JP5747807B2

JP5747807B2 - 内燃機関におけるｅｇｒガスの冷却システム

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Publication number: JP5747807B2
Application number: JP2011279702A
Authority: JP
Inventors: 怜杉山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2031-12-21
Also published as: JP2013130111A

Description

本発明は、排気還流装置を有する内燃機関におけるＥＧＲガスの冷却システムに関する。

従来、内燃機関において、吸気行程に気筒内に排気を流入させるための排気還流装置（ＥＧＲ装置）が知られている。この排気の流入により、燃焼温度を低減し、ＮＯｘ生成を抑制することができる。そして、ＥＧＲ装置としては、排気通路と吸気通路とをつなぐＥＧＲ通路を介して排気を吸気系に還流させる所謂外部ＥＧＲ装置と、吸気バルブを開くことによって排気を吸気系に還流させる所謂内部ＥＧＲ装置とが知られている。

特許文献１は、内部ＥＧＲ装置を備えた内燃機関の一例を開示する。この内燃機関は、吸気ポートに、気筒から直接吸気ポートに還流した排気（ＥＧＲガス）を冷却するための熱交換器を備える。

特開２００７−３２４０２号公報

ところで、冷却用熱交換器つまり冷却装置としては冷却フィンを備えるものがよく用いられている。このような冷却フィン付き冷却装置は、上記特許文献１の記載を参照すると、内燃機関の吸気ポート内に冷却フィンが位置するように設けられることができるであろう。しかし、この場合、冷却フィンにより、吸気ポートの開口断面積は、冷却フィンのない吸気ポートの開口断面積に比べて減少し、それにより上記内部ＥＧＲ装置での吸気系への排気吹き戻し時の吸気系での圧力損失が高くなり、内部ＥＧＲガスの生成および供給が難くなる虞がある。

そこで、本発明はかかる点に鑑みて創案されたものであり、吸気系でのガスの流れを阻害せずに、ＥＧＲガスを冷却することを可能にする、システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、膨張行程から排気行程の間に吸気バルブを開くことによって排気を吸気通路に流入させて、該排気を吸気行程で燃焼室に流入させるように構成された排気還流装置と、該排気還流装置により該燃焼室に流入させられる排気を冷却するように、前記吸気通路に設けられた冷却部材と、該冷却部材とシリンダヘッドの吸気ポートとの間に位置づけられると共に該冷却部材の設置箇所と該吸気ポートとを流体連通状態にするように構成されたスペーサ部とを備える、内燃機関におけるＥＧＲガスの冷却システムを提供する。

好ましくは、冷却部材は複数のフィンを備える。

好ましくは、１つの気筒に関して、冷却部材の設置箇所における有効通路断面積は吸気ポートにおける有効通路断面積よりも大きく、スペーサ部は該冷却部材の設置箇所と該吸気ポートとを通しての流体の流れを阻害しないように形成されるとよい。

好ましくは、１つの気筒に関して、スペーサ部は、流体流れ方向の全領域において、冷却部材の設置箇所における有効通路断面積よりも大きな有効通路断面積を有する通路を区画形成する。

好ましくは、１つの気筒に関して、スペーサ部は、吸気ポート側から冷却部材側に至るにつれて、有効通路断面積が大きくなるように変化する通路を区画形成する。

好ましくは、内燃機関は複数の気筒を有し、スペーサ部は、各々が該複数の気筒のうちのいずれか１つに対応する複数の通路を有し、該複数の通路は互いに独立している。

本発明の第１実施形態に係る内燃機関の概念図である。図１の内燃機関の別の概念図である。図１の内燃機関における吸排気バルブのバルブリフトの変化の一例を表した図である。図１の内燃機関における吸排気バルブのバルブリフトの変化の別の例を表した図である。図１の内燃機関における吸気系の一部の模式図である。図１の内燃機関の吸気通路の一部の有効通路断面積の変化を表した模式図である。比較例としての内燃機関の吸気通路の一部の有効通路断面積の変化を表した模式図である。本発明の第２実施形態に係る内燃機関における吸気系の一部の模式図である。本発明の第３実施形態に係る内燃機関における吸気系の一部の模式図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１および図２に本発明の第１実施形態に係る内燃機関（以下、エンジン）１０が概念的に示されている。エンジン１０は、車両に搭載されることができ、ここでは圧縮着火式内燃機関として構成されている。

