JP6969409B2

JP6969409B2 - エンジンの吸排気装置

Info

Publication number: JP6969409B2
Application number: JP2018011761A
Authority: JP
Inventors: 久善山田; 裕司小島
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2018-01-26
Filing date: 2018-01-26
Publication date: 2021-11-24
Anticipated expiration: 2038-01-26
Also published as: EP3517769A1; EP3517769B1; JP2019127931A; US20190234355A1; US10753323B2

Description

本発明はエンジンの吸排気装置に関する。

特許文献１には、エンジンの吸排気装置に関して、ＤＰＦよりも下流側の排気通路から排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路に導くＥＧＲ通路を設けること、このＥＧＲ通路にＥＧＲクーラとＥＧＲバルブを設けることが記載されている。

上記吸排気装置では、ＤＰＦはエンジン本体の背部において軸心を気筒列方向にして配置され、このＤＰＦの下流端に自動車後方に延びる排気管が接続されている。この排気管の側面（ＤＰＦの反対側）にＥＧＲクーラが接続され、このＥＧＲクーラの側面（ＤＰＦの反対側）にＥＧＲバルブが固定されている。このＥＧＲバルブからＥＧＲ管が上方に延び、ターボ過給機のコンプレッサよりも上流側の吸気管の水平に延びた部分に接続されている。また、この吸気管におけるＥＧＲ管接続部位の近傍にブローバイガスを吸気通路に導入するためのブローバイガス管が接続されている。

上記吸排気装置の場合、ＥＧＲガスは、排気管からＥＧＲクーラを水平に通過した後、ＥＧＲバルブからＥＧＲ管を通って上方へ導かれる。

特開２０１５−１６１２２５号公報

上記吸排気装置では、ＥＧＲ通路内に凝縮水を生ずると、その凝縮水がＥＧＲ通路の水平になった部分、すなわち、ＥＧＲクーラ及びＥＧＲバルブの通路部に滞留する懸念がある。これに対して、ＥＧＲクーラを含めてＥＧＲ通路を排気通路から吸気通路まで上下方向に延びる形に配管することが考えられる。これによれば、凝縮水はＥＧＲ通路壁を伝って排気通路に排出されるようになり、ＥＧＲ通路の途中に滞留することが避けられる。

しかし、ＥＧＲ通路を排気通路から吸気通路まで上下方向に延びる形にすると、ＥＧＲガスが排気通路から吸気通路に向かうときの通路抵抗が小さくなる。その結果、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラを通り抜け易くなるため、ＥＧＲクーラによるＥＧＲガスの冷却効率が下がる。つまり、ＥＧＲガスが冷えにくくなる。

そこで、本発明は、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラによって効率良く冷却されるようにする。

ここに開示するエンジンの吸排気装置は、エンジンの排気通路から排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路に環流するＥＧＲ通路を備え、該ＥＧＲ通路にＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラが介設されている。このＥＧＲクーラは、そのＥＧＲガス入口側が上記排気通路の通路壁に結合されて、該ＥＧＲクーラの中心線が該排気通路の排気ガス流れ方向と交差している。そうして、上記ＥＧＲクーラと上記排気通路を連通する連通孔が、該排気通路の排気ガス流れ方向に長くなった長孔に形成されている。

これによれば、排気通路から連通孔を通ってＥＧＲクーラに流入するＥＧＲガスの勢い（流入量）は、その連通孔が上述のような長孔になっているから、当該長孔における排気ガス流れ方向の上流側の端部と下流側の端部とであまり変わらない。すなわち、排気ガスの一部がＥＧＲガスとして長孔になった連通孔の全域から略均等な勢いでＥＧＲクーラに流入する。その結果、ＥＧＲガスが上記排気ガス流れ方向に広がった形で且つ比較的均等な流量でＥＧＲクーラを通過することになる。よって、ＥＧＲクーラの利用効率が高くなり、ＥＧＲガスの冷却に有利になる。

