JP7296251B2 - 内燃機関のｅｇｒ装置 - Google Patents

Description

本願発明は、シリンダヘッドにＥＧＲ内部通路を形成しているＥＧＲ装置に関するものである。

自動車用を初めとした内燃機関では、排気ガスの一部（ＥＧＲガス）を吸気系に還流させることが行われている。その場合、排気ガスが流れるＥＧＲ通路の態様としては、特許文献１に開示されているように、ＥＧＲ通路の全体をシリンダヘッドの外側に露出したＥＧＲパイプで構成する場合と、特許文献２に開示されているように、ＥＧＲ通路の全体又は一部をシリンダヘッドにＥＧＲ内部通路として形成する場合とがある。

そして、特許文献１では、ＥＧＲパイプの中途部にＥＧＲバルブを配置して、ＥＧＲバルブよりも下流側にＥＧＲクーラ等からなる改質器を設けた場合において、改質器の高さを排気管とＥＧＲパイプとの接続部よりも高くすることにより、改質器の内部に凝縮水が溜まることを防止することが開示されている。

また、特許文献３には、特許文献２と同様にシリンダヘッドにＥＧＲ内部通路を形成するにおいて、ＥＧＲ内部通路を、シリンダヘッドの下面近くに配置された水平状部と、水平状部のうち吸気側の端部から上向きに立ち上がった起立部とで構成して、起立部の上端にＥＧＲクーラを接続することが開示されている。

特開２０１４－２４０６３６号公報 特開２０１１－０７４８９０号公報 特開２０１６－１２５４０４号公報

特許文献２，３のように、シリンダヘッドにＥＧＲ内部通路を形成すると、内燃機関をコンパクト化できると共に、シリンダヘッドに形成されているウォータジャケットを利用して排気ガスの冷却を促進できる利点があるが、本願発明者が検討したところ、改良の余地があることが判明した。

すなわち、特許文献２では、ＥＧＲ内部通路は、排気側面に開口した部分から段落ちした状態で吸気側面に向かっており、高さが高い部分にＥＧＲバルブを配置しているが、ＥＧＲ内部通路のうち段落ちした部分に凝縮水が溜まりやすくなっていることが判明した。

他方、特許文献３では、ＥＧＲ内部通路の始端は排気ターボ過給機のタービンハウジングに開口しているが、ＥＧＲ内部通路は、タービンハウジングからいったん下方に向かってから上向きに姿勢を変えており、下向きに凹んだ部分を有しているため、下向きに凹んだ部分に凝縮水が溜まりやすくなっているといえる。

本願発明はこのような状況を背景にして成されたものであり、シリンダヘッドにＥＧＲ内部通路を設けつつ、ＥＧＲ内部通路に凝縮水が溜まることを防止しようとするものである。

本願発明は、請求項１のとおり、
「シリンダヘッドのうちタイミングスプロケット配置部と反対側の後端部に、排気側面に開口した入り口と吸気側面に開口した出口とを有するＥＧＲ内部通路が形成されており、前記ＥＧＲ内部通路の中途部にＥＧＲバルブを配置している」
という基本構成において、
「前記ＥＧＲ内部通路は、前記シリンダヘッドの下部に位置すると共に始端を前記シリンダヘッドの排気側面に開口させて前記吸気側面に向けて延びる第１部分と、前記第１部分の終端部に連通して上向きに延びる第２部分と、前記第２部分の上端部に連通して前記吸気側面に向かう斜め下向きの第３部分とで構成されており、
前記第１部分の終端と前記第２部分の下端とは互いに連通した状態でクランク軸線方向にオフセットされて、前記第２部分の上端に前記ＥＧＲバルブを配置している」
という構成を付加している。

本願発明は請求項２の発明も含んでおり、この発明は、請求項１において、
「前記第１部分はカム軸線方向から見て前記シリンダヘッドの下面と平行に形成されており、内燃機関が排気側面を前傾させたスラント型であることにより、前記第１部分は始端が低くて終端が高くなるように傾斜している」
という構成になっている。

