JP2011163201A - エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ過給機に設けた電動機の効果を享受できるコンパクトな多段過給式のエンジンを提供すること。
【解決手段】多段過給式のエンジン２は、エンジン本体２０の排気通路２３から排気ガスの一部を取り出してエンジン本体２０の給気通路２１に戻すＥＧＲ通路２９１を有したＥＧＲ装置２９と、タービン２５１，２７１および外気を吸入、加圧してエンジン本体２０に供給するコンプレッサ２５２，２７２を有する複数のターボ過給機２５，２７とを備え、この複数のターボ過給機２５，２７は、コンプレッサ２５２およびタービン２５１と回転駆動力を授受可能な電動機２５４を有する第１ターボ過給機２５と、電動機を有さない第２ターボ過給機２７とを備え、複数のターボ過給機２５，２７のうち、給気通路２１のエンジン本体２０に最も近い側には第２ターボ過給機２７が設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンに係り、より具体的には、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置を備えた多段過給式のエンジンに関する。

従来、混合気の内燃温度を下げてＮＯｘの発生を抑制するＥＧＲ装置を備えた過給式のエンジンが知られている。このようなエンジンでは、ＥＧＲ装置により、排気ガスの一部を給気側に戻すことができるのであるが、エンジンを例えば中高速でかつ高負荷領域で運転する場合のように、エンジンの運転状態によってはターボ過給機等の過給機による給気圧力が排気ガス圧力よりも高くなることがある。この場合には、排気ガスが給気側に戻らずに、ＥＧＲ率が低下してしまうことになる。

そこで、複数のターボ過給機を直列に設けて多段過給するとともに、全てのターボ過給機に電動機を設けて電動機を発電または駆動させることで、エンジンの運転状態にかかわらず、給気圧力および排気ガス圧力を適切な状態に調節して、ＥＧＲ率を確保することが提案されている（例えば特許文献１参照）。

米国特許第６３２４８４６号明細書

特許文献１に記載のような多段過給式のエンジンにおいて、高圧段側（エンジンの給気通路における下流側）のターボ過給機では、低圧段側（エンジンの給気通路における上流側）のターボ過給機よりもタービンやコンプレッサの最大回転数が高いため、高圧段側のタービンおよびコンプレッサの共振回転数を高くする必要がある。

しかしながら、電動機を設けたターボ過給機は、電動機のロータを有する分、タービンおよびコンプレッサの共振回転数が、電動機を有さないターボ過給機よりも低くなってしまう。共振回転数を最大回転数以上とするためには、電動機のロータを小さくして軽量化する必要があるが、その場合には、電動機の容量（発電量、駆動量）も小さくなる。このため、高圧段側のターボ過給機に電動機を設けても、実質的には、低圧段側のターボ過給機でＥＧＲ率の制御に必要な電動機容量の大部分を受け持つことになってしまう。つまり、高圧段側のターボ過給機に電動機を設けた場合は、その効果が十分に得られないことがあるという問題がある。

また、高圧段側のターボ過給機に電動機を設けた場合は、電動機が、排気直後の排気ガスにより高温となるタービンと直接接続されることになる。この場合に、電動機内の絶縁用樹脂や磁石等が熱によるダメージを受けないようにするためには、電動機に対する高い冷却能力が必要となる。このため、電動機への冷却媒体流路の断面積を大きくすることが必要になるとともに、冷却媒体を冷却するためのクーラ等の冷却装置も高い冷却能力が必須となる。従って、冷却装置等の補機が大型化して、エンジンへの搭載性が悪化するとともに、エンジン全体が大型化するという問題もある。

本発明の目的は、ターボ過給機に設けた電動機の効果を享受できるコンパクトな多段過給式のエンジンを提供することにある。

本発明のエンジンは、多段過給式のエンジンであって、エンジン本体の排気通路から排気ガスの一部を取り出して前記エンジン本体の給気通路に戻すＥＧＲ通路を有したＥＧＲ装置と、外気を吸入、加圧して前記エンジン本体に供給するコンプレッサおよびこのコンプレッサを駆動するタービンを有する複数のターボ過給機とを備え、前記複数のターボ過給機は、前記コンプレッサおよび前記タービンと回転駆動力を授受可能に設けられた電動機を有する少なくとも１つの第１ターボ過給機と、前記第１ターボ過給機と直列に設けられ、前記電動機を有さない少なくとも１つの第２ターボ過給機とを備えて構成され、前記複数のターボ過給機のうちの前記第２ターボ過給機の１つが、前記給気通路の前記エンジン本体に最も近い側に設けられていることを特徴とする。

