JP2011021504A - Multi-stage supercharging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関に用いる多段過給装置に関する。 The present invention relates to a multistage supercharging device used for an internal combustion engine such as a diesel engine.
ディーゼルエンジン等の内燃機関においては、高出力低燃費化のために低圧段ターボチャージャと高圧段ターボチャージャとを備えた2段過給システムが知られている(特許文献1,2)。
In an internal combustion engine such as a diesel engine, a two-stage turbocharging system including a low-pressure stage turbocharger and a high-pressure stage turbocharger is known for high output and low fuel consumption (
ディーゼルエンジンにおいて、低NOxと低スモークの同時低減を可能にする予混合圧縮着火燃焼の研究が近年活発に行われている。この予混合圧縮着火燃焼は、均一で希薄な混合気を早期に生成し燃焼させるため、技術課題としてエンジン負荷(燃料噴射量)を増すと過早着火が発生して着火時期の制御が困難となり、そのため運転領域が低負荷領域(燃料噴射量の少ない領域)に限定されるといった問題がある。 In recent years, research on premixed compression ignition combustion that enables simultaneous reduction of low NOx and low smoke in a diesel engine has been actively conducted. This premixed compression ignition combustion generates and burns a uniform and lean mixture at an early stage, and as a technical problem, increasing the engine load (fuel injection amount) causes premature ignition and makes it difficult to control the ignition timing. Therefore, there is a problem that the operation region is limited to a low load region (a region where the fuel injection amount is small).
予混合圧縮着火燃焼による運転領域を拡大する手法としては、高EGR(排気再循環)との組み合わせにより燃焼を抑制し、A/F(空燃比)を確保することが効果的であることが知られている。具体的には2段過給装置を用い、高圧段の小型ターボにより低速低負荷領域から高ブーストを得て、高EGR率と高A/Fを確保することが考えられる。 As a method of expanding the operation range by premixed compression ignition combustion, it is known that it is effective to suppress combustion by combining with high EGR (exhaust gas recirculation) and to ensure A / F (air-fuel ratio). It has been. Specifically, it is conceivable to obtain a high EGR rate and a high A / F by using a two-stage turbocharger and obtaining a high boost from a low-speed and low-load region with a high-pressure small turbo.
また2段過給装置は、容量の小さな高圧段ターボによる市街地(低中速・低中負荷)走行における燃費の低減と、容量の大きな低圧段ターボによる高出力化を両立させる手段としても有効である。 The two-stage turbocharger is also effective as a means to achieve both a reduction in fuel consumption in urban (low / medium / low / medium load) driving with a high-pressure turbocharger with a small capacity and a high output with a low-pressure turbocharger with a large capacity. is there.
図4に示す従来の多段過給装置について簡単に説明する。 The conventional multistage supercharging device shown in FIG. 4 will be briefly described.
図4(A)に示すように、エンジン1の吸気マニホールド10に吸気管4が接続され、排気マニホールド11に排気管5が接続されている。吸気管4には、下流から順にインタークーラ40、高圧段ターボチャージャ2の高圧段コンプレッサ21、低圧段ターボチャージャ3の低圧段コンプレッサ31が設けられており、また高圧段コンプレッサ21の上流と下流をつなぐ吸気バイパス管24にバイパスバルブ25が設けられている。
As shown in FIG. 4A, the intake pipe 4 is connected to the
排気管5には、上流から順に高圧段ターボチャージャ2の高圧段タービン20、低圧段ターボチャージャ3の低圧段タービン30が設けられている。また排気マニホールド11と排気管5との間に設けられているバイパス流路5bに、高圧段ターボチャージャ2と低圧段ターボチャージャ3を切り替えるバイパスバルブ5cが設けられている。
The exhaust pipe 5 is provided with a high-
