JP4692202B2 - ２段過給式エンジンのｅｇｒシステム - Google Patents

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２段過給式エンジンのＥＧＲシステムに関し、より詳細には、高ＥＧＲ率であっても、過給悪化を伴わない２段過給式エンジンの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。

従来技術の単段のターボ過給式エンジンにおいては、排気経路の排気タービンで排気エネルギーを回収し、吸気経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。

この従来技術の過給式エンジンのＥＧＲシステムでは、高ＥＧＲ率で運転するためにＥＧＲ率を増加すると、排気タービンの上流側から排気ガスの大半を冷却器を通して吸気側に循環させるため、排気タービンを経由する排気ガス量が減少して、作動流量が減少する。そのため、タービンに作用する排気エネルギーが減少するので、ターボ回転数が低下し過給圧が低下する。その結果、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、エンジンの運転条件が低速回転〜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。

一方、今後より厳しくなる排ガス規制に対しては、高ＥＧＲ導入と高空燃比の両立が必須である。そのため、ターボ過給特性改善のために、より効率の高い可変容量ターボ、および２段過給システムなどが提案されている。

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２及び図３に示す。

この２段過給システムを備えたエンジン１Ｘでは、吸気経路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、排気経路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経路５ａが設けられており、この低圧段排気バイパス経路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に関しては、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経路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経路６ｄが設けられており、これらのバイパス経路６ａ，６ｄ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。

但し、低圧段タービンの容量特性如何によっては、低圧段排気バイパス経路５ａ及びウェストゲートバルブ５ｂは設置されない場合もある。同様に、高圧段ターボチャージャの容量によっては、高圧段吸気バイパス経路６ａ及び高圧段排気バイパス経路６ｄが設置されない場合もある。

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２のＥＧＲシステム１０Ｘでは、ＥＧＲ経路１１Ｘが、排気側のエンジン本体２と高圧段タービン６ｔとの間の排気経路４と、吸気側の高圧段コンプレッサ６ｃとエンジン本体２との間の吸気経路３とを接続して設けられている。このＥＧＲ経路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Ｇｅは排気側からＥＧＲ経路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。

この図２は、高圧段ターボチャージャに対するハイプレッシャーＥＧＲ経路を設置した２段過給式エンジンにおけるＥＧＲシステムである。

更に、図３のＥＧＲシステム１０Ｙでは、ＥＧＲ経路１１Ｙが、排気側の高圧段タービン６ｔと低圧段タービン５ｔとの間の排気経路４と、吸気側の低圧段コンプレッサ５ｃと高圧段コンプレッサ６ｃとの間で、かつ、インタークーラ７の上流側の吸気経路３とを接続して設けられている。このＥＧＲ経路１１Ｙには、上流側からＥＧＲクーラ１３ＹとＥＧＲ弁１２Ｙが設けられている。ＥＧＲガスＧｅは排気側からＥＧＲ経路１１ＹをＥＧＲクーラ１３ＹとＥＧＲ弁１２Ｙを順に経由して吸気側に導入される。

この図３は、高圧段ターボチャージャ６に対するロープレッシャーＥＧＲ経路を設置した２段過給式エンジンにおけるＥＧＲシステムである。

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経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、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。

図２に示すような高圧段タービンに対するハイプレッシャーＥＧＲシステムでは、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経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運転領域において高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という問題がある。

一方、図３に示すような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１０Ｙでは、高ＥＧＲ率での運転においても高圧段ターボチャージャ６に対する作動流量が減少しないため、過給圧の低下が発生しない。従って、高ＥＧＲ率でも空燃比の低下を最小限度で抑制できる。

しかし、高負荷運転領域では、低圧段ターボチャージャ５の作動効率が上昇するため、高圧段タービン６ｔと低圧段タービン５ｔとの間における中間排圧と、低圧段コンプレッサ５ｃと高圧段コンプレッサ６ｃとの間における中間過給圧力が逆転（中間過給圧＞中間排圧）し、ＥＧＲガスの吸気側への導入が困難になる場合が存在するという問題がある。

