JP2009270508A - インタークーラ付き内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】車載内燃機関としての吸気充填効率の確保はもとより、再循環ガスの冷却性能等をも犠牲にすることなく車両への搭載性向上を図ることのできるインタークーラ付き内燃機関を提供する。
【解決手段】この内燃機関では、サージタンクを兼ねる吸気マニホルド２３に対してインタークーラ２４を一体に設けるとともに、排気再循環（ＥＧＲ）装置５を構成するＥＧＲ通路５１の吸気系側端部５１Ｂをこのインタークーラ２４の上流となる上記吸気マニホルド２３のサージタンク部分に接続する。すなわち、ターボチャージャ４によって圧縮（過給）される吸気とＥＧＲ通路５１を介して環流される再循環ガスとが単一のインタークーラ２４を通じて冷却されるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、過給された吸気を冷却して機関燃焼室に送り込むインタークーラを備えるインタークーラ付き内燃機関に関する。

周知のように、ターボチャージャ等の過給機を備える車載内燃機関にあっては、吸気の充填効率を高めるために、この過給された吸気を上記インタークーラで冷却し、この冷却した吸気を機関燃焼室に送り込むようにした内燃機関も少なくない。すなわちこうした内燃機関にあって、その吸気は、過給機の圧縮により温度が上昇して密度の低下を招いたとしても、インタークーラによる冷却によってその密度が高められ、高い充填効率をもって機関燃焼室に供給されるようになる。

一方、車載内燃機関には、排気の一部を吸気に環流して再循環させる装置、すなわち排気再循環装置（ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置）が設けられることも多い。こうしたＥＧＲ装置によって再循環された排気（再循環ガス）は、吸気の希釈剤として作用して内燃機関のピーク燃焼温度を低下させ、ＮＯｘ（窒素酸化物）生成量の低減などに有効に寄与する。

そして、上述したような過給機とＥＧＲ装置の両方を備えた内燃機関としては、例えば特許文献１に記載の内燃機関が知られている。図３に、この文献に記載の機関も含めて、こうした内燃機関として従来一般に採用されている機関構造の概要を示す。

この図３に示されるように、過給機とＥＧＲ装置とを備えた内燃機関（この例では直列４気筒内燃機関）では、機関本体１０１の各気筒＃１〜＃４の燃焼室に吸気を供給するための吸気通路１２０及びそれら燃焼室から排気を排出するための排気通路１３０がそれぞれ機関本体１０１に接続されている。そして、これら吸気通路１２０と排気通路１３０の間に、排気通路１３０を流れる排気により駆動されるタービン１４１とこのタービン１４１に駆動連結されて吸気通路１２０に供給される吸気を圧縮（過給）するコンプレッサ１４３とを有するターボチャージャ１４０が設けられている。このため、吸気通路１２０においてエアクリーナ１２１により塵埃等が除去された吸気は、コンプレッサ１４３により圧縮されてその温度が一旦上昇するものの、同吸気通路１２０においてこのコンプレッサ１４３の下流に設けられたインタークーラ１２２を通じて冷却されることにより、その空気密度が高められるようになる。そして、こうして空気密度の高められた吸気は、スロットルボディ１２３に設けられたスロットルバルブにより流量が調整されてサージタンクを兼ねる吸気マニホルド１２４に至り、この吸気マニホルド１２４から機関本体１０１の各気筒に供給される。一方、機関本体１０１の各気筒から排出された排気は、排気通路１３０に設けられた排気マニホルド１３１及びタービン１４１を介して触媒コンバータ１３２に至り、ここでその有害成分が除去（浄化）されて外部に排出される。また、このときの排気の一部は、排気通路１３０（排気マニホルド１３１）からＥＧＲ通路１５０を通ってＥＧＲクーラ１５２に至り、ここで所要に冷却されるとともに、ＥＧＲバルブ１５３により流量調整された上で上記吸気通路１２０（吸気マニホルド１２４）へ環流される。
特開２００１−１５２８６１号公報

特に過給機を備える内燃機関にあっては、その吸気通路にインタークーラを設けることで吸気の充填効率が大きく高められるようになることは上述の通りであるが、ＥＧＲ通路
についてもこれに上記ＥＧＲクーラを設けることで再循環ガスが冷却され、燃焼温度の低減効果がより高められるようになる。ただしこの場合には、図３からも明らかなように、上記インタークーラ１２２及びＥＧＲクーラ１５２といった２つの冷却装置が必要とされることから、内燃機関そのものの大型化が避けられず、ひいてはその搭載性が大きく制約されることともなっている。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、車載内燃機関としての吸気充填効率の確保はもとより、再循環ガスの冷却性能等をも犠牲にすることなく車両への搭載性向上を図ることのできるインタークーラ付き内燃機関を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、過給機により圧縮された吸気をインタークーラにて冷却して機関燃焼室に供給するインタークーラ付き内燃機関であって、前記機関燃焼室から排気通路に排出される排気の一部を排気環流通路を介して吸気系に再循環させる排気再循環装置を備え、前記排気環流通路の吸気系側端部が同吸気系における過給機とインタークーラとの間に接続されてなることをその要旨とする。

