JP4288213B2 - 複数の過給機を備えたegrシステム付きエンジン - Google Patents
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Description
図5において、100はエンジン、401は排気タービン401a及びコンプレッサ401bからなる過給機、417は該エンジン100の排気出口と過給機401の排気タービン401aとを接続する排気管、415は前記過給機401のコンプレッサ401bとエンジン100の吸気入口とを接続する給気管、419は前記コンプレッサ401bで加圧、昇温された空気を冷却する給気冷却器、404は前記エンジン100への給気量を制御するスロットル弁である。
を第2過給機のコンプレッサに導いて、該コンプレッサで加圧してから給気管に供給しているので、過給機のコンプレッサにEGRガスが流れることとなり、該コンプレッサがEGRガスによって腐食される恐れがある。このため、特許文献1の技術にあっては、該コンプレッサに耐熱性、耐腐食性材料を用いる必要があり、コスト高となるという課題を有している。
かかる発明において、好ましくは、前記高圧過給機における排気タービンのノズル面積を、前記低圧過給機における排気タービンのノズル面積よりも絞り、前記高圧過給機側の排気圧力を前記低圧過給機側の給気圧力よりも高く保持するように構成する。
また、過給機のコンプレッサの下流側にEGRガスを導入するので、該コンプレッサがEGRガスにより腐食されることがなく、該コンプレッサを高コストの耐熱性、耐腐食性材料で構成することが不要となり、過給機コストの上昇を回避できる。
このように構成すれば、少なくとも高圧過給機を可変容量タービンとすることにより、エンジンの給気圧力に応じて、可変容量タービンの可変ノズル機構によって高圧過給機の排気タービンのノズル面積を自在に変化させ排気圧力を調整することが可能となり、エンジン運転条件に応じて排気圧力と給気圧力との圧力差を正確に制御して、EGR量を適正値に制御しエンジン性能を高く保持しつつ所要のNOx低減効果を得ることができる。
このように構成すれば、エンジンの一定負荷以上の高負荷運転時に、EGRを抑えて高いエンジン出力を得ようとする際には、高圧過給機及び低圧過給機における可変容量タービンのノズル面積を同一面積に制御することにより、排気圧力と給気圧力との圧力差を無くしてEGRを抑制でき、これにより、エンジン高負荷時におけるEGRによるエンジン性能の低下を回避できる。
かかる発明において、コントローラにより、前記高負荷側過給機の排気タービン入口側の排気圧力と前記低負荷側過給機のコンプレッサ空気出口側の給気圧力との圧力差が一定値以上になるように、前記高負荷シリンダ群の燃料噴射量及び低負荷シリンダ群の燃料噴射量を制御するのがよい。
また、過給機のコンプレッサの下流側にEGRガスを導入するので、該コンプレッサがEGRガスにより腐食されることがないので、該コンプレッサを高コストの耐熱性、耐腐食性材料で構成することが不要となり、過給機コストの上昇を回避できる。
このように構成すれば、低負荷側過給機のコンプレッサの下流側にEGRガスを導入することによりNOxを低減することができるとともに、燃料噴射量を大きく設定された高負荷側過給機出口側に脱硝装置を設置してNOxを低減することが可能となる。
後記する第2の排気タービンより高い排気圧力及び少ない排気流量で作動する第1の排気タービンと、出口給気圧力を前記第1の排気タービンの排気圧力よりも低く設定された第1のコンプレッサとを直結してなる第1の過給機と、
前記第1の排気タービンよりも低い排気圧力及び大きい排気流量で作動する第2の排気タービンと、前記第1のコンプレッサより吐出空気量の大きい第2のコンプレッサとを直結してなる第2の過給機とを具え、
前記複数のシリンダを、燃料噴射量の大きい高負荷シリンダ群と、燃料噴射量の小さい低負荷シリンダ群とに分けて、
