JP2012092702A - 排気ガス還流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの高負荷高回転運転領域において、所望の吸入空気量を確保しつつ所望のＥＧＲガス量も確保する。
【解決手段】エンジン１に直列に高圧段ターボ２及び低圧段ターボ３を接続すると共に、高圧段ターボ２に電動機２Ｍを装着し、運転状態検出手段８、９によりエンジン１の高負荷高回転運転状態を検出したときに、ＥＧＲ通路１８に設けたＥＧＲバルブ２０及び高圧段コンプレッサ２Ｃをバイパスする吸気バイパス通路２３に設けた吸気バイパスバルブ２４を開とすると共に、高圧段タービン２Ｔをバイパスする排気バイパス通路２１に設けた排気バイパスバルブ２２の開度を絞り、且つ、高圧段ターボ２が逆回転するように電動機２Ｍを駆動することで、高圧段タービン２Ｔよりも上流の排気通路５内の圧力を、高圧段コンプレッサ２Ｃよりも下流の吸気通路４内の圧力よりも高くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの排気通路内の排気ガスの一部を吸気通路内に還流させる排気ガス還流装置に関する。

ＥＧＲ（排気ガス再循環）は、エンジンの排気通路内の排気ガスの一部をＥＧＲ通路を介して吸気通路内に再循環（還流）させることで、内燃機関の燃焼状態を制御して排気ガスのＮＯｘ発生量を抑える技術である。排気ガスを吸気通路内に還流させる際は、ＥＧＲ通路の排気側圧力と吸気側圧力との圧力差をＥＧＲ通路に設けたＥＧＲバルブの開度により制御することで、所定のＥＧＲガス量（排気ガスの還流量）の排気ガスを吸気通路内に導入させている。

特開２００７−８５２４８号公報

ターボ付エンジンにおいては、ターボのコンプレッサ側圧力（コンプレッサよりも下流の吸気通路内の圧力）が高くなるに従い、タービン側圧力（タービンよりも上流の排気通路内の圧力）に対するコンプレッサ側圧力の圧力差が小さくなる為、多量のＥＧＲガス量の排気ガスを確保することが困難になってくる。このような運転条件（エンジンの高負荷高回転運転領域）では、吸気通路に設けた吸入空気絞り弁の開度を絞ることで、ＥＧＲ通路の吸気側圧力が排気側圧力よりも低くなるように制御を行って、所定のＥＧＲガス量を確保している。その際、吸入空気絞り弁の開度を絞る為、吸入空気量（新気量）が少なくなり、エンジン出力が低くなってしまう。

そこで、本発明の目的は、エンジンの高負荷高回転運転領域において、所望の吸入空気量を確保しつつ所望のＥＧＲガス量も確保することにある。

前記目的を達成する為に、本発明は、エンジンに直列に装着された高圧段ターボ及び低圧段ターボと、前記高圧段ターボの高圧段タービンと高圧段コンプレッサとを連結する回転軸に装着された電動機と、前記高圧段タービンよりも上流の前記エンジンの排気通路と前記高圧段コンプレッサよりも下流の前記エンジンの吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、該ＥＧＲ通路に配設されたＥＧＲバルブと、前記排気通路に接続され前記高圧段タービンをバイパスする排気バイパス通路と、該排気バイパス通路に配設された排気バイパスバルブと、前記吸気通路に接続され前記高圧段コンプレッサをバイパスする吸気バイパス通路と、該吸気バイパス通路に配設された吸気バイパスバルブと、前記エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記電動機、前記ＥＧＲバルブ、前記排気バイパスバルブ及び前記吸気バイパスバルブを制御する制御手段とを備え、該制御手段は、前記運転状態検出手段により前記エンジンの高負荷高回転運転状態を検出したときに、前記ＥＧＲバルブ及び前記吸気バイパスバルブを開とすると共に、前記排気バイパスバルブの開度を絞り、且つ、前記高圧段ターボが逆回転するように前記電動機を駆動することで、前記高圧段タービンよりも上流の前記排気通路内の圧力を、前記高圧段コンプレッサよりも下流の前記吸気通路内の圧力よりも高くするものである。