本発明のエンジンにおいて、当該エンジンは、前記複数のターボ過給機として前記第１および前記第２ターボ過給機がそれぞれ１つずつ設けられた２段過給式であることが望ましい。

本発明のエンジンにおいて、当該エンジンは、自走用の走行体、作業用の作業機、および前記作業機を搭載する旋回体のうちの少なくとも１つが、当該エンジンを駆動源として発電された電力を用いて電動モータで駆動されるハイブリッド型の建設機械のエンジンであることが望ましい。

本発明の多段過給式のエンジンによれば、電動機を有する第１ターボ過給機と電動機を有さない第２ターボ過給機とを含む複数のターボ過給機を備え、前記複数のターボ過給機のうちの前記第２ターボ過給機の１つが、前記給気通路の前記エンジン本体に最も近い側に設けられているため、エンジン本体に近い高圧段側のターボ過給機やその補機が大型化することを回避しつつ、エンジンの過渡応答性を向上したり、十分なＥＧＲ率を確保したりすることができる。従って、ターボ過給機に設けた電動機の効果を享受でき、かつコンパクトな多段過給式のエンジンを得ることができる。

本発明において、エンジンが、前記複数のターボ過給機として前記第１および前記第２ターボ過給機がそれぞれ１つずつ設けられた２段過給式である場合には、最小限の数のターボ過給機により多段過給式のエンジンを構成することができる。従って、最も簡易な構成で本発明のエンジンを得ることができる。

本発明のエンジンが、ハイブリッド型の建設機械のエンジンである場合には、前述した本発明の効果が、特に顕著に得られる。

すなわち、ハイブリッド型の建設機械では、走行体、作業機、および旋回体等を電気モータで駆動している分、他の油圧駆動部分の応答遅れが目立つ傾向にあるため、油圧ポンプの駆動源であるエンジンについても、従来の油圧駆動式の建設機械の場合と比べて高い応答性が要求される。しかし、建設機械の場合、乗用車や商用車などに比べてエンジンの排気量やターボ過給機のタービンの大きさが格段に大きいため、過給時のタイムラグが大きく、ハイブリッド型の建設機械に要求されるエンジンの過渡応答性に十分に応えることができなかった。
これに対し、本発明のエンジンを利用すれば、ハイブリッド型の建設機械において必要とされる十分な過渡応答性を得ることができる。

また、建設機械のエンジンは、乗用車や商用車に比べて、高負荷で運転する割合が非常に高く、かつエンジンの急激な加減速運転も頻繁に行われるため、ＮＯｘの発生を抑制することが難しかった。
これに対しても、本発明のエンジンを利用すれば、高いＥＧＲ率を実現することができるので、ハイブリッド型の建設機械にも要求されるＮＯｘ発生の抑制を促進することができる。

本発明の一実施形態に係る建設機械のシステム構成を示すブロック図。 建設機械に搭載されたエンジンを示す模式図。 エンジンの動作フロー図。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
〔１〕パワーショベルの全体構成
図１において、建設機械としてのパワーショベル１は、駆動源としてエンジン２を備えている。エンジン２の出力軸には、発電機モータ３および一対の油圧ポンプ４，４がそれぞれ直列に連結されており、エンジン２によって駆動される。

発電機モータ３にて発電された電力は、インバータ５を介してキャパシタ６に充電される。キャパシタ６に充電された電力は、昇圧器５Ａで昇圧されるとともに、インバータ５を介して旋回電動モータ７に出力される。旋回電動モータ７は、遊星歯車機構等を有した減速機８を介して上部旋回体９を駆動する。キャパシタ６からの電力はまた、発電機モータ３に供給される場合もあり、このような場合には、発電機モータ３を電動モータとして機能させて油圧ポンプ４を駆動し、エンジン２をアシストする。

