JP4282068B2

JP4282068B2 - 内燃機関の排気系構造

Info

Publication number: JP4282068B2
Application number: JP2004025152A
Authority: JP
Inventors: 部功阿; 田友康原
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2004-02-02
Filing date: 2004-02-02
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2024-02-02
Also published as: JP2005214157A

Description

本発明は、ターボチャージャ及びＥＧＲシステムを有する内燃機関（例えば、自動車用エンジン）の排気系の構造に関する。

排気ガス還流（ＥＧＲ）システムについては、従来からも種々提案されている（例えば、特許文献１〜特許文献３参照）。
近年、ターボチャージャを備えた内燃機関において、ＥＧＲシステムを搭載することが行われている。

ＥＧＲシステムは排気系からＥＧＲラインを分岐して排気ガスの一部を吸気側へ導入することによって、シリンダ内の燃焼温度を下げ、排気ガスに含まれるＮＯｘ排出量を抑制する。
排気系からＥＧＲラインを分岐させる位置如何によっては、ターボチャージャの効率に影響を及ぼす可能性があり、或いは、ＥＧＲ率を増加させることが出来ない場合があり得る。
即ち、分岐点をターボチャージャのインレット近傍に設けた場合は、排気ガスに、分岐による乱流が発生し、タービンの回転を低下させてしまう、或いは分岐点において、分岐管側へ流入するのに大きく流れの方向を変えさせられる場合は、分岐管側へのＥＧＲ流量は限定されてくる。

しかし、従来、エンジン開発において、ターボチャージャのエンジンへの搭載（採用）時期とＥＧＲシステムの採用時期とは必ずしも一致するものではなく、ターボチャージャの効率とＥＧＲ率の増加に及ぼす影響を考慮して、ＥＧＲラインの分岐位置を決定することは行われていなかった。
従って、従来技術において、ターボチャージャを備えた内燃機関にＥＧＲシステムを組み合わせると、ＥＧＲラインの分岐位置によってはターボチャージャの効率が悪化し、或いは、所望のＥＧＲ率を実現することが出来なくなる可能性がある。

ここで、従来技術におけるＥＧＲラインのエキゾーストマニフォルド側の分岐点周辺の構造を図５から図８を参照して説明する。

図５はエンジン１を上方から見た平面図である。図５において、シリンダヘッド１１の側面１２に取り付けられたエキゾーストマニフォルド２のアウトレット２ｏにはタービン３１とコンプレッサ３２とを有するターボチャージャ３が取り付けられている。

前記エキゾーストマニフォルド２の、図示における右端から２番目のシリンダＣ２の排気ポートＰｃ２の流路を含む断面位置には、図６に示すように前記排気ポートＰｃ２の流路と直交し且つ開口部を垂直上方に向けた、ＥＧＲ分岐部２Ｅが形成されている。

また、図８に示すように前記エキゾーストマニフォルド２の図５におけるＹ−Ｙ断面、すなわち前記２番目のシリンダＣ２の排気ポートＰｃ２に連通する流路断面２２ｉは、基本が矩形で４隅が円弧で丸められた四角断面となっている。一方、図７に示すように、ＥＧＲ分岐部２Ｅの流路断面は円形である。

従って、前記ＥＧＲ分岐部２Ｅに接続され、吸気系に排気ガスの一部を還流させる排気還流管４０への排気ガス（ＥＧＲ）の流れＧは、先ず、図６に示すように前記排気ポートＰｃ２からエキゾーストマニフォルド２のマニフォルド分岐部２２の流路２２ｉを経由した後、急に直角上方に進路を変更させられることとなる。

さらに、前記エキゾーストマニフォルドの流路２２ｉを含む全域の流路断面が４角を基本の断面となっているのに対して、ＥＧＲ分岐部２Ｅ及び、下流側の排気還流管４０の断面が、マニフォルド２側の流路断面積に対して面積の大きさが減じられた円形となっているため、排気ポートＰｃ２から排出された排気ガスが排気還流管４０に流入していくためには、直角に進路を変更する際の抵抗及び断面形状が急激に変更する際の抵抗を受け、流入量は大幅に減じられてしまっていた。
実開平５−１７１４８号公報特開平７−１０３０８３号公報実開平７−４２４２２号公報

