(57)【要約】【課題】過給システムにより過給を行いながらも高いＥＧＲ率での排気再循環を実現し且つ燃焼に必要な吸気の量を極端な排気圧の上昇を招くことなく確保する。【解決手段】低圧段ターボチャージャ１５及び高圧段ターボチャージャ１４から成り且つ高圧段ターボチャージャ１４が可変ノズルターボである過給システムと、排気マニホールド９と吸気マニホールド７との間を接続して排気ガス８の一部をＥＧＲガス８’として再循環するＥＧＲライン１１とを備えたエンジン１に適用するための排気損失回収装置に関し、ＥＧＲガス８’によりタービン１６ｂを駆動し且つコンプレッサ１６ａで吸気４を圧縮して吸気系の前記過給システムの上流側に導くＥＧＲ用ターボチャージャ１６と、これのタービン１６ｂを迂回してＥＧＲガス８’を流すバイパスライン１９と、これを開閉するバイパスバルブ２０とを備える。【選択図】図１
2012197716.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
適宜な段数のターボチャージャから成り且つ少なくとも排気系の最上流段のターボチャージャがタービンのノズル開度を調整可能な可変ノズルターボである過給システムと、排気マニホールドと吸気マニホールドとの間を接続して排気ガスの一部をＥＧＲガスとして排気側から吸気側へ再循環するＥＧＲラインとを備えたエンジンに適用するための排気損失回収装置であって、前記ＥＧＲラインを流れるＥＧＲガスによりタービンを駆動し且つ該タービンと同軸のコンプレッサで吸気を圧縮して吸気系の前記過給システムの上流側に導くＥＧＲ用ターボチャージャと、該ＥＧＲ用ターボチャージャのタービンを迂回してＥＧＲガスを流すバイパスラインと、該バイパスラインを開閉するバイパスバルブとを備えたことを特徴とする排気損失回収装置。
【請求項２】
エンジンから送出される排気ガスによって高圧段タービンを作動させ且つ高圧段コンプレッサで圧縮した吸気をエンジンへ送給する高圧段ターボチャージャと、該高圧段ターボチャージャの高圧段タービンから送出される排気ガスによって低圧段タービンを作動させ且つ低圧段コンプレッサで圧縮した吸気を前記高圧段コンプレッサへ送給する低圧段ターボチャージャとにより過給システムを二段で構成し、高圧段ターボチャージャを可変ノズルターボとしたことを特徴とする請求項１に記載の排気損失回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気損失回収装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車のエンジン等では、排気側から排気ガスの一部を抜き出して吸気側へと戻し、その吸気側に戻された排気ガスでエンジン内での燃料の燃焼を抑制させて燃焼温度を下げることによりＮＯxの発生を低減するようにした、いわゆる排気ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）が行われている。
【０００３】
図２は前述した排気ガス再循環を行うためのＥＧＲ装置の一例を示すもので、図中１はターボチャージャ２を過給システムとして搭載したディーゼル機関であるエンジンを示し、エアクリーナ３から導いた吸気４を吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへ送り、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気４をインタークーラ６へと送って冷却し、該インタークーラ６から更に吸気マニホールド７へと吸気４を導いてエンジン１の各気筒に分配するようにしてある。
【０００４】
また、このエンジン１の各気筒から排出された排気ガス８を排気マニホールド９を介して前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへと送り、該タービン２ｂを駆動した排気ガス８を排気管１０を介して車外へ排出するようにしてある。
【０００５】
そして、排気マニホールド９と吸気マニホールド７との間がＥＧＲライン１１により接続されており、排気マニホールド９から排気ガス８の一部をＥＧＲガス８’として抜き出して吸気管５に導き得るようにしてある。
【０００６】