このような構成によれば、燃焼温度を下げることによりＮＯｘ生成量の低減を図る目的で設けられる排気再循環（ＥＧＲ）装置による再循環ガスについても上記インタークーラを共用するかたちでその冷却を図ることが可能となる。これにより、従来は再循環ガスのみを冷却する目的で排気環流通路に設けられるＥＧＲクーラを不要とするか、もしくは冷却能力が低くて済む小型のものとすることができるなど、車載内燃機関としても、これらＥＧＲクーラの削減や小型化に伴ってその小型化が促進されるようになり、車両に対する搭載性も自ずと向上されるようになる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のインタークーラ付き内燃機関において、前記インタークーラは、当該機関のサージタンクを兼ねる吸気マニホルドに対して一体に設けられてなり、前記排気環流通路の吸気系側端部は前記吸気マニホルドのサージタンク部分に接続されてなることをその要旨とする。

このような構成によれば、吸気通路の途中等に別途にインタークーラを設ける必要がなくなるとともに、機関部品としては比較的体格の大きい上記サージタンクを兼ねる吸気マニホルドに対して同インタークーラが一体に設けられることで、機関全体としてのスペース利用効率も更に高められるようになる。また、容積の大きいサージタンク部分にＥＧＲ装置による再循環ガスが環流されることで、こうした再循環ガスの環流に起因する吸気脈動も好適に抑制されるようになる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のインタークーラ付き内燃機関において、前記サージタンクを兼ねる吸気マニホルドのサージタンク上流には前記排気環流通路と並列にスロットルバルブを備えるスロットルボディが設けられ、前記排気環流通路には同通路内を流通する再循環ガスの流量を調量するバルブ（ＥＧＲバルブ）が設けられなることをその要旨とする。

このような構成によれば、過給された吸気と再循環ガスとでインタークーラを共用する場合であれ、それぞれの流量については各別に調量可能となる。
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のインタークーラ付き内燃機関において、前記インタークーラは、スロットルバルブを備えるスロットルボディの上流に設けられてなることをその要旨とする。

このような構成によれば、インタークーラ付き内燃機関として従来一般に採用されている吸気系の構造をそのまま流用するかたちで上記請求項１に記載の構成が実現可能となる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載のインタークーラ付き内燃機関において、前記インタークーラは、水冷式クーラからなることをその要旨とする。
このような構成によれば、上記共用されるインタークーラとしてその冷却効率をより高めることが可能となる。

（第１の実施形態）
以下、本発明にかかるインタークーラ付き内燃機関を具体化した第１の実施形態を図１に従って説明する。なお、本実施形態では一例として、こうした内燃機関が、先の図３に例示した内燃機関と同様、直列４気筒内燃機関（車載内燃機関）に適用されたものを想定している。

すなわち図１に示されるように、この内燃機関も第１気筒＃１〜第４気筒＃４の４つの気筒が形成された機関本体１を備えている。機関本体１は、シリンダヘッド、シリンダブロック、ピストン等を備えて構成されており、シリンダヘッドには各気筒＃１〜＃４の燃焼室に吸気を供給するための吸気通路２、及び各気筒＃１〜＃４の燃焼室からの排気を排出するための排気通路３がそれぞれ接続されている。また、吸気通路２と排気通路３との間には、排気通路３を流れる排気により駆動されて吸気通路２を流れる吸気を圧縮する機構を有するターボチャージャ４が設けられている。

ターボチャージャ４は、排気通路３に設けられるタービン４１とそのタービン４１を内包するタービンハウジング４２、吸気通路２に設けられるコンプレッサ４３とそのコンプレッサ４３を内包するコンプレッサハウジング４４、そしてタービン４１とコンプレッサ４３とを軸連結するためのロータリーシャフト４５とを備える周知の過給機である。すなわちこのターボチャージャ４では、排気通路３においてタービンハウジング４２の入口から流入した排気がタービンブレードを押すことでタービン４１が回転され、このタービン４１の回転がロータリーシャフト４５を介して吸気通路２のコンプレッサ４３に伝達されることでこれが回転駆動される。これにより吸気通路２においてコンプレッサハウジング４４内に流入した吸気は、このコンプレッサ４３の回転に伴って圧縮（過給）されるようになる。なお、こうして圧縮された吸気はその密度が高められるとともに温度が上昇することもよく知られている。

