JP2010285967A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関本体の冷間時におけるＥＧＲガスの過剰な冷却を防ぐことができる内燃機関を提供する。
【解決手段】ＥＧＲガスを吸気マニホールド６に導くＥＧＲガス流路３ｂをシリンダヘッド８に設けたエンジン１において、ＥＧＲガス流路３ｂに隣接する冷却液流路９の一つの冷却液流路９ｃの入口または出口にサーモスタット１０を設けた。このサーモスタット１０の開閉弁は、エンジン本体２の冷間時には冷却液流路９ｃに冷却液を流すのを停止し、エンジン本体２の暖機時には冷却流路９ｃに冷却液を流すように冷却液の温度に応じて自動的に作動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に関し、更に詳しくは、内燃機関本体の冷間時におけるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスの過剰な冷却を防ぐことができる内燃機関に関する。

ディーゼルエンジンにおいて、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減する手法として、ＥＧＲクーラを装着し、高ＥＧＲを行うことが効果的であることが知られている。

近年、更なるＮＯｘ排出量の低減を図るためＥＧＲクーラの冷却性能の向上が望まれているが、そのためにＥＧＲクーラを大型にしたり、複数設けたりすることは、エンジン全体のコンパクト性の低下、部品点数の増加、さらにはそれらによる重量の増加を招く等、車両への搭載性を損なうことが懸念される。

そこで、ＥＧＲクーラの冷却性能の向上を図りつつ、小型軽量化を図るべく、シリンダヘッドにＥＧＲガス流路を内蔵したエンジンが実用化されている（例えば特許文献１，２参照）。また、高ＥＧＲを得るべくＥＧＲガスを効率的に冷却するには、シリンダヘッド内のウォータージャケットをＥＧＲガス流路に極力近接させて配置することが望ましい。

一方、エンジン冷間時にはＥＧＲガスを冷やし過ぎると、炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の排出量が増加するため、ＥＧＲガス温度の低いクールＥＧＲではなく、ＥＧＲガス温度の高いホットＥＧＲを行うことが必要であり、そのために、バイパス式ＥＧＲクーラが実用されている。バイパス式ＥＧＲクーラでは、ＥＧＲクーラのガス入口とガス出口とを繋ぐバイパス通路を設けるとともに、その入口にバイパスバルブを設けて、予め設定された冷却水温度以下の場合には、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラを介さずにバイパス通路を通じて吸気マニホールドに流れるようになっている。

しかし、シリンダヘッドにＥＧＲガス流路を内蔵したエンジンにおいては、エンジン冷間時にＥＧＲクーラのバイパスバルブを作動させＥＧＲガスを吸気マニホールドに導入するものの、ＥＧＲガスが、ＥＧＲクーラよりも上流のシリンダヘッド内のＥＧＲガス流路を通過するため冷えてしまい、ＨＣやＣＯ等の増加を招く問題がある。

特開２０００−３４５９２６号公報 特開２００４−１２４８９３号公報

本発明の目的は、内燃機関本体の冷間時におけるＥＧＲガスの過剰な冷却を防ぐことができる内燃機関を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、ＥＧＲガスを吸気マニホールドに導くＥＧＲガス流路を、前記吸気マニホールドが接続された内燃機関本体のシリンダヘッド内の冷却媒体流路の少なくとも一つの分岐流路に隣接させた状態で配置した内燃機関において、前記分岐流路への冷却媒体の供給および停止を前記冷却媒体の温度に応じて自動的に切り換える切換手段を前記冷却媒体流路に設けたものである。

また、上記の内燃機関において、前記切換手段は、前記内燃機関本体の冷間時には前記分岐流路への冷却媒体の供給を停止し、前記内燃機関本体の暖機時には前記分岐流路に冷却媒体を供給するものである。これにより、冷間時には、ＥＧＲガスの過剰な冷却を防ぐことができるので、ＨＣやＣＯ等の排出量の増加を抑制することができる一方、暖機時には、ＥＧＲガスを効果的に冷却することができるので、ＮＯｘを低減することができる。

