JP5818543B2 - Ｅｇｒバルブ冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、ＥＧＲバルブの冷却構造に関するものであり、特にシリンダヘッドを含むエンジン本体にＥＧＲバルブを直接取付けた場合の冷却構造に関する。

内燃機関で発生するＮＯ_Xなどの排気ガスは、環境汚染を促進する物質として排出を低減するように努力されている。この効果的な方法の１つに、排気ガスの一部を吸気側に返すＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）がある。ＥＧＲの技術は以下の原理に基づくものである。まず、窒素は安定な元素であるが、超高温下では酸素と反応してＮＯ_Xを生成する。

つまり、燃焼室での燃焼が超高温になるためＮＯ_Xが生成すると言える。そこで、すでに燃焼したガスの一部（以後「ＥＧＲガス」と呼ぶ。）を吸気に戻すことで、吸気中の酸素割合を減少させ、内燃機関中の燃焼温度を下げることで、ＮＯ_Xの生成を抑制する。また、排気ガスを再循環させると熱効率が向上するので、燃費の向上が図れるという効果も得られる。これは、排気還流と呼ばれ特許文献１等ですでに知られている。

ここで、排気ポートから吸気ポートにＥＧＲガスを返す際には、電気的に開閉制御ができるＥＧＲバルブを用いる。ＥＧＲガスの混入比率は、運転の場面によって変える必要があるからである。このＥＧＲバルブは、排気ポートと吸気ポートの間に配置されるので、エンジン付近若しくはエンジンに直接結合固定される。すると、エンジンからの熱を受け、高温に曝される環境に置かれる。

電気的に動作を制御されるＥＧＲバルブにとっては、高温に曝されるのは、好ましいことではない。そのため、ＥＧＲバルブを冷却する構造が提案されている。

特許文献２には、循環する冷却液を冷却手段として有するタイプのエンジン表面にＥＧＲバルブを直接結合し、エンジン冷却用の冷却液を利用してＥＧＲバルブを冷却する構造が開示されている。

実公昭６１−４３９６９号公報 特開２００４−２６３５９９号公報

特許文献２で開示されているＥＧＲバルブの冷却構造は、エンジンの冷却液を利用するものであり、自然冷却と比較すると効果的であると言える。しかし、特許文献２のように、エンジン冷却液をＥＧＲバルブ中に導入し、冷却効果を得ようとすると、エンジン停止時には、ＥＧＲバルブ中に冷却液が残留することとなる。

このような冷却液の残留は、特に冬季においては、冷却液の凍結を招くおそれが生じる。よく知られているように、凍結した冷却液は体積膨張するため、ＥＧＲバルブ中の冷却液の通路に強い応力がかかる。応力が大きい場合は冷却液通路の破壊ということも生じるおそれがある。

本発明は上記課題に鑑みて想到された発明であり、シリンダヘッドを含むエンジン表面に直接結合固定されるＥＧＲバルブの冷却構造を提供するものである。

より具体的に本発明のＥＧＲバルブ冷却構造は、
エンジンのウォータージャケットから冷却液が供給されるＥＧＲバルブの冷却構造であって、
前記ウォータージャケットの外壁には、冷却液を外部に取り出す冷却液送路と冷却液返路が形成され、
前記冷却液送路および前記冷却液返路のいずれかのうち少なくとも一方は、前記ウォータージャケットの中で前記冷却液が存在する最下面より重力方向で位置が高い上面の外壁に形成された載置水平面に設けられ、
前記ＥＧＲバルブは、前記冷却液送路と連結される冷却液導入口と、前記冷却液返路と連結される冷却液排出口を有する冷却液路を内部に有し、
前記冷却液路は前記冷却液導入口および前記冷却液排出口よりも重力上方向に配設されることを特徴とする。

本発明のＥＧＲバルブ冷却構造では、ＥＧＲバルブは、エンジンのウォータージャケットの上面に隣接する外壁面若しくはその近傍に設置される。また、ＥＧＲバルブ内には、エンジンのウォータージャケットから冷却液が流れる冷却液路を形成する。そして、冷却液導入口と冷却液排出口より冷却液路を重力上方向になるように配置する。

