WO2007040071A1

WO2007040071A1 - ２段過給式エンジンのｅｇｒシステム

Info

Publication number: WO2007040071A1
Application number: PCT/JP2006/318928
Authority: WO
Inventors: Junichiro Nitta
Original assignee: Isuzu Motors Limited
Priority date: 2005-10-06
Filing date: 2006-09-25
Publication date: 2007-04-12
Also published as: JP2007100628A; JP4692202B2

Abstract

　２段過給式エンジン（１）のＥＧＲシステム（１０）において、高圧段タービン（６ｔ）と低圧段タービン（５ｔ）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）間の吸気経路（３）に通じる第１ＥＧＲ経路（１１）と、内燃機関本体（２）と前記高圧段タービン（６ｔ）間の排気経路（４）から、前記低圧段コンプレッサ（５ｃ）と前記高圧段コンプレッサ（６ｃ）間の吸気経路（３）へ通じる第２ＥＧＲ経路（１４）と、内燃機関本体（２）と前記高圧段タービン（６ｔ）間の排気経路（４）から、前記高圧段コンプレッサ（６ｃ）と内燃機関本体（２）間の吸気経路（３）へ通じる第３ＥＧＲ経路（１７）と、各ＥＧＲ経路（１１，１４，１７）を選択してＥＧＲを行うＥＧＲ制御装置とを設けて構成する。これにより、このＥＧＲシステム（１０）において、高ＥＧＲ率であっても、過給悪化とならないようにする。

Description

明細書

2段過給式エンジンの EGRシステム

技術分野

[0001] 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システムに関する。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。

背景技術

[0002] 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 EG Rが一般的に行われて、る。

[0003] 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、このエネルギーで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。

[0004] この従来技術の過給式エンジンの EGRシステムでは、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、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ィ匕、及び、サージングの発生を招く。

[0005] 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 (AZF)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 E GR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る。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。

[0006] 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、る。 [0007] そこで、従来力提案されている 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。

[0008] この 2段過給システムを備えたエンジン IXでは、吸気経路 3の上流側力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の上流側力も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、ターボチャージャが使用される。

[0009] 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をバイノ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が設けられている。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がそれぞれ取り付けられて、る。

[0010] 但し、低圧段タービンの容量特性如何によつては、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、高圧段ターボチヤ一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 6 dが設置されな、場合もある。

[0011] 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。

[0012] また、この図 2の EGRシステム 10Xでは、 EGR経路 1 IX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とェンジン本体 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、上流側力も 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 1 IX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 IXの運転条件に応じて開閉及び弁開度制御が行われる。

[0013] 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。

[0014] 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、上流側力も EGRクーラ 13Yと EGR弁 1 2Yが設けられて!/、る。 EGRガス Geは排気側力も 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。

[0015] 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。

[0016] 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 E GRシステムが提案されて!、る。

[0017] その一つ目は、例えば、日本の特開平 05— 69364号公報に記載されているような、高圧段タービンの上流側力低圧段コンプレッサと高圧段コンプレッサとの間へと E GRガスを循環させるシステムである。このシステムは、現在、一般的に知られているロープレシヤー EGRシステムである。

[0018] その二つ目は、例えば、日本の特開 2000— 220480号公報に記載されているような、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力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。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。

[0019] その三つ目は、例えば、特開 2003— 49674号公報に記載されているような、 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。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!/、る。

[0020] その四つ目は、例えば、特表 2001— 509561号公報に記載されているような、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力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。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。

[0021] 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ィ匕の問題と、吸気の冷却に関係する問題とがある。

[0022] 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 Z排気側圧力の逆転現象が発生したりする。そのために、 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。

[0023] 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、る 2段過給システムにお、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。

[0024] 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。

[0025] 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。

[0026] 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ツサ 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 5 tより圧力の高い状態のガスを取り扱う。従って、高圧段タービン 6tが扱うガスは、質量流量が低圧段タービン 5tと同一であっても、体積が小さいために、高圧段タービン 6tは、低圧段タービン 5tと比較して小容量で良、。

[0027] 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。

[0028] し力しながら、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。

特許文献 1：特開平 05— 69364号公報

特許文献 2：特開 2000 - 220480号公報

特許文献 3 :特開 2003— 49674号公報

特許文献 4：特表 2001 - 509561号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0029] 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-ホールド圧力若しくは排気系の EGRガス取り出し部圧力力吸気マ二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つ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。

課題を解決するための手段

[0030] 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、吸気経路の上流側力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弁とをそれぞれ開閉及び弁開度調整する EGR制御装置とを備えて構成される。

[0031] 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。しかし、 EGRクーラを EGR弁の下流側に設けてもよい。

[0032] 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つた場合に、 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する。そして、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。

[0033] 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ヤー EGR経路である第 3EGR経路との両方を設置する。それぞれの EGR経路に第 1EGR弁、第 2EGR弁、第 3EGR弁を備える。この構成により、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。

