JP2009156055A - 内燃機関の排気制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、分割型排気マニホールドと外部ＥＧＲ装置とを備えた内燃機関の排気制御装置において、排気干渉を十分に抑制することを目的とする。
【解決手段】本発明の内燃機関の排気制御装置は、第１排気マニホールド１２と、第２排気マニホールド１４と、ＥＧＲクーラ１８と、ＥＧＲクーラ１８をバイパスするバイパス通路２０と、切替バルブ３２と、第１排気マニホールド１２に設けられた第１ＥＧＲガス取出口２２と、この第１ＥＧＲガス取出口２２とバイパス通路２０の下流側とを接続する第１ＥＧＲ通路２６と、第２排気マニホールド１４に設けられた第２ＥＧＲガス取出口２８と、この第２ＥＧＲガス取出口２８とＥＧＲクーラ１８およびバイパス通路２０の上流側とを接続する第２ＥＧＲ通路３０とを備える。第２ＥＧＲ通路３０は、第１ＥＧＲ通路２６より長い。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気制御装置に関する。

多気筒内燃機関には、複数の気筒の排気ガスをまとめて流すための排気マニホールドが設けられている。このような内燃機関では、他気筒の排気脈動によって排圧が増加することにより、排気効率が低下し易い。排気効率が低下すると、筒内の残留ガス量が多くなるので、その分だけ筒内の空気量が少なくなる。

排気効率の向上を図るため、排気マニホールドを複数に分割した分割型排気マニホールドを備えた内燃機関が知られている。分割型排気マニホールドとすることにより、排気マニホールドを共用する気筒の数が少なくなるので、他の気筒の排気脈動による干渉を受けにくくなり、排気効率を改善することができる。

ところで、ディーゼルエンジンでは、軽負荷域において、大量の外部ＥＧＲを行うことが求められる。このため、分割型排気マニホールドとした場合に、ＥＧＲガスの取出口が一つの排気マニホールドにしかないと、必要な量のＥＧＲガスを取り出すことができない。このため、両方の排気マニホールドにＥＧＲガス取出口を設けることが要求される。例えば、特開２００４−７６５９５号公報の図６に開示されたシステムでは、直列６気筒エンジンにおいて、第１〜第３気筒と、第４〜第６気筒とに排気マニホールドが分割されている。そして、その双方の排気マニホールドからＥＧＲガスが取り出され、それらが合流してＥＧＲクーラに流入するように構成されている。

特開２００４−７６５９５号公報 特開平１１−１４１４０７号公報

しかしながら、上記公報に記載されたようなシステムの場合には、分割された排気マニホールドの双方がＥＧＲ通路によって連通することとなる。このため、排気脈動がＥＧＲ通路を通って両排気マニホールド間を伝達してしまい、排気干渉をもたらす。その結果、分割型排気マニホールドを採用しているにもかかわらず、排気干渉を十分に抑制できないという問題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、分割型排気マニホールドと外部ＥＧＲ装置とを備えた内燃機関において、排気干渉を十分に抑制することのできる内燃機関の排気制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、第１排気マニホールドおよび第２排気マニホールドを有する分割型排気マニホールドを備えた内燃機関の排気制御装置であって、
ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラと、
前記ＥＧＲクーラを通さずにＥＧＲガスを前記内燃機関の吸気通路に還流させるためのバイパス通路と、
前記ＥＧＲクーラを通してＥＧＲガスを還流させる状態と、前記ＥＧＲクーラを通さずにＥＧＲガスを還流させる状態とを切り替える切替手段と、
前記第１排気マニホールドに設けられた第１ＥＧＲガス取出口と、
前記第１ＥＧＲガス取出口と、前記バイパス通路の下流側とを接続する第１ＥＧＲ通路と、
前記第２排気マニホールドに設けられた第２ＥＧＲガス取出口と、
前記第２ＥＧＲガス取出口と、前記ＥＧＲクーラおよび前記バイパス通路の上流側とを接続する第２ＥＧＲ通路とを備え、
第２ＥＧＲ通路は、第１ＥＧＲ通路より長いことを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記ＥＧＲクーラを通してＥＧＲガスを還流させる状態では、前記第２ＥＧＲガス取出口のみからＥＧＲガスが取り出され、前記ＥＧＲクーラを通さずにＥＧＲガスを還流させる状態では、前記第１ＥＧＲガス取出口および前記第２ＥＧＲガス取出口の双方からＥＧＲガスが取り出されることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記ＥＧＲクーラを通してＥＧＲガスを還流させる場合に、前記バイパス通路を遮断可能なバイパス通路遮断バルブを備えることを特徴とする。

