JP3510438B2 - Turbocharged engine - Google Patents
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Landscapes
- Supercharger (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、排気によって駆動
される排気ターボ過給機とパワータービンを備えたター
ボ過給エンジンに係り、特に、エンジンのクランク軸に
出力軸を結合したパワータービンによる排気エネルギの
回収効率を高くすることができるようにしたターボ過給
エンジンに関するものである。
【0002】
【従来の技術】排気ターボ過給機およびパワータービン
を備えたターボ過給エンジンにおいては、エンジンの排
気エネルギで吸気を加圧して燃焼室への空気充填率を高
くすることができるとともに、余剰の排気エネルギでパ
ワータービンを駆動してクランク軸を駆動することがで
きるために、排気エネルギの回収効率が高いという利点
がある。
【0003】このために、従来では例えば特開平7−2
08187号公報などに見られるように、排気ターボ過
給機の排気バイパス通路にパワータービンを介装するこ
とにより、例えば高速・高負荷領域での運転時のように
過過給を回避すべく排気バイパス弁が開かれたときにパ
ワータービンを駆動させて余剰の排気エネルギを回収す
るようにしたものがある。
【0004】しかしながら、このように排気ターボ過給
機の排気バイパス通路にパワータービンを介装したもの
では、パワータービンの稼働領域が限定されたものとな
り、しかも、排気ターボ過給機の排気タービンから流出
した排気のエネルギを有効利用することができないので
燃費を改善するにも限界があった。
【0005】また、このような不具合を解消するため
に、例えば図2に示したように排気ターボ過給機1の排
気タービン1aの出口から図示しないマフラに至る排出
通路2にパワータービン3を介装することにより、排気
の全量をパワータービン3に供給して該パワータービン
3の稼働領域を拡大することが考えられる。
【0006】図2中、1bは排気ターボ過給機のコンプ
レッサ、4は排気バイパス通路5に設けた排気バイパス
弁、6はパワータービン3の出力軸3aとエンジン7の
クランク軸7aを結合する伝動機構、7bは吸気マニホ
ールド、7cは排気マニホールド、8はインタークーラ
であり、前記伝動機構6は、例えば流体クラッチ、無段
変速機および歯車列などで構成されている。
【0007】しかしながら、このように排気ターボ過給
機1の下流にパワータービン3を直列に配した場合は、
パワータービン3を介装したことで排気タービン1aの
上下流間の差圧が減少するために、排気ターボ過給機1
の効率が低下してしまうという不具合がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記実情に鑑
みてなされたものであって、排気ターボ過給機の効率の
低下を招くことなくパワータービンによるエネルギの回
収効率を高くすることができるターボ過給エンジンを提
供することを課題としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、エンジンの排気通路に介装した排気ターボ
過給機およびパワータービンを備え、排気ターボ過給機
の排気タービン入口および出口から分岐してパワーター
ビンの入口に至る上流側分岐通路および下流側分岐通路
ならびに排気タービンの出口からパワータービンの下流
に至る排出通路にそれぞれ流量制御弁を設けている。そ
して、エンジンの運転状態に応答して前記各流量制御弁
の開度を可変制御して排気ターボ過給機を優先運転する
コントロールユニットを設けたことを特徴としている。
【0010】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態を図に基
づいて詳細に説明する。図1は本発明に係るターボ過給
エンジンの一実施形態を示す概略構成図である。なお、
図2に示した従来例と同一機能を有する部分には同一の
符号を付してその詳細な説明を省略する。
【0011】図1において、高空気過剰率による燃焼を
実現したリーンバーンエンジン7の排気マニホールド7
cおよび排気ターボ過給機1の排気タービン1aの出口
から分岐してパワータービン3の入口に至る上流側分岐
通路9および下流側分岐通路10を設けて排気ターボ過
給機1とパワータービン3を並列に接続している。ま
た、図1に示したように、前記両分岐通路9、10にそ
れぞれ流量制御弁9a、10aを設ける一方、排気ター
ビン1aの出口から分岐してパワータービン3より下流
の図示しないマフラに至る排出通路11に流量制御弁1
1aを設けることにより、エンジンの運転状態に応答し
て図示しないコントロールユニットから各流量制御弁9
a、10a、11aにそれぞれ制御信号を供給して排気
ターボ過給機1を優先運転するようにしている。
【0012】上記のような構成になるターボ過給エンジ
ンにおいて、通常は図示しないコントロールユニットか
ら出力された制御信号によって上流側分岐通路9に設け
た流量制御弁9aが半開、下流側分岐通路10に設けた
流量制御弁10aが全閉、排出通路11に設けた流量制
御弁11aが全開状態に保持されている。従って、エン
ジン7の運転にともなって排気マニホールド7cから流
出した排気の一部は、排気タービン1aに導かれるが、
残りの排気は上流側分岐通路9を通ってパワータービン
3に供給される。
【0013】このために、エンジン7の運転中は必ず排
気ターボ過給機1が駆動されることになり、図示しない
エアクリーナでろ過された空気がコンプレッサ1bで加
圧されて温度上昇する。そして、加圧によって温度上昇
した空気は、インタークーラ8で冷却された後に吸気マ
ニホールド7bを経て各燃焼室に分配供給される。
【0014】一方、排気マニホールド7cから流出した
排気は、上流側分岐通路9を通ってパワータービン3に
も供給される。従って、エンジン7の運転中は排気ター
ボ過給機1による過給が維持され、しかも、排気ターボ
過給機1では必要としない余剰の排気がパワータービン
3を駆動し、このパワータービン3の出力が伝動機構6
を介してエンジン7のクランク軸7aに伝達されてエン
ジン7の出力に乗畳されるために、燃費が改善される。
【0015】ここに、例えばエンジン7の負荷または回
転数が低下して排気の流量または圧力が減少した場合
は、図示しないコントロールユニットから流量制御弁9
aに減少信号が供給される。すると、上流側分岐通路9
に設けた流量制御弁9aの開度が減少制御されてパワー
