JPH04209923A - 過給機付エンジンの排気ガス還流装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

［０００１１

【産業上の利用分野］本発明は、主ターボチャージャと
副ターボチャージャとを備えた過給機付エンジンの排気
ガス還流装置に関し、とくにＥＣ，：Ｒガスを利用して
副ターボチャージャの助走回転を行なうようにした排気
ガス還流装置に関する。 ［０００２］ 【従来の技術】排気ガスの一部を排気系から取り出し、
適当な温度、時期、流量等の制御をして吸気系へ再循環
させるＥＧＲ装置は、ＮＯｘの低減に有効であり、多く
の車両に搭載されている。ターボチャージャ付のエンジ
ンにおいて、タービン下流はタービン上流に比べて排圧
が低く、タービン下流からＥＧＲガスを取り出すと、吸
気管圧力との差圧で注入するＥＧＲ量と領域が減少して
しまう。したがって、通常はターボチャージャのタービ
ン上流からＥＧＲガスを取り出す構成としている。図５
に示すように、主ターボチャージャ９１および副ターボ
チャージャ９２を有する過給機付エンジンの場合も、副
ターボチャージャ９２のタービン９２ａ上流側にＥＧＲ
ガスの取出口９３が設けられており、ＥＧＲガスとして
は、たとえば＃６気筒から排出された排気ガスが用いら
れる。図５の場合は、排気切替弁９４および排気バイパ
ス弁９５の閉弁時には、副ターボチャージャ９２のター
ビン９２ａには排気ガスは流入せず、副ターボチャージ
ャ９２は停止した状態となっている。主ターボチャージ
ャと副ターボチャージャとを備えたエンジンにおいては
、主ターボチャージャのみの過給作動から主、副の双方
のターボチャージャによる過給作動へ切替えを円滑に行
なうことが要求されており、その−例として副ターボチ
ャージャを助走回転させる技術が知られている。これに
関連する先行技術として、特開昭６１−１１２７３４号
公報および特開平１−３０００１７号公報が知られてい
る。前者は、副ターボチャージャのタービン下流に排気
切替弁を設け、排気の脈動圧を利用して副ターボチャー
ジャを助走させるようにしている。後者は主ターボチャ
ージャのみが過給作動する領域の過給圧を制御する小径
の排気バイパス弁を通して排出される排気を副ターボチ
ャージャのタービンに導いて副ターボチャージャの助走
回転数を高めるようにしている。 ［０００３］

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
報に開示された技術のように、排気脈動圧や排気バイパ
ス流を利用して副ターボチャージャの助走回転を行なう
ようにした場合は、２個ターボチャージャへの切替条件
に近い中負荷域にならないとその機能が十分に発揮でき
ず、副ターボチャージャの助走回転数を高めることがで
きない。そのため、とくに低負荷域（パーシャル域）か
ら急加速した場合は、１個ターボチャージャから２個タ
ーボチャージャへの切替時における過給圧の低下が大き
くなる。これは、出力トルクの変動に影響し、切替時に
はトルクショックが大となる。なお、切替時に過給圧が
一時的に低下するのは、各径路に配置された各切替弁の
切替動作によって主ターボチャージャ側の過給気が副タ
ーボチャージャ側に逃げるためである。図６に示すよう
に、ＥＧＲ取出し口１０１をエンジン排気系（触媒コン
バータ）１０２とその下流に位置する排気絞り弁１０３
との間の排気通路１０４に設定し、ＥＧＲｆｉ域で排気
絞り弁１０３を閉方向へ作動させ排気通路を絞るように
した技術は、実開昭６３−２２３６９号公報に開示され
ている。しかし、この場合は、１個のターボチャージャ
を備えたエンジンであるので、排気通路１０４を排気絞
り弁１０３で絞った場合は排圧が上昇し、出力が低下す
るという問題が生じる。 ［０００４］本発明は上記の問題に着目し、低負荷域で
も副ターボチャージャを助走回転させることができ、１
個ターボチャージャから２個ターボチャージャへの切替
時の過給圧の低下を小にすることが可能な過給機付エン
ジンの排気ガス還流装置を提供することを目的とする。 ［０００５］

