JP2020186696A - Internal combustion engine with supercharger - Google Patents

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正和 田畑
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Abstract

To provide an internal combustion engine with a supercharger which is reduced in a pumping loss.SOLUTION: An internal combustion engine with a supercharger comprises an exhaust manifold 60 for merging exhaust gases discharged from an exhaust port through a plurality of exhaust pipes 61 with each other in an aggregation part 62, and a supercharger turbine 70 arranged at an exhaust downstream side of the exhaust manifold 60. A throttle part is formed at exhaust downstream-side end parts of the exhaust pipes which are coagulated in the aggregation part which is most approximate to the supercharger turbine 70 in the aggregation part 62. The throttle part has a cross section area which is smaller than a cross section are of the exhaust pipe 61 except for the exhaust downstream-side end parts, and equal to 80% and smaller than 100% with respect to an effective cross section area St of the supercharger turbine 70 which is defined by a flow rate dm/dt of the exhaust gas passing the supercharger turbine 70, fluid density ρ, and a pressure ratio p1/p2 of the supercharger turbine 70. By this constitution, exhaust interference can be reduced without largely increasing a pumping loss, and can obtain high turbine power.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、車両に備えられた多気筒の過給機付き内燃機関に関する。 The present invention relates to a multi-cylinder turbocharged internal combustion engine installed in a vehicle.

従来から、各気筒の排気ポートから排出される排気ガスをエキゾーストマニホールドを用いて合流させ、その直下流において過給機用タービンのタービンハウジング内に排気ガスを送出するように構成された多気筒の過給機付き内燃機関が知られている。このような過給機付き内燃機関の一つ(以下、「従来機関」と称呼される。)は、エキゾーストマニホールドの集合部の直上流に先細ノズル形状の流路部を設けることにより、排気ガスの出口部分における動圧を一旦増大させるようになっている。これにより、各気筒から発生する排気パルスの他の気筒への回り込み(所謂、排気干渉)が低減される。更に、従来機関は、排気ガス循環装置(外部EGR)を備えており、上記のように排気ガスの出口部分における動圧を一旦増大させることにより、外部EGRに排気パルスを効果的に作用させ、EGR率を向上させることができるようになっている(例えば、特許文献1を参照。)。 Conventionally, a multi-cylinder structure is configured such that the exhaust gas discharged from the exhaust port of each cylinder is merged by using an exhaust manifold and the exhaust gas is sent out into the turbine housing of the turbocharger turbine immediately downstream of the exhaust manifold. Internal combustion engines with a supercharger are known. One of such an internal combustion engine with a supercharger (hereinafter, referred to as a "conventional engine") is exhaust gas by providing a tapered nozzle-shaped flow path portion immediately upstream of the collecting portion of the exhaust manifold. The dynamic pressure at the outlet part of the is once increased. As a result, the exhaust pulse generated from each cylinder wraps around to other cylinders (so-called exhaust interference) is reduced. Further, the conventional engine is equipped with an exhaust gas recirculation device (external EGR), and by temporarily increasing the dynamic pressure at the outlet portion of the exhaust gas as described above, the exhaust pulse is effectively applied to the external EGR. The EGR rate can be improved (see, for example, Patent Document 1).

特開2007−64099号公報(図2)JP-A-2007-64099 (Fig. 2) 特開2005−16313号公報(図4)Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-16313 (Fig. 4)

ところで、従来機関においては、EGR率の向上と排気干渉の低減のため、最小流路断面積(各排気管の集合部先端のノズル部の断面積)が1気筒あたりの排気弁の最大開口面積の約25%となるように設定されている。また、特許文献2に開示された内燃機関の場合、排気管の仕切り部の終了する位置における2つの排気通路の断面積の和が、タービンハウジング内の導入部とスクロール部との境界における排気通路の断面積の50%〜80%となるように設定されている。 By the way, in a conventional engine, in order to improve the EGR rate and reduce exhaust interference, the minimum flow path cross-sectional area (cross-sectional area of the nozzle at the tip of each exhaust pipe assembly) is the maximum opening area of the exhaust valve per cylinder. It is set to be about 25% of. Further, in the case of the internal combustion engine disclosed in Patent Document 2, the sum of the cross-sectional areas of the two exhaust passages at the end position of the partition portion of the exhaust pipe is the sum of the cross-sectional areas of the exhaust passage at the boundary between the introduction portion and the scroll portion in the turbine housing. It is set to be 50% to 80% of the cross-sectional area of.

このように、従来機関及び特許文献2に開示された内燃機関は、エキゾーストマニホールドの各排気管内の「絞り部」の断面積が、排気弁の最大開口面積又はスクロール部入口の断面積に対して過剰に小さくされている。しかし、このような構成により、エキゾーストマニホールド内の圧力が過剰に上昇するので、ポンピングロスが増大したり排気弁が意図せず開弁したりする虞がある。更に、従来機関及び特許文献2に開示された内燃機関は、エキゾーストマニホールドとタービンのスクロール部との間にディフューザを設け、圧力損失を低減する必要があった。 As described above, in the conventional engine and the internal combustion engine disclosed in Patent Document 2, the cross-sectional area of the "throttle portion" in each exhaust pipe of the exhaust manifold is relative to the maximum opening area of the exhaust valve or the cross-sectional area of the entrance of the scroll portion. It has been made excessively small. However, with such a configuration, the pressure in the exhaust manifold rises excessively, so that the pumping loss may increase or the exhaust valve may open unintentionally. Further, in the conventional engine and the internal combustion engine disclosed in Patent Document 2, it is necessary to provide a diffuser between the exhaust manifold and the scroll portion of the turbine to reduce the pressure loss.

本発明は上記問題に対処するために為されたものである。即ち、本発明の目的の一つは、ポンピングロスを大きく増大させることなく排気干渉を低減し、以て、高いタービン仕事率を実現可能な過給機付き内燃機関を提供することにある。 The present invention has been made to address the above problems. That is, one of the objects of the present invention is to provide an internal combustion engine with a supercharger capable of reducing exhaust interference without significantly increasing pumping loss and thus achieving a high turbine power.

本発明の過給機付き内燃機関(以下、「本発明機関」とも称呼する。)は、複数の気筒(22)と、エキゾーストマニホールド(60)と、過給機用タービン(70)と、を備えている。 The internal combustion engine with a supercharger of the present invention (hereinafter, also referred to as "the engine of the present invention") includes a plurality of cylinders (22), an exhaust manifold (60), and a turbine for a supercharger (70). I have.

前記複数の気筒は、排気弁(25)を備えている。前記エキゾーストマニホールドは、前記排気弁が開弁しているときに前記複数の気筒の排気ポート(26)と接続された複数の排気管(61)を通して前記排気ポートから排出される排気ガスを集合部(62)において合流させるようになっている。前記過給機用タービンは、前記エキゾーストマニホールドの排気下流側に設けられている。 The plurality of cylinders include an exhaust valve (25). The exhaust manifold collects exhaust gas discharged from the exhaust port through a plurality of exhaust pipes (61) connected to the exhaust ports (26) of the plurality of cylinders when the exhaust valve is open. It is designed to merge in (62). The turbocharger turbine is provided on the exhaust downstream side of the exhaust manifold.

しかし、複数の排気管の集合部においては、排気弁の開弁期間がオーバラップしている2つの気筒にそれぞれ対応する排気管の間で排気干渉が発生し、排気下流側の過給機用タービンに向かう排気ガスの量が減少してしまうので、過給機用タービンのエネルギー効率が低下してしまう。 However, in the gathering part of a plurality of exhaust pipes, exhaust interference occurs between the exhaust pipes corresponding to the two cylinders in which the opening periods of the exhaust valves overlap each other, and the exhaust gas is used for the turbocharger on the downstream side of the exhaust gas. Since the amount of exhaust gas directed to the turbine is reduced, the energy efficiency of the turbocharger turbine is reduced.

そこで、本発明機関においては、前記集合部のうち、前記過給機用タービンに最も近い集合部(62a)に集合する排気管の排気下流端部(61a)に、前記排気下流端部を除く前記排気管の断面積(Sep)よりも小さく、且つ、前記過給機用タービンを通過する排気ガスの流量(dm/dt)、流体密度(ρ)及び前記過給機用タービンの圧力比(p1/p2)により定まる前記過給機用タービンの有効断面積(St)に対して80%以上且つ100%未満の断面積(Seo)を有する絞り部(63)が形成されている。 Therefore, in the engine of the present invention, the exhaust downstream end is excluded from the exhaust downstream end (61a) of the exhaust pipe that collects at the exhaust pipe closest to the supercharger turbine (62a). The flow rate (dm / dt) of exhaust gas passing through the turbocharger turbine, the fluid density (ρ), and the pressure ratio of the turbocharger turbine (ρ), which is smaller than the cross-sectional area (Sep) of the exhaust pipe. A throttle portion (63) having a cross-sectional area (Seo) of 80% or more and less than 100% with respect to the effective cross-sectional area (St) of the turbocharger turbine determined by p 1 / p 2 ) is formed.

一般的に、過給機用タービンは、圧力比(膨張比)により仕事を取り出すため、排気管よりもその断面積が小さくなるように設計されている。つまり、過給機用タービン入口の圧力がより高くなるように設計されている。このため、過給機用タービン直前の集合部においては排気干渉により他気筒に回り込む排気ガスの割合が多くなる傾向がある。従って、本発明機関によれば、例えば、排気管が段階的に集合することにより集合部を複数有するエキゾーストマニホールドにおいては、エキゾーストマニホールドの複数の排気管の集合部のうち、少なくとも過給機用タービンに最も近い集合部に集合する排気管の排気下流端部に「絞り部」が形成される。例えば、集合部を一つだけ有するエキゾーストマニホールドにおいては、当該集合部に集合する排気管の排気下流端部のそれぞれに絞り部が形成される。 Generally, a turbocharger turbine is designed so that its cross-sectional area is smaller than that of an exhaust pipe because work is taken out by a pressure ratio (expansion ratio). That is, it is designed so that the pressure at the turbocharger turbine inlet is higher. For this reason, the proportion of exhaust gas that goes around to other cylinders tends to increase due to exhaust interference at the gathering portion immediately before the turbocharger turbine. Therefore, according to the engine of the present invention, for example, in an exhaust manifold having a plurality of collecting portions by gradually assembling exhaust pipes, at least a turbocharger turbine among the collecting portions of a plurality of exhaust pipes of the exhaust manifold. A "throttle portion" is formed at the exhaust downstream end of the exhaust pipe that gathers at the gathering portion closest to. For example, in an exhaust manifold having only one collecting portion, a throttle portion is formed at each of the exhaust downstream ends of the exhaust pipe that gathers at the collecting portion.

更に、本発明機関は、排気下流端部に形成される「絞り部」の断面積が、過給機用タービンの有効断面積に対して80%以上且つ100%未満に設定されるので、絞り部によってポンピングロスが増大する虞がない。加えて、過給機用タービンに入力する排気ガスの流速が過度に高くなることがないので、エキゾーストマニホールドと過給機用タービンとの間にディフューザを必要としない。従って、本発明機関によれば、ポンピングロスを大きく増大させることなく排気干渉を低減することができ、その結果、高いタービン仕事率を実現することができる。 Further, in the engine of the present invention, the cross-sectional area of the "throttle portion" formed at the downstream end of the exhaust gas is set to 80% or more and less than 100% of the effective cross-sectional area of the turbocharger turbine. There is no possibility that the pumping loss will increase depending on the part. In addition, since the flow velocity of the exhaust gas input to the turbocharger turbine does not become excessively high, a diffuser is not required between the exhaust manifold and the turbocharger turbine. Therefore, according to the engine of the present invention, exhaust interference can be reduced without significantly increasing pumping loss, and as a result, high turbine power can be achieved.

