JP6230098B2 - Ｅｇｒ導入管路 - Google Patents

Description

本願発明は、内燃機関のＥＧＲ導入管路に関するものである。

車両用内燃機関において、燃費向上等のために排気ガスを吸気系に還流させることは広く行われている。この場合、高温の排気ガスをダイレクトに還流させると、充填効率が低下する等の不具合があるため、ＥＧＲガスをＥＧＲクーラで冷却することも広く行われている。

ＥＧＲ装置のＥＧＲガスは、ＥＧＲ導入管路（或いはＥＧＲガス導入管路）を介して排気系から取り込まれていることが多く、その配管構造として特許文献１では、ＥＧＲ導入管路の一端を排気マニホールドの集合部に接続して他端をシリンダヘッドに接続することが記載されており、特許文献２には、ＥＧＲ導入管路の一端を触媒ケースの先窄まり状終端部に接続し、他端を排気マニホールドのフランジに固定することが開示されている。いずれにしても、ＥＧＲ導入管路は１本のパイプで構成されており、排気系には溶接されている。

特開平１０−１２２０６１号公報 特開２００４−２７８３４２号公報

さて、ＥＧＲ導入管路は排気ガスに晒されて高温になるが、温度上昇の程度は排気系に近いほど高くなる。このため、ＥＧＲ管路に生じる熱応力も不均一になりやすい。特に、ＥＧＲ導入管路にＥＧＲクーラを設けると、ＥＧＲクーラの始端の箇所と終端の箇所とでは温度差が一層大きくなって、ＥＧＲ導入管路の温度差も大きくなるため、熱負荷がＥＧＲ導入管路のうち始端寄りの部分に集中すると云える。

このため、両特許文献のようにＥＧＲ導入管路を単にパイプで構成したに過ぎない構成では、肉厚が一定であって熱負荷が特定部分に集中して対策を採ることができないため、特に始端側の部分が損傷しやすくなる問題がある。また、排気系のうちＥＧＲ導入管路が接続される部分は曲面になっているため、ＥＧＲ導入管路の始端を排気系にぴったり重なるように加工するのが厄介であるという問題もある。

ＥＧＲ導入管路にＥＧＲクーラを設ける場合は、ＥＧＲ導入管路の一部はＥＧＲ導入管路に内蔵された状態になっているのが普通であるため、排気系とＥＧＲクーラとの間には継手パイプを介在させなければならないが、この場合も、熱負荷に対する有効な対策を採れない問題や加工が面倒である問題は残っており、しかも、ＥＧＲクーラが荷重として作用するため負担は一層大きくなる。

また、特許文献２のように触媒ケースとＥＧＲ導入管路とを上下長手の姿勢に並べて配置すると、ＥＧＲ導入管路は触媒ケースの熱膨張によって下向きに引っ張られ、機関の停止によって元の状態に戻るという繰り返しの荷重がすることになり、このため、ＥＧＲ導入管路に作用する負荷は一層大きくなる。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、熱に対して優れた特性を持つＥＧＲ導入管路を、コストアップを招来することなく提供せんとするものである。

本願発明のＥＧＲ導入管路は、
「ＥＧＲガスが流入する始端は排気系部材に固定され、ＥＧＲガスが排出される終端はシリンダヘッド又は他の吸気側部材に固定されるようになっており、始端と終端との間にＥＧＲクーラを設けている構成であって、
前記排気系部材に固定される始端部を鋳造品で構成して、前記鋳造品に、前記ＥＧＲクーラで覆われたステンレスパイプ製のメインパイプを接続しており、前記メインパイプの終端には、同じくステンレスパイプ製のジョイント管が接続されていて、前記ジョイント管の終端が前記シリンダヘッド又は他の吸気側部材に固定されており、
かつ、前記メインパイプとジョイント管とを交差した姿勢にすることにより、メインパイプが自身の熱変形又は前記排気系部材の熱変形によってその軸線方向に移動することが前記ジョイント管の曲がり変形によって許容されており、
更に、前記メインパイプ及びジョイント管は、加熱の繰り返しで経時的に延性が高くなるステンレスパイプで構成されている」
ものである。

