JP6235378B2 - Supercharged internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、排気バルブの開期間にオーバーラップ期間を有する複数の気筒を有する過給式内燃機関の技術分野に関する。 The present invention relates to a technical field of a supercharged internal combustion engine having a plurality of cylinders having an overlap period when an exhaust valve is open.
船舶用ディーゼルエンジンなどに代表される大型エンジンでは、エンジン効率を向上するためにターボチャージャ等の過給機を備えるものが多い。エンジンに供給される空気は、排気ガスエネルギーによって駆動される過給機によって圧縮加熱された後、インタークーラで冷却されることにより、掃気として各気筒に供給される。 Many large engines such as marine diesel engines are equipped with a turbocharger or the like in order to improve engine efficiency. The air supplied to the engine is compressed and heated by a supercharger driven by exhaust gas energy, and then cooled by an intercooler to be supplied to each cylinder as scavenging.
各気筒からの排気ガスは、排気バルブを開けた際の掃気側圧力と排気側圧力との差圧に基づいて過給機に送り込まれる。一般的に、エンジンは複数の気筒を有しており、各気筒からの排気ガスを排気マニホールドで集気して過給機に供給するが、各気筒の排気バルブの開期間にオーバーラップ期間がある場合、排気マニホールドを介した気筒間の影響によって、排気側圧力が掃気側圧力に比べて大きくなり、排気ガスが気筒側に逆流してしまう逆流現象が生じる場合がある。 Exhaust gas from each cylinder is sent to the supercharger based on the differential pressure between the scavenging side pressure and the exhaust side pressure when the exhaust valve is opened. In general, an engine has a plurality of cylinders, and exhaust gas from each cylinder is collected by an exhaust manifold and supplied to a supercharger. However, there is an overlap period when the exhaust valve of each cylinder is open. In some cases, due to the influence between the cylinders via the exhaust manifold, the exhaust side pressure becomes larger than the scavenging side pressure, and a back flow phenomenon may occur in which the exhaust gas flows back to the cylinder side.
このような排気ガスの逆流現象を防止するために、例えば特許文献1では、各気筒から排出される排気ガスを静圧室(サージタンク)に一時的に溜めて、排気ガスが有する動圧を静圧化している。
In order to prevent such a backflow phenomenon of exhaust gas, for example, in
上述の特許文献1では、各気筒からの排気ガスが排気管から排気静圧室に供給される過程で大きな圧損が生じるという問題点がある(例えば排気管の出口における圧損係数は1であり、また排気ガスにポテンシャルコアがあった場合は排気静圧室の壁面に排気ガスが衝突することによって1以上の圧損係数が生じてしまう)。そのため、排気ガスが有するエネルギー減少により、ターボチャージャの仕事量が減り、十分なエンジン効率が得られない。
In the above-mentioned
このような排気ガスの圧損を減少させる対策としては、排気静圧室を介さずに排気管をターボチャージャに直接接続する動圧過給方式を採用することも一考に値する。しかしながら、気筒数が3以上のエンジンでは排気バルブの開期間にオーバーラップが存在するため、上述した逆流現象の発生が問題となる。 As a measure for reducing the pressure loss of the exhaust gas, it is worth considering a dynamic pressure supercharging system in which the exhaust pipe is directly connected to the turbocharger without using the exhaust static pressure chamber. However, in an engine having three or more cylinders, there is an overlap in the opening period of the exhaust valve, so the occurrence of the above-described backflow phenomenon becomes a problem.
本発明は上述の問題点に鑑みなされたものであり、複数の気筒の排気バルブ開期間にオーバーラップを有する場合であっても、排気ガスの気筒側への逆流を防止しつつ、過給機に動圧過給することで優れたエンジン効率を有する過給式内燃機関を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems. Even when there is an overlap in the exhaust valve open period of a plurality of cylinders, the supercharger can prevent the backflow of exhaust gas to the cylinder side. An object of the present invention is to provide a supercharged internal combustion engine having excellent engine efficiency by supercharging dynamic pressure.
本発明の一態様に係る過給式エンジンは上記課題を解決するために、排気ガスを排出する第1の気筒と、該第1の気筒と排気バルブの開期間がオーバーラップする第2の気筒とを含む複数の気筒を有し、前記排気ガスを過給機に供給することにより、前記複数の気筒を過給する過給式内燃機関であって、前記複数の気筒の排気ポートを並列に接続する排気マニホールドと、前記排気マニホールドの両端側を前記過給機に接続する複数の第1の接続管と、前記複数の第1の接続管の各々に設けられた第1の開度調整バルブと、前記開度調整バルブの開度を制御する制御部と、前記複数の排気ポートが前記排気マニホールドにそれぞれ接続する複数の接続部間に設けられた複数の絞り部とを備え、前記制御部は、前記第1の気筒から排出された排気ガスが前記第2の気筒に対応する接続部を介して前記過給機に供給されるように、前記第1の開度調整バルブを制御することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a supercharged engine according to an aspect of the present invention includes a first cylinder that discharges exhaust gas, and a second cylinder in which the opening period of the first cylinder and the exhaust valve overlap. A supercharged internal combustion engine that supercharges the plurality of cylinders by supplying the exhaust gas to a supercharger, wherein the exhaust ports of the plurality of cylinders are arranged in parallel An exhaust manifold to be connected; a plurality of first connection pipes connecting both ends of the exhaust manifold to the supercharger; and a first opening adjustment valve provided in each of the plurality of first connection pipes And a control unit that controls the opening of the opening adjustment valve, and a plurality of throttle portions provided between a plurality of connection portions that connect the plurality of exhaust ports to the exhaust manifold, respectively. Is the exhaust discharged from the first cylinder. As gas is supplied to the second of said supercharger via a connecting portion corresponding to the cylinder, and controls the first opening adjustment valve.