上記説明においては、発明の理解を助けるために、実施形態に対応する発明の構成に対して、実施形態で用いた符号を括弧書きで添えているが、発明の各構成要件は、前記符号によって規定される実施形態に限定されるものではない。 In the above description, in order to help the understanding of the invention, the reference numerals used in the embodiments are attached in parentheses to the configurations of the invention corresponding to the embodiments, but each constituent requirement of the invention is based on the reference numerals. It is not limited to the specified embodiment.

図1は、本発明の第1実施形態に係る過給機付き内燃機関の概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an internal combustion engine with a supercharger according to the first embodiment of the present invention. 図2は、図1に示したエキゾーストマニホールドの外観図であり、(A)は斜視図、(B)は上面図である。2A and 2B are external views of the exhaust manifold shown in FIG. 1, FIG. 2A is a perspective view, and FIG. 2B is a top view. 図3は、図1に示したエキゾーストマニホールド及びタービンの概略断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the exhaust manifold and the turbine shown in FIG. 図4は、図1に示したエキゾーストマニホールドの集合部及び絞り部を模式的に表した図である。FIG. 4 is a diagram schematically showing a gathering portion and a throttle portion of the exhaust manifold shown in FIG. 図5は、図1に示したタービンのブローダウン仕事量の面積比に対する変化を示した図である。FIG. 5 is a diagram showing a change in the blowdown work amount of the turbine shown in FIG. 1 with respect to the area ratio. 図6は、図1に示したエキゾーストマニホールドの集合部直前のガス流量のクランク角に対する変化を示した図である。FIG. 6 is a diagram showing a change in the gas flow rate immediately before the gathering portion of the exhaust manifold shown in FIG. 1 with respect to the crank angle. 図7は、図1に示したタービンに入力するブローダウン時のガス流量の面積比に対する変化を示した図である。FIG. 7 is a diagram showing a change in the area ratio of the gas flow rate at the time of blowdown input to the turbine shown in FIG. 図8は、図1に示したエキゾーストマニホールドの排気管の一つにおける排気圧力のクランク角に対する変化を示した図である。FIG. 8 is a diagram showing a change in the exhaust pressure with respect to the crank angle in one of the exhaust pipes of the exhaust manifold shown in FIG. 図9は、図1に示したエキゾーストマニホールドの排気管の一つにおけるブローダウン時の最大圧力(ピーク値)の面積比に対する変化を示した図である。FIG. 9 is a diagram showing a change in the area ratio of the maximum pressure (peak value) at the time of blowdown in one of the exhaust pipes of the exhaust manifold shown in FIG. 図10は、図1に示したエキゾーストマニホールドの排気管の一つにおける排気弁の開弁期間が他気筒の排気弁の開弁期間とオーバラップしている間の最大圧力の面積比に対する変化を示した図である。FIG. 10 shows the change in the area ratio of the maximum pressure while the valve opening period of the exhaust valve in one of the exhaust pipes of the exhaust manifold shown in FIG. 1 overlaps with the valve opening period of the exhaust valve of the other cylinder. It is a figure shown. 図11は、一般的な内燃機関の最高出力と低速トルクのトレードオフ曲線を示した図であり、(A)はエキゾーストマニホールドに絞り部が設けられていない場合の図、(B)は比較的絞り度合いが小さい絞り部が設けられた場合の図、(C)は比較的絞り度合いが大きい絞り部が設けられた場合の図である。11A and 11B are views showing a trade-off curve between the maximum output and low-speed torque of a general internal combustion engine, FIG. 11A is a view when the exhaust manifold is not provided with a throttle portion, and FIG. The figure in the case where the diaphragm portion with a small degree of aperture is provided, and (C) is the figure in the case where the diaphragm portion with a relatively large degree of aperture is provided. 図12は、本発明の第2実施形態に係るエキゾーストマニホールドの集合部及び絞り部を模式的に表した図である。FIG. 12 is a diagram schematically showing a gathering portion and a throttle portion of the exhaust manifold according to the second embodiment of the present invention. 図13は、本発明の第3実施形態に係るエキゾーストマニホールドの一つの集合部及び絞り部を模式的に表した図と各気筒の排気タイミングの関係を示した図である。FIG. 13 is a diagram schematically showing one gathering portion and a throttle portion of the exhaust manifold according to the third embodiment of the present invention and a diagram showing the relationship between the exhaust timing of each cylinder. 図14は、本発明の第3実施形態に係るエキゾーストマニホールドの一つの集合部及び絞り部を模式的に表した図と各気筒の排気タイミングの関係を示した図である。FIG. 14 is a diagram schematically showing one gathering portion and a throttle portion of the exhaust manifold according to the third embodiment of the present invention and a diagram showing the relationship between the exhaust timing of each cylinder. 図15は、本発明の第4実施形態に係るエキゾーストマニホールドの集合部及び絞り部を模式的に表した図と各気筒の吸気/排気タイミングの関係を示した図である。FIG. 15 is a diagram schematically showing a gathering portion and a throttle portion of the exhaust manifold according to the fourth embodiment of the present invention and a diagram showing the relationship between intake / exhaust timing of each cylinder. 図16は、本発明の第1変形例に係るエキゾーストマニホールドの集合部及び絞り部を模式的に表した図であり、(A)は5気筒の内燃機関への適用例を示した図、(B)は3気筒の内燃機関への適用例を示した図である。FIG. 16 is a diagram schematically showing a gathering portion and a throttle portion of an exhaust manifold according to a first modification of the present invention, and FIG. 16A is a diagram showing an application example of a 5-cylinder internal combustion engine. B) is a diagram showing an example of application to a 3-cylinder internal combustion engine. 図17は、本発明の第2変形例に係るエキゾーストマニホールドの集合部及び絞り部を模式的に表した図であり、ツインスクロール型のタービンへの適用例を示した図である。FIG. 17 is a diagram schematically showing a gathering portion and a throttle portion of the exhaust manifold according to the second modification of the present invention, and is a diagram showing an application example to a twin scroll type turbine. 図18は、本発明の第3変形例に係るエキゾーストマニホールドの集合部及び絞り部を模式的に表した図であり、(A)は集合部を一つだけ有するエキゾーストマニホールドにバイパス管を接続した例を示した図、(B)は集合部を3つ有するエキゾーストマニホールドにバイパス管を接続した例を示した図である。FIG. 18 is a diagram schematically showing the collecting portion and the throttle portion of the exhaust manifold according to the third modification of the present invention, and FIG. 18A shows a bypass pipe connected to the exhaust manifold having only one collecting portion. The figure which showed the example, (B) is the figure which showed the example which connected the bypass pipe to the exhaust manifold which has three gathering parts.

<第1実施形態>
(構成)
図1は、本発明の第1実施形態に係る過給機付き内燃機関(以下、「第1機関」とも称呼される。)10の概略構成図である。第1機関10は、車両(図示せず)に搭載される。第1機関10は、多気筒(本例では直列4気筒)・4サイクル・ピストン往復動型・ディーゼル機関である。第1機関10は、機関本体部20、燃料供給系統30、吸気系統40及び排気系統50を含んでいる。
<First Embodiment>
(Constitution)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an internal combustion engine with a supercharger (hereinafter, also referred to as “first engine”) 10 according to the first embodiment of the present invention. The first engine 10 is mounted on a vehicle (not shown). The first engine 10 is a multi-cylinder (in-line 4-cylinder in this example), 4-cycle, piston reciprocating type, diesel engine. The first engine 10 includes an engine main body 20, a fuel supply system 30, an intake system 40, and an exhaust system 50.

機関本体部20は、シリンダブロック、シリンダヘッド及びクランクケース等を含む本体21を備える。本体21には、4つの気筒(燃焼室)22が形成されている。これら4つの気筒22は、以下、第1気筒#1、第2気筒#2、第3気筒#3及び第4気筒#4とも称呼される。各気筒22の上部には燃料噴射弁(インジェクタ)23が配設されている。 The engine body 20 includes a body 21 including a cylinder block, a cylinder head, a crankcase, and the like. Four cylinders (combustion chambers) 22 are formed in the main body 21. These four cylinders 22 are also hereinafter also referred to as first cylinder # 1, second cylinder # 2, third cylinder # 3, and fourth cylinder # 4. A fuel injection valve (injector) 23 is arranged above each cylinder 22.

燃料噴射弁23は、図示しない電子制御装置(ECU)の指示に応答して開弁し、気筒22内に燃料を直接噴射するようになっている。吸気弁24は、各気筒22に2つずつ設けられる。吸気弁24は、第1気筒#1に対応する第1吸気弁241、第2気筒#2に対応する第2吸気弁242、第3気筒#3に対応する第3吸気弁243及び第4気筒#4に対応する第4吸気弁244を含んでいる。吸気弁24は、図示しないクランクシャフトの回転角(以下、「クランク角」と称呼する。)CAに同期して所定のタイミングにて開弁し、所定のタイミングにて閉弁する。 The fuel injection valve 23 opens in response to an instruction from an electronic control device (ECU) (not shown) to directly inject fuel into the cylinder 22. Two intake valves 24 are provided in each cylinder 22. The intake valve 24 includes a first intake valve 241 corresponding to the first cylinder # 1, a second intake valve 242 corresponding to the second cylinder # 2, a third intake valve 243 corresponding to the third cylinder # 3, and a fourth cylinder. It includes a fourth intake valve 244 corresponding to # 4. The intake valve 24 opens at a predetermined timing in synchronization with the rotation angle (hereinafter, referred to as “crank angle”) CA of a crankshaft (not shown), and closes at a predetermined timing.

排気弁25は、各気筒22に2つずつ設けられる。排気弁25は、第1気筒#1に対応する第1排気弁251、第2気筒#2に対応する第2排気弁252、第3気筒#3に対応する第3排気弁253及び第4気筒#4に対応する第4排気弁254を含んでいる。排気弁25は、クランク角CAに同期して所定のタイミングにて開弁し、所定のタイミングにて閉弁する。排気弁25が開弁してから閉弁するまでの期間(以下、「開弁期間」と称呼する。)は、排気弁25がバルブシートから離間している間にクランクシャフトが回転した角度により定義され、以下、「排気弁作用角θex」と称呼される。この排気弁作用角θexは、図示しない周知の可変バルブ機構により増減可能に構成されている。 Two exhaust valves 25 are provided in each cylinder 22. The exhaust valve 25 includes a first exhaust valve 251 corresponding to the first cylinder # 1, a second exhaust valve 252 corresponding to the second cylinder # 2, a third exhaust valve 253 corresponding to the third cylinder # 3, and a fourth cylinder. It includes a fourth exhaust valve 254 corresponding to # 4. The exhaust valve 25 opens at a predetermined timing in synchronization with the crank angle CA and closes at a predetermined timing. The period from the opening of the exhaust valve 25 to the closing of the valve (hereinafter referred to as "valve opening period") depends on the angle at which the crankshaft rotates while the exhaust valve 25 is separated from the valve seat. It is defined and hereinafter referred to as "exhaust valve working angle θex". The exhaust valve working angle θex is configured to be adjustable by a well-known variable valve mechanism (not shown).

