(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献2では、排気マニホールドと触媒ケースとEGR導入管路とがユニット化されているため、部材管理の手間や組み立ての手間を軽減できる利点がある。しかし、特許文献2のEGR管路は走行風による冷却であるため、冷却が不完全になりやすい。この点、特許文献1のように水冷式のEGRクーラを設けると、冷却性能を格段に向上できると云える。
【0006】
しかるに、EGRクーラには特許文献1のように冷却水導入管と冷却水排出管とを接続せねばならないため、保管や運搬に際しての変形防止や、ホースの差し込みの容易性確保、排気マニホールドや触媒ケースによる熱害の防止など、様々な対策が必要になる。
【0007】
また、触媒ケースは熱によって膨張するが、特許文献2のようにEGR導入管路(EGR取り出し管)の
上端を排気マニホールドのフランジに溶接で固定していると、触媒ケースの熱膨張によってEGR導入管路が下向きに引っ張られるため、EGR導入管路の接合合部等に大きな応力が集中することも懸念される(EGR導入管路には蛇腹状の部分があるが、触媒ケース7の熱膨張による引っ張りに追従して容易に変形してくれるとは言い難い)。
【0008】
本願発明は、このような現状を背景にして成されたものであり、排気系の一部とEGRクーラ付きEGR導入管路とを一体にユニット化するにおいて、各種の問題を克服せんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本願発明は車両用内燃機関に関し、この内燃機関は、
「排気系の上流側の一部を構成する上流側排気管とこれから分岐したEGRクーラ付きEGR導入管路とを備えており、これら上流側排気管とEGR導入管路とは、
それぞれ上下長手の姿勢に並べた状態に配置されていると共に溶接にて一体化されている
」、という基本構成である。
【0010】
そして、前記上流側排気管に、当該上流側排気管を機関本体に支持するためのブラケットが固定されており、この支持ブラケットに、前記上流側排気管を挟んで前記EGR導入管路と反対側に向けて突出したアーム部を設けている一方、前記EGRクーラには冷却水導入管と冷却水排出管とが接続されており、これら両管のうちいずれか一方又は両方を、前記上流側排気管の外側から前記支持ブラケットのアーム部に向けて延ばしてその先端部をアーム部に固定している。
【0011】
上流側排気管は排気マニホールドや単なる管とすることもできるが、実施形態のように触媒ケースを上流側排気管として、これにEGR導入管路を接続するのは好ましい。また、冷却水用管は触媒ケース等の上流側排気管の手前側に配置してブラケットのアーム部に至らせることも可能であるが、実施形態のように、上流側排気管の後ろを通らせるのが好適である。
【0012】
また、EGRクーラはEGRガスの流れ方向から見て上流側の部分が高温になるため、熱害防止の点からは、EGRクーラのうち上流側の端部に接続された管をブラケットのアーム部に固定して長さを長くするのが好ましい。
【発明の効果】
【0013】
本願発明では、排気系の上流側排気管とEGRクーラ付きEGR導入管路、及びEGRクーラに接続された冷却水用管は一体にユニット化されるため、運搬や保管、組み立ての手間を軽減することができる。
【0014】
そして、EGRクーラに接続された管のうち一方又は両方が上流側排気管の外を通って支持ブラケットのアーム部に向けて長く延びているため、管がEGRクーラから伝熱されてもその熱が先端まで伝わることはなくて、ホースを接続してもホースが熱害を受けて劣化が促進されることはない。
【0015】
しかも、上流側排気管の外を通って長く延びる管は支持ブラケットのアーム部に固定されているため、先端部へのホースの差し込みもごく簡単に行うことができるのみならず、保管や運搬、組み立て等に際して人の手や物が管に
触れても、管に大きなモーメントが掛かって変形したり破損したりするような不具合は生じない。しかも、支持ブラケットは上流側排気管を支持するためのものであるから、コストが嵩むこともない。
【0016】
車両のエンジンルームは底が開口しているタイプも多
く、この場合は、車輪で跳ね上げた小石がエンジンルームに飛び込むことが有
り、この場合、小石は前から後ろに向けて飛んでくることがあるが、本願発明では、
排気通路上流部の後ろに管を配置することにより、上流側排気管をカバーとして機能させることが可能であるため、管に小石が衝突する確率を低減可能になる利点もある。
