JP2017008864A

JP2017008864A - 内燃機関の吸排気システム

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Publication number: JP2017008864A
Application number: JP2015126826A
Authority: JP
Inventors: 直也石川; Naoya Ishikawa
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2015-06-24
Filing date: 2015-06-24
Publication date: 2017-01-12
Anticipated expiration: 2035-06-24
Also published as: JP6531516B2

Abstract

【課題】小型の過給機による高過給化を実現しつつ、排気脈動の干渉を抑制する。
【解決手段】内燃機関の吸排気システムは、エンジン１０内に設けられた気筒１３ａ〜１３ｄと、気筒１３ａ〜１３ｄに吸気を導入する吸気通路２０と、吸気を圧縮する低圧段過給機５０及び高圧段過給機６０と、気筒１３ａ〜１３ｄのうちの排気脈動の干渉が生じない２つの気筒１３ｂ、１３ｃの各々から排出される排気を、高圧段過給機６０に導入する排気通路３１ｂ、３１ｃと、高圧段過給機６０を迂回するように設けられ、気筒１３ａ、１３ｄから排出される排気を、高圧段過給機６０よりも下流側に設けられた低圧段過給機５０に導入する排気通路３１ａ、３１ｄ、３１ｅと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の吸排気システムに関し、より詳細には、複数の過給機を有する内燃機関の吸排気システムに関する。

内燃機関であるエンジンの吸排気システムは、エンジンの燃焼に必要な吸気をエンジンに供給すると共に、燃焼後の排気を排出するシステムである。この吸排気システムは、排気の還流通路と、吸気を圧縮する過給機とを有する。還流通路は、エンジンの燃焼温度を下げる観点等から、エンジンから排気通路へ排出された排気の一部を、吸気をエンジンに導入する吸気通路に還流する通路である。

過給機は、排気通路の排気を利用して吸気通路の吸気を過給する圧縮する。例えば、下記の特許文献１には、低圧段過給機と高圧段過給機とを有し、吸気を低圧段と高圧段の二段階に分けて昇圧する二段過給システムが開示されている。

特開２００７−１３８８４５号公報

近年、燃費向上等の観点から、小型の過給機による更なる高過給化が要請されている。しかし、高過給化を実現すべく特許文献１に示す二段過給システムのように直列に配列された二つの過給機の動作効率を上げる場合には、過給機を大型化する必要がある。また、エンジンの６つの気筒の排気が１つの排気通路に合流するので、排気脈動の干渉が発生する。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、小型の過給機による高過給化を実現しつつ、排気脈動の干渉を抑制することを目的とする。

本発明の第１の態様においては、内燃機関内に設けられ、３つ以上の気筒を含む気筒群と、前記気筒群に吸気を導入する吸気通路と、前記吸気を圧縮する低圧段過給機及び高圧段過給機と、前記気筒群のうちの排気脈動の干渉が生じない２つの第１気筒の各々から排出される排気を、前記高圧段過給機に導入する第１排気通路と、前記高圧段過給機を迂回するように設けられ、前記気筒群のうちの前記第１気筒とは異なる第２気筒から排出される排気を、前記高圧段過給機よりも下流側に設けられた前記低圧段過給機に導入する第２排気通路と、を備えることを特徴とする内燃機関の吸排気システムを提供する。
かかる吸排気システムによれば、排気脈動の干渉が生じない２つの気筒の排気が第１排気通路を介して高圧段過給機に導入されるため、高圧段過給機の動作効率を高めることができると共に、高圧段過給機の小型化が可能となる。また、高圧段過給機に導入されない気筒の排気は、第２排気通路を介して低圧段過給機に導入されるので、低圧段過給機の動作効率を高めることができる。

また、前記内燃機関の吸排気システムは、前記第２排気通路と前記吸気通路との間を接続し、前記第２気筒から排出される排気を前記吸気通路へ還流させる還流通路と、前記第２排気通路において前記還流通路との接続点よりも下流側に設けられ、前記第２排気通路における排気の圧力を調整する排圧調整部と、を更に備えることとしてもよい。

