JP2021080911A - エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】各気筒から生じた排気ガス同士で排気干渉が生じにくいものにしつつ、排気浄化装置の昇温性の悪化を防いだエンジンを提供することである。【解決手段】複数の気筒４と、複数の気筒４の並列方向に直交する方向に回転軸２０を有するタービン１５と、並列方向に沿って設けられる複数の排気導入口２１と、を備えるターボチャージャ６と、一の気筒４に接続された一の排気通路５と、一の気筒４と点火時期の連続する他の気筒４に接続された他の排気通路５と、を備える。一の排気通路５と、他の排気通路５とは、合流せず、タービンハウジング１７に設けられた複数の排気導入口２１に、別々に接続される構成とする。【選択図】図１

Description

この発明は、ターボチャージャを備えたエンジンに関する。

一般に、排気通路内の排気ガスの流れを利用して吸気を過給するターボチャージャを備えたエンジンが広く活用されている。

例えば、特許文献１に記載のエンジンは、直線状に並列する複数の気筒と、各気筒に接続された複数の排気通路とを備えている。複数の排気通路は、シリンダヘッドの内部で一つに合流し、合流通路を構成している。合流通路は、排気管を通じてターボチャージャに設けられた排気導入口に接続されている。

ターボチャージャは、気筒の並列方向に直交する方向に沿って回転する、すなわち縦方向に回転するタービンを備え、ターボチャージャ内の排気ガスは、そのタービンの回転方向に直交する方向を向いた側方への流れとなって、ターボチャージャ外に排出される。

また、特許文献１に記載のエンジンのように、ターボチャージャよりも下流側の排気通路に、触媒等の排気浄化装置を配置するのが一般的である。この排気浄化装置は、ターボチャージャよりも、下方側（気筒の並列方向に直交する方向の一方側）に配置される。このため、側方に向かってターボチャージャ外に排出された排気ガスは、下方側に向かって屈曲する排気管を通って、排気浄化装置に導入される（特許文献１の図１参照）。

特開２０１３−１４８０６８号公報

ところで、特許文献１のエンジンでは、点火時期の連続する複数の気筒で生じた排気ガス同士が、合流通路で干渉する現象、いわゆる排気干渉を生じることがある。排気干渉が生じると、各気筒から生じた排気ガスの流れが妨げられ、エンジンの出力低下につながる恐れがある。

また、上記の通り、タービンを通過した排気ガスは、横向きの流れとなってターボチャージャ外に排出される。このため、ターボチャージャから排気浄化装置へ向かう排気ガスの流動経路が、横向きから下向きへと向きを変えざるを得ない。このため、排気ガスの流動経路が複雑になり、排気浄化装置の昇温性が悪くなる恐れがある。

そこで、この発明の課題は、各気筒から生じた排気ガス同士で排気干渉が生じにくいものにしつつ、排気浄化装置の昇温性の悪化を防いだエンジンを提供することである。

上記の課題を解決するため、この発明は、直線状に並列する複数の気筒と、前記複数の気筒の並列方向に直交する方向に回転軸を有するタービンと、前記タービンの回転周方向に沿って設けられる複数の排気導入口と、を備えるターボチャージャと、前記複数の気筒のそれぞれから排出される排気ガスを、前記複数の排気導入口に別々に導く複数の排気通路と、を備える構成を採用した。

また、前記ターボチャージャの下流側の排気通路に接続される排気浄化装置をさらに備え、前記ターボチャージャは、前記回転軸の方向に開口する排出口を備える構成を採用することができる。

また、前記回転軸は、前記複数の気筒の前記並列方向の中心から、前記並列方向一方側に偏心して配置され、前記偏心の方向は、前記タービンの前記気筒側の回転方向となる構成を採用することができる。

また、前記複数の気筒の一の気筒に接続される一の排気通路と、前記一の気筒と点火時期の連続しない他の気筒に接続される他の排気通路とが、前記排気導入口の上流側で合流して合流通路を構成し、前記合流通路は、前記複数の排気導入口の一の排気導入口に接続され、前記排気通路の、前記一の排気通路と前記他の排気通路とを除いた別の排気通路は、前記一の排気導入口を除いた他の排気導入口に接続される構成を採用することができる。

