JP2007224801A - エンジンの排気還流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率のよいエンジンの排気還流装置を提供する。
【解決手段】本発明は、エンジンの排気還流装置であって、エンジン１の排気通路７に介装されるタービン１２と吸気通路６に介装されるコンプレッサ１３とを備え、このタービン及びコンプレッサを同軸上に連結して排気エネルギーを利用して吸気を過給するターボチャージャ１１と、前記排気通路と前記吸気通路を結ぶＥＧＲ通路３２とを備え、このＥＧＲ通路は、前記排気通路の前記タービンより上流側の通路に接続する入口部３２ａと、前記吸気通路の前記コンプレッサより上流側の通路に接続する出口部３２ｂとを有し、前記出口部にエゼクタ４０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャを備えるエンジンの排気還流装置の改良に関するものである。

従来、ターボチャージャを備えるエンジンの排気還流装置の一例として、ターボチャージャのコンプレッサの上流側とタービンの上流側とを接続するＥＧＲ通路を設け、ターボチャージャの過給圧力が排気圧力を超える低速高負荷域においても、ＥＧＲ通路は、入口部の圧力が出口部の圧力より高くなるため、排気還流が途絶えることなく行えるものがある。
特開２００５−９３１３号公報

しかしながら、このような従来のエンジンの排気還流装置にあっては、ＥＧＲガスの有するエネルギーを有効に回収できないという問題点があった。

本発明においては、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ＥＧＲガスのエネルギーを有効利用するエンジンの排気還流装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、エンジンの排気通路に介装されるタービンと吸気通路に介装されるコンプレッサとを備え、このタービン及びコンプレッサを同軸上に連結して吸気を過給するターボチャージャと、前記排気通路と前記吸気通路を結ぶＥＧＲ通路とを備え、このＥＧＲ通路は、前記排気通路の前記タービンより上流側の通路に接続する入口部と、前記吸気通路の前記コンプレッサより上流側の通路に接続する出口部とを有し、前記出口部にエゼクタを備えたことを特徴とするエンジンの排気還流装置である。

第２の発明は、エンジンの排気通路に直列に介装される第１、第２タービンと、吸気通路に直列に介装される第１、第２コンプレッサと、この第１タービン及び第１コンプレッサを同軸上に連結して吸気を過給する第１ターボチャージャと、この第２タービン及び第２コンプレッサを同軸上に連結して、前記第１ターボチャージャの上流にて吸気を過給する第２ターボチャージャと、前記排気通路と前記吸気通路を結ぶＥＧＲ通路とを備え、このＥＧＲ通路は、前記排気通路の前記第１タービンより上流側の通路に接続する入口部と、前記吸気通路の前記第１コンプレッサより上流側の通路に接続する出口部とを有し、前記出口部にエゼクタを備えたことを特徴とするエンジンの排気還流装置である。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記ＥＧＲ通路の途中にこれを流れる排気還流ガス中のパティキュレートを捕捉するパティキュレートフィルタを介装したことを特徴とするエンジンの排気還流装置である。

第４の発明は、第１から第３の発明のうちいずれか一つは、前記ＥＧＲ通路の途中に、これを流れる排気還流ガスを冷却するＥＧＲクーラを介装したことを特徴とするエンジンの排気還流装置である。

第１、２の発明では、ＥＧＲ通路の吸気通路に接続する出口部にエゼクタを備えたため、エゼクタの効果によりＥＧＲガスのエネルギを吸気に与えることができ、燃費を改善することができる。

第３の発明では、ＥＧＲ通路を流れる排気還流ガスはパティキュレートフィルタによって排気微粒子が捕捉されるため、排気微粒子によって第一コンプレッサが汚損することを防止し、第一ターボチャージャの作動を維持できる。

第４の発明では、ＥＧＲ通路を流れる排気還流ガスはＥＧＲクーラを通過することによって冷却されるため、燃焼温度を低下して、ＮＯｘの発生を抑制することができる。

以下、本実施形態の排気還流装置の構成を図１に基づいて説明する。

図１において、１はディーゼルエンジンであり、シリンダ２内を摺動するピストン３と同期して、吸気弁４、排気弁５がそれぞれ吸気通路６の吸気ポート、排気通路７の排気ポートを開閉する。

