JP4414930B2

JP4414930B2 - ４気筒エンジンの排気マニホールド

Info

Publication number: JP4414930B2
Application number: JP2005123526A
Authority: JP
Inventors: 雅明芦田; 公良西沢
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-04-21
Filing date: 2005-04-21
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2022-03-08
Also published as: JP2005220922A

Description

本発明は、４気筒エンジンの排気マニホールドに関する。

４気筒エンジンの排気マニホールドとして、点火順序の連続しない気筒同士の排気マニホールドブランチ、すなわち、点火順序を＃１→＃３→＃４→＃２とすると、＃１と＃４気筒、及び、＃２と＃３気筒の排気マニホールドブランチをそれぞれ合流させたものが知られている（特許文献１、２、３、４）。
実開平１−０６６４２４号実開平２−１０１０１７号実開平２−１０３１２０号実公平２−０２４８９７号

ところで、排気システムコスト低減を狙いとしたエンジン始動後の触媒活性時間の短縮化を実現する一手段として、シリンダヘッドの排気ポート出口からマニホールド触媒入口までの排気管の長さ、もしくは、排気管内部のガス接触長を縮小することにより、排気ガスの温度低下を抑制し、触媒昇温性を向上することが可能となる。

その一方、上記のはね返りとして、排気マニホールドブランチ長さ縮小に伴う排気干渉の増大に起因する低中速域の全開トルクの低下、もしくは、排気管の細径化及び管の絞り追加に伴う通気抵抗の増大に起因する高速域の出力低下が懸念されるため、排気マニホールド形状として、排気・出力性能要求を両立する構造が求められる。

このような観点から従来の排気マニホールドについてみると、次のような問題点がある。
〔問題点１〕
４気筒エンジンの排気マニホールドブランチの合流形状として、隣合う各排気管の合流点における中心軸間の角度が、排気行程の際に生じるブローダウン波の伝播・減衰を考慮した設定となっておらず、特に＃１と＃４気筒で、大きな合流角となっているため（特許文献１、２、３、４）、例えば＃１気筒の排気行程の際に生じるブローダウン波を例にとると、圧力波の一部は＃４気筒側に伝播し、＃４気筒の排気弁部にて波が反射し、再度＃１気筒の排気弁部に正圧の波が返ってくることとなる。これより、排気行程中の排気弁出口付近の圧力が上昇するため、筒内の燃焼ガスの掃気性が低下し、低中速域のトルクが低下するという問題点があった。

このため、本発明では、点火順序が＃１→＃３→＃４→＃２である４気筒エンジンの排気マニホールドにおいて、点火順序が連続しない＃１気筒と＃４気筒の排気マニホールドブランチを排気ポート出口部からそれぞれ内側で斜め下方に延ばして合流させてから延設され、エンジン排気側面から見た時に上流側ほど通路幅が拡くなる第１の合流ブランチと、点火順序が連続しない＃２気筒と＃３気筒の排気マニホールドブランチを排気ポート出口部から対向する横方向に突き出し、＃２気筒と＃３気筒の排気マニホールドブランチの合流位置が＃１気筒と＃４気筒の排気マニホールドブランチの合流位置よりも上流側となるように合流させてから、ストレートな１本の管として延設される第２の合流ブランチと、前記第１の合流ブランチと前記第２の合流ブランチとを合流させる集合部と、前記集合部の出口側に取付けられたマニホールド触媒と、を備え、＃１気筒と＃４気筒の排気マニホールドブランチの中心軸線の合流点を前記集合部内に設定し、合流点における合流角度を一方の気筒側から他方の気筒側への排気脈動の回り込みを抑制するように小さく設定し、＃２気筒と＃３気筒の排気マニホールドブランチの中心軸線の合流点を前記第２の合流ブンラチ内に設定し、合流点における合流角度を一方の気筒側から他方の気筒側への排気脈動の回り込みを抑制するように小さく設定する。

〔問題点３〕
４気筒エンジンの＃２と＃３気筒の排気マニホールドブランチが、シリンダヘッド排気ポート出口からブランチ合流部に向って、斜め下向きの形状でレイアウトされており、かつ、各ブランチが約６０°の合流角にて合流する形状となっているため（特許文献１）、＃２と＃３気筒の各ブランチについて、シリンダヘッド排気ポート出口〜ブランチ合流部間長さを最短で合流させる形状となっておらず、結果として排気管合計長が長くなり、マニホールド触媒入口部での排気温度が低下し、触媒活性時間が長くなる。また、ブランチ合流角が大きく、排気ガスの圧力波の伝播経路が比較的回り込み易い形状となっており、自気筒の排気干渉による低中速域のトルク低下というはね返りが発生するという問題点があった。

