JP2009115089A - Engine with supercharger and its operating method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、過給機付エンジンに関連する。より具体的には、気筒に新気又は新混合気を供給するための吸気管と、上記気筒から排気ガスを排出するための排気管と、この排気管に配設されたタービンと上記吸気管の中に配置された第一圧縮機とを有する排気ターボ過給機と、上記吸気管における上記第一圧縮機の上流側に配設された第二圧縮機を有する機械式過給機と、内部に閉鎖要素が配置され且つ上記吸気管における上記第二圧縮機の上流側から分岐し、上記吸気管における上記第二圧縮機の下流側に再び繋がる第一バイパス通路とを備えた過給機付エンジンに関連する。本発明はまた、上述の形式の過給機付エンジンの運転方法にも関連する。 The present invention relates to a supercharged engine. More specifically, an intake pipe for supplying fresh air or a new mixture to the cylinder, an exhaust pipe for exhausting exhaust gas from the cylinder, a turbine disposed in the exhaust pipe, and the intake pipe An exhaust turbocharger having a first compressor disposed therein, and a mechanical supercharger having a second compressor disposed upstream of the first compressor in the intake pipe, A supercharger including a first bypass passage in which a closing element is disposed and branched from the upstream side of the second compressor in the intake pipe and reconnected to the downstream side of the second compressor in the intake pipe Related to the engine. The invention also relates to a method for operating a supercharged engine of the type described above.
本明細書において、エンジンという用語は、火花点火エンジン、ハイブリッド駆動システム若しくはハイブリッド車のエンジン、又は、ディーゼルエンジンを含む。 As used herein, the term engine includes a spark ignition engine, a hybrid drive system or hybrid vehicle engine, or a diesel engine.
一般に、エンジンを過給するためには、圧縮機及びタービンが同じシャフト軸上に配置され、熱い排気ガス流がタービンに供給されてタービン内でエネルギーを放出すべく膨張させられ、その結果としてシャフトを回転させる、排気ターボ過給機が使用されている。排気流からタービンそして最終的にシャフトへ伝達されたエネルギーは、シャフト上に同様に配設された圧縮機を駆動するために利用される。圧縮機はそこに供給された充填空気を圧縮し、その結果、充填空気の気筒への過給が得られる。 In general, to supercharge an engine, the compressor and turbine are placed on the same shaft shaft and a hot exhaust gas stream is supplied to the turbine and expanded to release energy in the turbine, resulting in the shaft. An exhaust turbocharger is used to rotate the engine. The energy transferred from the exhaust stream to the turbine and ultimately to the shaft is utilized to drive a compressor similarly disposed on the shaft. The compressor compresses the charge air supplied thereto, so that supercharging of the charge air to the cylinder is obtained.
また、エンジンを過給するために、上述したように排気ターボ過給機が熱い排気ガスの排気エネルギーを利用するのとは異なり、エンジンそのものから駆動に必要なエネルギーを取る形式の機械式過給機が使用される場合もある。いずれの場合にも、充填空気を冷却するためにインタークーラーが設けられる場合がある(例えば、特許文献1、2参照)。
In addition, as described above, in order to supercharge the engine, unlike the exhaust turbocharger that uses the exhaust energy of hot exhaust gas, a mechanical supercharger that takes the energy required for driving from the engine itself. A machine may be used. In either case, an intercooler may be provided to cool the filled air (see, for example,
上記過給は第一にエンジンの出力を増大する働きをする。すなわち、燃焼工程に必要な空気が圧縮され、その結果、仕事サイクルあたり、より多くの質量の空気が各気筒に供給され得る。このようにして、燃料質量及び平均有効圧pmeが増大され得る。 The supercharging first serves to increase the engine output. That is, the air required for the combustion process is compressed, so that more mass of air can be supplied to each cylinder per work cycle. In this way, the fuel mass and the average effective pressure p me can be increased.
したがって、過給は排気量(行程容積)を変えずにエンジンの出力を増大させる、或いは、出力の大きさを変えずに排気量を低減するのに適切な手段である。いずれにせよ、過給は特定の性能を向上させる。自動車が所定の過渡状態において、負荷の総量が固有のより低い消費量に変化させられ得る。その結果として、過給はエンジンの燃料消費率の低下、すなわち、エンジンの効率の改善を促進する。 Therefore, supercharging is an appropriate means for increasing the engine output without changing the displacement (stroke volume), or for reducing the displacement without changing the magnitude of the output. In any case, supercharging improves specific performance. When the vehicle is in a given transient state, the total load can be changed to an inherent lower consumption. As a result, supercharging promotes a reduction in engine fuel consumption, i.e. an improvement in engine efficiency.
過給機付エンジンの更なる基本的な目的は、汚染物質排出量の低減である。エンジンの過給は、この問題を解決する手段でもあり得る。特に、目標とされる設計の過給の場合、効率及び排気エミッションにおいて優位性を得ることが可能である。したがって、適切な過給によって、例えばディーゼルエンジンにおいて、効率を損失することなく窒素酸化物の低減が可能である。同時に、炭化水素の排出にも効果的な影響を与える場合がある。同様に、燃料消費に直接関係する二酸化炭素の排出も、燃料消費量の低下に伴って低減する。したがって、過給は汚染物質排出量の低減にも適している。
過給機付エンジンの開発の更なる目的は、エンジンの動的な運転における応答特性を改善すること、及び、低回転領域におけるトルク特性を改善することである。 A further object of the development of a supercharged engine is to improve the response characteristics in the dynamic operation of the engine and to improve the torque characteristics in the low speed region.
