JP2007263017A - Multiple cylinder engine - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、ターボチャージャを備える多気筒エンジンにおいて、NOxの低減および出力・燃費の向上を実現するための技術に関する。 The present invention relates to a technique for reducing NOx and improving output and fuel consumption in a multi-cylinder engine equipped with a turbocharger.
エンジンのEGR(Exhaust Gas Recirculation)システムとして、排気系から吸気系へ排気の一部を環流させるものがよく採用される。このようなEGRシステムにおいては、ターボチャージャのタービン上流からコンプレレッサ下流へ排気を環流させる場合、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が十分に得られない。そのため、リードバルブ(逆止弁)により排気脈動(排気パルス)を利用してEGRを行う方式(特許文献1,特許文献4)、混合区間を用いてそれ以降のEGR通路の静圧を高めるようにしたもの(特許文献2)、内部EGR(排気弁を開いて吸気行程中の気筒へ排気の一部を流入させる)を用いる方式(特許文献3)、が知られている。
特許文献1,特許文献2の場合、分割型の排気マニホールドに接続されるターボチャージャがシングルエントリ方式(タービン入口が1つ)の場合、排気噴き出し中の気筒側の排気マニホールドから排気(押し出し)行程中の排気マニホールドへ排気パルス(排気脈動)が逃げやすく、EGR率の向上に排気パルスを十分に利用しえない。特許文献3の場合、排気(EGRガス)の冷却が行えないのである。特許文献4においては、吸気共鳴管が備えられ、EGR量を増やすのに吸気絞りが行われるため、ポンピングロスの悪化が問題となる。
In the case of
この発明は、このような課題を解決するため、ターボチャージャを備える多気筒エンジンにおいて、NOxの低減および出力・燃費の向上を促進するべく、広い運転領域において、高過給・大量EGRを実現しえる手段の提供を目的とする。 In order to solve such problems, the present invention achieves high supercharging and mass EGR in a wide operating range in a multi-cylinder engine equipped with a turbocharger in order to promote NOx reduction and output / fuel efficiency improvement. The purpose of this is to provide a means.
第1の発明は、ターボチャージャ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分割される排気マニホールド、各排気マニホールドの集合部下流をターボチャージャのタービン入口へ向けて先細形状に絞る排気エゼクタ、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マニホールド、各吸気マニホールドの集合部と吸気管の分岐部との間に設定される吸気共鳴管、吸気共鳴管の下流端部と排気マニホールドの集合部との間を接続するEGR通路、EGR通路に介装される逆止弁、を備えたことを特徴とする。 In a first aspect of the present invention, in a multi-cylinder engine having a turbocharger, an exhaust manifold divided for each cylinder group in which the exhaust strokes do not overlap, and a downstream portion of each exhaust manifold is tapered toward a turbine inlet of the turbocharger. The exhaust ejector to be throttled, the intake manifold divided for each cylinder group in which the intake strokes do not overlap, the intake resonance pipe set between the collection part of each intake manifold and the branch part of the intake pipe, the downstream end of the intake resonance pipe And an EGR passage that connects between the exhaust manifold and a collecting portion of the exhaust manifold, and a check valve interposed in the EGR passage.
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、各吸気共鳴管の長さ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2に記載の多気筒エンジン。 According to a second aspect of the present invention, in the multi-cylinder engine according to the first aspect, the length L of each intake resonance pipe is set so as to satisfy the following condition. engine.
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、共鳴回転速度Nは、タービン入口圧よりもコンプレッサ出口圧が高くなる運転領域に設定したことを特徴とする。 According to a third aspect of the invention, in the multi-cylinder engine according to the second aspect of the invention, the resonance rotational speed N is set in an operating region where the compressor outlet pressure is higher than the turbine inlet pressure.
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、EGR通路は、排気マニホールドの集合部と共鳴管の下流端部との間を同一の気筒群同士の関係に接続したことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the invention, in the multi-cylinder engine according to the first aspect of the invention, the EGR passage is connected between the collecting portion of the exhaust manifold and the downstream end portion of the resonance pipe in the same relationship between the cylinder groups. And
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、逆止弁の上流にEGRバルブ、その上流にEGRクーラ、を備えたことを特徴とする。 According to a fifth invention, in the multi-cylinder engine according to the first invention, the EGR passage includes an EGR valve upstream of the check valve and an EGR cooler upstream thereof.
