JP2017002777A - 車両用内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】排気管の中途部に排気浄化装置を配置すると共に、排気浄化装置の下流側に排気還流管を接続している車両用内燃機関において、機関本体の振動と車体の振動との両方を吸収できる管路構造を提供する。【解決手段】排気管第１部分１７が、第１球面継手１４等の第１振動吸収手段を介して排気マニホールド１２に接続されている。排気浄化装置２１の下流側から排気ガスを取り出す排気還流管２９は、第４球面継手２８にて接続された排気還流管第１部分２３と排気還流管第２部分２６とに分離しており、排気還流管第１部分２３と排気還流管第２部分２６は、それぞれ排気管第１部分１７とＥＧＲガス導入部１０とに球面継手２４，２７を介して接続されている。排気ガスの還流管路と機関本体１とが４点リンク機構を構成しているため、機関本体１の振動と車体の振動との相違が的確に吸収される。【選択図】図３

Description

本願発明は、車両に搭載される内燃機関に関するものである。

車両用の内燃機関には、排気ガスを浄化するため、三元触媒やリーンＮＯｘ触媒、ＤＰＦ （ディーゼル・パーティキュレート・フィルター）等の排気浄化装置を設けている。また、近年の車両用内燃機関は、排気ガスの浄化促進や燃費向上等を目的として、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気系に還流させる排気還流装置（以下、ＥＧＲ装置）を備えている。

この場合、排気浄化装置の配置位置や排気還流管の配管構造は様々であり、排気浄化装置の位置について見ると、排気浄化装置を排気マニホールドに一体化している場合と、排気管の中途部に排気浄化装置を設けている場合と、両方の構成になっている場合とがある。また、排気還流管と排気浄化装置との関係を見ると、排気還流管（ＥＧＲ管）が排気浄化装置の上流側に接続されている場合と、排気還流管が排気浄化装置の下流側に接続されている場合とがあり、機関のクリーン性を確保するには、排気浄化装置で浄化された排気ガスを還流させるのが好ましい。

そして、振動対策の点から見ると、排気浄化装置が排気マニホールドに一体化されている場合は、排気還流管は排気マニホールドと一緒に機関本体の振動系に組み込まれているため、排気還流管を設けたことによって特段の問題が生じることはないが、排気浄化装置を排気管の中途部に設けている場合は、排気マニホールドに対して、機関の振動と、排気管が懸架されている車体の振動との両方の振動が波及するため、排気還流管を設けると、排気還流管に対しても機関の振動と車体の振動とが波及する。このため、排気還流管の両端を溶接等で固着していると、排気還流管や排気管に対して高い応力が作用し、場合によってそれら排気還流管や排気管が破損に至るおそれもある。

この点について特許文献１では、排気管のうち排気マニホールドに接続された上流部に排気浄化装置を球面継手で接続することにより、機関本体の振動と車体の振動との両方を吸収するようにした構成において、球面継手にＥＧＲガスの中継空所を形成して、排気浄化装置の下流側から取り出したＥＧＲガスを還流させるための排気還流管を第１及び第２のチューブに分離して、両チューブを球面継手の中継空所に接続することにより、振動系の違いに起因した応力が排気還流管に作用することを防止している。

また、特許文献２では、排気マニホールドの出口と排気管の始端とが球面継手で接続されている構成において、排気浄化装置の下流側に接続した排気還流管の中途部のうち、球面継手の近傍の部位を屈曲自在及び変形自在なフレキシブル管で構成することにより、機関本体の振動系と車体の振動系との違いによって生じた応力をフレキシブル管で吸収することが開示されている。特許文献２では、排気管と排気マニホールドとはフランジ接合されており、排気還流管のうちフレキシブル管よりも下流側の部位が、排気管用のフランジによって接合されている。

特開２００４−１７６５５３号公報 特開２０１３−０８３２３０号公報

特許文献１にしても特許文献２にしても、ＥＧＲガスは排気浄化装置の下流側から取り出されるため、吸気系部材や気筒などのクリーン性を維持できる利点があるが、特許文献１では、球面継手は特注品になって構造が複雑化するのみならず、使用しているうちにシール性が低下して排気ガスが漏洩しやすくなるおそれがあり、信頼性においても不安がある。

