JP6284357B2 - 内燃機関のｅｇｒ装置 - Google Patents

Description

本願発明は、内燃機関のＥＧＲ装置（排気ガス還流装置）に関するものである。

近年の車両用内燃機関では、排気ガスの浄化促進や燃費向上等のために、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気系に還流させるＥＧＲ装置を備えていることが多い。ＥＧＲガスの取り出し手段として、排気通路からＥＧＲ配管を分岐させることが広く行われており、その例として特許文献１には、ＥＧＲ配管を排気通路のうち触媒コンバータの直下部に固着して、ＥＧＲ配管を上向きに立ち上げてその上端に略水平姿勢のフランジを設けて、フランジを使用してＥＧＲクーラに接続することが記載されている。

特開２０１２−３１７８２号公報

特許文献１の構成では、フランジをボルトでＥＧＲクーラに固定するに当たっては、ボルトを下方からＥＧＲクーラにねじ込まなければならないため、作業者は無理な姿勢を取らねばならず、このためＥＧＲクーラの取付け作業の負担が大きいという問題がある。

また、触媒コンバータの直下にＥＧＲ配管を接続した場合、触媒コンバータの横にＥＧＲクーラを配置すると、ＥＧＲ配管は排気通路からいったん横向きに延びてから上向きに立ち上がるＬ形の姿勢にせねばならず、すると、機関停止後にＥＧＲクーラに発生した凝縮水がＥＧＲ配管の水平部に溜まって、当該水平部を腐食させるおそれもある。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明のＥＧＲ装置は、
ＥＧＲガスの流れ方向を向いて上流側の始端よりも下流側の終端が高くなっているＥＧＲ配管を備えており、
前記ＥＧＲ配管は、排気通路に接続された第１部分とこれに接続された第２部分とを有していて、両部分の接続部近傍は略水平状かそれに近い姿勢になっており、前記第１部分と第２部分とは、それらに固定されたフランジを重ね合わせることで接続されており、前記両フランジの間に、前記第１部分の終端の流路下面及び第２部分の始端の流路下面よりも低くなった凹所を形成している構成であって、
前記凹所は、前記両フランジのうちいずれか一方又は両方の合わせ面に流路方向に段落ちした環状溝を設けることによって形成されており、このため、前記環状溝を形成しているフランジは、当該環状溝の箇所において厚さが薄くなっている。

本願発明によると、機関停止後に第１部分よりも下流側に凝縮水が発生しても、その凝縮水は第１部分と第２部分とを接続する２枚のフランジの合わせ面に形成した凹所に溜めることができる。従って、フランジをステンレスのような耐蝕性の高い材料で製造することにより、有害成分を含んでいる凝縮水によってＥＧＲ配管が腐食することを防止できる。

この場合、凹所となる環状溝は２枚のフランジのうち一方又は両方の端面に切削等で簡単に加工できるため、加工コストの上昇も抑制できる。更に、フランジはその性質上第１部分及び第２部分の断面積よりも大きい面積があって受熱容量も大きいため、機関停止後に凝縮水が発生して凹所に垂れ落ちても、フランジに残っていた残熱によって凝縮水を蒸発させることも可能であり、この点からも、凝縮水の悪影響を防止できる。また、凝縮水の発生を防止できることから配管（特に第１部分よりも下流側の配管）の取り回しの自由性が高くなって、部材のレイアウトの自由性も向上できる。

また、両フランジを締結するボルトは略水平姿勢になるため、作業者は無理な姿勢を採ること無くボルトのねじ込み操作を行うことができる。このため、作業者の負担を軽減できると共に、組み付けの能率も向上できる。

第１部分が水平に対して僅かしか傾斜していない場合（或いは傾斜がない場合）、実施形態のように第２部分を大きく曲げてその下端にフランジを設けると、第１部分の下流側で発生した凝縮水を第１部分に至らせることなく凹所で的確に補集できる利点がある。

