JP4616707B2 - ターボチャージャ付エンジンの排気ガス再循環構造 - Google Patents
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Description
本発明は、ターボチャージャ付エンジンの排気ガス再循環構造に関するものである。
従来より、自動車のディーゼルエンジンでは、排気側から排気ガスの一部を抜き出して吸気側へ戻し、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窒素酸化物（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。
一般に、この種の排気ガス再循環を行う場合には、排気マニホールドから排気管に亘る排気通路の適宜位置と、吸気管から吸気マニホールドに亘る吸気通路の適宜位置との間をＥＧＲパイプにより接続し、該ＥＧＲパイプを通して排気ガスを再循環させるようにしている。
尚、エンジンに再循環させる排気ガスをＥＧＲパイプの途中で冷却すると、排気ガスの温度が下がり且つその容積が小さくなることにより、エンジンの出力を余り低下させずに燃焼温度を低下させて効果的にＮＯxの発生を低減させることができるため、エンジンに排気ガスを再循環するＥＧＲパイプの途中に水冷式のＥＧＲクーラを装備したものもある。
図２は一般的なエンジンの一例を示す全体概略図であって、図２中、１はエンジンを示し、該エンジン１は、ターボチャージャ２を備えており、エアクリーナ３から導かれた吸気４を吸気管５を介して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をインタクーラ６へ送って冷却し、該インタクーラ６から更に吸気マニホールド７へ吸気４を導いてエンジン１の各気筒８（図２では直列６気筒の場合を例示している）に分配するようになっている。
又、前記エンジン１の各気筒８から排出された排気ガス９を排気マニホールド１０を介して前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへ送り、該タービン２ｂを駆動した排気ガス９を排気管１１を介し車外へ排出するようになっている。
そして、前記排気マニホールド１０と、吸気マニホールド７に接続されている吸気管５との間をＥＧＲパイプ１３で接続し、排気マニホールド１０から抜き出した排気ガス９の一部を、水冷式のＥＧＲクーラ１４とＥＧＲバルブ１５を介して吸気管５に再循環させ、該再循環させた排気ガス９によって各気筒８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なっている。
前記ＥＧＲクーラ１４は、エンジン１との間で図示していない冷却水配管を通じて冷却水を循環させるようになっており、これにより、前記ＥＧＲクーラ１４内において、再循環される排気ガス９が冷却水との間で熱交換され、冷却されるようになっている。
図２に示されるエンジン１は高圧ＥＧＲ方式と称されるものであるが、これに対して、低圧ＥＧＲ方式と称されるものもある。
前記低圧ＥＧＲ方式のエンジン１は、図３に示される如く、前記ターボチャージャ２のタービン２ｂより下流側における排気管１１途中からＥＧＲパイプ１３を分岐させ、該ＥＧＲパイプ１３を前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａより上流側における吸気管５途中に接続し、前記ＥＧＲパイプ１３途中にＥＧＲクーラ１４とＥＧＲバルブ１５を設けると共に、前記ＥＧＲパイプ１３の分岐点より下流側における排気管１１途中に背圧調整バルブ１６を設けてなる構成を有している。
尚、前述の如きエンジンと関連する技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献１がある。
実開平５−６９３６４号公報
ところで、近年、大気放出される排気ガス９中からのより一層のＮＯxの低減が望まれており、このため、排気ガス９の再循環量を大幅に増大させ、ＥＧＲ率をおよそ６０［％］程度とする必要が生じている。
しかしながら、図２に示される高圧ＥＧＲ方式のエンジン１では、大量ＥＧＲを行うと、ターボチャージャ２のタービン２ｂの駆動力が不足し、エネルギ収支上、過給が成立しなくなるという欠点を有していた。
