JP2007263040A

JP2007263040A - エンジンの三段過給システム

Info

Publication number: JP2007263040A
Application number: JP2006090915A
Authority: JP
Inventors: Junichiro Nitta; 淳一郎新田
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
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: JP5031250B2

Abstract

【課題】エンジンの低速回転域且つ高ＥＧＲ運転条件下での過給性能を向上させることができる過給システムを提供する。
【解決手段】エンジン１の排気通路３内の排気ガスの一部をエンジン１の吸気通路２に還流させるための排気再循環手段４と、エンジン１に近い方から互いに直列に接続された高圧段過給器８、中圧段過給器９及び低圧段過給器１０と、排気通路３に接続され高圧段過給器８のタービン１１をバイパスするバイパス流路１４と、バイパス流路１４に設けられバイパス流路１４を開閉可能なバイパス弁１５と、排気再循環手段４による排気再循環量が多くタービン１１へと流れる流量が少ないエンジン１の低速回転域では、バイパス弁１５を閉じ、排気再循環手段４による排気再循環量が適宜少なくなりタービンへ１１と流れる流量が適宜多くなるエンジン１の中高速回転域では、バイパス弁１５を開制御する制御手段１６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンに接続された過給器を備えたエンジンの過給システムに関する。

排気タービンを使用するターボ式の過給システムにおいては、既存の単段過給システムによる高過給化の限界に到達しつつあり、エンジンに互いに直列に接続された高圧段過給器及び低圧段過給器を備えたシリーズ型の二段過給システム及びシーケンシャル型の二段過給システム等が提案されている。

シリーズ型の二段過給システムでは、エンジンの全回転域で高圧段過給器及び低圧段過給器を作動させて両過給器で過給を行うようになっている。

また、シーケンシャル型の二段過給システムでは、エンジンの低速回転域では高圧段過給器及び低圧段過給器を作動させて両過給器で過給を行い、エンジンの中高速回転域では高圧段過給器を作動させずに低圧段過給器のみで過給を行うようになっている。

なお、特許文献１には、航空機用レシプロエンジンに互いに直列に接続された多段の過給器（高圧段過給器、中圧段過給器及び低圧段過給器）と、これら各過給器の作動を制御する制御手段とを備えたレシプロエンジン用多段過給システムが記載されている。この多段過給システムにおいては、各過給器の圧縮機で昇圧させた吸気を圧縮機を迂回させて圧縮機の下流側から上流側に戻す圧縮機側バイパス路を設け、圧縮機で昇圧させた吸気の一部を取り出してエンジンに供給しない場合には、圧縮機側バイパス路を介して取り出した吸気をその圧縮機の上流側に戻すようにしている。

特開平１１−３１５７２５号公報

しかし、シリーズ型の二段過給システムにおいては、中速回転域以上のエンジンの回転域における排圧上昇を抑制するために、高圧段過給器の小型化に対して制約が存在する。そのような制約の結果、排気再循環量（ＥＧＲ量）が多く過給器作動流量が少ないエンジンの低速回転域では、高圧段過給器の作動回転数が上昇しないため高圧段過給器の作動圧力比が上昇せず、さらに低圧段過給器が大型であるため低圧段過給器の作動圧力比も上昇しない。そのため、シリーズ型の二段過給システムは、エンジンの低速回転域で且つ高ＥＧＲ運転条件下では実質的に二段過給として機能しない。

また、シーケンシャル型の二段過給システムにおいては、エンジンの中高速回転域では高圧段過給器を作動させずに低圧段過給器のみでの過給を行うため、シリーズ型の二段過給システムに比べて高圧段過給器の小型化に対する制約が減り、高圧段過給器のさらなる小型化が可能となる。ただし、低圧過給器はシリーズ型の二段過給システムとほぼ同容量の大型なものとなる。その結果、排気再循環量（ＥＧＲ量）が多く過給器作動流量が少ないエンジンの低速回転域では、低圧段過給器が大型であるため低圧段過給器の作動圧力比が上昇しない。そのため、シーケンシャル型の二段過給システムは、エンジンの低速回転域で且つ高ＥＧＲ運転条件下では実質的に二段過給として機能しない。

