内燃機関の排気構造
【課題】過給機を搭載する複数気筒のエンジンの１つの気筒の排気ポートからＥＧＲガスを採取すると、他の気筒との間で背圧にアンバランスが生じ、過給圧が変動する。
【解決手段】複数の気筒からの排気通路が合流する排気合流点３４と、前記排気合流点より下流に設けられた過給機１４と、前記排気通路の内、前記気筒の出口から前記排気合流点までの間にＥＧＲガス通路と連通する連通部を有するＥＧＲガス供給排気通路１６を少なくとも１つ有する内燃機関の排気構造であって、前記ＥＧＲガス供給排気通路は、前記連通部から前記排気合流点までの間に、他の排気通路の断面積より、断面積が小さくなる狭窄部４０を有することを特徴とする内燃機関の排気構造を提供する。
【解決手段】複数の気筒からの排気通路が合流する排気合流点３４と、前記排気合流点より下流に設けられた過給機１４と、前記排気通路の内、前記気筒の出口から前記排気合流点までの間にＥＧＲガス通路と連通する連通部を有するＥＧＲガス供給排気通路１６を少なくとも１つ有する内燃機関の排気構造であって、前記ＥＧＲガス供給排気通路は、前記連通部から前記排気合流点までの間に、他の排気通路の断面積より、断面積が小さくなる狭窄部４０を有することを特徴とする内燃機関の排気構造を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気構造に関するものであり、特に複数の気筒を有する内燃機関において、１つの気筒の排気通路中にＥＧＲガス通路との連通部を有し、排気通路の下流側に過給機を有するタイプの内燃機関の排気構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）は、排気ガスの一部（以後「ＥＧＲガス」と呼ぶ。）を吸気側に戻すことで、燃焼温度を低下させ、ＮＯｘといった窒素酸化物の生成を抑制するシステムである。ＥＧＲガスの取得箇所は、排気系であればよいのであるが、エンジンの小型化および部品点数の減少を考慮すると、シリンダヘッド内であって、できるだけ吸気側に近い点が好適である。
【０００３】
特許文献１には、シリンダヘッド内の排気ポートにＥＧＲガス通路を連通させた構成が開示されている。ここでは直列４気筒の内燃機関（以後「エンジン」とも呼ぶ。）の両端の気筒（＃１および＃４の気筒）の排気ポートにＥＧＲガス通路への連通部を設け、シリンダヘッドの外側にＥＧＲ通路を配して、インテークマニホールドの中央部分にＥＧＲガスを放出する構成が示されている。
【０００４】
また、過給機は、タービンホイールとコンプレッサーホイールをシャフトで連結したものを、タービン室およびコンプレッサー室内に密閉し、排気ガスでタービンホイールを回転させ、コンプレッサーホイールで燃焼室に送る吸気に圧力を与える。
【０００５】
このように過給機は排気ガスによってタービンホイールを回転させるため、排気ガスの圧力（以後「背圧」と呼ぶ。）の変動が、エンジン全体の出力変動の要因となる。
【０００６】
例えば特許文献２には、内部に排気ポートおよびその集合部を設けた４気筒エンジンのシリンダヘッドの排気口に直接過給機を設ける際の課題として、第１気筒と第４気筒そして第２気筒と第３気筒では、排気ポートの長さが異なるため、これら２つのグループ間で背圧が異なり、過給機の回転が一定しないことを上げている。
【０００７】
特許文献２では、この課題に対して、第１気筒と第４気筒のグループと、第２気筒と第３気筒のグループで、排気ポートの出口を上下に分け、それぞれの出口の断面積を調整することで、過給機から見た背圧が安定するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】実開昭５９−０６７５６４号公報
【特許文献２】特開２００７−２８５１６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
過給機を搭載したエンジンにＥＧＲを搭載し、なおかつエンジンをコンパクトにしようとすると、シリンダヘッド中にＥＧＲガス通路を設けることと、過給機に安定した背圧の排気ガスを供給することが必要である。この際、特許文献１のようにＥＧＲガス通路を複数個設けるのは、構造が複雑になる。したがって、複数の気筒のうち、１つの気筒の排気系からＥＧＲガスを取得するのが好適と考えられる。
【００１０】
しかし、複数の気筒間の排気系にアンバランスを生じさせると、過給機へ供給する排気ガスの背圧（過給圧）がばらつき、エンジン全体の出力を低下させるという課題が生じる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記の課題に鑑み想到された発明であり、過給機とＥＧＲを搭載し、しかも小型化が可能となる内燃機関の排気構造を提供するものである。
【００１２】
より具体的に本発明の内燃機関の排気構造は、
複数の気筒からの排気通路が合流する排気合流点と、
前記排気合流点より下流に設けられた過給機と、
前記排気通路の内、前記気筒の出口から前記排気合流点までの間にＥＧＲガス通路と連通する連通部を有するＥＧＲガス供給排気通路を少なくとも１つ有する内燃機関の排気構造であって、
前記ＥＧＲガス供給排気通路は、前記連通部から前記排気合流点までの間に、他の排気通路の断面積より、断面積が小さくなる狭窄部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の内燃機関の排気構造は、ＥＧＲガスを採取する排気通路では他の排気通路より断面積を小さくするので、過給機に対する過給圧の変動を小さくすることができる。また、ＥＧＲガス通路への連通部より下流側の断面積が絞られるため、ＥＧＲガス通路のガス圧および流量が増加し、燃費を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の排気構造の構成を示す図である。
