JPH01322A - ターボによる過給気冷却式内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はターボチャージャによる過給気をターボクー
ラで冷却するようにした複数のターボを有する内燃機関
に関する。

〔従来の技術〕

２ケのターボを直列に配設し、上流側の第１のターボを
ターボチャージャとして使用し、下流側の第２のターボ
をターボクーラとして使用し、第１のターボからの過給
気を第２のターボで断熱圧縮、断熱膨張させて冷却し燃
焼室に導入する技術がある。（特開昭６１−２３４２２
４号、ＵＳＰ３．３５５．８７７号など）しかしながら
、これらの技術は第１、第２ターボともコンプレッサ容
量が同じ容量で構成されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

２ケのターボを直列に配設すると、第１ターボのコンプ
レッサ入口圧力（は＼大気圧）に比較して第２ターボの
コンプレッサ入口圧力は、はるかに大きくなっているた
め第２ターボに流入する空気密度は増大している。

従って、空気流量は減少するのであるが、それにもかか
わらず第１ターボと第２ターボは同じ大きさであるため
に第２ターボのコンプレッサ効率が低下している。この
ため、第２ターボにおける断熱圧縮圧力が十分に上らず
、空気の冷却効果が十分に発揮されていない。また、第
１ターボの作動から第２ターボの作動も開始させる際に
、第２ターボの回転立上りに時間を要するために、−時
的なトルクの落込み（出力低下）が生じる。

本発明の目的は、ターボクーラとして機能する第２ター
ボを小型化し、コンプレッサ効率を高めることにより、
ターボクーラの空気タービンにおける空気の断熱膨張に
よる冷却効果を増大せしめるとともに回転立上りを迅速
に行なわせることにより、機関の全回転域において機関
出力の向上を図ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

この発明によれば上流側のターボチャージャよりの過給
空気を下流側のターボクーラの圧縮側ユニットに導入し
、圧縮された空気を同じ下流側のターボクーラの膨張側
ユニットに導入し、これにより上流側のターボチャージ
ャにより過給を受けた吸入空気を冷却するようにした複
数のターボを備えた内燃機関において、 下流側のターボクーラの圧縮側のユニットの容量を上流
側のターボチャージャの圧縮側ユニットの容量よりも小
さく構成し、下流側を小容量ターボ、上流側を大容量タ
ーボとしたことを特徴とするターボによる過給気冷却式
内燃機関が提供される。

〔作　用〕

１段目のターボチャージャからの過給気は２段目のター
ボクーラの圧縮側ユニット（コンプレッサ）を通り十分
に圧縮され、次いで２段目のターボクーラの膨張側ユニ
ット（タービン）を通されて断熱膨張される。このよう
な吸入空気の圧縮−膨張サイクルにより吸入空気は十分
に冷却され、機関燃焼室に導入される。この場合、ター
ボチャージャよりも、ターボクーラは小容量であるので
、ターボクーラの回転立上りは迅速に行なわれる。

〔実施例〕

第１図はターボクーラシステムの概略を示す。

（ａｌはターボクーラが休止する低速時を示し、この状
態は第１実施例の第２図に対応する。シリンダからの排
気ガスにより第１のターボチャージャのタービンが回転
駆動される。吸入空気は第１のターボチャージャ４０の
コンプレッサ４０ａによって過給された後インククーラ
６８を介してシリンダに導入される。クーラとして働（
第２のターボ４２は休止され、過給作動から見れば従来
のターボチャージャシステムと同じである。ターボクー
ラとして作動状態を示す（ｂｌは第１実施例の第３図に
相当する。上流側の第１のターボチャージャ４０のコン
プレフサ４２ａからの空気は下流側の第２のターボクー
ラ４２のコンプレッサ４２ａに入り、それからインタク
ーラを通して、下流側の第２のターボクーラのタービン
４２ｂを通過することにより膨張し、冷却された状態で
エンジンに導入される。尚、第２のターボクーラ４２に
より、過給吸入空気が十分に冷却可能な場合には（Ｃ１
のようにインタクーラを省略したターボクーラシステム
として構成することができる。

