JP2011174404A - Two-stage supercharging system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二段過給システムに関するものである。 The present invention relates to a two-stage supercharging system.
近年、低速軽負荷域での燃費向上、トルクアップや高EGR率の実現のために、小径の高圧段ターボチャージャを採用した二段過給システムが検討されており、この種の二段過給システムにおいては、図5に示す如く、エンジン1の排気マニホールド2から送出される排気Gにより高圧段タービン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により低圧段タービン8を作動させ且つ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とが備えられている。
In recent years, a two-stage turbocharging system that uses a small-diameter high-pressure turbocharger has been studied in order to improve fuel efficiency, increase torque, and achieve a high EGR rate in the low-speed and light-load range. In the system, as shown in FIG. 5, the high-pressure turbine 3 is operated by the exhaust G sent from the
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。
Further, an
また、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。
Further, the EGR
而して、斯かる二段過給システムにおいては、エンジン1が稼動状態である時に、排気マニホールド2から送出される排気Gが、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を駆動し、該低圧段コンプレッサ9に流入して圧縮された吸気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へ送給されるので、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。
Thus, in such a two-stage supercharging system, when the
また、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。
Further, a part of the exhaust G flows from the
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、下記の特許文献1、2等が既に存在している。
For example,
しかしながら、このように小径の高圧段ターボチャージャ6で高出力を実現した二段過給システムにおいては、排気Gの流量が大きい高速高負荷域(図6のグラフ中にクロスハッチングを付して示す運転領域)で小径の高圧段ターボチャージャ6が過剰に回転して過給圧が必要以上に高まり、エンジン1の各気筒の最大筒内圧が制限値を超えて運転不可となってしまうため、高圧段タービン3を迂回するウエストゲート配管7を設けると共に、該ウエストゲート配管7の途中に流路を開閉するウエストゲートバルブ11を設け、該ウエストゲートバルブ11を高速高負荷域で開けて適正な流量の排気Gのみ高圧段タービン3に流し、残りは高圧段タービン3を迂回させて低圧段タービン8へ導くようにしているが、このような高温の排気Gが通るウエストゲート配管7を増設すると、電子基盤等の熱に弱い周辺機器を近くに配置できなくなるためにレイアウト面で大きな制約がかかり、しかも、ウエストゲートバルブ11に十分な耐熱性を持たせなければならないことで設備コストが高騰するという問題があった。
However, in the two-stage turbocharging system that achieves high output with the small-diameter high-
一方、高速高負荷域でも過剰回転せずに全排気ガス量に対応できるよう高圧段ターボチャージャ6を大径化して容量を上げることも考えられるが、そのようにしたのでは、低速軽負荷域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といった問題を招いてしまうことになり、小径の高圧段ターボチャージャ6で高出力を実現しようとする意義が損なわれてしまう。
On the other hand, it is possible to increase the capacity by increasing the diameter of the high-
本発明は、斯かる実情に鑑みてなしたもので、ウエストゲート配管を用いることなく、高圧段ターボチャージャの小径化を支障なく実現し得る二段過給システムを提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a two-stage turbocharging system that can realize a reduction in the diameter of a high-pressure turbocharger without any trouble without using a wastegate pipe.
本発明は、エンジンから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、高圧段コンプレッサからエンジンへ吸気を送給するエンジン吸気流路に付設されたバイパス流路と、該バイパス流路に装備されたタービンジェネレータと、高圧段コンプレッサからエンジンに向かう吸気の流れを適宜にバイパス流路側へ切り替える流路切替手段とを備え、エンジンの高速高負荷領域において前記流路切替手段により高圧段コンプレッサからの吸気の流れを前記バイパス流路側に切り替えて前記タービンジェネレータを経由させてからエンジンに導き得るように構成したことを特徴とするものである。 The present invention relates to a high-pressure stage turbocharger that operates a high-pressure stage turbine by exhaust gas delivered from an engine and supplies intake air compressed by a high-pressure stage compressor to the engine, and the high-pressure stage turbine of the high-pressure stage turbocharger. In a two-stage supercharging system that operates a low-pressure turbine by exhaust gas and supplies intake air compressed by a low-pressure compressor to the high-pressure compressor, the intake air is supplied from the high-pressure compressor to the engine. A bypass flow path attached to the engine intake flow path, a turbine generator equipped in the bypass flow path, and flow path switching means for appropriately switching the flow of intake air from the high pressure compressor toward the engine to the bypass flow path side. Equipped with the flow path switching means in the high speed and high load region of the engine. Is characterized in that it has configured to obtain guidance on the engine were allowed to through the turbine generator the flow of intake air from the intermediate pressure stage compressor is switched to the bypass flow.
