(57)【要約】【課題】エンジンを迅速に暖機する。【解決手段】過給システム１は、エンジンＥからの排気ガスによって回転するタービン２ａと、タービンの回転動力によって吸気を昇圧し、昇圧された吸気をエンジンに供給するコンプレッサ２ｂとを含んで構成される過給機２と、過給機のコンプレッサが配され、エンジンに供給される吸気が流通する供給路６と、過給機のタービンが配され、エンジンからの排気ガスを外部に排出する排気流路３と、排気流路から分岐し、排気流路を流れる排気ガスの一部を分流させる分流路１１と、供給路における過給機のコンプレッサの上流に配され、分流路を流れる排気ガスと、過給機に供給される前の吸気とを熱交換し、排気ガスの熱で吸気を昇温する熱交換器１３と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンからの排気ガスによって回転するタービンと、該タービンの回転動力によって吸気を昇圧し、昇圧された該吸気を該エンジンに供給するコンプレッサとを含んで構成される過給機と、
前記過給機のコンプレッサが配され、前記エンジンに供給される前記吸気が流通する供給路と、
前記過給機のタービンが配され、前記エンジンからの排気ガスを外部に排出する排気流路と、
前記排気流路から分岐し、該排気流路を流れる排気ガスの一部を分流させる分流路と、
前記供給路における前記過給機のコンプレッサの上流に配され、前記分流路を流れる排気ガスと、該過給機に供給される前の前記吸気とを熱交換し、該排気ガスの熱で該吸気を昇温する熱交換器と、
を備えることを特徴とする過給システム。
【請求項２】
前記排気流路から分岐し、前記エンジンからの排気ガスの一部を、前記吸気とともに該エンジンに供給する循環路をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の過給システム。
【請求項３】
前記供給路における前記コンプレッサの下流に配され、該供給路を流通する吸気を冷却する冷却部と、
前記冷却部を制御する制御部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の過給システム。
【請求項４】
前記分流路は、前記排気流路のうち、前記過給機のタービンの上流から分岐することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の過給システム。
【請求項５】
前記分流路は、前記排気流路のうち、前記過給機のタービンの下流に還流することを特徴とする請求項４に記載の過給システム。
【請求項６】
前記分流路は、前記排気流路のうち、前記過給機のタービンの上流に還流することを特徴とする請求項４に記載の過給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンへの吸気を昇圧して供給する過給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
過給機は、エンジンへの吸気を昇圧し、エンジンへの空気充填率を高める装置である。排気タービン型の過給機は、エンジンからの排気ガスの圧力によってタービンが駆動し、タービンから駆動力を伝達されたコンプレッサが吸気を昇圧する。また、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）は、エンジンからの排気ガスをエンジンの吸気に混入して循環させることで、酸素濃度を低下させて、エンジンの燃焼温度を低減して窒素酸化物（ＮＯｘ）などの生成を抑える技術である。
【０００３】
特許文献１では、過給機のコンプレッサの後段に、低温の吸気と高温の排気ガスとで熱交換する熱交換器が設けられたＥＧＲ装置が提案されている。このＥＧＲ装置は、熱交換器で昇温された吸気をインタークーラで冷却した後、熱交換後の排気ガスと混合して、エンジンに吸気する。熱交換器において排気ガスと吸気とで熱交換することで、排気ガスが冷却されるとともに、吸気が昇温されることから、インタークーラにおいて外気との温度差が大きくなって吸気の冷却効率が高まる。そのため、排気ガスと吸気の混合気全体としての温度が低減される。その結果、吸気の体積膨張が抑えられ、エンジンへの空気充填率を上昇させることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２８０１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、エンジンの低温始動時など、低温条件での燃焼時においては、ＥＧＲによって高温の排気ガスをエンジンに循環させることで、エンジンの暖機の早期化を図ることがある。