JP7260466B2 - 産業用エンジンの排気マニホルド及び産業用エンジン - Google Patents

Description

本発明は、農用トラクタやバックホウに搭載されるディーゼルエンジンなどの産業用エンジン及びそれに用いられる排気マニホルドであって、産業用エンジンの排気マニホルド及び産業用エンジンに関するものである。

排ガス規制の厳格化に伴い、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環）システムを採用するエンジンが増えている。即ち、排気ガスの一部を排気マニホルドから抜き取り、専用のＥＧＲ通路を通して吸気通路に戻す装置であり、特許文献１などにおいて開示されている技術である。

通常、ＥＧＲ通路は、特許文献１において開示されるように、排気マニホルドやエンジン本体（シリンダヘッド）とは別の通路部品に構成される、いわゆる「外部ＥＧＲ」と呼ばれる構造のものが一般的である。

外部ＥＧＲにおける問題点としては、次のとおりである。即ち、ＥＧＲ通路（経路）が設けられると、高温側となる排気マニホルドにＥＧＲ通路という熱源がさらに加えられることになる。従って、排気マニホルドや外部ＥＧＲの周辺が密集した構造となり、熱によってスタータ機構などのエンジン補機が故障し易い、という問題がある。

特開２００５－２９１００２号公報

本発明の目的は、比較的強度に余裕のある排気マニホルドに着目しての構造工夫により、高温条件になり易い排気マニホルド側に配置されているエンジン補機に冷却風を導いて降温できるようにし、エンジン補機が故障し難いようにして信頼性が向上するように改善された産業用エンジン、並びに産業用エンジンの排気マニホルドを提供する点にある。

本発明は、産業用エンジンの排気マニホルドにおいて、
前後方向の一端側である第１側に冷却ファンを備える産業用エンジンの排気マニホルドであって、
前記産業用エンジンにおいて前記前後方向に交差する横方向の一端側である第２側に配置され、
前記産業用エンジンの複数の排気ポートに対応した複数の排気入口部と、１つの排気出口部と、前記複数の前記排気入口部からの排気ガスを集約して前記排気出口部に送る排気合流部とを備えるとともに、
一端が前記排気合流部に連通され他端が開口されるＥＧＲ導出路を有して前記排気合流部における長手方向の一端部に形成されるガス導出部、及び両端に開口を備えるＥＧＲ通路を有して前記排気合流部における前記長手方向の他端部に形成されるＥＧＲ通路部が形成され、
前記ガス導出部及び前記ＥＧＲ通路部には、前記排気合流部の直下に位置して前記ＥＧＲ導出路と前記ＥＧＲ通路とを繋ぐＥＧＲ通路部材を取付け可能な取付部が設けられ、
前記ＥＧＲ通路部の前記取付部は、前記第２側から外部に向けて張り出るとともに前記排気合流部から連続するフランジ部として形成され、
前記第１側から前記前後方向の他端側に向かう冷却風を前記フランジ部によって、前記ＥＧＲ通路部の直下に位置するエンジン補機に導くことを特徴とする。

この場合、前記ガイド部は、吸気通路に向けてＥＧＲガスを送るために前記排気合流部に形成されたＥＧＲ通路部により構成されていると好都合である。

本発明に関して、上述した構成（手段）以外の特徴構成や手段ついては、請求項２～８を参照のこと。

本発明によれば、冷却風をエンジン補機に導くガイド部が排気マニホルドに形成されているから、排気マニホルド付近を流れる冷却風を、ガイドによってエンジン補機の存在方向（下方など）に向きを変えて、エンジン補機への流れを促進させることが可能になる。つまり、ガイドによって冷却風を促進させ、過熱され易い位置にあるエンジン補機を効率よく空冷することができる。

その結果、高温条件になり易い排気マニホルド側に配置されているエンジン補機に冷却風を導いて降温できるようにし、エンジン補機が故障し難いようにして信頼性が向上するように改善された産業用エンジンの排気マニホルド、並びに産業用エンジンを提供することができる。