[0034] 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率で運転できる。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つて、 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。

[0035] 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

[0036] 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、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弁を開閉及び弁開度制御すると共に、前記第 3EGR弁を閉弁状態とする第 1EGR制御を行い、前記中間排気圧が前記中間過給圧以下のときには、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 2EGR制御を行うように構成される。

[0037] 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。

[0038] 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、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は、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。これにより、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率の増加ゃ排圧の低下が可能となる。

[0039] 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。

[0040] 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 3 EGR弁のある第 3EGR経路を使用する。これにより、従来技術の高圧段ハイプレツシヤー EGRを実施することができ、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。

[0041] 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。

[0042] 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。しかし、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カ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）が抑制され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。 [0043] 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、高圧段ターボチヤ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。

[0044] 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。

[0045] 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、るので、 EGR用の排気ガスがインタークーラを通らな!/ヽ。そのため、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。

[0046] また、低圧段コンプレッサを出た吸気力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、従来技術ではェンジン吸気温度が 50°C〜80°C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。

[0047] 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ァルミ-ゥ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。

[0048] 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、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ィ匕を上回るため、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。発明の効果

[0049] 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!/、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。

[0050] 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、高圧段ターボチヤ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。

図面の簡単な説明

[0051] [図 1]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。

[図 2]高圧段ノ、ィプレッシャー EGRシステムの構成の一例を示す図である。

[図 3]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。

発明を実施するための最良の形態

[0052] 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。

[0053] 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ヤージャ 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。それと共に、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を設ける。

[0054] 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が設けられる。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。 [0055] 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が設けられる。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が設けられる。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ノィパスバルブ 6eが取り付けられている。

[0056] 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をバイノスさせる。この場合には、低圧段コンプレッサ 5cのみで過給を行う。

[0057] 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。

[0058] 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、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。しかし、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。そのため、高圧段ターボチャージャ 6をバイノスさせる必要があり、上記のような構成となっている。

[0059] 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ノィパス経路 6dと高圧段排気バイノスノレブ 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。この構成により、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。

[0060] 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 Ge 1を導人する。

[0061] 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、低圧段コンプレツサ 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。

[0062] 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。

[0063] 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 Gel, Ge2, Ge3を E GRクーラ 13, 16, 19で冷去口して力ら、 EGR弁 12, 15, 18に流すようにする。

[0064] 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。

[0065] この EGR制御の第 1の目的は、吸気側力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。 [0066] 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、 E GR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、これらの検知手段力もの情報に基づいて、各バルブの開閉及び弁開度制御する方法等がある。

[0067] このエンジン 1の運転条件がその運転領域にある力否かは、検出されたエンジン回転数やエンジン負荷に基づ、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 9 a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。

[0068] 第 1EGR制御は、 EGRを行う場合において、エンジン 1の運転条件力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。

[0069] 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 3EG R弁 18を閉弁状態とする。

[0070] 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 2E GR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 EG R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。

[0071] また、第 2EGR制御は、 EGRを行う場合において、エンジン 1の運転条件力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おいて、更に、中間排気圧が中間過給圧以下のときに行われる。

[0072] 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 1EG R弁 12を閉弁状態とする。

[0073] 第 3EGR制御は、 EGRを行う場合において、エンジン 1の運転条件力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 2E GR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。

[0074] 第 4EGR制御は、 EGRを行う場合において、エンジン 1の運転条件力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。

[0075] 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。

[0076] 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率の増加ゃ排圧の低下が可能となる。

[0077] 第 3EGR制御では、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。この第 3EGR制御により、従来技術の高圧段ハイプレッシャー EGRを実施することができ、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。

[0078] 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 1E GR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。

[0079] 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の運転条件全域にぉ、て過給特性を大幅に改善できる。

[0080] 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。従って、従来技術ではエンジン 1 の吸気温度が 50°C〜80°C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。

[0081] 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のコンプレッサの羽の材料に、従来技術で使用されて!、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。

[0082] し力も、 EGRガス力インタークーラ 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。

産業上の利用可能性

[0083] 上述した優れた効果を有する本発明の内燃機関の EGRシステムは、自動車搭載の内燃機関等、多くの内燃機関に対して、極めて有効に利用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 吸気経路の上流側力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、排気経路の上流側力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 E

GR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弁とをそれぞれ開閉及び弁開度調整する EGR制御装置とを備えたことを特徴とする 2段過給式エンジンの EGRシステム。

[2] 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力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弁を開閉及び弁開度制御すると共に、前記第 3EGR弁を閉弁状態とする第 1EGR制御を行い、

前記中間排気圧が前記中間過給圧以下のときには、前記第 2EGR弁と前記第 3E GR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 2EG R制御を行う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] 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 1E GR弁を閉弁状態とする第 3EGR制御を行う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。

[4] 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請求項 1記載の 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。