JP2019065808A - 内燃機関の吸気系構造 - Google Patents

Abstract

【課題】新気とＥＧＲガスとの混合を効果的に促進する。【解決手段】内燃機関Ｅの排気系から還流される再循環排気を導入する再循環排気還流部２２と、再循環排気還流部２２の下流端から延びると共に、新気と再循環排気とを混合させる吸気混合部２３と、吸気混合部２３にて混合された吸気を吸気ポート１２Ａ，Ｂに分配する吸気分配部２５と、吸気混合部２３と吸気分配部２５との隣接部位に延設されて、吸気混合部２３と吸気分配部２５とを仕切る仕切壁部２８とを備えた。【選択図】図２

Description

本開示の技術は、内燃機関の吸気系構造に関し、特に、吸気マニホールドの吸気流路構造に関する。

従来、内燃機関においては、排気ガスの少なくとも一部を吸気系に再循環させる排気再循環装置（Exhaust Gas Recirculation System：以下、ＥＧＲ装置）が広く実用化されている。この種のＥＧＲ装置は、例えば、特許文献１等に開示されている。当該文献に開示されたＥＧＲ装置は、ＥＧＲ配管を過給機のコンプレッサよりも下流側の吸気系（例えば、吸気マニホールド）に合流させた所謂高圧ＥＧＲ装置である。

特開２０１７−１２５４４７号公報

高圧ＥＧＲ装置において、ＥＧＲ配管を吸気マニホールドに合流させると、吸気マニホールド内にＥＧＲガスを導入するＥＧＲ還流部と、吸気を各吸気ポートに分配する吸気分配部との距離が短くなる。これらＥＧＲ還流部と吸気分配部との距離が短くなると、ＥＧＲガスが新気と十分に混合されることなく吸気分配部に流れ込む場合がある。

各気筒にＥＧＲガスと新気との混合が不十分な状態の吸気が供給されると、ＥＧＲガス濃度が過剰に高い気筒では失火を生じたり、酸素濃度が過剰に高い気筒では燃焼温度の上昇によりノッキングを生じたりするといった課題がある。このような現象は、特に、天然ガスを燃料とするエンジンにて生じやすい傾向がある。

本開示の技術は、内燃機関の吸気系構造において、新気とＥＧＲガスとの混合を効果的に促進することを目的とする。

本開示の技術は、内燃機関の排気系から還流される再循環排気を導入する再循環排気還流部と、前記再循環排気還流部の下流端から延びると共に、新気と前記再循環排気とを混合させる吸気混合部と、少なくともその一部を前記吸気混合部に隣接させると共に、前記吸気混合部にて混合された吸気を前記内燃機関のシリンダヘッドに形成された吸気ポートに分配する吸気分配部と、前記吸気混合部と前記吸気分配部との隣接部位に延設されて、前記吸気混合部と前記吸気分配部とを仕切る仕切壁部と、を備えることを特徴とする。

また、前記吸気混合部の下流端と前記吸気分配部の上流端とを接続して前記吸気混合部から流れ込む吸気を前記吸気分配部に向けて折り返す吸気折り返し部をさらに備えることが好ましい。

また、前記再循環排気還流部、前記吸気混合部、前記吸気分配部、前記仕切壁部及び、前記吸気折り返し部が一体に形成された吸気マニホールドであってもよい。

また、前記吸気折り返し部の下流端側に、前記吸気分配部よりも前記シリンダヘッド側に円弧状に凸となるように湾曲する湾曲部が設けられてもよい。

また、前記吸気折り返し部の前記湾曲部よりも下流側に、前記湾曲部と前記吸気分配部の上流端との間に所定の距離を確保する直線状部が設けられてもよい。

本開示の技術によれば、新気とＥＧＲガスとの混合を効果的に促進することができる。

本実施形態に係る内燃機関の吸排気系を示す模式的な全体構成図である。 本実施形態に係る吸気系構造の要部を示す模式図である。

以下、添付図面に基づいて、本実施形態に係る内燃機関の吸気系構造について説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１は、本実施形態に係る内燃機関の吸排気系を示す模式的な全体構成図である。内燃機関としてのエンジンＥは、主として、シリンダヘッド及びシリンダブロック等で構成されるエンジン本体部１０を備えている。エンジン本体部１０のシリンダブロックには、不図示のピストンを往復移動可能に収容する複数のシリンダ（以下、気筒）＃１〜＃４が設けられている。また、エンジン本体部１０のシリンダヘッドには、吸気ポート１２Ａ，Ｂ及び排気ポート１３Ａ，Ｂが形成されている。

