(57)【要約】【課題】気筒毎に独立して形成された排気通路が集合して単一の排気通路が形成される多気筒内燃機関の排気系に対し、さらに、前記気筒毎に独立して形成された排気通路同士を連通させる連通部が別途設けられた内燃機関の冷却システムにおいて、冷間始動時におけるエミッションの悪化を抑制できる技術を提供する。【解決手段】内燃機関における気筒毎に設けられた排気通路に、一端を接続された複数のノズル部１４ａ〜１４ｄと、ノズル部１４ａ〜１４ｄの他端が接続されることにより、ノズル部１４ａ〜１４ｄを互いに連通させる連通管１５と、を備えた内燃機関の排気冷却システムにおいて、連通管１５の内壁面の表面積を増大させる凹凸部１５ａを有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関における複数の気筒毎に設けられた排気通路に、一端を接続された複数のノズル部と、
前記複数のノズル部の他端が接続されることにより、前記ノズル部を互いに連通させ、前記排気通路内の排気を互換可能とする連通部と、
を備えた内燃機関の排気冷却システムにおいて、
前記連通部は、該連通部の内壁面の表面積を増大させる凹凸部を有することを特徴とする内燃機関の排気冷却システム。
【請求項２】
前記連通部の形状は、断面の形状を一定とする管状であり、前記凹凸部は、前記断面の輪郭上に設けられた凹凸であって、前記連通部の長さ方向について一定の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気冷却システム。
【請求項３】
前記連通部の形状は、円形断面を有する管状であり、前記凹凸部は、前記連通部の長さ方向の位置によって、前記円形断面の径を変化させることにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
多気筒内燃機関における各気筒の排気ポートが、排気マニホールドに接続されることにより気筒毎に独立した排気通路を形成し、さらに、前記気筒毎の排気通路が集合して単一の排気通路を形成する内燃機関の排気系において、前記気筒毎の排気通路同士を連通させる連通路を別途設ける技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
上記の技術は、内燃機関からの排気を前記連通路に一旦導入して、前記連通路において排気熱を放散させることにより排気の温度を低下させることを目的としている。この従来技術によって、特に内燃機関の運転状態が高負荷高回転数の状態において、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化触媒を通過する排気の温度を低下させることができ、排気浄化触媒の過昇温を抑制することができる。結果として、高負荷高回転数の運転状態においても、排気浄化触媒による排気浄化が可能となり、エミッションを低減させることができる。
【０００４】
しかし、上記の従来技術においては、内燃機関の冷間始動時などに、逆に排気の温度が低下するために排気浄化触媒の活性化が遅れ、エミッションが悪化してしまう場合があった。また、内燃機関における特定の運転状態において、排気脈動の干渉が生じ、機関出力が低下してしまう場合があった。
【特許文献１】実開昭６３−１６２９５９号公報
【特許文献２】実開平１−９９９２６号公報
【特許文献３】特開平７−２３８８２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、気筒毎に独立して形成された排気通路が集合して単一の排気通路が形成される多気筒内燃機関の排気系に対し、さらに、前記気筒毎の排気通路同士を連通させる連通部が別途設けられた内燃機関の排気冷却システムにおいて、冷間始動時におけるエミッションの悪化を抑制できる技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明は、内燃機関における複数の気筒毎に設けられた排気通路に、一端を接続された複数のノズル部と、
前記複数のノズル部の他端が接続されることにより、前記ノズル部を互いに連通させ、前記排気通路内の排気を互換可能とする連通部と、
