JP2019157801A - 内燃機関 - Google Patents

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Abstract

【課題】EGR装置を備えた内燃機関において、EGRクーラへの配管のコンパクト化・配管作業の容易化を図る。【解決手段】EGRクーラ40は、シリンダヘッド2の後端の1つのコーナー部の外側に、略縦長の姿勢で配置されており、下部には、冷却水入口ポート48aが後ろ向きに開口するように設けられ、上部には、冷却水出口ポート48bが設けられている。シリンダヘッド2の冷却水分配部14のうち1つのコーナー部に寄った部位に、EGR送りポート18が後ろ向きに開口するように形成されており、EGR送りポート18と冷却水入口ポート48aとがEGR送りパイプ49aで接続されている。EGR送りポート18と冷却水入口ポート48aとは同じ方向に開口しているため、EGR送りパイプ49aは、長さを短くしても取り回しが容易であり、接続作業を手間無しで行える。【選択図】図3

Description

本発明は、EGR装置を備えた内燃機関に関するものである。
自動車用の内燃機関を初めとして、近年の内燃機関では、排気ガスの浄化促進等のために、排気ガスの一部を吸気系に還流させるEGR装置を備えていることが多く、EGR装置には、EGRガスを冷却するために水冷式のEGRクーラを備えていることも多い。また、内燃機関では、タイミングチェーンを配置している側を前として、変速機を配置している側を後ろと呼ぶことが行われており、シリンダヘッドの後部に、サーモ弁などを配置した冷却水分配部を設けていることが多い。
EGR通路の態様やEGRクーラの配置位置、冷却水の配管態様などは様々であるが、一例としての特許文献1には、EGRクーラを機関本体の排気側に配置して、シリンダヘッドを経由した冷却水をEGRクーラに取り込んで、EGRクーラから排出された冷却水は、ラジエータアウトレット配管に戻すことが開示されている。
特開2016−14345号公報
内燃機関の軽量化や冷却水の圧損低減のためには、EGRクーラに接続する管路はできるだけ短いのが好ましく、また、組み立て能率の点からは、パイプの接続もできるだけ容易に行えるようにすべきである。
しかるに、特許文献1では、EGRクーラへの冷却水の流入管路は、シリンダヘッドの冷却水分配部に接続されたパイプから分岐させているため、流入管路が長くなって重量も増大しがちであると共に、冷却水は分岐部において急激に方向変換せねばならないため、EGRクーラへの冷却水の取り込みの効率が悪くなることが懸念される。
本願発明はこのような現状を契機として成されたものであり、EGRクーラに冷却水を送る管路をできるだけコンパクト化しつつ、組み付けも容易化できるようにしようとするものである。
本願発明の内燃機関は、
「シリンダヘッドと水冷式のEGRクーラとを備えており、
前記シリンダヘッドのうちタイミングチェーン配置部と反対側の後端部に、前記EGRクーラに冷却水を送るEGR送りポートを備えた冷却水分配部が設けられている一方、
前記EGRクーラは前記冷却水分配部の外側に配置されており、前記EGRクーラに、EGR送りパイプを介して前記EGR送りポートに接続された冷却水入口ポートが、前記EGR送りポートと略同じ方向に開口するように設けられている」
という構成になっている。
シリンダヘッドの冷却水分配部には、冷却水の送りポートや戻りポートが形成されているが、一般に、これらのポートは、タイミングチェーン配置部と反対側に向いた後ろ向きに開口していることが多い。従って、EGR送りポートもシリンダヘッドの後ろ向きに開口させることが合理的であるが、この場合は、EGRクーラの冷却水入口ポートも後ろ向きに開口させたらよい。
本願発明では、EGRクーラはシリンダヘッドの冷却水分配部の外側に配置しているが、EGRクーラを冷却水分配部にできるだけ近づけることができる。従って、EGR送りパイプをできるだけ短くして、内燃機関の軽量化に貢献できる。
そして、EGR送りポートと冷却水入口ポートとは同じ方向に向いているため、これらを繋ぐEGR送りパイプはU形等の単純な形状になる。従って、EGR送りパイプを金属製とする場合は加工が容易である一方、EGR送りパイプとして可撓性のホースを採用する場合は、取り回しが容易であるため接続作業を容易に行える。
