JP2007100665A - 内燃機関の排気通路構造 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの低温時に再循環通路内の排ガスの廃熱を有効利用して冷却水温度およびオイル温度を効率よく昇温させてエンジンの暖気性能を向上させることができるエンジンの排気通路構造を提供する
【解決手段】エンジン１の燃焼室から排気通路１３に排出された排気ガスの一部を吸気通路１４に再循環させる再循環通路１５を備え、この再循環通路を流れる排気ガスの一部をクーラ装置４により冷却するようにしている。そして、再循環通路のクーラ装置よりも下流側とその再循環通路よりも下流側の排気通路との間にバイパス通路１６を設け、このバイパス通路に、エンジンの低温時に開放する開閉弁１７を介設し、エンジンの低温時に燃焼室から排気通路に排出された排気ガスの一部を再循環通路からバイパス通路に積極的に流通させてクーラ装置内を流れる冷却水およびオイルを加温させるようにしている。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室から排気通路に排出された排気ガスの一部を水冷式ＥＧＲクーラにより冷却するようにした内燃機関の排気通路構造に関し、詳しくは、内燃機関の低温時における冷却水の温度を効率よく昇温させる対策に係わる。

従来より、内燃機関の燃焼室から排気通路に排出された排気ガスの一部を取り出して内燃機関の吸気通路に再循環させる再循環通路を備え、この再循環通路を流れる排気ガスの一部を水冷式のＥＧＲ（エキゾースト・ガス・リサキュレーション）クーラにより冷却し、取り出して水冷式のＥＧＲクーラで冷却し、その冷却された排気ガスの一部を内燃機関の吸気通路に再循環させて内燃機関での燃焼温度を低くすることで、ＮＯｘの発生を抑制するようにしたものは知られている（例えば、特許文献１参照）。

この場合、再循環通路を流れる排気ガスの一部は、再循環通路の下流端を吸気通路に開放させるＥＧＲバルブによって再循環通路内での流通量が決定され、その流通量が決定された排気ガスの一部のみが水冷式ＥＧＲクーラ内を流通する冷却水と熱交換されるようになっている。
特開平１１−１７３２１９号公報

ところで、内燃機関の低温時に冷却水温度を迅速に昇温させることによって内燃機関の暖気性能を向上させたいという要求がある。その場合、内燃機関の燃焼室から排気通路に排出された排気ガスの一部、つまり再循環通路を流れる排気ガスの一部を有効利用し、その排気ガスの一部と水冷式ＥＧＲクーラ内を流通する冷却水とを熱交換させることによって、再循環通路内の排ガスの廃熱を利用して冷却水温度を昇温させることが考えられる。

しかし、再循環通路を流れる排気ガスの流通量は、再循環通路の下流端を吸気通路に開放させるＥＧＲバルブによって決定されているために内燃機関の低温時には僅かなものとなる。このため、内燃機関の低温時に再循環通路内の排ガスの廃熱を有効利用して冷却水温度を効率よく昇温させることによって、内燃機関の暖気性能を向上させることができない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内燃機関の低温時に再循環通路内の排ガスの廃熱を有効利用して冷却水温度を効率よく昇温させて内燃機関の暖気性能を向上させることができる内燃機関の排気通路構造を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、内燃機関の燃焼室から排気通路に排出された排気ガスの一部を内燃機関の吸気通路に再循環させる再循環通路を備え、この再循環通路を流れる排気ガスの一部を水冷式ＥＧＲクーラにより冷却するようにした内燃機関の排気通路構造を前提とする。そして、上記再循環通路の水冷式ＥＧＲクーラよりも下流側と、その再循環通路よりも下流側の排気通路との間に、再循環通路を介した排気ガスの一部を吸気通路に再循環させることなく排気通路に導くバイパス通路を設ける。更に、上記バイパス通路に、内燃機関の低温時に開放する開閉弁を介設して、内燃機関の低温時に燃焼室から排気通路に排出された排気ガスの一部を再循環通路からバイパス通路に積極的に流通させて水冷式ＥＧＲクーラ内を流れる冷却水を加温させるようにしている。

