JP2013015128A - Egrバルブ冷却構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】EGRバルブをエンジンに直接連結し、ウォータージャケットから冷却液を取り入れて冷却するEGRバルブの冷却構造では、冷却液が凍結し、EGRバルブ内の冷却液路にストレスを及ぼし、冷却液路が損傷するおそれがある。
【解決手段】エンジンのウォータージャケットから冷却液が供給されるEGRバルブの冷却構造であって、前記ウォータージャケットの外壁には、冷却液を外部に取り出す冷却液送路と冷却液返路が形成され、前記冷却液送路および前記冷却液返路のいずれかのうち少なくとも一方は、前記ウォータージャケットの上面の外壁に設けられ、前記EGRバルブは、前記冷却液送路と連結される冷却液導入口と、前記冷却液返路と連結される冷却液排出口を有する冷却液路を内部に有し、前記冷却液路は前記冷却液導入口および前記冷却液排出口よりも重力上方向に配設されることを提供する。
【選択図】図4

Description

本発明は、EGRバルブの冷却構造に関するものであり、特にシリンダヘッドを含むエンジン本体にEGRバルブを直接取付けた場合の冷却構造に関する。
内燃機関で発生するNOX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(Exhaust Gas Recirculation)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NOXを生成する。
つまり、燃焼室での燃焼が超高温になるためNOX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、NOX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。これは、排気還流と呼ばれ特許文献1等ですでに知られている。
ここで、排気ポートから吸気ポートにEGRガスを返す際には、電気的に開閉制御ができるEGRバルブを用いる。EGRガスの混入比率は、運転の場面によって変える必要があるからである。このEGRバルブは、排気ポートと吸気ポートの間に配置されるので、エンジン付近若しくはエンジンに直接結合固定される。すると、エンジンからの熱を受け、高温に曝される環境に置かれる。
電気的に動作を制御されるEGRバルブにとっては、高温に曝されるのは、好ましいことではない。そのため、EGRバルブを冷却する構造が提案されている。
特許文献2には、循環する冷却液を冷却手段として有するタイプのエンジン表面にEGRバルブを直接結合し、エンジン冷却用の冷却液を利用してEGRバルブを冷却する構造が開示されている。
実公昭61−43969号公報 特開2004−263599号公報
特許文献2で開示されているEGRバルブの冷却構造は、エンジンの冷却液を利用するものであり、自然冷却と比較すると効果的であると言える。しかし、特許文献2のように、エンジン冷却液をEGRバルブ中に導入し、冷却効果を得ようとすると、エンジン停止時には、EGRバルブ中に冷却液が残留することとなる。
このような冷却液の残留は、特に冬季においては、冷却液の凍結を招くおそれが生じる。よく知られているように、凍結した冷却液は体積膨張するため、EGRバルブ中の冷却液の通路に強い応力がかかる。応力が大きい場合は冷却液通路の破壊ということも生じるおそれがある。
本発明は上記課題に鑑みて想到された発明であり、シリンダヘッドを含むエンジン表面に直接結合固定されるEGRバルブの冷却構造を提供するものである。
より具体的に本発明のEGRバルブ冷却構造は、
エンジンのウォータージャケットから冷却液が供給されるEGRバルブの冷却構造であって、
前記ウォータージャケットの外壁には、冷却液を外部に取り出す冷却液送路と冷却液返路が形成され、
前記冷却液送路および前記冷却液返路のいずれかのうち少なくとも一方は、前記ウォータージャケットの上面の外壁に設けられ、
前記EGRバルブは、前記冷却液送路と連結される冷却液導入口と、前記冷却液返路と連結される冷却液排出口を有する冷却液路を内部に有し、
前記冷却液路は前記冷却液導入口および前記冷却液排出口よりも重力上方向に配設されることを特徴とする。
