JP2021161980A - エンジンのegrシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】高さを抑制した状態で、冷却性能を損なうことなく、EGRクーラの排水性を向上できる、エンジンのEGRシステムを提供する。【解決手段】排気ガスを吸気通路20に環流させるEGR通路40は、EGRクーラ41よりも上流側でシリンダヘッド11の内部を通過するEGR内部通路44と、シリンダヘッド11の外部で接続する中継通路45とを有している。柱体形状のEGRクーラ41が、ガス流入口41aが第1の端面11cの側に位置してガス流出口41bが第2の端面11dの側に位置するように、吸気マニホールド23の上方に配置され、中継通路45が、ヘッドEGRガス出口16よりも側方においてEGR内部通路44と連通するように接続されている。EGRクーラ41が傾斜し、中継通路45が曲げられた状態でガス流入口41aに接続されている。【選択図】図5

Description

開示する技術は、エンジンのEGRシステムに関する。
車両等を駆動するエンジンにおいて、排気ガスの一部(EGRガスともいう)を吸気に戻す技術、いわゆるEGR(Exhaust Gas Recirculation)が知られている。EGRを行うEGRシステムの多くには、通常、高温のEGRガスを冷却するために、EGRクーラが設置されている。
開示する技術に関し、吸気マニホールドの上側にEGRクーラを配置したエンジンが開示されている(特許文献1)。
特開2016−102429号公報
EGRクーラの内部には、酸化物質を含む凝縮水が発生する。そのため、特許文献1のエンジンのように、EGRクーラを横置きした場合には、凝縮水がEGRクーラに溜まらないようにするのが好ましい。そのための一般的な方法としては、EGRクーラを傾けて、凝縮水を流下させることが考えられる。
ところが、エンジンは、エンジンルームの限られたスペースに設置されている。しかも、特許文献1のエンジンのように、吸気マニホールドの上側にEGRクーラを配置した場合には、EGRクーラの上方を覆っているボンネットとの間の隙間が狭くなる。この隙間は、衝突時にボンネットが変形してその衝撃を緩和するように、所定量以上の大きさを確保する必要がある。
それに対し、横置きされているEGRクーラを傾けて、凝縮水が流下するようにするには、EGRクーラの一方の端部を大きく持ち上げる必要がある。その結果、所定量以上の大きさの隙間を確保するのが難しくなる。従って、単にRGRクーラを傾けるだけでは、凝縮水の排水性を向上するのは容易でない。そこで、エンジンとボンネットとの間の隙間の確保と、エンジンの上に横置きしたEGRクーラの排水性の向上とを両立させるために、EGRシステム全体のレイアウトを見直した。
すなわち、開示する技術の主たる目的は、EGRクーラを含めたEGRシステム全体の高さを抑制した状態で、冷却性能を損なうことなく、EGRクーラの排水性を向上できる、エンジンのEGRシステムを提供することにある。
開示する技術は、エンジンのEGRシステムに関する。前記エンジンのEGRシステムは、燃焼が行われる複数の燃焼室を構成するシリンダヘッドを上部に備え、前記複数の燃焼室が、前記シリンダヘッドの第1の端面と第2の端面との間に並んで配置されているエンジン本体と、前記シリンダヘッドに取り付けられた吸気マニホールドを介して前記燃焼室の各々へ吸気を導入するための吸気通路と、前記シリンダヘッドに接続されていて前記燃焼室の各々から排気ガスを排出する排気通路と、前記排気通路と前記吸気通路との間に接続されていて、排気ガスをEGRガスとして前記吸気通路に環流させるEGR通路と、を備える。
前記EGR通路は、ガス流入口から流入してガス流出口から流出する間に、EGRガスを冷却するEGRクーラと、前記EGRクーラよりも上流側で前記シリンダヘッドの内部を通過するEGR内部通路と、前記シリンダヘッドの外部で前記EGR内部通路と前記EGRクーラとの間を接続する中継通路と、を有している。前記シリンダヘッドは、前記第1の端面に前記シリンダヘッドの内部を通過したEGRガスを流出するためのヘッドEGRガス出口を有している。
前記EGRクーラは、長手方向の一方の端側に前記ガス流入口を有し、かつ、長手方向の他方の端側に前記ガス流出口を有する柱体として形成されていて、前記ガス流入口が前記第1の端面の側に位置して、前記ガス流出口が前記第2の端面の側に位置するように、前記吸気マニホールドの上方に配置されるとともに、前記中継通路が、前記ヘッドEGRガス出口よりも側方において前記EGR内部通路と連通するように接続されている。
前記EGRクーラが、前記ガス流出口から前記ガス流入口に向かって低くなるように傾斜するとともに、前記中継通路が、上流側に向かうほど低くなるように曲げられた状態で前記ガス流入口に接続されている。
このエンジンのEGRシステムによれば、EGR通路がEGRクーラを有している。従って、EGRクーラでEGRガスを冷却できる。更に、EGR通路は、EGRクーラよりも上流側に、シリンダヘッドの内部を通過するEGR内部通路を有している。シリンダヘッドの内部には、通常、燃焼室を冷却する水冷通路が形成されている。従って、その水冷通路を流れる冷却水と熱交換することにより、EGR内部通路を流れるEGRガスを冷却できる。すなわち、EGRガスを効果的に冷却できる。
そして、EGRクーラは、EGRガスの流れる方向(ガス流方向)に長い、柱体状に形成されている。全長を長くしたことで、縦幅を小さくしても、EGRクーラの冷却性能を確保できる。EGRクーラの縦幅を小さくして、高さを抑制できる。
EGRクーラは、その向きをガス流方向に一致させた状態で、シリンダヘッドの長手方向に沿って延びるように配置されている。それにより、EGRガスの円滑な流入および流出を確保できる。そして、高さを抑制しながら、EGRクーラを、シリンダヘッドの全長の範囲に収めることができる。
