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JP4237107B2 - Egr装置 - Google Patents

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Description

本発明は、EGR装置に関するものである。
従来より、自動車のエンジン等では、排気側から排気ガスの一部を抜き出して吸気側へと戻し、その吸気側に戻された排気ガスでエンジン内での燃料の燃焼を抑制させて燃焼温度を下げることによりNOxの発生を低減するようにした、いわゆる排気ガス再循環(EGR:Exhaust Gas Recirculation)が行われている。
一般的に、この種の排気ガス再循環を行う場合には、排気マニホールドから排気管に亘る排気通路の適宜位置と、吸気管から吸気マニホールドに亘る吸気通路の適宜位置との間をEGRパイプにより接続し、該EGRパイプを通して排気ガスを再循環するようにしている。
尚、エンジンに再循環する排気ガスをEGRパイプの途中で冷却すると、排気ガスの温度が下がり且つその容積が小さくなることにより、エンジンの出力を余り低下させずに燃焼温度を低下して効果的に窒素酸化物の発生を低減させることができるため、エンジンに排気ガスを再循環するEGRパイプの途中に水冷式のEGRクーラを装備したものもある。
図10は前述した排気ガス再循環を行うためのEGR装置の一例を示すもので、図10中、1はディーゼル機関であるエンジンを示し、該エンジン1は、ターボチャージャ2を備えており、図示しないエアクリーナから導いた吸気3を吸気管4を通し前記ターボチャージャ2のコンプレッサ2aへ送り、該コンプレッサ2aで加圧された吸気3をインタクーラ5へと送って冷却し、該インタクーラ5から更に吸気マニホールド6へと吸気3を導いてエンジン1の各気筒7(図10では直列6気筒の場合を例示している)に分配するようにしてある。
又、このエンジン1の各気筒7から排出された排気ガス8を排気マニホールド9を介し前記ターボチャージャ2のタービン2bへ送り、該タービン2bを駆動した排気ガス8を排気管10を介し車外へ排出するようにしてある。
そして、排気マニホールド9における各気筒7の並び方向の一端部と、吸気マニホールド6に接続されている吸気管4の一端部との間がEGRパイプ11により接続されており、排気マニホールド9から排気ガス8の一部を抜き出し再循環用排気ガス8’として吸気管4に導き得るようにしてある。
ここで、前記EGRパイプ11には、該EGRパイプ11を適宜に開閉するEGRバルブ12と、再循環用排気ガス8’を冷却するためのEGRクーラ13とが装備されており、該EGRクーラ13では、図示しない冷却水と再循環用排気ガス8’とを熱交換させることにより、該再循環用排気ガス8’の温度を低下させ得るようになっている。
尚、図10中、14は排気マニホールド9内における前側三気筒分の排気流路と後側三気筒分の排気流路とを分割する隔壁を示し、該隔壁14により排気行程の一部が重複した気筒7同士の排気干渉を抑制してタービン2bに対し排気脈動を効率良く送り込めるようにしてある。
一方、前述の如き、ターボチャージャ2を備えたエンジン1の排気マニホールド9から排気ガス8の一部を抜き出して吸気管4へ再循環するようにしたEGR装置を開示するものとしては、例えば、特許文献1がある。
特開2001−123889号公報
しかしながら、前述の如きターボチャージャ2付きのエンジン1に装備されるEGR装置においては、吸気側が過給されているために排気側との圧力差が少なくなってしまい、高いEGR率を実現することが難しいという問題があり、特に高負荷領域では、ターボチャージャ2による過給圧が排気圧力より高くなってしまう領域が生じるので、排気マニホールド9から吸気管4へ向けて排気ガス8の一部を再循環することができなくなる虞れがあった。
このように過給圧が排気圧力より高くなってしまった場合の対策としては、吸気絞りを実行して過給圧を下げることが考えられるが、高負荷領域等で過度な吸気絞りを行うと、新気量が大幅に不足して気筒内の燃焼不良や燃費の悪化を招き、しかも、ターボチャージャ2によるエンジン性能の向上も損なわれてしまう結果となる。