また、前記内燃機関の吸排気システムは、前記第２排気通路と前記吸気通路との間を接続し、前記第２気筒から排出される排気を前記吸気通路へ還流させる還流通路と、前記第２排気通路において前記還流通路との接続点よりも下流側に設けられ、前記還流通路における排気の流量を調整する流量調整部と、を更に備えることとしてもよい。

また、前記第２排気通路は、排気脈動の干渉が生じない２つの前記第２気筒の各々から排出される排気を、前記低圧段過給機に導入することとしてもよい。

また、前記第２気筒は、２つあり、前記第２排気通路は、２つの前記第２気筒の各々と接続され前記高圧段過給機を迂回する二つの迂回通路を含むこととしてもよい。

本発明によれば、小型の過給機による高過給化を実現しつつ、排気脈動の干渉を抑制できるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る吸排気システムＳの構成の一例を示す模式図である。第２の実施形態に係る吸排気システムＳの構成の一例を示す模式図である。第３の実施形態に係る吸排気システムＳの構成の一例を示す模式図である。

＜第１の実施形態＞
（吸排気システムの構成）
図１を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る内燃機関の吸排気システムＳの構成について説明する。
図１は、第１の実施形態に係る吸排気システムＳの構成の一例を示す模式図である。

吸排気システムＳは、内燃機関であるエンジンを有する車両に搭載されている。例えば、吸排気システムＳは、バスやトラック等の大型車両に搭載されている。吸排気システムＳは、エンジンの燃焼に必要な吸気をエンジンに供給すると共に、燃焼後の排気を排出するシステムである。図１に示すように、吸排気システムＳは、エンジン１０と、吸気通路２０と、排気通路３０と、ＥＧＲ通路４０と、低圧段過給機５０と、高圧段過給機６０と、ＥＣＵ８０とを有する。

エンジン１０は、３つ以上の気筒を含むエンジンであり、ここでは４気筒のディーゼルエンジンである。エンジン１０は、燃料と吸気（空気）の混合気を燃焼、膨張させて、動力を発生させる。エンジン１０は、吸気マニホールド１１と、気筒群である気筒１３ａ〜１３ｄとを有する。

吸気マニホールド１１は、吸気通路２０と接続された多岐管であり、吸気通路２０の吸気（空気）を４つの気筒１３ａ〜１３ｄへ分岐させる。４つの気筒１３ａ〜１３ｄは、吸気を吸入させると共に、燃焼後の排気を排出する。気筒１３ａ〜１３ｄには、それぞれピストン、吸気弁、排気弁及びインジェクタ等が設けられている。

４つの気筒１３ａ〜１３ｄにおいて、気筒内の着火が気筒１３ａ、気筒１３ｃ、気筒１３ｄ、気筒１３ｂの順に行われており、排気行程も気筒１３ａ、気筒１３ｃ、気筒１３ｄ、気筒１３ｂの順に行われる。これにより、気筒１３ａと気筒１３ｄにおいて排気弁の開弁期間が重ならず、気筒１３ｂと気筒１３ｃにおいて排気弁の開弁期間が重ならない。かかる場合には、気筒１３ａの排気と気筒１３ｄの排気とを排気通路３０で合流させても、排気脈動の干渉が生じない。同様に、気筒１３ｂの排気と気筒１３ｃの排気とを排気通路３０で合流させても、排気脈動の干渉が生じない。

吸気通路２０は、エンジン１０の燃焼に必要な吸気（空気）を気筒１３ａ〜１３ｄへ吸入させるための通路である。吸気通路２０には、上流側から下流側へ向かって、エアークリーナー２２、低圧段過給機５０のコンプレッサ５２、ＣＡＣ（Charge Air Cooler：過給冷却器）２３、高圧段過給機６０のコンプレッサ６２、ＣＡＣ２４及びインテークスロットルバルブ２５が設けられている。

