JP2013068120A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲ通路を有する内燃機関において、ＥＧＲクーラの内部に凝縮水が発生しても、簡単な構造で排気通路に排出できるようにする。
【解決手段】排気通路９にＥＧＲクーラ１４が分岐管２６を介して接続されている。ＥＧＲクーラ１４は筒状ケース１７を有しており、入口側テーパ部１７ａに設けた出口管２１が分岐管２６に接続されている。ＥＧＲクーラ１４は排気通路９に向けて低くなるように傾斜している。出口管２１及び分岐管２６の底には細管２８が配置されており、細管２８の一端部２８ａは凹部２７に入り込んでおり、他端部２８ｂは排気通路９の内部で下向きに延びている。ＥＧＲクーラの内部に発生した凝縮水Ｗは凹部２７に流れ込んでから、細管２８の毛細管現象によって排気通路９に排除される。
【選択図】図２

Description

本願発明は、ＥＧＲ装置（排気ガス還流装置）付きの内燃機関に関するものである。

内燃機関において、排気ガス中のＮＯｘ低減等の目的で、排気通路と吸気通路とをＥＧＲ通路で繋いで、排気ガスの一部を吸気系に還流（循環）させることが行われている。この場合、充填効率低下を抑制するため、ＥＧＲ通路に水冷式のＥＧＲクーラを配置して還流ガスの温度を低下させているが、機関を停止して温度が下がるとガス中に含まれていた水蒸気がＥＧＲクーラの内部で凝縮（結露）する問題がある。

この場合、ＥＧＲクーラが縦置きの場合は水蒸気が凝縮しても水滴は排気管に流下するため問題はないが、各種の補機類との関係でＥＧＲクーラを横置きせざるを得ない場合もあり、この場合は、凝縮した水滴はＥＧＲクーラを構成する筒状ケースの底部に溜まることになり、筒状ケースの底部に腐食が生じたり、筒状ケースに溜まっていた凝縮水が機関の始動と共に燃焼室に流れ込んで始動不良を招来したりするおそれがある。

この点について従来は、特許文献１の図７に記載されているように、ＥＧＲクーラをその入口が低く出口が高くなるように水平に対して若干傾斜させることで、凝縮水が吸気系に流入することを阻止している。

特開２０１０−２５０３３号公報

ＥＧＲクーラを傾斜させることは有益であるが、水はＥＧＲクーラに溜まったままであって消失するわけではないため、傾斜させることのみで凝縮水が吸気系に流入することを的確に阻止できるとは言い難い。さりとて、ＥＧＲクーラと排気通路とを排水用のパイパス管で繋ぐといった対策では、製造コストが嵩むという別の問題が発生する。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、ＥＧＲクーラに凝縮水が発生しても、機関始動前に簡易な構造で排気通路に的確に排出できるようにすること、及び、筒状ケース底部の腐食防止を目的とするものである。

本願発明において、内燃機関は、排気通路と吸気通路とを繋ぐＥＧＲ通路中に、筒状ケースの内部に冷却エレメントを設けたＥＧＲクーラが横向き姿勢で配置されており、前記ＥＧＲクーラにおける筒状ケースの両端には、当該筒状ケースを絞った態様の入口及び出口が形成されており、このため前記筒状ケースの下部に凝縮水が溜まり得る構成になっている。そして、請求項１の発明では、少なくとも前記ＥＧＲクーラの内部に、前記筒状ケースの底部に溜まった凝縮水を毛細管現象によって吸い上げて排気通路に排出するための吸引排出手段が設けられている。

請求項２の発明は請求項１の発明を具体化したもので、この発明では、前記吸引排出手段は、細管で構成されているか又は多数本の耐熱性糸より成る多孔紐状体で構成されており、これら細管又は多孔紐状体は、前記ＥＧＲクーラと排気通路とに跨がって延びるように配置されており、これら細管又は多孔紐状体の一端は筒状ケースの底部に位置し、他端は前記一端よりも低く下がった状態で前記排気通路の内部に位置している。

