JP2013136989A - 内燃機関の排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲガスの過度の温度上昇を抑制することができる内燃機関の排気装置を提供する。
【解決手段】排気装置１は、複数の排気ポート及びＥＧＲ流路を有するシリンダヘッド３に取り付けられ、各排気ポートと連通する排気通路とＥＧＲ流路と連通するＥＧＲ通路とを有するエキゾーストマニホールド５と、エキゾーストマニホールド５に連結され、排気通路を通る排気ガスの一部をＥＧＲ通路及びＥＧＲ流路と協働して再循環させるためのＥＧＲパイプ１６とを備えている。排気通路におけるＥＧＲ流路側の部分には、各排気ポートからの排気ガスが集まる排気集合領域１５が形成されている。ＥＧＲパイプ１６は、排気通路における排気集合領域１５の反対側の部位とＥＧＲ通路とを繋ぐと共に、エキゾーストマニホールド５における排気集合領域１５に対応する部分との間に空間Ｓを形成するように、エキゾーストマニホールド５に連結されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガスの一部を排気再循環させるＥＧＲ機能を有する内燃機関の排気装置に関するものである。

従来における内燃機関の排気装置としては、例えば特許文献１に記載されているものが知られている。特許文献１に記載の内燃機関は、気筒列方向に沿って配列された複数の排気ポート及び排気還流孔を有するシリンダヘッドと、このシリンダヘッドにガスケットを介して取り付けられた鋳鉄製の排気マニホールドとを備えている。排気マニホールドは、シリンダヘッドの各排気ポートに連通する複数の排気連通孔を形成する複数の独立排気管と、シリンダヘッドの排気還流孔に連通する排気還流通路を形成する排気還流管とを有している。

特開２００５−８３１９３号公報

しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、排気マニホールドにおいて各排気ポートからの排気ガスが集まる排気集合領域は、排気還流通路の近傍に位置している。従って、排気還流通路を流れるガス（ＥＧＲガス）の温度が上昇しやすくなるため、ＥＧＲクーラやＥＧＲバルブ等を含むＥＧＲ系へ高温のＥＧＲガスが流入してしまうことがある。

本発明の目的は、ＥＧＲガスの過度の温度上昇を抑制することができる内燃機関の排気装置を提供することである。

本発明は、複数の排気ポート及びＥＧＲ流路を有するシリンダヘッドを具備した内燃機関の排気装置において、シリンダヘッドに取り付けられ、各排気ポートと連通する排気通路とＥＧＲ流路と連通するＥＧＲ通路とを有するエキゾーストマニホールドと、エキゾーストマニホールドに連結され、排気通路を通る排気ガスの一部をＥＧＲ通路及びＥＧＲ流路と協働して排気再循環させるためのＥＧＲパイプとを備え、排気通路とＥＧＲ通路とは壁部によって分離されており、排気通路におけるＥＧＲ通路側には、各排気ポートからの排気ガスが集まる排気集合領域が形成されており、ＥＧＲパイプは、排気通路における排気集合領域の反対側の部位とＥＧＲ通路とを繋ぐと共に、エキゾーストマニホールドにおける排気集合領域に対応する部分との間に空間を形成するように、エキゾーストマニホールドに連結されていることを特徴とするものである。

このような本発明に係る内燃機関の排気装置においては、各排気ポートからの排気ガスの一部が、排気再循環ガス（ＥＧＲガス）として、エキゾーストマニホールドの排気通路からＥＧＲパイプ、エキゾーストマニホールドのＥＧＲ通路及びシリンダヘッドのＥＧＲ流路を通ってＥＧＲ系へ供給される。ここで、ＥＧＲパイプを、エキゾーストマニホールドの排気通路における排気集合領域の反対側の部位とＥＧＲ通路とを繋ぐように構成することにより、温度が高くなりやすい排気集合領域より遠い位置からＥＧＲガスが分流されることになる。また、ＥＧＲパイプとエキゾーストマニホールドにおける排気集合領域に対応する部分との間に空間を形成することにより、ＥＧＲパイプと排気集合領域とが十分離れるようになる。以上により、ＥＧＲガスの温度が上昇しにくくなる。