また、上記内燃機関において、前記切換手段は、前記内燃機関本体の冷間時には前記分岐流路への冷却媒体の供給を停止し、前記内燃機関本体の暖機時には前記分岐流路に冷却媒体を供給する開閉弁を有するサーモスタットである。

本発明によれば、内燃機関本体の冷間時には切換手段が作動し、冷却媒体流路においてＥＧＲガス流路に隣接する分岐流路に冷却媒体が流れるのを停止することにより、内燃機関本体の冷間時におけるＥＧＲガスの過剰な冷却を防ぐことができるので、ＨＣやＣＯ等の排出量の増加を抑制することができる。

本発明の実施の形態の内燃機関の要部構成図である。 図１の内燃機関の冷間時のシリンダヘッドの要部拡大平面図である。 図２のシリンダヘッドおよび切換手段の要部拡大断面図である。 図１の内燃機関の暖機時のシリンダヘッドの要部拡大平面図である。 図４のシリンダヘッドおよび切換手段の要部拡大断面図である。 切換手段が設置されるシリンダヘッドの側面図である。 切換手段の一例の一部破断構成図である。

以下、本発明の実施の形態の内燃機関について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本実施の形態の内燃機関の要部構成図を示している。

本実施の形態の内燃機関は、例えばシリンダ内（燃焼室内）において圧縮されて高温になった空気に燃料を供給した時に起こる自己着火をもとにした膨張でシリンダ内のピストンを押し出す構成を有するディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１であり、トラック等のような自動車両に搭載される。なお、本発明はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等にも適用することもできる。

このエンジン１は、エンジン本体２と、ＥＧＲ（排気再循環：Exhaust Gas Recirculation）システム３と、過給システム４とを有している。

このエンジン本体２には、複数のシリンダ５が配置されている。このシリンダ５の各々は、吸気マニホールド６および排気マニホールド７に接続されている。

このエンジン本体２のシリンダヘッド８には、破線で示すように、冷却液流路（冷却媒体流路）９（９ａ〜９ｄ）が、複数のシリンダ５を取り囲むように形成されている。この冷却液流路９は、いわゆるウォータージャケットと呼ばれるもので、シリンダ５およびシリンダヘッド８等を冷却するための冷却液（冷却媒体）を流すための流路である。図１では、冷却液流路９（９ａ〜９ｄ）の一部のみを例示しているが、実際の冷却液流路９は冷却液が循環するように複雑な形状に形成されている。

冷却液流路９は、冷却液流路９ａ，９ｂを有している。冷却液流路９ａ，９ｂは、各シリンダ５を挟み込むように複数のシリンダ５の配列方向に沿って延在形成されている。

また、冷却液流路９は、冷却液流路９ａ，９ｂから分岐する冷却液流路（分岐流路、第１分岐流路）９ｃおよび冷却液流路（第２分岐流路）９ｄを有している。この冷却液流路９ｃ，９ｄは、冷却液流路９ａ，９ｂを接続するように、シリンダヘッド８の幅方向（シリンダ５の配列方向に交差（直交）する方向）に延び、冷却液流路９ａ，９ｂ間に並列に配置されている。冷却液流路９ｄは、冷却液流路９ｃよりもシリンダ５に近い位置に配置されている。

なお、シリンダヘッド８の冷却流路９への冷却液の供給は、ポンプ（図示せず）により行われている。冷却液の供給動作は通常の場合と同様に、エンジン本体２の冷間時には、冷却液はラジエータ（図示せず）を介さずにバイパス流路を通じてエンジン本体２側（シリンダヘッド８およびシリンダブロック）に供給され、エンジン本体２の暖機時には、冷却液はバイパス流路を介さずにラジエータを介してエンジン本体２側に供給される。この冷却液の流れの選択は、ラジエータ側への流路とバイパス流路との分岐路に配置されたサーモスタット（図示せず）により自動的に行われている。

ここでいう、エンジン本体２の冷間時とは、エンジン本体２に供給される冷却液の温度が予め設定された値より小さい時をいい、暖機時とは、エンジン本体２に供給される冷却液の温度がその予め設定された値以上の時をいう。

