JP2008190409A - 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、排気対策(NOxの低減など)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、高過給と大量EGRを実現するための技術に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a technique for realizing high supercharging and large amount of EGR in a wide operating range in order to promote exhaust countermeasures (NOx reduction, etc.) and improvement of output and fuel consumption in a multi-cylinder engine equipped with a turbocharger. .
エンジンのEGR(排気環流: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を十分に行えない。 As an engine EGR (Exhaust Gas Recirculation) system, a system that circulates part of the exhaust gas from the exhaust system to the intake system is often used. In such an EGR system, when exhaust gas is circulated from the turbocharger upstream of the turbocharger to the compressor downstream, an operation region in which the supercharging pressure becomes higher than the exhaust pressure tends to occur, and EGR cannot be performed sufficiently.
特許文献1の場合、EGR通路に逆止弁(リードバルブ)が介装される。特許文献2の場合、ターボチャージャのコンプレッサ下流に断面翼型の中空構造体(EGRノズル)が吸気通路の中央を横断するように配置され、吸気(給気)が断面翼型の中空構造体により分流され、その下流に負圧が発生すると、中空構造体の出口からEGRガスが下流側へ吸い出されるようになっている。特許文献3の場合、ターボチャージャのコンプレッサ下流(吸気通路の途中)にベンチュリが形成され、その入口部にEGR通路の出口部(インジェクションチューブ)をこれと同軸的に配置することにより、ベンチュリの入口部とEGR通路の出口部との間に吸気(給気)の流速を高める環状路が形成される。この環状路により、吸気の動圧が上がり、静圧が下がるため、EGR通路の出口からEGRガスが下流側へ吸い出されるのである。
特許文献1のような従来例においては、EGR通路の逆止弁により、排気脈動と吸気脈動との干渉が避けられるものの、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(正圧波)が逃げやすく、EGR率の向上に排気脈動を十分に利用しえない。
In the conventional example such as
特許文献2,特許文献3のような従来例においては、断面翼型の中空構造体やベンチュリ入口部の環状路により、吸気絞りが効いてEGRガスが吸い出されるようになっているため、低中負荷域において、吸気絞りによりEGRを行うと、EGR量が過剰となり、吸入空気量の不足を招きかねない。中空構造体(特許文献2)やインジェクションチューブ(特許文献3)は、吸気絞りを行う作動状態と吸気の流れを妨げない退避状態との間を変換可能になっているが、部品数が多く構造も複雑のため、コストが高くつきやすい。 In the conventional examples such as Patent Document 2 and Patent Document 3, since the intake throttle is effective and the EGR gas is sucked out by the hollow structure having a cross-sectional wing shape or the annular passage of the venturi inlet portion, the low pressure is low. If EGR is performed with an intake throttle in the middle load range, the EGR amount becomes excessive, which may lead to a shortage of intake air amount. The hollow structure (Patent Document 2) and the injection tube (Patent Document 3) can be converted between an operating state in which intake air is throttled and a retracted state in which the flow of intake air is not hindered. Is also complicated and expensive.
この発明は、このような解決すべき課題を踏まえつつ、排気対策および出力・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を実現することを目的とする。 An object of the present invention is to realize a high supercharging and a large amount of EGR in a wide operating region so as to promote exhaust countermeasures and improvement of output and fuel consumption in consideration of such problems to be solved.
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下流部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系エゼクタ、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、ターボチャージャのタービン上流とコンプレッサ下流との間を接続するEGR通路、EGR通路のEGRバルブ下流に配置される逆止弁、吸気通路の途中およびEGR通路の出口部をこれらの合流部へ向けてそれぞれ先細形状に絞る吸気系エゼクタ、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 including a turbocharger, an exhaust manifold divided for each cylinder group in which exhaust strokes do not overlap, and a downstream portion of each exhaust manifold is narrowed to a tapered shape toward a turbine inlet of the turbocharger. Exhaust system ejector, intake manifold divided for each cylinder group where the intake stroke does not overlap, EGR passage connecting between the turbine upstream of the turbocharger and the downstream of the compressor, check valve arranged downstream of the EGR valve in the EGR passage And an intake system ejector for narrowing the outlet portion of the EGR passage and the outlet portion of the EGR passage toward the merging portion.
