JP5114500B2 - 内燃機関用の排ガスシステム - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念（所謂おいて部分、プリアンブル部分）に記載の特徴を具備した内燃機関に関する。

本発明は、特許文献１を前提技術として成されたものである。同文献からは、気筒から気筒へと９０°のクランク角で順番に点火されるＶ型８気筒の内燃機関が知られている。この内燃機関は、左右のシリンダバンクに気筒を四つずつ有している。各シリンダバンクの気筒は二つずつ、一つの排ガスラインに合流しており、それぞれの排ガスラインは、これと付設されている四つの気筒の排ガスを一つのターボチャージャの内部に送り込むようになっている。したがって内燃機関は、四つの気筒からの排ガスが流れ込む４フロー式の排ガスラインを二本有していることになる。両方の排ガスラインは一緒に一つの排ガスシステムを形成している。これらの排ガスラインは、ターボチャージャへの入口の上流側で、排ガスが導通されるように互いに接続できるようになっている。排ガスが流れる向きでそれぞれのターボチャージャの下流側の排ガスシステムには、排気浄化システムが一つずつ配置されている。

上述の構成方式では、一つの排ガスラインに合流しているそれぞれ四つの気筒の排ガスのいわゆるクロストークと呼ばれる排気干渉が短所となっており、それによりガス交換用吸気弁の最大開弁時間を実現できないでいる。

ＤＥ １０ ２００４ ０５７ １２９ Ａ１

本発明の課題は、個々の排ガスラインと付設されている四つの気筒の排ガスのクロストークを阻止する対策を提示することにある。

この課題は、請求項１の特徴部分に記載の各特徴により解決される。
本発明にしたがった構成方式により、一つの排ガスラインないしは排気流路に付設されている二つの気筒の点火間隔は、３６０°のクランク角となる。したがってターボチャージャのタービン翼車には、１８０°の点火間隔で排ガスが当たることになる。本発明においてはこの構成方式により、それぞれのガス交換用吸気弁の開弁時間を従来技術に対して延長することが可能となり、それにより内燃機関のハイパワー化と高トルク化が達成される。本発明にしたがって排ガスシステムを構成することにより、八つの気筒の全てについて、新気の対称で等しい充填状態がもたらされることになるために、最適ガス交換が達成される。この対称で等しい最適充填により、個々の気筒内にとどまる残留ガスが低減され、それにより内燃機関のノック傾向が大幅に改善されることになる。ほかにも、特に内燃機関の全負荷時の燃費が向上される。それ以外にも、回転数が非常に低い段階ですでに非常に高い値のトルクが加わることになる。これにより、トルクがなかなか立ち上がらない低回転域のいわゆる「ターボラグ」が実質的にほぼ完全に排除されることになる。有利なことにも本発明にしたがった排ガスシステムは、ガソリンエンジンの原理に基づき作動する内燃機関にも、またディーゼルエンジンの原理に基づき作動する内燃機関にも、導入することができる。

請求項２にしたがった構成方式により、排ガスシステムの内部で極端に短い排ガス経路が達成されることになり、それにより排ガスの流れ損失が最小限化されて、排出ならびに燃費面で有利となる。

請求項３にしたがった構成方式は、デュアルフロー式ターボチャージャの非常に好ましい変形実施例であるが、そこでは、それぞれの流路に一つの排ガスラインから排ガスが送り込まれるようになっている。

請求項４にしたがった構成方式は、第２の同様に非常に好ましい変形実施例であるが、そこでは、それぞれのターボチャージャが、専用の流路を一つずつ有している二つの排気タービンを有しており、それぞれの流路には一本の排ガスラインが合流している。

