JP5280113B2

JP5280113B2 - 多気筒内燃機関における排気ガス還流装置

Info

Publication number: JP5280113B2
Application number: JP2008153429A
Authority: JP
Inventors: 隆志佐伯; 均稲葉
Original assignee: JAPAN MARINE EQUIPMENT ASSOCIATION; Yanmar Co Ltd
Current assignee: JAPAN MARINE EQUIPMENT ASSOCIATION; Yanmar Co Ltd
Priority date: 2008-06-11
Filing date: 2008-06-11
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2028-06-11
Also published as: WO2009151080A1; JP2009299540A

Description

本発明は、吸気経路に排気ターボ過給機等の過給機を備えた多気筒内燃機関において、その排気経路における排気ガスの一部を、前記吸気経路のうち前記過給機より下流側に還流するための装置に関するものである。

内燃機関において、その排気ガスのクリーン化を図るために、排気経路における排気ガスの一部を吸気経路に還流するようにしており、この排気ガスの還流は、一般的には、排気経路における排気ガスの圧力、つまり排気圧力が、吸気経路における圧力、つまり吸気圧力よりも高いことに基づいて、その圧力差を利用して行われる。

しかし、吸気経路に排気ターボ過給機等の過給機を備えている内燃機関の場合、前記吸気経路のうち過給機より下流における吸気圧力は、排気圧力よりも高くなる場合があるから、この場合には、前記圧力差を利用した排気ガスの還流を行うことができない。

そこで、先行技術としての特許文献１は、排気経路における排気圧力には、各気筒から排気ガスが噴出することに起因して脈動が存在することを利用して、排気ガスの還流を行うことを提案している。

すなわち、図１に示すように、前記吸気圧力は、クランク角度に対して略一定であるが、前記排気経路における排気圧力は、各気筒からの排気ガスが当該気筒における行程順序に従って噴出するクランク角度の位相で山形のピーク圧になるというように、大きく変動する。

但し、前記した図１において排気圧力は、後述する実施形態において詳しく説明するように、直列６気筒ディーゼル機関において、その排気マニホールドを、第１気筒から第３気筒に対する排気マニホールドと、第４気筒から第６気筒に対する排気マニホールドとに構成して、その一方の排気マニホールドにおいて測定した場合である。

このために、前記排気経路における排気圧力の平均値が、吸気経路における吸気圧力と等しいか、この吸気圧力を越えない場合においても、前記排気圧力のうち山形のピーク圧が前記吸気圧力を、クランク角度Δθの区間だけ越える場合がある。

そこで、前記特許文献１は、前記排気経路から吸気経路のうち過給機よりも下流側への排気ガス還流通路に対して、前記吸気経路への方向のみ開くようにしたリード弁を設けることにより、前記吸気経路のうち過給機より下流側への排気ガスの還流を実行するように構成している。
特開平５−８６９９０号公報

しかし、この特許文献１によると、排気ガスの還流が行われるのは、排気圧力における脈動のピーク圧が吸気圧力を越えることで前記リード弁が開いているクランク角度Δθの区間内に限られるから、吸気経路への排気ガスの還流率が低くて、排気ガスのクリーン化を効果的に達成することができないという問題があった。

本発明は、この問題を、内燃機関における燃費の大幅な悪化を招来することなく、解消することを技術的課題とする。

この技術的課題を達成するため、本発明の請求項１は、
「複数個の気筒を備え、この各気筒への吸気経路に、排気タービンとブロワー圧縮機とを有する過給機を備え、前記吸気経路のうち前記過給機の前記ブロワー圧縮機の下流側にインタークーラを設け、前記各気筒からの排気経路を備え、更に、前記排気経路から前記吸気経路のうち前記過給機の前記ブロワー圧縮機の下流側に至る排気ガス還流通路と、この排気ガス還流通路に対して設けられ前記吸気経路への方向にのみ開くようにしたリード弁を備えて成る多気筒内燃機関において、
前記インタークーラにおける出口チャンバーには前記リード弁を内蔵した弁箱を設け、前記出口チャンバーのうち前記弁箱よりも下流側に、前記吸気経路を構成する吸気マニホールドを連結する一方、前記排気経路を構成する排気マニホールド及び第２排気マニホールドを備え、前記排気マニホールド及び前記第２排気マニホールドは両方とも、前記過給機の前記排気タービンに連結し、
前記排気マニホールド内部であって前記排気ガス還流通路が接続される部分よりも下流側の部位で且つ一つの気筒からの排気ガスが流れる部分にのみ、当該部分の通路面積を縮小する絞りオリフィスを設け、前記一つの気筒における排気圧力を残りの他の気筒における排気圧力より高くし、前記一つの気筒から前記吸気マニホールドへの還流排気ガスを前記全ての気筒に還流させるように構成している、」
ことを特徴としている。

