JP5402078B2 - 過給装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンから排出される排気ガスの運動エネルギーを利用してエンジンに空気を過給する過給装置に関わり、特に排気ガスの流動方向で複数のターボチャージャを直列に配置した過給装置に関する。

従来から、エンジンから排出される排気ガスの運動エネルギーを利用して、エンジンに空気を過給するターボチャージャが用いられている。
ターボチャージャは、その内部に回転する翼であるインペラを備えており、このインペラとはタービンインペラとコンプレッサインペラを意味する。ターボチャージャ内に導入された排気ガスの流動によりタービンインペラが回転することで、タービンインペラと一体的に連結されたコンプレッサインペラが回転する。回転するコンプレッサインペラは外部から導入された空気を圧縮し、ターボチャージャがこの圧縮された空気をエンジンに供給することで、エンジンの性能を向上させることができる。

インペラは排気ガスの流動によって回転するため、その回転には所定の排気ガス流量が必要である。したがって、インペラが停止しているときにスロットル操作を行う等によりエンジンの回転数を上げたとしても、即座にインペラは回転せず、インペラの回転には時間的遅れいわゆるターボラグが存在する。そして、このターボラグはインペラの重量に比例して長くなる。
例えば、大型で重いインペラを有するターボチャージャでは、多量の空気を供給できエンジンの高出力化が望めるが、インペラの重量のためターボラグは長くなる傾向にある。一方、小型で軽いインペラを有するターボチャージャでは、ターボラグを短縮できるが、供給できる空気量は少ない。

そこで、特許文献１には、エンジンから排出される排気ガスの流動方向で複数のターボチャージャを直列に配置し、複数のターボチャージャの動作を逐次切り換える過給装置が開示されている。
特許文献１に開示された過給装置は、エンジンの低回転域に対応する小型のターボチャージャと、エンジンの高回転域に対応する大型のターボチャージャとを有している。エンジンの低回転時には、小型ターボチャージャにのみ排気ガスを導入させ、エンジンの出力・トルク性能の向上と共に、ターボラグを短縮しエンジンのレスポンス性能を向上させている。エンジンの回転数が上昇すれば、排気ガスの流動を小型ターボチャージャから大型ターボチャージャへ切り換え、高いエンジン出力を確保する。上記切換は逐次行われ、エンジンの低回転域から高回転域までの広い範囲に亘り、エンジンの性能を向上させることができる。

特開平１−１４２２１４号公報

ところで、特許文献１に開示された過給装置では、複数のターボチャージャは外部から導入される空気の流動方向に関しても直列に配置されている。すなわち、外部から導入された空気は、大型ターボチャージャを通過した後に小型ターボチャージャに導入される。そのため、エンジンの低回転時でも大型ターボチャージャを所定の回転数まで回転させる必要があり、その結果ターボラグが長くなり、且つ空気の流動抵抗が増加し、結果として過給装置の効率が低下してしまうという課題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、エンジンから排出される排気ガスの流動方向で複数のターボチャージャを直列に配置した過給装置において、ターボラグを短縮し、且つその効率を向上させることができる過給装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の過給装置は、エンジンから排出される排気ガスの流動方向で複数のターボチャージャが直列に配置され、複数のターボチャージャの動作が逐次切り換えられる過給装置であって、複数のターボチャージャにそれぞれ空気を導入させる導管と、導管に設けられ複数のターボチャージャに対する空気の流動を切り換えるバルブと、を有するという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、空気が所定のターボチャージャに導入される前に、他のターボチャージャを通過しないことから、ターボラグが短縮され、且つ空気の流動抵抗が低くなる。

また、本発明の過給装置は、バルブによる切り換えは漸次連続的に行われるという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、複数のターボチャージャ間において、動作が切り換えられるときに生じる振動等を減少させることができる。

また、本発明の過給装置は、バルブは逆止弁であるという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、ターボチャージャによって圧縮された空気がバルブの設置箇所から漏出することを防止する。

また、本発明の過給装置は、少なくとも１つのターボチャージャによって圧縮された空気を他のターボチャージャをバイパスさせてエンジンに導入させる第２導管と、第２導管を遮蔽する第２バルブと、を有するという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、少なくとも１つのターボチャージャによって圧縮された空気がエンジンに導入される前に、他のターボチャージャを通過しないことから、空気の流動抵抗が低くなる。

また、本発明の過給装置は、第２バルブは逆止弁であるという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、ターボチャージャによって圧縮された空気が第２バルブの設置箇所から漏出することを防止する。

