WO2013172129A1 - 内燃機関の排気装置 - Google Patents

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combustion engine
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高生 伊藤
茂木　克也
濱本　高行
訓 位高
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日産自動車株式会社
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N13/08—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits
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    • F01N13/107—More than one exhaust manifold or exhaust collector
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/42—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads
    • F02F1/4264—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads of exhaust channels
    • F02F2001/4278—Exhaust collectors

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust device for an internal combustion engine.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide an exhaust system for an internal combustion engine that can reduce exhaust interference.
  • exhaust ports of two cylinders in a central portion where exhaust strokes are not continuous among cylinders of an in-line four-cylinder internal combustion engine are assembled into one exhaust port in a cylinder head, and a first exhaust branch pipe is connected thereto.
  • the exhaust branch pipes connected to the remaining two exhaust ports are assembled together immediately after the cylinder head to form a second exhaust branch pipe, and an exhaust purification catalyst is provided in each of the first and second exhaust branch pipes.
  • the exhaust purification catalyst is provided in each of the first and second exhaust branch pipes, a sufficient dual length can be ensured and exhaust interference can be suppressed.
  • FIG. 1B is a front view of the cylinder head of FIG. 1A and a perspective view showing an exhaust branch pipe attached thereto. It is a front view of the cylinder head of Drawing 1A, and a perspective view showing other examples of an exhaust branch pipe with which it is equipped.
  • FIG. 6 is a bottom view, a front view of a cylinder head of an exhaust device according to another embodiment of the present invention, and a perspective view showing an exhaust branch pipe attached thereto.
  • FIG. 1A is a perspective view showing a cylinder head 1 of an in-line four-cylinder internal combustion engine (a 16-valve engine having two intake valves and two exhaust valves in each cylinder) to which an exhaust device according to an embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 1B are perspective views of the bottom surface of the cylinder head 1 of FIG. 1A viewed from the inside out
  • FIG. 2 is a bottom view thereof. 2, four cylinders of the internal combustion engine 1, that is, the first cylinder 11, the second cylinder 12, the third cylinder 13, and the fourth cylinder 14 from the left side to the right side in FIG.
  • the internal combustion engine to which the exhaust system of the present invention is applied is an internal combustion engine including in-line four cylinders, and may be a V-type in-line eight-cylinder internal combustion engine or the like.
  • Two pairs of intake ports 15 and two pairs of exhaust ports are formed on the back surface of the cylinder head 1 (joint surface with the cylinder block) at positions corresponding to the cylinders 11 to 14, respectively. That is, two exhaust ports 22 are formed at a position corresponding to the first cylinder 11, two exhaust ports 211 are formed at a position corresponding to the second cylinder 12, and a position corresponding to the third cylinder 13 is formed. Two exhaust ports 212 are formed, and two exhaust ports 23 are formed at positions corresponding to the fourth cylinder 14.
  • the exhaust port 211 and the exhaust port 212 corresponding to the second cylinder 12 and the third cylinder 13 in the central portion where the exhaust strokes are not continuous with each other are formed by mutually curved passages in the cylinder head 1,
  • the central portion of the cylinder 12 and the third cylinder 13 is formed to gather at one exhaust port 21.
  • the collected exhaust ports are referred to as a first exhaust port 21, the exhaust port 22 is referred to as a second exhaust port 22, and the exhaust port 23 is referred to as a third exhaust port.
  • the tip of the first exhaust port 21 opens as an outlet end 24 on the side of the cylinder head 1, and the tip of the second exhaust port 22 opens as an outlet end 25 on the side of the cylinder head 1.
  • the tip of the 3 exhaust port 23 opens as an outlet end 26 on the side surface of the cylinder head 1.
  • the first exhaust branch pipe 31 is connected to the outlet end 24 of the first exhaust port 21 via the flange 29, and the exhaust end 25 of the second exhaust port 22 is exhausted.
  • a branch pipe 27 is connected, and an exhaust branch pipe 28 is connected to the outlet end portion 26 of the third exhaust port 23.
  • the exhaust branch pipe 27 connected to the outlet end portion 25 of the second exhaust port 22 and the exhaust branch pipe 28 connected to the outlet end portion 26 of the third exhaust port 23 are arranged immediately after the outlet of the cylinder head 1. Collect in two second exhaust branch pipes 32.
  • the exhaust branch pipe 27 and the exhaust branch pipe 28 form a part of the second exhaust branch pipe 32.