中継通路は、シリンダヘッドの端面の側方においてEGR内部通路と連通するように接続されている。すなわち、シリンダヘッドは、その内部を通過したEGRガスをシリンダヘッドから流出させる出口(ヘッドEGRガス出口)を、第1の端面に有している。中継通路は、そのヘッドEGRガス出口よりも更に側方に離れた位置でEGR内部通路と接続するように構成されている。第1の端面から側方に離れた位置で中継通路を接続することで、EGRクーラまでの距離が長くなり、中継通路を長くできる。
そして、EGRクーラは、そのガス流出口から、そのガス流入口に向かって低くなるように傾斜している。EGRクーラは、ガス流方向に長い形状を有しているので、緩い傾斜であっても、EGRクーラで発生する凝縮水を円滑に、その上流側に流下させることができる。また、EGRバルブが位置している下流側に、凝縮水が入り込むのを抑制できる。
更に、中継通路は、上流側に向かうほど低くなるように曲げられた状態でガス流入口に接続されている。EGR通路に多量のEGRガスが流れる場合、中継通路の流路断面は大きいのが好ましく、また、中継通路の流路抵抗は小さいのが好ましい。従って、ガス流方向に沿って湾曲させた直径の大きな配管で中継通路を構成し、そして、その中継通路の両端部を円滑に接続するのが好ましい。
ところが、直径が大きくなると、大きく曲げることができなくなって、曲率半径が大きくなる。その点、このエンジンでは、シリンダヘッドの端面から側方に離れた位置で、中継通路を接続している。従って、ガス流入口までの距離が長くなる。
それにより、中継通路の全長を長くでき、配管径が大きく、かつ曲率半径の大きい配管で中継通路を構成できる。上流側に向かうほど低くなるように曲げた状態で、中継通路の両端も円滑に接続できる。その結果、多量のEGRガスでも円滑に流すことができる。EGRクーラから中継配管に流れ落ちる凝縮水も、円滑に流れ落ちる。従って、EGRクーラを含めたEGRシステム全体の高さを抑制した状態で、冷却性能を損なうことなく、EGRクーラの排水性を向上できる。
前記エンジンのEGRシステムはまた、前記シリンダヘッドの前記第1の端面に取り付けられる第1の付設部材を更に備え、前記第1の付設部材が、前記第1の端面よりも側方に位置して前記EGR内部通路を構成する延出通路を有し、前記中継通路が、前記延出通路と連通するように前記第1の付設部材に接続されている、としてもよい。
すなわち、このエンジンのEGRシステムでは、シリンダヘッドの第1の端面に、EGR内部通路を構成する延出通路を有する第1の付設部材が取り付けられる。第1の付設部材により、EGR内部通路は、シリンダヘッドの第1の端面からその側方の離れた位置まで延長されている。従って、第1の付設部材にも水冷通路を形成すれば、冷却水と熱交換により、EGRガスを更に効果的に冷却できる。
そして、中継通路が、その延出通路と連通するように第1の付設部材に接続されているので、上述したように、ガス流入口までの距離を長くできる。従って、多量のEGRガスでも円滑に流すことができ、EGRクーラの排水性を向上できる。
前記エンジンのEGRシステムはまた、前記EGR通路は、EGRガスの流量を調整するEGRバルブを更に有し、前記EGRバルブは、前記ガス流出口に接続される連結通路を介して前記EGRクーラの下流側に配置され、前記EGRバルブが、前記吸気マニホールドの上部に直接固定されていて、前記連結通路が、前記EGRバルブの上方を通過して前記第2の端面の側に延出された状態で、前記EGRバルブの上部に接続されている、としてもよい。
すなわち、EGR通路におけるEGRクーラの下流側部分のレイアウトも工夫されている。EGRバルブが吸気マニホールドの上部に直接固定されているので、EGRバルブの支持強度が向上し、EGRバルブの揺れ動きを抑制できる。更に、EGRバルブの高さを抑制できる。
そして、EGRバルブとEGRクーラとの間を連結する連結通路が、EGRバルブの上方を通過して第2の端面の側に延出された状態で、EGRバルブの上部に接続されている。従って、連結通路が横長な形状でも、シリンダヘッドの第2の端面から側方に張り出すことなく、連結通路を配置できる。その結果、EGRシステムを含めたエンジンの全体を、エンジンルームの中に効率よく設置きる。
前記エンジンのEGRシステムはまた、前記ガス流出口が前記ガス流入口よりも前記シリンダヘッドから離れるように、前記EGRクーラが、横方向に傾斜した状態で配置されるとともに、前記中継通路が、縦方向に傾斜した状態で配置されている、としてもよい。
すなわち、このエンジンのEGRシステムによれば、EGRクーラは、横方向にも傾斜した状態で配置されている。具体的には、EGRクーラは、上下方向から見て、ガス流出口がガス流入口よりもシリンダヘッドから離れるように傾斜している。
それに伴って、中継通路も、縦方向に傾斜した状態で配置されている。具体的には、中継通路は、左右方向から見て、上流側が下流側よりもガス流入口から離れるように、上下方向に傾斜している。それにより、EGRクーラおよび中継通路を更に長くできる。従って、これらを小さいスペースに効率的に配置した状態で、EGRガスの円滑な流れと、凝縮水の円滑な排出とを向上できる。
前記エンジンのEGRシステムはまた、前記シリンダヘッドの前記第1の端面の近傍に配置される第2の付設部材を更に備え、前記第2の付設部材が、前記EGRクーラおよび前記中継通路の下方の空間に配置されている、としてもよい。
すなわち、このエンジンのEGRシステムによれば、EGRクーラおよび中継通路からなる部分は、吸気マニホールドの上方を通ってシリンダヘッドの第1の端部の側方に向かって延びている。そうした場合、EGRクーラおよび中継配管の下方に一定のスペースが発生する。
第2の付設部材を、このスペースに配置すれば、第2の付設部材をコンパクトかつ効果的に配置でき、デッドスペースの発生を防止できる。
前記エンジンのEGRシステムはまた、全開負荷を含む高負荷領域で前記エンジンが運転する場合に、理論空燃比を目標値とした燃焼が前記燃焼室で行われる、としてもよい。
通常、このような高負荷領域においてエンジンが運転する場合、燃焼温度が高まって異常燃焼が発生する。そのため、燃料量を増加して、その気化潜熱で混合気を冷却することで異常燃焼を抑制している。この方法は、燃料量が増加するので、燃費が悪化する。
