JP2551083B2 - Turbocharged internal combustion engine with turbo - Google Patents
Turbocharged internal combustion engine with turboInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はターボチャージャによる過給気をターボク
ーラで冷却するようにした複数のターボを有する内燃機
関に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an internal combustion engine having a plurality of turbos in which supercharged air from a turbocharger is cooled by a turbo cooler.
２ケのターボを直列に配設し、上流側の第１のターボ
をターボチャージャとして使用し、下流側の第２のター
ボをターボクーラとして使用し、第１のターボからの過
給気を第２のターボで断熱圧縮、断熱膨張させて冷却し
燃焼室に導入する技術がある。（特開昭61−234224号、
USP3,355,877号など）しかしながら、これらの技術は第
１、第２ターボともコンプレッサ容量が同じ容量で構成
されている。Two turbos are arranged in series, the first turbo on the upstream side is used as a turbocharger, the second turbo on the downstream side is used as a turbo cooler, and the supercharged air from the first turbo is There is a technique of adiabatic compression and adiabatic expansion with a turbo of 2, cooling and introducing into a combustion chamber. (JP-A 61-234224,
However, in these technologies, both the first and second turbos have the same compressor capacity.
２ケのターボを直列に配設すると、第１ターボのコン
プレッサ入口圧力（ほゞ大気圧）に比較して第２ターボ
のコンプレッサ入口圧力は、はるかに大きくなっている
ため第２ターボに流入する空気密度は増大している。When two turbos are arranged in series, the compressor inlet pressure of the second turbo is much larger than the compressor inlet pressure of the first turbo (approximately atmospheric pressure), and therefore flows into the second turbo. Air density is increasing.
従って、空気流量は減少するのであるが、それにもか
かわらず第１ターボと第２ターボは同じ大きさであるた
めに第２ターボのコンプレッサ効率が低下している。こ
のため、第２ターボにおける断熱圧縮圧力が十分に上ら
ず、空気の冷却効果が十分に発揮されていない。また、
第１ターボの作動から第２ターボの作動も開始させる際
に、第２ターボの回転立上りに時間を要するために、一
時的なトルクの落込み（出力低下）が生じる。Therefore, although the air flow rate is reduced, the compressor efficiency of the second turbo is reduced because the first turbo and the second turbo have the same size. Therefore, the adiabatic compression pressure in the second turbo is not sufficiently increased, and the air cooling effect is not sufficiently exerted. Also,
When starting the operation of the second turbo from the operation of the first turbo, it takes a time for the rotation of the second turbo to rise, so that a temporary drop in torque (decrease in output) occurs.
そこで、ターボクーラとして機能する第２ターボを小
型化し、コンプレッサ効率を高めることにより、ターボ
クーラの空気タービンにおける空気の断熱膨張による冷
却効果を増大せしめるとともに回転立上りを迅速に行な
わせることにより、機関の全回転域において機関出力の
向上を図ることができる。Therefore, by downsizing the second turbo that functions as a turbo cooler and increasing the compressor efficiency, the cooling effect due to the adiabatic expansion of air in the air turbine of the turbo cooler is increased, and at the same time, the engine speed is rapidly increased. It is possible to improve the engine output in the entire rotation range.
ターボクーラ作動は内燃機関の負荷が高くない場合は
必要ないため、下流のターボを排気ガスの流れから切り
離し、上流側のターボをターボチャージャとして機能さ
せている。この場合、大型のターボがターボチャージャ
として機能するが、負荷が高くないためターボが過大と
なり、ターボ効率は低下する結果となる。Since the turbo cooler operation is not necessary when the load of the internal combustion engine is not high, the downstream turbo is separated from the exhaust gas flow and the upstream turbo is made to function as a turbocharger. In this case, the large turbo functions as a turbocharger, but the load is not high, the turbo becomes excessive, and the turbo efficiency decreases.
この発明はターボクーラ作動が停止する負荷があまり
高くない領域でのターボ効率を高めることを目的とす
る。An object of the present invention is to enhance turbo efficiency in a region where the load at which the turbo cooler operation is stopped is not so high.
この発明によれば、上流側のターボチャージャよりの
過給空気を下流側のターボクーラの圧縮側ユニットに導
入し、圧縮された空気を同じ下流側のターボクーラの膨
張側ユニットに導入し、これにより上流側のターボチャ
ージャにより過給を受けた吸入空気を冷却するようにし
た複数のターボを備え、下流側のターボクーラの圧縮側
のユニットの容量を上流側のターボチャージャの圧縮側
ユニットの容量よりも小さく構成し、下流側を小容量タ
ーボ、上流側を大容量ターボとし、更に前記小容量ター
ボの膨張側ユニットの吸入口は、機関の排気系に接続さ
れるとともに、切替弁を介して前記小容量ターボの圧縮
側ユニットの吐出口に接続され、前記小容量ターボは低
速時は過給機として機能し、また、高速時は過給気のク
ーラとして機能するように構成したことを特徴とするタ
ーボによる過給機冷却式内燃機関が提供される。According to this invention, the supercharged air from the upstream turbocharger is introduced into the compression side unit of the downstream turbocooler, and the compressed air is introduced into the expansion side unit of the same downstream turbocooler. Is equipped with a plurality of turbos that cool the intake air supercharged by the upstream turbocharger, and the capacity of the compression side unit of the downstream turbocooler is the capacity of the compression side unit of the upstream turbocharger. The downstream side has a small capacity turbo and the upstream side has a large capacity turbo, and the suction port of the expansion side unit of the small capacity turbo is connected to the exhaust system of the engine and through a switching valve. Connected to the discharge port of the compression side unit of the small capacity turbo, the small capacity turbo functions as a supercharger at low speed and as a cooler for supercharged air at high speed. Turbocharger cooled internal combustion engine according to the turbo, characterized in that the sea urchin configuration is provided.