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、ターボチャージャ及びＥＧＲシステムを備えた内燃機関であっても、ターボチャージャの効率を低下させる恐れや、ＥＧＲ率が低下する恐れが無い内燃機関の排気系構造の提供を目的としている。

発明者は、ターボチャージャを備えた内燃機関にＥＧＲシステムを導入するにあたって排気ガスの解析を行い、ＥＧＲラインの分岐位置が一定の条件を満たす場合には、ターボ効率を向上し及び／又はＥＧＲ量を増加することが可能である旨を見出した。

本発明によれば、ターボチャージャ（３）と排気還流管（４０）を有するＥＧＲシステムを備え、複数の気筒を有する内燃機関（１）の排気系構造において、前記内燃機関（１）の１番目のシリンダ（Ｃ１）に接続されてエキゾーストマニフォルド（２）のコーナ部にＥＧＲ分岐部（２Ｅ）が設けられ、前記ＥＧＲ分岐部（２Ｅ）の端部の接続用フランジ（２Ｆｅ）に前記排気還流管（４０）が接続され、前記ＥＧＲ分岐部（２Ｅ）の流路（２Ｅｉ）が前記シリンダヘッド（１１）の１番目のシリンダ（６）に対応する円形の断面を備えた排気ポート（Ｐｃ１）の流路のシリンダヘッド側面（１２）の外方の延長方向に延在して形成され、前記シリンダヘッド（１１）と前記エキゾーストマニフォルド（２）の接合面（Ｍ）において前記マニフォルド分岐部（２１）の流路（２１ｉ）の断面形状は前記排気ポート（Ｐｃ１）の断面形状と共通形状であり、前記ＥＧＲ分岐部（２Ｅ）の前記フランジ（２Ｆｅ）近傍の流路（２Ｅｉ）の断面は前記マニフォルド分岐部（２１）の前記流路（２１ｉ）断面に対して断面積が幾分減じた円形断面形状をなし、前記マニフォルド分岐部（２１）と前記ＥＧＲ分岐部（２Ｅ）との仮想相貫面の開口断面投影面と、前記ＥＧＲ分岐部（２Ｅ）の前記フランジ（２Ｆｅ）近傍の流路（２Ｅｉ）の断面は緩やかなテーパ面によって接続されている。

ここで、前記内燃機関（１）は複数の気筒を備えており、前記排気ポート（Ｐｃ１）は複数の気筒の両端の何れかに位置する気筒の排気ポートであるのが好ましい。

本発明において、単一の排気ガス還流ライン（ＥＧＲライン４０）が排気マニホルド（２）から分岐する様に構成しても良いし、或いは、複数の排気ガス還流ライン（ＥＧＲライン）が排気マニホルドから分岐する様に構成しても良い（ＥＧＲは複数系統設けることも可能）。

上述した様な構成を具備する本発明によれば、排気ポート（Ｐｃ１）から排出された排気ガスが真っ直ぐ分岐位置（ＥＧＲ分岐部２Ｅ）に流入するため、従来例に見られるような流入の際の針路変更による抵抗がない。

排気ポート（Ｐｃ１）、エキゾーストマニフォルド流路（２１ｉ）、分岐位置（ＥＧＲ分岐部２Ｅ）の流路（２Ｅｉ）、の間では共通の断面形状（図示の例では円形）であるので、形状の変更（例えば、従来例の四角断面から円形断面への変更）に伴う管内抵抗は微小である。

また、分岐位置（ＥＧＲ分岐部２Ｅ）をシリンダ列の末端側のシリンダ（Ｃ１）の排気ポート（Ｐｃ１）に対向した位置に配置させることにより、エキゾーストマニフォルド（２）においてシリンダ末端側のマニフォルド中央から遠ざかる方向に流路は無く、そのため、その無い流路からの影響は当然前記分岐位置（ＥＧＲ分岐部２Ｅ）への排気ガスの進入を妨げる要因を排除している。

