JP4049367B2

JP4049367B2 - ディーゼルエンジンのｅｇｒ装置

Info

Publication number: JP4049367B2
Application number: JP2002218364A
Authority: JP
Inventors: 青柳友三; 三沢昌宏
Original assignee: 株式会社新エィシーイー
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2022-07-26
Also published as: JP2004060499A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気を吸気側に還流させるＥＧＲ通路を備えたディーゼルエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンにおいて、ＥＧＲ（排気再循環法）は、排出ガス中のＮＯ_X の低減および予混合圧縮着火燃焼の着火コントロールのために重要な技術の一つである。しかしながら、過給機付きエンジンでは、過給圧Ｐ₂と排気圧Ｐ₃の関係は図３に示すようになり、Ｐ₂＜Ｐ₃のエンジン運転領域ではＥＧＲが可能であるが、Ｐ₂＞Ｐ₃の領域ではＥＧＲを行うことができない。
【０００３】
この問題を解決するために、特開２００２−４９０４においては、過給機としてＶＧＴ（Variable Geometry Turbocharger：可変容量式ターボ）を採用し、排気圧と過給圧との差圧が目標差圧になるように可変ノズルベーンを制御することにより、ＥＧＲが可能な運転領域を拡大するようにしている。しかしながら、ＶＧＴの本来の機能は、エンジンの運転状態に基づいて可変ノズルベーンが制御され、そのタービン容量をそのときの運転状態に応じて最適に制御するものであり、上記特開２００２−４９０４の方式においては、ＥＧＲ率（ＥＧＲガス量／吸気の総量）および過給圧をそれぞれの目標値に制御することが困難であるという問題を有している。
【０００４】
また、特開２００１−１１５９００においては、可変ノズルベーンを備えるタービンと同軸上に過給用のコンプレッサおよびＥＧＲ用のコンプレッサを連結して、ＥＧＲガス量を制御しているが、過給圧とＥＧＲガス圧とを個別に制御できないため、制御の自由度が低いという問題を有している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のＶＧＴを備えたディーゼルエンジンのＥＧＲシステムにおけるＥＧＲガス量は、フルロード付近にてＥＧＲ率が５０％程度である。しかしながら、排出ガス中のＮＯ_X の低減および予混合圧縮着火燃焼の着火コントロールのためには、ＥＧＲガス量を大量に（ＥＧＲ率８０％程度）確保する必要がある。
【０００６】
この問題を解決するために、本出願人は、特願２００２−１８９３０５において、ＥＧＲ通路にＥＧＲ用ＶＧＴを配設することにより、エンジン運転領域全域でＥＧＲガス量を大量に確保することができ、排出ガス中のＮＯ_X の低減および予混合圧縮着火燃焼の着火コントロールを図ることができる過給機付きエンジンのＥＧＲシステムを提案している。
【０００７】
しかしながら、現在のＶＧＴにおいては、コンプレッサインペラにアルミが採用されており、耐熱は１７０〜２００℃程度であり、これに対して過給用ＶＧＴを採用した場合には、ＥＧＲ用ＶＧＴのコンプレッサ入口温度は約６００℃まで考慮する必要があり、熱負荷上採用が困難であるという問題を有している。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題を解決するものであって、エンジン運転条件が高負荷域でＥＧＲガス温度が高い領域においても、ＥＧＲ用ＶＧＴの耐熱性を確保することができるディーゼルエンジンのＥＧＲ装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そのために本発明のディーゼルエンジンのＥＧＲ装置は、吸気側に吸気管２、インタークーラー３、吸気マニホールド４が接続され、排気側に排気マニホールド５、排気管６が接続されるディーゼルエンジン１において、前記排気マニホールド５と吸気マニホールド４との間に熱交換器７および流量調整弁８を備えたＥＧＲ通路９が接続され、前記吸気側に新気を過給する過給用ＶＧＴ１０を配置し、前記ＥＧＲ通路９にＥＧＲガス圧を昇圧するために排気により駆動される回転軸１１ｃで連結されたタービン１１ａとコンプレッサ１１ｂを備えたＥＧＲ用ＶＧＴ１１を配置し、前記タービン１１ａ側に可変ノズルベーン１１ｄが装着され、最適なＥＧＲ率が得られるように前記可変ノズルベーン１１ｄを制御し、前記タービン１１ａ内にタービンホイール１１ｅが配置され、前記コンプレッサ１１ｂ内にコンプレッサインペラ１１ｆが配置され、前記ＥＧＲ用ＶＧＴ（１１）のタービンホイール１１ｅおよびコンプレッサインペラ１１ｆの材質を少なくとも６００℃の温度に耐える耐熱材料としたことを特徴とする。
以上
【００１０】
【発明の実施の形態】
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は、本発明が適用されるディーゼルエンジンのＥＧＲシステムの１例を示す構成図である。なお、以下の説明において、ＶＧＴ（Variable Geometry Turbocharger）は、周知の可変容量式過給機であり、タービンとコンプレッサが同軸上に連結され、タービン側に可変ノズルベーンを備え、可変ノズルベーンをアクチュエータにより制御することによりコンプレッサの吐出圧力が調整可能にされている。
【００１１】