実施形態に係る内燃機関の大まかな斜視図である。 シリンダブロックを捨象した状態での斜視図である。 図2の要部拡大図である。 上部の側面図である。 図4の部分拡大図である。 平面視図である。 背面図である。 上前方から見た斜視図である。 後ろ下方から見た斜視図である。 EGRクーラとEGRバルブとEGR通路下流側第2部分との斜視図である。 要部の正面図である。 EGRバルブとEGRクーラとブラケットとの分離斜視図である(なお、三者の縮尺は正確には揃えていない。)。 (A)はEGRバルブの底面図、(B)は図12のB−B視図、(C)は図12のC−C視図である。
(1).基本構造
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、車両に搭載される3気筒内燃機関に適用している。まず、概要を説明する。各図において、ドットの群や平行斜線を表示している箇所があるが、これは、部材の外形(輪郭)を明示するための措置であり断面等の表示ではない。
図1では内燃機関の全体を示している。本実施形態では、方向を特定するために前後・左右の文言を使用するが、機関の前後方向はクランク軸線Oの方向として定義し、左右方向は、クランク軸線O及びシリンダボア軸線と直交した方向として定義している。前と後ろは、タイミングチェーンが配置された側を前として、変速機が配置された側を後ろとしており、念のため、図1等に方向を明示している。
内燃機関は車両のエンジンルームに搭載されているが、内燃機関は、クランク軸が車両の左右方向に長い姿勢となる横置きにして搭載されている。従って、内燃機関の前後方向と車両の前後方向とは、90度相違している。以下で使用する方向は、特に断らない限り機関の方向である。
シリンダブロック1及びシリンダヘッド2は、吸気マニホールド3が固定されている吸気側面と、排気系が接続されている排気側面とを有しているが、本実施形態の内燃機関は、排気側面が車両の前方に向くように配置している(機関の方向から見ると、排気側面が右を向いて、吸気側面が左を向いている。)。
図1は内燃機関を後ろから見ており、シリンダブロック1の後部に、スタータモータで駆動されるリングギア4が配置されている。符号5はオイルパン、符号6はオイルフィルターを示している。
シリンダヘッド2の構造は、図8で表示している。この図から理解できるように、シリンダヘッド2は、基本的には従来と同様の構造であり、周囲には、吸気側長手壁7、排気側長手壁8、フロント壁9、リア壁10を備えていて、上向きに開口している。フロント壁9にはフロント軸受け11を形成し、内部には、中間軸受け12とリア軸受け13とを形成している。
例えば図に示すように、シリンダヘッド2の後部には、冷却水分配部14が一体に形成されている(冷却水分配部14は、シリンダヘッド2とは別体に構成することも可能である。)。
冷却水分配部14には、ラジエータ行きポート15、ラジエータ戻りポート(サーモ室)16、ヒータ戻りポート17、EGR送りポート18などが開口している。各ポート15〜18は後ろ向きに開口している。図2に示すラジエータ戻りポート16には、図1に示すサーモキャップ19が固定されている。
(2).吸気・排気系の概要
図では省略しているが、シリンダヘッド2の上面にはヘッドカバーが固定されており、ヘッドカバーの上に、吸気ユニット22が配置されている。図6に示すように、吸気ユニット22は、概ねシリンダヘッド2の上に配置されたエアクリーナ23と、エアクリーナ23のダスト室に接続された吸気ダクト24と、吸気ダクト24に接続されたレゾネータ25とを備えている。
吸気ダク24bの始端は前向き(車両の方向では右向き)に開口しており、平面視でUターンしてからエアクリーナ23に接続されている。レゾネータ25はエアクリーナ23の手前側に配置されており、吸気ダクト24を流れる吸気は、直進性を持ってレゾネータ25に流入する。レゾネータ25は、エアクリーナ23のダスト室とも連通している。吸気ダクト24のうち方向変換部の上流側には、拡張室26を接続している。
