(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
過給を行う多気筒エンジンにおいて、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と、吸気行程がオーバラップしない気筒群毎に分割される吸気マニホールドと、これらの排気マニホールドと吸気マニホールドとの間を同一の気筒群同士を接続するEGR通路と、排気マニホールド間を排気が逆流するのを防止する手段と、各EGR通路の最下流部に配置される逆止弁と、を備え、
各EGR通路は、前記逆止弁の上流にEGRクーラが配置され、前記排気マニホールド内の排気脈動の山が逆止弁に到達するタイミングを前記吸気マニホールド内の吸気脈動の谷が逆止弁に到達するタイミングに近づけるべく、前記逆止弁の上流側の該逆止弁と前記EGRクーラとの区間の通路長を含む通路部分を、前記逆止弁の下流側の通路部分よりも長く設定したことを特徴とする多気筒エンジン。
【請求項２】
排気マニホールド間を排気が逆流するのを防止する手段として、各排気マニホールドの集合部下流をこれらの合流部へ向けて先細形状に絞るノズル部を備えた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】
排気マニホールド間を排気が逆流するのを防止する手段して、ツインエントリ方式のターボ過給機を備えた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】
吸気負圧を増幅する手段を備えた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５】
吸気負圧を増幅する手段として、ベンチュリを各吸気マニホールド毎に配置したことを特徴とする請求項４に記載の多気筒エンジン。
【請求項６】
吸気負圧を増幅する手段として、スロットルバルブを各吸気マニホールド毎に配置したことを特徴とする請求項４に記載の多気筒エンジン。
【請求項７】
吸気負圧を増幅する手段として、吸気管の分岐部と各吸気マニホールドとの間をそれぞれ連結する共鳴管を備えたことを特徴とする請求項４に記載の多気筒エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、過給を行う多気筒エンジンにおいて、NOxの低減と出力や燃費の向上との両立を実現するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンのEGR（排気環流：Exhaust Gas Recirculation）システムとして、排気系から吸気系へ排気の一部を環流させるものがよく採用される。このようなEGR装置においては、ターボ過給機のタービン上流からコンプレッサ下流へ排気を環流させる場合、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が十分に得られない。
【０００３】
EGR率を高めるため、バタフライバルブによる排気絞りやスロットルバルブによる吸気絞りを行うことが考えられるが、ポンピングロスの悪化が問題となる。VNT（可変ノズル式ターボチャージャ）絞りは、排気マニホールド圧のみでなく、吸気マニホールド圧も上昇するので、EGR率を向上させるのに排気マニホールド圧の方が吸気マニホールド圧よりも高くなるまでVNT絞りを効かせる必要があり、ポンピングロスの悪化を招いてしまうのである。そのため、リードバルブ（逆止弁）を用いて排気脈動によりEGRを行う方式（特許文献１、特許文献２）、混合区間を用いて排気脈動を大きくする方式（特許文献３）、可変バルブを用いて内部EGRを行う方式（特許文献４）、が知られている。
【特許文献１】特開２０００−２４９００４号
【特許文献２】特開２００５−１４７０１０号
【特許文献３】特開２００３−５３４４８８号
【特許文献４】特開２００１−１０７８１０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１〜特許文献３の場合、分割型の排気マニホールドに接続されるターボ過給機がシングルエントリ方式（タービン入口が１つ）の場合、位相の異なる気筒群間の排気パルス（正圧波の山）が互いに打ち消し合うため、十分なEGR率が得られない。特許文献４の場合、排気（EGRガス）の冷却が行えないのである。特許文献２においては、分割型の排気マニホールドと分割型の吸気マニホールドとの間を同一の気筒群同士の関係に接続するEGR通路が設けられるものの、排気パルスが吸気行程の初期に到達するため、吸気脈動の谷とのタイミングが合わず、EGR率が十分に向上できない。
【０００５】
