JP6531565B2 - 内燃機関の吸気構造 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の吸気構造に係り、特に、多気筒内燃機関の各気筒にＥＧＲガスを均等に分配するのに有利な構造に関する。

一般に内燃機関において、排気ガスの一部を吸気通路に環流させるＥＧＲ（排気再循環：Exhaust Gas Recirculation）を実行することが知られている。

特開２００８−２８６１３０号公報

多気筒内燃機関においてＥＧＲを実行する場合、各気筒にＥＧＲガスを均等に分配し、各気筒のＥＧＲ率を均一化することが望まれる。

そこで本発明は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、各気筒のＥＧＲ率を均一化することができる内燃機関の吸気構造を提供することにある。

本発明の一の態様によれば、
多気筒内燃機関の各気筒の吸気ポートに吸気を分配する吸気マニホールドと、
前記吸気マニホールドの入口に接続された吸気ダクトと、
前記吸気ダクトに接続され、前記吸気ダクト内にＥＧＲガスを排出する２つのＥＧＲ排出管と、
を備え、
前記吸気ダクトは、上流側から下流側に向かうにつれ上下方向に折り返される折り返し部と、前記折り返し部の下流端から延びて側方に曲げられ、前記吸気マニホールドの入口に接続される湾曲出口部とを有し、
前記２つのＥＧＲ排出管は、前記折り返し部における前半の曲がり部のアウトコーナー部に接続され、
前記湾曲出口部は、エルボ形状をなすように曲げられている
ことを特徴とする内燃機関の吸気構造が提供される。

好ましくは、前記湾曲出口部は、上流側から下流側に向かうにつれ、一旦増加され、その後減少される通路断面積を有する。

好ましくは、前記折り返し部はコ字状に折り返され、前記２つのＥＧＲ排出管は、前記折り返し部における最初の曲がり部のアウトコーナー部に接続されている。

好ましくは、前記２つのＥＧＲ排出管のうち、一方が直管状であり、他方が曲がり管状である。

好ましくは、前記吸気マニホールドの入口が、マニホールド長手方向の中央部でかつ前記吸気マニホールドの側部に配置されている。

本発明によれば、各気筒のＥＧＲ率を均一化することができるという、優れた効果が発揮される。

本発明の実施形態に係る内燃機関の吸気構造の上面図である。 同左側面図である。 同右斜視図である。 同左斜視図である。 本実施形態の要部拡大上面図である。 比較例の要部拡大上面図である。 本実施形態の気筒毎ＥＧＲ率とそのばらつきを示すグラフである。 比較例の気筒毎ＥＧＲ率とそのばらつきを示すグラフである。 本実施形態の湾曲出口部周辺の流れの様子を模式的に示す上面図である。 比較例の湾曲出口部周辺の流れの様子を模式的に示す上面図である。 吸気マニホールド入口を中心方向下流側から見たときの流れの様子を模式的に示す側面図である。 本実施形態における吸気ダクト内のＥＧＲ率分布を示す概略斜視図である。 比較例における吸気ダクト内のＥＧＲ率分布を示す概略斜視図である。 １つのＥＧＲ排出管の通路断面積を示す概略図である。 ２つのＥＧＲ排出管の通路断面積を示す概略図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の吸気構造の上面図である。図２は同左側面図、図３および図４はそれぞれ同右斜視図および同左斜視図である。本実施形態の内燃機関（エンジン）は、車両用の多気筒圧縮着火式内燃機関、すなわちディーゼルエンジンである。図示例は直列６気筒エンジンを示すが、エンジンのシリンダ配置形式、気筒数等は任意である。本実施形態ではエンジンが車両に縦置きされることを予定されている。車両およびエンジンの前後左右上下方向は図示する通りである。

本実施形態の吸気構造は、エンジンの各気筒（＃１〜＃６気筒）の吸気ポート１に吸気を分配する吸気マニホールド２と、吸気マニホールド２の入口３に接続された吸気管もしくは吸気ダクト４と、吸気ダクト４に接続され、吸気ダクト４内にＥＧＲガスを排出する２つのＥＧＲ排出管５，６とを備える。

吸気ポート１は、各気筒に２つずつ設けられている。ここで吸気ポート１は図示しないシリンダヘッドの内部に画成されており、実際には図示のように見えないものであるが、ここでは理解を容易にするため敢えて外形を図示している。図から明らかなように＃１〜＃６気筒がエンジンの前方から後方に向かって列設され、これに対応して吸気マニホールド２も前方から後方に延びている。以下、吸気マニホールド２が延びる長手方向を「マニホールド長手方向」という。

