JP2010249023A - 内燃機関の2段式過給システムおよびこれを用いた内燃機関 - Google Patents
内燃機関の2段式過給システムおよびこれを用いた内燃機関 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2010249023A JP2010249023A JP2009099281A JP2009099281A JP2010249023A JP 2010249023 A JP2010249023 A JP 2010249023A JP 2009099281 A JP2009099281 A JP 2009099281A JP 2009099281 A JP2009099281 A JP 2009099281A JP 2010249023 A JP2010249023 A JP 2010249023A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- pressure
- waste gate
- gate valve
- exhaust pipe
- internal combustion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Landscapes
- Supercharger (AREA)
Abstract
【課題】高圧段過給機から低圧段過給機への切り替えを円滑に行うことができる内燃機関の2段式過給システムを提供する。
【解決手段】2段直列に接続された高圧段過給機8および低圧段過給機9を有する内燃機関の2段式過給システム5において、高圧段過給機8の高圧段タービン8aの入口と、低圧段過給機9の低圧段タービン9aの入口とを、並列配置された2つのバイパス排気管12a,12bを通じて接続し、その各々に第1、第2ウェイストゲートバルブ部14a,14bを配置した。そして、第1ウェイストゲートバルブ部14aの開状態が予め決められた状態以上になると、第2ウェイストゲートバルブ部14bが連動して開くようにした。
【選択図】図2
【解決手段】2段直列に接続された高圧段過給機8および低圧段過給機9を有する内燃機関の2段式過給システム5において、高圧段過給機8の高圧段タービン8aの入口と、低圧段過給機9の低圧段タービン9aの入口とを、並列配置された2つのバイパス排気管12a,12bを通じて接続し、その各々に第1、第2ウェイストゲートバルブ部14a,14bを配置した。そして、第1ウェイストゲートバルブ部14aの開状態が予め決められた状態以上になると、第2ウェイストゲートバルブ部14bが連動して開くようにした。
【選択図】図2
Description
本発明は、内燃機関の2段式過給システムおよびこれを用いた内燃機関に関し、更に詳しくは、高圧段過給機から低圧段過給機への切り替えをスムーズに行うことが可能な2段式過給システムおよびこれを用いた内燃機関に関するものである。
内燃機関の2段式過給システムにおいては、高圧段および低圧段の容量差のある2つの過給機を直列に設けるとともに、内燃機関の運転状態に応じて適切な過給機を選択できるようにバイパスを設け、過給システムの作動領域の拡大を図っている。すなわち、高速回転・高負荷運転時には低圧段過給機を使用する一方、低速回転・低負荷運転時には高圧段過給機を使用するというように、内燃機関の運転状態に応じて、2段式過給システムの高圧段過給機と低圧段過給機とを切り替えて使用している。
ところで、内燃機関の2段式過給システムにおいては、高圧段過給機から低圧段過給機に切り替える際、排気切り替えバルブを使用する前段階として、高圧段過給機の圧縮機の出口圧を用いた正圧駆動方式により高圧段過給機のタービン側のウェイストゲートバルブの開閉を制御している。このため、過渡運転時において、高圧段過給機から低圧段過給機に仕事が円滑に移行する。
この正圧駆動方式によりウェイストゲートバルブを制御する際、高圧段過給機の圧縮機の出口圧が予め設定しておいた圧力に達するとウェイストゲートバルブが開き、高圧段過給機から低圧段過給機へと使用領域が切り替わってゆく。
高圧段過給機の圧縮機の出口圧は、エンジンの回転速度、負荷(燃料噴射量)が高くなると、それに比例して上昇するため、さらにウェイストゲートバルブを開く必要がある。しかし、ウェイストゲートバルブの有効開口面積に対して高圧段過給機のタービンの入口圧が高くなる(すなわち、排気ガス流量が多くなる)と、ウェイストゲートバルブの前後の圧力が臨界圧力比に達し、ウェイストゲートバルブを通過する排気ガス流量はウェイストゲートバルブの開度とは関係なく一定となる(以下、この状態をチョーク状態という)。このチョーク状態からさらにエンジンの回転、負荷が高くなると、ウェイストゲートバルブが配置されるバイパスを通じて低圧段過給機のタービンへと逃がしきれなくなった排気ガスが高圧段過給機のタービンへと流れるため、排気マニホールドの内圧の上昇等が起こる。また、高圧段過給機から低圧段過給機への切り替えが円滑に行われなくなるため、必要な空気量を確保できない。このため、EGR(Exhaust Gas Recirculation)ガス流量を多くすることができないので、排気ガスにおける窒素酸化物(NOx)の排気性能が低下する。また、高圧段過給機のタービンの入口圧も増加することから、排気マニホールド内圧が上昇し、燃費等にも悪影響を及ぼす。
さらに、エンジンの回転速度、負荷が高くなる条件では、排気切り替えバルブを開くことで、低圧段過給機単体で過給する形態へと切り換えるが、その切り替えに際しても、ウェイストゲートバルブがチョークしていると排気ガス流路および低圧段過給機へと流れる排気ガス流量が大きく変わるため、過渡運転時においては、排気ガスにおけるNOxの排気性能や燃費等に悪影響を及ぼす。
