JP2008133808A

JP2008133808A - 多段過給式ターボエンジン

Info

Publication number: JP2008133808A
Application number: JP2006322370A
Authority: JP
Inventors: Munemasa Hashimoto; 宗昌橋本
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2006-11-29
Filing date: 2006-11-29
Publication date: 2008-06-12

Abstract

【課題】切り替えの途中に過給圧が下がるようなエンジンの運転がなされた場合には、過給圧と排気圧が意図せずに下がり、ターボ車両特有の過給不足による失火又は失速するという現象を無くすことができる多段過給式ターボエンジンを提供する。
【解決手段】高圧段側タービン３２をバイパスする排気バイパス通路３５に設けられたバイパス弁機構４０を、上流側と下流側とを仕切る仕切り壁４２と該仕切り壁４２に弁座を有する少なくと一つの小径弁４３と少なくとも一つの大径弁４４を備えて形成し、前記小径弁４３は下流側に前記仕切り壁４２の弁座より離間して開弁し、前記大径弁４４は上流側に前記仕切り壁４２の弁座より離間して開弁すると共に、前記小径弁４３と前記大径弁４４を一つのアクチュエータにより、リンク機構５０を介して開閉弁操作する。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの運転領域全体で高い過給圧を得るために、低圧段タービンと高圧段タービンの両方を備えた多段過給式ターボエンジンに関するものである。

自動車搭載のエンジンなどでは、低回転から高回転に至るまでのエンジンの運転領域全体で高い過給圧を得るために、大流量向けの低圧段タービンと小流量向けの高圧段タービンの両方を備えた二段過給式ターボエンジンが利用されている。この二段過給式ターボエンジンにおいては、エンジンの回転速度が低い低中速域では、低圧段タービンと高圧段タービンの両方を利用して二段過給し、回転数の上昇に伴い高速域では、排気ガスを高圧段タービンを迂回させて、低圧段タービンのみで一段過給している。

しかしながら、エンジンの加速状態においては、高圧段タービンは高流量側まで使用されるので、低圧段タービンへ切り換える際に、高圧段タービンの通路からバイパス通路に切り換えると、バイパス通路に設けたバイパス弁の開弁途中で排気ガス流量が大きく変動し、過給圧が大幅に変動するという問題がある。また、低圧段タービンが十分な過給圧を発生する回転数に到達する前に、高圧段タービンの入口圧が急激に低下してしまい、その結果、過給圧が急激に低下するという問題がある。

この問題を回避するために、大流量向けの低圧段タービン、小流量向けの高圧段タービンを備えた二段ターボ過給エンジンにおいて、高圧段タービンを迂回するバイパス通路に大径・小径の二弁を設け、小径の副バイパス弁の弁開度をエンジンの低中速域において高圧段コンプレッサの出口側圧力の変化に応じて調整し、その圧力を目標値に制御（維持）すると共に、大径の主バイパス弁を、エンジンの高速域において低圧段コンプレッサの出口側圧力が目標値に達したのち一気に全開して低圧段ターボチャージャによる一段過給に切り替えるようにしている二段ターボ過給エンジンの過給圧制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、この過給圧制御装置では、この二弁はそれぞれダイヤフラムで形成されたアクチュエータによりバネの付勢力に抗して開弁側に駆動され、排気流量に応じて作動が切り替わると共に、大径弁は、三方弁を使用してダイヤフラムに作用する大気圧と過給圧を切り換えて、この大気圧と過給圧との差圧で開閉弁されるように制御されている。そのため、切り替えの途中に過給圧が下がるようなエンジンの運転がなされた場合には、過給圧と排気圧が意図せず下がってしまうという問題がある。
実開平２−１３１０３０号公報