請求項１の記載において、多気筒内燃機関における一つの気筒における排気圧力が、絞りオリフィスにより、残りの他の気筒における排気圧力よりも高められることになる。

これにより、前記一つの気筒における排気圧力のピーク圧は、他の気筒における排気圧力のピーク圧よりも高くなって、当該ピーク圧が吸気圧力を越えているクランク角度Δθの区間を増大でき、ひいては、リード弁が開いているクランク角度Δθの区間を拡大することができるから、吸気経路に対する排気ガスの還流量を増量することができる。

一方、前記した排気ガスの還流に際して排気圧力を高めるのは、多気筒内燃機関における各気筒のうち前記した一つの気筒に限れるから、排気圧力を高めることによる燃費の悪化を僅少にとどめることができる。

つまり、本発明によると、吸気経路への排気ガス還流率を、排気ガスのクリーン化に対して必要な量の排気ガス還流を、燃費の悪化を抑制した状態のもとで、確実に向上することができる。

以下、本発明における実施の形態を、図面について説明する。

図２は、第１の実施の形態を示す。

この図において、符号１は、６つの気筒（第１気筒Ａ、第２気筒Ｂ、第３気筒Ｃ、第４気筒Ｄ、第５気筒Ｅ及び第６気筒Ｆ）を備えた直列６気筒のディーゼル機関を示している。

このディーゼル機関１における一方の長手側面１ａには、前記各気筒Ａ〜Ｆに対する吸気マニホールド２が接合されており、また、他方の長手側面１ｂには、前記各気筒Ａ〜Ｆのうち第１気筒Ａ〜第３気筒Ｃに対する排気マニホールド３と、前記第４気筒Ｄ〜第６気筒Ｆに対する第２排気マニホールド４とが接合されている。

前記第１気筒Ａ〜第３気筒Ｃに対する排気マニホールド３は、前記第１気筒Ａ〜第３気筒Ｃの各々からの排気枝管５、６、７と、これらの排気枝管５、６、７が接続される一方の排気主管８とによって構成されている。また、前記第４気筒Ｄ〜第６気筒Ｆに対する排気マニホールド４は、同様に、前記第４気筒Ｄ〜第６気筒Ｆの各々からの排気枝管９、１０、１１と、これらの排気枝管９、１０、１１が接続される一方の排気主管１２とによって構成されている。

前記符号１３は、排気タービン１３ａとブロワー圧縮機１３ｂとを直結して成る排気ターボ過給機を、符号１４は、空冷又は水冷式のインタークーラを各々示す。

前記排気ターボ過給機１３における排気タービン１３ａには、その入口に、前記両排気マニホールド３、４における排気主管８、１２が、その出口に、大気への排気ガス放出管１５が各々接続されている。

前記排気ターボ過給機１３におけるブロワー圧縮機１３ｂには、その吸い込み側にエアクリーナからの吸気管路１６が、その出口に、前記インタークーラ１４における入口チャンバー１４ａへの過給管路１７が各々接続されており、また、前記インタークーラ１４における出口チャンバー１４ｂに、前記吸気マニホールド４が接続されている。

これにより、前記ディーゼル機関１の各気筒Ａ〜Ｆからの排気ガスは、排気マニホールド３、４を介して排気ターボ過給機１３における排気タービン１３ａに送られて、ブロワー圧縮機１３ｂを回転駆動する。

このブロワー圧縮機１３ｂの回転駆動により、エアクリーナからの新規空気は当該ブロワー圧縮機１３ｂにて圧縮され、インタークーラ１４に送られ、ここで冷却されたのち、吸気マニホールド２から前記各気筒Ａ〜Ｆに吸気されるという過給を行う。

前記第１気筒Ａ〜第３気筒Ｃに対する排気マニホールド３における排気主管８のうち第１気筒Ａ側の端部には、排気ガス取出しポート１８が設けられ、この排気ガス取出しポート１８に、排気ガス還流通路１９が接続されており、この排気ガス還流通路１９の途中には、還流排気ガスに対する空冷又は水冷式のクーラ２０が設けられているほか、前記ディーゼル機関１における急加減速及び／又はアイドル運転等において前記排気ガス還流通路１９を閉塞するようにした還流カット弁２１が設けられている。