本態様によれば、第1の気筒から排出された排気ガスが第2の気筒に対応する接続部を介して前記過給機に供給される。排気ガスは、第2の気筒に対応する接続部を通過する際、排気マニホールドに設けられた絞り部によって流速が速められることによって、キャブレター効果(ベンチュリ効果)が得られる。これにより、第1の気筒から排出された排気ガスが、該第1の気筒と開期間がオーバーラップする第2の気筒に逆流する逆流現象を防止できる。また排気マニホールドを流れる排気ガスは、複数の絞り部によって流速が速められることによって動圧が増加され、静圧化されることなく過給機に供給される。そのため、排気ガスが有するエネルギーを少ない圧損で過給機に与えられるので、良好なエンジン効率が得られる。言い換えれば、エンジン効率が優れているので、エンジンのダウンサイジングにも有利である。 According to this aspect, the exhaust gas discharged from the first cylinder is supplied to the supercharger via the connection portion corresponding to the second cylinder. When the exhaust gas passes through the connection portion corresponding to the second cylinder, the flow rate is increased by the throttle portion provided in the exhaust manifold, thereby obtaining a carburetor effect (venturi effect). Thereby, it is possible to prevent a backflow phenomenon in which the exhaust gas discharged from the first cylinder flows back to the second cylinder whose open period overlaps with the first cylinder. Further, the exhaust gas flowing through the exhaust manifold is supplied to the supercharger without increasing the dynamic pressure by increasing the flow velocity by the plurality of throttle portions, and without reducing the static pressure. Therefore, the energy of the exhaust gas is given to the turbocharger with a small pressure loss, and good engine efficiency can be obtained. In other words, because the engine efficiency is excellent, it is also advantageous for engine downsizing.
前記複数の絞り部は、絞り度が可変に構成されており、前記制御部は、前記複数の絞り部のうち、前記排気マニホールドの前記第1の気筒から排出された排気ガスが通過する範囲に設けられた絞り部の絞り度を、他の絞り部に比べて大きく制御するようにしてもよい。
本態様によれば、排気マニホールドのうち排気ガスが流れる範囲に位置する絞り部の絞り度を大きくすることによって、上述したようなキャブレター効果(ベンチュリ効果)による利益を得る。一方、その他の絞り部は絞り度を小さくすることによって、排気ガスの圧損要因となることを避ける。これにより、過給機に対して効率的に排気エネルギーを供給することができる。
The plurality of throttle portions are configured such that the degree of throttle is variable, and the control unit has a range within which the exhaust gas discharged from the first cylinder of the exhaust manifold passes among the plurality of throttle portions. You may make it control the aperture degree of the provided diaphragm | throttle part largely compared with another diaphragm | throttle part.
According to this aspect, the advantage of the carburetor effect (the Venturi effect) as described above is obtained by increasing the throttle degree of the throttle portion located in the exhaust gas flow range in the exhaust manifold. On the other hand, by reducing the degree of throttling of the other throttling portions, it is avoided that it becomes a cause of pressure loss of the exhaust gas. Thereby, exhaust energy can be efficiently supplied to the supercharger.
前記複数の接続部間を前記過給機に接続する第2の接続管と、前記第2の接続管に設けられた第2の開度調整バルブとを備え、前記制御部は、前記第1の気筒から排出された排気ガスが前記第2の気筒に対応する接続部を介して前記過給機に供給され、且つ、前記排気ガスの流路長さが最小になるように、前記第1の開度調整バルブ及び第2の開度調整バルブを制御するようにしてもよい。 A second connecting pipe that connects the plurality of connecting sections to the supercharger; and a second opening adjustment valve that is provided in the second connecting pipe, and the control section includes the first connecting section The exhaust gas discharged from the first cylinder is supplied to the supercharger through a connection corresponding to the second cylinder, and the flow path length of the first exhaust gas is minimized. The opening degree adjusting valve and the second opening degree adjusting valve may be controlled.
例えば内燃機関の気筒数によっては過給機までの排気経路が長くなることで、圧損が大きくなることがある。本態様では、このような場合であっても、接続部間を過給機に接続する第2の接続管と該第2の接続管用の第2の開度調整バルブを備えることによって、排気流路が最短になるように経路選択が行われる。これにより、上記効果に加えて圧損が少ない経路選択が可能となるため、より効率的な過給式内燃機関が実現できる。 For example, depending on the number of cylinders of the internal combustion engine, the pressure loss may increase due to a long exhaust path to the supercharger. In this aspect, even in such a case, the exhaust flow is provided by including the second connection pipe that connects the connection portions to the supercharger and the second opening adjustment valve for the second connection pipe. The route selection is performed so that the route becomes the shortest. This makes it possible to select a route with less pressure loss in addition to the above-described effect, thereby realizing a more efficient supercharged internal combustion engine.
この場合、前記第2の気筒が2つ以上あってもよい。
本態様のように第2の気筒が2つ以上ある場合、すなわち、第1の気筒を含む3つ以上の気筒において、排気バルブの開期間にオーバーラップがある場合には、排気経路が長くなることに鑑み、上述したような第2の接続管及び第2の開度調整バルブを備える態様が適している。
In this case, there may be two or more second cylinders.
When there are two or more second cylinders as in this aspect, that is, in three or more cylinders including the first cylinder, when there is an overlap in the open period of the exhaust valves, the exhaust path becomes long. In view of the above, an aspect including the second connecting pipe and the second opening degree adjusting valve as described above is suitable.
また、前記内燃機関の負荷を検知する負荷検知部を備え、前記制御部は、前記負荷検知部によって検知された負荷に基づいて、前記絞り部の絞り度を可変に制御するようにしてもよい。
一般的に、内燃機関の負荷が小さい場合には排気ガスの流量が少なくなるため、過給機に供給される排気ガスの動圧もまた小さくなる。そこで、本態様では、負荷検知部を備えることによって内燃機関の負荷を検知し、その検知値に基づいて絞り部の絞り度を可変制御することで、絞り部によって排気ガスの流速を適宜増加させ、過給機に効率的に排気エネルギーを供給することができる。
In addition, a load detection unit that detects a load of the internal combustion engine may be provided, and the control unit may variably control the throttle degree of the throttle unit based on the load detected by the load detection unit. .
Generally, when the load on the internal combustion engine is small, the flow rate of the exhaust gas decreases, so the dynamic pressure of the exhaust gas supplied to the supercharger also decreases. Therefore, in this aspect, the load of the internal combustion engine is detected by providing the load detection unit, and the throttle rate of the throttle unit is variably controlled based on the detected value, so that the flow rate of the exhaust gas is appropriately increased by the throttle unit. The exhaust gas can be efficiently supplied to the supercharger.