を備えた内燃機関の排気冷却システムにおいて、
前記連通部は、該連通部の内壁面の表面積を増大させる凹凸部を有することを特徴とする。
【０００７】
ここで、内燃機関の冷間始動時においては、内燃機関の各気筒から排出される排気の脈動は比較的小さい。従って、冷間始動時に内燃機関の各気筒から排出された排気のうち、前記ノズル部を通過して前記連通部に達する量は比較的少ない。それに対して、内燃機関の暖機後、特に高負荷高回転数の運転状態においては、内燃機関の各気筒から排出される排気の脈動は大きい。従って、この場合は、内燃機関の各気筒から排出される排気の大部分は前記ノズル部を通過して、前記連通部内を流通する。さらにその一部は、別のノズル
部を介して、当該ノズル部に対応する気筒にまで達する場合がある。
【０００８】
すなわち、複数の気筒毎に設けられた排気通路に、一端を接続された複数のノズル部と、前記複数のノズル部の他端が接続されることにより前記ノズル部を互いに連通させる連通部と、を備えた内燃機関の排気冷却システムにおいて、内燃機関の冷間始動時には、各気筒から排出された排気の排気熱の多くは、前記ノズル部の壁面から放散される。一方、内燃機関の暖機後、特に高負荷高回転数の運転状態では、前記排気熱の大部分は、前記連通部の壁面から放散される。
【０００９】
本発明においては、前記連通部に、該連通部の内壁面の表面積を増大させる凹凸部を設けることにより、前記連通部からの排気の熱放散効率を向上させることとした。なお、一般的には、前記ノズル部の管径に対し、前記連通部の管径の方が大きく設定されることが多く、従来から、前記ノズル部からの排気の熱放散効率よりも、前記連通部からの熱放散効率の方が良かったといえる。従って換言すると、本発明においては、前記ノズル部からの排気の熱放散効率と、前記連通部からの排気の熱放散効率との差をより大きくすることとした。
【００１０】
これによれば、内燃機関の冷間始動時においては、内燃機関から排出された排気のうち、前記連通部まで達する排気の量が少ないため、全体としての排気熱の放散量を抑えることができる。一方、内燃機関の暖機後、特に高負荷高回転数の状態においては、内燃機関から排出された排気のうち、多くの部分が前記連通部まで達し、前記連通部内を流通するため、前記凹凸部により、より効率的に排気熱を放散させることができる。
【００１１】
その結果、内燃機関の冷間始動時においては、内燃機関の各気筒から排出された排気が、前記連通部において冷却されることを抑制できる。これにより、排気温度の低下を抑制することができ、排気浄化触媒の活性化の遅延を抑制することができる。一方、内燃機関の暖機後、特に高負荷高回転数の運転状態においては、前記連通部において、内燃機関の各気筒から排出された排気を、より効率よく冷却することができる。これにより内燃機関の高負荷高回転数状態における排気浄化触媒の過昇温をより確実に抑制することができる。
【００１２】
上記において、前記ノズル部の断面積が小さい程、前記内燃機関の気筒から排出された排気が前記ノズル部を通過することが困難になる。また、前記ノズル部の長さが長い程、前記内燃機関の気筒から排出された排気が前記ノズル部を通過することが困難になる。従って、前記ノズル部の断面積及び長さは、内燃機関の冷間始動時における排気脈動によっては、前記気筒から排出された排気が前記連通部まで殆ど達しないことを条件に設定されるのが望ましい。このことにより、内燃機関の冷間始動時において、より確実に、排気温度の低下を抑制することができ、排気浄化触媒の活性化の遅延を抑制することができる。
【００１３】
また、その際、前記ノズル部の表面積は、できる限り小さくすることが望ましい。こうすることにより、内燃機関の冷間始動時における、前記ノズル部の内壁面からの排気熱の放散をより効果的に抑制することができ、より確実に、排気温度の低下を抑えることができる。このノズル部の表面積を小さくするための、ノズル部の断面形状としては、円形を例示することができる。また、ノズル部はできる限り直線状に形成することが望ましい。そうすることにより、前記連通部と、前記内燃機関の気筒との距離が同じ場合には、前記ノズル部全体の表面積をより小さくすることができる。
【００１４】
