JP2010249022A - EGR system of internal combustion engine and control method thereof - Google Patents
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Abstract
【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。
【選択図】図1An EGR system for a two-stage supercharged internal combustion engine 2 having a high-pressure stage supercharger 4 and a low-pressure stage supercharger 3 includes a low-speed low-load operation state and a high-speed high-load operation state at start-up. A highly efficient EGR system and its control method are provided in all operating states of the internal combustion engine 2.
An EGR system for a two-stage supercharged internal combustion engine 2 having a high-pressure stage supercharger 4 and a low-pressure stage supercharger 3, wherein the EGR system 1 includes the high-pressure turbine 4T and the low-pressure stage turbocharger. A first EGR passage 5 for introducing EGR gas E through a first EGR valve 6 from an exhaust passage between the stage turbine 3T and an intake passage between the low-pressure stage compressor 3C and the high-pressure stage compressor 4C; A second EGR passage 7 for introducing EGR gas E from the exhaust manifold 12 of the internal combustion engine 2 to the intake manifold 11 via the second EGR valve 8, and the rotary shaft of the low pressure stage turbine 3 T in the low pressure stage supercharger 3. A load control device 13 for applying a load to
[Selection] Figure 1
Description
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。 The present invention relates to an EGR system for a two-stage turbocharging internal combustion engine having a high-pressure stage supercharger and a low-pressure stage supercharger, and more specifically, EGR that performs EGR at a high rate in all operating states of the internal combustion engine. The present invention relates to a system and a control method thereof.
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。 In order to reduce NOx in the exhaust gas of the engine (internal combustion engine), EGR (Exhaust Gas Recirculation) that recirculates the exhaust gas to the intake side is performed. The EGR system is a system in which exhaust gas generated in an engine is mixed with intake air and sent again into a combustion chamber.
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。 On the other hand, in order to improve the exhaust gas performance and fuel consumption performance of NOx-PM (particulate matter) of the engine, a multistage supercharging system in which a plurality of superchargers are installed in the engine is adopted. This multi-stage turbocharging system includes, for example, a two-stage turbo system using two superchargers. A large-capacity low-pressure stage turbocharger (low-pressure stage turbocharger) and a small-capacity high-pressure stage turbo turbocharger (high-pressure turbocharger). (Stage supercharger) are connected in series. In this two-stage turbo system, control is performed so that the high-pressure stage turbocharger performs supercharging with a high-pressure stage turbocharger when the engine is running at low speed and low load, and the high-pressure stage turbocharger is used to supercharge a large flow rate when the engine is running at high speed and high load. ing.
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。 In this two-stage turbo system, the optimum efficiency of the turbocharger in each operating state of the engine can be obtained by using a plurality of turbochargers with different capacities in parallel, in series or independently in various operating states of engine rotation and load. Can be used. For this reason, by adopting this system, fuel consumption can be improved and exhaust gas can be reduced.
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。 An engine in which the above-described EGR system is applied to this multistage supercharging system has been proposed (see, for example, Patent Document 1). FIG. 5 shows an outline of the conventional EGR system 1X. Hereinafter, control of the EGR system applied to a two-stage turbo system which is a multistage supercharging system will be described.
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。
First, the configuration and control of the two-stage turbo system will be described. In the low-speed and low-load operation state of the
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。
In the high speed and high load operation state of the
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。
Next, the configuration and control of the EGR system will be described. The EGR system generally includes a
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。
As another EGR system, an exhaust passage between the high-pressure turbine 4T and the low-pressure turbine 3T is provided via an EGR cooler 15b for cooling the EGR gas, and a
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。
The EGR system 1X is controlled by a
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。 According to the EGR system 1X in which both HP-EGR and LP-EGR are applied to a two-stage turbo system, these two types of EGR are selectively controlled according to the operating state of the engine, so that NOx in exhaust gas and PM and the like can be reduced.
