JP4799435B2

JP4799435B2 - 多気筒エンジン

Info

Publication number: JP4799435B2
Application number: JP2007021254A
Authority: JP
Inventors: 秀一中村
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2027-01-31
Also published as: JP2008185008A

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。

特許文献１においては、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、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、排気マニホールドとこれに対応する吸気マニホールドとの間を接続するEGR通路、EGR通路を開閉するEGRバルブ、EGR通路の排気マニホールド側に配置される逆止弁、吸気管の分岐部と吸気マニホールドとの間に設定される吸気共鳴管、を備えるものが開示される。

特許文献１の場合、EGR通路の逆止弁（リードバルブ）により、排気脈動と吸気脈動との干渉が避けられ、吸気共鳴管により、吸気脈動が大きくなり、EGR率の向上が得られる。吸気共鳴管による慣性過給領域を広げるため、特許文献２においては、吸気共鳴管間に複数の開閉弁を配置することにより、吸気共鳴管の気柱振動数が変えられるようになっている。
実開昭６３−０６００６６号実公平０２−０４１３０９号

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。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。また、負荷急増時や加速時においては、ターボチャージャの慣性や吸排気系の容積との関係から、ターボチャージャの回転上昇が遅れ、過給圧が不足する可能性があり、ディーゼルエンジンの場合、PMの増加を招きかねない。

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、前記吸気マニホールドと吸気管のインタークーラ下流の分岐部との間に設定される吸気共鳴管、前記排気マニホールドと前記吸気マニホールドとの間を同一の気筒群同士の関係に接続するEGR通路、前記EGR通路に配置されるEGRバルブ、前記EGR通路のEGRバルブ下流に配置される逆止弁、エンジンの加速時や負荷急増時にEGRバルブを一時的に閉じるように制御する手段、を備える。

そして、前記吸気共鳴管は、数１に記載の条件を満足するように設定されるものにあって、共鳴回転速度Ｎは、前記ターボチャージャのタービン入口圧よりもコンプレッサ出口圧が高くなる運転領域に設定し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、前記EGRバルブは、EGR通路の入口側へ可能な限り近づけるように配置したことを特徴とする。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明に係る多気筒エンジンにおいて、前記EGR通路は、EGRバルブと逆止弁との間に配置される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。

吸気系においては、吸気共鳴管により、吸気脈動の振幅および位相が制御され、逆止弁前後の瞬間的な差圧が拡大され、EGR率をさらに一段と向上させることができる。エンジン回転速度が共鳴回転速度（吸気系の固有振動数）と等しくなると、吸気脈動が共鳴して増幅され、逆止弁前後の瞬間的な差圧を拡大させる。共鳴回転速度よりも低速側においては、吸気脈動の位相が進み、吸気脈動の谷が排気パルスの山に近づくため、逆止弁前後の瞬間的な差圧が拡大する。共鳴回転速度よりも高速側においては、吸気脈動の位相が遅れ、吸気行程の後半に吸気脈動の谷が生じるため、逆止弁前後の瞬間的な差圧は若干小さくなるが、吸気行程の前半に吸気脈動の山が生じるので、ポンピングロスが低減されるのである。

これらの結果、定常運転時においては、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。負荷急増時や加速時へ移行すると、EGRバルブが閉弁するため、吸気脈動を減衰させることがなく、共鳴過給により、各気筒への吸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。

この場合、共鳴回転速度Ｎは、（ｆ／ｍ）と比例関係にあり、共鳴周波数ｆは、［Ａ／｛Ｌ（Ｖｉ＋Ｖｅ）｝］^1/2と比例関係にあり、共鳴周波数ｆが同一の場合、ＥＧＲ通路のＥＧＲバルブ下流の容積Ｖｅ分、吸気共鳴管の長さＬまたは吸気マニホールドの容積Ｖｉを小さく設定しえる。つまり、吸気系の寸法をコンパクトに設計することが可能となる。

また、共鳴過給により、タービン入口圧よりもコンプレッサ出口圧が高くなる運転領域において、EGR率が最大限に高められる。エンジン最高トルク点でターボチャージャ効率が最大となる場合、エンジン最高トルク点を含む中速域に共鳴回転速度Ｎを設定することにより、広い運転領域において、EGR率を十分に高められるのである。

第２の発明においては、EGRバルブをEGR通路の入口（排気マニホールド）側へ可能な限り近づけることにより、ＥＧＲ通路のＥＧＲバルブ下流の容積Ｖｅが大きく取れるのである。また、EGRバルブをEGR通路の入口側へ可能な限り近づけることにより、負荷急増時（加速時を含む）の、排気系の容積（デッドスペース）が最小限に抑えられるようになり、ターボチャージャの応答性を高める効果も期待できる。

