JP2013253497A - エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】多段過給システムの過渡特性を向上させることができるエンジンを提供する。
【解決手段】本発明は、高圧段ターボチャージャ４及び低圧段ターボチャージャ３を含む多段過給システム２を備えたエンジン１であって、排気側が高圧段ターボチャージャ４に対して接続された標準気筒１１Ａと、排気側がＥＧＲ通路１３及び低圧段ターボチャージャ３の何れか一方に対して接続されるＥＧＲ気筒１１Ｂと、ＥＧＲ気筒１１Ｂの接続を切り替える切替えバルブ１５と、切替えバルブ１５を制御するＥＣＵ２０と、を備え、ＥＣＵ２０は、エンジン運転状態が過渡状態であると判定した場合に、ＥＧＲ気筒１１Ｂの排気側を低圧段ターボチャージャ３に対して接続させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、多段過給システムを備えたエンジンに関する。

従来、多段過給システムを備えたエンジンに関する技術文献として、例えば特開２００７−１００６２８号公報が知られている。この公報には、高圧段ターボチャージャ及び低圧段ターボチャージャを備える２段過給とすることで、エンジンに供給する空気量を増加させる２段過給式エンジンが示されている。

特開２００７−１００６２８号公報

ところで、多段過給システムを備えたエンジンでは、高圧段ターボチャージャのタービンで排気エネルギーを回収されて膨張したガスが低圧段ターボチャージャのタービンへ流れるため、膨張したガスを扱う低圧段ターボチャージャは容量が大きくなり、そのイナ−シャも大きくなる。このため、エンジン運転状態が過渡状態の場合、低圧段ターボチャージャにおいて過給遅れが発生し、エンジンの加速性に問題が生じる場合があった。

そこで、本発明は、多段過給システムの過渡特性を向上させることができるエンジンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、高圧段ターボチャージャ及び低圧段ターボチャージャを含む多段過給システムを備えたエンジンであって、排気側が高圧段ターボチャージャに対して接続された標準気筒と、排気側がＥＧＲ通路及び低圧段ターボチャージャの何れか一方に対して接続されるＥＧＲ気筒と、ＥＧＲ気筒の接続を切り替える切替え手段と、切替え手段を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、エンジン運転状態が過渡状態であると判定した場合に、ＥＧＲ気筒の排気側を低圧段ターボチャージャに対して接続させることを特徴とする。

本発明に係るエンジンによれば、エンジン運転状態を過渡状態と判定した場合にＥＧＲ気筒の排気側を低圧段ターボチャージャに対して接続することで、ＥＧＲ気筒の排気ガスを高温高圧の状態で低圧段ターボチャージャに直接送り込むことができるので、低圧段ターボチャージャに過給遅れが生じることが避けられ、多段過給システムの過渡特性を向上させることができる。しかも、このエンジンでは、ＥＧＲ気筒の排気側を低圧段ターボチャージャに接続することでＥＧＲ気筒の排気ガスがＥＧＲ通路に供給されなくなるので、空気量が不足する過渡状態において排気ガスが吸気側に再循環されて加速性が悪化する事態を回避することが可能となる。

本発明に係るエンジンにおいて、制御手段は、低圧段ターボチャージャのコンプレッサ出口の過給圧とコンプレッサ出口における目標過給圧との差圧が所定圧力以上の場合に、エンジン運転状態が過渡状態であると判定してもよい。
このエンジンによれば、低圧段ターボチャージャに過給遅れが生じるような過渡状態にエンジン運転状態がなったことを正確に判定できるので、低圧段ターボチャージャに過給遅れが生じる事態を適切に回避することができる。

本発明に係るエンジンにおいて、制御手段は、エンジン運転状態が過渡状態から回復したと判定した場合に、ＥＧＲ気筒の排気側をＥＧＲ通路に対して接続させてもよい。
このエンジンによれば、エンジン運転状態が過渡状態から回復したと判定した場合に、ＥＧＲ気筒の排気側をＥＧＲ通路に対して接続させるので、過渡状態から回復してＥＧＲが有効となったタイミングでＥＧＲを直ぐに効かせることができ、エンジンの排ガス性能の向上を図ることができる。また、このようなＥＧＲの効率的な利用は、エンジンの燃費向上に寄与する。また、ドライバビリティの向上にも寄与する。

本発明によれば、多段過給システムの過渡特性を向上させることができるエンジンを提供できる。

本発明に係るエンジンの一実施形態を示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１に示されるように、本実施形態に係るディーゼルエンジン１は、多段過給システム２を備えた車両用のエンジンである。多段過給システム２は、低圧段ターボチャージャ３及び高圧段ターボチャージャ４を有している。

