JP3510438B2 - Turbocharged engine - Google Patents

Turbocharged engine

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JP3510438B2
JP3510438B2 JP34660596A JP34660596A JP3510438B2 JP 3510438 B2 JP3510438 B2 JP 3510438B2 JP 34660596 A JP34660596 A JP 34660596A JP 34660596 A JP34660596 A JP 34660596A JP 3510438 B2 JP3510438 B2 JP 3510438B2
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幸浩 辻
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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。 BACKGROUND OF THE INVENTION [0001] [Technical Field of the Invention The present invention relates to a turbocharged engine equipped with exhaust turbo supercharger and the power turbine driven by the exhaust, in particular, a crank shaft of the engine it relates turbocharged engine to be able to increase the recovery efficiency of the exhaust energy by the power turbine coupled to the output shaft. 【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。 2. Description of the Prior Art turbocharged engine equipped with exhaust turbo supercharger and power turbine, it is possible to increase the air charge ratio of the intake air in the exhaust energy of the engine to the pressurized combustion chamber , in order to be able to drive the crankshaft by driving the power turbine in excess exhaust energy is advantageous in that a high recovery efficiency of exhaust energy. 【0003】このために、従来では例えば特開平7−2 [0003] For this, in the conventional example, Japanese Unexamined 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。 Such as seen in the 08,187 discloses, in order to avoid by interposing a power turbine to the exhaust bypass passage of an exhaust turbocharger, for example, over-supercharging as during operation at high speed and high load range the exhaust when the bypass valve is opened to drive the power turbine is that so as to recover the exhaust energy of the surplus. 【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。 However, the obtained by interposing a power turbine to the exhaust bypass passage of the thus exhaust turbo supercharger, it is assumed that the work area of ​​the power turbine is limited, moreover, the exhaust turbine of the exhaust turbocharger it is not possible to effectively utilize the energy of the outflowing exhaust to improve the fuel consumption is limited. 【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。 [0005] In order to solve such a problem, through the power turbine 3 in the discharge passage 2 leading to a muffler (not shown) from the outlet of the exhaust turbine 1a of the exhaust turbo supercharger 1 as shown in FIG. 2, for example by doing so, it is conceivable to enlarge the operating region of the power turbine 3 supplies the entire amount of the exhaust to the power turbine 3. 【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。 [0006] In FIG. 2, 1b exhaust turbocharger compressor, an exhaust bypass valve disposed in the exhaust bypass passage 5 4, 6 transmission that couples the crank shaft 7a of the output shaft 3a of the engine 7 of the power turbine 3 mechanism, 7b intake manifold, 7c exhaust manifold, 8 is the intercooler, the transmission mechanism 6, for example a fluid clutch, and is constituted by a continuously variable transmission and a gear train. 【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、 However, if we arranged power turbine 3 in series downstream of the thus exhaust turbo supercharger 1,
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 For differential pressure between upstream and downstream of the exhaust turbine 1a by the power turbine 3 is interposed is reduced, exhaust turbo supercharger 1
の効率が低下してしまうという不具合がある。 There is a problem that the efficiency of decreases. 【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。 [0008] [SUMMARY OF THE INVENTION The present invention was made in view of the above circumstances, to increase the recovery efficiency of the energy by the power turbine without lowering the efficiency of the exhaust turbocharger It has an object to provide a turbo-charged engine capable. 【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 [0009] The present invention in order to solve the above problems SUMMARY OF THE INVENTION An exhaust turbo supercharger is interposed in an exhaust passage of an engine and a power turbine, an exhaust turbine of the exhaust turbocharger upstream branch passage and the downstream side branch passage leading to the inlet of the power turbine is branched from the inlet and outlet
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 As well as downstream of the power turbine from the outlet of the exhaust turbine
に至る排出通路にそれぞれ流量制御弁を設けている。 Each is provided with a flow control valve in the discharge passage leading to. 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 Then, in response to said operating state of the engine each flow control valve
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。 Is characterized in that a control unit for the variable opening controlled by priority operating an exhaust turbocharger. 【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。 [0010] will be described in detail with reference to embodiments of the present invention in FIG. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS. 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。 Figure 1 is a schematic structural diagram showing one embodiment of a turbocharged engine according to the present invention. なお、 It should be noted that,
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。 Portions having a conventional example same functions shown in FIG. 2 will not be further described by the same reference numerals. 【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 [0011] In FIG. 1, the exhaust manifold 7 of the lean-burn engine 7 that achieves combustion with high excess air ratio
