JP2006022808A - 多気筒エンジンの吸排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高負荷高速回転域を含む全領域において十分に出力の向上を図ることができる多気筒エンジンの吸排気装置を提供する。
【解決手段】ＥＧＲオン領域並びに高負荷高速回転で且つＥＧＲがオフの領域においては、調整バルブ１３が開放されて左バンク１ａの排気マニホルド５ａと右バンク１ｂの排気マニホルド５ｂとが連通路１２により互いに連通する。ＥＧＲオン領域では、さらにこの状態でＥＧＲバルブ１５ａ及び１５ｂが開かれて左右の排気マニホルド５ａ及び５ｂから吸気マニホルド１１への排気ガスの再循環が行われる。低中速回転で且つＥＧＲがオフの領域においては、調整バルブ１３が閉鎖され、左バンク１ａの排気マニホルド５ａと右バンク１ｂの排気マニホルド５ｂとが互いに遮断される。
【選択図】図１

Description

この発明は、多気筒エンジンの吸排気装置に係り、特にそれぞれターボチャージャを有する２つの吸排気系統を備えた多気筒エンジンの吸排気装置に関する。

Ｖ型多気筒エンジンでは、双方のバンクにそれぞれ対応してターボチャージャを配設し、各バンクの気筒から排出された排気エネルギーをターボチャージャのタービンで回収してコンプレッサを駆動することにより、圧縮された吸気を気筒へ供給するものがある。このようなターボチャージャを備えたＶ型多気筒エンジンにおいて、例えば特許文献１には、双方のターボチャージャの圧力を均衡化するために双方のバンクの排気通路を互いに連結し、さらにこの連結部をＥＧＲ通路により双方のバンクに共通の吸気通路に接続して、排気ガスの一部を吸気系へ再循環（ＥＧＲ）させるものが開示されている。ＥＧＲ通路に配設されたＥＧＲバルブの開閉によりＥＧＲのオン／オフが制御される。

特表２００２−５２２６８７号公報

しかしながら、双方のバンクの排気通路とＥＧＲ通路との連結部にＥＧＲバルブが配置されているので、ＥＧＲバルブを開いたＥＧＲオン時には双方のバンクの排気通路が互いに連通されるが、ＥＧＲオフ時には双方のバンクの排気通路を連通させることができない。従って、一般に出力性能の向上を図るためにＥＧＲをオフする高負荷高回転領域においては、双方のバンクの排気通路が互いに遮断され、これら双方のバンクの排気通路内の圧力の違いに起因して発生する双方のターボッチャージャの回転数のばらつきが均衡化されることがない。また、バラツキが小さいと、双方のターボチャージャの回転数を共に最大回転数に近づけることができるので、高出力を出すことが可能であるが、バラツキが大きいと、片方のターボチャージャの回転数が最大回転数に近づいた状態であっても、他方のターボチャージャの回転数はまだ最大回転数より低いということがあり、出力の向上を十分になし得ることが困難であるという問題があった。

この発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、高負荷高速回転域を含む全領域において十分に出力の向上を図ることができる多気筒エンジンの吸排気装置を提供することを目的とする。

この発明に係る多気筒エンジンの吸排気装置は、それぞれターボチャージャを有する２つの吸排気系統を備えた多気筒エンジンの吸排気装置において、双方の系統の排気通路を互いに連通する連通路と、連通路を開閉するための調整バルブと、各系統の排気通路と吸気通路との間で排気ガスを循環させるＥＧＲ導入通路と、ＥＧＲ導入通路を開閉するためのＥＧＲバルブとを備えたものである。
調整バルブとＥＧＲバルブの開閉により双方の系統の排気通路の連通／遮断とＥＧＲのオン／オフとを制御することができる。従って、例えば高負荷高速回転領域において、双方の系統の排気通路を互いに連通しつつＥＧＲをオフとすることにより、双方の系統のターボチャージャの回転数差が小さくなり、双方のターボチャージャの回転数を共に最大限に上げることが可能となる。

それぞれ対応する系統の排気通路と吸気通路との間で排気ガスを循環させると共に調整バルブを間に挟んで両側に配置される２つのＥＧＲ導入通路と、それぞれ対応するＥＧＲ導入通路を開閉するための２つのＥＧＲバルブとを備えれば、調整バルブと２つのＥＧＲバルブの開閉により双方の系統の排気通路の連通／遮断とＥＧＲのオン／オフとを独立して制御することができる。

