特許第6041690号(P6041690)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6041690
(24)【登録日】2016年11月18日
(45)【発行日】2016年12月14日
(54)【発明の名称】EGR装置付き内燃機関
(51)【国際特許分類】
   F02M 26/44 20160101AFI20161206BHJP
   F02M 26/14 20160101ALI20161206BHJP
【FI】
   F02M26/44
   F02M26/14
【請求項の数】1
【全頁数】9
(21)【出願番号】特願2013-16304(P2013-16304)
(22)【出願日】2013年1月31日
(65)【公開番号】特開2014-148895(P2014-148895A)
(43)【公開日】2014年8月21日
【審査請求日】2015年12月25日
(73)【特許権者】
【識別番号】000002967
【氏名又は名称】ダイハツ工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100099966
【弁理士】
【氏名又は名称】西 博幸
(74)【代理人】
【識別番号】100134751
【弁理士】
【氏名又は名称】渡辺 隆一
(72)【発明者】
【氏名】田村 翔太
【審査官】 稲葉 大紀
(56)【参考文献】
【文献】 特開2007−024022(JP,A)
【文献】 特開昭48−103928(JP,A)
【文献】 特表2005−528554(JP,A)
【文献】 特開平11−311114(JP,A)
【文献】 特開平07−259654(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F02M 26/44
F02M 26/14
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
途中に触媒コンバータを介挿した排気通路と、吸気系に排気ガスを還流させるために前記排気通路に一端部を接続したEGRパイプと、排気ガスの還流量を制御するEGRバルブとを備えた構成であって、
一端部が前記EGRパイプのうち前記EGRバルブよりも上流側の部位に接続されて他端部が前記排気通路に接続されたバイパス管路を、当該バイパス管路の他端部が前記EGRパイプの一端部よりも下流側に位置するようにして設けており、
前記排気通路のうち前記EGRパイプの一端部の箇所での排気ガスの圧力とバイパス管路の他端部の箇所での排気ガスの圧力との圧力差をEGRパイプ及びバイパス管路の流れ抵抗に勝る大きさとすることにより、前記EGRバルブを閉じた状態では排気ガスがEGRパイプからバイパス管路に自然に流れて、前記EGRバルブを開いた状態では排気ガスが前記バイパス管路からもEGRパイプに自然に流れるように設定している、
EGR装置付き内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願発明は、EGR装置を備えた内燃機関に関し、特に、車両用内燃機関を好適な対象にしている。
【背景技術】
【0002】
近年の車両用内燃機関では、排気ガスの直接的な浄化手段として触媒コンバータを備えていると共に、排気ガスの有害成分濃度低下や燃費改善等のためにEGR装置を設けていることが多い。触媒コンバータはある程度の温度以上で活性度が高くなる性質があり、従って、機関を早期暖機して触媒コンバータの温度を早く昇温させるのが好ましい。
【0003】
他方、EGR装置に関しては、排気ガスの還流は燃焼の不安定化をもたらす虞があるため、暖機運転中はEGRバルブを閉じて排気ガスが還流しないように制御しており、暖機運転が終了してから負荷や回転数が予め設定された条件に至ると、排気ガスを還流させる制御システムになっている。
【0004】
そして、EGR装置は排気通路から排気ガスを取り出すためのEGRパイプを備えていることが多く、特許文献1には、排気通路に2つの触媒コンバータを備えた内燃機関において、排気通路のうち上流側の触媒コンバータと下流側の触媒コンバータとの間の部位にEGRパイプを接続すると共に、EGRパイプの中途部と排気通路とを連通させる接続管を設けて、排気通路と接続管との接続部に、接続管の終端を閉じて排気通路を開き状態にする態様と、接続管の終端を閉じて排気通路を閉じ状態にする態様とに切り替える制御弁を設けた構成が開示されている。