この発明は、このような課題を解決するための有効な手段の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、過給を行う多気筒エンジンにおいて、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と、吸気行程がオーバラップしない気筒群毎に分割される吸気マニホールドと、これらの排気マニホールドと吸気マニホールドとの間を同一の気筒群同士を接続するEGR通路と、排気マニホールド間を排気が逆流するのを防止する手段と、各EGR通路の最下流部に配置される逆止弁と、を備え、各EGR通路は、前記逆止弁の上流にEGRクーラが配置され、前記排気マニホールド内の排気脈動の山が逆止弁に到達するタイミングを前記吸気マニホールド内の吸気脈動の谷が逆止弁に到達するタイミングに近づけるべく、前記逆止弁の上流側の該逆止弁と前記EGRクーラとの区間の通路長を含む通路部分を、前記逆止弁の下流側の通路部分よりも長く設定したことを特徴とする。
【０００７】
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、排気マニホールド間を排気が逆流するのを防止する手段として、各排気マニホールドの集合部下流をこれらの合流部へ向けて先細形状に絞るノズル部を備えたことを特徴とする。
【０００８】
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、排気マニホールド間を排気が逆流するのを防止する手段して、ツインエントリ方式のターボ過給機を備えたことを特徴とする。
【０００９】
第４の発明は、第１の発明に係る多気筒エンジンにおいて、吸気負圧を増幅する手段を備えたことを特徴とする。
【００１０】
第５の発明は、第４の発明に係る多気筒エンジンにおいて、吸気負圧を増幅する手段として、ベンチュリを各吸気マニホールド毎に配置したことを特徴とする。
【００１１】
第６の発明は、第４の発明に係る多気筒エンジンにおいて、吸気負圧を増幅する手段として、スロットルバルブを各吸気マニホールド毎に配置したことを特徴とする。
【００１２】
第７の発明は、第４の発明に係る多気筒エンジンにおいて、吸気負圧を増幅する手段として、吸気管の分岐部と各吸気マニホールドとの間をそれぞれ連結する共鳴管を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明においては、ターボ過給機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、分割型の排気マニホール間を排気が逆流するのを防止する手段により、EGR通路の逆止弁に排気パルス（正圧波の山）が弱められることなく伝えられ、逆止弁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、排気マニホールド内の排気脈動が山となるタイミングは、吸気マニホールド内の吸気脈動が谷となるタイミングよりも早いが、逆止弁はEGR通路の最下流部に配置され、逆止弁の下流側のEGR通路が短く上流側のEGR通路が長くなるので、排気パルスが逆止弁に到達するタイミングを遅らせることができる。つまり、排気パルスが逆止弁に到達するタイミングを吸気脈動の谷が逆止弁に到達するタイミングに近づけられるのである。このため、逆止弁前後の瞬間的な差圧が増大するため、EGR率をさらに一段と向上させることができる。
【００１５】
この場合、逆止弁上流のEGRクーラにより、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、排気パルスが逆止弁に到達するまでの時間を稼ぐことができる。EGRクーラは、逆止弁との区間（EGRガスの温度が低い通路長）を長く取るため、EGR通路の出来るだけ上流側に配置することが好ましい。
【００１６】
第２の発明においては、先細形状のノズルにより、排気の流れが加速され、動圧が上がり、静圧（排気圧力）が下げられるため、排気マニホールド間を排気が逆流するのを抑えられる。このため、EGR通路の逆止弁に排気パルスが弱められることなく伝えられ、逆止弁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、先細形状のノズルから吹き出るブローダウン流（排気行程初期の噴き出し排気）の流速により、エゼクタ作用が生じると、排気行程（押し出し）中の気筒側の排気マニホールドから排気が吸引されるため、ポンピングロスの改善も図れる。
【００１７】
第３の発明においては、ターボ過給機がツインエントリ方式（タービン入口が２つのタイプ）のため、排気干渉が避けられ、タービンへのエネルギ伝達が良好に維持しえるほか、排気の逆流も抑えられ、EGR通路の逆止弁に排気パルスが弱められることなく伝えられ、逆止弁を有効に作動させるため、高いEGR率が得られるのである。
【００１８】
第４の発明においては、吸気負圧の増幅により、逆止弁前後の瞬間的な差圧がさらに増大するため、EGR率を一段と向上させることができる。
【００１９】
第５の発明においては、スロットルバルブの吸気絞りにより、吸気負圧（吸気脈動）が増幅され、逆止弁前後の瞬間的な差圧を増大させることができる。
【００２０】
第６の発明においては、ベンチュリにより、吸気の流れが加速され、動圧が上がり、静圧が下げられる。つまり、吸気負圧が増幅され、エゼクタ作用により、逆止弁前後の瞬間的な差圧を増大させることができる。
【００２１】