そこで、本発明の目的は、エンジンの低速回転域且つ高ＥＧＲ運転条件下での過給性能を向上させることができる過給システムを提供することにある。

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内の排気ガスの一部を上記エンジンの吸気通路に還流させるための排気再循環手段と、上記エンジンに近い方から互いに直列に接続された高圧段過給器、中圧段過給器及び低圧段過給器と、上記排気通路に接続され上記高圧段過給器のタービンをバイパスするバイパス流路と、該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、上記排気再循環手段による排気再循環量が多く上記高圧段過給器のタービンへと流れる流量が少ない上記エンジンの低速回転域では、上記バイパス弁を閉じ、上記排気再循環手段による排気再循環量が適宜少なくなり上記高圧段過給器のタービンへと流れる流量が適宜多くなる上記エンジンの中高速回転域では、上記バイパス弁を開制御する制御手段とを備えたことを特徴とするエンジンの三段過給システムである。

請求項２の発明は、上記高圧段過給器のタービンの容量が、上記排気再循環手段による排気再循環量が多く上記高圧段過給器のタービンへと流れる流量が少ない上記エンジンの低速回転域においてサージングが発生しない範囲で小さい容量に設定される請求項１に記載のエンジンの三段過給システムである。

本発明によれば、エンジンの低速回転域且つ高ＥＧＲ運転条件下での過給性能を向上させることができる過給システムを提供す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三段過給システムを適用したエンジンの概略図である。

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１中、１がエンジン本体、２がエンジン本体１に接続され吸気が流通する吸気通路としての吸気管、３がエンジン本体１に接続され排気ガスが流通する排気管、４が排気管３内の排気ガスの一部を吸気管２に還流させるための排気再循環手段（ＥＧＲ装置）である。

ＥＧＲ装置４は、排気管３と吸気管２とを連通し、ＥＧＲガス（排気ガス）が流通するＥＧＲ管５と、ＥＧＲ管５に設けられ、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ６と、ＥＧＲ管５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７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器８、中圧段過給器９及び低圧段過給器１０が接続されている。

高圧段過給器８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１１と、高圧段タービン１１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１２とを有している。なお、高圧段タービン１１は、可変容量式のものであっても良い。

吸気管２には、高圧段コンプレッサ１２により昇圧した吸気を冷却するインタークーラ１３が設けられている。

高圧段タービン１１は、排気管３に接続され、高圧段タービン１１をバイパスする排気バイパス流路（バイパス流路）としての排気バイパス管１４と、排気バイパス管１４に設けられ、排気バイパス管１４を開閉可能な排気バイパス弁（バイパス弁）１５とを有している。

排気バイパス管１４及び排気バイパス弁１５の容量（或いは開口面積）は、エンジンの高速回転域（高負荷域）において排気ガスを全て排気バイパス管１４及び排気バイパス弁１５に流しても著しい圧損が発生しないような容量（大容量）（或いは開口面積（大開口面積））に設定される。

排気バイパス弁１５は、後述するコントローラ１６によって開度が制御される流量制御弁である。

高圧段コンプレッサ１２は、吸気管２に接続され、高圧段コンプレッサ１２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１７と、吸気バイパス管１７に設けられ、高圧段コンプレッサ１２の入口圧が出口圧を超えると開となる吸気バイパス弁１８とを有している。

吸気バイパス弁１８は、高圧段コンプレッサ１２の入口側（上流側）から出口側（下流側）への一方向にのみ吸気を流すことが可能なワンウェイバルブであっても良い。

高圧段タービン１１（高圧段過給器８）の容量は、エンジンの低速回転域（低負荷域）における二段過給システムの高圧段過給器として最も効果的に作動可能な容量であって、ＥＧＲ装置４によるＥＧＲ量が多く高圧段タービン１１へと流れる流量が少ないエンジンの低速回転域においてサージングが発生しない範囲で最小の容量（小容量）に設定される。詳しくは、高圧段タービン１１の容量は、後述する低圧段タービン１９の容量の２０〜５０％程度の容量に設定されるのが望ましい。

中圧段過給器９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中圧段タービン２０と、中圧段タービン２０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中圧段コンプレッサ２１とを有している。

吸気管２には、中圧段コンプレッサ２１により昇圧した吸気を冷却するインタークーラ２２が設けられている。

中圧段タービン２０は、ウェストゲート式のものであり、中圧段タービン２０をバイパスするウェストゲート流路としてのウェストゲート管２３と、ウェストゲート管２３に設けられ、所定の過給圧もしくは排圧を超えると開となるウェストゲート弁２４とを有している。なお、中圧段タービン２０は、可変容量式のもの或いはコンベンショナルタービンであっても良い。中圧段タービン２０を可変容量式のものとするのは、高過給性能を得るために非常に有効である。

