(57)【要約】【課題】エンジン運転条件に応じて最適なＥＧＲを選択可能とする。【解決手段】エンジン１の吸気通路３には、上流側から、低圧段ターボ過給機５の低圧段コンプレッサ５Ｃと、高圧段ターボ過給機６の高圧段コンプレッサ６Ｃとを備える。排気通路４には、上流側から、高圧段ターボ過給機６の高圧段タービン６Ｔと、低圧段ターボ過給機５の低圧段タービン５Ｔとを備える。ＥＧＲ装置は、排気通路４の高圧段タービン６Ｔ下流で低圧段タービン５Ｔ上流から排気を取出して吸気通路３の低圧段コンプレッサ５Ｃ上流へ再循環する第１ＥＧＲ通路１１と、排気通路４の低圧段タービン５Ｔ下流から排気を取出して吸気通路３の低圧段コンプレッサ５Ｃ上流へ再循環する第２ＥＧＲ通路１２と、これらの開閉弁２１、２２と、を含んで構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気通路に配置されて吸気を過給する低圧段コンプレッサと、排気通路に配置されて排気の圧力エネルギーにより回転し前記低圧段コンプレッサを駆動する低圧段タービンと、を含んで構成される低圧段ターボ過給機と、
吸気通路における前記低圧段コンプレッサの下流側に配置されて吸気を過給する高圧段コンプレッサと、排気通路における前記低圧段タービンの上流側に配置されて排気の圧力エネルギーにより回転し前記高圧段コンプレッサを駆動する高圧段タービンと、を含んで構成される高圧段ターボ過給機と、
排気通路から排気の一部を吸気通路に再循環するＥＧＲ装置と、を備え、
前記ＥＧＲ装置は、排気通路の前記高圧段タービン下流で前記低圧段タービン上流から排気を取出して吸気通路の前記低圧段コンプレッサ上流へ再循環する第１ＥＧＲ通路と、排気通路の前記低圧段タービン下流から排気を取出して吸気通路の前記低圧段コンプレッサ上流へ再循環する第２ＥＧＲ通路と、機関運転条件に応じて前記第１及び第２ＥＧＲ通路を選択するＥＧＲ通路選択手段と、を含んで構成される、内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関し、特に、低圧段ターボ過給機と高圧段ターボ過給機とを備える内燃機関において、排気通路から排気の一部を吸気通路に再循環するＥＧＲ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、いわゆる２ステージターボシステムが開示されている。これは、吸気通路に、上流側から順に、低圧段コンプレッサと高圧段コンプレッサとを配置し、排気通路に、上流側から順に、高圧段タービンと低圧段タービンとを配置する。そして、低圧段タービンと低圧段コンプレッサとを同軸に連結して、低圧段ターボ過給機を構成し、高圧段タービンと高圧段コンプレッサとを同軸に連結して、高圧段ターボ過給機を構成する。このようにして、吸気を低圧段コンプレッサと高圧段コンプレッサとで２段階に過給することにより、低回転域から効率良く過給圧力を高めることができ、機関の出力向上及び燃費低減を図ることができる。
【０００３】
また、特許文献１には、２ステージターボシステムにおいて、排気通路から排気の一部を吸気通路に再循環するＥＧＲ装置として、排気通路の高圧段タービン下流で低圧段タービン上流から排気を取出して吸気通路の低圧段タービン上流に再循環するＥＧＲ通路を設けたものが開示されている。これによれば、過給圧が排気圧力を超える低速高負荷域においても、ＥＧＲ通路の入口側と出口側の差圧を確保して、必要とするＥＧＲ率を確保できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２２４８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の従来技術においては、ＥＧＲ通路の入口側と出口側の差圧を確保して、差圧大での大量ＥＧＲが可能となるが、機関運転領域の全域でＥＧＲを入れる場合、運転条件によっては、不都合があった。例えば高負荷時に、排気温度が高くなると、再循環されるＥＧＲガスの温度が高すぎて、本来のＥＧＲの効果（ＮＯｘ低減のための燃焼温度抑制）が十分に発揮されなくなる恐れがあった。
【０００６】
