JP5684041B2 - 過給機付き内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、吸入空気用の第１過給機及びＥＧＲガス用の第２過給機を備えた過給機付き内燃機関に関する。

ディーゼルエンジンにおいては、排気ラインに介挿されるタービン及び前記タービンによって駆動される状態で吸気ラインに介挿されるコンプレッサを含む過給機を備え、排気エネルギーを過給に利用することが広く利用されている。

又、ディーゼルエンジンにおいては、排気ラインの排気ガスの少なくとも一部を吸気ラインへ戻すことにより、燃焼温度を下げてＮＯｘの低減を図ると共に、着火までの時間を遅延させて燃料及び空気の混合時間を稼ぐＥＧＲ（排気ガス再循環）も広く利用されている。

例えば、下記特許文献１には、吸入空気用の可変容量型過給機（過給用ＶＧＴ）に加えてＥＧＲガス用の可変容量型過給機（ＥＧＲ用ＶＧＴ）を備えたディーゼルエンジンが開示されている。

前記特許文献１に記載の構成は、前記過給用ＶＧＴ及び前記ＥＧＲ用ＶＧＴによって過給圧及びＥＧＲ圧を個別に制御できる点において有用であるが、以下に示す不都合があった。

即ち、前記特許文献１に記載の構成においては、排気ラインに介挿された前記過給機用ＶＧＴのタービン及びＥＧＲラインに介挿された前記ＥＧＲ用ＶＧＴのコンプレッサが並列状態で排気マニホールドに接続されている。

斯かる構成においては、ＥＧＲガス量を増やすと前記過給機用ＶＧＴのタービンを通過する排気ガス量が減ることになり、前記過給機用ＶＧＴによって回収可能な排気エネルギーが減少することになる。

又、前記特許文献１においては、前記ＥＧＲ用ＶＧＴのコンプレッサが介挿されたＥＧＲラインは、上流側端部が排気マニホールドに接続され且つ下流側端部が吸気マニホールドに接続されている。

斯かる構成においては、前記ＥＧＲ用ＶＧＴのコンプレッサは排気マニホールドからの高圧の排気ガスを吸気圧以上にさらに加圧する必要があり、十分なＥＧＲガス量を確保することが難しいという問題もあった。

特に、前記ＥＧＲラインに排気ガス浄化装置（ディーゼルパーティキュレートフィルター）等の排気ガス後処理装置や熱交換機が介挿されている場合には、前記ＥＧＲラインの下流側端部での圧力が低下して、吸気マニホールドへ十分な量のＥＧＲガスを供給できないことになる。

特許第４０４９３６６号公報

本発明は、斯かる従来技術に鑑みなされたものであり、吸入空気用の第１過給機及びＥＧＲガス用の第２過給機を備えた過給機付き内燃機関であって、十分なＥＧＲガス量の供給を可能としつつ、ＥＧＲガス量の増減に拘わらず前記第１過給機による排気エネルギーの有効回収を図ることができ、さらに、ＥＧＲガス量の増減を応答性良く行える過給機付き内燃機関の提供を目的とする。

本発明は、前記目的を達成する為に、内燃機関本体と、前記内燃機関本体の燃焼室に吸入空気を導く吸気ライン及び前記燃焼室から排出される排気ガスの通路となる排気ラインと、前記排気ラインに介挿された第１タービン及び前記第１タービンによって駆動される状態で前記吸気ラインに介挿された第１コンプレッサを有する第１過給機と、前記第１タービンより排気ガス流れ方向下流側において前記排気ラインに介挿された第２タービン及び前第２タービンによって駆動される第２コンプレッサを有する第２過給機と、一端部が排気ガス流れ方向に関し前記第１タービン及び前記第２タービンの間の中間部において前記排気ラインに接続され且つ他端部が前記第１コンプレッサより吸入空気流れ方向上流側において前記吸気ラインに接続され、前記第２コンプレッサが介挿されたＥＧＲラインと、一端部が前記排気ラインの前記中間部に接続され且つ他端部が前記第２タービンより排気ガス流れ方向下流側において前記排気ラインに接続されたバイパスラインと、前記バイパスラインに介挿された第１制御弁と、前記第２コンプレッサよりＥＧＲガス流れ方向下流側において前記ＥＧＲラインに介挿された第２制御弁と、一端部がＥＧＲガス流れ方向に関し前記第２コンプレッサ及び前記第２制御弁の間において前記ＥＧＲラインに接続され且つ他端部が前記第２タービンより排気ガス流れ方向下流側において前記排気ラインに接続されたＥＧＲ放出ラインと、前記ＥＧＲ放出ラインに介挿された第３制御弁とを備えた過給機付き内燃機関を提供する。