燃料供給系統30は、燃料加圧ポンプ31と、燃料送出管32と、燃料送付管33と、を含む。燃料加圧ポンプ31の吐出口は燃料送出管32に接続されている。燃料送出管32は燃料送付管33に接続されている。燃料送付管33は、燃料噴射弁23に接続されている。燃料加圧ポンプ31は、図示しない燃料タンクに貯留されている燃料を汲み上げた後に加圧し、その加圧された高圧燃料を燃料送出管32を通して燃料送付管33へ供給するようになっている。 The fuel supply system 30 includes a fuel pressurizing pump 31, a fuel delivery pipe 32, and a fuel delivery pipe 33. The discharge port of the fuel pressurizing pump 31 is connected to the fuel delivery pipe 32. The fuel delivery pipe 32 is connected to the fuel delivery pipe 33. The fuel delivery pipe 33 is connected to the fuel injection valve 23. The fuel pressurizing pump 31 pumps up fuel stored in a fuel tank (not shown), pressurizes the fuel, and supplies the pressurized high-pressure fuel to the fuel delivery pipe 33 through the fuel delivery pipe 32.

吸気系統40は、インテークマニホールド41、吸気管42、過給機TCのコンプレッサ43及びインタークーラ44を含んでいる。 The intake system 40 includes an intake manifold 41, an intake pipe 42, a compressor 43 of a supercharger TC, and an intercooler 44.

排気系統50は、エキゾーストマニホールド60及び過給機TCのタービン(過給機用タービン)70等を含んでいる。 The exhaust system 50 includes an exhaust manifold 60, a turbocharger TC turbine (supercharger turbine) 70, and the like.

エキゾーストマニホールド60は、枝部61と、集合部62と、を含んでいる。枝部61は、第1排気管611、第2排気管612、第3排気管613及び第4排気管614を含んでいる。第1排気管611は、その一端が第1気筒#1の排気ポート261と連通し、他端が集合部62に連通している。第2排気管612は、その一端が第2気筒#2の排気ポート262と連通し、他端が集合部62に連通している。第3排気管613は、その一端が第3気筒#3の排気ポート263と連通し、他端が集合部62に連通している。第4排気管614は、その一端が第4気筒#4の排気ポート264と連通し、他端が集合部62に連通している。 The exhaust manifold 60 includes a branch portion 61 and a gathering portion 62. The branch portion 61 includes a first exhaust pipe 611, a second exhaust pipe 612, a third exhaust pipe 613, and a fourth exhaust pipe 614. One end of the first exhaust pipe 611 communicates with the exhaust port 261 of the first cylinder # 1, and the other end communicates with the collecting portion 62. One end of the second exhaust pipe 612 communicates with the exhaust port 262 of the second cylinder # 2, and the other end communicates with the collecting portion 62. One end of the third exhaust pipe 613 communicates with the exhaust port 263 of the third cylinder # 3, and the other end communicates with the collecting portion 62. One end of the fourth exhaust pipe 614 communicates with the exhaust port 264 of the fourth cylinder # 4, and the other end communicates with the collecting portion 62.

集合部62の排気直上流側には、絞り部63が形成されている。絞り部63は第1絞り部631、第2絞り部632、第3絞り部633及び第4絞り部634を含んでいる。 A throttle portion 63 is formed on the exhaust upstream side of the gathering portion 62. The diaphragm portion 63 includes a first diaphragm portion 631, a second diaphragm portion 632, a third diaphragm portion 633, and a fourth diaphragm portion 634.

より具体的に述べると、図2の(A)に示したように、エキゾーストマニホールド60は、更に本体21のシリンダヘッドに結合される取付フランジ64を含む。第1排気管611、第2排気管612、第3排気管613及び第4排気管614の各排気上流端部は、それぞれ取付フランジ64に溶接されている。 More specifically, as shown in FIG. 2A, the exhaust manifold 60 further includes a mounting flange 64 that is coupled to the cylinder head of the main body 21. Each exhaust upstream end of the first exhaust pipe 611, the second exhaust pipe 612, the third exhaust pipe 613, and the fourth exhaust pipe 614 is welded to the mounting flange 64, respectively.

第1絞り部631は、第1排気管611の排気下流端部611aに形成される。第2絞り部632は、第2排気管612の排気下流端部612aに形成される。第3絞り部633は、第3排気管613の排気下流端部613aに形成される。第4絞り部634は、第4排気管614の排気下流端部614aに形成される。第1絞り部63の断面積Seo1は、排気下流端部611aを除く第1排気管611の断面積Sep1よりも小さい。同様に、第2絞り部の断面積Seo2、第3絞り部の断面積Seo3及び第4絞り部の断面積Seo4は、それぞれ第2排気管612の断面積Seo2、第3排気管613の断面積Seo3及び第4排気管614の断面積Seo4よりも小さい。以下、排気下流端部611a、612a、613a及び排気下流端部614aを区別して説明する必要がないときは、単に排気下流端部61aと称呼する。 The first throttle portion 631 is formed at the exhaust downstream end portion 611a of the first exhaust pipe 611. The second throttle portion 632 is formed at the exhaust downstream end portion 612a of the second exhaust pipe 612. The third throttle portion 633 is formed at the exhaust downstream end portion 613a of the third exhaust pipe 613. The fourth throttle portion 634 is formed at the exhaust downstream end portion 614a of the fourth exhaust pipe 614. The cross-sectional area Seo1 of the first throttle portion 63 is smaller than the cross-sectional area Sep1 of the first exhaust pipe 611 excluding the exhaust downstream end portion 611a. Similarly, the cross-sectional area Seo2 of the second throttle portion, the cross-sectional area Seo3 of the third throttle portion, and the cross-sectional area Seo4 of the fourth throttle portion are the cross-sectional areas Seo2 of the second exhaust pipe 612 and the cross-sectional area of the third exhaust pipe 613, respectively. It is smaller than the cross-sectional area of Seo3 and the fourth exhaust pipe 614. Hereinafter, when it is not necessary to distinguish between the exhaust downstream end portions 611a, 612a, 613a and the exhaust downstream end portion 614a, they are simply referred to as the exhaust downstream end portion 61a.

図2の(B)に示したように、集合部(集合部材)62は、入口開口621と出口開口622を有している。出口開口622の周囲には外周方向に突出したフランジ623が形成されている。第1乃至第4排気管611乃至614は、これらの排気下流端部61aが集合部(排気集合管)62の入口開口621にそれぞれ溶接されている。 As shown in FIG. 2B, the collecting portion (collecting member) 62 has an inlet opening 621 and an outlet opening 622. A flange 623 protruding in the outer peripheral direction is formed around the outlet opening 622. In the first to fourth exhaust pipes 611 to 614, the exhaust downstream end portions 61a are welded to the inlet opening 621 of the collecting portion (exhaust collecting pipe) 62, respectively.

図3に示したように、タービン70は、タービンハウジング71、タービンホイール72及び回転軸73等を含んでいる。タービンハウジング71は、排気導入部711と、スクロール部712と、を含んでいる。タービンハウジング71は、排気導入部711からスクロール部712にかけて、流路断面積が一定となるように形成されている。つまり、タービンハウジング71の入口(以下、「タービン入口」と称呼する。)711aの開口面積と、スクロール部712の入口712aの開口面積とは等しい。タービン入口711aの周囲には外周方向に突出したフランジ74が形成されている。 As shown in FIG. 3, the turbine 70 includes a turbine housing 71, a turbine wheel 72, a rotating shaft 73, and the like. The turbine housing 71 includes an exhaust introduction section 711 and a scroll section 712. The turbine housing 71 is formed so that the cross-sectional area of the flow path is constant from the exhaust introduction portion 711 to the scroll portion 712. That is, the opening area of the inlet of the turbine housing 71 (hereinafter, referred to as “turbine inlet”) 711a is equal to the opening area of the inlet 712a of the scroll portion 712. A flange 74 protruding in the outer peripheral direction is formed around the turbine inlet 711a.

ところで、タービン70の有効断面積St(m2) は、タービン70内を流れる排気ガス(流体)の質量流量dm/dt(kg/s)、タービン入口711aにおける排気ガスの流体密度ρ(kg/m3)、タービン入口711aにおける排気ガスの圧力p1とタービン出口における流体の圧力p2の比(以下、「圧力比」と称呼する。)p1/p2に基づいて算出される(以下の(1)式を参照。)。

Figure 2020186696
ここで、κは比熱比、Rは気体定数(J/(mol・K))、Tは絶対温度(K)である。このタービン有効断面積Stは、タービン70の圧力比p1/p2及び質量流量dm/dt等が変動した場合であっても、大きく変動することはなく、主にタービン70の形状及び構造によって決定される。 By the way, the effective cross-sectional area St (m 2 ) of the turbine 70 is the mass flow rate dm / dt (kg / s) of the exhaust gas (fluid) flowing in the turbine 70, and the fluid density ρ (kg / kg / kg / s) of the exhaust gas at the turbine inlet 711a. m 3 ), calculated based on the ratio of the exhaust gas pressure p 1 at the turbine inlet 711a to the fluid pressure p 2 at the turbine outlet (hereinafter referred to as the "pressure ratio") p 1 / p 2 (hereinafter referred to as "pressure ratio"). (1).).
Figure 2020186696
Here, κ is the specific heat ratio, R is the gas constant (J / (mol · K)), and T is the absolute temperature (K). This turbine effective cross-sectional area St does not fluctuate significantly even when the pressure ratio p 1 / p 2 and the mass flow rate dm / dt of the turbine 70 fluctuate, and mainly depends on the shape and structure of the turbine 70. It is determined.

各排気管61の絞り部63の断面積Seoは、それぞれタービン有効断面積Stに対して90%に設定されている。つまり、絞り部63の断面積Seoが、各排気管61の排気下流端部61aを除く各排気管61の断面積Sepよりも小さく、且つ、タービン有効断面積Stに対して90%となるように、各排気管の排気下流端部が形成されている。なお、本例においては、排気下流端部61a(絞り部63)の断面積Seo1、Seo2、Seo3及びSeo4は、それぞれ等しい。 The cross-sectional area Seo of the throttle portion 63 of each exhaust pipe 61 is set to 90% of the effective turbine cross-sectional area St. That is, the cross-sectional area Seo of the throttle portion 63 is smaller than the cross-sectional area Sep of each exhaust pipe 61 excluding the exhaust downstream end 61a of each exhaust pipe 61, and is 90% of the effective turbine cross-sectional area St. The exhaust downstream end of each exhaust pipe is formed. In this example, the cross-sectional areas Seo1, Seo2, Seo3, and Seo4 of the exhaust downstream end portion 61a (throttle portion 63) are equal to each other.

ところで、絞り部63の流路方向の長さが長くされると圧力損失が増大する。一方、絞り部63の流路方向の長さが短くされると絞り部63において縮流が発生して損失が増加する場合がある。そこで、第1機関10においては、絞り部63の流路方向の長さLnは、絞り部63の短辺の長さLsと略等しい長さに設定されている。 By the way, if the length of the throttle portion 63 in the flow path direction is increased, the pressure loss increases. On the other hand, if the length of the throttle portion 63 in the flow path direction is shortened, contraction may occur in the throttle portion 63 and the loss may increase. Therefore, in the first engine 10, the length Ln of the throttle portion 63 in the flow path direction is set to be substantially equal to the length Ls of the short side of the throttle portion 63.

エキゾーストマニホールド60とタービンハウジング71とは、エキゾーストマニホールド60のフランジ623と、タービン70のフランジ74とを突き合わせて固定することにより接続される。タービン70から排出された排気ガスは下流側排気管51を通って触媒52に吸入されるようになっている。 The exhaust manifold 60 and the turbine housing 71 are connected by abutting and fixing the flange 623 of the exhaust manifold 60 and the flange 74 of the turbine 70. The exhaust gas discharged from the turbine 70 is sucked into the catalyst 52 through the downstream exhaust pipe 51.

