JP5168268B2 - Exhaust gas recirculation device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の排気還流装置、特に排気干渉を回避するよう複数の気筒からの排気を2系統に分けてツインエントリー型の排気ターボ過給機に導入するようにした内燃機関に好適な内燃機関の排気還流装置に関する。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitable for an exhaust gas recirculation device for an internal combustion engine, particularly for an internal combustion engine in which exhaust from a plurality of cylinders is divided into two systems and introduced into a twin entry type exhaust turbocharger so as to avoid exhaust interference. The present invention relates to an exhaust gas recirculation device for an internal combustion engine.
4サイクルの多気筒内燃機関では、全気筒の排気管(排気通路)をそれらの排気ポート近くで集合させると排気干渉が生じるため、排気期間がつながる気筒同士の排気を分けたまま、排気期間が相互に離れる気筒同士からの排気ガスを合流させるように、2系統の合流排気管に排気させるものがある。また、このようなエンジンで過給を行う場合、両合流排気管の排気を排気干渉させることなく取り込むことのできるツインエントリー型の排気ターボ過給機が有効である。そこで、2つの合流排気管およびツインエントリー型の排気ターボ過給機を用いる内燃機関が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In a four-cycle multi-cylinder internal combustion engine, if the exhaust pipes (exhaust passages) of all cylinders are gathered near their exhaust ports, exhaust interference occurs. Some exhaust gas is exhausted to two combined exhaust pipes so that exhaust gases from cylinders that are separated from each other are merged. In addition, when supercharging is performed with such an engine, a twin-entry type exhaust turbocharger that can take in the exhaust of both combined exhaust pipes without causing exhaust interference is effective. Therefore, an internal combustion engine using two combined exhaust pipes and a twin entry type exhaust turbocharger has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
一方、排気ガスの一部を吸気側に還流させる排気還流装置が排気エミッションの低減や燃費向上に有効であることが知られている(例えば、特許文献2参照)。 On the other hand, it is known that an exhaust gas recirculation device that recirculates a part of exhaust gas to the intake side is effective in reducing exhaust emissions and improving fuel efficiency (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、上述のような2つの合流排気管およびツインエントリー型の排気ターボ過給機を備えたエンジンに排気還流装置を装備する場合に、次のような問題があった。 However, when an exhaust gas recirculation device is equipped in an engine equipped with the above-described two combined exhaust pipes and a twin entry type exhaust turbocharger, there are the following problems.
例えば、排気還流装置を装備するエンジンでその排気冷却器の上流側に排気浄化用の触媒ユニットを配置したいとき、排気干渉を抑える必要から2つの合流排気管にある程度の管路長が要求されるため、その触媒ユニットの搭載が容易でない。 For example, in an engine equipped with an exhaust gas recirculation device, when it is desired to dispose a catalyst unit for exhaust purification upstream of the exhaust cooler, a certain length of pipe length is required for two merged exhaust pipes because it is necessary to suppress exhaust interference. Therefore, it is not easy to mount the catalyst unit.
一方、2つの合流排気管の長さを短くすると、排気干渉により排気ガスの脈動成分が消えてターボのタービン翼に到達せず、タービン作動効率が低下することにより、エンジントルクが低下してしまうことが懸念される。 On the other hand, if the lengths of the two combined exhaust pipes are shortened, the pulsation component of the exhaust gas disappears due to the exhaust interference and does not reach the turbine blades of the turbo, and the turbine operating efficiency is lowered, so that the engine torque is lowered. There is concern.
そこで、本発明は、2つの合流排気管およびツインエントリー型の排気ターボ過給機を備える内燃機関において、排気冷却器前触媒等の搭載上の制約をなくすとともに、排気脈動を有効に低減させ排気干渉を抑えることの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。 Therefore, the present invention eliminates restrictions on mounting of a catalyst before the exhaust cooler and the like in an internal combustion engine having two merged exhaust pipes and a twin entry type exhaust turbocharger, and effectively reduces exhaust pulsation and exhaust. It is an object of the present invention to provide an exhaust gas recirculation device for an internal combustion engine that can suppress interference.
