JP4858150B2 - Exhaust gas circulation device and exhaust gas circulation method for turbo engine - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関等の排気ガスの再循環に使用されるターボ付エンジンの排気ガス循環装置及び排気ガス循環方法に関する。 The present invention relates to an exhaust gas circulation device and an exhaust gas circulation method for a turbocharged engine used for recirculation of exhaust gas of an internal combustion engine or the like.
車両に搭載するエンジンなどでは、NOx低減のために、排気ガスの一部を吸気側に再循環する排気再循環システム(EGRシステム)が採用されている。図10に示すように、このEGRシステム1Xでは、エンジンEの排気系通路3と吸気系通路5とを連結する排気ガス循環通路(EGR通路)7が設けられ、このEGR通路7に、EGRガス量を調整するための排気ガス循環弁(EGR弁)8と、EGRガスGeを冷却するためのEGRクーラ9が設けられている。なお、吸気通路5にはインタクーラ51が設けられ、さらに、排気通路4にタービンを吸気通路5にコンプレッサーを有するターボチャージャ11が設けられている。
An engine mounted on a vehicle employs an exhaust gas recirculation system (EGR system) that recirculates a part of exhaust gas to the intake side in order to reduce NOx. As shown in FIG. 10, in the
しかし、ターボチャージャを備えたエンジンの場合には、図11に示すように、負荷(トルク)が高負荷に移行していくような過給の状態では吸気側の圧力(吸気圧)Pinが排気側の圧力(排気圧)Pexよりも高くなるので、負荷(トルク)が低い間は、EGRができるが、高くなるとEGRができなくなる。 However, in the case of an engine equipped with a turbocharger, as shown in FIG. 11, in the supercharged state where the load (torque) shifts to a high load, the intake side pressure (intake pressure) Pin is exhausted. Since the pressure (exhaust pressure) Pex becomes higher, EGR can be performed while the load (torque) is low, but EGR cannot be performed when the load (torque) is high.
しかしながら、図12に示すように、吸気圧Pinが排気圧Pexよりも大きくても、即ち、差圧(ΔP=Pex−Pin)が負(−)であっても、時間的なベースで見ると、脈動する排気圧Pexと脈動する吸気圧Pinが一時的に逆転して、差圧(ΔP=Pex−Pin)が正(+)になり、この圧力の逆転時には、一時的ではあるが、排気側から吸気側に排気ガスを流してEGRを行うことができる。 However, as shown in FIG. 12, even if the intake pressure Pin is larger than the exhaust pressure Pex, that is, even if the differential pressure (ΔP = Pex−Pin) is negative (−), it is viewed on a temporal basis. The pulsating exhaust pressure Pex and the pulsating intake pressure Pin are temporarily reversed, and the differential pressure (ΔP = Pex−Pin) becomes positive (+). EGR can be performed by flowing exhaust gas from the intake side to the intake side.
この現象を利用するために、EGR通路に排気側から吸気側への流れのみを許容するリードバルブ(リード弁)を設けて、EGR可能なエンジンの運転領域を広げると共に、確実にEGRを実施できるようにしたワンウェイ式リード弁付きEGRシステムが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 In order to utilize this phenomenon, a reed valve (reed valve) that allows only the flow from the exhaust side to the intake side is provided in the EGR passage to widen the operating range of the engine capable of EGR and to perform EGR reliably. There has been proposed an EGR system with a one-way type reed valve (see, for example, Patent Document 1).
このワンウェイ式リード弁付きEGRシステムでは、例えば、図13に示すような構造のリード弁10が設けられ、図14に示すように排気圧Pexが吸気圧Pinより大きい時はEGRガスGeを通過させ、図15に示すように排気圧Pexが吸気圧Pinより小さい時はEGRガスGeを通過させないようにしている。このリード弁のEGR通路への配置は、エンジンの高過給、高EGR化に対して有効な手段となっている。
In this one-way type EGR system with a reed valve, for example, a
しかしながら、このEGRシステムでは、加速時には、コンプレッサーの過給により、吸気側(インレット側)は、空気量と圧力(圧力比)が共に大きい状態であるが、図16に示すように、加速の高負荷状態のA点から減速して低負荷状態のB点に移行すると、吸気側の空気量と圧力(圧力比)を下げようとしても、ターボチャージャの慣性によりコンプレッサーは回転を続けるため、圧力(圧力比)は急には下がらない。その結果、空気量が少ないにもかかわらず、圧力(圧力比)は高いままなので、図17に示すようにA点からB点に移動し、サージ領域に達し、サージ音が発生するという問題がある。 However, in this EGR system, at the time of acceleration, the intake side (inlet side) is in a state where both the air amount and the pressure (pressure ratio) are large due to the supercharging of the compressor. However, as shown in FIG. When decelerating from point A in the load state and transitioning to point B in the low load state, the compressor continues to rotate due to the inertia of the turbocharger even if the air amount and pressure (pressure ratio) on the intake side are reduced. The pressure ratio does not drop suddenly. As a result, since the pressure (pressure ratio) remains high despite the small amount of air, there is a problem in that it moves from point A to point B as shown in FIG. is there.
