(57)【要約】【課題】排気から粒子状物質を除去する、改善されたターボチャージャを提供する。【解決手段】本開示の一態様に係るターボチャージャは、エンジンから供給される排気が通る環状排気通路と、前記環状排気通路を通る排気により駆動されるタービンと、前記タービンと接続され、前記エンジンへの吸気を圧縮するコンプレッサと、を備え、前記環状排気通路の曲げ外側を構成する壁面には、前記環状排気通路から前記コンプレッサの上流に排気を還流させる第１のＥＧＲ管に連通する開口部が設けられている、構成を採る。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンから排出される排気が通る環状排気通路と、
前記環状排気通路を通る排気により駆動されるタービンと、
前記タービンと接続され、前記エンジンへの吸気を圧縮するコンプレッサと、
を備え、
前記環状排気通路の曲げ外側を構成する壁面には、前記環状排気通路から前記コンプレッサの上流に排気を還流させる第１のＥＧＲ管に連通する開口部が設けられている、
ターボチャージャ。
【請求項２】
請求項１に記載のターボチャージャと、
前記開口部に連通する第１のＥＧＲ管と、
前記第１のＥＧＲ管を流通する排気の流量を調節する第１のＥＧＲバルブと、
前記第１のＥＧＲバルブを制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記エンジンの回転数および前記エンジンの燃料噴射量に基づいて決定されたタービン回転数またはブースト圧に応じて前記タービンが回転するように、前記第１のＥＧＲバルブを制御する、
吸排気系。
【請求項３】
前記タービンの上流または下流から前記コンプレッサの上流に排気を還流させる第２のＥＧＲ管と、
前記第２のＥＧＲ管を流通する排気の流量を調節する第２のＥＧＲバルブと、
を備える、
請求項２に記載の吸排気系。
【請求項４】
前記制御装置は、前記第１のＥＧＲ管を流通する排気の流量と前記第２のＥＧＲ管を流通する排気の流量との合計を、前記燃料噴射量および前記吸気の量に応じて調整するように、前記第２のＥＧＲバルブを制御する、請求項３に記載の吸排気系。
【請求項５】
前記第２のＥＧＲ管は、前記タービンの下流から前記コンプレッサの上流に排気を還流させる、請求項３または４に記載の吸排気系。
【請求項６】
前記第２のＥＧＲ管に設けられるＥＧＲクーラを備える、
請求項３から５のいずれかに記載の吸排気系。
【請求項７】
前記タービンの上流から前記コンプレッサの上流に排気を還流させる第３のＥＧＲ管と、
前記第３のＥＧＲ管を流通する排気の流量を調節する第３のＥＧＲバルブと、
を備え、
前記制御装置は、前記エンジンの回転数および前記エンジンの燃料噴射量に基づいて決定されたタービン回転数で前記タービンが回転するように、前記第１のＥＧＲバルブおよび前記第３のＥＧＲバルブを制御する、
請求項２に記載の吸排気系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ターボチャージャおよび吸排気系に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境保護に対する人々の意識の高まりに伴い、ディーゼルエンジンの排気中の煤等の粒子状物質（ＰＭ）の濃度等に関する排ガス規制もより厳格なものへと変化している。排気中の粒子状物質の濃度を下げる手法の一つとして、排気中の粒子状物質を捕捉するディーゼル・パティキュレート・フィルタ（Diesel Particulate Filter、以下、ＤＰＦ）等の後処理装置が知られている。
【０００３】
ＤＰＦは、捕捉した粒子状物質が内部に溜まることによってフィルタの目詰まりが発生すると、排気の浄化能力が低下する。そこで、排気の浄化能力を確保するために、例えば、フィルタ内に一定量堆積した粒子状物質を自動的に燃焼することにより、排気の浄化能力を確保することも行われている。