第1の発明においては、ターボチャージャがシングルエントリ方式(タービン入口が1つ)の場合においても、排気エゼクタにより、排気の流れが加速され、動圧が上がるため、排気噴き出し中の気筒側の排気マニホールドから排気(押し出し)行程中の気筒側の排気マニホールドへ排気パルスが逃げるのを抑えられ、タービン効率の向上が得られるばかりでなく、EGR通路の逆止弁へ排気パルスが弱められることなく伝えられ、逆止弁を有効に作動させるため、高いEGR率が得られる。また、動圧が上がると、静圧が下がるため、排気(押し出し)行程中の気筒側の排気マニホールドから排気が吸引され、ポンピングロスも低減される。 In the first aspect of the invention, even when the turbocharger is of a single entry system (one turbine inlet), the exhaust flow is accelerated by the exhaust ejector and the dynamic pressure is increased. The exhaust pulse is prevented from escaping from the manifold to the exhaust manifold on the cylinder side during the exhaust (push-out) stroke, and not only the turbine efficiency is improved, but also the exhaust pulse is transmitted to the check valve in the EGR passage without being weakened. In order to operate the check valve effectively, a high EGR rate can be obtained. Further, when the dynamic pressure increases, the static pressure decreases, so that the exhaust is sucked from the cylinder side exhaust manifold during the exhaust (pushing) stroke, and the pumping loss is reduced.
吸気系においては、吸気共鳴管により、吸気脈動の振幅および位相が制御され、逆止弁前後の瞬間的な差圧(吸気圧とこれを超える排気圧との落差)が拡大され、EGR率をさらに一段と向上させることができる。エンジン回転速度が共鳴回転速度(吸気系の固有振動数)と等しくなると、吸気脈動が共鳴して増幅され、逆止弁前後の瞬間的な差圧を拡大させる。共鳴回転速度よりも低速側においては、吸気脈動の位相が進み、吸気脈動の谷が排気パルスの山に近づくため、逆止弁前後の瞬間的な差圧が拡大する。共鳴回転速度よりも高速側においては、吸気脈動の位相が遅れ、吸気行程の後半に吸気脈動の谷が生じるため、逆止弁前後の瞬間的な差圧は若干小さくなるが、吸気行程の前半に吸気脈動の山が生じるので、ポンピングロスが低減されるのである。吸気脈動の振幅は、吸気共鳴管の上流側よりも下流側の方が大きく、EGR通路は吸気共鳴管の下流端部(吸気マニホールドの集合部直上流)に接続されるので、逆止弁前後の瞬間的な差圧を十分に拡大させることができる。 In the intake system, the amplitude and phase of the intake pulsation are controlled by the intake resonance pipe, and the instantaneous differential pressure before and after the check valve (the difference between the intake pressure and the exhaust pressure exceeding this) is expanded, and the EGR rate is increased. This can be further improved. When the engine rotation speed becomes equal to the resonance rotation speed (the natural frequency of the intake system), the intake pulsation is resonated and amplified, increasing the instantaneous differential pressure before and after the check valve. On the lower speed side than the resonance rotational speed, the phase of the intake pulsation advances and the valley of the intake pulsation approaches the peak of the exhaust pulse, so the instantaneous differential pressure before and after the check valve increases. On the higher speed side than the resonance rotational speed, the phase of the intake pulsation is delayed, and an intake pulsation valley occurs in the latter half of the intake stroke, so the instantaneous differential pressure before and after the check valve is slightly reduced, but the first half of the intake stroke As a result, a peak of the intake pulsation is generated, so that the pumping loss is reduced. The amplitude of the intake pulsation is larger on the downstream side than on the upstream side of the intake resonance pipe, and the EGR passage is connected to the downstream end of the intake resonance pipe (immediately upstream of the intake manifold assembly). The instantaneous differential pressure can be sufficiently expanded.
