JP2016033347A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】機関温度に応じた温度のＥＧＲガスを吸気系に供給することを、機関の大型化を招来することなく実現する。【解決手段】シリンダヘッド１に、インナー通路１３とアウター通路１４とからなる二重管状の内部ＥＧＲ通路７を形成している。アウター通路１４を区画する第２筒部１６は冷却水ジャケット１７に露出している。インナー通路１３とアウター通路１４とは出口側連通穴１９で連通している。インナー通路１３には、直動式の第１弁体２１で開閉される弁座２０を設けている。作動軸２２に、出口側連通穴１９を開閉する第２弁体を設けることも可能である。シリンダヘッド１の内部においてＥＧＲガスの温度調節をできるため、内燃機関をコンパクト化できる。【選択図】図２

Description

本願発明は、ＥＧＲ装置を備えた内燃機関に関するものである。

内燃機関において、排気ガスの浄化等を目的にしてＥＧＲ装置（排気ガス還流装置）を設けることが行われており、ＥＧＲガスが流れるＥＧＲ通路は、その全体をパイプで構成する場合と、一部又は全部をシリンダヘッドに内蔵する場合とがある。シリンダヘッドにＥＧＲ通路を形成した例が、特許文献１に開示されている。

また、ＥＧＲ装置にＥＧＲクーラを設けることも広く行われている。このＥＧＲクーラは、ＥＧＲガスを冷却して充填効率を高めることを目的にしているが、低温下での運転のように機関の温度低い場合は、燃焼性の点からＥＧＲガスは温度が高いのが好ましい。

そこで、特許文献２には、ＥＧＲ通路にＥＧＲクーラを通らないバイパス通路を設け、機関温度が所定値よりも低い状態ではＥＧＲガスはバイパス通路を通って、機関温度が所定値よりも高くなるとＥＧＲガスはＥＧＲクーラを通るように制御することが開示されている。

特開２０１３−１５１２６号公報 特開２０１４−３１７７２号公報

機関の温度に応じてＥＧＲガスの温度を変えることは有益であるが、特許文献２では、ＥＧＲ通路やＥＧＲクーラがシリンダヘッドの外側に露出しているため、部材点数が増えたり内燃機関が大型化したりする問題がある。また、バイパス通路もシリンダヘッドの外側に露出しているため、空冷効果によるＥＧＲガスの温度低下は防止できず、このため、ＥＧＲガスの温度制御の自由性が低いという問題もある。

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。

本願発明は様々の構成を含んでおり、その典型を各請求項で特定している。このうち請求項の１の発明は、シリンダヘッド又はシリンダブロックに、インナー通路とこれを外周から囲うアウター通路とから成る二重管状のＥＧＲ通路が設けられて、前記アウター通路の外周のうち少なくとも一部が冷却水ジャケットに露出しており、かつ、前記ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスの量とアウター通路を流れるＥＧＲガスの量とを調節する制御手段を備えている。

請求項２の発明は、請求項１において、前記インナー通路とアウター通路とを区画する筒部に連通穴を設けており、スライド式の第２弁体によって前記連通穴が開閉される一方、前記インナー通路には、当該インナー通路を流れるＥＧＲガスの量を制御するスライド式の第１弁体を設けており、前記第１弁体と第２弁体とは１本の操作軸に設けられていて、アクチェータによって同時にスライド操作される。請求項２では、第１及び第２の弁体と操作軸、及びアクチェータが制御装置を構成している。

請求項３の発明は、請求項１において、前記インナー通路とアウター通路とを区画する円筒状の筒部に第１連通穴を開けている一方、前記インナー通路のうち前記第１連通穴の近くに設けた遮蔽板に第２連通穴を開けており、前記インナー通路の内部に、前記第１連通穴を開閉する円筒状の第１弁部と前記第２連通穴を開閉する円板状の第２弁部とを有する有底円筒状の弁体が回転可能に配置されており、前記弁体をアクチェータによって回転操作することにより、インナー通路を流れるＥＧＲガスとアウター通路を流れるＥＧＲガスとの量が制御される。請求項３では、弁体とアクチェータとが制御装置を構成している。

各請求項の発明は様々な制御態様を採用できる。例えば、ＥＧＲガスがインナー通路のみを流れる状態と、ＥＧＲガスがアウター通路のみを流れる状態と、ＥＧＲガスがインナー通路とアウター通路との両方を流れる状態とに切り換えることができる。ＥＧＲガスがインナー通路とアウター通路とのいずれも流れない状態への切り替えも可能である。