そのように、管路抵抗が小さくなり管路における動圧損失が減少し、還流ガス（ＥＧＲガス）が保有する動圧を維持した状態で、効率的に吸気側（インテークマニフォルド７側）に供給することが可能となる。
その結果、大量の排気ガスをＥＧＲライン（４０）に供給する必要は無くなり、相対的にターボチャージャ（３）の効率を向上させることとなる。同様に、必要なＥＧＲガス量を確保できるので、所望のＥＧＲ率を確実に実現出来る。従って、ＥＧＲ率は常に保障される。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１において、本発明の実施形態に係る排気系の構成は、図示の例では６シリンダを有するエンジン１の、エキゾーストマニフォルド２とそのエキゾーストマニフォルド２のアウトレット２ｏ側に取り付けられタービン３１とコンプレッサ３２を有するターボチャージャ３とそのターボチャージャのタービン３１のアウトレット３１ｏに接続されたエキゾーストチューブ４とから構成されている。

前記タービン３の、コンプレッサ３２のアウトレット３２ｏには吸気系のインタクーラ５を介装したエアダクト６の一端６１が接続されている。そのエアダクト６の他端６２は、エンジン１のインテークマニフォルド７のインレット７ｉに接続されている。

前記エキゾーストマニフォルド２の、図１におけるシリンダヘッド１１の右端のシリンダＣ１に対応するマニフォルド分岐部２１のコーナ部には排気ガスの一部を吸気系に還流するための排気還流管４０の一端を接続させるためのＥＧＥ分岐部２Ｅが形成されている。

前記排気還流管４０の他端は、前記インテークマニフォルド７のインレット７ｉ近傍に接続されている。

前記ＥＧＲ分岐部２Ｅについて、図２〜図４を参照して構成及び構造をさらに詳しく説明する。

図２に示すように、ＥＧＲ分岐部２Ｅはエキゾーストマニフォルド２の、１番目のシリンダＣ１に対応するマニフォルド分岐部２１のコーナ部に、例えば鋳鉄、或いはアルミニウム鋳物で一体でかつＥＧＲ分岐部端部に接続用のフランジ２Ｆｅを有するように形成されている。

図２及び図３を同時に参照して、前記ＥＧＲ分岐部２Ｅの流路２Ｅｉは、前記シリンダヘッド１１の、１番目のシリンダＣ１に対応する排気ポートＰｃ１の流路（排気ポートＰｃ１）のシリンダヘッド側面１２の外方の延長方向に延在するように形成されている。

シリンダヘッド１１とエキゾーストマニフォルド２の接合面Ｍ（図３参照）においては、エキゾーストマニフォルド２の前記マニフォルド分岐部２１の流路２１ｉの断面形状は、前記ポートＰｃ１の円形の断面と共通の形状である。
また、ＥＧＲ分岐部２Ｅの前記フランジ２Ｆｅ近傍の流路２Ｅｉの断面は図４に示すように、前記マニフォルド分岐部２１の流路２１ｉ断面に対しては幾分断面積は減じているものの同じ円形の断面形状をしている。

図２〜図４では、図示はしないが、前記マニフォルド分岐部２１とＥＧＲ分岐部２Ｅとの仮想相貫面の開口断面投影面と、ＥＧＲ分岐部２Ｅの前記フランジ２Ｆｅ近傍の流路２Ｅｉの断面は緩やかなテーパ面によって接続されていることが望ましい。

図示では省略しているが、エキゾーストマニフォルド２全体において、流路断面は共通の円形である。

但し、エキゾーストマニフォルド２の流路断面形状は、図６、８の従来技術で説明したと同様の４隅が丸められた四角断面で全体が統一されていてもよい。その場合は、排気ポートの断面形状及びＥＧＲ分岐部の流路断面形状も同様の４隅が丸められた四角形状であることが条件となる。
即ち、排気ポートの断面形状、マニフォルドの流路断面形状及びＥＧＲ分岐部の流路断面形状が相似形状であり、且つ断面積が大きく異ならなければよい。

