JP2005069092A - ターボコンパウンドエンジンの排気還流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ターボコンパウンドエンジンの、排気の低公害化と、出力及び燃費の向上と、を同時に実現させる。
【解決手段】 高圧タービン１４と低圧タービン３との間の排気通路６と、コンプレッサ１１の上流側の吸気通路８と、をＥＧＲ通路１８を介して連通させる。これにより、高圧タービン１４を通過した排気の一部は、ＥＧＲ通路１８を通過して、コンプレッサ１１の上流側の吸気通路８に還流するので、コンプレッサ１１によって圧縮される前の吸気と、低圧タービン３によって背圧がかかった排気との圧力差によって、排気還流が効率よく行われる。また、エンジン１の排気の全てが、高圧タービン１４を通過するので、排気エネルギーが効率よく高圧タービン１４に伝達され、高圧タービン１４の出力が向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ターボコンパウンドエンジンに設けられた排気還流装置において、排気の低公害化と、エンジンの出力及び燃費の向上と、を同時に実現させる技術に関する。

従来から、特開平９−２２２０２６号公報（特許文献１）に記載されているようなターボコンパウンドエンジンが提案されている。かかるターボコンパウンドエンジンは、ターボチャージャと排気エネルギー回収装置とを有している。ターボチャージャは、排気系に設けられたタービンと、このタービンに連結されるとともに吸気系に設けられたコンプレッサと、を含んで構成されており、排気によりタービンが回転することによってコンプレッサが回転しエンジンへの吸気を過給させる。排気エネルギー回収装置は、ターボチャージャの下流の排気系に更にタービンを設け、排気により回転するこのタービンの回転力をエンジンの出力軸に伝達する。これらにより、ターボコンパウンドエンジンは、出力及び燃費が向上する。

また、エンジンの排気の一部を吸気マニホールドに戻し、これを一種の不活性気体として燃焼温度を下げることで、排気中の窒素酸化物の低減を図る排気還流装置が知られている。
特開平９−２２２０２６号公報

ところで、このような排気還流装置は、排気マニホールド内と吸気マニホールド内との圧力差を利用して、排気の一部を吸気系に還流する構成であるため、ターボコンパウンドエンジンに排気還流装置を設けると、次のような問題点があった。即ち、ターボチャージャの効率が高い場合には、吸気マニホールド内の圧力が、排気マニホールド内の圧力より高くなってしまい、排気を吸気系に還流させることができなくなってしまう恐れがある。

また、このような排気還流装置は、排気が還流された場合には、排気の一部が高圧タービンを通過しなくなるので、ターボチャージャの出力を低下させてしまい、エンジンの出力及び燃費を低下させてしまうという問題点があった。
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、高圧タービンと低圧タービンとの間の排気通路からコンプレッサの上流側の吸気通路に排気を還流させることによって、排気の低公害化と、エンジンの出力及び燃費の向上と、を同時に実現させる、ターボコンパウンドエンジンの排気還流装置を提供することを目的とする。

このため、請求項１記載の発明は、排気エネルギーにより吸気を過給するターボチャージャを有するとともに、前記ターボチャージャの高圧タービンを通過した後の排気により低圧タービンを回転させることによって排気のエネルギーを回収するターボコンパウンドエンジンにおいて、前記高圧タービンと低圧タービンとの間の排気通路と、前記ターボチャージャのコンプレッサの上流側の吸気通路と、を排気還流通路を介して連通させたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、前記高圧タービンの上流側の排気通路に、酸化触媒を介装したことを特徴とする。
請求項３記載の発明は、前記排気還流通路の流路断面積を増減させる可変絞り弁と、前記エンジンの運転状態に基づいて、前記可変絞り弁の作動制御を行う制御手段と、を有することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、前記制御手段は、前記エンジンの回転速度及び負荷に基づいて、前記可変絞り弁の作動制御を行うことを特徴とする。
請求項５記載の発明は、前記排気還流通路内を流通する排気を冷却する冷却手段を有することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、高圧タービンを通過した排気の一部は、排気還流通路を通過して、コンプレッサの上流側の吸気通路に還流する。これにより、コンプレッサによって圧縮される前の吸気と、低圧タービンによって背圧がかかった排気との圧力差によって、排気還流が効率よく行われるので、エンジンの吸気に大量の排気が還流して、エンジンの燃焼温度が低下し、排気中の窒素酸化物を低減させることができる。また、ターボコンパウンドエンジンの排気の全てが、高圧タービンを通過するので、排気エネルギーが効率よく高圧タービンに伝達され、高圧タービンの出力が向上する。これにより、ターボチャージャによる過給効果が向上し、エンジンの出力及び燃費を向上させることができる。

