JP2007327382A - 多気筒エンジンおよびそのegrクーラ - Google Patents

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Abstract

【課題】ターボチャージャのタービン上流からコンプレッサ下流へ排気の一部を還流させるEGR装置を備える多気筒エンジンにおいて、高過給・大量EGRにより、NOxの低減および出力・燃費の向上を図る。コストの低減を図るため、EGR装置の部品数および配管の削減を実現する。
【解決手段】EGR装置35は、各排気マニホールドにそれぞれ一端が接続される支流路36a,36b、これらの他端側とベンチュリの間を接続する合流路36c、支流路36a,36bと合流路36cとの接続部に配置されるEGRクーラ37、を備え、EGRクーラ37は、支流路にそれぞれ接続する個別の入口部50A,50B、合流路に接続する共通の出口部51A、各入口部と共通の出口部との間をそれぞれ接続する冷却通路52A,52Bと、これらの冷却通路間を排気パルスが行き来するのを抑えるように各冷却通路を共通の出口部に対して開閉する逆止弁としてのリードバルブ53A、を備える。
【選択図】図3

Description

この発明は、ターボ過給機のタービン上流からコンプレッサ下流へ排気を環流させるEGR装置を備える多気筒エンジンにおいて、排気対策(NOxの低減など)および出力・燃費の向上を実現するための技術およびこれに好適なEGRクーラに関する。
エンジンのEGR(排気環流:Exhaust Gas Recirculation)システムとして、排気系から吸気系へ排気の一部をEGRクーラを経由して環流させるものがよく採用される。このようなEGRシステムにおいては、ターボ過給機のタービン上流からコンプレッサ下流へ排気を環流させる場合、過給圧が排気圧よりも高くなる運転領域が生じやすく、EGRが十分に得られない。特許文献1においては、EGR率の向上に排気脈動を利用するべく、排気マニホールドが排気行程のオーバラップしない気筒群毎に分割され、これらマニホールド(ターボチャージャのタービン上流)と吸気通路(ターボチャージャのコンプレッサ下流)との間を個別的に接続する各EGR通路の途中にEGRガス(排気環流ガス)の逆流を規制する逆止弁(リードバルブ)が介装される。
特開2004−308487号
このような従来例においては、気筒群毎の排気マニホールド下流にターボチャージャのタービンハウジングが接続される。このため、ターボチャージャについては、気筒群毎の排気マニホールドに対応する複数のタービン入口を持つものに制約される。タービン入口が1つ(シングルエントリ方式)の場合、タービンハウジングの内部を通して排気噴き出し中の気筒群側の排気マニホールドからのブローダウン流(排気行程初期の噴き出し排気)が排気(押し出し)行程中の気筒群側の排気マニホールドへ逃げてしまう。つまり、EGR率およびタービン効率の向上に排気パルス(正圧波の山)が十分に生かせない。また、EGR通路が個別的に配設され、各EGR通路にEGRクーラ,EGRバルブ,逆止弁が配置されるため、部品数が多くかつ配管も嵩張り、コストが高くなってしまう。
この発明は、このような従来技術を踏まえつつ、ターボ過給機のタービン上流からコンプレッサ下流へ排気を環流させるEGR装置を備える多気筒エンジンにおいて、排気対策(NOxの低減など)および出力・燃費の向上を促進するべく、広い運転領域において、高過給・大量EGRを実現しえる手段の提供を目的とする。
第1の発明は、ターボチャージャのタービン上流からコンプレッサ下流へ排気を環流させるEGR装置、排気行程がオーバラップしない気筒群毎に2分割される排気マニホールド、これら排気マニホールドの直下流を排気パルスが逆流するのを抑える排気脈動増幅手段、吸気マニホールドの上流に配置される吸気脈動増幅手段、を備え、EGR装置は、各排気マニホールドにそれぞれ一端が接続される支流路、各支流路の他端側と吸気脈動増幅手段との間を接続する合流路、これら支流路と合流路との接続部に配置されるEGRクーラ、を備え、EGRクーラは、支流路にそれぞれ接続する個別の入口部、合流路に接続する共通の出口部、各入口部と共通の出口部との間をそれぞれ接続する冷却通路と、これらの冷却通路間を排気パルスが行き来するのを抑えるように各冷却通路を共通の出口部に対して開閉する逆止弁としてのリードバルブ、を備えることを特徴とする。