前記高負荷シリンダ群の排ガス出口を、排気通路を介して前記第1の排気タービン入口側に、又高負荷シリンダ群の給気入口を、給気通路を介して前記第2のコンプレッサ吐出側に、
前記低負荷シリンダ群の排ガス出口を、排気通路を介して前記第2の排気タービン入口側に、又低負荷シリンダ群の給気入口を、給気通路を介して前記第1のコンプレッサ吐出側に、それぞれ接続するとともに、
前記第1排気タービン入口に接続される排気通路と前記第1のコンプレッサ吐出側に接続される給気通路とを前記EGR通路で接続してなることを特徴とする。
また本発明によれば、高負荷シリンダ群の燃料噴射量を低負荷シリンダ群の燃料噴射量を大きく設定して別個の過給機に接続するのみで、エンジンの全運転域で、給気圧力を低下させることなく、常時EGR通路の上流側の排気圧力を該EGR通路の下流側の給気圧力よりも高く保持することが可能となって、EGRガスの給気通路側への流入を円滑化することができ、これにより、エンジンの熱効率を低下させることなくEGRによるNOx低減効果を保持することができる。
さらに本発明によれば、過給機のコンプレッサの下流側にEGRガスを導入するので、該コンプレッサがEGRガスにより腐食されることがないので、該コンプレッサを高コストの耐熱性、耐腐食性材料で構成することが不要となり、過給機コストの上昇を回避できる。
前記高過給シリンダ群201は、高圧過給機113を備えており、111はシリンダ(この例では3シリンダの場合を示すが、複数シリンダであればよい)、113は高圧タービン113a及び高圧コンプレッサ113bからなる高圧過給機である。
117は前記各シリンダ111の排気出口と高圧過給機113の高圧タービン113aとを接続する高圧排気管、115は前記高圧過給機113の高圧コンプレッサ113bと前記各シリンダ111の吸気入口とを接続する高圧給気管、119は前記高圧コンプレッサ113bで加圧、昇温された空気を冷却する給気冷却器である。
118は前記各シリンダ112の排気出口と低圧過給機114の低圧タービン114aとを接続する低圧排気管、116は前記低圧過給機114の低圧コンプレッサ114bと前記各シリンダ112の吸気入口とを接続する低圧給気管、120は前記低圧コンプレッサ114bで加圧、昇温された空気を冷却する給気冷却器である。
前記EGRシステムにおいては、前記高圧排気管117を通流する排ガスの一部を、EGR弁121により開閉制御されるEGR通路122を通して前記低圧給気管116に還流し給気に混入するようになっている。
即ち、通常のエンジンにおいては、高負荷運転になるに従い給気圧力Psの上昇度を大きく設定しているため、高負荷運転域で排気圧力Peと給気圧力Psとの圧力差ΔP=Pe−Psが小さくなる。
然るに、本発明のかかる実施例においては、特に高負荷運転域での前記圧力差ΔP(=Pe−Ps)が、所要のEGRガス量を低圧給気管116側に流し得る圧力差になるようにするため、高圧タービン113aのノズル面積を低圧タービン114aのノズル面積よりも絞るとともに、全運転域で前記圧力差ΔPを、所要のEGRガス量を低圧給気管116側に流し得る圧力差になるように、高圧タービン113aのノズル面積及び低圧タービン114aのノズル面積を設定する。
また、低圧過給機114の低圧コンプレッサ114bの下流側にEGRガスを導入するので、該低圧コンプレッサ114bがEGRガスにより腐食されることがなく、該コンプレッサを高コストの耐熱性、耐腐食性材料で構成することが不要となり、過給機コストの上昇を回避できる。
そして、可変容量タービンからなる高圧タービン113aのノズル面積を、該高圧タービン113a排気圧力Peを前記低圧過給機114側の給気管116における給気圧力Psよりも高く(Pe>Ps)保持するように制御する。
これにより、エンジン運転条件に応じて排気圧力Peと給気圧力Psとの圧力差ΔP(=Pe−Ps)を正確に制御してEGR量を適正値に制御し、エンジン性能を高く保持しつつ所要のNOx低減効果を得ることができる。