【0017】
特に、実施形態のように、冷却水導入管をEGRクーラの後面(裏面、背面)に接続すると共に、冷却水導入管を触媒ケースの後ろに回り込ませると、EGRクーラも冷却水導入管に対する保護機能を発揮するのみならず、かなりの大きさの触媒ケースが高い防護機能を発揮するため、小石の衝突防止機能はより一層高くなる利点がある。
【0018】
また、上流側排気管及びEGR導入管路を上下長手の姿勢にしてその上端をジョイント管でシリンダヘッドに固定すると共に、ジョイント管を水平方向に長い形態とすると、上流側排気管が熱膨張してEGRクーラ付きEGR導入管路が下向きに引っ張られても、ジョイント管は容易に曲がり変形するため、
排気通路上流部の熱膨張を的確に吸収できる利点がある。従って、熱の影響を抑制しつつユニット化できる。
【発明を実施するための形態】
【0020】
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明では方向を特定するため上下・左右・前後の文言を使用するが、上下は鉛直線の方向であり、前後方向はクランク軸及びシリンダボアに対して直交した方向であり、左右はクランク軸の長手方向である。また、内燃機関は車両に搭載されるものであり、前後・左右は運転者から見た方向での前後・左右と同じである。
【0021】
(1).概要
本実施形態の内燃機関は、シリンダブロック1とその上面に固定されたシリンダヘッド2とを有する機関本体を備えており、機関本体は、クランク軸(図示せず)を左右長手の姿勢にした横向きで車両に搭載されている。本実施形態の内燃機関は3気筒であり、シリンダヘッド2のうち車両の前進方向を向いた前面2aに、3つの排気ポート3が左右に並んで開口していると共に、排気ポート3に連通した排気マニホールド4が固定されている。敢えて述べる必要はないが、シリンダヘッド2の後面には、吸気ポートが開口していると共に吸気マニホールドが固定されている。
【0022】
内燃機関は3気筒であるので、排気マニホールド4は3つの枝管5とこれらに連通した集合管6とを有している。集合管6は下向きに開口しており、この集合管6に、請求項に記載した上流側排気管の例としての触媒ケース(触媒コンバータ)7が固定されている。また、排気マニホールド4は各枝管5の入口部に繋がったフランジ8を備えており、フランジ8がボルト(図示せず)でシリンダヘッド1に固定されている。
【0023】
図1に示す符号9は、ボルトが挿通される取り付け穴である。集合管6は、
図1において排気マニホールド4の左右中間位置から右側(運転者から見ると左側)にずらして配置しているが、左側にずらしてもよいし、左右中間部に設けてもよい。また、排気マニホールド4はブロック状に構成してシリンダヘッド2と一体化することも可能である。
【0024】
触媒ケース7は排気系の一部を構成するものであり、その内部には三元触媒が配置されている。また、触媒ケース7は、上端部を段付き状縮径部7aと成して下端部を下窄まりの下テーパ部7bと成した円筒形態であり、下テーパ部7bに継手管10を一体に設けて、継手管10の上下中途部に金属板製の支持ブラケット11を溶接で固定している。継手管10には排気管12が下方から接続されている。排気管12も排気系を構成している。排気マニホールド4の集合管6には、酸素濃度等を検出するセンサが固定されるセンサ取り付け座13を設けている。
【0025】
支持ブラケット11は継手管10に外側から嵌まっており、触媒ケース7が排気マニホールド4の中心からずれている方向と反対方向(
図1で左側の方向)に向いて突出したアーム部11aを有しており、概ね水平に近い姿勢で広がっている。そして、アーム部11aの先端に、正面視では触媒ケース7と反対側に傾斜して側面視では後傾した立ち上がり部11bを曲げ形成している。立ち上がり部11bは、シリンダブロック1にボルトで固定されたステー14に固定されている。
【0026】
従って、触媒ケース7は、支持ブラケット11及びステー14を介してシリンダブロック1で支持されている。支持ブラケット11の固定手段としては、ステー14に前向き突設したスタッドボルト15にナット16をねじ込んでいるが、頭付きボルトとナットとを使用したり、ボルトをステー14にねじ込むなどしてもよい。
【0027】
なお、触媒ケース7はステンレス板で製造されている。排気マニホールド4の集合管6に排気ターボ過給機の入口管を固定して、排気ターボ過給機の出口管に触媒ケース7を接続する場合もある。
