JP2007077900A - 二段過給システム - Google Patents

Abstract

【課題】排気の流量が極めて少ない状態での運転に適した二段過給システムを提供する。
【解決手段】エンジン１から送出される排気Ｇによって大径タービン８を作動させ且つ大径コンプレッサ９で吸気Ａを圧縮するターボチャージャ１７と、大径タービン８から送出される排気Ｇによって小径タービン３を作動させ且つ大径コンプレッサ９から送出される吸気Ａを小径コンプレッサ４で圧縮してエンジン１へ送給するターボチャージャ１８と、小径タービン３の排気流入口から排気送出口へ至るバイパス通路１９と、エンジン排気経路の大径タービン８よりも上流側から小径タービン３の排気流入口に至るバイパス通路２１と、大径コンプレッサ９の空気吸入口の上流側から小径コンプレッサ４の空気吸入口の上流側に至るバイパス通路２３と、ターボチャージャ１７の機能を停止させるストップバルブ２５，２６を設けている。
【選択図】図１

Description

本発明は二段過給システムに関するものである。

近年、エンジン排気経路から分流した排気を水冷式の管形熱交換器であるＥＧＲクーラ（ＥＧＲ:Exhaust Gas Recirculation）により冷却したうえエンジン吸気経路へ戻し、燃焼温度を下げてＮＯｘの発生を低減させる排気再循環が一般的に行なわれている。

排気容量を変えずにエンジンの出力を高めるためには、１サイクルあたりの燃料噴射量を多くするとともに、ターボチャージャにより過給圧を上げてシリンダへの吸気の送給量を増やす必要がある。

また、吸気の送給量を減らさずに高ＥＧＲ率を達成するためにも、ターボチャージャを用いて過給圧を上げる必要がある。

そこで、高圧力比が得られる二段過給システムをエンジンに採用することが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

図３は従来の二段過給システムの一例であり、車載のエンジン１の排気マニホールド２から直に送出される排気Ｇによって小径タービン３を作動させ且つ小径コンプレッサ４で圧縮した吸気Ａをエンジン１の吸気マニホールド５へ送給するターボチャージャ６と、小径タービン３から送出される排気Ｇ、あるいは当該小径タービン３の排気流入口の上流側から排気送出口の下流側へ至る小径タービン３用のバイパス通路７を経た排気Ｇによって大径タービン８を作動させ且つ大径コンプレッサ９で圧縮した吸気Ａを前記小径コンプレッサ４へ送給するターボチャージャ１０とを備え、前記バイパス通路７には、小径タービン３に対応するバイパスバルブ１１が組み込んである。

更に、大径コンプレッサ９の空気吐出口と小径コンプレッサ４の空気吸入口の間には、インタクーラ１２が介装してあり、小径コンプレッサ４の空気吐出口とエンジン１の吸気マニホールド５の間には、アフタクーラ１３が介装してある。

この他に、エンジン排気経路の小径タービン３よりも上流側（具体的には排気マニホールド２）からエンジン吸気経路のアフタクーラ１３よりも下流側（具体的には吸気マニホールド５）へ至るＥＧＲ管路１４を設け、当該ＥＧＲ管路１４に、分流した排気Ｇを冷却するＥＧＲクーラ１５と、エンジン吸気経路へ還流すべき排気Ｇの流量を調整するＥＧＲバルブ１６を組み込んでいる。

エンジン１が稼働状態であるとき、排気マニホールド２から送出される排気Ｇの大部分は小径タービン３へ流入して小径コンプレッサ４を駆動した後、大径タービン８へ流入して大径コンプレッサ９を駆動する。

大径コンプレッサ９に流入し且つ圧縮された吸気Ａは、インタクーラ１２を経て小径コンプレッサ４に送給され、当該小径コンプレッサ４で再び圧縮されたうえ、アフタクーラ１３を経て吸気マニホールド５へ送給される。

よって、シリンダへの吸気Ａの送給量が増加し、１サイクルあたりの燃料噴射量を多くすれば、エンジン１の出力を高めることができる。

排気Ｇの一部は、排気マニホールド２からＥＧＲ管路１４へ流入し、ＥＧＲクーラ１５で冷却され且つＥＧＲバルブ１６で流量調整が行なわれた排気Ｇが、吸気Ａとともに吸気マニホールド５へ送給される。

前述のように、吸気Ａを大径コンプレッサ９及び小径コンプレッサ４で二回にわたり圧縮しているので高圧力比が得られ、ＥＧＲ率を高くでき、よって、シリンダ内の更なる燃焼温度の低下が図られ、ＮＯｘの発生を低減させることができる。

