JP2013147981A

JP2013147981A - 排気還流装置

Info

Publication number: JP2013147981A
Application number: JP2012008167A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Sugiyama; 怜杉山; Keiji Yotsueda; 啓二四重田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-01-18
Filing date: 2012-01-18
Publication date: 2013-08-01

Abstract

【課題】この発明は排気還流装置に関し、吸気マニホールドの集合管に熱交換器を設置する際に、各分岐管に流入する新気量差を軽減可能な排気還流装置を提供することを目的とする。
【解決手段】図２に示すように、熱交換器２４の内部流路２６ａ，２６ｂのそれぞれは、入口側が吸気管１６側に傾くように配置されている。これにより、１番気筒＃１の流線の曲がり角度と２番気筒＃２の流線の曲がり角度との差（または、３番気筒＃３の流線の曲がり角度と４番気筒＃４の流線の曲がり角度との差）を小さくできる。流線の曲がり角度の差を小さくできれば、流路抵抗差を縮小して流入新気量差を低減できる。従って、本実施形態によれば、分岐管２０ａ，２０ｂの間（または、分岐管２０ｃ，２０ｄの間）での流入新気量差を小さくできるので、ＥＧＲ率（内部ＥＧＲガス量／（内部ＥＧＲ量＋新気量））の分岐管差を低減できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気還流装置に関し、より詳細には、吸気マニホールド内に熱交換器を備える排気還流装置に関する。

従来、内燃機関の吸・排気弁の開弁タイミングを制御することで、気筒内に残された排気ガス（内部ＥＧＲガス）を吸気ポート側に吹き返す排気還流装置が公知である。このような排気還流装置として、例えば特許文献１には、水冷式の熱交換器を吸気ポートに設置したものが開示されている。この排気還流装置によれば、内部ＥＧＲガスを熱交換器で冷却できるので、内部ＥＧＲガスを利用したＮＯｘ低減効果を高めることが可能となる。

特開２００７−３２４０２号公報

しかしながら、上記特許文献１において、熱交換器に流入させた吸気を気筒内に流入させるためには、吸気ポートまたは熱交換器の形状に合わせた装置構造とする必要があり、その実現に多大な困難を伴うという問題点がある。この点、吸気マニホールドは一般に、内燃機関の各気筒と接続する複数の分岐管と、これらの分岐管が集合する集合管とを備えており、この集合管は一定の容量を有している。故に、当該集合管は、熱交換器の設置箇所の現実的な候補の一つであると言える。

ところが、当該集合管に熱交換器を設置する場合、熱交換器の内部構造によっては各分岐管（即ち、各気筒）に流入する新気量に差が生じてしまうという問題点がある。このことについて、図７乃至図８を参照しながら説明する。図７は、当該集合管に熱交換器を設置した場合の一例を示した図である。図７に示す内燃機関５０は、１番気筒＃１〜４番気筒＃４と、これらの気筒に吸気（新気または内部ＥＧＲガスを言う。以下同じ。）を導入する吸気マニホールド５２と、吸気マニホールド５２に接続された吸気管５４とを備えている。

内燃機関５０の各気筒の開口部には、シリンダヘッド５６に形成された吸気ポート（図示しない）が接続されており、これらの吸気ポートには、吸気マニホールド５２の分岐管５２ａ〜５２ｄがそれぞれ連通している。分岐管５２ａ〜５２ｄと吸気管５４との間には、分岐管５２ａ〜５２ｄが集合する集合管５２ｅが設けられている。集合管５２ｅの内部には、水冷式の熱交換器５８が設置されている。

図８は、熱交換器５８のクーラコア６０の部分拡大図である。図８に示すように、クーラコア６０は、冷却水流路６２と、冷却水流路６２と直交する内部流路６４とを備えている。冷却水流路６２には、例えば内燃機関５０の冷却水が流通する。内部流路６４は、多数のクーラフィン６６が規則的に配列されることで形成されている。クーラフィン６６の表面には、多数のルーバ６８が形成されている。

図８に示すように、内部流路６４は吸気管５４側から分岐管５２側に向かって直線的に形成されている。そのため、内部流路６４に流入した吸気は、熱交換器５８の内部を直線的に流れることができる。しかしその一方で、分岐管５２ａ〜５２ｄは気筒配列同様に直列に配置されているので、新気は一定角度で内部流路６４を流れることになる。