また、２段過給システムにおける高圧段コンプレッサ６ｃは、低圧段ターボチャージャ５で過給が行われて圧縮された空気を取り扱うために、その容量は低圧段コンプレッサ５ｃと比較して小容量で良い。また、高圧段タービン６ｔにおいても低圧段タービン５ｔより圧力の高い状態のガスを取り扱うことから、同一ガス質量流量であっても体積が小さいために、低圧段タービン５ｔと比較して小容量で良い。

その上、低速回転・高負荷運転時においてトルク特性改善のために高過給で運転できるようにするためには、あるいは、低中速回転・低中負荷において高ＥＧＲ率かつ高過給で運転できるようにするためには、これらの運転条件に合わせて、高圧段ターボチャージャの容量を極端に小さくする必要がある。

しかしながら、高圧段ターボチャージャの容量を極端に小さくすると、低圧段ターボチャージャと高圧段ターボチャージャとの間に大きな容量差が生じ、中速回転・高負荷運転領域における過給特性に問題が発生し易くなるという問題がある。
特開平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、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２段過給式エンジンのＥＧＲシステムにおいて、過給器作動効率の改善により排気マニホールド圧力若しくは排気径のＥＧＲガス取り出し部圧力が、吸気マニホールド圧力若しくは吸気側ＥＧＲガス導入部圧力を下回る状態、又は、低圧段コンプレッサと高圧段コンプレッサとの間の中間過給圧が、高圧段タービンと低圧段タービンとの間の中間排気圧より高くなった運転条件であっても、高ＥＧＲ率運転が可能であり、かつ、中高速回転・高負荷運転領域における過給特性を改善できる２段過給式エンジンの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２段過給式エンジンのＥＧＲシステムは、吸気経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、排気経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、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経路から、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経路へ、第１ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第１ＥＧＲ経路と、内燃機関本体と前記高圧段タービンとの間の排気経路から、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経路へ、第２ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第２ＥＧＲ経路と、前記第１ＥＧＲ弁と前記第２ＥＧＲ弁とを開閉弁するＥＧＲ制御装置とを備えると共に、前記ＥＧＲ制御装置が、ＥＧＲを行う場合において、内燃機関の運転条件が、低速回転又は中速回転運転領域 且つ 低負荷又は中負荷運転領域にある場合、又は、低速回転領域 且つ 高負荷運転領域にある場合に、前記中間排気圧が前記中間過給圧以下のときに、第２ＥＧＲ弁を開弁すると共に、第１ＥＧＲ弁を閉弁する第２ＥＧＲ制御を行うように構成される。

なお、ＥＧＲクーラを各ＥＧＲ経路毎に設けることもでき、第１ＥＧＲ経路と第２ＥＧＲ経路とで共通のＥＧＲクーラを使用するように構成することもできる。また、これらのＥＧＲクーラは、通常はＥＧＲ弁を高温の排気ガス（ＥＧＲガス）から守るために、ＥＧＲ弁の上流側に設けることが多いが、ＥＧＲ弁の下流側に設けてもよい。

このＥＧＲシステムは、低圧段コンプレッサと高圧段コンプレッサとの間の中間過給圧が、高圧段タービンと低圧段タービンとの間の中間排圧よりも大きくなった場合に、ＥＧＲガスの吸気側への導入が困難になるという問題を解決して、このような場合であっても、高ＥＧＲ率での内燃機関の運転を可能とし、なお、かつ中速回転・高負荷運転領域における過給特性を改善するシステムである。

つまり、高圧段ロープレッシャーＥＧＲ経路である第１ＥＧＲ経路に加え、内燃機関本体と高圧段タービンとの間においても、ＥＧＲ経路を分岐し、ＥＧＲガスを高圧段コンプレッサの上流側に導入する第２ＥＧＲ経路と、下流側に導入する高圧段ハイプレッシャーＥＧＲ経路である第３ＥＧＲ経路との両方を設置し、それぞれのＥＧＲ経路に第１ＥＧＲ弁、第２ＥＧＲ弁、第３ＥＧＲ弁を備え、内燃機関の運転状況に応じて、ＥＧＲ経路を選択してＥＧＲガスの流れを制御する。

これにより、内燃機関の運転条件全域において最適な条件で、高ＥＧＲ率での運転を可能にすることができる。例えば、運転条件によって、高圧段ロープレッシャーＥＧＲ経路である第１ＥＧＲ経路で吸気側の過給圧が排気側の排圧よりも高くなってＥＧＲガスの吸気側への導入が困難になった場合でも、第２ＥＧＲ経路や第３ＥＧＲ経路の使用により、容易にＥＧＲガスを吸気側へ導入することができる。