図1に示すように、エアクリーナ23のクリーン室には、吸気マニホールド3の上に位置した吸気出口27が、下向きに開口するように形成されている。他方、図4,7に示すように、吸気マニホールド3は、サージタンク28と3本の枝管29とを備えており、サージタンク28のうち前より部位に上向きに開口した受け座30を設けて、サージタンク28の受け座30とエアクリーナ23の吸気出口27との間に、図1及び図7に示すスロットルバルブ31が介在している。
例えば図7,8から理解できるように、吸気マニホールド3は、樹脂製の複数のパーツを上下に重ねて溶着することによって中空に形成されており、図2〜4に示すように、枝管29は、サージタンク28を囲うように下から上に向けて1周近くぐるりと回っており、各枝管29の先端は、図7や図11に示すように、シリンダヘッド2の吸気側面32に固定されている。
図8に示すように、シリンダヘッド2の排気側面33には、1つの排気出口34が開口しており、この排気出口34に、図1,2に示す触媒ケース35が、排気ターボ過給機(図示せず)を介して接続されている。そして、図2に示すように、触媒ケース35の下流端部に、金属パイプよりなるEGR通路上流部分36の始端が接続されている。
他方、シリンダヘッド2のうち後部には、吸気側面と排気側面とに貫通したEGR内部通路37が形成されており、EGR内部通路37の始端に、EGR通路上流部分36の終端がフランジ接合によって接続されている。図7に示すように、EGR内部通路37は、概ね上流側の半分程度は水平状の姿勢になって、下流側の半分程度は、EGRガスの流れ方向に向けて徐々に高くなるように傾斜している。また、傾斜部は、断面円弧状のリブで囲われている。
例えば図2,3に示すように、EGR内部通路37の終端には、EGRクーラ40が、継手パイプ41及び下フランジ42を介して接続されており、更に、EGRクーラ40の上端にはEGRバルブ43が接続されている。図4,5に明示するように、EGRクーラ40及びEGRバルブ43は、吸気マニホールド3よりも後ろ側に配置されている。EGRバルブ43はシリンダヘッド2よりも高い位置に配置されており、EGRクーラ40も、大部分がシリンダヘッド2よりも上に位置している。
本実施形態では、継手パイプ41とEGRクーラ40及びEGRバルブ43によってEGR通路下流側第1部分が構成されており、EGRバルブ43の出口ポート44(図12参照)に、EGR通路下流側第2部分45が接続されており、更に、EGR通路下流側第2部分45の下流端に、EGRガスを吸気マニホールド3における各枝管29の下流部に分けて流すEGR分配通路46が接続されている。EGR通路下流側第2部分45及びEGR分配通路46はアルミ等の鋳造品であるが、両者を一体構造品として製造することも可能である。或いは、樹脂の成形品(複合品)として製造することも可能である。
(3).EGR装置の要部
EGRクーラ40は、角形のボデーを有していて鉛直方向(上下方向)に長い姿勢になっており、EGRガスは下から上に向けて流れる。そこで、上端には、上フランジ47aを備えた出口パイプ47を設けている。出口パイプ47の曲げ方や上フランジ47aの姿勢を調整することにより、EGRバルブ43の取付け姿勢を任意に設定できる。
EGRクーラ40は上下長手の姿勢になっているが、図5に明示するように、側面視では、上に行くに従ってシリンダヘッド2から後ろに僅かずつ離れるように鉛直線に対して傾斜しており、また、図7に示すように、背面視では、上に行くに従って吸気マニホールド3から離れるように、鉛直線に対して傾斜している。また、図7のとおり、EGR通路下流側第2部分45は、EGRガスの流れ方向に向けて低くなるように背面視で傾斜している。
例えば図9,10に明示するように、EGRクーラ40の後面には、冷却水入口ポート48aと冷却水出口ポート48bとを設けている。冷却水入口ポート48aはボデーの下部に位置して、冷却水出口ポート48bはボデーの上部に位置しており、ボデーの内部には、冷却水が下から上に向けて流れる熱交換エレメントが配置されている。
冷却水入口ポート48a及び冷却水出口ポート48bは、ボデーに圧入された継手パイプから成っていて後ろ向きに開口しており、図3に模式的に示すように、シリンダヘッド2のEGR送りポート18とEGRクーラ40の冷却水入口ポート48aとが、EGR送りパイプ49a(図1も参照)で接続されている。
