JP2010127126A - 二段過給システム - Google Patents

Abstract

【課題】ドライバビリティや排気再循環に影響を及ぼすことなく、高速高負荷領域での燃費の改善を図り得る二段過給システムを提供する。
【解決手段】高圧段ターボチャージャ６が複数基（図の例では二基）並列に配設されるよう高圧段ターボチャージャ６を追加装備し、エンジン１の高速高負荷領域において複数基の高圧段ターボチャージャ６を作動させるよう構成する。
【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、エンジン排気流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）により冷却した上でエンジン吸気流路へ戻し、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サイクル当たりの燃料噴射量を多くすると共に、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。

又、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。

図７は従来の二段過給システムの一例を示すものであり、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によって高圧段タービン３を作動させ且つ高圧段コンプレッサ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へ送給する高圧段ターボチャージャ６と、該高圧段ターボチャージャ６の高圧段タービン３から送出される排気Ｇ、或いは該高圧段タービン３の吸込側から吐出側へ至るウエストゲート配管７を経た排気Ｇによって低圧段タービン８を作動させ低圧段コンプレッサ９で圧縮した吸気Ａを前記高圧段コンプレッサ４へ送給する低圧段ターボチャージャ１０とを備え、前記ウエストゲート配管７には、高圧段タービン３に対応するウエストゲートバルブ１１が組み込まれている。尚、一般に、前記高圧段ターボチャージャ６の高圧段タービン３には、固定翼ターボが用いられることが多いが、図７のように、ＶＮＴ (Variable Nozzle Turbine) と称される可変ノズルを有したタービンが採用されることもある。

更に、前記低圧段ターボチャージャ１０の低圧段コンプレッサ９の吐出側と前記高圧段ターボチャージャ６の高圧段コンプレッサ４の吸入側との間のエンジン吸気流路には、インタクーラ１２が介装されており、前記高圧段コンプレッサ４の吐出側とエンジン１の吸気マニホールド５との間のエンジン吸気流路には、アフタクーラ１３が介装されている。

この他に、エンジン排気流路の高圧段タービン３よりも上流側（具体的には排気マニホールド２）からエンジン吸気流路のアフタクーラ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配管１４が設けられ、該ＥＧＲ配管１４には、エンジン排気流路から分流した排気Ｇを冷却するＥＧＲクーラ１５と、エンジン吸気流路へ還流すべき排気Ｇの流量を調整するＥＧＲバルブ１６とが設けられている。

そして、前述の如き二段過給システムにおいては、エンジン１が稼動状態であるとき、排気マニホールド２から送出される排気Ｇの大部分は、高圧段タービン３へ流入して高圧段コンプレッサ４を駆動した後、低圧段タービン８へ流入して低圧段コンプレッサ９を駆動する。

前記低圧段コンプレッサ９に流入し且つ圧縮された吸気Ａは、インタクーラ１２を経て高圧段コンプレッサ４に送給され、該高圧段コンプレッサ４で再び圧縮され、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。

これにより、シリンダへの吸気Ａの送給量が増加し、１サイクル当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。

又、前記排気Ｇの一部は、排気マニホールド２からＥＧＲ配管１４へ流入し、ＥＧＲクーラ１５で冷却され且つＥＧＲバルブ１６で流量調整が行われた排気Ｇが、吸気Ａと一緒に吸気マニホールド５へ送給され、これにより、シリンダ内の燃焼温度の低下が図られ、ＮＯxの発生が低減される。

更に、前記エンジン１が高速高負荷領域に達した際には、高圧段タービン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、該高圧段タービン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、並びにポンピングロス低減のため）ウエストゲートバルブ１１を開き、排気Ｇの一部をウエストゲート配管７から低圧段タービン８に導くようになっている。因みに、前記ウエストゲート配管７から低圧段タービン８に導かれる排気Ｇは、全体の０〜３０％程度の範囲内で、前記ウエストゲートバルブ１１の開度調節が行われ、ウエストゲートバルブ１１全閉時より燃費改善を図っている。

