JP2016053313A - 内燃機関の排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷間始動後の高い排気温度の確保と暖機完了後の高負荷運転時における排気の冷却とを両立させる。
【解決手段】直列４気筒内燃機関において、♯２気筒および♯３気筒の排気ポートは、シリンダヘッド内部で互いに合流し、一つの集合排気ポート２ｂｃとして開口する。♯１，♯４気筒は、個々の個別排気ポート２ａ，２ｄとして開口する。排気マニホルドは、♯１，♯４気筒の個別排気管と、♯２，♯３気筒の集合排気管と、を備えており、これら３本の排気管の先端が触媒コンバータに接続される。集合排気ポート２ｂｃの等価直径は、個別排気ポート２ａ，２ｄの等価直径以下に設定されており、暖機完了後の高負荷運転時などに冷却水による積極的な冷却が行われる。
【選択図】図２

Description

この発明は多気筒内燃機関の排気装置に関し、特に、複数の気筒の排気ポートをシリンダヘッド内部で合流させてなる集合排気ポートと、個々の気筒毎に独立した個別排気ポートと、を備えた内燃機関の排気装置に関する。

例えば特許文献１には、直列４気筒内燃機関において、点火順序が連続しない♯２気筒と♯３気筒の排気ポートをシリンダヘッド内部で合流させる一方、♯１気筒と♯４気筒の排気ポートはそのままシリンダヘッド側面に開口させた構成の排気装置が開示されている。つまり、♯２，♯３気筒の排気ポートは一つの集合排気ポートとして構成され、♯１気筒の排気ポートと♯４気筒の排気ポートは、個々の気筒毎に独立した個別排気ポートとして構成されている。そして、♯２，♯３気筒用の集合排気ポートは、一つの集合排気管を介して触媒コンバータに接続されており、♯１気筒および♯４気筒の個別排気ポートは、各々独立した個別排気管を介して触媒コンバータに接続されている。

このように一部の気筒の排気ポートをシリンダヘッド内部で合流させた構成では、冷間始動時に、集合排気管を介して触媒コンバータに導入される排気の温度が高く得られるため、始動後の触媒の早期活性の上で有利となる。さらに特許文献１では、♯２，♯３気筒用の集合排気管の管長を♯１，♯４気筒用の個別排気管の管長よりも短くすることで、集合排気管からの放熱の抑制を図っている。

特開２００８−３８８３８号公報

上記のように一部の気筒の排気ポートをシリンダヘッド内部で合流させた構成では、冷間始動後の触媒の早期活性の点で有利であるが、その反面、暖機後の高負荷運転時などに集合排気ポートおよび集合排気管を通して触媒コンバータへ流入する排気の温度が過度に高くなり易く、触媒の劣化などの懸念がある。

つまり、冷間始動時には、触媒の早期活性のために触媒コンバータへ排気をなるべく高い温度を保ったまま導入したい、という要求がある一方で、高負荷時には、触媒コンバータへ導入される排気の温度をできるだけ抑制したい、という要求がある。上記従来の構成では、このような相反する要求を両立させることが困難である。

この発明は、複数の気筒の排気ポートをシリンダヘッド内部で合流させてなる集合排気ポートと、個々の気筒毎に独立した個別排気ポートと、がシリンダヘッド側面にそれぞれ開口するとともに、
上記集合排気ポートに接続された集合排気管と、上記個別排気ポートに接続された個別排気管と、が単一の触媒コンバータに接続されてなる内燃機関の排気装置において、
上記集合排気ポートの出口部における等価直径が、１つの個別排気ポートの出口部における等価直径以下に設定されている。

内燃機関の暖機完了後は、シリンダヘッドの各部は冷却水の循環によって冷却されており、排気ポートを流れる排気は、これによって冷却作用を受ける。

高温のガスが管路を流れるときの放熱量と通路の等価直径との関係について検討すると、等価直径が大となるほど放熱面積が増加する反面、ガスの流速が低下するので、管路の壁面が一定の低温でかつ十分に多量の高温ガスが流れる条件の下では、高温ガスからの放熱量は、通路の等価直径の（−０．８）乗にほぼ比例する。

従って、上記のように集合排気ポートの出口部における等価直径を個別排気ポートの出口部における等価直径以下に設定することで、高負荷運転時のように排気温度が高いときに、シリンダヘッド内部での冷却が積極的に行われることとなり、集合排気管を介して触媒コンバータへ流入する排気の過度の温度上昇が抑制される。

一方、冷間始動直後においては、シリンダヘッドと排気ガスとの温度差は比較的小さく、またアイドル時などは排気ガスの総量が少ないことから等価直径を小さくしたことに伴う流速増加（つまり放熱量増加）が比較的小さい。従って、冷間始動時の集合排気管を流れる排気の温度には大きな影響を与えることがなく、複数気筒の排気ポートを合流させたことに伴う高い排気温度が得られ、触媒の早期活性が可能である。

