(57)【要約】【課題】排気通路から吸気通路へ排気の一部を環流させる外部EGR装置４０、または吸気行程中に排気弁を開いて気筒に排気を逆流させる内部EGR装置５０、を備える多気筒エンジンにおいて、ポンピングロスを小さく抑えつつ、外部EGRまたは内部EGRに排気パルスを十分に生かせるようにする。【解決手段】排気マニホールド９ａ，９ｂの集合部下流を合流部１１へ先細形状に絞るノズル部２３ａ，２３ｂと、そのノズル開口から下流側へ合流部１１を一旦絞ってから徐々に拡げるディフューザ部２９と、各ノズル部２３ａ，２３ｂの合流部１１に介装されるアダプタ２１と、を設ける一方、アダプタ２１が、合流部１１の一部を形成する通孔２７のほか、各マニホールド９ａ，９ｂに挿入されて集合部下流を合流部１１へ絞るノズル部２３ａ，２３ｂを形成するガイド２２、または／および、合流部１１に挿入されて通孔２７と共に下流側へ合流部１１を一旦絞ってから徐々に拡げるディフューザ部２９を形成するガイド２８、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路から吸気通路へ排気の一部を環流させる外部EGR装置、または、吸気行程中に排気弁を開いて気筒に排気を逆流させる内部EGR装置、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に排気マニホールドを分割し、各マニホールドの集合部下流を合流部へ先細形状に絞るノズル部と、そのノズル開口から下流側へ合流部を一旦絞ってから徐々に拡げるディフューザ部と、各ノズル部の合流部に介装されるアダプタと、を設ける一方、アダプタが、合流部の一部を形成する通孔のほか、各マニホールドに挿入されて集合部下流を合流部へ絞るノズル部を形成するガイド、または／および、合流部に挿入されて通孔と共に下流側へ合流部を一旦絞ってから徐々に拡げるディフューザ部を形成するガイド、を備えたことを特徴とする多気筒エンジン。
【請求項２】
ディフューザ部は、ターボチャージャのタービンハウジングに設定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】
ノズル部の最小通路面積Ａは、１気筒あたりの排気弁の最大開弁面積Ｂの約25％に設定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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、排気通路から吸気通路へ排気の一部を環流させる外部EGR装置、または、吸気行程中に排気弁を開いて排気の一部を環流させる内部EGR装置、を備える多気筒エンジンに関する。
【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、排気通路から吸気通路へ排気の一部を環流させる外部EGR装置が良く採用される（特許文献１〜特許文献３）。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ターボ過給機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。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（ターボ過給機のタービン上流）と吸気通路（ターボ過給機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）が開閉可能に介装される。特許文献２においては、２つの排気コネクタ（排気マニホールド）が備えられ、これらコネクタとターボ過給機のコンプレッサ下流との間を接続するEGR通路の合流部に設定される混合区間により、合流部に臨む各流路間を排気パルスが一方から他方へ逃げることなく下流へ伝わるようになっている。特許文献３においては、吸気行程中の気筒に排気弁を開いて排気を逆流（還流）させる内部EGR装置が備えられる。
【特許文献１】特開平０９−１３７７５４号
【特許文献２】特表２００３−５３４４８８号
【特許文献３】特開２００１−１０７８１０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の場合、気筒群毎の排気マニホールドにターボ過給機のタービンを介して排気管が接続される。このため、ターボ過給機については、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つの場合（例えば、可変ノズル式ターボチャージャ）、タービンハウジングの内部で排気の圧力どうしが干渉するため、タービン効率が良好に維持しえないばかりでなく、EGR率の向上に排気パルスが十分に生かせなくなる。特許文献２においても、ターボ過給機のタービン入口が１つの場合、２つの排気コレクタ間の排気干渉により、せっかくの混合区間の良好な効果（EGR率の向上）も有効に確保しえなくなってしまう。特許文献３の場合、排気押し出し行程中の気筒に他の気筒のブローダウン流が流入するため、ポンピングロスが大きい。また、EGR量を増加させるため、バタフライバルブを用いて排気絞りを行うことが考えられるが、この場合もポンピングロスにより、燃費や出力の大きな低下を招きかねないのである。
