JP2009114991A - Supercharging device for engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はエンジンの過給装置に関し、特に低回転領域でのエンジントルクを増大させるとともに、過給機コンプレッサのサージング抑制を図るものに関する。 The present invention relates to an engine supercharging device, and more particularly to an engine supercharging device that increases engine torque in a low rotation range and suppresses surging of a supercharger compressor.
エンジンの出力トルク増大を図る手段として、吸気圧力を増大させる過給装置が知られている。その代表的なものとして排気ターボ過給機(以下ターボ過給機と略称する)が良く知られている。ターボ過給機は、排気通路に設けられたタービンホイール(以下タービンと略称する)と吸気通路に設けられたコンプレッサホイール(以下コンプレッサと略称する)とをシャフトで連結したものであり、排気ガスでタービンを回転させることによりコンプレッサを駆動し、吸気圧を上昇させる。 As a means for increasing the output torque of the engine, a supercharging device for increasing the intake pressure is known. A typical example is an exhaust turbocharger (hereinafter abbreviated as a turbocharger). A turbocharger is a turbine wheel (hereinafter abbreviated as a turbine) provided in an exhaust passage and a compressor wheel (hereinafter abbreviated as a compressor) provided in an intake passage by a shaft. The compressor is driven by rotating the turbine to increase the intake pressure.
ターボ過給機は、効率良く高い過給圧が得られる反面、必ずしも低回転領域から高回転領域に亘る広い回転域でエンジントルクを増大させることができないという特徴がある。一般的に、小型のターボ過給機は低回転領域でのトルクを増大させ、大型のターボ過給機は高回転領域でのトルクを増大させる。従って、ターボ過給機を設ける場合には、エンジンに要求されるトルク特性に相応しいタイプのターボ過給機を選択する必要がある。 A turbocharger is characterized in that it can not increase engine torque in a wide rotation range from a low rotation region to a high rotation region, while it can efficiently obtain a high supercharging pressure. Generally, a small turbocharger increases torque in a low rotation region, and a large turbocharger increases torque in a high rotation region. Therefore, when a turbocharger is provided, it is necessary to select a turbocharger of a type suitable for the torque characteristics required for the engine.
しかし多くの場合、低回転から高回転に亘る広い回転域でエンジントルクを増大させることが望まれる。そこで、例えば低回転用と高回転用の2つのターボ過給機を備えるもの(いわゆる2ステージターボ)、低回転用の電動過給機と高回転用のターボ過給機とを備えるもの、或いは特許文献1に示すように、タービンノズルに可動式のフラップを設け、低回転領域ではそのフラップ開度を低減して過給効率を高めたもの(いわゆる可変ジオメトリターボ)等が提案されている。
However, in many cases, it is desired to increase the engine torque in a wide rotation range from low rotation to high rotation. Therefore, for example, one having two turbochargers for low rotation and high rotation (so-called two-stage turbo), one having an electric supercharger for low rotation and a turbocharger for high rotation, or As shown in
特許文献1に示されるような可変ジオメトリターボの場合、ベースとなるターボ過給機として大型ターボを採用するのが望ましい。そのようにすると、高回転領域においてはフラップ開度を増大することにより大型ターボの本来特性としてのエンジントルク増大を図り、低回転領域においてはフラップ開度を低減することにより排気流速を上昇させ、タービン駆動力を増大させてエンジントルク増大を図ることができる。結局、低回転から高回転に亘る広い回転域でエンジントルクを増大させることができる。
In the case of a variable geometry turbo as shown in
一方、ターボ過給機のコンプレッサに関し、サージングの発生が問題となることがある。一般的にサージングは、コンプレッサに流れる空気流量が少なく、かつ圧力比(コンプレッサ前後の圧力の比)が高いとき、換言すれば低回転・高負荷領域で発生し易い。このサージングの発生する作動領域はサージング領域と呼ばれる。サージングはコンプレッサのインペラ周りの空気の剥離(渦流)によって発生し、これが発生すると過給効率が低下する上、振動が発生したりコンプレッサの材料を疲労させたりする虞がある。 On the other hand, the occurrence of surging may be a problem for a turbocharger compressor. Generally, surging is likely to occur when the flow rate of air flowing through the compressor is small and the pressure ratio (ratio of pressure before and after the compressor) is high, in other words, in a low rotation / high load region. The operating region where surging occurs is called a surging region. Surging occurs due to air separation (vortex) around the impeller of the compressor. If this occurs, supercharging efficiency is reduced, and vibration may occur or the compressor material may be fatigued.
そこで近年、サージング領域において、加圧された吸気の一部を例えば吸気側に還流させてサージングを抑制する方策が研究されている。具体的には、コンプレッサ前後の吸気通路を繋ぐバイパス通路と、このバイパス通路を開閉するバイパス弁を設ける。そしてサージング領域においてこのバイパス弁を開弁する。このようにすると、実質的な吸気量(燃焼室に導入される吸気量)に対してコンプレッサを流れる空気量を相対的に増量することができるので、サージング領域から非サージング領域に移行させることができる。すなわちサージングの発生を抑制することができる。
しかしながら、上記過給領域の問題に関して、特許文献1に示される可変ジオメトリターボを含め上記従来の各過給機は、何れも構造が複雑であったり大型化を招いたりするという問題点があり、その解決が求められている。
However, regarding the problem of the supercharging region, each of the conventional superchargers including the variable geometry turbo shown in
またサージングに関して、上記従来の抑制策は、コンプレッサで加圧した空気の一部を上流の低圧部に逃がすことになるので、その分無駄仕事となり、燃費の悪化を招くものとなる。 Further, with respect to surging, the above-described conventional suppression measures allow a part of the air pressurized by the compressor to escape to the upstream low-pressure part, which is wasteful and correspondingly deteriorates fuel consumption.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、簡単な構造でありながら、低回転領域でのエンジントルクを増大させることができ、かつ効率的なサージングの抑制を図ることができるエンジンの過給装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is possible to increase the engine torque in the low rotation range and to suppress the surging efficiently while having a simple structure. It is an object to provide a feeding device.
上記課題を解決するための請求項1に係る発明は、各気筒の排気ポートに接続され、複数の独立排気通路を有する排気マニホールドと、上記排気マニホールドないしはその下流側において上記独立排気通路が集合した集合部と、上記集合部の下流側に接続され、排気で駆動されるタービンと、該タービンの駆動力によって吸気を昇圧するコンプレッサとを備えた排気ターボ過給機と、上記集合部の上流側で、上記独立排気通路の各通路断面積を変更可能な可変排気バルブと、上記可変排気バルブを駆動制御する可変排気バルブ制御手段と、吸気通路の上記コンプレッサ下流側と、排気通路の上記可変排気バルブ下流側かつ上記タービン上流側とを接続した吸気リリーフ通路と、該吸気リリーフ通路上に配設された吸気リリーフ弁と、上記吸気リリーフ弁を開弁制御する吸気リリーフ制御手段とを備え、上記可変排気バルブ制御手段は、過給領域の所定の低回転領域において、上記可変排気バルブによって上記独立排気通路の上記各通路断面積を最大面積時よりも縮小させる独立排気絞り制御を実行し、上記吸気リリーフ制御手段は、過給領域において上記コンプレッサが所定のサージング領域にあるとき、上記吸気リリーフ弁を開弁制御することを特徴とする。
The invention according to
請求項2に係る発明は、請求項1記載のエンジンの過給装置において、上記排気通路と上記吸気通路とを接続するEGR通路と、該EGR通路に配設されるEGR弁と、所定の低負荷領域において上記EGR弁を開弁制御するEGR制御手段とを備え、上記吸気リリーフ通路および上記吸気リリーフ弁を、上記EGR通路および上記EGR弁で兼用するよう構成されていることを特徴とする。
The invention according to
請求項3に係る発明は、請求項2記載のエンジンの過給装置において、上記EGR通路には、エンジンの冷却水と該EGR通路中のガスとの熱交換可能な水冷EGRクーラが配設されていることを特徴とする。
The invention according to
請求項4に係る発明は、請求項1乃至3の何れか1項に記載のエンジンの過給装置において、上記吸気リリーフ弁が開弁制御されるとき、上記可変排気バルブ制御手段または上記吸気リリーフ制御手段は、上記コンプレッサが上記サージング領域とそれ以外の非サージング領域との境界近傍かつ上記非サージング領域にあるように上記吸気リリーフ弁と上記可変排気バルブの少なくとも一方の開度を調節することを特徴とする。
The invention according to
請求項1の発明によれば、以下説明するように、簡単な構造でありながら、低回転領域でのエンジントルクを増大させることができ、かつ効率的なサージングの抑制を図ることができる。 According to the first aspect of the present invention, as will be described below, the engine torque in the low rotation region can be increased while the structure is simple, and efficient suppression of surging can be achieved.
本発明の構成によれば、排気マニホールドの独立排気通路と可変排気バルブとによって、排気のエゼクタ効果を得ることができる。エゼクタはジェットポンプとも呼ばれる従来知られた装置であって、高速の駆動流体による負圧で被吸出し流体を吸出す装置である。その吸出し作用を利用して例えば真空ポンプとして用いられる。本明細書では、このエゼクタと同じ原理によって得られる排気の吸出し作用をエゼクタ効果と称する。 According to the configuration of the present invention, the exhaust ejector effect can be obtained by the independent exhaust passage and the variable exhaust valve of the exhaust manifold. The ejector is a conventionally known device called a jet pump, and sucks out a fluid to be sucked out by a negative pressure by a high-speed driving fluid. For example, it is used as a vacuum pump by utilizing the sucking action. In the present specification, the exhaust suction action obtained by the same principle as the ejector is referred to as an ejector effect.
エゼクタ効果を本発明の構成に即して説明すれば、排気マニホールド中のある独立排気通路を排気、特にブローダウンガス(排気バルブ開弁直後の勢いの強い排気)が流れ、それが可変排気バルブによって通路断面積の縮小された箇所を通ると、絞られて流速が増大し、圧力が低下する。この絞られた排気が駆動流体に相当する。 Explaining the ejector effect according to the configuration of the present invention, exhaust, particularly blowdown gas (strong exhaust immediately after the exhaust valve is opened) flows through an independent exhaust passage in the exhaust manifold, which is a variable exhaust valve. When passing through a portion where the passage cross-sectional area is reduced, the flow velocity is increased and the pressure is reduced. This throttled exhaust corresponds to the driving fluid.
一方集合部では、この駆動流体相当の排気が流れる排気通路と他の排気通路とが連通している。従ってその集合部において、駆動流体としての排気は、他の排気通路内の排気(被吸出し流体)をエゼクタ効果によって吸出す。 On the other hand, in the collecting portion, an exhaust passage through which exhaust corresponding to the driving fluid flows and another exhaust passage communicate with each other. Therefore, in the gathering portion, the exhaust as the driving fluid sucks the exhaust (sucked fluid) in the other exhaust passage by the ejector effect.
なお、エゼクタ効果をより高めるには、駆動流体の排気と被吸出し流体の排気とを可及的に浅い角度(平行に近い角度)で合流させれば良い。 In order to further enhance the ejector effect, the exhaust of the driving fluid and the exhaust of the sucked fluid may be merged at a shallowest angle (an angle close to parallel) as much as possible.
エゼクタ効果による利点は、主に次の4点が挙げられる。 The following four points can be cited mainly as advantages of the ejector effect.
第1に、ターボ過給機のタービン流量(ターボ過給機に供給される排気の量)の増量である。駆動流体の排気と被吸出し流体の排気とは集合部で合流し、その下流に設けられたターボ過給機のタービンに導入される。従ってタービン流量は、エゼクタ効果のない場合に比べ、吸出された排気の分だけ増大する。こうしてタービン駆動力を増大させ、過給圧を上昇させることができる。 The first is an increase in the turbine flow rate of the turbocharger (the amount of exhaust gas supplied to the turbocharger). The exhaust of the driving fluid and the exhaust of the sucked fluid merge at the gathering portion and are introduced into the turbine of the turbocharger provided downstream thereof. Accordingly, the turbine flow rate is increased by the amount of exhausted air as compared with the case where the ejector effect is not provided. Thus, the turbine driving force can be increased and the supercharging pressure can be increased.
第2に、排気の掃気促進である。エゼクタ効果によって被吸出し流体としての排気が吸出されるので、掃気が促進される。それにより排気抵抗が低減される。また、通常、排気行程から吸気行程に移行する際、吸気バルブと排気バルブとが両方開く期間(オーバーラップ期間)が設けられる。掃気の促進によってオーバーラップ期間での吸気も促進されるので、吸気量を増大させ、エンジントルクを増大させることができる。 Secondly, the exhaust gas scavenging is promoted. Since the exhaust as the sucked fluid is sucked out by the ejector effect, scavenging is promoted. Thereby, the exhaust resistance is reduced. Further, normally, when shifting from the exhaust stroke to the intake stroke, a period (overlap period) in which both the intake valve and the exhaust valve are opened is provided. Since the intake of the overlap period is also promoted by the promotion of the scavenging, the intake amount can be increased and the engine torque can be increased.
この効果をより多く得るには、通常の4サイクル4気筒エンジンのように、ある気筒がブローダウン時(排気バルブ開弁直後)にあるときと、他の気筒でのオーバーラップ期間とが重なるようにするのが良い。但しその関係にある気筒同士の排気通路は可変排気バルブより上流側で互いに独立している必要がある。 In order to obtain this effect more, as in a normal 4-cycle 4-cylinder engine, when a certain cylinder is blown down (immediately after the exhaust valve is opened), the overlap period of other cylinders overlaps. It is good to be. However, the exhaust passages between the cylinders in that relationship need to be independent from each other upstream of the variable exhaust valve.
第3に、動圧過給を行うものにおいて、その促進である。ここで、まず動圧過給について説明する。動圧過給は、排気の脈動を利用してターボ過給機の過給能力を高めるものである。詳細なメカニズムは後述するが、排気の脈動が大きいほど動圧過給が促進される。そして排気の脈動を大きくするには、排気通路容積を削減するのが最も簡単で効果的である。しかしレイアウト上、排気マニホールドの容積全体を削減して排気通路容積を削減するには限界がある。 Thirdly, in the case of performing dynamic pressure supercharging, it is the promotion. Here, first, dynamic pressure supercharging will be described. In the dynamic pressure supercharging, the supercharging capability of the turbocharger is increased by utilizing the pulsation of the exhaust gas. Although the detailed mechanism will be described later, dynamic pressure supercharging is promoted as the exhaust pulsation increases. In order to increase the exhaust pulsation, it is the simplest and most effective to reduce the exhaust passage volume. However, in terms of layout, there is a limit to reducing the exhaust manifold volume by reducing the entire volume of the exhaust manifold.
