JP2007170301A - 多気筒エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】多気筒エンジンにおいて、燃費やスモークの悪化を防止しつつ、NOxの低減を効率よく高められるようにする。
【解決手段】排気行程の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、吸気行程のオーバラップしない気筒群に分割される吸気マニホールド３ａ，３ｂと、これらの排気マニホールド９ａ，９ｂと吸気マニホールド３ａ，３ｂとの間を別の気筒群同士の関係に接続するEGR通路３６ａ，３６ｂと、各排気マニホールド９ａ，９ｂの集合部下流をこれらの合流部１１へ向けて絞るノズル部２３ａ，２３ｂと、各吸気マニホールド３ａ，３ｂの集合部上流のEGR通路３６ａ，３６ｂの接続部４２とその上流の分岐部４１との間をそれぞれ連結する共鳴管４０ａ，４０ｂと、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、多気筒エンジンにおいて、燃費やスモークの悪化を防止しつつ、NOxの低減を効率よく高め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、吸気通路へのEGR通路の接続開口部にベンチュリが設けられる。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（EGRガス）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２０００−２４９００４号 特表２００３−５３４４８８号 特開２００１−１０７８１０号

特許文献１の場合、ベンチュリの圧力損失が問題になる。特許文献２においては、ターボ過給機のタービン入口が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２つの排気コレクタの排気脈動が干渉するため、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、排気押し出し行程中の気筒に他の気筒のブローダウン流が流入するため、ポンピングロスが増大する。また、EGR量を増加させるため、スロットルを用いて吸気絞りを行ったり、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、これらの場合も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、多気筒エンジンにおいて、排気行程の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、吸気行程のオーバラップしない気筒群に分割される吸気マニホールドと、これらの排気マニホールドと吸気マニホールドとの間を別の気筒群同士の関係に接続するEGR通路と、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絞るノズル部と、各吸気マニホールドの集合部上流のEGR通路の接続部とその上流の分岐部との間をそれぞれ連結する共鳴管と、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。
が、エンジンの使用回転域内にあること。

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、各ノズル部の直下流にターボチャージャのタービンを接続し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、各ノズル部の合流直下流にディフューザ部を接続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、ノズル部の最小通路断面積は、１気筒あたりの排気弁の最大開口面積の約1/4に設定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、各ノズル部から合流部を介して下流側へ排出される。その際、ノズル部により、排気の流速が加速され、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ブローダウン流が他方へ逃げるのを抑えられる。また、ノズル部から吹き出る排気の流速により、静圧が下がり、エゼクタ作用により、他方のマニホールドから排気を吸引するため、ポンピングロスが低減する。このため、排気エネルギを下流へ効率よく伝えられる一方、各排気マニホールドのピーク圧が大きくなり、EGRガスの動圧（EGRパルス）も高まり、EGR率を向上させることができる。各排気マニホールドと各吸気マニホールドとの間は、各EGR通路により、別の気筒群同士の関係に接続されるので、吸気行程の初期と後期にEGRパルスが流入するため、吸気流量の低下を招くことなく、EGRガスをシリンダ（気筒）へ押し込めるようになる。また、共鳴管により、慣性過給が働くため、吸気脈動が増幅され、吸気流量およびEGR流量を増加させることができる。従って、燃費やスモークの悪化を防止しつつ、NOxの低減効果を高めることができる。

第２の発明においては、エンジン回転速度Ｎ（同調回転速度）において、共鳴管に基づく共鳴作用により、吸排気脈動が増幅され、吸気流量およびEGR流量が十分に得られるのである。各排気マニホールドと各吸気マニホールドとの間は、各EGR通路により、別の気筒群同士の関係に接続されるので、内容積Ｖが増大し、共鳴管の長さＬを短く設定できる。

第３の発明においては、ノズル部により、排気の流速が加速され、タービンハウジングへ吹き出る排気の流速により、動圧が上がり、静圧が下がるため、タービン入口が１つのターボチャージャにおいても、タービンへ排気エネルギを効率よく伝えられる。つまり、タービン効率が向上するので、NOxの低減効果を高めつつ、燃費や出力を向上させることができる。

第４の発明においては、ノズル部から吹き出る排気の流速により、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、静圧が回復するため、下流へのエネルギ伝達を向上させることができる。

第５の発明においては、ノズル部の最小通路断面積が１気筒あたりの排気弁の最大開口面積の約1/4よりも大きいと、ノズル部から吹き出る排気の流速が不足がちになり、NOxの低減効果が小さくなる一方、同じく約1/4よりも小さいと、ポンピングロスが大きくなり、燃費を悪化させることになる。ノズル部の最小通路断面積を排気弁の最大開口面積の約1/4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、最適なEGR流量が得られる。

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、吸気行程がオーバラップしない気筒群毎に分割される。吸気管４は、インタクーラ５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。なお、ターボチャージャ６としては、タービン入口が１つの可変ノズル式が用いられる。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、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２５の内部に形成される。

Ａはノズル部２３ａ，２３ｂの最小通路断面積であり、１気筒あたりの排気弁３３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３３が２個（３３ａ，３３ｂ）ずつ備えられるので、ｎは２となる。ノズル部２３ａ，２３ｂの最小通路断面積Ａが１気筒あたりの排気弁３３の最大開口面積の約1/4よりも大きいと、ノズル部２３ａ，２３ｂから吹き出る排気の流速が不足がちになり、NOxの低減効果が小さくなる一方、同じく約1/4よりも小さいと、ポンピングロスが大きくなり、燃費を悪化させることになる。ノズル部２３ａ，２３ｂの最小通路断面積Ａを排気弁３３の最大開口面積の約1/4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、最適なEGR流量が得られるのである
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）との間を別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。