請求項５から８にしたがった構成方式は、非常に好ましい変形実施例ないしは変形製造例である。

本発明にしたがって構成されたＶ型８気筒内燃機関用の排ガスシステムの図式図である。

以下では、唯一の図に図式的に示されている非常に好ましい実施例に基づき、本発明を詳しく説明する。
図１には、本発明にしたがって構成されたＶ型８気筒内燃機関用の排ガスシステムが図式的に示されている。内燃機関は、第１のシリンダバンク９と、この第１のシリンダバンク９と対向している第２のシリンダバンク１０とを有している。第１のシリンダバンク９は、直列に配置される四つの気筒１、２、３、４を有しており、第２のシリンダバンク１０も同様に直列に配置される四つの気筒５、６、７、８を有しているが、そこでは気筒１および５、２および６、３および７、および気筒４および８が、それぞれ互いに対向するように配置されている。気筒から気筒への点火間隔は、公称で９０°であるが、本発明を技術的に実現する際には、この点火間隔は、内燃機関の運転状態に応じて８５°から９５°までの間で可変であるとよい。

シリンダバンク９とシリンダバンク１０との間、すなわちＶ字の谷間には、図示されない二つのターボチャージャを配置できるようになっているが、これらは排ガスシステム１１を介して、それぞれの気筒１、２、３、４、５、６、７、８に、ガスが導通されるように相互接続できるようになっている。排ガスシステム１１は、第１の排ガスライン１１ａ、第２の排ガスライン１１ｂ、第３の排ガスライン１１ｃ、ならびに第４の排ガスライン１１ｄにより構成されている。第１の排ガスライン１１ａは、気筒１と６とをガスが導通されるように互いに接続するとともに、図示されない第１ターボチャージャの第１の排ガス入口（第１流路）に合流している。第４の排ガスライン１１ｄは、気筒４と７とをガスが導通されるように互いに接続するとともに、この第１ターボチャージャの第２の排ガス入口（第２流路）に合流している。第２の排ガスライン１１ｂは、気筒２と５とをガスが導通されるように互いに接続するとともに、図示されない第２ターボチャージャの第１の排ガス入口（第３流路）に合流している。第３の排ガスライン１１ｃは、気筒３と８とをガスが導通されるように互いに接続するとともに、この第２ターボチャージャの第２の排ガス入口（第４流路）に合流している。

第１および第２ターボチャージャは、いずれもツインスクロールターボチャージャであることが好ましい。あるいはその代わりに、専用の流路を一つずつ有する二つの排気タービンを備えたターボチャージャを導入することも可能である。

図示の実施例においては、これらのターボチャージャが、シリンダバンク９とシリンダバンク１０の間のＶ字の谷間に配置されているが、別の実施例として、これらのターボチャージャは、谷間の外側に、すなわち内燃機関の前側および／または後側、または側部に配置されてもかまわない。重量面での理由から、排ガスシステム１１は好ましくは薄板部品として、同じく好ましくはエアーギャップ絶縁仕様で、製造されるようになっている。鋳造品として製造することも可能ではあるが、これは重量面での短所につながることになる。同様に、薄板と鋳造品を組み合わせた複合構造とすることも可能である。また液冷式の軽金属排ガスシステムとして実施することも可能である。その場合は内燃機関のクーラントを利用して冷却が行われることが好ましく、またその際には軽金属としてアルミニウム合金が使用されることが好ましい。

本発明にしたがった排ガスシステムは、ガソリン、ディーゼルのどちらの燃焼方式で作動するかはどうでもよく、４サイクル方式で作動するものであれば、ありとあらゆる８気筒内燃機関において使用することができる。

排ガスシステムを本発明にしたがって構成することにより、ターボチャージャのそれぞれのタービンは、クランク角１８０°の点火間隔を「目にする」ことになる。内燃機関の運転状態に応じて、この点火間隔を±５°可変としてもかまわない。これは、８気筒の内燃機関で達成可能な最大点火間隔である。この最大点火間隔により、全ての気筒１、２、３、４、５、６、７、８について正確に対称で等しい充填状態が達成されるために、最適ガス交換がもたらされることになる。ほかにもそれぞれの気筒１、２、３、４、５、６、７、８内にとどまる残留ガスが低減されるが、これは内燃機関のノック傾向の低下につながる。特に強調できる点として、ガス交換用吸気弁ないしはカムシャフトの開弁時間が延長されるが、それにより内燃機関の大幅なハイパワー化とならび高トルク化が達成される。このパワーアップとならび、ほかにも全負荷域の燃費が大幅に向上する。さらにもう一つの主要長所は低回転域で達成されるが、なぜなら内燃機関は、回転数が非常に低い段階ですでに非常に高いトルクに達するからである。それによりトルクがなかなか立ち上がらない低回転域の「ターボラグ」が明らかに最小限化されるために、実際の走行運転中にこのターボラグはもはや出現しなくなる。それ以外にも、排ガスをそれぞれのタービンに極めて一様に当てることが達成され、それにより各タービンの寿命が大幅に延長されることになる。