つまり、エンジンの加速状態から減速状態に移行する際にブースト圧(吸気側の過給圧)が大となって、ターボチャージャ(過給機)のサージ領域に突入すると、ターボチャージャのサージ音が発生する。より詳細には、サージ領域に突入すると、コンプレッサーの羽根から、空気の流れが剥離したり、再付着して正常状態に復帰したりすることを繰り返すため、全体としての空気の流れが、一時的に、上流側のエアクリーナー側へ押し戻されることを繰り返し、サージ現象が発生することになり、吸気圧もエアクリーナーと吸気マニホールドの間で脈動し、この圧力の変動により音が発生する。 In other words, when the boost pressure (intake-side supercharging pressure) becomes large when the engine is shifted from the acceleration state to the deceleration state and enters the surge region of the turbocharger (supercharger), the turbocharger surge noise is generated. appear. More specifically, when entering the surge region, the air flow from the compressor blades repeatedly peels off and reattaches to return to a normal state. In addition, it is repeatedly pushed back to the upstream air cleaner side, and a surge phenomenon occurs, and the intake pressure also pulsates between the air cleaner and the intake manifold, and sound is generated due to fluctuations in this pressure.
このサージ対策として、小型エンジン等のリード弁のないEGRシステムでは、減速時にEGR弁を開弁して吸気系から排気系へ圧力を逃がしているが、大型エンジンの場合にはEGR装置は高過給時にもEGRできるように、リード弁付きのEGRシステムが用いられている。このリード弁付きのEGRシステムの場合には、リード弁によりEGR通路が閉鎖されているため圧力を逃がすことができないという問題がある。 As a countermeasure against this surge, in EGR systems without reed valves such as small engines, the EGR valve is opened during deceleration to release pressure from the intake system to the exhaust system. An EGR system with a reed valve is used so that EGR can be performed even during feeding. In the case of this EGR system with a reed valve, there is a problem that the pressure cannot be released because the EGR passage is closed by the reed valve.
また、このサージ対策として、ガソリンエンジンなどでは、吸気マニホールドにリリーフ弁(ブローオフ弁)を設けて、高くなった圧力を大気中に逃がす方法が提案されている。しかし、この方法では、圧力を逃がすことによりサージ領域から脱することでサージ音の問題を解決できるが、その代りに、高圧の空気を直接大気中に排出するため、この排出音の発生が問題となる。更に、この圧力の逃がし先を過給機入口側や吸気管外にすることも考えられるが、配管などが複雑化するという問題がある。
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、排気ガス循環通路内に設けた吸気側から排気側への逆流を防止するためのリード弁を備えたターボ付エンジンの排気ガス循環装置において、加速から減速に入ったときでも、ターボチャージャのサージ音の発生を低減できるターボ付エンジンの排気ガス循環装置及び排気ガス循環方法を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a turbocharger equipped with a reed valve for preventing a backflow from the intake side to the exhaust side provided in the exhaust gas circulation passage. An object of the present invention is to provide an exhaust gas circulation device and an exhaust gas circulation method for an engine with a turbo that can reduce the occurrence of a surge noise of a turbocharger even when the engine is decelerated from acceleration.
