(57)【要約】  【課題】  装置の大型化やガス冷却性能の悪化を招くことなく、還流ガスの温度を機関運転条件に応じて調整できるようにする。  【解決手段】  筒状ハウジング１の内側に熱交換用筒部材５を同軸に配置する。筒状ハウジング１は両端部にガス流入口２とガス排出口３を夫々有し、熱交換用筒部材５は周壁に冷却液の流通路６を内蔵している。筒状ハウジング１と熱交換用筒部材５の間に仕切筒９を配置し、熱交換用筒部材５の内周側を第１ガス冷却通路１１とし、熱交換用筒部材５と仕切筒９、仕切筒９と筒状ハウジング１の各間を夫々第２ガス冷却通路１２、バイパス通路１０とする。筒状ハウジング１のガス流入口２側に流量調整弁１５を設け、内燃機関の運転条件に応じてその流量調整弁１５によって第１，第２ガス冷却通路１１，１２とバイパス通路１０のガス通過比率を調整する。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流入口とガス排出口を有する筒状ハウジングと、
周壁に冷却液の流通路を形成し、前記筒状ハウジングの内側に配置されて内周側に第１ガス冷却通路を形成する熱交換用筒部材と、
前記筒状ハウジングと熱交換用筒部材の間に介装され、内周面と熱交換用筒部材の間に第２ガス冷却通路を形成すると共に、外周面と筒状ハウジングの間にバイパス通路を形成する仕切筒と、
筒状ハウジング内の前記ガス流入口側とガス排出口側のいずれか一方側に配置され、前記第１，第２ガス冷却通路とバイパス通路のガス通過比率を調整する流量調整弁と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
【請求項２】
前記流量調整弁は、ガス流入口側に配置されると共に、筒状ハウジングの軸心と直交する軸部で回動自在に支持された一対の弁板を備え、
前記第１，第２ガス冷却通路のガス通過比率を増大させるときに、前記一対の弁板を筒状ハウジングの軸心と略平行になる方向に回動させ、ガス通過比率を減少させるときに、一対の弁体を仕切筒に向かって外開き方向に傾斜するように回動させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気還流装置。
【請求項３】
筒状ハウジング内のガス流入口側に、軸心部から仕切筒に向かって外開きに傾斜するガイド壁を設け、そのガイド壁に、ガス流入口側と第１，第２ガス冷却通路側を連通する窓を形成すると共に、その窓を開閉調整する弁体を設け、その窓と弁体によって前記流量調整弁を構成したことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気還流装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気ガスの一部を吸気通路側に戻すことによって排気中の窒素酸化物の排出量を抑制する排気還流装置に関し、とりわけ、還流ガスを冷却するガス冷却機能を備えた内燃機関の排気還流装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気還流装置は、排気系から取り出された高温の排気ガスの一部を吸気通路に再循環させるものであるが、熱膨張した排気ガスを効率良く吸気通路に導入するためには、排気ガスをガスクーラによって冷却し、冷却後の排気ガスを吸気通路に導入することが有効であることが知られており、現在、種々のガスクーラーを備えた排気還流装置が開発されていて、内燃機関の運転条件によっては還流ガスの冷却が好ましくない場合、例えば、低温始動や低負荷運転時等には却って窒素酸化物やパティキュレート等の排出抑制性能を悪化させる等の問題を招く。そこで、これに対処し得る排気還流装置として、従来、特許文献１や特許文献２に記載されるようなものが案出されている。
【０００３】
特許文献１に記載の排気還流装置は、ガスクーラの配管と別体にバイパス配管を並列に設け、両配管の合流部に切換え弁を設け、その切換え弁を内燃機関の運転条件に応じてオン／オフ式、或は、変調式で使用し切換える構造となっている。
【０００４】
また、特許文献２に記載の排気還流装置は、周壁を外気によって空気冷却する所謂空冷式ガスクーラの冷却配管の中心側に保温通路を入れ子型にして配置し、内側の保温通路と外側のガス冷却通路の合流部に、両通路を流れるガス流量を調整する流量調整弁を設けた構造となっている。
【特許文献１】特表平９−５０８６９１号公報