したがって、エンジンが停止し、ウォータージャケット内の冷却液の循環が止まった後、ウォータージャケット内の気泡は、ウォータージャケット上面に浮き上がり、ＥＧＲバルブの冷却液路中に入り残留する。結果、エンジン停止後にはＥＧＲバルブの冷却液路には空気の気泡が溜まる。すると、仮に周囲温度が低くなり、冷却液が凍結したとしても、冷却液の体積膨張は気泡が圧縮することで、吸収することができ、冷却液路への応力負担が軽減される。

また、エンジン停止時にＥＧＲバルブ内の冷却液路から冷却液を排出するなどの新たな機構を必要とせず、軽量化、低コスト化に資するところとなり、低燃費に貢献するＥＧＲガスの冷却構造を得ることができる。

本発明に係るＥＧＲバルブが取り付けられたシリンダヘッドを示す斜視図である。 シリンダヘッドの排気ポート側からシリンダヘッドを見た図である。 シリンダヘッドに取り付けられたＥＧＲバルブの斜視図である。 本発明に係るＥＧＲバルブの取付面を含む断面を示す断面図である。 本発明に係るＥＧＲバルブの他の取付状態を示す断面図である。

以下に図面を用いて本発明のＥＧＲバルブ冷却構造について説明する。なお、以下の説明は本発明の一実施形態を例示するものであり、本発明の趣旨から外れない範囲内で、下記の実施形態を変更しても、本発明の技術的範囲に含まれるのは言うまでもない。

図１に本実施形態のＥＧＲバルブ冷却構造１を有するシリンダヘッド１０の側面図を示す。ここではシリンダの軸線３が重力方向４に対してα度だけ傾いたエンジンで、３気筒の場合を例示するが、特にこの条件に限定されるものではない。ヘッドカバー５とシリンダブロック６は２点鎖線で示した。また、インテークマニホールド（図示せず）は、シリ
ンダヘッド１０の紙面上方に配置され、エキゾーストマニホールド（図示せず）は下方に配置される。したがって、吸気は矢印１１方向からシリンダヘッド１０に供給され、矢印１２方向に排出される。

図２は、図１のＡ方向からシリンダヘッド１０を見た図である。３気筒エンジンなので、シリンダヘッド１０からの排気口（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ）が３つある。排気口に隣接してＥＧＲガス通路２０の開口２１が設けられている。

この開口２１は、ＥＧＲガスが吸気側まで返される通路のスタート点であり、ＥＧＲガス通路２０の第１の開口２１と呼ぶ。排気口（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ）とＥＧＲガス通路２０の開口２１は、共通の接続面２６上に形成されており、図示しないエキゾーストマニホールドは、３つの排気口（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ）とＥＧＲガス通路２０の第１の開口２１を共通に覆った上で、エキゾーストパイプに繋がる。エキゾーストパイプの方向は符号Ｅで示す。

図３（ａ）は、図１のＢ方向から見たシリンダヘッド１０である。図３（ｂ）は一部拡大図である。ヘッドカバーで覆われている部分は省略している。傾斜して載置されるシリンダヘッド１０の隅のうち、重力方向で位置が高い方（重力上方向）の隅にＥＧＲバルブ３０を載置するための水平面が設けられる。これを載置水平面２５と呼ぶ。シリンダヘッド１０内に設けられたＥＧＲガス通路２０は、この載置水平面２５に開口２２を有する。この開口２２は第１の開口２１から見るとＥＧＲガス通路２０の下流にあたり、ＥＧＲガス通路２０の第２の開口２２と呼ぶ。なお、ＥＧＲバルブの取り付け位置は例示であり、この位置に限定されるものではない。

また、載置水平面２５には、開口２２とは別にシリンダヘッド１０のウォータージャケット（図示せず）と連通した２つの開口が形成されている（図３（ｂ）参照）。これは、ウォータージャケットから冷却液をＥＧＲバルブ３０に送出するための開口と、ＥＧＲバルブ３０から冷却液を排出するための開口である。これらはそれぞれ、冷却液送路口４１ａと冷却液返路口４２ａと呼ぶ。

シリンダヘッド１０に設けられた載置水平面２５に配設されたＥＧＲバルブ３０は、ＥＧＲガス排出口３１を有する。このＥＧＲガス排出口３１は、吸気側（例えばインテークマニホールド）に連通される。ＥＧＲバルブ３０は、載置水平面２５上に設けられた第２の開口２２からＥＧＲガスを吸込み、このＥＧＲガス排出口３１から吸気側にＥＧＲガスを送る。

