JP2001280147A - Series two-stage turbo supercharging system - Google Patents

Series two-stage turbo supercharging system

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JP2001280147A
JP2001280147A JP2000094785A JP2000094785A JP2001280147A JP 2001280147 A JP2001280147 A JP 2001280147A JP 2000094785 A JP2000094785 A JP 2000094785A JP 2000094785 A JP2000094785 A JP 2000094785A JP 2001280147 A JP2001280147 A JP 2001280147A
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compressor
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supercharger
turbine
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    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a series two-stage turbo supercharging system capable of carrying out an operation while holding safety of a supercharger of a high pressure stage by providing a waste gate valve which is opened/closed according to a pressure ratio of a compressor in the supercharger of the high pressure stage. SOLUTION: In the turbo supercharging system 1 of a series two-stage supercharging wherein a first turbine 31 of a first supercharger 30 and a second turbine 41 of a second supercharger 40 are disposed from an upstream side of an exhaust passage 22 of an internal combustion engine 10 in order, and a second compressor 42 of the second supercharger 40 and a first compressor 32 of the first supercharger 30 are disposed from the upstream side of an intake passage 12 in order; a waste gate valve 34 disposed in the first turbine 31 is opened/closed according to a ratio between first intake pressure Pid of a downstream side of the first compressor 32 and second intake pressure Piu of the upstream side of the first compressor 32.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼルエンジ
ン等の内燃機関において、コンプレッサーが2段直列に
配置された直列2段ターボ過給システムに関するもので
ある。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an in-line two-stage turbocharging system in an internal combustion engine such as a diesel engine, in which compressors are arranged in two stages in series.

【0002】[0002]

【従来の技術】ターボ過給機付きエンジンにおいては、
コンプレッサによる過給を1段だけ行う1段ターボ過給
システムの他に、吸入空気を十分にシリンダに供給し充
填するために、負荷や回転数の大きい時に大容量のター
ビンを駆動し、負荷や回転数の小さい時に小容量のター
ビンに切り替えて、これを駆動して過給する、切替え方
式の2段ターボ過給システムがある。
2. Description of the Related Art In a turbocharged engine,
In addition to the single-stage turbocharging system in which only one stage of supercharging is performed by the compressor, in order to sufficiently supply and charge the intake air to the cylinder, a large-capacity turbine is driven when the load or rotation speed is large, There is a switching-type two-stage turbocharging system that switches to a small-capacity turbine when the rotation speed is low, and drives and supercharges the turbine.

【0003】また、一段の排気ガスタービンから排出さ
れる排気ガスには、なお利用可能な排気エネルギーが十
分にあるので、第2段の排気ガスタービンを設けて、第
1段のコンプレッサで圧縮昇圧した給気を、第2段のコ
ンプレッサで、更に圧縮昇圧して高過給でエンジンに供
給することにより、シリンダに対する吸気の充填効率を
向上させ、エンジン出力を高める直列二段ターボ過給シ
ステムが提案されている。
[0003] Further, since the exhaust gas discharged from the one-stage exhaust gas turbine still has a sufficient amount of available exhaust energy, a second-stage exhaust gas turbine is provided, and the pressure of the first-stage compressor is increased. In-line two-stage turbocharging system that improves the charging efficiency of the intake air to the cylinders and increases the engine output by supplying the supplied air to the engine with a second stage compressor that further compresses and boosts the pressure and supplies it to the engine with high supercharging Proposed.

【0004】この直列二段ターボ過給システムは、ター
ビン径の異なる大小の過給機を組み合わせて、エンジン
の低回転域では主として小さい方の過給機で過給し、レ
スポンスとターボラグを改善すると共に、大きい方の過
給機は予備回転させる。そして、高回転域では、大きい
方の過給機を作動させ、十分な過給圧で過給するもので
ある。
[0004] This in-line two-stage turbocharger system combines large and small turbochargers with different turbine diameters, and in a low engine speed region, mainly uses the smaller turbocharger to improve the response and the turbo lag. At the same time, the larger turbocharger is pre-rotated. Then, in the high rotation range, the larger supercharger is operated to perform supercharging with a sufficient supercharging pressure.

【0005】このように、コンプレッサを直列2段に配
置した場合は、図1に示すように、排気上流側の高圧段
のタービン31の給気圧力比がタービン31の許容回転
速度に達する時の給気圧力比になった場合に、このター
ビン31の過回転を防止して、過給機を保護する必要が
あるので、ウェストゲートバルブ34を備えたウェスト
ゲート33を設けて、タービン31が許容回転速度に達
する前にウェストゲートバルブ34を開弁して、排気ガ
スGをバイパスさせる構成が必要になる。
When the compressors are arranged in two stages in series, as shown in FIG. 1, when the supply pressure ratio of the turbine 31 at the high pressure stage on the upstream side of the exhaust reaches the allowable rotation speed of the turbine 31, as shown in FIG. When the supply pressure ratio is reached, it is necessary to prevent over-rotation of the turbine 31 and protect the supercharger. Therefore, a waste gate 33 having a waste gate valve 34 is provided so that the turbine 31 is allowed to operate. It is necessary to open the waste gate valve 34 before the rotation speed is reached to bypass the exhaust gas G.