更に、エンジン１が高回転数域に達した際には、小径タービン３の能力を上回るような高エネルギ（大流量で高圧力）の排気Ｇが当該小径タービン３に流れ込むことがないように（タービン内の圧力過上昇抑制と過回転防止のため）バイパスバルブ１１を開き、排気Ｇの一部をバイパス通路７から大径タービン８に導くようにしている。
エフ・ミロ（F. Millo）、エフ・マラモ（F. Mallamo）、ジー・ジャニオ・メゴ（G. Ganio Mego） ザ・ポテンシャル・オブ・デュアル・ステージ・ターボチャージング・アンド・ミラー・サイクル・フォー・エッチディー・ディーゼル・エンジン（The Potential of Dual Stage Turbocharging and Miller Cycle for HD Diesel Engines） エスエーイー・ペーパー（SAE Paper）2005-01-0221

図３に示す二段過給システムにおいて高ＥＧＲ率を実現した場合、エンジン１から送出される排気Ｇの温度が相対的に低くなるとともに、タービン３，８への排気Ｇの流入量が減り、これらタービン３，８の駆動力が不足する。

タービン３，８の駆動力不足を解消するのには、膨張比を大きくするか、タービン入口温度を上昇させることが有効であるが、膨張比を大きくすることはポンピングロスの増加につながり、燃費を悪化させることになる。

そこで、図４に示すように、大径タービン８を小径タービン３よりも排気経路の上流側に設置した二段過給システムが考えられる。

この二段過給システムは、車載のエンジン１の排気マニホールド２から直に送出される排気Ｇによって大径タービン８を作動させ且つ大径コンプレッサ９で吸気Ａを圧縮するターボチャージャ１７と、大径タービン８から送出される排気Ｇによって小径タービン３を作動させ且つ大径コンプレッサ９から送出される吸気Ａを小径コンプレッサ４で圧縮してエンジン１の吸気マニホールド５へ送給するターボチャージャ１８と、小径タービン３の排気流入口の上流側から排気送出口の下流側へ至る小径タービン３用のバイパス通路１９とを備え、当該バイパス通路１９には、小径タービン３に対応するバイパスバルブ２０が組み込である。

エンジン１が稼働状態であるとき、排気マニホールド２から送出される排気Ｇの大部分は大径タービン８へ流入して大径コンプレッサ９を駆動した後、小径タービン３へ流入して小径コンプレッサ４を駆動する。

大径コンプレッサ９に流入し且つ圧縮された吸気Ａは、インタクーラ１２を経て小径コンプレッサ４に送給され、当該小径コンプレッサ４で再び圧縮されたうえ、アフタクーラ１３を経て吸気マニホールド５へ送給される。

しかしながら、図４に示す二段過給システムでは、排気Ｇが大径タービン８で膨張した分だけ小径タービン３の排気流入口温度が低下するため、エンジン１が送出する排気Ｇの流量が極めて運転条件だと、大径タービン８での仕事がむしろ抵抗になって小径タービン３が充分な駆動力を得られない。

本発明は上述した実情に鑑みてなしたもので、大径タービンを小径タービンよりも排気経路の上流側に設置した二段過給システムにおいて、排気の流量が極めて少ない際に小径タービンの駆動力を上げられるようにすることを目的としている。

上記目的を達成するため本発明は、エンジンの排気の流量が極めて少ない場合に、小径タービン及び小径コンプレッサを有効に活用するために、大径タービン及び小径タービンに対して、それぞれバイパス通路とバイパスバルブを設け、大径タービン及び大径コンプレッサの入口上流部にそれぞれストップバルブを設ける。

具体的には、エンジンから直に送出される排気によって大径タービンを作動させ且つ大径コンプレッサで吸気を圧縮する第１のターボチャージャと、前記大径タービンから送出される排気によって小径タービンを作動させ且つ大径コンプレッサから送出される吸気を小径コンプレッサで圧縮してエンジンへ送給する第２のターボチャージャと、小径タービンの排気流入口の上流側から排気送出口の下流側へ至る第１のバイパス通路と、エンジン排気経路の大径タービンよりも上流側から小径タービンの排気流入口の上流側に至る第２のバイパス通路と、大径コンプレッサの空気吸入口の上流側から小径コンプレッサの空気吸入口の上流側に至る第３のバイパス通路とを備え、第１、第２、第３のバイパス通路のそれぞれにバイパスバルブを組み込み、大径タービンの排気流入口を塞ぐストップバルブと大径コンプレッサの空気吸入口を塞ぐストップバルブを設けた構成を採る。

また、エンジン排気経路の大径タービンよりも上流側からエンジン吸気経路の小径コンプレッサよりも下流側へ至るＥＧＲ管路を設け、当該ＥＧＲ管路にＥＧＲクーラとＥＧＲバルブを組み込んだ構成を採るようにする。

