JP2012077730A - 二段過給システム - Google Patents

Abstract

【課題】効率の低下を極力抑制しながらも、エンジンの各気筒の最大筒内圧を確実に制限値以下に抑え且つ排気の良好な再循環を行い得るようにした二段過給システムを提供する。
【解決手段】エンジン１から送出される排気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によって低圧段タービン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とを備えた二段過給システムに関し、高圧段コンプレッサ４の出側から吸気Ａの一部を抜き出して高圧段タービン３の出側へ導くバイパス流路１７と、該バイパス流路１７の途中に設けられて流路を開閉するバイパスバルブ１８とを備える。
【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、過給システムのダウンサイジングやトルクアップを実現するために、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２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。

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。

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。

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。

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へと送給され、これによりシリンダ内の燃焼温度の低下が図られてＮＯxの発生が低減される。

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、下記の特許文献１、２等が既に存在している。

特開２００５−１４７０３０号公報 特開平５−１８００８９号公報

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でダウンサイジングやトルクアップ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３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ったり、過給圧が排気マニホールド２の圧力より高くなって排気Ｇが再循環できなくなったりする虞れがあるため、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、このように排気Ｇの一部を高圧段タービン３を迂回させて流してしまうと、排気Ｇからの回収エネルギーが少なくなって二段過給システムとしての効率が低下し、結果的に燃費の悪化を招いてしまうという問題があった。

本発明は、斯かる実情に鑑みてなしたもので、効率の低下を極力抑制しながらも、エンジンの各気筒の最大筒内圧を確実に制限値以下に抑え且つ排気の良好な再循環を行い得るようにした二段過給システムを提供することを目的としている。

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の出側から吸気の一部を抜き出して高圧段タービンの出側へ導くバイパス流路と、該バイパス流路の途中に設けられて流路を開閉するバイパスバルブとを備えたことを特徴とするものである。

而して、このようにした場合に、排気の流量が大きい高速高負荷域等でバイパスバルブを開け、高圧段コンプレッサの出側から吸気の一部を抜き出してバイパス流路を介し高圧段タービンの出側へ導くと、エンジンに導かれる吸気の過給圧が下がり、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るため、高圧段ターボチャージャが過剰に回転しなくなってエンジンの各気筒における最大筒内圧が制限値以下に抑えられ、しかも、過給圧が排気マニホールドの圧力より低く抑えられて排気の良好な再循環が行われることになる。

特に、高圧段コンプレッサの出側から抜き出した吸気を高圧段タービンの出側に導くことにより、該高圧段タービンの出側における排気抵抗が増して排気マニホールドの圧力を高める作用も得られるため、吸気側に対する排気マニホールド側の差圧が確保し易くなるという付帯的な効果も得られる。

また、高圧段コンプレッサの出側から抜き出した吸気を高圧段タービンの出側に導くことで、この吸気が持つエネルギーを低圧段タービンで回収することが可能となるため、従来の如きウエストゲート配管を用いて高圧段タービンを迂回させることで該高圧段タービンにおけるエネルギー回収を諦めてしまう場合と比較して効率の低下を大幅に抑制することが可能となる。

また、本発明においては、高圧段ターボチャージャを可変ノズルターボで構成することが好ましく、このようにすれば、高速回転域等で高圧段タービンのノズルベーン開度を絞り込むことで、排気抵抗を増して排気マニホールドの圧力を高め、吸気側に対する排気マニホールド側の差圧をより一層確保し易くして排気の更に良好な再循環を実現することが可能となる。

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。

（Ｉ）本発明の請求項１に係る発明によれば、排気の流量が大きい高速高負荷域等でバイパスバルブを開け、高圧段コンプレッサの出側から吸気の一部を抜き出してバイパス流路を介し高圧段タービンの出側へ導くことによって、エンジンに導かれる吸気の過給圧を下げ、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、高圧段ターボチャージャの過剰な回転を抑制してエンジンの各気筒における最大筒内圧を確実に制限値以下に抑えることができ且つ過給圧を排気マニホールドの圧力より低く抑えて排気の良好な再循環を行うことができ、しかも、高圧段コンプレッサの出側から抜き出した吸気を高圧段タービンの出側に導くことで、この吸気が持つエネルギーを低圧段タービンで回収することができるので、従来の如きウエストゲート配管を用いて高圧段タービンを迂回させる場合と比較して効率の低下を大幅に抑制することができる。

