JP6008532B2

JP6008532B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP6008532B2
Application number: JP2012071286A
Authority: JP
Inventors: 荻野　亨朗; 亨朗荻野
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: JP2013204436A

Description

本願発明は、シリンダヘッドにＥＧＲガス通路を形成したタイプの内燃機関に関するものである。

近年の車両用内燃機関は、燃費向上等の理由で排気ガスを吸気系に還流させるＥＧＲ装置を設けることが多くなっている。ＥＧＲ装置は排気ガスが通るＥＧＲ通路を有しており、このＥＧＲ通路はパイプ材で構成されていることが多いが、本願出願人が特許文献１で開示したように、ＥＧＲガスの一部をシリンダヘッドに設けることも行われている。

特許文献１のようにシリンダヘッドにＥＧＲ通路を設けると、ＥＧＲ装置をコンパクト化できる利点や、ＥＧＲガスはシリンダヘッドを通る冷却水で冷却できるためＥＧＲクーラを不要にすることが可能になる等の利点がある。また、特許文献１の実施形態では、シリンダヘッドの一側面に溝を形成してこれを排気マニホールドに設けたフランジで塞ぐことでＥＧＲ通路と成しており、この構造を採用すると、ＥＧＲ通路を鋳込みで形成するのに比べて、シリンダヘッドの鋳造が容易になる利点がある。

特開２０１０−９６０７６号公報

さて、本願発明者が特許文献１の内燃機関の運転状況を確認していたところ、排気マニホールドのフランジ部の当たりから異音が発生する場合があった。そこで更に解析したところ、異音は、排気ガスが排出されるときに発生していることが判った。また、ＥＧＲ装置にはＥＧＲバルブを設けて排気ガスの還流量を調節しているが、ＥＧＲバルブを閉じた状態のときの方が異音が大きくなることも判った。

本願発明は、このＥＧＲ装置に起因した異音の発生を防止することを目的とするものである。

本願発明者は、異音の発生原因を子細に研究し、ＥＧＲ流入口に流入した排気ガスが排気マニホールドのフランジ部に強く衝突することで異音が発生していることを突き止めた。本願発明者は斯かる知見に基づき、研究を加えることで本願発明に至った。

本願発明に係る内燃機関は、少なくとも１つのシリンダボアが開口しているシリンダブロックと、前記シリンダボアに連通した排気通路を有するシリンダヘッドとを有しており、前記シリンダヘッドの排気通路は、第１排気バルブで開閉される第１排気口を有する第１排気枝通路と、第２排気バルブで開閉される第２排気口を有する第２排気枝通路と、これらが集合すると共に前記シリンダヘッドの一側面に開口した集合排気通路とから成っており、前記集合排気通路には、前記シリンダヘッドの一側面に固定した排気マニホールドが連通している。

更に、更に、前記シリンダヘッドに、前記両排気枝通路のうち一方の排気枝通路から排出された排気ガスが流入するＥＧＲガス流入口と、前記ＥＧＲガス流入口に連通した溝状のＥＧＲガス通路とを、それぞれ前記シリンダヘッドの一側面に開口するようにして形成していて、前記ＥＧＲガス流入口とＥＧＲガス通路とは、前記排気マニホールドに設けたフランジ部で塞がれており、前記ＥＧＲガス流入口に流入した排気ガスが前記排気マニホールドのフランジ部に当たるようになっている。
そして、前記第１及び第２の排気バルブのうち、前記一方の排気枝通路に連通した一方の排気口を開閉する一方の排気バルブが、前記一方の排気枝通路から排出された排気ガスが前記ＥＧＲガス通路を通って前記排気マニホールドのフランジ部に当たっても異音が発生しない程度に排気ガスの運動エネルギを低下させるタイミングとなるように、他方の排気口を開閉する他方の排気バルブよりも遅いタイミングで開くように設定されている。

さて、既述のように、異音は排気ガスが排気マニホールドのフランジ部に強く衝突することで発生している。従って、排気マニホールドに衝突する排気ガスの運動エネルギが低ければ、異音は発生しない。

そして、排気ガスは膨張工程の終期においてもある程度の圧力を持っており、このため、排気工程の始期において排気バルブが開くと、正圧を持った排気ガスが勢い良く排気通路に流れ出て排気マニホールドのフランジ部に衝突しており、これによって異音が発生していたのであるが、本願発明では、ある程度の正圧を持った排気ガスは、ＥＧＲガス流入口に流れ込まずに、他方の排気枝通路から集合排気通路を経て排気マニホールドに放出されるため、異音が発生することはない。