１ 第１気筒
２ 第２気筒
３ 第３気筒
４ 第４気筒
５ 第５気筒
６ 第６気筒
７ 第７気筒
８ 第８気筒
９ 第１シリンダバンク
１０ 第２シリンダバンク
１１ 排ガスシステム
１１ａ 第１排ガスライン
１１ｂ 第２排ガスライン
１１ｃ 第３排ガスライン
１１ｄ 第４排ガスライン

Claims (8)

1. Ｖ型８気筒内燃機関用の第１ターボチャージャと第２ターボチャージャを有する排ガスシステム（１１）であって、直列に並べて配置された第１、第２、第３および第４の気筒（１、２、３、４）により第１のシリンダシリンダバンク（９）が、直列に並べて配置された第５、第６、第７および第８の気筒（５、６、７、８）により前記第１のシリンダバンク（９）と対向する第２のシリンダバンク（１０）が形成されており、内燃機関の点火が気筒から気筒へ順番に９０°のクランク角で行われる、排ガスシステムにおいて、
   ‐前記排ガスシステム（１１）が、前記各気筒（１、２、３、４、５、６、７、８）から前記二つのターボチャージャに取り廻される第１、第２、第３および第４の排ガスライン（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）を有すること、またその際には、
   ‐第１のシリンダバンク（９）のそれぞれ１つの気筒及び第２のシリンダバンク（１０）のそれぞれ１つの気筒が、同じ一つの排ガスライン（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）に割り当てられており、また二つの排ガスライン（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）にそれぞれ一つのターボチャージャが付設されていること
   ‐同じ排ガスライン（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）に付設される二つの気筒（１、２、３、４、５、６、７、８）が、クランク角３６０°の点火間隔を有すること、
   ‐同じターボチャージャに付設される前記第１および第２の排ガスライン（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）の点火順序が、互いにクランク角１８０°ずつ、ずらされていることを特徴とする、排ガスシステム。
2. 請求項１に記載の排ガスシステムにおいて、
   前記排ガスシステム（１１）と前記二つのターボチャージャが、前記両シリンダバンク（９、１０）間のＶ字の谷間に配置されていることを特徴とする、排ガスシステム。
3. 請求項１または２に記載の排ガスシステムにおいて、
   前記第１ターボチャージャと第２ターボチャージャが、ツインスクロールターボチャージャであることを特徴とする、排ガスシステム。
4. 前記第１ターボチャージャが第１のタービン翼車を、前記第２ターボチャージャが第２のタービン翼車を有している、請求項１または２に記載の排ガスシステムにおいて、
   前記第１ターボチャージャが第３のタービン翼車を、前記第２ターボチャージャが第４のタービン翼車を有していることを特徴とする、排ガスシステム。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の排ガスシステムにおいて、
   前記排ガスシステム（１１）が薄板部品として製造されていることを特徴とする、排ガスシステム。
6. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の排ガスシステムにおいて、
   前記排ガスシステム（１１）が鋳造品として製造されていることを特徴とする、排ガスシステム。
7. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の排ガスシステムにおいて、
   前記排ガスシステム（１１）が薄板部品と鋳造品とを組み合わせた複合部品として製造されていることを特徴とする、排ガスシステム。
8. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の排ガスシステムにおいて、
   前記排ガスシステム（１１）が液冷式の軽合金排ガスシステムであることを特徴とする、排ガスシステム。

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