JP2017125429A - Two-stage turbocharger 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、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6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, in order to realize downsizing and torque increase of a supercharging system, a two-stage supercharging system employing a small-sized high-pressure turbocharger has been studied. In this type of two-stage supercharging system, FIG. As shown in FIG. 2, the high-pressure stage turbocharger 6 operates the high-
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の入側との間には、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の出側とエンジン1の吸気マニホールド5との間には、アフタクーラ13が介装されている。
Furthermore, an
また、排気系の高圧段タービン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、排気系から分流した排気Gを冷却するEGRクーラ15と、吸気系へ還流すべき排気Gの流量を調整するEGRバルブ16とが設けられている。
An 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 engine 1 is in operation, the exhaust G sent from the exhaust manifold 2 flows into the high-
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。
Further, a part of the exhaust G flows from the exhaust manifold 2 into the
ただし、排気Gの流量が大きい高速高負荷域(図7のグラフ中にクロスハッチングを付して示す運転領域)では、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。 However, in the high-speed and high-load region where the flow rate of the exhaust G is large (the operation region indicated by cross-hatching in the graph of FIG. 7), the small-sized high-pressure turbocharger 6 rotates excessively and the supercharging pressure is more than necessary. The maximum in-cylinder pressure of each cylinder of the engine 1 exceeds the limit value, and the engine cannot be operated, or the supercharging pressure becomes higher than the pressure of the exhaust manifold 2 and the exhaust G cannot be recirculated. There is.
このため、高圧段タービン3を迂回するバイパス配管7を設けると共に、該バイパス配管7の途中にバイパスバルブ11を設け、該バイパスバルブ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。
Therefore, a bypass pipe 7 that bypasses the high-
ここで、図7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は、バイパスバルブ11を全開とする操作が行われるが、ハッチングを付して示す運転領域では、適宜にバイパスバルブ11の開度を絞り込むことで、高圧段タービン3を迂回する排気Gの流量割合を調整する操作が行われるようになっている。
Here, in the operation region indicated by cross hatching in the graph of FIG. 7, the operation of fully opening the
また、排気Gが高圧段タービン3を迂回することで高圧段コンプレッサ4の回転数が低下して吸気Aの流れが滞る分については、低圧段コンプレッサ9の出側から高圧段コンプレッサ4の出側に至る吸気切替配管17に流れが振り分けられるようになっており、該吸気切替配管17には、吸気Aの逆流を阻止する逆止弁18が備えられている。
Further, as the exhaust G bypasses the high-
尚、前述の如き二段過給システムと関連する先行技術文献情報としては、本発明と同じ出願人による下記の特許文献1等が既に存在している。 In addition, as prior art document information related to the two-stage supercharging system as described above, the following Patent Document 1 by the same applicant as the present invention already exists.
しかしながら、斯かる二段過給システムにおいては、排気Gの再循環に必要な差圧(排気マニホールド2側と吸気マニホールド5側との差圧)が得られない場合に排気絞り弁19を絞り込んで排気Gの再循環を補助するようにしたものがあり、この種の排気絞り弁19には、排気ブレーキを兼用させて一つの排気バルブで代用させるようにしたものもあるが、先のバイパスバルブ11と合わせて少なくとも二つの排気バルブが排気系に必要(排気ブレーキを別途配置する場合には排気バルブが三つ必要)となるため、これらの排気バルブやその駆動機構に配置スペースが多く取られて車両への搭載性が悪くなるという問題があり、また、これらの排気バルブには開度調整可能な高価なものを採用しなければならないことから設備コストの高騰を招くという問題もあった。
However, in such a two-stage turbocharging system, the
本発明は、斯かる実情に鑑みてなしたもので、車両への搭載性を改善し且つ設備コストの削減を図り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 supercharging system that can be mounted on a vehicle and can reduce equipment costs.