【0006】ウェストゲートバルブ自体は、従来技術の
1段ターボ過給システムでも設けられており、図5に示
すように、ダイヤフラムタイプのバルブアクチュエータ
70を使用し、コンプレッサの下流の吸気を導入し、こ
のコンプレッサの出口側の吸気圧力であるブースト圧力
Piの値が一定値を超えるとダイヤフラム71がバネ7
2の付勢力に打ち勝って駆動軸73を矢印X方向に駆動
して、この駆動軸73の先にある図示しないウェストゲ
ートバルブを開弁する構成となっている。
The wastegate valve itself is also provided in the prior art one-stage turbocharging system, and as shown in FIG. 5, uses a diaphragm type valve actuator 70 to introduce intake air downstream of the compressor, When the value of the boost pressure Pi, which is the intake pressure on the outlet side of the compressor, exceeds a certain value, the diaphragm 71 moves
The drive shaft 73 is driven in the direction of the arrow X by overcoming the urging force of No. 2 to open a waste gate valve (not shown) at the end of the drive shaft 73.

【0007】そして、このウェストゲートバルブの開弁
により、排気ガスをバイパスさせて、タービンの回転を
抑制し、エンジンに供給される吸気の圧力が上昇し過ぎ
るのを防止し、それと同時に、エンジンに過給される吸
気圧力(ブースト圧)が高くなりすぎて、ノッキングや
シリンダの破損が発生するのを防止している。
By opening the waste gate valve, the exhaust gas is bypassed, the rotation of the turbine is suppressed, and the pressure of the intake air supplied to the engine is prevented from excessively increasing. This prevents the intake pressure (boost pressure) that is supercharged from becoming too high, causing knocking and cylinder damage.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来技術のウェストゲートバルブを使用した場合には、ブ
ースト圧の値によって開閉弁する構成であるので、図1
に示すような直列2段ターボ過給システムでは使用でき
ないという問題がある。
However, when the conventional wastegate valve is used, the valve is opened and closed by the boost pressure value.
There is a problem that it cannot be used in the in-line two-stage turbocharging system as shown in FIG.

【0009】つまり、1段ターボ過給システムの場合に
は、ブースト圧と圧力比とが略1対1対応になるため、
所定のブースト圧で開弁操作することは、対応する所定
の圧力比で開弁操作したことになるが、一方、図1に示
すような直列2段ターボ過給システム1の場合には、高
圧段の過給機30のコンプレッサ32の圧力比が低い場
合でも、低圧段の過給機40のコンプレッサ42の圧力
比の高低によって、吸気マニホールド11やインターク
ーラ15に入る直前の吸気圧力であるブースト圧Pidが
高くなったり、低くなったりするので、高圧段の過給機
30のコンプレッサ32の圧力比とブースト圧Pidは1
対1対応とならなくなる。
In other words, in the case of a single-stage turbocharging system, the boost pressure and the pressure ratio correspond substantially to one to one.
Opening the valve at a predetermined boost pressure means opening the valve at a corresponding predetermined pressure ratio. On the other hand, in the case of the in-line two-stage turbocharging system 1 as shown in FIG. Even when the pressure ratio of the compressor 32 of the supercharger 30 of the low pressure stage is low, the boost which is the intake pressure immediately before entering the intake manifold 11 or the intercooler 15 due to the level of the pressure ratio of the compressor 42 of the supercharger 40 of the low pressure stage. Since the pressure Pid increases or decreases, the pressure ratio of the compressor 32 of the supercharger 30 in the high-pressure stage and the boost pressure Pid become 1
No one-to-one correspondence.

【0010】そのため、直列2段ターボ過給システム1
の場合には、ブースト圧Pidが高くても低くても、高圧
段の過給機30の圧力比が高い場合があり、このブース
ト圧Pidだけでは、高圧段の過給機30が許容回転数に
近い回転数であるか余裕のある回転数であるか判断でき
ない。
[0010] Therefore, the in-line two-stage turbocharging system 1
In this case, the pressure ratio of the supercharger 30 in the high-pressure stage may be high regardless of whether the boost pressure Pid is high or low. It cannot be determined whether the rotation speed is close to or has a margin.

