JP4359583B2 - 多気筒エンジン - Google Patents

Description

この発明は、排気通路から吸気通路へ排気の一部を環流させる外部EGR装置、または吸気行程中に排気弁を開いて気筒に排気を逆流させる内部EGR装置、を備える多気筒エンジンに関する。

エンジンのEGR（排気環流：Exhaust Gas Recirculation）システムとして、排気通路から吸気通路へ排気の一部を環流させる外部EGR装置が良く採用される（特許文献１〜特許文献３）。このようなEGR装置においては、ターボ過給機のタービン上流からターボ過給機のコンプレッサ下流へ排気の一部を還流させる場合、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が十分に行えない。特許文献１においては、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に分割され、これらマニホールド（ターボ過給機のタービン上流）と吸気通路（ターボ過給機のコンプレッサ下流）との間を個別に接続する各EGR通路の途中にEGRガスの逆流を規制するリードバルブ（逆止弁）が開閉可能に介装される。特許文献２においては、２つの排気コネクタ（排気マニホールド）が備えられ、これらコネクタとターボ過給機のコンプレッサ下流との間を接続するEGR通路の合流部に設定される混合区間により、合流部に臨む各流路間を排気パルスが一方から他方へ逃げることなく下流へ伝わるようになっている。特許文献３においては、吸気行程中の気筒に排気弁を開いて排気を逆流（還流）させる内部EGR装置が備えられる。
特開平０９−１３７７５４号 特開２００３−５３４４８８号 特開２００１−１０７８１０号

特許文献１の場合、気筒群毎の排気マニホールドを結集させる合流部にターボ過給機のタービンを介して排気管が接続される。このため、ターボ過給機については、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つの場合（例えば、可変ノズル式ターボチャージャ）、タービンハウジングの内部で排気の圧力どうしが干渉するため、タービン効率が良好に維持しえないばかりでなく、EGR率の向上に排気パルスが十分に生かせなくなる。特許文献２においても、ターボ過給機のタービン入口が１つの場合、２つの排気コレクタ間の排気干渉により、せっかくの混合区間の良好な効果（EGR率の向上）も有効に確保しえなくなってしまう。特許文献３の場合、低負荷域において、内部EGR量を増加させるため、バタフライバルブを用いて排気絞りを行うことが考えられるが、ポンピングロスにより、燃費や出力の大きな低下を招きかねないのである。

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、排気通路から吸気通路へ排気の一部を環流させる外部EGR装置、または吸気行程中に排気弁を開いて気筒に排気を逆流させる内部EGR装置、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排気マニホールドを分割し、これら排気マニホールドの合流部直上流にそれぞれ先細ノズル形状の流路部を設け、各流路部の先細ノズル形状の最小流路断面積Ａを１気筒あたりの排気弁の最大開口面積Ｂの約２５％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、各排気マニホールドの合流部直下流にターボ過給機のタービンを接続したことを特徴とする。

第３の発明は、第１の発明に係る多気筒エンジンにおいて、各排気マニホールドの合流部直下流にディフューザ部を設けたことを特徴とする。

第４の発明は、第１の発明に係る多気筒エンジンにおいて、先細ノズル形状の流路部は、別体のスペーサに構成したことを特徴とする。

第５の発明は、第２の発明に係る多気筒エンジンにおいて、ターボ過給機は、可変ノズル式ターボチャージャを用いたことを特徴とする。

第６の発明は、第３の発明に係る多気筒エンジンにおいて、ディフューザ部は、別体のスペーサに構成したことを特徴とする。

第１の発明〜第６の発明においては、エンジンの排気は、各排気マニホールドにより、排気行程のオーバラップしない気筒群毎に分けられ、合流部から下流側へ案内される。その際、先細ノズル形状の流路部により、排気の流れが加速され、合流部に吹き出る排気の流速により、動圧が上がり、静圧が下がるので、各マニホールド間を排気パルスが一方からもう一方へ逃げることなく下流へ伝えられる。したがって、タービン入口が１つのターボ過給機においても、外部EGRまたは内部EGRに排気パルスが十分に生かされるようになる。先細ノズル形状の最小流路断面積Ａが１気筒あたりの排気弁の最大開口面積Ｂの約２５％に設定することにより、ポンピングロスを小さく抑えつつ、EGR率を十分に向上させることができる。

第２の発明においては、先細ノズル形状の流路部により、 各マニホールド間を排気パルスが一方からもう一方へ逃げることなく下流へ伝えられ、タービン効率の向上も得られる。

