JP2005299615A

JP2005299615A - ターボ過給エンジンのｅｇｒシステム

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Publication number: JP2005299615A
Application number: JP2004121097A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Endo; 浩之遠藤; Seiichi Ibaraki; 誠一茨木; Takeshi Nakai; 毅中井
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-04-16
Filing date: 2004-04-16
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2024-04-16
Also published as: JP4108061B2

Abstract

【課題】ターボ過給エンジンにおいて、エンジン給気管やタービン排気管に絞り弁を設けることなくＥＧＲ率を運転範囲の全域で高めることができるとともに、ＮＯｘやＳＯｘ等の酸性物質を含み腐食作用がある排気ガスが通る給気サイドの構成部品であるコンプレッサや冷却器を最小限に限定することができるＥＧＲシステムを提供すること。
【解決手段】ターボ過給機を備えた過給エンジンにおいて、ターボ過給機は同軸上に吸入空気用コンプレッサとともにＥＧＲ用コンプレッサを備え、前記ターボ過給機の排気タービン後流側の排気管路から分岐する分岐管路を前記ＥＧＲ用コンプレッサ吸入口に連結し、該ＥＧＲ用コンプレッサの吐出口と前記吸入空気用コンプレッサの吐出口をエンジンの給気入口に連結した。また低圧、高圧コンプレッサを備えた２段圧縮ターボ過給エンジンにおいて、ＥＧＲガスは高圧コンプレッサのみを通るように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明はターボ過給機を備えた往復動内燃機関におけるＥＧＲ（排気再循環）システムに関する。

往復動内燃機関ではシリンダ内における燃焼温度が高いために有害物質であるＮＯｘの発生量が多く、その低減対策としてＥＧＲ（排気再循環）が従来から行われている。ターボ過給エンジンのＥＧＲシステムにおいては、タービン上流側の排気ガスの一部をＥＧＲ弁、ＥＧＲクーラを介してコンプレッサ後流側に還流させる高圧ループ式排気循環システム（ＨＰＬ−ＥＧＲシステム）が多く採用されている。
ターボ過給エンジンの場合、エンジン給気圧がエンジン排気圧よりも高い時があり、ＨＰＬシステム場合、ＥＧＲガスの給気管への合流部より上流に給気を絞るスロットル弁を設けて前記合流部における給気圧を下げてＥＧＲガスが入り易くする必要があるが、そうするとスロットル弁の絞りによりエンジンへの給気圧が低下し、エンジン性能が低下するという問題がある。

これを解消する方法として、タービンを出た排気ガスの一部をコンプレッサ吸入口に導いて吸入空気に混入するＬＰＬ−ＥＧＲシステムがあるが、このＬＰＬシステムの場合、排気ガスがコンプレッサを通ることになるので、コンプレッサの材料の腐食の問題が生じる。また、ＥＧＲガスを冷却器を通して冷却してコンプレッサに吸入させるとしても、ＥＧＲガス量を増加する場合はコンプレッサの温度が高くなり、コンプレッサ材料の耐熱性の問題も生じる。

これら、従来のＨＰＬ−ＥＧＲシステムを図５に、ＬＰＬ−ＥＧＲシステムを図６に、概略構成図で示す。図５、６において、１０１はエンジン、１０２はターボ過給機で排気タービン１０２ａとコンプレッサ１０２ｂが軸１０２ｃ上に設けられている。１０３はＥＧＲ冷却器、１０４はＥＧＲ弁、１０５は逆止弁、１０６は給気冷却器、１０７は前記ＥＧＲ弁１０４の開度をエンジンの回転数、負荷に応じて制御しＥＧＲ率を調節するコントローラである。
図５のＨＰＬ−ＥＧＲシステムの場合は、前述したように、給気圧を下げてＥＧＲガスが入り易くするためにＥＧＲガスの給気管への合流部より上流にスロットル弁１０８が設けられているが、図６のＬＰＬ−ＥＧＲシステムの場合はこのスロットル弁は設けられていない。

