JP4165730B2

JP4165730B2 - 多シリンダエンジンの吸気構造

Info

Publication number: JP4165730B2
Application number: JP2000305977A
Authority: JP
Inventors: 悦夫長; 理恵片山
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2000-10-05
Filing date: 2000-10-05
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2020-10-05
Also published as: JP2002115609A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多シリンダエンジンの吸気構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多シリンダで、かつ大型のエンジンにおいては、良好なトルク特性等の性能を得るために、吸気構造にターボチャージャを用いて吸気の充填効率を向上させている。このターボチャージャは、各シリンダ毎に設けたシリンダヘッドの複数個ずつ、例えば３個のシリンダヘッドに１個ずつ設けられる各吸気マニホールド毎に１個ずつ用いられている。このため、片方ずつに９シリンダ直列にシリンダを配列したＶ型１８シリンダのディーゼルエンジンの場合、片方の３個ずつの吸気マニホールドが独立して設けられ、それぞれの吸気マニホールドの入口側（上流側）に１個ずつのターボチャージャのダクトが接続されている。
【０００３】
このような多シリンダ大型エンジンの吸気構造では、シリンダ３個ごとに１個の吸気マニホールド及びこれに接続するターボチャージャを有しており、しかも直列に配列された９個のシリンダの吸気順序が連続しないことにより、３個ずつのシリンダに対応して独立して設けられた各吸気マニホールドの相互において吸気圧力が変動する。また、シリンダからの排気ガスで駆動されるターボチャージャも、シリンダの爆発順序が連続しないことにより、これに入る排気エネルギーが変動して過給圧が吸気マニホールド毎に変動する。
【０００４】
このような不具合を解消するために、実用新案登録第２５９３１４９号公報に示されたように、各吸気マニホールド相互を断続可能にして連通するようにしたものがある。
【０００５】
上記した従来の技術にあっては、エンジンの回転速度に応じて吸気マニホールドの相互を連通したり、遮断したりして吸気系の充填効率を回転速度に応じて向上することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、吸気マニホールド内にアフタークーラーを内装した場合、上記従来の技術のように吸気マニホールドの相互を単に連通しただけの構成では吸気圧のバラツキを解消することができなかった。
【０００７】
この場合、ターボチャージャに入る排気エネルギのばらつきや各ターボチャージャの性能のばらつき等により、アフタークーラー及び吸気マニホールドの吸気通路構成を独立して設けた各通気通路間においては、吸気圧力にばらつきができる。そこで、各吸気通路間を吸気マニホールドのアフタークーラーの下流側室においてのみ他の吸気マニホールド相互で連通すると、この連通部分の流れが各通路間で主流の吸気流れに対して略直角の方向になるため、各シリンダ間で流速分布ができ、吸気量のばらつきが発生する。また、各シリンダによる吸気順序の非連続性により、各吸気通路において、吸気圧力の脈動が発生する。
【０００８】
本発明は上記のことにかんがみなされたもので、複数の吸気マニホールドを用い、かつこの吸気マニホールドのそれぞれの内部にアフタークーラーを内装したエンジンの吸気構造において、各吸気マニホールド相互間の吸入空気流量の均一化を図ると共に、シリンダの吸気順序の不連続による吸気圧力の脈動の発生を防止できるようにした多シリンダエンジンの吸気構造を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び作用、効果】
上記目的を達成するために、本発明に係る多シリンダエンジンの吸気構造の第１の発明は、アフタークーラー及びターボチャージャを備えた多シリンダエンジンの吸気構造において、複数のシリンダ毎に１個の吸気マニホールドを独立して複数取付けると共に、各吸気マニホールド内にアフタークーラーを設け、アフタークーラーにて仕切られる各吸気通路の上流側室同士を連通した構成になっている。
【００１０】
この第１の発明によれば、アフタークーラーを内装した吸気マニホールドの上流側室の相互を連通したことにより、この連通された上流側室へ流入した各ターボチャージャからのばらつきのある圧力は均一化される。また、互いに連通する連通路からの流れで乱された吸気流はこれより下流側に位置する整流効果を持ってアフタークーラーを通過するのでこの流れが均一化される。
【００１１】
また、第２の発明は、アフタークーラー付きターボチャージャを備えた多シリンダエンジンの吸気構造において、複数のシリンダ毎に１個の吸気マニホールドを独立して複数取付けると共に各吸気マニホールド内にアフタークーラーを設け、アフタークーラーにて仕切られる各吸気マニホールドの上流側室と下流側室のそれぞれを、上記複数の吸気マニホールド相互で上流側室同士、及び下流側室同士で連通した構成になっている。
【００１２】
この第２の発明によれば、アフタークーラーにて仕切られた吸気マニホールドの下流側室だけではなく、上流側室にても他の吸気マニホールドのそれぞれと連通することにより、ターボチャージャからの吸気はアフタークーラーが整流効果を有するので、各吸気マニホールドにおける吸気の流速分布が均一化され、各吸気通路間の吸入流量の均一化を図ることができる。
【００１３】
また、吸気順序の非連続性により、各吸気通路において発生する吸気圧力の脈動も、各吸気マニホールドのアフタークーラーの下流側相互で連通したことにより低減することができる。
【００１４】
これらのことから、大型のシリンダエンジンにあっても、、コンパクトな構成で効率よく吸気の脈動を低減できて、体積効率を上げ、かつ過給効率を向上することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図２は本発明装置を実施しようとするＶ型多シリンダ、例えばＶ型１８シリンダのディーゼルエンジンの一例を示し、図１に本発明装置の具体的な構成を模式的に示す。
【００１６】
図２において、シリンダ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉは片側に９個ずつ直列に配列されており、それぞれの頭部にはユニットインジェクタ（燃料噴射装置）２及びこれに連通する燃料穴（図示せず）、さらにシリンダ１ａ〜１ｉの各吸入口に連通する吸気通路４等を備えたシリンダヘッド５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇ，５ｈ，５ｉが固着してある。そして図１に示すように、この各シリンダヘッドのうち、３個ずつのシリンダヘッド５ａ〜５ｃ，５ｄ〜５ｆ，５ｇ〜５ｉの側面に１個ずつの吸気マニホールド６ａ，６ｂ，６ｃが固着してある。そして図１において、各シリンダヘッド５ａ〜５ｉに対応するシリンダ１ａ〜１ｉに示した数字は、クランク軸の２回転（７２０度）における爆発順序を示す。
【００１７】
そして各吸気マニホールド６ａ〜６ｃは図１及び図２に示すように、それぞれ個々のターボチャージャ１０ａ，１０ｂ，１０ｃにダクト１１ａ，１１ｂ，１１ｃを介して接続されており、この各吸気マニホールド６ａ〜６ｃとダクト１１ａ〜１１ｃの先端側に形成したアフタークーラーカバー１２ａ，１２ｂ，１２ｃとの間の空間内にアフタークーラー１３ａ，１３ｂ，１３ｃが内装してある。この各アフタークーラー１３ａ〜１３ｃは吸気マニホールド６ａ〜６ｃとアフタークーラーカバー１２ａ〜１２ｃの間にこれのフランジ１４が挟着されて支持されており、各吸気マニホールド６ａ〜６ｃはこのアフタークーラー１３ａ〜１３ｃのフランジ１４にて上流側室１５ａと下流側室１５ｂとに仕切られ、各ダクト１１ａ〜１１ｃからの吸気の全量がアフタークーラー１３ａ〜１３ｃで整流されて通ってシリンダヘッド側へ流入するようになっている。
【００１８】
そして図１に示すように、上記した３個の吸気マニホールド６ａ，６ｂ，６ｃのそれぞれの上流側室１５ａの相互が上流側の連通管１６ａにて、また下流側室１５ｂの相互が下流側の連通管１６ｂにてそれぞれ連通されている。
【００１９】
この構成によれば、各アフタークーラ１３ａ〜１３ｃのフランジ１４にて仕切られる各吸気マニホールド６ａ，６ｂ，６ｃの上流側室１５ａの相互、及び下流側室１５ｂの相互が連通されて各側の室相互の圧力は均一化される。
【００２０】
そして吸気マニホールドの上流側室の相互を連通したことにより、この連通した各上流側室へ流入した各ターボチャージャからのばらつきのある圧力は均一化される。また連通管１６ａ，１６ｂからの流れで乱された吸気流は下流側にあるアフタークーラー１３ａ〜１３ｃを通過するのでその流れが均一化される。
【００２１】
また、吸気マニホールドの下流側室相互をも連通したことにより、吸気順序の非連続性による各吸気流路における吸気圧力の脈動が低減される。
【００２２】
本発明者らは、複数の吸気マニホールド相互を連通した場所と連通しない場所の吸気系に対する体積効率（ηｖ：％）を調べた。その結果を表１に示す。
【００２３】
【表１】