一方、前記インタークーラ１４における出口チャンバー１４ｂには、リード弁２２を内蔵した弁箱２３が設けられ、この弁箱２３には、前記排気ガス還流通路１９が接続されており、前記リード弁２２は、前記排気ガス還流通路１９と出口チャンバー１４ｂとの間に出口チャンバー１４ｂ内における圧力が排気ガス還流通路１９内における圧力よりも低くという圧力差ができたときにおいてのみ、出口チャンバー１４ｂ内の方向に開くという構成になっている。

そして、前記第１気筒Ａ〜第３気筒Ｃに対する排気マニホールド３における排気主管８のうち第１気筒Ａと第２気筒Ｂとの間の部分には、前記排気ガス取出しポート１８より下流側の部位に、本発明における「排気圧力上昇手段」としての一つの例であるところの絞りオリフィス２４を設けることにより、この絞りオリフィス２４にて、前記排気主管８の通路面積を縮小するという構成にしている。

なお、前記排気ガス取出しポート１８及び前記絞りオリフィス２４は、前記排気マニホールド３における各排気枝管５、６、７のうち第１気筒Ａに対する排気枝管５に設けたり、第２気筒Ｂに対する排気枝管６に設けたり、或いは、第３気筒Ｃに対する排気枝管７に設けたりすることができる。

つまり、前記排気ガス取出しポート１８及び前記絞りオリフィス２４は、両排気マニホールド３、４のうち第１気筒Ａ〜第３気筒Ｃに対する排気マニホールド３に設けられているが、これらを、第４気筒Ｄ〜第６気筒Ｆに対する排気マニホールド３に、同じ構成にして設けることができる。

この構成において、前記ディーゼル機関１における６つの気筒Ａ〜Ｆのうち第１気筒Ａから排出される排気ガスは、排気マニホールド３の排気主管８に設けた絞りオリフィス２４を通過するときに、この絞りオリフィス２４による抵抗を受けるから、この第１気筒Ａの排気圧力は、前記６つの気筒Ａ〜Ｆのうち第１気筒Ａを除く残りの他の気筒Ｂ〜Ｆにおける排気圧力よりも、前記絞りオリフィス２４による抵抗の分だけ高くなる。

これにより、前記第１気筒Ａにおける排気圧力のピーク圧は、残りの他の気筒Ｂ〜Ｆにおける排気圧力のピーク圧よりも高くなって、当該ピーク圧が、前記吸気マニホールド２における吸気圧力を越えているクランク角度Δθの区間を増大でき、ひいては、リード弁２２が開いているクランク角度の区間を拡張することができるから、吸気マニホールド２に対する排気ガスの還流量を確実に増加できる。

なお、この第１の実施の形態においては、前記絞りオリフィス２４を、例えば、排気マニホールド３における排気主管８のうち第１気筒Ａと第２気筒Ｂとの間の部位に設けるか、複数の排気枝管５、６、７のうち一つの排気枝管に設けるというように、前記排気マニホールド３のうち一つの気筒からの排気ガスのみが流れる部分に設け、その上流側に、排気ガス還流通路１９を接続するという構成にしている。

また、排気ガス還流通路１９に対するリード弁２２を内蔵した弁箱２３は、図２に示すように、インタークーラ１４における出口チャンバー１４ｂに接続することに代えて、図３に示す第１参考例のように、前記吸気マニホールド２に接続するという構成にすることができる（以下に説明する他の実施の形態においても同様）。

図４は、第２参考例を示す。

この第２参考例は、前記第１気筒Ａ〜第３気筒Ｃに対する排気マニホールド３における排気主管８のうち、第２気筒Ｂと第３気筒Ｃとの間の部位に、前記排気主管８の通路面積を縮小する絞りオリフィス２４′を設ける一方、この絞りオリフィス２４′よりも上流側の部分に、吸気マニホールド２への排気ガス還流通路１９を接続するという構成にした場合であり、その他の構造は、前記第１の実施の形態及び第１参考例と同様である。

この構成によると、第１気筒Ａと第２気筒Ｂとの二つの気筒における排気圧力のピーク圧が、その絞りオリフィス２４′の存在により、残りの他の気筒Ｃ〜Ｆにおける排気圧力のピーク圧より高くなるから、一本の排気ガス還流通路１９を介しての排気ガスの還流量を２つの気筒の分に増加できる。

この第２参考例においては、図５に示す第３参考例のように、前記排気マニホールド３における排気主管８のうち第３気筒Ｃよりも下流側の部位に、通路面積を縮小する絞りオリフィス２４″を設けるという構成にすることにより、第１気筒Ａ、第２気筒Ｂ及び第３気筒Ｃの３つの気筒における排気圧力のピーク圧が、その絞りオリフィス２４″の存在により、残りの他の気筒Ｄ〜Ｆにおける排気圧力のピーク圧より高くなるから、一本の排気ガス還流通路１９を介しての排気ガスの還流量を３つの気筒の分に大幅に増加できる。

