JP2018150838A

JP2018150838A - 過給システム及び内燃機関

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Publication number: JP2018150838A
Application number: JP2017046202A
Authority: JP
Inventors: 山下　幸生; Yukio Yamashita; 幸生山下; 祐亮彌城; Yusuke Yashiro; ウィツタージワリヤウェート; Jiwariyavej Vissuta; 拓也小▲柳▼; Takuya Koyanagi
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2018-09-27
Anticipated expiration: 2037-03-10
Also published as: JP6804345B2

Abstract

【課題】過給システム及び内燃機関において、信頼性及び性能の向上を図る。【解決手段】第１コンプレッサ２１及び第１タービン２２を有する第１過給機２０と、同軸上に連結される第２コンプレッサ３１及び第２タービン３２を有する第２過給機３０と、第１コンプレッサ２１と第２コンプレッサ３１とを直列に連結する第２吸気管Ｌ２と、第１タービン２２と第２タービン３２とを直列に連結する第１排気管Ｌ３と、第１コンプレッサ２１の軸端に連結される電動機２３と、第１タービン２２の軸端に連結される発電機２４とを設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、排気タービンから排出される排ガスを用いてコンプレッサを駆動して過給を行う過給システム、この過給システムを備える内燃機関に関するものである。

例えば、自動車に搭載される内燃機関は、燃費向上を図るために過給機が装着されている。この過給機（ターボチャージャ）は、内燃機関から排出される排ガスを利用してタービン及びコンプレッサを駆動することにより、内燃機関に吸気を圧縮供給して内燃機関の出力を向上させるものである。一方で、電動モータによりコンプレッサを駆動することにより、内燃機関に吸気を圧縮供給して内燃機関の出力を向上させる過給機（スーパーチャージャ）もある。

このような過給機としては、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載されたターボコンパウンドシステムの制御装置は、ターボチャージャとタービン発電機とを備えたものである。

特開２０１５−１０８３３０号公報

上述した従来の内燃機関のターボコンパウンドシステムの制御装置は、ターボチャージャとタービン発電機とを備えている。この場合、タービン発電機は、自身の発熱により性能が低下したり、破損したりするおそれがある。また、タービン発電機は、高温の排気により駆動するタービンに直結されることで、排気熱によっても高温となり、性能が低下したり、破損したりするおそれがある。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、信頼性及び性能の向上を図る過給システム及び内燃機関を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の過給システムは、第１コンプレッサ及び第１タービンを有する第１過給機と、同軸上に連結される第２コンプレッサ及び第２タービンを有する第２過給機と、前記第１コンプレッサと前記第２コンプレッサとが直列に連結される吸気ラインと、前記第１タービンと前記第２タービンとが直列に連結される排気ラインと、前記第１コンプレッサの軸端に連結される電動機と、前記第１タービンの軸端に連結される発電機と、を備えることを特徴とするものである。

従って、電動機を有する第１コンプレッサ及び発電機を有する第１タービンとから構成される第１過給機と、同軸上に連結される第２コンプレッサ及び第２タービンからなる第２過給機を吸気ライン及び排気ラインにより直列に連結することで、運転状態に応じて電動機と発電機の作動と停止を制御し、第２過給機だけの作動により過給を実施することができる。その結果、第１過給機の信頼性を向上することができると共に、性能を向上することができる。

本発明の過給システムでは、前記吸気ラインは、空気の流れ方向の上流側が前記第１コンプレッサの吐出側に連結され、空気の流れ方向の下流側が前記第２コンプレッサの吸入側に連結され、前記排気ラインは、排気の流れ方向の上流側が前記第２タービンの排出側に連結され、排気の流れ方向の下流側が前記第１タービンの流入側に連結されることを特徴としている。

従って、第１コンプレッサを第２コンプレッサより吸気の上流側に配置し、第１タービンを第２タービンより排気の下流側に配置することで、電動機と発電機をエンジンから離間した位置に配置することができ、特に、エンジンの熱による電動機や発電機の高温化が抑制され、第１過給機の耐久性を向上することができる。

本発明の過給システムでは、前記吸気ラインは、空気の流れ方向の上流側が前記第２コンプレッサの吐出側に連結され、空気の流れ方向の下流側が前記第１コンプレッサの吸入側に連結され、前記排気ラインは、排気の流れ方向の上流側が前記第１タービンの排出側に連結され、排気の流れ方向の下流側が前記第２タービンの流入側に連結されることを特徴としている。

従って、第１コンプレッサを第２コンプレッサより吸気の下流側に配置し、第１タービンを第２タービンより排気の上流側に配置することで、第２コンプレッサにおける吸気抵抗が減少し、比較的高い過給圧を確保することができる。また、第１コンプレッサとエンジンとの距離が短くなり、過給の必要時に迅速に圧縮空気をエンジンに供給することができ、ターボラグの発生を抑制することができる。

本発明の過給システムでは、前記吸気ラインは、空気の流れ方向の上流側が前記第２コンプレッサの吐出側に連結され、空気の流れ方向の下流側が前記第１コンプレッサの吸入側に連結され、前記排気ラインは、排気の流れ方向の上流側が前記第２タービンの排出側に連結され、排気の流れ方向の下流側が前記第１タービンの流入側に連結されることを特徴としている。