【0028】
触媒ケース7における下テーパ部7bのうち、支持ブラケット11の立ち上がり部11bと反対側の外周面には、EGRクーラ17を有する上下長手のEGR導入管路18が、継手パイプ19及びボス体20を介して接続されている。従って、支持ブラケット11の立ち上がり部11bとEGRクーラ17付きEGR導入管路18とは、触媒ケース7を挟んだ左右両側に位置している。
【0029】
EGR導入管路18の上端には、シリンダヘッド2の方向に向いたジョイント管21が接続されている。ジョイント管21は屈曲はしているもののおおまかには前後方向に長い形態であり、その先端にフランジ板22がロウ付け又は溶接で固定されている。フランジ板22は上下方向に長い形態であり、上端部と下端部とにボルトが嵌まる取り付け穴22aが空いており、ボルトでシリンダヘッド2の前面に固定されている。
【0030】
ジョイント管21のうちフランジ板22に固定された先端部は、フランジ板22にロウ付けで固定された押え部材23で上から押え保持されている。図示は省略するが、シリンダヘッド2の右端部にはジョイント管21に連通した前後長手のEGR通路が貫通しており、EGR通路に流入した排気ガスは、EGRバルブ(図示せず)を介して吸気系に還流する。
【0031】
(2).EGR装置関連要素の全体構成
上記のとおり、EGRクーラ17付きEGR導入管路18は
図1の状態で触媒ケース7の右に位置しており、EGRクーラ17付きEGR導入管路18は、正面視では触媒ケース7と略平行で、側面視では、
図2(B)に表示するように、鉛直線Vに対してある程度の角度θで後傾した姿勢になっている。
【0032】
また、触媒ケース7に対する取り付け位置は、
図4に示すように、触媒ケース7の軸心を通ってシリンダヘッド2の前面2aと平行な線Xよりも手前に位置している。すなわち、触媒ケース7の真横の部分よりも少し手前の位置に接合されている。従って、触媒ケース7とEGRクーラ17との外面間の間隔は
図1の状態よりは大きくなっており、上に行くに従って間隔が狭まっている。
【0033】
排気マニホールド4と触媒ケース7とは、薄板製のインシュレータ(図示せず)で手前側から覆われるようになっている。そこで、排気マニホールド4の上端の2カ所と触媒ケース7の1カ所とEGRクーラ17の後面の上下2カ所とに、インシュレータを固定するための取り付け片25を溶接で固定している。インシュレータの右端は、触媒ケース7とEGRクーラ17との間の空間に入り込んでいる。
【0034】
EGR導入管路18はEGRクーラ17に内蔵されている。従って、形式的にはEGR導入管路18はEGRクーラ17の一部のような外観を呈している。
図3(C)に示すように、EGR導入管路18は、横断面花びら状のフィン管18aを鞘管18bで覆った形態を成しており、鞘管18bとEGRクーラ17との間の空間に冷却水が通る。
【0035】
(3).EGRクーラへの配管構造
EGRクーラ17は水冷方式であり、そこで、例えば
図1のとおり、EGRクーラ17には、冷却水導入管26と冷却水排出管27とが接続されている。冷却水導入管26はEGRクーラ17の下端部背面に接続され、冷却水排出管27はEGRクーラ17の上端部前面に接続されている。
【0036】
冷却水導入管26及び冷却水排出管27の材料にはステンレス管を使用しており、先端部には軟質材製ホース(チューブ)28a,28bが外から嵌め込まれる。敢えて述べるまでもないが、冷却水導入管26及び冷却水排出管27は、EGR導入管路18よりも遥かに小径である。
【0037】
冷却水排出管27はブラケット類で支持されていないが、長さは10cmに満たないため、ホース28bを差し込むに際して曲がり変形することはない。また、冷却水排出管27はインシュレータの外側に配置されているので、冷却水排出管27及びこれに接続されたホース28bは、排気マニホールド4及び触媒ケース7の輻射熱に晒されることはない。
【0038】
また、EGRクーラ18は、その下端は排気ガスの熱によってかなり高温になっているが、上端は触媒ケース7から遠いためさほど高温になっていない。従って、冷却水排出管27もさほどの高温になることはなく、このため、ホース28bが軟質材製であっても劣化が早まるこはない。
【0039】
更に、冷却水排出管27は、