付言すれば、排気通路を流れる排気ガスの流速は通路断面全体にわたって均等ではなく、通路断面の中央部に比べて周辺部では流れが遅くなる。従って、連通孔を上述の如き長孔ではなく、例えば丸孔（真円）にすると、この丸孔を通過するＥＧＲガスの勢いは丸孔の排気通路の幅方向において異なる。例えば、丸孔の中央部に比べてその両側ではＥＧＲガスの流入する勢いが弱くなる。これでは、開孔面積は同じであっても、ＥＧＲクーラの利用効率が高くならない。そこで、本発明は、上記連通孔を排気ガス流れ方向に長い長孔にすることにより、連通孔の全域から略均等な勢いで排気ガスがＥＧＲクーラに流入するようにしている。

一実施形態では、上記排気通路の途中に排気ガス浄化装置が設けられ、
上記排気通路は、上記排気ガス浄化装置よりも排気ガス流れ方向の下流側に排気ガスの流れの向きが変わる曲がり部を備え、
上記ＥＧＲクーラと上記排気通路を連通する連通孔が、上記排気通路の曲がり部の外周寄りの通路壁に開口している。

排気通路における排気ガス浄化装置よりも下流側では、上流側に比べて排気ガスの圧力が低くなるが、上記ＥＧＲクーラの結合位置は、同じく下流側であっても、排気通路の曲がり部の外周寄りである。この曲がり部の外周側は内周側に比べて排気ガスの流れが遅く、排気ガスの圧力が相対的に高くなる。従って、ＥＧＲクーラが排気ガス浄化装置よりも下流側の排気通路に結合されているにも拘わらず、ＥＧＲガスをＥＧＲクーラに効率良く導入することができる。

一実施形態では、上記吸気通路の上記ＥＧＲ通路が接続される部位は、上記排気通路の上記ＥＧＲ通路が接続される部位よりも高位置にあり、
上記ＥＧＲクーラのＥＧＲガス入口側が上記排気通路の通路壁の上面側に結合されて、上記ＥＧＲ通路が全長にわたって上記吸気通路の上記部位に向かって上方に延びている。

従って、ＥＧＲガスが排気通路から吸気通路に向かって流れやすくなり、ＥＧＲクーラの利用効率の向上に有利になる。また、ＥＧＲ通路の内壁に結露して凝縮水を生じても、その凝縮水が排気通路に排出されやすくなる。

本発明によれば、ＥＧＲクーラと排気通路を連通する連通孔が、該排気通路における排気ガス流れ方向に長くなった長孔に形成されているから、ＥＧＲクーラの利用効率が高くなり、ＥＧＲガスの冷却に有利になる。

本発明の実施形態に係るエンジンの排気側の側面図。同エンジンの平面図。同エンジンのＥＧＲクーラが結合される排気管の一部を示す平面図。同排気管のＥＧＲクーラが結合される部分にフランジ部材を固定した状態を示す斜視図。同排気管にＥＧＲクーラが結合された状態を示す斜視図。同エンジンの上部の側面図。同エンジンの吸気管とＥＧＲ管とブローバイガス導入管の接続構造を示す斜視図。同接続構造を示す断面図。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１に示す自動車用エンジンの吸排気装置において、１はエンジン本体であり、シリンダブロック１ａと、シリンダブロック１ａの上面に固定されたシリンダヘッド１ｂと、シリンダブロック１ａの下面に固定されたオイルパン１ｃとを備えている。

＜エンジンの吸気系及び排気系＞
エンジン本体１の排気側（シリンダヘッド１ａの排気側）には、該エンジン本体１の側面に沿って中心線を気筒列方向に延ばした排気ターボ過給機２が設けられている。本例のエンジンでは、シリンダヘッド１ｂの内部に排気マニホールドが設けられており、シリンダヘッド１ｂの排気側の側面に排気マニホールドの集合部の下流端が開口している。この開口にターボ過給機２のタービン２ａの排気ガス入口側が接続されている。そして、ターボ過給機２のコンプレッサ２ｂに新気を導入する上流側吸気管３が接続されている。

図２に示すように、ターボ過給機２のコンプレッサ２ｂには、加圧された新気をシリンダヘッド１ａの吸気側に導く中間吸気管４が接続されている。中間吸気管４は、シリンダヘッド１ａの上を通ってエンジン本体１の排気側から吸気側に延び、この吸気側に配置された新気を冷却するインタークーラ５の上流端に接続されている。インタークーラ５は、エンジン本体１の吸気側の側面に沿って中心線を気筒列方向に延ばして設けられ、その下流端に下流側吸気管７が接続されている。下流側吸気管７の下流端はエンジンのサージタンク８に接続されている。サージタンク８はエンジン本体１の吸気マニホールド（図示省略）に接続されている。