好ましくは、シリンダヘッドにおけるＥＧＲ流路側には、排気ポートからの排気ガスに燃料を添加する燃料添加弁が設けられている。この場合には、シリンダヘッドにおけるＥＧＲ流路に隣接した排気ポートからの排気ガスに対して、燃料添加弁から燃料が添加される。このとき、排気通路とＥＧＲ通路とが壁部によって分離されていると共に、上述したように、排気通路におけるＥＧＲ通路側の排気集合領域より遠い位置からＥＧＲガスが分流されるため、ＥＧＲ通路に添加燃料が廻り込みにくくなる。従って、ＥＧＲ系への添加燃料の廻り込みによるＥＧＲ系の不具合を防止することができる。

また、好ましくは、ＥＧＲパイプの少なくとも一部分は、蛇腹状となっている。この場合には、ＥＧＲパイプの表面積が増えるため、ＥＧＲパイプの放熱性を高くすることができる。

本発明によれば、ＥＧＲガスの過度の温度上昇を抑制することができる。これにより、高温状態のＥＧＲガスがＥＧＲ系に流入することによるＥＧＲ系の不具合を防止することが可能となる。

本発明に係る排気装置の一実施形態を備えた内燃機関を示す正面図である。 図１に示した内燃機関の断面図である。 図１に示した内燃機関においてエキゾーストマニホールド及びＥＧＲパイプを省略した状態を示す正面図である。 従来の排気装置の一つを備えた内燃機関を示す断面図である。 図４に示した内燃機関とその改良版とを概略的に示す図である。

以下、本発明に係る内燃機関の排気装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係る排気装置の一実施形態を備えた内燃機関を示す正面図であり、図２は、図１に示した内燃機関の断面図である。各図において、本実施形態の排気装置１は、多気筒（例えば８気筒）の内燃機関２に搭載されている。

内燃機関２は、シリンダヘッド３と、このシリンダヘッド３にガスケット４を介して取り付けられたエキゾーストマニホールド５と、このエキゾーストマニホールド５の下側に取り付けられたターボ６とを備えている。内燃機関２は、エキゾーストマニホールド５内で排気ガスの一部をＥＧＲ（排気再循環）ガスとして取り出し、シリンダヘッド３内を通して排気再循環させている。

シリンダヘッド３には、図３にも示すように、複数の排気ポート７及びＥＧＲ流路８が形成されている。これらの排気ポート７及びＥＧＲ流路８は、一方向に沿って配列されている。ＥＧＲ流路８は、ＥＧＲクーラ及びＥＧＲバルブを含むＥＧＲ系９（図５参照）を介して吸気装置（図示せず）に連通している。

シリンダヘッド３におけるＥＧＲ流路８の近傍には、図３に示すように、ＥＧＲ流路８に隣接する排気ポート７からの排気ガスに対して燃料を添加する燃料添加弁１０が配置されている。

エキゾーストマニホールド５には、シリンダヘッド３の各排気ポート７とそれぞれ連通口１１を介して連通する排気通路１２と、シリンダヘッド３のＥＧＲ流路８と連通するＥＧＲ通路１３とが形成されている。排気通路１２とＥＧＲ通路１３とは、壁部１４によって区画・分離されている。

このような複数の連通口１１、排気通路１２及びＥＧＲ通路１３を有するエキゾーストマニホールド５は、鋳鉄で一体に形成されている。このため、ＥＧＲ通路１３とこれに隣り合う連通口１１とを近接させることができる。従って、シリンダヘッド３におけるＥＧＲ流路８とこれに隣り合う排気ポート７とを近接させて、シリンダヘッド３の全長を短くすることができる。

排気通路１２におけるＥＧＲ通路１３側の部分には、各排気ポート７からの排気ガスが集まる排気集合領域１５が形成されている。排気集合領域１５は、ターボ６の排気ガス導入口と連通している。

エキゾーストマニホールド５には、排気通路１２を通る排気ガスの一部をＥＧＲ通路１３及びシリンダヘッド３のＥＧＲ流路８と協働して再循環させるためのＥＧＲパイプ１６が、排気通路１２とＥＧＲ通路１３とを繋ぐように連結されている。エキゾーストマニホールド５におけるＥＧＲ通路１３の反対側には連結用フランジ５ａが設けられ、エキゾーストマニホールド５におけるＥＧＲ通路１３の近傍には連結用フランジ５ｂが設けられている。そして、ＥＧＲパイプ１６の一端部が連結用フランジ５ａにネジ止めされていると共に、ＥＧＲパイプ１６の他端部が連結用フランジ５ｂにネジ止めされている。