この特定事項により、内燃機関の低温時に燃焼室から排気通路に排出された排気ガスの一部は、ＥＧＲバルブの開閉如何に拘わらず再循環通路から水冷式ＥＧＲクーラを経て吸気通路に再循環されることなくバイパス通路より排気通路に積極的に導かれることになる。このため、内燃機関の低温時に燃焼室から排気通路に排出された排気ガスの一部が再循環通路からバイパス通路に積極的に導かれて水冷式ＥＧＲクーラ内を流れる冷却水と熱交換されることになる。これにより、内燃機関の低温時に再循環通路に積極的に導かれる排ガスの廃熱を有効利用して冷却水温度を効率よく昇温させることによって、内燃機関の暖気性能を向上させることが可能となる。

特に、排気通路に排気ターボ過給機を備えた場合の開閉弁の動作を特定するものとして、以下の構成が掲げられる。

つまり、再循環通路よりも下流側でかつバイパス通路よりも上流側の排気通路に排気ターボ過給機のタービンホイールを配設するとともに、そのタービンホイールへの排気ガスの流量を必要とする排気ターボ過給機の過給時に開閉弁を閉塞させるようにしている。

この特定事項により、再循環通路よりも下流側でかつバイパス通路よりも上流側の排気通路にタービンホイールを設けた排気ターボ過給機の過給時に開閉弁が閉塞されるので、排気ターボ過給機の過給時、再循環通路内の排気ガスの一部がバイパス通路に導かれることなく遮断され、再循環通路内への排気ガスの一部を除く排気ガスの大半が排気通路のタービンホイールに導かれて排気ターボ過給機による過給を円滑に行うことが可能となる。

更に、水冷式ＥＧＲクーラに水冷式オイルクーラを一体的に付設し、内燃機関の低温時に燃焼室から排気通路に排出された排気ガスの一部を再循環通路からバイパス通路に積極的に流通させて水冷式オイルクーラ内を流れる冷却水をも加温させるようにしている場合には、内燃機関の低温時に燃焼室から排気通路に排出された排気ガスの一部が再循環通路からバイパス通路に積極的に導かれて水冷式ＥＧＲクーラ内を流れる冷却水および水冷式オイルクーラ内を流れるオイルと熱交換されることになる。これにより、内燃機関の低温時に再循環通路に積極的に導かれる排ガスの廃熱を有効利用して冷却水温度およびオイル温度が効率よく昇温され、内燃機関の暖気性能の向上をより一層図ることが可能となる。

以上、要するに、再循環通路の水冷式ＥＧＲクーラよりも下流側と、再循環通路の上流端よりも下流側の排気通路との間を繋ぐバイパス通路に内燃機関の低温時に開放する開閉弁を介設することで、内燃機関の低温時、排気通路内の排気ガスの一部を、再循環通路から水冷式ＥＧＲクーラを経て吸気通路に再循環させることなくバイパス通路に積極的に導いて水冷式ＥＧＲクーラ内を流れる冷却水と熱交換させ、内燃機関の低温時に再循環通路に積極的に導かれる排ガスの廃熱を有効利用して冷却水温度を効率よく昇温させて内燃機関の暖気性能を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１は内燃機関としてのエンジンに対し循環される冷却水の循環経路を示し、１はエンジン、２は空冷式のラジエータであって、エンジン１のシリンダヘッド１１内のウォータジャケットとラジエータ２の冷却水入口とが第１冷却水配管３１を介して連結されている。また、上記ラジエータ２の冷却水出口とエンジン１のシリンダブロック１２内のウォータジャケットとが第２冷却水配管３２を介して連結されている。この第２冷却水配管３２には、サーモスタット２１およびウォータポンプ３３が上流側から順に介設されている。更に、第１冷却水配管３１の途中と第２冷却水配管３２のサーモスタット２１およびウォータポンプ３３の間とが第３冷却水配管３４によって連結されている。この第３冷却水配管３４には、車内用のヒータ装置３５が介設されている。

