JP2017180286A - 2ステージターボシステムおよび2ステージターボシステムの制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
エンジンの排気通路に設置される高圧段タービンを有する高圧段過給機と、
前記排気通路において前記高圧段タービンの下流側に設置される低圧段タービンを有する、前記高圧段過給機より大型の低圧段過給機と、を備える2ステージターボシステムにおいて、
前記低圧段タービンは、
前記低圧段タービンのノズル流路に排ガスを導入するためのスクロール部であって、第1のスクロール通路および第2のスクロール通路の少なくとも2つスクロール通路を有しており、
前記第1のスクロール通路を通過する前記排ガスが導入される前記ノズル流路の第1範囲と、前記第2のスクロール通路を通過する前記排ガスが導入される前記ノズル流路の第2範囲とが、前記ノズル流路の周方向において重複しないように構成される。
前記排気通路は、
前記エンジンと前記高圧段タービンの入口とを接続する高圧段導入通路と、
前記高圧段タービンの出口と前記低圧段タービンの前記第1のスクロール通路とを接続する第1低圧段導入通路と、
前記高圧段タービンを迂回して、前記エンジンと前記低圧段タービンの前記第2のスクロール通路とを接続する第2低圧段導入通路と、を含む。
上記(2)の構成によれば、2ステージターボシステムは、低圧段タービンの第1のスクロール通路には高圧段タービンを通過した排ガスを導入し、第2のスクロール通路には高圧段タービンを通過することなく、低圧段タービンに排ガスを直接導入することが可能に構成される。通常、2ステージターボシステムは、エンジンの回転数が中回転領域以下にある場合には過給のレスポンスの向上のために高圧段過給機を使用して過給を実行する。このような場合など、第1のスクロール通路からノズル流路に排ガスを導入することによって、高圧段タービンを駆動した後の排ガスの流速等をノズル流路に導入する際に高めることができ、2ステージターボシステムの大型の低圧段タービンをより迅速に効率良く回転させることができる。
前記排気通路は、
前記高圧段タービンを迂回して、前記エンジンと前記低圧段タービンの前記第1のスクロール通路とを接続する高圧段バイパス通路と、
前記低圧段タービンを迂回して前記低圧段タービンの上流側と下流側とを連通する低圧段バイパス通路と、をさらに含み、
前記高圧段導入通路、前記第2低圧段導入通路、前記高圧段バイパス通路、および、前記低圧段バイパス通路の各々を通過する前記排ガスの流量の割合を調整可能なバルブ装置と、をさらに含む。
上記(3)の構成によれば、排気通路を形成する各通路(高圧段導入通路、第1低圧段導入通路、第2低圧段導入通路、高圧段バイパス通路)を通過する排ガスの流量の割合をバルブ装置によって調整することができる。これによって、高圧段過給機や低圧段過給機の切り替えや、低圧段過給機のスクロール部におけるスクロール通路の切り替えを行うことができ、エンジンの広範な作動範囲にわたって必要な過給圧を発生させつつ、過給のレスポンスに優れた2ステージターボシステムを提供することができる。
前記バルブ装置は、
前記高圧段導入通路に設置される第1バルブと、
前記第2低圧段導入通路に設置される第2バルブと、
前記高圧段バイパス通路に設置される第3バルブと、
前記低圧段バイパス通路に設置される第4バルブと、を有する。
上記(4)の構成によれば、高圧段導入通路、第1低圧段導入通路、第2低圧段導入通路、高圧段バイパス通路、および、低圧段バイパス通路の各々を通過する排ガスの流量の割合を、それぞれの通路に設けられる複数のバルブによって調整することができる。また、第4バルブによって、低圧段過給機の低圧段コンプレッサの出口側の圧力(ブースト圧)を調整することができ、サージングなどの低圧段過給機の異常運転を防止することができる。
前記バルブ装置は、前記高圧段導入通路、前記第2低圧段導入通路、前記高圧段バイパス通路および前記低圧段バイパス通路の各々を通過する排ガスの流量を調整可能な1つのバルブである。