このような構成により、第1機関10は、吸気弁24を開弁させるとともに燃料噴射弁23を用いて気筒22内に燃料を供給することにより、気筒22内に混合気を形成する。そして、吸気弁を閉弁した後、混合気を圧縮及び燃焼させることによりクランクシャフトを回転させる。更に、排気弁25を開弁させることにより燃焼後の排気ガスをエキゾーストマニホールド60を介してタービン70に供給する。タービン70に供給された排気ガスはタービンホイール72を回転させ、これにより吸気管42に吸入された空気はコンプレッサ43にて圧縮される。 With such a configuration, the first engine 10 forms an air-fuel mixture in the cylinder 22 by opening the intake valve 24 and supplying fuel into the cylinder 22 by using the fuel injection valve 23. Then, after closing the intake valve, the crankshaft is rotated by compressing and burning the air-fuel mixture. Further, by opening the exhaust valve 25, the exhaust gas after combustion is supplied to the turbine 70 via the exhaust manifold 60. The exhaust gas supplied to the turbine 70 rotates the turbine wheel 72, whereby the air sucked into the intake pipe 42 is compressed by the compressor 43.

このように、4つの排気管611乃至614が1つの集合部62に集合し、タービン70に接続される構成は、図4に示したように、簡易的な模式図にて表される。図4において、各排気管の集合部62は、記号「 ● 」にて表され、絞り部63は、記号「 )( 」にて表される。なお、このような構成は、後述の「4−2−1の構成」に対して「4−1の構成」とも称呼される場合がある。 As described above, the configuration in which the four exhaust pipes 611 to 614 are assembled in one collecting portion 62 and connected to the turbine 70 is represented by a simple schematic diagram as shown in FIG. In FIG. 4, the collecting portion 62 of each exhaust pipe is represented by the symbol “●”, and the throttle portion 63 is represented by the symbol “) (”. Such a configuration is represented by “4” described later. It may also be referred to as "4-1 configuration" as opposed to "2-1 configuration".

<第1機関の作用と効果>
このように、第1機関10の絞り部63の断面積Seoをタービン有効断面積Stの90%に設定した理由について、以下に詳細に述べる。先ず、絞り部63の断面積Seoを設定するにあたり、発明者は以下の特性に着目し、絞り部63の断面積Seoを変化させて、これらの特性がどのように変化するかを評価した。
(1)タービン70のブローダウン仕事量
(2)排気管61内の流量
(3)排気管61内の圧力
<Action and effect of the first institution>
The reason why the cross-sectional area Seo of the throttle portion 63 of the first engine 10 is set to 90% of the effective turbine cross-sectional area St will be described in detail below. First, in setting the cross-sectional area SEO of the drawing portion 63, the inventor paid attention to the following characteristics, changed the cross-sectional area Seo of the drawing portion 63, and evaluated how these characteristics change.
(1) Blow-down work of the turbine 70 (2) Flow rate in the exhaust pipe 61 (3) Pressure in the exhaust pipe 61

(1)タービンのブローダウン仕事量
図5に示されたグラフの横軸は、タービン有効断面積Stに対する絞り部63の断面積Seoの比α(=Seo/St;以下、単に「面積比α」と称呼する。)を表している。一方、縦軸は、ブローダウン時のタービン仕事量(以下、「ブローダウン仕事量」と称呼する(単位はa.u.)を表している。ブローダウン仕事量は、第n気筒#nの排気弁25nが開弁を開始してから一定時間が経過するまでの間(ブローダウンが発生している間)に発生するタービン仕事率を時間積分することにより算出される(「n」は気筒1乃至4の何れかの値)。
(1) Turbine blowdown work amount The horizontal axis of the graph shown in FIG. 5 is the ratio α of the cross-sectional area Seo of the throttle portion 63 to the effective cross-sectional area St of the turbine α (= Seo / St; hereinafter, simply “area ratio α”. It is called.). On the other hand, the vertical axis represents the turbine work during blowdown (hereinafter referred to as "blowdown work" (unit: a.u.). The blowdown work is that of the nth cylinder #n. It is calculated by time-integrating the turbine power generated during the period from the start of valve opening of the exhaust valve 25n until a certain period of time elapses (while blowdown is occurring) (“n” is the cylinder). Any value from 1 to 4).

図5から理解されるように、面積比αが1より大きい場合(絞り部63の断面積Seoがタービン有効断面積Stより大きい場合)、ブローダウン仕事量は、面積比αが小さいほど(1に近いほど)増加する。一方、面積比αが1より小さい場合(絞り部63の断面積Seoがタービン有効断面積Stより小さい場合)、ブローダウン仕事量は、面積比αを小さくしても殆ど増加しない。言い換えると、面積比αが1より小さく設定された場合、ブローダウン仕事量は比較的高い値となる。 As can be understood from FIG. 5, when the area ratio α is larger than 1 (when the cross-sectional area Seo of the throttle portion 63 is larger than the effective turbine cross-sectional area St), the blowdown work amount is as small as the area ratio α (1). (The closer to) it increases. On the other hand, when the area ratio α is smaller than 1 (when the cross-sectional area Seo of the throttle portion 63 is smaller than the turbine effective cross-sectional area St), the blowdown work amount hardly increases even if the area ratio α is reduced. In other words, when the area ratio α is set to be smaller than 1, the blowdown work amount becomes a relatively high value.

(2)排気管内の流量
図6に示したグラフの横軸は、第n気筒のクランク角CAを表しており、縦軸はエキゾーストマニホールド60の集合部62直前の部分における流量(質量流量;単位はa.u.)を表している。図6に示されたグラフには、5つの面積比α(α=0.64、0.87、1.13、1.77及び2.55)についての流量がプロットされている。
(2) Flow rate in the exhaust pipe The horizontal axis of the graph shown in FIG. 6 represents the crank angle CA of the nth cylinder, and the vertical axis is the flow rate (mass flow rate; unit) in the portion of the exhaust manifold 60 immediately before the gathering portion 62. Represents a.u.). The graph shown in FIG. 6 plots the flow rates for the five area ratios α (α = 0.64, 0.87, 1.13, 1.77 and 2.55).

図6に示したように、クランク角CAが180°前後となったとき、順方向(つまり、下流に向かう方向)に最大のピーク流量が発生している。これは、第n気筒#nの排気弁25nが開弁を開始して第n気筒#nに対応する第n排気管61nに大きな流量が発生していることを表している。更に、クランク角CAが360°前後のとき、逆方向に最大のピーク流量が発生している。これは、第n気筒#nの排気弁25nがまだ開弁しているときに第n気筒#nの次に排気行程を迎える気筒(以下、「次気筒」とも称呼する。)の排気弁が開弁し、次気筒から排出された排気ガスが第n排気管61nに回り込んでいる(即ち、逆流している)ことを表している。 As shown in FIG. 6, when the crank angle CA is around 180 °, the maximum peak flow rate is generated in the forward direction (that is, the direction toward the downstream). This indicates that the exhaust valve 25n of the nth cylinder #n has started to open and a large flow rate is generated in the nth exhaust pipe 61n corresponding to the nth cylinder #n. Further, when the crank angle CA is around 360 °, the maximum peak flow rate is generated in the opposite direction. This is because the exhaust valve of the cylinder (hereinafter, also referred to as "next cylinder") that reaches the exhaust stroke next to the nth cylinder #n when the exhaust valve 25n of the nth cylinder #n is still open. It indicates that the valve is opened and the exhaust gas discharged from the next cylinder wraps around (that is, backflows) to the nth exhaust pipe 61n.

面積比αが大きい(例えば、面積比αが2.55である)場合、クランク角CAが400°前後となったときに再び順方向にピークが発生する。これは、第n気筒#nの排気弁25nが閉弁することにより、第n排気管61nを逆流している排気ガスが第n気筒#n内に流れ込むことができなくなり、第n排気管61n内で折り返していることを表している。更に、クランク角CAが210°前後のとき、流量が大きく低下している。これは、第n気筒#nの直前に排気行程を終えた気筒(以下、「前気筒」とも称呼する。)から折り返された排気ガスが逆流して、第n気筒#nからの排気ガスの排出が妨げられていることを表している。 When the area ratio α is large (for example, the area ratio α is 2.55), a peak occurs again in the forward direction when the crank angle CA is around 400 °. This is because the exhaust valve 25n of the nth cylinder #n is closed, so that the exhaust gas flowing back through the nth exhaust pipe 61n cannot flow into the nth cylinder #n, and the nth exhaust pipe 61n It shows that it is folded inside. Further, when the crank angle CA is around 210 °, the flow rate is greatly reduced. This is because the exhaust gas returned from the cylinder (hereinafter, also referred to as "front cylinder") whose exhaust stroke is completed immediately before the nth cylinder #n flows back, and the exhaust gas from the nth cylinder #n is discharged. It indicates that the discharge is hindered.

従って、図6から、以下のことがわかる。
・面積比αを小さくすると、順方向の最大ピーク流量は減少する。
・面積比αを小さくすると、逆方向の最大ピーク流量(回り込みの流量)は減少する。
・面積比αを小さくすると、次気筒から回り込んだ排気ガスの折り返し量が減少する。
・面積比αを小さくすると、第n気筒#nから前気筒へ回り込んだ排気ガスの折り返し量が減少する。
Therefore, the following can be seen from FIG.
-If the area ratio α is reduced, the maximum peak flow rate in the forward direction decreases.
-If the area ratio α is reduced, the maximum peak flow rate (flow rate around) in the reverse direction decreases.
-If the area ratio α is reduced, the amount of exhaust gas that wraps around from the next cylinder is reduced.
-When the area ratio α is reduced, the amount of exhaust gas that wraps around from the nth cylinder #n to the front cylinder is reduced.

ここで、クランク角CAが180°前後(第n排気弁25nが開弁を開始してから一定の期間;クランク角CAが150°から200°までの間)のときの質量流量の総和(積分値)を「ブローダウンガス流量」と定義する。図7に示したように、ブローダウンガス流量(単位はa.u.)は、面積比αが1よりも大きい範囲においては、面積比αの変化に対する変動量が小さい。 Here, the total mass flow rate (integral) when the crank angle CA is around 180 ° (a certain period after the nth exhaust valve 25n starts opening; the crank angle CA is between 150 ° and 200 °). Value) is defined as "blowdown gas flow rate". As shown in FIG. 7, the blowdown gas flow rate (unit: a.u.) has a small fluctuation amount with respect to the change in the area ratio α in the range where the area ratio α is larger than 1.

これは、面積比αが1よりも大きい範囲において、面積比αが小さいほど最大のピーク流量が減少するものの、前気筒から回り込んだ排気ガスの流量が減少することにより第n気筒#nからの排気ガスの排出がスムーズに行われることが原因であると考えられる。これに対し、ブローダウンガス流量は、面積比αが1よりも小さい範囲においては、面積比αの低下に応じて単調に減少する。前述したように、他気筒からの排気ガスの回り込みの影響は面積比αが小さいほど小さい。よって、面積比αが単調に減少するのは、圧力損失の増加が原因であると考えられる。このように、ブローダウンガス流量の観点からは、面積比αは大きい方がよいことがわかる。一方で、面積比αを1より少し小さくした範囲においては、ブローダウンガス流量の減少とともに回り込んだ排気ガスの流量も減少するため、図5に示したようにブローダウン仕事量は大きくは減少しない。 This is because, in the range where the area ratio α is larger than 1, the maximum peak flow rate decreases as the area ratio α decreases, but the flow rate of the exhaust gas that wraps around from the front cylinder decreases, so that from the nth cylinder #n. It is considered that the cause is that the exhaust gas is discharged smoothly. On the other hand, the blowdown gas flow rate decreases monotonically as the area ratio α decreases in the range where the area ratio α is smaller than 1. As described above, the smaller the area ratio α, the smaller the influence of the wraparound of exhaust gas from other cylinders. Therefore, it is considered that the monotonous decrease in the area ratio α is due to the increase in pressure loss. As described above, from the viewpoint of the blowdown gas flow rate, it can be seen that the larger the area ratio α is, the better. On the other hand, in the range where the area ratio α is slightly smaller than 1, the flow rate of the exhaust gas that wraps around decreases as the flow rate of the blowdown gas decreases, so that the amount of blowdown work decreases significantly as shown in FIG. do not do.

