JP2007064043A

JP2007064043A - 多気筒エンジン

Info

Publication number: JP2007064043A
Application number: JP2005248938A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Nakamura; 秀一中村
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2025-08-30
Also published as: JP4566093B2

Abstract

【課題】タービン入口が１つのターボ過給機を備える多気筒エンジンにおいても、排気干渉を避けることにより、タービン効率およびEGR率を有効に高められるようにする。
【解決手段】排気行程がオーバラップしない気筒群毎に分けて排気を集める分割型の排気マニホールド２３ａ，２３ｂを設け、これら排気マニホールド２３ａ，２３ｂの合流部２５に先細ノズル形状の流路部２６ａ，２６ｂを設け、その合流部２５にターボ過給機１２のタービン１２ｂを接続する一方、各排気マニホールド２３ａ，２３ｂにそれぞれ接続するEGR通路４０（分岐路４０ａ，４０ｂ）の合流部４５に先細ノズル形状の流路部４４ａ，４４ｂを設ける。
【選択図】図１

Description

この発明は、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環流させる多気筒エンジンに関する。

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多気筒エンジンにおいては、過給圧が排気圧よりも高くなる運転領域があり、排気環流（EGR：Exhaust Gas Recirculation)が十分に行えない。そのため、２つの排気コレクタ（マニホールド）を備えるエンジンにおいて、２つの排気コレクタからのEGRガス（排気の一部）を合流させる混合区間を設定したものが開示される（特許文献１）。混合区間により、EGRガスが加速され、排気コレクタ間を一方の高圧側から他方の低圧側へ排気が逃げるのを抑えられ、混合区間下流へ排気パルスを効率よく伝えられるのである。
特開２００１−１０７８１０号

特許文献１の場合、２つの排気コネクタは、ターボ過給機のタービン入口に接続される。ターボ過給機については、２つの排気コネクタに対応する２つのタービン入口を持つタイプに制約されるのである。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、タービン効率を良好に維持しえないばかりでなく、２つの排気コレクタ内の排気干渉により、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。

この発明は、タービン入口が１つのターボ過給機を備える多気筒エンジンにおいても、タービン効率およびEGR率を有効に高めえる手段の提供を目的とする。

第１の発明は、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環流させるEGR通路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に先細ノズル形状の流路部を設け、その合流部にターボ過給機のタービンを接続する一方、各排気マニホールドにそれぞれ接続するEGR通路の合流部に先細ノズル形状の流路部を設けたことを特徴とする多気筒エンジン。

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は、互いに下流側を１つのフランジに結集し、フランジの接合面にそれぞれ開口し、先細ノズル形状の流路部は、その排気マニホールドの１つのフランジに結集する各下流側に設け、これらを含む合流部は、これを滑らかに延長するディフューザ部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、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４の発明は、第２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、別体のスペーサとして構成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、上流側の分岐路と下流側の合流路とからなり、分岐路をそれぞれ排気マニホールドに接続し、合流路をインタクーラ下流の吸気管に接続し、分岐路は、互いに下流側を１つのフランジに結集し、フランジの接合面にそれぞれ開口し、先細ノズル形状の流路部は、これら分岐管の１つのフランジに結集する各下流側に設け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、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、排気パルスが加速され、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るため、各マニホールド間を排気が低圧側へ逆流するのが抑えられ、排気パルスも逃げることなく下流へ伝えられる。EGR通路においても、先細ノズル形状の流路部により、排気パルスが加速され、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るため、各分岐路間を排気が低圧側へ逆流するのが抑えられ、排気パルスも逃げることなく下流へ伝えられる。このため、ターボ過給機のタービン入口が１つの場合においても、排気パルスが十分に生かせるようになり、タービン効率およびEGR効率を良好に維持しえることになる。合流部におけるエゼクタ作用により、ポンピングロスが低減され、NOxを低減しつつ、燃費や出力の向上が得られる。

第２の発明または第５の発明においては、ディフューザ部により、排気の流れが減速され、下流側の静圧を上げることができる。

第３の発明または第４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。

第６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、低NOxと低燃費との高度な両立を実現できる。

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つの接合部２４（フランジ）に結集され、合流部２５を接合面に開口する。１つの接合部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の接合部２４（フランジ）に対応する接合部３１（フランジ）が形成され、タービン１２ｂの入口が接合面に開口する。排気マニホールド２３ａ，２３ｂの接合部２４にタービンハウジング３０の接合部３１が結合され、タービンハウジング３０の内部へ接合面の開口（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３２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、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、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EGR通路であり、上流側の分岐路４０ａ，４０ｂと下流側の合流路４０ｃとからなり、分岐路４０ａ，４０ｂがそれぞれ排気マニホールド２３ａ，２３ｂに接続され、合流路４０ｃがインタクーラ１３下流の吸気管１５に接続される。合流路４０ｃ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４２、EGRガスの逆流を規制するリードバルブ４３が介装される。