【図２】本発明の排気構造の他の実施形態を示す図である。
【図３】狭窄部を可変にした本発明の排気構造の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明を説明する。なお、以下の説明は本発明の一実施形態を例示するものであり、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、下記の実施形態を変形してもよい。
【００１６】
図１は、本発明の内燃機関の排気構造１を示す図である。本発明の内燃機関の排気構造１では、複数の気筒を有するシリンダヘッド１０と、シリンダヘッド１０に連結された排気手段１２と排気手段１２の途中に配設された過給機１４（タービンホイール１４ｔ側）と排気手段１２から吸気系側にＥＧＲガスを送るＥＧＲガス通路１６を含む。なお、シリンダヘッド１０には、吸気系として、インテークマニホールド７０、スロットルボディ７１、インタークーラ７２、過給機１４（コンプレッサーホイール１４ｃ側）、エアクリーナ（図示せず）等が連結されていてもよい。また、インテークマニホールド７０はサージタンクを含んでよい。
【００１７】
シリンダヘッド１０には、複数の気筒２０が形成される。図１では、２気筒の場合を示すが、３気筒以上であってもよい。第１気筒および第２気筒をそれぞれ符号２０ａ、２０ｂと表す。各気筒２０には燃焼室２１となる空間が設けられている。燃焼室２１からは吸気ポート２２と排気ポート２４が、シリンダヘッド１０の対向する側面側に向かって形成される。シリンダヘッド１０の排気ポート２４の出口２４ｏが形成された方の面を排気面１０ｅｘとし、吸気ポート２２の出口が形成された面を吸気面１０ｉｎと呼ぶ。なお、第１気筒２０ａと第２気筒２０ｂの燃焼室２１、吸気ポート２２、排気ポート２４をそれぞれ符号２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂとする。
【００１８】
排気ポート２４は、燃焼室２１から排気面１０ｅｘの間までに集合され、シリンダヘッド１０の排気面１０ｅｘでは１つの出口２４ｏとして形成されている。つまり、排気マニホールド２６はシリンダヘッド１０中に形成されている。なお、図１の実施形態においては、排気ポート２４の出口２４ｏと排気マニホールド２６の出口２６ｏは一致する。シリンダヘッド１０の排気面１０ｅｘの出口２４ｏには、接合管２８が接合され、過給機１４のタービンホイール入口１４ｔｉに連通される。
【００１９】
過給機１４は、タービンホイール１４ｔとコンプレッサーホイール１４ｃをシャフト１４ｓで連結したものである。排気ガスによってタービンホイール１４ｔを回転させる。タービンホイール１４ｔの回転はシャフト１４ｓによってコンプレッサーホイール１４ｃを回転させる。コンプレッサーホイール１４ｃは吸気系に配置されているので、スロットルボディ７１、インテークマニホールド７０を通じて、気筒２０への吸気に圧力を加える。
【００２０】
そのため、過給機１４には、コンプレッサーホイール１４ｃに吸気が入るコンプレッサーホイール入口１４ｃｉと、加圧された吸気が排出されるコンプレッサーホイール出口１４ｃｏと、タービンホイール１４ｔに排気ガスが入るタービンホイール入口１４ｔｉとタービンホイール１４ｔを回転させた排気ガスが排出されるタービンホイール出口１４ｔｏが形成されている。
【００２１】
過給機１４のタービンホイール出口１４ｔｏには、排気管３０が連結される。排気管３０の下流側には、排気ガス中の未燃焼成分や煤を燃焼させるための触媒（図示せず）や消音マフラー（図示せず）が連結される。燃焼室２１の出口から消音マフラーの先端までを排気手段１２と呼ぶ。
【００２２】
ここで、１つの気筒２０の燃焼室２１の排気口から形成される排気ガスの通路を排気通路３２と呼ぶ。また、排気通路３２同士が合流する点を排気合流点３４と呼ぶ。図１では、シリンダヘッド１０内で形成された排気マニホールド２６が排気合流点３４である。なお、第１気筒２０ａの排気通路および第２気筒２０ｂの排気通路をそれぞれ符号３２ａ、３２ｂとする。
【００２３】
図２には、排気通路３２の他の形態を示す。図２（ａ）は、シリンダヘッド１０の排気面１０ｅｘに気筒２０毎の排気ポート出口（２４ａｏ、２４ｂｏ）が形成され、排気面１０ｅｘに排気マニホールド２６が別部品として接続されているタイプを示す。このタイプでは、排気通路３２は、排気ポート２４に等しい。排気合流点３４はシリンダヘッド１０に接合された排気マニホールド２６である。
【００２４】
また、図２（ｂ）には、シリンダヘッド１０の排気ポート出口（２４ａｏ、２４ｂｏ）に直接排気管３０が接続され、排気管３０同士が合流するタイプを示す。なお、第１気筒２０ａの排気管および第２気筒２０ｂの排気管をそれぞれ符号３０ａ、３０ｂで表す。この場合は、排気通路３２は排気ポート２４とそれに続く排気管３０をも含む。排気合流点３４は、排気管３０同士が合流する地点である。なお、本発明においては、排気合流点３４が存在し、排気合流点３４の下流に過給機１４が設けられる。
【００２５】
再び図１を参照して、複数ある気筒２０からの排気通路３２中の１つの排気通路３２にはＥＧＲガス通路１６との連通部１８が設けられる。ＥＧＲガス通路１６との連通部１８が設けられた排気通路３２をＥＧＲガス供給排気通路３２ｘと呼ぶ。複数ある気筒２０の中で、どの気筒２０の排気通路３２を、ＥＧＲガス供給排気通路３２ｘとするかは、特に限定されるものではない。