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、吸気系エゼクタは、吸気通路の途中の通路面積をEGR通路との合流部へ向けて縮小する吸気ノズルと、EGR通路の出口部の通路面積を吸気通路との合流部へ向けて縮小するEGRノズルと、これら合流部の通路面積を下流側へ縮小してから拡大するスロート形状のディフューザと、を備えたことを特徴とする。 In a multi-cylinder engine according to a second aspect of the present invention, in the multi-cylinder engine according to the first aspect of the invention, the intake system ejector includes an intake nozzle that reduces a passage area in the middle of the intake passage toward a junction with the EGR passage, and an outlet portion of the EGR passage An EGR nozzle that reduces the passage area toward the junction with the intake passage, and a throat-shaped diffuser that expands after reducing the passage area of the junction toward the downstream side.
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、吸気ノズルの合流部に臨む開口面積と、EGRノズルの合流部に臨む開口面積と、はそれぞれ直上流の吸気通路面積の1/4程度に設定したことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the multi-cylinder engine according to the second aspect, the opening area facing the merging portion of the intake nozzle and the opening area facing the merging portion of the EGR nozzle are each 1 / of the intake passage area immediately upstream. It is characterized by being set to about 4.
第4の発明は、第2の発明または第3の発明に係る多気筒エンジンにおいて、ディフューザの最小通路面積は、吸気ノズルの合流部に臨む開口面積と、EGRノズルの合流部に臨む開口面積と、の和と同程度に設定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 second or third aspect of the invention, the minimum passage area of the diffuser includes an opening area facing the merging portion of the intake nozzle and an opening area facing the merging portion of the EGR nozzle. It is characterized by being set to the same level as the sum of.
第5の発明は、第1の発明〜第4の発明のいずれか1つに係る多気筒エンジンにおいて、EGR通路は、EGRバルブ上流の入口側に配置されるEGRクーラ、を備えたことを特徴とする。 According to a fifth aspect of the invention, in the multi-cylinder engine according to any one of the first to fourth aspects, the EGR passage includes an EGR cooler disposed on the inlet side upstream of the EGR valve. And
第1の発明〜第5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、排気系エゼクタにより、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(正圧波)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 to fifth aspects of the invention, even when the turbocharger is of a single entry system (one turbine inlet), the exhaust system ejector accelerates the exhaust flow and increases the dynamic pressure. The exhaust pulse (positive pressure wave) is prevented from escaping from the exhaust manifold on the cylinder side to the exhaust manifold on the cylinder side during the exhaust (push-out) stroke, which not only improves turbine efficiency but also reverses the EGR passage The exhaust pulse is transmitted to the valve without being weakened, and the check valve is operated effectively, so a high EGR rate is 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.
過給圧の方が排気圧よりも高くなる運転領域においては、吸気系エゼクタにより、吸気の動圧が上がり、合流部の静圧が下がるため、EGRガスが吸引される。このため、逆止弁前後の瞬間的な差圧が拡大され、EGR率の向上が得られる。排気圧の方が過給圧よりも高くなる運転領域においては、吸気系エゼクタにより、EGRガスの動圧が上がり、静圧が下がるため、吸気が吸引される。つまり、吸気系エゼクタにより、ターボチャージャの過給仕事を補助することになり、EGR率のアップに伴う吸入空気量の低下を抑える効果が得られる。 In the operation region where the supercharging pressure is higher than the exhaust pressure, the intake system ejector increases the dynamic pressure of the intake air and decreases the static pressure at the merging portion, so that EGR gas is sucked. For this reason, the instantaneous differential pressure before and after the check valve is expanded, and the EGR rate is improved. In the operation region where the exhaust pressure is higher than the supercharging pressure, the intake system ejector raises the dynamic pressure of the EGR gas and lowers the static pressure, so that the intake air is sucked. That is, the intake system ejector assists the turbocharger supercharging work, and the effect of suppressing the reduction in the intake air amount accompanying the increase in the EGR rate can be obtained.
これらの結果、広い運転領域において、高過給・大量EGRが可能となり、排気対策および出力・燃費の向上を促進することができる。 As a result, high supercharging and large amount of EGR are possible in a wide range of operation, and it is possible to promote exhaust countermeasures and improvements in output and fuel consumption.
第2の発明においては、ディフューザにより、動圧が静圧に効率よく変換され、吸気マニホールド圧を高められる。 In the second invention, the dynamic pressure is efficiently converted into the static pressure by the diffuser, and the intake manifold pressure can be increased.
第3の発明または第4の発明においては、吸気の噴流によるエゼクタ効果とEGRガスの噴流によるエゼクタ効果との最適化が得られ、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・大量EGRが可能となる。 In the third or fourth aspect of the invention, optimization of the ejector effect caused by the jet of intake air and the ejector effect caused by the jet of EGR gas can be obtained. EGR is possible.