また、上記第１冷却水配管３１の第３冷却水配管３４上流端よりも上流側（シリンダヘッド１１内のウォータジャケットと第３冷却水配管３４上流端との間）と、第２冷却水配管３２のサーモスタット２１およびウォータポンプ３３の間とは、第４冷却水配管３６によって連結されている。この第４冷却水配管３６には、断面略矩形状のクーラ装置４が介設されている。

そして、図２に示すように、エンジン１の排気通路１３には、シリンダヘッド１１の燃焼室から排気通路１３に排出された排気ガスの一部をエンジン１の吸気通路１４に再循環させる再循環通路１５が設けられている。この再循環通路１５は、その上流端がシリンダヘッド１１の燃焼室直下流の排気通路１３に、下流端がＥＧＲバルブを介して吸気通路１４にそれぞれ連結され、その途中に上記クーラ装置４が介設されている。そして、図３に示すように、クーラ装置４の再循環通路１５上流側（図３では右側）には、再循環通路１５からのＥＧＲガスを導入するＥＧＲガス導入口４０ａが設けられている一方、クーラ装置４の再循環通路１５下流側（図３では左側）には、クーラ装置４内で冷却水と熱交換されたＥＧＲガスを再循環通路１５に排出するＥＧＲガス排出口４０ｂが設けられている。また、クーラ装置４の上面には、後述するＥＧＲクーラ部４１に対し冷却水を導入する冷却水導入管４ａの上流端およびＥＧＲクーラ部４１から冷却水を排出する冷却水排出管４ｂの下流端がそれぞれ開口しているとともに、後述するオイルクーラ部４２に対しオイルを導入するオイル導入管４ｃの上流端およびオイルクーラ部４２からオイルを排出するオイル排出管４ｄの下流端がそれぞれ開口している。

また、図４および図５に示すように、クーラ装置４は、上記第４冷却水配管３６から導入された冷却水との熱交換によりＥＧＲガスを冷却する水冷式ＥＧＲクーラとしてのＥＧＲクーラ部４１と、このＥＧＲクーラ部４１に一体的に付設され、上記第４冷却水配管３６から導入された冷却水との熱交換によりオイルを冷却する水冷式オイルクーラとしてのオイルクーラ部４２とを備えている。ＥＧＲクーラ部４１は、冷却水を流通可能とする３層の扁平な冷却水チューブ４１ａ，４１ａ，４１ａと、この各冷却水チューブ４１ａ内を流れる冷却水と熱交換可能となるように配置され、ＥＧＲガスを流通可能とする２層の扁平なＥＧＲガスチューブ４１ｂ，４１ｂとを備えている。一方、オイルクーラ部４２は、上記各冷却水チューブ４１ａ内を流れる冷却水と熱交換可能となるように配置され、かつオイルを流通可能とする２層の扁平なオイルチューブ４２ａ，４２ａを備えている。そして、クーラ装置４は、冷却水チューブ４１ａ、オイルチューブ４２ａ、ＥＧＲガスチューブ４１ｂ、冷却水チューブ４１ａ、ＥＧＲガスチューブ４１ｂ、オイルチューブ４２ａ、および冷却水チューブ４１ａの順に上から積層された７層のチューブ構造よりなり、互いに隣接する層間において熱交換可能に接触している。また、これらのチューブ４１ａ，４１ｂ，４２ａ内には、突起またはフィン状のプレートが設けられ、互いに隣接する層間での熱交換が促進されるようになっている。この場合、各冷却水チューブ４１ａ内の冷却水および各オイルチューブ４２ａ内のオイルは、各ＥＧＲガスチューブ４１ｂ内を再循環通路１５の上流側から下流側に向かって流れるＥＧＲガスとは対向する向き、つまり再循環通路１５の下流側から上流側に向かって流れるようになっている。