【００２４】
なお表１中、第１例は、複数の吸気マニホールド相互の連通無しの場合、第２例は、上流側室相互の連通無し、下流側室相互の連通有りの場合、第３例は、上流側室相互の連通有り、下流側室相互の連通無しの場合、第４例は上流側室の相互、下流側室の相互をそれぞれ連通有りにした場合である。
【００２５】
この実験結果によれば、表によって明らかなように、吸気マニホールドの相互を連通した方が吸気系の体積効率がよくなるが、下流側室の相互だけを連通した場合（第２例）より、上流側室の相互だけを連通した場合（第３例）の方が体積効率がよくなり、上流側室の相互と、下流側室の相互をそれぞれ連通した場合（第４例）の体積効率がさらによくなることがわかった。
【００２６】
図３は上記構成における吸気マニホールドの上流側室と下流側室のぞれぞれの圧力変化を示す。図中横軸はクランク軸の回転角であり、この間の９個のシリンダの爆発順序はＮＯ１（１ａ），ＮＯ２（１ｂ），ＮＯ４（１ｄ），ＮＯ６（１ｆ），ＮＯ８（１ｈ），ＮＯ９（１ｉ），ＮＯ７（１ｇ），ＮＯ５（１ｅ），ＮＯ３（１ｃ）となり、それぞれは８０度毎に行われる。このときの吸気マニホールドの上流側室の圧力変化は図中太線（上側）で示すようになり、下流側室の圧力変化は細線（下側）で示すようになった。そしてこのときの吸気系にあっては、クランク軸の７２０度にわたる回転角が１８０度から４１０度（２３０度）にわたる間ＡがＮＯ５のシリンダの吸気バルブ開期間、５００度から１０度（２３０度）にわたる間ＢがＮＯ４のシリンダの吸気バルブ開期間、５８０度から９０度（２３０度）にわたる間ＣがＮＯ６のシリンダの吸気バルブ開期間である。
【００２７】
この圧力測定は、複数の吸気マニホールドの相互を全く連通しない場合（第１例）と、相互の下流側室のみを連通した場合（第２例）と、上流側室の相互及び下流側室の相互を連通した場合（第４例）を行った。
【００２８】
その結果、第１例における上流側室と下流側室の圧力は点線で示すようになり、第２例では鎖線で示すようになり、第４例では実線で示すようになった。この測定結果において、各測定結果を示す波線の凹凸の高さは、上流側室と下流側室の双方において、第１例（点線）が大きく、第２例（鎖線）がそれより小さく、さらに第４例（実線）の凹凸が第１・第２の例のものより小さくなり、第４例、すなわち、複数の吸気マニホールドの上流側室の相互、及び下流側室の相互を連通した場合における各室の圧力が均一化されたことがわかる。
【００２９】
なお、図３において、ａの部分は５番目に爆発するシリンダの吸入の影響を受けて圧力が低下する部分、ｂの部分は４番目に爆発するシリンダの吸入の影響を受けて圧力が低下する部分、ｃの部分は６番目に爆発するシリンダの影響を受けて圧力が低下する部分である。
【００３０】
上記実施の形態では各吸気マニホールド毎にターボチャージャを設けた例を示したが、複数の各吸気マニホールドに１個の共通のターボチャージャを用いても本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す模式図である。
【図２】本発明を適用しようとするエンジンの要部を示す断面図である。
【図３】クランク軸２回転間における吸気マニホールドの圧力変化を示す線図である。
【符号の説明】
１ａ〜１ｉ…シリンダ、２…ユニットインジェクタ、４…吸気通路、５ａ〜５ｉ…シリンダヘッド、６ａ〜６ｃ…吸気マニホールド、１０ａ〜１０ｃ…ターボチャージャ、１１ａ〜１１ｃ…ダクト、１２ａ〜１２ｃ…アフタークーラーカバー、１３ａ〜１３ｃ…アフタークーラー、１４…フランジ、１５ａ…上流側室、１５ｂ…下流側室、１６ａ，１６ｂ…連通管

