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JP2008038838A - 内燃機関 - Google Patents

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Abstract

【課題】高温の排気ガスを触媒コンバータに送り込む。
【解決手段】直列４気筒内燃機関において、中央に位置する一対の気筒の各排気ポート８，９は一つの集合排気ポート１１に連結され、この集合排気ポート１１は第１の排気管１９を介して触媒コンバータ１８に連結される。一方、両端に位置する一対の気筒の排気ポート７，１０は第２の排気管２１を介して触媒コンバータ１８に連結される。集合排気ポート１１から触媒コンバータ１８に至る第１の排気管１９の管長が排気ポート７，１０から触媒コンバータ１８に至る第２の排気管２１の管長よりも短かくされる。
【選択図】図５

Description

本発明は内燃機関に関する。
直列４気筒内燃機関において、中央に位置する一対の気筒の各排気ポートがシリンダヘッド内で一つの集合排気ポートに集合されてシリンダヘッド側壁面上に開口しており、両端に位置する一対の気筒の排気ポートが夫々独立した排気ポートとして集合排気ポート開口部の両側においてシリンダヘッド側壁面上に開口している内燃機関が公知である（特許文献１を参照）。
特開２００３−１７６７２２号公報
この内燃機関では全気筒に対して共通の排気マニホルドがシリンダヘッド側壁面に取付けられている。
本発明は、上述の内燃機関におけるように一つの集合排気ポートと一対の独立した排気ポートを有する場合において、排気系統を集合排気ポートに連結された第１の排気管と一対の独立した排気ポートに連結された第２の排気管との２系統にしたときのこれら排気管の最適な配置構造を提供することにある。
即ち、本発明によれば、直列４気筒内燃機関において、中央に位置する一対の気筒の各排気ポートはシリンダヘッド内で一つの集合排気ポートに集合されてシリンダヘッド側壁面上に開口しており、両端に位置する一対の気筒の排気ポートは夫々独立した排気ポートとして集合排気ポート開口部の両側においてシリンダヘッド側壁面上に開口しており、集合排気ポートの開口部は第１の排気管を介して、一対の独立した排気ポートの開口部は途中で集合する第２の排気管を介して触媒コンバータの排気流入部又は排気ターボチャージャの排気流入部に連結されており、対応する開口部から排気流入部に至る第１の排気管の管長を対応する開口部から排気流入部に至る第２の排気管の管長よりも短かくした内燃機関が提供される。
集合排気ポートの出口部における排気ガス温は独立した排気ポートの出口部における排気ガス温よりも高く、温度の高い方の排気ガスが管長の短かい方の、即ち温度低下が小さい方の第１の排気管を介して触媒コンバータ又は排気ターボチャージャに送り込まれる。即ち、第１の排気管から高温の排気ガスを触媒コンバータ又は排気ターボチャージャに送り込むことができるので触媒の暖機を促進することができ、或いは排気ターボチャージャの効率を向上させることができる。
図１および図２は例えばアルミ合金により一体的に鋳造されたシリンダヘッド１を示している。なお、図１において破線で示される各円は夫々１番気筒＃１、２番気筒＃２、３番気筒＃３、４番気筒＃４の位置を示しており、従って図１に示されるシリンダヘッド１を備えた内燃機関は直列４気筒内燃機関であることがわかる。図１において２は吸気弁によって開閉される弁ポートを示しており、３は排気弁によって開閉される弁ポートを示している。従って各気筒＃１，＃２，＃３，＃４は夫々一対の吸気弁と一対の排気弁とを備えていることがわかる。
なお、シリンダヘッド１には実際には複雑な経路に沿って延びる冷却水通路、動弁機構の支持部、点火栓の挿入部、燃料噴射弁の挿入部等が形成されているが図１および図２ではこれらについて省略している。
