(57)【要約】【課題】ＥＧＲガスによるインタークーラの腐食及び汚損を防止できると共に、内燃機関の冷間始動時に、排気ガス中に白煙が排出されることを抑制することができる内燃機関、そのＥＧＲ方法及びその制御方法を提供する。【解決手段】内燃機関１、１Ａの吸気通路１１に上流側から順に排気ターボ式過給機１３のコンプレッサ３ａとインタークーラ１４と外部駆動式過給機１５を備え、排気通路１２に前記排気ターボ式過給機１３のタービン１３ｂを備えると共に、流量調整バルブ１６ａを有して前記外部駆動式過給機１５を迂回するバイパス通路１６を備えた内燃機関１、１Ａにおいて、排気ガスＧの一部であるＥＧＲガスＧｅを、タービン１３ｂの上流側から外部駆動式過給機１５の上流側に供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気通路に上流側から順に排気ターボ式過給機のコンプレッサとインタークーラと外部駆動式過給機を備え、排気通路に前記排気ターボ式過給機のタービンを備えると共に、流量調整バルブを有して前記外部駆動式過給機を迂回するバイパス通路を備えた内燃機関において、前記タービンの上流側の排気通路と、前記インタークーラよりも下流側で、かつ、前記外部駆動式過給機よりも上流側の吸気通路を接続するＥＧＲ通路を設けたことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記排気ターボ式過給機の制御装置が、内燃機関の暖機状態を示す暖機指標温度が所定の判定温度以下のときに、前記排気ターボ式過給機のタービンを迂回する排気ガス量を増加させて、前記排気ターボ式過給機の作動を低下させる制御を行うことを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
【請求項３】
前記外部駆動式過給機よりも下流側に第２のインタークーラを設けると共に、バイパスバルブを有して前記第２のインタークーラを迂回する第２のバイパス通路を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
【請求項４】
内燃機関の吸気通路に上流側から順に排気ターボ式過給機のコンプレッサとインタークーラと外部駆動型過給機を備え、排気通路に前記排気ターボ式過給機のタービンを備えると共に、流量調整バルブを有して前記外部駆動式過給機を迂回するバイパス通路を備えた内燃機関のＥＧＲ方法において、ＥＧＲガスを前記タービンの上流側から前記外部駆動式過給機の上流側に供給することを特徴とする内燃機関のＥＧＲ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部駆動式過給機と排気ターボ式過給機を備えた内燃機関、及びそのＥＧＲ方法に関し、より詳細には、ＥＧＲガスによるインタークーラの腐食及び汚損を防止できると共に、内燃機関の冷間始動時に、排気ガス中に白煙が排出されることを防止することができる内燃機関、及びそのＥＧＲ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼル機関等の内燃機関においては、低燃費化及び排気ガスの改善化に対して、過給技術を使用しての高過給化及び高ＥＧＲ化が有効かつ重要であり、これに関連して排気ターボ式過給機等の様々な過給技術が開発されている。
【０００３】
しかしながら、排気ターボ式過給機を用いる場合には、ターボラグと呼ばれる過給遅れを解消することは難しく、内燃機関の急加速等の過渡運転条件におけるトルク応答性の改善や排気ガス対策には限界がある。この過給遅れにより、シリンダ内での燃焼に必要な空気量が不足して黒煙が発生したり、燃焼に必要な最低限の空気量を確保するために、ＥＧＲガスの導入が困難となって、瞬間的にＮＯｘが発生したりする場合が生じる。
【０００４】
この過渡運転条件における過給遅れを改善するために、排気タービンを用いない、機械式や電動式等で駆動される外部駆動式過給機を採用することが行われている。この外部駆動式過給機には、容積型や遠心型の過給機がある。
【０００５】
