JP4694593B2 - 排気ガスシステム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関、特に自動車エンジン用の排気ガスシステムに関し、このエンジンは、互いが鋭角を成すように配置され、かつ各々が少なくとも１つの排気ガス出口を有する２つのシリンダ列を備えた、いわゆるＶ型エンジンである。排気ガスシステムは、このＶ領域に配置された排気ガス案内要素を備えるとともに、両方のシリンダ列における排気ガス出口を気密に囲み、かつ少なくとも１つの排気ガス出口開口部を有するハウジングを備える。

排気ガスシステムは、内燃機関から生じる高温燃焼ガスを排出するように機能し、内燃機関の対応する出口に直接固定される。ハウジングは、両方のシリンダ列における出口を気密に囲む。したがって、一方のシリンダ列における出口と他方のシリンダ列における出口との間の連結が可能となり、これにより、シリンダ列間のクロストーク（ｃｒｏｓｓｔａｌｋ）が得られ、負荷状態が最適化される。動作中に、出口から流出する高温燃焼ガスによって排気ガス案内要素の熱膨張が生じ、この熱膨張はＶ領域内で数ミリメータにも達することがある。シリンダ列間の間隙も、内燃機関の動作中に生じる熱によって徐々に変化する。このような熱膨張によって、排気ガス案内要素が堅固に連結されていることに付随する不所望な歪みが生じる。この歪みは、フランジ固定部品や排気ガス案内要素にエンジンブロックの剛性のために補正できない程の大きな荷重を与える。

したがって、本発明の目的は、熱膨張により生じた歪みを減少させるための上述したような排気ガスシステムを提供することである。

本発明の目的は、請求項１の特徴を備えた排気ガスシステムによって満足される。本発明の排気ガスシステムは、次のような特徴を有する。ハウジングが、２つの部品から形成され、第１の部品がシリンダ列の一方に連結されるとともに、該シリンダ列の排気ガス出口を囲み、第２の部品がシリンダ列の他方に連結されるとともに、該シリンダ列の排気ガス出口を囲む。２つの部品の各々が、対向する側部と、該２つの部品が互いに連通する少なくとも１つのハウジング開口部と、を備える。膨張補正要素が、２つの部品間に配置されるとともにガスを密閉するように、２つの部品のハウジング開口部を取り囲む。

２つの部品間に配置された膨張補正を備えたハウジングの実施例によって、ハウジングの高い変形性が得られる。これにより、高温排気ガスがハウジング内を流れることによって生じる排気ガス要素の熱膨張に対する長さの補正を可能にする。さらに、Ｖ型エンジンにおける２つのシリンダ列の相対的な移動を可能にするとともに、設計を簡素化し、ガスに対する気密性を向上させる。

本発明の好ましい実施例では、２つのハウジング部品が、内側のハウジング壁から離間して配置されたエキゾーストマニホールドパイプを収容し、該エキゾーストマニホールドパイプの一方の各端部が、シリンダ列の排気ガス出口に連結されるとともに、エキゾーストマニホールドパイプの他方の各端部が、連続する排気パイプ、排気ガス収集装置および他のエキゾーストマニホールドパイプに連結される。エアギャップマニホールドと呼ばれるこのような構成では、断熱用の間隙が、エキゾーストマニホールドパイプと内側ハウジング壁との間に位置し、かつ排気ガスが流れない空間によって形成される。この二重壁の構成によって、エンジンの空間に対して断熱できるとともに、早期の段階における排気ガスの温度低下が防止される。これにより、排気ガスは比較的高温で下流にある排気ガス浄化装置に流入する。したがって、排気ガス浄化装置の効果全体が向上するとともに、反応時間が削減される。

有利なことに、連結部が、連続するエキゾーストマニホールドパイプ、他方のエキゾーストマニホールドパイプおよび１つまたは複数の排気ガス収集装置に連結されており、該排気ガス収集装置は、２つのハウジング部品内の一方にそれぞれ配置される。したがって、２つのハウジング部品間の移行領域、特に、膨張補正要素およびハウジング開口部の領域は、連結部や排気ガス収集装置がなく、比較的コンパクトな設計となっている。

