CN114622983B - 内燃机的排气通路构造 - Google Patents

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Abstract

一种内燃机的排气通路构造，具备：使第一气缸组的排气集合于一处的第一合流通路；使第二气缸组的排气集合于一处的第二合流通路；以及将第三集合部与涡轮增压器的涡轮连接的第三合流通路，所述第三集合部使在第一合流通路流动的排气与在第二合流通路流动的排气集合。第一合流通路及第二合流通路分别具有通路截面积最小的节流部。内燃机的排气通路构造构成为，在将1个气缸中的排气道的入口部的通路截面积的合计值设为基准通路截面积A、将第一合流通路及第二合流通路各自的节流部的通路截面积设为节流部截面积B的情况下，0.5≤(B/A)≤1。

Description

内燃机的排气通路构造
技术领域
本公开涉及内燃机的排气通路构造，尤其涉及具备来自2个气缸组的排气所流通的涡轮增压器的内燃机的排气通路构造。
背景技术
在日本特开2005-016313中，公开了与难以引起排气干涉的涡轮增压器相关的技术。在该技术中，在具备在涡轮的入口具有扩散器的涡轮增压器的发动机中，通过将来自2个气缸组的排气通路合流的合流部的通路截面积设为涡轮涡壳(turbine scroll)的入口部的通路截面积的50％～80％，能够抑制排气干涉并且将动压高效地转换为静压。
发明内容
一般而言，涡轮涡壳的入口截面积为比1个气缸的排气道的入口部处的通路截面积稍大的程度。因此，在上述日本特开2005-016313的技术中，来自2个气缸组的排气通路的合流部的通路截面积有可能相对于1个气缸的排气道的入口部处的通路截面积极其小。其结果，排气行程中的缸内压力变高，因挤出损失(日文：押出損失)的增大、残留气体的增加而导致输出降低、燃料经济性恶化。
本公开是鉴于上述那样的课题而完成的，其目的在于提供一种在具备来自2个气缸组的排气所流通的涡轮增压器的内燃机中能够抑制排气干涉并且抑制输出降低及燃料经济性恶化的排气通路构造。
为了解决上述课题，第1公开适用于带有涡轮增压器的内燃机的排气通路构造，所述内燃机具有包括多个气缸的第一气缸组和包括与第一气缸组所包括的气缸不同的多个气缸的第二汽缸组。排气通路构造具备：第一多分支通路，所述第一多分支通路具有分别与第一气缸组的各气缸的排气侧连接的多个第一分支通路、和使在多个第一分支通路流动的排气集合于一处的第一集合部；第一合流通路，所述第一合流通路从第一集合部向排气下游侧延伸；第二多分支通路，所述第二多分支通路具有分别与第二气缸组的各气缸的排气侧连接的多个第二分支通路、和使在多个第二分支通路流动的排气集合于一处的第二集合部；第二合流通路，所述第二合流通路从第二集合部向排气下游侧延伸；以及第三合流通路，所述第三合流通路将第三集合部与涡轮增压器的涡轮连接，所述第三集合部使在第一合流通路流动的排气与在第二合流通路流动的排气集合。第一合流通路及第二合流通路分别具有通路截面积最小的节流部。并且，排气通路构造构成为，在将内燃机的1个气缸中的1个或多个排气道的入口部的通路截面积的合计值设为基准通路截面积、将第一合流通路及第二合流通路各自的节流部的通路截面积设为节流部截面积的情况下，节流部截面积相对于基准通路截面积的比例包含于0.5以上且1.0以下的范围。
第2公开在第1公开中还具有以下特征。
排气通路构造构成为节流部截面积相对于基准通路截面积的比例包含于0.7以上且1.0以下的范围。
第3公开在第1公开或第2公开中还具有以下特征。
涡轮的涡轮涡壳的入口部的入口截面积构成为比基准通路截面积大。
第4公开在第1公开～第3公开中的任一公开中还具有以下特征。
第一合流通路及第二合流通路的节流部设置于各自的排气下游端。