ＥＧＲ付ディーゼルエンジンの正面図 図１のエンジンの左側面図 図１のエンジンの背面図 排気マニホルドの左側面図 排気マニホルドを合流管部で水平に切り上から見た断面平面図 排気マニホルドを排気出口部で縦に切り後方から見た断面背面図 排気マニホルドの右側面図 排気マニホルド後部を縦に切って横から見た一部切欠きの斜視図 排気マニホルドとＥＧＲクーラとを示す要部の拡大側面図 排気マニホルド後部付近での冷却風の流れを示す概略図

以下に、本発明による産業用エンジン及びその排気マニホルドの実施の形態を、農用トラクタなどに好適な産業用ディーゼルエンジンとその排気マニホルドについて、図面を参照しながら説明する。

以下に、本発明によるＥＧＲ付エンジン用排気マニホルドの実施の形態を、農用トラクタなどに好適な産業用ディーゼルエンジンの排気マニホルドについて、図面を参照しながら説明する。

図１～図３に直列４気筒のＥＧＲ付ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンと略称する）Ｅが示されている。このエンジンＥは、シリンダブロック１の上にシリンダヘッド２が組付けられ、シリンダヘッド２の上にヘッドカバー３が組付けられている。シリンダブロック１の下にはオイルパン４が組付けられ、ヘッドカバー３の上方には排気処理装置５が搭載されている。

エンジンＥの前側には、伝動ケース９、クランクプーリ（駆動プーリ）６、ウォータポンプ７などが配備され、後側にはフライホイール８が配備されている。エンジンＥの左側には、排気マニホルド１０、ＥＧＲクーラ１１、過給機１２、オイルフィルタ１３などが配備され、右側には吸気マニホルド１４、オイルレベルゲージ１５などが配備されている。

図２に示されるように、シリンダヘッド２の左側面に、排気マニホルド１０がボルト止めにより取り付けられており、排気マニホルド１０の排気出口部１０Ｃに、過給機１２の排気導入部１２Ｃがボルト止めにより連結されている。また、排気マニホルド１０の直下位置には、ＥＧＲクーラ１１が排気マニホルド１０で両端支持される状態の前後向き姿勢で配置されている。過給機１２は、排気導入部１２Ｃを備えるタービン１２Ｂと、コンプレッサ１２Ａとを有するターボチャージャーである。

図４～図６に示されるように、排気マニホルド１０は、シリンダヘッド２の各排気ポートｐ１，ｐ２、ｐ３、ｐ４に連結される４つ（複数の一例）の排気枝管１０Ａと、各排気枝管１０Ａの端部どうしを互いに連通する合流管部１０Ｂと、排気出口部１０Ｃと、ガス導出部１０Ｄと、ＥＧＲ通路部１０Ｅとを有して構成されている。排気マニホルド１０は鋳鉄製であって、複数のボルト用孔１０ｈが主に各排気枝管１０Ａに形成されている。

シリンダヘッド２から４つの排気枝管１０Ａに出された排気ガスは、合流管部１０Ｂで合流されるとともに、その一部が合流管部１０Ｂの前端部に形成されているガス導出部１０ＤからＥＧＲクーラ１１に流れ、残りの排気ガスは排気出口部１０Ｃから過給機１２に流れていく。なお、ガス導出部１０ＤとＥＧＲ通路部１０Ｅとには、ＥＧＲクーラ１１をボルト止め連結するための前及び後フランジ部２２，２３が形成されている。

各排気枝管１０Ａには、一対のボルト用孔１０ｈ，１０ｈを有してシリンダヘッド２に取り付けるための取付フランジ１０ｆが形成されている。最後尾の第４排気枝管１０Ａについては、ＥＧＲ通路部１０Ｅを終端側ＥＧＲ通路部２Ａ（後述）にボルト連結する機能も発揮するため、３つのボルト用孔１０ｈを有する大取付フランジ２４に形成されている。図５においては、隣り合う取付フランジ１０ｆ，１０ｆ（又は２４）の間を前後に繋いで強度・合成の向上に寄与可能な連結肉部１０ｍが形成されているが、連結肉部１０ｍを省いて各取付フランジ１０ｆ、２４が互いに独立する構成でもよい。