バイパスバルブ5cは、図5(A)、(B)に示すようなバタフライ式が一般的で、高圧段タービンケース20aの開口部20bを覆うように排気の下流側に配置されている。開口部20bは、高圧段タービン20のタービンロータ20cの上流側と下流側とを仕切る仕切壁20dに設けられている。バイパスバルブ5cは一端を回転軸80に支持され、回転軸80の軸心周りに支持アーム81を介して回動自在に支持された弁体82を備えており、弁体82が弁座83に当接することにより開口部20bを塞ぎ、アクチュエータ装置(図示せず)によって支持アーム81と共に弁体82を矢印Wのように回動させて開口部20bを開く。
The
ところで、バタフライ式のバイパスバルブ5cは機構上、バルブ開度(支持アーム81の回動角)に対するガス流量の感度が高く、僅かな流量を制御したいときの支持アーム81の回動角の緻密な制御が困難となる。これを解決する手段として、図4(B)に示すようにバイパス流路5dにバタフライ式の小さいバルブ5eを1個追加し、先ず小さいバルブ5eを開いて排ガスを低圧段タービン30へバイパスし、所定の時間が経過してからバイパスバルブ5cを開いて制御することが考えられるが、部品点数、スペース的にも好ましくない。
By the way, the butterfly-
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、コンパクト且つ簡単な構造で構成部品の簡素化を図ると共に、高圧段ターボから低圧段ターボに切り替える遷移域におけるバイパス流量を精密に制御できるようにした多段過給装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to simplify the components with a compact and simple structure and to bypass in a transition region where a high-pressure turbo is switched to a low-pressure turbo. An object of the present invention is to provide a multistage supercharging device capable of precisely controlling the flow rate.
上記課題を解決するために本発明は、エンジンに直列に接続された高圧段ターボチャージャ及び低圧段ターボチャージャと、前記高圧段ターボチャージャの高圧段タービンに設けられた高圧段ウェイストゲートバルブと、を有する多段過給装置において、前記高圧段ウェイストゲートバルブは、高圧段タービンケースに設けられタービンロータの上流側と下流側とを該タービンロータをバイパスして連通する開口部と、前記開口部の下流側に配置され、その開口部に対し当接離隔可能な弁体と、前記弁体を前記開口部に向けて付勢して閉成させるためのコイルスプリングと、前記高圧段タービンケースに固定され前記コイルスプリングの一端を保持する固定ボルトとを備え、所定のエンジン排圧に応じて前記弁体が前記コイルスプリングを押し縮めて前記開口部から離隔させて開放するようにしたことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a high-pressure stage turbocharger and a low-pressure stage turbocharger connected in series to an engine, and a high-pressure stage wastegate valve provided in a high-pressure stage turbine of the high-pressure stage turbocharger. In the multi-stage supercharging device, the high-pressure stage waste gate valve includes an opening provided in a high-pressure stage turbine case and communicating with the upstream side and the downstream side of the turbine rotor, bypassing the turbine rotor, and downstream of the opening part. Fixed to the high pressure stage turbine case, a valve body disposed on the side and capable of abutting and separating from the opening, a coil spring for biasing the valve body toward the opening and closing the valve body A fixing bolt for holding one end of the coil spring, and the valve body presses the coil spring in response to a predetermined engine exhaust pressure. Contracted and is characterized in that so as to open by spaced apart from the opening.
また前記コイルスプリングは、その一端が前記弁体に接し、他端が前記固定ボルトに接するのが好ましい。 The coil spring preferably has one end in contact with the valve body and the other end in contact with the fixing bolt.
また前記弁体と前記コイルスプリング及び前記固定ボルトを同軸上に配置するのが好ましい。 The valve body, the coil spring, and the fixing bolt are preferably arranged coaxially.
また前記弁体は、前記開口部に対向する受圧面の形状が球面状に凹んで形成されるのが好ましい。 Moreover, it is preferable that the said valve body is formed so that the shape of the pressure receiving surface facing the said opening part may be dented in spherical shape.