好ましくは、前記過給機付き内燃機関は、さらに、前記ＥＧＲラインのうち前記第２コンプレッサよりＥＧＲガス流れ方向上流側に介挿された排気ガス後処理装置を備え得る。

より好ましくは、前記過給機付き内燃機関は、さらに、前記ＥＧＲラインのうち前記排気ガス後処理装置よりＥＧＲガス流れ方向上流側に介挿された第４制御弁を備え得る。

本発明に係る過給機付き内燃機関によれば、内燃機関本体の燃焼室から排出される排気ガスが吸入空気用第１過給機の第１タービンへ供給され、前記第１タービンを通過した排気ガスの少なくとも一部がＥＧＲラインを介して吸気ラインへ戻されるので、ＥＧＲガス量の増減に拘わらず、前記内燃機関本体から排出される排気ガスの全量が前記第１タービンを通過する。従って、ＥＧＲガス量の増減に拘わらず、前記第１過給機による排気エネルギーの可及的に有効な回収を図ることができる。

さらに、本発明に係る前記内燃機関によれば、前記内燃機関本体の燃焼室から排出された排気ガスを直接的にＥＧＲガス用の第２過給機の第２コンプレッサによって加圧させて吸気マニホールドへ戻すのではなく、前記燃焼室から排出され且つ前記第１過給機の第１タービンを駆動させた後の排気ガスの少なくとも一部を前記第２過給機の第２コンプレッサによって加圧させ、吸気ラインのうち前記第１過給機の第１コンプレッサより吸入空気流れ方向上流側へ供給するように構成されているので、前記第２過給機の大型化及び高性能化を要すること無く、必要に応じて十分な量のＥＧＲガス量を前記吸気ラインに供給することができる。

さらに、本発明に係る前記内燃機関によれば、前記第１制御弁を制御することによって前記第２過給機の第２タービンの回転数を変更し、前記第２制御弁を制御することによって前記ＥＧＲラインの開口幅を変更し、且つ、前記第３制御弁を制御することによって前記ＥＧＲライン圧力を変更できるので、前記ＥＧＲラインを介して前記吸気ラインへ供給されるＥＧＲガス量を応答性良く増減させることができる。

前記ＥＧＲラインのうち前記第２コンプレッサよりＥＧＲガス流れ方向上流側に排気ガス後処理装置を備えれば、ＥＧＲガスを前記第２コンプレッサによって加圧される前の比較的に低圧な状態で浄化できるので、ＥＧＲガスの浄化による前記内燃機関本体及び前記第２コンプレッサの耐久性向上を図りつつ、前記排気ガス後処理装置自身の耐久性も向上させることができる。

前記ＥＧＲラインのうち前記排気ガス後処理装置よりＥＧＲガス流れ方向上流側に第４制御弁をさらに備えれば、ＥＧＲガスの前記吸気ラインへの環流を行う必要が無い場合に、排気ガスが前記排気ガス後処理装置に侵入することを防止して、前記排気ガス後処理装置のさらなる耐久性を向上させることができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る過給機付き内燃機関のブロック図である。 図２は、図１に示す前記内燃機関における制御フローチャートの一例である。