エンジン１０は、エンジン本体部１２を備え、エンジン本体部１２には吸気マニホールド１４と、排気マニホールド１６とが接続されている。エンジン本体部１２は、シリンダヘッド１８、シリンダブロック２０、図示しないクランクケースを備えて構成されている。

シリンダヘッド１８には、吸気ポート２２と、排気ポート２４とが形成されている。また、シリンダヘッド１８には、燃料噴射弁２６と、吸気ポート２２を開閉する吸気バルブ２８と、排気ポート２４を開閉する排気バルブ３０とが設けられている。吸気バルブ２８は動弁装置３２によって駆動され、排気バルブ３０は動弁装置３４によって駆動される。

なお、動弁装置３２、３４のそれぞれは、動弁カムの周方向の幅を変えたり動弁カムを軸方向に移動させたりすることによってバルブの開閉タイミングやバルブリフト量を変更可能な可変動弁機構を有することができる。あるいは、動弁装置３２、３４のそれぞれは、電気的なアクチュエータを用いてそれらを変更可能な構成を有することができる。なお、動弁装置３２、３４は、それぞれ、従来公知の構成を有することができる。

図示しないエアクリーナを介して吸気通路３６に導入された空気は、ターボチャージャ３８のコンプレッサ４０を介して吸気マニホールド１４に至り、各吸気ポート２２を通り、吸気バルブ２８が開いたときに各燃焼室４２に供給される。なお、燃焼室４２は、シリンダヘッド１８と、シリンダブロック２０の気筒４４と、ピストン４６とにより区画形成されている。

燃料噴射弁２６から燃焼室４２に噴射された燃料は、燃焼室４２で燃焼される。混合気つまり燃料の燃焼により生じたガスつまり排気は、排気バルブ３０を介して燃焼室４２から排気通路４８に排出される。排気は、各燃焼室４２から各排気ポート２４を介して排気マニホールド１６に至り、排気通路４８に設けられたターボチャージャ３８のタービン４９および図示しない排気浄化装置を介して外部に放出される。

エンジン１０は、排気還流装置（ＥＧＲ装置）５０を備えている。ＥＧＲ装置５０は、吸気行程で燃焼室に排気を流入させるための装置である。ＥＧＲ装置５０は、所謂内部ＥＧＲ装置であり、膨張行程から排気行程の間に吸気通路３６に排気を流入（または流出または還流）させ、その後の吸気行程でその排気を空気（新気）と共に気筒４４内または燃焼室４２に流入させるように構成されている。ＥＧＲ装置５０は、吸気バルブ２８、動弁装置３２、動弁装置３２の制御部を含む。

エンジン１０は、制御装置または制御手段としての機能を担う電子制御ユニット（ＥＣＵ）５２を有している。ＥＣＵ５２は、演算装置および記憶装置を含み、所謂コンピュータとして構成されている。ＥＧＲ装置５０の制御部は、ＥＣＵ５２の一部に相当する。ＥＣＵ５２には、各種センサが接続されていて、例えば、エンジン回転速度センサ５４およびエンジン負荷センサ５６が接続されている。エンジン回転速度センサ５４は、ピストン４６にコンロッド５８を介して連結されたクランクシャフトの回転角（クランク角度）を検出するためのクランク角センサであり得る。また、エンジン負荷センサ５６は、吸気通路３６に設けられるエアフローメータや吸気圧センサ、または、アクセルペダルの踏み込み量を検出するためのアクセル開度センサであり得る。そして、ＥＣＵ５２はこれらセンサからの出力に基づいて、燃料噴射弁２６、動弁装置３２、３４などに作動信号を出力する。これにより、燃料噴射弁２６から噴射される燃料の量および燃料噴射時期が制御され、吸排気バルブ２８、３０の各開閉タイミングが制御される。なお、ＥＣＵ５２は、低負荷運転時にはＥＧＲ率を高くし、高負荷運転時にはＥＧＲ率を低くするためのデータを記憶している。ただし、ＥＣＵ５２は、これと異なるＥＧＲ率制御用のデータまたはマップを有することもできる。