本発明に係る内燃機関の排気還流装置は、上記目的達成のため、(1)排気行程順が隣り合う複数の気筒からの排気ガスを分けて排気させるとともに前記排気行程順が相互に離れた複数の気筒からの排気ガスを合流させる第1合流排気管および第2合流排気管と、前記第1合流排気管および第2合流排気管に接続されるツインエントリー型の排気ターボ過給機と、を備えた内燃機関に装備される排気還流装置であって、前記第1合流排気管に接続される第1通路部、前記第2合流排気管に接続される第2通路部および前記内燃機関の吸気管に接続される第3通路部を有し、前記内燃機関の排気ガスの一部を前記第1通路部および前記第2通路部と前記第3通路部とを通して前記吸気管に還流させることができる排気還流通路と、前記排気還流通路の前記第1通路部および前記第2通路部と前記第3通路部との間に介在する三方排気還流弁と、を備え、前記排気還流通路の前記第1通路部および前記第2通路部が、それぞれの通路断面積を最大断面積と最小断面積の間で複数回変化させるよう、前記最小断面積側に位置する環状凹部および前記最大断面積側に位置する環状凸部を蛇腹状に複数段有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, an exhaust gas recirculation apparatus for an internal combustion engine according to the present invention (1) exhausts exhaust gases from a plurality of cylinders whose exhaust stroke order is adjacent to each other and exhausts them separately. A first merging exhaust pipe and a second merging exhaust pipe for merging exhaust gases from the cylinders, and a twin-entry type exhaust turbocharger connected to the first merging exhaust pipe and the second merging exhaust pipe. An exhaust gas recirculation device equipped in an internal combustion engine provided with a first passage portion connected to the first combined exhaust pipe, a second passage portion connected to the second combined exhaust pipe, and an intake air of the internal combustion engine A third passage portion connected to a pipe, and a part of the exhaust gas of the internal combustion engine is recirculated to the intake pipe through the first passage portion, the second passage portion, and the third passage portion. Exhaust recirculation passage and the exhaust recirculation A three-way exhaust recirculation valve interposed between the first passage portion and the second passage portion and the third passage portion of the passage, and the first passage portion and the second passage portion of the exhaust recirculation passage However, the annular recess located on the minimum cross-sectional area side and the annular convex part located on the maximum cross-sectional area side have a bellows shape so that each passage cross-sectional area is changed between the maximum cross-sectional area and the minimum cross-sectional area multiple times. It has a plurality of stages.
この構成により、第1合流排気管および第2合流排気管から排気還流弁までの排気還流通路の第1通路部および第2通路部内において、それぞれ排気ガスが通路断面積の複数回の変化に応じて膨張および収縮を繰り返すことになる。したがって、両通路部内で流速の大きい脈動成分が有効に減衰することにより、両通路部の合流部分では排気干渉が有効に抑制される。また、複数段の蛇腹部を用いるので、通路断面積の最大断面積を過度に大きく設定したり最小断面積を過度に小さく設定したりする必要がなく、排気冷却器前に触媒ユニットを容易に搭載することができるし、過度の圧損が生じることもない。さらに、蛇腹部での表面積の増加により排気を冷却する機能も生じ、排気冷却器の負荷を軽減できるとともに、排気系部品の熱による膨張や収縮を蛇腹部で吸収することもできる。なお、前記三方排気還流弁は、前記第1通路部および前記第2通路部と前記第3通路部とを連通させる開弁状態と、前記第1通路部、前記第2通路部および前記第3通路部のうちいずれの間の連通も遮断する閉弁状態とに切り換えられるのが望ましい。 With this configuration, in the first and second passage portions of the exhaust gas recirculation passage from the first confluence exhaust pipe and the second confluence exhaust pipe to the exhaust gas recirculation valve, the exhaust gas responds to multiple changes in the passage cross-sectional area. Thus, expansion and contraction are repeated. Accordingly, the pulsating component having a large flow velocity in both the passage portions is effectively attenuated, so that exhaust interference is effectively suppressed in the joining portion of both passage portions. In addition, since a plurality of bellows portions are used, there is no need to set the maximum cross-sectional area of the passage cross-sectional area excessively large or the minimum cross-sectional area excessively small, and the catalyst unit can be easily installed before the exhaust cooler. It can be mounted and excessive pressure loss does not occur. Furthermore, the function of cooling the exhaust gas is also generated by increasing the surface area of the bellows portion, so that the load on the exhaust cooler can be reduced and the expansion and contraction due to heat of the exhaust system components can be absorbed by the bellows portion. The three-way exhaust recirculation valve includes a valve-open state in which the first passage portion, the second passage portion, and the third passage portion are in communication, the first passage portion, the second passage portion, and the third passage. It is desirable to switch to a valve closing state that blocks communication between any of the passage portions.