このように構成すれば、可変容量式過給機に構成された高圧過給機113及び低圧過給機114のノズル面積を自在に制御できるので、エンジン100の一定負荷以上の高負荷運転時には、前記高圧過給機113の高圧タービン113a及び低圧過給機114の低圧タービン114aのノズル面積を同一面積に制御して、前記EGR通路122におけるEGRガスの流動を遮断あるいは抑制することが可能となる。
この実施例においては、複数のシリンダを、次のように、燃料噴射量の大きい高負荷シリンダ群301と、燃料噴射量の小さい低負荷シリンダ群302とに分けて、別個の過給機(高負荷側過給機213及び低負荷側過給機214)に接続している。
即ち、図2において、301は燃料噴射量を大きく設定された複数のシリンダ(この例では3シリンダ)111からなる高負荷シリンダ群、302は燃料噴射量を前記高負荷シリンダ群301のシリンダ111よりも小さく設定された複数のシリンダ(この例では3シリンダ)112からなる低負荷シリンダ群である。
130は前記高負荷シリンダ群301の各シリンダ111内に燃料を噴射する燃料噴射弁、131は前記低負荷シリンダ群302の各シリンダ112内に燃料を噴射する燃料噴射弁である。
119は前記高負荷側過給機213のコンプレッサ213bで加圧、昇温された空気を冷却する給気冷却器、120は前記低負荷側過給機214のコンプレッサ214bで加圧、昇温された空気を冷却する給気冷却器である。
前記EGRシステムは前記第1実施例と同様に構成されており、前記高圧排気管117を通流する排ガスの一部を、EGR弁121により開閉制御されるEGR通路122を通して前記低圧給気管116に還流し給気に混入するようになっている。
137は排ガス中のNOx除去用の脱硝装置で、前記高負荷側過給機213の排気タービン213aの排気通路に設置されて、該高負荷側過給機213から排出された排ガス中のNOxを除去する。
140は前記高負荷側燃料噴射装置132及び低負荷側燃料噴射装置133を制御するコントローラ、134はエンジン100の回転数(エンジン回転数)を検出するエンジン回転数検出器、135はエンジン100の負荷(エンジン負荷)を検出するエンジン負荷検出器であり、該エンジン回転数検出器134からのエンジン回転数の検出値及びエンジン負荷検出器135からのエンジン負荷の検出値は前記コントローラ140に入力される。
即ち、前記コントローラ140には、図4に示されるように、エンジン負荷L(あるいはエンジン回転数N)と、高負荷シリンダ群301における高負荷側過給機213入口の排気圧力Pe及び低負荷シリンダ群302における低負荷側過給機214出口の給気圧力Psとの関係が設定されるとともに、前記排気圧力Peと給気圧力Psとの設定圧力差ΔP(=Pe−Ps)を得るために要する、前記高負荷シリンダ群301における高負荷側燃料噴射装置132の燃料噴射量Qh及び低負荷シリンダ群302における低負荷側燃料噴射装置13の燃料噴射量Qlが設定されている。
この高負荷側燃料噴射装置132の燃料噴射量Qh及び低負荷側燃料噴射装置133の燃料噴射量Qlは、前記のように、前記排気圧力Peと給気圧力Psとの設定圧力差ΔP(=Pe−Ps)を得るために要する噴射量差ΔQに基づき設定したものであるから、前記高負荷側燃料噴射装置132により高負荷シリンダ群301の燃料噴射弁130から前記燃料噴射量Qhで燃料噴射を行い、前記低負荷側燃料噴射装置133により低負荷シリンダ群302の燃料噴射弁131から前記燃料噴射量Qlで燃料噴射を行うことにより、全運転域において、高負荷シリンダ群201における高負荷側過給機213の排気タービン213a入口側の排気圧力Peは、前記低負荷シリンダ群302における低負荷側過給機214のコンプレッサ214b出口側の給気圧力Psよりも高く保持することが可能となる。
