JP7141869B2

JP7141869B2 - 排気マニホルド

Info

Publication number: JP7141869B2
Application number: JP2018125661A
Authority: JP
Inventors: 秀行小山; 久美子坂口; 莉菜金子; 能和竹本; 洋樹尾曽
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2018-06-30
Filing date: 2018-06-30
Publication date: 2022-09-26
Anticipated expiration: 2038-06-30
Also published as: JP2020002923A

Description

本発明は、産業用ディーゼルエンジンや自動車用エンジンなどに用いられる排気マニホルドの改良に関するものである。

例えば、産業用ディーゼルエンジンは、トラクタや建機などのボンネットに搭載されることが多いが、より小型化が促進されるボンネットに収められるように、エンジンもコンパクト化が求められている。

排気効率の点からは、排気ポートに接続される排気管は、ある程度直管（又は曲率の小さい曲がり管）の部分を設けてから緩やかに曲げる構成が好ましいが、それでは横に張り出し過ぎて大型化してしまい、ボンネットに収まらない。そのため、シリンダヘッドの排気ポートから横側方に取り出された排気管は、その排気ポート付近で大きく急な角度で曲げられて、各気筒の排気管が合流される構造が採られている。

このような例としては、特許文献１のものが知られており、排気ポートに接続される４本の排気導入管（１）～（４）は、シリンダヘッド（９）の横脇で９０度近く曲げられ、排気マニホルドが横側方に張り出さないように、４本の合流箇所もシリンダヘッドの横脇に配置されている。従って、排気効率の点及び放熱の点でも厳しいものとなっている。

特開２０１２－１７７３４８号公報

直列エンジンの場合、冷却水はシリンダブロックの長手方向の一方から入って他方に抜けて行くので、冷却水の流れ方向で上流側の気筒は過冷気味になる。過冷気味の気筒では、燃焼室内の温度が所期温度に達し難くて着火遅れ期間が長くなり、予混合燃焼割合が増え、結果として、上流側の気筒ではＮＯｘが高くなる不都合がある。

また、上流側の気筒では、下流側の気筒よりも燃焼爆発が急激になるため、トルク変動が大きくなってローリング振動が増大し易いという不利もある。このように、エンジンのコンパクト化によって、前述したＮＯｘの不利、及び複数気筒で排ガスの悪化やトルク変動が大となる不利も考えられるので、エンジン設計には改善の余地が残されていた。

本発明の目的は、コンパクトが余儀なくされる排気マニホルドに着目し、さらなる構造工夫を凝らすことにより、気筒毎の排気バランスを高めるとか排気効率を改善できて、排ガスの悪化やトルク変動が過大になることが抑制され、合理的にエンジン性能の改善に寄与できる排気マニホルドを提供する点にある。

本発明は、排気マニホルドにおいて、
複数の排気ポートに対応した複数の排気導入管と、１つの合流排気出口部とを備え、
前記合流排気出口部は、複数の前記排気導入管の並び方向において一側に位置する第１排気導入管と前記第１排気導入管の隣りに位置する第２排気導入管との間に配置され、
前記第１および第２排気導入管のそれぞれは、対応する前記排気ポートに連通する入口開口と、前記入口開口から９０度折れ曲がったガス流路とを有し、
前記第１および第２排気導入管どうしは、前記合流排気出口部を境に互いの前記ガス流路の流路断面積が異なる状態に設定され、
前記合流排気出口部の出口開口は、前記第１及び第２排気導入管のうちの流路断面積が小さい方の小径排気導入管側に開口されていることを特徴とする。

例えば、小径排気導入管と前記合流排気出口部とでＵ字状の曲がり管部が形成される状態に、前記小径排気導入管と前記合流排気出口部との折れ曲がり角が設定されていると好都合である。

本発明によれば、詳しくは実施形態の項にて述べるが、排気マニホルドとしての大きさを変えること（大型化すること）なく、安価にＮＯｘを減らすことができ、その分噴射時期を進角させることで低燃費化することも可能になる。
噴射時期の進角により、青白煙性能、低温始動性を向上させることができる。
排気マニホルドＡの質量効果で冷熱変形を安価に抑制でき、ガス漏れを防止できるようになる。

その結果、コンパクトが余儀なくされる排気マニホルドに着目し、さらなる構造工夫を凝らすことにより、気筒毎の排気バランスを高めたり排気効率の改善が行え、排ガスの悪化やトルク変動が過大になることが抑制され、合理的にエンジン性能の改善に寄与できる排気マニホルドを提供することができる。

本発明による２気筒エンジン用の排気マニホルドを示す上から見た断面図図１の排気マニホルドの背面図図１，２に示す排気マニホルドの適用が可能なエンジンの概略の側面図図３に示すエンジンの要部を示す平面図３気筒エンジン用の排気マニホルドを示す上から見た断面図（実施形態２）

