JP2016003586A - ターボ過給機を備えた内燃機関の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ過給機のタービンにモータを付設することなく、タービンへの排気の流量を増加して、過給圧の立ち上がりを速くする。【解決手段】タービン１２の下流側の排気通路１１からタービン１２の上流側の排気通路１１へ排気を戻す排気リターン通路２８を設ける。この排気リターン通路２８に排気を圧縮する電動圧縮機３２を設ける。また、タービン１２の下流側の排気通路１１から吸気通路１３へ排気を還流するＥＧＲ通路２６を設け、このＥＧＲ通路２６と排気リターン通路２８との分岐位置に流路切換弁３０を設ける。例えば高負荷時には、排気リターン通路２８を経由して排気を循環させることで、タービン１２の上流に導入される排気の流量を増加させる。【選択図】図１

Description

本発明は、ターボ過給機を備えた内燃機関の冷却装置に関する。

内燃機関に搭載されるターボ過給機は、以前は主として出力向上を図るために用いられていたが、近年では内燃機関を小型化しつつ車両駆動力を確保するためにターボ過給機をも用いられている。このようなターボ過給機を備えた内燃機関において、特許文献１には、ターボ過給機の回転軸（ターボ軸）にモータを連結し、モータにより回転軸の回転をアシストする技術が記載されている。

特開２０１２−９７６１３号公報

しかしながら、ターボ過給機のタービン及びその回転軸は高温な排気通路に配設され、その回転速度は極めて速いことから、回転軸に連結されるモータには高回転かつ高精度で、高い耐熱性が要求され、装置の大型化やコストの増加を招いてしまう。

本発明は、ターボ過給機の回転軸にモータを連結することなく、排気通路に設けられるタービンへの排気の流量を増加することで、過給圧を速やかに昇圧して、ターボ過給機の性能を向上することを目的としている。

本発明は、排気通路に設けられたタービンと吸気通路に設けられたコンプレッサとが同じ回転軸に取り付けられたターボ過給機を備えた内燃機関の排気装置に関する。排気通路には、タービンの下流側の排気通路からタービンの上流側の排気通路へ排気を戻す排気リターン通路が設けられる。そして、この排気リターン通路に、当該排気リターン通路内を流れる排気を圧縮する電動圧縮機を設ける。

本発明によれば、電動圧縮機によって加圧した排気をタービンの上流側の排気通路に送り込むことによって、排気の流量を増加して、過給圧を速やかに昇圧させることができ、ターボ過給機の過給圧の立ち上がり性能を向上することができる。また、上述したようにターボ過給機の回転軸をモータにより直接駆動するものに比して、回転速度、精度及び耐熱性が過度に要求されることがなく、装置の小型化や低コスト化を図ることができる。

本発明の一実施例に係るターボ過給機を備えた内燃機関の冷却装置を示す構成図。 暖機運転時における排気の流れを示す構成図。 低回転トルク立ち上がり時における排気の流れを示す構成図。 部分負荷時における排気の流れを示す構成図。 高負荷時における排気の流れを示す構成図。 排気損失回生時における排気の流れを示す構成図。

以下、図示実施例により本発明を説明する。図１は、本発明の一実施例に係るターボ過給機を備えたガソリンエンジンである内燃機関の冷却装置を簡略的に示す構成図である。

ターボ過給機１０は、排気通路１１に設けられたタービン１２と、吸気通路１３に設けられたコンプレッサ１４と、が同じ回転軸１５に背中合わせに取り付けられており、排気の熱エネルギーにより回転するタービン１２によりコンプレッサ１４が回転駆動されて、吸気を加圧して過給を行なう。タービン１２をバイパスするバイパス通路１６には過給圧を調整する電制のウェイストゲートバルブ１７が設けられている。

吸気通路１３には、コンプレッサ１４の下流側に、過給された高温の吸気を冷却するインタークーラ１８が設けられるとともに、吸気コレクタ１９の上流側に、吸気流量を調整する電制のスロットルバルブ２０が設けられている。吸気コレクタ１９には、スロットル下流の吸気圧力、すなわち過給圧を検出する過給圧センサ２１と、吸気温を検出する吸気温センサ２２と、等が設けられている。

排気通路１１には、タービン１２の下流側に、排気を浄化する三元触媒２３が設けられている。この触媒２３の上流側には、空燃比を検出する空燃比センサ２４が設けられている。また、タービン１２の上流側の排気通路１１には、排気圧力を検出する排気圧力センサ２５が設けられている。

