JP4288213B2 - 複数の過給機を備えたｅｇｒシステム付きエンジン - Google Patents

Description

本発明は、主として４サイクルディーゼルエンジンに適用され、複数のシリンダからの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）を備えたエンジンであって、複数の過給機を備えたＥＧＲシステム付きエンジンに関する。

図５にはディーゼルエンジンの排気再循環システム（ＥＧＲシステム）の一例が示されている。
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。

１２２は前記排気管４１７と給気管４１５とを接続して排気ガスの一部（ＥＧＲガス）を給気管４１５内に流すためのＥＧＲ通路（排気再循環通路）、１２１は該ＥＧＲ通路１２２のＥＧＲガス通路面積を制御するＥＧＲ弁、１２３は該ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ、１２２ａは前記給気管４１５側に向かうＥＧＲガスの流れのみを許容する逆止弁である。４００は前記スロットル弁４０４の開度及びＥＧＲ弁１２１の開度を制御するコントローラである。

また、特許文献１（特開平９−１２６０６２号公報）に開示されている技術においては、第１、第２の２台の過給機を設け、第１過給機のコンプレッサで加圧された空気の一部を第２過給機のタービンに送り込み該第２過給機のコンプレッサを駆動し、また第２過給機のコンプレッサには第１過給機のタービンに供給される排ガスの一部が送り込まれ、該コンプレッサで加圧されて圧力が上昇し、ＥＧＲガスとして給気管に供給される。これにより、ＥＧＲガスの圧力が常時給気圧力よりも高くなり、ＥＧＲガスの給気管への供給が円滑に行われる。

特開平９−１２６０６２号公報

図５のＥＧＲシステムにあっては、過給機４０１のコンプレッサ４０１ｂにはＥＧＲガスは流れず、空気のみ流れるので、従来の過給機をそのまま流用してＥＧＲシステムを構成できるが、高負荷域でＥＧＲ率を高くするにはスロットル弁４０４を絞って給気圧力を低下させ、排気管４１７内の排気圧力と給気圧力との圧力差を保持してＥＧＲガスの流動を円滑にする必要があり、このためエンジンの熱効率が低下するという問題点を有している。

一方、特許文献１に開示されている技術においては、排気管から分岐されたＥＧＲガス
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。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、エンジンの全運転域において給気圧力を低下させることなくＥＧＲガスの給気通路側への流入を円滑化して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とともに、過給機のコンプレッサへのＥＧＲガスの流動を阻止してコンプレッサの腐食を防止することにより、該コンプレッサへの耐熱性、耐腐食性材料の適用を不要として過給機コストの上昇を回避し得るＥＧＲシステム付きエンジンを提供することを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、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低圧給気に混入するように構成したことを特徴とする。
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。

かかる発明によれば、高過給シリンダ群に接続される高圧過給機のノズル面積を、低過給シリンダ群に接続される低圧過給機のノズル面積よりも絞って、高圧過給機側の排気圧力を低圧過給機のコンプレッサ出口の低圧給気通路側の給気圧力よりも高く保持し、かかる圧力状態で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ＥＧＲ通路で接続することにより、エンジン負荷が増加して給気圧力が上昇してもＥＧＲ通路の上流側の排気圧力は常に前記給気圧力よりも高い状態を保持してＥＧＲガスを低圧給気通路側に供給することができる。

従って、かかる発明によれば、エンジンの全運転域で、給気圧力を低下させることなく高圧過給機のノズル面積を絞るのみで、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。
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。

また、かかる発明において、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もできる。
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。

また、かかる発明において、前記可変容量式過給機を前記高圧過給機及び低圧過給機の双方に適用し、エンジンの一定負荷以上の高負荷運転時には、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することもできる。
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。

また本発明は、前記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、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。
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。

かかる発明によれば、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該高負荷シリンダ群に接続される高負荷側の過給機の排気タービン入口側の排気通路の排気圧力は、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に接続される低負荷側の過給機のコンプレッサ空気出口側の給気通路の給気圧力よりも高くなり、かかる圧力状態で前記排気通路と給気通路とをＥＧＲ通路で接続することにより、エンジン負荷が増加して給気圧力が上昇してもＥＧＲ通路の上流側の排気圧力は常に前記給気圧力よりも高い状態を保持することができる。

