特開 2022-146298 内燃機関システムおよび車両

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022146298

(43)【公開日】2022-10-05

(54)【発明の名称】内燃機関システムおよび車両

(51)【国際特許分類】

   F02M 26/19 20160101AFI20220928BHJP

【ＦＩ】

F02M26/19 321

F02M26/19 331

【審査請求】有

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021047184

(22)【出願日】2021-03-22

(71)【出願人】

【識別番号】000000170

【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】澤内 友太

(72)【発明者】

【氏名】細見 権太

(72)【発明者】

【氏名】加藤 研二

(72)【発明者】

【氏名】藤原 智洋

(72)【発明者】

【氏名】木下 大輔

(72)【発明者】

【氏名】船津 友規

(72)【発明者】

【氏名】松井 祥理

(72)【発明者】

【氏名】池野 僚

(72)【発明者】

【氏名】酒井 順司

(72)【発明者】

【氏名】宮岸 直樹

【テーマコード（参考）】

3G062

【Ｆターム（参考）】

3G062AA01

3G062AA05

3G062ED04

3G062ED08

3G062ED09

3G062ED10

(57)【要約】

【課題】ＥＧＲガスを新気と合流し易くすることが可能な内燃機関システムおよび車両を提供する。
【解決手段】内燃機関システムは、新気を燃焼室へ導く吸気通路と、燃焼室からの排気の一部をＥＧＲガスとして、吸気通路を流れる新気と合流させるＥＧＲ通路と、を備え、吸気通路は、吸気通路における所定位置よりも新気上流側に配置され、新気下流側に向かって通路断面積を減少する上流側通路と、所定位置よりも新気下流側に配置され、新気下流側に向かって通路断面積を拡大する下流側通路とを有し、ＥＧＲ通路は、前記上流側通路の下流端と下流側通路の上流端との間の隙間にＥＧＲガスを導入するように配置される。
【選択図】図２Ｂ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

新気を燃焼室へ導く吸気通路と、
前記燃焼室からの排気の一部をＥＧＲガスとして、前記吸気通路を流れる新気と合流させるＥＧＲ通路と、
を備え、
前記吸気通路は、前記吸気通路における所定位置よりも新気上流側に配置され、新気下流側に向かって通路断面積を減少する上流側通路と、前記所定位置よりも新気下流側に配置され、新気下流側に向かって通路断面積を拡大する下流側通路とを有し、
前記ＥＧＲ通路は、前記上流側通路の下流端と前記下流側通路の上流端との間の隙間に前記ＥＧＲガスを導入するように配置される、
内燃機関システム。

【請求項2】

前記下流側通路の上流端の通路断面積は、前記上流側通路の下流端の通路断面積よりも大きい、
請求項１に記載の内燃機関システム。

【請求項3】

前記上流側通路の下流端の通路断面積に対する前記下流側通路の上流端の通路断面積は、前記新気の流量に対する前記ＥＧＲガスの流量を示す所定のＥＧＲ率に応じて設定される、
請求項２に記載の内燃機関システム。

【請求項4】

前記ＥＧＲガスが前記新気と合流する合流部において、前記ＥＧＲ通路は、前記吸気通路に向かって下流側へ傾斜する、
請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関システム。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関システムを備えた車両。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、内燃機関システムおよび車両に関する。

【背景技術】

【0002】

燃焼室からの排気の一部は、排気還流（Exhaust Gas Recirculation。以下、「ＥＧＲ」という）通路に導かれ、排気還流通路に設けられたＥＧＲクーラにおいて冷却された後、ＥＧＲバルブを介して吸気通路を流れる新気と合流されて、再び燃焼室へ導入される（例えば、特許文献１を参照）。以下、排気還流通路に導かれる排気を「ＥＧＲガス」という場合がある。

【0003】

また、例えば、車両用の内燃機関において、タービン入口に可変ベーンを有し、可変ベーンの開度を小さくすることで、タービン入口での排気速度を上げ、タービン回転数を増し、コンプレッサ吐出圧（ブースト圧）を高めて吸気量を増大することが可能な可変容量型ターボチャージャが知られている（例えば、特許文献２を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平４－０４７１５６号公報

【特許文献2】特開平５－２７２３４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、近年の可変容量型ターボチャージャの効率向上により、ブースト圧がタービン入口の圧力（排圧）よりも高くなる領域（以下、吸排気圧力逆転領域）が発生する場合がある。これにより、吸排気圧力逆転領域では、ＥＧＲガスを吸気通路に引き込むことや、吸気通路を流れる新気と混合させることが困難となる。その結果、ＥＧＲガスを新気と合流させ難くなるという問題がある。

