JPH07166879A - ターボチャージャ付エンジンの排気還流装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 エンジンのいろいろな動作状態において、最
適とされている量の排気還流が行えるようにしたターボ
チャージャ付エンジンの排気還流装置を提供すること。 【構成】 ターボチャージャとして可変容量型ターボチ
ャージャ８１を使用し、このタービン７１入口側から取
り出した排気を、排気還流パイプ１３を通じて還流す
る。タービン入口側の排気圧は、可変容量型ターボチャ
ージャの可動ノズルの開度をステップモータ２３により
制御できるので、排気還流を可能とする「排気圧＞ブー
スト圧」の関係を容易に得ることが出来る。排気還流パ
イプ１３内の還流量制御弁２０は、還流排気量がエンジ
ンの燃焼を損なうことなく、適量となるように制御す
る。排気圧やブースト圧が危険な程に上昇しすぎる場合
は、排気ウエストパイプ２２内の排気ウエストバルブ２
１を開くことにより低下させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＮＯｘをより一層低減
するためのターボチャージャ付エンジンの排気還流装置
（「ＥＧＲ装置」とも言う。ＥＧＲ：Exhaust Gas Reci
rculation ）に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】排気還流装置は、自動車のエンジン等に
おいて、エンジンの排気の一部を吸気と混合してエンジ
ンの燃焼室に送り、燃焼時の最高温度を下げることによ
りＮＯｘの発生量を低減する装置である。この排気還流
装置は、ターボチャージャ付エンジンの場合にも適用さ
れる。

【０００３】図１１は、従来のターボチャージャ付エン
ジンの排気還流装置を示す図である。図１１において、
１はエンジン回転センサ、２はエンジン、３は吸気マニ
フォールド、４は排気マニフォールド、５は排気パイ
プ、６はコンプレッサ、７はタービン、８はターボチャ
ージャ、９は吸気マニフォールドのエンジン連結部、１
０は排気マニフォールドのエンジン連結部、１１はエア
クリーナ、１２は吸気パイプ、１３は排気還流パイプ、
１４は排気還流バルブ、１５はブースト圧センサ、１６
は排気圧センサ、１７はフライホイール・ハウジング、
１８はコントローラ、１９はアクセル開度センサであ
る。

【０００４】排気還流パイプ１３は、排気パイプ５と吸
気パイプ１２とを結ぶパイプであり、その中に排気還流
バルブ１４が設けられている。排気還流バルブ１４の開
閉は、コントローラ１８によって制御される。排気還流
を行う時には、排気還流バルブ１４が開かれる。

【０００５】吸気および排気の流れは、次の通りであ
る。吸気は、エアクリーナ１１→コンプレッサ６→吸気
パイプ１２→吸気マニフォールド３→エンジン２という
経路で流れる。一方、排気は、エンジン２→排気マニフ
ォールド４→排気パイプ５→タービン７の経路で外部へ
排出される。そして、もし、排気還流バルブ１４が開か
れていれば、タービン７の入口側で排気の一部が、排気
還流パイプ１３を通って吸気パイプ１２へ供給される。

【０００６】排気還流バルブ１４の開閉を指令する信号
は、ブースト圧センサ１５，排気圧センサ１６，アクセ
ル開度センサ１９等からの検出信号およびエンジン運転
状況を基にして生成される。例えば、ＮＯｘの発生量が
少ない運転状況では、排気還流をする必要はないから、
排気還流バルブ１４は開かれない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】

（問題点）しかしながら、前記した従来のターボチャー
ジャ付エンジンの排気還流装置では、運転状況によって
はブースト圧と排気圧の大小関係が排気還流を行い得る
関係になっておらず、運転状況に合わせて最適とされる
排気還流を行うことが必ずしも出来るとは限らないとい
う問題点があった。

【０００８】（問題点の説明）図１０は、或るエンジン
において最適とされる排気還流率を示す図である。横軸
はエンジン回転数を表し（回転数１００％＝定格回転
数）、縦軸は負荷を表している（負荷１００％＝アクセ
ルペダルを最大に踏み込んだ時の負荷）。排気還流率と
は、次式で表される率である。