而して、このようにした場合に、エンジンの高速高負荷領域で流路切替手段により高圧段コンプレッサからの吸気の流れをバイパス流路側に切り替えてタービンジェネレータを経由させてからエンジンに導くと、前記吸気の流れによりタービンジェネレータが駆動されて発電が行われる一方、該タービンジェネレータで仕事をすることにより過給圧が下がり、これに伴いエンジンに供給される吸気量(新気量)が減少して該エンジンから排出される排気も減ることになり、小径の高圧段ターボチャージャでも過剰回転せずに全排気ガス量に対応することが可能となる。 Thus, in this case, when the flow of the intake air from the high-pressure compressor is switched to the bypass flow path side by the flow path switching means in the high speed and high load region of the engine and guided to the engine through the turbine generator, While the turbine generator is driven by the flow of the intake air to generate electricity, the supercharging pressure is lowered by working with the turbine generator, and the intake air amount (fresh air amount) supplied to the engine is reduced accordingly. As a result, the exhaust gas discharged from the engine is reduced, and even a small-diameter high-pressure turbocharger can cope with the total exhaust gas amount without excessive rotation.
更に、タービンジェネレータで発電が行われることで既存のオルタネータの負担が少なくなり、従来よりも容量の小さなオルタネータで電力を賄うことが可能となるため、該オルタネータの駆動に必要なエンジン側の負担が少なくなって燃費が大幅に改善されることになる。 Furthermore, since the power generated by the turbine generator is reduced, the burden on the existing alternator is reduced, and it is possible to cover the power with an alternator having a smaller capacity than before, so the burden on the engine side required to drive the alternator is reduced. The fuel consumption will be greatly improved.
また、本発明においては、高圧段コンプレッサと吸気マニホールドとの間に装備されたアフタクーラより上流にバイパス流路及びタービンジェネレータを配置することが好ましく、このようにすれば、アフタクーラで熱回収される前の温度エネルギーの高い吸気から効率良く動力回収することが可能となり、しかも、先にタービンジェネレータを経て過給圧が下がることで吸気温度も下がり、アフタクーラにおける冷却負荷が低減されることになる。 In the present invention, it is preferable to dispose the bypass flow path and the turbine generator upstream of the aftercooler provided between the high-pressure compressor and the intake manifold. In this way, before the heat is recovered by the aftercooler. The power can be efficiently recovered from the intake air having a high temperature energy, and the intake air temperature is lowered by reducing the supercharging pressure through the turbine generator first, and the cooling load in the aftercooler is reduced.
本発明の二段過給システムによれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。 According to the two-stage supercharging system of the present invention, various excellent effects as described below can be obtained.
(I)本発明の請求項1に係る発明によれば、熱対策が必要なウエストゲート配管を用いなくても、エンジンの高速高負荷領域で流路切替手段により高圧段コンプレッサからの吸気の流れをバイパス流路側に切り替えてタービンジェネレータを経由させ、該タービンジェネレータを駆動する仕事を行わせることで過給圧を下げ、これによりエンジンに供給される吸気量(新気量)を減少させて該エンジンから排出される排気を減らすことができるので、小径の高圧段ターボチャージャでも過剰回転させずに全排気ガス量に対応させることができ、高圧段ターボチャージャの小径化を支障なく実現することができて、電子基盤等の熱に弱い周辺機器の配置に関するレイアウト面での制約を大幅に緩和することができ、しかも、耐熱性を有する高価なウエストゲートバルブを不要とすることで大幅な設備コストの削減を図ることもできる。
(I) According to the invention of
(II)本発明の請求項1に係る発明によれば、タービンジェネレータで発電を行うことによりオルタネータの負担を少なくすることができ、従来よりもオルタネータの容量を小さくすることができるので、該オルタネータの駆動に必要なエンジン側の負担を減らして燃費の大幅な改善を図ることができる。
(II) According to the invention according to
(III)本発明の請求項2に係る発明によれば、アフタクーラで熱回収される前の温度エネルギーの高い吸気から効率良く動力回収することができる一方、先にタービンジェネレータを経由させることで過給圧を落として吸気温度を下げることができるので、アフタクーラにおける冷却負荷を大幅に低減させることができ、アフタクーラの容量を小さくして設備コストを削減したり、アフタクーラの冷却能力をそのまま維持して吸気温度を従来より下げることでNOx低減効果を高めたりすることができる。
(III) According to the invention of
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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図1及び図2は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図5と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。 1 and 2 show an example of an embodiment for carrying out the present invention, and portions denoted by the same reference numerals as those in FIG. 5 represent the same items.