第5の発明においては、EGRガスは、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ので、これらバルブの耐久性を良好に確保することができる。 In the fifth invention, since the EGR 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.
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20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20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(#1,2,3、#4,5,6)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21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21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ノズル23a,23b(後述のディフューザ29と共に排気系エゼクタ23を構成する)に形成される。
The
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21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21にタービンハウジング25のフランジ26が連結される。排気ノズル23a,23b下流の合流部11の通路面積を下流側へ縮小してから拡大するスロート形状のディフューザ29がタービンハウジング25の内部に形成される。
A
合流部11においては、排気ノズル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。排気系エゼクタ23においては、先細形状の排気ノズル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29へ吸引されるのである。その後は、ディフューザ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2において、Aは排気ノズル23a,23bの合流部11に臨む開口面積であり、1気筒あたりの排気弁33の最大開口面積Bの1/4程度に設定される(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33の数 D:排気弁33の実質的な直径 L:排気弁33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。
In FIG. 2, A is an opening area facing the merging
排気ノズル部23a,23bの合流部11に臨む開口面積Aが1気筒あたりの排気弁33の最大開口面積Bの1/4程度よりも大きいと、排気マニホールド圧が相対的に低い運転領域において、排気ノズル23a,23bから噴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、同じく開口面積Aが最大開口面積Bの1/4程度よりも小さくなると、排気マニホールド圧が相対的に高くなる運転領域において、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。排気ノズル23a,23bの開口面積Aを排気弁33の最大開口面積Bの1/4程度に設定することにより、ポンピングロスを抑えつつ、最適なEGR流量が得られるのである。
When the opening area A facing the merging
Cはディフューザの最小通路面積であり、排気ノズル23aの開口面積Aと、排気ノズル23bの開口面積Aと、の和と同程度(0.75〜1.1倍)に設定される。0.75<C/(A+A)<1.1の場合、排気ノズル23a,23bから噴き出る排気の動圧が効率よく静圧に変換され、排気の噴流によるエゼクタ効果を最大限に効かせられるようになり、ポンピングロスを抑えつつ、EGR流量を十分に確保することができる。C/A<1.5の場合、ディフューザの流路抵抗により、排圧が過度に上昇するため、排気パルスが逆流しやすくなる。C/A>2.2の場合、排気ノズル23a,23bから噴き出る排気の動圧が急速に減衰され、静圧が十分に下がらず、排気パルスが逆流しやすくなる。
C is the minimum passage area of the diffuser, and is set to approximately the same (0.75 to 1.1 times) as the sum of the opening area A of the
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通路であり、上流側の分岐路36a,36bと下流側の合流路36cとからなり、分岐路36a,36bがそれぞれ排気マニホールド9a,9bに接続され、合流路36cが吸気系エゼクタ40のEGRノズル40b(図4、参照)に接続される。
In FIG. 1, reference numeral 35 denotes an EGR passage that circulates a part of the exhaust gas from the upstream side of the
分岐路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、その上流にEGRバルブ38が配置される。EGRクーラ37は、EGRバルブ38の上流に介装される。EGRガスは、EGRクーラ37により冷却され、EGRバルブ38および逆止弁39を流れるので、これらバルブ38,39の耐久性を良好に確保することができる。
In the
吸気管4の分岐点45上流に吸気系エゼクタ40が設けられる。図4は、吸気系エゼクタ40の構成を表すものであり、吸気管4の途中の通路面積をEGR通路36との合流部へ向けて縮小する吸気ノズル40aと、EGR通路36の出口部の通路面積を吸気管4との合流部へ向けて縮小するEGRノズル40bと、これら合流部の通路面積を下流側へ縮小してから拡大するスロート形状のディフューザ40cと、から構成される。吸気ノズル40aにインタクーラ5下流の分岐管4が接続され、EGRノズル40bにEGR通路36の合流路36cが接続され、ディフューザ40cに分岐点45上流の吸気管4が接続される。
An
過給圧の方が排気圧よりも高くなる運転領域においては、吸気ノズル40aにより、吸気の流速が加速され、動圧が上がり、静圧が下がると、EGRノズル40bからEGRガスがディフューザ40cへ吸い出される。このため、逆止弁39前後の瞬間的な差圧が拡大され、EGR率の向上が得られる。排気圧の方が過給圧よりも高くなる運転領域においては、EGRノズル40bにより、EGRガスの流速が加速され、動圧が上がり、静圧が下がると、吸気ノズル40aから給気がディフューザ40cへ吸い出される。つまり、EGRガスの噴流によるエゼクタ作用により、ターボチャージャ6の過給仕事が補助されることになり、EGR率のアップに伴う吸入空気量の低下を抑える効果が得られる。