ここで、各気筒から吹き返された内部ＥＧＲガスは、熱交換器５８内部に流入後、吸気管５４側に排出される前に、それぞれの気筒内に速やかに戻される。そのため、分岐管５２ａ〜５２ｄの間で流入する内部ＥＧＲガス量については、差異が殆ど生じない。一方、吸気管５４を流れる新気は、一定の角度をもって内部流路６４のそれぞれに流入する。よって、図７に示すように、１番気筒＃１の流線の曲がり角度と、２番気筒＃２のそれとの間に違いが生じる。そうすると、分岐管５２ａ，５２ｂの間で流入する新気量に差が生じる。同様に、分岐管５２ｃ，５２ｄの間で流入する新気量に差が生じる。

このように、新気量の分岐管差が生じれば、ＥＧＲ率（内部ＥＧＲガス量／（内部ＥＧＲ量＋新気量）をいう。以下同じ。）にも分岐管差が生じてしまい、内部ＥＧＲガスを利用したＮＯｘ低減効果が薄れてしまうことになる。従って、図７の集合管５２ｅのような集合管に熱交換器を設置する際には、このような不具合の生じることがないよう対策を施しておく必要がある。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものである。即ち、吸気マニホールドの集合管に熱交換器を設置する際に、各分岐管に流入する新気量差を軽減可能な排気還流装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、排気還流装置であって、
内燃機関の各気筒と接続された分岐管と、前記内燃機関の吸気管と接続され前記分岐管が集合する集合管とを備える吸気マニホールドと、
前記集合管内に配置され、前記集合管の吸気管側開口部と対向配置されたガス流入口と、前記集合管の分岐管側開口部のそれぞれと対向配置されたガス排出口を備えると共に、その内部を流通するガスを冷却可能な熱交換器と、を備え、
前記吸気管を流れるガスが前記熱交換器の内部を流通する際に、前記吸気管側開口部の中心と前記集合管の内部中心とを通る仮想中心線よりも、前記分岐管側開口部の中心のそれぞれと前記吸気管側開口部の中心とを結ぶ仮想流路線側に傾斜しながら流通するように、前記熱交換器の内部構造を形成したことを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記熱交換器は複数のフィンを備え、
前記フィンのそれぞれは、前記仮想中心線よりも前記仮想流路線側に傾斜した方向に沿って配列されていることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１の発明において、
前記熱交換器は複数のフィンと前記フィンの表面に形成された複数のルーバとを備え、
前記フィンのそれぞれは前記仮想中心線方向に沿って配列され、前記ルーバのそれぞれは前記仮想中心線よりも前記仮想流路線側に傾斜した方向に形成されていることを特徴とする。

第１の発明によれば、吸気管を流れるガスが熱交換器の内部を流通する際に、吸気管側開口部の中心と集合管の内部中心とを通る仮想中心線よりも、分岐管側開口部の中心のそれぞれと吸気管側開口部の中心とを結ぶ仮想流路線側に傾斜しながら流通するように、熱交換器の内部構造を形成したので、熱交換器の内部流路を直線的に形成した場合に比して、分岐管間に生じる流入新気量差を低減できる。よって、ＥＧＲ率の分岐管格差を極小化でき、内部ＥＧＲガスを利用したＮＯｘ低減効果が薄れることを良好に防止できる。

第２の発明によれば、上記仮想中心線よりも上記仮想流路線側に傾斜した方向に沿って複数のフィンを配列したので、吸気管を流れるガスが熱交換器の内部を流通する際に、上記仮想中心線から上記仮想流路線側に向かって斜めに流通することができる。

第３の発明によれば、フィンのそれぞれは上記仮想中心線方向に沿って配列すると共に、ルーバのそれぞれは上記仮想中心線よりも上記仮想流路線側に傾斜した方向に形成したので、吸気管を流れるガスが熱交換器の内部を流通する際に、上記仮想中心線から上記仮想流路線側に向かって斜めに流通することができる。

本発明の各実施形態の排気還流装置を備えるシステム全体の構成を説明するための図である。実施の形態１の排気還流装置の主要部の拡大模式図である。実施の形態２の排気還流装置の主要部の拡大模式図である。熱交換器２４のクーラフィンの部分拡大模式図である。実施の形態２におけるガスの流れを説明するための図である。実施の形態２の比較用としてのルーバ配向とそれによるガス流れを説明するための図である。吸気マニホールドの集合管に熱交換器を設置した場合の一例を示した図である。熱交換器５８のクーラコア６０の部分拡大図である。

