JP2006506576A - 内燃機関の順次ターボ過給装置及び順次ターボ過給方法 - Google Patents

Abstract

少なくとも２つのターボ過給機を有する順次ターボ過給装置。１つのターボ過給機が調節可能流量調整手段を設けられたタービンを有し、１つのターボ過給機の圧縮機が圧縮機を介して再循環される空気量を調節する調整手段を含む空気再循環装置を具備する。

Description

本発明は、内燃機関の順次（sequential）ターボ過給装置としての昇圧装置の構成及び順次ターボ過給方法に関する。本発明は、特に並列又は直列に接続されたターボ過給機を備えた多段ターボ過給機装置に関する。

種々の構造及び機能を有するターボ過給機を用いる公知の昇圧装置がある。例えば、あるターボ過給機においては、ターボ過給機が内燃機関の異なる運転条件の下で使用されるとき、ターボ過給機の効率を改善するために、タービンを駆動する排気ガス流が調整される。ターボ過給機のタービン側においてタービンを通るガス流の制御を達成するために、可変形状のノズル通路を含む可変ノズル装置が設けられる。

自由浮動（free floating）タービンを含む多段ターボ過給機も知られている。自由浮動タービンとは、タービン側がタービン・ホイールを駆動するガス流を調整する機構を備えていないことを意味する。最後に、１又はそれを超えるターボ過給機を含む昇圧装置も公知である。その昇圧装置においては、ターボ過給機が並列又は直列に接続される。このような昇圧装置は、内燃機関の定常状態及び過渡的動作条件におけるエンジン性能を増大させるために開発されてきた。

ＵＳ−６，３７８，３０８Ｂ１（特許文献１）によれば、２つのターボ過給機を含む従来の昇圧装置が公知である。この昇圧装置は、１つの高圧段及び１つの低圧段を含む。低圧段は高圧段の下流に配置される。高圧段におけるターボ過給機のタービンは、最少排気質量流量によって連続的に流されるので、タービンは永久的に回転する。昇圧装置は、側流管路を更に含む。側流管路によって、全排気質量流量の可変部分流が、高圧タービン、低圧タービン、及び選択的には内燃機関の新鮮空気側へ配分される。
ＵＳ−６，３７８，３０８Ｂ１

本発明の一観点によれば、改良された順次ターボ過給装置及び内燃機関の順次ターボ過給を行う方法が、特許請求の範囲に記載されるように提供される。

本発明の別の観点によれば、少なくとも２つのターボ過給機を有する順次ターボ過給装置であって、一方のターボ過給機の少なくとも１つの圧縮機が空気再循環手段を設けられている順次ターボ過給装置が提供される。このような順次ターボ過給装置の好適実施例によれば、空気再循環手段は、圧縮機をかいして再循環される空気量を調節する調整手段を含む。好適実施例においては、空気再循環手段の調整手段は、空気を圧縮機に送給する導管に配置された逆止弁と、圧縮機を側流する通路に配置された絞り弁とを含む。別の好適実施例によれば、再循環手段は冷却手段を備えたループを形成する。

本発明の異なる観点が、図面を参照して実施例によって詳細に説明される。本発明の第１実施例に基づく順次ターボ過給装置が、図１に示される。順次ターボ過給装置は、第１ターボ過給機１及び第２ターボ過給機２を含む。２つのターボ過給機は内燃機関３に関して並列に接続される。第１ターボ過給機１はタービン側において自由浮動タービン５を備え、他方、第２ターボ過給機２は可変形状（variable geometry）タービン７を設けられる。タービン５、７及び各圧縮機９、１１は並列に接続される。

この実施例の配置によれば、新鮮な空気は第１新鮮空気導管４及び第２新鮮空気導管６によって各圧縮機に並列に送給され、また、圧縮機から放出された空気は中間冷却器１２を介して内燃機関３の吸入側に案内される。配置のタービン側において、内燃機関３からの排気は、第１排気導管８を介して第１タービン５へ送給され、また、導管又は管路２３から分岐した第２排気導管１０を介して第２タービン７にそれぞれ送給される。並列タービン５、７から放出される排気は触媒容器１４へ案内される。