それに対し、理論空燃比で燃焼すれば、燃費は向上するが、気化潜熱が活用できないので、異常燃焼は抑制できない。EGRガスの環流量を増加すれば、吸気の酸素濃度の低下により、異常燃焼を抑制できる。しかし、理論空燃比で燃焼した場合、排気ガスの温度は高くなる。
従って、高負荷領域でエンジンが運転する場合に、EGRガスの環流量を増加して異常燃焼を抑制しながら、理論空燃比で燃焼すると、従来よりも、高温かつ多量のEGRガスが環流される。EGRクーラの性能に対して、EGRガスの熱量が過剰になるので、EGRクーラの耐久性が低下する。
それに対し、このエンジンのEGRシステムでは、上述したように、EGRクーラに流入するEGRガスの粗熱を効果的に除去できる。従って、高温かつ多量のEGRガスを環流しても、EGRクーラの性能に対して、EGRガスの熱量が過剰になるのを抑制できる。すなわち、このエンジンのEGRシステムによれば、燃費を向上できる。
開示する技術を適用したエンジンのEGRシステムによれば、EGRクーラを含めたEGRシステム全体の高さを抑制した状態で、冷却性能を損なうことなく、EGRクーラの凝縮水の排出性を向上できるようになる。
エンジンの主な機器の構成を例示する図である。 エンジンの具体的な全体構造を示す概略斜視図である。 エンジンの上部を、前方から見た概略図である。 エンジンの上部を、左側から見た概略図である。 エンジンの上部を、斜め上方から見た概略斜視図である。 エンジンの左側の要部を拡大して示す概略斜視図である。 エンジンの上部前側を、上側から見た概略図である。 エンジンの上部前側の要部を拡大して示す概略斜視図である。
以下、開示する技術を説明する。ただし、以下の説明は、例示である。本発明、その適用物あるいはその用途を制限するものではない。
図1は、エンジンと一体的に構成されているEGRシステム(以下、これらを総称して、単に「エンジン1」ともいう)の主な機器の構成を例示する図である。図2は、エンジン1の具体的な全体構造を示す概略斜視図である。図3は、エンジン1の上部を、前方から見た概略図である。図4は、エンジン1の上部を、シリンダヘッド11の第1の端面11cの側から見た概略図である。図5は、エンジン1の上部を、斜め上方から見た概略斜視図である。図6は、エンジン1の要部を拡大して示す概略斜視図である。
各図に示す矢印は、説明で用いる「前後」、「左右」、および、「上下」の方向を示している。また、説明で用いる「上流」および「下流」は、対象とする流体が流れる方向を基準とする。便宜上、各図において、エンジンの一部の図示は省略している。
エンジン1は、四輪の自動車に搭載されている。具体的には、自動車のエンジンルームに収容されている。図3、図4に示すように、エンジン1の上方は、ボンネット2で覆われている。エンジン1とボンネット2と間の隙間Gは、衝突時にボンネット2が変形してその衝撃を緩和するように、所定量以上の大きさを確保する必要がある。このエンジン1では、EGRシステムを含めて、その全高を抑制することにより、その隙間Gが確保できるようにしている。
ドライバーの操作に従って、エンジン1が運転することで自動車は走行する。エンジン1は、後述する燃焼室12で、ガソリンを含む混合気を燃焼する。エンジン1は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を繰り返す4ストロークエンジンである。
エンジン1には、これら燃焼サイクルに伴って、各燃焼室12へ吸気を送り込む吸気通路20と、燃焼室12から排気ガスを排出する排気通路30とが備えられている。更に、このエンジン1には、上述したEGRシステムも備えられている。すなわち、エンジン1は、排気通路30に排出された排気ガスの一部を、EGRガスとして吸気通路20に環流させるEGRを行う。
このエンジン1では、EGRガスの環流量を従来よりも増加して、異常燃焼を抑制する。それにより、エンジン1が高負荷領域で運転する場合においても、理論空燃比を目標値とした燃焼が行えるように構成されている。
通常、エンジン1が、高トルクの出力が要求される高負荷領域において運転する場合、燃焼温度が高まって異常燃焼が発生する。そのため、エンジン1が高負荷領域で運転する場合、燃料量に対する空気量の割合(いわゆるA/F、空燃比)を小さくするリッチ化制御が行われる。それによって増加する燃料の気化潜熱を利用して混合気を冷却し、異常燃焼を抑制する。しかし、リッチ化制御では、燃料量が増加するので、燃費が悪化する。
一方、燃料および酸素が過不足なく燃焼する、理論空燃比で燃焼すれば、燃費は向上する。しかし、理論空燃比による燃焼では、気化潜熱が活用できないので、異常燃焼を抑制できない。それに対し、EGRガスの環流量を増加させると、吸気の酸素濃度が低下する。それにより、自着火時期が遅れて、異常燃焼を抑制できる。
このエンジン1は、高負荷領域で運転する時に、理論空燃比を目標値とした燃焼を行う。そして、EGRガスの環流量を増加し、それによって異常燃焼を抑制する。ここでいう高負荷領域は、例えば、全開負荷を含む所定負荷以上の領域である。高負荷領域は、例えば、エンジン1の運転領域を負荷方向に2等分した場合での、高負荷側の領域である。エンジン1の運転領域を負荷方向に三等分した場合での、最も高負荷側の領域であってもよい。
理論空燃比で燃焼した場合、排気ガスの温度は高くなる。従って、このエンジン1が高負荷領域で運転する場合には、従来よりも、高温かつ多量のEGRガスが環流される。それに対し、このエンジン1、詳細にはそのEGRシステムでは、それに伴って発生する問題を解消できるように工夫されている(詳細は後述)。
<エンジン本体10>
図2に示すように、エンジン1は、シリンダブロック10a、シリンダヘッド11などで構成されたエンジン本体10を備える。シリンダヘッド11は、シリンダブロック10aの上に取り付けられている。シリンダヘッド11は、エンジン本体10の上部を構成し、シリンダブロック10aは、エンジン本体10の下部を構成している。エンジン本体10には、複数の燃焼室12が設けられている。図1に示すように、例示のエンジン1は、4つの燃焼室12を有する、いわゆる4気筒エンジンである。