本発明の内燃機関の排気還流装置においては、(2)前記複数段の段数をγとし、各段における前記排気ガスのエネルギの減衰割合をβとするとき、次式(1−β)γ<0.1を満足するよう、前記段数γと、前記最大断面積および前記最小断面積とがそれぞれ設定されていることが好ましい。 In the exhaust gas recirculation apparatus for an internal combustion engine of the present invention, (2) where the number of stages of the plurality of stages is γ and the energy decay rate of the exhaust gas at each stage is β, the following equation (1-β) γ < It is preferable that the step number γ, the maximum cross-sectional area, and the minimum cross-sectional area are set so as to satisfy 0.1.
この構成により、搭載上の制約を受け難い蛇腹の段数や径寸法等を選択しつつ、排気圧脈動の減衰による排気干渉を確実に抑制することができる。 With this configuration, it is possible to reliably suppress exhaust interference due to attenuation of exhaust pressure pulsation while selecting the number of bellows, the size of the bellows, and the like that are not easily restricted by mounting.
本発明によれば、2つの合流排気管およびツインエントリー型の排気ターボ過給機を備える内燃機関において、排気冷却器前触媒等の搭載上の制約をなくすとともに、排気脈動を有効に低減させ排気干渉を抑えることのできる内燃機関の排気還流装置を提供することができる。 According to the present invention, in an internal combustion engine equipped with two combined exhaust pipes and a twin entry type exhaust turbocharger, there is no restriction on mounting a catalyst before the exhaust cooler and the like, and exhaust pulsation is effectively reduced and exhaust is reduced. An exhaust gas recirculation device for an internal combustion engine that can suppress interference can be provided.
以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1〜図3に、本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気還流装置を示している。 1 to 3 show an exhaust gas recirculation device for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention.
図1に示すエンジン10は、車両用の多気筒内燃機関、例えば4気筒ガソリンエンジン(以下、単にエンジンという)で、複数の気筒11を有している。
An
このエンジン10には、各気筒11内の燃焼室(詳細を図示していない)に燃料を噴射する図示しない公知の燃料噴射装置と、燃焼室に空気を吸入させる吸気装置12と、燃焼室からの排気ガスを排気させる排気装置13と、排気装置13内の排気エネルギにより回転する排気タービン14Tおよびこれと一体回転する吸入空気コンプレッサ14Cを有するツインエントリー型の排気ターボ過給機14と、排気ガスの一部を吸気側に還流させ再循環させる排気還流装置15とが装備されている。なお、燃料噴射装置は、図外の燃料タンクから燃料を汲み上げる燃料ポンプと、後述する電子制御ユニット(以下、ECUという)30からの噴射指令信号に対応するタイミングおよびデューティ比で燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁とを含んで構成されている。
The
吸気装置12には、吸気マニホルド21と、それより上流側の吸気通路を形成する吸気管22と、吸気管22の上流側でフィルタにより吸入空気を清浄化するエアクリーナ23と、排気ターボ過給機14の吸入空気コンプレッサ14Cより下流側で過給により昇温した吸入空気を冷却するインタークーラ24と、吸入空気流量(新気の吸気量)を検出するエアフローメータ25と、エンジン10内への吸気量を調整するスロットルバルブ26と、吸気マニホルド21の上流側で吸気の脈動等を抑えるサージタンク27とが、それぞれ設けられている。
The
排気装置13は、排気マニホルド31と、それより下流側の排気通路を形成する排気管32と、排気ターボ過給機14の排気タービン14Tより下流側の排気管32に装着された空燃比センサ33と、排気浄化触媒を内蔵する排気後処理装置34と、を含んで構成されている。
The