エンジン１は、エアクリーナ８から吸気通路６に取り込まれた空気が吸気弁４を介してシリンダ２に吸入される吸入行程と、この空気をピストン３で圧縮する圧縮行程と、燃料噴射弁９から噴射された燃料を着火燃焼させ、ピストン３がこの燃焼圧力によって押し下げられることにより図示しないコンロッドを介してクランクシャフトを回転する燃焼行程と、ピストン３が上昇し排気弁５を介して排気が排気通路７に排出される排気行程とが連続して繰り返される。

エンジン１の吸気通路６と排気通路７には、第１、第２ターボチャージャ１１、２１が直列に介装される。第１、第２ターボチャージャ１１、２１は排気通路７を流れる排気ガスの圧力エネルギーにより回転する第１、第２タービン１２、２２により、同軸の第１、第２コンプレッサ１３、２３を回転し、吸気通路６を流れる空気をシリンダ２内に圧送する。

排気通路７には第１タービン１２の下流側に第２タービン２２が介装される。排気通路７を流れる排気ガスの圧力エネルギーにより第１、第２タービン１２、２２がそれぞれ回転駆動される。排気通路７の第２タービン２２より下流側には、排気浄化装置３１が介装される。なお、この排気浄化装置３１は、排気ガスを浄化する触媒及びパティキュレートを捕捉するパティキュレートフィルタの機能を備えることが望ましい。

吸気通路６には、第２コンプレッサ２３の下流側に第１コンプレッサ１３が介装される。吸気通路６を流れる吸気は、第２コンプレッサ２３と第１コンプレッサ１３により二段階に過給される。吸気通路６には、第２コンプレッサ２３の下流側に第２インタクーラ２４が介装され、第１コンプレッサ１３の下流側に第１インタクーラ１４が介装され、吸気を冷却するようになっている。第１、第２インタクーラ１４、２４は冷却媒体として冷却風が通過する空冷式熱交換器であり、第１、第２コンプレッサ１３、２３によって圧縮されて温度上昇した吸気から冷却風への放熱を促す。なお、第１、第２インタクーラ１４、２４はこれに限らず、水冷式熱交換器を用いても良い。

排気還流装置として、排気通路７と吸気通路６の間には、両者を結ぶＥＧＲ通路３２が配設される。排気通路７から不活性の排気還流ガスをＥＧＲ通路３２及び吸気通路６を経てシリンダ２に再循環させることにより、燃焼温度を下げてＮＯｘの発生を抑制する。

ＥＧＲ通路３２は、排気通路７の第１タービン１２より上流側の通路７ａから分岐する入口部３２ａと、吸気通路６の第２コンプレッサ２３より下流側かつ第１コンプレッサ１３より上流側の通路６ａから分岐する出口部３２ｂとを有する。これにより、第１、第２タービン１２、２２によって圧縮された排気ガスがＥＧＲ通路３２を通って第１コンプレッサ１３より上流側に流入するようになっている。出口部３２ｂには、例えば図３、図４に示すようなエゼクタ４０が設置される。

図３は、接続部に設けられるエゼクタ４０の形状を示す断面図である。

図３に示すエゼクタ４０は、３箇所の開口部を備え、内部でそれぞれ連通する通路を形成する一体型の鋳物構造からなり、開口部の１つはＥＧＲ通路３２ｂに接続し、１つは吸気通路６ａに接続して吸気が供給され、残りの１つは吸気通路６ａに接続してＥＧＲガスが混入した吸気が排出される。エゼクタ４０のケーシング４１内には、吸気下流側に向けて流路断面積を小さくし、その端部がケーシング４１内の合流室４１ａに開口するのど部４２が、接続されるＥＧＲ通路３２と連通するように設けられており、合流室４１ａはのど部４２を吸気を導入する吸気通路６ａに連通している。また、吸気が供給される吸気供給通路４１ｂの流路断面積も、接続部から合流室４１ａにかけて徐々に小さくなるように形成される。吸気通路６ａを流れる吸気よりの高圧のＥＧＲガスがエゼクタ４０に導入されることで吸気が吸引され、エゼクタ内の静圧が低下して、ＥＧＲガスの持っていたエネルギーにより吸気効率を高めることができる。