本発明は、このような従来の問題点を解決し、排気・出力性能要求を両立する構造の４気筒エンジンの排気マニホールドを提供することを目的とする。

このため、本発明では、点火順序が＃１→＃３→＃４→＃２である４気筒エンジンの排気マニホールドにおいて、点火順序が連続しない＃１気筒と＃４気筒の排気マニホールドブランチを合流させて第１の合流ブランチとする一方、点火順序が連続しない＃２気筒と＃３気筒の排気マニホールドブランチを合流させて第２の合流ブランチとし、前記第１の合流ブランチと前記第２の合流ブランチとを合流させる集合部を設け、＃１気筒と＃４気筒の排気マニホールドブランチの中心軸線の合流点を前記集合部内に設定する一方、＃２気筒と＃３気筒の排気マニホールドブランチの中心軸線の合流点を前記第２の合流ブランチ内に設定し、前記集合部の出口側にマニホールド触媒を取付ける。

本発明によれば、排気ガスの圧力波による排気干渉が問題とならない気筒の排気マニホールドブランチを比較的上流側で合流させ、しかも、レイアウト的により上流側での合流が可能な内側の気筒同士（＃２と＃３気筒）を先に合流させることで、排気干渉による低中速域でのトルク低下を防止しつつ、排気管の独立部分を極力少なくして、排気管合計長の短縮を図り、エンジン始動後のマニホールド触媒の昇温性を向上させることが可能となる。

また、＃２と＃３気筒の排気マニホールドブランチの合流後の合流ブランチがストレートな１本の管をなすことで、排気管合計長の短縮を更に図り、エンジン始動後のマニホールド触媒の昇温性をより向上させることが可能となる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の第１実施形態を示すエンジン及び排気マニホールドの概略斜視図である。
エンジン１は、４気筒で、点火順序は＃１→＃３→＃４→＃２とする。

エンジン１のシリンダヘッド側部には、各気筒の排気ポート出口に連ねて、排気マニホールド２が取付けられ、排気マニホールド２の出口側にマニホールド触媒３が取付けられる。
排気マニホールド２について、図２〜図５により、更に詳細に説明する。図２は排気マニホールドの正面図、図３はその平面図、図４はその側面図、図５はその底面図である。

排気マニホールド２は、エンジン１の各気筒（＃１〜＃４）の排気ポート出口部にフランジ２１を介して接続されるブランチＢ１〜Ｂ４と、点火順序の連続しない気筒列方向外側の＃１と＃４気筒のブランチＢ１、Ｂ４を合流させた合流ブランチＷ１と、点火順序の連続しない気筒列方向内側の＃２と＃３気筒のブランチＢ２、Ｂ３を合流させた合流ブランチＷ２と、合流ブランチＷ１、Ｗ２を合流させて拡開する集合部（ディフューザ部）ＤＦとからなり、集合部ＤＦの出口側にはフランジ２２を介してマニホールド触媒３が取付けられる。

ここにおいて、外側の＃１と＃４気筒のブランチＢ１、Ｂ４は、排気ポート出口部からそれぞれ内側でかつ斜め下方に延びて後、合流しており、このときの合流角（各ブランチの中心軸線の合流点において中心軸線同士がなす角度）θ１は２０°以下としてある。
また、内側の＃２と＃３気筒のブランチＢ２、Ｂ３は、正面から見て、排気ポート出口部から対向する横方向に突き出して、最短で合流しているが、仕切壁２３を設けることで、このときの合流角θ２も２０°以下としてある。

外側のブランチＢ１、Ｂ４の合流ブランチＷ１と、内側のブランチＢ２、Ｂ３の合流ブランチＷ２は、Ｗ１がエンジン側、Ｗ２が反エンジン側にあって、ほぼ平行をなし、特に、合流ブランチＷ２の方はより上流側で合流しているので、ストレートな１本の管をなしている。
これらの合流ブランチＷ１、Ｗ２は、平行状態を保ったまま集合部ＤＦに開口することで合流する（図４参照）。このときの合流角は、本実施形態では平行であるので、０°であるが、２０°以下とすればよい。つまり、点火順序が連続しない気筒同士の排気マニホールドブランチをそれぞれ合流角２０°以下で合流させて後、各合流ブランチＷ１、Ｗ２を合流角２０°以下で合流させる。

