JP7435381B2 - エンジンシステム - Google Patents

Description

この発明は、多気筒エンジンに、ツインスクロールターボチャージャーと排気再循環装置とを組み合わせたエンジンシステムに関する。

例えば、ターボチャージャー付エンジンとして、４気筒エンジンと、ツインスクロールターボチャージャーと、排気ポートからタービンまで独立して連通する２つの合流排気管と、２つの合流排気管の各々から排気の一部を吸気側に還流させる排気再循環装置（以下、ＥＧＲ装置と呼ぶ）により構成されたエンジンシステムが知られている（特許文献１参照）。

また、ＥＧＲ装置のＥＧＲ通路をウォータージャケットが形成されたシリンダヘッドの内部に設け、シリンダヘッド内でＥＧＲガスを、エンジンの冷却水を利用して冷却する構造が知られている（特許文献２参照）。

特開２０１１－１０６３６１号公報 特開２０１５－１４０６８４号公報

特許文献１に開示される２つの合流排気管およびツインエントリー型のターボチャージャーを備えた多気筒エンジンに、特許文献２に開示されるようにシリンダヘッドにＥＧＲ通路を内蔵する場合、特に自動車のエンジンルームにそのような多気筒エンジンを搭載する場合には、シリンダヘッドを出来るだけ小型化する必要があることから、シリンダヘッドの排気出口とＥＧＲ入口を隣り合わせで配置する必要がある。

また、ＥＧＲ装置を小型化するためには、シリンダヘッドにＥＧＲの取入れ口を設けるのが最善であるが、ツインスクロールターボチャージャーを備える場合には、シリンダヘッド内に２本のＥＧＲ通路を形成する必要があり、シリンダヘッドの大型化を招くため現実的ではない。そこで、シリンダヘッドの排気出口に取り付けられる排気マニホールドまたは、その下流に形成されたタービンハウジングに２つのＥＧＲ取出口を形成し、各々をシリンダヘッドに設けられた一つのＥＧＲ入口に連通し、ＥＧＲ通路を出来るだけ短くすることが考えられる。

しかし、この場合、シリンダヘッドのＥＧＲ入口には、近接する排気出口を通る排気からシリンダヘッド自体を経由して伝わる熱と、短いＥＧＲ通路を通って来た高温のままのＥＧＲガスからの熱とが伝わり、シリンダヘッドと排気マニホールドとの間に配設されたガスケットの、ＥＧＲ通路でのシール面の過剰な温度上昇を招いて、シール性能の低下ひいてはＥＧＲガスの漏れが懸念される。

従って、ツインスクロールターボチャージャーを備えた多気筒エンジンのＥＧＲ通路の配置については、未だ改善の余地がある。

本件発明者らは、ツインスクロールターボチャージャーとＥＧＲ装置とを備えた多気筒エンジンにおいて、２つのスクロールに至る２つの排気通路の各々からシリンダヘッドのＥＧＲ入口に向かって、シリンダヘッドを経由して伝わる熱量と、ＥＧＲ通路を経由して伝わる熱量の双方について鋭意検討した。

その結果、ＥＧＲ入口に近接する気筒に連通するＥＧＲ通路の長さを、ＥＧＲ入口から離れて位置する気筒に連通するＥＧＲ通路の長さよりも長くすることによって、ＥＧＲ通路の表面積を増大ひいては放熱量を増大させることで、ＥＧＲ入口に近接する気筒に連通するＥＧＲ通路を経由してＥＧＲ入口に伝わる熱量を低減することが出来る。そして、ＥＧＲ入口に近接する気筒からシリンダヘッドを経由して伝わる熱量が近接するが故に大きかったとしても、当該気筒から上記２つの経路、つまりＥＧＲ通路及びシリンダヘッドを経由してＥＧＲ入口に伝わる熱量は、他の気筒からの熱量と同じ程度に抑えられることを見いだした。

この知見を具現化する本発明は、第１スクロール部及び第２スクロール部を持つツインスクロールターボチャージャー及び、直列に配置された複数の気筒のうち気筒列の一端に位置する特定気筒を含む複数の気筒によって構成された第１気筒群と、残りの気筒によって構成された第２気筒群とを持つ内燃機関、を有するエンジンシステムであって、第１気筒群の各気筒の排気ポートと前記第1スクロール部とを連通する第１排気通路、第２気筒群の各気筒の排気ポートと前記第２スクロール部とを連通する第２排気通路、前記第１排気通路に設けられた第１ＥＧＲ取り出し部において、その一端が前記第１排気通路に連通する第１ＥＧＲ通路、前記第２排気通路に設けられた第２ＥＧＲ取り出し部において、その一端が前記第２排気通路に連通する第２ＥＧＲ通路、及び、前記第１ＥＧＲ通路の他端と前記第２ＥＧＲ通路の他端のそれぞれが、その一端において連通すると共に、シリンダヘッド内に設けたＥＧＲ通路の入口であって、前記シリンダヘッドにおける前記特定気筒の排気ポートに隣接する位置に設けられたＥＧＲ入口に、その他端が連通する第３ＥＧＲ通路、を更に有する。そして、前記第１ＥＧＲ取り出し部と前記特定気筒の排気ポートとの間の通路長が、前記第２ＥＧＲ取り出し部と前記第２気筒群の各気筒の排気ポートとの間の通路長のうち最大の通路長よりも、長くなっている。

