JP5353505B2 - 多段過給装置 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関に用いる多段過給装置に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関においては、高出力低燃費化のために低圧段ターボチャージャと高圧段ターボチャージャとを備えた２段過給システムが知られている（特許文献１，２）。

ディーゼルエンジンにおいて、低ＮＯｘと低スモークの同時低減を可能にする予混合圧縮着火燃焼の研究が近年活発に行われている。この予混合圧縮着火燃焼は、均一で希薄な混合気を早期に生成し燃焼させるため、技術課題としてエンジン負荷（燃料噴射量）を増すと過早着火が発生して着火時期の制御が困難となり、そのため運転領域が低負荷領域（燃料噴射量の少ない領域）に限定されるといった問題がある。

予混合圧縮着火燃焼による運転領域を拡大する手法としては、高ＥＧＲ（排気再循環）との組み合わせにより燃焼を抑制し、Ａ／Ｆ（空燃比）を確保することが効果的であることが知られている。具体的には２段過給装置を用い、高圧段の小型ターボにより低速低負荷領域から高ブーストを得て、高ＥＧＲ率と高Ａ／Ｆを確保することが考えられる。

また２段過給装置は、容量の小さな高圧段ターボによる市街地（低中速・低中負荷）走行における燃費の低減と、容量の大きな低圧段ターボによる高出力化を両立させる手段としても有効である。

図４に示す従来の多段過給装置について簡単に説明する。

図４（Ａ）に示すように、エンジン１の吸気マニホールド１０に吸気管４が接続され、排気マニホールド１１に排気管５が接続されている。吸気管４には、下流から順にインタークーラ４０、高圧段ターボチャージャ２の高圧段コンプレッサ２１、低圧段ターボチャージャ３の低圧段コンプレッサ３１が設けられており、また高圧段コンプレッサ２１の上流と下流をつなぐ吸気バイパス管２４にバイパスバルブ２５が設けられている。

排気管５には、上流から順に高圧段ターボチャージャ２の高圧段タービン２０、低圧段ターボチャージャ３の低圧段タービン３０が設けられている。また排気マニホールド１１と排気管５との間に設けられているバイパス流路５ｂに、高圧段ターボチャージャ２と低圧段ターボチャージャ３を切り替えるバイパスバルブ５ｃが設けられている。

バイパスバルブ５ｃは、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すようなバタフライ式が一般的で、高圧段タービンケース２０ａの開口部２０ｂを覆うように排気の下流側に配置されている。開口部２０ｂは、高圧段タービン２０のタービンロータ２０ｃの上流側と下流側とを仕切る仕切壁２０ｄに設けられている。バイパスバルブ５ｃは一端を回転軸８０に支持され、回転軸８０の軸心周りに支持アーム８１を介して回動自在に支持された弁体８２を備えており、弁体８２が弁座８３に当接することにより開口部２０ｂを塞ぎ、アクチュエータ装置（図示せず）によって支持アーム８１と共に弁体８２を矢印Ｗのように回動させて開口部２０ｂを開く。

特開２００７−１３８７９８号公報 特開２００９−９２０４５号公報

ところで、バタフライ式のバイパスバルブ５ｃは機構上、バルブ開度（支持アーム８１の回動角）に対するガス流量の感度が高く、僅かな流量を制御したいときの支持アーム８１の回動角の緻密な制御が困難となる。これを解決する手段として、図４（Ｂ）に示すようにバイパス流路５ｄにバタフライ式の小さいバルブ５ｅを１個追加し、先ず小さいバルブ５ｅを開いて排ガスを低圧段タービン３０へバイパスし、所定の時間が経過してからバイパスバルブ５ｃを開いて制御することが考えられるが、部品点数、スペース的にも好ましくない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、コンパクト且つ簡単な構造で構成部品の簡素化を図ると共に、高圧段ターボから低圧段ターボに切り替える遷移域におけるバイパス流量を精密に制御できるようにした多段過給装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、エンジンの吸気管と排気管に直列に接続された高圧段ターボチャージャ及び低圧段ターボチャージャと、前記エンジンと前記低圧段ターボチャージャの低圧段タービンとの間に、前記高圧段ターボチャージャの高圧段タービンをバイパスするバイパス流路と、該バイパス流路に設けられ、その流路を開閉するバイパスバルブと、前記高圧段ターボチャージャの高圧段タービンに設けられた高圧段ウェイストゲートバルブと、を有する多段過給装置において、前記高圧段ウェイストゲートバルブは、高圧段タービンケースに設けられタービンロータの上流側と下流側とを該タービンロータをバイパスして連通する開口部と、前記開口部の下流側に配置され、その開口部に対し当接離隔可能な弁体と、前記弁体を前記開口部に向けて付勢して閉成させるためのコイルスプリングと、前記高圧段タービンケースに固定され前記コイルスプリングの一端を保持すると共にコイルスプリングのセット荷重を調整する固定ボルトとを備え、前記バイパスバルブは、前記高圧段ターボチャージャの高圧段コンプレッサの下流側に設けられたブースト圧センサのブースト圧で制御され、前記高圧段ウェイストゲートバルブは、前記バイパスバルブを全開にして高圧段ターボチャージャから低圧段ターボチャージャへの切り替えの遷移域で、所定のエンジン排圧に応じて前記弁体が前記コイルスプリングを押し縮めて前記開口部から離隔させて開放するようにしたことを特徴とする。