本発明によれば、第1の気筒から排出された排気ガスが第2の気筒に対応する接続部を介して過給機に供給される。排気ガスは、第2の気筒に対応する接続部を通過する際、排気マニホールドに設けられた絞り部によって流速が速められることによって、キャブレター効果(ベンチュリ効果)が得られる。これにより、第1の気筒から排出された排気ガスが、該第1の気筒と開期間がオーバーラップする第2の気筒に逆流する逆流現象を防止できる。また排気マニホールドを流れる排気ガスは、複数の絞り部によって流速が速められることによって動圧が増加され、静圧化されることなく過給機に供給される。そのため、排気ガスが有するエネルギーを少ない圧損で過給機に与えられるので、良好なエンジン効率が得られる。 According to the present invention, the exhaust gas discharged from the first cylinder is supplied to the supercharger via the connection corresponding to the second cylinder. When the exhaust gas passes through the connection portion corresponding to the second cylinder, the flow rate is increased by the throttle portion provided in the exhaust manifold, thereby obtaining a carburetor effect (venturi effect). Thereby, it is possible to prevent a backflow phenomenon in which the exhaust gas discharged from the first cylinder flows back to the second cylinder whose open period overlaps with the first cylinder. Further, the exhaust gas flowing through the exhaust manifold is supplied to the supercharger without increasing the dynamic pressure by increasing the flow velocity by the plurality of throttle portions, and without reducing the static pressure. Therefore, the energy of the exhaust gas is given to the turbocharger with a small pressure loss, and good engine efficiency can be obtained.
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. The present embodiment described below does not unduly limit the contents of the present invention described in the claims, and all the configurations described in the present embodiment are essential as means for solving the present invention. Not necessarily.
(第1実施形態)
図1は第1実施形態に係るエンジン100の構造例を示す断面図である。エンジン100は、船舶用の大型ディーゼルエンジンであり、ユニフロー方式の2サイクル多気筒エンジンである。架構2の上に設置されたシリンダジャケット3の内部にはシリンダライナ4が設けられており、その上端にシリンダヘッド5が設けられている。シリンダライナ4内にはシリンダボア6が形成されており、該シリンダボア6内にはピストン7が摺動自在に挿入されている。ピストン7はピストンロッド8に連結されている。ピストンロッド8の下端は図示しないクロスヘッド及びコンロッドを介してクランクシャフトに連接されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a structural example of an
シリンダライナ4の下部には複数の掃気ポート11が円周方向に並んで形成されている。また、これらの掃気ポート11の周囲を取り囲んで、シリンダジャケット3の内部には、掃気通路12が画成されている。一方、シリンダヘッド5の頂部には排気ポート13及び該排気ポート13を開閉するための排気バルブ14が設けられている。排気バルブ14は図示しないカムシャフト、又は、電磁的に制御される油圧装置により開閉駆動され、ピストン7がシリンダボア6内を上昇するタイミングに同期して開弁する。
A plurality of scavenging
エンジン100が有する複数の気筒の排気ポート13は、それぞれ排気経路20を介してターボチャージャ18に接続されている。ここで図2は4気筒のエンジン100において複数の気筒の排気ポート13とターボチャージャ18との間の排気経路20を示す模式図である。図2では、エンジン100の各気筒1a、1b、1c及び1d(以下の説明では、全気筒についてまとめて言及する際には符号1で示すこととする)に対応する排気ポート13a、13b、13c及び13dが示されており、以下の説明では、適宜、各排気ポート13に対応する構成に共通の文字符号a、b、c、dを付すこととする。
The
排気経路20は、4気筒の各排気ポート13をそれぞれ並列に接続する排気マニホールド25と、該排気マニホールド25上の異なる位置をそれぞれターボチャージャ18の排気タービン側流路19に接続する2本の接続管26a、26bから構成されている。排気マニホールド25は各排気ポート13a、13b、13c及び13dと、接続部27a、27b、27c及び27dを形成している。各接続部27a、27b、27c及び27dの間には、排気マニホールド25内の排気ガスの流量を規制するための絞り部28a、28b及び28cが設けられている。
尚、2本の接続管26a、26bは本発明に係る「第1の接続管」の一例である。
The
The two connecting
図3は排気マニホールド25の絞り部28の近傍を拡大して示す断面図である。絞り部28は、それぞれ円筒形状断面を有する排気マニホールド25の内壁から張り出すよう凸状に構成されており、該張り出し具合は、後述する制御部30によって可変に構成されている。このように排気マニホールド25内に絞り部28を備えることにより、排気マニホールド25内を流れる排気ガスは、図3に矢印で示すように、絞り部28を通過する際に流速が速められる。
FIG. 3 is an enlarged sectional view showing the vicinity of the
2本の接続管27a及び27bは、排気マニホールド25の両端側にそれぞれ接続されている(絞り部28a、28b及び28cの両側に接続されている)。そして、2本の接続管27a及び27b上にはそれぞれ、本発明の「第1の開度調整バルブ」の一例であるバルブ29a及び29bが設けられており、後述する制御部30によって開閉状態が選択可能に構成されている。
The two
ターボチャージャ18の吸気タービン側流路17は、略U字形の縦断面形状を備えた空気導管22を経て掃気通路12に接続されている。空気導管22の内部には空気冷却器(インタークーラ)23が設置されている。
The intake turbine
エンジン100の作動時には、高温、高圧な排気ガスがこのような排気経路20を経てターボチャージャ18の排気タービン側流路19に流れ、ターボチャージャ18の排気タービンが回転駆動される。これにより、外気がターボチャージャ18に取り込まれ、圧縮加熱された後に、吸気タービン側流路17を経て空気冷却気23によって冷却され、掃気として掃気ポート12に入る。