ここに、上述の上流側吸気管３、ターボ過給機２のコンプレッサ２ｂ、中間吸気管４、インタークーラ５、サージタンク８及び吸気マニホールドは、エンジンの吸気通路を構成している。

ターボ過給機２のタービン２ａの排気ガス出口側には、排気ガス浄化装置としての触媒コンバータ１１の上流端側が接続されている。触媒コンバータ１１は、排気ガスを浄化する触媒を内蔵したものであって、エンジン本体１の排気側の側面に沿って中心線を気筒列方向に延ばして設けられている。

図１に示すように、触媒コンバータ１１の下流端側は、同じく排気ガス浄化装置としての粒子状物質除去装置（以下、「フィルタ装置」という。）１２に接続されている。フィルタ装置１２は、排気ガス中の微粒子状物質（煤等）を除去するフィルタを内蔵したものであって、触媒コンバータ１１の下側において、エンジン本体１の排気側の側面に沿って中心線を気筒列方向に延ばして設けられている。触媒コンバータ１１の下流端側の近傍にフィルタ装置１２の上流端側が配置され、この触媒コンバータ１１の下流端側とフィルタ装置１２の上流端側が上下に接続されている。

フィルタ装置１２の下流端側の出口は、フィルタの中心線よりも下方に偏倚している。そのため、フィルタ装置１２の下面側は、フィルタ収容部１２ａから上記出口に至るまで略水平に延びている一方、フィルタ装置１２の上面側は、フィルタ収容部１２ａから上記出口に向かって下降傾斜している。フィルタ装置１２の下流端側の出口には、曲管１３を介してフレキシブル排気管１４が接続されている。このフレキシブル排気管１４は、サイレンサを有し自動車後端まで延びる排気管（図示省略）が接続されている。

ここに、上述の排気マニホールド、ターボ過給機２のタービン２ａ、触媒コンバータ１１、フィルタ装置１２、曲管１３、フレキシブル排気管１４、サイレンサを有する排気管は、エンジンの排気通路を構成している。

＜ＥＧＲ装置＞
排気通路を構成する曲管１３と吸気通路を構成する上流側吸気管３は、排気通路から排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路に環流するＥＧＲ通路によって接続されている。

ＥＧＲ通路について説明すると、曲管１３の上面にＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ１５が結合されて（直付けされて）曲管１３から垂直に立ち上げられている。ＥＧＲクーラ１５は、ＥＧＲガスと冷媒との間で熱交換させる熱交換体がケースに収容されてなり、ケースの下端（ＥＧＲガス入口）が曲管１３に結合されている。ＥＧＲクーラ１５のケースの上端（ＥＧＲガス出口）にはフレキシブルのＥＧＲ管１６が接続されて上方へ延びている。そして、ＥＧＲ管１６の上端がＥＧＲバルブ１７を介して上流側吸気管３に接続されている。すなわち、ＥＧＲバルブ１７は上流側吸気管３に直付けされ、このＥＧＲバルブ１７にＥＧＲ管１６の上流端が接続されている。上記ＥＧＲクーラ１５、ＥＧＲ管１６及びＥＧＲバルブ１７がＥＧＲ通路を構成している。

ＥＧＲ通路の下流端が接続される上流側吸気管３の当該接続部位は、ＥＧＲ通路の上流端が接続される曲管１３の当該接続部位よりも高位置にある。そして、ＥＧＲ通路は、曲管１３に対する接続部位から上流側排気管３に対する接続部位に向かって、全長にわたって上方に延びている。

［ＥＧＲクーラの排気通路に対する接続構造］
図３に示すように、上記曲管１３は、フィルタ装置１２を通過した排気ガスの流れの向きを気筒列方向から自動車後方に変える排気通路の曲がり部を構成している。