吸気マニホールド２は、シリンダヘッドに取り付けられ、各気筒の各吸気ポート１に連通される。また吸気マニホールド２は、吸気を導入するための入口３を有する。入口３から導入された吸気は吸気マニホールド２内に一旦貯留され、吸気行程となっている気筒の吸気ポート１に順次供給される。これにより吸気が各気筒の吸気ポート１に分配される。

本実施形態では、各気筒の各吸気ポート１がシリンダヘッドの左側面部に開口され、吸気マニホールド２は、これら吸気ポート１を一括して覆うカバー状のものとされている。従って吸気マニホールド２はインカバーとも称される。もっとも吸気マニホールド２の形態は任意であり、通常同様、気筒別または吸気ポート別の複数の出口を有するものであってもよい。

入口３は、マニホールド長手方向の中央部でかつ吸気マニホールド２の側部に配置されている。より詳しくは、入口３は円筒状に形成されている。そして入口３の中心Ｃ（図１参照）は、マニホールド長手方向の中間地点（＃３気筒と＃４気筒の境界位置）Ｘ１より僅かに後方に位置される。また入口３は、吸気マニホールド２の左側面部７に配置され、左側に向かって開口している。

吸気ダクト４は、概ね、前方から後方に向かって延び、円形断面を有し、その伸長方向に沿って吸気を流通させる。吸気ダクト４は、上流側から順に、上流部１１、スロットル格納部１２、直管部１３、折り返し部１４、および湾曲出口部１５を有する。上流部１１はａからｂまでの区間部分、スロットル格納部１２はｂからｃまでの区間部分、直管部１３はｃからｄまでの区間部分、折り返し部１４はｄからｇまでの区間部分、湾曲出口部１５はｇからｈまでの区間部分である。湾曲出口部１５の下流端ｈが吸気マニホールド２の入口３に接続されている。

ターボチャージャ（図示せず）のコンプレッサおよびインタークーラ（図示せず）を順に通過した後の新気が、上流部１１の上流端ａから上流部１１に導入される。上流部１１は、その前端部が左斜め下に向かって曲げられると共に、その後端部付近で僅かに拡径され、スロットル格納部１２に同軸に接続される。直管状のスロットル格納部１２には電子制御式のスロットルバルブ１６が格納されている。スロットル格納部１２には直管部１３が同軸接続され、直管部１３は所定の長さを有する。上流部１１の後半部、スロットル格納部１２および直管部１３は、マニホールド長手方向と平行に、前方から後方に向かって延びている。またこれらは、吸気マニホールド２よりも上方の位置に配置されている。

直管部１３の下流側に折り返し部１４が接続されている。折り返し部１４は、上下方向、具体的には上方から下方に折り返され、本実施形態においてはコ字状（もしくは角ばったＵ字状）に折り返されている。折り返し部１４は、直管部１３の下流端ｄから延びてやや左斜め下向きに略直角に曲げられる第１曲がり部１７と、第１曲がり部１７の下流端ｅから左斜め下に延びる直管部１８と、直管部１８の下流端ｆから延びて前方斜め下向きに略直角（詳細には直角より若干大きい鈍角）に曲げられる第２曲がり部１９とを有する。第１曲がり部１７はｄからｅまでの区間部分、直管部１８はｅからｆまでの区間部分、第２曲がり部１９はｆからｇまでの区間部分である。

湾曲出口部１５は、折り返し部１４の下流端ｇ、すなわち第２曲がり部１９の下流端ｇから延びて側方に曲げられ、吸気マニホールド２の入口３に接続される。本実施形態において、湾曲出口部１５は右側に曲げられ、入口３に同軸に接続される。第２曲がり部１９の出口部（曲がった直後の部分）の向きに対応して、湾曲出口部１５の入口部（曲がる直前の部分）も、前方斜め下向きに延びている。

具体的には図示しないが、上記の如く折り返し部１４を形成した結果、折り返し部１４の中心軸を含む仮想的な平面は、入口３の中心Ｃを含む仮想的な水平面に対し、直角ではなく鋭角をなす。折り返し部１４は、湾曲出口部１５との接続点（ｇ）を基点として、吸気マニホールド２側（右側）に若干倒れるよう傾斜されている。

２つのＥＧＲ排出管、すなわち第１ＥＧＲ排出管５と第２ＥＧＲ排出管６は、折り返し部１４における前半の曲がり部のアウトコーナー部、具体的には第１曲がり部１７の出口側のアウトコーナー部に接続されている。第１ＥＧＲ排出管５と第２ＥＧＲ排出管６は、それぞれ仮想的に示すＥＧＲバルブ２０から延びてＥＧＲガスを折り返し部１４内に排出し、新気と合流させる。なお周知のようにＥＧＲガスとは、排気通路（図示せず）から取り出され吸気通路に環流される排気ガスの一部を意味する。

