(57)【要約】      （修正有）【課題】過給機の過給効率を安定にでき、しかも、シリンダの掃気効率を高くできる内燃機関の排気管装置を提供すること。【解決手段】シリンダの排気ポートに各々連結される複数の連結管２と、複数の連結管２に各々連通される複数の集合管３１，３２と、この複数の集合管３１，３２を合流すると共に、先端が過給機の排気取り入れ口に連結される合流連結部４とを備える。各集合管３１，３２の最大内径Ｒ３と、連結管２のフランジ６が設けられた一端の内径Ｒ１と、連結管２の各集合管３１，３２に連通する他端の内径Ｒ２とを、この順に小さく形成する。第１及び第２集合管は、合流連結部４に連通する先端の内径Ｒ４を、最大内径Ｒ３よりも小さく形成している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダの排気ポートに一端が連結される複数の連結管と、
上記複数の連結管の他端に連なり、上記連結管よりも少ない複数の集合管と、
上記複数の集合管の先端からの排気が合流されると共に、先端が過給機の排気取り入れ口に連結される合流連結部と
を備え、
上記集合管の最大通路断面積と、上記連結管の最大通路断面積と、上記連結管の他端の通路断面積が、この順に小さく形成されていると共に、上記集合管の最大通路断面積よりも上記集合管の先端の通路断面積が小さく形成されていることを特徴とする内燃機関の排気管装置。
【請求項２】
３つのシリンダが含まれるシリンダ群を２つ有する直列の６つのシリンダと、
上記６つのシリンダからの排気を合流させる排気管装置と、
上記排気管装置から、上記合流した排気が供給される過給機とを備え、
上記排気管装置は、
上記各シリンダの排気ポートに一端が連結された６つの連結管と、
同一のシリンダ群に対応する３つの上記連結管の他端に連なる２つの集合管と、
上記２つの集合管の先端からの排気が合流されると共に、他端が上記過給機の排気取り入れ口に連結された合流連結部とを有し、
上記集合管の最大通路断面積と、上記連結管の最大通路断面積と、上記連結管の他端の通路断面積が、この順に小さく形成されていると共に、上記集合管の最大通路断面積よりも上記集合管の先端の通路断面積が小さく形成されており、
上記直列の６つのシリンダは、一端側から他端側に向かって第１、第２、第３、第４、第５及び第６のシリンダであるとして、着火順序が、第１、第５、第３、第６、第２及び第４のシリンダの順であることを特徴とする内燃機関。
【請求項３】
請求項２に記載の内燃機関において、
上記直列の６つのシリンダは、着火順序が、第１、第４、第２、第６、第３及び第５のシリンダの順であることを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関に設けられ、複数のシリンダからの排気を合流させて過給機に供給する排気管装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の排気管装置としては、複数のシリンダからの排気を複数の集合管を介して、過給機のタービン室に設けられた複数の排気取り入れ口に供給する所謂動圧過給方式の排気マニフォルドが知られている。しかしながら、この動圧過給方式の排気マニフォルドは、上記複数の集合管からの排気の圧力の脈動を低減しないで、圧力を間欠的に過給機に伝えるので、この過給機のタービン回転数が不安定になり、過給機の過給効率が制限されたものになるという問題がある。
【０００３】
そこで、従来、複数のシリンダの排気ポートに複数の連結管の一端を各々連結し、この複数の連結管の他端を１つの集合管に連通させて、この集合管を、過給機のタービン室の１つの排気取り入れ口に連結した所謂モジュラーパルスコンバータ方式（以下、ＭＰＣ方式という）の排気マニフォルドがある（例えば特公昭５９−４７１２９号公報：特許文献１）。このＭＰＣ方式の排気マニフォルドは、上記連結管の他端にエジェクタを設けて、上記集合管内の排気圧力の変動幅を小さくしている。これにより、上記過給機に供給する排気圧力を連続的にして、上記過給機の過給効率を良好にするようにしている。