尚、前述の如き二段過給システムと関連する一般的技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献１、２がある。
特開２００５−１４７０３０号公報 特開平５−１８００８９号公報

しかしながら、前記ウエストゲート配管７に分流された排気Ｇの一部は低圧段タービン８で合流するため、該低圧段タービン８ではそのエネルギを有効利用しているものの、全体の３０％程度の排気Ｇがウエストゲート配管７に分流されている場合には、高圧段タービン３にとっては結果的に７０％程度しか排気Ｇのエネルギが利用されていないと言える。

仮に前記ウエストゲート配管７に分流させる排気Ｇの量を更に増加させていくと、高圧段ターボチャージャ６の過給圧が下がることから、同一吸気量、同一ＥＧＲ率を維持するためには高圧段タービン３の図示していない可変ノズルを絞る必要があるが、該可変ノズルを絞ることにより、高圧段タービン３の作動線としては高効率領域側に移動するため該高圧段タービン３単独で見た場合には有利となる（図３の仮想線を参照）。

但し、前記ウエストゲート配管７に分流させる排気Ｇの量の増大に伴って、高圧段コンプレッサ４と高圧段タービン３のガス流量のアンバランスにより、膨張比が上昇し背圧が高くなって燃費が悪化することとなる。これは、例えば、前記ウエストゲート配管７に分流させる排気Ｇを５０％とした場合、高圧段コンプレッサ４側では吸気Ａが１００％に対し、高圧段タービン３側は５０％の排気Ｇしか流通せず、アンバランスが生じるためである。尚、高圧段コンプレッサ４は、従来の二段過給システムでは、チョークラインに近い高効率領域から離れた領域で運転されていた（図４の仮想線を参照）。

即ち、あるウエストゲート率で排気マニホールド２の圧力は最小となって、燃費は最も良くなるが、該ウエストゲート率を変化させてもこれ以上は燃費を改善することは困難となっており、このときの燃費は、単段過給の場合と比較して７％以上悪化していることが計算によって求められている。

こうした燃費悪化の対策として、高圧段ターボチャージャ６を切り離し低圧段ターボチャージャ１０だけで運転する方法や、高速高負荷領域において、ターボ高効率領域で運転できるよう高圧段ターボチャージャ６をより大きな容量のターボチャージャにすること等が提案されている。

しかしながら、前述の如く、高圧段ターボチャージャ６を切り離し低圧段ターボチャージャ１０だけで運転するのでは、トルク性能等が低圧段ターボチャージャ１０単段に相当する性能しか得られなくなる一方、高圧段ターボチャージャ６を切り離す切り換え時に、トルクが階段状に変化することから、ドライバビリティに悪影響を与える虞があった。

又、高速高負荷領域において、ターボ高効率領域で運転できるよう高圧段ターボチャージャ６をより大きな容量のターボチャージャにするのでは、低速において燃費が悪化したり、ＮＯx低減に必要なＥＧＲ量を得ることができなくなる虞があった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、ドライバビリティや排気再循環に影響を及ぼすことなく、高速高負荷領域での燃費の改善を図り得る二段過給システムを提供しようとするものである。

本発明は、エンジンから直に送出される排気によって高圧段タービンを作動させ且つ高圧段コンプレッサで圧縮した吸気をエンジンへ送給する高圧段ターボチャージャと、該高圧段ターボチャージャの高圧段タービンから送出される排気によって低圧段タービンを作動させ且つ低圧段コンプレッサで圧縮した吸気を前記高圧段コンプレッサへ送給する低圧段ターボチャージャとを備えた二段過給システムにおいて、
前記高圧段ターボチャージャが複数基並列に配設されるよう高圧段ターボチャージャを追加装備し、エンジンの高速高負荷領域において複数基の高圧段ターボチャージャを作動させるよう構成したことを特徴とする二段過給システムにかかるものである。

