JP2017072051A - 内燃機関の吸排気システム - Google Patents

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Abstract

【課題】排気脈動の干渉を抑制しつつ、排気の一部を吸気通路に還流させた場合におけるターボチャージャの過給効率の低下を抑制して燃費の向上を図ることができる内燃機関の吸排気システムを提供する。【解決手段】内燃機関の吸排気システム1,1aは、第1気筒群の中から選択された1つの気筒である特定気筒11の排気をツインスクロール型のターボチャージャ60をバイパスさせてターボチャージャよりも下流側の排気通路部31eに導入するバイパス通路部31dと、第1気筒群のうち特定気筒以外の気筒の排気をターボチャージャの第1スクロール部66に導入する排気通路部31aと、バイパス通路部の途中から分岐して内燃機関の吸気通路20の途中に接続するEGR通路90と、を備えることを特徴とする。【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、ツインスクロール型のターボチャージャを有する内燃機関の吸排気システムに関する。
従来、内燃機関の吸排気システムとして、第1スクロール部及び第2スクロール部を有するツインスクロール型のターボチャージャを備える内燃機関の吸排気システムが知られている(例えば特許文献1参照)。
この内燃機関は、排気行程が隣り合わないことで排気脈動の干渉が生じない第1気筒群(#1の気筒及び#4の気筒)と第2気筒群(#2の気筒及び#3の気筒)とを有している。そして、この吸排気システムは、第1気筒群から排出された排気を第1排気通路部によって第1スクロール部に導入し、第2気筒群から排出された排気を第2排気通路部によって第2スクロール部に導入している。この構成により、この吸排気システムはターボチャージャに導入される排気脈動の干渉の抑制を図り、以ってポンピングロスを低減して燃費の向上を図っている。
また、この吸排気システムにおいて、EGR通路は、第1排気通路部及び第2排気通路部の両方の通路途中から分岐して吸気通路の通路途中に接続している。これにより、この吸排気システムは、ターボチャージャに導入される前の第1排気通路部及び第2排気通路部の両方の排気を吸気通路に還流している。
特開2011−241723号公報
上記吸排気システムでは、EGR通路を介して排気の一部を吸気通路に還流させた場合に、ターボチャージャに導入される排気量が減少してしまう。この場合、ターボチャージャの過給効率が悪化してしまい、その結果、ターボチャージャによる燃費向上の実現が困難になってしまう。
本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、排気脈動の干渉を抑制しつつ、排気の一部を吸気通路に還流させた場合におけるターボチャージャの過給効率の低下を抑制して燃費の向上を図ることができる内燃機関の吸排気システムを提供することである。
上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の吸排気システムは、排気脈動の干渉が生じない複数の気筒によってそれぞれ構成された第1気筒群及び第2気筒群と、第1スクロール部及び第2スクロール部を有するツインスクロール型のターボチャージャと、前記第2気筒群の排気を前記第2スクロール部に導入する排気通路部と、を有する内燃機関に適用された吸排気システムにおいて、前記第1気筒群の中から選択された1つの気筒である特定気筒の排気を前記ターボチャージャをバイパスさせて該ターボチャージャよりも下流側の排気通路部に導入するバイパス通路部と、前記第1気筒群のうち前記特定気筒以外の気筒の排気を前記第1スクロール部に導入する排気通路部と、前記バイパス通路部の途
中から分岐して前記内燃機関の吸気通路の途中に接続するEGR通路と、を備えることを特徴とする。
本発明に係る内燃機関の吸排気システムによれば、排気脈動の干渉を抑制しつつ、バイパス通路部の排気の一部をEGR通路によって吸気通路に還流させることができる。それにより、排気脈動の干渉を抑制しつつ、ターボチャージャを通過する排気量の減少を抑制できるので、ターボチャージャの過給効率の低下を抑制して燃費の向上を図ることができる。