具体的には、従来技術においては、所定の回転速度を下回る場合に知覚可能なトルク低下が観測される。この結果は望ましくなく、排気ターボ過給機の最も重要な欠点の一つである。 Specifically, in the prior art, a perceptible torque decrease is observed when the rotational speed is lower than a predetermined rotational speed. This result is undesirable and is one of the most important drawbacks of an exhaust turbocharger.
もし充填圧がタービン圧力比に依存することを考慮するならば、上述のトルク低下は理解できる。例えばディーゼルエンジンにおいて、もしエンジン速度が低減されたならば、これは、排気質量流量の低下をもたらし、その結果、タービン圧力比の低下をもたらす。このことが、低回転になるほど、トルク低下と同義である充填圧の低下をもたらす。 If one considers that the filling pressure depends on the turbine pressure ratio, the above torque drop can be understood. For example, in a diesel engine, if the engine speed is reduced, this results in a reduction in exhaust mass flow and, as a result, a reduction in turbine pressure ratio. This results in a decrease in filling pressure, which is synonymous with a decrease in torque, as the speed decreases.
ここで、充填圧の低下は、タービン圧力比の増大を伴うタービンの断面積の大きさの低減によって対策することが基本的に可能であるが、これは高回転における不利益をもたらす。 Here, a decrease in the filling pressure can be basically dealt with by reducing the size of the cross-sectional area of the turbine accompanied by an increase in the turbine pressure ratio, but this causes a disadvantage at a high rotation speed.
トルク特性を改善するために、複数のターボ過給機、又は、排気ターボ過給機と機械式過給機との組み合わせが使用されることが多い。排気ターボ過給機に加えて上述の機械式過給機が設けられたエンジンもまた、本発明の主題である。 In order to improve torque characteristics, a plurality of turbochargers or a combination of an exhaust turbocharger and a mechanical supercharger is often used. An engine provided with the above-described mechanical supercharger in addition to the exhaust turbocharger is also the subject of the present invention.
しかしながら、汚染物質排出に関する将来の規制に適合するために、更なる対策が必要になる場合がある。ここでは、特にディーゼルエンジンに関連のある窒素酸化物の排出を低減することに焦点をあてる。窒素酸化物の形成には過剰な空気のみではなく、高温も必要とするので、窒素酸化物を低減するためのコンセプトの一つが、燃焼工程の改善、或いは、比較的低温の燃焼温度を用いる方法である。 However, further measures may be required to meet future regulations regarding pollutant emissions. The focus here is specifically on reducing nitrogen oxide emissions associated with diesel engines. Since the formation of nitrogen oxides requires not only excess air but also high temperatures, one of the concepts for reducing nitrogen oxides is to improve the combustion process or to use a relatively low combustion temperature It is.
ここでの手段は、排気ガス再循環(exhaust-gas recirculation: EGR)、即ち、排気管から出て吸気管に入る燃焼ガスの再循環であり、これにより、排気ガス再循環率(EGR率)の増加に伴って窒素酸化物の排出を大幅に低減することが出来る。ここで、排気ガス再循環率xEGRは以下の式(1)によって規定される。 The means here is exhaust gas recirculation (EGR), that is, recirculation of the combustion gas exiting the exhaust pipe and entering the intake pipe, thereby providing an exhaust gas recirculation rate (EGR rate). As the amount of nitrogen increases, the emission of nitrogen oxides can be greatly reduced. Here, the exhaust gas recirculation rate x EGR is defined by the following equation (1).
xEGR =mEGR /(mEGR +mFresh air) …(1)
ここで、mEGR は再循環する排気ガスの質量を表し、mFresh airは供給された空気、好ましくは圧縮された新気又は充填空気の質量を表す。
x EGR = m EGR / (m EGR + m Fresh air ) (1)
Here, m EGR represents the mass of recirculated exhaust gas, and m Fresh air represents the mass of supplied air, preferably compressed fresh air or charged air.
排気ガス再循環はまた、部分負荷領域における未燃炭化水素の排出を低減するのに適している。 Exhaust gas recirculation is also suitable for reducing unburned hydrocarbon emissions in the partial load region.
窒素酸化物の大幅な低減を得るため、xEGR が60%から70%の大きさの高い排気ガス再循環率が必要である。 To obtain a significant reduction in nitrogen oxides, a high exhaust gas recirculation rate with x EGR of 60% to 70% is required.
従来技術に従って排気ガス再循環と排気ターボ過給とを同時に使用するとき、従来のコンセプトでは、再循環される排気ガスがタービンの上流の排気管から引き出され、タービンを駆動するために利用できなくなるので、排気ガス再循環と排気ターボ過給との目的の干渉を必然的にもたらす。排気管から出て吸気管に入る排気ガスの再循環は差圧、換言すれば、排気側から吸気側への圧力勾配を必要とする。高いEGR率を得るためには、それに対応する高い圧力勾配が必要とされる。 When using exhaust gas recirculation and exhaust turbocharging at the same time according to the prior art, in the conventional concept, the recirculated exhaust gas is drawn from the exhaust pipe upstream of the turbine and cannot be used to drive the turbine As such, there will necessarily be interference between the objectives of exhaust gas recirculation and exhaust turbocharging. Recirculation of exhaust gas exiting the exhaust pipe and entering the intake pipe requires a differential pressure, in other words, a pressure gradient from the exhaust side to the intake side. In order to obtain a high EGR rate, a corresponding high pressure gradient is required.