図1に全体図を示す如く、本形態例の二段過給システムにおいては、先に図5で説明した従来の二段過給システムと基本的な構成は同様であるが、従来の二段過給システムに用いられていたウエストゲート配管7(図5参照)及びウエストゲートバルブ11(図5参照)を廃止する一方、高圧段コンプレッサ4からエンジン1へ吸気Aを送給するエンジン吸気流路におけるアフタクーラ13より上流にバイパス流路17を付設し、該バイパス流路17にタービンジェネレータ18を装備し、前記バイパス流路17の入口部に前記高圧段コンプレッサ4からエンジン1へ向かう吸気Aの流れを適宜にバイパス流路17側へ切り替える三方弁19(流路切替手段)を設けており、従来においてウエストゲート配管7(図5参照)に排気Gを分流していたエンジン1の高速高負荷領域(図6のグラフ中にクロスハッチングを付して示す運転領域)で前記三方弁19により高圧段コンプレッサ4からの吸気Aの流れを前記バイパス流路17側に切り替えて前記タービンジェネレータ18を経由させてからエンジン1に導き得るように構成している。
As shown in FIG. 1, the basic configuration of the two-stage turbocharging system of this embodiment is the same as that of the conventional two-stage turbocharging system described above with reference to FIG. The engine intake passage for supplying the intake air A from the high-pressure compressor 4 to the
ここに図示している例では、前記三方弁19がエンジン制御コンピュータ(ECU:Electronic Control Unit)を成す制御装置20からの制御信号20aにより制御されるようになっており、例えば、この制御装置20に燃料噴射量とエンジン1の回転数との二次元制御マップを組み込んでおき、高圧段コンプレッサ4からエンジン1へ吸気Aを直接的に導いた場合に高圧段タービン3が過剰に回転して各気筒の最大筒内圧が制限値を超えてしまうことが想定される高速高負荷領域において、三方弁19により流路を図1の状態から図2の状態に切り替える制御信号20aが制御装置20から出力されるようにしてある。
In the example shown here, the three-
而して、このようにした場合に、エンジン1の高速高負荷領域で三方弁19により高圧段コンプレッサ4からの吸気Aの流れをバイパス流路17側に切り替えてタービンジェネレータ18を経由させてからエンジン1に導くと、前記吸気Aの流れによりタービンジェネレータ18が駆動されて発電が行われる一方、該タービンジェネレータ18で仕事をすることにより図3のグラフに示す如き差圧が前後に生じて吸気マニホールド5の圧力(過給圧)が下がり、これに伴いエンジン1に供給される吸気量(新気量:図4のグラフを参照)が減らされて該エンジン1から排出される排気Gも減ることになり、小径の高圧段ターボチャージャ6でも過剰回転せずに全排気ガス量に対応することが可能となる。
Thus, in this case, after the flow of the intake air A from the high-pressure compressor 4 is switched to the
即ち、図4のグラフに示す如く、タービンジェネレータ18の膨張比を適切に調整しておけば、タービンジェネレータ18の前後に所要の差圧が生じることでエンジン1の各気筒における最大筒内圧Pmaxが制限値(許容Pmax)以下に抑えられ、従来のウエストゲート配管7(図5参照)を用いた場合と同様に、エンジン1の各気筒の最大筒内圧Pmaxが制限値(許容Pmax)を超えて運転不可となってしまう事態を回避することが可能となる。
That is, as shown in the graph of FIG. 4, if the expansion ratio of the
また、タービンジェネレータ18で発電が行われることで既存のオルタネータの負担が少なくなり、従来よりも容量の小さなオルタネータで電力を賄うことが可能となるため、該オルタネータの駆動に必要なエンジン1側の負担が少なくなって燃費が大幅に改善されることになる。
In addition, since power is generated by the
尚、この際に発電された電力は、バッテリ等に蓄電しておくようにすれば良いが、エンジン1に電動アシスト機構を付設して積極的に電力をエンジン1の補助動力として活用し、これにより燃費の大幅な向上を図るようにすることも可能である。
The electric power generated at this time may be stored in a battery or the like. However, an electric assist mechanism is attached to the