なお、図示例において、エンジンＥは４気筒直列エンジンとして示されているが、これには限定されず、単気筒、或いは、４気筒以外の多気筒エンジンであってもよい。また、エンジンＥは、各気筒＃１〜＃４に対して２つの吸気ポート１２Ａ，Ｂ及び２つの排気ポート１３Ａ，Ｂが設けられた４バルブエンジンとして示されているが、２バルブエンジンであってもよい。

エンジン本体部１０のシリンダヘッドの吸気側には、各吸気ポート１２Ａ，Ｂに吸気（新気及び、又は新気とＥＧＲガスとの混合気）を分配する吸気マニホールド２０が取り付けられている。吸気マニホールド２０には、吸気管５０が接続されている。吸気管５０には、上流側から順に、エアクリーナ５１、過給機８０のコンプレッサ８１、インタークーラ５２、吸気スロットルバルブ５３等が設けられている。

エンジン本体部１０のシリンダヘッドの排気側には、各排気ポート１３Ａ，Ｂから排気を集合させる排気マニホールド６０が取り付けられている。排気マニホールド６０には、排気管６１が接続されている。排気管６１には、上流側から順に、過給機８０のタービン８２、排気浄化装置８３等が設けられている。

ＥＧＲ装置７０は、所謂高圧ＥＧＲ装置であって、タービン８２よりも上流側の排気管６１（又は、排気マニホールド６０）から分岐して吸気マニホールド２０に合流するＥＧＲ配管７１と、ＥＧＲ配管７１に設けられたＥＧＲクーラ７２と、ＥＧＲ配管７１のＥＧＲクーラ７２よりも下流側に設けられたＥＧＲバルブ７３と、逆止弁として機能するリードバルブ７４とを備えている。ＥＧＲ装置７０は、エンジンＥの運転状態に応じて、不図示のコントロールユニットによりＥＧＲバルブ７３の開閉度が制御されることにより、ＥＧＲガス量（ＥＧＲ率）が適宜に調整されるようになっている。

次に、図２に基づいて、本実施形態に係る吸気系構造の要部である吸気マニホールドの詳細について説明する。

図２に示すように、吸気マニホールド２０は、上流側から順に、吸気管５０（又は、不図示の吸気スロットルバルブユニット）の出口部が接続された新気入口部２１と、ＥＧＲ配管７１の出口部が合流するＥＧＲ還流部２２と、新気とＥＧＲガスとを混合させる吸気混合部２３と、吸気混合部２３を通過した吸気（新気とＥＧＲガスとの混合気）を折り返す吸気折り返し部２４と、吸気折り返し部２４にて折り返された吸気を各気筒＃１〜＃４に分配する吸気分配部２５と、吸気分配部２５にて分配された吸気を各吸気ポート１６Ａ，Ｂに供給する第１〜第４供給管部３０，３５，４０，４５とを一体に備えている。

第１〜第４供給管部３０，３５，４０，４５は、上流側から順に、吸気分配部２５内に臨んで開口する第１〜第４吸気導入部３１，３６，４１，４６と、第１〜第４吸気導入部３１，３６，４１，４６から二股に分岐形成されて各吸気ポート１６Ａ，Ｂにそれぞれ接続された接続管部３２，３７，４２，４７とを備えている。第１〜第４吸気導入部３１，３６，４１，４６には、燃料（本実施形態では、例えば天然ガス）を噴射して吸気と予混合させる第１〜第４インジェクタ３８，３９，４８，４９がそれぞれ設けられている。

新気入口部２１は、上面視において、吸気分配部２５の第１吸気導入部３１と第２吸気導入部３６との略中間位置に対応する部位の外壁から反シリンダヘッドＣＨ側に所定量ほど離間した位置に配設されている。新気入口部２１の下流端には、ＥＧＲ還流部２２の上流端が一体的に結合されている。