第１ＥＧＲ排出管５と第２ＥＧＲ排出管６は、共に上下に長い縦長の断面形状を有し、一定の通路断面積を有する。第１ＥＧＲ排出管５は、所定の曲率半径で湾曲された曲がり管状であり、第１曲がり部１７の内部の中心部に向かってＥＧＲガスを排出するよう指向されている。第２ＥＧＲ排出管６は、直管状であるが、やはり第１曲がり部１７の内部の中心部に向かってＥＧＲガスを排出するよう指向されている。このように２つのＥＧＲ排出管５，６を備えることにより、後述するように、ＥＧＲガスと新気の接触面積を増加することができる。

図５に示すように、本実施形態のＥＧＲバルブ２０は、ＥＧＲガスが導入される入口通路３１と、入口通路３１から対称的かつ二股状に分岐された２つの出口通路３２，３３と、各出口通路３２，３３の入口をそれぞれ開閉する弁体３４，３５と、これら弁体３４，３５を連結するロッド３７と、ロッド３７を往復動させることにより弁体３４，３５を同時に開閉作動させるアクチュエータ３６とを有する。弁体３４，３５にはポペット弁タイプのものが使用される。一方の出口通路３２は第１ＥＧＲ排出管５に接続され、他方の出口通路３２，３３は第２ＥＧＲ排出管６に接続される。アクチュエータ３６は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００からの開弁信号に基づいて弁体３４，３５を開閉作動させる。なお入口通路３１には、ＥＧＲクーラ（図示せず）を通過した後のＥＧＲガスが導入される。

特に本実施形態において、湾曲出口部１５は、エルボ形状をなすように曲げられている。図５に詳細に示すように、湾曲出口部１５は、エルボ形状をなすように直角に曲げられており、インコーナー側およびアウトコーナー側でそれぞれ所定の曲率半径Ｒ１，Ｒ２を有する。Ｒ１＜Ｒ２である。アウトコーナー側には、曲がった直後に直線部２１があるが、インコーナー側にはそのような直線部が存在しない。このようなエルボ形状とした結果、湾曲出口部１５の通路断面積は、矢示するような吸気流れ方向の上流側から下流側に向かうにつれ、一旦増加し、その後減少する。

本実施形態において、第１および第２ＥＧＲ排出管５，６の接続位置から吸気マニホールド入口３までの間の吸気ダクト４には、二つの曲がり部（第２曲がり部１９と湾曲出口部１５）が形成される。

次に、本実施形態の作用効果を説明する。

本実施形態によれば、特に湾曲出口部１５の形状を上述の如きエルボ形状としたことにより、吸気マニホールド２への流入前に、ＥＧＲガスを新気と十分に接触させ、かつ混合させることができる。そして吸気マニホールド２内を経て吸気ポート１に到達した段階において、各気筒にＥＧＲガスを均等に分配することができ、ＥＧＲ率の気筒毎のばらつきを十分に抑制し、各気筒のＥＧＲ率すなわち気筒毎ＥＧＲ率を均一化することができる。なおＥＧＲ率とは、単位時間当たりにおける新気量とＥＧＲガス量の合計値に対するＥＧＲガス量の割合（％）をいう。

ここで理解を容易にするため、本実施形態と類似する比較例と比較して本実施形態の作用効果を説明する。

比較例は、湾曲出口部の構成のみが本実施形態と異なる。以下、比較例について本実施形態と同様の部分には図中同一符号を付して説明を割愛し、本実施形態との相違点を主に説明する。

図６に、比較例の湾曲出口部１５Ａの構成を詳細に示す。図示するように、湾曲出口部１５Ａは、ベンド形状をなすように曲げられている。特に湾曲出口部１５Ａは、ベンド形状をなすように直角に曲げられており、その中心軸が所定の曲率半径Ｒ３を有する。Ｒ１＜Ｒ２＜Ｒ３である。このようなベンド形状とした結果、湾曲出口部１５Ａの通路断面積は、矢示するような吸気流れ方向の上流端ｇから下流端ｈにかけて一定となる。

本発明者は、本実施形態と比較例の効果を検証するため、コンピュータシミュレーションによる試験を行った。その結果を図７および図８に示す。図７は本実施形態に関するもの、図８は比較例に関するものである。