ＥＧＲバルブは、軸方向に往復動するロッドに弁体を設けた構造が一般的であり、特許文献２では、ロッドをクランク軸線方向に長い姿勢にして配置されているが、本願発明でも、特許文献２の同じ姿勢で配置するのが好ましい（ロッドを上下方向に長い姿勢とすることも可能であるが、この場合は、ＥＧＲバルブがヘッドカバーと干渉するため、ヘッドカバーを設計変更せねばならなくなる。）。

本願発明では、ＥＧＲ内部通路の始端はシリンダヘッドの排気側面に開口して、ＥＧＲ内部通路の終端はシリンダヘッドの吸気側面に開口しているため、ＥＧＲ内部通路のうち第１部分及び第２部分で発生した凝縮水は第１部分の始端から排気系に流下して、第３部分で発生した凝縮水は、当該第３部分の終端から吸気系（例えばサージタンク）に流下する。従って、凝縮水がＥＧＲ内部通路に溜まることはない。これにより、シリンダヘッドの腐食のような問題を防止できる。

また、第１部分と第２部分とがオフセットされているため、ＥＧＲガスが第１部分から第２部分に流れるにおいて、ＥＧＲガスが２回方向変換することになるが、この方向変換の際にＥＧＲガスが通路の内面に衝突することにより、ＥＧＲガスに含まれている油分やデポジット類を通路に付着させて、油分やデポジット類がＥＧＲバルブの作動部に進入することを抑制できる。その結果、ＥＧＲバルブが作動不良に至ることを防止又は大幅に抑制できる。

特に、実施形態のように第１部分と第２部分とを直交させると、通路の内面に対するＥＧＲガスの衝突効果が高くなるため、ＥＧＲガスから油分やデポジットを除去する機能を向上できて好適である。

第１部分から凝縮水が排気系に排出させることを確実化するには、第１部分をその始端に向けて低くなるように傾斜させるのが有益であるが、請求項２のように排気側面を前傾させたスラント型内燃機関に適用すると、ＥＧＲ通路をシリンダヘッドの下面と平行に形成しつつ、凝縮水の流れ落ちを確実化できる。

シリンダヘッドの内部には冷却水ジャケットが形成されており、冷却水ジャケットを経由した冷却水は、シリンダヘッドの後部に設けた冷却水通路を経由して排出されるが、本願発明では、ＥＧＲ内部通路の第１部分と第２部分とがＬ型に繋がっているため、冷却水通路に沿って流れる長さを長くして、冷却水通路を利用した冷却性を向上できる。

従って、ＥＧＲクーラを無くしたり小型化したりすることが可能になって、コストの抑制に貢献できる。また、ＥＧＲバルブに至る排気ガスの温度をできるだけ低減させることができるため、ＥＧＲバルブに掛かる熱負荷を抑制して、ＥＧＲバルブの耐久性向上にも貢献できる。

シリンダヘッドをタイミングスプロケットと反対側から見た発明図である。 要部の破断斜視図である。 ＥＧＲ内部通路の第１部分及び第２部分が現れるように破断した斜視図である。 前後方向の異なる部分を併せて表示した要部の縦断背面図であり、図５のIV-IV視断面図である。 図１及び図４の V-V視断面図である。 図４の部分拡大図である。

次に、本願発明を自動車用内燃機関に適用した実施形態を図面に基づいて説明する。以下では、方向を特定するため前後・左右の文言を使用するが、前後方向はクランク軸線方向（カム軸線方向）であり、左右方向は、クランク軸線及びシリンダボア軸線と直交した方向である。前と後ろについては、タイミングチェーンを巻き掛けたタイミングスプロケットが配置されている側を前としている。図１～４に方向を明示している。

(1).概要
シリンダヘッドの基本構造は従来と同様であり、平面視においてカム軸方向に長い略長方形の形態を成しており、図２に示すように、上向きに開口した凹所１が形成されている。従って、凹所１を囲う排気側壁２、吸気側壁３、後ろ壁４、前壁（図示せず）が形成されていて、凹所１には、点火プラグを挿入する筒状ボス５が中心線に沿って複数個形成されている。筒状ボス５と側壁２，３とは、カム軸の下半部が嵌まる軸受部６によって繋がっている。