本発明の好ましい実施例では、エキゾーストマニホールドパイプは、少なくとも一方の端部にスライドシート連結部を備える。このようなスライドシート連結部によって、熱膨張を補正するとともに、エキゾーストマニホールドパイプおよび排気ガス収集装置を備えた内部の配管における歪みを低減できる。

少なくとも１つのエキゾーストマニホールドパイプが、２つのハウジング部品の互いに対向する側部内に配置されたハウジング開口部を通って案内されることが望ましい。したがって、一方のハウジング部品から他方のハウジング部品にエキゾーストマニホールドパイプを案内するとともに、例えば、他方のエキゾーストマニホールドパイプまたは排気ガス収集装置にこのエキゾーストマニホールドパイプを連結することが可能となる。

本発明の有利な実施例では、一方のシリンダ列の少なくとも１つのエキゾーストマニホールドパイプが、他方のシリンダ列の少なくとも１つのエキゾーストマニホールドパイプまたは共通の排気ガス収集装置に連結される。したがって、２つのシリンダ列間における排気ガスの相互作用、即ちクロストークが達成され、特に、中央で連結されたシリンダの負荷状態に作用するとともに、内燃機関の性能を向上させる。

２つのハウジング部品の互いに対向する側部の各々は、少なくとも１つの通路開口部が２つのハウジング部品の内部を連結するために設けられたハウジング基部として形成されることが望ましい。２つの互いに対向するハウジング基部によって、膨張補正要素の配置が容易になる。

本発明の有利な実施例では、膨張補正要素は、一対の蛇腹として形成される。このような一対の蛇腹によって、２つのハウジング部品間のガスに対する密閉が可能となる。さらに、これにより、通路開口部の方向に、即ちハウジング基部に対して垂直に長さを補正することを可能にするとともに、ハウジング基部に対して平行なハウジング部品の移動をある程度だけ可能にする。

本発明の有利な実施例では、膨張補正要素は、金属材料で形成される。これにより、膨張補正要素の十分な耐熱性および耐用寿命が保証される。

各ハウジング部品は、排気ガス出口開口部を備えることが好ましい。これにより、排気ガスシステムの大部分を対称的に製作できる。

少なくとも１つの排気管が、２つの排気ガス出口開口部を通ってそれぞれ有利に案内される。したがって、２つ以上の排気管を使用することにより、排気システムを継続することが可能となる。

本発明の好ましい実施例では、排気ガス管の各々は、下流にある２つの排気ガスターボチャージャの一方に案内される。したがって、２つのターボチャージャが、特定のシリンダから分離された排気ガスを供給される。

本発明の他の有利な実施例では、一方のシリンダ列の各排気ガス出口は、他方のシリンダ列の排気ガス出口に連結される。したがって、異なるシリンダ列の２つのシリンダ間の有効なクロストークが実現される。

各排気ガス出口から合流部への排気ガス通路の各々は、少なくとも概ね等しい長さであることが好ましい。これにより、クロストークが、シリンダ全てに概ね等しく作用する。

本発明の別の有利な実施例では、合流した排気ガス流は、両方の排気ガス出口から、排気管の要素、特に、下流に位置するターボチャージャへと別々に案内される。これにより、ガス流の状態が改善されるとともに、クロストークが互いに直接連結された排気ガス出口に大いに制限される。

図１および図２は、本発明による内燃機関用排気ガスシステムのハウジング１０を示しており、このハウジング１０は、図示されてはいないが、互いに鋭角を成すように配置され、かつ各々が４つの排気ガス出口を備えた２つのシリンダ列を備える。ハウジング１０は、２つのハウジング部品１２ａ，１２ｂを備え、該２つの部品の各々が、シリンダ列の排気ガス出口に連結されるように一列に配置された４つのフランジ１４を有する。したがって、２列のフランジ１４は、反対方向に向いている。