エアークリーナー２２は、例えばフィルターを有し、吸気中の異物を除去する。低圧段過給機５０のコンプレッサ５２は、回転することにより、コンプレッサ５２を通過する吸気を圧縮する。ＣＡＣ２３は、コンプレッサ５２によって圧縮されて温度が上昇した吸気を、冷却液や大気により冷却する。高圧段過給機６０のコンプレッサ６２は、回転することにより、コンプレッサ６２を通過する吸気を圧縮する。ＣＡＣ２４は、コンプレッサ６２によって圧縮されて温度が上昇した吸気を、冷却液や大気により冷却する。インテークスロットルバルブ２５は、スロットルバルブの開度を調整して、吸気の流量を調整する。

排気通路３０は、エンジン１０から排出された排気（排出ガス）を車両の外部へ排出するための通路である。排気通路３０は、分岐した複数の排気通路３１ａ〜３１ｆ及び迂回通路３３ａ、３３ｂで構成されている。また、排気通路３０には、低圧段過給機５０のタービン５１と、高圧段過給機６０のタービン６１と、排気調整バルブ３４と、迂回調整バルブ３５、３６と、ＥＡＴ３７（Exhaust After-Treatment：排気後処理装置）とが設けられている。

排気通路３１ａは、エンジン１０の気筒１３ａと、高圧段過給機６０のタービン６１の下流側に位置する排気通路３１ｅとを接続している。同様に、排気通路３１ｄは、気筒１３ｄと排気通路３１ｅとを接続している。すなわち、排気通路３１ｄは、タービン６１を迂回する通路である。これにより、気筒１３ｄから排出された排気は、タービン６１へ導かれない。排気通路３１ａ及び排気通路３１ｄは、途中で合流する構成となっている。

排気通路３１ｂは、気筒１３ｂとタービン６１とを接続し、気筒１３ｂから排出された排気をタービン６１へ導く。同様に、排気通路３１ｃは、気筒１３ｃとタービン６１とを接続し、気筒１３ｃから排出された排気をタービン６１へ導く。排気通路３１ｂ及び排気通路３１ｃは、途中で合流する構成となっている。

排気通路３１ｅは、高圧段過給機６０のタービン６１と低圧段過給機５０のタービン５１とを接続する。排気通路３１ｅの途中には、排気通路３１ａ、３１ｄが接続されている。このため、気筒１３ａ、１３ｄから排出された排気は、タービン６１を迂回してタービン５１へ導かれる。また、排気通路３１ｅの途中には、タービン６１を迂回する迂回通路３３ａが接続されている。

排気通路３１ｆは、タービン５１の下流側に位置する通路である。排気通路３１ｆの途中（ＥＡＴ３７の上流側）には、タービン５１を迂回する迂回通路３３ｂが接続されている。

迂回通路３３ａは、排気通路３１ｂ及び排気通路３１ｃ（実際には、排気通路３１ｂと排気通路３１ｃが合流した後の通路）の途中と、タービン６１の下流側の排気通路３１ｅとを接続している。迂回通路３３ａを設けることで、気筒１３ｂ及び気筒１３ｃから排出された排気がタービン６１を迂回できる。

迂回通路３３ｂは、排気通路３１ｅの途中（具体的には、迂回通路３３ａとの接続点、及び排気通路３１ｄとの接続点の下流側）と、タービン５１の下流側の排気通路３１ｆとを接続している。迂回通路３３ｂを設けることで、排気通路３１ｅを流れる排気がタービン５１を迂回できる。

排気調整バルブ３４は、排気通路３１ａ、３１ｄが合流した通路の途中（具体的には、ＥＧＲ通路４０との接続点よりも下流側）に設けられ、排気通路３１ａ、３１ｄを流れる排気の圧力（排圧）や流量を調整可能なバルブである。すなわち、排気調整バルブ３４は、排圧調整部及び流量調整部としての機能を有する。排気調整バルブ３４は、例えばアーム付スイング型開閉弁であり、アームの角度を調整することで排圧や流量を高精度に調整可能となっている。また、詳細は後述するが、排気調整バルブ３４によって、ＥＧＲ通路４０を流れる排気の流量も調整可能となる。

迂回調整バルブ３５は、迂回通路３３ａに設けられ、迂回通路３３ａを流れる排気（気筒１３ｂ及び気筒１３ｃから排出された排気）の流量を調整する。迂回調整バルブ３５は、例えばゲートバルブである。迂回通路３３ａを流れる排気の流量を調整することで、タービン６１を通過する排気の流量も調整できるので、高圧段過給機６０による吸気の過給量を調整可能となる。

