JP2014181647A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】機関本体を大型化することなく、ＥＧＲガスを効果的に冷却することができ、かつ部品点数の増大をも抑制できる内燃機関を提供する。
【解決手段】排気通路を流通する排気の一部を吸気通路（３１）に還流させる排気還流通路（２６）と、機関本体４内に形成されたウォータージャケットを流通する冷却水を機関本体４の外部の機器に供給するための冷却水出口４１〜４４とを備えた内燃機関（１）において、排気還流通路（２６）の少なくとも一部と冷却水出口４１〜４４とを、機関本体４の外面（３ｌ）に取り付けられる１つの通路形成部材１０に形成させ、通路形成部材１０には、機関本体４への取付面（２４）に開口する冷却水入口３２と冷却水出口４１〜４４とを連通する冷却水通路２７を排気還流通路（２６）に沿って形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、排気の一部を吸気通路に還流させる排気還流通路とウォータージャケットからの冷却水出口とを備えた内燃機関に関する。

近年、排気浄化の一方式として、排気再循環方式（ＥＧＲ：エキゾースト・ガス・リサーキュレーション）が広く行われている。排気再循環方式を採用する内燃機関では、エンジンから排出される排ガスの一部（以下、ＥＧＲガスと称する。）を吸気系へ再循環させて新気と混ぜることで酸素濃度を下げ、酸素濃度が低い状態での燃焼によって燃焼温度を下げて窒素酸化物の発生を抑える効果や、燃費を向上させる効果が得られる。なお、ＥＧＲ装置では、ＥＧＲガスを流通させるＥＧＲ配管の管路にＥＧＲ制御弁を設置し、エンジンの運転状況に応じてＥＧＲ制御弁の開度を制御することにより、適正な環流量をもってＥＧＲガスを環流させるようにしている。

一方、最近では、軽量化や生産性の向上などを目的として、吸気マニホールドの樹脂化が進んでおり、樹脂製の吸気マニホールドに排気再循環方式を組み合わせる場合には、高温のＥＧＲガスに対する熱対策が必要となる。また、高温のＥＧＲガスを還流させると吸気充填効率が低下することから、排気再循環通路に冷却機構を設けてＥＧＲガスを冷却することもある。

このような背景のもと、排気再循環方式の内燃機関において、簡単な構成でＥＧＲガスを冷却できるように、排気再循環通路の一部をシリンダヘッド内のウォータージャケットに近接する位置に形成するようにした発明が提案されている（特許文献１参照）。

特開平１１−８２１８５号公報

しかしながら、特許文献１に記載された発明では、シリンダヘッド内に排気再循環通路の一部を形成するためには、そのスペースを確保するためにシリンダヘッドを大型化せざるを得ない。ここで、シリンダヘッドなどの機関本体とは別体で形成した排気再循環通路部材にウォータージャケットから冷却水を流通させるようにすることが考えられる。このようにすれば、ＥＧＲガスを冷却でき、かつ機関本体を大型化せずに済む。

ところで、内燃機関のウォータージャケットを流通する冷却水は、外部に設けられたラジエータにより熱交換されるようになっており、機関本体には冷却水をウォータージャケットに導入するためのインレットおよび冷却水をウォータージャケットから取り出すためのアウトレットが設けられている。これらのインレットおよびアウトレットは、鋳造される機関本体に直接形成することが困難なことから、機関本体にはウォータージャケットに通じる貫通孔や取付面を形成し、別部材からなる冷却水導入管および冷却水取出管を取付面に取り付けて形成することが多い。

そのため、機関本体とは別体で形成した排気再循環通路部材にウォータージャケットから冷却水を流通させるようにすると、機関本体に取り付ける部品点数が増加するうえ、取付作業も煩雑になる。また、このような排気再循環通路部材によってＥＧＲガスを冷却しようとすると、冷却水を大量に流通させることが困難であることから冷却効率が悪い。

本発明は、このような従来技術に含まれる課題に鑑みて案出されたものであり、機関本体を大型化することなく、ＥＧＲガスを効果的に冷却することができ、かつ部品点数の増大をも抑制できる内燃機関を提供することをその主な目的とする。

