JP6670151B2 - エンジンシステム - Google Patents

Description

本発明は、ＥＧＲ流路で排気ガスを還流させるエンジンシステムに関する。

自動車などに搭載されるエンジンでは、複数の気筒を備えている。シリンダヘッドには、気筒毎に排気ポートが形成されており、各気筒から排気ポートを介して排出される排気ガスが排気流路内で合流し、触媒などで浄化された後、外気に排出される（例えば、特許文献１、２）。

特開２００３−２２７３８３号公報 特開２００３−１９３８３３号公報

ところで、エンジンの排気流路を流通する排気ガスは、燃料の燃焼熱によって高温となる。そのため、例えば、エンジンの高負荷運転時などにおいて、排気流路に配された触媒などを保護するため、排気ガスの温度を低減する技術の開発が希求されている。

そこで、本発明は、排気ガスの温度を低減することが可能なエンジンシステムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、少なくとも第１気筒および第２気筒が形成されたシリンダブロックに、シリンダヘッドが固定された、本発明のエンジンシステムは、シリンダヘッドに設けられ、第１気筒と第１排気流路とを連通させる第１排気ポートと、シリンダヘッドに設けられ、第２気筒と第２排気流路とを連通させる第２排気ポートと、第１排気流路および第２排気流路と連通し、第１排気流路および第２排気流路から導かれた排気ガスが内部で合流するツインスクロールターボと、シリンダヘッドに設けられ、第１排気ポートに開口し、排気ガスを吸気流路に還流させるＥＧＲ流路と連通するＥＧＲポートと、を備え、シリンダヘッドには、ツインスクロールターボに至るまで合流しない第１排気流路および第２排気流路にそれぞれ連通する第１排気ポートおよび第２排気ポートを連通させる連通孔が設けられていることを特徴とする。

連通孔は、ＥＧＲポートと同軸に形成され、連通孔の内径は、ＥＧＲポートの内径よりも小径であってもよい。

本発明によれば、排気ガスの温度を低減することができる。

エンジンを説明する図である。 エンジンシステムを説明するための説明図である。 左バンクのシリンダヘッドに設けられた連通孔を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、エンジン１を説明する図であり、図１（ａ）には、エンジン１の気筒の配置を示す。エンジン１は、車両（図示せず）に搭載される。なお、図１（ａ）では、クランクシャフト２を基準にして、矢印Ｒで示す方向を車両前方に向かって右側、矢印Ｌで示す方向を車両前方に向かって左側とする。また、以下では、図１（ａ）中、右側の気筒列を右バンクとよび、図１（ａ）中、左側の気筒列を左バンクとよぶ。

エンジン１には、図１（ａ）中、上側（車両の前側）から順に１番気筒３ａ（第２気筒）、２番気筒３ｂ、３番気筒３ｃ（第１気筒）、４番気筒３ｄが設けられている。エンジン１は、２つの気筒列（左バンクおよび右バンク）を構成する気筒がクランクシャフト２を境に対向するように水平に配置された水平対向エンジンである。左バンクには、１番気筒３ａおよび３番気筒３ｃが設けられ、右バンクには、２番気筒３ｂおよび４番気筒３ｄが設けられている。なお、各気筒の点火順序は、１番気筒３ａ→３番気筒３ｃ→２番気筒３ｂ→４番気筒３ｄの順序で行われる。以下、各気筒を総称する場合は単に「気筒３」と記載する。

図１（ｂ）には、気筒３の構成を示す。ここでは、各気筒３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄに共通する構成について説明する。

図１（ｂ）に示すように、エンジン１は、バンクごとにシリンダブロック４を有し、シリンダブロック４にはシリンダヘッド５が設けられる。また、ピストンロッド６に支持されたピストン７が、シリンダブロック４のピストンボア４ａ内で摺動可能に設けられる。そして、ピストンボア４ａと、シリンダヘッド５と、ピストン７の上面とによって囲まれた空間が燃焼室８として形成される。

シリンダヘッド５には、吸気ポート５ａおよび排気ポート５ｂが燃焼室８に連通するように形成されている。吸気ポート５ａと燃焼室８との間には吸気弁９が設けられ、排気ポート５ｂと燃焼室８との間には排気弁１０が設けられる。吸気ポート５ａおよび排気ポート５ｂは、それぞれ、吸気弁９および排気弁１０によって開閉される。