また前記エンジンと前記低圧段ターボチャージャの低圧段タービンとの間に、前記高圧段タービンをバイパスするバイパス流路を設け、該バイパス流路にその流路を開閉するバイパスバルブを設け、該バイパスバルブは、前記高圧段ターボチャージャの高圧段コンプレッサの下流側に設けられたブースト圧センサのブースト圧で制御されるようにするのが好ましい。 A bypass passage for bypassing the high-pressure turbine is provided between the engine and the low-pressure turbine of the low-pressure turbocharger; a bypass valve for opening and closing the passage is provided in the bypass passage; Is preferably controlled by the boost pressure of a boost pressure sensor provided downstream of the high-pressure compressor of the high-pressure turbocharger.
本発明によれば、コンパクト且つ簡単な構造で構成部品の簡素化を図ると共に、高圧段ターボから低圧段ターボに切り替える遷移域におけるバイパス流量を精密に制御できるようにした多段過給装置を提供することができる。 According to the present invention, there is provided a multi-stage supercharging device capable of simplifying component parts with a compact and simple structure and precisely controlling a bypass flow rate in a transition region for switching from a high-pressure turbo to a low-pressure turbo. be able to.
本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。 A preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
なお、図1、図2の本実施形態において、図4、図5の従来例で示した部材と同等の機能を有する部材については同一の符号を付して説明する。 In the present embodiment shown in FIGS. 1 and 2, members having the same functions as those shown in the conventional examples of FIGS. 4 and 5 will be described with the same reference numerals.
図1に示すようにエンジン1の吸気マニホールド10には、吸気が流通する吸気管4が接続されている。またエンジン1の排気マニホールド11には、排気ガスが流通する排気管5が接続されている。吸気管4と排気管5には、エンジンに近い方から互いに直列に高圧段ターボチャージャ2、低圧段ターボチャージャ3が接続されている。
As shown in FIG. 1, an intake pipe 4 through which intake air flows is connected to an
高圧段ターボチャージャ2は、エンジン1から排出される排気ガスを受けて駆動する高圧段タービン20と、高圧段タービン20によって駆動され、エンジン1に供給する吸気を昇圧するための高圧段コンプレッサ21とを有している。吸気管4には、高圧段コンプレッサ21により昇圧した吸気を冷却するインタークーラ40が設けられている。
The high-pressure stage turbocharger 2 is driven by receiving exhaust gas discharged from the
排気管5aに接続される高圧段タービン20には、その上流と下流をタービンロータ20cをバイパスしてつなぐバイパス流路22に高圧段ウェイストゲートバルブ7が設けられている。高圧段ウェイストゲートバルブ7は、高圧段タービン20のタービンロータ20cをバイパスする排気ガス量をコントロールする。
The high-
また排気マニホールド11と低圧段ターボチャージャ3との間にバイパス流路5bが設けられており、バイパス流路5bには、高圧段タービン20をバイパスするためのバイパスバルブ5cが開閉可能に設けられている。バイパスバルブ5cは、その開度を制御することにより、高圧段ターボチャージャ2の高圧段タービン20をバイパスして低圧段ターボチャージャ3の低圧タービン30へ排気ガスを送るものである。
