JP2016065476A - ２段過給ターボ付きエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】電子制御を用いることなく、高圧段ターボにおける排気ガスの不要なバイパスを抑制する。【解決手段】２段過給ターボ付きエンジン１は、高圧段ターボ５０及び低圧段ターボ５１を含む２段過給ターボ付きエンジンであって、高圧段ターボ５０の上流側の排気ガスを高圧段ターボ５０の下流側にバイパスさせるバイパス流路２ｅと、バイパス流路２ｅに設けられたバイパス弁２０と、高圧段ターボ５０で過給された第１給気が供給され、当該第１給気の圧力によりバイパス弁２０を開口させる第１アクチュエータ２１と、が第１アクチュエータ２１へ第１給気を供給する流路２１ｂ及び流路２１ｃの間に設けられた遮断弁２２と、低圧段ターボ５１で過給された第２給気が供給され、当該第２給気の圧力が第２セット圧Ｐ２以下の場合に遮断弁２２を閉口させる第２アクチュエータ２３と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、２段過給ターボ付きエンジンに関する。

従来、高圧段ターボ及び低圧段ターボを有する２段過給ターボ付きエンジンが知られている（例えば、下記特許文献１参照）。この特許文献１に記載された２段過給ターボ付きエンジンは、高圧段ターボの上流側の排気ガスを高圧段ターボの下流側にバイパスさせるバイパス流路と、バイパス流路に設けられたバイパス弁と、高圧段ターボで過給された給気を利用してバイパス弁を駆動する駆動装置とを備えている。この２段過給ターボ付きエンジンでは、低圧段ターボで過給された給気の圧力が所定圧力に達した場合、電子制御により当該給気が駆動装置に更に供給されてバイパス弁が全開とされる。

特開平２−９９７２３号公報

上記従来技術では、例えば更なるコストの抑制のため、電子制御を用いず、高圧段ターボの過給圧を利用する機械式の駆動装置を用いてバイパス弁を制御することが望まれる場合がある。しかし、２段過給ターボ付きエンジンでは、低圧段ターボの過給圧が小さいときにも（例えば、低中速高負荷時にも）高圧段ターボの過給圧が高くなる場合があるところ、当該機械式の駆動装置を用いると不要にバイパス弁が作動してしまうことがある。その結果、高圧段ターボの上流側から高圧段ターボの下流側へ排気ガスが不要にバイパスされ、必要な過給圧を得られなくなるおそれがある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、電子制御を用いることなく、高圧段ターボの上流側から高圧段ターボの下流側へ排気ガスが不要にバイパスされることを抑制できる２段過給ターボ付きエンジンを提供することを課題とする。

本発明に係る２段過給ターボ付きエンジンは、高圧段ターボ及び低圧段ターボを含む２段過給ターボ付きエンジンであって、高圧段ターボの上流側の排気ガスを高圧段ターボの下流側にバイパスさせるバイパス流路と、バイパス流路に設けられたバイパス弁と、高圧段ターボで過給された第１給気が供給され、当該第１給気の圧力によりバイパス弁を開口させる第１駆動装置と、第１駆動装置へ第１給気を供給する流路上に設けられた遮断弁と、低圧段ターボで過給された第２給気が供給され、当該第２給気の圧力が所定圧力以下の場合に遮断弁を閉口させる第２駆動装置と、を備える。

この２段過給ターボ付きエンジンでは、第２給気の圧力が所定圧力以下の場合に第２駆動装置が遮断弁を閉口する。このため、第２給気の圧力が小さいときに（例えば、低中速高負荷時に）第１給気の圧力が高くなったとしても、第１給気が第１駆動装置に供給されず、よって、第１駆動装置でバイパス弁が開口されるのを抑制することができる。その結果、電子制御を用いることなく、高圧段ターボの上流側から高圧段ターボの下流側へ排気ガスが不要にバイパスされることを抑制可能となる。