上記構成は、前記バイパス通路部の排気を制御する排気制御バルブをさらに備える構成とすることができる。
この構成によれば、排気制御バルブによってバイパス通路部の排気を制御することで、バイパス通路部から吸気通路に還流する排気を制御することができる。それにより、内燃機関の燃費を効果的に向上させることができる。
上記構成は、前記EGR通路の排気を制御するEGRバルブをさらに備える構成とすることができる。
この構成によれば、排気制御バルブとEGRバルブの両方によって吸気通路に還流する排気を制御できるので、吸気通路に還流する排気を精度よく制御することができる。
上記構成は、前記第2気筒群の排気を前記第2スクロール部に導入する前記排気通路部の途中から分岐して前記ターボチャージャよりも下流側の前記排気通路部の途中に接続する第2のバイパス通路部と、前記第2のバイパス通路部の排気を制御する排気制御バルブと、をさらに備える構成とすることができる。
この構成によれば、排気制御バルブが第2のバイパス通路部の排気を制御することで、ターボチャージャに導入される排気量を制御することができる。これにより、ターボチャージャの過給圧を調整することができる。
本発明に係る内燃機関の吸排気システムによれば、排気脈動の干渉を抑制しつつ、バイパス通路部の排気の一部をEGR通路によって吸気通路に還流させることができる。それにより、排気脈動の干渉を抑制しつつ、ターボチャージャを通過する排気量の減少を抑制できるので、ターボチャージャの過給効率の低下を抑制して燃費の向上を図ることができる。
本発明の実施形態1に係る内燃機関の吸排気システムの模式図である。 本発明の実施形態2に係る内燃機関の吸排気システムの模式図である。
(実施形態1)
以下、本発明の実施形態1に係る内燃機関の吸排気システム1(以下、吸排気システム1と略称する)について図面を参照しつつ説明する。
図1は実施形態1に係る吸排気システム1の模式図である。吸排気システム1は車両に搭載されている。車両の種類は特に限定されるものではないが、本実施形態においては一例としてバス、トラック等の大型車両を用いる。吸排気システム1は、内燃機関10と、
吸気(A)が通過する吸気通路20と、排気(G)が通過する排気通路30と、内燃機関10を制御する制御装置40とを備えている。内燃機関10の種類は特に限定されるものではないが、本実施形態においては一例としてディーゼルエンジンを用いる。
内燃機関10は複数の気筒11を備えている。気筒11の個数は複数であれば特に限定されるものではないが、本実施形態においては一例として4個である。具体的には内燃機関10は、一方向に配列した#1〜#4の気筒11を有している。着火は#1の気筒11、#3の気筒11、#4の気筒11及び#2の気筒11の順に行われる。この場合、#1の気筒11と#3の気筒11は排気行程が隣り合い、#3の気筒11と#4の気筒11は排気行程が隣り合い、#4の気筒11と#2の気筒11は排気行程が隣り合う。一方、#1の気筒11と#4の気筒11は排気行程が隣り合わず、#2の気筒11と#3の気筒11は排気行程が隣り合わない。そのため、#1の気筒11と#4の気筒11は排気弁の開弁期間が重ならず、#2の気筒11と#3の気筒11は排気弁の開弁期間が重ならない。
排気行程が隣り合わない#1の気筒11と#4の気筒11は、これらの気筒11から排出された排気を合流させても排気脈動の干渉が生じない。同様に、排気行程が隣り合わない#2の気筒11と#3の気筒11は、これらの気筒11から排出された排気を合流させても排気脈動の干渉が生じない。本実施形態においては、排気脈動の干渉が生じない#1の気筒11及び#4の気筒11を第1気筒群と称し、排気脈動の干渉が生じない#2の気筒11及び#3の気筒11を第2気筒群と称する。
なお、他の一例を挙げると、例えば内燃機関10が#1〜#6の合計6つの気筒11を有する場合、例えば、一方の排気脈動の干渉が生じない第1気筒群として#1、#2及び#3の気筒11を用いることができ、他方の排気脈動の干渉が生じない第2気筒群として#4、#5及び#6の気筒11を用いることができる。