本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
本発明によれば、エンジンの低回転時でのターボラグを短縮でき、且つターボチャージャに導入される空気の流動抵抗が低くなることから、過給装置の効率を向上させることができるという効果がある。

本実施形態に係る過給装置Ａが設けられた駆動系１の全体構成を示す概略図である。 本実施形態における切換バルブ２７（空気バイパスバルブ２８）の構成を示す概略図である。 本実施形態におけるエンジン３が低回転域にある場合の空気及び排気ガスの流動を示す概略図である。 本実施形態におけるエンジン３が高回転域にある場合の空気及び排気ガスの流動を示す概略図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
まず、本実施形態に係る過給装置Ａが設けられた駆動系１の全体構成を、図１を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る過給装置Ａが設けられた駆動系１の全体構成を示す概略図である。

本実施形態に係る過給装置Ａは、後述するエンジン３から導かれる排気ガスの運動エネルギーを利用して、エンジン３に圧縮された空気を供給する装置である。また、過給装置Ａは、エンジン３等と共に車両における駆動系１を構成している。
図１に示すように、駆動系１は、車両の外部から過給装置Ａ及びエンジン３に空気を導入する給気部（導管）２と、空気と燃料との混合気体を燃焼させて駆動力を得るエンジン３と、給気部２から供給される空気を圧縮してエンジン３に供給する過給装置Ａと、エンジン３から排出される排気ガスを流動させる排気部４とを有している。

給気部２は、空気を流動させる管である第１給気管２１から第６給気管（第２導管）２６までと、空気の流動方向を切り換える切換バルブ（バルブ、逆止弁）２７と、後述する第１コンプレッサ５２をバイパスしてエンジン３側に空気を流動させる空気バイパスバルブ（第２バルブ、逆止弁）２８とを有している。切換バルブ２７及び空気バイパスバルブ２８は、不図示のアクチュエータにそれぞれ接続されている。

エンジン３は、給気部２から供給された空気が導入される給気マニホールド３１と、給気マニホールド３１から供給された空気と燃料との混合気体を燃焼させるエンジンブロック３２と、エンジンブロック３２から排出された排気ガスが導入される排気マニホールド３３と、不図示の燃料供給装置とを有している。

過給装置Ａは、エンジン３の低回転時に作動する第１ターボチャージャ５と、エンジン３の高回転時に作動する第２ターボチャージャ６とを備えている。

第１ターボチャージャ５は、エンジン３が低回転域にあり、エンジン３から排出される排気ガスの流量が少ない場合でも作動できる、小型軽量のターボチャージャである。
第１ターボチャージャ５は、エンジン３から排出された排気ガスが導入される第１タービン５１と、給気部２から供給された空気を圧縮する第１コンプレッサ５２と、第１タービン５１と第１コンプレッサ５２とを互いに連結する第１軸受け部５３とを有している。

第１タービン５１の内部には、排気ガスの流動によって回転する翼である第１タービンインペラ５４が設けられ、第１コンプレッサ５２の内部には、回転して空気を圧縮する翼である第１コンプレッサインペラ５５が設けられている。第１タービンインペラ５４と第１コンプレッサインペラ５５とは、第１インペラ軸５６を介して一体的に連結されており、第１インペラ軸５６は、第１軸受け部５３に回転自在に設けられている。

第２ターボチャージャ６は、第１ターボチャージャ５よりも大型で、多量の空気を供給できるターボチャージャであり、その作動には第１ターボチャージャ５に比べ多量の排気ガスを必要とする。
第２ターボチャージャ６は、エンジン３から排出された排気ガスが導入される第２タービン６１と、給気部２から供給された空気を圧縮する第２コンプレッサ６２と、第２タービン６１と第２コンプレッサ６２とを互いに連結する第２軸受け部６３とを有している。また、第２ターボチャージャ６は第１ターボチャージャ５と同様に、第２タービンインペラ６４、第２コンプレッサインペラ６５、及び第２インペラ軸６６を有している。

排気部４は、排気ガスを流動させる管である第１排気管４１から第５排気管４５までと、第１タービン５１をバイパスさせて排気ガスを下流側に流動させる第１排気バイパスバルブ４６と、第２タービン６１をバイパスさせて排気ガスを下流側に流動させる第２排気バイパスバルブ４７とを有している。第１排気バイパスバルブ４６及び第２排気バイパスバルブ４７は、不図示のアクチュエータにそれぞれ接続されている。

