内燃機関のＥＧＲシステム、及びその制御方法
【課題】高圧段過給器４と低圧段過給器３を備えた２段過給式の内燃機関２のＥＧＲシステムにおいて、始動時、低速低負荷運転状態、高速高負荷運転状態を含む、内燃機関２の全運転状態で、高効率なＥＧＲシステム及びその制御方法を提供する。
【解決手段】高圧段過給器４と低圧段過給器３を備えた２段過給式の内燃機関２のＥＧＲシステムであって、前記ＥＧＲシステム１が、前記高圧段タービン４Ｔと前記低圧段タービン３Ｔとの間の排気通路から、前記低圧段コンプレッサ３Ｃと前記高圧段コンプレッサ４Ｃとの間の吸気通路へ、第１ＥＧＲ弁６を経由してＥＧＲガスＥを導入する第１ＥＧＲ通路５と、前記内燃機関２の排気マニホールド１２から吸気マニホールド１１へ、第２ＥＧＲ弁８を経由してＥＧＲガスＥを導入する第２ＥＧＲ通路７と、前記低圧段過給器３に前記低圧段タービン３Ｔの回転軸に負荷をかける負荷制御装置１３を有する。
【解決手段】高圧段過給器４と低圧段過給器３を備えた２段過給式の内燃機関２のＥＧＲシステムであって、前記ＥＧＲシステム１が、前記高圧段タービン４Ｔと前記低圧段タービン３Ｔとの間の排気通路から、前記低圧段コンプレッサ３Ｃと前記高圧段コンプレッサ４Ｃとの間の吸気通路へ、第１ＥＧＲ弁６を経由してＥＧＲガスＥを導入する第１ＥＧＲ通路５と、前記内燃機関２の排気マニホールド１２から吸気マニホールド１１へ、第２ＥＧＲ弁８を経由してＥＧＲガスＥを導入する第２ＥＧＲ通路７と、前記低圧段過給器３に前記低圧段タービン３Ｔの回転軸に負荷をかける負荷制御装置１３を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧段過給器と低圧段過給器を備えた２段過給式の内燃機関のＥＧＲシステムに関し、より詳細には、内燃機関の全運転状態において高い割合でＥＧＲを行うＥＧＲシステム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン（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するＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ、排気ガス再循環）を行っている。ＥＧＲシステムは、エンジンで発生した排気ガスを、吸入空気と混合し、燃焼室に再度送り込むシステムである。
【０００３】
また、他方でエンジンのＮＯｘ―ＰＭ（微粒子状物質）の排ガス性能及び燃費性能を向上するために、エンジンに複数の過給器を設置した多段過給ステムを採用している。この多段過給システムには、例えば２つの過給器を利用した２ステージターボシステムがあり、大容量の低圧段ターボチャージャ（低圧段過給器）と、小容量の高圧段ターボターボチャージャ（高圧段過給器）を直列に連結して構成している。この２ステージターボシステムにおいて、エンジンの低速低負荷運転状態では高圧段ターボチャージャで立ち上がりの早い過給を行い、高速高負荷運転状態では低圧段ターボチャージャで大流量の過給を行うように制御している。
【０００４】
この２ステージターボシステムでは、エンジン回転、負荷の多様な運転状態において、容量の異なる複数のターボチャージャを並列もしくは直列、または単独で使用することにより、エンジンの各運転状態においてターボチャージャを最適な効率で利用することができる。このため、このシステムの採用により燃費を向上し、排気ガスを低減することができる。
【０００５】
この多段過給システムに前述のＥＧＲシステムを適用したエンジンが提案されている（例えば特許文献１参照）。図５に、この従来のＥＧＲシステム１Ｘの概略を示し、以下に、多段過給システムである２ステージターボシステムに適用したＥＧＲシステムの制御に関して説明する。
【０００６】
まず、２ステージターボシステムの構成及び制御に関して説明する。エンジン２の低速低負荷運転状態では、高圧段コンプレッサ４Ｃ及び高圧段タービン４Ｔを有する高圧段ターボチャージャ４による過給を行い、このとき、吸入空気Ａは、エアーフィルター１４から、低圧段コンプレッサ３Ｃ、高圧段コンプレッサ４Ｃ、インタークーラ１５ａ、吸気マニホールド１１で構成する吸気系を経てエンジン２に供給する。エンジン２から排出された排気ガスＧは、排気マニホールド１２から、高圧段タービン４Ｔ、低圧段タービン３Ｔで構成する排気系を経て外界に排出する。
【０００７】
エンジン２の高速高負荷運転状態では、低圧段コンプレッサ３Ｃ及び低圧段タービン３Ｔを有する低圧段ターボチャージャ３により過給を行い、このとき、吸入空気Ａは、吸気切替えバルブ１６の作動により、低圧段コンプレッサ３Ｃからインタークーラ１５ａ、吸気マニホールド１１を経てエンジン２に供給する。排気ガスＧは、排気切替えバルブ１７の開放により、エンジン２から排気マニホールド１２、低圧段タービン３Ｔを経て排出する。つまり、高圧段ターボチャージャ４をバイパスするように制御している。
【０００８】
次に、ＥＧＲシステムの構成及び制御に関して説明する。ＥＧＲシステムは一般的には
、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ１５ｃと、ＥＧＲガスの流量をコントロールする第２ＥＧＲ弁８を介して、排気マニホールド１２と吸気マニホールド１１とを連結した第２ＥＧＲ通路７により構成する。このＥＧＲシステムをここでは、ハイプレッシャＥＧＲ（以下、ＨＰ−ＥＧＲという）と呼ぶ。
【０００９】
また、異なるＥＧＲシステムとして、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ１５ｂと、ＥＧＲガスの流量をコントロールする第１ＥＧＲ弁６を介して、高圧段タービン４Ｔと低圧段タービン３Ｔの間の排気通路と、低圧段コンプレッサ３Ｃと高圧段コンプレッサ４Ｃの間の吸気通路とを連結した第１ＥＧＲ通路５により構成するものもある。このＥＧＲシステムをここでは、ロープレッシャＥＧＲ（以下、ＬＰ−ＥＧＲという）と呼ぶ。
【００１０】
なお、ＥＧＲシステム１Ｘの制御は、第１ＥＧＲ弁６、第２ＥＧＲ弁８及び各種センサ（圧力センサ、温度センサ）１８と、信号線で接続したＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）と呼ばれる制御装置１９で行う。
【００１１】
２ステージターボシステムに、ＨＰ−ＥＧＲとＬＰ−ＥＧＲの両方を適用したＥＧＲシステム１Ｘによると、これらの２種類のＥＧＲを、エンジンの運転状態により選択的に制御することで、排ガス中のＮＯｘ及びＰＭ等を低減することができる。
【００１２】
しかしながら、上記のＨＰ−ＥＧＲ及びＬＰ−ＥＧＲは、それぞれ固有の問題点を有している。まず、例えばエンジン２を低速低負荷で運転する運転状態で、高圧段ターボチャージャ４を過給装置として使用して高過給を行い、燃費性能を向上させつつ、ＥＧＲを行って排気ガスの低減を行う場合の問題点を説明する。
【００１３】
エンジン２の低速低負荷運転状態において、ＨＰ−ＥＧＲでは、ＥＧＲガスを高圧段タービン４Ｔ上流の排気マニホールド１２内から取り込み、第２ＥＧＲ通路７へ供給するため、高圧段タービン４Ｔに供給する排気ガスＧの流量が減少する。このため、高圧段ターボチャージャ４の仕事量が減り、過給量が減るので、エンジン２に供給する吸入空気Ａの量が減少する。このため、エンジン２に供給する空気量が不足して、スモークが発生すると共に、ＮＯｘの低減を行うことができなくなるという問題を有している。また、高圧段ターボチャージャ４が十分に仕事をしないため、効率の低い領域でターボチャージャを使用しなくてはならないという問題もある。
