JP2008519931A - 過給式内燃機関 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つのシリンダブロック（１１、１２）に、好ましくはＶ型構造で配置される複数のシリンダ（１〜８）を有する過給式内燃機関（１０）に関する。この機関は、内燃機関（１０）の吸気ライン（１３、１４）に配置されるコンプレッサ（２１、２２）、及び排気マニホールド（１５、１６）内に配置されるタービン（１９、２０）を有する排ガスターボチャージャ（１７、１８）も装備する。本発明によれば、シリンダブロック（１１、１２）内の数本のシリンダ（１〜３、５〜７）の排気ガスは、排気マニホールド（１５、１６）に結合され、シリンダブロック（１１、１２）の少なくとも１つのシリンダ（４、８）には、排ガスターボチャージャ（１７、１８）を迂回する独立した排気ガスライン（２３、２４）を有する。

Description

本発明は、請求項１の前段に記載の、少なくとも１つのシリンダバンクに複数のシリンダを有する過給式内燃機関に関する。

公知の特許文献１は、それぞれ６本のシリンダが独立シリンダバンク内で結合され、別々の排ガスターボチャージャが各シリンダバンクに設けられる、Ｖ型構造の過給式多気筒内燃機関を開示する。

特に、大排気量の内燃機関では、大きな排ガス流量のため、排ガスターボチャージャを非常に大きな寸法にしなければならない。しかしながら、タービンの限られた設置空間や通常では用いられないそのサイズの制約のために、大きな体積流を有するこの種の排ガスターボチャージャは、全負荷時での高い排ガス圧のために、燃費及び排出ガス特性に悪影響を及ぼすおそれがあった。第２に、タービンが大きな質量を有し、低温始動後の排気ガスを著しく冷却させるため、触媒コンバータの加熱遅延につながり、低温始動時に望ましくない排気ガス放出につながるおそれがあった。

特許文献２は、一方のシリンダバンクが排ガスターボチャージャを備え、しかも他方のシリンダバンクが自然吸気エンジンとして動作する、２つのシリンダバンクを有する内燃機関を開示する。

独国特許出願公開第１０２ １７ ２２５ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第３８ ２４ ３４６ Ａ１号明細書

本発明の目的は、低減された排気ガス圧及び改良された排気ガス特性を実現する過給式内燃機関を提供することである。

本発明によれば、この目的は、請求項１の特徴によって達成される。他の改良は従属請求項や詳細な説明から明らかとなる。

この目的は、請求項１の特徴を有する過給式内燃機関によって達成される。

本発明によれば、過給式内燃機関は、少なくとも１つのシリンダバンク内に配置される複数のシリンダ、燃焼用空気を内燃機関に送る吸気ライン、排気ガスをシリンダバンクの複数のシリンダから排出する排気マニホールド、及び排ガスターボチャージャを有し、そのタービンが排気マニホールド内に配置され、そのコンプレッサが吸気ラインに配置される。さらに、シリンダバンクの少なくとも１つのシリンダは、排ガスターボチャージャのタービンの下流で他の排気ガスラインと結合される独立した排気ガスラインに接続される。

本願では、タービンに流入する排気ガスの流量が低減されるので、タービンはより小型構造のものとなり、その結果、必要な設置空間とコストの両方が低減される。低温始動中はタービンの下流側の温度低下につながるのであるが、本願の構造によると、追加の高温の排気ガスがタービンの下流の排気ラインに導かれ、それによって排ガス内に残留する炭化水素のアフターバーンが、内燃機関の始動後最初の数秒で触媒コンバータの直前で起こる。触媒コンバータ直前への追加的な熱の誘導の結果、タービンで低下された排ガス温度が補償されるだけではなく、触媒コンバータ全体の急な温度上昇につながり、触媒コンバータ上流側での排気ガス成分の改善と触媒コンバータ通過後の排ガスの浄化が達成される。