ハウジング部品１２ａ，１２ｂの各々は、排気ガス出口開口部１６ａ，１６ｂをそれぞれ備えており、これらの開口部は、図示されてはいないが、排気ガスターボチャージャや排気ガス浄化システムなどの排気ガスシステムの要素との連結用に設けられる。２つの排気ガス収集装置１８ａ，１８ｂおよび１８ｃ，１８ｄの各々は、ハウジング部品１２ａ，１２ｂ内に主に配置され、図１および図２には示されていないが、次に、排気ガスマニホールドパイプに連結される。これらの収集装置の各々は、排気ガス出口開口部１６ａ，１６ｂ内で開口している。ハウジング内の配管構成は、以下により詳細に説明される。

図１から分かるように、ハウジング部品１２ａ，１２ｂの各々は、複数の部品から構成される。ハウジング部品１２ａ，１２ｂの各々は、排気ガス出口開口部１６ａ，１６ｂをそれぞれ有する１つの上側ハウジング部品２０ａ，２０ｂと、１つの下側ハウジング部品２２ａ，２２ｂと、を備える。

さらに、各ハウジング部品１２ａ，１２ｂは、ハウジング基部２４ａ，２４ｂをそれぞれ備える。２つのハウジング基部２４ａ，２４ｂは、互いに平行に配置されるとともに、図２から分かるように、間隙２６によって互いに離間して配置される。

横方向に互いに離間した２つの膨張補正要素２８ａ，２８ｂは、ハウジング基部２４ａとハウジング基部２４ｂとの間における間隙２６の領域に配置される。膨張補正要素２８ａ，２８ｂの各々は、図３における楕円形のハウジング基部２４ｂに形成されたハウジング開口部３０ａ，３０ｂをそれぞれ取り囲む。

同様に、他方のハウジング部品１２ａのハウジング基部２４ａは、同様のハウジング開口部（図示せず）を備えており、膨張補正要素２８ａ，２８ｂの各々は、ハウジング基部２４ａ，２４ｂの互いに対向して配置された２つのハウジング開口部を互いに連結する。

２つのエキゾーストマニホールドパイプ３２ｂ，３２ｃおよび３２ａ，３２ｄの各々は、ハウジング部品１２ｂの各ハウジング開口部３０ａ，３０ｂを通ってハウジング部品１２ａへ案内される。

ハウジング部品１２ａでは、上側ハウジング部品２０ａ、下側ハウジング部品２２ａ、ハウジング基部２４ａおよび４つのフランジ１４は、互いに気密に連結される。同様に、第２のハウジング部品１２ｂでは、上側ハウジング部品２０ｂ、下側ハウジング部品２２ｂ、ハウジング基部２４ｂおよびフランジ１４は、互いに気密に連結される。次に、膨張補正要素２８ａ，２８ｂは、ハウジング基部２４ａ，２４ｂに気密に連結され、これにより、これらのハウジング基部から形成されたハウジング１０は、エアギャップマニホールド（ａｉｒ−ｇａｐ ｍａｎｉｆｏｌｄ）のように、エキゾーストマニホールドパイプ３２ａ〜３２ｄと、ハウジング１０内に配置された排気ガス集合装置１８ａ〜１８ｄと、を気密に取り囲む。このとき、この気密な連結部は、溶接された連結部として特に設計可能となる。

ハウジング１０内におけるエキゾーストマニホールドパイプの構成が比較的複雑であるにもかかわらず、ハウジング部品１２ａ，１２ｂを複数の部品で製作することによって、製造を簡単にすることができる。

ハウジング基部２４ａ，２４ｂの間における膨張補正要素２８ａ，２８ｂの構成は、図４でより詳細に説明される。ハウジング基部２４ａ，２４ｂの各々は、ハウジング開口部３０ａ，３０ｃを有し、かつ縁部からハウジング部品の内部方向に後退した中央部を備える。したがって、２つのハウジング部品１２ａ，１２ｂの間の間隙２６は、膨張補正要素２８ａを収容する十分な空間をもたらすように、ハウジング開口部３０ａ，３０ｃの領域で拡張されている。