【0011】従って、ブースト圧Pidに対応させて、高
圧段のタービン31の緊急開放用のウェストゲート34
を開閉弁すると、低圧段側の過給機40の圧力比が小さ
い時には、高圧段側の過給機30の圧力比が高くてター
ビン31の回転速度が許容回転速度に達した場合であっ
ても、ブースト圧Pidは危険範囲に入る程高くならない
ので、ウェストゲートバルブ34は閉弁のまま排気ガス
を供給し続けることになり、過給機30を破損してしま
う結果となる。
Therefore, the waste gate 34 for emergency opening of the turbine 31 at the high pressure stage is set in accordance with the boost pressure Pid.
When the pressure ratio of the supercharger 40 on the low pressure stage side is small, the pressure ratio of the supercharger 30 on the high pressure stage side is high, and the rotation speed of the turbine 31 reaches the allowable rotation speed. However, since the boost pressure Pid does not become high enough to enter the danger range, the wastegate valve 34 continues to supply the exhaust gas with the valve closed, and the turbocharger 30 is damaged.

【0012】また、低圧段側の過給機40の圧力比が大
きい時には、高圧段側の過給機30の圧力比が低くてタ
ービン31の回転速度が許容回転速度に達することが無
く、高圧段の過給機30に危険性が無い場合でも、ウェ
ストゲートバルブ34が開弁してしまうので、直列2段
のターボ過給システム1の適切な制御ができなくなる場
合が発生する。
When the pressure ratio of the supercharger 40 at the low pressure stage is large, the pressure ratio of the supercharger 30 at the high pressure stage is low, and the rotation speed of the turbine 31 does not reach the allowable rotation speed. Even when there is no danger in the supercharger 30 of the stage, the wastegate valve 34 is opened, so that appropriate control of the in-line two-stage turbocharger system 1 may not be performed.

【0013】本発明は、上述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、ブースト圧では無く、
コンプレッサの圧力比に応じて開閉弁するウェストゲー
トバルブを高圧段の過給機に備え、この高圧段の過給機
の安全性を保ちながら運転できる直列2段ターボ過給シ
ステムを提供することにある。
[0013] The present invention has been made to solve the above-mentioned problem, and the object of the present invention is not to increase the boost pressure but to increase the pressure.
The high-pressure supercharger is provided with a wastegate valve that opens and closes in accordance with the pressure ratio of the compressor, to provide a two-stage in-line turbocharger system that can operate while maintaining the safety of the high-pressure supercharger. is there.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】以上のような目的を達成
するための直列2段ターボ過給システムは、次のように
構成される。
The in-line two-stage turbocharging system for achieving the above object is constituted as follows.

【0015】1)内燃機関の排気通路に、排気ガスによ
り駆動される第1の過給機の第1タービンと第2の過給
機の第2タービンを上流側から直列に設けると共に、前
記第2タービンにより駆動される第2コンプレッサと前
記第1タービンにより駆動される第1コンプレッサを吸
気通路の上流側から直列に2段配置したターボ過給シス
テムにおいて、前記第1タービンに流入する排気ガスを
バイパスさせるウェストゲートバルブを設け、該ウェス
トゲートバルブは、前記第1コンプレッサの下流側の第
1吸気圧力と前記第1コンプレッサの上流側の第2吸気
圧力との比に応じて開閉弁するように形成される。
1) A first turbine of a first supercharger and a second turbine of a second supercharger driven by exhaust gas are provided in series in an exhaust passage of an internal combustion engine from an upstream side. In a turbocharger system in which a second compressor driven by two turbines and a first compressor driven by the first turbine are arranged in two stages in series from the upstream side of an intake passage, exhaust gas flowing into the first turbine is A wastegate valve to be bypassed is provided, and the wastegate valve opens and closes in accordance with a ratio between a first intake pressure downstream of the first compressor and a second intake pressure upstream of the first compressor. It is formed.

【0016】2)また、上記直列2段ターボ過給システ
ムにおいて、前記ウェストゲートバルブのバルブアクチ
ュエータは、第1空気室と第2空気室の間に配置された
内部ピストンと、該内部ピストンに連結し、該ウェスト
ゲートバルブを開閉駆動する駆動軸とを有し、前記第1
空気室を前記第1コンプレッサの上流側に、前記第2空
気室を前記第1コンプレッサの下流側に、それぞれ連通
して形成されると共に、前記内部ピストンの前記第1空
気室側の第1受圧面と、前記第2空気室側の第2受圧面
との面積比を、該ウェストゲートバルブを開弁する時の
前記第1吸気圧力と前記第2吸気圧力との圧力比になる
ようにして形成する。
2) In the above-mentioned in-line two-stage turbocharging system, the valve actuator of the waste gate valve is connected to an internal piston disposed between the first air chamber and the second air chamber, and to the internal piston. And a drive shaft for opening and closing the waste gate valve.
An air chamber is formed on the upstream side of the first compressor, and the second air chamber is formed on the downstream side of the first compressor. The first piston receives a first pressure of the internal piston on the first air chamber side. The area ratio between the surface and the second pressure receiving surface on the side of the second air chamber is set to be the pressure ratio between the first intake pressure and the second intake pressure when the waste gate valve is opened. Form.