従って、第１コンプレッサを第２コンプレッサより吸気の下流側に配置し、第１タービンを第２タービンより排気の下流側に配置することで、第２コンプレッサにおける吸気抵抗が減少すると共に、エンジンからの排気により直接第２タービンを駆動するため、高い過給圧を確保することができる。また、第１コンプレッサとエンジンとの距離が短くなり、過給の必要時に迅速に圧縮空気をエンジンに供給することができ、ターボラグの発生を抑制することができる。更に、発電機をエンジンから離間した位置に配置することができ、エンジンの熱による発電機の高温化が抑制され、耐久性を向上することができる。

本発明の過給システムでは、前記吸気ラインは、空気の流れ方向の上流側が前記第１コンプレッサの吐出側に連結され、空気の流れ方向の下流側が前記第２コンプレッサの吸入側に連結され、前記排気ラインは、排気の流れ方向の上流側が前記第１タービンの排出側に連結され、排気の流れ方向の下流側が前記第２タービンの流入側に連結されることを特徴としている。

従って、第１コンプレッサを第２コンプレッサより吸気の上流側に配置し、第１タービンを第２タービンより排気の上流側に配置することで、電動機をエンジンから離間した位置に配置することができ、エンジンの熱による電動機の高温化が抑制され、第１過給機の耐久性を向上することができる。また、エンジンからの排気により直接第１タービンを駆動するため、高い過給圧を確保することができる。

本発明の過給システムでは、前記第１コンプレッサをバイパスさせるバイパス吸気ラインと、前記バイパス吸気ラインに設けられる吸気開閉弁と、前記第１タービンをバイパスさせるバイパス排気ラインと、前記バイパス排気ラインに設けられる排気開閉弁とが設けられることを特徴としている。

従って、エンジンの運転状態に応じて吸気開閉弁や排気開閉弁を開閉することで、過給効率を向上することができると共に、発電機による発電効率を向上することができる。

本発明の過給システムでは、前記第１タービンをバイパスさせるバイパス排気ラインが設けられ、前記バイパス排気ラインの排気の流れ方向の上流側が前記第２タービンのハウジング内で排気ラインに連結されることを特徴としている。

従って、バイパス排気ラインの上流側を第２タービンのハウジング内で排気ラインに連結することで、バイパス排気ラインを発電機から離間して配置することができ、排気の熱による発電機の高温化が抑制され、耐久性を向上することができる。

本発明の過給システムでは、前記第１タービンをバイパスさせるバイパス排気ラインが設けられ、前記バイパス排気ラインの排気の流れ方向の上流側が前記第１タービンのハウジング外で排気流入ラインに連結されることを特徴としている。

従って、バイパス排気ラインの上流側を第１タービンのハウジング外で排気流入ラインに連結することで、バイパス排気ラインを発電機から離間して配置することができ、排気の熱による発電機の高温化が抑制され、耐久性を向上することができる。

本発明の過給システムでは、前記第２コンプレッサの動作域が前記第１コンプレッサの動作域よりも広く設定されることを特徴としている。

従って、第１コンプレッサの動作域を狭く設定して小容量化することで、エンジン運転状態に応じて必要時だけ第１コンプレッサを駆動すればよく、第１コンプレッサを小型化することができる。

本発明の過給システムでは、前記発電機の容積が前記電動機の容積より大きく設定されることを特徴とするものである。

従って、発電機の容積が電動機の容積より大きく設定されることで、発電機出力が電動機出力より大きなものとなり、発生した余剰電力を他の電気設備などに使用することができる。

また、本発明の内燃機関は、前記過給システムを備えることを特徴とするものである。

従って、第１過給機の信頼性を向上することができると共に、性能を向上することができる。

本発明の過給システム及び内燃機関によれば、第１過給機の信頼性を向上することができると共に、性能を向上することができる。

図１は、第１実施形態の過給システムを表す概略構成図である。図２は、第１過給機と第２過給機の動作域を表すグラフである。図３は、第２実施形態の過給システムを表す概略構成図である。図４は、第３実施形態の過給システムを表す概略構成図である。図５は、第４実施形態の過給システムを表す概略構成図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る過給システム及び内燃機関の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の過給システムを表す概略構成図である。

図１に示すように、第１実施形態の過給システム１０において、エンジン（内燃機関）１１は、図示しないが、エンジン本体に複数のシリンダが形成され、各シリンダにピストンがそれぞれ上下移動自在に支持されており、各ピストンは、下部がクランクシャフトにそれぞれ連結されている。エンジン本体は、各シリンダの上方に燃焼室がそれぞれ形成されており、各燃焼室の上部に吸気ポート及び排気ポートがそれぞれ形成され、吸気ポートに吸気弁が設けられ、排気ポートに排気弁が設けられている。

エンジン１１は、エンジン本体の一側部に吸気マニホールド１２が装着され、他側部に排気マニホールド１３が装着されている。吸気マニホールド１２は、各吸気ポートを介して燃焼室にそれぞれ連通し、排気マニホールド１３は、各排気ポートを介して燃焼室に連通している。また、エンジン本体は、吸気ポートや燃焼室に燃料を噴射するインジェクタがそれぞれ設けられている。