また、ＥＧＲオン領域及び高負荷高速回転で且つＥＧＲオフの領域では調整バルブを開放し、低中速回転で且つＥＧＲオフの領域では調整バルブを閉鎖するように構成することができる。
ＥＧＲオン領域及び高負荷高速回転で且つＥＧＲオフの領域において調整バルブが開放されて双方の系統の排気通路が互いに連通されるので、各気筒のＥＧＲ率のバラツキが縮小される。また、低中速回転で且つＥＧＲオフの領域においては調整バルブが閉じられて双方の系統の排気通路が互いに遮断されるので、各排気通路内の圧力が上がり、ターボチャージャの過給圧が向上する。
なお、双方の系統の吸気通路を互いに連通することもできる。

この発明によれば、高負荷高速回転域を含む全領域において十分に出力の向上を図ることが可能となる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１
図１に実施の形態１に係る多気筒エンジンの吸排気装置の全体構成を示す。この実施の形態１は、Ｖ型８気筒エンジンに適用されたもので、８つの気筒が４つずつ２群に分けられてそれぞれ左右のバンク１ａ及び１ｂに配列されている。これら左右のバンク１ａ及び１ｂにそれぞれ対応して２つの吸排気系統２ａ及び２ｂが配設されている。

左バンク１ａに対応した吸排気系統２ａはターボチャージャ３ａを備え、ターボチャージャ３ａのタービン４ａの流入口に排気マニホルド５ａが接続されると共に流出口にはＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）６ａが接続されている。また、ターボチャージャ３ａのコンプレッサ７ａの吸込口にエアフローメータ８ａを介してエアクリーナ９ａが接続されると共に吐出口にインタークーラ１０を介して双方の吸排気系統２ａ及び２ｂに共通の吸気マニホルド１１が接続されている。

同様に、右バンク１ｂに対応した吸排気系統２ｂはターボチャージャ３ｂを備え、ターボチャージャ３ｂのタービン４ｂの流入口に排気マニホルド５ｂが接続されると共に流出口にはＤＰＦ６ｂが接続されている。また、ターボチャージャ３ｂのコンプレッサ７ｂの吸込口にエアフローメータ８ｂを介してエアクリーナ９ｂが接続されると共に吐出口にインタークーラ１０を介して吸気マニホルド１１が接続されている。

左バンク１ａの排気マニホルド５ａと右バンク１ｂの排気マニホルド５ｂが互いに連通路１２により連通されており、この連通路１２上に連通路１２を開閉するための調整バルブ１３が配設されている。

また、左バンク１ａの排気マニホルド５ａと調整バルブ１３との間に位置する連通路１２から分岐して吸気マニホルド１１に至る吸排気系統２ａ用のＥＧＲ導入通路１４ａと、右バンク１ｂの排気マニホルド５ｂと調整バルブ１３との間に位置する連通路１２から分岐して吸気マニホルド１１に至る吸排気系統２ｂ用のＥＧＲ導入通路１４ｂとが形成されている。すなわち、調整バルブ１３を間に挟んで両側に２つのＥＧＲ導入通路１４ａ及び１４ｂが配置されており、これらＥＧＲ導入通路１４ａ及び１４ｂ上にそれぞれＥＧＲバルブ１５ａ及び１５ｂが配設されている。

調整バルブ１３、ＥＧＲバルブ１５ａ及び１５ｂにこれらのバルブの開閉を制御する制御部１６が接続されている。制御部１６には、さらにエンジンの回転数を検出する回転数センサ及びアクセルペダル位置を検出するアクセルペダル位置センサ等の図示しない各種センサが接続され、これらのセンサからエンジン回転数、アクセルペダル位置等のエンジンの運転状況を表す検出信号が入力される。また、検出されたアクセルペダル位置を元に燃料噴射量を決定する。
制御部１６は、調整バルブ１３と２つのＥＧＲバルブ１５ａ及び１５ｂの開閉により双方の吸排気系統２ａ及び２ｂの排気マニホルド５ａ及び５ｂの連通／遮断とＥＧＲのオン／オフとを独立して制御することができる。
なお、上記した構成以外にも、図示は省略するが、吸気スロットル、ＥＧＲクーラー、ＥＧＲクーラーのバイパス通路、バイパス通路に設けられた切り替えバルブ等も設けられている。