上記のＥＧＲシステム３は、燃焼後の排気ガスの一部（ＥＧＲガス）を取り出し吸気マニホールド６へ導き再度吸気させるシステムである。このＥＧＲシステム３は、吸気マニホールド６と排気マニホールド７との間に接続されており、ＥＧＲガス管３ａ、ＥＧＲガス流路３ｂ（一次冷却部）、サーモスタット（切換手段）１０、ＥＧＲガス管３ｃ、バイパスバルブ３ｄ、ＥＧＲクーラ３ｅ（二次冷却部）、バイパス管３ｆ、ＥＧＲガス管３ｇ、ＥＧＲバルブ３ｈおよびＥＧＲガス管３ｉを有している。なお、矢印ＥｒはＥＧＲガスの流れを示している。

ＥＧＲシステム３は、一次冷却部（ＥＧＲガス流路３ｂ）と二次冷却部（ＥＧＲクーラ３ｅ）との２つの冷却部を有している。すなわち、ＥＧＲガスは一次冷却部と二次冷却部とで冷却されてエンジン本体２の各シリンダ５に供給される。

一次冷却部を構成するＥＧＲガス流路３ｂは、シリンダヘッド８内において、上記の冷却液流路９ｃに沿うように（平行になるように）、また、冷却液流路９ｃに極力近づけた状態で隣接配置されている。これにより、暖機時には、ＥＧＲガス流路３ｂに流れるＥＧＲガスを、冷却液流路９ｃに流れる冷却液により効果的に冷却することができる。その結果、シリンダ５内に供給されるＥＧＲガスの温度を下げることができ、燃焼時の温度を下げることができるので、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減することができる。また、ＥＧＲガス冷却部の一部をシリンダヘッド８に設けることにより、ＥＧＲガス冷却部の大型化や部品点数の増加さらにはそれらに伴う重量の増大を招くことなくＥＧＲガスの冷却効率を向上させることができる。すなわち、ＥＧＲガス冷却部の小型軽量化を実現できるので、エンジン１の車両搭載性を向上させることができる。

サーモスタット１０は、シリンダヘッド８において上記した冷却液流路９ａ，９ｃ，９ｄの近接領域に配置されており、冷却液流路９ｃへの冷却液の供給および停止を冷却液の温度に応じて自動的に切り換える切換手段である。ここでは、エンジン本体２の冷間時と暖機時とで、冷却液流路９ｃ，９ｄとの冷却液の流れをサーモスタット１０により変更する。これについては後ほど詳細に説明する。

このＥＧＲガス流路３ｂは、ＥＧＲガス管３ｃを通じてバイパスバルブ３ｄに接続されており、これを介してＥＧＲクーラ３ｅの入口およびバイパス管３ｆに接続されている。

バイパスバルブ３ｄは、ＥＧＲガスをＥＧＲクーラ３ｅに流すか、ＥＧＲクーラ３ｅを介さずに吸気マニホールド６に流すかを切り換える開閉弁であり、エンジン本体２の冷間時には、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラ３ｅを介さずにバイパス管３ｆを通じて吸気マニホールド６に流れるように設定されている。これにより、エンジン本体２の冷間時にＥＧＲガスの過剰な冷却を防止することができるので、炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等の排出量の増加を抑制できる。

ＥＧＲクーラ３ｅは、ＥＧＲガスの二次冷却部であり、例えばＥＧＲガスが流れる流路と、エンジン本体２に流れる上記した冷却液が流れる流路とを有しており、その両者の間で熱交換が行われることでＥＧＲガスを冷却する構成になっている。このＥＧＲクーラ３ｅにより、エンジン１の暖機時にシリンダ５内に供給されるＥＧＲガスの温度を下げることができ、燃焼時の温度を下げることができるので、ＮＯｘの排出量を低減することができる。

バイパス管３ｆは、ＥＧＲクーラ３ｅの出口に接続されたＥＧＲガス管３ｇに接続されている。ＥＧＲガス管３ｇは、ＥＧＲバルブ３ｈを介してＥＧＲガス管３ｉに接続され、これを通じて吸気マニホールド６に接続されている。ＥＧＲバルブ３ｈは、ＥＧＲ管３ｇ，３ｉ間の開閉弁である。