シリンダヘッド１には各気筒＃１，＃２，＃３，＃４のシリンダ軸線を含む平面の両側にこの平面とほぼ平行をなして延びる側壁面４および５が形成されており、シリンダヘッド１内に形成されている各気筒＃１，＃２，＃３，＃４の吸気ポート６は側壁面４上に開口している。
また、シリンダヘッド１内には１番気筒＃１の排気ポート７、２番気筒＃２の排気ポート８、３番気筒＃３の排気ポート９および４番気筒＃４の排気ポート１０が形成されている。図３はこれら排気ポートの輪郭形状の斜視図を示している。図１からわかるように各排気ポート７，８，９，１０は夫々対応する一対の弁ポート３付近では分離しているが弁ポート３から少し離れると一つの排気ポートとなる。
さて、図１からわかるように中央に位置する一対の気筒の排気ポート、即ち２番気筒＃２の排気ポート８と３番気筒＃３の排気ポート９はシリンダヘッド１内で互いに集合せしめられて一つの集合排気ポート１１にされ、この集合排気ポート１１はシリンダヘッド１の側壁面５まで延設される。図１において２番気筒＃２と３番気筒＃３との間の中央をシリンダ軸線方向に延びかつ各気筒＃１，＃２，＃３，＃４のシリンダ軸線を含む平面と直交する平面を対称面Ｋ−Ｋと称すると、２番気筒＃２の排気ポート８と３番気筒＃３の排気ポート９とは対称面Ｋ−Ｋに対して対称に配置されており、集合排気ポート１１は対称面Ｋ−Ｋ上をシリンダヘッド１の側壁面５まで延設されている。
一方、両端に位置する一対の気筒の排気ポート、即ち１番気筒＃１の排気ポート７と４番気筒＃４の排気ポート１０も対称面Ｋ−Ｋに対して対称に配置されている。この場合、１番気筒＃１の排気ポート７は１番気筒＃１から集合排気ポート１１に向け延設された後、集合排気ポート１１の側方において集合排気ポート１１と薄肉壁１２を隔だてて集合排気ポート１１に沿いつつシリンダヘッド１の側壁面５まで延設されており、４番気筒＃４の排気ポート１０は４番気筒＃４から集合排気ポート１１に向け延設された後、集合排気ポート１１の側方において集合排気ポート１１と薄肉壁１３を隔だてて集合排気ポート１１に沿いつつシリンダヘッド１の側壁面５まで延設されている。
図１から図４に示されるように集合排気ポート１１は１４においてシリンダヘッド１の側壁面５上に開口しており、一対の独立した排気ポート、即ち１番気筒＃１の排気ポート７と４番気筒＃４の排気ポート１０は集合排気ポート１１の開口部１４の両側において１５および１６に示されるようにシリンダヘッド１の側壁面５上に開口している。なお、図３および図４からわかるように集合排気ポート１１の開口部１４の開口面積は一対の独立した排気ポート７，１０の開口部１５，１６の開口面積よりも大きい。
図５は内燃機関の一部を示しており、図６は図５に示される内燃機関の側面図を示している。なお、図５および図６において１７はシリンダブロックを示しており、１８は触媒コンバータを示している。図４、図５および図６からわかるように本発明によれば、集合排気ポート１１の開口部１４は第１の排気管１９を介して触媒コンバータ１８の排気流入部２０に連結されており、一対の独立した排気ポート７，１０の開口部１５，１６は途中で集合する第２の排気管２１を介して触媒コンバータ１８の排気流入部２０に連結されている。この場合、対応する開口部１４から排気流入部２０に至る第１の排気管１９の管長は対応する開口部１５，１６から排気流入部２０に至る第２の排気管２１の管長よりも短かく形成されている。
もう少し具体的に説明すると、第１の排気管１９と第２の排気管２１は対応する開口部１４，１５，１６から排気流入部２０に向かう途中で下方向に屈曲せしめられており、第２の排気管２１は第１の排気管１９の外側において集合した後、第１の排気管１９の外側に沿って延びている。また、触媒コンバータ１８は一対の排気流入口２２，２３を備えており、第１の排気管１９および第２の排気管２１は夫々対応する排気流入口２２，２３に連結されている。
