(57)【要約】      （修正有）【課題】２ステージターボエンジンに低圧ループＥＧＲ装置を組み込む際の低圧ループＥＧＲ通路の長さをできるだけ短縮する。【解決手段】排気の流入を受けて回転する第一のターボ過給機６の排気タービン６２と、第一のターボ過給機の排気タービンにより駆動される第一のターボ過給機のコンプレッサ６１と、第一のターボ過給機の排気タービンよりも下流にあり、かつ下方に位置した第二のターボ過給機５の排気タービン５２と、吸気通路３における第一のターボ過給機のコンプレッサよりも上流にあり、かつ下方に位置した第二のターボ過給機の排気タービンにより駆動されて吸気を圧縮する第二のターボ過給機のコンプレッサ５１と、第二のターボ過給機の排気タービンよりも下流の所定箇所と第二のターボ過給機のコンプレッサよりも上流の所定箇所とを接続する低圧ループＥＧＲ通路とを構成した。【選択図】図２
2017180154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒から排出される排気の流入を受けて回転する第一のターボ過給機の排気タービンと、
前記第一のターボ過給機の排気タービンにより駆動されて気筒に充填するべき吸気を圧縮する第一のターボ過給機のコンプレッサと、
排気通路における前記第一のターボ過給機の排気タービンよりも下流にあり、かつ第一のターボ過給機の排気タービンよりも下方に位置し、排気の流入を受けて回転する第二のターボ過給機の排気タービンと、
吸気通路における前記第一のターボ過給機のコンプレッサよりも上流にあり、かつ第一のターボ過給機のコンプレッサよりも下方に位置し、第二のターボ過給機の排気タービンにより駆動されて吸気を圧縮する第二のターボ過給機のコンプレッサと、
排気通路における前記第二のターボ過給機の排気タービンよりも下流の所定箇所と吸気通路における前記第二のターボ過給機のコンプレッサよりも上流の所定箇所とを接続する低圧ループＥＧＲ通路と
を具備する内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ターボ過給機及び低圧ループＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が付随する内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用の内燃機関として、排気ターボ過給機を備えたターボエンジンが公知である。ターボ過給機は、内燃機関の排気通路側に配置した駆動タービンと、吸気通路側に配置したコンプレッサとを同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、排気が持つ残存エネルギを利用してタービンひいてはコンプレッサのインペラ（コンプレッサホイール）を回転させ、コンプレッサにポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒に送り込むことができる。
【０００３】
近時では、容量の相異なる二基のターボ過給機を併用する２ステージターボ（シーケンシャルターボ）エンジンも開発されている（例えば、下記特許文献１を参照）。直列式の２ステージターボシステムでは、比較的大容量のターボ過給機と比較的小容量のターボ過給機とを直列に接続し、エンジン回転数の高い運転領域において前者を用いて吸気の過給を行い、エンジン回転数の低い運転領域においては後者を用いて吸気の過給を行う。
【０００４】
また、気筒内での混合気の燃焼温度を低下させてＮＯxの排出量を削減しつつ、ポンピングロスの低減を図るＥＧＲ装置が公知である。ＥＧＲ装置は、排気経路と吸気経路とをＥＧＲ通路を介して連通させ、気筒内で発生する燃焼ガスの一部をＥＧＲ通路経由で吸気経路に還流させて吸気に混入するものである。
【０００５】
ターボ過給機の排気タービン及び排気浄化装置を通過した後の排気ガスを吸気通路に還流させるものが、低圧ループＥＧＲである（例えば、下記特許文献２を参照）。低圧ループＥＧＲは、比較的低温かつ多量のＥＧＲガスを吸気に混入できる点で有利である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１２／０８１０６２号パンフレット
【特許文献２】特開２０１４−０８８７８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
２ステージターボエンジンに低圧ループＥＧＲ装置を組み込むとき、排気通路と吸気通路とを繋ぐ低圧ループＥＧＲ通路がどうしても長くなる。具体例として、第一のターボ過給機のタービン及びコンプレッサを各気筒の排気ポート及び吸気ポートが存在するシリンダヘッド付近に配置し、第二のターボ過給機のタービン及びコンプレッサを第一のターボ過給機のそれよりも上方に位置づけることを考える。第二のターボ過給機のタービンを出た排気を浄化するための排気浄化装置を内燃機関のシリンダブロックまたはクランクケースの高さに位置づける場合、排気浄化装置の出口は第二のターボ過給機よりもかなり下に位置することとなる。このため、排気通路における排気浄化装置の下流側から、吸気通路における第二のターボ過給機のコンプレッサの上流側まで、低圧ループＥＧＲ通路の配管を持ち上げるように引き回さなければならなくなる。ＥＧＲの経路長が長いことは、気筒に充填される吸気のＥＧＲ率（ＥＧＲガスが吸気に占める割合）の制御の即応性、応答性の低下につながる。
【０００８】
