JP2011080406A

JP2011080406A - エンジンの過給システム

Info

Publication number: JP2011080406A
Application number: JP2009233015A
Authority: JP
Inventors: Munechika Tsutsumi; 宗近堤
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2009-10-07
Filing date: 2009-10-07
Publication date: 2011-04-21

Abstract

【課題】加速時における過給レスポンスの向上とＮＯx排出量の抑制とを同時に実現し得るエンジンの過給システムを提供する。
【解決手段】ターボチャージャ２を搭載し且つそのタービン２ｂより上流の排気管１０から排気ガス８の一部を抜き出してコンプレッサ２ａより下流の吸気管４に再循環するＥＧＲ流路１１を備えたディーゼルエンジン１の過給システムに関し、タービン２ｂより上流で且つＥＧＲ流路１１の排気分流部１１ａより下流の排気管１０と、コンプレッサ２ａより下流で且つＥＧＲ流路１１の排気合流部１１ｂより上流の吸気管４との間に、排気の圧力波により吸気３を直接加圧するプレッシャーウェーブスーパーチャージャ１４を設け、これに対し排気ガス８及び吸気３を低速軽負荷域で経由させて流し且つそれ以外の運転領域では迂回させて流し得るよう流路切替手段を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの過給システムに関するものである。

従来より、自動車のディーゼルエンジンにおいては、排気側から排気ガスの一部を抜き出して吸気側へと戻し、その吸気側に戻された排気ガスでエンジン内での燃料の燃焼を抑制させて燃焼温度を下げることによりＮＯx（窒素酸化物）の発生を低減するようにした、いわゆる排気再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）が行われている。

例えば、ターボチャージャを搭載したディーゼルエンジンの場合には、ターボチャージャのタービンより上流の排気系路と、ターボチャージャのコンプレッサより下流の吸気管との間をＥＧＲ流路により接続し、該ＥＧＲ流路を通して排気ガスの一部を再循環するようになっている。

ただし、ターボチャージャによる過給はレスポンスが悪いという難点があり、加速時には良好な発進性能を得るべくＥＧＲバルブを閉じて排気ガスの再循環を停止するのが一般的であるため、加速時に排気ガスの再循環によるＮＯxの抑制効果が十分に得られなくなってＮＯxの排出量が一時的に増加してしまう虞れがあった。

一方、前記ターボチャージャとは異なる原理で過給を行う既存システムとして、エンジンのクランクシャフトからギアやベルトを介しコンプレッサを機械的に駆動して過給を行うルーツ式スーパーチャージャが知られているが、この種のルーツ式スーパーチャージャをターボチャージャと組み合わせて併用すると、ターボチャージャの単独使用時よりも過給レスポンスを向上させることができ、加速時にＥＧＲバルブを閉じなくて済むことが判っている。

尚、この種のターボチャージャとルーツ式スーパーチャージャ（機械式スーパーチャージャ）とを組み合わせる技術に関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献１等がある。

実公平６−２２１１８号公報

しかしながら、ターボチャージャにルーツ式スーパーチャージャを組み合わせて併用すると、加速時にＥＧＲバルブを閉じなくて済むというメリットがある反面、ターボチャージャの単独使用時よりも吸気側と排気側との差圧が小さくなってしまうというデメリットがあり、いくら加速時にＥＧＲバルブを開けたままにできても排気ガスが再循環し難い状態となってしまい、ＮＯxの抑制効果を改善するまでには至らなかった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、加速時における過給レスポンスの向上とＮＯx排出量の抑制とを同時に実現し得るエンジンの過給システムを提供することを目的とする。

