JPH04347331A - ２段ターボ過給装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エンジンの主に低回転
域で作動する小型のターボチャージャと、主に高回転域
で作動する大型のターボチャージャとを、排気系に直列
的に組み合わせて設け、両者を段階的に切り換えて使用
するようにした２段ターボ過給装置に関するものである
。

【０００２】

【従来の技術】特開平２−９９７２３号公報には、２段
ターボ過給装置の代表的な従来例が記載されている。こ
の例に見られる従来の一般的な２段ターボ過給装置１０
は、図４に示したように、小型のターボチャージャ１２
と大型のターボチャージャ１４とを、エンジンの低回転
域においては、それらの排気系部分（排気タービン１２
Ｔ及び１４Ｔ）と吸気系部分（コンプレッサ１２Ｃ及び
１４Ｃ）が、それぞれ直列接続となるように組み合わせ
たものである。

【０００３】従来の２段ターボ過給装置１０では、エン
ジンの低回転域において、図示しないエンジンから排気
通路１６を通って排出される排気が、排気通路１６から
小型ターボチャージャ１２の排気タービン１２Ｔに入っ
て第１段の膨張をした後、中間の排気通路１８を通って
大型ターボチャージャ１４の排気タービン１４Ｔに入り
、第２段の膨張をしてから最終的な排気通路２０へ流れ
るようになっており、それによって小型ターボチャージ
ャ１２及び大型ターボチャージャ１４が共に駆動状態と
なるので、吸気は吸気通路２２から大型ターボチャージ
ャ１４のコンプレッサ１４Ｃに入って第１段の圧縮を受
けた後、中間の過給通路２４を通って小型ターボチャー
ジャ１２のコンプレッサ１２Ｃに入り、第２段の圧縮を
受け所定の過給圧を得て、最終的な過給通路２６を通り
、図示しないエンジンの吸気マニホールドの方へ供給さ
れるようになっている。

【０００４】一方、エンジンが高回転域に入ると、最終
的な過給通路２６における過給圧Ｐ１が高くなるので、
過給圧Ｐ１に応じて作動するアクチュエータ２８によっ
て排気切換弁３０が開弁し始め、過給の主力が小型ター
ボチャージャ１２から大型ターボチャージャ１４の方へ
徐々に移行する。それによって中間の過給通路２４にお
ける過給圧Ｐ２が上昇して所定値に達すると、アクチュ
エータ２８は排気バイパス弁３０を全開させるので、排
気通路１６からの排気は小型ターボチャージャ１２を通
らないで、排気バイパス通路３２を通って大型ターボチ
ャージャ１４へ直接流入するようになる。このときは同
時に、コンプレッサ１２Ｃの吸気バイパス通路３４に設
けた吸気バイパス弁３６を全開して、小型ターボチャー
ジャ１２を非駆動状態とし、大型ターボチャージャ１４
のみによる効率の高い１段過給状態とする。それ以後の
過給圧の調整は、大型ターボチャージャ１４の排気ター
ビン１４Ｔに対する排気バイパス通路３８に設けられた
ウエイストゲート弁４０によって行われる。なお、４２
は過給圧Ｐ２をアクチュエータ２８に伝達する管路４４
に設けたバキュームスイッチングバルブであって、図示
しない制御装置によって切り換えられ、アクチュエータ
２８に送る制御圧として、過給圧Ｐ２又は大気圧のいず
れか一方を選択するようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の２段ターボ過給
装置においては、エンジンの運転状態が低回転域から高
回転域へ移行し、小型ターボチャージャ１２及び大型タ
ーボチャージャ１４の両方による２段ターボ過給から、
大型ターボチャージャ１４のみによる１段ターボ過給へ
切り換える場合、排気のエネルギの一部が、未だ完全な
非駆動状態にはなっていない小型ターボチャージャ１２
を駆動するために消費されるのと、大型ターボチャージ
ャ１４の回転質量や負荷が大きいために、コンプレッサ
１４Ｃによる中間の過給通路２４における過給圧Ｐ２の
上昇が比較的遅くなるので、エンジンが相当な高回転に
達した後に１段ターボ過給への切り換えを行う必要があ
り、さもないと、切り換えの時に一時的に過給圧Ｐ１が
低下するため、その結果としてエンジンの出力トルクが
落ち込んで、自動車の場合は実走フィーリングで加速の
落ち込みを感じることがある。