4つの燃焼室12は、図示しないクランクシャフトが延びる方向(出力軸方向)に一列に配置されている。エンジン本体10は、出力軸方向に長い形状を有している。エンジン本体10は、その出力軸方向が車幅方向(左右方向)と略一致するように、エンジンルームに横置きされている。
従って、図1に示すように、シリンダヘッド11を基準とした場合には、シリンダヘッド11の相対的に長い一対の側面は、前後に面している(前側面11aおよび後側面11b)。4つの燃焼室12は、シリンダヘッド11の左右の端面(第1の端面11cおよび第2の端面11d)の間に一列に並べて配置されている。なお、シリンダヘッド11のドットで示す部分は、付設部材を取り付ける接合面を示している。
図示しないが、シリンダブロック10aには、4つの気筒が形成されている。各気筒の中には、往復動するピストンが設置されている。各気筒の下面は、ピストンによって塞がれている。各気筒の上面は、シリンダヘッド11によって塞がれている。シリンダブロック10a、ピストン、およびシリンダヘッド11によって区画されることで、エンジン本体10の内部に各燃焼室12が構成されている。
エンジン1の運転時には、エンジン本体10は高温になる。そのエンジン本体10を冷却するために、冷却水で冷却する水冷システムがエンジン1に付設されている。水冷システムは、図示しないが、ウォーターポンプ、ラジエータなどで構成されている。冷却システムは、冷却水との熱交換により、エンジン本体10、EGRクーラ41、空調用のヒータコア、ATFクーラ(トランスミッションに用いるオイルを冷却するクーラ)を冷却する。
具体的には、図1に示すように、シリンダブロック10aおよびシリンダヘッド11の各燃焼室12の周囲には、冷却水が流れる水冷通路50が形成されている。ウォーターポンプ51の作動により、水冷通路50を冷却水が循環する。
シリンダヘッド11の第1の端面11cには、水冷通路50を流れる冷却水の一部を、EGRクーラ41、ATFクーラなどに分配するウォーターアウトレット52(第1の付設部材)が取り付けられている。ウォーターアウトレット52には、サーモスタット54(図6には二点鎖線で示す)が取り付けられている。サーモスタット54は、冷却水の流路を切り換える。なお、エンジン1には、各燃焼室12に燃料を供給する燃焼供給システム、混合気を点火する点火プラグ、動弁機構なども付設されているが、便宜上、これらの図示および説明は省略する。
<吸気通路20>
シリンダヘッド11の前側面11aには、燃焼室12の各々に連通する2つの吸気ポート13が形成されている。各吸気ポート13は、開閉制御される吸気弁を介して、各燃焼室12と連通している。このエンジン1では、シリンダヘッド11の前側面11aに、各吸気ポート13の入口が開口している(合計8個)。そして、シリンダヘッド11の前側面11aには、これら吸気ポート13と連通するように、吸気通路20が接続されている。
図1に示すように、吸気通路20には、スロットル弁21、サージタンク22、吸気マニホールド23などが備えられている。スロットル弁21は、吸気通路20に取り込む空気(新気)の量を調整する。スロットル弁21は、図3、4に示すように、エンジン本体10の上部における前側かつ左側に配置されている。
サージタンク22は、大容量の容器であり、スロットル弁21の下流側に配置されている。図3、図4に示すように、サージタンク22は、吸気マニホールド23と一体に構成されている。サージタンク22は、エンジン本体10の前側に近接して配置されている。吸気マニホールド23は、サージタンク22に連通する4つの流路を有し、これら流路で各燃焼室12に吸気を分配する。
具体的には、吸気マニホールド23は、4つの吸気枝配管23aと、連結ブラケット23bとを有している。吸気枝配管23aの各々は、サージタンク22の前面の下端部から上方に向かって、湾曲かつ枝分かれしながら延びている。そうして、吸気枝配管23aの各々は、サージタンク22の前面を横切った後、シリンダヘッド11の前側面11aに向かって延びている。
図2に示すように、連結ブラケット23bは、各吸気枝配管23aが連なる横長なブラケットである。連結ブラケット23bは、シリンダヘッド11に沿って横方向に延びるように、シリンダヘッド11の前側面11aに取り付けられている。図1に示すように、連結ブラケット23bの内部には、各吸気ポート13の入口と各吸気枝配管23aとを連通させる複数の分岐通路24a,24bが形成されている。
図1に示すように、各吸気枝配管23aの下流側の端部は、その内部で2つの通路に分岐している。そして、これら通路の各々が、連結ブラケット23bの内部に形成されている一対の分岐流路(第1分岐通路24aおよび第2分岐通路24b)に接続されている。
各第1分岐通路24aには、スワールコントロール弁25が設置されている。スワールコントロール弁25は、第1分岐通路24aの流路の開度を調整する。これらスワールコントロール弁25は、エンジン本体10に付設された1つの駆動モータ26(第2の付設部材)により、一括して駆動される。スワールコントロール弁25の開閉により、燃焼室12で発生するスワール流の強度が変化する。
なお、このエンジン1では過給は行わない。エンジン1は、大気圧で吸気する。このエンジン1は、いわゆる自然吸気エンジンである。
<排気通路30>
図1に示すように、シリンダヘッド11の後側面11bには、燃焼室12の各々に連通する2つの排気ポート14が形成されている。各排気ポート14は、開閉制御される排気弁を介して、各燃焼室12と連通している。このエンジン1では、シリンダヘッド11の後側面11bに、各排気ポート14が合流した出口が開口している(合計4個)。そして、そのシリンダヘッド11の後側面11bに、これら排気ポート14と連通するように、排気通路30が接続されている。