【０００４】
しかしながら、上記ＭＰＣ方式の排気マニフォルドは、複数の連結管を集合管に接続しているので、１つの連結管における排気圧力が、他の連結管の排気圧力の影響を受けて、掃気効率が低いという問題がある。
【特許文献１】特公昭５９−４７１２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の課題は、過給機の過給効率を良好にでき、しかも、シリンダの掃気効率を高くできる内燃機関の排気管装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の内燃機関の排気管装置は、シリンダの排気ポートに一端が連結される複数の連結管と、
上記複数の連結管の他端に連なり、上記連結管よりも少ない複数の集合管と、
上記複数の集合管の先端からの排気が合流されると共に、先端が過給機の排気取り入れ口に連結される合流連結部と
を備え、
上記集合管の最大通路断面積と、上記連結管の最大通路断面積と、上記連結管の他端の通路断面積が、この順に小さく形成されていると共に、上記集合管の最大通路断面積よりも上記集合管の先端の通路断面積が小さく形成されていることを特徴としている。
【０００７】
上記構成によれば、複数のシリンダからの排気が、連結管を介して集合管に流入する。この集合管の数は上記連結管の数よりも少ないので、少なくとも１つの集合管に複数の連結管からの排気が合流して流入する。上記集合管の最大通路断面積と、上記連結管の最大通路断面積と、上記連結管の他端の通路断面積が、この順に小さく形成されているので、上記連結管から集合管に流れる排気にエジェクタ効果が得られて、この集合管における排気の圧力の脈動を抑える。この集合管に流入した排気は、合流連結部で合流して、この合流連結部の先端から過給機に供給される。上記集合管は、この集合管の最大通路断面積よりも上記集合管の先端の通路断面積が小さく形成されているので、上記複数の集合管から合流連結部に流入する排気に、互いにエジェクタ効果が得られて、この合流連結部における排気の圧力の脈動が抑えられる。さらに、上記複数の連結管は、この連結管よりも少ない複数の集合管に接続されているので、この集合管の数に対応する群に分けられて、異なる群に属する連結管の間で互いの排気圧力の影響が低減される。したがって、各連結管に接続されたシリンダについて、効率良く掃気を行うことができる。
【０００８】
なお、上記連結管の他端の通路断面積とは、この連結管の他端において中心軸と直角の断面に表れる連結管の内側の面積をいう。また、上記集合管の先端の通路断面積とは、この集合管の他端において中心軸と直角の断面に表れる集合管の内側の面積をいう。
【０００９】
本発明の内燃機関は、３つのシリンダが含まれるシリンダ群を２つ有する直列の６つのシリンダと、
上記６つのシリンダからの排気を合流させる排気管装置と、
上記排気管装置から、上記合流した排気が供給される過給機とを備え、
上記排気管装置は、
上記各シリンダの排気ポートに一端が連結された６つの連結管と、
同一のシリンダ群に対応する３つの上記連結管の他端に連なる２つの集合管と、
上記２つの集合管の先端からの排気が合流されると共に、他端が上記過給機の排気取り入れ口に連結された合流連結部とを有し、
上記集合管の最大通路断面積と、上記連結管の最大通路断面積と、上記連結管の他端の通路断面積が、この順に小さく形成されていると共に、上記集合管の最大通路断面積よりも上記集合管の先端の通路断面積が小さく形成されており、