そして、上記の２段過給式エンジンのＥＧＲシステムにおいて、内燃機関の運転条件がいずれの運転領域にあるかによって、第１〜第３ＥＧＲ経路を選択してＥＧＲを行う。

上記の２段過給式エンジンのＥＧＲシステムで、内燃機関本体と前記高圧段タービンとの間の排気経路から、前記高圧段コンプレッサと内燃機関本体の間の吸気経路へ、第３ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第３ＥＧＲ経路を備え、前記ＥＧＲ制御装置が、ＥＧＲを行う場合において、内燃機関の運転条件が、低速回転又は中速回転運転領域でかつ低負荷又は中負荷運転領域にある場合、又は、低速回転運転領域でかつ高負荷運転領域にある場合に、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圧である中間排気圧が、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過給圧である中間過給圧よりも大きいときには、前記第１ＥＧＲ弁と前記第２ＥＧＲ弁を開弁すると共に、前記第３ＥＧＲ弁を閉弁する第１ＥＧＲ制御を行い、前記第２ＥＧＲ制御では前記第３ＥＧＲ弁を開弁するように構成される。

これにより、低中速回転かつ低中負荷運転条件における、高ＥＧＲ率での運転条件でも、高圧段ターボチャージャに対する作動ガス流量の減少を最小限に抑制できるので、ＥＧＲ率増加時の過給圧低下も最小限で抑制可能となる。

また、低中速回転かつ高負荷運転条件における通常のハイプレッシャーＥＧＲ方式では、高ＥＧＲ率での運転条件では、過給気作動流量が大幅に減少するため、コンプレッサ作動点がサージライン側に移行して効率が著しく低下する。このような運転条件において、第１ＥＧＲ弁のある第１ＥＧＲ経路を使用する、あるいは、第２ＥＧＲ弁のある第２ＥＧＲ経路を使用することで、高圧段コンプレッサの作動流量が増加し、作動効率が改善される。その結果、過給圧の増加とこれに伴うＥＧＲ率の増加や排圧の低下が可能となる。

上記の内燃機関のＥＧＲシステムで、前記ＥＧＲ制御装置が、ＥＧＲを行う場合において、内燃機関の運転条件が、中速回転運転領域でかつ高負荷運転領域にある場合は、前記第２ＥＧＲ弁と前記第３ＥＧＲ弁を開閉及び弁開度制御すると共に、前記第１ＥＧＲ弁を閉弁状態とする第３ＥＧＲ制御を行うように構成する。

この中速回転・高負荷運転領域では、一般的に高ＥＧＲ率を必要としておらず、このときの過給器作動流量も十分に確保されている。従って、この運転条件では、第３ＥＧＲ弁のある第３ＥＧＲ経路を使用することで、従来技術の高圧段ハイプレッシャーＥＧＲとすることができ、高圧段ターボチャージャの作動流量を抑制できるようになる。

上記の内燃機関のＥＧＲシステムで、前記ＥＧＲ制御装置が、ＥＧＲを行う場合において、内燃機関の運転条件が、高速回転運転領域にある場合は、前記第３ＥＧＲ弁を開閉及び弁開度制御すると共に、前記第１ＥＧＲ弁と前記第２ＥＧＲ弁を閉弁状態とする第４ＥＧＲ制御を行うように構成される。

この高速回転運転領域では、内燃機関の吸気流量が増加するが、第１ＥＧＲ経路と第２ＥＧＲ経路を使用すると、第３ＥＧＲ経路を使用した場合と比較して、高圧段ターボチャージャのタービン及びコンプレッサに掛かる負荷が大きくなり、排圧が増加する傾向を示す。そこで、第３ＥＧＲ経路を使用してＥＧＲガスを吸気側へ導入することにより、高圧段コンプレッサに対する吸気流量（作動流量）を抑制すると同時に高圧段タービンに対する作動流量も抑制されるため、この問題を回避できる。