多くの外部駆動式過給機はその特性上、優れた過渡過給特性を有するが、その作動により、吸気圧力を排気圧力より高くすることが容易にできるため、図７に示すような従来技術で用いられている、外部駆動式過給機１５の下流側にＥＧＲガスを導入するハイプレーシャー（ＨＩ-ＥＧＲ）方式のＥＧＲガス導入方法ではＥＧＲガスを吸気側に取り込むことができなくなる。これを解決するために、図８に示すような、外部駆動式過給機１５の上流側にＥＧＲガスを導入するロープレーシャー（ＬＰ-ＥＧＲ）方式のＥＧＲガス導入方法が採用されている。
【０００６】
このロープレーシャー方式のＥＧＲガス導入方法では、インタークーラ（吸気中間冷却器）に排気ガスの一部であるＥＧＲガスが流れ込むことになる。このインタークーラでは、走行風を用いて通過するガス（吸気又は吸気とＥＧＲガス）を冷却してその温度を大幅に低下させるために、インタークーラの内部において水の凝縮等が生じる。従って、インタークーラの内部にＥＧＲガスが流入する場合には、ＥＧＲガス中の成分が内部の凝縮水と反応して酸性物質が発生してインタークーラが腐食したり、ＥＧＲガス中の固体物質（ススなど）がインタークーラの内部に蓄積して目詰まりを起こしたりする等の問題がある。
【０００７】
このインタークーラ内におけるカーボン粒子の堆積対策として、機械式過給機をバイパスする通路にカーボン粒子捕獲用のフィルタを設けたり（例えば、特許文献１参照。）、ＥＧＲガス中の水分の凝縮対策として、機械式過給機の上流側のＥＧＲ通路接続部分から機械式過給機にわたる範囲の吸気通路を下流側ほど高さが低くなるように傾斜若しくは湾曲させ、その最低部に機械式過給機本体のケーシングの内底壁が位置するように配置したり（例えば、特許文献２参照。）することが行われている。しかしながら、排気ガス中の成分を変化あるいは除去しない限り、インタークーラにおける腐食を回避することは極めて難しい。
【０００８】
また、機械式過給機単体で高圧力比運転、即ち高過給運転を行う場合には、高過給運転時に必要となる必要駆動力が非常に大きくなり、燃費に多大な影響を及ぼすことと、高圧力比運転が構造上の問題で困難であること等から得策ではない。これに対しては、高過給運転を必要としているディーゼル機関で、機械式過給機と排気ターボ式過給機と組み合わせることが提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００９】
また、冷間始動時においては次のような問題がある。この冷間始動直後は排気系統の温度が低下しているため、排気ガスの冷却損失が多く、その分タービンに供給される熱量が低下し、排気温度が低下する。さらに、潤滑油温度も低下しているため、潤滑油の粘度が増加しており、過給機におけるフリクションの増加により作動効率、作動量は大幅に低下する。その結果、過給機によって得られる過給圧、過渡応答性は著しく低下する。また、冷間始動時においては、ＥＧＲガス増加による排ガス対策が十分とれず、排気ガスの特性が著しく悪化する。
【００１０】
この冷間始動時の排気ガス対策と暖機促進対策に対しては、排気系部品の肉厚を低減することによる熱容量の減少対策や排気管を２重管にすることによる保温対策などが実施されている。しかし、排気系の熱容量の低減や保温等の対策では、これらの冷間始動時の問題を根本的に解決することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平０７−３３２１６６号公報
【特許文献２】特開平０８−１７７６４６号公報
【特許文献３】特開平０７−９１２６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、外部駆動式過給機と排気ターボ式過給機を備えた内燃機関、及びそのＥＧＲ方法において、ＥＧＲガスによるインタークーラの腐食及び汚損を防止できると共に、内燃機関の冷間始動時に、排気ガス中に白煙が排出されることを抑制することができる内燃機関、及びそのＥＧＲ方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記のような目的を達成するための本発明の内燃機関は、内燃機関の吸気通路に上流側から順に排気ターボ式過給機のコンプレッサとインタークーラと外部駆動式過給機を備え、排気通路に前記排気ターボ式過給機のタービンを備えると共に、流量調整バルブを有して前記外部駆動式過給機を迂回するバイパス通路を備えた内燃機関において、前記タービンの上流側の排気通路と、前記インタークーラよりも下流側で、かつ、前記外部駆動式過給機よりも上流側の吸気通路を接続して構成される。