【課題を解決するための手段】この目的に沿う本発明に
係る過給機付エンジンの排気ガス還流装置は、エンジン
から排出される排気ガスが流入する主ターボチャージャ
と副ターボチャージャとを備え、該副ターボチャージャ
のタービン下流の排気通路に排気切替弁を設け、低吸入
空気量域では該排気切替弁を閉じることにより主ターボ
チャージャのみを過給作動させ、高吸入空気量域では排
気切替弁を開くことにより主ターボチャージャおよび副
ターボチャージャの両方を過給作動させ、前記エンジン
から排出される排気ガスの一部をＥＧＲガスとして取出
して吸気系に還流させるようにした過給機付エンジンの
排気ガス還流装置において、前記ＥＧＲガスの取出し位
置を、前記副ターボチャージャのタービンと前記排気切
替弁との間の排気通路に設定したものから成る。 ［０００６］

【作用１このように構成された過給機付エンジンの排気
ガス還流装置においては、ＥＧＲガスの取出し位置を副
ターボチャージャのタービンと排気切替弁との間の排気
通路に設定したので、排気切替弁が閉じている１個ター
ボチャージャ域では、ＥＧＲガスは全て副ターボチャー
ジャのタービンを通過して吸気系に流入される。したが
って、低負荷域においてもＥＧＲガスの流れによって副
ターボチャージャを助走回転させることができ、１個タ
ーボチャージャから２個ターボチャージャへの切替時の
過給圧の低下を小とすることが可能となる。 ［０００７］ 【実施例】以下に、本発明に係る過給機付エンジンの排
気ガス還流装置の望ましい実施例を、図面を参照して説
明する。図１ないし図４は、本発明の一実施例を示して
おり、とくに車両に搭載される６気筒エンジンに適用し
た場合を示している。図３において、１はエンジン、２
はサージタンク、３は排気マニホールドを示す。排気マ
ニホールド３は排気干渉を伴わない＃１〜＃３気筒群と
＃４〜＃６気筒群の２つに集合され、その集合部が連通
路３ａによって互いに連通されている。７．８は互いに
並列に配置された主ターボチャージャ、副ターボチャー
ジャでる。ターボチャージャ７．８のそれぞれのタービ
ン７ａ、８ａは排気マニホールド３の集合部に接続され
、それぞれのコンプレッサ７ｂ、８ｂは、インタクーラ
６、スロットル弁４を介してサージタンク２に接続され
ている。 ［０００８］主ターボチヤージヤ７は、低吸入空気量域
から高吸入空気量域まで作動され、副ターボチャージャ
８は低吸入空気量域で停止される。双方のターボチャー
ジャ７．８の作動、停止を可能ならしめるために、副タ
ーボチャージャ８のタービン８ａの下流に排気切替弁１
７が、コンプレッサ８ｂの下流に吸気切替弁１８が設け
られる。吸、排気切替弁１８．１７の両方とも開弁のと
きは、両方のターボチャージャ７．８が作動される。副
ターボチャージャ８のタービン８ａの下流と主ターボチ
ャージャ７のタービン７ａの下流とは、排気バイパス通
路４０を介して連通可能となっている。排気バイパス通
路４０には、この排気バイパス通路４０を開閉する排気
バイパス弁４１が設けられている。排気バイパス弁４１
は、後述するようにダイヤフラム式アクチュエータ４２
によって開閉されるようになっている。 ［０００９］低吸入空気量域で停止される副ターボチャ
ージャ８の吸気通路には、１個ターボチャージャから２
個ターボチャージャへの切替を円滑にするために、コン
プレッサ７ｂの上流とコンプレッサ８ｂの下流とを連通
ずる吸気バイパス通路１３と、吸気バイパス通路１３の
途中に配設される吸気バイパス弁３３が設けられる。吸
気バイパス弁３３は、ダイヤフラム式のアクチュエータ
１０によって開閉される。吸気切替弁１８の上流と下流
とを連通するバイパス通路には、逆止弁１２が設けられ
ており、吸気切替弁１８の閉時において副ターボチャー
ジャ８側のコンプレッサ出口圧力が主ターボチャージャ
７側より大になったとき、空気が上流側から下流側に流
れることができるようにしである。なお、図中、１４は
コンプレッサ出口側の吸気通路、１５はコンプレッサ入
口側の吸気通路を示す。吸気通路１５はエアフローメー
タ２４を介してエアクリーナ２３に接続される。排気通
路を形成するフロントパイプ２０は、排気ガス触媒２１
を介して排気マフラーに接続される。吸気切替弁１８は
アクチュエータ１１によって開閉され、排気切替弁１７
はダイヤフラム式アクチュエータ１６によって開閉され
るようになっている。ウェストゲートバルブ３１は、ア
クチュエータ９によって開閉されるようになっている。 ［００１０１アクチユエータ９．１０．１１．１６．４
２は、過給圧または負圧の導入によって作動するように
なっている。各アクチュエータ９．１０．１１．１６．
４２には、正圧タンク５１からの過給圧または負圧とエ
アフローメータ２４の下流からの大気圧とを選択的に切