ＥＧＲ還流部２２は、上面視において、新気入口部２１の下流端から、吸気分配部２５の第２吸気導入部３６と第３吸気導入部４１との略中間位置に対応する部位の外壁に向かって斜めに延設されている。ＥＧＲ還流部２２の下流端には、吸気混合部２３の上流端が一体的に結合されている。すなわち、ＥＧＲ還流部２２内に流れ込んだＥＧＲガスが、新気入口部２１から流入する新気と共に、吸気混合部２３に導入されるようになっている。なお、ＥＧＲ還流部２２の形状は、図示例の形状に限定されず、新気入口部２１やＥＧＲ配管７１の配置又は形状等に応じて適宜に変形することができる。

吸気混合部２３は、上面視において、気筒配列方向と略平行に延びると共に、吸気分配部２５に隣接して設けられている。吸気混合部２３の下流端には、吸気折り返し部２４の上流端が一体的に結合されている。本実施形態において、吸気混合部２３と吸気分配部２５との境界部位には、これらの空間を仕切る仕切壁２８が、吸気混合部２３の上流端から下流端の全長に亘って設けられている。吸気混合部２３及び、仕切壁２８の気筒配列方向（長手方向）の長さＬは、好ましくは、その下流端２９が、吸気混合部２３内の吸気流れ方向Ｘに対して、吸気分配部２５内に臨む第４吸気導入部４６の開口部４６Ａよりも下流側に位置する長さとなるように設定されている。

このように、仕切壁２８を設けることにより、新気入口部２１からＥＧＲ還流部２２を介して吸気混合部２３に流れ込む新気と、ＥＧＲ還流部２２から吸気混合部２３に流れ込むＥＧＲガスとが、吸気混合部２３内を仕切壁２８に沿って流れる間に効果的に混合されるようになる。また、仕切壁２８の下流端２９を第４吸気導入部４６の開口部４６Ａよりも吸気流れ方向Ｘの下流側に位置させることで、吸気が吸気折り返し部２４を通過することなく第４吸気導入部４６に直接的、且つ、集中的に流れ込むことを効果的に防止できるようになっている。

吸気折り返し部２４は、上流側から順に、第１湾曲部２４Ａと、第２湾曲部２４Ｂと、直線状部２４Ｃとを備えている。

第１湾曲部２４Ａは、上面視において、その外壁が吸気混合部２３の下流端外壁からシリンダヘッドＣＨ側に向けて半円弧状に延びる湾曲状に形成されている。すなわち、吸気混合部２３から吸気折り返し部２４内に流入した吸気が、第１湾曲部２４Ａの内壁面に沿って流されることにより、吸気の流れをシリンダヘッドＣＨ側に確実に指向させつつ、新気とＥＧＲガスとの混合がさらに促進されるようになっている。

第２湾曲部２４Ｂは、上面視において、その外壁が第１湾曲部２４Ａの下流端外壁からシリンダヘッドＣＨに向かって延びると共に、吸気分配部２５よりもシリンダヘッドＣＨ側に円弧状に凸となるように湾曲して形成されている。すなわち、第２湾曲部２４Ｂの内壁面に沿って流される吸気の少なくとも一部が、図中矢印Ｙで示すように、吸気分配部２５内をシリンダヘッドＣＨ側から次第に離反する斜め方向に向けられるようになっている。これにより、吸気折り返し部２４にて折り返された吸気が最も上流側の第４吸気導入部４６に集中的に分配されることを効果的に抑止しつつ、各気筒＃１〜＃４に分配される吸気の流量均一化が図られるようになっている。

直線状部２４Ｃは、上面視において、第２湾曲部２４Ｂの下流端から吸気分配部２５の上流端に向かって気筒配列方向に所定の長さで延設されている。このように、第２湾曲部２４Ｂの下流端と、第４吸気導入部４６の開口部４６Ａが隣接する吸気分配部２５の上流端との間に、これらの距離を確保する直線状部２４Ｃを設けることにより、第２湾曲部２４Ｂにて図中矢印Ｙ方向に向けられることなく直線状部２４Ｃに沿って流れる吸気（図中矢印Ｚ参照）が第４吸気導入部４６に集中的に流れ込むことを効果的に防止できるようになっている。