【０００９】この図は、どのような運転状況の時には何
％の排気還流を行えば、そのエンジンにとって最適かを
表す図である。曲線イ，ロ，ハ，ニは、それぞれ排気還
流率を４０％，３０％，１０％，５％とするのが最適で
あるという点を連ねた曲線である。従って、例えば、回
転数５０％，負荷４３％という運転状況に相当する動作
点Ｑは、１０％の曲線ハの上にあるから、この時には排
気還流率１０％の排気還流を行うのが、このエンジンに
とって最適であることが分かる。

【００１０】しかしながら、従来のターボチャージャ付
エンジンの排気還流装置では、運転状況によっては「排
気圧＞ブースト圧」という関係になってはおらず、排気
還流を行おうとしても行えないことがあった。例えば、
エンジンが高負荷状態で効率よく運転している時であ
る。次にそれを説明する。

【００１１】図１２は、同一回転数における従来のター
ボチャージャ付エンジンにおける排気圧，ブースト圧お
よび出力の変化を示す図である。横軸には当量比をと
り、縦軸には出力と圧力をとっている。なお、当量比と
は、空気と燃料との混合比に関連した値である。空気と
燃料との理論的に最もよいとされている混合比を１（当
量）とし、それに対する比の値が当量比である。当量比
が１より小だと、理想状態よりも燃料が少なく、１より
大だと理想状態よりも多い。

【００１２】図１２で、曲線イはブースト圧，曲線ロは
排気圧，曲線ハは出力を表している。出力曲線ハは、当
量比が大になると（つまり、燃料が多く噴射されると）
上昇して行く。図中のＢで示す領域は、曲線ハが高い領
域、つまり高出力（高負荷）で運転されている領域であ
る。一般に、エンジンでは、高出力の時に効率よく運転
されるように設計されている。

【００１３】エンジンの効率を良くするために考慮され
る第１の点は、燃焼に必要とされる酸素を充分に供給す
ることである。ブースト圧を大にすれば、吸気が多量に
供給されるから、酸素の量も多くなる。従って、ブース
ト圧が大にされる。エンジンの効率を良くするために考
慮される第２の点は、ポンピングロスを小にすることで
ある。このロスは、排気圧が小であれば小である。なぜ
なら、排気をエンジンシリンダから押し出すための仕事
はロスに他ならないが、エンジンシリンダの外の圧力で
ある排気圧に抗して押し出すから、それが小であれば押
し出し易く、仕事量は少なくて済むからである。

【００１４】従って、図１２のＢ領域に示すように、高
出力時には、ブースト圧（曲線イ）は高く，排気圧（曲
線ロ）は低くなるように設計されている。ブースト圧
（曲線イ）は当量比の増大と共に上昇し、当量比がＡの
時に排気圧（曲線ロ）と等しくなり、それを越えると排
気圧より大となる。領域Ｂは、当量比がＡより大の範囲
に存在している。

【００１５】エンジンが高出力で運転している状況で
は、ブースト圧と排気圧との大小関係が前記のようにな
っているので、その運転時にＮＯｘを低減しようとして
排気還流バルブ１４を開いても、排気還流を行うことは
出来なかった。

【００１６】ブースト圧が排気圧を上回る運転領域にお
いても排気還流を行う技術として、特開昭63−253115号
公報がある。該特開昭63−253115号公報の技術は、可変
容量型のターボチャージャを用いて、ブースト圧が排気
圧を上回る運転領域においては、ターボチャージャの可
動ノズルを絞り、排気圧を強制的に上昇させて「排気圧
＞ブースト圧」の関係を得るものである。

【００１７】しかしながら、特開昭63−253115号公報の
技術では、排気還流量の制御をターボチャージャの可動
ノズルの絞りのみで行うため、実際のエンジンにおける
さまざまな運転状態の変化に微細に対応して、最適な排
気還流量制御を行うことは、困難であった。本発明は、
以上のような問題点を解決することを課題とするもので
ある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明のターボチャージャ付エンジンの排気還流装
置では、可変容量型ターボチャージャのタービン入口側
とコンプレッサ出口側とを連結する排気還流パイプと、
該排気還流パイプの内部に設けられた排気還流バルブお
よび還流量制御弁と、排気を前記タービン出口側にバイ
パスする位置に設けられた排気ウエストパイプと、該排
気ウエストパイプの内部に設けられた排気ウエストバル
ブと、前記可変容量型ターボチャージャの可動ノズルを
制御するアクチュエータと、エンジンの動作状態に応じ
て予め定められたマップに従い前記可動ノズルの開度，
前記還流量制御弁の開度および前記排気ウエストバルブ
の開閉を制御して排気還流を行うコントローラとを具え
ることとした。

