JP7356083B2 - エンジンの吸気装置 - Google Patents

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Description

本発明は、エンジンの吸気装置に関し、特に、ターボ過給機とブローバイガス管とを備えたエンジンの吸気装置に関する。
従来より、タービンよりも上流側の排気通路とコンプレッサよりも下流側の吸気通路を連通する高圧EGR(Exhaust Gas Recirculation)通路と、タービンよりも下流側の排気通路とコンプレッサよりも上流側の吸気通路を連通する低圧EGR通路と、エンジンのクランク室とコンプレッサよりも上流側の吸気通路を連通するブローバイガス通路とを備えたターボ過給機付きエンジンが知られている(例えば、特許文献1)。
寒冷地における低外気温走行時に、ブローバイガス(未燃焼ガス)に含まれる水分が凝縮してブローバイガス通路に凝縮水が発生する。この凝縮水が低温の吸気により冷却されると、凝縮水が凍結して氷塊を形成することがある。ブローバイガス通路と吸気通路との接続管部において大きく成長した氷塊が吸気負圧によりコンプレッサ側に吸込まれた場合、高速回転するコンプレッサホイールのインペラ等が損傷する虞がある。
そこで、ブローバイガスに含まれる水分の氷結防止技術に関する提案がなされている。
特許文献2のPCV通路の凍結防止構造は、ブローバイガスを吸気ポートに還流させるPCV(Positive Crankcase Ventilation)通路と、エンジンから排出された排気ガスを吸気ポートに還流させるEGR通路とを備え、PCV通路の外壁とEGR通路の外壁の共有部分である加熱部をブローバイガス導入口よりも上流側且つこのブローバイガス導入口に隣り合う位置に設けている。
特開2019-127919号公報 特開2013-151906号公報
特許文献2のPCV通路の凍結防止構造は、EGR通路とPCV通路とを壁一枚で隔てることにより、排気ガスとブローバイガスとを互いに分離した状態でEGR通路を流れる排気ガスの熱をPCV通路を流れるブローバイガスに効率良く伝達することができる。
しかし、特許文献2の技術では、ブローバイガスに対する十分な加熱効果を期待することができない虞がある。
EGRの目的は、燃焼温度の低下によりNoxの排出を抑制することであるが、通常、ブローバイガス通路に凝縮水が発生するような低外気温走行時には、燃焼性確保の観点から基本的に排気ガスを吸気通路に還流させないことから、特許文献2の技術は、低外気温走行時における凝縮水の凍結を十分に回避することが期待できない。
本発明の目的は、ブローバイガスに含まれる水分の氷結を回避可能なエンジンの吸気装置等を提供することである。
請求項1のエンジンの吸気装置は、排気ガスにより駆動されるタービンとこのタービンに連結され且つ吸気を加圧するコンプレッサとを有するターボ過給機と、エンジン内部に漏出したブローバイガスを吸気管に還流するブローバイガス管とを備えたエンジンの吸気装置において、前記コンプレッサが収納され、前記吸気管に接続可能な第1フランジ部を有するコンプレッサハウジングを設け、前記吸気管が、前記第1フランジ部に接合された第2フランジ部と、前記ブローバイガス管に接合された接続管部と、前記第2フランジ部の延長面上に形成され且つ前記第2フランジ部と接続管部とを連結するリブ部とを有することを特徴としている。
このエンジンの吸気装置では、前記コンプレッサが収納され、前記吸気管に接続可能な第1フランジ部を有するコンプレッサハウジングを設けたため、第1フランジ部を介してコンプレッサと吸気管を連結することができる。前記吸気管が、前記第1フランジ部に接合された第2フランジ部と、前記ブローバイガス管に接合された接続管部と、前記第2フランジ部の延長面上に形成され且つ前記第2フランジ部と接続管部とを連結するリブ部とを有するため、昇温されたコンプレッサから接続管部に向かう熱伝導を最短距離でリブ部を介して効果的に増加することができる。
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記吸気管が、この吸気管と前記コンプレッサとを接続するエアパイプを有し、前記エアパイプに前記第2フランジ部と接続管部とリブ部とが形成されたことを特徴としている。この構成によれば、第2フランジ部と接続管部とリブ部を近接配置することができ、コンプレッサから接続管部に向かう熱伝導を一層増加することができる。
