JP5556295B2

JP5556295B2 - 過給機付エンジンのｅｇｒ装置

Info

Publication number: JP5556295B2
Application number: JP2010070157A
Authority: JP
Inventors: 文恵松橋; 幸雄高橋; 諭山口; 直忠植田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2030-03-25
Also published as: JP2011202574A

Description

本発明は、過給機付エンジンのＥＧＲ装置に関する。

自動車等に搭載される内燃機関（以下、エンジンという）には、燃焼室から排出される排気ガス中に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を低減するために、排気ガス再循環装置（以下、ＥＧＲ装置という）が設けられている。ＥＧＲ装置は、排気ガス通路に排出される排気ガスの一部を排気ガス還流通路（以下、ＥＧＲガス通路という）を介して吸気系路に還流ガスとして再循環（還流）させ、混合気の燃焼温度を下げることによってＮＯｘの発生を抑制している。

しかし、排気ガスを吸気系路に再循環させると、燃焼室内での混合気の着火性が低下し、エンジン出力の低下及びエンジン運転性の低下を招くので、吸気系路に再循環させる排気ガスの流量（以下、ＥＧＲガス流量という）をエンジンの運転状態に応じて調整する必要がある。従って、この種のＥＧＲ装置においては、ＥＧＲガス通路にＥＧＲバルブを設けて、そのＥＧＲバルブにより吸気系路に還流するＥＧＲガス流量を制御するようにしている。

上記したＥＧＲ装置は例えば特許文献１に開示されており、又、近年では、通常燃焼と予混合圧縮着火燃焼とを運転状態に応じて切り換えるエンジンにおいて、エンジンの排気マニホールドと吸気マニホールドとを直接連通するようにした高圧ＥＧＲ装置と、過給機のタービン下流における排気ガス出口通路の排気ガスをコンプレッサの上流に還流させるようにした低圧ＥＧＲ装置の２つのＥＧＲ装置を備えて、エンジンの運転状態や燃焼方式に応じ使い分けてＥＧＲを行う技術が特許文献２に開示されている。

しかし、一般に、エンジンの回転数が低い低回転運転時には、排気ガス圧力が低くなることによって排気ガスを給気系路に還流させることが困難になる問題がある。このため、特許文献２では、過給機のコンプレッサに接続された吸気管に吸気調整ダンパを設け、この吸気調整ダンパとコンプレッサとの間に、一端がタービン下流の排気ガス出口通路に接続されたＥＧＲガス通路の他端を接続し、吸気調整ダンパを絞ることでコンプレッサの入口に生じる負圧を利用して、排気ガスを吸引してＥＧＲガス流量を増加するようにしている。

前記吸気管に設ける吸気調整ダンパとしては、図５に示すように、吸気管ａ内に吸気管ａ内を遮断できる円形の弁体ｂ設け、該弁体ｂを軸ｃで回動させて開度を調整することにより吸気管ａを流れる空気ｄの流量を調整するようにしたバタフライ弁ｅが一般に用いられている。

特開２００８−０６９６４５号公報特開２００７−２１１７６７号公報

しかし、前記したように、過給機のコンプレッサの上流に設けているバタフライ弁からなる吸気調整ダンパは、図５に示すように、弁体ｂの開度を絞った時に空気ｄが隙間から吹き抜けることで流れが乱れた乱気流を生じる問題があり、この乱気流がコンプレッサインペラに導かれるとコンプレッサによる圧縮性能が大幅に低下してしまうという問題がある。従って、従来では、乱気流によってコンプレッサの圧縮性能が低減する問題を防止するために、コンプレッサと吸気調整ダンパとの間に大きな間隔を設けることにより乱気流が直接コンプレッサインペラに作用しないようにしているが、このために長い長さの吸気管が必要となって、装置の構成が大型化するという問題を有していた。

又、前記したように、コンプレッサと吸気調整ダンパとの間の間隔を大きくしても、吸気調整ダンパによって生じた乱気流がコンプレッサインペラに作用する問題は依然として解決されておらず、このために、コンプレッサの圧縮性能を有効に高めることができないという問題を有していた。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなしたもので、排気ガスをコンプレッサインペラ入口に還流するために必要な吸気管の長さをコンパクトにすることができると共に、安定した空気をコンプレッサインペラに導いてコンプレッサの圧縮性能を高めることができるようにした過給機付エンジンのＥＧＲ装置を提供しようとするものである。

