JP2005061256A - 排気ガス再循環装置およびこれを備えたターボコンパウンドエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 圧力損失の影響を少なくして効率的に給気でき、吸気側に戻す排気ガスの流量を増加させてＥＧＲ効果を大幅に向上させることができる排気ガス再循環装置の提供。【解決手段】ターボコンパウンドエンジン用のタービンの排気抵抗によって排気圧を吸気圧よりもはるかに大きくし、ＥＧＲ装置のエジェクタ装置１４にあっては、この排気ガスをエジェクタ装置１４の絞り２５で絞って吸気の外周側において高速で噴出させ、この際のエジェクタ効果によって吸気を引き入れる。このため、吸気の流れを低圧にして排気ガスを引き入れる必要がないから、吸気側での圧力損失が発生せず、また、吸気流通部２１の内壁側を通過する吸気の流速を増加させて吸気流量を増加させるので、吸気効率を大幅に向上させることができる。しかも、排気ガスを圧力の低い吸気側に効率よく流入するため、排ガスの流量増大も実現でき、ＮＯｘ低減等も確実に実現できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、排気ガス再循環装置およびこれを備えたターボコンパウンドエンジンに関する。

従来より、ターボチャージャー付きのディーゼルエンジン等においては、排気ガスの一部を吸気側に戻して再循環させる排気ガス再循環装置（以下、ＥＧＲ装置という場合がある。ＥＧＲは、Ｅxhaust Ｇas Ｒecirculation の略称である。）が設けることが知られており、ＥＧＲ装置で戻された排気ガスによって燃焼室内での燃焼温度を下げ、ＮＯｘの発生を抑制している。
このような排気ガス再循環装置によれば、排気通路内から排気循環路へと分岐して戻される排気ガスの圧力は、ターボチャージャーで過給された吸気の圧力よりも低いために、排気ガスを吸気側に良好に戻すためには、吸気側の圧力をベンチュリ等によって一端低くして流速を上げ、この際のエジェクタ効果によって排気ガスを吸気通路に引き入れている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−１６５００２号公報（段落番号００１６、図２）

しかし、特許文献１に記載の技術では、吸気側の圧力を下げて排気ガス側の圧力を相対的に上昇させることにより、排気ガスを吸気通路内に引き入れるため、吸気の圧力を下げることで圧力損失が生じてしまい、吸気流量を十分に確保できない可能性がある。勿論、より下流側では、ある程度の圧力回復が見込まれるのであるが、やはり完全に回復させることは困難であり、圧力損失による影響は避けられない。

しかも、ベンチュリ先端から噴出される吸気の速度分布は中央側で最も速く、外周側に近づくほど遅くなり、ベンチュリ内の壁面との境界部分では０「ゼロ」になる。つまり、吸気の流速によって排気ガスをベンチュリの外周側から引き入れる特許文献１では、吸気の比較的遅い流れを利用して排気ガスを引き入れることになるため、引き入れられる排気ガスの流量（ＥＧＲ流量）も少なく、ＮＯｘ低減効果も思いの外期待できない。

本発明の目的は、圧力損失による影響を少なくして効率的に給気できるとともに、吸気側に戻す排気ガスの流量を増加させてＥＧＲ効果を大幅に向上させることができる排気ガス再循環装置およびこれを備えたターボコンパウンドエンジンを提供することにある。

本発明の請求項１の排気ガス再循環装置は、排気過給機が設けられたエンジンの排気通路から排気ガスを抽出して吸気通路に環流させる再循環通路と、前記排気通路内の排気ガスの圧力を前記吸気通路内の吸気の圧力よりも高める圧力上昇手段と、前記再循環通路および前記吸気通路の接合部位に設けられるとともに、前記抽出された排気ガスを吸気流通部分の外周側から流れ方向の下流側に向かって吸気流速より速い流速で噴出させるエジェクタ装置とを備えていることを特徴とする