請求項3の発明は、請求項の発明において、前記エアパイプはアルミ合金製鋳物で形成されたことを特徴としている。この構成によれば、高熱伝導率のアルミ合金を材料としたエアパイプを形成したことによりコンプレッサから接続管部に向かう熱伝導を更に増加することができる。
請求項4の発明は、請求項1~3の何れか1項の発明において、前記接続管部は、その軸線が前記吸気管の軸線に対して交差することを特徴としている。この構成によれば、接続管部と第2フランジ部との連結領域を構成するリブ部を大きく形成することができる。
請求項5の発明は、請求項1~4の何れか1項の発明において、前記接続管部は、前記ブローバイガス管を接合するための第3フランジ部を有し、前記リブ部は、前記第2フランジ部と第3フランジ部とを連結することを特徴とすることを特徴としている。この構成によれば、リブ部を大きくしつつ凝縮水が滞留し易い接続部分に熱を伝導することができる。
請求項6の発明は、請求項1~5の何れか1項の発明において、前記エンジンが車体前後方向に対して略平行な縦置き配置され、前記ターボ過給機が前記エンジンの片側側部に支持され、前記コンプレッサが前記タービンよりも車体前後方向後側に配設されたことを特徴としている。この構成によれば、低外気温走行時、接続管部が直接走行風に晒されることを回避しつつタービンから接続管部に向かう熱対流を得ることができる。
請求項7の発明は、請求項6の発明において、前記エンジンの片側側部とターボ過給機との間に気筒配列方向に延設されたインシュレータを設けたことを特徴としている。この構成によれば、タービンからエンジンに向かう熱対流を遮断して接続管部に向かう熱対流を増加することができる。
本発明のエンジンの吸気装置によれば、ブローバイガス管が接合される接続管部に熱伝導を用いてコンプレッサの熱を指向させることにより、ブローバイガスに含まれる水分の氷結を回避することができる。
実施例1に係るエンジンの概略構成図である。 エンジンの側面図である。 右側後方から視たエンジンの斜視図である。 コンプレッサハウジングとエアパイプ周辺の斜視図である。 エアパイプの斜視図である。 実施例モデルの熱分布を示す図である。 比較例モデルの熱分布を示す図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
以下の説明は、本発明を車両用エンジンに適用したものを例示したものであり、本発明、その適用物、或いは、その用途を制限するものではない。
以下、本発明の実施例1について図1~図7に基づいて説明する。
まず、本発明に係るエンジン1の概略構成について、図1に基づき説明する。
エンジン1は、4輪の車両に搭載されたガソリンエンジン(特に、4ストローク式内燃機関)である。このエンジン1は、列状に配置された6つのシリンダ21を備え、これらのシリンダ21が車体前後方向に沿って並んだ直列6気筒縦置きエンジンである。
図1に示すように、エンジン1は、エンジン本体2と、吸気装置3と、排気装置4と、ターボ過給機5と、燃料供給装置6と、ブローバイガス還流装置7等を備えている。
吸気装置3は、エンジン本体2の一側、例えば、左側に形成された吸気ポートに接続された上流側及び下流側吸気通路31a,31bを有している。上流側吸気通路31aには、エアクリーナ32と、ターボ過給機5のコンプレッサ51等が介設されている。新気は、エアクリーナ32を介して上流側吸気通路31aに吸入され、後述するエアパイプ10を介してコンプレッサ51に送られる。下流側吸気通路31bには、スロットルバルブ33と、インタクーラ34と、サージタンク35等が介設されている。ここで、吸気通路31a,31b及びエアパイプ10が、燃焼室に吸気を流すための吸気管に相当している。
上流側吸気通路31a及びエアパイプ10を流れてきた吸気は、コンプレッサ51によって過給され、スロットルバルブ33を通過してインタクーラ34に送られる。インタクーラ34では、コンプレッサ51の圧縮作用により上昇した吸気温度の冷却を行っている。スロットルバルブ33は、エンジン1の運転中、基本的に全開若しくはこれに近い開度に維持されている。そして、エンジン1の停止時等必要なときのみ閉弁される。