上記のような目的を達成するためのターボ付エンジンの排気ガス循環装置は、エンジンの排気通路と吸気通路とを連通する排気ガス循環通路と、該排気ガス循環通路内に設けた排気ガス循環弁と、該排気ガス循環通路内に設けた吸気側から排気側への逆流を防止するためのリード弁を備えたターボ付エンジンの排気ガス循環装置において、該リード弁の吸気側から排気側にガスを逃がすリリーフ弁を設けると共に、前記排気ガス循環弁を、ターボチャージャがサージ領域に入る前に開弁するように制御すると共に、前記リリーフ弁を、前記サージ領域時の吸気圧と排気圧の差圧が前記リリーフ弁の所定の設定圧力以上高くなると開弁するように設定して構成する。つまり、リリーフ弁(圧力調整弁)を装着し、吸気側から排気側(エキゾースト側)へ圧力(ブースト)を逃がすことでサージ音を低減する。この所定の設定圧力は実験等によって予め設定され、エンジンの制御装置などに記憶される。
上記のターボ付エンジンの排気ガス循環装置において、前記リリーフ弁を、前記リード弁(逆止弁)又は前記リード弁を迂回するバイパス通路に設ける。
In order to achieve the above object, an exhaust gas circulation device for a turbocharged engine includes an exhaust gas circulation passage communicating an engine exhaust passage and an intake passage, and an exhaust gas circulation valve provided in the exhaust gas circulation passage. And an exhaust gas circulation device for a turbocharged engine provided with a reed valve for preventing a backflow from the intake side to the exhaust side provided in the exhaust gas circulation passage, the gas from the intake side to the exhaust side of the reed valve A relief valve is provided to release the exhaust gas, and the exhaust gas circulation valve is controlled to open before the turbocharger enters the surge region, and the relief valve is provided with a difference between the intake pressure and the exhaust pressure in the surge region. When the pressure becomes higher than a predetermined set pressure of the relief valve, the valve is set to open . In other words, a surge valve is reduced by mounting a relief valve (pressure adjusting valve) and releasing pressure (boost) from the intake side to the exhaust side (exhaust side). The predetermined set pressure is set in advance by experiments or the like and stored in an engine control device or the like.
In the above exhaust gas circulation device for a turbocharged engine, the relief valve is provided in the reed valve (check valve) or a bypass passage that bypasses the reed valve.
そして、上記のような目的を達成するためのターボ付エンジンの排気ガス循環方法は、エンジンの排気通路と吸気通路とを連通する排気ガス循環通路と、該排気ガス循環通路内に設けた排気ガス循環弁と、該排気ガス循環通路内に設けた吸気側から排気側への逆流を防止するためのリード弁を備えると共に、該リード弁の吸気側から排気側にガスを逃がすリリーフ弁を設けたターボ付エンジンの排気ガス循環装置において、ターボチャージャがサージ領域に入る前に前記排気ガス循環弁を開弁するように制御して、前記サージ領域時の吸気圧と排気圧の差圧が前記リリーフ弁の所定の設定圧力以上高くなると前記リリーフ弁が開弁して吸気側から排気側にガスを逃がすことを特徴とする。 An exhaust gas circulation method for a turbocharged engine for achieving the above-described object includes an exhaust gas circulation passage that connects an exhaust passage and an intake passage of the engine, and an exhaust gas provided in the exhaust gas circulation passage. A reed valve for preventing a back flow from the intake side to the exhaust side provided in the exhaust gas circulation passage and a relief valve for releasing gas from the intake side to the exhaust side of the reed valve are provided. In an exhaust gas circulation device for a turbocharged engine, the exhaust gas circulation valve is controlled to open before the turbocharger enters the surge region, so that the differential pressure between the intake pressure and the exhaust pressure in the surge region is the relief. When the pressure becomes higher than a predetermined set pressure of the valve, the relief valve opens and gas is released from the intake side to the exhaust side.
この設定圧力は、ターボチャージャがサージ領域に入って、吸気圧と排気圧との差圧が所定の設定圧力以上高くなった時にリリーフ弁が開くように、実験結果等のデータを基に設定する。この設定圧力は、エンジンによって異なるので、リリーフ弁の設定圧力を容易に変更できるように、リリーフ弁に調整部(アジャスタ)を設けることが好ましい。 This set pressure is set based on data such as experimental results so that the relief valve opens when the turbocharger enters the surge region and the differential pressure between the intake pressure and the exhaust pressure becomes higher than the specified set pressure. . Since this set pressure varies depending on the engine, it is preferable to provide an adjustment portion (adjuster) in the relief valve so that the set pressure of the relief valve can be easily changed.
本発明に係るターボ付エンジンの排気ガス循環装置及び排気ガス循環方法によれば、リリーフ弁を設けて、加速から減速に移行した時には、排気ガス循環弁(EGR弁)を開くことにより、吸気圧と排気圧との差圧がリリーフ弁の設定圧力以上になると、リリーフ弁が開くので、吸気系から排気系へ圧力を逃がすことができる。そのため、リード弁の特性を活かしながら、ターボチャージャのサージ領域で発生する音を低減できる。また、リリーフ弁をリード弁に設けることで、加速時から減速時に発生するサージ音を防ぐと共に、排気側に圧力を逃がすことで、ブローオフ時の音も低減することができる。 According to the exhaust gas circulation device and the exhaust gas circulation method for a turbocharged engine according to the present invention, when the relief valve is provided and the engine is shifted from acceleration to deceleration, the exhaust gas circulation valve (EGR valve) is opened to When the differential pressure between the exhaust pressure and the exhaust pressure exceeds the set pressure of the relief valve, the relief valve opens so that the pressure can be released from the intake system to the exhaust system. Therefore, the noise generated in the surge region of the turbocharger can be reduced while utilizing the characteristics of the reed valve. In addition, by providing the relief valve on the reed valve, surge noise that occurs during deceleration from acceleration can be prevented, and noise during blow-off can be reduced by releasing pressure to the exhaust side.
