JP2018112165A - エンジン排気構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボチャージャー及びＥＧＲの効率を高める。【解決手段】第一気筒１０１及び第四気筒１０４に連通される第一ガス流路１１と、第二気筒１０２及び第三気筒１０３に連通される第二ガス流路１２と、第一ガス流路１１及び第二ガス流路１２に連通されるターボチャージャー３と、を備え、ターボチャージャー３は、第一ガス流路１１及び第二ガス流路１２が合流されるターボ内流路３１を有し、第一ガス流路１１に連通される第一気筒１０１及び第四気筒１０４は、互いに排気時期が異なる気筒であり、第二ガス流路１２に連通される第二気筒１０２及び第三気筒１０３は、互いに排気時期が異なる気筒であり、第一ガス流路１１は、ＥＧＲ４に連通されるＥＧＲ連通口１１ａを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、四気筒エンジンのエンジン排気構造に関する。

四気筒エンジンに連通されるエキゾーストマニホールドは、エンジンの各気筒の排気ポートに接続される４本の枝管を備えている（例えば、特許文献１参照）。通常、直列四気筒のエンジンでは、第一気筒、第三気筒、第四気筒、第二気筒の順に爆発する。そして、エキゾーストマニホールドは、第一気筒、第二気筒、第三気筒及び第四気筒の各排気ポートから排出された排気ガスを合流させて下流側に排出する。

国際公開第２００７／０９４２５１号

ところで、エンジンの各気筒からは、排気バスのパルス状の運動エネルギーであるパルスエネルギーが出力される。しかしながら、エキゾーストマニホールドでは、各気筒から排出される排気ガスが合流されるため、排気干渉が起こる。このため、エキゾーストマニホールドにターボチャージャー及びＥＧＲが接続されている場合、ターボチャージャーを回転させるエネルギー及び排気ガスをＥＧＲに供給するエネルギーが小さくなる。これにより、ターボチャージャー及びＥＧＲの効率が不十分となるため、特にエンジンの回転数が小さい場合は、ターボチャージャーを十分に回転させながらＥＧＲに排気ガスを十分に排出することができないという問題がある。

そこで、本発明は、ターボチャージャー及びＥＧＲの効率を高めることができるエンジン排気構造を提供することを目的とする。

本発明に係るエンジン排気構造は、四気筒エンジンのエンジン排気構造であって、二気筒に連通される第一ガス流路と、残りの二気筒に連通される第二ガス流路と、第一ガス流路及び第二ガス流路に連通されるターボチャージャーと、を備え、ターボチャージャーは、第一ガス流路及び第二ガス流路が合流されるターボ内流路を有し、第一ガス流路に連通される二気筒は、互いに排気時期が異なる気筒であり、第二ガス流路に連通される二気筒は、互いに排気時期が異なる気筒であり、第一ガス流路は、ＥＧＲに連通されるＥＧＲ連通口を有する。

このエンジン排気構造では、エキゾーストマニホールドは、第一ガス流路及び第二ガス流路を備える。そして、第一ガス流路及び第二ガス流路には、それぞれ互いに排気時期が異なる気筒が連通されているため、第一ガス流路及び第二ガス流路内では排気干渉が起こらない。このため、ターボチャージャーに伝えられる各気筒からのパルスエネルギーが、排気干渉により低減されるのを抑制することができる。これにより、ターボチャージャーの効率を高めることができる。しかも、ＥＧＲには、排気干渉が生じない第一ガス流路にのみ連通されているため、各気筒からのパルスエネルギーを、排気干渉により減衰させることなく、そのままＥＧＲに伝えることができる。これにより、ＥＧＲの効率を高めることができる。

第一ガス流路と第二ガス流路との合流部では、第一ガス流路の開口面積は、第二ガス流路の開口面積よりも小さくてもよい。このエンジン排気構造では、合流部における第一ガス流路の開口面積が第二ガス流路の開口面積よりも小さいため、第一ガス流路からターボチャージャーに流れる排気ガスの圧力損失が大きくなる。これにより、第一ガス流路からＥＧＲに排気ガスが流れやすくなるため、ＥＧＲの効率を更に高めることができる。