ガス導出部１０Ｄの排気ガスは、ＥＧＲガスとしてＥＧＲクーラ１１及びＥＧＲ通路部１０Ｅを通り、シリンダヘッド２の後端部に形成された終端側ＥＧＲ通路部２Ａ（図３を参照）に流れていく。終端側ＥＧＲ通路部２Ａを経たＥＧＲガスは、吸気マニホルド１４などの吸気通路に戻される。過給機１２を経た排気ガスは、排気ダクト１６を通って排気処理装置５に送られる。

図４～図７に示されるように、過給機１２への排気出口部１０Ｃは、合流管部１０Ｂの長手方向（前後方向）での中央部以外の位置に、詳しくは前から３番目の第３排気枝管１０Ａの位置に合致させて設けられている。排気出口部１０Ｃは、合流管部１０Ｂからその長手方向に交差する方向（左方向）に取り出され、かつ、前後方向視で湾曲した迂回形状を持つ状態に形成されている

各排気枝管１０Ａ及びその内部通路である枝管通路１０ａは左右向きに延びており、合流管部１０Ｂ及びその内部通路である合流通路１０ｂは前後方向に延びている。排気出口部１０Ｃには、合流管部１０Ｂからの取出し箇所の左右方向から、排気導入部１２Ｃに連結される出口フランジ１９の右上から左下に延びる斜め方向に向きを変えるように約湾曲した排気出口通路１０ｃが内部形成されている。

排気出口部１０Ｃにおける合流管部１０Ｂからの取出し箇所である合流始端部２０での排気出口通路１０ｃの軸心２０ｐと、出口フランジ１９での排気出口通路１０ｃの軸心１９ｐとは、約１２０～１３０度（例：１２４度）の交差角θでもって交わる状態に排気出口通路１０ｃが湾曲形成されている。合流始端部での軸心２０ｐは、第３枝管通路１０ａの軸心でもある。

出口フランジ１９には、左前と左後と右中との３箇所に雌ねじ部１８が形成され、右中の雌ねじ部１８をその下方及び前方に避けるように排気出口通路１０ｃが形成されている。つまり、排気出口部１０Ｃに、過給機１２の排気導入部１２Ｃをボルト止めするための雌ねじ部１８が形成され、排気出口部１０Ｃに形成される排気出口通路１０ｃが、雌ねじ部１８を迂回する湾曲形状に形成されている。

そして、排気出口通路１０ｃにおける雌ねじ部１８を迂回する部分２１は、迂回方向に交差する方向（前後方向）の幅が拡張されている。ここで、「迂回方向」とは、合流始端部での軸心２０ｐ及び出口フランジでの軸心１９ｐを含んで左右上下に延びる仮想の縦面に沿う方向（上下方向や左右方向など）であり、その仮想の縦面に交差する方向の一例が、直交する方向としての前後方向である。

図５に示されるように、迂回する部分２１の幅の拡張は、具体的には、合流管部１０Ｂに形成される合流通路１０ｂと排気出口通路１０ｃとの境目に大きな角Ｒが施されることにより構成されている。迂回する部分２１は、その上下方向長さが雌ねじ部１８の存在により圧縮されているので、左右幅を他の部分よりも拡げることで断面積の縮小を解消（又は抑制）させる手段である。

合流通路１０ｂと排気出口通路１０ｃとを大きな角Ｒで繋ぐことにより、排気出口部１０Ｃにおける迂回する部分２１の前後幅が実質的に拡張されており、断面積の確保が可能になっている。なお、幅の拡張手段としては、迂回する部分２１の前後幅の寸法自体をその他の部分よりも大きく設定する、という構成を採ってもよい。

図５に示されるように、基本前後に延びる合流管部１０Ｂ及び合流通路１０ｂのうち、前から３番目の第３排気枝管１０Ａと、最後部の第４排気枝管１０Ａとの間の部分は、後に行くほど右による斜め通路１０ｎとされている。配置スペースの制約などから、第４排気枝管１０Ａを短くし、ＥＧＲ通路部１０Ｅと干渉無くコンパクトに構成することができている。

