多気筒エンジン

【課題】ターボチャージャを備える多気筒エンジンにおいて、排気対策および出力・燃費の向上を図るべく、広い運転領域において、ポンピングロスを抑えつつ、高過給・大量EGRを実現しえるようにする。
【解決手段】排気マニホールドを排気行程のオーバラップしない気筒群毎に分割する一方、これら排気マニホールド９ａ，９ｂの集合部下流をターボチャージャ６のタービン入口１５へ向けて先細形状に絞る排気エゼクタ２３ａ，２３ｂ、排気エゼクタの有効ノズル面積を変化させる可動ベーン３０ａ，３０ｂ、を備える。可動ベーン３０ａ，３０ｂは、タービン入口１５の有効面積およびスクロール部１６への排気流入角度を増減させる手段の可動ベーンとして兼用可能に配置される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ターボチャージャを備える多気筒エンジンにおいて、排気対策および出力・燃費の向上を図るべく、広い運転領域において、ポンピングロスの悪化を抑えつつ、高過給・大量EGRを実現するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの出力・燃費の向上を促進するため、排気エネルギを利用して吸気を過給するターボチャージャがよく搭載される（特許文献１〜特許文献４）。ターボチャージャを備える多気筒エンジンにおいては、過給圧が排気圧よりも高くなる運転領域があるため、EGR（Exhaust Gas Recirculation）が十分に行えない。ターボチャージャにおいて、スクロール部の最狭断面積または可変ノズルベーンの開度を小さくすると、排気圧と同時に過給圧も上昇するため、EGR率の十分な向上が得られない（特許文献１〜特許文献３）。
【特許文献１】特開平１０−００８９７８号
【特許文献２】実開昭６３−００９４２７号
【特許文献３】特開平１１−３１１１２４号
【特許文献４】特開２００５−０１６３１３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献２においては、タービン上流の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毎に分割されるが、ターボチャージャがシングルエントリ方式（タービン入口が１つ）の場合、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）行程の気筒側の排気マニホールドへ排気パルスが逃げやすく、タービン効率およびEGR率の向上が有効に促進しえないのである（特許文献２）。特許文献４においては、タービンハウジングの入口部にパルスコンバータが設定され、排気パルスの逆流を抑えられるようになっているが、パルスコンバータの絞りが一定のため、設定が難しく、運転状態によっては、絞り部下流の排気圧が過大となり、出力・燃費を大きく損なう可能性も考えられる。
【０００４】
この発明は、このような課題を解決するため、ターボチャージャを備える多気筒エンジンにおいて、排気対策および出力・燃費の向上を促進するべく、広い運転領域において、ポンピングロスを抑えつつ、高過給・大量EGRを実現しえる手段の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の発明は、ターボチャージャを備える多気筒エンジンにおいて、排気マニホールドを排気行程のオーバラップしない気筒群毎に分割する一方、これら排気マニホールドの集合部下流をターボチャージャのタービン入口へ向けて先細形状に絞る排気エゼクタ、排気エゼクタの有効ノズル面積を変化させる可動ベーン、を備えることを特徴とする。
【０００６】
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、可動ベーンは、ターボチャージャのタービン入口の有効面積およびスクロール部への排気流入角度を増減させる可動ベーンとして兼用されることを特徴とする。
【０００７】
第３の発明は、第１の発明に係る多気筒エンジンにおいて、可動ベーンは、排気エゼクタとタービン入口部との間を接続するスペーサに組み付けられることを特徴とする。
【０００８】
第４の発明は、第３の発明に係る多気筒エンジンにおいて、スペーサは、排気エゼクタの各ノズル開口に対応する複数の接続路に隔壁を介して仕切られることを特徴とする。
【０００９】
第５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、可動ベーンの開度を運転状態に基づいて制御する手段、を備えることを特徴とする。
【００１０】