従って、内燃機関の運転条件の変化によって生じる、高圧段ターボチャージャに対する過給器作動流量の変化を最小限に抑制することができるので、高圧段ターボチャージャの容量を増加することができる。その結果、高圧段ターボチャージャの運転領域の拡大が可能となり、内燃機関の運転条件全域において過給特性を大幅に改善できる。

上記の内燃機関のＥＧＲシステムにおいて、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経路の接続部と前記第２ＥＧＲ経路の接続部の両方よりも上流側の吸気経路に設けて構成される。

この構成によれば、インタークーラを低圧段コンプレッサと高圧段コンプレッサの間の中間過給圧部に設けているので、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、吸気温度が上昇しても、第１ＥＧＲ経路を用いる場合には、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２段過給エンジンのＥＧＲシステムによれば、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２段過給式エンジンのＥＧＲシステムにおいて、高ＥＧＲ率であっても、過給悪化を伴わなずに、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ガスを吸入し、高圧段コンプレッサの上流側のみならず、高圧段コンプレッサの下流側へ循環させることができる。

従って、内燃機関の運転条件の変化によって生じる、高圧段ターボチャージャに対する過給器作動流量の変化を最小限に抑制することができるので、高圧段ターボチャージャの容量を増加することができる。その結果、高圧段ターボチャージャの運転領域の拡大が可能となり、内燃機関の運転条件全域において過給特性を大幅に改善できる。

以下、本発明に係る実施の形態の２段過給エンジンのＥＧＲシステムについて、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、このＥＧＲシステム１０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、吸気経路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、排気経路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経路５ａが設けられ、この低圧段排気バイパス経路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経路６ａが設けられ、この高圧段吸気バイパス経路６ａ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経路６ｄが設けられており、この高圧段排気バイパス経路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、エンジンの運転条件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経路６ａに流して、高圧段コンプレッサ６ｃ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、エンジンの運転条件が低速回転〜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。

なお、上記の構成では、高圧段ターボチャージャ６に比較的小型の容量特性を持つものを使用するシーケンシャル２段過給システムで説明している。このシーケンシャル２段過給システムにおいては、高圧段ターボチャージャ６が小型であるため、低中速回転域においては良好な過給特性が得られるが、高圧段ターボチャージャ６が小型であるがため、高速回転域では排気圧力が急激に増加してしまうため、高圧段ターボチャージャ６をバイパスさせる必要があり、上記のような構成となっている。

しかし、本発明は、シーケンシャル２段過給システム以外のシリーズ型２段過給システム等にも適用できる。このシリーズ型２段過給システムでは、シーケンシャル型と比較すると大容量のターボチャージャ（過給器）を高圧段に設定することで、高速回転域における切換制御無しで過給を行う。実際には、過給圧制御用に高圧段タービン６ｔに過給圧制御用の高圧段排気バイパス経路６ｄと高圧段排気バイパスバルブ６ｅを、又は、高圧段タービン６ｔにウェストゲートタイプを設定するが、少なくとも、吸気側高圧段コンプレッサ６ｃにおける高圧段吸気バイパス経路６ａは必要無くなる。

そして、ＥＧＲシステム１に関しては、第１ＥＧＲ弁１２と第１ＥＧＲクーラ１３を備えた第１ＥＧＲ経路１１を、高圧段タービン６ｔと低圧段タービン５ｔとの間の排気経路４と、インタークーラ７と高圧段コンプレッサ６ｃとの間の吸気経路３とを接続して設ける。この第１ＥＧＲ経路１１により、高圧段タービン６ｔと低圧段タービン５ｔとの間の排気経路４から、低圧段コンプレッサ５ｃと高圧段コンプレッサ６ｃとの間の吸気経路３へ、第１ＥＧＲ弁１２を経由してＥＧＲガスＧｅ１を導入する。

また、第２ＥＧＲ弁１５と第２ＥＧＲクーラ１６を備えた第２ＥＧＲ経路１４を、エンジン本体２と高圧段タービン６ｔとの間の排気経路４と、インタークーラ７と高圧段コンプレッサ６ｃとの間の吸気経路３とを接続して設ける。この第２ＥＧＲ経路１４により、エンジン本体（内燃機関本体）２と高圧段タービン６ｔとの間の排気経路４から、低圧段コンプレッサ５ｃと高圧段コンプレッサ６ｃとの間の吸気経路３へ、第２ＥＧＲ弁１５を経由してＥＧＲガスＧｅ２を導入する。