本発明は、ターボチャージャを搭載し且つ該ターボチャージャのタービンより上流の排気系路から排気ガスの一部を抜き出して前記ターボチャージャのコンプレッサより下流の吸気系路に再循環するＥＧＲ流路を備えたエンジンの過給システムであって、前記タービンより上流で且つ前記ＥＧＲ流路の排気分流部より下流の排気系路と、前記コンプレッサより下流で且つ前記ＥＧＲ流路の排気合流部より上流の吸気系路との間に、排気の圧力波により吸気を直接加圧するプレッシャーウェーブスーパーチャージャを設けると共に、該プレッシャーウェーブスーパーチャージャに対し排気ガス及び吸気を低速軽負荷域で経由させて流し且つそれ以外の運転領域では迂回させて流し得るよう流路切替手段を設けたことを特徴とするものである。

而して、過給レスポンスが重要な低速軽負荷域で流路切替手段により排気ガス及び吸気をプレッシャーウェーブスーパーチャージャを経由させて流すと、該プレッシャーウェーブスーパーチャージャを主体とした過給が行われる結果、過給レスポンスがターボチャージャの単独使用時よりも大幅に向上すると共に、ターボチャージャの単独使用時と同程度に吸気側と排気側との十分な差圧が生じて排気ガスが良好に再循環されることになる。

即ち、前記プレッシャーウェーブスーパーチャージャでは、排気の圧力波を利用して吸気を直接加圧する方式が採られており、エンジンのクランクシャフトからベルト駆動されるハニカム状の円筒形ロータの一端側から排気入口を介して入った排気ガスが、前記円筒形ロータのセル内に吸入されている吸気を加圧して他端側の吸気出口から押し出し、その後に排気ガスも前記排気入口と位相の異なる一端側の排気出口を介し円筒形ロータから出て、この時に生じた負圧により前記吸気出口と位相の異なる他端側の吸気入口から新たな吸気を吸入するというサイクルを繰り返して過給を行うようになっている。

この際、円筒形ロータは、回転運動するのみでルーツ式スーパーチャージャの如き機械的な圧縮は行わず、単に吸気系路と排気系路とをタイミングを合わせて連通させるロータリーバルブとして機能し、排気の圧力波を吸気系路側へ伝えることで吸気の密度を高めているにすぎないため、タイムラグを生じることなく加速操作に即応して過給圧を高めることが可能となり、しかも、同じ過給圧を得るに当たり排気圧をルーツ式スーパーチャージャよりも高く維持することが可能となる。

また、本発明においては、プレッシャーウェーブスーパーチャージャの排気流路に対する排気入口と排気出口とを短絡する排気側バイパス流路と、前記プレッシャーウェーブスーパーチャージャの吸気流路に対する吸気入口と吸気出口とを短絡する吸気側バイパス流路と、これら排気側バイパス流路と吸気側バイパス流路の夫々に設けられて流路を開閉するバイパスバルブとにより流路切替手段を構成することが可能である。

このようにすれば、排気側バイパス流路と吸気側バイパス流路のバイパスバルブを閉じた際に、排気ガス及び吸気がプレッシャーウェーブスーパーチャージャを経由して流れることになり、排気側バイパス流路と吸気側バイパス流路のバイパスバルブを開けた際に、排気ガス及び吸気がプレッシャーウェーブスーパーチャージャを迂回して流れることになる。

上記した本発明のエンジンの過給システムによれば、過給レスポンスが重要な低速軽負荷域で流路切替手段により排気ガス及び吸気をプレッシャーウェーブスーパーチャージャを経由させて流すことができ、これによりプレッシャーウェーブスーパーチャージャを主体とした過給を行うことができるので、過給レスポンスをターボチャージャの単独使用時よりも大幅に向上し且つターボチャージャの単独使用時と同程度に吸気側と排気側との十分な差圧を生じさせて排気ガスを良好に再循環させることができ、加速時における過給レスポンスの向上とＮＯx排出量の抑制とを同時に実現することができるという優れた効果を奏し得る。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。流路切替手段の操作領域を説明したグラフである。過給レスポンスの向上について説明したグラフである。吸気側と排気側との差圧について説明したグラフである。ＮＯx排出量の抑制について説明したグラフである。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図５は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における符号の１はタービンノズル部に角度調整可能な多数のノズルベーンを環状に備えてノズル開度を任意に変更することが可能なマルチベーンタイプのターボチャージャ２を装備したディーゼルエンジン（バリアブルジオメトリーターボチャージャ）を示しており、図示しないエアクリーナから導かれた吸気３が吸気管４を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気３がインタークーラ５へと送られて冷却され、該インタークーラ５から更に吸気マニホールド６へと吸気３が導かれてディーゼルエンジン１の各気筒７（図１では直列６気筒の場合を例示している）に分配されるようになっている。

