JP6124824B2 - エンジン - Google Patents

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Description

本発明は、EGR装置を備えるエンジンに関する。
従来から、エンジンの燃焼室で発生した排気ガスを吸気系に還流するEGR(排気再循環)装置を備えたエンジンが知られている。排気ガスを吸気系に還流することで、燃費を向上させたり窒素酸化物を減少させたりすることができる。特許文献1は、EGR装置を備えるエンジンを開示する。
図6(a)は、特許文献1のエンジンのコレクタ及び吸気マニホールドの近傍を模式的に示す平面断面図である。このエンジンの吸気系は、コレクタ91と、EGRバルブ92と、吸気マニホールド93と、を備える。コレクタ91には、吸気管接続部91aを介して吸入空気(新気)が流入するとともに、EGRバルブ92を介して排気ガス(以下、EGRガス)が流入する。コレクタ91の内部では、吸入空気とEGRガスとが混合される。この混合された気体は、吸気マニホールド93に形成されたシリンダ接続開口部93aを介して、それぞれのシリンダへ供給される。
また、特許文献1のコレクタ91には、吸気マニホールド93との接続箇所において傾斜する傾斜部91bが形成されている。また、吸気マニホールド93には、コレクタ91との接続箇所において傾斜部91b側へ突出する突出部93bが形成されている。傾斜部91b及び突出部93bが形成されることにより、吸入空気は、図6(a)に示す方向の渦を形成する。これにより、吸入空気とEGRガスとの混合を促進することができる。
図6(b)は、他の従来例(以下、従来例1)におけるエンジンの吸気系を模式的に示す平面断面図である。従来例1は、コレクタ91の形状が特許文献1と異なる。従来例1のコレクタ91には、縮径部91cが形成されている。縮径部91cは、吸気管接続部91a及びEGRバルブ92の下流側に形成された幅狭状の通路である。吸入空気とEGRガスが縮径部91cを通過することで、両者の混合を促進することができる。
特開2013−189982号公報
このように、特許文献1及び従来例1では、EGRガスと吸入空気とを混合させるための構成を備えている。しかし、EGRガスと吸入空気は温度及び密度が異なるため均一になりにくく、更に、EGRガスはエンジンの動作に応じて間欠的にコレクタに供給されるため、EGRガスは塊状となって吸気マニホールドへ供給され易い(図6の雲状の模式図を参照)。塊状のEGRガスは、吸気マニホールドの端部まで届きにくいため、シリンダ毎にEGRガスの濃度が異なることとなる。
更に、特許文献1及び従来例1の構成は、吸入空気とEGRガスとを混合する際に圧力が低下し易いので、シリンダへ供給される空気量が低下し、エンジンの出力が低下してしまう。
また、特許文献1及び従来例1は、コレクタ91の内部の経路を用いて吸入空気とEGRガスとを混合するため、吸気管接続部91aの取付位置を変更することができなかった。そのため、エンジンのレイアウトによっては、吸気管を迂回させてコレクタに接続させる必要があった。
本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その主要な目的は、シリンダへ供給される空気量の低下を防止しつつシリンダ毎のEGRガスの濃度を均一化することができ、様々なレイアウトに適用可能なエンジンを提供することにある。
課題を解決するための手段及び効果
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。
本発明の観点によれば、EGR装置を備える以下の構成のエンジンが提供される。即ち、このエンジンは、EGR管と、EGRバルブと、混合部と、導風部と、を備える。前記EGR管は、EGRガスを排気系から吸気系へ還流する。前記EGRバルブは、前記EGR管に接続され、EGRガスが還流される量を調整する。前記混合部は、吸入された空気である吸入空気を導入可能な吸入空気導入部が複数の位置に形成されており、何れかの前記吸入空気導入部を介して流入した吸入空気と、前記EGRバルブを介して流入したEGRガスと、を混合させて前記吸気マニホールドへ供給する。前記導風部は、前記混合部及び前記吸気マニホールドの少なくとも何れかの内部に位置し、EGRガスが流れる経路を分断する。前記導風部は、前記混合部と前記吸気マニホールドの接続部分に配置され、シリンダの配列方向の一側に向けてEGRガスを案内する部分と、シリンダの配列方向の他側に向けてEGRガスを案内する部分と、を有している。前記導風部は、前記混合部及び前記吸気マニホールドの内部において、高さ方向の中央より上側に位置する。
