JP2010248980A

JP2010248980A - ターボ過給機付き内燃機関

Info

Publication number: JP2010248980A
Application number: JP2009098263A
Authority: JP
Inventors: Takanori Nakano; 隆徳中野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-04-14
Filing date: 2009-04-14
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2029-04-14
Also published as: JP5387108B2

Abstract

【課題】吸気通路の負圧の増大を抑えつつ、ＥＧＲ率を向上させることが可能なターボ過給機付き内燃機関を提供する。
【解決手段】ターボ過給機４と、そのターボ過給機４のタービン４ａを迂回する排気バイパス通路２ｂ及び排気バイパス通路２ｃを含む排気系１とを備えた内燃機関において、排気系１の排気背圧が他の運転領域よりも相対的に低くなる特定の運転領域で、排気系１に固有振動が発生するように、排気バイパス通路２ｃを含む排気系１の共振周波数に相関するパラメータを設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボ過給機を備えた内燃機関に関する。

吸気通路に設けられた吸気共鳴管により吸気脈動の振幅及び位相を制御し、排気マニホールドから吸気共鳴管に至るＥＧＲ通路の途中の逆止弁前後の圧力差、すなわち、吸気圧と排気圧との間の差を瞬間的に拡大してＥＧＲ率を向上させるターボ過給機付き内燃機関が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。

特開２００７−２６３０１７号公報特開２００１−１０７７２２号公報

特許文献１の内燃機関においては、吸気通路の負圧が大きくなることにより、ポンピングロスが増大するという問題がある。

そこで、本発明は、吸気通路の負圧の増大を抑えつつ、ＥＧＲ率を向上させることが可能なターボ過給機付き内燃機関を提供することを目的とする。

本発明は、ターボ過給機と、前記ターボ過給機のタービンを迂回する排気バイパス通路、及び前記排気バイパス通路を開閉する排気バイパス弁を含む排気系と、を具備するターボ過給機付き内燃機関において、前記排気系の排気背圧が他の運転領域よりも相対的に低くなる特定の運転領域で、前記排気系に固有振動が発生するように、前記排気バイパス通路を含む前記排気系の固有共振周波数に相関するパラメータが設定されたものである（請求項１）。

本発明の過給機付き内燃機関によれば、内燃機関が特定の運転領域にあるときに排気バイパス弁を開くと、排気バイパス通路を排気が通過して排気系に固有共振振動が発生する。そのため、排気の脈動が大きくなり、吸気通路の負圧の増大を抑えつつ排気側と吸気側との瞬間的な圧力差を拡大してＥＧＲ率を向上させることができる。

本発明の一形態に係るターボ過給機付き内燃機関の排気系の要部を示す図。内燃機関の回転数と排気背圧との関係、及び内燃機関の回転数とＥＧＲ率との関係を示す図。内燃機関の始動開始からの時間と排気浄化触媒の床温との関係を示す図。

図１に示すように、本発明の一形態に係る４サイクル式の内燃機関（以下、エンジンと略称することがある。）においては、その排気系１に排気通路２が設けられ、その排気通路２には、排気マニホールド２ａから分岐するようにして排気主通路２ｂと排気バイパス通路２ｃとが設けられている。排気主通路２ｂにはターボ過給機４のタービン４ａが設けられ、排気バイパス通路２ｃはそのタービン４ａを迂回してタービン４の下流で排気主通路２ｂと合流する。両通路２ｂ、２ｃの下流には排気浄化触媒５が設けられている。排気バイパス通路２ｃの途中には、排気バイパス通路２ｃを開閉するための排気バイパス弁６が設けられている。排気バイパス弁６は、エンジンコントロールユニット等の制御装置によって開閉制御される。また、排気マニホールド３には、排気ガスの一部を不図示の吸気通路にＥＧＲガスとして導くためのＥＧＲ通路１０が接続されている。ＥＧＲ通路１０の途中には、ＥＧＲガスの流量を調整するためのＥＧＲ弁１１が設けられている。

以上の排気系１を有するエンジンにおいて、排気系１の排気背圧が他の運転領域よりも相対的に低くなる特定の運転領域で、排気系１が固有振動を起こすように、排気バイパス通路２ｃを含む排気系１の固有共振周波数に相関するパラメータが設定されている。以下、具体的な設定方法を説明する。