シリンダヘッドの上面には、ヘッドカバー（図示せず）が固定される。従って、各壁２，３，４には、タップ穴７を有するボス部８が多数形成されている。

シリンダヘッドの後面には、冷却水制御部９が突設されており、冷却水制御部９に、冷却水ジャケット（図示せず）に連通した第１及び第２の左右２つの冷却水通路１０，１１が形成されている。冷却水通路１０，１１は冷却水制御部９の後面１２に開口しており、図１に示すように、冷却水制御部９の後面１２には、第１冷却水通路１０を塞ぐ第１カバー１３と、第２冷却水通路１１を塞ぐ第２カバー１４とが固定されており、これら両カバー１３，１４に通水ポート１５が形成されている。

本願発明との関連は薄いので詳述はしないが、通水ポート１５は、ラジエータへの送りと戻り、ヒータへの送りと戻り、ウォータポンプへの送りなどに分かれている。第１カバー１３には、ラジエータへの通水を制御するサーモ弁が固定されている。

図２，３に示すように、シリンダヘッドの吸気側面１６には、各気筒に対応した吸気ポート１７が開口しており、吸気ポート１７の上方には、一対ずつのインジェクタ取り付け穴１８が開口している。吸気側面１６のうち吸気ポート１７が開口している部分（吸気マニホールドが重なる部分）は、下に向けて外側にずれるように傾斜している。

図示は省略するが、シリンダヘッドの内部のうち排気側面に寄った部位には、各排気ポートから排出された排気ガスが集まる排気集合通路を形成しており、排気側面には、１つの排気出口が開口している。排気出口には、排気ターボ過給機を介して又は介することなく触媒ケース（マニバータ）が接続されており、触媒ケースの出口に排気管が接続されている。なお、図１，４，６で示す符号１９は、カムキャップである。

そして、触媒ケースの下流部などに、ＥＧＲ通路の一部を構成するＥＧＲパイプ（図示せず）が接続されており、ＥＧＲパイプに取り出されたＥＧＲガスは、シリンダヘッドに設けたＥＧＲ内部通路２０を経由して吸気マニホールドに送られる。以下、ＥＧＲ内部通路２０を説明する。

(2).ＥＧＲ内部通路及びＥＧＲバルブ
図１にＥＧＲ内部通路２０の全体を点線で示しているが、この図１から理解できるように、ＥＧＲ内部通路２０は、シリンダヘッドの下端部において左右方向に長く延びる第１部分２１と、第１部分２１の終端（下流端）と連通して上向きに立ち上がった第２部分２２と、第２部分２２の上端部と連通して斜め下向きに向かって吸気側面１６に開口した後傾姿勢の第３部分２３とで構成されており、第１部分２１と第２部分２２とは、ほぼ直交している。また、図５から理解できるように、第１部分２１と第２部分２２とは、第１部分２１が後ろに位置して第２部分２２が手前に位置するように、前後方向（クランク軸線方向）にオフセットされている（ずらしている。）。

第１部分２１と第２部分２２とはドリル加工によって形成されており、第１部分２１の始端はシリンダヘッドの排気側面２４に開口している。そして、既述のＥＧＲパイプは、図示しない継ぎ手を介して第１部分２１の始端に接続されている。

図１では、シリンダヘッドを背面視で水平姿勢のように描いているが、本実施形態の内燃機関は、シリンダボアを鉛直線に対して若干の角度θだけ前傾（スラント）させている。従って、シリンダヘッドの下面２５は、図１に一点鎖線で示すように、排気側が吸気側よりも低くなるように傾斜している（図６では、実際の姿勢のとおりの斜姿勢に描いている。）。そして、第１部分２１はシリンダヘッドの下面２５と平行に形成されているため、第１部分２１は、終端から始端に向けて低くなるように前傾している。