エゼクタ効果がない通常の場合、排気は集合部において他の排気通路に回り込む(逆流する)。しかし本発明のようにエゼクタ効果があると、排気は駆動流体として他の排気通路から被駆動流体を吸出す。つまり他の排気通路に回り込むことがない。これは、動圧過給においては排気通路容積を削減したような作用をもたらす。 In the normal case where there is no ejector effect, the exhaust gas flows around (reverses) to another exhaust passage at the collecting portion. However, if there is an ejector effect as in the present invention, the exhaust sucks the driven fluid from the other exhaust passages as the driving fluid. That is, it does not wrap around other exhaust passages. This brings about the effect of reducing the exhaust passage volume in the dynamic pressure supercharging.
このように、全体の排気通路容積(排気マニホールド容積)が同じであれば、エゼクタ効果を有する本発明の構成は、エゼクタ効果のないものに比べ、より動圧過給を促進することができる。 As described above, if the entire exhaust passage volume (exhaust manifold volume) is the same, the configuration of the present invention having the ejector effect can further promote the dynamic pressure supercharging as compared with the case without the ejector effect.
第4に、本発明に係る吸気リリーフの促進である。ここで、まず吸気リリーフについて説明する。本発明の構成において、吸気通路のコンプレッサ下流側と、排気通路の可変排気バルブ下流側かつタービン上流側とを接続した吸気リリーフ通路と、その吸気リリーフ通路上に配設された吸気リリーフ弁とが設けられている。そして吸気リリーフ制御手段が、過給領域においてコンプレッサがサージング領域にあるとき、吸気リリーフ弁を開弁制御する。これが吸気リリーフである。つまり本発明に係る吸気リリーフは、コンプレッサによる加圧空気の一部を排気通路側に導く(リリーフする)ことによってサージングを抑制するものの一種である。 Fourth, promotion of intake air relief according to the present invention. Here, intake relief will be described first. In the configuration of the present invention, an intake relief passage connecting the compressor downstream side of the intake passage, the variable exhaust valve downstream side of the exhaust passage and the turbine upstream side, and an intake relief valve disposed on the intake relief passage are provided. Is provided. The intake relief control means controls the opening of the intake relief valve when the compressor is in the surging region in the supercharging region. This is the intake relief. That is, the intake air relief according to the present invention is a kind of one that suppresses surging by guiding (relieving) a part of the compressed air by the compressor to the exhaust passage side.
本発明の吸気リリーフによれば、実質的な吸気量(燃焼室に導入される吸気量)に対してコンプレッサを流れる空気量を相対的に増量することができるので、サージング領域から非サージング領域に移行させることができる。すなわちサージングの発生を抑制することができる。 According to the intake relief of the present invention, the amount of air flowing through the compressor can be relatively increased with respect to the substantial intake amount (the intake amount introduced into the combustion chamber), so that the surging region is changed to the non-surging region. Can be migrated. That is, the occurrence of surging can be suppressed.
しかも、吸気リリーフ通路を通して排気側に導かれた加圧空気(以下これをリリーフガスという)は、ターボ過給機のタービンを駆動するエネルギとして有効利用することができる。従来の、加圧空気をコンプレッサの上流側に還流するタイプのものに比べ、リリーフガスが有効な仕事をなす点で優れており、加圧空気をリリーフすることによる燃費の悪化を抑制することができる。 Moreover, the pressurized air (hereinafter referred to as relief gas) guided to the exhaust side through the intake relief passage can be effectively utilized as energy for driving the turbine of the turbocharger. Compared to the conventional type that recirculates pressurized air to the upstream side of the compressor, it is superior in that the relief gas performs effective work, and it can suppress the deterioration of fuel consumption due to relief of pressurized air. it can.
しかしながら、単に吸気リリーフ通路を設けて吸気リリーフ弁を開いただけでは、必ずしも適正な吸気リリーフを行うことができない。排気通路の排圧、特にタービン上流側の排圧は高圧なので、吸気リリーフ弁を開いてもリリーフガスが吸気側から排気側に流れ難く、逆に排気側から吸気側への逆流の懸念さえある。 However, it is not always possible to perform proper intake relief simply by providing an intake relief passage and opening the intake relief valve. Since the exhaust passage exhaust pressure, especially the exhaust pressure upstream of the turbine, is high, relief gas is difficult to flow from the intake side to the exhaust side even if the intake relief valve is opened, and conversely there is a concern of backflow from the exhaust side to the intake side .
その解決手段として、上述の可変排気バルブによるエゼクタ効果の利用が有効である(第4の利点)。本発明において、吸気リリーフ通路の排気側は可変排気バルブの下流側に接続されている。従って吸気リリーフ通路と排気通路との接続部において、独立排気絞り制御によるエゼクタ効果を得ることができる。エゼクタ効果によると、吸気リリーフ通路の排気側が低圧となるので、吸気リリーフ弁を開くことによりリリーフガスを吸気通路から排気通路に円滑に導くことができる。すなわち吸気リリーフを促進することができる。 As a solution to this, it is effective to use the ejector effect by the variable exhaust valve described above (fourth advantage). In the present invention, the exhaust side of the intake relief passage is connected to the downstream side of the variable exhaust valve. Therefore, the ejector effect by the independent exhaust throttle control can be obtained at the connection portion between the intake relief passage and the exhaust passage. According to the ejector effect, the exhaust side of the intake relief passage has a low pressure, so that the relief gas can be smoothly guided from the intake passage to the exhaust passage by opening the intake relief valve. That is, intake relief can be promoted.
しかも、サージング領域(低回転・高負荷領域(過給領域))と独立排気絞り制御の実行領域(低回転・過給領域)との重複部分が大きい(通常はサージング領域が独立排気絞り制御の実行領域に含まれる)ので、独立排気絞り制御と吸気リリーフとを適正に両立させることが容易である。 Moreover, there is a large overlap between the surging area (low rotation / high load area (supercharging area)) and the independent exhaust throttle control execution area (low rotation / supercharging area) (usually the surging area is independent exhaust throttle control). Therefore, it is easy to properly achieve both independent exhaust throttle control and intake relief.
以上説明したように、本発明によれば、1つのターボ過給機を用いた簡単な構造でありながら、低回転領域でのエンジントルクを増大させることができ(エゼクタ効果の第1〜第3の利点)、かつ効率的なサージングの抑制を図ることができる(吸気リリーフ制御とエゼクタ効果の第4の利点との複合)。 As described above, according to the present invention, it is possible to increase the engine torque in the low rotation range while having a simple structure using one turbocharger (first to third ejector effects). ) And efficient suppression of surging can be achieved (combination of intake relief control and the fourth advantage of the ejector effect).
請求項2の発明によれば、以下説明するように、EGR(排気再循環)を行いつつ、そのシステムを利用(兼用)して別途専用の吸気リリーフ通路および吸気リリーフ弁を設けることなく吸気リリーフを行うことができる。 According to the second aspect of the present invention, as will be described below, the intake air relief is performed without using a separate dedicated intake relief passage and intake relief valve by using the system while performing EGR (exhaust gas recirculation). It can be performed.
排気を吸気側に還流させるEGRは、従来広く行われている。EGRを行うと、吸気に対する不活性ガス成分(還流された排気ガス、即ちGERガス)の割合が増大するので、燃焼温度を下げることができ、窒素酸化物(NOx)の生成・排出を抑制することができる。また酸素量の増大を抑制しつつ吸気のガス量を増大することができるので、吸気負圧を低減し、ポンピングロスを低減することができる。 Conventionally, EGR for recirculating exhaust gas to the intake side has been widely performed. When EGR is performed, the ratio of the inert gas component (recirculated exhaust gas, that is, GER gas) to the intake air increases, so that the combustion temperature can be lowered and the generation and emission of nitrogen oxides (NOx) are suppressed. be able to. Moreover, since the amount of intake gas can be increased while suppressing an increase in the amount of oxygen, the intake negative pressure can be reduced and the pumping loss can be reduced.
本発明の構成によれば、排気通路と吸気通路とを接続するEGR通路と、そのEGR通路に配設されるEGR弁と、所定の低負荷領域においてEGR弁を開弁制御するEGR制御手段とを備えることにより、適正なEGRを行うことができる。 According to the configuration of the present invention, an EGR passage connecting the exhaust passage and the intake passage, an EGR valve disposed in the EGR passage, and an EGR control means for controlling the opening of the EGR valve in a predetermined low load region, By providing the above, proper EGR can be performed.
ここで、上記吸気リリーフとEGRとは、エンジン本体をバイパスして吸気通路と排気通路とを接続する通路(吸気リリーフ通路またはEGR通路)を備えている点やその通路を開閉する弁(吸気リリーフ弁またはEGR弁)を備えている点なと、構造面で共通する部分が多い。そこで本発明では、専用の吸気リリーフ通路や吸気リリーフ弁を設けず、これらをEGR通路やEGR弁で兼用することにより、構造の簡略化、低コスト化を図ることができる。 Here, the intake relief and the EGR include a passage (an intake relief passage or an EGR passage) that bypasses the engine body and connects the intake passage and the exhaust passage, and a valve that opens and closes the passage (intake relief). There are many parts that are common in terms of structure, such as a valve or an EGR valve. Therefore, in the present invention, the dedicated intake relief passage and the intake relief valve are not provided, and these are shared by the EGR passage and the EGR valve, whereby the structure can be simplified and the cost can be reduced.
なお適正に兼用するためには、EGR通路が、吸気リリーフ通路としても機能するように、吸気通路のコンプレッサ下流側と、排気通路の可変排気バルブ下流側かつタービン上流側とを接続したものである必要があるが、そのようにすることに対しEGRの機能上特に問題はない。 In order to properly use the EGR passage, the compressor downstream side of the intake passage and the variable exhaust valve downstream side of the exhaust passage and the upstream side of the turbine are connected so that the EGR passage also functions as an intake relief passage. Although it is necessary, there is no particular problem in the function of EGR for doing so.
また、吸気リリーフはサージング領域、すなわち低回転・高負荷領域で行われ、EGRは自然吸気領域、すなわち低負荷領域で行われる。つまり通常は吸気リリーフとEGRとが同時に行われる、或いはその要求があることがないので、互いに干渉することなく、何れも適正に行わせることができる。 Further, the intake relief is performed in the surging region, that is, the low rotation / high load region, and the EGR is performed in the natural intake region, that is, the low load region. That is, normally, the intake air relief and the EGR are performed at the same time or there is no request for them, so that both can be performed properly without interfering with each other.
請求項3の発明によれば、以下説明するように、水冷EGRクーラ(以下EGRクーラと略称する)を、EGRの実行時はもとより、吸気リリーフの実行時にも効果的に用いることができる。
According to the invention of
一般的にEGR通路を還流するEGRガスは高温であるため、これがそのまま吸気通路に導かれると吸気温度の上昇を招くので好ましくない。そこで、EGRクーラを設けてEGRガスを冷却することにより、吸気温度の上昇を抑制することができる。 In general, since the EGR gas that recirculates in the EGR passage is high in temperature, it is not preferable if it is led directly to the intake passage because the intake air temperature rises. Therefore, an increase in the intake air temperature can be suppressed by providing an EGR cooler to cool the EGR gas.
一方、吸気リリーフ時にEGR通路を吸気リリーフ通路として用いる際には、EGRクーラは逆にリリーフガスを加熱する作用を有する。EGRクーラはエンジン冷却水を用いた水冷式であり、冷却水温は温間時で90℃前後となる。これに対してリリーフガスの温度は50℃前後であるため、EGRクーラでの熱交換によって冷却水側からリリーフガス側に熱の供給が行われるのである。加熱されたリリーフガスは温度が上昇し、内部エネルギが増大する。従ってリリーフガスが通常の排気ガスと合流した後の排ガスエネルギも増大し、ターボ過給機のタービン駆動エネルギが増大する。こうしてリリーフガスをより効率的にタービン駆動エネルギとして利用することができる。 On the other hand, when the EGR passage is used as the intake relief passage during intake relief, the EGR cooler conversely has an action of heating the relief gas. The EGR cooler is a water-cooled type using engine cooling water, and the cooling water temperature is about 90 ° C. when warm. In contrast, since the temperature of the relief gas is around 50 ° C., heat is supplied from the cooling water side to the relief gas side by heat exchange in the EGR cooler. The heated relief gas increases in temperature and the internal energy increases. Therefore, the exhaust gas energy after the relief gas merges with the normal exhaust gas also increases, and the turbine drive energy of the turbocharger increases. Thus, the relief gas can be used as turbine drive energy more efficiently.
請求項4の発明によれば、以下説明するように、サージングを抑制しつつ、リリーフガス量を可及的に抑制することができる。
According to the invention of
上述したように本発明の吸気リリーフによれば、燃費の悪化を抑制しつつサージングを抑制することができるものの、リリーフガス量は最小限に留めることが望ましい。そのためには本発明のように、コンプレッサがサージング領域と非サージング領域の境界近傍かつ非サージング領域にあるように吸気リリーフ制御を行えば良い。 As described above, according to the intake air relief of the present invention, it is possible to suppress surging while suppressing deterioration of fuel consumption, but it is desirable to keep the amount of relief gas to a minimum. For this purpose, as in the present invention, intake relief control may be performed so that the compressor is in the vicinity of the boundary between the surging region and the non-surging region and in the non-surging region.
なお、吸気リリーフ弁の開度が大きいほど、また可変排気バルブの絞り度合が大きいほど、リリーフガス量は多くなる。そこで本発明のように、吸気リリーフ弁及び可変排気バルブの少なくとも一方の開度を調節することにより、リリーフガス量を最適値に調節することができる。 Note that the greater the opening of the intake relief valve and the greater the degree of throttle of the variable exhaust valve, the greater the amount of relief gas. Therefore, as in the present invention, the amount of relief gas can be adjusted to an optimum value by adjusting the opening of at least one of the intake relief valve and the variable exhaust valve.