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であって、高圧段タービンの入側と出側とを短絡して該高圧段タービンを迂回するバイパス配管を備えると共に、該バイパス配管の高圧段タービンの出側への合流箇所に三方弁を備え、バイパス配管のみを遮断する通常ポジションと、バイパス配管のみを少なくとも一部を開けた状態で必要開度に絞る高圧段バイパスポジションと、バイパス配管を遮断状態に保持したまま高圧段タービンの出側についても必要開度に絞る排気絞りポジションと、低圧段タービンの入側のみを遮断する排気ブレーキポジションとを選択的に切り替え得るように前記三方弁を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. A two-stage supercharging system comprising a low-pressure stage turbocharger that operates a low-pressure stage turbine by exhaust gas and supplies intake air compressed by a low-pressure stage compressor to a high-pressure stage compressor. A bypass pipe that bypasses the high-pressure turbine by bypassing the high-pressure turbine, a three-way valve at the junction of the bypass pipe to the outlet side of the high-pressure turbine, a normal position that blocks only the bypass pipe, and a bypass pipe The high-pressure stage bypass position and the bypass piping to reduce the required opening with at least a part of The three-way valve can be selectively switched between an exhaust throttle position that restricts the required opening on the outlet side of the high-pressure stage turbine while maintaining the disconnected state, and an exhaust brake position that shuts off only the inlet side of the low-pressure stage turbine. It is characterized by comprising.
而して、通常運転時において、三方弁を通常ポジションとしてバイパス配管のみを遮断すれば、高圧段タービンの出側を低圧段タービンの入側へ開通して通常の二段過給を実施することが可能となり、また、過給圧が必要以上に高い運転領域において、三方弁を高圧段バイパスポジションとしてバイパス配管のみを少なくとも一部を開けた状態で必要開度に絞れば、該バイパス配管が開通して適正な流量の排気のみを高圧段タービンに流し、残りは高圧段タービンを迂回させて低圧段タービンへ導くことが可能となる。 Thus, during normal operation, if the three-way valve is in the normal position and only the bypass pipe is shut off, the outlet side of the high-pressure stage turbine is opened to the inlet side of the low-pressure stage turbine to perform normal two-stage supercharging. In an operating range where the supercharging pressure is higher than necessary, if the three-way valve is a high-pressure stage bypass position and only the bypass pipe is opened to at least a part of the opening, the bypass pipe is opened. As a result, only the exhaust gas having an appropriate flow rate is allowed to flow through the high-pressure stage turbine, and the rest can be led to the low-pressure stage turbine by bypassing the high-pressure stage turbine.
更に、排気の再循環に必要な差圧が得られない場合に、三方弁を排気絞りポジションとしてバイパス配管を遮断状態に保持したまま高圧段タービンの出側のみを必要開度に絞れば、排気抵抗が大きくなることで排気マニホールドの圧力が高められ、排気の再循環に必要な差圧が得られ易くなる。尚、このように排気絞りを行えば、高圧段タービンに排気を流し続けて該高圧段タービンの回転を継続させることが可能となり、エンジン出力の低下を抑制することが可能となる。 Furthermore, if the differential pressure required for exhaust gas recirculation cannot be obtained, the exhaust pressure can be reduced by reducing the outlet side of the high-pressure turbine to the required opening while keeping the bypass piping shut off with the three-way valve set to the exhaust throttle position. By increasing the resistance, the pressure of the exhaust manifold is increased, and a differential pressure necessary for exhaust gas recirculation can be easily obtained. If exhaust throttling is performed in this manner, exhaust can continue to flow through the high-pressure turbine and the rotation of the high-pressure turbine can be continued, and a reduction in engine output can be suppressed.
また、排気ブレーキを効かせたい場合に、三方弁を排気ブレーキポジションとして低圧段タービンの入側のみを遮断すれば、高圧段タービンにも低圧段タービンにも排気が流れなくなってエンジン側でのポンピングロスが増大し、エンジンブレーキが大幅に増強されることになる。 Also, if you want to apply the exhaust brake, if the three-way valve is in the exhaust brake position and only the inlet side of the low-pressure turbine is shut off, the exhaust will not flow into the high-pressure turbine or the low-pressure turbine, and pumping on the engine side Loss will increase and engine braking will be greatly enhanced.
