JP2007263033A

JP2007263033A - 過給機付エンジン

Info

Publication number: JP2007263033A
Application number: JP2006090839A
Authority: JP
Inventors: Takero Nakajima; 健朗中島
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2007-10-11

Abstract

【課題】排気浄化装置の入口での排気ガス温度の低下を抑制する共に、排気浄化装置の入口での排気ガスの流れの偏りを抑制することで、排気浄化装置を安定して再生させる。
【解決手段】エンジン１の排気通路５に、上流から互いに直列に高圧段タービン１２、低圧段タービン１４及び排気浄化装置２２を設けた過給機付エンジンにおいて、排気通路５に、高圧段タービン１２から排出された排気ガスを低圧段タービン１４をバイパスさせて排気浄化装置２２へと供給するバイパス流路２０を設け、バイパス流路２０を、高圧段タービン１２の出口から排気浄化装置２２の入口まで直線状に形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの排気通路に、上流から互いに直列に高圧段タービン、低圧段タービン及び排気浄化装置を設けた過給機付エンジンに関する。

ディーゼルエンジンにおいて、ＮＯｘ（窒素酸化物）及びスモークの低減を同時に可能にする予混合圧縮着火燃焼（ＰＣＩ燃焼）の研究が近年活発に行われている。ＰＣＩ燃焼は均一且つ希薄な混合気をピストンの圧縮上死点よりも早期に生成しその後燃焼させるものである。エンジン負荷が増すと過早着火が発生し着火時期の制御が困難となるため、ＰＣＩ燃焼を行うことができる運転領域が低速・低負荷域に限定されるという問題があった。

ＰＣＩ燃焼を行う運転領域を拡大する手法としては、高ＥＧＲ（排気再循環）化して混合気中の酸素濃度を低下させて燃焼の着火時期を制御し、高Ａ／Ｆ（空燃比）を確保することが効果的であることが知られている。具体的には、二段過給装置を用い、高圧段の小型過給機により低速・低負荷域から高い過給圧を得て高ＥＧＲ及び高Ａ／Ｆを確保することが挙げられる。

一方、近年排出ガス規制の強化に伴い、ディーゼルエンジンから排出される排気ガス中のＰＭ（パティキュレート・マター、粒子状物質）を捕集し、捕集したＰＭを除去することで再生を行うディーゼル・パティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）を備えた排気浄化装置が実用化されている。また、ディーゼル乗用車の利用率が高い欧州市場においては、小型コンパクトでシンプルなレイアウトを可能とし、高い排気ガス温度が確保でき、エンジンに直付けされるクローズド・カップル式のＤＰＦが提案されている。

特開２００５−１２０９３６号公報

ところで、二段過給装置及び排気浄化装置を備えたエンジンにおいては、低圧段過給機のタービン出口での排気ガス温度が単段過給機のタービン出口での排気ガス温度に比べて低くなるため、ＤＰＦ入口での排気ガス温度が低くなり、ＤＰＦにＰＭが堆積しやすくなるおそれがある。

また、低圧段過給機のタービン出口からＤＰＦの入口までの排気通路が屈曲していると、ＤＰＦ入口での排気ガスの流れに偏りが生じ、均一なＤＰＦ入口温度分布、ＰＭ堆積分布が確保できないおそれがある。

そこで、本発明の目的は、排気浄化装置の入口での排気ガス温度の低下を抑制すると共に、排気浄化装置の口での排気ガスの流れの偏りを抑制することで、排気浄化装置を安定して再生させることにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、エンジンの排気通路に、上流から互いに直列に高圧段タービン、低圧段タービン及び排気浄化装置を設けた過給機付エンジンにおいて、上記エンジンの排気通路に、上記高圧段タービンから排出された排気ガスを上記低圧段タービンをバイパスさせて上記排気浄化装置へと供給するバイパス流路を設け、該バイパス流路を、上記高圧段タービンの出口から上記排気浄化装置の入口まで直線状に形成したことを特徴とする過給機付エンジンである。

請求項２の発明は、上記バイパス流路に設けられ上記バイパス流路を開閉可能なバイパス弁と、上記エンジンの低中速・低中負荷域では、上記バイパス弁を開制御する制御手段とを備えた請求項１に記載の過給機付エンジンである。

本発明によれば、排気浄化装置の入口での排気ガス温度の低下を抑制すると共に、排気浄化装置の入口での排気ガスの流れの偏りを抑制することで、排気浄化装置を安定して再生させることができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明の一実施形態に係る過給機付エンジンの概略図である。図２（ａ）は過給機付エンジンの正面図であり、図２（ｂ）は過給機付エンジンの側面図である。