【００１４】
また、エンジン２の低速低負荷運転状態において、ＬＰ−ＥＧＲでは、ＥＧＲガスを高圧段タービン４Ｔの下流のエキゾーストパイプから取り込み、第１ＥＧＲ通路５へ供給するため、排気ガスＧの全量を排気マニホールド１２から高圧段タービン４Ｔに供給できる。この排気ガスＧにより高圧段ターボチャージャ４が十分に仕事を行うため、ＬＰ−ＥＧＲの利用に関係なく、ターボチャージャを効率の高い領域で使用することができる。
【００１５】
しかし、第１ＥＧＲ通路５を流れる排気ガスＧは、第１ＥＧＲ通路５の入口部と出口部の圧力差、すなわち高圧段タービン４Ｔの下流領域と、高圧段コンプレッサ４Ｃの下流領域との圧力差により流れる構成となる。このＥＧＲガスを流すための圧力差を作る必要があり、低圧段タービン３Ｔから下流の排気通路に排気絞り弁２２を設置したり、エアークリーナ１４から高圧段コンプレッサ４Ｃの間の吸気通路に吸気絞り弁を設置したりする必要がある。この排気絞り弁又は吸気絞り弁を使用した場合には、エンジン２が空気を吸い込むときの抵抗であるポンピングロスの増加を招き、エンジン出力性能に悪影響を与えるという問題を有している。
【００１６】
また、吸気負圧の低いエンジン２の運転状態、すなわちターボチャージャによる過給が十分に行われていない状態では、第１ＥＧＲ通路５の入口部と出口部の間で圧力差が得ら
れず、十分なＥＧＲガスを流すことが不可能となるという問題を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００７−１００６２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、高圧段過給器と低圧段過給器を備えた２段過給式の内燃機関のＥＧＲシステムにおいて、始動時、低速低負荷運転状態、高速高負荷運転状態を含む、内燃機関の全運転状態で、高効率なＥＧＲシステム及びその制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記の目的を達成するための本発明に係るＥＧＲシステムは、吸気通路の上流側から順に低圧段過給器の低圧段コンプレッサと高圧段過給器の高圧段コンプレッサを設けるとともに、排気通路の上流側から順に高圧段過給器の高圧段タービンと低圧段過給器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ＥＧＲシステムが、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通路から、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通路へ、第１ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第１ＥＧＲ通路と、前記内燃機関の排気マニホールドから吸気マニホールドへ、第２ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第２ＥＧＲ通路と、前記低圧段過給器に前記低圧段タービンの回転軸に負荷をかける負荷制御装置を有することを特徴とする。
【００２０】
この構成により、低圧段タービンの回転軸に負荷をかけ、低圧段タービンの上流側の圧力を上昇させ、ここに連結した第１ＥＧＲ通路の入口側圧力を上昇することができるため、排気ガスを効率的に第１ＥＧＲ通路を通過させ、吸気側へ循環することができる。また、内燃機関から排出される排気ガスの全量を、高圧段タービンに供給し、高圧段過給器が効率的に仕事を行い、内燃機関への吸気量が増加するため、効率的にＥＧＲを行うことができる。
【００２１】
さらに、第１ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスの流量を負荷制御装置により制御する構成により、排気通路上の排気絞り弁、及び、吸気通路上の吸気絞り弁を設置する必要がなくなり、ポンピングロス発生を抑制することができる。
【００２２】
上記のＥＧＲシステムにおいて、前記負荷制御装置が発電装置であることを特徴とする。この構成により、負荷制御装置から電気をエネルギーとして取り出すことができるため、エネルギー効率を向上することができる。
【００２３】
上記の目的を達成するための本発明に係るＥＧＲシステムの制御方法は、吸気通路の上流側から順に低圧段過給器の低圧段コンプレッサと高圧段過給器の高圧段コンプレッサを設けるとともに、排気通路の上流側から順に高圧段過給器の高圧段タービンと低圧段過給器の低圧段タービンを設け、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通路から、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通路へ、第１ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第１ＥＧＲ通路と、前記内燃機関の排気マニホールドから吸気マニホールドへ、第２ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第２ＥＧＲ通路と、前記低圧段過給器に前記低圧段タービンの回転軸に負荷をかける負荷制御装置を有したＥＧＲシステムの制御方法であって、前記内燃機関が第１の運転状態である際に、前記内燃機関に対して、前記高圧段過給器で過給を行い、前記負荷制御装置により前記低圧段タービンの回転軸に負荷をかけ、前記第１ＥＧＲ弁を開として前記第１ＥＧＲ通路でＥ
ＧＲを行う第１制御を行うことを特徴とする。
【００２４】
この構成により、例えば内燃機関の始動時、又は低速低負荷運転状態等の第１の運転状態において、排気ガスの全量を高圧段タービンに流して高圧段過給器の立ち上がりを迅速にし、かつ、負荷制御装置で負荷を加えることにより第１ＥＧＲ通路の入口側の圧力を高めることができる。つまり、ＥＧＲの利用に関係なく高圧段過給器は仕事を行うことができ、かつ、第１ＥＧＲ通路を介して十分な排気ガスを吸気側に供給することができる。
【００２５】
上記のＥＧＲシステムの制御方法において、前記負荷制御装置を発電装置として、前記内燃機関が第１の運転状態である際に、前記内燃機関に対して、前記高圧段過給器で過給を行い、前記発電装置により前記低圧段タービンの回転軸に負荷をかけ、前記発電装置で発生したエネルギーを蓄電装置に蓄電し、かつ、前記第１ＥＧＲ弁を開として第１ＥＧＲ通路でＥＧＲを行う第１制御を行うことを特徴とする。この構成により、発電装置で発生した電気をエネルギーとして回収できるため、エネルギー効率を向上することができる。
【００２６】
上記のＥＧＲシステムの制御方法において、前記内燃機関が第２の運転状態である際に、前記内燃機関に対して、前記高圧段過給器で過給を行い、前記第２ＥＧＲ通路でＥＧＲを行う第２制御を行うことを特徴とする。この構成により、例えば、高圧段過給器が十分に回転している状態等の第２の運転状態においては、高圧段過給器に排気ガスを供給するよりも、第２ＥＧＲ通路を使用したＥＧＲを優先することができるため、ＥＧＲの効果を十分に得ることができる。さらに、負荷制御装置の作動を解除して、低圧段タービンの回転を加速させる構成により、高圧段過給器から低圧段過給器への切替えを円滑に行うための準備を同時に行うことができる。
【００２７】