集合部ＤＦは下流側に向かって拡径するが、その中間部外壁には空燃比センサ（Ｏ２センサ）取付孔２４が設けられている。このとき、空燃比センサは図５を参照し集合部ＤＦに開口する合流ブランチＷ１、Ｗ２間の仕切壁と平行な平面内に位置するようにする。
以上のように、点火順序が連続せず排気干渉による影響が小さい＃１と＃４気筒のブランチＢ１、Ｂ４、及び、＃２と＃３気筒のブランチＢ２、Ｂ３を早く合流させることにより、低中速域でのトルク低下を発生させることなく、排気管合計長の短縮を図ることができる。

また、特に＃２と＃３気筒については、シリンダヘッドの排気ポート出口部から対向する横方向に突き出して、最短長さで合流させる形状とすることで、そして、合流後、合流ブランチＷ２が１本の管をなすことで、排気管合計長を最小限に抑えることができる。尚、合流ブランチＷ１についても、合流後、１本のストレートな管をなし、これにより排気管合計長が最小限に抑えられる。

このようにして、排気管合計長を最小限に抑えることで、エンジン始動後のマニホールド触媒の昇温性を向上させることできる。
図６（ａ）は排気管合計長と排気温度（特に始動から１５秒後のマニホールド触媒直前の排気温度）との関係を示しており、本発明により排気管合計長を１２００ｍｍから９００ｍｍに短縮することが可能であるとすると、マニホールド触媒直前の排気温度を２７０℃から３２０℃程度まで上昇させることが可能となる。尚、ここで排気管合計長は、図６（ｂ）に模式的に示したように、各気筒からマニホールド触媒に至るまでの各ブランチ及び各合流ブランチの合計長で表される。また、図７は始動から１５秒後のマニホールド触媒直前の排気温度とその間の触媒出口でのＨＣ排出量との関係を示したもので、エンジン始動後のマニホールド触媒の昇温性の向上（２７０℃→３２０℃）により、触媒の活性を早めて、ＨＣ排出量を低減できることを示している。

また、ブランチ間の合流角を２０°以下とすることにより、排気脈動の伝播経路を回り込み難い形状とし、排気干渉をより改善することができる。
合流角が大きい場合、例えば＃１気筒のブローダウン波が合流部を回り込んで他の気筒に達し、排気干渉を生じたり、他の気筒の閉じている排気弁部より反射して自気筒の排気干渉を生じたりするが、図８に示すように、合流角６０°、３０°、０°について、＃１気筒の排気ポート出口部で排気脈動圧力を測定したところ、合流角を小さくするほど、吸気弁開時期から排気弁閉時期までのバルブオーバーラップ期間付近での排気脈動圧力が低下し、排気干渉を低減できることが確認された。そして、合流角が３０°以下であれば、合流角が０°の場合と略同等の低い排気干渉のレベルが得られることが確認された。

また、図９は合流角と吸気体積効率（ηｖ）との関係を示したもので、合流角３０°〜６０°の範囲では、感度−０．１７％／１０°（１０°大きくする毎に吸気体積効率が０．１７％減少）、合流角０°〜２０°の範囲では、感度−０．０５％／１０°（１０°大きくする毎に吸気体積効率が０．０５％減少）となることがわかった。つまり、合流角が０°〜２０°の範囲では、合流角を大きくしても吸気体積効率の低下にはあまり影響がなく、合流角が２０°を超えると、特に合流角が３０°を超えると、急激に落ち込むことが確認された。これらの結果より、本発明では、合流角を２０°以下とすることで、排気干渉を確実に低減するのである。

次にエンジン側の排気弁開時期の遅角化による排気干渉の低減について説明する。
排気弁開時期は、通常、下死点（ＢＤＣ）前４５°程度であるが、下死点前３０°より遅く、下死点前３０°〜下死点の範囲に設定することにより、図１０に実線で示す従来例に対し、点線で示すようにブローダウンのタイミングを遅らせる。これにより、自気筒のバルブオーバーラップ（Ｏ／Ｌ）期間に反射波が到達しないようにして、Ｏ／Ｌ期間中の排気干渉を改善し、低中速域のトルクを改善することができる。

尚、排気弁開時期の変更は、排気弁駆動カムの作動角縮小、可変動弁装置での排気弁作動角の可変、排気弁作動角とリフト量の可変、排気弁作動中心角の可変等により実現できる。
図１１は本発明での排気干渉低減による吸気体積効率向上効果を示したものである。また、図１２は本発明での残ガス率低減効果を示したものである。いずれも低中回転域において排気干渉低減により掃気効率が向上することから、吸気体積効率が向上し、残ガス率が低減されている。従って、吸気体積効率の向上により出力性能が向上し、残ガス率の低減により燃焼温度が低下し、耐ノック性も向上する。