合成樹脂製のサージタンク35は、吸気ポートと吸気通路31bとの接続部分近傍領域に所定の容積室を形成するように設けられ、各気筒の燃焼室に供給される吸気量の平準化を図っている。
図1に示すように、排気装置4は、エンジン本体2の他側、例えば、右側に形成された排気マニホールド40に上流端が接続された排気通路41と、第1EGR通路42と、第2EGR通路43等を有している。排気マニホールド40は、シリンダヘッド22に形成された前側3気筒の排気ポートと後側3気筒の排気ポートを夫々集合している。
排気通路41の途中部には、排気系部品として、ターボ過給機5と、触媒コンバータ44と、GPF(Gasoline Particulate Filter)45等が夫々介設されている。触媒コンバータ44は、三元触媒を含んで構成され、GPF45は、排気ガスに含まれる粒子状物質を除去可能に構成されている。
第1EGRは、吸気系に比較的高温のEGRガスを供給し、着火性を高めると共にポンピングロスを低減している。第1EGR通路42は、エンジン本体2のシリンダヘッド22(図2,図3参照)と吸気通路31bを接続し、途中部に第1EGRバルブ46、第1EGRクーラ46aを備えている。第2EGRは、吸気系に比較的低温のEGRガスを供給し、燃焼温度の低下によりNOx発生量を低減している。第2EGR通路43は、排気通路41と吸気通路31aを接続し、途中部に第2EGRバルブ47と、第2EGRクーラ47aを備えている。
ターボ過給機5は、水冷式VG(Variable Geometry)ターボ過給機であり、角度変更可能な複数の可動ベーン(図示略)を備え、タービン52に流入する排気ガスの流速を調整して過給状態を制御している。ターボ過給機5は、コンプレッサ51と、タービン52とを備えている。コンプレッサ51とタービン52とは、シャフト53で連結されている。シャフト53は、センタハウジング56(図2参照)にベアリング(図示略)を介して回転可能に軸支され、センタハウジング56には、冷却水が流動可能な中空状のウォータジャケット(図示略)が形成されている。
図1に示すように、燃料供給装置6は、車体後部に搭載された燃料タンク61と、燃料配管64を介して燃料タンク61に接続された高圧燃料ポンプ62と、この燃料ポンプ62により加圧された燃料を各気筒の燃焼室に分配する燃料レール63(燃料供給管)等を備えている。
ブローバイガス還流装置7は、ブローバイガス通路71(ブローバイガス管)を備えている。ブローバイガス通路71は、エンジン本体2内で発生したブローバイガスを吸気管に戻すため、エンジン本体2のヘッドカバー23(図3参照)の内部からコンプレッサ51の直上流部位に亙って接続している。具体的には、ブローバイガス通路71の下流端は、上流側吸気通路31aとコンプレッサ51とを接続するエアパイプ10に接続されている。
次に、エンジン本体2の外観構成について説明する。
図2,図3に示すように、エンジン本体2は、側壁部の左側領域に、直方体状のエアクリーナ32等が配設され、側壁部の右側領域に、ターボ過給機5、触媒コンバータ44、及びGPF45等が配設されている。尚、図2,図3では、説明の便宜上、触媒コンバータ44及びGPF45を省略している。以下、図において、矢印F方向を車体前後方向前方とし、矢印L方向を車幅方向左方とし、矢印U方向を車体上下方向上方として説明する。
エンジン本体2の左側前方に設けられた吸気ダクト(図示略)から導入された吸気は、エンジン本体2の前端左方且つ上段位置に設置されたエアクリーナ32に送られる。上流側吸気通路31aは、エンジン本体2の上段左側近傍領域を後方に向けて延設される。そして、上流側吸気通路31aは、エンジン本体2の後方且つ変速機(図示略)の上方に回り込んで、エンジン本体2の後方からエンジン本体2の右側近傍領域に延び、ターボ過給機5(コンプレッサ51)にエアパイプ10を介して後側から接続されている。
下流側吸気通路31bは、ターボ過給機5のコンプレッサ51からエンジン本体2の上側を通ってエンジン本体2の左側近傍領域まで左方に向けて延設されている。コンプレッサ51の圧縮作用によって高密度にされた吸気は、エンジン本体2の左方に配置されたインタクーラ34に送られる。インタクーラ34では、ウォータポンプ(図示略)から冷却水通路(図示略)を介して供給された冷却水と高温吸気とを熱交換させることにより、コンプレッサ51の圧縮により温度上昇した吸気の冷却が行われている。