このような課題を解決するために、本発明の一側面によれば、排気通路を流通する排気の一部を吸気通路（３１）に還流させる排気還流通路（ＥＧＲ通路２６）と、機関本体（４）内に形成されたウォータージャケットを流通する冷却水を前記機関本体の外部の機器に供給するための冷却水出口（４１〜４４）とを備えた内燃機関（１）であって、前記排気還流通路（２６）の少なくとも一部と前記冷却水出口（４１〜４４）とが、前記機関本体の外面（３ｌ）に取り付けられる１つの通路形成部材（１０）により形成され、前記通路形成部材（１０）には、前記機関本体への取付面（２４）に開口する冷却水入口（３２）と前記冷却水出口（４１〜４４）とを連通する冷却水通路（２７）が前記排気還流通路（２６）に沿って形成されている構成とする。

この構成によれば、機関本体を大型化することなく、かつ部品点数の増大を招くことなく、排気還流通路を流通するＥＧＲガスを冷却水によって冷却することができる。また、冷却水が冷却水出口を介して外部の機器へ供給されるため、冷却水を確実に排気還流通路に沿って流通させることができ、冷却効率を高めることができる。

また、本発明の一側面によれば、前記通路形成部材（１０）は、前記冷却水入口（３２）に臨むように配置されて前記排気還流通路（２６）の一部を形成する排気還流管部（ＥＧＲ管部３３）を有し、前記冷却水通路（２７）は、前記排気還流管部（３３）に対して前記取付面（２４）と相反する側の上下に配置された上側冷却水通路（２７Ｕ）および下側冷却水通路（２７Ｌ）を含み、前記冷却水出口（４１〜４４）が、前記上側冷却水通路（２７Ｕ）に設けられた第１冷却水出口（４１、４２）と、前記下側冷却水通路（２７Ｌ）に設けられた第２冷却水出口（４３、４４）とを有する構成とすることができる。

この構成によれば、排気還流管部が冷却水入口に臨んでいるため、排気還流管部でＥＧＲガスを効果的に冷却できるとともに、上側冷却水通路および下側冷却水通路の両方に冷却水流出口が形成されているため、両冷却水通路に確実に冷却水を流通させてＥＧＲガスを冷却することができる。

また、本発明の一側面によれば、前記冷却水入口（３２）は、前記通路形成部材（１０）の長手方向の中間位置に形成され、前記上側冷却水通路および前記下側冷却水通路の一方（２７Ｌ）は、前記冷却水入口（３２）を上流端として前記排気還流通路（２６）の上流側へ向けて延び、前記上側冷却水管および前記下側冷却水管の他方（２７Ｕ）は、前記冷却水入口（３２）を上流端として前記排気還流通路（２６）の下流側へ向けて延びている構成とすることができる。

この構成によれば、上側冷却水通路および下側冷却水通路の両方に冷却水流出口が形成されることで、長い通路長にわたって排気還流通路を冷却しつつ、機関本体への取付面を排気還流通路の長手方向の端部以外の部位である中間部に設けることができ、通路形成部材の機関本体への取付剛性を高めることができる。

また、本発明の一側面によれば、前記通路形成部材（１０）における前記排気還流通路（２６）の下流側の一端（１７）は、前記吸気通路（３１）を形成する吸気管（７）に直接接続している構成とすることができる。

この構成によれば、通路形成部材における排気還流通路の下流側の端部を吸気管に直接取り付けることで、通路形成部材の取付剛性を高めることができるうえ、部品点数を削減できる。

また、本発明の一側面によれば、前記通路形成部材（１０）における前記排気還流通路（２６）の下流側の一端（１７）には、前記吸気管（７）に締結される締結面（２３）が形成され、前記通路形成部材（１０）には、前記締結面（２３）から突出して前記排気を吸気流れに沿ってガイドするガイド管（３０）が取り付けられている構成とすることができる。