一方で、排気切り替えバルブのように電磁可変調整弁(EVRV:Electronic Vacuum Regulation Valve)を使用してウェイストゲートバルブを制御する方法もあるが、この方法では、過渡運転時において応答性が追従していない、ターボラグに対する制御が難しい等の問題がある。
これらのことからも、高圧段過給機の圧縮機の出口圧を用いた正圧駆動方式によりウェイストゲートバルブを制御するのが最も良いと考えられるが、この方式では、前述のようにウェイストゲートバルブでチョークが生じる可能性があるため、その改善が必要となる。
このチョークの対策として、有効開口面積を大きくすれば良いので、ウェイストゲートバルブの直径を大きくして、ガスの流路を大きくする方法が考えられるが、その方法では、ウェイストゲートバルブにかかる力(排気ガスがウェイストゲートバルブを押す力)がバルブ径に比例して大きくなるため、開弁力の増加が必要となり、アクチュエータのサイズを大きくする必要が生じる等の問題がある。
なお、例えば特許文献1には、高圧段過給機の入口側と低圧段過給機の入口側とを大小径の異なる2つのバイパス排気管で接続し、その各々のバイパス排気管に配置される主副のバイパス弁(上記のウェイストゲートバルブに相当)の開閉を制御することにより、高圧段過給機のタービンに流れる排気ガスの流量を精度良く制御して内燃機関の運転状態に応じて高圧段過給機と低圧段過給機との切り替えを行う技術が開示されている。しかし、この技術では上記したチョーク状態に関する問題が考慮されておらず、その対策のために2つのウェイストゲートバルブを連動して動作することについて考慮がなされていない。
本発明の目的は、高圧段過給機から低圧段過給機への切り替えを円滑に行うことが可能な内燃機関の2段式過給システムを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、燃費を向上させることが可能な内燃機関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内燃機関の2段式過給システムは、2段直列に接続された高圧段過給機のタービンおよび低圧段過給機のタービンを内燃機関本体から排気された排気ガスにより駆動させ、その駆動力により前記高圧段過給機の圧縮機および前記低圧段過給機の圧縮機を連動することにより圧縮した空気を前記内燃機関本体に送り込む2段式過給システムにおいて、前記内燃機関本体からの排気ガスを前記高圧段過給機のタービンに送り込む第1排気管と、前記高圧段過給機のタービンから前記低圧段過給機のタービンに排気ガスを送り込む第2排気管と、前記低圧段過給機のタービンからの排気ガスを外部側に流す第3排気管と、前記第1排気管と前記第2排気管とをウェイストゲートバルブ装置を介して接続するバイパス排気管と、前記低圧段過給機の圧縮機に空気を流す第1吸気管と、前記低圧段過給機の圧縮機から前記高圧段過給機の圧縮機に空気を送り込む第2吸気管と、前記高圧段過給機の圧縮機から前記内燃機関本体に空気を送り込む第3吸気管とを備え、前記バイパス排気管は、並列に接続された第1バイパス排気管および第2バイパス排気管を有しており、前記ウェイストゲートバルブ装置は、前記第1バイパス排気管の開閉を行う第1ウェイストゲートバルブ部と、前記第2バイパス排気管の開閉を行う第2ウェイストゲートバルブ部とを有しており、前記第1ウェイストゲートバルブ部の開状態が予め決められた状態以上になると、前記第2ウェイストゲートバルブ部が連動して開くものである。
また、上記の内燃機関の2段式過給システムにおいて、前記ウェイストゲートバルブ装置は、前記第1ウェイストゲートバルブ部の開閉動作を行うアクチュエータを有しており、前記アクチュエータは、前記高圧段過給機の圧縮機における出口側の圧力に応じて駆動するものである。
これにより、高圧段過給機の圧縮機の出口側の圧力に応じて第1ウェイストゲートバルブの開弁状態を制御することができるので、過渡運転時の制御性を向上させることができる。
また、上記の内燃機関の2段式過給システムにおいて、前記第1ウェイストゲートバルブ部は、前記第1バイパス排気管の開口部に配置される第1バルブ本体と、前記第1バルブ本体を支持し、前記アクチュエータの駆動力を伝えるロッドが接続される第1支持部とを有し、前記第2ウェイストゲートバルブ部は、前記第2バイパス排気管の開口部に配置される第2バルブ本体と、前記第2バルブ本体を支持する第2支持部と、前記第2支持部に接続され、前記第1ウェイストゲートバルブの前記第1支持部側に延びる第3支持部とを有し、前記第1ウェイストゲートバルブ部と前記第2ウェイストゲートバルブ部とは、前記第2ウェイストゲートバルブ部の前記第3支持部が、前記第1ウェイストゲートバルブ部の前記第1支持部に重なる状態で隣接して配置され、前記ウェイストゲートバルブ装置は、前記第3支持部を介して前記第1支持部を押さえるように配置された付勢手段を有しており、前記アクチュエータからの駆動力により前記第1ウェイストゲートバルブ部の前記第1支持部が前記付勢手段の方向に移動すると、前記第1ウェイストゲートバルブ部が開くとともに前記第3支持部が連動し、前記第1支持部の前記付勢手段の方向への移動量が予め決められた移動量を過ぎると前記第2ウェイストゲートバルブ部が開くものである。
また、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、前記内燃機関の2段式過給システムを有するものである。
本発明の内燃機関の2段式過給システムによれば、第1バイパス排気管の開口部でチョーク状態になると、第2バイパス排気管の第2ウェイストゲートバルブ部が連動して開くことにより、バイパス排気管の有効開口面積を増加できるので、チョーク状態を回避することができる。このため、高圧段過給機側からバイパス排気管を通じて低圧段過給機に流れる排気ガスの流路を確保することができるので、高圧段過給機から低圧段過給機への切り替えを円滑に行うことができる。