上記作用効果を好適に奏する構成として、具体的には、第１駆動装置及び第２駆動装置は、正圧ダイヤフラムを有するアクチュエータであってもよい。

また、高圧段ターボは、エンジンの全負荷時における第２給気の圧力が所定圧力以下となるエンジンの回転数範囲にて、第１給気の圧力が最大となるピーク部を含む全負荷給気圧力特性を有してもよい。この場合、第２給気の圧力が小さいときに第１給気の圧力が高くなったとしてもバイパス弁の開口を抑制し、不要にバイパスされるのを抑制するという上記作用効果は特に有効である。

本発明によれば、電子制御を用いることなく、高圧段ターボの上流側から高圧段ターボの下流側へ排気ガスが不要にバイパスされることを抑制できる。

実施形態に係る２段過給ターボ付きエンジンの概略構成図である。 高圧段ターボ及び低圧段ターボの全負荷給気圧力特性の例である。

以下、本発明に係る好適な実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、実施形態に係る２段過給ターボ付きエンジンの概略構成図である。図１に示すように、実施形態に係る２段過給ターボ付きエンジン１は、例えばバスやトラック等の車両Ｖの駆動用として用いられる。図示する例では、２段過給ターボ付きエンジン１は、６つのシリンダ（気筒）１０を直列に有する直列６気筒のディーゼルエンジンとされている。

２段過給ターボ付きエンジン１は、各シリンダ１０に空気を分配して供給するインテークマニホールド８と、各シリンダ１０から排気された排気ガスを合流させるエキゾーストマニホールド１１と、を有している。２段過給ターボ付きエンジン１は、高圧段コンプレッサＣ１及び高圧段タービンＴ１を有する高圧段ターボ５０と、低圧段コンプレッサＣ２及び低圧段タービンＴ２を有する低圧段ターボ５１と、を備えている。

高圧段タービンＴ１は、２段過給ターボ付きエンジン１のエキゾーストマニホールド１１の下流に配置されている。高圧段タービンＴ１は、エキゾーストマニホールド１１から導入された排気ガスを、排気管２ｆへ導出する。高圧段タービンＴ１は、高圧段コンプレッサＣ１と同軸で回転可能とされており、エキゾーストマニホールド１１から導入された排気ガスにより回転される。

高圧段コンプレッサＣ１は、２段過給ターボ付きエンジン１の吸気側におけるインタークーラ６の下流に配置されている。高圧段コンプレッサＣ１は、高圧段タービンＴ１と同軸で回転されることで空気を圧縮し、圧縮した当該空気をアフタークーラ７へ向けて第１給気として過給する。

低圧段タービンＴ２は、２段過給ターボ付きエンジン１の排気側における高圧段タービンＴ１の下流に配置されている。低圧段タービンＴ２は、排気管２ｆから導入された排気ガスを、排気管２ｇへ導出する。低圧段タービンＴ２は、低圧段コンプレッサＣ２と同軸で回転可能とされており、排気管２ｆから導入された排気ガスにより回転される。

低圧段コンプレッサＣ２は、２段過給ターボ付きエンジン１の吸気側におけるエアクリーナ３の下流に配置されている。低圧段コンプレッサＣ２は、低圧段タービンＴ２と同軸で回転されることで空気を圧縮し、圧縮した当該空気をインタークーラ６へ向けて第２給気として過給する。

ここでの高圧段ターボ５０は、２段過給ターボ付きエンジン１の全負荷時における第２給気の圧力が第２セット圧（所定圧力）Ｐ２以下となる２段過給ターボ付きエンジン１の回転数範囲Ｒ１にて、第１給気の圧力が最大となるピーク部Ｐｋを含む全負荷給気圧力特性を有する（図２参照）。低圧段ターボ５１は、２段過給ターボ付きエンジン１の全負荷時において、例えば第２給気の圧力が２段過給ターボ付きエンジン１の回転数に対して略単調増加となる全負荷給気圧力特性を有する（詳しくは後述）。

また、２段過給ターボ付きエンジン１は、バイパス流路２ｅと、バイパス弁２０と、第１アクチュエータ２１と、遮断弁２２と、第２アクチュエータ２３とを備えている。バイパス流路２ｅは、高圧段タービンＴ１の上流側の排気ガスを高圧段タービンＴ１の下流側にバイパスさせる（高圧段タービンＴ１を介さずに流通させる）流路である。バイパス流路２ｅは、例えばエキゾーストマニホールド１１と排気管２ｆとを接続するように設けられる。