しかし、吸気に還流させる排気ガスの流量が増え、酸素濃度が低下し過ぎると、燃費の悪化などを招くこととなる。そのため、ＥＧＲによるエンジンの暖機の早期化には限界があった。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑み、エンジンを迅速に暖機することが可能な過給システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の過給システムは、エンジンからの排気ガスによって回転するタービンと、タービンの回転動力によって吸気を昇圧し、昇圧された吸気をエンジンに供給するコンプレッサとを含んで構成される過給機と、過給機のコンプレッサが配され、エンジンに供給される吸気が流通する供給路と、過給機のタービンが配され、エンジンからの排気ガスを外部に排出する排気流路と、排気流路から分岐し、排気流路を流れる排気ガスの一部を分流させる分流路と、供給路における過給機のコンプレッサの上流に配され、分流路を流れる排気ガスと、過給機に供給される前の吸気とを熱交換し、排気ガスの熱で吸気を昇温する熱交換器と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
排気流路から分岐し、エンジンからの排気ガスの一部を、吸気とともにエンジンに供給する循環路をさらに備えてもよい。
【０００９】
供給路におけるコンプレッサの下流に配され、供給路を流通する吸気を冷却する冷却部と、冷却部を制御する制御部と、をさらに備えてもよい。
【００１０】
分流路は、排気流路のうち、過給機のタービンの上流から分岐してもよい。
【００１１】
分流路は、排気流路のうち、過給機のタービンの下流に還流してもよい。
【００１２】
分流路は、排気流路のうち、過給機のタービンの上流に還流してもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、エンジンを迅速に暖機することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】過給システムの概略的な構成を示した図である。
【図２】過給システムにおける制御系を説明するための機能ブロック図である。
【図３】過給方法の全体的な処理の流れを示したフローチャートである。
【図４】変形例における過給システムの概略的な構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１６】
図１は、過給システム１の概略的な構成を示した図である。過給システム１は、例えば、車両などに搭載され、エンジンＥへの吸気を昇圧して供給する機構であって、過給機２を有する。過給機２は、タービン２ａとコンプレッサ２ｂとシャフト２ｃとを含んで構成される。シャフト２ｃの一端にタービン２ａのインペラが固定され、シャフト２ｃの他端にコンプレッサ２ｂのインペラが固定され、シャフト２ｃを回転軸として回転する。
【００１７】
排気流路３には、エンジンＥの燃焼作用によって生じた排気ガスが流入し、排気流路３から外部に排出される。タービン２ａは、排気流路３に配され、排気流路３を流れる排気ガスのエネルギーによってインペラが回転する。
【００１８】
ＤＯＣ４（Diesel Oxidation Catalyst：ディーゼル酸化触媒）は、排気流路３におけるタービン２ａの下流に配され、排気ガス中に含まれる炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物などを酸化または還元させて除去する。
【００１９】
ＤＰＦ５（Diesel Particulate Filter：ディーゼル・パティキュレート・フィルター）は、排気流路３におけるＤＯＣ４の下流に配され、排気ガス中に含まれるすすなどの微粒子を除去する。
【００２０】
供給路６は、エンジンＥに供給される吸気が流通する。コンプレッサ２ｂは、供給路６に配されており、タービン２ａのインペラの回転と連動して、コンプレッサ２ｂのインペラが回転する。こうして、コンプレッサ２ｂは、タービン２ａの回転動力によって吸気を昇圧し、昇圧された吸気を、供給路６を介してエンジンＥに供給している。
【００２１】