鋳造品の材料は、防錆性能や強度、ステンレスパイプの部分との接合の容易性等の点から、ステンレス鋳物を使用するのが好ましい。鋳造品より成る始端部は単一の構造でもよいし、複数の部材で構成されていてもよい。また、鋳造品より下流側の部分は１本のみで構成されていてもよいし、複数本を接続した構造であってもよい。ステンレスパイプより成るＥＧＲ導入管路のうち、ＥＧＲクーラよりも下流側に流量制御弁（ＥＧＲバルブ）を設けることも可能である。

本願発明では、ＥＧＲ管路のうち鋳造品の始端部が排気系部材に対する継手として機能しているが、鋳造品は複雑な形状に簡単に対応できるため、排気系部材の曲面にぴったり重なるように製造できると共に、応力の度合いに応じて肉厚を変えるなどの対応も簡単である。従って、高いシール性と強度を確保できるのであり、ＥＧＲクーラの支持機能にも優れている。また、振動にも強い。

排気系部材とＥＧＲクーラとが並列状に並んでいると、機関の運転・停止に伴う排気系部材の熱膨張・熱収縮がＥＧＲ導入管路に外力として繰り返し作用するが、本願発明では、ＥＧＲ導入管路の始端部は鋳造品であって殆ど変形しないため、排気系部材の熱膨張に伴う外力は、専らステンレスパイプの部分を変形させるように作用する。従って、最も高温になる始端部に熱膨張・熱収縮が繰り返し発生して亀裂が発生しやすくなるといったことを防止できる。その結果、劣化を抑制して高い信頼性を維持できる。

しかも、ステンレスパイプとして、加熱の繰り返しで経時的に延性が高くなる材料を使用しているため、排気系部材の熱膨張・収縮に対するステンレスパイプの変形追従性を向上させて応力自体を抑制できるため、排気系部材やメインパイプ自身、ＥＧＲクーラの熱膨張による影響を抑制して信頼性を高めることを、コストをかけずに実現できる。

（Ａ）は実施形態の正面図、（Ｂ）はステーを表示した状態での（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図である。 側面図である。 （Ａ）は平面図、（Ｂ）は部分的な側面図で、（Ｃ）は図２のIIIC-IIIC 視断面図である。 図３（Ａ）の IV-IV視方向から見た要部の分離図である。 （Ａ）は組み付け工程途中での要部正面図、（Ｂ）は図３の IV-IV視方向から見た一部破断図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は車両用内燃機関に適用している。以下の説明では方向を特定するため上下・左右・前後の文言を使用するが、上下は鉛直線の方向であり、前後はクランク軸及びシリンダボアに対して直交した方向であり、左右はクランク軸の長手方向である。

(1).概要
本実施形態の内燃機関は、シリンダブロック１とその上面に固定されたシリンダヘッド２とを有する機関本体を備えており、機関本体は、クランク軸（図示せず）を左右長手の姿勢にした横向きで車両に搭載されている。本実施形態の内燃機関は３気筒であり、シリンダヘッド２の前面２ａに、３つの排気ポート３が左右に並んで開口していると共に、排気ポート３に連通した排気マニホールド４が固定されている。敢えて述べる必要はないが、シリンダヘッド２の後面には、吸気ポートが開口していると共に吸気マニホールドが固定されている。

内燃機関は３気筒であるので、排気マニホールド４は３つの枝管５とこれらに連通した集合管６とを有している。集合管６は下向きに開口しており、これに断面円形の触媒ケース７が溶接されている。また、排気マニホールド４は各枝管５の入口部に繋がったフランジ８を備えており、フランジ８がボルト（図示せず）でシリンダヘッド２に固定されている。図１に示す符号９は、ボルトが挿通される取り付け穴である。集合管６は図１において排気マニホールド４の左右中間位置から右側にずらして配置しているが、左側にずらしてもよいし、左右中間部に設けてもよい。