膨張補正要素２８ａは、短いパイプ形状を備えており、該パイプ形状は、金属材料が３箇所で隆起した一対の蛇腹つまり波型パイプとして形成されるとともに、ハウジング開口部３０ａ，３０ｃに挿入される。波型パイプのような膨張補正要素の設計によって、膨張補正要素２８ａは、ハウジング基部２４ａ，２４ｂに対する垂直方向および平行方向の両方向において、ハウジング部品１２ａ，１２ｂが相対的に移動できる。これにより、高温排気ガスによって生じるハウジング部品１２ａ，１２ｂの熱膨張と、Ｖ型エンジンにおけるシリンダヘッドの変形と、を補正するとともに、両部品の間に生じる歪みを減少させることが可能である。

図１および図２に示されたハウジング１０内に配置された内部パイプは、図５を参照することにより説明される。図１および図２において既に説明されたように、マニホールド構成は、４つの排気ガス収集装置１８ａ〜１８ｄを備えている。ここで、排気ガス収集装置１８ａ，１８ｂは、ハウジング部品１２ａ内に配置されており、排気ガス収集装置１８ｃ，１８ｄは、ハウジング部品１２ｂ内に配置されている。

排気ガス収集装置１８ａ〜１８ｄの各々は、３つの分岐部を備えており、その１つが出口分岐部３４ａ〜３４ｄである。出口分岐部３４ａ，３４ｂおよび３４ｃ，３４ｄの各々は、対となるように組み合わされるとともに、図１および図２のように、２つのハウジング部品１２ａ，１２ｂの各排気ガス出口開口部１６ａ，１６ｂを通って案内される。排気ガス出口開口部１６ａ，１６ｂの円形状によって予め定められた断面積を理想的に利用するために、出口分岐部３４ａ〜３４ｄは、少なくとも端部領域において実質的に半円形状の断面を備える。

排気ガス収集装置１８ａ〜１８ｄの他の２つの分岐部は、入口分岐部として形成されるとともに、各々がエキゾーストマニホールド３２ａ〜３２ｄ、３２ａ’〜３２ｄ’の一方の端部に連結される。一方のシリンダ列に対応するエキゾーストマニホールドパイプは、特定の排気ガス収集装置によって、他方のシリンダ列に対応するエキゾーストマニホールドパイプに常時連結される。

最も上方に配置されている排気ガス収集装置１８ｃは、エキゾーストマニホールドパイプ３２ｃ，３２ｃ’に連結される。同様に理解できるように、排気ガス収集装置１８ｄは、エキゾーストマニホールドパイプ３２ｄ，３２ｄ’に連結される。さらに、排気ガス収集装置１８ａは、エキゾーストマニホールドパイプ３２ａ，３２ａ’に連結されており、排気ガス収集装置１８ｂは、エキゾーストマニホールドパイプ３２ｂ，３２ｂ’に連結される。

エキゾーストマニホールドパイプおよび排気ガス収集装置は、膨張補正用のスライドシートを用いて互いに連結される。図５では、スライドシート連結部３６ａ，３６ｂの各々は、エキゾーストマニホールドパイプ３２ｃ，３２ｃ’と排気ガス収集装置１８ｃとの間に特に位置する。また、スライドシート連結部３６ｃ，３６ｄの各々は、エキゾーストマニホールドパイプ３２ｄ，３２ｄ’と排気ガス収集装置１８ｄとの間に位置する。

配管は、共通の排気ガス収集装置１８ａ〜１８ｄに連結された出口の各々が、所定の間隔で連続して熱せられるフィルタに対応するように選択される。２つのシリンダ列間のクロストークが、２つのシリンダ列のこのような連結によって達成されるとともに、内燃機関の性能が向上する。適切にパイプを設計し、かつ案内することによって、各排気ガス出口から合流部までの排気ガス通路は、少なくとも概ね等しい長さとなり、これにより、相互作用がより向上する。