第2の発明においては、共鳴管の長さLは、共鳴回転速度Nがエンジンの使用回転速度域内にあることを条件に設定される。共鳴回転速度Nは、(f/m)と比例関係にあり、共鳴周派数fは、(A/LV)1/2と比例関係にあり、Lを大きく設定すると、共鳴回転速度Nが低速側となる一方、Lを小さく設定すると、共鳴回転速度Nが高速側となる。従って、共鳴管の長さLは、広い運転領域において、EGR率を十分に高める上からは、共鳴回転速度Nが中速域内にあるように設定することが望ましい。 In the second invention, the length L of the resonance tube is set on condition that the resonance rotational speed N is within the operating rotational speed range of the engine. The resonance rotation speed N is proportional to (f / m), the resonance frequency f is proportional to (A / LV) 1/2 , and when L is set large, the resonance rotation speed N is low. On the other hand, when L is set small, the resonance rotational speed N becomes the high speed side. Therefore, the length L of the resonance tube is desirably set so that the resonance rotational speed N is in the middle speed range in order to sufficiently increase the EGR rate in a wide operation range.
第3の発明においては、共鳴作用により、ターボチャージャのタービン入口圧よりもコンプレッサ出口圧が高くなる運転領域において、EGR率が最大限に高められる。エンジン最高トルク点でターボチャージャ効率が最大となる場合、エンジン最高トルク点を含む中速域に共鳴回転速度Nを設定することにより、広い運転領域において、EGR率を十分に高められるのである。 In the third aspect of the invention, the EGR rate is maximized in the operating region where the compressor outlet pressure is higher than the turbine inlet pressure of the turbocharger due to the resonance action. When the turbocharger efficiency is maximized at the engine maximum torque point, the EGR rate can be sufficiently increased in a wide operation range by setting the resonance rotational speed N in the medium speed range including the engine maximum torque point.
第4の発明においては、EGR通路の接続が同一の気筒群同士のため、同一の気筒群に属する各気筒間において、排気行程と吸気行程がオーバラップするので、EGR率の向上を効果的に促進しえる。 In the fourth invention, since the EGR passages are connected to each other in the same cylinder group, the exhaust stroke and the intake stroke overlap between the cylinders belonging to the same cylinder group, so that the EGR rate can be effectively improved. Can promote.
第5の発明においては、EGRガス(排気)は、EGRクーラにより冷却され、EGRバルブおよび逆止弁を流れるため、これらバルブの耐久性を良好に確保することができる。また、排気パルスが逆止弁に到達するまでの時間を稼ぐことにより、吸気脈動の谷の時期と逆止弁上流の排気脈動の山とのタイミングを合わせることができる。 In the fifth invention, since the EGR gas (exhaust gas) is cooled by the EGR cooler and flows through the EGR valve and the check valve, the durability of these valves can be ensured satisfactorily. In addition, by obtaining the time until the exhaust pulse reaches the check valve, the timing of the valley of the intake pulsation and the peak of the exhaust pulsation upstream of the check valve can be matched.