【0005】
特許文献1は暖機運転中での排気ガスの廃熱の有効利用を目的としたもので、EGRパイプの中途部に廃熱回収のための熱交換器を設けており、暖機運転中は排気ガスが接続管を経由して下流側の触媒コンバータに流れて、暖機運転終了後は接続管の終端を閉じることで、EGRガスはEGRパイプのみを流れて、EGRガス以外の排気ガスは上流側の触媒コンバータから下流側の触媒コンバータにダイレクトに流れるように制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2007−24022号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
さて、上記のとおり、排気ガスは暖機運転終了後に吸気系に還流するようになっており、機関の温度は例えば冷却水の温度によって検知されるが、暖機運転終了後でも、EGRパイプが十分に昇温していないと、排気ガスがEGRパイプで冷やされることで燃焼が不安定化するおそれがある。すなわち、シリンダブロックやシリンダヘッドの機関本体は設定温度に昇温していても、EGRパイプが十分に昇温していないことで、低い温度の排気ガスの還流によって燃焼が不安定化するおそれがある。
【0008】
この点、特許文献1は暖機運転中にもEGRパイプに排気ガスが流れるため、温度が過度に低下した排気ガスの還流による燃焼の不安定化を抑制できると言えるが、排気ガスの流れの切り替えのために制御弁を設けねばならないため、それだけ構造が複雑化することになる。また、制御弁が故障すると、例えば、高出力状態で大量の排気ガスが発生しているのに接続管をバイパスした流れしか確保できないといった事態が発生する可能性もあり、実際の内燃機関に適用するに当たっての信頼性が低いという問題もある。
【0009】
更に、吸気系に還流するEGRガスの温度が過度に高くなると充填効率が低下する問題があることから、EGRガスはある程度以上の温度域に達すると今度は冷却するのが好ましく、従って、EGR装置はできるだけ放熱性を高くするのが好ましいが、特許文献1の接続管は放熱にはなんら寄与しておらず、放熱性はEGRパイプと熱交換器に依存しているため、それらEGRパイプ及び熱交換器の熱負荷が大きくなる問題もある。
【0010】
本願発明は、かかる現状を改善すべく成されたものである。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本願発明は、途中に触媒コンバータを介挿した排気通路と、吸気系に排気ガスを還流させるために前記排気通路に一端部を接続したEGRパイプと、排気ガスの還流量を制御するEGRバルブとを備えた構成であって、一端部が前記EGRパイプのうち前記EGRバルブよりも上流側の部位に接続されて他端部が前記排気通路に接続されたバイパス管路を、当該バイパス管路の他端部が前記EGRパイプの一端部よりも下流側に位置するようにして設けている。
【0012】
そして、前記排気通路のうち前記EGRパイプの一端部の箇所での排気ガスの圧力とバイパス管路の他端部の箇所での排気ガスの圧力との圧力差をEGRパイプ及びバイパス管路の流れ抵抗に勝る大きさとすることにより、前記EGRバルブを閉じた状態では排気ガスがEGRパイプからバイパス管路に自然に流れて、前記EGRバルブを開いた状態では排気ガスが前記バイパス管路からもEGRパイプに自然に流れるように設定している。
【0013】
排気通路のうちEGRパイプの一端部の箇所とバイパス管路の他端部の箇所とに所望の圧力差を設ける手段(圧力差確保手段)としては、例えば、EGRパイプの一端部を触媒コンバータのロアコーン部に接続して、バイパス管路の他端部をロアコーン部よりも下流側に配置するなど、種々の手段を採用できる。端的には、EGRパイプの一端部とバイパス管路の他端部との距離を長く取ったらよいが、オリフィス作用やエゼクター作用を利用することで、両者の間隔を短くしつつ必要な圧力差を確保することも可能である。