この発明は、複数の気筒から排出される排気ガスを複数の排気導入口に別々に導入する複数の排気通路を備える構成を採用することで、排気干渉を防ぐことが可能になる。すなわち、点火時期の連続する気筒から排出された排気ガス同士が、排気通路内で合流せず、別々の排気導入口を通ってターボチャージャに導入される。このため、排気通路内での排気干渉を防ぐことが可能になる。また、複数の排気導入口は、タービンの回転周方向に沿って設けられている。このため、各気筒で生じた排気ガスは、気筒の並列方向に沿った流れとなってターボチャージャに導入される。これにより、各気筒で生じた排気ガスが、ターボチャージャ内で干渉しないようにすることが可能になる。

この発明の第１実施形態に係るエンジンの平面図である。 図１のターボチャージャの断面図である。

以下、図面を参照しつつ、この発明の第１実施形態について説明する。

図１、２に示すように、エンジン１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド３とを上下方向に連結して構成され、複数の気筒４と、複数の排気通路５と、ターボチャージャ６とを備えている。

複数の気筒４は、シリンダブロック２に内蔵されている。本実施形態のエンジン１は、説明のため、気筒４の数を４本とする直列４気筒エンジンとして説明する。複数の気筒４は、図１の左側から１番気筒４ａ、２番気筒４ｂ、３番気筒４ｃ、４番気筒４ｄの順に、直線状に並列している。各気筒４の点火時期は、１番気筒４ａ、３番気筒４ｃ、４番気筒４ｄ、２番気筒４ｂの順となっている。２番気筒４ｂの点火後は、再び１番気筒４ａの点火に戻り、上記の順番を繰り返す。

以下、エンジン１のシリンダヘッド３とシリンダブロック２の並ぶ方向を「上下方向」とする。また、シリンダヘッド３とシリンダブロック２との上下方向の中心から、シリンダヘッド３に向かう方向を「上方」とし、シリンダヘッド３とシリンダブロック２との上下方向の中心からシリンダブロック２に向かう方向を「下方」とする。また、複数の気筒４の並ぶ方向を「並列方向」とする。なお、ここで示したエンジンの形態は例示に過ぎず、気筒４の数、排気通路５の数や形状などについて、何ら限定を受けることなく適用される。

図２に示すように、各気筒４の内部には、ピストン２４が上下動自在に設けられている。ピストン２４上部の燃焼室８には、空気を送り込む吸気通路７、および、排気ガスを排出する排気通路５がそれぞれ接続されている。吸気通路７は、エンジン１の外部に通じる吸気口２５に繋がっている。吸気通路７中には、吸気口２５から下流側に向かって順番に、エアクリーナ、ターボチャージャ６のもつコンプレッサ１１、スロットルバルブ等が設けられる。吸気通路７の各気筒４との接続部分には、吸気弁９が設けられている。なお、本図では、吸気通路７の、吸気弁９より上流側の部分から、コンプレッサ１１よりも下流側の部分の記載を省略している。

複数の排気通路５は、シリンダヘッド３に内蔵されている。図１に示すように、複数の排気通路５は、１番気筒４ａに接続される第１排気通路５ａと、２番気筒４ｂに接続される第２排気通路５ｂと、３番気筒４ｃに接続される第３排気通路５ｃと、４番気筒４ｄに接続される第４排気通路５ｄとを備えている。第２排気通路５ｂと、第３排気通路５ｃは、一つに合流して合流通路１２を構成している。第１排気通路５ａは、第４排気通路５ｄよりも長い。各排気通路５の各気筒４との接続部分には、排気弁１３が設けられている。

図１、２に示すように、ターボチャージャ６は、ハウジング１４と、タービン１５と、コンプレッサ１１を備えている。

ハウジング１４は、タービン１５を収納するタービンハウジング１７と、コンプレッサ１１を収納するコンプレッサハウジング１８を備えている。タービンハウジング１７とコンプレッサハウジング１８とは、上下方向に並んでいる。

