JP4692201B2 - 内燃機関のｅｇｒシステム - Google Patents

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    • F02D41/0065—Specific aspects of external EGR control

Description

本発明は、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャを備えた内燃機関のＥＧ
Ｒシステムに関し、より詳細には、内燃機関の運転状態が低速回転から中速回転運転領域
にある時でも過給器効率の低下を抑制でき、低〜中速回転・低〜中負荷運転領域にある時
で、空燃比とＥＧＲ率のトレードオフの関係を改善できる２段過給システムを備えた内燃
機関のＥＧＲシステムに関する。
内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ低減のために、排気ガスを吸気側に還流させるＥＧＲが
一般的に行われている。
しかし、単段のターボ過給式エンジンにおいては、排気通路の排気タービンで排気エネ
ルギーを回収し、吸気通路の吸気コンプレッサを駆動し、ＥＧＲガスを排気タービンの上
流側から吸気コンプレッサの下流側に循環している。このハイプレッシャーＥＧＲシステ
ムでは、ＥＧＲ率を増加すると、吸気側へ導入される排気ガス量が増加し、その分、排気
タービンを経由する排気ガス量が減少すると同時に吸気量も減少するため、作動流量が減
少し、ターボ過給器の作動効率の悪化、及び、サージングの発生を招く。
従って、エンジンの運転状態が低速回転〜中速回転の運転領域にある場合においては、
ＥＧＲ率の増加と共に著しく過給圧が低下し、空燃比（Ａ／Ｆ）が低下してしまう。その
結果、ＥＧＲ率を増加すると空燃比が減少し、逆に、空燃比を増加させるとＥＧＲ率が減
少するという、一方の増加が他方の減少を招くトレードオフの関係が生じ、この空燃比と
ＥＧＲ率とのトレードオフの関係を改善することが困難な状況となっている。
また、単段のターボ過給式エンジンにおいて、ＥＧＲガスを排気タービンの下流側から
吸気コンプレッサの上流側に循環するロープレッシャーＥＧＲシステムも考えられるが、
この場合は、排気タービンの下流側の排気圧力が低く、ＥＧＲガスの循環に必要な吸気側
との差圧が得にくいという問題がある。更に、シリンダの吸気効率を高めるため、吸気タ
ービンで圧縮されて高温になった吸気とＥＧＲガスの混合気をインタークーラ（吸気冷却
器）で冷却する必要があるが、このインタークーラをＥＧＲガスが通過することになるの
で、インタークーラの腐食や目詰まりの問題が生じ、実用的でない。
そのため、ターボ式過給器側においては、ターボ効率やサージ特性などの運転特性の改
善の要求が大きく、これらの改善が進められていると共に、ウェストゲートタイプ、可変
容量ターボなどの各種の過給器の開発が進められている。
一方、低燃費化のために、１．機関の小排気量化、２．高速回転・高負荷での高過給化
による定格出力の維持、３．低速回転・高負荷での過給特性改善によるトルク特性の大幅
な改善、４．排ガス対策のための中負荷域における高空燃比かつ高ＥＧＲ率等の要求があ
るが、これらを実現するためには、従来の過給器ではその特性上、達成不可能であると考
えられる。
そこで、従来から提案されている２段過給システムに、ディーゼルエンジンメーカーを
中心に関心が寄せられて、この２段過給システムを備えたエンジンにおけるＥＧＲシステ
ムが検討されている。この２段過給システムの概要を図６に示す。
この２段過給システムを備えたエンジン１Ｘでは、吸気通路３の上流側から順に低圧段
ターボチャージャ５の低圧段コンプレッサ５ｃと高圧段ターボチャージャ６の高圧段コン
プレッサ６ｃが設けられていると共に、排気通路４の上流側から順に高圧段ターボチャー
ジャ６の高圧段タービン６ｔと低圧段ターボチャージャ５の低圧段タービン５ｔが設けら
れている。一般的に、高圧段ターボチャージャ６は、低圧段コンプレッサ５ｃによって圧
縮された空気を取り扱うために、低圧段ターボチャージャ５よりも小さいターボチャージ
ャが使用される。
この低圧段ターボチャージャ５に関しては、低圧段タービン５ｔをバイパスするための
低圧段排気バイパス通路５ａが設けられており、この低圧段排気バイパス通路５ａには、
流れるガス量を制御するためのウェストゲートバルブ５ｂが取り付けられる場合がある。
また、シーケンシャル２段過給システムにおいては、吸気系で高圧段コンプレッサ６ｃ
をバイパスさせる高圧段吸気バイパス通路６ａ、排気系で高圧段タービン６ｔをバイパス
させる高圧段排気バイパス通路６ｄが設けられており、これらのバイパス通路に、流れる
ガス量を制御するための高圧段吸気バイパスバルブ６ｂ、高圧段排気バイパスバルブ６ｅ
が取り付けられている。
更に、吸気側においては、低圧段コンプレッサ５ｃの後流に、低圧段コンプレッサ５ｃ
で圧縮・昇温された吸気を冷却するためのインタークーラ（吸気冷却器）７が設けられて
いる。
また、この図６のＥＧＲシステム１０Ｘでは、ＥＧＲ通路１１Ｘが、排気側のエンジン