Ｖ８型シリンダエンジンにおいて、点火順序を１−５−４−２−６−３−７−８とすることにより、９０°オフセットで次の点火が各シリンダバンクで起こりうる。その結果、シリンダでのガス充填は、負荷や回転速度が上昇すると妨害される。本発明の他の改良において、それぞれ各シリンダバンク（４及び８）の９０°オフセットからの１つのシリンダは、バイパスを通ってタービンを回避して排出される。その結果、排ガスターボチャージャで使用できるエンジン回転速度範囲は、著しく拡大される。特に全負荷時での、燃費や放出物も、より大きなラムダ値（全シリンダの、但し特にシリンダ４及び８の場合、混合物のより低い濃縮）の結果として、従来構造と比べて１０％超低減される。

本発明の他の改良において、排気マニホールドは、結合されるシリンダ用に共通の第１のマニホールドと、排ガスターボチャージャのタービン用のマニホールドに一体化されるハウジングとを有する。さらに、独立した第２の排気ガスラインは、シリンダバンクの少なくとも１つのシリンダ用の第２のマニホールドと、排気ガス連結用のＴ状連結部を有する。この配置構造は応力破壊にあまり左右されない。

本発明の他の改良において、組立の簡素化のため、２つのマニホールドはそれぞれ独立排気ガスラインへの接続用の少なくとも１つのフランジを有する。

他の特徴や特徴の組み合わせは、特許請求の範囲、詳細な説明及び図面から明らかになるであろう。本発明の具体的な実施形態は、図で簡素化した形で示され、以下の説明で詳細に説明される。

全体が１０で示される内燃機関は、互いに向かい合い、それぞれ４つのシリンダ１〜８を有する２つのシリンダバンク１１、１２を有する。燃焼用空気をそれぞれコンプレッサ２１、２２に送る吸気ライン１３、１４は、各シリンダバンク１１、１２に提供される。コンプレッサ２１、２２の下流側で、圧力ライン３２、３３は、圧縮空気を内燃機関１０のシリンダバンク１１のシリンダ１〜４及びシリンダバンク１２のシリンダ５〜８に個別に、それぞれ１つのスロットル弁３４、３５を介して導く。図示していないが、代案として、圧力ライン３２、３３の燃焼用空気を単一のスロットル弁を介してシリンダバンク１１及び１２に共通の吸気マニホールドに導くように構成しても良い。さらに、シリンダ１〜３及び５〜７から排出される排気ガスを案内する排気マニホールド１５、１６は、各シリンダバンク１１、１２に提供される。さらに、各シリンダバンク１１、１２には排ガスターボチャージャ１７、１８が設けられ、タービン１９、２０はそれぞれ排気マニホールド１５、１６に接続され、コンプレッサ２１、２２は吸気ライン１３、１４又は共通する吸気ライン内に配置される。

タービン１９、２０の下流側で排気マニホールド１５、１６と接続される、独立排気ガスライン２３、２４は、シリンダ４及び８に取り付けられる。

ターボチャージャ前の一方のシリンダバンク内に複数のシリンダを有する過給式内燃機関の場合、連続して起こる点火がそれぞれ９０°だけオフセットされる点火順序において負荷及び回転速度が上昇する場合に、バンク当り９０°の間隔を有するそれぞれ２つのシリンダのガス交換において充填効率の低下が起こる。この問題は、特に、特別の点火順序１−５−４−２−６−３−７−８が原因で、８シリンダ及びＶ構造を有する内燃機関内で起こり、各シリンダバンクのシリンダ４及び２の、及びシリンダ７及び８のガス充填効率がここで妨げられる。

この効率の低下をなくすために、本発明によれば、シリンダ１〜３、５〜７までの３つだけが排気マニホールド１５、１６に連結され、シリンダ４、８は独立した排ガスラインに接続されることによって、９０°点火順序に起因する給気充填効率の低下の影響が取り除かれる。ここでは、シリンダ４及び８の排気ガスは、独立排気ガスライン２３、２４を経由して排出され、排ガスターボチャージャ１７、１８を迂回して流れる。このことは、シリンダ４、８の排気ガス流とそれぞれの他のシリンダ１〜３、５〜７の排気ガス流とが確実に影響し合わないようにする。排ガスターボチャージャ１７、１８は、従来の構造と比べ、排気ガス量の７５％だけで駆動され、シリンダを介しての給気交換仕事量がより小さくなり、タービン１９、２０は、同時により小さい寸法のものですむ。