第2の発明は、ターボチャージャのタービン上流からコンプレッサ下流へ排気を環流させるEGR装置、排気行程がオーバラップしない気筒群毎に2分割される排気マニホールド、これら排気マニホールドの直下流を排気パルスが逆流するのを抑える排気脈動増幅手段、吸気マニホールドの上流に配置される吸気脈動増幅手段、を備え、EGR装置は、各排気マニホールドにそれぞれ一端が接続される支流路、これら支流路の他端側と吸気脈動増幅手段との間を接続する合流路、各支流路にそれぞれ配置されるEGRクーラ、これらクーラの出口部にそれぞれ配置される逆止弁としてのリードバルブ、を備えることを特徴とする。
第3の発明は、第1の発明に係るリードバルブは、2つの冷却通路の互いに向き合う下流端間に介装され、各冷却通路の下流端に対応する1対のバルブシートを備え、一方の冷却通路から出口部へ噴き出る排気の動圧により、反対側のバルブシートに押圧され、他方の冷却通路を出口部に対して閉弁する仕組みの片持ち弁に構成されることを特徴とする。
第4の発明は、第1の発明〜第3の発明に係る排気脈動増幅手段として、各排気マニホールドを直下流の合流部へ先細ノズル形状に絞る混合部を備えたことを特徴とする。
第5の発明は、第1の発明〜第3の発明に係る排気脈動増幅手段として、ターボチャージャのタービン入口が複数のタービンハウジングを各排気マニホールドの下流端に接続したことを特徴とする。
第6の発明は、第1の発明〜第3の発明に係る吸気脈動増幅手段として、ベンチュリを吸気通路とEGR通路との接続部に配置したことを特徴とする。
第7の発明は、第1の発明〜第3の発明に係る吸気脈動増幅手段として、絞り弁を吸気通路とEGR通路との接続部に配置したことを特徴とする。
第1の発明においては、排気脈動増幅手段により、各排気マニホールドの直下流を排気パルスが逆流するのを抑えられ、EGRクーラへ排気パルスが弱められることなく伝えられる。また、EGRクーラにおいて、2つの冷却通路間を排気パルスが行き来するのを抑えるように各冷却通路を共通の出口部に対して開閉するリードバルブを備えるので、2つの冷却通路の高圧側から低圧側へ排気パルスが逆流するのを抑えられる。つまり、支流路と合流路との接続部に配置されるEGRクーラにおいても、排気の干渉が防止され、EGR率の向上に排気パルスを有効に利用できる。また、吸気脈動増幅手段により、吸気圧力が低下するため、EGRガスを吸気マニホールドへ吸い込みやすくなり、EGR率の向上が促進される。従って、各排気マニホールドの直下流にターボチャージャのタービンハウジングが接続される場合、タービン入口が1つシングルエントリ方式においても、タービン効率の向上が得られるばかりでなく、EGR率を十分に高められるのである。EGRクーラは、2つの冷却通路を備えるが、1つの部品であり、EGR流量を調整するEGRバルブについても、合流路に介装すれば、1つ部品で済むため、EGR装置の部品数および配管の削減が可能となり、コストの低減を実現できる。
第2の発明においては、排気脈動増幅手段により、各排気マニホールドの直下流を排気パルスが逆流するのを抑えられる。このため、EGRクーラへ排気パルスが弱められることなく伝えられ、リードバルブを有効に作動させることができる。リードバルブは、各EGRクーラの出口部にそれぞれ配置されるので、排気パルスが逆流するのを抑えられる。つまり、各支流路のリードバルブにより、排気の干渉が防止され、EGR率の向上に排気パルスを有効に利用できる。また、吸気脈動増幅手段により、吸気圧力が低下するため、EGRガスを吸気マニホールドへ吸い込みやすくなり、EGR率の向上が促進される。従って、各排気マニホールドの直下流にターボチャージャのタービンハウジングが接続される場合、タービン入口が1つシングルエントリ方式においても、タービン効率の向上が得られるばかりでなく、EGR率を十分に高められるのである。EGR装置は、合流路を用いるので、配管が節約され、EGR流量を調整するEGRバルブについても、合流路に介装すれば、1つ部品で済むため、部品数の削減が可能となり、コストの低減を実現できる。