図２に明示するように、第１部分２１は、左右の冷却水通路１０，１１に露出した横長ボス部２６の箇所に形成されている。従って、第１部分２１を通る排気ガスは、冷却水通路１０，１１を通る冷却水によって効率良く冷却される。この点、本実施形態の大きな利点の一つである。

第２部分２２は、シリンダヘッドに上方からドリル加工を施すことによって形成しており、図５に示すように、第２部分２２は第１部分２１よりも手前側にずれている。また、冷却水通路１０，１１は後ろ壁４の下方まで入り込んでおり、第１部分２１は後ろ壁４の下方に位置して、第２部分２２は後ろ壁４よりも前側に位置している。従って、第２部分２２は凹所１において上向きに開口しており、上端はボール製のプラグ２７で塞がれている。

冷却水制御部９の後面１２のうち後部でかつ上寄りの部位に、ＥＧＲバルブ２９が固定されている。ＥＧＲバルブ２９は、ロッド３０を内蔵したボデー３１と、ボデー３１に固定されたソレノイドユニット３２とを有しており、ロッド３０は前後長手の水平姿勢に配置されている。ソレノイドユニット３２には、ケーブルが接続されるコネクタ３３を設けている。

そして、ＥＧＲバルブ２９のボデー３１には、ロッド３０を摺動自在に内蔵した弁座筒部３４が一体に形成されており、シリンダヘッドに、弁座筒部３４が挿入される取り付け穴３５が、第２部分２２の上端と連通するように形成されている。第３部分２３は第２部分２２よりも後ろにずれて形成されているが、第３部分２３の始端（上端）と取り付け穴３５とが連通している。

また、弁座筒部３４のうち第３部分２３の始端と重なる部位には、外周面に開口した外向き環状溝３６と、この外向き環状溝３６と内部とに開口した連通穴３７とが形成されている。ロッド３０の先端部には、先広がりテーパ状の弁体３８が一体に形成されている一方、弁座筒部３４の先端部にも先広がりの弁座３９が一体に形成されている。従って、ロッド３０が前進すると、ＥＧＲガスは、弁座筒部３４の内部と連通穴３７とを介して第２部分２２から第３部分２３に流れる。

ＥＧＲバルブ２９の連通穴３７は環状溝３６と連通しているため、連通穴３７の位置に関係なく、ＥＧＲガスを第３部分２３に流し込むことができる。なお、第３部分２３は、ドリル加工によって形成してもよいし、鋳造によって形成してもよい（図示の例は鋳造で形成している。）。

(3).まとめ
以上のとおり、ＥＧＲ内部通路２０は、ＥＧＲバルブ２９の取り付け穴３５を頂点として、第１部分２１の始端と第３部分２３の終端とが最も低くなっている。従って、第１部分２１又は第２部分２２で凝縮水が発生した場合は、その凝縮水は第１部分２１の始端に流れて排気系（排気管）に流下する。従って、凝縮水がシリンダヘッドに留まって腐食の原因になるようなことはない。

第３部分２３に凝縮水が発生した場合は、その凝縮水は吸気マニホールドのサージタンクに滴下するため、シリンダヘッドが腐食しやすくなるといった不具合は生じない。また、サージタンクは合成樹脂製であるため、サージタンクに溜まっても腐食の問題は生じない。

また、第１部分２１と第２部分２２とはＬ形に接続されており、第１部分２１は両冷却水通路１０，１１の下方に位置して、第２部分２２は第２冷却水通路１１の外側に位置しているため、排気ガスは、第１部分２１と第２部分２２とを通る過程で、冷却水通路１０、１１を通る冷却水によって冷却される。これにより、ＥＧＲクーラを不要としたり小型化したりすることが可能になって、内燃機関のコンパクト化に貢献できる。

特に、第１部分２１を、両冷却水通路１０，１１に露出した横長ボス部２６を設けることによって形成すると、冷却水との接触面積を増大できるため、既述のとおり、排気ガスの冷却性能を向上できる。第２部分２２についても、第２冷却水通路１１に露出した平断面視円弧状のボス部の箇所に形成すると、冷却水との接触面積を増大できて冷却性を向上できる。

