JP5814008B2 - 蓄圧式ｅｇｒシステム - Google Patents

Description

本発明は、蓄圧式ＥＧＲシステムに関するものである。

従来より、自動車のエンジン等では、排気側から排気ガスの一部を抜き出して吸気側へと戻し、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。

図４は前述した排気ガス再循環を行うためのＥＧＲ装置の一例を模式的に示すもので、図中１はターボチャージャ２を過給システムとして搭載したディーゼル機関であるエンジンを示し、エアクリーナ３から導いた吸気４を吸気管５を通し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をインタークーラ６へと送って冷却し、該インタークーラ６から更に吸気マニホールド７へと吸気４を導いてエンジン１の各気筒８の吸気ポート９（図示では模式的に示しているが通常は各気筒８につき二つずつ）に吸気バルブ９ｖを介して分配するようにしてある。

また、このエンジン１の各気筒８の排気ポート１０（図示では模式的に示しているが通常は各気筒８につき二つずつ）から排気バルブ１０ｖを介して排出された排気ガス１１を排気マニホールド１２を介して前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへと送り、該タービン２ｂを駆動した排気ガス１１を排気管１３を介して車外へ排出するようにしてある。

そして、排気マニホールド１２の各気筒８の並び方向の一端部と、吸気管５のインタークーラ６より下流の中途部との間がＥＧＲライン１４により接続されており、排気マニホールド１２から排気ガス１１の一部を抜き出して吸気管５に導き得るようにしてある。

ここで、前記ＥＧＲライン１４には、該ＥＧＲライン１４を適宜に開閉するＥＧＲ制御弁１５と、再循環されるＥＧＲガス１１’を冷却するためのＥＧＲクーラ１６とが装備され、該ＥＧＲクーラ１６では、冷却水とＥＧＲガス１１’とを熱交換させることによりＥＧＲガス１１’の温度を低下し得るようになっており、この水冷したＥＧＲガス１１’のエンジン１への再循環により燃焼温度の低下を図り得るようにしてある。

ただし、前述した如きターボチャージャ２付きのエンジン１においては、吸気側が過給されているために高負荷域等で排気側との圧力差が少なくなってしまい、高いＥＧＲ率を実現することが難しいという問題があるが、ターボチャージャ２として、タービン２ｂ側のノズル部に角度調整可能な多数のノズルベーンを環状に備えてノズル開度を任意に変更し得るようにしたマルチベーンタイプの可変ノズルターボ（バリアブルジオメトリターボチャージャ）を採用し、必要に応じタービン２ｂ側のノズル開度を小さく絞り込んでノズル部における排気ガス１１の通過抵抗を増やし、これにより排気マニホールド１２の圧力を高めて吸気側と排気側との圧力差を確保することが行われている。

ただし、タービン２ｂ側のノズル開度を小さく絞り込んで排気マニホールド１２の圧力を高める操作は、タービン２ｂにおける排気ガス１１の旋速を上げてタービン２ｂの回転数を上げる操作でもあり、コンプレッサ２ａ側の出口圧力（過給圧）も上昇してしまうことになるが、タービン２ｂでの効率が悪くなることで排気マニホールド１２の方がコンプレッサ２ａの出口よりも圧力上昇の度合が高くなるため、比較的高い圧力領域で吸気側と排気側との圧力差が確保されて高いＥＧＲ率が実現されることになる。

尚、排気マニホールド１２から抜き出した排気ガス１１の一部を吸気管５へ再循環するようにした例を開示する先行技術文献情報としては下記の特許文献１等がある。

特開２００１−１２３８８９号公報

しかしながら、このように比較的高い圧力領域で吸気側と排気側との圧力差を確保して排気ガス再循環を行うと、多量のＥＧＲガス１１’を再循環することができて高いＥＧＲ率を実現できる一方、吸気４（新気）が入り難くなって燃焼に必要な吸気４が量的に不足する虞れが生じるため、必要な量の吸気４を確保し得るようＥＧＲ制御弁１５の開度を絞り込んでＥＧＲガス１１’の再循環量を抑制する措置が採られているが、多量のＥＧＲガス１１’が再循環することでバランスしている排気側と吸気側との関係が、前記ＥＧＲ制御弁１５の開度を絞り込むことでエンジン１の排気圧が過給圧よりも大幅に高くなるような極端な状態となり、これによりエンジン１の排気抵抗が大きくなってポンピングロスが過大となり、燃費の大幅な悪化を招いてしまうという問題があった。