以下、本発明に係る過給機付き内燃機関の一実施形態について添付図面を参照しつつ説明する。
図１に、本実施形態に係る過給機付き内燃機関１の概略模式図を示す。

図１に示すように、前記内燃機関１は、内燃機関本体１０と、前記内燃機関本体１０の燃焼室に吸入空気を導く吸気ライン２０と、前記燃焼室から排出される排気ガスの通路となる排気ライン３０と、吸入空気用の第１過給機４０と、ＥＧＲガス用の第２過給機５０と、前記排気ライン３０中の排気ガスの少なくとも一部をＥＧＲガスとして前記吸気ライン２０へ戻す為のＥＧＲライン６０とを備えている。

前記内燃機関本体１０は、圧縮空気に燃料を供給して燃焼させ、この燃焼による膨張エネルギーから回転動力を得るように構成されている。
前記内燃機関本体１０は、シリンダ及びピストンを含むシリンダブロックと、前記シリンダの開口を塞ぐように前記シリンダブロックに連結されるシリンダヘッドとを備えており、前記シリンダ、前記ピストン及び前記シリンダヘッドによって前記燃焼室が画されている。

前記シリンダヘッドには、前記燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁が設けられる。
前記燃料噴射弁は前記燃焼室の数と同数だけ設けられ、それぞれの燃焼噴射弁から対応する燃料室へ燃料が供給されるようになっている。
前記燃料噴射弁による燃料の噴射量を制御することによって、前記内燃機関本体の出力回転数及びトルクが変更される。

前記吸気ライン２０は、吸気マニホールド２１及び吸気管２２を含む。
前記吸気マニホールド２１は、吸入空気を複数の燃焼室に均等に配分するための部材であり、前記シリンダヘッドに固定される。
即ち、前記吸気マニホールド２１は、一端部が前記吸気管２２に接続され且つ他端部が前記燃焼室と同数に分岐されて、複数の燃焼室にそれぞれ接続される。

前記吸気管２２は、吸入空気流れ方向最も上流側に配置され、下流側端部が前記吸気マニホールド２１の一端部に接続される。
好ましくは、前記吸気管２２にはエアクリーナが介挿される。

前記排気ライン３０は、排気マニホールド３１及び排気管３２を含む。
前記排気マニホールド３１は、前記燃焼室から排出される排気ガスを集合させる部材であり、前記シリンダヘッドに固定される。
即ち、前記排気マニホールド３１は、一端部が前記燃焼室と同数に分岐されて、複数の燃焼室にそれぞれ接続され且つ他端部が前記排気管３２に接続される。

前記排気管３２は、排気ガス流れ方向最も下流側に配置され、上流側端部が前記排気マニホールド３１の他端部に接続される。

前記第１過給機４０は、前記内燃機関本体１０の前記燃焼室から排出される排気ガスを全量を受け入れるように前記排気ライン３０に介挿された第１タービン４１と、前記第１タービン４１によって駆動される状態で前記吸気ライン２０に介挿された第１コンプレッサ４２とを有している。

なお、本実施の形態においては、図１に示すように、前記吸気ライン２０には、前記第１コンプレッサ４２より吸入空気流れ方向下流側にインタークーラー２５が介挿されている。

前記第２過給機５０は、前記第１タービン４１より排気ガス流れ方向下流側において前記排気ライン３０に介挿された第２タービン５１と、前記第２タービン５１によって駆動される状態で前記ＥＧＲライン６０に介挿された第２コンプレッサ５２とを備えている。

前記ＥＧＲライン６０は、一端部が排気ガス流れ方向に関し前記第１タービン４１及び前記第２タービン５１の間の中間部３０ａにおいて前記排気ライン３０に接続され且つ他端部が前記第１コンプレッサ４２より吸入空気流れ方向上流側において前記吸気ライン２０に接続されている。

このように、本実施の形態においては、前記内燃機関本体１０から排出される排気ガスの全量が、まず、前記第１過給機４０の前記第１タービン４１に流入され、前記第１タービン４１を通過した排気ガスの少なくとも一部が前記ＥＧＲライン６０を介して前記吸気ライン２０へ戻されるようになっている。