本実施形態では、ＥＧＲバルブ２９はＥＧＲ内部通路２０の終端寄り部位に配置されているため、ＥＧＲバルブ２９には、冷却水によって降温した排気ガスが到達する。従って、ＥＧＲバルブ２９の熱負荷を抑制して、耐久性を向上させることができる。

図３に示すように、シリンダヘッドの吸気側面１６には、第３部分２３が露出する凹部４０が形成されている。ＥＧＲ内部通路２０の第３部分２３に拡散パイプを接続して、拡散パイプの先端をサージタンクの内部に入り込ませてもよい。

本実施形態のように、第１部分２１と第２部分２２とを前後方向にオフセットさせると、ＥＧＲガスは、第１部分２１から第２部分２２に流れるにおいて２回方向変換するため、ＥＧＲガスに含まれていた油分やデポジット類が両部分２１，２２の連接部内面に付着する機会が増大して、油分やデポジット類がＥＧＲバルブ２９の作動部に進入することを大幅に抑制できる。その結果、ＥＧＲバルブ２９の円滑な作動を維持して、ＥＧＲガス制御の確実性を向上できる。

また、排気ガスの直進性を抑制できるため、排気ガスが惰性で流れることを防止して、ＥＧＲバルブ２９の応答性を向上できる利点もある。第１部分２１と第２部分２２とを直交させると、それら第１部分２１及び第２部分２２をドリル加工で形成するにおいて、ドリルはシリンダヘッドの表面に対して直交した姿勢になるため、ドリルの滑りを防止して高い精度で加工できる。

また、第２部分２２は、ＥＧＲバルブ２９の差し込み深さとの関係で、シリンダヘッドの後面１２よりもある程度手前に配置せねばならないのに対し、第３部分２３は、吸気ポート１７に干渉しないように後ろに配置されるため、第２部分２２と第３部分２３も前後方向にオフセットされているが、実施形態のように、第２部分２２と第３部分２３とを取り付け穴３５によって連通させると、付加的な加工を要することなく、第３部分２３と第２部分２２との配置位置のずれに対応できる。

本願発明は、他にも様々に具体化できる。

本願発明は、内燃機関のＥＧＲ装置に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダヘッドの凹所
２，３，４ シリンダヘッドの壁
９ 冷却水制御部
１０，１１ 冷却水通路
１２ シリンダヘッドの後面
１３，１４ カバー
１６ 吸気側面
１７ 吸気ポート
２０ ＥＧＲ内部通路
２１ 第１部分
２２ 第２部分
２３ 第３部分
２９ ＥＧＲバルブ
３０ ロッド
３１ ボデー
３２ ソレノイドユニット
３４ 弁座筒部
３５ 取り付け穴
３７ 連通穴
３８ 弁体
３９ 弁座

Claims (2)

1. シリンダヘッドのうちタイミングスプロケット配置部と反対側の後端部に、排気側面に開口した入り口と吸気側面に開口した出口とを有するＥＧＲ内部通路が形成されており、前記ＥＧＲ内部通路の中途部にＥＧＲバルブを配置している構成であって、
   前記ＥＧＲ内部通路は、前記シリンダヘッドの下部に位置すると共に始端を前記シリンダヘッドの排気側面に開口させて前記吸気側面に向けて延びる第１部分と、前記第１部分の終端部に連通して上向きに延びる第２部分と、前記第２部分の上端部に連通して前記吸気側面に向かう斜め下向きの第３部分とで構成されており、
   前記第１部分の終端と前記第２部分の下端とは互いに連通した状態でクランク軸線方向にオフセットされて、前記第２部分の上端に前記ＥＧＲバルブを配置している、
   内燃機関のＥＧＲ装置。
2. 前記第１部分はカム軸線方向から見て前記シリンダヘッドの下面と平行に形成されており、内燃機関が排気側面を前傾させたスラント型であることにより、前記第１部分は始端が低くて終端が高くなるように傾斜している、
   請求項１に記載した内燃機関のＥＧＲ装置。

Images