また前記コイルスプリングは、その一端が前記弁体に接し、他端が前記固定ボルトに接するのが好ましい。

また前記弁体と前記コイルスプリング及び前記固定ボルトを同軸上に配置するのが好ましい。

また前記弁体は、前記開口部に対向する受圧面の形状が球面状に凹んで形成されるのが好ましい。

本発明によれば、コンパクト且つ簡単な構造で構成部品の簡素化を図ると共に、高圧段ターボから低圧段ターボに切り替える遷移域におけるバイパス流量を精密に制御できるようにした多段過給装置を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る多段過給装置の構成を示す概略図である。 図２は、図１に示す多段過給装置の高圧段ウェイストゲートバルブを示す断面図である。 図３は、エンジン回転速度及び負荷に基づく高圧段ウェイストゲートバルブ開閉の制御領域マップの一例を示す図である。 図４は、従来の多段過給装置の構成を示す概略図で、（Ａ）はバイパスバルブが一つの場合を示し、（Ｂ）はバイパスバルブが二つの場合を示す。 図５は、従来のウェイストゲートバルブが取り付けられたターボチャージャを示す図で、（Ａ）はタービン部の断面図で、（Ｂ）は（Ａ）のＡ部を拡大した断面図である。

本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。

なお、図１、図２の本実施形態において、図４、図５の従来例で示した部材と同等の機能を有する部材については同一の符号を付して説明する。

図１に示すようにエンジン１の吸気マニホールド１０には、吸気が流通する吸気管４が接続されている。またエンジン１の排気マニホールド１１には、排気ガスが流通する排気管５が接続されている。吸気管４と排気管５には、エンジンに近い方から互いに直列に高圧段ターボチャージャ２、低圧段ターボチャージャ３が接続されている。

高圧段ターボチャージャ２は、エンジン１から排出される排気ガスを受けて駆動する高圧段タービン２０と、高圧段タービン２０によって駆動され、エンジン１に供給する吸気を昇圧するための高圧段コンプレッサ２１とを有している。吸気管４には、高圧段コンプレッサ２１により昇圧した吸気を冷却するインタークーラ４０が設けられている。

排気管５ａに接続される高圧段タービン２０には、その上流と下流をタービンロータ２０ｃをバイパスしてつなぐバイパス流路２２に高圧段ウェイストゲートバルブ７が設けられている。高圧段ウェイストゲートバルブ７は、高圧段タービン２０のタービンロータ２０ｃをバイパスする排気ガス量をコントロールする。

また排気マニホールド１１と低圧段ターボチャージャ３との間にバイパス流路５ｂが設けられており、バイパス流路５ｂには、高圧段タービン２０をバイパスするためのバイパスバルブ５ｃが開閉可能に設けられている。バイパスバルブ５ｃは、その開度を制御することにより、高圧段ターボチャージャ２の高圧段タービン２０をバイパスして低圧段ターボチャージャ３の低圧タービン３０へ排気ガスを送るものである。