第６の発明は、第１の発明に係る多気筒エンジンにおいて、排気マニホールドと吸気マニホールドとの間を接続するEGR通路、EGR通路に介装される逆止弁、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明においては、排気エゼクタの有効ノズル断面を変化させる可動ベーンを備えるので、広い運転領域において、排気エゼクタの最適な有効ノズル断面に設定することが可能となる。例えば、低速域においては、可動ベーンの開度を小さく、高速域においては、可動ベーンの開度を大きく調整することにより、低速域においても、高速域においても、排気エゼクタの最適な有効ノズル断面に設定しえるのである。排気エゼクタの最適な有効ノズル断面により、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）行程の気筒側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、気筒群毎の排気パルスが弱められることなくターボチャージャのタービンへ送り込まれ、タービン効率の向上が得られるばかりでなく、タービン上流からコンプレッサ下流へ排気の一部を環流するEGR装置を備える場合、EGRガスの排気パルスも弱められることなく還流され、EGR率を高めることが可能となる。また、排気エゼクタの最適な有効ノズル断面から吹き出るブローダウン流により、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から排気が吸引され、ポンピングロスを低減させることができる。排気エゼクタの最適な有効ノズル断面は、運転状態に応じて変化するが、可変ベーンを備えるので、排気エゼクタの最適な有効ノズル断面に設定することが可能となり、広い運転領域において、ポンピングロスを最小限に抑えつつ、高過給および大量EGRを行うことが可能となり、排気対策（NOx等の低減）と出力・燃費の向上との両立を実現できるのである。
【００１２】
第２の発明においては、可動ベーンにより、広い運転領域において、タービン入口の最適な有効面積およびスクロール部への最適な排気流入角度に設定することが可能となる。例えば、低速域においては、可動ベーンの開度を小さく、高速域においては、可動ベーンの開度を大きく調整することにより、タービン入口の最適な有効面積およびスクロール部への最適な排気流入角度に設定しえるのである。可動ベーンの開度が小さくなると、タービン入口の有効面積が小さくなり、スクロール部への流入角度が大きくなり、スクロール部の旋回外側（または旋回内側）を流れる排気の流速が増加する一方、可動ベーンの開度が大きくなると、タービン入口の有効面積が大きくなり、スクロール部への流入角度が小さくなり、スクロール部の旋回内側（または旋回外側）へ排気の流れが拡がり、流速が低下するようになる。可動ベーンは、排気エゼクタの可動ベーンと兼用（共用）されるので、大量EGR時（特に低速高負荷域）においても、高過給となり、吸気流量を十分に確保しえるため、燃焼状態が改善され、NOxおよびPM（パテキュレート）を同時に低減することも可能となる。可動ベーンの兼用により、部品数が抑えられ、コストの低下が図れる。ターボチャージャについても、可動ベーンにより、可変容量型となるので、多数の可動ノズルベーンを備える可変ノズル式ターボチャージャに較べると、構成が簡素であり、コスト的に有利となる。
【００１３】
第３の発明においては、スペーサと共に可動ベーンを簡単かつ容易に組み付けられ、また交換も簡便に行えるようになる。
【００１４】
第４の発明においては、隔壁により、排気エゼクタのノズル開口が延長される形になり、可動ベーンの開度により、排気エゼクタの有効ノズル面積を適確に変化させやすくなる。
【００１５】
第５の発明においては、可動ベーンを運転状態に応じた最適な開度に制御することができる。例えば、運転状態を代表するエンジン回転数およびエンジン負荷に基づいて制御することにより、低速高負荷域においても、ポンピングロスを最小限に抑えつつ、高過給および大量EGRを行うことが可能となる。
【００１６】
第６の発明においては、逆止弁により、EGRガスの逆流が阻止され、排気エゼクタの作用により、逆止弁前後の差圧が拡大するため、EGR率を有効に高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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の下流側が分岐され、各マニホールド３ａ，３ｂの集合部に接続される。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。
【００１８】
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、排気行程が実質的にオーバラップしない気筒群（＃１，２，３と＃４，５，６）毎に分割され、これらマニホールド９ａ，９ｂの集合部下流にターボチャージャ６のタービン６ｂを介して排気管１０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。ターボチャージャ６としては、タービン入口が１つ（シングルエントリ方式）のものが用いられる。７はマフラである。