一方、油圧ポンプ４から圧送された作動油は、コントロールバルブ１０を介して作業機１１に供給される。パワーショベル１での作業機１１は、図示しないブーム、アーム、およびバケットで構成され、それぞれに設けられたブームシリンダ１２、アームシリンダ１３、およびバケットシリンダ１４に対して作動油を流出入させることで、作業機１１が油圧によって動作する。

また、パワーショベル１の車両本体には、詳細な図示を省略するが、前述の上部旋回体９が旋回自在に設置されている他、一対のクローラ式の下部走行体が設けられている。下部走行体は、クローラに噛合するスプロケットを駆動するための走行用油圧モータ１５を有しており、これらの走行用油圧モータ１５に対しても、油圧ポンプ４からの作動油がコントロールバルブ１０を介して供給される。

従って、本実施形態のパワーショベル１は、上部旋回体９を電気エネルギで旋回駆動するとともに、作業機１１や下部走行体を油圧によって駆動するハイブリッド型の建設機械である。なお、前述した各構成は、走行用油圧モータ１５を除いて上部旋回体９に搭載され、上部旋回体９と共に旋回する。

さらに、パワーショベル１の上部旋回体９には、オペレータが操縦操作を行うキャブが設けられている。このようなキャブ内には、オペレータの座席や、エンジン２への燃料供給量を設定する燃料ダイヤル、レバー類、ペダル類、モニタ類、その他のスイッチ類などが設けられている。また、上部旋回体９には、インバータ５や後述する旋回制御装置３０が収容された制御ボックス、およびエンジン２の動作を制御するエンジンコントローラ４０が設けられている。図１には代表して、キャブ内に設置される作業機１１操作用の作業機レバー１６、および旋回操作用の旋回レバー１７が図示されている。

作業機レバー１６はＰＰＣ（Proportional Pressure Control）バルブを含んで構成され、ＰＰＣバルブにて生成されたパイロット圧によりコントロールバルブ１０の切換動作を行い、作業機１１を動作させる。
旋回レバー１７は、その傾倒角度に応じたレバー信号を旋回制御装置３０に出力するよう、ポテンショメータ等を含んで構成されている。

旋回制御装置３０は、上部旋回体９の旋回動作を制御するものであり、コンピュータ技術に用いられる各種のハードウェアやソフトウェアで構成される。本実施形態の旋回制御装置３０は、インバータ５に搭載されるかたちで設けられ、インバータ５に対して電気的に接続されている。

エンジンコントローラ４０は、図示しない検出手段から燃料ダイヤルの設定位置、アクセルペダルの開度、エンジン回転速度、および燃料噴射量等の検出信号を受信しており、これらの検出信号によりエンジン２の運転状態を把握し、状態に応じて燃焼室への燃料噴射量や燃料噴射タイミングなどの制御を行っている。また、エンジンコントローラ４０は、後述する電動機２５４やＥＧＲバルブ２９２（ともに図２参照）の動作も制御する。

〔２〕エンジンの構成
以下、図２を参照して、エンジン２の構成について詳説する。
エンジン２は、本実施形態ではディーゼルエンジンであり、内部に複数の燃焼室が形成されたエンジン本体２０と、エンジン本体２０の燃焼室に空気を供給する給気通路２１と、エンジン本体２０および給気通路２１間に設けられ給気通路２１からの空気を各燃焼室に分配する給気マニホールド２２と、エンジン本体２０から排気ガスを排出する排気通路２３と、エンジン本体２０および排気通路２３間に設けられ排気ガスを集めて排気通路２３に流入させる排気マニホールド２４と、給気通路２１に吸い込んだ外気を過給する第１ターボ過給機２５と、第１ターボ過給機２５で圧縮された空気を冷却するインタークーラ２６と、第１ターボ過給機２５からの圧縮空気をさらに圧縮する第２ターボ過給機２７と、第２ターボ過給機２７で圧縮された空気を冷却するアフタークーラ２８と、ＮＯｘの生成を抑制するためのＥＧＲ装置２９とを備えている。