また、第1、第2ウェイストゲートバルブ部の開弁力を増加させないで済むので、第1、第2ウェイストゲートバルブ部を駆動するアクチュエータのサイズを増大させることもない。また、第1ウェイストゲートバルブ部の動作に第2ウェイストゲートバルブ部が連動するので、第1、第2ウェイストゲートバルブ部を駆動するアクチュエータを増やす必要もない。したがって、重量の増大を招くこともない。
また、本発明の内燃機関の2段式過給システムを用いた内燃機関によれば、高圧段過給機から低圧段過給機への切り替えを円滑に行うことができるので、必要な空気量を確保することができる。その結果、EGR率を増加させることができる。
また、高圧段過給機から低圧段過給機への切り替えを円滑に行うことができるので、排気ガスの圧力の上昇を抑制または防止することができる。その結果、燃費を向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態の内燃機関の2段式過給システムおよびこれを用いたエンジンについて添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は本実施の形態の内燃機関の2段式過給システムを用いたエンジンの構成図を示している。なお、図中の矢印は空気の流れを示している。
本実施の形態のエンジン(内燃機関)1は、エンジン本体2と、排気マニホールド3と、吸気マニホールド4と、内燃機関の2段式過給システム5と、EGR(Exhaust Gas Recirculation)システム6と、エアクリーナー7とを有している。
内燃機関の2段式過給システム5は、2段直列に配置された高圧段過給機8と低圧段過給機9とを有しているとともに、エンジン1の運転状態に応じて適切な過給機を選択できるように後述のバイパスを設け、過給システムの作動領域の拡大を図っている。すなわち、低速回転・低負荷運転時には高圧段過給機8を使用する一方、高速回転・高負荷運転時には低圧段過給機9を使用するというように、エンジン1の運転状態に応じて高圧段過給機8と低圧段過給機9とを切り替えて使用している。
高圧段過給機8は、高圧段タービン8aと高圧段コンプレッサ(圧縮機)8bとを有している。高圧段タービン8aおよび高圧段コンプレッサ8bは、一本の軸の両端に複数枚の羽根が設けられることで形成されており、高圧段タービン8aがエンジン本体2から排気された排気ガスの力を受けて回転駆動すると、その駆動力により高圧段コンプレッサ8bが連動することにより圧縮した空気をエンジン本体2に送り込む。
低圧段過給機9は、低圧段タービン9aと低圧段コンプレッサ(圧縮機)9bとを有している。低圧段タービン9aおよび低圧段コンプレッサ9bは、高圧段過給機8と同様に、一本の軸の両端に複数枚の羽根が設けられることで形成されており、低圧段タービン9aがエンジン本体2から排気された排気ガスの力を受けて回転駆動すると、その駆動力により低圧段コンプレッサ9bが連動することにより圧縮した空気をエンジン本体2に送り込む。低圧段タービン9aの容量は、高圧段タービン8aの容量よりも大きく、低圧段コンプレッサ9bの容量は、高圧段コンプレッサ8bの容量よりも大きい。
内燃機関の2段過給システム5の排気系は、第1排気管10aと、第2排気管10bと、第3排気管10cと、メインバイパス排気管11と、サブバイパス排気管(バイパス排気管)12と、排気切替バルブ装置13と、ウェイストゲートバルブ装置14とを有している。
第1排気管10aは、排気マニホールド3と高圧段タービン8aの入口とを接続し、エンジン本体2からの排気ガスを高圧段タービン8aに送り込む配管である。第2排気管10bは、高圧段タービン8aの出口と低圧段タービン9aの入口とを接続し、高圧段タービン8aからの排気ガスを低圧段タービン9aに送り込む配管である。この第2排気管10bの途中位置には排気切替バルブ装置13が設けられている。第3排気管10cは、低圧段タービン9aの出口からの排気ガスを外部側に流す配管である。
メインバイパス排気管11は、排気マニホールド3と第2排気管10b(低圧段タービン9aの入口)とを高圧段タービン8aを介さずに接続する配管であり、その途中位置には、排気切替バルブ装置13が設けられている。
排気切替バルブ装置13は、エンジン本体2から排出された排気ガスを、メインバイパス排気管11を通じて低圧段タービン9aに流す時は開き、メインバイパス排気管11の流路を遮断する時は閉じるようになっている。排気切替バルブ装置13のバルブ本体は、空気圧(または真空圧)を用いたアクチュエータにより開閉動作する。
サブバイパス排気管12は、第1排気管10aと第2排気管10bとを接続する配管である。すなわち、高圧段タービン8aの上流(入口)側と下流(出口)側とを高圧段タービン8aを介さずに接続する配管である。サブバイパス排気管12の途中位置には、ウェイストゲートバルブ装置14が設けられている。このウェイストゲートバルブ装置14は、高圧段タービン8aの上流(入口)側の圧力が高くなった場合に、ウェイストゲートバルブ装置14のバルブ本体を開いて、排気ガスを、サブバイパス排気管12を通じて高圧段タービンの上流(入口)側から下流(出口)側に直接逃がし、高圧段タービン8aおよび高圧段コンプレッサ8bの過剰な回転を防ぐ機能を有している。