本願発明では、機関停止に伴う温度低下によってＥＧＲクーラの内部に凝縮水が発生してこれが筒状ケースの底に溜まっても、細管や多孔紐状体のような簡単な構造の吸引排出手段によって、機関の始動前に排気通路に排出できる。従って、ＥＧＲクーラを横置き式としたことに起因して機関に始動トラブルが発生することを、コストを抑制した状態で防止できるのであり、更に、筒状ケースの底部が腐食することを防止又は著しく抑制してＥＧＲクーラの耐久性を向上できる。

更に、本願発明はＥＧＲクーラそのものに加工を加える必要はなく、専用のＥＧＲクーラを製造する必要はないため、市販のＥＧＲクーラをそのまま使用することが可能であり、この面においてもコスト抑制に貢献できる。

吸引排出手段としては、例えば金属不織布や耐熱性の編地又は織地なども使用できるが、請求項２のように細管又は多孔紐状体を使用すると、適当な長さに切断して例えば溶接等で取り付けるだけでよいため、コスト面において特に有利であるのみならず、毛細管現象も的確に発揮して凝縮水の排出機能も確実化できると言える。特に、ステンレスパイプのような金属製の細管を使用すると、長年使用し続けても排気ガスに含まれている粒子状物質が表面に付着して詰まるといったことはないため、毛細管現象による吸引機能を維持して耐久性に優れている。

更に、請求項２では、細管又は多孔紐状体のうち水の排出部である他端が吸引部である一端よりも低くなっているため、毛細管現象によって吸い上げられた水は重力（自重）によって排気通路に落下する。すなわち、呼び水なしで貯留水が吸い上げられて排気通路に排出される自己サイフォン機能が発揮されるのであり、このため、排水機能をより確実化できる。

また、車両に搭載した内燃機関の場合、例えば車両を傾斜面に駐車すると、場合によっては、ＥＧＲクーラは入口が高くて出口が低くなることが有り得るが、請求項２では、細管又は多孔紐状体の他端は排気通路に入り込んでいるため、車両の駐車姿勢に関係なく凝縮水を的確に排出することができる。この点も請求項２の利点である。

（Ａ）は実施形態に係る車両搭載式内燃機関の模式的な概略平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視正面図である。 （Ａ）は図１（Ｂ）の拡大断面図、（Ｂ）は（Ａ）の要部拡大図、（Ｃ）は（Ｂ）のＣ−Ｃ視断面図である。 （Ａ）は第２実施形態の要部正面図、（Ｂ）は第３実施形態の一部破断要部正面図、（Ｃ）は（Ａ）の平面図、（Ｄ）は第４実施形態の縦断正面図、（Ｅ）は（Ｄ）のＥ−Ｅ視部分断面図、（Ｆ）は第５実施形態の一部破断正面図、（Ｇ）は第６実施形態の一部破断部分正面図である。 他の実施形態を示す図で、（Ａ）は縦断正面図、（Ｂ）は（Ａ）の要部拡大図、（Ｃ）は（Ｂ）のＣ−Ｃ視断面図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１〜２に示す第１実施形態から説明する。以下の説明で方向を特定するため「左右」「前後」の文言を使用するが、これは、車両の進行方向を前として、これを基準にしている。

(1).第１実施形態の構造
図１（Ａ）に示すように、本実施形態の内燃機関１は３気筒タイプであり、車両（乗用車）２の前部に設けたエンジンルーム３に、クランク軸を左右方向に向いけた横置き方式で搭載されている。内燃機関１は、シリンダブロックとシリンダヘッドとを主要部材とする機関本体４を有しており、機関本体４の一方の側面（後ろ側面）に吸気マニホールド５が取り付けられ、機関本体４の他方の側面（前側面）に排気マニホールド６が取り付けられている。吸気マニホールド５には吸気通路８が接続され、排気マニホールド６には排気通路９が接続されている。

本実施形態の内燃機関１は排気ガスで駆動される排気ターボ過給機１０を有しており、排気ターボ過給機１０のタービン室１０ａが排気通路９に介挿され、排気ターボ過給機１０の圧縮室１０ｂが吸気通路８に介挿されている。吸気通路８のうち排気ターボ過給機１０よりも上流側にはエアクリーナ１１を設け、排気ターボ過給機１０よりも下流側にはインタークーラ１２を設けている。