図2,図3に示すように、ターボ過給機5は、エンジン本体2の右側壁部において、前後方向中間部で且つシリンダヘッド22及びヘッドカバー23に対応した上段部に前後に延びるように配設されている。このターボ過給機5は、コンプレッサ51を収容するコンプレッサハウジング54と、このコンプレッサハウジング54の前方に形成されてタービン52を収容するタービンハウジング55と、前後に水平状に延びるシャフト53をベアリングを介して軸支する鋳鉄製センタハウジング56を有している。
コンプレッサハウジング54は、アルミ合金鋳物により形成され、後端部に吸気を導入可能で且つエアパイプ10を接続可能なフランジ部54a(第1フランジ部)を備えている。タービンハウジング55は、耐熱鋳鋼により形成され、左側後端部分が排気マニホールド40の集合部に接続されている。タービン52を回転駆動した排気ガスは、タービンハウジング55の前端部に形成された排出口55aから排出される。排出口55aには、触媒コンバータ44が直列状に接続されている。
図2に示すように、ターボ過給機5の前半部及び触媒コンバータ44の上半部とエンジン本体2の右側壁部との間に、アルミメッキ鋼板製インシュレータ24が介設されている。このインシュレータ24は、コンプレッサハウジング54の前側部分よりも前側に配設されて左右方向に略直交する第1インシュレータ部24aと、コンプレッサハウジング54の前側部分に対応した位置に配設されて前後方向に略直交する第2インシュレータ部24bとを備えている。第2インシュレータ部24bは、平面視にて前方に突出した略ハット状に形成されている。これにより、車両前方から導入され且つインシュレータ24の右方領域を後方に流れる走行風をコンプレッサハウジング54に向けて誘導している。
図2~4に示すように、ブローバイガス通路71は、可撓性を有する合成樹脂製ホースによって形成され、その管径が下流側吸気通路31bの管径の1/2以上で且つ下流側吸気通路31bの管径未満に設定されている。ヘッドカバー23の後部で且つ車幅方向中央部には、上下に延びる筒状のブローバイガス用導出部23aが形成されている。
ブローバイガス通路71は、上流端部が導出部23aに嵌合連結され、一旦上方に延びた後、右側程下方に移行して下流端部が接続部72を介してエアパイプ10に締結されている。これにより、導出部23aから導出されたブローバイガス中の水分を平坦部を経由することなくエアパイプ10に供給している。
次に、エアパイプ10について説明する。
図2~図4に示すように、エアパイプ10は、ターボ過給機5の後側に配設され、上流側吸気通路31aの下流端部とコンプレッサハウジング54のフランジ部54aとを接続している。このエアパイプ10は、アルミ合金鋳物により一体形成され、エアパイプ10の熱伝導率は、アルミ合金と同様、約200W/(m・K)である。
図4,図5に示すように、エアパイプ10は、筒状の本体部11と、この本体部11の左側に形成された筒状の接続管部12と、本体部11と接続管部12との間を連結するリブ部13等を備えている。
本体部11は、円筒状に形成され、エアパイプ10がコンプレッサハウジング54に固定されたとき、後側程上方に移行する後方上がり傾斜状に構成されている。本体部11は、前端部に軸線L1に対して直交する延長面において径方向外側に張り出したフランジ部11a(第2フランジ部)を有している。フランジ部11aには、軸線L1に対して対角線上に1対のボルト穴が形成され、フランジ部11aとフランジ部54aが面接触状に重ね合わされた状態で1対のボルト14を用いてエアパイプ10がコンプレッサハウジング54に固定されている。
接続管部12は、本体部11よりも小径となる円筒状に形成され、エアパイプ10がコンプレッサハウジング54に固定されたとき、軸線L2が上方に延びるように構成されている。上方に延びる軸線L2は、本体部11の軸線L1との距離が下側程接近するように略右湾曲状に形成され、軸線L1との交差角度が略90°に設定されている。