【０００６】しかしながら、２段ターボ過給をエンジン
の高回転域まで続けると、容量の小さい小型ターボチャ
ージャ１２は、排気及び吸気のいずれの系統においても
背圧を上昇させる原因となり、排気及び吸気抵抗が増加
することから、過給効率の低下を招くばかりでなく、エ
ンジンの総合的な運転効率も低下することになる。これ
を防止するには、１段ターボ過給への切り換えを可及的
に低回転で行う必要があり、そのためにも中間の過給通
路２４における過給圧Ｐ２の立ち上がりを早くする必要
がある。それには大型ターボチャージャ１４を小型化す
ればよいが、大型ターボチャージャ１４を小型化すると
エンジンの最高出力が低く抑えられことになる。また、
小型ターボチャージャ１２を大型化して大型ターボチャ
ージャ１４に近づけることも考えられるが、その場合は
２段ターボ過給をする意味が失われ、エンジンの低回転
域において過給効果を望むことができなくなる。本発明
は、従来技術におけるこのような問題を解決し、２段タ
ーボ過給から１段ターボ過給への切り換えをを、従来よ
りもエンジンの低回転側において支障なく行うことを可
能にすることを発明の目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
解決するための手段として、エンジンの吸気通路に接続
されるコンプレッサと前記エンジンの排気通路に接続さ
れる排気タービンを備えている小型ターボチャージャと
、前記小型ターボチャージャの排気タービンの下流側に
直列に接続される排気タービンを備えると共に前記小型
ターボチャージャのコンプレッサに並列に接続されるコ
ンプレッサを備えている大型ターボチャージャと、前記
小型ターボチャージャの排気タービンを迂回する排気バ
イパス通路に設けられた排気バイパス弁と、前記エンジ
ンの低回転域において前記大型ターボチャージャを通る
空気流を絞るために前記大型ターボチャージャのコンプ
レッサの吸入側に設けられた第　１の制御弁と、同じく
前記大型ターボチャージャのコンプレッサの吐出側に設
けられた第２の制御弁とを備えていることを特徴とする
２段ターボ過給装置を提供する。

【０００８】

【作用】エンジンが低回転域にあるとき、小型ターボチ
ャージャの排気タービンを迂回する排気バイパス通路に
設けられた排気バイパス弁は閉じられ、エンジンの排気
は小型ターボチャージャの排気タービンと大型ターボチ
ャージャのタービンを順次通って排出されるから、小型
及び大型ターボチャージャはいずれも駆動状態におかれ
るが、本発明においては、この状態で大型ターボチャー
ジャのコンプレッサの吸入側及び吐出側にそれぞれ設け
られた第１の制御弁及び第２の制御弁が閉じられるので
、大型ターボチャージャのコンプレッサは圧縮仕事をす
ることができなくなる。従って、この状態ではエンジン
は殆ど小型ターボチャージャのみによって過給され、大
型ターボチャージャは空転状態になって回転数が上昇し
、慣性エネルギを蓄える。

【０００９】圧縮仕事をしていない大型ターボチャージ
ャの空転の回転数が十分上昇したところで、大型ターボ
チャージャのコンプレッサの入口及び出口に設けられた
第　１及び第２の制御弁を開くと、大型ターボチャージ
ャがエンジンに対して有効な過給仕事を開始するが、大
型ターボチャージャの回転数は既に十分高くなっている
ので、大きな慣性エネルギーが蓄えられており、負荷を
かけてもその回転数はあまり低下せず、排気バイパス弁
を開いて小型ターボチャージャを非作動状態にしても、
過給圧やエンジンのトルクが落ち込むおそれがない。従
って、エンジンの回転数が比較的低いうちに小型ターボ
チャージャから大型ターボチャージャへの切り換えが可
能となり、その切り換えが円滑に行われ、小型ターボチ
ャージャを広範囲にわたって駆動状態とする不利益を回
避することができる。

【００１０】

【実施例】図１に本発明の実施例である２段ターボ過給
装置５０の構成を示す。図４に示した従来の２段ターボ
過給装置１０と実質的に同じ部分には、同じ参照符号を
付すことによって重複する説明を省略することにする。 即ち、本発明の実施例である２段ターボ過給装置５０に
おいても、小型ターボチャージャ１２、大型ターボチャ
ージャ１４、排気通路１６、中間の排気通路１８、最終
的な排気通路２０、吸気通路２２、最終的な過給通路２
６、排気バイパス弁３０、排気バイパス通路３２、排気
バイパス通路３８、ウエイストゲート弁４０等を設ける
。