分岐路４０ａ，４０ｂの合流部４５は、図３のように構成される。分岐路４０ａ，４０ｂは、互いに下流側が１つの接合部４６（フランジ）に結集され、接合面にそれぞれ開口する。１つの接合部４６に結集する下流側の流路部４４ａ，４４ｂが接合面の開口へ向けて先細ノズル形状になっている。５０はEGRクーラ４１のケーシングであり、分岐路４０ａ，４０ｂの接合部４６（フランジ）に対応する接合部５１（フランジ）が形成され、EGRクーラ４１の入口が接合面に開口する。分岐路４０ａ，４０ｂの接合部４６にケーシング５０の接合部５１が結合され、ケージング５０の内部へ接合面の開口（合流部４５）を滑らかに延長するディフューザ部（図示せず）が形成される。分岐路４０ａ，４０ｂは、排気マニホールド２３ａ，２３ｂに接合部４７ａ，４７ｂ（フランジ）を介して直接的または間接的に接続されるのである。

合流部４５の最小流路面積は、先細ノズル形状の流路部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４４ａ，４４ｂにより、排気パルスが加速され、合流部４５において、先細ノズル形状の流路部４４ａ，４４ｂ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、ディフューザ部により、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、排気マニホールド２３ａ，２３ｂの合流部２５において、静圧が下がることにより、排気マニホールド２３ａ，２３ｂ間を排気が低圧側へ逆流することが抑えられ、排気パルスも低圧側へ逃げることがなく下流へ伝えられる。また、EGR通路４０の合流部４５において、静圧が下がることにより、分岐路４０ａ，４０ｂ間を排気が低圧側へ逆流することが抑えられ、排気パルスも低圧側へ逃げることがなく下流へ伝えられる。このため、タービン入口が１つの可変ノズル式ターボチャージャ１２においても、排気パルスが十分に生かせるようになり、タービン効率およびEGR効率を良好に維持しえることになる。合流部２５，４５におけるエゼクタ作用により、ポンピングロスが低減され、NOxを低減しつつ、燃費や出力の向上が得られる。

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、低NOxと低燃費との高度な両立を実現できるのである。EGR通路４０においては、EGRクーラ４１の入口に分岐路４０ａ，４０ｂが接続され、EGRバルブ４２およびリードバルブ４３をEGRクーラ４１の下流側に配置するので、これらバルブ４２，４３の耐久性も良好に確保される。

排気系において、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４のように別体のスペーサとしてタービンハウジング３０の接合部３１（フランジ）と排気マニホールド２３ａ，２３ｂの接合部２４（フランジ）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５のように別体のスペーサとして排気マニホールド２３ａ，２３ｂの接合部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。EGR系において、分岐路４０ａ，４０ｂは、EGRクーラ４１のケーシング５０と別体に形成するのでなく、図６のようにケーシング５０と一体に形成してもよい。

図７は、別の実施形態を表すものであり、吸気管１５において、EGR通路４０との接続部にベンチュリ型のエゼクタ６０が設けられる。これにより、ベンチュリ部を通過する吸気の流速に応じた負圧が発生するので、この負圧に吸引され、EGRガスがエゼクタ６０へ効率よく供給しえるようになる。この場合、リードバルブ４２（図１、参照）は、EGR通路４０から取り外される。他の構成は、図１の実施形態と実質的に同一のため、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EGR通路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。同じくEGR通路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 EGR通路
４０ａ，４０ｂ分岐路
４０ｃ合流路（EGR通路）
４１ EGRクーラ
４４ａ，４４ｂ先細ノズル形状の流路部（EGR通路）
４５合流部

Claims

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EGR通路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に先細ノズル形状の流路部を設け、その合流部にターボ過給機のタービンを接続する一方、各排気マニホールドにそれぞれ接続するEGR通路の合流部に先細ノズル形状の流路部を設けたことを特徴とする多気筒エンジン。
各排気マニホールドは、互いに下流側を１つのフランジに結集し、フランジの接合面にそれぞれ開口し、先細ノズル形状の流路部は、その排気マニホールドの１つのフランジに結集する各下流側に設け、これらを含む合流部は、これを滑らかに延長するディフューザ部を備えたことを特徴とする請求項１に係る多気筒エンジン。
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２に係る多気筒エンジン。
ディフューザ部は、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２に係る多気筒エンジン。
EGR通路は、上流側の分岐路と下流側の合流路とからなり、分岐路をそれぞれ排気マニホールドに接続し、合流路をインタクーラ下流の吸気管に接続し、分岐路は、互いに下流側を１つのフランジに結集し、フランジの接合面にそれぞれ開口し、先細ノズル形状の流路部は、これら分岐管の１つのフランジに結集する各下流側に設けたことを特徴とする請求項１に係る多気筒エンジン。
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に係る多気筒エンジン。