JP2012197735A - 過給機付き内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、材料コストの低減とタービン効率の向上との両立を図ることのできる過給機付き内燃機関を提供することを目的とする。
【解決手段】複数の気筒を備えた過給機付き内燃機関において、過給機のタービンハウジングとは別部材で形成され、前記タービンハウジングと内燃機関の第１の気筒群とを接続する第１エキゾーストマニホールドを備える。前記タービンハウジングと鋳造一体に形成され、前記タービンハウジングと内燃機関の第２の気筒群とを接続する第２エキゾーストマニホールドとを備える。そして、前記タービンハウジングから前記第２の気筒群の各気筒までの各距離は、前記第１の気筒群の各気筒までのいずれの距離よりも短いことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、過給機付き内燃機関に関する。

従来、例えば特許文献１（特開２０００−１９９４２７号公報）に開示されるように、ターボチャージャを備えた内燃機関が知られている。また、特許文献１には、ターボチャージャのタービンハウジングと鋳造一体化したエキゾーストマニホールドが開示されている。また、特許文献３（特開２００３−２２１６３９号公報）には、タービンハウジングとエキゾーストマニホールド本体とを一体鋳造により形成した球状黒鉛鋳鉄製のタービンハウジング一体型エキゾーストマニホールドが開示されている。

特開２０００−１９９４２７号公報 特開２０００−２９１４３０号公報 特開２００３−２２１６３９号公報 特開２００４−０５２６５４号公報 特開２０００−１４５４４８号公報 特開２０１０−１３８７４６号公報 特開２００９−２１５９７２号公報 特開２００９−２５０２３２号公報 特開２００８−５１９９３１号公報

タービンハウジングは、複雑な構造となっているため鋳物で作製する場合が多い。また、エキゾーストマニホールドは高温の排気ガスにさらされる。そのため、タービンハウジングとエキゾーストマニホールドとを鋳造一体形成する場合は、高耐熱性を有する耐熱鋳造材料を使用する必要がある。鋳造一体形成することで、エキゾーストマニホールドのコンパクト化を図れるが、材料コストは高くなる。上記従来技術のように、エキゾーストマニホールド全体を単にタービンハウジングと鋳造一体形成したのでは、材料コストが高くならざるを得ないという課題がある。一方で、タービンを効率的に駆動させるには、排気脈動振幅を大きくすることが有効であり、排気容積を縮小することが望ましい。このように、材料コストの低減とタービン効率の向上との両立を図ることが望まれる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、材料コストの低減とタービン効率の向上との両立を図ることのできる過給機付き内燃機関を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、複数の気筒を備えた過給機付き内燃機関であって、
過給機のタービンハウジングとは別部材で形成され、前記タービンハウジングと内燃機関の第１の気筒群とを接続する第１エキゾーストマニホールドと、
前記タービンハウジングと鋳造一体に形成され、前記タービンハウジングと内燃機関の第２の気筒群とを接続する第２エキゾーストマニホールドと、を備え、
前記タービンハウジングから前記第２の気筒群の各気筒までの各距離は、前記第１の気筒群の各気筒までのいずれの距離よりも短いこと、を特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記第１エキゾーストマニホールドの外周に形成された冷却水通路を更に備えること、を特徴とする。

また、第３の発明は、第１の発明において、
前記第１エキゾーストマニホールドは二重管構造であること、を特徴とする。

また、第４の発明は、第２の発明において、
一端が前記第１エキゾーストマニホールドに接続され、他端が前記内燃機関の吸気系に接続されたＥＧＲ通路を更に備えること、を特徴とする。

また、第５の発明は、第１の発明において、
内燃機関のシリンダヘッド内に形成され、前記第２の気筒群の各気筒に接続し、前記シリンダヘッド内で１つに合流した排気ポートを、更に備え、
前記第２エキゾーストマニホールドは、前記排気ポートが合流した後の通路に接続されること、を特徴とする。

第１の発明によれば、タービンハウジングとの距離が近い第２の気筒群に接続される第２エキゾーストマニホールドが、タービンハウジングと鋳造一体に形成される。鋳造一体に形成されることにより、別ピース構成とする場合に比して、接続用の部品点数やスペースが削減されコンパクト化が図られる。コンパクト化を図ることにより排気容積が縮小される。排気容積が縮小されることにより、タービンハウジングとの距離が近い第２気筒群側からタービンに大きな排気脈動を供給することが可能となる。そのため、タービン効率を上昇させることができる。

