線の回りに回転するインペラーを持ち前記吸気通路に設けられたコンプレッサと排気通路に設けられて前記コンプレッサを駆動するタービンとを有したターボチャージャーが搭載された内燃機関に適用され、前記排気通路から排気の一部をＥＧＲガスとして取り出して前記コンプレッサよりも上流の前記吸気通路内に導く排気還流通路を備えた内燃機関の排気還流装置において、前記排気還流通路には、前記吸気通路内に配置されて前記吸気通路の前記中央部において前記吸気通路の下流側に向かって開口して、ＥＧＲガスを前記吸気通路内に導くことができる導入部が設けられ、前記導入部は、前記吸気通路の長手方向に延び、かつ前記吸気通路の下流側に向かって開口する下流側開口部と前記吸気通路の上流側に向かって開口する上流側開口部とを有する内側通路部と、前記内側通路部に接続されて前記内側通路部にＥＧＲガスを導く接続通路部と、を備え、前記接続通路部の通路断面積が前記内側通路部の前記下流側開口部の開口面積よりも小さくなるように設定されていることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

この排気還流装置によれば、ＥＧＲガスが導入部から吸気通路内に導入されることにより、ＥＧＲガスはコンプレッサのインペラーの回転中心部に導かれる。つまり、導入部からのＥＧＲガスの導入によって、吸気通路の横断方向の中央部のＥＧＲガスの濃度がその横断方向の端部のＥＧＲガスの濃度よりも高いＥＧＲガスの濃度分布がコンプレッサの上流に形成される。そのため、ＥＧＲガスにカーボン微粒子、水蒸気、水滴及び氷結等の異物が含まれていても、その異物の多くはインペラーの周方向速度が相対的に低い回転中心部に衝突する。これにより、インペラーの周方向速度が相対的に高い外周部分への異物の衝突を回避することができるため、ＥＧＲガスに含まれる異物の衝突によるインペラーの破損や摩耗を抑制することができる。

また、本発明の排気還流装置によれば、吸気通路に導かれる空気が上流側開口部から下流側開口部に向かって内側通路部を通過することができるので、導入部が吸気通路内に配置されることに伴う空気抵抗の増加を抑えることができる。さらに、本発明の排気還流装置によれば、接続通路部の通路断面積が内側通路部の下流側開口部の開口面積よりも小さいため、下流側開口部から流出するガスの流速と内側通路部の外側を流れるガスの流速との流速差を低減できる。これにより、下流側開口部から流出するガスと内側通路部の外側を流れるガスとの混合を抑制できる。換言すれば、ＥＧＲガスの拡散が抑制される。従って、ＥＧＲガスをインペラーの回転中心部へ効果的に集中させることができる。

内側通路部としては種々の態様を採用してよい。例えば、前記内側通路部は、前記吸気通路の内壁に囲まれる状態で配置される管状部材にて構成されてもよいし（請求項２）、前記内側通路部は、前記吸気通路の横断方向及び長手方向にそれぞれ延びて前記吸気通路の内壁に接続される一対の仕切り壁部と、前記一対の仕切り壁部にて挟まれた前記吸気通路の内壁とによって構成されてもよい（請求項３）。特に、前者の場合には内側通路部に導かれるＥＧＲガスが吸気通路の横断方向へ広がることが抑制されるので、ＥＧＲガスをインペラーの回転中心部へ効果的に集中させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、ＥＧＲガスが導入部から吸気通路内に導入されることにより、ＥＧＲガスはコンプレッサのインペラーの回転中心部に導かれる。このため、ＥＧＲガスにカーボン微粒子、水蒸気、水滴及び氷結等の異物が含まれていても、その異物の多くはインペラーの周方向速度が相対的に低い回転中心部に衝突するため、周方向速度が相対的に高い外周部分への異物の衝突を回避できる。これにより、ＥＧＲガスに含まれる異物の衝突によるインペラーの破損や摩耗を抑制することができる。