さらに、前記ノズル部の近傍には、内燃機関の冷却水の通路を設けないようにするのが望ましい。こうすることにより、前記ノズル部内の排気の熱が冷却水に奪われることを抑制することができ、内燃機関の冷間始動時において、内燃機関の排気温度が低下すること
をより確実に抑制することができる。
【００１５】
逆に、本発明における前記連通部の断面積はできる限り大きくすることが望ましい。このことにより、前記連通部の内面の表面積を大きくすることができ、内燃機関の各気筒から排出された排気の排気熱をより効率的に放熱させることができる。結果として、前記排気の温度をより効率的に低下させることができる。
【００１６】
また、本発明においては、前記連通部の形状は、断面の形状を一定とする管状であり、前記凹凸部は、前記断面の輪郭上に設けられた凹凸であって、前記連通部の長さ方向について一定の形状を有するのがよい。こうすれば、連通部における凹凸部を、成型またはドリル加工により容易に形成することができ、前記連通部の生産性を向上させ、コストを低減させることができる。
【００１７】
ここで、本発明の前提となる排気冷却システム、すなわち、気筒毎に設けられた排気通路に一端を接続された複数のノズル部と、前記複数のノズル部の他端が接続される連通部と、を備えた内燃機関の排気冷却システムにおいては、排気脈動干渉が発生する場合がある。この排気脈動干渉とは以下のような現象をいう。例えば、内燃機関における所定の運転状態において、排気行程にある気筒から排出された排気が、当該気筒に独立して設けられた排気通路に接続されたノズル部及び、連通部を経由し、さらに、その時点で吸気行程にある気筒に対し、その気筒に対応したノズル部を介して達すると、吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とがオーバラップしている期間に、前記吸気行程にある気筒に排気弁から導入されてしまう場合がある。このように、１つの気筒の排気脈動が他の気筒に影響を及ぼすことが排気脈動干渉である。そして、この排気脈動干渉が発生すると、前記吸気行程にある気筒における新気の割合が低下してしまい、結果として機関出力の低下を引き起こす場合がある。
【００１８】
そこで、本発明においては、前記連通部の形状は、円形断面を有する管状であり、前記凹凸部は、前記連通部の長さ方向の位置によって、前記円形断面の径を変化させることにより形成されるようにしてもよい。こうすることにより、前記連通部内における排気の、過度に活発な流通を抑制することができ、１つのノズル部から流入した排気が、前記連通部から他のノズル部へ、不用意に流出することを抑えることができる。
【００１９】
結果として、内燃機関の冷間始動時における排気浄化触媒の活性化の遅延を抑制でき、且つ内燃機関の高負荷高回転数の運転状態において、排気浄化触媒の過昇温を抑制できるという効果に加えて、上記の排気脈動干渉をも抑制することができる。
【００２０】
なお、同様の効果を得るための前記連通部の形状は、上記のような円形断面を有する管状であり、前記凹凸部は、前記連通部の長さ方向の位置によって、前記円形断面の径を変化させることにより形成されるものに限るものではない。すなわち、前記連通部に設けられた凹凸部が、前記連通部内における排気の過度に活発な流通を抑制できる形状であればよく、例えば、前記連通部は円形断面を有する管状であり、凹凸部は内壁面に突起を分布させたようなものであってもよい。
【００２１】
また、本発明においては、前記連通部の近傍には、冷却水の通路を設けることが望ましい。こうすれば、内燃機関の高負荷高回転数の運転状態において、より効率的に、内燃機関の排気を冷却することができる。
【００２２】
また、本発明においては、前記ノズル部の内壁面は、熱伝導率の低い材質により形成してもよく、また、前記連通部の壁面は、熱伝導率の高い材料により形成するようにしてもよい。さらに、その両方を行ってもよい。そのことにより、前記ノズル部からの排気熱の
放散効率をより低く抑えることができ、前記連通部からの排気熱の放散効率をより向上させることができる。その結果、内燃機関の冷間始動時における排気温度の低下をより確実に抑制できるとともに、内燃機関の暖機後、特に高負荷高回転数の運転状態においては、内燃機関の排気をより効率的に冷却することができる。
