JP2015206330A - 二段過給システム - Google Patents

Abstract

【課題】コストの大幅な高騰を招くことなく、組み立て性及び搭載性の向上を実現し得る二段過給システムを提供する。【解決手段】排気マニホールド２の排気出口２ｏにサブ排気マニホールド１２を設けると共に、該サブ排気マニホールド１２を挟んで高圧段タービン３と低圧段タービン８とを連結し、サブ排気マニホールド１２には、排気マニホールド２の排気出口２ｏからの排気Ｇを分岐して高圧段タービン３及び低圧段タービン８の夫々の排気入口３ｉ，８ｉに導く分岐流路１３と、高圧段タービン３の排気出口３ｏからの排気Ｇを低圧段タービン８の排気入口８ｉに導く連絡流路１４とを備え、前記分岐流路１３と前記低圧段タービン８の排気入口８ｉとの連通を適宜に遮断し得るように構成する。【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、低速中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３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。

このようにすれば、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、高圧段コンプレッサ４に送給されて再び圧縮されてから吸気マニホールド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。

斯かる二段過給システムにあっては、排気Ｇの流量が大きい高速高負荷域で小径の高圧段ターボチャージャ６の回転が排気Ｇの流量増に追いつかなくなって通過抵抗（圧力損失）が高まり、結果的にポンピングロスが増大して燃費が悪化してしまう虞があるため、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排気Ｇを抵抗の少ないウエストゲート配管７に振り分け、これにより三分の二程度の流量の排気Ｇを高圧段タービン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。

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等が既に存在している。

特開２０１１−１７４４２５号公報

しかしながら、二段過給システムでは、高圧段ターボチャージャ６と低圧段ターボチャージャ１０とを二基搭載しなければならず、しかも、これら高圧段ターボチャージャ６と低圧段ターボチャージャ１０との間を接続する配管系も入り組んだものとなるため、部品点数が多くなって組み立て性が悪くなるという問題があり、また、システム全体としても大型化が避けられないことから、車両への搭載性が悪くなるという問題もあった。

尚、この問題の対応策として、先の特許文献１等にも記載されている通り、高圧段ターボチャージャ６と低圧段ターボチャージャ１０とを近接配置して両者のタービンハウジングを一体成形品として共通化する提案が既に成されているが、斯かるタービンハウジングの共通化は、既存の高圧段ターボチャージャ６と低圧段ターボチャージャ１０の利用を不可とする全体構成の新設となってしまい、しかも、その材質にも高温の排気Ｇが流れることを考慮して耐熱性の高い高価なものを選定しなければならず、コストの大幅な高騰が避けられない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、コストの大幅な高騰を招くことなく、組み立て性及び搭載性の向上を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。

本発明は、排気マニホールドの排気出口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、前記排気マニホールドの排気出口にサブ排気マニホールドを設けると共に、該サブ排気マニホールドを挟んで高圧段タービンと低圧段タービンとを連結し、前記サブ排気マニホールドには、排気マニホールドの排気出口からの排気を分岐して高圧段タービン及び低圧段タービンの夫々の排気入口に導く分岐流路と、高圧段タービンの排気出口からの排気を低圧段タービンの排気入口に導く連絡流路とを備え、前記分岐流路と前記低圧段タービンの排気入口との連通を適宜に遮断し得るように構成したことを特徴とするものである。

このようにした場合、サブ排気マニホールドを挟んで高圧段タービンと低圧段タービンとを連結するだけで、排気マニホールドの排気出口からの排気を分岐流路により分岐して高圧段タービン及び低圧段タービンの夫々の排気入口に導くことが可能となると共に、高圧段タービンの排気出口からの排気を連絡流路により低圧段タービンの排気入口に導くことが可能となる。

依って、常時は前記分岐流路と前記低圧段タービンの排気入口との連通を遮断しておき、高速高負荷域となった時にだけ相互を連通させるようにすれば、排気の大半が抵抗の少ない低圧段タービンの排気入口へと流れて高圧段タービンが迂回され、該高圧段タービンには残りの排気だけが導かれるので、高速高負荷域で高圧段ターボチャージャの回転が排気の流量増に追いつかなくなって通過抵抗（圧力損失）が高まるといった事態が未然に回避され、ポンピングロスの増大による燃費の悪化を防ぐことが可能となる。

しかも、このような高速高負荷域で高圧段タービンを迂回させる流路構成を実現するにあたり、サブ排気マニホールドに備えられた分岐流路と連絡流路を利用しているので、高圧段タービンと低圧段タービンとの間での複雑な配管接続が不要となり、部品点数が少なくなって組み立て性が向上されると共に、システム全体のコンパクト化が図られて車両への搭載性が向上される。

また、既存の高圧段ターボチャージャ及び低圧段ターボチャージャの組み付け部分の構造に対応させてサブ排気マニホールドを新設するだけで済み、高圧段ターボチャージャ及び低圧段ターボチャージャについては既存のものをそのまま流用することが可能であるため、高圧段ターボチャージャ及び低圧段ターボチャージャのタービンハウジングを一体成形品として共通化する対応策と比較してコストの増加が大幅に抑制される。

