JP4713406B2

JP4713406B2 - 多気筒エンジン

Info

Publication number: JP4713406B2
Application number: JP2006146770A
Authority: JP
Inventors: 秀一中村; 健一郎今岡
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2026-05-26
Also published as: JP2007315315A

Description

この発明は、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の一部を還流させるEGR装置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・燃費の向上を実現するための技術に関する。

エンジンのEGR（排気環流：Exhaust Gas Recirculation）システムとして、排気通路から吸気通路へ排気の一部を環流させるEGR装置が良く採用される。このようなEGR装置においては、ターボチャージャのタービン上流からターボチャージャのコンプレッサ下流へ排気の一部を還流させる場合、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が十分に行えない。このため、特許文献１においては、排気マニホールドが排気行程のオーバラップしない気筒群に分割され、これらマニホールド（ターボチャージャのタービン上流）と吸気通路（ターボチャージャのコンプレッサ下流）との間を個別に接続する各EGR通路の途中にEGRガスの逆流を規制するリードバルブ（逆止弁）が介装される。また、特許文献２においては、排気マニホールドの内部に絞り部が設けられ、絞り部下流のブランチとターボチャージャのコンプレッサ下流との間を接続するEGR通路の出口（吸気通路との合流部）にリードバルブ（逆止弁）が配置される。
特開平０９−１３７７５４号実開平０６−０４０３４３号

特許文献１の場合、気筒群毎の排気マニホールド下流にターボチャージャのタービンが接続される。そのため、ターボチャージャについては、気筒群毎の排気マニホールドに対応する複数のタービン入口を持つものに制約される。タービン入口が１つ（ターボチャージャがシングルエントリ方式）の場合、タービンハウジングの内部を通して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）工程中の気筒側の排気マニホールドへ排気パルスが逃げてしまう。つまり、タービン効率およびEGR率の向上に排気脈動を十分に生かせない。特許文献２の場合、排気マニホールドの内部において、絞り部下流の排気圧力を高められるものの、絞り部によってもブランチ間の排気脈動の干渉が避けられることにならず、絞り部が有効に働く運転領域も一部に限られ、EGRの向上に全気筒の排気脈動を十分に生かせない。

この発明は、このような従来技術を踏まえつつ、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の一部を還流させるEGR装置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・大量EGRを実現しえる手段の提供を目的とする。

第１の発明は、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の一部を還流させるEGR装置を備える多気筒エンジンにおいて、吸気マニホールドの集合部上流の吸気管に配置されるEGRポートを持つベンチュリ形状またはエゼクタ形状の合流部、エンジンの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集合部下流を絞りつつ合流させる先細ノズル形状の混合部、前記合流部のEGRポートと前記排気マニホールドの集合部との間を接続するEGR通路、前記合流部のEGRポートを開閉するリードバルブ、を備え、前記リードバルブは前記合流部のEGRポートを開閉する片持ち弁であり、最大開度を制限するバルブストッパ、を備え、前記バルブストッパは、前記リードバルブの最大開度を制限する規制面、その背面側に前記合流部のベンチュリ形状またはエゼクタ形状の一部を構成する流路面、を備えることを特徴とする。

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、前記吸気マニホールドは、エンジンの吸気行程がオーバラップしない気筒群毎に分割され、前記吸気管は、下流側が分岐されてそれぞれ対応する吸気マニホールドの集合部に接続されるものにあって、前記合流部は、前記吸気管の各分岐路にそれぞれ配置され、前記EGR通路は、各合流部のEGRポートと各排気マニホールドの集合部との間を同一の気筒群同士の関係に接続することを特徴とする。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明に係る多気筒エンジンにおいて、前記EGR通路は、EGRガスを冷却するEGRクーラ、その下流側にEGR流量を制御するEGRバルブ、を備えることを特徴とする。