高速時は１段目のターボチャージャからの過給気は２
段目のターボクーラの圧縮側ユニット（コンプレッサ）
を通り十分に圧縮され、次いで２段目のターボクーラの
膨張側ユニット（タービン）を通されて断熱膨張され
る。このような吸入空気の圧縮−膨張サイクルにより吸
入空気は十分に冷却され、機関燃焼室に導入される。こ
の場合、ターボチャージャよりも、ターボクーラは小容
量であるので、ターボクーラの回転立上りは迅速に行な
われる。At high speed, the supercharged air from the first stage turbocharger is 2
Compressor unit (compressor) of the third stage turbo cooler
Through the expansion side unit (turbine) of the second-stage turbo cooler to be adiabatically expanded. By such a compression-expansion cycle of the intake air, the intake air is sufficiently cooled and introduced into the engine combustion chamber. In this case, the turbo cooler has a smaller capacity than that of the turbocharger, so that the rotation start of the turbo cooler is performed quickly.
低速時は切替弁は下流側の第２の小容量ターボをター
ボチャージャとして機能させるべく切替を行う。At low speeds, the switching valve switches so that the second small capacity turbo on the downstream side functions as a turbocharger.
第１図はターボクーラシステムの概略を示す。（ａ）
はターボクーラが休止する低速時を示し、この状態は第
１実施例の第２図に対応する。シリンダからの排気ガス
により小型（第２）のターボチャージャのタービン42b
が回転駆動される。吸入空気は第２のターボチャージャ
42のコンプレッサ42aによって過給された後インタクー
ラ68を介してシリンダに導入される。大型（第１）のタ
ーボ40は休止され、過給作動から見れば従来のターボチ
ャージャシステムと同じである。ターボクーラとして作
動状態を示す（ｂ）は第１実施例の第３図に相当する。
上流側の第１のターボチャージャ40のコンプレッサ42a
からの空気は下流側の第２のターボクーラ42のコンプレ
ッサ42aに入り、それからインタクーラ68を通して、下
流側の第２のターボクーラのタービン42bを通過するこ
とにより膨張し、冷却された状態でエンジンに導入され
る。尚、第２のターボクーラ42により、過給吸入空気が
十分に冷却可能な場合には（ｃ）のようにインタクーラ
を省略したターボクーラシステムとして構成することが
できる。ここで、ターボチャージャの大型（大容量）・
小型（小容量）とはつぎのようなことを意味する。即
ち、過給機の設計はエンジンの最適な効率が得られるよ
うに設定される。即ち、第６図に示すように或る範囲の
吸気量に対して最大効率を得るための過給圧力比の範囲
があり、過給圧力比を適切な範囲とするようにターボチ
ャージャのタービン又はコンプレッサ径、羽根の数、羽
根の傾斜等の各種の要因の設計が行われる。ところが、
第６図からも判るように最大効率は全吸気量の範囲では
得らず、大吸気量（高回転）側と低吸気量（低回転）側
とでは最大効率を得るためには設計変更の必要がある。
ここで、最も影響の大きい要因子であるコンプレッサ径
に要因を限れば、大吸気量（高回転）時に最大効率を得
るための径は小吸気量時に最大効率を得るための径より
大きくなる。従って、当業者間では大吸気量時に適した
ターボチャージャについて大容量（又は大型）、小吸気
量時に適したターボチャージャについて小容量（又は小
型）と称しており、本明細書においてもこの用語を踏襲
したものである。FIG. 1 shows an outline of a turbo cooler system. (A)
Indicates a low speed when the turbo cooler is stopped, and this state corresponds to FIG. 2 of the first embodiment. Turbine 42b of small (second) turbocharger due to exhaust gas from cylinder
Is driven to rotate. Intake air is the second turbocharger
After being supercharged by the compressor 42a of 42, it is introduced into the cylinder via the intercooler 68. The large (first) turbo 40 is deactivated and, in terms of supercharging operation, is the same as a conventional turbocharger system. (B) showing the operating state of the turbo cooler corresponds to FIG. 3 of the first embodiment.
