JP2008190409A - 多気筒エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】ターボチャージャを備える多気筒エンジンにおいて、排気対策および出力・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を実現しえるようにする。
【解決手段】排気行程がオーバラップしない気筒群毎に分割される排気マニホールド９ａ，９ｂ、各排気マニホールドの下流部をターボチャージャのタービン入口へ向けて先細形状に絞る排気系エゼクタ２３、吸気行程がオーバラップしない気筒群毎に分割される吸気マニホールド３ａ，３ｂ、ターボチャージャのタービン上流とコンプレッサ下流との間を接続するEGR通路３６、EGR通路のEGRバルブ下流に配置される逆止弁３９、吸気通路の途中およびEGR通路の出口部をこれらの合流部へ向けてそれぞれ先細形状に絞る吸気系エゼクタ４０、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、ターボチャージャ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、高過給と大量EGRを実現するための技術に関する。

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を十分に行えない。

特許文献１の場合、EGR通路に逆止弁（リードバルブ）が介装される。特許文献２の場合、ターボチャージャのコンプレッサ下流に断面翼型の中空構造体（EGRノズル）が吸気通路の中央を横断するように配置され、吸気（給気）が断面翼型の中空構造体により分流され、その下流に負圧が発生すると、中空構造体の出口からEGRガスが下流側へ吸い出されるようになっている。特許文献３の場合、ターボチャージャのコンプレッサ下流（吸気通路の途中）にベンチュリが形成され、その入口部にEGR通路の出口部（インジェクションチューブ）をこれと同軸的に配置することにより、ベンチュリの入口部とEGR通路の出口部との間に吸気（給気）の流速を高める環状路が形成される。この環状路により、吸気の動圧が上がり、静圧が下がるため、EGR通路の出口からEGRガスが下流側へ吸い出されるのである。
特開平０９−１３７７５４号 特開２０００−０９７１１１号 特表２００３−５０７６３３号

特許文献１のような従来例においては、EGR通路の逆止弁により、排気脈動と吸気脈動との干渉が避けられるものの、ターボチャージャがシングルエントリ方式（タービン入口が１つ）の場合、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）行程中の排気マニホールドへ排気パルス（正圧波）が逃げやすく、EGR率の向上に排気脈動を十分に利用しえない。

特許文献２，特許文献３のような従来例においては、断面翼型の中空構造体やベンチュリ入口部の環状路により、吸気絞りが効いてEGRガスが吸い出されるようになっているため、低中負荷域において、吸気絞りによりEGRを行うと、EGR量が過剰となり、吸入空気量の不足を招きかねない。中空構造体（特許文献２）やインジェクションチューブ（特許文献３）は、吸気絞りを行う作動状態と吸気の流れを妨げない退避状態との間を変換可能になっているが、部品数が多く構造も複雑のため、コストが高くつきやすい。

この発明は、このような解決すべき課題を踏まえつつ、排気対策および出力・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を実現することを目的とする。

第１の発明は、ターボチャージャを備える多気筒エンジンにおいて、排気行程がオーバラップしない気筒群毎に分割される排気マニホールド、各排気マニホールドの下流部をターボチャージャのタービン入口へ向けて先細形状に絞る排気系エゼクタ、吸気行程がオーバラップしない気筒群毎に分割される吸気マニホールド、ターボチャージャのタービン上流とコンプレッサ下流との間を接続するEGR通路、EGR通路のEGRバルブ下流に配置される逆止弁、吸気通路の途中およびEGR通路の出口部をこれらの合流部へ向けてそれぞれ先細形状に絞る吸気系エゼクタ、を備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明に係る多気筒エンジンにおいて、吸気系エゼクタは、吸気通路の途中の通路面積をEGR通路との合流部へ向けて縮小する吸気ノズルと、EGR通路の出口部の通路面積を吸気通路との合流部へ向けて縮小するEGRノズルと、これら合流部の通路面積を下流側へ縮小してから拡大するスロート形状のディフューザと、を備えたことを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明に係る多気筒エンジンにおいて、吸気ノズルの合流部に臨む開口面積と、EGRノズルの合流部に臨む開口面積と、はそれぞれ直上流の吸気通路面積の１／４程度に設定したことを特徴とする。