このとき、ＥＧＲパイプ１６は、エキゾーストマニホールド５における排気集合領域１５に対応する部分との間に空間Ｓが形成されるようにエキゾーストマニホールド５に連結されている。また、ＥＧＲパイプ１６は、エキゾーストマニホールド５の上部に配置されている。

ＥＧＲパイプ１６は、好ましくは、ＥＧＲガスに対して耐熱性が高く、且つＥＧＲガスの凝縮による腐食に対して耐食性の高い金属材料、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）で形成されている。

また、ＥＧＲパイプ１６の中央部分またはその近傍には、蛇腹状をなした蛇腹部１６ａが設けられていることが好ましい。これにより、ＥＧＲパイプ１６の熱変形に対する追従性を向上させることができる。また、ＥＧＲパイプ１６の表面積が大きくなるため、ＥＧＲパイプ１６の放熱性を向上させることもできる。

ここで、エキゾーストマニホールド５、燃料添加弁１０及びＥＧＲパイプ１６は、本実施形態の排気装置１を構成している。

このような内燃機関２において、シリンダヘッド３の各排気ポート７からの排気ガスは、エキゾーストマニホールド５の排気通路１２に導入される（図中の実線矢印参照）。また、ＥＧＲ流路８に隣接する排気ポート７からの排気ガスに対して、燃料添加弁１０より燃料が添加される（図中の２点鎖線矢印参照）。そして、添加燃料を含む排気ガスは、排気通路１２の排気集合領域１５からターボ６内を通って、酸化触媒、ＮＯｘ吸蔵触媒及び排気浄化フィルタ等を含む排気浄化装置（図示せず）に送られる。

また、排気通路１２を通る排気ガスの一部（ＥＧＲガス）は、ＥＧＲパイプ１６を通ってエキゾーストマニホールド５のＥＧＲ通路１３に供給され、更にＥＧＲ通路１３からシリンダヘッド３のＥＧＲ流路８を通ってＥＧＲ系９（図５参照）に送られる（図中の破線矢印参照）。

ここで、従来の排気装置の一つを備えた内燃機関を図４に示す。なお、上記の排気装置１と同一または同等の要素には、同じ符号を付してある。図４に示す排気装置５０は、エキゾーストマニホールド５１を備えている。このエキゾーストマニホールド５１では、排気通路１２とＥＧＲ通路１３とが分離されずに直接連通している。このため、排気装置５０は、上記のＥＧＲパイプ１６を備えていない。

このような排気装置５０において、排気通路１２の排気集合領域１５では、シリンダヘッド３の各排気ポート７からの排気ガスが集められるため、排気ガスの温度が上昇しやすくなる。排気集合領域１５がＥＧＲ通路１３側に位置していると共に、排気通路１２とＥＧＲ通路１３とが連通していると、排気集合領域１５を通った高温状態の排気ガスの一部がＥＧＲガスとしてＥＧＲ通路１３を流れるようになる。このため、ＥＧＲ系９（図５参照）に供給されるＥＧＲガスの温度が高くなり、ＥＧＲクーラやＥＧＲバルブのクライテリア温度（耐熱温度）を超える可能性がある。この場合には、ＥＧＲクーラやＥＧＲバルブの損傷が生じるおそれがある。

また、ＥＧＲ通路１３とこれに隣接する排気通路１２とが直接連通していると、図５（ａ）に示すように、燃料添加弁１０より添加された燃料がＥＧＲ通路１３及びシリンダヘッド３のＥＧＲ流路８を通ってＥＧＲ系９に廻り込むようになる。このため、添加燃料によってＥＧＲクーラやＥＧＲバルブの詰まりや固着を引き起こす可能性がある。

そのような不具合を解決するためには、図５（ｂ）に示すように、エキゾーストマニホールド５１において、ＥＧＲ通路１３を排気集合領域１５の反対側から引き回してシリンダヘッド３のＥＧＲ流路８に連通させるように形成することが考えられる。しかし、この場合には、ＥＧＲ通路１３が壁５２を挟んで排気集合領域１５に接することになるため、ＥＧＲ通路１３を通るＥＧＲガスの温度が高くなる。このため、上記と同様に、ＥＧＲガスの温度がＥＧＲクーラやＥＧＲバルブのクライテリア温度を超えて、ＥＧＲクーラやＥＧＲバルブを損傷させる可能性がある。