即ち、通常ポジション、高圧段バイパスポジション、排気絞りポジション、排気ブレーキポジションの四つのポジションに選択的に切り替えて三方弁を使用することにより、バイパスバルブと排気絞り弁と排気ブレーキの三つの機能を一つの三方弁で賄うことが可能となり、従来の如く排気系に二つ以上の高価な排気バルブを備えなくて済むことになる。 In other words, the three functions of the bypass valve, the exhaust throttle valve, and the exhaust brake are integrated by selectively switching to the normal position, the high-pressure stage bypass position, the exhaust throttle position, and the exhaust brake position and using the three-way valve. It is possible to cover with three three-way valves, and it becomes unnecessary to provide two or more expensive exhaust valves in the exhaust system as in the prior art.
更に、本発明をより具体的に実施するにあたっては、三方弁の三口のうちのバイパス配管に向かう第一口と、低圧段タービンの入側に向かう第二口とを対向配置すると共に、その対向方向に対し直角な向きに高圧段タービンの出側に向かう第三口を配置し、これら第一口と第二口と第三口とが連続する周方向に回動自在に弁体を備え、排気絞りポジションにて第一口の遮断状態を保持しながら第三口を必要開度に絞り得るように前記弁体による閉塞範囲を規定すると良い。 Furthermore, in more concretely carrying out the present invention, the first port toward the bypass pipe out of the three ports of the three-way valve and the second port toward the inlet side of the low-pressure turbine are arranged to face each other. A third port heading toward the exit side of the high-pressure turbine in a direction perpendicular to the direction is disposed, and a valve body is provided that is rotatable in a circumferential direction in which the first port, the second port, and the third port are continuous, It is preferable to define a closed range by the valve body so that the third port can be throttled to the required opening while the shut-off state of the first port is maintained at the exhaust throttle position.
本発明の二段過給システムによれば、バイパスバルブと排気絞り弁と排気ブレーキの三つの機能を一つの三方弁で賄うことができ、排気系に必要な排気バルブを一つの三方弁に集約することができるので、大幅な省スペース化を図ることができて車両への搭載性を改善することができると共に、設備コストの大幅な削減化を図ることもできるという優れた効果を奏し得る。 According to the two-stage supercharging system of the present invention, the three functions of the bypass valve, the exhaust throttle valve, and the exhaust brake can be provided by one three-way valve, and the exhaust valves necessary for the exhaust system are integrated into one three-way valve. Therefore, it is possible to achieve a significant effect that the space can be saved significantly, the mounting property to the vehicle can be improved, and the facility cost can be greatly reduced.
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〜図5は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図6と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。 1 to 5 show an example of an embodiment for carrying out the present invention, and portions denoted by the same reference numerals as those in FIG. 6 represent the same items.
即ち、図1に示されている二段過給システムにおいては、先に図6で説明した従来の二段過給システムと略同様に、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となっている。
That is, in the two-stage turbocharging system shown in FIG. 1, the high-
ただし、高圧段タービン3の入側と出側とを短絡して該高圧段タービン3を迂回するバイパス配管7を備えると共に、該バイパス配管7の高圧段タービン3の出側への合流箇所に三方弁20を備え、バイパス配管7のみを遮断する通常ポジション(図2参照)と、バイパス配管7のみを少なくとも一部を開けた状態で必要開度に絞る高圧段バイパスポジション(図3参照)と、バイパス配管7を遮断状態に保持したまま高圧段タービン3の出側についても必要開度に絞る排気絞りポジション(図4参照)と、低圧段タービン8の入側のみを遮断する排気ブレーキポジション(図5参照)とを選択的に切り替え得るように前記三方弁20を構成している。
However, a bypass pipe 7 that bypasses the high-