排気通路９のうち排気ターボ過給機１０よりも下流側には触媒等を内蔵したガス浄化装置１３が縦置き姿勢で配置されており、排気通路９のうちガス浄化装置１３よりも下流側と、吸気通路８のうちインタークーラ１２の下流側との部位が、ＥＧＲ通路１４で接続されている。そして、ＥＧＲ通路１４に水冷式のＥＧＲクーラ１５を介挿している。なお、排気通路９はガス浄化装置１３から下向きに下がってから車体の後ろに向けて延びている。

ＥＧＲクーラ１５は、円筒状の筒状ケース１７の冷却エレメント１８を設けた構造である。冷却エレメント１８は例えばジグザグ等に曲がった細い金属チューブで構成されており、冷却エレメント１８には、筒状ケース１７に設けた継手を介して注水管１９と排出主管２０とが接続されている。

筒状ケース１７の入口部と出口部とはテーパ部１７ａ，１７ｂになっており、入口側テーパ部１７ａにはストレート状の入口管２１を設け、出口側テーパ部１７ｂにはストレート状の出口管２２を設けている。従って、筒状ケース１７の両端部には、当該筒状ケース１７を絞った態様の入口及び出口が形成されている。入口管２１及び出口管２２は筒状ケース１７と同心になっており、その端部にフランジ２３，２４を一体に設けている。

排気浄化装置１３は出口管１３ａを有しており、出口管１３ａは、排気通路９を構成する排気主管２６にフランジ結合によって接続されている（なお、排気浄化装置１３も排気通路９の一部を構成している。）。そして、排気浄化装置１３の入口管１３ａに、ＥＧＲ通路１４の始端部を構成する略横向きの分岐管２６を溶接やろう付けで一体に接合し、分岐管２６とＥＧＲクーラ１５の入口管２１とをフランジ結合によって接続している。ＥＧＲクーラ１５の出口管２２は、ＥＧＲ通路１４を構成するメインパイプにフランジ結合で接続されている。

ＥＧＲクーラ１５と分岐管２６とは略同心になっており、車両２の正面視で、排気通路９に向かって低くなるように水平に対して若干の角度θで傾斜している。このため、機関停止に伴う温度低下によってＥＧＲクーラ１５の内部の水分が凝縮すると、凝縮水Ｗは筒状ケース１７の底部のうち入口側テーパ部１７ａの箇所の凹部２７に溜まっていく。

そこで、凝縮水Ｗを自然排出させる吸引排出手段の一例として、ステンレスパイプのような耐熱性と防錆性とに優れた金属パイプよりなる細管２８を、凹部２７と排気通路９とに跨がって延びるように配置している。細管２８は分岐管２６及び入口管１３ａの底面に重なっており、その一端部２８ａは凹部２７に入り込むように下向きに曲がっており、他端部２８ｂは排気通路９の内部で下向きに向けて曲がっている。細管２８は、一端の高さより他端の高さが低くなっている。すなわち、一端部２８ａの最先端と他端部２８ｂの下端との間には、ある程度の寸法Ｈの高低差が存在している。

細管２８の一端部２７ａは筒状ケース１７における入口テーパ部１７ａの下面に密着又は密接しており、溶接によって入口管２１に固定されている。図面では、細管２８の他端部２８ａを排気通路９の内側面に密着した状態に描いているが、実際には、排気通路９の内側面との間に若干の隙間が空いていることが多い（寸法誤差を吸収するためである。）。細管２８を分岐管２６に固定することも可能であり、この場合は、細管２８の他端部２８ａは排気通路９（排気浄化装置の出口管１３ａ）の内側面に密着させてもよい。

なお、細管２８の固定手段は溶接には限らないのであり、例えば、入口管２１又は分岐管２６の内部に強制嵌合されるリング部材で押さえ保持することも可能である。或いは、入口管２１に設けたフランジ２３と分岐管２６に設けたフランジ２９との間に円板を挟み固定し、この円板に細管２８を固定しておくことも可能である。