本発明は、斯かる実情に鑑み、ターボチャージャを備えたエンジンにおいても高いEGR率を実現し得、排気ガスの再循環によるNOxの大幅な低減と、過給によるエンジン性能向上とを両立でき、将来的な厳しい排気ガス規制にも対応し得るEGR装置を提供しようとするものである。
本発明は、ターボチャージャを備えたエンジンの排気マニホールドの一方の側から排気ガスの一部を抜き出して吸気管へ再循環させるようにしたEGR装置であって、
排気マニホールド内を各気筒の排気干渉が生じないように隔壁で区画すると共に、該隔壁で区画された排気マニホールド内の再循環用排気ガスの抜き出しを行わない他方の側から再循環用排気ガスの抜き出しを行う一方の側への排気ガスの流通を可能とする連通手段を前記隔壁に設け
排気マニホールド内の再循環用排気ガスの抜き出しを行わない他方の側における隔壁に最も近い気筒側に向けて開口し且つ再循環用排気ガスの抜き出しを行う一方の側におけるターボチャージャのタービン側へ向けて開口する連通路を隔壁自体によって形成することにより、連通手段を構成したことを特徴とするEGR装置にかかるものである。
上記手段によれば、以下のような作用が得られる。
前述の如く構成すると、隔壁で区画された排気マニホールド内の再循環用排気ガスの抜き出しを行わない他方の側、即ち排気マニホールド内の圧力の高い側から、再循環用排気ガスの抜き出しを行う一方の側、即ち排気マニホールド内の圧力の低い側へ排気ガスが連通手段を介して流通し、排気マニホールド内の圧力が均一化されることにより、吸気側が過給されていても排気側との充分な圧力差が確保されることになり、従来より高いEGR率が実現されることになる。
、前記排気マニホールド内の再循環用排気ガスの抜き出しを行わない他方の側における隔壁に最も近い気筒側に向けて開口し且つ再循環用排気ガスの抜き出しを行う一方の側におけるターボチャージャのタービン側へ向けて開口する連通路を隔壁自体によって形成することにより、連通手段を構成しているので、この場合、排気マニホールド内の再循環用排気ガスの抜き出しを行わない他方の側における隔壁に最も近い気筒側からの排気ガスは、連通路を経て再循環用排気ガスの抜き出しを行う一方の側におけるターボチャージャのタービン側へ流れるが、逆に再循環用排気ガスの抜き出しを行う一方の側における排気ガスが連通路に流入しようとしても、気筒側からターボチャージャのタービン側へ向う排気ガスの流線と逆行する形となるため、低圧側から高圧側へ排気ガスが流れ込むことは少ない。
一方、前記EGR装置においては、隔壁で区画された排気マニホールドの出口流路と連続するようにターボチャージャのタービンスクロール内も隔壁により全周に亘り分割し、該分割されたタービンスクロール流路のうち再循環用排気ガスの抜き出しを行う一方の側の出口流路に接続されるタービンスクロール流路が、再循環用排気ガスの抜き出しを行わない他方の側の出口流路に接続されるタービンスクロール流路よりも流路断面積が小さくなるよう構成することが有効となり、このように構成すると、排気マニホールドの再循環用排気ガスの抜き出しを行う側の出口流路に接続されるタービンスクロール流路における背圧が、排気マニホールドの再循環用排気ガスの抜き出しを行わない側の出口流路に接続されるタービンスクロール流路の背圧より高められる結果、吸気側が過給されていても、前述の連通手段による作用に加えて更に排気側との充分な圧力差が確保されることになり、より高いEGR率が実現されることになる。
又、前記タービンスクロール流路のスロート部に角度調整可能な多数のノズルベーンを配設することができる。
更に又、前記隔壁により分割された各タービンスクロール流路のそれぞれのスロート部に角度調整可能な多数のノズルベーンを配設し、該各ノズルベーンの角度調整をタービンスクロール流路毎に独立して制御し得るよう構成することが望ましく、このようにした場合、ターボチャージャのタービンスクロール内における再循環用排気ガスの抜き出しを行う側のタービンスクロール流路において、各ノズルベーンの開度を小さく絞り込んでスロート部の開口断面積を縮小させると、該スロート部の開口断面積を縮小させたタービンスクロール流路における背圧が更に高められて排気マニホールドの再循環用排気ガスの抜き出しを行う側の圧力が更に上昇し、吸気側と排気側との圧力差を更に高めてより高いEGR率を実現させることが可能となる。
