WO2016056101A1 - ４気筒内燃機関の排気装置 - Google Patents

Abstract

　直列４気筒内燃機関において、♯２気筒および♯３気筒の排気ポート（２ｂ，２ｃ）は、シリンダヘッド内部で互いに合流し、偏平な一つの集合排気ポート（２ｂｃ）として開口する。排気マニホルド（５）は、♯１，♯４気筒の個別排気管（６，７）と、♯２，♯３気筒の集合排気管（８）と、を備えており、これら３本の排気管の先端が触媒コンバータ（１１）に接続される。集合排気ポート（２ｂｃ）の等価直径は、合流前の排気ポート（２ａ，２ｄ）の等価直径よりも大きく、その短径は、各ポート（２ｂ，２ｃ）の等価直径以下である。

Description

４気筒内燃機関の排気装置

　この発明は、直列４気筒内燃機関の排気装置に関し、特に、点火順序が連続しない一対の気筒の排気ポートをシリンダヘッド内部で合流させてなる集合排気ポートを少なくと１つ備えた排気装置に関する。

　例えば特許文献１には、直列４気筒内燃機関において、点火順序が連続しない♯２気筒と♯３気筒の排気ポートをシリンダヘッド内部で合流させる一方、♯１気筒と♯４気筒の排気ポートはそのままシリンダヘッド側面に開口させた構成の排気装置が開示されている。つまり、♯２，♯３気筒の排気ポートは一つの集合排気ポートとして構成され、♯１気筒の排気ポートと♯４気筒の排気ポートは、個々の気筒毎に独立した個別排気ポートとして構成されている。そして、♯２，♯３気筒用の集合排気ポートは、一つの集合排気管を介して触媒コンバータに接続されており、♯１気筒および♯４気筒の個別排気ポートは、各々独立した個別排気管を介して触媒コンバータに接続されている。

　このように一部の気筒の排気ポートをシリンダヘッド内部で合流させた構成では、冷間始動時に、集合排気管を介して触媒コンバータに導入される排気の温度が高く得られるため、始動後の触媒の早期活性の上で有利となる。さらに特許文献１では、♯２，♯３気筒用の集合排気管の管長を♯１，♯４気筒用の個別排気管の管長よりも短くすることで、集合排気管からの放熱の抑制を図っている。

　しかし、上記のように一部の気筒の排気ポートをシリンダヘッド内部で合流させた構成では、冷間始動後の触媒の早期活性の点で有利であるが、その反面、暖機後の高速高負荷運転時などに集合排気ポートおよび集合排気管を通して触媒コンバータへ流入する排気の温度が過度に高くなり易く、触媒の劣化などの懸念がある。

　つまり、冷間始動時には、触媒の早期活性のために触媒コンバータへ排気をなるべく高い温度を保ったまま導入したい、という要求がある一方で、高速高負荷時には、触媒コンバータへ導入される排気の温度をできるだけ抑制したい、という要求がある。上記従来の構成では、このような相反する要求を両立させることが困難である。

特開２００８－３８８３８号公報

　この発明は、４つの気筒の中で点火時期が３６０°離れた少なくとも１対の気筒の排気ポートが、シリンダヘッド内部で合流した集合排気ポートとしてシリンダヘッド側面に開口し、
　この集合排気ポートに接続された集合排気管が、他の気筒の排気管とともに単一の触媒コンバータに接続されてなる４気筒内燃機関の排気装置において、
　上記集合排気ポートの出口部における等価直径が、合流前の２つの気筒の個々の排気ポートの等価直径よりも大きく、
　上記出口部は、気筒列方向に長い楕円形ないし長円形をなし、その短径が、合流前の２つの気筒の個々の排気ポートの等価直径以下である、ように構成されている。

