JP2014240624A

JP2014240624A - エンジン

Info

Publication number: JP2014240624A
Application number: JP2013123108A
Authority: JP
Inventors: 俊次濱岡; Shunji Hamaoka; 祐也花田; Yuya Hanada; 文哉古東; Fumiya Koto
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2014-12-25
Anticipated expiration: 2033-06-11
Also published as: JP6168862B2

Abstract

【課題】ピストンが下死点に到達するよりも吸気弁を早く閉じてＮＯｘを低減するとともに、コンパクトな構成とすることができるエンジンを提供する。【解決手段】複数気筒を有し、ピストンが下死点に到達するよりも早く吸気弁を閉じる或いは有効的に閉じるエンジン１００であって、高圧過給機２０と低圧過給機３０とからなる二段過給機と、複数気筒の排気系を２群に分けて２つの排気管５２Ａ・５２Ｂを高圧過給機２０に接続する動圧式排気マニホールドと、を具備する。動圧式排気マニホールドに接続される２つの排気管５２Ａ・５２Ｂは、高さ方向にて並列に配置される。【選択図】図５

Description

本発明は、複数気筒を有し、ピストンが下死点に到達するよりも吸気弁を早く閉じるエンジンの技術に関する。

従来、エンジンではミラーサイクル方式が知られている。ピストンが下死点に到達するよりも吸気弁を早く閉じる或いは有効的に閉じるミラーサイクル方式では、シリンダ内に取り込まれた空気量を膨張させ、燃焼温度を低下させて、ＮＯｘ低減を図っている。例えば、特許文献１は、ミラーサイクル方式のエンジンが開示されている。

一方、同時に、ピストンが下死点に到達するよりも吸気弁を早く閉じる或いは有効的に閉じるミラーサイクル方式のエンジンでは、低負荷・低領域において、吸入給空気量を増加しなければならない問題が発生する。この問題を解決するために、可変バルブ機構を設けることが考えられるが、エンジンの構成が複雑になる。また、この問題を解決するために、過給機を備えるエンジンでは、ウェストゲートバルブを設けることが考えられるが、エンジンの構成が複雑になる。

特開平１１−３５０９８９号公報

本発明の解決しようとする課題は、ピストンが下死点に到達するよりも吸気弁を早く閉じてＮＯｘを低減するとともに、コンパクトな構成とすることができるエンジンを提供することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、複数気筒を有し、ピストンが下死点に到達するよりも早く吸気弁を閉じるエンジンであって、高圧過給機と低圧過給機とからなる二段過給機と、前記複数気筒の排気系を２群に分けて２つの排気管が前記高圧過給機に接続される動圧式排気マニホールドと、を具備するものである。

請求項２においては、請求項１記載のエンジンであって、前記動圧式排気マニホールドに接続される２つの排気管は、高さ方向にて並列に配置されるものである。

請求項３においては、請求項２記載のエンジンであって、前記動圧式排気マニホールドに接続される２つの排気管は、前記高圧過給機と前記低圧過給機とを接続する排気管よりも平面視にて内側に配置されるものである。

本発明のエンジンによれば、ピストンが下死点に到達するよりも吸気弁を早く閉じてＮＯｘを低減するとともに、コンパクトな構成とすることができる。

エンジンの構成を示した模式図。ミラーサイクル方式を示したグラフ図。エンジンの構造を示した斜視図。同じく平面図。同じく左側面図。同じく右側面図。

図１を用いて、エンジン１００の構成について説明する。
なお、図１では、エンジン１００の構成を模式的に表している。

エンジン１００は、二段過給機を備えるミラーサイクル方式の直列６気筒ディーゼルエンジンである。エンジン１００は、エンジン本体１０と、二段過給機と、を具備している。本実施形態のエンジン１００は、舶用エンジンであって、特にプロペラを駆動するためのエンジン（主機）である。ただし、本発明は、プロペラを駆動するエンジンに限定されない。

エンジン本体１０は、吸気マニホールド１１と、排気マニホールド１２と、シリンダブロック１３と、シリンダヘッドと、フライホイール１７と、ギアケース１８と、を具備している。排気マニホールド１２は、動圧式排気マニホールドとされている。排気マニホールド１２では、気筒１、気筒４及び気筒５が集約されて排気管５２Ａに接続され、気筒２、気筒３及び気筒６が集約されて排気管５２Ｂに接続されている。