図2,3のとおり、冷却水分配部14のEGR送りポート18は、冷却水分配部14のうちシリンダヘッド2の吸気側(左側)の端部に設けており、EGRクーラ40も、冷却水分配部14の外側のうち左側に寄せて配置されている。このため、EGR送りポート18と冷却水入口ポート48aとは、EGR送りパイプ49aの取り回しを許容できる範囲で間隔が狭くなっている。
EGR送りパイプ49aは可撓性を有するホースで構成されており、その端部をEGR送りポート18及び冷却水入口ポート48aに、弾性に抗して嵌め込まれており、バンドで抜け不能に保持されている。そこで、ポート48a,48bの先端には、EGR送りパイプ49aの抜けを防止するための拡径部が形成されている。図4から理解できるように、EGR送りポート18も継手パイプで構成されている(図2,3では、EGR送りポート18は、継手パイプを圧入する前の状態に描いている。)。
冷却水出口ポート48bには、EGR戻りパイプ49b(図1参照)が接続されている。EGR戻りパイプ49bも可撓性を有するポースで構成されているが、両者とも金属管を使用可能である。なお、図2,3に示すヒータ戻りポート17には、図1に示すヒータ戻りパイプ17aが接続されており、ヒータ戻りパイプ17aとEGR戻りパイプ49bとの他端は、1つのジョイント部材に固定されている。また、ヒータ戻りパイプ17aとEは、背面視でEGR送りパイプ49aと交差している。EGR戻りパイプ49bは、ヒータコアやCVTウォーマなどに接続可能である。
EGRクーラ40の上端部には、EGRバルブ行きポート50を設けている。また、EGRクーラ40のボデーには、他の部材を固定するための補助ブラケット51,52が溶接で固定されている。
図10や図12に示すように、EGRバルブ43は、おおまかには筒状の形態であり、図4,5に示すように、前後方向(クランク軸線方向)に長い姿勢で配置されているが、図4,5の側面視で、吸気マニホールド3から離れるに従って低くなるように、水平に対して傾斜している。すなわち、EGRバルブ43は、EGRクーラ40に接続された端部が低くなるように、水平に近い姿勢に寝た姿勢になっている。
図13(A)に示すように、EGRバルブ43の一端部(後端部)にはフランジ部53を形成しており、フランジ部53が、EGRクーラ40の上フランジ47aに固定されている。フランジ部53の中央部には、EGRガスが流れる入口穴54が下向きに開口している。図12に示すように、EGRバルブ43のうちフランジ部53に寄った部位に、横向き(左向き)に露出した締結座面55が形成されており、この締結座面55に、EGRガス出口穴56が横向き(左向き)に開口している。
EGR通路下流側第2部分45の始端部は、フランジ57を介してEGRバルブ43の締結座面55に固定されている。フランジ57は2本のボルトで固定されており、締結座面55には、EGR通路下流側第2部分45のフランジ57を固定するために、ボルトが螺合する2つのタップ穴58を形成している。
EGRバルブ43の他端部(前端部)には、電磁ソレノイド等のアクチュエータを備えた制御部59を設けている。制御部59によってニードル弁等の弁体を操作することにより、EGRガスの吐出量が制御される。制御部59には、ケーブルを接続するコネクタ60が横向きに突設されている。また、EGRバルブ43は水冷式であり、上面に、冷却水の流入ポート61と流出ポート62とを設けており、冷却水の流入ポート61は、EGRクーラ40に設けたEGRバルブ行きポート50とEGRバルブ行きパイプ50aによって接続されている。冷却水の流入ポート61と流出ポート62とは逆に配置してもよい。
既述のとおり、EGR通路下流側第2部分45は、図4,5の側面視で、下流端に向けて低くなるように傾斜している。また、図7に示すように、背面視でも、下流端に向けて低くなるように傾斜している。また、EGR通路下流側第2部分45の下流端部にはフランジ63を設けており、フランジ63が、EGR分配通路46の後端部にボルト(スタッドボルト)及びナットで固定されている。