これにより、塊状のEGRガスを導風部によって分断させることができるので、吸入空気とEGRガスとを均一に混合することができる。従って、特許文献1及び従来例1の構成と比較して圧力の損失を抑えることができるので、エンジンの出力の低下を防止できる。また、導風部を用いて混合を促進させる構成なので、混合部の内部の経路で混合を促進させる構成と異なり、吸入空気導入部の位置によらず混合を促進できる。従って、吸入空気導入部を複数形成し、エンジンのレイアウト等に応じて吸気管の接続方向を選択可能な構成が実現できる。また、一般的に吸気マニホールドはシリンダの配列方向に長いため、当該配列方向の端部までEGRガスが届きにくい。この点、導風部は、シリンダの配列方向の一側に向けてEGRガスを案内する部分と、シリンダの配列方向の他側に向けてEGRガスを案内する部分と、を有しているため、EGRガスがシリンダの配列方向の端部まで案内されるため、シリンダ毎のEGRガスの濃度を一層均一にすることができる。また、導風部が前記混合部及び前記吸気マニホールドの内部において、高さ方向の中央より上側に位置するため、EGRガスは高温なので、混合部及び吸気マニホールドの上面に沿うように流れる。従って、この部分にのみ導風部を配置することで、導風部のコストを抑えつつ、十分な効果を発揮させることができる。
また、本発明の別の観点によれば、EGR装置を備える以下の構成のエンジンが提供される。即ち、このエンジンは、EGR管と、EGRバルブと、混合部と、導風部と、を備える。前記EGR管は、EGRガスを排気系から吸気系へ還流する。前記EGRバルブは、前記EGR管に接続され、EGRガスが還流される量を調整する。前記混合部は、吸入された空気である吸入空気を導入可能な吸入空気導入部が複数の位置に形成されており、何れかの前記吸入空気導入部を介して流入した吸入空気と、前記EGRバルブを介して流入したEGRガスと、を混合させて前記吸気マニホールドへ供給する。前記導風部は、前記混合部及び前記吸気マニホールドの少なくとも何れかの内部に位置し、EGRガスが流れる経路を分断する。また、前記混合部は、前記吸気マニホールドのシリンダの配列方向の中央近傍に取り付けられる。前記吸入空気導入部は、前記混合部におけるシリンダの配列方向の両端側と、前記混合部における前記吸気マニホールドの反対側と、に形成されている。
これにより、塊状のEGRガスを導風部によって分断させることができるので、吸入空気とEGRガスとを均一に混合することができる。従って、特許文献1及び従来例1の構成と比較して圧力の損失を抑えることができるので、エンジンの出力の低下を防止できる。また、導風部を用いて混合を促進させる構成なので、混合部の内部の経路で混合を促進させる構成と異なり、吸入空気導入部の位置によらず混合を促進できる。従って、吸入空気導入部を複数形成し、エンジンのレイアウト等に応じて吸気管の接続方向を選択可能な構成が実現できる。また、混合部を吸気マニホールドのシリンダの配列方向の中央近傍に配置することで、吸入空気とEGRガスをより均一に混合することができる。また、吸入空気導入部を上記の3箇所に形成することで、様々なレイアウトのエンジンに対応することができる。
前記のエンジンにおいては、前記導風部は、前記混合部と前記吸気マニホールドの接続部分に配置され、シリンダの配列方向の一側に向けてEGRガスを案内する部分と、シリンダの配列方向の他側に向けてEGRガスを案内する部分と、を有していることが好ましい。
一般的に吸気マニホールドはシリンダの配列方向に長いため、当該配列方向の端部までEGRガスが届きにくい。この点、上記の構成を採用することで、EGRガスがシリンダの配列方向の端部まで案内されるため、シリンダ毎のEGRガスの濃度を一層均一にすることができる。
前記のエンジンにおいては、前記導風部は、前記混合部及び前記吸気マニホールドの内部において、高さ方向の中央より上側に位置することが好ましい。