  • a second exhaust purification catalyst 34 is provided in the second exhaust branch pipe 32 immediately after the exhaust branch pipe 27 and the exhaust branch pipe 28 are gathered.
  • a first exhaust purification catalyst 33 is also provided immediately after the outlet of the cylinder head 1 of the first exhaust branch pipe 31.
  • first exhaust branch pipe 31 on the downstream side of the first exhaust purification catalyst 33 and the second exhaust branch pipe 32 on the downstream side of the second exhaust purification catalyst 34 have a dual length as they are. , Gathered in one exhaust pipe (not shown), and further exhaust purification catalyst is provided on the downstream side.
  • the number of the exhaust branch pipes 27, 28, 31 connected to the outlet end portions 24 to 26 is three. Decrease.
  • the exhaust branch pipes 27 and 28 at both ends can be easily routed and the pipe length can be set short.
  • the internal combustion engine itself including the exhaust device can be made compact.
  • the central first exhaust branch pipe 31 portions connected to the first exhaust port 21
  • the central first exhaust branch pipe 31 has exhaust branch pipes 27 and 28 (second sections) at both ends. 2) Passes near the internal combustion engine of the exhaust branch pipe 32).
  • the length of the first exhaust branch pipe 31 reaching the first exhaust purification catalyst 33 becomes extremely short, which contributes to early activation of the first exhaust purification catalyst 33.
  • the exhaust branch pipes 27 and 28 at both ends also have a very compact inner first exhaust branch pipe 31. Therefore, the length of the exhaust branch pipes 27 and 28 is not very long even if they pass through the outside. This contributes to early activation of the exhaust purification catalyst 34.
  • the outlet end portion 24 of the first exhaust port 21 has a channel cross-sectional area about 1.5 times that of the outlet end portion 25 of the second exhaust port 22 and the outlet end portion 26 of the third exhaust port 23, for example. Since the diameter is increased, it is possible to suppress a decrease in output torque particularly at a high load.
  • FIG. 3 shows an example in which the catalyst capacity of the first exhaust purification catalyst 33 is set smaller than the catalyst capacity of the second exhaust purification catalyst 34, but the first exhaust branch pipe 31 is compared with the second exhaust branch pipe 32. Since the length of the pipe leading to the catalyst is short, a gas having a higher exhaust temperature is introduced into the first exhaust purification catalyst 33 than the second exhaust purification catalyst 34, and therefore the exhaust purification performance is comparable even with a small capacity. In addition, there is an advantage that the first exhaust purification catalyst 33 can be made compact.
  • FIG. 4 shows another example in which the catalyst capacity of the first exhaust purification catalyst 33 is set larger than the catalyst capacity of the second exhaust purification catalyst 34, but the first exhaust branch pipe 31 has the second exhaust branch pipe 31. Since the pipe length leading to the catalyst is shorter than that of the pipe 32, the first exhaust purification catalyst 33 is introduced with a gas having a higher exhaust temperature than the second exhaust purification catalyst 34. Is possible.
  • the capacity of the exhaust gas is increased by increasing the capacity, for example, there is an advantage that the capacity of another exhaust purification catalyst (a catalyst provided on the downstream side gathered in one exhaust pipe) can be reduced.
  • the second exhaust port 22 and the third exhaust port 23 at both ends of the cylinder head 1 are linearly directed from the positions of the first cylinder 11 and the fourth cylinder 14 toward the side surface of the cylinder head 1.
  • the second exhaust port 22 and the third exhaust port 23 are respectively connected from the corresponding first cylinder 11 and fourth cylinder 14 to the outlet ends 25 and 26 of the cylinder head 1. May be formed in a path curved toward the outlet end 24 side of the first exhaust port 21.
  • the width is wider than the example shown in FIGS. 3 and 4 (shown at the bottom of FIG. 5).
  • the exhaust device is compact in the direction, and heat loss can be reduced. Further, since the flow resistance of the second exhaust port 22 and the third exhaust port 23 approaches the flow resistance of the exhaust ports 211 and 212 that are similarly curved, the exhaust performance of each of the cylinders 11 to 14 becomes uniform.

