JP2016102464A

JP2016102464A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2016102464A
Application number: JP2014241949A
Authority: JP
Inventors: 順平森; Junpei Mori
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2016-06-02
Anticipated expiration: 2034-11-28
Also published as: JP6482113B2

Abstract

【課題】できるだけ構造を簡単化しつつ、低回転域から高回転域まで高い過給性能（加速応答性）を確保する。【解決手段】１つの気筒１に２つの排気ポート１１，１２を設けた内燃機関において、両排気ポート１１，１２を互いに独立させてシリンダヘッド３の一側面３ｂに開口させて、一対の排気ポート１１，１２を、互いに異なる排気マニホールド５，６に接続する。排気マニホールド５，６にはそれぞれ別々の排気ターボ過給機１５，１６を接続している。低回転域では片方の排気バルブ１３，１４を排気行程でも閉じておくことにより、第１排気マニホールド５を通じて第１排気ターボ過給機（小型排気ターボ過給機）１５のみに排気ガスを供給できる。これにより、低回転域での加速応答性を向上できる。【選択図】図１

Description

本願発明は、排気ターボ過給機を備えた内燃機関に関するもので、特に、車両用内燃機関を好適な対象にしている。

排気ターボ過給機を備えた内燃機関は広く普及しているが、排気ターボ過給機には排気ガスの流量や流速との関係で効率良く仕事をする使用域があり、低回転域から高回転域まで高い効率で過給できる排気ターボ過給機はまだ出現していない。

従って、排気ガス量が少なくて流速も遅い低回転域に適合させた仕様であると、排気ガスの量が多くて流速も早い中高速回転域では能力を越えてしまう現象が発生し、逆に、中高回転域に適合させた仕様では、低回転域において排気ガスがタービン室を通過するだけで排気ガスの運動エネルギを回転軸のトルクに適切に変換できず、所望の過給ができない（車両用の場合は低速時の加速応答性が悪い）という現象が生じる。

この点について特許文献１には、多気筒内燃機関において、１つの気筒に対応して１つの排気出口をシリンダヘッドの一側面に開口させて、各気筒の排気出口にそれぞれ独立排気通路を接続し、これら独立排気通路を１本に集合させてこれに排気ターボ過給機を接続すると共に、各排気出口を連通路で接続し、連通路と各独立通路との分岐部に切り替え弁を設けることが開示されている。

特開昭６１−１０６３１９号公報

特許文献１は、連通路を設けることで排気ガスの温度を低下させ、これにより、排気ターボ過給機の熱負荷を低減せんとしたものである。しかし、特許文献１は基本的には排気ターボ過給機は１つであるため（第７図にツインターボが開示されているが、気筒との関係でみると、排気ターボ過給機は一群の気筒に１台しか設けていない。）、中高回転域において、大量の排気ガスが排気ターボ過給機を通過することに違いはなく、このため、熱負荷の低減に限度があるのみならず、１台の排気ターボ過給機で低速から高速まで広い範囲で高い過給性能を確保できるとは言い難い。

本願発明は、このような現状を改善することを目的とするものである。

本願発明の内燃機関は、１つ又は複数の気筒を備えたシリンダブロックに、前記気筒を覆うシリンダヘッドを固定しており、前記シリンダヘッドに、排気弁で開閉される排気ポートを、シリンダヘッドの一側面に開口するように形成している、という基本構成になっている。

そして、請求項１の発明は、上記基本構成において、
前記シリンダヘッドの一側面に、一対の排気ポートのうち一方に連通した第１排気マニホールドと、他方の排気ポートに連通した第２排気マニホールドとを接続して、前記第１排気マニホールドと第２排気マニホールドとのうちいずれか一方又は両方に排気ターボ過給機を接続しており、
前記一対の排気ポートのうち一方又は両方の排気ガス流量を弁手段で制御することにより、前記両排気マニホールドに対する排気ガスの分配が制御される。

本願発明は、請求項２の構成も含んでいる。この請求項２の発明は、請求項１において、複数の気筒を有していて、前記シリンダヘッドには複数対の排気ポートが形成されており、第１排気マニホールドには小型排気ターボ過給機を接続して、第２排気マニホールドには大型排気ターボ過給機を接続しており、前記小型排気ターボ過給機をシリンダヘッドに近づけて配置している。