また、前記ディーゼルエンジン１の各気筒７から排出された排気ガス８は、排気マニホールド９を介しターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排気ガス８が排気管１０を介し車外へ排出されるようになっていると共に、前記ターボチャージャ２のタービン２ｂより上流の排気管１０（排気系路）と、前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａより下流の吸気管４（吸気系路）との間がＥＧＲ流路１１で接続されており、排気マニホールド９直後の排気管１０から抜き出した排気ガス８の一部が水冷式のＥＧＲクーラ１２で冷却されてＥＧＲバルブ１３を介し吸気管４に再循環されるようになっている。

更に、前記タービン２ｂより上流で且つ前記ＥＧＲ流路１１の排気分流部１１ａより下流の排気管１０と、前記コンプレッサ２ａより下流で且つ前記ＥＧＲ流路１１の排気合流部１１ｂより上流の吸気管４との間に、排気の圧力波により吸気３を直接加圧するプレッシャーウェーブスーパーチャージャ１４が設けられている。

前記プレッシャーウェーブスーパーチャージャ１４は、排気の圧力波を利用して吸気３を直接加圧する方式を採用した過給機として従来より知られているもので、ディーゼルエンジン１のクランクシャフト１９から駆動ベルト２０を介して駆動されるハニカム状の円筒形ロータ２１を主構成として備え、該円筒形ロータ２１の一端側から排気入口１０ａを介して入った排気ガス８が、前記円筒形ロータ２１のセル内に吸入されている吸気３を加圧して他端側の吸気出口４ｂから押し出し、その後に排気ガス８も前記排気入口１０ａと位相の異なる一端側の排気出口１０ｂを介し円筒形ロータ２１から出て、この時に生じた負圧により前記吸気出口４ｂと位相の異なる他端側の吸気入口４ａから新たな吸気３を吸入するというサイクルを繰り返して過給を行うようになっている。

また、プレッシャーウェーブスーパーチャージャ１４の排気管１０に対する排気入口１０ａと排気出口１０ｂとを短絡する排気側バイパス流路１５と、前記プレッシャーウェーブスーパーチャージャ１４の吸気管４に対する吸気入口４ａと吸気出口４ｂとを短絡する吸気側バイパス流路１６とが設けられており、これら排気側バイパス流路１５と吸気側バイパス流路１６の夫々に流路を開閉するバイパスバルブ１７，１８によって、プレッシャーウェーブスーパーチャージャ１４に対し排気ガス８及び吸気３を低速軽負荷域（図２のハッチング部分を参照）で経由させて流し且つそれ以外の運転領域（図２のドット部分を参照）では迂回させて流す流路切替手段が構成されている。

而して、過給レスポンスが重要な低速軽負荷域でバイパスバルブ１７，１８を閉じて排気側バイパス流路１５と吸気側バイパス流路１６を遮断し、排気ガス８及び吸気３をプレッシャーウェーブスーパーチャージャ１４を経由させて流すと、該プレッシャーウェーブスーパーチャージャ１４を主体とした過給が行われる結果、過給レスポンスがターボチャージャ２の単独使用時よりも大幅に向上すると共に（図３のグラフを参照：ｔ₀は加速開始時間を示す）、ターボチャージャ２の単独使用時と同程度に吸気側と排気側との十分な差圧が生じて排気ガス８が良好に再循環されることになる（図４のグラフを参照：Ａはターボチャージャ２の単独使用、Ｂはルーツ式スーパーチャージャ併用、Ｃはプレッシャーウェーブスーパーチャージャ１４併用、Ｐ₂は吸気マニホールド圧、Ｐ₃は排気マニホールド圧を夫々示す）。