また、第４の発明は、第３の発明において、
前記バイパス通路遮断バルブは、前記バイパス通路の入口付近に設けられていることを特徴とする。

第１の発明によれば、第１排気マニホールドおよび第２排気マニホールドを有する分割型排気マニホールドを備えた内燃機関において、第１排気マニホールドと第２排気マニホールドとの間の排気圧力脈動の伝達経路の長さを、第１ＥＧＲ通路および第２ＥＧＲ通路の長さにバイパス通路を加えた長さとすることができる。このため、第１排気マニホールドと第２排気マニホールドとの間の排気圧力脈動の伝達経路の長さを長くすることができるので、排気圧力の脈動が伝達されにくくなる。よって、第１排気マニホールド側の気筒と、第２排気マニホールド側の気筒との間での排気干渉を十分に抑制することができる。このため、排気効率が向上し、高い体積効率（空気量）が得られるので、高出力化やエミッションの低減が図れる。また、第１ＥＧＲ通路が第２ＥＧＲ通路より短いことにより、第１ＥＧＲ通路が小型となり、省スペース化が図れる。また、第１ＥＧＲ通路の表面積が小さくなるので、放熱量が少なくなり、ＥＧＲガスの温度低下を抑制することができる。よって、ＥＧＲクーラをバイパスさせるホットＥＧＲ状態において、排気温度を高い温度に維持する上で有利となる。

第２の発明によれば、ＥＧＲクーラを通してＥＧＲガスを還流させるクールＥＧＲ状態では、バイパス通路にＥＧＲガスが流れなくなる。このため、第１排気マニホールドと第２排気マニホールドとの間で排気圧力の脈動が伝達することを、より確実に抑制することができる。よって、第１排気マニホールド側の気筒と、第２排気マニホールド側の気筒との間での排気干渉をより確実に抑制することができる。なお、クールＥＧＲ状態では、大量のＥＧＲが必要とされることはないので、第２ＥＧＲガス取出口から取り出すＥＧＲガスだけであっても、必要な量を十分に賄うことができる。

第３の発明によれば、ＥＧＲクーラを通してＥＧＲガスを還流させる場合に、バイパス通路をバイパス通路遮断バルブによって遮断することができる。これにより、第１排気マニホールドと第２排気マニホールドとの間で排気圧力の脈動が伝達することを完全に防止することができる。よって、第１排気マニホールド側の気筒と、第２排気マニホールド側の気筒との間での排気干渉を更に確実に抑制することができる。

第４の発明によれば、バイパス通路遮断バルブを閉じることにより、排気系容積を小さくすることができる。このため、排気圧力脈動の振幅を大きくすることができる。よって、排気圧力脈動を利用した掃気効果によって体積効率を向上させる制御を行う場合に、その効果をより一層大きく発揮させることができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、エンジン（内燃機関）１０を備えている。本実施形態のエンジン１０は、第１気筒〜第４気筒（以下、＃１〜＃４と記す）を備えた直列４気筒型のディーゼルエンジンである。

エンジン１０は、第１排気マニホールド１２と、第２排気マニホールド１４とに分割された分割型排気マニホールドを備えている。

第１排気マニホールド１２は、＃２気筒に接続された枝管１２ａと、＃３気筒に接続された枝管１２ｂと、それらが合流した合流管１２ｃとを有している。合流管１２ｃは、ターボチャージャ１６のタービンの入口に接続されている。すなわち、第１排気マニホールド１２は、＃２気筒の排気ガスと＃３気筒の排気ガスとをまとめてターボチャージャ１６に流入させるように構成されている。