タービンハウジング１７は、排気通路５の下流側に位置している。タービンハウジング１７は、その内側に、環状の内部空間１９を形成する。タービンハウジング１７は、内部空間１９の内外に通じる複数の排気導入口２１と、後述する排気浄化装置２７に向かって開口する排出口２６と、を備えている。

図１に示すように、複数の排気導入口２１は、それぞれ独立して形成され、並列方向に沿って並んでいる。各排気導入口２１は、上下方向に直交する平面に沿った方向を臨むように開口している。各排気導入口２１は、図１の並列方向左側から順に、第１排気導入口２１ａ、第２排気導入口２１ｂ、第３排気導入口２１ｃとなっている。

第１排気導入口２１ａは、後述するタービン１５の回転軸２０よりも、図示左側に位置している。また、第１排気導入口２１ａは、回転軸２０よりも気筒４側に位置している。第１排気導入口２１ａには、第１排気通路５ａが接続されている。

第２排気導入口２１ｂは、回転軸２０、および３番気筒４ｃよりも、並列方向の一方側（４番気筒４ｄ側（図示右側））に偏心している。第２排気導入口２１ｂには、合流通路１２が接続されている。

第３排気導入口２１ｃは、回転軸２０よりも並列方向の一方側（４番気筒４ｄ側（図示右側））に位置している。第３排気導入口２１ｃには、第４排気通路５ｄが接続されている。

タービン１５は、タービンハウジング１７の内部空間１９内に配置されている。タービン１５の回転中心は、各気筒４の並列方向の中心よりも４番気筒４ｄ側（図示右側）方向に偏心する位置にある。タービン１５は、その回転中心に、並列方向に直交するように、上下方向に延びる回転軸２０を備えている。複数の排気導入口２１は、このタービン１５の回転軸２０を中心とした回転周方向（タービン１５の回転軸２０周りに一周する方向）に沿って並んでいる。

図２に示すように、排気浄化装置２７は、タービン１５の下方に配置される。排出口２６は、回転軸２０の方向に沿って、下向きに開口している。排出口２６には、排気浄化装置２７に向かって延びる排気管１６が接続され、排気管１６の下流側端部に排気浄化装置２７が接続されている。

コンプレッサハウジング１８は、各気筒４から吸気通路７に沿って上流側に位置している。コンプレッサハウジング１８は、その内側に、内部空間２８を形成する。コンプレッサハウジング１８には、吸気通路７が接続され、コンプレッサハウジング１８の内部空間は、燃焼室８に通じている。コンプレッサハウジング１８は、吸気管２９が接続されている。吸気管２９の上流側の端部は、エンジン１の外部へと通じる吸気口２５が開口している。コンプレッサハウジング１８の内部空間２８には、コンプレッサ１１が配置される。コンプレッサ１１とタービン１５とは、同軸上に位置し、上下方向に並列している。コンプレッサ１１に、回転軸２０が接続され、この回転軸２０を介して、タービン１５の回転をコンプレッサ１１に伝達可能になっている。

図１に示すように、１番気筒４ａで生じた排気ガスは、第１排気通路５ａを経由し、第１排気導入口２１ａを通ってタービンハウジング１７の内部空間１９に導入される。ここで、上記の通り、第１排気導入口２１ａは、回転軸２０よりも、並列方向の左側であって、かつ回転軸２０よりも気筒４側に位置している。このため、第１排気通路５ａを通る排気ガスは、内部空間１９に導入されると、回転軸２０よりも気筒４側を、回転軸２０の左側から右側に向かって流れる。すなわち、１番気筒４ａで生じた排気ガスは、内部空間１９内を、回転軸２０を中心に図示右回りに流れる。

２番気筒４ｂ、および３番気筒４ｃで生じた排気ガスは、合流通路１２を経由して内部空間１９に導入される。ここで、上記の通り、第２排気導入口２１ｂは、回転軸２０、および３番気筒４ｃよりも、並列方向の一方側（４番気筒４ｄ側（図示右側））に偏心している。このため、合流通路１２を通る排気ガスは、内部空間１９に導入されると、回転軸２０の図示右側を、気筒４から離れる方向に流れる。すなわち、２番気筒４ｂ、および３番気筒４ｃで生じた排気ガスは、内部空間１９内を、回転軸２０を中心に図示右回りに流れる。