上記のＥＧＲシステムの制御方法において、前記内燃機関が第３の運転状態である際に、前記内燃機関に対して、前記低圧段過給器で過給を行い、前記第２ＥＧＲ通路でＥＧＲを行う第３制御を行うことを特徴とする。この構成により、例えば、内燃機関の高速高負荷運転状態等の第３の運転状態において、低圧段過給器が十分に仕事を行い、大容量の過給を実現しながら、第２ＥＧＲ通路を利用したＥＧＲにより、排気ガスを効率的に内燃機関に再循環することができるため、高効率なＥＧＲを実現することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係る内燃機関のＥＧＲシステム及びその制御方法によれば、低圧段過給器と高圧段過給器を有する２ステージターボシステムに、第１ＥＧＲ通路と第２ＥＧＲ通路を有するＥＧＲシステムを導入し、かつ、低圧段タービンの回転軸に負荷をかける負荷制御装置を設置する構成により、始動時、低速低負荷運転状態、高速高負荷運転状態等を含む内燃機関の全運転状態で、高効率にＥＧＲできるＥＧＲシステム及びその制御方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る実施の形態のＥＧＲシステムの構成を示した図である。
【図２】本発明に係る実施の形態のＥＧＲシステムの構成を示した図である。
【図３】本発明に係る実施の形態のＥＧＲシステムの構成を示した図である。
【図４】本発明に係る実施の形態のＥＧＲシステムの制御フローを示した図である。
【図５】従来の２ステージターボのＥＧＲシステムの構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明に係る実施の形態のＥＧＲシステム及びその制御方法について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明に係る実施の形態のＥＧＲシステム１の構成を示しており、２ステージターボシステムに、第１ＥＧＲ通路５及び第２ＥＧＲ通路７を設置し
、低圧段タービン３Ｔの回転軸に負荷制御装置１３を設置している。
【００３１】
なお、第１ＥＧＲ通路５は、入口部を、高圧段タービン４Ｔの下流で、かつ、低圧段タービン３Ｔの上流の排気通路に設け、出口部を低圧段コンプレッサ３Ｃの上流で、かつ、高圧段コンプレッサ４Ｃの下流の吸気通路に設けている。
【００３２】
また、図１には吸入空気Ａ、排気ガスＧ、及びＥＧＲガスＥの流れをそれぞれ矢印で示しており、各気体の流れは、エンジン（内燃機関）２が始動時又は低速低負荷運転状態等の第１の運転状態であり、過給を高圧段ターボチャージャ（高圧段過給器）４で行い、ＥＧＲを第１ＥＧＲ通路５で行う第１制御の様子を示している。
【００３３】
まず、各気体の流れに関して説明する。白抜き矢印で示す吸入空気Ａは、エアークリーナ１４から導入し、低圧段コンプレッサ３Ｃ、高圧段コンプレッサ４Ｃ、インタークーラ１５ａ、吸気マニホールド１１を介してエンジン２に供給する。
【００３４】
黒塗り矢印で示す排気ガスＧは、エンジン２から、排気マニホールド１２、高圧段タービン４Ｔ、低圧段タービン３Ｔからマフラー（図示しない）を介して外界に排出する。線状の矢印で示すＥＧＲガスＥは、高圧段タービン４Ｔの下流で、かつ、低圧段タービン３Ｔの上流の排気通路から分岐した第１ＥＧＲ通路５、ＥＧＲクーラ１５ｂ、第１ＥＧＲ弁６を介して、低圧段コンプレッサ３Ｃの下流で、かつ、高圧段コンプレッサ４Ｃの上流の吸気通路に供給する。このＥＧＲガスＥは、吸入空気Ａと共に高圧段コンプレッサ４Ｃに送る。
【００３５】
ここで、第１ＥＧＲ通路５の入口部から出口部に、ＥＧＲガスＥを効率的に流すために、負荷制御装置１３により低圧段タービン３Ｔの回転に負荷をかける。これは、低圧段タービン３Ｔの回転翼に負荷をかけることで行い、これにより排気ガスＧが低圧段タービン３Ｔを通過する際の抵抗が増加する。このため、低圧段タービン３Ｔの上流、すなわち、第１ＥＧＲ通路５の入口部の圧力が上昇する。この第１ＥＧＲ通路５の入口部の圧力上昇により、第１ＥＧＲ通路５の出口部との圧力差が大きくなるため、ＥＧＲガスＥを効率的に流すことができるようになる。
【００３６】
また、排気ガスＧの全量が高圧段タービン４Ｔを通過するため、高圧段ターボチャージャ４が十分に働き、過給効率を向上することができる。さらに、負荷制御装置１３を発電装置として、低圧段タービン３Ｔの回転エネルギーを回収する構成とすることにより、エネルギー効率を向上することができる。
【００３７】
なお、負荷制御装置１３及び第１ＥＧＲ弁６等の制御や、エンジン２の運転状態の判断等は、図１に示す制御装置（ＥＣＵ等）１９や適宜設置した各種センサ１８によって行うことができる。
【００３８】
図２に、第２制御の様子を示す。この第２制御は、エンジン２が、低速低負荷運転状態から高速高負荷運転状態等の第２の運転状態に移行する過程の制御であり、過給を高圧段ターボチャージャ４で行うと共に、ＥＧＲを第２ＥＧＲ通路７で行う制御である。この第２制御は、高圧段ターボチャージャ４が十分に働いている状態、すなわち、高圧段コンプレッサ３Ｃが十分に回転して過給を行っている状態（第２の運転状態）における制御である。
【００３９】
このとき、吸入空気Ａ及び排気ガスＧは第１制御の場合と同様の通路を流れている。ＥＧＲガスＥは、排気マニホールド１２から、ＥＧＲクーラ１５ｃ、第２ＥＧＲ弁８を介して吸気マニホールド１１に供給する。つまり、この第２制御では、入口部を排気マニホー
ルド１２に、出口部を吸気マニホールド１１に設けた第２ＥＧＲ通路７を介してＥＧＲを行っている。
【００４０】
ここで、この第２制御では、負荷制御装置１３の動作を停止し、低圧段タービン３Ｔが、排気ガスＧの通過により回転を加速していくように制御している。第２制御を行う状態では、高圧段ターボチャージャ４は十分に働くので、吸気負圧が上昇し、ＥＧＲガスＥを吸気マニホールド１１に効率的に導入することができるため、ＥＧＲの効率が向上する。
【００４１】
なお、負荷制御装置１３をモータ等の発電装置とした場合、この第２制御において、低圧段タービン３Ｔにこのモータで回転力を加えて、低圧段ターボチャージャ（低圧段過給器）３の立ち上がり時間を短縮する制御を加えてもよい。
【００４２】
図３に、第３制御の様子を示す。この第３制御は、エンジン２が、高速高負荷運転状態等の第３の運転状態であり、過給を低圧段ターボチャージャ（低圧段過給器）３で行うと共に、ＥＧＲを第２ＥＧＲ通路７で行う制御である。
【００４３】
このとき、吸入空気Ａを、エアークリーナ１４から導入し、低圧段コンプレッサ３Ｃ、インタークーラ１５ａ、及び吸気マニホールド１１を介してエンジン２に供給する。つまり、吸入空気Ａは、吸気切替えバルブ１６の制御により、高圧段コンプレッサ４Ｃをバイパスしてエンジン２に供給する。排気ガスＧは、排気マニホールド１２から低圧段タービン３Ｔを介して外界に排出する。つまり、排気切替えバルブ１７を開放する制御により、排気ガスＧは、高圧段タービン４Ｔをバイパスして外界に排出する。ＥＧＲガスＥは第２ＥＧＲ通路７を介して、吸気マニホールド１１に供給する。ここで、吸気切替えバルブ１６及び排気切替えバルブ１７は、図示しない制御装置により制御している。
【００４４】
この第３制御では、負荷制御装置１３の動作を停止しており、低圧段ターボチャージャが十分に仕事を行うので、大容量の過給を実現しながら、第２ＥＧＲ通路７を利用したＥＧＲにより、排気ガスＧを効率的にエンジン２に再循環できるため、高効率なＥＧＲを実現することができる。
【００４５】
