JP2017145769A - 過給エンジン及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】容量可変式のターボチャージャを採用せずに低速高負荷領域での排気ガスの再循環を実現し且つ高速高負荷領域でのポンピングロスの増加を防ぐ。【解決手段】タービン２ａのスクロールを小スクロールＴ1と大スクロールＴ2とに分割し、排気マニホールド５の連絡管部を小スクロールＴ1に通じる第一経路Ｐ1と大スクロールＴ2に通じる第二経路Ｐ2とに分割し、連絡管部の入側に排気切替弁を設けて排気マニホールド５を第一経路Ｐ1に通じる第一排気マニホールドＭ1と第二経路Ｐ2に通じる第二排気マニホールドＭ2とに開通閉止自在に分割し且つその開通時に排気切替弁により第二経路Ｐ2が閉止されるように構成し、ＥＧＲ装置１２の排気ガスＧの抜き出し位置を第一経路Ｐ1とする。【選択図】図１

Description

本発明は、タービンより上流側の排気系から排気ガスの一部を抜き出してコンプレッサより下流側の吸気系へ再循環するＥＧＲ装置を備えた過給エンジン及びその運転方法に関するものである。

従来、排気ガスで駆動されるタービンによりコンプレッサを駆動して正規の量以上の吸気を取り込むことで出力の大幅な向上を図り得るようにしたターボチャージャ付き過給エンジンが知られており、この種の過給エンジンにあっては、前記タービンより上流側の排気系から排気ガスの一部を抜き出して前記コンプレッサより下流側の吸気系へ再循環し、その吸気系に戻された排気ガスで各気筒内での燃料の燃焼を抑制して燃焼温度を下げることによりＮＯxの発生を低減するＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置を備えたものもある。

ただし、前述の如き過給エンジンの場合、過給効率の高い低速高負荷領域にてターボチャージャによる過給圧が排気圧より高くなってしまう領域が生じる結果、このような低速高負荷領域について何も対策を講じなければ、排気側から吸気側への排気ガスの再循環を行うことができなくなってしまう。

このため、大型運搬車両等における大量の排気ガス再循環を実施する必要のある過給エンジンにおいては、タービン側のノズル開度を任意に変更することが可能な容量可変式のターボチャージャ（バリアブルジオメトリーターボチャージャと一般的に呼称されているもの）を採用し、必要に応じタービン側のノズル開度を小さく絞り込んで排気ガスの通過抵抗を増やし、これにより排気マニホールドの圧力を高めて吸気側と排気側との圧力差を確保するようにしている。

即ち、容量可変式のターボチャージャは、タービンの駆動力が弱いために空気を取り込み難い低速運転領域と、タービンが回りすぎて空気が過剰に取り込まれる虞れのある高速運転領域とでターボチャージャの容量を適宜に変更して低速重視の過給特性と高速重視の過給特性とを使い分けられるようにしたものであるが、これを低速高負荷領域における排気ガス再循環の対策として流用するようにしている。

ここで、低速高負荷領域での排気ガスの再循環を実現することだけを考えれば、これまでよりも容量の小さなターボチャージャを採用すれば済むことになるが、そのような単純な対策を講じたとしても、高速高負荷領域でのポンピングロスが増加して燃費の大幅な悪化を招いてしまうことが明らかであり、現実的な対策とは到底言えないものであることを付言しておく。

尚、この種の容量可変式のターボチャージャに関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献１等がある。

特開２００７−９２５５７号公報

しかしながら、可動部分の多い複雑な機構となる容量可変式のターボチャージャを採用した場合には、コストの大幅な高騰を招いてしまうことが避けられないという問題があり、また、作業現場等における厳しい使用環境下で高い作動信頼性を保ち続けることが難しい上、その修理や整備等に高い技術や専用部品が必要となって簡単に修理や整備等を行うことができないという問題もあったため、容量可変式のターボチャージャを採用しない対策が求められている。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、容量可変式のターボチャージャを採用せずに低速高負荷領域での排気ガスの再循環を実現し且つ高速高負荷領域でのポンピングロスの増加を防ぐことを目的としている。