従って、かかる発明によれば、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よりも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。
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。

また、かかる発明において、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することもできる。
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。

また本発明は、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。

かかる発明によれば、ノズル面積の絞りを大きく設定され高い排気圧力及び少ない排気流量で作動する小型排気タービンと、該小型排気タービンの排ガス入口から分岐されたＥＧＲガスが滑らかに合流可能なように出口給気圧力を前記排気圧力よりも低圧に設定された小型コンプレッサとを直結して小型過給機を構成し、該小型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大型排気タービンと吐出空気量の大きい大型コンプレッサとを直結してなる大型過給機とすることにより、過給機を通過する排気流量及び空気流量（給気流量）に適応した排気タービンとコンプレッサとの組み合わせを設定でき、エンジン性能とＥＧＲ効果とを最適化した過給機を設定できる。

本発明によれば、エンジンの全運転域で、給気圧力を低下させることなく高圧過給機のノズル面積を絞るのみで、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。
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。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は本発明の第１実施例に係る２台の過給機を備えたＥＧＲシステム付き４サイクルディーゼルエンジンの平面構成図であり、図において、１００はエンジンで、高過給シリンダ群２０１及び低過給シリンダ群２０２により構成される。
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。

また、前記低過給シリンダ群２０２は、低圧過給機１１４を備えており、１１２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）、１１４は低圧タービン１１４ａ及び低圧コンプレッサ１１４ｂからなる低圧過給機である。
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。

１２２はＥＧＲシステムを構成するＥＧＲ通路（排気再循環通路）で、前記高過給シリンダ群２０１における前記高圧排気管１１７の高圧タービン１１３ａ入口側部位と前記低過給シリンダ群２０２における低圧給気管１１６の給気冷却器１２０下流側部位とを接続している。１２１は該ＥＧＲ通路１２２のＥＧＲガス通路面積を制御するＥＧＲ弁、１２３は該ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラである。
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。

前記高過給シリンダ群２０１に接続される高圧過給機１１３は、これの高圧タービン１１３ａのノズル面積を絞って、前記低過給シリンダ群２０２に接続される低圧過給機１１４の低圧タービン１１４ａのノズル面積よりも小さく設定され、前記高過給シリンダ群２０１側の該高圧タービン１１３ａ入口の排気圧力Ｐｅが前記低過給シリンダ群２０２側の低圧コンプレッサ１１４ｂ出口の給気圧力Ｐｓよりも高くなる（Ｐｅ＞Ｐｓ）ようにしている。
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。

かかる実施例において、前記高過給シリンダ群２０１の各シリンダ１１１からの排ガス（燃焼排ガス）は高圧排気管１１７を通って高圧過給機１１３の高圧タービン１１３ａに流入し、該高圧タービン１１３ａに駆動力を付与した後、外部に排出される。そして該高圧タービン１１３ａによりこれと同軸の高圧コンプレッサ１１３ｂが回転駆動されて空気を加圧する。この高温高圧の加圧空気つまり給気は、高圧給気管１１５を通り、途中で給気冷却器１１９によって冷却、降温されてから、前記高過給シリンダ群２０１の各シリンダ１１１内に供給され燃焼に供される。

一方、前記低過給シリンダ群２０２の各シリンダ１１２からの排ガス（燃焼排ガス）は低圧排気管１１８を通って低圧過給機１１４の低圧タービン１１４ａに流入し、該低圧タービン１１４ａに駆動力を付与した後、外部に排出される。そして該低圧タービン１１４ａによりこれと同軸の低圧コンプレッサ１１４ｂが回転駆動されて空気を加圧する。この高温で前記高圧タービン１１３ａ側よりも低圧の加圧空気つまり給気は、低圧給気管１１６を通り、途中で給気冷却器１２０によって冷却、降温されてから、前記低過給シリンダ群２０２の各シリンダ１１２内に供給され燃焼に供される。

そして前記ＥＧＲ弁１２１が開弁すると、前記高圧排気管１１７を通流して高圧タービン１１３ａ入口に向かう排ガスの一部つまりＥＧＲガスは、ＥＧＲ通路１２２に入ってＥＧＲクーラ１２３で冷却された後、ＥＧＲ弁１２１により流量を制御され、前記低圧給気管１１６の前記低圧コンプレッサ１１４ｂ及び給気冷却器１２０下流部位で該給気に混入される。かかる給気へのＥＧＲガスの混入により、排ガス中のＮＯｘの発生が抑制される。