更に、第３ＥＧＲ弁１８と第３ＥＧＲクーラ１９を備えた第２ＥＧＲ経路１７を、エンジン本体２と高圧段タービン６ｔとの間の排気経路４と、高圧段コンプレッサ６ｃとエンジン本体２との間の吸気経路３とを接続して設ける。この第３ＥＧＲ経路１７により、エンジン本体２と高圧段タービン６ｔとの間の排気経路４から、高圧段コンプレッサ６ｃとエンジン本体２との間の吸気経路３へ、第３ＥＧＲ弁１８を経由してＥＧＲガスＧｅ３を導入する。

これらの構成により、インタークーラ７は、低圧段コンプレッサ５ｃの下流側で、かつ、第１ＥＧＲ経路１１の接続部１１ａと第２ＥＧＲ経路１４の接続部１４ａの両方よりも上流側の吸気経路３に設けられたことになる。また、それぞれのＥＧＲ弁１２，１５，１８は、それぞれのＥＧＲクーラ１３，１６，１９の下流側に配置して、排気ガスＧｅ１，Ｇｅ２，Ｇｅ３をＥＧＲクーラ１３，１６，１９で冷却してから、ＥＧＲ弁１２，１５，１８に流すようにする。

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ＥＧＲ制御装置は、エンジン１の運転条件に応じて、第１〜第３ＥＧＲ経路１１，１４，１７を選択的に使用する第１〜第３ＥＧＲ制御を選択してそれぞれの運転条件に最適なＥＧＲを行う。

このＥＧＲ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、ＥＧＲ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。

このエンジン１の運転条件がその運転領域にあるか否かは、検出されたエンジン回転数やエンジン負荷に基づいて、予め用意した制御用のマップデータを参照して判定する。また、低圧段コンプレッサ５ｃと高圧段コンプレッサ６ｃとの間の過給圧である過給中間過給圧と、高圧段タービン６ｔと低圧段タービン５ｔとの間の排気圧である中間排圧との大小関係は、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と高段圧タービン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に基づいて判定される。なお、これらは、各種の制御方法の例に過ぎず、他の制御方法を使用してもよい。

第１ＥＧＲ制御は、ＥＧＲを行う場合において、エンジン１の運転条件が、低速回転又は中速回転運転領域でかつ低負荷又は中負荷運転領域にある場合、又は、低速回転運転領域でかつ高負荷運転領域にある場合で、かつ、中間排気圧が中間過給圧よりも大きいときに行われる。

この第１ＥＧＲ制御では、第１ＥＧＲ弁１２を主とし、第２ＥＧＲ弁１５を補助で使用して、第１ＥＧＲ弁１２と第２ＥＧＲ弁１５を開閉及び弁開度制御する。それと共に、第３ＥＧＲ弁１８を閉弁状態とする。

より詳細には、第１ＥＧＲ弁１２の弁開度開放を第２ＥＧＲ弁１５の弁開度開放より優先して実施する。つまり、第１ＥＧＲ弁１２単独で所定量のＥＧＲガス導入が可能な場合は、第１ＥＧＲ弁１２のみ弁開度調整を行ってＥＧＲガス導入を行うと同時に、第２ＥＧＲ弁１５は全閉とする。そして、第１ＥＧＲ弁１２が全開状態においても所定量のＥＧＲガス導入が得られない場合は、第１ＥＧＲ弁１２を全開状態、若しくは全開状態に近い状態のままにして、第２ＥＧＲ弁１５の弁開度調整を実施し、所定量のＥＧＲガス導入が得られるように第２ＥＧＲ弁１５の弁開度調整を実施する。

また、第２ＥＧＲ制御は、ＥＧＲを行う場合において、エンジン１の運転条件が、低速回転又は中速回転運転領域でかつ低負荷又は中負荷運転領域にある場合、又は、低速回転運転領域でかつ高負荷運転領域にある場合で、かつ、中間排気圧が中間過給圧以下のときに行われる。

この第２ＥＧＲ制御では、第２ＥＧＲ弁１５を主とし、第３ＥＧＲ弁１８を補助で使用して、第２ＥＧＲ弁１５と第３ＥＧＲ弁１８を開閉及び弁開度制御する。それと共に、第１ＥＧＲ弁１２を閉弁状態とする。