In the operation region where the boost pressure is higher than the exhaust pressure, when the intake air flow velocity is accelerated by the
図4において、Xは吸気ノズル40aのディフューザ40cに臨む開口面積であり、YはEGRノズル40bのディフューザ40cに臨む開口面積であり、Zはディフューザ40cの最小通路面積である。吸気の噴流によるエゼクタ効果と、EGRガスの噴流によるエゼクタ効果と、の最適化を図るべく、実験結果に基づいて、吸気ノズル40aの開口面積Xと、EGRノズル40bの開口面積Yと、は吸気管4の通路面積の1/4程度に設定される。ディフューザ40cの最小通路面積Zについては、吸気ノズル40aの開口面積Xと、EGRノズル40bの開口面積Yと、の和と同程度に設定される。
In FIG. 4, X is an opening area facing the
このように構成すると、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、排気系エゼクタ23により、排気パルス(正圧波)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36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、排気の噴流による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 this configuration, even in the single entry type turbocharger 6, the
吸気系エゼクタ40おいては、例えば、高負荷域のときは、過給圧の方が排気圧よりも高くなるが、吸気の噴流によるエゼクタ作用により、EGR通路36の逆止弁39前後の瞬間的な差圧が拡大され、EGR率の向上が得られる。また、低中負荷域のときは、排気圧の方が過給圧よりも高くなるが、EGRガスの噴流によるエゼクタ作用により、ターボチャージャの過給仕事が補助されることになり、EGR率のアップに伴う吸入空気量の低下を抑える効果が得られるのである。つまり、低中負荷域においても、各気筒(#1〜#6)の吸入空気量が十分に確保され、ディーゼルエンジンの場合、PM(粒子状物質:Particulate Matter)の発生量を抑えることができる。
In the
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が可能となる。ターボチャージャ6の可変ノズル制御を加えることにより、高負荷高回転域においても、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、排気対策(NOxの低減など)と出力・燃費の向上との両立を高度に実現できることになる。 As a result, high supercharging and large amount of EGR are possible in a wide operating range while suppressing pumping loss. By adding variable nozzle control of the turbocharger 6, it is possible to achieve high supercharging and large-volume EGR while suppressing pumping loss even in high-load and high-speed ranges, and measures against exhaust (such as NOx reduction) and improved output and fuel consumption It is possible to achieve a high balance between
ターボチャージャ6については、シングルエントリ方式の代わりにツインエントリ方式(タービン入口が2つ)を用いることも考えられる。ツインエントリ方式の場合、タービン内部において、2つのタービン入口からスクロールへ至る通路が仕切られるので、図1の排気系エゼクタ23については、これを省略することができる。
As for the turbocharger 6, it is conceivable to use a twin entry system (two turbine inlets) instead of the single entry system. In the case of the twin entry system, since the passage from the two turbine inlets to the scroll is partitioned inside the turbine, this can be omitted for the
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5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21との間に介装してもよい。排気ノズル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6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21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。
The
EGR通路36は、図7のように排気マニホールド9a,9bと吸気マニホールド3a,3bとの間を同一の気筒群同士の関係(パラレル状態)に接続してもよい。この場合、各吸気分岐管の途中に吸気系エゼクタ40が配置される。これにより、同一の気筒群間において、吸気脈動の谷と排気脈動の山が重なるようになり、特に高いEGR率が得られる。
As shown in FIG. 7, the
EGR通路36については、図8のように排気マニホールド9a,9bと吸気マニホールド3a,3bとの間を異なる気筒群同士の関係(クロス状態)に接続することも考えられる。この場合、各吸気分岐管の途中に吸気系エゼクタ40が配置される。これにより、異なる気筒群間において、吸気行程終期に排気脈動の山が重なるようになり、吸入空気量の低下を抑えつつ、高いEGR率が得られる。
As for the
図7,図8において、図1と同一の部位は、同一の符号を付け、重複説明は省略する。 7 and FIG. 8, the same parts as those in FIG.
1 多気筒エンジン(6気筒ディーゼルエンジン)
3a,3b 吸気マニホールド
4 吸気管
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
10 吸気通路
20 排気管
23 排気系エゼクタ
25 タービンハウジング
36 EGR通路
37 EGRクーラ
38 EGRバルブ
39 逆止弁(リードバルブ)
40 吸気系エゼクタ
40a 吸気ノズル
40b EGRノズル
40c ディフューザ
1 Multi-cylinder engine (6-cylinder diesel engine)
3a, 3b Intake manifold 4
40
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