次に、排気マニホルド１０とＥＧＲクーラ１１などについて説明する。図４～図９に示されるように、ＥＧＲ通路部１０Ｅは、合流管部（排気合流部の一例）１０Ｂにおける後端部（長手方向の一端部の一例）に形成されるとともに、合流管部１０Ｂにおける前端部（長手方向の他端部の一例）には、ＥＧＲガスを取り出すためのガス導出部１０Ｄが形成されている。排気枝管（排気入口部の一例）１０Ａ、合流管部１０Ｂ、排気出口部１０Ｃ、及びＥＧＲ通路部１０Ｅが鋳鉄材により一体形成されている。即ち、排気マニホルド１０は鋳鉄製である。

図４，５，７，９に示されるように、ガス導出部１０Ｄは、合流通路１０ｂの前端と第１枝管通路１０ａの終端（左端）との交わり部位に開口する１／４円弧状のＥＧＲ導出路１０ｄが、左前方で下向きに向かう状態で形成されている。そして、ＥＧＲ導出路１０ｄが下向きで開口する部分は前フランジ部（取付部の一例）２２に形成されている。

前フランジ部２２は、２箇所のボルト止め用の丸孔（図示省略）を有するとともに、下向きで水平面状の当接面２２ａを有している。ガス導出部１０Ｄの左端の位置は、排気出口部１０Ｃの左端の位置と同程度が若しくは僅かに右側（内側）に寄せた位置に設定されている（図５参照）。ＥＧＲ導出路１０ｄの径（断面積）は、枝管通路１０ａの径（断面積）よりも小さい。

図４～図９に示されるように、ＥＧＲ通路部１０Ｅは、後フランジ部２３の前向きの入口開口２５と、大取付フランジ２４の右向きの出口開口２６との間の屈曲したＥＧＲ通路１０ｅが形成されている。入口開口２５は合流管部１０Ｂに対して下方かつ左側によった位置にあり、出口開口２６は第４枝管通路の直後で僅かに下となる位置に配置されている。従って、ＥＧＲ通路部１０Ｅ及びＥＧＲ通路１０ｅは、その前端部と後端部との２箇所で向きを変える斜め通路に形成されている。

大取付フランジ２４は、下が広い略台形で右向き縦面の接続面２４ａと、上１箇所かつ下２箇所で計３箇所のボルト用孔１０ｈを有している。前下側のボルト用孔１０ｈは、ＥＧＲ通路部１０Ｅの前側であるＥＧＲ始端部２７と合流管部１０Ｂとの上下中間でかつ、ＥＧＲ通路１０ｅ及び合流通路１０ｂ（斜め通路１０ｎ）の何れにも干渉しない位置に設けることができている。また、前下側のボルト用孔１０ｈの座穴２８は、一般的なボルト回し工具（ソケットレンチ用ソケットなど）が問題無く使用できる大きさの径が得られている。

図５及び図９に示されるように、ＥＧＲクーラ（ＥＧＲ通路部材の一例）１１は、前端及び後端のそれぞれの支着フランジ２９，３０と、これら前支着フランジ２９と後支着フランジ３０との間の筒状のクーラ本体１１Ａとからなり、内部に大なるＥＧＲ通路（図示省略）が形成されている。前支着フランジ２９にはエルボ管３１が裸着されており、そのエルボ管３１が前フランジ部２２にボルト止めされるとともに、後支着フランジ３０は後フランジ部２３にその螺着用孔２３ａ，２３ａ（図８を参照）を用いてボルト止めされている。

エルボ管３１は、前取付フランジ３１Ａと、後取付フランジ３１Ｂと、パイプ材製のエルボ管体３１Ｃと、を有してなる９０度の曲がり管である。前取付フランジ３１Ａが前フランジ部２２にボルト止めされ、後取付フランジ３１Ｂは前支着フランジ２９にボルト止めされている。つまり、排気マニホルド１０のガス導出部１０ＤからのＥＧＲガス（排気ガス）は、エルボ管３１を通ってＥＧＲクーラ１１に入り、ＥＧＲクーラ１１である程度冷されたＥＧＲガスはＥＧＲ通路部１０Ｅを通ってから、シリンダヘッド２の終端側ＥＧＲ通路部２Ａのガス通路２ａ（図５を参照）へと流れる。