【0006】

本開示の目的は、ＥＧＲガスを新気と合流し易くすることが可能な内燃機関システムおよび車両を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の目的を達成するため、本開示における内燃機関システムは、
新気を燃焼室へ導く吸気通路と、
前記燃焼室からの排気の一部をＥＧＲガスとして、前記吸気通路を流れる新気と合流させるＥＧＲ通路と、
を備え、
前記吸気通路は、前記吸気通路における所定位置よりも新気上流側に配置され、新気下流側に向かって通路断面積を減少する上流側通路と、前記所定位置よりも新気下流側に配置され、新気下流側に向かって通路断面積を拡大する下流側通路とを有し、
前記ＥＧＲ通路は、前記上流側通路の下流端と前記下流側通路の上流端との間の隙間に前記ＥＧＲガスを導入するように配置される。

【0008】

本開示における車両は、
上記の内燃機関システムを備える。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、ＥＧＲガスを新気と合流し易くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本開示の実施の形態に係る内燃機関システムを模式的に示す図である。

【図2A】図２Ａは、本実施の形態の比較例における吸気通路の構造を模式的に示す図である。

【図2B】図２Ｂは、本実施の形態における吸気通路の構造を模式的に示す図である。

【図3】図３は、内燃機関の運転条件に応じた吸排気圧力比とＥＧＲ率との関係を示す図である。

【図4】図４は、本実施の形態の変形例における吸気通路の構造を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本開示の実施の形態に係る内燃機関システム１００を模式的に示す図である。内燃機関１は、車両（不図示）に走行用動力源として搭載される。例えば、内燃機関１は、図１に示すように、４つの気筒２（シリンダ）が一例に並べられた直列４気筒のディーゼルエンジンとして構成され、気筒２内に噴射された燃料を圧縮行程で拡散燃焼させる。気筒２は、シリンダブロック３に形成されている。気筒２の上部はシリンダヘッド（不図示）により塞がれている。

【0012】

図１に示すように、各気筒２には、吸気通路１０および排気通路２０のそれぞれが接続されている。吸気通路１０は、吸気マニホールド１１および複数の吸気ポート１２を有している。吸気ポート１２は、１つの気筒２に対して所定個（図１では２つ）ずつ配置されている。

【0013】

吸気通路１０には、エアクリーナ１５およびインタークーラ１６のそれぞれが配置されている。

【0014】

エアクリーナ１５は、外部から取り込まれる空気をフィルタで濾過することで、空気中の塵埃を除去する。

【0015】

インタークーラ１６は、電動ターボチャージャ３０（過給機）で圧縮された吸気を冷却することで、吸気密度を高める。

【0016】

図１に示すように、排気通路２０は、排気マニホールド２１および排気ポート２２を有している。排気ポート２２は１つの気筒２に対して所定個（図１では１つ）配置されている。排気ポート２２のそれぞれは排気マニホールド２１に接続されている。排気マニホールド２１には、タービン３１を介して後処理装置４０が接続されている。

【0017】

後処理装置４０は、例えば、排気上流側に配置される酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst：ＤＯＣ）およびディーゼル・パティキュレート・フィルタ（Diesel Particulate Filter：ＤＰＦ）、および、排気下流側に配置される選択的還元触媒（Selective Catalytic Reduction：ＳＣＲ）で構成されている。ＤＯＣは、未燃燃料を酸化して排気温度を上昇させるとともに、排気中のＮＯ（一酸化窒素）を酸化してＮＯ_２（二酸化窒素）を生成する。ＤＰＦは、排気中の粒子状物質を捕集する。ＳＣＲは、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するＮＯｘ触媒として、尿素水から排気熱により加水分解されて生成されるアンモニアを用いて排気中のＮＯｘを選択的に還元浄化する。

【0018】

排気マニホールド２１には、ＥＧＲ通路５０の一端部が接続されている。ＥＧＲ通路５０の他端部は、吸気ポート１２に接続されている。ＥＧＲ通路５０には、ＥＧＲクーラ５１およびＥＧＲバルブ５２が配置されている。ＥＧＲクーラ５１は、その内部を排気が通過するものであって、ＥＧＲ通路５０を通過するＥＧＲガス（排気通路２０に排出された排気の一部）をエンジン冷却水と熱交換することにより冷却する装置である。ＥＧＲバルブ５２は、運転条件（例えば、冷却水温度）に合わせてＥＧＲ通路５０を開閉する。