図１に示す多段ターボ過給機昇圧装置においては、第２圧縮機１１は、再循環空気量を調節する空気流量調整手段を用いる空気再循環装置を設けられる。この実施例における空気再循環装置は、第２圧縮機１１の入口を空気フィルタ１９に接続する第２新鮮空気導管６に再循環復帰される空気質量流量を調節するための蝶形弁１５を備えた側流導管１３を含む。第２新鮮空気導管６には、空気が第２圧縮機１１の入口に吸引されることを許すが空気フィルタ１９への逆流を回避する逆止弁２１が配置される。図１に示す実施例に基づく多段ターボ過給昇圧装置は、内燃機関の低、中、高回転速度において内燃機関の高い効率機能を許す。

内燃機関３の低回転速度（約１０００−２０００ｒｐｍを意味する）において、排気導管又は管路２３を介して供給された排気ガスが第１ターボ過給機１の自由浮動タービン５を駆動し、他方、第２ターボ過給機２の可変形状タービン７はほぼ閉鎖状態に留まる。これらの条件の下で、第２ターボ過給機２は非常に低速で回転されて、第２ターボ過給機２の軸受装置内の運転油圧による油漏れを正に回避する。内燃機関の低回転速度の段階においては、蝶形弁１５が開いて第２圧縮機１１を通る再循環を許す。そのとき、これらの運転条件の下で、逆止弁２１は閉鎖状態に留まる。この段階において理解されるように、第１ターボ過給機１のみが内燃機関３を過給するように定常に動作する。

内燃機関の中回転速度（約２０００−２５００ｒｐｍを意味する）の範囲において、タービン前、即ち排気導管８に接続された入口の圧力を調整するために、第２ターボ過給機２の可変形状タービン７は漸次開かれる。この段階において、第２圧縮機１１の側流導管１３の蝶形弁１５は、第２圧縮機１１と第２タービン７間の動力を平衡にするために漸次閉じられるので、蝶形弁１５の動作によって第２ターボ過給機２の速度が調整される。

内燃機関の高回転速度（約２５００−４０００ｒｐｍを意味する）の範囲において、可変形状タービン７は、良好な効率で動作し同時に超過速度に対する余裕を維持するために５０％開かれる。この段階において、蝶形弁１５は完全に閉じられ、また、逆止弁２１が開かれて空気フィルタ１９からの新鮮な空気の送給を許す。

本発明に基づく多段ターボ過給機昇圧装置の第２実施例が、図２に示される。本実施例に基づく配置の圧縮機側は第１実施例と同一である。その場合、ターボ過給機側のみが変更されて、各タービン１０５、１０７において、対応する第１排気ゲート弁１２９を備えた第１側流通路１２５と、及び第２排気ゲート弁１３１を備えた第２側流通路１２７とがそれぞれ設けられる。更に、第２蝶形弁又は絞り弁１３３が第２排気導管１１０に配置される。

内燃機関１０３の低回転速度（約１０００−２０００ｒｐｍを意味する）において、排気導管又は管路１２３を介して供給された排気ガスは、第１ターボ過給機１０１の自由浮動タービン１０５を駆動する。蝶形弁１３３はほとんど閉じられて、第２ターボ過給機１０２の軸受装置からの油漏れを単に回避するように漏れ排気ガス流が第２ターボ過給機１０２のアイドリング回転を保証する。この条件の下では、第１ターボ過給機の速度が排気ゲート弁１２９によって制御される。同時に、排気ゲート弁１３１は閉鎖状態に留まり、また、第１蝶形弁１１５が開かれて第２圧縮機１１１を通る新鮮空気の再循環を起こす。その間、逆止弁１２１は閉鎖状態に留まる。この段階において、第１ターボ過給機は内燃機関１０３を過給するように定常に動作する。

内燃機関の中回転速度（約２０００−２５００ｒｐｍを意味する）の範囲において、蝶形弁又は絞り弁１３３が漸次開いて、タービン前の圧力を調整し、また、排気ガス流が第２ターボ過給機１０２を駆動する。同時に、第２圧縮機１１１と第２タービン１０７との間の動力を平衡にするために蝶形弁１１５が漸次閉じられるので、蝶形弁１１５の動作によって第２ターボ過給機１０２の速度が調整される。