図３は、ＥＧＲ装置５０の作動により燃焼室４２へ排気つまりＥＧＲガスを導入する時の、クランク角度の変化に対する吸気バルブ２８および排気バルブ３０のバルブリフトの変化の一例を表した図である。排気バルブ３０は主に排気行程中に図３にＥｘで示す軌跡でリフトするように動弁装置３４によって駆動される。これに対して、吸気バルブ２８は、排気行程の途中で開弁して、主に吸気行程中に図３にＩｎで示す軌跡でリフトするように動弁装置３２によって駆動される。このように、ＥＧＲ装置５０は吸気バルブ２８と排気バルブ３０との開弁期間をオーバーラップさせることで内部ＥＧＲガスを燃焼室４２に導入することができる。要するに、排気行程で吸気バルブ２８を開弁することで排気を一旦吸気通路に流入させて、この排気を吸気行程で燃焼室４２に流入させることで、ＥＧＲ装置５０は所謂内部ＥＧＲガスを燃焼室４２に導入することができる。なお、ＥＧＲ装置５０は、排気行程で吸気バルブ２８を上記の如く開く以外に、膨張行程から排気行程で吸気バルブ２８が図４にＩｎ２で示す軌跡でリフトするように動弁装置３４を制御することで、内部ＥＧＲガスを燃焼室４２に導入するように構成されてもよい。なお、内部ＥＧＲガス量の調節は、吸排気バルブ２８、３０の両方またはいずれか一方の開閉タイミングの少なくとも一方を制御することで実現されることができる。

さらに、エンジン１０は、冷却装置６０を備えている。冷却装置６０は、ＥＧＲ装置５０により燃焼室に流入させられる排気を冷却するように設けられている。本実施形態では、冷却装置６０は、吸気マニホールド１４に一体的に備えられている。冷却装置６０は、冷媒通過パイプ６２と複数のフィン６４とを備えたクーラコア６０ａと、図示しない冷媒タンクと、冷媒供給用のポンプとを備えている。そして、この冷却装置６０を設けることに伴い、スペーサ部６６がシリンダヘッド１８の吸気ポート２２と、冷却装置６０の冷却部材としての複数のフィン６４との間に位置づけられている。したがって、スペーサ部６６は、クーラコア６０ａつまり冷却部材としての冷却フィン６４の設置箇所と吸気ポート２２とを離間状態に保つ。ただし、本実施形態では、スペーサ部６６は、シリンダヘッド１８と一体的に設けられている。なお、冷却装置６０は、液冷式冷却装置であり、ここでは冷媒として水が用いられるが、他の冷媒が用いられてもよい。ただし、本発明は、冷却装置が空冷式の装置として構成されることを排除しない。

図５は、エンジン１０の吸気系の一部の拡大模式図である。図５（ｂ）は図５（a）のＡ−Ａ線断面模式図であり、図５（ｃ）は図５（ａ）の吸気マニホールド１４の側面の模式図である。

図５に示すように、吸気マニホールド１４は、吸気集合部１４ａを有し、吸気集合部１４ａの下流側に冷却装置６０のクーラコア６０ａを備えている。クーラコア６０ａは、吸気通路部分の外側に配置された冷媒通過パイプ６２と、パイプ６２からパイプ軸線方向に対して略直角の方向に延びるように形成された複数の冷却フィン６４とを備えている。ここでは、パイプ６２のパイプ軸線方向はエンジン本体１２の気筒配列方向Ｄに略平行であるので、冷却部材としての複数の冷却フィン６２は気筒配列方向Ｄに略直角に延び、シリンダヘッド１８に略直角に延びる。

スペーサ部６６は、クーラコア６０ａつまり冷却部材としての冷却フィン６４の設置箇所と吸気ポート２２とを適切に流体連通状態にするように構成されている。なお、冷却フィン６４の設置箇所は、吸気マニホールド１４内つまり吸気通路であり、吸気集合部１４ａの下流側である。スペーサ部６６は、冷却フィン６４の設置箇所と吸気ポート２２とを通してのガス（流体）の流れを阻害しないようにまたは円滑にするように設けられている。スペーサ部６６は、互いに独立した４つの通路６６ａを区画形成し、４つの通路６６ａの各々は別々の気筒４４の吸気ポート２２に連通する。