【００２６】
ただし、ＥＧＲガス通路１６は、ＥＧＲバルブ３６が設置される地点に向かって、シリンダヘッド１０中に形成される必要がある。一方、シリンダヘッド１０中には、燃焼室２１を開閉するためのバルブを配置する孔や、点火プラグを配置する孔のほか、バルブを駆動するカムシャフトの受けや、冷却水を流すためのウォータージャケットが設けられる（これらは図示していない）。なお、ＥＧＲバルブ３６からは、下流側ＥＧＲガス通路１６ｂが吸気系と連通している。ここではインテークマニホールド７０の真ん中の開口に連通し、排気ガスを吸気と混合する例を示す。
【００２７】
従って、複数ある気筒２０の端にある気筒２０の排気通路３２をＥＧＲガス供給排気通路３２ｘとするのが好適である場合が多い。本実施の形態の場合は、２気筒の構成であるので、第１気筒２０ａの排気通路３２ａ、若しくは第２気筒２０ｂの排気通路３２ｂのどちらでもＥＧＲガス供給排気通路３２ｘとしてよい。ここでは、第２気筒２０ｂの排気通路３２ｂをＥＧＲガス供給排気通路３２ｘとした。
【００２８】
なお、図２（ｂ）のように、排気通路３２に排気管３０を含む場合であって、排気管３０にＥＧＲガス通路１６との連通部１８を設ける場合は、どの排気管３０をＥＧＲガス供給排気通路３２ｘとしてもよい。シリンダヘッド１０の外部に連通部１８を設ける場合は、スペース的な猶予があるからである。
【００２９】
再び図１を参照し、ＥＧＲガス供給排気通路３２ｘにおいて、ＥＧＲガス通路１６との連通部１８は、燃焼室２１の出口から排気合流点３４までの間に形成される。そして、さらに連通部１８と排気合流点３４までの間には、断面積が他の排気通路の断面積より狭くなる狭窄部４０を有する。
【００３０】
燃焼室２１から排気ガスを排出する際には、排気手段１２の出口までの距離や形状と共に、背圧が重要な要因となる。特に複数ある気筒２０間で背圧にばらつきがあると、過給機１４付きの内燃機関は、過給圧がばらつくため、全体として出力の低下が生じる。したがって、気筒２０間では背圧に大きなばらつきが生じないようにする必要がある。そこで、各気筒２０の排気通路３２の断面積は排気合流点３４まではほぼ同じ断面積にするのが好ましい。
【００３１】
ＥＧＲガス供給排気通路３２ｘにおいては、排気合流点３４までの間にＥＧＲガス通路１６との間の連通部１８、すなわち開口端を有することとなる。つまり、ＥＧＲガス供給排気通路３２ｘは、他の気筒２０からの排気通路３２と比較して、その断面積が連通部１８の分だけ広くなる。そこで、排気合流点３４までの間に狭窄部４０を設け、排気合流点３４から見たときに、他の気筒２０（ここでは第１気筒２０ａ）の排気通路３２ａと背圧が同程度になるようにＥＧＲガス供給排気通路３２ｘの断面積を調整する。
【００３２】
連通部１８の形成箇所は上記のように、燃焼室２１の出口から狭窄部４０までの間であればよく、特に限定されるものではない。排気通路３２の形状に応じて、最もＥＧＲガスを取得しやすい場所を適宜決めることができる。
【００３３】
また、排気合流点３４から見たときに各気筒２０の背圧が同じ程度にするには、狭窄部４０の断面積と連通部１８の断面積の合計が、他の排気通路３２の断面積とほぼ等しくなるようにする。ＥＧＲガス供給排気通路３２ｘでは、燃焼室２１から出た排気ガスの一部がＥＧＲガス通路１６に逃げる。つまり、連通部１８より下流のＥＧＲガス供給排気通路３２ｘ中を通過する排気ガスの量は、他の排気通路３２を通る排気ガスの量より少ない。しかし、狭窄部４０で排気ガスの通過断面積を小さくすることで、排気合流点３４から見た時のＥＧＲガス供給排気通路３２ｘの背圧は他の排気通路３２の背圧と同じ程度になるからである。
【００３４】
なお、これは、連通部１８より上流側（燃焼室２１の出口から連通部１８までの間）の排気通路３２の断面積とほぼ等しいとも言える。排気通路３２は、燃焼室２１から排気合流点３４までほぼ一定の断面積で形成されるからである。
【００３５】
また、ここで「ほぼ等しくする」とは、互いの断面積の差が±３０％以下であることをいう。排気通路３２の形状と連通部１８の形成箇所によって背圧をほぼ同じにするために、この程度の違いは生じるからである。
【００３６】
また、「他の排気通路３２」とは、複数気筒２０による複数の排気通路３２のうち、少なくとも１つの排気通路３２とほぼ等しければよい。シリンダヘッド１０中に排気ポート２４の集合部（排気マニホールド２６）まで設けるタイプのシリンダヘッドの場合は、排気通路３２は気筒２０毎に大きく変化する場合が多い。シリンダヘッド１０中のスペースは小さいからである。しかし、対称性を保つために、ＥＧＲガス供給排気通路３２ｘと同じ形状で狭窄部４０だけがない排気通路３２が少なくとも１つは設けられ、その排気通路３２と対で扱われることで、複数の排気通路３２全体のバランスをとることができるからである。
【００３７】
狭窄部４０の形状も特に限定されるものではないが、音速に近い速度で通過する排気ガスに乱流を生じさせない形状が望ましい。
【００３８】
このように、排気合流点３４から見たときに各排気通路３２の背圧が同程度になるようすることで、排気合流点３４の下流に設けられた過給機１４のタービンホイール入口１４ｔｉには、一定の圧力の排気ガスが供給されることとなる。結果、過給機１４のシャフト１４ｓは安定して回転し、コンプレッサーホイール１４ｃも安定した回転で変動の少ない圧力を吸気に与えることができる。
【００３９】