第１過給機２０は、電動式の低圧過給機であって、第１コンプレッサ２１と第１タービン２２とを有し、第１コンプレッサ２１の回転軸に電動機２３が接続され、第１タービン２２の回転軸に発電機２４が接続されて構成されている。第１コンプレッサ２１は、吸入側に外部から空気を吸入する第１吸気管（空気取込ライン）Ｌ１の下流側端部が連結され、吐出側に圧縮空気を吐出する第２吸気管（吸気ライン）Ｌ２の上流側端部が連結されている。第１タービン２２は、流入側に第１排気管（排気ライン）Ｌ３の下流側端部が連結され、排出側に排気ガスを外部に排出する第２排気管（排気排出ライン）Ｌ４の上流側端部が連結されている。

また、第１コンプレッサ２１を迂回するバイパス吸気管（バイパス吸気ライン）Ｌ５は、空気の流れ方向の上流側の基端部が第１吸気管Ｌ１に連結され、空気の流れ方向の下流側の先端部が第２吸気管Ｌ２に連結されている。第１タービン２２を迂回するバイパス排気管（バイパス排気ライン）Ｌ６は、排気の流れ方向の上流側の基端部が第１排気管Ｌ３に連結され、排気の流れ方向の下流側の先端部が第２排気管Ｌ４に連結されている。そして、バイパス吸気管Ｌ５は、吸気開閉弁４１が設けられ、バイパス排気管Ｌ６は、排気開閉弁４２が設けられている。この吸気開閉弁４１と排気開閉弁４２は、全開位置と全閉位置で停止する開閉弁、または、開度を調整可能な流量調整弁である。

第２過給機３０は、排気式の高圧過給機であって、第２コンプレッサ３１と第２タービン３２が回転軸３３を介して同軸上に連結されて構成されており、第２コンプレッサ３１と第２タービン３２は、回転軸３３により一体回転することができる。第２コンプレッサ３１は、吸入側に第１過給機２０の第１コンプレッサ２１から圧縮空気が供給される第１吸気管Ｌ１の下流側端部が連結され、吐出側にエンジン１１の吸気マニホールド１２に至る第３吸気管（空気吐出ライン）Ｌ７の上流側端部が連結されている。第２タービン３２は、流入側にエンジン１１の排気マニホールド１３に至る第３排気管（排気流入ライン）Ｌ８の下流側端部が連結され、排出側に第１過給機２０の第１タービン２２に排気を供給する第１排気管Ｌ３の上流側端部が連結されている。そして、第３吸気管Ｌ７は、インタークーラ４３が設けられている。

また、電動機２３と発電機２４は、ＡＣ／ＤＣ／ＡＣコンバータ（以下、変換器と称する。）２５，２６がそれぞれ接続され、この変換器２５，２６に蓄電器（バッテリ）２７が接続されている。この場合、電動機２３と発電機２４は、共用の変換器を設けたり、それぞれ専用の蓄電器を設けたりしてもよい。

この場合、第１過給機２０は、第１コンプレッサ２１と電動機２３がコンプレッサハウジング５１に収容され、第１タービン２２と発電機２４は、タービンハウジング５２に収容されている。また、第２過給機３０は、第２コンプレッサ３１と第２タービン３２と回転軸３３が過給機ハウジング５３に収容されている。

そして、第１コンプレッサ２１にて、第１吸気管Ｌ１と第２吸気管Ｌ２は、コンプレッサハウジング５１の吸入部と吐出部にそれぞれ連結されている。バイパス吸気管Ｌ５は、基端部がコンプレッサハウジング５１の外部（または、内部）で第１吸気管Ｌ１に連結され、先端部が過給機ハウジング５３の内部で第２コンプレッサ３１の吸入部、または、過給機ハウジング５３における第２吸気管Ｌ２の連結部に連結されている。また、第１タービン２２にて、第１排気管Ｌ３と第２排気管Ｌ４は、タービンハウジング５２の流入部と排出部にそれぞれ連結されている。バイパス排気管Ｌ６は、基端部が過給機ハウジング５３の内部で第２タービン３２の排出部、または、第１排気管Ｌ３の連結部に連結され、先端部がタービンハウジング５２の外部（または、内部）で第２排気管Ｌ４に連結されている。

そのため、第１過給機２０は、電動機２３により第１コンプレッサ２１が駆動回転すると、第１吸気管Ｌ１から吸入した空気を圧縮した後、この圧縮空気を第２吸気管Ｌ２から第２過給機３０の第２コンプレッサ３１を通り、吸気マニホールド１２からエンジン１１の燃焼室に供給することができる。エンジン１１は、排気ガス（燃焼ガス）を排気マニホールド１３に排出し、第２過給機３０は、第２タービン３２がこの排気マニホールド１３から第３排気管Ｌ８を通して供給された排気ガスにより駆動回転し、第２コンプレッサ３１を駆動回転する。第２コンプレッサ３１は、駆動回転することで第１過給機２０からの圧縮空気を更に圧縮し、この圧縮空気を第３吸気管Ｌ７から吸気マニホールド１２を通してエンジン１１の燃焼室に供給することができる。第１過給機２０は、第１タービン２２が第２タービン３２から第１排気管Ｌ３を通して供給された排気ガスにより駆動回転し、発電機２４を駆動することができる。第１タービン２２を通った排気ガスは、第２排気管Ｌ４から外部に排出される。