EGRガスは高温なので、混合部及び吸気マニホールドの上面に沿うように流れる。従って、この部分にのみ導風部を配置することで、導風部のコストを抑えつつ、十分な効果を発揮させることができる。
エンジンの概略平面図。 コレクタ及び吸気マニホールドの近傍を概略的に示す斜視図。 コレクタ及び吸気マニホールドの近傍を概略的に示す断面図。 吸気管取付部材を付け替えた状態を概略的に示す断面図。 変形例における、コレクタ及び吸気マニホールドの近傍を概略的に示す断面図。 従来における、コレクタ及び吸気マニホールドの近傍を概略的に示す断面図。
次に、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。初めに、図1を参照してエンジン100の概要について説明する。
エンジン100は、ディーゼルエンジンであり、作業機及び船舶等に搭載される。図1に示すように、エンジン100は、吸気系の部材として、吸入管20と、過給機21と、吸気管24と、吸気マニホールド60と、を備える。
吸入管20は、外部から気体を吸入する。吸入管20は、気体中の塵等を取り除くフィルタを備える。
過給機21は、タービンハウジング22と、コンプレッサーハウジング23と、を備える。タービンハウジング22内の図略のタービンホイールは、排気ガスを利用して回転するように構成されている。コンプレッサーハウジング23内の図略のコンプレッサホイールは、タービンホイールと同じシャフトに接続されており、タービンホイールの回転に伴って回転する。過給機21は、コンプレッサホイールが回転することにより、空気を圧縮して強制的に吸気を行うことができる。なお、エンジン100は、自然吸気式であっても良い。
吸気管24は、過給機21によって吸入された気体が流れる。吸気管24の一側は過給機21に接続されており、吸気管24の他側は後述のコレクタ50に接続されている。
吸気マニホールド60は、吸気管24を介して供給された気体(吸入空気、新気)をシリンダ数に応じた数(本実施形態では4つ)に分けてシリンダヘッド10へ供給する。シリンダヘッド10には、シリンダヘッドカバー11及びインジェクタ(燃料噴射装置)12が配置されている。
インジェクタ12は、所定のタイミングで燃焼室に燃料を噴射する。インジェクタ12が燃料を噴射してシリンダブロック内のピストンを駆動させることで、エンジン100は動力を発生させることができる。
エンジン100は、排気系の部材として、排気マニホールド30と、排気管31と、排気ガス浄化装置32と、を備える。なお、エンジン100は、排気ガス浄化装置32を備えていなくても良い。
排気マニホールド30は、複数の燃焼室で発生した排気ガスをまとめて過給機21のタービンハウジング22へ供給する。排気マニホールド30を通過した排気ガスは、一部がEGRガスとしてEGR装置40によって吸気系に還流され、残りが排気ガス浄化装置32で浄化された後に排出される。
EGR装置40は、EGR管41と、EGRバルブ42と、を備えている。EGR管41は、EGRガスを吸気系へ還流する。EGRバルブ42は、バルブ開度を調整することで、吸気マニホールド60へ供給されるEGRガスの量を変化させることができる。EGRバルブ42の開度は、図略のECU(エンジンコントロールユニット)によって制御される。ECUは、例えば吸気圧と排気圧の差圧に基づいてEGRバルブ42のバルブ開度を調整する。
EGRバルブ42は、コレクタ50に接続されている。コレクタ50には、EGRバルブ42を介してEGRガスが流入するとともに、吸気管24を介して吸入空気が流入する。コレクタ50は、EGRガスと吸入空気とを混合して吸気マニホールド60へ供給する。なお、EGRガスを吸入空気と混合させる構成の詳細については後述する。
排気ガス浄化装置32は、排気ガスを浄化して排出する。排気ガス浄化装置32は、酸化触媒と、フィルタと、を備える。酸化触媒は、白金等で構成されており、排気ガスに含まれる未燃燃料、一酸化炭素、一酸化窒素等を酸化(燃焼)するための触媒である。フィルタは、酸化触媒で処理された排気ガスに含まれるPM(粒子状物質)を捕集する。
次に、図2から図4までを参照して、EGRガスを吸入空気と混合させる構成について説明する。なお、以下の説明では、シリンダが配列される方向(図2の左右方向)を単に「シリンダ配列方向」と称する。以下、図2及び図3に示されている、コレクタ50と、吸気マニホールド60と、導風板70と、吸気管取付部材80と、の詳細について説明する。なお、図3(a)は図2のA−A断面矢視図であり、図3(b)は図2のB−B断面矢視図である。