上記手段によれば、以下のような作用が得られる。

エンジンの低速或いは中速となる高速高負荷領域以外の領域においては、低圧段ターボチャージャと一つの高圧段ターボチャージャを作動させた状態で運転が行われる。

これに対し、前記エンジンが高速高負荷領域に達した際には、複数基の高圧段ターボチャージャが作動し、該各高圧段ターボチャージャの高圧段タービンを通過するガス流量は分けられる形となるため、高圧段タービンの作動線としては高効率領域側に移動し、又、高圧段ターボチャージャの高圧段コンプレッサは、従来の二段過給システムでは、チョークラインに近い高効率領域から離れた領域で運転されていたが、各高圧段コンプレッサを通過する吸気の流量が分けられる形となることから、高圧段コンプレッサの作動線も高効率領域側に移動する。

前述の如く高圧段タービン及び高圧段コンプレッサの効率向上に加え、該高圧段コンプレッサと高圧段タービンのガス流量のアンバランスが解消され、膨張比が下がり背圧が低くなって、同一吸気量、同一ＥＧＲ率を維持したまま、燃費が向上することとなる。

しかも、高圧段ターボチャージャを切り離し低圧段ターボチャージャだけで運転するのとは異なり、高圧段ターボチャージャを切り離す切り換え時に、トルクが階段状に変化してドライバビリティに悪影響を与える心配はなく、又、高速高負荷領域において、ターボ高効率領域で運転できるよう高圧段ターボチャージャをより大きな容量のターボチャージャにするのとは異なり、低速において燃費が悪化したり、ＮＯx低減に必要なＥＧＲ量を得ることができなくなる心配もない。

前記二段過給システムにおいては、追加装備した高圧段ターボチャージャの高圧段タービンの吸込側に通じるエンジン排気流路に排気切換バルブを設け、追加装備した高圧段ターボチャージャの高圧段コンプレッサの吐出側のエンジン吸気流路に吸気切換バルブを設けると共に、該吸気切換バルブより上流側で且つ追加装備した高圧段ターボチャージャの高圧段コンプレッサの吐出側のエンジン吸気流路から分岐して該高圧段コンプレッサの吸込側に通じるリサーキュレーション流路を形成し、該リサーキュレーション流路にリサーキュレーションバルブを設け、前記エンジンの高速高負荷領域において、前記排気切換バルブを開いた直後、吸気切換バルブは閉じておき、リサーキュレーションバルブを開き、過給圧上昇後、リサーキュレーションバルブを閉じ、吸気切換バルブを開くよう構成することができる。

このように構成した場合、前記エンジンが高速高負荷領域に達した際には、先ず、排気切換バルブが開かれ、追加装備した高圧段ターボチャージャの高圧段タービンに排気が分岐導入されるが、吸気切換バルブはこの時点では閉じられ、リサーキュレーションバルブが開かれ、過給圧が上昇した後、リサーキュレーションバルブが閉じられ、吸気切換バルブが開かれるため、仮に排気切換バルブと吸気切換バルブとを同時に開いた場合に、追加装備した高圧段ターボチャージャの高圧段コンプレッサによる過給圧の上昇が追いつかなくなって、高圧段ターボチャージャの高圧段コンプレッサで過給された吸気が追加装備した高圧段ターボチャージャの高圧段コンプレッサ側へ逆流してしまうようなことが防止される。

本発明の二段過給システムによれば、ドライバビリティや排気再循環に影響を及ぼすことなく、高速高負荷領域での燃費の改善を図り得るという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１及び図２は本発明を実施する形態の一例であって、図中、図７と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図７に示す従来のものと同様であるが、本図示例の特徴とするところは、図１及び図２に示す如く、高圧段ターボチャージャ６が複数基（図の例では二基）並列に配設されるよう高圧段ターボチャージャ６を追加装備し、エンジン１の高速高負荷領域において複数基の高圧段ターボチャージャ６を作動させるよう構成した点にある。