本体２と高圧段タービン６ｔとの間の排気通路４と、吸気側の高圧段コンプレッサ６ｃと
エンジン本体２との間の吸気通路３とを接続して設けられている。このＥＧＲ通路１１Ｘ
には、上流側からＥＧＲクーラ１３ＸとＥＧＲ弁１２Ｘが設けられている。ＥＧＲガスＧ
ｅは排気側からＥＧＲ通路１１ＸをＥＧＲクーラ１３ＸとＥＧＲ弁１２Ｘを順に経由して
吸気側に導入される。また、各バルブ５ｂ，６ｂ，６ｅ，１２Ｘはエンジン１Ｘの運転条
件に応じて開閉及び弁開度制御が行われる。
この他にも、２段過給システムのエンジンにおけるＥＧＲシステムとして、次のような
ＥＧＲシステムが提案されている。
その一つ目は、高圧段タービンの上流側から低圧段コンプレッサと高圧段コンプレッサ
との間へとＥＧＲガスを循環させるシステムであり、現在、一般的に知られているロープ
レシャーＥＧＲシステムである（例えば、特許文献１参照。）。
その二つ目は、バイパスバルブを備えていない排気ターボ式過給器を直列に２つ装備し
たミラーサイクルエンジンにおいて、それぞれの吸気コンプレッサの後流にインタークー
ラを設置し、高圧段タービンの上流側から低圧段コンプレッサと高圧段コンプレッサとの
間へとＥＧＲガスを循環させるシステムである（例えば、特許文献２参照。）。このシス
テムでは、ノッキングセンサの信号を基に、ＥＧＲガス量をＥＧＲ弁で調整可能にすると
共に、低圧段コンプレッサと高圧段コンプレッサとの間に燃料供給手段を備えている。
その三つ目は、２段過給システムを機械式過給器と排気ターボ式過給器で構成した船舶
の内燃機関において、それぞれの吸気コンプレッサの後流にインタークーラを設置し、排
気タービンの上流側から両吸気コンプレッサの間へとＥＧＲガスを循環させるシステムで
ある（例えば、特許文献３参照。）。このシステムでは、ＥＧＲガス量をＥＧＲ弁で調整
した後ＥＧＲクーラで冷却している。
その四つ目は、ターボチャージャの吸気コンプレッサの上流側に、バイパス経路を備え
たモーター駆動の吸気コンプレッサを設けて、排気タービンの上流側からモーター駆動の
吸気コンプレッサの上流側へとＥＧＲガスを循環させるロープレッシャーＥＧＲシステム
である（例えば、特許文献４参照。）。このシステムでは、ＥＧＲクーラで冷却した後、
ＥＧＲガス量をＥＧＲ弁で調整している。
しかしながら、これらの２段過給システムエンジンにおけるＥＧＲシステムにおいても
、ＥＧＲガスの導入に関する問題と、ＥＧＲ率と空燃比とのトレードオフ関係の悪化の問
題と、吸気の冷却に関係する問題とがある。
ＥＧＲガスの導入に関しては、２段過給システムによる作動効率の改善によって、排気
圧力と過給圧力との差が減少することにより、ＥＧＲ率の増加に限界が生じるという問題
がある。つまり、２段過給システムにより過給器の作動率が上昇すると、過給圧が上昇す
るので、この過給圧に対して排圧が低下する。そのため、ＥＧＲ通路における排気側圧力
と吸気側圧力との差圧が減少したり、場合によっては、ＥＧＲ通路における吸気側圧力が
排気側圧力よりも大きくなるという吸気側圧力／排気側圧力の逆転現象が発生したりする
ために、ＥＧＲ弁を開弁してもＥＧＲガスの循環、即ち、ＥＧＲガスの吸気側への導入が
困難になる。
また、ＥＧＲ率と空燃比とのトレードオフ関係に関しては、従来の過給器と比較して作
動流量特性に優れている２段過給システムにおいて、過給器の上流側でＥＧＲ通路を分岐
した場合には、ＥＧＲ率の増加と共に、過給器作動流量が減少するので、過給圧が低下す
る。そのため、特に、低中速回転時の低中負荷領域において高ＥＧＲ率で運転を行うと、
過給圧の大幅な低下を招き、空燃比（Ａ／Ｆ）とＥＧＲ率のトレードオフの関係を改善で
きなくなる。
更に、吸気の冷却に関しては、上記の一つ目から四つ目のようなＥＧＲシステムでは、
ＥＧＲガスがインタークーラを通過する構成であるため、このインタークーラに腐食や目
詰まりが発生するので、実用性に欠ける。
また、高圧段コンプレッサの上流側にインタークーラが無い場合には、上流側の吸気コ
ンプレッサで圧縮されて昇温した吸気が、冷却されずに下流側の吸気コンプレッサに流入
するため、下流側の吸気コンプレッサの入口の吸気温度が著しく上昇する。特に、高負荷
運転条件においては、上流側の吸気コンプレッサの出口の吸気温度が１２０℃近くまで上
昇するため、下流側の吸気コンプレッサの出口の吸気温度が２００℃以上に上昇すること
が予想される。
一方、コンプレッサ羽の素材は一般的にアルミニウム合金で鋳造及び切削されることから、コンプレッサ出口の吸気温度の限界が、２００℃〜２６０℃前後であり、それ以上になると耐久性に問題が生じる。そのため、下流側の吸気コンプレッサのコンプレッサ羽の素材をアルミニウム合金から高価なチタンなどに変更する必要が生じる。
実開平０５−６９３６４号公報 特開２０００−２２０４８０号公報 特開２００３−４９６７４号公報 特表２００１−５０９５６１号公報
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、２段過給シ
ステムのエンジンにおいて、排気ガス量が少ない低速回転から中速回転運転領域でも過給