また、エキゾーストマニホールド５１は鋳鉄で一体に形成されるため、ＥＧＲ通路１３を排気集合領域１５の反対側から引き回すように構成する場合には、エキゾーストマニホールド５１の製作が困難になるばかりでなく、エキゾーストマニホールド５１自体が重くなってしまう。

これに対し本実施形態では、エキゾーストマニホールド５における排気通路１２とＥＧＲ通路１３とを壁部１４で分離すると共に、ＥＧＲパイプ１６をＥＧＲ通路１３と排気通路１２における排気集合領域１５とは反対側の部位とを繋ぐようにエキゾーストマニホールド５に連結したので、温度が高くなりやすい排気集合領域１５より遠い箇所からＥＧＲガスが分流されることとなる。このため、ＥＧＲガスの過度の温度上昇が抑制されるようになる。

また、ＥＧＲパイプ１６とエキゾーストマニホールド５における排気集合領域１５に対応する部分との間には空間Ｓが形成されているので、ＥＧＲパイプ１６と排気集合領域１５とが十分離れるようになる。このため、ＥＧＲガスが排気集合領域１５により熱せられることが防止されるため、ＥＧＲガスの過度の温度上昇が一層抑制される。

従って、高温のＥＧＲガスがＥＧＲ系９に流入されることは無く、ＥＧＲガスの温度がＥＧＲクーラやＥＧＲバルブのクライテリア温度を超えることが防止される。これにより、ＥＧＲクーラやＥＧＲバルブの損傷を防ぐことができる。

さらに、排気通路１２において燃料が添加される領域より遠い箇所からＥＧＲガスが分流されるため、ＥＧＲパイプ１６を通るＥＧＲガスの添加燃料の濃度が薄くなる。従って、添加燃料弁１０より添加された燃料がＥＧＲ系９に廻り込んでも、添加燃料によってＥＧＲクーラやＥＧＲバルブの詰まりや固着を引き起こすことは殆ど無い。

また、ＥＧＲパイプ１６を鋳鉄よりも軽い金属（ＳＵＳ等）で形成するので、内燃機関２の重量の増大を抑えることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、ＥＧＲパイプ１６はエキゾーストマニホールド５の上部に配置されているが、ターボ６の搭載位置等によっては、ＥＧＲパイプ１６をエキゾーストマニホールド５の下部や側部に配置しても良い。

また、上記実施形態では、燃料を添加する燃料添加弁１０が備えられているが、本発明は、そのような燃料添加弁の無い内燃機関にも適用可能である。また、本発明は、排気浄化のために、燃料以外の添加剤を添加する添加弁が排気通路に備えられている内燃機関にも適用可能である。

１…排気装置、２…内燃機関、３…シリンダヘッド、５…エキゾーストマニホールド、７…排気ポート、８…ＥＧＲ流路、１０…燃料添加弁、１２…排気通路、１３…ＥＧＲ通路、１４…壁部、１５…排気集合領域、１６…ＥＧＲパイプ、１６ａ…蛇腹部、Ｓ…空間。

Claims (3)

1. 複数の排気ポート及びＥＧＲ流路を有するシリンダヘッドを具備した内燃機関の排気装置において、
   前記シリンダヘッドに取り付けられ、前記各排気ポートと連通する排気通路と前記ＥＧＲ流路と連通するＥＧＲ通路とを有するエキゾーストマニホールドと、
   前記エキゾーストマニホールドに連結され、前記排気通路を通る排気ガスの一部を前記ＥＧＲ通路及び前記ＥＧＲ流路と協働して排気再循環させるためのＥＧＲパイプとを備え、
   前記排気通路と前記ＥＧＲ通路とは壁部によって分離されており、
   前記排気通路における前記ＥＧＲ通路側には、前記各排気ポートからの排気ガスが集まる排気集合領域が形成されており、
   前記ＥＧＲパイプは、前記排気通路における前記排気集合領域の反対側の部位と前記ＥＧＲ通路とを繋ぐと共に、前記エキゾーストマニホールドにおける前記排気集合領域に対応する部分との間に空間を形成するように、前記エキゾーストマニホールドに連結されていることを特徴とする内燃機関の排気装置。
2. 前記シリンダヘッドにおける前記ＥＧＲ流路側には、前記排気ポートからの排気ガスに燃料を添加する燃料添加弁が設けられていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気装置。
3. 前記ＥＧＲパイプの少なくとも一部分は、蛇腹状となっていることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の排気装置。

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