このウェイストゲートバルブ装置14のバルブ本体の開閉は、高圧段コンプレッサ8bの出口圧を用いた正圧駆動方式により制御される。すなわち、ウェイストゲートバルブ装置14のバルブ本体を駆動するアクチュエータの入力は、配管15を通じて高圧段コンプレッサ8bの出口と接続されており、その出口圧に応じてアクチュエータは、バルブ本体の開閉駆動を制御する。これにより、高圧段タービン8aおよび高圧段コンプレッサ8bの過剰な回転を防ぐことができる。なお、低圧段タービン9aの入口と出口とを繋ぐサブバイパス排気管を設け、その途中にウェイストゲートバルブ装置を設けても良い。
高圧段ターボ8aと低圧段ターボ9aとの作動の切り替えは、排気切替バルブ装置13およびウェイストゲートバルブ装置14等により行われる。例えば排気切替バルブ13を開くと、高圧段過給機8は、タービン8aの出入り口の圧力差が無くなるため作動せず、低圧段過給機9のみが作動する。また、排気切替バルブ装置13とウェイストゲートバルブ装置14とを全閉すると、排気マニホールド3から排出される排気ガスは全て高圧段タービン8aに流れて高圧段過給機8が作動する。このとき、低圧段過給機9側にウェイストゲートバルブ装置がある場合、それを全開にすることで、排気ガスが低圧段タービン9aをバイパスするので、低圧段過給機9は作動しない。また、排気切替バルブ装置13を僅かに開き、低圧段過給機側のウェイストゲートバルブ装置を全閉にすると、高圧段過給機8と低圧段過給機とが同時に作動する。
内燃機関の2段過給システム5の吸気系は、第1吸気管20aと、第2吸気管20bと、第3吸気管20cと、バイパス吸気管21と、吸気切替バルブ装置22とを有している。
第1吸気管20aは、エアクリーナー7と低圧段コンプレッサ9bの入口とを接続し、エアクリーナー7により清浄にされた空気を低圧段コンプレッサ9bに流す配管である。第2吸気管20bは、低圧段コンプレッサ9bの出口と高圧段コンプレッサ8bの入口とを接続し、低圧段コンプレッサ9bから高圧段コンプレッサ8bに空気を送り込む配管である。第3吸気管20cは、高圧段コンプレッサ8bの出口と吸気マニホールド4とを接続し、高圧段コンプレッサ8bから吸気マニホールド4を通じてエンジン本体2に空気を送り込む配管である。
バイパス吸気管21は、第2吸気管20b(低圧段コンプレッサ9bの出口)と、第3吸気管20c(吸気マニホールド4)とを高圧段コンプレッサ8bを介さずに接続する配管である。
吸気切替バルブ装置22は、第2吸気管20bと第3吸気管20cとの交点部分に配置されている。吸気切替バルブ装置22は、高圧段過給機8が作動するときに低圧段過給機9側の流路が閉じ、低圧段過給機9が作動するときに高圧段過給機8側の流路が閉じる。
上記したEGRシステム6は、燃焼後の排気ガスの一部を取り出し吸気側へ導き再度吸気させるシステムであり、排気マニホールド3と吸気マニホールド4とを接続する配管6aの途中に排気マニホールド3側から順に、EGRクーラ6bとEGRバルブ6cとが介在されている。
次に、本実施の形態の内燃機関の2段式過給システム5における高圧段過給機8側のウェイストゲートバルブ装置14について図2〜図4を参照しながら説明する。
図2は本実施の形態の内燃機関の2段式過給システム5のウェイストゲートバルブ装置14の構成図、図3は図2のウェイストゲートバルブ装置14の動作時の状態を示した構成図、図4は図2のウェイストゲートバルブ装置14のバルブ本体と排気管との関係を例示した断面図である。なお、図2および図4の矢印A1は排気ガスの流れを示し、図3の矢印B1〜B4は開弁時のウェイストゲートバルブ装置の各部の動作方向を示している。
まず、図2および図4に示すように、本実施の形態の内燃機関の2段式過給システム5においては、高圧段過給機8側のサブバイパス排気管12が、第1サブバイパス排気管(第1バイパス排気管)12aと第2サブバイパス排気管(第2バイパス排気管)12bとの2つの排気管を有している。この第1、第2サブバイパス排気管12a,12bは、第1排気管10aと第2排気管10bとの間に並列に接続されている。第1、第2サブバイパス排気管12a,12bの開口面積は同じである。この開口面積を同じとすることにより、部品の共通化ができ、コストを低減することができる。ただし、第1、第2サブバイパス排気管12a,12bの開口面積を変えても良い。第1サブバイパス排気管12aの開口面積の方が第2サブバイパス排気管12bの開口面積よりも大きい場合、運転条件等により排気ガス流量が多くなり、圧力が高くなる場合がある。この場合、開口部分にかかる力が大きくなり、ウェイストゲートバルブ部の開閉がスムーズに行えない可能性がある。このため、第1、第2サブバイパス排気管12a,12bの開口面積を変える場合には、第2サブバイパス排気管12bの開口面積を第1サブバイパス排気管12aの開口面積よりも大きくすることが好ましい。
次に、図2および図3に示すように、本実施の形態の内燃機関の2段式過給システム5のウェイストゲートバルブ装置14は、配管15、アクチュエータ25、ロッド26およびスプリング部(付勢手段)27を有する他に、第1サブバイパス排気管12aおよび第2サブバイパス排気管12bの開閉を行うため、第1ウェイストゲートバルブ部14aおよび第2ウェイストゲートバルブ部14bの2つのウェイストゲートバルブ部を有している。
第1ウェイストゲートバルブ部14aは、第1サブバイパス排気管12aの開閉を行う部分であり、第1バルブ本体14a1と、第1支持部14a2とを有している。第1バルブ本体14a1は、第1サブバイパス排気管12aの開口部に配置され、その開閉を行う部分である。この第1バルブ本体14a1は第1支持部14a2に支持されている。
第1支持部14a2はロッド26を介してアクチュエータ25に接続されている。アクチュエータ25の駆動は、高圧段コンプレッサ8bの出口圧に応じて駆動する正圧駆動方式により制御されている。これにより、高圧段コンプレッサ8bの出口側の圧力に応じて第1ウェイストゲートバルブ部14aの開弁状態を制御することができるので、過渡運転時の制御性を向上させることができる。