この構成によれば、通路形成部材の下流側は、取付面を形成した簡単な形状にして、製作性および取付作業性を向上しつつ、吸気管に流入させるＥＧＲガスをガイド管によって吸気流れに沿ってガイドすることで、ＥＧＲガスの流通を円滑にすることができる。

このように本発明によれば、機関本体を大型化することなく、ＥＧＲガスを効果的に冷却することができ、かつ部品点数の増大をも抑制できる内燃機関を提供することができる。

本発明に係るエンジンの正面図 図１に示すエンジンの側面図 図２に示す通路形成部材の正面図 図２に示す通路形成部材の背面図 図４中のＶ−Ｖ断面図 図５中のVI−VI断面図 図５中のVII−VII断面図

以下、図面を参照して、本発明を自動車用直列４気筒の内燃機関（以下、単にエンジン１と記す。）に適用した実施の形態について詳細に説明する。なお、各部材の説明にあたっては便宜上、図１および図２中に矢印で示した上下・左右，上下・前後を基準として位置や方向を表記する。

図１および図２に示すように、エンジン１は、図示しない４つのシリンダボアを形成するシリンダブロック２と、シリンダブロック２の上面に接合され、シリンダボアに収容されたピストンとの間に燃焼室を画成するシリンダヘッド３とを機関本体４として備えている。なお、シリンダヘッド３の上面にはシリンダヘッドカバー５が、シリンダブロック２の下面には図示しないオイルパンがそれぞれ接合されている。

シリンダブロック２およびシリンダヘッド３は、それぞれアルミニウム合金を用いたダイキャスト成型によって形成されており、それぞれの内部には、冷却水を流通させるウォータージャケットが空洞として形成されている。

シリンダヘッド３は、シリンダ軸線方向から見てシリンダ列方向に長い矩形を呈しており、長辺となる互いに対向する２つの側面の一方である後面３ｒには吸気ポートが開口し、２つの側面の他方である前面３ｆには排気ポートが開口している。シリンダヘッド３の吸気側側面となる後面３ｒには、４本の分岐管６を下流端側に備えた吸気マニホールド７が接合されている。シリンダヘッド３の排気側側面となる前面３ｆには、４本の枝管８を上流端側に備えた排気マニホールド９が接合されている。シリンダヘッド３におけるシリンダ列方向の一端側の側面である左側面３ｌには、詳細を後述する通路形成部材１０が接合されている。

排気マニホールド９は、耐熱性を求められるために金属製とされる一方、吸気マニホールド７は、軽量化や低コスト化のために樹脂製とされている。吸気マニホールド７は、図示しないスロットルバルブが接続される吸気導入管部１１と、吸気導入管部１１に接続する吸気チャンバ部１２と、吸気チャンバ部１２内の新気をエンジン１のシリンダヘッド３に形成された吸気ポートに導く４本の分岐管６からなる分岐管部１３とを備えている。４本の分岐管６は上下方向の中間部が機関本体４から離間する向きに突出するように湾曲形成されており、４本の分岐管６と機関本体４との間であって吸気チャンバ部１２の直上には、図示しない共鳴連通管を介して吸気チャンバ部１２に接続するレゾネータ部が配置されている。なお、吸気マニホールド７は、前後に分割された複数の樹脂射出成型品を振動溶着によって一体化することで製造されている。

図１に示すように、吸気導入管部１１は、左上のスロットル取付フランジ１４から斜め右下方に延設されて吸気チャンバ部１２に接続するとともに、スロットル取付フランジ１４の直下におけるシリンダヘッド３側の前面にＥＧＲガス導入フランジ１５を備えている。図２に示すように、吸気チャンバ部１２は、吸気マニホールド７の最下部に配置されており、吸気導入管部１１から流入した新気をチャンバ室内に一時的に貯留する。分岐管部１３は、吸気チャンバ部１２の後部から上方に延設され、レゾネータ部の後部を回り込むように屈曲した後、シリンダヘッド３に締結されている。