【特許文献２】特開２００３−３２８８６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の装置は、ガス冷却配管と、その冷却配管を迂回するバイパス配管を別に設け、両配管を外部で接続する構造となっているため、どうしても装置全体が大型化してしまい、車両搭載上好ましくない。
【０００６】
特許文献２に記載の装置は、ガス冷却通路の内側にバイパス通路が入れ子型に配置されているため、装置全体をコンパクト化することができるが、冷却配管の周壁外面のみを外気に晒して冷却する構造であるため、充分なガス冷却性能を得ることが難しい。
【０００７】
そこで本発明は、装置の大型化やガス冷却性能の悪化を招くことなく、還流ガスの温度を機関運転条件に応じて調整することのできる内燃機関の排気還流装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するための手段として、本発明は、ガス流入口とガス排出口を有する筒状ハウジングと、周壁に冷却液の流通路を形成し、前記筒状ハウジングの内側に配置されて内周側に第１ガス冷却通路を形成する熱交換用筒部材と、前記筒状ハウジングと熱交換用筒部材の間に介装され、内周面と熱交換用筒部材の間に第２ガス冷却通路を形成すると共に、外周面と筒状ハウジングの間にバイパス通路を形成する仕切筒と、筒状ハウジング内の前記ガス流入口側とガス排出口側のいずれか一方側に配置され、前記第１，第２ガス冷却通路とバイパス通路のガス通過比率を調整する流量調整弁と、を備えた構成とした。
【０００９】
この発明の場合、流量調整弁の操作によって第１，第２ガス冷却通路のガス通過比率を増大させると、熱交換用筒部材の内外面で還流ガスと冷却液の熱交換が効率良く行われるようになる。また、流量調整弁の操作によって第１，第２ガス冷却通路のガス通過比率を減少させると、熱交換用筒部材の内外面での熱交換量が減少し、相対的に、仕切筒外側のバイパス通路を通過するガス通過比率が増大する。このとき、仕切筒の内側の第２ガス冷却通路は内部のガスが断熱層として機能し、バイパス通路を通過する還流ガスが熱交換用筒部材の冷却液によって冷却されるのを阻止するようになる。
【００１０】
前記流量調整弁は、請求項２に記載のように、ガス流入口側に配置されると共に、筒状ハウジングの軸心と直交する軸部で回動自在に支持された一対の弁板を備え、前記第１，第２ガス冷却通路のガス通過比率を増大させるときに、前記一対の弁板を筒状ハウジングの軸心と略平行になる方向に回動させ、ガス通過比率を減少させるときに、一対の弁体を仕切筒に向かって外開き方向に傾斜するように回動させるようにしても良い。
【００１１】
この場合、極めて簡単な構造でありながら、第１，第２ガス冷却通路のガス通過比率を減少させるときには、流量調整弁の弁体（弁板）自体がガス流入口から流入した還流ガスを最外周側のバイパス通路に案内するガイドとして機能するようになる。したがって、乱流の発生等を招くことなく、バイパス通路のガス通路流量を相対的に増大させることができる。
【００１２】
また、請求項３に記載のように、筒状ハウジング内のガス流入口側に、軸心部から仕切筒に向かって外開きに傾斜するガイド壁を設け、そのガイド壁に、ガス流入口側と第１，第２ガス冷却通路側を連通する窓を形成すると共に、その窓を開閉調整する弁体を設け、その窓と弁体によって前記流量調整弁を構成するようにしても良い。
【００１３】
この場合、バイパス通路への還流ガスの流れは基本的にガイド壁によって案内するため、例えば、ガイド壁を筒状ハウジングの軸心部から仕切筒に連続する円錐形状に形成することによってより円滑な還流ガスの流れを作ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、筒状ハウジング内の流量調整弁によってガス冷却通路とバイパス通路を通過する還流ガスの割合を調整するため、還流ガスの温度を機関運転条件に応じて確実に調整することができ、しかも、還流ガスの冷却を要するときには、基本的に熱交換用筒部材の内外面に面する第１，第２ガス冷却通路で冷却液との熱交換を行うため、高い冷却性能を得ることができ、さらに、すべての通路を筒状ハウジングの内側にほぼ同軸に配置できることから、装置全体のコンパクト化も図ることができる。
【００１５】
また、還流ガスの冷却を要しないときには、仕切筒の内側の第２ガス冷却通路が、バイパス通路と熱交換用筒部材の熱伝達を遮断する断熱層として機能するため、特別な断熱材を付加することなく還流ガスが不必要に冷却される不具合を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１〜図３は、本発明の第１の実施形態を示すものであり、図１は本発明にかかる排気還流装置の縦断面図を示し、図２は同装置の図１のＡ矢視の端面図、図３は同装置の側面図を夫々示す。