第3の発明においては、一方の冷却通路から出口部へ噴き出る排気の動圧により、リードバルブは、反対側のバルブシートに押圧され、他方の冷却通路を出口部に対して閉弁するので、2つの冷却通路間を排気パルスが行き来するのを抑えられるばかりなく、低圧側の冷却通路が閉弁のときは、高圧側の冷却通路が開弁のため、吸気圧力(過給圧)が高圧側の排気圧力を上回らない限り、吸気圧力の上昇に伴うEGRガスの逆流も抑えられるのである。
第4の発明においては、先細ノズル形状の混合部により、排気の流れが加速され、動圧が上がるため、排気噴き出し中の気筒側の排気マニホールドから排気(押し出し)行程中の気筒側の排気マニホールドへ排気パルスが逃げるのを抑えられる。また、先細ノズル形状の混合部により、動圧が上がると、静圧が下がり、排気(押し出し)行程中の排気マニホールドから排気を吸引するため、排気(押し出し)行程中のポンピングロスも低減される。
第5の発明においては、タービン入口が2つのタービンハウジングにより、排気の干渉が防止され、タービンの回転を向上させることができるほか、EGR通路へ排気パルスを弱めることなく伝えられるため、EGR率を十分に高められるのである。
第6の発明においては、ベンチュリにより、吸気の流れが加速され、動圧が上がり、静圧が下がるため、EGRガスを吸気マニホールドへ吸い込みやすくなり、EGR率の向上が促進される。
第7の発明においては、絞り弁により、吸気の流れが抑制され、EGRガスを吸気マニホールドへ吸い込みやすくなり、EGR率の向上が促進される。
図1において、2は多気筒エンジン1(6気筒ディーゼルエンジン)の吸気通路であり、吸気マニホールド3と吸気管4とから構成される。6aはターボチャージャ6のコンプレッサであり、5はインタクーラであり、7はエアクリーナである。
8はエンジン1の排気通路であり、排気マニホールド9a,9bと排気管10とから構成される。排気マニホールド9a,9bは、排気行程が実質的にオーバラップしない気筒群(#1,2,3と#4,5,6)毎に分割され、これらマニホールド9a,9bの合流部11にターボチャージャ6のタービン6bを介して排気管10が接続される。ターボチャージャ6のコンプレッサ6aは、タービン6bの回転により駆動され、各気筒への吸気を過給する。ターボチャージャ6としては、タービン入口が1つ(シングルエントリ方式)の可変ノズル式が用いられる。12はマフラである。
図2のように、排気マニホールド9a,9bは、互いに集合部下流が1つのフランジ20に結集され、その接合面に合流部11を開口する。1つのフランジ20に結集する集合部下流は、合流部11へ向けて通路を先細形状に絞るノズル部23a,23bに形成される。25はタービンハウジングであり、排気マニホールド9a,9bのフランジ20に対応するフランジ26が形成され、タービン6bの入口がフランジ26の接合面に開口する。排気マニホールド9a,9bのフランジ20にタービンハウジング25のフランジ26が連結される。ノズル部23a,23b下流の合流部11を一旦絞ってから徐々に拡げるスロート形状のディフューザ部29がタービンハウジング25の内部に形成される。
合流部11においては、先細形状のノズル部23a,23bにより、排気の流れが加速され、動圧が上がり、静圧が下げるため、排気マニホールド9a,9b間を排気パルスが逆流するのを抑えられる。また、ノズル部23aまたは23bから噴き出るブローダウン流(排気行程初期の噴き出し排気)の流速により、動圧が上がり、静圧が下げられ、エゼクタ作用を生じると、排気(押し出し)行程中の気筒側の排気マニホールド9bまたは9aから排気がディフューザ部29へ吸引されるのである。その後は、ディフューザ部29により、排気の流れが減速され、スクロールの静圧(排気圧)を上げるようになっている。