（第１の形態）
図１は、本発明の一形態に係る排気還流装置が組み込まれた内燃機関を示している。内燃機関１は車両に走行用の動力源として搭載され、４つの気筒２が一方向に並べられた直列４気筒型のディーゼルエンジンとして構成されている。各気筒２には燃料噴射弁３がその先端を気筒２内に臨ませるようにして一つずつ設けられており、それらの燃料噴射弁３は燃料を所定燃圧に保持するコモンレール４に接続されている。各気筒２には吸気通路６及び排気通路７がそれぞれ接続されている。吸気通路６は気筒２毎に分岐された吸気マニホルド８を含んでおり、排気通路７は各気筒２から排出される排気を集合する排気マニホルド９を含んでいる。内燃機関１は吸気ダクト１０を通過して濾過された空気を吸気マニホルド８を介して各気筒２に充填し、燃料噴射弁３にて各気筒２内に噴射された燃料を圧縮行程で自着火させる。各気筒２から排出される排気は排気マニホールド９にて集合され、その集合された排気は排気浄化装置１１にて有害物質が浄化されてから大気に放出される。

内燃機関１には排気エネルギを利用して空気を過給するターボチャージャー１２が搭載されている。ターボチャージャー１２は吸気通路６に設けられたコンプレッサ１３と排気通路７に設けられたタービン１４とを備え、排気エネルギを得たタービン１４によってコンプレッサ１３を駆動する周知のものである。コンプレッサ１３はインペラー１５を備えており、そのインペラー１５はコンプレッサハウジング１６に収容される。タービン１４はタービンブレード１７を備えており、そのタービンブレード１７はタービンハウジング１８に収容される。これらのハウジング１６、１８はセンタハウジング１９に接続されており、そのセンタハウジング１９にはインペラー１５とタービンブレード１７とを一体回転可能に連結する回転軸２０を回転自在に支持する軸受１９ａが装着されている。回転軸２０は吸気通路６の横断方向の中央部６ａを貫くように延びる軸線Ａｘ１の回りに回転できるように支持されている。そのためインペラー１５及びタービンブレード１７はその軸線Ａｘ１の回りにそれぞれ回転できる。コンプレッサハウジング１６は吸気通路６の一部をなし、かつ軸線Ａｘ１の方向に開口する開口部１６ａを備えている。また、タービンハウジング１８は排気通路７の一部をなし、開口部１８ａを備えている。

吸気通路６には吸気冷却用のインタークーラ２１がコンプレッサ１３の下流側に設けられている。また、排気通路７には過給圧を許容限度内に調整する過給圧調整装置２２が設けられており、その過給圧調整装置２２はタービン１４を迂回して排気をタービン１４の下流に導くバイパス通路２３と、バイパス通路２３を開閉するウエイストゲートバルブ２４とを備えている。

内燃機関１には排気を吸気系に再循環させることにより、気筒２内の燃焼温度の上昇を抑える排気還流装置２５が設けられている。排気還流装置２５は排気通路７から排気の一部をＥＧＲガスとして取り出してコンプレッサ１３よりも上流の吸気通路６内に導く排気還流通路２６と、ＥＧＲガスを冷却する冷却装置２７と、排気還流通路２６を流れるＥＧＲガスの流量を調整する排気還流弁２８とを備えている。吸気通路６に導入されるＥＧＲガスのガス量（ＥＧＲ量）は内燃機関１の運転状態に応じて設定され、そのＥＧＲ量の調整は排気還流弁２８の開度と、ＥＧＲガスの導入位置よりも上流の吸気通路６に設けられたスロットル弁２９の開度とを連係して操作することにより実施される。