図２に示すように、通路形成部材１０は、前後方向に長い形状を呈しており、上側に３箇所、下側に３箇所の合計６箇所をボルト１６によって締結されることにより、シリンダヘッド３の左側面３ｌに取り付けられている。通路形成部材１０の後端には、吸気マニホールド７に対する取付フランジ１７が形成されており、この取付フランジ１７が２本のボルト１８によってＥＧＲガス導入フランジ１５に締結されることにより、通路形成部材１０は吸気マニホールド７に直接取り付けられる。一方、通路形成部材１０の前端近傍の上面には、ＥＧＲバルブ締結面１９が形成されており、このＥＧＲバルブ締結面１９に２本のボルト２０によってＥＧＲバルブ２１が取り付けられている。なお、通路形成部材１０は、例えばアルミニウムなどの熱伝導率が高い金属を鋳造することによって一体に成形されている。

排気マニホールド９またはその下流側に接続される排気管には、排気の一部を取り出すためにＥＧＲ管２２が接続されており、ＥＧＲ管２２の下流端がＥＧＲバルブ２１に接続されている。ＥＧＲバルブ２１はここでは電磁弁により構成されており、エンジン１の運転状態に応じて図示しないコントローラにより開閉駆動される。ＥＧＲバルブ２１が開弁すると、排気系を流通する排気が吸気マニホールド７の負圧によって吸引されることにより、ＥＧＲ管２２、ＥＧＲバルブ２１および通路形成部材１０をこの順に通ってＥＧＲガスが吸気系に導入される。

図３〜図５に示すように、通路形成部材１０は、略上向きの平坦なＥＧＲバルブ締結面１９を長手方向の一端（前端）に、後方斜め上向きの平坦な吸気マニホールド締結面２３を長手方向の他端（後端の取付フランジ１７）にそれぞれ備えるとともに、平坦なシリンダヘッド締結面２４をシリンダヘッド３側の長手方向に沿う側面に備えている。また、通路形成部材１０には、上記したシリンダヘッド３に締結するための６本のボルト１６を挿通させる６つのボルト挿通孔２５が形成されている。さらに、図５に示すように、通路形成部材１０の内部には、ＥＧＲ通路２６と冷却水通路２７とが形成されている。

ＥＧＲ通路２６は、図６に示すように、通路形成部材１０の長手方向に沿って直線状に延び、一端が吸気マニホールド締結面２３に開口し、他端が底面をなす主孔２８と、主孔２８の底面の近傍から上方へ延びてＥＧＲバルブ締結面１９に開口する導入孔２９とから構成されている。主孔２８および導入孔２９はともに円形断面を有しており、主孔２８の内径は導入孔２９の内径よりも大きくされている。主孔２８における吸気マニホールド締結面２３側の前端部２８ａの内径は、それ以外の部分（以下、主部２８ｂと称する。）の内径よりも大きくなっている。この前端部２８ａには、主部２８ｂの内径と同等の内径を有するガイド管３０が圧入されている。

ガイド管３０は、吸気マニホールド締結面２３から主孔２８の延在方向に突出しており、先端側が右方（図１参照）に湾曲している。図１および図２に示すように、通路形成部材１０が吸気マニホールド７に締結された状態では、ガイド管３０はＥＧＲガス導入フランジ１５を通過して吸気導入管部１１の吸気通路３１の側方に位置しており、先端が吸気の下流側に向く角度で通路形成部材１０に固定されることにより、ＥＧＲガスを吸気流れに沿う向きにガイドする。

冷却水通路２７は、図４および図５に示すように、通路形成部材１０の長手方向の中間位置においてシリンダヘッド締結面２４に開口する冷却水入口３２を備えており、通路形成部材１０の長手方向において冷却水入口３２に対応する部分では、ＥＧＲ通路２６を略全周にわたって覆うように形成されている。そのため、この部分では、ＥＧＲ通路２６を画成する肉壁が概ね管状を呈するＥＧＲ管部３３となって冷却水入口３２に臨む位置に形成されている。