再び図１を参照して、図２のＥＧＲガス通路２０の第１の開口２１からは、シリンダヘッド１０中をＥＧＲガス通路２０が形成されている。ＥＧＲガス通路２０は、シリンダヘッド１０とシリンダブロック６の連結部分１０ａに沿って、所定の長さ分形成され、そこから方向を変える。そして、載置水平面２５の中央に、第２の開口２２が形成されるように、形成する。つまり、ＥＧＲガス通路２０は、第１の開口２１と第２の開口２２の間に形成された連通路といえる。

図４には、ＥＧＲバルブ３０および載置水平面２５およびその下のウォータージャケット４０部分の断面を示す。ＥＧＲバルブ３０は、下方にエンジン側との取付面３０ｆが形成されている。取付面３０ｆは載置水平面２５と対向し突き合わされ、図示しないボルトなどで締結固定される。取付面３０ｆには、ＥＧＲガスを導く導管口３５ｉが形成されている。導管口３５ｉは、載置水平面２５の第２の開口２２と対向する。

導管口３５ｉからは導管３５が形成されている。導管３５の途中には導管３５を塞ぐ弁
座３４が配置されている。弁座３４は中央に貫通孔が形成されたドーナツ状の部材である。弁座３４の周囲部分は導管３５の内壁に密着配置されている。導管３５の奥には、アクチュエータ３６が配置される。アクチュエータ３６にはバルブ軸３２が連結されている。したがって、バルブ軸３２は軸方向に移動可能な状態になる。

バルブ軸３２の先端は、弁座３４より導管口３５ｉ側で、バルブ体３３の中心と連結されている。バルブ体３３は、外径が弁座３４の貫通孔の内径より大きい略円板状の部材である。つまり、バルブ軸３２の軸方向の移動によって、バルブ体３３もバルブ軸３２方向に移動する。そして、バルブ体３３が弁座３４に密着接触させることで流路は遮断され、ＥＧＲガスは、導管３５を先に進めない。また、バルブ体３３が弁座３４より導管口３５ｉ側に移動すれば導管３５は開通し、ＥＧＲガスは弁座３４を超えて導管３５を先に進める。

導管３５の先は導管３５に略直角方向にＥＧＲガス排出口３１が設けられており、導管３５を通過してきたＥＧＲガスはこのＥＧＲガス排出口３１から排出される。排出されたＥＧＲガスはすでに説明したように、ＥＧＲガスパイプ（図示せず）を介して吸気側（たとえばインテークマニホールド）に流れる。

このように、ＥＧＲバルブ３０は、排気側からＥＧＲガス通路２０を通ってくるＥＧＲガスを吸気側に通過させることを制御するバルブである。したがって、排気ポート、吸気ポートの最短経路中に設けるのが好ましい。すると、本実施の形態で説明するように、シリンダヘッド１０若しくはその周辺に配設される。エンジンは内部にウォータージャケット４０が形成され、冷却されているとはいえ、かなり高温となる熱源である。つまり、熱源の近傍に配置されるＥＧＲバルブ３０は高温に曝される。

アクチュエータ３６等の電気素子を有するＥＧＲバルブ３０は高温に曝され続けるのは経年的な動作の確実性とう観点から好ましくない。そこで、本実施形態のＥＧＲバルブ３０の冷却構造では、ＥＧＲバルブ３０内に、冷却液路３９を形成する。

冷却液路３９は、ＥＧＲバルブ３０の取付面３０ｆ側に設けられた冷却液導入口３９ａから冷却液排出口３９ｂまでを連通する連通路である。また冷却液路３９は、ＥＧＲバルブ３０内で冷却液をめぐらせれば、効果的な冷却ができる部分に配置することができ、分岐となる部分があってもよい。本実施形態のＥＧＲバルブ冷却構造１では、ＥＧＲバルブ内の冷却液路を冷却液が流れるからである。