本発明のEGRバルブ冷却構造では、EGRバルブは、エンジンのウォータージャケットの上面に隣接する外壁面若しくはその近傍に設置される。また、EGRバルブ内には、エンジンのウォータージャケットから冷却液が流れる冷却液路を形成する。そして、冷却液導入口と冷却液排出口より冷却液路を重力上方向になるように配置する。
したがって、エンジンが停止し、ウォータージャケット内の冷却液の循環が止まった後、ウォータージャケット内の気泡は、ウォータージャケット上面に浮き上がり、EGRバルブの冷却液路中に入り残留する。結果、エンジン停止後にはEGRバルブの冷却液路には空気の気泡が溜まる。すると、仮に周囲温度が低くなり、冷却液が凍結したとしても、冷却液の体積膨張は気泡が圧縮することで、吸収することができ、冷却液路への応力負担が軽減される。
また、エンジン停止時にEGRバルブ内の冷却液路から冷却液を排出するなどの新たな機構を必要とせず、軽量化、低コスト化に資するところとなり、低燃費に貢献するEGRガスの冷却構造を得ることができる。
本発明に係るEGRバルブが取り付けられたシリンダヘッドを示す斜視図である。 シリンダヘッドの排気ポート側からシリンダヘッドを見た図である。 シリンダヘッドに取り付けられたEGRバルブの斜視図である。 本発明に係るEGRバルブの取付面を含む断面を示す断面図である。 本発明に係るEGRバルブの他の取付状態を示す断面図である。
以下に図面を用いて本発明のEGRバルブ冷却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に本実施形態のEGRバルブ冷却構造1を有するシリンダヘッド10の側面図を示す。ここではシリンダの軸線3が重力方向4に対してα度だけ傾いたエンジンで、3気筒の場合を例示するが、特にこの条件に限定されるものではない。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の紙面上方に配置され、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。3気筒エンジンなので、シリンダヘッド10からの排気口(14a、14b、14c)が3つある。排気口に隣接して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の第1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。
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(重力上方向)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。なお、EGRバルブの取り付け位置は例示であり、この位置に限定されるものではない。
また、載置水平面25には、開口22とは別にシリンダヘッド10のウォータージャケット(図示せず)と連通した2つの開口が形成されている(図3(b)参照)。これは、ウォータージャケットから冷却液をEGRバルブ30に送出するための開口と、EGRバルブ30から冷却液を排出するための開口である。これらはそれぞれ、冷却液送路口41aと冷却液返路口42aと呼ぶ。
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。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。
図4には、EGRバルブ30および載置水平面25およびその下のウォータージャケット40部分の断面を示す。EGRバルブ30は、下方にエンジン側との取付面30fが形成されている。取付面30fは載置水平面25と対向し突き合わされ、図示しないボルトなどで締結固定される。取付面30fには、EGRガスを導く導管口35iが形成されている。導管口35iは、載置水平面25の第2の開口22と対向する。
導管口35iからは導管35が形成されている。導管35の途中には導管35を塞ぐ弁
座34が配置されている。弁座34は中央に貫通孔が形成されたドーナツ状の部材である。弁座34の周囲部分は導管35の内壁に密着配置されている。導管35の奥には、アクチュエータ36が配置される。アクチュエータ36にはバルブ軸32が連結されている。したがって、バルブ軸32は軸方向に移動可能な状態になる。