【００２３】
なお、本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせて使用することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明にあっては、気筒毎に独立して形成された排気通路が集合して単一の排気通路が形成される多気筒内燃機関の排気系に対し、さらに、前記気筒毎の排気通路同士を連通させる連通部が別途設けられた内燃機関の冷却システムにおいて、冷間始動時におけるエミッションの悪化を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。
【実施例１】
【００２６】
図１は、本実施例に係る内燃機関とその排気冷却システムの概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する多気筒ディーゼル機関である。        
【００２７】
この内燃機関１には、吸気枝管８が接続されており、この吸気枝管８の上流側は、さらに吸気管９と接続されている。一方、内燃機関１には、排気枝管１８が接続され、この排気枝管１８の下流側には、排気管１９が接続されている。この排気管１９には、下流にて図示しないマフラーに接続されている。
【００２８】
また、排気管１９の途中には、排気浄化触媒２０が配置されている。この排気浄化触媒２０としては、例えば、該排気浄化触媒２０に流入する排気の空燃比が理論空燃比近傍の所定の空燃比であるときに排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯx）を浄化する三元触媒、該排気浄化触媒２０に流入する排気の空燃比がリーン空燃比であるときは排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯx）を吸蔵するとともに該排気浄化触媒２０に流入する排気の空燃比が理論空燃比もしくはリッチ空燃比であるときは吸蔵していた窒素酸化物（ＮＯx）を放出しつつ還元・浄化する吸蔵還元型ＮＯx触媒、該排気浄化触媒２０に流入する排気の空燃比が酸素過剰状態にあり且つ所定の還元剤が存在するときに排気中の窒素酸化物（ＮＯx）を還元・浄化する選択還元型ＮＯx触媒、もしくは上記した各種の触媒を適宜組み合わせてなる触媒などが使用される。
【００２９】
なお、上述の排気浄化触媒２０が、その性能を充分発揮するには、排気浄化触媒２０の温度が上昇することにより活性化した状態となっている必要がある。従って、排気浄化触媒２０が充分に活性化してない状態で、排気が排気浄化触媒２０に導入された場合には、排気が充分に浄化されず、エミッションが悪化してしまう。
【００３０】
また、各気筒２の排気ポート３０には、ノズル部１４ａ〜１４ｄの一端が接続されている。そして、ノズル部１４ａ〜１４ｄの他端は、連通管１５に接続されている。各気筒２から排出された排気の一部は、上記のノズル部１４ａ〜１４ｄを通過し、連通管１５内を流通する。この際に連通管１５の壁面を介して排気熱が放散される。また、連通管１５内に流入した排気は、既に排気管１５内に貯留している低温の排気と混合する。これらの作用により、再びノズル部１４ａ〜１４ｄを通過し、さらに排気ポート３０に戻る排気の温度は低下する。この結果、排気浄化触媒２０に導入される排気の温度を低下させることが
でき、高負荷高回転数の運転状態においても、排気浄化触媒２０の過昇温を抑制することができる。なお、上記の連通管１５は、本実施例における連通部として機能する部分である。
【００３１】
ここで、図１においては、分かり易いように、ノズル部１４ａ〜１４ｄ及び、連通管１５は、内燃機関１の外部に形成されているように描かれているが、本実施例においては、内燃機関１における図示しないシリンダヘッド内に形成されているものとする。しかし、ノズル部１４ａ〜１４ｄ及び、連通管１５は内燃機関１の外部に形成させてもよいことはもちろんである。
【００３２】