ここで、排気マニホルド31には、エンジン10の複数の気筒のうち排気期間(排気行程順)が相互に離れる一組の気筒の排気ポート、例えば第1気筒および第4気筒(図1中の#1、#4)の排気ポート(図示せず)に接続する第1合流排気管31aと、エンジン10の複数の気筒のうち排気期間が相互に離れる残りの気筒の排気ポート、例えば第2気筒および第3気筒(図1中の#2、#3)の排気ポート(図示せず)に接続する第2合流排気管31bとが形成されており、これら第1、第2合流排気管31a、31bは、それぞれ独立してツインエントリー型の排気ターボ過給機14の後述する2つのノズル通路部に接続されている。すなわち、排気行程順が隣り合い排気弁の開弁期間が部分的に重なる気筒同士(例えば、第1気筒と第3気筒)の間では排気干渉が生じるので排気通路を2系統に分けて排気させ、排気弁の開弁期間が重ならず離れている気筒同士(例えば、第1気筒と第4気筒)の間では排気ガスを同一系統で合流させるように、2系統の合流排気管31a、31bを設けている。
Here, the
空燃比センサ33は、例えば下流側の排気管32を通る排気ガス中の酸素濃度が理論空燃比(ガソリンと空気が完全に燃焼し余剰の酸素が残らない空燃比)に対応する値であるか否かによって出力が変化する排気酸素濃度センサで構成されている。
In the air-
排気後処理装置34は、例えば三元触媒で構成され、排気ガス中のNOxをNO2やNOに還元し排気ガス中のHCやCOと反応させてN2としたり、HCやCOを酸化させてH2OやCO2としたりすることができるようになっている。なお、エンジン10は、空燃比センサ33の検出情報を基にECU30によりフィードバック制御され、排気後処理装置34の良好な排気浄化特性が得られる理論空燃比で運転されるようになっている。
The
排気ターボ過給機14の吸入空気コンプレッサ14Cおよび排気タービン14Tは、互いに回転方向一体に連結されており、排気装置13内で排気タービン14Tを排気エネルギにより回転させるとともに吸気装置12内で吸入空気コンプレッサ14Cを回転させ、エンジン10内に自然吸気より多くの空気を吸入させる過給を行うことができる。
The
また、排気ターボ過給機14は、排気タービン14T内にエンジン10の第1気筒および第4気筒からの排気を導入するとともにその流路を絞って加速する第1ノズル通路部14aと、排気タービン14T内にエンジン10の第2気筒および第3気筒からの排気を導入するとともにその流路を絞って加速する第2ノズル通路部14bとを有している。そして、これら第1ノズル通路部14aおよび第2ノズル通路部14bから、排気タービン14Tのタービンロータ14cに排気干渉による圧力低下なく排気ガスを供給することで、排気ターボ過給機14は、高いタービン作動効率にて作動することができる。
Further, the
排気還流装置15には、エンジン10内の燃焼室をバイパスして排気マニホルド31内の排気通路と吸気マニホルド21内の吸気通路とを連通させる排気還流用のEGR通路51(排気還流通路)と、このEGR通路51による排気還流量を調整するEGRバルブ52(三方排気還流弁)と、EGR通路51を通って還流する排気ガスを冷却するEGRクーラ53(排気冷却器)と、EGRクーラ53に入る排気ガスを浄化するEGRクーラ前触媒ユニット54とが、それぞれ設けられている。
The exhaust
ここで、EGR通路51は、エンジン10の排気通路側から吸気通路側に排気の一部を還流させる排気還流通路であり、EGRクーラ53はこのEGR通路51の一部を冷却通路としている。
Here, the
また、EGRバルブ52は、例えば排気ガスを吸気通路側に還流させる開弁状態と、その接続を遮断する閉弁状態とに切り換え可能で、ECU30からの所定時間当りの開弁指示信号の長さの比率(デューティ比)によりその開度を制御できるものである。勿論、EGRバルブ52は、回動式の弁体の回動角度を全開位置から全閉位置までの間で変化させるようなタイプのものでもよい。
Further, the
EGRクーラ53は、EGR通路51を通って還流する排気ガスを、エンジン10の冷却システムを通る冷却水との熱交換により冷却するものである。
The
EGRクーラ前触媒ユニット54は、例えば酸化触媒または同様な三元触媒で構成されている。
The EGR
一方、EGR通路51は、排気マニホルド31の第1合流排気管31aおよび第2合流排気管31bから三方弁であるEGRバルブ52まで延在する第1通路部51aおよび第2通路部51bと、EGRバルブ52からサージタンク27まで延在する第3通路部51cとによって構成されており、エンジン10の排気ガスの一部を第1通路部51aおよび第2通路部51bと第3通路部51cとを通して吸気通路側に還流させることができるようになっている。ここで、第1通路部51aは排気マニホルド31の第1合流排気管31aに接続され、第2通路部51bは排気マニホルド31の第2合流排気管31bに接続されており、第3通路部51cはエンジン10の吸気通路の一部であるサージタンク27の内部空間に接続されている。
On the other hand, the
また、図2および図3に示すように、第1通路部51aおよび第2通路部51bは、それぞれ略同一長さの同様な管路を形成しており、それぞれ通路断面積を最大断面積A2と最小断面積A1の間で複数回変化させるよう、最小断面積A1側に位置する小径部51vおよび最大断面積A2側に位置する大径部51pを蛇腹状に複数段有している。すなわち、第1通路部51aおよび第2通路部51bは、EGR通路51の上流側部分を形成する2本の排気還流管55、56の蛇腹部55bw、56bwによってそれらの内部に形成されている。
Further, as shown in FIGS. 2 and 3, the
より具体的には、第1通路部51aおよび第2通路部51bの小径部51vにおける通路断面積は、小径部51vの形成区間p1のほぼ全域において最小断面積A1かそれに近い値となっており、第1通路部51aおよび第2通路部51bの大径部51pにおける通路断面積は、大径部51pの形成区間p2のほぼ全域において最大断面積A2かそれに近い値となっている。なお、EGR通路51の第3通路部51cの断面積は、最小断面積A1の2倍以上に設定される。
More specifically, the passage cross-sectional area in the