【０００４】
しかしながら、後処理装置に入る前の排気中の粒子状物質の濃度を下げることが、後処理装置の負担を軽減する上で好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２７６０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
後処理装置に入る前の排気中の粒子状物質の濃度を下げるために、ＥＧＲガスのＰＭ濃度を高めることができるディーゼルエンジンの排気処理装置が提案されている（特許文献１）。しかしながら、特許文献１に示される構造では、排気ガスを旋回させるための排気ガス旋回室や、ＰＭを帯電させるための電極を別途設ける必要があるという問題がある。
【０００７】
本開示の目的は、排気から粒子状物質を除去する、改善されたターボチャージャおよび吸排気系を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の一態様に係るターボチャージャは、エンジンから排出される排気が通る環状排気通路と、前記環状排気通路を通る排気により駆動されるタービンと、前記タービンと接続され、前記エンジンへの吸気を圧縮するコンプレッサと、を備え、前記環状排気通路の曲げ外側を構成する壁面には、前記環状排気通路から前記コンプレッサの上流に排気を還流させる第１のＥＧＲ管に連通する開口部が設けられている、構成を採る。
【０００９】
本開示の一態様に係る吸排気系は、エンジンから排出される排気が通る環状排気通路と、前記環状排気通路を通る排気により駆動されるタービンと、前記タービンと接続され、前記エンジンへの吸気を圧縮するコンプレッサと、を備え、前記環状排気通路の曲げ外側を構成する壁面には、前記環状排気通路から前記コンプレッサの上流に排気を還流させる第１のＥＧＲ管に連通する開口部が設けられている、ターボチャージャと、前記開口部に連通する第１のＥＧＲ管と、前記第１のＥＧＲ管を流通する排気の流量を調節する第１のＥＧＲバルブと、前記第１のＥＧＲバルブを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記エンジンの回転数および前記エンジンの燃料噴射量に基づいて決定されたタービン回転数またはブースト圧に応じて前記タービンが回転するように、前記第１のＥＧＲバルブを制御する、構成を採る。
【発明の効果】
【００１０】
本開示によれば、排気から粒子状物質を除去する、改善されたターボチャージャおよび吸排気系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施の形態に係る吸排気系の説明図である。
【図２】第１の実施の形態に係るタービンハウジングの説明図である。
【図３】第２の実施の形態に係る吸排気系の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る吸排気系１Ａの説明図である。
【００１４】
吸排気系１Ａの吸気系は、上流側吸気管１１、ターボチャージャＴのコンプレッサハウジング１２、コンプレッサ１２ａ、下流側吸気管１３、および吸気マニフォールド１４を備える。吸排気系１Ａの排気系は、排気マニフォールド１６、上流側排気管１７、ターボチャージャＴのタービンハウジング１８、タービン１８ａ、下流側排気管１９、および後処理装置２０を備える。吸排気系１Ａの排気系は、さらに、中圧ＥＧＲ管２１（第１のＥＧＲ管）、中圧ＥＧＲバルブ２２（第１のＥＧＲバルブ）、低圧ＥＧＲ管２３（第２のＥＧＲ管）、低圧ＥＧＲバルブ２４（第２のＥＧＲバルブ）、制御装置２５、およびＥＧＲクーラ２６、を備える。一例において、中圧とは、低圧から高圧の間の圧力を指す。他の一例において、中圧とは、低圧を指す。さらに他の一例において、中圧とは、高圧を指す。
