JP3783764B2 - 過給機付きエンジンのｅｇｒ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変ノズルベーンにより過給圧を調整可能な可変容量型の過給機を備えたエンジンのＥＧＲ装置に関するものである。
【０００２】
【関連する背景技術】
周知のようにＮＯｘ（窒素酸化物）を低減する手法の１つとして、エンジンから排出された排ガスの一部を吸気側に還流して燃焼温度を低下させるＥＧＲ制御が実施されている。このＥＧＲの還流は、排気通路と吸気通路との圧力差を利用して行われるため、吸気を過給する過給機付きのエンジンでは、エンジンの運転領域によっては吸気通路の圧力が排気通路の圧力より高くなって、ＥＧＲを還流不能となる場合がある。
【０００３】
その対策として、例えば特公平６−４７９３４号公報に記載の技術では、可変ノズルベーンで過給圧を調整可能な可変容量型の過給機を備えたエンジンにおいて、上記ＥＧＲを還流不能な領域ではベーンを閉側に制御することにより、排気系の圧力を高めてＥＧＲの還流を図っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、過給機のベーン開度は、例えばエンジンの負荷や回転速度に応じたマップに基づいて、タービン効率の良好な領域で過給機が稼動するように制御されることから、上記のようにＥＧＲ還流のためにベーンを閉側に制御することは、タービン効率の低下を引き起こすことになる。しかも、排気系の圧力を高めるべくベーンを閉側に制御すると、過給圧の上昇に伴って吸気系の圧力も上昇するため、結果として上記タービン効率の最適領域を大きく外れることになり、更に、このような対策を行っても特定の運転領域では依然としてＥＧＲを還流不能な場合もある。
【０００５】
本発明の目的は、タービン効率を低下させることなく、運転領域に関わらず確実にＥＧＲを還流させることができる過給機付きエンジンのＥＧＲ装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、タービンの上流に可変ノズルベーンを備えた可変容量型過給機と、可変容量型過給機の可変ノズルベーンより上流側の排気通路と可変容量型過給機のコンプレッサより下流側の吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路に介装され、ＥＧＲ通路の排ガス流量を調整するＥＧＲ弁と、コンプレッサとＥＧＲ通路の接続箇所との間の吸気通路から可変ノズルベーンとタービンとの間の排気通路に接続されるバイパス通路と、バイパス通路に介装され、バイパス通路を開閉する弁装置と、エンジンの運転状態に応じてＥＧＲ弁を駆動制御する第１の制御手段と、第１の制御手段によるＥＧＲ弁の制御が実行され、且つエンジンの運転状態が、吸気通路の圧力が排気通路の圧力より高くなる状態にあるとき、弁装置を開作動させる第２の制御手段とを備えた。
【０００７】
従って、可変ノズルベーンの角度に応じてタービンに衝突する排ガスの流速が調整され、それに伴ってタービンの回転速度が変化して過給圧が調整され、このとき可変ノズルベーンでは排ガスの膨張が生じることから、ベーン上流側に対してベーン下流側の圧力は低くなる。そして、エンジンが高過給運転状態で、吸気通路の圧力が排気通路の圧力より高まってＥＧＲを還流不能となると弁装置が開作動され、上記のようにベーン下流側が低圧であることから、コンプレッサにて過給された吸入空気の一部はバイパス通路を経てベーン下流側に逃がされる。
【０００８】
その結果、吸気通路の圧力が低下して排気通路の圧力より低くなるため、この圧力差によりＥＧＲの還流を行うことが可能となり、又、このようにＥＧＲを還流させるためにベーンを閉側に制御していないため、過給機はタービン効率の良好な領域で稼動し続ける。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を過給機付きディーゼルエンジンのＥＧＲ装置に具体化した一実施形態を説明する。