前記制御手段は、前記ＥＧＲバルブ及び前記吸気バイパスバルブの開度を一定に維持にした状態で、前記排気バイパスバルブの開度を変化させることで、吸入空気量及びＥＧＲガス量を調節するものであっても良い。

本発明によれば、エンジンの高負荷高回転運転領域において、所望の吸入空気量を確保しつつ所望のＥＧＲガス量も確保することが出来るという優れた効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る排気ガス還流装置の概略図である。 高圧段ターボ及び低圧段ターボの作動領域のイメージを示す図である。

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中、１はエンジン（本実施形態では、ディーゼルエンジン）、２は電動機付き高圧段ターボ（以下、高圧段ターボともいう）、３は低圧段ターボ、４はエンジン１の吸気ポートに連通する吸気ダクト（吸気通路）、５はエンジン１の排気ポートに連通する排気ダクト（排気通路）、６は制御手段としてのエンジン制御ユニット（以下、ＥＣＵという）、７はエンジンのシリンダ内（燃焼室内）に燃料を噴射する燃料噴射装置（インジェクタ）、８はエンジン回転数を検出するエンジン回転センサ（図示例では、クランク角センサ）、９はアクセル開度（アクセルペダルの踏み込み量）を検出するアクセル開度センサである。

吸気ダクト４には上流側から順に、吸入空気を清浄化するエアクリーナ１０、吸入空気量（新気量）を検出する吸入空気量センサ（ＭＡＦセンサ）１１、低圧段ターボ３の低圧段コンプレッサ３Ｃ、高圧段ターボ２の高圧段コンプレッサ２Ｃ、低圧段コンプレッサ３Ｃ或いは高圧段コンプレッサ２Ｃで昇圧された吸入空気を冷却するインタークーラ１２、インタークーラ１２通過後の吸入空気圧力を検出する吸入空気圧力センサ（ＭＡＰセンサ）１３、吸気ダクト４の通路面積を変更する吸入空気絞り弁（インテークスロットル）１４（図示例では、電磁弁）、吸気ダクト４内の吸気温度を検出する吸気温度センサ１５が配設されている。

また、排気ダクト５には上流側から順に、排気ダクト５内の排気温度を検出する排気温度センサ１６、高圧段ターボ２の高圧段タービン２Ｔ、低圧段ターボ３の低圧段タービン３Ｔ、排気を消音する排気サイレンサ１７が配設されている。

電動機付き高圧段ターボ２は、可変容量型のターボ（ＶＧＴ）であって、低圧段ターボ３よりも過給容量が小さいものである。電動機付き高圧段ターボ２は、排気ダクト５に配設された高圧段タービン２Ｔと、吸気ダクト４に配設され、高圧段タービン２Ｔによって駆動される高圧段コンプレッサ２Ｃと、高圧段タービン２Ｔと高圧段コンプレッサ２Ｃとを連結する回転軸に装着された電動機（電動モータ）２Ｍとを有している。

一方、低圧段ターボ３は、高圧段ターボ２よりも過給容量が大きいものである。低圧段ターボ３は、高圧段タービン２Ｔよりも下流の排気ダクト５に配設された低圧段タービン３Ｔと、高圧段コンプレッサ２Ｃよりも上流の吸気ダクト４に配設され、低圧段タービン３Ｔによって駆動される低圧段コンプレッサ３Ｃとを有している。

即ち、本実施形態では、高圧段ターボ２と低圧段ターボ３とを直列に組み合わせた２段過給構成（シリーズ・２ステージターボ）とし、これら高圧段ターボ２及び低圧段ターボ３の内、高圧段ターボ２に電動機２Ｍを組み込んだ仕様としている。

また、高圧段タービン２Ｔよりも上流（図示例では、排気温度センサ１６と高圧段タービン２Ｔとの間）の排気ダクト５と、高圧段コンプレサッサ２Ｃよりも下流（図示例では、吸入空気絞り弁１４と吸気温度センサ１５との間）の吸気ダクト４とはＥＧＲダクト（ＥＧＲ通路）１８で連通されており、ＥＧＲダクト１８には上流側（排気ダクト５側）から順に、吸気ダクト４に還流させる排気再循環ガス（ＥＧＲガス）を冷却するＥＧＲクーラ１９、ＥＧＲダクト１８を開閉し或いはＥＧＲダクト１８の通路面積を変更するＥＧＲバルブ２０（図示例では、電磁弁）が配設されている。