このアクチュエータ25の内部には、ダイアフラムが図2および図3の左右方向に移動可能な状態で設けられている。このダイアフラムはスプリングにより図2および図3の左方向に付勢されている。一方、アクチュエータ25の入力には、配管15を通じて高圧段コンプレッサ8bの出口が接続されており、高圧段コンプレッサ8bの出口から配管15を通じてアクチュエータ25内に図2および図3の右方向に付勢されるような加圧吸気が導入されるようになっている。その加圧吸気の過給圧がスプリングのセット力を超えると、ダイアフラムが図2および図3の右方向に動き、ダイアフラムに接続されたロッド26が右方向に駆動する。このアクチュエータ25の駆動力は、ロッド26を通じて第1ウェイストゲートバルブ部14aの第1支持部14a2に伝えられ、これに支持された第1バルブ本体14a1が第1サブバイパス排気管12aを開閉する。
第2ウェイストゲートバルブ部14bは、第2サブバイパス排気管12bの開閉を行う部分であり、第2バルブ本体14b1と、第2支持部14b2と、第3支持部14b3とを有している。第2バルブ本体14b1は、第2サブバイパス排気管12bの開口部に配置され、その開閉を行う部分である。この第2バルブ本体14b1は第2支持部14b2の一端側に支持されている。また、第2支持部14b2の他端側には第3支持部14b3が接続されている。この第3支持部14b3は、第2支持部14b2の他端側角部から第1ウェイストゲートバルブ部14aの第1支持部14a2に重なる位置まで延びている。
このような第1ウェイストゲートバルブ部14aと、第2ウェイストゲートバルブ部14bとは、第2ウェイストゲートバルブ部14bの第3支持部14b3が、第1ウェイストゲートバルブ部14aの第1支持部14a2に重なる状態で図2および図3の上下方向に隣接して配置されている。
また、上記したスプリング部27は、第3支持部14b3と第1支持部14a2とが重なる部分に対向する位置に設置されている。スプリング部27は、スプリング27aと付勢軸27bとを有している。付勢軸27bは、第3支持部14b3に接続されている。
このスプリング27aは、付勢軸27bおよび第3支持部14b3を第1支持部14a2に押しつける方向に付勢力を与えている。すなわち、スプリング部27は、第2ウェイストゲートバルブ部14bの第3支持部14b3を介して、第1ウェイストゲートバルブ部14aの第1支持部14a2を押さえるように配置されている。
このようなウェイストゲートバルブ装置14においては、第1ウェイストゲートバルブ部14aの第1バルブ本体14a1の開状態が予め決められた状態以上になると、第2ウェイストゲートバルブ部14bの第2バルブ本体14b1が連動して開くようになっている。
すなわち、図3に示すように、アクチュエータ25からの駆動力により第1ウェイストゲートバルブ部14aの第1支持部14a1の上端が矢印B1に示すように移動すると、第1支持部14a1の下端がスプリング部27の方向に移動する。これにより、第1ウェイストゲートバルブ部14aの第1バルブ本体14a1の体勢が傾斜するようになり第1サブバイパス排気管12aが開く。これとともに、第1支持部14a2の下端部に押された第3支持部14b3が矢印B2に示すように連動する。これにより、スプリング27aが、その付勢力とは反対の矢印B3に示す方向に押されるとともに、第3支持部14b3に接続された第2支持部14b2も矢印B4に示すように連動する。その後、第1ウェイストゲートバルブ部14aの第1支持部14a2の下端部がスプリング部27の方向へさらに移動し、その移動量が予め決められた移動量を過ぎると第2ウェイストゲートバルブ部14bの第2バルブ本体14b1の傾斜角度が大きくなり第2サブバイパス排気管12bが開く。
このウェイストゲートバルブ装置14においては、第1サブバイパス排気管12aで上記したチョーク状態が起きる時またはその直前あるいはその直後に、第2サブバイパス排気管12bが開き始めるように設定されている。
次に、本実施の形態の内燃機関の2段式過給システム5のウェイストゲートバルブ装置14の開閉動作について図5〜図12を参照しながら説明する。
まず、図5は、高圧段コンプレッサ8bの出口圧がウェイストゲートバルブ装置14の予め設定された開弁圧よりも低く、第1、第2ウェイストゲートバルブ部14a,14bの第1、第2バルブ本体14a1,14a2が閉じており第1、第2バイパス排気管12a,12bを完全に塞いでいる状態を示している。バイパス経路は、排気ガスの圧力を利用してバイパス経路を閉じ、漏れの無い構造とされている。
続いて、図6に示すように、高圧段コンプレッサ8bの出口圧がウェイストゲートバルブ装置14の予め設定された開弁圧よりも高くなり始め、第1ウェイストゲートバルブ部14aの第1バルブ本体14a1が徐々に開き始める。これにより、第1ウェイストゲートバルブ部14aの第1支持部14a2の下端が、第2ウェイストゲートバルブ部14bの第3支持部14b3をスプリング部27側に押し始める。
続いて、図7および図8に示すように、高圧段コンプレッサ8bの出口圧がさらに高くなり、第1ウェイストゲートバルブ部14aの第1バルブ本体14a1の開度がさらに大きくなる。これにより、第1ウェイストゲートバルブ部14aの第1支持部14a2の下端は、第2ウェイストゲートバルブ部14bの第3支持部14b3をスプリング部27側に押しつける。
続いて、図9および図10に示すように、エンジン1の回転速度および負荷が高くなり高圧段コンプレッサ8bが仕事を行うと高圧段コンプレッサ8bの出口圧がさらに高くなり、第1ウェイストゲートバルブ部14aの第1バルブ本体14a1の開度がさらに大きくなり、第1サブバイパス排気管12aでチョーク状態が起き始める。