　高温のガスが管路を流れるときの放熱量は、管路の表面積つまり放熱面積、管路の壁面に接するガスの流速、ガスの容積、などに影響されるが、内燃機関の冷間始動直後の状況においては、２つの気筒から交互に排出される比較例少量の排気が、低温の通路壁面からある程度離れて通路断面中央寄りを通して流れようとするので、集合排気ポートおよび集合排気管の等価直径が大きいほど、放熱が少なくなる。従って、冷間始動時に、排気の温度を高く保ったまま触媒コンバータへ導入することができる。

　一方、暖機後の高速高負荷時のように壁面温度が高い管路の中を多量の高温排気が流れる状況下では、放熱面積の多少が支配的となる。特に、壁面温度が排気温度に近い状態であるので、集合排気管の外表面の面積の多少が放熱量を左右する。管路の表面積つまり放熱面積は、等価直径が大きいほど大となるが、さらに、短径を合流前の排気ポートの等価直径よりも拡大することなく楕円ないし長円形断面に偏平化することで、放熱面積が拡大し、放熱量を大きく得ることができる。そのため、集合排気管を介して触媒コンバータへ流入する排気の温度を抑制でき、例えば過度の高温による触媒の劣化を回避できる。なお、集合排気管の断面形状は、集合排気ポート出口部の形状と基本的に等しい。

　このように、本発明では、集合排気ポートの等価直径を大きくしつつ、短径が合流前の排気ポートの等価直径以下となるように偏平化することで、冷間始動時に触媒コンバータへ排気をなるべく高い温度を保ったまま導入すると同時に、高速高負荷時には触媒コンバータへ導入される排気の温度をできるだけ抑制する、という相反する要求を満たすことができる。

この発明に係る排気装置を備えたシリンダヘッドの断面図。 このシリンダヘッドの排気ポート側の側面図。 シリンダヘッドに取り付けられる排気マニホルドの斜視図。 冷機時における排気ポートの等価直径と放熱量との関係を示した特性図。 排気ポートの等価直径ならびに偏平化と放熱面積との関係を示した特性図。 排気マニホルドの異なる例を示す斜視図。 第２の実施例を示すシリンダヘッドの側面図。

　図１～図３は、この発明を直列４気筒内燃機関に適用した一実施例を示している。シリンダヘッド１においては、図１に示すように、♯１～♯４気筒の排気ポート２ａ～２ｄが、シリンダヘッド１の一方の側面１ａに向かって延びており、吸気ポート３ａ～３ｄが他方の側面１ｂに向かって延びている。ここで、♯１気筒および♯４気筒の排気ポート２ａ，２ｄは、個別排気ポートとして気筒毎に独立してシリンダヘッド１の側面１ａに開口しており、♯２気筒および♯３気筒の排気ポート２ｂ，２ｃは、シリンダヘッド１内部で互いに合流し、一つの集合排気ポート２ｂｃとしてシリンダヘッド１の側面１ａに開口している。なお、♯２気筒と♯３気筒は点火時期が３６０°ＣＡ離れており、排気干渉は生じない。上記シリンダヘッド１は、排気ポート２ａ～２ｄの周囲を囲むようにウォータジャケット４を備えており、冷却水の循環によって強制的に冷却されている。

　図２は、シリンダヘッド１の側面１ａを示しており、図示するように、♯１，♯４気筒の個別排気ポート２ａ，２ｄは、それぞれ、ほぼ真円の円形に開口している。これに対し、中央に位置する♯２，♯３気筒の集合排気ポート２ｂｃの出口部は、気筒列方向に長い楕円形ないし長円形に開口している。図示例では、両端の半円部分と中間の直線部分とからなる長円形をなしている。この集合排気ポート２ｂｃの出口部における等価直径は、合流前の♯２気筒および♯３気筒の排気ポート２ｂ，２ｃの等価直径よりも大きい。換言すれば、♯２、♯３気筒の排気ポート２ｂ，２ｃと、♯１、♯４気筒の排気ポート２ａ，２ｄは、基本的に等しい等価直径を有するので、集合排気ポート２ｂｃの出口部における等価直径は、♯１気筒の個別排気ポート２ａおよび♯４気筒の個別排気ポート２ｄの出口部における等価直径よりも大きく設定されている。