第２排気マニホールド１４は、＃１気筒に接続された枝管１４ａと、＃４気筒に接続された枝管１４ｂと、それらが合流する合流管１４ｃとを有している。合流管１４ｃは、ターボチャージャ１６のタービンの入口に接続されている。すなわち、第２排気マニホールド１４は、＃１気筒の排気ガスと＃４気筒の排気ガスとをまとめてターボチャージャ１６に流入させるように構成されている。

エンジン１０は、排気ガスの一部を取り出して吸気通路（図示せず）に還流させる外部ＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)を行うための外部ＥＧＲ装置を備えている。以下の説明では、外部ＥＧＲのことを単に「ＥＧＲ」と称する。また、吸気通路に還流する排気ガスを「ＥＧＲガス」と称する。

本実施形態のＥＧＲ装置は、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ１８と、ＥＧＲクーラ１８を通さずにＥＧＲガスを還流させるためのバイパス通路２０とを有している。

第１排気マニホールド１２の合流管１２ｃには、ＥＧＲガスを取り出すための第１ＥＧＲガス取出口２２が設けられている。バイパス通路２０の下流側（下流端付近）には、ＥＧＲガス流入口２４が設けられている。第１ＥＧＲガス取出口２２と、ＥＧＲガス流入口２４との間は、第１ＥＧＲ通路２６によって接続されている。第１ＥＧＲガス取出口２２から取り出されたＥＧＲガスは、第１ＥＧＲ通路２６を通って、ＥＧＲガス流入口２４から、バイパス通路２０内に流入する。

第２排気マニホールド１４の枝管１４ａには、ＥＧＲガスを取り出すための第２ＥＧＲガス取出口２８が設けられている。第２ＥＧＲガス取出口２８から延びる第２ＥＧＲ通路３０は、ＥＧＲクーラ１８およびバイパス通路２０の上流側に接続されている。すなわち、第２ＥＧＲ通路３０の下流端付近は、分岐部３０ａにおいて分岐管３０ｂと分岐管３０ｃとに分岐している。そして、分岐管３０ｂはＥＧＲクーラ１８の入口に接続され、分岐管３０ｃはバイパス通路２０の入口に接続されている。

第１ＥＧＲガス取出口２２とＥＧＲガス流入口２４との間の距離は、第２ＥＧＲガス取出口２８とＥＧＲクーラ１８およびバイパス通路２０の入口との間の距離より短くなっている。このため、第２ＥＧＲ通路３０の長さは、第１ＥＧＲ通路２６の長さより長くなっている。

ＥＧＲクーラ１８およびバイパス通路２０の下流側には、切替手段としての切替バルブ３２が設けられている。切替バルブ３２は、ＥＧＲクーラ１８を通してＥＧＲガスを吸気通路に還流させる状態（以下「クールＥＧＲ状態」と称する）と、ＥＧＲクーラ１８を通さずにＥＧＲガスを吸気通路に還流させる状態（以下「ホットＥＧＲ状態」と称する）とを切り替えることができるように構成されている。すなわち、切替バルブ３２は、バイパス通路２０の出口を遮断してＥＧＲクーラ１８の出口を開通させる状態と、ＥＧＲクーラ１８の出口を遮断してバイパス通路２０の出口を開通させる状態とに切り替え可能になっている。

切替バルブ３２を通過したＥＧＲガスは、ＥＧＲ通路３４を通って、吸気通路に還流される。ＥＧＲ通路３４の途中には、ＥＧＲ量を制御するためのＥＧＲバルブ３６が設けられている。

本システムは、更に、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。ＥＣＵ５０には、上述した切替バルブ３２およびＥＧＲバルブ３６のほか、図示を省略するが、吸入空気量を検出するエアフローメータ、吸入空気量を制御するスロットルバルブ、燃料噴射装置、クランク角センサ、アクセルポジションセンサ等の各種のセンサおよびアクチュエータが電気的に接続されている。