冷却液導入口３９ａと冷却液排出口３９ｂは、それぞれ載置水平面２５の冷却液送路口４１ａと冷却液返路口４２ａに対向させる。すなわち、本実施形態のＥＧＲバルブ冷却構造１では、ＥＧＲバルブ３０の取付面３０ｆには、冷却液のための開口として冷却液導入口３９ａと冷却液排出口３９ｂが設けられ、ＥＧＲガスのための開口として導管口３５ｉが設けられている。

すなわち、載置水平面２５上に配置されたＥＧＲバルブにおいては、冷却液導入口３９ａと冷却液排出口３９ｂが重力方向４で最下部となる。言い換えると、冷却液路３９は、冷却液導入口３９ａと冷却液排出口３９ｂより重力上方向に配置されている。また、載置水平面２５には、ＥＧＲバルブ３０の取付面３０ｆの開口に対応して、冷却液送路口４１ａと、冷却液返路口４２ａ、第２の開口２２の３つの開口が形成される。

一方、シリンダヘッド１０側の内部には、シリンダヘッド１０冷却用のウォータージャケット４０が形成されている。ウォータージャケット４０は、シリンダヘッド１０の一方から他方に冷却液が流れるように形成される。内部で冷却液が滞留してしまっては、冷却できないからである。

本実施形態のＥＧＲバルブ冷却構造１では、ＥＧＲバルブ３０は、傾斜して載置されるシリンダヘッド１０隅のうち、重力方向４で位置が高い方（重力上方向）の隅の載置水平面２５に形成されているので、ウォータージャケット４０の上面に隣接する外壁面に配置されているといえる。

なお、ここで、「ウォータージャケット４０の上面」とは、ウォータージャケット４０の中で重力方向で位置が高い部分を指し、ウォータージャケット４０中、最下面でなければ、載置水平面２５より高い箇所があってもよい。冷却液路３９中に気泡を残留させればよいので、最上位面でなくてもよいからである。

また、本実施形態のＥＧＲバルブ冷却構造１では、このウォータージャケット４０の流路の中で、ＥＧＲバルブ３０近傍に、流路を絞った絞り部４５を形成してもよい。絞り部４５はウォータージャケット４０の流路において、冷却液の流れの上流から下流に向かう箇所で流路の断面積を狭く形成した部分である。

すなわち、絞り部４５の上流側では冷却液の液圧が高くなり、絞り部４５の下流側では液圧が低くなる。そして、冷却液送路口４１ａと絞り部４５の上流部分を連通させる冷却液送路４１をシリンダヘッド１０内に形成する。さらに、冷却液返路口４２ａと絞り部４５の下流部分を連通させる冷却液返路４２をシリンダヘッド１０内に形成する。

なお、ここで、絞り部４５の上流側４０ｕおよび下流側４０ｄとはウォータージャケット４０内での冷却液の流れに沿っての、上流側、下流側を意味する。また、上流部分とは、絞り部４５の上流側４０ｕであって、冷却液の液圧が高くなるウォータージャケット４０の内壁面を意味し、下流部分とは、絞り部４５の下流側４０ｄであって、冷却液の液圧が上流部分より低くなるウォータージャケット４０の内壁面を意味する。

絞り部４５は、シリンダヘッド１０の外壁面特にＥＧＲバルブ３０を搭載する載置水平面２５の近傍に設けるのが望ましい。冷却液送路４１や冷却液返路４２は送液抵抗となるため短い方が好ましいからである。また、絞り部４５は、上記の説明のような上流部分と下流部分が形成できる箇所に設ける必要がある。絞り部４５を形成し、上流側４０ｕの液圧が上がったとして、予定していた下流側４０ｄよりもっと液圧の低い場所に冷却液が流れてしまったのでは、ＥＧＲバルブ３０に効果的に冷却液を供給できないからである。

図４では、絞り部４５に対して上流側４０ｕのウォータージャケット４０の内壁面は分岐部分であっても、冷却液の液圧が高いので、冷却液送路４１がウォータージャケット４０内壁面に開口している部分（４１ｂ）も上流部分である。一方、冷却液返路４２がウォータージャケット４０内壁面に開口している部分（４２ｂ）は絞り部４５の下流側４０ｄにあたり、上流側４０ｕと比べると液圧は低くなっている。

