JP2005069205A - 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】 燃費の低下を抑制しつつ、排気を低公害化させる。
【解決手段】 排気マニホールド６ａと吸気マニホールド８ａとを連通するＥＧＲ通路１９に空冷式のＥＧＲクーラ２２を介装するとともに、ＥＧＲ通路１９を通過する排気により駆動しＥＧＲクーラ２２に強制的に送風するブロワ２０を設ける。これにより、ＥＧＲ通路１９を通過して還流する排気が効率よく冷却されるので、エンジン１の吸気温度が上昇することを抑制し、排気中の窒素酸化物を充分に低減させることができる。このとき、ブロワ２０を駆動するのに、ＥＧＲ通路１９を通過する排気が利用されるので、エンジン出力又はバッテリを使用する必要がなく、燃費の低下を抑制することができる。また、排気の一部が還流することによって、エンジン１の背圧が低下し、ポンピング損失が低下するので、エンジン出力及び燃費の低下を抑制することができる。
【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、エンジン出力及び燃費の低下を抑制しつつ、排気を低公害化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、高温、高圧の排気が吸気系に還流するので、吸気が高温になってしまい、エンジンの燃焼温度の低下が抑制され、窒素酸化物が低減しにくくなってしまう。このため、吸気系に還流される排気をＥＧＲクーラによって冷却する技術が公知となっているが、ＥＧＲクーラをエンジン冷却水で冷却する方式では、ラジエータの負荷が大きくなってしまう。また、ＥＧＲクーラの冷却効率を向上させるために、ブロアにより外気をＥＧＲクーラに強制的に送風すると、ブロアを駆動するためのエネルギーが必要となり、燃費が低下してしまう。

また、ターボコンパウンドエンジンでは、排気が複数のタービンを通過するため、エンジンの背圧が高くなってしまう。このため、ポンピング損失が大きくなり、特に低負荷時ではエンジン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。
本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、エンジン出力及び燃費の低下を抑制しつつ、排気の温度を効率よく低下させて排気を低公害化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、排気通路と吸気通路とを連通する排気還流通路に空冷式の冷却手段を介装するとともに、前記排気還流通路を通過する排気により駆動し前記冷却手段に強制的に送風する送風手段を設けたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、前記送風手段は、外気を導入して前記冷却手段に送風するブロワと、前記排気還流通路を通過する排気により回転し、前記ブロワを回転駆動させるブロワ駆動用タービンと、を含んで構成されていることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、前記ブロワ駆動用タービンは、前記冷却手段の上流側の排気還流通路に設けられたことを特徴とする。

請求項４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５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１記載の発明によれば、送風手段により冷却手段に外気が強制的に送風されることによって、冷却手段の冷却効率が向上するので、排気還流通路を通過して還流する排気が効率よく冷却され、エンジンの吸気温度が上昇することが抑制される。このとき、送風手段を駆動するのに、排気還流通路を通過する排気が利用されるので、エンジン出力又はバッテリを使用する必要がない。また、排気通路から吸気通路へ排気の一部が還流するので、エンジンの背圧が低下し、ポンピング損失が低下する。従って、エンジン出力及び燃費を抑制しつつ、排気中の窒素酸化物が充分に低減され、排気を低公害化することができる。更に、冷却手段の冷却効率が向上するので、冷却手段を小型化して設置スペースを低減させることもできる。

請求項２記載の発明によれば、排気還流通路を通過する排気により駆動し冷却手段に送風する送風手段を容易に構成することができる。
請求項３記載の発明によれば、排気還流通路を通過して還流する排気は、冷却手段を通過する前にブロワ駆動用タービンを通過する。これにより、ブロワ駆動用タービンを高圧の排気が通過するので、効率よくブロワ駆動用タービンが回転し、ブロワの出力を向上させることができる。

請求項４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５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。

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、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、ターボチャージャ１０を構成する高圧タービン１４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。