（比較例）
上述した実施の形態１のシステムの作用効果について説明する前に、理解を容易にするため、まず、比較例について説明する。図４は、比較例のシステム構成を説明するための図である。以下、同図を参照して比較例のシステム構成について説明するが、上述した実施の形態１との相違点のみを説明し、同様の事項については説明を省略する。

図４に示す比較例のエンジン１０’では、第１ＥＧＲガス取出口２２’が第１排気マニホールド１２の枝管１２ａに設けられている。そして、第１ＥＧＲ通路２６’は、その第１ＥＧＲガス取出口２２’と、ＥＧＲクーラ１８およびバイパス通路２０の上流側とを接続している。図示の構成では、第１ＥＧＲ通路２６’の下流端は、分岐部３０ａに接続されている。

比較例のエンジン１０’では、＃２および＃３気筒と、＃１および＃４気筒との排気マニホールドを分割することにより、＃２および＃３気筒と、＃１および＃４気筒との間での排気干渉の抑制を図っている。しかしながら、比較例のエンジン１０’では、第１排気マニホールド１２と第２排気マニホールド１４とが、第１ＥＧＲ通路２６’および第２ＥＧＲ通路３０を介して連通している。このため、第１排気マニホールド１２と第２排気マニホールド１４との間で、排気圧力の脈動が第１ＥＧＲ通路２６’および第２ＥＧＲ通路３０を介して伝達する。このため、＃２および＃３気筒と、＃１および＃４気筒との間での排気干渉が抑制できない。その結果、排圧が上昇して排気効率が悪化し、体積効率（空気量）が低下する。体積効率の低下により、出力が低下したり、エミッションが悪化したりする。

（ホットＥＧＲ状態における実施の形態１の作用効果）
上記比較例のシステムとは異なり、実施の形態１のシステムでは、＃２および＃３気筒と、＃１および＃４気筒との間での排気干渉を十分に抑制することができる。まず、ＥＧＲクーラ１８をバイパスするホットＥＧＲ状態について説明する。図２は、本実施形態のエンジン１０においてホットＥＧＲが行われる領域を示す図である。一般に、ディーゼルエンジンでは、燃料噴射量の少なくなる軽負荷時において、排気温度が低くなり易いため、排気浄化触媒を活性温度以上に維持することが重要な課題となる。そこで、図２に示すように、軽負荷域においては、排気温度を高くするために、ＥＧＲクーラ１８を通さないホットＥＧＲを行うとともに、ＥＧＲ率を高く（例えば５０％以上）する大量ＥＧＲを行うこととしている。

ホットＥＧＲ状態では、第１ＥＧＲガス取出口２２および第２ＥＧＲガス取出口２８の双方からＥＧＲガスが取り出される。これにより、大量ＥＧＲに必要な大量のＥＧＲガスを効率良く取り出すことができる。

第１ＥＧＲガス取出口２２から取り出されたＥＧＲガスは、第１ＥＧＲ通路２６を通って、ＥＧＲガス流入口２４からバイパス通路２０内に流入する。第２ＥＧＲガス取出口２８から取り出されたＥＧＲガスは、第２ＥＧＲ通路３０を通って、バイパス通路２０の入口に流入する。それらのＥＧＲガスが合流し、ＥＧＲ通路３４およびＥＧＲバルブ３６を通過して、エンジン１０の吸気通路に還流する。

このようなホットＥＧＲ状態では、第１ＥＧＲ通路２６、バイパス通路２０および第２ＥＧＲ通路３０を介して、第１排気マニホールド１２と第２排気マニホールド１４との間を排気圧力の脈動が伝達し得る。しかしながら、本実施形態では、第１排気マニホールド１２と第２排気マニホールド１４との間の経路長にバイパス通路２０が加わる。このため、比較例と比べて、第１排気マニホールド１２と第２排気マニホールド１４との間の経路長が長くなる。その結果、比較例と比べて、排気圧力の脈動が伝達されにくくなる。よって、＃２および＃３気筒と、＃１および＃４気筒との間での排気干渉を十分に抑制することができる。