この第２図はターボクーラの構成を更に詳細に示すもの
であり、この図において、ＩＯはシリンダブロック、１
２はピストン、１４はコネクティングロッド、１６はシ
リンダヘッド、１８は燃焼室、２０は吸気弁、２２は吸
気ポート、２４は排気弁、２６は排気ボート、２８は点
火栓、３０は吸気マニホルド、３２はサージタンク、３
３はスロットル弁、３４はエアーフローメータ、３５は
スロットル弁位置センサ、３６はエアークリーナ、３８
は排気管である。３９は燃料噴射用のインジェクタであ
る。

ターボは第１のターボチャージャ４０と第２のターボク
ーラ４２と２段に配置される。第１のターボチャージャ
４０はコンプレッサ４０ａとタービン４０ｂとを偵えて
いる。コンプレッサ４０ａはその軸方向中心入口がエア
ーフローメータ３４の下流の吸気導管４４に接続され、
接線方向出口が吸気導管４６に接続される。タービン４
０ｂは接線方向入口が排気管３８に接続され、軸方向出
口が排気導管４８に接続される。

第２のターボクーラ４２はコンプレッサ４２ａとタービ
ン４２ｂとを備えている。コンプレッサ４２ａはその軸
方向中心入口が吸気導管５０に接続され、接線方向出口
が吸気導管５２に接続される。タービン４２ｂは接線方
向入口が導管５４に接続され、軸方向出口が導管５６に
接続される。

第１のターボチャージャ４０のタービン４０ｂを迂回し
てバイパス通路５８が設置され、バイパス通路５８にバ
イパス制御弁（所謂ウェイストゲート弁）６０が設置さ
れ、同ウェイストゲート弁６０はリンク機構６２を介し
てダイヤフラム式のアクチュエータ６４に連結される。

アクチエエータ６４は第１ターボチヤージヤ４０のコン
プレ。

す４０ａからの過給された空気の圧力を受ける圧力導管
６Ｇを有し、過給圧力が設定値を越えるとバイパス通路
５８を開放し、過給圧の上限をその設定値に維持すると
いう周知の役目をする。

インククーラ６８は過給によって高められた吸入空気の
温度を降下させるためのものである。インタクーラ６８
は二つの空気人口６８ａ、６８ｂを有し、前者は吸気導
管７０に接続され、後者は第２ターボクーラ４２のコン
プレッサ４２ａへの導管５２に接続される。インタクー
ラ６８は出口６８ｃを有し、同出口６８Ｃは導管７２に
接続される。インタクーラ６８は入口６８ａから出口６
８Ｃに向かう過程で吸入空気流を大気又は水と熱交換さ
せ、その吸入空気流の温度を低下させる熱交換部６８ｄ
を持つ。

第１の三方切替弁７４、第２の三方切替弁７６がこの発
明における過給作動制御のため設置される。これらの切
替弁７４．７６は電磁弁として構成することができる。

第１の切替弁７４は、消磁されると白抜きの接続状態を
とり、第１のターボチャージャ４０のコンプレッサ４０
ａからの専管４６を第２のターボクーラ４２のコンプレ
ッサ４２ａへの導管５０に接続し、これに対し、励磁さ
れると黒塗りの接続状態をとり、第１のターボチャージ
ャ４０のコンプレッサ４０ａからの専管４６をインクク
ーラ６８への導管７０に接続する。

一方、第２の切替弁７６は消磁されると白抜きの接続状
態をとり、インククーラ６８からの導管７２を第２のタ
ーボクーラ４２のタービン４２ｂへの導管５４に接続し
、これに対し励磁されると黒塗りの状態をとり、インク
クーラ６８からの導管７２をサージタンク３２への専管
８０に接続する。尚、第２のターボクーラのタービン４
２ｂからの前記導管５６はスロットル弁３３の上流にお
いてこの導管８０に接続される。