本発明の目的は、切り替えの途中に過給圧が下がるようなエンジンの運転がなされた場合には、過給圧と排気圧が意図せずに下がり、ターボ車両特有の過給不足による失火又は失速するという現象を無くすことができる多段過給式ターボエンジンを提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の多段過給式ターボエンジンは、車両に搭載され、複数個のタービンの内の排気マニホールドに近い少なくとも一つの高圧段側タービンと、該高圧段側タービン以外の低圧段側タービンと、前記高圧段側タービンをバイパスする排気バイパス通路が設けられ、該バイパス通路にはバイパス弁機構が設けられた、ターボ用のタービンを複数個有し、前記バイパス弁機構は、車両の発進時から一定速度に達するまでの間は、全閉して前記高圧段側タービンを作動させ、一定速度以上に達した場合には、半開して前記高圧段側タービンを完全に作動停止せずに、前記高圧段側タービンに加え前記低圧段側タービンを作動させ、その後に、半開から徐々に全開にして徐々に前記高圧段側タービンの作動を作動停止に移行させて、全開時以降は前記高圧段側タービンを作動停止して前記低圧段側タービンのみを作動させる多段過給式エンジンにおいて、前記バイパス弁機構は、上流側と下流側とを仕切る仕切り壁と該仕切り壁に弁座を有する少なくと一つの小径弁と少なくとも一つの大径弁を備えて形成され、前記小径弁は上流側から下流側に前記仕切り壁の弁座より離間して開弁し、前記大径弁は下流側から上流側に前記仕切り壁の弁座より離間して開弁すると共に、前記小径弁と前記大径弁を一つのアクチュエータにより、リンク機構を介して開閉弁操作するように構成される。

また、上記の多段過給式ターボエンジンにおいて、前記バイパス弁機構を制御する弁制御部は、車両が一定速度に達した場合に、前記高圧段側タービンに加え前記低圧段側タービンを作動させる際には、前記小径弁を開弁して前記バイパス弁機構を半開状態にして、前記高圧段側タービンを完全に作動停止せずに、前記高圧段側タービンに加え前記低圧段側タービンを作動させ、その後は、車両の更なる速度増加に応じて、前記大径弁を徐々に全開にして、徐々に前記高圧段側タービンの作動を作動停止に移行させ、移行完了時には、前記大径弁を全開させて前記バイパス弁機構を全開状態にして、排気ガスが前記高圧段側タービンを迂回するように構成される。

上記の構成によれば、ターボ車両特有の過給不足による失火又は失速するという現象を無くすことができる。つまり、徐々に高圧段側タービンの作動を作動停止に移行させて低圧段側タービンへ移行するので、エンジンの加速状態において、高圧段タービンから低圧段タービンへ切り換える際に、低圧段タービンが十分な過給圧を発生する回転数に到達する前に、高圧段タービンの入口圧が急激に低下することを回避でき、過給圧が急激に低下することを防止できる。

また、バイパス弁機構の制御を簡易に行うため、小径弁と大径弁（必ずしも各１個でなくてもよい）の両方の弁の開閉操作にリンク機構を用い、アクチュエータを一つとする。このリンク機構により、小径弁及び大径弁の各流量特性に合わせて、リンク長さを設定することで、アクチュエータの作動量と小径弁及び大径弁の有効面積の関係が調整可能となる。従って、リンクのレバー比を適切に設定することで小径弁のリフト量の制御性を良くすることができる。

また、切り替え初期の仕切り壁の上流側と下流側との圧力差の大きい時には小径弁を開くことで、高圧段側タービンの入口圧の急激な圧力低下を抑制することができる。この小径弁の開動作によりバイパス側へ余剰ガスを流し、徐々に低圧段側タービンの回転数を上昇させる。余剰ガスが増加し、仕切り壁の上流側と下流側との圧力差が小さくなったら、大径弁を開き、バイパス通路側へのガス流入を積極的に行い低圧段側タービン側へと切り替える。大径弁は高圧段タービン運転状態では、上流側から仕切り壁の弁座（バルブシート）に接触するセルフシールのバルブシート向きとしているので、高圧段側タービンの運転時のガス漏れを抑制することができる。また、大径弁はバルブシートの向きがセルフシール向きなので、大径弁に設けるバルブスプリングの設定荷重は、小径弁が開き始めから大径弁が開き始めるまでの間は開かない（動かない）程度の小さい荷重で済む。そのため、バルブスプリングを軽量に形成することができる。

更にアクチュエータとして、過給圧と大気圧の差圧で動作するダイヤフラム式ではなく、電動式のアクチュエータを用いれば、負荷に応じて制御でき、意図的に小径弁及び大径弁を開閉できるので、大径弁の開き始めの時期をアクチュエータを一つにしていることで、小径弁と連動させて操作することが容易にできるようになる。

本発明の多段過給式ターボエンジンによれば、切り替えの途中に過給圧が下がるようなエンジンの運転がなされた場合には、過給圧と排気圧が意図せずに下がり、ターボ車両特有の過給不足による失火又は失速するという現象を無くすことができる。

また、大径弁に設けるバルブスプリングの設定荷重を小さくでき、大径弁を閉弁方向に付勢するバルブスプリングを軽量に形成することができる。更に、アクチュエータとして、過給圧と大気圧の差圧で動作するダイヤフラム式ではなく、電動式のアクチュエータを用いれば、負荷に応じて意図的に制御でき、また、リンク機構で小径弁及び大径弁を開閉しているので、大径弁の開き始めの時期を、小径弁と連動させて操作することが容易にできるようになる。