タービン3に供給される排気の流量が減少補正されるた
めに、パワータービン3による回収エネルギが減少す
る。ところが、このように流量制御弁9aの開度が減少
補正された場合は、排気タービン1aに供給される排気
の流量または圧力が増大補正されて排気ターボ過給機1
の回転が確保されるために、所期の過給作用が維持され
る。
【0016】また、エンジン7が例えば高速・高負荷領
域で運転されるなどして排気の流量もしくは圧力が上昇
した場合は、排気ターボ過給機1の回転数が必要以上に
高くなって過過給の状態を招く可能性がある。ところ
が、この場合は図示しないコントロールユニットから流
量制御弁9aに増大信号が供給されるために、上流側分
岐通路9に設けた流量制御弁9aの開度が増大補正され
る。
【0017】すると、上流側分岐通路9を通ってパワー
タービン3に供給される排気の流量が増加して排気ター
ボ過給機1の排気タービン1aに供給する排気の流量を
減少させるために、排気ターボ過給機1による過剰な過
給が予防される。さらに、上記のようにして流量制御弁
9aの開度が増大補正されると、パワータービン3に供
給される排気の流量が増加するために、パワータービン
3による回収エネルギが増加して燃費が改善される。
【0018】他方、例えばエンジン7が低速・軽負荷領
域で運転されるなどして排気の流量あるいは圧力が低下
した場合は、流量制御弁9aが全閉状態に切換制御され
る。すると、この場合は排気の全量が排気タービン1a
に供給されるために、排気ターボ過給機1の回転数が確
保されて所定の過給圧が得られる。
【0019】このように排気の全量が排気タービン1a
に供給されている状態で排気ターボ過給機1の出力に余
裕があるときは、排出通路11に設けた流量制御弁11
aの開度が減少補正される。すると、排気タービン1a
から流出した排気の一部がパワータービン3aに供給さ
れるために、パワータービン3によるエネルギ回収が行
なわれる。なお、この場合は流量制御弁11aの開度を
小さくし過ぎることによる排圧の上昇で排気ターボ過給
機1の効率の低下を回避する必要性がある。
【0020】すなわち、エンジン7の運転中は図示しな
いセンサから出力された各種の制御情報に基づいてコン
トロールユニットが流量制御弁9a、10a、11aの
開度をそれぞれ増減制御して最適過給圧を得るように排
気ターボ過給機1を優先運転しつつ、排気ターボ過給機
1の余剰排気をパワータービン3に供給してエネルギ回
収を行ない、このパワータービン3の出力をエンジン7
の出力に乗畳させるために、燃費が改善される。
【0021】ところで、パワータービン3による回収エ
ネルギは、パワータービン3に供給される排気の流量が
増加するにつれて増大するものであり、パワータービン
3の入口温度が上昇するにともなって回収エネルギが増
加することはよく知られている。
【0022】従って、本実施形態のように高空気過剰率
で排気流量が多いリーンバーンエンジン7との組合せに
よって排気ターボ過給機1とパワータービン3を並列に
接続して排気ターボ過給機1を優先運転するようにした
場合は、排気ターボ過給機1の過給作用による燃焼の改
善を行なわせつつ、排気タービン1aを経由しない高温
の排気を上流側分岐通路9からパワータービン3に直接
供給することができるために、パワータービン3による
エネルギ回収率が高くなってエンジン7の燃費をより低
減することができる。
【0023】なお、上記実施形態においては、燃費に優
れ、しかも、排気流量が多い空気過剰率の高いリーンバ
ーンエンジンに本発明を適用することにより、排気ター
ボ過給機1およびパワータービン3の可動領域を広くす
るようにしているが、空気過剰率をさほど高くしない通
常のエンジンに適用した場合にも前記同様の作用効果を
得ることができる。
【0024】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明
は、エンジンの排気通路に介装した排気ターボ過給機の
排気タービン入口および出口から分岐してパワータービ
ンの入口に至る上流側分岐通路および下流側分岐通路な
らびに排気タービンの出口からパワータービンの下流に
至る排出通路にそれぞれ流量制御弁を設ける一方、エン
ジンの運転状態に応答して前記各流量制御弁の開度を可
変制御して排気ターボ過給機を優先運転するコントロー
ルユニットを設けたものであるから、排気ターボ過給機
の効率の低下を招くことなくパワータービンによるエネ
ルギの回収効率を高くすることができるために、特に、
高空気過剰率のリーンバーンエンジンとの組合せにおい
てエンジンの燃費を大幅に改善することができる。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a turbocharged engine provided with an exhaust turbocharger driven by exhaust gas and a power turbine, and more particularly to a crankshaft of the engine. The present invention relates to a turbocharged engine capable of increasing the efficiency of exhaust gas recovery by a power turbine having an output shaft coupled to a turbocharged engine. 2. Description of the Related Art In a turbocharged engine provided with an exhaust turbocharger and a power turbine, the intake air can be pressurized by the exhaust energy of the engine to increase the air filling rate in a combustion chamber. Since the power turbine can be driven by the surplus exhaust energy to drive the crankshaft, there is an advantage that the exhaust energy recovery efficiency is high. For this reason, conventionally, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 7-2
As disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 08187, for example, by installing a power turbine in an exhaust bypass passage of an exhaust turbocharger, the exhaust gas is exhausted in order to avoid supercharging, for example, during operation in a high speed / high load region. In some cases, when a bypass valve is opened, a power turbine is driven to recover excess exhaust energy. However, when the power turbine is provided in the exhaust bypass passage of the exhaust turbocharger, the operating area of the power turbine is limited. Since it is not possible to effectively use the energy of the exhaust gas that has flowed out, there is a limit in improving fuel efficiency. In order to solve such a problem, for example, as shown in FIG. 2, a power turbine 3 is connected to an exhaust passage 2 from an outlet of an exhaust turbine 1a of an exhaust turbocharger 1 to a muffler (not shown). It is conceivable to supply the entire amount of exhaust gas to the power turbine 3 to expand the operating area of the power turbine 3. In FIG. 2, 1b is a compressor of an exhaust turbocharger, 4 is an exhaust bypass valve provided in an exhaust bypass passage 5, and 6 is a transmission connecting an output shaft 3a of a power turbine 3 and a crankshaft 7a of an engine 7. A mechanism, 7b is an intake manifold, 7c is an exhaust manifold, 8 is an intercooler, and the transmission mechanism 6 is composed of, for example, a fluid clutch, a continuously variable transmission, a gear train, and the like. However, when the power turbine 3 is arranged in series downstream of the exhaust turbocharger 1 as described above,
Since the pressure difference between the upstream and downstream of the exhaust turbine 1a is reduced by interposing the power turbine 3, the exhaust turbocharger 1
There is a problem that the efficiency of the method is reduced. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and increases the efficiency of energy recovery by a power turbine without lowering the efficiency of an exhaust turbocharger. It is an object of the present invention to provide a turbocharged engine that can perform such operations. [0009] In order to solve the above problems, the present invention comprises an exhaust turbocharger and a power turbine interposed in an exhaust passage of an engine, and the exhaust turbine of the exhaust turbocharger is provided. Upstream and downstream branch passages branching from the inlet and outlet to the power turbine inlet
And from the exit of the exhaust turbine to the downstream of the power turbine
A flow control valve is provided in each of the discharge passages leading to. In addition, a control unit is provided which variably controls the opening of each of the flow control valves in response to the operating state of the engine and preferentially operates the exhaust turbocharger. An embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing one embodiment of a turbocharged engine according to the present invention. In addition,