触媒ケース７は排気系の一部を構成するものであり、その内部には三元触媒が配置されている。また、触媒ケース７は、上端部を段付き状縮径部７ａと成して下端部を下窄まりの下テーパ部７ｂと成した円筒形態であり、下テーパ部７ｂに下向きの継手管１０を溶接し、継手管１０の上下中途部に金属板製の支持ブラケット１１を溶接で固定している。継手管１０には排気管１２が下方から接続されている。排気管１２も排気系を構成している。排気マニホールド４の集合管６には、センサ取り付け座１３を設けている。

支持ブラケット１１は継手管１０を横切る形態で水平に近い状態で広がっており、その一端（図１で左側の端）に、正面視では触媒ケース７と反対側に傾斜して側面視では後傾した立ち上がり部１１ａを曲げ形成している。立ち上がり部１１ａは、シリンダブロック１にボルトで固定されたステー１４に固定されている。

従って、触媒ケース７は支持ブラケット１１及びステー１４を介してシリンダブロック１で支持されている。支持ブラケット１１の固定手段としては、ステー１４に前向き突設したスタッドボルト１５にナット１６をねじ込んでいるが、頭付きボルトとナットとを使用したり、ボルトをステー１４にねじ込むなどしてもよい。

触媒ケース７は請求項に記載した排気系部材の一例であり、この触媒ケース７における下テーパ部７ｂのうち支持ブラケット１１の立ち上がり部１１ａと反対側の外周面に、ＥＧＲメインパイプ１８を内蔵したＥＧＲクーラ１７が、Ｌ形パイプ１９及びボス体２０を介して接続されている。ボス体２０とＬ形パイプ１９とＥＧＲメインパイプ１８とは断面円形でＥＧＲ導入管路を構成しており、ボス体２０とＬ形パイプ１９とはＥＧＲ導入管路の始端部になっている。ボス体２０は、ＥＧＲ導入管路の始端の接合部を構成している。

ＥＧＲメインパイプ１８の上端には、シリンダヘッド２の方向に向いておおまかには前後方向に長い断面円形のジョイント管２１が接続されており、ジョイント管２１は、フランジ板２２を介してシリンダヘッド２の前面２ａにボルト（図示せず）で固定されている。ジョイント管２１もＥＧＲ導入管路の一部であり、ジョイント管２１の終端がＥＧＲ導入管路の終端であり、フランジ板２２は、ＥＧＲ導入管路の終端の接合部を構成している。フランジ板２２は上下方向に長い形態であり、上端部と下端部とがボルト（図示せず）でシリンダヘッド２に固定されている。

ジョイント管２１のうちフランジ板２２に固定された先端部は、フランジ板２２にロウ付けで固定された押え部材２３で上から押え保持されている。図示は省略するが、シリンダヘッド２の右端部にはジョイント管２１に連通したＥＧＲ通路が形成されており、ＥＧＲ通路に流入した排気ガスは、ＥＧＲバルブ（図示せず）を介して吸気系に還流する。

(2).ＥＧＲ装置関連要素の全体構成
上記のとおり、ＥＧＲクーラ１７及びＥＧＲメインパイプ１８は、図１の状態で触媒ケース７の右に位置しており、正面視では触媒ケース７と略平行で側面視では少し後傾した姿勢になっている。また、触媒ケース７に対する取り付け位置は、図３に示すように、触媒ケース７の軸心を通ってシリンダヘッド２の前面２ａと平行な線Ｘよりも手前に位置している。すなわち、触媒ケース７の真横の部分よりも少し手前の位置に接合されている。

排気マニホールド４と触媒ケース７とは、インシュレータ（図示せず）で手前側から覆われるようになっている。そこで、排気マニホールド４の上端の２カ所と触媒ケース７の１カ所とＥＧＲクーラ１７の後面の２カ所とに、インシュレータを固定するための取り付け片２５を溶接で固定している。インシュレータの右端は、触媒ケース７とＥＧＲクーラ１７との間の空間に向けて延びている。

ＥＧＲメインパイプ１８はＥＧＲクーラ１７に内蔵されている。従って、形式的にはＥＧＲメインパイプ１８はＥＧＲクーラ１７の一部のような外観を呈している。図３（Ｃ）に示すように、ＥＧＲメインパイプ１８は、横断面花びら状のフィン管１８ａを鞘管１８ｂで覆った形態を成しており、鞘管１８ｂとＥＧＲクーラ１７との間の空間に冷却水が通る。

