JP2012172554A - Ｅｇｒ通路内蔵シリンダヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲガスが中空管の内部で液化して凝縮水が発生しても、凝縮水が中空管の内部で滞留することがなく、中空管の腐食を抑制することができる、ＥＧＲ通路内蔵シリンダヘッドを提供する。
【解決手段】ＥＧＲ通路内蔵シリンダヘッド１１は、複数の中空管４１・４１・・・を備え、中空管４１・４１・・・で排気ポート側と吸気ポート側とを連通するＥＧＲ通路４０が、ヘッド部材に圧入されて構成され、中空管４１・４１・・・は、断面が上下に長手方向を有する細孔形状に形成され、少なくとも吸気ポート側の端部において、下側の断面積が上側の断面積よりも相対的に小さくなるように形成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＥＧＲ通路内蔵シリンダヘッドに関し、詳しくは、ＥＧＲ通路内蔵シリンダヘッドにおけるガス冷却構造に関する。

従来、エンジン等の内燃機関において、燃焼時に発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減化や燃費向上を達成するために、排気再循環装置（ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置）が用いられている。
窒素酸化物は、エンジン燃焼室の燃焼温度が高くなることによって、空気中の窒素が酸化して発生する。排気再循環装置は、不活性な（酸素量の少ない）気体となった排気ガスの一部（ＥＧＲガス）を、シリンダヘッドの排気側から吸気側に再び環流して吸入空気と混合させ、燃焼室内の燃焼温度を低下させることにより、発生する窒素酸化物の低減を図るものである。
このような排気再循環装置において、熱交換器用の伝熱管（ＥＧＲ通路）をシリンダヘッドのウォータージャケットの内部に配設し、ＥＧＲガスをＥＧＲ通路が備える中空管で流通させることにより、ＥＧＲガスを効率的に冷却する技術が公知となっている(例えば、特許文献１及び特許文献２参照)。

特開平８−４９６０６号公報 特開２００７−２２４７８４号公報

前記従来技術においては、ＥＧＲ通路の中空管でＥＧＲガスが冷却されると、ＥＧＲガスが中空管の内部で液化して凝縮水が発生する場合がある。ＥＧＲ通路はシリンダヘッドにおいて、吸気ポート側に傾斜して配設されている（図１及び図４（ａ）を参照）。このため、中空管の内部で発生した凝縮液は吸気ポート側（図１及び図４（ａ）における左側）に流れて、図４（ｂ）に示す如く中空管の内部で滞留する可能性がある。このように、凝縮水が中空管の内部で滞留した場合は、中空管の腐食の原因となっていた。

そこで本発明は、上記現状に鑑み、ＥＧＲガスが中空管の内部で液化して凝縮水が発生しても、凝縮水が中空管の内部で滞留することがなく、中空管の腐食を抑制することができる、ＥＧＲ通路内蔵シリンダヘッドを提供するものである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、中空管を備え、該中空管で排気ポート側と吸気ポート側とを連通するＥＧＲ通路が、ヘッド部材に圧入されて構成される、ＥＧＲ通路内蔵シリンダヘッドであって、前記中空管は、軸方向に直交する断面が上下に長手方向を有する細孔形状に形成され、少なくとも前記吸気ポート側の端部において、下側の断面積が上側の断面積よりも相対的に小さく形成されるものである。

請求項２においては、前記中空管が複数備えられるものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

本発明により、ＥＧＲガスが中空管の内部で液化して凝縮水が発生しても、凝縮水が中空管の内部で滞留することがなく、中空管の腐食を抑制することができる。

第一実施形態に係るＥＧＲ通路内蔵シリンダヘッドを備えた内燃機関の概略図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、ＥＧＲ通路内蔵シリンダヘッドの概略断面図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、図２（ｂ）におけるａ−ａ線断面図及びｂ−ｂ線断面図、（ｃ）は第二実施形態に係るＥＧＲ通路内蔵シリンダヘッドにおける中空管の断面図。 （ａ）は従来技術に係るシリンダヘッドの概略断面図、（ｂ）は図４（ａ）におけるＸ−Ｘ線断面図。