【００１９】

【作 用】ターボチャージャとして可変容量型ターボ
チャージャを使用し、このタービン入口側から取り出し
た排気を還流用に使う。タービン入口側の排気圧は、可
変容量型ターボチャージャの可動ノズルを制御すること
により変化させることが出来るので、排気還流を可能と
する「排気圧＞ブースト圧」の関係を容易に得ることが
出来る。また、排気ウエストバルブを設けたので、排気
圧やブースト圧が上昇しすぎる場合は、該バルブを開く
ことにより両者を低下させることが出来る。

【００２０】排気還流パイプ内に設けた還流量制御弁
は、還流排気量がエンジンの燃焼を損なうことなく、適
量となるように制御する。これらを総合的に制御するこ
とにより、エンジンのいろいろな動作状態において、最
適とされている量の排気還流を行うことが可能となる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。図１は、本発明のターボチャージャ付エン
ジンの排気還流装置を示す図である。符号は図１１のも
のに対応し、２０は還流量制御弁、２１は排気ウエスト
バルブ、２２は排気ウエストパイプ、２３はステップモ
ータ、７１は可動ノズル付タービン、８１は可変容量型
ターボチャージャである。ステップモータ２３は、ター
ビンの可動ノズルを制御するアクチュエータとして用い
られている。

【００２２】図１１と相違する第１の点は、ターボチャ
ージャとして、可動ノズル付タービン７１を具備する可
変容量型ターボチャージャ８１を用いた点である。可変
容量型ターボチャージャは、タービンに吹きつける排気
の流量を制御する可動ノズルを、タービンに具えたとこ
ろのターボチャージャである。これは公知のものであ
り、その構造については、後で詳しく説明する。その可
動ノズルの開度を制御するために、ステップモータ２３
が設けられている。

【００２３】第２の相違点は、排気還流パイプ１３の中
に還流量制御弁２０を設けた点である。第３の相違点
は、排気マニフォールド４と可動ノズル付タービン７１
下流の排気パイプ５との間に、排気ウエストバルブ２１
を具備した排気ウエストパイプ２２を設けた点である。

【００２４】第３図に、可変容量型ターボチャージャの
可動ノズル付近の断面図を示し、第４図に、第３図にお
いてＸ−Ｘ方向から見た図を示す。これらの図におい
て、７０１は作動リンク、７０２は作動軸、７０３は作
動レバー、７０４は制御リング、７０５は制御レバー、
７０６はノズル回転軸、７０７はタービン・ハウジン
グ、７０８は可動ノズル、７０９はタービン・ホイー
ル、７１０は自由端、７１１は凹部である。

【００２５】作動リンク７０１が、図示しないアクチュ
エータ（図１の場合、ステップモータ２３）によって動
かされると、作動軸７０２，作動レバー７０３を介して
制御リング７０４が回動される。制御リング７０４の凹
部７１１に制御レバー７０５の自由端７１０が嵌め込ま
れているので、制御リング７０４が回動すると、制御レ
バー７０５を介して可動ノズル７０８がノズル回転軸７
０６を中心として回動する。かくして、可動ノズル７０
８間の隙間が広げられたり、狭められたりする。

【００２６】排気は、その隙間から入り込んでタービン
・ホイール７０９を回し、しかる後外部へ出て行く。従
って、可動ノズル７０８の開度を調節することによって
排気ガスの流速を制御することが出来る。狭めると、流
速は大になるが流量が少なくなる。そのため、排気圧
（可動ノズル付タービン７１の入口側の圧力）は大にな
る。なお、流速が大になるので、タービンの回転数は上
がり、過給作用は大となる。逆に、隙間を広げると、流
速は小となるが流量は大となり、排気圧は小となる。