また冷却水通路２７は、図５および図７に示すように、ＥＧＲ管部３３に対してシリンダヘッド締結面２４と相反する側の上下の位置にＥＧＲ通路２６に近接して配置された上側冷却水通路２７Ｕおよび下側冷却水通路２７Ｌを有している。上側冷却水通路２７Ｕおよび下側冷却水通路２７Ｌは、それぞれ通路形成部材１０の長手方向に沿って、すなわちＥＧＲ通路２６に沿って直線状に延びる円形断面の有底孔３４、３５によって形成されている。

上側冷却水通路２７Ｕを形成する上側の有底孔３４は、吸気マニホールド締結面２３に開口し、底面が冷却水入口３２の前端近傍に位置するように延設されており、鋳造後に圧入されるプラグ３６によって開口が閉塞されている。

下側冷却水通路２７Ｌを形成する下側の有底孔３５は、通路形成部材１０の吸気マニホールド締結面２３と相反する端面である前面に開口し、底面が冷却水入口３２の後端近傍に位置するように延設されており、鋳造後に圧入されるプラグ３７によって開口が閉塞されている。

図３に示すように、通路形成部材１０におけるシリンダヘッド締結面２４と相反する側の外面には４つの管部４５が形成されており、各管部４５の先端面には、冷却水通路２７に連通する４つの冷却水出口４１〜４４が形成されている。冷却水出口４１、４２は、上側冷却水通路２７Ｕに形成されており、冷却水出口４３および冷却水出口４４は、下側冷却水通路２７Ｌに形成されている。

これら冷却水出口４１〜４４は、機関本体４の外部の機器に冷却水を供給するためのアウトレットとしてそれぞれ利用される。具体的には、冷却水出口４１は、高温になった冷却水を冷却するためにラジエータに供給するためのアウトレットとして利用される。冷却水出口４２は、昇温するためにドライブ・バイ・ワイヤシステムに冷却水を供給するためのアウトレットとして利用される。冷却水出口４３は、冷却水温を測定するために温度センサに冷却水を供給するためのアウトレットとして利用される。冷却水出口４４は、昇温するために無段変速機（ＣＶＴ）に冷却水を供給するためのアウトレットとして利用される。

図４に示すように、冷却水通路２７のシリンダヘッド締結面２４は、冷却水入口３２を囲繞する環状に形成され且つ上側２つと下側２つの４つのボルト挿通孔２５が形成された環状部２４ａと、環状部２４ａから前後方向に延びる一対の延出部２４ｂ、２４ｃと、後側の延出部２４ｃを挟むようにこの延出部２４ｃから上下それぞれに離間した位置に形成され且つそれぞれ残りの１つの上側のボルト挿通孔２５および下側のボルト挿通孔２５が形成された上下のボルトボス部２４ｄ、２４ｅとから構成されている。

このように構成されたエンジン１によれば、図４および図５に示すように、シリンダヘッド３内のウォータージャケットを流通する冷却水は、冷却水入口３２を通って通路形成部材１０の冷却水通路２７に流入し、冷却水入口３２に臨むように配置されたＥＧＲ管部３３を冷却してその内部を通過するＥＧＲガスを冷却した後、上側冷却水通路２７Ｕおよび下側冷却水通路２７Ｌに分流する。図３に示すように、上側冷却水通路２７Ｕに流れた冷却水は、ＥＧＲ通路２６に沿って後方へ流れることでＥＧＲガスを冷却した後、冷却水出口４１、４２を通って通路形成部材１０の外部に流出する。一方、下側冷却水通路２７Ｌに流れた冷却水は、ＥＧＲ通路２６に沿って前方へ流れることでＥＧＲガスを冷却した後、冷却水出口４３、４４を通って通路形成部材１０の外部に流出する。

そのため、機関本体４を大型化することなく、かつ部品点数の増大を招くことなく、ＥＧＲ通路２６を流通するＥＧＲガスを冷却水によって冷却することができる。また、冷却水が冷却水出口４１〜４４を介して外部の機器へ供給されるため、冷却水を確実にＥＧＲ通路２６に沿って流通させることができ、かつ長い通路長にわたってＥＧＲ通路２６を冷却できるため、冷却効率を高めることができる。これにより、吸気の充填効率が向上する。