本発明は、排気ガスで駆動されるタービンによりコンプレッサを駆動して過給を行うターボチャージャを搭載し、前記タービンより上流側の排気系から排気ガスの一部を抜き出して前記コンプレッサより下流側の吸気系へ再循環するＥＧＲ装置を備えた過給エンジンであって、前記タービンのスクロールを小スクロールと大スクロールとに分割し、各気筒からの排気ガスを集めて前記タービンに導く排気マニホールドの連絡管部を前記小スクロールに通じる第一経路と前記大スクロールに通じる第二経路とに分割し、前記連絡管部の入側に排気切替弁を設けて前記排気マニホールドを前記第一経路に通じる第一排気マニホールドと前記第二経路に通じる第二排気マニホールドとに開通閉止自在に分割し且つその開通時に前記排気切替弁により前記第二経路が閉止されるように構成し、前記ＥＧＲ装置の排気ガスの抜き出し位置を前記第一経路としたことを特徴とするものである。

更に、本発明の過給エンジンを運転するにあたっては、低速高負荷領域での運転時に排気切替弁により第一排気マニホールドと第二排気マニホールドとを開通し且つ第二経路を閉止する一方、通常運転時には前記排気切替弁により第一排気マニホールドと第二排気マニホールドとを閉止し且つ第二経路を開通すると良い。

このようにすれば、低速高負荷領域での運転時に第一排気マニホールド及び第二排気マニホールドの両方の排気ガスを全て第一経路を通してタービンの小スクロールに導入し、タービンの容量を本来の容量よりも小さくした状態でターボチャージャの運転を行い、これにより過給圧を排気圧より低く抑えてＥＧＲ装置による排気ガスの再循環を支障なく実現することが可能となる。

一方、通常運転時には排気切替弁により第一排気マニホールドと第二排気マニホールドの夫々の排気ガスを第一経路及び第二経路の夫々を通してタービンの小スクロール及び大スクロールの夫々に導入し、タービンの容量を本来の容量に戻した状態でターボチャージャの運転を行い、これにより高速高負荷領域でのポンピングロスの増加を招くことなくＥＧＲ装置による排気ガスの再循環を従前通り行うことが可能となる。

更に、本発明の過給エンジンを運転するにあたっては、加速時にも排気切替弁により第一排気マニホールドと第二排気マニホールドとを開通し且つ第二経路を閉止するようにしても良く、このようにすれば、加速時に前述と同様にタービンの容量を本来の容量よりも小さくした状態でターボチャージャの運転を行い、これにより加速時における応答性の大幅な向上を図ることが可能となる。

上記した本発明の過給エンジン及びその運転方法によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１、２に記載の発明によれば、容量可変式のターボチャージャを採用せずに低速高負荷領域での排気ガスの再循環を実現し且つ高速高負荷領域でのポンピングロスの増加を防ぐことができるので、容量可変式のターボチャージャを採用した場合における諸問題を未然に回避することができると共に、全ての運転領域で良好に排気ガスを再循環してＮＯx低減性能の大幅な向上を図り且つ高速高負荷領域における燃費の悪化を防止することができる。

（ＩＩ）本発明の請求項１、３に記載の発明によれば、加速時にタービンの容量を本来の容量よりも小さくした状態でターボチャージャの運転を行い、タービンの容量を本来の容量で使用した場合よりも加速時の応答性を向上することができ、過渡応答性に優れた容量可変式のターボチャージャを採用しないことによる過渡応答性の低下を補完することができる。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 図１の要部を拡大して示す説明図である。 図１の排気マニホールドの分割部分を開通した状態を示す概略図である。 図３の要部を拡大して示す説明図である。 タービン容量と低速領域でのＥＧＲ率の関係を示すグラフである。 タービン容量と高速領域でのポンピングロスの関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、ここに図示している過給エンジン１は、排気ガスＧで駆動されるタービン２ａによりコンプレッサ２ｂを駆動して過給を行うターボチャージャ２を搭載しており、図示しないエアクリーナから導いた吸気Ａを前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ｂへ送り、該コンプレッサ２ｂで加圧された吸気Ａをインタークーラ３へと送って冷却し、該インタークーラ３から更に吸気マニホールド４へと吸気Ａを導いて過給エンジン１の各気筒１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆに分配するようにしてある。

また、この過給エンジン１の各気筒１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆから排出された排気ガスＧを排気マニホールド５を介して前記ターボチャージャ２のタービン２ａへと送り、該タービン２ａを駆動した排気ガスＧを車外へ排出するようにしてあるが、前記タービン２ａのスクロールが小スクロールＴ₁と大スクロールＴ₂とに分割されている。