第３ＥＧＲ制御は、ＥＧＲを行う場合において、エンジン１の運転条件が、中速回転運転領域でかつ高負荷運転領域にある場合に行う。この第２ＥＧＲ制御では、第２ＥＧＲ弁１５と第３ＥＧＲ弁１８を開閉及び弁開度制御する。それと共に、第１ＥＧＲ弁１２を閉弁状態とする。

第４ＥＧＲ制御は、ＥＧＲを行う場合において、エンジン１の運転条件が、高速回転運転領域にある場合に行われる。この第４ＥＧＲ制御では、第３ＥＧＲ弁１８を開閉及び弁開度制御すると共に、第１ＥＧＲ弁１２と第２ＥＧＲ弁１５を閉弁状態とする。

上記の第１及び第２ＥＧＲ制御により、低中速回転かつ低中負荷運転条件における、高ＥＧＲ率での運転条件でも、高圧段ターボチャージャ６に対する作動ガス流量の減少を最小限に抑制できるので、ＥＧＲ率増加時の過給圧低下も最小限で抑制可能となる。

また、低中速回転かつ高負荷運転条件における、高ＥＧＲ率での運転条件では、過給気作動流量が大幅に減少するため、コンプレッサ作動点がサージライン側に移行して効率が著しく低下する。このような運転条件において、第１ＥＧＲ経路１１を使用する、あるいは、第２ＥＧＲ経路１４を使用することで、高圧段コンプレッサ６ｃの作動流量が増加し、作動効率が改善される。その結果、過給圧の増加とこれに伴うＥＧＲ率の増加や排圧の低下が可能となる。

第３ＥＧＲ制御により、中速回転・高負荷運転領域で、一般的に高ＥＧＲ率を必要としておらず、過給器作動流量も十分に確保されている運転条件で、第３ＥＧＲ経路１７を使用することで、従来技術の高圧段ハイプレッシャーＥＧＲとすることができ、高圧段ターボチャージャ６の作動流量を抑制できるようになる。

第４ＥＧＲ制御では、エンジン１の吸気流量が増加する高速回転運転領域で、第１ＥＧＲ経路１１と第２ＥＧＲ経路１４を使用すると、第３ＥＧＲ経路１７を使用した場合と比較して、高圧段ターボチャージャ６のタービン６ｔ及びコンプレッサ６ｃに掛かる負荷が大きくなり、排圧が増加する傾向を示す。そこで、第３ＥＧＲ経路１７を使用してＥＧＲガスＧｅ３を吸気側へ導入することにより、この問題を回避する。

従って、上記の２段過給エンジンのＥＧＲシステム１０によれば、エンジン１の運転条件の変化によって生じる、高圧段ターボチャージャ６に対する過給器作動流量の変化を最小限に抑制することができるので、高圧段ターボチャージャ６の容量を増加することができる。その結果、高圧段ターボチャージャ６の運転領域の拡大が可能となり、エンジン１の運転条件全域において過給特性を大幅に改善できる。

また、上記の２段過給エンジンのＥＧＲシステム１０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。

本発明に係る実施の形態の２段過給式エンジンのＥＧＲシステムの構成を示す図である。 高圧段ハイプレッシャーＥＧＲシステムの構成の一例を示す図である。 高圧段ロープレッシャーＥＧＲシステムの構成の一例を示す図である。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
２ エンジン本体（内燃機関本体）
３ 吸気経路
４ 排気経路
５ 低圧段ターボチャージャ
５ａ 低圧段排気バイパス経路
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経路
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経路
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 ＥＧＲシステム
１１ 第１ＥＧＲ経路
１１ａ 第１ＥＧＲ経路の接続部
１２ 第１ＥＧＲ弁
１３ 第１ＥＧＲクーラ
１４ 第２ＥＧＲ経路
１４ａ 第２ＥＧＲ経路の接続部
１５ 第２ＥＧＲ弁
１６ 第２ＥＧＲクーラ
１７ 第３ＥＧＲ経路
１８ 第３ＥＧＲ弁
１９ 第３ＥＧＲクーラ
Ａ 吸気
Ｇ 排気ガス
Ｇｅ ＥＧＲ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
Ｇｅ３ 第３ＥＧＲ弁を通過するＥＧＲガス