本発明の請求項２の排気ガス再循環装置は、請求項１に記載の排気ガス再循環装置において、前記エジェクタ装置の下流側には、流れ方向の下流側に向かって徐々に拡径する拡径管路部が設けられていることを特徴とする。

本発明の請求項３の排気ガス再循環装置は、請求項１または請求項２に記載の排気ガス再循環装置において、当該排気ガス最循環装置はターボコンパウンドエンジンに装着され、前記圧力上昇手段は、前記排気過給機の下流側に設けられた前記ターボコンパウンドエンジン用のタービンであることを特徴とする。

本発明の請求項４の排気ガス再循環装置を備えたターボコンパウンドエンジンでは、前記排気ガス再循環装置は、排気過給機が設けられたターボコンパウンドエンジンの排気通路から排気ガスを抽出して吸気通路に環流させる再循環通路と、前記再循環通路および前記吸気通路の接合部位に設けられるとともに、前記抽出された排気ガスを吸気流通部分の外周側から流れ方向の下流側に向かって吸気流速より速い流速で噴出させるエジェクタ装置とを備え、排気通路を流れる排気ガスの一部は、前記排気過給機の上流側から前記エジェクタ装置に導かれ、前記排気ガスの残りは、前記排気過給機を通って前記ターボコンパウンドエンジン用のタービンに導かれることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、圧力上昇手段によって排気ガスの圧力が吸気の圧力よりもはるかに大きくされ、この排気ガスをエジェクタ装置で絞って吸気の外周側において高速で噴出させ、この大きな流速を利用したエジェクタ効果によって吸気を引き入れる。このため、吸気の流れをベンチュリで絞った後のエジェクタ効果で排気ガスを引き入れる従来に比べると、吸気の流れを絞るベンチュリが不要であるために、吸気側での圧力損失が殆ど生じない。従って、吸気側でのエネルギロスが少なくなり、効率的な給気が行われる。加えて、本発明のエジェクタ効果によれば、吸気流速の遅い外周側において積極的に吸気を引き入れることになるので、吸気通路部分の内壁側を通過する吸気の流速が増して吸気流量が各段に増大し、この点でも吸気効率が大幅に向上する。なお、排気ガスを高速で噴出させるための絞りにより、排気ガス側で圧力損失が生じるものの、排気ガスがもとより大きな圧力を有しているために、損失度合いは非常に小さいうえ、損失分の圧力回復も確実に行われ、さほど問題にならない。
また、圧力上昇手段によって圧力が高められた排気ガスは、圧力の低い吸気側に効率よく流入可能であり、排ガスの流量増大も確実に図られ、ＮＯｘ低減等のＥＧＲ効果も確実に得られるようになる。
以上により、本発明の目的が達成される。

請求項２の発明によれば、エジェクタ装置の下流側に拡径管路部を設けるので、排気ガス側での圧力損失も回復される。特に噴出前の排気ガスの圧力が高いことにより、圧力回復も一層確実に行われ、実質的な損失分は極めて少ない。また、圧力回復が確実に行われることで、給気圧も高く維持され、ポンピングロスが減って燃費が低減する。

請求項３の発明によれば、ターボコンパウンドエンジンにもともと備わっているタービンを圧力上昇手段として用いることで、排気過給機の上流側での排気ガスの圧力が確実に上昇させるため、圧力上昇手段を別途設ける必要がなくて構造が簡略化され、経済的である。また、排気過給機の下流側に排気絞り等を設けることで、排気過給機上流での排気ガスの圧力を上昇させることも可能であるが、このような排気絞りの下流側では、圧力を回復させることにあまり意味がないため、圧力損失分が全てエネルギロスとなり、無駄となる。これに対して本発明では、タービンを回転させてエンジン出力をアシストするから、排気ガスのエネルギが無駄に消費されることがない。

