(57)【要約】【課題】排気脈動干渉を減少させて、低回転数でのトルクが改善された、排気マニホールドとシリンダーヘッドの一体型エンジンを提供する。【解決手段】排気バルブの開放される区間が互いにオーバーラップしない第１シリンダーと、第１シリンダーに隣接しない第４シリンダーについて、第１シリンダーからの排気ガスが通過する第１排気通路と、第４シリンダーからの排気ガスが通過する第４排気通路とが合流された１つのシングル排気出口が形成された排気マニホールドを有して、排気マニホールドとシリンダーヘッドを一体に形成されている。さらに、互いに隣接する第２シリンダーと第３シリンダーから排出される排気ガスをそれぞれ排出する第２排気通路と第３排気通路を有し、それぞれに第２排気出口と第３排気出口が形成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気バルブの開放される区間が互いにオーバーラップせず、かつ互いに隣接しない少なくとも２つのシリンダーからの排気ガスを、少なくとも１つのシングル排気出口として形成された排気マニホールドを有し、前記排気マニホールドとシリンダーヘッドが一体に形成されていることを特徴とする排気マニホールドとシリンダーヘッドの一体型エンジン。
【請求項２】
前記排気マニホールドが、さらに互いに隣接する２つのシリンダー、第２シリンダーと第３シリンダー、からの排気ガスが流れる第２排気通路と第３排気通路を有し、それぞれに第２排気出口と第３排気出口が形成されることを特徴とする請求項１に記載の排気マニホールドとシリンダーヘッドの一体型エンジン。
【請求項３】
排気バルブの開放される区間が互いにオーバーラップしない第１シリンダーと、前記第１シリンダーに隣接しない第４シリンダーでなり、前記第１シリンダーからの排気ガスが流れる第１排気通路と、第４シリンダーからの排気ガスが流れる第４排気通路とが合流して１つのシングル排気出口とした排気マニホールドを有していることを特徴とする請求項１に記載の排気マニホールドとシリンダーヘッドの一体型エンジン。
【請求項４】
さらに、第２シリンダーと第３シリンダーを有し、前記第１シリンダー、前記第２シリンダー、前記第３シリンダー、及び前記第４シリンダーが順に配置され、前記排気マニホールドには、さらに、前記第２シリンダーと連通する第２排気通路と前記第３シリンダーと連通する第３排気通路がそれぞれ形成されて、前記第２排気通路には第２排気出口が、前記第３排気通路には第３排気出口が形成されることを特徴とする請求項３に記載の排気マニホールドとシリンダーヘッドの一体型エンジン。
【請求項５】
前記シングル排気出口、前記第２排気出口、及び前記第３排気出口は、１つの排気出口集合部を形成することを特徴とする請求項４に記載の排気マニホールドとシリンダーヘッドの一体型エンジン。
【請求項６】
前記排気マニホールドには、前記第１排気通路、前記第２排気通路、前記第３排気通路、及び前記第４排気通路のそれぞれに隣接するように冷却水ジャケットが形成されことを特徴とする請求項４に記載の排気マニホールドとシリンダーヘッドの一体型エンジン。
【請求項７】
前記冷却水ジャケットが、前記シングル排気出口に合流される前の前記第１排気通路と前記第４排気通路、さらに前記第２排気通路、前記第３排気通路のそれぞれに隣接して配置されることを特徴とする請求項６に記載の排気マニホールドとシリンダーヘッドの一体型エンジン。
【請求項８】
前記排気出口集合部に、ツインスクロールターボチャージャーが装着されることを特徴とする請求項５に記載の排気マニホールドとシリンダーヘッドの一体型エンジン。
【請求項９】