排気還流通路２６には吸気通路６内に配置された導入部３０が設けられている。図２は導入部３０及びその周辺を拡大した拡大図であり、図３は図２のIII−III線に沿った断面模式図である。これらの図に示すように、導入部３０は吸気通路６の長手方向に延びる管状部材３１と、その管状部材３１に接続される接続通路部３２とを備えている。管状部材３１は吸気通路６の内壁６ｂに囲まれる状態でその中央部６ａに配置されるとともに、吸気通路６の下流側に向かって開口する下流側開口部３１ａとその上流側に向かって開口する上流側開口部３１ｂとを有している。これらの開口部３１ａ、３１ｂの開口面積は互いに同一面積に設定されている。管状部材３１は本発明に係る内側通路部を構成する。接続通路部３２は管状部材３１の内周面に開口しており、これによって図２の破線の矢印で示すように接続通路部３２はＥＧＲガスを管状部材３１に導くことができる。

図２及び図３から明らかなように、ＥＧＲガスが管状部材３１から吸気通路６内に導入されることにより、ＥＧＲガスはコンプレッサ１３のインペラー１５の回転中心部に導かれる。つまり、管状部材３１からのＥＧＲガスの導入によって、吸気通路６の横断方向の中央部のＥＧＲガスの濃度がその横断方向の端部のＥＧＲガスの濃度よりも高いＥＧＲガスの濃度分布がコンプレッサ１３の上流に形成される。そのため、ＥＧＲガスにカーボン微粒子、水蒸気、水滴及び氷結等の異物が含まれていても、その異物はインペラー１５の周方向速度が相対的に低い回転中心部に衝突する。これにより、周方向速度が相対的に高い外周部分への異物の衝突が回避されるため、異物の衝突によるインペラー１５の破損や摩耗を抑制することができる。下流側開口部３１ａとインペラー１５との距離は、上述した濃度分布が維持される範囲内に設定される。この距離が過大になるとＥＧＲガスが拡散するため意図した効果が低下するためである。

管状部材３１は上流側開口部３１ｂをも有しているので、管状部材３１内にも空気が流入してＥＧＲガスとともに下流側開口部３１ａから流出する。つまり、吸気通路６に導かれた空気が管状部材３１を通過することができるので、管状部材３１の配置に伴う空気抵抗の増加を抑えることができる。

接続通路部３２の通路断面積は管状部材３１の下流側開口部３１ａの開口面積よりも小さくなるように設定されている。そのため、下流側開口部３１ａから流出するガスの流速と管状部材３１の外側を流れるガスの流速との流速差を抑えることができる。これにより、下流側開口部３１ａから流出するガスと、管状部材３１の外側を流れるガスとの混合を抑制できる。また、管状部材３１の内部をＥＧＲガスが通過するので、ＥＧＲガスが吸気通路６の横断方向に広がることを抑えることができる。これにより、ＥＧＲガスをインペラー１５の回転中心部へ効果的に集中させることができる。

（第２の形態）
次に、本発明の第２の形態を図４及び図５を参照して説明する。この形態は導入部の構成を除き第１の形態と同一構成を有している。以下、第２の形態の特徴部分を説明し第１の形態との共通部分の説明を省略する。

図４は第２の形態に係る導入部４０及びその周辺を拡大した拡大図であり、図５は図４のV−V線に沿った断面模式図である。これらの図に示すように、第２の形態に係る導入部４０は吸気通路６の中央部６ａに配置されてその長手方向に延びる内側通路部４１と、その内側通路部４１に接続される接続通路部４２とを有している。内側通路部４１は吸気通路６の横断方向及び長手方向のそれぞれに延びて吸気通路６の内壁６ｂに接続された一対の仕切り壁部４３と、これらの仕切り壁部４３にて挟まれた吸気通路６の内壁６ｂとによって構成されている。一対の仕切り壁部４３は所定間隔を開けて互いに平行な状態で配置されている。内側通路部４１は吸気通路６の下流側に向かって開口する下流側開口部４１ａとその上流側に向かって開口する上流側開口部４１ｂとを有している。これらの開口部４１ａ、４１ｂの開口面積は互いに同一面積に設定されている。接続通路部４２は内側通路部４１の内側に開口しており、これによって図４の破線の矢印で示すように接続通路部４２はＥＧＲガスを内側通路部４１に導くことができる。接続通路部４１の通路断面積は内側通路部４１の下流側開口部４１ａの開口面積よりも小さくなるように設定されている。この形態によれば、ＥＧＲガスが内側通路部４１から吸気通路６内に導入されることにより、ＥＧＲガスはコンプレッサ１３のインペラー１５の回転中心部に導かれる。これにより、上述した第１の形態の効果と略同等の効果が発揮される。