インタークーラ７（冷却部）は、供給路６におけるコンプレッサ２ｂの下流に配され、不図示のエアダクトと連通する。そして、インタークーラ７は、コンプレッサ２ｂで昇圧されることで昇温された吸気を、エアダクトから導かれた外気との熱交換によって冷却する。インタークーラ７が吸気を冷却することで、吸気の体積膨張が抑えられ、エンジンＥへの空気充填率を上昇させることが可能となる。
【００２２】
循環路８は、排気流路３におけるタービン２ａの上流と、供給路６におけるインタークーラ７の下流とを連通する。循環路８は、エンジンＥから排気流路３に排出された排気ガスの一部を供給路６に還流させる。循環路８を介して供給路６に還流した排気ガスは、供給路６を流れる吸気とともにエンジンＥに供給される。このように、排気ガスを吸気と共にエンジンＥに供給することで、酸素濃度を低下させて、エンジンＥの燃焼温度を低減してＮＯｘ（窒素酸化物）などの生成を抑えることが可能となる。
【００２３】
循環路８には、循環路８を開閉するＥＧＲバルブ９が配され、ＥＧＲバルブ９の開度によって循環路８を流れる排気ガスの流量（以下、ＥＧＲ流量と称す）が調整される。また、循環路８におけるＥＧＲバルブ９の下流には、ＥＧＲクーラ１０が配される。ＥＧＲクーラ１０は、例えばエンジンＥの冷却水を利用した水冷式の冷却機構であって、循環路８を流れる排気ガスを冷却する。
【００２４】
エンジンＥの低温始動時など低温条件での燃焼時においては、後述する冷却水バルブを閉じることでＥＧＲクーラ１０による排気ガスの冷却を停止する。そして、循環路８によって、高温の排気ガスをエンジンＥに吸気と共に供給する（以下、ＥＧＲ暖機処理と称す）ことで、エンジンＥの暖機の早期化を図ることが可能となる。
【００２５】
分流路１１は、排気流路３におけるタービン２ａの上流から分岐し、排気流路３におけるタービン２ａの下流に合流する。排気流路３におけるタービン２ａの下流を流れる排気ガスは、タービン２ａのインペラを回転させることで、タービン２ａの上流よりも圧力が低下する。分流路１１は、タービン２ａの上流から分岐してタービン２ａの下流に合流することから、分流路１１の上流端と下流端に圧力差が生じ、分流路１１を流れる排気ガスは流量が大きくなり易い。
【００２６】
分流路１１には、分流路１１を開閉する熱交換バルブ１２が配され、熱交換バルブ１２の開度によって分流路１１を流れる排気ガスの流量が調整される。
【００２７】
熱交換器１３は、分流路１１における熱交換バルブ１２の下流に配されるとともに、供給路６におけるコンプレッサ２ｂの上流に配される。そして、熱交換器１３は、分流路１１を流れる排気ガスと、コンプレッサ２ｂに供給される前の吸気とを熱交換し、排気ガスの熱で吸気を昇温する。
【００２８】
熱交換器１３によって、低温条件での燃焼時において、エンジンＥに供給される吸気を昇温し、高温の吸気によってエンジンＥの暖機を迅速に遂行することが可能となる（以下、予熱暖機処理と称す）。
【００２９】
また、予熱暖機処理では吸気の酸素濃度を低下させることがないため、ＥＧＲ暖機処理に比べ、吸気の酸素濃度の制約を受けず、エンジンＥの暖機の早期化を図ることが可能となる。そのうえ、予熱暖機処理とＥＧＲ暖機処理とを併用することで、エンジンＥの暖機がさらに迅速に遂行される。
【００３０】
さらに、過給システム１では、熱交換器１３を、供給路６におけるコンプレッサ２ｂの上流に配していることから、コンプレッサ２ｂによって昇温される前の吸気が、熱交換器１３に流入する。そのため、コンプレッサ２ｂの下流に配する場合に比べ、熱交換器１３に流入する吸気の温度が低く、排気ガスとの温度差が大きくなる。その結果、排気ガスから吸気への伝熱量が大きく、より吸気を高温化することが可能となり、エンジンＥの暖機がより迅速に遂行される。
【００３１】
このように、過給システム１では、エンジンＥの暖機を迅速に遂行可能であるため、低温条件での燃焼安定性が向上する。
【００３２】
図２は、過給システム１における制御系を説明するための機能ブロック図である。図２に示すように、過給システム１は、水温センサ１４および制御部１５を含んで構成される。水温センサ１４は、エンジンＥを冷却する冷却水の冷却流路に配され、冷却水の温度を検出して、冷却水の温度を示すデータを制御部１５に出力する。
【００３３】
制御部１５は、例えば、ＥＣＵ（Engine Control Unit）などで構成され、エンジンＥの点火装置、燃料噴射装置、スロットル開度などを制御する。また、制御部１５は、水温センサ１４が検出した冷却水の温度などの入力データに応じ、冷却水バルブ１０ａ、ダクトフラップ７ａ、ＥＧＲバルブ９、熱交換バルブ１２それぞれの開閉（開度）を制御する。ＥＧＲバルブ９および熱交換バルブ１２については上述したため、ここでは、冷却水バルブ１０ａおよびダクトフラップ７ａについて説明する。