前記ツインスクロールターボチャージャーは、１つのシャフトに互いに隣接して配置される第１スクロールと第２スクロールを含み、前記第１スクロールは前記シングル排気出口と連通し、前記第２スクロールは前記第２排気出口または前記第３排気出口と連通することを特徴とする請求項８に記載の排気マニホールドとシリンダーヘッドの一体型エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気マニホールドとシリンダーヘッドの一体型エンジンに関し、より詳細には、排気効率が向上した排気マニホールドとシリンダーヘッドの一体型エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、排気マニホールドは、シリンダーヘッドと別途の部品として開発され、これをエンジンに装着しているが、その形体および配置は、エンジン全体の性能、耐久性に大きく影響している。例えば、エンジンルーム内に排気マニホールドを収容することができる空間を確保しなければならず、さらに周辺部品に熱害を及ぼさないように、周辺部品との間に十分な間隔を置くなどの配慮が必要である。
他方、排気マニホールドの後方に装着される触媒が迅速に活性化されるように、触媒をエンジンに近く配置されるように考慮しなければならない。従って、排気マニホールドをコンパクトにしてエンジンに配置する必要がある。
【０００３】
また、直列４気筒エンジンなどシリンダーの個数が増えるに従って、排気脈動干渉によって、エンジンの重要な特性である低／中速トルクが減少する問題点があった。そこで、多気筒エンジンの各気筒の吸入空気量を均一に制御して、各気筒の空燃比及び燃焼室内圧力の相違を排除することにより排気エミッションの悪化を防止し、エンジンのトルク変動を低減する多気筒エンジンの吸・排気弁制御装置及びその制御方法などの提案がなされている〔特許文献１参照〕。
【０００４】
図６は一般的な４気筒エンジンの排気行程を示す構成図である。エンジンは、第１シリンダー（♯１）、第２シリンダー（♯２）、第３シリンダー（♯３）、及び第４シリンダー（♯４）でなり、各シリンダーの吸気側及び排気側は、ターボチャージャー６００、６０５に連結されている。膨張（爆発）行程は、第１シリンダー（♯１）→第３シリンダー（♯３）→第４シリンダー（♯４）→第２シリンダー（♯２）の順に行われる。従って、第１シリンダー（♯１）で排気バルブ（図示せず）が開放される区間（ＥＶＯ−ＥＶＣ）及び第２シリンダー（♯２）で排気バルブ（図示せず）が開放される区間（ＥＶＯ−ＥＶＣ）がオーバーラップする。第２シリンダー（♯２）で排気バルブが閉鎖される前に、第１シリンダー（♯１）で排気バルブが開放されるようになるが、この時、第１シリンダー（♯１）から排出された排出ガスの排気圧力が高いために、第２シリンダー（♯２）の残留ガスが効率的に掃気されない問題点がある。
【０００５】
また、従来の排気マニホールドとシリンダーヘッドを一体にしたエンジンでは、排気マニホールドを一体に形成することにより、エンジンのコンパクト化を図り、気筒列方向に燃焼室周りを通る第１ウォータジャケットと、気筒列方向に排気マニホールド周りを通る第２ウォータジャケットとを形成して冷却する排気マニホールド一体型エンジンの冷却構造〔特許文献２参照〕、燃焼室周り及び排気マニホールド周りをそれぞれ冷却することができる排気マニホールド一体型シリンダーヘッドの冷却構造〔特許文献３参照〕などの報告がある。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−０３７７２７号公報
【特許文献２】特開２００５−１８８３５２号公報
【特許文献３】特開２００７−２７８０６５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明の目的は、排気脈動干渉を減少させて、低回転数でのトルクが改善された、排気マニホールドとシリンダーヘッドの一体型エンジンを提供することにある。また、排気圧力を低減して、残留ガスが効率的に掃気される排気マニホールドとシリンダーヘッドの一体型エンジンを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成すべくなされた本発明は、排気マニホールドとシリンダーヘッドの一体型エンジンであり、排気バルブの開放される区間が互いにオーバーラップせず、かつ互いに隣接しない少なくとも２つのシリンダーからの排気ガスを、少なくとも１つのシングル排気出口として形成された排気マニホールドを有し、排気マニホールドとシリンダーヘッドを一体に形成されている。