コレクタ50は、中空の直方体状の部材であり、吸気マニホールド60のシリンダ配列方向の中央近傍に取り付けられている(図2)。図3に示すように、コレクタ50には、3つの吸入空気導入部51と、EGRバルブ取付孔52と、吸気マニホールド接続開口部53と、が形成されている(図3)。
吸入空気導入部51は、コレクタ50のシリンダ配列方向の両端の面、及び、コレクタ50の外側の面(吸気マニホールド60の反対側の面)に形成された孔である。吸気管24を流れた吸入空気は、3つの吸入空気導入部51のうち何れか1つを介して、コレクタ50の内部へ流入する。
コレクタ50には、吸気管取付部材80が取り付けられる(図2)。吸気管取付部材80は、3つの吸入空気導入部51のうちの1つと吸気管24とを接続するための吸気管取付部81と、残りの2つの吸入空気導入部51を塞ぐための2つの閉塞部82と、を備えている。なお、吸気管取付部材80は、コレクタ50から一度取り外してシリンダ配列方向に反転させた後に再びコレクタ50に取り付けるだけで、吸気管取付部81の位置をシリンダ配列方向の反対側にすることができる(図3(a)及び図4)。これにより、1つの部材で吸気管24の取付位置を変更することができる。なお、吸気管取付部81と閉塞部82を別部材としても良い。
EGRバルブ取付孔52は、コレクタ50の下面に形成された孔である。EGRバルブ取付孔52は、EGR装置40のEGRバルブ42を取り付けるために用いられる。EGRガスは、高温なのでコレクタ50内を上昇し、コレクタ50の上面に沿うように流れる。そのため、本実施形態のようにEGRバルブ取付孔52を下面に形成することで、上昇するEGRガスが吸入空気と良く触れ合うので、吸入空気とEGRガスの混合を促進することができる。
吸気マニホールド接続開口部53は、エンジン100の内部側(吸気マニホールド60側)に形成された開口部である。コレクタ50に流入した吸入空気及びEGRガスは、吸気マニホールド接続開口部53を介して、吸気マニホールド60へ供給される。
吸気マニホールド60は、中空の直方体状の部材であり、長手方向とシリンダ配列方向とが一致するように配置されている(図2)。吸気マニホールド60には、コレクタ接続開口部61と、シリンダ接続開口部62と、が形成されている(図3)。
コレクタ接続開口部61は、外側(コレクタ50側)に形成された開口部である。コレクタ接続開口部61は、吸気マニホールド接続開口部53に対応する位置に形成されている。コレクタ50に供給された吸入空気及びEGRガスは、このコレクタ接続開口部61を介して吸気マニホールド60の内部へ供給される。
シリンダ接続開口部62は、内側(エンジンブロック側)に形成された開口部である。シリンダ接続開口部62は、シリンダ数に応じた数(本実施形態では4つ)だけ形成されている。吸気マニホールド60に供給された吸入空気及びEGRガスは、このシリンダ接続開口部62から各シリンダへ供給される。
導風板70は、吸気マニホールド60の内部であって、コレクタ接続開口部61の近傍に配置されている(図2及び図3)。導風板70は、EGRガス(特に塊になったEGRガス)を分断して吸気マニホールド60の端部へ向けて案内する。
導風板70は、1枚の板材を折り曲げる又は2枚の板材の端部同士を接合することで形成されたV字状の部材である。導風板70は、第1導風部71及び第2導風部72から構成される。第1導風部71及び第2導風部72は、エンジン100の内側に近づくに従って間隔が広がるように配置されている。また、導風板70は、上下方向の上から1/3程度の領域を占めるように配置されている(換言すれば中央より上側のみを占めるように配置されている)。
上述のように、EGRガスは間欠的に供給されるとともに吸入空気と混合されにくいため、EGRガスは塊状になり易い(図3の雲状の模式図を参照)。EGRガスが塊状になった場合、従来の構成では、EGRガスが吸気マニホールド60の端部のシリンダ接続開口部62まで到達しにくいため、EGRガスの濃度がシリンダ毎に異なる構成となってしまう。