本願発明において、弁手段として、排気ポートにバタフライ式やシャッター式等の弁装置を配置することも可能であるが、排気弁自体を弁手段として、排気行程において排気弁を閉じたままや半開きにしておくことにより、排気ガスが一方の排気ポートのみを流れたり、両方の排気ポートを流れたりする状態に変えることができる。

２つの排気ポートが全開状態になると、第１排気マニホールドと第２排気マニホールドとの両方に排気ガスがフルに流れる。第２排気マニホールドに対応した排気弁を半開きとすることで、第２排気マニホールドに第１排気マニホールドよりも少ない量の排気ガスを流すことも可能である。

本願発明では、低回転域では、排気行程でも片方の排気ポートを閉じたままにしておくことにより、例えば、第１排気マニホールドのみに排気ガスが流れる構成とすることができる。このため、第１排気マニホールドに接続された排気ターボ過給機として、低回転対応仕様のものを採用することにより、低回転域での過給の応答性を高めて、加速性能を向上できる。すなわち、排気ガスの排出量が少なくても、小型排気ターボ過給機に集中的にかつできるだけ高速で排気ガスを供給することにより、低回転域での高い過給性能を得ることができる。

他方、中回転域では、両方の排気ポートを全開にしたり、片方は半開きにしたりして、第１排気マニホールドと第２排気マニホールドとの両方に排気ガスを流すことにより、第１排気マニホールドに接続された排気ターボ過給機が過大な熱負荷を受けたりポンピングロスが大きくなったりすることを防止しつつ、排気ガスを適切に排出することが可能になる。

２つの排気マニホールドに排気ターボ過給機を接続すると、低回転域から高回転域までの広い範囲にわたって高い過給性能を得ることができる。この場合は、常に排気ガスが流れる排気ターボ過給機は、低回転域で効率がよく仕事をする小型排気ターボ過給機にして、中高速回転域で作動する排気ターボ過給機は大量の排気ガスに対応した大型排気ターボ過給機とすると、特に好適であるといえる。

バルブタイミングを変更できる可変式排気弁は広く実用化されているが、排気行程においてもカム軸のカムがプッシャー（リフター）に当たらないように設定しておくことにより、２つの排気弁のうち片方だけを開くことが可能である（或いは、片方を閉じた状態に保持しておくことが可能である。）。従って、弁手段としてバルブタイミング可変式の排気弁を流用すると、構造を複雑化することなく、しかも、確実に排気ガスの排出態様を制御できる利点がある。

低回転域では、排気ガスは、量は少なくて一般に温度も低く、かつ、流速も遅い。このため、排気ターボ過給機まで距離が長くなるほど、温度低下による膨張等による運動エネルギの低下が顕著に現れる。これに対して請求項２の構成を採用すると、第１排気マニホールドに接続した排気ターボ過給機を低回転域対応のものとすることにより、低回転域でも排気ガスのエネルギを低下させることなく排気ターボ過給機に導いて、エネルギのロスを大幅に抑制できる利点がある。

第１実施形態の模式図である。第２実施形態を模式図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は自動車用内燃機関に適用している。内燃機関は、第１〜第３の３つの気筒（シリンダボア）１ａ〜１ｃを有するシリンダブロック２と、その上面に重ね固定されたシリンダヘッド３とを備えており、シリンダヘッド３の長手他側面３ａに吸気マニホールド４が固定されて、シリンダヘッド３の長手一側面３ｂには、第１排気マニホールド５と第２排気マニホールド６とが固定されている。

吸気マニホールド４の集合部にはサージタンク７が接続されており、サージタンク７にスロットルバルブ８を設けている。スロットルバルブ８には、エアクリーナ９を始端とする吸気通路１０が接続されている。

シリンダヘッド３には、各気筒１に対応して、第１排気ポート１１と第２排気ポート１２との２つの排気ポートが形成されている。両排気ポート１１，１２は互いに独立しており、その始端は気筒１に開口して、終端はシリンダヘッド３の一側面３ｂに開口している。かつ、第１排気ポート１１の始端は第１排気バルブ１３で開閉されて、第２排気ポート１２の始端は第２排気バルブ１４で開閉される。