この理由により、従来技術においては、排気ガス再循環のための通路、即ち再循環通路が、排気管の中の排気の背圧が吸気管の中の充填圧よりも確実に高くなるように排気管のタービンよりも上流側から分岐し、それにより、必要とされる圧力勾配が得られる。 For this reason, in the prior art, the exhaust gas recirculation passage, i.e., the recirculation passage, ensures that the exhaust back pressure in the exhaust pipe is reliably higher than the filling pressure in the intake pipe. Branching from the upstream side of the turbine of the tube results in the required pressure gradient.
この従来技術に対し、本発明の目的は、上記のような過給機付エンジンにおいて、従来技術における不利点を克服し、そして、全てのエンジン負荷領域において高い排気ガス再循環率と高い充填圧を同時に実現することの出来る過給機付エンジンを提供することを目的とする。 In contrast to this prior art, the object of the present invention is to overcome the disadvantages of the prior art in a turbocharged engine as described above, and to achieve a high exhaust gas recirculation rate and a high filling pressure in all engine load regions. It aims at providing the engine with a supercharger which can implement | achieve simultaneously.
本発明の更なる目的は、上述した過給機付エンジンの運転方法を明らかにすることである。 A further object of the present invention is to clarify a method for operating the above-described supercharged engine.
本発明の第一の目的は、気筒に新気又は新混合気を供給するための吸気管と、上記気筒から排気ガスを排出するための排気管と、上記排気管に配設されたタービンと上記吸気管の中に配置された第一圧縮機とを有する排気ターボ過給機と、上記吸気管における上記第一圧縮機の上流側に配設された第二圧縮機を有する機械式過給機と、内部に閉鎖要素が配置され且つ上記吸気管における上記第二圧縮機の上流側から分岐し、上記吸気管における上記第二圧縮機の下流側に再び繋がる第一バイパス通路とを備えた過給機付エンジンにおいて、上記排気管における上記タービンの下流側から分岐して上記吸気管における上記第二圧縮機の上流側に開口する再循環通路を有する排気ガス再循環システムと、上記吸気管における上記再循環通路の開口点の上流側、又は、上記排気管における上記再循環通路の分岐点の下流側のいずれかの位置に配設された絞り弁とを備えたことを特徴とする過給機付エンジンによって、達成される。 A first object of the present invention is to provide an intake pipe for supplying fresh air or a new mixture to a cylinder, an exhaust pipe for exhausting exhaust gas from the cylinder, and a turbine disposed in the exhaust pipe. An exhaust turbocharger having a first compressor disposed in the intake pipe and a mechanical supercharger having a second compressor disposed upstream of the first compressor in the intake pipe And a first bypass passage branching from the upstream side of the second compressor in the intake pipe and reconnected to the downstream side of the second compressor in the intake pipe. In an engine with a supercharger, an exhaust gas recirculation system having a recirculation passage that branches from a downstream side of the turbine in the exhaust pipe and opens to an upstream side of the second compressor in the intake pipe, and the intake pipe Opening of the recirculation passage in And a throttle valve disposed at a position on either the upstream side of the exhaust pipe or the downstream side of the branch point of the recirculation passage in the exhaust pipe. The
この発明に従うエンジンは、所謂低圧EGRシステム、すなわち、排気ガス再循環において排気ガスがタービンの上流側からではなく、下流側から引き出されるタイプのEGRシステムが取り付けられたものである。 The engine according to the present invention is equipped with a so-called low-pressure EGR system, that is, an EGR system of a type in which exhaust gas is drawn not from the upstream side of the turbine but from the downstream side in exhaust gas recirculation.
これは、従来のエンジンと比べ、再循環された排気ガスが吸気管に再循環される前にタービンの中を流れ、それによりタービンを駆動するのに利用される点で、大きな利点を持つ。この点において、排気ガス再循環と排気ターボ過給との目的の干渉は解決される。なぜなら、高EGR率、すなわち、大量に再循環される排気が、タービン圧力比又は圧縮機における圧力比の低下をもたらさず、それゆえ、トルクの利用可能性の低下をもたらさないからである。 This has a significant advantage over conventional engines in that the recirculated exhaust gas flows through the turbine before it is recirculated to the intake pipe, thereby being used to drive the turbine. In this respect, the intended interference between exhaust gas recirculation and exhaust turbocharging is solved. This is because a high EGR rate, i.e. exhaust gas recirculated in large quantities, does not result in a reduction in turbine pressure ratio or pressure ratio in the compressor, and therefore no reduction in torque availability.
本発明に従うエンジンは、大量の排気ガスを再循環し、そして同時に、十分に高い充填圧を生成又は供給し、特に部分負荷領域におけるエンジンの運転特性の改善に大きな効果をもたらす。 The engine according to the invention recirculates a large amount of exhaust gas and at the same time produces or supplies a sufficiently high filling pressure, which has a great effect on improving the operating characteristics of the engine, especially in the partial load region.
排気ガス再循環に必要とされる排気側と吸気側との間の圧力勾配(差圧)を確保又は確かなものとするために絞り弁が設けられ、この絞り弁が、圧力勾配すなわちEGR率を調整する手段である。 A throttle valve is provided to ensure or ensure a pressure gradient (differential pressure) between the exhaust side and the intake side required for exhaust gas recirculation, and this throttle valve is a pressure gradient, that is, an EGR rate. It is a means to adjust.
絞り弁は、吸気管における再循環通路の開口点の上流側に配設される場合がある。この場合、絞り弁を閉位置の方向に調節することにより、吸気圧が絞られる、すなわち、低減されることが可能となる。この例において、圧力勾配すなわちEGR率は、絞り弁の下流側の吸気管の中の圧力を低下させることにより増大する。 The throttle valve may be disposed upstream of the opening point of the recirculation passage in the intake pipe. In this case, the intake pressure can be throttled, that is, reduced by adjusting the throttle valve in the direction of the closed position. In this example, the pressure gradient or EGR rate is increased by reducing the pressure in the intake pipe downstream of the throttle valve.