図３には、本発明の他の実施形態の構成を示す。図１と同じ部分の説明は省略する。図３は図１に対して狭窄部４０が、狭窄部材４０ｍと狭窄部材駆動部４０ｄからなり、ＥＧＲガス通路１６の先に配設されるＥＧＲバルブ３６と、エンジン回転数を検知するレブセンサ４２と、狭窄部材駆動部４０ｄとＥＧＲバルブ３６とレブセンサ４２に接続される制御装置５０を含む。なお、制御装置５０はスロットルボディ７１の開度を検知するスロットルセンサ４４が連結されていてもよい。
【００４０】
ＥＧＲは、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気に戻すシステムであるが、常にＥＧＲガスを還元しているのではない。例えば、燃焼が安定していないアイドリング時や、フルパワーが必要なアクセル全開時などは、ＥＧＲを停止させる場合もある。このような場合に、ＥＧＲバルブ３６を閉じるように制御すると、ＥＧＲガス供給排気通路３２ｘは、他の排気通路３２と比較して、逆に排気ガスを排出しにくい排気通路３２となる。結果、狭窄部４０を設けたことにより、出力が低下してしまう。
【００４１】
そこで、ＥＧＲバルブ３６が閉じるような制御を行う場合は、狭窄部４０でも断面積を広げて、他の排気通路３２と同じ断面積にするように、狭窄部４０を可変制御する。
【００４２】
狭窄部材４０ｍは、ＥＧＲガス供給排気通路３２ｘ中に突出する部材である。狭窄部材４０ｍの突出によってＥＧＲガス供給排気通路３２ｘの断面積は所定の狭さになる。狭窄部材駆動部４０ｄは、制御装置５０からの指示信号Ｃｓによって狭窄部材４０ｍをＥＧＲガス供給排気通路３２ｘ中に突出させたり、収納位置に戻したりという移動を行うアクチュエータである。
【００４３】
制御装置５０は、レブセンサ４２からエンジン回転数に相当する信号Ｓｒを受信する。若しくはスロットルセンサ４４からスロットルの開度に相当する信号Ｓｓを受信してもよい。これらの信号に基づいて、ＥＧＲを稼働（ＥＧＲガスを吸気側に戻す）か、止める（ＥＧＲガスを吸気側に戻さない）かを判断する。この判断は、あらかじめブログラムされた処理フローに基づいて行うことができる。
【００４４】
ＥＧＲを停止する際には、制御装置５０は、制御信号ＣｖでＥＧＲバルブ３６を閉じ、同時に制御信号Ｃｓで狭窄部材４０ｍを収納位置に戻す。このようにすることで、ＥＧＲガス供給排気通路３２ｘは他の排気通路３２（ここでは３２ａ）と同じ断面積となる。
【００４５】
ＥＧＲを稼働する際には、制御装置５０は、制御信号ＣｖでＥＧＲバルブ３６を開き、同時に制御信号Ｃｓで狭窄部材４０ｍをＥＧＲガス供給排気通路３２ｘ中に突出させる。このようにすることで、ＥＧＲガス供給排気通路３２ｘ断面積は狭くなる。結果ＥＧＲガス供給排気通路３２ｘの連通部１８からは排気ガスの一部がＥＧＲガスとしてＥＧＲガス通路１６を吸気側に流れる。
【００４６】
しかし、排気合流点３４からはＥＧＲガス供給排気通路３２ｘの断面積が小さくなり、その結果、排気ガスの流量は少なくなっても、見かけの背圧は同じに見える。したがって、排気合流点３４の下流に設けられた過給機１４は、安定した圧力の排気ガスで駆動することができる。
【００４７】
このように、狭窄部材４０ｍの突出によってＥＧＲガス供給排気通路３２ｘの断面積を変化させると、ＥＧＲの使用状態が変化しても背圧を一定にすることができる。また、狭窄部材４０ｍの突出量は突出部材駆動部４０ｄによって所望の程度に変化させることができる。従って、ＥＧＲガスの流量に応じて、狭窄部４０の断面積を変化させることができるため、エンジン回転数のほぼ全域にわたって、ＥＧＲバルブ３６の開度に関わらず背圧を一定にすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の内燃機関の排気構造は、シリンダヘッド直後に過給機を有する内燃機関に好適に利用できる。
【符号の説明】
【００４９】
１ 排気構造
１０ シリンダヘッド
１０ｉｎ 吸気面
１０ｅｘ 排気面
１２ 排気手段
１４ 過給機
１４ｓ （過給機の）シャフト
１４ｃ コンプレッサーホイール
１４ｃｉ コンプレッサーホイール入口
１４ｃｏ コンプレッサーホイール出口
１４ｔ タービンホイール
１４ｔｉ タービンホイール入口
１４ｔｏ タービンホイール出口
１６ ＥＧＲガス通路
１６ｂ 下流側ＥＧＲガス通路
１８ 連通部
２０ 気筒
２０ａ 第１気筒、 ２０ｂ 第２気筒
２１ 燃焼室
２１ａ （第１気筒の）燃焼室、 ２１ｂ （第２気筒の）燃焼室
２２ 吸気ポート
２２ａ （第１気筒の）吸気ポート、 ２２ｂ （第２気筒の）吸気ポート
２４ 排気ポート
２４ａ （第１気筒の）排気ポート、 ２４ｂ （第２気筒の）排気ポート
２４ｏ （排気ポートの）出口
２４ａｏ （第１気筒の排気ポートの）出口
２４ｂｏ （第２気筒の排気ポートの）出口
２６ 排気マニホールド
２６ｏ （排気マニホールドの）出口
２８ 接合管
３０ 排気管
３０ａ （第１気筒の）排気管、 ３０ｂ （第２気筒の）排気管
３２ 排気通路
３２ａ （第１気筒の）排気通路、 ３２ｂ （第２気筒の）排気通路
３２ｘ ＥＧＲガス供給排気通路
３４ 排気合流点
３６ ＥＧＲバルブ
４０ 狭窄部
４０ｍ 狭窄部材
４０ｄ 狭窄部材駆動部
４２ レブセンサ
４４ スロットルセンサ
５０ 制御装置
７０ インテークマニホールド
７１ スロットルボディ