ところで本発明による実施例では各気筒における爆発順序が＃１→＃３→＃４→＃２又は＃１→＃２→＃４→＃３とされている。いずれにおいても爆発順序が一つおきとなる一対の気筒は、中央に位置する２番気筒＃２と３番気筒＃３の気筒対、および両端に位置する１番気筒＃１と４番気筒＃４との気筒対である。この場合、もし全排気ポートをシリンダヘッド１内で集合させると、或いはシリンダヘッド１の側壁面５に沿ってマニホルド内部室が延びる排気マニホルド内に全排気ポートを開口させると、或る気筒の排気行程時に排気ポート内に発生した正圧が次に爆発の行われた気筒の排気ポート内に排気行程時に作用し、その結果燃焼室からの既燃ガスの排出作用が損なわれるという問題を生ずる。
これに対し、本発明の実施例におけるように爆発順序が一つおきの気筒のみの排気ポートを合流させ、即ち２番気筒＃２の排気ポート８と３番気筒＃３の排気ポート９とを合流させ、１番気筒＃１の排気ポート７と４番気筒＃４の排気ポート１０とを合流させ、それぞれ合流した排気通路、即ち第１の排気管１９内の排気通路と第２の排気管２１内の排気通路とを触媒コンバータ１８の排気流入部２０まで分離しておくと他の気筒の排気ポート内で発生した正圧が排気行程時に排出作用が行われている排気ポートに作用することがなく、斯くして燃焼室から既燃ガスを良好に排出させることができる。即ち、排気干渉の発生を阻止できるので高い充填効率を確保することができる。
さて、ここで集合排気ポート１１内における排気ガス流と各独立した排気ポート７，１０内における排気ガス流とを比較すると、集合排気ポート１１の出口部には１サイクル中に２回排気ガスが流れるのに対して、各独立した排気ポート７，１０の出口部には１サイクル中に１回しか排気ガスが流れない。従って集合排気ポート１１の出口部の壁温は独立した排気ポート７，１０の出口部の壁温よりもかなり高くなる。また、排気ポート７，１０の通路長は長いために排気ポート７，１０内に排出された排気ガスはシリンダヘッド１内でかなり冷却される。これに対し、集合排気ポート１１の通路長は短かいために集合排気ポート１１内に排出された排気ガスはシリンダヘッド１内であまり冷却されない。従って集合排気ポート１１の開口部１４から流出する排気ガスの温度は、独立した各排気ポート７，１０の開口部１５，１６から流出する排気ガスの温に比べてかなり高くなる。
一方、前述したように第１の排気管１９の管長は第２の排気管２１の管長に比べて短かく、従って各排気管１９，２１内を排気ガスが流れたときに第１の排気管１９内における排気ガス温の低下量は第２の排気管２１内における排気ガス温の低下量よりも少ない。このように高温の排気ガスが集合排気ポート１１から第１の排気管１９内に排出され、このとき第１の排気管１９内における排気ガス温の低下量は少ないために第１の排気管１９から触媒コンバータ１８内に流入する排気ガス温はかなり高温となる。従って触媒コンバータ１８内の触媒を早期に暖機することができる。
一方、集合排気ポート１１の開口部１４から流出する排気ガス量は独立した各排気ポート７，１０の開口部１５，１６から夫々流出する排気ガス量の２倍となるので集合排気ポート１１の開口部１４の開口面積は独立した各排気ポート７，１０の開口部１５，１６の開口面積よりも大きく形成されている。従って第１の排気管１９の流路面積も第２の排気管２１の二又分岐された各枝管部分２１ａの流路面積に比べて大きく形成されている。図５からわかるように本発明による実施例では第１の排気管１９の温度をできるだけ高温に保持して第１の排気管１９内を流れる排気ガスの温度ができるだけ低下しないようにするために、第１の排気管１９の外側を第２の排気管２１によって包囲するようにしている。