バルブ軸32の先端は、弁座34より導管口35i側で、バルブ体33の中心と連結されている。バルブ体33は、外径が弁座34の貫通孔の内径より大きい略円板状の部材である。つまり、バルブ軸32の軸方向の移動によって、バルブ体33もバルブ軸32方向に移動する。そして、バルブ体33が弁座34に密着接触させることで流路は遮断され、EGRガスは、導管35を先に進めない。また、バルブ体33が弁座34より導管口35i側に移動すれば導管35は開通し、EGRガスは弁座34を超えて導管35を先に進める。
導管35の先は導管35に略直角方向にEGRガス排出口31が設けられており、導管35を通過してきたEGRガスはこのEGRガス排出口31から排出される。排出されたEGRガスはすでに説明したように、EGRガスパイプ(図示せず)を介して吸気側(たとえばインテークマニホールド)に流れる。
このように、EGRバルブ30は、排気側からEGRガス通路20を通ってくるEGRガスを吸気側に通過させることを制御するバルブである。したがって、排気ポート、吸気ポートの最短経路中に設けるのが好ましい。すると、本実施の形態で説明するように、シリンダヘッド10若しくはその周辺に配設される。エンジンは内部にウォータージャケット40が形成され、冷却されているとはいえ、かなり高温となる熱源である。つまり、熱源の近傍に配置されるEGRバルブ30は高温に曝される。
アクチュエータ36等の電気素子を有するEGRバルブ30は高温に曝され続けるのは経年的な動作の確実性とう観点から好ましくない。そこで、本実施形態のEGRバルブ30の冷却構造では、EGRバルブ30内に、冷却液路39を形成する。
冷却液路39は、EGRバルブ30の取付面30f側に設けられた冷却液導入口39aから冷却液排出口39bまでを連通する連通路である。また冷却液路39は、EGRバルブ30内で冷却液をめぐらせれば、効果的な冷却ができる部分に配置することができ、分岐となる部分があってもよい。本実施形態のEGRバルブ冷却構造1では、EGRバルブ内の冷却液路を冷却液が流れるからである。
冷却液導入口39aと冷却液排出口39bは、それぞれ載置水平面25の冷却液送路口41aと冷却液返路口42aに対向させる。すなわち、本実施形態のEGRバルブ冷却構造1では、EGRバルブ30の取付面30fには、冷却液のための開口として冷却液導入口39aと冷却液排出口39bが設けられ、EGRガスのための開口として導管口35iが設けられている。
すなわち、載置水平面25上に配置されたEGRバルブにおいては、冷却液導入口39aと冷却液排出口39bが重力方向4で最下部となる。言い換えると、冷却液路39は、冷却液導入口39aと冷却液排出口39bより重力上方向に配置されている。また、載置水平面25には、EGRバルブ30の取付面30fの開口に対応して、冷却液送路口41aと、冷却液返路口42a、第2の開口22の3つの開口が形成される。
一方、シリンダヘッド10側の内部には、シリンダヘッド10冷却用のウォータージャケット40が形成されている。ウォータージャケット40は、シリンダヘッド10の一方から他方に冷却液が流れるように形成される。内部で冷却液が滞留してしまっては、冷却できないからである。
本実施形態のEGRバルブ冷却構造1では、EGRバルブ30は、傾斜して載置されるシリンダヘッド10隅のうち、重力方向4で位置が高い方(重力上方向)の隅の載置水平面25に形成されているので、ウォータージャケット40の上面に隣接する外壁面に配置されているといえる。
なお、ここで、「ウォータージャケット40の上面」とは、ウォータージャケット40の中で重力方向で位置が高い部分を指し、ウォータージャケット40中、最下面でなければ、載置水平面25より高い箇所があってもよい。冷却液路39中に気泡を残留させればよいので、最上位面でなくてもよいからである。
また、本実施形態のEGRバルブ冷却構造1では、このウォータージャケット40の流路の中で、EGRバルブ30近傍に、流路を絞った絞り部45を形成してもよい。絞り部45はウォータージャケット40の流路において、冷却液の流れの上流から下流に向かう箇所で流路の断面積を狭く形成した部分である。
すなわち、絞り部45の上流側では冷却液の液圧が高くなり、絞り部45の下流側では液圧が低くなる。そして、冷却液送路口41aと絞り部45の上流部分を連通させる冷却液送路41をシリンダヘッド10内に形成する。さらに、冷却液返路口42aと絞り部45の下流部分を連通させる冷却液返路42をシリンダヘッド10内に形成する。