接続管部12は、上端部に軸線L2に対して直交する延長面において径方向外側に張り出したフランジ部12a(第3フランジ部)を有している。フランジ部12aには、単一のボルト穴が形成され、フランジ部12aと接続部72の下面が面接触状に重ね合わされた状態でボルト(図示略)を用いて接続部72がエアパイプ10に固定されている。
リブ部13は、前方からの正面視にて略台形形状に形成され、フランジ部11aと接続管部12とを連結している。図5(b),図5(c)に示すように、リブ部13は、軸線L1に対して直交する延長面上、具体的には、フランジ部11a(後面部分)の延長面上に、フランジ部11aの左側外周部分(例えば、1/4円弧部分)から左方に延びるように形成されている。リブ部13の左側上端部は、フランジ部12aの前部に連結され、その他の左側部分は、接続管部12の外周壁部の前部に連結されている。
次に、本発明の実施形態によるエンジンの吸気装置の作用効果について説明する。
作用、効果の説明にあたり、本実施形態1と同仕様のモデルMAと、リブ部の省略以外モデルMAと同仕様のモデルMBとを準備し、CAD(Computer Aided Design)データに基づき接続管部に対する加熱効果についてCAE(Computer Aided Engineering)による解析を行った。この解析では、エンジン回転数が1500rpm、吸気充填効率が0.86、エンジン水温が50℃、外気温度が-30℃に設定した状態において、コンプレッサハウジングHの温度と接続管部のフランジ部FA,FBの温度との差(温度低下度合)について評価した。
図6,図7に基づき、検証結果を説明する。
尚、図6がモデルMAの温度分布、図7がモデルMBの温度分布を示している。
図6に示すように、コンプレッサハウジングHに近いフランジ部FA部分の温度差は約5℃、コンプレッサハウジングHから遠いフランジ部FA部分の温度差は約9℃であり、平均温度差は約7℃であった。図7に示すように、コンプレッサハウジングHに近いフランジ部FB部分及びコンプレッサハウジングHから遠いフランジ部FB部分共に温度差は約14℃であった。以上のことから、接続管部に対して連結領域を大きく確保したリブ部Rが、コンプレッサハウジングHからフランジ部FAに多くの熱を伝導して加熱効果向上に寄与していることが判明した。
本実施形態によれば、コンプレッサ51が収納され、吸気管(吸気通路31a及びエアパイプ10)に接続可能なフランジ部54aを有するコンプレッサハウジング54を設けたため、フランジ部54aを介してコンプレッサハウジング54と吸気管を連結することができる。吸気管が、フランジ部54aに接合されたフランジ部11aと、ブローバイガス通路71に接合された接続管部12と、フランジ部11aの延長面上に形成され且つフランジ部11aと接続管部12とを連結するリブ部13とを有するため、昇温されたコンプレッサハウジング54から接続管部12に向かう熱伝導を最短距離でリブ部13を介して効果的に増加することができる。
吸気管が、上流側吸気通路31aとコンプレッサハウジング54とを接続するエアパイプ10を有し、エアパイプ10にフランジ部11aと接続管部12とリブ部13とが形成されたため、フランジ部11aと接続管部12とリブ部13を近接配置することができ、コンプレッサハウジング54から接続管部12に向かう熱伝導を一層増加することができる。
エアパイプ10はアルミ合金製鋳物で形成されたため、高熱伝導率のアルミ合金を材料としたエアパイプ10を形成してコンプレッサハウジング54から接続管部12に向かう熱伝導を更に増加することができる。
接続管部12は、その軸線L2が吸気管である本体部11の軸線L1に対して交差するため、接続管部12とフランジ部11aとの連結領域を構成するリブ部13を大きく形成することができる。
接続管部12は、ブローバイガス通路71を接合するためのフランジ部12aを有し、リブ部13は、フランジ部11aとフランジ部12aとを連結するため、リブ部13を大きくしつつ凝縮水が滞留し易い接続部分に集中して熱を伝導することができる。
エンジン本体2が前後方向に対して略平行な縦置き配置され、ターボ過給機5がエンジン本体2の片側側部に支持され、コンプレッサハウジング54がタービンハウジング55よりも後側に配設されたため、低外気温走行時、接続管部12が直接走行風に晒されることを回避しつつタービンハウジング55から接続管部に向かう熱対流を得ることができる。