以下に、本発明による排気マニホルドの実施の形態を、産業用ディーゼルエンジンに適用された場合について、図面を参照しながら説明する。

まず、本発明による排気マニホルドを組付けることが可能な産業用で立形の直列２気筒ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンと略称する）Ｅの概要を説明する。

図３，４に示されるように、エンジンＥにおいて、シリンダブロック１１の上にシリンダヘッド１２が組み付けられ、シリンダヘッド１２の上にシリンダヘッドカバー１３が組み付けられ、シリンダブロック１１の前に調時伝動ケース１４が組み付けられ、調時伝動ケース１４の前方にエンジン冷却ファン１５が配置されている。シリンダブロック１１の後にフライホイール１６が配置され、シリンダブロック１１の下にオイルパン１７が組み付けられている。

シリンダヘッド１２の横一側には吸気マニホルド１８が組付けられ、横他側には排気マニホルド１９が組み付けられている。シリンダブロック１１の吸気側にはポンプ収容ケース２０が配置され、ここに燃料噴射ポンプ２３が上側から差し込まれている。シリンダヘッド１２には前後一対の燃料噴射ノズル２１，２２が取り付けられている。前後一対の燃料噴射ノズル２１，２２は、燃料噴射ポンプ２３から導出された一対の管材１，２である燃料噴射管の先端に接続されている。

図３及び図４において、１ａ，２ａは、それぞれ管材１，２の平行部分であり、３は平行部分１ａ，２ａを互いに拘束するクランプである。また、図３及び図４に示すエンジンＥは、排気マニホルド１９として従来構造によるものを組付けたものとして描いてある。その従来例の排気マニホルド１９を改良したものが、次に説明する本発明による排気マニホルドＡである。

〔実施形態１〕
図１及び図２に示されるように、排気マニホルドＡは、前側の第１排気導入管４及び後側の第２排気導入管５と、１つの合流排気出口部６とを備え、合流排気出口部６は、第１排気導入管４と第２排気導入管５との前後中間に配置されている。第１排気導入管（大径排気導入管）４は、第１排気ポートｐ１に、そして第２排気導入管（小径排気導入管）５は第２排気ポートｐ２にそれぞれ対応されている。

第１排気導入管４は、第１排気ポートｐ１に連通する第１入口開口４Ａと、９０度に折れ曲がる第１ガス流路４Ｇとを有している。第２排気導入管５は、第２排気ポートｐ２に連通する第２入口開口５Ａと、９０度に折れ曲がる第２ガス流路５Ｇとを有している。合流排気出口部６は、第１ガス流路４Ｇと第２ガス流路５Ｇとの前後方向の中間で若干第２ガス流路５Ｇに寄った箇所と後向きの出口開口６Ａとを連通する略９０度折れ曲がった合流路６Ｇを有している。

そして、第１ガス流路４Ｇの合流排気出口部６側（後側）の第１横向き径ｒ１と、第２排気導入管５の合流排気出口部６側（前側）の第２横向き径ｒ２とには、ｒ１＞ｒ２となる寸法関係が設定されている。詳しくは、互いに隣り合う排気導入管４，５どうしは、合流排気出口部６を境に互いの流路断面積が異なる状態、即ち、「第１ガス流路４Ｇの断面積＞第２ガス流路５Ｇの断面積」に設定されている。

第１入口開口４Ａと第２入口開口５Ａとは互いに同径（又は同形状）である。なお、４ｆ、５ｆ、６ｆはそれぞれ取付フランジである。合流排気出口部６の取付フランジ６ｆは、ボルト止め用の丸孔６ｃを備えた出っ張り片６ｂを上下に一対有している。

図１，図２に示されるように、互いに隣り合う第１及び第２排気導入管４，５のうちの断面積が小さい方の第２排気導入管（小径排気導入管）５と合流排気出口部６との第２折れ曲がり角が、断面積が大きい方の第１排気導入管（大径排気導入管）４と合流排気出口部６との第１折れ曲がり角よりも大に設定されている。図１に示されるように、第１折れ曲がり角は矢印ａのように滑らかで少ない曲がりであり、第２折れ曲がり角は矢印ｂのようにほぼ１８０度反転する急激な曲がりである。

図１に示されるように、第２排気導入管５の下流側と合流排気出口部６とでＵ字状の曲がり管部（符記省略）が形成される状態に、第２排気導入管５と合流排気出口部６との折れ曲がり角が設定されている。また、隣り合う第１及び第２排気導入管４，５の間隔Ｄよりも、隣り合う第１及び第２排気導入管４，５の長さｄ１，ｄ２が短くなるように設定されている。