内燃機関の高回転速度（約２５００−４０００ｒｐｍを意味する）の範囲において、蝶形弁１３３が完全に又はほぼ完全に開かれる。その場合、第１タービン１０５及び第２タービン１０７の速度が第１排気ゲート弁１２９及び第２排気ゲート弁１３１によってそれぞれ調整される。この動作中、蝶形弁１１５は完全に閉じられ、また、逆止弁１２１が開かれる。

図２に示す本発明に基づく多段ターボ過給機昇圧装置の第２実施例が、図３に示す配置に基づいて好ましく変更されうる。この図面に示す第３実施例によれば、蝶形弁２３３が第２排気導管２１０から取り除かれ、また、蝶形弁２３３が第２側流通路２２７が出口導管２３５に合流する点の下流で第２タービン２０７の出口導管２３５に配置される。この配置によって、このような圧力は油漏れを回避することができる第２タービン２０７内に維持されうる。

図４において、第１、第２、第３実施例の各々に基づく順次ターボ過給装置の圧縮機側の好ましい別の設計に関連された多段ターボ過給機昇圧装置の第４実施例が示される。この設計は、側流導管３１３が第２圧縮機３１１の直接下流で、しかし中間冷却器３１２の下流で新鮮空気供給源に合流していない点で、前述の実施例とは相違している。再循環のために冷却された空気が中間冷却器３１２から用いられるので、このような変更構造の結果、第２圧縮機３１１内の温度が低下され、従ってこの圧縮機内の粘結（coking）の危険性が効率よく最少化される。

図５において、第１、第２、第３実施例の各々に基づく順次ターボ過給装置の圧縮機側の好ましい別の設計に関連された多段ターボ過給機昇圧装置の第５実施例が示される。この設計は、第２新鮮空気導管４０６にいかなる逆止弁もないこと、及び追加の蝶形弁４３９が第２圧縮機４１１の下流における側流導管４１３の合流点と、導管４４１における第１圧縮機４０９の合流点との間で第２圧縮機４１１を中間冷却器４１２に接続する導管４４１に配置される。

内燃機関４０３の低回転速度（約１０００−２０００ｒｐｍを意味する）において、蝶形弁４１５が開いて、第２圧縮機４１１における再循環が達成される。配置の格別な設計によって、トラスト（trust；保護）荷重が重要ではなくなり信頼性が改善されるように、再循環中に第２圧縮機４０２内の圧力が低下される。追加の蝶形弁４３９が閉鎖状態に留まり、第１圧縮機４０９は内燃機関４０３を過給するように定常に動作する。

内燃機関の中回転速度（約２０００−２５００ｒｐｍを意味する）の範囲において、第２圧縮機４１１と第２タービンとの間の動力を平衡にするために、蝶形弁４１５が漸次閉じられるので、蝶形弁４１５の動作によって第２多段ターボ過給機４０２が調整される。内燃機関の高回転速度（約２５００−４０００ｒｐｍを意味する）の範囲において、追加の蝶形弁４３９が開き、蝶形弁４１５が完全に閉じられる。

図５に示す本発明に基づく多段ターボ過給機昇圧装置の第５実施例は、図６に示す配置に基づいて好適に変更されうる。図６に示す第６実施例によれば、第２圧縮機５１１を側流する導管が取り除かれ、また、蝶形弁５１５が、追加の弁５３９において合流する前に第２圧縮機５１１の下流側を第１圧縮機５０９の上流側に接続する別の流体通路に配置される。この変更配置によって、再循環のための第１圧縮機５０９に用いられたエネルギは第２圧縮機５１１に伝達されるので、損失は重要ではなくなる。

上述した全ての実施例においては、空気軸受又は玉軸受が、第２ターボ過給機の構造において圧縮機及びタービン・シャフトに対して好ましく用いられる。空気軸受又は玉軸受を用いたとき、第２ターボ過給機の回転が停止される。このことは、第２ターボ過給機の運転がこの段階のために必要ではないので、低エンジン回転速度に対する利点である。更に、空気軸受は第６実施例に特に用いられる第１ターボ過給機のシャフトのために好ましく用いられうる。なぜならば、第２圧縮機５１１に入る空気の温度が重要であり、且つ空気軸受が粘結の危険性の回避を助けるからである。

