JP2013015127A

JP2013015127A - Ｅｇｒガス通路構造

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Publication number: JP2013015127A
Application number: JP2011150466A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Ryu; 光弘龍; Junji Kishibe; 準司岸部; Yu Fujikawa; 雄冨士川
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2013-01-24
Anticipated expiration: 2031-07-06
Also published as: JP5800607B2

Abstract

【課題】シリンダヘッド内に形成されたＥＧＲガス通路に、ＥＧＲガス中から結露した水滴が溜まり、吸気側に水が噴射したり、長期にわたって貯留するとシリンダヘッドを腐食するといった問題が生じるおそれがあった。
【解決手段】シリンダヘッド内に設けられたＥＧＲガス通路構造であって、エキゾーストマニホールド側に設けられた第１の開口と、インテークマニホールド側に設けられた第２の開口と、前記第１の開口と前記第２の開口を連通する連通路を有し、前記連通路は、全長に渡って、ＥＧＲガスが流れる方向に向かって上昇するように傾斜することを特徴とするＥＧＲガス通路構造を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＥＧＲガス通路の構造に関するものであり、特にシリンダヘッド内にＥＧＲガス通路を設けた場合の構造に関する。

内燃機関で発生するＮＯ_Xなどの排気ガスは、環境汚染を促進する物質として排出を低減するように努力されている。この効果的な方法の１つに、排気ガスの一部を吸気側に返すＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）がある。ＥＧＲの技術は以下の原理に基づくものである。まず、窒素は安定な元素であるが、超高温下では酸素と反応してＮＯ_Xを生成する。

つまり、燃焼室での燃焼が超高温になるためＮＯ_Xが生成すると言える。そこで、すでに燃焼したガスの一部（以後「ＥＧＲガス」と呼ぶ。）を吸気に戻すことで、吸気中の酸素割合を減少させ、内燃機関中の燃焼温度を下げることで、ＮＯ_Xの生成を抑制する。また、排気ガスを再循環させると熱効率が向上するので、燃費の向上が図れるという効果も得られる。

しかし、高温のＥＧＲガスをそのまま吸気に混ぜると、燃焼に必要な新気の割合が減少し、シリンダへの充填効率が減少する。そこで、ＥＧＲガスはエンジンのウォータージャケッド等の冷却箇所を利用して温度を下げることが行われていた。しかし、そこで新たな問題として、燃焼ガス中に水蒸気を含有させたまた、燃焼気体としてシリンダに送りこむと、燃焼不安定になるという課題が生じた。

そこで、特許文献１では、ＥＧＲガスの冷却通路中に重力下方にくぼむ凹部を設ける発明の内容が開示されている。この凹部は冷却された凝縮水を一時的に溜めることができ、シリンダに水分が流入することを抑制することができる。

特開２００２−００４９５３号公報

ＥＧＲガスの通路の冷却できる部分に凹部を設け、ＥＧＲガス中の水分を一時溜めておくことは水分をシリンダ内に入れないのに効果的である。しかし、この凹部はＥＧＲガス通路に略水平となる箇所があるのがよい。例えば、エンジンを直立に近い状態で設置する場合は、エキゾーストマニホールドからインテークマニホールドまでは、シリンダヘッドを挟んでほぼ同じ高さに形成されるので、水平に近いパスを確保することができる。したがって、特許文献１の技術を好適に利用することができる。

しかし、エンジンを寝かせた状態、つまりシリンダの中心軸が重力方向水平に近い状態でエンジンを設置する場合は、エキゾーストマニホールドからインテークマニホールドまで、水平に近いパスを確保することが難しい。

特に、シリンダヘッド内にＥＧＲガス通路を設ける場合は、シリンダヘッド内のウォータージャケットを利用することができるため、冷却という観点では効率的である。しかし、このタイプのエンジンを寝かせて設置する場合は、ＥＧＲガス通路に凹部を設けるのが
困難である。エキゾーストマニホールドとインテークマニホールドが、重力方向で上下の関係になるからである。