請求項２記載の発明によれば、排気還流通路を通過して吸気通路に還流される排気は、あらかじめ酸化触媒を通過するので、排気に含まれる一酸化炭素や炭化水素が酸化除去される。これにより、コンプレッサやその下流に設けられたインタークーラ等の機器の内部が還流された排気によって汚染されることを抑制できる。また、エンジンの排気は高圧タービンを通過する前に酸化触媒に供給されるので、酸化触媒に供給される排気の温度低下が抑制される。これにより、酸化触媒はエンジンの始動直後から短時間で高温になって活性化するので、排気中の一酸化炭素や炭化水素をすぐに効率よく除去することができる。

請求項３記載の発明によれば、エンジンの運転状態に基づいて排気還流通路の流路断面積が増減するので、最適な排気還流を行うことができる。
請求項４記載の発明によれば、エンジンの回転速度及び負荷に基づいて、可変絞り弁の作動制御が行なわれるので、エンジンの制御等を行うために設けられているセンサを流用して排気還流の制御を行うことができる。

請求項５記載の発明によれば、排気還流通路を流通する排気が冷却されるので、排気が低温となってエンジンの吸気に還流する。これにより、エンジンの燃焼温度がより低下するので、排気中の窒素酸化物をより低減することができる。

以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明の実施例の構成図である。
ターボコンパウンドエンジン（以下エンジンという）１は、エネルギー回収装置２を有している。エネルギー回収装置２は、低圧タービン３、減速装置４及び流体継手５を含んで構成されている。低圧タービン３は、エンジン１の排気通路６に介装され、排気通路６内を通過する排気により回転する。減速装置４は、低圧タービン３の回転を減速する。流体継手５は、エンジン１の回転変動によるエンジン１の出力軸７と減速装置４との間の相対変位を吸収しつつ、減速装置４からエンジン１の出力軸７へ回転力を伝達する。これにより、エネルギー回収装置２は、排気エネルギーを回収してエンジン１の回転エネルギーに用いることによって、エンジン１の熱効率を向上させることができる。

エンジン１の吸気通路８には、上流より、外気から塵埃等の不純物を取り除くエアクリーナ９、ターボチャージャ１０を構成するコンプレッサ１１及び吸気を冷却するインタークーラ１２が介装されている。
一方、低圧タービン３の上流側の排気通路６には、上流より順番に、排気中の一酸化炭素や炭化水素を酸化させて除去する酸化触媒１３と、ターボチャージャ１０を構成する高圧タービン１４と、が介装されている。更に、低圧タービン３の下流側の排気通路６には、排気を消音するマフラ１５が介装されている。

高圧タービン１４と低圧タービン３との間の排気通路６と、コンプレッサ１１とエアクリーナ９との間の吸気通路８とは、ＥＧＲバルブ１６（可変絞り弁）及びＥＧＲクーラ１７（冷却手段）を介装したＥＧＲ通路１８（排気還流通路）により連通している。ＥＧＲバルブ１６は、マイクロコンピュータを内蔵したコントローラ１９（制御手段）からの信号により、ＥＧＲ通路１８の流路断面積を増減させる。

エンジン１には、回転速度を検出する回転速度センサ２０と、燃料供給量、吸入空気流量、又は吸入負圧等の負荷を検出する負荷センサ２１と、が設けられている。コントローラ１９は、回転速度センサ２０及び負荷センサ２１からエンジン１の回転速度及び負荷を入力して、ＥＧＲ流量を演算し、このＥＧＲ流量に基づいてＥＧＲバルブ１６をデューティ制御する。なお、このＥＧＲ流量の演算は、あらかじめコントローラ１９に、エンジン１の回転速度及び負荷に対応したＥＧＲ流量を設定したマップを記憶させておき、このマップから、エンジン１の回転速度及び負荷に対応したＥＧＲ流量を読み出すことによって行われる。

次に、このようなエンジン１の排気還流装置の動作について説明する。
エンジン１から排出された排気は、まず酸化触媒１３を通過することによって、排気中の一酸化炭素や炭化水素が酸化除去される。エンジン１の排気は高圧タービン１４を通過する前に酸化触媒１３に供給されるので、酸化触媒１３に供給される排気の温度低下が抑制される。これにより、酸化触媒１３はエンジン１の始動直後から短時間で高温になって活性化するので、排気中の一酸化炭素や炭化水素をすぐに効率よく除去することができる。