さらに、図３に示されるように、エキゾーストマニホールドパイプ３２ａ，３２ｄは、膨張補正要素２８ａ，２８ｂを通って延びる。このとき、エキゾーストマニホールドパイプ３２ａ，３２ｄは、膨張補正要素２８ｂによって案内されるとともに、エキゾーストマニホールドパイプ３２ｂ，３２ｃは、膨張補正要素２８ａによって案内される。膨張補正要素２８ａ，２８ｂは、非常にコンパクトな形状に形成される。これは、膨張補正要素２８ａ，２８ｂが、エキゾーストマニホールドパイプ３２ａ，３２ｄの通過する真っ直ぐな部分を収容することができればよいからである。

排気ガス収集装置１８ａ，１８ｂおよびこれらに連結されたエキゾーストマニホールドパイプ３２ａ’，３２ｂ’は、ハウジング部品１２ａ内に配置されており、排気ガス収集装置１８ｃ，１８ｄおよびこれらに連結されたエキゾーストマニホールドパイプ３２ｃ’，３２ｄ’は、ハウジング部品１２ｂ内に配置される。

したがって、上述の実施例で説明された構成は、シリンダ列間のクロストークに必要な配管が比較的複雑であるにもかかわらず、全体的に非常にコンパクトな形状を備えるとともに、製造が簡単である。

排気ガス出口開口部１６ａ，１６ｂの各々が、排気ガスターボチャージャの次に配置されることが望ましい。この連結では、出口分岐部３４ａ，３４ｂおよび３４ｃ，３４ｄの各々は、２つの流路を介してターボチャージャに到達する。しかし、これらの分岐部を追加の収集装置によって連結するとともに、１つの流路を介して排気ガスターボチャージャに到達させることも可能である。

本発明の排気ガスシステムにおけるハウジングの斜視図である。 図１のハウジングの正面図である。 図１および図２の膨張補正要素に沿った断面図である。 図２の線Ａ−Ａに沿って取った図１および図２のハウジングの部分断面図である。 図１および図２のハウジング内に配置されたエキゾーストマニホールドの斜視図である。

符号の説明

１０・・・ハウジング
１２ａ，１２ｂ・・・ハウジング部品
１４・・・フランジ
１６ａ，１６ｂ・・・排気ガス出口開口部
１８ａ〜１８ｄ・・・排気ガス収集装置
２０ａ，２０ｂ・・・上側ハウジング部品
２２ａ，２２ｂ・・・下側ハウジング部品
２４ａ，２４ｂ・・・ハウジング基部
２６・・・間隙
２８ａ，２８ｂ・・・膨張補正要素
３０ａ〜３０ｃ・・・ハウジング開口部
３２ａ〜３２ｄ・・・エキゾーストマニホールドパイプ
３２ａ’〜３２ｄ’・・・エキゾーストマニホールドパイプ
３４ａ〜３４ｄ・・・出口分岐部
３６ａ〜３６ｄ・・・スライドシート連結部

Claims (15)