このようなタイプのエンジンの場合、エキゾーストマニホールドとインテークマニホールドまでの間のＥＧＲガス通路中の最も低い箇所に、ＥＧＲガス中の水分が凝縮して水滴となり貯留してしまうおそれがある。エンジンを直立にする場合との違いは、水分が溜まる凹部を水平に近いＥＧＲガス通路に設けた場合は、水分がＥＧＲガス通路を塞ぐことはないが、エンジンを寝かせた場合は、ＥＧＲガス通路が基本的に垂直方向であるので凝縮した水分がＥＧＲガス通路を塞いでしまう場合があることである。

ＥＧＲガス中にあった水分が凝縮した水滴が貯留し、ＥＧＲガス通路を塞いでしまうと、ＥＧＲガスの勢いで、水が突発噴射され、インテークマニホールド内を水浸しにする、若しくはシリンダ内に水が入るといった課題が生じる。

また、特にシリンダヘッド内にＥＧＲガス通路を設けた場合は、そもそもシリンダヘッド内に水がたまる箇所を設けると、そこから腐食が発生するおそれもある。例えば、シリンダヘッドを軽量のアルミニウムで構成した場合、窒素酸化物を含むＥＧＲガスに曝される水分は強酸性液体になるので、シリンダヘッド自体が腐食されてしまう。

本発明は、上記課題に鑑みて想到された発明であり、シリンダヘッド内にＥＧＲガス通路を設けた場合であっても、シリンダヘッド内にＥＧＲガス中の水分が凝縮した水が貯留しないＥＧＲガス通路構造を提供するものである。

より具体的に本発明のＥＧＲガス通路構造は、
シリンダヘッド内に設けられたＥＧＲガス通路構造であって、
エキゾーストマニホールド側に設けられた第１の開口と、
インテークマニホールド側に設けられた第２の開口と、
前記第１の開口と前記第２の開口を連通する連通路を有し、
前記連通路は、全長に渡って、ＥＧＲガスが流れる方向に向かって上昇するように傾斜することを特徴とする。

また、上記ＥＧＲガス通路構造においては、シリンダヘッド内のＥＧＲガス通路の傾斜角は、少なくとも２段階あり、下流側ほど傾斜角が大きくなることを特徴とする。

また、上記ＥＧＲガス通路構造においては、前記第２の開口にＥＧＲバルブを連結させ、前記ＥＧＲバルブは、バルブ体を軸線方向に動かすことで、還流するガス量を調整する構造を有し、前記バルブの軸線方向の延長線上には、前記第２の開口が開口していることを特徴とする。

さらに、上記のＥＧＲバルブを有するＥＧＲガス通路構造では、前記ＥＧＲバルブはエンジン停止中に閉じた状態であり、エンジンの始動前に少なくとも１度は開方向に作動することを特徴とする。

本発明のＥＧＲガス通路構造は、シリンダヘッド内に常に上り傾斜を有するように形成されるので、シリンダヘッド内に設けられたＥＧＲガス通路が上記のような構造を有することによって、エキゾーストマニホールド側を重力下側にしさえすれば、冷却され結露したＥＧＲガス中の水分は、すべてエキゾーストマニホールド側に落下するので、水が吸気側に噴射されるおそれがない。

また、高温のエキゾーストマニホールド側に落下することで、蒸発し排気ガスと一緒に排出されるので、シリンダヘッド内に残留せず、ＥＧＲガス通路を腐食するおそれがない。したがって、シリンダヘッド内ＥＧＲガス通路に腐食防止のコーティングが不要となり、コストの低減に寄与する。

また、ＥＧＲガス通路は下流側（インテークマニホールド側）に行くほど温度が下がるので、下流側ほど通路内壁面に結露する。しかし、下流側の方が重力の働く方向で見たときの位置が高いため、結露した水滴は、ＥＧＲガス通路内を伝い落ち、通路内壁面に結露した水分を次々と吸収する。したがって、通路内の水はけが良くなる。