器効率を低下させることなく、所定のＥＧＲガス量を吸気側に導入することができ、特に
、低中速回転・低中負荷運転領域で、ＥＧＲ率と空燃比のトレードオフ関係を改善できる
内燃機関のＥＧＲシステムを提供することにある。
また、更なる目的は、高段圧ターボチャージャーに流入する吸気をインタークーラで冷
却することにより、高段圧ターボチャージャーにおける処理容量の増加を可能とし、２段
過給システムの高効率化を可能とすると共に、インタークーラのＥＧＲガスによる腐食及
び目詰まりの問題を回避できる内燃機関のＥＧＲシステムを提供することにある。
上記のような目的を達成するための内燃機関のＥＧＲシステムは、吸気通路の上流側から順に低圧段ターボチャージャの低圧段コンプレッサと高圧段ターボチャージャの高圧段コンプレッサを設けると共に、排気通路の上流側から順に前記高圧段ターボチャージャの高圧段タービンと前記低圧段ターボチャージャの低圧段タービンを設けた内燃機関のＥＧＲシステムであって、第１ＥＧＲ通路を、前記高圧段タービンと前記低圧段タービンとの間の排気通路と、前記低圧段コンプレッサと前記高圧段コンプレッサとの間の吸気通路を接続して設け、第２ＥＧＲ通路を、内燃機関本体と前記高圧段タービンとの間の排気通路と、前記第１ＥＧＲ通路とを接続して設け、前記第１ＥＧＲ通路の前記第２ＥＧＲ通路の接続部よりも上流側に第１ＥＧＲ弁を設けると共に、前記第２ＥＧＲ通路に第２ＥＧＲ弁を設け、前記低圧段コンプレッサと前記高圧段コンプレッサとの間の吸気通路に於ける過給圧である中間過給圧と、前記高圧段タービンと前記低圧段タービンとの間の排気通路に於ける排気圧である中間排気圧との差圧が所定の差圧判定値より大きい場合は、前記第２ＥＧＲ弁を全閉し、前記第１ＥＧＲ弁を開閉及び弁開度制御する第１ＥＧＲ制御を行うＥＧＲ制御装置を設けて構成される。
また、上記の内燃機関のＥＧＲシステムにおいて、前記第１ＥＧＲ通路にＥＧＲクーラを設け、前記第２ＥＧＲ通路を、内燃機関本体と前記高圧段タービンとの間の排気通路と、前記ＥＧＲクーラ又は前記ＥＧＲクーラより上流側の前記第１ＥＧＲ通路とを接続して設けて構成される。
あるいは、上記の内燃機関のＥＧＲシステムにおいて、吸気通路の上流側から順に低圧段ターボチャージャの低圧段コンプレッサと高圧段ターボチャージャの高圧段コンプレッサを設けると共に、排気通路の上流側から順に前記高圧段ターボチャージャの高圧段タービンと前記低圧段ターボチャージャの低圧段タービンを設けた内燃機関のＥＧＲシステムであって、第１ＥＧＲ通路を、前記高圧段タービンと前記低圧段タービンとの間の排気通路と、前記低圧段コンプレッサと前記高圧段コンプレッサとの間の吸気通路を接続して設け、第２ＥＧＲ通路を、内燃機関本体と前記高圧段タービンとの間の排気通路と、前記低圧段コンプレッサと前記高圧段コンプレッサとの間の吸気通路を接続して設け、前記第１ＥＧＲ通路に第１ＥＧＲ弁を設けると共に、前記第２ＥＧＲ通路に第２ＥＧＲ弁を設け、前記低圧段コンプレッサと前記高圧段コンプレッサとの間の吸気通路に於ける過給圧である中間過給圧と、前記高圧段タービンと前記低圧段タービンとの間の排気通路に於ける排気圧である中間排気圧との差圧が所定の差圧判定値より大きい場合は、前記第２ＥＧＲ弁を全閉し、前記第１ＥＧＲ弁を開閉及び弁開度制御する第１ＥＧＲ制御を行うＥＧＲ制御装置を設けて構成され、更には、前記第１ＥＧＲ通路と前記第２ＥＧＲ通路のそれぞれにＥＧＲクーラを設けて構成される。
上記の構成で、第１ＥＧＲ通路に加えて、第２ＥＧＲ通路を設けたことにより、高圧段
タービンの上流側からもＥＧＲガスを吸気側に導入することができるので、エンジンの運
転状態、言い換えれば、高圧段タービンの前後の圧力と、低圧段コンプレッサと高圧段コ
ンプレッサとの間の圧力（中間過給圧）との関係に応じて、高圧段ターボチャージャに対
してはロープレッシャーＥＧＲ経路となる第１ＥＧＲ通路に加えて、高圧段ターボチャー
ジャに対してハイプレッシャーＥＧＲ経路となる第２ＥＧＲ通路からも、ＥＧＲガスを吸
気側に導入することができるようになる。
従って、第１ＥＧＲ通路経由のみで、所定のＥＧＲガス量を吸気側に導入できる間は、
第１ＥＧＲ通路経由のみでＥＧＲを行って、高圧段タービンに排気ガスの全量を流して、
高圧段ターボチャージャの作動効率を高くすることができ、２段過給システムによる作動
効率の改善を図ることができる。
一方、ＥＧＲ率の更なる増加や、高圧段ターボチャージャの作動率の上昇によって、過
給圧に対して排圧が低下して、ＥＧＲ通路における吸気側と排気側と間の差圧が減少した
り、場合によっては、吸気側圧力が排気側圧力よりも大きくなるという吸気側圧力／排気
側圧力の逆転現象が発生したりして、第１ＥＧＲ通路経由のみでは、所定のＥＧＲガス量
を吸気側に導入できなくなった場合には、第１ＥＧＲ通路に加えて、高圧段ターボチャー
ジャの上流側から分岐する第２ＥＧＲ通路を使用して、ＥＧＲガスの導入を図ることがで
きる。
従って、従来の過給器と比較して作動流量特性に優れている２段過給システムにおいて
、高圧段タービンの下流側と上流側の両方で第１ＥＧＲ通路と第２ＥＧＲ通路を分岐し、