A
高圧段コンプレッサ21は吸気管4に接続され、高圧段コンプレッサ21をバイパスする吸気バイパス管24には、高圧段コンプレッサ21の出口圧が所定圧を超えると開となるバイパスバルブ25が設けられている。バイパスバルブ25は、高圧段コンプレッサ21をバイパスする空気の量を制御する。また高圧段コンプレッサ21の下流側の吸気管4にブースト圧(過給圧)を検出するブースト圧センサ26が設けられている。ブースト圧センサ26は、前記所定圧を検出することによりバイパスバルブ25を開き、また所定のブースト圧を検出することによりアクチュエータ(図示せず)を駆動して前記したバイパスバルブ5cを開制御するものである。
The high-
低圧段ターボチャージャ3は、エンジン1から排出される排気ガスを受けて駆動する低圧段タービン30と、低圧段タービン30によって駆動され、エンジン1に供給する吸気を昇圧するための低圧段コンプレッサ31とを有している。低圧段タービン30は、ウェイストゲートを有し、低圧段タービン30をバイパスするウェイストゲート流路としてのウェイストゲート管32に、所定の過給圧を超えると開となる低圧段ウェイストゲートバルブ33が設けられている。低圧段ウェイストゲートバルブ33は、低圧段タービン30をバイパスする排気ガス量をコントロールする。
The low-
またエンジン1には、排気ガスの一部を排気系から取り出して再びエンジン1の吸気系に戻すEGR流路6が設けられている。EGR流路6にはEGRクーラ60、EGR弁61が設けられており、EGR流路6の一端は排気マニホールド11に接続され、他端はインタークーラ40より下流の吸気管4に接続されている。EGRガスは排気マニホールド11からEGR流路6をEGRクーラ60、EGR弁61を経由して吸気管4から吸気マニホールド10に導入される。EGR弁61はエンジン1の運転条件に応じて開閉制御が行われる。
Further, the
図1及び図2に基づき、高圧段ウェイストゲートバルブ7について説明する。
The high-pressure stage
高圧段ウェイストゲートバルブ7は、前記したようにバイパス流路22に設けられている。すなわち、高圧段タービンケース20aに回転自在に設けられているタービンロータ20cの上流側と下流側とを仕切る仕切壁20dに開口部20bが設けられており、開口部20bの下流側に高圧段ウェイストゲートバルブ7が配置されてエンジン排圧(タービン入口圧)を受けて高圧段ウェイストゲートバルブ7が開閉することができるようになっている。高圧段ウェイストゲートバルブ7は、開口部20bに対して当接又は離隔する弁体70、弁体70を開口部20bに向けて付勢するコイルスプリング74及び蓋部材20eにねじ込まれて固定され、コイルスプリング74を保持する固定ボルト75で構成されている。なお蓋部材20eは、排ガスをシールするガスケット77を介して高圧段タービンケース20aに一体に結合している。
The high-pressure stage
弁体70は、開口部20bに対向する側の形状を球面状に凹んで形成した受圧面71と、これと反対の側に形成しコイルスプリング74を保持する凹部72と、中央部に形成した突部73とを有する。固定ボルト75の先端には突部76が形成されており、この突部76と弁体70の突部73とでフルリフト調整代Lが形成されている。
The
弁体70は、受圧面71の形状が前記したように球面状に凹んで形成されて高圧段タービンケース20aの狭い空間において、エンジン排圧を受ける面積が十分に確保されるようになっている。
The
このように高圧段ウェイストゲートバルブ7をバタフライ式でなく、コイルスプリング付きの直動式に構成してガス流量とバルブリフトLの関係に線形性(リニアリティ)をもたせ、制御性の向上を図っている。すなわち、排圧に応じてリフト量Lが比例的に変化することになり、リフト量Lに応じて開口部20bの円周長さとリフト量Lを乗じたカーテンエリアが比例的に変化する。そしてカーテンエリアの比例的変化に応じてガス流量が比例的に変化するので、ガス流量とバルブリフトLとの関係が線形性をもつことになる。このためバイパス流路22におけるガス流量(バイパス流量)が制御しやすく、コイルスプリング74のセット荷重を調整することで緻密な制御を行うことが可能である。また受圧面形状を球面状に凹ませて受圧面積を増やすことで狭小化を図りながら、開弁時圧力に対する感度の向上を図っている。
In this way, the high-pressure stage
次に、図1を参照して本実施形態の作用を説明する。 Next, the operation of this embodiment will be described with reference to FIG.