第４の発明は、第２の発明または第３の発明に係る多気筒エンジンにおいて、ディフューザの最小通路面積は、吸気ノズルの合流部に臨む開口面積と、EGRノズルの合流部に臨む開口面積と、の和と同程度に設定したことを特徴とする。

第５の発明は、第１の発明〜第４の発明のいずれか１つに係る多気筒エンジンにおいて、EGR通路は、EGRバルブ上流の入口側に配置されるEGRクーラ、を備えたことを特徴とする。

第１の発明〜第５の発明においては、ターボチャージャがシングルエントリ方式（タービン入口が１つ）の場合においても、排気系エゼクタにより、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（正圧波）が逃げるのを抑えられ、タービン効率の向上が得られるばかりでなく、EGR通路の逆止弁へ排気パルスが弱められることなく伝えられ、逆止弁を有効に作動させるため、高いEGR率が得られる。また、動圧が上がると、静圧が下がるため、排気（押し出し）行程中の気筒側の排気マニホールドから排気が吸引され、ポンピングロスも低減される。

過給圧の方が排気圧よりも高くなる運転領域においては、吸気系エゼクタにより、吸気の動圧が上がり、合流部の静圧が下がるため、EGRガスが吸引される。このため、逆止弁前後の瞬間的な差圧が拡大され、EGR率の向上が得られる。排気圧の方が過給圧よりも高くなる運転領域においては、吸気系エゼクタにより、EGRガスの動圧が上がり、静圧が下がるため、吸気が吸引される。つまり、吸気系エゼクタにより、ターボチャージャの過給仕事を補助することになり、EGR率のアップに伴う吸入空気量の低下を抑える効果が得られる。

これらの結果、広い運転領域において、高過給・大量EGRが可能となり、排気対策および出力・燃費の向上を促進することができる。

第２の発明においては、ディフューザにより、動圧が静圧に効率よく変換され、吸気マニホールド圧を高められる。

第３の発明または第４の発明においては、吸気の噴流によるエゼクタ効果とEGRガスの噴流によるエゼクタ効果との最適化が得られ、広い運転領域において、ポンピングロスを抑えつつ、高過給・大量EGRが可能となる。

第５の発明においては、EGRガスは、EGRクーラにより冷却され、EGRバルブおよび逆止弁を流れるので、これらバルブの耐久性を良好に確保することができる。

図１において、１０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３ａ，３ｂと吸気管４とから構成される。吸気マニホールド３ａ，３ｂは、吸気行程が実質的にオーバラップしない気筒群毎（＃１，２，３と＃４，５，６）に分割される。吸気管４は、インタクーラ５の下流側が分岐され、各マニホールド３ａ，３ｂの集合部に接続される。６ａはターボチャージャ６のコンプレッサであり、７はエアクリーナである。

８はエンジンの排気通路であり、排気マニホールド９ａ，９ｂと排気管２０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２０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（＃１，２，３、＃４，５，６）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つの可変ノズル式が採用される。１２はマフラである。

合流部１１は、図２のように構成される。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２１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２１に結集する集合部下流は、合流部１１へ向けて通路を絞る先細形状の排気ノズル２３ａ，２３ｂ（後述のディフューザ２９と共に排気系エゼクタ２３を構成する）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２１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２１にタービンハウジング２５のフランジ２６が連結される。排気ノズル２３ａ，２３ｂ下流の合流部１１の通路面積を下流側へ縮小してから拡大するスロート形状のディフューザ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、排気ノズル２３ａ，２３ｂ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へ排気が逃げるのを抑えられる。排気系エゼクタ２３においては、先細形状の排気ノズル２３ａ，２３ｂにより、動圧が上がると、静圧が下がるため、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２９へ吸引されるのである。その後は、ディフューザ２９により、動圧が静圧に効率よく変換され、スクロールへの排気圧を高めるようになっている。