この時、ウェイストゲートバルブ装置14においては、第1支持部14a2の下端が、さらにスプリング部27の方向に移動するので、スプリング部27により押さえられていた第2バルブ本体14b1のリンクが作動し、第2バルブ本体14b1が次第に開き始める。
続いて、図11および図12に示すように、チョーク状態からさらにエンジンの回転、負荷が高くなり、高圧段コンプレッサ8bの出口圧がさらに高くなると、第1ウェイストゲートバルブ部14aの第1バルブ本体14a1の開度がさらに大きくなる。これと同時に第1支持部14a2の下端がスプリング部27の方向にさらに移動するので、第3支持部14b3がさらにスプリング部27側に押しつけられることになり、第2バルブ本体14b1の開度も大きくなる。したがって、本実施の形態の内燃機関の2段式過給システム5においては、第1サブバイパス排気管12aの開口部でチョーク状態になっても、第2サブバイパス排気管12bが開くことで、排気ガスが低圧段タービン9aへと円滑に流れる。
ここで、ウェイストゲートバルブ装置14では、図12に示すように、第1サブバイパス排気管12a側の第1バルブ本体14a1と、第2バイパス排気管12b側の第2バルブ本体12b1とで、バルブ接続位置関係が第1排気管10aを中央として上下対称(開口面積は非対称)となっており、開口方向が異なっている(ここでは真逆になっている)。これは、バイパス経路が、排気ガスの圧力を利用してバイパス経路を閉じることで漏れの無い構造を達成しているためで、上記の構成にすることにより、バルブの開閉状態を良好にできる。
次に、比較のため従来の高圧段過給機側のウェイストゲートバルブ装置について図17〜図19を参照しながら説明する。
図17〜図19は、従来の正圧駆動方式のウェイストゲートバルブ装置70の構成図である。図17はバルブが閉じている状態、図18はバルブが開いている状態、図19はバルブの開閉動作の状態をそれぞれ示している。矢印A7は排気ガスの流れを示し、矢印B7はバルブの動作方向を示している。
従来の高圧段過給機側のサブバイパス排気管は1つである。このため、ウェイストゲートバルブ装置のバルブ本体も1つである。バルブ本体70aは、サブバイパス排気管を開閉する部分であり、バルブ支持体70bに支持されている。バルブ支持部70bは、ロッド70cを通じてアクチュエータ70dと接続されている。アクチュエータ70dの入力側には、配管70eを通じて高圧段コンプレッサ71の出口が接続されている。アクチュエータ70dは、高圧段コンプレッサの出口圧に応じてロッド70cを往復駆動することでバルブ本体70aの開閉動作を行う。
次に、図17で示した従来のウェイストゲートバルブ装置の開閉動作による圧力、仕事等の推移を図20〜図23に示す。矢印Dはウェイストゲートバルブ装置70の開弁開始を示し、矢印Eは高圧段タービン側のサブバイパス排気管でのチョーク状態の発生を示している。また、符号L0は低圧段過給機側の測定結果を示し、符号H0は高圧段過給機側の測定結果を示している。
従来方式では、高圧段タービン側のサブバイパス排気管でチョーク状態が起き、高圧段コンプレッサから低圧段コンプレッサへと仕事が切り替わらない。また、高負荷、高回転条件で高圧段過給機を使用することは、高圧段過給機を効率の悪い条件で使用していることを示している。このため、エンジン本体2に必要な空気を導入できなくなり、排気ガス中におけるNOx等の排気性能が低下する。また、高圧段タービンの入口圧も増加するため、排気マニホールドの内圧が上昇し、燃費に対しても悪影響を及ぼす。
これに対して、本実施の形態の内燃機関の2段式過給システム5で用いるウェイストゲートバルブ装置14の開閉動作による圧力、仕事等の推移を図13〜図16に示す。矢印Fは高圧段タービン側の第1サブバイパス排気管12aでのチョーク状態の発生と、第2ウェイストゲートバルブ部14bの開弁開始とを示している。また、符号L1は本実施の形態の2段式過給システム5の低圧段過給機9側の測定結果を示し、符号H1は本実施の形態の2段式過給システム5の高圧段過給機8側の測定結果を示している。
このウェイストゲートバルブ装置14では、チョーク状態を回避できるので、符号L1,H1で示すように、高圧段コンプレッサ8bから低圧段コンプレッサ9bへと仕事を円滑に切り替えることができる。また、高負荷、高回転条件における高圧段過給機8の使用を回避でき、低圧段過給機9を効率の良い条件で過給できる。
このように本実施の形態の内燃機関の2段式過給システム5によれば、第1バイパス排気管12aの開口部でチョーク状態になると、第2ウェイストゲートバルブ部14bが連動して第2バイパス排気管12bが開くことにより、サブバイパス排気管12の有効開口面積を増加させることができるので、チョーク状態を回避することができる。このため、高圧段過給機8側からサブバイパス排気管12を通じて低圧段過給機8に流れる排気ガスの流路を充分に確保することができるので、高圧段過給機8から低圧段過給機9への切り替えを円滑に行うことができる。また、排気切替バルブ装置13のバルブを開くことにより、低圧段過給機9への切り替えも円滑に行うことができる。
また、1つのサブバイパス排気管の開口面積を大きくするわけではないので、ウェイストゲートバルブ装置14の開弁力を増加させる必要もない。このため、ウェイストゲートバルブ装置14を駆動するアクチュエータ25のサイズを増大させる必要もない。また、第1ウェイストゲートバルブ部14aの動作に第2ウェイストゲートバルブ部14bが連動するので、サブバイパス排気管を増やし、ウェイストゲートバルブ部を増やしたからといって、第1、第2ウェイストゲートバルブ部14a,14bを駆動するアクチュエータ25の数を増やす必要もない。したがって、車両の重量増大を招くこともない。また、アクチュエータ25の制御が難しくなることもない。
