JP2012197716A - Exhaust loss recovery device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、排気損失回収装置に関するものである。 The present invention relates to an exhaust loss recovery device.
従来より、自動車のエンジン等では、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の発生を低減するようにした、いわゆる排気ガス再循環(EGR:Exhaust Gas Recirculation)が行われている。 2. Description of the Related Art Conventionally, in an automobile engine or the like, a part of exhaust gas is extracted from the exhaust side and returned to the intake side, and combustion of fuel in the engine is suppressed by the exhaust gas returned to the intake side so that the combustion temperature is increased. So-called exhaust gas recirculation (EGR) is performed in which the generation of NOx is reduced by lowering.
図2は前述した排気ガス再循環を行うためのEGR装置の一例を示すもので、図中1はターボチャージャ2を過給システムとして搭載したディーゼル機関であるエンジンを示し、エアクリーナ3から導いた吸気4を吸気管5を通し前記ターボチャージャ2のコンプレッサ2aへ送り、該コンプレッサ2aで加圧された吸気4をインタークーラ6へと送って冷却し、該インタークーラ6から更に吸気マニホールド7へと吸気4を導いてエンジン1の各気筒に分配するようにしてある。
FIG. 2 shows an example of the EGR device for performing the above-described exhaust gas recirculation. In FIG. 2,
また、このエンジン1の各気筒から排出された排気ガス8を排気マニホールド9を介して前記ターボチャージャ2のタービン2bへと送り、該タービン2bを駆動した排気ガス8を排気管10を介して車外へ排出するようにしてある。
Further, the
そして、排気マニホールド9と吸気マニホールド7との間がEGRライン11により接続されており、排気マニホールド9から排気ガス8の一部をEGRガス8’として抜き出して吸気管5に導き得るようにしてある。
The
ここで、前記EGRライン11には、該EGRライン11を適宜に開閉するEGRバルブ12と、再循環されるEGRガス8’を冷却するためのEGRクーラ13とが装備され、該EGRクーラ13では、冷却水とEGRガス8’とを熱交換させることによりEGRガス8’の温度を低下し得るようになっており、この水冷したEGRガス8’のエンジン1への再循環により燃焼温度の低下を図り得るようにしてある。
Here, the EGR
ただし、前述した如きターボチャージャ2付きのエンジン1においては、吸気側が過給されているために高速回転域等で排気側との圧力差が少なくなってしまい、高いEGR率を実現することが難しいという問題があるが、ターボチャージャ2として、タービン2b側の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し得るようにしたマルチベーンタイプの可変ノズルターボ(バリアブルジオメトリターボチャージャ)を採用し、必要に応じタービン2b側のノズル開度を小さく絞り込んでノズル部における排気ガス8の通過抵抗を増やし、これにより排気マニホールド9の圧力を高めて吸気側と排気側との圧力差を確保することが行われている。
However, in the
ただし、タービン2b側のノズル開度を小さく絞り込んで排気マニホールド9の圧力を高める操作は、タービン2bにおける排気ガス8の旋速を上げてタービン2bの回転数を上げる操作でもあり、コンプレッサ2a側の出口圧力(過給圧)も上昇してしまうことになるが、タービン2bでの効率が悪くなることで排気マニホールド9の方がコンプレッサ2aの出口よりも圧力上昇の度合が高くなるため、比較的高い圧力領域で吸気側と排気側との圧力差が確保されて高いEGR率が実現されることになる。
However, the operation of increasing the pressure of the
尚、排気マニホールド9から抜き出した排気ガス8の一部を吸気管5へ再循環するようにした例を開示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。
Prior art document information disclosing an example in which a part of the
しかしながら、このように比較的高い圧力領域で排気側と吸気側との圧力差を確保して排気ガス再循環を行うと、多量のEGRガス8’を再循環することができて高いEGR率を実現できる一方、吸気4(新気)が入り難くなって燃焼に必要な吸気4が量的に不足する虞れが生じるため、必要な量の吸気4を確保し得るようEGRバルブ12の開度を絞り込んでEGRガス8’の再循環量を抑制する措置が採られているが、多量のEGRガス8’が再循環することでバランスしている排気側と吸気側との関係が、前記EGRバルブ12の開度を絞り込むことでエンジン1の排気圧が過給圧よりも大幅に高くなるような極端な状態となり、これによりエンジン1の排気抵抗が大きくなってポンピングロスが過大となり、燃費の大幅な悪化を招いてしまうという問題があった。
However, if the exhaust gas recirculation is performed while ensuring the pressure difference between the exhaust side and the intake side in such a relatively high pressure region, a large amount of EGR gas 8 'can be recirculated, and a high EGR rate can be obtained. On the other hand, the intake 4 (fresh air) becomes difficult to enter, and there is a risk that the
また、近年においては、過給システムのダウンサイジングやトルクアップを実現するために、過給システムを高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャとから成る二段式の過給システムとしたものがあるが、このような二段式の過給システムにおいては、図に示した単段式のものよりも更に圧力比が高くなるので、前述の如き運転状態で必要な量の吸気4を確保するためにEGRバルブ12の開度を絞り込んでしまうと、ポンピングロスがより一層過大となって燃費の悪化が更に顕著なものとなる虞れがあった。