特許文献１の場合はＥＧＲ配管は殆ど上下方向にだけ延びた姿勢であるため、触媒コンバータが熱膨張するとＥＧＲ配管は下向きに強く引っ張られ、このためＥＧＲクーラに大きな外力が作用するおそれがあるが、本願発明では第１部分は横向き姿勢の部分を有するため、排気通路の熱膨張を第１部分の曲がり変形で容易に吸収できる。

内燃機関の全体的な側面図である。 図１のII-II 視正面図である。 図１のIII-III 視断面図である。 図１の IV-IV視図である。 （Ａ）は図１の VA-VA視断面図、（Ｂ）は図１の VB-VB視断面図である。 （Ａ）は図２のVIA-VIA 視断面図、（Ｂ）は図２のVIB-VIB 視断面図、（Ｃ）は（Ｂ）の部分拡大図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明では方向を特定するため上下・左右・前後の文言を使用するが、上下は鉛直線の方向であり、前後方向はクランク軸及びシリンダボアに対して直交した方向であり、左右方向はクランク軸の長手方向である。

(1).概要
本実施形態の内燃機関は、シリンダブロック１とその上面に固定されたシリンダヘッド２とを有する機関本体を備えており、機関本体は、クランク軸３を左右長手の姿勢にした横向きで車両に搭載されている（図１では、クランク軸３は一点鎖線で模式的に表示している。）。シリンダヘッド２の上面にはシリンダヘッドカバー４が固定されており、シリンダブロック１の下面にはオイルパン５を固定している。

シリンダブロック１及びシリンダヘッド２の左右端面（短手側面）のうち一方の端面１ａ，２ａには１枚のチェーンケース６が固定されており、チェーンケース６とシリンダブロック１及びシリンダヘッド１との間に形成された空間に、タイミングチェーン（図示せず）等のカム軸駆動機構を配置している。

クランク軸３の一端部はチェーンケース６の外側に突出しており、図２のとおり、突出端部に補機駆動プーリ７を固定し、補機駆動プーリ７に巻き掛けた補機駆動ベルト８により、オルタネータ９とウォータポンプ１０とエアコン用コンプレッサ１１とを駆動している。オルタネータ９とウォータポンプ１０とエアコン用コンプレッサ１１とは、機関本体のうち手前側に寄っている。このため、ウォータポンプ１０のプーリ１２には補機駆動ベルト８が背面掛けされている。図２に示す符号１３は、テンションプーリである。

ウォータポンプ１０は、チェーンケース６の一部であるハウジング部１４と、ハウンジング１０に対してプーリ１２の側から固定されたポンプカバー１５と、ハウンジング１０に対してプーリ１２と反対側から固定されたインレットカバー１６とを主要要素としており、内蔵した羽根がプーリ１２と一体に回転することで、内部に設けた吐出口から冷却水がシリンダブロック１に設けたメインギャラリーに圧送される。

ウォータポンプ１０のインレットカバー１６は、クランク軸３と平行な流入口１６ａを備えており、流入口１６ａはチェーンケース６と反対側に突出している。なお、シリンダブロック１のうち、チェーンケース６と反対側の他端面１ｂには変速機１７を固定している。

図１に示すように、シリンダヘッド２における前面２ｃの左右略中間部には、排気継手１８が固定されており、排気継手１８に、排気通路を構成する触媒コンバータ１９を一体に設けている。本実施形態では、各気筒ごとに設けた排気ポートを集合させる集合通路（排気マニホールド部）はシリンダヘッド２の内部に設けており、シリンダヘッド２の外面には１つの排気口が空いているだけである。

触媒コンバータ１９の上部と下部にはテーパ部を設けており、下テーパ部の下端に継手管２０を接続し、継手管２０に排気管２１が接続されている。また、継手管２０にはフランジ板２２が固定されている。フランジ板２２はブラケット（図示ぜす）を介してシリンダブロック１に固定されている。