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。
However, the above-mentioned HP-EGR and LP-EGR have their own problems. First, for example, in an operating state in which the
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。
In the low-load operation state of the
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。
Further, in the LP-EGR in the low speed and low load operation state of the
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。
However, the exhaust gas G flowing through the
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。
Further, in the operating state of the
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。 The present invention has been made in view of the above situation, and an object thereof is to provide a two-stage supercharged internal combustion engine EGR system including a high-pressure supercharger and a low-pressure supercharger. To provide a highly efficient EGR system and its control method in all operating states of an internal combustion engine, including a low-speed and low-load operating state and a high-speed and high-load operating state.
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。 In order to achieve the above object, an EGR system according to the present invention is provided with a low-pressure stage compressor of a low-pressure stage turbocharger and a high-pressure stage compressor of a high-pressure stage supercharger in order from the upstream side of an intake passage and upstream of an exhaust passage. An EGR system of an internal combustion engine provided with a high-pressure stage turbine of a high-pressure stage supercharger and a low-pressure stage turbine of a low-pressure stage supercharger in order from the side, wherein the EGR system includes the high-pressure stage turbine and the low-pressure stage turbine. A first EGR passage for introducing EGR gas via a first EGR valve, an exhaust manifold of the internal combustion engine to an intake manifold, from an exhaust passage therebetween to an intake passage between the low pressure stage compressor and the high pressure stage compressor A second EGR passage for introducing EGR gas via a second EGR valve, and a load applied to the rotary shaft of the low-pressure stage turbine to the low-pressure stage supercharger And having a load control device.
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。 With this configuration, a load is applied to the rotating shaft of the low-pressure stage turbine, the pressure on the upstream side of the low-pressure stage turbine can be increased, and the pressure on the inlet side of the first EGR passage connected thereto can be increased. Thus, it can pass through the first EGR passage and circulate to the intake side. In addition, the entire amount of exhaust gas discharged from the internal combustion engine is supplied to the high-pressure turbine, and the high-pressure turbocharger performs work efficiently, and the intake air amount to the internal combustion engine increases. It can be carried out.
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。 In addition, the configuration that controls the flow rate of the EGR gas flowing through the first EGR passage with the load control device eliminates the need to install an exhaust throttle valve on the exhaust passage and an intake throttle valve on the intake passage, thereby suppressing the occurrence of pumping loss. can do.
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。 In the above EGR system, the load control device is a power generation device. With this configuration, electricity can be extracted from the load control device as energy, so that energy efficiency can be improved.
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。
In order to achieve the above object, the EGR system control method according to the present invention is provided with a low-pressure stage compressor of a low-pressure stage turbocharger and a high-pressure stage compressor of a high-pressure stage supercharger in order from the upstream side of the intake passage. A high-pressure stage turbine of a high-pressure stage supercharger and a low-pressure stage turbine of a low-pressure stage supercharger are provided in order from the upstream side of the passage, and from the exhaust passage between the high-pressure stage turbine and the low-pressure stage turbine, A first EGR passage for introducing EGR gas to the intake passage between the high-pressure compressor and the first high-pressure compressor via the first EGR valve, and an EGR gas to the intake manifold from the exhaust manifold of the internal combustion engine to the intake manifold via the second EGR valve EGR system control method comprising: a second EGR passage to be introduced; and a load control device that applies a load to the rotary shaft of the low-pressure turbine in the low-pressure turbocharger When the internal combustion engine is in the first operating state, the internal combustion engine is supercharged by the high pressure stage supercharger, and a load is applied to the rotary shaft of the low pressure stage turbine by the load control device. And the first EGR valve is opened, and E is
The first control for performing GR is performed.
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。 With this configuration, for example, at the start of the internal combustion engine or in the first operating state such as the low-speed and low-load operating state, the entire amount of exhaust gas is caused to flow to the high-pressure turbine to quickly start up the high-pressure turbocharger, and The pressure on the inlet side of the first EGR passage can be increased by applying a load with the load control device. In other words, the high pressure supercharger can perform work regardless of the use of EGR, and can supply sufficient exhaust gas to the intake side via the first EGR passage.