【００１４】
なお、この外部駆動式過給機は、排気ターボ式過給機のように、排気ガスのエネルギーから回転駆動力を得ずに、他の動力から駆動力を得る過給機のことを言い、この外部駆動式過給機としては、内燃機関の出力で駆動される機械式過給機と、内燃機関の出力で発電した電力で駆動される電動式過給機等があり、その構造に関しては、それぞれ容量型や遠心型がある。
【００１５】
この構成によれば、ＥＧＲガスがインタークーラ（吸気中間冷却器）を通過しないので、ＥＧＲガスによるインタークーラ内における凝縮水の発生や固体物質の堆積等の腐食及び汚損を防止できる。
【００１６】
また、外部駆動式過給機を内燃機関本体の直近に配置し、外部駆動式過給機から内燃機関本体までの吸気系配管の長さを減少させることができ、これにより、吸気系配管の熱容量を減少できるので、暖機が促進され、その結果、内燃機関の冷間作動時間が短縮されるので、冷間始動時における、排気ガス中への白煙の排出量を減少することができる。
【００１７】
また、上記の内燃機関において、前記排気ターボ式過給機の制御装置が、内燃機関の暖機状態を示す暖機指標温度が所定の判定温度以下のときに、前記排気ターボ式過給機のタービンを迂回する排気ガス量を増加させて、前記排気ターボ式過給機の作動を低下させる制御を行うように構成すると、外部駆動式過給機による過給運転の仕事量を増加させて、シリンダ内に吸気されるガスの温度を増加させることができ、暖機をより促進できる。また、排気ターボ式過給機の作動を低下させることで、このタービンにおける排気エネルギー回収量を低下させることが可能になるため、タービン出口温度を昇温でき、その結果、後流に接続される触媒システムの暖機も同時に促進できる。
【００１８】
この暖機指標温度としてはエンジン冷却水の温度、排気ガス温度、排気通路に設けられた排気ガス処理装置の触媒温度などがあり、また、排気ターボ式過給機のタービンを迂回する排気ガス量を増加させる方法としては、排気ターボ式過給機における、ＶＧＴ（可変容量型ターボ）のタービンブレードの開度（開口面積）、ウェストゲートバルブの開度、又はこれらに相当の排気バイパスバルブの開度を大きくする方法がある。
【００１９】
また、上記の内燃機関において、前記外部駆動式過給機よりも下流側に第２のインタークーラを設けると共に、バイパスバルブを有して前記第２のインタークーラを迂回する第２のバイパス通路を設けて構成する。この第２のインタークーラは、外部駆動式過給機よりも上流側に配置されるインタークーラよりも容量が小さく、配管系並びに冷却器体積を最小限に抑制可能な空冷型吸気冷却装置、又は、ＥＧＲガス汚染対策を考えなくてもよい既存のＥＧＲクーラのような水冷型の吸気冷却装置が好ましい。
【００２０】
そして、上記のような目的を達成するための本発明の内燃機関のＥＧＲ方法は、内燃機関の吸気通路に上流側から順に排気ターボ式過給機のコンプレッサとインタークーラと外部駆動型過給機を備え、排気通路に前記排気ターボ式過給機のタービンを備えると共に、流量調整バルブを有して前記外部駆動式過給機を迂回するバイパス通路を備えた内燃機関のＥＧＲ方法において、ＥＧＲガスを前記タービンの上流側から前記外部駆動式過給機の上流側に供給することを特徴とする方法である。
【００２１】
この方法によれば、ＥＧＲガスがインタークーラを通過しないので、ＥＧＲガスによるインタークーラ内における凝縮水の発生や固体物質の堆積等の腐食及び汚損を防止できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る内燃機関、及びそのＥＧＲ方法によれば、インタークーラにおける腐食と汚損の防止、内燃機関の冷間始動時における外部過給機による暖機促進による白煙の発生の抑制という効果を奏することができる。