また、前記第1実施例と同様に、低負荷側過給機214のコンプレッサ214bの下流側にEGRガスを導入するので、該コンプレッサ214bがEGRガスにより腐食されることがない。
この実施例においては、前記第2実施例と同様に、複数のシリンダを、燃料噴射量の大きい高負荷シリンダ群301と、燃料噴射量の小さい低負荷シリンダ群302とに分けて、別個の過給機に接続しているが、かかる過給機の構成が前記第2実施例とは異なるものである。
150は大型過給機で、前記小型排気タービン151aよりも低い排気圧力Pe及び大きい排気流量で作動する大型排気タービン150aと吐出空気量の大きい大型コンプレッサ150bとを直結してなる。
そしてかかる第3実施例においては、前記小型過給機151の小型排気タービン151a入口に接続される排気通路(高圧排気管117)と前記小型過給機151のコンプレッサ151b出口に接続される給気通路(低圧空気管116)とを前記EGR通路122で接続している。
その他の構成は前記第2実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
111、112 シリンダ
113 高圧過給機
113a 高圧タービン
113b 高圧コンプレッサ
114 低圧過給機
114a 低圧タービン
114b 低圧コンプレッサ
115 高圧給気管
116 低圧給気管
117 高圧排気管
118 低圧排気管
121 EGR弁
122 EGR通路
130、131 燃料噴射弁
132 高負荷側燃料噴射装置
133 低負荷側燃料噴射装置
134 エンジン回転数検出器
135 エンジン負荷検出器
137 脱硝装置
140 コントローラ
150 大型過給機
150a 大型排気タービン
150b 大型コンプレッサ
151 小型過給機
151a 小型排気タービン
151b 小型コンプレッサ
201 高過給シリンダ群
202 低過給シリンダ群
213 高負荷側過給機
213a 排気タービン
213b コンプレッサ
214 低負荷側過給機
214a 排気タービン
214b コンプレッサ
301 高負荷シリンダ群
302 低負荷シリンダ群
Claims (8)
- 複数のシリンダの排ガス出口と過給機の排気タービンとを接続する排気通路と、前記過給機のコンプレッサと複数のシリンダの給気入口とを接続する給気通路とをEGR(排気再循環)通路で接続し、前記排気通路を通流する排ガスの一部を前記EGR通路を通して前記給気通路に還流し給気に混入するEGRシステム(排気再循環システム)を備えたエンジンにおいて、前記過給機を高い過給圧力に設定された高圧過給機及び該高圧過給機よりも低い過給圧力に設定された低圧過給機の2種の過給機で構成するとともに、前記複数のシリンダを前記高圧過給機に接続される高過給シリンダ群及び前記低圧過給機に接続される低過給シリンダ群により構成し、前記高圧過給機の排気タービン入口に接続される高圧排気通路と前記低圧過給機のコンプレッサ空気出口に接続される低圧給気通路とを前記EGR通路で接続し、前記高圧過給機からの高圧のEGRガスを前記EGR通路を通して前記低圧過給機から前記低過給シリンダ群に供給される給気に混入するように構成したことを特徴とする複数の過給機を備えたEGRシステム付きエンジン。
- 前記高圧過給機における排気タービンのノズル面積を、前記低圧過給機における排気タービンのノズル面積よりも絞り、前記高圧過給機側の排気圧力を前記低圧過給機側の給気圧力よりも高く保持するように構成したことを特徴とする請求項1記載の複数の過給機を備えたEGRシステム付きエンジン。
- 前記高圧過給機及び低圧過給機のうち、少なくとも高圧過給機を、排気タービンのノズル面積を可変とした可変容量タービンを備えた可変容量式過給機とし、該可変容量式過給機におけるノズル面積を、可変容量式過給機入口の排気圧力を前記低圧過給機側の給気圧力よりも高く保持するように制御することを特徴とする請求項1記載の複数の過給機を備えたEGRシステム付きエンジン。