り替えるために、第１、第２、第３、第４、第５、第６
の電磁弁２５．２６．”２６．２８．３２．４４が接続
されている。各電磁弁２５．２６．２７．２８．３２．
４４の切替は、エンジンコントロールコンピュータ２９
からの指令に従って行なわれる。なお、第２の電磁弁２
６へ負圧を導入する通路には、負圧の一方の流れのみを
許すチエツク弁４５が介装されている。第１の電磁弁２
５のＯＮは、吸気切替弁１８を全開とするようにアクチ
ュエータ１１を作動させ、ＯＦＦは吸気切替弁１８を全
開とするようにアクチュエータ１１を作動させる。第４
の電磁弁２８のＯＮは、排気切替弁１７を全開とするよ
うにアクチュエータ１６を作動させ、ＯＦＦは排気切替
弁１７を全閉するようにアクチュエータ１６を作動させ
る。第３の電磁弁２７のＯＮは、吸気バイパス弁３３を
全閉するようにアクチュエータ１０を作動させ、ＯＦＦ
は吸気バイパス弁３３を全開するようにアクチュエータ
１０を作動させる。排気バイパス弁４１を作動させるア
クチュエータ４２に大気圧を導入する第５の電磁弁３２
は、ＯＮ、ＯＦＦ制御でなく、デユーティ制御される。 同様に、ウェストゲートバルブ３１を作動させるアクチ
ュエータ９に大気圧を導く第６の電磁弁４４は、ＯＮ、
ＯＦＦ制御でなく、デユーティ制御される。デユーティ
制御は、周知の通り、デユーティ比により通電時間を制
御することであり、デジタル的に通電、非通電の割合を
変えることにより、アナログ的に平均電流が可変制御さ
れる。なお、デユーティ比は、１サイクルの時間に対す
る通電時間の割合であり、■サイクル中の通電時間をＡ
、比通電時間をＢとすると、デユーティ比＝Ａ／　（Ａ
＋Ｂ）Ｘ１００　（％）で表わされる。本実施例では、
第５の電磁弁３２と第６の電磁弁４４をデユーティ制御
することにより、これらの電磁弁の開口量を可変させる
ことが可能となっている。 ［００１１１エンジンコントロールコンピユータ２９は
、エンジンの各種運転条件検出センサが電気的に接続さ
れ、各種センサからの信号が入力される。エンジン運転
条件検出センサには、過給圧検出手段（吸気管圧力セン
サ）３０、スロットル開度センサ５、吸入空気量測定セ
ンサとしてのエアフローメータ２４、エンジン回転数セ
ンサ５０、および酸素センサ１９が含まれる。エンジン
コントロールコンピュータ２９は、演算をするためのセ
ントラルプロセッサユニット（ＣＰＵ）、読み出し専用
のメモリであるリードオンリメモリ（ＲＯＭ）、−時記
憶用のラダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）　、入出力イン
ターフェイス（Ｉ１０インターフェイス）、各種センサ
からのアナログ信号をディジタル量に変換するＡ／Ｄコ
ンバータを備えている。排気バイパス弁４１の開度は、
アクチュエータ４２のダイヤフラム室４２ａに導入され
る過給気の大気へのブリード量（リーク量）を第５の電
磁弁３２のデユーティ制御によって可変させることによ
り可変可能となっている。ウェストゲートバルブ３１の
開度は、アクチュエータ９のダイヤフラム室９ａに導入
される過給気の大気へのブリード量（リーク量）を第６
の電磁弁４４のデユーティ制御によって可変させること
により可変可能となっている。 ［００１２１図２に示すように、副ターボチャージャ８
のタービン８ａと排気切替弁１７との間の排気通路には
、ＥＧＲガスの取出口５５が設けられている。取出口５
５は、ＥＧＲバルブ６１が介装されたＥＧＲガス通路５
６を介してスロットル弁４の下流のサージタンク２に設
けられた吐出口５７に接続されている。ＥＧＲバルブ６
１は、バキュームスイッチングバルブ（ＶＳＶ）６３と
ＥＧＲバキュームモジュレータ６２によって開弁制御さ
れるようになっている。本実施例の場合では、スロット
ル弁４が開いた状態でその下流側の吸気管負圧が、通路
６０に配置されたＶＳＶ６３およびＥＧＲバキュームモ
ジュレータ６２を介してＥＧＲバルブ６１のダイヤフラ
ム室６１ａ内に導入されるようになっている。ＶＳｖ６
３は、エンジンコントロールコンピュータ２９からの指
令によって作動−し、ＥＧＲバルブ６１のダイヤフラム
室６１ａ内に導かれる負圧値の制御によって、ＥＧＲバ
ルブ６１の開閉が行われている。ＥＧＲガス通路５６の
ＥＧＲバルブ６１よりも上流側には、ＥＧＲガスの冷却
を行なうＥＧＲガスクーラ６５が設けられている。ＥＧ
Ｒガス通路５６のＥＧＲバルブ６１の直下流には、ＥＧ
Ｒガスの温度を検出する温度センサ６６が設けられてい
る。温度センサ６６からの温度情報は、エンジンコント
ロールコンピュータ２９に入力される。なお、ＥＧＲバ
キュームモジュレータ６２は、周知の通り、エンジン負
荷に対し、ＥＧＲ率を一定に保つ排圧制御を行なう機能