ＥＧＲクーラ１１は前後に長い長尺形状であって、排気マニホルド１０との上下間及びシリンダヘッド２との左右間には適度な隙間が確保されている。従って、エンジン前部に装備されている冷却ファン３２（図２を参照）による後方向きの冷却風ｗはＥＧＲクーラ１１の表面付近をよく流れるので、良好な空冷作用が発揮される。

図９、図１０に示されるように、冷却ファン３２（図２を参照）による冷却風ｗをエンジン補機Ａであるスタータ機構（スタータ、セルモー）３３に導くガイド部Ｇが排気マニホルド１０に形成されている。ガイド部Ｇは、吸気通路に向けてＥＧＲガスを送るために合流管部１０Ｂに形成されたＥＧＲ通路部１０Ｅにより構成されている。

エンジンＥの左サイドの後部で、かつ、フライホイール８の前側には、エンジン始動用のスタータ機構３３が装備されている。スタータ機構３３は、ＥＧＲクーラ１１の後部の下方に位置しており、熱的負荷が大きい場所である。排気マニホルド１０におけるＥＧＲ通路部１０Ｅは、合流管部１０Ｂから大きく横斜め下方（左斜め下方）に張り出していて、丁度スタータ機構３３の直上に位置している。

従って、冷却ファン３２の回転により生じる後方向きの冷却風ｗのうち、排気マニホルド１０やＥＧＲクーラ１１付近を流れる冷却風ｗは、横下方に張り出ているＥＧＲ通路部１０Ｅが、特に後フランジ部２３によって下方に向きを変えられ、スタータ機構３３への流れが促進されるようになる。つまり、図１０に示されるように、ＥＧＲ通路部１０Ｅがガイド部Ｇとして機能し、過熱され易いエンジン補機Ａであるスタータ機構３３が、冷却風ｗによって効果的に降温されるようになる。

大取付フランジ２４の前下のボルト用孔１０ｈは、前述のように、ＥＧＲ通路部１０ＥのＥＧＲ始端部２７と排気合流部１０Ｂとの間に配置されているので、その座穴２８の左側には遮るものが無く、ボルトやナットの回し操作が問題無く行える良さがある。また、その左側に開放されたような状態の座穴２８からの良好な放熱作用が期待できる良さもある。デッドソーク時に籠る熱は、座穴（ツールパス穴）２８から排出（放熱）され易い利点もある。

図４，５，８，１０に示されるように、ＥＧＲ通路部１０Ｅの内部に管状のＥＧＲ通路１０ｅが形成されるとともに、ＥＧＲ通路部１０Ｅの外郭形状は、ＥＧＲ通路１０ｅの形状に即した曲面を有する形状に設定されているので、その付近を通る冷却風ｗがより円滑で効率よく流れていくことが期待できる。

また、ＥＧＲ通路部１０Ｅは、図４，５，８に示されるように、全体として後窄まり形状を呈しているので、スタータ機構３３などを冷した後の排風を、より円滑に後方に流せるので、その点からも、冷却風ｗによるスタータ機構３３の空冷作用が促進される利点もある。

〔その他の作用効果について〕
ＥＧＲ通路部１０Ｅは、合流管部１０Ｂにおける長手方向の一端部である後端部に形成されるとともに、合流管部１０Ｂにおける長手方向の他端部である前端部には、ＥＧＲガスを取り出すためのガス導出部１０Ｄが形成されている。従って、ガス導出部１０ＤとＥＧＲ通路部１０Ｅの始端部との間に、ＥＧＲクーラ１１などの外付けＥＧＲ通路（外部ＥＧＲ）を設けることができ、設計の自由度の向上が可能になる。

そして、ガス導出部１０Ｄ及びＥＧＲ通路部１０Ｅの始端部には、これら両者１０Ｄ，１０Ｅを繋ぐＥＧＲクーラ１１（ＥＧＲ通路部材１１）を取付けるための取付部２２，２３が設けられていると、ＥＧＲクーラ１１の着脱が容易化されて好都合である。ＥＧＲ通路部１０Ｅの取付部２３は、ＥＧＲ通路部材１１をボルト止めするためのフランジ部であり、フランジ部２３は合流管部１０Ｂに連続されていると、ＥＧＲ通路部１０Ｅの強度・剛性がより向上して好都合である。