【００１８】
図１において、１は、軸方向の両端部にガス流入口２とガス排出口３が設けられた略円筒状の筒状ハウジングであり、この筒状ハウジング１の両端の各口２，３は、内燃機関の排気側通路と吸気側通路に連通する図外の配管に夫々フランジ４，４部分でボルト結合されている。尚、この配管との接合はフランジ４，４でのボルト結合に限らず、嵌合状態での溶接やロー付け等であっても良い。
【００１９】
前記筒状ハウジング１の内側には、略円筒状の熱交換用筒部材５がほぼ同軸に設けられている。この熱交換用筒部材５は、ステンレス等の薄肉金属板から成るインナチューブ５ａとアウタチューブ５ｂの両端部が液密に接合され、これらの両チューブ５ａ，５ｂ間に略円筒状の流通路６が形成されている。この流通路６は冷却液が流される部分であり、アウタチューブ５ｂの両端部の近傍には夫々流入パイプ７と排出パイプ８が径方向外側に向かって突設され、これらの各パイプ７，８が筒状ハウジング１の周壁を貫通して図外の冷却液配管に接続されている。
【００２０】
また、筒状ハウジング１と熱交換用筒部材５の間には、これらとほぼ同軸になるように仕切筒９が設けられている。この仕切筒９は、その外周面と筒状ハウジング１の間に略筒状のバイパス通路１０を形成している。また、熱交換用筒部材５の内周側は第１ガス冷却通路１１とされ、前記仕切筒９の内周面と熱交換用筒部材５の間は略円筒状の第２ガス冷却通路１２とされている。これらの第１，第２ガス冷却通路１１，１２と前記バイパス通路１０はガス流入口２から入ってガス排出口３に抜ける還流ガスの通路であるが、第１，第２ガス冷却通路１１，１２を通過するガスだけが、熱交換用筒部材５を流れる冷却液との間で熱交換を行い、バイパス通路１０を通過するガスは冷却液との熱交換を行わないようになっている。尚、熱交換用筒部材５から突出した流入パイプ７と排出パイプ８は前記筒状ハウジング１と同様に仕切筒９の両端部近傍を貫通している。
【００２１】
熱交換用筒部材５のインナチューブ５ａの内周面には、第１ガス冷却通路１１での熱交換効率を向上させるためにフィン１３がロー付けされており、同様にアウタチューブ５ｂには、第２ガス冷却通路１２での熱交換効率を向上させるために蛇腹状の凹凸１４が設けられている。
【００２２】
また、筒状ハウジング１と仕切筒９の各パイプ７，８の貫通部は夫々軸心方向に部分的に隆起し、その隆起部分において、筒状ハウジング１、仕切筒９、アウタチューブ５ｂの三部材が重合状態で各パイプ７，８に結合されている。したがって、この実施形態では熱交換用筒部材５と仕切筒９はこの隆起部分での結合によって、筒状ハウジング１の内周壁に支持固定されている。
【００２３】
一方、筒状ハウジング１内のガス流入口２の近傍には、第１，第２ガス冷却通路１１，１２とバイパス通路１０のガス通過比率を調整するための流量調整弁１５が設けられている。この流量調整弁１５は、筒状ハウジング１の軸心と直交する軸部１６ａ，１６ａで回動自在に支持された一対の弁板（弁体）１６，１６を備え、その弁板１６，１６の回動作動によって熱交換用筒部材５の内周部の開口面積を操作し得るようになっている。
【００２４】
具体的には、弁板１６，１６の各軸部１６ａ，１６ａは、筒状ハウジング１の軸心部の近傍位置に平行に配置され、図２，図３に示すように筒状ハウジング１の外壁に固定設置されたアクチュエータ１７によって回動操作されるようになっている。この実施形態のアクチュエータ１７は、内燃機関の吸気負圧を利用してプランジャ１８を進退作動させる負圧アクチュエータが用いられ、プランジャ１８の進退作動がリンク機構１９，１９を介して各弁板１６，１６の回動作動に変換される。アクチュエータ１７に供給される負圧は内燃機関の運転状態に応じて制御されるようになっている。ただし、アクチュエータ１７は負圧アクチュエータに限らず、電動式、油圧式等であっても良い。
【００２５】
また、仕切筒９のガス流入口２側の端部は、内側の熱交換用筒部材５に対してガス流入口２側にオフセットされており、前記各弁板１６の先端側縁部はほぼこのオフセット領域において作動する。そして、各弁板１６の先端側縁部は略円弧状に形成されており、弁板１６が筒状ハウジング１の軸心と略平行な状態（図１中実線で示す状態。）から設定角度傾斜すると（図１中鎖線で示す状態。）、そこで弁体１６の先端側縁部が仕切筒９の周壁に近接し、仕切筒９の内周部をほぼ閉塞する。尚、各弁板１６の基端は軸部１６ａと平行な直線状に形成されており、両弁体１６，１６の傾斜角度の増大に伴なって基端部相互間が閉じられるようになっている。