【００２３】
つまり、ＥＧＲガスがインタークーラを通過しないので、ＥＧＲガス中の成分によるインタークーラの腐食及び汚損を回避できる。そのため、ＥＧＲガスによる汚損に対しての対策は、外部駆動式過給機に対してのみ実施すればよいことになる。従って、外部駆動式過給機におけるＥＧＲ導入対策とＥＧＲ汚損対策を両立させることが可能となり、大幅なコスト低減が可能となる。
【００２４】
また、外部駆動式過給機を内燃機関本体の直近に配置し、外部駆動式過給機から内燃機関本体までの吸気系配管の長さを減少させることができ、これにより、吸気系配管の熱容量を減少できるので、暖機が促進され、その結果、内燃機関の冷間作動時間が短縮されるので、冷間始動時における、排気ガス中への白煙の排出量を減少することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。
【図２】本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。
【図３】過渡過給特性の改善シミュレーション結果を示す図である。
【図４】吸気温度に対する昇温効果の評価値を示す図である。
【図５】圧縮端温度に対する昇温効果の評価値を示す図である。
【図６】排気温度に対する昇温効果の評価値を示す図である。
【図７】従来技術における機械式過給機を備えた内燃機関のハイプレッシャー方式のＥＧＲガス導入方法を示す図である。
【図８】従来技術における機械式過給機を備えた内燃機関のロープレッシャー方式のＥＧＲガス導入方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関、及びそのＥＧＲ方法について、図面を参照しながら説明する。
【００２７】
図１に示すように、本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関（以下、エンジンという）１は、エンジン本体１０の吸気マニホールド１０ａに連結されている吸気通路１１に上流側から順に排気ターボ式過給機１３のコンプレッサ１３ａとインタークーラ（吸気中間冷却器）１４と外部駆動式過給機１５を備え、また、排気マニホールド１０ｂに連結されている排気通路１２に排気ターボ式過給機１３のタービン１３ｂを備えて構成される。
【００２８】
更に、外部駆動式過給機１５を迂回するバイパス通路１６を設けて、このバイパス通路１６にバイパス通路１６を通過する吸気Ａの流量を調整できるように流量調整バルブ１６ａを配置する。また、ＥＧＲ通路１７を、タービン１３ｂの上流側の排気通路１２と、インタークーラ１４よりも下流側で、かつ、バイパス通路１６の分岐点１６ｂよりも上流側の吸気通路１１を接続して設け、このＥＧＲ通路１７にＥＧＲクーラ１７ａとＥＧＲ弁１７ｂを設ける。
【００２９】
排気ターボ式過給機１３は、タービン１３ｂを通過する排気ガスによってタービン１３ｂが回転駆動され、このタービン１３ｂの回転軸に連結されたコンプレッサ１３ｂが回転し、吸気Ａを圧縮して高圧にして過給する。この排気ターボ式過給機１３のタービン１３ｂには回転を制御するために、図示しないが、排気ガスＧの一部を迂回させるためのＶＧＴ（可変容量型ターボ）等のタービンブレードの開度（開口面積）やウェストゲートバルブやこれらに相当する排気バイパス通路と排気バイパスバルブを備えて形成される。なお、この排気ターボ式過給機１３に関しては、排気ターボ式過給機を一つだけでなく複数備えた多段過給システムで構成してもよい。
【００３０】
外部駆動式過給機１５は、排気ターボ式過給機１３のように、排気ガスＧのエネルギーから回転駆動力を得ずに、他の動力から駆動力を得る過給機であり、この外部駆動式過給機１５としては、エンジン１の出力で駆動される機械式過給機と、エンジン１の出力で発電した電力で駆動される電動式過給機等があり、その構造に関しては、それぞれ容量型や遠心型がある。