【００１５】
まず、上流側吸気管１１に導入された吸気は、コンプレッサハウジング１２が備えるコンプレッサ１２ａによって圧縮される。コンプレッサ１２ａはタービン１８ａと接続されており、タービン１８ａによって駆動される。
【００１６】
圧縮された吸気は、下流側吸気管１３および吸気マニフォールド１４を通って、シリンダブロック／シリンダヘッド１５の各シリンダに供給される。一例において、下流側吸気管１３には、吸気密度を高めることにより、燃焼効率を高めるためのインタークーラ（図示せず）が設けられる。
【００１７】
各シリンダから排出される排気は、排気マニフォールド１６および上流側排気管１７を通って、タービンハウジング１８に供給される。タービンハウジング１８に供給された排気は、タービン１８ａを駆動するとともに、下流側排気管１９および中圧ＥＧＲ管２１に供給される。
【００１８】
下流側排気管１９に供給された排気は、下流側排気管１９に設けられた後処理装置２０で後処理された後、その一部が低圧ＥＧＲ管２３に供給され、残りは大気に排出される。一例において、後処理装置２０は、ＤＰＦ、選択還元型触媒、酸化触媒である。
【００１９】
一方、中圧ＥＧＲ管２１に供給された排気は、エンジンの燃費や環境性能を改善するために、上流側吸気管１１に還流される。上流側吸気管１１内の吸気の圧力は、コンプレッサハウジング１２を通過した下流側吸気管１３内の吸気の圧力と比べて低い。また、排気マニフォールド１６から供給される上流側排気管１７内の排気の圧力は、吸気の圧力と比べて高い。したがって、中圧ＥＧＲ管２１に供給された排気が下流側吸気管１３に還流される構成と比較して、上流側吸気管１１に還流される構成においては、中圧ＥＧＲ管２１の両端の圧力差をより高めることができ、排気の還流をより促進することができる。
【００２０】
次に、タービンハウジング１８における排気の挙動を説明するために、図２を参照する。
【００２１】
図２は、第１の実施の形態に係るタービンハウジング１８の説明図である。タービンハウジング１８内に設けられた環状排気通路２７が、その中心角θに対応する曲管部位Ｒ２の一端において、上流側排気管１７の直管部位Ｒ１と接続される。タービンハウジング１８に供給された排気は、環状排気通路２７を通り、タービン１８ａを駆動する。
【００２２】
環状排気通路２７の曲げ外側を構成する壁面には、中圧ＥＧＲ管２１に連通する開口部Ｂが設けられている。環状排気通路２７は、その曲管部位Ｒ２の他端において、開口部Ｂから中圧ＥＧＲ管２１に分岐する。一例において、中圧ＥＧＲ管２１は、環状排気通路２７の曲げ外側を構成する壁面から分岐する。ここで、環状排気通路２７の曲げ外側を構成する壁面とは、環状排気通路２７を構成する壁面上の点における法線がタービン１８ａの回転軸の方向となす角度が所定の角度以上となる点の集合から構成される面である。所定の角度は、例えば、３０度以上の任意の角度であり、６０度以上であるのが好ましい。換言すれば、環状排気通路２７の曲げ外側を構成する壁面とは、壁面間のタービン１８ａの回転軸の方向の寸法が、回転軸から離れるに従って小さくなる壁面である。さらに換言すれば、環状排気通路２７の曲げ外側を構成する壁面とは、環状排気通路２７の最外周の近傍に含まれる壁面である。
【００２３】
この場合、上流側排気管１７から環状排気通路２７に供給された排気のうち、中圧ＥＧＲ管２１に供給されるのは、曲管部位Ｒ２を通過した時点で環状排気通路２７の外周側を流れていた排気である。一方、曲管部位Ｒ２を通過した時点で環状排気通路２７の内周側を流れていた排気は、中圧ＥＧＲ管２１に供給されず、下流側排気管１９に供給される。
【００２４】
図２に示されるように、環状排気通路２７は環状の形状を有している。環状排気通路２７の中で排気が膨張しつつ円運動（例えば回転運動、旋回運動）する。これにより、環状排気通路２７を通る排気に対して遠心力が作用する。その結果、排気中に含まれる物質のうち、比較的比重の高い粒子状物質Ｐを、環状排気通路２７の外周側に偏在させることができる。