また、上記に説明したように、ＥＧＲガス通路では、下流側ほど水滴が付き易いので、下流側の傾斜をより垂直に近くなるように構成することで、より水滴の落下を促すことができる。また、ＥＧＲガス通路の傾斜角が変わる点でＥＧＲガスの流れに乱れが生じるため、その乱れによって、通路内壁面の水滴がより落下しやすくなる。

また、ＥＧＲガス通路の前記第２の開口にＥＧＲバルブを連結させ、バルブの軸線方向の延長線上には、ヘッド内ＥＧＲ通路の出口部が開口するように構成したので、バルブ体に付着した水滴は、ＥＧＲバルブが作動すると、その振動でシリンダヘッド内のＥＧＲガス通路に落下する。ＥＧＲバルブはヘッド内ＥＧＲ通路の最も下流でなおかつ重力方向で最も高い位置に配置されるので、落下した水滴は多くのＥＧＲ通路内の壁面に付着している水滴を取り込み、より水はけがよくなる。

さらに、上記のＥＧＲバルブはエンジン停止中に閉じた状態であり、エンジンの始動前に少なくとも１度は開方向に作動することとしたので、エンジン停止中には、排気ガスが吸気系に流れない。また、エンジンが始動する前にＥＧＲバルブ体を作動させるので、この時、バルブ体に水分が付着していても、それはシリンダヘッド内のＥＧＲバルブ通路側に落下する。したがって、エンジン始動後にＥＧＲバルブを作動させても、ＥＧＲバルブ体に付着していた水分が吸気側に飛ばされるおそれがない。

本発明のＥＧＲガス通路構造を有するシリンダヘッドの側面図を示す図である。本発明に係るシリンダヘッドの排気口方向から見た図である。本発明に係るシリンダヘッドを斜め上から見た斜視図である。本発明に係るＥＧＲガス通路構造を模式的に示す図である。

以下に図面を用いて本発明のＥＧＲガス通路構造について説明する。なお、以下の説明は本発明の一実施形態を例示するものであり、本発明の趣旨から外れない範囲内で、下記の実施形態を変更しても、本発明の技術的範囲に含まれるのは言うまでもない。

図１に本発明のＥＧＲガス通路構造１を有するシリンダヘッド１０の側面図を示す。このエンジンは、シリンダの軸線３が重力方向４に対してα度だけ傾いたエンジンである。ヘッドカバー５とシリンダブロック６は２点鎖線で示した。また、インテークマニホールド（図示せず）は、シリンダヘッド１０の上方に配置され、エキゾーストマニホールド（図示せず）は下方に配置される。したがって、吸気は矢印１１方向からシリンダヘッド１０に供給され、矢印１２方向に排出される。

図２は、図１のＡ方向からシリンダヘッド１０を見た図である。シリンダヘッド１０からの排気口（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ）が３つあることからわかるように、３気筒のエンジンを例示する。しかし、気筒数は例示であり、限定されるものではない。排気口１４に隣接してＥＧＲガス通路２０の開口２１が設けられている。

この開口２１は、ＥＧＲガスが吸気側まで返される通路のスタート点であり、ＥＧＲガス通路２０の第１の開口２１と呼ぶ。排気口（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ）とＥＧＲガス通路２０の開口２１は、共通の接続面２６上に形成されており、図示しないエキゾーストマニホールドは、３つの排気口（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ）とＥＧＲガス通路２０の開口２１を共通に覆った上で、エキゾーストパイプに繋がる。エキゾーストパイプの方向は符号Ｅで示す。

第１の開口２１は、シリンダヘッド１０の排気口（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ）からエキゾーストパイプに繋がる方向の下流側に配置されるのがよい。排気を取り込みやすいからである。また、ＥＧＲガス通路２０は、シリンダヘッド１０の隅に形成するのが容易である。シリンダヘッド１０の中央部分には、カムや開閉バルブが配置されるため、ＥＧＲガス通路２０を設けるスペースを確保するのが容易でないからである。