図４に、ＥＧＲシステム１の制御フローを示す。ＥＧＲシステム１は、Ｓ２で高圧段ターボチャージャ４を使用していると判断し、かつ、Ｓ３でエンジン２が始動状態又は低速低負荷運転状態であると判断した場合（第１の運転状態）は第１制御を行う（Ｓ１０〜Ｓ１３、及びＳ４１〜Ｓ４２）。つまり、Ｓ１０で第１ＥＧＲ通路５を使用する第１制御を開始し、まず、負荷制御装置１３を作動し（Ｓ１１）、第１ＥＧＲ通路５の入口部の圧力を上昇させ（Ｓ１２）、第１ＥＧＲ弁６を開放して（Ｓ１３）、ＥＧＲガスＥを吸気側に供給する（Ｓ４）制御を行う。また、負荷制御装置１３を発電装置とした場合は、負荷制御装置１３により発電を行ない（Ｓ４１）、バッテリー等の蓄電装置へ蓄電する（Ｓ４２）制御を行う。
【００４６】
なお、負荷制御装置１３及び第１ＥＧＲ弁６等の制御や、エンジン２の運転状態の判断及び排気通路内の圧力上昇等の判断は、図１に示す制御装置（ＥＣＵ等）１９や適宜設置した各種センサ１８によって行うことができる。
【００４７】
また、ＥＧＲシステム１は、Ｓ２で高圧段ターボチャージャ４を使用していると判断し、かつ、Ｓ３でエンジン２が始動状態、又は低速低負荷運転状態でないと判断した場合（第２の運転状態）は第２制御を行う（Ｓ２０〜Ｓ２３）。つまり、Ｓ２０で第２ＥＧＲ通路７を使用する第２制御を開始し、まず、負荷制御装置１３を停止し（Ｓ２１）、第２ＥＧＲ弁８を開放して（Ｓ２３）、ＥＧＲガスＥを吸気側に供給する（Ｓ４）制御を行う。
【００４８】
また、負荷制御装置１３をモータ等の発電装置とした場合に、バッテリー等の蓄電装置からモータに給電し、低圧段タービン３Ｔに回転力を付加する構成としてもよい。この構成により、低圧段ターボチャージャ３の立ち上がり時間が短縮され、過給効率を向上することができる。
【００４９】
また、ＥＧＲシステム１は、Ｓ２で高圧段ターボチャージャ４を使用していない、すなわち、低圧段ターボチャージャ３により過給が行われている状態と判断した場合（第３の運転状態）は、第３制御を行う（Ｓ３０〜Ｓ３３）。つまり、Ｓ３０で第３制御を開始し、まず、負荷制御装置１３の停止を確認し（Ｓ３１）、第２ＥＧＲ弁８を開放して（Ｓ３３）、ＥＧＲガスＥを吸気側に供給する（Ｓ４）制御を行う。
【００５０】
次に、制御の具体例として、例えば、エンジン２が停止状態から加速し、高速高負荷運転状態に至る場合の制御を説明する。まず、エンジン始動時には、第１制御を選択し（Ｓ１０）、エンジン２は第１ＥＧＲ通路５でＥＧＲを行いながら加速していく。エンジン２の加速に伴い、高圧段ターボチャージャ４の回転数が上昇し、十分な回転数と判断した場合（Ｓ３）、第２制御への移行（Ｓ２０）を開始する。すなわち、負荷制御装置１３を停止し、第１ＥＧＲ弁６を閉止し、第２ＥＧＲ弁８を開放する。ここで、高圧段ターボチャージャ４の回転数の判断（Ｓ３）は、例えば高圧段コンプレッサ４Ｃの上流の吸気通路に設置した圧力センサ１８等で、吸気負圧を計測して行うことができる。
【００５１】
エンジン２の更なる加速に伴い、高圧段ターボチャージャ４から低圧段ターボチャージャ３による過給に切替えた場合、第３制御への移行（Ｓ３０）を開始する。この高圧段ターボチャージャ４から低圧段ターボチャージャ３への切り替えは、従来の２ステージターボシステムの制御を利用することができる。つまり、ＥＧＲシステム１は、ＥＧＲの制御と、２ステージターボの制御を同時に行う構成とする。
【００５２】
以上のように、エンジン２の運転状態に合わせて、第１制御、第２制御及び第３制御を選択して、ＥＧＲを行う構成により、エンジン２の全運転状態において、効率的にＥＧＲを行うことが可能となる。特に、エンジン２の始動時又は低速低負荷時におけるＥＧＲの効率を向上し、ＮＯｘの削減を実現したＥＧＲシステムを提供することが可能となる。
【００５３】
なお、他の運転状態では、基本的に第２ＥＧＲ通路７を使用し、ターボチャージャ３、４の運転領域については、この第２ＥＧＲ通路７の利用を前提として作成した運転マップにより制御する。
【符号の説明】
【００５４】
１ ＥＧＲシステム
２ エンジン（内燃機関）
３ 低圧段ターボチャージャ（低圧段過給器）
３Ｃ 低圧段コンプレッサ
３Ｔ 低圧段タービン
４ 高圧段ターボチャージャ（高圧段過給器）
４Ｃ 高圧段コンプレッサ
４Ｔ 高圧段タービン
５ 第１ＥＧＲ通路
６ 第１ＥＧＲ弁
７ 第２ＥＧＲ通路
８ 第２ＥＧＲ弁
１１ 吸気マニホールド
１２ 排気マニホールド
１３ 負荷制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧段過給器と低圧段過給器を備えた２段過給式の内燃機関のＥＧＲシステムに関し、より詳細には、内燃機関の全運転状態において高い割合でＥＧＲを行うＥＧＲシステム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン（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するＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ、排気ガス再循環）を行っている。ＥＧＲシステムは、エンジンで発生した排気ガスを、吸入空気と混合し、燃焼室に再度送り込むシステムである。
【０００３】
また、他方でエンジンのＮＯｘ―ＰＭ（微粒子状物質）の排ガス性能及び燃費性能を向上するために、エンジンに複数の過給器を設置した多段過給ステムを採用している。この多段過給システムには、例えば２つの過給器を利用した２ステージターボシステムがあり、大容量の低圧段ターボチャージャ（低圧段過給器）と、小容量の高圧段ターボターボチャージャ（高圧段過給器）を直列に連結して構成している。この２ステージターボシステムにおいて、エンジンの低速低負荷運転状態では高圧段ターボチャージャで立ち上がりの早い過給を行い、高速高負荷運転状態では低圧段ターボチャージャで大流量の過給を行うように制御している。
【０００４】
この２ステージターボシステムでは、エンジン回転、負荷の多様な運転状態において、容量の異なる複数のターボチャージャを並列もしくは直列、または単独で使用することにより、エンジンの各運転状態においてターボチャージャを最適な効率で利用することができる。このため、このシステムの採用により燃費を向上し、排気ガスを低減することができる。
【０００５】
この多段過給システムに前述のＥＧＲシステムを適用したエンジンが提案されている（例えば特許文献１参照）。図５に、この従来のＥＧＲシステム１Ｘの概略を示し、以下に、多段過給システムである２ステージターボシステムに適用したＥＧＲシステムの制御に関して説明する。
【０００６】
まず、２ステージターボシステムの構成及び制御に関して説明する。エンジン２の低速低負荷運転状態では、高圧段コンプレッサ４Ｃ及び高圧段タービン４Ｔを有する高圧段ターボチャージャ４による過給を行い、このとき、吸入空気Ａは、エアーフィルター１４から、低圧段コンプレッサ３Ｃ、高圧段コンプレッサ４Ｃ、インタークーラ１５ａ、吸気マニホールド１１で構成する吸気系を経てエンジン２に供給する。エンジン２から排出された排気ガスＧは、排気マニホールド１２から、高圧段タービン４Ｔ、低圧段タービン３Ｔで構成する排気系を経て外界に排出する。
【０００７】
エンジン２の高速高負荷運転状態では、低圧段コンプレッサ３Ｃ及び低圧段タービン３Ｔを有する低圧段ターボチャージャ３により過給を行い、このとき、吸入空気Ａは、吸気切替えバルブ１６の作動により、低圧段コンプレッサ３Ｃからインタークーラ１５ａ、吸気マニホールド１１を経てエンジン２に供給する。排気ガスＧは、排気切替えバルブ１７の開放により、エンジン２から排気マニホールド１２、低圧段タービン３Ｔを経て排出する。つまり、高圧段ターボチャージャ４をバイパスするように制御している。