【００１９】
図２〜図３において、排気マニホールド９ａ，９ｂは、集合部下流が１つのフランジに結集され、タービン入口１５へ向けて先細形状に絞るノズル部２３ａ，２３ｂ（排気エゼクタ）に形成される。１８はタービンハウジングであり、タービン入口１５のフランジと排気マニホールド９ａ，９ｂのフランジとの間にスペーサ２５が介装される。排気エゼクタ２３ａ，２３ｂの有効ノズル面積を可変とするため、スペーサ２５の内部おいて、流路２６が隔壁２９により仕切られ、排気エゼクタ２３ａ，２３ｂの各ノズル開口をタービン入口１５へストレートに延長するように形成され、各流路２６ａ，２６ｂ（接続路）を開閉する可動ベーン３０ａ，３０ｂが備えられる。可動ベーン３０ａ，３０ｂは、タービン入口１５の有効面積およびタービンホイール１７を囲むスクロール部１６への排気流入角度を増減する手段の可動ベーンとして兼用可能に配置される。３１は可動ベーン３０ａ，３０ｂを揺動可能に支持する回転軸であり、スペーサ２５の外部において、アクチュエータ３４（例えば、電磁ソレノイド）の伸縮可能なロッド３４ａに回転軸３１のレバー３２が連結され、ロッド３４ａが伸縮すると、可動ベーン３０ａ，３０ｂが回転軸３１と一体に揺動（開閉）するようになっている。
【００２０】
ロッド３４ａが初期（縮み）位置の場合、可動ベーン３０ａ，３０ｂは、全開状態に保持される。ロッド３４ａが伸びると、可動ベーン３０ａ，３０ｂの開度が小さくなり、ロッド３４ａが縮むと、可動ベーン３０ａ，３０ｂの開度が大きくなる。タービンハウジング１８の内部においては、可動ベーン３０ａ，３０ｂの開度が小さくなると、タービン入口１５の有効面積が小さくなり、スクロール部１６への流入角度が大きくなり、スクロール部１６の旋回外側を排気が流れ、流速も増加する一方、可動ベーン３０ａ，３０ｂの開度が大きくなると、タービン入口１５の有効面積が大きくなり、スクロール部１６への流入角度が小さくなり、スクロール部１６の旋回内側へ排気の流れが拡がり、流速も低下する（図４，図３、参照）。タービンハウジング１８の上流においては、可動ベーン３０ａ，３０ｂの開度が小さくなると、排気エゼクタ２３ａ，２３ｂの有効ノズル面積が小さくなり、タービン入口１５への排気の流れを加速させる一方、可動ベーン３０ａ，３０ｂの開度が大きくなると、排気エゼクタ２３ａ，２３ｂの有効ノズル面積が大きくなり、タービン入口１５への排気の流速を低下させるのである。
【００２１】
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と吸気マニホールド３ａ，３ｂ（吸気管４の分岐路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、EGRガスを冷却するEGRクーラ３７，EGR流量を調整するEGRバルブ３８，EGRガスの逆流を規制する逆止弁３９（リードバルブ）が介装される。逆止弁３９は、EGR通路３６ａ，３６ｂの下流側に配置される。逆止弁３９上流にEGRバルブ３８、その上流にEGRクーラ３７、が配置される。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、排気行程と吸気行程がオーバラップするので、EGR率の向上を促進することができる。
【００２２】
図８は、EGR率とノズル開口面積との関係、図９は、ポンピングロスとノズル開口面積との関係、を表すものであり、最適なノズル開度面積（EGR率の十分に高められる範囲において、ポンピングロスを最小限に抑えられるノズル開口面積）については、運転状態に応じて異なり、低速域側が小さく、高速域側が大きくなる。この場合、可動ベーン３０ａ，３０ｂを備えるので、例えば、低速域においては、可動ベーン３０ａ，３０ｂの開度を小さく、高速域においては、可動ベーン３０ａ，３０ｂの開度を大きく調整することにより、低速域においても、高速域においても、排気エゼクタ２３ａ，２３ｂの有効ノズル面積を最適に設定しえるのである。
【００２３】
排気エゼクタ２３ａ，２３ｂの最適な有効ノズル面積により、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から排気パルスが排気（押し出し）行程の気筒側の排気マニホールド９ｂまたは９ａへ逃げるのを抑えられる。このため、気筒群間の排気パルスが弱められることなくターボチャージャ６のタービン６ｂへ送り込まれ、タービン効率の向上が得られるばかりでなく、EGR通路３６ａ，３６ｂの逆止弁３９へ排気パルスが弱められることなく伝えられ、逆止弁３９を有効に作動させるため、EGR率を高めることができる。排気マニホールド圧は、排気噴き出し中の排気パルスの山Ｐ1が高くなり、EGR率の向上が十分に得られる（図１３，図１４、参照）。また、排気エゼクタ２３ａ，２３ｂの最適な有効ノズル面積により、ブローダウン流のエゼクタ作用を生じるため、排気（押し出し）行程中の山Ｐ2が低めになり、ポンピングロスが小さくなる（図１３，図１５、参照）。