更に、本発明においては、前記サブ排気マニホールドの分岐流路と前記低圧段タービンの排気入口との連通を適宜に遮断し得るように構成するにあたり、前記サブ排気マニホールドの分岐流路と前記低圧段タービンの排気入口との間にウエストゲートバルブを介装することが好ましい。

また、前記サブ排気マニホールドを一体成形品として成形したり、該サブ排気マニホールドにおける連絡流路の少なくとも一部を別部品により構成して一体的に組み付けたりすることが可能であり、一体成形品とした場合には、サブ排気マニホールドの製作にあたり部品の組み付け作業が不要となり、連絡流路の少なくとも一部を別部品により構成した場合には、排気マニホールドから出たばかりの高温の排気が流れる分岐流路側に対し、高圧段タービンで仕事をして温度低下した排気が流れる連絡流路側を別部品として分離することでサブ排気マニホールド全体の熱変形が起こり難くなる。

本発明の二段過給システムによれば、既存の高圧段ターボチャージャ及び低圧段ターボチャージャをそのまま流用することができ、高圧段タービンと低圧段タービンとの間での複雑な配管接続を不要として部品点数を減らすこともでき、システム全体のコンパクト化を図ることもできるので、コストの大幅な高騰を招くことなく、組み立て性及び搭載性の向上を実現することができるという優れた効果を奏し得る。

本発明を実施する形態の一例を示す側面図である。 本発明の別の形態例を示す側面図である。 従来の二段過給システムの一例を示す概略図である。

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３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に示している本形態例の二段過給システムは、先に図３で説明した従来の二段過給システムと同様に高圧段ターボチャージャ６と低圧段ターボチャージャ１０とを備えて構成されるようになっているが、排気マニホールド２の排気出口２ｏにサブ排気マニホールド１２が設けられており、該サブ排気マニホールド１２を挟んで高圧段タービン３と低圧段タービン８とが連結されるようにしてある。

前記サブ排気マニホールド１２は、鋳造等による一体成形品として形成されており、その内部には、排気マニホールド２の排気出口２ｏからの排気Ｇを分岐して高圧段タービン３及び低圧段タービン８の夫々の排気入口３ｉ，８ｉに導く分岐流路１３と、高圧段タービン３の排気出口３ｏからの排気Ｇを低圧段タービン８の排気入口８ｉに導く連絡流路１４とが形成されている。

即ち、低圧段タービン８の排気入口８ｉに対し排気マニホールド２の排気出口２ｏからの排気Ｇを分岐流路１３を介し直接導く系統と、高圧段タービン３を経由させてから連絡流路１４を介して導く系統とに振り分けられるようになっている。尚、図１中においては、低圧段タービン８に関して排気入口８ｉしか図示されていないが、この排気入口８ｉに分岐流路１３と連絡流路１４の両方が連通するようになっており、低圧段タービン８を駆動した排気Ｇは、該低圧段タービン８の軸心部から図示しない排気出口を介し排気管へと送り出されるようになっている。

また、図１は排気Ｇが流れるタービン側の系統についてだけ図示しているが、図１で図示されていない吸気Ａ（図３参照）が流れるコンプレッサ側の系統については、先に図３で説明した系統通りに配管で接続を行えば良く、特に従来構成と変わるところはないので説明を割愛する。

更に、ここに図示している例では、サブ排気マニホールド１２と低圧段タービン８とを連結するにあたり、相互間に流路切替ブロック１５を介装するようにしており、この流路切替ブロック１５には、サブ排気マニホールド１２の分岐流路１３を低圧段タービン８の排気入口８ｉに繋ぐ連通口１５ａと、サブ排気マニホールド１２の連絡流路１４を低圧段タービン８の排気入口８ｉに繋ぐ連通口１５ｂとが形成され、前記連通口１５ａには、前記分岐流路１３と前記低圧段タービン８の排気入口８ｉとの間の連通を適宜に遮断し得るようにウエストゲートバルブ１１が配設されている。

このようにした場合、サブ排気マニホールド１２を挟んで高圧段タービン３と低圧段タービン８とを連結するだけで、排気マニホールド２の排気出口２ｏからの排気Ｇを分岐流路１３により分岐して高圧段タービン３及び低圧段タービン８の夫々の排気入口３ｉ，８ｉに導くことが可能となると共に、高圧段タービン３の排気出口３ｏからの排気Ｇを連絡流路１４により低圧段タービン８の排気入口８ｉに導くことが可能となる。

依って、常時は前記ウエストゲートバルブ１１を閉じて前記分岐流路１３と前記低圧段タービン８の排気入口８ｉとの連通を遮断しておき、高速高負荷域となった時にだけ相互を連通させるようにすれば、排気Ｇの大半が抵抗の少ない低圧段タービン８の排気入口８ｉへと流れて高圧段タービン３が迂回され、該高圧段タービン３には残りの排気Ｇだけが導かれるので、高速高負荷域で高圧段ターボチャージャ６の回転が排気Ｇの流量増に追いつかなくなって通過抵抗（圧力損失）が高まるといった事態が未然に回避され、ポンピングロスの増大による燃費の悪化を防ぐことが可能となる。