【0017】なお、内部ピストンの摩擦やエンジンを停
止した時に内部ピストンを閉弁位置に戻すためのバネ力
等が関係するので、必ずしも、この面積比と圧力比は厳
密に同一の値である必要はなく、これらの作動時の補正
値を含んだ、略同じ値であればよい。
Since the friction of the internal piston and the spring force for returning the internal piston to the valve closing position when the engine is stopped are involved, the area ratio and the pressure ratio need not be exactly the same. However, it suffices that the values be substantially the same, including the correction values during these operations.

【0018】以上の構成の直列2段ターボ過給システム
用においては、高圧段の第1過給機に設けられるウェス
トゲートバルブは、高圧段の第1コンプレッサの出口側
の第1吸気圧力(ブースト圧)では無く、高圧段の第1
コンプレッサの出口側の第1吸気圧力と入口側の第2吸
気圧力との圧力比によって、開閉弁するので、低圧段の
コンプレッサの圧力比によってブースト圧力が変化する
ので、直列2段ターボ過給システムの高圧段の過給機を
安全に運転することができる。
In the above-described series two-stage turbocharger system, the waste gate valve provided in the first supercharger of the high pressure stage is connected to the first intake pressure (boost) on the outlet side of the first compressor of the high pressure stage. Pressure), not the high pressure stage
The on-off valve is opened and closed according to the pressure ratio between the first intake pressure on the outlet side of the compressor and the second intake pressure on the inlet side, so that the boost pressure changes according to the pressure ratio of the compressor in the low pressure stage. The high-pressure stage turbocharger can be safely operated.

【0019】なお、ウェストゲートバルブを高圧段の第
1コンプレッサの出口側の第1吸気圧力と入口側の第2
吸気圧力との圧力差で作動する場合についても考える
と、2段直列ターボ過給システムにおいては、例えば、
同じ100kPaの圧力差であっても、入口圧力(第2
吸気圧力)が低圧段のコンプレッサの圧力比によって異
なるので、入口圧力が100kPaで、出口圧力(第1
吸気圧力)が200kPaで圧力比2の時もあれば、入
口圧力が200kPaで、出口圧力が300kPaで圧
力比1.5の時もあるので、高圧段の過給機の圧力比と
直接関係しないことが分かる。
The waste gate valve is connected to the first intake pressure on the outlet side of the first compressor of the high pressure stage and the second intake pressure on the inlet side.
Considering the case of operating with a pressure difference from the intake pressure, in a two-stage in-line turbocharger system, for example,
Even at the same pressure difference of 100 kPa, the inlet pressure (second
(Intake pressure) depends on the pressure ratio of the compressor in the low pressure stage, so that the inlet pressure is 100 kPa and the outlet pressure (first
In some cases, the inlet pressure is 200 kPa and the pressure ratio is 2, and sometimes the inlet pressure is 200 kPa and the outlet pressure is 300 kPa and the pressure ratio is 1.5, so it is not directly related to the pressure ratio of the supercharger in the high-pressure stage. You can see that.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る直列2段ター
ボ過給システムについて、図面を参照しながら説明す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A series two-stage turbocharging system according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0021】最初に、直列2段ターボ過給システムの全
体構成について説明する。
First, the overall configuration of the in-line two-stage turbocharging system will be described.

【0022】図1に示すように、この直列2段ターボ過
給システム1は、エンジン10の排気マニホールド21
に接続された排気通路22に、上流側から順に、高圧段
の第1の過給機30の第1タービン31、低圧段の第2
の過給機40の第2タービン41及びマフラー(サイレ
ンサー)23が設けられている。
As shown in FIG. 1, the in-line two-stage turbocharging system 1 includes an exhaust manifold 21 of an engine 10.
The first turbine 31 of the first supercharger 30 at the high pressure stage and the second turbine at the low pressure stage
The second turbine 41 and the muffler (silencer) 23 of the supercharger 40 are provided.

【0023】また、吸気マニホールド11に接続された
吸気通路12には、上流側から順に、エアクリーナ1
3、低圧段の第2の過給機(ターボチャージャ)40の
第1コンプレッサ42、中間給気冷却器50、高圧段の
第1の過給機30の第1コンプレッサ32、給気冷却器
(インタークーラ:チャージクーラ)15が設けられて
いる。
In the intake passage 12 connected to the intake manifold 11, air cleaners 1 are arranged in order from the upstream side.
3, the first compressor 42 of the second supercharger (turbocharger) 40 of the low pressure stage, the intermediate charge cooler 50, the first compressor 32 of the first supercharger 30 of the high pressure stage, the charge cooler ( An intercooler (charge cooler) 15 is provided.

【0024】そして、中間給気冷却器50の直近に電動
ファン51を設け、低圧段の第2の過給機40の第2コ
ンプレッサ42で圧縮されて昇温した給気Aを冷却する
構成とし、この電動ファン51を制御する制御装置60
を設ける。この制御装置60は通常はエンジンコントロ
ールユニットで兼ねる。
An electric fan 51 is provided immediately adjacent to the intermediate air supply cooler 50 to cool the supply air A which has been heated by being compressed by the second compressor 42 of the second supercharger 40 at the low pressure stage. A control device 60 for controlling the electric fan 51
Is provided. This control device 60 usually also serves as an engine control unit.