【００２４】
排気エゼクタ２３ａ，２３ｂの有効ノズル面積が最適値よりも大きい場合、ブローダウン流の動圧が小さく、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から排気パルスが排気（押し出し）行程の気筒側の排気マニホールド９ｂまたは９ａへ逃げるのを十分に抑えらきれず、かつ、ブローダウン流のエゼクタ作用も十分に得られない。そのため、排気マニホールド圧は、排気噴き出し中の排気パルスの山Ｐ1が低めになり、EGR率の向上が十分に得られない（図１０，図１１、参照）。また、排気（押し出し）行程中の山Ｐ2が高めになり、ポンピングロスが大きくなる（図１０，図１２、参照）。排気エゼクタ２３ａ，２３ｂの有効ノズル面積が最適値よりも小さい場合、排気マニホールド圧は、排気噴き出し中の排気パルスの山Ｐ1および排気（押し出し）行程中の山Ｐ2を含む全体が高くなり、EGR率の向上は十分に得られるものの、ポンピングロスが過大となってしまう（図１６〜図１８、参照）。
【００２５】
図１において、５０はEGR通路３６ａ，３６ｂのEGRバルブ３８および排気エゼクタ２３ａ，２３ｂの可動ベーン３０ａ，３０ｂを制御するコントロールユニットであり、制御に必要な運転状態の検出手段として、エンジン回転数をフライホイール回転から検出するエンジン回転センサ５１と、エンジン負荷をアクセル開度（ペダル操作量）から検出するエンジン負荷センサ５２と、が備えられる。図５は、コントロールユニット５０の制御内容を説明するフローチャートチャートであり、S1およびS2においては、エンジン回転数Ｎの検出値およびエンジン負荷Ｌ（アクセル開度）の検出値を読み込む。S3においては、エンジン回転数Ｎの検出値とエンジン負荷Ｌの検出値とから図７に基づいてEGRバルブの開度を制御する。S4においては、エンジン回転数Ｎの検出値とエンジン負荷Ｌの検出値とから図６に基づいて可動ベーンの開度を制御するのである。図６および図７は、可動ベーンおよびEGRバルブの制御特性を表すものであり、マップデータとしてコントロールユニット５０のメモリに格納される。
【００２６】
このような構成にすると、シングルエントリ方式のターボチャージャ６においても、排気エゼクタ２３ａ，２３ｂの最適な有効ノズル面積により、排気パルスの逆流が抑えられ、排気パルスが弱められることなくタービン６ｂへ伝えられ、タービン効率の向上が得られる。また、排気パルスの逆流が抑えられるので、EGR通路３６ａ，３６ｂの逆止弁３９へ排気パルスが弱められることなく伝えられ、逆止弁３９を有効に作動させるため、高いEGR率が得られるのである。また、ブローダウン流のエゼクタ作用により、排気（押し出し）行程中の気筒側の排気マニホール圧９ｂまたは９ａが低下するため、ポンピングロスの改善も得られる（図１３〜図１５、参照）。
【００２７】
この実施形態においては、可動ベーン３０ａ，３０ｂにより、低回転域においても、排気エゼクタ２３ａ，２３ｂの有効ノズル面積を最適に設定しえるため、ポンピングロスを小さく抑えつつ、高過給および大量EGRを行うことが可能となり、広い運転領域において、排気対策（NOx等の低減）と出力・燃費の向上との両立を実現できる。また、タービン入口１５の有効面積およびスクロール部１６への排気流入角度についても、可動ベーン３０ａ，３０ｂにより、運転状態に応じて最適な状態に制御され、大量EGR時（特に低速高負荷域）においても、吸気流量を十分に確保しえるため、燃焼状態が改善され、NOxおよびPM（パテキュレート）を同時に低減することも可能となる。
【００２８】
可動ベーン３０ａ，３０ｂの兼用により、部品数が抑えられ、コストの低下が図れる。ターボチャージャ６についても、可動ベーン３０ａ，３０ｂにより、可変容量型となるので、多数の可動ノズルベーンを備える可変ノズル式ターボチャージャに較べると、構成が簡素であり、コスト的に有利となる。EGR通路３６ａ，３６ｂにおいては、EGRクーラ３７の下流側にEGRバルブ３８および逆止弁３９（リードバルブ）を配置するので、これらバルブの耐久性も良好に確保される。
【００２９】