なお、前記各実施の形態及び参考例における絞りオリフィス２４、２４′、２４″の内径は、前記ディーゼル機関１における特定の負荷運転域又は回転運転域、例えば使用頻度の高い負荷運転域又は回転運転域において、所定の排気ガスのクリーン化を達成することができる量の排気ガス還流を確保する寸法に設定している。

また、前記図４に示す第２参考例は、その絞りオリフィス２４′を、前記排気マニホールド３のうち、第１気筒Ａからの排気ガスと第２気筒Ｂからの排気ガスとの二者が合流して流れる部分に設ける場合であり、前記図５に示す第３参考例は、その絞りオリフィス２４″を、前記排気マニホールド３のうち、第１気筒Ａからの排気ガス、第２気筒Ｂからの排気ガス及び第３気筒Ｃからの排気ガスの三者が合流して流れる部分に設ける場合である。

図６は、第４参考例を示す。

この第４参考例は、前記第１の実施の形態における「絞りオリフィス２４」を、排気主管又は排気枝管の通路面積を増減調節できる開閉弁２５にして、この開閉弁２５を、本発明における「排気圧力上昇手段」に構成したものであり、その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

この構成によると、前記開閉弁２５にて、排気主管又は排気枝管の通路面積を増減調節することにより、吸気経路への排気ガスの還流量を、適宜任意に変更できるから、所定の排気ガスのクリーン化を達成することができる負荷運転域又は回転運転域を任意に変更することができる。

なお、このように、前記排気圧力上昇手段を、排気主管又は排気枝管の通路面積を増減調節できる開閉弁２５に構成することは、前記第２参考例における絞りオリフィス２４′、又は第３参考例における絞りオリフィス２４″を開閉弁に構成する場合にも適用できることはいうまでもない。

次に、図７は、第５参考例を示す。

この第５参考例は、前記図６に示す第４参考例における開閉弁２５に、これを開閉作動するアクチェータ２６を設け、このアクチェータ２６をコントローラ２７にて作動することにより、前記開閉弁２５を、前記ディーゼル機関１における負荷又は回転数に応じて開閉制御するように構成したものである。

すなわち、前記コントローラ２７は、前記排気ターボ過給機１３におけるブロワー圧縮機１３ｂより下流側の過給管路１７又は吸気マニホールド２に設けた圧力センサー２８にて測定した吸気圧力を入力として、前記ディーゼル機関１が低負荷運転域又は低回転運転域になったときに、前記開閉弁２５を、排気主管又は排気枝管の通路面積を拡張するように作動し、前記ディーゼル機関１が高負荷運転域又は高回転運転域になったときに、前記開閉弁２５を、排気主管又は排気枝管の通路面積を縮小するように作動するという構成にしている。

この構成によると、ディーゼル機関１における低負荷運転域又は低回転運転域では、排気主管又は排気枝管の通路面積を拡張して、排気圧力を下げることにより、排気ガスの還流率を低くできて、燃費の悪化及びスモークの発生を抑制できる一方、高負荷運転域又は高回転運転域では、排気主管又は排気枝管の通路面積を縮小して、排気圧力を上げることにより、排気ガスの還流率を高くできて、排気ガスの積極的なクリーン化を図るように自動制御することができる。

なお、この第５参考例のように、その開閉弁２５を、ディーゼル機関１における運転域に合わせて開閉制御することは、前記第２参考例における絞りオリフィス２４′、又は第３参考例における絞りオリフィス２４″を開閉弁に構成した場合にも適用できることは勿論である。

図８は、前記直列６気筒のディーゼル機関１において、その燃費と、排気ガス還流率との関係を示している。

この図８において、一点鎖線で示す曲線Ｘは、排気ターボ過給機１３におけるブロワー圧縮機１３ｂの吸い込み側に吸気制御弁を設け、この吸気制御弁をディーゼル機関１における負荷又は回転数の増加につれて閉じ作動して、吸気マニホールド２における吸気圧力を高負荷運転域又は高回転運転域において低くすることにより、吸気マニホールド２への排気ガスの還流を達成する構成にした場合である。

また、二点鎖線で示す曲線Ｙは、排気ターボ過給機１３における排気タービン１３ａの出口に排気制御弁を設け、この排気制御弁をディーゼル機関１における負荷又は回転数の増加につれて閉じ作動して、両排気マニホールド３、４における排気圧力を高負荷運転域又は高回転運転域において高くすることにより、吸気マニホールド２への排気ガスの還流を達成する構成にした場合である。