また、シリンダヘッド５には、先端が燃焼室８内に位置するように点火プラグ１１が設けられ、所定のタイミングで点火プラグ１１が点火され、インジェクタ１２によって燃焼室８内に噴射された燃料を燃焼させる。かかる燃焼により、ピストン７が往復運動を行い、その往復運動が、ピストンロッド６を通じてクランクシャフト２の回転運動に変換される。

図２は、エンジンシステム２０を説明するための説明図である。図２中、排気流路（後述する第１排気流路２３、第２排気流路２４）を実線の矢印で示し、吸気流路２５を破線の矢印で示し、ＥＧＲ流路２７を一点鎖線の矢印で示す。図２に示すように、エンジンシステム２０は、上記のエンジン１の他に、ツインスクロールターボ２１、および、ＥＧＲ機構２２を含んで構成される。

ツインスクロールターボ２１は、タービン２１ａとコンプレッサ２１ｂを含んで構成される。タービン２１ａにおいては、タービンハウジングの内部に２つのスクロール流路が形成されており、一方のスクロール流路が第１排気流路２３に連通し、他方のスクロール流路が第２排気流路２４に連通している。そして、スクロール流路の下流に位置するタービンインペラの収容部で、２つのスクロール流路が合流している。

このように、スクロール流路を２つに区分けすることで、気筒間の排気脈動の干渉によるエネルギー損失を抑制するとともに、Ａ／Ｒ比を小さくせずに低回転域でのタービン２１ａの始動時のレスポンスを向上することができる。

第１排気流路２３は、１番気筒３ａおよび２番気筒３ｂと、各気筒に設けられた排気ポート５ｂを介して連通している。１番気筒３ａおよび２番気筒３ｂから排出された排気ガスは、第１排気流路２３内で合流し、ツインスクロールターボ２１のタービン２１ａに導かれる。

同様に、第２排気流路２４は、３番気筒３ｃおよび４番気筒３ｄと、各気筒に設けられた排気ポート５ｂを介して連通している。３番気筒３ｃおよび４番気筒３ｄから排出された排気ガスは、第２排気流路２４内で合流し、ツインスクロールターボ２１のタービン２１ａに導かれる。

そして、タービン２１ａは、第１排気流路２３および第２排気流路２４から導かれた排気ガスによって回転する。コンプレッサ２１ｂは、吸気流路２５に設けられ、タービン２１ａの回転動力によって回転することで、外気から吸入された空気を圧縮する。

吸気流路２５は、各気筒の吸気ポート５ａに連通しており、吸気流路２５のうち、各吸気ポート５ａへ分岐する分岐部２５ａとコンプレッサ２１ｂとの間には、スロットル弁２６が設けられている。スロットル弁２６は、吸気流路２５の流路幅（開度）を調整することで、各気筒への吸入空気量を制御する。

ＥＧＲ機構２２は、ＥＧＲ流路２７、ＥＧＲクーラ２８、ＥＧＲバルブ２９を含んで構成される。ＥＧＲ流路２７は、左バンクのシリンダヘッド５のうち、３番気筒３ｃの排気ポート５ｂと連通するとともに、吸気流路２５のうち、スロットル弁２６と分岐部２５ａの間の部位と連通している。３番気筒３ｃから排出される排気ガスは、ＥＧＲ流路２７を介して吸気流路２５に還流する。

ＥＧＲクーラ２８は、ＥＧＲ流路２７に設けられており、ＥＧＲ流路２７を流通する排気ガスを冷却する。ＥＧＲバルブ２９は、ＥＧＲ流路２７のうち、ＥＧＲクーラ２８の下流側に設けられ、ＥＧＲ流路２７の流路幅を調整することで、吸気流路２５に還流させる排気ガスの流量を制御する。このように、排気ガスを吸気流路２５に還流させることで、吸気の酸素濃度を低下させて、燃料の燃焼温度を低減してＮＯｘ（窒素酸化物）等の生成を抑えることが可能となる。

ところで、エンジン１の排気流路を流通する排気ガスは、燃料の燃焼熱によって高温となる。そのため、例えば、エンジン１の高負荷運転時などにおいて、排気流路に配された触媒などを保護するため、排気ガスの温度上昇を抑制する必要がある。

