JP6090530B2 - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸気装置に関する。

内燃機関のノッキング防止やＮＯｘ排出量低減等のために、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路に再循環させる排気再循環装置（ＥＧＲ装置）が知られている。

ところで、排気ガスには多量の水分が含まれており、温度が低下すると水分が結露して凝縮水が生成される。このような凝縮水が吸気通路やＥＧＲ通路内に滞留した状態が続くと、吸気通路等に腐食が発生し易くなる。また、一度にまとまった量の凝縮水が内燃機関のシリンダに流入すると、いわゆるウォーターハンマ現象により内燃機関の耐久性が低下する。

凝縮水の滞留への対応策として、ＪＰ２００６−３３６５６３Ａでは、凝縮水を留める水滴保持手段をコレクタタンクへのＥＧＲガス吹き出し口とＥＧＲバルブとの間に設けている。そして、水滴保持手段に凝縮水を溜めることでＥＧＲ通路内に凝縮水が溜まることを防止している。

しかしながら、凝縮水は、ＥＧＲガスと新気とが合流することで温度低下する場合や、過給機付き内燃機関の吸気冷却装置でＥＧＲガスを含む吸気が冷却される場合にも生成される。

上記文献に記載の水滴保持手段では、このようにして生成された凝縮水を溜めることはできず、生成された凝縮水が吸気通路やコレクタタンクに溜まってウォーターハンマ現象を引き起こす可能性がある。

そこで本発明では、まとまった量の凝縮水が一度にシリンダに流入することを防止し得る吸気装置を提供することを目的とする。

図１は、第１実施形態にかかるエンジンシステムの構成図である。 図２は、コレクタタンク及び吸気マニホールドの構成図である。 図３は、第１実施形態にかかるコレクタタンク及び吸気マニホールドの端面図である。 図４は、第２実施形態にかかるエンジンシステムの構成図である。 図５は、第２実施形態にかかるコレクタタンク及び吸気マニホールドの端面図である。 図６は、第３実施形態にかかるコレクタタンク及び吸気マニホールドの端面図である。 図７は、第４実施形態にかかるコレクタタンク及び吸気マニホールドの端面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

なお、以下の説明における上下方向は、内燃機関１を車両に搭載した状態での上下方向を意味する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態の吸気装置を備えるエンジンシステムの概略構成図である。

このエンジンシステムは、内燃機関１、吸気通路２、排気通路３、及びＥＧＲ通路５を備える。内燃機関１はレシプロ型の多気筒内燃機関であるが、図１では便宜上一つの気筒のみを示している。また、内燃機関１は火花点火式機関またはディーゼル機関のいずれであっても構わない。

吸気通路２には、吸気流れの上流側から順に、エアフローメータ９、ターボ過給機１０のコンプレッサ１０Ａ、吸気冷却装置８、スロットルチャンバ１１、及びコレクタタンク１２が配置されている。コレクタタンク１２と各気筒の吸気ポート１４とは吸気マニホールド１３を介して連通している。

吸気冷却装置８は、コンプレッサ１０Ａで圧縮され温度上昇した吸気を冷却するものである。本実施形態の吸気冷却装置８は、走行風との熱交換により吸気を冷却する空冷式、または冷却液との熱交換により吸気を冷却する水冷式のいずれであってもよい。

スロットルチャンバ１１は、コレクタタンク１２の入口部分に設けられ、バタフライバルブの開閉により内燃機関１の吸気量を調節するものである。なお、吸気弁のリフト量及び作用角を可変制御し得る可変動弁機構を備える場合には、可変動弁機構により吸気量を調節することが出来る。この場合には、スロットルチャンバ１１は必須の構成ではない。

吸気マニホールド１３については後述する。

一方、排気通路３には、排気流れの上流側から順に、ターボ過給機１０のタービン１０Ｂと、排気浄化用の触媒４と、が配置されている。

ＥＧＲ通路５は、触媒４の下流側で排気通路３から分岐して、吸気通路２のエアフローメータ９より下流側かつコンプレッサ１０Ａより上流側に合流している。ＥＧＲ通路５には、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ７と、ＥＧＲガスの再循環量を調節するためのＥＧＲバルブ６と、が配置されている。

上記のように、本実施形態のＥＧＲ装置は、排気ガスの一部をＥＧＲガスとしてコンプレッサ１０Ａの上流側の吸気通路２に再循環させる、いわゆる低圧ＥＧＲ装置である。ＥＧＲガスには水分が多く含まれているため、吸気冷却装置８を通過して温度低下すると、水分が結露して凝縮水が生成されることがある。凝縮水がそのまま内燃機関１のシリンダに流入せずに吸気通路２やコレクタタンク１２に滞留する場合には、運転時間の経過に伴って滞留量が増加する。そして、滞留量が増加した状態で、車両が坂道を走行したり、旋回したり、加減速したりすることで、一度にまとまった量の凝縮水がシリンダに流入すると、いわゆるウォーターハンマ現象により、内燃機関１を著しく劣化させるおそれがある。