Compressor 42a of the upstream first turbocharger 40
Air enters the compressor 42a of the second turbo cooler 42 on the downstream side, and then passes through the intercooler 68 and the turbine 42b of the second turbo cooler on the downstream side to be expanded and cooled to the engine. be introduced. When the supercharged intake air can be sufficiently cooled by the second turbo cooler 42, the turbo cooler system can be configured without the intercooler as in (c). Here, the large size (large capacity) of the turbocharger
Small size (small capacity) means the following. That is, the supercharger design is set to obtain optimum engine efficiency. That is, as shown in FIG. 6, there is a range of the supercharging pressure ratio for obtaining the maximum efficiency with respect to a certain range of intake air amount, and the turbine of the turbocharger or the turbocharger is controlled so that the supercharging pressure ratio becomes an appropriate range. Various factors such as compressor diameter, number of blades, and blade inclination are designed. However,
As can be seen from FIG. 6, the maximum efficiency is not obtained in the range of the total intake amount, and the design change is required to obtain the maximum efficiency on the large intake amount (high rotation) side and the low intake amount (low rotation) side. There is a need.
Here, if the factor is limited to the compressor diameter, which is the most influential factor, the diameter for obtaining maximum efficiency at a large intake amount (high rotation) is larger than the diameter for obtaining maximum efficiency at a small intake amount. Therefore, among those skilled in the art, a turbocharger suitable for a large intake amount is referred to as a large capacity (or a large size), and a turbocharger suitable for a small intake amount is referred to as a small capacity (or a small size). It was followed.
この第２図はターボクーラの構成を更に詳細に示すも
のであり、この図において、10はシリンダブロック、12
はピストン、14はコネクティングロッド、16はシリンダ
ヘッド、18は燃焼室、20は吸気弁、22は吸気ポート、24
は排気弁、26は排気ポート、28は点火栓、30は吸気マニ
ホルド、32はサージタンク、33はスロットル弁、34はエ
アーフローメータ、35はスロットル弁位置センサ、36は
エアークリーナ、38は排気管である。39は燃料噴射用の
インジェクタである。This FIG. 2 shows the structure of the turbo cooler in more detail. In this figure, 10 is a cylinder block and 12 is a cylinder block.
Is a piston, 14 is a connecting rod, 16 is a cylinder head, 18 is a combustion chamber, 20 is an intake valve, 22 is an intake port, 24
Is an exhaust valve, 26 is an exhaust port, 28 is a spark plug, 30 is an intake manifold, 32 is a surge tank, 33 is a throttle valve, 34 is an air flow meter, 35 is a throttle valve position sensor, 36 is an air cleaner, and 38 is exhaust. It is a tube. 39 is an injector for fuel injection.
ターボは第１のターボチャージャ40と第２のターボク
ーラ42と２段に配置される。第１のターボチャージャ40
はコンプレッサ40aとタービン40bとを備えている。コン
プレッサ40aはその軸方向中心入口88がエアーフローメ
ータ34の下流の吸気導管44に接続され、接線方向出口が
吸気導管46に接続される。タービン40bは接線方向入口
が排気管38からの導管218に接続され、軸方向出口が排
気導管48に接続される。The turbo is arranged in two stages with the first turbocharger 40 and the second turbo cooler 42. First turbocharger 40
Includes a compressor 40a and a turbine 40b. The compressor 40a has its axial center inlet 88 connected to the intake conduit 44 downstream of the air flow meter 34 and its tangential outlet connected to the intake conduit 46. Turbine 40b has a tangential inlet connected to conduit 218 from exhaust pipe 38 and an axial outlet connected to exhaust conduit 48.
第２のターボチャージャ42はコンプレッサ42aとター
ビン42bとを備えている。コンプレッサ42aはその軸方向
中心入口が吸気導管212に接続され、接線方向出口が吸
気導管52に接続される。タービン42bは接線方向入口が
導管220に接続され、軸方向出口が導管223に接続され
る。The second turbocharger 42 includes a compressor 42a and a turbine 42b. The compressor 42a has its axial center inlet connected to the intake conduit 212 and its tangential outlet connected to the intake conduit 52. Turbine 42b has a tangential inlet connected to conduit 220 and an axial outlet connected to conduit 223.
第１のターボチャージャ40のタービン40bを迂回して
バイパス通路58が設置され、バイパス通路58にバイパス
制御弁（所謂ウエィストゲート弁）60が設置され、同ウ
エィストゲート弁60はリンク機構62を介してダイヤフラ
ム式のアクチュエータ64に連結される。アクチュエータ
64は第１ターボチャージャ40のコンプレッサ40aからの
過給された空気の圧力を受ける圧力導管66を有し、過給
圧力が設定値を越えるとバイパス通路58を開放し、過給
圧の上限をその設定値に維持するという周知の役目をす
る。A bypass passage 58 is installed to bypass the turbine 40b of the first turbocharger 40, a bypass control valve (so-called waste gate valve) 60 is installed in the bypass passage 58, and the waste gate valve 60 includes a link mechanism 62. It is connected to the diaphragm type actuator 64 via the. Actuator
Reference numeral 64 has a pressure conduit 66 for receiving the pressure of the supercharged air from the compressor 40a of the first turbocharger 40. When the supercharging pressure exceeds a set value, the bypass passage 58 is opened to set the upper limit of the supercharging pressure. It plays the well-known role of maintaining the set value.