この発明によれば、第１ＥＧＲ取り出し部と特定気筒の排気ポートとの間の通路長が、第２ＥＧＲ取り出し部と第２気筒群の各気筒の排気ポートとの間の通路長のうちの最大の通路長よりも、長いことで、特定気筒を含む第1気筒群の排気ポートから第１ＥＧＲ取り出し部を経由してＥＧＲ入口に至るまでの放熱量が、増大する。

これにより、第２気筒群から排出された排気ガスが、シリンダヘッド内に設けられた排気ポートから第２排気通路の一部、第２ＥＧＲ通路及び第３ＥＧＲ通路を通る間に放熱した後ＥＧＲ入口に伝わる熱量と比較して、ＥＧＲ入口に隣接している特定気筒を含む第１気筒群から排出された排気ガスが、シリンダヘッド内に設けられた排気ポートから第１排気通路の一部、第１ＥＧＲ通路及び第３ＥＧＲ通路を通る間に放熱した後、ＥＧＲ入口に伝わる熱量が同じ程度に抑えられる。そして、同時に第２ＥＧＲ通路の長さを最小とすることができる。

これにより、ＥＧＲ入口の熱負荷の低減と、ツインスクロールターボチャージャーを備えるが故に２本必要となるＥＧＲ通路の小型化とを両立することができる。

本発明のエンジンシステムにおいては、第１気筒群を、複数の気筒の中で排気行程が互いに隣り合わない気筒によって構成し、第２気筒群を、複数の気筒の中で排気行程が互いに隣り合わない気筒によって構成してもよい。

このように構成することで、排気行程が互いに隣り合う気筒からの排気が、ツインスクロールターボチャージャーのタービンブレードに平行に合流し、排気干渉が生じないので、第１排気通路と第２排気通路の長さを短くすることが出来る。したがって、エンジンシステムの小型化を更に進めることができる。

さらに、本発明のエンジンシステムにおいては、第１排気通路に、第1気筒群の各気筒の排気ポートに連通する複数の独立排気通路と、該複数の独立排気通路それぞれの下流に接続する集合排気通路とを備え、第１ＥＧＲ取り出し部は、複数の独立排気通路のうち特定気筒の排気ポートに連通する独立排気通路の下流端部に設けてもよい。

例えば、第１ＥＧＲ取り出し部を第１排気通路のターボチャージャーに近い下流側に設けるほど、第１排気通路からの放熱量が上がり、第１ＥＧＲ取り出し部の温度を下げることができる。しかし、第１ＥＧＲ通路を下流側に設けるほどシリンダヘッドから離れるためシステム全体が大型化する。排気通路の放熱効率は、排気通路の断面積に対する断面周長の比率が小さいほど落ちるため、この比率の低い集合排気通路に第１ＥＧＲ取り出し部を設けるよりも、独立排気通路に第１ＥＧＲ取り出し部を設ける方が、システムの大型化に見合うだけの放熱量の向上を得ることができる。さらに独立排気通路の下流端部に設けることで、その効果を最大化することができる。独立排気通路の下流端部に第１ＥＧＲ取り出し部を設けることによって、第１ＥＧＲ通路をシリンダヘッドに近づけることができ、システム全体の小型化に有利になる。

さらに、本発明のエンジンシステムにおいては、シリンダヘッドに第２気筒群の全ての気筒に連通する集合排気出口が設けられ、第２排気通路の上流端が集合排気出口に接続され、第２ＥＧＲ取り出し部を、第２排気通路の上流端部に設けるのが好ましい。

このように構成することで、第２ＥＧＲ通路をシリンダヘッドの外部に設けるので、シリンダヘッドが大型化することを抑制できる。

さらに、本発明のエンジンシステムにおいては、第１ＥＧＲ通路は、その途中に、通路断面積が縮小した第１絞り部を有し、第２ＥＧＲ通路は、その途中に、通路断面積が縮小した第２絞り部を有してもよい。

このように構成することで、第１ＥＧＲ通路の第１絞り部から第３ＥＧＲ通路までの間は通路の表面積が広がることで、放熱の効率を上げられる。同様に、第２ＥＧＲ通路の第２絞り部から第３ＥＧＲ通路までの間は通路の表面積が広がることで、放熱の効率を上げることができることで、ＥＧＲ入口でのＥＧＲガスの温度をさらに下げる効果が得られる。

本発明により、ツインスクロールターボチャージャーを備えた多気筒エンジンのＥＧＲ通路の配置により、ＥＧＲ装置の大型化を抑制することで、多気筒エンジンをコンパクトにでき、同時に、シリンダヘッドのＥＧＲ入口での過剰な温度上昇を抑制しながら、ＥＧＲガスを吸気通路に還流させることができる。

