KR20090028817A

KR20090028817A - 내연 기관

Info

Publication number: KR20090028817A
Application number: KR1020097002466A
Authority: KR
Inventors: 히로끼 나가후찌
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2006-08-09
Filing date: 2007-08-03
Publication date: 2009-03-19
Also published as: CN101652555A; JP4525646B2; CN101652555B; WO2008018572A3; EP2049784A2; JP2008038838A; WO2008018572A2; US20100126153A1

Abstract

직렬 4-실린더 내연 기관에 있어서, 중앙에 위치하는 한 쌍의 실린더의 각 배기 포트(8,9)는 단일의 합체 배기 포트(11)에 연결되어, 이 합체 배기 포트(11)는 제1 배기관(19)을 통해서 촉매 컨버터(18)에 연결된다. 한편, 양단부에 위치하는 한 쌍의 실린더의 배기 포트(7, 10)는 제2 배기관(21)을 통해서 촉매 컨버터(18)에 연결된다. 합체 배기 포트(11)로부터 촉매 컨버터(18)에 이르는 제1 배기관(19)의 길이는 배기 포트(7, 10)로부터 촉매 컨버터(18)에 이르는 제2 배기관(21)의 길이보다 짧게 형성된다.

실린더 헤드, 배기 포트, 합체 배기 포트, 개구부, 촉매 컨버터, 제1 배기관, 배기 유입부, 제2 배기관, 배기 터빈 과급기

Description

내연 기관 {INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연 기관에 관한 것이다.

직렬 4-실린더 내연 기관에 있어서, 중앙에 위치하는 한 쌍의 실린더가 실린더 헤드 내에서 단일의 합체 배기 포트로 합체되고 실린더 헤드의 측벽면 상에서 개방되는 배기 포트를 구비하고, 양단부에 위치한 실린더의 쌍이 독립 배기 포트로써 합체 배기 포트의 개구부의 양단부에서 실린더 헤드의 측벽면 상에서 개방된 배기 포트를 갖는 내연 기관이 알려져 있다.(일본 특허 출원 공개 2003-176722호 공보 참조)

이러한 내연 기관에서, 모든 실린더에 공통인 배기 매니폴드는 실린더 헤드의 측벽면에 부착된다.

본 발명의 목적은, 상술한 바와 같이 단일의 합체 배기 포트와 한 쌍의 독립 배기 포트를 갖는 내연 기관의 경우에, 이러한 배기관의 이중 시스템을 구성했을 때 한 쌍의 독립 배기 포트에 연결된 제2 배기관과 합체 배기 포트에 연결된 제1 배기관의 최적 배치 및 구조를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 중앙에 위치하는 한 쌍의 실린더의 배기 포트는 실린더 헤드 내에서 단일의 합체 배기 포트로 합체되어 실린더 헤드 측벽면 위로 개방되고, 양단부에 위치하는 한 쌍의 실린더의 배기 포트는 독립 배기 포트로써 상기 합체 배기 포트의 개구부의 양측에서 실린더 헤드 측벽면 위로 개방되고, 상기 합체 배기 포트의 개구부는 제1 배기관을 통해서 촉매 컨버터의 배기 유입부 또는 배기 터빈 과급기의 배기 유입부에 연결되고, 상기 한 쌍의 독립 배기 포트의 개구부는 중간에 합체되는 제2 배기관을 통해서 동일한 배기 유입부에 연결되고, 대응하는 상기 개구부로부터 상기 배기 유입부에 이르는 제1 배기관의 길이는 대응하는 상기 개구부로부터 상기 배기 유입부에 이르는 제2 배기관의 길이보다 짧게 형성되는, 직렬 4-실린더 내연 기관이 구비된다.

본 발명에서, 합체 배기 포트의 출구부에 있어서의 배기 가스 온도는 독립 배기 포트의 출구부에 있어서의 배기 가스 온도보다 높다. 더 높은 온도의 배기 가스가 짧은 관 길이를 가진, 즉, 더 작은 온도 저하를 가진 제1 배기관을 통해 촉매 컨버터 또는 배기 터빈 과급기로 공급된다. 즉, 제1 배기관이 고온의 배기 가스를 촉매 컨버터 또는 배기 터빈 과급기로 공급할 수 있으므로, 촉매의 난기(warmup)를 촉진할 수 있거나, 또는 배기 터빈 과급기의 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 실린더 헤드의 평면 단면도이다.