【0019】

電動ターボチャージャ３０は、タービン３１、コンプレッサ３２およびモータジェネレータ３３を有している。電動ターボチャージャ３０は、タービン３１とコンプレッサ３２との間にモータジェネレータ３３を設置したものである。タービン３１とコンプレッサ３２とは、ターボ軸で連結される。

【0020】

タービン３１は、排気マニホールド２１からの排気によってターボ軸を回転する。

【0021】

タービン３１は、可変ベーン（不図示）と電動アクチュエータ３４とを有している。可変ベーンは、ベーンの開度を変更可能に構成される。電動アクチュエータ３４は、タービン３１に当たる排気の流速を変更するように可変ベーンの開度を変更する。電動アクチュエータ３４は、制御装置（不図示）により制御される。

【0022】

コンプレッサ３２は、吸気通路１０においてエアクリーナ１５とインタークーラ１６との間に配置されている。コンプレッサ３２は、インペラ（不図示）を有し、インペラがターボ軸と一体に回転することにより、吸気を圧縮する。これにより、吸気がインタークーラ１６を介して吸気マニホールド１１へ過給される。

【0023】

モータジェネレータ３３は、ターボ軸の運動エネルギが不足した場合、ターボ軸の回転をアシストする一方で、ターボ軸の運動エネルギが余剰した場合、ターボ軸の回転により回生発電を行って、電力に変換してバッテリー（不図示）に充電することにより、余剰の運動エネルギを電気エネルギとして回収する。モータジェネレータ３３は、制御装置（不図示）により制御される。

【0024】

ところで、電動ターボチャージャ３０の効率向上により、ブースト圧がタービン３１の入口圧力（排圧）よりも高くなる領域（吸排気圧力逆転領域）が発生する場合がある。これにより、ＥＧＲガスを吸気通路１０（図１では、吸気ポート１２）に引き込むことや、吸気通路１０を流れる新気と混合させることが困難となる。その結果、吸排気圧力逆転領域では、ＥＧＲガスを新気と合流させ難くなる。

【0025】

図２Ａは、本実施の形態の比較例における吸気通路１０の構造を模式的に示す図である。吸気通路１０にはＥＧＲ通路５０が接続されている。吸気通路１０とＥＧＲ通路５０との接続部は、ＥＧＲガスを新気と合流させる合流部１０Ｃである。比較例では、吸排気圧力逆転領域でも排気の脈動によりＥＧＲガスを吸気側に還流させるために、ＥＧＲバルブ５２の排気下流側かつ合流部１０Ｃの排気上流側にリード弁が配置されている。

【0026】

以下の説明において、新気流れ方向の下流側を「新気下流側」又は「下流側」、新気流れ方向の上流側を「新気上流側」又は「上流側」という。図２Ａに示す吸気通路１０は、合流部１０Ｃの位置（合流部位置）よりも上流側に配置される上流側通路１０Ａと、合流部位置よりも下流側に配置される下流側通路１０Ｂとを有する。図２Ａに示す吸気通路１０はパイプ状の配管である。図２Ａでは、上流側通路１０Ａの下流端の径φ１と下流側通路１０Ｂの上流端の径φ２とは同じである（φ１＝φ２）。

【0027】

図３は、内燃機関１の回転数および負荷の運転条件（モード）を変更した場合における吸排気圧力比ｒとＥＧＲ率α［％］との関係を示す図である。ここで、吸排気圧力比ｒは、排圧に対するブースト圧の割合である。ＥＧＲ率αは、ＥＧＲガス量（ＥＧＲガスの質量）に対する新気量（新気の質量）の割合である。図３に、吸排気圧力比ｒが１より大きい場合の領域を吸排気圧力逆転領域（ｒ＞１）として示す。

【0028】

図３に「リード弁有、φ１＝φ２」で示す合流部１０Ｃ（図２Ａ参照）では、吸排気圧力逆転領域（ｒ＞１）においては、ＥＧＲ率αが０以上となる（α＞０）。換言すれば、ＥＧＲガスを新気と合流することが可能となる。その理由は、図２Ａに示す比較例では、ＥＧＲガスを吸気側に還流させるためのリード弁が配置されているからである。しかし、リード弁を備えた内燃機関システムでは、リード弁を備える分だけコストが嵩む。また、弁開閉頻度が高いため、リード弁には高い耐久性が要求される。