第5公开在第1公开～第4公开中的任一公开中还具有以下特征。
第一合流通路及第二合流通路构成为，从排气的上游侧朝向节流部而通路截面积逐渐变小。
第6公开在第1公开～第5公开中的任一公开中还具有以下特征。
内燃机构成为，排气门的打开侧的提升速度比关闭侧的提升速度慢。
第7公开在第1公开～第6公开中的任一公开中还具有以下特征。
内燃机构成为，排气门的最大提升位置位于比排气门的打开开始位置与关闭完成位置的中间位置靠关闭侧的位置。
若为了抑制排气干涉而使节流部截面积相对于基准通路截面积的比例过小，则节流部的排气上游侧的排气管压力过高，挤出损失增大。根据本公开，通过将节流部截面积相对于基准通路截面积的比例设为0.5以上且1.0以下的范围，能够抑制排气干涉并且抑制挤出损失。其结果，能够防止内燃机的输出降低、燃料经济性恶化。
附图说明
以下将参照附图说明本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和产业意义，在附图中相同的附图标记表示相同的要素，并且其中：
图1是用于说明实施方式的内燃机的排气通路构造的示意图。
图2是用于说明实施方式的内燃机中的节流部的作用的图。
图3是示出内燃机的燃烧循环中的缸内压力变化的P-V线图。
图4是示出节流部截面积与燃料消耗率的关系的示意图。
图5是能够应用于变形例的排气通路构造的涡轮的剖视图。
图6是用于说明第一节流部及第二节流部的配置与排气管压力的关系的图。
图7是示出排气门的提升速度及最大提升位置的一例的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本公开的实施方式进行说明。但是，在以下所示的实施方式中提及了各要素的个数、数量、量、范围等数值的情况下，除了特别明示的情况、在原理上明确特定为该数值的情况以外，本公开并不限定于该提及了的数值。另外，在以下所示的实施方式中说明的构造等除了特别明示的情况、在原理上明确特定为该构造等的情况以外，上述构造等在本公开中不一定是必需的。
实施方式
1.实施方式的内燃机的结构
图1是用于说明实施方式的内燃机的排气通路构造的示意图。本实施方式的内燃机100具备6个气缸6，构成为按照第一气缸#1→第五气缸#5→第三气缸#3→第六气缸#6→第二气缸#2→第四气缸#4的顺序反复进行燃烧的直列6气缸发动机。进气通路40经由进气歧管(未图示)与内燃机100的发动机主体10连接，在进气通路40的途中设置有中间冷却器、节气门(均未图示)等。
在内燃机100设置有涡轮增压器30。涡轮增压器30具有利用内燃机100的排气的能量而工作的涡轮32和由该涡轮32驱动的压缩机34。在压缩机34连接有上述进气通路40。通过压缩机34，能够压缩吸入空气。
发动机主体10的6个各气缸6被分类为由排气顺序不连续的多个气缸构成的第一气缸组61和第二气缸组62。具体而言，第一气缸组61由第一气缸#1、第二气缸#2以及第三气缸#3这3个气缸构成，第二气缸组62由第四气缸#4、第五气缸#5以及第六气缸#6这3个气缸构成。在各气缸6的上部分别连通有2个排气道，在各排气道分别设置有排气门8。各气缸6的2个排气道在气缸盖的内部合流。
第一气缸组61的气缸6的排气侧与第一排气通路12连接。第一排气通路12包括第一多分支通路121和第一合流通路122。第一多分支通路121包括第一分支通路123和第一集合部124，所述第一分支通路123包括从第一气缸组61的各个气缸6延伸的排气道，所述第一集合部124使这些第一分支通路123集合。第一合流通路122的排气上游侧与第一集合部124连接。