【0025】この制御装置60は、負荷センサ61や回
転速度センサ62等からエンジンの運転状態を判断し、
エンジン10の高負荷高回転の運転領域等の、低圧段の
第2コンプレッサ42によって圧縮され昇温した吸気の
冷却を強める必要のある時に、電動ファン51をONす
る制御を行い、中間給気冷却器50の冷却能力を高める
ように構成される。
The control device 60 determines the operating state of the engine from the load sensor 61, the rotational speed sensor 62, and the like.
When it is necessary to enhance the cooling of the intake air that has been compressed and heated by the second compressor 42 in the low pressure stage, such as in a high-load high-speed operation region of the engine 10, control is performed to turn on the electric fan 51 to cool the intermediate supply air. It is configured to increase the cooling capacity of the vessel 50.

【0026】また、第1の過給機30の第1コンプレッ
サ32の下流側の給気冷却器15の冷却は周知の技術と
同様に、エンジン10の前方又は後方に配置してエンジ
ン直動の冷却ファン(図示しない)や走行風等によって
冷却するように構成される。
The cooling of the air supply cooler 15 downstream of the first compressor 32 of the first supercharger 30 is disposed in front of or behind the engine 10 and is directly operated by the engine, similarly to the known technique. It is configured to be cooled by a cooling fan (not shown) or running wind.

【0027】そして、更に、高圧段の第1の過給機30
の第1タービン31を迂回する排気バイパス通路24を
設けると共に、この排気バイパス通路24の入口に調整
バルブ25を設けて構成し、この調整バルブ25をエン
ジンの回転数等に基づいて開閉制御することにより、第
1の過給機30の第1タービン31と第2の過給機40
の第2タービン41の駆動量を調整する。この調整によ
り、高圧段の第1コンプレッサ32と低圧段の第2コン
プレッサ42による給気の圧縮比の割合等を調整する。
Further, the first supercharger 30 of the high pressure stage
An exhaust bypass passage 24 bypassing the first turbine 31 and an adjusting valve 25 provided at the inlet of the exhaust bypass passage 24, and the opening and closing of the adjusting valve 25 is controlled based on the engine speed and the like. Thereby, the first turbine 31 of the first supercharger 30 and the second supercharger 40
Of the second turbine 41 is adjusted. By this adjustment, the ratio of the compression ratio of the supply air by the first compressor 32 in the high-pressure stage and the second compressor 42 in the low-pressure stage is adjusted.

【0028】この直列2段ターボ過給システム1によれ
ば、エンジン10の排気マニホールド21より排出され
る排気ガスGは、高圧段の第1の過給機30に送られ第
1タービン31を駆動し、同軸上の第1コンプレッサ3
2を回転させ、吸入空気の過給を行い、この第1タービ
ン31を通過したガスは、更に、低圧段の第2の過給機
40に送られ第2タービン41を駆動し、マフラー23
を経て大気に放出される。
According to the in-line two-stage turbocharger system 1, the exhaust gas G discharged from the exhaust manifold 21 of the engine 10 is sent to the first supercharger 30 at the high pressure stage to drive the first turbine 31. And the first compressor 3 on the same axis
2 is rotated to supercharge the intake air, and the gas that has passed through the first turbine 31 is further sent to a second supercharger 40 of a low pressure stage to drive a second turbine 41, and the muffler 23
It is released to the atmosphere through.

【0029】一方、給気Aは、エアクリーナ13を通過
後、低圧段の第2の過給機40の第2コンプレッサ42
によって圧縮され昇温し、その後、電動ファン51で冷
却される中間給気冷却器50を通過して冷却され、次
に、高圧段の第1の過給機30の第1コンプレッサ32
によって、更に圧縮及び昇温し、給気冷却器15で冷却
された後に吸気マニホールド11に供給される。
On the other hand, after the supply air A has passed through the air cleaner 13, the second compressor 42 of the second supercharger 40 at the low pressure stage.
And then cooled by an intermediate fan cooler 50 cooled by an electric fan 51 and then cooled by a first compressor 32 of a first supercharger 30 in a high pressure stage.
Then, the pressure is further increased and the temperature is increased. After being cooled by the air supply cooler 15, the air is supplied to the intake manifold 11.

【0030】〔ウェストゲートバルブ〕次に、本発明の
特徴となる直列2段ターボ過給システムの第1過給機3
0に設けられるウェストゲートバルブ34について説明
する。
[Wastegate Valve] Next, the first supercharger 3 of the in-line two-stage turbocharger system which is a feature of the present invention.
The waste gate valve 34 provided at 0 will be described.

【0031】このウェストゲートバルブ34は、第1タ
ービン31に対して、緊急開放用に流入する排気ガスを
バイパスさせるためのものであり、図1に示すように、
第1タービン31に設けられる。
The wastegate valve 34 is for allowing the first turbine 31 to bypass the exhaust gas flowing for emergency opening, and as shown in FIG.
The first turbine 31 is provided.