ここで、前記ＥＧＲライン１１には、該ＥＧＲライン１１を適宜に開閉するＥＧＲバルブ１２と、再循環されるＥＧＲガス８’を冷却するためのＥＧＲクーラ１３とが装備され、該ＥＧＲクーラ１３では、冷却水とＥＧＲガス８’とを熱交換させることによりＥＧＲガス８’の温度を低下し得るようになっており、この水冷したＥＧＲガス８’のエンジン１への再循環により燃焼温度の低下を図り得るようにしてある。
【０００７】
ただし、前述した如きターボチャージャ２付きのエンジン１においては、吸気側が過給されているために高速回転域等で排気側との圧力差が少なくなってしまい、高いＥＧＲ率を実現することが難しいという問題があるが、ターボチャージャ２として、タービン２ｂ側のノズル部に角度調整可能な多数のノズルベーンを環状に備えてノズル開度を任意に変更し得るようにしたマルチベーンタイプの可変ノズルターボ（バリアブルジオメトリターボチャージャ）を採用し、必要に応じタービン２ｂ側のノズル開度を小さく絞り込んでノズル部における排気ガス８の通過抵抗を増やし、これにより排気マニホールド９の圧力を高めて吸気側と排気側との圧力差を確保することが行われている。
【０００８】
ただし、タービン２ｂ側のノズル開度を小さく絞り込んで排気マニホールド９の圧力を高める操作は、タービン２ｂにおける排気ガス８の旋速を上げてタービン２ｂの回転数を上げる操作でもあり、コンプレッサ２ａ側の出口圧力（過給圧）も上昇してしまうことになるが、タービン２ｂでの効率が悪くなることで排気マニホールド９の方がコンプレッサ２ａの出口よりも圧力上昇の度合が高くなるため、比較的高い圧力領域で吸気側と排気側との圧力差が確保されて高いＥＧＲ率が実現されることになる。
【０００９】
尚、排気マニホールド９から抜き出した排気ガス８の一部を吸気管５へ再循環するようにした例を開示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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−１２３８８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、このように比較的高い圧力領域で排気側と吸気側との圧力差を確保して排気ガス再循環を行うと、多量のＥＧＲガス８’を再循環することができて高いＥＧＲ率を実現できる一方、吸気４（新気）が入り難くなって燃焼に必要な吸気４が量的に不足する虞れが生じるため、必要な量の吸気４を確保し得るようＥＧＲバルブ１２の開度を絞り込んでＥＧＲガス８’の再循環量を抑制する措置が採られているが、多量のＥＧＲガス８’が再循環することでバランスしている排気側と吸気側との関係が、前記ＥＧＲバルブ１２の開度を絞り込むことでエンジン１の排気圧が過給圧よりも大幅に高くなるような極端な状態となり、これによりエンジン１の排気抵抗が大きくなってポンピングロスが過大となり、燃費の大幅な悪化を招いてしまうという問題があった。
【００１２】
また、近年においては、過給システムのダウンサイジングやトルクアップを実現するために、過給システムを高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャとから成る二段式の過給システムとしたものがあるが、このような二段式の過給システムにおいては、図に示した単段式のものよりも更に圧力比が高くなるので、前述の如き運転状態で必要な量の吸気４を確保するためにＥＧＲバルブ１２の開度を絞り込んでしまうと、ポンピングロスがより一層過大となって燃費の悪化が更に顕著なものとなる虞れがあった。
【００１３】
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、過給システムにより過給を行いながらも高いＥＧＲ率での排気再循環を実現し且つ燃焼に必要な吸気の量を極端な排気圧の上昇を招くことなく確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、適宜な段数のターボチャージャから成り且つ少なくとも排気系の最上流段のターボチャージャがタービンのノズル開度を調整可能な可変ノズルターボである過給システムと、排気マニホールドと吸気マニホールドとの間を接続して排気ガスの一部をＥＧＲガスとして排気側から吸気側へ再循環するＥＧＲラインとを備えたエンジンに適用するための排気損失回収装置であって、前記ＥＧＲラインを流れるＥＧＲガスによりタービンを駆動し且つ該タービンと同軸のコンプレッサで吸気を圧縮して吸気系の前記過給システムの上流側に導くＥＧＲ用ターボチャージャと、該ＥＧＲ用ターボチャージャのタービンを迂回してＥＧＲガスを流すバイパスラインと、該バイパスラインを開閉するバイパスバルブとを備えたことを特徴とするものである。