Claims (5)

1. 吸気経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、排気経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、
   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経路から、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経路へ、第１ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第１ＥＧＲ経路と、
   内燃機関本体と前記高圧段タービンとの間の排気経路から、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経路へ、第２ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第２ＥＧＲ経路と、
   前記第１ＥＧＲ弁と前記第２ＥＧＲ弁とを開閉弁するＥＧＲ制御装置とを備えると共に、
   前記ＥＧＲ制御装置が、ＥＧＲを行う場合において、
   内燃機関の運転条件が、低速回転又は中速回転運転領域 且つ 低負荷又は中負荷運転領域にある場合、又は、低速回転領域 且つ 高負荷運転領域にある場合に、
   前記中間排気圧が前記中間過給圧以下のときに、
   第２ＥＧＲ弁を開弁すると共に、第１ＥＧＲ弁を閉弁する第２ＥＧＲ制御を行うことを特徴とする２段過給式エンジンのＥＧＲシステム。
2. 内燃機関本体と前記高圧段タービンとの間の排気経路から、前記高圧段コンプレッサと内燃機関本体の間の吸気経路へ、第３ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第３ＥＧＲ経路を備え、
   前記ＥＧＲ制御装置が、ＥＧＲを行う場合において、
   内燃機関の運転条件が、低速回転又は中速回転運転領域でかつ低負荷又は中負荷運転領域にある場合、又は、低速回転運転領域でかつ高負荷運転領域にある場合に、
   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圧である中間排気圧が、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過給圧である中間過給圧よりも大きいときには、前記第１ＥＧＲ弁と前記第２ＥＧＲ弁を開弁すると共に、前記第３ＥＧＲ弁を閉弁する第１ＥＧＲ制御を行い、前記第２ＥＧＲ制御では前記第３ＥＧＲ弁を開弁することを特徴とする請求項１記載の２段過給式エンジンのＥＧＲシステム。
3. 吸気経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、排気経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、
   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経路から、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経路へ、第１ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第１ＥＧＲ経路と、
   内燃機関本体と前記高圧段タービンとの間の排気経路から、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経路へ、第２ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第２ＥＧＲ経路と、
   内燃機関本体と前記高圧段タービンとの間の排気経路から、前記高圧段コンプレッサと内燃機関本体の間の吸気経路へ、第３ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第３ＥＧＲ経路と、
   前記第１ＥＧＲ弁と前記第２ＥＧＲ弁と前記第３ＥＧＲ弁とを開閉弁するＥＧＲ制御装置とを備えると共に、
   前記ＥＧＲ制御装置が、ＥＧＲを行う場合において、
   内燃機関の運転条件が、中速回転運転領域でかつ高負荷運転領域にある場合は、
   前記第２ＥＧＲ弁と前記第３ＥＧＲ弁を開閉及び弁開度制御すると共に、前記第１ＥＧＲ弁を閉弁状態とする第３ＥＧＲ制御を行うことを特徴とする２段過給式エンジンのＥＧＲシステム。
4. 吸気経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、排気経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、
   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経路から、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経路へ、第１ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第１ＥＧＲ経路と、
   内燃機関本体と前記高圧段タービンとの間の排気経路から、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経路へ、第２ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第２ＥＧＲ経路と、
   内燃機関本体と前記高圧段タービンとの間の排気経路から、前記高圧段コンプレッサと内燃機関本体の間の吸気経路へ、第３ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第３ＥＧＲ経路と、
   前記第１ＥＧＲ弁と前記第２ＥＧＲ弁と前記第３ＥＧＲ弁とを開閉弁するＥＧＲ制御装置とを備えると共に、
   前記ＥＧＲ制御装置が、ＥＧＲを行う場合において、
   内燃機関の運転条件が、高速回転運転領域にある場合は、
   前記第３ＥＧＲ弁を開閉及び弁開度制御すると共に、前記第１ＥＧＲ弁と前記第２ＥＧＲ弁を閉弁状態とする第４ＥＧＲ制御を行うことを特徴とする２段過給式エンジンのＥＧＲシステム。
5. 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経路の接続部と前記第２ＥＧＲ経路の接続部の両方よりも上流側の吸気経路に設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の２段過給式エンジンのＥＧＲシステム。

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