請求項４の発明によれば、請求項１および請求項３の構成を備えた排気ガス循環装置を備えているため、前述したように、圧力損失による影響を少なくして効率的に給気できるとともに、空気側に戻す排気ガスの流量を増加させてＥＧＲ効果を大幅に向上させることができ、やはり本発明の目的が達成される。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係るターボコンパウンドエンジン１を示す概略構成図である。
ターボコンパウンドエンジン１は、ターボチャージャ（排気過給機）２を通って排出される排気ガスでタービン３を駆動して排気エネルギを回転エネルギに変換し、この回転エネルギを減速用のギアトレイン４，５および流体継手６を介してエンジン本体７のクランクシャフトに戻し、戻されたエネルギでエンジン本体７の出力をアシストするものである。このようなターボコンパウンドエンジン１には、ＮＯｘ低減用のＥＧＲ装置８が設けられている。

このＥＧＲ装置８は、エンジン本体７の排気マニホールド２０とターボチャージャ２のタービン９側とを連通させる排気通路１０から排気ガスの一部を抽出し、抽出された排気ガスを再循環通路１１を通して吸気通路１２の途中（具体的にはアフタクーラ１７の下流側）に戻すものであって、当該再循環通路１１と、この途中に設けられたＥＧＲバルブ１３と、このＥＧＲバルブ１３を制御する図示しないコントローラと、再循環通路１１および吸気通路１２の接合部分に設けられたエジェクタ装置１４とを含んで構成されている。

また、このようなＥＧＲ装置８を備えたターボコンパウンドエンジン１においては、エネルギ変換用のタービン３での排気抵抗により、排気通路１０（ターボチャージャ２を構成するタービン９の上流側）内の排気ガスの圧力が上昇し、その圧力は吸気通路１２（ターボチャージャ２を構成する圧縮機１５の下流側）を流れる過給された吸気の圧力よりもはるかに大きい。すなわち、本実施形態では、タービン３が本発明に係る圧力上昇手段を構成しているのである。従って、ＥＧＲ用に抽出された排気ガスは、再循環通路１１を通って高圧側から低圧側へと戻されることになり、流れがよりスムーズとなって大きなＥＧＲ量が得られる。

以下には、ＥＧＲ装置８を構成するエジェクタ装置１４について、図２を参照して詳説する。
エジェクタ装置１４は、圧縮機１５側からの吸気通路１２の途中に取り付けられており、吸気通路１２と同径の吸気流通部２１を備えている。この吸気流通部２１の外周側には二重管構造となるように排気導入部２２が設けられている。そして、排気導入部２２および吸気流通部２１間に形成された導入空間２４と再循環通路１１とが連通し、排気通路１０を流れる排気ガスの一部がターボチャージャ２の上流側からこの導入空間２４に導かれる。これら吸気流通部２１および排気導入部２２は、上流側のフランジ部２３で一体とされ、このフランジ部２３が吸気通路１２側のフランジ部１６にボルト止め等されている。

導入空間２４の下流側には、全周にわたって連続した絞り２５が形成されており、導入空間２４に導かれた排気ガスは、この絞り２５から（吸気流通部２１の外周から）吸気の流れ方向の下流側に向かって高速で噴出し、エジェクタ効果が生じる。すなわち、吸気流通部２１の下流端から流出する吸気は、排気ガスの高速噴出により引き出されるのである。従って、ベンチュリからの吸気の噴出によって排気ガスを引き出す特許文献１の技術とは、この点で大きく異なる。

この際、吸気流通部２１の下流端での吸気の速度部分布は、ＥＧＲ装置８が機能していない場合では、図中に一点鎖線で示すように、中央側の流速が速く、吸気流通部２１の内壁に近づくに従って０「ゼロ」となるのであるが、ＥＧＲ装置８を機能させて吸気の流速よりも速い流速で排気ガスを噴出させると、速度の遅い外周側の吸気がより効果的に引き出されるために、排気ガスと混合された吸気の速度分布は、図中に二点鎖線で示すように、外周側でより高速化され、効果的に改善される。この結果、吸気流通部２１から流出する吸気流量が各段に増大する。