一方、絞り弁が、排気管における再循環通路の分岐点の下流側に配設される場合もある。その絞り弁を閉位置の方向に調節することにより、排気管における、絞り弁の上流側の排気背圧が影響を受け、換言すれば、増大される。この例においては、圧力勾配すなわちEGR率は、排気管の背圧を増大させることにより増加される。 On the other hand, the throttle valve may be disposed downstream of the branch point of the recirculation passage in the exhaust pipe. By adjusting the throttle valve in the direction of the closed position, the exhaust back pressure upstream of the throttle valve in the exhaust pipe is affected, in other words, increased. In this example, the pressure gradient or EGR rate is increased by increasing the exhaust pipe back pressure.
これら二つの実施形態は、EGR率が絞り弁によって制御又は調節される点において共通である。絞り弁を開放方向又は閉鎖方向に調節することにより、吸気管内の圧力又は排気管内の排気背圧が直接的に変えられ、その結果、EGR率が間接的に調節即ち制御される。 These two embodiments are common in that the EGR rate is controlled or adjusted by a throttle valve. By adjusting the throttle valve in the opening direction or the closing direction, the pressure in the intake pipe or the exhaust back pressure in the exhaust pipe is directly changed, and as a result, the EGR rate is indirectly adjusted or controlled.
このように絞り弁が閉鎖されるほど、排気側と吸気側との差圧が大きくなって、EGR率が大きくなる。 Thus, as the throttle valve is closed, the differential pressure between the exhaust side and the intake side increases, and the EGR rate increases.
第一バイパス通路は基本的に、機械式過給機(第二圧縮機)をバイパスしながら、排気ターボ過給機の第一圧縮機に新気を供給するのを可能とする。その結果、第一バイパス通路は第一圧縮機に新気を直接的に供給することを可能とし、これにより、エンジンのシングル・ステージ過給を実現する。 The first bypass passage basically allows fresh air to be supplied to the first compressor of the exhaust turbocharger while bypassing the mechanical supercharger (second compressor). As a result, the first bypass passage makes it possible to supply fresh air directly to the first compressor, thereby realizing a single stage supercharging of the engine.
一方、第一バイパス通路は閉鎖要素によって、特に低回転速度又は低負荷における充填圧に影響を与える、換言すれば、制御することが出来る。 On the other hand, the first bypass passage can be controlled by a closing element, in particular affecting the filling pressure at low rotational speeds or at low loads.
充填圧を増大するために、第一バイパス通路内に配設された閉鎖要素が閉鎖方向へ調節される。それにより、エンジンに実際に運ばれて供給される空気質量、及び、空燃比λが増大可能である。 In order to increase the filling pressure, the closing element arranged in the first bypass passage is adjusted in the closing direction. As a result, the mass of air actually supplied and supplied to the engine and the air-fuel ratio λ can be increased.
反対に、充填圧を低減するために、閉鎖要素が開放方向へ調節され、その結果、第一バイパス通路から、より多くの充填空気が吹出される。 Conversely, in order to reduce the filling pressure, the closing element is adjusted in the opening direction, so that more filling air is blown out from the first bypass passage.
このような取り組みは、高EGR率、及び、充填空気量の増大、或いは、高い空燃比λが、低回転数又は低中負荷において行われるときに、特に有利である。 Such an approach is particularly advantageous when a high EGR rate and an increased charge air amount or a high air / fuel ratio λ is performed at low speeds or low and medium loads.
低回転領域における機械式過給機の第二圧縮機による充填空気の圧縮は、過給機のエンジンへの機械的な接続の結果、応答性を改善し、そして、低回転領域におけるトルクの利用可能性を改善する。 The compression of the charge air by the second compressor of the mechanical supercharger in the low speed range improves the responsiveness as a result of the mechanical connection of the turbocharger to the engine and the use of torque in the low speed range Improve possibilities.
もし、充填空気の2ステージ圧縮が好ましいならば、第一バイパス通路内の閉鎖要素が閉じられるべきである。 If a two-stage compression of charge air is preferred, the closure element in the first bypass passage should be closed.
したがって、第一圧縮機は、2ステージ圧縮の下で第二圧縮機によって予圧縮された空気質量流を圧縮する場合も有れば、予圧縮されていない空気質量流を圧縮する場合もある。 Thus, the first compressor may compress the air mass flow pre-compressed by the second compressor under two-stage compression, or it may compress the air mass flow that is not pre-compressed.
二つの圧縮機の設計は、第一バイパス通路の制御に特に依存する。もし第一バイパス通路が、機械式過給機が大量の空気質量を運べないとの理由で比較的高い回転速度或いは高い充填空気量において開放されるならば、第一圧縮機はそれに応じて大きな寸法に設定される。 The design of the two compressors depends in particular on the control of the first bypass passage. If the first bypass passage is opened at a relatively high rotational speed or high charge air volume because the mechanical supercharger cannot carry a large amount of air mass, the first compressor will be correspondingly larger Set to dimension.
本発明に従うエンジンは、先に詳述したように、本発明の第一の目的を達成する。具体的には、エンジンの全ての負荷領域において高い排気ガス再循環率と高い充填圧とを同時に満たすことが可能な過給機付エンジンを提供することが出来る。 The engine according to the invention achieves the first object of the invention as detailed above. Specifically, it is possible to provide a supercharged engine capable of simultaneously satisfying a high exhaust gas recirculation rate and a high filling pressure in all load regions of the engine.