【発明の効果】
【0014】
本願発明では、暖機運転のためにEGRバルブを閉じた状態では排気ガスの一部がEGRパイプからバイパス管路を通って排気通路に戻るため、暖機運転しながらEGRパイプを温めることができる。このため、機関本体が所定の温度に昇温してEGRガスを還流させたときに、排気ガスがEGRパイプの冷却作用で温度低下することはなく、暖機運転直後にEGR装置を作動させても安定した燃焼を確保することができる。
【0015】
また、EGRバルブを開くとバイパス管路からもEGRガスが還流するため、バイパス管路を放熱管として機能させることができる。そのため、EGRパイプの熱負担を軽減して耐久性を向上できる。そして、本願発明は排気ガスの圧力差を利用してバイパス管路に排気ガスを流すものであり、特許文献1のような制御弁は不要であるため、構造が簡単でコスト面で有利であると共に、故障の問題もなくて現実適応性に優れている。
【0016】
さて、内燃機関では燃焼(爆発)と排気とが間欠的に行われことから、排気通路を通る排気ガスの流れに脈動が生じている。このため、排気ガスの還流量の正確な制御が阻害されるおそれや、排気ガスの脈動が吸気系の脈動と共振してスムースな燃焼を阻害するおそれが懸念される。
【0017】
この点、本願発明では、EGRパイプの一端部とバイパス管路の他端部との位置関係やEGRパイプの長さとバイパス管路の長さとを調整することで、EGRパイプを流れるEGRガスの脈動とバイパス管路を流れるEGRガスの脈動とを打ち消し合うように合流させることができる。これにより、EGRバルブや吸気系に至る段階でEGRガスの脈動を消滅又は大幅に減衰させることが可能になる。その結果、EGRガスの正確な制御やスムースな燃焼を確保することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
図1】第1実施形態の概略正面図である。
図2】第1実施形態の概略平面図である。
図3】(A)は作用を説明するための模式的な平面図、(B)は排気ガス圧力の関係を示すグラフである。
図4】脈動の減衰状態を示すグラフである。
図5】第2実施形態を示す図で、(A)は正面図、(B)は(A)のB−B視断面図である。
図6】第3実施形態の要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
(1).第1実施形態の構造
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図1〜4に基づいて第1実施形態を説明する。図1,2のとおり、内燃機関は、シリンダブロック1とその上面に固定されたシリンダヘッド2とからなる機関本体を有しており、シリンダヘッド2の上面には動弁機構を覆うヘッドカバー3が固定されている。
【0020】
本実施形態の内燃機関は3気筒であり、そこで、シリンダヘッド2の一側面2aには、1つの集合部4bから3本の枝部4aが分岐した吸気マニホールド4が固定されて、シリンダヘッド2の他側面2bには、排気通路の一部として、3本の枝部5aを有する排気マニホールド5が固定されている。あえて述べる間でもないが、吸気マニホールド4にはエアクリーナを始端とする吸気通路が接続されており、吸気通路にスロットルバルブやサージタンクなどを設けている。
【0021】
排気マニホールド5の枝部5aは下向きに開口した集合部5bに集合しており、集合部5bには、触媒コンバータ6を構成する触媒ケース7が接続されている。触媒ケース7は、三元触媒が収納された円筒状のストレート部7aとその上端に連続した上窄まり台錘状のアッパーコーン部7b、及び、ストレート部7aの下端に連続した下窄まり台錘状のロアコーン部7cから成っており、アッパーコーン部7bが排気マニホールド5の集合部5bに接続されている。
【0022】
触媒ケース7のロアコーン部7cにはその下端と同径のストレート部6dが設けられており、ストレート部6dに板金製のブラケット8を溶接等で固定し、ブラケット8をボルト(図示せず)でシリンダブロック1の一側面に固定している。触媒ケース7のストレート部6dには、排気管9が接続されている。そして、触媒ケース7におけるロアコーン部7cの傾斜面にEGRパイプ10の一端部10aが接続されている。EGRパイプ10はその一端部10aから上向きに立ち上がっており、他端部10bは、端板11を介してシリンダヘッド2の他側面2bに固定されている。