When the
続いて図4乃至図6を参照して、上記構成を有するエンジン100の制御内容について説明する。図4は第1実施形態に係るエンジン100の排気通路20近傍の構成を概略的に示す模式図であり、図5は第1実施形態に係るエンジン100の各気筒における排気バルブ14の開閉期間を示すタイミングチャートであり、図6は図5に示す各期間における排気通路20の排気ガスの流れを示す模式図である。
Next, the control contents of the
まず図4に示すように、エンジン100は排気通路20の可動部位を制御するためのコントロールユニットである制御部30を備えている。制御部30は、エンジン100の作動状態に応じて、排気経路における絞り部28の絞り度、及び、バルブ29の開閉状態をそれぞれ可変に制御するためのコントロールユニットである。
尚、制御部30はECUなどのエンジン100が有する他のコントロールユニットを兼ねていてもよい。
First, as shown in FIG. 4, the
The
続いて図5に示すように、各気筒1a、1b、1c及び1dに対応する排気バルブ14a、14b、14c及び14dは、1サイクル(360度)の間に150度の開期間をそれぞれ有しており、いずれか2つの排気バルブ14の開期間にオーバーラップ期間が存在している。すなわち、本実施形態では、排気ガスを排出するために排気バルブ14が開いている第1の気筒が一つ存在しており、該第1の気筒とオーバーラップ期間を有する排気バルブ14を有する第2の気筒が1つ存在している場合に相当する。
尚、図6では各気筒1a、1b、1c及び1dにおける排気バルブ14の開閉状態をわかりやすく示すために、排気バルブ14が閉状態にある気筒をハッチングで示している。
Subsequently, as shown in FIG. 5, the exhaust valves 14a, 14b, 14c and 14d corresponding to the
In FIG. 6, in order to clearly show the open / closed state of the
尚、ここで各排気バルブ14の開期間はエンジン出力軸の回転を均一化するために90度間隔でずれるように設定されている。以下の説明では、図5に示すように、1サイクルを4つの期間(a)(b)(c)(d)に分割して述べる。
Here, the opening period of each
まず期間(a)では、第1の気筒である気筒1cの排気バルブ14cを開くことで排気ポート13cから排気ガスが排出されると共に、第2の気筒である気筒1bの排気バルブ14bを開くことで、掃気圧と排気圧との差圧を利用して掃気ポート12bから気筒1bに掃気が取り込まれる。つまり期間(a)では排気バルブ14b及び14cにおいてオーバーラップ期間が存在する。このとき、制御部30は図6(a)に示すように、バルブ27aを開状態に切り替えると共にバルブ27bを閉状態に切り替えることによって、気筒1cから排出される排気ガスは、接続管26aを介して、ターボチャージャ18の排気タービン側流路19に流れる。
First, in period (a), exhaust gas is discharged from the
このとき、制御部30は、排気マニホールド25の気筒1cから排出された排気ガスが通過する範囲に設けられた絞り部28bの絞り度を、他の絞り部に比べて大きく制御することにより、排気バルブ14bが開いている気筒1bに対応する接続部27bにおいて、排気マニホールド25を流れる排気ガスの流速が高められ、ターボチャージャ18に供給される排気ガスの動圧が向上する。一方、掃気マニホールド25を流れる排気ガスは、キャブレター効果(ベンチュリ効果)によって、気筒1bの排気圧に負圧が作用し、掃気の取り込みが促される。つまり、排気バルブ14bが開いている気筒1bへの排気ガスの逆流を防止すると共に、気筒1bにおける掃気の吸引が促進される。
At this time, the
続いて期間(b)では、第1の気筒である気筒1aの排気バルブ14aを開くことで排気ポート13aから排気ガスが排出されると共に、第2の気筒である気筒1cの排気バルブ14cを開くことで、掃気圧と排気圧との差圧を利用して掃気ポート12cから気筒1cに掃気が取り込まれる。つまり期間(b)では排気バルブ14a及び14cにおいてオーバーラップ期間が存在する。このとき、制御部30は図6(b)に示すように、バルブ27aを閉状態に切り替えると共にバルブ27bを開状態に切り替えることによって、気筒1aから排出される排気ガスは、接続管26bを介して、ターボチャージャ18の排気タービン側流路19に流れる。
Subsequently, in the period (b), exhaust gas is discharged from the
このとき、制御部30は、排気マニホールド25の気筒1aから排出された排気ガスが通過する範囲に設けられた絞り部28a及び28bの絞り度を、他の絞り部に比べて大きく制御することにより、排気バルブ14cが開いている気筒1cに対応する接続部27cにおいて、排気マニホールド25を流れる排気ガスの流速が高められ、ターボチャージャ18に供給される排気ガスの動圧が向上する。一方、掃気マニホールド25を流れる排気ガスは、キャブレター効果(ベンチュリ効果)によって、気筒1cの排気圧に負圧が作用し、掃気の取り込みが促される。つまり、排気バルブ14cが開いている気筒1cへの排気ガスの逆流を防止すると共に、気筒1cにおける掃気の吸引を促進される。
At this time, the
続いて期間(c)では、第1の気筒である気筒1dの排気バルブ14dを開くことで排気ポート13dから排気ガスが排出されると共に、第2の気筒である気筒1aの排気バルブ14aを開くことで、掃気圧と排気圧との差圧を利用して掃気ポート12aから気筒1aに掃気が取り込まれる。つまり期間(c)では排気バルブ14a及び14dにおいてオーバーラップ期間が存在する。このとき、制御部30は図6(c)に示すように、バルブ27aを開状態に切り替えると共にバルブ27bを閉状態に切り替えることによって、気筒1dから排出される排気ガスは、接続管26aを介して、ターボチャージャ18の排気タービン側流路19に流れる。
Subsequently, in period (c), exhaust gas is discharged from the
このとき、制御部30は、排気マニホールド25の気筒1dから排出された排気ガスが通過する範囲に設けられた絞り部28a、28b及び28cの絞り度を、他の絞り部に比べて大きく制御することにより、排気バルブ14aが開いている気筒1aに対応する接続部27aにおいて、排気マニホールド25を流れる排気ガスの流速が高められ、ターボチャージャ18に供給される排気ガスの動圧が向上する。一方、掃気マニホールド25を流れる排気ガスは、キャブレター効果(ベンチュリ効果)によって、気筒1aの排気圧に負圧が作用し、掃気の取り込みが促される。つまり、排気バルブ14aが開いている気筒1aへの排気ガスの逆流を防止すると共に、気筒1aにおける掃気の吸引が促進される。
At this time, the
続いて期間(d)では、第1の気筒である気筒1bの排気バルブ14bを開くことで排気ポート13bから排気ガスが排出されると共に、第2の気筒である気筒1dの排気バルブ14dを開くことで、掃気圧と排気圧との差圧を利用して掃気ポート12dから気筒1dに掃気が取り込まれる。つまり期間(d)では排気バルブ14b及び14dにおいてオーバーラップ期間が存在する。このとき、制御部30は図6(c)に示すように、バルブ27aを閉状態に切り替えると共にバルブ27bを開状態に切り替えることによって、気筒1bから排出される排気ガスは、接続管26bを介して、ターボチャージャ18の排気タービン側流路19に流れる。