【００２５】
その結果、曲管部位Ｒ２を通過した時点で環状排気通路２７の外周側を流れていた排気は、内周側を流れていた排気と比較して、粒子状物質Ｐの密度が高い。したがって、中圧ＥＧＲ管２１に供給される排気は、下流側排気管１９に供給される排気と比較して、粒子状物質Ｐの密度が高い。
【００２６】
このように、中圧ＥＧＲ管２１が、環状排気通路２７の曲げ外側を構成する壁面から分岐することにより、中圧ＥＧＲ管２１は、粒子状物質Ｐの密度が高い排気を、効率よく吸気系に還流させることができる。また、下流側排気管１９に供給される排気は、上流側排気管１７を通る排気と比較して、粒子状物質Ｐの密度が低い。
【００２７】
このように、第１の実施の形態によれば、粒子状物質Ｐを帯電する構成等の付加的な構成を用いることなく、タービンハウジング１８内で粒子状物質Ｐを遠心分離することができる。さらに、下流側排気管１９に供給される排気における粒子状物質Ｐの密度が下がっているので、下流側排気管１９に設けられた後処理装置２０による排気の後処理の負担を軽減することができる。
【００２８】
次に、中圧ＥＧＲバルブ２２および低圧ＥＧＲバルブ２４の説明をするために、再度、図１を参照する。
【００２９】
中圧ＥＧＲバルブ２２は、中圧ＥＧＲ管２１に設けられる。中圧ＥＧＲバルブ２２は、中圧ＥＧＲ管２１を流通する排気の流量を調節する。低圧ＥＧＲバルブ２４は、低圧ＥＧＲ管２３に設けられる。低圧ＥＧＲバルブ２４は、低圧ＥＧＲ管２３を流通する排気の流量を調節する。
【００３０】
制御装置２５は、中圧ＥＧＲバルブ２２および低圧ＥＧＲバルブ２４を制御する。一例において、制御装置２５は、指示されたエンジンの燃料噴射量およびエンジンの回転数を達成するように、エンジンを制御するＥＣＵ（Engine Control Unit）である。
【００３１】
一例において、制御装置２５は、エンジンの燃料噴射量およびエンジンの回転数に基づいて、コンプレッサ１２ａが目標とすべきブースト圧を決定する。ここで、コンプレッサ１２ａのブースト圧とは、コンプレッサ１２ａの下流における圧力を示す。
【００３２】
一例において、制御装置２５は、エンジンの燃料噴射量およびエンジンの回転数から、コンプレッサ１２ａが目標とすべきブースト圧を求めるためのテーブルを備える。制御装置２５は、テーブルを用いて、コンプレッサ１２ａが目標とすべきブースト圧を求める。
【００３３】
次いで、制御装置２５は、コンプレッサ１２ａが目標とすべきブースト圧を達成するように、タービン１８ａの回転数を調整すべく、中圧ＥＧＲバルブ２２を制御する。
【００３４】
例えば、中圧ＥＧＲ管２１を流通する排気の流量がより大きくなるように中圧ＥＧＲバルブ２２を制御すると、その分、タービン１８ａを駆動する排気流量がより小さくなり、タービン１８ａの回転数が低くなり、コンプレッサ１２ａのブースト圧が下がる。逆に、中圧ＥＧＲ管２１を流通する排気の流量がより小さくなるように中圧ＥＧＲバルブ２２を制御すると、その分、タービン１８ａを駆動する排気流量がより大きくなり、タービン１８ａの回転数が高くなり、コンプレッサ１２ａのブースト圧が上がる。そこで、例えば、制御装置２５は、コンプレッサ１２ａのブースト圧を測定するセンサ（図示せず）から、ブースト圧の実測値を取得し、目標とすべきブースト圧と、ブースト圧の実測値とを比較する。次いで、実測値の方が大きい場合、制御装置２５は、中圧ＥＧＲバルブ２２をより開放するように制御する。逆に、実測値の方が小さい場合、制御装置２５は、中圧ＥＧＲバルブ２２をより閉塞するように制御する。
【００３５】