よく知られている構造なので図示による説明は省略するが、排気バルブ１３，１４は、ばねで閉じ方向に付勢されていると共に、カム軸のカムが当接するプッシャーは油圧等で上下動させる昇降式になっており、プッシャーを下降させ切ると、カム軸のカムは全く当たらずに、排気行程においても排気バルブ１３，１４を全閉状態にすることができる。また、ロッカーアームの立接部の高さを変えることによっても、バルブタイミングを変えることができる。

そして、第１排気マニホールド５と第２排気マニホールド６とはそれぞれ３本の枝管５ａ〜５ｃ，６ａ〜６ｃと集合部５ｄ，６ｄを有しているが、まず、第１排気マニホールド５については、第１枝管５ａを第１気筒１ａの第２排気ポート１２に接続し、第２枝管５ｂを第２気筒１ｂの第２排気ポート１２に接続し、第３枝管５ｃを第３気筒１ｃの第１排気ポート１１に接続している。

第２排気マニホールド５については、第１枝管６ａを第１気筒１ａの第１排気ポート１１に接続し、第２枝管６ｂを第２気筒１ｂの第１排気ポート１１に接続し、第３枝管６ｃを第３気筒１ｃの第２排気ポート１２に接続している。両排気マニホールド５，６の枝管は平面視ではクロスしているが、第２排気マニホールド６の枝管６ａ〜６ｃを下に曲げることで、互いの緩衝を回避している（第１排気マニホールド５の枝管５ａ〜５ｃを下げてもよいし、両者を上下逆方向に曲げてもよい。）。

図から理解できるように、第１排気マニホールド５の枝管５ａ〜５ｃが、第２排気マニホールド６の枝管６ａ〜６ｃよりも短くなっている。

そして、第１排気マニホールド５の集合部５ｄに、第１排気ターボ過給機（小型排気ターボ過給機）１５のタービン室１７をフランジ接続し、第２排気マニホールド６の集合部６ｄに、第２排気ターボ過給機（大型排気ターボ過給機）１６のタービン室１７をフランジ接続している。両排気ターボ過給機１５，１６はコンプレッサ室１８を有しており、タービン室１７に配置した排気タービン１９とコンプレッサ室１８に配置した圧縮インペラ２０とが、回転軸２１で連結されている。

両排気ターボ過給機１５，１６のコンプレッサ室１８は、吸気通路１０と過給通路２２で接続されている。敢えて述べるまでもないが、吸気はコンプレッサ室１８に軸方向から流入して周方向に排出される。タービン室１７には、排気ガスは周方向から流入して軸方向に抜ける。

第１排気ターボ過給機１５の排気出口通路２３は、第２排気ターボ過給機１６の入口通路２４に接続されている。従って、全ての気筒１ａ〜１ｃの全ての排気ポート１１，１２から排気ガスが排出された場合は、排気ガスの全量が第２排気ターボ過給機１６を通過する。また、第１排気ターボ過給機１５で仕事をした排気ガスは、第２排気ターボ過給機１６で再度仕事をすることになる。

両排気ターボ過給機１５，１６とも、排気ガスをタービン室１７の上流側から排気出口２３，２５にリークさせるバイパス通路２６を設けており、バイパス通路２６にウエストゲートバルブ２７を設けている。

以上の構成において、アイドリング域からそれに近い低回転域では、第１気筒１ａの第１排気ポート１１と、第２気筒１ｂの第１排気ポート１１と、第３気筒１ｃの第２排気ポート１２は閉じて、排気ガスが第１排気マニホールド５のみに流れる態様にする。これにより、少ない量の排気ガスをできるだけ高速で小型排気ターボ過給機１５に流すことができ、これにより、低回転域での高い過給性能を確保できる。従って、低速時の加速応答性を高くできる。

ある程度の回転域に至ると、全ての排気ポート１１，１２を開く。すると、両排気ターボ過給機１５，１６をフルに駆動させて、この場合も高い過給性能を得ることができる。回転域やトルクに応じて、第１気筒１ａの第１排気バルブ１３と、第２気筒１ｂの第１排気バルブ１３と、第３気筒１ｃの第２排気バルブ１４の開度を制御することにより、第２排気マニホールド６に流れる排気ガスの量を調整して、第２排気ターボ過給機１６の過給率を調節できる。