しかも、このような高速高負荷域で高圧段タービン３を迂回させる流路構成を実現するにあたり、サブ排気マニホールド１２に備えられた分岐流路１３と連絡流路１４を利用しているので、高圧段タービン３と低圧段タービン８との間での複雑な配管接続が不要となり、部品点数が少なくなって組み立て性が向上されると共に、システム全体のコンパクト化が図られて車両への搭載性が向上される。

また、既存の高圧段ターボチャージャ６及び低圧段ターボチャージャ１０の組み付け部分の構造に対応させてサブ排気マニホールド１２を新設するだけで済み、高圧段ターボチャージャ６及び低圧段ターボチャージャ１０については既存のものをそのまま流用することが可能であるため、高圧段ターボチャージャ６及び低圧段ターボチャージャ１０のタービンハウジングを一体成形品として共通化する対応策と比較してコストの増加が大幅に抑制される。

従って、上記形態例によれば、既存の高圧段ターボチャージャ６及び低圧段ターボチャージャ１０をそのまま流用することができ、高圧段タービン３と低圧段タービン８との間での複雑な配管接続を不要として部品点数を減らすこともでき、システム全体のコンパクト化を図ることもできるので、コストの大幅な高騰を招くことなく、組み立て性及び搭載性の向上を実現することができる。

ここで、本形態例においては、前記サブ排気マニホールド１２を一体成形品として成形しているので、サブ排気マニホールド１２の製作にあたり部品の組み付け作業が不要となるというメリットが得られるが、排気マニホールド２から出たばかりの高温の排気Ｇが流れる分岐流路１３側と、高圧段タービン３で仕事をして温度低下した排気Ｇが流れる連絡流路１４側とでは、約１５０〜２００℃程度の温度差があり、前記サブ排気マニホールド１２が一体成形品である場合に熱変形の懸念があるため、図２に示す如く、サブ排気マニホールド１２における連絡流路１４の大半を別部品のステンレスパイプ１６により構成し、該ステンレスパイプ１６を残りの本体部分１７に対し溶接等により一体的に組み付けた構造とすることも可能であり、このようにすることで前記サブ排気マニホールド１２に熱変形が起こり難くなる。

ここで、サブ排気マニホールド１２の本体部分１７と低圧段タービン８とを連結するにあたっては、相互間に流路切替ブロック１５’を介装すると共に、この流路切替ブロック１５’にサブ排気マニホールド１２の分岐流路１３を低圧段タービン８の排気入口８ｉに繋ぐ連通口１５ａを形成し、該連通口１５ａにウエストゲートバルブ１１を配設して前記分岐流路１３と前記低圧段タービン８の排気入口８ｉとの間の連通を適宜に遮断し得るようにしてある。

また、本形態例においては、サブ排気マニホールド１２のステンレスパイプ１６と低圧段タービン８とを連結するにあたって、Ｏリング１８を介し前記低圧段タービン８の排気入口８ｉに繋がるボス部１９に嵌挿して接続するようにしているが、このような取り付け部分の構造を採用した低圧段ターボチャージャ１０も市販品として既に存在しているものである。

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。

２ 排気マニホールド
２ｏ 排気出口
３ 高圧段タービン
３ｉ 排気入口
３ｏ 排気出口
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
８ｉ 排気入口
９ 低圧段コンプレッサ
１０ 低圧段ターボチャージャ
１１ ウエストゲートバルブ
１２ サブ排気マニホールド
１３ 分岐流路
１４ 連絡流路
１６ ステンレスパイプ（別部品）
Ａ 吸気
Ｇ 排気

Claims (4)

1. 排気マニホールドの排気出口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、前記排気マニホールドの排気出口にサブ排気マニホールドを設けると共に、該サブ排気マニホールドを挟んで高圧段タービンと低圧段タービンとを連結し、前記サブ排気マニホールドには、排気マニホールドの排気出口からの排気を分岐して高圧段タービン及び低圧段タービンの夫々の排気入口に導く分岐流路と、高圧段タービンの排気出口からの排気を低圧段タービンの排気入口に導く連絡流路とを備え、前記分岐流路と前記低圧段タービンの排気入口との連通を適宜に遮断し得るように構成したことを特徴とする二段過給システム。
2. 前記サブ排気マニホールドの分岐流路と前記低圧段タービンの排気入口との連通を適宜に遮断し得るよう相互間にウエストゲートバルブを介装したことを特徴とする請求項１に記載の燃料添加構造。
3. 前記サブ排気マニホールドを一体成形品として成形したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料添加構造。
4. 前記サブ排気マニホールドにおける連絡流路の少なくとも一部を別部品により構成して一体的に組み付けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料添加構造。

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