これらの手段の結果、過給用に使用できるエンジン回転速度範囲を著しく拡大できる。さらに、比較的高いエンジン負荷時に、出力増加を達成したまま燃費及び排出物質が低減される。さらに、８シリンダ圧力の等分布が改良された結果、８シリンダの全体にわたるピーク圧力は高出力発生にもかかわらずより小さくなり、その結果、内燃機関全体の動作信頼度が増加する。排ガスターボチャージャのタービンがより小さくなると、設置空間に対する要求の低下、及び費用の低減につながる。さらに、暖機及び、これに関して、低温始動中の内燃機関の排出物質も同様に改良される。

低温始動中のタービン１９、２０下流の低い温度は、タービン１９、２０に送られる排気ガス量の少なさに起因するが、高温の排気ガスがタービン１９、２０下流の排気システムに追加的に直接送られ、その結果、内燃機関１０を始動した後の最初の数秒以内に、触媒コンバータ（図示せず）の直前で排気ガス内に残留する炭化水素がアフターバーンする。触媒コンバータ上流での熱の追加的導入の結果、タービン１９、２０前の低い排気ガス温度が補償されるだけではなく、その結果、触媒コンバータ全体の急熱、及びこれに関連し、触媒コンバータ上流側での排気ガス成分の改善ができ、そして、触媒コンバータ通過後の排気ガス特性の著しい改善が実現される。火花点火式エンジンにおいて、２段階サーモリアクタは、タービン１９、２０前の排気マニホールド１５、１６の第１段階と、排気マニホールド１５、１６及び独立排気ガスライン２３、２４の結合の下流の第２段階とで実現される。

その配置構造の他の利点は、排気ガス圧が低減されるため必要なブースト圧力を低くするように設計できる点である。

図２は１つのシリンダバンクの排気システムの立体図を示す。前記排気システムは、排気マニホールド１５、１６に結合されるシリンダ１〜３、５〜７に共通の第１の排気マニホールド２５と、排気マニホールド２５に一体化される排ガスターボチャージャ１７、１８用のハウジング２６を有する。さらに、排気システムは、シリンダ４、８用の第２の排気マニホールド２７と、排気マニホールド１５、１６への接続用のＴ状連結部２８とを有する。図示された例示的実施形態において、第２の排気マニホールド２７及びＴ状連結部２８は一体型構造である。尚、代案として、異なる着脱可能な構成としたり、異なる固定連結部が第２のマニホールド２７と連結部２８との間に提供されても良い。

２つのマニホールド２５、２７の相互の、及び内燃機関１０と触媒コンバータ（図示せず）への連結は、同じようにフランジ連結を介して行われるのが好ましい。この目的で、第１のフランジ２９は、ハウジング２６の下流の第１のマニホールド２５に形成され、対応する第２のフランジ３０はＴ状連結部２８に形成される。さらに、Ｔ状連結部２８は、触媒コンバータ（図示せず）又は排気システムへの連結用の追加のフランジ３１を下流端部に有する。最後に、第１及び第２の排気マニホールド２５、２７は、フランジ連結部を介して内燃機関１０のシリンダバンク１１、１２に固定される。

ひとつのシリンダバンク１１、１２に、それぞれ２つの独立した排気マニホールド２５、２７を使用することは、その配置構造が応力破壊にあまり左右されないという利点がある。