上記(5)の構成によれば、排気通路を形成する各通路を通過する排ガスの割合を1つのバルブによって調整することができると共に、低圧段過給機の低圧段コンプレッサの出口側の圧力(ブースト圧)を調整することができ、サージングなどの低圧段過給機の異常運転を防止することができる。
前記エンジンの回転数に応じて前記バルブ装置を制御する制御装置をさらに備える。
上記(6)の構成によれば、制御装置がバルブ装置を制御することにより、第1低圧段導入通路、第2低圧段導入通路、高圧段バイパス通路、および、低圧段バイパス通路の各々を通過する排ガスの流量の割合を、エンジンの回転数に応じて適切に調整することができ、2ステージターボシステムの作動モードを実現することができる。
前記制御装置は、前記エンジンの回転数が低回転領域にある場合においては、前記高圧段導入通路を前記排ガスが通過するのを可能とし、前記第2低圧段導入通路、前記高圧段バイパス通路および前記低圧段バイパス通路の各々を前記排ガスが通過するのを不可とするように、前記バルブ装置を制御する。
上記(7)の構成によれば、エンジンの回転数が低回転数領域にある場合には、低圧段タービンの第2のスクロール通路には排ガスを流さず、第1のスクロール通路に高圧段タービンを経由した排ガスを流すよう構成される。これによって、低圧段過給機において、低回転領域における排ガスの流量に応じた適切な容量を確保しつつ、過給のレスポンスを向上することができる。
前記制御装置は、前記エンジンの回転数が中回転領域にある場合においては、前記高圧段導入通路および前記第2低圧段導入通路の各々を前記排ガスが通過するのを可能とし、前記高圧段バイパス通路および前記低圧段バイパス通路の各々を前記排ガスが通過するのを不可とするように、前記バルブ装置を制御する。
上記(8)の構成によれば、エンジンの回転数が中回転数領域にある場合には、低圧段タービンの第1のスクロール通路に高圧段タービンを経由した排ガスを流すと共に、第1のスクロール通路および第2のスクロール通路の両方に排ガスを流すよう構成される。これによって、中回転領域における排ガスの流量に応じた適切な容量を確保しつつ、高圧段過給機および低圧段過給機による過給のレスポンスを向上することができる。
前記制御装置は、前記エンジンの回転数が高回転領域にある場合においては、前記第2低圧段導入通路および前記高圧段バイパス通路の各々を前記排ガスが通過するのを可能とし、前記高圧段導入通路および前記低圧段バイパス通路の各々を前記排ガスが通過するのを不可とするように、前記バルブ装置を制御する。
上記(9)の構成によれば、エンジンの回転数が高回転数領域にある場合には、高圧段タービンに排ガスを流すことなく、低圧段タービンの第1のスクロール通路および第2のスクロール通路の両方に排ガスを流すよう構成される。つまり、高回転領域における排ガスの流量に対して効率の優れた低圧段過給機のみを利用して過給を行う。これによって、低圧段過給機によって大流量の排ガスに応じた適切な過給を行うことができる。
前記制御装置は、前記エンジンの回転数が高回転領域における所定の回転数以上にある場合には、前記第2低圧段導入通路、前記高圧段バイパス通路および前記低圧段バイパス通路の各々を前記排ガスが通過するのを可能とし、前記高圧段導入通路を前記排ガスが通過するのを不可とするように、前記バルブ装置を制御する。
上記(10)の構成によれば、高回転数領域の高回転側にエンジンの回転数がある場合においてブースト圧を適切に調整することができる。
エンジンの排気通路に設置される高圧段タービンを有する高圧段過給機と、前記排気通路において前記高圧段タービンの下流側に設置される低圧段タービンを有する、前記高圧段過給機より大型の低圧段過給機と、を備える上記(6)に記載の2ステージターボシステムの制御方法であって、
前記エンジンの回転数を取得する回転数取得ステップと、
前記エンジンの回転数の回転数領域を判定する領域判定ステップと、