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Abstract

　直列４気筒内燃機関の４つの気筒のうち中央部の２つの気筒（１２，１３）の排気ポート（２１１，２１２）をシリンダヘッド（１）内にて一つの排気ポートに集合させた第１排気ポート（２１）と、前記４つの気筒のうちの両端の気筒（１１，１４）にそれぞれ連通する第２排気ポート（２２）及び第３排気ポート（２３）と、前記第１排気ポートの前記シリンダヘッドの出口端部に接続された第１排気ブランチ管（３１）と、前記第２排気ポートの前記シリンダヘッドの出口端部に接続された排気ブランチ管（２７）と、前記第３排気ポートの前記シリンダヘッドの出口端部に接続された排気ブランチ管（２８）とを、前記シリンダヘッドの出口直後にて一つに集合させた第２排気ブランチ管（３２）と、第１排気ブランチ管に設けられた第１排気浄化触媒（３３）と、第２排気ブランチ管に設けられた第２排気浄化触媒（３４）と、を備える。

Description

内燃機関の排気装置
　本発明は、内燃機関の排気装置に関するものである。
　直列４気筒内燃機関において、中央部の２つの気筒の排気ポートがシリンダヘッド内で集合排気ポートを構成し、両端部の２つの気筒の排気ポートが独立排気ポートを構成する内燃機関において、集合排気ポート側の燃焼室に噴射される増量燃料量を、独立排気ポート側の燃焼室に噴射される増量燃料量より多く設定することで、集合排気ポートの排気温度と独立排気ポートの排気温度とを均一にし、これにより集合排気ポートの排気圧と独立排気ポートの排気圧とを均一化するものが提案されている（特許文献１）。
特開２００９－３０５５５号公報
　しかしながら、上記従来技術では、集合排気ポートと独立排気ポートの排気圧を均一にできたとしても、デュアル長さを充分に確保しないとエキゾーストマニホルドからの排気圧による排気干渉の問題は解決できない。
　本発明が解決しようとする課題は、排気干渉を低減できる内燃機関の排気装置を提供することである。
　本発明は、直列４気筒内燃機関の気筒のうち排気行程が連続しない中央部の２つの気筒の排気ポートをシリンダヘッド内において一つの排気ポートに集合させてこれに第１排気ブランチ管を接続し、残りの２つの排気ポートにそれぞれ接続した排気ブランチ管をシリンダヘッド直後において一つに集合させて第２排気ブランチ管とし、第１及び第２排気ブランチ管のそれぞれに排気浄化触媒を設けることによって上記課題を解決する。
　本発明によれば、第１及び第２排気ブランチ管のそれぞれに排気浄化触媒を設けているので充分なデュアル長さを確保することができ、排気干渉を抑制することができる。
本発明の一実施の形態に係る排気装置を適用した内燃機関のシリンダヘッドを示す斜視図である。 図１Ａのシリンダヘッドの底面を示す斜視図（図１ＡのＩＢ矢視図）である。 図１Ａのシリンダヘッドの底面図（図１ＢのII矢視図）である。 図１Ａのシリンダヘッドの正面図及びここに装着される排気ブランチ管を示す斜視図である。 図１Ａのシリンダヘッドの正面図及びここに装着される排気ブランチ管の他例を示す斜視図である。 本発明の他の実施の形態に係る排気装置のシリンダヘッドの底面図、正面図及びここに装着される排気ブランチ管を示す斜視図である。
　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１Ａは、本発明の一実施の形態に係る排気装置を適用した直列４気筒内燃機関（各気筒に２つの吸気バルブと２つの排気バルブを有する１６バルブ式エンジン）のシリンダヘッド１を示す斜視図、図１Ｂは、図１Ａのシリンダヘッド１を裏返して見た底面の斜視図、図２はその底面図である。なお図２に二点鎖線で示すように、内燃機関１の４つの気筒、すなわち図２における左側から右側に向かって第１気筒１１，第２気筒１２，第３気筒１３及び第４気筒１４は直列に配置され、第１気筒１１⇒第３気筒１３⇒第４気筒１４⇒第２気筒１２の順序で点火する。なお、本発明の排気装置が適用される内燃機関は直列４気筒を含む内燃機関であり、Ｖ型直列８気筒内燃機関等であってもよい。
　シリンダヘッド１の裏面（シリンダブロックとの接合面）には、各気筒１１～１４に対応する位置に２対ずつ吸気ポート１５が形成され、また同じく２対ずつ排気ポートが形成されている。すなわち、第１気筒１１に対応する位置には２つの排気ポート２２が形成され、第２気筒１２に対応する位置には２つの排気ポート２１１が形成され、第３気筒１３に対応する位置には２つの排気ポート２１２が形成され、第４気筒１４に対応する位置には２つの排気ポート２３が形成されている。