　また、長円形をなす集合排気ポート２ｂｃの出口部の上下方向に沿った短径は、合流前の♯２気筒および♯３気筒の排気ポート２ｂ，２ｃの等価直径以下である。例えば、一実施例では、合流前の♯２気筒および♯３気筒の排気ポート２ｂ，２ｃの等価直径よりも僅かに小さい。♯１、♯４気筒の個別排気ポート２ａ，２ｄは、♯２、♯３気筒の排気ポート２ｂ，２ｃと基本的に等しい等価直径を有し、かつほぼ真円形に開口しているので、シリンダヘッド１の側面１ａにおいては、集合排気ポート２ｂｃの出口部は、個別排気ポート２ａ，２ｄの径よりも僅かに小さい短径を有し、かつ気筒列方向に長く延びた長円形をなしている。好ましい一実施例においては、短径に対する長径の比が、１．６である。

　図３は、シリンダヘッド１の側面１ａに取り付けられる排気マニホルド５を示している。この排気マニホルド５は、♯１気筒の個別排気ポート２ａに接続される♯１個別排気管６と、♯４気筒の個別排気ポート２ｄに接続される♯４個別排気管７と、中央の集合排気ポート２ｂｃに接続される集合排気管８と、を備えており、これら３本の排気管６，７，８の基端がヘッド取付フランジ９によって支持されている。♯１個別排気管６および♯４個別排気管７は、ほぼ円形の断面形状を有しており、シリンダヘッド１の側面１ａにおける個別排気ポート２ａ，２ｄの出口部と基本的に等しい等価直径を有している。集合排気管８は、シリンダヘッド１の側面１ａにおける出口部開口形状に対応して、気筒列方向に延びた細長い長円形の断面形状を有しており、上記出口部と基本的に等しい等価直径ならびに偏平率を有している。

　♯１個別排気管６、♯４個別排気管７および集合排気管８の先端は、単一の触媒コンバータ１１の上流側のディフューザ部１１ａにそれぞれ接続されている。触媒コンバータ１１は、円柱状のモノリス触媒担体を円筒形金属製ケース内に収容したものであって、ディフューザ部１１ａは、触媒担体端面との間に径が徐々に拡大する空間を形成するように略円錐形に構成されている。

　集合排気管８は、ヘッド取付フランジ９から気筒列方向と直交する方向に沿って直線的に延び、かつ先端部が下方を指向するように湾曲して、ディフューザ部１１ａの上流側端部に接続されている。触媒コンバータ１１との接続部では、集合排気管８は、略半円形の断面形状を有している（図示せず）。

　気筒列方向の前後に位置する♯１個別排気管６および♯４個別排気管７は、平面視でほぼ対称をなすように気筒列方向に湾曲して延び、かつ先端部が下方を指向するように湾曲して、ディフューザ部１１ａの上流側端部に接続されている。より詳しくは、♯１個別排気管６および♯４個別排気管７は、触媒コンバータ１１の直近で略Ｙ字形ないし略Ｔ字形に合流しており、合流後の１本となった接続管部１２がディフューザ部１１ａに接続されている。触媒コンバータ１１との接続部では、接続管部１２は、集合排気管８端部と対称な略半円形の断面形状を有している（図示せず）。

　図３に示すように、集合排気管８は、内側つまりシリンダヘッド１寄りに配置され、個別排気管６，７は、集合排気管８の上方ないし外側を通過するように配置されている。両者の通路長は、できるだけ等長となるように設定されている。