In recent years, in order to realize downsizing and torque increase of the supercharging system, there is a type in which the supercharging system is a two-stage supercharging system composed of a high-pressure stage turbocharger and a low-pressure stage turbocharger. In such a two-stage supercharging system, the pressure ratio is higher than that of the single-stage type shown in the figure, so that the necessary amount of
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、過給システムにより過給を行いながらも高いEGR率での排気再循環を実現し且つ燃焼に必要な吸気の量を極端な排気圧の上昇を招くことなく確保することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and realizes exhaust gas recirculation at a high EGR rate while performing supercharging by a supercharging system, and extremely increases the amount of intake air necessary for combustion. It aims to secure without incurring.
本発明は、適宜な段数のターボチャージャから成り且つ少なくとも排気系の最上流段のターボチャージャがタービンのノズル開度を調整可能な可変ノズルターボである過給システムと、排気マニホールドと吸気マニホールドとの間を接続して排気ガスの一部をEGRガスとして排気側から吸気側へ再循環するEGRラインとを備えたエンジンに適用するための排気損失回収装置であって、前記EGRラインを流れるEGRガスによりタービンを駆動し且つ該タービンと同軸のコンプレッサで吸気を圧縮して吸気系の前記過給システムの上流側に導くEGR用ターボチャージャと、該EGR用ターボチャージャのタービンを迂回してEGRガスを流すバイパスラインと、該バイパスラインを開閉するバイパスバルブとを備えたことを特徴とするものである。 The present invention relates to a supercharging system comprising a turbocharger having an appropriate number of stages and at least the most upstream turbocharger of the exhaust system being a variable nozzle turbo capable of adjusting the nozzle opening of a turbine, and an exhaust manifold and an intake manifold. An exhaust loss recovery device for application to an engine having an EGR line that recirculates part of the exhaust gas as EGR gas from the exhaust side to the intake side by connecting the two, and the EGR gas flowing through the EGR line The EGR turbocharger that drives the turbine and compresses the intake air with a compressor coaxial with the turbine and guides it to the upstream side of the supercharging system of the intake system, and bypasses the turbine of the EGR turbocharger to generate EGR gas. A bypass line for flowing and a bypass valve for opening and closing the bypass line are provided. Than is.
而して、高速回転域等で排気系の最上流段のターボチャージャにおけるタービンのノズル開度を小さく絞り込んで排気マニホールドの圧力を高め、比較的高い圧力領域で排気側と吸気側との圧力差を確保して排気ガス再循環を行うと、過給システムにより吸気を過給していても、高いEGR率でEGRガスを再循環することが可能となるが、吸気(新気)が入り難くなって燃焼に必要な吸気が量的に不足する虞れが生じる。 Thus, in the uppermost turbocharger of the exhaust system in a high speed rotation region, etc., the nozzle opening of the turbine is narrowed down to increase the pressure of the exhaust manifold, and the pressure difference between the exhaust side and the intake side in a relatively high pressure region. If the exhaust gas recirculation is performed while securing the intake air, it becomes possible to recirculate the EGR gas at a high EGR rate even if the intake air is supercharged by the supercharging system, but intake (fresh air) is difficult to enter. As a result, there is a risk that the amount of intake air necessary for combustion will be insufficient.
この際、EGRバルブを絞り込む替わりにバイパスバルブを閉じ、EGRラインを流れるEGRガスをEGR用ターボチャージャのタービンに導くと、該タービンによりEGRガスが持つエネルギーが回収され、これにより前記タービンと同軸のコンプレッサが駆動されて吸気が圧縮され、大気圧以上に圧力を高められた吸気が過給システムに導かれて過給されることになる。 At this time, instead of narrowing down the EGR valve, when the bypass valve is closed and the EGR gas flowing through the EGR line is guided to the turbine of the EGR turbocharger, the energy of the EGR gas is recovered by the turbine, and thereby, the EGR gas is coaxial with the turbine. The compressor is driven to compress the intake air, and the intake air whose pressure is increased to the atmospheric pressure or higher is led to the supercharging system to be supercharged.