バイパス弁２０は、バイパス流路２ｅに設けられている。バイパス弁２０は、その開閉により、バイパス流路２ｅを介して高圧段タービンＴ１の上流側の排気ガスを高圧段タービンＴ１の下流側にバイパスさせるか否かを切り替える弁である。バイパス弁２０は、第１アクチュエータ（第１駆動装置）２１により、その開閉を制御される。

第１アクチュエータ２１は、高圧段コンプレッサＣ１で過給された第１給気が供給され、当該第１給気の圧力によりバイパス弁２０を開口させる。ここでの第１アクチュエータ２１としては、正圧ダイヤフラムを有するアクチュエータが採用される。第１アクチュエータ２１では、例えば当該正圧ダイヤフラムの第１セット圧Ｐ１以上の圧力で第１給気が供給されると、バイパス弁２０を開くようにステム２１ａが駆動される。第１アクチュエータ２１には、例えば、流路２１ｂ、遮断弁２２及び流路２１ｃを介して第１給気が供給される。

遮断弁２２は、その弁体２２ａの開閉により、流路２１ｂを介して遮断弁２２に供給された第１給気を第１アクチュエータ２１へ供給するか否かを切り替える弁である。遮断弁２２は、第１アクチュエータ２１へ第１給気を供給する流路２１ｂと、流路２１ｃとの間に設けられている。遮断弁２２は、第２アクチュエータ（第２駆動装置）２３により、弁体２２ａの開閉を制御される。

第２アクチュエータ２３は、低圧段コンプレッサＣ２で過給された第２給気が供給され、当該第２給気の圧力により遮断弁２２を開口させる。ここでの第２アクチュエータ２３としては、正圧ダイヤフラムを有するアクチュエータが採用される。第２アクチュエータ２３では、第２セット圧Ｐ２よりも大きい圧力で第２給気が供給されると、遮断弁２２を開くようにステム２３ａが駆動される。すなわち、第２アクチュエータ２３は、第２給気の圧力が第２セット圧Ｐ２以下の場合に弁体２２ａを閉口させるように遮断弁２２を制御する。第２アクチュエータ２３には、例えば、流路２３ｂを介して第２給気が供給される。

また、２段過給ターボ付きエンジン１は、ＥＧＲシステム１５を備えている。ＥＧＲシステム１５は、エキゾーストマニホールド１１における排気ガスの少なくとも一部を吸気側にＥＧＲガスとして還流させる。ＥＧＲシステム１５は、ＥＧＲバルブ１６と、エキゾーストマニホールド１１とインテークパイプ２ｄとを連絡するＥＧＲパイプ１７と、ＥＧＲクーラ１８とを備えている。ＥＧＲバルブ１６は、例えばＥＧＲパイプ１７における下流側の位置に設けられ、ＥＧＲガスの流量を制御する。ＥＧＲクーラ１８は、例えばＥＧＲパイプ１７におけるＥＧＲバルブ１６の上流側に設けられ、ＥＧＲガスを冷却する。

以上のように構成された２段過給ターボ付きエンジン１では、その吸気側において、まず空気がエアクリーナ３により清浄化され、インテークパイプ２ａを介して低圧段コンプレッサＣ２に流入され、当該低圧段コンプレッサＣ２で圧縮される。低圧段コンプレッサＣ２で圧縮された空気は、インテークパイプ２ｂを介してインタークーラ６に流入されて冷却された後、高圧段コンプレッサＣ１に流入され、当該高圧段コンプレッサＣ１で更に圧縮される。高圧段コンプレッサＣ１で圧縮された空気は、インテークパイプ２ｃを介してアフタークーラ７に流入されて冷却され、インテークパイプ２ｃ及びインテークマニホールド８を介して各シリンダ１０に適宜吸気される。