図５のＨＰＬシステムにおいては、タービン１０２ａの上流側でエンジン排気の一部が分岐してＥＧＲ冷却器１０３、ＥＧＲ弁１０４、及び逆止弁１０５を介してエンジン給気管に合流する。一方、外気はコンプレッサ１０２ｂに吸込まれて圧縮され、給気冷却器１０６、スロットル弁１０６を通って冷却されエンジン１に供給される。
ターボ過給エンジンでは、エンジン給気圧はエンジン排気圧よりも高いときが多いので、前記スロットル弁１０８の開度を調節して給気圧を下げ、ＥＧＲガスが給気管に導入されるようにする。このような従来技術では、ＥＧＲガスはコンプレッサ１０２ｂを通らないので、従来のコンプレッサをそのまま使用できる反面、前記スロットル弁を絞った際にエンジン給気圧が下がり、エンジン性能が低下する欠点がある。したがって、ＥＧＲ率を増大するにはエンジン性能低下の犠牲が伴うことになる。

図６のＬＰＬシステムでは、排気タービン１０２ａを出た排気ガスの一部がＥＧＲ冷却器１０３、ＥＧＲ弁１０４、及び逆止弁１０５を介してコンプレッサ１０２ｂに吸入され、ＥＧＲガスはコンプレッサで吸入空気に混合して給気冷却器１０６を通って冷却され、エンジン１０１に供給される。
このような従来技術では、ＥＧＲ率を増大することは容易であるが、ＮＯｘやＳＯｘ等の酸性物質を含むＥＧＲガスがコンプレッサ１０２ｂ及び給気冷却器１０６を通ることになるので、コンプレッサ材料及び給気冷却器材料については腐食に対する考慮を払う必要が生じる。

ターボ過給エンジンの排気再循環システムとして、コンプレッサ羽根車の背面にＥＧＲガスを圧縮する羽根を設け、タービン上流側でエンジン排気の一部を分岐して前記ＥＧＲガス圧縮用羽根部に導き、圧縮されたＥＧＲガスを前記コンプレッサで圧縮された給気とミキサで混合して吸気マニフォールドに導入するシステムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１のシステムによれば、コンプレッサ羽根車の背面にＥＧＲガス圧縮用の羽根を設けることによりターボ過給機の軸方向長さの増大を最小限に抑えてＥＧＲガス圧縮用の羽根を設けることができ、さらにミキサによる効果的な混合によりシリンダ毎のＥＧＲガスの混合割合の変動を最小限に抑えることができるとしている。

また、ターボ過給エンジンにおいて、コンプレッサで圧縮された給気で空気タービンを駆動し、該空気タービン軸に連結されたコンプレッサでＥＧＲガスを圧縮するシステムが開示されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２のシステムによれば、給気は前記空気タービンで膨張し、温度が下がるので、ＥＧＲガスを含む給気の温度が低くなり、燃焼温度が低くなってＮＯｘの排出量が減少するとしている。

さらに、二段ターボ過給エンジンにおける排気再循環システムとして、一段目の排気タービンと二段目の排気タービンの間の排気ガスの一部を一段目のコンプレッサの吸入口に導くシステムが開示されている（例えば、特許文献３参照）。
かかるシステムにおいては、前記のような構成により、一段目タービン後流側から排気ガスの一部を分岐して一段目コンプレッサの吸入口に導いていた従来構成では該分岐部よりも後流に設けられていた絞り弁を削除することが可能となり、ＥＧＲ率を制御するのに、従来二つの弁を制御していたものを一つの弁の制御で済み、しかも従来前記絞りにより相当高いものとなっていたタービン背圧を下げることができて、エンジンを向上することができるとしている。

特表２００２−５１４２８５号公報特開２０００−８９６３号公報実開平５−６９３６４号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたシステムでは、ＥＧＲガスを圧縮する羽根は給気を圧縮するコンプレッサの背面に形成されているので、コンプレッサの寿命はＥＧＲガスによる腐食環境に曝されるＥＧＲガス圧縮羽根の寿命によって決まる等の問題を内包している。
また、特許文献２に開示されたシステムでは、ＥＧＲガス圧縮用のコンプレッサが前記空気タービンにより駆動されるので、ＥＧＲガス用コンプレッサ駆動用の空気タービンを要するうえに、その駆動効率が低くなることは避けられない。さらに、特許文献３に開示されたシステム構成では、ＥＧＲガスは一段目と二段目の両コンプレッサを通ることになり、両コンプレッサともＥＧＲガス中の酸性物質に対する腐食対策を講じる必要がある。