第１の発明においては、エンジンの排気は、各排気マニホールドにより、排気行程のオーバラップしない気筒群毎に分けられ、先細ノズル形状の混合部から下流側へ排出される。その際、先細ノズル形状の混合部により、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）行程中の排気マニホールドへ排気パルスが逃げるのを抑えられる。このため、ターボチャージャのタービン効率が高められるほか、EGR通路と吸気通路との合流部へ排気パルスが弱められることなく伝えられ、リードバルブを有効に作動させるため、EGR率の向上が得られる。また、排気噴き出し中の気筒側の混合部により、動圧が上がると、静圧が下がり、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を吸引するため、排気（押し出し）行程中のポンピングロスも低減される。吸気系においては、EGR通路との合流部（ベンチュリ形状またはエゼクタ形状に構成される）により、吸気の流れが加速され、静圧が下がるため、リードバルブ前後の瞬間的な差圧が拡大され、EGR率をさらに一段と向上させることができる。これらの結果、先細ノズル形状の混合部の直下流に接続されるターボチャージャのタービンハウジング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、高過給および大量EGRが可能となり、NOxの低減および燃費・出力の向上を促進しえるのである。リードバルブについては、吸気分岐管にEGRポートを持つベンチュリ形状またはエゼクタ形状の合流部を設け、その内部に組み付けるので、コンパクトな構造でベンチュリ形状またはエゼクタ形状の合流部および先細ノズル形状の混合部に基づく作用を効率よくEGR率の向上に利用することが可能となる。

この場合、リードバルブは、バルブストッパにより、最大開度が規定されるので、過度に曲げられることがなく、片持ち弁の良好な耐久性が得られる。また、過度の開弁により、合流部のベンチュリ形状またはエゼクタ形状が損なわれるのを防止できるのである。

また、１つのバルブストッパにより、合流部のベンチュリ形状またはエゼクタ形状の流路面を確保しつつ、リードバルブの最大開度を適正に規制することができる。

第２の発明においては、EGR通路の接続が同一の気筒群同士のため、同一の気筒群に属する各気筒間において、排気行程と吸気行程がオーバラップするので、EGR率の向上を大きく促進しえる。

第３の発明においては、EGRガス（排気）は、EGRクーラにより冷却され、EGRバルブを流れ、合流部のリードバルブへ導かれるため、EGRバルブおよびリードバルブの耐久性を良好に確保することができる。EGR通路のEGRクーラを含む下流側がEGRガスの冷却区間となるため、EGR率をさらに高めると共に、圧力波の伝播速度が遅くなるため、冷却区間の長さを調整することにより、吸気脈動の谷がリードバルブに作用するタイミングと排気脈動の山がリードバルブに達するタイミングを合わせることが可能となる。

図１において、２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下流側が分岐され、各マニホールド３ａ，３ｂ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。

８はエンジン１の排気通路であり、排気マニホールド９ａ，９ｂと排気管１０とから構成される。排気マニホールド９ａ，９ｂは、排気行程がオーバラップしない気筒群毎に分割され、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８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、各気筒への吸気を過給する。なお、ターボチャージャ６としては、タービン６ｂの入口が１つ（シングルエントリ方式）の可変ノズル式が用いられる。１２はマフラである。

図２のように、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２０に結集され、フランジ２０の接合面に合流部１１を開口する。１つのフランジ２０に結集する集合部下流は、通路をそれぞれ合流部１１へ向けて先細ノズル形状に絞る混合部２３ａ，２３ｂに形成される。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２０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２０にタービンハウジング２５のフランジ２６が連結され、先細ノズル形状の混合部２３ａ，２３ｂの合流部１１を一旦絞ってから徐々に拡げるスロート形状のディフューザ部２９がタービンハウジング２５に形成される。

先細ノズル形状の混合部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へ排気パルスが逃げるのを抑えられる。排気噴き出し中の気筒側の混合部２３ａまたは２３ｂにより、動圧が上がると、静圧が下がり、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部２９へ吸引されるのである。その後は、ディフューザ部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。

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装置であり、排気マニホールド９ａ，９ｂと後述の合流部４０ａ，４０ｂとの間を同一の気筒群同士の関係に接続するEGR通路３６ａ，３６ｂが備えられる。EGR通路３６ａ，３６ｂにおいては、EGRクーラ３７（EGRガスを冷却する）およびEGRバルブ３８（EGR流量を調整する）が介装される。EGRクーラ３７は、上流（排気マニホールド９ａ，９ｂ）側に配置され、EGRバルブ３８は、EGRクーラ３７の下流に配置される。EGR通路３６ａ，３６ｂの接続が同一の気筒群同士のため、同一の気筒群に属する各気筒間において、吸気行程と排気行程がオーバラップするので、EGR率の向上を効果的に促進しえるのである。