多段ターボ過給装置の圧縮機側の設計に関連した実施例においては、空気フィルタから第２圧縮機へ空気を送給する入口通路における逆止弁又は逆止弁２１、１２１、２２１、３２１の配置が、相対高圧力が第２ターボ過給機内で維持されることを確実にする。これは、第２ターボ過給機の軸受装置からの油漏れを回避するために重要である。

更に、全ての実施例において、少なくとも１つの速度センサが、調節可能弁を調整する特別に図示されていない制御ユニットにデータを送給するように、第２圧縮機のシャフトに配置される。更に改善された制御器のためには、速度センサを順次ターボ過給装置の全ターボ過給機のシャフトに取り付けることが好ましい。

本発明に基づく順次ターボ過給装置の第１実施例を示す。 本発明に基づく順次ターボ過給装置の第２実施例を示す。 本発明に基づく順次ターボ過給装置の第３実施例を示す。 本発明に基づく順次ターボ過給装置の第４実施例を示す。 本発明に基づく順次ターボ過給装置の第５実施例を示す。 本発明に基づく順次ターボ過給装置の第６実施例を示す。

Claims (18)

1. 並列に接続された少なくとも２つのターボ過給機を有する順次ターボ過給装置であって、少なくとも１つのターボ過給機が調節可能流量調整手段を設けられたタービンを有する順次ターボ過給装置。
2. 前記調節可能流量調整手段は、前記ターボ過給機に組み込まれた可変形状タービンを含む請求項１に記載の順次ターボ過給装置。
3. 前記調節可能流量調整手段は、ポペット弁、特に排気ゲート弁を含む請求項１に記載の順次ターボ過給装置。
4. 前記調節可能流量調整手段は、前記ターボ過給機のタービンの入口又は出口に配置された絞り弁を含む請求項１に記載の順次ターボ過給装置。
5. 少なくとも１つのターボ過給機が、非調節流量タービン、好ましくは自由浮動タービンを有する請求項１に記載の順次ターボ過給装置。
6. １つのターボ過給機の少なくとも１つのタービンが、該タービンを少なくとも部分的に側流する側管を備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載の順次ターボ過給装置。
7. １つのターボ過給機の少なくとも１つの圧縮機が、該圧縮機を介して再循環される空気量を調節する調整手段を含む請求項１乃至６のいずれか１項に記載の順次ターボ過給装置。
8. 少なくとも２つのターボ過給機を備えた順次ターボ過給装置であって、少なくとも１つのターボ過給機が入口に流量調整手段を備える圧縮機を有する順次ターボ過給装置。
9. 前記流量調整手段は、調節可能絞り弁又は蝶形弁を含む請求項８に記載の順次ターボ過給装置。
10. 前記流量調整手段が逆止弁を含む請求項８に記載の順次ターボ過給装置。
11. 前記再循環装置が、前記圧縮機において再循環される空気を冷却する冷却器を含む請求項７に記載の順次ターボ過給装置。
12. 並列に接続された少なくとも２つのターボ過給機を備えた順次ターボ過給装置であって、少なくとも１つのターボ過給機が、圧縮機及びタービン・ホイールをそれぞれ支持するシャフト用無潤滑剤軸受装置を有する順次ターボ過給装置。
13. 前記無潤滑剤軸受装置は空気軸受装置である請求項１２に記載の順次ターボ過給装置。
14. 少なくとも１つのターボ過給機が玉軸受装置、特にターボ過給機のシャフトと軸受の玉との間に転がり接触を持つ玉軸受装置を有する請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の順次ターボ過給装置。
15. 少なくとも２つのターボ過給機によって内燃機関の順次ターボ過給を行う方法であって、順次ターボ過給装置の調節可能要素が、少なくとも１つのターボ過給機の回転速度を検出する少なくとも１つの速度センサからのデータを用いて制御ユニットによって調整される順次ターボ過給方法。
16. 前記調節可能要素は調節可能弁である請求項１５に記載の方法。
17. 前記内燃機関の少なくとも一運転段階において、空気が一方のターボ過給機の圧縮機によって再循環される請求項１５又は１６に記載の方法。
18. 前記ターボ過給機は、可変形状タービン及び可変形状圧縮機を有するターボ過給機である請求項１７に記載の方法。
    
    

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