【００１５】
而して、高速回転域等で排気系の最上流段のターボチャージャにおけるタービンのノズル開度を小さく絞り込んで排気マニホールドの圧力を高め、比較的高い圧力領域で排気側と吸気側との圧力差を確保して排気ガス再循環を行うと、過給システムにより吸気を過給していても、高いＥＧＲ率でＥＧＲガスを再循環することが可能となるが、吸気（新気）が入り難くなって燃焼に必要な吸気が量的に不足する虞れが生じる。
【００１６】
この際、ＥＧＲバルブを絞り込む替わりにバイパスバルブを閉じ、ＥＧＲラインを流れるＥＧＲガスをＥＧＲ用ターボチャージャのタービンに導くと、該タービンによりＥＧＲガスが持つエネルギーが回収され、これにより前記タービンと同軸のコンプレッサが駆動されて吸気が圧縮され、大気圧以上に圧力を高められた吸気が過給システムに導かれて過給されることになる。
【００１７】
即ち、既に圧力を嵩上げされた吸気が過給システムに導かれて更に過給されることになるため、該過給システムだけで大気から取り込んだ吸気を昇圧する場合よりも高い圧力まで吸気を過給することが可能となり、しかも、ＥＧＲガスがＥＧＲ用ターボチャージャのタービンで仕事をすることにより通過抵抗を受けて絞り込み効果も得られるため、燃焼に必要な吸気の量を不足させてしまうほどの過剰なＥＧＲガスの再循環が著しく是正され、これまでよりも吸気がエンジンに取り込まれ易くなるため、燃焼に必要な吸気の量を極端な排気圧の上昇を招くことなく確保することが可能となる。
【００１８】
また、本発明においては、エンジンから送出される排気ガスによって高圧段タービンを作動させ且つ高圧段コンプレッサで圧縮した吸気をエンジンへ送給する高圧段ターボチャージャと、該高圧段ターボチャージャの高圧段タービンから送出される排気ガスによって低圧段タービンを作動させ且つ低圧段コンプレッサで圧縮した吸気を前記高圧段コンプレッサへ送給する低圧段ターボチャージャとにより過給システムを二段で構成し、高圧段ターボチャージャを可変ノズルターボとしても良い。
【発明の効果】
【００１９】
上記した本発明の排気損失回収装置によれば、過給システムにより過給を行いながらも高いＥＧＲ率での排気再循環を実現し且つ燃焼に必要な吸気の量を極端な排気圧の上昇を招くことなく確保することができるので、エンジンの排気圧が過給圧よりも大幅に高くなるような極端な状態を未然に回避することができ、これによりエンジンのポンピングロスを著しく低減して燃費の大幅な改善を図ることができるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。
【図２】従来例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２２】
図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図２と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。
【００２３】
本形態例においては、前述した図２の従来例で単段のターボチャージャ２により構成されていた過給システムを、エンジン１から送出される排気ガス８によって高圧段タービン１４ｂを作動させ且つ高圧段コンプレッサ１４ａで圧縮した吸気４をエンジン１へ送給する高圧段ターボチャージャ１４と、該高圧段ターボチャージャ１４の高圧段タービン１４ｂから送出される排気ガス８によって低圧段タービン１５ｂを作動させ且つ低圧段コンプレッサ１５ａで圧縮した吸気４を前記高圧段コンプレッサ１４ａへ送給する低圧段ターボチャージャ１５とにより二段式の過給システムとした場合が例示されており、ここに図示している例では、排気系の最上流段のターボチャージャを成す高圧段ターボチャージャ１４が、高圧段タービン１４ｂのノズル開度を調整可能な可変ノズルターボとして構成されている。