即ち、前記プレッシャーウェーブスーパーチャージャ１４では、円筒形ロータ２１が回転運動するのみでルーツ式スーパーチャージャの如き機械的な圧縮は行われず、単に吸気管４と排気管１０とをタイミングを合わせて連通させるロータリーバルブとして機能し、排気の圧力波を吸気管４側へ伝えることで吸気３の密度を高めているにすぎないため、タイムラグを生じることなく加速操作に即応して過給圧を高めることが可能となり、しかも、同じ過給圧を得るに当たり排気圧をルーツ式スーパーチャージャよりも高く維持することが可能となる。

尚、低速軽負荷域以外の運転領域（図２のドット部分を参照）では、排気側バイパス流路１５と吸気側バイパス流路１６のバイパスバルブ１７，１８を開け、排気ガス８及び吸気３がプレッシャーウェーブスーパーチャージャ１４を迂回して排気側バイパス流路１５と吸気側バイパス流路１６を流れるようにすれば良い。

従って、上記形態例によれば、過給レスポンスが重要な低速軽負荷域で流路切替手段により排気ガス８及び吸気３をプレッシャーウェーブスーパーチャージャ１４を経由させて流すことができ、これによりプレッシャーウェーブスーパーチャージャ１４を主体とした過給を行うことができるので、過給レスポンスをターボチャージャ２の単独使用時よりも大幅に向上し且つターボチャージャ２の単独使用時と同程度に吸気側と排気側との十分な差圧を生じさせて排気ガス８を良好に再循環させることができ、加速時における過給レスポンスの向上とＮＯx排出量の抑制（図５のグラフを参照）とを同時に実現することができる。

尚、本発明のエンジンの過給システムは、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ディーゼルエンジン（エンジン）
２ターボチャージャ
２ａコンプレッサ
２ｂタービン
３吸気
４吸気管（吸気系路）
４ａ吸気入口
４ｂ吸気出口
８排気ガス
１０排気管（排気系路）
１０ａ排気入口
１０ｂ排気出口
１１ＥＧＲ流路
１１ａ排気分流部
１１ｂ排気合流部
１４プレッシャーウェーブスーパーチャージャ
１５排気側バイパス流路（流路切替手段）
１６吸気側バイパス流路（流路切替手段）
１７バイパスバルブ（流路切替手段）
１８バイパスバルブ（流路切替手段）

Claims

ターボチャージャを搭載し且つ該ターボチャージャのタービンより上流の排気系路から排気ガスの一部を抜き出して前記ターボチャージャのコンプレッサより下流の吸気系路に再循環するＥＧＲ流路を備えたエンジンの過給システムであって、前記タービンより上流で且つ前記ＥＧＲ流路の排気分流部より下流の排気系路と、前記コンプレッサより下流で且つ前記ＥＧＲ流路の排気合流部より上流の吸気系路との間に、排気の圧力波により吸気を直接加圧するプレッシャーウェーブスーパーチャージャを設けると共に、該プレッシャーウェーブスーパーチャージャに対し排気ガス及び吸気を低速軽負荷域で経由させて流し且つそれ以外の運転領域では迂回させて流し得るよう流路切替手段を設けたことを特徴とするエンジンの過給システム。
プレッシャーウェーブスーパーチャージャの排気流路に対する排気入口と排気出口とを短絡する排気側バイパス流路と、前記プレッシャーウェーブスーパーチャージャの吸気流路に対する吸気入口と吸気出口とを短絡する吸気側バイパス流路と、これら排気側バイパス流路と吸気側バイパス流路の夫々に設けられて流路を開閉するバイパスバルブとにより流路切替手段を構成したことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの過給システム。