【００２７】図２に、可動ノズル付タービン７１とステ
ップモータ２３との接続関係を示す。ステップモータ２
３によって駆動されるレバー２６は、リンクロッド２４
を介して作動リンク７０１を動かす。以後の動作は図
３，図４で説明した通りである。ステップモータ２３
は、正方向または負方向に１ステップづつ回り、開度を
小刻みに何段階にも制御することが出来る。

【００２８】リターン・スプリング２５は、故障時に可
動ノズル７０８を安全側（可動ノズル７０８間の隙間が
広くなるよう）に回動しておくためのものである。隙間
が狭くなったままで故障すると、タービン・ホイール７
０９に吹き付ける排気の流速が大のままになる。する
と、タービンも高速回転を続け、ブースト圧が上がり過
ぎ、エンジンを破壊する恐れがあるからである。

【００２９】図９は、可変容量型ターボチャージャの可
動ノズル７０８あるいは排気ウエストバルブ２１が、排
気圧およびブースト圧へ及ぼす影響を説明する図であ
る。横軸は当量比、縦軸は圧力である。図９（ａ）は、
可動ノズルにより、排気圧とブースト圧との大小関係を
変えることが出来ることを示している。図９（ｂ）は、
排気ウエストバルブ２１を開くことにより、排気圧およ
びブースト圧を共に低下させ得ることを示している。

【００３０】図９（ａ）において、実線の曲線イ，ロ
は、可動ノズルを絞ってない場合（隙間を広くしている
場合）のブースト圧（曲線イ），排気圧（曲線ロ）を示
している。これらは、図１２の曲線イ，ロに対応してお
り、当量比がＡより大の範囲では、ブースト圧の方が排
気圧より大となっている。点線の曲線ニ，ホは、可動ノ
ズルをある程度絞った場合（隙間を狭くした場合）の、
排気圧（曲線ニ）とブースト圧（曲線ホ）とを表してい
る。

【００３１】可動ノズルを絞ると、排気が排出されにく
くなるので、排気圧が上昇する。また、可動ノズルを絞
って隙間を狭くすると、排気の流速が大になりタービン
を高回転にするので、ブースト圧も上昇する。両者の上
昇の度合いは、絞りをどの程度にするかによって決ま
る。可動ノズルを適宜絞ることにより、図９（ａ）に示
すように排気圧（曲線ニ）の方がブースト圧（曲線ホ）
より大にされると、排気還流を行うことが可能となる。
即ち、可動ノズルを適宜絞ることにより、排気還流をす
ることができる圧力関係を実現することが出来る。

【００３２】図９（ｂ）において、実線の曲線ニ，ホ
は、図１の排気ウエストバルブ２１を閉じている場合
の、排気圧（曲線ニ）とブースト圧（曲線ホ）とを示し
ている。点線の曲線ヘ，トは、排気ウエストバルブ２１
を開いた場合の、排気圧（曲線ヘ）とブースト圧（曲線
ト）とを示している。

【００３３】図１を参照すれば理解されるように、排気
ウエストバルブ２１を開くと、排気の一部が可動ノズル
付タービン７１をバイパスして外気へ排出される。従っ
て、排気圧は低下する。この低下が、曲線ニ→曲線ヘの
低下に相当している。排気圧が低下すると、可変容量型
ターボチャージャ８１の過給作用も弱くなるから、ブー
スト圧も低下する。この低下が、曲線ホ→曲線トへの低
下に相当している。

【００３４】このように、排気ウエストバルブ２１を開
くことにより、排気圧およびブースト圧の水準を低下さ
せることが出来る。もし、可動ノズルを絞ることにより
排気圧やブースト圧が過大になると、エンジンの各部に
対して機械的な悪影響を与えることになる。それを避け
るために、排気ウエストバルブ２１を開く。排気ウエス
トバルブ２１を開いた場合、通常、排気圧とブースト圧
との相対的大小関係をほぼ維持したまま低下するから、
排気還流をし得る条件は維持される。なお、排気ウエス
トバルブ２１の開閉は、ブースト圧センサ１５，排気圧
センサ１６からの検出信号を基にして、コントローラ１
８によって行われる。