【０００９】
特に、排気バルブの開放される区間が互いにオーバーラップしない第１シリンダーと、第１シリンダーに隣接しない第４シリンダーでなり、第１シリンダーからの排気ガスが流れる第１排気通路と、第４シリンダーからの排気ガスが流れる第４排気通路とが合流して１つのシングル排気出口とした排気マニホールドを有している排気マニホールドとシリンダーヘッドの一体型エンジンである。
【００１０】
さらに、互いに隣接する２つのシリンダー、第２シリンダーと第３シリンダー、からの排気ガスがそれぞれ流れる第２排気通路と第３排気通路を有し、それぞれに第２排気出口と第３排気出口が形成される。そして、上記シングル排気出口と、第２排気出口及び第３排気出口は、１つの排気出口集合部を形成している。
【００１１】
排気マニホールドには、シングル排気出口に合流される前の第１排気通路と第４排気通路、さらに第２排気通路、第３排気通路のそれぞれに隣接するように冷却水ジャケットが形成されるのが好ましい。
【００１２】
排気出口集合部に、ツインスクロールターボチャージャーが装着され、ツインスクロールターボチャージャーは、１つのシャフトに互いに隣接して配置される第１スクロールと第２スクロールを含み、第１スクロールはシングル排気出口と連通し、第２スクロールは第２排気出口または第３排気出口と連通するのが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による排気マニホールドとシリンダーヘッドの一体型エンジンでは、互いに排気脈動干渉を起こすことがない排気通路を１つにし、排気脈動干渉を起こす可能性がある排気通路を別々に配置することによって、低回転数でのトルクが改善されて、残留ガスが効率的に掃気される。排気マニホールドの排気通路の間に冷却水ジャケットが形成されることによって、熱負荷の影響を多く受けるターボチャージャーの耐久性が向上する。また、マニホールドの排気ガス出口にツインスクロールターボチャージャーが直接装着されることによって、吸入空気の圧縮比が向上される。さらに、排気マニホールドとシリンダーヘッドを一体にまとめることでの原価低減も可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付した図面を参照しながら、実施の形態を例にして本発明を詳細に説明する。本発明は、以下の実施の形態以外に多様な形態で実施でき、以下の実施の形態に限定されるものではない。
図１は、本発明の排気マニホールドとシリンダーヘッドの一体型エンジンの概略的な構成図であり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線による断面図である。
【００１５】
図１に示すように、シリンダーヘッド１００ａには、第１シリンダー（♯１）、第２シリンダー（♯２）、第３シリンダー（♯３）、第４シリンダー（♯４）が配置されている。
シリンダーヘッド１００ａには、排気マニホールド１００ｂが一体に形成されており、マニホールド１００ｂには、第１排気通路１１１、第２排気通路１１２、第３排気通路１１３、及び第４排気通路１１４が形成されて、第１排気通路１１１は第１シリンダー（♯１）に、第２排気通路１１２は第２シリンダー（♯２）に、第３排気通路１１３は第３シリンダー（♯３）に、第４排気通路１１４は第４シリンダー（♯４）にそれぞれ連結されている。
【００１６】
図１の下部に示したように、第１排気通路１１１と第４排気通路１１４は、第２、３シリンダー（♯２、♯３）の中間部分で合流されて、１つのシングル排気出口１２１としている。
第２排気通路１１２には第２排気出口１２２、第３排気出口１２３には第３排気通路１１３がそれぞれ形成されて、シングル排気出口１２１の下部に隣接して、第２排気出口１２２及び第３排気出口１２３が順に配置される。そして、シングル排気出口１２１、第２排気出口１２２、及び第３排気出口１２３は、１つの排気出口集合部を構成している。
【００１７】