【００２６】
流量調整弁１５は、内燃機関が高温状態で通常運転されるときには、一対の弁板１６，１６が筒状ハウジング１の軸線と略平行になる初期状態に維持されている。この状態では、ガス流入口２から入り込んだ還流ガスは弁板１６，１６に沿って真直ぐに進み、このとき第１，第２ガス冷却通路１１，１２と一部がバイパス通路１０を通過してガス排出口３から排出される。このとき、還流ガスは筒状ハウジング１の中心側に位置されている第１，第２ガス冷却通路１１，１２を主に通過するため、熱交換用筒部材５の内外面を通して冷却液と効率良く熱交換される。
【００２７】
一方、内燃機関の低温始動時等には、アクチュエータ１７の制御によって流量調整弁１５の弁板１６，１６が傾斜角を最大にするように回動操作され、これらの弁板１６，１６が仕切筒９の内周部をほぼ閉塞するようになる。この結果、第１，第２ガス冷却通路１１，１２には還流ガスが殆ど流れなくなり、ガス流入口２から筒状ハウジング１内に流入した還流ガスはほぼ全量がバイパス通路１０を通過してガス排出口３から排出される。このとき、第２ガス冷却通路１２内のガスはバイパス通路１０と熱交換用筒部材５の間にあって略円筒状の断熱層として機能するため、バイパス通路１０を通過する還流ガスは熱交換用筒部材５の冷却液によって熱を奪われることなくガス排出口３へと誘導される。したがって、この排気還流装置においては、還流ガスの温度が必要以上に低下することによる窒素酸化物やパティキュレート等の排出抑制性能の悪化を確実に防止することができる。
【００２８】
また、流量調整弁１５は、熱交換用筒部材５の内周部を上述のように全開状態と全閉状態に切換えるばかりでなく、機関の運転状態に応じてこれらの中間の任意の開弁状態に調整することができる。したがって、この排気還流装置は、第１，第２ガス冷却通路１１，１２とバイパス通路１０を通過する還流ガスの比率が機関運転条件に応じて任意に調整されるため、還流ガスの温度を常に最適温度に維持することができる。よって、この装置によれば、窒素酸化物やパティキュレート等の排出抑制性能を機関運転中に常に高く維持することができる。
【００２９】
以上のように、この排気還流装置は、内燃機関の運転条件に応じた流量調整弁１５の操作によって第１，第２ガス冷却通路１１，１２とバイパス通路１０の還流ガスの通過比率を任意に操作することができるが、第１，第２ガス冷却通路１１，１２、冷却液の流通路６、バイパス通路１０が複数のパイプ状部材を同軸に組付けて構成されているため、筒状ハウジング１の外径を小さくし、装置全体をコンパクト化できるという利点がある。したがって、この排気還流装置を採用した場合には、車載レイアウト上有利となる。
【００３０】
さらに、この実施形態においては、流量調整弁１５を筒状ハウジング１内のガス流入口２の近傍に配置したが、筒状ハウジング１内のガス排出口３の近傍に配置することも可能である。ただし、この実施形態のように流量調整弁１５をガス流入口２側に配置するようにした場合、バイパス通路１０を通過する還流ガスの比率を増大させるときにバイパス通路１０側への円滑なガスの流れを作り易いという利点がある。
【００３１】
特に、この実施形態の流量調整弁１５は、一対の弁板１６，１６が筒状ハウジング１の軸心部から外開き状に開いて仕切筒９の内周側の通過ガス流量を減少させるため、このとき弁板１６，１６自体が還流ガスを最外周側のバイパス通路１０に円滑に誘導するガイド壁として機能する。一方、仕切筒９の内周側の通過流量を増大させるときには、弁板１６，１６が筒状ハウジング１の軸心と略平行になるように回動操作されるため、バイパス通路１０方向へのガスの流れを少なくすることができる。
【００３２】
尚、上記の実施形態においては、筒状ハウジング１のガス流入口２側に一対の弁板１６，１６を配置したが、一枚、或は、三枚以上の弁板を同様に回動操作可能に設けることも可能である。
【００３３】
つづいて、図４，図５に示す第２の実施形態について説明する。この実施形態の排気還流装置は、基本的な構成は第１の実施形態とほぼ同様であるが、流入パイプ７の取付方向と、ガス流入口２の近傍に配置する流量調整弁１１５と、その周辺部の構造が若干異なっている。以下では、さらに後に説明する第３の実施形態も含め、第１の実施形態と同一部分に同一符号を付し、重複する説明を省略するものとする。
【００３４】
