JP5461226B2

JP5461226B2 - 二段過給システム

Info

Publication number: JP5461226B2
Application number: JP2010038499A
Authority: JP
Inventors: 秀輝加藤
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2010-02-24
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2030-02-24
Also published as: JP2011174404A

Description

本発明は、二段過給システムに関するものである。

近年、低速軽負荷域での燃費向上、トルクアップや高ＥＧＲ率の実現のために、小径の高圧段ターボチャージャを採用した二段過給システムが検討されており、この種の二段過給システムにおいては、図５に示す如く、エンジン１の排気マニホールド２から送出される排気Ｇにより高圧段タービン３を作動させ且つ高圧段コンプレッサ４で圧縮した吸気Ａをエンジン１の吸気マニホールド５へ送給する高圧段ターボチャージャ６と、該高圧段ターボチャージャ６の高圧段タービン３から送出される排気Ｇにより低圧段タービン８を作動させ且つ低圧段コンプレッサ９で圧縮した吸気Ａを前記高圧段コンプレッサ４へ送給する低圧段ターボチャージャ１０とが備えられている。

更に、前記低圧段ターボチャージャ１０の低圧段コンプレッサ９の吐出側と前記高圧段ターボチャージャ６の高圧段コンプレッサ４の吸入側との間のエンジン吸気流路には、インタクーラ１２が介装されており、前記高圧段コンプレッサ４の吐出側とエンジン１の吸気マニホールド５との間のエンジン吸気流路には、アフタクーラ１３が介装されている。

また、エンジン排気流路の高圧段タービン３よりも上流側（具体的には排気マニホールド２）からエンジン吸気流路のアフタクーラ１３よりも下流側（具体的には吸気マニホールド５）へ至るＥＧＲ配管１４が設けられ、該ＥＧＲ配管１４には、エンジン排気流路から分流した排気Ｇを冷却するＥＧＲクーラ１５と、エンジン吸気流路へ還流すべき排気Ｇの流量を調整するＥＧＲバルブ１６とが設けられている。

而して、斯かる二段過給システムにおいては、エンジン１が稼動状態である時に、排気マニホールド２から送出される排気Ｇが、高圧段タービン３へ流入して高圧段コンプレッサ４を駆動した後、低圧段タービン８へ流入して低圧段コンプレッサ９を駆動し、該低圧段コンプレッサ９に流入して圧縮された吸気Ａは、インタクーラ１２を経て高圧段コンプレッサ４に送給され、該高圧段コンプレッサ４で再び圧縮され、アフタクーラ１３を経て吸気マニホールド５へ送給されるので、シリンダへの吸気Ａの送給量が増加し、１サイクル当たりの燃料噴射量を多くすれば、エンジン１の出力を高めることができる。

また、前記排気Ｇの一部は、排気マニホールド２からＥＧＲ配管１４へ流入し、ＥＧＲクーラ１５で冷却され且つＥＧＲバルブ１６で流量調整が行われた排気Ｇが、吸気Ａと一緒に吸気マニホールド５へ送給され、これによりシリンダ内の燃焼温度の低下が図られ、ＮＯxの発生が低減される。

尚、前述の如き二段過給システムと関連する一般的技術水準を示すものとしては、例えば、下記の特許文献１、２等が既に存在している。

特開２００５−１４７０３０号公報特開平５−１８００８９号公報

しかしながら、このように小径の高圧段ターボチャージャ６で高出力を実現した二段過給システムにおいては、排気Ｇの流量が大きい高速高負荷域（図６のグラフ中にクロスハッチングを付して示す運転領域）で小径の高圧段ターボチャージャ６が過剰に回転して過給圧が必要以上に高まり、エンジン１の各気筒の最大筒内圧が制限値を超えて運転不可となってしまうため、高圧段タービン３を迂回するウエストゲート配管７を設けると共に、該ウエストゲート配管７の途中に流路を開閉するウエストゲートバルブ１１を設け、該ウエストゲートバルブ１１を高速高負荷域で開けて適正な流量の排気Ｇのみ高圧段タービン３に流し、残りは高圧段タービン３を迂回させて低圧段タービン８へ導くようにしているが、このような高温の排気Ｇが通るウエストゲート配管７を増設すると、電子基盤等の熱に弱い周辺機器を近くに配置できなくなるためにレイアウト面で大きな制約がかかり、しかも、ウエストゲートバルブ１１に十分な耐熱性を持たせなければならないことで設備コストが高騰するという問題があった。