以下、本発明に係る実施の形態のターボ付エンジンの排気ガス循環装置及び排気ガス循環方法について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, an exhaust gas circulation device and an exhaust gas circulation method for a turbocharged engine according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に示すように、本発明に係る第1の実施の形態のターボ付エンジンの排気ガス循環装置1は、エンジン本体2の排気マニホールド3から吸気マニホールド6に排気ガスの一部(EGRガス)Geを再循環させるための排気ガス循環通路(EGR通路)7が、排気マニホールド3(又は排気管4)と吸気管5(又は吸気マニホールド6)とを接続して設けられる。このEGR通路7には、EGRガスGeの流量を調整する排気ガス循環弁(EGR弁)8とEGRガスGeを冷却するEGRクーラ9とが設けられ、更に、排気側から吸気側にはガスを通過させるが、吸気側から排気側へはガスを通過させないリード弁(逆止弁)10が設けられる。
As shown in FIG. 1, an exhaust
この排気ガス循環弁8は、空気タンク12と空気管13、14とで連結され、この空気管13、14に設けられた開閉弁(ソレノイドバルブ)15、16の開閉弁操作により、開閉制御される。この開閉弁15、16は、回転センサ17やアクセル開度センサ18等からの信号を入力するエンジン制御装置(ECU)19により制御される。
The exhaust
また、ターボチャージャ11のタービン11aが排気管4に配置され、排気ガスGにより駆動される。このタービン11aの駆動により、ターボチャジャ11のコンプレッサー(図示しない)が作動し、新気Aを圧縮して吸気管5経由で吸気マニホールド6に供給する。
A
そして、本発明の第1の実施の形態においては、図2に示すように、リード弁10に、リード弁10に関して吸気側圧力(吸気圧)Pinと排気側圧力(排気圧)Pexとの差圧(ΔP=Pin−Pex)が設定圧力Pset 以上に大きくなった時に、吸気側から排気側にガスを逃がすリリーフ弁(ブローオフ弁)20を設けて構成する。この所定の設定圧力Pset は実験等によって予め設定される。
In the first embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2, the
このリリーフ弁20の詳細な構成の一例を図3に示す。この図3のリリーフ弁の構成では、吸気圧Pinと排気圧Pexの差圧が所定の設定圧力Pset 以上になっていない場合は、受力板21を付勢するスプリング22により、受力板21に連結された弁体23がリード弁10の壁面に設けられた弁座24に密着して、ガスの流れを止めているが、吸気圧Pinと排気圧Pexの差圧が所定の設定圧力Pset 以上になった場合は、スプリング22の付勢力Fsよりも、弁体23を弁座24から引き離す力Fpが大きくなり、受力板21と弁体23が排気側に移動して、弁体23が弁座24から離間して、ガスの流れを許すようになる。つまり、吸気圧(ブースト圧)を排気側に逃がす。
An example of a detailed configuration of the
このスプリング22の付勢力Fsの大きさにより、リリーフ弁20の所定の設定圧力Pset を調整できる。そのため、受力板21と弁体23とを連結している連結棒25に雄螺子を形成し、ナット26の締め付け量により受力板21と弁体23との距離を変化させて、スプリング22の付勢力Fsの大きさを調整できるようにする。この連結棒25、ナット26が調整部となる。この所定の設定圧力Pset は、エンジンによって異なるので、それぞれのエンジンに対して実験的に求める。
The predetermined set pressure Pset of the
図4にリード弁10とリリーフ弁20の作動とガス流量との関係を示す。EGRを行っている間では、図5に示すように、排気ガス循環弁8が開弁しているので、排気圧Pexが吸気圧Pinよりも大きく、差圧ΔP1=Pex−Pinが正(+)の場合には、リード弁10が開き、排気側から吸気側にEGRガスGeが流れる。
FIG. 4 shows the relationship between the operation of the
差圧ΔP1=Pex−Pinが小さくなると、リード弁10は閉じてくるが、差圧がΔP1=Pex−Pinが負(−)になっても、図12に示すように、一時的に正(+)になる部分(斜線部分)があるので、排気ガス循環弁8を開弁してEGRを行うことができる(EGR使用範囲)。
When the differential pressure ΔP1 = Pex−Pin decreases, the