を有する。本実施例では、ＥＧＲバキュームモジュレー
タ６２は、ＥＧＲバルブ６１の定圧室６１ｂの排気圧力
を感知し、これを大気圧付近に保つようにＥＧＲバルブ
６１のダイヤフラム室６１ａに作用するＥＧＲポート負
圧を調整する。 ［００１３］つぎに、上記の過給機付エンジンの排気ガ
ス還流装置における作用を説明する。上述したように、
本過給機付エンジンの高吸入空気量域では、吸気切替弁
１８と排気切替弁１７がともに開かれ、吸気バイパス弁
３３が閉じられる。これによって２個ターボチャージャ
７．８が過給作動し、十分な過給空気量が得られ、出力
が向上される。このとき過給圧は、＋５００ｍｍＨｇを
越えないように、デユーティ制御されるウェストゲート
バルブ３１により制御される。つまり、吸入空気量が増
大する２個ターボチャージャ時には、ウェストゲートバ
ルブ３１が開弁し、開弁後はアクチュエータ９のダイヤ
フラム室９ａ内に導入される過給気のブリード量を制御
してダイヤフラム室内圧力を変化させることにより、ウ
ェストゲートバルブ３１の開度が可変され、過給圧制御
が行なわれる。低速域でかつ高負荷時には、吸気切替弁
１８と排気切替弁１７がともに閉じられ、吸気バイパス
弁３３が開かれる。これによって１個のターボチャージ
ャ７のみが駆動される。低吸入空気量域で１個ターボチ
ャージャとする理由は、低吸入空気量域では１個ターボ
チャージャ過給特性が２個ターボチャージャ過給特性よ
り優れているからである。１個ターボチャージャとする
ことにより、過給圧、トルクの立上りが早くなり、レス
ポンスが迅速となる。低速域でかつ軽負荷時には、排気
切替弁１７を閉じたまま吸気切替弁１８を開にする。こ
れによって、１個ターボチャージャ駆動のまま、吸気通
路２個ターボチャージャ分が開となり、１個ターボチャ
ージャによる吸気抵抗の増加を除去できる。したがって
、低負荷からの加速初期における過給圧立上り特性、レ
スポンスをさらに改善できる。低吸入空気量域から高吸
入空気量域に移行するとき、つまり１個ターボチャージ
ャから２個ターボチャージャ作動へ切り替えるときには
、吸気切替弁１８および排気切替弁１７が閉じられてい
るときに排気バイパス弁４１をデユーティ制御により小
開制御し、さらに吸気バイパス弁３３を閉じることによ
り副ターボチャージャ８の助走回転数を高め、ターボチ
ャージャの切替をより円滑（切替時のショックを小さく
）に行うことが可能になる。 ［００１４］低吸入空気量域においては、排気切替弁１
７は閉弁状態にあり、排気切替弁１７の上流にはＥＧＲ
ガスの取出口５５が位置しているので、一方の気筒群か
ら排出される排気ガスのうち一部は、連通路３ａを介し
て主ターボチャージャ７へ流入し、残りは副ターボチャ
ージャ８へ流入することになる。副ターボチャージャ８
に流入した排気ガスは、タービン８ａを回転させた後、
取出口５５からＥＧＲガス通路５６に向って流れる。そ
のため、副ターボチャージャ８を低負荷域から助走回転
させることが可能となる。図４は、副ターボチャージャ
８のタービン８ａの回転数、吸気管圧力、スロットル開
度の関係を示している。図の破線で示す特性Ｔ２のよう
に、従来技術でも副ターボチャージャのタービン下流に
排気切替弁が設けられているため、排気脈動圧により副
ターボチャージャは常に成る回転数で回転している。そ
して、１個ターボチャージャ作動での吸気管圧力（過給
圧Ｐ）が設定値になると排気バイパス弁小開制御され、
排気ガスの一部を副ターボチャージャのタービンに流し
て副ターボチャージャの助走回転数を高め、さらに吸気
バイパス弁を閉じることにより副ターボチャージャの助
走回転数が高められる。しかしながら、低負荷状態から
急激に加速された場合には、副ターボチャージャの助走
回転数の立上がりが遅れてターボチャージャ切替時に過
給圧Ｐの低下が大となる。これに対して１本発明のよう
にタービン８ａをＥＧＲガスによって助走回転させた場
合は、図５の実線で示す特性Ｔｚのように、副ターボチ
ャージャ８の助走回転数の初期値が従来特性Ｔ２に比べ
て高く、１個ターボチャージャから２個ターボチャージ
ャへの切替時における副ターボチャージャ８の助走回転
数を十分に高めることができ、切替時の過給圧Ｐの低下
は小に抑えられる。このように、ＥＧＲガスを利用する
ことにより、排気バイパス弁４１による助走回転機能に
加え低負荷域（パーシャル域）でも副ターボチャージャ
８の助走回転が可能となるので、１個ターボチャージャ
から２個ターボチャージャへの切替時の副ターボチャー
ジャ８の助走回転数を高めることが可能となる。したが
って、低負荷状態から急激な加速を行なう場合でも切替
時における過給圧の大幅な低下が抑制され、切替時のト
ルクショックが軽減される。 ［００１５］