Portions having the same functions as those of the conventional example shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Referring to FIG. 1, an exhaust manifold 7 of a lean burn engine 7 realizing combustion at a high excess air ratio
c and an upstream branch passage 9 and a downstream branch passage 10 branching from the outlet of the exhaust turbine 1a of the exhaust turbocharger 1 to reach the inlet of the power turbine 3 to provide the exhaust turbocharger 1 and the power turbine 3 with each other. Connected in parallel. Also, as shown in FIG.
While providing flow control valves 9a and 10a respectively,
Branches from outlet of bin 1a and is downstream from power turbine 3
A flow control valve 1 is provided in a discharge passage 11 leading to a muffler (not shown).
1a , a control unit (not shown) controls each flow control valve 9 in response to the operating state of the engine.
a, 10a, and 11a are supplied with control signals to operate the exhaust turbocharger 1 with priority. In the turbocharged engine configured as described above, the flow control valve 9a provided in the upstream branch passage 9 is normally opened halfway by the control signal output from a control unit (not shown), and the flow control valve 9a is opened in the downstream branch passage 10. The provided flow control valve 10a is kept fully closed, and the flow control valve 11a provided in the discharge passage 11 is kept fully open. Therefore, a part of the exhaust flowing out of the exhaust manifold 7c with the operation of the engine 7 is guided to the exhaust turbine 1a.
The remaining exhaust gas is supplied to the power turbine 3 through the upstream branch passage 9. For this reason, during operation of the engine 7, the exhaust turbocharger 1 is always driven, and the air filtered by an air cleaner (not shown) is pressurized by the compressor 1b to increase the temperature. The air whose temperature has been raised by pressurization is cooled by the intercooler 8 and then distributed and supplied to each combustion chamber via the intake manifold 7b. On the other hand, the exhaust gas flowing out of the exhaust manifold 7c is also supplied to the power turbine 3 through the upstream branch passage 9. Therefore, during the operation of the engine 7, the supercharging by the exhaust turbocharger 1 is maintained, and the excess exhaust not required by the exhaust turbocharger 1 drives the power turbine 3, and the output of the power turbine 3 Is the transmission mechanism 6
And transmitted to the crankshaft 7a of the engine 7 via the output of the engine 7, so that the fuel efficiency is improved. Here, for example, when the load or the number of revolutions of the engine 7 decreases and the flow rate or pressure of the exhaust gas decreases, a control unit (not shown) controls the flow control valve 9.
