JP2017110557A

JP2017110557A - ツインスクロールターボチャージャ付内燃機関の排気還流システム

Info

Publication number: JP2017110557A
Application number: JP2015245459A
Authority: JP
Inventors: 研二加藤; Kenji Kato
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2017-06-22

Abstract

【課題】内燃機関におけるトルク変動の発生を抑制しつつ、吸気通路に排気を排気圧力の脈動を利用して効率よく還流させることができるツインスクロールターボチャージャ付内燃機関の排気還流システムを提供する。【解決手段】ツインスクロールターボチャージャ付内燃機関の排気還流システム４０は、第１気筒グループから排出された排気を第１スクロール部２５に導く第１排気通路１３ａから分岐して吸気通路１２に接続する第１ＥＧＲ通路４１と、第２気筒グループから排出された排気を第２スクロール部２６に導く第２排気通路１３ｂから分岐して吸気通路１２に接続する第２ＥＧＲ通路４２とを備え、第１ＥＧＲ通路及び第２ＥＧＲ通路は、合流することなく別々に吸気通路に接続していることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、ツインスクロールターボチャージャ付内燃機関の排気還流システムに関し、より詳細には、第１及び第２スクロールを有するツインスクロールターボチャージャ付内燃機関の排気還流システムに関する。

従来、吸気を過給するターボ式過給機の一つとして、他気筒からの排気エネルギーの干渉を低減させることで、低回転域でのタービン回転の立ち上がりを早めて、低回転域でのレスポンスとパワーを向上させるための、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ターボチャージャ（ツインエントリー型の排気ターボ過給機）が知られている。

このようなツインスクロールターボチャージャを有する内燃機関においては、ツインスクロールターボチャージャに導入される排気の干渉を抑制するために、排気行程順が隣り合う複数の気筒からの排気ガスを分けて排気させるとともに、複数の気筒を排気行程が隣り合う気筒を別々に分け、排気行程が互いに隣り合わない気筒によって構成された一方の第１気筒グループと、排気行程が互いに隣り合わない気筒によって構成された他方の第２気筒グループとに分け、第１気筒グループから排出された排気を第１排気通路によって第１スクロール部に導くとともに、第２気筒グループから排出された排気を第２排気通路によって第２スクロール部に導くことが行われている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１１−９９３７５号公報

上述したようなツインスクロールターボチャージャ付内燃機関において、第１排気通路及び第２排気通路のいずれか一方の排気通路の排気のみを吸気通路に還流させた場合、第１排気通路の排気の圧力と第２排気通路の排気の圧力との間に圧力差が生じてしまう。この場合、この各気筒群の間の排気の圧力差が内燃機関の燃焼状態に悪影響を及ぼして、内燃機関にトルク変動が生じる可能性がある。

ところで、特許文献１には、第１排気通路の排気の一部と第２排気通路の排気の一部とをＥＧＲバルブで合流させた上で吸気通路に還流する技術も開示されている。この技術によれば、上述した排気通路側のトルク変動の発生は抑制できると考えられる。しかしながら、この技術の場合、２つのＥＧＲ通路をそれぞれ経由して吸気通路に還流する排気（ＥＧＲガス）のそれぞれの圧力脈動が、合流することで減衰してしまうため、圧力脈動を利用して吸気通路に排気を効率よく還流させることは困難である。

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、内燃機関におけるトルク変動の発生を抑制しつつ、吸気通路に排気を排気圧力の脈動を利用して効率よく還流させることができるツインスクロールターボチャージャ付内燃機関の排気還流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ツインスクロールターボチャージャ付内燃機関の
排気還流システムは、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ターボチャージャを有し、複数の気筒を排気行程が隣り合う気筒を別々に分けて、一方の排気行程が互いに隣り合わない複数の気筒によって構成された第１気筒グループと、他方の排気行程が互いに隣り合わない複数の気筒によって構成された第２気筒グループと、を有する内燃機関の排気還流システムであって、前記第１気筒グループから排出された排気を前記第１スクロール部に導く第１排気通路から分岐して前記内燃機関の吸気通路に接続する第１ＥＧＲ通路と、前記第２気筒グループから排出された排気を前記第２スクロール部に導く第２排気通路から分岐して前記吸気通路に接続する第２ＥＧＲ通路とを備え、前記第１ＥＧＲ通路及び前記第２ＥＧＲ通路は合流することなく別々に前記吸気通路に接続していることを特徴とする。