また、近年においては、エンジンのダウンサイジングやトルクアップを実現するために、過給システムを高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャとから成る二段式の過給システムとしたものがあるが、このような二段式の過給システムにおいては、図に示した単段式のものよりも更に圧力比が高くなるので、前述の如き運転状態で必要な量の吸気４を確保するためにＥＧＲ制御弁１５の開度を絞り込んでしまうと、ポンピングロスがより一層過大となって燃費の悪化が更に顕著なものとなる虞れがあった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、過給システムにより過給を行いながらも高いＥＧＲ率での排気再循環を実現し且つ燃焼に必要な吸気の量を極端な排気圧の上昇を招くことなく確保することを目的とする。

本発明は、適宜な段数のターボチャージャから成る過給システムを備えたエンジンに既存のＥＧＲ装置と併用して用いられる蓄圧式ＥＧＲシステムであって、エンジンの各気筒に吸気ポートとは別に設けられた排気再循環専用のＥＧＲポートと、前記エンジンの各気筒の並び方向に延在して前記各ＥＧＲポートに対しＥＧＲバルブを介して接続されたＥＧＲガスを蓄圧するためのＥＧＲレールと、排気通路の途中から排気ガスの一部をＥＧＲガスとして抜き出して前記ＥＧＲレールに再循環するＥＧＲラインと、前記ＥＧＲレールにＥＧＲガスを再循環する該ＥＧＲラインの途中に装備され且つ前記ＥＧＲガスを昇圧して前記ＥＧＲレールに導入するＥＧＲポンプとを備え、
前記ＥＧＲポートの前記ＥＧＲバルブは、エンジンの吸気側と排気側との圧力差が少ない運転条件となった場合に、排気上死点直後の吸気工程の前半で吸気バルブと一緒に開けるように構成されたことを特徴とする蓄圧式ＥＧＲシステム、にかかるものである。

而して、このようにした場合に、排気通路の途中から排気ガスの一部をＥＧＲガスとしてＥＧＲラインに抜き出し、このＥＧＲガスをＥＧＲポンプにより昇圧してＥＧＲレールに導入すると、該ＥＧＲレール内にＥＧＲガスが蓄圧されるので、高負荷域等でエンジンの吸気側と排気側との圧力差が少ない運転条件となっていても、排気上死点直後の吸気工程の前半で吸気バルブと一緒にＥＧＲポートのＥＧＲバルブを開ければ、ＥＧＲレール内に蓄圧されたＥＧＲガスが気筒内に開放され且つ吸気工程でのピストンの下降により無理なく引き込まれることになり、排気絞りにより排気圧を高めるような措置を採らなくても、ＥＧＲガスが吸気と共に気筒内に直接導入されて高いＥＧＲ率での排気再循環が実現されることになる。

また、既存のＥＧＲ装置では、急加速時等において、必要な吸気量を確保するためにＥＧＲ制御弁を閉じなければならなかったが、このような運転条件下でも、ＥＧＲバルブを開けてＥＧＲガスを各気筒内に直接導入し、排気再循環を休止することなく継続することが可能となる。

更に、本発明においては、ＥＧＲラインにおけるＥＧＲポンプの前後にＥＧＲクーラを備えるようにしても良く、このようにすれば、前段のＥＧＲクーラにより排気ガスが冷却されて容積が小さくなることによりＥＧＲポンプでの圧縮効率が上がるので、該ＥＧＲポンプの駆動力を低減することが可能であり、しかも、このＥＧＲポンプでの昇圧により温度上昇した排気ガスを後段のＥＧＲクーラで再び冷却して容積を小さくした上でＥＧＲレールに導入することにより各気筒へのＥＧＲガスの充填効率が上がるので、各気筒内での燃焼悪化を招くことなく燃焼温度を低下して効果的にＮＯxの発生を抑制することが可能となる。

上記した本発明の蓄圧式ＥＧＲシステムによれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、過給システムにより過給を行いながらも高いＥＧＲ率での排気再循環を実現し且つ燃焼に必要な吸気の量を極端な排気圧の上昇を招くことなく確保することができるので、エンジンの排気圧が過給圧よりも大幅に高くなるような極端な状態を未然に回避することができ、これによりエンジンのポンピングロスを著しく低減して燃費の大幅な改善を図ることができる。
また、本発明の請求項１に記載の発明によれば、高負荷域等でエンジンの吸気側と排気側との圧力差が少ない運転条件となった場合に、排気上死点直後の吸気工程の前半で吸気バルブと一緒にＥＧＲポートのＥＧＲバルブを開けることにより、ＥＧＲレール内に蓄圧されたＥＧＲガスが吸気工程でのピストンの下降により気筒内に無理なく引き込まれるので、排気絞りにより排気圧を高めるような措置を採らなくても、ＥＧＲガスが吸気と共に気筒内に直接導入されて高いＥＧＲ率での排気再循環を実現することができる。