高圧段コンプレッサ２１は吸気管４に接続され、高圧段コンプレッサ２１をバイパスする吸気バイパス管２４には、高圧段コンプレッサ２１の出口圧が所定圧を超えると開となるバイパスバルブ２５が設けられている。バイパスバルブ２５は、高圧段コンプレッサ２１をバイパスする空気の量を制御する。また高圧段コンプレッサ２１の下流側の吸気管４にブースト圧（過給圧）を検出するブースト圧センサ２６が設けられている。ブースト圧センサ２６は、前記所定圧を検出することによりバイパスバルブ２５を開き、また所定のブースト圧を検出することによりアクチュエータ（図示せず）を駆動して前記したバイパスバルブ５ｃを開制御するものである。

低圧段ターボチャージャ３は、エンジン１から排出される排気ガスを受けて駆動する低圧段タービン３０と、低圧段タービン３０によって駆動され、エンジン１に供給する吸気を昇圧するための低圧段コンプレッサ３１とを有している。低圧段タービン３０は、ウェイストゲートを有し、低圧段タービン３０をバイパスするウェイストゲート流路としてのウェイストゲート管３２に、所定の過給圧を超えると開となる低圧段ウェイストゲートバルブ３３が設けられている。低圧段ウェイストゲートバルブ３３は、低圧段タービン３０をバイパスする排気ガス量をコントロールする。

またエンジン１には、排気ガスの一部を排気系から取り出して再びエンジン１の吸気系に戻すＥＧＲ流路６が設けられている。ＥＧＲ流路６にはＥＧＲクーラ６０、ＥＧＲ弁６１が設けられており、ＥＧＲ流路６の一端は排気マニホールド１１に接続され、他端はインタークーラ４０より下流の吸気管４に接続されている。ＥＧＲガスは排気マニホールド１１からＥＧＲ流路６をＥＧＲクーラ６０、ＥＧＲ弁６１を経由して吸気管４から吸気マニホールド１０に導入される。ＥＧＲ弁６１はエンジン１の運転条件に応じて開閉制御が行われる。

図１及び図２に基づき、高圧段ウェイストゲートバルブ７について説明する。

高圧段ウェイストゲートバルブ７は、前記したようにバイパス流路２２に設けられている。すなわち、高圧段タービンケース２０ａに回転自在に設けられているタービンロータ２０ｃの上流側と下流側とを仕切る仕切壁２０ｄに開口部２０ｂが設けられており、開口部２０ｂの下流側に高圧段ウェイストゲートバルブ７が配置されてエンジン排圧（タービン入口圧）を受けて高圧段ウェイストゲートバルブ７が開閉することができるようになっている。高圧段ウェイストゲートバルブ７は、開口部２０ｂに対して当接又は離隔する弁体７０、弁体７０を開口部２０ｂに向けて付勢するコイルスプリング７４及び蓋部材２０ｅにねじ込まれて固定され、コイルスプリング７４を保持する固定ボルト７５で構成されている。なお蓋部材２０ｅは、排ガスをシールするガスケット７７を介して高圧段タービンケース２０ａに一体に結合している。

弁体７０は、開口部２０ｂに対向する側の形状を球面状に凹んで形成した受圧面７１と、これと反対の側に形成しコイルスプリング７４を保持する凹部７２と、中央部に形成した突部７３とを有する。固定ボルト７５の先端には突部７６が形成されており、この突部７６と弁体７０の突部７３とでフルリフト調整代Ｌが形成されている。

弁体７０は、受圧面７１の形状が前記したように球面状に凹んで形成されて高圧段タービンケース２０ａの狭い空間において、エンジン排圧を受ける面積が十分に確保されるようになっている。

このように高圧段ウェイストゲートバルブ７をバタフライ式でなく、コイルスプリング付きの直動式に構成してガス流量とバルブリフトＬの関係に線形性（リニアリティ）をもたせ、制御性の向上を図っている。すなわち、排圧に応じてリフト量Ｌが比例的に変化することになり、リフト量Ｌに応じて開口部２０ｂの円周長さとリフト量Ｌを乗じたカーテンエリアが比例的に変化する。そしてカーテンエリアの比例的変化に応じてガス流量が比例的に変化するので、ガス流量とバルブリフトＬとの関係が線形性をもつことになる。このためバイパス流路２２におけるガス流量（バイパス流量）が制御しやすく、コイルスプリング７４のセット荷重を調整することで緻密な制御を行うことが可能である。また受圧面形状を球面状に凹ませて受圧面積を増やすことで狭小化を図りながら、開弁時圧力に対する感度の向上を図っている。