本発明に係るターボチャージャー付エンジンの構成を示す構成図。 エンジン後方から見たターボチャージャーの外観を示す正面図。 エンジン下方から見たターボチャージャーと排気マニホールドの外観を示す平面図。 図３中のＤ－Ｄ矢視断面での、排気マニホールドのシリンダヘッドとの取付け面を示す端面図。 図３中の排気マニホールド内部通路とターボチャージャー内部通路を示す模式図。 図２中のＡ－Ａ矢視断面での、第１排気通路と第２排気通路を示す断面図。 図２中のＢ－Ｂ矢視断面での、第１ＥＧＲ取り出し部の断面形状を示す断面図。 図２中のＣ－Ｃ矢視断面での、第１ＥＧＲ通路の断面形状を示す断面図。 図３中のＥ－Ｅ矢視断面での、第２ＥＧＲ通路の断面形状を示す断面図。

以下、本発明の実施形態について、具体的に説明する。

本実施形態のターボチャージャー付エンジンは、多気筒エンジンに、２つの排気通路を介して、ツインスクロールターボチャージャーとＥＧＲ装置とを組み合わせたものである。このようなターボチャージャー付エンジン１について、図１～図９を用いて説明する。

なお、図１は本発明に係るターボチャージャー付エンジン１の構成図を示し、図２は多気筒エンジン２の後方から見たターボチャージャー５の正面図を示し、図３は多気筒エンジン２の下方から見たターボチャージャー５と排気マニホールド８の平面図を示し、図４は排気マニホールド８のシリンダヘッド２ａとの取付け面の端面図を示している。

さらに、図５は、排気マニホールド８内部の排気通路とタービンハウジング５ａ内部の排気通路の模式図を示し、図６は第１排気通路と第２排気通路の断面図を示し、図７は第１ＥＧＲ取り出し部の断面形状の断面図を示す。図８は第１ＥＧＲ通路の断面形状の断面図を示し、図９は第２ＥＧＲ通路の断面形状の断面図を示す。

また、図中において、矢印Ｘは気筒が並設された方向を示す（以下、「気筒列方向Ｘ」とする）。さらに、気筒列方向Ｘにおいて、第１気筒２１ａ側（図１中の右方向）を気筒列方向Ｘの一方側Ｘａとし、第４気筒２１ｄ側（図１中の左方向）を気筒列方向Ｘの他方側Ｘｂとする。加えて、多気筒エンジン２を車両に搭載した状態を基準にして、上方、及び、下方を規定する。

ターボチャージャー付エンジン１は、図１に示すように、多気筒エンジン２と、吸気通路３と、排気通路４と、ターボチャージャー５と、ＥＧＲ装置６とで構成されている。多気筒エンジン２は、図１に示すように、クランク軸（図示省略）の軸中心に沿って、４つの気筒２１が直列に配設された、直列４気筒エンジンである。

この多気筒エンジン２の内部には、図１に示すように、ピストン（図示省略）を筒軸方向に摺動可能に収容する４つの気筒２１と、気筒２１、ピストン、及びシリンダヘッド２ａで構成された空間である燃焼室（図示省略）とが、気筒列方向Ｘに沿って４つ形成されている。

なお、４つの気筒２１は、図１に示すように、気筒列方向Ｘの一方側Ｘａから順に、第１気筒２１ａ、第２気筒２１ｂ、第３気筒２１ｃ、及び第４気筒２１ｄとする。さらに、上述した多気筒エンジン２の点火順序は、第１気筒２１ａ、第３気筒２１ｃ、第４気筒２１ｄ、第２気筒２１ｂの順とする。

このような多気筒エンジン２の内部には、図１に示すように、各気筒２１と多気筒エンジン２の外部とを連通する通路である吸気ポート、及び排気ポートが、気筒２１ごとに形成されている。

加えて、多気筒エンジン２の内部には、図１に示すように、後述するＥＧＲ装置の一部として、排気ガスが流動する第４ＥＧＲ通路６３ｂが、気筒列方向Ｘに対して平面視略直交する直交方向に沿って形成されている。なお、第４ＥＧＲ通路６３ｂは、図１に示すように、第４気筒２１ｄに隣接して形成されている。

４つの吸気ポートは、図１に示すように、気筒列方向Ｘに沿って並設されている。この吸気ポートは、各気筒２１から直交方向の一方側へ向けて延設されている。

具体的には、多気筒エンジン２は、図１に示すように、第１気筒２１ａに連通する第１吸気ポート２２と、第２気筒２１ｂに連通する第２吸気ポート２３と、第３気筒２１ｃに連通する第３吸気ポート２４と、第４気筒２１ｄに連通する第４吸気ポート２５とを備えている。なお、詳細な図示を省略するが、第１吸気ポート２２、第２吸気ポート２３、第３吸気ポート２４、及び第４吸気ポート２５は、それぞれ気筒２１に連通する一対の吸気ポートで構成されているものとする。

排気ポートは、図１に示すように、気筒列方向Ｘに沿って並設されている。具体的には、多気筒エンジン２は、図１に示すように、第１気筒２１ａに連通する第１排気ポート２６と、第２気筒２１ｂ、及び第３気筒２１ｃに連通する第２排気ポート２７と、第４気筒２１ｄに連通する第３排気ポート２８を備えている。