同样地，第二气缸组62的气缸6的排气侧与第二排气通路14连接。第二排气通路14包括第二多分支通路141和第二合流通路142。第二多分支通路141包括第二分支通路143和第二集合部144，所述第二分支通路143包括从第二气缸组62的各个气缸6延伸的排气道，所述第二集合部144使这些第二分支通路143集合。第二合流通路142的排气上游侧与第二集合部144连接。
第一合流通路122的排气下游侧与第二合流通路142的排气下游侧在第三集合部161集合。第三合流通路162的排气上游侧与第三集合部161连接。涡轮增压器30的涡轮32与第三合流通路162的排气下游侧连接。此外，第三合流通路162的通路截面积比第一合流通路122及第二合流通路142的通路截面积大。
经过了涡轮32的排气在排气通路36流通。在排气通路36途中设置有用于净化排气的催化剂38。另外，在排气通路36的催化剂38的上游侧与第三合流通路162之间连接有用于使排气绕过涡轮32地向排气通路36流通的旁通配管18及废气旁通阀(WGV)20。
2.实施方式的内燃机的特征
在如本实施方式的内燃机100的排气通路构造那样、是来自第一气缸组61及第二气缸组62的排气在第三合流通路162集合后向共用的涡轮32流通的结构的情况下，存在由排气干涉引起的输出性能的降低成为问题的情况。
作为抑制排气干涉的对策，例如已知有减小排气管的通路截面积。然而，当过度地减小排气管的通路截面积时，有可能在排气流量多的条件下在通路截面积小的通路的排气上游侧处排气管压力变得过高。其结果，在气缸6内引起挤出损失的增大、缸内残留气体的增加，导致输出降低、燃料经济性恶化。
本实施方式的内燃机100的排气通路构造具有用于抑制排气干涉并且提高输出性能的特征性的构成。即，本实施方式的内燃机100在第一合流通路122具备第一节流部125，在第二合流通路142具备第二节流部145。第一节流部125及第二节流部145是构成为在第一合流通路122及第二合流通路142各自中通路截面积最小的节流部。在实施方式1的内燃机100中，第一节流部125及第二节流部145设置于第一合流通路122及第二合流通路142的排气下游端(也就是说，第三集合部161)。
另外，在将1个气缸的排气道的入口部(也就是说，第一分支通路123的排气上游端)的通路截面积的合计值设为基准通路截面积A、将第一合流通路122的第一节流部125及第二合流通路142的第二节流部145的通路截面积分别设为节流部截面积B的情况下，内燃机100的排气通路构造构成为使下式的关系成立。此外，在下式中，“N”是1个气缸的排气门8的数量，“D”是排气道入口部的直径，“B/A”是节流部截面积B相对于基准通路截面积A的比例。
A＝N×D2×π/4...(1)
0.5≤(B/A)≤1.0...(2)
另外，内燃机100的排气通路构造更优选构成为使下式(3)的关系成立。
0.7≤B/A≤1.0...(3)
3.实施方式的内燃机的作用及效果
在具有满足上述条件的第一节流部125及第二节流部145的内燃机100的排气通路构造中，与不具有这些节流部的比较例的排气通路构造相比，能够在排气行程的后半部分将缸内压力抑制得低。对该作用更详细地进行说明。
图2是用于说明实施方式的内燃机中的节流部的作用的图。此外，最上方的图示出了在作为紧前于第一气缸#1((n)气缸)进行燃烧的气缸的第四气缸#4((n-1)气缸)中，进气门提升量、排气门提升量以及缸内压力相对于曲轴角度的变化。从上方起第二个图示出了在第一气缸#1((n)气缸)中，进气门提升量、排气门提升量以及缸内压力相对于曲轴角度的变化。从上方起第三个图示出了在作为紧接于第一气缸#1((n)气缸)之后进行燃烧的气缸的第五气缸#5((n+1)气缸)中，进气门提升量、排气门提升量以及缸内压力相对于曲轴角度的变化。最下方的图示出了向涡轮32流入的排气的流量(涡轮前流量)相对于曲轴角度的变化。在图2中，用实线示出了实施方式的设置有第一节流部125及第二节流部145的排气通路构造的缸内压力变化或涡轮前流量，用虚线示出了不具有第一节流部125及第二节流部145的比较例的排气通路构造的缸内压力变化或涡轮前流量。