７２ インタークーラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気構造に関するものであり、特に複数の気筒を有する内燃機関において、１つの気筒の排気通路中にＥＧＲガス通路との連通部を有し、排気通路の下流側に過給機を有するタイプの内燃機関の排気構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）は、排気ガスの一部（以後「ＥＧＲガス」と呼ぶ。）を吸気側に戻すことで、燃焼温度を低下させ、ＮＯｘといった窒素酸化物の生成を抑制するシステムである。ＥＧＲガスの取得箇所は、排気系であればよいのであるが、エンジンの小型化および部品点数の減少を考慮すると、シリンダヘッド内であって、できるだけ吸気側に近い点が好適である。
【０００３】
特許文献１には、シリンダヘッド内の排気ポートにＥＧＲガス通路を連通させた構成が開示されている。ここでは直列４気筒の内燃機関（以後「エンジン」とも呼ぶ。）の両端の気筒（＃１および＃４の気筒）の排気ポートにＥＧＲガス通路への連通部を設け、シリンダヘッドの外側にＥＧＲ通路を配して、インテークマニホールドの中央部分にＥＧＲガスを放出する構成が示されている。
【０００４】
また、過給機は、タービンホイールとコンプレッサーホイールをシャフトで連結したものを、タービン室およびコンプレッサー室内に密閉し、排気ガスでタービンホイールを回転させ、コンプレッサーホイールで燃焼室に送る吸気に圧力を与える。
【０００５】
このように過給機は排気ガスによってタービンホイールを回転させるため、排気ガスの圧力（以後「背圧」と呼ぶ。）の変動が、エンジン全体の出力変動の要因となる。
【０００６】
例えば特許文献２には、内部に排気ポートおよびその集合部を設けた４気筒エンジンのシリンダヘッドの排気口に直接過給機を設ける際の課題として、第１気筒と第４気筒そして第２気筒と第３気筒では、排気ポートの長さが異なるため、これら２つのグループ間で背圧が異なり、過給機の回転が一定しないことを上げている。
【０００７】
特許文献２では、この課題に対して、第１気筒と第４気筒のグループと、第２気筒と第３気筒のグループで、排気ポートの出口を上下に分け、それぞれの出口の断面積を調整することで、過給機から見た背圧が安定するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】実開昭５９−０６７５６４号公報
【特許文献２】特開２００７−２８５１６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
過給機を搭載したエンジンにＥＧＲを搭載し、なおかつエンジンをコンパクトにしようとすると、シリンダヘッド中にＥＧＲガス通路を設けることと、過給機に安定した背圧の排気ガスを供給することが必要である。この際、特許文献１のようにＥＧＲガス通路を複数個設けるのは、構造が複雑になる。したがって、複数の気筒のうち、１つの気筒の排気系からＥＧＲガスを取得するのが好適と考えられる。
【００１０】
しかし、複数の気筒間の排気系にアンバランスを生じさせると、過給機へ供給する排気ガスの背圧（過給圧）がばらつき、エンジン全体の出力を低下させるという課題が生じる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記の課題に鑑み想到された発明であり、過給機とＥＧＲを搭載し、しかも小型化が可能となる内燃機関の排気構造を提供するものである。
【００１２】
より具体的に本発明の内燃機関の排気構造は、
複数の気筒からの排気通路が合流する排気合流点と、
前記排気合流点より下流に設けられた過給機と、
前記排気通路の内、前記気筒の出口から前記排気合流点までの間にＥＧＲガス通路と連通する連通部を有するＥＧＲガス供給排気通路を少なくとも１つ有する内燃機関の排気構造であって、
前記ＥＧＲガス供給排気通路は、前記連通部から前記排気合流点までの間に、他の排気通路の断面積より、断面積が小さくなる狭窄部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の内燃機関の排気構造は、ＥＧＲガスを採取する排気通路では他の排気通路より断面積を小さくするので、過給機に対する過給圧の変動を小さくすることができる。また、ＥＧＲガス通路への連通部より下流側の断面積が絞られるため、ＥＧＲガス通路のガス圧および流量が増加し、燃費を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の排気構造の構成を示す図である。
【図２】本発明の排気構造の他の実施形態を示す図である。
【図３】狭窄部を可変にした本発明の排気構造の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明を説明する。なお、以下の説明は本発明の一実施形態を例示するものであり、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、下記の実施形態を変形してもよい。
【００１６】
図１は、本発明の内燃機関の排気構造１を示す図である。本発明の内燃機関の排気構造１では、複数の気筒を有するシリンダヘッド１０と、シリンダヘッド１０に連結された排気手段１２と排気手段１２の途中に配設された過給機１４（タービンホイール１４ｔ側）と排気手段１２から吸気系側にＥＧＲガスを送るＥＧＲガス通路１６を含む。なお、シリンダヘッド１０には、吸気系として、インテークマニホールド７０、スロットルボディ７１、インタークーラ７２、過給機１４（コンプレッサーホイール１４ｃ側）、エアクリーナ（図示せず）等が連結されていてもよい。また、インテークマニホールド７０はサージタンクを含んでよい。
【００１７】