本発明は、このような実状に鑑み、機関運転条件に応じて最適なＥＧＲを選択可能とすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このため、本発明は、いわゆる２ステージターボシステムを備える内燃機関のＥＧＲ装置として、排気通路の高圧段タービン下流で低圧段タービン上流から排気を取出して吸気通路の低圧段コンプレッサ上流へ再循環する第１ＥＧＲ通路と、排気通路の低圧段タービン下流から排気を取出して吸気通路の低圧段コンプレッサ上流へ再循環する第２ＥＧＲ通路と、機関運転条件に応じて前記第１及び第２ＥＧＲ通路を選択するＥＧＲ通路選択手段と、を設ける構成とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、前記第１ＥＧＲ通路の選択により、比較的高温、高圧の位置から排気を取出すことで、例えば差圧大でのＥＧＲを選択できる。また、前記第２ＥＧＲ通路の選択により、比較的低温、低圧の位置から排気を取出すことで、例えば低温のＥＧＲが可能となる。よって、運転条件に応じて、例えば、差圧大でのＥＧＲと低温のＥＧＲとを選択できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態を示す過給機付き内燃機関のシステム図
【図２】ＥＧＲ通路選択の運転領域を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
図１に示す内燃機関１は、例えばディーゼルエンジンであり、各気筒の燃焼室は、吸気弁及び排気弁（図示せず）を備えると共に、直噴式の燃料噴射弁（図示せず）を備えている。
【００１２】
これにより、各気筒の燃焼室には、エアクリーナ２から取入れた吸入空気が、吸気通路３を通って、吸気弁の開時に吸入される。そして、圧縮行程にて燃料噴射弁より燃料が噴射され、燃焼室内で吸入空気と燃料とが圧縮着火により燃焼する。燃焼後の排気は、排気弁の開弁により、排気通路４へ排出される。
【００１３】
内燃機関１は、また、いわゆる２ステージターボシステムを構成する２つのターボ過給機、すなわち、低圧段ターボ過給機５と、高圧段ターボ過給機６とを備えている。
【００１４】
低圧段ターボ過給機５は、吸気通路３の比較的上流側に配置されて吸気を過給する低圧段コンプレッサ５Ｃと、排気通路４の比較的下流側に配置されて排気の圧力エネルギーにより回転する低圧段タービン５Ｔと、低圧段タービン５Ｔにより低圧段コンプレッサ５Ｃを駆動するように両者を同軸に連結する駆動軸５Ｓと、を含んで構成される。
【００１５】
高圧段ターボ過給機６は、吸気通路３の比較的下流側（前記低圧段コンプレッサ５Ｃより下流側）に配置されて吸気を過給する高圧段コンプレッサ６Ｃと、排気通路４の比較的上流側（前記低圧段タービン５Ｔより上流側）に配置されて排気の圧力エネルギーにより回転する高圧段タービン６Ｔと、高圧段タービン６Ｔにより高圧段コンプレッサ６Ｃを駆動するように両者を同軸に連結する駆動軸６Ｓと、を含んで構成される。
【００１６】
言い換えれば、吸気通路３に、上流側から順に、低圧段コンプレッサ５Ｃと高圧段コンプレッサ６Ｃとを配置し、排気通路４に、上流側から順に、高圧段タービン６Ｔと低圧段タービン５Ｔとを配置している。そして、低圧段タービン５Ｔと低圧段コンプレッサ５Ｃとを同軸に連結して、低圧段ターボ過給機５を構成し、高圧段タービン６Ｔと高圧段コンプレッサ６Ｃとを同軸に連結して、高圧段ターボ過給機６を構成している。
【００１７】
従って、吸気通路３では、エアクリーナ２から取入れた吸入空気が、低圧段コンプレッサ５Ｃにより過給され、更に高圧段コンプレッサ６Ｃにより過給され、インタークーラ（図示せず）で冷却された後、吸気マニホールド（図示せず）を介して、各気筒の燃焼室に流入する。
【００１８】
このようにして、吸気を低圧段コンプレッサ５Ｃと高圧段コンプレッサ６Ｃとで２段階に過給することにより、低回転域から効率良く過給圧力を高めることができ、エンジンの出力向上及び燃費低減を図ることができる。
【００１９】
また、排気通路４では、各気筒の排気が排気マニホールド（図示せず）にて合流し、先ず高圧段タービン６Ｔを通過する際に、排気の圧力エネルギーで、高圧段タービン６Ｔを駆動し、次いで低圧段タービン５Ｔを通過する際に、排気の圧力エネルギーで、低圧段タービン５Ｔを駆動する。その後、排気は、排気浄化触媒及びＤＰＦを含む排気後処理装置７を通って、排出される。