他方、特許文献２の場合、フレキシブル管としては例えば蛇腹管が考えられるが、排気還流管には常に排気ガスが流れているわけではなく、排気還流管内に排気ガスが滞留したままになることもあることから、機関停止後やＥＧＲ装置非作動運転時のようなＥＧＲガス滞留時に、排気ガスの温度低下により排気ガスに含まれた水分が凝縮水になってフレキシブル管の内面に溜まることがあり、すると、腐食して錆びが燃焼室に入り込んだり、フレキシブル管に穴が空いてしまったりするおそれがないとも云えない。

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、機関本体に設けられた吸気部及び排気部と、前記排気部に接続された排気管と、前記排気管の中途部に介在させた排気浄化装置とを備えており、前記排気浄化装置の下流側から分岐した排気還流管を前記吸気部に接続している、という基本構成である。

そして、排気ガスが前記排気部から吸気部に至る管路を、前記排気部に接続された始端側管路と、前記吸気部に接続された終端側管路と、前記始端側管路と終端側管路との間に位置した１つ又は複数の中間管路との３つ以上の管路に分けており、前記排気部と始端側管路、前記終端側管路と吸気部、及び、隣り合った管路同士が、それぞれ相対回動可能に接続されている。

排気ガスが前記排気部から吸気部に至る管路を３つ以上の管路に分ける構成としては、排気還流管を複数に分ける構成と、排気管のうち排気還流管との接続部よりも上流側の部位を複数に分ける構成、及び、排気還流管を複数に分けると共に、排気管のうち排気還流管との接続部よりも上流側の部位を２つに分ける構成とがある。

相対回動可能に接続する具体的な手段としては、排気還流管の部分については、球面継手のように２つの部材が相対回動可能に連通している自在継手を使用するのが好ましいが、排気管の接続については、排気マニホールド等の排気部に対してフランジ接合して、排気管の一部を蛇腹管のようなフレキシブル管で構成することも可能である。

排気管の一部を蛇腹管で構成してもよいのは、機関の運転中は排気管の内部に常に高温の排気ガスが流れており、排気ガスに含まれた水分は水蒸気のまま凝縮することなく排除されるからである。また、蛇腹管は、機関本体の振動吸収手段の一例でもあり、排気管の一部を蛇腹管で構成することにより、排気部との接続部から始端側管路に至る排気管全体で機関本体の振動を吸収することが可能になる。

本願発明では、各管路と機関本体とをそれぞれ部材として見ると、ＥＧＲガスの還流経路は少なくとも４つの部材からなるリンク機構を構成するため、機関本体の振動と車体の振動との違いによって、部材同士に相対動させようとする外力が作用すると、隣り合った部材が相対回動することよって振動が吸収される。

そして、本願発明では、隣り合った部材の相対動を許容する手段としては、球面継手のような市販品をそのまま使用することが可能であるため、構造は簡単であって高い信頼性を確保できる。特に、実施形態のような球面継手を使用すると、各連結個所における回動軸心が互いに平行でなくても、部材同士がスムースに相対回動するため、設計の自由性を向上できて好適である。

また、実施形態のように、排気還流管を構成する２つの管路をく字形に連結すると、機関本体と排気浄化装置とがどのように相対動しても、く字の角度が変化するだけで、管路同士が突っ張ることはないため、スムースな動きをより確実に保持できる。また、く字の頂点を排気管に向けておくと、全体をコンパクト化できる利点もある。

第１実施形態の平面図である。 図１のII-II 視側面図である。 図２の要部拡大図である。 球面継手の構造を示した部分断面図である。 動きを示す模式図である。

(1).内燃機関の概略
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本願では、方向を特定するため前後・左右の文言を使用しているが、これは、車両の前進方向を前として（或いは運転者の向いた方向を）を定義にしている。図１に方向の表示を明示している。正面視は、車両の前進方向と対向した方向から見た状態である。まず、図１，２に基づいて内燃機関の概略を説明する。

内燃機関は機関本体１を有しており、機関本体１は、クランク軸線を車両の前後方向に向けた縦置き姿勢でエンジンルームに配置されている。図１は平面図であるが、平面視の状態で、機関本体１を構成するシリンダブロック２、シリンダヘッド３、ヘッドカバー４、オイルパン５がそれぞれ大きく見えている。他方、図２の側面図では、ヘッドカバー４とオイルパン５とは大きく見えているが、シリンダブロック２とシリンダヘッド３は少ししか見えていない。

