(57)【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、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、各吸気マニホールドの集合部と吸気管の分岐部との間に設定される吸気共鳴管、吸気共鳴管の下流端部と排気マニホールドの集合部との間を接続するEGR通路、EGR通路に介装される逆止弁、を備え、
各吸気共鳴管の長さＬは、以下の条件を満足するように設定されるものにあって、共鳴回転速度Ｎは、エンジンの常用回転速度域内でターボチャージャのタービン入口圧よりもコンプレッサ出口圧が高くなる運転領域に設定したことを特徴とする多気筒エンジン。
【数１】
0004637779.tif 000004
【請求項２】
EGR通路は、排気マニホールドの集合部と共鳴管の下流端部との間を同一の気筒群同士の関係に接続し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】
EGR通路は、逆止弁の上流にEGRバルブ、その上流にEGRクーラ、を備えた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４】
ターボチャージャは、エンジンの常用回転速度域内の、エンジン最高トルク点を含む中速域において、ターボチャージャ効率が最大となるように設定したことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つ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、ターボチャージャを備える多気筒エンジンにおいて、NOxの低減および出力・燃費の向上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（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システムにおいては、ターボチャージャのタービン上流からコンプレ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。そのため、リードバルブ（逆止弁）により排気脈動（排気パルス）を利用してEGRを行う方式（特許文献１，特許文献４）、混合区間を用いてそれ以降のEGR通路の静圧を高めるようにしたもの（特許文献２）、内部EGR（排気弁を開いて吸気行程中の気筒へ排気の一部を流入させる）を用いる方式（特許文献３）、が知られている。
【特許文献１】特開２０００−２４９００４号
【特許文献２】特開２００３−５３４４８８号
【特許文献３】特開２００１−１０７８１０号
【特許文献４】実開昭６３−０６００６６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１，特許文献２の場合、分割型の排気マニホールドに接続される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）行程中の排気マニホールドへ排気パルス（排気脈動）が逃げやすく、EGR率の向上に排気パルスを十分に利用しえない。特許文献３の場合、排気（EGRガス）の冷却が行えないのである。特許文献４においては、吸気共鳴管が備えられ、EGR量を増やすのに吸気絞りが行われるため、ポンピングロスの悪化が問題となる。
【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、NOxの低減および出力・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。
【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、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、各吸気マニホールドの集合部と吸気管の分岐部との間に設定される吸気共鳴管、吸気共鳴管の下流端部と排気マニホールドの集合部との間を接続するEGR通路、EGR通路に介装される逆止弁、を備え、各吸気共鳴管の長さＬは、以下の条件を満足するように設定されるものにあって、共鳴回転速度Ｎは、エンジンの常用回転速度域内でターボチャージャのタービン入口圧よりもコンプレッサ出口圧が高くなる運転領域に設定したことを特徴とする。
【０００６】
【数１】
0004637779.tif 000002
【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、EGR通路は、排気マニホールドの集合部と共鳴管の下流端部との間を同一の気筒群同士の関係に接続したことを特徴とする。
【０００８】
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、EGR通路は、逆止弁の上流にEGRバルブ、その上流にEGRクーラ、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
第４の発明は、第１の発明〜第３の発明の何れか１つに係る多気筒エンジンにおいて、ターボチャージャは、エンジンの常用回転速度域内の、エンジン最高トルク点を含む中速域において、ターボチャージャ効率が最大となるように設定したことを特徴とする。
【００１０】
第５の発明は、第１の発明に係る多気筒エンジンにおいて、EGR通路は、逆止弁の上流にEGRバルブ、その上流にEGRクーラ、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明においては、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、排気エゼクタにより、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、タービン効率の向上が得られるばかりでなく、EGR通路の逆止弁へ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。また、動圧が上がると、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、ポンピングロスも低減される。