図2のとおり、上に行くに従ってシリンダヘッド2に近づくように後傾しているが、冷却水排出管27の上には特段の障害物はないので、ホース28bの嵌脱は支障なく行える。また、冷却水排出管27の上端は排気マニホールド4の上にはみ出ていないので、組み立て前の運搬や保管に際して冷却水排出管27が物に当たって変形する不具合を防止できる。また、冷却水排出管27は、触媒ケース7の手前にもはみ出てはない。従って、物が冷却水排出管27に当たる不具合も防止できる。
【0040】
他方、冷却水導入管26は、EGRクーラ17を出てからいったん下方に下がって、EGRクーラ17における下テーパ部7bの後ろを略水平姿勢で通ってから再び上向きに姿勢を変えている。上向きに立ち上がった部分26aは、正面視では、上に行くに従って触媒ケース7から離れるにように傾斜し(
図1参照)、側面視では、上に行くに従って後ろに行くように後傾している(
図2参照)。
【0041】
冷却水導入管26の水平部26cは触媒ケース7の下テーパ部7bの後ろを通っているので、水平部26cが触媒ケース7の本体部の後面(背面)から後ろにはみ出ない状態に保持できる。このため、触媒ケース7やEGRクーラ18からなるユニットを台等に置くにおいて、冷却水導入管26が台に当たって変形するといった不具合は発生しない。
【0042】
図2に示すように、冷却水導入管26の付け根部は、EGRクーラ17に溶接で固定した吊支ブラケット31で下方から支持されている。従って、運搬や保管等に際して、物が当たる等して冷却水導入管26の水平部26cに前向きの外力が作用しても、冷却水導入管26の付け根がEGRクーラ
17から外れるようなことはない。
【0043】
冷却水導入管26はかなりの長さがあるので、先端側の上向き立ち上がり部26aに固定片29を溶接又はロウ付けで固定し、固定片29を支持ブラケット11の立ち上がり部11bにボルト30で固定している。支持ブラケット11の立ち上がり部11bにはボルト30が螺合するタップ穴を設けているが、ナットを溶接したり、スタッドボルトを固定してこれにナットをねじ込んだりしてもよい。
【0044】
冷却水導入管26のうちボルト30による固定箇所よりも先の先端部26bは、
図1のとおり正面視では立ち上がり部26aと同様に上に行くに従って触媒ケース7から離れるように傾斜し、側面視では、
図2のとおり、上に行くに従ってシリンダブロック1から離れるように前傾している。従って、ホース28bの嵌脱を容易に行える(触媒ケース7等が作業の邪魔にならない。)。
【0045】
冷却水導入管26の先端部は支持ブラケット11にしっかりと固定されているため、ホース28aの嵌め込みを容易に行える。また、冷却水導入管26は長くても触媒ケース7の後ろに巻かれているため、機関のメンテナンス等において工具が当たるような不具合を抑制できる。また、インシュレータの邪魔にもならない。冷却水導入管26が振動で振れ動くような問題も皆無である。
【0046】
冷却水導入管26の先端はインシュレータの左端の外側にはみ出ているので、ホース28aの嵌脱はインシュレータを取り付けたままで行える。冷却水排出管27の先端部もインシュレータの上にはみ出ている。従って、冷却水排出管27へのホース
28bの嵌脱も、インシュレータを固定したままで行える。
【0047】
なお、EGRクーラ
17に対する配管の回路は様々に設定できるが、例えば、冷却水導入管26に接続したホース28aはウォータポンプの吐出口に接続し、冷却水排出管27に接続したホース
28bはシリンダヘッド2に設けたサーモ弁の箇所に接続できる。サーモ弁はラジエータへの通水を制御するもので、冷却水がラジエータに流れていない場合は、冷却水はEGRクーラ18にも流れない。
【0048】
継手パイプ19、EGRクーラ17及びEGR導入管路18、ジョイント管21、冷却水の導入・排出管26,27はEGR装置を構成するものであり、そこで、これらはEGR関連配管と呼ぶことができる。
【0049】
ボス体20は、触媒ケース7の下テーパ部に7bに溶接で固定されている。また、継手パイプ19は水平部と起立部とを備えたL型になっており、水平部をボス体20に部分的に差し込んで、溶接にてボス体20に一体に固定している。
【0050】
他方、継手パイプ19の起立部19bはEGR導入管路18及びEGRクーラ17に接続されているが、EGR導入管路18の鞘管18bは継手パイプ19よりも大径であるため、鞘管
18bの下端に縮径部18b′を形成し、この縮径部18b′に継手パイプ19の起立部を挿入してロウ付けしている。
【0051】