したがって、このような内燃機関の2段式過給システム5を用いたエンジン1によれば、高圧段過給機8から低圧段過給機9への切り替えを円滑に行うことができるので、エンジン本体2内に効率的に空気を導入することができ、より多くの空気をエンジン本体2内に導入することができる(すなわち、必要な空気量を確保することができる)。ここで、同じ量の燃料を噴射すると燃料と空気との割合が変わり、必要以上の空気がエンジン本体2内へと導入されるので、その多くなった空気の代わりにEGRガスを導入する。その結果、EGR率を増加させることができる。これにより、エンジン本体2内の新気中の酸素量を減らさずに、EGRガス量を多くでき(EGR率を増加させることができ)、結果としてNOxを低減することができる。
また、高圧段過給機8から低圧段過給機9への切り替えを円滑に行うことができるので、排気ガスの圧力の上昇を抑制または防止することができる。その結果、車両の燃費を向上させることができる。
本発明の内燃機関の2段式過給システムおよびこれを用いた内燃機関は、第1ウェイストゲートバルブ部の開状態が予め決められた状態以上になると、第2ウェイストゲートバルブ部が連動して開くことで、高圧段過給機から低圧段過給機への切り替えを円滑に行うことができるので、自動車搭載の内燃機関の2段式過給システムおよび内燃機関に利用できる。
1 エンジン(内燃機関)
2 エンジン本体
3 排気マニホールド
4 吸気マニホールド
5 内燃機関の2段式過給システム
8 高圧段過給機
8a 高圧段タービン
8b 高圧段コンプレッサ(高圧段圧縮機)
9 低圧段過給機
9a 低圧段タービン
9b 低圧段コンプレッサ(低圧段圧縮機)
10a 第1排気管
10b 第2排気管
10c 第3排気管
12 サブバイパス排気管(バイパス排気管)
12a 第1サブバイパス排気管(第1バイパス排気管)
12b 第2サブバイパス排気管(第2バイパス排気管)
13 排気切替バルブ装置
14 ウェイストゲートバルブ装置
14a 第1ウェイストゲートバルブ部
14b 第2ウェイストゲートバルブ部
15 配管
20a 第1吸気管
20b 第2吸気管
20c 第3吸気管
25 アクチュエータ
26 ロッド
27 スプリング部(付勢手段)
27a スプリング
27b 付勢軸
2 エンジン本体
3 排気マニホールド
4 吸気マニホールド
5 内燃機関の2段式過給システム
8 高圧段過給機
8a 高圧段タービン
8b 高圧段コンプレッサ(高圧段圧縮機)
9 低圧段過給機
9a 低圧段タービン
9b 低圧段コンプレッサ(低圧段圧縮機)
10a 第1排気管
10b 第2排気管
10c 第3排気管
12 サブバイパス排気管(バイパス排気管)
12a 第1サブバイパス排気管(第1バイパス排気管)
12b 第2サブバイパス排気管(第2バイパス排気管)
13 排気切替バルブ装置
14 ウェイストゲートバルブ装置
14a 第1ウェイストゲートバルブ部
14b 第2ウェイストゲートバルブ部
15 配管
20a 第1吸気管
20b 第2吸気管
20c 第3吸気管
25 アクチュエータ
26 ロッド
27 スプリング部(付勢手段)
27a スプリング
27b 付勢軸
Claims (4)
- 2段直列に接続された高圧段過給機のタービンおよび低圧段過給機のタービンを内燃機関本体から排気された排気ガスにより駆動させ、その駆動力により前記高圧段過給機の圧縮機および前記低圧段過給機の圧縮機を連動することにより圧縮した空気を前記内燃機関本体に送り込む内燃機関の2段式過給システムにおいて、
前記内燃機関本体からの排気ガスを前記高圧段過給機のタービンに送り込む第1排気管と、
前記高圧段過給機のタービンから前記低圧段過給機のタービンに排気ガスを送り込む第2排気管と、
前記低圧段過給機のタービンからの排気ガスを外部に流す第3排気管と、
前記第1排気管と前記第2排気管とをウェイストゲートバルブ装置を介して接続するバイパス排気管と、
前記低圧段過給機の圧縮機に空気を流す第1吸気管と、
前記低圧段過給機の圧縮機から前記高圧段過給機の圧縮機に空気を送り込む第2吸気管と、
前記高圧段過給機の圧縮機から前記内燃機関本体に空気を送り込む第3吸気管とを備え、
前記バイパス排気管は、並列に接続された第1バイパス排気管および第2バイパス排気管を有しており、
前記ウェイストゲートバルブ装置は、前記第1バイパス排気管の開閉を行う第1ウェイストゲートバルブ部と、前記第2バイパス排気管の開閉を行う第2ウェイストゲートバルブ部とを有しており、
前記第1ウェイストゲートバルブ部の開状態が予め決められた状態以上になると、前記第2ウェイストゲートバルブ部が連動して開く内燃機関の2段式過給システム。 - 前記ウェイストゲートバルブ装置は、前記第1ウェイストゲートバルブ部の開閉動作を行うアクチュエータを有しており、前記アクチュエータは、前記高圧段過給機の圧縮機における出口側の圧力に応じて駆動する請求項1記載の内燃機関の2段式過給システム。
- 前記第1ウェイストゲートバルブ部は、
前記第1バイパス排気管の開口部に配置される第1バルブ本体と、
前記第1バルブ本体を支持し、前記アクチュエータの駆動力を伝えるロッドが接続される第1支持部とを有し、
前記第2ウェイストゲートバルブ部は、
前記第2バイパス排気管の開口部に配置される第2バルブ本体と、
前記第2バルブ本体を支持する第2支持部と、
前記第2支持部に接続され、前記第1ウェイストゲートバルブの前記第1支持部側に延びる第3支持部とを有し、
前記第1ウェイストゲートバルブ部と前記第2ウェイストゲートバルブ部とは、前記第2ウェイストゲートバルブ部の前記第3支持部が、前記第1ウェイストゲートバルブ部の前記第1支持部に重なる状態で隣接して配置され、