すなわち、エンジンの排気が大流量である場合、高エネルギの排気を大径タービンに導き、大径コンプレッサの駆動力に変換して吸気を圧縮する。

エンジンの排気が大流量で、大径コンプレッサから送出される吸気流量が小径コンプレッサの能力を上回りそうな場合には第１のバイパス通路のバイパスバルブを開き、大径タービンが送出する排気の一部を第１のバイパス通路によって小径タービンの下流側へ導く。

エンジンの排気の流量が少ない場合、あるいは極めて少ない場合には、全てのストップバルブを閉じて大径タービンと大径コンプレッサの機能を停止させたうえ、第２のバイパス通路のバイパスバルブと第３のバイパス通路のバイパスバルブの双方を開いてエンジンが送出する排気を小径タービンに送給し、当該小径タービンと小径コンプレッサのみを機能させる。

本発明の二段過給システムによれば、下記のような優れた効果を奏し得る。

（１）エンジンの排気が大流量である場合は、エンジンから直に送出される高温の排気を大径タービンに導くので、エンジン高回転数域において、大径タービンが排気エネルギを有効に利用することができ、これにより、大径タービンの駆動力増大に伴う高圧力比を実現できる。

（２）エンジンの排気の流量が少ない場合、あるいは極めて少ない場合に、第２の倍バス通路のバイパスバルブを開き、小径タービンの入口温度の上昇を図るようにすれば、小径タービンの駆動力を高めることができ、小径コンプレッサを有する第２のターボチャージャが主に仕事をする系、すなわち、排気の流量が少ない場合に適した系を選択的に構築できる。

（３）エンジンの排気の流量が極めて少ない場合、全てのストップバルブを閉じて大径タービンと大径コンプレッサの機能を停止させたうえ、第２のバイパス通路のバイパスバルブと第３のバイパス通路のバイパスバルブの双方を開いて、エンジンが送出する排気を小径タービンだけに導くようにすれば、小径コンプレッサを有する第２のターボチャージャのみが仕事をする系、すなわち、排気の流量が極めて少ない場合に適した系を選択的に構築できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１及び図２は本発明の二段過給システムの一例であり、図中、図３及び図４と同一の符号を付した部分は同一物を表している。

この二段過給システムは、車載のエンジン１の排気マニホールド２から直に送出される排気Ｇによって大径タービン８を作動させ且つ大径コンプレッサ９で吸気Ａを圧縮するターボチャージャ１７と、大径タービン８から送出される排気Ｇによって小径タービン３を作動させ且つ大径コンプレッサ９から送出される吸気Ａを小径コンプレッサ４で圧縮してエンジン１の吸気マニホールド５へ送給するターボチャージャ１８と、小径タービン３の排気流入口の上流側から排気送出口の下流側へ至る第１のバイパス通路１９と、エンジン排気経路の大径タービン８よりも上流側（具体的には排気マニホールド２）から小径タービン３の排気流入口の上流側に至る第２のバイパス通路２１と、大径コンプレッサ９の空気吸入口の上流側から小径コンプレッサ４の空気吸入口の上流側に至る第３のバイパス通路２３とを備えている。

第１、第２、第３のバイパス通路１９，２１，２３には、第１、第２、第３のバイパスバルブ２０，２２，２４がそれぞれ組み込んである。

大径タービン８の上流側には、その排気流入口への排気Ｇの送給を停止するためのストップバルブ２５が設けてあり、大径コンプレッサ９の上流側には、その空気吸入口への吸気Ａの送給を停止するためのストップバルブ２６が設けてある。

更に、大径コンプレッサ９の空気吐出口と小径コンプレッサ４の空気吸入口の間（但し第３のバイパスバルブ２４よりも下流側）には、インタクーラ１２が介装してあり、小径コンプレッサ４の空気吐出口とエンジン１の吸気マニホールド５の間には、アフタクーラ１３が介装してある。

この他に、エンジン排気経路の大径タービン８よりも上流側（具体的には排気マニホールド２）からエンジン吸気経路のアフタクーラ１３よりも下流側（具体的には吸気マニホールド５）へ至るＥＧＲ管路１４を設け、当該ＥＧＲ管路１４に、分流した排気Ｇを冷却するＥＧＲクーラ１５と、エンジン吸気経路へ還流すべき排気Ｇの流量を調整するＥＧＲバルブ１６を組み込んでいる。

ターボチャージャ１７に付帯しているストップバルブ２５，２６の双方を開き、第１、第２、第３のバイパスバルブ２０，２２，２４を閉じておくと、排気マニホールド２から送出される排気Ｇの大部分は大径タービン８へ流入して大径コンプレッサ９を駆動した後、小径タービン３へ流入して小径コンプレッサ４を駆動する（図１参照）。