このうち、第２排気ポート２７は、図１に示すように、第２気筒２１ｂ、及び第３気筒２１ｃに対して独立して連通する２つの独立排気ポート２７ａと、２つの独立排気ポート２７ａのそれぞれに連通する１つの合流排気ポート２７ｂとで構成されている。換言すれば、合流排気ポート２７ｂは、第２気筒２１ｂ、及び第３気筒２１ｃの双方に連通する排気ポートとして形成されている。

シリンダヘッドの側面には、第１排気ポート２６の出口（第１開口部８５ａ）、第３排気ポート２８の出口（第３開口部８５ｂ）がそれぞれ形成されていると共に、第２排気ポート２７の合流排気ポート２７ｂの出口（第２開口部８４、つまり、集合排気出口）が、形成されている。すなわち、シリンダヘッドの側面には、合計三つの排気ポート出口が並んでいる。三つの排気ポート出口に対応するように、排気マニホールド８には、三つの排気通路の入口８１、８２、８３が、気筒列方向Ｘに並んで設けられている（図４参照）。入口８１は、第１開口部８５ａにつながり、入口８２は、第２開口部８４につながり、入口８３は、第３開口部８５ｂにつながる。

なお、詳細な図示を省略するが、第１排気ポート２６、第２排気ポート２７の２つの独立排気ポート２７ａ、及び第３排気ポート２８は、それぞれ、気筒２１に対しては、分岐した一対の排気ポートが連通しているものとする。

また、吸気通路３は、外部から新気を取り込むとともに、取り込んだ新気を多気筒エンジン２の各気筒２１に導入する通路である。この吸気通路３は、図１に示すように、外気を新気として取り込む第１吸気通路３１と、新気に含まれる粉塵を除去するエアクリーナー３２と、エアクリーナー３２に連結されると共に、ターボチャージャー５に接続された第２吸気通路３３とを、上流側からこの順番で備えている。

さらに、吸気通路３は、図１に示すように、ターボチャージャー５を介して、第２吸気通路３３に連結された第３吸気通路３４と、ターボチャージャー５によって圧送された新気を冷却するインタークーラー３５とを、上流側からこの順番で備えている。

加えて、吸気通路３は、図１に示すように、インタークーラー３５に連結された第４吸気通路３６と、新気の流量を調整するスロットルボディ３７と、スロットルボディ３７に連結された第５吸気通路３８とを、上流側からこの順番で備えている。

そして、吸気通路３は、図１に示すように、第５吸気通路３８から分岐した４つの独立吸気通路３９と、４つの独立吸気通路３９にそれぞれ連通する多気筒エンジン２の第１吸気ポート２２、第２吸気ポート２３、第３吸気ポート２４、及び第４吸気ポート２５を備えている。

なお、上述した第５吸気通路３８の下流部分と、４つの独立吸気通路３９とは、所謂、吸気マニホールド７として、一体的に形成されている。

また、排気通路４は、図１に示すように、多気筒エンジン２の各気筒２１で生じた排気ガスをターボチャージャー５へ向けて導出する通路である。

この排気通路４は、図１に示すように、排気行程順が相互に連続しない第１気筒２１ａ、及び第４気筒２１ｄに連通する第１排気通路４１と、排気行程順が第１気筒２１ａ、及び第４気筒２１ｄに隣り合う第２気筒２１ｂ、及び第３気筒２１ｃに連通する第２排気通路４２とで構成されている。尚、第２気筒２１ｂ、及び第３気筒２１ｃは、排気行程順が相互に連続しない。

具体的には、第１排気通路４１は、図１に示すように、第１排気ポート２６を介して第１気筒２１ａに連通する第１独立排気通路４１ａと、第３排気ポート２８を介して第４気筒２１ｄに連通する第４独立排気通路４１ｂと、第１独立排気通路４１ａ、及び第４独立排気通路４１ｂが合流した集合排気通路４１ｃとで、多気筒エンジン２とターボチャージャー５とを連通している。第１独立排気通路４１ａは、前記第１開口部８５ａに接続され、第4独立排気通路４１ｂは、前記第３開口部８５ｂに接続される。

第２排気通路４２は、図１に示すように、合流排気ポート２７ｂの出口、つまり、第２開口部８４に接続され、第２気筒２１ｂ及び第３気筒２１ｃに連通する。第２排気通路４２は、多気筒エンジン２とターボチャージャー５とを連通している。

また、ターボチャージャー５は、図１に示すように、ツインスクロールターボチャージャーである。このターボチャージャー５は、図１に示すように、第１排気通路４１、及び第２排気通路４２に独立して連通するタービンハウジング５ａと、第２吸気通路３３、及び第３吸気通路３４が連結されたコンプレッサーハウジング５ｂとを備えている。タービンハウジング５ａは、互いに独立した第１スクロール部５ａ１及び第２スクロール部５ａ２を有している。第１排気通路４１は、第１スクロール部５ａ１に接続され、第２排気通路４２は、第２スクロール部５ａ２に接続されている。