以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施の形態について説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係るエンジンの過給装置の概略構成図である。また図2は図1の部分側断面図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an engine supercharging device according to an embodiment of the present invention. 2 is a partial side sectional view of FIG.
本実施形態のエンジンの過給装置は、1つのターボ過給機50を用いた簡単な構成でありながら、低回転領域から高回転領域に亘る広い範囲で高い過給性能を得、全域において高いトルクを発生することができ、さらに効率的なサージングの抑制を図ることができることを最大の特徴とする。
The supercharger for an engine according to the present embodiment has a simple configuration using one
その達成手段として、主として次の3つの技術的特徴を有する。
(1)動圧過給による過給能力の向上
(2)独立排気通路と可変排気バルブ30を用いた独立排気絞り制御
(3)吸気リリーフ制御によるサージングの抑制
これらについては後に詳述するが、まず本実施形態の構成、構造について説明する。
As means for achieving this, it has the following three technical features.
(1) Improvement of supercharging capability by dynamic pressure supercharging (2) Independent exhaust throttle control using independent exhaust passage and variable exhaust valve 30 (3) Surge suppression by intake relief control These will be described in detail later. First, the configuration and structure of this embodiment will be described.
エンジン1は排気タービン過給機50(以下ターボ過給機と略称する)を備えた直列4気筒の4サイクルエンジンである。ターボ過給機50は周知の過給機であって、吸気通路10に設けられたコンプレッサ52と排気通路60に設けられたタービン54とをシャフト53で連結したものである。図1では図を見易くするためにコンプレッサ52とタービン54とを分離して図示しているが、実際には1本のシャフト53の一端側にコンプレッサ52が設けられ、他端側にタービン54が設けられている。ターボ過給機50の設置位置付近では、実際には吸気通路10と排気通路60とが近接しており、その間にターボ過給機50が介設されている。ターボ過給機50は、排気Weでタービン54を回転させることによりコンプレッサ52を駆動し、吸気Wiを圧縮して吸気圧を上昇させる。
The
ターボ過給機50のコンプレッサ52より上流側にはエアフローメータ11が設けられ、吸気量が検出される。
An
一方、コンプレッサ52の下流側には、コンプレッサ52によって圧縮され、温度上昇した吸気を冷却するインタークーラ13が設けられている。その下流側には運転状態に応じて吸気を絞るスロットルバルブ18が設けられている。スロットルバルブ18はモータ等からなるアクチュエータ19によってその開度が調節される。さらにその下流側にはサージタンク14が設けられている。サージタンク14は吸気を一時的に滞留させる空気溜りであって、エアフローメータ11の精度に悪影響を与える吸気脈動や吸気干渉を抑制したり、空気を滞留させることによって密度を増し、流速を上げることにより吸入効率を高めるたりする。
On the other hand, an
サージタンク14には圧力センサ25が取付けられ、サージタンク14内の吸気圧(以下サージタンク圧という)が検出される。サージタンク圧は、通常のエンジン制御においても利用されるが、本実施形態では、さらに後述するようにコンプレッサ52のサージングを検出するためにも利用される。
A
サージタンク14の下流側には吸気を各気筒に導く吸気マニホールド15が設けられており、その下流端はシリンダブロックとシリンダヘッドとを主要部材とするエンジン本体2に接続されている。エンジン本体2には第1〜第4気筒3a,3b,3c,3d(これらを総称するときは気筒3という)が一直線上に配設されている。各気筒3の構成は共通で、図2に示すように燃焼室4の上部には吸気マニホールド15に接続されて吸気Wiを吸入するための吸気ポート6と、排気Weを排出するための排気ポート8とが設けられている。そして吸気ポート6を開閉する吸気バルブ7と排気ポート8を開閉する排気バルブ9とが設けられている。さらに燃焼室4の頂部には火花を発生させる点火プラグ5が設けられている。その他、図略の燃料供給手段(燃料噴射弁など)が適宜位置に設けられている。
An
第1〜第4気筒3a,3b,3c,3dの排気ポート8には、第1〜第4排気通路16a,16b,16c,16dが個別に接続されている。図1に示すように、そのうちの第2排気通路16bと第3排気通路16cとは、その下流側で集合され、補助集合排気通路16bcとなっている。第1〜第4排気通路16a〜16d及び補助集合排気通路16bcは全体として排気マニホールド16を構成する。
The first to
つまり排気マニホールド16は、上流側において4つの独立排気通路(第1〜第4気筒3a,3b,3c,3d)、下流側において3つの独立排気通路(第1,第4排気通路16a,16d及び補助集合排気通路16bc)で構成されている。以下特に記す場合を除き、独立排気通路とは下流側の3つの独立排気通路を指すものとする。
That is, the
排気マニホールド16の下流側にはハウジング31が接続されている。ハウジング31の内部上流側(排気マニホールド16との接続部付近)には可変排気バルブ30が設けられている。またハウジング31は、可変排気バルブ30より下流側において、上記3つの独立排気通路が集合する集合部31cを形成する。
A
可変排気バルブ30は、上記3つの独立排気通路16a,16bc,16dの各通路断面積を、その独立状態を維持しつつ変更するバルブであって、フラップ35やこれを駆動するアクチュエータ38等を備える。詳細構造は図5等を参照して後述する。
The
ハウジング31(集合部31c)の下流側には、上述のようにターボ過給機50のタービン54が設けられている。なお本実施形態のターボ過給機50は、主に高回転領域においてトルク増大作用の強い大型ターボである。一般的に、A/R(図2に示すタービン部のノズル面積Aと、タービン軸からノズル中心部までの距離Rとの比)が比較的大きく、またタービン径Dも比較的大きいものを大型ターボという。本実施形態のターボ過給機50は、一般的な大型ターボと比較して、タービン径Dが大きいことは同様であるがA/Rが比較的小さい設定となっている。このように設定すると、ターボ過給機50の効率が最大となるタービン流量が一般の大型ターボに比べて高流量側にずれる。またその効率の最大値も高くなる。このような設定はタービン流量の多い領域を積極的に用いる本実施形態の動圧過給(詳細は後述する)にとって好適な設定となっている。
As described above, the
また図1に示すように、排気通路60には、タービン54をバイパスするウエスト通路61と、ウエスト通路61を開閉するウエストゲートバルブ62とが設けられている。
As shown in FIG. 1, the
さらに、EGRを実行するための構造として、排気通路60と吸気通路10とを連通するEGR通路22が設けられている。EGR通路22の上流端は可変排気バルブ30及び集合部31cより下流側かつタービン54より上流側に開口している。一方下流端は吸気通路10のスロットルバルブ18とサージタンク14との間に開口している。EGR通路22にはこれを開閉するEGR弁23と、エンジンの冷却水とEGR通路22中のガス(EGRの場合はEGRガス)との熱交換可能な水冷EGRクーラ24(以下EGRクーラと略称する)が設けられている。
Further, an
またエンジン1には可変バルブタイミング機構12(バルブタイミング変更手段)が設けられている。本実施形態の可変バルブタイミング機構12は、吸気バルブ7及び排気バルブ9の開弁期間を維持したまま、バルブタイミング(バルブ開閉弁時期)を平行移動的に前後させる、いわゆるVVT(Variable Valve Timing)である。VVTの方式としては、バルブタイミングを連続的に変化させるものでも、2以上の段階的に変化させるものでも良い。本実施形態の可変バルブタイミング機構12は、吸気側の吸気VVT12i(吸気バルブタイミング変更手段)と排気側の排気VVT12e(排気バルブタイミング変更手段)とを備え、吸気バルブ7と排気バルブ9の双方においてバルブタイミングを変化させる。
The
また図1に示すように、エンジン1の動作を電気的に制御するECU(Engine Control Unit)20が設けられている。ECU20は、CPU、メモリ、カウンタタイマー群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するバス等を有するマイクロプロセッサで構成された制御ユニットである。ECU20は、運転状態に応じてアクチュエータ19にスロットル開度信号を送信し、スロットルバルブ18の開度制御を行う。またエアフローメータ11からの吸気量信号や圧力センサ25からのサージタンク圧信号を受けて適正な燃料供給量や点火時期を演算し、図略の燃料噴射弁や点火プラグ5に駆動信号を送信する。またECU20は可変バルブタイミング機構12の駆動制御やウエストゲートバルブ62の開閉制御を行う。
As shown in FIG. 1, an ECU (Engine Control Unit) 20 that electrically controls the operation of the
さらにECU20は、可変排気バルブ30を駆動制御する可変排気バルブ制御手段としても機能する。具体的にはECU20は、過給領域の所定の低回転領域(図9に示す低回転過給領域A3)において、可変排気バルブ30によって独立排気通路16a,16bc,16dの各通路断面積を最大面積時(可変排気バルブ30が開弁状態)よりも縮小させる独立排気絞り制御を実行する。
Further, the
さらにECU20は、EGR弁23を開弁制御するEGR制御手段としても機能する。具体的にはECU20は、所定の低負荷領域(図9に示す自然吸気領域A1)においてEGR弁23を適宜開弁し、適宜量のEGRガスGeを吸気側に還流させる。
Furthermore, the
EGRを行うと、吸気に対する不活性ガス成分(EGRガスGe)の割合が増大するので、燃焼温度を下げることができ、NOxの生成・排出を抑制することができる。また酸素量の増大を抑制しつつ吸気のガス量を増大することができるので、吸気負圧を低減し、ポンピングロスを低減することができる。 When the EGR is performed, the ratio of the inert gas component (EGR gas Ge) to the intake air increases, so that the combustion temperature can be lowered and the generation / exhaust of NOx can be suppressed. Moreover, since the amount of intake gas can be increased while suppressing an increase in the amount of oxygen, the intake negative pressure can be reduced and the pumping loss can be reduced.
また通常、EGRガスGeは高温であるため、これがそのまま吸気通路10に導かれると吸気温度の上昇を招くので好ましくない。EGRクーラ24は、エンジン冷却水とEGRガスGeとの間で熱交換を行わせ、EGRガスGeを冷却することにより、吸気温度の上昇を抑制する。
In general, since the EGR gas Ge is at a high temperature, if it is introduced into the
EGRが顕著な効果を奏する運転領域は要求吸気量(酸素量)の少ない低負荷領域である。本実施形態ではEGRの実行領域をNA領域A1としているが、この領域はEGRが顕著な効果を奏する低負荷領域と合致している。一方、図9に示す過給領域A2ではEGRが行われない。この領域でEGRを行うと、還流されたEGRガスが新気の導入を妨害し、過給効果を低減させるという弊害が起こる虞があるからである。 The operation region where EGR has a remarkable effect is a low load region where the required intake air amount (oxygen amount) is small. In the present embodiment, the EGR execution area is the NA area A1, but this area coincides with the low load area where the EGR has a remarkable effect. On the other hand, EGR is not performed in the supercharging region A2 shown in FIG. This is because if EGR is performed in this region, the recirculated EGR gas hinders the introduction of fresh air and may cause a negative effect of reducing the supercharging effect.
