JP2557060B2 - エンジンの排気装置 - Google Patents

エンジンの排気装置

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Description

【発明の詳細な説明】 《産業上の利用分野》 この発明はエンジンの排気装置に関し、特に各気筒ご
との独立排気通路を有する多気筒エンジンの排気装置に
関する。
《従来の技術》 周知のように、エンジンの給気圧を上昇させ、シリン
ダ内への給気の充填量を高める過給機の一種として、エ
ンジンの排気ガスで駆動されるいわゆるターボチャージ
ャが提供されている。
この種のターボチャージャでは、エンジンの排気通路
中に排気ガスによって回転駆動される排気タービンを設
け、タービンに連結されたポンプによって給気圧を上昇
させるように構成されており、例えば実開昭59−148427
号公報にその一例が開示されている。
ところで、ターボチャージャを備えたエンジンでは、
低速域での過給応答性を向上させるためには、タービン
上流の排気通路の容積が小さくなるように、各気筒ごと
の独立通路をある程度小径とする必要があり、このよう
にするとエンジンの高速・高負荷時には、各気筒から排
出される排気ガスが極めて高温・高圧となり、これをそ
のまま排気タービンに供給すると、排気タービンに加わ
る熱負荷が非常に大きくなる。
一方、ターボチャージャを備えていないエンジンにお
いても、高速・高負荷時には排気ガスが高温・高圧とな
り、排気マニホールドや、その下流の排気通路に配置さ
れる排気浄化装置等の劣化を早める惧れがある。
これを排気通路の大径化によって解決しようとする
と、排気通路が大きくなり過ぎて自動車への搭載性の面
で不利となる。
そこで、排気ガスの高温・高圧化に対しては、エンジ
ンに供給する空燃化を理論空燃比よりも過濃側に設定す
ることで対処していたが以下に説明する問題があった。
《発明が解決しようとする問題点》 すなわち、空燃比を上述した如く設定すれば、燃料は
燃焼に供される空気よりも過剰に存在するので、未燃焼
の燃料を気化させるために排気ガスのエネルギーが費さ
れ、これにより排気ガス温度が低下することになる。
しかしながら、この手段によれば排気ガス温度は低下
できるにしても、エンジンの仕事に何ら寄与することの
ない燃料を無駄に消費しており、燃費が極めて悪化する
という問題と、空燃比を過濃にするとトルクが低下する
という問題があった。
排気ガス温度を下げるには、例えば上述した公報に開
示されているように、排気マニホールドの内部通路に排
気の干渉を回避する隔壁を設け、エンジンの回転数が設
定値以上の時に、隔壁を連通するようにすれば、排気ガ
ス圧力が低下し、排気ガス温度の低下がある程度期待で
きるが、十分に低下させることはできなかった。
この発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので
あって、その目的とするところは、エンジンの空燃比を
過濃にすることなく高速・高負荷時の排気ガス温度およ
び排圧を低下できるエンジンの排気装置を提供すること
にある。
《問題点を解決するための手段》 上記目的を達成するために、第１の発明では、シリン
ダヘッドに形成された各気筒の排気ポートにそれぞれ独
立して接続され、エンジンからの排気を常時下流側へ流
出する独立排気通路を有するエンジンの排気装置におい
て、上記独立排気通路を下流にて合流する合流部と、該
合流部より上流におけるすべての独立排気通路により分
岐されて、該独立排気通路同士を互いに連通させる連通
路と、を備えたことを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、第２の発明では、
シリンダヘッドに形成された各気筒の排気ポートにそれ
ぞれ独立して接続され、エンジンからの排気を常時下流
側へ流出する独立排気通路を有するエンジンの排気装置
において、上記独立排気通路を下流にて合流する合流部
と、該合流部より上流におけるすべての独立排気通路よ
り分岐されて、該独立排気通路同士を互いに連通させる
連通路とを備え、該連通路には、高速高負荷時に開動作