実施の形態１．
以下、図１乃至図２を参照しながら、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施形態の排気還流装置を備えるシステム全体の構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態の排気還流装置は、ターボチャージャ１２を備える内燃機関１０に適用される。ターボチャージャ１２は、排気タービン１２ａと、この排気タービン１２ａによって駆動される吸気コンプレッサ１２ｂとを有している。排気タービン１２ａは、排気管１４の途中に配置されている。吸気コンプレッサ１２ｂは、吸気管１６の途中に配置されている。排気管１４および吸気管１６はそれぞれ、排気マニホールド１８および吸気マニホールド２０を介して内燃機関１０と接続されている。

図２は、本実施形態の排気還流装置の主要部の拡大模式図である。図２に示すように、内燃機関１０は、１番気筒＃１〜４番気筒＃４を備える直列４気筒型の内燃機関である。内燃機関１０の各気筒の開口部には、シリンダヘッド２２に形成された吸気ポート（図示しない）が接続されており、これらの吸気ポートには、吸気マニホールド２０の分岐管２０ａ〜２０ｄがそれぞれ連通している。分岐管２０ａ〜２０ｄと吸気管１６との間には、分岐管２０ａ〜２０ｄが集合する集合管２０ｅが設けられている。集合管２０ｅの内部には、水冷式の熱交換器２４が設置されている。

図２に示すように、本実施形態において、熱交換器２４の内部流路２６ａ，２６ｂのそれぞれは、入口側が吸気管１６側に傾くように配置されている。図８で説明したように、クーラコアを構成する内部流路は、複数のクーラフィンの配列によりその方向が決定される。本実施形態においては、内部流路２６ａ，２６ｂの方向が、熱交換器２４の中心と吸気管１６の中心とを通る中心線Ｃ_１に対して角度θ_１（０°＜θ_１＜９０°）だけ傾斜するようにこれらのクーラフィンを配列している。このようにクーラフィンを配列すれば、図２に示すように、１番気筒＃１の流線の曲がり角度と２番気筒＃２の流線の曲がり角度との差（または、３番気筒＃３の流線の曲がり角度と４番気筒＃４の流線の曲がり角度との差）を小さくできる。

流線の曲がり角度の差を小さくできれば、流路抵抗差を縮小して流入新気量差を低減できる。従って、本実施形態によれば、分岐管２０ａ，２０ｂの間（または、分岐管２０ｃ，２０ｄの間）での流入新気量差を小さくできるので、ＥＧＲ率の分岐管差を低減できる。よって、内部ＥＧＲガスを利用したＮＯｘ低減効果が分岐間差によって薄まることを良好に防止できる。

また、図２に示す内部流路２６ａは、吸気管１６から分岐管２０ａ〜２０ｄにかけて実際に吸気流れが生じる内部流路に、内部流路２６ｂは、吸気流れが生じない内部流路に、それぞれ対応する。図２の内部流路２６ａの流路長は、熱交換器２４の短手方向の幅をＬとした場合に、Ｌ／ｃｏｓθ_１（０＜ｃｏｓθ_１＜１）と表され、当該短手方向よりも長く設計できる。よって、本実施形態によれば、内部ＥＧＲガスの冷却可能面積を増加できるので、熱交換器２４の冷却性能の向上を図ることも可能となる。

ところで、上述した実施の形態１においては、排気還流装置がターボチャージャ１２を備える内燃機関１０に適用されるとしたが、ターボチャージャ１２と同時に、或いはその代わりに、内燃機関のクランク軸駆動のスーパーチャージャを備える内燃機関にも適用できる。また、本実施形態の排気還流装置は、ターボチャージャ１２非搭載の内燃機関にも適用できる。なお、本変形例については、後述の実施の形態２においても同様に適用が可能である。

実施の形態２．
次に、図３乃至図６を参照しながら、本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態においては、図１のシステム構成を前提とし、図３に示す熱交換器の内部構造としたことをその特徴とする。そのため、システム構成の説明については省略すると共に、各図において共通する要素には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