【０００８】
次に、ＥＧＲシステムの構成及び制御に関して説明する。ＥＧＲシステムは一般的には
、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ１５ｃと、ＥＧＲガスの流量をコントロールする第２ＥＧＲ弁８を介して、排気マニホールド１２と吸気マニホールド１１とを連結した第２ＥＧＲ通路７により構成する。このＥＧＲシステムをここでは、ハイプレッシャＥＧＲ（以下、ＨＰ−ＥＧＲという）と呼ぶ。
【０００９】
また、異なるＥＧＲシステムとして、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ１５ｂと、ＥＧＲガスの流量をコントロールする第１ＥＧＲ弁６を介して、高圧段タービン４Ｔと低圧段タービン３Ｔの間の排気通路と、低圧段コンプレッサ３Ｃと高圧段コンプレッサ４Ｃの間の吸気通路とを連結した第１ＥＧＲ通路５により構成するものもある。このＥＧＲシステムをここでは、ロープレッシャＥＧＲ（以下、ＬＰ−ＥＧＲという）と呼ぶ。
【００１０】
なお、ＥＧＲシステム１Ｘの制御は、第１ＥＧＲ弁６、第２ＥＧＲ弁８及び各種センサ（圧力センサ、温度センサ）１８と、信号線で接続したＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）と呼ばれる制御装置１９で行う。
【００１１】
２ステージターボシステムに、ＨＰ−ＥＧＲとＬＰ−ＥＧＲの両方を適用したＥＧＲシステム１Ｘによると、これらの２種類のＥＧＲを、エンジンの運転状態により選択的に制御することで、排ガス中のＮＯｘ及びＰＭ等を低減することができる。
【００１２】
しかしながら、上記のＨＰ−ＥＧＲ及びＬＰ−ＥＧＲは、それぞれ固有の問題点を有している。まず、例えばエンジン２を低速低負荷で運転する運転状態で、高圧段ターボチャージャ４を過給装置として使用して高過給を行い、燃費性能を向上させつつ、ＥＧＲを行って排気ガスの低減を行う場合の問題点を説明する。
【００１３】
エンジン２の低速低負荷運転状態において、ＨＰ−ＥＧＲでは、ＥＧＲガスを高圧段タービン４Ｔ上流の排気マニホールド１２内から取り込み、第２ＥＧＲ通路７へ供給するため、高圧段タービン４Ｔに供給する排気ガスＧの流量が減少する。このため、高圧段ターボチャージャ４の仕事量が減り、過給量が減るので、エンジン２に供給する吸入空気Ａの量が減少する。このため、エンジン２に供給する空気量が不足して、スモークが発生すると共に、ＮＯｘの低減を行うことができなくなるという問題を有している。また、高圧段ターボチャージャ４が十分に仕事をしないため、効率の低い領域でターボチャージャを使用しなくてはならないという問題もある。
【００１４】
また、エンジン２の低速低負荷運転状態において、ＬＰ−ＥＧＲでは、ＥＧＲガスを高圧段タービン４Ｔの下流のエキゾーストパイプから取り込み、第１ＥＧＲ通路５へ供給するため、排気ガスＧの全量を排気マニホールド１２から高圧段タービン４Ｔに供給できる。この排気ガスＧにより高圧段ターボチャージャ４が十分に仕事を行うため、ＬＰ−ＥＧＲの利用に関係なく、ターボチャージャを効率の高い領域で使用することができる。
【００１５】
しかし、第１ＥＧＲ通路５を流れる排気ガスＧは、第１ＥＧＲ通路５の入口部と出口部の圧力差、すなわち高圧段タービン４Ｔの下流領域と、高圧段コンプレッサ４Ｃの下流領域との圧力差により流れる構成となる。このＥＧＲガスを流すための圧力差を作る必要があり、低圧段タービン３Ｔから下流の排気通路に排気絞り弁２２を設置したり、エアークリーナ１４から高圧段コンプレッサ４Ｃの間の吸気通路に吸気絞り弁を設置したりする必要がある。この排気絞り弁又は吸気絞り弁を使用した場合には、エンジン２が空気を吸い込むときの抵抗であるポンピングロスの増加を招き、エンジン出力性能に悪影響を与えるという問題を有している。
【００１６】
また、吸気負圧の低いエンジン２の運転状態、すなわちターボチャージャによる過給が十分に行われていない状態では、第１ＥＧＲ通路５の入口部と出口部の間で圧力差が得ら
れず、十分なＥＧＲガスを流すことが不可能となるという問題を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００７−１００６２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、高圧段過給器と低圧段過給器を備えた２段過給式の内燃機関のＥＧＲシステムにおいて、始動時、低速低負荷運転状態、高速高負荷運転状態を含む、内燃機関の全運転状態で、高効率なＥＧＲシステム及びその制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記の目的を達成するための本発明に係るＥＧＲシステムは、吸気通路の上流側から順に低圧段過給器の低圧段コンプレッサと高圧段過給器の高圧段コンプレッサを設けるとともに、排気通路の上流側から順に高圧段過給器の高圧段タービンと低圧段過給器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ＥＧＲシステムが、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通路から、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通路へ、第１ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第１ＥＧＲ通路と、前記内燃機関の排気マニホールドから吸気マニホールドへ、第２ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第２ＥＧＲ通路と、前記低圧段過給器に前記低圧段タービンの回転軸に負荷をかける負荷制御装置を有することを特徴とする。
【００２０】
この構成により、低圧段タービンの回転軸に負荷をかけ、低圧段タービンの上流側の圧力を上昇させ、ここに連結した第１ＥＧＲ通路の入口側圧力を上昇することができるため、排気ガスを効率的に第１ＥＧＲ通路を通過させ、吸気側へ循環することができる。また、内燃機関から排出される排気ガスの全量を、高圧段タービンに供給し、高圧段過給器が効率的に仕事を行い、内燃機関への吸気量が増加するため、効率的にＥＧＲを行うことができる。
【００２１】
さらに、第１ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスの流量を負荷制御装置により制御する構成により、排気通路上の排気絞り弁、及び、吸気通路上の吸気絞り弁を設置する必要がなくなり、ポンピングロス発生を抑制することができる。
【００２２】
上記のＥＧＲシステムにおいて、前記負荷制御装置が発電装置であることを特徴とする。この構成により、負荷制御装置から電気をエネルギーとして取り出すことができるため、エネルギー効率を向上することができる。
【００２３】