第３の発明においては、EGRクーラにより、EGRガスの密度が大きくなり、実質的なEGR量を増加させることができる。

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。

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エゼクタ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。排気エゼクタ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、先細形状の排気エゼクタ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。先細形状の排気エゼクタ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、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の集合部と吸気管４のインタクーラ５下流の分岐部４０ａ，４０ｂとの間を同一の気筒群同士の関係に接続するEGR通路３６ａ，３６ｂが備えられる。

EGR通路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クーラ３７が介装される。EGRバルブ３７は、EGRクーラ２７の上流（出来るだけEGR通路３６ａ，３６ｂの入口近く）に配置される。この場合、EGR通路３６ａ，３６ｂの接続が同一の気筒群同士のため、同一の気筒群に属する各気筒間において、排気行程と吸気行程がオーバラップするので、EGR率の向上を効果的に促進しえる。

吸気管４の分岐路４０ａ，４０ｂにおいて、EGR通路３６ａ，３６ｂの接続部４２（出口）とその上流の分岐部４１（分岐点）との間に吸気共鳴管（吸気マニホールド３ａ，３ｂの吸気脈動の振幅および位相を制御する手段）が設定される。

吸気共鳴管４０ａ，４０ｂについては、以下の条件を満足するように設定する。

共鳴回転速度Ｎは、（ｆ／ｍ）と比例関係にあり、共鳴周波数ｆは、［Ａ／｛Ｌ（Ｖｉ＋Ｖｅ）｝］^1/2と比例関係にあり、共鳴周波数ｆが同一の場合、EGR通路３６ａ，３６ｂのEGRバルブ３８下流の容積Ｖｅ分、吸気共鳴管４０ａ，４０ｂの長さＬまたは吸気マニホールド３ａ，３ｂの容積Ｖｉを小さく設定しえる。つまり、EGR通路３６ａ，３６ｂのEGRバルブ３８下流の容積Ｖｅ分、吸気系の寸法をコンパクトに設計することが可能となる。

共鳴回転速度Ｎは、EGRが困難な運転領域（ターボチャージャ効率が最大およびその付近となり、タービン入口圧よりもコンプレッサ出口圧の方が高くなる）に設定される。エンジン最高トルク点でターボチャージャ効率が最大となる場合、共鳴回転速度Ｎは、エンジン最高トルク点を含む中速域に設定する。

図１において、５０はタービン６ｂの可変ノズル機構（図示せず），EGR通路３６ａ，３６ｂのEGRバルブ３８、のアクチュエータ（図示せず）を制御するコントロールユニットであり、制御に必要な運転状態の検出手段として、エンジン回転数をフライホイール回転から検出するエンジン回転センサ５１と、エンジン負荷をアクセル開度（ペダル操作量）から検出するエンジン負荷センサ５２と、が備えられる。

図３は、コントロールユニット５０の制御内容を説明するフローチャートであり、所定の制御周期毎に繰り返される。S1およびS2においては、エンジン回転数Ｎの検出値およびエンジン負荷Ｌの検出値を読み込む。

S3〜S6においては、これらの検出値に基づいて、可変ノズル機構およびEGRバルブ３８を順次に制御する。S3においては、図４のようなマップデータから得られるタービンノズル開度に可変ノズル機構を制御する。S4においては、エンジンが負荷急増時（加速時を含む）かどうか、を判定する。S4の判定がnoのとき（定常運転時）は、図５のようなマップデータから得られるバルブ開度にEGRバルブ３８を制御する一方、S4の判定がyes（負荷急増時）のときは、エンジン回転数Ｎおよびエンジン負荷Ｌに関係なく、EGRバルブ３８を全閉に制御するのである。

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、先細形状の排気エゼクタ２３ａ，２３ｂ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３６ａ，３６ｂ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、エゼクタ効果により、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。

吸気系においては、吸気共鳴管４０ａ，４０ｂにより、吸気脈動の振幅および位相が制御される。エンジン回転速度が共鳴回転速度Ｎと等しくなると、吸気脈動が共鳴して増幅される。吸気脈動の谷は吸気行程の中頃から前半へずれるが、吸気脈動が増幅されるため、逆止弁前後の瞬間的な差圧が拡大される。このため、ターボチャージャ効率が最大およびその付近となり、タービン入口圧（排気圧）よりもコンプレッサ出口圧（過給圧）の方が高く、従来は、EGRが困難な運転領域において、ターボチャージャ効率を低下させることなく、共鳴作用により、EGR率を最大限に高められる。