まず、音速をｖ、排気バイパス通路２ｂの断面積をＳ、排気マニホールド３の容積をＶ_０、排気バイパス通路２ｂの長さをＬ、排気バイパス通路２ｂの半径をｒとしたときに、排気系１の固有振動数ｆ_Ｔは下式（１）で算出される。

一方、エンジンの排気系１の背圧Ｐ１（排気背圧）は、図３に実線Ｐ１で示したように特定の運転領域Ａにおいて他の運転領域よりも低下する。この原因は、排気系１の気柱振動に起因するものである。エンジンの回転周波数ｆ_ＥＸは、エンジンの毎分当たりの回転数をＸ（ｒ．ｐ．ｍ）、排気系１を共有するシリンダ数、この例では同一の排気マニホールド２ａに接続されるシリンダ数をＮｃとしたときに、下式（２）で算出される。なお、シリンダ数Ｎｃを２で除算するのは、４サイクル式のエンジンにおいて、クランク軸が１回転する間の爆発数がＮｃ／２回となるためである。

そして、本形態では、エンジンの特定領域Ａを代表する回転数を（２）式に代入して、運転領域Ａに対応する回転周波数ｆ_ＥＸを算出し、得られた回転周波数ｆ_ＥＸと（１）式で算出される排気系１の固有振動数ｆ_Ｔとが互いに等しくなるように、排気バイパス通路２ｂの固有共振周波数に相関するパラメータとしての長さＬ及び半径ｒが設定される。

以上の構成によれば、エンジンが運転領域Ａで運転されるときに排気バイパス弁６を開弁すると、排気系１の固有振動数ｆ_Ｔがエンジンの回転周波数ｆ_ＥＸと一致して排気系１に固有振動が発生する。それにより、排気の脈動が大きくなり、その脈動を利用して瞬間的な排気背圧を図２の鎖線Ｐ２で示すように上昇させることができる。それにより、破線Ｐ３で示す吸気通路の圧力に対する排気背圧の圧力差を拡大してＥＧＲ率を向上させることができる。

また、上記の形態によれば、エンジンの回転数が相対的に低い運転領域Ａで排気バイパス弁６を開いて排気の少なくとも一部を、タービン４ａを迂回して排気浄化触媒５に導いている。そのため、エンジンの始動直後のように排気浄化触媒５の床温が低い場合には、排気バイパス通路２ｃを通過した比較的高温の排気ガスの熱を利用して排気浄化触媒５の早期活性化を図ることが可能である。例えば、図３に示したように、エンジンの運転開始後の経過時間を横軸に、排気浄化触媒５の床温を縦軸にそれぞれ取り、排気バイパス弁６を閉位置に固定したときの床温の変化を実線Ｌ１で、排気バイパス弁６を開いたときの床温の変化を破線Ｌ２で示せば、排気浄化触媒５の活性化温度Ｔａを超えるまでの経過時間は、排気バイパス弁６を開いたときの方が時間ｔだけ早くなる。それにより、エンジン始動直後の排気エミッションを改善することが可能である。

本発明は上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、本発明において、排気系を共有するシリンダの個数は４に限らず、適宜に変更することが可能である。排気系の固有共振周波数に相関するパラメータは、排気バイパス通路の長さ及び半径に限らず、排気バイパス通路を排気が通過するときの排気系の固有振動数に影響する各種の物理量を対象としてよい。

１排気系
２排気通路
２ｂ排気主通路
２ｃ排気バイパス通路
４ターボ過給機
４ａタービン
５排気浄化触媒
６排気バイパス弁
１０ＥＧＲ通路
１１ＥＧＲ弁

Claims

ターボ過給機と、前記ターボ過給機のタービンを迂回する排気バイパス通路、及び前記排気バイパス通路を開閉する排気バイパス弁を含む排気系と、を具備し、
前記排気系の排気背圧が他の運転領域よりも相対的に低くなる特定の運転領域で、前記排気系に固有振動が発生するように、前記排気バイパス通路を含む前記排気系の固有共振周波数に相関するパラメータが設定されている、ターボ過給機付き内燃機関。