次に、発明の実施の形態を説明する。
なお、本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されるものではなく、本明細書及び図面に記載した事項から明らかになる本発明が真に意図する技術的思想の範囲全体に、広く及ぶものである。

［内燃機関１０の構成］
まず始めに、本発明の一実施形態に係るＥＧＲ通路内蔵シリンダヘッド１１（以下、単に「シリンダヘッド１１」と記載する）を備えた内燃機関１０の概略について、図１を用いて説明する。なお、本明細書においては説明の便宜上、図１における上側及び下側をそれぞれ内燃機関１０の上方及び下方とし、同じく左側及び右側を内燃機関１０の左側方及び右側方とし、同じく紙面手前側及び紙面奥行側を内燃機関１０の前方及び後方として説明する。

図１に示す如く、内燃機関１０はシリンダブロック２１の上面にシリンダヘッド１１が配設されて構成される。そして、シリンダヘッド１１には、スロットルバルブ２２ａを備える吸気管２２、及び、排気管２３が接続されている。
シリンダブロック２１には、上面に開口部を有する円筒形状のシリンダ２１ａが形成されており、シリンダ２１ａの内部には図示しないピストンがシリンダ２１ａの軸心方向に往復して摺動可能に収容されている。

シリンダヘッド１１の内部には燃焼室１４が形成されており、シリンダヘッド１１がシリンダブロック２１に配設された際には、燃焼室１４はシリンダブロック２１のシリンダ２１ａと連通される。また、燃焼室１４には図示しない点火プラグが配設される。
シリンダヘッド１１の内部には、吸気管２２と燃焼室１４とを連通する吸気ポート１２が形成されており、吸気ポート１２の燃焼室１４を挟んだ反対側の位置には、排気管２３と燃焼室１４とを連通する排気ポート１３が形成されている。吸気ポート１２及び排気ポート１３には、燃焼室１４に対して開閉するための図示しない吸気弁及び排気弁がそれぞれ設けられる。

また、シリンダヘッド１１の内部には排気ポート１３等を冷却するために、中空状のウォータージャケット１５が形成されている。ウォータージャケット１５の内部には図示しない冷却水が満たされており、シリンダヘッド１１の外部において図示しない冷却ポンプやラジエータと接続されている。そして、冷却ポンプを駆動させることによって、ウォータージャケット１５の内部を冷却水が流通し、シリンダヘッド１１の内部を冷却するように構成されている。本実施形態においては、冷却水はウォータージャケット１５の内部を上下方向に向かって流れるように構成されている。

内燃機関１０は、ＥＧＲパイプ３１、ＥＧＲクーラーであるＥＧＲ通路４０、及び、ＥＧＲバルブ３２で構成されるシリンダヘッド１１の排気再循環装置を備える。ＥＧＲ通路４０は、複数の中空管４１・４１・・・と、中空管４１・４１・・・の両端部に形成された、第一筒状部材４３及び第二筒状部材４５と、を備えている。そして、ＥＧＲ通路４０は、シリンダヘッド１１におけるウォータージャケット１５の内部に配設され、ＥＧＲ通路４０の内部は第二筒状部材４５及び第一筒状部材４３を介してウォータージャケット１５の外部と連通される。

ＥＧＲ通路４０は、冷却装置に配設され、冷却対象を冷却するための部材であって、図１に示す如く、左右に長手方向を有する長尺部材である。ＥＧＲ通路４０には、例えば冷却される対象である高温のＥＧＲガス等が流通する、複数の中空管４１・４１・・・が軸心を左右方向に向けて配設されている。本実施形態において、それぞれの中空管４１・４１・・・は、図３（ａ）及び（ｂ）に示す如く、前後方向に平面を有する略平筒形状に形成され、前後方向に三本並んで配列される。

そして、それぞれの中空管４１・４１・・・の間には、例えば冷却水が流通する、流通経路が形成されている。つまり、ＥＧＲ通路４０は、中空管４１・４１・・・の間に形成された流通経路に冷却水を流通させながら、中空管４１・４１・・・に対して左右方向に冷却対象を流通させることにより、冷却対象を冷却する構成としている。
このように、ＥＧＲ通路４０においては、冷却対象の流通路である複数の中空管４１・４１・・・が長手方向に形成されるとともに、各中空管４１・４１・・・の間に冷却水が流通する流通経路が形成されている。