他方、ターボチャージャのタービンスクロール内における再循環用排気ガスの抜き出しを行わない側のタービンスクロール流路において、前述した反対側のタービンスクロール流路での絞り込みにより不足するタービン駆動力を補うべく各ノズルベーンを角度調整して適切な開度を設定すれば、排気マニホールドの再循環用排気ガスの抜き出しを行う側の圧力を過給圧が超えない範囲内で、ターボチャージャとしての効率が最大限高められることになる。
そして、このようにターボチャージャとしての効率を高めることができれば、今までEGRのために絞らざるを得なかった吸気量を増やすことが可能となって、高負荷領域等における過度な吸気絞りが不要となる結果、気筒内の燃焼不良や燃費の悪化が回避されると共に、ターボチャージャによるエンジン性能の向上が図られることになる。
本発明のEGR装置によれば、ターボチャージャを備えたエンジンにおいても高いEGR率を実現し得、排気ガスの再循環によるNOxの大幅な低減と、過給によるエンジン性能向上とを両立でき、将来的な厳しい排気ガス規制にも対応し得るという優れた効果を奏し得る。
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
図1〜図7は本発明を実施する形態の第一の参考例であって、図10と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図10に示す従来のものと同様であるが、本図示例の特徴とするところは、図1〜図7に示す如く、内部を各気筒7の排気干渉が生じないように隔壁14で区画した排気マニホールド9内の再循環用排気ガス8’の抜き出しを行わない他方の側(図1においてEGRパイプ11が接続されていない側)から再循環用排気ガス8’の抜き出しを行う一方の側(図1においてEGRパイプ11が接続されている側)への排気ガス8の流通を可能とする連通手段30を前記隔壁14に設けた点にある。
本図示例においては、逆止弁30aを隔壁14に取り付けることにより、前記連通手段30を構成するようにしてある。
又、前記隔壁14で区画した排気マニホールド9の出口流路と連続するように、図2〜図4に示す如く、ターボチャージャ2のタービンスクロール15内も隔壁16により全周に亘り分割し、該分割されたタービンスクロール流路15A,15Bのうち再循環用排気ガス8’の抜き出しを行う一方の側の出口流路に接続されるタービンスクロール流路15Aが、再循環用排気ガス8’の抜き出しを行わない他方の側の出口流路に接続されるタービンスクロール流路15Bよりも流路断面積が小さくなるよう構成してある。
即ち、従来のタービンスクロール流路15A,15Bは、図3(b)及び図4(b)に示す如く、互いに同じ流路断面積となるように隔壁16により二等分されていたが、これを、図3(a)及び図4(a)に示す如く、タービンスクロール流路15Aの流路断面積がタービンスクロール流路15Bの流路断面積より小さくなるようにしているのである。
更に、本図示例の場合、前記隔壁16により分割された各タービンスクロール流路15A,15Bのそれぞれのスロート部17a,17bには、角度調整可能な多数のノズルベーン18a,18bを配設し、該各ノズルベーン18a,18bの角度調整をタービンスクロール流路15A,15B毎に独立して制御し得るよう構成してある。
ここで、前記各ノズルベーン18a,18bは、異なる角度調整機構により角度調整されるようになっているが、その機構自体は同じ形式のものであって良いので、以下ではノズルベーン18aの角度調整機構について図5を参照しつつ説明し、ノズルベーン18bの角度調整機構についてはその説明を割愛する。
即ち、前記各ノズルベーン18aは、図5に示す如く、タービンホイール19を取り囲むように配置され、ノズルリングプレート20にピン21を介し傾動自在に取り付けられており、これら各ノズルベーン18aの角度が前記ノズルリングプレート20に対するリンクプレート22の円周方向への相対変位により連動して変更されるようになっており、このリンクプレート22がアクチュエータ23によるレバー24の傾動操作でリンク25を介し回動操作されるようになっている。
次に、上記図示例の作用を説明する。