第２図において、制御回路９０は、運転状態を検出する
各センサからの信号によって、燃料噴射制御、電磁弁７
４及び７６の切り換えによる過給制御並びにその他のエ
ンジン制御、例えば点火時期制御を実行するもので実施
例ではマイクロコンピュータシステムとして構成される
。第４図は制御回路の構成をブロックダイヤグラムによ
って示すものである。制御回路９０は中央処理装置９２
と、アナログ信号用の入力インタフェース回路９４とデ
ィジタル信号用の入力インタフェース回路９６と、Ａ／
Ｄコンバータ９８と、出力インタフェース回路１００と
を具備する。入力インタフェース回路９４には種々のセ
ンサからのアナログ信号が印加される。第２図にはそれ
らのセンサのうちエアーフローメータ３４（３４ｂはそ
の出力部を示す）と、スロットル弁位置センサ３５とが
図示される。入力インタフェース回路９６には種々のセ
ンサからのデジタル信号が入力される。出力インタフェ
ース回路１００は各気筒のインジェクタ３９に接続され
、所定のクランク軸タイミングにおいて燃料噴射が実行
される。また、各三方切替弁７４．７６に作動信号が印
加され、この発明に従って２つのターボ４０．４２の作
動が制御される。尚、この゛発明は実施例のように燃料
噴射内燃機関にその応用が限定されず、気化器式の内燃
機関にも応用することができる。また、ディーゼル機関
であってもよい。

第５図は第２図の制御回路の作動を説明するフローチャ
ートを示している。ステップＳｌでは各センサからの信
号が入力され、ステップＳ２では各センサの信号状態よ
り現在の運転状態が識別又は把握される。ステップＳ３
では、２つのターボ４０．４２を直列に配置し下流側の
第２のターボをクーラとして働かせる必要のある高速等
の運転条件か否か判別される。ターボクーラ作動条件で
ないとすればステップＳ４に進み、三方切替弁７４．７
６の励磁が行われる。ターボクーラ作動条件とすればス
テップＳ５に進み、三方切替弁７４．７６は消磁される
。ステップＳ６は燃料噴射時期、量の算出を示し、ステ
ップＳ７はインジェクタ３９への燃料噴射信号の出力を
示す。

三方電磁弁７４．７６の選択的な作動により第１実施例
の２つのターボ装置がどのように作動するかを以下更に
詳細に説明すると、低速時（例えばエンジン速度＜３０
０Ｏｒｐｍ）等のターボクーラをカットする運転時には
第２図に示すように電磁弁７４．７６は励磁され、黒塗
りのボート位置をとる。排気管３８からの排気ガスのエ
ネルギによって第１のターボチャージャ４０のタービン
４０ａが回転駆動され、このタービン４０ａに連結され
たコンプレッサ４０ａの回転により、吸入空気は導管４
４から導管４６に圧送される。切替弁７４が黒塗りの位
置であることから空気はふ管７０を介してインククーラ
６８を経て導管７２に４かれる。第２の切替弁７６も黒
塗りの位置をとっているから空気は専管８０、スロット
ル弁３３、サージタンク３２、吸気マニホルド３０を介
して燃焼室１８に導入される。即ち、ターボクーラの作
動をカットする低速時は第２のターボ４２は作動に関与
しない。

高速時（例えばエンジン速度≧３０００ｒｐｍ）のよう
にターボクーラの作動が必要な運転時は電磁弁７４．７
６は第３図のように白抜きのボート位置をとる。そのた
め、第１のターボチャージャ４０のコンプレッサ４０ａ
からの空気は第１の切替弁７４を介して導管５０を経て
、第２のターボクーラ４２のコンプレッサ４２ａに４大
されて更に圧縮され高圧力になる。そして、ふ管５２、
インタクーラ６８、導管７２を経て、第２の切替弁７６
より導管５４を経て第２のターボクーラ４２のタービン
４２　ｂ　導管５６，８０、スロットル弁３３、サージ
タンク３２、吸気マニホルド３０を経て燃焼室１８に導
入される。第１のターボチャージャ４０で過給された吸
入空気は第２のターボクーラ４２のコンプレッサ４２ａ
を通過する際に圧縮を受けて更に高圧力になり、同じ第
２のターボクーラ４２のタービン４２ｂを通過する際に
は断熱膨張し、十分に圧力降下する。このように、第２
のターボクーラ４２を通過する際の圧縮−膨張という過
程において吸入空気は強く冷却される。

そのため、（空気密度の増大により）十分な空気量が燃
焼室１８に供給されるとともにノッキングの虞れが少な
くなり、点火時期を進めることができ、又は燃焼室１８
の圧縮比を上げることができるので高い機関出力を得る
ことができる。