但し、図１１、図１２からわかるように、高速域では、排気弁開時期の遅角化のはね返りとして、吸気体積効率及び残ガス率がわずかながら悪化する。
この対策としては、排気マニホールドのブランチの管径に対する曲げＲの比を１．５以上としたり、集合部（ディフューザ部）の拡張角を６０°以下とすることにより、排気マニホールドの通気抵抗を改善することで、上記のはね返りをリカバー可能である。あるいは、可変動弁装置を用いる場合は、排気弁開時期の遅角を低中速域（例えば４０００ｒｐｍ以下）において限定的に行うようにしてもよい。

次に空燃比センサの取付位置について説明する。
＃１と＃４気筒の合流ブランチＷ１、及び、＃２と＃３気筒の合流ブランチＷ２に、直管部を設定することにより、空燃比センサの気筒感度の最適位置を明確にするための、チューニング要素の絞り込みが容易となり、比較的少ない工数で空燃比センサの最適位置を明確にすることが可能となる。

具体的には、空燃比センサを図４の左右方向に位置調整して、各位置での＃１と＃４気筒側の位置感度、及び、＃２と＃３気筒側の位置感度をそれぞれ確認することにより、両方を満足する最適位置を見出して、その位置に空燃比センサ取付孔２４を設定する。
図１３は本発明の第２実施形態を示すエンジン及び排気マニホールドの概略斜視図である。第１実施形態と異なるのは、＃２と＃３気筒のブランチＢ２、Ｂ３の合流ブランチＷ２をエンジン側に配置し、＃１と＃４気筒のブランチＢ１、Ｂ４の合流ブランチＷ１を反エンジン側に配置してある点であり、その他は同じである。

図１４は本発明の第３実施形態を示すエンジン及び排気マニホールドの概略斜視図である。第１実施形態では、横置きエンジンで、その排気系が車両前方に配置されるものとして示しているが、第３実施形態では、排気系が車両後方に配置されるものとして示している。

本発明の第１実施形態を示すエンジン及び排気マニホールドの概略斜視図排気マニホールドの正面図排気マニホールドの平面図排気マニホールドの側面図排気マニホールドの底面図排気管合計長と排気温度との関係を示す図排気温度とＨＣ排出量との関係を示す図合流角による排気脈動圧力への影響を示す図合流角と吸気体積効率との関係を示す図排気弁開時期遅角による効果を示す図本発明による吸気体積効率向上効果を示す図本発明による残ガス率低減効果を示す図本発明の第２実施形態を示すエンジン及び排気マニホールドの概略斜視図本発明の第３実施形態を示すエンジン及び排気マニホールドの概略斜視図

符号の説明

１エンジン
２排気マニホールド
３マニホールド触媒
Ｂ１〜Ｂ４ブランチ
Ｗ１、Ｗ２合流ブランチ
ＤＦ集合部（ディフューザ部）
２１、２２フランジ
２３仕切壁
２４空燃比センサ取付孔

Claims

点火順序が＃１→＃３→＃４→＃２である４気筒エンジンの排気マニホールドにおいて、
点火順序が連続しない＃１気筒と＃４気筒の排気マニホールドブランチを排気ポート出口部からそれぞれ内側で斜め下方に延ばして合流させてから延設され、エンジン排気側面から見た時に上流側ほど通路幅が拡くなる第１の合流ブランチと、
点火順序が連続しない＃２気筒と＃３気筒の排気マニホールドブランチを排気ポート出口部から対向する横方向に突き出し、＃２気筒と＃３気筒の排気マニホールドブランチの合流位置が＃１気筒と＃４気筒の排気マニホールドブランチの合流位置よりも上流側となるように合流させてから、ストレートな１本の管として延設される第２の合流ブランチと、
前記第１の合流ブランチと前記第２の合流ブランチとを合流させる集合部と、
前記集合部の出口側に取付けられたマニホールド触媒と、を備え、
＃１気筒と＃４気筒の排気マニホールドブランチの中心軸線の合流点を前記集合部内に設定し、合流点における合流角度を一方の気筒側から他方の気筒側への排気脈動の回り込みを抑制するように小さく設定し、＃２気筒と＃３気筒の排気マニホールドブランチの中心軸線の合流点を前記第２の合流ブンラチ内に設定し、合流点における合流角度を一方の気筒側から他方の気筒側への排気脈動の回り込みを抑制するように小さく設定する、
ことを特徴とする４気筒エンジンの排気マニホールド。