なお、ここで、絞り部45の上流側40uおよび下流側40dとはウォータージャケット40内での冷却液の流れに沿っての、上流側、下流側を意味する。また、上流部分とは、絞り部45の上流側40uであって、冷却液の液圧が高くなるウォータージャケット40の内壁面を意味し、下流部分とは、絞り部45の下流側40dであって、冷却液の液圧が上流部分より低くなるウォータージャケット40の内壁面を意味する。
絞り部45は、シリンダヘッド10の外壁面特にEGRバルブ30を搭載する載置水平面25の近傍に設けるのが望ましい。冷却液送路41や冷却液返路42は送液抵抗となるため短い方が好ましいからである。また、絞り部45は、上記の説明のような上流部分と下流部分が形成できる箇所に設ける必要がある。絞り部45を形成し、上流側40uの液圧が上がったとして、予定していた下流側40dよりもっと液圧の低い場所に冷却液が流れてしまったのでは、EGRバルブ30に効果的に冷却液を供給できないからである。
図4では、絞り部45に対して上流側40uのウォータージャケット40の内壁面は分岐部分であっても、冷却液の液圧が高いので、冷却液送路41がウォータージャケット40内壁面に開口している部分(41b)も上流部分である。一方、冷却液返路42がウォータージャケット40内壁面に開口している部分(42b)は絞り部45の下流側40dにあたり、上流側40uと比べると液圧は低くなっている。
以上のようにウォータージャケット40を構成すると、冷却液は、下流側40dに対して圧力の高い上流側40uから設けた冷却液送路41からEGRバルブ30の冷却液路39に入り、EGRバルブ30内を冷却した後、冷却液返路42からウォータージャケット40内に戻る。すると、EGRバルブ30内を常に冷却液が通過することになるため、高い冷却効果を得る事ができる。すなわち、高熱源に近い環境であっても、経年的な熱損傷からアクチュエータといった電気素子を守ることができる。
また、エンジン停止後は、ウォータージャケット40中に残留する気泡がウォータージャケット40内を上昇し、冷却液送路41や冷却液返路42からEGRバルブ30内に入り込み、冷却液路39の最上部に蓄積される。したがって、エンジン停止後に周囲環境が
低温になり、仮に冷却液が凍結したとしても、EGRバルブ30内の冷却液路39では、冷却液の膨張した体積容量は冷却液路39内に残留した気泡が圧縮されることで、吸収される。
本発明のEGRバルブ冷却構造1では、ウォータージャケット40から冷却液を供給され、かつ冷却液をウォータージャケット40に返す構造で、エンジンが停止した際に、EGRバルブ30の冷却液路39に気泡が貯留する構造であれば、冷却液の凍結からEGRバルブ30を保護することができる。したがって、EGRバルブ30や、EGRバルブ30の導管35や冷却液路39は、エンジン(シリンダヘッド)に直接連結されていなくてもよい。
一方、ウォータージャケット40側では、冷却液送路41および冷却液返路42のいずれかのうち少なくとも一方は、ウォータージャケット40の上面に配置される。エンジン停止後に気泡を冷却液送路41または冷却液返路42に導く必要があるからである。
図5には、その1例として、EGRバルブ30の冷却液排出口39bとウォータージャケット40の冷却液返路口42aが直接連結されていない場合を示す。図5では、EGRガス通路20と、ウォータージャケット40内の冷却液送路41、その外壁面側開口である冷却液送路口41a、EGRバルブ30側の冷却液導入口39aは、図4と同じである。しかし、冷却液排出口39bは、延長パイプ46によってEGRバルブ30の取付面である載置水平面25以外の方向に向け配置される。
ウォータージャケット40側では、載置水平面25以外の箇所に、冷却液返路口42aとそれに続く冷却液返路42が形成される。この時、エンジン側に設けられる冷却液返路口42aが仮にEGRバルブ30より高い位置にあったとしても、EGRバルブ30の冷却液排出口39bがEGRバルブ30内の冷却液路39の最高位置より重力下方向にあればよい。ウォータージャケット40の上面に形成された冷却液返路42からEGRバルブ30内に入った気泡は、EGRバルブ30内に残留することができるからである。
言い換えると、EGRバルブ30の冷却液路39は冷却液導入口39aおよび冷却液排出口39bよりも重力上方向に配設される。なお、冷却液返路42の形成位置は、ウォータージャケット40内の絞り部45から見た時は、冷却液送路41側より圧力が低い箇所(下流側40d)である。EGRバルブ30中に冷却液を流すためである。しかし、ウォータージャケット40の上面でなくてもよい。冷却液の排出側は、冷却液が流れればよいからである。図5では、冷却液返路42は、ウォータージャケット40側の傾斜面に設ける例を示している。
