JP2020029832A

JP2020029832A - 内燃機関の吸排気構造

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Publication number: JP2020029832A
Application number: JP2018156964A
Authority: JP
Inventors: 卓央岩橋; Takuo Iwahashi
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2018-08-24
Filing date: 2018-08-24
Publication date: 2020-02-27

Abstract

【課題】十分な負圧を発生させることで高い断熱効果を発揮することができる内燃機関の吸排気構造を提供する。【解決手段】内燃機関の吸排気構造１は、エンジンと、エンジンから排出されるガスが通過する管路としてのＰＣＶ経路１１０と、ＰＣＶ経路１１０の少なくとも一部分を覆うことでＰＣＶ経路１１０との間で空間１１３を形成する外側配管１１２と、制動装置１５０のために負圧を発生させ、かつ、ＰＣＶ経路１１０と外側配管１１２との間の空間１１３を減圧する負圧ポンプとしてのバキュームポンプ１４０とを備える。【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関の吸排気構造に関する。

従来、内燃機関の吸排気構造は、たとえば特開２０１６−７００６２号公報（特許文献１）に開示されている。

特許文献１では、排気ガスを浄化する触媒と、触媒を収納するケーシングと、真空引き配管と、真空引き配管に配設される逆止弁と、を備える排気ガス浄化装置が開示されている。ケーシングは、触媒を収納する内管と、内管の外側に密閉空間を形成する外管とを有する。真空引き配管は、密閉空間とインテークマニホールドとを連通する。逆止弁は、実質的にスロットルバルブが閉鎖している際のピストンの往復と吸気バルブの開閉に伴うインテークマニホールド内の負圧を利用して、密閉空間内からインテークマニホールド側への気体の流通を許容する。

特開２０１６−７００６２号公報

従来の内燃機関の吸排気構造では、触媒を収納するケーシングを設け、ケーシングの密閉空間を真空引きすることで触媒温度の低下を抑制することが開示されている。

しかしながら、インテークマニホールド内の負圧を利用しているため、負圧が十分に発生しないことがあった。

そこで、この発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、十分な負圧を発生させることで高い断熱効果を発揮することができる内燃機関の吸排気構造を提供することを目的とするものである。

内燃機関の吸排気構造は、エンジンと、エンジンに接続されてエンジンから排出されるガスまたはエンジンへ供給されるガスが通過する管路と、管路の少なくとも一部分を覆うことで管路との間で空間を形成する外側配管と、制動装置のために負圧を発生させ、かつ、管路と外側配管との間の空間を減圧する負圧ポンプとを備える。

このように構成された内燃機関の吸排気構造においては、負圧ポンプは、制動装置のための負圧を発生させるものであるため吸気管の負圧と比較して十分な大きさの負圧を安定して発生させることができる。その結果、十分な負圧を発生させることで高い断熱効果を発揮することができる内燃機関の吸排気構造を提供することができる。

好ましくは、管路はエンジンから排出されるガスを吸気へ戻す経路である。エンジンから排出されるガスには、水分、粒子状物質（ＰＭ）、未燃焼の炭化水素などが含まれている。管路を断熱して保温することでこれらが凝集することを防止し、吸気中に凝集物が入ることを抑制できる。

好ましくは、エンジンから排出されるガスはブローバイガスであり、エンジンの吸気経路にはターボチャージャーが設けられ、管路はブローバイガスをターボチャージャーの上流側の吸気経路に戻し、ブローバイガスが流れる管路を外側配管が覆う。この場合、ブローバイガスには未燃焼の炭化水素、オイル成分および水分が多く含まれているため、低温条件下では凍結しやすい。しかしながら、管路の外側に外側配管を設け、外側配管と管路との間の空間を負圧とすることにより管路外側からの放熱を抑制でき管路の温度を高く保つことができる。その結果、管路中の水分が凍結することを防止できる。

さらに低温条件下では炭化水素およびオイル成分がデポジットとして管路内に堆積しやすいが、外側配管と管路との間の空間を負圧とすることにより管路外側からの放熱を抑制でき管路の温度を高く保つことができる。その結果、管路内に炭化物が堆積することを防止できる。