【００１２】
吸気系においては、吸気共鳴管により、吸気脈動の振幅および位相が制御され、逆止弁前後の瞬間的な差圧（吸気圧とこれを超える排気圧との落差）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。エンジン回転速度が共鳴回転速度（吸気系の固有振動数）と等しくなると、吸気脈動が共鳴して増幅され、逆止弁前後の瞬間的な差圧を拡大させる。共鳴回転速度よりも低速側においては、吸気脈動の位相が進み、吸気脈動の谷が排気パルスの山に近づくため、逆止弁前後の瞬間的な差圧が拡大する。共鳴回転速度よりも高速側においては、吸気脈動の位相が遅れ、吸気行程の後半に吸気脈動の谷が生じるため、逆止弁前後の瞬間的な差圧は若干小さくなるが、吸気行程の前半に吸気脈動の山が生じるので、ポンピングロスが低減されるのである。吸気脈動の振幅は、吸気共鳴管の上流側よりも下流側の方が大きく、EGR通路は吸気共鳴管の下流端部（吸気マニホールドの集合部直上流）に接続されるので、逆止弁前後の瞬間的な差圧を十分に拡大させることができる。
【００１３】
共鳴管の長さＬは、共鳴回転速度Ｎがエンジンの常用回転速度域内にあることを条件に設定される。共鳴回転速度Ｎは、（ｆ／ｍ）と比例関係にあり、共鳴周派数ｆは、（Ａ／ＬＶ）1/2と比例関係にあり、Ｌを大きく設定すると、共鳴回転速度Ｎが低速側となる一方、Ｌを小さく設定すると、共鳴回転速度Ｎが高速側となる。従って、共鳴管の長さＬは、広い運転領域において、EGR率を十分に高める上からは、共鳴回転速度Ｎが中速域内にあるように設定することが望ましい。
【００１４】
第１の発明においては、共鳴作用により、ターボチャージャのタービン入口圧よりもコンプレッサ出口圧が高くなる運転領域において、EGR率が最大限に高められる。エンジン最高トルク点でターボチャージャ効率が最大となる場合、エンジン最高トルク点を含む中速域に共鳴回転速度Ｎを設定することにより、広い運転領域において、EGR率を十分に高められるのである。
【００１５】
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率の向上を効果的に促進しえる。
【００１６】
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バルブおよび逆止弁を流れるため、これらバルブの耐久性を良好に確保することができる。また、排気パルスが逆止弁に到達するまでの時間を稼ぐことにより、吸気脈動の谷の時期と逆止弁上流の排気脈動の山とのタイミングを合わせることができる。第４の発明においては、共鳴回転速度Ｎが、エンジンの常用回転速度域内の、エンジン最高トルク点を含む中速域に設定され、共鳴作用により、広い運転領域において、EGR率を十分に高められるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１において、１０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つの可変ノズル式が採用される。１２はマフラである。
【００１９】
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へ向けて通路を絞る先細形状の排気エゼクタ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。排気エゼクタ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２５の内部に形成される。
【００２０】
合流部１１においては、先細形状の排気エゼクタ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へ排気が逃げるのを抑えられる。先細形状の排気エゼクタ２３ａ，２３ｂにより、動圧が上がると、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。
【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の集合部と吸気管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率の向上を効果的に促進しえる。
【００２２】
吸気管４の分岐路４０ａ，４０ｂにおいて、EGR通路３６ａ，３６ｂの接続部４２（出口）とその上流の分岐部４１（分岐点）との間が吸気共鳴管（吸気マニホールド３ａ，３ｂの吸気脈動の振幅および位相を制御する手段）に設定される。吸気共鳴管４０ａ，４０ｂの長さＬは、以下の条件を満足するように設定される。
【００２３】
【数２】
0004637779.tif 000003
【００２４】
共鳴回転速度Ｎは、（ｆ／ｍ）と比例関係にあり、共鳴周派数ｆは、（Ａ／ＬＶ）1/2と比例関係にあり、Ｌを大きく設定すると、共鳴回転速度Ｎが低速側となる一方、Ｌを小さく設定すると、共鳴回転速度Ｎが高速側となる。この場合、共鳴回転速度Ｎは、吸気共鳴管の長さＬにより、EGRが困難な運転領域（ターボチャージャ効率が最大およびその付近となり、タービン入口圧よりもコンプレッサ出口圧の方が高くなる）に設定される。エンジン最高トルク点でターボチャージャ効率が最大となる場合、共鳴回転速度Ｎは、エンジン最高トルク点を含む中速域に設定する。
【００２５】
EGR通路３６ａ，３６ｂは、吸気共鳴管４０ａ，４０ｂの下流端部（吸気マニホールド３ａ，３ｂの集合部直上流）に接続される。図３は、吸気振動モードを説明するものであり、吸気脈動の振幅は、吸気共鳴管４０ａ，４０ｂの上流側よりも下流側の方が大きい。吸気共鳴管４０ａ，４０ｂにおいて、吸気脈動の振幅が小さい上流側にEGR通路３６ａ，３６ｂを接続すると、吸気圧とこれを超える排気圧との落差（逆止弁３９前後の瞬間的な差圧）が小さく、EGR流量を十分に得られない（図１０および図１１、参照）。この実施形態においては、EGR通路３６ａ，３６ｂを吸気脈動の振幅が大きい下流端部に接続するので、吸気圧とこれを超える排気圧との落差が大きく、EGR流量を十分に得られるのである（図４〜図１１、参照）。図３において、EGR通路３６ａ，３６ｂは、吸気マニホールド３ａ，３ｂの集合部入口からＬ’だけ離れる位置に接続される。Ｌ’は出来るだけ小さい方が良い。