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る過給
機付エンジンの排気ガス還流装置によるときは、ＥＧＲ
ガスの取出し位置を、副ターボチャージャのタービンと
過給作動の切替を行なう排気切替弁との間の排気通路に
設定したので、以下の効果が得られる。 （イ）排気切替弁が閉じている領域では、ＥＧＲガスは
全て副ターボチャージャのタービンを経由して吸気系に
還流されるので、低負荷域でも副ターボチャージャを助
走回転させることができ、切替時における副ターボチャ
ージャの助走回転数を高めることができる。したがって
、１個ターボチャージャから２個ターボチャージャへの
切替時の過給圧の低下を小に抑えることができ、切替時
のトルクショックを軽減することができる。 （ロ）ＥＧＲ制御を行なう領域では、常に副ターボチャ
ージャをより高い回転数で回転させることができるので
、副ターボチャージャの軸受部に供給される潤滑油のコ
ーキングを防止することができる。 （ハ）通常走行時でも副ターボチャージャに排気ガスが
流れるので、主ターボチャージャと副ターボチャージャ
の温度差が小さくなり、熱歪に対して有利となる。 （ニ）副ターボチャージャのタービン上流からＥＧＲガ
スを取出す場合は、特定気筒の空燃比の影響を受けやす
くなるが、副ターボチャージャのタービン下流からＥＧ
Ｒガスを取出すようにしているので、取出されたＥＧＲ
ガスはタービンによって十分に撹拌されたものとなる。 したがって、特定気筒の影響を受けることがなくなり、
空燃比（Ａ／Ｆ）分配の改善がはかれる。 （ホ）また、ＥＧＲガスの取出しをタービン下流とした
ことにより、還流されるＥＧＲガスの温度をタービン駆
動のためのエネルギー変換によって下げることができ、
ＥＧＲクーラ等の冷却手段を小型化ないしは廃止するこ
とも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る過給機付エンジンの排
気還流装置の要部断面図である。