【００３５】図５は、本発明において排気還流を行う場
合のコントローラの制御動作を説明するフローチャート
である。図１も参照されたい。ステップ１…エンジン回
転センサ１，アクセル開度センサ１９から、回転数およ
び負荷の値を読み込む。これによって、横軸を回転数と
し縦軸を負荷としたマップにおいて、現在どの位置で動
作しているか（動作点）を知ることが出来る。

【００３６】ステップ２…その動作点が、排気ウエスト
バルブ２１を開くべき領域内に入っているかどうか調べ
る。排気ウエストバルブ２１を開く領域は、予め定めて
おく。図６は、排気ウエストバルブの開閉マップの１例
である。このマップで、動作点が「開」の領域に入って
いれば開く。領域の設定は、どの動作点ではブースト
圧，排気圧がどの位の値にまで上昇するかを、予め実験
等によって調べておいて行う。従って、エンジンの種類
が異なると、領域の位置および広さが異なることもあ
る。

【００３７】ステップ３…動作点が排気ウエストバルブ
２１を開くべき領域内に入っている場合には、排気ウエ
ストバルブ２１を開く。すると、過大に上昇していた排
気圧やブースト圧は、図９（ｂ）に示したように低下す
る。ステップ４…動作点が排気ウエストバルブ２１を閉
じておくべき領域内に入っている場合には、排気ウエス
トバルブ２１を開かない。例えば、回転数５０％，負荷
５０％の動作点であるＰは、「閉」の領域内にあるか
ら、この場合は開かない。

【００３８】ステップ５…排気還流は、排気還流バルブ
１４を開いて排気を吸気側に送り込むことによって行わ
れるわけであるが、それを実行するには、まず第１の条
件として、「排気圧＞ブースト圧」の関係が満たされな
ければならない。第２の条件として、送り込む排気の量
が多過ぎて、エンジンでの燃焼を損なってはならないと
いうことが満たされなければならない。第１の条件を満
たすために、可動ノズル付タービン７１の可動ノズルの
開度制御が行われる。第２の条件を満たすために、還流
量制御弁２０の開度制御が行われる。それらの制御を行
う前に、開度をどの程度にすべきかを求める必要がある
が、それは次のようにして行う。

【００３９】可動ノズルの開度をどの程度にすれば、排
気圧とブースト圧との大小関係が排気還流を行える関係
になるかは、エンジンの種類および動作状態によって異
なる。そこで、エンジン毎に予め実験等により、どのよ
うな動作状態の時にはどの程度絞ればよいかを調べてマ
ップにしておき、それを参照して目標とする開度を求め
る。

【００４０】図７は、可変容量型ターボチャージャの可
動ノズルの開度マップの１例を示す図である。これは、
或るエンジンにつき、ステップモータ２３によって可動
ノズルの開度が８段階に変えれるようにした場合の例で
ある。図中に書き込んだ数字は段階数を示しており、１
段が最小開度、８段が最大開度である。そして、例えば
動作点が回転数５０％，負荷５０％の点Ｐであった場合
には、その点が２段目の領域内にあることより、目標と
する開度は２段の開度であることが求められる。

【００４１】還流量制御弁２０の開度制御も、同様にし
て行われる。還流する排気量をどの程度にすると、エン
ジンの燃焼をどの程度損なうかは、エンジンの種類およ
び動作状態によって異なる。そこで、エンジン毎に予め
実験等により、どのような動作状態の時にはどの程度の
開度にすればよいかを調べてマップにしておき、それを
参照して目標とする開度を求める。

【００４２】図８は、還流量制御弁の開度マップの１例
を示す図である。これは、或るエンジンにつき、還流量
制御弁２０の開度が４段階に変えれるようにした場合の
例である。図中に書き込んだ数字は段階数を示してお
り、０は閉じていることを示し、１段が最小開度、４段
が最大開度である。このエンジンの場合、３段目の開度
は使用されていない。そして、例えば動作点が回転数５
０％，負荷５０％の点Ｐであった場合には、その点が１
段目の領域内にあることより、目標とする開度は１段の
開度であることが求められる。また、０の場合、排気還
流バルブ１４は閉じ、それ以外では開くように制御され
る。以上が、ステップ５で行うことである。