かかる実施例によれば、高過給シリンダ群２０１に接続される高圧過給機１１３における高圧タービン１１３ａのノズル面積を、低過給シリンダ群２０２に接続される低圧過給機１１４における低圧タービン１１４ａのノズル面積よりも小さく絞って、全運転域において高圧過給機１１３側の排気圧力Ｐｅを低圧過給機１１４における低圧コンプレッサ１１４ｂ出口の低圧給気管１１６側の給気圧力Ｐｓよりも高く保持し（Ｐｅ＞Ｐｓ）、かかる圧力状態で前記高圧排気管１１７と低圧給気管１１６とをＥＧＲ通路１２２で接続することにより、エンジン負荷が増加して給気圧力Ｐｓが上昇してもＥＧＲ通路の上流側の排気圧力Ｐｅは常に前記給気圧力Ｐｓよりも高い状態（Ｐｅ＞Ｐｓ）を保持して、ＥＧＲガスを低圧給気管１１６側に供給することができる。

従って、かかる実施例によれば、エンジンの全運転域で、給気圧力を低下させることなく高圧過給機１１３のノズル面積を絞るのみで、常時ＥＧＲ通路１２２の上流側の排気圧力Ｐｅを該ＥＧＲ通路の下流側の給気圧力Ｐｓ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（低圧給気管１１６）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。
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。

図１に示される第１実施例において、前記高圧過給機１１３を公知の可変容量式過給機に構成し、該高圧過給機１１３における高圧タービン１１３ａを、ノズル面積を可変とした可変ノズル機構付き可変容量タービンとすることもできる。
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。

このように構成すれば、高圧過給機１１３の高圧タービン１１３ａを可変容量タービンとすることにより、エンジン１００の給気圧力Ｐｓ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１１３の高圧タービン１１３ａのノズル面積を自在に変化させ排気圧力Ｐｅを目標値に調整することが可能となる。
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。

さらに図１に示される第１実施例において、前記のように、高圧過給機１１３を可変容量式過給機に構成するのに加えて、前記低圧過給機１１４も可変容量式過給機に構成し、該低圧過給機１１４における低圧タービン１１４ａを、ノズル面積を可変とした可変ノズル機構付き可変容量タービンとすることもできる。
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。

これにより、エンジン１００の一定負荷以上の高負荷運転時に、ＥＧＲを遮断あるいは抑制して高いエンジン出力を得ようとする際には、高圧過給機１１３及び低圧過給機１１４における可変容量タービンからなる高圧タービン１１３ａ及び低圧タービン１１４ａのノズル面積を同一面積に制御することによって、前記排気圧力Ｐｅと給気圧力Ｐｓとの圧力差ΔＰを無くして（ΔＰ＝Ｐｅ−Ｐｓ＝０）ＥＧＲを遮断あるいは抑制できることとなり、従って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。

図２は本発明の第２実施例に係る２台の過給機を備えたＥＧＲシステム付き４サイクルディーゼルエンジンの平面構成図である。
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。

前記高負荷シリンダ群３０１の各シリンダ１１１は高圧排気管１１７を介して高負荷側過給機２１３の排気タービン２１３ａに接続されるとともに高圧給気管１１７を介して該高負荷側過給機２１３のコンプレッサ２１３ｂに接続されている。また、前記低負荷シリンダ群３０２の各シリンダ１１２は低圧排気管１１８を介して低負荷側過給機２１４の排気タービン２１４ａに接続されるとともに低圧給気管１１６を介して該低負荷側過給機２１４のコンプレッサ２１４ｂに接続されている。
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。

１２２はＥＧＲシステムを構成するＥＧＲ通路（排気再循環通路）で、前記高負荷シリンダ群３０１における前記高圧排気管１１７の排気タービン２１３ａ入口側部位と前記低負荷シリンダ群３０２における低圧給気管１１６の給気冷却器１２０下流側部位とを接続している。１２１は該ＥＧＲ通路１２２のＥＧＲガス通路面積を制御するＥＧＲ弁、１２３は該ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラである。
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。