上記直列の６つのシリンダは、一端側から他端側に向かって第１、第２、第３、第４、第５及び第６のシリンダであるとして、着火順序が、第１、第５、第３、第６、第２及び第４のシリンダの順である。
【００１０】
上記構成によれば、６つの上記シリンダからの排気は、６つの上記連結管を介して２つの上記集合管に流れる。各集合管では、同一のシリンダ群に対応する３つの連結管からの排気が合流する。２つの集合管からの排気は、上記合流連結部で合流して上記過給機に供給される。上記集合管の最大通路断面積と、上記連結管の最大通路断面積と、上記連結管の他端の通路断面積が、この順に小さく形成されているので、上記連結管から集合管に流れる排気にエジェクタ効果が得られる。また、上記集合管の最大通路断面積よりも上記集合管の先端の通路断面積が小さく形成されているので、上記集合管から合流連結部に流れる排気にエジェクタ効果が得られる。さらに、上記第１乃至第６のシリンダは、第１、第５、第３、第６、第２及び第４のシリンダの順に着火する。これにより、集合管での脈動圧が低く抑えられる。また、上記合流連結部の先端において、排気の圧力変動が小さくなる。また、互いに異なる集合管に連通する連結管では、共通の集合管に連通する場合よりも互いの排気圧力の影響が低減する。したがって、上記過給機の過給効率が良好になり、しかも、上記シリンダの掃気効果が向上する。その結果、内燃機関の出力と効率の向上を図ることができる。
【００１１】
なお、上記連結管の他端の通路断面積とは、この連結管の他端において中心軸と直角の断面に表れる連結管の内側の面積をいう。また、上記集合管の先端の通路断面積とは、この集合管の他端において中心軸と直角の断面に表れる集合管の内側の面積をいう。
【００１２】
一実施形態の内燃機関は、上記直列の６つのシリンダは、着火順序が、第１、第４、第２、第６、第３及び第５のシリンダの順である。
【００１３】
上記実施形態によれば、上記過給機に供給する排気の連続的な全周流入ができる。その結果、上記過給機の効率を上げることができ、ひいては、内燃機関の出力と効率の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本発明の内燃機関の排気管装置は、複数の連結管と、この複数の連結管に連通されて上記連通管よりも少ない複数の集合管と、この複数の集合管の先端を互いに合流させる合流連結部とを備え、上記集合管の最大通路断面積と、上記連結管の最大通路断面積と、上記連結管の他端の通路断面積が、この順に小さく形成されていると共に、上記集合管の最大通路断面積よりも上記集合管の先端の通路断面積が小さく形成されているので、上記連結管から集合管に流れる排気にエジェクタ効果が得られ、また、上記複数の集合管から合流連結部に流入する排気に、互いにエジェクタ効果が得られ、さらに、１つの連結管の排気圧力に対する他の連結管の排気圧力の影響を低減できる。その結果、この排気管装置に接続された過給機の過給効率を良好にできると共に、この排気管装置に接続された内燃機関のシリンダの掃気効率を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の内燃機関の排気管装置としての排気マニフォルドを示す断面図であり、図２は、上記排気マニフォルドの一部を示す断面図である。この排気マニフォルドは、内燃機関としての４サイクルのディーゼルエンジンに用いられる。このディーゼルエンジンはトランクピストン型であり、直列の６つのシリンダを有し、排気タービン駆動の過給機を備える。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態の排気マニフォルド１は、６つのシリンダの排気ポートに各々連結される６つの連結管２と、３つの連結管に各々連通される２つの集合管としての第１及び第２集合管３１，３２と、この２つの第１及び第２集合管３１，３２を合流すると共に、先端が過給機の排気取り入れ口に連結される合流連結部４とで大略構成されている。