（ＩＩ）本発明の請求項２に係る発明によれば、高速回転域で高圧段タービンのノズルベーン開度を絞り込むことで、排気抵抗を増して排気マニホールドの圧力を高め、吸気側に対する排気マニホールド側の差圧をより一層確保し易くして排気の更に良好な再循環を実現することができる。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 従来の二段過給システムの一例を示す概略図である。 従来のウエストゲート配管を利用していた運転領域を示すグラフである。

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は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図２と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。

図１に示す如く、本形態例の二段過給システムにおいては、先に図２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２参照）及びウエストゲートバルブ１１（図２参照）を廃止する一方、高圧段コンプレッサ４の出側から吸気Ａの一部を抜き出して高圧段タービン３の出側へ導くバイパス流路１７を新たに付設し、該バイパス流路１７の途中に流路を開閉するバイパスバルブ１８を設けている。

また、ここに図示している例では、高圧段ターボチャージャ６を可変ノズルターボで構成しており、必要に応じて高速回転域等で高圧段タービン３のノズルベーン開度を絞り込むことにより、排気抵抗を増して排気マニホールド２の圧力を高め得るようにしてある。

而して、このようにした場合に、排気Ｇの流量が大きい高速高負荷域等でバイパスバルブ１８を開け、高圧段コンプレッサ４の出側から吸気Ａの一部を抜き出してバイパス流路１７を介し高圧段タービン３の出側へ導くと、エンジン１に導かれる吸気Ａの過給圧が下がり、これに伴いエンジン１に供給される吸気量（新気量）が減少して該エンジン１から排出される排気Ｇも減ることになるため、高圧段ターボチャージャ６が過剰に回転しなくなってエンジン１の各気筒における最大筒内圧が制限値以下に抑えられ、しかも、過給圧が排気マニホールド２の圧力より低く抑えられて排気Ｇの良好な再循環が行われることになる。

特に、高圧段コンプレッサ４の出側から抜き出した吸気Ａを高圧段タービン３の出側に導くことにより、該高圧段タービン３の出側における排気抵抗が増して排気マニホールド２の圧力を高める作用も得られるため、吸気側に対する排気マニホールド２側の差圧が確保し易くなるという付帯的な効果も得られる。

また、高圧段コンプレッサ４の出側から抜き出した吸気Ａを高圧段タービン３の出側に導くことで、この吸気Ａが持つエネルギーを低圧段タービン８で回収することが可能となるため、従来の如きウエストゲート配管を用いて高圧段タービン３を迂回させることで該高圧段タービン３におけるエネルギー回収を諦めてしまう場合と比較して効率の低下を大幅に抑制することが可能となる。

従って、上記形態例によれば、排気Ｇの流量が大きい高速高負荷域等でバイパスバルブ１８を開け、高圧段コンプレッサ４の出側から吸気Ａの一部を抜き出してバイパス流路１７を介し高圧段タービン３の出側へ導くことによって、エンジン１に導かれる吸気Ａの過給圧を下げ、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Ｇを減らすことができるので、高圧段ターボチャージャ６の過剰な回転を抑制してエンジン１の各気筒における最大筒内圧を確実に制限値以下に抑えることができ且つ過給圧を排気マニホールド２の圧力より低く抑えて排気Ｇの良好な再循環を行うことができる。

しかも、高圧段コンプレッサ４の出側から抜き出した吸気Ａを高圧段タービン３の出側に導くことで、この吸気Ａが持つエネルギーを低圧段タービン８で回収することができるので、従来の如きウエストゲート配管を用いて高圧段タービン３を迂回させる場合と比較して効率の低下を大幅に抑制することができる。

また、本形態例においては、高圧段ターボチャージャ６を可変ノズルターボで構成しているので、高速回転域等で高圧段タービン３のノズルベーン開度を絞り込むことで、排気抵抗を増して排気マニホールド２の圧力を高め、吸気側に対する排気マニホールド２側の差圧をより一層確保し易くして排気Ｇの更に良好な再循環を実現することができる。

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、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。

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
１７ バイパス流路
１８ バイパスバルブ
Ａ 吸気
Ｇ 排気

Claims (2)

1. 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の出側から吸気の一部を抜き出して高圧段タービンの出側へ導くバイパス流路と、該バイパス流路の途中に設けられて流路を開閉するバイパスバルブとを備えたことを特徴とする二段過給システム。
2. 高圧段ターボチャージャを可変ノズルターボで構成したことを特徴とする請求項１に記載の二段過給システム。

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