【0023】
図2に示すように、シリンダヘッド2にはEGRパイプ10に連通した還流穴12が一側面2aと他側面2bとに貫通するように形成されており、シリンダヘッド2の一側面2bには、EGRガスの還流量を調節するEGRバルブ13を固定している。従って、EGRパイプ10はその全体がEGRバルブ13よりも上流側に位置している。EGRバルブ13の出口と吸気マニホールド5の集合部とは、還流パイプ14で接続されている。従って、本実施形態では、EGRパイプ10と還流穴12と還流パイプ14とでEGR通路が構成されている。
【0024】
なお、還流パイプ14を設けることに代えて、図2に一点鎖線で示すように、吸気マニホールド4に還流路15を一体に設けて、還流路15からシリンダヘッド2の各吸気ポートに還流させたり、シリンダヘッド2に還流路を形成したりすることも可能である。
【0025】
本願発明の特徴として、排気ガスをEGRパイプ10の他端部10bから排気管9に戻すバイパス管路16を設けている。すなわち、バイパス管路16は概ねEGRパイプ10と同じ程度の内径であり、その一端部16aはEGRパイプ10の他端部に接続されて、他端部17bは排気管9のうち触媒コンバータ6よりもかなり下流側に接続されている。排気通路に複数の触媒コンバータを設けている場合は、バイパス管路16の他端部16bは下流側の触媒コンバータの下流側に接続するのが好ましい。
【0026】
(2).第1実施形態のまとめ
図3(B)では、排気マニホールド5の集合部5bの排気ガスの圧力P1、触媒ケース7のロアコーン部7cの箇所での排気ガスの圧力P2、EGRバルブ13を閉じた状態でのEGRパイプ10の他端部10b及びバイパス管路16の一端部16aの個所での排気ガスの圧力P3、排気管9のうちバイパス管路16の他端部16bの個所での排気ガスの圧力P4、EGRバルブ13を開いた状態でのEGRパイプ10の他端部10b及びバイパス管路16の一端部16aの個所での排気ガスの圧力P5を表示している。
【0027】
P5はEGRバルブ13の開度によって変化するが、ここでは圧力の変化は捨象している。また、EGRバルブ13を開くとバイパス管路16を流れる排気ガスの量が変化するのでP4も変化するが、ここではP4の変化は無視している。
【0028】
排気系では、流れ抵抗があるため下流に行くほど圧力は低くなる傾向を呈し、また、圧力は内径によっても変化する。いずれにしても、P1>P2>P4の関係は常に成立している。この場合、触媒ケース6のロアコーン部7cは容積が大きいため相対的に圧力は高く、このため、P2とP4との圧力差は同径である場合よりも大きい。
【0029】
EGRパイプ10の他端部10b及バイパス管路16の一端部16aの個所での圧力P3,P5は、EGRバルブ13の開閉によって大きく変化する。すなわち、EGRバルブ13が閉じている状態での圧力P3はP2よりは低いがP4よりは高く、EGRバルブ13が閉じている状態での圧力P5はP4よりも低くなっている。
【0030】
このため、EGRバルブ13を閉じた状態では、図3(A)に白抜き矢印で示すように、排気ガスの一部はEGRパイプ10に流入してバイパス管路16を経由して排気管9に戻るように流れる。排気ガスがEGRパイプ10とバイパス管路16を流れるに当たっては流れ抵抗が存在するが、P2とP4との間には、流れ抵抗に打ち勝って排気ガスがEGRパイプ10からバイパス管路16を通過するような圧力差が生じている。
【0031】
このように、EGRバルブ13を閉じた状態で排気ガスがEGRパイプ10とバイパス管路16とを流れることにより、暖機運転中においてもそれらEGRパイプ10とバイパス管路16とは排気ガスによって温められる。その結果、暖機運転直後にEGRガスを吸気系に還流させたときに、低い温度のEGRガスが吸気系に還流して燃焼が不安定なることを防止できる。
【0032】