図1において、10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、吸気行程が実質的にオーバラップしない気筒群毎(#1,2,3と#4,5,6)に分割される。吸気管4は、インタクーラ5の下流側が分岐され、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。
In FIG. 1,
8はエンジンの排気通路であり、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、排気行程が実質的にオーバラップしない気筒群(#1,2,3と#4,5,6)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10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。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採用される。12はマフラである。
Reference numeral 8 denotes an engine exhaust passage, which includes
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へ向けて通路を絞る先細形状の排気エゼクタ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が連結される。排気エゼクタ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。
The
合流部11においては、先細形状の排気エゼクタ23a,23bにより、排気の流れが加速され、動圧が上がるため、排気噴き出し中の気筒側の排気マニホールド9aまたは9bから排気(押し出し)行程中の気筒側の排気マニホールド9bまたは9aへ排気が逃げるのを抑えられる。先細形状の排気エゼクタ23a,23bにより、動圧が上がると、静圧が下がるため、排気(押し出し)行程中の気筒側の排気マニホールド9bまたは9aから排気がディフューザ部29へ吸引されるのである。その後は、ディフューザ部29により、動圧が静圧に効率よく変換され、スクロールへの排気圧を高めるようになっている。
In the merging
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の集合部と吸気管4の分岐路40a,40bとの間を同一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39(リードバルブ)が介装される。逆止弁39は、EGR通路36a,36bの下流側に配置される。逆止弁39上流にEGRバルブ38、その上流にEGRクーラ37、が配置される。EGR通路36a,36bの接続が同一の気筒群同士のため、同一の気筒群に属する各気筒間において、排気行程と吸気行程がオーバラップするので、EGR率の向上を効果的に促進しえる。
In FIG. 1,
吸気管4の分岐路40a,40bにおいて、EGR通路36a,36bの接続部42(出口)とその上流の分岐部41(分岐点)との間が吸気共鳴管(吸気マニホールド3a,3bの吸気脈動の振幅および位相を制御する手段)に設定される。吸気共鳴管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。
In the
共鳴回転速度Nは、(f/m)と比例関係にあり、共鳴周派数fは、(A/LV)1/2と比例関係にあり、Lを大きく設定すると、共鳴回転速度Nが低速側となる一方、Lを小さく設定すると、共鳴回転速度Nが高速側となる。この場合、共鳴回転速度Nは、吸気共鳴管の長さLにより、EGRが困難な運転領域(ターボチャージャ効率が最大およびその付近となり、タービン入口圧よりもコンプレッサ出口圧の方が高くなる)に設定される。エンジン最高トルク点でターボチャージャ効率が最大となる場合、共鳴回転速度Nは、エンジン最高トルク点を含む中速域に設定する。 The resonance rotation speed N is proportional to (f / m), the resonance frequency f is proportional to (A / LV) 1/2 , and when L is set large, the resonance rotation speed N is low. On the other hand, when L is set small, the resonance rotational speed N becomes the high speed side. In this case, the resonance rotational speed N is in an operating region where the EGR is difficult due to the length L of the intake resonance pipe (the turbocharger efficiency is at and near the maximum, and the compressor outlet pressure is higher than the turbine inlet pressure). Is set. When the turbocharger efficiency becomes maximum at the engine maximum torque point, the resonance rotational speed N is set to a medium speed range including the engine maximum torque point.
EGR通路36a,36bは、吸気共鳴管40a,40bの下流端部(吸気マニホールド3a,3bの集合部直上流)に接続される。図3は、吸気振動モードを説明するものであり、吸気脈動の振幅は、吸気共鳴管40a,40bの上流側よりも下流側の方が大きい。吸気共鳴管40a,40bにおいて、吸気脈動の振幅が小さい上流側にEGR通路36a,36bを接続すると、吸気圧とこれを超える排気圧との落差(逆止弁39前後の瞬間的な差圧)が小さく、EGR流量を十分に得られない(図10および図11、参照)。この実施形態においては、EGR通路36a,36bを吸気脈動の振幅が大きい下流端部に接続するので、吸気圧とこれを超える排気圧との落差が大きく、EGR流量を十分に得られるのである(図4〜図11、参照)。図3において、EGR通路36a,36bは、吸気マニホールド3a,3bの集合部入口からL’だけ離れる位置に接続される。L’は出来るだけ小さい方が良い。
The
このような構成にすると、シングルエントリ方式のターボチャージャ6においても、先細形状の排気エゼクタ23a,23bにより、排気パルスの逆流が抑えられるため、タービン効率の向上が得られる。また、EGR通路36a,36bの逆止弁39へ排気パルスが弱められることなく伝えられ、逆止弁39を有効に作動させるため、高いEGR率が得られるのである。また、合流部11のエゼクタ作用により、排気(押し出し)行程中の気筒側の排気マニホールド圧が低下するため、ポンピングロスの改善も得られる。
With such a configuration, even in the single