図3においては、蛇腹部55bw、56bwの断面をコーナーRを有する略矩形波状に図示したが、コーナーRが無くてもよいし、逆にトロコイド曲線状の波形の断面でもよい。また、小径部51vおよび大径部51pがそれぞれ略V字形となってもよい。
In FIG. 3, the cross sections of the
ただし、第1通路部51aおよび第2通路部51bにおいては、隣り合う小径部51vおよび大径部51pを1段の蛇腹形状としてその設置段数をγとし、その各段の小径部51vおよび大径部51pを通過する際における排気ガスのエネルギの減衰割合をβとするとき、次式(1)を満足するように、その段数γと、最大断面積A2に対する最小断面積A1の比とが、それぞれ設定されている。この式は、複数段の蛇腹状の小径部51vおよび大径部51pによるトータルの比エネルギ損失をサージタンクのそれに近い程度(1−(1−β)γ>0.9)にするための設定条件を示すものである。
However, in the 1st channel |
(1−β)γ<0.1 ・・・(1)
ただし、減衰割合βは、小径部51vから大径部51pへの各拡大管部分におけるエネルギ損失割合とその大径部51pから次段の小径部51vへの各縮小管部分におけるエネルギ損失割合とを合せたものである。
(1-β) γ <0.1 (1)
However, the attenuation ratio β is defined as an energy loss ratio in each enlarged tube portion from the
ここで、EGR通路51における排気ガスの流れはそれほど急ではないことから、非圧縮性流体についての拡大管や縮小管におけるエネルギ損失と同様に考え、概略の比エネルギ損失を見積もることができる。
Here, since the flow of the exhaust gas in the
すなわち、ここでの拡大管部分におけるエネルギ損失については、最小断面積A1の小径部51v内を速度vaで進む排気ガスが小径部51vから直後の最大断面積A2の大径部51pに入って拡張され、速度va´になるとすると、その拡張の際の比エネルギ損失ΔE1およびそれを決める損失係数β1は、それぞれ次式(2)、(3)で表すことができる。この場合、速度vaの大きい脈動成分に対してエネルギ損失が大きいということができる。
That is, regarding the energy loss in the expanded pipe portion here, the exhaust gas traveling at the speed va in the
ΔE1=β1・(va2/2)・・・(2)
β1=ξ・(1−(A1/A2))2・・・(3)
ただし、(3)式中の係数ξは1に近い値であるので、以下、ξ=1として考える。
ΔE1 = β1 · (va 2/ 2) ··· (2)
β1 = ξ · (1− (A1 / A2)) 2 (3)
However, since the coefficient ξ in the equation (3) is a value close to 1, hereinafter, it is assumed that ξ = 1.
また、ここでの縮小管部分によるエネルギ損失については、最大断面積A2の大径部51p内を速度vb´で進む排気ガスがその直後の最小断面積A1の小径部51vに入って縮小され、速度vbになるとすると、その際の比エネルギ損失ΔE2および損失係数β2は、それぞれ次式(4)、(5)で表すことができる。
As for the energy loss due to the reduced tube portion here, the exhaust gas traveling at a speed vb ′ in the
ΔE2=β2・(vb2/2)・・・(4)
β2=(1/c−1)2・・・(5)
なお、ここで、cは、縮流係数であり、直後の小径部51vに入る際の縮流の最小断面積をA3とするとき、A3/A1に相当する値である。
ΔE2 = β2 · (vb 2/ 2) ··· (4)
β2 = (1 / c−1) 2 (5)
Here, c is a contraction coefficient, and is a value corresponding to A3 / A1, where A3 is the minimum cross-sectional area of contraction flow when entering the
これら損失係数β1、β2は、管路形状によって大きく異なり、例えば縮小管部分に緩やかな傾斜やコーナーRがある場合、その縮小管によるエネルギ損失は小さくなる。
したがって、例えば熱歪みの影響等を抑えやすいように蛇腹部に緩やかな傾斜やコーナーRを付ける場合、縮小管部分における損失係数β2は十分小さいと考えて、拡大管部分における損失係数β1を各段の損失割合βと考えることができる。
より具体的には、例えば拡大管部分の小径部51vおよび大径部51pの断面積比A1/A2を0.5(小径部51vの直径(通路内径)d1と大径部51pの直径d2の比d1/d2を約0.7)とし、蛇腹の段数γを9段とした場合、同断面積比A1/A2を0.4(d1/d2を約0.63)とし、蛇腹の段数γを6段とした場合、あるいは、同断面積比A1/A2を0.3(d1/d2を約0.55)とし、蛇腹の段数γを4段とした場合のいずれにおいても、図4に示す損失割合β1のデータを基に(1−β1)γを求めると、0.1より十分に小さくなり、サージタンクに近い脈動減衰効果が期待できる。
These loss coefficients β1 and β2 vary greatly depending on the pipe shape. For example, when there is a gentle inclination or a corner R in the contraction tube portion, energy loss due to the contraction tube becomes small.