ＥＧＲガスがインナー通路とアウター通路との両方に流れる場合、その割合を制御装置で調節することで、ＥＧＲガスの温度をきめ細かく調節することも可能である。

また、制御装置は、インナー通路とアウター通路とへのＥＧＲガスの流れの調節のみでなく、インナー通路及びアウター通路に流れるＥＧＲガスの流量を調節することも可能である。この場合は、制御装置にＥＧＲバルブの機能を持たせることができる。更に、制御装置は、ＥＧＲ通路の始端部に設けてもよいし、終端部に設けてもよいし、中途部に設けてもよい。

本願発明では、ＥＧＲ通路はシリンダヘッド又はシリンダブロックに内蔵されていると共に、ＥＧＲガスの冷却は、専用のＥＧＲクーラではなくてシリンダヘッド又はシリンダブロックの冷却のための冷却水ジャケットを使用するものであり、しかも、制御装置を構成する弁体や作動軸はシリンダブロック又はシリンダヘッドに内蔵されるため、全体として著しくコンパクト化できる。

また、ＥＧＲ通路は二重管状の構造であり、両者を区画する筒部がインナー通路に対する断熱部として機能するため、ＥＧＲガスがインナー通路を通る過程で温度低下することを防止できる。このため、コールドスタート後の機関温度が低い状態でできるだけ高い温度のＥＧＲガスを吸気系に供給することができて、燃焼の安定性に大きく貢献できる。

インナー通路の開閉とアウター通路の開閉等を別々のアクチェータで行うことも可能であるが、請求項２，３の発明では、１つのアクチェータでインナー通路とアクチェータとを開閉操作できるため、構造を簡単化してコストダウンに貢献できると共に、より一層のコンパクト化も可能になる。

請求項３の構成では、第１連通穴の第２連通穴との姿勢が異なっているため、弁体を一方方向に回転させると、ＥＧＲガスがインナー通路のみに流れる状態からインナー通路とアウター通路との両方に流れる状態、アウター通路のみに流れる状態にと移行させつつ、ＥＧＲガスの流量も調節することが容易に実現できる。

すなわち、弁体の回転により、第１弁部による第１連通穴の開閉量と、第２弁部による第２連通穴の開閉量とを微細に調節できるのであり、これにより、ＥＧＲガスの供給量の調節も容易に行える。従って、必要な量のＥＧＲガスを必要な温度で吸気系に供給して、内燃機関の制御性能を向上できる。

第１実施形態に係る内燃機関の概略平面図である。 図１のII-II 視断面図である。 要部の平断面図である（図１とは姿勢が９０度相違している。）。 ＥＧＲガスがアウター通路のみを流れる状態の図である。 第２実施形態の要部平断面図である。 第３実施形態の要部平断面図である。 （Ａ）は図６の VII-VII視断面図で、（Ｂ）は弁体を９０度回転させた状態の図である。 第４実施形態を示す図で、（Ａ）はＥＧＲ通路の断面図、（Ｂ）は弁体の断面図、（Ｃ）は第１状態の断面図である。 （Ａ）は第２状態の断面図、（Ｂ）は第３状態の断面図である。 弁体の回転角度と弁穴の開度との関係を示す図である。 ＥＧＲガスの量・温度と機関負荷との関係を示す図である。

(1).第１実施形態
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１〜４に示す第１実施形態を説明する。本実施形態の内燃機関は３気筒であり、そこで、シリンダヘッド１の長手一側面１ａと長手他側面１ｂには、それぞれ３本の枝管を有する吸気マニホールド２と排気マニホールド３とが接続されている。

吸気マニホールド２にはサージタンク４が接続されており、サージタンク４にスロットルバルブ５が固定されている。他方、排気マニホールド３の集合部３ａは下向きに開口しており、この集合部３ａに触媒ケース６が接続されている。

シリンダヘッド１のうち一端面１ｃに寄った部位に、長手一側面１ａと長手他側面１ｂとに開口した内部ＥＧＲ通路７を設けている。吸気マニホールド２の集合部２ａと内部ＥＧＲ通路７の始端とは、上流側ＥＧＲパイプ８及び入口側継手９を介して接続されており、内部ＥＧＲ通路７の終端とサージタンク４とは、下流側ＥＧＲパイプ１０及び出口側継手１１を介して接続されている。出口側継手１１には、内部ＥＧＲ通路７と同心状のアクチェータ１２を設けている。