図２において、Ａは排気ノズル２３ａ，２３ｂの合流部１１に臨む開口面積であり、１気筒あたりの排気弁３３の最大開口面積Ｂの１／４程度に設定される（図３、参照）。最大開口面積Ｂは、Ｂ＝ｎ×π×Ｄ×Ｌ（ｎ：１気筒あたりの排気弁３３の数 Ｄ：排気弁３３の実質的な直径 Ｌ：排気弁３３の排気行程の最大リフト）に定義される。図３の場合、各気筒に排気弁３３が２個（３３ａ，３３ｂ）ずつ備えられるので、ｎは２となる。

排気ノズル部２３ａ，２３ｂの合流部１１に臨む開口面積Ａが１気筒あたりの排気弁３３の最大開口面積Ｂの１／４程度よりも大きいと、排気マニホールド圧が相対的に低い運転領域において、排気ノズル２３ａ，２３ｂから噴き出る排気の流速が不足がちになり、NOxの低減効果が小さくなる一方、同じく開口面積Ａが最大開口面積Ｂの１／４程度よりも小さくなると、排気マニホールド圧が相対的に高くなる運転領域において、ポンピングロスが大きくなり、燃費を悪化させることになる。排気ノズル２３ａ，２３ｂの開口面積Ａを排気弁３３の最大開口面積Ｂの１／４程度に設定することにより、ポンピングロスを抑えつつ、最適なEGR流量が得られるのである。

Ｃはディフューザの最小通路面積であり、排気ノズル２３ａの開口面積Ａと、排気ノズル２３ｂの開口面積Ａと、の和と同程度（0.75〜1.1倍）に設定される。0.75＜Ｃ／（Ａ＋Ａ）＜1.1の場合、排気ノズル２３ａ，２３ｂから噴き出る排気の動圧が効率よく静圧に変換され、排気の噴流によるエゼクタ効果を最大限に効かせられるようになり、ポンピングロスを抑えつつ、EGR流量を十分に確保することができる。Ｃ／Ａ＜1.5の場合、ディフューザの流路抵抗により、排圧が過度に上昇するため、排気パルスが逆流しやすくなる。Ｃ／Ａ＞2.2の場合、排気ノズル２３ａ，２３ｂから噴き出る排気の動圧が急速に減衰され、静圧が十分に下がらず、排気パルスが逆流しやすくなる。

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通路であり、上流側の分岐路３６ａ，３６ｂと下流側の合流路３６ｃとからなり、分岐路３６ａ，３６ｂがそれぞれ排気マニホールド９ａ，９ｂに接続され、合流路３６ｃが吸気系エゼクタ４０のEGRノズル４０ｂ（図４、参照）に接続される。

分岐路３６ａ，３６ｂにおいて、EGRガスを冷却するEGRクーラ３７，EGR流量を調整するEGRバルブ３８，EGRガスの逆流を規制する逆止弁３９（リードバルブ）が介装される。逆止弁３９は、EGR通路３６ａ，３６ｂの下流側に配置され、その上流にEGRバルブ３８が配置される。EGRクーラ３７は、EGRバルブ３８の上流に介装される。EGRガスは、EGRクーラ３７により冷却され、EGRバルブ３８および逆止弁３９を流れるので、これらバルブ３８，３９の耐久性を良好に確保することができる。