エンジン1が低回転のとき、エンジン1からの排気ガスは、排気マニホールド11から排気管5aを通して高圧段ターボチャージャ2の高圧段タービン20に送り込まれる。このとき、バイパスバルブ5cは閉じられており、バイパス流路5bから排気ガスは流れない。エンジン1が低回転で高圧段タービン20側へ流れる排気ガスの流量が少なくても、高圧段タービン20は小容量であるので適格に駆動され、高圧段コンプレッサ21により所定の過給圧を確保することができる。高圧段タービン20から送り出された排気ガスは低圧段タービン30へ流れるが、低圧段タービン30は大容量であり、低圧段タービン30側へ流れる排気ガスの流量も少ないために、低圧段コンプレッサ31は実質的には過給を行わない。このようにエンジン1の低速〜中速域は高圧段ターボチャージャ2で過給する。
When the
エンジン回転数の増加に伴い、エンジン1が中速〜高速域(図3に示す制御領域マップの境界Cより高速域)では、バイパスバルブ5c及びバイパスバルブ25を全開に制御して低圧段ターボチャージャ3で過給する。低圧段タービン30は大容量であるので、バイパスバルブ5cを全開として排気ガスの全量がバイパスされ、高圧段ターボチャージャ2は実質的に作動することなく、排気マニホールド11の排気ガスは低圧段ターボチャージャ3に導入される。
As the engine speed increases, the low pressure stage turbocharger is controlled by fully opening the
低圧段ターボチャージャ3においては、低圧段タービン30により低圧段コンプレッサ31が同軸駆動されて、吸気管4からの空気を加圧して、吸気管4を通して高圧段ターボチャージャ2の高圧段コンプレッサ21に吸入され、吸気管4、インタークーラ40を経て吸気マニホールド10からエンジン1に供給される。
In the low-
ところで、エンジン1の高速域では、このようにバイパスバルブ5c及びバイパスバルブ25を全開にして高圧段タービン20から低圧段タービン30へ完全に切り替えればよいが、図3の制御領域マップで示す境界A(エンジン回転数が小さく、燃料噴射量が少ない低回転、低負荷領域から燃料噴射量が多い高負荷領域へ移行する境界)の遷移域においては、予混合圧縮着火燃焼による運転領域を拡大するために2段過給装置のバイパスバルブ開度を緻密に制御してEGR率とA/Fを最適にする必要がある。
By the way, in the high speed region of the
ここでバイパスバルブの開度と流量の関係に着目すると、前述したように開口部形状がバタフライ式では緻密な開度制御が難しく、また入力が過給圧に基づいてダイアフラム式アクチュエータ等を介して開閉するポペット弁式は開度と流量の特性に線形性があり、制御し易いが、緻密な制御を行うにはアクチュエータの作動誤差や動作遅れ等の誤差が大きいといえる。また前述したように緻密な制御用の小径バルブと全流量をバイパスさせるための大径バルブの組み合わせも考えられるが、バルブ数量が増え配管も煩雑になり、車両への搭載性に問題がある。 Here, paying attention to the relationship between the opening of the bypass valve and the flow rate, as described above, if the opening shape is a butterfly type, precise opening control is difficult, and the input is based on the supercharging pressure via a diaphragm actuator or the like. The poppet valve type that opens and closes has linearity in the characteristics of the opening and flow rate and is easy to control, but it can be said that there are large errors such as actuator operation errors and operation delays for precise control. In addition, as described above, a combination of a precise control small-diameter valve and a large-diameter valve for bypassing the entire flow rate is also conceivable, but the number of valves increases and the piping becomes complicated, which causes a problem in mountability in a vehicle.