以下、本発明に係る実施の形態の多段過給式ターボエンジンについて、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本発明の実施の形態の多段過給式ターボエンジン１０は、低圧段過給機（低圧段ターボチャージャ）２０と高圧段過給機（高圧段ターボチャージャ）３０とを備えて形成される。エンジン本体１の吸気通路２には、上流側から低圧段過給機２０の低圧段コンプレッサ２１と高圧段過給機３０の高圧段コンプレッサ３１とインタークーラ３が設けられ、吸気マニホールド４に接続されている。この低圧段過給機２０は、大流量向けであり、高圧段過給機３０は、小流量向けである。また、排気マニホールド６と吸気マニホールド４を接続するＥＧＲ通路７が設けられている。このＥＧＲ通路７には、上流順にＥＧＲクーラ８とＥＧＲバルブ９とが設けられている。

また、高圧段コンプレッサ３１の上流側と下流側を連結して、高圧段コンプレッサ３１をバイパスする吸気バイパス通路３３が設けられている。この吸気バイパス通路３３には、コンプレッサ切替弁３４が設けられている。更に、エンジン本体１の排気マニホールド６に接続された排気通路５は、上流側から順に高圧段過給機３０の高圧段タービン３２と低圧段過給機２０の低圧段タービン２２が設けられている。高圧段タービン３２の上流側（図１では排気マニホールド６）と下流側を連結して、高圧段タービン３２をバイパスするための排気バイパス通路３５が設けられている。この排気バイパス通路３５には、バイパス弁機構４０が設けられている。

そして、本発明においては、このバイパス弁機構４０を図２〜図４に示すような構成とする。このバイパス機構４０はケース４１内の仕切り壁４２に小径弁４３と大径弁４４とが開弁方向を互いに逆方向にして設けられている。この仕切り壁４２の上流側には第１室４５が設けられ、下流側には第２室４６が設けられている。小径弁４３は低圧段タービン２２側の第２室４６に向かって移動した時に開弁し、大径バルブ４４は高圧段タービン３２側の第１室４５に向かって移動した時に開弁するように構成される。これらの両弁４３、４４をひとつのアクチュエータ（図示しない）で作動できるように、リンク機構５０が設けられている。なお、小径弁４３、大径弁４４は共に閉弁時の漏れを減らすために、小径弁４３、大径弁４４を弁座方向に付勢するバルブスプリングが設けられるが図２〜図４では図示するのを省いている。

つまり、このバイパス弁機構４０では、上流側と下流側とを仕切る仕切り壁４２とこの仕切り壁４２に弁座を有する小径弁４３と大径弁４４を備えて形成される。この小径弁４３は上流側から下流側に仕切り壁４２の弁座より離間して開弁する。一方、大径弁４４は下流側から上流側に仕切り壁４２の弁座より離間して開弁すると共に、小径弁４３と大径弁４４を一つのアクチュエータ（図示しない）により、リンク機構５０を介して開閉弁操作するように構成される。

このリンク機構５０は、第１回転中心５１ａ周りに揺動する第１リンク棒５１と、第２回転中心５２ａ周りに揺動する第２リンク棒５２と、第３回転中心５３ａ周りに揺動する第３リンク棒５３とを有して構成される。

第１リンク棒５１は、第１回転中心５１ａの一端側の第１結合突起部５１ｂで第２リンク棒５２の略中心にある第１結合穴部５２ｂに係合し、他端側の連結部５１ｃで図示しないアクチュエータと連結している。また、この第１回転中心５１ａと第１結合突起部５１ｂとの間の押圧部５１ｄで、小径弁４３の頭部４３ａに当接している。

第２リンク棒５２は、一端側に第２回転中心５２ａが設けられ、略中央に長穴の第１結合穴部５２ｂが、他端側に第２結合突起部５２ｃが設けられている。第１結合突起部５１ｂと第２結合穴部５２ｂとが揺動可能及び第２リンク棒５２の軸線方向に移動可能に連結している。

第３リンク棒５３は、略中央に第３回転中心５３ａが設けられ、一端側に長穴の第２結合穴部５３ｂが、他端側に第３結合突起部５３ｃが設けられている。この第２結合穴部５３ｂが第２リンク棒５２の第２結合突起部５２ｃと揺動可能及び第３リンク棒５３の軸線方向に移動可能に係合している。また、第３結合突起部５３ｃは、大径弁４４の頭部４４ａに設けられた長穴の第３結合穴部４４ｃと係合して、揺動可能及び大径弁４４の移動方向に移動可能に係合している。