図1において、35はターボチャージャ6のタービン6b上流からターボチャージャ6のコンプレッサ6a下流へ排気の一部を環流させるEGR装置であり、排気マニホールド9a,9bの集合部と後述のベンチュリ40(吸気脈動増幅手段)との間を接続するEGR通路36が備えられる。EGR通路36は、各排気マニホールド9a,9bの集合部にそれぞれ一端が接続される支流路36a,36bと、支流路36a,36bの他端側とベンチュリ40との間を接続する合流路36cと、これら支流路36a,36bにそれぞれ配置されるEGRクーラ37a,37bと、合流路36cに配置されるEGRバルブ38(EGR流量を調整する手段)と、から構成される。吸気マニホールド3の直上流(インタクーラ5の下流)にベンチュリ40が配置され、ベンチュリ40にEGR装置35の合流路36cが開口される。ベンチュリ40により、吸気の流れが加速され、動圧が上がり、静圧が下がるため、EGRガスを吸気マニホールド3へ吸い込みやすくなる。
図3,図4は、EGRクーラ37a,37bの構成を説明するものであり、排気(EGRガス)の入口部50と出口部51と、これらの間に構成される冷却通路52と、冷却通路52を出口部51に対して開閉するリードバルブ53(逆止弁)と、を備える。冷却通路52は、所定数の伝熱管52aから構成され、その周りに筒形の胴体52bで囲われる流路56が形成され、伝熱管52aを通過するEGRガスと胴体52bの内部(流路56)を流れる冷却水との間で熱交換を行うようになっている。55は冷却水の入口部であり、56は同じく出口部であり、これらはエンジン1の冷却水循環回路に接続される。
リードバルブ53は、撓み量が0の自然状態において、バルブシート54に接して冷却通路52と出口部51との間を遮断(閉弁)する一方、冷却通路側の圧力が出口側の圧力よりも増大すると、圧力差によりバルブシート54から離れ、冷却通路52と出口部51との間を連通(開弁)する片持ち弁に構成される。57はリードバルブの最大開度を規制するバルブストッパである。
このような構成により、エンジン1の排気は、各排気マニホールド9a,9bにより、排気行程のオーバラップしない気筒群毎に分けられ、先細ノズル形状の混合部23a,23bからターボチャージャ6のタービン6bを介して下流側へ排出される。その際、先細ノズル形状の混合部23a,23bにより、動圧が上がり、静圧が下がるため、排気噴き出し中の気筒側の排気マニホールド9aまたは9bから排気(押し出し)行程中の気筒側の排気マニホールド9bまたは9aへ排気パルスが逃げるのを抑えられる。このため、タービン6bに対するばかりでなく、EGR通路36に対しても、排気パルスが弱められることなく伝達される。
リードバルブ53は、それ自体の弾性力により、冷却通路側の圧力が出口側の圧力よりも低下すると、バルブシート54に押圧され、冷却通路52と出口部51との連通を遮断する。つまり、吸気側の圧力が排気側の圧力を上回ると、リードバルブ53は閉弁するため、EGRガスが逆流するのを抑えられる。また、2つのEGRクーラ37a,37bの間において、一方からの排気パルスにより、他方のリードバルブ53が閉弁するため、排気の干渉が防止され、EGR率の向上に排気パルスを効率よく利用できるのである。
ベンチュリ40により、吸気圧力が低下(吸気負圧が増幅)するため、EGRガスを吸気マニホールド3へ吸い込みやすくなり、EGR率の向上が促進される。従って、各排気マニホールド9a,9bの直下流にターボチャージャ6のタービンハウジング25が接続されるが、タービン入口が1つシングルエントリ方式においても、タービン効率の向上が得られるばかりでなく、EGR率を十分に高められるのである。また、先細ノズル形状の混合部23aまたは23bにより、動圧が上がると、静圧が下がり、排気(押し出し)行程中の排気マニホールド9bまたは9aから排気をディフューザ部29へ吸引するため、ポンピングロスも低減される。EGR装置35は、合流路36cを用いるので、配管が節約され、EGR流量を調整するEGRバルブ38についても、合流路36cに1つで済むため、部品数の削減が可能となり、コストの低減を実現できる。
図5〜図9は別の実施形態を表すものであり、EGR通路36は、各排気マニホールド9a,9bの集合部にそれぞれ一端が接続される支流路36a,36bと、支流路36a,36bの他端側とベンチュリ40との間を接続する合流路36cと、支流路36a,36bと合流路36cとの接続部に配置されるEGRクーラ37と、合流路36cに配置されるEGRバルブ38(EGR流量を調整する手段)と、から構成される。