本図示例の場合、追加装備した高圧段ターボチャージャ６の高圧段タービン３の吸込側に通じるエンジン排気流路１７に排気切換バルブ１８を設け、追加装備した高圧段ターボチャージャ６の高圧段コンプレッサ４の吐出側のエンジン吸気流路１９に吸気切換バルブ２０を設けると共に、該吸気切換バルブ２０より上流側で且つ追加装備した高圧段ターボチャージャ６の高圧段コンプレッサ４の吐出側のエンジン吸気流路１９から分岐して該高圧段コンプレッサ４の吸込側に通じるリサーキュレーション流路２１を形成し、該リサーキュレーション流路２１にリサーキュレーションバルブ２２を設けてある。

尚、仮に、エンジン１の高速高負荷領域において、前記排気切換バルブ１８と吸気切換バルブ２０とを同時に開いた場合、追加装備した高圧段ターボチャージャ６の高圧段コンプレッサ４による過給圧の上昇が高圧段タービン３の図示していない可変ノズルを絞っても追いつかず、高圧段ターボチャージャ６の高圧段コンプレッサ４で過給された吸気Ａが追加装備した高圧段ターボチャージャ６の高圧段コンプレッサ４側へ逆流してしまう可能性があるため、前記排気切換バルブ１８を開いた直後、吸気切換バルブ２０は閉じておき、リサーキュレーションバルブ２２を開き、過給圧がある程度上昇したら、リサーキュレーションバルブ２２を閉じ、吸気切換バルブ２０を開くようにしてある。

次に、上記図示例の作用を説明する。

エンジン１の低速或いは中速となる高速高負荷領域以外の領域においては、排気切換バルブ１８と吸気切換バルブ２０とリサーキュレーションバルブ２２はいずれも閉じられ、図２に示す如く、低圧段ターボチャージャ１０と一つの高圧段ターボチャージャ６を作動させた状態で運転が行われる。

これに対し、前記エンジン１が高速高負荷領域に達した際には、図１において、先ず、排気切換バルブ１８が開かれ、追加装備した高圧段ターボチャージャ６の高圧段タービン３の図示していない可変ノズルが絞られて排気Ｇが分岐導入されるが、吸気切換バルブ２０はこの時点では閉じられ、リサーキュレーションバルブ２２が開かれ、過給圧がある程度上昇すると、リサーキュレーションバルブ２２が閉じられ、吸気切換バルブ２０が開かれるため、仮に排気切換バルブ１８と吸気切換バルブ２０とを同時に開いた場合に、追加装備した高圧段ターボチャージャ６の高圧段コンプレッサ４による過給圧の上昇が追いつかなくなって、高圧段ターボチャージャ６の高圧段コンプレッサ４で過給された吸気Ａが追加装備した高圧段ターボチャージャ６の高圧段コンプレッサ４側へ逆流してしまうようなことが防止される。

そして、エンジン１の高速高負荷領域において、高圧段タービン３を通過するガス流量は半分になるため、図３に示す如く、高圧段タービン３の作動線としては高効率領域側に移動する。

又、高圧段コンプレッサ４は、従来の二段過給システムでは、図４の仮想線で示されるように、チョークラインに近い高効率領域から離れた領域で運転されていたが、高圧段コンプレッサ４を通過する吸気Ａの流量が半減することから、図４に示す如く、高圧段コンプレッサ４の作動線も高効率領域側に移動する。

前述の如く高圧段タービン３及び高圧段コンプレッサ４の効率向上に加え、該高圧段コンプレッサ４と高圧段タービン３のガス流量のアンバランスが解消され、膨張比が下がり背圧が低くなって、同一吸気量、同一ＥＧＲ率を維持したまま、燃費が向上することとなる。これは、例えば、従来のようにウエストゲート配管７（図７参照）に分流させて排気Ｇの５０％で吸気Ａの１００％を駆動させるのに比べ、高圧段コンプレッサ４側では吸気Ａが５０％に対し、高圧段タービン３側も５０％の排気Ｇが流通して駆動され、アンバランスが生じなくなるためである。

因みに、高速高負荷領域において、図５に示す如く、吸排気差圧（排気マニホールド２圧力と吸気マニホールド５圧力との差圧）が従来に比べおよそ７５％程度低減されると共に、図６に示す如く、燃費がおよそ５．５％程度改善されることが計算結果として確認されている。