例えば図3から容易に理解できるように、EGR分配通路46は、前後長手の幹通路64と、幹通路64から分岐した3つの枝通路65とを有しており、幹通路64の後端部にEGR通路下流側第2部分45の下流端が接続されている一方、各枝通路65は、それぞれ枝管29の下流部に上から接続されている。なお、枝通路65は、吸気マニホールド3の枝管29に対してボルトで固定されているが、EGR分配通路46を樹脂製として、吸気マニホールド3に溶着することも可能である。
(4).EGRバルブを支持するブラケット
図8から容易に理解できるように、EGRクーラ40及びEGRバルブ43は、大まかには、シリンダヘッド2の後部に形成した冷却水分配部14の上方に配置されており、シリンダヘッド2の四隅のうち、吸気側長手壁7とリア壁10との連接部である第1コーナー部68の近傍に配置されている。そして、EGRバルブ43が、第1コーナー部68の上面に固定された金属板製のブラケット69に、スタッドボルト70及びナット(図12参照)で固定されている。
図12,13のとおり、ブラケット69は、シリンダヘッド2の第1コーナー部68の上面にスタッドボルト71及びナットで固定された底板73と、底板73から立ち上がった第1側板74と、底板73から立ち上がると共に第1側板74と繋がった第2側板75とを備えている。第1側板74と第2側板75とは概ねL形に交差しており、第1側板74の上端部に、EGRバルブ43の締結座面55の下端部がボルト76(図12参照)で固定されている。このため、第1側板74の上端部にはボルト挿通穴77が空いて、EGRバルブ43の締結座面55の下端部にはタップ穴78が空いている。
第1側板74は概ね前後方向に広がって、第2側板75は概ね左右方向に広がっている。これは、EGRバルブ43が概ね前後方向に長い姿勢になっていることと符合している。第1側板74の中途高さ位置には前向き張り出し部74aが形成されており、前向き張り出し部74aに、他の部材を取り付けるための補助ブラケット79が溶接で固定されている。
また、第1側板74のうち第2側板75と反対側に向いた左側面に、上下長手の補強リブ板80が溶接で固定されている。補強リブ板80は、ブラケット69よりも厚くなっており、その端面が第1側板74に重なっている。また、補強リブ板80の上下中途部には、第1側板74に向けて開口した切欠き部81が形成されており、切欠き部81よりも上の部分は、前向き張り出し部64aの箇所において第1側板74に溶接されており、切欠き部81よりも下の部分は、第1側板74の縁部に溶接されている。
図6を引用して説明したように、吸気ユニット22は広い範囲に広がっていて機関本体の大部分を覆っているが、図6に明示するように、EGRバルブ43及びEGRクーラ40は、吸気ユニット22では覆われていない。すなわち、エアクリーナ23と吸気ダクト24とで形成された入り隅部に、EGRバルブ43及びEGRクーラ40が配置されている。図4では、エンジンルームを覆うフード(ボンネット)82を一点鎖線で模式的に表示している。
(5).まとめ
本実施形態では、EGRクーラ40はシリンダヘッド2の第1コーナー部68の近くに配置されているため、冷却水分配部14のEGR送りポート18とEGRクーラ40の冷却水入口ポート48aとを接続するEGR送りパイプ49aの長さは短かくなっている。従って、内燃機関の軽量化に貢献できる。また、EGR送りポート18はEGRクーラ40への専用のポートになっているため、EGRクーラ40への冷却水の送り込みを確実に行える。従って、EGRクーラで必要な流量を確保して、EGRガスをしっかりと冷却できる。
そして、EGR送りパイプ49aの接続工程では、一端を一方のポートに弾性に抗して嵌め込んでから、EGR送りパイプ49aを曲げ変形させて他端を弾性に抗して他方のポートに嵌め込むことになるが、EGR送りパイプ49aの長さが短い場合は、冷却水分配部14のEGR送りポート18とEGRクーラ40の冷却水入口ポート48aとの姿勢が大きく相違していると、一端を一方のポートに嵌め込んでから変形させて他端を他方のポートに嵌め込むに際して、EGR送りパイプ49aを曲げ変形させにくいと共に、EGR送りパイプ49aに力を掛けにくいため、接続作業(EGR送りパイプ49aの取り回し)が面倒になるおそれがある。