図１の全体構成図に示すように、エンジン１の吸気通路２には過給機としてのターボチャージャ３のコンプレッサ３ａが設けられ、このコンプレッサ３ａにより過給された吸入空気が吸気通路２を経てエンジン１の燃焼室１ａ内に導入される。又、エンジン１の排気通路４には前記コンプレッサ３ａと同軸上に結合されたターボチャージャ３のタービン３ｂが設けられ、燃焼室１ａ内で燃焼後の排ガスは排気通路４を経てタービン３ｂを回転駆動した後に外部に排出される。吸気通路２と排気通路４とはＥＧＲ通路５により接続され、このＥＧＲ通路５にはＥＧＲ弁６が設けられている。ＥＧＲ弁６は図示しないステップモータ等により開閉駆動され、これに応じてＥＧＲ通路５の開度が連続的に変更される。
【００１０】
図２はターボチャージャのタービンを示す部分断面図、図３は図２のIII−III線断面図である。これらの図に示すように、タービンハウジング７内の一側には前記タービン３ｂを中心としてリング状の軸受プレート８が埋設され、この軸受プレート８の裏面側全体にはエア分配路９が形成されている。タービンハウジング７内には、翼断面をなす多数の可変ノズルベーン１０がタービン３ｂを取り巻くように配設され、各可変ノズルベーン１０の幅方向（図２の上下方向）の両端にはそれぞれ回動ピン１０ａ，１０ｂが突設されている。各可変ノズルベーン１０の一方の回動ピン１０ａは、軸受プレート８に形成された軸受孔８ａ内に挿入され、他方の回動ピン１０ｂは、タービンハウジング７に形成された軸受孔７ａ内に挿入され、これにより各可変ノズルベーン１０は回動ピン１０ａ，１０ｂを中心として回動し得るようになっている。
【００１１】
各可変ノズルベーン１０の一方の回動ピン１０ｂは軸受孔７ａ内より反対側に突出してそれぞれ操作レバー１１が連結され、各操作レバー１１は、タービン３ｂを中心として配された操作リング１２に連結されている。この操作リング１２の一側にはベーン開閉アクチュエータ１３（図１に示す）が連結され、ベーン開度アクチュエータ１３の動作に伴ってタービン３ｂを中心として操作リング１２が周方向に回動すると、操作レバー１１を介して各可変ノズルベーン１０の角度（開度）が一斉に変更される。
【００１２】
各可変ノズルベーン１０内には幅方向全体にエア噴出路１４が形成され、図３に示すように、このエア噴出路１４は可変ノズルベーン１０の後端側、つまり、後述のように可変ノズルベーン１０に沿って流れる排ガスの下流側に向けて開口すると共に、図２に示すように、エア噴出路１４は一方の回動ピン１０ａ内を経て前記エア分配路９内に開口している。エア分配路９の一側にはタービンハウジング７に形成された連通路１５を介してバイパスパイプ１６の一端が接続され、図１に示すように、バイパスパイプ１６の他端は前記吸気通路２のコンプレッサ３ａの下流側に接続されている。
【００１３】
バイパスパイプ１６には弁装置としてのバイパス弁１７が設けられ、このバイパス弁１７によりバイパスパイプ１６が開閉される。このバイパス弁１７は全開と全閉の２位置間で切換制御され、通常時には閉位置に保持されている。本実施形態では、これらのエア分配路９、エア噴出路１４、連通路１５、バイパスパイプ１６によりバイパス通路が構成されている。
【００１４】
車室内には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ，ＢＵＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ２１（電子制御ユニット）が設置されており、このＥＣＵ２１はＥＧＲ制御やターボチャージャ３のベーン開度制御を含めたエンジン１の総合的な制御を行う。ＥＣＵ２１の入力側には、運転者によるアクセル操作量ＡＰＳを検出するアクセルセンサ２２、エンジン１の回転速度Ｎeを検出する回転速度センサ２３等の各種センサが接続され、ＥＣＵ２１の出力側には、前記ＥＧＲ弁６、ベーン開閉アクチュエータ１３、バイパス弁１７等の各種アクチュエータが接続されている。
【００１５】