中圧段タービン２０（中圧段過給器９）の容量は、エンジンの全運転領域において中圧段過給器９と低圧段過給器１０とを組み合せて二段過給システムとして運転可能な容量であって、定格点（エンジンの中速回転域）において排圧が著しく上昇しない範囲で最小の容量（中容量）に設定される。詳しくは、中圧段タービン２０の容量は、低圧段タービン１９の容量の６０〜９５％程度の容量に設定されるのが望ましい。

低圧段過給器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低圧段タービン１９と、低圧段タービン１９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２５とを有している。

吸気管２には、低圧段コンプレッサ２５により昇圧した吸気を冷却するインタークーラ２６が設けられている。

低圧段タービン１９は、ウェストゲート式のものであり、低圧段タービン１９をバイパスするウェストゲート流路としてのウェストゲート管２７と、ウェストゲート管２７に設けられ、所定の過給圧もしくは排圧を超えると開となるウェストゲート弁２８とを有している。なお、低圧段タービン１９は、可変容量式のもの或いはコンベンショナルタービンであっても良い。

低圧段タービン１９（低圧段過給器１０）の容量は、定格点並びに最高回転数全負荷における吸気量を十分に取り扱うことができる容量、或いは、それよりも大幅に大きい容量（大容量）に設定される。

排気バイパス弁１５を制御するための制御手段としてのコントローラ１６が設けられる。コントローラ１６には、過給圧（吸気マニフォールド内圧力）を検出する過給圧検出手段としての過給圧センサ２９、及び、排圧（排気マニフォールド内圧力）を検出する排圧検出手段としての排圧センサ３０が接続され、これらセンサ２９、３０からの出力がコントローラ１６に入力される。

コントローラ１６は、ＥＧＲ装置４によるＥＧＲ量が多く高圧段タービン１１へと流れる流量が少ないエンジンの低速回転域では、排気バイパス弁１５を閉じて（全閉制御して）、排気バイパス管１４を閉鎖する。詳しくは、コントローラ１６は、排圧センサ３０により検出した排圧の検出値Ｐｅｘと過給圧センサ２９により検出した過給圧の検出値Ｐｉｎとの偏差（差圧）を求め、その偏差が第一所定値（第一差圧限界値）Ｐｌｉｍ１（一定値或いはマップの設定値）より小さい場合に、排気バイパス弁１５を全閉とする（図２のステップＳ１、Ｓ５参照）。

コントローラ１６は、ＥＧＲ装置４によるＥＧＲ量が適宜少なくなり高圧段タービン１１へと流れる流量が適宜多くなるエンジンの中速回転域では、排気バイパス弁１５を所定開度に制御（開度制御）して、排圧（高圧段タービン１１の作動圧力）を調整する。詳しくは、コントローラ１６は、過給圧センサ２９により検出した過給圧の検出値Ｐｉｎが所定値（最小過給圧値）Ｐｔａｒ（一定値或いはマップの設定値）より大きい場合に、排気バイパス弁１５を所定開度に制御する（図２のステップＳ２、Ｓ６参照）。コントローラ１６は、予め入力されたマップの設定値に従って排気バイパス弁１５を制御する。

また、コントローラ１６は、過給圧がエンジンの過給圧限界値（Ｐｍａｘ）に達した場合や、高圧段コンプレッサ１１の吐出温度が温度限界値に達した場合等にも、排気バイパス弁１５を所定開度に制御（開度制御）して、過給圧や高圧段コンプレッサ１１の吐出温度等が限界値以下となるように排圧（高圧段タービン１１の作動圧力）を調整する。

コントローラ１６は、ＥＧＲ装置４によるＥＧＲ量が適宜少なくなり高圧段タービン１１へと流れる流量が適宜多くなるエンジンの高速回転域では、排気バイパス弁１５を開き（全開制御して）、排気バイパス管１４を開放する。詳しくは、コントローラ１６は、排圧センサ３０により検出した排圧の検出値Ｐｅｘと過給圧センサ２９により検出した過給圧の検出値Ｐｉｎとの偏差（差圧）を求め、その偏差が第一所定値より小さい第二所定値（第二差圧限界値）Ｐｌｉｍ２（一定値或いはマップの設定値）より大きい場合に、排気バイパス弁１５を全開とする（図２のステップＳ３、Ｓ４参照）。第二所定値Ｐｌｉｍ２は、第一所定値Ｐｌｉｍ１より小さく設定される（Ｐｌｉｍ１＞Ｐｌｉｍ２）。