도 2는 도 1의 II-II선을 따라 본 실린더 헤드의 단면도이다.

도 3은 배기 포트의 윤곽 형상을 도시하는 사시도이다.

도 4는 실린더 헤드 측벽면의 정면도이다.

도 5는 내연 기관의 사시도이다.

도 6은 도 5에 도시되는 내연 기관의 측면도이다.

도 7은 내연 기관의 다른 실시예의 측면도이다.

도 1 및 도 2는 예를 들어, 알루미늄 합금에 의해 일체적으로 주조된 실린더 헤드(1)를 도시한다. 도 1에 있어서 파선으로 도시된 원은 1번 실린더(#1), 2번 실린더(#2), 3번 실린더(#3), 4번 실린더(#4)의 위치를 도시한다는 점을 주목하자. 따라서, 도 1에 도시되는 실린더 헤드(1)를 구비한 내연 기관은 직렬 4-실린더 내연 기관인 것을 알 수 있다. 도 1에 있어서, 2는 흡입 밸브에 의해 개폐되는 밸브 포트를 도시하고, 3은 배기 밸브에 의해 개폐되는 밸브 포트를 도시한다. 따라서, 각 실린더(#1, #2, #3 및 #4)는 한 쌍의 흡입 밸브와 한 쌍의 배기 밸브를 구비하는 것을 알 수 있다.

실린더 헤드(1)에는 실제로 복잡한 경로에 따라 연장하는 냉각수 통로, 밸브 트레인의 지지부, 스파크 플러그의 삽입부 및 연료 분사기의 삽입부 등이 형성되어 있지만, 도 1 및 도 2에서는 이것들에 대해서 생략된다.

실린더 헤드(1)에는 실린더(#1, #2, #3 및 #4)의 실린더 축선을 포함하는 평면의 양측에 거의 평행한 측벽면(4, 5)을 구비한다. 실린더 헤드(1)에 형성된 실린더(#1, #2, #3 및 #4)의 흡기 포트(6)는 측벽면(4) 위로 개방된다.

또한, 실린더 헤드(1)에는 1번 실린더(#1)의 배기 포트(7), 2번 실린더(#2)의 배기 포트(8), 3번 실린더(#3)의 배기 포트(9) 및 4번 실린더(#4)의 배기 포트(10)가 형성되어 있다. 도 3은 이러한 배기 포트의 윤곽 형상의 사시도를 도시한다. 도 1로부터 설명되는 바와 같이, 배기 포트(7,8,9,10)의 쌍은 밸브 포트(3)의 대응하는 쌍 부근에서 분리되어 있지만, 밸브 포트(3)로부터 조금 벗어나면 단일 배기 포트가 된다.

이제, 도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 중앙에 위치하는 한 쌍의 실린더의 배기 포트, 즉, 2번 실린더(#2)의 배기 포트(8)와 3번 실린더(#3)의 배기 포트(9)는 실린더 헤드(1)내로 합체되어 단일의 합체 배기 포트(11)를 형성한다. 이 합체 배기 포트(11)는 실린더 헤드(1)의 측벽면(5)까지 연장된다. 도 1에서, 2번 실린더(#2)와 3번 실린더(#3)의 사이의 중앙을 실린더 축선 방향으로 연장하고 실린더(#1, #2, #3 및 #4)의 실린더 축선을 포함하는 평면에 직교하는 평면을 "대칭 평면(K-K)"이라고 칭하면, 2번 실린더(#2)의 배기 포트(8)와 3번 실린더(#3)의 배기 포트(9)는 대칭 평면(K-K)에 대하여 대칭적으로 배치된다. 합체 배기 포트(11)는 대칭 평면(K-Ｋ)을 따라서 실린더 헤드(1)의 측벽면(5)까지 연장된다.