Subsequently, in the period (d), exhaust gas is discharged from the
このとき、制御部30は、排気マニホールド25の気筒1bから排出された排気ガスが通過する範囲に設けられた絞り部28b及び28cの絞り度を、他の絞り部に比べて大きく制御することにより、排気バルブ14dが開いている気筒1dに対応する接続部27dにおいて、排気マニホールド25を流れる排気ガスの流速が高められ、ターボチャージャ18に供給される排気ガスの動圧が向上する。一方、掃気マニホールド25を流れる排気ガスは、キャブレター効果(ベンチュリ効果)によって、気筒1dの排気圧に負圧が作用し、掃気の取り込みが促される。つまり、排気バルブ14dが開いている気筒1dへの排気ガスの逆流を防止すると共に、気筒1dにおける掃気の吸引が促進される。
At this time, the
このように、期間(a)〜(d)のそれぞれにおいて複数の排気バルブがオーバーラップ期間を有する場合であっても、気筒への排気ガスの逆流現象が防止されると共に、排気マニホールド25にて絞り部によって動圧が高められる。その結果、各気筒から排出された排気ガスを少ない圧損でターボチャージャ18に供給できるので、良好なエンジン効率を得ることができる。
Thus, even when the plurality of exhaust valves have overlap periods in each of the periods (a) to (d), the backflow phenomenon of the exhaust gas to the cylinder is prevented and the
尚、特許文献1で示した従来の排気静圧室を用いたエンジンの場合、圧損要素として、
排気管の排気静圧室への出口部で1以上の圧損係数が生じると共に、排気静圧室から排気タービン側流路の井口部で0.5以上の圧損係数が生じる。従って、従来技術では、静圧化によって排気ガスの気筒への逆流を防止できるものの、排気通路全体において少なくとも1.5以上の圧損係数が生じてしまう。
In the case of an engine using the conventional exhaust static pressure chamber shown in
A pressure loss coefficient of 1 or more is generated at the outlet portion of the exhaust pipe to the exhaust static pressure chamber, and a pressure loss coefficient of 0.5 or more is generated from the exhaust static pressure chamber to the well portion of the exhaust turbine side flow path. Therefore, in the prior art, although the backflow of exhaust gas to the cylinder can be prevented by static pressure, a pressure loss coefficient of at least 1.5 or more occurs in the entire exhaust passage.
一方、本実施形態のエンジンでは、圧損要素として、(i)バルブ29の下流側で管19に接続する箇所の湾曲部において内壁に排気ガスが衝突することにより生じる圧損と、(ii)絞り部28による排気ガスの急収縮による圧損がある。前者の圧損は、配管形状にもよるが最大で0.4の圧損係数に相当する。後者による圧損は、各絞り部28が排気マニホールド25の断面開口比0.6以上に絞ると仮定すると、一つの絞り部28あたり0.3の圧損係数に相当する。従って、1つの絞り部28を作動させた場合には、排気通路20の全体で生じる圧損は0.7程度であり、従来に比べて圧損を大幅に低減できることが検証できた。
On the other hand, in the engine of this embodiment, as a pressure loss element, (i) pressure loss caused by exhaust gas colliding with an inner wall at a curved portion connected to the
尚、絞り部28を通過させることによって、排気マニホールド25内の排気ガスの流速は1.3倍に増加し、動圧は1.7倍に増大する。
By passing the
尚、上記説明では絞り部28a、28b及び28cの絞り度は、制御部30によって可変であるとしたが、所定の絞り度に固定してもよい。この場合、3つの絞り部28a、28b及び28cによる圧損が常に生じることになるが、上述の従来技術に比べて動圧供給できる分だけ、有利な効果を得ることができる。
In the above description, the apertures of the
また、エンジン100の負荷状態を検知する負荷センサを設置し、制御部30は負荷センサの検知値に基づいて、絞り部28a、28b及び28cの絞り度を制御するようにしてもよい。例えば負荷が小さい場合、各気筒から排出される排気ガスの圧力が低くなるため、ターボチャージャ18に供給される動圧も低くなる傾向にあるが、その際に絞り部28の絞り度を増やすように制御することで、動圧を増加させることができる。
In addition, a load sensor that detects the load state of the
(第2実施形態)
上述の第1実施形態ではエンジン100が4気筒である場合について説明したが、ここでは7気筒のエンジン100´に本発明を適用した例について説明する。尚、エンジン100´の基本的構成は上記エンジン100と同じであり、共通する箇所には共通の符合を付すことにより、重複する説明は適宜省略することとする。
(Second Embodiment)
In the above-described first embodiment, the case where the
図7は第2実施形態に係るエンジン100´の排気通路20近傍の構成を概略的に示す模式図であり、図8は第2実施形態に係るエンジン100´の各気筒における排気バルブ14の開閉期間を示すタイミングチャートであり、図9は図8に示す各期間における排気通路20の排気ガスの流れを示す模式図である。
尚、本変形例では、エンジン100´の各気筒に対応する構成要素を区別して示す際に、文字符号a、b、c、d、e、f及びgを付すこととする。また上述の図6と同様に、各気筒における排気バルブ14の開閉状態をわかりやすく示すために、排気バルブ14が閉状態にある気筒をハッチングで示している。
FIG. 7 is a schematic view schematically showing a configuration in the vicinity of the
In this modification, the letter symbols a, b, c, d, e, f, and g are given when distinguishing the components corresponding to the cylinders of the
排気経路20は、7気筒の各排気ポート13をそれぞれ並列に接続する排気マニホールド25と、該排気マニホールド25上の異なる位置をそれぞれターボチャージャ18の排気タービン側流路19に接続する3本の接続管26a、26b及び26cから構成されている。第1実施形態と共通する接続管26a及び26bは、上述したように本発明の「第1の接続管」の一例であり、本実施形態で追加された接続管26cは本発明の「第2の接続管」の一例である。
The