本実施例のディーゼルエンジン１は、図示しない燃料噴射ポンプのスリーブ位置をアクチュエータで駆動して燃料噴射量を制御する電子制御式として構成されている。ＥＣＵ２１はアクセル操作量ＡＰＳ及びエンジン回転速度Ｎeに基づいて、予め設定されたマップから燃料噴射量Ｑを決定し、その燃料噴射量Ｑが達成されるように燃料噴射ポンプのスリーブ位置をアクチュエータにて調整する。このときの燃料噴射量Ｑはエンジン回転速度Ｎeと共にＥＧＲ制御やベーン開度制御に利用され、これらの燃料噴射量Ｑ（エンジン負荷に相当する）及びエンジン回転速度Ｎeに基づいて、マップから目標ＥＧＲ量や目標過給圧が決定され、ステップモータによりＥＧＲ弁６の開度が調整されてＥＧＲ制御が行われると共に（第１の制御手段）、ベーン開閉アクチュエータ１３により可変ノズルベーン１０の開度が調整されて過給圧制御が行われる。ここで、目標過給圧マップの特性は、ターボチャージャ３が常にタービン効率の良好な領域で稼動されるように設定されている。
【００１６】
この過給圧制御においては、ベーン開度の変更に伴って以下のようにして過給圧が変化する。排気通路４を流れる排ガスは、図３に実線の矢印で示すように、可変ノズルベーン１０に沿ってその外周側から内周側に案内されてタービン３bに衝突し、その衝突エネルギによりタービン３bが回転駆動されてコンプレッサ３aによる過給作用が奏される。このとき、可変ノズルベーン１０の開度が小であるほど、排ガスの流速が高くなって大きな衝突エネルギがタービン３bに付与されることから、例えば、エンジン１の低回転域のように排ガス流量が少なくて十分な流速が得られないときには、可変ノズルベーン１０を閉側に制御することで排ガスを絞って流速を高め、必要な過給圧を確保する。
【００１７】
そして、このように可変ノズルベーン１０により排ガスの流れが絞られるため、ベーン間を通過する際の排ガスは膨張により圧力が低下する。つまり、本実施形態のような可変容量型のターボチャージャ３では、タービン３bの前後（上流側と下流側）のみならず、可変ノズルベーン１０の前後においても排ガスが膨張し、ベーン上流側（排気通路４側）に対してベーン下流側（タービン３ｂ上流側）の圧力は低くなる。
【００１８】
ところで、例えば高負荷運転時に要求されるエンジントルクを確保するために、過給圧制御において高い目標過給圧が設定されて、それに応じて可変ノズルベーン１０が閉方向に制御されると、過給圧の上昇に伴って吸気通路２の圧力が排気通路４の圧力より高まることから、ＥＧＲを正常に還流できない現象が生じる。このような場合を想定して本実施形態では、予め目標過給圧マップ上において、上記要因によりＥＧＲを正常に還流できないＥＧＲ不能領域（つまり、目標ＥＧＲ量マップから求めたＥＧＲ量を達成できない領域）が設定されており、ＥＣＵ２１は現在の運転状態がＥＧＲ不能領域であり、且つ上記目標ＥＧＲマップに基づいてＥＧＲ制御を実行しているときには、前記バイパス弁１７を開位置に切換える（第２の制御手段）。
【００１９】
バイパス弁１７の開放に伴って吸気通路２内は、バイパスパイプ１６、連通路１５、エア分配路９、エア噴出路１４を経て可変ノズルベーン１０の下流側と連通する。上記のようにベーン下流側はベーン上流側に比較して低圧であることから、このＥＧＲ不能領域においても、ベーン下流側は吸気通路２より低圧力となり、コンプレッサ３ａにて過給された吸入空気の一部は、バイパスパイプ１６から連通路１５を経てエア分配路９に導入され、このエア分配路９から各可変ノズルベーン１０のエア噴出路１４に分配されて、それぞれのエア噴出路１４からベーン下流側に逃がされる。その結果、吸気通路２の圧力が低下して排気通路４の圧力より低くなるため、排気通路４と吸気通路２との圧力差によりＥＧＲの還流が確実に行われる。
【００２０】
尚、ベーン下流側に逃がされる吸入空気量が過小な場合は、吸気通路２の圧力を十分に低下できず、逆に逃がされる吸入空気量が過大な場合は、過給圧が大幅に低下してしまうことから、適度な吸入空気のリリーフが行われるように予めバイパスパイプ１６やバイパス弁１７の断面積等が設定されている。
一方、上記のようにエア噴出路１４は可変ノズルベーン１０の後端側に向けて開口して、可変ノズルベーン１０と一体で回動することから、図３に破線の矢印で示すように、エア噴出路１４からの吸入空気は、常に排気経路４からの排ガスを妨げることなくその流れに沿うように噴出される。よって、吸入空気はエア噴出路１４からの噴出に伴って膨張して排ガスと共にタービン３ｂを回転させるために消費されることになる。即ち、このように吸入空気を排気側に逃がすことにより、過給された吸入空気の一部は吸気系から失われるものの、この吸入空気はタービン３ｂを回転させるために有効利用されることから無駄な損失はほとんど発生せず、効率低下の要因となる虞は少ない。