一方、この内燃機関において、上記排気通路３には、機関本体１の各気筒＃１〜＃４の燃焼室からの排気を１つの経路に集合させる排気マニホルド３１や上記ターボチャージャ４の駆動源となるタービン４１の他、排気中の有害成分を除去（浄化）する触媒コンバータ３２が設けられている。

また、同内燃機関において、上記吸気通路２には、吸気の塵埃を除去するためのエアクリーナ２１や上記コンプレッサ４３をはじめ、上記各気筒＃１〜＃４の燃焼室に供給される吸気の流量を調節するためのスロットルバルブ等が内蔵されたスロットルボディ２２が設けられている。そして更にそのスロットルボディ２２の下流には、サージタンクを兼ねるとともにスロットルバルブにて調量された吸気を各気筒＃１〜＃４の燃焼室に分配供給する吸気マニホルド２３が設けられている。

そして本実施形態において、吸気マニホルド２３には水冷式のインタークーラ２４が一
体に設けられており、このインタークーラ２４によって、上記圧縮され、かつ調量された供給が冷却される。すなわちこの内燃機関において、吸気通路２に吸入された空気（吸気）は、エアクリーナ２１を通り、コンプレッサ４３にて圧縮されて温度が一旦上昇するものの、スロットルボディ２２のスロットルバルブにてその流量が調量された後は、吸気マニホルド２３に一体に設けられたインタークーラ２４により冷却される。このインタークーラ２４により冷却された吸気は、その空気密度が高められた状態で各機関燃焼室に供給される。なお、機関部品としては比較的体格の大きいサージタンクを兼ねる吸気マニホルド２３に対してインタークーラ２４を一体に設けるようにしたことで、従来は吸気通路２の途中に設置されていたインタークーラを割愛することができることなどから内燃機関全体としてのスペース利用効率が高められるようにもなる。

また一方、この内燃機関には、上記排気の一部を吸気通路２に環流させる排気再循環装置（ＥＧＲ装置）５が設けられている。そして、本実施形態においては特に、このＥＧＲ装置５の上記排気通路３と吸気通路２とを接続するＥＧＲ通路（排気環流通路）５１の排気系側端部５１Ａを上記排気マニホルド３１に、また同ＥＧＲ通路５１の吸気系側端部５１Ｂを上記吸気マニホルド２３のサージタンク部分にそれぞれ接続するようにしている。また本実施形態において、このＥＧＲ通路５１に上記吸気通路２に環流させる排気（再環流ガス）の流量を調整するＥＧＲ弁５３を設けてはいるものの、先の図３に例示した内燃機関のようなＥＧＲクーラ（１５２）は設けておらず、これを上記吸気マニホルド２３に一体に設けられたインタークーラ２４で共用するようにしている。なお、このようなＥＧＲ装置５が、内燃機関のピーク燃焼温度を低下させてＮＯｘ生成量を低減させる再循環ガスを吸気系に環流させる上で有効であることは前述の通りであるが、その再循環ガスを冷却するためのクーラをこうしてインタークーラ２４で共用するようにした。これにより、ＥＧＲ装置５から上記ＥＧＲクーラの削減が可能となり、その分だけ当該内燃機関の車両に対する搭載性も向上するようになる。

以上説明したように、本実施形態のインタークーラ付き内燃機関によれば、以下に列記するような効果が得られるようになる。
（１）内燃機関のピーク燃焼温度を下げることによりＮＯｘ生成量の低減を図る目的で設けられる排気再循環（ＥＧＲ）装置５による再循環ガスをインタークーラ２４を共用するかたちで冷却するようにした。これにより、従来は再循環ガスのみを冷却する目的で排気環流通路に設けられるＥＧＲクーラを不要とすることができるなど、車載内燃機関としても、これらＥＧＲクーラの削減や小型化に伴ってその小型化が促進されるようになり、車両に対する搭載性も自ずと向上されるようになる。

（２）吸気通路２の途中等に別途にインタークーラを設ける必要がなくなるとともに、機関部品としては比較的体格の大きい上記サージタンクを兼ねる吸気マニホルド２３に対してインタークーラ２４を一体に設けたことで、機関全体としてのスペース利用効率も更に高められるようになる。また、容積の大きいサージタンク部分にＥＧＲ装置５による再循環ガスが環流されることで、こうした再循環ガスの環流に起因する吸気脈動も好適に抑制されるようになる。