図１に示すとおり、触媒コンバータ１９は、クランク軸３及びシリンダボアと直交した方向から見ると、下に行くに従ってチェーンケース６から遠ざかるように鉛直線に対して傾斜し、図２に示すように、クランク軸３の軸心方向から見ると、下に行くに従ってシリンダブロック１から離れるように直線に対して傾斜している。なお、触媒コンバータ１９は、薄板製のインシュレータ（図示せず）で手前から覆われている（半周程度を覆っている。）。

(2).冷却水配管・ＥＧＲ装置
シリンダヘッド２のうちチェーンケース６と反対側に位置した他方の端面２ｂには、冷却水の流れを制御するサーモ弁ユニット２５を設けている。図示は省略するが、サーモ弁ユニット２５の箇所からラジェータやヒータ等に配管されている。

シリンダヘッド２の前面２ｃのうちサーモ弁ユニット２５に近い端部に冷却水出口２６が開口しており、冷却水出口２６とウォータポンプ１０の流入口１６ａとが戻り管２７で接続されている。他方、触媒コンバータ１９の継手管２０には、排気ガスを吸気系に還流させるＥＧＲ配管２８が接続されており、ＥＧＲ配管２８の終端は、シリンダヘッド２の前面のうち冷却水出口２６の直下にフランジ板２９を介して接続されている。シリンダヘッド２には、ＥＧＲ配管２８に連通したＥＧＲ内部通路が空いており、ＥＧＲガスは、ＥＧＲ内部通路からＥＧＲバルブを経由して吸気系に送られる。

ＥＧＲ配管２８の中途部にはＥＧＲクーラ３０が介挿されており、ＥＧＲクーラ３０は戻り管２７にも介挿されている。従って、戻り管２７は、ＥＧＲクーラ３０よりも上流側に位置した流入管２７ａと、ＥＧＲクーラ３０よりも下流側に位置した出口管２７ｂとに分離されている。

他方、ＥＧＲ配管２８もＥＧＲクーラ３０で分断されているが、ＥＧＲクーラ３０よりも上流側の部分は、触媒コンバータ１９の継手管２０に固定された第１部分２８ａと、ＥＧＲクーラ３０に固定された第２部分２８ｂとに分離していて、両者は、その端部に固定された第１及び第２のフランジ３１，３２をボルト３３で締結することで接続されている。第１部分２８ａは第２部分２８ｂよりも少し大径になっている。

ＥＧＲ配管２８のうち、ＥＧＲクーラ３０よりも下流側の部分は１本の第３部分２８ｃから成っており、その終端に既述のフランジ板２９が固定されていて、フランジ板２９がボルト３４（簡略表示している）でシリンダヘッド２に固定されている。

戻り管２７における流入管２７ａの始端にもフランジ板３５が固定されていて、フランジ板３５がボルト３６でシリンダヘッド２に固定されている。図３及び図４に示すように、シリンダヘッド２のうち戻り管２７及びＥＧＲ配管２８を固定している部分は、排気継手１８を固定している部分よりも後ろ側に段落ちしている（正確に述べると、戻り管２７及びＥＧＲ配管２８を固定している部分がシリンダヘッド２の基準前面であり、基準前面に蓋板を固定することで排気集合通路を構成し、蓋板の前面に排気継手１８を固定している。）。

ＥＧＲクーラ３０は、上下面と前後面及び左右面を有していて略角形に近い形態であり、図１のとおり、触媒コンバータ１９とウォータポンプ１０との間に配置されているが、ウォータポンプ１０よりも触媒コンバータ１９に近づくように配置されている。また、 図５に明示するように、ＥＧＲクーラ３０は触媒コンバータ１９よりもシリンダブロック１の側に寄せて配置されている。また、ＥＧＲクーラ３０は、平面視で、ウォータポンプ１０から遠ざかるほどシリンダブロック１に近づく姿勢で配置している。