以上説明したターボクーラシステムにおいて、第６図の
概略構成に示すように、第２のターボクーラ４２は、そ
のコンプレッサ４２ａが第１のターボチャージャ４０の
コンプレッサ４０ａの客用より小さく設定する。これに
よりターボクーラとしての作動時に下流側の第２のター
ボクーラの圧縮側ユニット容量が上流側の第１のターボ
の圧縮側ユニットの容量より小さくなる。このように上
流側のターボチャージャ４０と下流側のターボクーラ４
２とを比較したとき下流側のターボクーラのコンプレッ
サ４２ａの容量が上流側のターボチャージャのコンプレ
ッサ４０ａの容量より小さいことにより、下流側のコン
プレッサ４２ａでの圧縮効率を向上することができる。

即ち、上流側のターボチャージャと比較して下流側のタ
ーボクーラのコンプレッサの入口での圧力は高い。その
ため、空気密度が大きいので体積流量自体は小さくなっ
ている。そのため、上流と下流とで同一容積のコンプレ
ッサであるとすると下流側のターボチャージャのコンプ
レッサの容積は過大となり、圧縮効率が低下する。この
ように下流側のコンプレッサを上流側のコンプレッサよ
り容量を小さくすることことにより下流側のコンプレッ
サ４２ａでの圧縮効率を高め、その冷却効率を向上する
ことができる効果がある。第７図は吸入空気量と過給圧
力比（コンプレッサの入口と出口での圧力比）とに対す
る効率の関係を示す。斜線はサージング限界である。破
線は等速度曲線である。コンプレッサの効率を高めるた
めには第７図の最大効率点に可能な限り近づくようにコ
ンプレッサの容量を決定する必要がある。

この実施例の作動において、ターボクーラ作動時（高速
時）は容量が大きい上流側の第１ターボチヤージヤのコ
ンプレッサからの空気は容量の小さい下流側の第２のタ
ーボクーラのコンプレッサに４人され圧縮され、インク
クーラを経て、タービンのところで膨脂冷却され、エン
ジンに導入される。ターボクーラ非作動時は第１ターボ
チヤージヤのコンプレッサからの吸気は第６図の破線の
ように第２ターボを迂回し、直接シリンダに導入される
ことになる。

第８図は第２実施例の構成を示す。この第２実施例は低
速時には第１のターボチャージャによって過給を行い、
中速時には第１のターボチャージャ及び第２のターボを
ターボチャージャとして機能させることによって並列過
給を行い、高速時には上流側の第１のターボチャージャ
によって過給し下流側の第２のターボを圧縮−膨張を行
わせるターボクーラとして機能させたものである。以下
この実施例の構成を第１実施例との相違を中心に説明す
る。尚、第１実施例と同一機能の部品については同一の
参照番号を付しその説明を省略する。

第３の三方切替弁１１０が具備され、この切替弁１１０
は励磁状態では黒塗りのボート位置をとり、第２のター
ボ４２のタービン４２ｂの中心出口をサージタンク３２
への導管８０に開口する導管５６に接続する。切替弁１
１０は励磁状態では黒塗りのように位置し、第２のター
ボ４２のタービン４２ｂからの中心出口を第１のターボ
チャージャ４０のタービン４０ｂからの排気導管４８に
合流させる。第１のターボチャージャのコンプレッサ４
０ａへの中心入口へ開口する導管４４から導管１１２が
分岐しており、第１の切替弁７４と第２のターボのコン
プレッサ４２ａとを接続する導管５０に接続される。導
管１１２上に第１の開閉弁１１４が設けられる。第２の
切替弁７６と第２のターボ４２のタービン４２ｂとを接
続する導管５４から導管１１６が分岐され、この導管１
１６は第１のターボチャージャ４０のタービン４０・ｂ
への排気管３８に接続される。この導管１１６に第２の
開閉弁１１８が配置される。

この第２の実施例においては容量が大きい第１のターボ
チャージャ４０は常時作動され、容量が小さい第２のタ
ーボ４２は機関運転条件、例えば回転数に応じて選択的
に作動される。第１１図は選択的に作動される第２のタ
ーボの作動を説明するフローチャートである。ステップ
Ｓ１ではエンジン回転数が読み出され、ステ・ツブＳ２
ではニシジン回転数ＮＥが所定値ＮＥ、より大きいか否
か判別される。ＮＥ≦ＮＥ、のときはステップＳ３に進
み、第２ターボ４２を迂回するように電磁弁７４．７６
及び１１０並びに開閉弁１１４゜１１８の制御が実行さ
れる。ＮＥ＞ＮＥ＋のときはステップＳ４に進み、エン
ジン回転数ＮＥが所定値ＮＥ、より大きいか否かの判別
が行われる。