さらに、ターボチャージャー５は、図１に示すように、排気通路４からの排気ガスによって回動するタービンホイール５１と、タービンホイール５１に一端が連結されたタービン軸５２と、タービン軸５２の他端に連結されたコンプレッサーホイール５３とを備えている。タービンホイール５１がタービンハウジング５ａの内部に収容され、コンプレッサーホイール５３がコンプレッサーハウジング５ｂの内部に収容されている。第１排気通路４１を通じて流れる排気と、第２排気通路４２を通じて流れる排気とは、互いに独立してタービンホイール５１に供給される。前述したように、第１排気通路４１は、排気順序が隣り合わない二つの気筒に接続され、第２排気通路４２も、排気順序が隣り合わない二つの気筒に接続されているため、このエンジンシステムにおいては、排気干渉が生じない。その結果、第１排気通路と第２排気通路の長さを短くすることが出来る。したがって、エンジンシステムの小型化を更に進めることができる。

尚、タービンハウジング５ａは、タービンホイール５１を収容する箇所のみで構成されるのではなく、前述した第１排気通路４１及び第２排気通路４２、並びに、後述する第１ＥＧＲ通路６１の一部は、タービンハウジング５ａに形成されている（図１の二点鎖線参照）。

また、ＥＧＲ装置６は、排気通路４に排出された排気ガスを、吸気通路３に還流する装置である。このＥＧＲ装置６は、図１に示すように、排気ガスをＥＧＲガスとして取り込む第１ＥＧＲ通路６１、及び第２ＥＧＲ通路６２と、第１ＥＧＲ通路６１及び第２ＥＧＲ通路６２が合流して多気筒エンジン２に接続される第３ＥＧＲ通路６３ａと、多気筒エンジン２の内部に設けた第４ＥＧＲ通路６３ｂとを備えている。

さらに、ＥＧＲ装置６は、第４ＥＧＲ通路６３ｂと第５吸気通路３８とを連結する第１ＥＧＲ合流配管６４、ＥＧＲバルブ６５、第２ＥＧＲ合流配管６６、ＥＧＲクーラー６７、及び第３ＥＧＲ合流配管６８を備えている。

第１ＥＧＲ通路６１は、第１排気通路４１と第３ＥＧＲ通路６３ａとを連結している。第２ＥＧＲ通路６２は、第２排気通路４２と第３ＥＧＲ通路６３ａとを連結している。この第１ＥＧＲ通路６１は、排気マニホールド８とタービンハウジング５ａとにまたがってそれらの内部に形成されており、第２ＥＧＲ通路６２は排気マニホールド８の内部に形成されている。なお、第１ＥＧＲ通路６１、及び第２ＥＧＲ通路６２については、後ほど詳述する。

第３ＥＧＲ通路６３ａは、第１ＥＧＲ通路６１、及び第２ＥＧＲ通路６２からのＥＧＲガスが合流する通路として、排気マニホールド８の内部に形成されている。

第４ＥＧＲ通路６３ｂは、第３ＥＧＲ通路６３ａからの通路として、多気筒エンジン２のシリンダヘッド２ａの内部に形成されている。第４ＥＧＲ通路６３ｂは、シリンダヘッド２ａの排気側の側面に開口していると共に、吸気側の側面にも開口している。排気側の開口は、ＥＧＲ入口６３ｃであり、吸気側の開口は、ＥＧＲ出口６３ｄである。ＥＧＲ入口６３ｃは、シリンダヘッド２ａの側面における、第３開口部８５ｂの近傍に形成されている。図４に例示するように、排気マニホールド８には、入口８３に隣接して、ＥＧＲ入口６３ｃに接続される第３ＥＧＲ通路６３ａの出口６３ｅが形成されている。ここで、第４気筒２１ｄは、直列に配置された複数の気筒のうち気筒列の一端に位置しかつ、その第３排気ポート２８がＥＧＲ入口６３ｃに隣接する特定気筒を構成する。

さらに、第４ＥＧＲ通路６３ｂは、流下するＥＧＲガスを、多気筒エンジン２の内部を流下する冷却水によって冷却する機能を有している。

第１ＥＧＲ合流配管６４は、第４ＥＧＲ通路６３ｂと、ＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲバルブ６５とを連結している。

第２ＥＧＲ合流配管６６は、ＥＧＲバルブ６５と、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラー６７とを連結している。

第３ＥＧＲ合流配管６８は、ＥＧＲクーラー６７と、第５吸気通路３８とを連結している。

図２及び図３は、シリンダヘッド２ａの側面に取り付けられる排気マニホールド８及びタービンハウジング５ａの外観を例示している。尚、図３において示される排気マニホールド８の下面は、図示を省略するシリンダヘッド２ａの側面に取り付けられるエンジン取付面である。タービンハウジング５ａは、排気マニホールド８における、エンジン取付面とは逆側の端面に、固定されている。排気マニホールド８は、シリンダヘッド２ａとタービンハウジング５ａとの間に介在している。

次に、上述した多気筒エンジン２とターボチャージャー５とを連結する排気通路４であって、排気マニホールド８とタービンハウジング５ａに形成された排気通路４、及び、排気通路４の途中に接続されたＥＧＲ通路について、図５～９を用いてさらに詳述する。