排気通路30には、排気マニホールド31、排気浄化装置32などが備えられている。図2、図5に示すように、排気マニホールド31は、複数の配管からなる配管群31aと、接続ブラケット31bとを有している。配管群31aは、枝分かれして、各排気ポート14に連通する4つの流路を構成している。接続ブラケット31bは、横長な板状のブラケットからなる。
配管群31aの上流側の端部は接続ブラケット31bに取り付けられている。その接続ブラケット31bが、配管群31aを構成している各配管と各排気ポート14とが連通するように、シリンダヘッド11の後側面11bに取り付けられている。配管群31aの下流側の端部は、1つの流路に合流している(合流部31c)。排気マニホールド31は、その合流部31cを介して、排気浄化装置32のガス導入部32aに接続されている。
図2、図4に示すように、排気浄化装置32は、カプセル形状のケースを有している。排気浄化装置32は、エンジン本体10の後側に近接して配置されている。そのケース内には、三元触媒とフィルタとが収容されている。排気浄化装置32のガス導出部32bには、後方に延びるフレキシブル配管33が接続されている、このフレキシブル配管33を介して、図示しない排気配管がエンジンルームの外に延びている。
<EGR通路40>
図1に示すように、EGR通路40は、排気通路30と吸気通路20との間に接続されている。EGRガスは、このEGR通路40を矢印で示す方向に流れる。具体的には、EGR通路40の上流側の端部は、排気通路30における排気浄化装置32よりも下流側部分に接続されている。EGR通路40の下流側の端部は、吸気通路20におけるスロットル弁21とサージタンク22との間の部分に接続されている。
EGR通路40には、EGRクーラ41、EGRバルブ42などが備えられている。EGRクーラ41は、その一方の端部にガス流入口41aを有し、その他方の端部にガス流出口41bを有している。EGRクーラ41は、ガス流入口41aから流入してガス流出口41bから流出する間に、EGRガス(排気ガスの一部)を冷却する。EGRバルブ42は、EGR通路40を流れるEGRガスの流量を調整する。EGRバルブ42は、EGRクーラ41よりも下流側に配置されている。EGR通路40、EGRクーラ41、およびEGRバルブ42は、EGRシステムを構成している。
図2、図3、図5に示すように、EGRクーラ41およびEGRバルブ42は、互いに隣接した状態で、吸気マニホールド23の上方に配置されている。図1に示すように、EGR通路40は、EGR導入配管43、EGR内部通路44、中継配管45(中継通路)などで構成されている。
EGR導入配管43は、EGR通路40の上流側部分を構成する配管である。図2に示すように、EGR導入配管43の上流側の端部は、排気浄化装置32のガス導出部32bに接続されている。図2、図5に示すように、EGR導入配管43の下流側の端部は、接続ブラケット31bの端部に取り付けられている。EGR導入配管43は、接続ブラケット31bを介して、シリンダヘッド11の後側面11bに取り付けられている。EGR導入配管43は、上流側から下流側に向かって上方に延びている。
EGR内部通路44は、シリンダヘッド11に形成された管状の通路である。EGR内部通路44は、シリンダヘッド11の内部を通過する。EGR導入配管43は、EGR内部通路44に連通している。
シリンダヘッド11の内部には、図1に示すように、冷却水が流れる通路(水冷通路50)が形成されている。EGR内部通路44は、この水冷通路50を流れる冷却水との熱交換により、その内部を流れるEGRガスの粗熱を除去するように構成されている。そして、このエンジン1では、EGRシステムの形状および配置を工夫することにより、EGRクーラ41への流入前に、EGRガスを効果的に冷却できるようになっている(EGR内部通路44については別途後述)。
中継配管45は、図5、図6に示すように、EGRクーラ41のガス流入口41aに接続される配管である。中継配管45は、シリンダヘッド11の第1の端面11cの側に向かって延びている。シリンダヘッド11の第1の端面11cには、後述するウォーターアウトレット52が取り付けられている。中継配管45の上流側の端部は、ウォーターアウトレット52に接続されている。それにより、中継配管45は、シリンダヘッド11の外部で、EGR内部通路44とEGRクーラ41との間を接続する中継通路を構成している。
このエンジン1では、EGRガスの冷却性能の向上とともに、上述したエンジン1とボンネット2との間の隙間Gの確保と、エンジン1の上に横置きしたEGRクーラ41の排水性の向上とを両立させるために、EGRシステム全体のレイアウトが見直されている(その詳細は後述)。
<EGR内部通路44>
上述したように、このエンジン1では、高負荷領域で運転する時に、理論空燃比を目標値とした燃焼を行う。そして、EGRガスの環流量を増加することによって、異常燃焼を抑制する。そのため、EGR通路40には、従来よりも、高温かつ多量のEGRガスが流れる。
その結果、EGRクーラ41の冷却性能を超える熱量がEGRクーラ41に加わって、EGRクーラ41の耐久性が低下するおそれがある。それに対し、このエンジン1では、EGR内部通路44の形状および配置を工夫することにより、EGRクーラ41に流入するEGRガスを効果的に冷却し、その粗熱が除去できるようになっている。
具体的には、EGR内部通路44は、シリンダヘッド11の内部だけでなく、ウォーターアウトレット52の内部にも設けられている。
図1、図5に示すように、EGR内部通路44の上流側の端部は、シリンダヘッド11の後側面11bの左側(第1の端面11cの近傍)に開口している。EGR内部通路44の上流側の端部は、EGR導入配管43と接続されている。EGR内部通路44の上流側部分は、シリンダヘッド11の内部を、第1の端面11cに沿った状態で、前側面11aに向かって延びている。EGR内部通路44の上流側部分は、略水平である。