次に本実施形態の作用を説明する。

ＮＯｘ（窒素酸化物）低減のために大量のＥＧＲガス導入が行われ、高圧段タービン１１側へと流れる排気ガスの流量が少なくなるエンジンの低速回転域においては、排気バイパス弁１５は全閉に制御されて、排気バイパス管１４が閉鎖される。エンジンの低速回転域においては、全過給器（高圧段過給器８、中圧段過給器９及び低圧段過給器１０）が作動される。

高圧段タービン１１は小容量であるので、高圧段タービン１１側へと流れる排気ガスの流量が少なくても高圧段コンプレッサ１２により所定の過給圧を確保することができる。低圧段タービン１９は大容量であるので、低圧段タービン１９側へと流れる排気ガスの流量が少ないために低圧段コンプレッサ２５は実質的には過給を行わない。低圧段過給器１０は実質的には過給を行わないものの、常時作動（予回転）されるので、エンジン回転速度が増加したときに円滑に過給を行うことができる。

即ち、エンジンの低速回転域においては、実質的には高圧段過給器８及び中圧段過給器９による二段過給として機能する。したがって、エンジンの低速回転域且つ高ＥＧＲ運転条件下での過給性能を向上させることができる。

エンジン回転数の増加に伴い過給圧と排圧の圧力差が比較的大きくなるエンジンの中速回転域においては、排気バイパス弁１４の開度制御により、高圧段タービン１１の膨張比を制御して排圧の上昇を抑制すると共に、エンジンの高速回転域まで高圧段コンプレッサ１２による過給圧を円滑に変化させる。このようにすることで、ポンピングロスを抑制することができ、燃焼の悪化を招くことがない。

さらにエンジン回転数が増加するエンジンの高速回転域においては、排気バイパス弁１５は全開に制御されて、排気バイパス管１４が開放される。中圧段タービン２０は中容量であり、低圧段タービン１９は大容量であるので、排気バイパス弁１５を全開として排気ガスの全量をバイパスすることで高圧段過給器８の作動を停止させても、中圧段過給器９及び低圧段過給器１０は所定の過給圧を確保することができる。

即ち、エンジンの高速回転域においては、実質的には中圧段過給器９及び低圧段過給器１０による二段過給として機能する。したがって、本実施形態によれば、エンジンの低速回転域且つ高ＥＧＲ運転条件下での高過給性能と、エンジンの中高速回転域での高過給性能を両立させることができる。

以上要するに、本実施形態によれば、排気管３に高圧段タービン１１をバイパスする排気バイパス管１４を接続し、排気バイパス管１４に排気バイパス管１４を開閉可能な排気バイパス弁１５を設け、高圧段タービン１１の容量をＥＧＲ装置４によるＥＧＲ量が多く高圧段タービン１１へと流れる排気ガスの流量が少ないエンジンの低速回転域においてサージングが発生しない範囲で小さい容量（小容量）に設定し、ＥＧＲ装置４によるＥＧＲ量が多く高圧段タービン１１へと流れる排気ガスの流量が少ないエンジンの低速回転域において排気バイパス弁１５を閉じるようにしたため、エンジンの低速回転域且つ高ＥＧＲ運転条件下であっても小容量の高圧段過給器８で効率よく過給することができ、エンジンの低速回転域且つ高ＥＧＲ運転条件下での過給性能を向上させることができる。

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、排気バイパス弁１５の開度制御は、上述の実施形態には限定されず様々な手法を適用することができる。以下代表的な手法を示す。

（１）エンジン回転速度及びトルクに基づくオープンループ制御
マップの一例を図４に示す。高圧段タービン１１の容量によって各制御を行う領域は変化する。

（２）吸気量及び燃料噴射量に基づくオープンループ制御
マップの一例を図５に示す。高圧段タービン１１の容量によって各制御を行う領域は変化する。吸気量は、吸気センサによる検出値、或いは、エンジン回転速度及び過給圧から算出した評価値とすることができる。燃料噴射量は、エンジン回転数及び排気温度等から求めた目標値とすることができる。

