JP2007211603A - 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、NOxの低減と出力や燃費の向上との両立を図るため、高過給と大量EGRを実現する。
【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と、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と、排気マニホールド９ａ，９ｂと吸気マニホールド３ａ，３ｂとの間を接続するEGR通路３６ａ，３６ｂと、排気マニホールド９ａ，９ｂ間を排気パルスが逆流するのを防止するためのノズル部２３ａ，２３ｂと、各吸気マニホールド３ａ，３ｂの吸気脈動の位相を制御する手段として吸気管４の分岐部４２と各吸気マニホールド３ａ，３ｂとの間をそれぞれ連結する共鳴管４０ａ，４０ｂと、EGR通路３６ａ，３６ｂの下流側に配置される逆止弁３９と、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、NOxの低減と出力や燃費の向上との両立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装置においては、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が十分に得られない。

EGR率を高めるため、バタフライバルブによる排気絞りやスロットルバルブによる吸気絞りを行うことが考えられるが、ポンピングロスの悪化が問題となる。VNT（可変ノズル式ターボチャージャ）絞りは、排気マニホールド圧のみでなく、吸気マニホールド圧も上昇するので、EGR率を向上させるのに排気マニホールド圧の方が吸気マニホールド圧よりも高くなるまでVNT絞りを効かせる必要があり、ポンピングロスの悪化を招いてしまうのである。そのため、リードバルブ（逆止弁）を用いて排気脈動によりEGRを行う方式（特許文献１、特許文献２）、EGR通路に混合区間を用いて排気脈動（EGRガスの動圧）を大きくする方式（特許文献３）、可変バルブを用いて内部EGRを行う方式（特許文献４）、が知られている。
特開２０００−２４９００４号 特開２００５−１４７０１０号 特開２００３−５３４４８８号 特開２００１−１０７８１０号

特許文献１〜特許文献３の場合、分割型の排気マニホールドに接続される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、気筒群間の排気パルス（正圧波）が互いに打ち消し合うため、十分なEGR率が得られない。特許文献４の場合、排気（EGRガス）の冷却が行えないのである。また、特許文献２においては、分割型の排気マニホールドと分割型の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通路が設けられるものの、排気パルスの山が吸気行程の初期に到達するため、吸気脈動の谷（吸気行程の中頃で生じる）とのタイミングが合わず、EGR率が十分に向上できない。

この発明は、このような課題を解決するための有効な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と、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と、排気マニホールドと吸気マニホールドとの間を接続するEGR通路と、排気マニホールド間を排気パルスが逆流するのを防止する手段と、各吸気マニホールドの吸気脈動の位相を制御する手段と、EGR通路の下流側に配置される逆止弁と、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、各吸気マニホールドの吸気脈動の位相を制御する手段として、吸気管の分岐部と各吸気マニホールドとの間をそれぞれ連結する共鳴管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、各共鳴管の長さＬは、以下の条件を満足するよう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。

第４の発明は、第３の発明に係る多気筒エンジンにおいて、共鳴回転速度Ｎは、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５の発明は、第１の発明に係る多気筒エンジンにおいて、EGR通路は、各排気マニホールドと各吸気マニホールドとの間をそれぞれ同一の気筒群同士の関係に接続したことを特徴とする。

第６の発明は、第１の発明に係る多気筒エンジンにおいて、EGR通路は、逆止弁の上流にEGRバルブ、その上流にEGRクーラ、を備えたことを特徴とする。

第７の発明は、第１の発明に係る多気筒エンジンにおいて、排気マニホールド間を排気パルスが逆流するのを防止する手段は、各排気マニホールドの集合部下流をこれらの合流部へ向けて先細形状に絞るノズル部を備えたことを特徴とする。

第８の発明は、第１の発明に係る多気筒エンジンにおいて、排気マニホールド間を排気パルスが逆流するのを防止する手段として、ツインエントリ方式のターボチャージャを配置し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、分割型の排気マニホール間を排気パルスが逆流するのを防止する手段により、EGR通路の逆止弁に排気パルス（正圧波）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率が得られるのである。また、吸気脈動の位相を制御する手段により、吸気脈動の谷を排気パルスの山と合わせられるので、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。

第２の発明においては、共鳴管により、共鳴回転速度が設定される。エンジン回転速度が共鳴回転速度と等しくなると、吸気圧振動（吸気脈動）が共鳴して増幅される。吸気脈動の谷は、吸気行程の中頃で生じるが、吸気脈動の振幅が大きいため、排気圧との十分な落差が得られ、EGR率が最大に高められる。