上述したような構成及び構造のＥＧＲ分岐部を備えた排気系構造によれば、排気ポートＰｃ１から排出された排気ガスが真っ直ぐＥＧＲ分岐部２Ｅに流入するため、従来例に見られるような流入の際の進路変更による抵抗がない。

排気ポート、エキゾーストマニフォルド流路、ＥＧＲ分岐部の流路、の間では共通の断面形状（図示の例では円形）であるので、形状の変更（例えば、従来例の四角断面から円形断面への変更）に伴う管内抵抗は微小である。

また、ＥＧＲ分岐部２Ｅをシリンダ列の末端側のシリンダＣ１の排気ポートＰｃ１に対向した位置に配置させることにより、エキゾーストマニフォルド２においてシリンダ末端側のマニフォルド中央から遠ざかる方向に流路は無く、そのため、その無い流路からの影響は当然前記ＥＧＲ分岐部への排気ガスの進入を妨げる要因を排除している。

そのように、管路抵抗が小さくなり管路における動圧損失が減少し、還流ガス（ＥＧＲガス）が保有する動圧を維持した状態で、効率的にインテークマニフォルド７側に供給することが可能となる。
その結果、大量の排気ガスをＥＧＲライン、すなわち排気還流管４０に供給する必要は無くなり、相対的にターボチャージャ３の効率を向上させることとなる。同様に、必要なＥＧＲガス量を確保できるので、所望のＥＧＲ率を確実に実現出来る。従って、ＥＧＲ率は常に保障される。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではなく、例えば、複数の排気還流管がエキゾーストマニフォルドから分岐するように構成してもよい。

本発明の実施形態に係る排気系構造を有するエンジンの平面図。本発明の実施形態に係る排気系要部の平面図。図２のＸ矢視図。図３のＹ矢視図。従来技術における排気系周りの上面図。図５のＸ矢視図。図５のＹ−Ｙ断面図。図６のＺ矢視図。

符号の説明

１・・・エンジン
２・・・エキゾーストマニフォルド
２ｏ・・・アウトレット
２Ｅ・・・ＥＧＲ分岐部
２Ｅｉ・・・流路
３・・・ターボチャージャ
４・・・エキゾーストチューブ
５・・・インタクーラ
６・・・エアダクト
７・・・インテークマニフォルド
１１・・・シリンダヘッド
４０・・・排気還流管
Ｃ１、Ｃ２・・・シリンダ
Ｐｃ１・・・排気ポート

Claims

ターボチャージャ（３）と排気還流管（４０）を有するＥＧＲシステムを備え、複数の気筒を有する内燃機関（１）の排気系構造において、前記内燃機関（１）の１番目のシリンダ（Ｃ１）に接続されてエキゾーストマニフォルド（２）のコーナ部にＥＧＲ分岐部（２Ｅ）が設けられ、前記ＥＧＲ分岐部（２Ｅ）の端部の接続用フランジ（２Ｆｅ）に前記排気還流管（４０）が接続され、前記ＥＧＲ分岐部（２Ｅ）の流路（２Ｅｉ）が前記シリンダヘッド（１１）の１番目のシリンダ（６）に対応する円形の断面を備えた排気ポート（Ｐｃ１）の流路のシリンダヘッド側面（１２）の外方の延長方向に延在して形成され、前記シリンダヘッド（１１）と前記エキゾーストマニフォルド（２）の接合面（Ｍ）において前記マニフォルド分岐部（２１）の流路（２１ｉ）の断面形状は前記排気ポート（Ｐｃ１）の断面形状と共通形状であり、前記ＥＧＲ分岐部（２Ｅ）の前記フランジ（２Ｆｅ）近傍の流路（２Ｅｉ）の断面は前記マニフォルド分岐部（２１）の前記流路（２１ｉ）断面に対して断面積が幾分減じた円形断面形状をなし、前記マニフォルド分岐部（２１）と前記ＥＧＲ分岐部（２Ｅ）との仮想相貫面の開口断面投影面と、前記ＥＧＲ分岐部（２Ｅ）の前記フランジ（２Ｆｅ）近傍の流路（２Ｅｉ）の断面は緩やかなテーパ面によって接続されていることを特徴とする内燃機関の排気系構造。