排気を吸気に還流するＥＧＲ通路２６は、タービン１２及び触媒２３の下流側の排気通路１１から取り出した排気をコンプレッサ１４の上流側の吸気通路１３に導くもので、このＥＧＲ通路２６には、ＥＧＲ通路２６内を流れる排気の流量であるＥＧＲ量（ＥＧＲ率）を調整するＥＧＲバルブ２７が設けられている。

そして本実施例では、タービン１２の下流側の排気通路１１からタービン１２の上流側の排気通路１１へ排気を戻す排気リターン通路２８が設けられている。排気リターン通路２８とＥＧＲ通路２６とは、途中の分岐位置（３０）までは共用通路３１を共用しており、分岐位置３０で分岐して、排気リターン通路２８がタービン１２の上流側の排気通路１１に接続する一方、ＥＧＲ通路２６が吸気通路１３に接続している。上記の分岐位置（３０）には、ＥＧＲ通路２６と排気リターン通路２８とを切り換える流路切換弁３０が設けられている。

そして、ＥＧＲ通路２６と排気リターン通路２８とを兼用する共用通路３１には、下流側の排気リターン通路２８あるいはＥＧＲ通路２６へ加圧した排気を送り込む電動圧縮機３２が設けられるとともに、この電動圧縮機３２の上流側にはＥＧＲクーラー３３が設けられている。ＥＧＲクーラー３３は、共用通路３１内を流れる排気と、冷媒である冷却水と、の間で熱交換を行なうことによって、この共用通路３１内を流れる排気を冷却する機能を有している。

また、共用通路３１には、電動圧縮機３２を迂回するように電動圧縮機３２の上流側と下流側とを接続する圧縮機用バイパス通路３４が設けられるとともに、この圧縮機用バイパス通路３４と電動圧縮機３２が設けられた共有通路３１とを切り換える圧縮機用切換弁３５が設けられている。同様に、共用通路３１には、ＥＧＲクーラー３３を迂回するようにＥＧＲクーラー３３の上流側と下流側とを接続するクーラー用バイパス通路３６が設けられるとともに、このクーラー用バイパス通路３６とＥＧＲクーラー３３が設けられた共有通路３１とを切り換えるクーラー用切換弁３７が設けられている。

更に、上記の分岐位置（３０）から排気通路１１へ排気を流す補助通路３８が設けられている。この補助通路３８が排気通路１１へ接続する出口部分は、タービン１２及び触媒２３よりも下流側で、かつ上述した共用通路３１が排気通路に接続する入口部分３９よりも下流側に位置している。この出口部分には、排気通路１１（及び補助通路３８）の流量を調整する調整弁４０が設けられている。

制御部４１は、機関運転状態を表す上述した各種センサ２１，２２，２４，２５の信号を検出し、これらの信号等に基づいて、流路切換弁３０、流量調整弁、ＥＧＲバルブ２７、ウェイストゲートバルブ１７、スロットルバルブ２０及び電動圧縮機３２等へ制御信号を出力して、その動作を制御する。例えば、所定の運転条件では空燃比を理論空燃比の近傍に維持するように、空燃比センサ２４により検出される触媒上流の空燃比に基づくフィードバック制御が行なわれる。また、過給圧が過度に上昇することのないように過給圧センサ２１により検出される過給圧に基づいてウェイストゲートバルブ１７の開度制御が行なわれる。

そして、図２〜図６に示すように、機関運転状態に応じて電動圧縮機３２の動作を制御するとともに、ウェイストゲートバルブ１７，ＥＧＲバルブ２７，切換弁３０，３５，３６及び調整弁４０の動作を制御して、排気の流れを制御している。

図２は、内燃機関１の機関温度が所定温度以下の暖機運転時における排気の流れを示している。暖機運転時には、触媒２３の早期昇温を図るために、排気の多くを排気リターン通路２８を経由して排気通路１１を含む閉ループ内を循環させるようにしている。具体的には、ウェイストゲートバルブ１７を開き、調整弁４０により排気通路１１の流量を大幅に制限し、クーラー用切換弁３７によりクーラー用バイパス通路３６を開き、圧縮機用切換弁３５により圧縮機用バイパス通路３４を閉じ、流路切換弁３０により排気リターン通路２８に切り換えて、この排気リターン通路２８を開いている。これによって、内燃機関１の燃焼室から排出された排気（ガス）は、図２の矢印に示すように、その大部分がバイパス通路１６を通過し、触媒２３を通過した後、排気リターン通路２８を兼用する共用通路３１へと流れ、クーラー用バイパス通路３６を経由して、電動圧縮機３２により加圧されて下流側へ送り出され、分岐位置（３０）で排気リターン通路２８側に流れて、タービン１２の上流側の排気通路１１へと戻される。そして、内燃機関１側から排出される排気と合流して、排気通路１１の下流側、つまり触媒２３の上流側へと送り込まれる。