１３２は高負荷側燃料噴射装置、１３３は低負荷側燃料噴射装置で、公知の電磁式燃料噴射装置あるいは燃料噴射量及び燃料噴射時期を調整可能な燃料噴射ポンプ等からなる。高負荷側燃料噴射装置１３２は前記高負荷シリンダ群３０１の燃料噴射弁１３０の燃料噴射量及び燃料噴射時期を調整し、低負荷側燃料噴射装置１３３は前記低負荷シリンダ群３０２の燃料噴射弁１３１の燃料噴射量及び燃料噴射時期を調整するようになっている。
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。

かかる第２実施例において、前記コントローラ１４０は前記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に基づきエンジン１００のエンジン負荷あるいはエンジン回転数等のエンジン運転条件毎に、対応する燃料噴射量を算出する。
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。

そして、前記コントローラ１４０においては、前記エンジン負荷の検出値あるいはエンジン回転数の検出値等のエンジン運転条件の検出値が入力されると、図４のマップから前記エンジン負荷の検出値あるいはエンジン回転数に対応する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を算出（抽出）する。
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。

従って、かかる第２実施例によれば、高負荷シリンダ群３０１の燃料噴射量を低負荷シリンダ群３０２の燃料噴射量よりもを大きく設定して高負荷側過給機２１３及び低負荷側過給機２１４という別個の過給機に接続するのみで、エンジン１００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１２２の上流側の排気圧力Ｐｅを該ＥＧＲ通路１２２の下流側の給気圧力Ｐｓ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（給気管１１６）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１００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。
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。

また、前記高負荷側過給機２１３の排気タービン２１３ａの排気通路１３６に脱硝装置１３７を設置したので、該脱硝装置１３７により高負荷側過給機２１３から排出された排ガス中のＮＯｘを除去できるとともに、低負荷側過給機２１４のコンプレッサ２１４ｂの下流側にＥＧＲガスを導入することによりＮＯｘを低減することができ、脱硝装置１３７及びＥＧＲの双方でＮＯｘ低減が可能となる。

図３は本発明の第３実施例に係る２台の過給機を備えたＥＧＲシステム付き４サイクルディーゼルエンジンの平面構成図である。
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。

即ち図３において、１５１は小型過給機であり、ノズル面積の絞りを大きく（ノズル面積を小さく）設定され高い排気圧力Ｐｅ及び少ない排気流量で作動する小型排気タービン１５１ａと出口給気圧力Ｐｓを前記排気圧力Ｐｅよりも低く設定された小型コンプレッサ１５１ｂとを直結してなる。
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。

かかる第３実施例によれば、ノズル面積の絞りを大きく（ノズル面積を小さく）設定され高い排気圧力Ｐｅ及び少ない排気流量で作動する小型排気タービン１５１ａと、該小型排気タービン１５１ａの排ガス入口から分岐されたＥＧＲガスが滑らかに合流可能なように出口給気圧力Ｐｓを前記排気圧力Ｐｅよりも低圧に設定された小型コンプレッサ１５１ｂとを直結して小型過給機１５１を構成し、該小型排気タービン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とを直結してなる大型過給機１５０とすることにより、過給機を通過する排気流量及び空気流量（給気流量）に適応した排気タービンとコンプレッサとの組み合わせを設定でき、エンジン性能とＥＧＲ効果とを最適化した過給機を設定できる。

本発明によれば、エンジンの全運転域において給気圧力を低下させることなくＥＧＲガスの給気通路側への流入を円滑化して、エンジンの熱効率を低下させることなくＥＧＲによるＮＯｘ低減効果を保持できる。また、過給機のコンプレッサへのＥＧＲガスの流動を阻止してコンプレッサの腐食を防止することができて、該コンプレッサへの耐熱性、耐腐食性材料の適用を不要として過給機コストの上昇を回避し得るＥＧＲシステム付きエンジンを提供できる。

本発明の第１実施例に係る複数の過給機を備えたＥＧＲシステム付き４サイクルディーゼルエンジンの平面構成図である。 第２実施例を示す図１対応図である。 第３実施例を示す図１対応図である。 前記第２実施例における作用説明図である。 従来技術を示す図１対応図である。

符号の説明

１００ エンジン（ディーゼルエンジン）
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
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、
   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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