なお、本実施形態においては冷却対象の冷却性能を高めるために、複数の中空管４１・４１・・・を並んで配設しているが、一本の中空管４１だけを配設し、その中空管４１の周囲に冷却水を流通させて冷却対象を冷却する構成とすることも可能である。

ＥＧＲパイプ３１は、シリンダヘッド１１の排気ポート１３の配設側、つまりＥＧＲ通路４０における右側である第二筒状部材４５の側に配設され、排気管２３とＥＧＲ通路４０における第二筒状部材４５とを連通している。また、ＥＧＲバルブ３２は、シリンダヘッド１１の吸気ポート１２の配設側、つまりＥＧＲ通路４０における左側である第一筒状部材４３の側に配設され、第一筒状部材４３と吸気管２２の間に介装されて両者を連通している。換言すれば、ＥＧＲ通路４０は、シリンダヘッド１１の内部に配置されて、ＥＧＲパイプ３１とＥＧＲバルブ３２とを連通するのである。

上記の如く構成された内燃機関１０においては、スロットルバルブ２２ａが開かれることにより、図１中の矢印Ａに示す如く吸気管２２に空気が流入する。そして、図１中の矢印Ｂの如く吸気ポート１２を通じてシリンダヘッド１１に空気が流入し、燃料とともに燃焼室１４で燃焼する。その後、排気ガスが図１中の矢印Ｃの如くシリンダヘッド１１から排気ポート１３を通じて流出し、さらに図１中の矢印Ｄの如く排気管２３を通じて外気に排出されるのである。

内燃機関１０の駆動中にＥＧＲバルブ３２が開かれると、排気ガスの一部（ＥＧＲガス）が図１中の矢印Ｅの如くＥＧＲパイプ３１に流入する。そして、ＥＧＲガスは図１中の矢印Ｆの如くＥＧＲ通路４０へと導かれ、ＥＧＲ通路４０を流通する際にウォータージャケット１５の内部を流れる冷却水によって冷却される。その後、ＥＧＲガスは図１中の矢印Ｇの如く、ＥＧＲバルブ３２を介して吸気管２２へと還流されるのである。

内燃機関１０においては上記の如く、本実施形態に係るシリンダヘッド１１の排気再循環装置を駆動させることにより、不活性な（酸素量の少ない）気体となったＥＧＲガスをシリンダヘッド１１の排気管２３から吸気管２２に再び環流して吸入空気と混合させている。これにより、燃焼室１４の内部の燃焼温度を低下させることで窒素酸化物の低減化を図っているのである。

［ＥＧＲ通路４０の構成］
次に、ＥＧＲ通路４０の構成について、図２及び図３を用いて説明する。図２に示す如く、ヘッド部材であるシリンダヘッド１１にはＥＧＲ通路４０が圧入される。具体的には、シリンダヘッド１１のうちＥＧＲ通路４０を圧入する部分には、第一圧入孔１１ａと、第一圧入孔１１ａよりも大きな径で形成された第二圧入孔１１ｂとが開口されている。一方、ＥＧＲ通路４０は、複数の中空管４１・４１・・・と、中空管４１・４１・・・の両端部に、それぞれの外径が第一圧入孔１１ａ及び第二圧入孔１１ｂの内径と略同一に形成された、第一筒状部材４３及び第二筒状部材４５と、を備えている。つまり、第二筒状部材４５の外径は、第一筒状部材４３の外径よりも大きく形成されている。
また、第一筒状部材４３における内周側面には、図２（ａ）に示す如く、半径方向内側に向かって二個の係合突起部４３ａ・４３ａが形成されている。

シリンダヘッド１１にＥＧＲ通路４０を圧入する際は、第二圧入孔１１ｂからＥＧＲ通路４０の第一筒状部材４３の側をシリンダヘッド１１に挿入する。そして、係合突起部４３ａ・４３ａに係合部材５１の係合部５１ａ・５１ａを係合させる。
一方、押圧面５２ａが形成された押圧部材５２を、第二筒状部材４５の開口側端部に当接させる。この状態で、図２（ａ）に示す如く、係合部材５１と押圧部材５２とを、それぞれ連結部材５３の端部に対してボルト等の締結部材で締結することにより連結し、圧入治具５０を構成するのである。