好ましくは、エンジンから排出されるガスは排気経路へ排出される燃焼後の排気ガスであり、エンジンの吸気経路にはターボチャージャーが設けられ、管路は触媒を通過する前の排気ガスをターボチャージャーの下流側の吸気経路に戻し、排気ガスが流れる管路を外側配管が覆う。この場合、触媒を通過する前の排気ガスの温度は高いため含まれる水蒸気量も多い。さらに硝酸などの強酸性の成分が含まれている。これが低温条件下におかれると水分が凍結し、金属を腐食しやすくなるが、管路の外側に外側配管を設け、外側配管と管路との間の空間を負圧とすることにより管路外側からの放熱を抑制でき管路の温度を高く保つことができる。その結果、管路中の水分が凍結することを防止できる。

好ましくは、エンジンから排出されるガスは排気経路へ排出される燃焼後の排気ガスであり、エンジンの吸気経路にはターボチャージャーが設けられ、管路は触媒を通過した排気ガスをターボチャージャーの上流側の吸気経路に戻し、排気ガスが流れる管路を外側配管が覆う。通常は排気経路において排気ガスがターボチャージャーのタービンを回転させた後に触媒を通過する。触媒を通過した排気ガスはタービンを回転させた後のものであるためこのガスを吸気経路に導いたとしてもタービンを回転させるためのエネルギーは減少しない。その結果、十分にエネルギーを回収することができる。さらに、触媒を通過した後の低圧の排気ガスを吸気経路に導入するため、大量に導入しても吸気経路の圧力が高くならない。

好ましくは、管路はエンジンから排出されるガスが通過する排気経路であり、エンジンから排出されるガスが通過する管路を外側配管が覆う。排気経路を保温することで排気経路に設けられる触媒を保温することができる。さらに触媒の昇温を促進することができる。

好ましくは、管路はエンジンへ供給されるガスが通過する吸気経路であり、エンジンへ供給されるガスが通過する管路を外側配管が覆う。吸気経路の温度が低下すると吸気温度が低下して凝集水が発生する。吸気経路を保温することで吸気温度の低下を防止し、凝集水の発生を抑制できる。

好ましくは、負圧ポンプは大気圧から８０ｋＰａ以上減圧することが可能である。この場合、吸気管による負圧よりも低圧の負圧を発生させることとなり、断熱効果を向上させることができる。

好ましくは、空間内は負圧ポンプが駆動されている間は常時減圧されている。この場合、吸気管による負圧よりも安定して負圧を発生させることとなり、断熱効果を向上させることができる。

十分な負圧を発生させることで高い断熱効果を発揮することができる内燃機関の吸排気構造を提供することができる。

実施の形態１に従った内燃機関の吸排気構造１の模式図である。図１中のＰＣＶ(Positive Crankcase Ventilation)経路１１０の模式図である。実施の形態２に従った内燃機関の吸排気構造１の模式図である。図３中の低圧ＥＧＲ経路１７０の模式図である。図３中の高圧ＥＧＲ経路１２０、吸気管４，４１および排気管３２の模式図である。

以下、本発明の各実施形態について図を参照して説明する。以下の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
（構成）
図１は、実施の形態１に従った内燃機関の吸排気構造１の模式図である。図１で示すように、内燃機関の吸排気構造１はエンジン１０と、エンジン１０から排出されるガスを吸気へ戻す管路としてのＰＣＶ経路１１０とを備える。エアクリーナ５０、吸気管２、ターボチャージャー６０内の吸気が通過する経路、吸気管３、インタークーラー７０、吸気管４、電子スロットル９０および吸気管４１が吸気経路４０を構成する。排気管３１、ターボチャージャー６０内の排気が通過する経路、排気管３２が排気経路３０を構成する。

エンジン１０は、ブロック２０と、ブロック２０上に設けられるヘッド１１とを備える。ブロック２０内においてピストンが往復運動をすることで動力を発生させる。ピストンを往復運動させるためのエネルギーは炭化水素の燃焼によって得られる。エンジン１０はガソリンエンジンおよびディーゼルエンジンのいずれであってもよい。