第３の発明においては、先細ノズル形状の流路部により、排気の流れが加速され、合流部の動圧が上がり、静圧が下がり、その後、ディフューザ部により、排気の流れが減速され、静圧が回復するため、各マニホールド間を排気パルスが一方からもう一方へ逃げるのを抑えつつ、排気の圧力を下流へ効率よく伝えられる。

第４の発明または第６の発明においては、別体のスペーサを交換することにより、先細ノズル形状の流路部またはディフューザ部について、エンジンの仕様に応じた最適化が容易に図れるようになる。

第５の発明においては、可変ノズル式ターボチャージャを備えるので、可変ノズルの制御により、広い運転領域において、高過給および大量EGRを実現することができる。

図１において、１０はエンジン１の吸気通路であり、吸気マニホールド１４と吸気管１５とから構成される。吸気マニホールド１４は、吸気行程がオーバラップしない気筒群毎に分割される。吸気管１５は、インタクーラ１３下流側が分岐され、各マニホールド１４ａ，１４ｂに接続される。１２ａはターボ過給機１２のコンプレッサであり、１１はエアクリーナである。

２０はエンジン１の排気通路であり、排気マニホールド２３と排気管２２とから構成される。排気マニホールド２３は、排気行程が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２３ａ，２３ｂの合流部２５にターボ過給機１２のタービン１２ａを介して排気管２２が接続される。２１はマフラである。

合流部２５は、図２のように構成される。排気マニホールド２３ａ，２３ｂは、互いに下流側が１つのフランジ２４に結集され、その接合面に合流部２５を開口する。１つのフランジ２４に結集する下流側の流路部２６ａ，２６ｂがフランジ２４の開口へ向けて先細ノズル形状になっている。３０はタービンハウジングであり、排気マニホールド２３ａ，２３ｂのフランジ２４に対応するフランジ３１が形成され、タービン１２ｂの入口がフランジ３１に開口する。排気マニホールド２３ａ，２３ｂのフランジ２４にタービンハウジング３０のフランジ３１が結合され、タービンハウジング３０の内部へフランジ２４，３１の開口（合流部２５）を滑らかに延長するディフューザ部３３が形成される。

この場合、ターボ過給機１２として、可変ノズル式ターボチャージャが用いられ、合流部２５の最小流面積はタービンハウジング３０の内部に設定され、最小流路面積の下流側（流路）が滑らかに拡張される。合流部２５の最小流路面積は、先細ノズル形状の流路部２６ａ，２６ｂの最大流路面積の総和よりも小さく設定され、先細ノズル形状の流路部２６ａ，２６ｂにより、排気パルスが加速され、合流部２５において、先細ノズル形状の流路部２６ａ，２６ｂから吹き出る排気の流速によって動圧が上がり、静圧が下げられ、その後、ディフューザ部３３により、排気の流れが減速され、可変ノズルへの静圧を上げるようになっている。ターボ過給機１２のコンプレッサ１２ａは、タービン１２ｂの回転により駆動され、各気筒への吸気を過給する。

Ａは流路部の先細ノズル形状の最小断面積であり、１気筒あたりの排気弁の最大開口面積Ｂの約２５％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の数 Ｄ：排気弁の実質的な直径 Ｌ：排気弁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６５が２個ずつ備えられるので、ｎは２となる。

図１において、４０はターボ過給機１２のタービン１２ｂ上流からターボ過給機１２のコンプレッサ１２ａ下流へ排気の一部を環流させる外部EGR装置であり、排気マニホールド２３ａ，２３ｂと吸気管１５の分岐部１５ａ，１５ｂとの間を各個に接続するEGR通路４０ａ，４０ｂが備えられる。各EGR通路４０ａ，４０ｂにおいて、EGRガスを冷却するEGRクーラ４１，EGRガスの逆流を規制する逆止弁４２（リードバルブ），EGR量を調整するEGRバルブ４３が介装される。吸気管１５の分岐部１５ａ，１５ｂにベンチュリ型のエゼクタ６０が設けられ、ベンチュリ部にEGR通路４０ａ，４０ｂが開口される。ベンチュリ部を通過する吸気の流速に応じて負圧が発生するので、この負圧により吸引され、EGRガスがエゼクタ６０へ効率よく供給しえるようになる。

このような構成により、エンジンの排気は、各排気マニホールド２３ａ，２３ｂ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、合流部２５から下流側へ案内される。その際、先細ノズル形状の流路部２６ａ，２６ｂにより、排気の流れが加速され、合流部２５に吹き出る排気の流速により、動圧が上がり、静圧が下がるので、各マニホールド間を排気パルスが一方からもう一方へ逃げることなく下流へ伝えられる。したがって、タービン入口が１つのターボ過給機においても、タービン効率の向上が得られるほか、外部EGRに排気パルスが生かされるようになる。