本実施形態は、車両用（自動車用）、定置用及び船舶用等のディーゼルエンジン（エンジン）に適用したものである。

図中、１がエンジン本体、２及び３がそれぞれエンジン本体１に接続され吸気が流通する吸気通路としての吸気マニフォールド及び吸気管、４及び５がそれぞれエンジン本体１に接続され排気ガスが流通する排気通路としての排気マニフォールド及び排気管、６が排気マニフォールド４（或いは排気管５）内の排気ガスの一部を吸気管３（或いは吸気マニフォールド２）に再循環させるための排気再循環手段（ＥＧＲ装置）である。

ＥＧＲ装置６は、排気マニフォールド４（或いは排気管５）と吸気管３（或いは吸気マニフォールド２）とを連通し、ＥＧＲガス（排気ガス）が流通するＥＧＲ管７と、ＥＧＲ管７に設けられ、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ８と、ＥＧＲ管７に設けられ、排気再循環率（ＥＧＲ率）（或いは排気再循環量（ＥＧＲ量））を制御するためのＥＧＲ弁９とを有している。

エンジン本体１には、エンジン本体１に近い方から互いに直列に高圧段過給機１０及び低圧段過給機１１が接続されている。

高圧段過給機１０は、エンジン本体１から導入される排気ガスを受けて駆動される高圧段タービン１２と、高圧段タービン１２によって駆動され、エンジン本体１に供給する吸気を昇圧するための高圧段コンプレッサ１３とを有している。

高圧段過給機１０（高圧段タービン１２及び高圧段コンプレッサ１３）は、低圧段過給機１１（低圧段タービン１４及び低圧段コンプレッサ１５）よりも小型なものである。

高圧段タービン１２は、排気管５に接続され、高圧段タービン１２をバイパスする排気バイパス流路としての排気バイパス管１６と、排気バイパス管１６に設けられ、排気バイパス管１６を開閉可能な排気バイパス弁１７とを有している。

排気バイパス弁１７として、バタフライ式のバルブが用いられる。

高圧段コンプレッサ１３は、吸気管３に接続され、高圧段コンプレッサ１３をバイパスする吸気バイパス流路としての吸気バイパス管１８と、吸気バイパス管１８に設けられ、吸気バイパス管１８を開閉可能な吸気バイパス弁１９とを有している。

低圧段過給機１１は、エンジン本体１から導入される排気ガスを受けて駆動される低圧段タービン１４と、低圧段タービン１４によって駆動され、エンジン本体１に供給する吸気を昇圧するための低圧段コンプレッサ１５とを有している。

低圧段タービン１４は、排気管５に接続され、低圧段タービン１４をバイパスする排気バイパス流路としての排気バイパス管（バイパス流路）２０と、排気バイパス管２０に設けられ、排気バイパス管２０を開閉可能な排気バイパス弁（バイパス弁）２１とを有している。

排気バイパス管２０は、高圧段タービン１２からの排気ガスを低圧段タービン１４をバイパスさせて後述する排気浄化装置２２のＤＰＦ２３へと供給するものである。排気バイパス管２０は、高圧段タービン１２の出口からＤＰＦ２３の入口まで直線状で、且つ、高圧段タービン１２の出口からＤＰＦ２３の入口までの距離が極力短くなるように形成される（図２参照）。

排気バイパス弁２１として、バタフライ式のバルブが用いられる。

吸気管３には、高圧段コンプレッサ１３及び低圧段コンプレッサ１５により昇圧した吸気を冷却するインタクーラ２４が設けられる。

排気バイパス弁１７、２１、吸気バイパス弁１９を制御するための制御手段としてのコントローラ２５が設けられる。コントローラ２５には、エンジンの運転状態を検出するための各種センサ類が接続され、これら各種センサ類からの出力がコントローラ２５に入力される。

排気管５には、低圧段タービン１４より下流に排気浄化装置（後処理装置）２２が設けられている。

排気浄化装置２２は、排気管５に接続され、排気ガス中の粒子状物質を捕集し、捕集した粒子状物質を除去することで再生を行うディーゼル・パティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）２３を有している。ＤＰＦ２３は、触媒担持フィルタであり、排気ガスの温度が比較的高温のときに捕集したＰＭを触媒の酸化作用によって燃焼させて除去することにより再生を行うものである。ＤＰＦ２３は、エンジン本体１に直付けされるクローズド・カップル式のものである。

