JP6675781B2 - Supercharged engine - Google Patents
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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に関するものである。 The present invention relates to a supercharged engine including an EGR device that extracts a part of exhaust gas from an exhaust system upstream of a turbine and recirculates the exhaust gas to an intake system downstream of a compressor.
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。 Conventionally, there has been known a turbocharged engine with a turbocharger in which a compressor is driven by a turbine driven by exhaust gas to take in intake air in an amount equal to or more than a regular amount so that the output can be significantly improved. In the supercharged engine, a part of the exhaust gas is extracted from the exhaust system on the upstream side of the turbine and recirculated to the intake system on the downstream side of the compressor, and each of the exhaust gases is returned to the intake system. Some include an EGR (Exhaust Gas Recirculation) device that suppresses the combustion of fuel in a cylinder and lowers the combustion temperature to reduce the generation of NOx.
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。 However, in the case of the above-described supercharged engine, there is a region where the supercharging pressure by the turbocharger becomes higher than the exhaust pressure in a low-speed high-load region where the supercharging efficiency is high. If no countermeasures are taken, the exhaust gas cannot be recirculated from the exhaust side to the intake side.
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。 For this reason, in a supercharged engine that needs to carry out a large amount of exhaust gas recirculation in a large transport vehicle or the like, a variable-capacity type turbocharger (Variable Geo) that can arbitrarily change the nozzle opening on the turbine side is used. (Commonly referred to as a metrology turbocharger), and if necessary, narrow the nozzle opening on the turbine side to increase the exhaust gas passage resistance, thereby increasing the exhaust manifold pressure and increasing the intake manifold pressure. A pressure difference with the exhaust side is ensured.
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。 That is, the variable-capacity turbocharger has a low-speed operation region in which it is difficult to take in air because the driving force of the turbine is weak, and a high-speed operation region in which there is a risk that excessive air may be taken in due to excessive rotation of the turbine. The capacity is appropriately changed so that the supercharging characteristic that emphasizes low speed and the supercharging characteristic that emphasizes high speed can be used properly, but this is used as a measure for exhaust gas recirculation in the low speed and high load region. ing.
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。 Here, considering only the realization of exhaust gas recirculation in the low-speed and high-load region, it would suffice to employ a turbocharger with a smaller capacity than before, but such simple measures were taken. Even so, it is clear that the pumping loss in the high-speed and high-load region increases, leading to a significant deterioration in fuel efficiency, and it should be noted that this is not a practical measure at all.
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。
As prior art document information related to this type of variable capacity turbocharger, there is the following
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。 However, when a variable-capacity turbocharger, which has a complicated mechanism with many movable parts, is employed, there is a problem that it is inevitable that the cost will increase significantly. It is difficult to maintain high operation reliability under the use environment, and there is a problem that repair and maintenance require high technology and dedicated parts, making it difficult to perform repair and maintenance easily. There is a need for measures that do not employ a variable turbocharger.
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。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and realizes exhaust gas recirculation in a low-speed and high-load region without employing a variable-capacity turbocharger and increases pumping loss in a high-speed and high-load region. The purpose is to prevent.
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区画壁により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、前記区画壁の入側端にフラップ型の排気切替弁の基端部を傾動自在に枢支して、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。 The present invention is equipped with a turbocharger for supercharging by driving a compressor by a turbine driven by exhaust gas, extracting a part of the exhaust gas from an exhaust system on the upstream side of the turbine, and extracting a part of the exhaust gas on a downstream side of the compressor. A supercharged engine provided with an EGR device that recirculates to an intake system, wherein a turbine scroll is divided into a small scroll and a large scroll, and exhaust gas from each cylinder is collected and communicated with an exhaust manifold leading to the turbine. wherein the first path through the pipe section to the small scroll by partition walls is divided into a second path through the large scroll, a base end portion of the flap-type exhaust switching valve tiltably on entry end of the partition wall pivotally supported, opened closure itself to a second exhaust manifold communicating with the first exhaust manifold and said second path through said exhaust manifold to said first path The second path is configured to be closed by the exhaust switching valve split and its opening during, is characterized in that the withdrawal position of the exhaust gas in the EGR device and with the first path.
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、過給圧が排気圧より低い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。 Furthermore, when operating the supercharged engine of the present invention, while closed and the second path opened and the first exhaust manifold and a second exhaust manifold by the exhaust switching valve during operation at low speed and high load region, the supercharging In a normal operation in which the pressure is lower than the exhaust pressure, the first exhaust manifold and the second exhaust manifold may be closed by the exhaust switching valve and the second path may be opened.