（ＩＩ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、これまでの既存のＥＧＲ装置で排気再循環を休止しなければならなかったような急加速時等の運転条件下であっても、任意のタイミングでＥＧＲガスを各気筒内に直接導入して排気再循環を継続することができるので、特定の運転条件下でＮＯx排出量が突発的に増加してしまうような事態を未然に防止することができる。

（ＩＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、前段のＥＧＲクーラにより排気ガスを冷却して容積を小さくすることができるので、ＥＧＲポンプでの圧縮効率を上げて該ＥＧＲポンプの駆動力を低減することができ、しかも、このＥＧＲポンプでの昇圧により温度上昇した排気ガスを後段のＥＧＲクーラで再び冷却して容積を小さくした上でＥＧＲレールに導入することにより各気筒へのＥＧＲガスの充填効率を上げることができ、各気筒内での燃焼悪化を招くことなく燃焼温度を低下して効果的にＮＯxの発生を抑制することができる。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 図１の要部の詳細を示す拡大図である。 ＥＧＲバルブの開弁タイミングを説明するグラフである。 従来例を示す概略図である。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図３は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図４と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。

図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、本形態例においては、前述した図４と略同様のエンジン１に後述の蓄圧式ＥＧＲシステム１７を搭載した場合を例示しており、このエンジン１には、既存のＥＧＲ装置を成すＥＧＲライン１４とＥＧＲ制御弁１５とＥＧＲクーラ１６とが装備されており、このような既存のＥＧＲ装置と併用して前記蓄圧式ＥＧＲシステム１７が用いられるようになっている。

また、ここに図示している例では、前述した図４の従来例で単段のターボチャージャ２により構成されていた過給システムを、エンジン１から送出される排気ガス１１によって高圧段タービン１８ｂを作動させ且つ高圧段コンプレッサ１８ａで圧縮した吸気４をエンジン１へ送給する高圧段ターボチャージャ１８と、該高圧段ターボチャージャ１８の高圧段タービン１８ｂから送出される排気ガス１１によって低圧段タービン１９ｂを作動させ且つ低圧段コンプレッサ１９ａで圧縮した吸気４を前記高圧段コンプレッサ１８ａへ送給する低圧段ターボチャージャ１９とにより二段式の過給システムに変更した場合を例示しており、高圧段コンプレッサ１８ａと低圧段コンプレッサ１９ａとの間にインタークーラ６を配置し且つ前記高圧段コンプレッサ１８ａの下流側にアフタークーラ２０を新設した構造としてある。

そして、このような二段式の過給システムを搭載したエンジン１に既存のＥＧＲ装置と併用して用いられる本形態例の蓄圧式ＥＧＲシステム１７は、エンジン１の各気筒８に吸気ポート９とは別に設けられた排気再循環専用のＥＧＲポート２１と、前記エンジン１の各気筒８の並び方向に延在して前記各ＥＧＲポート２１に対しＥＧＲバルブ２１ｖを介して接続されたＥＧＲガス１１’を蓄圧するためのＥＧＲレール２２と、高圧段タービン１８ｂ出側の排気管１３’から排気ガス１１の一部をＥＧＲガス１１’として抜き出して前記ＥＧＲレール２２に再循環するＥＧＲライン２３と、該ＥＧＲライン２３の途中に装備され且つ前記ＥＧＲガス１１’を昇圧して前記ＥＧＲレール２２に導入するＥＧＲポンプ２４とを備えて構成されており、特に本形態例では、ＥＧＲライン２３におけるＥＧＲポンプ２４の前後にＥＧＲクーラ２５，２６を備えた構成を採用している。

ここで、図１では模式的な図示となっているが、実際には図２に拡大して示す如く、各気筒８ごとに吸気ポート９を二つずつ、ＥＧＲポート２１を一つずつ設けており、排気ポート１０については、設置の都合上から各気筒８ごとに一つずつしか設けられない場合は、ポート有効径を極力大きくとることで排気効率低下を防ぐようにする。

尚、吸気バルブ９ｖ，排気バルブ１０ｖ，ＥＧＲバルブ２１ｖの駆動は通常のカム駆動でも良いが、制御性を上げるためには、油圧や電磁力等を利用したカムレス方式で任意に開弁操作を行い得るようにすることが好ましく、特にＥＧＲバルブ２１ｖについては、エンジン１の定常運転、過渡運転でＥＧＲ率の精密制御を行う必要性が考えられるため、カムレス方式で任意に開弁操作を行い得るようにしておくと良い。