吸気分配部２５は、上面視において、気筒配列方向と略平行に延びると共に、その流路幅を上流側から下流側に向かうに従い狭くなるように形成されている。このように、吸気分配部２５の流路幅を次第に狭くすることで、吸気分配部２５内の下流側領域における吸気の流速低下が効果的に抑制されるようになっている。

以上詳述した本実施形態によれば、ＥＧＲ還流部２２の下流端に吸気混合部２３が接続され、さらに、吸気混合部２３と吸気分配部２５との隣接部位に、これらの空間を仕切る仕切壁２８が設けられている。すなわち、新気入口部２１から流れ込む新気と、ＥＧＲ還流部２２に流れ込むＥＧＲガスとを、吸気分配部２５に直接的に流入させることなく、吸気混合部２３内に確実に流通させるようになっている。これにより、新気及びＥＧＲガスが、吸気混合部２３内の仕切壁２８に沿って流されるようになり、これら新気及びＥＧＲガスの混合を効果的に促進させることが可能になる。

また、吸気折り返し部２４の上流側に第１湾曲部２４Ａを設けることにより、新気とＥＧＲガスとの混合をさらに促進させつつ、吸気折り返し部２４の下流側に第２湾曲部２４Ｂを設けることにより、吸気の少なくとも一部が吸気分配部２５内をシリンダヘッドＣＨ側から次第に離反する斜め方向に向けられるようになり、吸気折り返し部２４の下流端に直線状部２４Ｃを設けることにより、第４吸気導入部４６の開口部４６Ａとの距離が確保されるようになっている。これにより、吸気折り返し部２４にて折り返された吸気が最も上流側の第４吸気導入部４６に集中的に分配されることを効果的に抑止することが可能となり、各気筒＃１〜＃４に分配される吸気の流量均一化を図ることができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、本実施形態の吸気系構造は、新気入口部２１、ＥＧＲ還流部２２、吸気混合部２３、吸気折り返し部２４、吸気分配部２５及び、第１〜第４供給管部３０，３５，４０，４５が一体に形成された吸気マニホールド２０として説明したが、これらの一部を吸気マニホールド２０とは別体に形成して構成することもできる。

また、エンジンＥは、燃料に天然ガスを用いるものとして説明したが、これには限定されず、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の他の内燃機関にも広く適用することが可能である。

Ｅ エンジン
ＣＨ シリンダヘッド
１０ エンジン本体部
２０ 吸気マニホールド
２１ 新気入口部
２２ ＥＧＲ還流部
２３ 吸気混合部
２４ 吸気折り返し部
２４Ａ 第１湾曲部
２４Ｂ 第２湾曲部
２４Ｃ 直線状部
２５ 吸気分配部
２８ 仕切壁
５０ 吸気管
７１ ＥＧＲ配管

Claims (5)

1. 内燃機関の排気系から還流される再循環排気を導入する再循環排気還流部と、
   前記再循環排気還流部の下流端から延びると共に、新気と前記再循環排気とを混合させる吸気混合部と、
   少なくともその一部を前記吸気混合部に隣接させると共に、前記吸気混合部にて混合された吸気を前記内燃機関のシリンダヘッドに形成された吸気ポートに分配する吸気分配部と、
   前記吸気混合部と前記吸気分配部との隣接部位に延設されて、前記吸気混合部と前記吸気分配部とを仕切る仕切壁部と、を備える
   ことを特徴とする内燃機関の吸気系構造。
2. 前記吸気混合部の下流端と前記吸気分配部の上流端とを接続して前記吸気混合部から流れ込む吸気を前記吸気分配部に向けて折り返す吸気折り返し部をさらに備える
   請求項１に記載の内燃機関の吸気系構造。
3. 前記再循環排気還流部、前記吸気混合部、前記吸気分配部、前記仕切壁部及び、前記吸気折り返し部が一体に形成された吸気マニホールドである
   請求項２に記載の内燃機関の吸気系構造。
4. 前記吸気折り返し部の下流端側に、前記吸気分配部よりも前記シリンダヘッド側に円弧状に凸となるように湾曲する湾曲部が設けられた
   請求項２又は３に記載の内燃機関の吸気系構造。
5. 前記吸気折り返し部の前記湾曲部よりも下流側に、前記湾曲部と前記吸気分配部の上流端との間に所定の距離を確保する直線状部が設けられた
   請求項４に記載の内燃機関の吸気系構造。

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