この構成により、小径弁４３の支柱４３ｂの上方の頭部４３ａと大径弁４４の支柱４４ｂの上方の頭部４４ａとが、リンク機構４０により、連結部５１ｃに連結する一つのアクチュエータ（図示しない）に連結し、このアクチュエータが第１リンク棒５１の連結部５１ｃを揺動することで、小径弁４３と大径弁４４とが連結して移動し、開弁又は閉弁することになる。

また、第１リンク棒５１における第１回転中心５１ａと第１結合突起部５１ｂとの距離Ｌ１と第１回転中心５１ａと連結部５１ｃとの距離Ｌ２と比で、アクチュエータの操作量と、小径弁４３のバルブリフト量を設定できる。更に、第３リンク棒５３の第３回転中心５３ａと第２結合穴部５３ｂとの距離Ｌ３と、第３回転中心５３ａと第３結合突起部５３ｃとの距離Ｌ４との比で、小径弁４３と大径弁４４のバルブリフト量を設定できる。更に、距離Ｌ３，距離Ｌ４と大径弁４４の頭部４４ａの第３結合穴部４４ｃの長孔の距離Ｌ５との比で、大径弁４４のバルブリフト開始時を設定できる。

このバイパス弁機構４０では、車両の発進時から一定速度に達するまでの間は、図２に示すように、アクチュエータの操作により、第１リンク棒５１の連結部５１ｃを下方に移動させておくと、小径弁４３も大径弁４４も閉弁し、バイパス弁機構４０は全体として閉弁状態となり、高圧段タービン３２に排気ガスの全量が流れ、高圧段タービン３２はフル作動する。この時第１室４５は第２室４６よりも上流側にあり、高圧となっている。

図３に示すように、車両が一定速度以上に達した場合には、アクチュエータの操作により、第１リンク棒５１の連結部５１ｃを上方に所定量移動させると、押圧部５１ｄが小径弁４３の頭部４３ａを押し下げて小径弁４３を開弁する。この状態では、大径弁４４はまだ開弁を開始していないので、バイパス弁機構４０は、半開状態となる。この半開状態では、高圧段側タービン３２は完全に作動停止せずに、高圧段側タービン３２に加え低圧段側タービン２２が作動する。

次に、アクチュエータの操作により、第１リンク棒５１の連結部５１ｃを更に上方に所定量移動させると、図４に示すように、この小径弁４３が設定リフト量を超えた時点で大径弁４４も開弁して、徐々に全開する。これにより、バイパス弁機構４０が小径弁４３の開弁のみの半開状態から徐々に小径弁４３と大径弁４４の両方が開弁した全開状態となり低圧段タービン２２が本格的な運転を開始する。つまり、半開から徐々に全開にして徐々に高圧段タービン３２の作動を作動停止に移行させて、全開時以降は高圧段タービン３２を作動停止して低圧段タービン２２のみを作動させることができる。

この構成によれば、切り替え初期の圧力差の大きい時には小径弁４３を開き、高圧段タービン３２の入口圧の急激な圧力低下を抑制する。小径弁４３の開弁動作によりバイパス通路３５側へ余剰ガスを流し、徐々に低圧段タービン２２の回転数を上昇させる。余剰ガスが増加し、バイパス弁機構４０の前後の圧力差が小さくなったら、大径弁４４を開弁し、ガス流入を積極的に行い低圧段タービン２２側へと切り替える。

この大径弁４４は高圧段タービン３２が運転状態では、セルフシールするバルブシート向きとなっているので、高圧段タービン３２の運転時のガス漏れを抑制することができる。大径弁４４のバルブスプリング（図示しない）の設定荷重（セット荷重）は小径弁４３の開き始めから大径弁４４の開き始めまでの間は開かない（動かない）程度の荷重で済むので、軽量化できる。

また、２つの小径弁４３と大径弁４４とリンク機構５０を用いる利点は、図５に、２つの小径弁と大径弁の組み合わせ（Ａ）のポペット弁（Ｂ）（有効直径６０ｍｍ）とのバルブ有効直径の比較の例を示すが、アクチュエータの操作量が小さく弁開度の低いところで有効直径が急激に変化するところを、小径弁と大径弁の組み合わせ（Ａ）では、図５に示すように最終のバルブ開度時の小径弁と大径弁の合計のバルブ有効面積がポペット弁の有効面積と同一（６０ｍｍ）とすると、アクチュエータの操作量が小さく弁開度の低いところでの急激な有効直径の変化を抑制することができる点にある。