【0032】そして、万一、排気バイパス通路24の調
整バルブ25が故障した場合であっても、排気マニホー
ルド21から出た排気ガスが直接流入する高圧段の第1
タービン31を保護することができるようにする。
Even if the regulating valve 25 of the exhaust bypass passage 24 fails, the first high-pressure stage of the high-pressure stage into which the exhaust gas discharged from the exhaust manifold 21 directly flows.
The turbine 31 can be protected.

【0033】このウェストゲートバルブ34は、図2〜
図3に示すようなバルブアクチュエータ35により、開
閉操作されるが、このバルブアクチュエータ35は、第
1空気室38aと第2空気室38bとこの間を仕切る内
部ピストン37を有し形成され、この内部ピストン37
は、ウェストゲートバルブ34を開閉駆動する駆動軸3
6に連結されている。
The waste gate valve 34 is shown in FIGS.
The valve actuator 35 is opened and closed by a valve actuator 35 as shown in FIG. 3. The valve actuator 35 is formed to have a first air chamber 38a, a second air chamber 38b, and an internal piston 37 partitioning the first air chamber 38a and the second air chamber 38b. 37
Is a drive shaft 3 for opening and closing the waste gate valve 34.
6.

【0034】この第1空気室38aは、第1コンプレッ
サ32の上流側の第2吸気圧力Piuとなるように、第1
コンプレッサ32の上流側の吸気通路12と連通し、ま
た、第2空気室38bは、第1コンプレッサ32の下流
側の第1吸気圧力Pidとなるように、第1コンプレッサ
32の下流側の吸気通路12と連通して構成される。
The first air chamber 38a is provided with a first intake pressure Piu upstream of the first compressor 32 so as to have a second intake pressure Piu.
The second air chamber 38 b communicates with the intake passage 12 on the upstream side of the compressor 32, and the second air chamber 38 b has a first intake pressure Pid on the downstream side of the first compressor 32, so that the intake passage on the downstream side of the first compressor 32 is formed. 12, and is configured to communicate therewith.

【0035】そして、図4に示すように、内部ピストン
37の第1空気室38a側の第1受圧面37aの面積S
aと、第2空気室38b側の第2受圧面37bの面積S
bとの比(Sa/Sb)が、所定の値Cpとなるよう
に、内部ピストン37の径Dと、第2受圧面37bに接
続する駆動軸36の面積調整部36bの径dを決めて形
成する。この場合に、面積比(Sa/Sb)は(D×
D)/(D×D−d×d)=Cpとなる。
As shown in FIG. 4, the area S of the first pressure receiving surface 37a of the internal piston 37 on the first air chamber 38a side is determined.
a and the area S of the second pressure receiving surface 37b on the side of the second air chamber 38b.
The diameter D of the internal piston 37 and the diameter d of the area adjusting portion 36b of the drive shaft 36 connected to the second pressure receiving surface 37b are determined so that the ratio (Sa / Sb) with respect to b becomes a predetermined value Cp. Form. In this case, the area ratio (Sa / Sb) is (D ×
D) / (D × D−d × d) = Cp.

【0036】また、この内部ピストン37の移動を規制
するために、ストッパ37bを第2空気室38bに設
け、また、このストッパ37bに内部ピストン37を押
圧するコイルバネ37aを第1空気室38aに配設す
る。このコイルバネ37aのバネ力はエンジンを停止し
た時に、ウェストゲートバルブ34が、閉弁位置に戻る
ことができる最低限の付勢力を発揮できる強さとする。
In order to restrict the movement of the internal piston 37, a stopper 37b is provided in the second air chamber 38b, and a coil spring 37a for pressing the internal piston 37 is provided in the first air chamber 38a. Set up. The spring force of the coil spring 37a is set so that the waste gate valve 34 can exert the minimum urging force required to return to the valve closing position when the engine is stopped.

【0037】このバルブアクチュエータ35の構成によ
れば、第1コンプレッサ32の上流側(入口側)の第2
吸気圧力Piuと下流側(出口側)の第1吸気圧力Pidの
関係が、Piu×Sa<Pid×Sbとなった場合に、内部
ピストン37及び駆動軸36が矢印X方向に動き、ウェ
ストゲートバルブ34を開弁する。また、Piu×Sa>
Pid×Sbとなった場合には、内部ピストン37及び駆
動軸36が矢印Y方向に動き、ウェストゲートバルブ3
4を閉弁する。
According to the configuration of the valve actuator 35, the second (upstream) side of the first compressor 32
When the relationship between the intake pressure Piu and the first intake pressure Pid on the downstream side (outlet side) is Piu × Sa <Pid × Sb, the internal piston 37 and the drive shaft 36 move in the direction of the arrow X, and the waste gate valve 34 is opened. In addition, Pi x Sa>
When Pid × Sb, the internal piston 37 and the drive shaft 36 move in the direction of arrow Y, and the wastegate valve 3
4 is closed.