(3)排気管内の圧力
図8において、横軸は第n気筒#nの圧縮上死点を基準としたクランク角CAを表しており、縦軸は第n排気管61n内の排気圧力を表している。図8に示したグラフには、7つの面積比α(α=0.84、0.93、1.00、1.09、1.18、1.40、1.96)についての排気圧力(単位はa.u.)が表されている。第n気筒#nの排気弁25nは、クランク角CAが170°のとき開弁を開始し、クランク角CAが370°のとき完全に閉弁するようになっている。つまり、クランク角CAが170°のとき、排気弁25nがバルブシートから離間し、クランク角CAが370°のとき、排気弁25nがバルブシートに当接する。このときの排気弁作用角θexは200°である。
(3) Pressure in the exhaust pipe In FIG. 8, the horizontal axis represents the crank angle CA based on the compression top dead center of the nth cylinder #n, and the vertical axis represents the exhaust pressure in the nth exhaust pipe 61n. ing. The graph shown in FIG. 8 shows the exhaust pressures (α = 0.84, 0.93, 1.00, 1.09, 1.18, 1.40, 1.96) for the seven area ratios α. The unit is a.u.). The exhaust valve 25n of the nth cylinder #n is adapted to start opening when the crank angle CA is 170 ° and to completely close when the crank angle CA is 370 °. That is, when the crank angle CA is 170 °, the exhaust valve 25n is separated from the valve seat, and when the crank angle CA is 370 °, the exhaust valve 25n comes into contact with the valve seat. The exhaust valve working angle θex at this time is 200 °.

図8に示したように、第n気筒#nの排気弁25nが開弁すると、ブローダウンによって第n排気管61nの圧力が上昇する。第n排気管61nの圧力はクランク角CAが約210°のときピークを迎え、その後、徐々に減少し、クランク角CAが約250°のときには、開弁開始前とほぼ同等の圧力まで低下する。クランク角CAが350°のとき、次気筒の排気弁が開弁すると、次気筒のブローダウンの影響により第n排気管61nの圧力は再び上昇し、クランク角CAが約400°のときピークを迎え、その後、徐々に減少する。 As shown in FIG. 8, when the exhaust valve 25n of the nth cylinder #n is opened, the pressure of the nth exhaust pipe 61n rises due to blowdown. The pressure of the nth exhaust pipe 61n reaches a peak when the crank angle CA is about 210 °, then gradually decreases, and when the crank angle CA is about 250 °, it drops to almost the same pressure as before the valve opening starts. .. When the exhaust valve of the next cylinder is opened when the crank angle CA is 350 °, the pressure of the nth exhaust pipe 61n rises again due to the influence of the blowdown of the next cylinder, and peaks when the crank angle CA is about 400 °. After that, it gradually decreases.

図9には、図8においてクランク角CAが約210°であるときの排気圧力(即ち、ブローダウン時の排気圧力の最大値(以下、「ブローダウン最大圧力」と称呼する。)の面積比αに対する変化が示される。図9には、排気弁作用角θexが200°である場合とともに、排気弁作用角θexが220°である場合及び240°である場合についての結果がそれぞれプロットされている。図9から理解されるように、ブローダウン最大圧力は、面積比αが小さいほど増大する。更に、面積比αが1より小さいときのブローダウン最大圧力の面積比αに対する変化の程度は、面積比αが1より大きいときの変化の程度よりも大きい。 In FIG. 9, the area ratio of the exhaust pressure when the crank angle CA is about 210 ° in FIG. 8 (that is, the maximum value of the exhaust pressure at the time of blowdown (hereinafter, referred to as “maximum blowdown pressure”)). The change with respect to α is shown. FIG. 9 plots the results when the exhaust valve working angle θex is 200 °, and when the exhaust valve working angle θex is 220 ° and 240 °, respectively. As can be seen from FIG. 9, the maximum blowdown pressure increases as the area ratio α decreases. Further, when the area ratio α is smaller than 1, the degree of change of the blowdown maximum pressure with respect to the area ratio α is. , The degree of change is greater than when the area ratio α is greater than 1.

図10には、図8においてクランク角CAが約400°であるときの、次気筒からの排気ガスの回り込みによって発生する排気圧力の最大値(以下、「回り込み最大圧力」と称呼する。)の面積比αに対する変化が示される。図10には、排気弁作用角θexが200°である場合とともに、排気弁作用角θexが220°及び240°である場合についての結果がそれぞれプロットされている。図10から理解されるように、面積比αが1より大きいときは、回り込みによって発生する回り込み最大圧力の面積比αに対する変化は小さい。一方、面積比αが1より小さいときは、回り込みによって発生する圧力の積分値は、面積比αが小さいほど小さくなる傾向がある。更に、排気弁作用角θexが小さいほど回り込み時の排気圧力が低下するのは、第n気筒#nの排気弁作用角θexと次気筒の排気弁作用角とがオーバラップしている量(角度)が小さくなるからである。 In FIG. 10, the maximum value of the exhaust pressure generated by the wraparound of the exhaust gas from the next cylinder when the crank angle CA is about 400 ° in FIG. 8 (hereinafter, referred to as “maximum wraparound pressure”). The change with respect to the area ratio α is shown. In FIG. 10, the results are plotted for the case where the exhaust valve working angle θex is 200 ° and the case where the exhaust valve working angle θex is 220 ° and 240 °, respectively. As can be seen from FIG. 10, when the area ratio α is larger than 1, the change in the maximum wraparound pressure generated by the wraparound with respect to the area ratio α is small. On the other hand, when the area ratio α is smaller than 1, the integrated value of the pressure generated by the wraparound tends to be smaller as the area ratio α is smaller. Further, the smaller the exhaust valve working angle θex, the lower the exhaust pressure at the time of wraparound is the amount (angle) in which the exhaust valve working angle θex of the nth cylinder #n and the exhaust valve working angle of the next cylinder overlap. ) Becomes smaller.

このように、面積比αが1よりも小さい値に設定されることにより、以下の効果が得られる。
・ブローダウン仕事量が比較的高い値となる(即ち、低下しない)。
・逆方向の最大ピーク流量(次気筒からの回り込みの流量)が減少する。
・自気筒から前気筒へ回り込んだガスの折り返し量(戻り量)が減少する。
しかし、その一方、面積比αが小さいほど圧力損失が増大し、ブローダウン時の流量が低下してしまう。以上のことから、面積比αは、1未満であり且つ1に近い値が望ましく、0.8以上且つ1未満(80%以上且つ100%未満)に設定されることが好ましい。面積比αは、好適には0.9(90%)である。
By setting the area ratio α to a value smaller than 1 in this way, the following effects can be obtained.
-Blowdown work is relatively high (ie, does not decrease).
-The maximum peak flow rate in the reverse direction (flow rate from the next cylinder) decreases.
-The amount of return (return amount) of gas that wraps around from the own cylinder to the front cylinder decreases.
However, on the other hand, the smaller the area ratio α, the larger the pressure loss and the lower the flow rate during blowdown. From the above, the area ratio α is preferably less than 1 and close to 1, and preferably set to 0.8 or more and less than 1 (80% or more and less than 100%). The area ratio α is preferably 0.9 (90%).

次に、図11を参照しながら第1機関10が発生する出力(駆動力)及びトルクの観点から第1機関10の効果について説明する。 Next, the effect of the first engine 10 will be described from the viewpoint of the output (driving force) and the torque generated by the first engine 10 with reference to FIG.

図11には、第1機関10の最高出力、低速トルク及び排気弁作用角θexの関係が示される。例えば、面積比αが1以上に設定されている場合、図11の(A)に示したように、排気弁作用角θexが大きい(広い)ほど第1機関10の最高出力は高くなる。これは、排気弁作用角θexを大きくすると、大流量時における圧力損失が低下するからである。反対に、排気弁作用角θexが小さい(狭い)ほど機関の低速トルクが増大する。これは、第n気筒#nの排気弁25nの開弁期間(排気弁作用角θex(n))と次気筒の排気弁の開弁期間とのオーバラップ量が小さくなり、排気ガスの回り込み量が小さくからである。このように、排気弁作用角θexを変更したときの動作点の通る軌跡は「トレードオフ曲線」と称呼される。トレードオフ曲線上には、いくつかの排気弁作用角θexにおける動作点が示されている。 FIG. 11 shows the relationship between the maximum output of the first engine 10, the low-speed torque, and the exhaust valve working angle θex. For example, when the area ratio α is set to 1 or more, as shown in FIG. 11A, the larger (wider) the exhaust valve working angle θex, the higher the maximum output of the first engine 10. This is because increasing the exhaust valve working angle θex reduces the pressure loss at the time of a large flow rate. On the contrary, the smaller (narrower) the exhaust valve working angle θex, the higher the low-speed torque of the engine. This is because the amount of overlap between the valve opening period of the exhaust valve 25n of the nth cylinder #n (exhaust valve working angle θex (n)) and the valve opening period of the exhaust valve of the next cylinder becomes small, and the amount of exhaust gas wraparound. Is small. In this way, the locus through which the operating point passes when the exhaust valve working angle θex is changed is called a “trade-off curve”. On the trade-off curve, the operating points at some exhaust valve working angles θex are shown.

面積比αを1より少し小さい値(例えば、0.9)に設定した場合、図11の(B)に示したように、いくつかの排気弁作用角θexにおける動作点の位置は、白丸にて表される位置になる。例えば、排気弁作用角θexが大きい(θex=240)とき、面積比αが0.9に設定されると、排気干渉(回り込み)が低減するので低速トルクが増加する。その一方で、圧力損失が増加することにより最高出力が減少する。その結果、白丸の位置はほぼトレードオフラインと重なる。従って、この場合、排気弁作用角θexを小さくしたことと同様の効果が得られる。一方、排気弁作用角θexが小さい(θex=180)ときは、排気弁のオーバラップ量が小さく排気干渉が小さい領域であるから、低速トルクが大きく増加することはなく最高出力が僅かに低下する。 When the area ratio α is set to a value slightly smaller than 1 (for example, 0.9), as shown in FIG. 11 (B), the positions of the operating points at some exhaust valve working angles θex are circled in white. It becomes the position represented by. For example, when the exhaust valve working angle θex is large (θex = 240), if the area ratio α is set to 0.9, exhaust interference (wraparound) is reduced and low-speed torque is increased. On the other hand, the maximum output decreases due to the increase in pressure loss. As a result, the position of the white circle almost overlaps with the trade offline. Therefore, in this case, the same effect as reducing the exhaust valve working angle θex can be obtained. On the other hand, when the exhaust valve working angle θex is small (θex = 180), the overlap amount of the exhaust valve is small and the exhaust interference is small, so that the low-speed torque does not increase significantly and the maximum output decreases slightly. ..

しかし、排気弁作用角θexが中程度(θex=225)のときは、低速トルクを増大させることができる一方、最高出力は僅かに低下するだけである。従って、図11の(B)に示したように、動作点の位置はトレードオフ曲線の外側(トレードオフ曲線に対して最高出力も低速トルクも大きい領域)となる。つまり、このときは、単に排気弁作用角θexを小さくしただけでは得ることができない大きなメリットが生じる。 However, when the exhaust valve working angle θex is medium (θex = 225), the low speed torque can be increased, but the maximum output is only slightly reduced. Therefore, as shown in FIG. 11B, the position of the operating point is outside the trade-off curve (the region where the maximum output and the low-speed torque are larger than the trade-off curve). That is, at this time, there is a great merit that cannot be obtained simply by reducing the exhaust valve working angle θex.

