JP2016089644A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガス浄化装置とＥＧＲ装置とを備えた内燃機関において、排気ガスの浄化性能アップ、充填効率向上、ＥＧＲガスによる機関の汚れ防止を図る。
【解決手段】排気系にＤＯＣ１４とＤＰＦ１６とが直列に接続されている。ＤＰＦケース２４は浄化済みの排気ガスが通過する縮径部２９を有しており、縮径部２９にフィン３０のような放熱手段が設けられている。ＥＧＲ通路１９は、排気系のうち縮径部２９よりも下流側に接続されている。ＥＧＲガスはＤＰＦ１６よりも下流側から取られるため、特にＤＯＣ１４の早期昇温を図って浄化性能を向上できると共に、固体成分による機関の汚れを防止でき、更に、ＥＧＲガスの温度低下によって充填効率の向上にも貢献する。縮径部２９を有効利用して、簡単な構成で排気ガスの的確に降温できる。
【選択図】図２

Description

本願発明は内燃機関に関するものであり、特に、車両用（自動車用）の内燃機関を好適な対象にしている。

車両用内燃機関において排気ガスの浄化は重要な技術的課題であり、そこで、ガソリン機関では一般に排気系に三元触媒式の浄化装置を設けている一方、ディーゼル機関では、一般に、排気系に酸化触媒式の浄化装置（ＤＯＣ：ディーゼル・オキシデーション・キャタリスト）とフィルター式浄化装置（ＤＰＦ：ディーゼル・パーティキュレート・フィルター）とを設けている。

他方、ガソリン機関にしてもディーゼル機関にしても、機関本体から排出される排気ガスの有害成分をできるだけ減少させることが有益であり、そこで、排気ガス（ＥＧＲガス）を吸気系に還流させるＥＧＲ装置を設けることも広く行われている（なお、ＥＧＲ装置は、排気ガスの浄化のみでなく燃費向上等の機能も有している。）。

ＥＧＲガスは、浄化装置の上流側から取り出す場合と、浄化装置の下流側から取り出す場合とがあり、特許文献１には、浄化装置の上流側から取り出す構成（すなわち、ＥＧＲ通路を浄化装置の上流側に接続する構成）が開示されている。

特開２００２−１６２７３８号公報

さて、排気ガス浄化部材（特に触媒式浄化部材）には排気ガスを効率良く浄化する温度域が存在しており、昇温が十分でないと浄化性能が不完全になってしまう性質がある。従って、機関を始動してから好適な温度域に早期昇温させることが必要であるが、特許文献１のようにＥＧＲガスを浄化装置の上流側から取り出す構成では、浄化装置に流れる排気ガスの量が少ないことによって浄化部材の受熱量も少なくなるため、浄化部材の昇温に時間がかかって、排気ガスが十分に浄化されないまま排出されてしまう不具合が懸念される。

この浄化装置の昇温不良の問題は冬季のように外気温が低い場合には顕著に現れるが、逆に、外気温が高い場合や機関が加熱気味になっている場合は、機関から排出された高温の排気ガスがＥＧＲガスとしてそのまま機関に還流することにより、充填効率の低下やオーバーヒートを招来するおそれがある。

また、ＥＧＲガスを浄化装置よりも上流側から取り出す構成では、固体成分のような機関にとって好ましくない成分を含んだままの排気ガスがＥＧＲガスとして機関に還流するため、吸気系やピストン、シリンダ等が汚れやすくなるという問題も現れてくる。特に、ディーゼル機関では排気ガスに粒子状物質が含まれているため、汚れの問題が顕著に現れやすい。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明は、排気ガス浄化部材が内蔵されたケースを、ストレート状の筒状部とその終端に設けた先窄まりの縮径部とを有する形態と成しており、前記縮径部から排気管に向けて排気ガスが流れる構成の内燃機関において、前記縮径部に放熱手段を設け、前記放熱手段よりも下流側の排気通路に、排気ガスを吸気系に還流させるＥＧＲ通路が接続されている。