このうちの第１ターボ過給機２５は、排気ガスの排気エネルギで回転するタービン２５１と、このタービン２５１と共に回転して外気を圧縮するコンプレッサ２５２と、タービン２５１とコンプレッサ２５２とを連結する回転軸２５３において、タービン２５１およびコンプレッサ２５２と回転駆動力を授受可能に設けられた電動機２５４とを備えている。電動機２５４は、発電機としても機能させることができ、電動機能および発電機能間の切り換えは、エンジンコントローラ４０により行われる。コンプレッサ２５２出口から第２ターボ過給機２７までは給気通路２１で連通しており、給気通路２１のコンプレッサ２５２および第２ターボ過給機２７間に、インタークーラ２６が設けられている。

第２ターボ過給機２７は、第１ターボ過給機２５よりもエンジン本体２０に近い高圧段側に設けられている。この第２ターボ過給機２７は、第１ターボ過給機２５とは異なって電動機を有さないターボ過給機であり、互いに回転軸２７３によって直結されたタービン２７１およびコンプレッサ２７２を備えている。コンプレッサ２７２出口から給気マニホールド２２までは給気通路２１で連通しており、給気通路２１のコンプレッサ２７２および給気マニホールド２２間に、アフタークーラ２８が設けられている。

ＥＧＲ装置２９は、排気通路２３から分岐して給気通路２１の下流側（アフタークーラ２８よりも下流側）に連通するＥＧＲ通路２９１を備えている。このＥＧＲ通路２９１には、当該ＥＧＲ通路２９１を開閉するＥＧＲバルブ２９２と、排気マニホールド２４からの排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ２９３とが設けられている。このＥＧＲ装置２９において、排気ガス圧力が給気圧力よりも高い場合に、ＥＧＲバルブ２９２を開くことで、排気ガスの一部を給気側に戻すことが可能である。ＥＧＲバルブ２９２の開閉制御は、排気通路２３または排気マニホールド２４に設けられた図示しないＮＯｘ量検出手段からの検出信号に基づき、エンジンコントローラ４０によって行われる。

〔３〕エンジンの作用
次に、エンジン２の動作フローを示す図３を参照しつつ、エンジン２の作用について説明する。

図３において、先ず、エンジン２の給気通路２１に外気が流入し（Ｓ１）、低圧段側の第１ターボ過給機２５のコンプレッサ２５２で圧縮される（Ｓ２）。圧縮された空気は、インタークーラ２６で冷却された後（Ｓ３）、高圧段側の第２ターボ過給機２７のコンプレッサ２７２でさらに圧縮される（Ｓ４）。第２ターボ過給機２７で圧縮された空気は、アフタークーラ２８で冷却された後（Ｓ５）、ＥＧＲ装置２９によって排気通路２３から戻された排気ガスと混合される（Ｓ６）。圧縮空気と排気ガスとの混合気は、給気マニホールド２２を経由してエンジン本体２０へ給気される（Ｓ７）。これにより、エンジン本体２０に供給される空気量が増加してエンジン２の出力が向上するとともに、ＮＯｘの発生が抑制され、燃費も向上する。

エンジン本体２０では内燃によって排気ガスが発生し（Ｓ８）、発生した排気ガスは、排気マニホールド２４を通った後、第２ターボ過給機２７のタービン２７１とＥＧＲ通路２９１とに向けて分配される（Ｓ９）。ＥＧＲ通路２９１へ分配された排気ガスは、ＥＧＲクーラ２９３で冷却された後（Ｓ１０）、第２ターボ過給機２７からの圧縮空気と混合される（Ｓ６）。

一方、第２ターボ過給機２７のタービン２７１へ分配された排気ガスは、高圧段側のタービン２７１を駆動する（Ｓ１１）。タービン２７１の駆動力は、コンプレッサ２７２に伝達され、前述のように第１ターボ過給機２５からの圧縮空気をさらに圧縮する（Ｓ４）。
第２ターボ過給機２７のタービン２７１を駆動した排気ガスは、第１ターボ過給機２５で低圧段側のタービン２５１を駆動し（Ｓ１２）、排気通路２３から排出される（Ｓ１３）。この際のタービン２５１の駆動力は、電動機２５４に伝達されて、電動機２５４を駆動する。