さらにECU20はコンプレッサ52のサージングを抑制するための吸気リリーフを制御する吸気リリーフ制御手段としても機能する。具体的にはECU20は圧力センサ25からのサージタンク圧信号に基いてコンプレッサ52のサージング判定を行う。そしてサージングが発生している(サージング領域にある)と判定とした場合には、吸気リリーフ制御を実行する。すなわちEGR弁23を開弁制御する。この吸気リリーフ制御については後に詳述する。
Further, the
ところで本実施形態のエンジン1は、一般的な4気筒エンジンと同様、各気筒3が、クランク角90度(以下90°CAと表記する)ごとに順次点火時期を迎えるように互いに各行程をずらして運転されている。点火順序はいわゆる#1→#3→#4→#2(#xは第x気筒であることを示す)である。表1に、各気筒3の行程の推移を示す。
By the way, in the
表1において、各行は第1気筒3a〜第4気筒3d、各列は90°CA毎の行程の推移を示す。表1に示すように、例えば第1気筒3aが膨張行程にあるとき、第2気筒3bは排気行程、第3気筒3cは圧縮行程、第4気筒3dは吸気行程にある。
In Table 1, each row represents the
なお図2に示す状態において、第1気筒3aは膨張行程から排気行程への移行期(下死点付近)にある。このとき、排気バルブ9が開いて排気Weが燃焼室4から排気ポート8へ排出され始める(ブローダウン)。
In the state shown in FIG. 2, the
また表1に示すように、そのとき第2気筒3bは排気行程から吸気行程への移行期(上死点付近)にある。この移行期において、図示のように吸気バルブ7と排気バルブ9とが共に開弁している期間、いわゆるオーバーラップ期間が設けられている。
As shown in Table 1, the
図3は排気マニホールド16とハウジング31の外観斜視図である。また図4は排気マニホールド16の下流側部分斜視図である。また図5は可変排気バルブ30の要部斜視図である。また図6は排気マニホールド16及びハウジング31の縦断面図であって、可変排気バルブ30が開弁状態にある状態を示す図である。また図7は図6と同様の断面図であって、可変排気バルブ30が開弁状態にある状態を示す図である。また図8は図6のVIII−VIII線断面図である。以下これらの図を参照して排気マニホールド16とハウジング31、特にハウジング31内の可変排気バルブ30について説明する。
FIG. 3 is an external perspective view of the
図3に示すように、排気マニホールド16の上流端にはフランジ16eが設けられ、エンジン本体2のシリンダヘッドに固定されている。このフランジ16eに4本の排気通路、すなわち第1,第2,第3,第4排気通路16a,16b,16c,16dが接続されている。フランジ16e部において、各排気通路はφ36mmの円形断面を有する。
As shown in FIG. 3, a
第1排気通路16aは、1列に並ぶ気筒3の一端側に配置された第1気筒3aの排気ポート8に接続される。第4排気通路16dは他端側に配置された第4気筒3dの排気ポート8に接続される。第2排気通路16b及び第3排気通路16cは、中央側の第2気筒3b及び第3気筒3cの排気ポート8にそれぞれ接続される。
The
図4に示すように、第1排気通路16a及び第4排気通路16dは、その全長に亘って独立状態を維持するが、第2排気通路16bと第3排気通路16cとは、その下流端直前で互いに集合され、補助集合排気通路16bcとなっている。従って排気マニホールド16の下流端付近では3本の独立排気通路(第1排気通路16a,補助集合排気通路16bc,第4排気通路16d)が形成されている。これらは補助集合排気通路16bcを第1排気通路16aと第4排気通路16dが両側から挟むように、浅い角度で(略平行が望ましい)並列配置されている。
As shown in FIG. 4, the
排気マニホールド16の下流端であるマニホールド出口17において上記3本の独立排気通路が開口している。すなわち第1排気通路16aの第1開口部17a、補助集合排気通路16bcの補助集合開口部17bcおよび第4排気通路16dの第4開口部17dが、この順に一直線上に配置されている。各開口部17a,17bc,17dの開口面積は、約380〜616mm2の範囲内で互いに略等しくなるように構成されている。この面積はφ22〜φ28mmの円の面積に相当する。またこれは、各排気通路16a,16b,16c,16dのマニホールド入口部の面積(φ36mm相当)に対して面積比で37〜61%となっている。
The three independent exhaust passages are opened at a
第1排気通路16aと第4排気通路16d、及び第2排気通路16bと第3排気通路16cとはそれぞれ互いに対称形状となっている。従って、第1排気通路長さLaと第4排気通路長さLdとは略等しい。本実施形態において第1排気通路長さLaは200mm乃至はそれ以下となるように構成されている。
The
また第1通路容積Vaと第4通路容積Vdとは略等しく、これらと補助集合通路容積Vbc(第2排気通路16b単独の部分及び第3排気通路16c単独の部分を含む)とも略等しくなるように構成されている。
Further, the first passage volume Va and the fourth passage volume Vd are substantially equal to each other, and are also substantially equal to the auxiliary collective passage volume Vbc (including a part of the
図6に示すように、排気マニホールド16のマニホールド出口17にハウジング31が接続されている。ハウジング31は、上流側においては可変排気バルブ30のフラップ35を支持し、収納するバルブハウジングとして機能し、それより下流側においては、各独立排気通路16a,16bc,16dからの排気Weが合流する集合部31cを形成する。
As shown in FIG. 6, a
ここで図5を参照して可変排気バルブ30の要部(動作部)について説明する。可変排気バルブ30は、排気Weの流れに交差する方向に設けられ、ハウジング31に支持されたフラップ軸37と、フラップ軸37まわりに旋回可能とされたフラップ35と、ECU20からの制御信号(可変排気バルブ30の開度指令)に基づいてフラップ軸37を回転させるアクチュエータ38(モータ等)と、フラップ35を開弁方向に付勢するリターンスプリング39とを含む。
Here, with reference to FIG. 5, the principal part (operation part) of the
フラップ35は、フラップ軸37視でフラップ軸37を扇の要とする扇形断面の扇状面36を有する。扇状面36の内側は空洞とされ、軽量化が図られている。
The
図6に示すように、ハウジング31には上方に膨出する膨出部31bが形成されており、膨出部31bの内側にフラップ35が格納された状態(図6に示す状態)が可変排気バルブ30の開弁(全開)状態である。可変排気バルブ30が全開のとき、図6に示すように、マニホールド出口17からハウジング31内に導入された排気Weはフラップ35(可変排気バルブ30)で絞られることなく集合部31cに導かれる。
As shown in FIG. 6, the
一方フラップ35がフラップ軸37を中心に回転駆動され、膨出部31bよりも内側に最も侵入した状態(図7に示す状態)が可変排気バルブ30の閉弁(全閉)状態である。フラップ35は、アクチュエータ38によって全閉状態と全開状態との間で適宜開度調節される。
On the other hand, the state in which the
可変排気バルブ30が全閉のとき、図7に示すように、フラップ35の扇状面36が流路の一部を遮るので排気通路断面積が縮小される。従ってマニホールド出口17からハウジング31内に導入された排気Weは可変排気バルブ30によって絞られた後、集合部31cに導かれる。
When the
なお図6、図7に示すように、ハウジング31の上流側には仕切板32が設けられている。仕切板32は排気Weの流れに沿って(平行に)立設され、またフラップ軸37方向に離間して2枚設けられている。2枚の仕切板32のうち一方は、マニホールド出口17との合わせ部において第1開口部17aと補助集合開口部17bcとを仕切る壁面から連続するように立設されてハウジング31内を仕切り、他方は、補助集合開口部17bcと第4開口部17dとを仕切る壁面から連続するように立設されてハウジング31内を仕切る。各仕切板32の各後縁32aは、可変排気バルブ30が閉弁状態にあるときのフラップ35の扇状面36に沿うように一部円弧状に成形されている。
As shown in FIGS. 6 and 7, a
従って、仕切板32に沿って排気Weが流れる区間では、2枚の仕切板32によって各独立排気通路16a,16bc,16dの独立状態及び並列状態が維持され、排気Weは独立かつ平行流状態を維持した状態で絞られる。
Therefore, in the section where the exhaust gas We flows along the
そして仕切板32の後縁32aより下流側には、独立した各排気Weが互いに合流する集合部31cが形成されている。
Further, on the downstream side of the
ハウジング31の下流端側にはフランジ31aが設けられ、ターボ過給機50のハウジング51と接合されている。なおターボ過給機50のレイアウトの都合上、ハウジング31は途中で下方に曲げられている。ターボ過給機50の設置位置によってはこのような曲げは不要である。また異なる曲げ角であっても良い。
A
図6〜図8に示すように、ハウジング31内にはハウジング31の曲げ方向に沿った導流板33が設けられている。導流板33は、仕切板32を通過した排気Weを、ハウジング31の曲がりに沿って円滑に流れるように導く。特に、図7に示すように、導流板33は可変排気バルブ30が閉弁状態のとき、仕切板32を通過した排気Weをハウジング31と導流板33とが囲むように配置されている。
As shown in FIGS. 6 to 8, a
また図6〜図8に示すように、ハウジング31内の集合部31cには、ハウジング31の曲げ外側壁面から内側に立設するように整流ガイド34が設けられている。整流ガイド34は排気Weの流れに沿って(平行に)立設され、またフラップ軸37方向に離間して2枚設けられている。また各整流ガイド34は、各仕切板32とそれぞれ略同一平面上に設けられている。整流ガイド34の、ハウジング31の曲げ方向内側には導流板33との間に隙間が設けられている。後に詳述するが、整流ガイド34は、排気方向に交差する方向(図6や図7の紙面に平行でない方向)の旋回流を規制するために設けられている。
Further, as shown in FIGS. 6 to 8, a rectifying
以上、本実施形態の概略構成について説明したが、次にエンジン1の運転領域について説明する。図9はエンジン1の運転領域を示す図である。横軸にエンジン回転数Ne(rpm)、縦軸にエンジントルクTe(N・m)を示す。特性Txは最大負荷トルクを示す。また符号A1は自然吸気領域(以下NA領域ともいう)、符号A2は過給領域を示し、特性BはNA領域A1と過給領域A2との境界を示す。低回転過給領域A3は過給領域A2のうちの低回転領域であって、本実施形態では2000rpmよりも低回転の領域である。上述のように、本実施形態ではEGRはNA領域A1で行われる。そして後述の独立排気絞り制御は低回転過給領域A3で行われる。
The general configuration of the present embodiment has been described above. Next, the operation region of the
次に冒頭で紹介した本実施形態の主要な技術的特徴について説明する。 Next, main technical features of the present embodiment introduced at the beginning will be described.
(1)動圧過給による過給能力の向上
まず動圧過給について説明する。動圧過給は、以下説明するように排気の脈動を利用してターボ過給機50の過給能力を高めるものである。
(1) Improvement of supercharging capacity by dynamic pressure supercharging First, dynamic pressure supercharging will be described. The dynamic pressure supercharging increases the supercharging capability of the
図10は、ターボ過給機50のタービン特性図である。横軸にタービン流量Qt(kg/s)、縦軸にタービン駆動力Ft(kW)を示す。通常、排気脈動によってタービン流量Qtにも脈動が生じるが、ここで示すタービン流量Qtやタービン駆動力Ftは、脈動によって時々刻々と変化する瞬間流量及び瞬間駆動力である。以下図10を参照して動圧過給の原理を説明する。
FIG. 10 is a turbine characteristic diagram of the
特性C11に示すように、タービン駆動力Ftはタービン流量Qtが多くなるほど大きくなる。その増加率は一定(線形)ではなく、タービン流量Qtが多いほど大きくなる。その結果、特性C11は図示のように下に凸な湾曲した特性となる。但し図10は、説明の都合上、その湾曲度合を実際よりも誇張して示している。 As indicated by the characteristic C11, the turbine driving force Ft increases as the turbine flow rate Qt increases. The increase rate is not constant (linear), and increases as the turbine flow rate Qt increases. As a result, the characteristic C11 becomes a downwardly curved characteristic as shown in the figure. However, FIG. 10 shows the degree of curvature exaggerated more than the actual degree for convenience of explanation.
特性C101は、特性C11と比較対照するために示した仮想的な特性であって、タービン流量Qtとタービン駆動力Ftとの関係が比例関係(線形)にある特性である。 The characteristic C101 is a virtual characteristic shown for comparison with the characteristic C11, and is a characteristic in which the relationship between the turbine flow rate Qt and the turbine driving force Ft is in a proportional relationship (linear).
ここでタービン流量Qtの脈動が小さい場合(ピーク流量q1)と大きい場合(ピーク流量q2)とについて考える。この両者において、時間平均した(例えば180°CA当たりの)タービン流量は同じであるとする。その場合、タービン流量Qtの脈動が大きいものは脈動の小さいものに比べ、1排気行程当たりの有効な排気時間(以下ブローダウン期間という)が短くなる(図11参照)。 Here, the case where the pulsation of the turbine flow rate Qt is small (peak flow rate q1) and the case where it is large (peak flow rate q2) will be considered. In both cases, the time-averaged turbine flow rate (for example, per 180 ° CA) is assumed to be the same. In that case, an effective exhaust time per one exhaust stroke (hereinafter referred to as a blow-down period) is shorter when the pulsation of the turbine flow rate Qt is larger than when the pulsation is small (see FIG. 11).
まず線形な特性C101について説明する。タービン流量Qtの脈動が小さく、そのピーク値が流量q1のとき、タービン駆動力Ftの脈動ピーク値は駆動力Ft1となる(ポイントP11)。一方、タービン流量Qtの脈動が大きく、そのピーク値が流量q2のとき、タービン駆動力Ftの脈動ピーク値は駆動力Ft2’となる(ポイントP12’)。このことから、タービン流量Qtの脈動が大きい方が小さい方に比べ、一見タービン駆動力Ftの平均値が増大したかのように見える。しかし実際には、それを相殺するようにブローダウン期間が短くなるので、時間平均したタービン駆動力は理論上同じとなる(脈動がなく、定常流の場合も同じ)。 First, the linear characteristic C101 will be described. When the pulsation of the turbine flow rate Qt is small and the peak value is the flow rate q1, the pulsation peak value of the turbine driving force Ft becomes the driving force Ft1 (point P11). On the other hand, when the pulsation of the turbine flow rate Qt is large and the peak value is the flow rate q2, the pulsation peak value of the turbine driving force Ft becomes the driving force Ft2 '(point P12'). From this, it appears that the average value of the turbine driving force Ft is increased when the pulsation of the turbine flow rate Qt is larger than when the pulsation is large. However, in practice, the blow-down period is shortened so as to offset it, so that the time-averaged turbine driving force is theoretically the same (there is no pulsation, and the same is true in a steady flow).
これに対して実際の特性C11の場合、次のようになる。タービン流量Qtの脈動が小さい場合は特性C101と同様である(ポイントP11)。しかしタービン流量Qtの脈動が大きく、そのピーク値が流量q2のとき、タービン駆動力Ftの脈動ピーク値は駆動力Ft2となる(ポイントP12)。図10に示すように駆動力Ft2>駆動力Ft2’であるから、この場合、タービン流量Qtの脈動が大きい方が小さい方に比べ、ブローダウン期間の短縮による目減り分を差引いても、時間平均したタービン駆動力が増大する。 On the other hand, the actual characteristic C11 is as follows. When the pulsation of the turbine flow rate Qt is small, it is the same as the characteristic C101 (point P11). However, when the pulsation of the turbine flow rate Qt is large and the peak value is the flow rate q2, the pulsation peak value of the turbine driving force Ft becomes the driving force Ft2 (point P12). As shown in FIG. 10, since the driving force Ft2> the driving force Ft2 ′, in this case, even when the pulsation of the turbine flow rate Qt is larger than the smaller one, the time average is subtracted from the decrease due to the shortening of the blowdown period. This increases the turbine driving force.
以上説明したように、ターボ過給機50が特性C11のような下に凸なタービン駆動力特性を有するので、タービン流量Qtの脈動が大きいほどタービン駆動力の時間平均値が増大し、過給圧の増大を図ることができる。これが動圧過給の原理である。
As described above, since the
図11は排気脈動特性図(実測値)である。横軸に第1気筒3aのクランク角θ(deg:上死点を0°CAとする)、縦軸に排気流量Qe(kg/s)を示す。図示の特性は、可変排気バルブ30による絞り効果のない場合(可変排気バルブ30が全開の場合)の特性である。排気流量Qeは、全ての気筒3の合計である。従ってブローダウンは180°CA周期で(何れかの気筒3において)発生する。図示の例は、180°CAから360°CAの間に第1気筒3aにおいてブローダウンが発生している。なおウエストゲートバルブ62が閉じている場合、排気流量Qeはタービン流量Qt(図10)と等しくなる。
FIG. 11 is an exhaust pulsation characteristic diagram (actual measurement value). The abscissa indicates the crank angle θ (deg: top dead center is 0 ° CA) of the
特性C12は本実施形態の特性であり、その脈動ピーク値が流量q2(図10の流量q2に相当)であるもの、すなわち排気脈動の大きい特性である。一方特性C102は、特性C12と比較対照するために示した特性であり、その脈動ピーク値が流量q1(図10の流量q1に相当)であるもの、すなわち排気脈動の小さい特性である。特性C12の方が特性C102に対して排気脈動が大きく、その分ブローダウン期間が短くなっている。つまり特性C12のものは特性C102のものに比べ、動圧過給効果が高い。具体的には特性C12のものは特性C102のものに対してタービン回転数(実測値)が43%増大した。 A characteristic C12 is a characteristic of the present embodiment, and has a pulsation peak value of the flow rate q2 (corresponding to the flow rate q2 of FIG. 10), that is, a characteristic of large exhaust pulsation. On the other hand, the characteristic C102 is a characteristic shown for comparison with the characteristic C12, and has a pulsation peak value of the flow rate q1 (corresponding to the flow rate q1 in FIG. 10), that is, a characteristic with small exhaust pulsation. The characteristic C12 has a larger exhaust pulsation than the characteristic C102, and the blow-down period is shortened accordingly. That is, the characteristic C12 has a higher dynamic pressure supercharging effect than the characteristic C102. Specifically, the turbine speed (measured value) of the characteristic C12 increased by 43% compared to the characteristic C102.