あるいは、第一のターボ過給機と第二のターボ過給機とを同等の高さに位置づけるとしても、両ターボ過給機のコンプレッサ間を接続する吸気通路の配管が長くなり、その分だけＥＧＲの経路長が長くなることから、やはり吸気のＥＧＲ率の制御の遅れを招いてしまう。
【０００９】
以上の問題に着目してなされた本発明は、２ステージターボエンジンに低圧ループＥＧＲ装置を組み込む際の低圧ループＥＧＲ通路の長さをできるだけ短縮することを所期の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、気筒から排出される排気の流入を受けて回転する第一のターボ過給機の排気タービンと、前記第一のターボ過給機の排気タービンにより駆動されて気筒に充填するべき吸気を圧縮する第一のターボ過給機のコンプレッサと、排気通路における前記第一のターボ過給機の排気タービンよりも下流にあり、かつ第一のターボ過給機の排気タービンよりも下方に位置し、排気の流入を受けて回転する第二のターボ過給機の排気タービンと、吸気通路における前記第一のターボ過給機のコンプレッサよりも上流にあり、かつ第一のターボ過給機のコンプレッサよりも下方に位置し、第二のターボ過給機の排気タービンにより駆動されて吸気を圧縮する第二のターボ過給機のコンプレッサと、排気通路における前記第二のターボ過給機の排気タービンよりも下流の所定箇所と吸気通路における前記第二のターボ過給機のコンプレッサよりも上流の所定箇所とを接続する低圧ループＥＧＲ通路とを具備する内燃機関を構成した。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、２ステージターボエンジンに低圧ループＥＧＲ装置を組み込む際の低圧ループＥＧＲ通路の長さを短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態の車両用内燃機関の構成を模式的に示す図。
【図２】同実施形態の内燃機関の排気ターボ過給機及び排気浄化装置の位置関係を示す正面図。
【図３】同実施形態の内燃機関の排気ターボ過給機及び排気浄化装置の位置関係を示す側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を模式的に示す。本実施形態の内燃機関は、例えばディーゼルエンジンやＨＣＣＩ（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ−Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）エンジン等のような圧縮着火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の燃焼室の天井部には、当該気筒１の燃焼室内に直接に燃料を噴射するインジェクタ１１を設置している。また、各気筒１の吸気ポート近傍に、グロープラグ（余熱プラグ）１２及びスワールコントロールバルブ１３を設けている。
【００１４】
吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、第二のターボ過給機５のコンプレッサ５１、第一のターボ過給機６のコンプレッサ６１、水冷式インタクーラ３５、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３及び吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。
【００１５】
排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２、第一のターボ過給機６の排気タービン６２、第二のターボ過給機５の排気タービン５２及び排気浄化装置４１を、上流からこの順序に配置している。排気浄化装置４１は、排気に含まれる粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌ）を漉し取るフィルタ（Ｐｒａｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｆｉｌｔｅｒ）や、有害物質の酸化または還元を促す触媒を包含する既知のものである。
【００１６】
排気ターボ過給機５、６は、排気タービン５２、６２とコンプレッサ５１、６１のインペラとをシャフトを介して同軸で連結し、連動するように構成したものである。そして、タービン５２、６２及びコンプレッサ５１、６１のインペラを排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサにポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。
【００１７】
本実施形態の内燃機関は、ターボ過給機５、６を二基備える、いわゆる２ステージターボ（シーケンシャルターボ）エンジンである。第一のターボ過給機６は、エンジン回転数が比較的低い運転領域で仕事をする低速用ターボ過給機である。他方、第二のターボ過給機５は、エンジン回転数が比較的高い運転領域で仕事をする高速用ターボ過給機である。低速用ターボ過給機６の容量は、高速用ターボ過給機５の容量と比較して小さい。
【００１８】
吸気通路３においては、低速用ターボ過給機６のコンプレッサ６１を迂回する吸気バイパス通路３６を設け、かつこの吸気バイパス通路３６の出口を開閉するバルブ３７を設置している。バルブ３７は、吸気バイパス通路３６を流通する吸気の流量を制御する。高速用ターボ過給機５のコンプレッサ５１を迂回する吸気バイパス通路は、存在しない。