両方のＥＧＲ通路経由を選択的に使用してＥＧＲガスを吸気側に導入できるので、低中速
回転での低中負荷領域において高ＥＧＲ率で運転を行っても、過給圧の大幅な低下を招く
ことがなくなり、空燃比（Ａ／Ｆ）とＥＧＲ率のトレードオフの関係を改善できる。
次に、第１ＥＧＲ弁と第２ＥＧＲ弁の制御に関して、上記の内燃機関のＥＧＲシステムにおいて、前記第１ＥＧＲ通路に一方向弁を設け、前記中間過給圧と前記中間排気圧との差圧が前記所定の差圧判定値以下になった場合は、前記ＥＧＲ制御装置が、前記第１ＥＧＲ弁を全開し、前記第２ＥＧＲ弁を開閉及び弁開度制御する第２ＥＧＲ制御を行うように構成される。
あるいは、上記の内燃機関のＥＧＲシステムにおいて、前記中間過給圧と前記中間排気圧との差圧が前記所定の差圧判定値以下になった場合は、前記ＥＧＲ制御装置が、前記第１ＥＧＲ弁と前記第２ＥＧＲ弁を開閉及び弁開度制御する第２ＥＧＲ制御を行うように構成される。
これらの構成により、次のような作用効果が得られる。
第１ＥＧＲ制御では、排気ガスの全量が高圧段タービンを通過した後、ＥＧＲガスが第
１ＥＧＲ通路経由で吸気通路に導入される。その結果、ＥＧＲ率が変化しても、高圧段タ
ービンに流入する排気ガスの流量に変化は略生じない。従って、大量のＥＧＲガス導入を
行っても、高圧段ターボチャージャの作動圧力比／膨張比に大きな変化は生じない。つま
り、過給圧に大幅な変化が発生しないため、ＥＧＲ率対空燃比のトレードオフ関係を改善
することが可能になる。
第２ＥＧＲ制御では、高圧段タービンと低圧段タービン間の排気圧(中間排気圧）が低圧段コンプレッサと高圧段コンプレッサ間の過給圧（中間過給圧）を下回る場合、または、中間排気圧と中間過給圧との差圧が減少した場合等で行われる。これらの場合では、第１ＥＧＲ通路を通過するＥＧＲガスだけでは、所定のＥＧＲガス量を確保できなくなる。そのため、第２ＥＧＲ制御では、これらの場合には、第１ＥＧＲ通路に一方向弁(ワンウェイバルブ）を設けた場合は第１ＥＧＲ弁は全開とし、一方向弁を設けない場合は第１ＥＧＲ弁を開閉弁し弁開度を制御して、更に、不足するＥＧＲガス量を確保すべく、第２ＥＧＲ弁を開弁し弁開度を制御する。これにより、高圧段タービンの上流側の排気圧力の高い状態の排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気側に導入することができるので、所定のＥＧＲガス量を容易に確保できる。
つまり、本発明の内燃機関のＥＧＲシステムにおいては、過給器の作動効率が著しく改善するため、過給圧力が排気圧力を容易に上回って、ＥＧＲガスの導入が困難になる場合が生じる。しかしながら、一方で、２段過給運転状態においては、高圧段タービンの入口の排気圧力は、中間過給圧よりも常に高くなるので、排気絞りなどを使用して排気圧力を高めなくても、一方向弁を設けた場合は第１ＥＧＲ弁を全開とし、第２ＥＧＲ弁を開閉及び弁開度制御することにより、一方向弁を設けない場合は第１ＥＧＲ弁に加えて、第２ＥＧＲ弁を開閉及び弁開度制御することにより、大量のＥＧＲガスを吸気側に導入することが可能となる。
この第２ＥＧＲ制御では、第１ＥＧＲ通路に加えて第２ＥＧＲ通路を経由してＥＧＲガ
スを導入するので、高圧段タービンに対する作動ガス流量は減少する。しかし、ＥＧＲガ
スは常に高圧段コンプレッサの上流側に導入されるので、高圧段コンプレッサに流入する
ガス流量はＥＧＲ率に関係なくほぼ変化しない。そのため、大量のＥＧＲガスを吸気側に
導入しても高圧段コンプレッサのサージ限界を回避することが可能になる。従って、高圧
段コンプレッサにおける処理容量を多くすることができる。
なお、この所定のＥＧＲガス量とは、エンジンの運転条件によって必要とされるＥＧＲ
ガス量であり、エンジンの運転条件に対して予め設定されるＥＧＲガス量である。このＥ
ＧＲガス量は、例えば、エンジンの回転速度とエンジンの負荷に対して設定され、マップ
データ等の形でエンジン制御装置に記憶される。
更に、上記の内燃機関のＥＧＲシステムにおいて、インタークーラを、前記低圧段コン
プレッサの下流側で、かつ、前記第１ＥＧＲ通路の接続部よりも上流側の吸気通路に設け
て構成される。
この構成によれば、インタークーラを第１ＥＧＲ通路の接続部よりも上流側に設けてい
るので、ＥＧＲ用の排気ガスがインタークーラを通らないため、インタークーラにおける
腐食や目詰まりの発生を防止できる。
また、低圧段コンプレッサを出た吸気が、インタークーラにより冷却されるので、吸気
温度の上昇を最小限に抑制しながらＥＧＲを行うことができる。特に、従来技術ではエン
ジン吸気温度が５０℃〜８０℃程度に上昇すると考えられる中速回転・高負荷運転領域に
おいても、高圧段コンプレッサの入口の吸気温度を大幅に低下させることができる。
そのため、高圧段コンプレッサの作動効率が著しく改善し、その結果、高過給が可能と
なり、質量吸気量を大幅に増加できる。また、高圧段コンプレッサの入口の吸気温度を低
下できるので、このコンプレッサ羽の材料に、従来技術で使用されているアルミニウム合
金材料を使用できる。そのため、高温対策用の高価なチタン材等を使用せずに済む。