また、EGRバルブ13を開くと、EGRパイプ10の他端部10b及びバイパス管路16の一端部16aの個所での圧力は、バイパス管路16の他端部16bの個所の圧力P4よりも低いP5に低下するため、図3(A)に黒抜き矢印で示すように、排気ガスはバイパス管路16からも還流穴12に流入する。このようにバイパス管路16もEGRガスの還流通路として機能するため、暖機運転後のEGRガスの放熱性も向上できる。
【0033】
図4では、EGRバルブ13の脈動M1とバイパス管路16の脈動M2とが打ち消し合う状態を表示している。3気筒内燃機関の場合は脈動M1,M2はクランク軸の回転角度において270°の周期なので、EGRパイプ10とバイパス管路16との集合部において両脈動M1,M2の山と谷とが重なるように(位相が1/2周期ずつずれるように)、EGRパイプ10及びバイパス管路16の長さや、EGRパイプ10の一端部10aとバイパス管路16の他端部16bとの間隔を調整することで、吸気系に至る脈動を著しく減衰させることができる。
【0034】
排気管9は触媒ケース6から下向きに延びたのち横向きや後ろ向きの略水平姿勢に曲げられるが、排気管9の曲がりによって圧力が低くなるので、図1に二点鎖線で示すように、バイパス管路16の他端部16bを排気管9のうち曲がり部よりも下流側に接続すると、圧力差を大きくすることができて好適である。
【0035】
(3).他の実施形態
次に、他の実施形態を説明する。図5に示す第2実施形態では、1本のパイプの内部を仕切り板18で仕切ることで、EGRパイプ10とバイパス管路16とを一体化している。内部を仕切り板18で仕切ることに代えて、断面半円状の2本のパイプを背中合わせに接合してもよい。
【0036】
この実施形態では、仕切り板18の一端部を触媒ケース6のロアコーン部7cから排気管9の下流側に長く延長して、延長部18aと排気管9との間にバイパス管路16を構成している。すなわち、バイパス管路16の他端部をEGRパイプ10の一端部から遠ざけている。このため、EGRパイプ10の一端部10aとバイパス管路16の他端部16bとの間の圧力差を確保している。
【0037】
図6ではオリフィスを利用した例を示している。すなわち、排気管9に第1及び第2の2つの内向きオリフィス部19,20を形成し、EGRパイプ10は第1オリフィス部19の上流側のテーパ部19aに接続し、バイパス管路16は第2オリフィス部20の下流側のテーパ部20bに接続している。
【0038】
第1オリフィス部19の上流側のテーパ部19aでは、断面積が縮小していることで圧力は高くなっている一方、第2オリフィス部20の下流側のテーパ部20bでは、断面積が拡大していることで圧力は低くなっており、このため、EGRパイプ10の一端部10aとバイパス管路16の他端部16bとの間には大きな圧力差生じている。バイパス管路16の他端部16bの個所ではエゼクタ効果による吸引作用も発生しているため、EGRパイプ10からバイパス管路16への排気ガスの流れを的確に確保できる。
【0039】
本願発明は、上記の各実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、上記の各実施形態ではEGRパイプ10は触媒コンバータのロアコーン部7c又はその下流側に接続したが、複数の触媒コンバータを備えている場合は、EGRパイプ10を触媒ケース6のアッパーコーン部7bや排気マニホールド5に接続して、バイパス管路16の他端部を2つの触媒コンバータの間に接続するといったことも可能である。
【産業上の利用可能性】
【0040】
本願発明は実際に内燃機関に適用できる。従って、産業上利用できる。
【符号の説明】
【0041】
1 シリンダブロック
2 シリンダヘッド
4 吸気マニホールド
5 排気通路を構成する排気マニホールド
6 触媒コンバータ
7 触媒ケース
7b アッパーコーン部
7c ロアコーン部
9 排気通路を構成する排気管
10 EGRパイプ
10a EGRパイプの一端部
10b EGRパイプの他端部
12 還流穴
13 EGRバルブ
14 還流パイプ
16 バイパス管路
16a バイパス管路の一端部
16b バイパス管路の他端部
図1
図2
図3
図4
図5
図6