ターボチャージャーは、可変ノズルにより排気ガスの流路面積を変えることができる可変ノズルターボであってもよい。このエンジン排気構造では、ターボチャージャーが可変ノズルターボであるため、エンジン回転数に応じた最適な過給圧を発生させることができる。しかも、可変ノズルターボには、減衰が抑制されたパルスエネルギーが伝達されるため、エンジンの回転数が小さい場合にも、可変ノズルを開いて、排気ガスの熱エネルギーを仕事に変換することができる。これにより、ターボチャージャーの効率を向上させることができる。

本発明によれば、ターボチャージャー及びＥＧＲの効率を高めることができる。

実施形態に係るエンジン排気構造を模式的に示す破断面図である。 ターボ内流路からエキゾーストマニホールドを見た模式図である。 各気筒の吸排気時期を示すタイムチャートである。 比較例のエンジン排気構造を模式的に示す破断面図である。 比較例のエンジン排気構造において排気ブレーキを作動させている状態を示す模式図である。 図５の状態における各気筒の吸排気時期を示すタイムチャートである。 実施形態のエンジン排気構造において排気ブレーキを作動させている状態を示す模式図である。 図７の状態における各気筒の吸排気時期を示すタイムチャートである。

以下、実施形態に係るエンジン排気構造について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、排気ガスの流れ方向における上流及び下流を、単に上流及び下流ともいう。

図１は、実施形態に係るエンジン排気構造を模式的に示す破断面図である。図１に示すように、本実施形態に係るエンジン排気構造１は、四気筒のエンジン１００に接続されるエキゾーストマニホールド２と、ターボチャージャー３と、ＥＧＲ４と、を備える。

エンジン１００は、直列四気筒の４サイクルエンジンである。エンジン１００は、第一気筒１０１、第二気筒１０２、第三気筒１０３及び第四気筒１０４を備える。第一気筒１０１、第二気筒１０２、第三気筒１０３及び第四気筒１０４は、この順に直列に配列されている。

図３は、各気筒の吸排気時期を示すタイムチャートである。図３に示すように、エンジン１００では第一気筒１０１、第三気筒１０３、第四気筒１０４、第二気筒１０２の順番で爆発する。そして、第一気筒１０１は、第二気筒１０２及び第三気筒１０３と排気時期が重複するが、第四気筒１０４とは排気時期が重複しない。第二気筒１０２は、第一気筒１０１及び第四気筒１０４と排気時期が重複するが、第三気筒１０３とは排気時期が重複しない。第三気筒１０３は、第一気筒１０１及び第四気筒１０４と排気時期が重複するが、第二気筒１０２とは排気時期が重複しない。第四気筒１０４は、第二気筒１０２及び第三気筒１０３と排気時期が重複するが、第一気筒１０１とは排気時期が重複しない。

図１に示すように、エキゾーストマニホールド２は、第一ガス流路１１と、第二ガス流路１２と、を備える。第一ガス流路１１は、エンジン１００の各気筒のうち、二気筒に連通されるガス流路であり、第二ガス流路１２は、エンジン１００の各気筒のうち、残りの二気筒に連通されるガス流路である。第一ガス流路１１に連通される二気筒は、互いに排気時期が異なる気筒であり、第二ガス流路１２に連通される残りの二気筒は、互いに排気時期が異なる気筒である。上述したように、第一気筒１０１と第四気筒１０４とは、互いに排気時期が異なるため、第一気筒１０１及び第四気筒１０４が第一ガス流路１１に連通される。また、第二気筒１０２と第三気筒１０３とは、互いに排気時期が異なるため、第二気筒１０２及び第三気筒１０３が第二ガス流路１２に連通される。

具体的に説明すると、第一ガス流路１１は、第一気筒１０１の排気ポート（不図示）に連通される第一枝流路２１と、第四気筒１０４の排気ポート（不図示）に連通される第四枝流路２４と、第一枝流路２１と第四枝流路２４とが合流されてなる第一合流路２５と、を備える。

第一枝流路２１の排気ガスの流れ方向における上流端は、第一気筒１０１の排気ポートからエキゾーストマニホールド２に排気ガスが導入される第一導入口２１ａとなっている。第四枝流路２４の排気ガスの流れ方向における上流端は、第四気筒１０４の排気ポートからエキゾーストマニホールド２に排気ガスが導入される第四導入口２４ａとなっている。第一合流路２５の排気ガスの流れ方向における下流端は、エキゾーストマニホールド２から排気ガスが排出される第一排出口２５ａとなっている。