即ち、既に圧力を嵩上げされた吸気が過給システムに導かれて更に過給されることになるため、該過給システムだけで大気から取り込んだ吸気を昇圧する場合よりも高い圧力まで吸気を過給することが可能となり、しかも、EGRガスがEGR用ターボチャージャのタービンで仕事をすることにより通過抵抗を受けて絞り込み効果も得られるため、燃焼に必要な吸気の量を不足させてしまうほどの過剰なEGRガスの再循環が著しく是正され、これまでよりも吸気がエンジンに取り込まれ易くなるため、燃焼に必要な吸気の量を極端な排気圧の上昇を招くことなく確保することが可能となる。 In other words, since the intake air whose pressure has already been increased is guided to the supercharging system and further supercharged, the intake air is increased to a pressure higher than that when the intake air taken in from the atmosphere is boosted only by the supercharging system. In addition, the EGR gas works with the turbine of the turbocharger for EGR, so that it can pass through resistance and obtain a narrowing effect, so that the amount of intake air necessary for combustion is insufficient. Excessive EGR gas recirculation is remarkably corrected, and intake air is more easily taken into the engine than before, so that it is possible to secure the amount of intake air necessary for combustion without causing an extreme increase in exhaust pressure. Become.
また、本発明においては、エンジンから送出される排気ガスによって高圧段タービンを作動させ且つ高圧段コンプレッサで圧縮した吸気をエンジンへ送給する高圧段ターボチャージャと、該高圧段ターボチャージャの高圧段タービンから送出される排気ガスによって低圧段タービンを作動させ且つ低圧段コンプレッサで圧縮した吸気を前記高圧段コンプレッサへ送給する低圧段ターボチャージャとにより過給システムを二段で構成し、高圧段ターボチャージャを可変ノズルターボとしても良い。 In the present invention, a high-pressure stage turbocharger that operates a high-pressure stage turbine with exhaust gas delivered from the engine and supplies intake air compressed by a high-pressure stage compressor to the engine, and a high-pressure stage turbine of the high-pressure stage turbocharger The high-pressure stage turbocharger is constituted by a two-stage supercharging system comprising a low-pressure stage turbocharger that operates a low-pressure stage turbine with exhaust gas delivered from the exhaust gas and feeds the intake air compressed by the low-pressure stage compressor to the high-pressure stage compressor. May be a variable nozzle turbo.
上記した本発明の排気損失回収装置によれば、過給システムにより過給を行いながらも高いEGR率での排気再循環を実現し且つ燃焼に必要な吸気の量を極端な排気圧の上昇を招くことなく確保することができるので、エンジンの排気圧が過給圧よりも大幅に高くなるような極端な状態を未然に回避することができ、これによりエンジンのポンピングロスを著しく低減して燃費の大幅な改善を図ることができるという優れた効果を奏し得る。 According to the exhaust loss recovery apparatus of the present invention described above, exhaust gas recirculation is achieved at a high EGR rate while supercharging is performed by a supercharging system, and the amount of intake air necessary for combustion is increased extremely. Since it can be secured without incurring, it is possible to avoid an extreme situation in which the exhaust pressure of the engine is significantly higher than the boost pressure, thereby significantly reducing the pumping loss of the engine and reducing the fuel consumption. It is possible to achieve an excellent effect that a significant improvement can be achieved.
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図2と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。 FIG. 1 shows an example of an embodiment for carrying out the present invention, and parts denoted by the same reference numerals as those in FIG. 2 represent the same items.