シリンダヘッド１０には、複数の気筒２０が形成される。図１では、２気筒の場合を示すが、３気筒以上であってもよい。第１気筒および第２気筒をそれぞれ符号２０ａ、２０ｂと表す。各気筒２０には燃焼室２１となる空間が設けられている。燃焼室２１からは吸気ポート２２と排気ポート２４が、シリンダヘッド１０の対向する側面側に向かって形成される。シリンダヘッド１０の排気ポート２４の出口２４ｏが形成された方の面を排気面１０ｅｘとし、吸気ポート２２の出口が形成された面を吸気面１０ｉｎと呼ぶ。なお、第１気筒２０ａと第２気筒２０ｂの燃焼室２１、吸気ポート２２、排気ポート２４をそれぞれ符号２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂとする。
【００１８】
排気ポート２４は、燃焼室２１から排気面１０ｅｘの間までに集合され、シリンダヘッド１０の排気面１０ｅｘでは１つの出口２４ｏとして形成されている。つまり、排気マニホールド２６はシリンダヘッド１０中に形成されている。なお、図１の実施形態においては、排気ポート２４の出口２４ｏと排気マニホールド２６の出口２６ｏは一致する。シリンダヘッド１０の排気面１０ｅｘの出口２４ｏには、接合管２８が接合され、過給機１４のタービンホイール入口１４ｔｉに連通される。
【００１９】
過給機１４は、タービンホイール１４ｔとコンプレッサーホイール１４ｃをシャフト１４ｓで連結したものである。排気ガスによってタービンホイール１４ｔを回転させる。タービンホイール１４ｔの回転はシャフト１４ｓによってコンプレッサーホイール１４ｃを回転させる。コンプレッサーホイール１４ｃは吸気系に配置されているので、スロットルボディ７１、インテークマニホールド７０を通じて、気筒２０への吸気に圧力を加える。
【００２０】
そのため、過給機１４には、コンプレッサーホイール１４ｃに吸気が入るコンプレッサーホイール入口１４ｃｉと、加圧された吸気が排出されるコンプレッサーホイール出口１４ｃｏと、タービンホイール１４ｔに排気ガスが入るタービンホイール入口１４ｔｉとタービンホイール１４ｔを回転させた排気ガスが排出されるタービンホイール出口１４ｔｏが形成されている。
【００２１】
過給機１４のタービンホイール出口１４ｔｏには、排気管３０が連結される。排気管３０の下流側には、排気ガス中の未燃焼成分や煤を燃焼させるための触媒（図示せず）や消音マフラー（図示せず）が連結される。燃焼室２１の出口から消音マフラーの先端までを排気手段１２と呼ぶ。
【００２２】
ここで、１つの気筒２０の燃焼室２１の排気口から形成される排気ガスの通路を排気通路３２と呼ぶ。また、排気通路３２同士が合流する点を排気合流点３４と呼ぶ。図１では、シリンダヘッド１０内で形成された排気マニホールド２６が排気合流点３４である。なお、第１気筒２０ａの排気通路および第２気筒２０ｂの排気通路をそれぞれ符号３２ａ、３２ｂとする。
【００２３】
図２には、排気通路３２の他の形態を示す。図２（ａ）は、シリンダヘッド１０の排気面１０ｅｘに気筒２０毎の排気ポート出口（２４ａｏ、２４ｂｏ）が形成され、排気面１０ｅｘに排気マニホールド２６が別部品として接続されているタイプを示す。このタイプでは、排気通路３２は、排気ポート２４に等しい。排気合流点３４はシリンダヘッド１０に接合された排気マニホールド２６である。
【００２４】
また、図２（ｂ）には、シリンダヘッド１０の排気ポート出口（２４ａｏ、２４ｂｏ）に直接排気管３０が接続され、排気管３０同士が合流するタイプを示す。なお、第１気筒２０ａの排気管および第２気筒２０ｂの排気管をそれぞれ符号３０ａ、３０ｂで表す。この場合は、排気通路３２は排気ポート２４とそれに続く排気管３０をも含む。排気合流点３４は、排気管３０同士が合流する地点である。なお、本発明においては、排気合流点３４が存在し、排気合流点３４の下流に過給機１４が設けられる。
【００２５】
再び図１を参照して、複数ある気筒２０からの排気通路３２中の１つの排気通路３２にはＥＧＲガス通路１６との連通部１８が設けられる。ＥＧＲガス通路１６との連通部１８が設けられた排気通路３２をＥＧＲガス供給排気通路３２ｘと呼ぶ。複数ある気筒２０の中で、どの気筒２０の排気通路３２を、ＥＧＲガス供給排気通路３２ｘとするかは、特に限定されるものではない。
【００２６】
ただし、ＥＧＲガス通路１６は、ＥＧＲバルブ３６が設置される地点に向かって、シリンダヘッド１０中に形成される必要がある。一方、シリンダヘッド１０中には、燃焼室２１を開閉するためのバルブを配置する孔や、点火プラグを配置する孔のほか、バルブを駆動するカムシャフトの受けや、冷却水を流すためのウォータージャケットが設けられる（これらは図示していない）。なお、ＥＧＲバルブ３６からは、下流側ＥＧＲガス通路１６ｂが吸気系と連通している。ここではインテークマニホールド７０の真ん中の開口に連通し、排気ガスを吸気と混合する例を示す。
【００２７】
従って、複数ある気筒２０の端にある気筒２０の排気通路３２をＥＧＲガス供給排気通路３２ｘとするのが好適である場合が多い。本実施の形態の場合は、２気筒の構成であるので、第１気筒２０ａの排気通路３２ａ、若しくは第２気筒２０ｂの排気通路３２ｂのどちらでもＥＧＲガス供給排気通路３２ｘとしてよい。ここでは、第２気筒２０ｂの排気通路３２ｂをＥＧＲガス供給排気通路３２ｘとした。
【００２８】
なお、図２（ｂ）のように、排気通路３２に排気管３０を含む場合であって、排気管３０にＥＧＲガス通路１６との連通部１８を設ける場合は、どの排気管３０をＥＧＲガス供給排気通路３２ｘとしてもよい。シリンダヘッド１０の外部に連通部１８を設ける場合は、スペース的な猶予があるからである。
【００２９】