そこで本実施形態では、凝縮水の貯留量が増加した場合でもウォーターハンマ現象が発生しないように、コレクタタンク１２から吸気マニホールド１３を経て吸気ポート１４の入口に到達するまでの吸気経路を構成する。

図２は、コレクタタンク１２及び吸気マニホールド１３の構成の一例を示す斜視図である。

図３は、図２のIII−III線における端面、つまりコレクタタンク１２のブランチ１３Ａが接続される位置での端面を簡略化した図である。図３中の破線で囲んだ部分は、吸気の流れを理解し易くするために、後述する接続部１２Ｂの高さ方向の位置を示したものである。

コレクタタンク１２は、メインタンク部１２Ａと、スロットルチャンバ１１が接続される接続部１２Ｂとを含んで構成される。接続部１２Ｂは、メインタンク部１２Ａの下端またはその近傍に設けられている。また、コレクタタンク１２の下端位置（図中の破線Ｘ_３）は、吸気ポート１４の入口の下端位置（図中の破線Ｙ_３）よりも下方となっている。

吸気マニホールド１３は、メインタンク部１２Ａと各吸気ポート１４とを連通するブランチ１３Ａを備えており、各ブランチ１３Ａはメインタンク部１２Ａの上端またはその近傍に接続されている。なお、吸気マニホールド１３とコレクタタンク１２とを一体構造としてもよい。

ＥＧＲガスを含む吸気は、吸気冷却装置８を通過した後、スロットルチャンバ１１を通過してメインタンク部１２Ａの下方側からコレクタタンク１２に流入し、メインタンク部１２Ａを下方側から上方側へ向かって進み、吸気マニホールド１３を介して吸気ポート１４へ流入する。また、各ブランチ１３Ａは上に凸な湾曲形状となっている。すなわち、コレクタタンク１２の入口部分である接続部１２Ｂから吸気マニホールド１３を経て吸気ポート１４の入口に到達するまでの吸気経路の一部が上向きとなっている。

本実施形態によれば、コレクタタンク１２の入口から吸気ポート１４の入口までの吸気経路の一部が上向きに構成されているので、生成された凝縮水がまとまって吸気と共にシリンダに流入することを防止できる。

また、本実施形態によれば、コレクタタンク１２の下端が吸気ポート１４の入口の下端部よりも低い位置にあるので、コレクタタンク１２が吸気中の凝縮水を捕集するトラップとしての機能も発揮する。すなわち、吸気冷却装置８を通過する前に生成された凝縮水や、吸気冷却装置８の通過中に生成された凝縮水のうち、ブランチ１３Ａの頂上部を通過できなかったものはコレクタタンク１２の底部に溜まる。これにより、まとまった量の凝縮水が一度にシリンダに流入することを防止できる。また、コレクタタンク１２に凝縮水が溜まったとしても、機関運転中に吸気の流れによって飛散した水滴がシリンダに流入する程度であり、ウォーターハンマ現象を引き起こすことはない。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態の吸気装置を備えるエンジンシステムの概略構成図である。図１との相違点は、吸気冷却装置８がコレクタタンク１２と一体化されている点である。吸気冷却装置８とコレクタタンク１２とを一体化することで、コンプレッサ１０Ａからスロットルチャンバ１１までの吸気通路容積を低減することができる。その結果、加速時等の過渡応答性やレイアウト性等の向上を図ることができる。

本実施形態の吸気冷却装置８は、所定間隔で並ぶ複数のチューブからなるコアの内部を冷却液が流れ、コアの隙間を通過する吸気と冷却液との間で熱交換する、いわゆる水冷式である。なお、チューブの表面には、熱交換の効率を高めるためにコルゲートフィンが設けられている。上記の吸気冷却装置８は、スロットルチャンバ１１を通過してメインタンク部１２Ａに流入した吸気の全量が通過するように、メインタンク部１２Ａに設置されている。

なお、図４には示さないが、吸気冷却装置８は、吸気との熱交換により温度上昇した冷却液を冷却するためのサブラジエータを備える。サブラジエータは、一般的なエンジン冷却水用のラジエータと同様に、走行風との間で熱交換することで冷却液を冷却する構成となっている。

図５は、図３と同様に、コレクタタンク１２のブランチ１３Ａが接続された部分の端面を簡略化した図である。コレクタタンク１２の下端が、吸気ポート１４よりも下方に位置する点、及び、接続部１２Ｂから吸気マニホールド１３を経て吸気ポート１４の入口に到達するまでの吸気経路の少なくとも一部が上向きとなっている点は、第１実施形態と同様である。