本形態例においては、前述した図2の従来例で単段のターボチャージャ2により構成されていた過給システムを、エンジン1から送出される排気ガス8によって高圧段タービン14bを作動させ且つ高圧段コンプレッサ14aで圧縮した吸気4をエンジン1へ送給する高圧段ターボチャージャ14と、該高圧段ターボチャージャ14の高圧段タービン14bから送出される排気ガス8によって低圧段タービン15bを作動させ且つ低圧段コンプレッサ15aで圧縮した吸気4を前記高圧段コンプレッサ14aへ送給する低圧段ターボチャージャ15とにより二段式の過給システムとした場合が例示されており、ここに図示している例では、排気系の最上流段のターボチャージャを成す高圧段ターボチャージャ14が、高圧段タービン14bのノズル開度を調整可能な可変ノズルターボとして構成されている。
In the present embodiment, the supercharging system constituted by the single-
そして、EGRガス8’が流れるEGRライン11の途中に、該EGRライン11を流れるEGRガス8’によりタービン16bを駆動し且つ該タービン16bと同軸のコンプレッサ16aによりエアクリーナ17から取り込んだ吸気4を圧縮してエアクリーナ3に連絡管18を介して導くEGR用ターボチャージャ16が新たに付設されていると共に、該EGR用ターボチャージャ16のタービン16bを迂回してEGRガス8’を流すバイパスライン19と、該バイパスライン19を開閉するバイパスバルブ20とが備えられている。
In the middle of the EGR
而して、高速回転域等で高圧段ターボチャージャ14における高圧段タービン14bのノズル開度を小さく絞り込んで排気マニホールド9の圧力を高め、比較的高い圧力領域で排気側と吸気側との圧力差を確保して排気ガス再循環を行うと、高圧段ターボチャージャ14及び低圧段ターボチャージャ15により吸気4を過給していても、高いEGR率でEGRガス8’を再循環することが可能となるが、吸気4(新気)が入り難くなって燃焼に必要な吸気4が量的に不足する虞れが生じる。
Thus, the nozzle opening of the high-pressure turbine 14b in the high-
この際、EGRバルブ12を絞り込む替わりにバイパスバルブ20を閉じ、EGRライン11を流れるEGRガス8’をEGR用ターボチャージャ16のタービン16bに導くと、該タービン16bによりEGRガス8’が持つエネルギーが回収され、これにより前記タービン16bと同軸のコンプレッサ16aが駆動されて吸気4が圧縮され、大気圧以上に圧力を高められた吸気4がエアクリーナ3を介し低圧段ターボチャージャ15の低圧段コンプレッサ15aに導かれて過給されることになる。
At this time, when the
即ち、既に圧力を嵩上げされた吸気4が低圧段ターボチャージャ15及び高圧段ターボチャージャ14に導かれて更に過給されることになるため、これら低圧段ターボチャージャ15及び高圧段ターボチャージャ14だけで大気から取り込んだ吸気4を昇圧する場合よりも高い圧力まで吸気4を過給することが可能となり、しかも、EGRガス8’がEGR用ターボチャージャ16のタービン16bで仕事をすることにより通過抵抗を受けて絞り込み効果も得られるため、燃焼に必要な吸気4の量を不足させてしまうほどの過剰なEGRガス8’の再循環が著しく是正され、これまでよりも吸気4がエンジン1に取り込まれ易くなるため、燃焼に必要な吸気4の量を極端な排気圧の上昇を招くことなく確保することが可能となる。
That is, since the
従って、上記形態例によれば、低圧段ターボチャージャ15及び高圧段ターボチャージャ14により過給を行いながらも高いEGR率での排気再循環を実現し且つ燃焼に必要な吸気4の量を極端な排気圧の上昇を招くことなく確保することができるので、エンジン1の排気圧が過給圧よりも大幅に高くなるような極端な状態を未然に回避することができ、これによりエンジン1のポンピングロスを著しく低減して燃費の大幅な改善を図ることができる。
Therefore, according to the above embodiment, the exhaust gas recirculation is achieved at a high EGR rate while supercharging is performed by the
尚、本発明の排気損失回収装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、過給システムが単段のターボチャージャにより構成されていても良く、更には、三段以上のターボチャージャで構成されていても良いこと、その他、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。 The exhaust loss recovery device of the present invention is not limited to the above-described embodiment. The supercharging system may be configured by a single-stage turbocharger, and further, a turbocharger having three or more stages. Of course, various modifications may be made without departing from the scope of the present invention.
1 エンジン
4 吸気
7 吸気マニホールド
8 排気ガス
8’ EGRガス
9 排気マニホールド
10 排気管
11 EGRライン
12 EGRバルブ
14 高圧段ターボチャージャ(過給システム:可変ノズルターボ)
14a 高圧段コンプレッサ
14b 高圧段タービン
15 低圧段ターボチャージャ(過給システム)
15a 低圧段コンプレッサ
15b 低圧段タービン
16 EGR用ターボチャージャ
16a コンプレッサ
16b タービン
19 バイパスライン
20 バイパスバルブ
1
14a High-pressure stage compressor 14b High-
15a Low
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