次に、この実施の形態１の動作について説明する。
左バンク１ａの各気筒から排出された排気ガスがターボチャージャ３ａのタービン４ａを回転させた後にＤＰＦ６ａへ送られる。これによりターボチャージャ３ａのコンプレッサ７ａが駆動され、エアクリーナ９ａ及びエアフローメータ８ａを介して取り入れられた空気がコンプレッサ７ａで圧縮された後、インタークーラ１０を介して吸気マニホルド１１に送られる。
同様に、右バンク１ｂの各気筒から排出された排気ガスがターボチャージャ３ｂのタービン４ｂを回転させた後にＤＰＦ６ｂへ送られる。これによりターボチャージャ３ｂのコンプレッサ７ｂが駆動され、エアクリーナ９ｂ及びエアフローメータ８ｂを介して取り入れられた空気がコンプレッサ７ｂで圧縮された後、インタークーラ１０を介して吸気マニホルド１１に送られる。

このとき、制御部１６は、回転数センサにより検出されたエンジン回転数とアクセルペダル位置センサにより検出されたアクセルペダル位置を元に決定される燃料噴射量とに基づき、図２に示されるような予め設定されているマップに従ってＥＧＲのオン／オフを決定し、さらにＥＧＲオン領域ではエンジンの運転状況に応じて左バンク１ａ側の吸排気系統２ａ及び右バンク１ｂ側の吸排気系統２ｂのそれぞれに対して最適なＥＧＲ率を演算し、演算されたＥＧＲ率となるようにＥＧＲバルブ１５ａ及び１５ｂの開度を調整する。これにより、左バンク１ａ側の排気マニホルド５ａから取り出された排気ガスの一部と右バンク１ｂ側の排気マニホルド５ｂから取り出された排気ガスの一部とが吸気マニホルド１１に再循環される。

また、制御部１６は、図３に示されるような予め設定されているマップに従って調整バルブ１３の開閉を制御する。ここでは、調整バルブ１３は、低中速回転で且つＥＧＲがオフの領域において閉鎖される。これにより、左バンク１ａの排気マニホルド５ａと右バンク１ｂの排気マニホルド５ｂとが互いに遮断され、その結果、排気マニホルド５ａ及び５ｂのそれぞれの内圧が上がってターボチャージャの過給圧が向上し、ひいては出力の向上がなされる。

一方、ＥＧＲオン領域においては、調整バルブ１３が開放される。これにより、左バンク１ａの排気マニホルド５ａと右バンク１ｂの排気マニホルド５ｂとが互いに連通し、双方の排気ガスが混合するため、左バンク１ａと右バンク１ｂのＥＧＲの分配が良好となり、左バンク１ａ側の吸排気系統２ａのＥＧＲ率と右バンク１ｂ側の吸排気系統２ｂのＥＧＲ率とのバラツキが縮小される。従って、出力の低下を最小限に抑えながらＥＧＲを良好に行ってＮＯｘの低減を図ることが可能となる。

また、高負荷高速回転で且つＥＧＲがオフの領域においても調整バルブ１３が開放され、左バンク１ａの排気マニホルド５ａと右バンク１ｂの排気マニホルド５ｂとが互いに連通する。ここで、調整バルブ１３を開いて左右の排気マニホルド５ａ及び５ｂを互いに連通したときの左右のターボチャージャ３ａ及び３ｂの回転数差Ｄｏは、調整バルブ１３を閉じて左右の排気マニホルド５ａ及び５ｂを互いに遮断したときの左右のターボチャージャ３ａ及び３ｂの回転数差Ｄｃより小さくなる。これは、調整バルブ１３を開くことで左右の排気マニホルド５ａ及び５ｂの内圧の均衡化がなされたためであり、これにより、双方のターボチャージャ３ａ及び３ｂの回転数を共に最大限に上げることができ、従って出力の向上を図ることが可能となる。

このように、低中速回転領域だけでなく高負荷高速回転領域においても十分に出力を向上させることができる。
なお、図３に示されるように、低負荷高速回転領域でも高負荷高速回転領域と同様に調整バルブ１３を開放して左右の排気マニホルド５ａ及び５ｂを互いに連通したが、一般にこの領域ではさらなる出力向上の必要性に乏しいため、低負荷高速回転領域において調整バルブ１３を閉鎖して左右の排気マニホルド５ａ及び５ｂを互いに遮断するように構成することもできる。
また、調整バルブ１３としては、連通路１２を全開／全閉するものでもよいが、開度を調整可能なバルブを用いて左バンク１ａの排気マニホルド５ａと右バンク１ｂの排気マニホルド５ｂの連通の度合いを調整し得るように構成することもできる。