ここで、図２に図１の要部を拡大して示す如く、各気筒１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆからの排気ガスＧを集めて前記タービン２ａに導く排気マニホールド５の連絡管部６は、前記小スクロールＴ₁に通じる第一経路Ｐ₁と前記大スクロールＴ₂に通じる第二経路Ｐ₂とに分割されている。

しかも、前記排気マニホールド５は、前記連絡管部６の入側に設けられた排気切替弁７により、気筒１ａ，１ｂ，１ｃを一組として前記第一経路Ｐ₁に通じる第一排気マニホールドＭ₁と、気筒１ｄ，１ｅ，１ｆを一組として前記第二経路Ｐ₂に通じる第二排気マニホールドＭ₂とに開通閉止自在に分割されており、その開通時には前記排気切替弁７により前記第二経路Ｐ₂が閉止されるようになっている。

より具体的に説明すると、排気マニホールド５の連絡管部６にて第一経路Ｐ₁と第二経路Ｐ₂とを仕切る区画壁８の入側端にフラップ型の排気切替弁７の基端部が傾動自在に枢支され、該排気切替弁７の傾動位置により第一排気マニホールドＭ₁と第二排気マニホールドＭ₂との開通閉止及びその開通時における第二経路Ｐ₂の閉止が成されるように構成されている。

ここで、図１及び図２は第一排気マニホールドＭ₁と第二排気マニホールドＭ₂との分割部分を排気切替弁７により閉止した状態を示しており、図３及び図４は第一排気マニホールドＭ₁と第二排気マニホールドＭ₂との分割部分を排気切替弁７により開通し且つ第二経路Ｐ₂を閉止した状態を示している。

また、前記第一経路Ｐ₁と前記吸気マニホールド４の入口付近との間がＥＧＲライン９により接続されていると共に、排気ガスＧの再循環量を適宜に調整するＥＧＲバルブ１０と、再循環される排気ガスＧを冷却するためのＥＧＲクーラ１１とが前記ＥＧＲライン９に装備されており、これらＥＧＲライン９とＥＧＲバルブ１０とＥＧＲクーラ１１とによりＥＧＲ装置１２が構成されるようにしてある。

而して、以上に述べた如き過給エンジン１を運転するにあたっては、低速高負荷領域での運転時に排気切替弁７により第一排気マニホールドＭ₁と第二排気マニホールドＭ₂とを開通し且つ第二経路Ｐ₂を閉止する一方、通常運転時には前記排気切替弁７により第一排気マニホールドＭ₁と第二排気マニホールドＭ₂とを閉止し且つ第二経路Ｐ₂を開通する。

このようにすれば、低速高負荷領域での運転時に第一排気マニホールドＭ₁及び第二排気マニホールドＭ₂の両方の排気ガスＧを全て第一経路Ｐ₁を通してタービン２ａの小スクロールＴ₁に導入し、タービン２ａの容量を本来の容量よりも小さくした状態でターボチャージャ２の運転を行い、これにより過給圧を排気圧より低く抑えてＥＧＲ装置１２による排気ガスＧの再循環を支障なく実現することが可能となる。

即ち、図５にタービン２ａの容量（Ａ／Ｒ）と低速領域でのＥＧＲ率との関係を示している通り、タービン２ａの容量（Ａ／Ｒ）が小さくなれば、低速領域での高いＥＧＲ率を得ることが可能であるので、タービン２ａの容量を本来の容量よりも小さくした状態でターボチャージャ２の運転を行えば、本来の容量では不可能であった低速高負荷領域での排気ガスＧの再循環が可能となる。

一方、通常運転時には排気切替弁７により第一排気マニホールドＭ₁と第二排気マニホールドＭ₂の夫々の排気ガスＧを第一経路Ｐ₁及び第二経路Ｐ₂の夫々を通してタービン２ａの小スクロールＴ₁及び大スクロールＴ₂の夫々に導入し、タービン２ａの容量を本来の容量に戻した状態でターボチャージャ２の運転を行い、これにより高速高負荷領域でのポンピングロスの増加を招くことなくＥＧＲ装置１２による排気ガスＧの再循環を従前通り行うことが可能となる。