斯かる構成によれば、ＥＧＲガス量の増減に拘わらず、前記内燃機関本体１０から排出された排気ガスの全量が前記第１タービン４１に供給されることになる。従って、ＥＧＲガス量の増減に拘わらず、前記第１過給機４０によって可及的に大きな排気エネルギーを回収することができる。

さらに、本実施の形態においては、前記内燃機関本体１０から排出され且つ前記第１タービン４１を駆動した後の比較的低圧となった排気ガスを前記ＥＧＲライン６０を介して前記吸気ライン２０のうち前記第１コンプレッサ４２より吸入空気流れ方向上流側の低圧領域２０ａに戻している。

斯かる構成によれば、前記ＥＧＲライン６０中のＥＧＲガスを加圧する前記第２過給機５０の大型化及び高性能化を要することなく、必要に応じた十分な量のＥＧＲガスを前記吸気ライン２０へ戻すことができる。

さらに、前記ＥＧＲガスを前記内燃機関本体１０の吸気圧以上に加圧する必要がないため、前記ＥＧＲライン６０に排気ガス浄化装置（ディーゼルパーティキュレートフィルター）、酸化触媒、スクラバー等の排気ガス後処理装置や熱交換機を介挿させても、必要に応じたＥＧＲガス量を容易に確保することができる。

なお、本実施の形態に係る前記内燃機関１においては、図１に示すように、前記ＥＧＲライン６０のうち前記第２コンプレッサ５２よりＥＧＲガス流れ方向上流側に排気ガス後処理装置６５が介挿されている。

斯かる構成によれば、前記排気ガス後処理装置６５が、前記第２コンプレッサ５２によって加圧される前の比較的に低圧な状態のＥＧＲガスを浄化処理することになり、前記排気ガス後処理装置６５の耐久性を向上させることができる。

又、本実施の形態に係る前記内燃機関１は、図１に示すように、前記ＥＧＲライン６０のうち前記第２コンプレッサ５２よりＥＧＲガス流れ方向上流側及び下流側にそれぞれ介挿された第１及び第２ＥＧＲクーラー６６、６７を有している。

本実施の形態に係る前記内燃機関１は、図１に示すように、さらに、一端部が前記排気ライン３０の前記中間部３０ａに接続され且つ他端部が前記第２タービン５１より排気ガス流れ方向下流側において前記排気ライン３０に接続されたバイパスライン７０と、前記バイパスライン７０に介挿された第１制御弁８１と、前記第２コンプレッサ５２よりＥＧＲガス流れ方向下流側において前記ＥＧＲライン６０に介挿された第２制御弁８２と、一端部がＥＧＲガス流れ方向に関し前記第２コンプレッサ５２及び前記第２制御弁８２の間において前記ＥＧＲライン６０に接続され且つ他端部が前記第２タービン５１より排気ガス流れ方向下流側において前記排気ライン３０に接続されたＥＧＲ放出ライン７５と、前記ＥＧＲ放出ライン７５に介挿された第３制御弁８３とを備えている。

本実施の形態に係る前記内燃機関１は、斯かる構成を備えることにより、ＥＧＲガス量の増減を応答性良く行うことができる。
なお、本実施の形態においては、図１に示すように、前記バイパスライン７０の一端部は、前記排気ライン３０の前記中間部３０ａと前記ＥＧＲライン６０との接続点より排気ガス流れ方向下流側において前記中間部３０ａに接続されているが、当然ながら、前記接続点より排気ガス流れ方向上流側において接続することも可能である。

即ち、前記バイパスライン７０に介挿された前記第１制御弁８１を制御することによって前記排気ライン３０の前記中間部３０ａ（排気ガス流れ方向に関し前記第１及び第２タービン４１、５１の間に位置する部分）の圧力を調整することができ、これにより、前記第２タービン５１の回転数を変更して、ＥＧＲガスの加圧の程度を変更することができる。