そして、圧入治具５０を左側方に移動させて、係合突起部４３ａ・４３ａに係合させた係合部材５１によって、図２（ａ）中の矢印Ａ１に示す如く、第一筒状部材４３を牽引する。それと同時に、押圧部材５２の押圧面５２ａによって、図２（ａ）中の矢印Ａ２に示す如く、第二筒状部材４５を第一筒状部材４３の牽引方向へ押圧するのである。これにより、第一筒状部材４３を第一圧入孔１１ａに、第二筒状部材４５を第二圧入孔１１ｂにそれぞれ圧入し、図２（ｂ）に示す如くＥＧＲ通路４０をシリンダヘッド１１に組み込むのである。

中空管４１・４１・・・は、図３（ａ）及び（ｂ）に示す如く、長手方向（軸方向）に直交する平面で切断した断面が上下に長手方向を有する細孔形状に形成されている。そして、中空管４１・４１・・・の吸気ポート側の端部においては、前記断面における下側（重力方向下側）の断面積が上側（重力方向上側）の断面積よりも相対的に小さくなるように形成されている。具体的には図３（ｂ）に示す如く、中空管４１・４１・・・の上側から下側に向かうに従って、その前後幅が徐々に狭くなるように、それぞれの中空管４１・４１・・・が形成されているのである。なお、中空管４１・４１・・・の吸気ポート側の端部は、その他の部分と比較してその断面積が変わらないように形成されている。つまり、中空管４１・４１・・・の上流側から下流側にかけて、ＥＧＲガスの流量が変化しないように構成されているのである。

上記の如く、本実施形態においては中空管４１・４１・・・を下側の断面積が上側の断面積よりも相対的に小さくなるように構成することにより、吸気ポート側の端部における上側や、排気ポート側の端部と比較して、吸気ポート側の端部における下側でＥＧＲガスの流速が上昇するように構成している。

上記の如く構成することにより、ＥＧＲ通路４０の中空管４１・４１・・・でＥＧＲガスが冷却されて凝縮水が発生しても、中空管４１・４１・・・における吸気ポート側に流れた凝縮液を流速の大きなＥＧＲガスで吹き飛ばすことができる。つまり、凝縮液が中空管４１・４１・・・の内部で滞留することがないため、中空管４１・４１・・・の腐食を抑制することが可能となるのである。

なお、本実施形態においては、中空管４１・４１・・・の吸気ポート側の端部において下側の断面積を小さく形成したが、上記の如く吸気ポート側に流れた凝縮液をＥＧＲガスで吹き飛ばすことができれば良く、中空管４１・４１・・・の全般にわたって下側の断面積が小さくなるように形成しても差し支えない。

また、本実施形態においては、中空管４１・４１・・・の吸気ポート側の端部において、上側から下側に向かうに従って、その前後幅が徐々に狭くなるように構成したが、図３（ｃ）に示す第二実施形態に係るＥＧＲ通路１４０の中空管１４１・１４１・・・の如く、上側から下側に向かうに従って、その前後幅が段階的に狭くなるように構成することも可能である。この場合でも、吸気ポート側の端部における下側でＥＧＲガスの流速が上昇するため、凝縮液が中空管１４１・１４１・・・の内部で滞留することがなく、中空管１４１・１４１・・・の腐食を抑制することが可能となる。

１１ シリンダヘッド
４０ ＥＧＲ通路
４１ 中空管

Claims (2)

1. 中空管を備え、該中空管で排気ポート側と吸気ポート側とを連通するＥＧＲ通路が、ヘッド部材に圧入されて構成される、ＥＧＲ通路内蔵シリンダヘッドであって、
   前記中空管は、軸方向に直交する断面が上下に長手方向を有する細孔形状に形成され、少なくとも前記吸気ポート側の端部において、下側の断面積が上側の断面積よりも相対的に小さく形成される、
   ことを特徴とする、ＥＧＲ通路内蔵シリンダヘッド。
2. 前記中空管が複数備えられる、
   ことを特徴とする、請求項１に記載のＥＧＲ通路内蔵シリンダヘッド。

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