さらに、排気導入部２２の下流側には、流れ方向の下流に向かって拡開した拡径管路部２６が一体に設けられており、絞り２５下流側において圧力回復が図られている。拡径管路部２６の下流端の開口面積は、絞り２５による排気側での圧力損失の度合いを勘案して設定されればよく、特に限定されるものではないが、吸気流通部２１の下流端の開口面積を１とすると、１：４〜２５程度であり、断面視での片側の拡がり角度θは、４〜１０°程度である（本実施形態では１０°）。

ただし、このような拡径管路部２６は、排気ガスが高圧であることで圧力損失の度合いが問題とならない場合には、適宜に省略可能である。つまり、積極的に圧力回復を行わず、吸気マニホールド１９に通じる吸気通路１２内において徐々に回復させてもよい。

そして、拡径管路部２６の下流端にもフランジ部２７が設けられ、このフランジ部２７には吸気マニホールド１９側の吸気通路１２に設けられたフランジ部（図示略）がボルト止め等される。

なお、以上に説明したＥＧＲ装置８付きのターボコンパウンドエンジン１では、排気通路１０から再循環通路１２に分岐せずにそのままターボチャージャ２に流入する排気ガスは、このターボチャージャ２を駆動した後、エネルギ変換用のタービン３に導かれ、マフラーあるいはマフラーを兼用した排気ガス浄化装置１８を通って排気される。

このような本実施形態によれば、以下の効果がある。
（１）すなわち、ターボコンパウンドエンジン１で用いられたＥＧＲ装置８では、エネルギ変換用のタービン３によって排気ガスの圧力が吸気の圧力よりもはるかに大きくされ、この排気ガスをエジェクタ装置１４の絞り２５で絞って吸気の外周側において高速で噴出させ、この大きな流速を利用したエジェクタ効果によって吸気を引き入れる。このため、吸気の流れをベンチュリで絞った後のエジェクタ効果で排気ガスを引き入れる従来に比べると、吸気の流れを絞るベンチュリが不要であるために、吸気側での圧力損失が殆ど生じない。従って、吸気側でのエネルギロスを少なくでき、効率的な給気を実現でき、燃費も改善できる。

（２）加えて、エジェクタ装置１４でのエジェクタ効果によれば、吸気流速の遅い外周側において積極的に吸気を引き入れるので、吸気流通部２１の内壁側を通過する吸気の流速を増加させて吸気流量を各段に増大でき、この点でも吸気効率を大幅に向上させることができる。しかも、排気ガスの噴出方向は、吸気の流れに略沿って下流側に向いているため、吸気の流れを乱すことがなく、効率的な吸気を実現できる。

（３）また、タービン３によって圧力が高められた排気ガスは、圧力の低い吸気側に効率よく流入するため、排ガスの流量増大も確実に図ることができ、ＮＯｘ低減等のＥＧＲ効果も確実に得ることができる。

（４）さらに、エジェクタ装置１４の下流側には拡径管路部２６が設けられているので、絞り２５による排気ガス側での圧力損失も良好に回復させることができる。そして、噴出前の排気ガスの圧力が高い本実施形態では、圧力回復を一層確実に行うことができ、実質的な損失分を極めて少なくでききる。また、圧力回復が確実に行われることで、給気圧も高く維持できるから、ポンピングロスを減らして燃費をより低減できる。

（５）そして、ターボコンパウンドエンジン１にもともと必須のタービン３を圧力上昇手段として用いることで、ターボチャージャ２の上流側での排気ガスの圧力を確実に上昇させるため、圧力上昇手段を別途設ける必要がなくて構造を簡略化でき、経済的である。また、ターボチャージャ２の下流側にタービン３を設けることにより、タービン３を回転させてエンジン出力をアシストでき、排気ガスのエネルギが無駄に消費されるのを防止できて、出力を効率よく向上させることができる。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば前記実施形態では、エジェクタ装置１４の絞り２５が、吸気の流れ方向の下流側に向かって開口していたが、下流の僅かに中央側に向けて開口させてもよい。ただし、中央側に向き過ぎると、吸気の流れをかえって阻害するので、排気ガスが吸気の流れに略沿って噴出される向きに開口させるのが望ましい。