この点、本実施形態では、導風板70に接触することで塊状のEGRガスが分断されるとともに、分断されたEGRガスはそれぞれ端部に向かって流れていく。これにより、EGRガスを端部まで到達させることができるので、シリンダ毎のEGRガスの濃度の差を小さくすることができる。なお、EGRガスは高温なので、コレクタ50の上面に沿うように流れるため(図3(b))、本実施形態のように導風板70を上部にのみ位置させるだけで十分な効果を発揮させることができる。
次に、図5を参照して上記実施形態の変形例を説明する。なお、本変形例の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
上記実施形態では導風部としてV字状の板材の導風板70を用いたが、本変形例では導風部として円柱状の導風柱75を用いている。導風柱75は、吸入空気導入部51の近傍にそれぞれ1つずつ配置されるとともに、吸気マニホールド接続開口部53の近傍に2つ配置されている(図5(a))。また、導風柱75は、コレクタ50の内部の下面から上面にわたって形成されている(図5(b))。
このように導風柱75は、吸入空気及びEGRガスが流れる経路に配置されているので、カルマン渦が発生する。これにより、吸入空気とEGRガスとを十分に混合させることができる。なお、特許文献1でも渦を発生させて吸気とEGRガスとを混合させるが、本変形例では、吸入空気及びEGRガスが通る経路を遮るように導風柱75を配置しているため、より強力な渦が発生するとともに、塊状のEGRガスを分断することができる。従って、特許文献1と比較して、吸入空気とEGRガスを一層確実に混合させることができる。
以上に説明したように、本実施形態のエンジン100は、EGR管41と、EGRバルブ42と、コレクタ50と、導風板70(又は導風柱75)と、を備える。EGR管41は、EGRガスを排気系から吸気系へ還流する。EGRバルブ42は、EGR管41に接続され、EGRガスが還流される量を調整する。コレクタ50は、吸入された空気である吸入空気を導入可能な吸入空気導入部51が複数の位置に形成されており、何れかの吸入空気導入部51を介して流入した吸入空気と、EGRバルブ42を介して流入したEGRガスと、を混合させて吸気マニホールド60へ供給する。導風板70は、コレクタ50又は吸気マニホールド60の内部に位置し、EGRガスが流れる経路の少なくとも一部を分断する。
これにより、塊状のEGRガスを導風板70によって分断させることができるので、吸入空気とEGRガスとを均一に混合することができる。従って、特許文献1及び従来例1の構成と比較して圧力の損失を抑えることができるので、エンジンの出力の低下を防止できる。また、導風板70を用いて混合を促進させる構成なので、混合部の内部の経路で混合を促進させる構成と異なり、吸入空気導入部51の位置によらず混合を促進できる。従って、吸入空気導入部51を複数形成し、エンジン100のレイアウト等に応じて吸気管24の接続方向を選択可能な構成が実現できる。
また、本実施形態のエンジン100の導風板70は、コレクタ50と吸気マニホールド60の接続部分(具体的には吸気マニホールド接続開口部53)に配置され、シリンダの配列方向の一側に向けてEGRガスを案内する第1導風部71と、配列方向の他側に向けてEGRガスを案内する第2導風部72と、を有している。
これにより、EGRガスがシリンダ配列方向の端部まで案内されるため、シリンダ毎のEGRガスの濃度を均一にすることができる。
また、本実施形態のエンジン100の導風板70は、コレクタ50及び吸気マニホールド60の内部において、高さ方向の中央より上側に位置することが好ましい。
EGRガスは高温なので、コレクタ50及び吸気マニホールド60の上面に沿うように流れる。従って、この部分にのみ導風板70を配置することで、導風板70のコストの増加を抑えつつ、十分な効果を発揮させることができる。
また、本実施形態のエンジン100のコレクタ50は、吸気マニホールド60のシリンダ配列方向の中央近傍に取り付けられる。吸入空気導入部51は、コレクタ50のうちシリンダ配列方向の両端部と、コレクタ50のうち吸気マニホールド60の反対側と、に形成されている。
これにより、コレクタ50を吸気マニホールド60のシリンダ配列方向の中央近傍に配置することで、吸入空気とEGRガスをより均一に混合することができる。また、吸入空気導入部51を上記の3箇所に形成することで、様々なレイアウトのエンジン100に対応することができる。