図２のとおり、内部ＥＧＲ通路７は、円形のインナー通路１３と同じく円形のアウター通路１４とから成る二重管構造になっており、両者は第１筒部１５によって区画されている。また、アウター通路１４の外面は第２筒部１６によって区画されており、第２筒部１６はその全周が冷却水ジャケット１７に露出している。

なお、第２筒部１６は、周方向の一部のみを冷却水ジャケット１７に露出させてもよい。また、実施形態では、第２筒部１６はその全長にわたって冷却水ジャケット１７に露出しているが、長手方向の一部のみを冷却水ジャケット１７に露出させていてもよい。第２筒部１６のうち、長手方向の一部はその全周を冷却水ジャケット１７に露出させて、他の部分は周方向の一部が冷却水ジャケット１７に露出させてもよい。

図３のとおり、入口側継手９はインナー通路１３に連通しており、インナー通路１３の始端部とアウター通路１４の始端部とは、周方向に配置された複数の入口側連通穴１８によって連通している。また、出口側継手１１もインナー通路１３に連通しており、インナー通路１３の終端部とアウター通路１４の終端部とは、周方向に配置された複数の出口側連通穴１９によって連通している。

図示の実施形態では、第１及び第２の筒部１４，１５をシリンダヘッドと一体に鋳込んだ状態に表示しているが、第２筒部１６のみを別部材としたり、両筒部１４，１５を別部材とすることも可能である。加工性の点からは、両者を別部材とするのが優れていると云える。

第１筒部１５のうち終端寄りの部位は、薄肉状の拡径部１４ａになっており、この拡径部のうち出口側連通穴１９よりも上流側の部位に、リング状の弁座２０を一体に又は別体に設けると共に、弁座２０より上流側の部位に円板状の第１弁体２１を配置している。第１弁体２１は、インナー通路１３の軸心に配置した操作軸２２の先端に固定されており、操作軸２２は、アクチェータ１２の作動軸に固定又は一体化されている。第１弁体２１、操作軸２２、アクチェータ１２は制御手段を構成している。

アクチェータ１２は、例えばソレノイド式のような直動タイプであり、操作軸２２をばねで前進方向に付勢して、ソレノイドに通電すると操作軸がばねに抗して後退するか、又は、これとは逆で、操作軸２２をばねで後退方向に付勢して、ソレノイドに通電すると操作軸がばねに抗して前進するように構成できる。いずれにしても、ソレノイドへの通電を制御することで、第１弁体２１を内部ＥＧＲ通路７の軸心方向に前後動させることができる。

そして、本実施形態では、インナー通路１３とアウター通路１４との終端部は常に連通しており、インナー通路１３の弁座２０を開閉することにより、ＥＧＲガスがインナー通路１３に流れることを継断できる。

従って、コールドスタート後で機関の温度が低い状態では、第１弁体２１を前進状態にして、インナー通路１３の弁座２０を開くことで、ＥＧＲガスをさほど冷却することなく吸気系に供給することができる。機関の温度がある程度まで上昇したら、図４に示すように、第１弁体２１を後退させてインナー通路１３の弁座２０を閉じることにより、ＥＧＲガスの全量をアウター通路１４に流して冷却し、これにより、充填効率を向上できる。

弁座２０の穴を長テーパ状に形成する一方、第１弁体２１もテーパ状のニードル状に形成することにより、第１弁体２１の前後量を制御してインナー通路１３を流れるＥＧＲガスの量を調節することも可能である。

(2).第２実施形態
図５に示す第２実施形態では、作動軸２１に、出口側連通穴１９を開閉する筒形の第２弁体２３を固定している。この実施形態では、作動軸２１が前進した状態では、インナー通路１３の弁座１９は開いていると共に出口側連通穴１９は閉じており、従って、ＥＧＲガスはインナー通路１３のみを流れる。このため、より高い温度のＥＧＲガスが吸気系に供給される。第２弁体２３も制御手段の一部を構成している。

他方、作動軸２１が後退した状態では、インナー通路１３の弁座１９は閉じていると共に出口側連通穴１９は開いており、従って、ＥＧＲガスはアウター通路１４のみを流れる。このため、より冷却された温度のＥＧＲガスが吸気系に供給される。従って、充填効率の向上に貢献できる。