　そして、排気行程が互いに連続しない中央部の第２気筒１２と第３気筒１３のそれぞれに対応する排気ポート２１１と排気ポート２１２は、シリンダヘッド１内にて互いに湾曲した通路で形成され、第２気筒１２と第３気筒１３の中心部にて一つの排気ポート２１に集合するように形成されている。以下、この集合した排気ポートを第１排気ポート２１と称し、排気ポート２２を第２排気ポート２２と称し、排気ポート２３を第３排気ポートと称する。
　第１排気ポート２１の先端部は、シリンダヘッド１の側面に出口端部２４として開口し、同じく第２排気ポート２２の先端部は、シリンダヘッド１の側面に出口端部２５として開口し、第３排気ポート２３の先端部は、シリンダヘッド１の側面に出口端部２６として開口する。そして、図３に示すように、フランジ２９を介して、第１排気ポート２１の出口端部２４には第１排気ブランチ管３１が接続され、第２排気ポート２２の出口端部２５には排気ブランチ管２７が接続され、第３排気ポート２３の出口端部２６には排気ブランチ管２８が接続されている。
　また、第２排気ポート２２の出口端部２５に接続された排気ブランチ管２７と、第３排気ポート２３の出口端部２６に接続された排気ブランチ管２８は、シリンダヘッド１の出口直後において一つの第２排気ブランチ管３２に集合する。排気ブランチ管２７と、排気ブランチ管２８は、第２排気ブランチ管３２の一部を成している。排気ブランチ管２７と、排気ブランチ管２８が集合した直後の第２排気ブランチ管３２には、第２排気浄化触媒３４が設けられている。また、第１排気ブランチ管３１のシリンダヘッド１の出口直後にも第１排気浄化触媒３３が設けられている。そして、第１排気浄化触媒３３の下流側の第１排気ブランチ管３１と、第２排気浄化触媒３４の下流側の第２排気ブランチ管３２は、所定の長さだけそのままデュアル長を保持したのち、一つの排気管（不図示）に集合し、この下流側にさらなる排気浄化触媒が設けられる。
　このように、本例の排気装置では、本来４つの排気ポートをシリンダヘッド１内で３つにしたので、出口端部２４～２６に接続される排気ブランチ管２７，２８，３１が３本に減少する。特にシリンダヘッド１の中央には１本化された排気ブランチ管３１があるだけであるため、両端部の排気ブランチ管２７，２８の取り廻しが容易となり管長を短く設定することができる。その結果、排気装置を含む内燃機関自体をコンパクトにすることができる。図３に示されるように内燃機関を側方から見た際、中央の第１排気ブランチ管３１（第１排気ポート２１に接続された部位）は、両端部の排気ブランチ管２７，２８（第２排気ブランチ管３２）の内側内燃機関寄りを通過する。このような位置関係にすると、第１排気浄化触媒３３に至る第１排気ブランチ管３１の長さが極めて短くなり、第１排気浄化触媒３３の早期活性化に貢献する。一方、両端部の排気ブランチ管２７，２８も、内側の第１排気ブランチ管３１が極めてコンパクトに構成されているため、その外側を通過させたとしてもその長さが殆ど長くならず、第２排気浄化触媒３４の早期活性化に貢献する。
　また、排気ブランチ管２７，２８，３１が３本しかないので、内燃機関の側部のスペースに余裕が出て、第１排気浄化触媒３３や第２排気浄化触媒３４を内燃機関に近接させる（上流側に配置する）ことができる。その結果、短時間で触媒温度が上昇して活性化するので排気浄化性能が向上する。
　さらに、第１排気浄化触媒３３や第２排気浄化触媒３４を内燃機関に近接させたぶんだけ、一つの排気管に集合するまでのデュアル長さを充分に確保することができ、既述した従来技術で問題となる排気干渉を抑制することができる。また、第１排気ポート２１の出口端部２４は、第２排気ポート２２の出口端部２５や第３排気ポート２３の出口端部２６に比べて流路断面積がたとえば１．５倍程度に大径化されているので、特に高負荷時の出力トルクの低下を抑制することができる。
　ちなみに、第１排気ブランチ管３１に設けられた第１排気浄化触媒３３の触媒容量は、第２排気ブランチ管３２に設けられた第２排気浄化触媒３４の触媒容量より大きく設定しても、小さく設定してもよい。図３は、第１排気浄化触媒３３の触媒容量を第２排気浄化触媒３４の触媒容量より小さく設定した一例を示すが、第１排気ブランチ管３１は、第２排気ブランチ管３２に比べて、触媒に至るまでの配管長が短いので第１排気浄化触媒３３には第２排気浄化触媒３４に比べて高い排気温度のガスが導入され、したがって小さい容量にしても排気浄化性能は遜色ない。そしてそのぶん第１排気浄化触媒３３をコンパクトにできるという利点がある。