図５は、排気マニホールド８の内部の排気通路及びＥＧＲ通路と、タービンハウジング５ａの内部の排気通路及びＥＧＲ通路を示す図である。図５は、排気マニホールド８を鋳造する際に、排気通路及びＥＧＲ通路を形成するために用いる中子、及び、タービンハウジング５ａを鋳造する際に、排気通路及びＥＧＲ通路を形成するために用いる中子を組み合わせたものに相当する。尚、図５は、図３に示すように、多気筒エンジン２に排気マニホールド８とタービンハウジング５ａを取付けた状態にて、下方から視た場合の、排気通路及びＥＧＲ通路の図である。図６は、図２のＡ－Ａ断面である。

排気通路４は、前述したように、第１気筒２１ａ、及び第４気筒２１ｄに連通する第１排気通路４１と、第２気筒２１ｂ、及び第３気筒２１ｃに連通する第２排気通路４２とで構成されている。

具体的には、第１排気通路４１は、第１排気ポート２６に連通する第１独立排気通路４１ａと、第３排気ポート２８に連通する第４独立排気通路４１ｂと、第１独立排気通路４１ａ及び第４独立排気通路４１ｂが合流した集合排気通路４１ｃとで、多気筒エンジン２とターボチャージャー５とを連通している。第１独立排気通路４１ａ、及び、第４独立排気通路４１ｂはそれぞれ、排気マニホールド８とタービンハウジング５ａとに跨がって形成され、集合排気通路４１ｃは、タービンハウジング５ａに形成されている。集合排気通路４１ｃは、図５又は図６において紙面に直交する方向の奥側に配置されるタービンホイール５１に向かって延びている。

第２排気通路４２は、排気マニホールド８とタービンハウジング５ａとに跨がって形成されかつ、多気筒エンジン２とターボチャージャー５とを連通している。また、第２排気通路４２は、第１独立排気通路４１ａと第４独立排気通路４１ｂとの間に挟まれるように形成されている。第２排気通路４２は、図５又は図６において紙面に直交する方向の奥側に配置されるタービンホイール５１に向かって、集合排気通路４１ｃとは独立して延びている。

次に、排気マニホールド８とタービンハウジング５ａに形成されたＥＧＲ通路について、図５～９を用いて詳述する。

先ず、第１ＥＧＲ通路６１の第１ＥＧＲ取り出し部６１a、つまり、第１ＥＧＲ通路６１と第１排気通路４１との接続部は、第１排気通路４１の、第1気筒群の各気筒の排気ポートに連通する複数の独立排気通路の特に、シリンダヘッド２ａのＥＧＲ入口６３ｃと隣接する第３開口部８５ｂに接続する第４独立排気通路４１ｂの下流端部に設けられている。尚、図６では、第１ＥＧＲ取り出し部６１aの位置を仮想的に示している。つまり、第１ＥＧＲ取り出し部６１aは、集合排気通路４１ｃの近傍に位置しており、第１ＥＧＲ取り出し部６１aは、シリンダヘッド２ａの側面から離れた位置に位置している。第１ＥＧＲ取り出し部６１aは、タービンハウジング５ａに設けられている。第１ＥＧＲ取り出し部６１aと、シリンダヘッド２ａの側面とは、図５又は図６の紙面における上下方向に離れている。

ここで、図７は、図２中のＢ－Ｂ矢視断面を示しているが、第１ＥＧＲ取り出し部６１aを第４独立排気通路４１ｂの下流端部に設けることで、集合排気通路４１ｃより手前の排気通路の断面積が大きい、放熱量の高い部位からＥＧＲガスを取り出すことができる。第１排気通路４１から第１ＥＧＲ取り出し部６１ａを通じてＥＧＲ入口６３ｃへ送られるＥＧＲガスの放熱量を向上させることができる。

第２ＥＧＲ通路６２の第２ＥＧＲ取り出し部６２a、つまり、第２ＥＧＲ通路６２と第２排気通路４２との接続部は、排気マニホールド８内に設けられている。尚、図６においては、第２ＥＧＲ取り出し部６２aを、仮想的に示している。第２ＥＧＲ取り出し部６２aは、シリンダヘッド２ａの側面に対して、相対的に近い位置に位置している。

第１ＥＧＲ通路６１は、タービンハウジング５ａ内において、シリンダヘッド２ａの側面から離れた位置から、シリンダヘッド２ａの側面に近づく方向に延びる。第１ＥＧＲ通路６１の下流端部は、排気マニホールド８内まで延びている。

第２ＥＧＲ通路６２は、排気マニホールド８内において、ＥＧＲ入口６３ｃから離れた位置から、ＥＧＲ入口６３ｃに近づくように気筒列方向Ｘに延びる。

さらに、図５に示すように、第１ＥＧＲ通路６１、及び第２ＥＧＲ通路６２は、排気マニホールド８内に設けられた第３ＥＧＲ通路６３ａに合流し、シリンダヘッド２ａの側面に開口するＥＧＲ入口６３ｃへと連通している。

ここで、第１ＥＧＲ通路６１の途中には、その前後の部分よりも通路断面積が小さい第１絞り部７０が形成されている。図２中のＣ－Ｃ矢視断面での図８を用いて、第１絞り部７０について、説明する。