また強い動圧過給を行うことによって、ブローダウン期間が短縮されるので、ブローダウン後の排圧が低下し、排気抵抗が下がるとともに残留ガスが減って、吸気の充填量と耐ノック性が改善されるという効果もある。 Also, by performing strong dynamic pressure supercharging, the blow-down period is shortened, so the exhaust pressure after blow-down decreases, the exhaust resistance decreases, the residual gas decreases, and the intake charge amount and knock resistance are reduced. There is also an effect of improvement.
特性C12のような大きな排気脈動を得るための最も効果的な手段は、排気マニホールド16の容積を小さくすることである。そのためには図4に示す第1通路容積Va(≒第4通路容積Vd≒補助集合通路容積Vbc)を小さくすれば良い。そして、通路断面積を小さくすると排気抵抗が増大して望ましくないことを鑑みれば、第1通路容積Vaを小さくするには、第1排気通路16aの長さを可及的に短くすれば良いということになる。具体的には第1排気通路16aの長さLa(図4に示す)を、第1排気通路16aの排気マニホールド入口における通路径D1(図6に示す)の6倍以下とすることが望ましい。本実施形態では上述のように径D1=φ36mm、長さLa≦200mmであるから、この条件を満たしている。従って効果的な動圧過給が期待できる。
The most effective means for obtaining a large exhaust pulsation such as the characteristic C12 is to reduce the volume of the
また上述のように、排気マニホールド16の第1通路容積Va、第4通路容積Vd及び補助集合通路容積Vbcの各通路容積は、互いに略等しい。仮にこれらの独立排気通路の容積に互いに大きな差があると、後述するエゼクタ効果による掃気促進効果も気筒間で大きくばらついてしまう。そうすると、掃気性に依存するノッキング性能にも差が生じ、結果的に最もノッキング性能の低い気筒3に合わせた設定が余儀なくされ、他の気筒3でノッキング性能を向上してもそれが無駄になる。また、後述のエゼクタ効果による吸気量増大効果にも気筒間ばらつきが生じてしまう。
Further, as described above, the passage volumes of the first passage volume Va, the fourth passage volume Vd, and the auxiliary collective passage volume Vbc of the
本実施形態の構成によれば、第1通路容積Va、第4通路容積Vd及び補助集合通路容積Vbcの容積が互いに略等しいので、これらの問題がなく、エゼクタ効果の利点をより効果的に得ることができる。 According to the configuration of the present embodiment, the volumes of the first passage volume Va, the fourth passage volume Vd, and the auxiliary collective passage volume Vbc are substantially equal to each other. Therefore, there is no such problem, and the advantage of the ejector effect can be obtained more effectively. be able to.
ところで、一般的な直列4気筒エンジンにおいて、第1排気通路16aの長さLaと第4排気通路16dの長さLdとが略等しくなるように自然にレイアウトすれば、集合部31cを中央寄りに配置した本実施形態のような略対称のレイアウトとなる。そうすると第2排気通路16bと第3排気通路16cは、これらが互いに独立していれば、その長さが上記長さLaや長さLdに比べて短くなるのが自然である。これを無理に長さLaに揃えるためには不自然に迂回させる等のレイアウトが必要となる。これは排気抵抗の増大を招いたり、そのレイアウトを成立させるために長さLaや長さLdの短縮が妨げられたりして望ましくない。
By the way, in a general in-line four-cylinder engine, if the length La of the
本実施形態によれば、その小容積となりがちな第2排気通路16bと第3排気通路16cとを集合して補助集合排気通路16bcとなしているので、この補助集合排気通路16bcの容積を容易に第1排気通路容積Vaや第4排気通路容積Vdと略等しくすることができるのである。
According to the present embodiment, since the
なお、第2排気通路16bと第3排気通路16cとは、これらを集合させても相互の独立性が保たれている。上記表1に示すように、第2気筒3bと第3気筒3cとは点火順序が隣り合っていないので、排気バルブ9が下死点前から開き始め、上死点後に閉じることを考慮に入れても第2気筒3bの排気バルブ9と第3気筒3cの排気バルブ9とが共に開いている期間はない。従って相互に排気干渉を起こすことがなく、第2気筒3bの排気行程においては擬似的に第3排気通路16cを第2排気通路16bの延長とみなすことができ、第3気筒3cの排気行程においては擬似的に第2排気通路16bを第3排気通路16cの延長とみなすことができるのである。
Note that the
このように本実施形態では、4気筒エンジンでありながら、3つの独立排気通路で相互の独立関係を実現している。こうすることによりレイアウトのコンパクト化が図られ、ハウジング31やターボ過給機50との接続部を小型化することができる。
Thus, in this embodiment, although it is a 4-cylinder engine, the mutually independent relationship is implement | achieved by the three independent exhaust passages. By doing so, the layout can be made compact, and the connection portion between the
ところで、排気マニホールド容積を小さくすると上述のように動圧過給効果が高くなるが、その反面高回転領域において排気温度が高くなる傾向となる。従って、例えば排気マニホールド16の材質として耐熱性の高い鋳鋼を用いたり、排気マニホールド16を水冷化したりして耐熱性の向上を図ることが望ましい。
By the way, if the exhaust manifold volume is reduced, the dynamic pressure supercharging effect is increased as described above, but on the other hand, the exhaust temperature tends to increase in the high rotation region. Therefore, for example, it is desirable to improve heat resistance by using cast steel having high heat resistance as the material of the
(2)各独立排気通路と可変排気バルブとを用いた独立排気絞り制御
次に、各独立排気通路16a,16bc,16dと可変排気バルブ30とを用いた独立排気絞り制御について説明する。
(2) Independent exhaust throttle control using each independent exhaust passage and variable exhaust valve Next, independent exhaust throttle control using each
具体的に図2を参照して説明する。上述のように図2の状態は、第1気筒3aがブローダウン時、第2気筒3bがオーバーラップ期間となっている。独立排気絞り制御の実行時、第1排気通路16aに導かれた排気We(ブローダウンガス)は可変排気バルブ30で絞られる。絞られたブローダウンガスは流速が増大し、圧力が低下する。この絞られたブローダウンガスがエゼクタ効果をもたらす駆動流体に相当する。
This will be specifically described with reference to FIG. As described above, in the state of FIG. 2, the
一方集合部31cでは、このブローダウンガスが流れる第1排気通路16aと補助集合排気通路16bcとが連通している。従って補助集合排気通路16bc(及び第2排気通路16b)を流れる排気We(被吸出し流体)が、低圧となったブローダウンガス(駆動流体)に吸出され、集合部31cに導入される(エゼクタ効果)。
On the other hand, in the collecting
なお、第2気筒3bの排気バルブ9が閉じた後(オーバーラップ期間後)であっても、駆動流体のエゼクタ効果が存続している場合には、第2排気通路16b及び補助集合排気通路16bcに残存する排気Weを吸出すことができ、掃気を促進することができる。
Even after the
図2では第1気筒3aがブローダウン状態にある場合を示しているが、他の場合も同様である。例えば第2気筒3bがブローダウン状態のときは、表1から明らかなように第4気筒3dがオーバーラップ状態となる。従って第2排気通路16b(補助集合排気通路16bc)を流れる排気Weが駆動流体、第4排気通路16dを流れる排気Weが被吸出し流体となる。また例えば第3気筒3cがブローダウン状態のときは、第1気筒3aがオーバーラップ状態となる。従って第3排気通路16c(補助集合排気通路16bc)を流れる排気Weが駆動流体、第1排気通路16aを流れる排気Weが被吸出し流体となる。また例えば第4気筒3dがブローダウン状態のときは、第3気筒3cがオーバーラップ状態となる。従って第4排気通路16dを流れる排気Weが駆動流体、第3排気通路16c(補助集合排気通路16bc)を流れる排気Weが被吸出し流体となる。
Although FIG. 2 shows a case where the
このように、点火順序の隣り合う気筒同士において、点火順序の後の気筒の排気Weが駆動流体、先の気筒の排気Weが被吸出し流体になるという関係がある。一方、エゼクタ効果を適正に得るには、可変排気バルブ30の上流において駆動流体の排気通路と被吸出し流体の排気通路とが独立している必要がある。換言すれば、点火順序の隣り合う気筒同士において、その排気通路が互いに独立している必要がある。本実施形態の場合、第1排気通路16a及び第4排気通路16dは他の何れの排気通路に対しても明らかに独立しているから上記条件を満たす。また第2排気通路16bと第3排気通路16cとは可変排気バルブ30より上流において集合され補助集合排気通路16bcとなっている。しかし上述のように第2気筒3bと第3気筒3cとは点火順序が隣り合う気筒ではないので、これらが独立していなくても上記条件の充足に問題はない。結局、本実施形態において、点火順序の隣り合う気筒同士において、その排気通路が互いに独立しているので、適正なエゼクタ効果を得ることができる。
In this way, in the cylinders adjacent in the ignition order, there is a relationship that the exhaust gas We of the cylinder after the ignition order becomes the driving fluid and the exhaust We of the previous cylinder becomes the sucked fluid. On the other hand, in order to properly obtain the ejector effect, the exhaust passage for the driving fluid and the exhaust passage for the sucked fluid need to be independent upstream of the
なおエゼクタ効果をより高めるには、駆動流体相当の排気Weと被吸出し流体相当の排気Weとを可及的に浅い角度(平行に近い角度)で合流させれば良い。本実施形態では、3本の独立排気通路16a,16bc,16dがそのマニホールド出口17付近において略平行に並列配置され、ハウジング31に流入後も集合部31cに至るまでその並列配置が維持されるので、上記合流角度の条件を満たす。すなわち高いエゼクタ効果が得られる。
In order to further enhance the ejector effect, the exhaust We corresponding to the driving fluid and the exhaust We corresponding to the fluid to be sucked may be merged at a shallowest angle (an angle close to parallel) as much as possible. In the present embodiment, the three
エゼクタ効果による利点は、主に次の3点が挙げられる。 The advantages of the ejector effect mainly include the following three points.
第1に、ターボ過給機50のタービン流量(ターボ過給機50に供給される排気Weの量)の増量である。ブローダウン時のタービン流量は、通常のブローダウンガス量に、エゼクタ効果によって吸出された排気Weの量が付加される。つまりその分タービン流量が増量される。その結果、タービン駆動力が増大し、過給圧を向上させることができる。 The first is an increase in the turbine flow rate of the turbocharger 50 (the amount of exhaust gas We supplied to the turbocharger 50). The turbine flow rate at the time of blowdown is obtained by adding the amount of exhaust gas We sucked out by the ejector effect to the normal blowdown gas amount. That is, the turbine flow rate is increased accordingly. As a result, the turbine driving force increases and the supercharging pressure can be improved.
第2に、排気Weの掃気促進である。エゼクタ効果によって被吸出し流体である排気Weが吸出され、掃気が促進されるので当該気筒3の排気抵抗が低減される。また掃気の促進によってオーバーラップ期間での吸気が促進されるので、吸気量を増大させ、エンジントルクを増大させることができる。
Secondly, the scavenging of the exhaust gas We is promoted. Due to the ejector effect, the exhaust We as the fluid to be sucked out is sucked and scavenging is promoted, so that the exhaust resistance of the
第3に、動圧過給の促進である。上述のように、排気マニホールド16の容積を小さくすることで動圧過給の効果が得られるが、エゼクタ効果によって以下説明するようにその効果をさらに促進することができる。
Third, promotion of dynamic pressure supercharging. As described above, the effect of dynamic pressure supercharging can be obtained by reducing the volume of the
可変排気バルブ30がない、又は全開の場合であって、エゼクタ効果が期待できない場合、ブローダウンガスは集合部31cを介して他の排気通路に回り込む(逆流する)。これはその排気通路の容積が見かけ上増えたように作用する。これに対し可変排気バルブ30によるエゼクタ効果があると、ブローダウンガスは駆動流体として他の排気通路から被駆動流体である排気Weを吸出す。つまり他の排気通路に回り込むことがない。これは、動圧過給においては排気通路容積を削減したような作用をもたらす。
When the
このように、全体の排気通路容積(排気マニホールド容積)が同じであれば、可変排気バルブ30によるエゼクタ効果を有する本実施形態は、エゼクタ効果のないものに比べ、より動圧過給を促進することができるのである。
As described above, when the entire exhaust passage volume (exhaust manifold volume) is the same, the present embodiment having the ejector effect by the
第4に、上述の吸気リリーフの促進であるが、これについては後述の「(3)吸気リリーフ制御によるサージングの抑制」の項で詳述する。 Fourthly, the above-described promotion of intake relief will be described in detail in the section “(3) Surge suppression by intake relief control” described later.