このように暖機運転時には、電動圧縮機３２を用いて排気の多くを排気リターン通路２８及び排気通路１１内で循環させることにより、触媒２３の暖機を促進するとともに、触媒２３が活性化する前の十分に酸化還元反応が行なわれていない初期の排気の再反応を促進して、初期の排気の浄化性能を向上することができる。好ましくは、触媒２３で未反応のＨＣ、ＮＯｘが反応して浄化されるまで、排気リターン通路２８内で排気を循環させる。

しかも、排気に空気や燃料を追加することなく単に排気を循環させているために、触媒２３での目標空燃比（理論空燃比）がずれることはなく、触媒２３での酸化還元反応を阻害することもない。

なお、調整弁４０により排気通路１１を閉じた場合にも、排気圧力が過度に上がり過ぎることのないように、ある程度の排気ガスが大気側へ排出されるようになっている。

図３は、ターボ過給機１０の過給遅れを生じ易い低回転でのトルク立ち上がり時（加速時）における排気の流れを示している。この場合、上述した暖機運転時に対し、ウェイストゲートバルブ１７を閉じ、タービン１２に排気を通流させる点で異なっている。従って、この低回転トルク立ち上がり時には、内燃機関１の燃焼室から排出された排気（ガス）は、図３の矢印に示すように、タービン１２及び触媒２３を通過した後、共用通路３１へと流れ、クーラー用バイパス通路３６を経由して、電動圧縮機３２により加圧されて下流側へ送り出され、分岐位置（３０）で排気リターン通路２８側に流れて、タービン１２の上流側の排気通路１１へと戻されて、内燃機関１側から排出される排気と合流して、排気通路１１の下流側、つまりタービン１２の上流側へと送り込まれる。

このように低回転トルク立ち上がり時には、電動圧縮機３２の加圧により排気の多くをタービン１２よりも上流側の排気通路１１に戻すことで、タービン１２を流れる排気の流量を増加して、過給圧の立ち上がりを早めて、加速の応答性（レスポンス）を向上することができる。また、電動圧縮機３２はタービン１２とは離れた位置に配置されているために、耐熱性や精度等が過度に要求されることがない。

図４は、部分負荷時（低負荷時）における排気の流れを示している。部分負荷時には、燃費向上を図るために積極的にＥＧＲガスの流量を増加させている。具体的には、ウェイストゲートバルブ１７を開き、クーラー用切換弁３７によりクーラー用バイパス通路３６を開き、圧縮機用切換弁３５により圧縮機用バイパス通路３４を閉じ、流路切換弁３０によりＥＧＲ通路２６に切り換えてこのＥＧＲ通路２６を開き、ＥＧＲバルブ２７を開いている。これによって、内燃機関１の燃焼室から排出された排気（ガス）は、図４の矢印に示すように、その大部分がバイパス通路１６を通過し、触媒２３を通過した後、ＥＧＲ通路２６を兼用する共用通路３１へと流れ、クーラー用バイパス通路３６を経由して、電動圧縮機３２により加圧されて下流側へ送り出され、分岐位置（３０）でＥＧＲ通路２６側へ流れて、吸気通路１３へと戻される。

このように部分負荷時には電動圧縮機３２によりＥＧＲガスの流量を増加し、燃費向上を図ることができる。特に、本実施例のようにターボ過給機を備える場合、吸気側が高圧となってＥＧＲガスが供給され難いものの、本実施例では電動圧縮機３２により加圧したＥＧＲガスを送り込むために、ターボ過給機を備える場合であっても十分な量のＥＧＲガスを吸気側へ供給することができる。

図５は、高負荷時における排気の流れを示している。高負荷時には、触媒２３や排気系部品の過度な昇温を抑制するために、触媒２３を含む排気系部品の冷却を促進する。具体的には、過給圧に応じてウェイストゲートバルブ１７を開閉制御し、調整弁４０により排気通路１１を開き、クーラー用切換弁３７によりクーラー用バイパス通路３６を閉じ、圧縮機用切換弁３５により圧縮機用バイパス通路３４を閉じ、流路切換弁３０により排気リターン通路２８を開いている。これによって、内燃機関１の燃焼室から排出された排気（ガス）は、図５の矢印に示すように、タービン１２を流れつつ一部がバイパス通路１６を流れた後、触媒２３を通過し、一部が排気リターン通路２８側へと流れ、ＥＧＲクーラー３３を経由して、電動圧縮機３２により加圧されて下流側へ送り出され、分岐位置（３０）で排気リターン通路２８側に流れて、触媒２３よりも上流側の排気通路１１へと戻される。そして、内燃機関１側から排出される排気と合流して、冷却対象である触媒２８へと送り込まれる。