また、第１の発明によれば、第１エキゾーストマニホールドをタービンハウジングと別部材とする。そのため、材料コストの高い耐熱鋳造材料の使用量を、マニホールド全体を鋳物構成とする場合に比して低減することができ、低コスト化を図ることができる。これらより、本発明によれば、タービン効率の向上と低コスト化との両立を実現することができる。

第２の発明によれば、冷却水通路を流れる冷却水により、第１エキゾーストマニホールドが冷却される。このため、本発明によれば、第１エキゾーストマニホールドの耐熱性を向上させ、その構成部材の低コスト化を図ることができる。

第３の発明によれば、第１エキゾーストマニホールド１８を二重管構成とすることで、質量低減が図られ、低熱容量構成を実現することができる。そのため、始動直後等において、排気ガス温度を高く保つことが可能となる。このため、本発明によれば、触媒の始動時暖機性の悪化を抑制することが可能となる。

第４の発明によれば、冷却された低温の排気ガスをＥＧＲガスとして吸気系に還流させることができる。このため、本発明によれば、ＥＧＲによるノック抑止等の効果を大きく得ることが可能となる。

第５の発明によれば、シリンダヘッド内部の排気容積および排気表面積とエキゾーストマニホールド部分の排気表面積および排気容積とを縮小することができる。このため、本発明によれば、始動直後の排気温度上昇による触媒暖機性の向上と、排気脈動の増加によるレスポンスの向上とを図ることができる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための概略構成図である。 本発明の実施の形態２のシステム構成を説明するための概略構成図である。 本発明の実施の形態３のシステム構成を説明するための概略構成図である。 本発明の実施の形態４のシステム構成を説明するための概略構成図である。 本発明の実施の形態５のシステム構成を説明するための概略構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための概略構成図である。図１に示すシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、車両等に搭載され、その動力源とされる４サイクルエンジンである。図１に示す内燃機関１０は、直列４気筒型であるが、本発明では、気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではない。なお、本実施形態では、内燃機関１０は火花点火式であるものとするが、本発明は、圧縮着火式内燃機関にも適用可能である。

内燃機関１０の各気筒（図１において左から順に第１気筒〜第４気筒と称する。）には、吸気通路１２と排気通路１４とが接続されている。本説明において、排気通路１４は、内燃機関１０のシリンダヘッド１５内に形成された各気筒の排気ポート１６、第１エキゾーストマニホールド１８、第２エキゾーストマニホールド２０を含む概念である。第１エキゾーストマニホールド１８は、第１気筒（＃１）及び第４気筒（＃４）の各排気ポート１６に接続されている。第２エキゾーストマニホールド２０は、第２気筒（＃２）及び第３気筒（＃３）の各排気ポート１６に接続されている。以下の説明において、第１気筒（＃１）及び第４気筒（＃４）を第１気筒群と、第２気筒（＃２）及び第３気筒（＃３）を第２気筒群という。

また、内燃機関１０は、排気ガスのエネルギーによって過給を行うターボチャージャ２４を備えている。ターボチャージャ２４は、排気ガスのエネルギーによって回転するタービン２４ａと、このタービン２４ａに駆動されて回転するコンプレッサ２４ｂとを有している。タービン２４ａは、排気通路１４の途中に配置されており、コンプレッサ２４ｂは、吸気通路１２の途中に配置されている。

タービン２４ａの下流の排気通路１４には、排気ガス中の有害成分を浄化するスタート触媒２６が設けられている。スタート触媒２６には、例えば三元触媒が用いられる。スタート触媒２６の下流にはマフラ２８が取り付けられている。

［実施の形態１における特徴的構成］
次に、本実施形態のシステムの特徴的構成について説明する。本実施形態のシステムの特徴は主に排気通路１４上流部の構成にある。図１に示すタービン２４ａは、タービンハウジング３０に内蔵されている。タービンハウジング３０は、２つの導入口を有している。一方の導入口には、合流後の第１エキゾーストマニホールドが連通している。他方の導入孔には、合流後の第２エキゾーストマニホールド２０が連通している。このように、ターボチャージャ２４はツインエントリー構成となっている。