【００３１】
機械式過給機を採用する場合は、エンジン本体１０の出力軸と、通常のギア、あるいはベルト等（図示しない）で接続して駆動され、機械式過給機１５とエンジン本体１０の出力軸との間は、必要に応じて、無段階変速機などを使用して増速比を可変にしてもよく、また、これらの変速機を設けずに増速比一定にしてよい。なお、機械式過給機１５とエンジン１０の出力軸との間にクラッチ（図示しない）を設けて、機械式過給機１５をＯＮ／ＯＦＦ可能に構成する。また、電動式過給機を用いる場合には、エンジン側の発電機で発電される電気により電動式過給機１５の電動モータが駆動される。
【００３２】
そして、排気ターボ式過給機１３の回転制御、外部駆動式過給機１５のＯＮ／ＯＦＦ動作と増速比制御（変速機を設けた場合）、流量調整バルブ１６ａのＯＮ／ＯＦＦ動作と弁開度調整、ＥＧＲ弁１７ｂのＯＮ／ＯＦＦ動作と弁開度調整等を制御する制御装置（図示しない）を設ける。この制御装置は、通常は、エンジン１０の運転全般を制御するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる制御装置に組み込まれて構成される。
【００３３】
次に、本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関１Ａは、図２に示すように、第１の実施の形態の内燃機関１の構成に加えて、第２のインタークーラ（第２の吸気中間冷却装置）２０を外部駆動式過給機１５から吸気マニホールド１０ａまでの吸気配管１１ａに配置して構成する。この第２のインタークーラ２０は、インタークーラ１４よりも容量が小さく、配管系並びに冷却器体積を最小限にした構成とすることが好ましい。更に、この第２のインタークーラ２０には、第２のバイパス通路２１と第２のバイパスバルブ２１ａを設けて、暖機状態等の状態に応じて、第２のインタークーラ２０をバイパスさせて吸気混合気（吸気＋ＥＧＲガス：Ａ＋（Ｇｅ））を流すことができるように構成する。その他の構成は第１の実施の形態の内燃機関１の構成と同じである。
【００３４】
これらの構成のエンジン１、１ＡにおけるＥＧＲ方法は、排気ガスＧの一部であるＥＧＲガスＧｅを、タービン１３ｂの上流側から外部駆動式過給機１５の上流側に供給することで行われる。
【００３５】
次に、上記の構成のエンジン１、１Ａにおける制御方法について説明する。このエンジン１、１Ａでは、エンジン１、１Ａの暖機状態を示す暖機指標温度が所定の判定温度以下のときに、排気ターボ式過給機１３のタービン１３ｂを迂回する排気ガス量を増加させて、排気ターボ式過給機１３の作動を低下させる。
【００３６】
この排気ターボ式過給機１３のタービン１３ｂを迂回する排気ガス量を増加させる方法としては、排気ターボ式過給機１３のタービンブレードの開度、ウェストゲートバルブの開度、又はこれらに相当の排気バイパスバルブの開度を大きくする方法がある。
【００３７】
上記の構成のエンジン１、１Ａ、及びそのＥＧＲ方法によれば、ＥＧＲガスＧｅがインタークーラ１４を通過しないので、ＥＧＲガスＧｅによるインタークーラ１４内における凝縮水の発生や固体物質の堆積等の腐食及び汚損を防止できる。さらに、ＥＧＲガスＧｅによるインタークーラ１４の汚損を気にせず、外部駆動式過給機１５によって過給圧を確保することが可能となるため、ＥＧＲガス量及びＥＧＲ率の増加が可能となり、大幅な排気ガスＧの改善が可能となる。
【００３８】
また、このエンジン１、１Ａでは、外部駆動式過給機１５をエンジン本体１０の直近に配置し、外部駆動式過給機１５からエンジン本体１０までの吸気系配管１１ａの長さを減少させることができ、これにより、この吸気系配管１１ａの熱容量を減少できるので、暖機を促進してエンジン１、１Ａの冷間作動時間を短縮でき、冷間始動時における、排気ガスＧ中への白煙の排出を抑制することができる。また、この吸気系配管１１ａの長さの減少に伴いその内部容積も減少できるので、外部駆動式過給機１５の作動に伴う過給応答性を高めることができる。
【００３９】