次に、図１を参照して本実施形態の作用を説明する。

エンジン１が低回転のとき、エンジン１からの排気ガスは、排気マニホールド１１から排気管５ａを通して高圧段ターボチャージャ２の高圧段タービン２０に送り込まれる。このとき、バイパスバルブ５ｃは閉じられており、バイパス流路５ｂから排気ガスは流れない。エンジン１が低回転で高圧段タービン２０側へ流れる排気ガスの流量が少なくても、高圧段タービン２０は小容量であるので適格に駆動され、高圧段コンプレッサ２１により所定の過給圧を確保することができる。高圧段タービン２０から送り出された排気ガスは低圧段タービン３０へ流れるが、低圧段タービン３０は大容量であり、低圧段タービン３０側へ流れる排気ガスの流量も少ないために、低圧段コンプレッサ３１は実質的には過給を行わない。このようにエンジン１の低速〜中速域は高圧段ターボチャージャ２で過給する。

エンジン回転数の増加に伴い、エンジン１が中速〜高速域（図３に示す制御領域マップの境界Ｃより高速域）では、バイパスバルブ５ｃ及びバイパスバルブ２５を全開に制御して低圧段ターボチャージャ３で過給する。低圧段タービン３０は大容量であるので、バイパスバルブ５ｃを全開として排気ガスの全量がバイパスされ、高圧段ターボチャージャ２は実質的に作動することなく、排気マニホールド１１の排気ガスは低圧段ターボチャージャ３に導入される。

低圧段ターボチャージャ３においては、低圧段タービン３０により低圧段コンプレッサ３１が同軸駆動されて、吸気管４からの空気を加圧して、吸気管４を通して高圧段ターボチャージャ２の高圧段コンプレッサ２１に吸入され、吸気管４、インタークーラ４０を経て吸気マニホールド１０からエンジン１に供給される。

ところで、エンジン１の高速域では、このようにバイパスバルブ５ｃ及びバイパスバルブ２５を全開にして高圧段タービン２０から低圧段タービン３０へ完全に切り替えればよいが、図３の制御領域マップで示す境界Ａ（エンジン回転数が小さく、燃料噴射量が少ない低回転、低負荷領域から燃料噴射量が多い高負荷領域へ移行する境界）の遷移域においては、予混合圧縮着火燃焼による運転領域を拡大するために２段過給装置のバイパスバルブ開度を緻密に制御してＥＧＲ率とＡ／Ｆを最適にする必要がある。

ここでバイパスバルブの開度と流量の関係に着目すると、前述したように開口部形状がバタフライ式では緻密な開度制御が難しく、また入力が過給圧に基づいてダイアフラム式アクチュエータ等を介して開閉するポペット弁式は開度と流量の特性に線形性があり、制御し易いが、緻密な制御を行うにはアクチュエータの作動誤差や動作遅れ等の誤差が大きいといえる。また前述したように緻密な制御用の小径バルブと全流量をバイパスさせるための大径バルブの組み合わせも考えられるが、バルブ数量が増え配管も煩雑になり、車両への搭載性に問題がある。

そこで本発明の大きな特徴は、前述したように高圧段ターボチャージャ２から低圧段ターボチャージャ３への切り替えの遷移域において微少流量の制御ができるように、高圧段ターボチャージャ２の高圧段ウェイストゲートバルブ７を所定のエンジン排圧により所定のリフトまで開くように、高圧段ウェイストゲートバルブ７の開度調整をこれに直に組み付けられたコイルスプリング７４で行うようにしたものである。すなわち高圧段ウェイストゲートバルブ７は、通常のブースト圧で調整されるダイアフラム式アクチュエータを廃止し、高圧段ウェイストゲートバルブ７に直に組み付けられたコイルスプリング７４のセット荷重で調整されるので、開度（リフト量Ｌ）と流量の特性に線形性があり緻密に制御し易く、しかもエンジン排圧に応じて動作遅れなく直ちに制御することが可能である。

高圧段ターボチャージャ２と低圧段ターボチャージャ３の切り替えの遷移域においては、先ず弁体７０が排圧に応じてスプリング７４を徐々に押し縮めながら所定のリフトまで開き、高圧段タービン２０の回転の上昇を抑制すると共に、バイパス流路２２を介して排気ガスが低圧段タービン３０へ流れ、遷移域における微少流量の制御を容易且つ適格に行うことができる。