また、本実施形態では、第１ＥＧＲ通路２６より第２ＥＧＲ通路３０が長くされている。すなわち、第１ＥＧＲ通路２６は、第２ＥＧＲ通路３０より短く、また、比較例の第１ＥＧＲ通路２６’よりも短い。このため、比較例と比べて、第１ＥＧＲ通路２６が小型となり、省スペース化が図れる。また、第１ＥＧＲ通路２６の表面積が小さくなるので、放熱量が少なくなり、ＥＧＲガスの温度低下を抑制することができる。よって、ホットＥＧＲ状態において、排気温度を高い温度に維持する上で有利となる。

（クールＥＧＲ状態における実施の形態１の作用効果）
次に、クールＥＧＲ状態について説明する。クールＥＧＲ状態では、切替バルブ３２は、バイパス通路２０の出口を遮断してＥＧＲクーラ１８の出口を開通させる状態とされる。つまり、バイパス通路２０からＥＧＲ通路３４へは、ＥＧＲガスは流れない。このため、第１ＥＧＲ通路２６からバイパス通路２０へのＥＧＲガスの流入は停止する。一方、第２ＥＧＲ通路３０のＥＧＲガスは、ＥＧＲクーラ１８を通って、吸気通路に還流する。

すなわち、クールＥＧＲ状態では、第１ＥＧＲガス取出口２２からはＥＧＲガスが取り出されず、第２ＥＧＲガス取出口２８のみからＥＧＲガスが取り出される。図２に示すように、クールＥＧＲが行われるのは、軽負荷領域以外の領域である。軽負荷領域以外の領域では、大量のＥＧＲは必要でない。このため、ＥＧＲガスの取り出しが第２ＥＧＲガス取出口２８だけであっても、必要なＥＧＲ量を十分に賄うことができる。

上述したように、クールＥＧＲ状態では、バイパス通路２０にはＥＧＲガスが流れなくなる。このため、第１排気マニホールド１２と第２排気マニホールド１４との間で排気圧力の脈動が伝達することを、ホットＥＧＲ状態よりも更に確実に抑制することができる。よって、＃２および＃３気筒と、＃１および＃４気筒との間での排気干渉をより確実に抑制することができる。

このように、本実施形態によれば、ホットＥＧＲ状態とクールＥＧＲ状態との何れの状態においても、＃２および＃３気筒と、＃１および＃４気筒との間での排気干渉を確実に抑制することができる。このため、排気効率が向上し、高い体積効率（空気量）が得られる。よって、高出力化や、エミッションの低減が図れる。

なお、本実施形態では、本発明を直列４気筒型エンジンに適用した場合について説明したが、本発明における気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではない。本発明は、一つの気筒列の排気マニホールドが複数に分割された分割型排気マニホールドを備えた内燃機関であれば、各種の気筒数および気筒配置のものに適用可能である。

実施の形態２．
次に、図３を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。図３は、本発明の実施の形態２のシステム構成を説明するための図である。

図３に示すように、本実施形態のシステムでは、バイパス通路２０の入口付近に、バイパス通路２０を遮断可能なバイパス通路遮断バルブ３８が設けられている。このバイパス通路遮断バルブ３８は、ＥＣＵ５０に電気的に接続されている。ＥＧＲクーラ１８をバイパスさせるホットＥＧＲ状態においては、バイパス通路遮断バルブ３８は、開状態とされる。

一方、バイパス通路２０を用いないクールＥＧＲ状態においては、バイパス通路遮断バルブ３８を閉じることにより、バイパス通路２０が遮断される。これにより、クールＥＧＲ状態においては、第１排気マニホールド１２と第２排気マニホールド１４との間で排気圧力の脈動が伝達することを完全に防止することができる。このため、＃２および＃３気筒と、＃１および＃４気筒との間での排気干渉を更に確実に抑制することができる。