インタクーラ68は過給によって高められた吸入空気の
温度を降下させるためのものである。インタクーラ68は
空気入口68aを有し、第２ターボ42のコンプレッサ42aへ
の導管52に接続される。インタクーラ68は出口68cを有
し、同出口68cは導管72に接続される。インタクーラ68
は入口68aから出口68cに向かう過程で吸入空気流を大気
又は水と熱交換させ、その吸入空気流の温度を低下させ
る熱交換部68dを持つ。The intercooler 68 is for reducing the temperature of the intake air increased by supercharging. The intercooler 68 has an air inlet 68a and is connected to the conduit 52 to the compressor 42a of the second turbo 42. The intercooler 68 has an outlet 68c, which is connected to the conduit 72. Intercooler 68
Has a heat exchange portion 68d that heats the intake air flow with the atmosphere or water in the process of going from the inlet 68a to the outlet 68c and lowers the temperature of the intake air flow.
第１の三方切替弁210、第２の三方切替弁214、第３の
三方切替弁226がこの発明における過給作用制御のため
設置される。これらの切替弁212,214,226は電磁弁とし
て構成することができる。第１の切替弁210は、消磁さ
れると白抜きの接続状態をとり、吸気導管44を第１のタ
ーボチャージャ40のコンプレッサ40aへの導管88に接続
し、これに対し、励磁されると黒塗りの接続状態をと
り、第２のターボチャージャ40のコンプレッサ40aへの
導管212に接続する。第２の切替弁214は消磁される白抜
きの接続状態をとり、排気導管38を第１のターボチャー
ジャ40のタービン40bへの導管218に接続する。第２の切
替弁214は励磁されると黒塗りの接続状態をとり、前記
導管218を第２のターボチャージャ42のコンプレッサ42b
への導管220に接続する。一方、第３の切替弁226は消磁
されると白抜きの接続状態をとり、インタクーラ68から
の導管72を第２のターボクーラ42のタービン42bへの導
管220に合流する導管228に接続し、これに対し励磁され
ると黒塗りの状態をとり、インタクーラ68からの導管72
をサージタンク32への導管80に接続する。尚、第２のタ
ーボクーラのタービン42bからの導管223に切替弁222を
介して接続される導管56はスロットル弁33の上流におい
てこの導管80に接続される。A first three-way switching valve 210, a second three-way switching valve 214, and a third three-way switching valve 226 are installed for supercharging action control in the present invention. These switching valves 212, 214, 226 can be configured as solenoid valves. When the first switching valve 210 is demagnetized, the first switching valve 210 takes a white connection state and connects the intake conduit 44 to the conduit 88 to the compressor 40a of the first turbocharger 40, while it is black when excited. The painted connection is taken and connected to the conduit 212 to the compressor 40a of the second turbocharger 40. The second switching valve 214 is in a degaussed open connection and connects the exhaust conduit 38 to a conduit 218 to the turbine 40b of the first turbocharger 40. When the second switching valve 214 is excited, the second switching valve 214 is connected in black, and the conduit 218 is connected to the compressor 42b of the second turbocharger 42.
To conduit 220 to. On the other hand, when the third switching valve 226 is demagnetized, the third switching valve 226 takes an open connection state, and connects the conduit 72 from the intercooler 68 to the conduit 228 that joins the conduit 220 to the turbine 42b of the second turbo cooler 42. On the other hand, when it is excited, it takes on a black color and the conduit 72 from the intercooler 68
To conduit 80 to surge tank 32. The conduit 56 connected to the conduit 223 from the turbine 42b of the second turbo cooler via the switching valve 222 is connected to this conduit 80 upstream of the throttle valve 33.
第２図において、制御回路90は、運転状態を検出する
各センサからの信号によって、燃料噴射制御、電磁弁21
0,222,226の切り換えによる過給制御並びにその他のエ
ンジン制御、例えば点火時期制御を実行するもので実施
例ではマイクロコンピュータシステムとして構成され
る。第４図は制御回路の構成をブロックダイヤグラムに
よって示すものである。制御回路90は中央処理装置92
と、アナログ信号用の入力インタフェース回路94とディ
ジタル信号用の入力インタフェース回路96と、A/Dコン
バータ98と、出力インタフェース回路100とを具備す
る。入力インタフェース回路94には種々のセンサからの
アナログ信号が印加される。第２図にはそれらのセンサ
のうちエアーフローメータ34（34bはその出力部を示
す）と、スロットル弁位置センサ35とが図示される。入
力インタフェース回路96には種々のセンサからのデジタ
ル信号が入力される。出力インタフェース回路100は各
気筒のインジェクタ39に接続され、所定のクランク軸タ
イミングにおいて燃料噴射が実行される。また、各三方
切替弁210,214,226の作動信号が印加され、この発明に
従って２つのターボ40,42の作動が制御される。尚、こ
の発明は実施例のように燃料噴射内燃機関にその応用が
限定されず、気化器式の内燃機関にも応用することがで
きる。また、ディーゼル機関であってもよい。In FIG. 2, the control circuit 90 uses a signal from each sensor that detects an operating state to control the fuel injection and the solenoid valve 21.