吸気管４の分岐路４ａ，４ｂ（吸気分岐管）にEGRポートを持つエゼクタ形状（またはベンチュリ形状）の合流部４０ａ，４０ｂが設けられる。図３，図４は、エゼクタ形状の合流部４０ａ，４０ｂ（EGR通路３６ａ，３６ｂと吸気分岐管４ａ，４ｂとの接続部）の構成を表すものであり、３つのポート４１〜４３（開口部）が備えられる。図示の場合、２つのポート４１，４２を同軸的に継ぐ通路４４が形成され、１つのポート４３が通路４４の外周に開口される。ポート４１に吸気分岐管４ａ，４ｂの上流（インタクーラ５）側が接続され、ポート４２に吸気分岐管４ａ，４ｂの下流（吸気マニホールド３ａ，３ｂ）側が接続される。

ポート４３にEGR通路３６ａ，３６ｂの下流端が接続され、ポート４３を開閉するリードバルブ３９（逆止弁）が設けられる。リードバルブ３９は片持ち弁であり、その最大開度を規制するバルブストッパ４５が備えられる。通路４４は、ポート４１，４２間にスロート部４６が構成され、ポート４１からスロート部４６へ通路断面積が徐々に小さくなり、スロート部４６からポート４２へ通路断面積が大きくなるように形成される。つまり、通路４４は、ポート４１側の通路４４ａと、ポート４２側の通路４４ｂと、ポート４３側の通路４４ｃと、がスロート部４６を介して連通する形に構成される。

ポート４１からポート４２への吸気の流れは、スロート部４６により加速され、静圧が下がるため、リードバルブ３９を開いてポート４３からEGRガスが流れやすくなるのである。リードバルブ３９は、バルブストッパ４５により、最大開度が規定されるので、過度に曲げられることがなく、片持ち弁の良好な耐久性が得られる。また、過度の開弁により、ポート４１からスロート部４６へのエゼクタ形状（またはベンチュリ形状）が損なわれるのを防止できる。

このような構成により、エンジン１の排気は、各排気マニホールド９ａ，９ｂにより、排気行程のオーバラップしない気筒群毎に分けられ、先細ノズル形状の混合部２３ａ，２３ｂからターボチャージャ６のタービン６ｂを介して下流側へ排出される。その際、先細ノズル形状の混合部２３ａ，２３ｂにより、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）行程中の排気マニホールド９ｂまたは９ａへ排気パルスが逃げるのを抑えられる。

このため、ターボチャージャ６のタービン効率が高められるほか、吸気分岐管４ａ，４ｂとEGR通路３６ａ，３６ｂとの合流部４０ａ，４０ｂへ排気パルスが弱められることなく伝えられ、リードバルブ３９を有効に作動させるため、EGR率の向上が得られる。また、先細ノズル形状の混合部２３ａ，２３ｂにより、動圧が上がり、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からディフューザ部２９へ排気が吸引され、このエゼクタ作用により、ポンピングロスも低減される。

吸気系においては、エゼクタ形状の合流部４０ａ，４０ｂにより、吸気の流れが加速され、スロート部４６の静圧が下がるため、リードバルブ３９前後の瞬間的な差圧が拡大され、EGR率をさらに一段と向上させることができる。

これらの結果、先細ノズル形状の混合部２３ａ，２３ｂに接続されるターボチャージャ６のタービン入口が１つ（シングルエントリ方式）の場合においても、高過給および大量EGRが可能となり、広い運転領域において、NOxの低減および燃費・出力の向上を促進しえるのである。リードバルブ３９については、吸気分岐管４ａ，４ｂに介装される合流部４０ａ，４０ｂの内部に組み付けるので、コンパクトな構造で混合部２３ａ，２３ｂおよび合流部４０ａ，４０ｂに基づく作用を効率よくEGR率の向上に利用することが可能となる。

図３，図４の場合、バルブストッパ４５は、板材から形成され、リードバルブ３９と共に片持ち支持される。ストッパ４５は、リードバルブ３９に対する規制面を形成するため、通路４４ａ側へ反る形に構成されるが、反りが吸気の流れに抵抗を与えかねない。そのため、図５，図６のように構成することが考えられる。

図６の場合、通路４４ａ側の流路面を構成するガイド５０が追加される。ガイド５０は、ストッパ４５の反り面を覆うように組み付けられ、ポート４１からスロート部４６への通路断面積を滑らかに変化させるのである。図５の場合、ストッパ４５は、断面流線型に形成され、片面がリードバルブ３９に対する規制面、片面が通路４４ａ側の流路面、に設定される。これにより、ポート４１からスロート部４６への吸気の滑らかな流れを確保しつつ、リードバルブの最大開度を適正に規制することができる。図５，図６において、図３と同一の部位に同一の符号を付ける。