ＮＥ≦Ｎ　Ｅ　２のときはステップＳ５に進み、第２タ
ーボ４２がターボチャージャとして機能し、過給作動が
第１ターボチヤージヤ４０による過給作動と平行して実
行されるように切替弁７４．７６及び１１０並びに開閉
弁１１４，１１８の制御が実行される。Ｎ　Ｅ　＞　Ｎ
　Ｅ　ｚのときはステップＳ６に進み、第２ターボ４２
がターボクーラとして機能し過給気の冷却作動が行われ
る。以下この作動を更に詳細に説明すると、第８図にお
いて低速時には切替弁７４．７６は励磁され、これは第
１実施例と同様である。更に、切替弁１１０は励磁され
、黒塗りのポート位置をとり、一方間閉弁１１４，１１
８は閉鎖位置をとる。そのため、排気ガスの流れ、吸入
空気の流れは第２図に示す第１実施例の低速時と同様で
あり、大ターボ４ｏによる過給作動が行われ、小ターボ
４２は休止される。

第９図は中速時における作動を示し、電磁弁７４．７６
及び１１０は共に励磁され、開閉弁１１４及び１１９は
共に開放される。即ち、排気管３８からの排気ガスは第
１のターボチャージャのタービン４０ｂに導入されると
同時に導管１１６を介して第２のターボのタービン４２
ｂに導入される。排気ガスは導管４日で合流され、排出
される。一方、吸気は第１ターボチヤージヤ４０のコン
プレッサ４０ａに導入されると同時に導管１１２を介し
て第２のターボのコンプレッサ４２ａに導入される。コ
ンプレッサ４０ａ。

４２ａを出た空気はインタクーラ６８にて合流され、４
管７２を経てエンジン側に導入される。

高速時には第１０図に示すように切替弁７４゜７６は消
磁され、これは第１実施例と同じである。

これに加えて、切替弁１１０が消磁され、開閉弁１１４
及び１１８は閉鎖状態となる。そのため、排気ガス及び
吸入空気の流れ状態は第１実施例の高速時と同様になる
。即ち、第１のターボチャージャ４０で圧縮された空気
が導管４６．７２を介して第２のターボ４２を通過する
際の圧縮−膨張という過程において吸入空気は強く冷却
されるというターボクーラ作動が実現される。

この第２実施例のように回転数に応じて３段階で制御す
ることにより各回転数において最大の出力を得ることが
できる。第１２図において、線りは第１ターボチヤージ
ヤのみ作動させた第８図の状態でのエンジン回転数に対
する出力特性、線Ｍは第１ターボチヤージヤとターボチ
ャージャとして機能させた第２ターボとを並列過給作動
させた第９図の状態でのエンジン回転数に対する出力特
性、線Ｎは第２ターボを吸入空気の圧縮−膨張サイクル
を行わせるターボクーラとして作動させたときのエンジ
ン回転数に対する出力特性である。

第２実施例によれば、各特性の出力の大きい部分を接続
した大実′ｆａＰのような回転数−出力特性を得ること
ができる。この第２実施例では各回転状態にわたって大
容量の第１ターボチヤージヤ４０を″ｍ続的に作動させ
るとともに、途中から作動させる第２ターボを小容量に
してターボラグを゛短縮している。これにより低速から
中速への過渡状態において応答性を向上することができ
る効果がある。即ち、低速から中速への切替点において
慣性モーメントの小さな第２ターボ４２が起動されるた
め、その回転上昇が速やかに行われ、トルクの落ち込み
が防止される。また、この実施例のように大ターボチャ
ージャを常時作動させた方が低速時のターボチャージャ
の回転増加後のトルクを大きくとることができる。