また、本実施例における連通管１５の形状は、図１における矢印の方向について同じ断面形状を有する管状をしている。図２には、連通管１５を矢印の方向から見た場合の断面形状の例を示す。本実施例においては、連通管１５を矢印の方向から見た場合、図２（ａ）に示すような断面形状をしているものとする。図２（ａ）に示すように、連通管１５に凹凸部１５ａを設けることにより、連通管１５の矢印方向における単位長さ当たりの表面積を増大させることができ、連通管１５内を流通する排気の排気熱をより効率よく放散させることができる。
【００３３】
また、本実施例のように、連通管１５の断面形状を図２（ａ）に示すような形状にし、しかも連通管１５の長手方向について断面形状が一定であるようにすれば、シリンダヘッド中に、連通管１５をドリル加工により簡単に形成することができる。なお、連通管１５を矢印方向から見た場合の断面形状を、図２（ｂ）〜（ｄ）に示すような形状にした場合には、連通管１５をドリル加工で形成することは困難となるが、成型加工により容易に形成することができる。
【００３４】
なお、上記においては加工性を考慮し、連通管１５の長さ方向については、連通管１５を直線状に形成することとしている。しかし、必ずしも直線状に形成される必要はない。連通管１５を曲線状に形成することにより、連通管１５全体としての表面積を増大させることができ、連通管１５内を流通する排気の排気熱をより効率よく放散させることができる。
【００３５】
次に、図１におけるノズル部１４ａ〜１４ｄの形状は、円形断面を有する管状であり、長さ方向には直線状に形成されている。そして、ノズル部１４ａ〜１４ｄの直径Ｄ及び長さＬは、内燃機関１のアイドリング時において、内燃機関１の各気筒２から排出される排気の一部が、排気ポート３０からノズル部１４ａ〜１４ｄに流入した場合には、その排気が連通管１５までは殆ど達しないという条件を満たすように設定されている。また同時に、ノズル部１４ａ〜１４ｄの直径Ｄ及び長さＬは、内燃機関の高負荷高回転数の運転状態においては、内燃機関１の各気筒２から排出される排気の一部が、排気ポート３０からノズル部１４ａ〜１４ｄに流入した場合には、その排気の大部分が連通管１５まで達し、連通管１５内を流通するという条件を満たすように設定されている。上記に示した両方の条件を満たす直径Ｄ及び、長さＬは、実験的に求められる。
【００３６】
ここで、上記の条件を満たすノズル部１４ａ〜１４ｄの直径Ｄの値は、上記の条件を満たさない場合と比較して小さい場合が多い。また、上記したように、ノズル部１４ａ〜１４ｄの断面形状は円形であるため、単位長さあたりのノズル部１４ａ〜１４ｄの表面積は、他の断面形状である場合と比較して小さくなっている。この結果、ノズル部１４ａ〜１４ｄにおける、排気の熱放散効率は低く抑えられるように設計されているといえる。一方、連通管１５には、上述のような凹凸部１５ａが形成されており、熱放散効率が向上した設計となっている。
【００３７】
さらに、図１には図示しないが、本実施例においては、内燃機関１を冷却するための冷却水の通路は、シリンダヘッド中、主に連通管１５の近傍を這いまわされている。一方、ノズル部１４ａ〜１４ｄの近傍には這いまわされていない。このことも、ノズル部１４ａ〜１４ｄにおける熱放散効率を低く抑え、ノズル部１５における熱放散効率を向上させるように作用している。
【００３８】
図３は、上記のノズル部１４ａ〜１４ｄ及び連通管１５の作用を示す図である。図３（ａ）は、内燃機関１の冷間始動時における排気ポート３０からの排気の流通を示す図、図３（ｂ）は、内燃機関１の暖機後、特に高負荷高回転数の運転状態における排気ポート３０からの排気の流通を示す図である。
【００３９】
図３（ａ）に示すように、内燃機関１の冷間始動時においては、排気ポート３０からノズル部１４ａ〜１４ｄに導入された排気は殆ど連通管１５の内部には達しない。従って、各気筒２からの排気は、殆どノズル部１４ａ〜１４ｄにおいて脈動する。その結果、各気筒２からの排気の排気熱は、前述のように熱放散効率が低く抑えられたノズル部１４ａ〜１４ｄからのみ放熱されるので、該排気の温度低下が抑制される。
【００４０】