【０００４】
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】
【０００５】
第１の発明は、排気通路から吸気通路へ排気の一部を環流させる外部EGR装置、または、吸気行程中に排気弁を開いて気筒に排気を逆流させる内部EGR装置、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に排気マニホールドを分割し、各マニホールドの集合部下流を合流部へ先細形状に絞るノズル部と、そのノズル開口から下流側へ合流部を一旦絞ってから徐々に拡げるディフューザ部と、各ノズル部の合流部に介装されるアダプタと、を設ける一方、アダプタが、合流部の一部を形成する通孔のほか、各マニホールドに挿入されて集合部下流を合流部へ絞るノズル部を形成するガイド、または／および、合流部に挿入されて通孔と共に下流側へ合流部を一旦絞ってから徐々に拡げるディフューザ部を形成するガイド、を備えたことを特徴とする。
【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、ディフューザ部は、ターボチャージャのタービンハウジングに設定したことを特徴とする。
【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、ノズル部の最小通路面積Ａは、１気筒あたりの排気弁の最大開弁面積Ｂの約25％に設定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
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、各ノズル部から合流部を介して下流側へ排出される。その際、ノズル部により、排気の流速が加速され、合流部に吹き出る排気の流速により、動圧が上がり、静圧が下がるので、各マニホールド間をブローダウン流が他方へ逃げるのを抑えられる。また、ノズル部から吹き出る排気の流速により、静圧が下がり、エゼクタ作用により、他方のマニホールドからディフューザ部へ排気（マニホールド圧）を吸引するため、ポンピングロスが低減する。その後、ディフューザ部により、静圧が回復するため、排気エネルギを下流へ効率よく伝えられる。従って、外部EGR量または内部EGR量も十分に得られるようになる。この場合、ノズル部または／およびディフューザ部は、アダプタを介装することにより、簡便かつ廉価に設定することができる。
【０００９】
第２の発明においては、ノズル部により、排気の流速が加速され、タービンハウジングへ吹き出る排気の流速により、動圧が上がり、静圧が下がり、その後、ディフューザ部により、静圧が回復するため、タービン入口が１つのターボチャージャにおいても、タービンへのエネルギ伝達を向上させることができる。
【００１０】
第３の発明においては、ノズル部の最小通路断面積Ａが１気筒あたりの排気弁の最大開口面積Ｂの約25％よりも大きいと、EGR量が不足しやすく、NOxを低減する効果が小さくなる一方、同じく約25％よりも小さいと、ポンピングロスが大きくなり、燃費の悪化を招くほか、EGR率が大きくなり、吸気流量（空燃比）が不足しやすく、スモークが悪化するようになる。ノズル部の最小通路断面積Ａを排気弁の最大開口面積Ｂの約25％に設定することにより、スモークおよび燃費の悪化を防止する効果とNOxを低減する効果との最適な両立が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１において、２は多気筒エンジン１（６気筒エンジン）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、吸気行程がオーバラップしない気筒群毎に分割される。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。はターボチャージャ６のコンプレッサ６ａであり、７はエアクリーナである。
【００１２】
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つの可変ノズル式が用いられる。１２はマフラである。
【００１３】
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、アダプタ２１のガイド２２により、フランジ２０の開口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にアダプタ２１を介してタービンハウジング２５のフランジ２６が連結され、アダプタ２１の通孔２７およびガイド２８により、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が形成される。
【００１４】