上記の目的を達成するための本発明に係るＥＧＲシステムの制御方法は、吸気通路の上流側から順に低圧段過給器の低圧段コンプレッサと高圧段過給器の高圧段コンプレッサを設けるとともに、排気通路の上流側から順に高圧段過給器の高圧段タービンと低圧段過給器の低圧段タービンを設け、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通路から、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通路へ、第１ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第１ＥＧＲ通路と、前記内燃機関の排気マニホールドから吸気マニホールドへ、第２ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第２ＥＧＲ通路と、前記低圧段過給器に前記低圧段タービンの回転軸に負荷をかける負荷制御装置を有したＥＧＲシステムの制御方法であって、前記内燃機関が第１の運転状態である際に、前記内燃機関に対して、前記高圧段過給器で過給を行い、前記負荷制御装置により前記低圧段タービンの回転軸に負荷をかけ、前記第１ＥＧＲ弁を開として前記第１ＥＧＲ通路でＥ
ＧＲを行う第１制御を行うことを特徴とする。
【００２４】
この構成により、例えば内燃機関の始動時、又は低速低負荷運転状態等の第１の運転状態において、排気ガスの全量を高圧段タービンに流して高圧段過給器の立ち上がりを迅速にし、かつ、負荷制御装置で負荷を加えることにより第１ＥＧＲ通路の入口側の圧力を高めることができる。つまり、ＥＧＲの利用に関係なく高圧段過給器は仕事を行うことができ、かつ、第１ＥＧＲ通路を介して十分な排気ガスを吸気側に供給することができる。
【００２５】
上記のＥＧＲシステムの制御方法において、前記負荷制御装置を発電装置として、前記内燃機関が第１の運転状態である際に、前記内燃機関に対して、前記高圧段過給器で過給を行い、前記発電装置により前記低圧段タービンの回転軸に負荷をかけ、前記発電装置で発生したエネルギーを蓄電装置に蓄電し、かつ、前記第１ＥＧＲ弁を開として第１ＥＧＲ通路でＥＧＲを行う第１制御を行うことを特徴とする。この構成により、発電装置で発生した電気をエネルギーとして回収できるため、エネルギー効率を向上することができる。
【００２６】
上記のＥＧＲシステムの制御方法において、前記内燃機関が第２の運転状態である際に、前記内燃機関に対して、前記高圧段過給器で過給を行い、前記第２ＥＧＲ通路でＥＧＲを行う第２制御を行うことを特徴とする。この構成により、例えば、高圧段過給器が十分に回転している状態等の第２の運転状態においては、高圧段過給器に排気ガスを供給するよりも、第２ＥＧＲ通路を使用したＥＧＲを優先することができるため、ＥＧＲの効果を十分に得ることができる。さらに、負荷制御装置の作動を解除して、低圧段タービンの回転を加速させる構成により、高圧段過給器から低圧段過給器への切替えを円滑に行うための準備を同時に行うことができる。
【００２７】
上記のＥＧＲシステムの制御方法において、前記内燃機関が第３の運転状態である際に、前記内燃機関に対して、前記低圧段過給器で過給を行い、前記第２ＥＧＲ通路でＥＧＲを行う第３制御を行うことを特徴とする。この構成により、例えば、内燃機関の高速高負荷運転状態等の第３の運転状態において、低圧段過給器が十分に仕事を行い、大容量の過給を実現しながら、第２ＥＧＲ通路を利用したＥＧＲにより、排気ガスを効率的に内燃機関に再循環することができるため、高効率なＥＧＲを実現することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係る内燃機関のＥＧＲシステム及びその制御方法によれば、低圧段過給器と高圧段過給器を有する２ステージターボシステムに、第１ＥＧＲ通路と第２ＥＧＲ通路を有するＥＧＲシステムを導入し、かつ、低圧段タービンの回転軸に負荷をかける負荷制御装置を設置する構成により、始動時、低速低負荷運転状態、高速高負荷運転状態等を含む内燃機関の全運転状態で、高効率にＥＧＲできるＥＧＲシステム及びその制御方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る実施の形態のＥＧＲシステムの構成を示した図である。
【図２】本発明に係る実施の形態のＥＧＲシステムの構成を示した図である。
【図３】本発明に係る実施の形態のＥＧＲシステムの構成を示した図である。
【図４】本発明に係る実施の形態のＥＧＲシステムの制御フローを示した図である。
【図５】従来の２ステージターボのＥＧＲシステムの構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明に係る実施の形態のＥＧＲシステム及びその制御方法について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明に係る実施の形態のＥＧＲシステム１の構成を示しており、２ステージターボシステムに、第１ＥＧＲ通路５及び第２ＥＧＲ通路７を設置し
、低圧段タービン３Ｔの回転軸に負荷制御装置１３を設置している。
【００３１】
なお、第１ＥＧＲ通路５は、入口部を、高圧段タービン４Ｔの下流で、かつ、低圧段タービン３Ｔの上流の排気通路に設け、出口部を低圧段コンプレッサ３Ｃの上流で、かつ、高圧段コンプレッサ４Ｃの下流の吸気通路に設けている。
【００３２】
また、図１には吸入空気Ａ、排気ガスＧ、及びＥＧＲガスＥの流れをそれぞれ矢印で示しており、各気体の流れは、エンジン（内燃機関）２が始動時又は低速低負荷運転状態等の第１の運転状態であり、過給を高圧段ターボチャージャ（高圧段過給器）４で行い、ＥＧＲを第１ＥＧＲ通路５で行う第１制御の様子を示している。
【００３３】
まず、各気体の流れに関して説明する。白抜き矢印で示す吸入空気Ａは、エアークリーナ１４から導入し、低圧段コンプレッサ３Ｃ、高圧段コンプレッサ４Ｃ、インタークーラ１５ａ、吸気マニホールド１１を介してエンジン２に供給する。
【００３４】
黒塗り矢印で示す排気ガスＧは、エンジン２から、排気マニホールド１２、高圧段タービン４Ｔ、低圧段タービン３Ｔからマフラー（図示しない）を介して外界に排出する。線状の矢印で示すＥＧＲガスＥは、高圧段タービン４Ｔの下流で、かつ、低圧段タービン３Ｔの上流の排気通路から分岐した第１ＥＧＲ通路５、ＥＧＲクーラ１５ｂ、第１ＥＧＲ弁６を介して、低圧段コンプレッサ３Ｃの下流で、かつ、高圧段コンプレッサ４Ｃの上流の吸気通路に供給する。このＥＧＲガスＥは、吸入空気Ａと共に高圧段コンプレッサ４Ｃに送る。
【００３５】
ここで、第１ＥＧＲ通路５の入口部から出口部に、ＥＧＲガスＥを効率的に流すために、負荷制御装置１３により低圧段タービン３Ｔの回転に負荷をかける。これは、低圧段タービン３Ｔの回転翼に負荷をかけることで行い、これにより排気ガスＧが低圧段タービン３Ｔを通過する際の抵抗が増加する。このため、低圧段タービン３Ｔの上流、すなわち、第１ＥＧＲ通路５の入口部の圧力が上昇する。この第１ＥＧＲ通路５の入口部の圧力上昇により、第１ＥＧＲ通路５の出口部との圧力差が大きくなるため、ＥＧＲガスＥを効率的に流すことができるようになる。
【００３６】
また、排気ガスＧの全量が高圧段タービン４Ｔを通過するため、高圧段ターボチャージャ４が十分に働き、過給効率を向上することができる。さらに、負荷制御装置１３を発電装置として、低圧段タービン３Ｔの回転エネルギーを回収する構成とすることにより、エネルギー効率を向上することができる。
【００３７】
なお、負荷制御装置１３及び第１ＥＧＲ弁６等の制御や、エンジン２の運転状態の判断等は、図１に示す制御装置（ＥＣＵ等）１９や適宜設置した各種センサ１８によって行うことができる。
【００３８】
図２に、第２制御の様子を示す。この第２制御は、エンジン２が、低速低負荷運転状態から高速高負荷運転状態等の第２の運転状態に移行する過程の制御であり、過給を高圧段ターボチャージャ４で行うと共に、ＥＧＲを第２ＥＧＲ通路７で行う制御である。この第２制御は、高圧段ターボチャージャ４が十分に働いている状態、すなわち、高圧段コンプレッサ３Ｃが十分に回転して過給を行っている状態（第２の運転状態）における制御である。