迂回調整バルブ３６は、迂回通路３３ｂに設けられ、迂回通路３３ｂを流れる排気（気筒１３ａ〜１３ｄから排出された排気）の流量を調整する。迂回調整バルブ３６は、例えばゲートバルブである。迂回通路３３ｂを流れる排気の流量を調整することで、タービン５１を通過する排気の流量も調整できるので、低圧段過給機５０による吸気の過給量を調整可能となる。

ＥＡＴ３７は、排気を浄化する装置である。例えば、ＥＡＴ３７は、排気中のＰＭを捕集したり、尿素水から加水分解されて生成されるアンモニア（ＮＨ_３）を還元剤として排気中のＮＯ_ｘを選択的に還元浄化したりする。

ＥＧＲ通路４０は、排気通路３１ｄと吸気通路２０との間を接続し、エンジン１０の気筒１３ａ、１３ｄから排出された排気の全部又は一部を吸気通路２０に還流させる還流通路である。ＥＧＲ通路４０には、ＥＧＲクーラ４１と、ＥＧＲバルブ４２とが設けられている。ＥＧＲクーラ４１は、ＥＧＲ通路４０の排気を冷却する。ＥＧＲバルブ４２は、吸気通路２０へ還流させる排気の流量を調整する。また、ＥＧＲバルブ４２は、ＥＧＲ通路４０から排気通路３１ｄへの排気の逆流を防止する機能を有する。

ＥＧＲ通路４０の排気の流量は、前述した排気調整バルブ３４によって調整可能である。すなわち、排気調整バルブ３４によって排気通路３１ａ、３１ｄを流れる排気の流量を調整することで、ＥＧＲ通路４０を流れる排気の流量も調整可能となる。また、ＥＧＲ通路４０と接続されている二つの排気通路３１ａ、３１ｄの排気の圧力を排気調整バルブ３４で調整することで、吸気通路２０の吸気の圧力に対して排気の圧力が過大になることを抑制できるので、吸気通路２０へ排気を適切に還流させることが可能となる。
また、排気調整バルブ３４及びＥＧＲバルブ４２に加えて、吸気通路２０のインテークスロットルバルブ２５を調整することで、吸気通路２０への排気の還流を高精度に制御できる。なお、エンジン１０の回転領域に応じて、排気調整バルブ３４、ＥＧＲバルブ４２、及びインテークスロットルバルブ２５の中から少なくとも１つを選択して、排気の還流量を制御してもよい。

低圧段過給機５０及び高圧段過給機６０は、エンジン１０に吸入される吸気を過給する装置である。具体的には、低圧段過給機５０が吸気を過給した後に、高圧段過給機６０が吸気を更に過給する。これにより、高圧縮した吸気をエンジン１０に供給して、エンジン１０の排気量を実質的に高められる。低圧段過給機５０及び高圧段過給機６０は、ここでは排気の圧力を動力源とするターボチャージャである。

低圧段過給機５０は、前述したタービン５１及びコンプレッサ５２に加えて、タービン５１とコンプレッサ５２とを連結する連結軸５３を有する。低圧段過給機５０においては、タービン５１が、通過する排気のエネルギーを受けて回転することで、連結軸５３を介してタービン５１と連結したコンプレッサ５２が、回転して吸気通路２０の吸気を過給する。同様に、高圧段過給機６０も、タービン６１とコンプレッサ６２とを連結する連結軸６３を有し、通過する排気のエネルギーを受けてタービン６１が回転することで、コンプレッサ６２が回転して吸気通路２０の吸気を過給する。