It executes supercharging control by switching 0, 222, 226 and other engine control, for example, ignition timing control, and is configured as a microcomputer system in the embodiment. FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the control circuit. The control circuit 90 is a central processing unit 92.
An input interface circuit 94 for analog signals, an input interface circuit 96 for digital signals, an A / D converter 98, and an output interface circuit 100. Analog signals from various sensors are applied to the input interface circuit 94. FIG. 2 shows an air flow meter 34 (34b indicates an output portion thereof) and a throttle valve position sensor 35 among these sensors. Digital signals from various sensors are input to the input interface circuit 96. The output interface circuit 100 is connected to the injector 39 of each cylinder, and fuel injection is executed at a predetermined crankshaft timing. Further, the operation signals of the three-way switching valves 210, 214, 226 are applied to control the operation of the two turbos 40, 42 according to the present invention. The application of the present invention is not limited to the fuel injection internal combustion engine as in the embodiment, and can be applied to a carburetor internal combustion engine. It may also be a diesel engine.
以上説明した第１実施例の作動を説明すると、内燃機
関の低速時には第２図において切替弁210,214,222,226
は全て励磁され、黒塗のポート位置をとる。排気管38か
らの排気ガスは導管220を介して第２のターボ（小ター
ボ）42のタービン42bに導入され、これを回転駆動し、
コンプレッサ42aが回転する。これにより、エアーフロ
ーメータ34から、吸入空気の流れが、導管212、小ター
ボ42のコンプレッサ42a、導管52、インタクーラ68、導
管72,80、サージタンク32、吸気マニホルド30の順に起
り、空気がエンジンに導入される。切替弁210,214の励
磁により第１のターボチャージャ（大ターボ）40は作動
に全然関与しない。即ち、この実施例では低速時は小タ
ーボにより過給が行われる。The operation of the above-described first embodiment will be described. The switching valves 210, 214, 222, 226 in FIG.
Are all excited and take the black port position. The exhaust gas from the exhaust pipe 38 is introduced into the turbine 42b of the second turbo (small turbo) 42 via the conduit 220, and rotationally drives it.
The compressor 42a rotates. As a result, the flow of intake air from the air flow meter 34 occurs in the order of the conduit 212, the compressor 42a of the small turbo 42, the conduit 52, the intercooler 68, the conduits 72 and 80, the surge tank 32, and the intake manifold 30, and the air is discharged to the engine. Will be introduced to. Due to the excitation of the switching valves 210 and 214, the first turbocharger (large turbo) 40 does not participate in the operation at all. That is, in this embodiment, supercharging is performed by the small turbo at low speed.
高速時には第３図に示すように切替弁210,214,222,22
6は全て消磁され、白抜きの位置をとる。排気管38から
の排気ガスは大ターボチャージャ40のタービン40bを回
転駆動し、これによりコンプレッサ42aが回転される。
これにより過給された吸入空気は導管50,212を介して小
ターボ42のコンプレッサ42aに導入され、それから導管5
2,72、インタクーラ68、導管228を経て小ターボ42のタ
ービン42bのところで膨張冷却される。冷却された吸入
空気は導管223,56,80を介してエンジン側に導入され
る。その結果、高速時は小ターボは圧縮−膨張を行うタ
ーボクーラとして作動する。At high speed, the switching valves 210, 214, 222, 22 as shown in FIG.
All 6 are demagnetized, and take the white position. The exhaust gas from the exhaust pipe 38 rotationally drives the turbine 40b of the large turbocharger 40, which rotates the compressor 42a.
The intake air supercharged by this is introduced into the compressor 42a of the small turbo 42 through the conduits 50 and 212, and then the conduit 5
It is expanded and cooled at the turbine 42b of the small turbo 42 through the 2,72, the intercooler 68, and the conduit 228. The cooled intake air is introduced to the engine side via conduits 223, 56, 80. As a result, at high speed, the small turbo operates as a turbo cooler that performs compression-expansion.
ターボクーラとして働く高速時は、第５図の概略構成
に示すように、第２のターボクーラ42は、そのコンプレ
ッサ42aが第１のターボチャージャ40のコンプレッサ40a
の容量より小さく設定する。これによりターボクーラと
しての作動時に下流側の第２のターボクーラの圧縮側ユ
ニット容量が上流側の第１のターボの圧縮側ユニットの
容量より小さくなる。このように上流側のターボチャー
ジャ40と下流側のターボクーラ42とを比較したとき下流
側のターボクーラのコンプレッサ42aの容量が上流側の
ターボチャージャのコンプレッサ40aの容量より小さい
ことにより、下流側のコンプレッサ42aでの圧縮効率を
向上することができる。即ち、上流側のターボチャージ
ャと比較して下流側のターボクーラのコンプレッサの入
口での圧力は高い。そのため、空気密度が大きいので体
積流量自体は小さくなっている。そのため、上流と下流
とで同一容積のコンプレッサであるとすると下流側のタ
ーボチャージャのコンプレッサの容積は過大となり、圧
縮効率が低下する。このように下流側のコンプレッサを
上流側のコンプレッサより容量を小さくすることにより
下流側のコンプレッサ42aでの圧縮効率を高め、その冷
却効率を向上することができる効果がある。第６図は吸
入空気量と過給圧力比（コンプレッサの入口と出口での
圧力比）とに対する効率の関係を示す。斜線はサージン
グ限界である。破線は等速度曲線である。コンプレッサ
の効率を高めるためには第６図の最大効率点に可能な限
り近づくようにコンプレッサの容量を決定する必要があ
る。At the time of high speed operation as a turbo cooler, the compressor 42a of the second turbo cooler 42 has a compressor 40a of the first turbocharger 40 as shown in the schematic configuration of FIG.