なお、本発明のＥＧＲシステムによれば、低速回転〜中速回転運転領域において、高圧
段コンプレッサの下流側の吸気温度が上昇しても、高圧段ターボチャージャに対してロー
プレッシャーＥＧＲとなっているので、過給器の作動効率が改善されており、過給圧が従
来型のＥＧＲシステムよりも大幅に上昇する。そのため、過給圧の改善によるＥＧＲ率と
空燃比とのトレードオフ関係の改善がなされる。このトレードオフ関係の改善効果が、吸
気温度上昇にともなう吸気効率の悪化を上回るため、従来技術のＥＧＲシステムよりも、
高空燃比かつ高ＥＧＲ率での運転が可能となる。
本発明に係る内燃機関のＥＧＲシステムによれば、第１ＥＧＲ通路に加えて、第２ＥＧ
Ｒ通路を設けたことにより、高圧段タービンの下流側のみならず、高圧段タービンの上流
側からもＥＧＲガスを吸気側に導入することができる。
従って、高圧段タービンの下流側から分岐する第１ＥＧＲ通路経由のみで、所定のＥＧ
Ｒガス量を吸気側に導入できる間は、高圧段タービンに排気ガスの全量を流して、高圧段
ターボチャージャの作動効率を高くすることができ、２段過給システムによる作動効率の
改善を図ることができる。
また、第１ＥＧＲ通路経由のみでは、所定のＥＧＲガス量を吸気側に導入できなくなった場合でも、第１ＥＧＲ通路に加えて、高圧段ターボチャージャの上流側から分岐する第２ＥＧＲ通路を使用して、ＥＧＲガスを導入することができるので、ＥＧＲガス量を増加できると共に、ＥＧＲガスを吸気側に導入できるエンジンの運転領域を拡大できる。
更に、ＥＧＲガスを常に高圧段コンプレッサの上流側に導入するので、ＥＧＲ率に関係
なく、高圧段コンプレッサに流入するガス流量をほぼ一定に保てる。そのため、大量のＥ
ＧＲガスを吸気側に導入しても高圧段コンプレッサのサージ限界を回避でき、高圧段コン
プレッサにおける処理容量を多くすることができる。
従って、従来の過給器と比較して作動流量特性に優れている２段過給システムにおいて
、低中速回転及び低中負荷領域において高ＥＧＲ率で運転を行っても、過給圧の大幅な低
下を招くことがなくなり、空燃比（Ａ／Ｆ）とＥＧＲ率のトレードオフの関係を改善でき
る。
そして、インタークーラを高圧段コンプレッサの上流側で、かつ、ＥＧＲ通路の接続部
の上流側に設けると、高圧段コンプレッサの入口における吸気温度を大幅に低下させるこ
とができるので、中速回転・高負荷運転領域においても、高圧段コンプレッサの作動効率
を著しく改善できる。また、高圧段コンプレッサのコンプレッサ羽の材料に高価な耐熱材
料を使用する必要がなくなる。更に、排気ガスがインタークーラを通過しないので、イン
タークーラにおける腐食や目詰まりの発生を防止できる。
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関のＥＧＲシステムについて、図面を参照しな
がら説明する。
図１及び図２に示すように、この第１及び第２の実施の形態のＥＧＲシステム１０、１
０Ａは、２段過給システムのエンジン（内燃機関）１に適用される。このエンジン１では
、吸気通路３の上流側から順に低圧段ターボチャージャ５の低圧段コンプレッサ５ｃとイ
ンタークーラ７と高圧段ターボチャージャ６の高圧段コンプレッサ６ｃを設けると共に、
排気通路４の上流側から順に高圧段ターボチャージャ６の高圧段タービン６ｔと低圧段タ
ーボチャージャ５の低圧段タービン５ｔを設けている。
また、低圧段ターボチャージャ５には、低圧段タービン５ｔをバイパスするための低圧
段排気バイパス通路５ａが設けられ、この低圧段排気バイパス通路５ａには、流れるガス
量を制御するためのウェストゲートバルブ５ｂが取り付けられている。
また、高圧段ターボチャージャ６には、吸気系においては、高圧段コンプレッサ６ｃを
バイパスさせる高圧段吸気バイパス通路６ａが設けられ、この高圧段吸気バイパス通路６
ａには、流れるガス量を制御するための高圧段吸気バイパスバルブ６ｂが取り付けられて
いる。更に、排気系においては、高圧段タービン６ｔをバイパスさせる高圧段排気バイパ
ス通路６ｄが設けられており、この高圧段排気バイパス通路６ｄには、流れるガス量を制
御するための高圧段排気バイパスバルブ６ｅが取り付けられている。
そして、エンジンの運転状態が高速回転運転領域にある場合は、高圧段吸気バイパスバ
ルブ６ｂを開弁し、吸気を高圧段吸気バイパス通路６ａに流して、高圧段コンプレッサ６
ｃをバイパスさせる。この場合には、低圧段コンプレッサ５ｃのみで過給を行う。
一方、エンジンの運転状態が低速回転〜中速回転運転領域にある場合は、高圧段吸気バ
イパスバルブ６ｂを閉弁し、吸気を高圧段コンプレッサ６ｃに流して、低圧段コンプレッ
サ５ｃと２段で過給を行う。
そして、ＥＧＲシステム１０，１０Ａに関しては、図１及び図２に示すように、ＥＧＲ
クーラ１３を備えた第１ＥＧＲ通路１１を、高圧段タービン６ｔと低圧段タービン５ｔと
の間の排気通路４とインタークーラ７と高圧段コンプレッサ６ｃとの間の吸気通路３を接
続して設ける。つまり、インタークーラ７が、低圧段コンプレッサ５ｃの下流側で、かつ
、第１ＥＧＲ通路１１の接続部１１ａよりも上流側となる。