第１３図は第３実施例を示し、大容量の第１ターボチヤ
ージヤと小容量の第２ターボとを設ける点は第１実施例
、第２実施例と同様であるが、低速時におけるターボチ
ャージャの使い方が相違しており、第１実施例及び第２
実施例では低速時に大容量のターボチャージャを使用し
ているのにこの実施例では低速時に小容量のターボの方
をターボチャージャとして使用るものである。ターボク
ーラとしての作動のさせ方は同じである。以下相違点を
中心に説明する。第１のターボチャージャ４０のタービ
ン４０ｂを迂回するウェイストゲート弁６０に加え、第
２のウェイストゲート弁２００が設けられ、この第２の
ウェイストゲート弁２００は第２のターボのタービン４
２ｂを迂回するバイパス通路通路２０２を開閉するため
設けられる。第２のアクチュエータ２０４によるウェイ
ストゲート弁２００の駆動が第１のアクチュエータ６４
によるウェイストゲート弁６０の駆動と同様に行われる
。この第１のウェイストゲート弁６０のアクチュエータ
６４の駆動はコンプレッサ下流の過給圧を駆動源とする
。即ち、コンプレッサ４０ａの下流の導管５０からの過
給圧が所定値以上のときアクチュエータ６４はウェイス
トゲート弁６０を開弁に至らしめるものである。この作
動原理は第２のアクチュエータ２０４についても同様で
ある。即ち、導管２０６はアクチュエータ２０４をコン
プレッサ４２ａとインククーラ６８との間の導管５２に
接続し、第２のターボ４２による過給圧が所定値を超え
るとウェイストゲート弁２００がバイパス通路２０２を
開けることにより圧力制御が行われる。第１の三方切替
弁２１０はエアーフローメータ３４からの導管４４を大
ターボチャージャ４０のコンプレッサ４０ａへの導管８
８に連通ずる白抜き位置と、小ターボ４２のコンプレッ
サ４２ａへの導管２１２に連通ずる黒塗位置との間を切
り替わる。第２の三方切替弁２１４は排気管３８を大タ
ーボチャージャ４０のタービン４０ｂへの導管２１Ｂに
接続する白抜き位置と、小ターボ４２のタービン４２ｂ
への導管２２０に接続する黒塗位置との間で切り替わる
。

第３の三方切替弁２２２は第２のターボ４２のタービン
４２ｂからの導管２２３をサージタンク３２の上流の導
管８０に接続する白抜き位置と、大ターボチャージャ４
０のタービン４２ｂからの共通排気管４８に連通する黒
塗位置との間を切り替わる。第４の三方切替弁２２６は
インタクーラ６８からの導管７２を導管２２８を介して
小ターボ４２のタービン４２ｂの上流の専管２２０に接
続する白抜き位置と、サージタンク３２への導管８０に
接続する黒塗位置との間を切り替わる。尚、この第３実
施例においても、同様に制御回路が設けられるが、その
作動は実質的に相違がないので図示は省略する。

以上説明した第３実施例の作動を説明すると、内燃機関
の低速時には第１３図において切替弁２１０．２１４．
２２２．２２６は全て励磁され、黒塗のボート位置を止
る。排気管３８からの排気ガスは導管２２０を介して第
２のターボ（小ターボ）４２のタービン４２ｂに導入さ
れ、これを回転駆動し、コンプレッサ４２ａが回転され
る。これにより、エアーフローメータ３４から、吸入空
気の流れが、導管２１２、小ターボ４２のコンプレッサ
４２ａ、導管５２、インククーラ６８、導管？２．８０
、サージタンク３２、吸気マニホルド３０の順におこり
、空気がエンジンに導入される。切替弁２１０，２１４
の励磁により第１のターボチャージャ（大ターボ）４０
は作動に全熱関与しない。即ち、この第３実施例では低
速時は小ターボにより過給が行われ、この点が低速特大
ターボチャージャが作動する第１及び第２実施例と相違
する。

高速時には第１４図に示すよう切替弁２１０゜２１４．
２２２．２２６は全て消磁され、白抜きの位置をとる。

排気管３８からの排気ガスは大ターボチャージャ４０の
タービン４０ｂを回転駆動し、これによりコンプレッサ
４２ａが回転される。

これにより過給された吸入空気は導管５０゜２１２を介
して小ターボ４２のコンプレフサ４２ａに導入され、そ
れから導管５２，７２、インククーラ６８、導管２２８
を経て小ターボ４２のタービン４２ｂのところで膨張冷
却される。冷却された吸入空気は導管２２３，５６．８
０を介してエンジン側に導入される。その結果、高速時
は小ターボは圧縮−膨張を行うターボクーラとして作動
し、これは第１及び第２実施例と同じである。