つまり、シリンダボア内の排気ガスは、他方の排気バルブの開くのと同時に自らの圧力により、大気圧を超えた部分が勢い良く排気マニホールドに放出されるのであり、排気ガスが一方の排気枝通路に放出される状態では、排気ガスはピストンで押し出されるだけであって高い圧力は持っていないため、一方の排気枝通路に放出された排気ガスが排気マニホールドのフランジ部に当たっても異音が発生することはないのである。

そして、排気ガスが他方の排気枝通路から放出された後も、第１シリンダボアの内部には排気ガスが残っていてこれが両排気枝通路を介して放出されるため、ＥＧＲ装置に必要な排気ガスの量は確保することができる。従って、本願発明によると、ＥＧＲ通路をシリンダヘッドに設けたことに起因して異音が発生することを、ＥＧＲ機能を阻害することなく防止できる。

第１実施形態に係る内燃機関を部分的に模式化した要部断面図である。第１実施形態を示す図で、（Ａ）は図１のIIA-IIA 視断面図：（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ視図、（Ｄ）は作用を示す図である。ガスの逃がし手段を示す図である。バルブタイミングを遅らせる具体例を示す図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態の内燃機関は複数のシリンダボア１，１′が直列に配置された多気筒内燃機関であり、シリンダブロック（図示せず）の上面に重なったシリンダヘッド２の下面には、シリンダボア１，１′にぴったり重なる燃焼用凹所３が形成されている。

燃焼用凹所３には、シリンダボア１，１′の軸心方向から見て、気筒列中心線（或いはクランク軸の軸心）４を挟んだ両側に、第１及び第２の吸気口５，６と、第１及び第２の一対ずつの排気口７，８とが空いている。各吸気口５，６は吸気バルブ９，１０で開閉され、第１排気口７は第１排気バルブ１１で開閉されて、第２排気口８は第１排気バルブ１２で開閉される。なお、図１では、吸気口５，６と吸気バルブ９，１０及び排気口７，８と排気バルブ１１，１２を真円に描いているが、燃焼用凹所３，３′は台錘状であって各バルブ９〜１２の弁軸はシリンダボアに対して傾斜しているため、実際にはこれらは楕円形状に見える。

図示していないが、吸気口５，６には吸気通路が接続されている。換言すると、吸気口５，６は吸気通路の端に位置している。第１排気口７には第１排気枝通路１３が連通して、第２排気口８には第２排気枝通路１４が連通しており、第１排気枝通路１３と第２排気枝通路１４とは集合排気通路１５に接続されている。集合排気通路１５はシリンダヘッド２の一側面１６に開口しており、各集合排気通路１５は、シリンダヘッド２の一側面にボルト１７で固定した排気マニホールド１８の枝管１９に連通している。シリンダヘッド２と排気マニホールド１８との間にはガスケット２０を介在させている。

以下では、複数のシリンダボア１，１′のうち、シリンダヘッド２の一端面２ａの側に位置した１つのシリンダボア１を便宜的に第１シリンダボア１と呼び、第１シリンダボア１に対応した燃焼用凹所３を第１燃焼用凹所３と呼ぶこととする。シリンダヘッド２の一側面１６と一端面２ａとは互いに交叉している。

第１シリンダボア１でない他のシリンダボア１′に対応した他の燃焼用凹所３′に連通した第１及び第２の排気枝通路１３，１４は、燃焼用凹所３′の軸心を通って気筒列中心線４と直交した横長中心線２２を挟んだ対称に形成されており、このため、他の燃焼用凹所３′の箇所では、集合排気通路１５と排気マニホールド１８の枝管１９との中心線２３は、横長中心線２２とおおむね同じになっている。

他方、第１シリンダボア１に対応した第１燃焼用凹所３に連通している集合排気通路１５は、第１燃焼用凹所３の中心を通る横長中心線２２を挟んでシリンダヘッド２の一端面２ａと反対側にある程度の寸法Ｅだけずれており、これに伴い、排気マニホールド１８の枝管１９も、集合排気通路１５のずれ寸法と同じ寸法Ｅだけ、横長中心線２２からずれている。