タービンハウジング３０から第２気筒群の各気筒（＃２、＃３）までの各距離は、タービンハウジング３０から第１気筒群の各気筒（＃１、＃４）までのいずれの距離よりも短く構成されている。タービン２４ａを効率的に駆動させるためには、排気脈動振幅を大きくすることが有効である。排気脈動振幅を大きくするためには、排気容積を縮小することが必要である。特に、タービンハウジング３０と距離が近い第２気筒群側の排気容積を縮小することが望ましい。

そのため、本実施形態のシステムでは、第２気筒群に接続される第２エキゾーストマニホールド２０は、タービンハウジング３０と鋳造一体に形成されている。鋳造一体に形成されることで、別ピースとする場合に比して接続用の部品点数やスペースが少なくなり、コンパクト化される。コンパクト化されることにより、第２エキゾーストマニホールド２０の排気容積は縮小される。

また、エキゾーストマニホールドは高温の排気ガスにさらされるため、鋳造一体に形成される第２エキゾーストマニホールド２０及びタービンハウジング３０には高耐熱性を有する耐熱鋳造材料を用いる必要がある。しかしながら、耐熱鋳造材料は高コストである。そのため、本実施形態のシステムでは、第１気筒群に接続される第１エキゾーストマニホールド１８を、タービンハウジング３０とは別ピースの構成とし、その材質を耐熱鋳造材料よりも材料コストの低いサス（ステンレス鋼）等とした。

以上説明したように、本実施形態のシステムでは、第２エキゾーストマニホールド２０とタービンハウジング３０とを鋳造一体に形成することにより、排気系のコンパクト化を図ることができる。すなわち、マニホールドをサス等の別体構成として接続用のフランジを構成する場合に比べて、部品点数やスペースが削減されコンパクト化が図られる。コンパクト化を図ることにより、排気容積が縮小される。そのため、タービンハウジング３０との距離が近い第２気筒群側から大きな排気脈動をタービンに供給することが可能となり、タービン効率を向上させることができる。

併せて、本実施形態のシステムでは、第１エキゾーストマニホールド１８を、タービンハウジング３０と別体構成とすることにより、材料コストの高い耐熱鋳造材料の使用量を、マニホールド全体を鋳物構成とする場合に比して低減している。これにより低コスト化を図ることができる。

このように、本実施形態のシステムによれば、タービン効率の向上と低コスト化との両立を実現することができる。

ところで、上述した実施の形態１のシステムにおいては、ターボチャージャ２４を、ツインエントリーターボにすることとしているが、これに限定されるものではない。例えば、第１エキゾーストマニホールドを第２エキゾーストマニホールドに直接接続することとしても良い。なお、この点は以下の実施の形態でも同様である。

尚、上述した実施の形態１においては、ターボチャージャ２４が前記第１の発明における「過給機」に、タービンハウジング３０が前記第１の発明における「タービンハウジング」に、第１気筒群（＃１、＃４）が前記第１の発明における「第１の気筒群」に、第２気筒群（＃２、＃３）が前記第１の発明における「第２の気筒群」に、第１エキゾーストマニホールド１８が前記第１の発明における「第１エキゾーストマニホールド」に、第２エキゾーストマニホールド２０が前記第１の発明における「第２エキゾーストマニホールド」に、それぞれ相当している。

実施の形態２．
次に、図２を参照して本発明の実施の形態２について説明する。図２は、本発明の実施の形態２のシステム構成を説明するための概略構成図である。図２において、図１と共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

［実施の形態２における特徴的構成］
実施の形態１で述べたように、第１エキゾーストマニホールド１８は、第２エキゾーストマニホールド２０やタービンハウジング３０とは別ピースで構成されている。本実施形態のシステムでは、第１エキゾーストマニホールド１８の外周に冷却水通路３２が形成されている。冷却水通路３２には、例えばエンジン冷却水が流されている。

このような本実施形態の構成によれば、冷却水通路３２を流れる冷却水により、第１エキゾーストマニホールド１８が冷却される。そのため、耐熱性が向上し、第１エキゾーストマニホールド１８の構成部材をサスや、低コスト鋳物、アルミ等の材質とすることが可能となり、低コスト化を図ることができる。

尚、上述した実施の形態２においては、冷却水通路３２が前記第２の発明における「冷却水通路」に相当している。

実施の形態３．
次に、図３を参照して本発明の実施の形態３について説明する。図３は、本発明の実施の形態３のシステム構成を説明するための概略構成図である。図３において、図１と共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