更に、特に本形態例の場合は、アフタクーラ13より上流にバイパス流路17及びタービンジェネレータ18が配置されているので、アフタクーラ13で熱回収される前の温度エネルギーの高い吸気Aから効率良く動力回収することが可能となり、しかも、先にタービンジェネレータ18を経て過給圧が下がることで吸気温度も下がり、アフタクーラ13における冷却負荷が低減されることになる。
Further, particularly in the case of this embodiment, since the
従って、上記形態例によれば、熱対策が必要なウエストゲート配管7(図5参照)を用いなくても、エンジン1の高速高負荷領域で流路切替手段により高圧段コンプレッサ4からの吸気Aの流れをバイパス流路17側に切り替えてタービンジェネレータ18を経由させ、該タービンジェネレータ18を駆動する仕事を行わせることで過給圧を下げ、これによりエンジン1に供給される吸気量(新気量)を減少させて該エンジン1から排出される排気を減らすことができるので、小径の高圧段ターボチャージャ6でも過剰回転させずに全排気ガス量に対応させることができ、高圧段ターボチャージャ6の小径化を支障なく実現することができて、電子基盤等の熱に弱い周辺機器の配置に関するレイアウト面での制約を大幅に緩和することができ、しかも、耐熱性を有する高価なウエストゲートバルブ11(図5参照)を不要とすることで大幅な設備コストの削減を図ることもできる。
Therefore, according to the above-described embodiment, the intake air A from the high-pressure compressor 4 can be obtained by the flow path switching means in the high-speed and high-load region of the
更に、タービンジェネレータ18で発電を行うことによりオルタネータの負担を少なくすることができ、従来よりもオルタネータの容量を小さくすることができるので、該オルタネータの駆動に必要なエンジン1側の負担を減らして燃費の大幅な改善を図ることができる。
Furthermore, by generating power with the
また、特に本形態例においては、アフタクーラ13で熱回収される前の温度エネルギーの高い吸気Aから効率良く動力回収することができる一方、先にタービンジェネレータ18を経由させることで過給圧を落として吸気温度を下げることができるので、アフタクーラ13における冷却負荷を大幅に低減させることができ、アフタクーラ13の容量を小さくして設備コストを削減したり、アフタクーラ13の冷却能力をそのまま維持して吸気温度を従来より下げることでNOx低減効果を高めたりすることができる。
Particularly in the present embodiment, power can be efficiently recovered from the intake air A having a high temperature energy before being recovered by the
尚、本発明の二段過給システムは、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、吸気絞り手段の制御については、必ずしも燃料噴射量とエンジンの回転数との二次元制御マップに基づいて行うことに限定されないこと、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。 The two-stage turbocharging system of the present invention is not limited to the above-described embodiment. The control of the intake throttle means is not necessarily based on the two-dimensional control map of the fuel injection amount and the engine speed. Of course, various modifications can be added without departing from the scope of the present invention.
1 エンジン
3 高圧段タービン
4 高圧段コンプレッサ
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
13 アフタクーラ
17 バイパス流路
18 タービンジェネレータ
19 三方弁(流路切替手段)
A 吸気
G 排気
DESCRIPTION OF
A Intake G Exhaust
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- 2010-02-24 JP JP2010038499A patent/JP5461226B2/en active Active
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