（３）吸気通路２にはスロットルバルブ等が内蔵されたスロットルボディ２２を、ＥＧＲ通路５１にはＥＧＲ弁５３をそれぞれ別個に設けたことから、過給された吸気と再循環ガスとでインタークーラ２４を共用する場合であれ、それぞれの流量については各別に調量可能となる。

（４）インタークーラ２４を水冷式クーラとしたことから、共用されるインタークーラ２４の冷却効率を高めることができる。
（５）再環流ガスを吸気系の特にコンプレッサ４３の圧縮により温度が上昇している部
位（ここではサージタンク）に環流させるようにした。これにより、吸気マニホルド２３のサージタンク部分において、吸気の温度とＥＧＲ通路５１から環流される再環流ガスの温度との差が小さくなり、吸気と再環流ガスとの温度差に起因して生じ易くなる吸気脈動も抑制されるようになる。

（６）同様に、コンプレッサ４３の下流である吸気マニホルド２３（サージタンク）に再環流ガスを環流させることで、コンプレッサ４３そのものが高温の排気である再環流ガスに晒されないようにした。これにより、例えば特開平６−２５７５１８号公報に記載のようなコンプレッサに対する耐熱性対策が不要となり、上記コンプレッサ４３として、例えば耐熱性は低いものの軽量であるアルミニウム合金等により構成することが可能ともなる。

（第２の実施形態）
図２に、本発明にかかるインタークーラ付き内燃機関の第２の実施形態についてその概略構成を示す。なお、以下では主に、先の第１の実施形態との相違点を中心に、同内燃機関としての具体構成について説明する。また、図２において、先の図１に示した第１の実施形態と同一の部材には同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。

この第２の実施形態では、先の図３に例示した内燃機関のように、吸気系におけるスロットルボディの上流にインタークーラを設けるとともに、更にこのインタークーラの上流にＥＧＲ通路の吸気系側端部を接続するようにしている。

すなわち図２に示されるように、同内燃機関において、吸気通路２には、コンプレッサ４３とスロットルボディ２２の間に水冷式のインタークーラ２６が設けられ、排気通路３と吸気通路２とを接続するＥＧＲ装置６のＥＧＲ通路６１は、その吸気系側端部６１Ｂがコンプレッサ４３の下流、かつインタークーラ２６の上流に接続される。そして、本実施形態でも、このＥＧＲ通路（排気環流通路）６１に上記吸気通路２に環流させる排気（再環流ガス）の流量を調整するＥＧＲ弁６３を設けてはいるものの、先の図３に例示した内燃機関のようなＥＧＲクーラ（１５２）は設けておらず、これを上記インタークーラ２６で共用するようにしている。なお、このようなＥＧＲ装置６も、上述の第１の実施形態と同様にＮＯｘ生成量を低減させために再循環ガスを吸気系に環流させる上で有効であり、その再循環ガスを冷却するためのクーラをこうしたインタークーラ２６で共用する。これにより、ＥＧＲ装置６から上記ＥＧＲクーラの削減が可能となり、その分だけ当該内燃機関の車両に対する搭載性も向上するようになる。

以上説明したように、本実施形態によっても先の第１の実施形態の前記（１）、（３）、（４）の効果と同等もしくはそれに準じた効果が得られるとともに、次のような効果が得られるようになる。

（７）コンプレッサ４３とスロットルボディ２２の間にインタークーラ２６を設け、ＥＧＲ通路６１の吸気系側端部６１Ｂをコンプレッサ４３の下流、かつインタークーラ２６の上流に接続した。これにより、インタークーラ付き内燃機関として従来一般に採用されている吸気系の構造をそのまま流用するかたちで再循環ガスの冷却にインタークーラ２６を共用することができるようになる。

（８）再環流ガスを吸気系の特にコンプレッサ４３の圧縮により温度が上昇している部位（ここではインタークーラ２６の上流）に環流させるようにした。これにより、吸気通路２の部分において、吸気の温度とＥＧＲ通路６１から環流される再環流ガスの温度との差が小さくなり、吸気と再環流ガスとの温度差に起因して生じ易くなる吸気脈動も抑制されるようになる。

（９）同様に、コンプレッサ４３の下流かつインタークーラ２６の上流に再環流ガスを環流させることで、コンプレッサ４３そのものが高温の排気である再環流ガスに晒されないようにした。これにより、上述の第１の実施形態の場合と同様にコンプレッサに対する耐熱性対策が不要となり、上記コンプレッサ４３として、例えば耐熱性は低いものの軽量であるアルミニウム合金等により構成することが可能ともなる。