a is supplied with a decrease signal. Then, the upstream branch passage 9
Is controlled to decrease the opening of the flow control valve 9a provided in the power turbine 3, and the flow rate of the exhaust gas supplied to the power turbine 3 is corrected to decrease, so that the energy recovered by the power turbine 3 decreases. However, when the opening degree of the flow control valve 9a is corrected to decrease as described above, the flow rate or the pressure of the exhaust gas supplied to the exhaust turbine 1a is corrected to increase and the exhaust turbocharger 1
As a result, the desired supercharging action is maintained. If the flow rate or the pressure of the exhaust gas rises, for example, when the engine 7 is operated in a high-speed / high-load region, the rotation speed of the exhaust turbocharger 1 becomes higher than necessary and the This can lead to a state of pay. However, in this case, since the increase signal is supplied from the control unit (not shown) to the flow control valve 9a, the opening of the flow control valve 9a provided in the upstream branch passage 9 is corrected to increase. Then, the flow rate of exhaust gas supplied to the power turbine 3 through the upstream branch passage 9 increases, and the flow rate of exhaust gas supplied to the exhaust turbine 1a of the exhaust turbocharger 1 decreases. Excessive supercharging by the turbocharger 1 is prevented. Further, when the opening of the flow control valve 9a is corrected to increase as described above, the flow rate of the exhaust gas supplied to the power turbine 3 increases, so that the energy recovered by the power turbine 3 increases and the fuel efficiency improves. Is done. On the other hand, when the flow rate or the pressure of the exhaust gas is reduced, for example, when the engine 7 is operated in a low speed / light load range, the flow control valve 9a is switched to the fully closed state. Then, in this case, the entire amount of exhaust gas is exhausted by the exhaust turbine 1a.
, The rotation speed of the exhaust turbocharger 1 is secured, and a predetermined supercharging pressure is obtained. As described above, the entire amount of exhaust gas is exhausted by the exhaust turbine 1a.
When there is room in the output of the exhaust turbocharger 1 in the state of being supplied to the
The opening of “a” is corrected to decrease. Then, the exhaust turbine 1a
Since part of the exhaust gas flowing out of the power turbine is supplied to the power turbine 3a, energy recovery by the power turbine 3 is performed. In this case, it is necessary to avoid a decrease in the efficiency of the exhaust turbocharger 1 due to an increase in the exhaust pressure caused by making the opening of the flow control valve 11a too small. That is, during the operation of the engine 7, the control unit controls the opening and closing of the flow control valves 9a, 10a and 11a based on various control information output from a sensor (not shown) to thereby adjust the optimum supercharging pressure. While the exhaust turbocharger 1 is preferentially operated so as to obtain the excess turbocharger 1, the surplus exhaust gas of the exhaust turbocharger 1 is supplied to the power turbine 3 for energy recovery, and the output of the power turbine 3 is
, The fuel efficiency is improved. The energy recovered by the power turbine 3 increases as the flow rate of exhaust gas supplied to the power turbine 3 increases, and the recovered energy increases as the inlet temperature of the power turbine 3 increases. It is well known. Therefore, by combining the exhaust turbocharger 1 and the power turbine 3 in parallel with the lean burn engine 7 having a high excess air ratio and a large exhaust flow rate as in the present embodiment, the exhaust turbocharger 1 , The high-temperature exhaust gas that does not pass through the exhaust turbine 1 a is directly supplied from the