４番気筒４ｄで生じた排気ガスは、第４排気通路５ｄを経由し、第３排気導入口２１ｃを通って内部空間１９に導入される。ここで、上記の通り、第３排気導入口２１ｃは、回転軸２０よりも並列方向の一方側（４番気筒４ｄ側（図示右側））に位置している。このため、第４排気通路５ｄを通る排気ガスは、内部空間１９に導入されると、回転軸２０の気筒４側とは反対側を、回転軸２０の図示右側から左側に向かって流れる。すなわち、４番気筒４ｄで生じた排気ガスは、内部空間１９内を、回転軸２０を中心に図示右回りに流れる。

以上のことから、各気筒４から生じた排気ガスは、別々の排気導入口２１を通って、タービンハウジング１７の内部空間１９に流れ込む。上記の通り、各気筒４で生じた排気ガスは、内部空間１９内を、回転軸２０を中心に図示右回りに流れる。この排気ガスの流れによって、タービン１５のもつフィン２３が押され、タービン１５は図示右回りに回転する。タービン１５の回転によって、内部空間１９内の排気ガスが、排出口２６を通って、排気管１６に導入される。上記の通り、排出口２６は、下方側を向いて開口しているため、排気管１６に導入された排気ガスも、下方側を向いた流れとなって、下流側に流れる。

タービン１５が回転すると、コンプレッサ１１に回転が伝達される。コンプレッサ１１の回転によって、吸気口２５から吸気通路７へと新気が導入される。

上記の通り、第１排気通路５ａと、第３排気通路５ｃとは合流せず、それぞれ異なる排気導入口２１に接続されている。また、同様に、第１排気通路５ａと第２排気通路５ｂも合流しておらず、第３排気通路５ｃと第４排気通路５ｄも合流しておらず、第２排気通路５ｂと第４排気通路５ｄも合流していない。従って、複数の排気通路５は、複数の気筒４のそれぞれから排出される排気ガスを、複数の排気導入口２１に別々に導く。すなわち、点火時期の連続する気筒４から排出された排気ガス同士が、排気通路５内で合流せず、別々の排気導入口２１を通って、タービンハウジング１７内に導入される。このため、排気通路５内での排気干渉を防ぐことが可能になる。また、複数の排気導入口２１は、並列方向に沿って設けられている。このため、各気筒４で生じた排気ガスは、並列方向に沿った流れとなってタービンハウジング１７に導入される。これにより、各気筒４で生じた排気ガスが、タービンハウジング１７内で干渉しないようにすることが可能になる。

また、排気ガスは、タービン１５の回転方向に直交する方向、すなわちターボチャージャ６の下方へ向かって、タービンハウジング１７外に排出される。このため、複数の気筒４の並列方向に直交する方向に回転軸を有するタービン１５を備える構成を採用することで、排気ガスを、タービンハウジング１７から排出された方向のまま、流れの向きを変えることなく、排気浄化装置２７に導入することができる。従って、排気ガスの流動経路を簡素化し、排気浄化装置２７の昇温性の悪化を防ぐことが可能になる。

また、排気浄化装置２７に向かって開口する排出口２６を備える構成を採用することで、タービンハウジング１７から排出された排気ガスが、排気浄化装置２７を向いた流れとなる。従って、タービンハウジング１７から排気浄化装置２７までの排気ガスの流動経路を簡素化することができる。

また、タービン１５の回転中心が、複数の気筒４の並列方向の中心から、並列方向一方側に偏心する構成を採用することで、各排気通路５の長さの差を小さなものとすることが可能になる。また、各排気通路５を流れる排気ガスが、タービン１５の回転方向に沿うような流れとなってタービンハウジング１７に導入されるように、各排気導入口２１を設けることが可能になる。従って、タービンハウジング１７内で排気干渉が生じることをさらに防ぐことが可能になる。なお、偏心の方向としては、タービン１５の、気筒４側（タービン１５の回転中心よりも複数の気筒４に近い側）の回転方向、すなわち、タービン１５の回転に対し気筒４の並列方向と平行になるように引いた、タービン１５の気筒４側の接線において、その接線に沿った方向のうちの、回転の方向と同方向（図１の右側）になる。したがって、仮に、タービン１５の回転方向が逆方向（左回り）になるのであれば、偏心の方向は、上述した方向とは反対方向（図１の左側）になる。