次に、給気部２における管の接続構成を説明する。
第１給気管２１の上流側は、車両の外部から導入した空気を濾過して粉塵等を除去する不図示のエアクリーナと接続されている。第１給気管２１の下流側は分岐され、それぞれ第２給気管２２及び第３給気管２３に接続されている。
第２給気管２２の上流側端部には切換バルブ２７が設けられており、切換バルブ２７は第２給気管２２の上流側端部を完全に遮蔽することができる。第２給気管２２の下流側は、第１コンプレッサ５２における空気の導入口に接続されている。
第１コンプレッサ５２における圧縮された空気の排出口には、第４給気管２４が接続されている。第４給気管２４の下流側は、エンジン３の排気マニホールド３１に接続されている。

第３給気管２３の下流側は、第２コンプレッサ６２における空気の導入口に接続されている。第２コンプレッサ６２における圧縮された空気の排出口には、第５給気管２５が接続されている。第５給気管２５の下流側は、第２給気管２２に接続されている。
第６給気管（第２導管）２６は、第２給気管２２と第４給気管２４との間に設けられ、第１コンプレッサ５２をバイパスする流路となっている。第６給気管２６と第２給気管２２との接続部は、第５給気管２５と第２給気管２２との接続部に対向している。第６給気管２６の上流側端部には、空気バイパスバルブ２８が設けられている。空気バイパスバルブ２８は、第６給気管２６の上流側端部を完全に遮蔽することができる。

次に、排気部４における管の接続構成を説明する。
エンジン３の排気マニホールド３３と第１タービン５１における排気ガスの導入口とは、第１排気管４１によって接続されている。第１タービン５１における排気ガスの排出口と第２タービン６１における排気ガスの導入口とは、第２排気管４２によって接続されている。第２タービン６１における排気ガスの排出口には、第３排気管４３が接続され、第３排気管４３の下流側は、不図示の排気ガス浄化装置や消音装置等に接続されている。

第４排気管４４は、第１排気管４１と第２排気管４２との間に設けられ、第１タービン５１をバイパスする流路となっている。第５排気管４５は、第２排気管４２と第３排気管４３との間に設けられ、第２タービン６１をバイパスする流路となっている。
第４排気管４４の上流側端部には第１排気バイパスバルブ４６が設けられており、第１排気バイパスバルブ４６は第４排気管４４の上流側端部を完全に遮蔽することができる。第５排気管４５の上流側端部には第２排気バイパスバルブ４７が設けられており、第２排気バイパスバルブ４７は第５排気管４５の上流側端部を完全に遮蔽することができる。

次に、切換バルブ２７の構成を図２を参照して説明する。
図２は、本実施形態における切換バルブ２７（空気バイパスバルブ２８）の構成を示す概略図である。
切換バルブ２７は、第２給気管２２の上流側端部に設けられ、第２給気管２２内を流動する空気の流量を調整するためのバルブである。
切換バルブ２７は、第２給気管２２内に形成される孔部２２ａに下流側から接触し、孔部２２ａを完全に遮蔽できる構造となっている。そのため、給気バルブ２７の遮蔽時に下流側における空気の圧力が上流側より高くなった場合には、給気バルブ２７は上流側に付勢されることで孔部２２ａに密着し、下流側から上流側への空気の漏出を防ぐことができる。

なお、空気バイパスバルブ２８も切換バルブ２７と同様の構成を有している。空気バイパスバルブ２８は、第６給気管２６の上流側端部に設けられ、第６給気管２６内に形成される孔部２６ａに下流側から接触し、孔部２６ａを完全に遮蔽できる構造となっている。

続いて、本実施形態に係る過給装置Ａが設けられた駆動系１の動作・作用を、図３及び図４を参照して説明する。
図３は、本実施形態におけるエンジン３が低回転域にある場合の空気及び排気ガスの流動を示す概略図である。図４は、本実施形態におけるエンジン３が高回転域にある場合の空気及び排気ガスの流動を示す概略図である。なお、図３及び図４において、白抜き矢印は空気の流動方向を、斜線入り矢印は排気ガスの流動方向を示している。

以下、エンジン３の回転数をアイドリング状態から低回転域、次いで高回転域に上昇させた場合の駆動系１の動作を説明する。なお、アイドリング状態では、第１ターボチャージャ５のみが低速で作動しており、低回転域及び高回転域では、第１ターボチャージャ５及び第２ターボチャージャ６の少なくともいずれか一方が作動しているものとする。