次に本実施形態の作用を説明する。

コントローラ２５は、エンジンの高速・高負荷域では、高圧段タービン１２の排気バイパス弁１７により排気バイパス管１６を開いて、エンジン本体１からの排気ガスをバイパスすると共に、低圧段タービン１４の排気バイパス弁２１により排気バイパス管２０を閉じて、エンジン本体１からの排気ガスを低圧段タービン１４へと供給する。このようにすることで、エンジンの高速・高負荷域では、低圧段タービン１４が作動され、低圧段コンプレッサ１５により過給が行われる。

コントローラ２５は、高速・高負荷域及び低中速・低中負荷域を相互に遷移する遷移域では、高圧段タービン１２の排気バイパス弁１７及び高圧段コンプレッサ１３の吸気バイパス弁１９の開度を調節することで、高圧段過給機１０の過給圧を調整すると共に、低圧段タービン１４の排気バイパス弁２１により排気バイパス管２０を閉じて、高圧段タービン１２からの排気ガスを低圧段タービン１４へと供給する。このようにすることで、遷移域では、高圧段タービン１２及び低圧段タービン１４が作動され、高圧段コンプレッサ１３及び低圧段コンプレッサ１５により過給が行われる。

コントローラ２５は、エンジンの排気ガス温度が低くなる低中速・低中負荷域では、高圧段タービン１２の排気バイパス弁１７により排気バイパス管１６を閉じて、エンジン本体１からの排気ガスを高圧段タービン１２へと供給すると共に、低圧段タービン１４の排気バイパス弁２１により排気バイパス管２０を開いて、高圧段タービン１２からの排気ガスを低圧段タービン１４をバイパスさせてＤＰＦ２３へと供給する。このようにすることで、エンジンの低中速・低中負荷域では、高圧段タービン１２が作動され、高圧段コンプレッサ１３により過給が行われる。

ここで本実施形態では、低圧段タービン１４をバイパスする排気バイパス管２０を、高圧段タービン１２の出口からＤＰＦ２３の入口まで直線状に形成することで、排気ガスの流れをほぼ均一に保ったままＤＰＦ２３に供給することができ、ＤＰＦ２３の入口での排気ガスの流れの偏りを抑制することが可能となる。

また本実施形態では、エンジンの排気ガス温度が低くなる低中速・低中負荷域では、排気バイパス弁２１により排気バイパス管２０を開いて、高圧段タービン１２からの排気ガスを低圧段タービン１４を経由することなくＤＰＦ２３へと供給することで、排気ガスの温度を比較的高温に保ったままＤＰＦ２３に供給することができ、ＤＰＦ２３の入口での排気ガス温度の低下を抑制することが可能となる。

さらに本実施形態では、低圧段タービン１４をバイパスする排気バイパス管２０を、高圧段タービン１２の出口からＤＰＦ２３の入口までの距離が極力短くなるように形成することで、排気ガスが排気バイパス管２０を流れている間に冷却されることを最低限に留め、排気ガスの温度を比較的高温に保ったままＤＰＦ２３に供給することができ、ＤＰＦ２３の入口での排気ガス温度の低下を抑制することが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。

例えば、排気浄化装置は、ディーゼル・パティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）には限らず、酸化及び／又は還元触媒であっても良い。

本発明の一実施形態に係る過給機付エンジンの概略図である。（ａ）は過給機付エンジンの正面図であり、（ｂ）は過給機付エンジンの側面図である。

符号の説明

１エンジン本体（エンジン）
５排気管（排気通路）
１２高圧段タービン
１４低圧段タービン
２０排気バイパス管（バイパス流路）
２１排気バイパス弁（バイパス弁）
２２排気浄化装置
２５コントローラ（制御手段）

Claims

エンジンの排気通路に、上流から互いに直列に高圧段タービン、低圧段タービン及び排気浄化装置を設けた過給機付エンジンにおいて、上記エンジンの排気通路に、上記高圧段タービンから排出された排気ガスを上記低圧段タービンをバイパスさせて上記排気浄化装置へと供給するバイパス流路を設け、該バイパス流路を、上記高圧段タービンの出口から上記排気浄化装置の入口まで直線状に形成したことを特徴とする過給機付エンジン。
上記バイパス流路に設けられ上記バイパス流路を開閉可能なバイパス弁と、上記エンジンの低中速・低中負荷域では、上記バイパス弁を開制御する制御手段とを備えた請求項１に記載の過給機付エンジン。