して各気筒の独立排気通路同士を連通させる開閉弁を設
けたことを特徴とする。
ここで、前記第１の発明及び第２の発明において、連
通路はすべての独立排気通路の排気ポート近傍を相互に
連通させて単一に形成する構成とすることができる。
《作 用》 上記第１の発明の構成に係るエンジンの排気装置によ
れば、いずれかの気筒で排出された排気ガスは、独立排
気通路を介して排出されるとともに、一部は連通路を介
して他の気筒の独立排気通路に流入した後に排出され
る。
従って、連通路と他気筒の独立排気通路とを通って排
出される排気ガスは、流通路が長くなり、放熱面積が大
幅に増加するので、その間に十分に排気ガス温度が低下
する。
また、一つの気筒で排出される排気ガスは、その気筒
の独立排気通路と、連通路を介して他の独立排気通路と
に分配されるので、排気通路の実質的な有効面積が増大
し、これにより通路抵抗が低くなり、排圧が低下すると
ともに排気ガス温度もさらに低下する。
また、上記連通路に開閉弁を設けた第２の発明の構成
にかかるエンジンの排気装置によれば、エンジンの低速
・低負荷運転時には上記開閉弁が閉弁されて、各気筒か
ら排出された排気ガスは、対応する気筒の排気ポートに
連通した独立排気通路のみを通って排出される。
従って、排気ガスの膨脹が抑えられ、且つ流速が高く
保たれるので、高い動圧過給効果が得られて、低速トル
クおよび応答性の改善が図れる。
《実施例》 以下、この発明の好適な実施例について添附図面を参
照にして詳細に説明する。
第１図はこの発明に係るエンジンの排気装置の第１実
施例を示している。
同図に示す排気装置は、この発明を４気筒（＃１〜＃
４）のエンジンに適用したものであって、各気筒にはシ
リンダブロック10内にピストン12が配置されるととも
に、シリンダヘッド13内には吸・排気ポート14,16が形
成され、吸・排気ポート14,16と燃焼室18との間には吸
・排気バルブ20,22がそれぞれ配置されている。
各排気ポート16には排気通路24が連通されており、特
にこの実施例ではこの排気通路24を以下のように構成し
ている。
排気通路24は、各気筒（＃１〜＃４）の排気ポート1
6,16……に一端がそれぞれ個別に連通し、他端が相互に
合流するように集合された４本の独立排気通路26a〜ｄ
と、この独立排気通路26a〜ｄを合流部よりも上流側、
即ち排気ポート16寄りの位置で相互に連通接続する連通
路28とで構成している。
図示した例における各独立排気通路26a〜ｄは連通路2
8よりも細径となっており、連通路28にはこれが各独立
排気通路26a〜ｄと合流する部分に、それぞれシャッタ
式の連通制御弁30,30……が設けてあって、各連通制御
弁30の回転軸は互いに同軸上に配置されている。
一方、上記独立排気通路26a〜ｄの排気ポート16と反
対側の集合された合流部32は、排気ガスによって回転駆
動される排気タービン34が設けられるとともに、排気タ
ービン34を迂回するバイパス通路36が形成され、バイパ
ス通路36にはウエストゲートバルブ38が設けてある。
以上のように構成された排気装置では、エンジンの高
速・高負荷運転時には、上記連通制御弁30は開弁され
る。
この状態では、各気筒＃１〜＃４から排出された排気
ガスは、対応する気筒の排気ポート16に連通した独立排
気通路26a〜ｄを介して直接排気タービン34に供給され
るとともに、一部は連通路28を介して他の独立排気通路
26a〜ｄを通って排気タービン34に供給される。
つまり、いま、＃１気筒の排気ポート16からは排気ガ
スが排出されたとすると、排気ガスは＃１気筒の独立排
気通路26aから排気タービン34に直接到達するととも
に、一部は連通路28を通って＃２〜＃４気筒の独立排気
通路26b〜ｄを介して排気タービン34に到達する。
従って、直接排気タービン34に通ずる独立排気通路26
aの径が細くても、実質的には他の独立排気通路26b〜ｄ
にも排気ガスが流れるため、排気経路の有効断面積は大
きなものとなる。
これにより、排気ガスの通路抵抗が低くなり、排圧が
低下するとともに、排気ガス温度も低下する。
このことにより、排気ガス温度低減のために実施され
ている、燃料の過濃化を殆ど行なわなくても排気ガス温