第１絞り部７０は、タービンハウジング５ａにおいて形成されている。より詳細に、第１絞り部７０は、タービンハウジング５ａにおける、排気マニホールド８との取り付け面の近傍に設けられている。第１絞り部７０から第３ＥＧＲ通路６３ａまでの間に、第１ＥＧＲ通路６１の表面積が拡張する。

このように第１ＥＧＲ通路６１に、第1絞り部７０を設けることで、第１ＥＧＲ通路６１の第１絞り部７０から第３ＥＧＲ通路６３ａまでの間は通路の表面積が広がることで、放熱の効率を上げられる。

同様に、第２ＥＧＲ通路６２の途中にも、その前後の部分よりも通路断面積が小さい第２絞り部７１が形成されている。図３中のＥ－Ｅ矢視断面での図９を用いて、第２絞り部７１について説明する。第２絞り部７１は、排気マニホールド８において形成されている。より詳細に、第２絞り部７１は、第２排気通路４２から第３ＥＧＲ通路６３ａに向かって斜め下方へ延びる第２ＥＧＲ通路６２の中間部に設けられている。

このように第２ＥＧＲ通路６２に、第２絞り部７１を設けることで、第２ＥＧＲ通路６２の第２絞り部７１から第３ＥＧＲ通路６３ａまでの間は通路の表面積が広がることで、放熱の効率を上げられる。

また、図１及び９を用いて、第２ＥＧＲ通路６２について詳述する。

第２排気ポート２７の第２開口部８４から排出された排気は、排気マニホールド８内で分岐し、第２ＥＧＲ通路６２を通過してシリンダヘッド２ａへ戻る。第１排気通路４１に接続された第１ＥＧＲ通路６１よりも、第２ＥＧＲ通路６２の通路長は短く、ＥＧＲ入口６３ｃから第３開口部８５ｂを隔てた位置に第２開口部８４が位置していると共に、第２ＥＧＲ通路６２をシリンダヘッド２ａの外側に配置することで、シリンダヘッド２ａへの熱負荷を軽減し、同時に第２ＥＧＲ通路６２の長さを最小とすることができる。

次に、図５を用いてＥＧＲガスの流れとシリンダヘッド２ａのＥＧＲ入口６３ｃに伝わる熱の流れについて詳述する。

第１排気ポート２６と第３排気ポート２８から排出され、第１排気通路４１を通じてターボチャージャー５に向かう排気の流れ方向に対して、第１ＥＧＲ取り出し部６１aから第１ＥＧＲ通路６１へ導入されたＥＧＲは、排気マニホールド８に形成されている第２ＥＧＲ通路６２からのＥＧＲガスと合流する通路を形成する第３ＥＧＲ通路６３ａへ導入され、シリンダヘッド２ａ内の第４ＥＧＲ通路６３ｂへと連通している。

ＥＧＲ入口６３ｃは、気筒列方向Ｘに隣接する第３開口部８５ｂからの排気熱によって熱せられた排気マニホールドの熱伝導を最も受けやすく、第２開口部８４、第１開口部８５ａと、気筒列方向Ｘに距離が離れる順に、ＥＧＲ入口６３ｃへの熱伝導が弱くなる。

例えば、第３開口部８５ｂから最短経路にて直接ＥＧＲ入口６３ｃと連通させると、高温のＥＧＲガスと排気マニホールド８の熱により、ＥＧＲ入口６３ｃでの過剰な温度上昇を招いてしまう。

そこで、図５に黒い矢印で示すように、第１排気通路４１に連通する第１ＥＧＲ通路６１を通過するＥＧＲガスは第３開口部８５ｂから排出され、第４独立排気通路４１ｂの下流端部にまで流れた後に、第１ＥＧＲ取り出し部６１ａから第１ＥＧＲ通路６１に流れてシリンダヘッド２ａへ戻す。このことにより、通路長を稼ぎ、通路の表面積を増大させることで、温度の下がったＥＧＲガスをシリンダヘッド２ａ側に戻すことが出来る。また、第１ＥＧＲ通路６１の取出口が設けられた下流端部が第１独立排気通路４１ａとの集合排気通路４１ｃ近傍にあるため、第１独立排気通路４１ａからの排気もＥＧＲガスとして、温度を下げながら、シリンダヘッド２ａへ戻すことが出来る。

また、第２排気通路４２に連通する第２ＥＧＲ通路６２は、第２排気通路４２に対してシリンダヘッド２ａに近い位置で接続されているものの、第２排気通路４２は、ＥＧＲ入口６３ｃから気筒列方向Ｘに離れている。このため、第２ＥＧＲ通路６２を通過するＥＧＲガスは、図５に白い矢印で示すように、第２ＥＧＲ通路６２から第３ＥＧＲ通路６３ａに沿って、比較的長い距離を流れる。その結果、温度の下がったＥＧＲガスをＥＧＲ入口６３ｃへ流入させることができる。

このような構成によれば、ターボチャージャー付エンジン１は、第１ＥＧＲ通路６１の全長を長くすることで、放熱量が増大し、同時に第２ＥＧＲ通路６２の長さを最小とすることで、その大きさが大型化することを抑える事が出来る。これにより、ツインスクロールターボチャージャーを備えるが故に２本必要となるＥＧＲ通路の小型化とＥＧＲ入口の熱負荷の低減とを両立することができる。