ＥＧＲクーラ１７は水冷方式であり、そこで、例えば図１のとおり、ＥＧＲクーラ１７には、冷却水導入管２６と冷却水排出管２７とが接続されている。本実施形態では、冷却水導入管２６はＥＧＲクーラ１７の下端部背面に接続して、冷却水排出管２７はＥＧＲクーラ１７の上端部前面に接続している。冷却水の流入・流出を逆の関係にしてもよいし、両管２６，２７との高さは変えることなく、ＥＧＲクーラ１７に対する両管２６，１７の周方向の取り付け位置を変えることも可能である（例えば両者を横向きにする。）。

冷却水導入管２６及び冷却水排出管２７の先端部には、軟質材製チューブ（ホース）２８が外から嵌め込まれる。冷却水導入管２６はその長さが長いので、先端側の上向き傾斜部２６ａに固定片２９を溶接又はロウ付けで固定し、固定片２９を支持ブラケット１１の立ち上がり部１１ａにボルト３０で固定している。図２に示すように、冷却水導入管２６の付け根部は、ＥＧＲクーラ１７に溶接で固定した吊支ブラケット３１で下方から支持されている。

(3).Ｌ形パイプとボス体
図４に明示するように、Ｌ形パイプ１９は、ボス体２０に溶接で接続される水平部１９ａとＥＧＲメインパイプ１８に接続される起立部（鉛直部）１９ｂとを有している。水平部１９ｂはストレート状であり、その端部はボス体２０の内部に入り込んでいる。

ボス体２０は触媒ケース７の下テーパ部７ｂに重なっているので、その先端は正面視で斜めにカットされた傾斜面になっている。従って、フランジ部２０ａは横から見ると真円でなく楕円形になっている。また、フランジ２０ａの端面は、触媒ケース７におけるテーパ部７ｂの外周の曲面にぴったり重なるように、緩く湾曲している。

Ｌ形パイプ１９の起立部１９ｂには、ＥＧＲメインパイプ１８に接続される小径の嵌入部１９ｃを設けているが、既述のとおり、ＥＧＲメインパイプ１８は鞘管１８ｂでフィン管１８ａを囲った構造になっていて、ＥＧＲメインパイプ１８の鞘管１８ｂはＬ形パイプ１９の嵌入部１９ｃよりも大径になっている。

そこで、ＥＧＲメインパイプ１８における鞘管１８ｂの上下両端に細く絞り加工された接続端部１８ｂ′を形成し、Ｌ形パイプ１９の嵌入部１９ｃを下接続端部１８ｂ′に挿入してロウ付けで固定している。ロウ付けは全周にわたって途切れなく行われている。鞘管１８ｂの上端の上接続端部１８ｂ′もジョイント管２１にロウ付けされている。

ＥＧＲクーラ１７やＥＧＲメインパイプ１８（１８ａ，１８ｂ）、ジョイント管２１は、例えばＪＩＳにおけるＳＵＳ３０４製のパイプのようなステンレスパイプが使用されている。他方、ＥＧＲ導入管路の上流部を構成するボス体２０及びＬ形パイプ１９は、ＪＩＳにおけるＳＵＳ４３０のようなステンレスを材料にした鋳造品（ステンレス鋳物）である。

図示は省略するが、Ｌ形パイプ１９及びボス体２０は、重ね合わせた外型とその間に挟み保持した中子型とを有する砂型を使用して製造されるが、鋳造の定法として、湯道の終端は大きな容積の湯口になっている。そして、湯口の跡は一般に切除されているが、本実施形態では、湯口跡４１はそのまま残している。ボス体２０の湯口４１は下面に位置し、Ｌ形パイプ１９の湯口４１は起立部１９ｂのうち触媒ケース７と反対側の外面に配置している。