共鳴回転速度Ｎよりも低速側においては、吸気脈動の位相が進み、吸気脈動の谷が排気脈動の山に近づくため、吸気圧とこれを超える排気圧との落差が拡大され、EGR率が十分に高められる（図６，図７、参照）。共鳴回転速度Ｎよりも高速側においては、吸気脈動の位相が遅れ、吸気行程の後半に吸気脈動の谷が生じるため、EGR率は若干低下する。高速側においては、吸気行程の前半に吸気脈動の山が生じるので、ポンピングロスが低減されるのである。

これらの結果、定常運転時（図６，図７、参照）においては、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。また、タービンノズル開度およびEGRバルブ開度の制御により、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が可能となるのである。

過渡運転時へ移行すると、負荷急増時（加速時を含む）においては、EGRバルブ３８が閉弁するため、吸排気脈動が相殺させることがなく、共鳴過給により吸気脈動が大きくなることもあり、各気筒（＃１〜＃６）への吸気量が十分に確保される（図８〜図１０、参照）。そのため、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。

吸気共鳴管４０ａ，４０ｂについては、共鳴周波数ｆが同一の場合、EGR通路３６ａ，３６ｂのEGRバルブ３８下流の容積Ｖｅ分、吸気共鳴管４０ａ，４０ｂの長さＬまたは吸気マニホールド３ａ，３ｂの容積Ｖｉを小さく設定しえる。つまり、EGRバルブ３８をEGR通路３６ａ，３６ｂの入口（排気マニホールド）側へ可能な限り近づけることにより、EGR通路３６ａ，３６ｂのEGRバルブ３８下流の容積Ｖｅが大きく取れ、吸気系の寸法を効率よくコンパクトに設計することが可能となる。また、EGRバルブ３８をEGR通路３６ａ，３６ｂの入口側へ可能な限り近づけることにより、エンジンの加速時や負荷急増時において、EGRバルブ３８が全閉すると、排気系の容積（デッドスペース）が最小限に抑えられるようになり、ターボチャージャ６の過渡応答性を高める効果も期待できる。

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１０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。先細形状の排気エゼクタ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１１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。

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、タービンハウジング内部において、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の排気エゼクタ２３ａ，２３ｂについては、これを省略することができる。

全体的な概略構成図である。排気マニホールドの合流部に係る構成図である。コントロールユニットの制御内容を説明するフローチャートである。可変ノズル機構の制御特性を例示するマップデータである。 EGRバルブの制御特性を例示するマップデータである。定常運転時の吸排気脈動の特性図である。定常運転時のEGR流量の特性図である。負荷急増時の吸気脈動および筒内圧の特性図である。負荷急増時の吸気流量の特性図である。負荷急増時の筒内圧-筒内容積の特性図である。排気マニホールドの合流部に係る構成図である。排気マニホールドの合流部に係る構成図である。

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
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
２３ａ，２３ｂ先細形状の排気エゼクタ
２５タービンハウジング
２９スロート形状のディフューザ部
３５ EGR装置
３６ａ，３６ｂ EGR通路
３７ EGRクーラ
３８ EGRバルブ
３９逆止弁（リードバルブ）
４０ａ，４０ｂ吸気共鳴管
４１吸気管の分岐点
５０コントロールユニット

Claims

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、前記吸気マニホールドと吸気管のインタークーラ下流の分岐部との間に設定される吸気共鳴管、前記排気マニホールドと前記吸気マニホールドとの間を同一の気筒群同士の関係に接続するEGR通路、前記EGR通路に配置されるEGRバルブ、前記EGR通路のEGRバルブ下流に配置される逆止弁、エンジンの加速時や負荷急増時にEGRバルブを一時的に閉じるように制御する手段、を備え、
前記吸気共鳴管は、下記の条件を満足するように設定されるものにあって、共鳴回転速度Ｎは、前記ターボチャージャのタービン入口圧よりもコンプレッサ出口圧が高くなる運転領域に設定したことを特徴とする多気筒エンジン。
記
前記EGRバルブは、EGR通路の入口側へ可能な限り近づけるように配置したことを特徴とする請求項１に記載の多気筒エンジン。
前記EGR通路は、EGRバルブと逆止弁との間に配置されるEGRクーラ、を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多気筒エンジン。