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。 With this configuration, during operation in the low-speed and high-load region, all exhaust gases of both the first exhaust manifold and the second exhaust manifold are introduced into the small scroll of the turbine through the first path, and the capacity of the turbine is reduced from the original capacity. The turbocharger is operated in a state in which the exhaust gas pressure is also reduced, so that the supercharging pressure can be suppressed to be lower than the exhaust pressure, and the recirculation of the exhaust gas by the EGR device can be realized without any trouble.
一方、過給圧が排気圧より低い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。 On the other hand, during normal operation in which the supercharging pressure is lower than the exhaust pressure , the exhaust gas of the first exhaust manifold and the second exhaust manifold is respectively discharged by the exhaust switching valve through the first path and the second path to the small scroll and the large scroll of the turbine. The turbocharger is operated in a state where the turbine capacity is returned to the original capacity by introducing each of the turbines, thereby enabling the exhaust gas recirculation by the EGR device to be performed without causing an increase in pumping loss in a high-speed and high-load region. It is possible to do as it is.
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。 Further, in operating the supercharged engine of the present invention, the exhaust switching valve may open the first exhaust manifold and the second exhaust manifold and close the second path even during acceleration, as described above. Then, the turbocharger is operated in a state where the capacity of the turbine is smaller than the original capacity at the time of acceleration, as described above, whereby it is possible to greatly improve the responsiveness at the time of acceleration.
上記した本発明の過給エンジンによれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。 According to the supercharged engine of the present invention described above, various excellent effects as described below can be obtained.
(I)本発明の請求項1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。 (I) According to the first aspect of the present invention, recirculation of exhaust gas in a low-speed high-load region is realized without employing a variable-capacity turbocharger, and pumping in a high-speed high-load region. Since the increase in loss can be prevented, various problems in the case of adopting a variable capacity turbocharger can be avoided beforehand, and the exhaust gas can be recirculated well in all operating regions to reduce NOx. Can be significantly improved, and deterioration of fuel efficiency in a high-speed high-load region can be prevented.
(II)本発明の請求項1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。
(II) wherein according to the invention described in
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
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。
FIG. 1 shows an example of an embodiment of the present invention. A
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。
Further, exhaust gas G discharged from each of the
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。
Here, as shown in FIG. 2 in which a main part of FIG. 1 is enlarged, a connecting pipe of an
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。
In addition, the
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。
To be more specific, the exhaust manifold in
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。
Here, FIGS. 1 and 2 shows a state in which closed by a first exhaust manifold M 1 and the second exhaust manifold M exhaust switching valve 7 a divided portion of the 2, 3 and 4 the first exhaust manifold shows a state in which and the closed second path P 2 opened by M 1 and the second exhaust manifold M divided portion of the
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。
An EGR
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、過給圧が排気圧より低い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。
And Thus, a such when operating the
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。
Thus, introducing a small scroll T 1 of the first exhaust manifold M 1 and the second exhaust manifold M all both exhaust gas G 2 first path P 1 through
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。
That is, as shown in FIG. 5, the relationship between the capacity (A / R) of the
一方、過給圧が排気圧より低い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。
On the other hand, at the time of lower normal operation than the supercharging pressure exhaust pressure of the exhaust
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。
That is, as shown in FIG. 6, the relationship between the capacity (A / R) of the
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。
Furthermore, when operating a such
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。
That is, as a general characteristic of the
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。
Therefore, according to the above embodiment, it is possible to realize the recirculation of the exhaust gas G in a low-speed and high-load region without using the variable-
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。
In addition, the
尚、本発明の過給エンジンは、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。 It should be noted that the supercharged engine of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various changes can be made without departing from the gist of the present invention.
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
1
Claims (1)
A turbocharger for supercharging by driving a compressor by a turbine driven by exhaust gas is mounted, a part of the exhaust gas is extracted from an exhaust system on the upstream side of the turbine, and is re-input to an intake system on the downstream side of the compressor. a supercharged engine equipped with a circulating EGR device divides the scroll of the turbine in the small scroll and a large scroll, defining the tube portion of the exhaust manifold leading to the turbine to collect exhaust gases from the cylinders wherein the first path by the wall leading to the small scroll is divided into a second path through the large scroll, a base end portion of the flap-type exhaust switching valve pivotally supported tiltably on entry end of the partition wall , opening closed freely divided the exhaust manifold and a second exhaust manifold communicating with the second path and the first exhaust manifold communicating with the first path One supercharged engine that the by the exhaust switching valve configured as the second path is closed during opening, characterized in that the withdrawal position of the exhaust gas in the EGR device and with the first path.
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