このとき、蓄電器２７は、蓄電されている電力を変換器２５により変換して電動機２３に供給可能であり、電動機２３が駆動することができる。また、蓄電器２７は、発電機２４が発電した電力を変換器２６により変換して蓄電することができる。また、吸気開閉弁４１を開放すると、バイパス吸気管Ｌ５により第１過給機２０の第１コンプレッサ２１を迂回して第２過給機３０の第２コンプレッサ３１に直接吸気することができる。更に、排気開閉弁４２を開放すると、バイパス排気管Ｌ６により第１過給機２０の第１タービン２２を迂回して第２過給機３０の第２タービン３２からの排気を直接排出することができる。図示しない制御装置は、エンジン１１の運転状態（負荷や回転数など）に応じてこの吸気開閉弁４１及び排気開閉弁４２を開閉制御可能となっている。

また、第１過給機２０は、電動式の低圧過給機であり、第２過給機３０は、排気式の高圧過給機である。図２は、第１過給機と第２過給機の動作域を表すグラフである。図２に示すように、第２コンプレッサ３１の動作域が第１コンプレッサ２１の動作域よりも広く設定されている。即ち、第１コンプレッサ２１及び第２コンプレッサ３１における流量に対する圧力比を比較すると、第１コンプレッサ２１は、大流量で高圧力比の動作域Ａ２が設定され、第２コンプレッサ３１は、小流量で低圧力比の動作域Ａ１が設定される。具体的には、コンプレッサの翼径、吸入口面積、吐出口面積などが、第２コンプレッサ３１に比べて第１コンプレッサ２１の方が小さく設定される。

ここで、第１実施形態の過給システム１０の作動について説明する。

本実施形態の過給システム１０において、図１に示すように、エンジン１１が始動し、エンジン１１の要求負荷が上昇すると、吸気開閉弁４１を閉止する一方、排気開閉弁４２を開放し、第１過給機２０の電動機２３を駆動して第１コンプレッサ２１を駆動回転する。すると、電動機２３により第１コンプレッサ２１が駆動回転することで第１吸気管Ｌ１から空気が吸入され、この第１コンプレッサ２１が空気を圧縮した後、この圧縮空気が第２吸気管Ｌ２から第２過給機３０の第２コンプレッサ３１に通して吸気マニホールド１２からエンジン１１の燃焼室に供給される。エンジン１１は、各燃焼室で燃料と圧縮空気の混合気に点火して燃焼することで駆動し、排気ガスが排気マニホールド１３に排出される。排気マニホールド１３から第３排気管Ｌ８に排出された排気ガスは、第２過給機３０の第２タービン３２を駆動回転し、第２コンプレッサ３１を駆動回転する。第２コンプレッサ３１が駆動回転すると、第１過給機２０からの圧縮空気を更に圧縮し、この圧縮空気を第３吸気管Ｌ７から吸気マニホールド１２を通してエンジン１１の燃焼室に供給する。第２タービン３２を駆動回転した排気ガスは、第１排気管Ｌ３から主にバイパス排気管Ｌ６を通して第２排気管Ｌ４に排気され、外部に排出される。そのため、エンジン１１の始動時に、第１過給機２０の第１タービン２２は回転を停止している。

このとき、電動機２３の回転数が増加することで、第１コンプレッサ２１の回転数が増加し、吸気量及び排気ガス量が増加するために第２過給機３０の回転数が徐々に増加する。その後、第１過給機２０の第１コンプレッサ２１の回転数が一定となり、エンジン負荷が所定値となると、電動機２３の駆動を停止し、第１コンプレッサ２１の回転が停止する。ここで、吸気開閉弁４１を開放することで、第２過給機３０の第２コンプレッサ３１は、バイパス吸気管Ｌ５を通して空気を吸入し、第２コンプレッサ３１だけが駆動して空気を圧縮することとなる。

エンジン負荷が予め設定されて所定値を超えると、排気開閉弁４２が閉じられ、第２タービン３２からの排気ガスが第１排気管Ｌ３を通って第１タービン２２に導入される。すると、この排気ガスにより第１タービン２２が駆動回転し、発電機２４が駆動回転を開始することで発電を行う。その後、エンジン１１の要求負荷が低下すると、エンジン１１からの排気ガス量が減少し、第１タービン２２及び第２過給機３０の回転数が低下し、エンジン負荷も低下する。そして、発電機２４の回転が停止すると、排気開閉弁４２を開放し、第２タービン３２を駆動回転した排気ガスは、第１排気管Ｌ３からバイパス排気管Ｌ６を通して外部に排出される。その後、エンジン１１が停止する。

このように第１実施形態の過給システムにあっては、第１コンプレッサ２１及び第１タービン２２を有する第１過給機２０と、同軸上に連結される第２コンプレッサ３１及び第２タービン３２を有する第２過給機３０と、第１コンプレッサ２１と第２コンプレッサ３１とを直列に連結する第２吸気管Ｌ２と、第１タービン２２と第２タービン３２とを直列に連結する第１排気管Ｌ３と、第１コンプレッサ２１の軸端に連結される電動機２３と、第１タービン２２の軸端に連結される発電機２４とを設けている。

従って、電動機２３を有する第１コンプレッサ２１及び発電機２４を有する第１タービン２２とから構成される第１過給機２０と、同軸上に連結される第２コンプレッサ３１及び第２タービン３２からなる第２過給機３０を、第２吸気管Ｌ２及び第１排気管Ｌ３により直列に連結することで、エンジン１１の運転状態に応じて電動機２３と発電機２４の作動と停止を制御し、第２過給機３０だけの作動により過給を実施することができる。その結果、第１過給機２０の信頼性を向上することができると共に、性能を向上することができる。