そして、図1に示すように、EGR内部通路44の上流側部分の一部は、水冷通路50の中を横切るように配置されている(第1の冷却部位CP1)。第1の冷却部位CP1では、EGR内部通路44を流れるEGRガスは、厚みの小さい管壁を介して、間接的に、水冷通路50を流れる冷却水に接した状態となっている。従って、効率的に熱交換でき、EGRガスを効果的に冷却できる。
更に、EGR内部通路44における第1の冷却部位CP1に連なる下流側の部位には、折れ曲がった形状の曲管部70が設けられている。曲管部70は、図5に示すように、シリンダヘッド11とウォーターアウトレット52の双方にわたって配置されている。そして、曲管部70の周囲には、水冷通路50が配置されている。曲管部70を流れるEGRガスは、その壁面に衝突する。曲管部70でEGRガスの流れが滞る。
その結果、曲管部70でのEGRガスの放熱性が向上する。そして、その曲管部70の周囲には、水冷通路50が配置されている。従って、EGRガスと冷却水との熱交換が促進される。すなわち、EGRガスを効果的に冷却できる(図1に示す第2の冷却部位CP2)。このような曲管部70と水冷通路50との組み合わせにより、EGRガスの粗熱を効果的に除去できる。従って、EGRクーラ41の耐久性およびEGRガスの冷却性能が向上する。
<EGRシステムのレイアウト>
上述したように、このエンジン1では、従来よりも多量のEGRガスが環流される。多量のEGRガスを円滑に環流するためには、EGR通路40の流路断面を拡張したり流路抵抗を抑制したりすることが必要になる。そのため、スペースが限られているエンジンルームの中で、エンジン本体10の周辺に更にスペースを確保する必要がある。
更に、上述したように、エンジン1とボンネット2との間には、所定の大きさの隙間Gを確保しなければならない。そのため、EGRクーラ41を吸気マニホールド23の上側に横置きする場合には、その高さを抑制する必要がある。
EGRガスの環流量が増えると、それに伴って、EGRクーラ41で発生する凝縮水も増加する。従って、EGRクーラ41を横置きする場合には、その排水性も向上する必要がある。
そこで、このエンジン1では、EGRシステム全体のレイアウトを見直し、このような課題をまとめて解消できるように工夫した。
(EGRクーラ41、中継配管45)
EGRクーラ41には、横長かつ扁平なタイプが採用されている。図5、図7に示すように、EGRクーラ41は、ガス流入口41aからガス流出口41bまでの距離が長い横長な形状を有している。また、EGRクーラ41は、流路断面の縦幅よりも横幅の方が大きい扁平な柱体形状を有している。従って、このEGRクーラ41は、縦幅を小さくしたことで、高さを抑制できる。全長を長くしたことで、冷却性能を確保できる。
ここで、柱体形状とは、直方体でも良いし、円柱形状でも良い。また、EGRクーラ41の表面には冷却水を出入りさせるためのパイプや、剛性確保などを目的とした凹凸が設けられているが、ここでいう柱体形状とは、このようないびつな形状を有するものも含む。
そして、EGRクーラ41は、ガス流入口41aが第1の端面11cの側に位置して、ガス流出口41bが第2の端面11dの側に位置するように、吸気マニホールド23の上方に配置されている。すなわち、EGRクーラ41は、その向きを、EGRガスが流れる方向(ガス流方向)に一致させた状態で、シリンダヘッド11の長手方向に沿って延びるように配置されている。それにより、EGRガスの円滑な流入および流出を確保し、そして、高さを抑制しながら、シリンダヘッド11の全長の範囲に収まるようにしている。
図5、図7に示すように、中継配管45は、シリンダヘッド11の第1の端面11cの側方においてEGR内部通路44と連通するように接続されている。具体的には、中継配管45は、その第1の端面11cに取り付けられているウォーターアウトレット52に接続されている。
ウォーターアウトレット52の内部には、上述したように、曲管部70を含むEGR内部通路44の下流側部分が形成されている。このEGR内部通路44の下流側部分は、第1の端面11cよりも側方に位置し、延出通路を構成している。
すなわち、第1の端面11cには、シリンダヘッド11からEGRガスが流出する出口(ヘッドEGRガス出口16)が形成されている。シリンダヘッド11の内部を通過したEGRガスは、このヘッドEGRガス出口16を通じて、ウォーターアウトレット52の内部に流入する。曲管部70を含むEGR内部通路44の下流側部分は、このヘッドEGRガス出口16を介して、シリンダヘッド11の内部と、ウォーターアウトレット52の内部の双方に形成されている。
そして、中継配管45は、シリンダヘッド11の第1の端面11cから更に側方に離れた位置で接続するように構成されている。つまり、中継配管45は、ヘッドEGRガス出口16よりも側方においてEGR内部通路44と連通する。第1の端面11cから側方に離れた位置で中継配管45を接続することで、EGRクーラ41までの距離が長くなり、中継配管45を長くできる。
そして、EGRクーラ41は、図3に示すように、ガス流出口41bからガス流入口41aに向かって低くなるように緩やかに傾斜している。車幅方向において、ガス流出口41bは、エンジンルームの略中央に位置し、ガス流入口41aは、エンジンルームの左側に位置している。そうして、EGRクーラ41は、右側から左側に向かって緩やかに下り傾斜するように配置されている。
上述したように、EGRクーラ41は、扁平な形状を有しているので、高さを抑えた状態で傾斜させることができる。EGRクーラ41は、ガス流方向に長い形状を有しているので、緩傾斜であっても、EGRクーラ41で発生する凝縮水を円滑に、上流側に流下させることができる。また、EGRバルブ42が位置している下流側に、凝縮水が入り込むのを抑制できる。
通常、ボンネット2は、図3に示すように、上方に膨らんだ形状をしている。そのため、ボンネット2は、車幅方向よりもその中間部分の方が高くなっている。EGRクーラ41をこのように傾斜させることで、EGRクーラ41を、ボンネット2の形状に沿った状態で配置できる。従って、EGRクーラ41とボンネット2との間の隙間Gの確保が容易になる。