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ので、十分に高いEGR率が得られる。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、吸気脈動の谷は吸気行程の後半で生じ、排気パルスの山から離れるが、吸気脈動の振幅が大きいので、EGR率は若干低下する程度に過ぎない。高速域においては、吸気脈動の位相遅れにより、吸気行程前半の吸気圧が高くなるため、ポンピングロスが改善されるのである。

第３の発明においては、共鳴管の長さＬは、共鳴回転速度Ｎがエンジンの使用回転速度域内にあることを条件に設定される。共鳴回転速度Ｎは、ｆ／ｍと比例関係にあり、共鳴周派数ｆは、Ａ／（ＬＶ）と比例関係にあり、Ｌを大きく設定すると、共鳴回転速度Ｎが低速側となる一方、Ｌを小さく設定すると、共鳴回転速度Ｎが高速側となる。従って、共鳴管の長さＬは、広い運転領域において、EGR率を十分に高める上からは、共鳴回転速度Ｎが中速域内にあるように設定することが望ましい。

第４の発明においては、共鳴作用により、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おいて、EGR率が最大に高められる。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５の発明においては、EGR通路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率の向上を大きく促進しえる。

第６の発明においては、EGRガス（排気）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ため、これらバルブの耐久性を良好に確保することができる。

第７の発明においては、先細形状のノズル部により、排気の流れが加速され、動圧が上がり、静圧（排気圧力）が下げられるため、排気マニホールド間を排気パルスが逆流するのを抑えられる。このため、EGR通路の逆止弁に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率が得られるのである。また、先細形状のノズルから吹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、エゼクタ作用が生じると、排気行程（押し出し）中の気筒側の排気マニホールドから排気が吸引されるため、タービン効率の向上ばかりでなく、ポンピングロスの改善も得られる。

第８の発明においては、ターボチャージャがツインエントリ方式（タービン入口が２つのタイプ）のため、排気干渉が避けられ、タービンへのエネルギ伝達が良好に維持しえるほか、排気パルスの逆流も抑えられ、EGR通路の逆止弁に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率が得られるのである。

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８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つのシングルエントリ方式が用いられる。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、静圧が下げられるため、排気マニホールド９ａ，９ｂ間を排気パルスが逆流する（排気行程初期の噴き出し排気が一方の排気マニホールド９ａまたは９ｂから他方の排気マニホールド９ｂまたは９ａへ逃げる）のを抑えられるほか、ノズル部２３ａまたは２３ｂから吹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と吸気マニホールド３ａ，３ｂ（吸気管４の分岐路）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（リードバルブ）３９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る。逆止弁３９上流にEGRバルブ３８、その上流にEGRクーラ３７、が配置される。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率の向上を大きく促進しえる。

吸気管４の分岐路において、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）との間が共鳴管４０ａ，４０ｂ（吸気マニホールド３ａ，３ｂの吸気脈動の位相を制御する手段）に構成される。共鳴管４０ａ，４０ｂの長さＬは、以下の条件を満足するように設定される。

共鳴回転速度Ｎは、ｆ／ｍと比例関係にあり、共鳴周派数ｆは、Ａ／（ＬＶ）と比例関係にあり、Ｌを大きく設定すると、共鳴回転速度Ｎが低速側となる一方、Ｌを小さく設定すると、共鳴回転速度Ｎが高速側となる。この場合、共鳴回転速度Ｎは、共鳴管４０ａ，４０ｂの長さＬにより、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近辺になり、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。EGR通路３６ａ，３６ｂとの接続部４１（EGR通路３６ａ，３６ｂの出口）は、吸気マニホールド３ａ，３ｂの集合部に出来るだけ近づける方がよい。

このような構成にすると、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、先細形状のノズル２３ａ，２３ｂにより、排気パルスの逆流が抑えられ、合流部１１のエゼクタ作用により、タービン６ｂへの排気パルスは強められるため、タービン効率の向上が得られる。また、排気パルスの逆流が抑えられるので、EGR通路３６ａ，３６ｂの逆止弁３９に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、合流部１１の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、共鳴管４０ａ，４０ｂにより、吸気脈動の位相が制御され、吸気脈動の谷を排気パルスの山と合わせられるため、逆止弁３９前後の瞬間的な差圧が拡大され、EGR率を一段と向上させることができる。