また、冷却水入口３２が通路形成部材１０の長手方向の中間位置に形成され、冷却水入口３２の周囲にシリンダヘッド締結面２４が環状に形成されているため、通路形成部材１０の機関本体４への取付剛性が高くなっている。加えて、通路形成部材１０が長手方向の一端に形成された取付フランジ１７によって吸気マニホールド７に直接取り付けられているため、通路形成部材１０の取付剛性がさらに高くなり、部品点数も削減される。

本実施形態では、通路形成部材１０が取付フランジ１７に吸気マニホールド締結面２３を有する簡単な形状とされているため、通路形成部材１０の製作性および取付作業性が向上する一方、吸気マニホールド締結面２３から突出するようにガイド管３０が取り付けられ、ガイド管３０がＥＧＲガスを吸気流れに沿う向きにガイドするため、ＥＧＲガスの流通が円滑になっている。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、本発明を自動車用の直列４気筒エンジンに適用しているが、他の用途に用いる異なる形式の内燃機関に適用してもよい。また、冷却水出口４１〜４４は、上記した外部機器以外の機器に接続されてもよく、冷却水出口４１〜４４の位置や数も変更可能である。この他、各部材や部位の具体的構成や配置、数量、素材、角度など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。一方、上記実施形態に示した本発明に係るエンジン１の各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜選択してもよい。

１ エンジン
３ シリンダヘッド
３ｌ 左側面（外面）
４ 機関本体
７ 吸気マニホールド
９ 排気マニホールド
１０ 通路形成部材
１７ 取付フランジ
２３ 吸気マニホールド締結面（締結面）
２４ シリンダヘッド締結面（取付面）
２６ ＥＧＲ通路（排気還流通路）
２７ 冷却水通路
２７Ｌ 下側冷却水通路
２７Ｕ 上側冷却水通路
３０ ガイド管
３１ 吸気通路
３２ 冷却水入口
３３ ＥＧＲ管部（排気還流管部）
４１、４２、４３、４４ 冷却水出口

Claims (5)

1. 排気通路を流通する排気の一部を吸気通路に還流させる排気還流通路と、機関本体内に形成されたウォータージャケットを流通する冷却水を前記機関本体の外部の機器に供給するための冷却水出口とを備えた内燃機関であって、
   前記排気還流通路の少なくとも一部と前記冷却水出口とが、前記機関本体の外面に取り付けられる１つの通路形成部材により形成され、
   前記通路形成部材には、前記機関本体への取付面に開口する冷却水入口と前記冷却水出口とを連通する冷却水通路が前記排気還流通路に沿って形成されていることを特徴とする内燃機関。
2. 前記通路形成部材は、前記冷却水入口に臨むように配置されて前記排気還流通路の一部を形成する排気還流管部を有し、
   前記冷却水通路は、前記排気還流管部に対して前記取付面と相反する側の上下に配置された上側冷却水通路および下側冷却水通路を含み、
   前記冷却水出口が、前記上側冷却水通路に設けられた第１冷却水出口と、前記下側冷却水通路に設けられた第２冷却水出口とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記冷却水入口は、前記通路形成部材の長手方向の中間位置に形成され、
   前記上側冷却水通路および前記下側冷却水通路の一方は、前記冷却水入口を上流端として前記排気還流通路の上流側へ向けて延び、
   前記上側冷却水管および前記下側冷却水管の他方は、前記冷却水入口を上流端として前記排気還流通路の下流側へ向けて延びていることを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記通路形成部材における前記排気還流通路の下流側の一端は、前記吸気通路を形成する吸気管に直接接続していることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の内燃機関。
5. 前記通路形成部材における前記排気還流通路の下流側の一端には、前記吸気管に締結される締結面が形成され、
   前記通路形成部材には、前記締結面から突出して前記排気を吸気流れに沿ってガイドするガイド管が取り付けられていることを特徴とする、請求項４に記載の内燃機関。

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