吸気管４の分岐点４５上流に吸気系エゼクタ４０が設けられる。図４は、吸気系エゼクタ４０の構成を表すものであり、吸気管４の途中の通路面積をEGR通路３６との合流部へ向けて縮小する吸気ノズル４０ａと、EGR通路３６の出口部の通路面積を吸気管４との合流部へ向けて縮小するEGRノズル４０ｂと、これら合流部の通路面積を下流側へ縮小してから拡大するスロート形状のディフューザ４０ｃと、から構成される。吸気ノズル４０ａにインタクーラ５下流の分岐管４が接続され、EGRノズル４０ｂにEGR通路３６の合流路３６ｃが接続され、ディフューザ４０ｃに分岐点４５上流の吸気管４が接続される。

過給圧の方が排気圧よりも高くなる運転領域においては、吸気ノズル４０ａにより、吸気の流速が加速され、動圧が上がり、静圧が下がると、EGRノズル４０ｂからEGRガスがディフューザ４０ｃへ吸い出される。このため、逆止弁３９前後の瞬間的な差圧が拡大され、EGR率の向上が得られる。排気圧の方が過給圧よりも高くなる運転領域においては、EGRノズル４０ｂにより、EGRガスの流速が加速され、動圧が上がり、静圧が下がると、吸気ノズル４０ａから給気がディフューザ４０ｃへ吸い出される。つまり、EGRガスの噴流によるエゼクタ作用により、ターボチャージャ６の過給仕事が補助されることになり、EGR率のアップに伴う吸入空気量の低下を抑える効果が得られる。

図４において、Ｘは吸気ノズル４０ａのディフューザ４０ｃに臨む開口面積であり、ＹはEGRノズル４０ｂのディフューザ４０ｃに臨む開口面積であり、Ｚはディフューザ４０ｃの最小通路面積である。吸気の噴流によるエゼクタ効果と、EGRガスの噴流によるエゼクタ効果と、の最適化を図るべく、実験結果に基づいて、吸気ノズル４０ａの開口面積Ｘと、EGRノズル４０ｂの開口面積Ｙと、は吸気管４の通路面積の１／４程度に設定される。ディフューザ４０ｃの最小通路面積Ｚについては、吸気ノズル４０ａの開口面積Ｘと、EGRノズル４０ｂの開口面積Ｙと、の和と同程度に設定される。

このように構成すると、シングルエントリ方式のターボチャージャ６においても、排気系エゼクタ２３により、排気パルス（正圧波）の逆流が抑えられるため、タービン効率の向上が得られる。また、EGR通路３６の逆止弁３９へ排気パルスが弱められることなく伝えられ、逆止弁３９を有効に作動させるため、高いEGR率が得られるのである。また、排気の噴流によるエゼクタ作用により、排気（押し出し）行程中の気筒側の排気マニホールド圧が低下するため、ポンピングロスの改善も得られる。

吸気系エゼクタ４０おいては、例えば、高負荷域のときは、過給圧の方が排気圧よりも高くなるが、吸気の噴流によるエゼクタ作用により、EGR通路３６の逆止弁３９前後の瞬間的な差圧が拡大され、EGR率の向上が得られる。また、低中負荷域のときは、排気圧の方が過給圧よりも高くなるが、EGRガスの噴流によるエゼクタ作用により、ターボチャージャの過給仕事が補助されることになり、EGR率のアップに伴う吸入空気量の低下を抑える効果が得られるのである。つまり、低中負荷域においても、各気筒（＃１〜＃６）の吸入空気量が十分に確保され、ディーゼルエンジンの場合、PM（粒子状物質：Particulate Matter)の発生量を抑えることができる。

これらの結果、広い運転領域において、ポンピングロスを抑えつつ、高過給と大量EGRが可能となる。ターボチャージャ６の可変ノズル制御を加えることにより、高負荷高回転域においても、ポンピングロスを抑えつつ、高過給と大量EGRが可能となり、排気対策（NOxの低減など）と出力・燃費の向上との両立を高度に実現できることになる。

ターボチャージャ６については、シングルエントリ方式の代わりにツインエントリ方式（タービン入口が２つ）を用いることも考えられる。ツインエントリ方式の場合、タービン内部において、２つのタービン入口からスクロールへ至る通路が仕切られるので、図１の排気系エゼクタ２３については、これを省略することができる。