前記エンジンの回転数が低回転領域にある場合においては、前記低圧段過給機の第1のスクロール通路に排ガスが通過するのを可能とし、前記低圧段過給機の第2のスクロール通路に排ガスが流れないようにバルブ装置を制御する低回転時制御ステップと、を備える。
前記エンジンの回転数が中回転領域にある場合においては、低圧段過給機の第1のスクロール通路および前記第2のスクロール通路の両方に排ガスが通過するように前記バルブ装置を制御する中回転時制御ステップを、さらに備える。
上記(12)の構成によれば、エンジンの回転数が中回転領域にある場合の過給のレスポンスを向上することができる。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な設置を表す表現は、厳密にそのような設置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
以下、図1〜図7Dに示される実施形態において制御装置6がバルブ装置5を制御することにより、図8の2ステージターボシステム1の制御方法が実行される場合を例に説明する。このため、制御装置6は、上記の各ステップを実行するための機能部を備える。
2 高圧段過給機
2C 高圧段コンプレッサ
2T 高圧段タービン
2m 高圧段過給機のシャフト
2S 高圧段過給機のスクロール部
3 低圧段過給機
3C 低圧段コンプレッサ
3T 低圧段タービン
3S 低圧段過給機のスクロール部
3m 低圧段過給機のシャフト
31 タービンホイール
31r ホイール収容室
32 低圧段タービンの入口
33 低圧段タービンの出口
34a 第1舌部
34b 第2舌部
Pa 第1のスクロール通路
Pb 第2のスクロール通路
5 バルブ装置
51 第1バルブ
52 第2バルブ
53 第3バルブ
54 第4バルブ
6 制御装置
7 エンジン
8 吸気通路
81 吸気管
82 吸気マニホールド
83 高圧段コンプレッサ迂回通路
84 インタークーラ
85 コンプレッサバイパスバルブ
9 排気通路
91 排気マニホールド
92 高圧段導入通路
93 第1低圧段導入通路
94 第2低圧段導入通路
95 高圧段バイパス通路
96 低圧段バイパス通路
97 低圧段下流通路
M1 第1作動モード(エンジンの低回転領域)
M2 第2作動モード(エンジンの中回転領域)
M3 第3作動モード(エンジンの高回転領域)
M4 第4作動モード(エンジンの高回転領域)
E ノズル流路
Ra 第1範囲
Rb 第2範囲
RL 境界線
C 過給機のコンプレッサ
T 過給機のタービン
m 過給機のシャフト(回転軸)
L 低圧段タービンの回転軸線
N エンジン回転数
Claims (12)
- エンジンの排気通路に設置される高圧段タービンを有する高圧段過給機と、
前記排気通路において前記高圧段タービンの下流側に設置される低圧段タービンを有する、前記高圧段過給機より大型の低圧段過給機と、を備える2ステージターボシステムにおいて、
前記低圧段タービンは、
前記低圧段タービンのノズル流路に排ガスを導入するためのスクロール部であって、第1のスクロール通路および第2のスクロール通路の少なくとも2つスクロール通路を有しており、
前記第1のスクロール通路を通過する前記排ガスが導入される前記ノズル流路の第1範囲と、前記第2のスクロール通路を通過する前記排ガスが導入される前記ノズル流路の第2範囲とが、前記ノズル流路の周方向において重複しないように構成されることを特徴とする2ステージターボシステム。 - 前記排気通路は、
前記エンジンと前記高圧段タービンの入口とを接続する高圧段導入通路と、
前記高圧段タービンの出口と前記低圧段タービンの前記第1のスクロール通路とを接続する第1低圧段導入通路と、
前記高圧段タービンを迂回して、前記エンジンと前記低圧段タービンの前記第2のスクロール通路とを接続する第2低圧段導入通路と、を含むことを特徴とする請求項1に記載の2ステージターボシステム。 - 前記排気通路は、
前記高圧段タービンを迂回して、前記エンジンと前記低圧段タービンの前記第1のスクロール通路とを接続する高圧段バイパス通路と、