そこで本発明の大きな特徴は、前述したように高圧段ターボチャージャ2から低圧段ターボチャージャ3への切り替えの遷移域において微少流量の制御ができるように、高圧段ターボチャージャ2の高圧段ウェイストゲートバルブ7を所定のエンジン排圧により所定のリフトまで開くように、高圧段ウェイストゲートバルブ7の開度調整をこれに直に組み付けられたコイルスプリング74で行うようにしたものである。すなわち高圧段ウェイストゲートバルブ7は、通常のブースト圧で調整されるダイアフラム式アクチュエータを廃止し、高圧段ウェイストゲートバルブ7に直に組み付けられたコイルスプリング74のセット荷重で調整されるので、開度(リフト量L)と流量の特性に線形性があり緻密に制御し易く、しかもエンジン排圧に応じて動作遅れなく直ちに制御することが可能である。
Therefore, a major feature of the present invention is that the high-pressure stage wastegate valve of the high-pressure stage turbocharger 2 can be controlled in the transition region of switching from the high-pressure stage turbocharger 2 to the low-
高圧段ターボチャージャ2と低圧段ターボチャージャ3の切り替えの遷移域においては、先ず弁体70が排圧に応じてスプリング74を徐々に押し縮めながら所定のリフトまで開き、高圧段タービン20の回転の上昇を抑制すると共に、バイパス流路22を介して排気ガスが低圧段タービン30へ流れ、遷移域における微少流量の制御を容易且つ適格に行うことができる。
In the transition region of switching between the high-pressure stage turbocharger 2 and the low-
さらに空気流量が必要な場合には、図3に示す制御領域マップの矢印Bのようにバイパスバルブ5cがアクチュエータ(図示せず)により開き制御される。すなわち、バイパスバルブ5cは、高圧段ウェイストゲートバルブ7が作動するエンジン排圧と相関のあるブースト圧(高圧段コンプレッサ21の下流側に設けられたブースト圧センサ26で検出)により制御される。
When a further air flow rate is required, the
このように本発明によれば、2段過給装置に用いられる高圧段ターボチャージャ2の高圧段ウェイストゲートバルブ7において、この高圧段ウェイストゲートバルブ7の開度調整をこれに直に組み付けられたコイルスプリング74付きの直動式の弁体70を用いて、ガス流量とバルブリフトLの関係に線形性をもたせ、制御性の向上を図ることにより、予混合圧縮着火燃焼におけるEGR率とA/Fの緻密な制御が可能となり、予混合圧縮着火燃焼の運転領域の拡大が期待できる。
As described above, according to the present invention, in the high-pressure stage
また高圧段ウェイストゲートバルブ7にコイルスプリング74を直に組み付けたことで、エンジン排圧により弁体70が直ちに開閉し、動作遅れなく制御することが可能である。
Further, since the coil spring 74 is directly assembled to the high pressure stage
さらに弁体70と固定ボルト75との間にコイルスプリング74を組み付けるだけでよいため、簡易な構成で2段過給装置の占める空間の狭小化と構成部品の簡素化を推進できる。
Furthermore, since only the coil spring 74 needs to be assembled between the
1 エンジン
2 高圧段ターボチャージャ
3 低圧段ターボチャージャ
4 吸気管
5 排気管
5b バイパス流路
5c バイパスバルブ
6 EGR流路
7 高圧段ウェイストゲートバルブ
20 高圧段タービン
20a 高圧段タービンケース
20b 開口部
20c タービンロータ
20d 仕切壁
20e 蓋
21 高圧段コンプレッサ
22 バイパス流路
25 バイパスバルブ
26 ブースト圧センサ
30 低圧段タービン
33 低圧段ウェイストゲートバルブ
70 弁体
71 受圧面
74 コイルスプリング
75 固定ボルト
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記高圧段ウェイストゲートバルブは、高圧段タービンケースに設けられタービンロータの上流側と下流側とを該タービンロータをバイパスして連通する開口部と、前記開口部の下流側に配置され、その開口部に対し当接離隔可能な弁体と、前記弁体を前記開口部に向けて付勢して閉成させるためのコイルスプリングと、前記高圧段タービンケースに固定され前記コイルスプリングの一端を保持する固定ボルトとを備え、
所定のエンジン排圧に応じて前記弁体が前記コイルスプリングを押し縮めて前記開口部から離隔させて開放するようにしたことを特徴とする多段過給装置。 In a multi-stage supercharging device having a high-pressure stage turbocharger and a low-pressure stage turbocharger connected in series to an engine, and a high-pressure stage wastegate valve provided in a high-pressure stage turbine of the high-pressure stage turbocharger,
The high-pressure stage wastegate valve is provided in a high-pressure stage turbine case and is disposed on the downstream side of the opening, the opening connecting the upstream and downstream sides of the turbine rotor by bypassing the turbine rotor, and the opening A valve body that can be brought into contact with and separated from the part, a coil spring for urging the valve body toward the opening and closing it, and holding one end of the coil spring fixed to the high-pressure turbine case And fixing bolts to
The multistage supercharging device according to claim 1, wherein the valve body presses and contracts the coil spring in accordance with a predetermined engine exhaust pressure to separate the coil spring from the opening.
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