図１９，図２０は、別の実施形態を表すものであり、スペーサ２５Ａは、隔壁２９Ａの下流側端面がベーン最小開度を規制する係止部２４に形成され、隔壁２９Ａを挟む両側の通路を開閉する可動ベーン３０が配置される。可動ベーン３０は、流路２６ａ，２６ｂ毎に別々のものでなく、両側の流路２６ａ，３６に掛かる１枚物に構成される。これにより、スペーサ２５Ａにおいて、可動ベーン３０を簡単かつ容易に組み付けられ、コストの低下が図れるようになる。３１は可動ベーン３０の回転軸であり、スペーサ２５Ａの外部において、アクチュエータ４４（例えば、ステッピングモータ）の回転軸４４ａに連結され、アクチュエータ４４が駆動すると、可動ベーン３０が回転軸３１と一体に揺動（開閉）するようになっている。図２０，図２１において、図２〜図４と同一の部位に同一の符号を付け、重複説明は省略する。
【００３０】
可動ベーン３０ａ，３０ｂ（図２〜図４、参照）および可動ベーン３０（図１９，図２０）の回転軸３１については、図示の配置に限定されるものでなく、タービン入口の中心を挟む反対側（対称位置）に設定することも考えられる。その場合、タービンハウジングの内部においては、可動ベーン３０，３０ａ，３０ｂの開度が小さくなると、タービン入口１５の有効面積が小さくなり、スクロール部１６への流入角度が大きくなり、スクロール部の旋回内側を流れる排気の流速が増加する一方、可動ベーンの開度が大きくなると、タービン入口の有効面積が大きくなり、スクロール部への流入角度が小さくなり、スクロール部の旋回外側へ排気の流れが拡がり、流速が低下するようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の実施形態を係る全体的な概略構成図である。
【図２】排気エゼクタの構成を説明する断面図である。
【図３】同じく図２のＸ−Ｘ断面図である。
【図４】排気エゼクタの構成を説明する断面図である。
【図５】コントロールユニットの制御内容を説明するフローチャートである。
【図６】コントロールユニットの制御内容を説明する特性図である。
【図７】コントロールユニットの制御内容を説明する特性図である。
【図８】運転域とノズル開口面積とEGR率との関係を例示する特性図である。
【図９】運転域とノズル開口面積とポンプ損失との関係を例示する特性図である。
【図１０】吸排気脈動のシミュレーション結果を例示する特性図である。
【図１１】EGR流量のシミュレーション結果を例示する特性図である。
【図１２】筒内圧のシミュレーション結果を例示する特性図である。
【図１３】吸排気脈動のシミュレーション結果を例示する特性図である。
【図１４】EGR流量のシミュレーション結果を例示する特性図である。
【図１５】筒内圧のシミュレーション結果を例示する特性図である。
【図１６】吸排気脈動のシミュレーション結果を例示する特性図である。
【図１７】EGR流量のシミュレーション結果を例示する特性図である。
【図１８】筒内圧のシミュレーション結果を例示する特性図である。
【図１９】排気エゼクタの構成を説明する断面図である。
【図２０】同じく図１９のＹ−Ｙ矢視図である。
【符号の説明】
【００３２】
１多気筒エンジン（６気筒ディーゼルエンジン）
２吸気通路
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
１５ターボ入口
１６スクロール部
１７タービンホイール
１８タービンハウジング
２３ａ，２３ｂ排気エゼクタ
２５，２５Ａスペーサ
２６ａ，２６ｂ接続路（流路）
２９，２９Ａ隔壁
３０，３０ａ．３０ｂ可動ベーン
３４，４４可動ベーンのアクチュエータ
３５ EGR装置
３６ａ，３６ｂ EGR通路
３７ EGRクーラ
３８ EGRバルブ
３９逆止弁（リードバルブ）
５０コントロールユニット
５１エンジン回転センサ
５２エンジン負荷センサ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボチャージャを備える多気筒エンジンにおいて、排気マニホールドを排気行程のオーバラップしない気筒群毎に分割する一方、これら排気マニホールドの集合部下流をターボチャージャのタービン入口へ向けて先細形状に絞る排気エゼクタ、排気エゼクタの有効ノズル面積を変化させる可動ベーン、を備えることを特徴とする多気筒エンジン。
【請求項２】
可動ベーンは、ターボチャージャのタービン入口の有効面積およびスクロール部への排気流入角度を増減させる可動ベーンとして兼用されることを特徴とする請求項１に記載の多気筒エンジン。
【請求項３】
可動ベーンは、排気エゼクタとタービン入口との間を接続するスペーサに組み付けられることを特徴とする請求項１に記載の多気筒エンジン。
【請求項４】
スペーサは、排気エゼクタの各ノズル開口に対応する複数の接続路に隔壁を介して仕切られることを特徴とする請求項３に記載の多気筒エンジン。
【請求項５】
可動ベーンの開度を運転状態に基づいて制御する手段、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。
【請求項６】
排気マニホールドと吸気マニホールドとの間を接続するEGR通路、EGR通路に介装される逆止弁、を備えることを特徴とする請求項１に記載の多気筒エンジン。

【図１】