第１実施形態の過給システムでは、第２吸気管Ｌ２は、空気の流れ方向の上流側が第１コンプレッサ２１の吐出側に連結され、空気の流れ方向の下流側が第２コンプレッサ３１の吸入側に連結され、第１排気管Ｌ３は、排気の流れ方向の上流側が第２タービン３２の排出側に連結され、下流側が第１タービン２２の流入側に連結される。従って、第１コンプレッサ２１を第２コンプレッサ３１より吸気の上流側に配置し、第１タービン２２を第２タービン３２より排気の下流側に配置することで、電動機２３と発電機２４をエンジン１１から離間した位置に配置することができ、特に、エンジン１１の熱による電動機２３や発電機２４の高温化が抑制され、第１過給機２０の耐久性を向上することができる。

第１実施形態の過給システムでは、第１コンプレッサ２１をバイパスさせるバイパス吸気管Ｌ５と、バイパス吸気管Ｌ５に設けられる吸気開閉弁４１と、第１タービン２２をバイパスさせるバイパス排気管Ｌ６と、バイパス排気管Ｌ６に設けられる排気開閉弁４２とを設けている。従って、エンジン１１の運転状態に応じて吸気開閉弁４１や排気開閉弁４２を開閉することで、過給効率を向上することができると共に、発電機２４による発電効率を向上することができる。

第１実施形態の過給システムでは、バイパス排気管Ｌ６の排気の流れ方向の上流側を第２タービン３２の過給機ハウジング５３内で第１排気管Ｌ３に連結している。従って、バイパス排気管Ｌ６を発電機２４から離間して配置することができ、排気の熱による発電機２４の高温化が抑制され、耐久性を向上することができる。

第１実施形態の過給システムでは、第２コンプレッサ３１の動作域を第１コンプレッサ２１の動作域よりも広く設定している。従って、第１コンプレッサ２１の動作域を狭く設定して小容量化することで、エンジン運転状態に応じて必要時だけ第１コンプレッサ２１を駆動すればよく、第１コンプレッサ２１を小型化することができる。

また、第１実施形態の内燃機関にあっては、上述した過給システムを備えている。従って、第１過給機２０の信頼性を向上することができると共に、性能を向上することができる。

［第２実施形態］
図３は、第２実施形態の過給システムを表す概略構成図である。なお、上述した実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図３に示すように、第２実施形態の過給システム１０Ａにおいて、第２過給機３０は、第２コンプレッサ３１と第２タービン３２が回転軸３３を介して同軸上に連結されて構成されている。第２コンプレッサ３１は、吸入側に外部から空気を吸入する第１吸気管Ｌ１の下流側端部が連結され、吐出側に圧縮空気を吐出する第２吸気管Ｌ２の上流側端部が連結されている。第２タービン３２は、流入側に第１排気管Ｌ３の下流側端部が連結され、排出側に排気ガスを外部に排出する第２排気管Ｌ４の上流側端部が連結されている。

第１過給機２０は、第１コンプレッサ２１と第１タービン２２とを有し、第１コンプレッサ２１の回転軸に電動機２３が接続され、第１タービン２２の回転軸に発電機２４が接続されて構成されている。第１コンプレッサ２１は、吸入側に第２過給機３０の第２コンプレッサ３１から圧縮空気が供給される第２吸気管Ｌ２の下流側端部が連結され、吐出側にエンジン１１の吸気マニホールド１２に至る第３吸気管Ｌ７の上流側端部が連結されている。第１タービン２２は、流入側にエンジン１１の排気マニホールド１３に至る第３排気管Ｌ８の下流側端部が連結され、排出側に第２過給機３０の第２タービン３２に排気を供給する第１排気管Ｌ３の上流側端部が連結されている。

また、第１コンプレッサ２１を迂回するバイパス吸気管Ｌ５は、空気の流れ方向の上流側の基端部が第２吸気管Ｌ２に連結され、空気の流れ方向の下流側の先端部が第３吸気管Ｌ７に連結されている。第１タービン２２を迂回するバイパス排気管Ｌ６は、排気の流れ方向の上流側の基端部が第３排気管Ｌ８に連結され、排気の流れ方向の下流側の先端部が第１排気管Ｌ３に連結されている。そして、バイパス吸気管Ｌ５は、吸気開閉弁４１が設けられ、バイパス排気管Ｌ６は、排気開閉弁４２が設けられている。

また、電動機２３と発電機２４は、変換器２５，２６がそれぞれ接続され、この変換器２５，２６に蓄電器２７が接続されている。

そして、第１コンプレッサ２１にて、バイパス吸気管Ｌ５は、基端部がコンプレッサハウジング５１の内部で第１コンプレッサ２１の吸入部、または、第２吸気管Ｌ２の連結部に連結され、先端部がコンプレッサハウジング５１の外部で第３吸気管Ｌ７に連結されている。また、第１タービン２２にて、バイパス排気管Ｌ６は、基端部がタービンハウジング５２の外部で第３排気管Ｌ８に連結され、先端部がタービンハウジング５２の内部で第１タービン２２の排出部、または、第１排気管Ｌ３の連結部に連結されている。