ところで、仮に面積比αを過度に小さくした場合、排気干渉(回り込み)を大きく低減することができ、その結果、低速トルクをより増加させることができるが、その一方で、圧力損失が増大することにより最高出力が大きく低減してしまう。従って、この場合は、図11の(C)に記号「 ◆ 」にて示したように、動作点はトレードオフ曲線の外側に位置することはできない。つまり、面積比αを過度に小さくすることによってはメリットが得られないことを意味している。 By the way, if the area ratio α is made excessively small, exhaust interference (wraparound) can be greatly reduced, and as a result, low-speed torque can be further increased, but on the other hand, pressure loss increases. As a result, the maximum output is greatly reduced. Therefore, in this case, the operating point cannot be located outside the trade-off curve, as indicated by the symbol “◆” in FIG. 11 (C). In other words, it means that no merit can be obtained by making the area ratio α excessively small.

以上、説明したように、第1機関10は、吸気弁24及び排気弁25を備えた複数の気筒22と、排気弁25が開弁しているときに複数の気筒の排気ポート26と接続された複数の排気管611、612、613及び614を通して排気ポート26から排出される排気ガスを集合部62において合流させるエキゾーストマニホールド60と、エキゾーストマニホールド60の排気下流側に設けられる過給機用タービン70と、を備える。 As described above, the first engine 10 is connected to a plurality of cylinders 22 provided with an intake valve 24 and an exhaust valve 25, and to exhaust ports 26 of the plurality of cylinders when the exhaust valve 25 is open. The exhaust manifold 60 that merges the exhaust gas discharged from the exhaust port 26 through the plurality of exhaust pipes 611, 612, 613 and 614 at the collecting portion 62, and the turbocharger turbine 70 provided on the exhaust downstream side of the exhaust manifold 60. And.

第1機関10においては、集合部62aに集合する排気管61の排気下流端部61aに、絞り部63(631、632、633及び634)が形成されている。この絞り部63は、排気下流端部61aを除く排気管61の断面積Sepよりも小さく、且つ、過給機用タービン70を通過する排気ガスの流量dm/dt、流体密度ρ及び過給機用タービン70の圧力比 p1/p2 により定まる過給機用タービン70の有効断面積Stに対して80%以上且つ100%未満の断面積Seoを有している。 In the first engine 10, throttle portions 63 (631, 632, 633 and 634) are formed at the exhaust downstream end portion 61a of the exhaust pipe 61 that gathers at the gathering portion 62a. The throttle portion 63 is smaller than the cross-sectional area Sep of the exhaust pipe 61 excluding the exhaust downstream end portion 61a, and has an exhaust gas flow rate dm / dt, a fluid density ρ, and a supercharger passing through the turbocharger turbine 70. It has a cross-sectional area Seo of 80% or more and less than 100% with respect to the effective cross-sectional area St of the turbocharger turbine 70 determined by the pressure ratio p 1 / p 2 of the turbine 70.

従って、第1機関10によれば、エキゾーストマニホールドにおいてポンピングロスを大きく増大させることなく排気干渉を低減することができる。その結果、高いタービン仕事率を実現することが可能となる。 Therefore, according to the first engine 10, exhaust interference can be reduced in the exhaust manifold without significantly increasing the pumping loss. As a result, it is possible to realize a high turbine work rate.

<第2実施形態>
本発明の第2実施形態に係る過給機付き内燃機関(以下、「第2機関」と称呼する。)10Aは、エキゾーストマニホールド60の各排気管61が段階的に合流するように構成され、合計3つの集合部を有し、タービン70に最も近い排気管の排気下流端部に絞り部が形成されている点において、第1実施形態と異なっている。従って、以下、この相違点を中心に説明する。
<Second Embodiment>
The internal combustion engine with a supercharger (hereinafter, referred to as “second engine”) 10A according to the second embodiment of the present invention is configured such that the exhaust pipes 61 of the exhaust manifold 60 merge stepwise. It differs from the first embodiment in that it has a total of three collecting portions and a throttle portion is formed at the exhaust downstream end of the exhaust pipe closest to the turbine 70. Therefore, this difference will be mainly described below.

図12に示したように、第2機関10Aは、第2集合部62b、第3集合部62c及び第4集合部62dを備えている。第2集合部62bには、第1排気管611と第4排気管614とが集合する。第3集合部62cには、第2排気管612と第3排気管613とが集合する。第4集合部62dには、第1集合部62bからの排気管61Aと第2集合部62cからの排気管61Bとが集合する。このように、排気管が2本ずつ集合し、排気管の本数が4本から2本、更に2本から1本へと減っていく構成は、以下、「4−2−1の構成」と称呼される。4−2−1の構成は、排気管61が2本ずつ段階的に集合する構成であるとも言える。 As shown in FIG. 12, the second engine 10A includes a second assembly unit 62b, a third assembly unit 62c, and a fourth assembly unit 62d. The first exhaust pipe 611 and the fourth exhaust pipe 614 are assembled in the second collecting portion 62b. The second exhaust pipe 612 and the third exhaust pipe 613 are assembled in the third collecting portion 62c. The exhaust pipe 61A from the first gathering portion 62b and the exhaust pipe 61B from the second gathering portion 62c gather in the fourth gathering portion 62d. In this way, the configuration in which two exhaust pipes are assembled and the number of exhaust pipes is reduced from four to two and then from two to one is hereinafter referred to as "4-2-1 configuration". Called. It can be said that the configuration of 4-2-1 is a configuration in which two exhaust pipes 61 are assembled in stages.

第2機関10Aにおいては、タービン70に最も近い排気管の集合部である第4集合部62dの直上流部分、即ち、第1集合部62bからの排気管61Aの排気下流端部に絞り部63A、第2集合部62cからの排気管61Bの排気下流端部に絞り部63B、が形成されている。 In the second engine 10A, the throttle portion 63A is located immediately upstream of the fourth gathering portion 62d, which is the gathering portion of the exhaust pipe closest to the turbine 70, that is, at the downstream end of the exhaust pipe 61A from the first gathering portion 62b. The throttle portion 63B is formed at the downstream end of the exhaust pipe 61B from the second collecting portion 62c.

前述したように、タービン有効断面積Stは排気管断面積Sepよりも小さくなるように設計されている。従って、排気管に「絞り」がないと仮定した場合、排気管61Aを通ってきた排気ガスがタービン70直前の第4集合部62dにて排気導入部711と排気管61Bとに分岐するとき、多くの排気ガスが排気管61Bに回り込んでしまう。一方、排気管61Bを通ってきた排気ガスが第4集合部62dにて排気導入部711と排気管61Aとに分岐するとき、多くの排気ガスが排気管61Aに回り込んでしまう。 As described above, the effective turbine cross-sectional area St is designed to be smaller than the exhaust pipe cross-sectional area Sep. Therefore, assuming that there is no "throttle" in the exhaust pipe, when the exhaust gas passing through the exhaust pipe 61A branches into the exhaust introduction portion 711 and the exhaust pipe 61B at the fourth collecting portion 62d immediately before the turbine 70, A lot of exhaust gas wraps around the exhaust pipe 61B. On the other hand, when the exhaust gas that has passed through the exhaust pipe 61B branches into the exhaust introduction portion 711 and the exhaust pipe 61A at the fourth collecting portion 62d, a large amount of exhaust gas wraps around the exhaust pipe 61A.

そこで、第2機関10Aは、排気管61Aの排気下流端部に絞り部63Aを形成するとともに、排気管61Bの排気下流端部に絞り部63Bを形成する。絞り部63A及び63Bのそれぞれの断面積Seoはタービン有効断面積Stの80%以上100%未満の範囲(例えば、90%)に設定される。 Therefore, the second engine 10A forms the throttle portion 63A at the exhaust downstream end of the exhaust pipe 61A, and forms the throttle portion 63B at the exhaust downstream end of the exhaust pipe 61B. The cross-sectional area Seo of each of the throttle portions 63A and 63B is set in the range of 80% or more and less than 100% (for example, 90%) of the effective cross-sectional area St of the turbine.

第2実施形態によれば、少なくとも、最も排気ガスの回り込みが発生し易いタービン直前の集合部に集合する排気管の排気下流端部に絞り部を形成し、面積比αを80%以上且つ100%未満に設定することにより、次気筒への排気ガスの回り込みを低減することができる。従って、高いタービン仕事率を実現することが可能となる。 According to the second embodiment, at least, a throttle portion is formed at the exhaust downstream end portion of the exhaust pipe that gathers at the gathering portion immediately before the turbine where the exhaust gas wraparound is most likely to occur, and the area ratio α is 80% or more and 100. By setting it to less than%, it is possible to reduce the sneaking of exhaust gas to the next cylinder. Therefore, it is possible to realize a high turbine work rate.

<第3実施形態>
本発明の第3実施形態に係る過給機付き内燃機関(以下、「第3機関」と称呼する。)10Bは、4−2−1の構成において、各集合部に集合する2本の排気管のうち、当該排気管に対応する2つの気筒において自気筒の排気弁開弁期間の後期と他気筒の排気弁開弁期間の前期とがオーバラップしているとき、他気筒に対応する排気管の排気下流端部に絞り部が形成されている点において、第1実施形態及び第2実施形態と異なっている。従って、以下、この相違点を中心に説明する。
<Third Embodiment>
The internal combustion engine with a supercharger (hereinafter, referred to as “third engine”) 10B according to the third embodiment of the present invention has two exhaust gases gathered at each collecting portion in the configuration of 4-2-1. Of the pipes, when the latter half of the exhaust valve opening period of the own cylinder and the first half of the exhaust valve opening period of the other cylinder overlap in the two cylinders corresponding to the exhaust pipe, the exhaust corresponding to the other cylinder It differs from the first embodiment and the second embodiment in that a throttle portion is formed at the downstream end of the exhaust gas of the pipe. Therefore, this difference will be mainly described below.

図13に示したように、各排気弁25は、第2排気弁252→第1排気弁251→第3排気弁253→第4排気弁254→第2排気弁252→…の順番に開弁するようになっている。 As shown in FIG. 13, each exhaust valve 25 is opened in the order of the second exhaust valve 252 → the first exhaust valve 251 → the third exhaust valve 253 → the fourth exhaust valve 254 → the second exhaust valve 252 → ... It is designed to do.

第3機関10Bの一つである「機関10B1」は、3つの集合部(第5集合部62e、第6集合部62f及び第7集合部62g)を備えている。第5集合部62eには、第1排気管611と第4排気管614とが集合する。第6集合部62fには、第2排気管612と第3排気管613とが集合する。第7集合部62gには、第5集合部62eからの排気管61Aと第6集合部62fからの排気管61Bとが集合する。 The "engine 10B1", which is one of the third engine 10B, includes three gathering portions (fifth gathering section 62e, sixth gathering section 62f, and seventh gathering section 62g). The first exhaust pipe 611 and the fourth exhaust pipe 614 are assembled in the fifth collecting portion 62e. The second exhaust pipe 612 and the third exhaust pipe 613 are assembled in the sixth collecting portion 62f. The exhaust pipe 61A from the fifth gathering portion 62e and the exhaust pipe 61B from the sixth gathering portion 62f gather in the seventh gathering portion 62g.

