JP5316763B2

JP5316763B2 - 過給機用ガス分流装置

Info

Publication number: JP5316763B2
Application number: JP2008282922A
Authority: JP
Inventors: 友一村山; 正武本
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2008-11-04
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2028-11-04
Also published as: JP2010112184A

Description

本発明は、エンジンからの排気ガスを過給装置と触媒装置に供給する過給機用ガス分流装置に関する。

過給機（ターボチャージャ）は、タービンとコンプレッサが機械的に連結されており、エンジンの排気ガスでタービンを回転駆動し、これと連結されたコンプレッサで吸入空気を圧縮して加圧された空気をエンジンに供給し、エンジンの性能を向上させる装置である。

また、２段過給とは、高圧の空気を得るために２台の過給機のコンプレッサを直列に接続した過給機方式である。この場合、タービンは、直列（シリーズ）又は並列（パラレル）に接続される。
さらに、２台の過給機のタービンを直列に接続する場合もある。この場合、コンプレッサは、直列又は並列に接続される。
以下、本出願において、２台のコンプレッサを直列に、２台のタービンを直列又は並列に接続する過給装置を「２段過給装置」と呼び、２台のコンプレッサを並列に、２台のタービンを直列又は並列に接続する過給装置を「パラレルツイン過給装置」と呼ぶ。

図３は、従来の２段過給装置及びパラレルツイン過給装置の全体模式図であり、（Ａ）は、コンプレッサとタービンの両方を直列接続した例、（Ｂ）はコンプレッサとタービンの両方を並列接続した例である。
この図において、Ｔはタービン、Ｃはコンプレッサ、Ｅはエンジン、Ｉ／Ｃはインタークーラ、Ｗ／Ｇは排気弁（ウェイストゲート）である。排気弁Ｗ／Ｇは、バキューム又はパイロット圧により開閉する開閉弁である。

図３（Ａ）に示すように、一般に直列接続では、高圧段タービンハウジング５１にバイパス通路５３と排気弁Ｗ／Ｇを備え、低圧段タービンハウジング５２の出口と排気弁Ｗ／Ｇの出口は、出口配管５４に接続される。
一方、図３（Ｂ）に示すように、並列接続では高圧段タービンハウジング５１、低圧段タービンハウジング５２それぞれに排気弁Ｗ／Ｇを備え、高圧段タービンハウジング５１の入口に流量制御バルブ５５を設け、エンジンＥからの排気ガスの流入量を制御している。したがって、高圧段タービンハウジング５１の出口と低圧段タービンハウジング５２の出口が出口配管５４に接続される。

さらに、図３において２段過給装置及びパラレルツイン過給装置の下流側には、エンジンＥからの排気ガスに含まれるＮＯｘやＰＭ（微細物質）を除去する触媒を内蔵する触媒装置５６が設置される。この触媒装置５６は、エンジンＥからの排気ガスにより内部の触媒をその活性温度まで高めるようになっている。
しかし、上述した従来の２段過給装置及びパラレルツイン過給装置では、エンジンＥからの排気ガスが必ず過給機を通るため、タービンハウジング５１、５２の温度が低い起動時等に、過給機が持つ熱容量のために、触媒温度の上昇が妨げられる問題点があった。

この問題点を解決するために、例えば特許文献１が既に提案されている。

特許文献１は、始動課程において高効率の触媒を有する内燃機関用過給装置を目的とする。
そのため、この装置は、図４（Ａ）（Ｂ）に示すように、それぞれ共通軸を介して結合されているタービンＴ及び圧縮機Ｃを備え、排気側でタービンＴの後方に直列に設けられている少なくとも一つの触媒６０を備え、内燃機関の低温時に触媒６０を急速加熱するためのバイパス装置６２を備え、バイパス装置６２が、それぞれのタービンＴをバイパスするための、少なくとも一つのタービンに並列に配置されたバイパス配管６３を有し、及びバイパス装置６２が切換バルブ６４を有し、切換バルブ６４は排気側で配管及びタービンからなる並列配置の手前に直列に設けられ、及び切換バルブ６４により、排気ガスのどれだけの部分量が場合によりタービンを介して、及びどれだけの部分量が場合によりバイパス配管６３を介して触媒６０に直接供給されるかを設定するものである。