エンジン１０がディーゼルエンジンであることを前提として説明すると、燃焼に必要な酸素を供給するための吸気経路４０がヘッド１１に接続される。ヘッド１１およびブロック２０により形成される燃焼室内に空気が導入される。空気はピストンにより圧縮される。圧縮された高温の空気中に炭化水素の燃料が噴射される。燃料が燃焼する際の体積膨張によりピストンが押し下げられる。ピストンの往復運動をコネクティングロッドおよびクランクシャフトにより回転運動に変換することで回転力を得ることが出来る。

燃焼後の排気は、排気経路３０により排出される。排気経路３０は排気管３１を有する。排気管３１はターボチャージャー６０に接続されている。ターボチャージャー６０では排気の運動エネルギーを利用してタービンを回転させる。タービンにはコンプレッサーが接続されているため、タービンはコンプレッサーを回転させる。回転するコンプレッサーで空気を圧縮する。圧縮された空気中は吸気管３によりインタークーラー７０に送られて冷却される。冷却により圧縮空気の密度が大きくなる。インタークーラー７０は水冷式または空冷式のいずれであってもよい。インタークーラー７０で冷却された空気は吸気管４により電子スロットル９０に送られた後、吸気管４１によりヘッド１１に導入される。

燃焼時の温度が高いと空気中の窒素と酸素とが反応して窒素酸化物が発生する。窒素酸化物の発生を抑制するためには燃焼時の温度を低下される必要がある。そのためには燃焼後の排気ガスを吸気に戻し吸気中の酸素を減少させ燃焼時の発熱量を減少させる、いわゆるＥＧＲが用いられる。高圧ＥＧＲ経路１２０は排気管３１に接続されている。高圧ＥＧＲ経路１２０にはＥＧＲバルブ８０が接続されている。ＥＧＲバルブ８０が開かれると高圧ＥＧＲ経路１２０から吸気管４１へ排気ガスが導入される。

圧縮時および燃焼時にピストンとシリンダライナとの間からブロック２０下部へ空気（燃料およびオイルを含む）が漏れ出す。この空気（ブローバイガス）にはオイルが含まれているため大気開放をすると大気汚染の原因となる。そのため、ブローバイガスを大気開放せずに吸気へ戻して燃焼させる。

エンジン１０のブロック２０にたまるブローバイガスは、ヘッド１１側へ導かれ、ラビリンスによって蛇行して流れることによってブローバイガス中のある程度のオイルが除去される。ＰＣＶ経路１１０内を矢印１１５で示すようにブローバイガスが流れる。ＰＣＶ経路１１０は吸気管２に接続されているためブローバイガスは吸気へ戻される。ブローバイガスにはオイルが含まれており低温環境下で凍結することがある。凍結により経路の閉塞を起こす可能性があるため、この経路を保温または加熱する必要がある。

内燃機関の吸排気構造１は、エンジン１０と、エンジン１０から排出されるガスとしてのブローバイガスを吸気へ戻す管路としてのＰＣＶ経路１１０と、ＰＣＶ経路１１０の少なくとも一部分を覆うことでＰＣＶ経路１１０との間で空間１１３を形成する外側配管１１２と、制動装置１５０のために負圧を発生させ、かつ、ＰＣＶ経路１１０と外側配管１１２との間の空間１１３を減圧する負圧ポンプとしてのバキュームポンプ１４０とを備える。

エンジンの吸気経路４０にはターボチャージャー６０が設けられ、ＰＣＶ経路１１０はブローバイガスをターボチャージャー６０の上流側の吸気経路４０に戻す。

図２は、図１中のＰＣＶ経路１１０の模式図である。図２で示すようにＰＣＶ経路１１０は外側配管１１２で覆われている。外側配管１１２は負圧装置としてのバキュームポンプ１４０に接続されている。バキュームポンプ１４０は制動装置１５０に接続されている。バキュームポンプ１４０が発生させる負圧を用いて制動装置１５０を駆動させている。

