JP3627470B2 - 過給式エンジンのｅｇｒ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、過給機付きディーゼルエンジンなどにおいて、ＮＯｘの排出量を低減するために、排気ガスの一部を吸気側に還流する過給式エンジンのＥＧＲ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン等の排気ガス対策において、排気ガス中のＮＯｘの排出量を低減するために、不活性ガスである排気ガスの一部を吸気側に還流することによって、燃焼温度を低く抑えて、ＮＯｘの生成を抑制するＥＧＲ（排気再循環）が有効であることが知られており、広く実用化されている。
【０００３】
このＥＧＲ装置は過給式エンジンにも適用され、図３に示すように排気マニホールド１２ａから排気ガスＧ２を取り出し、ＥＧＲクーラー７を配設したＥＧＲ通路９を経由して、吸気通路１１の新気Ａに混入して吸気マニホールド１１ａへ還流させてＥＧＲを行っている。
しかし、過給式エンジンにおいては、エンジン負荷の上昇に伴い、吸気圧（ブート圧）が高くなり、排気圧より高圧になってくるので、ＥＧＲガスＧ２を吸気通路１１へ還流させることができなくなる。
【０００４】
そのため、排気通路１２に通じるウェイストゲート１２ｂを開いて排気ガスＧ３を流出させることにより排気圧力を下げ、それによってタービン２の回転数を低下させることにより吸気圧力を低減して、ＥＧＲガスＧ２を吸気通路１１に還流させる方法がある。しかし、この方法を取ると新気Ａの量が減少し、スモークの増大を引き起こすので、ＥＧＲできる領域は、図２（ａ）に示すように、低負荷でかつ中回転以下のエンジンの運転領域Ｅに限られてしまうという問題がある。
【０００５】
また、タービン２の入口の断面積を可変にした可変容量型ターボチャージャ（ＶＧターボ）では、入口の断面積をコントロールすることでタービン回転数を変化させて、排気圧と吸気圧を制御してＥＧＲ可能な領域を拡大している。この場合においては、図２（ｂ）に示すような中負荷のＥで示すエンジン運転領域までＥＧＲ可能となるが、更にＮＯｘを低減して排気ガスを浄化するために、エンジンの高負荷運転領域でもＥＧＲ可能にしたいという要求がある。
【０００６】
この要求に関して、特開平３−１１７６６５号、特開平５−１８００８９号、特開平５−８９８５９号等に、ＥＧＲガスをコンプレッサによって圧縮して昇圧し、この昇圧したＥＧＲガスを吸気通路側に還流するように構成することによって、ＥＧＲ領域を拡大するＥＧＲ装置が提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平３−１１７６６５号の装置は、エンジンによって駆動されるコンプレッサによりＥＧＲガスを圧縮し、アキュムレータタンク内に蓄圧してから供給しているために、エンジンの駆動力がこのコンプレッサに使用されるのでその分エンジン出力のロスが大きくなる。このロスは、エンジンが高回転、高負荷になるほど大きくなるので、高出力が必要な時程ロスが大きくなるという問題がある。更に、高回転、高負荷領域においてＥＧＲを行うために、容量の大きいコンプレッサ、アキュムレータが必要になるという問題がある。
【０００８】
また、特開平５−１８００８９号の装置は、排気ガスで駆動されるタービンを排気通路に設けてこのタービンに連結したＥＧＲガスコンプレッサでＥＧＲガスを加圧して、吸気通路に還流させている。しかし、この装置においては排気通路に直列に排気ガスのパワーを回収するパワータービンを含めて３つのタービンを設けているため、ＥＧＲ作動時に排気マニホールドの排気圧が大幅に上昇するので、ポンピングロスが大きくなって燃費が悪化するという問題と、高負荷運転において新気の減少を招き黒煙が発生してＥＧＲを行うことのできる領域が限定されるという問題がある。
【０００９】