更に、差圧ΔP1=Pex−Pinが小さくなると、一時的に正(+)になる部分がなくなるので、排気ガス循環弁8を閉弁操作してEGRは行わない。更に、ターボチャージャ11がサージ領域に入る前に、排気ガス循環弁8を開弁操作する。これにより、差圧ΔP1=Pex−Pinが、所定の設定圧力(−Pset )より小さくなると、言い換えれば、差圧ΔP2=Pin−Pexが所定の設定圧力Pset より大きくなると、図6に示すように、リリーフ弁20が開弁するので、吸気側から排気側にガスが流れて、ブースト圧を排気側に逃がすことができる。なお、高過給EGRの状態でも差圧ΔP1=Pex−Pinが負(−)となり、差圧ΔP2=Pin−Pexが正(+)となるが、その絶対値の大きさは小さい。従って、図4に示すように、リリーフ弁20を開く所定の設定圧力Pset を大きい値に設定することで、EGR使用領域ではリリーフ弁20が開かず、サージ領域のみでリリーフ弁20が開くようにすることができる。
Further, when the differential pressure ΔP1 = Pex−Pin becomes small, there is no portion that becomes positive (+) temporarily. Therefore, the exhaust
なお、図7に示すような、従来技術のリード弁10のみで、リリーフ弁20を備えていない場合には、図5と同様なことはできるが、図6に示すようなブースト圧の排気側への逃がしはできない。
In addition, when only the
そして、このターボ付エンジンの排気ガス循環装置1において、ターボチャージャ11がサージ領域に入る前に排気ガス循環弁8を開弁するように制御する。このサージ領域ににおける制御は、実験結果等のデータを基に、排気ガス循環弁8を開弁するエンジンの回転数や負荷(アクセル開度)を設定することができるので、この部分の制御を、予め設定した、従来のEGR制御用のマップデータに加えることで容易に実施できるようになる。
Then, in the exhaust
次に第2の実施の形態について説明する。図8及び図9に示すように、本発明に係る第2の実施の形態のターボ付エンジンの排気ガス循環装置1Aでは、リリーフ弁20を、リード弁10に設けずに、EGR通路7にリード弁10を迂回するバイパス通路30に設ける。その他の構成やリリーフ弁20の作動及びその作用効果は第1の実施の形態と同じである。
Next, a second embodiment will be described. As shown in FIGS. 8 and 9, in the exhaust
従って、本発明のターボ付エンジンの排気ガス循環装置及び排気ガス循環方法によれば、図16に示すように、加速(A点)から減速(B点)に移行して、高負荷状態から低負荷状態に移行する際に、図17に示すようなターボチャージャ11のサージ領域に入っても、ブースト圧を排気側に逃がすことができるので、リード弁10の特性を活かして、加速においてはワンウェイ方式で高過給EGRが可能でありながら、ターボチャージャ11のサージ領域で発生する音を低減できる。
Therefore, according to the exhaust gas circulation device and the exhaust gas circulation method of the turbocharged engine of the present invention, as shown in FIG. 16, the acceleration (point A) is shifted to the deceleration (point B), and the low load is reduced from the high load state. Since the boost pressure can be released to the exhaust side even when entering the surge region of the
また、リリーフ弁20をリード弁10に設けることで、ガスを排気ガス循環通路7内に逃がすことができるので、排気側に圧力を逃がすことで加速時から減速時に発生するサージ音を防ぐと共に、リリーフ弁20のブローオフ時の音も低減することができる。また、ブローオフ弁を外付けに設けた場合のブローオフ音の発生を回避できる。
In addition, by providing the
1、1A ターボ付エンジンの排気ガス循環装置
3 排気マニホールド
4 排気管
5 吸気管
6 吸気マニホールド
7 排気ガス循環通路(EGR通路)
8 排気ガス循環弁(EGR弁)
9 EGRクーラ
10 リード弁(逆止弁)
11 ターボチャージャ
19 エンジン制御装置(ECU)
20 リリーフ弁
30 バイパス通路
A 新気
G 排気ガス
Ge 排気ガスの一部(EGRガス)
Pin 吸気側圧力(吸気圧)
Pex 排気側圧力(排気圧)
Pset 所定の設定圧力
1, 1A Exhaust gas circulation device for
8 Exhaust gas circulation valve (EGR valve)
9 EGR cooler 10 Reed valve (check valve)
11
20
Pin Intake side pressure (Intake pressure)
Pex Exhaust pressure (exhaust pressure)
Pset Predetermined set pressure
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