（第１の参考例）
次に、本発明の実施の形態と共通の部分を有する第１の参考例を図６及び図７を参照して説明する。この参考例は導入部の構成を除き第１の形態と同一構成を有している。以下、第１の参考例の特徴部分を説明し第１の形態との共通部分の説明を省略する。

図６は第１の参考例に係る導入部５０及びその周辺を拡大した拡大図であり、図７は図６のVII−VII線に沿った断面模式図である。これらの図に示すように、第１の参考例に係る導入部５０は吸気通路６の中央部６ａに配置されてその長手方向に延びるとともに、吸気通路６の下流側に向かって開口する下流側開口部５０ａを有している。図示を省略するが、導入部５０は吸気通路６の上流側でその横断方向外側に曲がって排気還流通路２６に接続されていてもよい。また、吸気通路６がその上流側で曲がっている場合には、導入部５０がまっすぐ延びて吸気通路６の曲がり部において排気還流通路２６に接続されていてもよい。

第１の参考例によれば、ＥＧＲガスが内側通路部４１から吸気通路６内に導入されることにより、ＥＧＲガスはコンプレッサ１３のインペラー１５の回転中心部に導かれる。これにより、ＥＧＲガスに含まれる異物の衝突に伴うインペラー１５の破損や摩耗を抑制することができる。

（第２の参考例）
次に、本発明の実施の形態と共通の部分を有する第２の参考例を図８及び図９を参照して説明する。この参考例は第１の参考例の変形例に相当する。そのため、第１の参考例との共通部分の説明は省略する。図８は第２の参考例に係る導入部５０及びその周辺を拡大した拡大図であり、図９は図８のIX−IX線に沿った断面模式図である。これらの図に示すように、第２の参考例は導入部５０を囲む囲み通路部５１を備えている。囲み通路部５１は吸気通路６内に配置されて、吸気通路６の上流側及び下流側に向かってそれぞれ開口している。その下流側の開口部５１ａは導入部５０の開口部５０ａよりも下流側に位置している。図９に示すように、囲み通路部５１は導入部５０と略同軸上に配置され、かつ円筒状に構成されている。

第２の参考例によれば、第１の参考例と同等の効果を達成できるとともに、囲み通路部５１によって導入部５０から流出したＥＧＲガスが吸気通路６の横断方向へ広がることが抑制されるので、ＥＧＲガスをインペラー１５の回転中心部へ効果的に集中させることができる。

（第３の参考例）
次に、本発明の実施の形態と共通の部分を有する第３の参考例を図１０〜図１２を参照して説明する。なお、以下の説明において、上述した本発明の各形態又は各参考例と共通する構成は図面に同一符号を付して説明を省略する。第３の参考例は、コンプレッサの上流に上述したＥＧＲガスの濃度分布を形成するため、吸気通路の外周側からＥＧＲガスを含まない空気を導入することに特徴を有している。図１０は第３の参考例に係る排気還流装置が組み込まれた内燃機関を示している。図１０の内燃機関１には、排気還流通路２６と吸気通路６との合流部６０よりも下流で、かつコンプレッサ１３よりも上流の吸気通路６に空気を導入する空気通路６１が設けられている。空気通路６１はその一端がスロットル弁２９の上流に接続されており、他の一端には空気導入部６２が設けられている。