【００４３】ステップ６…ステップモータ２３および還
流量制御弁２０を制御して、それぞれステップ５で求め
た開度になるようにする。

【００４４】

【発明の効果】以上述べた如く、本発明のターボチャー
ジャ付エンジンの排気還流装置によれば、可変容量型タ
ーボチャージャの可動ノズルの制御および排気ウエスト
バルブの開閉により、エンジンに機械的悪影響を与えな
い大きさで、排気還流に必要な「排気圧＞ブースト圧」
の関係を容易に得ることが出来る。また、排気還流パイ
プに設けた還流量制御弁の制御により、エンジンの燃焼
を損なわない適切な量を還流することが出来る。これら
により、エンジンのいろいろな動作状態において、最適
とされている量の排気還流を行うことが出来るようにな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のターボチャージャ付エンジンの排気
還流装置を示す図

【図２】 可変容量型ターボチャージャのタービンとス
テップモータとの接続関係を示す図

【図３】 可変容量型ターボチャージャの可動ノズル付
近の断面図

【図４】 図３のＸ−Ｘ方向から見た図

【図５】 本発明において排気還流を行う場合のコント
ローラの制御動作を説明するフローチャート

【図６】 排気ウエストバルブの開閉マップの１例を示
す図

【図７】 可変容量型ターボチャージャの可動ノズルの
開度マップの１例を示す図

【図８】 還流量制御弁の開度マップの１例を示す図

【図９】 可変容量型ターボチャージャの可動ノズルあ
るいは排気ウエストバルブが、排気圧およびブースト圧
へ及ぼす影響を説明する図

【図１０】 最適とされる排気還流率を示す図

【図１１】 従来のターボチャージャ付エンジンの排気
還流装置を示す図

【図１２】 従来のターボチャージャ付エンジンにおけ
る排気圧，ブースト圧および馬力の変化を示す図

【符号の説明】

１…エンジン回転センサ、２…エンジン、３…吸気マニ
フォールド、４…排気マニフォールド、５…排気パイ
プ、６…コンプレッサ、７…タービン、８…ターボチャ
ージャ、９…吸気マニフォールドのエンジン連結部、１
０…排気マニフォールドのエンジン連結部、１１…エア
クリーナ、１２…吸気パイプ、１３…排気還流パイプ、
１４…排気還流バルブ、１５…ブースト圧センサ、１６
…排気圧センサ、１７…フライホイール・ハウジング、
１８…コントローラ、１９…アクセル開度センサ、２０
…還流量制御弁、２１…排気ウエストバルブ、２２…排
気ウエストパイプ、２３…ステップ・モータ、２４…リ
ンクロッド、２５…リターン・スプリング、２６…レバ
ー、７１…可動ノズル付タービン、８１…可変容量型タ
ーボチャージャ、７０１…作動リンク、７０２…作動
軸、７０３…作動レバー、７０４…制御リング、７０５
…制御レバー、７０６…ノズル回転軸、７０７…タービ
ン・ハウジング、７０８…可動ノズル、７０９…タービ
ン・ホイール、７１０…自由端、７１１…凹部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｍ 25/07 ５７０ Ｐ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可変容量型ターボチャージャのタービン
   入口側とコンプレッサ出口側とを連結する排気還流パイ
   プと、該排気還流パイプの内部に設けられた排気還流バ
   ルブおよび還流量制御弁と、排気を前記タービン出口側
   にバイパスする位置に設けられた排気ウエストパイプ
   と、該排気ウエストパイプの内部に設けられた排気ウエ
   ストバルブと、前記可変容量型ターボチャージャの可動
   ノズルを制御するアクチュエータと、エンジンの動作状
   態に応じて予め定められたマップに従い前記可動ノズル
   の開度，前記還流量制御弁の開度および前記排気ウエス
   トバルブの開閉を制御して排気還流を行うコントローラ
   とを具えたことを特徴とするターボチャージャ付エンジ
   ンの排気還流装置。