ディーゼルエンジン１は、例えば６気筒エンジンであり、ディーゼルエンジン１には、吸気側に吸気管２、インタークーラー３、吸気マニホールド４が接続され、排気側に排気マニホールド５、排気管６が接続され、また、排気マニホールド５と吸気マニホールド４との間には、熱交換器７および流量調整弁８を備えるＥＧＲ通路９が接続されている。
【００１２】
本システムの特徴は、吸気側の新気を過給するための過給用ＶＧＴ１０と、ＥＧＲガス圧を昇圧するためのＥＧＲ用ＶＧＴ１１と備える点である。過給用ＶＧＴ１０は、タービン１０ａとコンプレッサ１０ｂを備え、両者は回転軸１０ｃで連結され、タービン１０ａ側に可変ノズルベーン１０ｄが装着されている。同様に、ＥＧＲ用ＶＧＴ１１は、可変ノズルベーン付きタービン１１ａとコンプレッサ１１ｂを備え、両者は回転軸１１ｃで連結され、タービン１１ａ側に可変ノズルベーン１１ｄが装着されている。
【００１３】
過給用ＶＧＴ１０のタービン１０ａは排気マニホールド５に接続され、コンプレッサ１０ｂは吸気管４とインタークーラー３の間に接続されている。ＥＧＲ用ＶＧＴ１１のコンプレッサ１１ｂは排気マニホールド５に接続され、タービン１１ａは流量調整弁１２を介して、過給用ＶＧＴ１０のタービン１０ａの排気側に接続されている。この流量調整弁１２は、ＥＧＲ用ＶＧＴ１１のタービン１１ａに流入する排ガス流量を制御するもので、流量調整弁１２での余剰の排ガスはタービン１１ａの排ガスとともに排気管６に流れるように構成されている。
【００１４】
上記構成からなる本システムの作用について説明する。ディーゼルエンジン１が駆動すると、その排ガス（圧力Ｐ₃）により過給用ＶＧＴ１０のタービン１０ａおよびコンプレッサ１０ｂが回転し、吸気管２から吸入された新気（圧力Ｐ₁）はコンプレッサ１０ｂにより過給（圧力Ｐ₂）され、インタークーラー３で冷却された後、吸気マニホールド４を経てディーゼルエンジン１内に吸入される。このとき、過給用ＶＧＴ１０においては、エンジンの運転状態（少なくともエンジン回転数と負荷）に基づいて可変ノズルベーン１０ｄが制御され、そのタービン容量がそのときの運転状態に応じて最適に制御される。
【００１５】
エンジン１内で燃焼した排ガスは、排気マニホールド５、過給用ＶＧＴ１０のタービン１０ａ、流量調整弁１２を経てＥＧＲ用ＶＧＴ１１のタービン１１ａに流れ、タービン１１ａおよびコンプレッサ１１ｂを回転させ、排気管６から排出される。一方、排気の一部は、ＥＧＲ用ＶＧＴ１１のコンプレッサ１１ｂに流入し、ここでＥＧＲガス圧力（Ｐ₄）が昇圧され、ＥＧＲ通路９を経て吸気マニホールド４に還流される。このとき、ＥＧＲ用ＶＧＴ１１においては、排出ガス中のＮＯ_X の低減および予混合圧縮着火燃焼の着火コントロールのために、最適なＥＧＲ率が得られるように可変ノズルベーン１１ｄ制御される。なお、流量調整弁１２はＥＧＲ用ＶＧＴ１１のタービン１１ａに流れる排ガス量を制御する。
【００１６】
従って、ＥＧＲ率および過給圧をそれぞれの目標値に制御することが容易になり、図３で説明した過給圧Ｐ₂と排気圧Ｐ₃の関係で言えば、Ｐ₂＜Ｐ₃のエンジン運転領域を拡大することができ、ＥＧＲガス量を大量に確保することができる。その結果、エンジン運転領域全域で過給量とＥＧＲガス量をそれぞれ最適に（ＥＧＲ率８０％程度まで）制御することができ、排出ガス中のＮＯ_X の低減および予混合圧縮着火燃焼の着火コントロールを図ることができる。
【００１７】
次に、本発明の特徴について説明する。図２には、ＥＧＲ用ＶＧＴ１１が示され、タービン１１ａ内にはタービンホイール１１ｅが配置され、コンプレッサ１１ｂ内にはタービンホイール１１ｅと同軸１１ｃ上にコンプレッサインペラ１１ｆが配置されている。
【００１８】
本発明においては、タービンホイール１１ｅおよびコンプレッサインペラ１１ｆの材質を少なくとも６００℃の温度に耐える耐熱材料としている。この耐熱材料としては、例えば、チタン−アルミ合金、鉄−クロム−アルミ合金、鉄−クロム−珪素合金、鉄−クロム−モリブデン−チタン−ボロン合金等の耐熱合金、セラミックス等の無機材料を用いる。
【００１９】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば上記のシステムにおいては、過給機としてＶＧＴを採用しているが、可変ノズルベーンを有しない通常の過給機を採用してもよく、その場合でもＥＧＲガス量を大量に確保することができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、排気を吸気側に還流させるＥＧＲ通路を備えたディーゼルエンジンにおいて、前記ＥＧＲ通路に配設され、ＥＧＲガス圧を昇圧するために排気により駆動されるＥＧＲ用ＶＧＴを備え、前記ＥＧＲ用ＶＧＴのタービンホイールおよびコンプレッサインペラの材質を少なくとも６００℃の温度に耐える耐熱材料としたため、エンジン運転条件が高負荷域でＥＧＲガス温度が高い領域においても、ＥＧＲ用ＶＧＴの耐熱性を確保することができ、エンジン運転領域全域でＥＧＲガス量を大量に確保することができ、排出ガス中のＮＯ_X の低減および予混合圧縮着火燃焼の着火コントロールを図ることができる。また、過給機としてＶＧＴを採用すれば、エンジン運転領域全域で過給量とＥＧＲガス量をそれぞれ最適に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されるディーゼルエンジンのＥＧＲシステムの１例を示す構成図である。
【図２】本発明の特徴を説明するためのＥＧＲ用ＶＧＴの模式図である。
【図３】本発明の課題を説明するための図である。
【符号の説明】
１…ディーゼルエンジン
４…吸気マニホールド
５…排気マニホールド
９…ＥＧＲ通路
１０…過給用ＶＧＴ
１１…ＥＧＲ用ＶＧＴ
１１ａ…タービン
１１ｂ…コンプレッサ
１１ｄ…可変ノズルベーン
１１ｅ…タービンホイール
１１ｆ…コンプレッサインペラ