このように、互いに排気脈動干渉を起こすことがない排気通路を１つにし、排気脈動干渉を起こす可能性がある排気通路を別々に配置することによって、低回転数でのトルクが改善されて、残留ガスが効率的に掃気されるとともに、排気ガスの脈動による騒音、振動が低減される。
【００１８】
第１、２、３、４排気通路１１１、１１２、１１３、１１４、及び排気出口集合部１２１、１２２、１２３の周囲には、冷却水ジャケット１２４が形成される。冷却水ジャケット１２４は、シリンダーヘッド１００ａと一体に形成されたマニホールド１００ｂの内部に形成された内部冷却水通路によって形成され、冷却水ジャケット１２４の冷却水によって第１、２、３、４排気通路１１１、１１２、１１３、１１４、及び排気出口集合部１２１、１２２、１２３を通過する排気ガスが冷却される。
【００１９】
図２に示すように、第１排気通路１１１と第４排気通路１１４が合流する前に、第１排気通路１１１と第４排気通路１１４の間にマニホールドの余裕空間が形成されている。この余裕空間に、冷却水ジャケット１２４が配置されて、しかも、第１排気通路１１１と第４排気通路１１４が冷却水ジャケット１２４と隣接する面積を増加させることによって、通過する排気ガスが効率よく冷却される。
【００２０】
同様に、第２、３排気通路１１２、１１３も、冷却水ジャケット１２４と隣接する面積を大きくすることによって、通過する排気ガスを効率的に冷却することができる。
【００２１】
この実施の形態で、排気出口集合部１２１、１２２、１２３にターボチャージャーを連結させると、排気ガスの脈動が減少し、かつ排気ガスの温度を低く抑えることができることから、ターボチャージャーの耐久性と性能を向上させることができる。
【００２２】
図３は、本発明の実施の形態による４気筒エンジンの排気行程及び排気圧力を示した表である。図３を参照すれば、第１シリンダー（♯１）は、排気、吸気、圧縮、膨張を順に行い、第４シリンダー（♯４）は、第１シリンダー（♯１）と対応して、圧縮、膨張、排気、吸気を順に行う。
また、第２シリンダー（♯２）は、第１シリンダー（♯１）と対応して、吸気、圧縮、膨張、排気を順に行い、第３シリンダー（♯３）は、第１シリンダー（♯１）と対応して、膨張、排気、吸気、圧縮を順に行う。
【００２３】
第１シリンダー（♯１）と第４シリンダー（♯４）を見てみると、第１シリンダー（♯１）が排気区間（ＥＶＯ−ＥＶＣ）である時、第４シリンダー（♯４）は圧縮行程であり、第１シリンダー（♯１）が吸気行程である時、第４シリンダー（♯４）は膨張行程である。
【００２４】
より詳細に説明すれば、第１シリンダー（♯１）が吸気行程である時、第４シリンダー（♯４）は膨張行程であり、この膨張行程の最後の部分に排気バルブが開放される。従って、第１シリンダー（♯１）と第４シリンダー（♯４）の排気バルブが全て開放されるオーバーラップ区間が存在しない。
【００２５】
以上の実施の形態では、図１に示したように、第１、４シリンダー（♯１、♯４）の排気通路１１１、１１４が１つのシングル排気出口１２１に合流されるが、これらの各排気バルブ（図示せず）が開放される区間がオーバーラップしないので、残留ガスが第１、４シリンダー（♯１、♯４）の内側に残留する問題点が減少する。
【００２６】
また、第１、４シリンダー（♯１、♯４）の排気ガスが互いに排気脈動干渉を起こさないので、低／中速トルクが減少しない。特に、低回転数である時に高い負荷が加えられる場合、吸気圧（ｉｎｔａｋｅ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）が一定であれば、排気圧（ｅｘｈａｕｓｔ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）が低いほど、残留ガスの掃気（ｒｅｓｉｄｕａｌ  ｇａｓｅｓ  ｓｃａｖｅｎｇｉｎｇ）効果が増大される。
【００２７】
一方、第２シリンダー（♯２）と第３シリンダー（♯３）は、それぞれ異なる別々の排気通路１１２、１１３を使用するので、互いに排気脈動干渉がほとんど起こらない。この実施の形態とは別に、第２、３シリンダー（♯２、♯３）と連結された第２、３排気通路１１２、１１３を１つの排気通路に合流させることもできる。
【００２８】