排気マニホールド25は各排気ポート13a、13b、13c、13d、13e、13f及び13gと、接続部27a、27b、27c、27d、27e、27f及び27gを形成している。各接続部27a、27b、27c、27d、27e、27f及び27gの間には、排気マニホールド25内の排気ガスの流量を規制するための絞り部28a、28b、28c、28d、28e及び28fが設けられている。接続管27a及び27bは、第1実施形態と同様に、排気マニホールド25の両端側に接続されており、接続管27cは接続部27a、27b、27c、27d、27e、27f及び27gのいずれかの間に接続されている。
The
3本の接続管27a、27b及び27c上にはそれぞれバルブ29a、29b及び29cが設けられている。上述したようにバルブ29a及び29bは本発明に係る「第1の開度調整バルブ」の一例であり、残りのバルブ29cは本発明に係る「第2の開度調整バルブ」の一例である。
続いて図8に示すように、各気筒1a、1b、1c、1d、1e、1f及び1gに対応する排気バルブ14a、14b、14c、14d、14e、14f及び14gは、1サイクル(360度)の間に150度の開期間をそれぞれ有している。ここで各排気バルブの開期間はエンジン出力軸の回転を均一化するために51.4度(=360度/7気筒)間隔でずらされており、気筒1a、気筒1g、気筒1b、気筒1e、気筒1d、気筒1c、気筒1fの順で順次開くように設定されている。以下の説明では、図8に示すように、1サイクルを7つの期間(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)に分割して述べる。
Subsequently, as shown in FIG. 8, the exhaust valves 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, and 14g corresponding to the
まず期間(a)では、第1の気筒である気筒1aの排気バルブ14aを開くことで排気ポート13aから排気ガスが排出されると共に、第2の気筒である気筒1cの排気バルブ14c及び気筒1fの排気バルブ14fを開くことで、掃気圧と排気圧との差圧を利用して掃気ポート12c及び12fから気筒1c及び気筒1fに掃気が取り込まれる。つまり期間(a)では排気バルブ14a、14c及び14fにおいてオーバーラップ期間が存在する。このとき、制御部30は図9(a)に示すように、バルブ27a及び27cを閉状態に切り替えると共にバルブ27bを開状態に切り替えることによって、気筒1aから排出される排気ガスは、接続管26bを介して、ターボチャージャ18の排気タービン側流路19に流れる。
First, in period (a), exhaust gas is discharged from the
このとき、制御部30は、排気マニホールド25の気筒1aから排出された排気ガスが通過する範囲に設けられた絞り部28a乃至28fの絞り度を大きく制御することにより、排気バルブ14c及び14fが開いている気筒1c及び気筒1fに対応する接続部27c及び27fにおいて、排気マニホールド25を流れる排気ガスの流速が高められ、ターボチャージャ18に供給される排気ガスの動圧が向上する。一方、掃気マニホールド25を流れる排気ガスは、キャブレター効果(ベンチュリ効果)によって、気筒1c及び気筒1fの排気圧に負圧が作用し、掃気の取り込みが促される。つまり、排気バルブ14c及び14fが開いている気筒1c及び気筒1fへの排気ガスの逆流を防止すると共に、気筒1c及び気筒1fにおける掃気の吸引が促進される。
At this time, the
また、このように接続管26bを介して排気ガスを流すことによって、オーバーラップする他の気筒における蒸気キャブレター効果を得つつ、ターボチャージャ18までの排気流路が最短になるように経路選択が行われる。これにより、上記効果に加えて圧損を少なくすることができるので、良好なエンジン効率を実現することができる。
Further, by flowing the exhaust gas through the
続いて期間(b)では、第1の気筒である気筒1gの排気バルブ14gを開くことで排気ポート13gから排気ガスが排出されると共に、第2の気筒である気筒1aの排気バルブ14a及び気筒1fの排気バルブ14fを開くことで、掃気圧と排気圧との差圧を利用して掃気ポート12a及び12fから気筒1a及び気筒1fに掃気が取り込まれる。つまり期間(b)では排気バルブ14a、14f及び14gにおいてオーバーラップ期間が存在する。このとき、制御部30は図9(b)に示すように、バルブ27a及び27bを閉状態に切り替えると共にバルブ27cを開状態に切り替えることによって、気筒1gから排出される排気ガスは、接続管26cを介して、ターボチャージャ18の排気タービン側流路19に流れる。
Subsequently, in the period (b), exhaust gas is discharged from the
このとき、制御部30は絞り部28d、28e及び28fを絞ることにより、排気バルブ14fが開いている気筒1fに対応する27fにおいて、排気マニホールド25を流れる排気ガスの流速が高められ、ターボチャージャ18に供給される排気ガスの動圧が向上する。一方、掃気マニホールド25を流れる排気ガスは、キャブレター効果(ベンチュリ効果)によって、気筒1fの排気圧に負圧が作用し、掃気の取り込みが促される。つまり、排気バルブ14fが開いている気筒1fへの排気ガスの逆流を防止すると共に、気筒1fにおける掃気の吸引が促進される。
At this time, the
また、このように接続管26cを介して排気ガスを流すことによって、オーバーラップする他の気筒における蒸気キャブレター効果を得つつ、ターボチャージャ18までの排気流路が最短になるように経路選択が行われる。これにより、上記効果に加えて圧損を少なくすることができるので、良好なエンジン効率を実現することができる。
Further, by flowing the exhaust gas through the
続いて期間(c)では、気筒1bの排気バルブ14bを開くことで排気ポート13bから排気ガスが排出されると共に、気筒1aの排気バルブ14a及び気筒1gの排気バルブ14gを開くことで、掃気圧と排気圧との差圧を利用して掃気ポート12a及び12gから気筒1a及び気筒1gに掃気が取り込まれる。つまり期間(c)では排気バルブ14a、14b及び14gにおいてオーバーラップ期間が存在する。このとき、制御部30は図9(c)に示すように、バルブ27b及び27cを閉状態に切り替えると共にバルブ27aを開状態に切り替えることによって、気筒1bから排出される排気ガスは、接続管26aを介して、ターボチャージャ18の排気タービン側流路19に流れる。
Subsequently, in the period (c), exhaust gas is discharged from the
このとき、制御部30は絞り部28aを絞ることにより、排気バルブ14aが開いている気筒1aに対応する接続部27aにおいて、排気マニホールド25を流れる排気ガスの流速が高められ、ターボチャージャ18に供給される排気ガスの動圧が向上する。一方、掃気マニホールド25を流れる排気ガスは、キャブレター効果(ベンチュリ効果)によって、気筒1aの排気圧に負圧が作用し、掃気の取り込みが促される。つまり、排気バルブ14aが開いている気筒1aへの排気ガスの逆流を防止すると共に、気筒1aにおける掃気の吸引が促進される。
At this time, the
また、このように接続管26aを介して排気ガスを流すことによって、オーバーラップする他の気筒における蒸気キャブレター効果を得つつ、ターボチャージャ18までの排気流路が最短になるように経路選択が行われる。これにより、上記効果に加えて圧損を少なくすることができるので、良好なエンジン効率を実現することができる。
Further, by flowing the exhaust gas through the connecting