如图2所示，在第一气缸#1的排气行程初期的T1区间，本气缸的排气门提升量小，因此从第一气缸#1向第一合流通路122流动的排气的流量少。因此，在T1区间，设置第一节流部125所带来的影响小。
在第一气缸#1的排气门朝向最大提升量提升的排气行程的T2区间，第一气缸#1的排气门8和先燃烧的第四气缸#4的排气门8双方打开。在T2区间，由于是第一气缸#1的缸内压力高的状态，因此在图2的比较例中，先燃烧的第四气缸#4的排气流量被抑制，由此第四气缸#4的挤出损失增加。此外，第一气缸#1处于缸内压力高的状态，因此挤出损失增加这样的影响少。另外，如图2所示，在T2区间，第一气缸#1和第四气缸#4的排气门打开，因此涡轮前流量变多。
在第一气缸#1的排气门成为最大提升量的排气行程的T3区间，第四气缸#4的排气门8关闭，因此仅第一气缸#1的排气门8打开。因此，如图2所示，T3区间的涡轮前流量变少，涡轮32不会产生大的压力损失。因此，如图2所示，在T3区间，在第一合流通路122设置第一节流部125所带来的缸内压力上升的影响小。
在第一气缸#1的排气门朝向关闭(闭阀)下降的排气行程的T4区间，第一气缸#1的排气门8和之后燃烧的第五气缸#5的排气门8双方打开。在T4区间，第一气缸#1的缸内压力比第五气缸#5的缸内压力低。因此，在图2中点划线所示的比较例中，第一气缸#1的排气的排出被第五气缸#5的排气的排出(流入)妨碍，第一气缸#1的缸内压力上升。这样，在比较例的内燃机中，在排气行程的T4区间，挤出损失增加，导致输出降低、燃料经济性恶化。
与此相对，在实施方式的内燃机100的排气通路构造中，在第二合流通路142设置有第二节流部145，因此从第五气缸#5向涡轮32流动的排气比比较例的排气通路构造的减少。由此，如图2中实线所示，第一气缸#1的缸内压力的上升被抑制。
图3是示出内燃机的燃烧行程中的缸内压力变化的P-V线图。在图3中，比较例的排气通路构造的缸内压力变化用虚线表示，本实施方式的排气通路构造的缸内压力变化用实线表示。如该图所示，可知：在实施方式的排气通路构造中，通过将排气行程中的缸内压力抑制得比比较例的排气通路构造的低，从而降低挤出损失。图4是示出节流部截面积与燃料消耗率的关系的示意图。如该图所示，若相对于基准通路截面积A减小节流部截面积B，则能够实现基于挤出损失降低的燃料消耗率的降低。另外，由于通过使排气行程的缸内压力降低从而气体温度降低，因此能够使空燃比进一步稀化。由此，能够实现燃料消耗率的进一步的降低。
这样，根据实施方式的内燃机100，能够在排气行程的后半部分的T4区间抑制缸内压力的上升。由此，能够抑制排气干涉并且防止输出降低、燃料经济性恶化。
4.变形例
应用于本实施方式的内燃机100的排气通路构造也可以采用如下变形后的形态。
4-1.涡轮32的构造
图5是能够应用于变形例的排气通路构造的涡轮的剖视图。在该图所示的例子中，涡轮32构成为涡轮涡壳的入口部321的入口截面积比基准通路截面积A大。根据这样的结构，即使在低的压力下排气也容易向涡轮流通，因此能够抑制排气从第一合流通路122向第二合流通路142的蔓延(日文：回り込み)、或者排气从第二合流通路142向第一合流通路122的蔓延。由此，能够抑制第一合流通路122的排气与第二合流通路142的排气的排气干涉。
4-2.第一节流部125及第二节流部145的配置
第一节流部125只要在第一合流通路122的途中即可，其配置没有限定。另外，关于第二节流部145也是，只要在第二合流通路142的途中即可，其配置也没有限定。但是，第一节流部125及第二节流部145的排气上游侧的排气管压力在气体流量多时暂时上升。因此，若压力上升过大，则关闭的排气门8有可能打开。