ＥＧＲクーラ３０の内部には、偏平チューブ状のガス通路（フィン）３７ａの多数枚からなる熱交換部３７が配置されており、隣り合ったガス通路３７ａの間を冷却水が通ることでＥＧＲガスが冷却される。この場合、流入管２７ａと出口管２７ｂとを手前側に寄せてＥＧＲクーラ３０に接続し（すなわち、入口３０ａと出口３０ｂを手前に寄せて配置し）、かつ、熱交換部３７は後ろ側に寄せて いる。このため、熱交換部３７の手前には逃がし通路３８が空いている。また、熱交換部３７の左右両側にも逃がし通路３８が空いている。出口管２７ｂは流入管２７ａよりも少し下に配置している。

従って、流入管２７ａからＥＧＲクーラ３０の内部に流入した冷却水のうち、熱交換部３８を通過してＥＧＲガスの冷却の働きをするものは一部であり、ＥＧＲガスの冷却機能を全く又は殆ど発揮することなく通過するだけの冷却水も相当割合にのぼっている。

図５（Ａ）に示すように、戻り管２７のうち出口管２７ｂは、ウォータポンプ１０の流入口１６ａに内側から差し込んだだけの接続構造になっている。従って、ＥＧＲクーラ３０はウォータポンプ１０の軸心上に配置されている。

この場合、流入口１６ａの開口縁に内向きの環状突起３９を設ける一方、出口管２７ｂには、環状突起３９に嵌合する外向きの環状溝４０を形成しており、出口管２７ｂは流入口１６ａに圧入によって嵌め込まれている。環状突起３９と環状溝４０とが嵌まり合っているため、出口管２７ｂが流入口１６ａに対して多少は傾くことが許容されており、かつ、多少傾いてもシール性は確保されている。

戻り管２７を構成する流入管２７ａは触媒コンバータ１９の後ろに配置されているが、図１の側面視では略く字状に屈曲し、図３の正面視では略Ｚ字状に屈曲し、図５の平面視でも屈曲している。流入管２７ａはこのように三次元方向に曲がっているため、上下方向等に容易に曲がり変形できる。

ＥＧＲ配管２８を構成する第３部分２８ｃも、図１の側面視ではクランク状に曲がって、図３の正面視では略Ｚ字状に曲がって、図５の平面視ではく字状に曲がっている。従って、第３部分２８ｃも上下方向に簡単に曲がり変形する。ＥＧＲ配管２８の第３部分２８ｃは戻り管２７の流入管２７ａよりも後ろに配置されている。このため、触媒コンバータ１９の熱を第３部分２８ｃが受けることを、流入管２７ａによって抑制できる。

図６（Ａ）のとおり、ＥＧＲ配管２８の第１部分２８ａの始端は、触媒コンバータ１９の継手管２０の後面（シリンダブロック１に向いた面）に溶接で固定されている。従って、第１部分２８ａは、左右横長の部分と前後長手の部分とで平面視で略Ｌ形の形態を成している。図６（Ｂ）のとおり、第１部分２８ａのうち左右横長の部分は、上流側が低くなるように水平に対して僅かに傾斜している。前後長手の部分も手前に行くに従って低くなるように傾斜している。従って、第１部分２８ａは、全体として、触媒コンバータ１９の継手管２０に向けて低くなるように緩く傾斜している。

ＥＧＲ配管２８のうち第２部分２８ｂは、図１の側面視で略Ｌ形に曲がっており、ＥＧＲクーラ３０に対しては溶接（又はろう付け）で固定されている。そして、第１部分２８ａの終端に溶接で固定した第１フランジ３１と、第２部分２８ｂの始端に溶接で固定した第２フランジ３２とをボルト３３で締結しているが、第１フランジ３１を第２フランジ３２よりも厚くして、第１フランジ３１に雌ねじを形成している。図３，４のとおり、ボルト３３は第１部分２８ａを挟んだ上下に位置している。このため、締結作業に当たって作業者は無理な姿勢を取ることなく、レンチ（図示せず）でボルト３３を簡単に回転操作できる。