更に、第１の実施の形態では、図１に示すように、第２ＥＧＲ通路１４を、エンジン本
体（内燃機関本体）２と高圧段タービン６ｔとの間の排気通路４と、ＥＧＲクーラ１３よ
り上流側の第１ＥＧＲ通路１１とを接続して設ける。この接続に際しては、第２ＥＧＲ通
路１４に排気ガスＧｅ２が流れる場合に、第１ＥＧＲ弁１２を通過してくる排気ガスＧｅ
１を吸引してＥＧＲクーラ１３側に流すように接続することが好ましい。あるいは、エン
ジン本体２と高圧段タービン６ｔとの間の排気通路４と、ＥＧＲクーラ１３とを接続して
設ける。
また、第２の実施の形態では、図２に示すように、第２ＥＧＲ通路１４を、エンジン本
体２と高圧段タービン６ｔとの間の排気通路４と、ＥＧＲクーラ１３又はＥＧＲクーラ１
３より上流側の第１ＥＧＲ通路１１とを接続して設ける代わりに、第２ＥＧＲ通路１４を
、エンジン本体２と高圧段タービン６ｔとの間の排気通路４と、低圧段コンプレッサ５ｃ
と高圧段コンプレッサ６ｃとの間の吸気通路３を接続して設け、第２ＥＧＲ通路１４にＥ
ＧＲクーラ１６を設けて構成する。
そして、これらの図１及び図２の構成において、第１ＥＧＲ通路１１に第１ＥＧＲ弁１
２を設ける。但し、図１の構成の場合は、第２ＥＧＲ通路１４の接続部１４ａよりも上流
側に設ける。それと共に、第２ＥＧＲ通路１４に第２ＥＧＲ弁１５を設ける。また、ＥＧ
Ｒ制御装置（図示しない）を設け、第１ＥＧＲ弁１２と第２ＥＧＲ弁１５をそれぞれ開閉
及び弁開度制御する。
次に、ＥＧＲ制御について説明する。このＥＧＲ制御は、エンジンの制御を行うＥＣＵ
と呼ばれるエンジン制御装置に組み込まれるＥＧＲ制御装置によって行われる。このＥＧ
Ｒ制御の第１の目的は、吸気側から排気側へのガスの流れ（逆流）を発生させないことに
あり、この制御には、種々の方法がある。
例えば、制御マップを使用したオープン制御による方法や、吸気ガス、排気ガス、ＥＧ
Ｒガスなどの各ガスの各流路に、それぞれのガスの圧力や温度、あるいは、流量を検知す
る検知手段を配設して、これらの検知手段からの情報に基づいて、各バルブの開閉及び弁
開度制御する方法等がある。
このＥＧＲ制御装置は、第１ＥＧＲ弁１２を通過するＥＧＲガスＧｅ１だけで所定のＥＧＲガス量を確保できるようなエンジン運転状態では、第２ＥＧＲ弁１５を全閉し、第１ＥＧＲ弁１２だけの開閉及び弁開度制御をする第１ＥＧＲ制御を行う。また、それ以外のエンジン１の運転状態では、第１ＥＧＲ弁１２を全開し、第２ＥＧＲ弁１５の開閉及び弁開度制御をする第２ＥＧＲ制御を行うように構成される。
この第１ＥＧＲ弁１２を通過するＥＧＲガスＧｅ１だけで所定のＥＧＲガス量を確保できるエンジン１の運転状態であるか否かは、インタークーラ７後流の中間過給圧を検出する第１圧力計９ａと高圧段タービン６ｔ後流の中間排気圧を検出する第２圧力計９ｂ等の圧力検知手段により検出される中間排気圧と中間過給圧との差圧に基づいて判定される。例えば、この差圧が、所定の差圧判定値より大きい場合は、この第１ＥＧＲ弁１２を通過するＥＧＲガスＧｅ１だけで所定のＥＧＲガス量を確保できるエンジン運転状態であると判定される。
第１ＥＧＲ制御は、第１ＥＧＲ弁１２を通過するＥＧＲガスＧｅ１だけで所定のＥＧＲ
ガス量を確保できる場合、具体的には、低中速回転運転領域時の低中負荷運転領域の場合
に行われる。
この第１ＥＧＲ制御では、排気ガスの全量が高圧段タービン６ｔを通過した後、ＥＧＲ
ガスＧｅ１が第１ＥＧＲ通路１１経由で吸気通路３に導入される。その結果、ＥＧＲ率が
変化しても、高圧段タービン６ｔに流入する排気ガスの流量に変化は略生じない。従って
、大量のＥＧＲガス導入を行っても、高圧段ターボチャージャ６の作動圧力比／膨張比に
大きな変化は生じない。つまり、過給圧に大幅な変化が発生しないため、ＥＧＲ率対空燃
比のトレードオフ関係を改善することが可能になる。
第２ＥＧＲ制御は、第１ＥＧＲ弁１２を通過するＥＧＲガスＧｅ１だけで所定のＥＧＲガス量を確保できない場合、例えば、中高回転運転領域時の中高負荷運転領域の場合等の、高圧段タービン６ｔと低圧段タービン５ｔとの間の排気圧(中間排気圧）が低圧段コンプレッサ５ｃと高圧段コンプレッサ６ｃの間の過給圧（中間過給圧）を下回る場合や、中間排気圧と中間過給圧との差圧が減少した場合等で行われる。より具体的には、中間排気圧と中間過給圧との差圧が所定の差圧判定値以下になった場合に行われる。
なお、第１ＥＧＲ通路１１に一方向弁が装着されている場合又は第１ＥＧＲ弁１２に一
方向弁の機能を設けている場合は、第２ＥＧＲ弁１５経由でＥＧＲ率制御を行う際には、
第１ＥＧＲ弁１２は全開〜全閉の間のいずれの状態にしていても良い。
この第２ＥＧＲ制御により、高圧段タービン６ｔの上流側の排気圧力の高い状態の排気
ガスの一部をＥＧＲガスＧｅ２として吸気側に導入することができるので、所定のＥＧＲ
ガス量を容易に確保できる。つまり、高圧段タービン６ｔの入口の排気圧力は、出口側の
中間過給圧よりも常に高くなるので、排気絞りなどを使用して排気圧力を高めなくても、
第１ＥＧＲ通路１１に一方向弁を設けない場合で、かつ、第１ＥＧＲ弁１２に一方向弁の
機能を設けていない場合は、第１ＥＧＲ弁１２と第２ＥＧＲ弁１５を開閉及び弁開度制御