本願発明において、放熱手段とは、縮径部の温度を低下させることによって排気ガスの温度を低下させる手段を意味しており、縮径部の熱を自然放散させるものはもとより、縮径部の熱を強制的に奪う冷却手段も含んでいる。自然放散手段としては、例えば、板状のフィンを突設したり、突起の群を設けたり、多数の凹凸を形成したりすることなど、放熱面積を増大することを採用できる。強制的な放熱手段としては、冷却水や冷却風による冷却を採用できる。

また、縮径部とは、排気ガスの流れ方向に向いて先端の断面積が基端の断面積よりも小さくなっている形態を言い、例えば、単純な台錘形状（テーパ形状）や、外側に膨れるような状態で窄まっている砲弾形状、内側に凹んだ状態で窄まっているラッパ形状、段階的に径が変化している形状など、様々な具体的形状を含んでいる。

ＤＯＣとＤＰＦのような複数の浄化装置を備えている場合は、放熱手段は下流側の浄化装置のテーパ部に設けて、ＥＧＲガスは、下流側の浄化装置の縮径部よりも下流側から取り出すのが好ましい。

本願発明では、ＥＧＲ通路が浄化装置よりも下流側に接続されているため、機関本体から排出された排気ガスはその全量が浄化装置を通過する。このため、浄化装置の早期昇温を促進して、排気ガスの浄化性能を向上できる。

また、ＥＧＲガスには浄化された排気ガスが使用されるため、機関の汚れを著しく抑制して性能維持に貢献できる。

更に、ＥＧＲガスとしては、浄化装置を通過して温度が低下した排気ガスが使用されるため、ＥＧＲクーラを使用することなく充填効率を高めることが可能になる利点や、冷却水方式のＥＧＲクーラを設ける場合は、冷却水の受熱量を軽減して機関の冷却性能低下を抑制できる利点がある。

そして、浄化装置におけるケースの縮径部は相当の表面積を有していて高い放熱量を確保できるのみならず、排気ガスの流路が強制的に狭まることによって縮径部への排気ガスの接触性が高いため、排気ガスの温度を的確に低下させて、ＥＧＲガスの温度をできるだけ低くすることができる。

しかも、ケースの縮径部は、浄化部材が排気管よりも大きな外径のスペースを要することから設けられたもので、縮径部の周囲の部分は一般にデットスペースになっているため、縮径部に放熱手段を設けても機関全体として大型化することはないし、構成も簡単である。更に、縮径部が放熱手段によって補強され得るため、浄化装置の強度アップにも貢献できる。

第１実施形態の内燃機関の全体の模式図である。 第１実施形態の要部断面図である。 第２実施形態における縮径部の横断面図である。 第３実施形態の要部断面図である。

(1).第１実施形態
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、車両用内燃機関に適用している。図１に示すように、内燃機関は、３つの気筒１を有する機関本体２を備えている。機関本体２はシリンダブロックとシリンダヘッドとを主要部材としており、クランク軸線を左右横向きにした姿勢で車両のエンジンルームに配置されている。各気筒１には、燃料噴射ノズル３を臨ませている。

実施形態の内燃機関は、機関本体２の後面（シリンダヘッドの後面）に吸気マニホールド４を固定して、機関本体２の前面（シリンダヘッドの前面）に排気マニホールド５を固定した前方排気・後方吸気のタイプであり、吸気マニホールド４の集合部６にスロットルバルブ７を接続している。スロットルバルブ７には吸気通路８の終端部が接続されており、吸気通路８の始端はエアクリーナ９に接続されている。

排気マニホールド５の集合部には、排気ターボ過給機１０におけるタービン室１１の入口が直接に又は管路を介して接続されており、排気ターボ過給機１０のコンプレッサ室１２は吸気通路８の中途部に介挿されている。