また、排気導入部２２や導入空間２４の形状等は、その実施にあたって任意に決められてよく、前記実施形態で説明した形状等に限定されない。例えば前記実施形態での導入空間２４は、吸気流通部２１の外周側において、その全周にわたり連続して下流側に開口していたが、全周のうちの半周、あるいはその他の任意の領域のみで開口させてもよく、全周にわたって開口している必要はない。また、全周にわたって開口している場合でも、連続して開口している必要はなく、全周の開口領域を３分割や４分割など、複数の開口領域に分割し、よって全周にわたって不連続に開口させてもよい。

前期実施形態では、本発明に係る圧力上昇手段としてタービン３を用いていたが、エンジンがターボコンパウンドエンジンではない場合には、任意の圧力上昇手段を別途設けることができる。

その他、本発明を実施するための最良の構成などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
従って、上記に開示した形状などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

本発明は、自動車用エンジンや建設機械用エンジンに利用できる他、鉄道気動車用のエンジン、船舶用エンジン、あるいは発電機を駆動するためのエンジン等にも利用できる。

本発明の一実施形態に係るターボコンパウンドエンジンを示す概略構成図。 排気ガス再循環装置に用いられるエジェクタ装置を示す断面図。

符号の説明

１…ターボコンパウンドエンジン、２…ターボチャージャ（排気過給機）、３…タービン（圧力上昇手段）、８…ＥＧＲ装置（排気ガス再循環装置）、１０…排気通路、１１…再循環通路、１２…吸気通路、１４…エジェクタ装置、２６…拡径管路部。

Claims (4)

1. 排気ガス再循環装置（８）において、
   排気過給機（２）が設けられたエンジン（１）の排気通路（１０）から排気ガスを抽出して吸気通路（１２）に環流させる再循環通路（１１）と、
   前記排気通路（１０）内の排気ガスの圧力を前記吸気通路（１２）内の吸気の圧力よりも高める圧力上昇手段（３）と、
   前記再循環通路（１１）および前記吸気通路（１２）の接合部位に設けられるとともに、前記抽出された排気ガスを吸気流通部分の外周側から流れ方向の下流側に向かって吸気流速より速い流速で噴出させるエジェクタ装置（１４）とを備えている
   ことを特徴とする排気ガス再循環装置（８）。
2. 請求項１に記載の排気ガス再循環装置（８）において、
   前記エジェクタ装置（１４）の下流側には、流れ方向の下流側に向かって徐々に拡径する拡径管路部（２６）が設けられている
   ことを特徴とする排気ガス再循環装置（８）。
3. 請求項１または請求項２に記載の排気ガス再循環装置（８）において、
   当該排気ガス最循環装置（８）はターボコンパウンドエンジン（１）に装着され、
   前記圧力上昇手段（３）は、前記排気過給機（２）の下流側に設けられた前記ターボコンパウンドエンジン（１）用のタービン（３）である
   ことを特徴とする排気ガス再循環装置（８）。
4. 排気ガス再循環装置（８）を備えたターボコンパウンドエンジン（１）において、
   前記排気ガス再循環装置（８）は、排気過給機（２）が設けられたターボコンパウンドエンジン（１）の排気通路（１０）から排気ガスを抽出して吸気通路（１２）に環流させる再循環通路（１１）と、前記再循環通路（１１）および前記吸気通路（１２）の接合部位に設けられるとともに、前記抽出された排気ガスを吸気流通部分の外周側から流れ方向の下流側に向かって吸気流速より速い流速で噴出させるエジェクタ装置（１４）とを備え、
   排気通路（１０）を流れる排気ガスの一部は、前記排気過給機（２）の上流側から前記エジェクタ装置（１４）に導かれ、
   前記排気ガスの残りは、前記排気過給機（２）を通って前記ターボコンパウンドエンジン（１）用のタービン（３）に導かれる
   ことを特徴とする排気ガス再循環装置を備えたターボコンパウンドエンジン（１）。

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