　なお、図６に示すように、集合排気管８が個別排気管６，７の上方ないし外側を通過するように構成した排気マニホルド５を用いることも可能である。

　上記実施例の構成においては、♯１気筒の排気および♯４気筒の排気が個々に個別排気ポート２ａ，２ｄおよび個別排気管６，７を介して触媒コンバータ１１へ流れるのに対し、♯２気筒の排気および♯３気筒の排気は、共通の集合排気ポート２ｂｃおよび集合排気管８を介して触媒コンバータ１１へ流れる。従って、冷間始動時には、♯２，♯３気筒の排気が比較的高温を保ったまま触媒コンバータ１１に供給され、触媒の早期活性に寄与する。　ここで、集合排気ポートを具備した構成では、前述したように、暖機完了後の高速高負荷運転時などに逆に排気温度が過渡に高くなりやすい不利益があるが、上記実施例では、集合排気ポート２ｂｃの等価直径を大きくしつつ偏平化することで、冷間始動後の排気ガスの温度維持を損なわずに、暖機完了後の高速高負荷運転時における排気温度の抑制が図れる。

　すなわち、図４は、冷間始動時における排気ポートの等価直径と放熱量との関係を示しており、横軸は、排気ポートの等価直径を、ある基準となる等価直径Ｄ０（例えば３６ｍｍ）に対する増減の形で示しており、縦軸は、放熱量を、基準等価直径Ｄ０の放熱量に対する増減割合の形で示している。ここで、個々の特性線ａ～ｆは、短径を２４ｍｍ～４７ｍｍの範囲で変化させた場合の特性を示しており、偏平率によらない全体的な傾向は、各特性線ａ～ｆ上の真円のときの点を結んだ曲線ｇでもって示されている。この図４に示すように、冷間始動後（例えばアイドル放置）の状態、つまり排気ポート内壁面の温度が低く、その中を比較的少量の排気が流れるときには、排気ポートの等価直径が大きいと、低温の排気ポート内壁面にあまり接触せずに排気ポート中心付近を少量の排気が流れることとなるので、等価直径が大きいほど放熱量が少なくなる。上記実施例では、集合排気ポート２ｂｃの等価直径が個々の排気ポート２ｂ，２ｃの等価直径よりも大きく設定されており、その中を各気筒の排気が間欠流として交互に流れるので、冷間始動後の排気ガスの冷却が抑制され、触媒の早期活性が図れる。集合排気管８についても同様である。

　一方、図５は、内燃機関の暖機完了後の高速高負荷運転時における排気管の等価直径と放熱量（通路表面積）との関係を示しており、横軸は、排気管の等価直径を、ある基準となる等価直径Ｄ０（例えば３６ｍｍ）に対する増減の形で示しており、縦軸は、放熱量を、通路表面積に比例するものとして真円時の放熱量（通路表面積）に対する増減の形で示している。ここで、個々の特性線ａ～ｆは、短径を２４ｍｍ～４７ｍｍの範囲で変化させた場合の特性を示しており、図示するように、偏平率によらず、等価直径が大きいほど通路表面積が大となるので、放熱量が大となる。これは、暖機完了後の高速高負荷運転では、通路内壁面温度と排気温度との差が小さく、かつ大量の排気ガスが通路内壁面に接した形で流れるので、放熱量は、放熱面となる排気管表面の表面積の大小に依存するためである。そして、各特性線ａ～ｆを比較すれば明らかなように、同じ等価直径であれば、偏平率が高いほど放熱量（通路表面積）が大となる。従って、上記実施例の集合排気ポート２ｂｃないし集合排気管８のように等価直径を大きくしつつ偏平率を高くすることで、冷却水ならびに外気によって効果的な冷却が図れ、高速高負荷運転時における過度の排気温度上昇が抑制される。

　このように、上記実施例では、触媒の劣化などが問題となる暖機完了後の高速高負荷運転時における排気温度の過度の上昇を抑制しつつ、冷間始動時には、排気温度の冷却を抑制して触媒の早期活性を実現することができる。