一方、２段過給ターボ付きエンジン１の排気側においては、まず、排気ガスがエキゾーストマニホールド１１から高圧段タービンＴ１に導入された後、排気管２ｆを介して低圧段タービンＴ２に導入される。低圧段タービンＴ２から導出された排気ガスは、排気管２ｇを通って後処理装置１２に導かれる。後処理装置１２では、例えばＤＰＦ触媒により排気ガス中の粒子状物質が除去されて浄化されると共に、例えばＳＣＲ触媒により排気ガス中の窒素酸化物が還元されて浄化される。後処理装置１２から導出された排気ガスは、マフラ（図示せず）により消音されて車外に排気される。

次に、２段過給ターボ付きエンジン１において、高圧段ターボ５０の上流側から高圧段ターボ５０の下流側へ排気ガスが不要にバイパスされることを抑制するメカニズムについて、図２を参照しつつ説明する。

図２は、高圧段ターボ及び低圧段ターボの全負荷給気圧力特性の例である。図２に示すように、高圧段ターボ５０は、２段過給ターボ付きエンジン１の全負荷時において、第２給気の圧力が第２セット圧Ｐ２以下となる２段過給ターボ付きエンジン１の回転数範囲Ｒ１にて（低中速高負荷時）、第１給気の圧力が最大となるピーク部Ｐｋを含む全負荷給気圧力特性を有する。低圧段ターボ５１は、２段過給ターボ付きエンジン１の全負荷時において、例えば第２給気の圧力が２段過給ターボ付きエンジン１の回転数に対して略単調増加となる全負荷給気圧力特性を有する。

このような２段過給ターボ付きエンジン１において、高圧段ターボ５０で過給された第１給気が直接（遮断されることなく）第１アクチュエータ２１に供給されると仮定した場合、以下のように不要にバイパス弁２０が作動してしまうことがある。

第１アクチュエータ２１は、第１セット圧Ｐ１よりも大きい第１給気が供給された場合に作動してバイパス弁２０を開口させる。第１セット圧Ｐ１としては、例えば高圧段ターボ５０における耐久性確保及びポンピングロス低減の観点から、例えば回転数範囲Ｒ１よりも高回転側の回転数範囲Ｒ２（高速高負荷時）において第１アクチュエータ２１が作動するように（高速高負荷時に排気ガスがバイパスされるように）設定される。図２の例では、高速高負荷時において第１アクチュエータ２１が作動することで排気ガスが高圧段タービンＴ１をバイパスするため、第１給気の過給圧は第１セット圧Ｐ１よりも小さい過給圧に抑制される。

ここで、上述のように、高圧段ターボ５０が低中速高負荷時にピーク部Ｐｋを含む全負荷給気圧力特性を有することから、低中速高負荷時において第１セット圧Ｐ１よりも大きい過給圧を高圧段ターボ５０により得ることが望まれる。しかし、第１給気の圧力によりバイパス弁２０を開口させようとすると、低中速高負荷時において第１セット圧Ｐ１よりも大きい第１給気が第１アクチュエータ２１へ供給されてしまい、高圧段タービンＴ１の上流側から高圧段タービンＴ１の下流側へ排気ガスが不要にバイパスされ易い。よって、排気ガスが高圧段タービンＴ１を不要にバイパスされると、第１給気の過給圧は第１セット圧Ｐ１よりも小さい過給圧に抑制され、必要な過給圧（第１セット圧Ｐ１よりも大きい過給圧）が得られなくなる。

そこで、本実施形態の２段過給ターボ付きエンジン１では、流路２１ｂ及び流路２１ｃの間に遮断弁２２が設けられている。遮断弁２２は、その弁体２２ａの開閉を第２アクチュエータ２３により制御され、例えば第２給気の圧力が第２セット圧Ｐ２以下の場合に第２アクチュエータ２３が遮断弁２２を閉口する。第２セット圧としては、例えば全負荷時における第１給気が第１セット圧Ｐ１に達するときの第２給気の過給圧に設定される。