吸気冷却装置８は、メインタンク部１２Ａの内部を上下に仕切り、かつ、吸気が下方側から上方側に流れるように配置されている。そして、吸気冷却装置８の上端部、つまり吸気冷却装置８の吸気流路出口側の端部位置（図中の破線Ｘ_５）は、吸気ポート１４の入口の下端位置（図中の破線Ｙ_５）よりも低い位置にある。すなわち、吸気経路には吸気冷却装置８を通過後に下方側から上方側へ向かう部分がある。

本実施形態によれば、吸気冷却装置８の吸気流路出口側の端部が吸気ポート１４の入口の下端部よりも低い位置にあるので、吸気冷却装置８をコレクタタンク１２と一体化した場合でも、生成された凝縮水がまとまって吸気と共にシリンダに流入することを防止できる。また、コレクタタンク１２が凝縮水を捕集するトラップとしての機能を発揮し得る点は、第１実施形態と同様である。

（第３実施形態）
本実施形態は、エンジンシステムの基本的な構成は第２実施形態と同様であるが、コレクタタンク１２及び吸気冷却装置８が第２実施形態と異なる。以下、第２実施形態と異なる点を中心に説明する。

図６は、図３と同様に、コレクタタンク１２のブランチ１３Ａが接続された部分の端面を簡略化した図である。コレクタタンク１２の下端が、吸気ポート１４よりも下方に位置する点、及び、接続部１２Ｂから吸気マニホールド１３を経て吸気ポート１４の入口に到達するまでの吸気経路の少なくとも一部が上向きとなっている点は、第１実施形態と同様である。

本実施形態では、吸気冷却装置８がメインタンク部１２Ａの内部を縦に仕切り、かつ吸気が横方向に流れるように配置されている。そして、吸気冷却装置８の吸気流路出口側の上端位置（図中の破線Ｘ_６）は、吸気ポート１４の入口の下端位置（図中の破線Ｙ_６）よりも低い位置にある。すなわち、接続部１２Ｂからコレクタタンク１２に流入した吸気は、吸気冷却装置８を図中の左側から右側へ通過し、ブランチ１３Ａを通って吸気ポート１４Ａへ流入する。

本実施形態の構成によれば、第２実施形態と同様の作用効果を奏する。

（第４実施形態）
本実施形態は、エンジンシステムの基本的な構成は第２実施形態と同様である。また、吸気冷却装置８がコレクタタンク１２に一体化されており、吸気が下方側から上方側へ通過するように吸気冷却装置８が配置されている点も第２実施形態と同様である。ただし本実施形態では、吸気冷却装置８の吸気流路出口側の端部が、吸気ポート１４の入口の下端部よりも高い位置にある。

本実施形態では、吸気は吸気冷却装置８のコアを下方側から上方側へと通過しなければならず、さらに、コアの吸気流路はコルゲートフィンを備える複数のチューブの隙間である。このため、吸気冷却装置８を通過前又は通過中に生成された凝縮水は、コアの吸気流路の壁面との衝突することで吸気の流れから分離されやすい。したがって、凝縮水が直接吸気ポート１４に流入することを抑制できる。

また、分離された凝縮水はコレクタタンク１２の底部に溜まることになるが、上述した各実施形態と同様に、吸気流れによって水滴となって飛散したものがシリンダに流入する程度であってウォーターハンマ現象が発生することはない。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

Claims (4)

1. ターボ過給機と、
   内燃機関の排気ガスの一部を、吸気通路に再循環させる排気再循環通路と、
   前記吸気通路に再循環させる排気ガスの量を調整する排気ガス流量制御弁と、
   を備える内燃機関の吸気装置において、
   コレクタタンクの入口から前記コレクタタンクに接続する吸気マニホールドを経て吸気ポート入口に到達するまでの吸気通路が、少なくともその一部に車両搭載状態で上向きとなる部分を有すると共に、
   前記コレクタタンクと一体化された液冷式吸気冷却装置をさらに備え、
   前記内燃機関を車両に搭載した状態で、前記液冷式吸気冷却装置の吸気通路の出口側の上端部が、前記吸気ポート入口の下端部よりも低い位置にあり、かつ、前記液冷式吸気冷却装置の出口から前記吸気ポート入口までの流路が上に凸な形状である内燃機関の吸気装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の吸気装置において、
   前記内燃機関を車両に搭載した状態で、前記液冷式吸気冷却装置の吸気通路が上向きになっている内燃機関の吸気装置。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関の吸気装置において、
   前記吸気通路は、前記液冷式吸気冷却装置の出口より下流側で、各吸気ポート入口につながるブランチに分岐する内燃機関の吸気装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の吸気装置において、
   前記内燃機関を車両に搭載した状態で、前記コレクタタンクの下端部が前記吸気ポート入口の下端部よりも低い位置にある内燃機関の吸気装置。

Images