ディフューザ部２９は、タービンハウジング２５と一体に形成するのでなく、図５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２１との間に介装してもよい。排気ノズル２３ａ，２３ｂについても、排気マニホールド９ａ，９ｂと一体に形成するのでなく、図６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２１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。

EGR通路３６は、図７のように排気マニホールド９ａ，９ｂと吸気マニホールド３ａ，３ｂとの間を同一の気筒群同士の関係（パラレル状態）に接続してもよい。この場合、各吸気分岐管の途中に吸気系エゼクタ４０が配置される。これにより、同一の気筒群間において、吸気脈動の谷と排気脈動の山が重なるようになり、特に高いEGR率が得られる。

EGR通路３６については、図８のように排気マニホールド９ａ，９ｂと吸気マニホールド３ａ，３ｂとの間を異なる気筒群同士の関係（クロス状態）に接続することも考えられる。この場合、各吸気分岐管の途中に吸気系エゼクタ４０が配置される。これにより、異なる気筒群間において、吸気行程終期に排気脈動の山が重なるようになり、吸入空気量の低下を抑えつつ、高いEGR率が得られる。

図７，図８において、図１と同一の部位は、同一の符号を付け、重複説明は省略する。

全体的な概略構成図である。 排気系エゼクタの構成に係る断面図である。 排気系エゼクタの構成に係る説明図である。 吸気系エゼクタの構成に係る断面図である。 排気系エゼクタの構成に係る断面図である。 排気系エゼクタの構成に係る断面図である。 全体的な概略構成図である。 全体的な概略構成図である。

符号の説明

１ 多気筒エンジン（６気筒ディーゼルエンジン）
３ａ，３ｂ 吸気マニホールド
４ 吸気管
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
１０ 吸気通路
２０ 排気管
２３ 排気系エゼクタ
２５ タービンハウジング
３６ EGR通路
３７ EGRクーラ
３８ EGRバルブ
３９ 逆止弁（リードバルブ）
４０ 吸気系エゼクタ
４０ａ 吸気ノズル
４０ｂ EGRノズル
４０ｃ ディフューザ

Claims (5)

1. ターボチャージャを備える多気筒エンジンにおいて、排気行程がオーバラップしない気筒群毎に分割される排気マニホールド、各排気マニホールドの下流部をターボチャージャのタービン入口へ向けて先細形状に絞る排気系エゼクタ、吸気行程がオーバラップしない気筒群毎に分割される吸気マニホールド、ターボチャージャのタービン上流とコンプレッサ下流との間を接続するEGR通路、EGR通路のEGRバルブ下流に配置される逆止弁、吸気通路の途中およびEGR通路の出口部をこれらの合流部へ向けてそれぞれ先細形状に絞る吸気系エゼクタ、を備えたことを特徴とする多気筒エンジン。
2. 吸気系エゼクタは、吸気通路の途中の通路面積をEGR通路との合流部へ向けて縮小する吸気ノズルと、EGR通路の出口部の通路面積を吸気通路との合流部へ向けて縮小するEGRノズルと、これら合流部の通路面積を下流側へ縮小してから拡大するスロート形状のディフューザと、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の多気筒エンジン。
3. 吸気ノズルの合流部に臨む開口面積と、EGRノズルの合流部に臨む開口面積と、はそれぞれ直上流の吸気通路面積の１／４程度に設定したことを特徴とする請求項２に記載の多気筒エンジン。
4. ディフューザの最小通路面積は、吸気ノズルの合流部に臨む開口面積と、EGRノズルの合流部に臨む開口面積と、の和と同程度に設定したことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の多気筒エンジン。
5. EGR通路は、EGRバルブ上流の入口側に配置されるEGRクーラ、を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の多気筒エンジン。

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