第二ガス流路１２は、第二気筒１０２の排気ポート（不図示）に連通される第二枝流路２２と、第三気筒１０３の排気ポート（不図示）に連通される第三枝流路２３と、第二枝流路２２と第三枝流路２３とが合流されてなる第二合流路２６と、を備える。

第二枝流路２２の排気ガスの流れ方向における上流端は、第二気筒１０２の排気ポートからエキゾーストマニホールド２に排気ガスが導入される第二導入口２２ａとなっている。第三枝流路２３の排気ガスの流れ方向における上流端は、第三気筒１０３の排気ポートからエキゾーストマニホールド２に排気ガスが導入される第三導入口２３ａとなっている。第二合流路２６の排気ガスの流れ方向における下流端は、エキゾーストマニホールド２から排気ガスが排出される第二排出口２６ａとなっている。

ターボチャージャー３は、排気ガスが流通するターボ内流路３１と、ターボ内流路３１に配置されたタービン（不図示）と、を備える。タービンは、エンジン１００の吸気流路に配置されたコンプレッサを回転させるためのものである。ターボチャージャー３としては、如何なるターボチャージャーを用いてもよいが、エンジン回転数に応じた最適な過給圧を発生させることができる観点から、ノズル可変ターボ（Variable Nozzle Turbo）を用いることが好ましい。ノズル可変ターボは、タービンに設けられた可変ノズル（不図示）により排気ガスの流路面積を変えることができるものである。なお、可変翼ターボ（Variable Geometry System）は、ノズル可変ターボの一種である。

ターボ内流路３１は、エキゾーストマニホールド２の第一合流路２５及び第二合流路２６に連通される。具体的には、ターボ内流路３１の排気ガスの流れ方向における上流端は、第一合流路２５の第一排出口２５ａ及び第二合流路２６の第二排出口２６ａと接続されるターボ導入口３１ａとなっている。

ターボ内流路３１は、第一合流路２５と第二合流路２６とを合流してなる。このため、ターボ導入口３１ａは、第一ガス流路１１と第二ガス流路１２とが合流する合流部となる。

図２は、ターボ内流路からエキゾーストマニホールドを見た模式図である。図２に示すように、ターボ導入口３１ａでは、第一ガス流路１１の開口面積は、第二ガス流路１２の開口面積よりも小さい。つまり、第一排出口２５ａの開口面積は、第二排出口２６ａの開口面積よりも小さい。第一排出口２５ａ（第一ガス流路１１）の開口面積と第二排出口２６ａ（第二ガス流路１２）の開口面積との割合は、特に限定されるものではない。

図１に示すように、ＥＧＲ４は、エキゾーストマニホールド２に排気された排気ガスをエンジン１００の吸気側に再循環させるシステムである。ＥＧＲ４は、エキゾーストマニホールド２の第一ガス流路１１とエンジン１００の吸気流路（不図示）とを連通するＥＧＲ流路４１を備える。第一ガス流路１１のＥＧＲ流路４１と連通されるＥＧＲ連通口１１ａは、第一ガス流路１１の排気ガスの流れ方向における上流端と下流端との間であれば、如何なる位置に設けられてもよい。ＥＧＲ連通口１１ａは、第一ガス流路１１を短くする観点から、第一枝流路２１又は第四枝流路２４に設けられていることが好ましい。なお、本実施形態では、ＥＧＲ連通口１１ａは、第一枝流路２１に設けられている。

このように構成されるエンジン排気構造１では、第一気筒１０１及び第四気筒１０４の各排気ポートから排出された排気ガスは、第一ガス流路１１に導入されて、第一ガス流路１１からターボ内流路３１及びＥＧＲ流路４１に排出される。一方、第二気筒１０２及び第三気筒１０３の各排気ポートから排出された排気ガスは、第二ガス流路１２に導入されて、第二ガス流路１２からターボ内流路３１に排出される。

具体的に説明すると、第一気筒１０１の排気ポートから排出された排気ガスは、第一導入口２１ａから第一枝流路２１に導入される。また、第四気筒１０４の排気ポートから排出された排気ガスは、第四導入口２４ａから第四枝流路２４に導入される。第一枝流路２１及び第四枝流路２４に導入された排気ガスは、第一合流路２５で合流された後、第一排出口２５ａからターボ内流路３１に排出される。更に、第一枝流路２１に導入された排気ガスは、ＥＧＲ連通口１１ａからＥＧＲ流路４１に排出される。