図４は、接続部に設けられるエゼクタ４０の他の形状を示す断面図である。

図４に示すエゼクタ４０は、３箇所の開口部を備え、内部でそれぞれ連通する通路を形成する一体型の鋳物構造からなり、開口部の１つはＥＧＲ通路３２に接続し、１つは吸気通路６ａに接続して吸気が供給され、残りの１つは吸気通路６ａに接続してＥＧＲガスが混入した吸気が排出される。エゼクタ４０のケーシング４３内には、吸気下流側に向けて縮径し、その端部がケーシング３３内の合流室４３ａに開口する円筒状ののど部４４が、接続されるＥＧＲ通路３２と同軸上に設けられており、合流室４３ａはのど部４４を環状に取り巻き、吸気通路６ａに連通する吸気供給通路４３ｂが形成される。吸気供給通路４３ｂの流路断面積も、吸気通路６ａとの接続部から合流室４１ａにかけて徐々に小さくなるように形成される。吸気通路６ａを流れる吸気より高圧のＥＧＲガスがエゼクタ４０に導入されることで、エゼクタ内の静圧が低下して、吸気を効率的に引き込むことができる。なお、図３と図４において、ＥＧＲガスと吸気の流れを入れ換えてもよい。

排気還流装置に説明に戻ると、ＥＧＲ通路３２の途中には電磁式のＥＧＲ弁３３が介装される。このＥＧＲ弁３３の開度によってＥＧＲ通路３２を流れる排気還流ガスの還流量が調節される。コントロールユニット３４はエンジン１の回転速度及び負荷等の運転状態に応じてＥＧＲ弁３３の開度を制御し、運転状態に適した排気還流が行われる。

ＥＧＲ通路３２の途中には、パティキュレートフィルタ３５とＥＧＲクーラ３６がそれぞれ介装される。

パティキュレートフィルタ３５は、排気還流ガスが流通する多数の流路を有し、排気還流ガス中のパーティキュレートを捕捉し、酸化させるようになっている。なお、パティキュレートフィルタ３５は、排気還流ガスの浄化を促す触媒の機能を持つことが望ましい。

ＥＧＲクーラ３６は、冷却媒体として冷却水が循環する水冷式熱交換器であり、排気還流ガスから冷却水への放熱を促す。なお、ＥＧＲクーラ３６はこれに限らず、空冷式熱交換器を用いても良い。

次に作用を説明する。

エンジン１の運転時、シリンダ２から排出される排気ガスにより第１ターボチャージャ１１が回転し、第１ターボチャージャ１１を通過した排気ガスにより第２ターボチャージャ２１が回転する。エアクリーナ８から吸気通路６に取り込まれた吸気は、第２ターボチャージャ２１に吸引され、第２ターボチャージャ２１から吐出される吸気が第１ターボチャージャ１１によってさらに加圧され、シリンダ２へと送られる。こうして排気ガスの圧力エネルギーが第１、第２ターボチャージャ１１、２１によって回収され、吸気を二段階に過給することにより、低回転域から効率良く過給圧力を高められ、エンジン１の出力向上及び燃費低減が計られる。

シリンダ２から排気通路７に流れる排気ガスの一部は、ＥＧＲ通路３２及び吸気通路６を経てシリンダ２に再循環される。ＥＧＲ通路３２の入口部３２ａが第１ターボチャージャ１１より上流側の排気通路７に接続し、ＥＧＲ通路３２の出口部３２ｂが第１ターボチャージャ１１より上流側の吸気通路６に接続し、出口部３２ｂにエゼクタ４０を設置する構成のため、第１ターボチャージャ１１の過給圧力が排気圧力を超える低速高負荷域においても、ＥＧＲ通路３２は、エゼクタ４０の作用により入口部３２ａの圧力が出口部３２ｂの圧力より十分高くなるため、その圧力差に基いて排気還流量を多くすることができる。

なお、本実施形態では、出口部３２ｂを第１ターボチャージャ１１と第２ターボチャージャ２１との間に設置したが、吸気通路６の第２ターボチャージャ２１の第２コンプレッサ２３上流に設置してもよく、この場合には、入口部３２ａの圧力と出口部３２ｂとの圧力差がさらに大きくなるため、排気還流量を多くすることができる。