このように高負荷時には、一旦触媒２３を通過した排気を排気リターン通路２８に設けられたＥＧＲクーラー３３により冷却して、再び触媒２３の上流側の排気通路１１に循環させることで、触媒２３を含む排気系部品の冷却を促進することができる。この際、上述したように排気に空気や燃料を追加することなく単に排気を循環させていることから、このような排気の循環に伴う空燃比の変動を招くことがない。従って、例えば理論空燃比へ向けた空燃比フィードバック制御を実施することで、高負荷時であっても燃費向上と排気清浄化とを図ることができる。

図６は、排気エネルギーを回収する排気損失回生時の排気の流れを示している。この例では、ＥＧＲクーラー３３を排熱回収機として利用する場合について説明する。このような排気損失回生を行なう運転域は、例えば高負荷時ほど温度条件は厳しくないものの、比較的負荷が高いためにＥＧＲガスで運転性を阻害することのないようにＥＧＲを行なわない運転領域である。

具体的には、過給圧に応じてウェイストゲートバルブ１７を開閉制御し、調整弁４０により排気通路１１を閉じ、排気の大部分を排気リターン通路２８側へ供給する。また、クーラー用切換弁３７によりクーラー用バイパス通路３６を閉じ、圧縮機用切換弁３５により圧縮機用バイパス通路３４を閉じ、流路切換弁３０により補助通路３８を開く。これによって、内燃機関１の燃焼室から排出された排気（ガス）は、図６の矢印に示すように、タービン１２を流れつつ一部がバイパス通路１６を流れた後、触媒２３を通過し、その大部分が排気リターン通路２８側へと流れ、ＥＧＲクーラー３３により熱交換を行なう。そして、電動圧縮機３２により加圧されて下流側へ送り出され、分岐位置（３０）で補助通路３８側に流れて、そのまま排気ガスとして車外に排出される。

このように、排気損失回収時には、ＥＧＲクーラー３３を排熱回収機として利用することも可能であり、これによりエネルギー効率を高めて燃費向上を図ることができる。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形・変更を含むものである。例えば、排熱回収を行なわない場合には、補助通路３８を省略した構造とすることもできる。

１…内燃機関
１０…ターボ過給機
１１…排気通路
１２…タービン
１３…吸気通路
１４…コンプレッサ
１５…回転軸
２６…ＥＧＲ通路
２８…排気リターン通路
３０…切換弁
３２…電動圧縮機

Claims (5)

1. 排気通路に設けられたタービンと吸気通路に設けられたコンプレッサとが同じ回転軸に取り付けられたターボ過給機を備えた内燃機関の排気装置において、
   上記タービンの下流側の排気通路から上記タービンの上流側の排気通路へ排気を戻す排気リターン通路と、
   この排気リターン通路に設けられ、この排気リターン通路の下流側へ加圧した排気を送り込む電動圧縮機と、
   を有することを特徴とするターボ過給機を備えた内燃機関の冷却装置。
2. 上記タービンの下流側の排気通路から吸気通路へ排気を還流するＥＧＲ通路を有し、
   上記排気リターン通路とＥＧＲ通路とは、途中の分岐位置よりも上流側の共有通路を共用しつつ、上記分岐位置で分岐して、上記排気リターン通路が上記タービンの上流側の排気通路に接続する一方、上記ＥＧＲ通路が吸気通路へ接続しており、
   上記電動圧縮機は、上記分岐位置よりも上流側の上記共有通路に設けられ、
   かつ、上記分岐位置には、上記ＥＧＲ通路と排気リターン通路とを切り換える流路切換弁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のターボ過給機を備えた内燃機関の冷却装置。
3. 加速時には、上記流路切換弁により排気リターン通路に切り換えて、上記タービンの下流側の排気通路から上記タービンの上流側の排気通路へ排気を戻すことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の冷却装置。
4. 低負荷時には、上記流路切換弁によりＥＧＲ通路に切り換えて、上記タービンの下流側の排気通路から上記吸気通路へ排気を還流することを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の冷却装置。
5. 上記共有通路に、この共有通路内を流れる排気と冷媒との間で熱交換を行なうクーラーが設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のターボ過給機を備えた内燃機関の冷却装置。

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