(2).第１実施形態のまとめ
細管２８は水に対して毛細管現象を発揮する内径（例えば０．５〜１ｍｍ前後）であり、このため、機関の停止によってＥＧＲクーラ１５の凹部２７に凝縮水Ｗが溜まっても、凝縮水Ｗは細管２８で吸引されて排気通路９に排出される。なお、細管の内径は、ＥＧＲクーラへの入口から凹部２７の底部までの高さ（凝縮水を排出するために凝縮水を持ち上げる高さ）に応じて適宜決定すればよい。また、図２（Ａ）（Ｂ）では凝縮水Ｗが凹部２７に一杯に溜まった状態を表示しているが、凝縮水Ｗは少しずつ発生することが多いと解されるので、実際には、凹部２７に流れ込んだ凝縮水Ｗはたいして溜まることなく細管２８から次々に排出されることが多いと言える。

ＥＧＲクーラ１５と分岐管２６とは排気通路９に向けて低くなるように傾斜しているので、細管２８の他端部２８ｂを分岐管２６の途中で止めて、凝縮水Ｗを分岐管２６から排気通路９に垂れ流すことも可能であるが、本実施形態のように細管２８の他端部２８ｂを排気通路９の内部において下向きに向けると、まず、分岐管２６に付着した水滴が機関の始動によって吸気通路８に吹き飛ばされることを防止できる利点がある。

更に、細管２８の一端と他端との間に寸法Ｈの高低差が存在することにより、毛細管現象によって吸引された凝縮水Ｗは自重で排出されるため、細管２８が呼び水不要の自己サイフォン現象を発揮して、凝縮水Ｗを連続的に排出することができる。この点、本実施形態の特徴である。凝縮水Ｗは表面張力によって細管２８の内部に止まろうとする性質もあるが、細管２８の両端間の高低差Ｈをある程度確保することにより、表面張力の影響を排除して凝縮水Ｗを的確に排除できると言える。なお、細管２８の内面は、水の流れ抵抗ができるだけ小さい状態であるのが好ましい。

また、機関の始動によって排気ガスが排気主管２０をその末端に向けて流れるが、排気ガスの流れにより、細管２８の他端部には負圧が発生し、このため、凹部２７に凝縮水Ｗが溜まっていた場合、これを強制的に吸引排除することができる（なお、細管２８の一端は凝縮水Ｗに漬かっているので、ＥＧＲクーラ１５に流れた排気ガスによって細管２８に一端に負圧が生じることはない。）。

さて、細管２８が毛細管現象を発揮するにはその一端の開口が凝縮水Ｗに漬かっておらねばならないが、凝縮水Ｗが筒状ケース１７の底部の広い面積にわたって存在すると、全体の水量は多くても細管２８が吸い上げ機能を発揮できないおそれがある。この点、本実施形態のようにＥＧＲクーラ１５を水平に対して傾斜させると、凝縮水Ｗは狭い面積の凹部２７に集まるため、吸い残しを無くすことができる利点がある。

このようにＥＧＲクーラ１５を水平に対して傾斜させる場合、車両２の側面視で傾斜させることも可能であるが、本実施形態のように車両の正面視で傾斜させると、車両の駐車姿勢の影響をできるだけ排除しつつ、ＥＧＲクーラ１５を傾斜させたことの利点を享受できると解される。

つまり、車両の駐車場所が傾斜していることがあり、このため傾けた姿勢で駐車させることがあるが、一般に、側面視で傾斜した姿勢に駐車させることはあっても、正面視（又は背面視）で駐車させることは少なく、正面視ではおおむね水平姿勢かそれに近い姿勢になっていることが多いため、車両を傾斜姿勢で駐車させても、凝縮水Ｗを凹部２７に集める機能が減殺されることは少ないと言えるのである（ＥＧＲクーラ１５を側面視で傾斜させていると、ＥＧＲクーラ１５の傾斜が車両２の傾斜で相殺されてしまうことが発生しやすいと言える。）。

(3).他の実施形態
次に、図３に示す他の実施形態を説明する。図３のうち（Ａ）に示す第２実施形態では、細管２８の両端を斜めにカットしている。特に他端部２８ｂの先端を斜めにカットすると、他端の開口面積が大きくなるため、表面張力による影響を抑制して凝縮水の排出機能を向上できると解される。