低圧段ターボチャージャ３は、吸気通路５の入口側に配置された低圧段コンプレッサ３Ａと排気通路６の出口側に配置された低圧段タービン３Ｂとを有している。低圧段ターボチャージャ３では、低圧段タービン３Ｂが排気ガスの排気エネルギーにより回転されることで、低圧段コンプレッサ３Ａが駆動して吸気通路５内の空気圧縮すなわち過給が行われる。

高圧段ターボチャージャ４は、高圧段コンプレッサ４Ａ及び高圧段タービン４Ｂを有している。高圧段コンプレッサ４Ａは吸気通路５において低圧段コンプレッサ３Ａより下流に配置され、高圧段タービン４Ｂは排気通路６において低圧段タービン３Ｂより上流に配置されている。この高圧段ターボチャージャ４においても、高圧段タービン４Ｂが排気ガスの排気エネルギーにより回転されることで、高圧段コンプレッサ４Ａが駆動して吸気通路５内の空気圧縮すなわち過給が行われる。

高圧段ターボチャージャ４は、低圧段ターボチャージャ３と比べて容量の小さいものが用いられる。言い換えると、低圧段ターボチャージャ３は、高圧段ターボチャージャ４と比べて容量の大きいものが用いられる。これは、高圧段ターボチャージャ４において排気エネルギーが一度回収され、膨張した排気ガスを低圧段ターボチャージャ３で扱うためである。

吸気通路５を流れる空気は、低圧段コンプレッサ３Ａ、高圧段コンプレッサ４Ａの順に圧縮されてエンジン本体１０の気筒１１内に供給される。なお、吸気通路５には、低圧段コンプレッサ３Ａによる圧縮で温度上昇した空気を冷却するためのインタークーラ７と、高圧段コンプレッサ４Ａによる圧縮で温度上昇した空気を冷やすためのアフタークーラ８と、が設けられている。吸気通路５には、必ずしもインタークーラ７を設ける必要はない。

エンジン本体１０では、六つの気筒１１内の空気がピストンによって圧縮された状態で、気筒１１内に燃料が噴射されることにより燃焼が行われる。気筒１１は、燃焼により生じた排気ガスが排気通路６へ直接送られる五つの標準気筒１１Ａと、排気ガスが共通通路１２へ送られる一つのＥＧＲ気筒１１Ｂと、に分けられる。

標準気筒１１Ａの排気側は、排気通路６を介して高圧段ターボチャージャ４の高圧段タービン４Ｂに接続されている。すなわち、標準気筒１１Ａから排出されて排気通路６を流れる排気ガスは、まず高圧段タービン４Ｂにおいて排気エネルギーが回収される。その後、高圧段タービン４Ｂの下流に設けられた低圧段タービン３Ｂにおいて再度排気エネルギーが回収されて外へと排出される。

ＥＧＲ気筒１１Ｂの排気側は、共通通路１２を介して切替えバルブ（切替え手段）１５に接続されている。切替えバルブ１５は、ＥＧＲ気筒１１Ｂの排気側の接続先をＥＧＲ［Exhaust Gas Recirculation］通路１３及びバイパス通路１４の何れか一方に切替える電磁弁である。ＥＧＲ気筒１１Ｂの排気ガスは、共通通路１２及び切替えバルブ１５を介してＥＧＲ通路１３及びバイパス通路１４の何れか一方に送られる。

ＥＧＲ通路１３は、排気ガスを気筒１１の吸気側に再循環させるための通路である。ＥＧＲ通路１３は、切替えバルブ１５と吸気通路５の出口側（アフタークーラ８の下流側）とを繋ぐように構成されており、その途中には排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ１６とワンウェイバルブ１７が設けられている。

ＥＧＲ気筒１１Ｂの排気側がＥＧＲ通路１３に接続された場合、ＥＧＲ気筒１１Ｂの排気ガスは、共通通路１２及び切替えバルブ１５を通じてＥＧＲ通路１３に入り込む。ＥＧＲ通路１３に入り込んだ排気ガスは、ＥＧＲクーラ１６及びワンウェイバルブ１７を通過しながら吸気通路５の出口側に入り込み、エンジン本体１０の気筒１１内に供給される。