以上のようにウォータージャケット４０を構成すると、冷却液は、下流側４０ｄに対して圧力の高い上流側４０ｕから設けた冷却液送路４１からＥＧＲバルブ３０の冷却液路３９に入り、ＥＧＲバルブ３０内を冷却した後、冷却液返路４２からウォータージャケット４０内に戻る。すると、ＥＧＲバルブ３０内を常に冷却液が通過することになるため、高い冷却効果を得る事ができる。すなわち、高熱源に近い環境であっても、経年的な熱損傷からアクチュエータといった電気素子を守ることができる。

また、エンジン停止後は、ウォータージャケット４０中に残留する気泡がウォータージャケット４０内を上昇し、冷却液送路４１や冷却液返路４２からＥＧＲバルブ３０内に入り込み、冷却液路３９の最上部に蓄積される。したがって、エンジン停止後に周囲環境が
低温になり、仮に冷却液が凍結したとしても、ＥＧＲバルブ３０内の冷却液路３９では、冷却液の膨張した体積容量は冷却液路３９内に残留した気泡が圧縮されることで、吸収される。

本発明のＥＧＲバルブ冷却構造１では、ウォータージャケット４０から冷却液を供給され、かつ冷却液をウォータージャケット４０に返す構造で、エンジンが停止した際に、ＥＧＲバルブ３０の冷却液路３９に気泡が貯留する構造であれば、冷却液の凍結からＥＧＲバルブ３０を保護することができる。したがって、ＥＧＲバルブ３０や、ＥＧＲバルブ３０の導管３５や冷却液路３９は、エンジン（シリンダヘッド）に直接連結されていなくてもよい。

一方、ウォータージャケット４０側では、冷却液送路４１および冷却液返路４２のいずれかのうち少なくとも一方は、ウォータージャケット４０の上面に配置される。エンジン停止後に気泡を冷却液送路４１または冷却液返路４２に導く必要があるからである。

図５には、その１例として、ＥＧＲバルブ３０の冷却液排出口３９ｂとウォータージャケット４０の冷却液返路口４２ａが直接連結されていない場合を示す。図５では、ＥＧＲガス通路２０と、ウォータージャケット４０内の冷却液送路４１、その外壁面側開口である冷却液送路口４１ａ、ＥＧＲバルブ３０側の冷却液導入口３９ａは、図４と同じである。しかし、冷却液排出口３９ｂは、延長パイプ４６によってＥＧＲバルブ３０の取付面である載置水平面２５以外の方向に向け配置される。

ウォータージャケット４０側では、載置水平面２５以外の箇所に、冷却液返路口４２ａとそれに続く冷却液返路４２が形成される。この時、エンジン側に設けられる冷却液返路口４２ａが仮にＥＧＲバルブ３０より高い位置にあったとしても、ＥＧＲバルブ３０の冷却液排出口３９ｂがＥＧＲバルブ３０内の冷却液路３９の最高位置より重力下方向にあればよい。ウォータージャケット４０の上面に形成された冷却液返路４２からＥＧＲバルブ３０内に入った気泡は、ＥＧＲバルブ３０内に残留することができるからである。

言い換えると、ＥＧＲバルブ３０の冷却液路３９は冷却液導入口３９ａおよび冷却液排出口３９ｂよりも重力上方向に配設される。なお、冷却液返路４２の形成位置は、ウォータージャケット４０内の絞り部４５から見た時は、冷却液送路４１側より圧力が低い箇所（下流側４０ｄ）である。ＥＧＲバルブ３０中に冷却液を流すためである。しかし、ウォータージャケット４０の上面でなくてもよい。冷却液の排出側は、冷却液が流れればよいからである。図５では、冷却液返路４２は、ウォータージャケット４０側の傾斜面に設ける例を示している。

また、ＥＧＲバルブ３０自体も、エンジン（シリンダヘッド）に直接取り付けていなくてもよい。他の部材との関係で、エンジンと離隔した近傍の取付ステージ等に配置される場合もあるからである。その際にも、ＥＧＲバルブ３０の冷却液路３９は冷却液導入口３９ａおよび冷却液排出口３９ｂよりも重力上方向に配設されることが必要である。エンジン停止時に気泡を冷却液路３９内に貯留させる必要があるからである。