このため、本実施形態の機関本体１は、正面視では気筒が水平に近い状態まで大きくスラント（傾斜）している。シリンダブロック２の後面には、トランスミッション２ａを配置している。なお、図示のものは一例であり、本願発明は、気筒を略鉛直姿勢にした内燃機関や、クランク軸線を左右長手の姿勢にした横置き型など、様々なタイプの内燃機関にも適用できる。

本実施形態の内燃機関は４気筒であり、そこで、ヘッドカバー４には、４つの点火装置取付け穴６が前後方向に並んでいる。また、本実施形態では、ヘッドカバー４は、吸気側面を上向きにして排気側面を下向きにしており、このため、シリンダヘッド３の上面に吸気マニホールド７を接続している。

図１のとおり、吸気マニホールド７には、吸気部を構成する部材として、スロットルボデー８を上向きに開口させたサージタンク９が接続されており、サージタンク９にＥＧＲクーラー１０を接続し、ＥＧＲクーラー１０の出口側の端部にＥＧＲバルブ１１を設けている（ＥＧＲクーラ１０は無くてもよい。）。図１に示すように、スロットルボデー８にはホース８ａを介してエアクリーナ８ｂが接続されている。

(2).排気系・ＥＧＲ装置
図２のとおり、シリンダヘッド３の下面には、排気マニホールド１２が接続されている。排気マニホールド１２の集合部１２ａは後ろ向きに延びており、集合部１２ａに排気管１３が第１球面継手１４を介して接続されている。

排気管１３は、触媒ケース（触媒コンバータ）１６が一体に組み込まれた排気管第１部分１７と、排気管第１部分１７にフランジ１８によって接続された排気管第２部分１９とを有しており、排気管第２部分１９に消音器２０を設けている。

触媒ケース１６は、始端テーパ部１６ａと終端テーパ部１６ｂとを有するコーン形状であり、ストレート状の部分に三元触媒が内蔵されている。従って、触媒ケース１６とこれに内蔵した触媒とで排気浄化装置２１が構成されている。

そして、触媒ケース１６の終端テーパ部１６ｂに分岐管２２を溶接又はろう付けで固定し、この分岐管２２に、排気還流管第１部分２３が第２球面継手２４を介して接続されている一方、ＥＧＲクーラー１０には補助管２５が溶接等によって固定されており、この補助管２５に、排気還流管第２部分２６が第３球面継手２７を介して接続されている。更に、排気還流管第１部分２３と排気還流管第２部分２６とは、第４球面継手２８を介して接続されている。従って、排気還流管第１部分２３と排気還流管第２部分２６とにより、排気還流管２９が構成されている。換言すると、排気還流管２９は、排気還流管第１部分２３と排気還流管第２部分２６とに分離している。

図１のとおり、排気管１３の排気管第１部分１７はその後部が略く字形に曲がっているが、側面視では概ね直線状に延びている。また、図１のとおり、分岐管２２は平面視で略Ｌ形に曲がっており、排気還流管第１部分２３は平面視では緩いく字形に曲がって側面視では直線状に延びている。

他方、排気還流管第２部分２６は、平面視及び側面視で略クランク状に曲がっている。そして、排気還流管第２部分２６は、排気還流管第１部分２３から出て上向きに立ち上がってからＥＧＲクーラー１０に向かっている。このため、第４球面継手２８は、第２球面継手２４と第３球面継手２７とを結ぶ線よりも排気管第１部分１７に寄っている。つまり、排気還流管第１部分２３と排気還流管第２部分２６とはく字に連結されており、かつ、く字の頂点は排気管第１部分１７に向いている（排気還流管第１部分２３と排気還流管第２部分２６とから成る管路が、排気管第１部分１７に向かって凸の姿勢になっている。）。

各球面継手の構造は同じであり、図４で第４球面継手２８を例に挙げて断面を表示している。この図４に示すように、球面継手１４，２４，２７，２８は、略同心に配置された第１筒部３１と第２筒部３２とを有しており、第１筒部３１には第１フランジ板３３を一体に設けている一方、第２筒部３２には第２フランジ板３４を溶接で固着しており、第１フランジ板３３に、第２フランジ板３４に向けて開口した椀状部３５を形成して、椀状部３５と第２フランジ板３４との間にシール体３６を介挿し、更に、両フランジ板３３，３４を、ボルト３７とナット３８とばね３９とで挟み付けている。両フランジ板３３，３４は菱形の角を丸めた形状をしている。