したがって本発明の目的は、ターボ過給エンジンにおいて、エンジン給気管やタービン排気管に絞り弁を設けることなくＥＧＲ率を運転範囲の全域で高めることができるとともに、ＮＯｘやＳＯｘ等の酸性物質を含み腐食作用がある排気ガスが通る給気サイドの構成部品であるコンプレッサや冷却器を限定することができるＥＧＲシステムを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、ターボ過給機を備えた過給エンジンにおいて、前記ターボ過給機は同軸上に吸入空気用コンプレッサとともにＥＧＲ（排気ガス再循環）ガスを圧縮するＥＧＲ用コンプレッサを備え、前記ターボ過給機の排気タービン後流側の排気管路から分岐する分岐管路を前記ＥＧＲ用コンプレッサの吸入口に連結し、該ＥＧＲ用コンプレッサの吐出口と前記吸入空気用コンプレッサの吐出口とをエンジンの給気入口に連結したことを特徴とするターボ過給エンジンのＥＧＲシステムを提案する。

このように構成されたＥＧＲシステムでは、排気タービンで膨張して低圧になった排気ガスの一部が分岐されてＥＧＲガス用コンプレッサで圧縮されて昇圧された後に、エンジン給気入口で吸入空気用コンプレッサからの空気と混合してエンジンに吸入される。
この場合、ＥＧＲガス用のコンプレッサホイールの材質を耐熱、耐腐食性材料とすればよく、吸入空気用コンプレッサは従来の材料でよい。
かかる発明において、排気タービン後流から分岐されたＥＧＲガスは低圧ＥＧＲガス冷却器で冷却され、ＥＧＲ弁で流量が調節されてＥＧＲガス用コンプレッサに吸入され、該ＥＧＲガス用コンプレッサから吐出された後にさらに高圧ＥＧＲ冷却器で冷却してエンジン給気入口に送入するようにする。
このようにＥＧＲガスを冷却することにより、エンジン給気へのＥＧＲガス混入による給気温度の上昇が最小に抑えられてエンジン性能の向上、ＮＯｘの低減に寄与する。一般に、高過給エンジンでは吸入空気用コンプレッサの後流には給気冷却器が配設されるが、このシステムではＥＧＲガスは該給気冷却器を通らないので、前記低圧及び高圧ＥＧＲ冷却器にのみ腐食に対する配慮をすればよい。また、前記ＥＧＲ弁による流量調節は、コントローラによりエンジンの回転数及び負荷に応じて制御するのがよい。

また、本発明によれば、前記ターボ過給機の排気タービン後流側の排気管路から分岐して前記ＥＧＲ用コンプレッサ吸入口へ連結する分岐管路に外部空気導入用の補助空気弁を備えた管路を連結している。
このように構成すれば、ＥＧＲ率が低い場合、即ちＥＧＲガスの流量が少ない場合には前記補助空気弁を開いてＥＧＲガス用コンプレッサに外部空気を吸入させることにより、ＥＧＲガス用コンプレッサを遊ばせることなく有効に利用することができる。なおＥＧＲ弁とともに前記補助空気弁の開度もコントローラによりエンジン回転数及び負荷に応じて制御するようにしてもよい。

さらに、本発明は、ターボ過給機を備えた過給エンジンにおいて、前記ターボ過給機は同軸上に低圧コンプレッサと高圧コンプレッサとを備え、前記低圧コンプレッサ吐出口は中間冷却器を介して前記高圧コンプレッサの吸入口に連結し、エンジンの排気出口から前記ターボ過給機の排気タービンの排気入口へ至る管路から分岐する分岐管路を前記高圧コンプレッサ吸入口に連結し、前記高圧コンプレッサの吐出口をエンジンの給気入口に連結したことを特徴とするターボ過給エンジンのＥＧＲシステムを提案する。