更なる有利なエンジンの実施形態を、以下に説明する。 Further advantageous engine embodiments are described below.
吸気管における第一圧縮機の上流側の位置から分岐して第一圧縮機の下流側の位置に再び開口する第二バイパス通路と、その第二バイパス通路に設けられた閉鎖要素とを備える実施形態のエンジンが有利である。 Implementation comprising a second bypass passage that branches from a position upstream of the first compressor in the intake pipe and reopens at a position downstream of the first compressor, and a closing element provided in the second bypass passage. An engine of the form is advantageous.
この実施形態は、第一圧縮機がバイパスされるのを可能とし、充填空気を第一圧縮機で圧縮しないで気筒へ供給することを可能とする。 This embodiment allows the first compressor to be bypassed and allows charge air to be supplied to the cylinder without being compressed by the first compressor.
上記気筒からの排気ガスを上記タービンをバイパスして上記排気管における上記タービンの下流側に吹き出す第三バイパス通路が設けられ、上記第三バイパス通路には、上記排気管への排気ガス吹出し量を制御するための閉鎖要素が設けられている実施形態のエンジンが有利である。 A third bypass passage is provided for exhausting the exhaust gas from the cylinder to the downstream side of the turbine in the exhaust pipe by bypassing the turbine, and the third bypass passage has an exhaust gas blowing amount to the exhaust pipe. The engine of the embodiment in which a closure element for control is provided is advantageous.
ウエストゲート・タービンとしてタービンを設計することが、タービン断面積の寸法を小さく設定でき、換言すれば、比較的小さな排気量用に構成することが出来る。もし排気質量流量が臨界値を上回るならば、排気ガスの所謂吹出し量としての排気流量の一部が、第三バイパス通路を通ってタービンを迂回する。 Designing a turbine as a wastegate turbine can set the size of the turbine cross-sectional area small, in other words, can be configured for a relatively small displacement. If the exhaust mass flow rate exceeds a critical value, a part of the exhaust flow rate as the so-called blow-off amount of the exhaust gas bypasses the turbine through the third bypass passage.
タービンが小さいほど慣性が小さく、その結果、比較的小さな慣性質量モーメントにより、迅速にローターが加減速される。したがって、エンジンの応答特性が改善される。 The smaller the turbine, the lower the inertia, and as a result, the rotor is accelerated and decelerated quickly with a relatively small inertial mass moment. Therefore, the response characteristic of the engine is improved.
さらに、小さなタービンは軽量で搭載スペースも小さく、それにより、エンジンルーム内により凝縮したパッケージが可能であり、特にタービンを気筒に近づける望ましい配置が可能である。 In addition, small turbines are light and have a small mounting space, which allows for a more condensed package in the engine room, and in particular desirable arrangements that bring the turbine closer to the cylinder.
第一バイパス通路内の閉鎖要素が、バルブ又はスロットル・フラップである実施形態のエンジンが有利である。 Advantageously, the engine of the embodiment in which the closing element in the first bypass passage is a valve or a throttle flap.
上記絞り弁が、電気、油圧、流体圧、機械式、又は、磁気により、好ましくはエンジン制御器によって制御可能である実施形態が有利である。 Embodiments in which the throttle valve is controllable by electricity, hydraulic, fluid pressure, mechanical or magnetic, preferably by an engine controller, are advantageous.
タービンが可変タービンジオメトリを持つ実施形態のエンジンが有利である。 An embodiment engine in which the turbine has a variable turbine geometry is advantageous.
可変タービンジオメトリは過給のフレキシビリティを増大させる。それは結果として、対応するエンジンの動作点或いは現在の排気ガス質量流量に対するタービンのジオメトリの種々の適用を許容する。 Variable turbine geometry increases supercharge flexibility. As a result, it allows various applications of the turbine geometry to the corresponding engine operating point or current exhaust gas mass flow.
特に、可変タービンジオメトリを備えたタービンとタービンをバイパスする第三バイパス通路との組み合わせが、タービンが小さな排気質量用、即ち、部分負荷領域用に構成されることを可能とする。それは、低回転における高いタービン圧力比、すなわち、小さな排気質量流量を得ることを可能とする。 In particular, the combination of a turbine with a variable turbine geometry and a third bypass passage that bypasses the turbine allows the turbine to be configured for a small exhaust mass, i.e. a partial load region. It makes it possible to obtain a high turbine pressure ratio at low rotation, i.e. a small exhaust mass flow.
しかしながら、タービンは、基本的に固定された、可変でないジオメトリを持つ場合もある。 However, the turbine may have a geometry that is essentially fixed and not variable.
吸気管における第一圧縮機の下流側に、該第一圧縮機で圧縮された空気を冷却するインタークーラーが配設される実施形態のエンジンが有利である。そのインタークーラーは空気の温度を下げ、それにより、運ばれる吸気流の密度を増加し、その結果、燃焼室の充填の改善に貢献する。 The engine of the embodiment in which an intercooler for cooling the air compressed by the first compressor is disposed downstream of the first compressor in the intake pipe is advantageous. The intercooler lowers the temperature of the air, thereby increasing the density of the intake air flow that is carried, thereby contributing to improved combustion chamber filling.