第１燃焼用凹所３に連通した第１排気枝通路１３と第２排気枝通路１４とのうち、シリンダヘッド２の一端面２ａから遠い側に位置した第２排気枝通路１４は、集合排気通路１５に近づくに従ってシリンダヘッド２の一端面２ａから僅かずつ離れるように若干傾斜しているものの、基本的には直線に近い状態で集合排気通路１５に連続している。すなわち、第２排気枝通路１４と集合排気通路１５とは、第１シリンダボア１の軸線方向から見ておおむね一直線状に繋がっている。従って、集合排気通路１５及び排気マニホールド１８の枝管１９の中心線２３の延長線は、第２排気口８の中心に近い部位を通っている。

第１燃焼用凹所３に連通した集合排気通路１５がシリンダヘッド２の一端面２ａから離れる方向に偏心していることにより、第１燃焼用凹所３に連通した第１排気枝通路１３は、第１排気口７から離れるに従って集合排気通路１５に近づくように湾曲しており、このため、第１排気枝通路１３と集合排気通路１５との連接部２４は緩く湾曲しており（屈曲していてもよい）、連接部２４の内面のうち第２排気枝通路１４と対向した内面は凹曲面２４ａになっている。

そして、第１排気枝通路１３と集合排気通路１５との連接部２４の凹曲面２４ａに、第１排気枝通路１３とシリンダヘッド２の一側面１６とに開口したＥＧＲガス流入口２５を形成し、更に、シリンダヘッド２の一側面１６に、ＥＧＲガス流入口２５に連通した縦長溝２６を形成し、ＥＧＲガス流入口２５と縦長溝２６とを排気マニホールド１８に設けた縦長フランジ部２７で塞ぐことにより、縦長ＥＧＲ通路２８を形成している。シリンダヘッド２のうち一端面２ａ寄りの部位には、縦長ＥＧＲ通路２８に連通してシリンダボア１の軸線方向に向いたジョイントＥＧＲ通路２８ａと、ジョイント縦長ＥＧＲ通路２８ａに連通して横長中心線２２と同方向に延びる横長ＥＧＲ通路２８ｂとが形成されており、横長ＥＧＲ通路２８ｂは、シリンダヘッド２のうち一側面１６と反対側の他側面（吸気通路が開口している側の面）に開口している。

本実施形態では、第１燃焼用凹所３に対応した箇所に本願発明が適用されており、請求項との関係では、第１排気バルブ１１が一方の排気バルブに相当して、第２排気バルブ１２が他方の排気バルブに相当する。

図１から理解できるように、ＥＧＲバルブ（図示せず）を開いた状態では、第１排気枝通路１３に排出された排気ガスは、ＥＧＲガス流入口２５と集合排気通路１５とに分岐して流れ込み、ＥＧＲバルブを全閉した状態では、排気ガスは全て集合排気通路１５に排出される。他方、第２排気枝通路１４に排出された排気ガスは、その全てが集合排気通路１５を介して排気マニホールド１８に流れ込む。

さて、図３（Ａ）はクランク角と筒内圧力との関係を示すグラフであり、膨張行程ではピストンを押し下げることで燃焼ガスの圧力は低下していくが、燃焼ガスはピストンが下死点に至ってもある程度の正圧を維持しており、燃焼ガス（排気ガス）のうち大気圧を超えた部分は排気バルブの開と共に瞬間的に排気通路に排出され、その後は、筒内に残った排気ガスはピストンの押し上げによって排気通路に排出される。従って、図３（Ａ）に示すように、筒内の圧力は、排気バルブの開きによって殆ど瞬間的に大気圧近くまで下がる。

そして、図３（Ｂ）に示すように、本願発明では、排気行程の始期においてまず第２排気バルブ１２を開き、それから、図３（Ｃ）に示すように、若干の時間間隔をおいて第１排気バルブ１３を開く。すると、正圧状態の排気ガス（燃焼ガス）は、第２排気バルブ１２の開によって第２排気枝通路１４及び集合排気通路１５を介して排気マニホールド１８に放出され、次いで、第１排気バルブ１１が開くと、筒内に残っていた排気ガスはピストンの押し上げにより、第１排気枝通路１３と第２排気枝通路１４に排出される。第１排気枝通路１３に排出された排気ガスのうち一部はＥＧＲガス流入口２５に入り、残りは集合排気通路１５を介して排気マニホールド１８に排出される。