上記の過給システム４の過給機４Ａは、一体的に形成されたタービン４Ａｔとコンプレッサ４Ａｃとを有しており、エンジン本体２から排出された排気ガスの力を受けてタービン４Ａｔが回転駆動すると、その駆動力にコンプレッサ４Ａｃが連動することにより圧縮した空気をエンジン本体２のシリンダ５内に送り込む。なお、矢印Ｅは排気ガスの流れを示し、矢印Ａは吸気ガスの流れを示している。

タービン４Ａｔの入口は、排気マニホールド７に接続され、タービン４Ａｔの出口は、後処理装置１５に接続されている。この後処理装置１５は、シリンダ５内で生成され排出されるガス中の有害成分を無害化する装置であり、例えば触媒付きＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）を有している。また、タービン４Ａｔの入口は、バイパスバルブ１６を介してタービン４Ａｔの出口に接続されている。一方、コンプレッサ３Ａｃの出口は、インタークーラ１７を介して吸気マニホールド６に接続され、さらにエンジン本体２のシリンダ５に接続されている。

次に、エンジン本体２の冷間時における冷却流路９ｃ，９ｄの冷却液の流れを説明する。図２はエンジン本体２の冷間時のシリンダヘッド８の要部拡大平面図、図３は図２のシリンダヘッド８およびサーモスタット１０の要部拡大断面図を示している。なお、矢印Ｌは冷却液の流れを示している。

エンジン本体２の冷間時は、サーモスタット１０のサーモスタット本体１０ｔｓのペレット（上記の冷却液の温度により伸縮する部位：図７の符号１０ｐ）が変形せず、自動的に冷却液流路９ｄは開口状態となり、また、冷却液流路９ｃは閉口状態となるので、冷却液は、冷却液流路９ｄに流れるが、ＥＧＲガス流路３ｂに隣接する冷却液流路９ｃには流れない。すなわち、冷間時には、ＥＧＲガス流路３ｂに隣接する冷却液流路９ｃに冷却液が流れるのを停止することにより、ＥＧＲガスの過剰な冷却を防ぐことができるので、ＨＣやＣＯ等の排出量の増加を抑制することができる。

次に、エンジン本体２の暖機時における冷却流路９ｃ，９ｄの冷却液の流れを説明する。図４はエンジン１の暖機時のシリンダヘッド８の要部拡大平面図、図５は図４のシリンダヘッド８およびサーモスタット１０の要部拡大断面図を示している。

エンジン本体２の暖機時は、サーモスタット本体１０ｔｓの上記ペレットが変形し、冷却液流路９ｄは閉口状態となり、また、冷却液流路９ｃは開口状態となるので、冷却液Ｌは、冷却液流路９ｄには流れないで、ＥＧＲガス流路３ｂに隣接する冷却液流路９ｃに流れる。すなわち、暖機時には、ＥＧＲガス流路３ｂに隣接する冷却液流路９ｃに冷却液を流すことにより、ＥＧＲガスを効果的に冷却することができるので、ＮＯｘを低減することができる。また、暖機時なのでＥＧＲガスを過剰に冷却してしまうこともなく、ＨＣやＣＯ等の排出量の増加を招くこともない。

次に、図６はサーモスタット１０が設置されるシリンダヘッド８の側面図を示している。シリンダヘッド８の側面において、冷却液流路９ａ，９ｃ，９ｄが近接する領域には、冷却液流路９ａの出口９ａ１、冷却液流路９ｃ，９ｄの入口９ｃ１，９ｄ１が形成されている。サーモスタット１０は、この冷却液流路９ａ，９ｃ，９ｄの近接領域、すなわち、冷却液流路９ａの出口９ａ１および冷却液流路９ｃ，９ｄの入口９ｃ１，９ｄ１の形成領域に配置されている。

ただし、サーモスタット１０は、冷却液流路９ｃ，９ｄの出口側に配置しても良い。すなわち、シリンダヘッド８の反対側の側面の冷却液流路９ｂ，９ｃ，９ｄの近接領域に、冷却液流路９ｂの入口、冷却液流路９ｃ，９ｄの出口９ｃ１，９ｄ１を形成し、そこにサーモスタット１０を配置しても良い。