かかるシステムは、給気圧力を高めた高Ｐme（高平均有効圧力）エンジンに適する。ターボチャージャを低圧と高圧の二つのコンプレッサが同軸上に設けられた２段圧縮ターボチャージャに構成し、低圧、高圧コンプレッサの間には中間冷却器を配設してエンジン給気の圧縮による温度上昇を抑えて高圧にすることができ、ＥＧＲガスは高圧コンプレッサに吸込まれて低圧コンプレッサから吐出された空気とともに圧縮されてエンジン給気入口に導かれる。
この場合もＥＧＲガスの分岐管路には低圧ＥＧＲ冷却器とＥＧＲ弁が配設される。かかるエンジンは高過給エンジンであり、高圧コンプレッサの後流には給気冷却器が配設されるが、高圧コンプレッサとこの給気冷却器にはＥＧＲガスが流れるので腐食に対する配慮をする必要がある。

さらに、かかる発明において、前記低圧コンプレッサ吐出口は中間冷却器を介して前記高圧コンプレッサ吸入口に連結し、エンジンの排気出口から前記ターボ過給機の排気タービンの排気入口へ至る管路から分岐する分岐管路を前記中間冷却器の被冷却ガス入口に連結し、前記高圧コンプレッサの吐出口をエンジンの給気入口に連結する構成とするのもよい。この場合、ＥＧＲガスは前記中間冷却器で冷却されてから前記高圧コンプレッサに吸入されるので、低圧ＥＧＲ冷却器を設けなくてもよく、冷却器の個数を減じることができる。

ターボ過給エンジンにおいてＮＯｘ低減のために必要とされるＥＧＲ率はエンジン回転数、負荷により異なるが、本発明のシステムにより全運転範囲において必要なＥＧＲ率をエンジン性能を犠牲にすることなく達成でき、また腐食性物質を含むＥＧＲガスに触れる給気サイドの機能部品を限定することができて、限定された部品にのみ耐腐食性の配慮をすればよいという効果がある。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１において、１はエンジン本体、２はターボチャージャで排気タービン２ａ、吸入空気用コンプレッサ２ｂ、ＥＧＲガス用コンプレッサ２ｄが軸２ｃで連結された、コンプレッサホイールを２個有する構成である。
前記排気タービン２ａを出た排気ガスの一部が分岐されて低圧ＥＧＲ冷却器３ａで冷却され、ＥＧＲ弁４と逆止弁５を通って前記ＥＧＲガス用コンプレッサ２ｄに吸込まれて圧縮され、圧縮されたＥＧＲガスは高圧ＥＧＲ冷却器３ｂで冷却されてエンジン給気入口に導入される。

一方、外気が吸入空気用コンプレッサ２ｂに吸込、圧縮されて給気冷却器６で冷却されてエンジン給気入口に導入される。該給気と前記ＥＧＲガスはエンジン給気入口、例えば吸気マニフォールドで合流、混合してエンジンシリンダに吸入される。ＮＯｘを効果的に低減するに要するＥＧＲガス量はエンジン回転数及び負荷により異なるので、前記ＥＧＲ弁の開度は、コントローラ７に予めインプットされたプログラムによって、回転数、負荷に応じて制御される。なお逆止弁５は、運転条件の急変や給気系の脈動等によりＥＧＲ弁下流側の圧力が上流側よりも高くなるような場合があったとしても逆流することがないようにしたものであり、必ずしも必要なものではない。

図２に示す実施例２の実施例１（図１）との相違は、前記実施例２（図２）では排気タービン２ａの後流側から分岐されてＥＧＲガス用コンプレッサ２ｂの吸入口に連結される分岐回路に補助空気弁８を介して外部空気を導入する管路が接続されたことである。その他の構成は図１と同じであり、図１と同じ構成には同じ符号が付してある。
前記のように構成すれば、必要なＥＧＲガス量が少ない場合には前記補助空気弁８を開くことにより前記ＥＧＲガス用コンプレッサ２ｄに外気を吸込ませることができ、該ＥＧＲガス用コンプレッサ２ｄの能力を有効に利用することができる。前記補助空気弁８の開度をＥＧＲ弁４の開度とともにエンジン回転数、負荷に応じてコントローラ７により制御するようにしてもよい。
なお、図１、２において、ＥＧＲガス用コンプレッサ２ｄは吸入空気用コンプレッサ２ｂの前方に配置してあるが、これは吸入空気用コンプレッサ２ｂの背後側、即ち排気タービン２ａ側に配置してもよいことは言うまでもない。