酸化触媒１３を通過した排気は、高圧タービン１４に供給される。これにより、高圧タービン１４が回転し、コンプレッサ１１が回転駆動する。エンジン１の排気は、全て高圧タービン１４を通過するので、排気エネルギーが効率よく高圧タービン１４に伝達され、高圧タービン１４の出力が向上する。これにより、ターボチャージャ１０による吸気の過給効果が高められ、エンジン１の出力が向上する。

高圧タービン１４を通過した排気は、低圧タービン３を通過した後、マフラ１５を通過して大気中へ放出される。低圧タービン３は、この排気により回転駆動する。低圧タービン３の回転は、減速装置４により減速され、流体継手５を介してエンジン１の回転変動を吸収しつつ、エンジン１の出力軸７に伝達される。これにより、エンジン１の排気エネルギーが回収されエンジン１の回転エネルギーに用いられるので、エンジン１の出力及び燃費が向上する。

一方、エアクリーナ９に吸い込まれた外気は、エンジン１の吸気として、エアクリーナ９により塵埃等の不純物が除去された後、コンプレッサ１１により圧縮される。この圧縮された吸気は、高温となるが、インタークーラ１２を通過することによって冷却される。これにより、吸気の体積が減少し、エンジン１の吸気効率が向上する。インタークーラ１２にて冷却された吸気は、エンジン１に供給される。

更に、高圧タービン１４を通過した排気の一部は、ＥＧＲ通路１８を通過して、コンプレッサ１１の上流側の吸気通路８に還流する。これにより、コンプレッサ１１によって圧縮される前の吸気と、低圧タービン３によって背圧がかかった排気との圧力差によって、排気還流が効率よく行われるので、エンジン１の吸気に大量の排気が還流して、エンジン１の燃焼温度を低下させ、排気中の窒素酸化物を低減させることができる。なお、ＥＧＲ通路１８を通過して還流する排気は、酸化触媒１３により一酸化炭素や炭化水素が除去されるので、コンプレッサ１１やその下流に設けられたインタークーラ１２の内部が汚染することが抑制される。

また、回転速度センサ２０及び負荷センサ２１により夫々検出されたエンジン１の回転速度及び負荷に基づいて、コントローラ１９は、ＥＧＲバルブ１６を作動制御する。これにより、エンジン１の制御等を行うために設けられているセンサを流用して、最適な排気還流を行うことができる。
更に、ＥＧＲ通路１８に、ＥＧＲクーラ１７を設けたので、ＥＧＲ通路１８を通過する排気は冷却され、低温となってエンジン１の吸気に還流する。これにより、エンジン１の燃焼温度がより低下するので、排気中の窒素酸化物をより低減することができる。

本発明の実施例におけるターボコンパウンドエンジンの排気還流装置の構成図

符号の説明

１ ターボコンパウンドエンジン
３ 低圧タービン
６ 排気通路
８ 吸気通路
１０ ターボチャージャ
１１ コンプレッサ
１３ 酸化触媒
１４ 高圧タービン
１６ ＥＧＲバルブ
１７ ＥＧＲクーラ
１８ ＥＧＲ通路
１９ コントローラ

Claims (5)

1. 排気エネルギーにより吸気を過給するターボチャージャを有するとともに、前記ターボチャージャの高圧タービンを通過した後の排気により低圧タービンを回転させることによって排気のエネルギーを回収するターボコンパウンドエンジンにおいて、
   前記高圧タービンと低圧タービンとの間の排気通路と、前記ターボチャージャのコンプレッサの上流側の吸気通路と、を排気還流通路を介して連通させたことを特徴とするターボコンパウンドエンジンの排気還流装置。
2. 前記高圧タービンの上流側の排気通路に、酸化触媒を介装したことを特徴とする請求項１に記載のターボコンパウンドエンジンの排気還流装置。
3. 前記排気還流通路の流路断面積を増減させる可変絞り弁と、
   前記ターボコンパウンドエンジンの運転状態に基づいて、前記可変絞り弁の作動制御を行う制御手段と、
   を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のターボコンパウンドエンジンの排気還流装置。
4. 前記制御手段は、前記ターボコンパウンドエンジンの回転速度及び負荷に基づいて、前記可変絞り弁の作動制御を行うことを特徴とする請求項３に記載のターボコンパウンドエンジンの排気還流装置。
5. 前記排気還流通路内を流通する排気を冷却する冷却手段を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載のターボコンパウンドエンジンの排気還流装置。

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