そうして、曲管１３の上面（すなわち、排気通路の曲がり部の上面側の通路壁）に、ＥＧＲクーラ１５のケース内と排気通路を連通する連通孔１８が開口している。この連通孔１８の開口の中心は、曲管１３の幅方向の中央よりも外周側に寄っている。すなわち、連通孔１８は、排気通路の曲がり部の外周寄りの通路壁に開口しており、且つ、曲管１３内における排気ガスの流れ方向に長くなった長孔に形成されている。

図４に示すように、曲管１３の上面には、連通孔１８に対応する微粒子状物質除去フィルタ２１が中央の孔に嵌められたフランジ部材２２が固定されている。そして、図５に示すように、ＥＧＲクーラ１５の下端（上流端）側のフランジ１５ａが曲管１３の上面のフランジ部材２２に結合されて、ＥＧＲクーラ１５が曲管１３から立ち上げられている。フランジ部材２２は、曲管１３の上面に固定されているとともに、シリンダブロック１ａに固定されたブラケット２３に支持されている。

ＥＧＲクーラ１５の下端側のフランジ１５ａに開口した孔及びフランジ部材２２の孔は、曲管１３の連通孔１８と同様の長孔であって、ＥＧＲクーラ１５のケース内と排気通路を連通する連通孔を形成しており、このフランジ１５ａ及びフランジ部材２２の長孔がＥＧＲクーラ１５のＥＧＲガス入口となっている。ＥＧＲクーラ１５には冷媒としての冷却水の供給管２４と戻し管２５が接続されている。

また、フィルタ装置１２の上面側のフィルタ収容部１２ａから下流端側の出口に向かって下降傾斜した部分１２ｂには支持板２６が固定されている。この支持板２６にＥＧＲクーラ１５がブラケット２７にて支持されている。

［ＥＧＲ管及びその吸気通路への接続構造］
図６には示すように、吸気通路を構成する上流側吸気管３は、ターボ過給機２のコンプレッサ２ｂに向かって下降傾斜した傾斜部３ａを有する。そうして、ＥＧＲ通路を構成するＥＧＲ管１６は、その途中に湾曲部１６ａを有するとともに、上流側吸気管３の下降傾斜部３ａにＥＧＲバルブ１７を介して接続されている。また、上流側吸気管３の下降傾斜部３ａには、エンジンのブローバイガスを吸気通路に導入するブローバイガス導入管３１が接続されている。

ブローバイガス導入管３１は、図７に示すエンジンのシリンダヘッドカバー３２の内部に設けられたオイルセパレータから延設されている。ブローバイガスは、オイルセパレータにおいてオイルと分離されて吸気通路に導入される。

図８に示すように、上流側吸気管３の下降傾斜部３ａにおいて、ブローバイガス導入口３ｂは、ＥＧＲガス導入口３ｃよりも吸気流れ方向の下流側に位置付けられている。

＜エンジンの吸排気装置の利点＞
上記実施形態に係るエンジンの吸排気装置では、エンジンの排気ガスは、シリンダヘッド１ｂの排気マニホールドから、ターボ過給機２のタービン２ａ、触媒コンバータ１１、フィルタ装置１２、曲管１３及びフレキシブル排気管１４を通って排出される。ＥＧＲ装置を作動（ＥＧＲバルブ１７を開動）させると、排気ガスの一部が曲管１３からＥＧＲクーラ１５及びＥＧＲ管１６及びＥＧＲバルブ１７を通って上流側吸気管３の内部に導入され、吸気と共にエンジンの燃焼室に供給される。

図３に示すように、ＥＧＲクーラ１５のケース内と排気通路を連通する連通孔１８は、曲管１３内における排気ガスの流れ方向に長くなった長孔に形成されている。従って、排気ガスの一部が、ＥＧＲガスとして、長孔の連通孔１８の全域から排気ガス流れ方向に広がった形で且つ比較的均等な流量でＥＧＲクーラ１５内に流入して熱交換体を通過することになる。そのため、開口面積が同じ単純な円形の連通孔に比べて、ＥＧＲクーラ１５の利用効率が高くなり、ＥＧＲガスの冷却に有利になる。また、連通孔１８にはフィルタ２１が設けられているから、仮に排気ガス中の煤等の微粒子状物質が上流側のフィルタ装置１２でトラップされずに流れてきても、その煤等がＥＧＲ通路に進入することがフィルタ２１で阻止される。