吸気管における第一及び第二圧縮機の間に、該第二圧縮機で圧縮された空気を冷却するインタークーラーが配設される実施形態のエンジンが有利である。そのようなインタークーラーは、適切な場合に第一バイパス通路を介して吸い込まれる質量流が該インタークーラーを通過しないように、吸気管における第一バイパス通路の開口点の上流側に配設されるのが好ましい。 The engine of the embodiment in which an intercooler for cooling the air compressed by the second compressor is arranged between the first and second compressors in the intake pipe is advantageous. Such an intercooler is arranged upstream of the opening point of the first bypass passage in the intake pipe so that the mass flow sucked through the first bypass passage, when appropriate, does not pass through the intercooler. preferable.
第一及び第二圧縮機の間の上記インタークーラーは、供給流の温度を下げて密度を上げ、そして、質量流量が同じと仮定した場合の、第一圧縮機を通る流量の体積を低減する。その結果、第一圧縮機は小さな寸法に設定可能であり、それは、既に上述した小さいタービンに関連する有利点をもたらす。 The intercooler between the first and second compressors reduces the temperature of the feed stream to increase the density and reduces the volume of flow through the first compressor, assuming the mass flow is the same. As a result, the first compressor can be set to small dimensions, which provides the advantages associated with the small turbine already described above.
上記排気ガス再循環システムにおける上記再循環通路に、該再循環通路を流れる排気ガスを冷却するクーラーが設けられた実施形態のエンジンが有利である。このようなクーラーは、熱い排気ガス流の温度を下げ、それにより、排気ガスの密度を上げ、その結果、大きな質量の排気ガスが再循環され得る。吸気管内での新気と再循環排気ガスとの混合の間に生成される新充填空気の温度が低下し、その結果、上記再循環通路のクーラーは燃焼室の充填の改善に寄与する。 An engine of an embodiment in which the recirculation passage in the exhaust gas recirculation system is provided with a cooler for cooling the exhaust gas flowing through the recirculation passage is advantageous. Such a cooler lowers the temperature of the hot exhaust gas stream, thereby increasing the density of the exhaust gas so that a large mass of exhaust gas can be recirculated. The temperature of the newly charged air generated during the mixing of the fresh air and the recirculated exhaust gas in the intake pipe is lowered, and as a result, the cooler of the recirculation passage contributes to the improvement of the filling of the combustion chamber.
上記排気ガス再循環システムにおける上記再循環通路に、閉鎖要素が設けられた実施形態のエンジンが有利である。このような閉鎖要素は、上記絞り弁に加えて、排気ガス再循環率の制御を提供する。 An embodiment of the engine in which a closure element is provided in the recirculation passage in the exhaust gas recirculation system is advantageous. Such a closing element provides control of the exhaust gas recirculation rate in addition to the throttle valve.
上記再循環通路の閉鎖要素は、排気ガス再循環がエンジンの全負荷運転時に完全に抑制されるときに特に有利であり、そのときに閉鎖要素は閉じられる。 The closing element of the recirculation passage is particularly advantageous when exhaust gas recirculation is completely suppressed during full load operation of the engine, at which time the closing element is closed.
本発明の目的を達成する第二の観点は、上述した形式の過給機付エンジンの制御方法であって、再循環ガスの量、すなわち、EGR率を増大させるため、上記吸気管又は上記排気管の中に配設された絞り弁をより閉じ側に制御する工程と、再循環ガスの量、すなわち、EGR率を低減させるため、上記吸気管又は上記排気管の中に配設された絞り弁をより開き側に制御する工程とを含む制御方法である。 A second aspect for achieving the object of the present invention is a method for controlling a supercharged engine of the type described above, in order to increase the amount of recirculated gas, that is, the EGR rate, so that the intake pipe or exhaust gas is increased. A throttle valve disposed in the intake pipe or the exhaust pipe in order to reduce the amount of recirculation gas, that is, the EGR rate, to control the throttle valve disposed in the pipe more closed. And a step of controlling the valve to the more open side.
エンジンに関連して、上述した内容が、本発明に従う方法にも同様に適用される。 In connection with the engine, what has been said above applies equally to the method according to the invention.
エンジン負荷が増大するにつれて、上記吸気管又は上記排気管に配設された絞り弁をより大きく開く工程と、エンジン負荷が低減するにつれて、上記吸気管又は上記排気管に配設された絞り弁をより閉じる工程とを含む制御方法が有利である。 As the engine load increases, a step of opening the throttle valve disposed in the intake pipe or the exhaust pipe more widely, and as the engine load decreases, a throttle valve disposed in the intake pipe or the exhaust pipe is provided. A control method comprising a more closing step is advantageous.
この実施形態は、エンジン負荷が大きくなるほど再循環される排気ガスの量が少なくなることを可能とする。エンジンが部分負荷運転されているときに高い排気ガス再循環率が好ましいが、高負荷、とりわけ全負荷においては、少ない量の排気ガスが再循環される、すなわち、少量の排気ガス再循環が行われる。この目的のため、絞り弁が上述したように駆動される、換言すれば、開閉される必要がある。 This embodiment makes it possible to reduce the amount of exhaust gas recirculated as the engine load increases. A high exhaust gas recirculation rate is preferred when the engine is operating at partial load, but at high loads, especially at full load, a small amount of exhaust gas is recirculated, that is, a small amount of exhaust gas recirculation occurs. Is called. For this purpose, the throttle valve is driven as described above, in other words it needs to be opened and closed.