また、上記バイパス通路遮断バルブ３８を閉じることにより、次のような効果もある。排気バルブのバルブタイミングを可変とする可変動弁装置を備えたエンジンでは、排気バルブのバルブタイミングを変化させることにより、排気圧力の脈動が谷となるタイミングがバルブオーバーラップ期間に一致するように制御することができる。このように制御すると、バルブオーバーラップ期間において、排気圧力を吸気圧力よりも低くすることができる。このため、筒内に流入する新気によって残留ガスを掃気して排気バルブから効率良く排出することができる。よって、体積効率を向上することができる。この場合、排気圧力の脈動は、排気系の容積が小さいほど、振幅が大きくなる。そして、排気圧力脈動の振幅が大きいほど、谷のときの排気圧力は低くなる。よって、上記の掃気効果がより大きく発揮される。このため、上記のような体積効率向上制御を行う場合には、排気系の容積が小さいことが好ましい。本実施形態によれば、バイパス通路遮断バルブ３８を閉じた場合には、バイパス通路２０を排気系容積から切り離すことができるので、排気系容積を小さくすることができる。このため、本実施形態では、体積効率向上制御の効果がより一層大きく発揮されるという利点がある。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 ホットＥＧＲが行われる領域を示す図である。 本発明の実施の形態２のシステム構成を説明するための図である。 比較例のシステム構成を説明するための図である。

符号の説明

１０ エンジン
１２ 第１排気マニホールド
１２ａ，１２ｂ 枝管
１２ｃ 合流管
１４ 第２排気マニホールド
１４ａ，１４ｂ 枝管
１４ｃ 合流管
１６ ターボチャージャ
１８ ＥＧＲクーラ
２０ バイパス通路
２２ 第１ＥＧＲガス取出口
２４ ＥＧＲガス流入口
２６ 第１ＥＧＲ通路
２８ 第２ＥＧＲガス取出口
３０ 第２ＥＧＲ通路
３０ａ 分岐部
３０ｂ，３０ｃ 分岐管
３２ 切替バルブ
３４ ＥＧＲ通路
３６ ＥＧＲバルブ
３８ バイパス通路遮断弁
５０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)

Claims (4)

1. 第１排気マニホールドおよび第２排気マニホールドを有する分割型排気マニホールドを備えた内燃機関の排気制御装置であって、
   ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラと、
   前記ＥＧＲクーラを通さずにＥＧＲガスを前記内燃機関の吸気通路に還流させるためのバイパス通路と、
   前記ＥＧＲクーラを通してＥＧＲガスを還流させる状態と、前記ＥＧＲクーラを通さずにＥＧＲガスを還流させる状態とを切り替える切替手段と、
   前記第１排気マニホールドに設けられた第１ＥＧＲガス取出口と、
   前記第１ＥＧＲガス取出口と、前記バイパス通路の下流側とを接続する第１ＥＧＲ通路と、
   前記第２排気マニホールドに設けられた第２ＥＧＲガス取出口と、
   前記第２ＥＧＲガス取出口と、前記ＥＧＲクーラおよび前記バイパス通路の上流側とを接続する第２ＥＧＲ通路とを備え、
   第２ＥＧＲ通路は、第１ＥＧＲ通路より長いことを特徴とする内燃機関の排気制御装置。
2. 前記ＥＧＲクーラを通してＥＧＲガスを還流させる状態では、前記第２ＥＧＲガス取出口のみからＥＧＲガスが取り出され、前記ＥＧＲクーラを通さずにＥＧＲガスを還流させる状態では、前記第１ＥＧＲガス取出口および前記第２ＥＧＲガス取出口の双方からＥＧＲガスが取り出されることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気制御装置。
3. 前記ＥＧＲクーラを通してＥＧＲガスを還流させる場合に、前記バイパス通路を遮断可能なバイパス通路遮断バルブを備えることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の排気制御装置。
4. 前記バイパス通路遮断バルブは、前記バイパス通路の入口付近に設けられていることを特徴とする請求項３記載の内燃機関の排気制御装置。

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