再び図１を参照し、ＥＧＲガス供給排気通路３２ｘにおいて、ＥＧＲガス通路１６との連通部１８は、燃焼室２１の出口から排気合流点３４までの間に形成される。そして、さらに連通部１８と排気合流点３４までの間には、断面積が他の排気通路の断面積より狭くなる狭窄部４０を有する。
【００３０】
燃焼室２１から排気ガスを排出する際には、排気手段１２の出口までの距離や形状と共に、背圧が重要な要因となる。特に複数ある気筒２０間で背圧にばらつきがあると、過給機１４付きの内燃機関は、過給圧がばらつくため、全体として出力の低下が生じる。したがって、気筒２０間では背圧に大きなばらつきが生じないようにする必要がある。そこで、各気筒２０の排気通路３２の断面積は排気合流点３４まではほぼ同じ断面積にするのが好ましい。
【００３１】
ＥＧＲガス供給排気通路３２ｘにおいては、排気合流点３４までの間にＥＧＲガス通路１６との間の連通部１８、すなわち開口端を有することとなる。つまり、ＥＧＲガス供給排気通路３２ｘは、他の気筒２０からの排気通路３２と比較して、その断面積が連通部１８の分だけ広くなる。そこで、排気合流点３４までの間に狭窄部４０を設け、排気合流点３４から見たときに、他の気筒２０（ここでは第１気筒２０ａ）の排気通路３２ａと背圧が同程度になるようにＥＧＲガス供給排気通路３２ｘの断面積を調整する。
【００３２】
連通部１８の形成箇所は上記のように、燃焼室２１の出口から狭窄部４０までの間であればよく、特に限定されるものではない。排気通路３２の形状に応じて、最もＥＧＲガスを取得しやすい場所を適宜決めることができる。
【００３３】
また、排気合流点３４から見たときに各気筒２０の背圧が同じ程度にするには、狭窄部４０の断面積と連通部１８の断面積の合計が、他の排気通路３２の断面積とほぼ等しくなるようにする。ＥＧＲガス供給排気通路３２ｘでは、燃焼室２１から出た排気ガスの一部がＥＧＲガス通路１６に逃げる。つまり、連通部１８より下流のＥＧＲガス供給排気通路３２ｘ中を通過する排気ガスの量は、他の排気通路３２を通る排気ガスの量より少ない。しかし、狭窄部４０で排気ガスの通過断面積を小さくすることで、排気合流点３４から見た時のＥＧＲガス供給排気通路３２ｘの背圧は他の排気通路３２の背圧と同じ程度になるからである。
【００３４】
なお、これは、連通部１８より上流側（燃焼室２１の出口から連通部１８までの間）の排気通路３２の断面積とほぼ等しいとも言える。排気通路３２は、燃焼室２１から排気合流点３４までほぼ一定の断面積で形成されるからである。
【００３５】
また、ここで「ほぼ等しくする」とは、互いの断面積の差が±３０％以下であることをいう。排気通路３２の形状と連通部１８の形成箇所によって背圧をほぼ同じにするために、この程度の違いは生じるからである。
【００３６】
また、「他の排気通路３２」とは、複数気筒２０による複数の排気通路３２のうち、少なくとも１つの排気通路３２とほぼ等しければよい。シリンダヘッド１０中に排気ポート２４の集合部（排気マニホールド２６）まで設けるタイプのシリンダヘッドの場合は、排気通路３２は気筒２０毎に大きく変化する場合が多い。シリンダヘッド１０中のスペースは小さいからである。しかし、対称性を保つために、ＥＧＲガス供給排気通路３２ｘと同じ形状で狭窄部４０だけがない排気通路３２が少なくとも１つは設けられ、その排気通路３２と対で扱われることで、複数の排気通路３２全体のバランスをとることができるからである。
【００３７】
狭窄部４０の形状も特に限定されるものではないが、音速に近い速度で通過する排気ガスに乱流を生じさせない形状が望ましい。
【００３８】
このように、排気合流点３４から見たときに各排気通路３２の背圧が同程度になるようすることで、排気合流点３４の下流に設けられた過給機１４のタービンホイール入口１４ｔｉには、一定の圧力の排気ガスが供給されることとなる。結果、過給機１４のシャフト１４ｓは安定して回転し、コンプレッサーホイール１４ｃも安定した回転で変動の少ない圧力を吸気に与えることができる。
【００３９】
図３には、本発明の他の実施形態の構成を示す。図１と同じ部分の説明は省略する。図３は図１に対して狭窄部４０が、狭窄部材４０ｍと狭窄部材駆動部４０ｄからなり、ＥＧＲガス通路１６の先に配設されるＥＧＲバルブ３６と、エンジン回転数を検知するレブセンサ４２と、狭窄部材駆動部４０ｄとＥＧＲバルブ３６とレブセンサ４２に接続される制御装置５０を含む。なお、制御装置５０はスロットルボディ７１の開度を検知するスロットルセンサ４４が連結されていてもよい。
【００４０】
ＥＧＲは、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気に戻すシステムであるが、常にＥＧＲガスを還元しているのではない。例えば、燃焼が安定していないアイドリング時や、フルパワーが必要なアクセル全開時などは、ＥＧＲを停止させる場合もある。このような場合に、ＥＧＲバルブ３６を閉じるように制御すると、ＥＧＲガス供給排気通路３２ｘは、他の排気通路３２と比較して、逆に排気ガスを排出しにくい排気通路３２となる。結果、狭窄部４０を設けたことにより、出力が低下してしまう。
【００４１】
そこで、ＥＧＲバルブ３６が閉じるような制御を行う場合は、狭窄部４０でも断面積を広げて、他の排気通路３２と同じ断面積にするように、狭窄部４０を可変制御する。
【００４２】
狭窄部材４０ｍは、ＥＧＲガス供給排気通路３２ｘ中に突出する部材である。狭窄部材４０ｍの突出によってＥＧＲガス供給排気通路３２ｘの断面積は所定の狭さになる。狭窄部材駆動部４０ｄは、制御装置５０からの指示信号Ｃｓによって狭窄部材４０ｍをＥＧＲガス供給排気通路３２ｘ中に突出させたり、収納位置に戻したりという移動を行うアクチュエータである。
【００４３】