図３において、１はエンジン本体、２はターボチャージャであるが、該ターボチャージャのコンプレッサは、図１、２の場合と異なり、低圧コンプレッサ２ｅ及び高圧コンプレッサ２ｆに構成されている。即ち１台のターボチャージャに低圧、高圧の２個コンプレッサホイールを同軸上に配設して２段圧縮過給としたものであり、過給度を高くした高Ｐme（平均有効圧力）エンジンに適する。
前記低圧コンプレッサ２ｅの吐出口は高圧コンプレッサ２ｆの吸入口と中間冷却器９を介して連結されている。排気タービン２ａの上流側からエンジンを出た排気の一部が分岐されたＥＧＲガスは前記高圧コンプレッサ２ｆの吸入口に導かれ、該高圧コンプレッサ２ｆ内で前記低圧コンプレッサ２ｅからの空気とともに圧縮され給気冷却器６で冷却されてエンジンの給気入口に送られる。
前記ＥＧＲガスは低圧ＥＧＲ冷却器３ａで冷却され、ＥＧＲ弁４と逆止弁５を通って前記高圧コンプレッサ２ｆの吸入口に導かれる。前記ＥＧＲ弁４の開度はエンジン回転数、負荷に応じてコントローラ７により制御される。

図４に示す実施例４の実施例３（図３）との相違は、ＥＧＲガスが高圧コンプレッサ２ｆの吸入口ではなく中間冷却器９に導入されることと図３の低圧ＥＧＲ冷却器が配設されていないことで、その他は図３と同じであり、図３と同じ構成には同じ符号が付してある。
図４において、ＥＧＲガスは高圧コンプレッサ２ｆに吸入される前に前記中間冷却器で給気とともに冷却することとして、図３における低圧ＥＧＲ冷却器３ａを削除してコスト低減を図ったものである。なお、図３、４の実施例ではＥＧＲガスを排気タービン２ａの上流側で分岐させているが、下流側で分岐させるようにしてもよい。

以上に説明した各実施例では、エンジンの全運低範囲においてＥＧＲ率を高くすることが可能である。また実施例１、２ではＮＯｘやＳＯｘ等の酸性物質を含むＥＧＲガスが通る給気サイドの機能部品はＥＧＲガス用コンプレッサとＥＧＲガス冷却器に限られる。
実施例３、４ではＥＧＲガスが通るコンプレッサは高圧コンプレッサに限られる。このように、ＥＧＲガスが通る部品をできるだけ限定することにより、大量のＥＧＲガス導入に伴う耐熱、耐食対策を施すべき部品を限定することができる。

本発明によれば、環境保全のためエンジンの排ガス規制が益々厳しくなる一方、エンジンのさらなる高出力化、高効率化も要望される状況において、高出力化、高効率化を図ったエンジンにおけるＮＯｘの排出量の低減を図るための必要、充分なＥＧＲ率を確保でき、腐食性物質を含むＥＧＲガスが通る給気サイドの機能部品を最小限に限定できるＥＧＲシステムを提供することができる。

本発明の第１実施例に係るターボ過給エンジンのＥＧＲシステムの概略構成図である。本発明の第２実施例に係るターボ過給エンジンのＥＧＲシステムの概略構成図である。本発明の第３実施例に係るターボ過給エンジンのＥＧＲシステムの概略構成図である。本発明の第４実施例に係るターボ過給エンジンのＥＧＲシステムの概略構成図である。従来のターボ過給エンジンにおけるＨＰＬ−ＥＧＲシステムの概略構成図である。従来のターボ過給エンジンにおけるＬＰＬ−ＥＧＲシステムの概略構成図である。