また、EGRバルブ30自体も、エンジン(シリンダヘッド)に直接取り付けていなくてもよい。他の部材との関係で、エンジンと離隔した近傍の取付ステージ等に配置される場合もあるからである。その際にも、EGRバルブ30の冷却液路39は冷却液導入口39aおよび冷却液排出口39bよりも重力上方向に配設されることが必要である。エンジン停止時に気泡を冷却液路39内に貯留させる必要があるからである。
上記実施形態においては、エンジン停止時に冷却液送路41を通じてEGRバルブ30の冷却液路39に気泡を送る構造を示したが、冷却液返路42をウォータージャケット40の上面に配置することで、エンジン停止時には冷却液返路42を通じてEGRバルブ30の冷却液路39に気泡を送る構造とすることも可能である。
なお、EGRバルブ30をエンジンの外壁から隔離して固定した場合は、冷却液送路口41aと、冷却液導入口39aは、パイプなどで連結されることとなるが、この場合、パイプは
U字等の屈曲部を有しない形状にするのが望ましい。パイプに屈曲部があると、そこに気泡がたまり冷却液路39内に気泡が貯留しないおそれがあるからである。
なお、ウォータージャケット40内にはわざわざ気泡を入れなくても、冷却液用の循環ポンプなどで、冷却液に加えられるキャビテーションによって、自然に気泡は発生する。
また、気泡の圧縮は冷却液路39内側から膨張する方向で応力を発生させるが、冷却液自体が凍結し体積膨張を起こす際の応力と比較すると十分に小さい。すなわち、冷却液が凍結しても、冷却液路にかかる応力を緩和させているといえる。
また、本実施形態のEGRバルブの冷却構造では、エンジン停止後はEGRバルブの冷却液路39中に気泡が残留するが、上記のように、本実施形態のEGRバルブの冷却構造では、ウォータージャケット40内の絞り部45の作用によって、冷却液が自然に冷却液路39内を通過するので、エンジンを始動すれば、自然に気泡は押し出される。
また、上記のようなEGRバルブ30の冷却は、特にEGRバルブ30に冷却液を送るためのポンプやそのための動力を用意する必要が無い。ウォータージャケット40内の冷却液の流れを利用してEGRバルブ30を冷却していることになる。したがって、エンジンに対する負荷がなく、燃費の向上に繋がる。
なお、上記の説明ではシリンダヘッド10にEGRバルブ30を取付ける場合について説明したが、EGRバルブ30の取付箇所は、シリンダヘッド10に限らず、エンジン表面であり、ウォータージャケット40が形成されている部分の外壁面であり、ウォータージャケット40の上面であれば、どこでもよい。
本発明は、内部にEGRバルブをエンジン外壁に直接連結するタイプのエンジンに好適に用いることができる。
1 EGRバルブ冷却構造
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
20 EGRガス通路
21 第1の開口
22 第2の開口
25 載置水平面
30 EGRバルブ
31 EGRガス排出口
32 バルブ軸
33 バルブ体
34 弁座
35 導管
35i 導管口
36 アクチュエータ
39 冷却液路
39a 冷却液導入口
39b 冷却液排出口
40 ウォータージャケット
40u 上流側
40d 下流側
41 冷却液送路
41a 冷却液送路口
42 冷却液返路
42a 冷却液返路口
45 絞り部
46 延長パイプ

Claims (1)

  1. エンジンのウォータージャケットから冷却液が供給されるEGRバルブの冷却構造であって、
    前記ウォータージャケットの外壁には、冷却液を外部に取り出す冷却液送路と冷却液返路が形成され、
    前記冷却液送路および前記冷却液返路のいずれかのうち少なくとも一方は、前記ウォータージャケットの上面の外壁に設けられ、
    前記EGRバルブは、前記冷却液送路と連結される冷却液導入口と、前記冷却液返路と連結される冷却液排出口を有する冷却液路を内部に有し、
    前記冷却液路は前記冷却液導入口および前記冷却液排出口よりも重力上方向に配設されることを特徴とするEGRバルブ冷却構造。
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