なお、本実施形態のエンジン１００では、排気マニホールド１２を気筒１、気筒４及び気筒５を一群として排気管５２Ａに接続し、気筒２、気筒３及び気筒６を一群として排気管５２Ｂに接続する動圧式排気マニホールドとしたが、これに限定されない。例えば、排気マニホールド１２を気筒１、気筒２及び気筒３を一群として排気管５２Ａに接続し、気筒４、気筒５及び気筒６を一群として排気管５２Ｂに接続する動圧式排気マニホールドとしても良い。

二段過給機は、高圧過給機２０と、低圧過給機３０と、高圧インタークーラ４１と、低圧インタークーラ４２と、を具備している。高圧過給機２０は、エンジン本体１０に対する排気の流れにおいて上流側に配置される過給機である。高圧過給機２０は、高圧コンプレッサ２１と、高圧タービン２２と、を具備している。低圧過給機３０は、エンジン本体１０に対する排気の流れにおいて下流側に配置される過給機である。低圧過給機３０は、低圧コンプレッサ３１と、低圧タービン３２と、を具備している。

高圧インタークーラ４１及び低圧インタークーラ４２は、二段過給機の吸気系統に配置されている。高圧インタークーラ４１は、高圧過給機２０の上流側に配置されている。低圧インタークーラ４２は、低圧過給機３０の上流側に配置されている。

吸気マニホールド１１と高圧インタークーラ４１とは、吸気管５１Ｂによって接続されている。高圧コンプレッサ２１と低圧インタークーラ４２とは、吸気管５１Ｃによって接続されている。

排気マニホールド１２と高圧タービン２２とは、排気管５２Ａ及び排気管５２Ｂによって接続されている。高圧タービン２２と低圧タービン３２とは、排気管５２Ｃによって接続されている。

図２を用いて、ミラーサイクル方式について説明する。
なお、図２では、ミラーサイクル方式をクランク角度とバルブリフトとの相関によって表している。また、図２では、紙面に向かって左側に排気弁のリフトを示し、右側に吸気弁のリフトを表している。

ミラーサイクル方式（ミラーサイクルエンジン）とは、吸気弁の閉時期を制御してピストンの下降に伴い吸気を膨張させつつ吸入空気量を制御するようにしたものである。本実施形態のミラーサイクル方式は、ピストンが下死点に到達するよりも吸気弁を早く閉じて吸入空気量を低減している。

例えば、ミラーサイクル方式では、吸気弁の標準（図２の実線）のリフトに対して、例えば、第一ミラー（図２の破線）、第二ミラー（図２の一点鎖線）、第三ミラー（図２の二点鎖線）のように閉時期を早くし、かつ、リフトを減少させている。本実施形態のエンジン１００では、第二ミラー方式が適用され、標準のリフトよりも略２５％リフトを減少させ、標準の閉時期よりも略４５°閉時期を早めている。

本実施形態のエンジン１００では第二ミラー方式が適用される構成とした。なお、排気弁の閉タイミングを早めることにより、排気仕事を向上させることも可能である。

図３乃至図６を用いて、二段過給機の構成について説明する。
なお、図３は、エンジン１００の斜視図を表し、図４は、エンジン１００の平面図を表し、図５は、エンジン１００の左側面図を表し、図６は、エンジン１００の右側面図を表している。

以降の説明は、図３乃至図６に記載されている長手方向、短手方向及び高さ方向に従うものとする。ここで、長手方向とは、フライホイール１７からギアケース１８に向かう方向とし、長手方向のフライホイール１７がある側をフライホイール側とし、ギアケース１８がある側をギアケース側として定義する。短手方向とは、フライホイール１７からギアケース１８に向かう方向と水平面で直交する方向であって、フライホイール１７からギアケース１８に向かって右側と左側とをそれぞれ定義する。

二段過給機は、上述したように、エンジン本体１０と、高圧過給機２０と、低圧過給機３０と、高圧インタークーラ４１と、低圧インタークーラ４２と、を具備している。高圧過給機２０、低圧過給機３０、高圧インタークーラ４１及び低圧インタークーラ４２は、エンジン本体１０の周囲に配置されている。