まず、エンジン３の回転数をアイドリング状態から低回転域に上昇させる。
図３に示すように、エンジン３がアイドリング状態にあるときは、切換バルブ２７及び第２排気バイパスバルブ４７は開位置に変位しており、空気バイパスバルブ２８及び第１排気バイパスバルブ４６は閉位置に変位している。

スロットル操作等によりエンジン３の回転数を上昇させ、低回転域に到達させる。エンジン３の排気マニホールド３３から排出された排気ガスは第１排気管４１に導入され、また、第１排気バイパスバルブ４６が閉位置に変位しているために、全ての排気ガスが第１タービン５１に導入される。第１タービン５１に導入された排気ガスは、第１タービンインペラ５４を回転させる。その後、排気ガスは第１タービン５１から第２排気管４２に導入されるのであるが、第２排気バイパスバルブ４７が開位置に変位しているため、排気ガスは第２タービン６１をバイパスし、第５排気管４５を介して第３排気管４３に導入される。すなわち、排気ガスは第２タービン６１に導入されず、第２タービンインペラ６４は回転しない。第３排気管４３に導入された排気ガスは、排気ガス浄化装置等を通過して車両の外部に放出される。

第１給気管２１を介して車両の外部から導入された空気は、切換バルブ２７が開位置に変位しているために、第２給気管２２及び第３給気管２３のいずれにも流動できる。
前述の通り、第２タービンインペラ６４は回転していないことから、第２コンプレッサインペラ６５も回転しておらず、第２コンプレッサ６２は第３給気管２３内の空気を吸引しない。一方、第１タービンインペラ５４が回転していることから、第１コンプレッサインペラも回転し、第１コンプレッサ５２は第２給気管２２内の空気を吸引する。
したがって、空気は第１給気管２１から第２給気管２２へ流入し、第１コンプレッサ５２へ導入される。また、空気が第１コンプレッサ５２へ導入される前に、第２コンプレッサ６２を通過しないことから、空気の流動抵抗を低く抑えることができる。

第１コンプレッサ５２に導入された空気は、第１コンプレッサインペラ５５の回転により圧縮され、圧縮された空気が第４給気管２４内に流動する。ここで、第６給気管２６は第４給気管２４に接続しており、圧縮された空気は第６給気管２６内にも流動可能であるが、空気バイパスバルブ２８が閉位置に変位しているため、圧縮された空気は第６給気管２６から第２給気管２２へは流動しない。
なお、第２給気管２２内における空気の圧力よりも第６給気管２６内における空気の圧力が高いために、第６給気管２６から第２給気管２２への空気の漏出が発生しやすい状態にあるが、前述の通り空気バイパスバルブ２８は逆止弁であるため、上記漏出を防ぐことができる。

第１コンプレッサ５２によって圧縮された空気は、第４給気管２４及び給気マニホールド３１を介してエンジン３のエンジンブロック３２に導入される。エンジンブロック３２内では、圧縮された空気と不図示の燃料供給装置から供給された燃料との混合気体が燃焼され、エンジン３が低回転域にある場合でも、エンジン３の出力・トルク等を向上させることができる。
以上で、エンジン３の回転数をアイドリング状態から低回転域に上昇させた場合の駆動系１の動作が終了する。

次に、エンジン３の回転数を低回転域から高回転域に上昇させる。
スロットル操作等によりエンジン３の回転数を上昇させ、高回転域に到達させる。エンジン３の回転数上昇と共に、駆動系１に設けられたバルブ２７、２８、４６、４７を漸次連続的に変位させる。
すなわち、図４に示すように、切換バルブ２７及び第２排気バイパスバルブ４７を開位置から閉位置に次第に変位させ、空気バイパスバルブ２８及び第１排気バイパスバルブ４６を閉位置から開位置に次第に変位させる。なお、これらバルブの変位動作は、所定の時間を掛けて漸次行われる。

第２排気バイパスバルブ４７が閉位置に次第に変位することで、第２排気管４２内を流動している排気ガスは、第２タービン６１に導入される。エンジン３が高回転域にあるため、エンジン３から排出される排気ガス流量は増えており、排気ガスの流動により第２タービンインペラ６４を回転させることができる。その後、排気ガスは第２タービン６１から第３排気管４３に導入され、排気ガス浄化装置等を通過して車両の外部に放出される。
また、第１排気バイパスバルブ４６も開位置に次第に変位するため、第１排気管４１内の排気ガスは第４排気管４４に流動し、第１タービン５１をバイパスして第２排気管４２へ流動する。すなわち、排気ガスの運動エネルギーは第１タービンインペラ５４を回転させるために使用されず、上記運動エネルギーは第２タービンインペラ６４を回転させることに使用される。