また、第２排気通路５ｂと第３排気通路５ｃとが合流して合流通路１２を構成する構成を採用することで、排気ガスの流動経路を簡素化することができる。また、上記の通り、２番気筒４ｂと、３番気筒４ｃとは、点火時期の連続しない気筒である。このため、合流通路１２内で排気干渉は生じにくいものとなる。

上記実施形態では、第２排気通路５ｂと第３排気通路５ｃが合流して合流通路１２を構成し、合流通路１２が第２排気導入口２１ｂに接続されている構成とした。しかし、第２排気通路５ｂと第３排気通路５ｃとを合流させず、別々の排気導入口２１に接続されている構成を採用することができる。この構成では、タービンハウジング１７に第４排気導入口が設けられている。第４排気導入口は、第２排気導入口２１ｂと第３排気導入口２１ｃとの、並列方向の間に設けられている。第２排気通路５ｂは、第２排気導入口２１ｂに接続され、第３排気通路５ｃは第４排気導入口に接続されている。

また、上記実施形態のエンジンは気筒数を４本としたが、気筒数はこれに限られず、例えば３本や６本とする構成であってもよい。この場合、各気筒４に別々に接続された複数の排気通路５を、タービンハウジング１７に設けられた複数の排気導入口２１に別々に接続する。ここで、各排気通路５は、点火時期の連続しない気筒４に接続されているもの同士で合流させて、複数の合流通路を構成してもよい。この複数の合流通路は、点火時期の連続しない気筒４に接続された排気通路５とは合流せず、同排気通路５とは別の排気導入口２１に接続される。

上記実施形態では、各気筒４に接続された複数の排気通路５はシリンダヘッド３に内蔵されているとしたが、複数の排気通路５を、シリンダヘッド３に外付けされた排気マニホールドとし、この排気マニホールドを、各排気導入口２１に接続させる構成を採用することもできる。

上記実施形態では、複数の排気通路５を、第１排気通路５ａが第４排気通路５ｄよりも長いものを例に説明したが、第１排気通路５ａと、第４排気通路５ｄの長さが等しい構成を採用することができる。

なお、本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形例が適用可能である。

１ エンジン
２ シリンダブロック
３ シリンダヘッド
４ 気筒
５ 排気通路
６ ターボチャージャ
１２ 合流通路
１５ タービン
２０ 回転軸
２１ 排気導入口
２６ 排出口
２７ 排気浄化装置

Claims (4)

1. 直線状に並列する複数の気筒と、
   前記複数の気筒の並列方向に直交する方向に回転軸を有するタービンと、前記タービンの回転周方向に沿って設けられる複数の排気導入口と、を備えるターボチャージャと、
   前記複数の気筒のそれぞれから排出される排気ガスを、前記複数の排気導入口に別々に導く複数の排気通路と、を備えるエンジン。
2. 前記ターボチャージャの下流側の排気通路に接続される排気浄化装置をさらに備え、
   前記ターボチャージャは、前記回転軸の方向に開口する排出口を備える請求項１に記載のエンジン。
3. 前記回転軸は、前記複数の気筒の前記並列方向の中心から、前記並列方向一方側に偏心して配置され、前記偏心の方向は、前記タービンの前記気筒側の回転方向となる請求項１又は２に記載のエンジン。
4. 前記複数の気筒の一の気筒に接続される一の排気通路と、前記一の気筒と点火時期の連続しない他の気筒に接続される他の排気通路とが、前記排気導入口の上流側で合流して合流通路を構成し、
   前記合流通路は、前記複数の排気導入口の一の排気導入口に接続され、
   前記排気通路の、前記一の排気通路と前記他の排気通路とを除いた別の排気通路は、前記一の排気導入口を除いた他の排気導入口に接続される請求項１から３のいずれかに記載のエンジン。

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