高圧インタークーラ４１は、長手方向のフライホイール側にて、エンジン本体１０に隣接して配置されている。また、高圧インタークーラ４１の上面は、高さ方向において、エンジン本体１０の上面と略同一となるように配置されている。さらに、高圧インタークーラ４１は、短手方向の略中央に配置されている。

低圧インタークーラ４２は、長手方向のフライホイール側にて、エンジン本体１０に隣接して配置されている。また、低圧インタークーラ４２の上面は、高さ方向において、エンジン本体１０の上面と略同一となるように配置されている。さらに、低圧インタークーラ４２は、短手方向の略中央に配置されている。

高圧過給機２０は、高圧インタークーラ４１の上側に配置されている。言い換えれば、高圧過給機２０は、エンジン１００において、長手方向のフライホイール側、かつ、高さ方向において上側、かつ、短手方向にて略中央に配置されている。

低圧過給機３０は、低圧インタークーラ４２の上側に配置されている。言い換えれば、低圧過給機３０は、エンジン１００において、長手方向のフライホイール側、かつ、高さ方向の上側、かつ、短手方向の略中央に配置されている。

すなわち、高圧過給機２０と低圧過給機３０とは、エンジン１００の長手方向にて、エンジン本体１０を介してギアケース側とフライホイール側とに分離して、それぞれ配置されている。

吸気管５１Ｂは、上述したように、吸気マニホールド１１（図１参照）と高圧インタークーラ４１とを接続するものである。吸気管５１Ｂは、エンジン本体１０の長手方向に沿って配置されている。また、吸気管５１Ｂは、高さ方向において、エンジン本体１０の上側に配置されている。さらに、吸気管５１Ｂは、短手方向において略中央に配置されている。

吸気管５１Ｃは、上述したように、高圧コンプレッサ２１と低圧インタークーラ４２とを接続するものである。吸気管５１Ｃは、エンジン本体１０の長手方向に沿って配置されている。また、吸気管５１Ｃは、高さ方向において、エンジン本体１０の上側に配置されている。さらに、吸気管５１Ｃは、エンジン１００の短手方向において左側に配置されている。また、吸気管５１Ｃは、直角に曲げられ、直線部を形成して高圧コンプレッサ２１に接続されている。

より詳しくは、吸気管５１Ｃは、平面視にてエンジン本体１０の左端側に沿って配置されている。また、吸気管５１Ｃは、後述する排気管５２Ｃと平行にかつエンジン本体１０を介して分離して配置されている。

排気管５２Ａは、上述したように、気筒１、気筒４及び気筒５を集約する排気マニホールド１２（図１参照）と高圧タービン２２とを接続するものである。排気管５２Ａは、エンジン本体１０の長手方向に沿って配置されている。また、排気管５２Ａは、高さ方向において、エンジン本体１０の上側に配置されている。さらに、排気管５２Ａは、短手方向において略中央に配置されている。

排気管５２Ｂは、上述したように、気筒２、気筒３及び気筒６が集約された排気マニホールド１２（図１参照）と高圧タービン２２とを接続するものである。排気管５２Ａは、エンジン本体１０の長手方向に沿って配置されている。また、排気管５２Ａは、高さ方向において、エンジン本体１０の上側に配置されている。さらに、排気管５２Ａは、短手方向において略中央に配置されている。

ここで、特記すべき事項として、排気管５２Ａと排気管５２Ｂとは、高さ方向にて略平行に並列して配置されている。排気管５２Ｂは、排気管５２Ａの上側に位置するように配置されている。

なお、本実施形態のエンジン１００では、排気管５２Ｂは、排気管５２Ａの上側に位置するように配置したが、これに限定されない。例えば、排気管５２Ａが排気管５２Ｂの上側に位置するように配置しても良い。

排気管５２Ｃは、上述したように、高圧タービン２２と低圧タービン３２とを接続するものである。排気管５２Ｃは、エンジン本体１０の長手方向に沿って配置されている。また、排気管５２Ｃは、高さ方向において、エンジン本体１０の上側に配置されている。さらに、排気管５２Ｃは、エンジン１００の短手方向である短手方向において右側に配置されている。また、排気管５２Ｃは、平面視にて略４５°右側に曲げられ、さらに略４５°左側に曲げられ、低圧タービン３２へ滑らかに接続されている。