アダプタ２１は、フランジ２０，２６間に挟まれるフランジ３０と、排気マニホールド９ａ，９ｂに挿入されるガイド部２２と、タービンハウジング２５に挿入されるガイド部２８と、からなり、フランジ３０にディフューザ部２９の一部を形成する通孔２７が開口される（図３、参照）。Ａはノズル部２３ａ，２３ｂの最小通路断面積であり、１気筒あたりの排気弁の最大開口面積Ｂの約25％に設定される（図４、参照）。最大開口面積Ｂは、Ｂ＝ｎ×π×Ｄ×Ｌ（ｎ：１気筒あたりの排気弁の数  Ｄ：排気弁の実質的な直径  Ｌ：排気弁の排気行程の最大リフト）に定義される。図３の場合、各気筒に排気弁６５が２個ずつ備えられるので、ｎは２となる。
【００１５】
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外部EGR装置であり、排気マニホールド９ａ，９ｂと吸気管４の分岐部との間を各個に接続する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の分岐部にベンチュリ４０ａ，４０ｂが設けられ、ベンチュリ４０ａ，４０ｂにEGR通路６ａ，３６ｂが開口される。ベンチュリ４０ａ，４０ｂを通過する吸気の流速に応じて負圧が発生するので、この負圧により吸引され、EGRガスがベンチュリ４０ａ，４０ｂから吸気マニホールド３ａ，３ｂへ効率よく供給しえるようになる。
【００１６】
このような構成により、エンジン１の排気は、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、ノズル部２３ａ，２３ｂの合流部１１からタービン６ｂを介して下流側へ排出される。その際、ノズル部２３ａまたは２３ｂにより、排気の流れが加速され、合流部１１に吹き出る排気の流速により、動圧が上がり、静圧が下がるので、各マニホールド９ａ，９ｂ間をブローダウン流が低圧側へ逃げるのを抑えられる。また、ノズル部２３ｂまたは２３ａから吹き出る排気の流速により、静圧が下がり、エゼクタ作用により、他方のマニホールドから排気をディフューザ部２９へ吸引するため、ポンピングロスが低減する。その後、ディフューザ部２９により、静圧が回復するため、タービン６ｂへのエネルギ伝達を向上させることができる。従って、EGR量が十分に得られるようになる。
【００１７】
図５は、吸排気脈動のシュミレーション結果を例示するものである。Ｘが吸気マニホールド圧、Ｙがノズル部２３ａ，２３ｂおよびディフューザ部２９を備える場合の排気マニホールド圧、Ｚがノズル部２３ａ，２３ｂおよびディフューザ部２９を備えない場合の排気マニホールド圧、を表示する。排気マニホールド圧ＹのＰ１は、ノズル部２３ａまたは２３ｂの絞り作用により、排気マニホールド圧ＺのＰ１’よりも高くなり、排気マニホールド圧ＹのＰ２は、他方のノズル部２３ｂまたは２３ａから吹き出る排気の流速により、静圧が下がり、エゼクタ作用により、ディフューザ部２９へ吸引され、排気マニホールド圧ＺのＰ２’よりも低くなる。
【００１８】
図６は、筒内圧のシュミレーション結果を例示するものである。Ｅがノズル部２３ａ，２３ｂおよびディフューザ部２９を備える場合の筒内圧、Ｆがノズル部２３ａ，２３ｂおよびディフューザ部２９を備えない場合の筒内圧、を表示する。排気噴き出し行程において、筒内圧Ｅは、ノズル部２３ａ，２３ｂの絞り作用により、筒内圧Ｆよりも高くなる。排気押し出し行程において、筒内圧Ｅは、ノズル部２３ａ，２３ｂおよびディフューザ２９部のエゼクタ作用により、筒内圧Ｆよりも低くなる。図７は、ノズル部２３ａ，２３ｂおよびディフューザ部２９を備える場合の、EGR流量のシミュレーション結果、図８は、ノズル部２３ａ，２３ｂおよびディフューザ部２９を備える場合の、EGR中における、吸気流量のシミュレーション結果である。
【００１９】
排気マニホールド９ａ，９ｂのノズル部２３ａ，２３ｂについては、最小流路断面積Ａが１気筒あたりの排気弁の最大開口面積Ｂの約25％に設定されるので、ポンピングロスを小さく抑えつつ、EGR率を十分に向上させることができる。図９および図１０は、（Ａ／Ｂ）×100（％）に係る各種のシミュレーション結果を例示するものである。◇は、（Ａ／Ｂ）×100（％）に応じた結果値であり、実線は、これら結果値の傾向を単純化して表示するものである。●は、ノズル部２３ａ，２３ｂおよびディフューザ部２９を備えない場合において、ターボチャージャのタービン下流に既存のバタフライバルブを用いて実施した排気絞り時の結果値を表示する。ノズル部２３ａ，２３ｂおよびディフューザ部２９を備えない場合、（Ａ／Ｂ）×100（％）≒52（％）である。
【００２０】
（Ａ／Ｂ）×100（％）≒25（％）よりも小さくなると、排気パルス（図５のピーク圧Ｐ１、参照）が大きくなり、EGR率が高くなるが、ポンピングロスが大きくなり、燃料消費率が高くなる（図９-(a)〜図９-(d)、参照）。（Ａ／Ｂ）×100（％）≒25（％）よりも大きくなると、NOx量は増えるが、タービン入口温度が低くなり、空気過剰率が大きくなり、スモーク濃度が小さくなる（図１０-(e)〜図１０-(h)、参照）。（Ａ／Ｂ）×100（％）≒25（％）においては、ポンピングロスも小さく、スモークの発生を抑えつつ、NOxも十分に低減しえることになる。（Ａ／Ｂ）×100（％）≒25（％）の結果値は、排気絞り時の結果値と比較すると、EGR率およびNOx量以外については、排気絞り時よりも良好な結果が得られるのである。
【００２１】