Set smaller than the capacity of. As a result, when operating as a turbo cooler, the capacity of the compression side unit of the second turbo cooler on the downstream side becomes smaller than the capacity of the compression side unit of the first turbo on the upstream side. In this way, when the upstream turbocharger 40 and the downstream turbocooler 42 are compared, the capacity of the downstream turbocooler compressor 42a is smaller than the capacity of the upstream turbocharger compressor 40a. The compression efficiency of the compressor 42a can be improved. That is, the pressure at the compressor inlet of the downstream turbo cooler is higher than that at the upstream turbocharger. Therefore, since the air density is high, the volumetric flow rate itself is low. Therefore, if the compressors of the same volume are used on the upstream side and the downstream side, the volume of the compressor of the turbocharger on the downstream side becomes excessive and the compression efficiency is reduced. In this way, by making the capacity of the downstream compressor smaller than that of the upstream compressor, the compression efficiency of the downstream compressor 42a can be increased and the cooling efficiency thereof can be improved. FIG. 6 shows the relationship of the efficiency with respect to the intake air amount and the supercharging pressure ratio (the pressure ratio at the compressor inlet and outlet). The diagonal line is the surging limit. The broken line is a constant velocity curve. In order to increase the efficiency of the compressor, it is necessary to determine the capacity of the compressor so as to be as close as possible to the maximum efficiency point shown in FIG.
また第１の実施例の低速時の作動ではターボクーラは
停止し、大容量の第１のターボは排気ガスの流れを受け
ず、一方小容量の第２のターボ42がターボチャージャと
して作動する。小容量の第２のターボ42を使用すること
により容量が過大とならないため、高い過給効率を得る
ことができる。In the low speed operation of the first embodiment, the turbo cooler is stopped, the large capacity first turbo does not receive the flow of exhaust gas, while the small capacity second turbo 42 operates as a turbocharger. Since the capacity is not excessive by using the small capacity second turbo 42, high supercharging efficiency can be obtained.
第２実施例を第７図〜第９図により説明する。第１図
の三方切替弁300は大ターボチャージャ40のコンプレッ
サ40aからの導管50を導管302を介して、エアーフローメ
ータ34からの導管304に接続する白抜き位置と、インタ
クーラ68に接続する導管308に接続する黒塗位置との間
を切り替わる。第２の三方切替弁309、第３の三方切替
弁310は夫々第３実施例の三方切替弁222,226と同様であ
り説明を省略する。以上の３個の三方切替弁300,309及
び310に加えて４個の開閉弁320,322,324,326が設けられ
る。第１の開閉弁320は大ターボチャージャ40への導管8
8の途中に設置される。第２の開閉弁322は第１の切替弁
300からの導管302が接続されるより上流側の位置で導管
304上に設置される。第３の開閉弁324は、大ターボチャ
ージャ40のタービン40bへの導管330に、導管322の接続
個所より下流の個所で接続される。第４の開閉弁326は
排気管38を小ターボ42のタービン42bに接続する前記導
管332上に設置される。A second embodiment will be described with reference to FIGS. The three-way switching valve 300 of FIG. 1 has a hollow position where the conduit 50 from the compressor 40a of the large turbocharger 40 is connected to the conduit 304 from the air flow meter 34 via the conduit 302, and a conduit 308 that is connected to the intercooler 68. Switch between the black paint position connected to. The second three-way switching valve 309 and the third three-way switching valve 310 are the same as the three-way switching valves 222 and 226 of the third embodiment, respectively, and their explanations are omitted. In addition to the above three three-way switching valves 300, 309 and 310, four on-off valves 320, 322, 324, 326 are provided. The first on-off valve 320 is the conduit 8 to the large turbocharger 40.
It will be installed in the middle of 8. The second on-off valve 322 is the first switching valve
Conduit at position upstream from where conduit 302 from 300 is connected
It will be installed on 304. The third on-off valve 324 is connected to the conduit 330 to the turbine 40b of the large turbocharger 40 at a location downstream of the connection location of the conduit 322. The fourth on-off valve 326 is installed on the conduit 332 connecting the exhaust pipe 38 to the turbine 42b of the small turbo 42.