度を低下でき、高速・高負荷走行時の燃費を低減でき
る。
一方、エンジンの低速・低負荷運転時には、上記連通
制御弁30が閉弁される。
この状態では各気筒＃１〜＃４から排出された排気ガ
スは、対応する気筒の排気ポート16に連通した独立通路
26a〜ｄのみを通って排気タービン34に供給される。
この時、各独立排気通路26a〜ｄは細径なため、排気
ガスが排気タービン34に到達するまでにその膨脹が抑え
られ、且つ流速を高く保つことができる。
これにより、高い動圧過給効果が得られ、低速トルク
および応答性が改善できる。
なお、上記排気装置では、過給圧の制御はバイパス通
路36に設けたウエストゲートバルブ38によって行なうこ
ともできるが、連通制御弁30を徐々に開けることで過給
圧をコントロールし、これが全開になった後にウエスト
ゲートバルブ38でコントロールするようにしてもよい。
第２図はこの発明の第２実施例を示しており、この実
施例では、独立排気通路26a〜ｄを相互に連通接続する
連通路28aを、＃１気筒と＃４気筒の独立排気通路26a,2
6dとを連通するものと、＃2,＃３気筒の独立排気通路26
b,26cとを連通するものの２本で構成している。
このように構成しても第１実施例と同じ作用効果が得
られるとともに、各気筒＃１〜＃４から排出される排気
の干渉がなくなる。
なお、多気筒エンジンで連通路28aを複数に分ける場
合、排気順が交互に異なった群になるように選定すれば
排気の干渉を防止できるので４気筒に限ることはない。
また、第２図の連通制御弁30のかわりに、連通路28a,
28aを開閉する連通制御弁を各連通路の途中に１つずつ
設けるようにすると、連通制御装置をより簡単な構造に
することができる。
第３図はこの発明の第３実施例を示しており、この実
施例では第１図に示した第１実施例の連通制御弁30がシ
ャッタ式であったのに対し、アーム式の制御弁30aと
し、シリンダヘッド13の排気ポート16に設けた孔部をこ
れで開閉すことにより、独立排気通路26と連通路28を連
通ないしは遮断するように構成している。
このような構造の連通制御弁30aによれば、シャッタ
式に比べて信頼性が大きくなる。
第４図はこの発明の第４実施例を示しており、この実
施例では連通路28bをシリンドヘッド13にガスケット40
を介して固設するとともに、連通路28bに冷却水の流通
路42を設け、流通路42内にシリンダヘッド13内に循環さ
れる冷却水44を導入するように構成している。
この実施例のように構成すれば、排気タービン34に供
給する排気ガス温度の低減効果ないしは排圧の低減効果
が著しく増加できる。
第５図は、この発明の第５実施例を示しており、この
実施例では＃1,＃２気筒の独立排気通路26a,26bと＃3,
＃４気筒の独立排気通路26c,26dをそれぞれ集合させ、
これら２つの集合通路を個別に排気タービン34に導くよ
うにした、いわゆるツインスクロールターボに本発明を
適用したものである。
なお、この実施例では各気筒＃１〜＃４に排気バルブ
22が２個設けられており、各２個の排気バルブＰ（プラ
イマリーバルブ）,S（セカンダリーバルブ）のうち連通
路28に近い側の排気バルブＰは、第６図に示すように他
方の排気バルブＳに対してその開弁時期が早められてい
る。このように、排気バルブ22が複数設けられたエンジ
ンでは、連通路28に近い側の排気バルブの全開時期を早
めることによって、高圧・高温のブローダウンガスが効
果的に連通路28に流入するので、より大きな排圧低下，
排気ガス温度低下が奏される。
また、この実施例では連通制御弁を各気筒＃１〜＃４
毎に設けることなく、ツインスクロールターボの各スク
ロールに接続される気筒群（＃１と＃2,＃３と＃４）の
間で連通路28に１つの連通制御弁30を設け、過給機の応
答性を余り損なわずに連通制御装置を簡単にできる構成
となっている。
また、第７図に示す第６実施例では、本発明を６気筒
（＃１〜＃６）のエンジンに適用し、且つ２つの排気タ
ービン34,34aを設け、＃１〜＃３気筒の独立排気通路26
a〜ｃで一方の排気タービン34を駆動するとともに、＃
４〜＃６気筒の独立排気通路26d〜ｆで他方の排気ター