【００２１】
更に、エア噴出路１４内を流通する吸入空気は可変ノズルベーン１０を冷却する作用も奏し、常に高温の排ガスに晒される可変ノズルベーン１０の耐久性を向上させるという効果も得られる。
そして、以上の説明から明らかなように本実施形態では、ＥＧＲ不能領域でＥＧＲを還流させるために、例えば特公平６−４７９３４号公報に記載の技術のようにベーンを閉側に制御することは一切せずに、通常通り目標過給圧マップに基づく制御を継続していることから、ターボチャージャ３はタービン効率の良好な領域で稼動し続ける。よって、タービン効率を低下させることなく、運転領域に関わらず確実にＥＧＲを還流させることができる。
【００２２】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、ディーゼルエンジン１用のＥＧＲ装置に具体化したが、適用するエンジンの種別はこれに限定されるものではなく、例えばガソリンエンジン用のＥＧＲ装置に具体化してもよい。
又、上記実施形態では、弁装置として全開と全閉の２位置で切換えられるバイパス弁１７を備えたが、このバイパス弁１７に代えて無段階で開度調整可能な弁を設けると共に、その開度を、例えば過給圧等に応じて制御するようにしてもよい。
【００２３】
更に、上記実施形態では、各可変ノズルベーン１０に設けたエア噴出路１４から吸入空気を噴出させて、ベーン開度に関わらずタービン３ｂに無駄なく衝突するように配慮したが、必ずしもこのように構成する必要はなく、例えば、可変ノズルベーンとは全く関係なく、単一のエア噴出路１４をタービンハウジング７内の一側に開口させてもよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の過給機付きエンジンのＥＧＲ装置によれば、タービン効率を低下させることなく、運転領域に関わらず確実にＥＧＲを還流させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の過給機付きディーゼルエンジンのＥＧＲ装置を示す全体構成図である。
【図２】ターボチャージャのタービンを示す部分断面図である。
【図３】図２のIII−III線断面図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 吸気通路
３ ターボチャージャ（過給機）
３ａ コンプレッサ
３ｂ タービン
４ 排気通路
５ ＥＧＲ通路
６ ＥＧＲ弁
９ エア分配路（バイパス通路）
１０ 可変ノズルベーン
１４ エア噴出路（バイパス通路）
１５ 連通路（バイパス通路）
１６ バイパスパイプ（バイパス通路）
１７ バイパス弁（弁装置）
２１ ＥＣＵ（第１の制御手段、第２の制御手段）

Claims (1)

1. タービンの上流に可変ノズルベーンを備えた可変容量型過給機と、
   上記可変容量型過給機の上記可変ノズルベーンより上流側の排気通路と該可変容量型過給機のコンプレッサより下流側の吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、
   上記ＥＧＲ通路に介装され、該ＥＧＲ通路の排ガス流量を調整するＥＧＲ弁と、
   上記コンプレッサと上記ＥＧＲ通路の接続箇所との間の上記吸気通路から上記可変ノズルベーンと上記タービンとの間の上記排気通路に接続されるバイパス通路と、
   上記バイパス通路に介装され、該バイパス通路を開閉する弁装置と、
   エンジンの運転状態に応じて上記ＥＧＲ弁を駆動制御する第１の制御手段と、
   上記第１の制御手段による上記ＥＧＲ弁の制御が実行され、且つ上記エンジンの運転状態が、上記吸気通路の圧力が上記排気通路の圧力より高くなる状態にあるとき、上記弁装置を開作動させる第２の制御手段と
   を備えたことを特徴とする過給機付きエンジンのＥＧＲ装置。

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