【００１８】
上記連結管２の一端には、シリンダブロックに固定されるフランジ６が設けられている。上記連結管２の他端は、上記第１及び第２集合管３１，３２の先端側を向くように傾斜して、この第１及び第２集合管３１，３２の側面に接続されている。この接続位置において、上記連結管２の中心軸と、上記第１及び第２集合管３１，３２の中心軸とは、約３０度の角度をなしている。
【００１９】
図２は、上記連結管２の先端と、上記第１及び第２集合管３１，３２の側面との接続部分を示す断面図である。図２に示すように、上記連結管２は、フランジ６が設けられた一端の内径Ｒ１が最大であり、他端部分が、先端に向かうにつれて通路断面積が減少するように形成されて、他端の内径Ｒ２が最も小さくなっている。この連結管２の他端部分２１は、上記第１及び第２集合管３１，３２内に、中心軸側に向かって突出して、上記第１及び第２集合管３１，３２の流路を狭めている。この連結管２の他端部分２１の先端が、連結管２の他端である。上記第１及び第２集合管３１，３２の最大内径Ｒ３と、上記連結管２の最大内径Ｒ１と、この連結管２の他端の内径Ｒ２は、この順に小さくなるように形成されている。換言すれば、上記第１及び第２集合管３１，３２の最大通路断面積と、上記連結管２の最大断面積と、上記連結管２の他端の通路断面積とが、この順に小さくなるように形成されている。これにより、上記連通管２の他端部分２１は、第１のエジェクタを構成している。なお、上記第１及び第２集合管３１，３２の最大通路断面積と、上記連結管２の最大断面積と、上記連結管２の他端の通路断面積とが、この順に小さくなるように形成されていればよく、この場合、上記第１及び第２集合管３１，３２の最大内径Ｒ３と、上記連結管２の最大内径Ｒ１と、この連結管２の他端の内径Ｒ２とは、必ずしもこの順に小さくなる必要はない。
【００２０】
上記第１及び第２集合管３１，３２は、直線部３１ａ，３２ａと、この直線部３１ａ，３２ａの先端側に連なる屈曲部３１ｂ，３２ｂとを有する。上記第１及び第２集合管の直線部３１ａ，３２ａは互いに一直線上に位置するように配置されている。上記屈曲部３１ｂ，３２ｂは、先端に向かうにつれて通路断面積が減少するように形成されており、この屈曲部３１ｂ，３２ｂの先端の内径Ｒ４は、上記直線部３１ａ，３２ａの最大内径Ｒ３よりも小さくなっている。換言すれば、上記屈曲部３１ｂ，３２ｂの先端の通路断面積は、上記直線部３１ａ，３２ａの通路断面積よりも小さくなっている。この屈曲部３１ｂ，３２ｂの縮小した先端が互いに合流して、第２のエジェクタを構成している。図１において、上記屈曲部３１ｂ，３２ｂの先端部分の間を隔てる壁３３の先端が、各屈曲部３１ｂ，３２ｂの先端である。なお、上記屈曲部３１ｂ，３２ｂの先端の通路断面積が、上記直線部３１ａ，３２ａの通路断面積よりも小さければよく、必ずしも、上記屈曲部３１ｂ，３２ｂの先端の内径Ｒ４は、上記直線部３１ａ，３２ａの最大内径Ｒ３よりも小さい必要は無い。
【００２１】
上記合流連結部４は、２つの上記第１及び第２集合管の屈曲部３１ｂ，３２ｂの先端に連なっており、先端に、過給機本体に固定されるフランジ８が設けられている。この合流連結部４の先端の開口は、上記第１及び第２集合管の直線部３１ａ，３２ａの中心軸に対して、略直角方向を向いている。
【００２２】
図３は、本発明の内燃機関としてのディーゼルエンジンであり、上記構成の排気マニフォルドを用いたディーゼルエンジンを示す模式図である。
【００２３】