上述した図１に示すスタート触媒２６は、機関始動から短時間のうちに暖機され、良好な排気浄化性能を発揮するように、排気通路１４の上流に配置されることが望ましい。しかし、ターボチャージャ２４を備えた内燃機関では、ターボチャージャ２４（具体的には、タービン２４ａとタービンハウジング３０）がスタート触媒２６の上流に配置されるため、スタート触媒２６の始動時暖機性が悪化することが懸念される。

上述した実施の形態１では、第２エキゾーストマニホールド２０のコンパクト化により排気系の表面積が縮小され、触媒暖機性の悪化が抑制されているが、さらなる抑制ができれば望ましい。

［実施の形態３における特徴的構成］
そこで、本実施形態のシステムでは、第２エキゾーストマニホールド２０やタービンハウジング３０とは別ピースで構成された第１エキゾーストマニホールド１８を、低熱容量構成とすることとした。具体的には、第１エキゾーストマニホールド１８は、内管１８ａと外管１８ｂとからなる二重管構造で形成されている。内管１８ａと外管１８ｂとの間にはエアギャップが設けられている。

このような中空の二重管構造とすることで、第１エキゾーストマニホールド１８の質量低減が図られ、低熱容量とすることができる。低熱容量とすることで、始動直後等において、エキゾーストマニホールド出口部の排気ガス温度を高く保つことが可能となる。排気ガス温度を高く保つことで、スタート触媒２６の始動時暖機性の悪化を抑制し、早期に良好な排気浄化性能を発揮することができる。

尚、上述した実施の形態３においては、内管１８ａ及び外管１８ｂが前記第３の発明における「二重管構造」に相当している。

実施の形態４．
次に、図４を参照して本発明の実施の形態４について説明する。図４は、本発明の実施の形態４のシステム構成を説明するための概略構成図である。図４において、図２と共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

［実施の形態４における特徴的構成］
実施の形態２で述べたように、第１エキゾーストマニホールド１８の外周には、冷却水通路３２が形成されている。さらに、本実施形態のシステムでは、上流端が第１エキゾーストマニホールド１８の一部に、下流端が吸気通路１２（例えば、インテークマニホールド）に接続された外部ＥＧＲ通路３４が設けられている。外部ＥＧＲ通路３４は、排気ガスの一部を吸気通路１２に還流させるための通路である。外部ＥＧＲ通路３４の途中には、図示省略するＥＧＲクーラ、ＥＧＲバルブが設けられている。

このような本実施形態の構成によれば、ＥＧＲ導入領域での運転において、冷却水通路３２により冷却された低温の排気ガスをＥＧＲガスとして吸気系に還流させることができる。冷却された低温の排気ガスを還流させることにより、ＥＧＲによるノック抑止等の効果を大きく得ることが可能となる。また、ＥＧＲクーラに必要な性能を低くできるため、低コスト化と省スペース化を図ることができる。

ところで、上述した実施の形態１のシステムにおいては、外部ＥＧＲ通路３４の途中にＥＧＲクーラを設けることとしているが、このＥＧＲクーラを設けない構成としても良い。

尚、上述した実施の形態４においては、外部ＥＧＲ通路３４が前記第４の発明における「ＥＧＲ通路」に、吸気通路１２が前記第４の発明における「吸気系」に、それぞれ相当している。

実施の形態５．
次に、図５を参照して本発明の実施の形態５について説明する。図５は、本発明の実施の形態５のシステム構成を説明するための概略構成図である。図５に示すシステム構成は、排気ポート１６に代えて排気ポート３６、３８が、第１エキゾーストマニホールド１８に代えて第１エキゾーストマニホールド４０が、第２エキゾーストマニホールド２０に代えて第２エキゾーストマニホールド４２が用いられる点を除き、図１に示すものと同様である。図５において、図１と共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

スタート触媒２６は、機関始動から短時間のうちに暖機され、良好な排気浄化性能を発揮するように、排気通路１４の上流に配置されることが望ましい。しかし、ターボチャージャ２４を備えた内燃機関では、ターボチャージャ２４（具体的にはタービン２４ａとタービンハウジング３０）がスタート触媒２６の上流に配置されるため、スタート触媒２６の始動時暖機性が悪化することが懸念される。その対策として、排気表面積を縮小することが望ましい。また、タービン２４ａを効率的に駆動させる観点から、排気脈動振幅を大きくすることが有効であり、その対策として、排気容積を縮小することが望ましい。