そのため、第１過給機２０は、電動機２３により第１コンプレッサ２１が駆動回転すると、第１吸気管Ｌ１及び第２吸気管Ｌ２から吸入した空気を圧縮した後、この圧縮空気を第３吸気管Ｌ７により吸気マニホールド１２からエンジン１１の燃焼室に供給することができる。エンジン１１は、排気ガス（燃焼ガス）を排気マニホールド１３に排出し、第２過給機３０は、第２タービン３２がこの排気マニホールド１３から第３排気管Ｌ８及び第１排気管Ｌ３を通して供給された排気ガスにより駆動回転し、第２コンプレッサ３１を駆動回転する。第２コンプレッサ３１は、駆動回転することで第１吸気管Ｌ１から吸入した空気を圧縮し、この圧縮空気を第２吸気管Ｌ２から第１コンプレッサ２１に供給することができる。第１過給機２０は、第１タービン２２がエンジン１１の排気マニホールド１３から排出された排気ガスにより駆動回転し、発電機２４を駆動することができる。第２タービン３２を通った排気ガスは、第２排気管Ｌ４から外部に排出される。

このとき、蓄電器２７は、蓄電されている電力を変換器２５により変換して電動機２３に供給可能であり、電動機２３が駆動することができる。また、蓄電器２７は、発電機２４が発電した電力を変換器２６により変換して蓄電することができる。また、吸気開閉弁４１を開放すると、バイパス吸気管Ｌ５により第１過給機２０の第１コンプレッサ２１を迂回して第２過給機３０の第２コンプレッサ３１が圧縮した空気を直接エンジン１１に供給することができる。更に、排気開閉弁４２を開放すると、バイパス排気管Ｌ６により第１過給機２０の第１タービン２２を迂回してエンジン１１からの排気を第２過給機３０の第２タービン３２に直接供給することができる。

このように第２実施形態の過給システムにあっては、第２吸気管Ｌ２は、空気の流れ方向の上流側が第２コンプレッサ３１の吐出側に連結され、空気の流れ方向の下流側が第１コンプレッサ２１の吸入側に連結され、第１排気管Ｌ３は、排気の流れ方向の上流側が第１タービン２２の排出側に連結され、下流側が第２タービン３２の流入側に連結されている。

従って、第１コンプレッサ２１を第２コンプレッサ３１より吸気の下流側に配置し、第１タービン２２を第２タービン３２より排気の上流側に配置することで、第２コンプレッサ３１における吸気抵抗が減少し、比較的高い過給圧を確保することができる。また、第１コンプレッサ２１とエンジン１１との距離が短くなり、過給の必要時に第１コンプレッサ２１を駆動して迅速に圧縮空気をエンジン１１に供給することができ、ターボラグの発生を抑制することができる。

第２実施形態の過給システムでは、バイパス排気管Ｌ６の排気の流れ方向の上流側を第１タービン２２のタービンハウジング５２の外部で第３排気管Ｌ８に連結している。従って、バイパス排気管Ｌ６を発電機２４から離間して配置することができ、排気の熱による発電機２４の高温化が抑制され、耐久性を向上することができる。

［第３実施形態］
図４は、第３実施形態の過給システムを表す概略構成図である。なお、上述した実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図４に示すように、第３実施形態の過給システム１０Ｂにおいて、第２過給機３０は、第２コンプレッサ３１と第２タービン３２が回転軸３３を介して同軸上に連結されて構成されている。第２コンプレッサ３１は、吸入側に外部から空気を吸入する第１吸気管Ｌ１の下流側端部が連結され、吐出側に圧縮空気を吐出する第２吸気管Ｌ２の上流側端部が連結されている。第２タービン３２は、流入側にエンジン１１の排気マニホールド１３に至る第３排気管Ｌ８の下流側端部が連結され、排出側に第２過給機３０の第２タービン３２に排気を供給する第１排気管Ｌ３の上流側端部が連結されている。

第１過給機２０は、第１コンプレッサ２１と第１タービン２２とを有し、第１コンプレッサ２１の回転軸に電動機２３が接続され、第１タービン２２の回転軸に発電機２４が接続されて構成されている。第１コンプレッサ２１は、吸入側に第２過給機３０の第２コンプレッサ３１から圧縮空気が供給される第２吸気管Ｌ２の下流側端部が連結され、吐出側にエンジン１１の吸気マニホールド１２に至る第３吸気管Ｌ７の上流側端部が連結されている。第１タービン２２は、流入側に第２過給機３０の第２タービン３２からの第１排気管Ｌ３の下流側端部が連結され、排出側に排気ガスを外部に排出する第２排気管Ｌ４の上流側端部が連結されている。

また、第１コンプレッサ２１を迂回するバイパス吸気管Ｌ５は、空気の流れ方向の上流側の基端部が第２吸気管Ｌ２に連結され、空気の流れ方向の下流側の先端部が第３吸気管Ｌ７に連結されている。第１タービン２２を迂回するバイパス排気管Ｌ６は、排気の流れ方向の上流側の基端部が第１排気管Ｌ３に連結され、排気の流れ方向の下流側の先端部が第２排気管Ｌ４に連結されている。そして、バイパス吸気管Ｌ５は、吸気開閉弁４１が設けられ、バイパス排気管Ｌ６は、排気開閉弁４２が設けられている。