図４は、吸気マニホールド圧および排気マニホールド圧の測定結果を例示するものである。Ａが吸気マニホールド圧、Ｂが排気マニホールド２３ａ，２３ｂの合流部２５に先細ノズル形状の流路部２６ａ，２６ｂを備える場合の排気マニホールド圧、Ｃがエゼクタ形状の合流部（排気マニホールドの合流部に先細ノズル形状の流路部）を備えない場合の排気マニホールド圧、を表示する。排気マニホールド圧ＢのＰ１は、流路部２６ａ，２６ｂの絞り作用により、排気マニホールド圧ＣのＰ１’よりも高くなり、排気マニホールド圧ＢのＰ２は、合流部２５のエゼクタ作用により、排気マニホールド圧ＣのＰ２’よりも低くなる。

図５は、筒内圧の測定結果を例示するものである。Ｄが排気マニホールド２３ａ，２３ｂの合流部２５に先細ノズル形状の流路部２６ａ，２６ｂを備える場合の筒内圧、Ｅがエゼクタ形状の合流部（排気マニホールドの合流部に先細ノズル形状の流路部）を備えない場合の筒内圧、を表示する。排気行程後期において、筒内圧Ｄは、合流部２５のエゼクタ作用により、筒内圧Ｅよりも低くなる。吸気行程前期において、筒内圧Ｄは、筒内圧Ｅよりも高くなる。これは、排気マニホールド２３ａ，２３ｂの合流部２５に先細ノズル形状の流路部２６ａ２６ｂを備えることにより、排気パルスが逃げることなく下流へ伝わり、タービン効率が高められるからである。

排気マニホールド２３ａ，２３ｂの合流部２５に設けられる流路部２６ａ，２６ｂの先細ノズル形状については、その最小流路断面積Ａが１気筒あたりの排気弁の最大開口面積Ｂの約２５％に設定されるので、ポンピングロスを小さく抑えつつ、EGR率を十分に向上させることができる。図６および図７は、（Ａ／Ｂ）×１００（％）に係る各種の測定結果を例示するものである。◇は、（Ａ／Ｂ）×１００（％）に応じた結果値であり、実線は、これら結果値の傾向を単純化して表示するものである。●は、エゼクタ形状の合流部を備えない場合において、ターボ過給機のタービン下流に既存のバタフライバルブを用いて実施した排気絞り時の結果値を表示する。エゼクタ形状の合流部を備えない場合、（Ａ／Ｂ）×１００（％）≒５２（％）である。

（Ａ／Ｂ）×１００（％）≒２５（％）よりも小さくなると、排気パルス差圧（図４の「Ｐ１−Ｐ２」、参照）が大きくなり、EGR率が高くなるが、ポンピングロスが大きくなり、燃料消費率が高くなる（図-ａ〜図-ｄ、参照）。（Ａ／Ｂ）×１００（％）≒２５（％）よりも大きくなると、NOx量は増えるが、タービン入口温度が低くなり、空気過剰率が大きくなり、スモーク濃度が小さくなる（図-ｅ〜図-ｈ、参照）。（Ａ／Ｂ）×１００（％）≒２５（％）においては、ポンピングロスも小さく、スモークの発生を抑えつつ、NOxも十分に低減しえることになる。（Ａ／Ｂ）×１００（％）≒２５（％）の結果値は、排気絞り時の結果値と比較すると、EGR率およびNOx量以外については、排気絞り時よりも良好な結果が得られるのである。

図１の実施形態においては、可変ノズル式ターボチャージャ１２を備えるため、可変ノズルの制御により、広い運転領域において、高過給および大量ＥＧＲが可能となり、NOxの低減と燃費やスモークの改善との両立を有効に実現可能となる。ディフューザ部３３は、タービンハウジング３０と一体に形成するのでなく、図８のように別体のスペーサとしてタービンハウジング３０のフランジ３１と排気マニホールド２３ａ，２３ｂのフランジ２４との間に介装してもよい。先細ノズル形状の流路部２６ａ，２６ｂについても、排気マニホールド２３ａ，２３ｂ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排気マニホールド２３ａ，２３ｂのフランジ２４とタービンハウジング３０のフランジ ３１との間に介装してもよい。図８，図９においても、流路部の先細ノズル形状の最小断面積Ａについては、（Ａ／Ｂ）×１００（％）≒２５（％）に設定される。

図１０は、別の実施形態を説明するものであり、外部EGR装置４０のほか、吸気行程中の気筒に排気弁を開いて排気を逆流させる内部EGR装置５０が備えられる。吸気行程中の気筒に排気を逆流させる排気弁の開閉については、エンジンに駆動されるカム式の動弁機構（特許文献３、参照）または電磁アクチュエータ式の動弁機構または電磁油圧アクチュエータ式の動弁機構または空気アクチュエータ式の動弁機構により制御される。