即ち、図６にタービン２ａの容量（Ａ／Ｒ）と高速領域でのポンピングロスとの関係を示している通り、タービン２ａの容量（Ａ／Ｒ）が小さいままでは、高速領域でのポンピングロスの増加が避けられないが、タービン２ａの容量を本来の容量に戻した状態でターボチャージャ２の運転を行えば、高速高負荷領域に移行してもポンピングロスの増加を回避することが可能となる。

更に、斯かる過給エンジン１を運転するにあたっては、加速時にも排気切替弁７により第一排気マニホールドＭ₁と第二排気マニホールドＭ₂とを開通し且つ第二経路Ｐ₂を閉止することが好ましく、このようにすれば、加速時に前述と同様にタービン２ａの容量を本来の容量よりも小さくした状態でターボチャージャ２の運転を行い、これにより加速時における応答性の大幅な向上を図ることが可能となる。

即ち、一般的なターボチャージャ２の特性として、タービン２ａの容量（Ａ／Ｒ）が小さいと、低速領域から良好な応答性が得られる一方で最高出力が低くなり、逆にタービン２ａの容量（Ａ／Ｒ）が大きいと、応答性が悪くなる一方で高速領域で高出力が得られることが知られており、加速時にもタービン２ａの容量を本来の容量よりも小さくした状態でターボチャージャ２の運転を行えば、加速時における応答性の大幅な向上が得られることは明らかである。

従って、上記形態例によれば、容量可変式のターボチャージャ２を採用せずに低速高負荷領域での排気ガスＧの再循環を実現し且つ高速高負荷領域でのポンピングロスの増加を防ぐことができるので、容量可変式のターボチャージャ２を採用した場合における諸問題を未然に回避することができると共に、全ての運転領域で良好に排気ガスＧを再循環してＮＯx低減性能の大幅な向上を図り且つ高速高負荷領域における燃費の悪化を防止することができる。

また、加速時にタービン２ａの容量を本来の容量よりも小さくした状態でターボチャージャ２の運転を行い、タービン２ａの容量を本来の容量で使用した場合よりも加速時の応答性を向上することができるので、過渡応答性に優れた容量可変式のターボチャージャ２を採用しないことによる過渡応答性の低下を補完することができる。

尚、本発明の過給エンジン及びその運転方法は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、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。

１ 過給エンジン
１ａ 気筒
１ｂ 気筒
１ｃ 気筒
１ｄ 気筒
１ｅ 気筒
１ｆ 気筒
２ ターボチャージャ
２ａ タービン
２ｂ コンプレッサ
５ 排気マニホールド
６ 連絡管部
７ 排気切替弁
１２ ＥＧＲ装置
Ｇ 排気ガス
Ｍ₁ 第一排気マニホールド
Ｍ₂ 第二排気マニホールド
Ｐ₁ 第一経路
Ｐ₂ 第二経路
Ｔ₁ 小スクロール
Ｔ₂ 大スクロール

Claims (3)

1. 排気ガスで駆動されるタービンによりコンプレッサを駆動して過給を行うターボチャージャを搭載し、前記タービンより上流側の排気系から排気ガスの一部を抜き出して前記コンプレッサより下流側の吸気系へ再循環するＥＧＲ装置を備えた過給エンジンであって、前記タービンのスクロールを小スクロールと大スクロールとに分割し、各気筒からの排気ガスを集めて前記タービンに導く排気マニホールドの連絡管部を前記小スクロールに通じる第一経路と前記大スクロールに通じる第二経路とに分割し、前記連絡管部の入側に排気切替弁を設けて前記排気マニホールドを前記第一経路に通じる第一排気マニホールドと前記第二経路に通じる第二排気マニホールドとに開通閉止自在に分割し且つその開通時に前記排気切替弁により前記第二経路が閉止されるように構成し、前記ＥＧＲ装置の排気ガスの抜き出し位置を前記第一経路としたことを特徴とする過給エンジン。
2. 請求項１に記載の過給エンジンの運転方法であって、過給圧が排気圧より高い運転領域での運転時に排気切替弁により第一排気マニホールドと第二排気マニホールドとを開通し且つ第二経路を閉止する一方、通常運転時には前記排気切替弁により第一排気マニホールドと第二排気マニホールドとを閉止し且つ第二経路を開通することを特徴とする過給エンジンの運転方法。
3. 加速時にも排気切替弁により第一排気マニホールドと第二排気マニホールドとを開通し且つ第二経路を閉止することを特徴とする請求項２に記載の過給エンジンの運転方法。

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