又、前記第２制御弁８２を制御することによって前記ＥＧＲライン６０の開口幅を調整し、且つ、前記第３制御弁８３を制御することによって前記ＥＧＲライン６０の圧力を調整することができる。

具体的には、ＥＧＲガス量を増やす場合には、前記第１及び第３制御弁８１、８３を絞ることによって前記ＥＧＲライン６０の圧力を上昇させ、且つ、前記第２制御弁８２を開くことによって前記ＥＧＲライン６０の開口幅を広げる。

逆に、ＥＧＲガス量を減らす場合には、前記第１及び第３制御弁８１、８３を開くことによって前記ＥＧＲライン６０の圧力を下降させ、且つ、前記第２制御弁８２を絞ることによって前記ＥＧＲライン６０の開口幅を狭める。

好ましくは、本実施の形態に係る前記内燃機関１は、前記内燃機関本体１０の作動状態を検出する作動状態検出センサ９１と、前記ＥＧＲライン６０から前記吸気ライン２０へ戻されるＥＧＲガス量を検出するＥＧＲガス量検出センサ９２と、制御装置（図示せず）とを備え、前記制御装置が、前記作動状態検出センサ９１及び前記ＥＧＲガス量検出センサ９２からの信号に基づき、前記第１〜第３制御弁８１〜８３の作動制御を行うように構成され得る。

具体的には、前記制御装置は、前記センサ９１、９２から入力される信号に基づいて演算処理を実行する制御演算手段を含む演算部（ＣＰＵ）と、制御プログラムや制御データ等を記憶するＲＯＭ，設定値等を電源を切っても失われない状態で保存し且つ前記設定値等が書き換え可能とされたＥＥＰＲＯＭ及び前記演算部による演算中に生成されるデータを一時的に保持するＲＡＭ等を含む記憶部とを備えている。

前記ＥＧＲガス量検出センサ９２としては、例えば、ＣＯ_２センサを利用することができる。
前記作動状態検出センサ９１は、前記内燃機関本体１０の作動状態を検出し得る限り、種々の形態をとることができる。本実施の形態においては、前記作動状態検出センサ９１として、前記内燃機関本体１０の出力回転数を検出する回転数センサを利用しているが、アクセル開度センサやブースト圧センサ等を利用することもできる。

前記制御装置は、前記記憶部に収納された前記制御データとして、前記作動状態検出センサ９１からの信号に基づいて目標とすべきＥＧＲガス量を算出する為のＥＧＲ制御データを有している。
前記ＥＧＲ制御データは、例えば、制御用換算式又はＬＵＴ（ルックアップテーブル）とされる。

前記制御装置は、前記制御プログラムとして、前記作動状態検出センサ９１、９２からの信号に基づいて前記第１〜第３制御弁８１〜８３の作動制御を行うＥＧＲ制御プログラムを有している。

図２に、前記ＥＧＲ制御プログラムの一例のフローチャートを示す。
前記ＥＧＲ制御プログラムは、例えば、前記内燃機関本体１０の駆動開始に応じて起動される。

前記制御装置は、ステップ１０において前記作動状態検出センサ９１からの信号に基づきＥＧＲガス量目標値を算出し、ステップ１１において前記ＥＧＲガス量検出センサ９２からの信号に基づきＥＧＲガス量現在値を取得する。

そして、前記制御装置は、ステップ１２において現在値が目標値を下回っているか否かを判断し、ＹＥＳの場合にはステップ２０へ移行し且つＮＯの場合にはステップ１３へ移行する。

ステップ１２においてＹＥＳの場合、即ち、ＥＧＲガス量現在値がＥＧＲガス量目標値を下回っていると判断した場合には、前記制御装置は、ステップ２０において、前記第１及び第３制御弁８１、８３を絞り且つ前記第２制御弁８２を開いて、前記ＥＧＲライン６０から前記吸気ライン２０へ供給されるＥＧＲガス量を増やす。