図示した実施形態において、本発明は、８シリンダ１〜８を有するＶ型形式の内燃機関１０を使用して説明されたが、異なる構造や、シリンダバンク１１、１２当りのシリンダ数が異なる内燃機関１０でも同様に使用できる。どのシリンダ１〜８が独立排気ガスライン２３、２４を介して排気マニホールド１３、１４に連結されるかも、特に、それぞれの点火順序によって決まる。図示された実施形態において、各シリンダバンク１１、１２の最後の２つのシリンダ４、８は、ガス充填効率に関し重要であるので、独立した排気ガスライン２３、２４を対応づけるようにした。この場合、その結果は、特に簡単な構造となる。しかしながら、必要ならば、いかなる他のシリンダ１〜８も独立した排気ガスライン２３、２４を割り当てることができる。

図示していないが、他の実施形態として、シリンダバンク１１、１２当り２つ又はそれ以上のシリンダ１〜８からの排気ガスを、排ガスターボチャージャ１７、１８を迂回させるようにでき、その場合、それらのシリンダごとに独立した多数の排気ガスラインを設けても良いし、それらのシリンダ１〜８からの排気を結合した排気ガスラインを設けるようにしても良い。

８つのシリンダ、及びそれぞれシリンダバンク当り１つの共通マニホールドと１つの独立した排気ガスラインを有するＶ型形式の過給式内燃機関の概略図を示す。 ４つのシリンダを有するシリンダバンク用の共通の排気マニホールド及び独立した排気マニホールドの斜視図を示す。

Claims (6)

1. 少なくとも１つのシリンダバンク（１１、１２）内に配置される複数のシリンダ（１〜８）と、
   燃焼用空気を内燃機関（１０）に送る吸気ライン（１３、１４）と、
   排気ガスをシリンダバンク（１１、１２）の複数のシリンダ（１〜８）から排出する排気マニホールド（１５、１６）と、
   排ガスターボチャージャ（１７、１８）を有し、そのタービン（１９、２０）が前記排気マニホールド（１５、１６）に設けられ、そのコンプレッサ（２１、２２）が前記吸気ライン（１３、１４）に設けられ、前記シリンダバンク（１１、１２）の少なくとも１つのシリンダ（４、８）が、該排ガスターボチャージャ（１７、１８）の該タービン（１９、２０）の下流側で前記排気マニホールド（１５、１６）と結合される独立した排気ガスライン（２３、２４）を有する過給式内燃機関（１０）において、
   ９０°点火オフセットが第１のシリンダ（１；２；３、５；６；７）と第２のシリンダ（４、８）との間に提供され、前記２つのシリンダの一方（４、８）が前記独立排気ガスライン（２３、２４）に連結され、前記２つのシリンダの他方（１；２；３、５；６；７）が前記排気マニホールド（１５、１６）に連結されることを特徴とする過給式内燃機関（１０）。
2. Ｖ型配置された各シリンダバンク（１１、１２）が排気マニホールド（１５、１６）及び少なくとも１つの独立した排気ガスライン（２３、２４）に接続されることを特徴とする請求項１に記載の過給式内燃機関。
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3. 各シリンダバンク（１１、１２）の最後のシリンダ（４、８）が独立した排気ガスライン（２３、２４）に接続されることを特徴とする請求項２に記載の過給式内燃機関。
4. 前記排気マニホールド（１５、１６）が、前記排気マニホールド（１５、１６）に結合される全シリンダ（１〜３、５〜７）用の第１の共通排気マニホールド（２５）と、前記排ガスターボチャージャ（１７、１８）用の、前記排気マニホールド（２５）に一体化されるハウジング（２６）とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の過給式内燃機関。
5. 前記独立した排気ガスライン（２３、２４）が前記シリンダバンク（１１、１２）の前記少なくとも１つのシリンダ（４、８）用の第２の排気マニホールド（２７）と、前記排気マニホールド（１５、１６）用のＴ状連結部（２８）とを有することを特徴とする請求項４に記載の過給式内燃機関。
6. 前記排気マニホールド（１５、１６）が前記タービン（１９、２０）の下流に第１のフランジ（２９）を有し、前記第２の排気マニホールド（２７）及び前記Ｔ状連結部（２８）が一体型構造のものであり、前記連結部（２８）が前記第１のフランジ（２９）への連結用の第２のフランジ（３０）を有することを特徴とする請求項５に記載の過給式内燃機関。

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