なお本実施形態において、#4の気筒11は、第1気筒群の中から選択された1つの気筒11である特定気筒に相当する。
吸気通路20の下流側端部はインテークマニホールド21となっており、このインテークマニホールド21の下流側端部が分岐して各気筒11に接続している。排気通路30の詳細は後述する。
制御装置40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)であり、内燃機関10の燃料噴射時期、燃料噴射量等を制御することで内燃機関10の運転状態を統合的に制御する。また本実施形態に係る制御装置40は、後述するスロットルバルブ80及び排気制御バルブ110の動作も制御する。
また吸排気システム1は、エアクリーナ50と、ターボチャージャ60と、CAC(Charge Air Cooler:過給冷却器)70と、スロットルバルブ80とを備えている。エアクリーナ50、ターボチャージャ60の後述するコンプレッサ62、CAC70及びスロットルバルブ80は、上流側から順に吸気通路20に配置されている。吸気通路20に吸入された吸気(空気)はエアクリーナ50を通過することで不純物が除去される。次いで吸気は、コンプレッサ62によって過給され、CAC70において冷却され、スロットルバルブ80によって流量が調整されて各気筒11に流入する。なお、ターボチャージャ60の詳細は後述する。
また吸排気システム1は、排気通路30の排気の一部を吸気通路20に還流するEGR(Exhaust Gas Recirculation:排気還流)通路90と、EG
R通路90に配置されてEGR通路90の排気を冷却するEGRクーラ92とを備えている。EGR通路90は、排気通路30の後述する排気通路部31dの通路途中から分岐して吸気通路20のスロットルバルブ80とインテークマニホールド21との間の部分に接続している。これ以降、EGR通路90を通過する排気をEGRガスと称する。
また吸排気システム1は、排気通路30の排気を浄化するEAT(Exhaust After−Treatment:排気後処理装置)100を備えている。EAT100は、排気通路30の後述する排気通路部31eの通路途中に配置されている。タービン61を通過した排気はEAT100を通過することで浄化されて外部に排出される。
ターボチャージャ60は、内燃機関10に吸入される吸気を過給する装置である。ターボチャージャ60は、タービン61、コンプレッサ62、タービン61とコンプレッサ62とを連結する連結軸63、タービン61を収容するタービンハウジング64、及びコンプレッサ62を収容するコンプレッサハウジング65を有している。タービン61は排気通路30に配置されており、排気のエネルギを受けて回転する。タービン61が回転することで、タービン61に接続したコンプレッサ62が回転して吸気通路20の吸気を過給する。
タービンハウジング64は、タービン61に供給される排気が通過する2つのスクロール通路として、第1スクロール部66及び第2スクロール部67を備えている。すなわち、本実施形態に係るターボチャージャ60はツインスクロール型のターボチャージャである。
なお、本実施形態において、第1スクロール部66の入口の断面積(mm)は、第2スクロール部67の入口の断面積よりも小さく設定されている。すなわち、本実施形態に係るターボチャージャ60は、第1スクロール部66の入口の断面積と第2スクロール部67の入口の断面積とが互いに異なるアシンメトリックタイプのツインスクロール型のターボチャージャである。但し、ターボチャージャ60の構成はこれに限定されるものではなく、例えばターボチャージャ60は、第1スクロール部66の入口の断面積が第2スクロール部67の入口の断面積と同じシンメトリックタイプのツインスクロール型のターボチャージャであってもよい。
排気通路30は、タービンハウジング64よりも下流側にある排気通路部31eと、タービンハウジング64よりも上流側にある排気通路部31a〜31dとを備えている。排気通路部31aは、#1の気筒11とタービン61の第1スクロール部66とを連通している。排気通路部31bは、#2の気筒11と第2スクロール部67とを連通している。排気通路部31cは、#3の気筒11と第2スクロール部67とを連通している。なお、排気通路部31b及び排気通路部31cは、下流側の通路途中で合流して1本の通路となって第2スクロール部67に接続している。排気通路部31dは、#4の気筒11と排気通路部31eの途中とを連通している。