ステップ１２においてＮＯの場合には、前記制御装置は、ステップ１３において現在値が目標値を上回っているか否かを判断し、ＹＥＳの場合にはステップ３０へ移行する。

なお、ステップ１３においてＮＯの場合には、現在値が目標値に一致しているとして前記第１〜第３制御弁８１〜８３の状態をそのまま維持する。

ステップ１３においてＹＥＳの場合、即ち、ＥＧＲガス量現在値がＥＧＲガス量目標値を上回っていると判断した場合には、前記制御装置は、ステップ３０において、前記第１及び第３制御弁８１、８３を開き且つ前記第２制御弁８２を絞って、前記ＥＧＲラインか６０ら前記吸気ライン２０へ供給されるＥＧＲガス量を減らす。

なお、前述の通り、本実施の形態に係る前記内燃機関１は、前記ＥＧＲライン６０に介挿された前記排気ガス後処理装置６５を備えている。
斯かる構成においては、好ましくは、図１に示すように、前記ＥＧＲライン６０のうち前記排気ガス後処理装置６５よりＥＧＲガス流れ方向上流側に介挿された第４制御弁８４をさらに備えることができる。

斯かる構成によれば、ＥＧＲガスの前記吸気ライン２０への環流を行う必要が無い場合に、前記第４制御弁８４を閉作動させることによって、排気ガスが前記排気ガス後処理装置６５に侵入することを防止でき、これにより、前記排気ガス後処理装置６５の耐久性を向上させることができる。

１ 内燃機関
１０ 内燃機関本体
２０ 吸気ライン
３０ 排気ライン
３０ａ 排気ラインの中間部
４０ 第１過給機
４１ 第１タービン
４２ 第１コンプレッサ
５０ 第２過給機
５１ 第２タービン
５２ 第２コンプレッサ
６０ ＥＧＲライン
６５ 排気ガス後処理装置
７０ バイパスライン
７５ ＥＧＲ放出ライン
８１ 第１制御弁
８２ 第２制御弁
８３ 第３制御弁
８４ 第４制御弁

Claims (3)

1. 内燃機関本体と、前記内燃機関本体の燃焼室に吸入空気を導く吸気ライン及び前記燃焼室から排出される排気ガスの通路となる排気ラインと、前記排気ラインに介挿された第１タービン及び前記第１タービンによって駆動される状態で前記吸気ラインに介挿された第１コンプレッサを有する第１過給機と、前記第１タービンより排気ガス流れ方向下流側において前記排気ラインに介挿された第２タービン及び前第２タービンによって駆動される第２コンプレッサを有する第２過給機と、一端部が排気ガス流れ方向に関し前記第１タービン及び前記第２タービンの間の中間部において前記排気ラインに接続され且つ他端部が前記第１コンプレッサより吸入空気流れ方向上流側において前記吸気ラインに接続され、前記第２コンプレッサが介挿されたＥＧＲラインと、一端部が前記排気ラインの前記中間部に接続され且つ他端部が前記第２タービンより排気ガス流れ方向下流側において前記排気ラインに接続されたバイパスラインと、前記バイパスラインに介挿された第１制御弁と、前記第２コンプレッサよりＥＧＲガス流れ方向下流側において前記ＥＧＲラインに介挿された第２制御弁と、一端部がＥＧＲガス流れ方向に関し前記第２コンプレッサ及び前記第２制御弁の間において前記ＥＧＲラインに接続され且つ他端部が前記第２タービンより排気ガス流れ方向下流側において前記排気ラインに接続されたＥＧＲ放出ラインと、前記ＥＧＲ放出ラインに介挿された第３制御弁とを備えていることを特徴とする過給機付き内燃機関。
2. 前記ＥＧＲラインのうち前記第２コンプレッサよりＥＧＲガス流れ方向上流側に介挿された排気ガス後処理装置をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の過給機付き内燃機関。
3. 前記ＥＧＲラインのうち前記排気ガス後処理装置よりＥＧＲガス流れ方向上流側に介挿された第４制御弁をさらに備えていることを特徴とする請求項２に記載の過給機付き内燃機関。

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