本発明に係るツインスクロールターボチャージャ付内燃機関の排気還流システムによれば、排気の一部を第１排気通路及び第２排気通路の両方から分流して吸気通路に還流させることができる。それにより、第１排気通路に接続する気筒群と第２排気通路に接続する気筒群との間で排気の圧力差が生じることを抑制できるので、内燃機関におけるトルク変動の発生を抑制することができる。

また、第１ＥＧＲ通路及び第２ＥＧＲ通路は合流することなく別々に吸気通路に接続していることから、第１ＥＧＲ通路の排気は第２ＥＧＲ通路の排気と合流することなく吸気通路に還流され、第２ＥＧＲ通路の排気は第１ＥＧＲ通路の排気と合流することなく吸気通路に還流される。それにより、第１ＥＧＲ通路及び第２ＥＧＲ通路をそれぞれ別個に通過する排気の脈動が互いに干渉することがないので、相互干渉による排気脈動減衰を回避することができ、排気圧力の脈動を利用して吸気通路に排気を効率よく還流させることができる。

本発明に係るツインスクロールターボチャージャ付内燃機関の排気還流システムによれば、内燃機関におけるトルク変動の発生を抑制しつつ、吸気通路に排気を排気圧力の脈動を利用して効率よく還流させることができる。

本発明の実施形態に係る内燃機関システムを示す模式図である。

以下、本発明に係る実施の形態のツインスクロールターボチャージャ付内燃機関の排気還流システムについて図面を参照しつつ説明する。

図１は本実施形態に係るツインスクロールターボチャージャ付内燃機関の排気還流システム４０（以下、排気還流システム４０と略称する）が適用された内燃機関システム１を示す模式図である。内燃機関システム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。内燃機関システム１は、内燃機関１０、ツインスクロールターボチャージャ２０（以下、ターボチャージャ２０と略称する）、制御装置３０及び排気還流システム４０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には、吸気が通過する吸気通路１２と、排気が通過する排気通路（第１排気通路１３ａ、第２排気通路１３ｂ及び第３排気通路１３ｃ）とが接続されている。吸気通路１２は、下流側が分岐して各気筒１１の吸気ポートに接続している。排気通路の説明は後述する。

ターボチャージャ２０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２０は、導入された排気の力を受けて駆動するタービン２１と、タービン２１と一体となって回転するようにタービン２１に接続したコンプレッサ２２と、タービン２１を収容するタービンハウジング２３と、コンプレッサ２２を収容するコンプレッサハウジング２４とを有している。コンプレッサ２２は、吸気通路１２の通路途中に配置されている。コンプレッサ２２が回転することで、吸気通路１２の吸気は過給される。また、タービンハウジング２３には、タービン２１に供給される排気が通過するスクロール通路として、第１スクロール部２５及び第２スクロール部２６が設けられている。なお、ターボチャージャ２０の構造自体は、周知のツインスクロール型ターボチャージャと同様であるので、これ以上詳細な説明は省略する。

制御装置３０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であり、内燃機関１０の着火時期、燃料噴射時期、燃料噴射量等を制御する。また、本実施形態に係る制御装置３０は、排気還流システム４０の後述する第１ＥＧＲバルブ４３及び第２ＥＧＲバルブ４４も制御する。

内燃機関１０は複数の気筒１１、具体的には一方向に配列した４つの気筒１１（＃１〜＃４の気筒１１）を有している。内燃機関１０において、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とは排気行程が互いに隣り合い、＃３の気筒１１と＃４の気筒１１とは排気行程が互いに隣り合い、＃４の気筒１１と＃２の気筒１１とは排気行程が互いに隣り合う。一方、＃１の気筒１１と＃４の気筒１１とは排気行程が互いに隣り合わず、＃２の気筒１１と＃３の気筒１１とは排気行程が互いに隣り合わない。そのため、＃１の気筒１１と＃４の気筒１１と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とは排気弁の開弁期間が重ならない。