吸気系においては、吸気共鳴管40a,40bにより、吸気脈動の振幅および位相が制御され、逆止弁39前後の瞬間的な差圧が拡大され、EGR率をさらに一段と向上させることができる。
In the intake system, the amplitude and phase of intake pulsation are controlled by the
エンジン回転速度が共鳴回転速度Nと等しくなると、吸気脈動が共鳴して増幅される。吸気脈動の谷は、吸気行程の中頃に生じるが、吸気脈動が増幅されるため、吸気圧とこれを超える排気圧との落差が拡大される(図6、参照)。このため、ターボチャージャ効率が最大およびその付近となり、タービン入口圧(排気圧)よりもコンプレッサ出口圧(過給圧)の方が高く、従来は、EGRが困難な運転領域において、ターボチャージャ効率を低下させることなく、共鳴作用により、EGR率を最大限に高められる(図7、参照)。 When the engine rotation speed becomes equal to the resonance rotation speed N, the intake pulsation is resonated and amplified. The valley of the intake pulsation occurs in the middle of the intake stroke. However, since the intake pulsation is amplified, the difference between the intake pressure and the exhaust pressure exceeding this is expanded (see FIG. 6). For this reason, the turbocharger efficiency is at and near the maximum, and the compressor outlet pressure (supercharging pressure) is higher than the turbine inlet pressure (exhaust pressure). Conventionally, the turbocharger efficiency is improved in the operation region where EGR is difficult. The resonance effect can maximize the EGR rate without reducing it (see FIG. 7).
共鳴回転速度Nよりも低速側においては、吸気脈動の位相が進み、吸気脈動の谷が排気パルスの山に近づくため、吸気圧とこれを超える排気圧との落差が拡大され、EGR率が十分に高められる(図4および図5、参照)。共鳴回転速度Nよりも高速側においては、吸気脈動の位相が遅れ、吸気行程の後半に吸気脈動の谷が生じるため、EGR率は若干低下する(図8および図9、参照)。高速側においては、吸気行程の前半に吸気脈動の山が生じるので、ポンピングロスが低減されるのである。 On the lower speed side than the resonance rotational speed N, the phase of the intake pulsation advances, and the valley of the intake pulsation approaches the peak of the exhaust pulse, so the difference between the intake pressure and the exhaust pressure exceeding this is expanded, and the EGR rate is sufficient (See FIGS. 4 and 5). On the higher speed side than the resonance rotational speed N, the phase of the intake pulsation is delayed, and the valley of the intake pulsation occurs in the latter half of the intake stroke, so the EGR rate slightly decreases (see FIGS. 8 and 9). On the high speed side, a peak of intake pulsation occurs in the first half of the intake stroke, so that the pumping loss is reduced.
これらの結果、広い運転領域において、ポンピングロスを抑えつつ、高過給と大量EGRが可能となり、NOxの低減および出力・燃費の向上を大いに促進しえる。EGR通路36a,36bの接続部42は、吸気共鳴管40a,40bの下流端部に設定されるので、EGR通路36a,36bを吸気共鳴管40a,40bの上流側に接続する場合に較べると、吸気圧とこれを超える排気圧との落差が大きく、EGR流量を十分に得られるのである。また、共鳴回転速度Nの設定を可変とする手段(たとえば、吸気共鳴管40a,40bの実質的な長さLを可変する手段)を追加すると、高速域(図8および図9、参照)においても、共鳴作用により、吸気脈動の谷が吸気行程の中頃に生じるため、EGR率を十分に向上させることが可能となる。
As a result, it is possible to achieve high supercharging and large-volume EGR while suppressing pumping loss in a wide operating range, which can greatly promote the reduction of NOx and the improvement of output and fuel consumption. Since the connecting
EGR通路36a,36bにおいて、EGRクーラ37の下流側にEGRバルブ38および逆止弁39(リードバルブ)を配置するので、これらバルブの耐久性も良好に確保される。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12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。先細形状の排気エゼクタ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13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。
In the
1 多気筒エンジン(6気筒ディーゼルエンジン)
2 吸気通路
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
23a,23b 先細形状のノズル部
25 タービンハウジング
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 吸気管の分岐点
42 EGR通路の出口(接続部)
1 Multi-cylinder engine (6-cylinder diesel engine)
2
40a, 40b
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