前述の如く、排気マニホールド9内の再循環用排気ガス8’の抜き出しを行わない他方の側から再循環用排気ガス8’の抜き出しを行う一方の側への排気ガス8の流通を可能とする連通手段30を、逆止弁30aを隔壁14に取り付けることにより、構成すると、隔壁14で区画された排気マニホールド9内の再循環用排気ガス8’の抜き出しを行わない他方の側、即ち排気マニホールド9内の圧力の高い側から、再循環用排気ガス8’の抜き出しを行う一方の側、即ち排気マニホールド9内の圧力の低い側へ排気ガス8が連通手段30としての逆止弁30aを介して流通し、排気マニホールド9内の圧力が均一化されることにより、吸気側が過給されていても排気側との充分な圧力差が確保されることになり、従来より高いEGR率が実現されることになる。
又、図2〜図5に示す如く構成したターボチャージャ2を図1に示すようなエンジン1に採用すると、排気マニホールド9の再循環用排気ガス8’の抜き出しを行う側の出口流路に接続されるタービンスクロール流路15Aにおける背圧が、排気マニホールド9の再循環用排気ガス8’の抜き出しを行わない側の出口流路に接続されるタービンスクロール流路15Bの背圧より高められる結果、吸気側が過給されていても、前述の連通手段30による作用に加えて更に排気側との充分な圧力差が確保されることになり、より高いEGR率が実現されることになる。
更に、本図示例においては、隔壁16により分割された各タービンスクロール流路15A,15Bのそれぞれのスロート部17a,17bに角度調整可能な多数のノズルベーン18a,18bを配設し、該各ノズルベーン18a,18bの角度調整をタービンスクロール流路15A,15B毎に独立して制御し得るよう構成してあるため、ターボチャージャ2のタービンスクロール15内における再循環用排気ガス8’の抜き出しを行う側のタービンスクロール流路15Aにおいて、図6に模式的に示す如く、各ノズルベーン18aの開度を小さく絞り込んでスロート部17aの開口断面積を縮小させると、該スロート部17aの開口断面積を縮小させたタービンスクロール流路15Aにおける背圧が更に高められて排気マニホールド9の再循環用排気ガス8’の抜き出しを行う側の圧力が更に上昇し、吸気側と排気側との圧力差を更に高めてより高いEGR率を実現させることが可能となる。
他方、ターボチャージャ2のタービンスクロール15内における再循環用排気ガス8’の抜き出しを行わない側のタービンスクロール流路15Bにおいて、前述した反対側のタービンスクロール流路15Aでの絞り込みにより不足するタービン駆動力を補うべく各ノズルベーン18bを角度調整して適切な開度を設定すれば、排気マニホールド9の再循環用排気ガス8’の抜き出しを行う側の圧力を過給圧が超えない範囲内で、ターボチャージャ2としての効率が最大限高められることになる。
ここで、ターボチャージャ2としての効率を上げるにあたっては、基本的に各ノズルベーン18bの開度を小さく絞ることでタービン2bにおける排気ガス8の旋速を上げてタービン2bの回転数を高めるようにすれば良いが、あまり極端に各ノズルベーン18bの開度を小さく絞り込んでしまうと、排気ガス8のタービン2bへの流入抵抗が増して排気ガス8の旋速が逆に下がってきてしまうので、各ノズルベーン18bは適当な開度までの絞り込みにとどめる必要がある。
但し、ターボチャージャ2の効率を上げるといっても、高負荷領域等でコンプレッサ2a側での過給圧が上がりすぎて、排気マニホールド9の再循環用排気ガス8’の抜き出しを行う側の圧力との充分な圧力差が失われたり、過給圧の方が高くなってしまったりすることは避けなければならないため、過給圧が必要以上に上昇してしまう虞れがある場合には、図7に模式的に示す如く、寧ろ各ノズルベーン18bの開度を多少開き気味にしてターボチャージャ2の効率を適当に抑制する必要もあり得ることを付言しておく。
そして、このようにターボチャージャ2としての効率を高めることができれば、今までEGRのために絞らざるを得なかった吸気量を増やすことが可能となって、高負荷領域等における過度な吸気絞りが不要となる結果、気筒7内の燃焼不良や燃費の悪化が回避されると共に、ターボチャージャ2によるエンジン性能の向上が図られることになる。