吸気管４の分岐路において、EGR通路３６ａ，３６ｂの接続部４２（出口部）とその上流の分岐部４１との間が共鳴管４０ａ，４０ｂ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。
が、エンジンの使用回転域内にあること。

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９ａ，９ｂ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、各ノズル部２３ａ，２３ｂから合流部１１を介して下流側へ排出される。その際、ノズル部２３ａ，２３ｂにより、排気の流速が加速され、合流部１１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９ａ，９ｂ間をブローダウン流が他方へ逃げるのを抑えられる。また、ノズル部２３ａまたは２３ｂから吹き出る排気の流速により、静圧が下がり、エゼクタ作用により、他方のマニホールド９ｂまたは９ａからディフューザ部２９へ排気を吸引するため、ポンピングロスが低減する。その後、ディフューザ部２９により、静圧が回復するため、排気エネルギを下流へ効率よく伝えられる。つまり、タービン効率が向上するので、高過給により、燃費や出力を向上させることができる。また、各排気マニホールド９ａ，９ｂのピーク圧が大きくなり、EGRガスの動圧（EGRパルス）も高まり、EGR率を向上させることができる。

排気マニホールド９ａ，９ｂと吸気マニホールド３ａ，３ｂとの間は、EGR通路３６ａ，３６ｂにより、別の気筒群同士の関係に接続されるので、吸気行程の初期と後期にEGRパルスが流入するため、吸気流量の低下を招くことなく、EGRガスをシリンダ（気筒）へ押し込めるようになる。また、エンジン回転速度Ｎ（同調回転速度）において、共鳴管４０ａ，４０ｂに基づく共鳴作用により、吸排気脈動が大きく増幅され、吸気流量およびEGR流量が十分に得られる。従って、燃費やスモークの悪化を防止しつつ、NOxの低減効果を高めることができる。また、排気マニホールド９ａ，９ｂと吸気マニホールド３ａ，３ｂとの間は、EGR通路３６ａ，３６ｂにより、別の気筒群同士の関係に接続されるので、内容積Ｖが増大し、共鳴管の長さＬを短く設定できる。

図４は、吸排気脈動のシュミレーション結果を例示するものである。Ｅが排気マニホールド９ａまたは９ｂの圧力（排気マニホールド圧）、Ｆが吸気マニホールド３ｂまたは３ａの圧力（吸気マニホールド圧）、Ｇは１番気筒＃１の筒内圧、を表示する。吸気マニホールド３ｂまたは３ａと別の気筒群同士の関係に接続される排気マニホールド９ａまたは９ｂにおいては、ピーク圧が吸気行程の後半に立ち上がるため、吸気流量の低下を招くことなく、EGRガスをシリンダ（気筒）へ押し込めるのである。また、共鳴管４０ａ，４０ｂにより、慣性過給が働くため、図５および図６のように吸気流量およびEGR流量が十分に得られるのである。

ノズル部２３ａ，２３ｂについては、最小流路断面積Ａが排気弁の最大開口面積Ｂの約1/4（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、最適なEGR流量が得られるのである。図７および図８は、（Ａ／Ｂ）×100（％）に係る各種のシミュレーション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、ノズル部２３ａ，２３ｂおよびディフューザ部２９を備えない場合において、ターボチャージャ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。ノズル部２３ａ，２３ｂおよびディフューザ部２９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（ピーク圧）が大きくなり、EGR率が高くなるが、ポンピングロスが大きなり、燃料消費率が高くなる（図７-ａ〜図７-ｄ、参照）。（Ａ／Ｂ）×100（％）≒25（％）よりも大きくなると、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が、NOx量は増える（図８-ｅ〜図８-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（％）の各結果値は、EGR率およびNOx量を同等にした排気絞り時の結果値と比較して良好な結果が得られる。

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６を備えるため、可変ノズルの制御を加えることにより、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PM（Particulate Matter：粒子状物質）の低減との両立を高度に実現できる。また、燃費や出力の向上も得られる。

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。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２６との間に介装してもよい。図９，図１０においても、ノズル部の最小通路断面積Ａについては、（Ａ／Ｂ）×100（％）≒25（％）に設定される。

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。 同じくノズル部に係る説明図である。 同じく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。 同じく吸気流量のシミュレーション結果を例示する特性図である。 同じくノズル部に係る各種のシミュレーション結果を例示する特性図である。 同じくノズル部に係る各種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の変形例に係る構成図である。 同じく排気マニホールドの合流部の変形例に係る構成図である。

符号の説明

１ 多気筒エンジン
２ 吸気通路
３，３ａ，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
１１ 合流部
２０ 排気マニホールドのフランジ
２３ａ，２３ｂ 先細形状のノズル部
２５ タービンハウジング
２６ タービンハウジングのフランジ
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 吸気管の分岐部
４２ EGR通路の接続部

Claims (5)

1. 排気行程の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、吸気行程のオーバラップしない気筒群に分割される吸気マニホールドと、これらの排気マニホールドと吸気マニホールドとの間を別の気筒群同士の関係に接続するEGR通路と、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絞るノズル部と、各吸気マニホールドの集合部上流のEGR通路の接続部とその上流の分岐部との間をそれぞれ連結する共鳴管と、を備えたことを特徴とする多気筒エンジン。
2. 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１に記載の多気筒エンジン。
   が、エンジンの使用回転域内にあること。
3. 各ノズル部の直下流にターボチャージャのタービンを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。
4. 各ノズル部の合流直下流にディフューザ部を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。
5. ノズル部の最小通路断面積は、１気筒あたりの排気弁の最大開口面積の約1/4に設定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。