図３（ａ）は、図１のＢ方向から見たシリンダヘッド１０である。図３（ｂ）はその一部拡大図である。ヘッドカバーで覆われている部分は省略している。傾斜して載置されるシリンダヘッド１０の隅のうち、重力方向で位置が高い方の隅にＥＧＲバルブ３０を載置するための水平面が設けられる。これを載置水平面２５と呼ぶ。シリンダヘッド１０内に設けられたＥＧＲガス通路２０は、この載置水平面２５に開口２２を有する。この開口２２は第１の開口２１から見るとＥＧＲガス通路２０の下流にあたり、ＥＧＲガス通路２０の第２の開口２２と呼ぶ。

ＥＧＲバルブ３０はこの載置水平面２５の第２の開口２２に吸入口（図示せず）を合わせて配設される。ＥＧＲバルブ３０のバルブ動作方向を重力方向にするためである。

ＥＧＲバルブ３０の構成の詳細は図４を用いて後述するが、シリンダヘッド１０に設けられた載置水平面２５に配設されたＥＧＲバルブ３０は、ＥＧＲガス排出口３１を有する。このＥＧＲガス排出口３１は、吸気側（例えばインテークマニホールド）に連通される。ＥＧＲバルブ３０は、載置水平面２５上に設けられた第２の開口２２からＥＧＲガスを吸込み、このＥＧＲガス排出口３１から吸気側にＥＧＲガスを送る。

再び図１を参照して、図２のＥＧＲガス通路２０の第１の開口２１からは、シリンダヘッド１０中をＥＧＲガス通路２０が形成されている。ＥＧＲガス通路２０は、シリンダヘッド１０とシリンダブロック６の連結部分１０ａに沿って、所定の長さ分形成され、そこから方向を変える（２０ｃ）。そして、載置水平面２５の中央に、第２の開口２２が形成されるように形成する。つまり、ＥＧＲガス通路２０は、第１の開口２１と第２の開口２２の間に形成された連通路といえる。

この結果、ＥＧＲガス通路２０は、シリンダヘッド１０中で少なくとも１回方向が変更される。なお、第１の開口２１に近いＥＧＲガス通路２０を上流側ＥＧＲガス通路２０ａとよび、第２の開口に近いＥＧＲガス通路２０を下流側ＥＧＲガス通路２０ｂとよぶ。

上流側ＥＧＲガス通路２０ａと、下流側ＥＧＲガス通路２０ｂは、重力方向４に対して、異なる角度を有する。ここで、重力方向４に対する角度とは、ＥＧＲガス通路２０の中心線と重力方向４のなす角度を言う。

図３（ｂ）を参照して、上流側ＥＧＲガス通路２０ａと重力方向４のなす角度はβであ
り、下流側ＥＧＲガス通路２０ｂと重力方向４のなす角度はγである。ここで、本発明のＥＧＲガス通路構造１では、γ＜βの関係がある。すなわち、下流側ＥＧＲガス通路２０ｂの方が重力方向４に近い。言い換えるとＥＧＲガス通路２０の傾斜角が大きい。なお、ここで傾斜角とは、重力方向４となす角度を９０度から引いた角度である。

また、上記のように、下流側ＥＧＲガス通路２０ｂの重力方向４となす角度γは、ゼロでない場合もある。つまり、第２の開口２２の地点における下流側ＥＧＲガス通路２０ｂの重力方向４とのなす角度もゼロ（すなわち垂直）でない場合もある。

次に、本発明のＥＧＲガス通路２０の作用について説明する。ＥＧＲガスは、図２で示したエキゾーストマニホールド内の第１の開口２１から、シリンダヘッド１０内に設けられたＥＧＲガス通路２０を昇る。シリンダヘッド１０中にはウォータージャケット（図示せず）が網の目のように形成されており、高い冷却能力を有している。つまり、ＥＧＲガスは重力方向４を上昇し、ＥＧＲガス通路２０の下流側に向かうほど温度が下がる。

温度が下がると、ＥＧＲガス中に含まれていた水蒸気が結露して水滴となりＥＧＲガス通路２０の内壁面に付着する。付着する水滴は、上流側ＥＧＲガス通路２０ａから下流側ＥＧＲガス通路２０ｂに向うほど大きな水滴となる。ＥＧＲガスの温度が下がるからである。ここで、下流側ＥＧＲガス通路２０ｂの傾斜角は、大きく（垂直に近く）設定されているので、水滴は自重でＥＧＲガス通路２０の内壁面を伝いながら落下する。落下した水滴は、さらに内壁面に付着している水滴を吸収しながら落下する。そのためＥＧＲガス通路２０内は、水はけがよい。