一方、第二気筒１０２の排気ポートから排出された排気ガスは、第二導入口２２ａから第二枝流路２２に導入される。また、第三気筒１０３の排気ポートから排出された排気ガスは、第三導入口２３ａから第三枝流路２３に導入される。第二枝流路２２及び第三枝流路２３に導入された排気ガスは、第二合流路２６で合流された後、第二排出口２６ａからターボ内流路３１に排出される。

図４は、比較例のエンジン排気構造を模式的に示す破断面図である。図４に示すように、比較例のエンジン排気構造２０１のエキゾーストマニホールド２０２では、エンジン１００の全ての気筒に連通される共通ガス流路２０３が設けられている。そして、共通ガス流路２０３は、ターボ内流路３１に連通されるとともに、ＥＧＲ流路４１に連通されている。

エンジン１００の各気筒からは、排気バスのパルス状の運動エネルギーであるパルスエネルギーが出力される。しかしながら、比較例のエンジン排気構造２０１では、エンジン１００の全ての気筒が共通ガス流路２０３に連通されているため、共通ガス流路２０３において、各気筒から排出される排気ガスの排気干渉が起こる。その結果、各気筒からのパルスエネルギーは、排気干渉により低減されてターボチャージャー３及びＥＧＲ４に伝えられるため、ターボチャージャー３及びＥＧＲ４の効率が低下する。

これに対し、本実施形態に係るエンジン排気構造１では、エキゾーストマニホールド２は、第一ガス流路１１及び第二ガス流路１２を備える。そして、第一ガス流路１１及び第二ガス流路１２には、それぞれ互いに排気時期が異なる気筒が連通されているため、第一ガス流路１１及び第二ガス流路１２内では排気干渉が起こらない。このため、ターボチャージャー３に伝えられる各気筒からのパルスエネルギーが、排気干渉により低減されるのを抑制することができる。これにより、ターボチャージャー３の効率を高めることができる。しかも、ＥＧＲ４には、排気干渉が生じない第一ガス流路１１にのみ連通されているため、第一気筒１０１及び第四気筒１０４からのパルスエネルギーを、排気干渉により減衰させることなく、そのままＥＧＲ４に伝えることができる。これにより、ＥＧＲ４の効率を高めることができる。

ところで、ある気筒の排気ポートから排気ガスが排出されると、この排気ガスのパルスエネルギーが、他の気筒の排気ポートに伝えられる。このとき、吸気ポートが開いている他の気筒では、当該パルスエネルギーにより排気ポートが僅かに開くため、ポンピングロスが発生する。排気ポートが開く時期と吸気ポートが開く時期との重複期間が短い場合は、ポンピングロスの影響は小さいが、排気ポートが開く時期と吸気ポートが開く時期との重複期間が長い場合は、ポンピングロスの影響が大きくなる。そして、排気ポートが開く時期と吸気ポートが開く時期との重複期間が長くなる気筒は、互いに排気時期の重複する気筒となる。

図５は、比較例のエンジン排気構造において排気ブレーキを作動させている状態を示す模式図である。図７は、実施形態のエンジン排気構造において排気ブレーキを作動させている状態を示す模式図である。図５及び図７に示すように、ターボチャージャー３から排出される排出流路５を開閉する排気ブレーキのバルブ６を閉じると、ある気筒の排気ポートから排出された排気ガスは、他の気筒の排気ポートに送られる。例えば、第二気筒１０２の排気ポートから排気ガスが排出される場合は、この排気ガスは、第一気筒１０１、第三気筒１０３及び第四気筒１０４の排気ポートに送られる。このとき、第三気筒１０３及び第四気筒１０４の吸気ポートが開いている。そして、第二気筒１０２の排気ポートが開く時期と第四気筒１０４の吸気ボートが開く時期との重複期間は短いが、第二気筒１０２の排気ポートが開く時期と第四気筒１０４の吸気ボートが開く時期との重複期間は長い。

図６は、図５の状態における各気筒の吸排気時期を示すタイムチャートである。図５及び図６に示すように、比較例のエンジン排気構造２０１では、エキゾーストマニホールド２０２において全ての気筒が共通ガス流路２０３に連通されているため、第二気筒１０２の排気ポートから第四気筒１０４の排気ポートまでの距離が短い。このため、第二気筒１０２の排気ポートから排出された排気ガスのパルスエネルギーは、殆ど減衰されることなく第四気筒１０４の排気ポートに伝えられる。その結果、第四気筒１０４の排気ポートが大きく開いてしまい、大きなポンピングロスが発生する。