図1は、例として5つの気筒3を備える過給機付エンジン1の実施形態を示す。このエンジン1の気筒3は直列に並んでいる。
FIG. 1 shows an embodiment of a
排気管4が、気筒3からの熱い排気ガスを排出するために設けられる。また、エンジン1は、気筒3に新気或いは新混合気を供給するための吸気管2を備える。
An
エンジン1は、排気ターボ過給機6と機械式過給機7とを備えている。排気ターボ過給機6は、排気管4に配設されたタービン6aと、吸気管2に配設された第一圧縮機6bとを有する。機械式過給機7は、吸気管2における第一圧縮機6bの上流側に配設された第二圧縮機を有する。タービン6aは、可変タービンジオメトリを持つことが好ましい。
The
機械式過給機7(第二圧縮機)をバイパスするため、吸気管2における機械式過給機7の上流側から分岐し、そして、吸気管2における機械式過給機7の下流側に再び開口する第一バイパス通路8が設けられている。
In order to bypass the mechanical supercharger 7 (second compressor), the
第一バイパス通路8は、特に低回転数において充填空気の吹出しによって充填圧を調整する機能をする。閉鎖要素9が第一バイパス通路8を開閉するためにその中に設けられる。
The
気筒3に供給される新気は、低圧ステージとして機能する機械式過給機7の第二圧縮機と、高圧ステージとして機能する、第二圧縮機の下流側に配設された第一圧縮機6bとを用いて、2ステージで圧縮される。しかしながら、閉鎖要素9を開放位置にすることで、シングルステージの圧縮もまた利用可能である。
The fresh air supplied to the
同様に、排気ターボ過給機6のタービン6a及び第一圧縮機6bをそれぞれバイパスするために第二及び第三バイパス通路14,16がそれぞれ設けられる場合があり、その場合、第二及び第三バイパス通路14,16内には閉鎖要素15,17がそれぞれ配置され得る。第二バイパス通路14は、吸気管2における第一圧縮機6bの上流側(より詳しくは、吸気管2における第一圧縮機6bと第一バイパス通路8の開口点との間)から分岐し且つ吸気管2における第一圧縮機6bの下流側に再び開口する。第三バイパス通路16は、気筒3からの排気ガスをタービン6aをバイパスして排気管4におけるタービン6aの下流側に吹き出す。
Similarly, second and
インタークーラー5が、吸気管2における第一圧縮機6bの下流側に配置されていて、供給される流体(第一圧縮機6bで圧縮された空気)の温度を下げて密度を増加させる。
The
吸気管2における第一圧縮機6bと機械式過給機7(第二圧縮機)との間に、該第二圧縮機で圧縮された空気を冷却するインタークーラーを配設してもよい。このインタークーラーは、吸気管2における第一バイパス通路8の開口点の上流側に配設されるのが好ましい。
An intercooler that cools the air compressed by the second compressor may be disposed between the
図1に示されたエンジン1は、排気管4におけるタービン6aの下流側から分岐して吸気管2における機械式過給機7(第二圧縮機)の上流側に開く再循環通路11を備えた低圧EGRシステム10を備える。
The
再循環通路11には、該再循環通路を流れる排気ガスを冷却するEGRクーラー13が設けられている。
The
気筒3からの排気は、従来技術のように排気管4におけるタービン6aの上流側からではなく、タービン6aの下流側から引き出され、その結果、排気が、再循環される前にタービン6aを通過すると同時にタービン6aを駆動する働きをし、間接的に第一圧縮機6bを駆動する。
The exhaust from the
絞り弁12が吸気管2における再循環通路11の開口点の上流側に配設されており、この絞り弁12によって、排気ガス再循環に必要とされる排気管4と吸気管2との間の差圧が変化する。
A
絞り弁12を閉じるほど、絞り弁12の下流側における吸気管2内の圧力が低下する。その結果、排気管4と吸気管2との間の圧力勾配(差圧)が増大し、EGR率が上昇する。このように絞り弁12によって、該絞り弁12の下流側における吸気管2内の圧力を低減することにより上記圧力勾配を上昇させてEGR率を調節する。
As the
したがって、再循環ガスの量(EGR率)を増大させるためには、絞り弁12をより閉じ側に制御し、再循環ガスの量(EGR率)を低減させるためには、絞り弁12をより開き側に制御する。
Therefore, in order to increase the amount of recirculated gas (EGR rate), the
エンジン負荷が増大するにつれて絞り弁12をより大きく開き、エンジン負荷が低減するにつれて絞り弁12をより閉じるようにすることが好ましい。
It is preferable to open the
上記再循環通路11に閉鎖要素を設けて、この閉鎖要素により、絞り弁12と共に、EGR率を制御するようにすることが好ましい。特にエンジン1の全負荷運転時には、排気ガス再循環が完全に抑制されるように、再循環通路11の閉鎖要素を閉じることが好ましい。
It is preferable to provide a closing element in the
図2は、過給機付エンジン1の第二実施形態の概略図を示す。尚、図1に示された実施形態と異なる点のみを説明し、その他の点については図1を参照されたい(同じ参照符号が同じ構成部品に使用されている)。
FIG. 2 shows a schematic diagram of a second embodiment of the
図1に示した実施形態とは異なり、図2に示されたエンジン1においては、絞り弁12が排気管4に配設されている。具体的には、排気管4における再循環通路11の分岐点の下流側に配設されている。
Unlike the embodiment shown in FIG. 1, the
その絞り弁12を閉じ方向に調節することにより、排気管4における絞り弁12の上流側の排気背圧が上昇する。排気再循環システム10に必要とされる圧力勾配は、絞り弁12により排気管4内の排気背圧を増大させることにより増加し、それによりEGR率が上昇する。
By adjusting the
したがって、図1に示した実施形態と同様に、再循環ガスの量(EGR率)を増大させるためには、絞り弁12をより閉じ側に制御し、再循環ガスの量(EGR率)を低減させるためには、絞り弁12をより開き側に制御する。
Therefore, as in the embodiment shown in FIG. 1, in order to increase the amount of recirculated gas (EGR rate), the
1 過給機付エンジン
2 吸気管
3 気筒
4 排気管
5 インタークーラー
6 排気ターボ過給機
6a タービン
6b 第一圧縮機
7 機械式過給機(第二圧縮機)
8 第一バイパス通路
9 閉鎖鋳要素
10 排気ガス再循環システム
11 再循環通路
12 絞り弁
13 EGRクーラー
14 第二バイパス通路
15 閉鎖要素
16 第三バイパス通路
17 閉鎖要素
DESCRIPTION OF
8
Claims (10)
上記気筒から排気ガスを排出するための排気管と、
上記排気管に配設されたタービンと上記吸気管の中に配置された第一圧縮機とを有する排気ターボ過給機と、
上記吸気管における上記第一圧縮機の上流側に配設された第二圧縮機を有する機械式過給機と、
内部に閉鎖要素が配置され且つ上記吸気管における上記第二圧縮機の上流側から分岐し、上記吸気管における上記第二圧縮機の下流側に再び繋がる第一バイパス通路と
を備えた過給機付エンジンにおいて、
上記排気管における上記タービンの下流側から分岐して上記吸気管における上記第二圧縮機の上流側に開口する再循環通路を有する排気ガス再循環システムと、
上記吸気管における上記再循環通路の開口点の上流側、又は、上記排気管における上記再循環通路の分岐点の下流側のいずれかの位置に配設された絞り弁と
を備えたことを特徴とする過給機付エンジン。 An intake pipe for supplying fresh air or a new air-fuel mixture to the cylinder;
An exhaust pipe for exhausting exhaust gas from the cylinder;
An exhaust turbocharger having a turbine disposed in the exhaust pipe and a first compressor disposed in the intake pipe;