一方、図３（ｂ）に示すように、内燃機関の暖機後、特に高負荷高回転数の運転状態においては、排気ポート３０からノズル部１４ａ〜１４ｄに導入された排気の大部分は連通管１５の内部に達する。そして、連通管１５内を流通する。従って、各気筒２からの排気の排気熱は、前述のような凹凸部１５ａを有することにより熱放散効率が向上した連通管１５の内壁から放熱されるので、該排気の温度低下が促進される。
【００４１】
以上、説明した作用により、本実施例においては、内燃機関１の冷間始動時においては、排気の温度低下が抑制され、排気浄化触媒２０の活性化の遅延を抑制することができ、一方、内燃機関１の高負荷高回転数の運転状態においては、排気浄化触媒２０の過昇温を抑制することができる。
【００４２】
図４には、本実施例における連通管１５の凹凸部１５ａの他の例について正面図と側面図を示す。図４（ａ）においては、径の異なる円柱を交互に重ね合わせた形状によって、連通管１５が形成されている。すなわち、円柱の径の差によって凹凸部１５ａが形成されている。この場合は、ノズル部１４ａ〜１４ｄから連通管１５に導入された排気の排気熱は、連通管１５内の凹凸部１５ａがあることにより効率よく、連通管１５の内壁面から放散される。
【００４３】
これに加え、図４（ａ）に示す例においては、凹凸部１５ａは、連通管１５内における排気の主たる流通方向に対して垂直な方向の壁を形成するように設けられている。従って、この凹凸部１５ａによって、連通管１５内における排気の過度に活発な流通を抑制でき、１つのノズル部から流入した排気が、別のノズル部へ流入することを抑制できる。結果として、内燃機関１の特定運転状態において、排気脈動干渉が発生することを抑制できる。
【００４４】
なお、図４（ｂ）には、本実施例における連通管１５の凹凸部１５ａのさらに別の例について示す。この例においては、連通管１５の内壁に、楕円形状の突起を設けることにより凹凸部１５ａを形成し、連通管１５の内壁の表面積を大きくしている。また、この例においても、楕円形状の突起が、連通管１５内における排気の過度に活発な流通を抑制するので、１つのノズル部から流入した排気が、別のノズル部へ流入することを抑制できる。結果として、内燃機関１の特定運転状態において、排気脈動干渉が発生することを抑制できる。
【００４５】
なお、上記の実施例においては、本発明を多気筒ディーゼル機関に適用した例について説明したが、本発明をガソリン機関に対して適用しても良いことはもちろんである。
【００４６】
また、上記の実施例では、連通管自体は、ノズル部との接続部以外は密閉されている構成としたが、本発明における連通部の構成は、それに限定されるものではない。例えば、連通部の一部が外部への開口部を有し大気と通じているような構成または、その構成においてさらに連通部と外部との接続を制御する弁を有するような構成でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明に係る内燃機関とその排気冷却システムの概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例における連通管の断面形状の例を示す図である。
【図３】本発明の実施例における排気冷却システムの作用を説明する図である。
【図４】本発明の実施例における連通管に設けられた凹凸部の他の例について示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１・・・内燃機関
２・・・気筒
８・・・吸気枝管
９・・・吸気管
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ・・・ノズル部
１５・・・連通管
１５ａ・・・凹凸部
１８・・・排気枝管
１９・・・排気管
２０・・・排気浄化触媒
３０・・・排気ポート
Ｄ・・・ノズル部直径
Ｌ・・・ノズル部長さ
【図１】
2005207277.tif 000003
【図２】
2005207277.tif 000004
【図３】
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【図４】
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