【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、先細形状の排気エゼクタ２３ａ，２３ｂにより、排気パルスの逆流が抑えられるため、タービン効率の向上が得られる。また、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、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ド圧が低下するため、ポンピングロスの改善も得られる。
【００２７】
吸気系においては、吸気共鳴管４０ａ，４０ｂにより、吸気脈動の振幅および位相が制御され、逆止弁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。
【００２８】
エンジン回転速度が共鳴回転速度Ｎと等しくなると、吸気脈動が共鳴して増幅される。吸気脈動の谷は、吸気行程の中頃に生じるが、吸気脈動が増幅されるため、吸気圧とこれを超える排気圧との落差が拡大される（図６、参照）。このため、ターボチャージャ効率が最大およびその付近となり、タービン入口圧（排気圧）よりもコンプレッサ出口圧（過給圧）の方が高く、従来は、EGRが困難な運転領域において、ターボチャージャ効率を低下させることなく、共鳴作用により、EGR率を最大限に高められる（図７、参照）。
【００２９】
共鳴回転速度Ｎよりも低速側においては、吸気脈動の位相が進み、吸気脈動の谷が排気パルスの山に近づくため、吸気圧とこれを超える排気圧との落差が拡大され、EGR率が十分に高められる（図４および図５、参照）。共鳴回転速度Ｎよりも高速側においては、吸気脈動の位相が遅れ、吸気行程の後半に吸気脈動の谷が生じるため、EGR率は若干低下する（図８および図９、参照）。高速側においては、吸気行程の前半に吸気脈動の山が生じるので、ポンピングロスが低減されるのである。
【００３０】
これらの結果、広い運転領域において、ポンピングロスを抑えつつ、高過給と大量EGRが可能となり、NOxの低減および出力・燃費の向上を大いに促進しえる。EGR通路３６ａ，３６ｂの接続部４２は、吸気共鳴管４０ａ，４０ｂの下流端部に設定されるので、EGR通路３６ａ，３６ｂを吸気共鳴管４０ａ，４０ｂの上流側に接続する場合に較べると、吸気圧とこれを超える排気圧との落差が大きく、EGR流量を十分に得られるのである。また、共鳴回転速度Ｎの設定を可変とする手段（たとえば、吸気共鳴管４０ａ，４０ｂの実質的な長さＬを可変する手段）を追加すると、高速域（図８および図９、参照）においても、共鳴作用により、吸気脈動の谷が吸気行程の中頃に生じるため、EGR率を十分に向上させることが可能となる。
【００３１】
EGR通路３６ａ，３６ｂにおいて、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。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１２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。先細形状の排気エゼクタ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１３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。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【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】吸気振動モードに係る説明図である。
【図４】低速域の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５】低速域の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６】中速域の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７】中速域の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８】高速域の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９】高速域の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１０】比較例として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】比較例として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】排気マニホールドの合流部に係る構成図である。
【図１３】排気マニホールドの合流部に係る構成図である。
【符号の説明】
【００３３】
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  共鳴管
４１  吸気管の分岐点
４２  EGR通路の出口（接続部）
【図１】
0004637779.tif 000005
【図２】
0004637779.tif 000006
【図３】
0004637779.tif 000007
【図４】
0004637779.tif 000008
【図５】
0004637779.tif 000009
【図６】
0004637779.tif 000010
【図７】
0004637779.tif 000011
【図８】
0004637779.tif 000012
【図９】
0004637779.tif 000013
【図１０】
0004637779.tif 000014
【図１１】
0004637779.tif 000015
【図１２】
0004637779.tif 000016
【図１３】
0004637779.tif 000017