本発明は、エンジンの排気ガスにより回転するタービンと、該タービンと同軸に回転し吸気管から取り入れた空気を圧縮して前記エンジンに供給するコンプレッサとからなる過給機を備え、排気ガス出口通路の排気ガスをコンプレッサのコンプレッサインペラ入口に導くようにしている過給機付エンジンのＥＧＲ装置であって、前記コンプレッサインペラの入口通路に、周方向に複数備えたベーン体の角度を角度調整機構により一斉に同方向に変更させて吸気管の流路断面積を変更可能にした可変インレットガイドベーンが、固定リングによりコンプレッサハウジングとの間で回転可能に挾持され、前記可変インレットガイドベーンと前記コンプレッサインペラとの間の入口通路に、一端がタービン下流の排気ガス出口通路に接続されたＥＧＲガス通路の他端を接続したことを特徴とする過給機付エンジンのＥＧＲ装置、に係るものである。

上記過給機付エンジンのＥＧＲ装置において、前記エンジンの回転数に応じて前記角度調整機構を介し可変インレットガイドベーンの開度を制御する制御器を備えたことは好ましい。

又、上記過給機付エンジンのＥＧＲ装置において、前記コンプレッサを構成するコンプレッサハウジングの内部に前記可変インレットガイドベーンが備えられ、コンプレッサハウジングにおける前記可変インレットガイドベーンとコンプレッサインペラとの間の入口通路に、前記ＥＧＲガス通路の他端に連通する供給導孔を備えたことは好ましい。

又、上記過給機付エンジンのＥＧＲ装置において、前記コンプレッサを構成するコンプレッサハウジングの内部に前記可変インレットガイドベーンが備えられ、コンプレッサハウジングにおける前記可変インレットガイドベーンとコンプレッサインペラとの間に、前記ＥＧＲガス通路の他端に連通する環状通路を備え、該環状通路からコンプレッサインペラに向かうように傾斜して前記入口通路に開口する複数の供給口を備えたことは好ましい。

本発明の過給機付エンジンのＥＧＲ装置によれば、コンプレッサインペラの入口に、周方向に複数備えたベーン体の角度を角度調整機構により一斉に同方向に変更させて吸気管の流路断面積を変更可能にしたインレットガイドベーンを設け、該可変インレットガイドベーンと前記コンプレッサインペラとの間に、一端がタービン下流の排気ガス出口通路に接続されたＥＧＲガス通路の他端を接続したので、インレットガイドベーンにより整流され且つ流量が調整された空気をコンプレッサインペラ入口に導くことができるため、吸気管の長さを短縮してもコンプレッサの圧縮性能を高く維持することができ、よって、従来に比して装置構成の大幅な小型化を達成することができるという優れた効果を奏し得る。

更に、上記によりコンプレッサインペラ入口に安定した負圧が形成されるようになるため、ＥＧＲガス通路の排気ガスが安定して吸引され、ＥＧＲガス流量が安定するという優れた効果を奏し得る。

本発明の実施例である過給機付エンジンのＥＧＲ装置の全体構成図である。図１における過給機の一例を示す部分断面図である。図１における過給機の他の例を示す部分断面図である。角度調整機構の一例を示す平面図である。従来のバタフライ弁の一例を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。

図１は発明の一実施例である過給機付エンジンのＥＧＲ装置の全体構成図であり、１はエンジン、２は過給機である。エンジン１の排気マニホールド１ａの排気ガスは排気通路３を介して過給機２のタービン４の図示しないタービンインペラに供給されて該タービンインペラを回転駆動しており、該タービンインペラと軸５で連結されたコンプレッサ６のコンプレッサインペラ７（図２参照）が回転すると、エアフィルタ８を通して吸気管９に空気が取り入れられ空気が圧縮され、圧縮された空気はインタークーラ１０により冷却された後燃焼用の圧縮空気として吸気マニホールド１ｂから前記エンジン１に供給される。

前記タービン４で仕事をした排気ガスは、排気浄化装置１１で浄化された後排気ガス出口通路１２から排出される。図１中、１３は排気ガス出口通路１２に備えた排気絞り弁である。

図１では、前記排気マニホールド１ａと吸気マニホールド１ｂをＥＧＲガス通路１４で直接接続した高圧ＥＧＲ装置１５を備えている。１６はＥＧＲガス通路１４に備えた高圧ＥＧＲ弁である。

図１において、前記コンプレッサ６の上流の吸気管９には、吸気管９の通路断面積を変更するようにした可変インレットガイドベーン１７を設けている。そして、一端が前記排気浄化装置１１と排気絞り弁１３との間の排気ガス出口通路１２に接続されたＥＧＲガス通路１８の他端を、前記可変インレットガイドベーン１７と前記コンプレッサ６との間に接続し、排気ガスをコンプレッサインペラ７の入口に導くようにした低圧ＥＧＲ装置１９を備えている。前記ＥＧＲガス通路１８の途中には低圧ＥＧＲクーラ２０と低圧ＥＧＲ弁２１が備えられている。