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。 Branches from the outlet of the c and the exhaust turbine 1a of the exhaust turbo supercharger 1 upstream branch path 9 and the downstream side branch passage 10 is provided an exhaust turbo supercharger 1 and the power turbine 3 leading to the inlet of the power turbine 3 They are connected in parallel. また、 図1に示したように、前記両分岐通路9、10にそ Further, as shown in FIG. 1, the two branch passages 9 and 10 Niso
れぞれ流量制御弁9a、10aを設ける一方、排気ター Respectively flow control valves 9a, while providing the 10a, exhaust terpolymers
ビン1aの出口から分岐してパワータービン3より下流 Downstream of the power turbine 3 branched from the outlet of the bin 1a
の図示しないマフラに至る排出通路11に流量制御弁1 Flow control valve 1 in the discharge passage 11 leading to the muffler (not shown)
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 By providing 1a, the flow control valve from a control unit (not shown) in response to the operating state of the engine 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。 a, 10a, and to supply the exhaust turbo supercharger 1, respectively control signals to be preferentially operated to 11a. 【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。 [0012] In turbocharged engines consisting of above arrangement, the flow control valve 9a which is provided on the upstream side branch passage 9 by a control signal normally output from the control unit (not shown) is half open, the downstream side branch passage 10 provided flow rate control valve 10a is fully closed, the flow control valve 11a provided in the discharge passage 11 is held fully open. 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、 Thus, a portion of the exhaust gas flowing out from the exhaust manifold 7c with the operation of the engine 7 is guided to the exhaust turbine 1a,
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。 The remaining exhaust gas is supplied to the power turbine 3 through the upstream branch passage 9. 【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。 [0013] For this, during operation of the engine 7 is always in the exhaust turbo supercharger 1 is driven, air filtered by an air cleaner (not shown) is pressurized by the compressor 1b temperature rise. 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。 Then, the air temperature rise by the pressure is distributed and supplied through the intake manifold 7b after being cooled by the intercooler 8 into the combustion chamber. 【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。 [0014] On the other hand, the exhaust flowing out from the exhaust manifold 7c is also supplied to the power turbine 3 through the upstream branch passage 9. 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 Thus, during operation of the engine 7 supercharging is maintained by the exhaust turbo supercharger 1, moreover, surplus exhaust does not require the exhaust turbo supercharger 1 drives the power turbine 3, the output of the power turbine 3 but the transmission mechanism 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。 Is transmitted to the crank shaft 7a of the engine 7 through to be Notatami to the output of the engine 7, the fuel economy is improved. 【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 [0015] Here, for example, if the flow rate or pressure of the exhaust gas load or rotational speed is reduced in the engine 7 is reduced, the flow control valve from a control unit (not shown) 9
aに減少信号が供給される。 Reduction signal is supplied to a. すると、上流側分岐通路9 Then, the upstream side of the branch passage 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。 For the flow rate of the exhaust gas is opening of the flow control valve 9a provided in supplied is reduced controlled to the power turbine 3 is reduced correction, recovery energy is reduced by the power turbine 3. 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 However, this manner flow when the opening degree of the control valve 9a is reduced correction exhaust turbocharger flow rate or pressure of the exhaust gas supplied to the exhaust turbine 1a is increased corrected 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。 For rotation of is ensured, desired supercharging action is maintained. 【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。 Further, if the flow rate or pressure of the exhaust gas and the like the engine 7 is operated for example at a high speed and high load region is increased, excessive over-higher than necessary rotational speed of the exhaust turbo supercharger 1 it can lead to feeding status. 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。 However, in this case in order to increase signal is supplied from the control unit (not shown) to the flow control valve 9a is the opening of the flow control valve 9a which is provided on the upstream side branch passage 9 is increased corrected. 【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。 [0017] Then, in the flow rate of the exhaust gas supplied to the power turbine 3 through the upstream branch passage 9 reduces the flow rate of the exhaust gas supplied to the exhaust turbine 1a of the exhaust turbo supercharger 1 increases, the exhaust excessive supercharging by the turbo supercharger 1 is prevented. 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。 Further, when the degree of opening of the to the flow control valve 9a as described above is increased corrected, because the flow rate of the exhaust gas supplied to the power turbine 3 is increased, the fuel economy recovered energy is increased by the power turbine 3 Improvement It is. 【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。 [0018] On the other hand, if for example the engine 7 is the flow rate or pressure of the exhaust gas and the like is operated at a low speed and low load region decreases, the flow control valve 9a is switching control in the fully closed state. すると、この場合は排気の全量が排気タービン1a Then, the total amount of this case, the exhaust the exhaust turbine 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。 To be supplied to, is secured rotational speed of the exhaust turbo supercharger 1 has a predetermined supercharging pressure is obtained. 【0019】このように排気の全量が排気タービン1a [0019] The total amount of this way exhaust the exhaust turbine 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 Flow control valve 11 when there is a margin in the output of the exhaust turbo supercharger 1 while being supplied, provided in the discharge passage 11 to the