特開２００４−１００６９４号明細書、「内燃機関用過給装置及びこのような過給装置を備えた内燃機関」

上述したように、特許文献１の内燃機関用過給装置は、ハウジング６５内に切換バルブ６４を設け、バイパス配管６３に直接排気ガスを導くようになっている。

しかし、切換バルブをハウジング内に組み込むことは、例えばハウジングが並列接続されるパラレルツイン過給において、１つの排気ガス流路から３方に分流する必要があり、設計・製造上、難しいという問題点があった。

また、特許文献１の装置では、エンジンからの排気ガスが必ずハウジングを通るため、ハウジングの温度が低い起動時等に、過給機が持つ熱容量のために、触媒温度の上昇が妨げられる問題点があった。

さらにこの装置では、バイパス装置がタービン及び／又は全体過給装置のハウジング内に組み込まれているので、過給機交換の際、前後の配管等も分解する必要があり、過給機交換に時間と手間がかかる問題点があった。

本発明は上述した従来の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、（１）過給機のハウジング温度が低い場合でも、過給装置の下流側に位置する触媒装置内の触媒を短時間に触媒活性温度まで高めることができ、かつ（２）過給装置が多段であり、タービンが並列に接続される場合でも、各タービンにエンジンからの排気ガスを必要量の供給することができ、（３）過給機交換の際、前後の配管等も分解することなく、モジュールとして過給機交換が短時間に簡単にできる過給機用ガス分流装置を提供することにある。

本発明によれば、エンジンからの排気ガスを過給装置と触媒装置に供給する過給機用ガス分流装置であって、
前記過給装置は、２台のタービンが並列に接続された２段過給装置であり、
エンジンのエキゾーストマニホールドと常時連通し、前記排気ガスを内部に収容可能であり、内部と外部を連通する３以上の開口を有する中空マニホールドと、
前記各開口にそれぞれ設けられ、該各開口を通過する流量を制御可能な３つの流量制御バルブと、
該流量制御バルブの１つを前記触媒装置に直接連通させる主排気管と、を備え、
前記流量制御バルブの残りの２つは、２台のタービンそれぞれに連通し、かつ該タービンの排気ガスは前記主排気管に連通する、ことを特徴とする過給機用ガス分流装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記中空マニホールドは、１側面がエキゾーストマニホールドに直結された直方体マニホールドであり、該直方体マニホールドの残る５側面のうち少なくとも２側面に前記開口が設けられ、
前記流量制御バルブは、前記開口を直方体マニホールドの内側で開閉する開閉弁を有する。

本発明の構成によれば、エンジンのエキゾーストマニホールドと常時連通する中空マニホールドの開口に設けられた流量制御バルブの１つが、主排気管を介して触媒装置に連通するので、エンジン始動時に主排気管へ通じる流量制御バルブのみを開くことで、効率良く触媒を活性することができる。従って、過給機のハウジング温度が低い場合でも、過給装置の下流側に位置する触媒装置内の触媒を短時間に触媒活性温度まで高めることができる。

また中空マニホールドの開口に設けられた流量制御バルブの残りのうち少なくとも１つは、過給装置のタービンに連通し、かつ該タービンの排気ガスは前記主排気管に連通するので、エンジン始動の後には、それぞれの流量制御バルブの開度を調整することにより、タービンの目的にあった流量のガスを流すことが可能となる。
従って、過給装置が多段であり、タービンが並列（パラレル）に接続される場合でも、各タービンに目的にあった必要量の排気ガスを供給することができる。

特に、タービンが並列（パラレル）に接続される場合には、それぞれのタービンに必要量の排気ガスを供給することができるので、従来パラレル過給機で必要であったウェイストバルブを不要にできる。