排気ターボ過給機１０におけるタービン室１１の出口には、第１継手１３を介してＤＯＣ（酸化触媒式浄化装置）１４の入口が接続されて、ＤＯＣ１４の出口には、第２継手１５を介してＤＰＦ１６の入口が接続され、更に、ＤＰＦ１６の出口には、第３継手１７を介して排気管１８が接続されている。排気管１８に流入した排気ガスは、消音器（図示せず）を経由して大気に放出される。従って、本実施形態の内燃機関は、平行な姿勢に配置されたＤＯＣ１４とＤＰＦ１６との２つの排気ガス浄化装置を備えている。

第３継手１７にはＥＧＲ通路１９の始端が接続されており、ＥＧＲ通路１９の終端は、吸気通路８のうち、エアクリーナ９と排気ターボ過給機１０との間の部位（すなわち、排気ターボ過給機１０よりも上流側の部位）に接続されている。

図２に示すように、ＤＯＣ１４は、ＤＯＣケース２１の内部に酸化触媒エレメント２２を配置した構造であり、酸化触媒エレメント２２が配置されている部分は筒状（ストレート形）で、その始端には前窄まりでテーパ状の縮径部２３を一体に又は別体に設けて、縮径部２３に第１継手１３が接続されている。

他方、ＤＰＦ１６は、ＤＰＦケース２４にフィルターエレメント２５を内蔵すると共に、ＤＰＦケース２４を外側からアウターケース２６で囲った構造であり、アウターケース２６とＤＯＣケース２１とが第２継手１５を介して連通している。更に詳細に述べると、ＤＰＦケース２４のうちフィルターエレメント２５が配置された部分は、筒状部（ストレート状部）２７に形成されていてその始端は開口している一方、アウターケース２６は、ＤＰＦケース２４の筒状部を外周側と始端部側とから囲っており、ＤＰＦケース２４における筒状部の終端部とアウターケース２６とは、シール（溶接）されている。

従って、ＤＯＣ１４を通過した排気ガスは、ＤＰＦケース２４とアウターケース２６との間に形成された環状通路に流入し、それからＤＰＦケース２４の内部に流入する。排気ガスがＤＰＦ１６にスムースに流入するように、アウターケース２６の底部には、ＤＰＦ１６に向けて突出した円錐形（台錘形でもよい）のガイド突起２８を形成している。

ＤＰＦケース２４における筒状部２７の終端には、排気ガスの流れ方向に向かって縮径したテーパ状の縮径部２９が一体に又は別体に設けられており、縮径部２９に、ストレート構造の第３継手１７を一体に設けている。ＥＧＲ通路１９の始端は第３継手１７に溶接又はろう付けで接続されている。なお、縮径部２９の終端にフランジを設けて、これに第３継手１７又は排気管１８をフランジ接合してもよい。

そして、ＤＰＦケース２４の縮径部２９に、放熱手段の一例として、環状のフィン（リブ）３０を複数条形成している。フィン３０は、例えば、リング状に形成した金属板を溶接することによって形成できる。筒状部２７（或いはＤＰＦケース２４）を鋳造品やダイキャスト品とした場合は、フィン３０も一体に形成できる。フィン３０は、螺旋形状に形成することも可能である。

なお、図１，２ではＤＯＣ１４とＤＰＦ１６とを平面視で並列姿勢に配置しているが、これは作図上の便宜のためであり、実際には、ＤＯＣ１４とＤＰＦ１６とは、軸線を横向きにして上下に並べたり、軸線を縦向き（鉛直方向の姿勢）にして左右又は前後に並べたりするのが普通である。

(2).まとめ
以上の構成において、ＥＧＲ通路１９はＤＰＦ１６よりも下流側に接続されているため、機関本体２から排出された排気ガスはその全量がＤＯＣ１４とＤＰＦ１６とを通過する。このため、ＤＯＣ１４とＤＰＦ１６との早期昇温を促進して排気ガスの浄化性能を向上できる。特に、ＤＯＣ１４は、三元触媒と同様にかなり高い温度域でないと高い性能を発揮しないが、本実施形態の構成を採用すると、早期に昇温させて高い浄化性能を確保できる。