実施形態１の排気マニホルドＡによる作用効果などについて説明する。
排気マニホルドＡにおいて、１気筒目（第１排気ポートｐ１）の排ガス流路である第１ガス流路４Ｇの径ｒ１（断面積）を、２気筒目（第２排気ポートｐ２）の排ガス流路である第２ガス流路５Ｇの径ｒ２（断面積）よりも大きくしてある。つまり、第２ガス流路５Ｇでの排ガスを流れ難くして、１気筒目の排ガスの脈動による排気干渉を起し、１気筒目の排ガスを出難くして、排ガスの一部をシリンダライナ内部へ残留させる「内部ＥＧＲ効果」が発揮される。

また、図示は省略するが、内部ＥＧＲガスにより、排気マニホルドＡの熱変形のおそれを払拭する手段として、排気マニホルドＡの取付フランジ４ｆ，５ｆ付近に、冷却フィンの機能が発揮可能となるように、リブを複数又は多数設けると好都合である。

従って、排気マニホルドＡとしての大きさを変えること（大型化すること）なく、安価にＮＯｘを減らすことができ、その分噴射時期を進角させることで低燃費化することも可能になる。
噴射時期の進角により、青白煙性能、低温始動性を向上させることができる。
排気マニホルドＡの質量効果で冷熱変形を安価に抑制でき、ガス漏れを防止できるようになる。

〔実施形態２〕
図５に示されるように、実施形態２による排気マニホルドＡは、直列３気筒ディーゼルエンジン用のものであって、実施形態１の排気マニホルドＡに、第１排気導入管４の前側にもう１つの排気導入管７が増やされたものである。従って、その増やされた第３排気導入管７関係以外の形状や構成は、基本的に実施形態１の排気マニホルドＡと同じであり、同じ箇所や同じ機能を出す箇所には同一の符号を付し、ここでのその説明は割愛する。

図５に示されるように、第３排気ポートｐ３に対応した第３排気導入管７を有し、第３排気導入管７は、折れ曲がった第３ガス流路７Ｇ、第３入口開口７Ａ、取付フランジ７ｆを備えている。第１排気導入管４は図１に比べて短くなり、また、合流排気出口部６は、第１排気導入管４に寄った状態で第１排気導入管４と第２排気導入管５との前後間に配置されている。

即ち、実施形態２の排気マニホルドＡでは、複数の排気ポートｐ１，ｐ２，ｐ３に対応した複数の排気導入管４，５，７と、１つの合流排気出口部６とを備え、合流排気出口部６は、複数の排気導入管４，５，７のうちの互いに隣合う第１、第２排気導入管４，５どうしの間に配置され、互いに隣り合う排気導入管４，５どうしは、合流排気出口部６を境に互いの流路断面積が異なる状態に設定されている。

〔別実施形態〕
実施形態１，２の排気マニホルドＡでは、出口開口６Ａが後向きであるが、出口開口６Ａが上を向く方向に合流排気出口部６が形成されたものでもよい。また、出口開口６Ａが左を向くように合流排気出口部６が形成された排気マニホルドＡでもよい。

４大径排気導入管（第１排気導入管）
４Ａ入口開口
４Ｇガス流路
５小径排気導入管（第２排気導入管）
５Ａ入口開口
５Ｇガス流路
６合流排気出口部
６Ａ出口開口
Ａ排気マニホルド
Ｄ隣り合う排気導入管の間隔
ｄ１排気導入管の長さ
ｄ２排気導入管の長さ
ｐ排気ポート

Claims

複数の排気ポートに対応した複数の排気導入管と、１つの合流排気出口部とを備え、
前記合流排気出口部は、複数の前記排気導入管の並び方向において一側に位置する第１排気導入管と前記第１排気導入管の隣りに位置する第２排気導入管との間に配置され、
前記第１および第２排気導入管のそれぞれは、対応する前記排気ポートに連通する入口開口と、前記入口開口から９０度折れ曲がったガス流路とを有し、
前記第１および第２排気導入管どうしは、前記合流排気出口部を境に互いの前記ガス流路の流路断面積が異なる状態に設定され、
前記合流排気出口部の出口開口は、前記第１及び第２排気導入管のうちの流路断面積が小さい方の小径排気導入管側に開口されている排気マニホルド。
前記小径排気導入管の前記ガス流路と前記合流排気出口部とでＵ字状の曲がり管部が形成される状態に、前記小径排気導入管と前記合流排気出口部とが折れ曲げられている請求項１に記載の排気マニホルド。
前記排気導入管の長さは、複数の前記排気導入管の並び方向に直交する方向において、前記入口開口の開口端と前記ガス流路の中心との間隔であり、
隣り合う前記第１及び第２排気導入管の間隔よりも隣り合う前記第１及び第２排気導入管の長さが短く設定されている請求項１又は２に記載の排気マニホルド。
前記排気導入管を２つ有する２気筒エンジン又は３つ有する３気筒エンジン用に形成されている請求項１～３の何れか一項に記載の排気マニホルド。