一方、高速高負荷域でも過剰回転せずに全排気ガス量に対応できるよう高圧段ターボチャージャ６を大径化して容量を上げることも考えられるが、そのようにしたのでは、低速軽負荷域において燃費が悪化したり、ＮＯx低減に必要なＥＧＲ量を得ることができなくなるといった問題を招いてしまうことになり、小径の高圧段ターボチャージャ６で高出力を実現しようとする意義が損なわれてしまう。

本発明は、斯かる実情に鑑みてなしたもので、ウエストゲート配管を用いることなく、高圧段ターボチャージャの小径化を支障なく実現し得る二段過給システムを提供することを目的としている。

本発明は、エンジンから送出される排気によって高圧段タービンを作動させ且つ高圧段コンプレッサで圧縮した吸気をエンジンへ送給する高圧段ターボチャージャと、該高圧段ターボチャージャの高圧段タービンから送出される排気によって低圧段タービンを作動させ且つ低圧段コンプレッサで圧縮した吸気を前記高圧段コンプレッサへ送給する低圧段ターボチャージャとを備えた二段過給システムにおいて、高圧段コンプレッサからエンジンへ吸気を送給するエンジン吸気流路に付設されたバイパス流路と、該バイパス流路に装備されたタービンジェネレータと、高圧段コンプレッサからエンジンに向かう吸気の流れを適宜にバイパス流路側へ切り替える流路切替手段とを備え、エンジンの高速高負荷領域において前記流路切替手段により高圧段コンプレッサからの吸気の流れを前記バイパス流路側に切り替えて前記タービンジェネレータを経由させてからエンジンに導き得るように構成し、
更に高圧段コンプレッサと吸気マニホールドとの間に装備されたアフタクーラより上流にバイパス流路及びタービンジェネレータを配置したことを特徴とするものである。

而して、このようにした場合に、エンジンの高速高負荷領域で流路切替手段により高圧段コンプレッサからの吸気の流れをバイパス流路側に切り替えてタービンジェネレータを経由させてからエンジンに導くと、前記吸気の流れによりタービンジェネレータが駆動されて発電が行われる一方、該タービンジェネレータで仕事をすることにより過給圧が下がり、これに伴いエンジンに供給される吸気量（新気量）が減少して該エンジンから排出される排気も減ることになり、小径の高圧段ターボチャージャでも過剰回転せずに全排気ガス量に対応することが可能となる。

更に、タービンジェネレータで発電が行われることで既存のオルタネータの負担が少なくなり、従来よりも容量の小さなオルタネータで電力を賄うことが可能となるため、該オルタネータの駆動に必要なエンジン側の負担が少なくなって燃費が大幅に改善されることになる。

また、本発明においては、高圧段コンプレッサと吸気マニホールドとの間に装備されたアフタクーラより上流にバイパス流路及びタービンジェネレータを配置すると、アフタクーラで熱回収される前の温度エネルギーの高い吸気から効率良く動力回収することが可能となり、しかも、先にタービンジェネレータを経て過給圧が下がることで吸気温度も下がり、アフタクーラにおける冷却負荷が低減されることになる。

本発明の二段過給システムによれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１に係る発明によれば、熱対策が必要なウエストゲート配管を用いなくても、エンジンの高速高負荷領域で流路切替手段により高圧段コンプレッサからの吸気の流れをバイパス流路側に切り替えてタービンジェネレータを経由させ、該タービンジェネレータを駆動する仕事を行わせることで過給圧を下げ、これによりエンジンに供給される吸気量（新気量）を減少させて該エンジンから排出される排気を減らすことができるので、小径の高圧段ターボチャージャでも過剰回転させずに全排気ガス量に対応させることができ、高圧段ターボチャージャの小径化を支障なく実現することができて、電子基盤等の熱に弱い周辺機器の配置に関するレイアウト面での制約を大幅に緩和することができ、しかも、耐熱性を有する高価なウエストゲートバルブを不要とすることで大幅な設備コストの削減を図ることもできる。