図２は前記過給機２の一例を示した部分断面図であり、図２では、前記可変インレットガイドベーン１７が、コンプレッサ６を構成するコンプレッサハウジング２２におけるコンプレッサインペラ７の入口通路２３に嵌合配置されて固定リング２４により固定されている。

可変インレットガイドベーン１７は、頂点が過給機２の軸線に向かう略三角形の板状のベーン体２５を周方向へ複数個等間隔に配置しており、各ベーン体２５の外側に固定されて放射方向に延びる回動軸２６が前記コンプレッサハウジング２２と固定リング２４によって回転可能に挾持されている。各回動軸２６には、コンプレッサハウジング２２に設けた室２７の位置において、例えば平面形状が扇形を有する歯車２８が設けられており、又、回動軸２６の一側の室２７には、全ての回動軸２６の歯車２８に噛み合う環状歯車２９が配置されており、更に環状歯車２９は、板バネ等の付勢手段３０により付勢されて、全ての歯車２８と常に噛み合うようになっている。図中３１はシールプレートである。

前記回動軸２６のうちの一本の外側端には、コンプレッサハウジング２２の外側から駆動軸３２の一端が嵌合部３３を介して連結されている。嵌合部３３は、回動軸２６に形成した板状部３３ａに、駆動軸３２に形成した凹状部３３ｂが嵌合することにより、抜き差し可能、回転不能に連結されるようになっている。

前記駆動軸３２の他端におけるコンプレッサハウジング２２の外側位置には、直角方向に曲げられたレバー３４が一体に設けてあり、更に、コンプレッサハウジング２２の外側には、図４に示すように、レバー３４を押し引きして前記駆動軸３２を回転させるシリンダ等の駆動装置３５を設けて角度調整機構３６を構成している。

前記駆動装置３５により駆動軸３２を回転させて１本の回動軸２６が回転すると、各回動軸２６の歯車２８と噛合している環状歯車２９によって各回動軸２６は同時に同方向に回転され、図２中実線断面で示すようにベーン体２５が過給機２の軸線と直交する方向に向いて入口通路２３を閉じる方向に断面積を減少させる状態と、二点鎖線で示すようにベーン体２５が過給機２の軸線と平行な方向に向いて入口通路２３を全開する方向に断面積を増加させる状態との間でベーン体２５を回動させて、入口通路２３の断面積を任意に変更できるようにしている。

前記したように、コンプレッサインペラ７の入口に備えた可変インレットガイドベーン１７では、コンプレッサインペラ７に向かう空気の流れを整流しつつ入口通路２３の断面積を調整することができるので、コンプレッサ６による圧縮性能を高く維持することができると共に、サージングの発生を抑制することができ、過給機２の安定運転領域を拡大することができる。

図２においては、前記可変インレットガイドベーン１７とコンプレッサインペラ７との間におけるコンプレッサハウジング２２に、前記ＥＧＲガス通路１８の他端に連通するようにした供給導孔３７を設けている。

図１中、３８は制御器であり、該制御器３８にはエンジン回転数３９が入力されており、制御器３８はエンジン回転数３９が規定の回転数以下に低下すると、その回転数に基づいて前記角度調整機構３６に制御信号４０を出力して可変インレットガイドベーン１７のベーン体２５の角度を調整するようになっている。

次に、上記実施例の作動を説明する。

エンジン１が高回転領域で運転している時は、過給機２も高回転で運転することができるため、コンプレッサインペラ７入口の吸気管９の負圧は大きく保持することができるので、ＥＧＲガス通路１８の排気ガスを吸引して所要のＥＧＲガス流量とすることができ、このときの可変インレットガイドベーン１７のベーン体２５の開度は大きく保持される。このとき、ベーン体２５によって空気の流れが整流されているので、コンプレッサ６による空気の圧縮性能は高く維持される。

一方、エンジン１が低回転領域で運転されるようになると、過給機２の回転も低回転となるため、コンプレッサインペラ７入口の吸気管９の負圧が小さくなってしまう。しかし、前記制御器３８は、エンジン回転数３９が規定の回転数以下に低下すると、その回転数に基づいて前記角度調整機構３６に制御信号４０を出力して可変インレットガイドベーン１７の開度を絞るようにベーン体２５の角度を調整するので、コンプレッサインペラ７入口の負圧が増加する。従って、コンプレッサインペラ７入口の大きな負圧により、ＥＧＲガス通路１８の排ガスは供給導孔３７を介して吸引されるようになる。従って、エンジン１の低回転領域においても、排気ガス出口通路１２の排気ガスはＥＧＲガス通路１８を介して大きなＥＧＲガス流量で吸気管９に還流されるようになる。これにより、エンジン１の低回転領域においても、低圧ＥＧＲ装置１９を作用させて安定した燃焼を行うことができる。又、ベーン体２５によって空気の流れが整流されているので、コンプレッサ６による空気の圧縮性能は高く維持されると共に、低回転時である小流量時に生じ易いサージングの発生も抑制することができて過給機２の安定運転領域を拡大することができる。