EGR通路３６ａ，３６ｂにおいては、EGRクーラ３７により、排気（EGRガス）が冷却され、EGRバルブ３８を流れ、リードバルブ３９へ導かれるため、EGRバルブ３８およびリードバルブ３９の耐久性を良好に確保することができる。また、排気マニホールド９ａ，９ｂ内の排気脈動が山となるタイミングは、吸気マニホールド３ａ，３ｂ内の吸気脈動が谷となるタイミングよりも早いが、EGRクーラ３７により、EGRガス（排気）が冷やされ、圧力波の伝播速度が遅くなるため、EGRクーラ３７からリードバルブへ及ぶ通路（低温のEGRガスが流れる区間）長を調整することにより、吸気脈動の谷がリードバルブ３９に作用するタイミングと排気脈動の山がリードバルブ３９に達するタイミングを合わせることも可能となる。リードバルブ３９は、EGR通路３６ａ，３６ｂと吸気分岐管４ａ，４ｂとの接続部（合流部４０ａ，４０ｂ）に配置するので、低温のEGRガスが流れる区間を長く取りやすくなる。

先細ノズル形状の混合部２３ａ，２３ｂは、排気マニホールド９ａ，９ｂと一体に形成するのでなく、図７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２０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。ディフューザ部２９についても、タービンハウジング２５と一体に形成するのでなく、図８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２０との間に介装してもよい。

図１の場合、EGR通路３６ａ，３６ｂにより、排気マニホールド９ａ，９ｂの集合部と吸気分岐管４ａ，４ｂの合流部４０ａ，４０ｂとの間は、同一の気筒群同士の関係に接続されるが、図９のように別の気筒群同士の関係に接続することも考えられる。EGR通路３６ａ，３６ｂの接続が別の気筒群同士の場合、吸気行程の後半に別気筒群の排気パルスが流入するため、吸気流量の低下を招くことなく、EGRガスをシリンダ（気筒）へ押し込めるようになる。その結果、燃費やスモークの悪化を防止しつつ、NOxの低減を確保することができる。図９において、図１と同一の部品については、同一の符号を付ける。

この発明の実施形態を表す全体的な概略構成図である。同じく先細ノズル形状の混合部を説明する断面図である。同じく吸気分岐管とEGR通路との合流部を説明する断面図である。同じく図３のＸ矢視図である。同じく別の合流部を説明する断面図である。同じく別の合流部を説明する断面図である。同じく別の混合部を説明する断面図である。同じく別の混合部を説明する断面図である。同じく別の実施形態を表す全体的な概略構成図である。

符号の説明

１多気筒エンジン
２吸気通路
３，３ａ，３ｂ吸気マニホールド
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
２３ａ，２３ｂ先細形状のノズル部
３５ EGR装置
３７ EGRクーラ
３８ EGRバルブ
３９リードバルブ（逆止弁）
４０ａ，４０ｂ吸気分岐管とEGR通路との合流部
４５スロート部
４６バルブストッパ
５０ガイド

Claims

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の一部を還流させるEGR装置を備える多気筒エンジンにおいて、
吸気マニホールドの集合部上流の吸気管に配置されるEGRポートを持つベンチュリ形状またはエゼクタ形状の合流部、エンジンの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集合部下流を絞りつつ合流させる先細ノズル形状の混合部、前記合流部のEGRポートと前記排気マニホールドの集合部との間を接続するEGR通路、前記合流部のEGRポートを開閉するリードバルブ、を備え、
前記リードバルブは前記合流部のEGRポートを開閉する片持ち弁であり、最大開度を制限するバルブストッパ、を備え、
前記バルブストッパは、前記リードバルブの最大開度を制限する規制面、その背面側に前記合流部のベンチュリ形状またはエゼクタ形状の一部を構成する流路面、を備えることを特徴とする多気筒エンジン。
前記吸気マニホールドは、エンジンの吸気行程がオーバラップしない気筒群毎に分割され、前記吸気管は、下流側が分岐されてそれぞれ対応する吸気マニホールドの集合部に接続されるものにあって、前記合流部は、前記吸気管の各分岐路にそれぞれ配置され、前記EGR通路は、各合流部のEGRポートと各排気マニホールドの集合部との間を同一の気筒群同士の関係に接続することを特徴とする請求項１に記載の多気筒エンジン。
前記EGR通路は、EGRガスを冷却するEGRクーラ、その下流側にEGR流量を制御するEGRバルブ、を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多気筒エンジン。