排気通路６の最上流に設けられた排気マニホールド６ａと、吸気通路８の最下流に設けられた吸気マニホールド８ａとは、ＥＧＲ通路１９（排気還流通路）により連通している。ＥＧＲ通路１９には、排気通路６側から順番に、ブロワ２０が連結されたブロワ駆動用タービン２１、空冷式のＥＧＲクーラ２２（冷却手段）及びＥＧＲバルブ２３（可変絞り弁）が介装されている。ブロワ駆動用タービン２１は、ＥＧＲ通路１９を通過する排気により回転し、ブロワ２０を回転駆動させる。ブロワ２０は、エアクリーナ９により不純物が取り除かれた吸気の一部を導入し、ＥＧＲクーラ２２に強制的に送風する。なお、ブロワ２０及びブロワ駆動用タービン２１は、送風手段に該当する。ＥＧＲクーラ２２は、ＥＧＲ通路１９を流通する排気を冷却する。ＥＧＲバルブ２３は、マイクロコンピュータを内蔵したコントローラ２５（制御手段）からの信号により、ＥＧＲ通路１９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２６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２７と、が設けられている。コントローラ２５は、回転速度センサ２６及び負荷センサ２７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２３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２５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、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。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。

エンジン１から排出された排気の一部は、排気マニホールド６ａからＥＧＲ通路１９に流入し、ブロワ駆動用タービン２１を通過する。これにより、ブロワ駆動用タービン２１が回転し、ブロワ２０が回転駆動される。ブロワ駆動用タービン２１を通過した排気は、タービン２１で膨張する際に温度低下するとともに、ＥＧＲクーラ２２を通過することによって更に冷却されて、吸気マニホールド８ａに還流する。ブロワ２０は、回転駆動することにより、エアクリーナ９を通過して不純物が取り除かれた吸気の一部を導入し、ＥＧＲクーラ２２に強制的に送風する。これにより、ＥＧＲクーラ２２から効率的に放熱されるので、ＥＧＲクーラ２２の冷却効率が向上し、吸気マニホールド８ａに還流する排気が効率よく冷却される。このようにして、低温になった排気が吸気系に還流するので、エンジン１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。このとき、ブロワ２０を駆動するのに、還流する排気が利用されるので、エンジン出力又はバッテリを使用する必要がない。これにより、燃費の低下を抑制することができる。また、ＥＧＲクーラ２２の冷却効率が向上するので、ＥＧＲクーラ２２を小型化して設置スペースを低減させることができる。更に、ブロワ駆動用タービン２１は、ＥＧＲクーラ２２の上流側のＥＧＲ通路１９に設けられたので、ブロワ駆動用タービン２１を高圧の排気が通過する。これにより、ブロワ駆動用タービン２１が効率よく回転し、ブロワ２０の出力を向上させることができる。

また、排気マニホールド６ａから吸気マニホールド８ａへ排気の一部が還流するので、エンジン１の背圧が低下し、ポンピング損失が低下する。これにより、エンジン出力及び燃費の低下を抑制することができる。
また、回転速度センサ２６及び負荷センサ２７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２５は、ＥＧＲ通路１９に介装されたＥＧＲバルブ２３を作動制御し、ＥＧＲ通路１９の流路断面積を増減させる。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。

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
６ａ 排気マニホールド
８ 吸気通路
８ａ 吸気マニホールド
１０ ターボチャージャ
１１ コンプレッサ
１４ 高圧タービン
１９ ＥＧＲ通路
２０ ブロワ
２１ ブロワ駆動用タービン
２２ ＥＧＲクーラ
２３ ＥＧＲバルブ
２６ 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、
   排気通路と吸気通路とを連通する排気還流通路に空冷式の冷却手段を介装するとともに、前記排気還流通路を通過する排気により駆動し前記冷却手段に強制的に送風する送風手段を設け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. 前記送風手段は、
   外気を導入して前記冷却手段に送風するブロワと、
   前記排気還流通路を通過する排気により回転し、前記ブロワを回転駆動させるブロワ駆動用タービンと、
   を含んで構成されている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. 前記ブロワ駆動用タービンは、前記冷却手段の上流側の排気還流通路に設けられたことを特徴とする請求項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乃至３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。
5. 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４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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