以下この第２実施例の作動を説明すると、低速時は第
７図のように、三方切替弁300,319及び310は励磁され、
黒塗位置をとる。一方第１開閉弁320は閉鎖、第２開閉
弁322は開放、第２開閉弁324は閉鎖、第４開閉弁326は
開放となり、排気ガス及び吸気の流れは矢印の通りとな
る。即ち、排気ガスは導管332より小ターボ42のタービ
ン42bを駆動し、吸入空気は導管304より小ターボ42のコ
ンプレッサ42aで圧縮され、インタクーラ68、導管72,8
0、サージタンク32より燃焼室18に導入される。大ター
ボチャージャ40は排気ガス、空気の流れに関与せず、小
ターボによる過給が実行される。The operation of the second embodiment will be described below. At low speed, the three-way switching valves 300, 319 and 310 are excited as shown in FIG.
Take the black paint position. On the other hand, the first opening / closing valve 320 is closed, the second opening / closing valve 322 is open, the second opening / closing valve 324 is closed, the fourth opening / closing valve 326 is open, and the flow of exhaust gas and intake air is as shown by arrows. That is, the exhaust gas drives the turbine 42b of the small turbo 42 from the conduit 332, the intake air is compressed by the compressor 42a of the small turbo 42 from the conduit 304, the intercooler 68, the conduit 72,8.
0, introduced into the combustion chamber 18 from the surge tank 32. The large turbocharger 40 does not participate in the flow of exhaust gas and air, and supercharging is performed by the small turbocharger.
中速時には第８図のように三方切替弁300,309及び310
は黒塗位置を維持するが、第２開閉弁322、第４開閉弁3
26に加え、いままで閉じていた第１開閉弁320及び第３
開閉弁324が開放される。そのため、小ターボ42への排
気ガス、空気の流れは維持された上、大ターボチャージ
ャ40のタービン40bに導管320を介して排気ガスが導入さ
れ、これを回転駆動し、コンプレッサ40aには第１開閉
弁320を介して空気が導入される。かくして、この中速
域には大ターボチャージャ40及び小ターボ42の双方が過
給に関与する。At medium speed, the three-way switching valves 300, 309 and 310 as shown in FIG.
Keeps the black coating position, but the second on-off valve 322 and the fourth on-off valve 3
In addition to 26, the 1st on-off valve 320 and the 3rd which were closed until now
The on-off valve 324 is opened. Therefore, the flow of the exhaust gas and the air to the small turbo 42 is maintained, and the exhaust gas is introduced into the turbine 40b of the large turbocharger 40 via the conduit 320, and is driven to rotate, and the compressor 40a receives the first Air is introduced through the open / close valve 320. Thus, both the large turbocharger 40 and the small turbo 42 are involved in supercharging in this medium speed range.
高速時には第９図に示すように、切替弁300,309及び3
10は白抜きの位置をとり、一方第１の開閉弁320は開
放、第２の開放322は閉鎖、第２の開閉弁324は開放、第
４の開放弁326は閉鎖される。その結果、大ターボチャ
ージャ40のタービン40bに排気ガスが導管330を介して導
入され、一方コンプレッサ40aで空気を圧縮し、大ター
ボチャージャ40による過給作動が行われる。そして、こ
のコンプレッサ40aからの空気は導管302,304を介して小
ターボ42のコンプレッサ42aに導入され、そこからイン
タクーラ68、導管72,350を介して小ターボ42のタービン
42bを通り、導管56,80、サージタンク32を介して燃焼室
18に入る。従って、小ターボ42はターボクーラとして機
能することになる。この実施例では低速（NE＜NE1）、
中速（NE1≦Ｎ≦NE2）、高速（NE＞NE2）で３段階制御
が行われ、第10図のような各回転にわたって高いエンジ
ン出力を得ることができる。At high speed, as shown in FIG. 9, switching valves 300, 309 and 3
10 is in the white position, while the first opening / closing valve 320 is open, the second opening 322 is closed, the second opening / closing valve 324 is open, and the fourth opening valve 326 is closed. As a result, the exhaust gas is introduced into the turbine 40b of the large turbocharger 40 through the conduit 330, while the compressor 40a compresses the air, and the large turbocharger 40 performs supercharging operation. Then, the air from the compressor 40a is introduced into the compressor 42a of the small turbo 42 through the conduits 302 and 304, and from there, through the intercooler 68 and the conduits 72 and 350, the turbine of the small turbo 42.
42b, conduits 56, 80, surge tank 32, combustion chamber
Enter 18. Therefore, the small turbo 42 functions as a turbo cooler. In this embodiment, low speed (NE <NE 1 ),
Three-stage control is performed at medium speed (NE 1 ≦ N ≦ NE 2 ) and high speed (NE> NE 2 ), and high engine output can be obtained over each rotation as shown in FIG.
尚、各実施例を通じて切替弁等による制御等の詳細構
成はこれらと等価な代替手段に置き換えることが可能で
ある。It should be noted that, in each of the embodiments, the detailed configuration of the control by the switching valve or the like can be replaced with an alternative means equivalent to these.
高速時にターボクーラとして働かせる小型ターボの低
速時にターボチャージャとして働かせることにより、タ
ーボクーラ機能の不要なしかし過給は必要となる運転域
における過給要求にターボチャージャの容量を最適化す
ることができ、効率を高めることができる効果がある。By operating as a turbocharger at a low speed of a small turbo that operates as a turbo cooler at high speed, it is possible to optimize the capacity of the turbocharger to meet the supercharging requirement in the operating range where the turbo cooler function is unnecessary but supercharging is required. There is an effect that efficiency can be increased.