また、前記ＥＧＲレール２２は、例えば、エンジン１のシリンダヘッド内に構成することが可能であり、このシリンダヘッド内のウォータージャケットでの冷却効果が十分であるならば、前記ＥＧＲポンプ２４の後段のＥＧＲクーラ２６を省くことも可能である。

更に、前記ＥＧＲライン２３の最終端には、調圧機能を備えた逆止弁２７が備えられており、ＥＧＲポンプ２４によりＥＧＲレール２２に導入されたＥＧＲガス１１’が前記ＥＧＲレール２２内に確実に封入されると共に、該ＥＧＲレール２２内が過剰に圧力上昇しないようになっている。

また、前記ＥＧＲポンプ２４は、例えば、車両搭載のバッテリを電源とする電動機により駆動させるようにすれば良いが、エンジン１の動力をギヤトレーン等を介して導くことにより駆動させるようにしても良く、必要時に作動させて不要時には休止できるようにしておくことが好ましい。

而して、高圧段タービン１８ｂ出側の排気管１３’から排気ガス１１の一部をＥＧＲガス１１’としてＥＧＲライン２３に抜き出し、このＥＧＲガス１１’をＥＧＲポンプ２４により昇圧してＥＧＲレール２２に導入すると、該ＥＧＲレール２２内にＥＧＲガス１１’が蓄圧されるので、高負荷域等で吸気側と排気側との圧力差が少ない運転条件となった場合に、図３に一例を示す如き排気上死点（ＴＤＣ）直後の吸気工程の前半で吸気バルブ９ｖと一緒にＥＧＲポート２１のＥＧＲバルブ２１ｖを開ければ、ＥＧＲレール２２内に蓄圧されたＥＧＲガス１１’が気筒８内に開放され且つ吸気工程でのピストンの下降により無理なく引き込まれることになり、排気絞りにより排気圧を高めるような措置を採らなくても、ＥＧＲガス１１’が吸気４と共に気筒８内に直接導入されて高いＥＧＲ率での排気再循環が実現されることになる。

尚、吸気側と排気側との圧力差が十分に確保できる低・中負荷域等では、ＥＧＲライン１４とＥＧＲ制御弁１５とＥＧＲクーラ１６とから成る既存のＥＧＲ装置を利用して排気再循環を行えば良い。

また、既存のＥＧＲ装置では、急加速時等において、必要な吸気量を確保するためにＥＧＲ制御弁１５を閉じなければならなかったが、このような運転条件下でも、ＥＧＲバルブ２１ｖを開けてＥＧＲガス１１’を各気筒８内に直接導入し、排気再循環を休止することなく継続することが可能となる。

更に、本形態例においては、ＥＧＲライン２３におけるＥＧＲポンプ２４の前後にＥＧＲクーラ２５，２６を備えているので、前段のＥＧＲクーラ２５により排気ガス１１が冷却されて容積が小さくなることによりＥＧＲポンプ２４での圧縮効率が上がり、該ＥＧＲポンプ２４の駆動力を低減することが可能となる。

しかも、このＥＧＲポンプ２４での昇圧により温度上昇した排気ガス１１を後段のＥＧＲクーラ２６で再び冷却して容積を小さくした上でＥＧＲレール２２に導入することにより各気筒８へのＥＧＲガス１１’の充填効率が上がり、各気筒８内での燃焼悪化を招くことなく燃焼温度を低下して効果的にＮＯxの発生を抑制することが可能となる。

従って、上記形態例によれば、過給システムにより過給を行いながらも高いＥＧＲ率での排気再循環を実現し且つ燃焼に必要な吸気の量を極端な排気圧の上昇を招くことなく確保することができるので、エンジン１の排気圧が過給圧よりも大幅に高くなるような極端な状態を未然に回避することができ、これによりエンジン１のポンピングロスを著しく低減して燃費の大幅な改善を図ることができる。

また、これまでの既存のＥＧＲ装置で排気再循環を休止しなければならなかったような急加速時等の運転条件下であっても、任意のタイミングでＥＧＲガス１１’を各気筒８内に直接導入して排気再循環を継続することができるので、特定の運転条件下でＮＯx排出量が突発的に増加してしまうような事態を未然に防止することができる。