すなわち、排気通路部31dは、特定気筒(#4の気筒11)の排気をターボチャージャ60をバイパスさせてターボチャージャ60よりも下流側の排気通路部31eに導入するバイパス通路部に相当する。排気通路部31aは、第1気筒群(#1及び#4の気筒11)のうち特定気筒以外の気筒11である#1の気筒11の排気を第1スクロール部66に導入する排気通路部に相当する。排気通路部31b及び排気通路部31cは、第2気筒群(#2及び#3の気筒11)の排気を第2スクロール部67に導入する排気通路部に相当する。そして、EGR通路90は、バイパス通路部(排気通路部31d)の途中から分岐して吸気通路20の途中に接続している。
また、吸排気システム1は、排気通路部31dに排気制御バルブ110を備えている。具体的には本実施形態に係る排気制御バルブ110は、排気通路部31dのEGR通路90の接続箇所(C点)よりも下流側の部分に配置されている。
排気制御バルブ110は、制御装置40の指示を受けて、内燃機関10の負荷に基づいて、排気通路部31dの排気の流量を制御する。本実施形態においては、この負荷の一例として、新気量(空気量)を用いる。すなわち、本実施形態に係る排気制御バルブ110は、内燃機関10の新気量に基づいて排気制御バルブ110の開度を調整することで、排気通路部31dの排気の流量を制御する。排気制御バルブ110が排気通路部31dの排気の流量を制御することで、排気通路部31dの排気圧も制御される。その結果、EGR通路90を通過して吸気通路20に還流するEGRガスの流量も制御される。すなわち、本実施形態に係る排気制御バルブ110は、排気通路部31dの排気の流量を制御することで、EGR通路90を通過するEGRガスの流量も制御している。
なお、上述した新気量に基づく排気制御バルブ110の具体的な制御内容は、例えば、周知のEGRシステムに用いられているEGRバルブの空気量制御(例えばMAF制御)を適用することができるので、この制御内容の詳細な説明は省略する。また、排気制御バルブ110の具体的な種類は、排気を制御可能なバルブであれば特に限定されるものではなく、周知の流量制御バルブ等を用いることができる。
さらに、本実施形態に係る排気制御バルブ110は、内燃機関10の始動時の場合のように、内燃機関10の温度が予め設定された設定値よりも低い低温の場合には、開の状態に制御される。具体的には本実施形態においては、この内燃機関10の温度として、内燃機関10の冷媒の温度を用いる。制御装置40は、冷媒の温度を検出する温度センサの検出結果に基づいて冷媒の温度を取得し、取得された冷媒の温度が設定値よりも低い場合に、排気制御バルブ110を開に制御する。このように排気制御バルブ110が制御されることにより、内燃機関10が低温の場合において、#4の気筒11から排出された排気はタービン61を経由せずにEAT100に直接導入される。
なお、低温時に排気制御バルブ110を開にする上記制御は、前述した新気量に基づく排気制御バルブ110の制御よりも優先的に実行される。
以上説明した本実施形態に係る吸排気システム1によれば、排気脈動の干渉を抑制しつつ、排気通路部31d(バイパス通路部)の排気の一部をEGR通路90によって吸気通路20に還流させることができる。それにより、排気脈動の干渉を抑制しつつターボチャージャ60を通過する排気量の減少を抑制することができる。その結果、排気脈動の干渉を抑制しつつ、排気を吸気通路20に還流させた場合におけるターボチャージャ60の過給効率の低下を抑制して燃費の向上を図ることができる。
また、吸排気システム1によれば、排気制御バルブ110によって排気通路部31dの排気を制御することで、排気通路部31dから吸気通路20に還流する排気(EGRガス)を制御することができる。それにより、内燃機関10の燃費を効果的に向上させることができる。