【図２】本発明の一実施例に係る過給機付エンジンの排
気還流装置の系統図である。

【図３】図２の過給機付エンジンにおける各切替弁の制
御系統図である。

【図４】図２の装置におけるスロットル開度と吸気管圧
力と副ターボチャージャのタービン回転数との関係を示
す特性図である。

【図５】従来の過給機付エンジンの排気ガス還流装置の
要部断面図である。

【図６】実開昭６３−２２３６９号公報に開示されてい
る排気ガス還流装置の全体系統図である。

【符号の説明】

１　エンジン ４　スロットル弁 ７　主ターボチャージャ ８　副ターボチャージャ ８ａ　タービン １７　排気切替弁 ５５　　ＥＧＲガスの取出口 ５６　　ＥＧＲガス通路 ６１　　ＥＧＲバルブ

【図１】

【図３】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジンから排出される排気ガスが流入す
   る主ターボチャージャと副ターボチャージャとを備え、
   該副ターボチャージャのタービン下流の排気通路に排気
   切替弁を設け、低吸入空気量域では該排気切替弁を閉じ
   ることにより主ターボチャージャのみを過給作動させ、
   高吸入空気量域では排気切替弁を開くことにより主ター
   ボチャージャおよび副ターボチャージャの両方を過給作
   動させ、前記エンジンから排出される排気ガスの一部を
   ＥＧＲガスとして取出して吸気系に還流させるようにし
   た過給機付エンジンの排気ガス還流装置において、前記
   ＥＧＲガスの取出し位置を、前記副ターボチャージャの
   タービンと前記排気切替弁との間の排気通路に設定した
   ことを特徴とする過給機付エンジンの排気ガス還流装置
   。