更に、前記したように可変インレットガイドベーン１７の開度を絞るようにベーン体２５の角度を調整しても、ベーン体２５によって整流された空気がコンプレッサインペラ７に導入されるようになるので、前記可変インレットガイドベーン１７はコンプレッサインペラ７入口の直近に設けることができ、よって吸気管９の長さを短縮させて装置構成を大幅に小型化することができる。

図３は、図２に示した過給機の他の例を示す部分断面図であり、主要な構成は図２と同様であるが、図２と異なる点は、コンプレッサハウジング２２における前記可変インレットガイドベーン１７とコンプレッサインペラ７との間に、前記ＥＧＲガス通路１８の他端に連通する環状通路４１を備え、該環状通路４１の周方向等間隔位置、又は不等間隔位置に、入口通路２３に向かい且つコンプレッサインペラ７に向かうように傾斜して入口通路２３に連通する複数の供給口４２を備えた点である。尚、図３では、環状通路４１をコンプレッサハウジング２２の内部に形成した場合について例示したが、環状通路４１をコンプレッサハウジング２２の外周部に形成するようにしてもよい。

図３に示す構成によれば、コンプレッサインペラ７入口の負圧によってＥＧＲガス通路１８から吸引される排気ガスは、環状通路４１を介して周方向等間隔位置、又は不等間隔位置に傾斜して設けられた複数の供給口４２から入口通路２３に吸引される。従って、傾斜した複数の供給口４２から吸引される還流排気ガスの向きは可変インレットガイドベーン１７から整流されて吸引される空気の流れに沿うように導かれるため、整流された空気がコンプレッサインペラ７に供給されることによって、コンプレッサインペラ７の圧縮性能が向上されると共に、小流量時のサージングの発生も抑制することができる。

尚、本発明の過給機付エンジンのＥＧＲ装置は、上述の実施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エンジン
２過給機
４タービン
５軸
６コンプレッサ
７コンプレッサインペラ
９吸気管
１２排気ガス出口通路
１７可変インレットガイドベーン
１８ＥＧＲガス通路
１９低圧ＥＧＲ装置（ＥＧＲ装置）
２２コンプレッサハウジング
２５ベーン体
３６角度調整機構
３７供給導孔
３８制御器
３９エンジン回転数
４１環状通路
４２供給口

Claims

エンジンの排気ガスにより回転するタービンと、該タービンと同軸に回転し吸気管から取り入れた空気を圧縮して前記エンジンに供給するコンプレッサとからなる過給機を備え、排気ガス出口通路の排気ガスをコンプレッサのコンプレッサインペラ入口に導くようにしている過給機付エンジンのＥＧＲ装置であって、前記コンプレッサインペラの入口通路に、周方向に複数備えたベーン体の角度を角度調整機構により一斉に同方向に変更させて吸気管の流路断面積を変更可能にした可変インレットガイドベーンが、固定リングによりコンプレッサハウジングとの間で回転可能に挾持され、前記可変インレットガイドベーンと前記コンプレッサインペラとの間の入口通路に、一端がタービン下流の排気ガス出口通路に接続されたＥＧＲガス通路の他端を接続したことを特徴とする過給機付エンジンのＥＧＲ装置。
前記エンジンの回転数に応じて前記角度調整機構を介し可変インレットガイドベーンの開度を制御する制御器を備えたことを特徴とする請求項１に記載の過給機付エンジンのＥＧＲ装置。
前記コンプレッサを構成するコンプレッサハウジングの内部に前記可変インレットガイドベーンが備えられ、コンプレッサハウジングにおける前記可変インレットガイドベーンとコンプレッサインペラとの間の入口通路に、前記ＥＧＲガス通路の他端に連通する供給導孔を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の過給機付エンジンのＥＧＲ装置。
前記コンプレッサを構成するコンプレッサハウジングの内部に前記可変インレットガイドベーンが備えられ、コンプレッサハウジングにおける前記可変インレットガイドベーンとコンプレッサインペラとの間に、前記ＥＧＲガス通路の他端に連通する環状通路を備え、該環状通路からコンプレッサインペラに向かうように傾斜して前記入口通路に開口する複数の供給口を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の過給機付エンジンのＥＧＲ装置。