【００３４】
上述したように、ＥＧＲクーラ１０に供給される冷却水は、エンジンＥの冷却水が共用されており、エンジンＥの冷却水の冷却流路から分岐して形成されたバイパス流路を通じて、ＥＧＲクーラ１０に供給される。
【００３５】
冷却水バルブ１０ａは、このバイパス流路に設けられ、当該バイパス流路を開閉する。冷却水バルブ１０ａを開くと、循環路８を流れる排気ガスは、ＥＧＲクーラ１０によって冷却され、冷却水バルブ１０ａを閉じると、循環路８を流れる排気ガスは、ＥＧＲクーラ１０によって冷却されなくなる。
【００３６】
ダクトフラップ７ａ（冷却部）は、インタークーラ７に連通するエアダクトに配され、エアダクトを開閉する。ダクトフラップ７ａが開くと、インタークーラ７に外気が導かれ、供給路６を流れる吸気が、インタークーラ７によって冷却された後にエンジンＥに供給される。また、ダクトフラップ７ａが閉じると、インタークーラ７に外気が導かれず、インタークーラ７では熱交換がなされないため、吸気は冷却されることなくエンジンＥに供給される。ダクトフラップ７ａの開度によって、インタークーラ７に導かれる外気の流量が可変となり、インタークーラ７での吸気の放熱量が調整されることとなる。
【００３７】
続いて、過給システム１によるエンジンＥへの吸気の過給方法について、制御部１５によるダクトフラップ７ａおよび熱交換バルブ１２の制御を中心に説明する。
【００３８】
（過給方法）
図３は、過給方法の全体的な処理の流れを示したフローチャートである。ここでは、所定間隔ごとに繰り返し実行される処理が示されている。図３に示すように、制御部１５は、水温センサ１４が検出した冷却水の温度を示すデータを取得する（Ｓ１００）。続いて、制御部１５は、取得したデータが示す冷却水の温度が第１閾値（例えば、７５度）を超えているか否かを判定する（Ｓ１０２）。
【００３９】
冷却水の温度が第１閾値以下であると（Ｓ１０２におけるＮＯ）、制御部１５は、冷却水バルブ１０ａを全閉とし、ＥＧＲクーラ１０による排気ガスの冷却を停止する（Ｓ１０４）。続いて、制御部１５は、ＥＧＲバルブ９を開く（Ｓ１０６）。このとき、ＥＧＲバルブ９は、ＥＧＲ流量や吸気流量などに基づき、酸素濃度が低くなり過ぎない範囲で最大の開度に設定される。
【００４０】
そして、制御部１５は、ダクトフラップ７ａを全閉にする。ダクトフラップ７ａがすでに全閉であればダクトフラップ７ａの開度を維持する（Ｓ１０８）。また、制御部１５は、熱交換バルブ１２を全開にする。熱交換バルブ１２がすでに全開であれば熱交換バルブ１２の開度を維持する（Ｓ１１０）。そして、当該過給方法の処理を終了する。
【００４１】
このように、エンジンＥの冷却水の温度が第１閾値以下である場合、低温条件での燃焼時である可能性が高い。そのため、制御部１５は、冷却水バルブ１０ａを全閉とし、ＥＧＲバルブ９を開くことで、上記のＥＧＲ暖機処理を遂行させる。さらに、熱交換バルブ１２を全開とし、ダクトフラップ７ａを全閉とすることで、上記の予熱暖機処理を遂行させる。
【００４２】
水温判定ステップＳ１０２において、冷却水の温度が第１閾値を超えている場合（Ｓ１０２におけるＹＥＳ）、制御部１５は、冷却水の温度が第２閾値（例えば、８５度）を超えているか否かを判定する（Ｓ１１２）。
【００４３】
冷却水の温度が第２閾値以下であると（Ｓ１１２におけるＮＯ）、制御部１５は、冷却水バルブ１０ａを全閉とし、ＥＧＲクーラ１０による排気ガスの冷却を停止する（Ｓ１１４）。そして、制御部１５は、ＥＧＲバルブ９の開度を調整し（Ｓ１１６）、ダクトフラップ７ａの開度を調整する（Ｓ１１８）。また、制御部１５は、熱交換バルブ１２の開度を調整する（Ｓ１２０）。このとき、ＥＧＲバルブ９、ダクトフラップ７ａ、および、熱交換バルブ１２の開度は、エンジンＥの冷却水の温度、ＥＧＲ流量、および、吸気流量などに基づいて設定される。そして、当該過給方法の処理を終了する。
【００４４】
このように、エンジンＥの冷却水の温度が第１閾値を超え、第２閾値以下である場合、エンジンＥの暖機途上である可能性が高い。そのため、制御部１５は、ＥＧＲバルブ９、ダクトフラップ７ａ、および、熱交換バルブ１２の開度を調整することで、吸気の温度を微調整する。
【００４５】