【0029】

図３に「リード弁無、φ１＝φ２」で示す合流部１０Ｃ（図２Ａ参照）では、吸排気圧力逆転領域（ｒ＞１）においては、ＥＧＲ率αが０となる（α＝０）。換言すれば、ＥＧＲガスを新気と合流することができない。

【0030】

図２Ｂは、本実施の形態における吸気通路１０の構造を模式的に示す図である。図２Ｂに示す吸気通路１０は、パイプ状の配管であって、合流部１０Ｃの位置（合流位置）よりも上流側に配置される上流側通路１０Ａと、合流部位置よりも下流側に配置される下流側通路１０Ｂとを有する。ＥＧＲ通路５０は、上流側通路１０Ａの下流端と下流側通路１０Ｂの上流端との間の隙間（合流部１０Ｃ）の全周からＥＧＲガスを導入する。

【0031】

上流側通路１０Ａの通路断面積は下流側に向かって減少する。また、下流側通路１０Ｂの通路断面積は下流側に向かって拡大する。換言すれば、図２Ｂに示す吸気通路１０の通路断面積は、合流部１０Ｃの上流側および下流側のそれぞれから合流部１０Ｃに向かって絞られている。これにより、上流側からの流れが、合流部１０Ｃにかけて加速、動圧上昇、静圧低下する。通路断面積が最小となる合流部１０Ｃで流れが最も加速し、その分静圧が低下する。その後の拡流過程では通路断面積を下流側に向かって徐々に広げ、剥離による圧力損失を抑える。このようなベンチュリー形状ダクトの場合、合流部１０Ｃで新気とＥＧＲガスとを合流させることで、ＥＧＲガスを合流部１０Ｃに引き込み易くして、十分なＥＧＲガス量（ＥＧＲガスの質量）を導入する効果を得ることができる。

【0032】

また、図２Ｂに示す吸気通路１０においては、下流側通路１０Ｂの上流端の通路断面積は、上流側通路１０Ａの下流端の通路断面積よりも大きい。換言すれば、合流部１０Ｃよりも下流側の通路断面積は合流部１０Ｃよりも上流側の通路断面積よりも大きい。これにより、新気とＥＧＲガスとが互いに邪魔し合うことがなく、より十分なＥＧＲガス量の導入効果を得ることができる。なお、下流側通路１０Ｂの上流端の通路断面積と上流側通路１０Ａの下流端の通路断面積との両方の面積の差が大きくなるほど、圧力損失が大きくなるため、両方の面積のそれぞれは、圧力損失とＥＧＲガス量の導入効果とのバランスをとった上で設定される。

【0033】

図３に「リード弁無、ベンチュリー、φ１＜φ２」で示す合流部１０Ｃ（図２Ｂ参照）では、吸排気圧力逆転領域（ｒ＞１）においては、ＥＧＲ率αが０以上となる（α＞０）。換言すれば、ＥＧＲガスを新気と合流することが可能となる。また、図３から、吸排気圧力逆転領域（ｒ＞１）の一部領域では、新気と合流可能なＥＧＲガス量は、図３に「リード弁有、φ１＝φ２」で示す合流部１０Ｃ（図２Ａ参照）におけるＥＧＲ量よりも多いことがわかる。

【0034】

上流側通路１０Ａの下流端の通路断面積に対する下流側通路１０Ｂの上流端の通路断面積は、新気の流量に対するＥＧＲガス量を示す所定のＥＧＲ率αに応じて設定される。具体的には、図２Ｂに示すパイプ状の配管では、下流側通路１０Ｂの上流端の通路断面積は、以下の式（１）に基づいて設定される。

【数1】

ここで、φ１は上流側通路１０Ａの下流端の径、φ２は下流側通路１０Ｂの上流端の径である。式（１）から、ＥＧＲガスを新気と合流させる場合、換言すれば、ＥＧＲ率αを０より大きい場合、φ２はφ１よりも大きくなる（φ２＞φ１）。なお、式（１）に基づいて設定される上流側通路１０Ａの下流端および下流側通路１０Ｂの上流端のそれぞれの通路断面積は理論値である。そのため、実際には、それぞれの通路断面積は、実験やシミュレーションの結果を考慮した上で設定される。上流側通路１０Ａの下流端の通路断面積に対する下流側通路１０Ｂの上流端の通路断面積が新気の流量に対するＥＧＲガス量を示す所定のＥＧＲ率αに応じて設定されているため、圧力損失とＥＧＲガス量の導入効果とのバランスをとることが可能となる。