そして、特開平５−８９８５９号の装置は、第１のターボチャージャで得られた圧縮空気を分岐して第２のターボチャージャを駆動し、この第２のターボチャージャのコンプレッサでＥＧＲガスを昇圧し、それと共に、このコンプレッサから圧縮空気を逃がして吸気圧を下げてＥＧＲを行っている。しかし、この装置では、圧縮空気を分岐するため、シリンダへ供給される圧縮吸気量が減少するので、ＥＧＲガス量に対する吸気量が減少してスモークが発生するという問題がある。
【００１０】
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、エンジンの高負荷運転時でもＥＧＲが可能で、しかも、シリンダへの吸気量を十分に確保できてスモークの発生や燃料消費の悪化を防止できると共に、更に、エンジンの運転状態に応じてＥＧＲガスを昇圧して、効率よくＥＧＲを行うことができて、エンジンの全運転領域で排気ガス中のＮＯｘの排出量を低減できる過給式エンジンのＥＧＲ装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するための過給式エンジンのＥＧＲ装置は、エンジンの排気通路に設けたタービンによって、吸気通路に設けたコンプレッサを駆動する過給式エンジンにおいて、前記排気通路と前記吸気通路とを接続したＥＧＲ通路に、前記タービンによって駆動され、かつ、ＥＧＲガスを昇圧して前記吸気通路に還流するＥＧＲガスコンプレッサを設けると共に、該ＥＧＲガスコンプレッサの上流側の前記ＥＧＲ通路に新気を導入する第２吸気通路を設けて、該第２吸気通路と前記ＥＧＲ通路との連結部に制御弁を配設し、該制御弁を制御することにより、ＥＧＲガス、ＥＧＲガスと新気の混合ガス、新気を選択的に前記ＥＧＲガスコンプレッサに供給できるように構成したものである。
【００１２】
そして、クラッチ機構を設けずに、常にＥＧＲガスコンプレッサを駆動すると共に、制御弁の制御により、エンジンの運転状態に応じて、ＥＧＲ通路に設けた第２吸気通路から新気を供給して、ＥＧＲガスのみ（第１吸気状態）、ＥＧＲガスと新気の両方（第２吸気状態）、新気のみ（第３吸気状態）の吸気状態を選択してＥＧＲクーラー側に送り込むことができる。
【００１３】
そのため、エンジンの低負荷・低回転領域等では、ＥＧＲガスを一部または全部供給して、ＥＧＲガスの量を多くして、又はＥＧＲガスのみを供給してＥＧＲを行うことができる。また、負荷の増大時には、ＥＧＲガスと新気を必要なＥＧＲ率になるよう割合にして供給できる。そして、高負荷運転領域においては、新気の量を多くして、又は新気のみを供給することができる。更に、加速運転時には、新気のみを供給してスモークの発生を抑制できる。
【００１４】
また、ＥＧＲガスコンプレッサ用のタービンを新たに設ける必要がなくなるので、排気圧の上昇を防ぐことができ、燃料消費の悪化を防止できる。
その上、吸気の分岐及び逃がしによる吸気量の減少がないので、シリンダに供給される吸気量を十分に確保でき、スモークの発生を防止しながら、ＥＧＲを行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明に係る過給式エンジンのＥＧＲ装置の実施の形態を説明する。
図１に示すように、この過給式エンジン１においては、タービン２を排気通路１２に設けて排気ガスＧ１＋Ｇ２によって回転駆動し、この回転を軸２ａで伝達して吸気通路１１に設けたコンプレッサ３を駆動して、新気Ａ１を圧縮して、この新気Ａ１をインタークーラ６を経由して、吸気マニホールド１１ａに供給している。
【００１６】
この過給式エンジン１の排気通路１２と吸気通路１１とを接続するＥＧＲ通路９を設けると共に、このＥＧＲ通路９にタービン２によってクラッチ機構を介さずに直接駆動されるＥＧＲガスコンプレッサ５を設けて、ＥＧＲガスＧ２を昇圧して吸気通路１１に還流するように構成する。
このＥＧＲガスコンプレッサ５は空気専用のコンプレッサ３より過給度を高して、確実に吸気通路１１側にＥＧＲガス等Ｇ２，Ａ２を供給できるようにすると共に、ＥＧＲの最大時に充分なＥＧＲガスＧ２を供給できる能力を持たせて構成する。