前記低圧段タービンを迂回して前記低圧段タービンの上流側と下流側とを連通する低圧段バイパス通路と、をさらに含み、
前記高圧段導入通路、前記第2低圧段導入通路、前記高圧段バイパス通路、および、前記低圧段バイパス通路の各々を通過する前記排ガスの流量の割合を調整可能なバルブ装置と、をさらに含むことを特徴とする請求項2に記載の2ステージターボシステム。 - 前記バルブ装置は、
前記高圧段導入通路に設置される第1バルブと、
前記第2低圧段導入通路に設置される第2バルブと、
前記高圧段バイパス通路に設置される第3バルブと、
前記低圧段バイパス通路に設置される第4バルブと、を有することを特徴とする請求項3に記載の2ステージターボシステム。 - 前記バルブ装置は、前記高圧段導入通路、前記第2低圧段導入通路、前記高圧段バイパス通路および前記低圧段バイパス通路の各々を通過する排ガスの流量を調整可能な1つのバルブであることを特徴とする請求項3に記載の2ステージターボシステム。
- 前記エンジンの回転数に応じて前記バルブ装置を制御する制御装置をさらに備えることを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載の2ステージターボシステム。
- 前記制御装置は、前記エンジンの回転数が低回転領域にある場合においては、前記高圧段導入通路を前記排ガスが通過するのを可能とし、前記第2低圧段導入通路、前記高圧段バイパス通路および前記低圧段バイパス通路の各々を前記排ガスが通過するのを不可とするように、前記バルブ装置を制御することを特徴とする請求項6に記載の2ステージターボシステム。
- 前記制御装置は、前記エンジンの回転数が中回転領域にある場合においては、前記高圧段導入通路および前記第2低圧段導入通路の各々を前記排ガスが通過するのを可能とし、前記高圧段バイパス通路および前記低圧段バイパス通路の各々を前記排ガスが通過するのを不可とするように、前記バルブ装置を制御することを特徴とする請求項6または7に記載の2ステージターボシステム。
- 前記制御装置は、前記エンジンの回転数が高回転領域にある場合においては、前記第2低圧段導入通路および前記高圧段バイパス通路の各々を前記排ガスが通過するのを可能とし、前記高圧段導入通路および前記低圧段バイパス通路の各々を前記排ガスが通過するのを不可とするように、前記バルブ装置を制御することを特徴とする請求項6〜8のいずれか1項に記載の2ステージターボシステム。
- 前記制御装置は、前記エンジンの回転数が高回転領域における所定の回転数以上にある場合には、前記第2低圧段導入通路、前記高圧段バイパス通路および前記低圧段バイパス通路の各々を前記排ガスが通過するのを可能とし、前記高圧段導入通路を前記排ガスが通過するのを不可とするように、前記バルブ装置を制御することを特徴とする請求項9に記載の2ステージターボシステム。
- エンジンの排気通路に設置される高圧段タービンを有する高圧段過給機と、前記排気通路において前記高圧段タービンの下流側に設置される低圧段タービンを有する、前記高圧段過給機より大型の低圧段過給機と、を備える請求項6に記載の2ステージターボシステムの制御方法であって、
前記エンジンの回転数を取得する回転数取得ステップと、
前記エンジンの回転数の回転数領域を判定する領域判定ステップと、
前記エンジンの回転数が低回転領域にある場合においては、前記低圧段過給機の第1のスクロール通路に排ガスが通過するのを可能とし、前記低圧段過給機の第2のスクロール通路に排ガスが流れないようにバルブ装置を制御する低回転時制御ステップと、を備えることを特徴とする2ステージターボシステムの制御方法。 - 前記エンジンの回転数が中回転領域にある場合においては、低圧段過給機の第1のスクロール通路および前記第2のスクロール通路の両方に排ガスが通過するように前記バルブ装置を制御する中回転時制御ステップを、さらに備えることを特徴とする請求項11に記載の2ステージターボシステムの制御方法。
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