この装置では、仕切筒９のガス流入口２側の端部に、同筒９の軸心部から外開きに傾斜する円錐状のガイド壁２０が一体に取付けられている。このガイド壁２０は軸心部から仕切筒９の外周面に向かって広がっているため、還流ガスをバイパス通路１０方向に円滑に誘導するように機能する。また、ガイド壁２０には略扇状の複数の窓２１…が円周方向に略等間隔に形成され、還流ガスは、この窓２１…を通して第１，第２ガス冷却通路１１，１２内に導入されるようになっている。
【００３５】
前記ガイド壁２０の内側には、前記窓２１…を開閉調整する略円錐形状の弁体２２が配置されている。この弁体２２はガイド壁２０の窓２１…に対応する窓２３…を有し、両窓２１，２３の位置が合致したときにガイド壁２０の窓２１…が全開になり、その状態から両者がずれると窓２１…が次第に閉じられるようになっている。弁体２２は、ガイド壁２０の頂部を貫通する操作ロッド２４に連結支持され、この操作ロッド２４が図外のアクチュエータによって回動操作されるようになっている。この実施形態では、ガイド壁２０の窓２１…と弁体２２によって流量調整弁１１５が構成されている。
【００３６】
この実施形態の排気還流装置は、円錐状のガイド壁２０によって還流ガスをバイパス通路側１０に常時円滑かつ確実に誘導することができる。また、弁体２２は、ガイド壁２０の窓２１…を言わばスライド状態で開閉するため、還流ガスの全量をバイパス通路１０側に流そうとするときに仕切筒９の内側方向への還流ガスの漏れをより少なくすることができる。さらに、弁体２２が窓２１…をスライド開閉することから、弁体２２の作動に伴なうガタ付き等も少なくできるという利点がある。
【００３７】
また、図６は、本発明の第３の実施形態を示すものであり、この実施形態の排気還流装置は、流入パイプ７の取付方向と、熱交換用筒部材５内にフィン１３を配設する代りにインナチューブ１１の両側を除く部位に蛇腹状のフィンを形成した点と、流量調整弁２１５の構成と、が第１の実施形態のものと異なっている。
【００３８】
即ち、この実施形態の流量調整弁２１５は、弁体３０がバイメタル等の熱感応型の形状可変部材（形状記憶部材）によって形成されており、弁体３０の周囲にあるガス温度に応じて弁体３０自体が形状変化するようになっている。弁体３０は第１の実施形態と同様に一対設けられ、板状の各弁体３０の基部が、筒状ハウジング１に取付けられたフレーム部材３１に軸心部近くで支持されている。各弁体３０は、先端側縁部が円弧状に形成され、周囲のガス温度が低いときには、筒状ハウジング１の軸心に略平行になるようにストレート形状となり（図中、破線で示す状態。）、この状態から周囲のガス温度が上昇すると、先端側が外開きに湾曲変形して仕切筒９の内周部を閉塞する（図中、実線で示す状態。）。
【００３９】
この実施形態の装置は、基本的には第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができるが、流量調整弁２１５の弁体３０自体が温度に応じて形状変化するものであり、弁体３０を作動させるための特別なアクチュエータを他に必要としないため、流量調整弁２１５を小型・軽量化することができるうえ、製造コストを低減できるというさらなる利点がある。
【００４０】
尚、これまで説明したものは、略円筒状の筒状ハウジングを有する排気還流装置であったが、筒状ハウジングの形状は略円筒状に限るものでなく、略四角形状や多角形状であっても良い。この場合、熱交換筒部材等は筒状ハウジングの形状に従った任意形状であって良いのは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す排気還流装置の縦断面図。
【図２】同実施形態を示す図１のＡ矢視図。
【図３】同実施形態を示す排気還流装置の側面図。
【図４】本発明の第２の実施形態を示す排気還流装置の縦断面図。
【図５】同実施形態を示す図４のＢ矢視図。
【図６】本発明の第３の実施形態を示す排気還流装置の縦断面図。
【符号の説明】
【００４２】
１…筒状ハウジング
２…ガス流入口
３…ガス排出口
５…熱交換用筒部材
６…流通路
９…仕切筒
１０…バイパス通路
１１…第１ガス冷却通路
１２…第２ガス冷却通路
１５，１１５，２１５…流量調整弁
１６…弁板（弁体）
１６ａ…軸部
２０…ガイド壁
２１…窓
２２，３０…弁体
【図１】
2005201578.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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