第１図はターボクーラシステムの構成及び作動を概念的
に説明する図。 第２図はターボクーラシステムの全体構成図で、図中の
切替弁は低速時に適合するよう切替られており、排気ガ
ス、空気の流れ方向を夫々の矢印にて示す。 第３図は第２図と同様であるが切替弁は高速時に適合す
るように切替られている。 第４図は制御回路の概略構成図。 第５図は第１実施例においてターボクーラとして作動す
る高速時の第１、第２のターボチャージャの連結状態を
概略的に示す図。 第６図は吸気量と圧力比とに対し圧縮効率がどのように
変化するかを説明するグラフ。 第７図、第８図及び９図は第２実施例における低速、中
速及び高速の夫々における弁装置の状態並びに空気及び
排気ガスの流れを説明する図。 第10図は第２実施例の出力特性図である。 18……燃焼室、32……サージタンク、 33……スロットル弁、40……第１のターボ（チャージ
ャ）、 40a……コンプレッサ、40b……タービン、 42……第２のターボ（クーラ）、42a……コンプレッ
サ、 42b……タービン、68……インタクーラ、 90……制御回路、210,214,222,226……切替弁、 300,309,310……切替弁、320,322,324,326……切替弁。FIG. 1 is a diagram conceptually illustrating the configuration and operation of a turbo cooler system. FIG. 2 is an overall configuration diagram of a turbo cooler system. The switching valve in the figure is switched so as to be adapted at low speed, and the flow directions of exhaust gas and air are indicated by respective arrows. FIG. 3 is similar to FIG. 2, but the switching valve is switched so as to fit at high speed. FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a control circuit. FIG. 5 is a diagram schematically showing a connection state of the first and second turbochargers at a high speed which operates as a turbo cooler in the first embodiment. FIG. 6 is a graph illustrating how the compression efficiency changes with the intake air amount and the pressure ratio. FIGS. 7, 8 and 9 are views for explaining the states of the valve device and the flow of air and exhaust gas at low speed, medium speed and high speed in the second embodiment. FIG. 10 is an output characteristic diagram of the second embodiment. 18 ... Combustion chamber, 32 ... Surge tank, 33 ... Throttle valve, 40 ... First turbo (charger), 40a ... Compressor, 40b ... Turbine, 42 ... Second turbo (cooler), 42a ... Compressor, 42b ... Turbine, 68 ... Intercooler, 90 ... Control circuit, 210,214,222,226 ... Switching valve, 300,309,310 ... Switching valve, 320,322,324,326 ... Switching valve.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 樋口 新一郎 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 高間 建一郎 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (72)発明者 ▲高▼井 欣司 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−234224（ＪＰ，Ａ) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Shinichiro Higuchi, 1 Toyota Town, Toyota City, Aichi Prefecture, Toyota Motor Corporation (72) Inventor, Kenichiro Takama, 1 Toyota Town, Toyota City, Aichi Prefecture, Toyota Motor Corporation (72) Inventor ▲ Taka Kinai 1 Toyota Town, Toyota City, Aichi Prefecture, Toyota Motor Co., Ltd. (56) Reference JP-A-61-234224 (JP, A)
Claims (1)
を下流側のターボクーラの圧縮側ユニットに導入し、圧
縮された空気を同じ下流側のターボクーラの膨張側ユニ
ットに導入し、これにより上流側のターボチャージャに
より過給を受けた吸入空気を冷却するようにした複数の
ターボを備え、下流側のターボクーラの圧縮側のユニッ
トの容量を上流側のターボチャージャの圧縮側ユニット
の容量よりも小さく構成し、下流側を小容量ターボ、上
流側を大容量ターボとし、更に前記小容量ターボの膨張
側ユニットの吸入口は、機関の排気系に接続されるとと
もに、切替弁を介して前記小容量ターボの圧縮側ユニッ
トの吐出口に接続され、前記小容量ターボは低速時は過
給機として機能し、また、高速時は過給気のクーラとし
て機能するように構成したことを特徴とするターボによ
る過給機冷却式内燃機関。1. Supercharged air from an upstream turbocharger is introduced into a compression side unit of a downstream turbocooler, and compressed air is introduced into an expansion side unit of the same downstream turbocooler. Equipped with multiple turbos that cool the intake air that was supercharged by the upstream turbocharger, the capacity of the compression side unit of the downstream turbocooler is better than the capacity of the compression side unit of the upstream turbocharger. And a small capacity turbocharger on the downstream side and a large capacity turbocharger on the upstream side, and the suction port of the expansion side unit of the small capacity turbo is connected to the exhaust system of the engine and is connected via a switching valve. Connected to the discharge side of the compression side unit of the small capacity turbo, the small capacity turbo acts as a supercharger at low speed and as a cooler for supercharged air at high speed. Turbocharger cooled internal combustion engine according to the turbo, characterized in that form.
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|---|---|---|---|
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1988
- 1988-02-17 JP JP63032860A patent/JP2551083B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
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| JPS64322A (en) | 1989-01-05 |
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