Therefore, for example, when a gentle slope or corner R is added to the bellows part so as to easily suppress the influence of thermal distortion, the loss coefficient β2 in the reduction pipe part is considered to be sufficiently small, and the loss coefficient β1 in the expansion pipe part is set to each stage. The loss ratio β can be considered.
More specifically, for example, the cross-sectional area ratio A1 / A2 of the
このように複数段の拡大管部分による脈動の減衰を考えた場合、最小断面積A1と最大断面積A2の比である断面積比A1/A2は、A1/A2<0.4(d1/d2<0.63)となるように設定することで、排気還流装置15の搭載上の制約を十分に抑えることができる。
また、第1通路部51aおよび第2通路部51bのそれぞれの小径部51vの形成区間p1は、特に限定されないが、小径部51vの直径(通路内径)d1に近い長さであり、一方、大径部51pの形成区間p2は、大径部51pの直径(通路内径)d2に近い長さである。
In this way, when considering the attenuation of pulsation due to the plurality of stages of enlarged tube portions, the cross-sectional area ratio A1 / A2, which is the ratio of the minimum cross-sectional area A1 and the maximum cross-sectional area A2, is A1 / A2 <0.4 (d1 / d2 By setting so as to satisfy <0.63), it is possible to sufficiently suppress restrictions on mounting the exhaust
Further, the formation section p1 of the
図2に示すように、EGRバルブ52は、EGR通路51の第1通路部51aおよび第2通路部51bが接続される2つの入口ポート52a、52bと、EGR通路51の第3通路部51cが接続される1つの出口ポート52cとを有しており、EGR通路51の第1通路部51aおよび第2通路部51bと第3通路部51cとの間に介在する三方電磁弁として構成されている。また、EGRバルブ52は、第1通路部51aおよび第2通路部51bと第3通路部51cとを連通させる開弁状態と、第1通路部51a、第2通路部51bおよび第3通路部51cのうちいずれの間の連通も遮断する閉弁状態とに切り換えられるようになっている。
As shown in FIG. 2, the
具体的には、EGRバルブ52は、入口ポート52a、52bを出口ポート52cに連通させる開弁位置[I]と入口ポート52a、52bおよび出口ポート52cを個別にブロックする閉弁位置[II]とに切り換えることができる弁体52vと、この弁体52vを常時閉弁方向に付勢するスプリング52pと、弁体52vを開弁方向に駆動することができる電磁操作部52sとを有している。なお、このような三方弁の構成自体は公知のものと同様であるが、電磁操作部52sはECU30からの所定時間当りの開弁指示信号により励磁駆動され、EGRバルブ52を開弁指示信号のデューティ比に応じた開度にすることができる。
Specifically, the
EGRクーラ53は、例えば特開2006−348873号公報に記載されるEGRクーラと同様な冷却通路構造をなし、EGRクーラ前触媒ユニット54は、例えば特開2005−240641号公報に記載される浄化用触媒と同様な通路構造をなすように構成されている。
The
次に、作用について説明する。 Next, the operation will be described.