続いて期間(d)では、気筒1eの排気バルブ14eを開くことで排気ポート13eから排気ガスが排出されると共に、気筒1bの排気バルブ14b及び気筒1gの排気バルブ14gを開くことで、掃気圧と排気圧との差圧を利用して掃気ポート12b及び12gから気筒1b及び気筒1gに掃気が取り込まれる。つまり期間(d)では排気バルブ14b、14e及び14gにおいてオーバーラップ期間が存在する。このとき、制御部30は図9(d)に示すように、バルブ27a及び27cを閉状態に切り替えると共にバルブ27bを開状態に切り替えることによって、気筒1eから排出される排気ガスは、接続管26bを介して、ターボチャージャ18の排気タービン側流路19に流れる。
Subsequently, in period (d), exhaust gas is discharged from the
このとき、制御部30は絞り部28e及び28fを絞ることにより、排気バルブ14gが開いている気筒1gに対応する接続部27gにおいて、排気マニホールド25を流れる排気ガスの流速が高められ、ターボチャージャ18に供給される排気ガスの動圧が向上する。一方、掃気マニホールド25を流れる排気ガスは、キャブレター効果(ベンチュリ効果)によって、気筒1gの排気圧に負圧が作用し、掃気の取り込みが促される。つまり、排気バルブ14gが開いている気筒1gへの排気ガスの逆流を防止すると共に、気筒1gにおける掃気の吸引が促進される。
At this time, the
また、このように接続管26bを介して排気ガスを流すことによって、オーバーラップする他の気筒における蒸気キャブレター効果を得つつ、ターボチャージャ18までの排気流路が最短になるように経路選択が行われる。これにより、上記効果に加えて圧損を少なくすることができるので、良好なエンジン効率を実現することができる。
Further, by flowing the exhaust gas through the
続いて期間(e)では、気筒1dの排気バルブ14dを開くことで排気ポート13dから排気ガスが排出されると共に、気筒1bの排気バルブ14b及び気筒1eの排気バルブ14eを開くことで、掃気圧と排気圧との差圧を利用して掃気ポート12b及び12eから気筒1b及び気筒1eに掃気が取り込まれる。つまり期間(e)では排気バルブ14b、14d及び14eにおいてオーバーラップ期間が存在する。このとき、制御部30は図9(e)に示すように、バルブ27b及び27cを閉状態に切り替えると共にバルブ27aを開状態に切り替えることによって、気筒1dから排出される排気ガスは、接続管26aを介して、ターボチャージャ18の排気タービン側流路19に流れる。
Subsequently, in period (e), exhaust gas is discharged from the
このとき、制御部30は絞り部28a、28b及び28cを絞ることにより、排気バルブ14bが開いている気筒1bに対応する接続部27bにおいて、排気マニホールド25を流れる排気ガスの流速が高められ、ターボチャージャ18に供給される排気ガスの動圧が向上する。一方、掃気マニホールド25を流れる排気ガスは、キャブレター効果(ベンチュリ効果)によって、気筒1bの排気圧に負圧が作用し、掃気の取り込みが促される。つまり、排気バルブ14bが開いている気筒1bへの排気ガスの逆流を防止すると共に、気筒1bにおける掃気の吸引が促進される。
At this time, the
また、このように接続管26aを介して排気ガスを流すことによって、オーバーラップする他の気筒における蒸気キャブレター効果を得つつ、ターボチャージャ18までの排気流路が最短になるように経路選択が行われる。これにより、上記効果に加えて圧損を少なくすることができるので、良好なエンジン効率を実現することができる。
Further, by flowing the exhaust gas through the
続いて期間(f)では、気筒1cの排気バルブ14cを開くことで排気ポート13cから排気ガスが排出されると共に、気筒1dの排気バルブ14d及び気筒1eの排気バルブ14eを開くことで、掃気圧と排気圧との差圧を利用して掃気ポート12d及び12eから気筒1d及び気筒1eに掃気が取り込まれる。つまり期間(f)では排気バルブ14c、14d及び14eにおいてオーバーラップ期間が存在する。このとき、制御部30は図9(f)に示すように、バルブ27a及び27cを閉状態に切り替えると共にバルブ27bを開状態に切り替えることによって、気筒1cから排出される排気ガスは、接続管26bを介して、ターボチャージャ18の排気タービン側流路19に流れる。
Subsequently, in period (f), the exhaust gas is discharged from the
このとき、制御部30は絞り部28c、28d、28e及び28fを絞ることにより、排気バルブ14d及び14eが開いている気筒1d及び気筒1eに対応する接続部27d及び27eにおいて、排気マニホールド25を流れる排気ガスの流速が高められ、ターボチャージャ18に供給される排気ガスの動圧が向上する。一方、掃気マニホールド25を流れる排気ガスは、キャブレター効果(ベンチュリ効果)によって、気筒1d及び気筒1eの排気圧に負圧が作用し、掃気の取り込みが促される。つまり、排気バルブ14d及び14eが開いている気筒1d及び気筒1eへの排気ガスの逆流を防止すると共に、気筒1d及び気筒1eにおける掃気の吸引が促進される。
At this time, the
また、このように接続管26bを介して排気ガスを流すことによって、オーバーラップする他の気筒における蒸気キャブレター効果を得つつ、ターボチャージャ18までの排気流路が最短になるように経路選択が行われる。これにより、上記効果に加えて圧損を少なくすることができるので、良好なエンジン効率を実現することができる。
Further, by flowing the exhaust gas through the
続いて期間(g)では、気筒1fの排気バルブ14fを開くことで排気ポート13fから排気ガスが排出されると共に、気筒1cの排気バルブ14c及び気筒1dの排気バルブ14dを開くことで、掃気圧と排気圧との差圧を利用して掃気ポート12c及び12dから気筒1c及び気筒1dに掃気が取り込まれる。つまり期間(f)では排気バルブ14c、14d及び14fにおいてオーバーラップ期間が存在する。このとき、制御部30は図9(g)に示すように、バルブ27a及び27bを閉状態に切り替えると共にバルブ27cを開状態に切り替えることによって、気筒1fから排出される排気ガスは、接続管26cを介して、ターボチャージャ18の排気タービン側流路19に流れる。
Subsequently, in period (g), exhaust gas is discharged from the
このとき、制御部30は絞り部28d及び28eを絞ることにより、排気バルブ14eが開いている気筒1eに対応する接続部27eにおいて、排気マニホールド25を流れる排気ガスの流速が高められ、ターボチャージャ18に供給される排気ガスの動圧が向上する。
At this time, the
また、このように接続管26cを介して排気ガスを流すことによって、オーバーラップする他の気筒における蒸気キャブレター効果を得つつ、ターボチャージャ18までの排気流路が最短になるように経路選択が行われる。これにより、上記効果に加えて圧損を少なくすることができるので、良好なエンジン効率を実現することができる。
Further, by flowing the exhaust gas through the
以上説明したように、本実施形態によれば、ターボチャージャ18に少ない圧損で増大された動圧を供給することでエンジン効率を向上すると共に、気筒への排気ガスの逆流を確実に防止することができる。
As described above, according to the present embodiment, the engine pressure is improved by supplying the