【００２０】
尚、必要により、排気通路４には、高圧段タービン６Ｔ及び低圧段タービン５Ｔをそれぞれバイパスするバイパス通路と、各バイパス通路のバイパス制御のための制御弁とが設けられるが、図示は省略した。また、必要により、吸気通路３には、高圧段コンプレッサ６Ｃをバイパスするバイパス通路と、このバイパス通路のバイパス制御のための制御弁とが設けられるが、図示は省略した。
【００２１】
次に、上記の２ステージターボシステムにおける、ＥＧＲ装置について説明する。
【００２２】
ＥＧＲ装置としては、排気通路４の高圧段タービン６Ｔ下流で低圧段タービン５Ｔ上流から排気を取出して吸気通路３の低圧段コンプレッサ５Ｃ上流へ再循環する第１ＥＧＲ通路１１と、排気通路４の低圧段タービン５Ｔ下流から排気を取出して吸気通路３の低圧段コンプレッサ５Ｃ上流へ再循環する第２ＥＧＲ通路１２と、を設ける。
【００２３】
但し、これらの第１及び第２ＥＧＲ通路１１、１２は、ＥＧＲガスの入口部は異なるが、出口部は同じでよいため、本実施形態では、入口部１１ａからの第１ＥＧＲ通路１１と入口部１２ａからの第２ＥＧＲ通路１２とを途中で合流させて、共通ＥＧＲ通路１３とし、この共通ＥＧＲ通路１３を単一の出口部１３ａに接続している。また、共通ＥＧＲ通路１３にはＥＧＲクーラ１４を配置している。
【００２４】
また、第１及び第２ＥＧＲ通路１１、１２の選択手段として、第１ＥＧＲ通路１１の入口部１１ａに開閉弁２１を設けると共に、第２ＥＧＲ通路１２の入口部１２ａに開閉弁２２を設けている。
【００２５】
従って、第１開閉弁２１を開いて第２開閉弁２２を閉じることにより、第１ＥＧＲ通路１１を選択でき、逆に、第１開閉弁２１を閉じて第２開閉弁２２を開くことにより、第２ＥＧＲ通路１２を選択できる。
【００２６】
尚、必要により、吸気通路３におけるＥＧＲ通路出口部１３ａの上流側に吸気制御弁（吸気絞り弁）２３を設けてもよい。
【００２７】
前記第１及び第２開閉弁２１、２２の開閉制御は、エンジン制御用の電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０により行うようになっている。
【００２８】
ＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータを含んで構成され、アクセル開度センサ３１、エンジン回転数センサ３２などからエンジン運転条件に関連する信号が入力されており、これらの信号に基づいて、検出されるエンジン運転条件に基づいて、燃料噴射弁の燃料噴射量、噴射時期などを制御すると共に、前記開閉弁２１、２２の開閉を制御する。また、必要であれば、吸気制御弁２３の開度を制御する。
【００２９】
次にエンジン運転条件に応じた前記開閉弁２１、２２の制御（ＥＧＲ通路の選択制御）について説明する。
【００３０】
図２はＥＧＲ通路選択の運転領域を示すもので、横軸をエンジン回転数Ｎｅ、縦軸をエンジントルクＴｅとすると、図示Ａの低負荷域（低回転低負荷域）と図示Ｂの高負荷域（高回転高負荷域）と分けて制御する。尚、ＥＣＵ３０において、エンジン回転数Ｎｅはエンジン回転数センサ３２により検出するが、エンジントルクＴｅはエンジン運転条件に基づいて自ら制御している燃料噴射量に基づいて算出する。
【００３１】
図示Ａの低負荷域では、第１開閉弁２１を開いて、第２開閉弁２２を閉じることにより、第１ＥＧＲ通路１１を選択する。
【００３２】
また、図示Ｂの高負荷域では、第１開閉弁２１を閉じて、第２開閉弁２２を開くことにより、第２ＥＧＲ通路１２を選択する。
【００３３】
従って、図示Ａの低負荷域では、第１ＥＧＲ通路１１を選択することにより、排気通路４の高圧段タービン６Ｔ下流で低圧段タービン５Ｔ上流（入口部１１ａ）から排気を取出して、吸気通路３の低圧段コンプレッサ５Ｃ上流（出口部１３ａ）へ再循環する。すなわち、比較的高温、高圧の位置から排気を取出すことで、差圧大でのＥＧＲを選択できる。
【００３４】
また、図示Ｂの高負荷域では、第２ＥＧＲ通路１２を選択することにより、排気通路４の低圧段タービン５Ｔ下流（入口部１２ａ）から排気を取出して、吸気通路３の低圧段コンプレッサ５Ｃ上流（出口部１３ａ）へ再循環する。すなわち、比較的低温、低圧の位置から排気を取出すことで、低温のＥＧＲを選択できる。