（ＩＩ）本発明の請求項１に係る発明によれば、タービンジェネレータで発電を行うことによりオルタネータの負担を少なくすることができ、従来よりもオルタネータの容量を小さくすることができるので、該オルタネータの駆動に必要なエンジン側の負担を減らして燃費の大幅な改善を図ることができる。

（ＩＩＩ）本発明の請求項２に係る発明によれば、アフタクーラで熱回収される前の温度エネルギーの高い吸気から効率良く動力回収することができる一方、先にタービンジェネレータを経由させることで過給圧を落として吸気温度を下げることができるので、アフタクーラにおける冷却負荷を大幅に低減させることができ、アフタクーラの容量を小さくして設備コストを削減したり、アフタクーラの冷却能力をそのまま維持して吸気温度を従来より下げることでＮＯx低減効果を高めたりすることができる。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。図１の三方弁により流路を切り替えた状態を示す概略図である。タービンジェネレータによる過給圧低下の効果を示すグラフである。最大筒内圧の制限値内での運転が可能となることを示すグラフである。従来の二段過給システムの一例を示す概略図である。従来のウエストゲート配管を利用していた運転領域を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１及び図２は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図５と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。

図１に全体図を示す如く、本形態例の二段過給システムにおいては、先に図５で説明した従来の二段過給システムと基本的な構成は同様であるが、従来の二段過給システムに用いられていたウエストゲート配管７（図５参照）及びウエストゲートバルブ１１（図５参照）を廃止する一方、高圧段コンプレッサ４からエンジン１へ吸気Ａを送給するエンジン吸気流路におけるアフタクーラ１３より上流にバイパス流路１７を付設し、該バイパス流路１７にタービンジェネレータ１８を装備し、前記バイパス流路１７の入口部に前記高圧段コンプレッサ４からエンジン１へ向かう吸気Ａの流れを適宜にバイパス流路１７側へ切り替える三方弁１９（流路切替手段）を設けており、従来においてウエストゲート配管７（図５参照）に排気Ｇを分流していたエンジン１の高速高負荷領域（図６のグラフ中にクロスハッチングを付して示す運転領域）で前記三方弁１９により高圧段コンプレッサ４からの吸気Ａの流れを前記バイパス流路１７側に切り替えて前記タービンジェネレータ１８を経由させてからエンジン１に導き得るように構成している。

ここに図示している例では、前記三方弁１９がエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置２０からの制御信号２０ａにより制御されるようになっており、例えば、この制御装置２０に燃料噴射量とエンジン１の回転数との二次元制御マップを組み込んでおき、高圧段コンプレッサ４からエンジン１へ吸気Ａを直接的に導いた場合に高圧段タービン３が過剰に回転して各気筒の最大筒内圧が制限値を超えてしまうことが想定される高速高負荷領域において、三方弁１９により流路を図１の状態から図２の状態に切り替える制御信号２０ａが制御装置２０から出力されるようにしてある。

而して、このようにした場合に、エンジン１の高速高負荷領域で三方弁１９により高圧段コンプレッサ４からの吸気Ａの流れをバイパス流路１７側に切り替えてタービンジェネレータ１８を経由させてからエンジン１に導くと、前記吸気Ａの流れによりタービンジェネレータ１８が駆動されて発電が行われる一方、該タービンジェネレータ１８で仕事をすることにより図３のグラフに示す如き差圧が前後に生じて吸気マニホールド５の圧力（過給圧）が下がり、これに伴いエンジン１に供給される吸気量（新気量：図４のグラフを参照）が減らされて該エンジン１から排出される排気Ｇも減ることになり、小径の高圧段ターボチャージャ６でも過剰回転せずに全排気ガス量に対応することが可能となる。

即ち、図４のグラフに示す如く、タービンジェネレータ１８の膨張比を適切に調整しておけば、タービンジェネレータ１８の前後に所要の差圧が生じることでエンジン１の各気筒における最大筒内圧Ｐｍａｘが制限値（許容Ｐｍａｘ）以下に抑えられ、従来のウエストゲート配管７（図５参照）を用いた場合と同様に、エンジン１の各気筒の最大筒内圧Ｐｍａｘが制限値（許容Ｐｍａｘ）を超えて運転不可となってしまう事態を回避することが可能となる。