【００１１】図１に示す本発明の実施例としての２段タ
ーボ過給装置５０が、図４に示す従来の２段ターボ過給
装置１０と異なる点は、まず第１に、コンプレッサ１４
Ｃとコンプレッサ１２Ｃとが直列に接続されておらず、
それらが吸気通路２２と最終的な過給通路２６との間に
並列に接続されていることである。従って従来の装置１
０における中間の過給通路２４に相当するものは、本発
明による装置５０には設けられない。本発明の２段ター
ボ過給装置５０においては、エアクリーナ５２及びエア
フロメータ５４に続く吸気通路２２は分岐して、その一
方は吸気通路５６を介して直接に小型ターボチャージャ
１２のコンプレッサ１２Ｃへ接続され、他方は吸気通路
５８を介して大型ターボチャージャ１４のコンプレッサ
１４Ｃへ接続される。

【００１２】コンプレッサ１２Ｃの吐出側の過給通路６
０とコンプレッサ１４Ｃの吐出側の過給通路６２とは、
合流して最終的な過給通路２６となり、サージタンク６
４、スロットル弁６６、及び吸気マニホールド６８等を
経て、エンジン本体７０の各気筒に分配供給される。

【００１３】本発明による２段ターボ過給装置５０の第
２の特徴として、大型ターボチャージャ１４のコンプレ
ッサ１４Ｃの方へ分岐した吸気通路５８には、コンプレ
ッサ１４Ｃに対する吸入側の制御弁７２が設けられると
共に、コンプレッサ１４Ｃの吐出側の過給通路６２には
制御弁７４が設けられる。制御弁７２及び７４は、それ
に限定される訳ではないが、図示例ではいずれもバタフ
ライ型の弁を用いており、両者は同時に開閉することが
できるように機械的に連結されていて、一つのアクチュ
エータ７６によって開閉駆動される。ダイヤフラム式の
アクチュエータ７６には、図示しない電子式等の制御装
置によって、エンジンの回転数等の運転状態を示す指標
に応じて自動的に切り換えられるバキュームスイッチン
グバルブ７８によって、選択的に過給通路６０の過給圧
取り出し点８０から取り出される過給圧Ｐ又は大気圧が
供給される。

【００１４】バキュームスイッチングバルブ７８とアク
チュエータ７６によって制御弁７２及び７４を開閉制御
するためには幾つかの態様が考えられる。例えば、バキ
ュームスイッチングバルブ７８が大気圧をアクチュエー
タ７６に導入するように切り換えられた時は、制御弁７
２及び７４が全開してコンプレッサ１４Ｃの吐出量を有
効に活かし、吐出する空気の全量を過給通路６２へ流す
ようにすると共に、バキュームスイッチングバルブ７８
が過給圧Ｐをアクチュエータ７６に導入するように切り
換えられた時は、過給圧Ｐがアクチュエータ７６のダイ
ヤフラムを押して、制御弁７２及び７４が一律に閉弁位
置をとるようにしてもよいし、この時に過給圧Ｐが増大
するにつれて閉弁位置から徐々に開弁するようにしても
よい。また、バキュームスイッチングバルブ７８を制御
装置によってデューティ制御すれば、アクチュエータ７
６に任意の空気圧を供給することができ、制御弁７２及
び７４の開閉位置を任意に定めることもできる。

【００１５】図１に示した実施例においては、排気バイ
パス弁３０はダイヤフラム型のアクチュエータ８２によ
って開閉作動するようになっており、アクチュエータ８
２の一方の室には過給圧取り出し点８０から過給圧Ｐが
導入されると共に、他方の室には図示しない制御装置に
よって切り換えられるバキュームスイッチングバルブ８
４によって、過給圧Ｐ又は大気圧が選択的に導入される
ようになっている。それによって、過給圧Ｐが高くなる
につれて排気バイパス弁３０が開弁され、排気が排気通
路１６排気タービン１２Ｔを通らないで直接に排気ター
ビン１４Ｔへ流入するように作動する。