排気通路におけるフィルタ装置１２よりも下流側では、上流側に比べて排気ガスの圧力が低くなる。しかし、ＥＧＲクーラ１５の結合位置は、同じく下流側であっても、排気通路の曲がり部を構成する曲管１３の上面の外周寄りの部位である。この排気通路の曲がり部の外周側は内周側に比べて排気ガスの流れが遅く、排気ガスの圧力が相対的に高くなるから、ＥＧＲガスをＥＧＲクーラ１５に効率良く導入することができる。

また、ＥＧＲ通路は、排気通路を構成する曲管１３から吸気通路を構成する上流側排気管３に至るまで、途中に下方に曲がって延びる部分を設けることなく、全長にわたって上方に延びている。そのため、ＥＧＲガスが排気通路から吸気通路に向かって流れやすくなり、ＥＧＲクーラ１５の利用効率の向上に有利になる。また、ＥＧＲ通路の内壁に結露して凝縮水を生じても、その凝縮水が排気通路に排出されやすくなる。

ＥＧＲガスは、ＥＧＲクーラ１５を通過して冷却されると、凝縮水を生じやすくなるが、ＥＧＲ管１６の途中の湾曲部１６ａを通過するときに、湾曲部１６ａの壁面に結露を生ずることにより、ＥＧＲバルブ１７への結露が抑えられる。すなわち、ＥＧＲ管１６の湾曲部１６ａが結露促進部となって、ＥＧＲバルブ１７の結露水による凍結が防止される。なお、湾曲部１６ａで生じた結露水は排気通路に流下して排気ガスと共に排出される。

また、ブローバイガスは水分が多く含まれるが、図８に示すように、上流側吸気管３の下降傾斜部３ａにおいて、ブローバイガス導入口３ｂをＥＧＲガス導入口３ｃよりも吸気流れ方向の下流側に位置付けているから、ブローバイガスはＥＧＲ通路の方へは流れにくい。仮に、ブローバイガスがＥＧＲ通路の方へ流れても、ＥＧＲバルブ１７は上流側吸気管３に直付けされているため、ＥＧＲバルブ１７の上に溜まる凝縮水の量は少ない。よって、その凝縮水が凍結することがあっても、その氷は、厚さが薄いからＥＧＲバルブ１７のモータによる駆動によって簡単に割れる。そのため、ＥＧＲバルブ１７の凍結による作動不良は回避される。

１エンジン
２ターボ過給機
３上流側吸気管
１１触媒コンバータ（排気ガス浄化装置）
１２フィルタ装置（排気ガス浄化装置）
１３曲管（排気通路の曲がり部）
１５ＥＧＲクーラ
１６ＥＧＲ管
１７ＥＧＲバルブ
１８連通孔
２２フランジ部材（ＥＧＲクーラのＥＧＲガス入口側）

Claims

エンジンの排気通路から排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路に環流するＥＧＲ通路を備え、該ＥＧＲ通路にＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラが介設されたエンジンの吸排気装置において、
上記ＥＧＲクーラのＥＧＲガス入口側が上記排気通路の通路壁に結合されて、該ＥＧＲクーラの中心線が該排気通路の排気ガス流れ方向と交差していて、
上記ＥＧＲクーラと上記排気通路を連通する連通孔が、該排気通路の排気ガス流れ方向に長くなった長孔に形成されていることを特徴とするエンジンの吸排気装置。
請求項１において、
上記排気通路の途中に排気ガス浄化装置が設けられ、
上記排気通路は、上記排気ガス浄化装置よりも排気ガス流れ方向の下流側に排気ガスの流れの向きが変わる曲がり部を備え、
上記ＥＧＲクーラと上記排気通路を連通する連通孔が、上記排気通路の曲がり部の外周寄りの通路壁に開口していることを特徴とするエンジンの吸排気装置。
請求項１又は請求項２において、
上記吸気通路の上記ＥＧＲ通路が接続される部位は、上記排気通路の上記ＥＧＲ通路が接続される部位よりも高位置にあり、
上記ＥＧＲクーラのＥＧＲガス入口側が上記排気通路の通路壁の上面側に結合されて、上記ＥＧＲ通路が全長にわたって上記吸気通路の上記部位に向かって上方に延びていることを特徴とするエンジンの吸排気装置。