これら両排気バルブ１３，１４の開度調節とウエストゲートバルブ２７の制御との組み合わせにより、機関の最適な回転数制御を実現することができる。第２排気マニホールド６に排気ガスが流れる状態では、第２排気ターボ過給機１６に流れる排気ガスの量が第１排気ターボ過給機１５を流れる排気ガスの量よりも多いので、実施形態のように、第２排気ターボ過給機１６は第１排気ターボ過給機１５より大型であるのが好ましい。

図１の実施形態では、第１排気ターボ過給機１５を通過した排気ガスが第２排気ターボ過給機１６に流入するように構成しているが、図２に示す実施形態では、第１排気ターボ過給機１５と第２排気ターボ過給機１６とは互いに独立しており、両者を通過した排気ガスは、それぞれ独立して排気されるようになっている。この場合は、２つの排気マニホールドに流れる排気ガスの最大量は同じになるので、２つの排気ターボ過給機は同じ仕様であるのが好ましい。

第２排気マニホールド６に排気ターボ過給機を接続せずに、第２排気マニホールド６からは単に排気ガスが排出される構成とすることも可能である。特に、ガソリン機関の場合は、空燃比が重要な制御要素になり、高回転域では必ずしも過給が必要不可欠でない場合もあり得るので、排気ターボ過給機を低回転域用の１台だけ搭載することも可能である。この場合、排気ガスが１台の排気ターボ過給機に集中することはないため、排気ターボ過給機が過剰な熱負荷を受けることを防止できる。ディーゼル機関の場合は、過過給でも差し支えない場合も多いと共に掃気の完全性等の要請があるため、２つの排気ターボ過給機を搭載するのが好適であるといえる。

上記の実施形態は３気筒の内燃機関に適用したが、本願発明は単気筒又は他の気筒数の多気筒内燃機関にも適用できる。第１排気ポートと第２排気ポートとを２つの排気マニホールドに接続する態様は図示の実施形態に限定されない。各気筒の各第１排気ポートを一方の排気マニホールドに接続して、各気筒の各第２排気ポートを第２排気マニホールドに接続することも可能である。

本願発明は、実際に内燃機関に適用できる。従って、産業上利用できる。

１ａ〜１ｃ気筒
３シリンダヘッド
４吸気マニホールド
５第１排気マニホールド
５ａ〜５ｃ枝管
５ｄ集合部
６第２排気マニホールド
６ａ〜６ｃ枝管
６ｄ集合部
１１，１２排気ポート
１３，１４弁手段としての排気バルブ
１５第１排気ターボ過給機
１６第2 排気ターボ過給機
１７タービン室
１８コンプレッサ室
１９排気タービン
２０圧縮インペラ

Claims

１つ又は複数の気筒を備えたシリンダブロックに、前記気筒を覆うシリンダヘッドを固定しており、前記シリンダヘッドに、排気弁で開閉される排気ポートを、シリンダヘッドの一側面に開口するように形成している構成であって、
前記排気ポートは１つの気筒に一対設けられていて、両排気ポートは各々独立してシリンダヘッドの一側面に開口している一方、
前記シリンダヘッドの一側面に、一対の排気ポートのうち一方に連通した第１排気マニホールドと、他方の排気ポートに連通した第２排気マニホールドとを接続して、前記第１排気マニホールドと第２排気マニホールドとのうちいずれか一方又は両方に排気ターボ過給機を接続しており、
前記一対の排気ポートのうち一方又は両方の排気ガス流量を弁手段で制御することにより、前記両排気マニホールドに対する排気ガスの分配が制御される、
内燃機関。
複数の気筒を有していて、前記シリンダヘッドには複数対の排気ポートが形成されており、第１排気マニホールドには小型排気ターボ過給機を接続して、第２排気マニホールドには大型排気ターボ過給機を接続しており、前記小型排気ターボ過給機をシリンダヘッドに近づけて配置している、
請求項１に記載した内燃機関。