さらに空気流量が必要な場合には、図３に示す制御領域マップの矢印Ｂのようにバイパスバルブ５ｃがアクチュエータ（図示せず）により開き制御される。すなわち、バイパスバルブ５ｃは、高圧段ウェイストゲートバルブ７が作動するエンジン排圧と相関のあるブースト圧（高圧段コンプレッサ２１の下流側に設けられたブースト圧センサ２６で検出）により制御される。

このように本発明によれば、２段過給装置に用いられる高圧段ターボチャージャ２の高圧段ウェイストゲートバルブ７において、この高圧段ウェイストゲートバルブ７の開度調整をこれに直に組み付けられたコイルスプリング７４付きの直動式の弁体７０を用いて、ガス流量とバルブリフトＬの関係に線形性をもたせ、制御性の向上を図ることにより、予混合圧縮着火燃焼におけるＥＧＲ率とＡ／Ｆの緻密な制御が可能となり、予混合圧縮着火燃焼の運転領域の拡大が期待できる。

また高圧段ウェイストゲートバルブ７にコイルスプリング７４を直に組み付けたことで、エンジン排圧により弁体７０が直ちに開閉し、動作遅れなく制御することが可能である。

さらに弁体７０と固定ボルト７５との間にコイルスプリング７４を組み付けるだけでよいため、簡易な構成で２段過給装置の占める空間の狭小化と構成部品の簡素化を推進できる。

１ エンジン
２ 高圧段ターボチャージャ
３ 低圧段ターボチャージャ
４ 吸気管
５ 排気管
５ｂ バイパス流路
５ｃ バイパスバルブ
６ ＥＧＲ流路
７ 高圧段ウェイストゲートバルブ
２０ 高圧段タービン
２０ａ 高圧段タービンケース
２０ｂ 開口部
２０ｃ タービンロータ
２０ｄ 仕切壁
２０ｅ 蓋
２１ 高圧段コンプレッサ
２２ バイパス流路
２５ バイパスバルブ
２６ ブースト圧センサ
３０ 低圧段タービン
３３ 低圧段ウェイストゲートバルブ
７０ 弁体
７１ 受圧面
７４ コイルスプリング
７５ 固定ボルト

Claims (4)

1. エンジンの吸気管と排気管に直列に接続された高圧段ターボチャージャ及び低圧段ターボチャージャと、前記エンジンと前記低圧段ターボチャージャの低圧段タービンとの間に、前記高圧段ターボチャージャの高圧段タービンをバイパスするバイパス流路と、該バイパス流路に設けられ、その流路を開閉するバイパスバルブと、前記高圧段ターボチャージャの高圧段タービンに設けられた高圧段ウェイストゲートバルブと、を有する多段過給装置において、
   前記高圧段ウェイストゲートバルブは、高圧段タービンケースに設けられタービンロータの上流側と下流側とを該タービンロータをバイパスして連通する開口部と、前記開口部の下流側に配置され、その開口部に対し当接離隔可能な弁体と、前記弁体を前記開口部に向けて付勢して閉成させるためのコイルスプリングと、前記高圧段タービンケースに固定され前記コイルスプリングの一端を保持すると共にコイルスプリングのセット荷重を調整する固定ボルトとを備え、
   前記バイパスバルブは、前記高圧段ターボチャージャの高圧段コンプレッサの下流側に設けられたブースト圧センサのブースト圧で制御され、
   前記高圧段ウェイストゲートバルブは、前記バイパスバルブを全開にして高圧段ターボチャージャから低圧段ターボチャージャへの切り替えの遷移域で、所定のエンジン排圧に応じて前記弁体が前記コイルスプリングを押し縮めて前記開口部から離隔させて開放するようにしたことを特徴とする多段過給装置。
2. 前記コイルスプリングは、その一端が前記弁体に接し、他端が前記固定ボルトに接する請求項１記載の多段過給装置。
3. 前記弁体と前記コイルスプリング及び前記固定ボルトを同軸上に配置した請求項１又は請求項２記載の多段過給装置。
4. 前記弁体は、前記開口部に対向する受圧面の形状が球面状に凹んで形成された請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の多段過給装置。

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