このように、第１の実施の形態においては、例えば、エンジンの回転数に応じてタービン１８ａの回転数を調整するためにタービンハウジング１８内の排気通路面積を変化させる機構をタービンハウジング１８内に追加することなく、コンプレッサ１２ａのブースト圧を調整することができる。
【００３６】
一例において、制御装置２５は、中圧ＥＧＲ管２１を流通する排気の流量と低圧ＥＧＲ管２３を流通する排気の流量との合計を、エンジンの燃料噴射量およびエンジンの吸気量に応じて調整するように、低圧ＥＧＲバルブ２４を制御する。
【００３７】
例えば、制御装置２５は、まず、コンプレッサ１２ａのブースト圧が目標とするブースト圧となるように、中圧ＥＧＲバルブ２２を制御する。制御装置２５は、次に、中圧ＥＧＲ管２１および低圧ＥＧＲ管２３を還流する排気の総流量が目標とすべき流量となるように、低圧ＥＧＲバルブ２４を制御する。例えば、中圧ＥＧＲ管２１を流通する排気の流量がより大きくなるように中圧ＥＧＲバルブ２２を制御した場合、その分、低圧ＥＧＲ管２３を流通する排気の流量が小さくなるように低圧ＥＧＲバルブ２４を制御する。
【００３８】
一例において、目標とすべき流量とは、エンジンの燃料噴射量および吸気の量に応じて決まる量である。排気の総流量を目標とすべき流量に調整することにより、タービン１８ａの回転数等によらず、排気を混合した吸気中の酸素濃度を適切な値に調整することがより容易になる。
【００３９】
ＥＧＲクーラ２６は、排気の還流による吸気の充填効率の低下を抑制するために、排気を冷却する熱交換器である。一例において、ＥＧＲクーラ２６が、低圧ＥＧＲ管２３のみに設けられる。これにより、ＥＧＲクーラ２６の中に粒子状物質Ｐの少ない排気を通すことができるので、ＥＧＲクーラ２６の煤詰まりを軽減または解消することができる。
【００４０】
（第１の実施の形態の変形例）
第１の実施の形態においては、第２のＥＧＲ管は、タービン１８ａの下流から排気を還流させている。これに代えて、第２のＥＧＲ管が、タービン１８ａの上流から排気を還流させる実施の形態も考えられる。
【００４１】
（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施の形態に係る吸排気系１Ｂの説明図である。
【００４２】
第２の実施の形態に係る吸排気系１Ｂには、吸排気系１Ａの構成要素に加えて、高圧ＥＧＲ管２８（第３のＥＧＲ管）および高圧ＥＧＲバルブ２９（第３のＥＧＲバルブ）が設けられている。吸排気系１Ｂの構成要素のうち、吸排気系１Ａと共通するものについては、説明を省略する。
【００４３】
高圧ＥＧＲ管２８は、上流側排気管１７と、上流側吸気管１１または下流側吸気管１３とを接続し、排気を排気系から吸気系に還流する。
【００４４】
高圧ＥＧＲバルブ２９は、高圧ＥＧＲ管２８に設けられる。高圧ＥＧＲバルブ２９は、高圧ＥＧＲ管２８を流通する排気の流量を調節する。
【００４５】
一例において、制御装置２５は、中圧ＥＧＲバルブ２２および高圧ＥＧＲバルブ２９を制御する。例えば、制御装置２５は、エンジンの燃料噴射量およびエンジンの回転数に基づいて、コンプレッサ１２ａが目標とすべきブースト圧を決定する。次いで、制御装置２５は、コンプレッサ１２ａが目標とすべきブースト圧を達成するように、タービン１８ａの回転数を調整すべく、中圧ＥＧＲバルブ２２および高圧ＥＧＲバルブ２９を制御する。なお、コンプレッサ１２ａが目標とすべきブースト圧が、他の構成要素により既に決定されている場合、制御装置２５は、既に決定されているコンプレッサ１２ａが目標とすべきブースト圧を、他の構成要素から取得してもよい。
【００４６】