また、タービンジェネレータ１８で発電が行われることで既存のオルタネータの負担が少なくなり、従来よりも容量の小さなオルタネータで電力を賄うことが可能となるため、該オルタネータの駆動に必要なエンジン１側の負担が少なくなって燃費が大幅に改善されることになる。

尚、この際に発電された電力は、バッテリ等に蓄電しておくようにすれば良いが、エンジン１に電動アシスト機構を付設して積極的に電力をエンジン１の補助動力として活用し、これにより燃費の大幅な向上を図るようにすることも可能である。

更に、特に本形態例の場合は、アフタクーラ１３より上流にバイパス流路１７及びタービンジェネレータ１８が配置されているので、アフタクーラ１３で熱回収される前の温度エネルギーの高い吸気Ａから効率良く動力回収することが可能となり、しかも、先にタービンジェネレータ１８を経て過給圧が下がることで吸気温度も下がり、アフタクーラ１３における冷却負荷が低減されることになる。

従って、上記形態例によれば、熱対策が必要なウエストゲート配管７（図５参照）を用いなくても、エンジン１の高速高負荷領域で流路切替手段により高圧段コンプレッサ４からの吸気Ａの流れをバイパス流路１７側に切り替えてタービンジェネレータ１８を経由させ、該タービンジェネレータ１８を駆動する仕事を行わせることで過給圧を下げ、これによりエンジン１に供給される吸気量（新気量）を減少させて該エンジン１から排出される排気を減らすことができるので、小径の高圧段ターボチャージャ６でも過剰回転させずに全排気ガス量に対応させることができ、高圧段ターボチャージャ６の小径化を支障なく実現することができて、電子基盤等の熱に弱い周辺機器の配置に関するレイアウト面での制約を大幅に緩和することができ、しかも、耐熱性を有する高価なウエストゲートバルブ１１（図５参照）を不要とすることで大幅な設備コストの削減を図ることもできる。

更に、タービンジェネレータ１８で発電を行うことによりオルタネータの負担を少なくすることができ、従来よりもオルタネータの容量を小さくすることができるので、該オルタネータの駆動に必要なエンジン１側の負担を減らして燃費の大幅な改善を図ることができる。

また、特に本形態例においては、アフタクーラ１３で熱回収される前の温度エネルギーの高い吸気Ａから効率良く動力回収することができる一方、先にタービンジェネレータ１８を経由させることで過給圧を落として吸気温度を下げることができるので、アフタクーラ１３における冷却負荷を大幅に低減させることができ、アフタクーラ１３の容量を小さくして設備コストを削減したり、アフタクーラ１３の冷却能力をそのまま維持して吸気温度を従来より下げることでＮＯx低減効果を高めたりすることができる。

尚、本発明の二段過給システムは、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、吸気絞り手段の制御については、必ずしも燃料噴射量とエンジンの回転数との二次元制御マップに基づいて行うことに限定されないこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１エンジン
３高圧段タービン
４高圧段コンプレッサ
６高圧段ターボチャージャ
８低圧段タービン
９低圧段コンプレッサ
１０低圧段ターボチャージャ
１３アフタクーラ
１７バイパス流路
１８タービンジェネレータ
１９三方弁（流路切替手段）
Ａ吸気
Ｇ排気

Claims

エンジンから送出される排気によって高圧段タービンを作動させ且つ高圧段コンプレッサで圧縮した吸気をエンジンへ送給する高圧段ターボチャージャと、該高圧段ターボチャージャの高圧段タービンから送出される排気によって低圧段タービンを作動させ且つ低圧段コンプレッサで圧縮した吸気を前記高圧段コンプレッサへ送給する低圧段ターボチャージャとを備えた二段過給システムにおいて、高圧段コンプレッサからエンジンへ吸気を送給するエンジン吸気流路に付設されたバイパス流路と、該バイパス流路に装備されたタービンジェネレータと、高圧段コンプレッサからエンジンに向かう吸気の流れを適宜にバイパス流路側へ切り替える流路切替手段とを備え、エンジンの高速高負荷領域において前記流路切替手段により高圧段コンプレッサからの吸気の流れを前記バイパス流路側に切り替えて前記タービンジェネレータを経由させてからエンジンに導き得るように構成し、
更に高圧段コンプレッサと吸気マニホールドとの間に装備されたアフタクーラより上流にバイパス流路及びタービンジェネレータを配置したことを特徴とする二段過給システム。