また、ＥＧＲ通路３２を流れる排気還流ガスは、パティキュレートフィルタ３５によって排気微粒子が捕捉されるため、排気微粒子によって第１コンプレッサ１３が汚損することを防止し、第１ターボチャージャ１１の作動を維持できる。

ＥＧＲ通路３２は、排気通路７に対して第１ターボチャージャ１１より上流側の通路７ａに接続しているため、シリンダ２からパティキュレートフィルタ３５までの通路長を短くすることが可能となる。これによりパティキュレートフィルタ３５には、高温の排気ガスが導かれ、パティキュレートフィルタ３５に捕捉されたパティキュレートの酸化が促され、自動再生が行われる。

ＥＧＲ通路３２を流れる排気還流ガスは、ＥＧＲクーラ３６を通過することによって冷却されるため、排気ガス温度の上昇時にも十分な排気還流率を維持し、燃焼温度を低下して、ＮＯｘの発生を抑制することができる。

次に図２に示す他の実施の形態を説明する。なお、前記実施の形態と同一構成部には同一符号を付す。

ＥＧＲ通路３２は、排気通路７の第１タービン１２より下流側かつ第２タービン２２より上流側の通路７ｂに接続する入口部３２ａと、吸気通路６の第２コンプレッサ２３より上流側の通路６ｂに接続する出口部３２ｂとを有する。出口部３２ｂには、例えば図３に示すようなエゼクタ４０が設置される。

この場合、ＥＧＲ通路３２の入口部３２ａが第２ターボチャージャ２１より上流側の排気通路７に接続し、ＥＧＲ通路３２の出口部３２ｂが第２ターボチャージャ２１より上流側の吸気通路６に接続し、出口部３２ｂにエゼクタ４０を設置する構成のため、ＥＧＲガスの圧力で駆動されるエゼクタ４０の作用により吸気が吸引され、吸気量を多くすることができる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本実施形態の排気還流装置の構成図である。 他の実施形態の排気還流装置の構成図である。 エゼクタの構成図である。 他のエゼクタの構成図である。

符号の説明

１：エンジン
２：シリンダ
６：吸気通路
７：排気通路
１１：第１ターボチャージャ
２１：第２ターボチャージャ
３２：ＥＧＲ通路
３２ａ：入口部
３２ｂ：出口部
３５：パティキュレートフィルタ
３６：ＥＧＲクーラ
４０：エゼクタ
４１：ケーシング
４１ａ：合流部
４２：のど部

Claims (4)

1. エンジンの排気通路に介装されるタービンと吸気通路に介装されるコンプレッサとを備え、このタービン及びコンプレッサを同軸上に連結して排気エネルギーを利用して吸気を過給するターボチャージャと、
   前記排気通路と前記吸気通路を結ぶＥＧＲ通路とを備え、
   このＥＧＲ通路は、前記排気通路の前記タービンより上流側の通路に接続する入口部と、前記吸気通路の前記コンプレッサより上流側の通路に接続する出口部とを有し、
   前記出口部にエゼクタを備えたことを特徴とするエンジンの排気還流装置。
2. エンジンの排気通路に直列に介装される第１、第２タービンと、吸気通路に直列に介装される第１、第２コンプレッサと、この第１タービン及び第１コンプレッサを同軸上に連結して吸気を過給する第１ターボチャージャと、
   この第２タービン及び第２コンプレッサを同軸上に連結して、前記第１ターボチャージャの上流にて吸気を過給する第２ターボチャージャと、
   前記排気通路と前記吸気通路を結ぶＥＧＲ通路とを備え、
   このＥＧＲ通路は、前記排気通路の前記第１タービンより上流側の通路に接続する入口部と、前記吸気通路の前記第１コンプレッサより上流側の通路に接続する出口部とを有し、
   前記出口部にエゼクタを備えたことを特徴とするエンジンの排気還流装置。
3. 前記ＥＧＲ通路の途中にこれを流れる排気還流ガス中のパティキュレートを捕捉するパティキュレートフィルタを介装したことを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンの排気還流装置。
4. 前記ＥＧＲ通路の途中に、これを流れる排気還流ガスを冷却するＥＧＲクーラを介装したことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のエンジンの排気還流装置。

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