図３に示すように、このディーゼルエンジンは、第１乃至第６シリンダ１１，１２，１３，１４，１５，１６を備え、各シリンダ１１〜１６の排気ポートに、図１の排気マニフォルド１の連結管２が連結されている。上記第１乃至第６シリンダ１１〜１６は、第１乃至第３シリンダ１１，１２，１３を含む第１の群と、第４乃至第６シリンダ１４，１５，１６を含む第２の群とに分かれている。上記第１の群のシリンダ１１，１２，１３は、上記連結管２を介して第１集合管３１に連なっており、上記第２の群のシリンダ１４，１５，１６は、上記連結管２を介して第２集合管３２に連なっている。この排気マニフォルドの合流連結部４の先端は、過給機２５の排気取り入れ口に連結されている。この過給機２５は、図示しないシャフトで連結されたタービンブレード及びコンプレッサを備える排気タービン駆動の過給機である。この過給機２５の過給気吐出口に、給気管２７と、給気冷却器２８と、給気マニフォルド２９が順次接続されている。この給気マニフォルド２９の分岐管の先端が、上記第１乃至第６シリンダ１１〜１６の吸気ポートに連結されている。
【００２４】
上記第１乃至第６シリンダ１１〜１６内の図示しないピストンは、クランク軸に所定のクランク角度をなして連結されている。また、上記第１乃至第６シリンダ１１〜１６の燃焼室に臨む吸気弁及び排気弁は、所定のタイミングで開閉駆動されるようになっている。これにより、上記第１乃至第６シリンダ１１〜１６の着火順序が、第１シリンダ１１、第４シリンダ１４、第２シリンダ１２、第６シリンダ１６、第３シリンダ１３、第５シリンダ１５の順に設定されている。
【００２５】
上記構成のディーゼルエンジンは、過給機２５の過給効率と、各シリンダの掃気効率との向上を図ることができる。すなわち、上記ディーゼルエンジンの動作時において、上記第１乃至第６シリンダ１１〜１６からの排気は、各連結管２を介して第１又は第２集合管３１，３２に流れる。このとき、上記連結管の他端部分２１は第１のエジェクタを構成しているので、排気圧力の脈動が低減されて、第１及び第２集合管３１，３２内の圧力変動が小さくなる。この第１及び第２集合管３１，３２の排気は、屈曲部３１ｂ，３２ｂの先端で互いに合流して流連結部４を流れて、過給機２５の排気取り入れ口に流入する。このとき、上記屈曲部３１ｂ，３２ｂの先端が、互いに第２のエジェクタを構成しているので、各屈曲部３１ｂ，３２ｂの先端からの排気は、上記第１及び第２集合管３１，３２での圧力の脈動よりも、圧力の脈動が更に低減される。
【００２６】
また、上記第１乃至第６シリンダ１１〜１６の着火順序が、第１シリンダ１１、第４シリンダ１４、第２シリンダ１２、第６シリンダ１６、第３シリンダ１３、第５シリンダ１５であるので、上記第１集合管３１と第２集合管３２とに交互に排気が流入する。したがって、所定のシリンダの排気行程において、排気圧力が、次の着火シリンダの排気圧力の影響を受け難くなるので、上記所定のシリンダの掃気効率を効果的に向上できる。このことを、図４の給排気圧力を示すグラフを用いて説明する。
【００２７】
図４は、第１シリンダ１１に連なる連結管２における排気圧力Ａと、過給機２５に連なる給気マニフォルド２９における給気圧力Ｂとの変動を同一の座標に重ねて示したグラフである。図４において、クランク軸のクランク角度（Ｄｅｇ）であり、縦軸は、給排気圧力（ｋｇｆ／ｃｍ２）である。また、図４には、第１シリンダに従来のＭＰＣ排気マニフォルドを接続した場合の排気圧力Ｃの変動を、破線によって重ねて示している。また、図４には、横軸方向に、第１シリンダ１１の排気弁が開く期間と、第１シリンダ１１の吸気弁が開く期間とを示している。
【００２８】