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。 In the EGR system control method, the load control device is used as a power generator, and the internal combustion engine is supercharged by the high-pressure stage supercharger when the internal combustion engine is in a first operating state. The first control that applies a load to the rotating shaft of the low-pressure turbine by the power generator, stores the energy generated by the power generator in the power storage device, and performs EGR in the first EGR passage by opening the first EGR valve It is characterized by performing. With this configuration, electricity generated in the power generation device can be recovered as energy, so that energy efficiency can be improved.
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。 In the above EGR system control method, when the internal combustion engine is in the second operating state, the internal combustion engine is supercharged by the high-pressure stage supercharger and EGR is performed by the second EGR passage. The second control is performed. With this configuration, for example, in the second operation state such as a state where the high-pressure stage supercharger is sufficiently rotated, EGR using the second EGR passage is used rather than supplying exhaust gas to the high-pressure stage supercharger. Therefore, the EGR effect can be sufficiently obtained. Furthermore, the configuration for releasing the operation of the load control device and accelerating the rotation of the low-pressure stage turbine enables simultaneous preparation for smoothly switching from the high-pressure stage supercharger to the low-pressure stage supercharger. .
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。 In the above EGR system control method, when the internal combustion engine is in the third operating state, the internal combustion engine is supercharged by the low-pressure stage supercharger and EGR is performed by the second EGR passage. The third control is performed. With this configuration, for example, in the third operation state such as the high-speed and high-load operation state of the internal combustion engine, the low-pressure stage supercharger performs sufficient work and uses the second EGR passage while realizing large-capacity supercharging. Since the exhaust gas can efficiently recirculate the exhaust gas to the internal combustion engine, highly efficient EGR can be realized.
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。 According to the EGR system for an internal combustion engine and the control method therefor according to the present invention, an EGR system having a first EGR passage and a second EGR passage is introduced into a two-stage turbo system having a low-pressure stage supercharger and a high-pressure stage supercharger. In addition, by installing a load control device that applies a load to the rotary shaft of the low-pressure stage turbine, it is highly efficient in all operating states of the internal combustion engine, including low speed and low load operating conditions, high speed and high load operating conditions, etc. It is possible to provide an EGR system capable of EGR and a control method thereof.
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。
Hereinafter, an EGR system and a control method thereof according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration of an
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。
The
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。
In FIG. 1, the flow of intake air A, exhaust gas G, and EGR gas E is indicated by arrows, and the flow of each gas is determined when the engine (internal combustion engine) 2 is started or in a low-speed and low-load operation state. This shows a state of the first control in which the supercharging is performed by the high-pressure stage turbocharger (high-pressure stage supercharger) 4 and the EGR is performed by the
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。
First, the flow of each gas will be described. The intake air A indicated by the white arrow is introduced from the
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。
Exhaust gas G indicated by a black arrow is discharged from the
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。
Here, in order to efficiently flow the EGR gas E from the inlet portion to the outlet portion of the
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。
Further, since the entire amount of the exhaust gas G passes through the high-pressure stage turbine 4T, the high-
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。
The control of the load control device 13 and the
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。
FIG. 2 shows the state of the second control. This second control is a control of the process in which the
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。
At this time, the intake air A and the exhaust gas G flow in the same passage as in the first control. The EGR gas E is supplied from the
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。
Here, in the second control, the operation of the load control device 13 is stopped, and the low-pressure turbine 3T is controlled to accelerate the rotation by the passage of the exhaust gas G. In the state in which the second control is performed, the high-
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。 When the load control device 13 is a power generation device such as a motor, in this second control, a rotational force is applied to the low-pressure turbine 3T by this motor, and the low-pressure turbocharger (low-pressure turbocharger) 3 starts up. You may add control which shortens time.