第７の発明においては、共鳴管の共鳴作用により、吸気負圧が増幅され、逆止弁前後の瞬間的な差圧を増大させることができる。また、慣性過給が働くため、吸気流量も効率よく十分に得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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。
【００２３】
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。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）の可変ノズル式が用いられる。１２はマフラである。
【００２４】
合流部１１は、図２のように構成される。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、その接合面に合流部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、合流部１１へ向けて通路を先細形状に絞るノズル部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が連結される。ノズル部２３ａ，２３ｂ下流の合流部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の内部に形成される。
【００２５】
合流部１１においては、先細形状のノズル部２３ａ，２３ｂにより、排気の流れが加速され、動圧が上がり、静圧が下げられるため、排気マニホールド９ａ，９ｂ間を排気が逆流するのを抑えられるほか、ノズル部２３ａまたは２３ｂから吹き出るブローダウン流（排気行程初期の噴き出し排気）の流速により、動圧が上がり、静圧が下げられ、エゼクタ作用を生じると、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、排気の流れが減速され、スクロールの静圧（排気圧力）を上げるようになっている。
【００２６】
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）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（リードバルブ）３９が介装される。吸気管４の分岐路にベンチュリ４０ａ，４０ｂが設けられ、ベンチュリ４０ａ，４０ｂにEGR通路３６ａ，３６ｂが開口される。ベンチュリ４０ａ，４０ｂにより、吸気の流れが加速され、動圧が上がり、静圧が下がられる。つまり、吸気負圧が増幅され、エゼクタ作用により、逆止弁３９を開いてEGRガスを吸気マニホールド３ａ，３ｂへ吸引しやくなる。
【００２７】
逆止弁３９は、EGR通路３６ａ，３６ｂの最下流部（出口部付近）に配置される。逆止弁３９の上流にEGRバルブ３８が、その上流にEGRクーラ３７が配置される。EGRクーラ３７により、EGRガスが冷やされ、圧力伝播速度が遅くなり、排気パルスが逆止弁３９に到達するまでの時間を稼ぐことができる。EGRクーラ３７は、逆止弁３９との区間（EGRガスの温度が低い通路長）を大きく取るため、EGR通路３６ａ，３６ｂの出来るだけ上流側に配置することが好ましい。
【００２８】
図３は、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り、Ｅは逆止弁３９の直上流の排気脈動、Ｆは逆止弁３９の直下流の吸気脈動、Ｇは従前の逆止弁（例えば、図１において、EGRクーラ３７とEGRバルブ３８との中間部に配置される）の直下流の排気脈動、を表示する。
【００２９】
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く、Ｇの場合、排気パルスが吸気行程の初期に到達するため、吸気脈動の谷とのタイミングが合わず、EGR率が十分に向上できない。Ｅの場合、逆止弁３９がEGR通路３６ａ，３６ｂの最下流部に配置される。これにより、逆止弁３９の下流側のEGR通路部分が短く上流側のEGR通路部分が長くなり、排気パルスが逆止弁３９に到達するタイミングが遅くなるので、排気パルスが逆止弁３９に到達するタイミングＡを吸気脈動の谷が逆止弁３９に到達するタイミングＢに近づけられるのである。
【００３０】
図４は、Ｅの場合とＧの場合とのEGR率を比較する特性図であり、ＫはＥの場合のEGR率、ＭはＧの場合のEGR率、を表示する。Ｅの場合の方がＧの場合よりも、逆止弁前後の瞬間的な差圧が大きく、Ｋの方がＭよりも高いEGR率が得られる。
【００３１】
このような構成により、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、排気の逆流が抑えられ、合流部１１のエゼクタ作用により、タービン６ｂへの排気パルスは、強められるため、タービン効率の向上が得られる。また、排気の逆流が抑えられるので、EGR通路３６ａ，３６ｂの逆止弁３９に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。合流部１１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が低下するため、ポンピングロスの低減も得られる。