外側配管１１２とＰＣＶ経路１１０との間には空間１１３が設けられている。空間１１３内の空気をバキュームポンプ１４０が排出することが可能である。空間１１３は密閉空間であり、バキュームポンプ１４０にのみ接続されている。

ＰＣＶ経路１１０と外部との伝熱は、ＰＣＶ経路１１０に接触する空気による対流伝熱が主たる形態である。空間１１３内が減圧されると空間１１３内の対流による伝熱量が減少する。その結果、ＰＣＶ経路１１０を保温することができ、ブローバイガス中のオイル成分がＰＣＶ経路１１０において凍結することを防止できる。

バキュームポンプ１４０は、機械式の場合はクランクシャフトが回転している間は駆動しており、電気式の場合はイグニッションがオンにされると駆動する。バキュームポンプ１４０が駆動している場合には常に空間１１３にバキュームポンプ１４０を接続してもよい。バキュームポンプ１４０は常時駆動しているため、常に空間１１３を負圧にすることができる。

バキュームポンプ１４０の駆動力を減らすためには、凍結の可能性が無い環境、たとえば高温環境下ではバキュームポンプ１４０が空間１１３に接続されないようにしてもよい。バキュームポンプ１４０と空間１１３との間にバキュームスイッチバルブを介在させて空間１１３を減圧する必要があるとき（たとえば低温環境下）のみバキュームスイッチバルブをオンにして空間１１３を減圧してもよい。バキュームポンプは、大気圧から８０ｋＰａ以上減圧できることが好ましい。

（効果）
ＰＣＶ経路１１０の外部に外側配管１１２を設け空間１１３を減圧することによりＰＣＶ経路１１０と外界との間に断熱層を形成することができる。この断熱層による断熱効果によりＰＣＶ経路１１０内を流れるブローバイガスの凍結を防止できる。バキュームポンプ１４０は当初から車両に設けられているものであるため、外側配管１１２および外側配管１１２とバキュームポンプ１４０とを接続する部材で凍結防止構造を形成することができ、追加の費用を最小限にすることができる。

吸気を用いて断熱層を形成する場合には、吸気管にデポジットが堆積すると断熱層が負圧とされず断熱層を形成できない可能性がある。さらに過給機付きエンジンでは吸気の負圧が発生しない運転条件がある。そのため常に負圧を発生させるためには逆止弁などの部品が必要となり部品点数が増加してコストが増大する。バキュームポンプ１４０を用いることで上記の問題を解決するとともに、大きな負圧を安定して発生させることができる。

凍結を防止するためには、たとえば空間内に温水を流すことも考えられる。しかし温水を流す場合には温水の入口経路および出口経路を設ける必要がありスペースの確保が必要となる。温水を流す場合には減圧と比較して温水を流すためのフリクションが発生するため燃費が悪化する可能性がある。

真空断熱層をＰＣＶ経路１１０の外周の形成する場合には、その真空断熱層が真空であるかどうかの検査が困難であるという問題がある。ＰＣＶ経路１１０の外周に電熱線を設けてＰＣＶ経路１１０を加熱する方法では新たな配線を追加する必要がある。

さらに、ＰＣＶ経路１１０がゴムで形成される場合にゴムが電熱線で加熱されてＰＣＶ経路１１０が劣化する可能性がある。吸気を用いて空間１１３を減圧する例と比較して、バキュームポンプ１４０で減圧をすることで大きな負圧を安定して発生させることができる。

（実施の形態２）
図３は、実施の形態２に従った内燃機関の吸排気構造１の模式図である。図３で示すように、実施の形態２に従った内燃機関の吸排気構造１では、触媒１８０の下流の排気管３５から排気を吸気へ戻す低圧ＥＧＲ経路１７０が設けられている点で、実施の形態１に従った内燃機関の吸排気構造と異なる。