Claims

アフタークーラー（１３ａ〜１３ｃ）及びターボチャージャ（１０ａ〜１０ｃ）を備えた多シリンダエンジンの吸気構造において、
複数のシリンダ毎に１個の吸気マニホールド（６ａ〜６ｂ）を独立して複数取付けると共に、各吸気マニホールド（６ａ〜６ｂ）内にアフタークーラー（１３ａ〜１３ｃ）を設け、
アフタークーラー（１３ａ〜１３ｃ）にて仕切られる各吸気通路の上流側室（１５ａ）同士を連通した
ことを特徴とする多シリンダエンジンの吸気構造。
アフタークーラー（１３ａ〜１３ｃ）付きターボチャージャ（１０ａ〜１０ｃ）を備えた多シリンダエンジンの吸気構造において、
複数のシリンダ毎に１個の吸気マニホールド（６ａ〜６ｃ）を独立して複数取付けると共に各吸気マニホールド（６ａ〜６ｃ）内にアフタークーラー（１３ａ〜１３ｃ）を設け、
アフタークーラー（１３ａ〜１３ｃ）にて仕切られる各吸気マニホールド（６ａ〜６ｃ）の上流側室（１５ａ）と下流側室（１５ｂ）のそれぞれを、上記複数の吸気マニホールド（６ａ〜６ｃ）相互で上流側室（１５ａ）同士、及び下流側室（１５ｂ）同士で連通した
ことを特徴とする多シリンダエンジンの吸気構造。