upstream branch passage 9 to the power turbine 3 while improving combustion by the supercharging action of the exhaust turbocharger 1. Since the power can be supplied, the energy recovery rate by the power turbine 3 increases, and the fuel efficiency of the engine 7 can be further reduced. In the above embodiment, the present invention is applied to a lean burn engine which is excellent in fuel efficiency and has a high exhaust gas flow rate and a high excess air ratio, so that the exhaust turbocharger 1 and the power turbine 3 can be operated. Although the area is widened, the same operation and effect can be obtained when applied to a normal engine in which the excess air ratio is not so high. As is apparent from the above description, the present invention is directed to an upstream side of an exhaust turbocharger interposed in an exhaust passage of an engine, which branches off from an inlet and an outlet of an exhaust turbine and reaches an inlet of a power turbine. Side branch passage and downstream branch passage
From the exit of the exhaust turbine to the downstream of the power turbine
A flow control valve is provided for each discharge passage leading to
A control unit for variably controlling the opening degree of each of the flow control valves in response to the operating state of the gin and operating the exhaust turbocharger with priority is provided, so that the efficiency of the exhaust turbocharger is reduced. In particular, because it is possible to increase the energy recovery efficiency of the power turbine without inviting,
When combined with a lean burn engine having a high excess air ratio, the fuel efficiency of the engine can be significantly improved.
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るターボ過給エンジンの一実施形態
を示す概略構成図である。
【図2】ターボ過給エンジンの従来例を示す概略構成図
である。
【符号の説明】
1 排気ターボ過給機
1a 排気タービン
1b コンプレッサ
3 パワータービン
3a 出力軸
6 伝動機構
7 エンジン
7a クランク軸
7b 吸気マニホールド
7c 排気マニホールド
8 インタークーラ
9 上流側分岐通路
9a 流量制御弁
10 下流側分岐通路
10a 流量制御弁
11 排出通路
11a 流量制御弁BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing one embodiment of a turbocharged engine according to the present invention. FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a conventional example of a turbocharged engine. [Description of Signs] 1 Exhaust turbocharger 1a Exhaust turbine 1b Compressor 3 Power turbine 3a Output shaft 6 Transmission mechanism 7 Engine 7a Crankshaft 7b Intake manifold 7c Exhaust manifold 8 Intercooler 9 Upstream branch passage 9a Flow control valve 10 Downstream Side branch passage 10a Flow control valve 11 Discharge passage 11a Flow control valve
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F02B 37/00 302 F02B 37/12 302 F02B 37/18 F02B 41/10 F02B 61/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) F02B 37/00 302 F02B 37/12 302 F02B 37/18 F02B 41/10 F02B 61/00
Claims (1)
ーボ過給機1およびパワータービン3を備え、排気ター
ボ過給機1の排気タービン1a入口および出口から分岐
してパワータービン3の入口に至る上流側分岐通路9お
よび下流側分岐通路10ならびに排気タービン1aの出
口からパワータービン3の下流に至る排出通路11にそ
れぞれ流量制御弁9a、10a、11aを設ける一方、
エンジン1の運転状態に応答して前記各流量制御弁9
a、10a、11aの開度を可変制御して排気ターボ過
給機1を優先運転するコントロールユニットを備えてな
るターボ過給エンジン。(57) The Patent Claims 1. A exhaust turbo supercharger 1 and the power turbine 3 is interposed in an exhaust passage of the engine 7 includes, from the exhaust turbine 1a inlet and outlet of the exhaust turbo supercharger 1 The upstream branch passage 9 that branches into the inlet of the power turbine 3
And the outlet of the downstream branch passage 10 and the exhaust turbine 1a.
Its <br/> mouth in the discharge passage 11 extending downstream of the power turbine 3 respectively flow control valves 9a, 10a, while providing the 11a,
In response to the operating state of the engine 1 , each of the flow control valves 9
a, a turbocharged engine including a control unit for variably controlling the opening degrees of 10a, 11a and operating the exhaust turbocharger 1 with priority.
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