符号の説明

１エンジン
２ターボ過給機
３ａ低圧ＥＧＲ冷却器
３ｂ高圧ＥＧＲ冷却器
４ＥＧＲ弁
５逆止弁
６給気冷却器
７コントローラ
８補助空気弁
９中間冷却器

Claims

ターボ過給機を備えた過給エンジンにおいて、前記ターボ過給機は同軸上に吸入空気用コンプレッサとともにＥＧＲ（排気ガス再循環）ガスを圧縮するＥＧＲ用コンプレッサを備え、前記ターボ過給機の排気タービン後流側の排気管路から分岐する分岐管路を前記ＥＧＲ用コンプレッサの吸入口に連結し、該ＥＧＲ用コンプレッサの吐出口と前記吸入空気用コンプレッサの吐出口とをエンジンの給気入口に連結したことを特徴とするターボ過給エンジンのＥＧＲシステム。
前記ターボ過給機の排気タービン後流側の排気管路から分岐して前記ＥＧＲ用コンプレッサ吸入口へ連結する前記分岐管路に外部空気導入用の補助空気弁を備えた管路を連結したことを特徴とする請求項１記載のターボ過給エンジンのＥＧＲシステム。
ターボ過給機を備えた過給エンジンにおいて、前記ターボ過給機は同軸上に低圧コンプレッサと高圧コンプレッサとを備え、前記低圧コンプレッサ吐出口は中間冷却器を介して前記高圧コンプレッサの吸入口に連結し、エンジンの排気出口から前記ターボ過給機の排気タービンの排気入口へ至る管路から分岐する分岐管路を前記高圧コンプレッサ吸入口に連結し、前記高圧コンプレッサの吐出口をエンジンの給気入口に連結したことを特徴とするターボ過給エンジンのＥＧＲシステム。
ターボ過給機を備えた過給エンジンにおいて、前記ターボ過給機は同軸上に低圧コンプレッサと高圧コンプレッサとを備え、前記低圧コンプレッサ吐出口は中間冷却器を介して前記高圧コンプレッサの吸入口に連結し、エンジンの排気出口から前記ターボ過給機の排気タービンの排気入口へ至る管路から分岐する分岐管路を前記中間冷却器の被冷却ガス入口に連結し、前記高圧コンプレッサの吐出口をエンジンの給気入口に連結したことを特徴とするターボ過給エンジンのＥＧＲシステム。
前記吸入空気用コンプレッサの後流側に給気冷却器を配設し、前記排気タービン後流側の排気管路から分岐して前記ＥＧＲ用コンプレッサ吸入口に連結される分岐管路に低圧ＥＧＲ冷却器とＥＧＲ弁を配設し、前記ＥＧＲ用コンプレッサ吐出口後流側に高圧ＥＧＲ冷却器を配設したことを特徴とする請求項１或は２の何れかの項に記載のターボ過給エンジンのＥＧＲシステム。
前記高圧コンプレッサの後流側に給気冷却器を配設し、エンジンの排気出口から前記ターボ過給機の排気タービンの排気入口へ至る管路から分岐して前記高圧コンプレッサ吸入口に連結される分岐管路に低圧ＥＧＲ冷却器とＥＧＲ弁を配設したことを特徴とする請求項３記載のターボ過給エンジンのＥＧＲシステム。
前記高圧コンプレッサの後流側に給気冷却器を配設し、エンジンの排気出口から前記ターボ過給機の排気タービンの排気入口へ至る管路から分岐して前記中間冷却器の被冷却ガス入口に連結される分岐管路にＥＧＲ弁を配設したことを特徴とする請求項４記載のターボ過給エンジンのＥＧＲシステム。
前記ＥＧＲ弁の開度をエンジン回転数、負荷に応じて制御するコントローラを設けたことを特徴とする請求項１及び請求項３乃至７の何れかの項に記載のターボ過給エンジンのＥＧＲシステム。
前記ＥＧＲ弁及び前記補助空気弁の開度をエンジン回転数、負荷に応じて制御するコントローラを設けたことを特徴とする請求項２或は５の何れかの項に記載のターボ過給エンジンのＥＧＲシステム。