切換バルブ２７が閉位置に次第に変位するため、第１給気管２１内の空気は第３給気管２３にのみ流動し、第２コンプレッサ６２に導入される。第２コンプレッサ６２に導入された空気は、第２コンプレッサインペラ６５の回転により圧縮され、圧縮された空気は第５給気管２５に流動する。
また、空気バイパスバルブ２８も開位置に次第に変位するため、第５給気管２５内の圧縮された空気は第６給気管２６に流動し、第１コンプレッサ５２をバイパスして第４給気管２４に導入される。このように、圧縮された空気が第１コンプレッサ５２を通過しないことから、圧縮された空気の流動抵抗を低く抑えることができる。

なお、第２コンプレッサ６２によって圧縮された空気は第２給気管２２へ流入しており、第１給気管２１内における空気の圧力よりも第２給気管２２内における空気の圧力が高いために、第２給気管２２から第１給気管２１への空気の漏出が発生しやすい状態にある。もっとも、前述の通り切換バルブ２７は逆止弁であるため、上記漏出を防ぐことができる。

第２コンプレッサ６２によって圧縮された空気は、第４給気管２４及び給気マニホールド３１を介してエンジン３のエンジンブロック３２に導入される。第２ターボチャージャ６は第１ターボチャージャ５に比べ大型であり、多量の空気を供給できるため、エンジン３の出力・トルクをさらに向上させることができる。

また、本実施形態におけるバルブ２７、２８、４６、４７は所定の時間を掛けて漸次連続的に変位することから、第１ターボチャージャ５が作動している間に第２ターボチャージャ６が作動し始めることができる。そのため、動作切換時に発生しがちなエンジン３における出力・トルクの落ち込みを低減させることができ、動作切換時に生じる振動等を減少させることができる。
以上で、エンジン３の回転数を低回転域から高回転域に上昇させた場合の駆動系１の動作が終了する。

なお、エンジン３の回転数を高回転域から低回転域に低下させた場合の駆動系１の動作は、上記動作を逆に行うものであるため、その説明を省略する。

したがって、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、エンジン３の低回転時でのターボラグを短縮でき、且つ第１ターボチャージャ５に導入される空気の流動抵抗が低くなることから、過給装置Ａの効率を向上させることができるという効果がある。

なお、前述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲においてプロセス条件や設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、第２給気管２２の下流側に第１ターボチャージャ５が設けられ、第３給気管２３の下流側に第２ターボチャージャ６が設けられていたが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、第１ターボチャージャ５と第２ターボチャージャ６との設置位置を入れ換えてもよい。この場合は、例えばエンジン３の低回転域では、切換バルブ２７は閉位置に変位させておき、第１給気管２１内の空気を第３給気管２３に導入させる。

また、上記実施形態では、ターボチャージャとして第１ターボチャージャ５及び第２ターボチャージャ６の２基が設けられていたが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、３基以上のターボチャージャが設けられていてもよい。

なお、図１、図３及び図４の給気管及び排気管の途中において、それぞれ５カ所及び３カ所に配管の接続フランジを示したが、この接続フランジの配置位置及び個数は限定されるものではない。

Ａ…過給装置、２…給気部（導管）、２６…第６給気管（第２導管）、２７…切換バルブ（バルブ、逆止弁）、２８…空気バイパスバルブ（第２バルブ、逆止弁）、３…エンジン、５…第１ターボチャージャ、６…第２ターボチャージャ

Claims (1)

1. エンジンから排出される排気ガスの流動方向で複数のターボチャージャが直列に配置され、前記複数のターボチャージャの動作が逐次切り換えられる過給装置であって、
   前記複数のターボチャージャにそれぞれ空気を導入させる第１導管と、
   前記第１導管に設けられ前記複数のターボチャージャに対する空気の流動を切り換える逆止弁である第１バルブと、
   少なくとも１つの前記ターボチャージャによって圧縮された空気を、他の前記ターボチャージャをバイパスさせて前記エンジンに導入させる第２導管と、
   前記第２導管を遮蔽する逆止弁である第２バルブと、を有し、
   前記第１バルブ及び前記第２バルブの一方を開位置から閉位置に変位させると同時に前記第１バルブ及び前記第２バルブの他方を閉位置から開位置に変位させる切り換えを漸次連続的に行うことを特徴とする過給装置。

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