尚、前記のエンジンシステムは、第２排気ポート２７が、第２気筒２１ｂ、及び第３気筒２１ｃに対して独立して連通する２つの独立排気ポート２７ａと、２つの独立排気ポート２７ａと外部とを連通する１つの合流排気ポート２７ｂとで構成され、第２排気通路４２が、合流排気ポート２７ｂの第２開口部８４に接続される１つの通路によって構成されている。これとは異なり、第２気筒２１ｂの排気ポートと、第３気筒２１ｃの排気ポートとをそれぞれ独立に設けてもよい。この構成の場合、第２排気通路は、第１排気通路４１と同様に、２つの排気ポートそれぞれの出口に接続される、２つの独立排気通路と、２つの独立排気通路が合流した集合排気通路とを有することになる。尚、第２ＥＧＲ取り出し部は、集合排気通路に設けてもよいし、２つの独立排気通路の内のいずれか一方に設けてもよい。

この場合において、第１ＥＧＲ取り出し部と特定気筒（つまり、第４気筒２１ｄ）の排気ポートとの間の通路長は、第２ＥＧＲ取り出し部と第２気筒２１ｂの排気ポートとの間の通路長、及び、第２ＥＧＲ取り出し部と第３気筒２１ｃの排気ポートとの間の通路長のうちの最大の通路長よりも長くすればよい。

１…ターボチャージャー付エンジン
２…多気筒エンジン
５…ターボチャージャー
２１…気筒
２１ａ…第１気筒
２１ｂ…第２気筒
２１ｃ…第３気筒
２１ｄ…第４気筒
２７ａ…独立排気ポート
２７ｂ…合流排気ポート
４１…第１排気通路
４１ａ…第１独立排気通路
４１ｂ…第４独立排気通路
４１ｃ…集合排気通路
４２…第２排気通路
４２ａ…第２独立通路部
４２ｂ…第３独立通路部
４２ｃ…第２合流通路部
６１…第１ＥＧＲ通路
６２…第２ＥＧＲ通路
６３ａ…第３ＥＧＲ通路
６３ｂ…第４ＥＧＲ通路
７０…第１絞り部
７１…第２絞り部
８４…第２開口部（集合排気出口）

Claims (5)

1. 第１スクロール部及び第２スクロール部を持つツインスクロールターボチャージャー及び、直列に配置された複数の気筒のうち気筒列の一端に位置する特定気筒を含む複数の気筒によって構成された第１気筒群と、残りの気筒によって構成された第２気筒群とを持つ内燃機関、を有するエンジンシステムであって、
   前記第１気筒群の各気筒の排気ポートと前記第1スクロール部とを連通する第１排気通路、
   前記第２気筒群の各気筒の排気ポートと前記第２スクロール部とを連通する第２排気通路、
   前記第１排気通路に設けられた第１ＥＧＲ取り出し部において、その一端が前記第１排気通路に連通する第１ＥＧＲ通路、
   前記第２排気通路に設けられた第２ＥＧＲ取り出し部において、その一端が前記第２排気通路に連通する第２ＥＧＲ通路、及び、
   前記第１ＥＧＲ通路の他端と前記第２ＥＧＲ通路の他端のそれぞれが、その一端において連通すると共に、シリンダヘッド内に設けたＥＧＲ通路の入口であって、前記シリンダヘッドにおける前記特定気筒の排気ポートに隣接する位置に設けられたＥＧＲ入口に、その他端が連通する第３ＥＧＲ通路、を更に有し、
   前記第１ＥＧＲ取り出し部と前記特定気筒の排気ポートとの間の通路長が、前記第２ＥＧＲ取り出し部と前記第２気筒群の各気筒の排気ポートとの間の通路長のうちの最大の通路長よりも長いことを特徴とするエンジンシステム。
2. 前記第１気筒群は、前記複数の気筒の中で排気行程が互いに隣り合わない気筒によって構成され、
   前記第２気筒群は、前記複数の気筒の中で排気行程が互いに隣り合わない気筒群によって構成されたことを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
3. 前記第１排気通路は、前記第1気筒群の各気筒の排気ポートに連通する複数の独立排気通路と、該複数の独立排気通路それぞれの下流に接続する集合排気通路とを備え、前記第１ＥＧＲ取り出し部は、前記複数の独立排気通路のうち前記特定気筒の排気ポートに連通する独立排気通路の下流端部に設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンシステム。
4. 前記シリンダヘッドに前記第２気筒群の全ての気筒に連通する集合排気出口が設けられ、前記第２排気通路の上流端が前記集合排気出口に接続され、前記第２ＥＧＲ取り出し部が、前記第２排気通路の上流端部に設けられたことを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載のエンジンシステム。
5. 前記第１ＥＧＲ通路は、その途中に、通路断面積が縮小した第１絞り部を有し、
   前記第２ＥＧＲ通路は、その途中に、通路断面積が縮小した第２絞り部を有することを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載のエンジンシステム。
   

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