ＥＧＲ気筒１１Ｂの排気側は、通常、ＥＧＲ通路１３に対して接続されている。

バイパス通路１４は、切替えバルブ１５と排気通路６の中間部（高圧段タービン４Ｂと低圧段タービン３Ｂとの間の部分）６ａとを繋ぐように構成された通路である。

ＥＧＲ気筒１１Ｂの排気側がバイパス通路１４に接続された場合、ＥＧＲ気筒１１Ｂの排気ガスは、共通通路１２及び切替えバルブ１５を通じてバイパス通路１４を流れ、排気通路６の中間部６ａへ入り込む。排気通路６の中間部６ａへ入り込んだ排気ガスは、低圧段タービン３Ｂにおいて排気エネルギーを回収された後、外へと排出される。すなわち、ＥＧＲ気筒１１Ｂの排気側は、バイパス通路１４を通じて低圧段ターボチャージャ３の低圧段タービン３Ｂに対して接続されている。

図１に示されるように、本実施形態に係るディーゼルエンジン１は、エンジン全体を統括的に制御するＥＣＵ［Engine Control Unit］（制御手段）２０を備えている。

ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ[Central Processing Unit]、ＲＯＭ[Read Only Memory]、ＲＡＭ[Random Access Memory]などからなる電子制御ユニットである。ＥＣＵ２０では、ＲＯＭに記憶されているプログラムをＲＡＭにロードし、ＣＰＵで実行することでエンジン制御に関する演算処理が行われる。

ＥＣＵ２０は、切替えバルブ１５及び低圧段過給圧センサ２１と接続されている。低圧段過給圧センサ２１は、吸気通路５内で低圧段コンプレッサ３Ａの出口に設けられた圧力センサである。低圧段過給圧センサ２１は、低圧段コンプレッサ３Ａの出口側の過給圧を検出する。

また、ＥＣＵ２０は、アクセル開度、エンジン回転数などエンジン制御に用いる各種情報を取得しており、低圧段コンプレッサ３Ａの出口側の過給圧について目標過給圧を演算する。目標過給圧とは、エンジンが十分な性能を出している（例えばエンジン運転状態が定常状態である）とした場合に予定される低圧段コンプレッサ３Ａの出口側の過給圧である。目標過給圧は、エンジン回転数その他の要素によって変動する。なお、目標過給圧は、基本的にマップ制御によって求められる。

ＥＣＵ２０は、エンジン運転状態が過渡状態であるか否かの判定を行う。過渡状態とは、エンジン運転状態が大きく変動している状態であり、例えば運転者がアクセル操作により車両の急加速させる場合などに生じる状態である。

ＥＣＵ２０は、エンジン運転状態が過渡状態であるか否かの判定を行うため、低圧段過給圧センサ２１の検出した低圧段コンプレッサ３Ａの出口側の過給圧と目標過給圧との差圧を演算する。

ＥＣＵ２０は、低圧段コンプレッサ３Ａの出口側の過給圧と目標過給圧との差圧が所定の判定圧力以上である場合、エンジン運転状態が過渡状態であると判定する。所定の判定圧力は、例えば車両ごとの仕様に応じて適切に設定される。所定の判定圧力は変動値であってもよい。

ＥＣＵ２０は、エンジン運転状態が過渡状態であると判定した場合、切替えバルブ１５を制御し、バイパス通路１４すなわち低圧段ターボチャージャ３の低圧段タービン３Ｂに対してＥＧＲ気筒１１Ｂの排気側を接続させる。これにより、ＥＧＲ気筒１１Ｂの排気ガスが高温高圧力の状態を維持したまま低圧段タービン３Ｂに直接送られ、低圧段タービン３Ｂを回転させる。一方で、ＥＧＲ通路１３には排気ガスが供給されないため、排気ガスの吸気側への再循環は行われない。

その後、ＥＣＵ２０は、低圧段コンプレッサ３Ａの出口側の過給圧と目標過給圧との差圧が所定の判定圧力未満である場合、エンジン運転状態が過渡状態から回復したと判定する。

ＥＣＵ２０は、エンジン運転状態が過渡状態から回復したと判定した場合、切替えバルブ１５を制御し、ＥＧＲ気筒１１Ｂの排気側をＥＧＲ通路１３に対して接続させる。これにより、ＥＧＲ気筒１１Ｂの排気ガスがＥＧＲ通路１３を通じて吸気側に再循環され、過渡状態から回復したエンジンに対して短時間でＥＧＲを効かせることができる。

以上説明した本実施形態に係るディーゼルエンジン１によれば、エンジン運転状態を過渡状態と判定した場合にＥＧＲ気筒１１Ｂの排気側を低圧段ターボチャージャ３の低圧段タービン３Ｂに対して接続することで、ＥＧＲ気筒１１Ｂの排気ガスを高温高圧の状態で低圧段タービン３Ｂに直接送り込むことができるので、低圧段ターボチャージャ３に過給遅れが生じることが避けられ、多段過給システム２の過渡特性を向上させることができる。しかも、このディーゼルエンジン１では、ＥＧＲ気筒１１Ｂの排気側を低圧段ターボチャージャ３に接続することでＥＧＲ気筒１１Ｂの排気ガスがＥＧＲ通路１３に供給されなくなるので、空気量が不足する過渡状態において排気ガスが吸気側に再循環されて加速性が悪化する事態を回避することが可能となる。