上述のように構成された本実施形態の内燃機関の排気還流装置では、エンジン10の運転時に、排気マニホルド31の第1合流排気管31aおよび第2合流排気管31bからEGR通路51の第1通路部51aおよび第2通路部51bに排気脈動を伴う排気ガスが流入する。
In the exhaust gas recirculation apparatus for an internal combustion engine of the present embodiment configured as described above, the first passage of the
このとき、EGR通路51の第1通路部51aおよび第2通路部51bの内部を通る排気ガスは、小径部51vから大径部51pへの各拡大管部分と、その大径部51pから次段の小径部51vへの各縮小管部分とを通過し、それぞれの通路断面積の変化に応じて膨張および収縮を複数回繰り返すことになり、両通路部51a、51bの内部で流速の大きい脈動成分がサージタンクに流入する程度にまで有効に減衰されることになる。したがって、EGRバルブ52の開弁時に、第1通路部51aおよび第2通路部51bを通る2系統の合流排気ガスがEGRバルブ52の内部でさらに合流されて全気筒分集合するとき、両通路部51a、51bからの排気ガスはすでに脈動成分が十分に減衰しており、排気干渉が有効に抑制されることになる。
At this time, the exhaust gas passing through the inside of the
本実施形態では、第1通路部51aおよび第2通路部51bのそれぞれが、隣り合う小径部51vおよび大径部51pを1段とする複数段の蛇腹状部分を有する構成となっているので、通路断面積の最大断面積A2を過度に大きく設定したり最小断面積A1を過度に小さく設定したりする必要がなく、EGRクーラ前触媒ユニット54までの通路長さが短くできる。したがって、EGRクーラ53の前にEGRクーラ前触媒ユニット54を容易に搭載することができる。
In the present embodiment, each of the
また、2本の排気還流管55、56の蛇腹部55bw、56bwでそれぞれ放熱面となる表面積が増加することによって、第1通路部51aおよび第2通路部51bを通る排気温度が高い排気ガスを冷却する機能も生じることになり、EGRクーラ53の冷却負荷をも軽減できる。加えて、排気系部品の熱による膨張や収縮(歪)を2本の排気還流管55、56の蛇腹部55bw、56bwで有効に吸収することができ、周辺部品の亀裂等を防止することができる。
In addition, since the surface areas serving as heat dissipation surfaces of the bellows portions 55bw and 56bw of the two exhaust
さらに、本実施形態では、隣り合う小径部51vおよび大径部51pを1段とする複数段の蛇腹状部分の段数をγとし、その各段における排気ガスのエネルギの減衰割合をβとするとき、(1−β)γ<0.1を満足するように、段数γと、最大断面積A2および最小断面積A1がそれぞれ設定されているので、搭載上の制約を受け難い蛇腹の段数γや通路内径寸法d1、d2等を選択しつつ、排気圧脈動の減衰による排気干渉を確実に抑制することができる。
Furthermore, in this embodiment, when the number of stages of the plurality of bellows-like parts including the adjacent small-
このように、本実施形態においては、2つの合流排気管31a、31bおよびツインエントリー型の排気ターボ過給機14を備えるエンジン10において、EGRクーラ前触媒ユニット54等の搭載上の制約をなくすとともに、排気脈動を有効に低減させ排気干渉を抑えることのできる排気還流装置15を提供することができる。
As described above, in the present embodiment, in the
また、本実施形態では、EGRバルブ52の閉弁時には、第1通路部51aと第2通路部51bの間が遮断されることで、排気干渉が確実に防止され、エンジントルクの低下が防止される。
Further, in the present embodiment, when the
なお、本実施形態においては、EGRバルブ52がEGRクーラ53より上流側(第1および第2合流排気管側)に配置されていたが、EGRバルブ52は、EGRクーラ前触媒ユニット54より下流側(第1および第2合流排気管から離れる側)あるいはさらにEGRクーラ53より下流側に配置されてもよい。この場合、EGRバルブ52より上流側に2つの合流排気管31a、31bに対応する第1通路部51aおよび第2通路部51bが長く形成されることになる。したがって、例えばEGRクーラ前触媒ユニット54とEGRクーラ53の間に2本の排気還流管55、56と類似の排気還流管を併設し、第1通路部51aおよび第2通路部51bが、EGRクーラ前触媒ユニット54とEGRクーラ53の間でも、それぞれの通路断面積を最大断面積A2と最小断面積A1の間で複数回変化させるようにすることができる。その場合、断面積比A1/A2を比較的大きく設定することができる。
In the present embodiment, the
上述の実施形態では、エンジン10をガソリンエンジンとしたが、ディーゼルエンジンであってもよいし、これとは異なる燃料を用いる任意の4サイクルエンジンであってもよい。また、排気冷却気前の触媒ユニットは、酸化触媒または三元触媒に限らず、NOx吸蔵触媒やディーゼルパティキュレートフィルタであってもよい。
In the above-described embodiment, the
以上のように、本実施形態に係る内燃機関の排気還流装置は、2つの合流排気管およびツインエントリー型の排気ターボ過給機を備える内燃機関において、排気冷却器前触媒等の搭載上の制約をなくすとともに排気脈動を有効に低減させ排気干渉を抑えることのできる内燃機関の排気還流装置を提供することができるという効果を奏するものであり、排気干渉を回避するよう複数の気筒からの排気を2系統に分けてツインエントリー型の排気ターボ過給機に導入するようにした内燃機関に装備される排気還流装置全般に有用である。 As described above, the exhaust gas recirculation device for an internal combustion engine according to the present embodiment is a restriction on mounting an exhaust cooler pre-catalyst or the like in an internal combustion engine including two combined exhaust pipes and a twin entry type exhaust turbocharger. In addition, an exhaust gas recirculation device for an internal combustion engine that can effectively reduce exhaust pulsation and suppress exhaust interference can be provided, and exhaust from a plurality of cylinders can be provided to avoid exhaust interference. This is useful for exhaust gas recirculation devices that are installed in internal combustion engines that are divided into two systems and introduced into twin-entry exhaust turbochargers.