図3、図6に示すように、中継配管45は、上流側に向かうほど低くなるように曲げられた状態で、ガス流入口41aに接続されている。
EGR通路40には、多量のEGRガスが流れる。従って、中継配管45の流路断面は大きいのが好ましく、また、中継配管45の流路抵抗は小さいのが好ましい。従って、ガス流方向に沿って曲げた直径の大きな配管で中継配管45を構成し、そして、その中継配管45をガス流入口41aおよびウォーターアウトレット52の各々に、円滑に接続するのが好ましい。
EGRクーラ41を傾斜させたことで、凝縮水は、中継配管45に流れ落ちてくる。そのため、中継配管45においても、凝縮水を、円滑に上流側に流下させなければならない。従って、中継配管45もまた、上流側に向かうほど低くなるようにする必要がある。そして、ガス流入口41aに円滑に接続するには、中継配管45の下流側部分は、EGRクーラ41と同じ様な角度で傾斜させる必要がある。同様に、中継配管45の上流側部分は、ウォーターアウトレット52に対して円滑に接続する必要がある。
ところが、直径が大きくなると、大きく曲げることができなくなって、曲率半径が大きくなる。その点、このエンジン1では、シリンダヘッド11の第1の端面11cから側方に離れた位置で、中継配管45を接続している。従って、ガス流入口41aまでの距離が長くなる。
それにより、中継配管45の全長を長くでき、配管径が大きく、かつ曲率半径の大きい配管で中継配管45を構成できる。ガス流入口41aおよびウォーターアウトレット52の各々に、中継配管45を円滑に接続できる。その結果、多量のEGRガスを円滑に流すことができ、凝縮水も円滑に排出できる。中継配管45を曲げたことで、シリンダヘッド11の第1の端面11cから側方に張り出す量も抑制できる。従って、エンジンルームに、大きな設置スペースを確保する必要性もない。
更に、EGRクーラ41は、横方向にも傾斜した状態で配置されている。具体的には、図7に示すように、EGRクーラ41は、上下方向から見て、ガス流出口41bがガス流入口41aよりもシリンダヘッド11から離れるように、前後方向に傾斜した状態で配置されている。
それに伴って、中継通路も、図4に示すように、縦方向に傾斜した状態で配置されている。具体的には、左右方向から見て、上流側が下流側よりもガス流入口41aから離れるように、上下方向に傾斜した状態で配置されている。それにより、EGRクーラ41および中継配管45を更に長くできる。従って、これらを小さいスペースに効率的に配置した状態で、EGRガスの円滑な流れと、凝縮水の円滑な排出とを向上できる。
更に、EGR通路40におけるEGRクーラ41の下流側部分のレイアウトも工夫されている。
具体的には、図2、図7、図8に示すように、EGRバルブ42は、吸気マニホールド23の上部に直接固定されている。具体的には、EGRバルブ42は、バルブ本体42a、バルブ駆動モータ42bなどで構成されている。バルブ駆動モータ42bはバルブ本体42aに組み付けられてバルブ本体42aと一体化している。
図示しないが、バルブ本体42aの内部には、EGRガスが流れるガス流路と、そのガス流路の開度を調整する弁体とが設けられている。ガス流路は上下方向に延びている。バルブ駆動モータ42bは、制御に応じて弁体を駆動し、ガス流路の開度を調整する。バルブ本体42aの外部には、その周囲に張り出すように、フランジ部42cが設けられている。
図8に示すように、吸気マニホールド23の上部に、取付ブラケット23cが設けられている。詳細には、吸気マニホールド23の上部における、右側に位置している2つの吸気枝配管23a,23aの間の部分に、取付ブラケット23cが設けられている。この取付ブラケット23cに、フランジ部42cが複数のボルトで締結されることにより、EGRバルブ42は、吸気マニホールド23の上部に直接固定されている。
EGRバルブ42を、吸気マニホールド23に直接固定することで、EGRバルブ42の支持強度が向上し、EGRバルブ42の揺れ動きを抑制できる。更に、EGRバルブ42の高さを抑制できる。
更に、図5、図7、図8に示すように、EGRクーラ41のガス流出口41bには、連結配管47(連結通路)が接続されている。そして、その連結配管47が、EGRバルブ42の上方を通過して第2の端面11dの側に延出された状態で、EGRバルブ42の上部に接続されている。
連結配管47は、ガス流方向に長い横長な形状を有している。また、連結配管47は、流路断面の縦幅よりも横幅の方が大きい扁平な形状を有している。連結配管47は、図3、図8に示すように、上流側よりも下流側の方が低くなるように緩傾斜した状態で配置されている。従って、凝縮水がEGRクーラ41を通過しても、その凝縮水を貯めることなく、連結配管47を通じて、EGRバルブ42のガス流路に流下させることができる。
また、連結配管47も、EGRクーラ41と同様に、ボンネット2の形状に沿って配置できる。従って、連結配管47とボンネット2との間の隙間Gの確保も容易になる。
連結配管47は、EGRバルブ42(詳細には、バルブ駆動モータ42b)の上方を通過して第2の端面11dの側に延出されている。従って、連結配管47が横長な形状でも、シリンダヘッド11の第2の端面11dから側方に張り出すことなく、連結配管47を配置できる。その結果、EGRシステムを含めたエンジン1の全体を、エンジンルームの中に効率よく設置きる。
上述したように、吸気マニホールド23の連結ブラケット23bには、複数のスワールコントロール弁25が設置されている。そして、これらスワールコントロール弁25を駆動する駆動モータ26がエンジン本体10に付設されている。駆動モータ26は、その構造上、連結ブラケット23bの近傍に配置する必要がある。
それに対し、このエンジン1では、EGRクーラ41および中継配管45からなるEGR通路40の上流側部分は、吸気マニホールド23の上方を通ってシリンダヘッド11の第1の端面11cの側方に向かうように配置されている。そうした場合、EGRクーラ41および中継配管45の下方には、一定のスペースが発生する。