ここで、吸気マニホールド１４のクーラコア６０ａから吸気ポート２２までの吸気通路の有効通路断面積の変化を図６に模式的に示す。なお、ここでは有効通路断面積とは、流体つまりガスが流れることができる通路（空間）部分の、流体流れ方向に対して直角を成す方向での断面の面積である。例えば、クーラコア６０ａつまり複数の冷却フィン６４の設置箇所では、それらフィンを除いた、フィン間のすき間または通路の断面積の総和が有効通路断面積とされる。

図６に示されるように、１つの気筒４４に関して、複数のフィン６４の設置箇所Ｓにおける有効通路断面積は吸気ポート２２（ここでは２つの吸気ポート２２）における有効通路断面積よりも大きい。そして、１つの気筒４４に関して、スペーサ部６６は、流体流れ方向の全領域において、複数のフィン６４の設置箇所Ｓにおける有効通路断面積よりも大きな有効通路断面積を有する通路６６ａを区画形成する。また、１つの気筒４４に関して、スペーサ部６６の通路６６ａは、吸気ポート２２側から冷却部材６４側に至るにつれて、有効通路断面積が大きくなるように変化する。そして、これらの関係がいずれの気筒４４に関しても成り立つように、クーラコア６０ａおよびスペーサ部６６は設計されている。なお、１つの気筒４４に関しての複数のフィン６４の設置箇所Ｓは、吸気枝通路と称されることもできる。

したがって、冷却装置６０とスペーサ部６６とを備える、本実施形態の冷却システムまたは冷却構造によれば、ＥＧＲ装置５０による排気つまりＥＧＲガスの吸気通路３６への流れ込みが阻害されることはない。つまり、図３または図４に示すような膨張行程から排気行程の間の吸気バルブ２８の開弁時のピストン４６によるポンプ作用により、排気を適切に吸気通路３６に導入し、この排気を吸気ポート２２ばかりでなくクーラコア６０ａにまで送ることができる。したがって、適切に内部ＥＧＲガスを生成することができ、また、そのＥＧＲガスを好適に冷却することが可能になり、より効果的に、ＮＯｘ生成を抑制することができる。

なお、ここで、比較例としてのエンジン１１０での、吸気マニホールド１１４のクーラコア１６０ａから吸気ポート１２２までの吸気通路の有効通路断面積の変化を、図７に模式的に表す。エンジン１１０は、上記エンンジン１０と異なり、上記スペーサ部６６を有さない。エンジン１１０では、シリンダヘッド１１８の吸気ポート１２２に直接的につなげられた吸気マニホールド１１４に単に複数の冷却フィン１６４付きの冷却装置１６０が適用され、吸気ポート１２２の上流側にクーラコア１６０ａが隣接している。図６から明らかなように、この場合、吸気ポート１２２の直ぐ上流側での有効通路断面積は、吸気ポート１２２での有効通路断面積よりもかなり小さくなり、内部ＥＧＲ装置による排気の吸気通路への流入は阻害され得る。

次に、本発明に係る第２実施形態について図８に基づいて説明する。第２実施形態のエンジン２１０は、冷却装置２６０のクーラコア２６０ａのパイプの配置の点で、第１実施形態のエンジン１０と相違する。

図８は、第２実施形態のエンジン２１０の吸気系の拡大模式図である。図８（ｂ）は図８（ａ）のＢ−Ｂ線断面模式図であり、図８（ｃ）は図８（ａ）の吸気マニホールド２１４の側面の模式図である。

図８に示すように、シリンダヘッド２１８と吸気集合部２１４ａとの間に冷却装置２６０のクーラコア２６０ａが設けられる。クーラコア２６０ａの冷媒通過パイプ２６２は、吸気通路２３６に位置付けられている。そして、冷媒通過パイプ２６２からその軸線に略直角の方向に延びるように、複数の冷却フィン２６４が配置されている。

このように、本実施形態では、冷却部材としての冷媒通過パイプ２６２と冷却フィン２６４とが吸気通路に直接設けられるので、冷却装置２６０による排気の冷却効果は極めて優れる。なお、さらなる説明はしないが、第２実施形態でも、第１実施形態において図６に基づいて説明したように吸気通路の有効通路断面積が変化するように、冷却装置２６０およびスペーサ部２６６は構成されている。