水温判定ステップＳ１１２において、冷却水の温度が第２閾値を超えている場合（Ｓ１１２におけるＹＥＳ）、制御部１５は、冷却水バルブ１０ａを全開とし、ＥＧＲクーラ１０に排気ガスの冷却を遂行させる（Ｓ１２２）。そして、制御部１５は、ＥＧＲバルブ９の開度を調整する（Ｓ１２４）。このとき、ＥＧＲバルブ９の開度は、ＥＧＲ流量、および、吸気流量などに基づいて設定される。また、ダクトフラップ７ａを全開とし（Ｓ１２６）、熱交換バルブ１２を全閉とする（Ｓ１２８）。そして、当該過給方法の処理を終了する。
【００４６】
このように、エンジンＥの冷却水の温度が第２閾値を超える場合、エンジンＥの暖機は完了しており、これ以上の暖機は不要の可能性が高く、むしろ、吸気の温度を下げて吸気の体積膨張を抑える必要がある。そのため、制御部１５は、冷却水バルブ１０ａを全開とし、ＥＧＲクーラ１０に排気ガスを冷却させ、ダクトフラップ７ａを全開とし、インタークーラ７に吸気を冷却させる。また、熱交換バルブ１２を閉じて、熱交換器１３による排気ガスと吸気の熱交換を停止させる。ＥＧＲバルブ９は、例えば燃費向上に最適化されたＥＧＲ流量となるように、開度調整される。
【００４７】
上述した過給方法によれば、エンジンＥを迅速に暖機し、低温条件での燃焼安定性を向上させることが可能となる。
【００４８】
（変形例）
次に、変形例における過給システム２１について説明する。変形例の過給システム２１では、上記実施形態の過給システム１と、分流路３１のみが異なるので、ここでは上記実施形態と同じ構成については説明を省略し、構成が異なる分流路３１についてのみ説明する。
【００４９】
図４は、変形例における過給システム２１の概略的な構成を示した図である。過給システム２１において、分流路３１は、排気流路３のうち、過給機２のタービン２ａの上流から分岐し、コンプレッサ２ｂの上流に配された熱交換器１３に連通し、過給機２のタービン２ａの上流に還流する。
【００５０】
このように、分流路３１が、排気流路３のうち、過給機２のタービン２ａの上流から分岐し、再び、タービン２ａの上流に合流する構成により、熱交換器１３で吸気と熱交換した後の排気ガスも、タービン２ａに導入されることとなる。そのため、分流路３１がタービン２ａの下流に合流する構成に比べ、タービン２ａの出力が向上し、コンプレッサ２ｂによる吸気の圧縮率を高めることが可能となる。
【００５１】
上述した実施形態および変形例では、過給システム１、２１は、循環路８を含んで構成される場合について説明したが、循環路８は必須の構成ではない。
【００５２】
また、上述した実施形態および変形例では、過給システム１、２１は、冷却水バルブ１０ａを備える場合について説明したが、冷却水バルブ１０ａは必須の構成ではない。
【００５３】
また、上述した実施形態および変形例では、冷却部が、空冷式のインタークーラ７およびダクトフラップ７ａで構成される場合について説明したが、冷却部は、例えば、水冷式のインタークーラと、このインタークーラの冷却水の流路を開閉するバルブで構成されてもよい。また、過給システム１、２１は、冷却部を含んで構成される場合について説明したが、冷却部は、必須の構成ではない。
【００５４】
また、上述した実施形態および変形例では、分流路１１、３１は、排気流路３のうち、タービン２ａの上流から分岐する場合について説明したが、分流路１１、３１は、排気流路３のうち、タービン２ａの下流から分岐してもよい。
【００５５】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００５６】
なお、本明細書の過給方法の各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はない。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、エンジンへの吸気を昇圧して供給する過給システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００５８】
Ｅ  エンジン
１、２１  過給システム
２  過給機
２ａ  タービン
２ｂ  コンプレッサ
３  排気流路
６  供給路
７  インタークーラ（冷却部）
７ａ  ダクトフラップ（冷却部）
８  循環路
１１、３１  分流路
１３  熱交換器
１５  制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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