なお、上記各実施形態は、例えば以下のような態様にて実施することもできる。
・上記各実施形態では、共用するインタークーラ２４あるいは２６を水冷式としたが、これらインタークーラは水冷式に限られるものではなく、例えば空冷式でもよい。また、冷媒にガス等を用いたものであってもよい。

・上記各実施形態では、ＥＧＲ通路５１，６１の各排気系側端部５１Ａ，６１Ａは、排気マニホルド３１に接続されたが、それら排気系側端部は排気マニホルドに限られず、排気通路３のいずれの個所に接続されてもよい。すなわち、排気系側端部としては、排気環流通路に排気の引き込みができる個所に接続されるものであればよい。

・上記各実施形態では、過給機として、排気によりタービン４１を駆動させるターボチャージャ４を採用したが、過給機としてはターボチャージャに限らず、スーパーチャージャーなどでもよい。

・上記各実施形態では、ＥＧＲ通路５１あるいは６１へのＥＧＲクーラの配設を割愛する場合についてのみ言及したが、これら排気環流通路にＥＧＲクーラを設ける構成としてもよい。これら排気環流通路にＥＧＲクーラを備える場合であれ、環流される排気はインタークーラにより冷却されることから、この場合のＥＧＲクーラとしては冷却能力の低い小型のもので足りる。そしてこの場合であれ、ＥＧＲクーラの小型化に伴って内燃機関としての小型化が促進されることから、やはり車両への搭載性は維持される。なお、この場合、ＥＧＲクーラが設けられる場所は、排気環流通路におけるＥＧＲ弁の上流側でも下流側でもよい。

・上記各実施形態では、インタークーラ付き内燃機関の一例として直列４気筒内燃機関を想定したが、同内燃機関としての気筒数は４気筒に限られることなく任意であり、また、それら気筒の配列型式も直列型に限らず、Ｖ型配列や水平対向型配列などでもよい。さらに、内燃機関の種類についての制限も特になく、例えばガソリン機関であれディーゼル機関であれこの発明は適用可能である。

本発明にかかるインタークーラ付き内燃機関の第１の実施形態についてその構成を模式的に示す略図。 本発明にかかるインタークーラ付き内燃機関の第２の実施形態についてその構成を模式的に示す略図。 従来のインタークーラ付き内燃機関についてその構成を模式的に示す略図。

符号の説明

１…機関本体、２…吸気通路、３…排気通路、４…ターボチャージャ、５，６…排気再循環装置（ＥＧＲ装置）、２１…エアクリーナ、２２…スロットルボディ、２３…吸気マニホルド、２４，２６…インタークーラ、３１…排気マニホルド、３２…触媒コンバータ、４１…タービン、４２…タービンハウジング、４３…コンプレッサ、４４…コンプレッサハウジング、４５…ロータリーシャフト、５１，６１…ＥＧＲ通路（排気環流通路）、５１Ａ，６１Ａ…排気系側端部、５１Ｂ，６１Ｂ…吸気系側端部、５３，６３…ＥＧＲ弁
。

Claims (5)

1. 過給機により圧縮された吸気をインタークーラにて冷却して機関燃焼室に供給するインタークーラ付き内燃機関であって、
   前記機関燃焼室から排気通路に排出される排気の一部を排気環流通路を介して吸気系に再循環させる排気再循環装置を備え、前記排気環流通路の吸気系側端部が同吸気系における過給機とインタークーラとの間に接続されてなる
   ことを特徴とするインタークーラ付き内燃機関。
2. 前記インタークーラは、当該機関のサージタンクを兼ねる吸気マニホルドに対して一体に設けられてなり、前記排気環流通路の吸気系側端部は前記吸気マニホルドのサージタンク部分に接続されてなる
   請求項１に記載のインタークーラ付き内燃機関。
3. 前記サージタンクを兼ねる吸気マニホルドのサージタンク上流には前記排気環流通路と並列にスロットルバルブを備えるスロットルボディが設けられ、前記排気環流通路には同通路内を流通する再循環ガスの流量を調量するバルブが設けられなる
   請求項２に記載のインタークーラ付き内燃機関。
4. 前記インタークーラは、スロットルバルブを備えるスロットルボディの上流に設けられてなる
   請求項１に記載のインタークーラ付き内燃機関。
5. 前記インタークーラは、水冷式クーラからなる
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のインタークーラ付き内燃機関。

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