　これに対して、図４は、第１排気浄化触媒３３の触媒容量を第２排気浄化触媒３４の触媒容量より大きく設定した他例を示すが、第１排気ブランチ管３１は、第２排気ブランチ管３２に比べて、触媒に至るまでの配管長が短いので第１排気浄化触媒３３には第２排気浄化触媒３４に比べて高い排気温度のガスが導入され、したがって大きい容量にしても早期活性化が可能である。そして、容量を大きくして排気ガスの処理能力を高めたぶん、例えば他の排気浄化触媒（一つの排気管に集合した下流側に設けられる触媒）の容量を小さくできるという利点がある。
　また、上述した実施形態では、シリンダヘッド１の両端の第２排気ポート２２及び第３排気ポート２３は、第１気筒１１及び第４気筒１４の位置から直線状にシリンダヘッド１の側面に向かって形成したが、図５に示すように、第２排気ポート２２及び第３排気ポート２３を、それぞれ対応する第１気筒１１及び第４気筒１４からシリンダヘッド１の出口端部２５，２６までの間が第１排気ポート２１の出口端部２４側に向かって湾曲した通路に形成してもよい。
　このように第２排気ポート２２及び第３排気ポート２３を中央部に向かって湾曲させることで、図５に示すように図３及び図４に示す例（図５の最下に示す）より幅方向にコンパクトな排気装置となるとともに、熱損失も低減することができる。また、第２排気ポート２２及び第３排気ポート２３の流通抵抗が、同じように湾曲した排気ポート２１１，２１２の流通抵抗に近づくので、各気筒１１～１４の排気性能が均一になる。
　また、各排気ポート２２，２１１，２１２，２３ともに曲率を持たせることで、排気側から導入される内部ＥＧＲ（排気ガス還流）自体に流動が生じるので、内部ＥＧＲの不均一性を改善することができる。
１…シリンダヘッド
１１…第１気筒
１２…第２気筒
１３…第３気筒
１４…第４気筒
２１…第１排気ポート
２２…第２排気ポート
２３…第３排気ポート
２４…第１排気ポートの出口端部
２５…第２排気ポートの出口端部
２６…第３排気ポートの出口端部
２７…第２排気ポートの出口端部の排気ブランチ管
２８…第３排気ポートの出口端部の排気ブランチ管
２９…フランジ
３１…第１排気ブランチ管
３２…第２排気ブランチ管
３３…第１排気浄化触媒
３４…第２排気浄化触媒

Claims (6)

  1. 　直列４気筒を含む内燃機関の４つの気筒のうち排気行程が連続しない中央部の２つの気筒の排気ポートをシリンダヘッド内にて一つの排気ポートに集合させた第１排気ポートと、
    　前記４つの気筒のうちの両端の気筒にそれぞれ連通する、前記シリンダヘッド内に形成された第２排気ポート及び第３排気ポートと、
    　前記第１排気ポートの前記シリンダヘッドの出口端部に接続された第１排気ブランチ管と、
    　前記第２排気ポートの前記シリンダヘッドの出口端部に接続された排気ブランチ管と、前記第３排気ポートの前記シリンダヘッドの出口端部に接続された排気ブランチ管とを、前記シリンダヘッドの出口直後にて一つに集合させた第２排気ブランチ管と、
    　第１排気ブランチ管に設けられた第１排気浄化触媒と、
    　第２排気ブランチ管に設けられた第２排気浄化触媒と、を備える内燃機関の排気装置。
  2. 　内燃機関を側方から見た際、前記第１排気ブランチ管は第２排気ブランチ管の内側内燃機関寄りを通過する請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
  3. 　前記第１排気浄化触媒及び前記第２排気浄化触媒は、前記内燃機関に近接した位置に設けられている請求項１又は２に記載の内燃機関の排気装置。
  4. 　前記第１排気浄化触媒の触媒容量は、前記第２排気浄化触媒の触媒容量より小さい請求項１～３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化触媒。
  5. 　前記第１排気浄化触媒の触媒容量は、前記第２排気浄化触媒の触媒容量より大きい請求項１～３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化触媒。
  6. 　前記第２排気ポート及び前記第３排気ポートは、それぞれ対応する気筒から前記シリンダヘッドの出口端部までの間が前記第１排気ポートの出口端部に向かって湾曲した通路に形成されている請求項１～５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気装置。
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