また、排気ダクト５には、高圧段タービン２Ｔをバイパスする排気バイパスダクト（排気バイパス通路）２１が接続されており、排気バイパスダクト２１には、排気バイパスダクト２１を開閉し或いは排気バイパスダクト２１の通路面積を変更する排気バイパスバルブ（ターボバイパスバルブ）２２が配設されている。

一方、吸気ダクト４には、高圧段コンプレッサ２Ｃをバイパスする吸気バイパスダクト（吸気バイパス通路）２３が接続されており、吸気バイパスダクト２３には、吸気バイパスダクト２３を開閉し或いは吸気バイパスダクト２３の通路面積を変更する吸気バイパスバルブ２４（図示例では、電磁弁）が配設されている。

ＥＣＵ６には、エンジン回転センサ８、アクセル開度センサ９、吸入空気量センサ１１、吸入空気圧力センサ１３、吸気温度センサ１５及び排気温度センサ１６等の各種センサ類が接続されており、ＥＣＵ６は、各種センサ類の検出値に基づいて、燃料噴射装置７、吸入空気絞り弁１４、ＥＧＲバルブ２０、電動機２Ｍ、排気バイパスバルブ２２及び吸気バイパスバルブ２４等の各種アクチュエータ類を制御するようになっている。

本実施形態では、ＥＣＵ６は、運転状態検出手段（本実施形態では、エンジン回転センサ８、アクセル開度センサ９）の検出値（つまり、エンジン回転数、アクセル開度）に基づいて目標燃料噴射量及び目標燃料噴射時期を求め、求めた目標燃料噴射量及び目標燃料噴射時期に応じて燃料噴射装置７を制御するようになっている。例えば、ＥＣＵ６は、エンジン回転センサ８の検出値（エンジン回転数）及びアクセル開度センサ９の検出値（アクセル開度）に対応する目標燃料噴射量及び目標燃料噴射時期を各々、目標燃料噴射量マップ及び目標燃料噴射時期マップ（図示せず）から読み取り、読み取った目標燃料噴射量及び目標燃料噴射時期に応じて燃料噴射装置７を制御するようになっている。

次に、本実施形態に係る排気ガス還流装置の作動を説明する。

先ず、ＥＣＵ６は、運転状態検出手段（エンジン回転センサ８、アクセル開度センサ９）の検出値（エンジン回転数、アクセル開度）に基づいてエンジン１の運転状態を認識するようになっている。例えば、ＥＣＵ６は、エンジン回転センサ８の検出値（エンジン回転数）及びアクセル開度センサ９の検出値（アクセル開度）に対応するエンジン１の運転状態（低負荷低回転運転状態、中負荷中回転運転状態、高負荷高回転運転状態）を、エンジン運転状態マップ（図示せず）から読み取ることで、エンジン１の運転状態を認識するようになっている。

次いで、ＥＣＵ６は、運転状態検出手段（エンジン回転センサ８、アクセル開度センサ９）によりエンジン１の低負荷低回転運転状態を検出したとき、つまり、エンジン運転状態マップから読み取ったエンジン１の運転状態が低負荷低回転運転状態であったときは、排気バイパスバルブ２２及び吸気バイパスバルブ２４を全閉（開度０％）とすることで、吸気を主に高圧段コンプレッサ２Ｃで昇圧するようになっている（高圧段ターボ２による過給；図２参照）。

エンジン１の低負荷低回転運転領域においては、ＥＣＵ６は、吸入空気量センサ１１の検出値（吸入空気量）に基づいてＥＧＲバルブ２０を制御することで、吸入空気量及びＥＧＲガス量を調節するようになっている。例えば、ＥＣＵ６は、目標吸入空気量マップ（図示せず）から読み取った目標吸入空気量に吸入空気量センサ１１の検出値（吸入空気量）が一致するように、ＥＧＲバルブ２０の開度をＥＧＲバルブ制御マップ（図示せず）に従って変化させることで、吸入空気量及びＥＧＲガス量を調節するようになっている。