上記クーラ装置４内における各チューブ４１ａ，４１ｂ，４２ａの再循環通路１５上流側端（図３ないし図５では右端）および下流側端（図３ないし図５では左端）には、ＥＧＲガス導入口４０ａに連通する上流側拡張室４１ｃおよびＥＧＲガス排出口４０ｂに連通する下流側拡張室４１ｄがそれぞれ設けられている。これらの各拡張室４１ｃ，４１ｄは、上記各ＥＧＲガスチューブ４１ｂに対しそれぞれ連通していて、再循環通路１５の上流側から上流側拡張室４１ｃに導入されたＥＧＲガスを各ＥＧＲガスチューブ４１ｂに通してその上下に隣接するオイルチューブ４２ａ内のオイルおよび冷却水チューブ４１ａ内の冷却水と熱交換させて下流側拡張室４１ｄから再循環通路１５の下流側に排出するようにしている。また、上記各冷却水チューブ４１ａは、上記冷却水導入管４ａおよび冷却水排出管４ｂに対し開口している一方、各オイルチューブ４２ａは、オイル導入管４ｃおよびオイル排出口４ｄに対し開口している。

そして、図２に示すように、上記再循環通路１５のクーラ装置４よりも下流側と、その再循環通路１５の上流端よりも下流側の排気通路１３との間には、再循環通路１５を介した排気ガスを吸気通路１４に再循環させることなく排気通路１３に導くバイパス通路１６が設けられている。このバイパス通路１６には、エンジン１の低温時に開放する開閉弁１７が介設されていて、エンジン１の低温時に燃焼室から排気通路１３に排出された排気ガスの一部を再循環通路１５からバイパス通路１６に積極的に流通させてクーラ装置４内で冷却水およびオイルと熱交換し、この冷却水およびオイルを加温させるようにしている。また、再循環通路１５よりも下流側でかつバイパス通路１６よりも上流側に位置する排気通路１３には、排気ターボ過給機５のタービンホイール５１が配設されている。このタービンホイール５１は、吸気通路１４に配されたコンプレッサホイール５２に軸５３を介して回転一体に連結され、排気通路１３内を流通する排気ガスによって回転するタービンホイール５１の回転に伴いコンプレッサホイール５２を回転させて吸気通路１４内の吸気を過給するようにしている。また、上記バイパス通路１６は、開閉弁１７の開放時に排気ターボ過給機５のタービンホイール５１に対し大半の排気ガスを導くことなくタービンホイール５１の下流側に迂回させるようになっている。そして、上記開閉弁１７は、加速時などタービンホイール５１への排気ガスの流量を必要とする排気ターボ過給機５の過給時に閉塞されるようになっていて、バイパス通路１６を介した排気通路１３への排気ガスの迂回を遮断してタービンホイール５１への排気ガスの流量が確保されるようにしている。なお、図２中１８は、排気ガスを浄化する触媒装置である。

したがって、上記実施形態では、エンジン１の燃焼室から排気通路１３に排出された排気ガスの一部は、エンジンの低温時に開放する開閉弁によって、ＥＧＲバルブの開閉如何に拘わらず再循環通路１５からクーラ装置４を経て吸気通路１４に再循環されることなくバイパス通路１６より排気通路１３に積極的に導かれることになる。このため、エンジン１の低温時には、燃焼室から排気通路１３に排出された排気ガスの一部が再循環通路１５からバイパス通路１６に積極的に導かれてクーラ装置４の冷却水チューブ４１ａ内を流れる冷却水およびオイルチューブ４２ａ内を流れるオイルと熱交換されることになる。これにより、エンジン１の低温時に再循環通路１５に積極的に導かれる排ガスの廃熱を有効利用して冷却水温度およびオイル温度を効率よく昇温させることによって、エンジン１の暖気性能を向上させることができる。