A mechanical supercharger having a second compressor disposed upstream of the first compressor in the intake pipe;
A supercharger comprising a first bypass passage in which a closing element is disposed and branched from the upstream side of the second compressor in the intake pipe and reconnected to the downstream side of the second compressor in the intake pipe In the attached engine,
An exhaust gas recirculation system having a recirculation passage which branches from the downstream side of the turbine in the exhaust pipe and opens to the upstream side of the second compressor in the intake pipe;
A throttle valve disposed at a position upstream of the opening point of the recirculation passage in the intake pipe or downstream of the branch point of the recirculation passage in the exhaust pipe. An engine with a supercharger.
上記第二バイパス通路の中に閉鎖要素が配設されている、
請求項1記載の過給機付エンジン。 A second bypass passage is provided that branches from the upstream side of the first compressor in the intake pipe and opens again on the downstream side of the first compressor in the intake pipe;
A closing element is disposed in the second bypass passage;
The engine with a supercharger according to claim 1.
上記第三バイパス通路には、上記排気管への排気ガス吹出し量を制御するための閉鎖要素が設けられている、
請求項1又は2記載の過給機付エンジン。 A third bypass passage is provided for exhausting the exhaust gas from the cylinder to the downstream side of the turbine in the exhaust pipe, bypassing the turbine;
The third bypass passage is provided with a closing element for controlling the amount of exhaust gas blown into the exhaust pipe.
The engine with a supercharger according to claim 1 or 2.
請求項1乃至3のいずれか一つに記載の過給機付エンジン。 The turbine has a variable turbine geometry,
The engine with a supercharger according to any one of claims 1 to 3.
請求項1乃至4のいずれか一つに記載の過給機付エンジン。 An intercooler for cooling the air compressed by the first compressor is disposed downstream of the first compressor in the intake pipe.
The supercharged engine according to any one of claims 1 to 4.
請求項1乃至5のいずれか一つに記載の過給機付エンジン。 An intercooler for cooling the air compressed by the second compressor is disposed between the first and second compressors in the intake pipe.
The supercharged engine according to any one of claims 1 to 5.
請求項1乃至6のいずれか一つに記載の過給機付エンジン。 The recirculation passage in the exhaust gas recirculation system is provided with a cooler that cools the exhaust gas flowing through the recirculation passage.
The supercharged engine according to any one of claims 1 to 6.
請求項1乃至7のいずれか一つに記載の過給機付エンジン。 A closure element is provided in the recirculation passage in the exhaust gas recirculation system;
The supercharged engine according to any one of claims 1 to 7.
上記再循環通路による再循環ガスの量を増大させるため、上記吸気管又は上記排気管の中に配設された絞り弁をより閉じ側に制御する工程と、
上記再循環通路による再循環ガスの量を低減させるため、上記吸気管又は上記排気管の中に配設された絞り弁をより開き側に制御する工程と
を含む過給機付エンジンの運転方法。 A method for operating a supercharged engine according to any one of claims 1 to 8,
Controlling the throttle valve disposed in the intake pipe or the exhaust pipe to be more closed in order to increase the amount of recirculation gas through the recirculation passage;
A method of operating the engine with a supercharger, including a step of controlling the throttle valve disposed in the intake pipe or the exhaust pipe to be more open in order to reduce the amount of recirculated gas through the recirculation passage. .
エンジン負荷が低減するにつれて、上記吸気管又は上記排気管に配設された絞り弁をより閉じる工程と
を含む請求項9に記載の過給機付エンジンの運転方法。 Opening the throttle valve disposed in the intake pipe or the exhaust pipe more widely as the engine load increases;
The supercharger-equipped engine operating method according to claim 9, further comprising: closing a throttle valve disposed in the intake pipe or the exhaust pipe as the engine load decreases.
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