【0035】

一般に通路の通路断面積の急な縮小や、拡大がある所では、圧力損失が増大する。圧力損失の増大を抑えるため、図２Ｂに示すパイプ状の配管である吸気通路１０は、上流側通路１０Ａの下流端部の径は下流側に向かって徐々に縮小している。また、下流側通路１０Ｂの上流端部の径は下流側に向かって徐々に拡大している。

【0036】

上記実施の形態に係る内燃機関システム１００は、新気を燃焼室へ導く吸気通路１０と、燃焼室からの排気の一部をＥＧＲガスとして、吸気通路１０を流れる新気と合流させるＥＧＲ通路５０と、を備え、吸気通路１０は、合流部位置よりも新気上流側に配置され、下流側に向かって通路断面積を減少する上流側通路１０Ａと、合流部位置よりも新気下流側に配置され、下流側に向かって通路断面積を拡大する下流側通路１０Ｂとを有し、ＥＧＲ通路５０は、上流側通路１０Ａの下流端と下流側通路１０Ｂの上流端との間の隙間にＥＧＲガスを導入するように配置される。

【0037】

上記構成によれば、合流部で静圧低下することにより、ＥＧＲガスを吸気通路１０に引き込み易くして、十分なＥＧＲガス量を導入することが可能となる。これにより、ＥＧＲガスを新気と合流し易くすることが可能となる。

【0038】

また、上記実施の形態に係る吸気通路１０では、下流側通路１０Ｂの上流端の通路断面積は、上流側通路１０Ａの下流端の通路断面積よりも大きい。それにより、新気とＥＧＲガスとが互いに邪魔し合うことがないため、より十分なＥＧＲガス量を導入することが可能となる。

【0039】

次に、本実施の形態の変形例について図４を参照して説明する。図４は、本実施の形態の変形例における合流部の構造を示す図である。なお、変形例においては、上記実施の形態と異なる構成について主に説明し、同じ構成については同一符号を付してその説明を省略する。上記実施の形態では、ＥＧＲ通路５０は、上流側通路１０Ａの下流端と下流側通路１０Ｂの上流端との間の隙間（合流部１０Ｃ）の全周からＥＧＲガスを導入する。ＥＧＲ通路５０は吸気通路１０に向かって直交する通路を有してもよく、吸気通路１０に対し平行な通路を有してもよい。

【0040】

これに対し、変形例では、図４に示す合流部１０Ｃにおいて、ＥＧＲ通路５０は、吸気通路１０に向かって下流側へ傾斜角度θで傾斜する傾斜通路５３を有している。傾斜通路５３を通るＥＧＲガスが新気の流れ方向の成分を有するようになるため、新気とＥＧＲガスとを合流させ易くすることができる。

【0041】

なお、図４に示す吸気通路１０において、合流部１０Ｃよりも下流側の通路断面積は、合流部１０Ｃよりも上流側の通路断面積よりも大きい。また、傾斜通路５３の傾斜角度θは、新気とＥＧＲガスとをできるだけ合流させ易くするという観点から、実験やシミュレーションにより求めることが可能である。

【0042】

なお、上記実施の形態に係る内燃機関システム１００では、ＥＧＲ通路５０が吸気ポート１２に接続される場合における本開示の適用について説明したが、本開示はこれに限らず、ＥＧＲ通路５０がＥＧＲガスを吸気側に還流させることが可能であれば吸気通路１０のいずれかの位置に接続される場合においても本開示を適用することが可能である。

【0043】

その他、上記実施の形態は、何れも本開示の実施をするにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

【産業上の利用可能性】

【0044】

本開示は、ＥＧＲガスを新気と合流し易くすることが要求される内燃機関システを備えた車両に好適に利用される。

【符号の説明】

【0045】

１ 内燃機関
２ 気筒
３ シリンダブロック
１０ 吸気通路
１０Ａ 上流側通路
１０Ｂ 下流側通路
１０Ｃ 合流部
１１ 吸気マニホールド
１２ 吸気ポート
１５ エアクリーナ
１６ インタークーラ
２０ 排気通路
２１ 排気マニホールド
２２ 排気ポート
３０ 電動ターボチャージャ
３１ タービン
３２ コンプレッサ
３３ モータジェネレータ
３４ 電動アクチュエータ
４０ 後処理装置
５０ ＥＧＲ通路
５１ ＥＧＲクーラ
５２ ＥＧＲバルブ
５３ 傾斜通路
１００ 内燃機関システム

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】