次に、本発明に係る第３実施形態について図９に基づいて説明する。第３実施形態のエンジン３１０は、冷却装置３６０のクーラコア３６０ａの構成の点で、第１実施形態のエンジン１０と相違する。

クーラコア３６０ａは、吸気マニホールド３１４の吸気集合部３１４ａとスペーサ部３６６との間に位置づけられている。スペーサ部３６６は、各々が各気筒３４４に対応した４つの通路３６６ａを区画形成する。そして、クーラコア３６０ａは、各気筒３４４への吸気枝通路を仕切る壁部３６０ｂを有する。

以上、第１から第３実施形態では、スペーサ部はシリンダヘッドに一体的に設けられたが、スペーサ部つまりスペーサ部材とシリンダヘッドとは別の部材とされて、連結されることも可能である。ただし、スペーサ部は種々の材料から作製可能であるが、信頼性および強度、特に熱応力の点から、スペーサ部はシリンダヘッドと同じ材料から構成されるとよい。また、スペーサ部は、クーラコアまたは吸気マニホールドと一体的に構成されてもよい。さらに、第１から第３実施形態では、吸気マニホールドに冷却装置を一体的に設けたが、吸気マニホールド、特に吸気集合部と、冷却装置とは別の要素とされて、連結されることもできる。例えば、冷却装置は、シリンダヘッドと一体的に構成されてもよい。

さらに、上記実施形態では、冷却装置は内部ＥＧＲガスを冷却するように設けられたが、上記したような冷却装置は外部ＥＧＲガスを冷却するように用いられることもできる。なお、外部ＥＧＲガスは、排気通路と吸気通路とをつなぐＥＧＲ通路を介して吸気系に導入される排気のことである。このＥＧＲ通路を備える所謂外部ＥＧＲ装置は、ＥＧＲバルブを備えることができる。

なお、上記実施形態におけるエンジンは、圧縮着火式内燃機関として構成されたが、本発明は、火花点火式内燃機関のような他の構成の内燃機関に同様に適用されることができる。また、本発明が適用されるエンジンは、気筒配列および気筒数、並びに、１気筒あたりの吸気ポート数を問わない。

以上、本発明を上記実施形態およびその変形例に基づいて説明した。しかし、本発明は、それら実施形態等に限定されず、他の実施形態を許容する。本発明には、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が含まれる。

１０、２１０、３１０エンジン
１４、２１４、３１４吸気マニホールド
５０ＥＧＲ装置
６０、２６０、３６０冷却装置
６４、２６４、３６４フィン
６６、２６６、３６６スペーサ部

Claims

膨張行程から排気行程の間に吸気バルブを開くことによって排気を吸気通路に流入させて、該排気を吸気行程で燃焼室に流入させるように構成された排気還流装置と、
該排気還流装置により該燃焼室に流入させられる排気を冷却するように、前記吸気通路に設けられた冷却部材と、
該冷却部材とシリンダヘッドの吸気ポートとの間に位置づけられると共に該冷却部材の設置箇所と該吸気ポートとを流体連通状態にするように構成されたスペーサ部と
を備え、
１つの気筒に関して、前記冷却部材の設置箇所における有効通路断面積は前記吸気ポートにおける有効通路断面積よりも大きく、
１つの気筒に関して、前記スペーサ部は、流体流れ方向の全領域において、前記冷却部材の設置箇所における有効通路断面積よりも大きな有効通路断面積を有する通路を区画形成する、
内燃機関におけるＥＧＲガスの冷却システム。
前記冷却部材は複数のフィンを備える、請求項１に記載の内燃機関におけるＥＧＲガスの冷却システム。
１つの気筒に関して、前記スペーサ部は、前記吸気ポート側から前記冷却部材側に至るにつれて、有効通路断面積が大きくなるように変化する通路を区画形成する、請求項１または２に記載の内燃機関におけるＥＧＲガスの冷却システム。
前記内燃機関は複数の気筒を有し、前記スペーサ部は、各々が該複数の気筒のうちのいずれか１つに対応する複数の通路を有し、該複数の通路は互いに独立している、請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関におけるＥＧＲガスの冷却システム。