図２の例では、低中速高負荷時において第２給気の圧力が第２セット圧Ｐ２以下の場合に、第２アクチュエータ２３により遮断弁２２が閉口される。そして、流路２１ｂを介して遮断弁２２に供給された第１給気が流路２１ｃへ流れなくなり、第１アクチュエータ２１への第１給気の供給が遮断されて第１アクチュエータ２１の作動が抑制される。よって、第１給気の過給圧が第１セット圧Ｐ１よりも大きい過給圧となったとしても、第１アクチュエータ２１がバイパス弁２０を開口させることが抑制され（バイパス弁２０が停止され）、排気ガスが高圧段タービンＴ１を不要にバイパスすることが抑制される。その結果、電子制御を用いることなく、高圧段ターボの上流側から高圧段ターボの下流側へ排気ガスが不要にバイパスされることを抑制することが可能となる。

以上、本実施形態に係る２段過給ターボ付きエンジン１によれば、第２給気の圧力が第２セット圧（所定圧力）Ｐ２以下の場合に第２アクチュエータ２３によって遮断弁２２が閉口される。これにより、例えば回転数範囲Ｒ１において第２給気の圧力が小さいとき（低中速高負荷時）に第１給気の圧力が第１セット圧Ｐ１よりも高くなったとしても、第１給気が第１アクチュエータ２１に供給されないことから、第１アクチュエータ２１がバイパス弁２０を開口させるのが抑制される。その結果、電子制御を用いることなく、高圧段ターボの上流側から高圧段ターボの下流側へ排気ガスが不要にバイパスされることを抑制可能となる。

また、高圧段ターボ５０は、２段過給ターボ付きエンジン１の全負荷時における第２給気の圧力が第２セット圧Ｐ２以下となる２段過給ターボ付きエンジン１の回転数範囲Ｒ１にて、第１給気の圧力が最大となるピーク部Ｐｋを含む全負荷給気圧力特性を有している。このような全負荷給気圧力特性を高圧段ターボ５０が有する場合、第１給気の圧力によりバイパス弁を開口させようとすると、２段過給ターボ付きエンジン１の全負荷時における第２給気の圧力が第２セット圧Ｐ２以下となる回転数範囲Ｒ１（低中速高負荷時）において、高圧段ターボの上流側から高圧段ターボの下流側へ排気ガスが不要にバイパスされ易い。従って、第１給気の圧力が上記全負荷給気圧力特性を有している場合、第２給気の圧力が小さいときに第１給気の圧力が高くなったとしてもバイパス弁の開口を抑制し、不要にバイパスされるのを抑制するという上記作用効果は特に有効である。

以上、本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用してもよい。

例えば、上記実施形態では、バイパス流路２ｅは、エキゾーストマニホールド１１と排気管２ｆとを接続するように設けられていたが、例えば高圧段ターボ５０のハウジング内に設けられていてもよい。

１…２段過給ターボ付きエンジン、５０…高圧段ターボ、５１…低圧段ターボ、２ｅ…バイパス流路、２０…バイパス弁、２１…第１アクチュエータ（第１駆動装置）、２１ｂ、２１ｃ…流路、２２…遮断弁、２３…第２アクチュエータ（第２駆動装置）。

Claims (3)

1. 高圧段ターボ及び低圧段ターボを含む２段過給ターボ付きエンジンであって、
   前記高圧段ターボの上流側の排気ガスを前記高圧段ターボの下流側にバイパスさせるバイパス流路と、
   前記バイパス流路に設けられたバイパス弁と、
   前記高圧段ターボで過給された第１給気が供給され、当該第１給気の圧力により前記バイパス弁を開口させる第１駆動装置と、
   前記第１駆動装置へ前記第１給気を供給する流路上に設けられた遮断弁と、
   前記低圧段ターボで過給された第２給気が供給され、当該第２給気の圧力が所定圧力以下の場合に前記遮断弁を閉口させる第２駆動装置と、を備える、２段過給ターボ付きエンジン。
2. 前記第１駆動装置及び前記第２駆動装置は、正圧ダイヤフラムを有するアクチュエータである、請求項１に記載の２段過給ターボ付きエンジン。
3. 前記高圧段ターボは、前記エンジンの全負荷時における前記第２給気の圧力が前記所定圧力以下となる前記エンジンの回転数範囲にて、前記第１給気の圧力が最大となるピーク部を含む全負荷給気圧力特性を有する、請求項１又は２に記載の２段過給ターボ付きエンジン。

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