また、ＥＣＵ６は、運転状態検出手段（エンジン回転センサ８、アクセル開度センサ９）によりエンジン１の中負荷中回転運転状態を検出したとき、つまり、エンジン運転状態マップから読み取ったエンジン１の運転状態が中負荷中回転運転状態であったときは、吸気バイパスバルブ２４を全閉（開度０％）とすると共に、排気バイパスバルブ２２の開度を全閉を除く開度に調節することで、吸気を低圧段コンプレッサ３Ｃで昇圧すると共に、低圧段コンプレッサ３Ｃで昇圧した吸気を高圧段コンプレッサ２Ｃでさらに昇圧するようになっている（高圧段ターボ２及び低圧段ターボ３による２段過給；図２参照）。

エンジン１の中負荷中回転運転領域においては、ＥＣＵ６は、低負荷低回転運転領域と同様に、吸入空気量センサ１１の検出値（吸入空気量）に基づいてＥＧＲバルブ２０を制御することで、吸入空気量及びＥＧＲガス量を調節するようになっている。例えば、ＥＣＵ６は、低負荷低回転運転領域と同様に、目標吸入空気量マップから読み取った目標吸入空気量に吸入空気量センサ１１の検出値（吸入空気量）が一致するように、ＥＧＲバルブ２０の開度をＥＧＲバルブ制御マップに従って変化させることで、吸入空気量及びＥＧＲガス量を調節するようになっている。

また、ＥＣＵ６は、運転状態検出手段（エンジン回転センサ８、アクセル開度センサ９）によりエンジン１の高負荷高回転運転状態を検出したとき、つまり、エンジン運転状態マップから読み取ったエンジン１の運転状態が高負荷高回転運転状態であったときには、ＥＧＲバルブ２０及び吸気バイパスバルブ２４を開とすると共に、排気バイパスバルブ２２の開度を絞り、且つ、高圧段ターボ２が逆回転するように電動機２Ｍを駆動することで、吸気を低圧段コンプレッサ３Ｃのみで昇圧するようになっている（低圧段ターボ３による過給；図２参照）。

具体的には、ＥＣＵ６は、ＥＧＲダクト１８の排気側圧力（つまり、高圧段タービン２Ｔよりも上流の排気ダクト５内の圧力）が吸気側圧力（つまり、高圧段コンプレッサ２Ｃよりも下流の吸気ダクト４内の圧力）よりも高くなり（排気側圧力＞吸気側圧力）且つＥＧＲダクト１８の排気側圧力と吸気側圧力との圧力差が所定の圧力差となるように、排気バイパスバルブ２２の開度を所定開度（例えば、８５〜９５％程度）とすると共に、逆回転する高圧段ターボ２の回転数を所定回転数（例えば、数〜数十ｒｐｍ程度）に制御するようになっている。

即ち、本実施形態では、エンジン１の高負荷高回転運転領域において、電動機２Ｍによって高圧段ターボ２を逆回転させ、排気バイパスバルブ２２の開度を絞ることで、これら高圧段ターボ２（高圧段タービン２Ｔ）及び排気バイパスバルブ２２によって排気ダクト５の通路抵抗を一時的に高めて、ＥＧＲダクト１８の排気側圧力を高めている。これにより、ＥＧＲダクト１８の排気側圧力を高める為に吸入空気絞り弁１４の開度を絞る必要が無くなる。

エンジンの高負荷高回転運転領域においては、ＥＣＵ６は、吸入空気量センサ１１の検出値（吸入空気量）に基づいて排気バイパスバルブ２２を制御することで、吸入空気量及びＥＧＲガス量を調節するようになっている。例えば、ＥＣＵ６は、ＥＧＲバルブ２０及び吸気バイパスバルブ２４の開度を一定（本実施形態では、全開（開度１００％））に維持した状態で、目標吸入空気量マップから読み取った目標吸入空気量に吸入空気量センサ１１の検出値（吸入空気量）が一致するように、排気バイパスバルブ２２の開度を排気バイパスバルブ制御マップ（図示せず）に従って変化させることで、吸入空気量及びＥＧＲガス量を調節するようになっている。なお、エンジンの高負荷高回転運転領域においては、ＥＣＵ６は、吸入空気絞り弁１４を常時全開とするようになっている。従って、エンジンの高負荷高回転運転領域においては、吸入空気絞り弁１４による吸気絞りがなされない。