そして、第１排気枝通路１３から排出される排気ガスは高い圧力は持っておらず、単にピストンで押されて排出されるだけであって高い運動エネルギは持っていないから、ＥＧＲガス流入口２５を介して排気マニホールド１８のフランジ部２７に当たっても、衝突音を発生させることはない。また、第１排気枝通路１３に排出された排気ガスは直進性を持ってＥＧＲガス流入口２５に入るため、ＥＧＲ装置に必要なガス量は十分に確保できる（むしろ、急激な圧力変動がないため、制御も滑らかになると期待される。）。第１排気バルブ１１の遅角タイミングは、クランク軸の回転角度でおおよそ５°程度で十分である。

図４では、第１排気バルブ１１の開きタイミングを後らせる具体的な構成を例示している。このうち（Ａ）に示す例では、排気弁１１，１２をカムシャフト３０で開閉する方式において、第１排気バルブ１１を開閉動させるための第１カム３１の初期当たり面３１ａを、第２排気バルブ１２を開閉動させるための第２カム３２の初期当たり面３２ａよりも、カム軸３０の回転方向（Ａ方向）に向かって後ろ側かに僅かだけずらして形成している。なお、両排気バルブ１１，１２の閉じタイミングは同じである。

他方、図４（Ｂ）に示す例では、第１カム３１と第２カム３２とは同じ位置・同じプロフィールに形成して、第１排気バルブ１１のブッシュキャップ３３と第１カム３１の初期当たり面３１ａとの間に若干の寸法ｅの隙間を設けておくことにより、第１排気バルブ１１の開きタイミングが遅れるように設定している。

（Ｂ）の例の変形例として、プッシュキャップ３３と弁軸３４との間に若干のクリアランスを設けておいて、プッシュキャップ３３は弁ばね３５で常に第１カム３１に当接した状態を保持しつつ、第１カム３１がプッシュキャップ３３を弁ばね３５に抗して押し下げても、クリアランスがゼロになるまでは弁軸３４がスライドしない領域を設けおく、という構成も採用可能である。

また、各々の排気バルブ１１，１２を油圧等で個別に制御する方式の場合は、第１排気バルブ１１の開きタイミングが遅れるように、ＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）を設定したらよい。

本願発明は、ガソリンエンジン等の各種の内燃機関に適用できる。従って、産業上利用できる。

１，１′ 第１シリンダボア
２シリンダヘッド
３，３′ 燃焼用凹所
７第１排気口
８第２排気口
１１第１排気バルブ（一方の排気バルブ）
１２第２排気バルブ（他方の排気バルブ）
１３第１排気枝通路
１４第２排気枝通路
１５集合排気通路
１８排気マニホールド
１９枝管
２２横長中心線
２４連接部の凹曲面
２５ＥＧＲガス流入口
２６横長溝
２７排気マニホールドのフランジ部
２８ＥＧＲ通路の一部を構成する縦長ＥＧＲ通路
３０カムシャフト
３１第１カム
３２第２カム
３４弁軸
３５弁ばね

Claims

少なくとも１つのシリンダボアが開口しているシリンダブロックと、前記シリンダボアに連通した排気通路を有するシリンダヘッドとを有しており、
前記シリンダヘッドの排気通路は、第１排気バルブで開閉される第１排気口を有する第１排気枝通路と、第２排気バルブで開閉される第２排気口を有する第２排気枝通路と、これらが集合すると共に前記シリンダヘッドの一側面に開口した集合排気通路とから成っており、前記集合排気通路には、前記シリンダヘッドの一側面に固定した排気マニホールドが連通しており、
更に、前記シリンダヘッドに、前記両排気枝通路のうち一方の排気枝通路から排出された排気ガスが流入するＥＧＲガス流入口と、前記ＥＧＲガス流入口に連通した溝状のＥＧＲガス通路とを、それぞれ前記シリンダヘッドの一側面に開口するようにして形成していて、前記ＥＧＲガス流入口とＥＧＲガス通路とは、前記排気マニホールドに設けたフランジ部で塞がれており、前記ＥＧＲガス流入口に流入した排気ガスが前記排気マニホールドのフランジ部に当たるようになっている構成であって、
前記第１及び第２の排気バルブのうち、前記一方の排気枝通路に連通した一方の排気口を開閉する一方の排気バルブが、前記一方の排気枝通路から排出された排気ガスが前記ＥＧＲガス通路を通って前記排気マニホールドのフランジ部に当たっても異音が発生しない程度に排気ガスの運動エネルギを低下させるタイミングとなるように、他方の排気口を開閉する他方の排気バルブよりも遅いタイミングで開くように設定されている、
内燃機関。