【００２４】
そして、ＥＧＲガス８’が流れるＥＧＲライン１１の途中に、該ＥＧＲライン１１を流れるＥＧＲガス８’によりタービン１６ｂを駆動し且つ該タービン１６ｂと同軸のコンプレッサ１６ａによりエアクリーナ１７から取り込んだ吸気４を圧縮してエアクリーナ３に連絡管１８を介して導くＥＧＲ用ターボチャージャ１６が新たに付設されていると共に、該ＥＧＲ用ターボチャージャ１６のタービン１６ｂを迂回してＥＧＲガス８’を流すバイパスライン１９と、該バイパスライン１９を開閉するバイパスバルブ２０とが備えられている。
【００２５】
而して、高速回転域等で高圧段ターボチャージャ１４における高圧段タービン１４ｂのノズル開度を小さく絞り込んで排気マニホールド９の圧力を高め、比較的高い圧力領域で排気側と吸気側との圧力差を確保して排気ガス再循環を行うと、高圧段ターボチャージャ１４及び低圧段ターボチャージャ１５により吸気４を過給していても、高いＥＧＲ率でＥＧＲガス８’を再循環することが可能となるが、吸気４（新気）が入り難くなって燃焼に必要な吸気４が量的に不足する虞れが生じる。
【００２６】
この際、ＥＧＲバルブ１２を絞り込む替わりにバイパスバルブ２０を閉じ、ＥＧＲライン１１を流れるＥＧＲガス８’をＥＧＲ用ターボチャージャ１６のタービン１６ｂに導くと、該タービン１６ｂによりＥＧＲガス８’が持つエネルギーが回収され、これにより前記タービン１６ｂと同軸のコンプレッサ１６ａが駆動されて吸気４が圧縮され、大気圧以上に圧力を高められた吸気４がエアクリーナ３を介し低圧段ターボチャージャ１５の低圧段コンプレッサ１５ａに導かれて過給されることになる。
【００２７】
即ち、既に圧力を嵩上げされた吸気４が低圧段ターボチャージャ１５及び高圧段ターボチャージャ１４に導かれて更に過給されることになるため、これら低圧段ターボチャージャ１５及び高圧段ターボチャージャ１４だけで大気から取り込んだ吸気４を昇圧する場合よりも高い圧力まで吸気４を過給することが可能となり、しかも、ＥＧＲガス８’がＥＧＲ用ターボチャージャ１６のタービン１６ｂで仕事をすることにより通過抵抗を受けて絞り込み効果も得られるため、燃焼に必要な吸気４の量を不足させてしまうほどの過剰なＥＧＲガス８’の再循環が著しく是正され、これまでよりも吸気４がエンジン１に取り込まれ易くなるため、燃焼に必要な吸気４の量を極端な排気圧の上昇を招くことなく確保することが可能となる。
【００２８】
従って、上記形態例によれば、低圧段ターボチャージャ１５及び高圧段ターボチャージャ１４により過給を行いながらも高いＥＧＲ率での排気再循環を実現し且つ燃焼に必要な吸気４の量を極端な排気圧の上昇を招くことなく確保することができるので、エンジン１の排気圧が過給圧よりも大幅に高くなるような極端な状態を未然に回避することができ、これによりエンジン１のポンピングロスを著しく低減して燃費の大幅な改善を図ることができる。
【００２９】
尚、本発明の排気損失回収装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、過給システムが単段のターボチャージャにより構成されていても良く、更には、三段以上のターボチャージャで構成されていても良いこと、その他、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。
【符号の説明】
【００３０】
１  エンジン
４  吸気
７  吸気マニホールド
８  排気ガス
８’  ＥＧＲガス
９  排気マニホールド
１０  排気管
１１  ＥＧＲライン
１２  ＥＧＲバルブ
１４  高圧段ターボチャージャ（過給システム:可変ノズルターボ）
１４ａ  高圧段コンプレッサ
１４ｂ  高圧段タービン
１５  低圧段ターボチャージャ（過給システム）
１５ａ  低圧段コンプレッサ
１５ｂ  低圧段タービン
１６  ＥＧＲ用ターボチャージャ
１６ａ  コンプレッサ
１６ｂ  タービン
１９  バイパスライン
２０  バイパスバルブ
【図１】
2012197716.tif 000003
【図２】
2012197716.tif 000004