ボス体２０はその全周が触媒ケース７に溶接されており、Ｌ形パイプ１９の水平部１９ａもその全周がボス体２０に溶接されている。Ｌ形パイプ１９の起立部１９ｂとＥＧＲメインパイプ１８の下接続端部１８ｂ′とはロウ付けで接合されている。勿論、溶接してもよい。加工手順としては、Ｌ形パイプ１９を先にＥＧＲメインパイプ１８の下接続端部１８ｂ′にロウ付けしている一方、ボス体２０は先に触媒ケース７に溶接しており、Ｌ形パイプ１９をボス体２０に溶接することで、触媒ケース７のＥＧＲクーラ１７の取り付けが行われる。

(4).実施形態の利点・その他
さて、触媒ケース７及びＥＧＲクーラ１７並びにＥＧＲメインパイプ１８は上下方向に長い姿勢になっているので、上下方向に熱膨張する。この場合、三者が同じ程度の率で熱膨張すると、熱膨張に伴う歪みを抑制できるが、触媒ケース７が最も高温になるため、触媒ケース７の熱膨張量が最も大きくて、触媒ケース７の熱膨張によってＥＧＲメインパイプ１８及びＥＧＲクーラ１７が下方に引っ張られる傾向を呈する。

他方、ＥＧＲクーラ１７（ＥＧＲメインパイプ１８）とシリンダヘッド２とを繋ぐジョイント管２１は水平姿勢に延びると共に平面視では屈曲した形態になっており、上下に方向には大きく曲がる構造になっている。このため、ＥＧＲクーラ１７及びＥＧＲメインパイプ１８の下向きの動きは、ジョイント管２１の曲がり変形によって許容されている。

熱膨張率は個々の材料によって固有の値があるが、熱膨張による変形のし易さは材料が持つ延性に依存している。この点、ＥＧＲメインパイプ１８やＥＧＲクーラ１７、ジョイント管２１を構成するＳＵＳ３０４は、加熱・自然冷却の繰り返しによる熱膨張・熱収縮が繰り返されると組織が緻密化して延性が高まる性質があるため、内燃機関を使用しているうちに、触媒ケース７の熱膨張に伴うＥＧＲクーラ１８の引っ張りに対するジョイント管２１の変形追従性が向上していき、応力自体を経時的に低減できる。これにより、歪み（応力）が特定部位に集中して破断するような不具合を防止できる。

本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、本願発明のＥＧＲ導入管路の接合対象は触媒ケースである必然性はなく、単なる排気管や排気マニホールドに接続することも可能である。排気ターボ過給機に接続することも可能である。

本願発明は、内燃機関に実際に具体化できる。従って、産業上利用できる。

２ シリンダヘッド
４ 排気マニホールド
７ 排気系部材の一例としての触媒ケース
７ａ 触媒ケースの下テーパ部
１７ ＥＧＲクーラ
１８ ＥＧＲ導入管路を構成するＥＧＲメインパイプ
１９ ＥＧＲ導入管路の始端部を構成する鋳造品としてのＬ形パイプ
２０ ＥＧＲ導入管路の始端部を構成する鋳造品としてのボス部
２１ ＥＧＲ導入管路を構成するジョイント管

Claims (1)

1. ＥＧＲガスが流入する始端は排気系部材に固定され、ＥＧＲガスが排出される終端はシリンダヘッド又は他の吸気側部材に固定されるようになっており、始端と終端との間にＥＧＲクーラを設けている構成であって、
   前記排気系部材に固定される始端部を鋳造品で構成して、前記鋳造品に、前記ＥＧＲクーラで覆われたステンレスパイプ製のメインパイプを接続しており、前記メインパイプの終端には、同じくステンレスパイプ製のジョイント管が接続されていて、前記ジョイント管の終端が前記シリンダヘッド又は他の吸気側部材に固定されており、
   かつ、前記メインパイプとジョイント管とを交差した姿勢にすることにより、メインパイプが自身の熱変形又は前記排気系部材の熱変形によってその軸線方向に移動することが前記ジョイント管の曲がり変形によって許容されており、
   更に、前記メインパイプ及びジョイント管は、加熱の繰り返しで経時的に延性が高くなるステンレスパイプで構成されている、
   ＥＧＲ導入管路。

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