高圧段過給機６０のタービン６１は、４つの気筒１３ａ〜１３ｄのうちの排気脈動が干渉しない気筒１３ｂ、１３ｃの排気の動力によって回転するため、タービン６１を効率良く回転させることができる。また、４つの気筒１３ａ〜１３ｄのうちの一部の気筒１３ｂ、１３ｄの排気がタービン６１を通過する構成となることで、タービン６１の小型化が可能となる。一方で、タービン５１が高圧段過給機６０のタービン６１よりも下流側に位置する低圧段過給機５０には、タービン６１を通過又は迂回した気筒１３ｂ、１３ｃの排気に加えて、タービン６１を迂回した気筒１３ａ、１３ｄの排気も導入される。このため、タービン５１は、４つの気筒１３ａ〜１３ｄから排出された排気を動力源として回転する。これにより、低圧段過給機５０の動作効率を高めることが可能となる。

なお、排気通路３１ｅにおいて、高圧段過給機６０を通過した排気（排気脈動が干渉しない気筒１３ｂ、１３ｃの排気）と、排気通路３１ａ、３１ｄを流れてきた排気（排気脈動が干渉しない気筒１３ａ、１３ｄの排気）とが合流する。高圧段過給機６０を通過した排気の動圧は小さくなっているので、排気通路３１ｅにおける排気脈動の干渉を抑制できる。

上述したように、気筒１３ｂ、１３ｃの排気が排気通路３１ｂ、３１ｃにより高圧段過給機６０に導入され、気筒１３ａ、１３ｄの排気が排気通路３１ａ、３１ｄ、３１ｅにより低圧段過給機５０に導入される。このため、気筒１３ｂ、１３ｃが第１気筒に該当し、気筒１３ａ、１３ｄが第２気筒に該当し、排気通路３１ｂ、３１ｃが第１排気通路に該当し、排気通路３１ａ、３１ｄ、３１ｅが第２排気通路に該当する。

ＥＣＵ８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するマイクロコンピュータを備えた電子制御装置（Electric Control Unit）である。ＥＣＵ８０は、前述した各装置の動作を制御する。例えば、ＥＣＵ８０は、インテークスロットルバルブ２５、排気調整バルブ３４、迂回調整バルブ３５、３６、及びＥＧＲバルブ４２の動作を制御する。

（第１の実施形態における効果）
上述した吸排気システムＳは、排気脈動の干渉が生じない気筒１３ｂ、１３ｃの排気を、排気通路３１ｂ、３１ｃを介して高圧段過給機６０に導入させ、排気脈動の干渉が生じない気筒１３ａ、１３ｄの排気を、高圧段過給機６０を迂回する排気通路３１ａ、３１ｄ、３１ｅ、を介して低圧段過給機５０に導入させている。
これにより、排気脈動の干渉が生じない気筒１３ｂ、１３ｃの排気が高圧段過給機６０に導入されるため、高圧段過給機６０の動作効率を高めることができると共に、高圧段過給機６０（具体的には、タービン６１）の小型化が可能となる。また、高圧段過給機６０に導入されない気筒１３ａ、１３ｄの排気は、低圧段過給機５０に導入されるので、低圧段過給機５０の動作効率を高めることができる。

＜第２の実施形態＞
図２は、第２の実施形態に係る吸排気システムＳの構成の一例を示す模式図である。
第１の実施形態では、排気通路３１ａ及び排気通路３１ｄが合流して高圧段過給機６０のタービン６１の下流側の排気通路３１ｅと接続するのに対して、第２の実施形態では、排気通路３１ａと排気通路３１ｄが、独立して排気通路３１ｅと接続している点で異なる。なお、第１の実施形態と同様な構成については、説明を省略する。

図２に示すように、排気通路３１ａ及び排気通路３１ｄは、途中で合流せずにそれぞれ排気通路３１ｅと接続している二つの迂回通路である。また、ＥＧＲ通路４０は、排気通路３１ａと排気通路３１ｄのうちの排気通路３１ｄと接続している。このため、気筒１３ｄの排気は、吸気通路２０へ還流されるが、気筒１３ａの排気は、吸気通路２０へ還流されない。また、排気調整バルブ３４は、排気通路３１ｄを流れる排気の圧力や流量を調整する。

第２の実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加えて、４つの気筒１３ａ〜１３ｄのうちの気筒１３ｄの排気のみを吸気通路２０へ還流させるため、吸気通路２０への排気の還流量が少ない場合に有効である。