図４に示すように、クランク角度が約−２４０度となったときに排気弁が開き（Ｅｏ）、排気圧力Ａが増大し、クランク角度が約−１８０度の下死点近傍で３．５ｋｇｆ／ｃｍ２程度の最大排気圧力となる。この後、排気圧力Ａは減少し、クランク角度が約−８０度で１．３ｋｇｆ／ｃｍ２程度の排気圧力に低減してから再び増大に転じて、クランク角度が約−３０度で１．６ｋｇｆ／ｃｍ２程度の圧力に達する。この排気圧力の増大は、第１シリンダ１１に続いて着火したシリンダの排気圧力の影響である。このとき、吸気弁が開き（Ｉｏ）、給気圧力と排気圧力との差圧により、燃焼室の掃気が開始される。図４において、給気圧力Ｂを示す線と排気圧力Ａを示す線との間の網掛けを施した面積Ｄが、掃気量の目安となる。これに対して、従来のＭＰＣ排気マニフォルドを用いた場合、第１シリンダの排気圧力Ｃが過給気圧の２．２ｋｇｆ／ｃｍ２程度まで上昇するので、上記給気圧力Ｂと排気圧力Ｃとの差圧が小さい。したがって、図４から明らかなように、給気圧力Ｂを示す線と排気圧力Ｃを示す線との間の面積が小さくなって、掃気量が小さくなる。これは、第１シリンダに続くシリンダの排気圧力が、単一の集合管を介して第１シリンダの連結管に伝わるからである。このように、本実施形態によれば、シリンダの掃気効率を従来よりも向上できる。
【００２９】
以上のように、本実施形態のディーゼルエンジンは、過給機２５の効率が向上でき、しかも、シリンダ１１〜１６の掃気効果を向上できるので、出力と効率の向上を図ることができる。
【００３０】
上記実施形態において、第１乃至第６シリンダ１１〜１６の着火順序は、第１シリンダ１１、第４シリンダ１４、第２シリンダ１２、第６シリンダ１６、第３シリンダ１３、第５シリンダ１５の順に設定したが、第１シリンダ１１、第５シリンダ１５、第３シリンダ１３、第６シリンダ１６、第２シリンダ１２、第４シリンダ１４の順に設定してもよい。
【００３１】
また、ディーゼルエンジンに限られず、ガソリンエンジンやガスエンジン等の他の内燃機関にも本発明は適用できる。
【００３２】
また、上記ディーゼルエンジンは直列６シリンダであったが、シリンダの数や配列の形態は他のものであってもよい。例えば、Ｖ型１２シリンダのディーゼルエンジンにも本発明は適用可能である。詳しくは、６つのシリンダを含む２つのシリンダ列が互いに傾斜してＶ字形をなすＶ型１２シリンダのディーゼルエンジンに、各シリンダ列に上記実施形態の排気マニフォルド１を連結して、２つの上記排気マニフォルド１からの排気で２つの過給機２５を駆動すればよい。一方のシリンダ列のシリンダをＡ１乃至Ａ６とし、他方のシリンダ列のシリンダをＢ１乃至Ｂ６として、着火順序を、Ａ１→Ｂ６→Ａ５→Ｂ２→Ａ３→Ｂ４→Ａ６→Ｂ１→Ａ２→Ｂ５→Ａ４→Ｂ３とすればよい。また、着火順序は、Ａ１→Ｂ３→Ａ４→Ｂ５→Ａ２→Ｂ１→Ａ６→Ｂ４→Ａ３→Ｂ２→Ａ５→Ｂ６としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の内燃機関の排気管装置としての排気マニフォルドを示す断面図である。
【図２】図１の排気マニフォルドの一部を示す断面図である。
【図３】本発明の内燃機関としてのディーゼルエンジンを示す模式図である。
【図４】本実施形態のディーゼルエンジンの給排気圧力と、従来の排気マニフォルドを用いた場合の排気圧力とを重ねて示したグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１  排気マニフォルド
２  連結管
４  合流連結部
６  連結管のフランジ
８  合流連結部のフランジ
３１  第１集合管
３２  第２集合管
３１ａ  第１集合管の直線部
３２ａ  第２集合管の直線部
３１ｂ  第１集合管の屈曲部
３２ｂ  第２集合管の屈曲部
【図１】
2006348795.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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