図示の例では、ナット３８を第１フランジ板３３に配置して、ばね３９を第２フランジ板３４に配置しているが、逆の配置であってもよい。椀状部３５の内面とシール体３６との接触面は１つの中心を有する円弧面であり、このため、両筒部３１，３２がその軸心を交叉させるように相対動しても、椀状部３５とシール体３６とは面接触した状態が保持される。これにより、両筒部３１，３２は、シール性を確保しつつ任意の方向に相対回動することが許容されている。

第２筒部３２を使用せずに、第２フランジ板３４を管路自体に溶接等で固定してもよい。第１球面継手１４の第１フランジ板３３は、排気マニホールド１２の集合部１２ａに固定されている。

(3).まとめ
図５に模式的に示すように、機関本体１はゴム質のマウント材４０を介して車体４１に支持されている。このため、機関本体１は車体４１とは独立した振動系を有している。一方、排気管１３のうち例えば排気管第２部分１９が、吊支材４２を介して車体４１に支持されている。

従って、排気管第１部分１７には、車体４１の振動と機関本体１の振動とが作用するが、機関本体１と排気管第１部分１７との相対動が第１球面継手１４によって許容され、車体４１と排気管第１部分１７との相対動が第２球面継手２４によって許容されることにより、機関本体１の振動と車体４１の振動との違いによって排気管第１部分１７に強い応力が生じることを防止できる。

つまり、図５に示すように、排気管第１部分１７は機関本体１と車体４１との両方に対して相対回動することが可能になっているが、仮に、排気還流管２９が１本構造であると、排気還流管２９の両端が球面継手で接続されていても、機関本体１と排気管第１部分１７とＥＧＲ管とは単純なトラス構造になるに過ぎないため、排気管第１部分１７や排気管第１部分１７の熱による伸縮を許容できるだけで、排気管第１部分１７や排気還流管２９が振動で相対回動することはできず、このため、排気管第１部分１７や排気還流管２９に強い応力が作用する。

これに対して本実施形態では、排気還流管２９は第１部分２３と第２部分２６とに分離していて、機関本体１と排気管第１部分１７と排気還流管第１部分２３と排気還流管第２部分２６とで一種の４点リンク機構が構成されているため、図５に点線及び一点鎖線で示すように、排気管第１部分１７が回動すると、排気還流管第１部分２３と排気還流管第２部分２６も相対回動する。

このため、機関本体１の振動系と車体４１の振動系とが相違しても、振動系の違いは排気管第１部分１７、排気還流管第１部分２３、排気還流管第２部分２６の回動によって吸収される。その結果、排気管第１部分１７や排気還流管第１部分２３、排気還流管第２部分２６に過大な応力が生じることはなくて、高い耐久性を確保できる。また、排気還流管２９はその始端が最も低くなるように傾斜しており、始端である最下端が第２球面継手２４を介して触媒ケース１６に接続されているため、排気還流管２９の内部に排気ガスが滞留していて機関停止後に凝縮水が発生しても、凝縮水は排気管１３に流下する。従って、排気還流管２９の問題も防止できる。

本実施形態では、排気還流管２９が、排気還流管第１部分２３と排気還流管第２部分２６とに分離している。従って、請求項との関係では、排気管第１部分１７が始端側管路に相当して、排気還流管第２部分２６が終端側管路に相当し、排気還流管第１部分２３が中間管路に相当する。また、各球面継手１４，２４，２７，２８は、管路の相対回動を許容するための手段を構成している。なお、例えば第１球面継手１４に代えて、蛇腹管のような他の振動吸収接続手段を採用してもよい。

さて、既述のとおり、本実施形態では、排気還流管第１部分２３と排気還流管第２部分２６とはく字状に接続（連結）されており、排気管第１部分１７に向いて凸の形態になっている。そして、図５の表示から明らかなように、排気管第１部分１７の回動に連動して排気還流管第１部分２３と排気還流管第２部分２６とが回動すると、排気還流管第１部分２３と排気還流管第２部分２６との交叉角度が変化するだけで、全体的なレイアウトは変化しない。このため、排気還流管第１部分２３と排気還流管第２部分２６との回動はスムースであると共に、コンパクトな構成になっている。この点、本実施形態の利点の一つである。

また、排気還流管第１部分２３と排気還流管第２部分２６とは、自重によって回動しようとする傾向を呈するが、本実施形態の配置態様を採用すると、排気還流管第１部分２３と排気還流管第２部分２６が自重で回動しようとすると、両者は夾角が小さくなる傾向を呈して排気還流管１９の全体の長さが短くなろうとする。このため、図５に一点鎖線で示すように、排気管第１部分１７が第１球面継手１４を支点にして上向き回動したり、排気管第１部分１７が上向き凸状の弓なりに変形したりすると、排気還流管第１部分２３と排気還流管第２部分２６とはスムースに相対回動して夾角が小さくなる。