エンジン本体2の片側側部とターボ過給機5との間に気筒配列方向に延設されたインシュレータ24を設けたため、タービンハウジング55からエンジン本体2に向かう熱対流を遮断して接続管部12に向かう熱量を増加することができる。
また、第2インシュレータ部24bが、平面視にて前方に突出した略ハット状に形成されているため、走行風を整流しつつ第2インシュレータ部24bとコンプレッサハウジング54の隙間からタービンハウジング55の熱を走行風を介して接続管部12に伝達することができる。
次に、前記実施形態を部分的に変更した変形例について説明する。
1〕前記実施形態においては、6気筒の縦置きガソリンエンジンの例について説明したが、少なくとも縦置きエンジンであれば良く、エンジン種類、気筒数、型式、配置形態等は任意に設定することが可能であり、例えば、4気筒ディーゼルエンジンであっても良い。
2〕前記実施形態においては、本体部11の左側に接続管部12を有するエアパイプ10の例について説明したが、接続管部12は本体部11の左右何れに配置されても本件の効果を奏することが可能である。尚、コンパクト性及び熱伝導性向上を考慮した場合、接続管部12は本体部11とエンジン本体2の側壁部との間に配置することが好ましい。
3〕その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施形態に種々の変更を付加した形態や各実施形態を組み合わせた形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態も包含するものである。
1 エンジン
2 エンジン本体
5 ターボ過給機
7 ブローバイガス還流装置
10 エアパイプ
11 本体部
11a フランジ部(第2フランジ部)
12 接続管部
12a フランジ部(第3フランジ部)
13 リブ部
24 インシュレータ
31a 上流側吸気通路
51 コンプレッサ
52 タービン
54 コンプレッサハウジング
54a フランジ部(第1フランジ部)
55 タービンハウジング
71 ブローバイガス通路

Claims (7)

  1. 排気ガスにより駆動されるタービンとこのタービンに連結され且つ吸気を加圧するコンプレッサとを有するターボ過給機と、エンジン内部に漏出したブローバイガスを吸気管に還流するブローバイガス管とを備えたエンジンの吸気装置において、
    前記コンプレッサが収納され、前記吸気管に接続可能な第1フランジ部を有するコンプレッサハウジングを設け、
    前記吸気管が、前記第1フランジ部に接合された第2フランジ部と、前記ブローバイガス管に接合された接続管部と、前記第2フランジ部の延長面上に形成され且つ前記第2フランジ部と接続管部とを連結するリブ部とを有することを特徴とするエンジンの吸気装置。
  2. 前記吸気管が、この吸気管と前記コンプレッサとを接続するエアパイプを有し、
    前記エアパイプに前記第2フランジ部と接続管部とリブ部とが形成されたことを特徴とする請求項1に記載のエンジンの吸気装置。
  3. 前記エアパイプはアルミ合金製鋳物で形成されたことを特徴とする請求項2に記載のエンジンの吸気装置。
  4. 前記接続管部は、その軸線が前記吸気管の軸線に対して交差することを特徴とする請求項1~3の何れか1項に記載のエンジンの吸気装置。
  5. 前記接続管部は、前記ブローバイガス管を接合するための第3フランジ部を有し、
    前記リブ部は、前記第2フランジ部と第3フランジ部とを連結することを特徴とする請求項1~4の何れか1項に記載のエンジンの吸気装置。
  6. 前記エンジンが車体前後方向に対して略平行な縦置き配置され、
    前記ターボ過給機が前記エンジンの片側側部に支持され、
    前記コンプレッサが前記タービンよりも車体前後方向後側に配設されたことを特徴とする請求項1~5の何れか1項に記載のエンジンの吸気装置。
  7. 前記エンジンの片側側部とターボ過給機との間に気筒配列方向に延設されたインシュレータを設けたことを特徴とする請求項6に記載のエンジンの吸気装置。
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