こうして、ターボチャージャ2を備えたエンジンにおいても高いEGR率を実現し得、排気ガスの再循環によるNOxの大幅な低減と、過給によるエンジン性能向上とを両立でき、将来的な厳しい排気ガス規制にも対応し得る。
図8は本発明を実施する形態の第二の参考例であって、図1〜図7と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図1〜図7に示すものと同様であるが、本図示例の特徴とするところは、図8に示す如く、前記隔壁14で区画された排気マニホールド9内の再循環用排気ガス8’の抜き出しを行わない他方の側から再循環用排気ガス8’の抜き出しを行う一方の側へ向け管径が漸次絞られたテーパ管30bを隔壁14に貫通配置することにより、連通手段30を構成した点にある。
前述の如く、排気マニホールド9内の再循環用排気ガス8’の抜き出しを行わない他方の側から再循環用排気ガス8’の抜き出しを行う一方の側への排気ガス8の流通を可能とする連通手段30を、テーパ管30bを隔壁14に貫通配置することにより、構成すると、隔壁14で区画された排気マニホールド9内の再循環用排気ガス8’の抜き出しを行わない他方の側、即ち排気マニホールド9内の圧力の高い側から、再循環用排気ガス8’の抜き出しを行う一方の側、即ち排気マニホールド9内の圧力の低い側へ排気ガス8が連通手段30としてのテーパ管30bを介して流通し、排気マニホールド9内の圧力が均一化されることにより、吸気側が過給されていても排気側との充分な圧力差が確保されることになり、従来より高いEGR率が実現されることになる。
この場合、隔壁14で区画された排気マニホールド9内の再循環用排気ガス8’の抜き出しを行わない他方の側、即ち排気マニホールド9内の圧力の高い側の排気ガス8がテーパ管30bの大径の開口端から流入し、該テーパ管30b内で流路が絞られるにつれて圧力が更に上昇し、小径の開口端から、再循環用排気ガス8’の抜き出しを行う一方の側、即ち排気マニホールド9内の圧力の低い側へ流入する形となるが、逆に低圧側から排気ガス8がテーパ管30bに流入しようとしても、テーパ構造により圧力が低下し、低圧側から高圧側へ排気ガス8が流れ込むことは少ない。
尚、図2〜図5に示す如く構成したターボチャージャ2を図8に示すようなエンジン1に採用することによる作用については、前述と同様となるので、説明は省略する。
こうして、図8に示す例の場合も、図1〜図7に示す例の場合と同様、ターボチャージャ2を備えたエンジンにおいても高いEGR率を実現し得、排気ガスの再循環によるNOxの大幅な低減と、過給によるエンジン性能向上とを両立でき、将来的な厳しい排気ガス規制にも対応し得る。
図9は本発明を実施する形態の例であって、図1〜図7と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図1〜図7に示すものと同様であるが、本図示例の特徴とするところは、図9に示す如く、前記排気マニホールド9内の再循環用排気ガス8’の抜き出しを行わない他方の側における隔壁14に最も近い気筒7(図9の例では右から四番目の気筒7)側に向けて開口し且つ再循環用排気ガス8’の抜き出しを行う一方の側におけるターボチャージャ2のタービン2b側へ向けて開口する連通路30cを隔壁14自体によって形成することにより、連通手段30を構成した点にある。
前述の如く、排気マニホールド9内の再循環用排気ガス8’の抜き出しを行わない他方の側から再循環用排気ガス8’の抜き出しを行う一方の側への排気ガス8の流通を可能とする連通手段30を、連通路30cを隔壁14自体によって形成することにより、構成すると、隔壁14で区画された排気マニホールド9内の再循環用排気ガス8’の抜き出しを行わない他方の側、即ち排気マニホールド9内の圧力の高い側から、再循環用排気ガス8’の抜き出しを行う一方の側、即ち排気マニホールド9内の圧力の低い側へ排気ガス8が連通手段30としての連通路30cを介して流通し、排気マニホールド9内の圧力が均一化されることにより、吸気側が過給されていても排気側との充分な圧力差が確保されることになり、従来より高いEGR率が実現されることになる。