上記実施形態においては、エンジン停止時に冷却液送路４１を通じてＥＧＲバルブ３０の冷却液路３９に気泡を送る構造を示したが、冷却液返路４２をウォータージャケット４０の上面に配置することで、エンジン停止時には冷却液返路４２を通じてＥＧＲバルブ３０の冷却液路３９に気泡を送る構造とすることも可能である。

なお、ＥＧＲバルブ３０をエンジンの外壁から隔離して固定した場合は、冷却液送路口４１ａと、冷却液導入口３９ａは、パイプなどで連結されることとなるが、この場合、パイプは
Ｕ字等の屈曲部を有しない形状にするのが望ましい。パイプに屈曲部があると、そこに気泡がたまり冷却液路３９内に気泡が貯留しないおそれがあるからである。

なお、ウォータージャケット４０内にはわざわざ気泡を入れなくても、冷却液用の循環ポンプなどで、冷却液に加えられるキャビテーションによって、自然に気泡は発生する。

また、気泡の圧縮は冷却液路３９内側から膨張する方向で応力を発生させるが、冷却液自体が凍結し体積膨張を起こす際の応力と比較すると十分に小さい。すなわち、冷却液が凍結しても、冷却液路にかかる応力を緩和させているといえる。

また、本実施形態のＥＧＲバルブの冷却構造では、エンジン停止後はＥＧＲバルブの冷却液路３９中に気泡が残留するが、上記のように、本実施形態のＥＧＲバルブの冷却構造では、ウォータージャケット４０内の絞り部４５の作用によって、冷却液が自然に冷却液路３９内を通過するので、エンジンを始動すれば、自然に気泡は押し出される。

また、上記のようなＥＧＲバルブ３０の冷却は、特にＥＧＲバルブ３０に冷却液を送るためのポンプやそのための動力を用意する必要が無い。ウォータージャケット４０内の冷却液の流れを利用してＥＧＲバルブ３０を冷却していることになる。したがって、エンジンに対する負荷がなく、燃費の向上に繋がる。

なお、上記の説明ではシリンダヘッド１０にＥＧＲバルブ３０を取付ける場合について説明したが、ＥＧＲバルブ３０の取付箇所は、シリンダヘッド１０に限らず、エンジン表面であり、ウォータージャケット４０が形成されている部分の外壁面であり、ウォータージャケット４０の上面であれば、どこでもよい。

本発明は、内部にＥＧＲバルブをエンジン外壁に直接連結するタイプのエンジンに好適に用いることができる。

１ ＥＧＲバルブ冷却構造
３ エンジンのシリンダ方向
４ 重力方向
５ ヘッドカバー
６ シリンダブロック
１０ シリンダヘッド
１１ 吸気の供給方向
１２ 排気の排出方向
１４ シリンダヘッドの排気口
２０ ＥＧＲガス通路
２１ 第１の開口
２２ 第２の開口
２５ 載置水平面
３０ ＥＧＲバルブ
３１ ＥＧＲガス排出口
３２ バルブ軸
３３ バルブ体
３４ 弁座
３５ 導管
３５ｉ 導管口
３６ アクチュエータ
３９ 冷却液路
３９ａ 冷却液導入口
３９ｂ 冷却液排出口
４０ ウォータージャケット
４０ｕ 上流側
４０ｄ 下流側
４１ 冷却液送路
４１ａ 冷却液送路口
４２ 冷却液返路
４２ａ 冷却液返路口
４５ 絞り部
４６ 延長パイプ

Claims (1)

1. エンジンのウォータージャケットから冷却液が供給されるＥＧＲバルブの冷却構造であって、
   前記ウォータージャケットの外壁には、冷却液を外部に取り出す冷却液送路と冷却液返路が形成され、
   前記冷却液送路および前記冷却液返路のいずれかのうち少なくとも一方は、前記ウォータージャケットの中で前記冷却液が存在する最下面より重力方向で位置が高い上面の外壁に形成された載置水平面に設けられ、
   前記ＥＧＲバルブは、前記冷却液送路と連結される冷却液導入口と、前記冷却液返路と連結される冷却液排出口を有する冷却液路を内部に有し、
   前記冷却液路は前記冷却液導入口および前記冷却液排出口よりも重力上方向に配設されることを特徴とするＥＧＲバルブ冷却構造。