することにより、大量のＥＧＲガスを吸気側に導入することが可能となる。なお、第１Ｅ
ＧＲ通路１１に一方向弁を設けた場合又は第１ＥＧＲ弁１２に一方向弁の機能を設けてい
る場合は第１ＥＧＲ弁は全開とし、第２ＥＧＲ弁１５を開閉及び弁開度制御することによ
り、大量のＥＧＲガスを吸気側に導入することが可能となる。
この第２ＥＧＲ制御では、第１ＥＧＲ通路１１に加えて第２ＥＧＲ通路１４を経由してＥＧＲガスＧｅ１,Ｇｅ２を吸気側に導入するので、高圧段タービン６ｔに対する作動ガス流量は減少する。しかし、ＥＧＲガスＧｅ１，Ｇｅ２は常に高圧段コンプレッサ６ｃの上流側に導入されるので、高圧段コンプレッサ６ｃに流入するガス流量はＥＧＲ率に関係なくほぼ変化しない。そのため、大量のＥＧＲガスを吸気側に導入しても高圧段コンプレッサ６ｃのサージ限界を回避することが可能になる。
そして、上記の構成の内燃機関のＥＧＲシステム１０，１０Ａによれば、次のような効果を奏することができる。
第１ＥＧＲ通路１１のみでＥＧＲを行う第１ＥＧＲ制御では、大量のＥＧＲガス導入を
行っても、高圧段ターボチャージャ６の「作動圧力比／膨張比」に大きな変化は発生せず
、過給圧に大幅な変化が発生しない。そのため、ＥＧＲ率対空燃比（Ａ／Ｆ）のトレード
オフ関係を改善することが可能になる。
２段過給においては過給器作動効率が著しく改善されているので、過給圧が排気圧力を容易に上回り、従来技術の高圧段ターボチャージャに対するロープレッシャーＥＧＲシステムではＥＧＲ導入が困難になる場合が発生するが、上記の構成の内燃機関のＥＧＲシステム１０，１０Ａでは、第２ＥＧＲ制御で、第１ＥＧＲ弁１２の弁開度制御を実施すると共に、第２ＥＧＲ弁１５を開閉及び弁開度制御することで、高圧段タービン６ｔの入口側の排気圧力を利用して、大量のＥＧＲガスを吸気側に導入できる。
更に、高圧段コンプレッサ６ｃに対する作動ガス流量はＥＧＲ率に関係なくほぼ変化し
ない。そのため、大量のＥＧＲガスを導入してもコンプレッサのサージ限界を回避するこ
とが可能になる。
従って、ＥＧＲを行っている時に、高圧段ターボチャージャ６の作動効率の改善と高圧
段コンプレッサ６ｃにおけるサージング回避とにより、エンジン１の低中負荷運転状態に
おける過給特性の改善を図ることができ、大幅な過給圧上昇ができる。
この構成によれば、低圧段コンプレッサ５ｃを出た吸気が、インタークーラ７により冷
却されるので、従来技術ではエンジン１の吸気温度が５０℃〜８０℃程度に上昇すると考
えられる中速回転・高負荷運転領域においても、高圧段コンプレッサ６ｃの入口の吸気温
度を大幅に低下させることができる。
そのため、高圧段コンプレッサ６ｃの作動効率が著しく改善し、その結果、高過給が可
能となり、質量吸気量を大幅に増加できる。また、高圧段コンプレッサ６ｃのコンプレッ
サ羽の材料に、従来技術で使用されているアルミニウム合金材料を使用できる。そのため
、高温対策用の高価なチタン材等を使用せずに済む。
しかも、ＥＧＲガスがインタークーラ７の下流側に導入されるため、インタークーラ７
を排気ガスが通らない。そのため、インタークーラ７における腐食や目詰まりの発生を防
止できる。
図３〜図５にシミュレーション結果を示す。このシミュレーション結果は、Ｉ−Ｄエン
ジンシミュレータＷＡＶＥを用いて、１，０００ｒｐｍ、３０％負荷時におけるＥＧＲ率
変更シミュレーションを行って得た値である。
図３〜図５は、本発明における第１ＥＧＲ制御で行う、言い換えれば、第１ＥＧＲ通路
のみで行う高圧段ロープレッシャーＥＧＲの実施例を実線Ａで示し、図６の従来技術のＥ
ＧＲの従来例を点線Ｂで示したものである。
図３はＥＧＲ率（％）と高圧段ターボ回転数（ｒｐｍ）との関係を示す図であるが、Ｅ
ＧＲ率が変化しても高圧段ターボに作用するガス流量は変化しないため、従来技術のＥＧ
Ｒ経路によるＥＧＲガスの導入の従来例Ｂのように、実施例Ａの高圧段ターボ回転数は低
下しない。
また、図４はＥＧＲ率（％）と過給圧（高圧段コンプレッサの出口圧力）（ｂａｒ）と
の関係を示す図であるが、低負荷運転領域においては、高圧段ターボが主体となって過給
が行われるため、実施例の高圧段ロープレッシャーＥＧＲでは、ＥＧＲ率増加による過給
圧低下は発生しない。
図５はＥＧＲ率（％）と空燃比（Ａ／Ｆ）（−）との関係をそれぞれ示す図である。こ
の図５は、図３や図４の結果から導かれるが、この図５から、実施例Ａは、従来例Ｂに比
べて、数値で３弱の分程改善されていることが分かる。
本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関のＥＧＲシステムの構成を示す図である。 本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関のＥＧＲシステムの構成を示す図である。 シミュレーショ結果のＥＧＲ率と高圧段ターボ回転数との関係を示す図である。 シミュレーショ結果のＥＧＲ率と過給圧との関係を示す図である。 シミュレーショ結果のＥＧＲ率と空燃比との関係を示す図である。 従来技術の内燃機関のＥＧＲシステムの構成を示す図である。