한편, 양단부에 위치하는 한 쌍의 실린더의 배기 포트, 즉 1번 실린더(#1)의 배기 포트(7)와 4번 실린더(#4)의 배기 포트(10)도 대칭 평면(K-K)에 대하여 대칭적으로 배치된다. 이 경우, 1번 실린더(#1)의 배기 포트(7)는 1번 실린더(#1)로부터 합체 배기 포트(11)를 향해 연장된 후, 합체 배기 포트(11)의 측면에 있어서 합체 배기 포트(11)로부터 얇은 벽(12)만큼 분리되어 합체 배기 포트(11)를 따르면서 실린더 헤드(1)의 측벽면(5)까지 연장되지만, 4번 실린더(#4)의 배기 포트(10)는 4번 실린더(#4)로부터 합체 배기 포트(11)를 향해 연장된 후, 합체 배기 포트(11)의 측면에 있어서 합체 배기 포트(11)로부터 얇은 벽(13)만큼 분리되어 합체 배기 포트(11)를 따르면서 실린더 헤드(1)의 측벽면(5)까지 연장된다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 합체 배기 포트(11)는 14에서 실린더 헤드(1)의 측벽면(5) 위로 개방되지만, 한 쌍의 독립 배기 포트, 즉 1번 실린더(#1)의 배기 포트(7)와 4번 실린더(#4)의 배기 포트(10)는 15 및 16에 의해 도시된 바와 같이 합체 배기 포트(11)의 개구부(14)의 양측에 있어서 실린더 헤드(1)의 측벽면(5)에서 개방된다. 또한, 도 3 및 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 합체 배기 포트(11)의 개구부(14)의 개구 면적은 한 쌍의 독립 배기 포트(7, 10)의 개구부(15, 16)보다 크다는 것을 주목하자.

도 5는 내연 기관의 일부를 도시하고, 도 6은 도 5에 도시되는 내연 기관의 측면도를 도시한다. 또한, 도 5 및 도 6에서, 17은 실린더 블럭을 도시하고, 18은 촉매 컨버터를 도시한다. 도 4, 도 5 및 도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따르면 합체 배기 포트(11)의 개구부(14)는 제1 배기관(19)을 통해서 촉매 컨버터(18)의 배기 유입부(20)에 연결되고, 한 쌍의 독립 배기 포트(7, 10)의 개구부(15, 16)는 중간에 합체되는 제2 배기관(21)을 통해서 촉매 컨버터(18)의 배기 유입부(20)에 연결된다. 이 경우, 대응하는 개구부(14)로부터 배기 유입부(20)까지의 제1 배기관(19)의 관 길이는 대응하는 개구부(15, 16)로부터 배기 유입부(20)까지의 제2 배기관(21)의 관 길이보다 짧게 형성된다.

좀더 구체적으로 설명하면, 제1 배기관(19)과 제2 배기관(21)은 대응하는 개구부(14, 15, 16)로부터 배기 유입부(20)까지의 거리의 중간에 하향으로 굴곡진다. 제2 배기관(21)은 제2 배기관(21)의 분기가 제1 배기관(19)의 외측에서 합체된 후, 제1 배기관(19)의 외측을 따라 연장한다. 또한, 촉매 컨버터(18)는 한 쌍의 배기 유입구(22, 23)를 구비한다. 제1 배기관(19)과 제2 배기관(21)은 대응하는 배기 유입구(22, 23)에 연결된다.

그러나, 본 발명에 따른 실시예에서, 실린더에 있어서의 폭발 순서는 #1→＃3→＃4→＃2 또는 #1→＃2→＃4→＃3으로 형성된다. 양쪽의 경우에, 폭발 순서에서 하나 걸러서 위치되는 한 쌍의 실린더는, 중앙에 위치하는 2번 실린더(#2)와 3번 실린더(#3)의 실린더 쌍, 및 양단부에 위치하는 1번 실린더(#1)와 4번 실린더(#4)의 쌍이 된다. 이 경우, 만약 모든 배기 포트가 실린더 헤드(1) 내로 합체되거나, 또는 모든 배기 포트가 실린더 헤드(1)의 측벽면(5)에 따라 매니폴드 챔버가 연장하는 배기 매니폴드 내로 개방되면, 임의의 실린더의 배기 행정 때에 배기 포트 내에 발생한 정압은 다음에 폭발이 행하여진 실린더의 배기 포트 내에서 배기 행정 시기에 작용하고, 그 결과 연소실로부터의 연소 가스의 배출 작용이 방해받는 문제를 발생시킨다.