この場合、排気マニホールド9内の再循環用排気ガス8’の抜き出しを行わない他方の側における隔壁14に最も近い気筒7側からの排気ガス8は、連通路30cを経て再循環用排気ガス8’の抜き出しを行う一方の側におけるターボチャージャ2のタービン2b側へ流れるが、逆に再循環用排気ガス8’の抜き出しを行う一方の側における排気ガス8が連通路30cに流入しようとしても、気筒7(図9の例では右から三番目の気筒7)側からターボチャージャ2のタービン2b側へ向う排気ガス8の流線と逆行する形となるため、低圧側から高圧側へ排気ガス8が流れ込むことは少ない。
尚、図2〜図5に示す如く構成したターボチャージャ2を図9に示すようなエンジン1に採用することによる作用については、前述と同様となるので、説明は省略する。
こうして、図9に示す例の場合も、図1〜図7に示す例の場合と同様、ターボチャージャ2を備えたエンジンにおいても高いEGR率を実現し得、排気ガスの再循環によるNOxの大幅な低減と、過給によるエンジン性能向上とを両立でき、将来的な厳しい排気ガス規制にも対応し得る。
尚、本発明のEGR装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、隔壁16をスロート部17a,17bの部分だけなくし、ノズルベーン18a,18bを分割せずに一体のものとして角度調整可能に配設するようにしても良いこと等、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
本発明を実施する形態の第一の参考例を示す概略図である。 本発明を実施する形態の第一の参考例におけるターボチャージャを示す断面図である。 図2のIII−III断面図である。 図2のIV−IV断面図である。 図2のノズルベーンの角度調整機構の一例を示す概略図である。 図2のノズルベーンの開度を小さくした状態を説明する概念図である。 図2のノズルベーンの開度を大きくした状態を説明する概念図である。 本発明を実施する形態の第二の参考例を示す概略図である。 本発明を実施する形態の例を示す概略図である。 従来例を示す概略図である。
符号の説明
1 エンジン
2 ターボチャージャ
4 吸気管
7 気筒
8 排気ガス
8’ 再循環用排気ガス
9 排気マニホールド
10 排気管
11 EGRパイプ
14 隔壁
15 タービンスクロール
15A タービンスクロール流路
15B タービンスクロール流路
16 隔壁
17a スロート部
17b スロート部
18a ノズルベーン
18b ノズルベーン
30 連通手段
30a 逆止弁
30b テーパ管
30c 連通路

Claims (4)

  1. ターボチャージャを備えたエンジンの排気マニホールドの一方の側から排気ガスの一部を抜き出して吸気管へ再循環させるようにしたEGR装置であって、
    排気マニホールド内を各気筒の排気干渉が生じないように隔壁で区画すると共に、該隔壁で区画された排気マニホールド内の再循環用排気ガスの抜き出しを行わない他方の側から再循環用排気ガスの抜き出しを行う一方の側への排気ガスの流通を可能とする連通手段を前記隔壁に設け
    排気マニホールド内の再循環用排気ガスの抜き出しを行わない他方の側における隔壁に最も近い気筒側に向けて開口し且つ再循環用排気ガスの抜き出しを行う一方の側におけるターボチャージャのタービン側へ向けて開口する連通路を隔壁自体によって形成することにより、連通手段を構成したことを特徴とするEGR装置。
  2. 隔壁で区画された排気マニホールドの出口流路と連続するようにターボチャージャのタービンスクロール内も隔壁により全周に亘り分割し、該分割されたタービンスクロール流路のうち再循環用排気ガスの抜き出しを行う一方の側の出口流路に接続されるタービンスクロール流路が、再循環用排気ガスの抜き出しを行わない他方の側の出口流路に接続されるタービンスクロール流路よりも流路断面積が小さくなるよう構成した請求項1記載のEGR装置。
  3. タービンスクロール流路のスロート部に角度調整可能な多数のノズルベーンを配設した請求項2記載のEGR装置。
  4. 隔壁により分割された各タービンスクロール流路のそれぞれのスロート部に角度調整可能な多数のノズルベーンを配設し、該各ノズルベーンの角度調整をタービンスクロール流路毎に独立して制御し得るよう構成した請求項2記載のEGR装置。
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