また、図６（Ｃ）に明示するように、第１フランジ３１の終端部の内周面を削り取ることにより、第１フランジ３１と第２フランジ３２とで環状溝４１を形成している。環状溝４１の下部が請求項に記載した凹所になる。フランジ３１，３２は、ステンレス板のような防錆性の高いものが好ましい。

(3).まとめ
機関が停止すると、ＥＧＲクーラ３０の内部に残っていた水分が冷却水で冷却されることで、ＥＧＲクーラ３０の内部に凝縮水が発生してこれが下に垂れ落ちることがあるが、凝縮水Ｗは第１及び第２のフランジ３１，３２の合せ面の箇所に設けた環状溝４１に溜まるため、第１部分２８ａや排気管２１が有害成分を含んだ凝縮水Ｗで侵されることを防止できる。

なお、機関を始動すると、凝縮水Ｗは排気ガスの熱によって蒸発するので、始動後に悪影響を受けることはない。また、ＥＧＲ配管２８は始端よりも終端が高くなっており、途中には下向きに曲がった部分は存在しない。このため、機関の停止時にＥＧＲ配管２８の途中に凝縮水が溜まるようなことはない。

また、環状溝４１を構成する両フランジ３１，３２は第１部分２８ａ及び第２部分２８ｂの端部の体積に比べて体積が大きく受熱容量も大きいため、両部分２８ａ，２８ｂが冷えてもフランジ３１，３２は残熱で熱いままになっていることが多い。このため、機関停止後に、第２部分２８ｂから流下した凝縮水Ｗを蒸発させて無害化することも可能になる。この場合、第１フランジ３１の方が第２フランジ３２より温度が高いため、実施形態のように第１フランジ３１を削ることで環状溝４１を形成すると、凝縮水Ｗの蒸発を促進できる利点がある。

実施形態のように、ＥＧＲ配管２８の第１部分２８ａを第２部分２８ｂより大径に設定すると、両部分２８ａ，２８ｂに多少の芯ずれ（組み付けや加工の誤差）があっても、凝縮水Ｗは第２部分２８ｂに滞留することなく第１部分２８ａに向けて流下し、環状溝４１に溜まる。すなわち、凝縮水Ｗが環状溝４１に垂れ落ちずに第２部分２８ｂに残ったままになるようなことはない。このため、第２部分２８ｂが凝縮水Ｗで侵されることもなく、凝縮水Ｗを、耐蝕性の高いフランジ板３１，３２で形成された環状溝４１に溜めることができる。

ＥＧＲ配管２８の第１部分２８ａは継手管２０の前面又は側面に接続することも可能であるが、実施形態のように継手管２０の後面に設けると、継手管２０の後ろのデッドスペースを有効利用できると共に、触媒コンバータ１９の熱膨張による曲がり変形も容易化できる利点がある。

さて、内燃機関を始動すると、触媒コンバータ１９は、排気ガスの熱を受けてその長手方向である上下方向に大きく熱膨張する。このため、ＥＧＲ配管２８の第１部分２８ａ及び第２部分２８ｂが下方に移動し、これに伴ってＥＧＲクーラ３０は下向きに引っ張られる。

そして、図５（Ａ）を参照して説明したように、戻り管２７の出口管２７ｂはウォータポンプ１０の流入口１６ａに対してシール性を保持した状態で傾き得ると共に、戻り管２７の流入管２７ａは上下方向に容易に弾性変形し、かつ、ＥＧＲ配管２８の第３部分２８ｃも上下方向に容易に変形するため、ＥＧＲクーラ３０は触媒コンバータ１９の熱膨張に追従して容易に下降動する。このため、触媒コンバータ１９の熱膨張によって各配管に熱歪みが溜まるようなことはなくて、配管部分の耐久性を向上できる。

この場合、ＥＧＲ配管２８の第２部分２８ｂ及び第３部分２８ｃは第１部分２８ａよりも小径で剛性が小さくなっているため、第１部分２８ａよりも第３部分２８ｃが簡単に曲がり変形する。かつ、第３部分２８ｃは長さが長いため、応力が集中するようなことはなくて、耐久性が低下するようなこともない。