（３）各エンジン回転速度・負荷毎に設定された設定圧力値を目標値とし、排気バイパス弁１５の開度を調節することにより中圧段コンプレッサ２１の出口圧もしくは高圧段コンプレッサ１２の入口圧を制御するＰＩＤ制御
（４）所定運転条件範囲内においては各エンジン回転速度・負荷毎に設定された設定圧力値を目標値とし、排気バイパス弁１５の開度を調節することにより高圧段コンプレッサ１２の出口圧もしくは過給圧を制御するＰＩＤ制御
また、エンジンの吸気脈動等による吸気バイパス弁１８の誤動作が懸念される場合は、アクチュエータを用いた吸気バイパス弁１８の制御が有効である。以下代表的な手法を示す。

（１）エンジン回転数、過給圧、吸気量、排気バイパス弁１５の開度等に基づくオープンループ制御
（２）高圧段コンプレッサ１２の出口圧と入口圧の圧力差（差圧）に基づく制御
（３）高圧段コンプレッサ１２の入口・出口温度、高圧段タービン１１の作動回転数等に基づく制御
ところで、定置型或いは船舶用等のエンジンにおいては、設置レイアウトの自由度が大きいため、各過給器８、９、１０のコンプレッサ１２、２１、２５毎にインタークーラ１３、２２、２６を設けることは可能である。しかし、自動車用のエンジンにおいては、設置レイアウトに制限があり、各過給器８、９、１０のコンプレッサ１２、２１、２５毎にインタークーラ１３、２２、２６を設けることが困難となる場合が非常に多い。そこで、以下インタークーラ１３、２２、２６の小型化及び一部省略について図３により説明する。

図１において、吸気バイパス弁１８を開いた場合、吸気バイパス管１７を流れる吸気は、中圧段コンプレッサ２１の下流のインタークーラ２２及び高圧段コンプレッサ１２の下流のインタークーラ１３の二つを通過することになる。しかし本来、高圧段コンプレッサ１２の下流のインタークーラ１３は、ＥＧＲ装置４によるＥＧＲ量が多く吸気量が著しく減少するエンジンの低速回転域において使用される高圧段コンプレッサ１２で昇圧された吸気を主に冷却するものであるため、容量は小容量で良い。

そこで、図３に示すように、インタークーラ１３を吸気バイパス管１７との接続部よりも上流側の吸気管２に設置することで、高圧段コンプレッサ１２で昇圧された吸気のみがインタークーラ１３を通るようになる。そのため、インタークーラ１３を図１で示したものに比べて小型なものとすることができる。

さらに、中圧段コンプレッサ２１のインペラを耐熱性の高い材料（例えば、チタン等）から作製する、もしくは、低圧段コンプレッサ２５の容量を、エンジンの定格運転状態で中圧段コンプレッサ２１の出口温度が所定以下に抑制可能となるように適切に設定することで、図３に示すように、低圧段コンプレッサ２５の下流のインタークーラ２６を省略することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る三段過給システムを適用したエンジンの概略図である。排気バイパス弁の制御フローチャートである。インタークーラの変形例に係るエンジンの概略図である。エンジンの回転速度及びトルクに基づく排気バイパス弁の制御のためのマップである。吸気量及び燃料噴射量に基づく排気バイパス弁の制御のためのマップである。

符号の説明

１エンジン本体（エンジン）
２吸気管（吸気通路）
３排気管（排気通路）
４ＥＧＲ装置（排気再循環手段）
８高圧段過給器
９中圧段過給器
１０低圧段過給器
１１高圧段タービン（タービン）
１４排気バイパス管（バイパス流路）
１５排気バイパス弁（バイパス弁）
１６コントローラ（制御手段）

Claims

エンジンの排気通路内の排気ガスの一部を上記エンジンの吸気通路に還流させるための排気再循環手段と、上記エンジンに近い方から互いに直列に接続された高圧段過給器、中圧段過給器及び低圧段過給器と、上記排気通路に接続され上記高圧段過給器のタービンをバイパスするバイパス流路と、該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、上記排気再循環手段による排気再循環量が多く上記高圧段過給器のタービンへと流れる流量が少ない上記エンジンの低速回転域では、上記バイパス弁を閉じ、上記排気再循環手段による排気再循環量が適宜少なくなり上記高圧段過給器のタービンへと流れる流量が適宜多くなる上記エンジンの中高速回転域では、上記バイパス弁を開制御する制御手段とを備えたことを特徴とするエンジンの三段過給システム。
上記高圧段過給器のタービンの容量が、上記排気再循環手段による排気再循環量が多く上記高圧段過給器のタービンへと流れる流量が少ない上記エンジンの低速回転域においてサージングが発生しない範囲で小さい容量に設定される請求項１に記載のエンジンの三段過給システム。