以上、エゼクタ効果の利点について説明したが、このエゼクタ効果は、駆動流体に相当する排気Weを強く絞るほど顕著となる。その絞り度合は可変排気バルブ30の開度を調節することによって、すなわちフラップ35をフラップ軸37まわりに揺動させる(図2に矢印Z1で示す)ことによって変動可能である。
As described above, the advantages of the ejector effect have been described. The ejector effect becomes more prominent as the exhaust gas We corresponding to the driving fluid is strongly reduced. The degree of throttling can be changed by adjusting the opening degree of the
可変排気バルブ30及びその近傍の具体的形状における、可変排気バルブ30が全開の場合の排気Weの流れを図6に示す。図6には第1気筒3aからの排気Weが第1排気通路16aを通ってハウジング31に流入する様子を示しているが、他の気筒からの排気Weも同様である。
FIG. 6 shows the flow of the exhaust We when the
可変排気バルブ30が全開状態のとき、フラップ35がほぼ完全に膨出部31bに格納されるとともに、フラップ35の一部が排気マニホールド16から連続する排気通路の壁面を形成している。
When the
従って第1排気通路16aからの排気Weはマニホールド出口17を経てハウジング31に円滑に流入する。ハウジング31の上流部には仕切板32が設けられているので、その後縁32aまでの間は独立排気状態が維持される。そして後縁32aにおいてフラップ35の扇状面36に当面することなく、つまり絞られることなく集合部31cに導かれる。排気Weはさらに集合部31cからターボ過給機50のハウジング51に導かれる。
Accordingly, the exhaust We from the
本実施形態ではターボ過給機50のレイアウトの都合上、ハウジング31が下方に曲げられている。ハウジング31の曲がった流路に沿うよう設けられた導流板33によって排気Weが円滑にターボ過給機50に導かれる。
In the present embodiment, the
また2枚の整流ガイド34によって、排気Weの流れがより円滑となる。図4に示すようにマニホールド出口17において、補助集合排気通路16bcを中心として第1排気通路16aと第4排気通路16dとがその両側に並列配置されている。ハウジング31内でも集合部31cに至るまではその位置関係が維持されている。従って、第1排気通路16aや第4排気通路16dからの排気Weは集合部31cの軸線に対して平面視でオフセットして流入することとなり、仮に整流ガイド34がない場合、集合部31cに旋回流(渦流)を発生させる。しかもその旋回方向は、第1排気通路16aからの排気と第4排気通路16dからの排気とで逆向きとなるから、集合部31cにおいて排気Weの流れが大きく乱される。このような排気の乱れはエゼクタ効果を低減させる虞がある。
Further, the flow of the exhaust Wet becomes smoother by the two rectifying guides 34. As shown in FIG. 4, at the
この問題に対し本実施形態の整流ガイド34は、仕切板32の延長面上に設けられているので、第1排気通路16aから補助集合排気通路16bc方向に向かう流れ、及び第4排気通路16dから補助集合排気通路16bc方向に向かう流れを規制する。それによって上記旋回が抑制され、集合部31cにおける排気Weの流れがより円滑となる。従ってよりエゼクタ効果を高めることができる。
In order to solve this problem, the
一方、可変排気バルブ30が全閉の場合の排気Weの流れを図7に示す。可変排気バルブ30が全閉状態のとき、フラップ35が揺動してハウジング31の内部に入り込み、扇状面36が排気Weの流れを遮る。但し完全には遮蔽せず、導流板33の曲げ内側部分の流路は確保されている。
On the other hand, the flow of the exhaust We when the
第1排気通路16aからの排気Weはマニホールド出口17を経てハウジング31に流入する。ハウジング31の上流部には仕切板32が設けられているので、その後縁32aまでの間は独立排気状態が維持される。そして後縁32aにおいてフラップ35の扇状面36によって遮られ、絞られた排気Weは仕切板32の後縁32a(導流板33の曲げ内側部分入口部)において集合部31cに流入する。その際、絞られて高速、低圧となった排気Weは駆動流体として作用し、エゼクタ効果によって他の排気通路(主として補助集合排気通路16bc)からの排気Weを吸出す。これらの排気Weは合流し、導流板33によって円滑にターボ過給機50のハウジング51に導かれる。
Exhaust gas We from the
可変排気バルブ30は、全閉と全開との間の中間の開度をとり得る。その場合、全閉に近いほどブローダウン排気Weの絞り作用が強く、エゼクタ効果も高くなる。
The
次に独立排気絞り制御について説明する。上述のように、独立排気絞り制御はECU2(可変排気バルブ制御手段)が可変排気バルブ30によって独立排気通路16a,16bc,16dの各通路断面積を最大面積時よりも縮小させる制御である。具体的にはECU20が可変排気バルブ30のアクチュエータ38に開度信号を送り、アクチュエータ38がフラップ軸37を回転駆動してフラップ35の回転角度を調節する。本実施形態では、独立排気絞り制御は図9に示す低回転過給領域A3において行われる。低回転過給領域A3は、ウエストゲートバルブ62が開き始めるインターセプトポイントより低回転領域、本実施形態においては2000prm以下に設定される。インターセプトポイントより高回転域では、過給圧が高くなり過ぎることを抑制するためにウエストゲートバルブ62が開くのであるから、その高回転領域においてエゼクタ効果による過給圧増大は不要である。そこで排気抵抗を抑制するためにも可変排気バルブ30が全開とされるのである。
Next, independent exhaust throttle control will be described. As described above, the independent exhaust throttle control is a control in which the ECU 2 (variable exhaust valve control means) causes the
独立排気絞り制御では、低回転過給領域A3において、エンジン回転数Neが低いほど可変排気バルブ30が低開度とされる。
In the independent exhaust throttle control, the
なお本実施形態では、独立排気絞り制御を、低回転過給領域A3に限定し、NA領域A1では行わない。仮に独立排気絞り制御をNA領域A1で行ったとしても、それ自体に大きな弊害はなく、逆に幾つかの利点がある。しかしながら、本実施形態のようにNA領域A1でEGRを行う場合には、以下に説明するようにNA領域A1において独立排気絞り制御を行わない方が得策である。 In the present embodiment, the independent exhaust throttle control is limited to the low rotation supercharging region A3 and is not performed in the NA region A1. Even if the independent exhaust throttle control is performed in the NA region A1, there is no serious problem in itself, and there are several advantages. However, when EGR is performed in the NA region A1 as in this embodiment, it is better not to perform independent exhaust throttle control in the NA region A1, as described below.
図1に示すように、EGR通路22の上流端は可変排気バルブ30下流側に開口している。一方、独立排気絞り制御のエゼクタ効果は可変排気バルブ30の下流側で発生する。従ってEGRの実行中に独立排気絞り制御を実行すると、独立排気絞り制御によるエゼクタ効果がEGR通路22の上流端にも及ぶ虞がある。エゼクタ効果がEGR通路22の上流端に及ぶと、その吸出し作用によって、排気側から吸気側に向かうEGRガスGeの流れが阻害されたり逆流したりして、適正なEGRが行われなくなる。
As shown in FIG. 1, the upstream end of the
そこで本実施形態では、EGRが行われるNA領域A1において独立排気絞り制御を禁止している。そうすることにより、上記EGRとの干渉問題を的確に解消することができる。一方、独立排気絞り制御による利益の大部分は低回転過給領域A3で得られるため、NA領域A1で独立排気絞り制御を行わないこととしても、その機会損失は僅かである。 Therefore, in the present embodiment, the independent exhaust throttle control is prohibited in the NA region A1 where EGR is performed. By doing so, the interference problem with said EGR can be solved exactly. On the other hand, most of the profits obtained by the independent exhaust throttle control are obtained in the low-rotation supercharging region A3. Therefore, even if the independent exhaust throttle control is not performed in the NA region A1, the opportunity loss is small.
以上、本実施形態の主要な技術的特徴である(1)動圧過給、(2)独立排気絞り制御、について説明したが、これらは密接に関連し、協働してエンジン性能を高めている。 As described above, (1) dynamic pressure supercharging and (2) independent exhaust throttle control, which are the main technical features of the present embodiment, have been described, but these are closely related and cooperate to improve engine performance. Yes.
図12は、低回転過給領域A3における充填効率ηcを示すグラフである。横軸はエンジン回転数Ne(rpm)、縦軸は充填効率ηc(%)を示す。特性C13は動圧過給と独立排気絞り制御とが併用された本実施形態の特性である。特性C103は比較対象のために示す特性であり、従来の一般的な排気マニホールド(可変排気バルブ30なし)を用いた場合の特性である。特性C13の充填効率ηcは特性C103に対して約20〜30ポイント増大している。これは動圧過給と可変排気バルブ30を用いた独立排気絞り制御とによる過給圧増大の効果である。
FIG. 12 is a graph showing the charging efficiency ηc in the low rotation supercharging region A3. The horizontal axis represents the engine speed Ne (rpm), and the vertical axis represents the charging efficiency ηc (%). A characteristic C13 is a characteristic of the present embodiment in which dynamic pressure supercharging and independent exhaust throttle control are used in combination. A characteristic C103 is a characteristic shown for comparison, and is a characteristic when a conventional general exhaust manifold (without the variable exhaust valve 30) is used. The filling efficiency ηc of the characteristic C13 is increased by about 20 to 30 points with respect to the characteristic C103. This is the effect of increasing the supercharging pressure by dynamic pressure supercharging and independent exhaust throttle control using the
図13は、低回転過給領域A3におけるエンジンの平均有効圧BMEPを示すグラフである。横軸はエンジン回転数Ne(rpm)、縦軸は平均有効圧BMEP(kPa)を示す。特性C14は動圧過給と独立排気絞り制御とが併用された本実施形態の特性(図12の特性C13に対応する特性)である。特性C104は比較対象のために示す特性であり、図12の特性C103に対応する特性である。特性C14の平均有効圧BMEPは特性C104に対して約200〜400kPa増大している。これは動圧過給と可変排気バルブ30を用いた独立排気絞り制御とによって充填効率が増大(図12)した効果であって、すなわちエンジントルクが増大したことを示している。
FIG. 13 is a graph showing the average effective pressure BMEP of the engine in the low rotation supercharging region A3. The horizontal axis represents the engine speed Ne (rpm), and the vertical axis represents the average effective pressure BMEP (kPa). A characteristic C14 is a characteristic of the present embodiment in which dynamic pressure supercharging and independent exhaust throttle control are used together (a characteristic corresponding to the characteristic C13 in FIG. 12). A characteristic C104 is a characteristic shown for comparison, and corresponds to the characteristic C103 in FIG. The average effective pressure BMEP of the characteristic C14 is increased by about 200 to 400 kPa with respect to the characteristic C104. This is an effect that the charging efficiency is increased (FIG. 12) by the dynamic pressure supercharging and the independent exhaust throttle control using the
次に、上記エゼクタ効果をより顕著に奏するために本実施形態で採用されている更なる技術について説明する。 Next, a description will be given of a further technique employed in the present embodiment in order to achieve the ejector effect more remarkably.
図14は本実施形態における排気通路の絞り度合と体積効率ηvとの関係を示すグラフである。横軸の上段は絞り径D2(mm)を示す。この絞り径D2とは、図7に示す可変排気バルブ30全閉時の、仕切板32の後縁32aにおける流路断面積S2に相当する円の直径である。なお第1排気通路16aの排気マニホールド16の入口部はφD1(:元の径=36mm)の円形であり、当該箇所の通路断面積S1はφD1に相当する面積(約1018mm2)である。
FIG. 14 is a graph showing the relationship between the exhaust passage restriction degree and the volumetric efficiency ηv in the present embodiment. The upper part of the horizontal axis indicates the aperture diameter D2 (mm). The throttle diameter D2 is a diameter of a circle corresponding to the flow path cross-sectional area S2 at the
横軸の下段は断面積絞り率Rd(%)を示す。この断面積絞り率Rdは、元の径D1に対する絞り径D2の面積比率である。すなわちRd=(D2/D1)2×100(%)、或いはRd=(S2/S1)×100(%)である。 The lower part of the horizontal axis indicates the sectional area drawing ratio Rd (%). This cross-sectional area drawing ratio Rd is an area ratio of the drawing diameter D2 to the original diameter D1. That is, Rd = (D2 / D1) 2 × 100 (%), or Rd = (S2 / S1) × 100 (%).
図14に示す特性C15はエンジン回転数Ne=1500rpmにおける特性、C16は同2000rpmにおける特性を示す。これらの特性から明らかなように、絞り径D2=22〜28mmの範囲(断面積絞り率Rd=37〜61%の範囲)において体積効率ηvの特段に高い好適な範囲が存在する。これは、この好適範囲において特に顕著なエゼクタ効果が得られることを示している。従って、絞り径D2をこの好適範囲に設定することにより、より高い過給効果が得られ、エンジントルクの一層の増大を図ることができる。 A characteristic C15 shown in FIG. 14 is a characteristic at an engine speed Ne = 1500 rpm, and C16 is a characteristic at 2000 rpm. As is clear from these characteristics, there is a particularly preferable range in which the volumetric efficiency ηv is particularly high in the range of the aperture diameter D2 = 22 to 28 mm (the cross-sectional area aperture ratio Rd = 37 to 61%). This indicates that a particularly remarkable ejector effect can be obtained in this preferred range. Therefore, by setting the aperture diameter D2 within this preferable range, a higher supercharging effect can be obtained and the engine torque can be further increased.