より詳しくは、排気管５２Ｃは、平面視にてエンジン本体１０の右端側に沿って配置されている。また、排気管５２Ｃは、上述した吸気管５１Ｃと平行にかつ分離して配置されている。

ここで、特記すべき事項として、排気管５２Ｃは、平面視にて、エンジン本体１０に対して排気管５２Ａ及び排気管５２Ｂの外側（短手方向の右側）に配置されている。言い換えれば、排気管５２Ａ及び排気管５２Ｂは、平面視にて、エンジン本体１０に対して排気管５２Ｃの内側（短手方向の左側）に配置されている。

エンジン１００の効果について説明する。
エンジン１００によれば、ピストンが下死点に到達するよりも吸気弁を早く閉じてＮＯｘを低減するとともに、コンパクトな構成とすることができる。

従来、ピストンが下死点に到達するよりも吸気弁を早く閉じる或いは有効的に閉じるミラーサイクル方式のエンジンでは、低負荷・低速領域において、吸入給空気量を増加しなければならない問題を解決するために、可変バルブ機構、ウェストゲートバルブ等を設けることが考えられるが、エンジンの構成が複雑になっていた。

エンジン１００では、吸気弁を下死点よりも早く閉じてＮＯｘを低減するとともに、高圧過給機２０及び低圧過給機３０から構成される二段過給機、並びに、排気マニホールドを動圧式排気マニホールとして構成することによって、コンパクトな構成とすることができる。

また、エンジン１００によれば、排気管５２Ａと排気管５２Ｂとを高さ方向に並列に配置することによって、排気管を配置するスペースをコンパクトに構成できる。

さらに、エンジン１００によれば、排気管５２Ａ及び排気管５２Ｂを、排気管５２Ａ又は排気管５２Ｂよりも配管径の大きい排気管５２Ｃよりも平面視にて内側に配置することによって、排気管を配置するスペースをコンパクトに構成できる。なお、排気管５２Ｃは、例えば断面積が排気管５２Ａと排気管５２Ｃとの断面積の和の１０％以上となるような径で構成されている。

さらに、エンジン１００の効果について説明する。
エンジン１００によれば、コンパクトな構成とすることができる。

従来、高圧過給機と低圧過給機とが近接に配置され、さらに高圧過給機と低圧過給機とを吸気管及び排気管によって接続するエンジンでは、高圧過給機及び低圧過給機を配置した部分（側）のスペースが奪われ、エンジンの構成をコンパクトにすることができなかった。

エンジン１００によれば、高圧過給機２０と低圧過給機３０とをエンジン１００の長手方向のギアケース側とフライホイール側とに分離して配置することによって、コンパクトな構成とすることができる。そして、高圧過給機２０又は低圧過給機３０のメンテナンス時の作業性も向上できる。

また、エンジン１００によれば、吸気管５１Ｃと排気管５２Ｃとを、エンジン本体１０の短手方向の右側と左側とに分離して平行に配置することによって、コンパクトな構成とすることができる。

さらに、エンジン１００によれば、高圧過給機２０を高圧インタークーラ４１の上方に配置し、低圧過給機３０を低圧インタークーラ４２の上方に配置することによって、コンパクトな構成とすることができる。

１０エンジン本体
１１吸気マニホールド
１２排気マニホールド
２０高圧圧縮機
３０低圧圧縮機
４１高圧インタークーラ
４２低圧インタークーラ
５１Ｂ吸気管
５１Ｃ吸気管
５２Ａ排気管
５２Ｂ排気管
５２Ｃ排気管
１００エンジン

Claims

複数気筒を有し、ピストンが下死点に到達するよりも早く吸気弁を閉じるエンジンであって、
高圧過給機と低圧過給機とからなる二段過給機と、
前記複数気筒の排気系を２群に分けて２つの排気管が前記高圧過給機に接続される動圧式排気マニホールドと、
を具備する、
エンジン。
請求項１記載のエンジンであって、
前記動圧式排気マニホールドに接続される２つの排気管は、高さ方向にて並列に配置される、
エンジン。
請求項２記載のエンジンであって、
前記動圧式排気マニホールドに接続される２つの排気管は、前記高圧過給機と前記低圧過給機とを接続する排気管よりも平面視にて内側に配置される、
エンジン。