試験モードとして、モード１からモード４までの４つのモードを設定した。各モードは、エンジン回転数、負荷、ＥＧＲ率を変えた試験条件である。

図７および図８の下段は、各モードにおける各気筒のＥＧＲ率（％）を示す。また図７および図８の上段は、各モードにおける各気筒のＥＧＲ率のばらつき（％）を示す。ある１気筒（対象気筒という）のＥＧＲ率のばらつきは、対象気筒のＥＧＲ率から全気筒の平均ＥＧＲ率を減じて得られる差で表される。

図７に示すように、本実施形態の場合、全てのモードおよび気筒において、ＥＧＲ率のばらつきを目標値±α％以内に確実に抑えることができる。

これに対し図８に示すように、比較例の場合だと、モード２とモード４（いずれも高ＥＧＲ）において、ＥＧＲ率のばらつきが目標値±α％以内に収まらない気筒が存在する。

従って本実施形態は、比較例よりも気筒毎ＥＧＲ率のばらつきを抑制し、気筒毎ＥＧＲ率を均一化することができる。

図９および図１０は、湾曲出口部１５，１５Ａ周辺の流れの様子を模式的に示す。

図９に示す本実施形態の場合、図示しない通路中心軸に沿った主流の他、図示するようなＥＧＲ率が比較的高い流れＦ１と、ＥＧＲ率が比較的低い流れＦ２とがあることが判明した。なお流れＦ１はＥＧＲガスが濃い流れと言い換えることができ、流れＦ２はＥＧＲガスが薄い流れと言い換えることができる。

吸気（新気とＥＧＲガスの総称）が湾曲出口部１５を通過して曲がるとき、通路断面積が増加、減少するので、これに起因して吸気の流れが乱される。流れＦ１は、きついインコーナー部を曲がった後、インコーナー出口側内壁２２から剥離した流れである。また流れＦ２は、湾曲出口部１５を曲がった後、通路外側から通路中心側に向かって回り込む流れである。これら流れＦ１，Ｆ２の接触、混合ないし攪拌作用により、新気とＥＧＲガスの混合が促進され、気筒毎ＥＧＲ率の均一化に有利となる。

また、図１１に示すように、本実施形態の吸気マニホールド入口３を中心（Ｃ）方向下流側から見たとき、概ねその上半分の領域と下半分の領域とで反対回りの旋回流ができる。こうした旋回流も新気とＥＧＲガスの混合を促進し、気筒毎ＥＧＲ率を均一化する上で有利である。

これに対し、図１０に示す比較例の場合だと、吸気が湾曲出口部１５Ａを通過して曲がるとき、通路断面積が変わらないので、吸気は通路中心軸に沿ってよりスムーズに流れる傾向にあり、流れの乱れは生じ難い。インコーナー側では、インコーナー出口側内壁２２に対する流れＦ１の剥離は少なくなる。またアウトコーナー側でも、流れＦ２は通路内壁に沿って流れる傾向にあり、通路中心側に回り込むような流れは少なくなる。これにより、流れＦ１，Ｆ２の混合作用は本実施形態より劣る結果となる。

なお、全てのモードにおいて前記と同様の流れの傾向があることが判明した。

図１２および図１３は、ＥＧＲ排出管５，６の接続位置から吸気マニホールド入口３までの間の複数位置におけるＥＧＲ率分布を示す。図中、白抜きで示される領域Ｒ１が低ＥＧＲ率領域、黒塗りで示される領域Ｒ３が高ＥＧＲ率領域、ドット塗りで示される領域Ｒ２が中間ＥＧＲ率領域である。中間ＥＧＲ率領域Ｒ２は、ＥＧＲガスと新気の混合がある程度進んだ好ましい領域である。これに対し低ＥＧＲ率領域Ｒ１は中間ＥＧＲ率領域Ｒ２よりＥＧＲ率が低い領域であり、高ＥＧＲ率領域Ｒ３は中間ＥＧＲ率領域Ｒ２よりＥＧＲ率が高い領域であり、いずれも好ましくない。

これら図から分かるように、ＥＧＲガス導入開始から下流側に向かうにつれ、領域Ｒ１，Ｒ３は次第に減少し、領域Ｒ２は次第に増加する。これは、下流側に向かうにつれ新気とＥＧＲガスの混合が進んでいくことを意味する。特に、図１２に示す本実施形態では、図１３に示す比較例よりも、吸気マニホールド入口３の位置において領域Ｒ３の位置が中心Ｃ寄りとなっている。これは、本実施形態の方が比較例よりも、ＥＧＲガスの濃い領域Ｒ３がマニホールド長手方向中間地点Ｘ１（図１参照）に近く、好ましいことを意味する。逆に比較例だと、ＥＧＲガスの濃い領域Ｒ３が中心Ｃおよびマニホールド長手方向中間地点Ｘ１に対しより後方に偏在し、後方の気筒（例えば＃６気筒）において気筒毎ＥＧＲ率が平均ＥＧＲ率に対しより高くなる可能性がある。これは、気筒毎ＥＧＲ率の均一化に不利である。