要するに、本実施形態では、ＥＧＲダクト１８の排気側圧力が吸気側圧力よりも高い場合（つまり、エンジン１の低負荷低回転運転領域及び中負荷中回転運転領域）は、ＥＧＲバルブ２０を開とすることで、ＥＧＲガスを吸気ダクト４に還流させる。一方、ＥＧＲダクト１８の吸気側圧力が高いが、多量のＥＧＲガス量を確保したい場合（つまり、エンジン１の高負荷高回転運転領域）には、ＥＧＲバルブ２０及び吸気バイパスバルブ２４を開とし、電動機２Ｍで高圧段ターボ２を逆回転させ、且つ、排気バイパスバルブ２２の開度を調節することで、ＥＧＲダクト１８の排気側圧力を高めることが出来、多量のＥＧＲガスを吸気ダクト４に還流させつつ、吸入空気絞りなしで吸入空気をエンジン１のシリンダ内に導入することが可能となる。

また、本実施形態によれば、エンジン１の高負荷高回転運転領域においてＥＧＲダクト１８の排気側圧力を高められることで、吸入空気絞りを行わなくとも多量のＥＧＲガス量を確保出来る為、エンジン出力の低下を招くこと無く、所望のＥＧＲガス量の確保が可能となる。従来、エンジン１の高負荷高回転運転領域での多量のＥＧＲガス量確保は吸入空気絞りを行わないと困難であったが、本実施形態により同運転領域での多量のＥＧＲガス量の確保が吸入空気絞りを行わなくとも可能となり、より広い運転領域での排出ガス低減が可能となる。

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、エンジン１の高負荷高回転運転領域において、ＥＧＲバルブ２０及び吸気バイパスバルブ２４の開度を全開に維持するとしたがこれには限定はされず、ＥＧＲバルブ２０及び吸気バイパスバルブ２４の開度を全閉及び全開を除く所定の開度に維持するようにしても良い。

１ エンジン
２ 高圧段ターボ（電動機付き高圧段ターボ）
３ 低圧段ターボ
４ 吸気ダクト（吸気通路）
５ 排気ダクト（排気通路）
６ ＥＣＵ（制御手段）
８ エンジン回転センサ（運転状態検出手段）
９ アクセル開度センサ（運転状態検出手段）
１８ ＥＧＲダクト（ＥＧＲ通路）
２０ ＥＧＲバルブ
２１ 排気バイバスダクト（排気バイパス通路）
２２ 排気バイパスバルブ
２３ 吸気バイパスダクト（吸気バイパス通路）
２４ 吸気バイパスバルブ

Claims (2)

1. エンジンに直列に装着された高圧段ターボ及び低圧段ターボと、前記高圧段ターボの高圧段タービンと高圧段コンプレッサとを連結する回転軸に装着された電動機と、前記高圧段タービンよりも上流の前記エンジンの排気通路と前記高圧段コンプレッサよりも下流の前記エンジンの吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、該ＥＧＲ通路に配設されたＥＧＲバルブと、前記排気通路に接続され前記高圧段タービンをバイパスする排気バイパス通路と、該排気バイパス通路に配設された排気バイパスバルブと、前記吸気通路に接続され前記高圧段コンプレッサをバイパスする吸気バイパス通路と、該吸気バイパス通路に配設された吸気バイパスバルブと、前記エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記電動機、前記ＥＧＲバルブ、前記排気バイパスバルブ及び前記吸気バイパスバルブを制御する制御手段とを備え、該制御手段は、前記運転状態検出手段により前記エンジンの高負荷高回転運転状態を検出したときに、前記ＥＧＲバルブ及び前記吸気バイパスバルブを開とすると共に、前記排気バイパスバルブの開度を絞り、且つ、前記高圧段ターボが逆回転するように前記電動機を駆動することで、前記高圧段タービンよりも上流の前記排気通路内の圧力を、前記高圧段コンプレッサよりも下流の前記吸気通路内の圧力よりも高くすることを特徴とする排気ガス還流装置。
2. 前記制御手段は、前記ＥＧＲバルブ及び前記吸気バイパスバルブの開度を一定に維持にした状態で、前記排気バイパスバルブの開度を変化させることで、吸入空気量及びＥＧＲガス量を調節する請求項１に記載の排気ガス還流装置。

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