又、図２に示される高圧ＥＧＲ方式のエンジン１に比べ、図３に示される低圧ＥＧＲ方式のエンジン１では、過給特性がＥＧＲにあまり影響を受けず大量ＥＧＲが可能であるように見えるが、実際には、背圧調整バルブ１６によってポンピングロスが大きくなり、燃費が悪化する一方、やはりターボチャージャ２のタービン２ｂの駆動力が不足し、エネルギ収支上、過給が成立しなくなることは避けられなかった。
因みに、試算では、ターボチャージャ２のタービン２ｂがコンプレッサ２ａを駆動するのに必要となるエネルギ量のうち、およそ１５［％］程度が不足することが確認されている。
本発明は、斯かる実情に鑑み、大量ＥＧＲを行った場合にも、ターボチャージャのコンプレッサを駆動するのに必要となるタービンの駆動力を確保し得、エネルギ収支上、過給を成立させることができ、低ＮＯx化を実現し得るターボチャージャ付エンジンの排気ガス再循環構造を提供しようとするものである。
本発明は、排気ガスのエネルギを利用して吸気の過給を行うターボチャージャと、排気ガスの一部を吸気側へ再循環させるＥＧＲ装置とを備えたターボチャージャ付エンジンの排気ガス再循環構造において、
ターボケーシング内に、コンプレッサと複数のタービンとを同軸上に一体的に回転自在に配設し、該複数のタービンの間から排気ガスの一部を吸気側へ再循環させるよう構成したことを特徴とするターボチャージャ付エンジンの排気ガス再循環構造にかかるものである。
ターボケーシング内に、コンプレッサと複数のタービンとを同軸上に一体的に回転自在に配設し、該複数のタービンの間から排気ガスの一部を吸気側へ再循環させるよう構成したことを特徴とするターボチャージャ付エンジンの排気ガス再循環構造にかかるものである。
上記手段によれば、以下のような作用が得られる。
前述の如く構成すると、複数のタービンのうち下流側に位置するタービンが背圧調整バルブと同等の役割を果たし、複数のタービンの間の排気ガスの圧力が高まり、該複数のタービンの間の排気ガスの一部が円滑に吸気側へ再循環される。一方、ターボチャージャのタービンの駆動力に関しては、複数のタービンのうち下流側に位置するタービンによってエネルギの回収が行われ、このエネルギがコンプレッサ駆動に利用され、コンプレッサを駆動するのに不足するエネルギ量に見合うだけのエネルギを補填することが可能となり、エネルギ収支上、過給が成立しなくなることが避けられる。
前記ターボチャージャ付エンジンの排気ガス再循環構造においては、複数のタービンの間から抜き出した排気ガスの一部をコンプレッサの入側へ導入するよう構成することが望ましい。
本発明のターボチャージャ付エンジンの排気ガス再循環構造によれば、大量ＥＧＲを行った場合にも、ターボチャージャのコンプレッサを駆動するのに必要となるタービンの駆動力を確保し得、エネルギ収支上、過給を成立させることができ、低ＮＯx化を実現し得るという優れた効果を奏し得る。
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
図１は本発明を実施する形態の一例であって、図中、図３と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図３に示す従来のものと同様であるが、本図示例の特徴とするところは、図１に示す如く、ターボチャージャ２のターボケーシング２Ａ内に、コンプレッサ２ａと複数（図の例では二個）のタービン２ｂ，２ｃとを同軸上に回転自在に配設し、該二個のタービン２ｂ，２ｃの間から排気ガス９の一部を吸気側へ再循環させるよう構成した点にある。
本図示例の場合、前記ターボチャージャ２のターボケーシング２Ａの二個のタービン２ｂ，２ｃの間の部分と、ターボケーシング２Ａのコンプレッサ２ａの入側の部分とを、途中にＥＧＲクーラ１４とＥＧＲバルブ１５が設けられたＥＧＲパイプ１３によって接続することにより、前記二個のタービン２ｂ，２ｃの間から抜き出した排気ガス９の一部を、ＥＧＲパイプ１３を介してコンプレッサ２ａの入側へ導入するよう構成してある。
尚、前記タービン２ｃは、図１ではアキシャルタービンとしてあるが、タービン２ｂと同様にラジアルタービンとしても良いことは言うまでもない。
次に、上記図示例の作用を説明する。