【0038】このウェストゲートバルブ34が開弁する
状態は、Piu×Sa<Pid×Sbであるが、これは、
(Sa/Sb)<(Pid/Piu)の場合であり、第1コ
ンプレッサ32の圧力比(Pid/Piu)が所定の値Cp
以上になる場合である。
The state in which the waste gate valve 34 is opened is Piu × Sa <Pid × Sb.
(Sa / Sb) <(Pid / Piu), where the pressure ratio (Pid / Piu) of the first compressor 32 is a predetermined value Cp
This is the case.

【0039】なお、実用上では、内部ピストン37の摩
擦やエンジンを停止した時に内部ピストン37を閉弁位
置に戻すためのコイルバネ37aのバネ力等が関係する
ので、必ずしも、この面積比(Sa/Sb)と圧力比
(Pid/Piu)は厳密に同一の値である必要はなく、こ
れらの作動時の補正値を含んだ略同じ値となる。
In practical use, the friction between the internal piston 37 and the spring force of the coil spring 37a for returning the internal piston 37 to the valve closing position when the engine is stopped are related. Sb) and the pressure ratio (Pid / Piu) do not need to be exactly the same value, but are substantially the same value including the correction value at the time of operation.

【0040】この寸法の一例を上げると、高圧段の第1
コンプレッサ32の上流側圧力Piuが絶対圧表示で約1
50kPa(約1.5気圧),下流側圧力Pidが約30
0kPa(3.0気圧)程度であるので、上流側圧力P
iuが100kPa〜200kPaで、下流側圧力Pidが
200kPa〜400kPaで開弁させる場合が多く、
例えば、圧力比Cpが2以上で開弁させる場合には、面
積比(Sa/Sb)を2とすることになり、仮にD=3
cmとした場合には、Sa=7cm2 、Sb=3.5c
m2 となり、d=2.1cmとなる。
An example of this dimension is as follows.
The upstream pressure Piu of the compressor 32 is about 1 in absolute pressure.
50 kPa (about 1.5 atm), downstream pressure Pid is about 30
0 kPa (3.0 atm), the upstream pressure P
iu is 100 kPa to 200 kPa and the downstream pressure Pid is often opened at 200 kPa to 400 kPa.
For example, when the valve is opened when the pressure ratio Cp is 2 or more, the area ratio (Sa / Sb) is set to 2, and D = 3.
cm, Sa = 7 cm2, Sb = 3.5c
m2, and d = 2.1 cm.

【0041】この構成のウェストゲートバルブ34によ
れば、Cpをウェストゲートバルブ34を開弁させる圧
力比に設定することにより、所定の圧力比Cpでウェス
トゲートバルブ34を開弁させることができる。
According to the wastegate valve 34 having this configuration, the wastegate valve 34 can be opened at a predetermined pressure ratio Cp by setting Cp to a pressure ratio at which the wastegate valve 34 is opened.

【0042】従って、以上の構成の直列2段ターボ過給
システムによれば、高圧段の第1過給機30の第1ター
ビン31に設けたウェストゲートバルブ34が、第1タ
ービン31で駆動される第1コンプレッサ32の圧力比
(Pid/Piu)が所定の値Cp以上になった時に開弁す
るので、何らかの原因で、排気バイパス通路24の調整
バルブ25が故障した場合であっても、高圧段の第1過
給機30を保護でき、安全に運転できる。
Therefore, according to the in-line two-stage turbocharger system having the above-described configuration, the wastegate valve 34 provided in the first turbine 31 of the first supercharger 30 in the high-pressure stage is driven by the first turbine 31. The valve is opened when the pressure ratio (Pid / Piu) of the first compressor 32 exceeds a predetermined value Cp. Therefore, even if the adjustment valve 25 of the exhaust bypass passage 24 fails for some reason, the high pressure The first supercharger 30 of the stage can be protected and can be operated safely.

【0043】[0043]

【発明の効果】以上の説明したように、本発明に係る直
列2段ターボ過給システムによれば、高圧段の第1過給
機に設けたウェストゲートバルブが、高圧段の第1コン
プレッサの出口側の吸気圧力と入口側の吸気圧力との圧
力比によって開閉弁するので、確実に高圧段の第1過給
機を保護でき、安全に運転することができる。
As described above, according to the in-line two-stage turbocharger system according to the present invention, the wastegate valve provided in the first supercharger of the high pressure stage is provided with the waste gate valve of the first compressor of the high pressure stage. Since the on-off valve is opened and closed based on the pressure ratio between the intake pressure on the outlet side and the intake pressure on the inlet side, the first supercharger in the high-pressure stage can be reliably protected and can be operated safely.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係る直列2段ターボ過給システムを示
す構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing a series two-stage turbocharging system according to the present invention.