　なお、偏平率として、短径に対する長径の比が１．６付近であると、冷間始動後の排気温度を最も高く維持することができる。そして、上記の比が１．６以上であると、暖機完了後の放熱量の上で有利である。従って、上記の比は、１．６以上であることが望ましい。

　次に、この発明の第２の実施例を図７に基づいて説明する。前述の実施例では、♯２気筒および♯３気筒の排気ポート２ｂ，２ｃを集合排気ポート２ｂｃとして合流させる一方で、♯１気筒と♯４気筒とについては個別排気ポートとして独立させた構成となっているが、図７の第２の実施例は、♯１気筒の排気ポートと♯４気筒の排気ポートとについても、シリンダヘッド１の内部で第２の集合排気ポート２ａｄとして合流させた構成となっている。つまり、♯２気筒の排気ポートと♯３気筒の排気とを合流させた第１の集合排気ポート２ｂｃと、♯１気筒の排気ポートと♯４気筒の排気ポートと合流させた第２の集合排気ポート２ａｄと、を具備しており、それぞれ、図７に示すように、シリンダヘッド１の側面１ａに開口している。これらの集合排気ポート２ｂｃ，２ａｄの開口部は、いずれも、気筒列方向に長く延びた楕円形ないし長円形（図示例では長円形）をなしており、その等価直径は、合流前の２つの気筒の個々の等価直径よりも大きく、かつその短径が、合流前の２つの気筒の個々の排気ポートの等価直径以下となっている。また、第１の集合排気ポート２ｂｃと第２の集合排気ポート２ａｄは、シリンダヘッド１の側面１ａにおいて、上下に異なる位置に配置されており、かつ気筒列方向には、少なくとも一部が重なり合って配置されている。図示例では、第１の集合排気ポート２ｂｃが相対的に上方に位置している。

　なお、排気マニホルドについては図示しないが、図７の開口部の形状・配置に対応した２つの集合排気排気管を具備した構成となっている。

　このような第２の実施例によれば、第１の集合排気ポート２ｂｃと第２の集合排気ポート２ａｄとが共通の隔壁を介して上下に隣接するので、冷間始動後の排気温度を高く確保する上でより有利となる。

Claims (5)

1. 　４つの気筒の中で点火時期が３６０°離れた少なくとも１対の気筒の排気ポートが、シリンダヘッド内部で合流した集合排気ポートとしてシリンダヘッド側面に開口し、
   　この集合排気ポートに接続された集合排気管が、他の気筒の排気管とともに単一の触媒コンバータに接続されてなる４気筒内燃機関の排気装置において、
   　上記集合排気ポートの出口部における等価直径が、合流前の２つの気筒の個々の排気ポートの等価直径よりも大きく、
   　上記出口部は、気筒列方向に長い楕円形ないし長円形をなし、その短径が、合流前の２つの気筒の個々の排気ポートの等価直径以下である、４気筒内燃機関の排気装置。
2. 　上記出口部において、上記短径に対する長径の比が、１．６以上である、請求項１に記載の４気筒内燃機関の排気装置。
3. 　♯２気筒と♯３気筒の排気ポートが上記集合排気ポートとして構成され、
   　♯１気筒と♯４気筒の排気ポートは、個々の気筒毎に独立した個別排気ポートとしてシリンダヘッド側面に開口し、かつ個々に独立した個別排気管を介して上記触媒コンバータに接続されている、請求項１または２に記載の４気筒内燃機関の排気装置。
4. 　♯２気筒と♯３気筒の排気ポートが第１の集合排気ポートとして構成され、
   　♯１気筒と♯４気筒の排気ポートが第２の集合排気ポートとして構成されている、請求項１または２に記載の４気筒内燃機関の排気装置。
5. 　上記第１の集合排気ポートと上記第２の集合排気ポートとが、シリンダヘッド側面において上下に異なる高さ位置に配置され、かつ気筒列方向には、少なくとも一部が重なり合って配置されている、請求項４に記載の４気筒内燃機関の排気装置。

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