また、上流側ＥＧＲガス通路２０ａと下流側ＥＧＲガス通路２０ｂの傾斜角は、異なるので、この屈曲点２０ｃでＥＧＲガスの流れが変化する。その際の風圧の変化によって、屈曲点２０ｃ付近の水滴は容易に落下するようになる。

また、上流側ＥＧＲガス通路２０ａから下流側ガス通路２０ｂに向かって、常に傾斜角が設けられているため、ＥＧＲガス中の水分はどこにも貯留することがない。したがって、ＥＧＲガス通路２０が形成されたシリンダヘッド１０内で腐食が生じる事が無い。つまり、シリンダヘッド１０内のＥＧＲガス通路２０に腐食防止処理等を行う必要がなく、コスト低減に寄与する。

なお、ＥＧＲガス通路２０内を落下した水滴はエキゾーストマニホールドに落ちる。エキゾーストマニホールドは、高温の排気ガスが通過する部分であるので、水滴は蒸発し、排気ガスと一緒に排出される。

図４（ａ）には、シリンダヘッド１０、とその内部に設けられたＥＧＲガス通路２０、ＥＧＲバルブ３０、インテークマニホールド９１、エキゾーストマニホールド９０を模式的に描いた図を示す。図４（ｂ）はその一部拡大図である。インテークマニホールド９１には、スロットルボディ９２から新気がインテークマニホールド９１内に導入される。インテークマニホールド９１内には、ＥＧＲガス流入口３７がある。本発明のＥＧＲガス通路構造１は、ＥＧＲバルブを含んでいてもよい。

シリンダヘッド１０の吸気側にはインテークマニホールド９１が連結され、また排気側には、エキゾーストマニホールド９０が連結されている。エキゾーストマニホールド９０内には、シリンダヘッド１０内に設けられたＥＧＲガス通路２０の入り口である第１の開口２１が形成される。

シリンダヘッド１０の重力方向４で高い隅には載置水平面２５が形成され、ＥＧＲガス通路２０は、載置水平面２５に第２の開口２２を形成する。ＥＧＲガス通路２０は、第１の開口２１から第２の開口２２まで、シリンダヘッド１０内に形成された連通路である。

インテークマニホールド９１内で新気と混合されたＥＧＲガスは、燃料を混合された後、燃焼室１０ｅで燃焼され、シリンダヘッド１０の排気口１４ｃからエキゾーストマニホールド９０に排出される。そして、排気ガスの一部が、第１の開口２１からＥＧＲガス通路２０に入る。図４では、ＥＧＲガス通路２０は１つの傾斜だけで示したが、実際には２つの通路から形成され、それぞれ傾斜角が異なる。

従って、ＥＧＲガス通路２０を昇るほどＥＧＲガスはＥＧＲガス通路２０の壁面に結露し水滴となり、落下し、エキゾーストマニホールド９０に落ちる。

シリンダヘッド１０の載置水平面２５に配設されたＥＧＲバルブ３０は、軸線方向に移動可能なバルブ軸３２と、バルブ軸３２に連結されたバルブ体３３と、バルブ体３３と密着当接し流路３５を塞ぐ弁座３４を有する。バルブ体３３で塞がれた流路の下流側には、ＥＧＲガス排出口３１が設けられている。ＥＧＲバルブ３０は載置水平面２５に形成されたＥＧＲガス通路２０の第２の開口２２に、流路３５が連通されている。したがって、バルブ軸３２の軸線方向には、ＥＧＲガス通路２０の第２の開口２２が存在する位置関係となる。

バルブ軸３２が軸線方向に移動すると、弁座３４と密着当接していたバルブ体３３が、流路３５方向に移動し、バルブ体３３と弁座３４の間に隙間ができ、ＥＧＲガスが流れる。つまり、バルブ体３３を軸線方向に動かすことで、還流するガス量を調整する構造を有している。