外部EGR装置４０において、４５はEGR通路であり、上流側の分岐路４５ａ，４５ｂと下流側の合流路４５ｃとからなり、分岐路４５ａ，４５ｂがそれぞれ排気マニホールド２３ａ，２３ｂに接続され、合流路４５ｃがインタクーラ１３下流の吸気管１５に接続される。合流路４５ｃにおいて、EGRガスを冷却するEGRクーラ４１、EGR量を調整するEGRバルブ４３、EGRガスの逆流を規制するリードバルブ４２が介装される。

分岐路４５ａ，４５ｂは、合流部４６の直上流が先細ノズル形状の流路部４７ａ，４７ｂに形成され、合流部４５の直下流にEGRクーラ４２の入口が接続される。合流部４５の最小流路面積は、先細ノズル形状の流路部４７ａ，４７ｂの最大流路面積の総和よりも小さく設定され、先細ノズル形状の流路部４７ａ，４７ｂにより、排気の流れが加速され、合流部４６において、吹き出る排気の流速によって静圧が下がり、動圧が上がり、その後、排気の流れが減速され、EGRクーラ４１への静圧を上げるようになっている。

このような構成により、EGR通路４５においても、先細ノズル形状の流路部４７ａ，４７ｂにより、合流部４５の静圧が下がり、動圧が上がるので、各マニホールド２３ａ，２３ｂの排気パルスが互いに弱められることがなく、EGRクーラ４２へ送り込めるようになる。つまり、EGR通路４５においても、排気パルスが分岐路４５ａ，４５ｂ間を低圧側へ逃げることがなく、外部EGRおよび内部EGRに排気パルスが十分に生かせるようになる。

内部EGRと外部EGRとの組み合わせにより、広い運転領域において、大量ＥＧＲを実現することが可能となる。例えば、内部EGRの排気パルスが十分に得られない低負荷域においては、外部EGR量を増加させる一方、過給圧が排気圧よりも高くなりやすい高負荷域においては、内部EGR量が十分に得られるため、外部EGRを停止させることが考えられる。さらに可変ノズル式ターボチャージャ１２の制御が加わるため、流路部２６ａ，２６ｂの先細ノズル形状が（Ａ／Ｂ）×１００（％）≒２５（％）の条件下において、NOxの低減と燃費やスモークの改善との両立を究極的に高めることが可能となる。

図１０において、１４は吸気マニホールドであり、図１の実施形態と実質的に同一の部品は同一の符号を付ける。

この発明の実施形態を表す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。 同じく先端ノズル形状に係る説明図である。 同じく排気マニホールド圧の測定結果を例示する特性図である。 同じく筒内圧の測定結果を例示する特性図である。 同じく各種の測定結果を例示する特性図である。 同じく各種の測定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。 別の実施形態を表す全体的な概略構成図である。

符号の説明

１２ ターボ過給機（可変ノズル式ターボチャージャ）
１３ インタクーラ
２３，２３ａ，２３ｂ 排気マニホールド
２５ 合流部（排気通路）
２６ａ，２６ｂ 先細ノズル形状の流路部（排気通路）
３０ タービンハウジング
３３ ディフューザ部
４０ 外部EGR装置
５０ 内部EGR装置
６５ 排気弁

Claims (6)

1. 排気通路から吸気通路へ排気の一部を環流させる外部EGR装置、または吸気行程中に排気弁を開いて気筒に排気を逆流させる内部EGR装置、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排気マニホールドを分割し、これら排気マニホールドの合流部直上流にそれぞれ先細ノズル形状の流路部を設け、各流路部の先細ノズル形状の最小流路断面積Ａを１気筒あたりの排気弁の最大開口面積Ｂの約２５％に設定したことを特徴とする多気筒エンジン。
2. 各排気マニホールドの合流部直下流にターボ過給機のタービンを接続したことを特徴とする請求項１の記載に係る多気筒エンジン。
3. 各排気マニホールドの合流部直下流にディフューザ部を設けたことを特徴とする請求項１の記載に係る多気筒エンジン。
4. 先細ノズル形状の流路部は、別体のスペーサに構成したことを特徴とする請求項１の記載に係る多気筒エンジン。
5. ターボ過給機は、可変ノズル式ターボチャージャを用いたことを特徴とする請求項２の記載に係る多気筒エンジン。
6. ディフューザ部は、別体のスペーサに構成したことを特徴とする請求項３の記載に係る多気筒エンジン。

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