【００３９】
このとき、吸入空気Ａ及び排気ガスＧは第１制御の場合と同様の通路を流れている。ＥＧＲガスＥは、排気マニホールド１２から、ＥＧＲクーラ１５ｃ、第２ＥＧＲ弁８を介して吸気マニホールド１１に供給する。つまり、この第２制御では、入口部を排気マニホー
ルド１２に、出口部を吸気マニホールド１１に設けた第２ＥＧＲ通路７を介してＥＧＲを行っている。
【００４０】
ここで、この第２制御では、負荷制御装置１３の動作を停止し、低圧段タービン３Ｔが、排気ガスＧの通過により回転を加速していくように制御している。第２制御を行う状態では、高圧段ターボチャージャ４は十分に働くので、吸気負圧が上昇し、ＥＧＲガスＥを吸気マニホールド１１に効率的に導入することができるため、ＥＧＲの効率が向上する。
【００４１】
なお、負荷制御装置１３をモータ等の発電装置とした場合、この第２制御において、低圧段タービン３Ｔにこのモータで回転力を加えて、低圧段ターボチャージャ（低圧段過給器）３の立ち上がり時間を短縮する制御を加えてもよい。
【００４２】
図３に、第３制御の様子を示す。この第３制御は、エンジン２が、高速高負荷運転状態等の第３の運転状態であり、過給を低圧段ターボチャージャ（低圧段過給器）３で行うと共に、ＥＧＲを第２ＥＧＲ通路７で行う制御である。
【００４３】
このとき、吸入空気Ａを、エアークリーナ１４から導入し、低圧段コンプレッサ３Ｃ、インタークーラ１５ａ、及び吸気マニホールド１１を介してエンジン２に供給する。つまり、吸入空気Ａは、吸気切替えバルブ１６の制御により、高圧段コンプレッサ４Ｃをバイパスしてエンジン２に供給する。排気ガスＧは、排気マニホールド１２から低圧段タービン３Ｔを介して外界に排出する。つまり、排気切替えバルブ１７を開放する制御により、排気ガスＧは、高圧段タービン４Ｔをバイパスして外界に排出する。ＥＧＲガスＥは第２ＥＧＲ通路７を介して、吸気マニホールド１１に供給する。ここで、吸気切替えバルブ１６及び排気切替えバルブ１７は、図示しない制御装置により制御している。
【００４４】
この第３制御では、負荷制御装置１３の動作を停止しており、低圧段ターボチャージャが十分に仕事を行うので、大容量の過給を実現しながら、第２ＥＧＲ通路７を利用したＥＧＲにより、排気ガスＧを効率的にエンジン２に再循環できるため、高効率なＥＧＲを実現することができる。
【００４５】
図４に、ＥＧＲシステム１の制御フローを示す。ＥＧＲシステム１は、Ｓ２で高圧段ターボチャージャ４を使用していると判断し、かつ、Ｓ３でエンジン２が始動状態又は低速低負荷運転状態であると判断した場合（第１の運転状態）は第１制御を行う（Ｓ１０〜Ｓ１３、及びＳ４１〜Ｓ４２）。つまり、Ｓ１０で第１ＥＧＲ通路５を使用する第１制御を開始し、まず、負荷制御装置１３を作動し（Ｓ１１）、第１ＥＧＲ通路５の入口部の圧力を上昇させ（Ｓ１２）、第１ＥＧＲ弁６を開放して（Ｓ１３）、ＥＧＲガスＥを吸気側に供給する（Ｓ４）制御を行う。また、負荷制御装置１３を発電装置とした場合は、負荷制御装置１３により発電を行ない（Ｓ４１）、バッテリー等の蓄電装置へ蓄電する（Ｓ４２）制御を行う。
【００４６】
なお、負荷制御装置１３及び第１ＥＧＲ弁６等の制御や、エンジン２の運転状態の判断及び排気通路内の圧力上昇等の判断は、図１に示す制御装置（ＥＣＵ等）１９や適宜設置した各種センサ１８によって行うことができる。
【００４７】
また、ＥＧＲシステム１は、Ｓ２で高圧段ターボチャージャ４を使用していると判断し、かつ、Ｓ３でエンジン２が始動状態、又は低速低負荷運転状態でないと判断した場合（第２の運転状態）は第２制御を行う（Ｓ２０〜Ｓ２３）。つまり、Ｓ２０で第２ＥＧＲ通路７を使用する第２制御を開始し、まず、負荷制御装置１３を停止し（Ｓ２１）、第２ＥＧＲ弁８を開放して（Ｓ２３）、ＥＧＲガスＥを吸気側に供給する（Ｓ４）制御を行う。
【００４８】
また、負荷制御装置１３をモータ等の発電装置とした場合に、バッテリー等の蓄電装置からモータに給電し、低圧段タービン３Ｔに回転力を付加する構成としてもよい。この構成により、低圧段ターボチャージャ３の立ち上がり時間が短縮され、過給効率を向上することができる。
【００４９】
また、ＥＧＲシステム１は、Ｓ２で高圧段ターボチャージャ４を使用していない、すなわち、低圧段ターボチャージャ３により過給が行われている状態と判断した場合（第３の運転状態）は、第３制御を行う（Ｓ３０〜Ｓ３３）。つまり、Ｓ３０で第３制御を開始し、まず、負荷制御装置１３の停止を確認し（Ｓ３１）、第２ＥＧＲ弁８を開放して（Ｓ３３）、ＥＧＲガスＥを吸気側に供給する（Ｓ４）制御を行う。
【００５０】
次に、制御の具体例として、例えば、エンジン２が停止状態から加速し、高速高負荷運転状態に至る場合の制御を説明する。まず、エンジン始動時には、第１制御を選択し（Ｓ１０）、エンジン２は第１ＥＧＲ通路５でＥＧＲを行いながら加速していく。エンジン２の加速に伴い、高圧段ターボチャージャ４の回転数が上昇し、十分な回転数と判断した場合（Ｓ３）、第２制御への移行（Ｓ２０）を開始する。すなわち、負荷制御装置１３を停止し、第１ＥＧＲ弁６を閉止し、第２ＥＧＲ弁８を開放する。ここで、高圧段ターボチャージャ４の回転数の判断（Ｓ３）は、例えば高圧段コンプレッサ４Ｃの上流の吸気通路に設置した圧力センサ１８等で、吸気負圧を計測して行うことができる。
【００５１】
エンジン２の更なる加速に伴い、高圧段ターボチャージャ４から低圧段ターボチャージャ３による過給に切替えた場合、第３制御への移行（Ｓ３０）を開始する。この高圧段ターボチャージャ４から低圧段ターボチャージャ３への切り替えは、従来の２ステージターボシステムの制御を利用することができる。つまり、ＥＧＲシステム１は、ＥＧＲの制御と、２ステージターボの制御を同時に行う構成とする。
【００５２】
以上のように、エンジン２の運転状態に合わせて、第１制御、第２制御及び第３制御を選択して、ＥＧＲを行う構成により、エンジン２の全運転状態において、効率的にＥＧＲを行うことが可能となる。特に、エンジン２の始動時又は低速低負荷時におけるＥＧＲの効率を向上し、ＮＯｘの削減を実現したＥＧＲシステムを提供することが可能となる。
【００５３】
なお、他の運転状態では、基本的に第２ＥＧＲ通路７を使用し、ターボチャージャ３、４の運転領域については、この第２ＥＧＲ通路７の利用を前提として作成した運転マップにより制御する。
【符号の説明】
【００５４】
１ ＥＧＲシステム
２ エンジン（内燃機関）
３ 低圧段ターボチャージャ（低圧段過給器）
３Ｃ 低圧段コンプレッサ
３Ｔ 低圧段タービン
４ 高圧段ターボチャージャ（高圧段過給器）
４Ｃ 高圧段コンプレッサ
４Ｔ 高圧段タービン
５ 第１ＥＧＲ通路
６ 第１ＥＧＲ弁
７ 第２ＥＧＲ通路
８ 第２ＥＧＲ弁
１１ 吸気マニホールド
１２ 排気マニホールド
１３ 負荷制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気通路の上流側から順に低圧段過給器の低圧段コンプレッサと高圧段過給器の高圧段コンプレッサを設けるとともに、排気通路の上流側から順に高圧段過給器の高圧段タービンと低圧段過給器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ＥＧＲシステムが、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通路から、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通路へ、第１ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第１ＥＧＲ通路と、