Claims

吸気側に吸気管（２）、インタークーラー（３）吸気マニホールド（４）が接続され、排気側に排気マニホールド（５）、排気管（６）が接続されるディーゼルエンジン（１）において、前記排気マニホールド（５）と吸気マニホールド（４）との間に熱交換器（７）および流量調整弁（８）を備えたＥＧＲ通路（９）が接続され、前記吸気側に新気を過給するため回転軸（１０ｃ）で連結されたタービン（１０ａ）とコンプレッサ（１０ｂ）を備えた過給用ＶＧＴ１０を配置し、前記吸気側に新気を過給する過給用ＶＧＴ（１０）を配置し、前記ＥＧＲ通路（９）にＥＧＲガス圧を昇圧するために排気により駆動される回転軸（１１ｃ）で連結されたタービン（１１ａ）とコンプレッサ（１１ｂ）を備えたＥＧＲ用ＶＧＴ（１１）を配置し、前記タービン（１１ａ）側に可変ノズルベーン（１１ｄ）が装着され、最適なＥＧＲ率が得られるように前記可変ノズルベーン（１１ｄ）を制御し、前記タービン（１１ａ）内にタービンホイール（１１ｅ）が配置され、前記コンプレッサ（１１ｂ）内にコンプレッサインペラ（１１ｆ）が配置され、前記ＥＧＲ用ＶＧＴ（１１）のタービンホイール（１１ｅ）およびコンプレッサインペラ（１１ｆ）の材質を少なくとも６００℃の温度に耐える耐熱材料としたことを特徴とするディーゼルエンジンのＥＧＲ装置。