図３に示すように、マニホールドで排気バルブのオーバーラップ区間が存在しないので、全体的に排気圧力が分散されて排気圧力の最高値が減少して、排気脈動干渉が減少する。
【００２９】
図４は、本発明の実施の形態による排気側に装着されるツインスクロールターボチャージャーの断面図である。ツインスクロールターボチャージャーは、第１スクロールと第２スクロールのあるツインスクロール４００、タービンホイール４０５、タービンハウジング４１０、及びコンプレッサーホイール４２０を有し、ツインスクロール４００は排気ガスによって回転し、コンプレッサーホイール４２０は吸入空気をエンジンのシリンダーの内部にチャージする。
【００３０】
図１と図４を参照すれば、第１スクロールはシングル排気出口１２１と連結し、第２スクロールは第２、３排気出口１２２、１２３と連結される。このような構造によって、排気ガスの排気脈動エネルギーを効率的に吸入空気に伝達して、排気効率及び吸気効率が向上する。
【００３１】
一般的なシングルスクロールターボチャージャー（図示せず）の場合には、第１シリンダーの排気行程が完了する時に第３シリンダーの排気行程が開始されることによって、これらがオーバーラップする瞬間に排気圧力が上昇して、排気効率が低下する。しかし、ツインスクロールターボチャージャーを利用した本実施の形態では、排気行程時に他のシリンダーの排気圧力を上昇させないようにすることによって、排気圧力が脈動によって一時的に上昇するのを防止することができる。
【００３２】
図５は、本発明の実施の形態によるツインスクロールターボチャージャーの効果を示した図である。シングルスクロールターボチャージャーとツインスクロールターボチャージャーを比較すると、回転数が１５００ｒｐｍで、シングルスクロールターボチャージャーの圧縮比が１．２５であり、ツインスクロールターボチャージャーの圧縮比は１．３７である。また、１７５０ｒｐｍでは、シングルスクロールターボチャージャーの圧縮比が１．４５であり、ツインスクロールターボチャージャーの圧縮比は１．６４である。
上記したように、排気側に１つのスクロールが形成されたシングルスクロールターボチャージャーより、排気側に２つのスクロールが形成されたツインスクロールターボチャージャーは、排気バルブが開放される時に発生する排気ガスの脈動エネルギーを効率的に利用して、吸入空気の圧縮比（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  ｒａｔｉｏ）を高くすることができ、エンジンの出力及び燃焼効率が向上することになる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の排気マニホールドとシリンダーヘッドの一体型エンジンの概略的な構成図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線による断面図である。
【図３】本発明の実施の形態による４気筒エンジンの排気行程及び排気圧力を示した図である。
【図４】本発明の実施の形態による排気側に装着されるツインスクロールターボチャージャーの断面図である。
【図５】本発明の実施の形態によるツインスクロールターボチャージャーの効果を示した図である。
【図６】一般的な４気筒エンジン及び排気行程を示した構成図である。
【符号の説明】
【００３４】
♯１；第１シリンダー
♯２；第２シリンダー
♯３；第３シリンダー
♯４；第４シリンダー
１００ａ；シリンダーヘッド
１００ｂ；マニホールド
１１１；第１排気通路
１１２；第２排気通路
１１３；第３排気通路
１１４；第４排気通路
１２１；シングル排気出口
１２２；第２排気出口
１２３；第３排気出口
１２４；冷却水ジャケット
４００；ツインスクロール
４０５；タービンホイール
４１０；タービンハウジング
４２０；コンプレッサーホイール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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