ここで、エンジンコントローラ４０は、図示しない燃料ダイヤルの設定位置やアクセルペダルの開度等の情報に基づき、エンジン２が加速運転状態にあると判定すると、電動機２５４を電動機として機能させ、エンジン２が加速運転状態にないと判定すると、電動機２５４を発電機として機能させる。その結果、電動機２５４が発電機として機能する場合は、タービン２５１の駆動力により発電が行われて（Ｓ１４）、電力が発生する（Ｓ１５）。また、電動機として機能する場合は、電動機２５４が駆動力を出力してコンプレッサ２５２の駆動をアシストし（Ｓ１５）、タービン２５１とともにコンプレッサ２５２を駆動して、コンプレッサ２５２に外気を圧縮させる（Ｓ２）。

以上のような第１ターボ過給機２５および第２ターボ過給機２７の作用により、排気ガス圧力、給気圧力、およびＥＧＲ率は、第１ターボ過給機２５の電動機２５４の発電または駆動に応じて、以下の表１に示すように変化する。

すなわち、第１ターボ過給機２５の電動機２５４を発電機として機能させると、低圧段側のタービン２５１の回転抵抗が大きくなるため、タービン２５１入口の排気ガス圧力が高くなり、高圧段側のタービン２７１出口や排気マニホールド２４の排気ガス圧力も高くなる。
一方、電動機２５４の回転抵抗によりタービン２５１の回転数が低下するため、低圧段側のコンプレッサ２５２出口の給気圧力は低くなり、高圧段側のコンプレッサ２７２出口および給気マニホールド２２の給気圧力も低くなる。

このように、第１ターボ過給機２５の電動機２５４を発電機として機能させることにより、排気マニホールド２４の排気ガス圧力を給気マニホールド２２の給気圧力よりも大幅に高くすることができる。その分、ＥＧＲクーラ２９３を通って給気マニホールド２２に流れる排気ガス量が増加するため、ＥＧＲ率を増加させることができる。

反対に、第１ターボ過給機２５の電動機２５４を電動機として機能させてタービン２５１を駆動させると、排気ガス圧力が低下し、かつ給気圧力が増加するため、ＥＧＲ率は減少する。このように、電動機２５４の発電量または駆動量に応じて、ＥＧＲ率の制御が可能となる。

また、エンジン２の加速運転時に第１ターボ過給機２５の電動機２５４を電動機として機能させて、コンプレッサ２５２の回転をアシストすれば、アシストがない場合に比べて、過給圧力が早く立ち上がることになる。従って、エンジン２の過渡応答性を向上できる。

さらに、第１ターボ過給機２５の電動機２５４で発電した電力を、バッテリやキャパシタ等を含む電力供給系に戻すことにより、燃費の向上が可能となる。すなわち、本実施形態のパワーショベル１の場合、エンジン２の出力軸に結合した発電機モータ３を第１ターボ過給機２５で発電した電力により駆動して、エンジン２の駆動をアシストすることにより、燃費の向上が可能である。反対に、発電機モータ３で発電した電力を利用して第１ターボ過給機２５の電動機２５４を駆動することで、コンプレッサ２５２の回転をアシストすることもできる。

このように、低圧段側の第１ターボ過給機２５に電動機２５４を設けることにより、前述した様々な効果が得られる。ここで、第１ターボ過給機２５では、電動機２５４を設けた分だけ共振回転数が低下することになるが、低圧段側に設けられている第１ターボ過給では、そもそもタービン２７１およびコンプレッサ２７２の最大回転数が低いため、電動機２５４を設けた場合であっても、最大回転数が共振回転数を上回ることがない。

しかも、高圧段側の第２ターボ過給機２７は、電動機を有しておらず共振回転数の高いターボ過給機であるため、タービンおよびコンプレッサを高回転で駆動させることができ、排気ガス圧力や給気圧力を十分に高くすることができる。このため、高いＥＧＲ率が確保できるとともに、過給によるエンジン出力の向上も実現できる。また、第２ターボ過給機２７が電動機を有していないため、第２ターボ過給機２７に関する冷却設備等の補機も、大型化することなく従来のものを使用できる。