前記ウェイストゲートバルブ装置は、前記第3支持部を介して前記第1支持部を押さえるように配置された付勢手段を有しており、
前記アクチュエータからの駆動力により前記第1ウェイストゲートバルブ部の前記第1支持部が前記付勢手段の方向に移動すると、前記第1ウェイストゲートバルブ部が開くとともに前記第3支持部が連動し、前記第1支持部の前記付勢手段の方向への移動量が予め決められた移動量を過ぎると前記第2ウェイストゲートバルブ部が開く請求項2記載の内燃機関の2段式過給システム。 - 請求項1,2または3記載の内燃機関の2段式過給システムを有する内燃機関。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009099281A JP2010249023A (ja) | 2009-04-15 | 2009-04-15 | 内燃機関の2段式過給システムおよびこれを用いた内燃機関 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009099281A JP2010249023A (ja) | 2009-04-15 | 2009-04-15 | 内燃機関の2段式過給システムおよびこれを用いた内燃機関 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010249023A true JP2010249023A (ja) | 2010-11-04 |
Family
ID=43311618
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009099281A Pending JP2010249023A (ja) | 2009-04-15 | 2009-04-15 | 内燃機関の2段式過給システムおよびこれを用いた内燃機関 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2010249023A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101516918B1 (ko) | 2013-04-30 | 2015-05-04 | 가부시키가이샤 덴소 | 밸브 구동 장치 및 이를 갖는 과급기 |
-
2009
- 2009-04-15 JP JP2009099281A patent/JP2010249023A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101516918B1 (ko) | 2013-04-30 | 2015-05-04 | 가부시키가이샤 덴소 | 밸브 구동 장치 및 이를 갖는 과급기 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4885105B2 (ja) | 流体切換弁装置とこれを備えた排気ガス制御バルブ及びウェストゲートバルブ | |
KR101390542B1 (ko) | 내연기관의 터보과급 시스템 | |
KR101238385B1 (ko) | 터보차저를 위한 밸브 제어 | |
US6205785B1 (en) | Exhaust gas recirculation system | |
US7908860B2 (en) | Split-series sequential turbocharged engine | |
CN104968925B (zh) | 具有升压器的内燃机 | |
JP2010014271A (ja) | 弁調整組立体 | |
CN101925725A (zh) | 具有热旁路的多级涡轮增压系统 | |
JPWO2008020619A1 (ja) | 可変ノズル数タービン | |
JP2008528860A (ja) | ツインチャージャー式燃焼機関とその動作方法 | |
JP2007154684A (ja) | 2段過給式エンジン | |
JP2013108479A (ja) | ディーゼルエンジン | |
JP2008527248A (ja) | 排気再循環システムを備えた車両 | |
JP5326832B2 (ja) | 2段式過給機付き内燃機関 | |
JP2007127070A (ja) | 過給機付内燃機関 | |
JP2011001877A (ja) | 機械式過給装置を備えた内燃機関及びその過給方法 | |
JP2010249023A (ja) | 内燃機関の2段式過給システムおよびこれを用いた内燃機関 | |
JP4940927B2 (ja) | ターボチャージャの制御装置 | |
US20130199176A1 (en) | Exhaust gas throttle valve | |
JP5280113B2 (ja) | 多気筒内燃機関における排気ガス還流装置 | |
WO2012063801A1 (ja) | 低圧ループegr装置 | |
JP2010116894A (ja) | 内燃機関の制御装置 | |
FI124513B (en) | A wastegate port arrangement for a turbocharger unit including a valve arrangement for controlling the gas flow of a turbocharged piston combustion engine and a method for controlling gas flowing past the turbine portion of the turbocharger unit | |
JPH06147026A (ja) | 過給機付エンジンの排気ガス再循環装置 | |
CN110566340A (zh) | 发动机系统及其使用方法 |