また、吸排気システム1によれば、内燃機関10の温度が低温の場合に排気制御バルブ110が開の状態に制御されるので、内燃機関10の温度が低温の場合に、#4の気筒11から排出された排気をタービン61を経由せずにEAT100に直接導入することができる。それにより、EAT100に導入される排気の温度がタービン61を経由することによって低下することを抑制できるので、EAT100の昇温時間を短縮させることができ、EAT100による排気処理の効率を高めることができる。
なお、EGRガスの吸気通路20への還流を促進させるためだけであれば、例えばタービン61よりも上流側の排気通路部にオリフィス等の絞りを配置する等の手法で、タービン61の上流側の排気通路部の排気圧を上昇させることによっても、EGRガスの吸気通路20への還流を促進させることは可能と考えられる。しかしながら、この手法の場合、気筒11の排気圧が必要以上に上昇してしまい、その結果、ポンピングロスが増加し、燃費が悪化してしまう。これに対して本実施形態に係る吸排気システム1によれば、このようにオリフィス等の絞りをタービン61の上流側の排気通路部に配置する必要がないので、ポンピングロスの低減を図り、燃費の向上を図ることができる。
なお、本実施形態において、特定気筒の一例として#4の気筒11を用いたが、この構成に限定されるものではない。例えば特定気筒として、第1気筒群のうちの#4の気筒11以外の気筒11(本実施形態では#1の気筒11)を用いることもできる。この場合、排気通路部31dの上流側端部が#1の気筒11に接続し、排気通路部31aの上流側端部が#4の気筒11に接続すればよい。あるいは特定気筒として、第2気筒群を構成する複数の気筒11から選択された1つの気筒(本実施形態では#2の気筒11または#3の気筒11)を用いることもできる。なお、これは後述する実施形態2においても同様である。
(実施形態2)
図2は本発明の実施形態2に係る吸排気システム1aの模式図である。吸排気システム1aは、EGRバルブ91、排気通路部31f及び排気制御バルブ120をさらに備えている点において、図1に示す吸排気システム1と異なっている。
EGRバルブ91は、EGR通路90に配置されている。EGRバルブ91は、内燃機関10の負荷に基づいてEGR通路90の排気(EGRガス)を制御する。本実施形態においては、この負荷の一例として、新気量を用いる。なお、EGRバルブ91の構成は周知の内燃機関のEGRバルブを適用でき、EGRバルブ91の制御も周知のEGRバルブの制御(例えば前述した空気量制御等)を適用できるため、これらに関する詳細な説明は省略する。
排気通路部31fは、排気通路部31b及び排気通路部31cの合流した部分の途中から分岐してターボチャージャ60よりも下流側の排気通路部31eの途中に接続している。すなわち、排気通路部31fは、第2気筒群(#2及び#3の気筒11)の排気を第2スクロール部67に導入する排気通路部(排気通路部31b,31c)の途中から分岐してターボチャージャ60よりも下流側の排気通路部31eの途中に接続する第2のバイパス通路部に相当する。なお、具体的には本実施形態に係る排気通路部31fの下流側端部は、排気通路部31eのタービンハウジング64とEAT100との間の部分に接続している。
排気制御バルブ120は排気通路部31fに配置されている。排気制御バルブ120は、制御装置40の指示を受けて、内燃機関10の負荷(本実施形態においては一例として新気量)に基づいて排気通路部31fの排気の流量を制御する。この制御の一例を挙げると、例えば排気制御バルブ120は、制御装置40の指示を受けて、内燃機関10の負荷が予め設定された設定値よりも低い低負荷の場合に開弁し、内燃機関10の負荷が設定値以上である高負荷の場合に閉弁する。このように低負荷の場合に排気制御バルブ120が開弁することで、低負荷の場合において、第2気筒群の排気をターボチャージャ60をバイパスさせてEAT100に導入することができる。
また、本実施形態において、内燃機関10へのEGRガスの導入を停止させる場合には