【００１９】
さらに、排気通路４においても、低速用ターボ過給機６のタービン６２を迂回する排気バイパス通路４３、及び高速用ターボ過給機５のタービン５２を迂回する排気バイパス通路４４を設けており、かつこれら排気バイパス通路４３、４４のそれぞれの入口を開閉する排気バイパスバルブ４５、４６を設置している。バルブ４５は排気バイパス通路４３を流通する排気の流量を制御し、バルブ４６は排気バイパス通路４４を流通する排気の流量を制御する。排気バイパスバルブ４５、４６は、ＷＧＶ（Ｗａｓｔｅ  Ｇａｔｅ  Ｖａｌｖｅ）と呼称されることもある。
【００２０】
バルブ３７、４６は、負圧アクチュエータ３７１、４６１を使用したＶＳＶ（Ｖａｃｃｕｍ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  Ｖａｌｖｅ）である。負圧アクチュエータ３７１、４６１はダイヤフラム式アクチュエータであり、そのダイヤフラムの一方の面には負圧及び内蔵のスプリングによる弾性付勢力が、他方の面には大気圧が加わる。負圧は、バキュームポンプ９１から供給される。バキュームポンプ９１は、一定の大きさの負圧を発生させる。ダイヤフラム式アクチュエータ３７１、４６１とバキュームポンプ９１とを接続する管路上にはそれぞれ、電磁ソレノイドバルブ３７２、４６２を設置している。ダイヤフラム式アクチュエータ３７１、４６１のダイヤフラムの一方の面に実際に作用する負圧の大きさは、電磁ソレノイドバルブ３７２、４６２の開度に応じて変化する。そして、バルブ３７、４６の開度は、ダイヤフラムの両面に作用する負圧及び大気圧の差圧と、ダイヤフラムを弾性付勢するスプリングの弾性付勢力との差に応じて変化する。つまり、電磁ソレノイドバルブ３７２、４６２の開度の操作を通じて、バルブ３７、４６の開度を操作することが可能である。
【００２１】
これに対し、バルブ４５は、電磁バルブであるＥＶＲＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ  Ｖａｌｖｅ）である。
【００２２】
外部ＥＧＲ装置２、７は、排気通路４を流れる排気の一部を吸気通路３に還流して吸気に混交せしめるものである。本実施形態の内燃機関は、ＥＧＲ装置２、７を二基備える。ＥＧＲ装置２は、いわゆる低圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における排気浄化装置４１の下流側を吸気通路３における高速用ターボ過給機５のコンプレッサ５１の上流側に連通させるＥＧＲ通路２１と、当該ＥＧＲ通路２１を開閉するＥＧＲバルブ２２とを要素に含む。ＥＧＲバルブ２２は、ＥＧＲ通路２１を流通する低圧ループＥＧＲガスの流量を制御する。
【００２３】
ＥＧＲ装置７は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における低速用ターボ過給機６のタービン６２の上流側を吸気通路３におけるインタクーラ３５の下流側に連通させるＥＧＲ通路７１と、当該ＥＧＲ通路７１を開閉するＥＧＲバルブ７２とを要素に含む。ＥＧＲバルブ７２は、ＥＧＲ通路７１を流通する高圧ループＥＧＲガスの流量を制御する。
【００２４】
加えて、排気通路４における、低圧ループＥＧＲ通路２１の接続箇所よりも下流の箇所に、排気絞りバルブ４７を設置している。低圧ループＥＧＲ通路２１が接続している吸気通路のコンプレッサ５１の上流側の圧力は、当該コンプレッサ５１による過給の度合いに応じて変動する。その結果として、低圧ループＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量が変化する。排気絞りバルブ４７は、ＥＧＲバルブ２２とともに、低圧ループＥＧＲガスの流量、ひいては気筒１に充填される吸気に占めるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率を目標値に収束させるために機能する。
【００２５】
本実施形態の内燃機関を制御する制御装置であるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。
【００２６】
ＥＣＵ０の入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求されるエンジントルクまたは負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３のサージタンク３３内の（即ち、気筒１に流入する）吸気の温度及び圧力（過給圧）を検出する吸気温・吸気圧センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号ｅ、吸気通路３の最上流即ちエアクリーナ３１の下流かつ低圧ループＥＧＲ通路２１の接続箇所の上流における新気の流量及び温度を検出するエアフローメータ・新気温センサから出力される新気流量・温度信号ｆ、吸気通路３のコンプレッサ５１の下流かつコンプレッサ６１の上流における吸気の圧力（高速用ターボ過給機５による過給圧）を検出する吸気圧センサから出力される吸気圧信号ｇ、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｈ等が入力される。
【００２７】
ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｉ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｊ、ＥＧＲバルブ２２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ７２に対して開度操作信号ｌ、ＶＳＶ３７の開閉駆動を司る電磁ソレノイドバルブ３７２に対して開度操作信号ｍ、ＥＶＲＶ４５に対して開度操作信号ｎ、ＶＳＶ４６の開閉駆動を司る電磁ソレノイドバルブ４６２に対して開度操作信号ｏ、排気絞りバルブ４７に対して開度操作信号ｐ等を出力する。
【００２８】
ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに、気筒１に充填される吸気（新気）量に見合った燃料噴射量を推算する。また、それとともに、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）、ターボ過給機５、６による過給の目標過給圧等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、ｎ、ｏ、ｐを出力インタフェースを介して印加する。
【００２９】
しかして、図２及び図３に示すように、本実施形態の内燃機関では、第一のターボ過給機たる低速用ターボ過給機のタービン６２及びコンプレッサ６１を、各気筒１の排気ポート及び吸気ポートが存在するシリンダヘッド付近に配置するとともに、第二のターボ過給機たる高速用ターボ過給機５のタービン５２及びコンプレッサ５１を、低速用ターボ過給機のタービン６２及びコンプレッサ６１よりも下方に配置している。
【００３０】
気筒１の排気ポートを出た排気は、排気マニホルド４２から低速用ターボ過給機６のタービン６２に流入する。このタービン６２を出た排気は、次いで高速用ターボ過給機５のタービン５２に流入し、さらには排気浄化装置４１に流入する。排気浄化装置４１は、タービン５２よりも下方、内燃機関のシリンダブロックまたはクランクケースの高さ位置にあって、その上方にある入口がタービン５２の出口と接続し、上方から下方に向けて排気を流通させる。その過程で、排気に混入しているＰＭを除去するとともに、有害物質を無害化、特にＮＯxを還元する。浄化処理された排気は、排気浄化装置４１の下方にある出口から排出された後、その一部がＥＧＲガスとして低圧ループＥＧＲ通路２１経由で還流する。その低圧ループＥＧＲガスは、吸気通路３における高速用ターボ過給機５のコンプレッサ５１の上流側に至る。
【００３１】
高速用ターボ過給機５のタービン５２及びコンプレッサ５１がそれぞれ、低速用ターボ過給機６のタービン６２及びコンプレッサ６１よりも低位置にあることから、排気通路４における排気浄化装置４１の下流にある低圧ループＥＧＲ通路２１の入口と、吸気通路３におけるコンプレッサ５１の上流にある低圧ループＥＧＲ通路２１の出口との距離が縮小する。ひいては、低圧ループＥＧＲ通路２１の長さが短縮される。
【００３２】
図３に示しているように、排気マニホルド４２から低速用ターボ過給機６のタービン６２までの間の流路は上方に向かって湾曲しており、タービン６２の入口が排気マニホルド４２（または、気筒１の排気ポート）よりも高位置にある。また、図３中に矢印で表しているように、本実施形態では、低速用ターボ過給機６のタービン６２の回転方向と、高速用ターボ過給機５のタービン５２の回転方向とを互いに逆に設定している。これにより、気筒１から排出された排気が前者のタービン６２及び後者のタービン５２を順次スムーズに流れるようになる。
【００３３】
本実施形態では、気筒１から排出される排気の流入を受けて回転する第一のターボ過給機６の排気タービン６２と、前記第一のターボ過給機６の排気タービン６２により駆動されて気筒１に充填するべき吸気を圧縮する第一のターボ過給機６のコンプレッサ６１と、排気通路４における前記第一のターボ過給機６の排気タービン６２よりも下流にあり、かつ第一のターボ過給機６の排気タービン６２よりも下方に位置し、排気の流入を受けて回転する第二のターボ過給機５の排気タービン５２と、吸気通路３における前記第一のターボ過給機６のコンプレッサ６１よりも上流にあり、かつ第一のターボ過給機６のコンプレッサ６１よりも下方に位置し、第二のターボ過給機５の排気タービン５２により駆動されて吸気を圧縮する第二のターボ過給機５のコンプレッサ５１と、排気通路４における前記第二のターボ過給機５の排気タービン５２よりも下流の所定箇所と吸気通路３における前記第二のターボ過給機５のコンプレッサ５１よりも上流の所定箇所とを接続する低圧ループＥＧＲ通路２１とを具備する内燃機関を構成した。
【００３４】
本実施形態によれば、２ステージターボエンジンに低圧ループＥＧＲ装置２を組み込む際の低圧ループＥＧＲ通路２１の長さが短縮され、吸気のＥＧＲ率の制御の遅れを緩和ないし回避することができる。
【００３５】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、車両等に搭載される内燃機関に適用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１…気筒
２１…低圧ループＥＧＲ通路
３…吸気通路
４…排気通路
５…高速用ターボ過給機
５１…コンプレッサ
５２…タービン
６…低速用ターボ過給機
６１…コンプレッサ
６２…タービン
【図１】
2017180154.tif 000003
【図２】
2017180154.tif 000004
【図３】
2017180154.tif 000005