そして、第１コンプレッサ２１にて、バイパス吸気管Ｌ５は、基端部がコンプレッサハウジング５１の内部で第２コンプレッサ３１の吸入部、または、第２吸気管Ｌ２の連結部に連結され、先端部がコンプレッサハウジング５１の外部で第３吸気管Ｌ７に連結されている。また、第１タービン２２にて、バイパス排気管Ｌ６は、基端部が過給機ハウジング５３の内部で第２タービン３２の排出部、または、第１排気管Ｌ３の連結部に連結され、先端部が第２排気管Ｌ４に連結されている。

このように第３実施形態の過給システムにあっては、第２吸気管Ｌ２は、空気の流れ方向の上流側が第２コンプレッサ３１の吐出側に連結され、空気の流れ方向の下流側が第１コンプレッサ２１の吸入側に連結され、第１排気管Ｌ３は、排気の流れ方向の上流側が第２タービン３２の排出側に連結され、下流側が第１タービン２２の流入側に連結されている。

従って、第１コンプレッサ２１を第２コンプレッサ３１より吸気の下流側に配置し、第１タービン２２を第２タービン３２より排気の下流側に配置することで、第２コンプレッサ３１における吸気抵抗が減少すると共に、エンジン１１からの排気により直接第２タービン３２を駆動するため、高い過給圧を確保することができる。また、第１コンプレッサ２１とエンジン１１との距離が短くなり、過給の必要時にエンジン１１に迅速に圧縮空気を供給することができ、ターボラグの発生を抑制することができる。更に、発電機２４をエンジン１１から離間した位置に配置することができ、エンジン１１の熱による発電機２４の高温化が抑制され、耐久性を向上することができる。

［第４実施形態］
図５は、第４実施形態の過給システムを表す概略構成図である。なお、上述した実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図５に示すように、第４実施形態の過給システム１０Ｃにおいて、第１過給機２０は、第１コンプレッサ２１と第１タービン２２とを有し、第１コンプレッサ２１の回転軸に電動機２３が接続され、第１タービン２２の回転軸に発電機２４が接続されて構成されている。第１コンプレッサ２１は、吸入側に外部から空気を吸入する第１吸気管Ｌ１の下流側端部が連結され、吐出側に圧縮空気を吐出する第２吸気管Ｌ２の上流側端部が連結されている。第１タービン２２は、流入側にエンジン１１の排気マニホールド１３に至る第３排気管Ｌ８の下流側端部が連結され、排出側に第２過給機３０の第２タービン３２に排気を供給する第１排気管Ｌ３の上流側端部が連結されている。

第２過給機３０は、第２コンプレッサ３１と第２タービン３２が回転軸３３を介して同軸上に連結されて構成されている。第２コンプレッサ３１は、吸入側に第１過給機２０の第１コンプレッサ２１から圧縮空気が供給される第２吸気管Ｌ２の下流側端部が連結され、吐出側にエンジン１１の吸気マニホールド１２に至る第３吸気管Ｌ７の上流側端部が連結されている。第２タービン３２は、流入側に第１排気管Ｌ３の下流側端部が連結され、排出側に排気ガスを外部に排出する第２排気管Ｌ４の上流側端部が連結されている。

また、第１コンプレッサ２１を迂回するバイパス吸気管Ｌ５は、空気の流れ方向の上流側の基端部が第１吸気管Ｌ１に連結され、空気の流れ方向の下流側の先端部が第２吸気管Ｌ２に連結されている。第１タービン２２を迂回するバイパス排気管Ｌ６は、排気の流れ方向の上流側の基端部が第３排気管Ｌ８に連結され、排気の流れ方向の下流側の先端部が第１排気管Ｌ３に連結されている。そして、バイパス吸気管Ｌ５は、吸気開閉弁４１が設けられ、バイパス排気管Ｌ６は、排気開閉弁４２が設けられている。

そして、第１コンプレッサ２１にて、バイパス吸気管Ｌ５は、基端部がコンプレッサハウジング５１の外部で第１吸気管Ｌ１に連結され、先端部がコンプレッサハウジング５１の外部で第２吸気管Ｌ２に連結されている。また、第１タービン２２にて、バイパス排気管Ｌ６は、基端部がタービンハウジング５２の外部で第３排気管Ｌ８に連結され、先端部がタービンハウジング５２の内部で第１タービン２２の排出部、または、第１排気管Ｌ３の連結部に連結されている。

このように第４実施形態の過給システムにあっては、第２吸気管Ｌ２は、空気の流れ方向の上流側が第１コンプレッサ２１の吐出側に連結され、空気の流れ方向の下流側が第２コンプレッサ３１の吸入側に連結され、第１排気管Ｌ３は、排気の流れ方向の上流側が第１タービン２２の排出側に連結され、下流側が第２タービン３２の流入側に連結されている。

従って、第１コンプレッサ２１を第２コンプレッサ３１より吸気の上流側に配置し、第１タービン２２を第２タービン３２より排気の上流側に配置することで、電動機２３をエンジン１１から離間した位置に配置することができ、エンジン１１の熱による電動機２３の高温化が抑制され、第１過給機２０の耐久性を向上することができる。また、エンジン１１からの排気により直接第１タービン２２を駆動するため、高い過給圧を確保することができ、また、第１タービン２２の発電機２４の発電量が第１コンプレッサ２１の電動機２３の消費電力量より大きくなることから、余剰電力を他の電気設備などに使用することができる。