【００１７】
更に、このＥＧＲガスコンプレッサ５の上流側のＥＧＲ通路９に新気Ａ２を導入する第２吸気通路１３を設け、このＥＧＲ通路９と第２吸気通路１３との連結部に制御弁８を設けて、この制御弁８により、ＥＧＲガスコンプレッサ５側に流入するＥＧＲガスＧ２の量と新気Ａ２の量を調整制御できるように構成する。
また、エンジン１の回転数を検出する回転数センサー１４とエンジンの負荷を検出する負荷センサー１５とコントローラ（ＥＣＵ）２０を設ける。そして、このコントローラ２０が回転数センサー１４の出力と負荷センサー１５の出力とを入力して、予め入力したＥＧＲマップ３０のデータに従って、エンジンの負荷、速度に応じた制御弁８の弁開度のコントロールを行い、予め設定されたＥＧＲ率でＥＧＲできるように構成する。
【００１８】
このＥＧＲマップ３０は、エンジン１の大きさ、使用状態などによって異なり、また、使用する国の排気ガス制限値によっても詳細な部分は異なってくる。
この構成を簡単化して述べると、排気通路１２のタービン２によって同回転で駆動される２つのコンプレッサ３，５を設けて、一つのコンプレッサ３は空気専用に、もう一つのＥＧＲガスコンプレッサ５は制御弁８によってＥＧＲガスＧ２のみ、新気Ａ２とＥＧＲガスＧ２、又は新気Ａ２のみを選択的に吸入するように構成したＥＧＲ装置である。
【００１９】
以上の構成のＥＧＲ装置においては、制御弁８をコントロールすることにより、エンジンの運転状態を回転数や負荷等で検出して、この運転状態に対する最適のＥＧＲ率でＥＧＲを行うことができる。
つまり、制御弁８を調整してＥＧＲガスＧ２のみをＥＧＲガスコンプレッサ５側に供給する第１吸気状態により、低負荷・低回転運転領域におけるＥＧＲを行うことができる。低負荷・低回転運転領域では、大量のＥＧＲガスを要するので、制御弁８はＥＧＲガスＧ２のみをＥＧＲガスコンプレッサ５に供給するよう調整を行う。
【００２０】
そして、制御弁８の開度を調整して、新気を導入することにより、ＥＧＲガスＧ２と新気Ａ２の混合ガスを供給する第２吸気状態により、低負荷・低回転領域において、ＥＧＲガスが過剰になって吸気不足になっても対応できる。
また、この第２吸気状態で、制御弁８の開度を調整してＥＧＲガスＧ２と新気Ａ２を必要なＥＧＲ率になるような割合にして、ＥＧＲガスコンプレッサ５側に供給することにより、負荷が増大してＥＧＲ率を減らす必要が生じる中・高負荷の運転領域に対応したＥＧＲを行うことができる。
【００２１】
負荷の増加に伴い、吸気圧は過給機のコンプレッサ３によって圧縮されているので、排気ガス圧＜吸気圧（ブースト圧）の状態となるが、ＥＧＲ通路９に設けたＥＧＲガスコンプレッサ５により、ＥＧＲガスＧ２と新気Ａ２の圧縮及び昇圧を行っているので、ＥＧＲガスＧ２と新気Ａ２の圧力を新気Ａ１の吸気圧よりも高圧にすることができ、ＥＧＲを円滑に行うことができる。
【００２２】
更に、新気のみを供給する第３吸気状態により、全くＥＧＲを必要とせず、新気量が不足しがちな加速運転時に充分な新気を供給できるので、スモークの発生を抑制することができる。
従って、エンジンの運転状態に応じて、制御弁８を調整制御することにより、新気Ａ２のみ、新気Ａ２とＥＧＲガスＧ２との混合ガス、ＥＧＲガスＧ２のみに、選択して、しかも混合ガスの混合率をも変化させて、ＥＧＲガスコンプレッサ５側に供給できるので、最適のＥＧＲ率で効率よくＥＧＲを行うことができる。そのため、過給式エンジンの全運転領域で排気ガス中のＮＯｘの排出量を低減できる。
【００２３】
更に、ＥＧＲガスＧ２をＥＧＲガスコンプレッサ５で圧縮及び昇圧しているので、吸気圧力の高い過給式エンジンの高負荷運転時でもＥＧＲを円滑に行うことが可能となり、ＮＯｘの低減を図ることができる。
また、必要に応じて新気Ａ２もＥＧＲガスコンプレッサ５で圧縮及び昇圧して供給できるので、シリンダへの吸気量を十分に確保できてスモークの発生や燃料消費の悪化を防止できる。