即ち、前記三方弁20における具体的な構成としては、三口のうちのバイパス配管7に向かう第一口21と、低圧段タービン8の入側に向かう第二口22とを対向配置すると共に、その対向方向に対し直角な向きに高圧段タービン3の出側に向かう第三口23を配置し、これら第一口21と第二口22と第三口23とが連続する周方向に回動自在に弁体24を備え、排気絞りポジションにて第一口21の遮断状態を保持しながら第三口23を必要開度に絞り得るように前記弁体24による閉塞範囲を規定したものとなっている。
That is, as a specific configuration of the three-
而して、図2に示す如く、通常運転時において、三方弁20を通常ポジションとしてバイパス配管7のみを遮断すれば、高圧段タービン3の出側を低圧段タービン8の入側へ開通して通常の二段過給を実施することが可能となり、また、図3に示す如く、過給圧が必要以上に高い運転領域において、三方弁20を高圧段バイパスポジションとしてバイパス配管7のみを少なくとも一部を開けた状態で必要開度に絞れば、該バイパス配管7が開通して適正な流量の排気Gのみを高圧段タービン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へ導くことが可能となる。
Thus, as shown in FIG. 2, during normal operation, if the three-
更に、図4に示す如く、排気Gの再循環に必要な差圧が得られない場合に、三方弁20を排気絞りポジションとしてバイパス配管7を遮断状態に保持したまま高圧段タービン3の出側のみを必要開度に絞れば、排気抵抗が大きくなることで排気マニホールド2の圧力が高められ、排気Gの再循環に必要な差圧が得られ易くなる。尚、このように排気絞りを行えば、高圧段タービン3に排気Gを流し続けて該高圧段タービン3の回転を継続させることが可能となり、エンジン出力の低下を抑制することが可能となる。
Further, as shown in FIG. 4, when the differential pressure required for recirculation of the exhaust G cannot be obtained, the outlet side of the high-
また、図5に示す如く、排気ブレーキを効かせたい場合に、三方弁20を排気ブレーキポジションとして低圧段タービン8の入側のみを遮断すれば、高圧段タービン3にも低圧段タービン8にも排気Gが流れなくなってエンジン1側でのポンピングロスが増大し、エンジンブレーキが大幅に増強されることになる。
Further, as shown in FIG. 5, when it is desired to apply the exhaust brake, both the high-
即ち、通常ポジション、高圧段バイパスポジション、排気絞りポジション、排気ブレーキポジションの四つのポジションに選択的に切り替えて三方弁20を使用することにより、バイパスバルブと排気絞り弁と排気ブレーキの三つの機能を一つの三方弁20で賄うことが可能となり、従来の如く排気系に二つ以上の高価な排気バルブを備えなくて済むことになる。
That is, by selectively switching to the normal position, the high-pressure stage bypass position, the exhaust throttle position, and the exhaust brake position and using the three-
従って、上記形態例によれば、バイパスバルブと排気絞り弁と排気ブレーキの三つの機能を一つの三方弁20で賄うことができ、排気系に必要な排気バルブを一つの三方弁20に集約することができるので、大幅な省スペース化を図ることができて車両への搭載性を改善することができると共に、設備コストの大幅な削減化を図ることもできる。
Therefore, according to the above embodiment, the three functions of the bypass valve, the exhaust throttle valve, and the exhaust brake can be provided by the single three-
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。 It should be noted that the two-stage supercharging system of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the gist 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
7 バイパス配管
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
20 三方弁
21 第一口
22 第二口
23 第三口
24 弁体
A 吸気
G 排気
1
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016004032A JP2017125429A (en) | 2016-01-13 | 2016-01-13 | Two-stage turbocharger system |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2016004032A JP2017125429A (en) | 2016-01-13 | 2016-01-13 | Two-stage turbocharger system |
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JP (1) | JP2017125429A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101942949B1 (en) | 2018-06-08 | 2019-01-28 | 콘티넨탈 오토모티브 시스템 주식회사 | Apparatus and method for controlling electric supercharger |
-
2016
- 2016-01-13 JP JP2016004032A patent/JP2017125429A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR101942949B1 (en) | 2018-06-08 | 2019-01-28 | 콘티넨탈 오토모티브 시스템 주식회사 | Apparatus and method for controlling electric supercharger |
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