次に、可変バルブタイミング機構12によるバルブタイミング変更制御について説明する。
Next, valve timing change control by the variable
図15は、上記バルブタイミング変更制御の説明図である。横軸にはクランク角θ(deg:°CA)を示し、第1気筒3aの上死点TDCを0°CAとする。縦軸には吸排気バルブ7,9の模式的な開弁量を示す。なお上段には、点火順序の隣り合う気筒のうち後に点火する方の気筒を示し、下段には、先に点火する方の気筒を示す。その一例として、上段に第1気筒3a、下段に第2気筒3bを示す。そして、第1気筒3aが膨張行程から排気行程への移行期(下死点付近)にあり、第2気筒3bが排気行程から吸気行程への移行期(上死点付近)にある状態を示している。これは図2に示す状態に相当する。
FIG. 15 is an explanatory diagram of the valve timing change control. The abscissa represents the crank angle θ (deg: ° CA), and the top dead center TDC of the
実線で示す排気バルブ開期間Pe1及び吸気バルブ開期間Pi1は独立排気絞り制御を行わず、可変排気バルブ30が全開状態である場合(例えばNA領域A1)の特性である。ここで、第2気筒3bの上死点付近において排気バルブ開期間Pe1と吸気バルブ開期間Pi1とが重複するオーバーラップL2が設定されている。
The exhaust valve opening period Pe1 and the intake valve opening period Pi1 indicated by solid lines are characteristics when the
一般的にオーバーラップは、排気Weの掃気を充分に行い、且つ吸気Wiをより多く吸入するために設けられる。また吸気Wiで排気Weを押し出す狙いもある。一般的な可変バルブタイミング制御と同様に、このオーバーラップL2はエンジン回転数Neが高いほど広くなるように変更される。具体的には排気VVT12eによって排気バルブ9の閉弁時期を遅らせ、吸気VVT12iによって吸気バルブ7の開弁時期を進めることによってオーバーラップL2が拡大される(排気VVT12eか吸気VVT12iの何れか一方で行っても良い)。
Generally, the overlap is provided in order to sufficiently scavenge the exhaust gas We and to suck more intake air Wi. There is also an aim of pushing out the exhaust We with the intake air Wi. Similar to general variable valve timing control, the overlap L2 is changed so as to increase as the engine speed Ne increases. Specifically, the overlap L2 is expanded by delaying the closing timing of the
一方、破線で示す排気バルブ開期間Pe2及び吸気バルブ開期間Pi2は独立排気絞り制御を実行中、すなわち低回転過給領域A3において可変排気バルブ30が排気Weを絞っている場合の特性である。この場合のオーバーラップL3は、同じ負荷、同じエンジン回転数Neであっても独立排気絞り制御を行わない場合のオーバーラップL2よりも図示のように拡大されている。具体的には排気バルブ9の閉弁時期が遅らされ、吸気バルブ7の開弁時期が進められる。
On the other hand, the exhaust valve opening period Pe2 and the intake valve opening period Pi2 indicated by broken lines are characteristics when the independent exhaust throttle control is being executed, that is, when the
本来、独立排気絞り制御によれば、上述のようにエゼクタ効果によって掃気が促進され、オーバーラップ期間での吸気が促進されるので、吸気量を増大させ、エンジントルクを増大させる効果がある。そこで図15に示すように、可変バルブタイミング機構12によってオーバーラップL2をオーバーラップL3に拡大することにより、上記効果をより顕著に得ることができる。
Originally, according to the independent exhaust throttling control, scavenging is promoted by the ejector effect as described above, and intake during the overlap period is promoted, so that the intake amount is increased and the engine torque is increased. Therefore, as shown in FIG. 15, the above effect can be obtained more significantly by expanding the overlap L <b> 2 to the overlap L <b> 3 by the variable
なお通常は、不用意にオーバーラップL2を拡大すると吸気負圧によって排気Weが逆流する虞がある。しかし独立排気絞り制御では、エゼクタ効果によって排気Weが下流側に吸出されるので、そのような逆流が起こり難い。すなわち、排気Weの逆流という弊害を抑制しつつオーバーラップ量を増大させることができる。 Normally, if the overlap L2 is expanded carelessly, there is a possibility that the exhaust gas We will flow backward due to the intake negative pressure. However, in the independent exhaust throttle control, the exhaust We is sucked downstream by the ejector effect, and thus such a backflow hardly occurs. In other words, the overlap amount can be increased while suppressing the adverse effect of the backflow of the exhaust We.
ところで、図15上段(第1気筒3a)の排気バルブ開期間Pe1に示すように、独立排気絞り制御の非実行時の排気バルブ9は排気行程下死点より前の比較的早期、例えば下死点前40〜60°CAに開き始める。こうすることにより掃気が促進されるが、反面、ピストンの降下中に排気Weが開始するので、その分ブローダウンガスの勢いが弱められる。これはエゼクタ効果の駆動流体としてブローダウンガスを利用する本実施形態の独立排気絞り制御にとって不利である。
By the way, as shown in the exhaust valve opening period Pe1 in the upper stage (
しかし本実施形態では、独立排気絞り制御の実行時には排気バルブ閉弁時期を遅らせてオーバーラップ量を増大している。これは同時に排気バルブ開弁時期を遅らせることでもある(開弁期間自体は平行移動的に変更され、不変であるから)。すなわち図15上段に示すように、排気バルブ開弁時期が期間L1だけ遅らされている。これにより、上記ブローダウンガスの勢い低下が抑制される。そして下死点後はピストンの上昇が排気Weを押し出す作用が加わるのでブローダウンガスを加勢することができる。こうしてより顕著にエゼクタ効果を得ることができる。 However, in this embodiment, when the independent exhaust throttle control is executed, the overlap amount is increased by delaying the exhaust valve closing timing. This also means that the exhaust valve opening timing is delayed at the same time (because the valve opening period itself is changed in translation and is not changed). That is, as shown in the upper part of FIG. 15, the exhaust valve opening timing is delayed by the period L1. Thereby, the fall of the momentum of the said blowdown gas is suppressed. After the bottom dead center, the action of pushing up the exhaust gas Wep is added, so that the blowdown gas can be energized. Thus, the ejector effect can be obtained more remarkably.
但し、排気バルブ9を排気下死点後に開くと排気抵抗が大きくなるという弊害が出る。従って排気バルブ開弁時期の遅延は、図示のように排気下死点直前までにとどめておくことが望ましい。
However, if the
図16はエンジントルク特性を示すグラフである。横軸にエンジン回転数Ne(rpm)、縦軸にエンジントルクTe(N・m)を示す。実線で示す特性C24は本実施形態の特性(図9の特性Txに相当する)、破線で示す特性C124は従来型の排気系と一般的な大型ターボ過給機を採用した場合の特性、そして特性C125は従来型の排気系と一般的な小型ターボ過給機(タービン径D及びA/Rが相対的に小さいターボ過給機)を採用した場合の特性である。 FIG. 16 is a graph showing engine torque characteristics. The horizontal axis indicates the engine speed Ne (rpm), and the vertical axis indicates the engine torque Te (N · m). A characteristic C24 indicated by a solid line is a characteristic of the present embodiment (corresponding to the characteristic Tx in FIG. 9), a characteristic C124 indicated by a broken line is a characteristic when a conventional exhaust system and a general large turbocharger are employed, and A characteristic C125 is a characteristic when a conventional exhaust system and a general small turbocharger (a turbocharger having a relatively small turbine diameter D and A / R) are employed.
図示のように、特性C124では大型ターボ過給機による高回転域でのトルク増大作用が強く、特性C125では小型ターボ過給機による低回転域でのトルク増大作用が強い。 As shown in the figure, in the characteristic C124, the torque increase action in the high rotation range by the large turbocharger is strong, and in the characteristic C125, the torque increase action in the low rotation range by the small turbocharger is strong.
それらに対して本実施形態の特性C24は、高回転領域では大型のターボ過給機50の採用によってトルク増大作用が強く、低回転領域では動圧過給、可変排気バルブ30を用いた独立排気絞り制御、バルブタイミング変更制御および小A/Rのターボ過給機50の採用等によってトルク増大作用が強い。その結果、1つのターボ過給機50を用いた簡潔な構成でありながら、低回転領域から高回転領域に亘る広い範囲で大きな過給効果を得てエンジントルクの増大が達成されている。
On the other hand, the characteristic C24 of the present embodiment has a strong torque increasing effect by adopting the
また図16には直接示されていないが、部分負荷領域であるNA領域A1において適正なEGRが行われ、NOx低減による排気浄化やポンピングロス低減による燃費向上が図られている。 Although not directly shown in FIG. 16, appropriate EGR is performed in the NA region A1, which is a partial load region, and exhaust gas purification by NOx reduction and fuel efficiency improvement by pumping loss reduction are achieved.
次に、本実施形態の主要な技術的特徴である(3)吸気リリーフ制御によるサージングの抑制、について説明する。 Next, (3) suppression of surging by intake relief control, which is a main technical feature of the present embodiment, will be described.
図17は、吸気リリーフ制御によるサージングの抑制を説明する特性図である。横軸にコンプレッサ流量Qc(コンプレッサ52を流れる空気量)、縦軸に圧力比(コンプレッサ52の下流側圧力/上流側圧力)を示す。 FIG. 17 is a characteristic diagram illustrating suppression of surging by intake relief control. The horizontal axis represents the compressor flow rate Qc (the amount of air flowing through the compressor 52), and the vertical axis represents the pressure ratio (downstream pressure / upstream pressure of the compressor 52).
コンプレッサ52のサージングは、あるコンプレッサ流量Qcにおいて圧力比が所定値以上であるとき(サージング領域G1にあるとき)に発生する現象であり、エンジン1のターボ過給機50の場合、低回転・高負荷領域(例えば図9に示す低回転過給領域A3のうち、特に低回転・高負荷の領域)において発生し易い。サージングはコンプレッサ52のインペラ周りの空気の剥離(渦流)によって発生し、これが発生すると過給効率が低下する上、振動が発生したりコンプレッサ52の材料を疲労させたりするので好ましくない。
The surging of the
そこで本実施形態では、コンプレッサ52のサージングを抑制するために吸気リリーフを行っている。吸気リリーフは、サージング領域G1において、コンプレッサ52によって加圧された吸気の一部(以下リリーフガスGiという)を排気通路60側に導くものである。吸気リリーフ制御は、ECU20(吸気リリーフ制御手段)が、コンプレッサ52がサージング領域G1にあるときにEGR弁23を開弁制御するものである。EGR弁23を開弁すると、リリーフガスGiがEGR通路22を介して吸気通路10から排気通路60に導かれる(図1参照)。
Therefore, in the present embodiment, intake relief is performed in order to suppress the surging of the
なお、本来吸気リリーフを行うためには、吸気通路10のコンプレッサ52の下流側と、排気通路60の可変排気バルブ30の下流側かつタービン54の上流側とを接続した吸気リリーフ通路と、その吸気リリーフ通路上に配設された吸気リリーフ弁とが必要である。しかしこのような吸気リリーフ通路及び吸気リリーフ弁は、構造としてはEGR通路22やEGR弁23と類似している。そこで本実施形態では、上記吸気リリーフ通路および上記吸気リリーフ弁を、EGR通路22およびEGR弁23で兼用するようにしている。すなわち吸気リリーフを行う際には、EGR通路22を吸気リリーフ通路として使用し、EGR弁23を吸気リリーフ弁として使用するのである。こうすることにより、別途専用の吸気リリーフ通路や吸気リリーフ弁を設ける必要がなくなり、構造の簡略化、低コスト化を図ることができる。
In order to perform intake relief originally, an intake relief passage connecting the downstream side of the
しかも、吸気リリーフはサージング領域G1(低回転・高負荷領域)で行われ、EGRは自然吸気領域A1(低負荷領域)で行われる。つまり通常は吸気リリーフとEGRとが同時に行われる、或いはその要求があることがないので、互いに干渉することなく、何れも適正に行わせることができる。 In addition, intake relief is performed in the surging region G1 (low rotation / high load region), and EGR is performed in the natural intake region A1 (low load region). That is, normally, the intake air relief and the EGR are performed at the same time or there is no request for them, so that both can be performed properly without interfering with each other.
図17に戻って説明を続ける。サージング領域G1以外のサージングが発生しない領域を非サージング領域G2で示している。サージングラインC31はサージング領域G1と非サージング領域G2との境界線である。 Returning to FIG. 17, the description will be continued. A region where surging does not occur other than the surging region G1 is indicated by a non-surging region G2. Surging line C31 is a boundary line between surging region G1 and non-surging region G2.
破線で示す特性C32は、エンジン1がある低回転・低負荷運転状態(たとえばアイドル運転状態)から高回転・高負荷運転状態に短時間で移行する場合の、コンプレッサ52の過渡特性を示す作動線であって、サージングが発生しても吸気リリーフ制御を実行しないと仮定した場合の作動線(仮想作動線)である。これに対して実線で示す特性C33は、サージング領域G1において吸気リリーフ制御を実行した場合の作動線(実作動線)である。
A characteristic C32 indicated by a broken line is an operation line indicating a transient characteristic of the
コンプレッサ52が仮に仮想作動線C32上のサージング領域G1内(例えば状態P5)にあった場合、サージングが発生する。そのときECU20は直ちに吸気リリーフ制御を実行する、すなわちEGR弁23を開弁する。するとリリーフガスGiが吸気側からEGR通路22を介して排気側に導かれ、その分、コンプレッサ流量Qcが増大する。すなわち状態P5から状態P6に変化するので、コンプレッサ52はサージング領域G1から非サージング領域G2に移行する。
If the
このような吸気リリーフ制御が仮想作動線C32に沿って連続的に実行される結果、実際には実作動線C33が得られ、適正にサージングの抑制がなされるのである。 As a result of continuously executing such intake relief control along the virtual operation line C32, an actual operation line C33 is actually obtained, and surging is appropriately suppressed.