図３は、本実施形態の排気還流装置の主要部の拡大模式図である。図３に示すように、吸気マニホールド２０は、分岐管２０ａ〜２０ｄと、分岐管２０ａ〜２０ｄが集合する集合管２０ｅとを備えている。集合管２０ｅの内部には、水冷式の熱交換器２４が設置されている。図３に示すように、本実施形態において、熱交換器２４の内部流路２８ａ，２８ｂは、その入口側が吸気管１６側に傾くように配置されている。具体的に、内部流路２８ａ，２８ｂは、複数のクーラフィンを図８同様に配列し、同時に、熱交換器２４の中心と吸気管１６の中心とを通る中心線Ｃ_２に対して角度θ_２（０°＜θ_２＜９０°）だけ傾斜するように多数のルーバのそれぞれを配向させることにより形成したものである。

図４を参照しながら、上記ルーバの配向について具体的に説明する。図４は、図３の熱交換器２４のクーラフィンの部分拡大模式図である。図４に示すように、クーラフィン３０の表面には、上方から順にルーバ３２ａ〜３２ｄが複数形成されている。また、ルーバ３２ａ〜３２ｄのそれぞれは、クーラフィン３０の表面に対して角度θ_２を成すように配向されている。

図５は、本実施形態におけるガスの流れを説明するための図である。図４で説明したルーバ配向によれば、図５（ａ）に示すように、クーラフィン３０の背面側から表面側に向けてガス流れを生じさせることができる。また、図５（ｂ）は、同図（ａ）のＡ視図である。ルーバ３２ａ〜３２ｄは、クーラフィン３０の何れにも形成されている。そのため、図５（ｂ）に示すように、熱交換器２４内部においては、クーラフィン３０のそれぞれを横切るようなガス流れを生じさせることができる。

本実施形態では、上述のようにルーバ３２ａ〜３２ｄを配列することで、熱交換器２４内部において、上記中心線Ｃ_２に対してあたかも角度θ_２だけ傾斜したガス流れを生じさせることができる。従って、図３に示すように、１番気筒＃１の流線の曲がり角度と２番気筒＃２の流線の曲がり角度との差（または、３番気筒＃３の流線の曲がり角度と４番気筒＃４の流線の曲がり角度との差）を小さくできる。よって、本実施形態の排気還流装置によれば、上記実施の形態１同様の効果を得ることが可能となる。

図６は、本実施形態の比較用としてのルーバ配向とそれによるガス流れを説明するための図である。図６（ａ）は、図７のクーラフィン６６の部分拡大模式図である。図６（ａ）に示すように、ルーバ６８ａ〜６８ｄは、配向方向が互い違いとなるように形成されている。そのため、同図（ｂ）に示すように、クーラフィン６６の表面上を蛇行しつつ分岐管側へ向かうガス流れが主流となり、本実施の形態のようなガス流れを生じることは殆どない。このことから、本実施形態の排気還流装置によれば、図６に示したルーバ配向とした排気還流装置に比して、流路抵抗差を小さくできることが分かる。

１０，５０内燃機関
１６，５４吸気管
２０，５２吸気マニホールド
２０ａ〜２０ｄ，５２ａ〜５２ｄ分岐管
２０ｅ，５２ｅ集合管
２４，５８熱交換器
２６ａ，２６ｂ，２８ａ，２８ｂ，６４内部流路
３０，６６クーラフィン
３２，６８ルーバ

Claims

内燃機関の各気筒と接続された分岐管と、前記内燃機関の吸気管と接続され前記分岐管が集合する集合管とを備える吸気マニホールドと、
前記集合管内に配置され、前記集合管の吸気管側開口部と対向配置されたガス流入口と、前記集合管の分岐管側開口部のそれぞれと対向配置されたガス排出口を備えると共に、その内部を流通するガスを冷却可能な熱交換器と、を備え、
前記吸気管を流れるガスが前記熱交換器の内部を流通する際に、前記吸気管側開口部の中心と前記集合管の内部中心とを通る仮想中心線よりも、前記分岐管側開口部の中心のそれぞれと前記吸気管側開口部の中心とを結ぶ仮想流路線側に傾斜しながら流通するように、前記熱交換器の内部構造を形成したことを特徴とする排気還流装置。
前記熱交換器は複数のフィンを備え、
前記フィンのそれぞれは、前記仮想中心線よりも前記仮想流路線側に傾斜した方向に沿って配列されていることを特徴とする請求項１に記載の排気還流装置。
前記熱交換器は複数のフィンと前記フィンの表面に形成された複数のルーバとを備え、
前記フィンのそれぞれは前記仮想中心線方向に沿って配列され、前記ルーバのそれぞれは前記仮想中心線よりも前記仮想流路線側に傾斜した方向に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の排気還流装置。