〔別実施形態〕
ＥＧＲ通路部１０Ｅに、より積極的に冷却風ｗを下方に案内するための羽根状のガイドを設けても良い。
本発明は、実質的に排気枝管（排気入口部）１０Ａが極短い又は無い（箱型排気マニホルド）構造の排気マニホルドにも適用可能である。シリンダヘッドの複数の排気ポートを覆う１つの開口を持つ箱型排気マニホルドの場合は、排気枝管（排気入口部）１０Ａは大開口部の１つである。また、箱型排気マニホルドでは、合流管部１０Ｂは１つの大きな排気合流部である。

２ シリンダヘッド
１０ 排気マニホルド
１０Ａ 排気入口部（排気枝管）
１０Ｂ 排気合流部（合流管部）
１０Ｃ 排気出口部
１０Ｄ ガス導出部
１０Ｅ ＥＧＲ通路部
１０ｄ ＥＧＲ導出路
１０ｅ ＥＧＲ通路
１０ｈ ボルト用孔
１１ ＥＧＲ通路部材（ＥＧＲクーラ）
２２ 取付部（前フランジ部）
２３ 取付部（後フランジ部）
２５、２６ 開口
３３ スタータ機構
Ａ エンジン補機
Ｅ 産業用エンジン
Ｇ ガイド部
ｐ１～ｐ４ 排気ポート
ｗ 冷却風

Claims (8)

1. 前後方向の一端側である第１側に冷却ファンを備える産業用エンジンの排気マニホルドであって、
   前記産業用エンジンにおいて前記前後方向に交差する横方向の一端側である第２側に配置され、
   前記産業用エンジンの複数の排気ポートに対応した複数の排気入口部と、１つの排気出口部と、前記複数の前記排気入口部からの排気ガスを集約して前記排気出口部に送る排気合流部とを備えるとともに、
   一端が前記排気合流部に連通され他端が開口されるＥＧＲ導出路を有して前記排気合流部における長手方向の一端部に形成されるガス導出部、及び両端に開口を備えるＥＧＲ通路を有して前記排気合流部における前記長手方向の他端部に形成されるＥＧＲ通路部が形成され、
   前記ガス導出部及び前記ＥＧＲ通路部には、前記排気合流部の直下に位置して前記ＥＧＲ導出路と前記ＥＧＲ通路とを繋ぐＥＧＲ通路部材を取付け可能な取付部が設けられ、
   前記ＥＧＲ通路部の前記取付部は、前記第２側から外部に向けて張り出るとともに前記排気合流部から連続するフランジ部として形成され、
   前記第１側から前記前後方向の他端側に向かう冷却風を前記フランジ部によって、前記ＥＧＲ通路部の直下に位置するエンジン補機に導く産業用エンジンの排気マニホルド。
2. 前記ＥＧＲ通路部の内部に管状のＥＧＲ通路が形成されるとともに、前記ＥＧＲ通路部の外郭形状は、前記ＥＧＲ通路の形状に即した曲面を有する形状に設定されている請求項１に記載の産業用エンジンの排気マニホルド。
3. 前記ＥＧＲ通路部と前記排気合流部との間に、前記排気入口部をシリンダヘッドにボルト止めするためのボルト用孔が形成されている請求項１又は２に記載の産業用エンジンの排気マニホルド。
4. 前記ＥＧＲ通路部は、前記排気合流部における長手方向の一端部に形成されるとともに、前記排気合流部における長手方向の他端部には、ＥＧＲガスを取り出すためのガス導出部が形成されている請求項２又は３に記載の産業用エンジンの排気マニホルド。
5. 前記ガス導出部及び前記ＥＧＲ通路部の始端部には、これら両者を繋ぐＥＧＲ通路部材を取付けるための取付部が設けられている請求項４に記載の産業用エンジンの排気マニホルド。
6. 請求項１～５の何れか一項に記載の産業用エンジンの排気マニホルドを有する産業用エンジン。
7. 前記エンジン補機がスタータ機構である請求項６に記載の産業用エンジン。
8. 前記ＥＧＲ通路部材がＥＧＲクーラである請求項６又は７に記載の産業用エンジン。

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