ジョイント管21もEGR導入管路18の鞘管18bより小径である。そこで、EGR導入管路18の上端に縮径部18b′を形成し、これにジョイント管21を挿入してロウ付けしている。
【0052】
(4).まとめ・他
以上の構成において、排気マニホールド4と触媒ケース7とEGRクーラ17付きEGR導入管路18とジョイント管20とは1つにユニット化されている。つまり、排気マニホールド4
と触媒ケース7とEGR関連配管とが一体にユニット化されている。このため、部材管理や保管、運搬、組み立ての手間を軽減できる。
【0053】
そして、冷却水導入管26は、EGRクーラ18の後面に接続されていてしかも触媒ケース7の後ろを通っているため、車両の走行時に車輪で小石が跳ね上げられてこれがエンジンルームに飛び込んできて冷却水導入管26に向かっても、EGRクーラ18及び触媒ケース7がカバーの役割を果たすことで、小石が冷却水導入管26に当たる確率を著しく低下させることができる。
【0054】
また、冷却水導入管26は長さが長いことから、EGRクーラ18の下部が高温になっていてもその熱が先端まで及ぶことはないため、ホース28aが熱害を受けることはない。そして、ウォータポンプはシリンダブロック1のうち
図1において左側(触媒ケース7及びシリンダブロック1と反対側)の側面部に配置しているため、ホース28aは触媒ケース7及び排気マニホールド4から離れる方向に取り回されており、従って、ホース28aが排気マニホールド4及び触媒ケース7の輻射熱を受けることもない。このため、ホース28aの配置の自由性を確保できる。
【0055】
本実施形態のようにEGRクーラ
17を後傾させると、
図2(B)から明瞭に理解できるように、EGRクーラ
17の前部上端が最も高くて下部後端が最も低くなるため、実施形態のように、上端部前面に冷却水排出管27を接続することで空気溜まりの発生を防止できると共に、下部後面に冷却水導入管26を接続することで、下端部での冷却水の淀みを無くして冷却を確実ならしめることができる。
【0056】
なお、実施形態ように、触媒ケース7を排気マニホールド4の一端の側にずらすと共に、EGRクーラ
17を触媒ケース7にできるだけ近付けると、EGRクーラ18をシリンダヘッド2の一端部に設けたEGR通路(図示せず)にできるだけ近付けながら、触媒ケース7とEGRクーラ
17とをできるだけ近付けてスペースを有効利用できる。従って、内燃機関のコンパクト化に貢献できる。
【0057】
特に、実施形態のようにEGRクーラ
17を触媒ケース7の真横でなく少し手前に配置すると、触媒ケース7とEGRクーラ
17とは、外面間にある程度の間隔は保持しつつ正面視での左右間隔を狭めることができるため、コンパクト化に一層貢献できる。
【0058】
さて、触媒ケース7及びEGRクーラ17並びにEGR導入管路18は上下方向に長い姿勢になっているので、上下方向に熱膨張する。この場合、三者が同じ程度の率で熱膨張すると、熱膨張に伴う歪みを抑制できるが、触媒ケース7が最も高温になるため、触媒ケース7の熱膨張量が最も大きくて、触媒ケース7の熱膨張によってEGR導入管路18及びEGRクーラ17が下方に引っ張られる傾向を呈する。
【0059】
他方、EGRクーラ17(或いはEGR導入管路18)とシリンダヘッド2とを繋ぐジョイント管21は水平姿勢に延びると共に平面視では屈曲した形態になっており、上下の方向には大きく曲がる構造になっている。このため、EGRクーラ17及びEGR導入管路18の下向き動は、ジョイント管21の曲がり変形によって許容されている。
【0060】
EGRクーラ17の冷却水の入口と出口は上下逆にすることも可能であり、この場合は、支持ブラケットに冷却水排出管27を固定することも可能である。また、冷却水導入管26と冷却水排出管27との両方を支持ブラケット11に固定することも可能である。管の固定手段に限定はないのであり、管を支持ブラケット11に溶接してもよい。支持ブラケット11は、シリンダブロック1等の機関本体に直接固定することも可能である。
【0061】
本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、
EGR導入管路(EGRクーラ)の接続対象は触媒ケースには限らないのであり、単なる排気管に接続することも可能である。EGR導入管路の内部構造及びEGRクーラの構造も任意に設定できる。EGR導入管路及びEGRクーラを有するユニットは、排気ターボ過給機に固定したり排気マニホールドに固定したりすることも可能である。