本発明は、排気バルブの開期間にオーバーラップ期間を有する複数の気筒を有する過給式内燃機関に利用可能である。 The present invention is applicable to a supercharged internal combustion engine having a plurality of cylinders having an overlap period in an exhaust valve opening period.
1 気筒
2 クランクケース
3 シリンダジャケット
4 シリンダライナ
5 シリンダヘッド
6 シリンダボア
7 ピストン
8 ピストンロッド
11 掃気ポート
12 掃気通路
13 排気ポート
14 排気バルブ
20 排気経路
25 排気マニホールド
26 接続管
27 接続部
28 絞り部
29 バルブ
30 制御装置
100 (過給式)エンジン
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記複数の気筒の排気ポートを並列に接続する排気マニホールドと、
前記排気マニホールドの両端側を前記過給機に接続する複数の第1の接続管と、
前記複数の第1の接続管の各々に設けられた第1の開度調整バルブと、
前記開度調整バルブの開度を制御する制御部と、
前記複数の排気ポートが前記排気マニホールドにそれぞれ接続する複数の接続部間に設けられた複数の絞り部と
を備え、
前記制御部は、前記第1の気筒から排出された排気ガスが前記第2の気筒に対応する接続部を介して前記過給機に供給されるように、前記第1の開度調整バルブを制御することを特徴とする過給式内燃機関。 A plurality of cylinders including a first cylinder that discharges exhaust gas and a second cylinder that overlaps the first cylinder and an exhaust valve open period; and supplies the exhaust gas to a supercharger A supercharged internal combustion engine that supercharges the plurality of cylinders,
An exhaust manifold connecting the exhaust ports of the plurality of cylinders in parallel;
A plurality of first connecting pipes connecting both ends of the exhaust manifold to the supercharger;
A first opening degree adjusting valve provided in each of the plurality of first connecting pipes;
A control unit for controlling the opening of the opening adjustment valve;
A plurality of exhaust ports provided between a plurality of connection portions that respectively connect the exhaust ports to the exhaust manifold;
The control unit controls the first opening degree adjustment valve so that the exhaust gas discharged from the first cylinder is supplied to the supercharger through a connection unit corresponding to the second cylinder. A supercharged internal combustion engine that is controlled.
前記制御部は、前記複数の絞り部のうち、前記排気マニホールドの前記第1の気筒から排出された排気ガスが通過する範囲に設けられた絞り部の絞り度を、他の絞り部に比べて大きく制御することを特徴とする請求項1に記載の過給式内燃機関。 The plurality of aperture portions are configured such that the aperture degree is variable,
The control unit has a throttle degree of a throttle unit provided in a range through which exhaust gas discharged from the first cylinder of the exhaust manifold passes among the plurality of throttle units compared to other throttle units. The supercharged internal combustion engine according to claim 1, wherein the supercharged internal combustion engine is largely controlled.
前記第2の接続管に設けられた第2の開度調整バルブと
を備え、
前記制御部は、前記第1の気筒から排出された排気ガスが前記第2の気筒に対応する接続部を介して前記過給機に供給され、且つ、前記排気ガスの流路長さが最小になるように、前記第1の開度調整バルブ及び第2の開度調整バルブを制御することを特徴とする請求項1に記載の過給式内燃機関。 A second connecting pipe connecting the plurality of connecting portions to the supercharger;
A second opening adjustment valve provided in the second connection pipe,
The control unit is configured to supply exhaust gas discharged from the first cylinder to the supercharger through a connection unit corresponding to the second cylinder, and to minimize the flow length of the exhaust gas. 2. The supercharged internal combustion engine according to claim 1, wherein the first opening degree adjusting valve and the second opening degree adjusting valve are controlled so as to become.
前記制御部は、前記負荷検知部によって検知された負荷に基づいて、前記絞り部の絞り度を可変に制御することを特徴とする請求項2に記載の過給式内燃機関。 A load detection unit for detecting the load of the internal combustion engine;
The supercharged internal combustion engine according to claim 2, wherein the control unit variably controls a throttle degree of the throttle unit based on a load detected by the load detection unit.
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