さらに、本発明の過給機用ガス分流装置は、タービンが組込まれているハウジングと別体構造であるので、過給機交換の際、前後の配管等も分解することなく、モジュールとして過給機交換が短時間に簡単にできる。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の過給機用ガス分流装置の構成図である。本発明の過給機用ガス分流装置１０は、エンジンからの排気ガス１を過給装置２０と触媒装置３０に供給する装置である。
この図に示すように、本発明の過給機用ガス分流装置１０は、単一の中空マニホールド１２、２以上（この例では３つ）の流量制御バルブ１４Ａ〜１４Ｃ、及び単一の主排気管１６を備える。

単一の中空マニホールド１２は、エンジンのエキゾーストマニホールド２と常時連通する。またこの中空マニホールド１２は、エンジンからの排気ガス１を内部に収容可能な中空空間を内部に有する。さらに中空マニホールド１２は、内部と外部を連通する３以上の開口１２ａ〜１２ｃを有する。
この例では、中空マニホールド１２は、１側面がエキゾーストマニホールド２にフランジを介して直結された直方体マニホールドである。またこの直方体マニホールド１２の残る５側面のうち少なくとも２側面（この例では３側面）に上述した開口１２ａ〜１２ｃが設けられている。

流量制御バルブ１４Ａ〜１４Ｃは、開口１２ａ〜１２ｃにそれぞれ設けられ、各開口１２ａ〜１２ｃを通過する流量を制御可能に構成されている。
この例では、各流量制御バルブ１４Ａ〜１４Ｃは、開口１２ａ〜１２ｃを直方体マニホールド１２の内側で開閉する開閉弁１５を有する。また各開閉弁１５は、図示しないアクチュエータにより、開閉弁１５を開閉し各開口１２ａ〜１２ｃを通過する流量を制御するようになっている。アクチュエータは、例えば流体圧シリンダ、電動シリンダ、ダイアフラムシリンダ、等を用いることができる。
なお、本発明はこの構成に限定されず、周知の流量制御バルブを中空マニホールド１２の外面に取り付けてもよい。

単一の主排気管１６は、流量制御バルブの１つ（この例では流量制御バルブ１４Ａ）を触媒装置３０に直接連通させる排気管である。
また、流量制御バルブの残りのうち少なくとも１つ（この例では流量制御バルブ１４Ｂ、１４Ｃ）は、過給装置２０のタービンに連通し、かつタービンの排気ガスは主排気管１６に連通する。

上述した構成により、流量制御バルブ１４Ａ〜１４Ｃにより、各開口１２Ａ〜１２Ｃを通過する流量を制御し、過給装置２０及び触媒装置３０に流入する排気ガス１の流量を自由に調節することができる。

図２は、本発明による過給機用ガス分流装置を備えた２段過給装置の全体構成図である。この図において、（Ａ）はコンプレッサＣとタービンＴの両方を直列接続した例、（Ｂ）はコンプレッサＣとタービンＴの両方を並列接続した例である。
この図において、Ｔはタービン、Ｃはコンプレッサ、Ｅはエンジン、Ｉ／Ｃはインタークーラである。

図２（Ａ）（Ｂ）において、過給装置２０は、高圧段ハウジング２１と低圧段ハウジング２２からなり、高圧段過給機２３は高圧段ハウジング２１に、低圧段過給機２４は低圧段ハウジング２２に一体モジュールとして組込まれている。

図２（Ａ）では、上述した流量制御バルブ１４Ｂが高圧段ハウジング２１内の流路を介して高圧段過給機２３のタービンＴに連通し、その出口が低圧段過給機２４のタービンＴに連通して、２つのタービンＴを直列接続している。なお、この場合、流量制御バルブ１４Ｃは全閉を維持する。
さらにこの例では、高圧段ハウジング２１にバイパス通路２７と排気弁２６が設けられ、低圧段ハウジング２２の出口配管２８と排気弁２６のバイパス通路２７は、上述した主排気管１６に接続される。
また、低圧段過給機２４のコンプレッサＣの出口が高圧段過給機２３のコンプレッサＣに連通し、２つのコンプレッサＣを直列接続している。なお、２５は排気弁であり、バキューム又はパイロット圧により開閉して、高圧段過給機２３のコンプレッサＣへ供給される圧縮空気の量を調節するようになっている。