実施の形態２
図４に実施の形態２に係る多気筒エンジンの吸排気装置の全体構成を示す。この実施の形態２は、図１に示した実施の形態１の装置において、左バンク１ａと右バンク１ｂに共通の吸気マニホルド１１及びインタークーラ１０の代わりに左バンク１ａ側の吸気マニホルド１１ａ及びインタークーラ１０ａと右バンク１ｂ側の吸気マニホルド１１ｂ及びインタークーラ１０ｂとを互いに独立して配設したものである。

左バンク１ａ側のターボチャージャ３ａのコンプレッサ７ａで圧縮された空気がインタークーラ１０ａを介して吸気マニホルド１１ａに供給された後、左バンク１ａの各気筒に送られる。一方、右バンク１ｂ側のターボチャージャ３ｂのコンプレッサ７ｂで圧縮された空気がインタークーラ１０ｂを介して吸気マニホルド１１ｂに供給された後、右バンク１ｂの各気筒に送られる。

また、ＥＧＲオン時には、左バンク１ａ側の排気マニホルド５ａから取り出された排気ガスの一部がＥＧＲバルブ１５ａを介して吸気マニホルド１１ａに再循環され、同様に右バンク１ｂ側の排気マニホルド５ｂから取り出された排気ガスの一部がＥＧＲバルブ１５ｂを介して吸気マニホルド１１ｂに再循環される。

このような構成としても、上述した実施の形態１と同様に、低中速回転領域及び高負荷高速回転領域において十分に出力を向上させることができ、また左右の吸排気系統２ａ及び２ｂのＥＧＲ率のバラツキを縮小して、出力の低下を最小限に抑えながらＮＯｘの低減を図ることが可能となる。

実施の形態３
図５に実施の形態３に係る多気筒エンジンの吸排気装置の全体構成を示す。この実施の形態３は、図１に示した実施の形態１の装置において、連通路１２に左バンク１ａと右バンク１ｂに共通のＥＧＲ導入通路１４を介して吸気マニホルド１１を連結し、連通路１２とＥＧＲ導入通路１４との連結部に調整バルブ１３を、ＥＧＲ導入通路１４上にＥＧＲバルブ１５をそれぞれ配設したものである。調整バルブ１３を開放すると、左バンク１ａの排気マニホルド５ａと右バンク１ｂの排気マニホルド５ｂとが連通路１２を介して互いに連通すると共に連通路１２とＥＧＲ導入通路１４とが連通する。一方、調整バルブ１３を閉鎖すると、左バンク１ａの排気マニホルド５ａと右バンク１ｂの排気マニホルド５ｂとが互いに遮断され、ＥＧＲバルブ１５の開閉状態に関わらずにＥＧＲ導入通路１４も遮断される。

制御部１６は、図３に示されるような予め設定されているマップに従い、低中速回転で且つＥＧＲがオフの領域において調整バルブ１３を閉鎖する。これにより、左バンク１ａの排気マニホルド５ａと右バンク１ｂの排気マニホルド５ｂとが互いに遮断され、排気マニホルド５ａ及び５ｂのそれぞれの内圧が上がってターボチャージャの過給圧が向上する。

一方、ＥＧＲオン領域においては、制御部１６により調整バルブ１３が開放され、左バンク１ａの排気マニホルド５ａと右バンク１ｂの排気マニホルド５ｂとが互いに連通すると共に連通路１２とＥＧＲ導入通路１４とが連通する。ここで、制御部１６は、エンジンの運転状況に応じて双方の吸排気系統２ａ及び２ｂに対して最適なＥＧＲ率を演算し、演算されたＥＧＲ率となるようにＥＧＲバルブ１５の開度を調整する。これにより、双方の排気ガスが混合し、出力の低下を抑えながらＥＧＲを良好に行ってＮＯｘの低減を図ることができる。