10 エンジン(内燃機関)
11 気筒
12 吸気装置
13 排気装置
14 排気ターボ過給機
14C 吸入空気コンプレッサ
14T 排気タービン
15 排気還流装置
21 吸気マニホルド
22 吸気管(吸気通路)
27 サージタンク(吸気通路)
30 ECU(電子制御ユニット)
31 排気マニホルド
31a 第1合流排気管
31b 第2合流排気管
32 排気管(排気通路)
51 EGR通路(排気還流通路)
51a 第1通路部
51b 第2通路部
51c 第3通路部
51p 大径部(環状凸部)
51v 小径部(環状凹部部)
52 EGRバルブ(三方排気還流弁)
52a、52b 入口ポート
52c 出口ポート
53 EGRクーラ(排気冷却器)
54 EGRクーラ前触媒ユニット(触媒)
55、56 排気還流管
55bw、56bw 蛇腹部
A1 最小断面積
A2 最大断面積
p1、p2 形成区間
10 Engine (Internal combustion engine)
11
27 Surge tank (intake passage)
30 ECU (Electronic Control Unit)
31
51 EGR passage (exhaust gas recirculation passage)
51a 1st channel |
51v Small diameter part (annular recess)
52 EGR valve (3-way exhaust recirculation valve)
52a,
54 EGR cooler front catalyst unit (catalyst)
55, 56 Exhaust gas recirculation pipe 55bw, 56bw Bellows A1 Minimum cross-sectional area A2 Maximum cross-sectional area p1, p2 Formation section
Claims (2)
前記第1合流排気管に接続される第1通路部、前記第2合流排気管に接続される第2通路部および前記内燃機関の吸気管に接続される第3通路部を有し、前記内燃機関の排気ガスの一部を前記第1通路部および前記第2通路部と前記第3通路部とを通して前記吸気管に還流させることができる排気還流通路と、
前記排気還流通路の前記第1通路部および前記第2通路部と前記第3通路部との間に介在する三方排気還流弁と、を備え、
前記排気還流通路の前記第1通路部および前記第2通路部が、それぞれの通路断面積を最大断面積と最小断面積の間で複数回変化させるよう、前記最小断面積側に位置する環状凹部および前記最大断面積側に位置する環状凸部を蛇腹状に複数段有することを特徴とする内燃機関の排気還流装置。 A first merging exhaust pipe and a second merging exhaust pipe for separately evacuating exhaust gases from a plurality of cylinders adjacent to each other in an exhaust stroke order and merging exhaust gases from a plurality of cylinders whose exhaust stroke orders are separated from each other; An exhaust gas recirculation device equipped in an internal combustion engine comprising a twin-entry exhaust turbocharger connected to the first combined exhaust pipe and the second combined exhaust pipe,
A first passage portion connected to the first combined exhaust pipe, a second passage portion connected to the second combined exhaust pipe, and a third passage portion connected to an intake pipe of the internal combustion engine; An exhaust gas recirculation passage capable of recirculating a part of engine exhaust gas to the intake pipe through the first passage portion, the second passage portion, and the third passage portion;
A three-way exhaust recirculation valve interposed between the first passage portion and the second passage portion and the third passage portion of the exhaust recirculation passage;
An annular recess located on the minimum cross-sectional area side so that the first passage portion and the second passage portion of the exhaust gas recirculation passage change each passage cross-sectional area a plurality of times between the maximum cross-sectional area and the minimum cross-sectional area. And an exhaust gas recirculation device for an internal combustion engine having a plurality of annular convex portions located on the maximum cross-sectional area side in a bellows shape.
(1−β)γ<0.1
を満足するよう、前記段数γと、前記最大断面積および前記最小断面積とがそれぞれ設定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。 When the number of stages in the plurality of stages is γ and the energy decay rate of the exhaust gas in each stage is β, the following equation (1-β) γ <0.1
2. The exhaust gas recirculation device for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the stage number γ, the maximum cross-sectional area, and the minimum cross-sectional area are set so as to satisfy the following equation.
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