、制御装置40はEGRバルブ91を閉弁させる(なお、この場合、排気制御バルブ110は開弁していてもよく、閉弁していてもよい)。このように、EGRバルブ91が閉弁することで、吸気通路20に還流するEGRガスを確実にゼロにすることができる。また、吸気通路20の吸気がEGR通路90を逆流して排気通路部31dに流入することも確実に抑制することができる。
なお、排気制御バルブ120の具体的な種類は、特に限定されるものではなく、周知のウエストゲートバルブ等を用いることができる。
以上説明した本実施形態に係る吸排気システム1aによれば、実施形態1の作用効果に加えて次の作用効果を奏することができる。具体的には吸排気システム1aによれば、排気制御バルブ110を備えるとともにEGRバルブ91を備えているので、排気制御バルブ110とEGRバルブ91の両方によって吸気通路20に還流する排気を制御することができる。これにより、吸気通路20に還流する排気を精度よく制御することができる。
また、前述したように、内燃機関10へのEGRガスの導入を停止させる場合にEGRバルブ91が閉弁するので、吸気通路20に還流するEGRガスの量を確実にゼロにすることができるとともに、吸気通路20の吸気がEGR通路90を逆流して排気通路部31dに流入することも確実に抑制することができる。
また、排気制御バルブ120によってターボチャージャ60に導入される排気量を制御することができる。これにより、ターボチャージャ60の過給圧を調整することができる。
ここで、仮に、内燃機関10が低負荷の場合において、EAT100に導入前の排気がターボチャージャ60を通過した場合、ターボチャージャ60を通過することで排気の温度が低下し、この温度が低下した排気がEAT100に導入される。この場合、EAT100の昇温時間が長くなってしまい、EAT100による排気処理効率が悪化してしまう。これに対して、本実施形態によれば、前述したように、内燃機関10が低負荷の場合に排気制御バルブ120が開弁することで、第2気筒群の排気をターボチャージャ60をバイパスさせてEAT100に導入することができる。これにより、EAT100の昇温時間を短縮させることができ、EAT100による排気処理効率を向上できる。
以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
1,1a 内燃機関の吸排気システム
10 内燃機関
11 気筒
31a,31e 排気通路部
31d 排気通路部(バイパス通路部)
31f 排気通路部(第2のバイパス通路部)
90 EGR通路
91 EGRバルブ
110 排気制御バルブ
120 排気制御バルブ

Claims (4)

  1. 排気脈動の干渉が生じない複数の気筒によってそれぞれ構成された第1気筒群及び第2気筒群と、第1スクロール部及び第2スクロール部を有するツインスクロール型のターボチャージャと、前記第2気筒群の排気を前記第2スクロール部に導入する排気通路部と、を有する内燃機関に適用された吸排気システムにおいて、
    前記第1気筒群の中から選択された1つの気筒である特定気筒の排気を前記ターボチャージャをバイパスさせて該ターボチャージャよりも下流側の排気通路部に導入するバイパス通路部と、
    前記第1気筒群のうち前記特定気筒以外の気筒の排気を前記第1スクロール部に導入する排気通路部と、
    前記バイパス通路部の途中から分岐して前記内燃機関の吸気通路の途中に接続するEGR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。
  2. 前記バイパス通路部の排気を制御する排気制御バルブをさらに備える請求項1記載の内燃機関の吸排気システム。
  3. 前記EGR通路の排気を制御するEGRバルブをさらに備える請求項2記載の内燃機関の吸排気システム。
  4. 前記第2気筒群の排気を前記第2スクロール部に導入する前記排気通路部の途中から分岐して前記ターボチャージャよりも下流側の前記排気通路部の途中に接続する第2のバイパス通路部と、
    前記第2のバイパス通路部の排気を制御する排気制御バルブと、をさらに備える請求項3記載の内燃機関の吸排気システム。
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