ここで、例えば、上記のように、３番気筒３ｃは、ＥＧＲ流路２７に連通しており、ＥＧＲ流路２７にはＥＧＲクーラ２８が配されている。そのため、３番気筒３ｃから排出される排気ガスは、例えば脈動等の影響によって排気ガスの一部がＥＧＲ流路２７に出入りすることで、ガスの膨張やＥＧＲクーラ２８の影響を受け、他の気筒３から排出される排気ガスに比して低温となる。また、４番気筒３ｄは、第２排気流路２４に連通していることから、４番気筒３ｄから排出される排気ガスも、３番気筒３ｃから排出される排気ガスと第２排気流路２４内で合流して温度が低下する。

一方、１番気筒３ａおよび２番気筒３ｂについては、第１排気流路２３に連通しており、１番気筒３ａおよび２番気筒３ｂから排出された排気ガスは、第２排気流路２４内の排気ガスと合流しないまま、タービン２１ａのスクロール流路に導かれる。そのため、第１排気流路２３を流通する排気ガスの温度と第２排気流路２４を流通する排気ガスの温度にはバラツキが生じる。具体的には、第１排気流路２３を流通する排気ガスの温度は、第２排気流路２４を流通する排気ガスの温度よりも高温となる。第１排気流路２３を流通する排気ガスの温度を、第２排気流路２４を流通する排気ガスの温度と同等にするには、例えば、第１排気流路２３を流通する排気ガスの温度上昇を抑制する処理が必要となる。具体的には、例えば、燃料噴射量を増量して気化熱によって排気ガスの温度上昇を抑制する処理などが必要となり、燃費向上を妨げるなどの損失が生じる。

そこで、本実施形態では、左バンクのシリンダヘッド５内に連通孔３０を設けることで、１番気筒３ａおよび２番気筒３ｂから排出される排気ガスの低温化を図っている。

図３は、左バンクのシリンダヘッド５に設けられた連通孔３０を説明するための説明図であり、図３（ａ）には、シリンダヘッド５を車両の後側から見た側面図を示し、図３（ｂ）には、図３（ａ）のＩＩＩ（ｂ）−ＩＩＩ（ｂ）線断面を示す。

図３（ｂ）に示すように、３番気筒３ｃの排気ポート５ｂ（以下、３番排気ポート３１（第１排気ポート）と称す）には、ＥＧＲポート３２の一端３２ａが開口している。ＥＧＲポート３２の他端３２ｂは、図３（ａ）に示すように、シリンダヘッド５の外部に開口しており、ＥＧＲポート３２の他端３２ｂの径方向外側にはフランジ部３３が形成されている。

フランジ部３３には、不図示の締結部材が挿通される締結孔３３ａが形成されており、上記のＥＧＲ流路２７を形成する配管などの部材がフランジ部３３に固定され、ＥＧＲポート３２とＥＧＲ流路２７が連通される。

また、シリンダヘッド５では、１番気筒３ａの排気ポート５ｂ（以下、１番排気ポート３４（第２排気ポート）と称す）が、３番排気ポート３１に連設されている。そして、シリンダヘッド５には、３番排気ポート３１と１番排気ポート３４との間の隔壁５ｃを、３番排気ポート３１および１番排気ポート３４の連設方向に直線状に貫通する連通孔３０が設けられている。

連通孔３０は、ＥＧＲポート３２と平行に延在している。詳細には、連通孔３０およびＥＧＲポート３２は、大凡円形状の孔であって、連通孔３０は、ＥＧＲポート３２と同軸に形成されている。また、連通孔３０の内径は、ＥＧＲポート３２の内径よりも小径となっている。

このように、３番排気ポート３１と１番排気ポート３４は、連通孔３０を介して連通している。

上記のように、ＥＧＲ流路２７にはＥＧＲクーラ２８が設けられており、ＥＧＲバルブ２９が閉じているとき、ＥＧＲポート３２には、ＥＧＲクーラ２８によって冷却された排気ガスが戻って来ることがあり、冷却された排気ガスが３番排気ポート３１に流入する。そのため、３番排気ポート３１内の排気ガス（第２排気流路２４を流れる排気ガス）の温度が低下する。

また、ＥＧＲバルブ２９が開いているとき、３番排気ポート３１内の排気ガスは、ＥＧＲポート３２にも流出する。そのため、３番排気ポート３１内の排気ガスは、ＥＧＲポート３２が開口していない排気ポート５ｂよりも、膨張によって温度が低下する。