また、ＥＧＲガスには、ＤＰＦ１６を経由して浄化された排気ガスが使用されるため、吸気径や燃焼室等の汚れを著しく抑制して性能維持に貢献できる。更に、ＥＧＲガスには、ＤＯＣ１４とＤＰＦ１６との２つの浄化装置を通過して降温した排気ガスが使用されるため、ＥＧＲクーラを使用することなく充填効率を高めることが可能になる。また、冷却水方式のＥＧＲクーラを設けた場合は、冷却水の受熱量を軽減して機関の冷却性能低下を抑制できる利点がある。

そして、縮径部２９の箇所は広い表面積を有していて放熱量も高いため、排気ガスをしっかりと降温させて、ＥＧＲガスの温度をできるだけ低くすることができる。しかも、縮径部２９の周囲の部分は他の部材が配置されていないデットスペースになっているのみならず、フィン３０の高さはさほど必要はないため、縮径部２９にフィン３０を設けても機関全体として大型化することはない。実施形態のように放熱手段として環状や螺旋状等のフィン３０を採用すると、構造が簡単でコストも抑制できる利点がある。

(3).他の実施形態
上記の第１実施形態はフィン３０を環状に配置した場合であったが、図３に示す第２実施形態では、フィン３０は、縮径部の内外に形成されて、しかも、縮径部２９軸方向（排気ガスの流れ方向）に向けて延びる姿勢になっている。この実施形態では、フィン３０が縮径部２９の内部にも位置していてい排気ガスの接触面積が大きくなるため、放熱性能はより高くなる。フィン３０は、軸線に対して傾斜させてもよい。

図４に示す第３実施形態では、ＤＯＣ１４とＤＰＦ１６とを直線状に配置している。従って、第１実施形態で使用したアウターケース２６は不要になる。図示の例ではＤＯＣ１４とＤＰＦ１６とが一直線に並んでいるが、例えば、ＤＯＣ１４は鉛直姿勢に配置してＤＰＦ１６は水平姿勢に配置するというように、ＤＯＣ１４とＤＰＦ１６との配置姿勢を異ならせることも可能である。

放熱手段はフィン３０に限るものではなく、例えば、少なくとも外面に、棒状やパイプ状の多数の突起を設けたり、縮径部に多数の凹凸を形成したりすることなども採用できる。複数の構造を併用することも可能である。車両用内燃機関の場合は、走行風が縮径部に効率的に当たるように工夫したり、ラジェータの風が縮径部に強く当たるように工夫したりすることも可能である。

また、図示の実施形態はディーゼル機関に適用してＤＯＣとＤＰＦとを併設したが、ガソリン機関の場合は触媒式浄化装置のみで足りる。敢えて述べるまでもないが、本願発明は、排気ターボ過給機を備えていない内燃機関にも適用できる。

本願発明は、実際に内燃機関に適用できる。従って、産業上利用できる。

１ 気筒
２ 機関本体
４ 吸気マニホールド
５ 排気マニホールド
８ 吸気通路
１０ 排気ターボ過給機
１４ 浄化装置の一例としてのＤＯＣ
１６ 浄化装置の一例としてのＤＰＦ
１８ 排気管
１９ ＥＧＲ通路
２１ ＤＯＣケース
２２ 酸化触媒エレメント
２４ ＤＰＦケース
２５ フィルターエレメント
２７ 筒状部
２９ 縮径部
３０ 放熱手段の一例としてのフィン

Claims (1)

1. 排気ガス浄化部材が内蔵されたケースを、ストレート状の筒状部とその終端に設けた先窄まりの縮径部とを有する形態と成しており、前記縮径部から排気管に向けて排気ガスが流れる構成であって、
   前記縮径部に放熱手段を設け、前記放熱手段よりも下流側の排気通路に、排気ガスを吸気系に還流させるＥＧＲ通路が接続されている、
   内燃機関。

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