【図2】本発明に係る直列2段ターボ過給システムに使
用するウェストゲートバルブのバルブアクチュエータの
構成を示す斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of a valve actuator of a wastegate valve used in the in-line two-stage turbocharging system according to the present invention.

【図3】図2のバルブアクチュエータの側断面図であ
る。
FIG. 3 is a side sectional view of the valve actuator of FIG. 2;

【図4】図2のバルブアクチュエータの受圧面を示す図
で、(a)は第1受圧面を示し、(b)は第2受圧面を
示す。側断面図である。
4A and 4B are diagrams showing a pressure receiving surface of the valve actuator of FIG. 2, wherein FIG. 4A shows a first pressure receiving surface and FIG. 4B shows a second pressure receiving surface. It is a side sectional view.

【図5】従来技術のウェストゲートバルブのバルブアク
チュエータの構成を示す側断面図である。
FIG. 5 is a side sectional view showing a configuration of a valve actuator of a conventional wastegate valve.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ターボ過給システム 10 内燃機関 12 吸気通路 22 排気通路 30 第1の過給機 31 第1タービン 32 第2コンプレッサ 33 ウェストゲート 34 ウェストゲートバルブ 35 バルブアクチュエータ 36 駆動軸 37 内部ピストン 37a 第1受圧面 37b 第2受圧面 38a 第1空気室 38b 第2空気室 40 第2の過給機 41 第2タービン 42 第2コンプレッサ Pid 第1吸気圧力 Piu 第2吸気圧力 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Turbocharger system 10 Internal combustion engine 12 Intake passage 22 Exhaust passage 30 First turbocharger 31 First turbine 32 Second compressor 33 Westgate 34 Westgate valve 35 Valve actuator 36 Drive shaft 37 Internal piston 37a First pressure receiving surface 37b Second pressure receiving surface 38a First air chamber 38b Second air chamber 40 Second supercharger 41 Second turbine 42 Second compressor Pid First intake pressure Piu Second intake pressure

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 内燃機関の排気通路に、排気ガスにより
駆動される第1の過給機の第1タービンと第2の過給機
の第2タービンを上流側から直列に設けると共に、前記
第2タービンにより駆動される第2コンプレッサと前記
第1タービンにより駆動される第1コンプレッサを吸気
通路の上流側から直列に2段配置したターボ過給システ
ムにおいて、 前記第1タービンに流入する排気ガスをバイパスさせる
ウェストゲートバルブを設け、該ウェストゲートバルブ
は、前記第1コンプレッサの下流側の第1吸気圧力と前
記第1コンプレッサの上流側の第2吸気圧力との比に応
じて開閉弁するように形成したことを特徴とする直列2
段ターボ過給システム。
A first turbine of a first supercharger and a second turbine of a second supercharger driven by exhaust gas are provided in series in an exhaust passage of an internal combustion engine from an upstream side. In a turbocharger system in which a second compressor driven by two turbines and a first compressor driven by the first turbine are arranged in two stages in series from the upstream side of an intake passage, exhaust gas flowing into the first turbine is A wastegate valve for bypassing is provided, and the wastegate valve opens and closes in accordance with a ratio between a first intake pressure downstream of the first compressor and a second intake pressure upstream of the first compressor. Series 2 characterized by being formed
Stage turbocharging system.
【請求項2】 前記ウェストゲートバルブのバルブアク
チュエータは、第1空気室と第2空気室の間に配置され
た内部ピストンと、該内部ピストンに連結し、該ウェス
トゲートバルブを開閉駆動する駆動軸とを有し、 前記第1空気室を前記第1コンプレッサの上流側に、前
記第2空気室を前記第1コンプレッサの下流側に、それ
ぞれ連通して形成されると共に、 前記内部ピストンの前記第1空気室側の第1受圧面と、
前記第2空気室側の第2受圧面との面積比を、該ウェス
トゲートバルブを開弁する時の前記第1吸気圧力と前記
第2吸気圧力との圧力比になるようにして形成したこと
を特徴とする請求項1記載の直列2段ターボ過給システ
ム。
2. The valve actuator of the waste gate valve includes an internal piston disposed between the first air chamber and the second air chamber, and a drive shaft connected to the internal piston and driving the waste gate valve to open and close. The first air chamber is formed on the upstream side of the first compressor, the second air chamber is formed on the downstream side of the first compressor, and the first air chamber is formed on the downstream side of the first compressor. A first pressure receiving surface on the 1 air chamber side,
The area ratio with the second pressure receiving surface on the second air chamber side is formed to be the pressure ratio between the first intake pressure and the second intake pressure when the waste gate valve is opened. The in-line two-stage turbocharging system according to claim 1, wherein:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2013081217A1 (en) 2011-12-01 2013-06-06 주식회사 케이씨아이 Surface-modified ultraviolet blocking powder and ultraviolet blocking composition including same
CN108678856A (en) * 2018-08-16 2018-10-19 湖南天雁机械有限责任公司 A kind of deflation control mechanism for two-step supercharging

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