以上に本発明の好適な実施の形態及び変形例を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。
コレクタ50は、吸気マニホールド60の中央部分ではなく端部近傍に配置されていても良い。また、コレクタ50の形状や、吸入空気導入部51又はEGRバルブ取付孔52が形成される位置は任意である。例えば、コレクタ50のうち吸気マニホールド60の反対側の面の吸入空気導入部51を省略して代わりにEGRバルブ取付孔52を形成しても良い。
導風板70の形状は任意であり、適宜変更することができる。例えば第1導風部71と第2導風部72の間隔をあけた形状の導風板70を用いることができる。また、導風部としては、板状の導風板70及び柱状の導風柱75以外にも、例えば網状の部材(金網等)を用いることができる。
また、上記実施形態では、導風部(導風板70及び導風柱75)は、コレクタ50の内部に配置されているが、吸気マニホールド60の内部(例えばコレクタ接続開口部61の近傍)に配置されていても良い。また、コレクタ50及び吸気マニホールド60の両方に跨って配置されていても良い。なお、何れの位置であっても「混合部と吸気マニホールドの接続部分」に該当する。
また、エンジン100の構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。
24 吸気管
30 排気マニホールド
40 EGR装置
41 EGR管
42 EGRバルブ
50 コレクタ(混合部)
60 吸気マニホールド
70 導風板(導風部)
80 吸気管取付部材

Claims (4)

  1. 排気ガスの一部をEGRガスとして吸気マニホールドに還流するEGR装置を備えたエンジンにおいて、
    EGRガスを排気系から吸気系へ還流するEGR管と、
    前記EGR管に接続され、EGRガスが還流される量を調整するEGRバルブと、
    吸入された空気である吸入空気を導入可能な吸入空気導入部が複数の位置に形成されており、何れかの前記吸入空気導入部を介して流入した吸入空気と、前記EGRバルブを介して流入したEGRガスと、を混合させて前記吸気マニホールドへ供給する混合部と、
    前記混合部及び前記吸気マニホールドの少なくとも何れかの内部に位置し、EGRガスが流れる経路を分断する導風部と、
    を備え
    前記導風部は、前記混合部と前記吸気マニホールドの接続部分に配置され、シリンダの配列方向の一側に向けてEGRガスを案内する部分と、シリンダの配列方向の他側に向けてEGRガスを案内する部分と、を有しており、
    前記導風部は、前記混合部及び前記吸気マニホールドの内部において、高さ方向の中央より上側に位置することを特徴とするエンジン。
  2. 排気ガスの一部をEGRガスとして吸気マニホールドに還流するEGR装置を備えたエンジンにおいて、
    EGRガスを排気系から吸気系へ還流するEGR管と、
    前記EGR管に接続され、EGRガスが還流される量を調整するEGRバルブと、
    吸入された空気である吸入空気を導入可能な吸入空気導入部が複数の位置に形成されており、何れかの前記吸入空気導入部を介して流入した吸入空気と、前記EGRバルブを介して流入したEGRガスと、を混合させて前記吸気マニホールドへ供給する混合部と、
    前記混合部及び前記吸気マニホールドの少なくとも何れかの内部に位置し、EGRガスが流れる経路を分断する導風部と、
    を備え、
    前記混合部は、前記吸気マニホールドのシリンダの配列方向の中央近傍に取り付けられ、
    前記吸入空気導入部は、前記混合部におけるシリンダの配列方向の両端側と、前記混合部における前記吸気マニホールドの反対側と、に形成されていることを特徴とするエンジン。
  3. 請求項に記載のエンジンであって、
    前記導風部は、前記混合部と前記吸気マニホールドの接続部分に配置され、シリンダの配列方向の一側に向けてEGRガスを案内する部分と、シリンダの配列方向の他側に向けてEGRガスを案内する部分と、を有していることを特徴とするエンジン。
  4. 請求項に記載のエンジンであって、
    前記導風部は、前記混合部及び前記吸気マニホールドの内部において、高さ方向の中央より上側に位置することを特徴とするエンジン。
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