高圧ＥＧＲ経路１２０と低圧ＥＧＲ経路１７０とを比較すると、高圧ＥＧＲ経路１２０ではＥＧＲ経路の長さが短くなるため応答性が良く、ＥＧＲ運転を開始すると即座に燃焼温度を低下させることができる。低圧ＥＧＲ経路１７０ではすべての排気ガスのエネルギーをターボチャージャー６０で回収できるためエネルギー効率が良い。

触媒１８０が排気管３２に設けられる。触媒１８０として、たとえばＳＣＲ（Selective Catalystic Reduction）触媒がある。ＳＣＲ触媒は、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元剤である尿素を用いて還元して窒素と水に分解する。触媒１８０はＤＰＦ（Diesel particulate filter）であってもよい。ＤＰＦはディーゼルエンジンの排気ガス中の粒子状物質を捕集するものである。

図４は、図３中の低圧ＥＧＲ経路１７０の模式図である。図４で示すように、低圧ＥＧＲ経路１７０は外側配管１７２で覆われている。外側配管１７２は負圧装置としてのバキュームポンプ１４０に接続されている。バキュームポンプ１４０は制動装置１５０に接続されている。バキュームポンプ１４０が発生させる負圧を用いて制動装置１５０を駆動させている。

外側配管１７２と低圧ＥＧＲ経路１７０との間には空間１７３が設けられている。空間１７３内の空気をバキュームポンプ１４０が排出することが可能である。空間１７３は密閉空間であり、バキュームポンプ１４０にのみ接続されている。低圧ＥＧＲ経路１７０内を矢印１７５で示す方向に排気ガスが流れる。

エンジン１０から排出されるガスは排気経路３０へ排出される燃焼後の排気ガスであり、エンジン１０の吸気経路４０にはターボチャージャー６０が設けられ、管路としての高圧ＥＧＲ経路１２０は触媒１８０を通過する前の排気ガスをターボチャージャー６０の下流側の吸気経路４０に戻す。

低圧ＥＧＲ経路１７０と外部との伝熱は、低圧ＥＧＲ経路１７０に接触する空気による対流伝熱が主たる形態である。空間１７３内が減圧されると空間１７３内の対流による伝熱量が減少する。その結果、低圧ＥＧＲ経路１７０を保温することができ、排気ガス中の水分が低圧ＥＧＲ経路１７０において凍結することを防止できる。

図５は、図３中の高圧ＥＧＲ経路１２０、吸気管４，４１および排気管３２の模式図である。図５で示すように、高圧ＥＧＲ経路１２０、吸気管４，４１および排気管３２の少なくとも一つは外側配管１２２で覆われている。外側配管１２２は負圧装置としてのバキュームポンプ１４０に接続されている。バキュームポンプ１４０は制動装置１５０に接続されている。バキュームポンプ１４０が発生させる負圧を用いて制動装置１５０を駆動させている。

外側配管１２２と、高圧ＥＧＲ経路１２０、吸気管４，４１および排気管３２との間には空間１２３が設けられている。空間１２３内の空気をバキュームポンプ１４０が排出することが可能である。空間１２３は密閉空間であり、バキュームポンプ１４０にのみ接続されている。管路としての高圧ＥＧＲ経路１２０、吸気管４，４１および排気管３２内を矢印１２５で示す方向にガスが流れる。

エンジン１０から排出されるガスは排気経路３０へ排出される燃焼後の排気ガスであり、エンジン１０の吸気経路４０にはターボチャージャー６０が設けられ、管路としての低圧ＥＧＲ経路１７０は触媒１８０を通過した排気ガスをターボチャージャー６０の上流側の吸気経路４０に戻す。

高圧ＥＧＲ経路１２０、吸気管４，４１および排気管３２と外部との伝熱は、高圧ＥＧＲ経路１２０、吸気管４，４１および排気管３２に接触する空気による対流伝熱が主たる形態である。空間１２３内が減圧されると空間１２３内の対流による伝熱量が減少する。その結果、高圧ＥＧＲ経路１２０、吸気管４，４１および排気管３２を保温することができる。高圧ＥＧＲ経路１２０を保温することで排気ガス中の水分、特に高圧ＥＧＲ経路１２０における硝酸などの強酸が高圧ＥＧＲ経路１２０において凍結することを防止できる。吸気管４，４１の温度が低下すると吸気温度が低下して凝集水が発生する。吸気管４，４１を保温することで吸気温度の低下を防止し、凝集水の発生を抑制できる。排気管３２を保温することで触媒１８０を保温することができる。さらに触媒１８０の昇温を促進することができる。