また、このディーゼルエンジン１によれば、低圧段コンプレッサ３Ａの出口の過給圧と低圧段コンプレッサ３Ａの出口における目標過給圧との差圧が所定の判定圧力以上の場合に、エンジン運転状態が過渡状態であると判定するので、低圧段ターボチャージャ３に過給遅れが生じるような過渡状態にエンジン運転状態がなったことを正確に判定でき、低圧段ターボチャージャ３に過給遅れが生じる事態を適切に回避することができる。

更に、このディーゼルエンジン１によれば、エンジン運転状態が過渡状態から回復したと判定した場合に、ＥＧＲ気筒１１Ｂの排気側をＥＧＲ通路１３に対して接続させるので、過渡状態から回復してＥＧＲが有効となったタイミングでＥＧＲを直ぐに効かせることができ、エンジンの排ガス性能の向上を図ることができる。また、このようなＥＧＲの効率的な利用は、エンジンの燃費向上に寄与する。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、多段過給システムは、ターボチャージャを三段以上備えていてもよい。

ターボチャージャを三段備えている場合には、エンジン運転状態が過渡状態となることで過給遅れが生じやすいと考えられる低圧段のターボチャージャ（二段目や三段目のターボチャージャ）に対してＥＧＲ気筒の排気側を接続することで、過給遅れを抑制できる。なお、ＥＧＲ気筒の排気ガスを低圧段の全てのターボチャージャに分配して送る構成であってもよく、最も低圧となるターボチャージャなどにのみＥＧＲ気筒の排気ガスを送る構成であってもよい。

また、上述したエンジンの構成や気筒数は一例であり、多段過給システム及びＥＧＲ気筒を有する様々なエンジン構成に対して本発明を適用することができる。

また、エンジン運転状態が過渡状態であるか否かの判定は、必ずしも低圧段コンプレッサの出口の過給圧と目標過給圧との差圧に基づいて行う必要はない。例えば、運転者によるアクセル操作などに基づいて急加速により過渡状態となったことを判定してもよい。

その他、アクセル開度が一定でも走行路の状態（坂道など）では、エンジン回転数が変化し、燃料噴射量も変化することから、燃料噴射量の変化量に基づいてエンジン運転状態が過渡状態であるか否かの判定を行ってもよい。エンジン回転数と燃料噴射量とから目標過給圧（目標ブースト圧）を求め、目標過給圧と実際の過給圧（実ブースト圧）との差に基づいて判定することもできる。

１…ディーゼルエンジン ２…多段過給システム ３…低圧段ターボチャージャ ３Ａ…低圧段コンプレッサ ３Ｂ…低圧段タービン ４…高圧段ターボチャージャ ４Ａ…高圧段コンプレッサ ４Ｂ…高圧段タービン ５…吸気通路 ６…排気通路 ６ａ…中間部 ７…インタークーラ ８…アフタークーラ １０…エンジン本体 １１…気筒 １１Ａ…標準気筒 １１Ｂ…ＥＧＲ気筒 １２…共通通路 １３…ＥＧＲ通路 １４…バイパス通路 １５…切替えバルブ（切替え手段） １６…ＥＧＲクーラ １７…ワンウェイバルブ ２０…ＥＣＵ（制御手段） ２１…低圧段過給圧センサ

Claims (3)

1. 高圧段ターボチャージャ及び低圧段ターボチャージャを含む多段過給システムを備えたエンジンであって、
   排気側が前記高圧段ターボチャージャに対して接続された標準気筒と、
   排気側がＥＧＲ通路及び前記低圧段ターボチャージャの何れか一方に対して接続されるＥＧＲ気筒と、
   前記ＥＧＲ気筒の接続を切り替える切替え手段と、
   前記切替え手段を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、エンジン運転状態が過渡状態であると判定した場合に、前記ＥＧＲ気筒の排気側を前記低圧段ターボチャージャに対して接続させることを特徴とするエンジン。
2. 前記制御手段は、前記低圧段ターボチャージャのコンプレッサ出口の過給圧と前記コンプレッサ出口における目標過給圧との差圧が所定圧力以上の場合に、エンジン運転状態が過渡状態であると判定することを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
3. 前記制御手段は、エンジン運転状態が過渡状態から回復したと判定した場合に、前記ＥＧＲ気筒の排気側を前記ＥＧＲ通路に対して接続させることを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジン。

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