この場合、第１タービン２２の発電機２４の容積を第１コンプレッサ２１の電動機２３の容積より大きく設定することで、発電機２４の発電量を電動機２３の消費電力量より大きくすることができ、より多くの余剰電力を回収することができると共に、発電機２４の発熱を抑制して効率を向上することができる。

なお、上述した実施形態では、第１過給機２０にて、第１コンプレッサ２１に対してバイパス吸気管Ｌ５を設け、第１タービン２２に対してバイパス排気管Ｌ６を設けたが、いずれか一方だけに設けてもよい。また、第２過給機３０の第２コンプレッサ３１に対してバイパス吸気管を設けたり、第２タービン３２に対してバイパス排気管を設けたりしてもよい。

また、上述した実施形態にて、吸気ラインに第１コンプレッサ２１や第２コンプレッサ３１を並列に設けたり、排気ラインに第１タービン２２や第２タービン３２を並列に設けたりしてもよい。

また、上述した実施形態にて、第２タービンを可変容量式ターボとしてもよい。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ過給システム
１１エンジン（内燃機関）
２０第１過給機
２１第１コンプレッサ
２２第１タービン
２３電動機
２４発電機
２５，２６ＡＣ／ＤＣ／ＡＣコンバータ（変換器）
２７蓄電器
３０第２過給機
３１第２コンプレッサ
３２第２タービン
３３回転軸
４１吸気開閉弁
４２排気開閉弁
４３インタークーラ
５１コンプレッサハウジング
５２タービンハウジング
５３過給機ハウジング
Ｌ１第１吸気管（空気取込ライン）
Ｌ２第２吸気管（吸気ライン）
Ｌ３第１排気管（排気ライン）
Ｌ４第２排気管（排気排出ライン）
Ｌ５バイパス吸気管（バイパス吸気ライン）
Ｌ６バイパス排気管（バイパス排気ライン）
Ｌ７第３吸気管（空気吐出ライン）
Ｌ８第３排気管（排気流入ライン）

Claims

第１コンプレッサ及び第１タービンを有する第１過給機と、
同軸上に連結される第２コンプレッサ及び第２タービンを有する第２過給機と、
前記第１コンプレッサと前記第２コンプレッサとが直列に連結される吸気ラインと、
前記第１タービンと前記第２タービンとが直列に連結される排気ラインと、
前記第１コンプレッサの軸端に連結される電動機と、
前記第１タービンの軸端に連結される発電機と、
を備えることを特徴とする過給システム。
前記吸気ラインは、空気の流れ方向の上流側が前記第１コンプレッサの吐出側に連結され、空気の流れ方向の下流側が前記第２コンプレッサの吸入側に連結され、前記排気ラインは、排気の流れ方向の上流側が前記第２タービンの排出側に連結され、排気の流れ方向の下流側が前記第１タービンの流入側に連結されることを特徴とする請求項１に記載の過給システム。
前記吸気ラインは、空気の流れ方向の上流側が前記第２コンプレッサの吐出側に連結され、空気の流れ方向の下流側が前記第１コンプレッサの吸入側に連結され、前記排気ラインは、排気の流れ方向の上流側が前記第１タービンの排出側に連結され、排気の流れ方向の下流側が前記第２タービンの流入側に連結されることを特徴とする請求項１に記載の過給システム。
前記吸気ラインは、空気の流れ方向の上流側が前記第２コンプレッサの吐出側に連結され、空気の流れ方向の下流側が前記第１コンプレッサの吸入側に連結され、前記排気ラインは、排気の流れ方向の上流側が前記第２タービンの排出側に連結され、排気の流れ方向の下流側が前記第１タービンの流入側に連結されることを特徴とする請求項１に記載の過給システム。
前記吸気ラインは、空気の流れ方向の上流側が前記第１コンプレッサの吐出側に連結され、空気の流れ方向の下流側が前記第２コンプレッサの吸入側に連結され、前記排気ラインは、排気の流れ方向の上流側が前記第１タービンの排出側に連結され、排気の流れ方向の下流側が前記第２タービンの流入側に連結されることを特徴とする請求項１に記載の過給システム。
前記第１コンプレッサをバイパスさせるバイパス吸気ラインと、前記バイパス吸気ラインに設けられる吸気開閉弁と、前記第１タービンをバイパスさせるバイパス排気ラインと、前記バイパス排気ラインに設けられる排気開閉弁とが設けられることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の過給システム。
前記第１タービンをバイパスさせるバイパス排気ラインが設けられ、前記バイパス排気ラインの排気の流れ方向の上流側が前記第２タービンのハウジング内で前記排気ラインに連結されることを特徴とする請求項２または請求項４に記載の過給システム。
前記第１タービンをバイパスさせるバイパス排気ラインが設けられ、前記バイパス排気ラインの排気の流れ方向の上流側が前記第１タービンのハウジング外で排気流入ラインに連結されることを特徴とする請求項３または請求項５に記載の過給システム。
前記第２コンプレッサの動作域が前記第１コンプレッサの動作域よりも広く設定されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の過給システム。
前記発電機の容積が前記電動機の容積より大きく設定されることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の過給システム。
請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の過給システムを備えることを特徴とする内燃機関。