【００３２】
逆止弁３９は、EGR通路３６ａ，３６ｂの最下流部に配置されるので、EGR通路３６ａ，３６ｂの全長を変えることなく、逆止弁３９の下流側のEGR通路部分が短く上流側のEGR通路部分が長くなるため、排気パルスが逆止弁３９に到達するタイミングを遅らせることができる。つまり、排気パルスが逆止弁３９に到達するタイミングを吸気脈動の谷が逆止弁３９に到達するタイミングに近づけられる（図３、参照）。その結果、逆止弁３９前後の瞬間的な差圧が増大するため、EGR率をさらに一段と向上させることができる（図４、参照）。
【００３３】
ターボチャージャ６が可変ノズル式のため、可変ノズルの制御を加えることにより、広い運転領域において、高過給と大量EGRが可能となり、NOxおよびPM（Particulate Matter)の低減と出力や燃費の向上との高度な両立も実現できるのである。EGR通路３６ａ，３６ｂにおいて、EGRクーラ３７は、逆止弁３９との区間（EGRガスの温度が低い通路長）を大きく取るため、EGR通路３６ａ，３６ｂの出来るだけ上流側に配置すると、排気パルスが逆止弁３９に到達するまでの時間を稼ぐことができる。また、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。
【００３４】
ディフューザ部２９は、タービンハウジング２５と一体に形成するのでなく、図５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。先細形状のノズル部２３ａ，２３ｂについても、排気マニホールド９ａ，９ｂと一体に形成するのでなく、図６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３０との間に介装してもよい。
【００３５】
排気マニホールド９ａ，９ｂ間を排気が逆流するのを防止する手段としてツインエントリ方式のターボチャージャを用いることも考えられる。その場合、タービン入口が２つのため、排気干渉が避けられ、タービン６ｂへのエネルギ伝達を良好に維持しえる。また、ノズル部２３ａ，２３ｂおよびディフューザ部２９に類似した作用がタービン内部で生じるため、EGR通路３６ａ，３６ｂの逆止弁３９に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。
【００３６】
図７の実施形態においては、ベンチュリ４０ａ，４０ｂの代わりにスロットルバルブ４１ａ，４１ｂが吸気マニホールド３ａ，３ｂ毎に配置される。EGR通路３６ａ，３６ｂの出口部は、吸気マニホールド３ａ，３ｂの集合部に接続され、スロットルバルブ４１ａ，４１ｂの吸気絞りにより、吸気負圧（吸気脈動）が増幅され、逆止弁３９前後の瞬間的な差圧を増大させるようになっている。
【００３７】
図８の実施形態においては、ベンチュリ４０ａ，４０ｂの代わりに吸気管４の分岐部４３と吸気マニホールド３ａ，３ｂとの間を連結する共鳴管４２ａ，４２ｂが配置され、共鳴管４２ａ，４２ｂにEGR通路３６ａ，３６ｂの出口部が接続されるのである。この場合、共鳴管４２ａ，４２ｂの共鳴作用により、吸気負圧が増幅され、逆止弁３９前後の瞬間的な差圧を増大させることができる。また、慣性過給が働くため、吸気流量も効率よく十分に得られる。
【００３８】
図７および図８において、図１と同一の部位は、同一の符号を付け、重複説明は省略する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【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】同じく排気マニホールドの合流部に係る構成図である。
【図３】同じく吸排気脈動と逆止弁の配置との関係を例示する特性図である。
【図４】同じくEGR流量と逆止弁の配置との関係を例示する特性図である。
【図５】同じく排気マニホールドの合流部に係る構成図である。
【図６】同じく排気マニホールドの合流部に係る構成図である。
【図７】別の実施形態を係る全体的な概略構成図である。
【図８】別の実施形態を係る全体的な概略構成図である。
【符号の説明】
【００４０】
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
２３ａ，２３ｂ  先細形状のノズル部
２５  タービンハウジング
２９  スロート形状のディフューザ部
３５  EGR装置
３７  EGRクーラ
３８  EGRバルブ
３９  逆止弁（リードバルブ）
４０ａ，４０ｂ  ベンチュリ
４１ａ，４１ｂ  スロットルバルブ
４２ａ，４２ｂ  共鳴管
【図１】
0004741379.tif 000002
【図２】
0004741379.tif 000003
【図３】
0004741379.tif 000004
【図４】
0004741379.tif 000005
【図５】
0004741379.tif 000006
【図６】
0004741379.tif 000007
【図７】
0004741379.tif 000008
【図８】
0004741379.tif 000009