弁座１９を第１弁体２０で半閉じして、出口側連通穴１９を第２弁体２３で半開きすることも可能である。従って、弁座１９の閉じ加減（或いは開き加減）と出口側連通穴１９の開き加減（或いは閉じ加減）とを調節するとで、ＥＧＲガスの温度を任意に調節できる。第２弁体２３のみを設けて、アウター通路１４のみを開閉操作することも可能である。

(3).第３実施形態
次に、図６，７に示す第３実施形態を説明する。この実施形態では、まず、第１筒部１５の終端部のうち、当該第１筒部１５の軸心を挟んだ２か所の部位に、出口側連通穴１９を開けている（出口側連通穴１９は請求項３に記載した第１連通穴に相当する。）。

更に、インナー通路１３の終端寄り部位のうち出口側連通穴１９よりやや上流側の部位に遮蔽板２５を設け、遮蔽板２５に２つの第２連通穴２６を形成している。第２連通穴２６は、インナー通路１３の軸心方向から見て、出口側連通穴１９に対して周方向に９０度ずれて形成されている。

そして、インナー通路１３の終端部に、アクチェータ２７で駆動される回転軸２８に固定した弁体２９を配置している。弁体２９は、第１筒部１５の内周面に摺接又は密接する円筒状の第１弁部３０と、遮蔽板２５の外面に摺接又は密接する円板状の第２弁部３１とを有する有底円筒状の形態であり、第１弁部３０と第２弁部３１とに、それぞれ２か所ずつの第１弁穴３２と第２弁穴３３とが開けられている。これら第１弁穴３２と第２弁穴３３とは、インナー通路１３の軸心方向から見て同じ位置に開けられている。

従って、アクチェータ２７で弁体２９を９０度回転させることにより、図７（Ａ）のように、出口側連通穴１９は開口して第２連通穴２６が閉じた状態と、図７（Ｂ）のように、出口側連通穴１９は閉じて第２連通穴２６が開いた状態とに切り換えることができる。すなわち、ＥＧＲガスがアウター通路１４のみを流れる状態と、インナー通路１３のみを流れる状態とに切り替えることができる。

この実施形態では、弁体２９とアクチェータ２７が制御手段を構成しているが、弁体２９は、出口側連通穴１９や遮蔽板２５と協働して制御しているので、厳密に云えば、出口側連通穴１９や遮蔽板２５も制御手段を構成している。他の実施形態も同様である。

(4).第４実施形態
有底円筒状の弁体２９を有する制御手段は、様々に展開できる。その例を、図８以下の図において第４実施形態として示している。この実施形態の基本構造は第３実施形態と同じであるが、まず、第１筒部１５と弁体２９と遮蔽板２５とを、インナー通路１３の軸心方向から見て、時計回り方向に１２０°ずつずれた第１〜第３の３つのエリア３５，３６，３８に分けている。

そして、出口側連通穴１９と第３連通穴２６とを第１エリア３５のみに形成している。従って、出口側連通穴１９と第３連通穴２６とは同じ方向に位置している。他方、弁体２９に関しては、図８（Ｂ）の基準状態において、第１弁穴３２は第３エリア３７に開口して、第２弁穴３３は第２エリア３６に開口している。従って、第１弁穴３２と第２弁穴３３とは周方向に１２０度ずれている。

そして、図８（Ｃ）に示す第１状態（基準状態）では、第１弁穴３２及び第２弁穴３３の両方が閉じている。従って、ＥＧＲガスは吸気系に供給されない。弁体２９を時計回りに方向に回転させたときの、第１弁穴３２と第２弁穴３３との開閉状態を図１０に示している。図１０において、ｂは０度より大きくて１２０度より小さい第１中間領域を示し、ｄは１２０度より大きくて２４０度より小さい第２中間領域を示し、ｆは２４０度より大きくて３６０度より小さい第３中間領域を示している。

図８（Ｃ）の第１状態から弁体２９を回り方向に回転させ始めると、第２弁穴３３は徐々に開いて高温のＥＧＲガスが吸気系に流れて始めて、１２０度まで回転させると、図８（Ａ）に示すように、第２弁穴３３が全開する。他方、第１弁穴３２は閉じたままである。従って、吸気系に逓増して流れるＥＧＲガスは高温のままである。