更に、外部駆動式過給機１５の後流にインタークーラ１４が配置されないことで、あるいは、ＥＧＲガス汚損対策がなされた第２のバイパス通路２１付きで、小容量の第２のインタークーラ２０が配置された場合でも、第２のバイパス通路２１を使用することで、外部駆動式過給機１５による過給運転により上昇した吸気をそのままシリンダに供給できるので、シリンダ内に入る吸気の温度を上昇させることが可能となる。
【００４０】
また、この制御方法によれば、冷間始動時の冷間運転中は排気ターボ式過給機１３の作動を低下させるので、外部駆動式過給機１５による過給運転の仕事量を増加させて、積極的に吸気温度を増加させることができ、エンジン本体１０のシリンダ内に吸気されるガスＡ（又はＡ＋Ｇｅ）の温度を増加させることができる。その結果、シリンダ内の圧縮端温度が上昇するので、ＣＯやＨＣの発生を抑制できる。
【００４１】
また、外部駆動式過給機１５の駆動エネルギーは最終的にエンジン１、１Ａの軸出力から得るエネルギーであるため、外部駆動式過給機１５の仕事を増やすことは、燃料噴射量の増加を意味し、それは同時に排気温度と排気エネルギーの増加を意味する。従って、排気温度を高めることができ、暖機を促進できる。
【００４２】
冷間始動時には、これに加えて、排気ターボ式過給機１３の作動を低下させることで、タービン１３ｂにおける排気ガスＧの熱エネルギーの消費量が低下することから、タービン１３ｂの後流における排気ガスＧの温度の低下を防ぐことができる。そのため、触媒系の早期活性化も期待できる。
【００４３】
図３に、図７と図８の従来例のインタークーラ１４の配置と、図１におけるインタークーラ１４の配置において、外部駆動式過給機１５に対する吸気系体積の変化が過渡性能に及ぼす特性を評価するために「過渡過給特性の改善度合い」をシミュレーション計算した結果を示す。図３は、機関回転速度一定、かつ、ＥＧＲが０％の条件下で、図３の横軸の０（ゼロ）秒数より燃料噴射量を増量し、機械式過給機を作動開始した場合の過給圧を示す。本発明の排気ターボ式過給機１３に加えて外部駆動式過給機１５を用いた場合の実施例Ａは、図７や図８の外部駆動式過給機１５単独の場合の従来例Ｂに比べて、速やかに過給圧が増加していることが分かる。
【００４４】
図４〜図６に、図１の構成の内燃機関１における、吸気温度、圧縮端温度、排気温度に対する昇温効果の評価値を示す。この評価値は、５０％機関回転速度、５０％負荷、ＥＧＲ０％の一定条件のもとで、例Ｃは、ターボ式過給器１３のタービン１３ｂのタービンブレード１００％開度で、更にウェストゲートを全開し機械式過給機１５を作動して過給した場合を示し、例Ｄはタービン１３ｂのタービンブレード１００％開度で機械式過給機を作動して過給した場合を示し、例Ｅは排気ターボ式過給機１３のみで過給した場合を示す。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の内燃機関、そのＥＧＲ方法及びその制御方法は、ＥＧＲガスによるインタークーラの腐食及び汚損を防止できると共に、内燃機関の冷間始動時に、排気ガス中に白煙が排出されることを抑制することができるので、自動車搭載等の内燃機関、そのＥＧＲ方法及びその制御方法として使用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１、１Ａ、１Ｘ，１Ｙ  エンジン（内燃機関）
１０  エンジン本体
１１  吸気通路
１２  排気通路
１３  排気ターボ式過給機
１４  インタークーラ（吸気中間冷却器）
１５  外部駆動式過給機
１６  バイパス通路
１６ａ  流量調整バルブ
１７  ＥＧＲ通路
２０  第２のインタークーラ（第２吸気中間冷却器）
２１  第２のバイパス通路
２１ａ  第２のバイパスバルブ
Ａ  吸気
Ｇ  排気ガス
Ｇｅ  ＥＧＲガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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