大径コンプレッサ９に流入し且つ圧縮された吸気Ａは、インタクーラ１２を経て小径コンプレッサ４に送給され、当該小径コンプレッサ４で再び圧縮されたうえ、アフタクーラ１３を経て吸気マニホールド５へ送給される。

よって、シリンダに送給すべき吸気流量が増え、１サイクルあたりの燃料噴射量を多くすれば、エンジンの出力を高めることができる。

排気Ｇの一部は、排気マニホールド２からＥＧＲ管路１４へ流入し、ＥＧＲクーラ１５で冷却され且つＥＧＲバルブ１６で流量調整が行なわれた排気Ｇが、吸気Ａとともに吸気マニホールド５へ送給される。

前述のように、吸気Ａを大径コンプレッサ９及び小径コンプレッサ４で二回にわたり圧縮しているので高圧力比が得られ、ＥＧＲ率を高くでき、よって、シリンダ内の更なる燃焼温度の低下が図られ、ＮＯｘの発生を低減させることができる。

エンジン１の排気Ｇが大流量である場合には、大径コンプレッサ９から送出される吸気Ａの流量が小径コンプレッサ４の能力を上回りそうな際には第１のバイパスバルブ２０を開き、大径タービン８が送出する排気Ｇの一部を第１のバイパス通路１９によって小径タービン３の下流側へ導くようにし（小径コンプレッサ４の回転が大径コンプレッサ９で圧縮された吸気Ａの流れを阻害しない程度に）、小径タービン３内の圧力過上昇抑制と過回転防止を図る。

また、エンジン１の排気Ｇの流量が少ない場合、あるいは極めて少ない場合は、ターボチャージャ１７に付帯しているストップバルブ２５，２６を閉じて大径タービン８と大径コンプレッサ９の機能を停止させたうえ、第２のバイパスバルブ２２と第３のバイパスバルブ２４の双方を開き且つ第１のバイパスバルブ２０を閉じて、エンジン１が送出する排気Ｇを小径タービン３だけに導くようにすれば（図２参照）、当該小径タービン３と小径コンプレッサ４からなるターボチャージャ１８だけを選択的に且つ効率よく稼働させることができる。

なお、本発明の二段過給システムは、上述の実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変更を加え得ることは勿論である。

本発明の二段過給システムは、様々な内燃機関に適用できる。

本発明の二段過給システムの一例においてエンジンの排気が大流量である場合を示す概念図である。 本発明の二段過給システムの一例においてエンジンの排気の流量が極めて少ない場合を示す概念図である。 従来の二段過給システムの一例を示す概念図である。 大径タービンを排気経路の上流側に設置した二段過給システムの一例を示す概念図である。

符号の説明

１ エンジン
２ 排気マニホールド（排気経路）
３ 小径タービン
４ 小径コンプレッサ
５ 吸気マニホールド（吸気経路）
８ 大径タービン
９ 大径コンプレッサ
１４ ＥＧＲ管路
１５ ＥＧＲクーラ
１６ ＥＧＲバルブ
１７ ターボチャージャ（第１のターボチャージャ）
１８ ターボチャージャ（第２のターボチャージャ）
１９ 第１のバイパス通路
２０ 第１のバイパスバルブ
２１ 第２のバイパス通路
２２ 第２のバイパスバルブ
２３ 第３のバイパス通路
２４ 第３のバイパスバルブ
２５ ストップバルブ
２６ ストップバルブ
Ａ 吸気
Ｇ 排気

Claims (2)

1. エンジンから直に送出される排気によって大径タービンを作動させ且つ大径コンプレッサで吸気を圧縮する第１のターボチャージャと、前記大径タービンから送出される排気によって小径タービンを作動させ且つ大径コンプレッサから送出される吸気を小径コンプレッサで圧縮してエンジンへ送給する第２のターボチャージャと、小径タービンの排気流入口の上流側から排気送出口の下流側へ至る第１のバイパス通路と、エンジン排気経路の大径タービンよりも上流側から小径タービンの排気流入口の上流側に至る第２のバイパス通路と、大径コンプレッサの空気吸入口の上流側から小径コンプレッサの空気吸入口の上流側に至る第３のバイパス通路とを備え、第１、第２、第３のバイパス通路のそれぞれにバイパスバルブを組み込み、大径タービンの排気流入口を塞ぐストップバルブと大径コンプレッサの空気吸入口を塞ぐストップバルブを設けたことを特徴とする二段過給システム。
2. エンジン排気経路の大径タービンよりも上流側からエンジン吸気経路の小径コンプレッサよりも下流側へ至るＥＧＲ管路を設け、当該ＥＧＲ管路にＥＧＲクーラとＥＧＲバルブを組み込んだ請求項１に記載の二段過給システム。

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