【００３５】
更に詳しく説明すると、図示Ａの低負荷域では、低負荷のため、高負荷との比較で、排気温度が低く、排気圧力も低い。従って、図示Ａの低負荷域では、第１ＥＧＲ通路１１を選択し、高圧側の位置から排気を取出すことで、ＥＧＲ通路の入口側と出口側の差圧を大きくして、低負荷にもかかわらず、差圧大での大量ＥＧＲが可能となる。
【００３６】
特に近年は排気ＮＯｘの大幅低減要求に対し、大量ＥＧＲが求められており、この要求を満たすことができる。
【００３７】
また、従来は、大量ＥＧＲのため、ＥＧＲ通路の入口側と出口側の差圧を大きくとるために、吸気通路３のＥＧＲ通路出口部上流の吸気制御弁２３が必須で、これがコスト高の要因となっていたが、吸気制御弁２３の廃止が可能となる。
【００３８】
また、従来は、大量ＥＧＲのため、ＥＧＲ通路の入口側と出口側の差圧を大きくとるために、吸気通路３のＥＧＲ通路出口部上流の吸気制御弁２３を大きく絞って大きな負圧を発生させる必要があり、これにより、低圧段コンプレッサ５Ｃ内に大きな負圧が発生し、ターボ潤滑油の吸気系への洩れ流出が懸念されていた。しかも、２ステージターボの場合、通常制御では、低圧段コンプレッサ５Ｃの回転数が低く、シングルターボの場合よりも、洩れ性能的に極めて不利であった。この点、本実施形態では、吸気制御弁２３を廃止可能、若しくは吸気制御弁２３を設けたとしても大きく絞る必要はないので、負圧の発生を抑制でき、ターボ潤滑油の洩れを防止することができる。
【００３９】
また、図示Ａの低負荷域では、第１ＥＧＲ通路１１を選択することで、高温側の位置から排気を取出すことになるが、低負荷ゆえ、そもそも低温であるので、高温ＥＧＲによる充填効率低下等の恐れはない。
【００４０】
暖機時について考えると、高温側の位置から排気を取出すことで、暖機時の燃焼温度を高めて、早期暖機を促進できる。従って、低温時に早期暖機用として使うこともできる。また、ＥＧＲ配管の氷結対策にもつながる。
【００４１】
一方、図示Ｂの高負荷域では、高負荷のため、低負荷との比較で、排気温度が高く、排気圧力も高い。従って、図示Ｂの高負荷域では、第２ＥＧＲ通路１２を選択し、低温側の位置から排気を取出すことで、高負荷にもかかわらず、低温のＥＧＲが可能となる。
【００４２】
また、図示Ｂの高負荷領域では、第２ＥＧＲ通路１２を選択することで、低圧側の位置から排気を取出すことになるが、高負荷ゆえ、そもそも高圧であるので、ＥＧＲ通路の入口側と出口側の差圧は確保でき、十分な大量ＥＧＲが可能となる。
【００４３】
従って、このようなＥＧＲ通路の選択制御により、エンジン運転領域の全域で、比較的低温の排気を、大量にＥＧＲ可能となり、ＥＧＲによるＮＯｘ低減効果及び燃費低減効果を十分に発揮させることが可能となる。
【００４４】
尚、以上の説明では、ＥＧＲ通路選択手段として、各ＥＧＲ通路１１、１２に開閉弁２１、２２を設けたが、出口側の共通ＥＧＲ通路１３への合流部に、流路切換弁を設けるなどしてもよく、通路の選択形式はどのようなものであってもよい。
【００４５】
また、以上の説明では、ディーゼルエンジンを例にとって説明したが、ガソリンエンジンを含む内燃機関一般に適用可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４６】
１  内燃機関（ディーゼルエンジン）
２  エアクリーナ
３  吸気通路
４  排気通路
５  低圧段ターボ過給機
５Ｃ  低圧段コンプレッサ
５Ｔ  低圧段タービン
５Ｓ  駆動軸
６  高圧段ターボ過給機
６Ｃ  高圧段コンプレッサ
６Ｔ  高圧段タービン
６Ｓ  駆動軸
７  排気後処理装置
１１  第１ＥＧＲ通路
１１ａ  入口部
１２  第２ＥＧＲ通路
１２ａ  入口部
１３  共通ＥＧＲ通路
１３ａ  出口部
１４  ＥＧＲクーラ
２１  第１開閉弁
２２  第２開閉弁
２３  吸気制御弁
３０  ＥＣＵ
３１  アクセル開度センサ
３２  エンジン回転数センサ
【図１】
2010223077.tif 000003
【図２】
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