更に、前段のＥＧＲクーラ２５により排気ガス１１を冷却して容積を小さくすることができるので、ＥＧＲポンプ２４での圧縮効率を上げて該ＥＧＲポンプ２４の駆動力を低減することができ、しかも、このＥＧＲポンプ２４での昇圧により温度上昇した排気ガス１１を後段のＥＧＲクーラ２６で再び冷却して容積を小さくした上でＥＧＲレール２２に導入することにより各気筒８へのＥＧＲガス１１’の充填効率を上げることができ、各気筒８内での燃焼悪化を招くことなく燃焼温度を低下して効果的にＮＯxの発生を抑制することができる。

また、以上に述べた説明では、高圧段タービン１８ｂ出側の排気管１３’から排気ガス１１の一部をＥＧＲガス１１’としてＥＧＲライン２３に抜き出す場合で説明しているが、図１中に仮想線で示す如く、低圧段タービン１９ｂ出側の排気管１３からＥＧＲガス１１’を抜き出す分岐ライン２８や、高圧段タービン１８ｂ入側の排気管１３からＥＧＲガス１１’を抜き出す分岐ライン２９とを備え、流路切換弁３０によりＥＧＲガス１１’の抜き出し位置を適宜に変更し得るようにしても良い。

即ち、ＥＧＲポンプ２４のポンプ仕事を減らすためには、ポンプ前後の圧力差が少ないことが望ましいが、運転条件によっては、ＥＧＲガス１１’をタービンに流すことによるターボ効率の向上分の仕事がポンプ仕事を上回ることで燃費改善が見込まれるので、このような運転条件においては、流路切換弁３０により分岐ライン２８を選択して低圧段タービン１９ｂ出側の排気管１３からＥＧＲガス１１’を抜き出すようにしても良い。

また、過渡時（急加速等）では、排気再循環の応答性から極力短い経路を選択することが有効であるため、流路切換弁３０により分岐ライン２９を選択して高圧段タービン１８ｂ入側の排気管１３からＥＧＲガス１１’を抜き出すようにしても良い。

尚、本発明の蓄圧式ＥＧＲシステムは、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、単段のターボチャージャ或いは三段以上のターボチャージャにより構成された過給システムを備えたエンジンに適用しても良いこと、また、過給システムは機械式過給器であっても良いこと、更に、吸気ポート，吸気バルブ，排気ポート，排気バルブ，ＥＧＲポート，ＥＧＲバルブの数は必ずしも図２の例に限定されないこと、その他、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
８ 気筒
９ 吸気ポート
９ｖ 吸気バルブ
１０ 排気ポート
１０ｖ 排気バルブ
１１ 排気ガス
１１’ ＥＧＲガス
１３ 排気管（排気通路）
１７ 蓄圧式ＥＧＲシステム
１８ 高圧段ターボチャージャ
１８ａ 高圧段コンプレッサ
１８ｂ 高圧段タービン
１９ 低圧段ターボチャージャ
１９ａ 低圧段コンプレッサ
１９ｂ 低圧段タービン
２１ ＥＧＲポート
２１ｖ ＥＧＲバルブ
２２ ＥＧＲレール
２３ ＥＧＲライン
２４ ＥＧＲポンプ
２５ ＥＧＲクーラ
２６ ＥＧＲクーラ

Claims (2)

1. 適宜な段数のターボチャージャから成る過給システムを備えたエンジンに既存のＥＧＲ装置と併用して用いられる蓄圧式ＥＧＲシステムであって、エンジンの各気筒に吸気ポートとは別に設けられた排気再循環専用のＥＧＲポートと、前記エンジンの各気筒の並び方向に延在して前記各ＥＧＲポートに対しＥＧＲバルブを介して接続されたＥＧＲガスを蓄圧するためのＥＧＲレールと、排気通路の途中から排気ガスの一部をＥＧＲガスとして抜き出して前記ＥＧＲレールに再循環するＥＧＲラインと、前記ＥＧＲレールにＥＧＲガスを再循環する該ＥＧＲラインの途中に装備され且つ前記ＥＧＲガスを昇圧して前記ＥＧＲレールに導入するＥＧＲポンプとを備え、
   前記ＥＧＲポートの前記ＥＧＲバルブは、エンジンの吸気側と排気側との圧力差が少ない運転条件となった場合に、排気上死点直後の吸気工程の前半で吸気バルブと一緒に開けるように構成されたことを特徴とする蓄圧式ＥＧＲシステム。
2. ＥＧＲラインにおけるＥＧＲポンプの前後にＥＧＲクーラを備えたことを特徴とする請求項１に記載の蓄圧式ＥＧＲシステム。

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