이에 대해, 본 발명의 실시예에 도시된 바와 같이, 만약 폭발 순서에서 하나 걸러의 위치에 있는 실린더만의 배기 포트를 합체하면, 즉, 2번 실린더(#2)의 배기 포트(8)와 3번 실린더(#3)의 배기 포트(9)를 합체하고, 1번 실린더(#1)의 배기 포트(7)와 4번 실린더(#4)의 배기 포트(10)를 합체하고, 합체한 배기 통로, 즉, 제1 배기관(19) 내의 배기 통로와 제2 배기관(21) 내의 배기 통로를 촉매 컨버터(18)의 배기 유입부(20)까지 분리해 두면, 다른 실린더의 배기 포트 내에서 발생한 정압은 배기 행정 시기에 배기 작용이 수행되는 배기 포트에 작용하지 않고, 따라서, 연소실로부터 연소 가스가 양호하게 배기되지 않는다. 즉, 배기 간섭이 방지될 수 있어서, 높은 충전 효율을 확보할 수 있다.

이제, 여기에서, 합체 배기 포트(11) 내의 배기 가스류와 독립 배기 포트(7, 10) 내의 배기 가스류를 비교하면, 합체 배기 포트(11)의 출구부로는 각 사이클 중에 2회 배기 가스가 유동하는 반면, 독립 배기 포트(7, 10)의 출구부로는 각 사이클 중에 1회만 배기 가스가 유동한다. 따라서, 합체 배기 포트(11)의 출구부의 벽 온도는 독립 배기 포트(7, 10)의 출구부의 벽 온도보다도 상당히 높아진다. 또한, 배기 포트(7, 10)의 통로의 길이가 길어서, 배기 포트(7, 10) 내측으로 배출된 배기 가스는 실린더 헤드(1) 내에서 상당히 냉각된다. 반면, 합체 배기 포트(11)의 통로의 길이가 짧아서, 합체 배기 포트(11) 내측으로 배출된 배기 가스는 실린더 헤드(1) 내에서 그다지 냉각되지 않는다. 따라서, 합체 배기 포트(11)의 개구부(14)로부터 유출되는 배기 가스의 온도는 독립 배기 포트(7, 10)의 개구부(15, 16)로부터 유출되는 배기 가스의 온도보다 상당히 높아진다.

한편, 전술한 바와 같이, 제1 배기관(19)의 길이는 제2 배기관(21)의 길이 보다 짧고, 따라서 배기관(19, 21) 내측으로 배기 가스가 유동할 때에, 제1 배기관(19)내의 배기 가스 온도의 저하량은 제2 배기관(21)의 배기 가스 온도의 저하량보다 적다. 이런 방식으로, 고온의 배기 가스가 합체 배기 포트(11)로부터 제1 배 기관(19)으로 배기된다. 이 때, 제1 배기관(19)의 배기 가스 온도의 저하량은 적기 때문에 제1 배기관(19)으로부터 촉매 컨버터(18)로 유동하는 배기 가스 온도는 상당히 고온이 된다. 따라서, 촉매 컨버터(18) 내의 촉매를 신속하게 가열할 수 있다.

한편, 합체 배기 포트(11)의 개구부(14)로부터 유출되는 배기 가스량은 각각의 독립 배기 포트(7, 10)의 개구부(15, 16)로부터 유출되는 배기 가스량의 2배가 되므로, 합체 배기 포트(11)의 개구부(15)의 개구 면적은 각각의 독립 배기 포트(7, 10)의 개구부(15, 16)의 개구 면적보다 크게 형성된다. 따라서, 제1 배기관(19)의 유로 면적도 제2 배기관(21)의 두 개의 분기부(21a) 각각의 유로 면적보다 크게 형성된다. 도 5로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예에서는, 제1 배기관(19)의 온도를 가능한 고온으로 유지하고 제1 배기관(19) 내를 유동하는 배기 가스의 온도를 가능한 저하되지 않도록 하기 위해서, 제1 배기관(19)은 그 외측에서 제2 배기관(21)에 의해 포위된다.