【００１６】図示実施例においても、従来技術と同様に
、ウエイストゲート弁４０を設け、それをダイヤフラム
型のアクチュエータ８６によって開閉作動するようにし
ており、アクチュエータ８６は過給圧取り出し点８０に
接続されて、作動圧として過給圧Ｐの供給を受けるよう
になっている。過給圧Ｐが所定値を越えるとアクチュエ
ータ８６がウエイストゲート弁４０を部分的に開弁させ
て、過給圧Ｐの過度の上昇を防止する。

【００１７】本願発明による図示実施例においては、大
型ターボチャージャ１４の排気タービン１４Ｔのケーシ
ングに、それによって圧縮される空気を外気中へ排出す
る電磁弁８８を設けてもよい。これは、コンプレッサ１
４Ｃとそれに対する吸入側の制御弁７２との間の吸気通
路５８における真空度を高め、排気タービン１４Ｔの回
転数をよりいっそう上昇させるためである。電磁弁８８
は図示しない制御装置によって開閉制御される。

【００１８】それと反対に、図２に示すように、コンプ
レッサ１４Ｃに対する吸入側の制御弁７２の弁板に小さ
い孔９０を設けてもよい。これは、真空度があまり高く
なるとコンプレッサ１４Ｃの温度上昇が激しくなるし、
場合によってはサージングを起こすこともあるので、吸
入側の制御弁７２をバイパスして或る程度空気を流した
方が良い場合に用いる手段である。危険を冒してまで、
大型ターボチャージャ１４の回転数を上昇させる必要は
ないためである。

【００１９】大型ターボチャージャ１４のコンプレッサ
１４Ｃに対する吸入側の制御弁７２を閉弁することによ
って、コンプレッサ１４Ｃは圧縮仕事をしなくなるので
、排気タービン１４Ｔの負荷が小さくなることから、大
型ターボチャージャ１４の回転数は上昇する。コンプレ
ッサ１４Ｃの吐出側の制御弁７４を閉弁する場合も同様
である。

【００２０】そこで例えば、スロットル弁６６が全開又
は所定値以上の開度まで開かれている状態で、エンジン
７０が低回転域にあるときに制御弁７２及び７４を全閉
にすれば、過給は小型ターボチャージャ１２のコンプレ
ッサ１２Ｃのみによって行われ、大型ターボチャージャ
１４は過給に関与しないが、無負荷となった大型ターボ
チャージャ１４においては、排気タービン１４Ｔの動力
が同じでも、負荷が少ない分だけ回転数が上昇して大き
な慣性エネルギーを蓄える。そのため、エンジン７０の
回転数が従来よりも低い状態で、大型ターボチャージャ
１４のみの１段ターボ過給へ切り換えを行っても、大型
ターボチャージャ１４が既に高速で回転しているので、
切り換えによる回転数低下が無視できる程度になり、実
質的にトルクの落ち込みもなく、円滑に切り換えをなし
得る。。

【００２１】図３は、本発明の実施例による２段ターボ
過給装置５０の過給圧特性を、従来の２段ターボ過給装
置１０のそれと比較して示したものである。横軸にエン
ジンの回転数をとり、縦軸に過給圧をとって、エンジン
回転数の変化に応じて過給圧がどのように変化するかを
示している。小型ターボチャージャ１２のコンプレッサ
１２Ｃのみによる過給圧は、いずれの場合も実線Ａのよ
うに変化し、大型ターボチャージャ１４のコンプレッサ
１４Ｃのみによる過給圧は、従来技術のように対策を講
じていない場合には、破線Ｂのように変化する。小型タ
ーボチャージャ１２から大型ターボチャージャ１４へ切
り換えるときに過給圧が低下してエンジンのトルクが落
ち込むのを避けるため、従来は曲線Ａと曲線Ｂが交わる
点Ｃにおいて切り換えを実行していたので、その時のエ
ンジンの回転数はＲ１のように高くなり、小型ターボチ
ャージャ１２の作動領域が広いために、前述のような問
題を生じた。