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。
FIG. 3 shows the state of the third control. In the third control, the
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。
At this time, intake air A is introduced from the
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。
In the third control, the operation of the load control device 13 is stopped, and the low-pressure stage turbocharger performs sufficient work, so that EGR using the
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。
FIG. 4 shows a control flow of the
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。
The control of the load control device 13 and the
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。
Further, when the
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。
Further, when the load control device 13 is a power generation device such as a motor, the motor may be supplied from a power storage device such as a battery and a rotational force may be applied to the low-pressure turbine 3T. With this configuration, the rise time of the low-
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。
Further, when the
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。
Next, as a specific example of control, for example, control when the
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。
When the
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。
As described above, the first control, the second control, and the third control are selected according to the operating state of the
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。
In other operation states, the
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
1
3 Low-pressure turbocharger (low-pressure turbocharger)
3C Low-pressure compressor 3T Low-
4C High-pressure stage compressor 4T High-
Claims (6)
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。 A low-pressure stage compressor of the low-pressure stage supercharger and a high-pressure stage compressor of the high-pressure stage supercharger are provided in order from the upstream side of the intake passage, and the high-pressure turbine and low-pressure stage supercharger of the high-pressure stage turbocharger are arranged in order from the upstream side of the exhaust passage. An EGR system for an internal combustion engine provided with a low-pressure turbine of a feeder,
The EGR system introduces EGR gas from an exhaust passage between the high-pressure stage turbine and the low-pressure stage turbine to an intake passage between the low-pressure stage compressor and the high-pressure stage compressor via a first EGR valve. A first EGR passage to
A second EGR passage for introducing EGR gas from the exhaust manifold of the internal combustion engine to the intake manifold via a second EGR valve;
An EGR system comprising a load control device for applying a load to a rotary shaft of the low-pressure stage turbine in the low-pressure stage supercharger.
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。 A low-pressure stage compressor of the low-pressure stage supercharger and a high-pressure stage compressor of the high-pressure stage supercharger are provided in order from the upstream side of the intake passage, and the high-pressure turbine and low-pressure stage supercharger of the high-pressure stage turbocharger are arranged in order from the upstream side of the exhaust passage. A low-pressure turbine for the feeder,
A first EGR passage for introducing EGR gas from an exhaust passage between the high-pressure turbine and the low-pressure turbine to an intake passage between the low-pressure compressor and the high-pressure compressor via a first EGR valve; ,
A second EGR passage for introducing EGR gas from the exhaust manifold of the internal combustion engine to the intake manifold via a second EGR valve;
A control method for an EGR system having a load control device for applying a load to a rotary shaft of the low-pressure stage turbine on the low-pressure stage supercharger,
When the internal combustion engine is in the first operating state, the internal combustion engine is supercharged by the high pressure stage supercharger, and a load is applied to the rotary shaft of the low pressure stage turbine by the load control device, A control method for an EGR system, wherein the first control for performing EGR in the first EGR passage is performed by opening the first EGR valve.
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。 A control method of the EGR system using the load control device as a power generation device,
When the internal combustion engine is in the first operating state, the internal combustion engine is supercharged by the high-pressure stage supercharger, a load is applied to the rotating shaft of the low-pressure stage turbine by the power generator, A control method for an EGR system that performs first control for storing energy generated in a power generation device in a power storage device and performing EGR in a first EGR passage by opening the first EGR valve.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2009099279A JP2010249022A (en) | 2009-04-15 | 2009-04-15 | EGR system of internal combustion engine and control method thereof |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012102466A1 (en) * | 2011-01-24 | 2012-08-02 | 두산인프라코어 주식회사 | Exhaust gas recirculation apparatus for heavy construction equipment |
| JP7484497B2 (en) | 2020-07-01 | 2024-05-16 | マツダ株式会社 | Engine fuel reforming system |
-
2009
- 2009-04-15 JP JP2009099279A patent/JP2010249022A/en active Pending
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