因此，第一节流部125及第二节流部145优选尽可能地配置于排气下游侧。图6是用于说明第一节流部及第二节流部的配置与排气管压力的关系的图。如该图所示，可知，在第一节流部125及第二节流部145配置于第一合流通路122及第二合流通路142的排气下游侧的情况下，与配置于排气上游侧的情况相比，排气管压力被抑制得低。这样，通过将第一节流部125及第二节流部145尽可能地配置于排气下游侧，从而能够尽可能地增大从排气门8到第一节流部125及第二节流部145的排气通路容积。由此，能够抑制排气上游侧的暂时的压力上升，因此能够防止排气门8的非意图的打开。
另外，第一节流部125及第二节流部145的排气上游侧的第一合流通路122及第二合流通路142也可以构成为越靠排气下游侧则通路截面积越逐渐变小。根据这样的结构，能够抑制排气阻力并且增大第一节流部125及第二节流部145的排气上游侧的排气通路容积。
4-3.排气门的提升速度及最大提升位置
排气门8的提升速度或最大提升位置没有限定。但是，关于排气门8的提升速度，优选使打开侧的提升速度比关闭侧的提升速度慢。或者，排气门8的最大提升位置优选设置于比排气门8的打开开始位置与关闭完成位置之间的中间位置靠关闭侧。
图7是示出排气门的提升速度及最大提升位置的一例的图。如该图所示的例子那样，若使排气门8的打开侧的提升速度比关闭侧的提升速度慢，则排气行程初期的排气流量减少。另外，使排气门8的最大提升位置比中间位置靠关闭侧，排气行程初期的排气流量也减少。这样的排气特性例如能够通过排气门8的凸轮轮廓的设定来实现。根据这样的结构，能够减少在第一气缸组61的排气行程中从第一合流通路122向第二合流通路142流入的排气流量、或在第二气缸组62的排气行程中从第二合流通路142向第一合流通路122流入的排气流量。由此，能够抑制排气上游侧的暂时的压力上升，因此能够防止排气门8的非意图的打开。
4-4.内燃机
在上述的实施方式中，以使各气缸的排气按照6-2-1的顺序集合的直列6气缸的内燃机100为例进行了说明，但能够应用本公开的排气通路构造的内燃机不限于此。即，内燃机只要是使多个气缸的排气经过2个阶段而集合于1个排气通路并导向涡轮的结构即可，例如也可以是使排气按照4-2-1的顺序集合并导向涡轮的直列4气缸发动机。另外，内燃机100的排气门8的个数也没有限定。

Claims (6)

1.一种内燃机的排气通路构造，所述内燃机带有涡轮增压器并且具有包括多个气缸的第一气缸组和包括与所述第一气缸组所包括的气缸不同的多个气缸的第二汽缸组，
所述内燃机的排气通路构造的特征在于，具备：
第一多分支通路，所述第一多分支通路具有分别与所述第一气缸组的各气缸的排气侧连接的多个第一分支通路、和使在所述多个第一分支通路流动的排气集合于一处的第一集合部；
第一合流通路，所述第一合流通路从所述第一集合部向排气下游侧延伸；
第二多分支通路，所述第二多分支通路具有分别与所述第二气缸组的各气缸的排气侧连接的多个第二分支通路、和使在所述多个第二分支通路流动的排气集合于一处的第二集合部；
第二合流通路，所述第二合流通路从所述第二集合部向排气下游侧延伸；以及
第三合流通路，所述第三合流通路将第三集合部与所述涡轮增压器的涡轮连接，所述第三集合部使在所述第一合流通路流动的排气与在所述第二合流通路流动的排气集合，
所述第一合流通路及所述第二合流通路分别具有通路截面积最小的节流部，
所述内燃机的排气通路构造构成为，在将所述内燃机的1个气缸中的1个或多个排气道的入口部的通路截面积的合计值设为基准通路截面积、将所述第一合流通路及所述第二合流通路各自的所述节流部的通路截面积设为节流部截面积的情况下，所述节流部截面积相对于所述基准通路截面积的比例包含于0.5以上且1.0以下的范围，