符号の説明
１ エンジン（内燃機関）
２ エンジン本体
３ 吸気通路
４ 排気通路
５ 低圧段ターボチャージャ
５ａ 低圧段排気バイパス通路
５ｂ ウェストゲートバルブ
５ｃ 低圧段コンプレッサ
５ｔ 低圧段タービン
６ 高圧段ターボチャージャ
６ａ 高圧段吸気バイパス通路
６ｂ 高圧段吸気バイパスバルブ
６ｃ 高圧段コンプレッサ
６ｄ 高圧段排気バイパス通路
６ｅ 高圧段排気バイパスバルブ
６ｔ 高圧段タービン
７ インタークーラ
９ａ 第１圧力計
９ｂ 第２圧力計
１０，１０Ａ ＥＧＲシステム
１１ 第１ＥＧＲ通路
１１ａ 第１ＥＧＲ通路の接続部
１２ 第１ＥＧＲ弁
１３，１６ ＥＧＲクーラ
１４ 第２ＥＧＲ通路
１４ａ 第２ＥＧＲ通路の接続部
１５ 第２ＥＧＲ弁
Ａ 吸気
Ｇ 排気ガス
Ｇｅ１ 第１ＥＧＲ弁を通過するＥＧＲガス
Ｇｅ２ 第２ＥＧＲ弁を通過するＥＧＲガス

Claims (7)

  1. 吸気通路の上流側から順に低圧段ターボチャージャの低圧段コンプレッサと高圧段ターボチャージャの高圧段コンプレッサを設けると共に、排気通路の上流側から順に前記高圧段ターボチャージャの高圧段タービンと前記低圧段ターボチャージャの低圧段タービンを設けた内燃機関のＥＧＲシステムであって、
    第１ＥＧＲ通路を、前記高圧段タービンと前記低圧段タービンとの間の排気通路と、前記低圧段コンプレッサと前記高圧段コンプレッサとの間の吸気通路を接続して設け、
    第２ＥＧＲ通路を、内燃機関本体と前記高圧段タービンとの間の排気通路と、前記第１ＥＧＲ通路とを接続して設け、
    前記第１ＥＧＲ通路の前記第２ＥＧＲ通路の接続部よりも上流側に第１ＥＧＲ弁を設けると共に、前記第２ＥＧＲ通路に第２ＥＧＲ弁を設け、
    前記低圧段コンプレッサと前記高圧段コンプレッサとの間の吸気通路に於ける過給圧である中間過給圧と、前記高圧段タービンと前記低圧段タービンとの間の排気通路に於ける排気圧である中間排気圧との差圧が所定の差圧判定値より大きい場合は、前記第２ＥＧＲ弁を全閉し、前記第１ＥＧＲ弁を開閉及び弁開度制御する第１ＥＧＲ制御を行うＥＧＲ制御装置を設けたことを特徴とする内燃機関のＥＧＲシステム。
  2. 前記第１ＥＧＲ通路にＥＧＲクーラを設け、前記第２ＥＧＲ通路を、内燃機関本体と前記高圧段タービンとの間の排気通路と、前記ＥＧＲクーラ又は前記ＥＧＲクーラより上流側の前記第１ＥＧＲ通路とを接続して設けたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関のＥＧＲシステム。
  3. 吸気通路の上流側から順に低圧段ターボチャージャの低圧段コンプレッサと高圧段ターボチャージャの高圧段コンプレッサを設けると共に、排気通路の上流側から順に前記高圧段ターボチャージャの高圧段タービンと前記低圧段ターボチャージャの低圧段タービンを設けた内燃機関のＥＧＲシステムであって、
    第１ＥＧＲ通路を、前記高圧段タービンと前記低圧段タービンとの間の排気通路と、前記低圧段コンプレッサと前記高圧段コンプレッサとの間の吸気通路を接続して設け、
    第２ＥＧＲ通路を、内燃機関本体と前記高圧段タービンとの間の排気通路と、前記低圧段コンプレッサと前記高圧段コンプレッサとの間の吸気通路を接続して設け、
    前記第１ＥＧＲ通路に第１ＥＧＲ弁を設けると共に、前記第２ＥＧＲ通路に第２ＥＧＲ弁を設け、前記低圧段コンプレッサと前記高圧段コンプレッサとの間の吸気通路に於ける過給圧である中間過給圧と、前記高圧段タービンと前記低圧段タービンとの間の排気通路に於ける排気圧である中間排気圧との差圧が所定の差圧判定値より大きい場合は、前記第２ＥＧＲ弁を全閉し、前記第１ＥＧＲ弁を開閉及び弁開度制御する第１ＥＧＲ制御を行うＥＧＲ制御装置を設けたことを特徴とする内燃機関のＥＧＲシステム。
  4. 前記第１ＥＧＲ通路と前記第２ＥＧＲ通路のそれぞれにＥＧＲクーラを設けたことを特徴とする請求項３記載の内燃機関のＥＧＲシステム。
  5. 前記第１ＥＧＲ通路に一方向弁を設け、前記中間過給圧と前記中間排気圧との差圧が前記所定の差圧判定値以下になった場合は、前記ＥＧＲ制御装置が、前記第１ＥＧＲ弁を全開し、前記第２ＥＧＲ弁を開閉及び弁開度制御する第２ＥＧＲ制御を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関のＥＧＲシステム。
  6. 前記中間過給圧と前記中間排気圧との差圧が前記所定の差圧判定値以下になった場合は、前記ＥＧＲ制御装置が、前記第１ＥＧＲ弁と前記第２ＥＧＲ弁を開閉及び弁開度制御する第２ＥＧＲ制御を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関のＥＧＲシステム。
  7. 更に、インタークーラを、前記低圧段コンプレッサの下流側で、かつ、前記第１ＥＧＲ通路の接続部よりも上流側の吸気通路に設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関のＥＧＲシステム。
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