＜第３の実施形態＞
図３は、第３の実施形態に係る吸排気システムＳの構成の一例を示す模式図である。
第３の実施形態は、第２の実施形態の構成に加えて、図３に示すように、排気通路３１ａと吸気通路２０とを接続するＥＧＲ通路４５が設けられている。ＥＧＲ通路４５は、気筒１３ａの排気を吸気通路２０へ還流させる。

ＥＧＲ通路４５には、第１の実施形態で説明したＥＧＲ通路４０と同様に、ＥＧＲクーラ４６と、ＥＧＲバルブ４７とが設けられている。ＥＧＲクーラ４６は、ＥＧＲ通路４５の排気を冷却する。ＥＧＲバルブ４７は、吸気通路２０へ還流させる気筒１３ａの排気の流量を調整する。

また、排気通路３１ａにおいてＥＧＲ通路４５との接続点よりも下流側には、排気調整バルブ３８が設けられている。排気調整バルブ３８は、排気通路３１ｄに設けられた排気調整バルブ３４と同様な構成を有し、排気通路３１ａを流れる排気の圧力や流量を調整する。これにより、ＥＧＲ通路４５を流れる排気の流量も調整可能となる。なお、ＥＧＲバルブ４７及び排気調整バルブ３８の動作も、ＥＣＵ８０によって制御される。

第３の実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加えて、二つのＥＧＲ通路４０、４５を設けることで、２つの気筒１３ａ、１３ｄの排気の吸気通路２０への還流量を別々に調整できるため、より高精度な制御が可能となる。

なお、上記では、エンジン１０がディーゼルエンジンであることとしたが、これに限定されず、例えばエンジン１０はガソリンエンジンであってもよい。また、上記では、エンジン１０が４気筒であることとしたが、これに限定されず、例えばエンジン１０は３気筒や６気筒であってもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０エンジン
１３ａ〜１３ｄ気筒
２０吸気通路
３０排気通路
３１ａ〜３１ｆ排気通路
３３ａ、３３ｂ迂回通路
３４排気調整バルブ
３５、３６迂回調整バルブ
４０ＥＧＲ通路
５０低圧段過給機
５１タービン
５２コンプレッサ
６０高圧段過給機
６１タービン
６２コンプレッサ
Ｓ吸排気システム

Claims

内燃機関内に設けられ、３つ以上の気筒を含む気筒群と、
前記気筒群に吸気を導入する吸気通路と、
前記吸気を圧縮する低圧段過給機及び高圧段過給機と、
前記気筒群のうちの排気脈動の干渉が生じない２つの第１気筒の各々から排出される排気を、前記高圧段過給機に導入する第１排気通路と、
前記高圧段過給機を迂回するように設けられ、前記気筒群のうちの前記第１気筒とは異なる第２気筒から排出される排気を、前記高圧段過給機よりも下流側に設けられた前記低圧段過給機に導入する第２排気通路と、
を備えることを特徴とする内燃機関の吸排気システム。
前記第２排気通路と前記吸気通路との間を接続し、前記第２気筒から排出される排気を前記吸気通路へ還流させる還流通路と、
前記第２排気通路において前記還流通路との接続点よりも下流側に設けられ、前記第２排気通路における排気の圧力を調整する排圧調整部と、を更に備えることを特徴とする、
請求項１に記載の内燃機関の吸排気システム。
前記第２排気通路と前記吸気通路との間を接続し、前記第２気筒から排出される排気を前記吸気通路へ還流させる還流通路と、
前記第２排気通路において前記還流通路との接続点よりも下流側に設けられ、前記還流通路における排気の流量を調整する流量調整部と、を更に備えることを特徴とする、
請求項１又は２に記載の内燃機関の吸排気システム。
前記第２排気通路は、排気脈動の干渉が生じない２つの前記第２気筒の各々から排出される排気を、前記低圧段過給機に導入することを特徴とする、
請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の吸排気システム。
前記第２気筒は、２つあり、
前記第２排気通路は、２つの前記第２気筒の各々と接続され前記高圧段過給機を迂回する二つの迂回通路を含むことを特徴とする、
請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の吸排気システム。