弁体２９が１２０度から２４０度に移行する過程では、第１弁穴３２は全閉から全開の方向に移行する一方、第２弁穴３３は全開から全閉の方向に移行して、２つの弁穴３２，３３が開度を変えながら開いている。従って、ＥＧＲガスは、流量は変わることなく温度が徐々に低下していく。

弁体２９が２４０度まで回転すると、図９（Ｂ）に示すように、第１弁穴３２は全開して第２弁穴３３は全閉する。更に弁体２９を時計回り方向に回転させると、第１弁穴３２と第２弁穴３３とはいずれも閉じていき、３６０度まで回転させると第１状態に戻る。従って、ｆの領域では、ＥＧＲガスは、低温を維持しつつ流量が低下していく。

図１１では、ＥＧＲガス量と負荷との好適な関係を示している。すなわち、低負荷領域では、負荷の増加に伴ってＥＧＲガスの量も増加させていくのが好ましく、中負荷領域ではＥＧＲガスの量は略一定にするのが効率的であり、高負荷領域では、出力を優先させてＥＧＲガスは負荷の減少関数とするのが好ましい。ＥＧＲガスの温度と量とを見ると、ＥＧＲガスの量が少ないほど高温であるのが好ましい。

そして、図１１に領域ａ〜ｆを併記して示すように、第４実施形態の制御態様（弁体２９の回転角度）を機関の負荷に応じて選択することで、負荷に応じた量と温度のＥＧＲガスを吸気系に供給することができる。なお、機関温度の検知は例えば冷却水の温度で代替したらよく、負荷の検知は回転数とスロットル開度とから演算したよい。いずれにしても、アクチェータ１２，２７はＥＣＵを通じて自動制御される。敢えて述べるまでもないが、弁体２９は正逆回転できる。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は更に様々に具体化できる。例えば、第３，４実施形態のような回転式の弁体を使用する場合、周方向に沿った４か所以上に弁穴を設けることにより、更に嵌め細かい制御を行うことも可能である（インナー通路とアウター通路とを全閉することも可能である。）。図示による説明は省略するが、内部ＥＧＲ通路をシリンダブロックに設けることも可能である。

本願発明は、実際に内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダヘッド
３ 排気マニホールド
７ 内部ＥＧＲ通路
１２ 制御装置を構成する直動式アクチェータ
１３ インナー通路
１４ アウター通路
１５ 第１筒部
１６ 第２筒部
１７ 冷却水ジャケット
１８ 入口側連通穴
１９ 出口側連通穴（第１連通穴）
２０ 弁座
２１ 制御装置を構成する第１弁体
２２ 制御装置を構成する操作軸
２３ 制御装置を構成する第２弁体
２５ 遮蔽板
２６ 第２連通穴
２７ 制御装置を構成する回転式アクチェータ
２８ 制御装置を構成する回転軸
２９ 制御装置を構成する弁体
３０ 第１弁部
３１ 第２弁部
３２ 第１弁穴
３３ 第２弁穴

Claims (3)

1. シリンダヘッド又はシリンダブロックに、インナー通路とこれを外周から囲うアウター通路とから成る二重管状のＥＧＲ通路が設けられて、前記アウター通路の外周のうち少なくとも一部が冷却水ジャケットに露出しており、かつ、前記ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスの量とアウター通路を流れるＥＧＲガスの量とを調節する制御手段を備えている、
   内燃機関。
2. 前記インナー通路とアウター通路とを区画する筒部に連通穴を設けており、スライド式の第２弁体によって前記連通穴が開閉される一方、前記インナー通路には、当該インナー通路を流れるＥＧＲガスの量を制御するスライド式の第１弁体を設けており、前記第１弁体と第２弁体とは１本の操作軸に設けられていて、アクチェータによって同時にスライド操作される、
   請求項１に記載した内燃機関。
3. 前記インナー通路とアウター通路とを区画する円筒状の筒部に第１連通穴を開けている一方、前記インナー通路のうち前記第１連通穴の近くに設けた遮蔽板に第２連通穴を開けており、前記インナー通路の内部に、前記第１連通穴を開閉する円筒状の第１弁部と前記第２連通穴を開閉する円板状の第２弁部とを有する有底円筒状の弁体が回転可能に配置されており、前記弁体をアクチェータによって回転操作することにより、インナー通路を流れるＥＧＲガスとアウター通路を流れるＥＧＲガスとの量が制御される、
   請求項１に記載した内燃機関。

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