本実施形態において、４つ気筒１１（＃１〜＃４の気筒１１）を排気行程が隣り合う気筒を別々に分けて（つまり、＃１〜＃４の中で、排気行程が隣り合う＃１と＃３とを別々に分け、＃３と＃４とを別々に分け、＃４と＃２とを別々に分け）、別々に分けられた気筒群のうち、一方の排気行程が互いに隣り合わない＃１の気筒１１及び＃４の気筒１１を第１気筒グループと称し、他方の排気行程が互いに隣り合わない＃２の気筒１１及び＃３の気筒１１を第２気筒グループと称する。

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、一方の排気行程が互いに隣り合わない第１気筒グループとして＃１、＃３及び＃５の気筒１１を用いることができ、他方の排気行程が互いに隣り合わない第２気筒グループとして＃２、＃４及び＃６の気筒１１を用いることができる。

第１排気通路１３ａは、第１気筒グループから排出された排気を第１スクロール部２５に導くように、＃１及び＃４の気筒１１と第１スクロール部２５とを接続している。第２排気通路１３ｂは、第２気筒グループから排出された排気を第２スクロール部２６に導くように、＃２及び＃３の気筒１１と第２スクロール部２６とを接続している。なお、本実施形態において第１排気通路１３ａ及び第２排気通路１３ｂはそれぞれ上流側が分岐して各気筒１１に接続し、下流側はスクロール部で合流している。第３排気通路１３ｃは、タービン２１を通過した排気が流れる通路であり、その上流端はタービンハウジング２３の排気出口に接続している。

排気還流システム４０によれば、上述したように第１気筒グループから排出された排気と第２気筒グループから排出された排気とが別々にターボチャージャ２０のタービン２１
に導入されていることから、タービン２１に導入される排気の干渉が抑制されている。

続いて排気還流システム４０の詳細について説明する。排気還流システム４０は、第１排気通路１３ａの排気の一部と第２排気通路１３ｂの排気の一部とをそれぞれ分岐して内燃機関１０の吸気系に還流するシステムである。

本実施形態に係る排気還流システム４０は、第１の排気還流通路である第１ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）通路４１と、第２の排気還流通路である第２ＥＧＲ通路４２と、第１の排気還流バルブである第１ＥＧＲバルブ４３と、第２の排気還流バルブである第２ＥＧＲバルブ４４とを備えている。

第１ＥＧＲ通路４１は、第１排気通路１３ａの通路途中と吸気通路１２の通路途中とを接続している。第２ＥＧＲ通路４２は、第２排気通路１３ｂの通路途中と吸気通路１２の通路途中とを接続している。

また、第１ＥＧＲ通路４１及び第２ＥＧＲ通路４２は、互いに途中で合流することなく、吸気通路１２に別々に接続している。具体的には第１ＥＧＲ通路４１及び第２ＥＧＲ通路４２は、第１排気通路１３ａ及び第２排気通路１３ｂと吸気通路１２との間の部分において、互いに完全に分離しており、一度も合流していない。

なお、本実施形態において第１ＥＧＲ通路４１及び第２ＥＧＲ通路４２はそれぞれ、排気通路の分岐した部分（排気マニホールド）よりも下流側にある「合流した部分」の通路途中と、吸気通路１２の分岐した部分（吸気マニホールド）よりも上流側にある「合流した部分」の通路途中とを接続している。但し、第１ＥＧＲ通路４１及び第２ＥＧＲ通路４２の排気通路及び吸気通路１２への具体的な接続箇所は、図１に示す箇所に限定されるものではない。

第１ＥＧＲバルブ４３は、第１ＥＧＲ通路４１の通路途中に配置されており、制御装置３０の指示を受けて開閉することで第１ＥＧＲ通路４１を通過する排気（ＥＧＲガス）の流量を調整する。第２ＥＧＲバルブ４４は、第２ＥＧＲ通路４２の通路途中に配置されており、制御装置３０の指示を受けて開閉することで第２ＥＧＲ通路４２を通過する排気の流量を調整する。