図１１は空気導入部６２及びその周辺を拡大した拡大図であり、図１２は図１１のXII−XII線に沿った断面模式図である。これらの図に示すように、空気導入部６２は、吸気通路６の外周側から内周側に開口して空気を吸気通路６内に導くため、吸気通路６の外周側から内周側へ向かって貫通する４つの空気導入口６３と、その導入口６３を覆うようにして吸気通路６の外周面を取り囲み、かつ空気通路６２に連通する空気導入室６４とを有している。

図１０に示すように、内燃機関１は、空気通路６１にて導入される空気とは別に吸気通路６に流れ込む空気の流量を、スロットル弁２９にて吸気通路６を絞ることにより制限できる。その空気の流量が制限されることにより、空気通路６１にて導入される空気の流量が相対的に増加する。スロットル弁２９の操作方法は適宜設定できるが、例えばＥＧＲガスのガス量が多くなるほど開度が絞られるようにスロットル弁２９を操作することができる。

第３の参考例によれば、ＥＧＲガスを含まない空気が空気通路６１によって吸気通路６に導入されることにより、吸気通路６内の径方向外側、即ち吸気通路６の横断方向の端部に空気を偏在させることができる。これにより、合流部５０を経由して吸気通路６に導かれたＥＧＲガスが吸気通路６の中央部６ａに案内される。従って、吸気通路６の横断方向の中央部６ａのＥＧＲガスの濃度がその横断方向の端部のＥＧＲガスの濃度よりも高いＥＧＲガスの濃度分布をコンプレッサ１３の上流に形成することができる。

（第４の参考例）
次に、本発明の実施の形態と共通の部分を有する第４の参考例を図１３及び図１４を参照して説明する。この参考例は第３の参考例の変形例に相当する。そのため、第３の参考例との共通部分の説明は省略する。

図１３は第４の参考例に係る空気導入部及びその周辺を拡大した拡大図であり、図１４は図１３のXIV−XIV線に沿った断面模式図である。これらの図に示すように、この参考例の空気通路７１は空気導入部７２を有している。図示を省略したが、空気通路７１の一端は第３の参考例と同様にスロットル弁２９の上流に接続されている。空気導入部７２は、第３の参考例と同様に、吸気通路６の外周側から内周側へ向かって貫通する４つの空気導入口７３と、その導入口７３を覆うようにして吸気通路６の外周面を取り囲み、かつ空気通路６１に連通する空気導入室７４とを有している。更に、空気導入部７２は吸気通路６の周方向に旋回する旋回流Ｆを吸気通路６内に導く空気に対して付与するため、旋回流生成手段としてのフラップ７５を更に有している。この参考例においては、フラップ７５は空気導入口７３に対して一つずつ合計４つ設けられている。各フラップ７５は吸気通路６の内周面の接線方向と略同方向に延びるように構成されている。これにより、空気導入室７４から空気導入口７３を経由して吸気通路６へ向かう空気の流れ方向がフラップ７５にて接線方向に揃えられるので、吸気通路６の周方向に旋回する旋回流Ｆが吸気通路６内に形成される。

第４の参考例によれば、第３の参考例と同等の効果を発揮できることに加えて、吸気通路６内に導く空気に対して旋回流Ｆが付与されるため、旋回流が与えられた空気を吸気通路６の横断方向の端部へ偏在させることが容易になる。つまり、旋回流Ｆの遠心力によりその空気が吸気通路６の中央部６ａに向かって拡散し難くなって端部に留まり易くなる。

第３及び第４の参考例において、排気還流通路２６には上述した本発明の各形態の導入部３０、４０や第１又は第２の参考例の導入部５０が設けられていてもよいが、図１１及び図１３に示したように排気還流通路２６が単純に吸気通路６に接続されていてもよい。排気還流通路２６に上述した本発明の各形態の導入部３０、４０や第１又は第２の参考例の導入部５０が設けられた場合には、これらの導入部にてＥＧＲガスを吸気通路６の中央部６ａに集中させた状態で、その端部へ空気を偏在させることができるため、吸気通路６内のＥＧＲガスの濃度分布の濃淡を一層際立たせることが可能になる。