エンジン回転速度が中速域の共鳴回転速度Ｎと等しくなると、吸気圧振動（吸気脈動）が共鳴して増幅される。吸気脈動の谷は、吸気行程の中頃で生じるが、吸気脈動の振幅が大きいため、排気圧との十分な落差が得られ、EGR率が最大に高められる（図５および図６、参照）。このため、ターボチャージャ効率が最大付近となり、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パルスの山に近づくので、十分に高いEGR率が得られる（図３および図４、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、吸気脈動の谷は吸気行程の後半で生じ、排気パルスの山から離れるが、吸気脈動の振幅が大きいので、EGR率は若干低下する程度に過ぎない（図７および図８、参照）。高速域においては、吸気脈動の位相遅れにより、吸気行程前半の吸気圧が高くなるため、ポンピングロスの改善が得られるのである。

この場合、排気パルスの逆流防止および排気のエゼクタ効果のほか、吸気脈動の位相制御により、広い運転領域（低速域〜高速域）において、高過給と大量EGRが可能となり、NOxの低減と出力や燃費の向上との高度な両立を実現することができる。図３〜図８は、共鳴管４０ａ，４０ｂが同一の長さＬ（共鳴回転速度Ｎを中速域に設定する）において、エンジン回転数（ピストンによる加振周波数）を変える場合のシミュレーション結果を例示する。

EGR通路３６ａ，３６ｂにおいて、EGRクーラ３７の下流側にEGRバルブ３８および逆止弁３９（リードバルブ）を配置するので、これらバルブの耐久性も良好に確保される。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９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。先細形状のノズル部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３０との間に介装してもよい。

排気マニホールド９ａ，９ｂ間を排気パルスが逆流するのを防止する手段としてツインエントリ方式のターボチャージャを用いることも考えられる。その場合、タービン入口が２つのため、排気干渉が避けられ、タービン６ｂへのエネルギ伝達を良好に維持しえる。この場合、図１のノズル部２３ａ，２３ｂおよびディフューザ部２９のようなエゼクタ作用はタービン６ｂの内部で生じ、EGR通路３６ａ，３６ｂの逆止弁３９に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。

この発明の実施形態を係る全体的な概略構成図である。 同じく排気マニホールドの合流部に係る構成図である。 同じく低速域の吸排気脈動のシミュレーション結果を例示する特性図である。 同じく低速域のEGR流量のシミュレーション結果を例示する特性図である。 同じく中速域の吸排気脈動のシミュレーション結果を例示する特性図である。 同じく中速域のEGR流量のシミュレーション結果を例示する特性図である。 同じく高速域の吸排気脈動のシミュレーション結果を例示する特性図である。 同じく高速域のEGR流量のシミュレーション結果を例示する特性図である。 同じく排気マニホールドの合流部に係る構成図である。 同じく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）
２ 吸気通路
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
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
３７ EGRクーラ
３８ EGRバルブ
３９ 逆止弁（リードバルブ）
４０ａ，４０ｂ 共鳴管
４１ EGR通路の出口
４２ 吸気管の分岐点

Claims (8)

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と、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と、排気マニホールドと吸気マニホールドとの間を接続するEGR通路と、排気マニホールド間を排気パルスが逆流するのを防止する手段と、各吸気マニホールドの吸気脈動の位相を制御する手段と、EGR通路の下流側に配置される逆止弁と、を備えたことを特徴とする多気筒エンジン。
2. 各吸気マニホールドの吸気脈動の位相を制御する手段として、吸気管の分岐部と各吸気マニホールドとの間をそれぞれ連結する共鳴管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. 各共鳴管の長さＬは、以下の条件を満足するよう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. 共鳴回転速度Ｎは、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請求項３に記載の多気筒エンジン。
5. EGR通路は、各排気マニホールドと各吸気マニホールドとの間をそれぞれ同一の気筒群同士の関係に接続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。
6. EGR通路は、逆止弁の上流にEGRバルブ、その上流にEGRクーラ、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。
7. 排気マニホールド間を排気パルスが逆流するのを防止する手段は、各排気マニホールドの集合部下流をこれらの合流部へ向けて先細形状に絞るノズル部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。
8. 排気マニホールド間を排気パルスが逆流するのを防止する手段として、ツインエントリ方式のターボチャージャを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。

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