例えば、中圧ＥＧＲ管２１を流通する排気の流量がより大きくなり、高圧ＥＧＲ管２８を流通する排気の流量がより小さくなるように中圧ＥＧＲバルブ２２および高圧ＥＧＲバルブ２９を制御する。すると、タービン１８ａを駆動する排気流量がより大きくなり、タービン１８ａの回転数がより高くなり、コンプレッサ１２ａのブースト圧が上がる。逆に、例えば、中圧ＥＧＲ管２１を流通する排気の流量がより小さくなり、高圧ＥＧＲ管２８を流通する排気の流量がより大きくなるように中圧ＥＧＲバルブ２２および高圧ＥＧＲバルブ２９を制御する。すると、タービン１８ａを駆動する排気流量がより小さくなり、タービン１８ａの回転数がより低くなり、コンプレッサ１２ａのブースト圧が下がる。そこで、例えば、制御装置２５は、コンプレッサ１２ａのブースト圧を測定するセンサ（図示せず）から、ブースト圧の実測値を取得し、目標とすべきブースト圧と、ブースト圧の実測値とを比較する。次いで、実測値の方が大きい場合、制御装置２５は、中圧ＥＧＲバルブ２２をより閉塞し、高圧ＥＧＲバルブ２９をより開放するように制御する。逆に、実測値の方が小さい場合、制御装置２５は、中圧ＥＧＲバルブ２２をより開放し、高圧ＥＧＲバルブ２９をより閉塞するように制御する。
【００４７】
第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様、タービンハウジング１８内で粒子状物質Ｐを遠心分離することができる。さらに、中圧ＥＧＲバルブ２２が開いている場合、下流側排気管１９に供給される排気の粒子状物質Ｐの密度が下がっているので、下流側排気管１９に設けられた後処理装置２０による排気の後処理の負担を軽減することができる。
【００４８】
さらに、第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様、タービン１８ａの回転数を調整するための追加の機構をタービンハウジング１８内に設けることなく、コンプレッサ１２ａのブースト圧を調整することができる。
【００４９】
なお、特に第２の実施の形態においては、環状排気通路２７の曲管部位Ｒ２の経路長は、なるべく大きくとるのが好ましい。経路長を大きくとることによって、粒子状物質Ｐに遠心力をより長い時間作用させることができ、粒子状物質Ｐを外周側により多く偏在させることができる。
【００５０】
（他の実施の形態）
第２の実施の形態においては、ＥＧＲ管およびＥＧＲバルブとして、中圧ＥＧＲ管２１、中圧ＥＧＲバルブ２２、低圧ＥＧＲ管２３、低圧ＥＧＲバルブ２４、高圧ＥＧＲ管２８、および高圧ＥＧＲバルブ２９が設けられている。これに代えて、ＥＧＲ管およびＥＧＲバルブとして、低圧ＥＧＲ管２３、低圧ＥＧＲバルブ２４、高圧ＥＧＲ管２８、および高圧ＥＧＲバルブ２９のみが設けられている実施の形態も考えられる。こうすると、低圧ＥＧＲバルブ２４および高圧ＥＧＲバルブ２９を流通する排気の流量を制御することにより、タービン１８ａの回転数またはコンプレッサ１２ａのブースト圧を調整することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本開示に係るターボチャージャおよび吸排気系は、粒子状物質を排気から除去する必要のあるディーゼルエンジン車両に使用するのに好適である。
【符号の説明】
【００５２】
１Ａ  吸排気系
１Ｂ  吸排気系
１１  上流側吸気管
１２  コンプレッサハウジング
１２ａ  コンプレッサ
１３  下流側吸気管
１４  吸気マニフォールド
１５  シリンダブロック／シリンダヘッド
１６  排気マニフォールド
１７  上流側排気管
１８  タービンハウジング
１８ａ  タービン
１９  下流側排気管
２０  後処理装置
２１  中圧ＥＧＲ管
２２  中圧ＥＧＲバルブ
２３  低圧ＥＧＲ管
２４  低圧ＥＧＲバルブ
２５  制御装置
２６  ＥＧＲクーラ
２７  環状排気通路
２８  高圧ＥＧＲ管
２９  高圧ＥＧＲバルブ
Ｂ  開口部
Ｐ  粒子状物質（ＰＭ）
Ｒ１  直管部位
Ｒ２  曲管部位
Ｔ  ターボチャージャ
【図１】
2018135783.tif 000003
【図２】
2018135783.tif 000004
【図３】
2018135783.tif 000005