この発明によれば、冷間始動後の排気温度に大きな影響を与えることなく高負荷運転時の排気温度の低減が図れ、冷間始動時の触媒の早期活性と高負荷運転時の触媒の温度抑制とを、より高いレベルで両立させることができる。

この発明に係る排気装置を備えたシリンダヘッドの断面図。 このシリンダヘッドの排気ポート側の側面図。 シリンダヘッドに取り付けられる排気マニホルドの斜視図。 シリンダヘッドにおける排気ポートの等価直径と放熱量との関係を示した特性図。 暖機後の排気管の等価直径と放熱量との関係を示した特性図。 通路の偏平率と放熱量との関係を示した特性図。

図１〜図３は、この発明を直列４気筒内燃機関に適用した一実施例を示している。シリンダヘッド１においては、図１に示すように、♯１〜♯４気筒の排気ポート２ａ〜２ｄが、シリンダヘッド１の一方の側面１ａに向かって延びており、吸気ポート３ａ〜３ｄが他方の側面１ｂに向かって延びている。ここで、♯１気筒および♯４気筒の排気ポート２ａ，２ｄは、個別排気ポートとして気筒毎に独立してシリンダヘッド１の側面１ａに開口しており、♯２気筒および♯３気筒の排気ポート２ｂ、２ｃは、シリンダヘッド１内部で互いに合流し、一つの集合排気ポート２ｂｃとしてシリンダヘッド１の側面１ａに開口している。なお、♯２気筒と♯３気筒は点火時期が３６０°ＣＡ離れており、排気干渉は生じない。上記シリンダヘッド１は、排気ポート２ａ〜２ｄの周囲を囲むようにウォータジャケット４を備えており、冷却水の循環によって強制的に冷却されている。

図２は、シリンダヘッド１の側面１ａを示しており、図示するように、♯１，♯４気筒の個別排気ポート２ａ，２ｄは、それぞれ、ほぼ真円の円形に開口している。これに対し、中央に位置する♯２，♯３気筒の集合排気ポート２ｂｃの出口部は、気筒列方向に長い楕円形ないし長円形に開口しており、その短径は、個別排気ポート２ａ，２ｄの出口部における径よりも小さい。また、集合排気ポート２ｂｃの出口部における等価直径は、♯１気筒の個別排気ポート２ａおよび♯４気筒の個別排気ポート２ｄの出口部における等価直径以下に設定されている。

図３は、シリンダヘッド１の側面１ａに取り付けられる排気マニホルド５を示している。この排気マニホルド５は、♯１気筒の個別排気ポート２ａに接続される♯１個別排気管６と、♯４気筒の個別排気ポート２ｄに接続される♯４個別排気管７と、中央の集合排気ポート２ｂｃに接続される集合排気管８と、を備えており、これら３本の排気管６，７，８の基端がヘッド取付フランジ９によって支持されている。♯１個別排気管６および♯４個別排気管７は、ほぼ円形の断面形状を有し、集合排気管８は、気筒列方向に延びた細長い長円形の断面形状を有している。

また、集合排気管８の通路断面積は、♯１個別排気管６および♯４個別排気管７の個々の通路断面積よりも大きく設定されている。つまり、集合排気管８の等価直径は、当該集合排気管８が接続される集合排気ポート２ｂｃの出口部における等価直径よりも大きい。

♯１個別排気管６、♯４個別排気管７および集合排気管８の先端は、単一の触媒コンバータ１１の上流側のディフューザ部１１ａにそれぞれ接続されている。触媒コンバータ１１は、円柱状のモノリス触媒担体を円筒形金属製ケース内に収容したものであって、ディフューザ部１１ａは、触媒担体端面との間に径が徐々に拡大する空間を形成するように略円錐形に構成されている。

集合排気管８は、ヘッド取付フランジ９から気筒列方向と直交する方向に沿って直線的に延び、かつ先端部が下方を指向するように湾曲して、ディフューザ部１１ａの上流側端部に接続されている。触媒コンバータ１１との接続部では、集合排気管８は、略半円形の断面形状を有している（図示せず）。

気筒列方向の前後に位置する♯１個別排気管６および♯４個別排気管７は、平面視でほぼ対称をなすように気筒列方向に湾曲して延び、かつ先端部が下方を指向するように湾曲して、ディフューザ部１１ａの上流側端部に接続されている。より詳しくは、♯１個別排気管６および♯４個別排気管７は、触媒コンバータ１１の直近で略Ｙ字形ないし略Ｔ字形に合流しており、合流後の１本となった接続管部１２がディフューザ部１１ａに接続されている。触媒コンバータ１１との接続部では、接続管部１２は、集合排気管８端部と対称な略半円形の断面形状を有している（図示せず）。

なお、図３に示すように、集合排気管８は、内側つまりシリンダヘッド１寄りに配置され、個別排気管６，７は、集合排気管８の上方ないし外側を通過するように配置されている。両者の通路長は、できるだけ等長となるように設定されている。