【００２４】
その上、この制御弁８を制御して、ＥＧＲガス等Ｇ２，Ａ２の流量を変化させることにより、ターボ２への負荷を変えることができ、ターボ２の回転数に対してコンプレッサ３，５の効率がよい作動点で運転できるので、燃費も向上させることができる。
そして、この構成のＥＧＲ装置によれば、クラッチ制御のＥＧＲガスコンプレッサを設けてＥＧＲガスの昇圧が必要な時のみにＥＧＲガスコンプレッサを駆動する装置に対して、クラッチ機構が不要になるので、よりコンパクトになって、コストや信頼性も向上する。また、新気Ａ２をＥＧＲガスコンプレッサ５からも供給できるので、新気が不足し易い加速時等に充分な新気Ａ１＋Ａ２を供給できる。また、排ガスのエネルギー以外にコンプレッサを駆動する動力を必要とせず、制御の対象も制御弁となるので制御機構が容易となる。
【００２５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の過給式エンジンのＥＧＲ装置によれば、ＥＧＲ通路に吸気コンプレッサと同軸にしたＥＧＲガスコンプレッサを設けると共に、ＥＧＲガスコンプレッサの上流側の前記ＥＧＲ通路に新気を導入する第２吸気通路を設けて、この第２吸気通路とＥＧＲ通路との連結部に制御弁を配設して、この制御弁を制御して、ＥＧＲガスのみ、ＥＧＲガスと新気、新気のみを選択的に吸気通路側に昇圧して供給するように構成したので、エンジンの運転状態に応じたＥＧＲガスおよび新気の供給を行うことができ、ＥＧＲ時には最適なＥＧＲ率でＥＧＲを効率よく行うことができると共に、新気の増加が必要な時には充分な新気を供給できる。
【００２６】
そして、ＥＧＲガスをＥＧＲガスコンプレッサで昇圧して吸気通路に供給するので、高負荷運転領域における吸気圧の高い状態でも円滑にＥＧＲを行うことができるので、ＥＧＲ可能な範囲をエンジンの運転領域全体に拡大することができる。
従って、過給式エンジンの全運転領域において排気ガス中のＮＯｘの排出量を低減でき、また、スモークの発生量も低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る過給式エンジンのＥＧＲ装置の構成図である。
【図２】従来技術のＥＧＲ領域を示す模式図で、（ａ）は、過給式エンジンのＥＧＲ装置のＥＧＲ領域を、（ｂ）はＶＧターボエンジンにおけるＥＧＲ装置のＥＧＲ領域を示す。
【図３】従来技術の過給式エンジンのＥＧＲ装置の構成図である。
【符号の説明】
１ エンジン ２ 過給機のタービン
３ 過給機のコンプレッサ ５ ＥＧＲガスコンプレッサ
６ インタークーラ ７ ＥＧＲクーラ
９ ＥＧＲ通路 １１ 吸気通路
１１ａ 吸気マニホールド １２ 排気通路
１２ａ 排気マニホールド １３ 第２吸気通路
１４ 回転数センサー １５ 負荷センサー
２０ コントローラ（ＥＣＵ） ３０ ＥＧＲマップ

Claims (1)

1. エンジン（１）の排気通路（１２）に設けたタービン（２）によって、吸気通路（１１）に設けたコンプレッサ（３）を駆動する過給式エンジンにおいて、前記排気通路（１２）と前記吸気通路（１１）とを接続したＥＧＲ通路（９）に、前記タービン（２）によって駆動され、かつ、ＥＧＲガス（Ｇ２）を昇圧して前記吸気通路（１１）に供給するＥＧＲガスコンプレッサ（５）を設けると共に、該ＥＧＲガスコンプレッサ（５）の上流側の前記ＥＧＲ通路（９）に新気（Ａ２）を導入する第２吸気通路（１３）を設けて、該第２吸気通路（１３）と前記ＥＧＲ通路（９）との連結部に制御弁（８）を配設し、該制御弁（８）を制御することにより、ＥＧＲガス（Ｇ２）、ＥＧＲガス（Ｇ２）と新気（Ａ２）の混合ガス、新気（Ａ２）を選択的に前記ＥＧＲガスコンプレッサ（５）に供給できるように構成した過給式エンジンのＥＧＲ装置。

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