aの開度が減少補正される。 a degree of opening is decreased corrected. すると、排気タービン1a Then, the exhaust turbine 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。 Some were outflowing exhaust gas from in order to be supplied to the power turbine 3a, energy recovery by the power turbine 3 is performed. 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。 In this case, there is a need to avoid the reduction in efficiency of the exhaust turbo supercharger 1 by increasing exhaust pressure due to too small opening of the flow control valve 11a. 【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 [0020] That is, the control unit the flow control valve 9a and during operation based on the various control information output from a sensor (not shown) of the engine 7, 10a, the optimum supercharging pressure respectively increases or decreases the control to the opening of 11a the exhaust turbo supercharger 1 with priority operating so as to obtain, the excess exhaust of the exhaust turbo supercharger 1 is supplied to the power turbine 3 performs energy recovery, the engine 7 the output of the power turbine 3
の出力に乗畳させるために、燃費が改善される。 To Notatami to the output of the fuel efficiency is improved. 【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。 [0021] Incidentally, recovered energy by the power turbine 3 is for the flow rate of the exhaust gas supplied to the power turbine 3 is increased with increasing inlet temperature of the power turbine 3 recovered energy increases with increasing it is well known. 【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。 [0022] Therefore, a high excess air exhaust turbo supercharger in combination with the lean burn engine 7 exhaust flow rate is high in index 1 and the power turbine 3 as in this embodiment are connected in parallel exhaust turbo supercharger 1 priority if you way operation, while performing the improvement of combustion by supercharging effect of the exhaust turbo supercharger 1, direct hot exhaust without passing through the exhaust turbine 1a from the upstream side branch passage 9 to the power turbine 3 in order to be able to supply, it is possible to further reduce the fuel consumption of the engine 7 becomes high energy recovery by the power turbine 3. 【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。 [0023] In the above embodiment, good fuel economy, moreover, by applying the present invention to higher exhaust flow rate is high excess air ratio lean burn engine, the movable exhaust turbocharger 1 and the power turbine 3 Although so as to widen the area, it can be even when applied to normal engine that does not so high excess air ratio obtaining the same effect. 【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 [0024] Obviously the present invention from the above description, the upstream leading to the inlet of the power turbine is branched from the exhaust turbine inlet and outlet of the exhaust turbocharger is interposed in an exhaust passage of an engine side branch passage and the downstream side branch passages
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 Downstream from the outlet of the exhaust turbine of the power turbine to Rabbi
至る排出通路にそれぞれ流量制御弁を設ける一方、エン While in the discharge passage leading providing each flow control valve, en
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、 Since Gin variable control to exhaust turbo supercharger wherein in response to opening of the flow control valve to the operating state of the is provided with a control unit that preferentially operated, a decrease in the efficiency of the exhaust turbocharger in order to be able to increase the recovery efficiency of the energy by the power turbine without causing, in particular,
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。 The fuel consumption of the engine in combination with a lean-burn engine with high air excess ratio can be greatly 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。 It is a schematic diagram showing an embodiment of the drawings: turbocharged engine according to the present invention; FIG. 【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。 2 is a schematic diagram showing a conventional example of a turbocharged engine. 【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 [Description of Reference Numerals] 1 exhaust turbo supercharger 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 the 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 ────────────────────────────────────────────────── ─── of the front page continued (58) investigated the field (Int.Cl. 7, DB name) F02B 37/00 302 F02B 37/12 302 F02B 37/18 F02B 41/10 F02B 61/00

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 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1a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9お (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 branched upstream branch passage 9 leading to the inlet of the power turbine 3 Contact
    よび下流側分岐通路10ならびに排気タービン1aの出 Exit of the downstream-side branch passage 10 and an exhaust turbine 1a and
    口からパワータービン3の下流に至る排出通路11にそ<br>れぞれ流量制御弁9a、10a、11aを設ける一方、 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,
    エンジンの運転状態に応答して前記各流量制御弁9 Wherein in response to the operating state of the engine 1 the flow control valve 9
    a、10a、11a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備えてなるターボ過給エンジン。 a, 10a, turbocharged engine comprising comprises a control unit for the 11a opening of the variable controlled to preferentially operated exhaust turbo supercharger 1.
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