また、小径弁と大径弁の組み合わせ（Ａ）のバルブ有効直径の取り方と、リンク機構による動作を選択すれば、圧力差の大きい時の流量が調整し易くなり、かつ、圧力差が小さくなった時には急激にバルブ有効直径を増加することができる。

更に、アクチュエータに電動アクチュエータを用いることで、エンジンの負荷に応じて制御することができるようになり、意図的にバイパス弁機構４０の小径弁４３と大径弁４４を開閉できる。しかも、大径弁４４の開き始めの時期をリンク機構５０を使用してアクチュエータを一つにしていることで、小径弁４３と連動して操作できる。このような操作は制御用のアクチュエータが過給圧と大気圧の差圧で動作するダイアフラム又はアクチュエータを採用している場合には難しい。

本発明に係る実施の形態の二段過給式エンジンの構成を示す図である。バイパス弁機構の構成を示す図である。小径弁が開で大径弁が閉の状態を示す図である。小径弁が開で大径弁が開の状態を示す図である。リンク機構付きの小径弁と大径弁の組み合わせとポペット弁のバルブ有効直径を示す図である。

符号の説明

１エンジン本体
２吸気通路
５排気通路
６排気マニホールド
１０多段過給式ターボエンジン
２０低圧段過給機
２１低圧段コンプレッサ
３０高圧段過給機
３１高圧段コンプレッサ
３３吸気バイパス通路
３４コンプレッサ切替弁
３５排気バイパス通路
４０バイパス弁機構
４２仕切り壁
４３小径弁
４３ａ小径弁の頭部
４４大径弁
４４ａ大径弁の頭部
４５第１室
４６第２室
５０リンク機構
５１第１リンク棒
５１ａ第１回転中心
５１ｂ第１結合突起部
５１ｃ連結部
５１ｄ押圧部
５２第２リンク棒
５２ａ第２回転中心
５３第３リンク棒
５３ａ第３回転中心

Claims

車両に搭載され、複数個のタービンの内の排気マニホールドに近い少なくとも一つの高圧段側タービンと、該高圧段側タービン以外の低圧段側タービンと、前記高圧段側タービンをバイパスする排気バイパス通路が設けられ、該バイパス通路にはバイパス弁機構が設けられた、ターボ用のタービンを複数個有し、前記バイパス弁機構は、車両の発進時から一定速度に達するまでの間は、全閉して前記高圧段側タービンを作動させ、一定速度以上に達した場合には、半開して前記高圧段側タービンを完全に作動停止せずに、前記高圧段側タービンに加え前記低圧段側タービンを作動させ、その後に、半開から徐々に全開にして徐々に前記高圧段側タービンの作動を作動停止に移行させて、全開時以降は前記高圧段側タービンを作動停止して前記低圧段側タービンのみを作動させる多段過給式エンジンにおいて、
前記バイパス弁機構は、上流側と下流側とを仕切る仕切り壁と該仕切り壁に弁座を有する少なくと一つの小径弁と少なくとも一つの大径弁を備えて形成され、前記小径弁は上流側から下流側に前記仕切り壁の弁座より離間して開弁し、前記大径弁は下流側から上流側に前記仕切り壁の弁座より離間して開弁すると共に、前記小径弁と前記大径弁を一つのアクチュエータにより、リンク機構を介して開閉弁操作することを特徴とする多段過給式ターボエンジン。
前記バイパス弁機構を制御する弁制御部は、車両が一定速度に達した場合に、前記高圧段側タービンに加え前記低圧段側タービンを作動させる際には、前記小径弁を開弁して前記バイパス弁機構を半開状態にして、前記高圧段側タービンを完全に作動停止せずに、前記高圧段側タービンに加え前記低圧段側タービンを作動させ、
その後は、車両の更なる速度増加に応じて、前記大径弁を徐々に全開にして、徐々に前記高圧段側タービンの作動を作動停止に移行させ、
移行完了時には、前記大径弁を全開させて前記バイパス弁機構を全開状態にして、排気ガスが前記高圧段側タービンを迂回するようにして、前記高圧段側タービンを作動停止して前記低圧段側タービンのみを作動させることを特徴とする請求項１記載の多段過給式ターボエンジン。
前駆アクチュエータとして、電動式のアクチュエータを用いることを特徴とする請求項１又は２記載の多段過給式ターボエンジン。