次に上記効果を従来構造の場合と対比して説明する。状態P7は従来構造、すなわちコンプレッサ52による加圧空気の一部をコンプレッサ52の上流側に還流させる場合を示すものである。この場合、状態P5→P7という変化になる。このように従来構造においてもコンプレッサ流量Qcを増大させることによってコンプレッサ52をサージング領域G1から非サージング領域G2に移行させることができる。しかし加圧空気を還流させることによって圧力比が低下する。つまり過給圧が下がって過給効率が低下する。これに対して本実施形態の場合は、リリーフガスGiをタービン駆動エネルギとして利用するので、コンプレッサ52の仕事量が増大し、状態P7に比べて圧力比を高めることができる(状態P6)。すなわち過給効率の低下を抑制することができる。
Next, the above effect will be described in comparison with the conventional structure. State P7 shows a conventional structure, that is, a case where a part of the pressurized air by the
なお図17に示す状態P6は状態P5と圧力比が等しくなる場合を示している。これは加圧空気をリリーフすることによる圧力比の低下分とコンプレッサ52の仕事量が増大することによる圧力比の上昇分とが相殺されていることを示す。実際には必ずしもこのように変化するとは限らず、状態P6の圧力比は状態P7の圧力比よりも高い範囲内で上下に変動し得る。
In addition, the state P6 shown in FIG. 17 has shown the case where a pressure ratio becomes equal to the state P5. This indicates that the decrease in the pressure ratio due to relief of the pressurized air and the increase in the pressure ratio due to the increase in the work amount of the
ところでこの吸気リリーフ制御において、単にEGR弁23を開いただけでは、必ずしも適正な吸気リリーフを行うことができない。排気通路60の排圧、特にタービン54上流側の排圧は高圧なので、EGR弁23を開いてもリリーフガスGiが吸気通路10から排気通路60に流れ難く、逆に排気通路60から吸気通路10への逆流の懸念さえある。
By the way, in this intake relief control, just opening the
そこで本実施形態では、上述の可変排気バルブ30によるエゼクタ効果により、適正な吸気リリーフを実現させている(エゼクタ効果による第4の利点である吸気リリーフの促進)。本実施形態において、EGR通路22の排気側は可変排気バルブ30の下流側に接続されている。従ってEGR通路22と排気通路60との接続部において、独立排気絞り制御によるエゼクタ効果を得ることができる。エゼクタ効果によると、EGR通路22の排気側が低圧となるので、EGR弁23を開くことによりリリーフガスGiを吸気通路10から排気通路60に円滑に導くことができる。すなわち吸気リリーフを促進することができる。
Therefore, in the present embodiment, an appropriate intake relief is realized by the ejector effect by the
しかも、サージング領域G1は、通常、独立排気絞り制御が実行される低回転過給領域A3のうちの特に低回転・高負荷の領域である。つまり吸気リリーフ制御が実行されるときには、同時に又はその前から独立排気絞り制御も実行される。従ってECU20は、可変排気バルブ30の開度制御を行うことにより、吸気リリーフ制御と独立排気絞り制御とを適正に両立させることができる。
In addition, the surging region G1 is a particularly low rotation / high load region in the low rotation supercharging region A3 in which the independent exhaust throttle control is normally performed. That is, when the intake relief control is executed, the independent exhaust throttle control is also executed at the same time or before. Therefore, the
また、EGR通路22を通して排気側に導かれたリリーフガスGiは、タービン54を駆動するエネルギとして有効利用することができる。従来の、加圧空気をコンプレッサ52の上流側に還流させるタイプのものに比べ、リリーフガスGiが有効な仕事をなす点で優れており、加圧空気をリリーフすることによる燃費の悪化を抑制することができる。
Further, the relief gas Gi guided to the exhaust side through the
但し、リリーフガス量は最小限に留めることが望ましい。そのためには実作動線C33を、非サージング領域G2において可及的にサージングラインC31に近づくようにすれば良い。リリーフガス量は、EGR弁23の開度が大きいほど、また可変排気バルブ30の絞り度合が大きいほど、多くなる。そこで、EGR弁23及び可変排気バルブ30の少なくとも一方の開度を調節することにより、リリーフガス量を最適値に調節することができる。本実施形態の場合、可変排気バルブ30の絞り度合を、独立排気絞り制御の要件から決定し、それに応じてリリーフガス量が最適値(最小限)となるようにEGR弁23の開度を設定るようにしている(別途両方のバランスをとりながら双方を調節しても良い)。
However, it is desirable to keep the amount of relief gas to a minimum. For this purpose, the actual operating line C33 may be made as close as possible to the surging line C31 in the non-surging region G2. The amount of relief gas increases as the opening degree of the
なお本実施形態では、図17の特性図から予めEGR弁23の開度(または可変排気バルブ30の絞り度合)がマップ化して記憶されている。そして実際のEGR弁23の開度等を設定するときには、サージングの発生状況に応じて補正するようにしている。こうすることにより、EGR弁23の開度等の大まかな値を迅速に設定して制御の応答性を高めつつ、補正によって実作動線C33をよりサージングラインC31に近づけることができる。
In the present embodiment, the opening degree of the EGR valve 23 (or the throttle degree of the variable exhaust valve 30) is mapped and stored in advance from the characteristic diagram of FIG. And when setting the opening degree of the
さらにEGRクーラ24は、GERの実行時にはEGR通路22内を還流するEGRガスGeを冷却するが、吸気リリーフ時には逆に、EGR通路22内を流れるリリーフガスGiを加熱する。EGRクーラ24はエンジン冷却水を用いた水冷式であり、冷却水温は温間時で90℃前後となる。これに対してリリーフガスGiの温度は50℃前後であるため、EGRクーラ24での熱交換によって冷却水側からリリーフガスGi側に熱の供給がなされるのである。加熱されたリリーフガスGiは温度が上昇し、内部エネルギが増大する。従ってリリーフガスGiが通常の排気Weと合流した後の排ガスエネルギも増大し、ターボ過給機50のタービン駆動エネルギが増大する。こうしてリリーフガスGiをより効率的にタービン駆動エネルギとして利用することができる。
Furthermore, the
なお本実施形態では、ECU20は次のようにしてサージングの発生を検知している。サージングは、コンプレッサ52のインペラ翼の周囲の空気の自励振動であり、コンプレッサ52の回転数やエンジン回転数とは独立して、常にほぼ一定の周波数で発生する。従って、サージング発生時のサージタンク圧の脈動は特徴的であって、例えば運転者の通常のアクセル開閉操作に伴うサージタンク圧の変化や脈動とは明確に区別することができる。そこでECU20は、圧力センサ25によって検知されるサージタンク圧信号を受け、適宜バンドパスフィルタ等を用いてその脈動周波数を検出する。その脈動周波数が、サージング発生時に特有の周波数(予め実験等によって調べられ、ECU20に記憶されている)であるときに、サージングが発生している(サージング領域にある)と判定する。
In the present embodiment, the
図18は、ECU20による運転領域に応じた制御選択のフローチャートである。この制御において、まずエアフローメータ11、圧力センサ25及び図略の回転数センサ等の各種センサからの信号がECU20で読込まれる(ステップS1)。次に現在の運転状態が図9に示す運転領域の何れにあるかの判定が行われる(ステップS2,S3)。ステップS2において、NA領域A1、すなわちEGR領域であると判定された場合には(ステップS2でYES)、ECU20はEGRを実行する。すなわちEGR弁23を開弁し、運転状態に応じた開度制御を行う(ステップS15)。そしてその場合には独立排気絞り制御を行わないので、ECU20は可変排気バルブ30を全開とする(ステップS16)。
FIG. 18 is a flowchart of control selection according to the operation region by the
一方、ステップS2においてNO、すなわち過給領域A2であってEGR領域ではないと判定された場合には、さらに低回転過給領域A3であるか否かの判定がなされる(ステップS3)。ステップS3でNO、すなわち過給領域A2ではあるが低回転過給領域A3ではないと判定された場合には、ECU20はEGRを行わない。すなわちEGR弁23を全閉とする(ステップS11)。そして独立排気絞り制御を行わないのでステップS16に移行して可変排気バルブ30が全開とされる。
On the other hand, if NO in step S2, that is, if it is determined that the region is the supercharging region A2 and not the EGR region, it is further determined whether or not it is the low rotation supercharging region A3 (step S3). If NO in step S3, that is, if it is determined that the engine is in the supercharging region A2 but not the low rotation supercharging region A3, the
ステップS3でYES、すなわち低回転過給領域A3であると判定されればECU20は独立排気絞り制御を実行する。すなわち可変排気バルブ30を運転状態に応じて絞る(ステップS4)。EGRは行わない。
If YES in step S3, that is, if it is determined that the engine is in the low rotation supercharging region A3, the
さらに、サージングの発生が認められた場合(ステップS5でYES)には、ECU20は吸気リリーフ制御を実行する。すなわちEGR弁23を開弁制御し(ステップS6)、サージングを抑制する。サージングの発生がない場合(ステップS5でNO)には、EGRの非実行状態を継続してリターンする。
Further, when occurrence of surging is recognized (YES in step S5), the
なお、図18では便宜上ステップS5においてサージング発生の判定がなされるとしているが、実際にはECU20は常時サージング発生の判定を行っている。しかし通常、サージングは低回転過給領域A3のなかでも特に低回転・高負荷の場合に発生するから、結果的には殆どの場合、ステップS5のタイミングでサージング判定を行った場合と同じ結果となる。
In FIG. 18, for the sake of convenience, it is assumed that surging has occurred in step S5, but actually, the
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記各実施形態は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、本実施形態では吸気リリーフを行うための専用の吸気リリーフ通路や吸気リリーフ弁を設けず、EGR通路22やEGR弁23でこれらを兼用するようにした。しかし必ずしもそのようにする必要はなく、別途専用の吸気リリーフ通路や吸気リリーフ弁を設けても良い。また、必ずしもEGRを行うエンジンに限定するものではなく、EGRを行わないエンジンに対して吸気リリーフ通路や吸気リリーフ弁を設け、吸気リリーフ制御を行っても良い。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, each said embodiment can be suitably changed in the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, in the present embodiment, a dedicated intake relief passage or intake relief valve for performing intake relief is not provided, but the
上記実施形態では、サージングを検知する手段として、サージタンク14に取付けられた圧力センサ25を用い、サージタンク圧の脈動を利用することとした。この場合において、圧力センサ25を別途位置(例えばスロットルバルブ18とサージタンク14の間)に設け、吸気負圧の脈動に基いてサージング判定を行っても良い。
In the above embodiment, as a means for detecting surging, the
また、必ずしも圧力の脈動を以ってサージングを検出するものでなくても良い。例えばエアフローメータ11によって検出される吸気流量の脈動に基いてサージングを検知するようにしても良い。
Further, it is not always necessary to detect surging by pressure pulsation. For example, surging may be detected based on the pulsation of the intake flow rate detected by the
また、必ずしもサージングが実際に検知されたことを以ってサージング領域にあると判定するものでなくても良い。例えば、サージングの発生する、或いは発生する虞の高い作動領域を予めサージング領域として記憶しておき、そのサージング領域に入ったことを以って(実際の発生如何にかかわらず)、ECU20が吸気リリーフ制御を実行するようにしても良い。或いは、このような方法と本実施形態のようにサージングを実際に検知したことを以って吸気リリーフ制御を実行する方法とを併用しても良い。
Further, it does not necessarily have to be determined that the surging region is present when surging is actually detected. For example, an operation region where surging occurs or is likely to occur is stored in advance as a surging region, and the
1 エンジン
3 気筒
8 排気ポート
16 排気マニホールド
16a 第1,第4排気通路(独立排気通路)
16bc 補助集合排気通路(独立排気通路)
20 ECU(可変排気バルブ制御手段,吸気リリーフ制御手段,EGR制御手段,)
22 EGR通路(吸気リリーフ通路を兼用)
23 EGR弁(吸気リリーフ弁を兼用)
24 水冷EGRクーラ
30 可変排気バルブ
31c 集合部
50 排気ターボ過給機
52 コンプレッサ
54 タービン
A1 自然吸気領域(EGR領域)
A2 過給領域
A3 低回転過給領域(所定の低回転領域)
C31 サージングライン(サージング領域と非サージング領域の境界)
G1 サージング領域
G2 非サージング領域
Ge EGRガス(EGR通路中のガス)
Gi リリーフガス(EGR通路中のガス)
1
16bc Auxiliary exhaust passage (independent exhaust passage)
20 ECU (variable exhaust valve control means, intake relief control means, EGR control means)
22 EGR passage (also used as intake relief passage)
23 EGR valve (also used as intake relief valve)
24 Water-cooled
A2 Supercharging area A3 Low rotation supercharging area (predetermined low rotation area)
C31 Surging line (between surging area and non-surging area)
G1 Surging area G2 Non-surging area Ge EGR gas (gas in the EGR passage)
Gi relief gas (gas in the EGR passage)
Claims (4)
上記排気マニホールドないしはその下流側において上記独立排気通路が集合した集合部と、
上記集合部の下流側に接続され、排気で駆動されるタービンと、該タービンの駆動力によって吸気を昇圧するコンプレッサとを備えた排気ターボ過給機と、
上記集合部の上流側で、上記独立排気通路の各通路断面積を変更可能な可変排気バルブと、
上記可変排気バルブを駆動制御する可変排気バルブ制御手段と、
吸気通路の上記コンプレッサ下流側と、排気通路の上記可変排気バルブ下流側かつ上記タービン上流側とを接続した吸気リリーフ通路と、
該吸気リリーフ通路上に配設された吸気リリーフ弁と、
上記吸気リリーフ弁を開弁制御する吸気リリーフ制御手段とを備え、
上記可変排気バルブ制御手段は、過給領域の所定の低回転領域において、上記可変排気バルブによって上記独立排気通路の上記各通路断面積を最大面積時よりも縮小させる独立排気絞り制御を実行し、
上記吸気リリーフ制御手段は、過給領域において上記コンプレッサが所定のサージング領域にあるとき、上記吸気リリーフ弁を開弁制御することを特徴とするエンジンの過給装置。 An exhaust manifold connected to the exhaust port of each cylinder and having a plurality of independent exhaust passages;
A collecting portion where the independent exhaust passages are gathered on the exhaust manifold or downstream thereof;
An exhaust turbocharger comprising a turbine connected to the downstream side of the collecting portion and driven by exhaust, and a compressor for boosting the intake air by the driving force of the turbine;
A variable exhaust valve capable of changing a cross-sectional area of each of the independent exhaust passages upstream of the collecting portion;
Variable exhaust valve control means for driving and controlling the variable exhaust valve;
An intake relief passage connecting the compressor downstream side of the intake passage and the variable exhaust valve downstream side of the exhaust passage and the turbine upstream side;
An intake relief valve disposed on the intake relief passage;
Intake relief control means for controlling the opening of the intake relief valve,
The variable exhaust valve control means performs independent exhaust throttle control for reducing the cross-sectional area of the independent exhaust passage by the variable exhaust valve from a maximum area in a predetermined low rotation region of the supercharging region,
The supercharging device for an engine, wherein the intake relief control means controls the opening of the intake relief valve when the compressor is in a predetermined surging region in the supercharging region.
該EGR通路に配設されるEGR弁と、
所定の低負荷領域において上記EGR弁を開弁制御するEGR制御手段とを備え、
上記吸気リリーフ通路および上記吸気リリーフ弁を、上記EGR通路および上記EGR弁で兼用するよう構成されていることを特徴とする請求項1記載のエンジンの過給装置。 An EGR passage connecting the exhaust passage and the intake passage;
An EGR valve disposed in the EGR passage;
EGR control means for controlling the opening of the EGR valve in a predetermined low load region,
2. The supercharging device for an engine according to claim 1, wherein the intake relief passage and the intake relief valve are configured to be shared by the EGR passage and the EGR valve.
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