第1気筒#1から排出されたガスと第2気筒#2から排出されたガスが合流するのは第7集合部62gである。第1排気弁251の開弁時期と第2排気弁252の開弁時期との関係においては、第1排気弁251の開弁時期が遅いから、第1気筒#1から排出されたガスが通過する排気管61Aの排気下流端部に絞り部63Aが形成される。 The gas discharged from the first cylinder # 1 and the gas discharged from the second cylinder # 2 merge at the seventh collecting portion 62 g. Regarding the relationship between the opening time of the first exhaust valve 251 and the opening time of the second exhaust valve 252, since the opening time of the first exhaust valve 251 is late, the gas discharged from the first cylinder # 1 passes through. A throttle portion 63A is formed at the exhaust downstream end of the exhaust pipe 61A.

第1気筒#1から排出されたガスと第3気筒#3から排出されたガスが合流するのは第7集合部62gである。第1排気弁251の開弁時期と第3排気弁253の開弁時期との関係においては、第3排気弁253の開弁時期が遅いから、第3気筒#3から排出されたガスが通過する排気管61Bの排気下流端部に絞り部63Bが形成される。 The gas discharged from the first cylinder # 1 and the gas discharged from the third cylinder # 3 merge at the seventh gathering portion 62 g. Regarding the relationship between the opening time of the first exhaust valve 251 and the opening time of the third exhaust valve 253, since the opening time of the third exhaust valve 253 is late, the gas discharged from the third cylinder # 3 passes through. A throttle portion 63B is formed at the exhaust downstream end of the exhaust pipe 61B.

第3気筒#3から排出されたガスと第4気筒#4から排出されたガスが合流するのは第7集合部62gである。第3排気弁253の開弁時期と第4排気弁254の開弁時期との関係においては、第4排気弁254の開弁時期が遅いから、第4気筒#4から排出されたガスが通過する排気管61Aの排気下流端部に絞り部63Aが形成されればよい。 The gas discharged from the third cylinder # 3 and the gas discharged from the fourth cylinder # 4 merge at the seventh collecting portion 62 g. Regarding the relationship between the opening time of the third exhaust valve 253 and the opening time of the fourth exhaust valve 254, the opening time of the fourth exhaust valve 254 is late, so the gas discharged from the fourth cylinder # 4 passes through. The throttle portion 63A may be formed at the exhaust downstream end of the exhaust pipe 61A.

第2気筒#2から排出されたガスと第4気筒#4から排出されたガスが合流するのは第7集合部62gである。第2排気弁252の開弁時期と第4排気弁254の開弁時期との関係においては、第2排気弁252の開弁時期が遅いから、第2気筒#2から排出されたガスが通過する排気管61Bの排気下流端部に絞り部63Bが形成されればよい。 The gas discharged from the second cylinder # 2 and the gas discharged from the fourth cylinder # 4 merge at the seventh collecting portion 62 g. Regarding the relationship between the opening time of the second exhaust valve 252 and the opening time of the fourth exhaust valve 254, the opening time of the second exhaust valve 252 is late, so the gas discharged from the second cylinder # 2 passes through. The throttle portion 63B may be formed at the exhaust downstream end of the exhaust pipe 61B.

図14に示したように、第3機関10Bの一つである「機関10B2」は、3つの集合部(第8集合部62h、第9集合部62i及び第10集合部62j)を備えている。第8集合部62hには、第1排気管611と第2排気管612とが集合する。第9集合部62iには、第3排気管613と第4排気管614とが集合する。第10集合部62jには、第8集合部62hからの排気管61Cと第9集合部62iからの排気管61Dとが集合する。 As shown in FIG. 14, the "engine 10B2", which is one of the third engine 10B, includes three gathering portions (8th gathering section 62h, 9th gathering section 62i, and 10th gathering section 62j). .. The first exhaust pipe 611 and the second exhaust pipe 612 are assembled in the eighth collecting portion 62h. The third exhaust pipe 613 and the fourth exhaust pipe 614 are assembled in the ninth collecting portion 62i. The exhaust pipe 61C from the 8th gathering section 62h and the exhaust pipe 61D from the 9th gathering section 62i gather in the 10th gathering section 62j.

第1気筒#1から排出されたガスと第2気筒#2から排出されたガスが合流するのは第8集合部62hである。第1排気弁251の開弁時期と第2排気弁252の開弁時期との関係においては、第1排気弁251の開弁時期が遅いから、第1気筒#1から排出されたガスが通過する第1排気管611の排気下流端部に絞り部631が形成される。 It is the eighth gathering portion 62h that the gas discharged from the first cylinder # 1 and the gas discharged from the second cylinder # 2 merge. Regarding the relationship between the opening time of the first exhaust valve 251 and the opening time of the second exhaust valve 252, since the opening time of the first exhaust valve 251 is late, the gas discharged from the first cylinder # 1 passes through. A throttle portion 631 is formed at the exhaust downstream end of the first exhaust pipe 611.

第1気筒#1から排出されたガスと第3気筒#3から排出されたガスが合流するのは第10集合部62jである。第1排気弁251の開弁時期と第3排気弁253の開弁時期との関係においては、第3排気弁253の開弁時期が遅いから、第3気筒#3から排出されたガスが通過する排気管61Dの排気下流端部に絞り部63Dが形成される。 It is at the tenth gathering section 62j that the gas discharged from the first cylinder # 1 and the gas discharged from the third cylinder # 3 merge. Regarding the relationship between the opening time of the first exhaust valve 251 and the opening time of the third exhaust valve 253, since the opening time of the third exhaust valve 253 is late, the gas discharged from the third cylinder # 3 passes through. A throttle portion 63D is formed at the exhaust downstream end of the exhaust pipe 61D.

第3気筒#3から排出されたガスと第4気筒#4から排出されたガスが合流するのは第9集合部62iである。第3排気弁253の開弁時期と第4排気弁254の開弁時期との関係においては、第4排気弁254の開弁時期が遅いから、第4気筒#4から排出されたガスが通過する第4排気管614の排気下流端部に絞り部634が形成される。 It is at the ninth gathering section 62i that the gas discharged from the third cylinder # 3 and the gas discharged from the fourth cylinder # 4 merge. Regarding the relationship between the opening time of the third exhaust valve 253 and the opening time of the fourth exhaust valve 254, the opening time of the fourth exhaust valve 254 is late, so the gas discharged from the fourth cylinder # 4 passes through. A throttle portion 634 is formed at the exhaust downstream end of the fourth exhaust pipe 614.

第2気筒#2から排出されたガスと第4気筒#4から排出されたガスが合流するのは第10集合部62jである。第2排気弁252の開弁時期と第4排気弁254の開弁時期との関係においては、第2排気弁252の開弁時期が遅いから、第2気筒#2から排出されたガスが通過する排気管61Cの排気下流端部に絞り部63Cが形成される。 It is at the tenth gathering section 62j that the gas discharged from the second cylinder # 2 and the gas discharged from the fourth cylinder # 4 merge. Regarding the relationship between the opening time of the second exhaust valve 252 and the opening time of the fourth exhaust valve 254, the opening time of the second exhaust valve 252 is late, so the gas discharged from the second cylinder # 2 passes through. A throttle portion 63C is formed at the exhaust downstream end of the exhaust pipe 61C.

第3実施形態によれば、段階的に合流することにより複数の集合部を有するエキゾーストマニホールドが採用された場合には、効果的に排気干渉を低減させることができる。 According to the third embodiment, when an exhaust manifold having a plurality of gathering portions is adopted by merging in stages, exhaust interference can be effectively reduced.

<第4実施形態>
本発明の第4実施形態に係る過給機付き内燃機関(以下、「第4機関」と称呼する。)10Cは、4−2−1の構成において、タービン70に最も近い集合部に合流する排気管の排気下流端部に絞り部が形成されているだけでなく、各集合部に集合する2本の排気管のうち、当該排気管に対応する2つの気筒において自気筒の吸気弁が開弁している期間(吸気弁開弁期間)の後期と他気筒の排気弁開弁期間の前期とがオーバラップしているとき、他気筒に対応する排気管の排気下流端部に絞り部が形成されている点において、第1実施形態、第2実施形態及び第3実施形態と異なっている。従って、以下、この相違点を中心に説明する。
<Fourth Embodiment>
The supercharged internal combustion engine (hereinafter referred to as “fourth engine”) 10C according to the fourth embodiment of the present invention joins the assembly portion closest to the turbine 70 in the configuration of 4-2-1. Not only is a throttle formed at the downstream end of the exhaust of the exhaust pipe, but the intake valve of the own cylinder is opened in the two cylinders corresponding to the exhaust pipe among the two exhaust pipes that gather at each gathering part. When the latter half of the valve opening period (intake valve opening period) and the first half of the exhaust valve opening period of the other cylinder overlap, the throttle part is at the exhaust downstream end of the exhaust pipe corresponding to the other cylinder. It differs from the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment in that it is formed. Therefore, this difference will be mainly described below.

図15に示した4−2−1の構成の場合、例えば、第1気筒#1の吸気弁開弁期間の後期と第4気筒#4の排気弁開弁期間の前期とはオーバラップしている。第1吸気弁241の開弁期間の後期において、第4気筒#4からの排気ガスが第1気筒#1の方へ回り込んだ場合、第4気筒#4の排気圧力はピークに達している一方、第1気筒#1の気筒内の圧力は低い状態であるため、第1排気弁251が意図せず開弁してしまうことがある。従って、この場合、第4排気管614の下流端部に絞り部634を形成することにより、第1排気管611への排気ガスの回り込みを低減することができる。 In the case of the configuration of 4-2-1 shown in FIG. 15, for example, the latter half of the intake valve opening period of the first cylinder # 1 and the first half of the exhaust valve opening period of the fourth cylinder # 4 overlap. There is. When the exhaust gas from the 4th cylinder # 4 wraps around to the 1st cylinder # 1 in the latter half of the valve opening period of the 1st intake valve 241, the exhaust pressure of the 4th cylinder # 4 reaches its peak. On the other hand, since the pressure in the cylinder of the first cylinder # 1 is low, the first exhaust valve 251 may unintentionally open. Therefore, in this case, by forming the throttle portion 634 at the downstream end of the fourth exhaust pipe 614, it is possible to reduce the wraparound of the exhaust gas to the first exhaust pipe 611.

第3気筒#3に回り込む排気ガスを考えると、第4気筒#4からの回り込みに加えて、第2気筒#2からの回り込みが考えられる。第2気筒#2の排気弁252は、第3気筒#3の吸気行程が終了する前に開弁を開始する。従って、第2気筒#2の排気ガスが通過する第2排気管612の排気下流端部に絞り部632が形成される。 Considering the exhaust gas that wraps around the third cylinder # 3, it is conceivable that the wraparound from the second cylinder # 2 is in addition to the wraparound from the fourth cylinder # 4. The exhaust valve 252 of the second cylinder # 2 starts opening before the intake stroke of the third cylinder # 3 is completed. Therefore, the throttle portion 632 is formed at the exhaust downstream end of the second exhaust pipe 612 through which the exhaust gas of the second cylinder # 2 passes.

同様に、第1気筒#1の排気弁251は、第4気筒#4の吸気行程が終了する前に開弁を開始する。従って、第1気筒#1の排気ガスが通過する第1排気管611の排気下流端部に絞り部631が形成される。 Similarly, the exhaust valve 251 of the first cylinder # 1 starts opening before the intake stroke of the fourth cylinder # 4 is completed. Therefore, the throttle portion 631 is formed at the exhaust downstream end of the first exhaust pipe 611 through which the exhaust gas of the first cylinder # 1 passes.