また、再循環通路１５上流端よりも下流側でかつバイパス通路下流端よりも上流側の排気通路１３にタービンホイール５１を設けた排気ターボ過給機５の過給時に開閉弁１７が閉塞されるので、排気ターボ過給機５の過給時、再循環通路１５内の排気ガスがバイパス通路１６に導かれることなく遮断され、再循環通路１５内への排気ガスの一部を除く排気ガスの大半が排気通路１３のタービンホイール５１に導かれて排気ターボ過給機５による過給を円滑に行うことができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の変形例を包含している。例えば、上記実施形態では、ＥＧＲクーラ部４１にオイルクーラ部４２を一体的に付設してクーラ装置４を構成したが、ＥＧＲクーラ部のみによってクーラ装置が構成されていてもよい。

また、上記実施形態では、クーラ装置４を３層の冷却水チューブ４１ａと２層のオイルチューブ４２ａおよびＥＧＲガスチューブ４１ｂとを順に積層してなる７層のチューブ構造により構成したが、互いに隣接する層間において熱交換可能に接触していれば何層のチューブ構造によってクーラ装置が構成されていてもよい。

更に、各冷却水チューブ４１ａ内の冷却水および各オイルチューブ４２ａ内のオイルを、各ＥＧＲガスチューブ４１ｂ内を流れるＥＧＲガスと対向する向きに向かって流すようにしたが、各冷却水チューブ内の冷却水および各オイルチューブ内のオイルが、各ＥＧＲガスチューブ内を流れるＥＧＲガスと同じ向きに向かって流れるようにしてもよいのはもちろんである。

本発明の実施形態に係わる排気通路構造を備えたエンジンに対し循環される冷却水の循環経路を示す冷却水経路図である。 エンジンから排出された排気ガスの排気経路を示す排気経路図である。 クーラ装置を上方から見た平面図である。 図３のＡ−Ａ線において切断したクーラ装置の断面図である。 図３のＢ−Ｂ線において切断したクーラ装置の断面図である。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
１３ 排気通路
１４ 吸気通路
１５ 再循環通路
１６ バイパス通路
１７ 開閉弁
４１ ＥＧＲクーラ部（水冷式ＥＧＲクーラ）
４２ オイルクーラ部（水冷式オイルクーラ）
５ 排気ターボ過給機
５１ タービンホイール

Claims (3)

1. 内燃機関の燃焼室から排気通路に排出された排気ガスの一部を内燃機関の吸気通路に再循環させる再循環通路を備え、この再循環通路を流れる排気ガスの一部を水冷式ＥＧＲクーラにより冷却するようにした内燃機関の排気通路構造であって、
   上記再循環通路の水冷式ＥＧＲクーラよりも下流側と、その再循環通路よりも下流側の排気通路との間には、再循環通路を介した排気ガスの一部を吸気通路に再循環させることなく排気通路に導くバイパス通路が設けられており、
   このバイパス通路には、内燃機関の低温時に開放する開閉弁が介設されていて、
   内燃機関の低温時に燃焼室から排気通路に排出された排気ガスの一部を再循環通路からバイパス通路に積極的に流通させて水冷式ＥＧＲクーラ内を流れる冷却水を加温させるようにしていることを特徴とする内燃機関の排気通路構造。
2. 上記請求項１に記載の内燃機関の排気通路構造において、
   再循環通路よりも下流側でかつバイパス通路よりも上流側の排気通路には、排気ターボ過給機のタービンホイールが配設されており、
   開閉弁は、上記タービンホイールへの排気ガスの流量を必要とする排気ターボ過給機の過給時に閉塞されるようになっていることを特徴とする内燃機関の排気通路構造。
3. 上記請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気通路構造において、
   水冷式ＥＧＲクーラには、水冷式オイルクーラが一体的に付設されており、
   内燃機関の低温時に燃焼室から排気通路に排出された排気ガスの一部を再循環通路からバイパス通路に積極的に流通させて水冷式オイルクーラ内を流れる冷却水をも加温させるようにしていることを特徴とする内燃機関の排気通路構造。

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