図８は、図７の状態における各気筒の吸排気時期を示すタイムチャートである。図７及び図８に示すように、本実施形態のエンジン排気構造１では、エキゾーストマニホールド２において互いに排気時期が異なる気筒が第一ガス流路１１及び第二ガス流路１２に連通されているため、第二気筒１０２の排気ポートから第四気筒１０４の排気ポートまでの距離が長い。つまり、第二気筒１０２の排気ポートから排出された排気ガスは、ターボ内流路３１を経由しないと、第四気筒１０４の排気ポートに到達しない。このため、第二気筒１０２の排気ポートから排出された排気ガスのパルスエネルギーは、大きく減衰されて第四気筒１０４の排気ポートに伝えられる。その結果、第四気筒１０４の排気ポートは小さくしか開かないため、ポンピングロスを抑制することができる。これにより、燃費を向上することができる。

また、第一ガス流路１１と第二ガス流路１２との合流部であるターボ導入口３１ａにおいて、第一ガス流路１１の開口面積が第二ガス流路１２の開口面積よりも小さいため、第一ガス流路１１からターボ内流路３１に流れる排気ガスの圧力損失が大きくなる。これにより、第一ガス流路１１からＥＧＲ流路４１に排気ガスが流れやすくなるため、ＥＧＲ４の効率を更に高めることができる。

また、ターボチャージャー３が可変ノズルターボである場合は、エンジン回転数に応じた最適な過給圧を発生させることができる。しかも、可変ノズルターボには、減衰が抑制されたパルスエネルギーが伝達されるため、エンジンの回転数が小さい場合にも、可変ノズルを開いて、排気ガスの熱エネルギーを仕事に変換することができる。これにより、ターボチャージャー３の効率を高めることができる。この場合、第一ガス流路１１の開口面積を第二ガス流路１２の開口面積よりも小さくすることで、可変ノズルターボの可変ノズルを開いても、ＥＧＲ４に排気ガスを十分に排出することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用してもよい。例えば、上記実施形態では、エンジンの各気筒における爆発順序を例示したが、各気筒における爆発順序は特に限定されるものではない。

１…エンジン排気構造、２…エキゾーストマニホールド、３…ターボチャージャー、４…ＥＧＲ、５…排出流路、６…バルブ、１１…第一ガス流路、１１ａ…ＥＧＲ連通口、１２…第二ガス流路、２１…第一枝流路、２１ａ…第一導入口、２２…第二枝流路、２２ａ…第二導入口、２３…第三枝流路、２３ａ…第三導入口、２４…第四枝流路、２４ａ…第四導入口、２５…第一合流路、２５ａ…第一排出口、２６…第二合流路、２６ａ…第二排出口、３１…ターボ内流路、３１ａ…ターボ導入口、４１…ＥＧＲ流路、１００…エンジン、１０１…第一気筒、１０２…第二気筒、１０３…第三気筒、１０４…第四気筒、２０１…エンジン排気構造、２０２…エキゾーストマニホールド、２０３…共通ガス流路。

Claims (3)

1. 四気筒エンジンのエンジン排気構造であって、
   二気筒に連通される第一ガス流路と、
   残りの二気筒に連通される第二ガス流路と、
   前記第一ガス流路及び前記第二ガス流路に連通されるターボチャージャーと、を備え、
   前記ターボチャージャーは、前記第一ガス流路及び前記第二ガス流路が合流されるターボ内流路を有し、
   前記第一ガス流路に連通される前記二気筒は、互いに排気時期が異なる気筒であり、
   前記第二ガス流路に連通される前記二気筒は、互いに排気時期が異なる気筒であり、
   前記第一ガス流路は、ＥＧＲに連通されるＥＧＲ連通口を有する、
   エンジン排気構造。
2. 前記第一ガス流路と前記第二ガス流路との合流部では、前記第一ガス流路の開口面積は、前記第二ガス流路の開口面積よりも小さい、
   請求項１に記載のエンジン排気構造。
3. 前記ターボチャージャーは、可変ノズルにより排気ガスの流路面積を変えることができる可変ノズルターボである、
   請求項１又は２に記載のエンジン排気構造。
   

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