上記実施例の構成においては、♯１気筒の排気および♯４気筒の排気が個々に個別排気ポート２ａ，２ｄおよび個別排気管６，７を介して触媒コンバータ１１へ流れるのに対し、♯２気筒の排気および♯３気筒の排気は、共通の集合排気ポート２ｂｃおよび集合排気管８を介して触媒コンバータ１１へ流れる。従って、冷間始動時には、♯２，♯３気筒の排気が比較的高温を保ったまま触媒コンバータ１１に供給され、触媒の早期活性に寄与する。 ここで、集合排気ポートを具備した構成では、前述したように、暖機完了後の高負荷運転時などに逆に排気温度が過渡に高くなりやすい不利益があるが、上記実施例では、集合排気ポート２ｂｃの等価直径を積極的に小さく設定することで、暖機完了後の高負荷運転時における排気温度の抑制が図れる。

すなわち、シリンダヘッド１は、ウォータジャケット４を流れる冷却水によって強制的に冷却されており、暖機完了後の高負荷運転時など多量の排気が高い排気温度で流れるときには、この冷却水による冷却が支配的となる。管路の壁面が一定の低温でかつ十分に多量の高温ガスが流れる条件の下では、高温ガスからの放熱量は、図４に示すように、等価直径が小さいほど大となる。つまり、流速の上昇に伴う放熱量の増加が放熱面積の減少に伴う放熱量の減少を上回ることになる。従って、上記実施例のように集合排気ポート２ｂｃの等価直径を個別排気ポート２ａ，２ｄの個々の等価直径以下に設定することにより、冷却水による効果的な冷却が図れ、高負荷運転時などにおける過度の排気温度上昇が抑制される。さらに、集合排気ポート２ｂｃの出口部は、気筒列方向に長い楕円形ないし長円形に開口しており、その短径が個別排気ポート２ａ，２ｄの出口部における径よりも小さなものとなる程度に偏平化している。このように偏平な形状とすることにより、同じ等価直径であっても、放熱量がより増大する。図６に偏平率と放熱量との関係を示すように、偏平率が大きいほど放熱量が大となる。

また、集合排気管８は、集合排気ポート２ｂｃの等価直径よりも大きな等価直径を有しているが、集合排気管８のように外気に晒される薄肉の管を高温の排気が流れる条件下では、放熱面積の多少が流速の増減よりも支配的となることから、図５に示すように、高温ガスからの放熱量は、等価直径が大きいほど大となる。従って、上記実施例のように集合排気管８の等価直径を集合排気ポート２ｂｃの等価直径よりも大きく設定することにより、暖機完了後の高負荷運転時などの条件では、集合排気管８での放熱量が大きくなり、排気温度が低減する。

このように、上記実施例では、触媒の劣化などが問題となる暖機完了後の高負荷運転時などにおける排気温度の過度の上昇を抑制できる。

一方、冷間始動後の例えばアイドル運転においては、集合排気ポート２ｂｃを流れるガス量は少なく、また排気温度がそれほど高くないことから冷却水と排気温度との温度差は比較的小さい。そのため、上記実施例のように集合排気ポート２ｂｃの等価直径を比較的小さく設定したことに伴う放熱量の増加（つまり排気温度の低下）は殆どない。また、集合排気管８においては、その等価直径を集合排気ポート２ｂｃの等価直径よりも大きくしてあるので、図４に示したように、放熱量が少なくなる。

従って、集合排気ポート２ｂｃおよび集合排気管８を通して触媒コンバータ１１へ導入される♯２，♯３気筒の排気は、比較的高温のまま触媒コンバータ１１に到達する。そのため、触媒の早期活性を損なうことがない。

１…シリンダヘッド
２ａ，２ｄ…個別排気ポート
２ｂｃ…集合排気ポート
５…排気マニホルド
６，７…個別排気管
８…集合排気管
１１…触媒コンバータ

Claims (4)

1. 複数の気筒の排気ポートをシリンダヘッド内部で合流させてなる集合排気ポートと、個々の気筒毎に独立した個別排気ポートと、がシリンダヘッド側面にそれぞれ開口するとともに、
   上記集合排気ポートに接続された集合排気管と、上記個別排気ポートに接続された個別排気管と、が単一の触媒コンバータに接続されてなる内燃機関の排気装置において、
   上記集合排気ポートの出口部における等価直径が、１つの個別排気ポートの出口部における等価直径以下に設定されている、内燃機関の排気装置。
2. 上記集合排気ポートの出口部は、気筒列方向に長い楕円形ないし長円形をなし、その短径は、個別排気ポートの出口部における短径よりも小さい、請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
3. 上記集合排気管の等価直径が、上記集合排気ポートの出口部における等価直径よりも大きく設定されている、請求項１または２に記載の内燃機関の排気装置。
4. 内燃機関が直列４気筒内燃機関であり、♯２気筒および♯３気筒の排気ポートがシリンダヘッド内部で合流して一つの集合排気ポートを構成し、この集合排気ポートに上記集合排気管が接続されている、請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の排気装置。

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