도 7은 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서는, 제1 배기관(19)과 제2 배기관(21)이 배기 터빈 과급기(24)의 배기 유입부(25)에 연결된다. 이 경우, 제1 배기관(19)과 제2 배기관(21)은 대응하는 개구부(14, 15, 16)로부터 배기 유입부( 25)를 향해 상방향으로 굴곡지고, 제2 배기관(21)은 제2 배기관(21)의 분기가 제1 배기관(19)의 외측에서 합체한 후, 제1 배기관(19)의 외측을 따라 연장된다.

이 실시예에서도, 대응하는 개구부(14)로부터 배기 유입부(25)에 이르는 제1 배기관(19)의 길이는 대응하는 개구부(15, 16)로부터 배기 유입부(25)에 이르는 제 2 배기관(21)의 길이보다 짧게 형성된다. 또한, 배기 터빈 과급기(24)는 한 쌍의 배기 유입구(26, 27)를 구비한 트윈 엔트리형 터빈 과급기로 이루어진다. 제1 배기관(19)과 제2 배기관(21)은 각각 대응하는 배기 유입구(26, 27)에 연결된다.

이 실시예에서도, 고온, 즉, 고압의 배기 가스가 제1 배기관(19)으로부터 배기 터빈 과급기(24)에 공급되므로, 배기 터빈 과급기(24)의 속도를 높일 수 있고, 따라서 배기 터빈 과급기(24)의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 도 5 및 도 6에 있어서, 촉매 컨버터(18) 대신에 배기 터빈 과급기(24)를 부착할 수 있다. 이 경우, 배기 터빈 과급기(24)의 배기 유출부에 촉매 컨버터(18)가 연결될 수도 있다. 또한, 유사하게, 도 7에서, 배기 터빈 과급기(24) 대신에 촉매 컨버터(18)가 설치될 수 있다.

Claims

중앙에 위치하는 한 쌍의 실린더의 배기 포트는 실린더 헤드 내에서 단일의 합체 배기 포트로 합체되어 실린더 헤드 측벽면 상으로 개방되고, 양단부에 위치하는 한 쌍의 실린더의 배기 포트는 독립 배기 포트로써 상기 합체 배기 포트 개구부의 양측에서 실린더 헤드 측벽면 상으로 개방되고, 상기 합체 배기 포트의 개구부는 제1 배기관을 통해서 촉매 컨버터의 배기 유입부 또는 배기 터빈 과급기의 배기 유입부에 연결되고 상기 한 쌍의 독립 배기 포트의 개구부는 중간에 합체되는 제2 배기관을 통해서 동일한 배기 유입부에 연결되고, 대응하는 상기 개구부로부터 상기 배기 유입부에 이르는 제1 배기관의 길이는 대응하는 상기 개구부로부터 상기 배기 유입부에 이르는 제2 배기관의 길이보다 짧게 형성되는, 직렬 4-실린더 내연 기관.
제1항에 있어서, 상기 촉매 컨버터는 한 쌍의 배기 유입구를 구비하고, 상기 제1 배기관과 제2 배기관은 대응하는 배기 유입구에 연결되는, 직렬 4-실린더 내연 기관.
제1항에 있어서, 상기 배기 터빈 과급기는 한 쌍의 배기 유입구를 구비하고, 상기 제1 배기관과 제2 배기관은 대응하는 배기 유입구에 연결되는, 직렬 4-실린더 내연 기관.
제1항에 있어서, 상기 제1 배기관과 제2 배기관은 상기 대응하는 개구부로부터 상기 배기 유입부를 향하는 거리의 중간에 하방향 또는 상방향의 동일한 방향을 향해서 굴곡되고, 상기 제2 배기관은 제2 배기관의 분기부가 제1 배기관의 외측에서 합체된 후 제1 배기관의 외측을 따라 연장되는, 직렬 4-실린더 내연 기관.
제1항에 있어서, 상기 합체 배기 포트의 개구부의 개구 면적은 각각의 독립 배기 포트의 개구부의 개구 면적보다 큰, 직렬 4-실린더 내연 기관.