第４実施例は低速時に小ターボの方をターボチャージャ
として作動させるという点では第３実施例と同じであり
、一方低速、中速、高速の３段階で制御を行う点で第３
実施例と相異する。第１の三方切替弁３００は大ターボ
チャージャ４０のコンプレッサ４０ａからの導管５０を
導管３０２を介して、エアーフローメータ３４からの導
管３０４に接続する白抜き位置と、インタクーラ６８に
接続する導管３０８に接続する黒塗位置との間を切り替
わる。第２の三方切替弁３０９、第３の三方切替弁３１
０は夫々第３実施例の三方切替弁２２２，２２６と同様
であり説明を省略する。

以上の３個の三方切替弁３００，３０９及び３１０に加
えて４個の開閉弁３２０，３２２゜３２４．３２６が設
けられる。第１の開閉弁３２０は大ターボチャージャ４
０への４管８８の途中に設置される。第２の開閉弁３２
２は第１の切替弁３００からの導管３０２が接続される
より上流側の位置で導管３０４上に設置される。第５の
開閉弁３２４は、大ターボチャージャ４０のタービン４
０ｂへの導管３３０に、導管３３２の接続個所より下流
の個所で接続される。第４の開閉弁３２６は排気管３Ｂ
を小ターボ４２のタービン４２ｂに接続する前記導管３
３２上に設置される。

以下この第４実施例の作動を説明すると、低速時は第１
５図のように、三方切替弁３００゜３１９及び３１０は
励磁され、黒塗位置をとる。

−力筒１開閉弁３２０は閉鎖、第２開閉弁３２２は開放
、第２開閉弁３２４は閉鎖、第４開閉弁３２６は開放と
なり、排気ガス及び吸気の流れは矢印の通りとなる。即
ち、排気ガスは導管３３２より小ターボ４２のタービン
４２ｂを駆動し、吸入空気は導管３０４より小ターボ４
２のコンプレッサ４２ａで圧縮され、インタクーラ６８
、導管？２，８０、サージタンク３２より燃焼室１８に
゛　　導入される。大ターボチャージャ４０は排気ガス
、空気の流れに関与せず、小ターボによる過給が実行さ
れる。

中速時には第１６図のように三方切替弁３００゜３０９
及び３１０は黒塗位置を維持するが、第２開閉弁３２２
、第４開閉弁３２６に加え、いままで閉じていた第１開
閉弁３２０及び第３開閉弁３２４が開放される。そのた
め、小ターボ４２への排気ガス、空気の流れは維持され
た上、大ターボチャージャ４０のタービン４０ｂに導管
３・２０を介して排気ガスが導入され、これを回転駆動
し、コンプレッサ４０ａには第１開閉弁３２０を介して
空気が導入される。かくして、この中速域には大ターボ
チャージャ４０及び小ターボ４２の双方が過給に関与す
る。

高速時には第１７図に示すように、切替弁３００．３０
！１１及び３１０は白抜きの位置をとり、一方第１の開
閉弁３２０は開放、第２の開閉弁３２２は閉鎖、第２の
開閉弁３２４は開放、第４の開閉弁３２６は閉鎖される
。その結果、大ターボチャージャ４０のタービン４０ｂ
に排気ガスが導管３３０を介して導入され、一方コンプ
レッサ４０ａで空気を圧縮し、大ターボチャージャ４０
による過給作動が行われる。そして、このコンプレッサ
４０ａからの空気は導管３０２，３０４を介して小ター
ボ４２のコンプレッサ４２ａに導入され、そこからイン
タクーラ６８、導管７２゜３５０を介して小ターボ４２
のタービン４２ｂを通り、導管５６，８０、サージタン
ク３２を介して燃焼室１８に入る。従って、小ターボ４
２はターボクーラとして機能することになる。この実施
例では低速、中速、高速で第２実施例と同様な３段階制
御が行われ、第１２図のような各回転にわたって高いエ
ンジン出力を得ることができる。