ビン34aを駆動するようにした、いわゆるツインターボ
に本発明を適用したものである。
なお、この第７図の実施例においても、各気筒＃１〜
＃６毎に連通制御弁を設けることなく、各ターボチャー
ジャに接続される気筒群の間の連通路を開閉するような
連通制御弁を１つ設けてもよい。
さらに、第８図は第５図と同様に本発明をツインスク
ロールターボに適用した第７実施例を示しているが、ス
クロールに導入する排気ガスの気筒の組合せを異らせる
とともに、連通路28cも＃１気筒と＃２気筒の独立排気
通路26a,bを連通するものと、＃３気筒と＃４気筒の独
立排気通路26c,dを連通するものの２つに分けている。
上記第５から第７実施例によれば、ツインスクロール
ターボないしはツインターボの利点と、本発明装置の作
用効果とが同時に達成できる。
第９図はこの発明の第８実施例を示しており、この実
施例では独立排気通路26a〜ｄを特別に細くせず、連通
路28dと同じ径にしたものであって、このような構造で
あっても高速・高負荷時の排圧低減，排気ガス温度低減
の効果は得られる。なお、独立排気通路径と連通路径の
関係については後述する。
上記した実施例では、すべて連通路28,28a〜28dに制
御弁30,30aを設けて、低速・低負荷時にこれを開弁する
ものを例示したが、高速・高負荷時の燃費対策のみを達
成するためには、制御弁30,30aは必ずしも設けなくても
よい。
また、以上の各実施例は、ターボチャージャを備えた
エンジンの実施例で説明したが、以下述べるようにター
ボチャージャを有しないエンジン（自然吸気エンジン）
に本発明を適用することもできる。
第10図はこの発明の第９実施例を示し、自然吸気エン
ジンの排気装置であって各独立排気通路26a〜ｄを連通
路28によって連通してある。
第11図はこの発明の第10実施例を示し、上記第９実施
例と同様に自然吸気エンジンの排気装置であって、第２
実施例で述べたように排気順の連続しない＃１気筒と＃
４気筒の独立排気通路26a,26dを一方の連通路28aで連通
し、かつ、残りの排気順の連続しない＃２気筒と＃３気
筒の独立排気通路26b,26cを連通路28aで連通してある。
第12図（ａ），（ｂ）は上記第９実施例と第10実施例
における空燃比に対する排気ガス温度および燃費率の関
係を、第13図の従来の排気装置と比較してそれぞれ示す
特性図である。尚、同図中×印で示す点は従来の排気装
置で得られる値、白丸印で示す点は第９実施例で得られ
る値、黒丸印で示す点は第10実施例で得られる値であ
り、また、排気ガス温度の特性中、Ａ特性は第10図，第
11図，第13図に示すように排気ポート16の出口近傍（Ａ
点）での値であり、同様にＢ特性は合流部32（Ｂ点）で
の値である。
従って、かかる第12図のデータから明らかなように、
排気マニホールドの耐熱温度限界850℃に対し、従来例
（×印）の場合は空燃比が「13」を越えるあたりからＢ
点の温度が上記耐熱温度に達するため、空燃比をこれ以
上リーン側（増大側）にすることができない。なお、第
13図の従来例においてＢ点の温度（平均温度）がＡ点よ
りも高くなるのは、合流部であるＢ点には常に排気ガス
が流れるからである。
ところが、第12図（ａ）に示す第９実施例（白丸印）
の場合は、上記耐熱温度に対して空燃比が「14」近傍ま
で耐えることができる。このため、この実施例と上記従
来例とにおける限界空燃比の差によって燃費率を約４％
向上することができる。なお、第９実施例では連通路28
を介してＡ点にも常に排気ガスが流れるため、Ｂ点より
も排気ポートに近いＡ点の温度が高くなる。
一方、第12図（ｂ）に示す第10実施例（黒丸印）の場
合は、空燃比が「15」近くになってもＡ点,B点共に耐熱
温度限界以下である。従って、このときの空燃比約15を
限界空燃比とした場合、上記従来例と比較して燃費率が
約12％向上する。
なお、上記結果から第９実施例より第10実施例の方が
空燃比に対する排気ガス温度を低く押さえられることが
示されているが、これは、排気ポート16に近接したＡ点
に対して、第９実施例では連通路28を介して各気筒の排
気ガスが常に流入されるのに対し、第10実施例では２本