さて、金属は温度が高くなると強度が低下するため、高温になる部分ほど断面積を大きくしたり耐熱性の高い素材を使用したりする必要がある。しかるに、本実施形態では、第２部分２８ｂ（及び第３部分２８ｃ）は触媒コンバータ１９から遠いと共にＥＧＲクーラ３０に近いことから第１部分２８ａよりも温度が低いため、第１部分２８ａと同じ素材でかつ第１部分２８ａより小径であっても、必要な強度を確保することができる。従って、第２部分２８ｂ（及び第３部分２８ｃ）を小径とすることで、必要な強度を確保しつつコストを抑制できると共に、触媒コンバータ１９の熱膨張吸収にも貢献できる。

本実施形態は、戻り管２７の始端は、ＥＧＲクーラ３０を挟んでウォータポンプ１０と反対側でかつＥＧＲクーラ３０よも上の位置においてシリンダヘッド２に固定されており、ＥＧＲ配管２８の始端（第１部分２８ａの始端）は、ＥＧＲクーラ３０よりも下方の部位でかつウォータポンプ１０と反対側において触媒コンバータ１９の継手管２０に固定されている。このため、戻り管２７の始端と、戻り管２７の終端と、ＥＧＲ配管２８の始端とが三角形の頂点を成すように配置されており、ＥＧＲクーラ３０は三角形の内側に配置されている。このため、ＥＧＲクーラ３０は専用のブラケットを要することなく安定的に支持されている。従って、コスト抑制・軽量化に貢献できる。

つまり、ＥＧＲ配管２８もＥＧＲクーラ３０の支持ブラケットとして機能しているのであり、ＥＧＲ配管２８のうちの第１部分２８ａが大径であることにより、ＥＧＲクーラ３０を的確に支えることができる。

本実施形態では、ＥＧＲ配管２８の第３部分２８ｃは戻り管２７における流入管２７ａの後ろを通ってシリンダヘッド２に向かっている。すなわち、第３部分２８ｃと触媒コンバータ１９との間に戻り管２７の流入管２７ａが介在している。このため、ＥＧＲクーラ３０で冷却されたＥＧＲガスが触媒コンバータ１９で加熱されることを抑制できる。これによっても、充填効率を向上させて燃費向上に貢献できる。

本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、ＥＧＲクーラを備えていない場合は、第２部分をシリンダヘッドに固定したらよい。また、ＥＧＲクーラを設ける場合は、ＥＧＲクーラ３０を第１部分に介挿してもよいのである。更に、ＥＧＲ配管は排気管から分岐させてもよい。

本願発明は、内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダブロック
２ シリンダヘッド
８ 補機駆動ベルト
１０ ウォータポンプ
１６ ウォータポンプのインレットカバー
１９ 触媒コンバータ（触媒ケース）
２０ 継手管
２７ 戻り管
２８ ＥＧＲ配管
２８ａ 第１部分
２８ｂ 第２部分
２８ｃ 第３部分
３０ ＥＧＲクーラ
３１，３２ フランジ
３３ ボルト
４１ 凹所を構成する環状溝

Claims (1)

1. ＥＧＲガスの流れ方向を向いて上流側の始端よりも下流側の終端が高くなっているＥＧＲ配管を備えており、
   前記ＥＧＲ配管は、排気通路に接続された第１部分とこれに接続された第２部分とを有していて、両部分の接続部近傍は略水平状かそれに近い姿勢になっており、前記第１部分と第２部分とは、それらに固定されたフランジを重ね合わせることで接続されており、前記両フランジの間に、前記第１部分の終端の流路下面及び第２部分の始端の流路下面よりも低くなった凹所を形成している構成であって、
   前記凹所は、前記両フランジのうちいずれか一方又は両方の合わせ面に流路方向に段落ちした環状溝を設けることによって形成されており、このため、前記環状溝を形成しているフランジは、当該環状溝の箇所において厚さが薄くなっている、
   内燃機関のＥＧＲ装置。

Images