第3気筒#3の排気弁253は、第2気筒#2の吸気行程が終了する前に開弁を開始する。従って、第3気筒#3の排気ガスが通過する第3排気管613の排気下流端部に絞り部633が形成される。 The exhaust valve 253 of the third cylinder # 3 starts opening before the intake stroke of the second cylinder # 2 is completed. Therefore, the throttle portion 633 is formed at the exhaust downstream end of the third exhaust pipe 613 through which the exhaust gas of the third cylinder # 3 passes.

更に、第2機関10Aと同様に、タービン70に最も近い第13集合部62mに合流する排気管61Aの排気下流端部に絞り部63Aが形成され、排気管61Bの排気下流端部に絞り部63Bが形成される。従って、この例の場合、総ての排気管の排気下流端部に絞り部が形成される。 Further, similarly to the second engine 10A, a throttle portion 63A is formed at the exhaust downstream end of the exhaust pipe 61A that joins the 13th gathering portion 62m closest to the turbine 70, and a throttle portion 63A is formed at the exhaust downstream end of the exhaust pipe 61B. 63B is formed. Therefore, in the case of this example, a throttle portion is formed at the exhaust downstream end portion of all the exhaust pipes.

第4実施形態によれば、第13集合部62mにおける回り込みだけでなく、第11集合部62k及び第12集合部62lにおける回り込みも低減することができる。 According to the fourth embodiment, not only the wraparound at the 13th gathering portion 62m but also the wraparound at the 11th gathering portion 62k and the 12th gathering portion 62l can be reduced.

<変形例>
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。
<Modification example>
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be adopted within the scope of the present invention.

<第1変形例>
上記実施形態において、第1機関10、第2機関10A、第3機関10B、第4機関10Cは直列4気筒の内燃機関であったが、内燃機関は、直列5気筒の内燃機関であってもよいし、直列3気筒の内燃機関であってもよい。
<First modification>
In the above embodiment, the first engine 10, the second engine 10A, the third engine 10B, and the fourth engine 10C are in-line 4-cylinder internal combustion engines, but the internal combustion engine may be an in-line 5-cylinder internal combustion engine. It may be an in-line 3-cylinder internal combustion engine.

本発明の第1変形例に係る直列5気筒の内燃機関(以下、「第5機関」と称呼する。)10Dは、図16の(A)に示したように、第14集合部62o及び第15集合部62pを有している。第14集合部62oには、第4排気管614と第5排気管615が集合する。第15集合部62pには、第1排気管611、第2排気管612、第3排気管613及び第4排気管614と第5排気管615とが集合した排気管61Dが集合する。 As shown in FIG. 16A, the in-line 5-cylinder internal combustion engine (hereinafter referred to as “fifth engine”) 10D according to the first modification of the present invention has the 14th gathering unit 62o and the first It has 15 gathering parts 62p. The fourth exhaust pipe 614 and the fifth exhaust pipe 615 are assembled in the 14th collecting portion 62o. The first exhaust pipe 611, the second exhaust pipe 612, the third exhaust pipe 613, and the exhaust pipe 61D in which the fourth exhaust pipe 614 and the fifth exhaust pipe 615 are assembled are assembled in the fifteenth collecting portion 62p.

この構成の場合、第1排気管611の排気下流端部に絞り部631が形成され、第2排気管612の排気下流端部に絞り部632が形成され、第3排気管613の排気下流端部に絞り部633が形成され、第4排気管614の排気下流端部に絞り部634が形成され、第5排気管615の排気下流端部に絞り部635が形成される。 In the case of this configuration, the throttle portion 631 is formed at the exhaust downstream end of the first exhaust pipe 611, the throttle portion 632 is formed at the exhaust downstream end of the second exhaust pipe 612, and the exhaust downstream end of the third exhaust pipe 613 is formed. A throttle portion 633 is formed in the portion, a throttle portion 634 is formed at the exhaust downstream end portion of the fourth exhaust pipe 614, and a throttle portion 635 is formed at the exhaust downstream end portion of the fifth exhaust pipe 615.

本発明の第1変形例に係る直列3気筒の内燃機関(以下、「第6機関」と称呼する。)10Eは、図16の(B)に示したように、第16集合部62qを有している。
第16集合部62qには、第1排気管611、第2排気管612及び第3排気管613が集合する。
The in-line 3-cylinder internal combustion engine (hereinafter, referred to as “sixth engine”) 10E according to the first modification of the present invention has a 16th assembly portion 62q as shown in FIG. 16B. doing.
The first exhaust pipe 611, the second exhaust pipe 612, and the third exhaust pipe 613 are assembled in the 16th gathering portion 62q.

この構成の場合、第1排気管611の排気下流端部に絞り部631が形成され、第2排気管612の排気下流端部に絞り部632が形成され、第3排気管613の排気下流端部に絞り部633が形成される。 In the case of this configuration, the throttle portion 631 is formed at the exhaust downstream end of the first exhaust pipe 611, the throttle portion 632 is formed at the exhaust downstream end of the second exhaust pipe 612, and the exhaust downstream end of the third exhaust pipe 613 is formed. A throttle portion 633 is formed in the portion.

<第2変形例>
上記実施形態において、過給機用タービン70は、スクロール部が一つのシングルスクロール型であったが、過給機用タービンは、ツインスクロール型の過給機用タービンを備えていてもよい。
<Second modification>
In the above embodiment, the turbocharger turbine 70 is a single scroll type having one scroll unit, but the turbocharger turbine may include a twin scroll type turbocharger turbine.

本発明の第2変形例に係るツインスクロール型の過給機付き内燃機関(以下、「第7機関」)10Fは、図17に示したように、第17集合部62r及び第18集合部62sを有している。 As shown in FIG. 17, the twin-scroll type internal combustion engine with a supercharger (hereinafter, “7th engine”) 10F according to the second modification of the present invention has the 17th assembly section 62r and the 18th assembly section 62s. have.

第17集合部62rには、第1排気管611と第4排気管614が集合する。第18集合部62sには、第2排気管612と第3排気管613が集合する。この構成の場合、第1排気管611の排気下流端部に絞り部631が形成され、第2排気管612の排気下流端部に絞り部632が形成され、第3排気管613の排気下流端部に絞り部633が形成され、第4排気管614の排気下流端部に絞り部634が形成される。 The first exhaust pipe 611 and the fourth exhaust pipe 614 are assembled in the 17th collecting portion 62r. The second exhaust pipe 612 and the third exhaust pipe 613 are assembled in the 18th collecting portion 62s. In the case of this configuration, the throttle portion 631 is formed at the exhaust downstream end of the first exhaust pipe 611, the throttle portion 632 is formed at the exhaust downstream end of the second exhaust pipe 612, and the exhaust downstream end of the third exhaust pipe 613 is formed. A throttle portion 633 is formed in the portion, and a throttle portion 634 is formed in the exhaust downstream end portion of the fourth exhaust pipe 614.

<第3変形例>
第3変形例に係る内燃機関は、排気系統にタービン70を迂回するバイパス管53及びウェストゲート弁54を備えている。この場合、第3変形例に係る内燃機関は、図18の(A)「4−1の構成」(B)「4−2−1の構成」に示したように、バイパス管53の排気上流端が絞り部63の排気上流側において排気管61と連通し、バイパス管53の排気下流端が下流側排気管51と連通するように構成されてもよい。
<Third modification example>
The internal combustion engine according to the third modification includes a bypass pipe 53 and a waist gate valve 54 that bypass the turbine 70 in the exhaust system. In this case, the internal combustion engine according to the third modification is the exhaust upstream of the bypass pipe 53 as shown in (A) “4-1 configuration” (B) “4-2-1 configuration” in FIG. The end may communicate with the exhaust pipe 61 on the exhaust upstream side of the throttle portion 63, and the exhaust downstream end of the bypass pipe 53 may communicate with the downstream exhaust pipe 51.

仮に、バイパス管53の排気上流端が絞り部63の排気下流側と連通しているとすると、絞り部63によって圧力が高くされた排気ガスが下流側排気管51に排出されてしまう。つまり、第3変形例に係る内燃機関の構成によれば、絞り部63によって圧力が高くされた排気ガスが下流側排気管51に排出されることを防止することができる。 Assuming that the exhaust upstream end of the bypass pipe 53 communicates with the exhaust downstream side of the throttle portion 63, the exhaust gas whose pressure has been increased by the throttle portion 63 is discharged to the downstream side exhaust pipe 51. That is, according to the configuration of the internal combustion engine according to the third modification, it is possible to prevent the exhaust gas whose pressure has been increased by the throttle portion 63 from being discharged to the downstream exhaust pipe 51.

上記実施形態において、内燃機関は所謂ディーゼル内燃機関であったが、点火装置を有するガソリン内燃機関であってもよい。 In the above embodiment, the internal combustion engine is a so-called diesel internal combustion engine, but it may be a gasoline internal combustion engine having an ignition device.

10…過給機付き内燃機関(第1機関)、20…機関本体部、21…本体、22…気筒、23…燃料噴射弁、24…吸気弁、25…排気弁、26…排気ポート、30…燃料供給系統、40…吸気系統、50…排気系統、60…エキゾーストマニホールド、61…排気管、611…第1排気管、612…第2排気管、613…第3排気管、614…第4排気管、62…集合部、63…絞り部、70…タービン、71…タービンハウジング、72…タービンホイール、Seo…絞り部の断面積、St…タービン有効断面積。 10 ... Internal combustion engine with supercharger (first engine), 20 ... Engine body, 21 ... Main body, 22 ... Cylinder, 23 ... Fuel injection valve, 24 ... Intake valve, 25 ... Exhaust valve, 26 ... Exhaust port, 30 ... Fuel supply system, 40 ... Intake system, 50 ... Exhaust system, 60 ... Exhaust manifold, 61 ... Exhaust pipe, 611 ... First exhaust pipe, 612 ... Second exhaust pipe, 613 ... Third exhaust pipe, 614 ... Fourth Exhaust pipe, 62 ... Meeting part, 63 ... Squeezing part, 70 ... Turbine, 71 ... Turbine housing, 72 ... Turbine wheel, Seo ... Squeezing part cross section, St ... Turbine effective cross section.

Claims (1)

排気弁を備えた複数の気筒と、
前記排気弁が開弁しているときに前記複数の気筒の排気ポートと接続された複数の排気管を通して前記排気ポートから排出される排気ガスを集合部において合流させるエキゾーストマニホールドと、
前記エキゾーストマニホールドの排気下流側に設けられる過給機用タービンと、
を備えた過給機付き内燃機関において、
前記集合部のうち、前記過給機用タービンに最も近い集合部に集合する排気管の排気下流端部に、前記排気下流端部を除く前記排気管の断面積よりも小さく、且つ、前記過給機用タービンを通過する排気ガスの流量、流体密度及び前記過給機用タービンの圧力比により定まる前記過給機用タービンの有効断面積に対して80%以上且つ100%未満の断面積を有する絞り部が形成された、
過給機付き内燃機関。
Multiple cylinders with exhaust valves and
An exhaust manifold that merges exhaust gas discharged from the exhaust port at a collecting portion through a plurality of exhaust pipes connected to the exhaust ports of the plurality of cylinders when the exhaust valve is open.
A turbocharger turbine provided on the downstream side of the exhaust of the exhaust manifold and
In an internal combustion engine with a supercharger equipped with
Of the collecting portions, the exhaust downstream end of the exhaust pipe that gathers at the collecting portion closest to the turbocharger turbine is smaller than the cross-sectional area of the exhaust pipe excluding the exhaust downstream end, and the excess The cross-sectional area of 80% or more and less than 100% of the effective cross-sectional area of the supercharger turbine determined by the flow rate of exhaust gas passing through the supercharger turbine, the fluid density, and the pressure ratio of the supercharger turbine. The squeezed part to have was formed,
Internal combustion engine with supercharger.
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