さらに、別例として図４に示すように、斜めにカットした他端部２８ｂの先端を排気通路９の内壁面に触れるように取付けることで、凝縮水が他端部２８ｂの開口から排気通路９の内壁面を伝って排出されるようになるため、表面張力による影響を抑制して凝縮水の排出がより効率よく行われる。図３（Ａ）に一点鎖線で示すように、他端部２８ｂを下向きに広がるラッパ状に形成することによっても、表面張力による影響を抑制して凝縮水の排出機能を向上できる。この場合、一端部２８ａ側の開口位置よりも下方（図３（Ａ）に記載の２点鎖線よりも下側）に位置する細管２８の内部容積（ラッパ形状部分も含む）が、当該細管２８の全内部容積（ラッパ形状部分も含む）に対して１/２以上を占めるようにすることで、より確実にサイフォン現象を利用して凝縮水の排出をすることができる。

（Ｂ）及び（Ｃ）に示す第３実施形態では、細管２８のうちおおよそ他端寄りの半分程度に、長手方向に延びるスリット３０を形成している。スリット３０は全長にわたって設けることも可能である。

（Ｄ）及び（Ｅ）に示す第４実施形態では、吸引排出手段として、ステンレス細線のような耐熱性と防錆性とに優れた金属細線を編んだり束ねたり縒ったりして構成された多孔紐状体３１を使用している。配置態様と形状は細管２８の場合と同様であり、凹部２７に入り込む一端部３１と、排気通路９の内部で下向きに延びる他端部３１Ａとを有する。多孔紐状体３１の内部にはその長手方向に連続した狭い空隙が多数存在しており、凝縮水Ｗは毛細管現象によって空隙を伝って多孔紐状体３１の一端から他端に流れていき、他端から排気通路９に垂れ落ちる。従って、細管２８と同じ機能を発揮する。

（Ｆ）に示す第５実施形態は多孔紐状体３１を細管２８で覆ったものであり、排気ガスに含まれている粒子状物質が多孔紐状体３１に付着することを防止できるため、耐久性に優れている。多孔紐状体３１の他端は細管２８の他端からはみ出している。（Ｇ）に第５実施形態は細管２８の端部のみに、線材等で構成した多孔プラグ３２を嵌め込んでいる。この実施形態では、多孔プラグ３２の毛細管現象により、凝縮水Ｗを的確に垂れ落ちさせることができると解される。この実施形態でも、多孔プラグ３２を細管２８の他端から外側にはみ出させることが可能である。

(4).その他
本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、吸引排出手段としては金属繊維を材料にした不織布を使用することも可能である。また、細管や多孔紐状体のような細い吸引排出部材を使用する場合、複数本を並列配置することも可能である。

本願発明は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンのような内燃機関に実際に適用できる。従って、産業上、利用できる。

１ 内燃機関
２ 車両
４ 機関本体
８ 吸気通路
９ 排気通路
１３ 排気ガス浄化装置
１３ａ 排気ガス浄化装置の出口管
１４ ＥＧＲ通路
１５ ＥＧＲクーラ
１７ 筒状ケース
１７ａ 入口側テーパ部
１８ 冷却エレメント
２１ ＥＧＲクーラの入口管
２５ 排気主管
２６ ＥＧＲ通路を構成する分岐管
２７ 凝縮水が溜まる凹部
２８ 細管
２８ａ 一端部
２８ｂ 他端部
Ｗ 凝縮水

Claims (2)

1. 排気通路と吸気通路とを繋ぐＥＧＲ通路中に、筒状ケースの内部に冷却エレメントを設けたＥＧＲクーラが横向き姿勢で配置されており、前記ＥＧＲクーラにおける筒状ケースの両端には、当該筒状ケースを絞った態様の入口及び出口が形成されており、このため前記筒状ケースの下部に凝縮水が溜まり得る構成であって、
   少なくとも前記ＥＧＲクーラの内部に、前記筒状ケースの底部に溜まった凝縮水を毛細管現象によって吸い上げて排気通路に排出するための吸引排出手段が設けられている、
   内燃機関。
2. 前記吸引排出手段は、細管で構成されているか又は多数本の耐熱性糸より成る多孔紐状体で構成されており、これら細管又は多孔紐状体は、前記ＥＧＲクーラと排気通路とに跨がって延びるように配置されており、これら細管又は多孔紐状体の一端は筒状ケースの底部に位置し、他端は前記一端よりも低く下がった状態で前記排気通路の内部に位置している、
   請求項１に記載した内燃機関。
   
   

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