JP2007064042A - 多気筒エンジン - Google Patents

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Abstract

【課題】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装置を備える多気筒エンジンにおいても、広い運転領域において、EGR率の向上を実現するため、排気パルスを十分に生かせるようにする。
【解決手段】排気行程がオーバラップしない気筒群毎に排気マニホールド２３を分割し、これら排気マニホールド２３ａ，２３ｂの合流部２５直上流にそれぞれ先細ノズル形状の流路部２６ａ，２６ｂを設け、その合流部２５直下流にターボ過給機１２のタービン１２ｂを接続する。
【選択図】図１

Description

この発明は、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装置を備える多気筒エンジンエンジンに関する。
エンジンのEGR（排気環流：Exhaust Gas Recirculation）システムとして、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装置が知られている（特許文献１）。
特開２００１−１０７８１０号
このような内部EGR装置においては、排気の圧力どうしが干渉しあうと、運転領域によっては、EGRが十分に行えない。そのため、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る燃費や出力の低下が大きくなる。
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、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、そ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２の発明は、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、そ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３の発明は、第１の発明に係る多気筒エンジンにおいて、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環流させる外部EGR装置を備え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、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５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、先細ノズル形状の流路部は、別体のスペーサとして構成したことを特徴とする。
第１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、合流部からターボ過給機のタービンへ流れる。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、合流部の静圧が下がり、動圧が上がるので、タービン入口が１つのターボ過給機においても、各マニホールドの排気パルスが互いに弱められることがなく、タービンへのエネルギ伝達を良好に維持しえる。また、内部EGRの排気パルスが各マニホールド間を低圧側へ逃げることがなく、排気パルスを十分に生かせるようになり、内部EGR率の向上が得られる。
第２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、合流部からターボ過給機のタービンへ流れる。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、合流部の静圧が下がり、動圧が上がり、その後、ディフューザ部により、静圧が回復されるため、合流部において、各マニホールドの排気パルスが互いに弱められることがなく、排気を下流へ効率よく円滑に導けるようになる。また、内部EGRの排気パルスが各マニホールド間を低圧側へ逃げることがなく、排気パルスを十分に生かせるようになり、内部EGR率の向上が得られる。
第３の発明においては、内部EGR装置と外部EGR装置との組み合わせにより、広い運転領域において、高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る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は停止させるように制御するのである。
第４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、高過給および高EGRが可能となり、NOxの低減と燃費や出力の向上との両立を実現できる。
第５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、ターボ過給機の仕様に応じて先細ノズル形状の流路部またはディフューザ部の最適化を容易に図れるようになる。
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。１２ａはターボ過給機１２のコンプレッサであり、１３はインタクーラであり、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１２ｂ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が接合面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の入口がその接合面に開口する。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）が可変ノズルを囲むスクロールへ拡張するように形成される。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、排気の流れが加速され、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静圧が下がり、動圧が上がり、その後、ディフューザ部３３により、排気の流れが減速され、スクロール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。
図１において、５０は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装置であり、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１、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が採用される。
このような構成により、エンジン１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からターボ過給機１２のタービン１２ｂへ流れる。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、吹き出る排気の流速により、合流部２５の静圧が下がり、動圧が上がるので、タービン１２ｂの入口が１つのターボ過給機においても、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、タービンへのエネルギ伝達を良好に維持しえる。また、内部EGRの排気パルスが各マニホールド２３ａ，２３ｂ間を低圧側へ逃げることがなく、排気パルスを十分に生かせるようになり、内部EGR率の向上が得られるのである。
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、高過給および高EGRが可能となり、NOxの低減と燃費や出力の向上との両立を実現できる。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３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４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（フランジ）とタービンハウジング３０の接合部 ３１（フランジ）との間に介装してもよい。
図５は、別の実施形態を表すものであり、内部EGR装置５０のほか、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４０が備えられる。４１はEGR通路であり、上流側の分岐路４１ａ，４１ｂと下流側の合流路４１ｃとからなり、分岐路４１ａ，４１ｂがそれぞれ排気マニホールド２３ａ，２３ｂに接続され、合流路４１ｃがインタクーラ１３下流の吸気管１５に接続される。合流路４１ｃにおいて、EGRガスを冷却するEGRクーラ４２、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４４が介装される。
分岐路４１ａ，４１ｂは、合流部４５の直上流が先細ノズル形状の流路部４６ａ，４６ｂ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４６ａ，４６ｂ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４６ａ，４６ｂにより、排気の流れが加速され、合流部４５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、EGRクーラ４２に導入され、排気の流れが減速され、クーラコア前面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４０においても、先細ノズル形状の流路部４６ａ，４６ｂにより、排気の流れが加速され、合流部４５に吹き出る排気の流速により、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、外部EGR率の向上が得られるほか、EGR通路４０においても、内部EGRの排気パルスが分岐路４１ａ，４１ｂ間を低圧側へ逃げることがなく、排気パルスを十分に生かせるようになり、内部EGR率を良好に維持しえるのである。
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、高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は停止させるようにEGRバルブ４３を制御することが考えられる。これ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、ポンピングロスとの関係から、先細ノズル形状の流路部４６ａ，４６ｂを最適化することにより、NOxの低減と燃費や出力の向上との両立を高度に実現しえるようになる。
EGR通路４１においては、EGRクーラ４２の入口に分岐路４１ａ，４１ｂが接続され、EGRバルブ４３およびリードバルブ４４をEGRクーラ４２の下流側に配置するので、これらバルブ４３，４４の耐久性も良好に確保される。図５において、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
４１ EGR通路
４１ａ，４１ｂ 分岐路
４１ｃ 合流路
４２ EGRクーラ
４３ EGRバルブ
４５ 合流部（EGR通路）
４６ａ，４６ｂ 先細ノズル形状の流路部（EGR通路）

Claims (5)

  1. 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、そ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多気筒エンジン。
  2. 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、そ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多気筒エンジン。
  3. 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環流させる外部EGR装置を備え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. 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１の記載に係る多気筒エンジン。
  5. 先細ノズル形状の流路部は、別体のスペーサとして構成したことを特徴とする請求項１または請求項２の記載に係る多気筒エンジン。
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