上述した実施の形態１では、第２エキゾーストマニホールド２０のコンパクト化により排気表面積および排気容量の縮小がなされているが、本実施の形態は、更なる縮小を図るものである。

［実施の形態５における特徴的構成］
本実施形態のシステムにおいて、シリンダヘッド１５内に形成される排気ポート３６は、上流端が第２気筒群の各気筒（＃２、＃３）に接続し、シリンダヘッド１５内において１つに合流するように形成されている。排気ポート３６の合流後の下流端は、第２エキゾーストマニホールド４２の上流端に接続されている。第２エキゾーストマニホールド４２は、タービンハウジング３０と鋳造一体に形成されている。第２エキゾーストマニホールド４２の材料等については、実施の形態１における第２エキゾーストマニホールド２０と同様であるため説明は省略する。

このように、第２気筒群の排気ポート３６をシリンダヘッド１５内で合流させることにより、図１の２つの排気ポート１６（＃２、＃３）に比して排気ポート３６の表面積および容積が縮小される。また、第２エキゾーストマニホールド４２の通路が一本化されるため、図１の第２エキゾーストマニホールド２０に比してその表面積および容積が縮小される。

また、本実施形態のシステムでは、排気ポート３８及び第１エキゾーストマニホールド４０の形状についても、図１の排気ポート１６、第１エキゾーストマニホールド１８に比して排気表面積および排気容積が縮小されるように構成されている。第１エキゾーストマニホールド４０の材料等については、実施の形態１における第１エキゾーストマニホールド１８と同様であるため説明は省略する。

このような本実施形態の構成によれば、第１気筒群および第２気筒群のシリンダヘッド１５内部の排気容積および排気表面積と、エキゾーストマニホールド部分の排気表面積および排気容積とを縮小できる。これにより、始動直後の排気温度上昇による触媒暖機性の向上と、排気脈動の増加によるレスポンスの向上とが図られる。また、実施の形態１に比して、構成部材の低減によるコスト削減、ヘッド内部の冷却水通路面積の増大による冷却効果増による運転中の排気温度低減効果も得られる。

尚、上述した実施の形態５においては、排気ポート３６が前記第５の発明における「排気ポート」に、第２エキゾーストマニホールド４２が前記第５の発明における「第２エキゾーストマニホールド」に、それぞれ相当している。

１０ 内燃機関
１２ 吸気通路
１４ 排気通路
１５ シリンダヘッド
１６ 排気ポート
１８ 第１エキゾーストマニホールド
１８ａ、１８ｂ 内管、外管
２０ 第２エキゾーストマニホールド
２４ ターボチャージャ
２４ａ タービン
２４ｂ コンプレッサ
２６ スタート触媒
２８ マフラ
３０ タービンハウジング
３２ 冷却水通路
３４ 外部ＥＧＲ通路
３６、３８ 排気ポート
４０ 第１エキゾーストマニホールド
４２ 第２エキゾーストマニホールド

Claims (5)

1. 複数の気筒を備えた過給機付き内燃機関において、
   過給機のタービンハウジングとは別部材で形成され、前記タービンハウジングと内燃機関の第１の気筒群とを接続する第１エキゾーストマニホールドと、
   前記タービンハウジングと鋳造一体に形成され、前記タービンハウジングと内燃機関の第２の気筒群とを接続する第２エキゾーストマニホールドと、を備え、
   前記タービンハウジングから前記第２の気筒群の各気筒までの各距離は、前記第１の気筒群の各気筒までのいずれの距離よりも短いこと、
   を特徴とする過給機付き内燃機関。
2. 前記第１エキゾーストマニホールドの外周に形成された冷却水通路を更に備えること、を特徴とする請求項１記載の過給機付き内燃機関。
3. 前記第１エキゾーストマニホールドは二重管構造であること、を特徴とする請求項１記載の過給機付き内燃機関。
4. 一端が前記第１エキゾーストマニホールドに接続され、他端が前記内燃機関の吸気系に接続されたＥＧＲ通路を更に備えること、を特徴とする請求項２記載の過給機付き内燃機関。
5. 内燃機関のシリンダヘッド内に形成され、前記第２の気筒群の各気筒に接続し、前記シリンダヘッド内で１つに合流した排気ポートを、更に備え、
   前記第２エキゾーストマニホールドは、前記排気ポートが合流した後の通路に接続されること、
   を特徴とする請求項１記載の過給機付き内燃機関。

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