の連通路28aを設けたため半分の気筒分の排気ガスしか
流入しないためである。また、このために第10実施例で
はＡ点よりもＢ点の方が高温となる。
第14図はこの発明の第11実施例を示し、上記第10実施
例と同様に連通路28aを２本用い、排気順の連続しない
気筒どうしの独立排気通路26aと26dおよび26bと26cをそ
れぞれ上記各連通路28aで連通し、かつ、これら独立排
気通路26aと26dおよび26bと26cをそれぞれ中間通路27a,
27bに一旦集合させ、そして、この中間通路27a,27bを最
終的に集合部32に集合させることにより構成してある。
この実施例では、２本の中間通路27a,27bのみを延長
することにより、集合部32までの排気通路を長くできる
ため、各独立排気通路26a〜ｄ自体を延長する場合に比
べて重量増加とか搭載性の悪化等を来すことなく上記集
合部32の効果的な温度低下を図ることができる。従っ
て、この実施例ではかかる重量とか搭載性を有利にしつ
つ中間通路27a,27bの長さを適宜に設定してＡ点とＢ点
の温度を略等しくすることができ、空燃比を最もリーン
側に設定することが可能となって燃費率が更に向上され
ることになる。
なお、前述した第９実施例（第10図），第10実施例
（第11図），第11実施例（第14図）はそれぞれ自然吸気
エンジンであることから連通制御弁は特に必要とせず、
連通路は常時開放状態でよい。また、自然吸気エンジン
に連通路が設けられる際、排気干渉が起こらないように
排気時間のオーバーラップのない気筒の排気通路を連通
させるのが特に好ましい。
第15図（ａ），（ｂ）は連通路径に対する燃費率の特
性を、ターボチャージャを備えたエンジン（ターボエン
ジン）と自然吸気エンジンとでそれぞれ示したグラフで
ある。
ここで、同図（ａ）の特性を示したターボエンジン
（４気筒1.6）は、第16図（ａ）に示すように前述し
た第５実施例（第５図）で用いられた排気通路の構成を
単一の排気バルブを有するエンジンに適用したものであ
り、かつ、第15図（ｂ）の特性を示した自然吸気エンジ
ン（４気筒2.0）は、第16図（ｂ）に示すように前述
した第10実施例（第11図）と実質的に同様の排気通路構
成を有するものである。そして、それぞれのエンジンに
用いられる排気装置の独立排気通路径をD1とし、かつ連
通路径をD2として示した。
第16図（ａ）の排気装置では連通路28を除いた排気マ
ニホールド容積は300cm3、D1の等価径は25mmに設定さ
れ、第16図（ｂ）の排気装置では連通路28aを除いた排
気マニホールド容積500cm3、D1の等価径は28mmに設定さ
れている。そして、連通路の径D2を変化させることによ
り燃費率の特性を求めた。
その結果、第15図（ａ）から明らかなように、ターボ
エンジンではD2＝｛1/2｝D1近傍から燃費率が顕著な向
上を示し、D2＝D1近傍以上で略一定となる。従って、タ
ーボエンジンの場合には連通路の径D2を独立排気通路の
径D1の1/2以上に設定することが良く、特にD2をD1と同
等以上にすることが好ましい。一方、第15図（ｂ）から
理解されるように、自然吸気エンジンでは燃費率がD2＝
｛1/4｝D1近傍から顕著な向上を示し、D2＝｛1/2｝D1近
傍以上で略一定となる。従って、自然吸気エンジンでは
連通路の径D2を独立排気通路の径D1の1/4以上に設定す
ることが良く、特にD2をD1の1/2以上にすることが好ま
しい。
なお、連通路を独立排気通路に連通させる場合、流れ
の方向から考えて上流に相当する方向への流れが存在す
るように連通するのが良く、また、流れを上流からみて
最初の集合部よりも上流側に連通路の開口部を設ける必
要がある。この後者に関して再び第16図を参照して述べ
ると、排気ポート16から最初の重合部までの距離をL1と
し、かつ、排気ポート16から連通路の開口部までの距離
をL2とした場合、L2≦｛1/2｝L1に設定されることが好
ましい。
《発明の効果》 以上実施例で詳細に説明したように、第１の発明に係
るエンジンの排気装置によれば、排気ガスは連通路から
他気筒の独立排気通路をも介して排出され、流通路が長
くなることによる放熱面積の増大および排気通路の有効