1. 内燃機関、特に自動車エンジン用の排気ガスシステムであって、
   前記自動車エンジンは、互いに鋭角を成すように配置され、かつ各々が少なくとも１つの排気ガス出口を有する２つのシリンダ列を備えた、いわゆるＶ型エンジンであり、該自動車エンジンは、さらに、前記鋭角の領域に配置された排気ガス案内要素を有するとともに、前記２つのシリンダ列における排気ガス出口を気密に囲み、かつ少なくとも１つの排気ガス出口開口部（１６ａ，１６ｂ）を有するハウジング（１０）を備えており、
   前記ハウジング（１０）が、２つの部品から構成され、第１の部品（１２ａ）が前記シリンダ列の一方に連結されるとともに、前記シリンダ列の排気ガス出口を囲み、第２の部品（１２ｂ）が前記シリンダ列の他方に連結されるとともに、前記シリンダ列の排気ガス出口を囲み、
   前記２つの部品（１２ａ，１２ｂ）の各々が、互いに対向する側部（２４ａ，２４ｂ）と、少なくとも１つのハウジング開口部（３０ａ〜３０ｃ）と、を備え、前記ハウジング開口部（３０ａ〜３０ｃ）を通して前記２つの部品の内部が互いに連通し、
   膨張補正要素（２８ａ，２８ｂ）が、前記２つの部品（１２ａ，１２ｂ）間に配置されるとともに、該２つの部品（１２ａ，１２ｂ）の前記ハウジング開口部（３０ａ〜３０ｃ）を気密に取り囲むことを特徴とする排気ガスシステム。
2. 前記２つのハウジング部品（１２ａ，１２ｂ）が、該ハウジング部品の内壁面から離間して配置されたエキゾーストマニホールドパイプ（３２ａ〜３２ｄ，３２ａ’〜３２ｄ’）を収容し、前記エキゾーストマニホールドパイプの一方の各端部が、シリンダ列の排気ガス出口に連結されるとともに、前記エキゾーストマニホールドパイプの他方の各端部が、排気ガス集合装置（１８ａ〜１８ｄ）に連結されることを特徴とする請求項１に記載の排気ガスシステム。
3. 連結部によって前記エキゾーストマニホールドパイプ（３２ａ〜３２ｄ，３２ａ’〜３２ｄ’）が前記排気ガス集合装置（１８ａ〜１８ｄ）に連結されており、前記排気ガス集合装置は、２つのハウジング部品内の一方にそれぞれ配置されることを特徴とする請求項２に記載の排気ガスシステム。
4. 前記エキゾーストマニホールドパイプ（３２ａ〜３２ｄ，３２ａ’〜３２ｄ’）が、少なくとも一方の端部にスライドシート連結部（３６ａ〜３６ｄ）を備えることを特徴とする請求項２または３に記載の排気ガスシステム。
5. 少なくとも１つのエキゾーストマニホールドパイプ（３２ａ〜３２ｄ）が、前記２つのハウジング部品（１２ａ，１２ｂ）の前記互いに対向する側部（２４ａ，２４ｂ）の内側に配置されたハウジング開口部（３０ａ〜３０ｃ）を通って案内されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の排気ガスシステム。
6. 前記一方のシリンダ列の少なくとも１つの前記エキゾーストマニホールドパイプ（３２ａ〜３２ｄ，３２ａ’〜３２ｄ’）が、前記他方のシリンダ列の少なくとも１つのエキゾーストマニホールドパイプ（３２ａ’〜３２ｄ’）に共通の排気ガス集合装置（１８ａ〜１８ｄ）を介して連結されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の排気ガスシステム。
7. 前記２つのハウジング部品（１２ａ，１２ｂ）の前記互いに対向する側部の各々は、少なくとも１つの前記通路開口部（３０ａ〜３０ｃ）が、前記２つのハウジング部品（１２ａ，１２ｂ）の内部を連結するために設けられたハウジング基部（２４ａ，２４ｂ）として形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の排気ガスシステム。
8. 前記膨張補正要素（２８ａ，２８ｂ）が、一対の蛇腹として設計されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の排気ガスシステム。
9. 前記膨張補正要素（２８ａ，２８ｂ）が、金属材料で形成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の排気ガスシステム。
10. 前記ハウジング部品（１２ａ，１２ｂ）の各々が、前記排気ガス出口開口部（１６ａ，１６ｂ）を備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の排気ガスシステム。
11. 少なくとも１つの出口分岐部（３４ａ〜３４ｄ）が、前記２つの排気ガス出口開口部（１６ａ，１６ｂ）を通ってそれぞれ案内されることを特徴とする請求項１０に記載の排気ガスシステム。
12. 前記出口分岐部（３４ａ〜３４ｄ）の各々は、下流にある２つの排気ガスターボチャージャの一方に案内されることを特徴とする請求項１１に記載の排気ガスシステム。
13. 前記一方のシリンダ列の各排気ガス出口は、前記他方のシリンダ列の排気ガス出口に連結されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の排気ガスシステム。
14. 前記排気ガス出口の各々から合流部（１８ａ〜１８ｄ）への各排気ガス通路は、少なくとも概ね等しい長さであることを特徴とする請求項１３に記載の排気ガスシステム。
15. 合流した排気ガス流は、両方の排気ガス出口から、出口分岐部の要素、特に、下流に位置するターボチャージャへと別々に案内されることを特徴とする請求項１３または１４に記載の排気ガスシステム。

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