上述した構成により、本発明の過給機用ガス分流装置１０を用いて、コンプレッサＣとタービンＴの両方を直列接続することができる。また、この構成により、エンジン始動時に主排気管１６へ通じる流量制御バルブ１４Ａのみを開くことで、効率良く触媒を活性することができる。
また、エンジン始動後には、それぞれの流量制御バルブ１４Ａ〜１４Ｃの開度を調整することにより、タービンＴの目的にあった流量のガスを流すことが可能である。
さらに、過給機交換の際、前後の配管等も分解することなく、モジュールとして過給機交換が短時間に簡単にできる。

図２（Ｂ）では、上述した流量制御バルブ１４Ｂが高圧段ハウジング２１内の流路を介して高圧段過給機２３のタービンＴに連通し、その出口配管２９ａは、上述した主排気管１６に接続されている。また、上述した流量制御バルブ１４Ｃが低圧段ハウジング２２内の流路を介して低圧段過給機２４のタービンＴに連通し、その出口配管２９ｂは、主排気管１６に接続されている。
また、低圧段過給機２４のコンプレッサＣの出口と高圧段過給機２３のコンプレッサＣの出口がインタークーラＩ／Ｃに連通し、２つのコンプレッサＣを並列接続している。なお、２５は排気弁であり、バキューム又はパイロット圧により開閉して、高圧段過給機２３のコンプレッサＣから排気される圧縮空気の量を調節するようになっている。

上述した構成により、本発明の過給機用ガス分流装置１０を用いて、コンプレッサＣとタービンＴの両方を並列接続することができる。また、この構成により、エンジン始動時に主排気管１６へ通じる流量制御バルブ１４Ａのみを開くことで、効率良く触媒を活性することができる。
また、エンジン始動後には、それぞれの流量制御バルブ１４Ａ〜１４Ｃの開度を調整することにより、タービンＴの目的にあった流量のガスを流すことが可能である。
特に、タービンが並列接続される場合には、それぞれのタービンに必要量の排気ガスを供給することができるので、従来パラレル過給機で必要であったウェイストゲートバルブを不要にできる。
さらに、過給機交換の際、前後の配管等も分解することなく、モジュールとして過給機交換が短時間に簡単にできる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

本発明の過給機用ガス分流装置の構成図である。本発明による過給機用ガス分流装置を備えた２段過給装置の全体構成図である。従来の２段過給装置及びパラレルツイン過給装置の全体模式図である。特許文献１の装置の模式図である。

符号の説明

１排気ガス、２エキゾーストマニホールド、
１０過給機用ガス分流装置、
１２中空マニホールド（直方体マニホールド）、１２ａ〜１２ｃ開口、
１４Ａ〜１４Ｃ流量制御バルブ、１５開閉弁、１６主排気管、
２０過給装置、
２１高圧段ハウジング、２２低圧段ハウジング、
２３高圧段過給機、２４低圧段過給機、
２５，２６排気弁、２７バイパス通路、
２８，２９ａ，２９ｂ出口配管、
３０触媒装置

Claims

エンジンからの排気ガスを過給装置と触媒装置に供給する過給機用ガス分流装置であって、
前記過給装置は、２台のタービンが並列に接続された２段過給装置であり、
エンジンのエキゾーストマニホールドと常時連通し、前記排気ガスを内部に収容可能であり、内部と外部を連通する３以上の開口を有する中空マニホールドと、
前記各開口にそれぞれ設けられ、該各開口を通過する流量を制御可能な３つの流量制御バルブと、
該流量制御バルブの１つを前記触媒装置に直接連通させる主排気管と、を備え、
前記流量制御バルブの残りの２つは、２台のタービンそれぞれに連通し、かつ該タービンの排気ガスは前記主排気管に連通する、ことを特徴とする過給機用ガス分流装置。
前記中空マニホールドは、１側面がエキゾーストマニホールドに直結された直方体マニホールドであり、該直方体マニホールドの残る５側面のうち少なくとも２側面に前記開口が設けられ、
前記流量制御バルブは、前記開口を直方体マニホールドの内側で開閉する開閉弁を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の過給機用ガス分流装置。