これに対して、本実施形態では、2つのポート18,48aは同じ方向に開口しているため、EGR送りパイプ49aは単純なU形に曲げるだけでよい。従って、EGR送りパイプ49aが短くても、曲げ変形させてその他端を他方のポートに嵌め込むにおいて、曲げることを無理なく容易に行えると共に、EGR送りパイプ49aの他端部をしっかりと持って他方のポートに強い力で差し込むことができる。従って、EGR送りパイプ49aの接続作業を、能率良く確実に行える。
内燃機関は、工場のラインで1つのユニットとして組み立ててから車両のエンジンルームに搭載されるが、内燃機関を組み立てるに際しては、冷却水分配部14の後ろ側はオープンな空間になっている。従って、本実施形態のように、EGR送りポート18と冷却水入口ポート48aとを機関の後ろ向きに開口させると、障害物がない状態でEGR送りパイプ49aを接続できるため、作業の容易性を一層高くできる利点がある。
また、実施形態では、EGRクーラ40の冷却水出口ポート48bも後ろ向きに開口ささせているが、このように構成すると、冷却水出口ポート48bへのEGR戻りパイプ49bの嵌め込みも容易に行える利点がある。
図8を引用して説明したように、本実施形態では、EGRクーラ40のシリンダヘッド2の第1コーナー部68の外側に配置されている。このため、EGRクーラ40は、冷却水分配部14に接続されたパイプ類の邪魔になることはない。また、冷却水分配部14のEGR送りポート18も第1コーナー部68の箇所に形成されているため、EGR送りパイプ49aを短くすることに貢献している。
本実施形態では、EGRバルブ43がEGR通路の最も高い位置に配置されているため、EGRバルブ43が閉じていても、EGR通路に発生した凝縮水は、EGRバルブ43の上流側においても下流側においても下方に流下していく。このため、凝縮水が溜まることによる腐食の問題や凍結の問題を解消できる。
本実施形態では、図4,5に明示するように、EGRクーラ40は、側面視で上に行くに従って吸気マニホールド3から離れるように傾斜している。このため、EGRクーラ40がヘッドカバーに当たることを防止できる。換言すると、EGRクーラ40を、ヘッドカバーに当たらない状態で縦型姿勢に配置できる。
本願発明は、上記の他にも様々に具体化できる。例えば、EGR送りポート18及び冷却水入口ポート48aはストレートタイプの継手パイプを設けているが、L形やく字形の継手パイプで構成することも可能である。
本願発明は、内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。
1 機関本体を構成するシリンダブロック
2 機関本体を構成するシリンダヘッド
3 吸気マニホールド
14 冷却水分配部
18 EGR送りポート
35 触媒ケース
36 EGR通路上流部分
37 EGR内部通路
40 EGRクーラ
41 継手パイプ
43 EGRバルブ
45 EGR通路下流側第2部分
46 EGR分配通路
48a EGRクーラの冷却水入口ポート
48b EGRクーラの冷却水出口ポート
49a EGR送りパイプ
49b EGR戻りパイプ

Claims (1)

  1. シリンダヘッドと水冷式のEGRクーラとを備えており、
    前記シリンダヘッドのうちタイミングチェーン配置部と反対側の後端部に、前記EGRクーラに冷却水を送るEGR送りポートを備えた冷却水分配部が設けられている一方、
    前記EGRクーラは前記冷却水分配部の外側に配置されており、前記EGRクーラに、EGR送りパイプを介して前記EGR送りポートに接続された冷却水入口ポートが、前記EGR送りポートと略同じ方向に開口するように設けられている、
    内燃機関。
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JPH06229328A (ja) * 1993-02-01 1994-08-16 Nissan Motor Co Ltd エンジンの冷却装置
JP2012026434A (ja) * 2010-06-25 2012-02-09 Mazda Motor Corp エンジンの排気還流装置

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