制御装置５０は、レブセンサ４２からエンジン回転数に相当する信号Ｓｒを受信する。若しくはスロットルセンサ４４からスロットルの開度に相当する信号Ｓｓを受信してもよい。これらの信号に基づいて、ＥＧＲを稼働（ＥＧＲガスを吸気側に戻す）か、止める（ＥＧＲガスを吸気側に戻さない）かを判断する。この判断は、あらかじめブログラムされた処理フローに基づいて行うことができる。
【００４４】
ＥＧＲを停止する際には、制御装置５０は、制御信号ＣｖでＥＧＲバルブ３６を閉じ、同時に制御信号Ｃｓで狭窄部材４０ｍを収納位置に戻す。このようにすることで、ＥＧＲガス供給排気通路３２ｘは他の排気通路３２（ここでは３２ａ）と同じ断面積となる。
【００４５】
ＥＧＲを稼働する際には、制御装置５０は、制御信号ＣｖでＥＧＲバルブ３６を開き、同時に制御信号Ｃｓで狭窄部材４０ｍをＥＧＲガス供給排気通路３２ｘ中に突出させる。このようにすることで、ＥＧＲガス供給排気通路３２ｘ断面積は狭くなる。結果ＥＧＲガス供給排気通路３２ｘの連通部１８からは排気ガスの一部がＥＧＲガスとしてＥＧＲガス通路１６を吸気側に流れる。
【００４６】
しかし、排気合流点３４からはＥＧＲガス供給排気通路３２ｘの断面積が小さくなり、その結果、排気ガスの流量は少なくなっても、見かけの背圧は同じに見える。したがって、排気合流点３４の下流に設けられた過給機１４は、安定した圧力の排気ガスで駆動することができる。
【００４７】
このように、狭窄部材４０ｍの突出によってＥＧＲガス供給排気通路３２ｘの断面積を変化させると、ＥＧＲの使用状態が変化しても背圧を一定にすることができる。また、狭窄部材４０ｍの突出量は突出部材駆動部４０ｄによって所望の程度に変化させることができる。従って、ＥＧＲガスの流量に応じて、狭窄部４０の断面積を変化させることができるため、エンジン回転数のほぼ全域にわたって、ＥＧＲバルブ３６の開度に関わらず背圧を一定にすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の内燃機関の排気構造は、シリンダヘッド直後に過給機を有する内燃機関に好適に利用できる。
【符号の説明】
【００４９】
１ 排気構造
１０ シリンダヘッド
１０ｉｎ 吸気面
１０ｅｘ 排気面
１２ 排気手段
１４ 過給機
１４ｓ （過給機の）シャフト
１４ｃ コンプレッサーホイール
１４ｃｉ コンプレッサーホイール入口
１４ｃｏ コンプレッサーホイール出口
１４ｔ タービンホイール
１４ｔｉ タービンホイール入口
１４ｔｏ タービンホイール出口
１６ ＥＧＲガス通路
１６ｂ 下流側ＥＧＲガス通路
１８ 連通部
２０ 気筒
２０ａ 第１気筒、 ２０ｂ 第２気筒
２１ 燃焼室
２１ａ （第１気筒の）燃焼室、 ２１ｂ （第２気筒の）燃焼室
２２ 吸気ポート
２２ａ （第１気筒の）吸気ポート、 ２２ｂ （第２気筒の）吸気ポート
２４ 排気ポート
２４ａ （第１気筒の）排気ポート、 ２４ｂ （第２気筒の）排気ポート
２４ｏ （排気ポートの）出口
２４ａｏ （第１気筒の排気ポートの）出口
２４ｂｏ （第２気筒の排気ポートの）出口
２６ 排気マニホールド
２６ｏ （排気マニホールドの）出口
２８ 接合管
３０ 排気管
３０ａ （第１気筒の）排気管、 ３０ｂ （第２気筒の）排気管
３２ 排気通路
３２ａ （第１気筒の）排気通路、 ３２ｂ （第２気筒の）排気通路
３２ｘ ＥＧＲガス供給排気通路
３４ 排気合流点
３６ ＥＧＲバルブ
４０ 狭窄部
４０ｍ 狭窄部材
４０ｄ 狭窄部材駆動部
４２ レブセンサ
４４ スロットルセンサ
５０ 制御装置
７０ インテークマニホールド
７１ スロットルボディ
７２ インタークーラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の気筒からの排気通路が合流する排気合流点と、
前記排気合流点より下流に設けられた過給機と、
前記排気通路の内、前記気筒の出口から前記排気合流点までの間にＥＧＲガス通路と連通する連通部を有するＥＧＲガス供給排気通路を少なくとも１つ有する内燃機関の排気構造であって、
前記ＥＧＲガス供給排気通路は、前記連通部から前記排気合流点までの間に、他の排気通路の断面積より、断面積が小さくなる狭窄部を有することを特徴とする内燃機関の排気構造。
【請求項１】
複数の気筒からの排気通路が合流する排気合流点と、
前記排気合流点より下流に設けられた過給機と、
前記排気通路の内、前記気筒の出口から前記排気合流点までの間にＥＧＲガス通路と連通する連通部を有するＥＧＲガス供給排気通路を少なくとも１つ有する内燃機関の排気構造であって、
前記ＥＧＲガス供給排気通路は、前記連通部から前記排気合流点までの間に、他の排気通路の断面積より、断面積が小さくなる狭窄部を有することを特徴とする内燃機関の排気構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−７２３２７（Ｐ２０１３−７２３２７Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１０９０７（Ｐ２０１１−２１０９０７）
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（０００００２９６７）ダイハツ工業株式会社 (2,560)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（０００００２９６７）ダイハツ工業株式会社 (2,560)
【Ｆターム（参考）】
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