所述涡轮的涡轮涡壳的入口部的入口截面积构成为比所述基准通路截面积大。
2.根据权利要求1所述的内燃机的排气通路构造，其特征在于，
所述节流部截面积相对于所述基准通路截面积的比例包含于0.7以上且1.0以下的范围。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机的排气通路构造，其特征在于，
所述第一合流通路及所述第二合流通路的所述节流部设置于各自的排气下游端。
4.根据权利要求1或2所述的内燃机的排气通路构造，其特征在于，
所述第一合流通路及所述第二合流通路构成为，从排气的上游侧朝向所述节流部而通路截面积逐渐变小。
5.一种内燃机的排气通路构造，所述内燃机带有涡轮增压器并且具有包括多个气缸的第一气缸组和包括与所述第一气缸组所包括的气缸不同的多个气缸的第二汽缸组，
所述内燃机的排气通路构造的特征在于，具备：
第一多分支通路，所述第一多分支通路具有分别与所述第一气缸组的各气缸的排气侧连接的多个第一分支通路、和使在所述多个第一分支通路流动的排气集合于一处的第一集合部；
第一合流通路，所述第一合流通路从所述第一集合部向排气下游侧延伸；
第二多分支通路，所述第二多分支通路具有分别与所述第二气缸组的各气缸的排气侧连接的多个第二分支通路、和使在所述多个第二分支通路流动的排气集合于一处的第二集合部；
第二合流通路，所述第二合流通路从所述第二集合部向排气下游侧延伸；以及
第三合流通路，所述第三合流通路将第三集合部与所述涡轮增压器的涡轮连接，所述第三集合部使在所述第一合流通路流动的排气与在所述第二合流通路流动的排气集合，
所述第一合流通路及所述第二合流通路分别具有通路截面积最小的节流部，
所述内燃机的排气通路构造构成为，在将所述内燃机的1个气缸中的1个或多个排气道的入口部的通路截面积的合计值设为基准通路截面积、将所述第一合流通路及所述第二合流通路各自的所述节流部的通路截面积设为节流部截面积的情况下，所述节流部截面积相对于所述基准通路截面积的比例包含于0.5以上且1.0以下的范围，
所述内燃机构成为，排气门的打开侧的提升速度比关闭侧的提升速度慢。
6.一种内燃机的排气通路构造，所述内燃机带有涡轮增压器并且具有包括多个气缸的第一气缸组和包括与所述第一气缸组所包括的气缸不同的多个气缸的第二汽缸组，
所述内燃机的排气通路构造的特征在于，具备：
第一多分支通路，所述第一多分支通路具有分别与所述第一气缸组的各气缸的排气侧连接的多个第一分支通路、和使在所述多个第一分支通路流动的排气集合于一处的第一集合部；
第一合流通路，所述第一合流通路从所述第一集合部向排气下游侧延伸；
第二多分支通路，所述第二多分支通路具有分别与所述第二气缸组的各气缸的排气侧连接的多个第二分支通路、和使在所述多个第二分支通路流动的排气集合于一处的第二集合部；
第二合流通路，所述第二合流通路从所述第二集合部向排气下游侧延伸；以及
第三合流通路，所述第三合流通路将第三集合部与所述涡轮增压器的涡轮连接，所述第三集合部使在所述第一合流通路流动的排气与在所述第二合流通路流动的排气集合，
所述第一合流通路及所述第二合流通路分别具有通路截面积最小的节流部，
所述内燃机的排气通路构造构成为，在将所述内燃机的1个气缸中的1个或多个排气道的入口部的通路截面积的合计值设为基准通路截面积、将所述第一合流通路及所述第二合流通路各自的所述节流部的通路截面积设为节流部截面积的情况下，所述节流部截面积相对于所述基准通路截面积的比例包含于0.5以上且1.0以下的范围，
所述内燃机构成为，排气门的最大提升位置位于比所述排气门的打开开始位置与关闭完成位置的中间位置靠关闭侧的位置。
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