また図１２に示す本実施形態では、図１３に示す比較例よりも、吸気マニホールド入口３の位置において領域Ｒ２の面積が拡大され、またＥＧＲ率分布が中心対称に近づいている。これらも、気筒毎ＥＧＲ率の均一化に有利である。

ところで本実施形態では、２つのＥＧＲ排出管５，６を備えることにより、ＥＧＲガスと新気の接触面積を増加することができる。すなわち、図１４に示すような通路断面積Ａを有する１つのＥＧＲ排出管からＥＧＲガスを排出するよりも、図１５に示すような通路断面積Ａ／２を有する２つのＥＧＲ排出管からＥＧＲガスを排出した方が、図１５にＳ１，Ｓ２で示す部分でＥＧＲガスを新気に接触させられ、接触面積を増加できる。そしてＥＧＲガスと新気の混合を促進させ、気筒毎ＥＧＲ率の均一化を促進させることができる。

以上述べたように本実施形態によれば、気筒毎ＥＧＲ率の均一化を有利に行うことができる。

このほか、本実施形態は次の利点をも有する。

（１）本実施形態では吸入空気量の気筒間ばらつきも小さく、気筒毎ＥＧＲ率のばらつきが小さいことも相俟って、吸気中の各ガス成分を各気筒に均等に分配できる。

（２）スロットルバルブ１６へのＥＧＲガスの吹き返しも回避できる。

（３）本実施形態では、ＥＧＲガスを吸気ダクト４内に導入してから吸気マニホールド入口３に至るまでの間に、吸気の流れを必要かつ十分なだけ乱し、ＥＧＲガスの新気との混合と吸気抵抗の低減とを両立することができる。すなわち、混合を優先して吸気の流れを必要以上に乱せば、吸気抵抗が増加し、ダクト形状によって得られる最大吸入空気量が低下する。逆に、吸気抵抗低減を優先して吸気を必要以上に乱さないようにすれば、自ずと混合が不十分となり、気筒毎ＥＧＲ率の均一化に不利である。本実施形態では、吸気マニホールド入口３に至った時点で殆ど全ての混合を丁度終えるよう、折り返し部１４、湾曲出口部１５およびＥＧＲ排出管５，６が構成されている。従って、吸気抵抗の増加を必要最小限に止めつつ、上記の相反する要求を満足することができる。

以上、本発明の実施形態を詳細に述べたが、本発明は他の実施形態も可能である。例えば、本実施形態の構成を左右逆にした実施形態、あるいは本実施形態の構成を上下逆にした実施形態、あるいは本実施形態の構成の前後と左右を入れ替えた実施形態（すなわち全体として左右方向に長い実施形態）等も可能である。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、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、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ 吸気ポート
２ 吸気マニホールド
３ 入口
４ 吸気ダクト
５ 第１ＥＧＲ排出管
６ 第２ＥＧＲ排出管
１４ 折り返し部
１５ 湾曲出口部

Claims (5)

1. 多気筒内燃機関の各気筒の吸気ポートに吸気を分配する吸気マニホールドと、
   前記吸気マニホールドの入口に接続された吸気ダクトと、
   前記吸気ダクトに接続され、前記吸気ダクト内にＥＧＲガスを排出する２つのＥＧＲ排出管と、
   を備え、
   前記吸気ダクトは、上流側から下流側に向かうにつれ上下方向に折り返される折り返し部と、前記折り返し部の下流端から延びて側方に曲げられ、前記吸気マニホールドの入口に接続される湾曲出口部とを有し、
   前記２つのＥＧＲ排出管は、前記折り返し部における前半の曲がり部のアウトコーナー部に接続され、
   前記湾曲出口部は、エルボ形状をなすように曲げられている
   ことを特徴とする内燃機関の吸気構造。
2. 前記湾曲出口部は、上流側から下流側に向かうにつれ、一旦増加され、その後減少される通路断面積を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気構造。
3. 前記折り返し部はコ字状に折り返され、前記２つのＥＧＲ排出管は、前記折り返し部における最初の曲がり部のアウトコーナー部に接続されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の吸気構造。
4. 前記２つのＥＧＲ排出管のうち、一方が直管状であり、他方が曲がり管状である
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の吸気構造。
5. 前記吸気マニホールドの入口が、マニホールド長手方向の中央部でかつ前記吸気マニホールドの側部に配置されている
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の吸気構造。

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