次に、図７はサーモスタット１０の一例のボトムバイパス型サーモスタットの一部破断構成図を示している。

このサーモスタット１０のハウジング１０ｈ内にはサーモスタット本体１０ｔｓが配置されている。ハウジング１０ｈには、１つの入口１０ａと２つの出口１０ｃ，１０ｄが形成されている。入口１０ａは、冷却液流路９ａに接続され、出口１０ｃは、冷却液流路９ｃに接続され、出口１０ｄは冷却液流路９ｄに接続される。

エンジン本体２の冷間時には、サーモスタット本体１０ｔｓのペレット１０ｐが変形せず、出口１０ｃ側の開閉弁１０ｖ１がスプリング１０ｓｐの弾性力により持ち上げられ開口部１０ｅ１を塞ぐ一方、出口１０ｄ側の開口部１０ｅ２は開いている。したがって、この時、冷却液は、図２および図３に示したように、ＥＧＲガス流路３ｂに近い冷却液流路９ｃに流れず、冷却流路９ｄに流れる。

また、エンジン本体２の暖機時には、サーモスタット本体１０ｔｓのペレット１０ｐが変形することにより、出口１０ｃ側の開閉弁１０ｖ１がスプリング１０ｓｐに抗して開口部１０ｅ１を開く一方、出口１０ｄ側の開閉弁１０ｖ２が開口部１０ｅ２を塞ぐ。したがって、この時、冷却液は、図４および図５に示したように、冷却液流路９ｄに流れず、ＥＧＲガス流路３ｂに近い冷却流路９ｃに流れる。

このようなボトムバイパス型のサーモスタット１０を用いることにより、暖機時に冷却液流路９ｄ（開口部１０ｅ２）を完全に閉止することができるので、ＥＧＲガス流路３ｂに隣接する冷却液流路９ｃに、より多くの冷却液を流すことができる。その結果、暖機時においてＥＧＲガスの冷却効率をより一層高めることができる。ただし、サーモスタット１０は、ボトムバイパス型に限定されず、トップバイパス型を用いることもできる。

本発明の内燃機関は、内燃機関本体の冷間時には切換手段が作動し、ＥＧＲガス流路に隣接する冷却媒体流路の流路に冷却媒体が流れるのを停止することにより、内燃機関本体の冷間時におけるＥＧＲガスの過剰な冷却を防ぐことができ、ＨＣやＣＯ等の排出量の増加を抑制することができることができるので、自動車等の内燃機関に利用できる。

１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
２ エンジン本体（内燃機関本体）
３ ＥＧＲシステム
３ａ，３ｃ，３ｇ，３ｉ ＥＧＲガス管
３ｂ ＥＧＲガス流路
３ｄ バイパスバルブ
３ｅ ＥＧＲクーラ
３ｆ バイパス管
３ｈ ＥＧＲバルブ
５ シリンダ
６ 吸気マニホールド
７ 排気マニホールド
８ シリンダヘッド
９，９ａ〜９ｄ 冷却液流路（冷却媒体流路）
１０ サーモスタット（切換手段）
１０ｔｓ サーモスタット本体
１０ｖ１，１０ｖ２ 開閉弁
１０ｅ１，１０ｅ２ 開口部

Claims (3)

1. ＥＧＲガスを吸気マニホールドに導くＥＧＲガス流路を、前記吸気マニホールドが接続された内燃機関本体のシリンダヘッド内の冷却媒体流路の少なくとも一つの分岐流路に隣接させた状態で配置した内燃機関において、前記分岐流路への冷却媒体の供給および停止を前記冷却媒体の温度に応じて自動的に切り換える切換手段を前記冷却媒体流路に設けた内燃機関。
2. 前記切換手段は、前記内燃機関本体の冷間時には前記分岐流路への冷却媒体の供給を停止し、前記内燃機関本体の暖機時には前記分岐流路に冷却媒体を供給する請求項１記載の内燃機関。
3. 前記切換手段は、前記内燃機関本体の冷間時には前記分岐流路への冷却媒体の供給を停止し、前記内燃機関本体の暖機時には前記分岐流路に冷却媒体を供給する開閉弁を有するサーモスタットである請求項２記載の内燃機関。

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