また、高負荷高速回転で且つＥＧＲがオフの領域においては、制御部１６により調整バルブ１３が開放されて左バンク１ａの排気マニホルド５ａと右バンク１ｂの排気マニホルド５ｂとが互いに連通するが、ＥＧＲバルブ１５は閉鎖される。これにより、左右の排気マニホルド５ａ及び５ｂの内圧の均衡化がなされ出力の向上を図ることができる。

このように、実施の形態３においても、上述した実施の形態１及び２と同様に、低中速回転領域及び高負荷高速回転領域において十分に出力を向上させることができ、また出力の低下を最小限に抑えながらＮＯｘの低減を図ることが可能となる。

実施の形態１〜３において、各吸排気系統に必ずしもＤＰＦ６ａあるいは６ｂを設置する必要はない。ＤＰＦを省略したり、ＤＰＦの代わりに触媒を配置することもできる。
調整バルブやＥＧＲバルブは、制御部１６によって電気的に開閉されることに限定されず、例えば、排気通路あるいは吸気通路内の圧力をバルブに導入することで開閉されるバルブを使用してもよい。

また、調整バルブの制御方法として、ＥＧＲオン時またはエンジン回転数が所定値（例えば、２０００ｒｐｍ）以上のときに調整バルブを開放して左バンクの排気マニホルドと右バンクの排気マニホルドを互いに連通し、ＥＧＲオフ時で且つエンジン回転数が所定値（例えば、２０００ｒｐｍ）未満のときに調整バルブを閉鎖して左バンクの排気マニホルドと右バンクの排気マニホルドを互いに遮断するような方法を採ることもできる。
上記の実施の形態１〜３においては、Ｖ型８気筒エンジンに適用された吸排気装置について説明したが、これに限るものではなく、この発明は吸排気系統を２系統備えたエンジン、例えば８気筒以外の多気筒のＶ型エンジンや、Ｖ型以外の例えば水平対向型のエンジン、直列エンジン等に広く適用することができる。

この発明の実施の形態１に係る多気筒エンジンの吸排気装置の全体構成を示す図である。 実施の形態１で使用されたＥＧＲオン／オフ領域を示すマップである。 実施の形態１で使用された調整バルブの開閉領域を示すマップである。 実施の形態２に係る多気筒エンジンの吸排気装置の全体構成を示す図である。 実施の形態３に係る多気筒エンジンの吸排気装置の全体構成を示す図である。

符号の説明

１ａ 左バンク、１ｂ 右バンク、２ａ，２ｂ 吸排気系統、３ａ，３ｂ ターボチャージャ、４ａ，４ｂ タービン、５ａ，５ｂ 排気マニホルド、６ａ，６ｂ ＤＰＦ、７ａ，７ｂ コンプレッサ、８ａ，８ｂ エアフローメータ、９ａ，９ｂ エアクリーナ、１０，１０ａ，１０ｂ インタークーラ、１１，１１ａ，１１ｂ 吸気マニホルド、１２ 連通路、１３ 調整バルブ、１４，１４ａ，１４ｂ ＥＧＲ導入通路、１５，１５ａ，１５ｂ ＥＧＲバルブ、１６ 制御部。

Claims (4)

1. それぞれターボチャージャを有する２つの吸排気系統を備えた多気筒エンジンの吸排気装置において、
   双方の系統の排気通路を互いに連通する連通路と、
   前記連通路を開閉するための調整バルブと、
   各系統の排気通路と吸気通路との間で排気ガスを循環させるＥＧＲ導入通路と、
   前記ＥＧＲ導入通路を開閉するためのＥＧＲバルブと
   を備えたことを特徴とする多気筒エンジンの吸排気装置。
2. それぞれ対応する系統の排気通路と吸気通路との間で排気ガスを循環させると共に前記調整バルブを間に挟んで両側に配置される２つのＥＧＲ導入通路と、
   それぞれ対応するＥＧＲ導入通路を開閉するための２つのＥＧＲバルブと
   を備えた請求項１に記載の多気筒エンジンの吸排気装置。
3. ＥＧＲオン領域及び高負荷高速回転で且つＥＧＲオフの領域では前記調整バルブを開放し、低中速回転で且つＥＧＲオフの領域では前記調整バルブを閉鎖する請求項１または２に記載の多気筒エンジンの吸排気装置。
4. 双方の系統の吸気通路は互いに連通している請求項１〜３のいずれか一項に記載の多気筒エンジンの吸排気装置。

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