尚、各実施例を通じて切替弁等による制御等の詳細構成
はこれらと等価な代替手段に置き換えることが可能であ
る。

〔発明の効果〕

ターボクーラとして働かせる下流側のターボのコンプレ
ッサの容量を過給機として働く上流側のターボのコンプ
レッサの容量より小さくすることにより、圧縮効率を高
めターボクーラによる冷却効果を一層高めることができ
るとともに慣性モーメントが小さくなりターボラグが短
縮され、回転の立上りが迅速に行われる。

更に、エンジン速度に応じて、ターボ作動を制御し・低
速時及び中速時には過給機として働き、また高速時にタ
ーボクーラとして働くように構成することで、各回転数
にわたり高いエンジン出力を得ることができる。また、
ターボクーラの小型化により、車両への搭載性が向上す
るとともに、ターボクーラの冷却効果の向上によりノッ
キングが抑制され、インタークーラも小型化されうるか
、不必要とされるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図はターボクーラシステムの構成及び作動を概念的
に説明する図。 第２図はターボクーラシステムの全体構成図で、図中の
切替弁は低速時に適合するよう切替られており、排気ガ
ス、空気の流れ方向を夫々の矢印にて示す。 第３図は第２図と同様であるが切替弁は高速時に適合す
るように切替られている。 −第４図は制御回路の概略構成図。 第５図は第１実施例の制御回路の作動を説明するフロー
チャート。 第６図は第１実施例の要点を示す概念構成図。 第７図は吸気量と圧力比とに対し圧縮効率がどのように
変化するかを説明するグラフ。 第８図は第２実施例のシステム全体構成図で、切替弁は
低速実施例に適合するように位置しており、排気ガス、
空気の流れを夫々の矢印をもって示す。 第９図は第８図と同様であるが、切替弁は中速時に適合
するように切替られている。 第１Ｏ図は第８図と同様であるが、切替弁°は高速時に
適合するように切替られている。 第１１図は第２実施例の制御回路の作動を説明するフロ
ーチャート。 第１２図は第２実施例におけるエンジン回転数に対する
出力特性を示すグラフ。 第１３及び１４図は第３実施例における低速、高速にお
ける弁装置の状態並びに空気及び排気ガスの流れを説明
する図。 第１５図、第１６図及び１７図は第４実施例における低
速、中速及び高速の夫々における弁装置の状態並びに空
気及び排気ガスの流れを説明する図。 １８・・・燃焼室、　　　　　３２・・・サージタンク
、３３・・・スロットル弁、 ４０・・・第１のターボ（チャージャ）、４０ａ・・・
コンプレッサ、４０ｂ・・・タービン、４２・・・第２
のターボ（タープ）、 ４２ａ・・・コンプレッサ、４２ｂ・・・タービン、６
８・・・インクタープ、　　７４．７６・・・切替弁、
９０・・・制御回路、　　　　１１０・・・切替弁、１
１４．１１８・・・開閉弁、 ２１０．２１４，２２２，２２６・・・切替弁、３００
．３０９．３１０・・・切替弁、３２０．３２２，３２
４，３２６・・・切替弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、上流側のターボチャージャよりの過給空気を下流側
   のターボクーラの圧縮側ユニットに導入し、圧縮された
   空気を同じ下流側のターボクーラの膨張側ユニットに導
   入し、これにより上流側のターボチャージャにより過給
   を受けた吸入空気を冷却するようにした複数のターボを
   備えた内燃機関において、 下流側のターボクーラの圧縮側のユニットの容量を上流
   側のターボチャージャの圧縮側ユニットの容量よりも小
   さく構成し、下流側を小容量ターボ、上流側を大容量タ
   ーボとしたことを特徴とするターボによる過給気冷却式
   内燃機関。 ２、前記小容量ターボの膨張側ユニットの吸入口は、機
   関の排気系に接続されるとともに、切替弁を介して前記
   小容量ターボの圧縮側ユニットの吐出口に接続され、前
   記小容量ターボは少なくとも中速時は過給機として機能
   し、また、高速時は過給気のクーラとして機能するよう
   に構成したことを特徴とする請求項１に記載のターボに
   よる過給機冷却式内燃機関。