図７に別の実施例を示す。この実施例では第１の排気管１９および第２の排気管２１が排気ターボチャージャ２４の排気流入部２５に連結されている。この場合、第１の排気管１９と第２の排気管２１は対応する開口部１４，１５，１６から排気流入部２５に向かう途中で上方向に屈曲せしめられており、第２の排気管２１は第１の排気管１９の外側において集合した後、第１の排気管１９の外側に沿って延びている。
この実施例においても、対応する開口部１４から排気流入部２５に至る第１の排気管１９の管長は対応する開口部１５，１６から排気流入部２５に至る第２の排気管２１の管長よりも短かく形成されている。また、排気ターボチャージャ２４は一対の排気流入口２６，２７を備えたツインエントリ型ターボチャージャからなり、第１の排気管１９および第２の排気管２１は夫々対応する排気流入口２６，２７に連結されている。
この実施例でも高温、即ち高圧の排気ガスが第１の排気管１９から排気ターボチャージャ２４に送り込まれるので排気ターボチャージャ２４の回転数を高めることができ、斯くして排気ターボチャージャ２４の効率を高めることができる。なお、図５および図６において触媒コンバータ１８の代りに排気ターボチャージャ２４を取付けることもでき、この場合排気ターボチャージャ２４の排気流出部に触媒コンバータ１８を連結することもできる。また、同様に図７において排気ターボチャージャ２４の代りに触媒コンバータ１８を取付けることもできる。
シリンダヘッドの平面断面図である。 図１のII−II線に沿ってみたシリンダヘッドの断面図である。 排気ポートの輪郭形状を示す斜視図である。 シリンダヘッド側壁面の正面図である。 内燃機関の斜視図である。 図５に示される内燃機関の側面図である。 内燃機関の別の実施例の側面図である。
符号の説明
１ シリンダヘッド
７，８，９，１０ 排気ポート
１１ 集合排気ポート
１４，１５，１６ 開口部
１８ 触媒コンバータ
１９ 第１の排気管
２０，２５ 排気流入部
２１ 第２の排気管
２２，２３，２６，２７ 排気流入口
２４ 排気ターボチャージャ

Claims (5)

  1. 直列４気筒内燃機関において、中央に位置する一対の気筒の各排気ポートはシリンダヘッド内で一つの集合排気ポートに集合されてシリンダヘッド側壁面上に開口しており、両端に位置する一対の気筒の排気ポートは夫々独立した排気ポートとして該集合排気ポート開口部の両側においてシリンダヘッド側壁面上に開口しており、上記集合排気ポートの開口部は第１の排気管を介して、上記一対の独立した排気ポートの開口部は途中で集合する第２の排気管を介して触媒コンバータの排気流入部又は排気ターボチャージャの排気流入部に連結されており、対応する上記開口部から該排気流入部に至る第１の排気管の管長を対応する上記開口部から該排気流入部に至る第２の排気管の管長よりも短かくした内燃機関。
  2. 上記触媒コンバータは一対の排気流入口を備えており、上記第１の排気管および第２の排気管は夫々対応する排気流入口に連結される請求項１に記載の内燃機関。
  3. 上記排気ターボチャージャは一対の排気流入口を備えており、上記第１の排気管および第２の排気管は夫々対応する排気流入口に連結される請求項１に記載の内燃機関。
  4. 上記第１の排気管と第２の排気管は対応する上記開口部から上記排気流入部に向かう途中で下方向又は上方向の同一方向に向けて屈曲せしめられており、上記第２の排気管は第１の排気管の外側において集合した後、第１の排気管の外側に沿って延びている請求項１に記載の内燃機関。
  5. 上記集合排気ポートの開口部の開口面積は上記独立した排気ポートの開口部の開口面積よりも大きい請求項１に記載の内燃機関。
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