しかも、高圧段ターボチャージャ６を切り離し低圧段ターボチャージャ１０だけで運転するのとは異なり、高圧段ターボチャージャ６を切り離す切り換え時に、トルクが階段状に変化してドライバビリティに悪影響を与える心配はなく、又、高速高負荷領域において、ターボ高効率領域で運転できるよう高圧段ターボチャージャ６をより大きな容量のターボチャージャにするのとは異なり、低速において燃費が悪化したり、ＮＯx低減に必要なＥＧＲ量を得ることができなくなる心配もない。

こうして、ドライバビリティや排気再循環に影響を及ぼすことなく、高速高負荷領域での燃費の改善を図り得る。

尚、本発明の二段過給システムは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、二基の高圧段ターボチャージャを通るガス量は必ずしも等分とする必要はないこと、二基の高圧段ターボチャージャは容量の異なるものを使用しても良いこと、三基以上の高圧段ターボチャージャを搭載することも可能であること等、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す概念図であって、エンジンの高速高負荷領域において複数基の高圧段ターボチャージャを作動させた状態を示す図である。 本発明を実施する形態の一例を示す概念図であって、エンジンの高速高負荷領域以外の領域において単独の高圧段ターボチャージャのみを作動させた状態を示す図である。 高圧段ターボチャージャにおける膨張比とタービン通過流量との関係で高効率領域を示す図である。 高圧段ターボチャージャにおけるコンプレッサ通過流量と圧力比との関係で高効率領域を示す図である。 エンジン回転数に対する本発明の二段過給システムでの吸排気差圧（排気マニホールド圧力と吸気マニホールド圧力との差圧）と、エンジン回転数に対する従来の二段過給システムでの吸排気差圧とを比率として示す比較線図である。 エンジン回転数に対する本発明の二段過給システムでの燃費と、エンジン回転数に対する従来の二段過給システムでの燃費とを比率として示す比較線図である。 従来の二段過給システムの一例を示す概念図である。

符号の説明

１ エンジン
２ 排気マニホールド
３ 高圧段タービン
４ 高圧段コンプレッサ
５ 吸気マニホールド
６ 高圧段ターボチャージャ
８ 低圧段タービン
９ 低圧段コンプレッサ
１０ 低圧段ターボチャージャ
１７ エンジン排気流路
１８ 排気切換バルブ
１９ エンジン吸気流路
２０ 吸気切換バルブ
２１ リサーキュレーション流路
２２ リサーキュレーションバルブ
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高圧段タービンを作動させ且つ高圧段コンプレッサで圧縮した吸気をエンジンへ送給する高圧段ターボチャージャと、該高圧段ターボチャージャの高圧段タービンから送出される排気によって低圧段タービンを作動させ且つ低圧段コンプレッサで圧縮した吸気を前記高圧段コンプレッサへ送給する低圧段ターボチャージャとを備えた二段過給システムにおいて、
   前記高圧段ターボチャージャが複数基並列に配設されるよう高圧段ターボチャージャを追加装備し、エンジンの高速高負荷領域において複数基の高圧段ターボチャージャを作動させるよう構成したことを特徴とする二段過給システム。
2. 追加装備した高圧段ターボチャージャの高圧段タービンの吸込側に通じるエンジン排気流路に排気切換バルブを設け、追加装備した高圧段ターボチャージャの高圧段コンプレッサの吐出側のエンジン吸気流路に吸気切換バルブを設けると共に、該吸気切換バルブより上流側で且つ追加装備した高圧段ターボチャージャの高圧段コンプレッサの吐出側のエンジン吸気流路から分岐して該高圧段コンプレッサの吸込側に通じるリサーキュレーション流路を形成し、該リサーキュレーション流路にリサーキュレーションバルブを設け、前記エンジンの高速高負荷領域において、前記排気切換バルブを開いた直後、吸気切換バルブは閉じておき、リサーキュレーションバルブを開き、過給圧上昇後、リサーキュレーションバルブを閉じ、吸気切換バルブを開くよう構成した請求項１記載の二段過給システム。

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