前述の如く構成すると、二個のタービン２ｂ，２ｃのうち下流側に位置するタービン２ｃが背圧調整バルブ１６（図３参照）と同等の役割を果たし、二個のタービン２ｂ，２ｃの間の排気ガス９の圧力が高まり、該二個のタービン２ｂ，２ｃの間の排気ガス９の一部がＥＧＲパイプ１３を介して円滑にコンプレッサ２ａの入側へ再循環される。一方、ターボチャージャ２のタービン２ｂの駆動力に関しては、二個のタービン２ｂ，２ｃのうち下流側に位置するタービン２ｃによってエネルギの回収が行われ、このエネルギがコンプレッサ２ａ駆動に利用される形となる。
ここで、排気タービン駆動エネルギを１００とし、タービン効率を６０［％］としたとき、タービン２ｂ下流での排気エネルギは、
１００×（１−０．６０）／０．６０＝６７であり、例えば、ＥＧＲ率を６０［％］とすると、６０［％］の排気ガス９が吸気側へ還流されるため、
６７×０．４＝２７
のエネルギが最終的に下流側へ流れるわけであるが、ここにもう一段のタービン２ｃを追加してエネルギを回収する形となっていることから、
２７×０．６０＝１６
のエネルギが回収でき、従って、このエネルギをコンプレッサ２ａ駆動に利用すれば、コンプレッサ２ａを駆動するのに不足するエネルギ量（１５［％］）に見合うだけのエネルギを補填することが可能となり、エネルギ収支上、過給が成立しなくなることが避けられる。
１００×（１−０．６０）／０．６０＝６７であり、例えば、ＥＧＲ率を６０［％］とすると、６０［％］の排気ガス９が吸気側へ還流されるため、
６７×０．４＝２７
のエネルギが最終的に下流側へ流れるわけであるが、ここにもう一段のタービン２ｃを追加してエネルギを回収する形となっていることから、
２７×０．６０＝１６
のエネルギが回収でき、従って、このエネルギをコンプレッサ２ａ駆動に利用すれば、コンプレッサ２ａを駆動するのに不足するエネルギ量（１５［％］）に見合うだけのエネルギを補填することが可能となり、エネルギ収支上、過給が成立しなくなることが避けられる。
こうして、大量ＥＧＲを行った場合にも、ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａを駆動するのに必要となるタービン２ｂの駆動力を確保し得、エネルギ収支上、過給を成立させることができ、低ＮＯx化を実現し得る。
尚、本発明のターボチャージャ付エンジンの排気ガス再循環構造は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、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。
１ エンジン
２ ターボチャージャ
２Ａ ターボケーシング
２ａ コンプレッサ
２ｂ タービン
２ｃ タービン
４ 吸気
５ 吸気管
９ 排気ガス
１０ 排気マニホールド
１１ 排気管
１３ ＥＧＲパイプ
１４ ＥＧＲクーラ
１５ ＥＧＲバルブ
２ ターボチャージャ
２Ａ ターボケーシング
２ａ コンプレッサ
２ｂ タービン
２ｃ タービン
４ 吸気
５ 吸気管
９ 排気ガス
１０ 排気マニホールド
１１ 排気管
１３ ＥＧＲパイプ
１４ ＥＧＲクーラ
１５ ＥＧＲバルブ
Claims (2)
- 排気ガスのエネルギを利用して吸気の過給を行うターボチャージャと、排気ガスの一部を吸気側へ再循環させるＥＧＲ装置とを備えたターボチャージャ付エンジンの排気ガス再循環構造において、
ターボケーシング内に、コンプレッサと複数のタービンとを同軸上に一体的に回転自在に配設し、該複数のタービンの間から排気ガスの一部を吸気側へ再循環させるよう構成したことを特徴とするターボチャージャ付エンジンの排気ガス再循環構造。 - 複数のタービンの間から抜き出した排気ガスの一部をコンプレッサの入側へ導入するよう構成した請求項１記載のターボチャージャ付エンジンの排気ガス再循環構造。
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| JP2005009313A (ja) * | 2003-06-16 | 2005-01-13 | Nissan Diesel Motor Co Ltd | ディーゼルエンジンの排気還流装置 |
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- 2005-06-14 JP JP2005173421A patent/JP4616707B2/ja not_active Expired - Fee Related
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