流れたＥＧＲガスは、弁座３４の下流に設けられたＥＧＲガス排出口３１からＥＧＲパイプ３６を通って、ＥＧＲガス流入口３７に流れる。なお、バルブ軸３２の移動動作は、図示しない制御装置によって、指示される。

このようなバルブをＥＧＲバルブ３０として用いると、バルブ体３３に結露した水滴がバルブ体３３の動きによってＥＧＲガス通路２０内に落下し、水滴のはけをよくする。したがって、ＥＧＲバルブ３０のバルブ体３３は、重力方向に沿って作動するのが好ましい。水滴を落下させやすいからである。

なお、バルブ体３３の直下には、流路３５を介して、載置水平面２５に設けられた第２の開口２２が位置しているので、バルブ体３３からの水滴の落下は、ＥＧＲガス通路２０内の水滴をエキゾーストマニホールド９０に排出するきっかけにもなる。

また、このようなバルブは、通常は常にバルブ体３３と弁座３４が密着当接しているので、エンジンが停止した後に、ＥＧＲガスが吸気側に進入することがない。

また、ＥＧＲバルブ３０の制御として、エンジン始動（初点火）前にバルブ体３３を少なくとも１度、作動させるのが望ましい。エンジンが点火されると、排気ガスが発生し、ＥＧＲガス通路２０内の圧力が上がる。また、エンジンを停止していたので、バルブ体３３に水滴が付着しているおそれがある。その場合、ＥＧＲガス通路２０内の圧力が上昇してからＥＧＲバルブ３０を開けると、バルブ体３３に付着していた水滴が吸気側に噴射されるおそれがあるからである。

以上のように本発明のＥＧＲガス通路構造１は、冷却されたＥＧＲガスから露結して生じる水滴がシリンダヘッド１０内に貯留しない構成であるため、腐食防止処理などを行わなくても、ＥＧＲガス通路内が腐食することがなく、また、貯留した水滴が吸気側に噴出
することもない。

本発明は、内部にＥＧＲガス通路を形成したシリンダヘッドを有するエンジンに好適に用いることができる。

１ＥＧＲガス通路構造
３エンジンのシリンダ方向
４重力方向
５ヘッドカバー
６シリンダブロック
１０シリンダヘッド
１１吸気の供給方向
１２排気の排出方向
１４シリンダヘッドの排気口
２０ＥＧＲガス通路
２１第１の開口
２２第２の開口
２５載置水平面
２６接続面
３０ＥＧＲバルブ
３１ＥＧＲガス排出口
３２バルブ軸
３３バルブ体
３４弁座
３５流路
３６ＥＧＲパイプ
３７ＥＧＲガス流入口
９０エキゾーストマニホールド
９１インテークマニホールド
９２スロットルボディ

Claims

シリンダヘッド内に設けられたＥＧＲガス通路構造であって、
エキゾーストマニホールド側に設けられた第１の開口と、
インテークマニホールド側に設けられた第２の開口と、
前記第１の開口と前記第２の開口を連通する連通路を有し、
前記連通路は、全長に渡って、ＥＧＲガスが流れる方向に向かって上昇するように傾斜することを特徴とするＥＧＲガス通路構造。
前記連通路の傾斜角は、少なくとも２段階あり、下流側ほど前記傾斜角が大きくなることを特徴とする請求項１に記載されたＥＧＲガス通路構造。
前記第２の開口にＥＧＲバルブを連結させ、
前記ＥＧＲバルブは、バルブ体を軸線方向に動かすことで、還流するガス量を調整する構造を有し、前記バルブの軸線方向の延長線上には、前記第２の開口が開口していることを特徴とする請求項１または２の何れかの請求項に記載されたＥＧＲガス通路構造。
前記ＥＧＲバルブはエンジン停止中に閉じた状態であり、エンジンの始動前に少なくとも１度は開方向に作動することを特徴とする請求項３に記載されたＥＧＲガス通路構造。