これに対して、図８に実線で示す曲線Ｚは、前記図７に示す第５参考例のように、各気筒Ａ〜Ｆのうち第１気筒Ａに対して設けた開閉弁２５を、ディーゼル機関１における負荷又は回転数に応じて制御した場合である。

この図８から明らかにように、第５参考例によると、一点鎖線で示す曲線Ｘ又は二点鎖線で示す曲線Ｙのように、大幅な燃費の悪化を招来することなく、曲線Ｚのように、燃費の悪化を低減した状態で、排気ガスの還流率を、確実に向上できるのであった。

ところで、前記した第１の実施の形態及び第１〜第５参考例においては、その排気ガス還流通路１９には、前記ディーゼル機関１における急加減速又はアイドル等のときに、前記排気ガス還流通路１９を閉塞するようにした還流カット弁２１を設けるという構成にしていた。

図９に示す第６参考例は、前記第５参考例における開閉弁を、前記した還流カット弁に兼用させるものである。

すなわち、排気マニホールド３における各排気枝管５、６、７のうち一つの排気枝管、例えば、第１気筒Ａの排気枝管５に、前記排気ガス還流通路１９が接続される排気ガス取出しポート１８を設けるとともに、アクチェータ２６にて開閉作動される開閉弁２５′を設ける。

そして、前記開閉弁２５′を、吸気圧力を入力とするコントローラ２７により、前記ディーゼル機関１が低負荷運転域又は低回転運転域になったときに排気枝管５の通路面積を拡張し、前記ディーゼル機関１が高負荷運転域又は高回転運転域になったときに排気枝管５の通路面積を縮小するように作動することに加えて、前記ディーゼル機関１が急加減速又はアイドル等になったときに、前記開閉弁２５′にて前記排気ガス取出しポート１８、ひいては、排気ガス還流通路１９を閉塞するという構成にしている。

この構成によると、前記した自動制御ができるとともに、前記した還流カット弁２１を省略することができる。

なお、本発明は、前記した６気筒のディーゼル機関１に限らず、火花点火式の多気筒内燃機関に対しても適用できるのであり、また、過給機としては、前記した排気ターボ過給機に限らず、内燃機関にて回転駆動される機械式の過給機を使用できることはいうまでもない。

クランク角度に対する吸気圧力及び排気圧力を示す図である。第１の実施の形態を示す図である。第１参考例を示す図である。第２参考例を示す図である。第３参考例を示す図である。第４参考例を示す図である。第５参考例を示す図である。６気筒ディーゼル機関においてその燃費と排気ガス還流率との関係を示す図である。第６参考例を示す図である。

１ディーゼル機関
Ａ〜Ｆ気筒
２吸気マニホールド
３、４排気マニホールド
５、６、７排気枝管
８排気主管
１３排気ターボ過給機
１３ａ排気タービン
１３ｂブロワー圧縮機
１４インタークーラ
１９排気ガス還流通路
２１カット弁
２２リード弁
２４、２４′、２４″ 絞りオリフィス
２５開閉弁
２６アクチェータ
２７コントローラ
２８圧力センサー

Claims

複数個の気筒を備え、この各気筒への吸気経路に、排気タービンとブロワー圧縮機とを有する過給機を備え、前記吸気経路のうち前記過給機の前記ブロワー圧縮機の下流側にインタークーラを設け、前記各気筒からの排気経路を備え、更に、前記排気経路から前記吸気経路のうち前記過給機の前記ブロワー圧縮機の下流側に至る排気ガス還流通路と、この排気ガス還流通路に対して設けられ前記吸気経路への方向にのみ開くようにしたリード弁を備えて成る多気筒内燃機関において、
前記インタークーラにおける出口チャンバーには前記リード弁を内蔵した弁箱を設け、前記出口チャンバーのうち前記弁箱よりも下流側に、前記吸気経路を構成する吸気マニホールドを連結する一方、前記排気経路を構成する排気マニホールド及び第２排気マニホールドを備え、前記排気マニホールド及び前記第２排気マニホールドは両方とも、前記過給機の前記排気タービンに連結し、
前記排気マニホールド内部であって前記排気ガス還流通路が接続される部分よりも下流側の部位で且つ一つの気筒からの排気ガスが流れる部分にのみ、当該部分の通路面積を縮小する絞りオリフィスを設け、前記一つの気筒における排気圧力を残りの他の気筒における排気圧力より高くし、前記一つの気筒から前記吸気マニホールドへの還流排気ガスを前記全ての気筒に還流させるように構成している、
多気筒内燃機関における排気ガス還流装置。