図4、図6に示すように、駆動モータ26は、このスペースに配置されている。従って、駆動モータ26をコンパクトかつ効果的に配置できる。デッドスペースの発生を防止できる。
このように、このエンジン1では、EGR通路40に、構造および配置を工夫したEGR内部通路44を設けたので、EGRガスの粗熱を効果的に除去できる。EGRクーラ41の耐久性およびEGRガスの冷却性能が向上する。
そして、EGRシステム全体のレイアウトを工夫したので、多量のEGRガスを円滑に環流できるし、EGRクーラ41で発生する凝縮水も円滑に排出できる。しかも、エンジン1の全高を抑制したので、エンジン1とボンネット2との間に、所定の大きさの隙間Gも確保できる。
それにより、このエンジン1では、従来よりも、高温かつ多量のEGRガスを環流することが可能になる。その結果、高負荷領域で運転する時に、理論空燃比を目標値とした燃焼を行っても、EGRガスの環流量を増加して異常燃焼を抑制できる。従って、このエンジン1のEGRシステムは、燃費を向上できる。
なお、開示する技術にかかるエンジンのEGRシステムは、上述した実施形態に限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。例えば、実施形態では、ガソリンエンジンを例示したが、ディーゼルエンジンにも適用できる。また、自然吸気のエンジンを例示したが、過給可能な過給機付きエンジンにも適用できる。
1 エンジン
2 ボンネット
10 エンジン本体
10a シリンダブロック
11 シリンダヘッド
11a 前側面
11b 後側面
11c 第1の端面
11d 第2の端面
12 燃焼室
16 ヘッドEGRガス出口
20 吸気通路
21 スロットル弁
22 サージタンク
23 吸気マニホールド
30 排気通路
31 排気マニホールド
32 排気浄化装置
40 EGR通路
41 EGRクーラ
41a ガス流入口
41b ガス流出口
42 EGRバルブ
45 中継配管(中継通路)
47 連結配管(連結通路)
70 曲管部

Claims (6)

  1. エンジンのEGRシステムであって、
    燃焼が行われる複数の燃焼室を構成するシリンダヘッドを上部に備え、前記複数の燃焼室が、前記シリンダヘッドの第1の端面と第2の端面との間に並んで配置されているエンジン本体と、
    前記シリンダヘッドに取り付けられた吸気マニホールドを介して前記燃焼室の各々へ吸気を導入するための吸気通路と、
    前記シリンダヘッドに接続されていて前記燃焼室の各々から排気ガスを排出する排気通路と、
    前記排気通路と前記吸気通路との間に接続されていて、排気ガスをEGRガスとして前記吸気通路に環流させるEGR通路と、
    を備え、
    前記EGR通路は、
    ガス流入口から流入してガス流出口から流出する間に、EGRガスを冷却するEGRクーラと、
    前記EGRクーラよりも上流側で前記シリンダヘッドの内部を通過するEGR内部通路と、
    前記シリンダヘッドの外部で前記EGR内部通路と前記EGRクーラとの間を接続する中継通路と、
    を有し、
    前記シリンダヘッドは、前記第1の端面に前記シリンダヘッドの内部を通過したEGRガスを流出するためのヘッドEGRガス出口を有し、
    前記EGRクーラは、長手方向の一方の端側に前記ガス流入口を有し、かつ、長手方向の他方の端側に前記ガス流出口を有する柱体として形成されていて、前記ガス流入口が前記第1の端面の側に位置して、前記ガス流出口が前記第2の端面の側に位置するように、前記吸気マニホールドの上方に配置されるとともに、前記中継通路が、前記ヘッドEGRガス出口よりも側方において前記EGR内部通路と連通するように接続され、
    前記EGRクーラが、前記ガス流出口から前記ガス流入口に向かって低くなるように傾斜するとともに、前記中継通路が、上流側に向かうほど低くなるように曲げられた状態で前記ガス流入口に接続されている、エンジンのEGRシステム。
  2. 請求項1に記載のエンジンのEGRシステムにおいて、
    前記シリンダヘッドの前記第1の端面に取り付けられる第1の付設部材を更に備え、
    前記第1の付設部材が、前記第1の端面よりも側方に位置して前記EGR内部通路を構成する延出通路を有し、
    前記中継通路が、前記延出通路と連通するように前記第1の付設部材に接続されている、エンジンのEGRシステム。
  3. 請求項1または2に記載のエンジンのEGRシステムにおいて、
    前記EGR通路は、EGRガスの流量を調整するEGRバルブを更に有し、
    前記EGRバルブは、前記ガス流出口に接続される連結通路を介して前記EGRクーラの下流側に配置され、
    前記EGRバルブが、前記吸気マニホールドの上部に直接固定されていて、前記連結通路が、前記EGRバルブの上方を通過して前記第2の端面の側に延出された状態で、前記EGRバルブの上部に接続されている、エンジンのEGRシステム。
  4. 請求項1〜3のいずれか1つに記載のエンジンのEGRシステムにおいて、
    前記ガス流出口が前記ガス流入口よりも前記シリンダヘッドから離れるように、前記EGRクーラが、横方向に傾斜した状態で配置されるとともに、前記中継通路が、縦方向に傾斜した状態で配置されている、エンジンのEGRシステム。
  5. 請求項1〜4のいずれか1つに記載のエンジンのEGRシステムにおいて、
    前記シリンダヘッドの前記第1の端面の近傍に配置される第2の付設部材を更に備え、
    前記第2の付設部材が、前記EGRクーラおよび前記中継通路の下方の空間に配置されている、エンジンのEGRシステム。
  6. 請求項1〜5のいずれか1つに記載のエンジンのEGRシステムにおいて、
    全開負荷を含む高負荷領域で前記エンジンが運転する場合に、理論空燃比を目標値とした燃焼が前記燃焼室で行われる、エンジンのEGRシステム。
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