第３及び第４の参考例においては、空気通路の一端を吸気通路に接続して空気を取り出しているが、吸気通路とは別系統の空気供給源に空気通路の一端を接続することにより実施してもよい。この場合にはエアポンプ等の加圧手段を利用して吸気通路の外周へ空気を圧送することもできる。

本発明の一形態に係る排気還流装置が組み込まれた内燃機関を示した図。 図１に示された導入部及びその周辺を拡大した拡大図。 図２のIII−III線に沿った断面模式図。 第２の形態に係る導入部及びその周辺を拡大した拡大図。 図４のV−V線に沿った断面模式図。 本発明の実施の形態に対する第１の参考例に係る導入部及びその周辺を拡大した拡大図。 図６のVII−VII線に沿った断面模式図。 本発明の実施の形態に対する第２の参考例に係る導入部及びその周辺を拡大した拡大図。 図８のIX−IX線に沿った断面模式図。 本発明の実施の形態に対する第３の参考例に係る排気還流装置が組み込まれた内燃機関を示した図。 図１０の空気導入部及びその周辺を拡大した拡大図。 図１１のXII−XII線に沿った断面模式図。 本発明の実施の形態に対する第４の参考例に係る空気導入部及びその周辺を拡大した拡大図。 図１３のXIV−XIV線に沿った断面模式図。

符号の説明

１ 内燃機関
６ 吸気通路
６ａ 中央部
６ｂ 内壁
７ 排気通路
１２ ターボチャージャー
１３ コンプレッサ
１４ タービン
１５ インペラー
２６ 排気還流通路
２９ スロットル弁（流量制限手段）
３０ 導入部（濃度分布形成手段）
３１ 管状部材（内側通路部）
３１ａ 下流側開口部
３１ｂ 上流側開口部
３２ 接続通路部
４０ 導入部
４１ 内側通路部
４１ａ 下流側開口部
４１ｂ 上流側開口部
４２ 接続通路部
４３ 仕切り壁部
５０ 導入部
５０ａ 下流側開口部
５１ 囲み通路部
６０ 合流部
６１ 空気通路（濃度分布形成手段）
６２ 空気導入部
７１ 空気通路（濃度分布形成手段）
Ａｘ１ 軸線
Ｆ 旋回流

Claims (3)

1. 吸気通路の横断方向の中央部を貫くように延びる軸線の回りに回転するインペラーを持ち前記吸気通路に設けられたコンプレッサと排気通路に設けられて前記コンプレッサを駆動するタービンとを有したターボチャージャーが搭載された内燃機関に適用され、前記排気通路から排気の一部をＥＧＲガスとして取り出して前記コンプレッサよりも上流の前記吸気通路内に導く排気還流通路を備えた内燃機関の排気還流装置において、
   前記排気還流通路には、前記吸気通路内に配置されて前記吸気通路の前記中央部において前記吸気通路の下流側に向かって開口して、ＥＧＲガスを前記吸気通路内に導くことができる導入部が設けられ、
   前記導入部は、前記吸気通路の長手方向に延び、かつ前記吸気通路の下流側に向かって開口する下流側開口部と前記吸気通路の上流側に向かって開口する上流側開口部とを有する内側通路部と、前記内側通路部に接続されて前記内側通路部にＥＧＲガスを導く接続通路部と、を備え、
   前記接続通路部の通路断面積が前記内側通路部の前記下流側開口部の開口面積よりも小さくなるように設定されていることを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
2. 前記内側通路部は、前記吸気通路の内壁に囲まれる状態で配置される管状部材にて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気還流装置。
3. 前記内側通路部は、前記吸気通路の横断方向及び長手方向にそれぞれ延びて前記吸気通路の内壁に接続される一対の仕切り壁部と、前記一対の仕切り壁部にて挟まれた前記吸気通路の内壁とによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気還流装置。

Images