排気還流システム４０は以下のように作動する。制御装置３０の指示を受けて第１ＥＧＲバルブ４３が開になった場合、第１排気通路１３ａの排気（第１気筒グループから排出された排気）の一部は、第１ＥＧＲ通路４１を通過して吸気通路１２に還流する。また制御装置３０の指示を受けて第２ＥＧＲバルブ４４が開になった場合、第２排気通路１３ｂの排気（第２気筒グループから排出された排気）の一部は、第２ＥＧＲ通路４２を通過して吸気通路１２に還流する。そして、これらの第１ＥＧＲバルブ４３と第２ＥＧＲバルブ４４は、同時に同じ弁開度になるように制御される。以上のように排気還流システム４０は作動する。

以上説明した排気還流システム４０によれば、第１ＥＧＲバルブ４３と第２ＥＧＲバルブ４４を同時に同じ弁開度になるように制御して、第１排気通路１３ａの排気の一部を第１ＥＧＲ通路４１を介して吸気通路１２に還流させることができ、第２排気通路１３ｂの排気の一部を第２ＥＧＲ通路４２を介して吸気通路１２に還流させることができる。つまり、排気の一部を第１排気通路１３ａ及び第２排気通路１３ｂの両方から分流して吸気通路に別々に還流させることができる。

それにより、例えば第１排気通路１３ａの排気の一部のみを吸気通路１２に還流させる
場合や、第２排気通路１３ｂの排気の一部のみを吸気通路１２に還流させる場合に比較して、第１排気通路１３ａに接続する気筒群（＃１及び＃４の気筒１１）と第２排気通路１３ｂに接続する気筒群（＃２及び＃３の気筒１１）との間で排気の圧力差が生じることを抑制できる。それにより、内燃機関１０におけるトルク変動の発生を抑制できる。

また、第１ＥＧＲ通路４１及び第２ＥＧＲ通路４２は合流することなく吸気通路１２に別々に接続していることから、第１ＥＧＲ通路４１の排気は第２ＥＧＲ通路４２の排気と合流することなく吸気通路１２に還流され、第２ＥＧＲ通路４２の排気は第１ＥＧＲ通路４１の排気と合流することなく吸気通路１２に還流される。それにより、第１ＥＧＲ通路４１及び第２ＥＧＲ通路４２をそれぞれ別個に通過する排気の脈動が互いに干渉することがないので、相互干渉による排気脈動減衰を回避することができ、排気圧力の脈動を利用して吸気通路１２に排気を効率よく還流させることができる。

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内燃機関システム
１０内燃機関
１１気筒
１２吸気通路
１３ａ第１排気通路
１３ｂ第２排気通路
２０ツインスクロールターボチャージャ
２５第１スクロール部
２６第２スクロール部
３０制御装置
４０排気還流システム
４１第１ＥＧＲ通路
４２第２ＥＧＲ通路
４３第１ＥＧＲバルブ
４４第２ＥＧＲバルブ

Claims

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ターボチャージャを有し、複数の気筒を排気行程が隣り合う気筒を別々に分けて、一方の排気行程が互いに隣り合わない複数の気筒によって構成された第１気筒グループと、他方の排気行程が互いに隣り合わない複数の気筒によって構成された第２気筒グループと、を有する内燃機関の排気還流システムであって、
前記第１気筒グループから排出された排気を前記第１スクロール部に導く第１排気通路から分岐して前記内燃機関の吸気通路に接続する第１ＥＧＲ通路と、
前記第２気筒グループから排出された排気を前記第２スクロール部に導く第２排気通路から分岐して前記吸気通路に接続する第２ＥＧＲ通路とを備え、
前記第１ＥＧＲ通路及び前記第２ＥＧＲ通路は合流することなく別々に前記吸気通路に接続していることを特徴とするツインスクロールターボチャージャ付内燃機関の排気還流システム。