以上の本実施形態によれば、ＥＧＲ装置２９を備えた多段過給式のエンジン２において、エンジン本体２０に最も近い高圧段側には電動機を有さない第２ターボ過給機２７が設けられ、エンジン本体２０から離れた低圧段側には電動機２５４を備えた第１ターボ過給機２５が設けられているので、ターボ過給機への電動機の採用に伴ってエンジン２が大型化したり、コストが上昇したりすることなく、ターボ過給機に設けた電動機による前述した効果を享受することができる。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態において、エンジン２は、ディーゼルエンジンであったが、ガソリンエンジン等の他のエンジンであってもよい。

前記実施形態において、エンジン２は、第１ターボ過給機２５および第２ターボ過給機２７による２段過給方式を採用していたが、エンジン本体２０に最も近い側の過給機が発電機を有さないターボ過給機であれば、エンジン２において３つ以上の過給機を設けてもよい。３つ以上の過給機を直列に設ければ、エンジン２の過給圧をより高めることができるので、ＥＧＲ率をさらに向上させることができる。

前記実施形態において、電動機２５４は、第１ターボ過給機２５のタービン２５１およびコンプレッサ２５２間の回転軸２５３に設けられていたがこれに限られない。電動機２５４は、タービン２５１およびコンプレッサ２５２と回転駆動力を授受可能に設けられていればよく、例えば、第１ターボ過給機２５に歯車等の動力伝達機構を用いてタービン２５１およびコンプレッサ２５２と回転駆動力を授受可能に構成してもよい。

前記実施形態では、パワーショベル１において、上部旋回体９を電気エネルギで旋回駆動し、作業機１１や下部走行体を油圧によって駆動していたがこれに限られない。すなわち、走行体、作業機、および旋回体等を電気エネルギおよび油圧で駆動するハイブリッド型のものであれば、どの被駆動体の駆動に電気エネルギおよび油圧を割り当てるかは任意である。

ハイブリッド型の建設機械としてはパワーショベル１に限られず、ホイルローダやダンプトラック等の他の建設機械であってもよい。例えば、ホイルローダの場合は、作業機を油圧で駆動し、走行体を電気エネルギで駆動すればよく、ダンプトラックの場合は、ベッセルを作業機として油圧で駆動し、走行体を電気エネルギで駆動すればよい。当然のことながら、これとは反対に、作業機を電気エネルギで駆動し、走行体を油圧で駆動してもよい。

本発明は、パワーショベル等の建設機械に利用できる他、上部旋回体を有したクレーン等の作業機械にも利用することができる。

１…ハイブリッド型の建設機械であるパワーショベル、２…エンジン、２０…エンジン本体、２１…給気通路、２３…排気通路、２５…第１ターボ過給機、２７…第２ターボ過給機、２９…ＥＧＲ装置、４０…エンジンコントローラ、２５１，２７１…タービン、２５２，２７２…コンプレッサ、２５４…電動機、２９１…ＥＧＲ通路。

Claims (3)

1. 多段過給式のエンジンであって、
   エンジン本体の排気通路から排気ガスの一部を取り出して前記エンジン本体の給気通路に戻すＥＧＲ通路を有したＥＧＲ装置と、
   外気を吸入、加圧して前記エンジン本体に供給するコンプレッサおよびこのコンプレッサを駆動するタービンを有する複数のターボ過給機とを備え、
   前記複数のターボ過給機は、
   前記コンプレッサおよび前記タービンと回転駆動力を授受可能に設けられた電動機を有する少なくとも１つの第１ターボ過給機と、
   前記第１ターボ過給機と直列に設けられ、前記電動機を有さない少なくとも１つの第２ターボ過給機とを備えて構成され、
   前記複数のターボ過給機のうちの前記第２ターボ過給機の１つが、前記給気通路の前記エンジン本体に最も近い側に設けられている
   ことを特徴とするエンジン。
2. 請求項１に記載のエンジンにおいて、
   当該エンジンは、前記複数のターボ過給機として前記第１および前記第２ターボ過給機がそれぞれ１つずつ設けられた２段過給式である
   ことを特徴とするエンジン。
3. 請求項１または請求項２に記載のエンジンにおいて、
   当該エンジンは、自走用の走行体、作業用の作業機、および前記作業機を搭載する旋回体のうちの少なくとも１つが、当該エンジンを駆動源として発電された電力を用いて電動モータで駆動されるハイブリッド型の建設機械のエンジンである
   ことを特徴とするエンジン。

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