前記内燃機関の排気マニホールドから吸気マニホールドへ、第２ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第２ＥＧＲ通路と、
前記低圧段過給器に前記低圧段タービンの回転軸に負荷をかける負荷制御装置を有することを特徴とするＥＧＲシステム。
【請求項２】
前記負荷制御装置が発電装置であることを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲシステム。
【請求項３】
吸気通路の上流側から順に低圧段過給器の低圧段コンプレッサと高圧段過給器の高圧段コンプレッサを設けるとともに、排気通路の上流側から順に高圧段過給器の高圧段タービンと低圧段過給器の低圧段タービンを設け、
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通路から、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通路へ、第１ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第１ＥＧＲ通路と、
前記内燃機関の排気マニホールドから吸気マニホールドへ、第２ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第２ＥＧＲ通路と、
前記低圧段過給器に前記低圧段タービンの回転軸に負荷をかける負荷制御装置を有したＥＧＲシステムの制御方法であって、
前記内燃機関が第１の運転状態である際に、前記内燃機関に対して、前記高圧段過給器で過給を行い、前記負荷制御装置により前記低圧段タービンの回転軸に負荷をかけ、前記第１ＥＧＲ弁を開として前記第１ＥＧＲ通路でＥＧＲを行う第１制御を行うことを特徴とするＥＧＲシステムの制御方法。
【請求項４】
前記負荷制御装置を発電装置とした前記ＥＧＲシステムの制御方法であって、
前記内燃機関が第１の運転状態である際に、前記内燃機関に対して、前記高圧段過給器で過給を行い、前記発電装置により前記低圧段タービンの回転軸に負荷をかけ、前記発電装置で発生したエネルギーを蓄電装置に蓄電し、かつ、前記第１ＥＧＲ弁を開として第１ＥＧＲ通路でＥＧＲを行う第１制御を行うことを特徴とするＥＧＲシステムの制御方法。
【請求項５】
前記内燃機関が第２の運転状態である際に、前記内燃機関に対して、前記高圧段過給器で過給を行い、前記第２ＥＧＲ通路でＥＧＲを行う第２制御を行うことを特徴とする請求項３又は４に記載のＥＧＲシステムの制御方法。
【請求項６】
前記内燃機関が第３の運転状態である際に、前記内燃機関に対して、前記低圧段過給器で過給を行い、前記第２ＥＧＲ通路でＥＧＲを行う第３制御を行うことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１つに記載のＥＧＲシステムの制御方法。
【請求項１】
吸気通路の上流側から順に低圧段過給器の低圧段コンプレッサと高圧段過給器の高圧段コンプレッサを設けるとともに、排気通路の上流側から順に高圧段過給器の高圧段タービンと低圧段過給器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ＥＧＲシステムが、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通路から、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通路へ、第１ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第１ＥＧＲ通路と、
前記内燃機関の排気マニホールドから吸気マニホールドへ、第２ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第２ＥＧＲ通路と、
前記低圧段過給器に前記低圧段タービンの回転軸に負荷をかける負荷制御装置を有することを特徴とするＥＧＲシステム。
【請求項２】
前記負荷制御装置が発電装置であることを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲシステム。
【請求項３】
吸気通路の上流側から順に低圧段過給器の低圧段コンプレッサと高圧段過給器の高圧段コンプレッサを設けるとともに、排気通路の上流側から順に高圧段過給器の高圧段タービンと低圧段過給器の低圧段タービンを設け、
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通路から、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通路へ、第１ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第１ＥＧＲ通路と、
前記内燃機関の排気マニホールドから吸気マニホールドへ、第２ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第２ＥＧＲ通路と、
前記低圧段過給器に前記低圧段タービンの回転軸に負荷をかける負荷制御装置を有したＥＧＲシステムの制御方法であって、
前記内燃機関が第１の運転状態である際に、前記内燃機関に対して、前記高圧段過給器で過給を行い、前記負荷制御装置により前記低圧段タービンの回転軸に負荷をかけ、前記第１ＥＧＲ弁を開として前記第１ＥＧＲ通路でＥＧＲを行う第１制御を行うことを特徴とするＥＧＲシステムの制御方法。
【請求項４】
前記負荷制御装置を発電装置とした前記ＥＧＲシステムの制御方法であって、
前記内燃機関が第１の運転状態である際に、前記内燃機関に対して、前記高圧段過給器で過給を行い、前記発電装置により前記低圧段タービンの回転軸に負荷をかけ、前記発電装置で発生したエネルギーを蓄電装置に蓄電し、かつ、前記第１ＥＧＲ弁を開として第１ＥＧＲ通路でＥＧＲを行う第１制御を行うことを特徴とするＥＧＲシステムの制御方法。
【請求項５】
前記内燃機関が第２の運転状態である際に、前記内燃機関に対して、前記高圧段過給器で過給を行い、前記第２ＥＧＲ通路でＥＧＲを行う第２制御を行うことを特徴とする請求項３又は４に記載のＥＧＲシステムの制御方法。
【請求項６】
前記内燃機関が第３の運転状態である際に、前記内燃機関に対して、前記低圧段過給器で過給を行い、前記第２ＥＧＲ通路でＥＧＲを行う第３制御を行うことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１つに記載のＥＧＲシステムの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２４９０２２（Ｐ２０１０−２４９０２２Ａ）
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９９２７９（Ｐ２００９−９９２７９）
【出願日】平成２１年４月１５日（２００９．４．１５）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月１５日（２００９．４．１５）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]