EGRクーラ37は、支流路36a,36bにそれぞれ接続される個別の入口部50a,50bと、合流路36cに接続される共通の出口部51Aと、個別の入口部50a,50bと共通の出口部51aとの間にそれぞれ構成される冷却通路52A,52Bと、これら冷却通路52A,52Bを共通の出口部51Aに対して開閉するリードバルブ53Aと、を備える(図5,図6、参照)。冷却通路52A,52Bは、所定数の伝熱管52aから構成され、その周りに筒形の胴体52bで囲われる流路56Aが形成され、伝熱管52aを通過するEGRガスと胴体52bの内部(流路56A)を流れる冷却水との間で熱交換を行うようになっている。55Aは冷却水の入口部であり、56a,56bは同じく出口部であり、これらはエンジン1の冷却水循環回路に接続される。
リードバルブ53Aは、2つの冷却通路52A,52Bの互いに向き合う下流端間に介装される。具体的には、図8,図9のように筒形のケーシング60の内側に各冷却通路52A,52Bの下流端に対応する1対のバルブシート54a,54bが形成され、リードバルブ53Aは、バルブシート54a,54bの一側に挟持され、一方の冷却通路52Aまたは52Bから出口部51Aへ通過する排気パルスの動圧により、反対側のバルブシート54bまたは54aに押圧され、他方の冷却通路52Bまたは52Aを出口部51Aに対して閉弁する片持ち弁に構成される。この場合、リードバルブ53Aは、撓み量が0の自然状態において、バルブシート54a,54bから離れて開弁する片持ち弁のため、排気により押し開かれる通常タイプのリードバルブに較べると、排気パルスが通過しやすく、EGR率の向上効果を期待できる。
この実施形態においては、リードバルブ53Aにより、冷却通路52A,52B間を排気パルスが行き来するのを抑えられる。つまり、EGRクーラ37において、排気の干渉が防止され、EGR率の向上に排気パルスを有効に利用できる。また、リードバルブ53Aにより、冷却通路52A,52Bの低圧側が閉弁され、高圧側が開弁のため、吸気側の圧力が排気側の圧力を上回る場合においても、EGRガスが逆流するのを抑えられるのである。従って、各排気マニホールド9a,9bの直下流にターボチャージャ6のタービンハウジング6bが接続されるが、タービン入口が1つシングルエントリ方式においても、タービン効率の向上が得られるばかりでなく、EGR率を十分に高められるのである。EGRクーラ37は、2つの冷却通路52A,52Bを備えるが、1つの部品であり、リードバルブ53AおよびEGR流量を調整するEGRバルブ38についても、合流路36cに各々1つで済むため、EGR装置35の部品数および配管の削減が可能となり、コストの低減を実現できる。なお、EGR通路36とベンチュリ40との接続部にEGRガスの逆流を規制する逆止弁を配置することも考えられる。図5において、図1と同一の部品は、同一の符号を付け、重複説明は省略する。
図1,図5において、ベンチュリ40の代替手段として絞り弁(スロットルバルブ)を用いてもよい。絞り弁により、吸気の流れが抑制され、EGRガスを吸気マニホールド3へ吸い込みやすくなり、EGR率の向上が促進される。先細ノズル形状の混合部23a,23bは、排気マニホールド9a,9bと一体に形成するのでなく、図10のように別体のスペーサとして排気マニホールド9a,9bのフランジ20とタービンハウジング25のフランジ26との間に介装してもよい。ディフューザ部29についても、タービンハウジング25と一体に形成するのでなく、図11のように別体のスペーサとしてタービンハウジング25のフランジ26と排気マニホールド9a,9bのフランジ20との間に介装してもよい。
この発明の実施形態を表す全体的な概要構成図である。 同じく先細ノズル形状の混合部を説明する断面図である。 同じくEGRクーラを説明する断面図である。 同じく図3のX-X断面図である。 別の実施形態を説明する全体的な概要構成図である。 同じくEGRクーラを説明する断面図である。 同じく図6のX-X断面図である。 同じくリードバルブの断面図である。 同じく図8の左側面図である。 別の変形例として先細ノズル形状の混合部を説明する断面図である。 別の変形例としてディフューザ部を説明する断面図である。