【００２２】本発明による解決手段を講じた結果、大型
ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４Ｃのみによる
過給圧の変化は一点鎖線Ｄのような形になる。つまり、
エンジンの低回転域では、制御弁７２及び７４を閉じる
ことによって過給圧の立ち上がりを抑えているため、こ
の間に大型ターボチャージャ１４は無負荷運転に近い状
態になって回転数が非常に高くなっているので、制御弁
７２及び７４を開弁することによって、コンプレッサ１
４Ｃの過給圧は急上昇し、曲線Ａに対して点Ｅにおいて
交わる。そこで、点Ｅにおいて小型ターボチャージャ１
２から大型ターボチャージャ１４への切り換えを実行す
れば、曲線Ａから点Ｅにおいて曲線Ｄに乗り移るような
形の過給圧特性が得られる。

【００２３】新しい交点Ｅに対応するエンジン回転数は
Ｒ２であるから、本発明を実施することによって、図３
に矢印で示すように、２段ターボ過給から１段ターボ過
給への切り換えが、従来の高い回転数Ｒ１よりも遙に低
い回転数Ｒ２において、何ら支障なく実行することが可
能になるのである。エンジンの高速域においては、本発
明による２段ターボ過給装置も従来のそれと同様に、大
型ターボチャージャ１４のみの１段ターボ過給状態にな
るから、常用される高速の回転域における作動は何ら変
わったところがない。

【００２４】

【発明の効果】本発明を実施することにより、２段ター
ボ過給から大型ターボチャージャのみの１段ターボ過給
への切り換えが従来よりも低いエンジンの低回転数にお
いて支障なく実行することができ、過給圧の一時的低下
によるトルクの落ち込みがないばかりか、むしろ急加速
感を味わえるので、自動車の場合は実走フィーリングが
向上する。小型ターボチャージャ１２を低回転域の広い
範囲にわたって作動させる必要がないから、排気系統の
背圧の上昇を避けることができ、エンジンの総合的な効
率も高くなる。

【００２５】また、小型ターボチャージャ１２の作動領
域を従来よりも低回転域の狭い範囲に限ることが可能に
なるから、小型ターボチャージャ１２を従来よりも小型
化することができ、エンジンをよりいっそう低速範囲に
おいて過給することができるので、エンジンの低速性能
を向上させることができる。反対に、本発明における大
型ターボチャージャ１４の回転慣性は大きい方が効果的
であるから、従来のようにロータの翼の肉厚を薄くした
り、アルミニウムのように強度が劣る比重の小さい材料
を使用して軽量にする必要がないので、ステンレス鋼の
ような材料の使用も可能になり、大型ターボチャージャ
１４はきわめて強度が高く堅牢なものとなり、翼等の肉
厚も十分大きくすることができることから、製造にあた
って精密鋳造が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の２段ターボ過給装置の実施例を示すシ
ステム構成図である。

【図２】本発明に使用される制御弁の実施例を示す斜視
図である。

【図３】本発明の効果を例示する過給圧特性図である。

【図４】従来の２段ターボ過給装置を例示するシステム
構成図である。

【符号の説明】

１０…従来の２段ターボ過給装置 １２…小型ターボチャージャ １２Ｔ…排気タービン １２Ｃ…コンプレッサ １４…大型ターボチャージャ １４Ｔ…排気タービン １４Ｃ…コンプレッサ ３０…排気バイパス弁 ３２…排気バイパス通路 ４０…ウエイストゲート弁 ５０…本発明の２段ターボ過給装置 ７０…エンジン本体 ７２…コンプレッサ１４Ｃに対する吸入側の制御弁７４
…コンプレッサ１４Ｃに対する吐出側の制御弁７６…ア
クチュエータ ８８…電磁弁 ９０…小孔

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　エンジンの吸気通路に接続されるコン
   プレッサと前記エンジンの排気通路に接続される排気タ
   ービンを備えている小型ターボチャージャと、前記小型
   ターボチャージャの排気タービンの下流側に直列に接続
   される排気タービンを備えると共に前記小型ターボチャ
   ージャのコンプレッサに並列に接続されるコンプレッサ
   を備えている大型ターボチャージャと、前記小型ターボ
   チャージャの排気タービンを迂回する排気バイパス通路
   に設けられた排気バイパス弁と、前記エンジンの低回転
   域において前記大型ターボチャージャを通る空気流を絞
   るために前記大型ターボチャージャのコンプレッサの吸
   入側に設けられた第　１の制御弁と、同じく前記大型タ
   ーボチャージャのコンプレッサの吐出側に設けられた第
   ２の制御弁とを備えていることを特徴とする２段ターボ
   過給装置。