この実施の形態では高圧ＥＧＲ経路１２０および低圧ＥＧＲ経路１７０の両方に外側配管１２２，１７２を設けたが、高圧ＥＧＲ経路１２０および低圧ＥＧＲ経路１７０のいずれかに外側配管１２２，１７２を設ければよい。さらに、高圧ＥＧＲ経路１２０、吸気管４，４１および排気管３２のすべてに外側配管１２２を設ける必要はなく、高圧ＥＧＲ経路１２０、吸気管４，４１および排気管３２の少なくとも一つに外側配管１２２を設ければよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１内燃機関の吸排気構造、２，３，４，４１吸気管、１０エンジン、１１ヘッド２０ブロック、３０排気経路、３１，３２，３５排気管、４０吸気経路、５０エアクリーナ、６０ターボチャージャー、７０インタークーラー、８０ＥＧＲバルブ、９０電子スロットル、１１０ＰＣＶ経路、１１２，１２２，１７２外側配管、１１３，１２３，１７３空間、１２０高圧ＥＧＲ経路、１４０バキュームポンプ、１５０制動装置、１７０低圧ＥＧＲ経路、１８０触媒。

Claims

エンジンと、
前記エンジンに接続されて前記エンジンから排出されるガスまたは前記エンジンへ供給されるガスが通過する管路と、
前記管路の少なくとも一部分を覆うことで前記管路との間で空間を形成する外側配管と、
制動装置のために負圧を発生させ、かつ、前記管路と前記外側配管との間の前記空間を減圧する負圧ポンプとを備えた、内燃機関の吸排気構造。
前記管路は前記エンジンから排出されるガスを吸気へ戻す経路である、請求項１に記載の内燃機関の吸排気構造。
前記エンジンから排出されるガスはブローバイガスであり、前記エンジンの吸気経路にはターボチャージャーが設けられ、前記管路は前記ブローバイガスを前記ターボチャージャーの上流側の前記吸気経路に戻し、前記ブローバイガスが流れる前記管路を前記外側配管が覆う、請求項２に記載の内燃機関の吸排気構造。
前記エンジンから排出されるガスは排気経路へ排出される燃焼後の排気ガスであり、前記エンジンの吸気経路にはターボチャージャーが設けられ、前記管路は触媒を通過する前の前記排気ガスを前記ターボチャージャーの下流側の前記吸気経路に戻し、前記排気ガスが流れる前記管路を前記外側配管が覆う、請求項２に記載の内燃機関の吸排気構造。
前記エンジンから排出されるガスは排気経路へ排出される燃焼後の排気ガスであり、前記エンジンの吸気経路にはターボチャージャーが設けられ、前記管路は触媒を通過した前記排気ガスを前記ターボチャージャーの上流側の前記吸気経路に戻し、前記排気ガスが流れる前記管路を前記外側配管が覆う、請求項２に記載の内燃機関の吸排気構造。
前記管路は前記エンジンから排出されるガスが通過する排気経路であり、前記エンジンから排出されるガスが通過する前記管路を前記外側配管が覆う、請求項１に記載の内燃機関の吸排気構造。
前記管路は前記エンジンへ供給されるガスが通過する吸気経路であり、前記エンジンへ供給されるガスが通過する前記管路を前記外側配管が覆う、請求項１に記載の内燃機関の吸排気構造。
前記負圧ポンプは大気圧から８０ｋＰａ以上減圧することが可能である、請求項１から７のいずれか１項に記載の内燃機関の吸排気構造。
前記空間内は前記負圧ポンプが駆動されている間は常時減圧されている、請求項１から８のいずれか１項に記載の内燃機関の吸排気構造。