図１の実施形態においては、可変ノズル式ターボチャージャ６を備えるため、可変ノズルの制御により、広い運転領域において、高過給および大量EGRが可能となり、NOxの低減と燃費やスモークの改善との両立を有効に実現可能となる。また、ノズル部２３ａ，２３ｂおよびディフューザ部２９については、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との間に介装されるアダプタ２１により、簡便かつ廉価に設定することができる。
【００２２】
図１１，図１２は、アダプタ２１の変形例を表すものであり、図１１のアダプタ２１は、排気マニホールド９ａ，９ｂのフランジ２０の開口とタービンハウジング６ｂのフランジ２６の開口との段差を埋めるべくブロック形状のスペーサとして構成される。図１２のアダプタ２１は、排気マニホールド９ａ，９ｂにノズル部２３ａ，２３ｂが一体に鋳造のため、フランジ２０，２６間に挟まれるフランジ３０と、その通孔２７と共にディフューザ部２９を形成するガイド２８と、から構成される。なお、図１１，図１２において、図１，図２と実質的に同一の部位については、同一の符号を付ける。
【００２３】
図１３は、別の実施形態を説明するものであり、外部EGR装置４０のほか、吸気行程中の気筒に排気弁を開いて排気を逆流させる内部EGR装置５０が備えられる。吸気行程中の気筒に排気を逆流させる排気弁の開閉については、エンジンに駆動されるカム式の動弁機構（特許文献３、参照）または電磁アクチュエータ式の動弁機構または電磁油圧アクチュエータ式の動弁機構または空気アクチュエータ式の動弁機構により制御される。
【００２４】
外部EGR装置４０において、４５はEGR通路であり、上流側の分岐路４５ａ，４５ｂと下流側の合流路４５ｃとからなり、分岐路４５ａ，４５ｂがそれぞれ排気マニホールド９ａ，９ｂに接続され、合流路４５ｃがインタクーラ１３下流の吸気管１５に接続される。合流路４５ｃにおいて、EGRガスを冷却するEGRクーラ３７，EGR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。分岐路４５ａ，４５ｂは、合流部４６の直上流が先細形状のノズル部４７ａ，４７ｂに形成され、ノズル部４７ａ，４７ｂの直下流が合流部４６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（図示せず）に設定される。
【００２５】
このような構成により、EGR通路４５においても、ノズル部４７ａ，４７ｂおよびディフューザ部により、分岐路４５ａ，４５ｂ間を排気（EGRガス）が低圧側へ逆流することもなく、エゼクタ作用により、排気パルスが強められ、EGRクーラ３７へ送り込まれる。つまり、外部EGRおよび内部EGRに排気パルスが十分に生かせるようになる。図１３において、３は吸気マニホールドであり、図１と実質的に同一の部品については、同一の符号を付ける。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の実施形態を表す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】同じくアダプタの斜視図である。
【図４】同じくノズル部に係る説明図である。
【図５】同じく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６】同じく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７】同じく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】同じくEGR時の吸気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９】同じくノズル部に係る各種のシミュレーション結果を例示する特性図である。
【図１０】同じくノズル部に係る各種のシミュレーション結果を例示する特性図である。
【図１１】同じくアダプタの変形例に係る説明図である。
【図１２】同じくアダプタの変形例に係る説明図である。
【図１３】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】
【００２７】
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
２０  排気マニホールドのフランジ
２１  アダプタ
２２，２８  ガイド
２３ａ，２３ｂ  先細形状のノズル部
２５  タービンハウジング
２６  タービンハウジングのフランジ
２７  アダプタの通孔
２９  スロート形状のディフューザ部
３０  アダプタのフランジ
３５，４０  外部EGR装置
３７  EGRクーラ
３８  EGRバルブ
３９  逆止弁（リードバルブ）
５０  内部EGR装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2007170196.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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