- 前記高圧過給機及び低圧過給機を排気タービンのノズル面積を可変とした可変容量タービンを備えた可変容量式過給機とし、前記エンジンの一定負荷以上の高負荷運転時に前記高圧過給機及び低圧過給機の排気タービンのノズル面積を同一面積に制御して前記EGR通路におけるEGRガスの流動を抑制するように構成したことを特徴とする請求項1記載の複数の過給機を備えたEGRシステム付きエンジン。
- 複数のシリンダの排ガス出口と過給機の排気タービンとを接続する排気通路と、前記過給機のコンプレッサと複数のシリンダの給気入口とを接続する給気通路とをEGR(排気再循環)通路で接続し、前記排気通路を通流する排ガスの一部を前記EGR通路を通して前記給気通路に還流し給気に混入するEGRシステム(排気再循環システム)を備えたエンジンにおいて、前記複数のシリンダを、燃料噴射量を大きく設定されたシリンダ群からなる高負荷シリンダ群と前記高負荷シリンダ群よりも燃料噴射量を小さく設定されたシリンダ群からなる低負荷シリンダ群とに分けるとともに、前記高負荷シリンダ群及び低負荷シリンダ群を別個の過給機に接続し、該過給機のうち前記高負荷シリンダ群に接続される高負荷側過給機の排気タービン入口側の排気通路と前記低負荷シリンダ群に接続される低負荷側過給機のコンプレッサ空気出口側の給気通路とをEGR通路で接続し、前記高負荷側過給機からのEGRガスを前記EGR通路を通して低負荷側過給機から前記低負荷シリンダ群に供給される低圧給気に混入するように構成したことを特徴とする複数の過給機を備えたEGRシステム付きエンジン。
- 前記高負荷側過給機の排気タービン入口側の排気圧力と前記低負荷側過給機のコンプレッサ空気出口側の給気圧力との圧力差が一定値以上になるように、前記高負荷シリンダ群の燃料噴射量及び低負荷シリンダ群の燃料噴射量を制御するコントローラを備えてなることを特徴とする請求項5記載の複数の過給機を備えたEGRシステム付きエンジン。
- 前記高負荷側過給機出口側の排気通路に脱硝装置を設置したことを特徴とする請求項5記載の複数の過給機を備えたEGRシステム付きエンジン。
- 複数のシリンダの排ガス出口と過給機の排気タービンとを接続する排気通路と、前記過給機のコンプレッサと複数のシリンダの給気入口とを接続する給気通路とをEGR(排気再循環)通路で接続し、前記排気通路を通流する排ガスの一部を前記EGR通路を通して前記給気通路に還流し給気に混入するEGRシステム(排気再循環システム)を備えたエンジンにおいて、
後記する第2の排気タービンより高い排気圧力及び少ない排気流量で作動する第1の排気タービンと、出口給気圧力を前記第1の排気タービンの排気圧力よりも低く設定された第1のコンプレッサとを直結してなる第1の過給機と、
前記第1の排気タービンよりも低い排気圧力及び大きい排気流量で作動する第2の排気タービンと、前記第1のコンプレッサより吐出空気量の大きい第2のコンプレッサとを直結してなる第2の過給機とを具え、
前記複数のシリンダを、燃料噴射量の大きい高負荷シリンダ群と、燃料噴射量の小さい低負荷シリンダ群とに分けて、
前記高負荷シリンダ群の排ガス出口を、排気通路を介して前記第1の排気タービン入口側に、又高負荷シリンダ群の給気入口を、給気通路を介して前記第2のコンプレッサ吐出側に、
前記低負荷シリンダ群の排ガス出口を、排気通路を介して前記第2の排気タービン入口側に、又低負荷シリンダ群の給気入口を、給気通路を介して前記第1のコンプレッサ吐出側に、それぞれ接続するとともに、
前記第1排気タービン入口に接続される排気通路と前記第1のコンプレッサ吐出側に接続される給気通路とを前記EGR通路で接続してなることを特徴とする複数の過給機を備えたEGRシステム付きエンジン。
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