面積増大による排圧低下をもって排気ガス温度の低下を
行うことができる。このため、排気ガス温度を低下させ
るために要求される燃料増量を少なくでき、従って、特
に高速・高負荷時の燃費を改善できる。
また、上記第１の発明における連通路にさらに開閉弁
を設けた第２の発明に係るエンジンの排気装置によれ
ば、エンジンの低速・低負荷運転時には上記開閉弁が閉
弁されて、各気筒から排出された排気ガスは、対応する
気筒の排気ポートに連通した独立排気通路のみを通って
排出されるので、排気ガスの膨脹が抑えられるとともに
流速が高く保たれ、もって高い動圧過給効果が得られ
て、低速トルクおよび応答性の改善が図れる。
【図面の簡単な説明】
第１図（ａ）はこの発明に係るエンジンの排気装置の第
１実施例を示す平面説明図、同図（ｂ）はその要部断面
図、第２図は同装置の第２実施例を示す平面説明図、同
図（ｂ）はその要部断面図、第３図は同装置の第３実施
例を示す要部断面図、第４図は同装置の第４実施例を示
す要部断面図、第５図は同装置の第５実施例を示す平面
説明図、第６図は第５実施例の排気バルブの開弁タイミ
ングを示す説明図、第７図及び第８図は同装置の第６実
施例及び第７実施例をそれぞれ示す平面説明図、第９図
（ａ）は同装置の第８実施例を示す平面説明図、同図
（ｂ）はその要部断面図、第10図及び第11図は同装置の
第９実施例及び第10実施例をそれぞれ示す平面説明図、
第12図（ａ），（ｂ）は同装置における空燃比に対する
排気ガス温度と燃費率をそれぞれ示す特性図、第13図は
比較実験で用いた従来装置の平面説明図、第14図は本発
明装置の第11実施例を示す平面説明図、第15図（ａ），
（ｂ）はそれぞれ同装置の連通路径に対する燃費率を示
す特性図、第16図（ａ），（ｂ）は第15図の特性図をそ
れぞれ補足説明するための本発明装置の概略平面図であ
る。 16……排気ポート、24……排気通路 26a〜ｆ……独立排気通路 28,28a,28b,28c,28d,28e……連通路 34……排気タービン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 昭57−167223（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−190930（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−38414（ＪＰ，Ｕ)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】シリンダヘッドに形成された各気筒の排気
    ポートにそれぞれ独立して接続され、エンジンからの排
    気を常時下流側へ流出する独立排気通路を有するエンジ
    ンの排気装置において、 上記独立排気通路を下流にて合流する合流部と、 該合流部より上流におけるすべての独立排気通路より分
    岐されて、該独立排気通路同士を互いに連通させる連通
    路と、 を備えたことを特徴とするエンジンの排気装置。
  2. 【請求項２】前記連通路がすべての独立排気通路の排気
    ポート近傍を相互に連通させて単一に形成されている前
    記特許請求の範囲第１項記載のエンジンの排気装置。
  3. 【請求項３】シリンダヘッドに形成された各気筒の排気
    ポートにそれぞれ独立して接続され、エンジンからの排
    気を常時下流側へ流出する独立排気通路を有するエンジ
    ンの排気装置において、 上記独立排気通路を下流にて合流する合流部と、 該合流部より上流におけるすべての独立排気通路より分
    岐されて、上記独立排気通路同士を互いに連通させる連
    通路とを備え、 該連通路には、高速高負荷時に開動作して各気筒の独立
    排気通路同士を連通させる開閉弁を設けたことを特徴と
    するエンジンの排気装置。
  4. 【請求項４】前記連通路がすべての独立排気通路の排気
    ポート近傍を相互に連通させて単一に形成されている前
    記特許請求の範囲第３項記載のエンジンの排気装置。
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