逆に、図５に点線で示すように、排気管第１部分１７が第１球面継手１４を支点にして下向き回動したり、排気管第１部分１７が下向き凸状の弓なりに変形したりすると、排気還流管第１部分２３と排気還流管第２部分２６とは夾角を大きくするように相対回動して排気還流管２９の全体の長さが長くなる傾向を呈することになり、この場合も、排気還流管第１部分２３と排気還流管第２部分２６とが突っ張り合うようなことはなくて、スムースに回動する。これらの点も本実施形態の利点の一つである。

また、図３に示すように、各球面継手１４，２４，２７，２８における２本のボルト３７を結ぶ線４３が水平面４４に対して成す角度θは、おおむね４５°以内に抑えているため、排気管第１部分１７や排気還流管第１部分２３、排気還流管第２部分２６の回動が容易になっている。

つまり、機関本体１にしても車体４１にしても上下方向に振動するものであり、このため、排気管第１部分１７等も上下方向に回動するような作用を受けるが、仮に、球面継手のボルト３７が鉛直姿勢に並んでいると、管が回動するためにはばね３９を大きく変形させねばならず、このため管の回動に大きな力がかかるが、本実施形態では、２本のボルト３７は鉛直姿勢よりも水平姿勢に近い姿勢に並んでいるため、ばね３９には過大な力はかからずに、管の回動がスムースに行われるのである。

更に、図３から理解できるように、前記のθは、第１球面継手１４の個所では殆どゼロに近くなっている一方、第２球面継手２４の個所では最も大きくなっており、このため、排気管第１部分１７は、第１球面継手１４を支点にして回動する傾向を呈している。

そして、前記のθは、第３球面継手２７＜第４球面継手２８＜第２球面継手２４の関係になっているため、排気還流管２９の全体について見ると、第３球面継手２７の個所で最も相対動し易い状態になっている。このため、排気管第１部分１７が第１球面継手１４を支点にしてスムースに回動することに対応して、排気還流管２９は第３球面継手２７を支点にしてスムースに回動する構造になっている。これにより、重量が大きい排気浄化装置２１が車体４１の振動に追従して容易に振動することが許容されていて、特定の接続部に負担がかからないようになっている。

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、排気管と排気還流管とをそれぞれ複数に分割してよい。また、管路の相対回動を許容する手段としては、図示した球面継手を使用することには限らず、他の自在継手類（振動吸収継手）やフレキシブル管など、長手方向の振動吸収機能を従たる機能として持ちつつも、主として回動方向の振動吸収機能を持つものであれば何でも使用できるのであり、様々な構造のものを必要とする機能に合わせて採用できる。なお、排気集合機能をシリンダヘッドに内蔵している場合は、排気管はシリンダヘッドの排気穴に接続される。

本願発明は、実際に車両用内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ 機関本体
２ シリンダブロック
３ シリンダヘッド
４ ヘッドカバー
７ 吸気系を構成する吸気マニホールド
９ サージタンク
１０ ＥＧＲガス導入部
１２ 排気マニホールド（排気部）
１３ 排気管
１４ 第１球面継手
１６ 触媒ケース
１７ 排気管第１部分（始端側管路）
１９ 排気管第２部分
２１ 排気浄化装置
２３ 排気還流管第１部分（中間管路）
２４ 第２球面継手
２６ 排気還流管第２部分（終端管路）
２７ 第３球面継手
２８ 第４球面継手
２９ 排気還流管

Claims (1)

1. 機関本体に設けられた吸気部及び排気部と、前記排気部に接続された排気管と、前記排気管の中途部に介在させた排気浄化装置とを備えており、前記排気浄化装置の下流側から分岐した排気還流管を前記吸気部に接続している構成であって、
   排気ガスが前記排気部から吸気部に至る管路を、前記排気部に接続された始端側管路と、前記吸気部に接続された終端側管路と、前記始端側管路と終端側管路との間に位置した１つ又は複数の中間管路との３つ以上の管路に分けており、
   前記排気部と始端側管路、前記終端側管路と吸気部、及び、隣り合った管路同士が、それぞれ相対回動可能に接続されている、
   車両用内燃機関。

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