符号の説明
1 多気筒エンジン
2 吸気通路
3,3a,3b 吸気マニホールド
5 インタクーラ
6 ターボチャージャ(可変ノズル式ターボチャージャ)
6a コンプレッサ
6b タービン
8 排気通路
9a,9b 排気マニホールド
23a,23b 先細形状のノズル部
35 EGR装置
37a,37b,37 EGRクーラ
38 EGRバルブ
40 ベンチュリ
50,50A,50B EGRクーラの入口部
51,51A EGRクーラの出口部
52,52A,52B EGRクーラの冷却通路
53,53A リードバルブ
54,54a,54b バルブシート
57 バルブストッパ

Claims (7)

  1. ターボチャージャのタービン上流からコンプレッサ下流へ排気を環流させるEGR装置、排気行程がオーバラップしない気筒群毎に2分割される排気マニホールド、これら排気マニホールドの直下流を排気パルスが逆流するのを抑える排気脈動増幅手段、吸気マニホールドの上流に配置される吸気脈動増幅手段、を備え、EGR装置は、各排気マニホールドにそれぞれ一端が接続される支流路、これら支流路の他端側と吸気脈動増幅手段との間を接続する合流路、これら支流路と合流路との接続部に配置されるEGRクーラ、を備え、EGRクーラは、支流路にそれぞれ接続する個別の入口部、合流路に接続する共通の出口部、各入口部と共通の出口部との間をそれぞれ接続する冷却通路と、これらの冷却通路間を排気パルスが行き来するのを抑えるように各冷却通路を共通の出口部に対して開閉する逆止弁としてのリードバルブ、を備えることを特徴とする多気筒エンジン。
  2. ターボチャージャのタービン上流からコンプレッサ下流へ排気を環流させるEGR装置、排気行程がオーバラップしない気筒群毎に2分割される排気マニホールド、これら排気マニホールドの直下流を排気パルスが逆流するのを抑える排気脈動増幅手段、吸気マニホールドの上流に配置される吸気脈動増幅手段、を備え、EGR装置は、各排気マニホールドにそれぞれ一端が接続される支流路、これら支流路の他端側と吸気脈動増幅手段との間を接続する合流路、各支流路にそれぞれ配置されるEGRクーラ、これらクーラの出口部にそれぞれ配置される逆止弁としてリードバルブ、を備えることを特徴とする多気筒エンジン。
  3. リードバルブは、2つの冷却通路の互いに向き合う下流端間に介装され、各冷却通路の下流端に対応する1対のバルブシートを備え、一方の冷却通路から出口部へ噴き出る排気の動圧により、反対側のバルブシートに押圧され、他方の冷却通路を出口部に対して閉弁する仕組みの片持ち弁に構成されることを特徴とする請求項1に記載の多気筒エンジン。
  4. 排気脈動増幅手段として、各排気マニホールドを直下流の合流部へ先細ノズル形状に絞る混合部を備えたことを特徴とする請求項1〜請求項3に記載の多気筒エンジン。
  5. 排気脈動増幅手段として、ターボチャージャのタービン入口が2つのタービンハウジングを各排気マニホールドの下流端に接続したことを特徴とする請求項1〜請求項3に記載の多気筒エンジン。
  6. 吸気脈動増幅手段として、ベンチュリまたはエゼクタを吸気通路とEGR通路との接続部に配置したことを特徴とする請求項1〜請求項3に記載の多気筒エンジン。
  7. 吸気脈動増幅手段として、絞り弁を吸気通路とEGR通路との接続部に配置したことを特徴とする請求項1〜請求項3に記載の多気筒エンジン。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011106361A (ja) * 2009-11-18 2011-06-02 Toyota Motor Corp 内燃機関の排気還流装置
JP2015055190A (ja) * 2013-09-12 2015-03-23 日野自動車株式会社 Egr装置
CN108462318A (zh) * 2017-02-22 2018-08-28 蔚来汽车有限公司 电机冷却结构、动力电机及电驱动***

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