そして、３番排気ポート３１の圧力が１番排気ポート３４の圧力より高圧のとき、３番排気ポート３１内の排気ガスが、連通孔３０を通って１番排気ポート３４に流入し、１番排気ポート３４内の排気ガス（第１排気流路２３を流れる排気ガス）の温度が低下する。

さらに、１番排気ポート３４の圧力が３番排気ポート３１の圧力より高圧のとき、１番排気ポート３４内の排気ガスが連通孔３０にも流出する。そのため、１番排気ポート３４内の排気ガスは、膨張によって温度が低下する。

このように、連通孔３０を設けることで、第２排気流路２４を流れる排気ガスのみならず、第１排気流路２３を流れる排気ガスの温度を低下させることができる。

言い換えれば、各気筒の排気ガスの温度を平均化し、排気ガスの最高温度を抑制することができる。特に、ツインスクロールターボ２１を有する排気系において、本来、ツインスクロールターボ２１に至るまで排気流路が合流しない気筒３同士をシリンダヘッド５内の排気ポート５ｂで連通させることにより、各気筒３の排気ガスの温度を早期に効率よく平均化し、排気ガスの最高温度を効果的に抑制することが可能となる。これにより、燃料噴射量の増量などの処理をせずとも、排気流路の触媒などの劣化を抑制することが可能となる。

また、連通孔３０は、ＥＧＲポート３２と同軸に形成されていることから、シリンダヘッド５にＥＧＲポート３２を形成した後、ＥＧＲポート３２に他端３２ｂ側から工具を挿通して、連通孔３０を容易に加工形成することが可能となる。

以上、添付図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されないことは勿論であり、特許請求の範囲に記載された範疇における各種の変更例又は修正例についても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。

例えば、上述した実施形態では、４つの気筒３が設けられる場合について説明したが、少なくとも２つの気筒（第１気筒、第２気筒）が設けられ、第１気筒の第１排気ポートと第２気筒の第２排気ポートから排出された排気ガスが、ツインスクロールターボ２１の内部で合流する構成であればよい。

また、上述した実施形態では、連通孔３０がＥＧＲポート３２と同軸に形成される場合について説明したが、連通孔３０の中心軸が、ＥＧＲポート３２の中心軸から平行移動した位置になるように連通孔３０を形成してもよい。また、連通孔３０は、ＥＧＲポート３２に対して傾斜する方向に隔壁５ｃを貫通してもよい。

本発明は、ＥＧＲ流路で排気ガスを還流させるエンジンシステムに利用できる。

３ａ １番気筒（第２気筒）
３ｃ ３番気筒（第１気筒）
４ シリンダブロック
５ シリンダヘッド
５ｂ 排気ポート
２０ エンジンシステム
２１ ツインスクロールターボ
２３ 第１排気流路
２４ 第２排気流路
２５ 吸気流路
２７ ＥＧＲ流路
３０ 連通孔
３１ ３番排気ポート（第１排気ポート）
３２ ＥＧＲポート
３４ １番排気ポート（第２排気ポート）

Claims (2)

1. 少なくとも第１気筒および第２気筒が形成されたシリンダブロックに、シリンダヘッドが固定されたエンジンシステムであって、
   前記シリンダヘッドに設けられ、前記第１気筒と第１排気流路とを連通させる第１排気ポートと、
   前記シリンダヘッドに設けられ、前記第２気筒と第２排気流路とを連通させる第２排気ポートと、
   前記第１排気流路および前記第２排気流路と連通し、該第１排気流路および該第２排気流路から導かれた排気ガスが内部で合流するツインスクロールターボと、
   前記シリンダヘッドに設けられ、前記第１排気ポートに開口し、排気ガスを吸気流路に還流させるＥＧＲ流路と連通するＥＧＲポートと、
   を備え、
   前記シリンダヘッドには、前記ツインスクロールターボに至るまで合流しない前記第１排気流路および前記第２排気流路にそれぞれ連通する前記第１排気ポートおよび前記第２排気ポートを連通させる連通孔が設けられていることを特徴とするエンジンシステム。
2. 前記連通孔は、前記ＥＧＲポートと同軸に形成され、前記連通孔の内径は、前記ＥＧＲポートの内径よりも小径であることを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。

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