JPS61164039A - 多段タ−ボ過給機関 - 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、内燃８！関の排気圧力を動力源として吸気
を加圧供給するターボ過給機を複数個設けた８！閏に関
する。

（従来の技術） 機関出力や燃費の向上を目積してターボ過給機を備えた
車両用内燃機関が増えつつあるが、車両用機関ではター
ボ過給機の動力源となる排気の流量変動幅が大きいため
、単一のターボ過給機では機関とのマツチングが難しく
、例えば低速回転域からの加速時など、過渡的な運転状
態で十分にその能力を発揮させるのが困難になる場合が
ある。

また、実用上１！１ｆｆｉを生じない程度のマツチング
に成功したとしてら、運転状態によってはターボ過給機
の排気タービンを通過した排気に依然として多量の熱エ
ネルギが保有されていることが多く、従って熱エネルギ
の回収という面から見れば単一の過給機では必ずしも十
分ではない。

このような観、ばから、内燃機関に互いに直列的に２個
のターボ過給機を設けた２段過給方式と呼ばれるものが
提案されている。

これを第７図に基づいて説明すると、図中第１のターボ
過給機（高圧段ターボ過給機）５は機関１からの排気通
路３に介装される高圧段タービン５Ａと、吸気通路４に
介装される高圧段コンプレッサ５Ｂと、これらを直結す
る回転軸５Ｃとから構成され、また第２のターボ過給８
！（低圧段ターボ過給機）６は高圧段タービン５Ａの下
流側にて排気通路３に介装される低圧段タービン６Ａと
、高圧段フンプレフサ５Ｂの上流側にて吸気通路４に介
装される低圧段コンプレッサ６Ｂと、これらを直結する
回転軸６Ｃとから構成されている。

排気通路３と吸気通路４には、それぞれ高圧段タービン
５Ａ、高圧段コンプレフサ５Ｂを迂回するようにして排
気バイパス通路７と吸気バイパス通路８が設けられてお
り、タービン５Ａとコンプレッサ５Ｂの前後に位置して
介装されたパルプ９Ａ〜９Ｈを運転状態に応じて切り換
えることにより、高圧段ターボ過給機５と低圧段ターボ
過給機６の双方、または低圧段ターボ過給機６のみを作
動させられるようになっている。なお、図において１０
．１１はそれぞれ低圧段コンプレッサ６Ｂ。

高圧段コンプレッサ５Ｂの吐出空気を冷却するインタク
ーラを表している。

この種の過給装置によると、高圧段ターボ過給８！５と
して比較的小型のものを設けることにより排気流量の少
ない低回転域からの加速時における過給圧の立ち上がり
を早くでき、一方低圧段ターボ過給Ｒ６は比較的大容量
のものを適用することにより排気流量の増加に対応した
充分な過給を行うことができ、即ち加速性能を改善しつ
つ比出力の大幅な向上が可能である。また、高圧段ター
ボ過給機５が作動している運転条件においては、そのタ
ービン５Ａを通過した排気により低圧段ターボ過給機６
が駆動され、低圧段コンプレッサ６Ｂを介して予備的に
加圧された空気が高圧段コンプレッサ５Ｂへと供給され
ることになるので、排気エネルギを有効利用した非常に
効率の良い過給がなされることになる。（稲葉興作者「
過給機の知識」成山堂出版社刊参照） （発明が解決しようとする問題点） しかしながらその反面、高圧段ターボ過給機５を作動さ
せる運転条件では機関排気はまず小容量の高圧段タービ
ン５Ａを駆動し、その後さらに低圧段タービン６Ａを通
過することになるので、どうしても排気抵抗が大きくな
り、高圧段タービン５Ａの入口側圧力が上昇する傾向が
生じる。このため、気筒内残留がスが多くなりがちで、
その分だけ吸気充填率が悪化するので多段過給による大
幅な過給圧の増加を達成してもそれに見合うほどの比出
力の向上効果が得られない。また、がソリンを主燃料と
する火花点火機関の場合は、高温の残留ガスにより燃焼
室温度が上昇するため／ツキ゛ングを起こしやす（なる
という問題を生じる。

この発明は、このような従来の問題点を解消した多段タ
ーボ過給機関を提供することを目的としている。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するためにこの発明では、比較的商工の
排気に適合する高圧段ターボ過給機と比較的低圧の排気
に適合する低圧段ターボ過給機とを備えた内燃機関にお
いで、前記複数のターボ過給機に対応する複数の排気弁
と、各排気弁からその対応するターボ過給機の排気ター
ビンに至る互いに独立した複数の排気通路とを設ける一
方、高圧段ターボ過給機に対応する高圧段側排気弁は排
気行程の当初よ’）ｌ＄！ｌ弁するとともに低圧段ター
ボ過給機に対応する低圧段側排気弁は前記高圧段側排気
弁よりも遅れで開弁するように各排気弁の作動時期を設
定した。

（作用） 上記構成によれば、まず排気行程の当初は高圧段側排気
弁が開いて高温高圧の排気が高圧段タービンに供給され
るため、低負荷運転状態からの加速時における速やかな
過給圧上昇効果が確保される。

ただし、排気行程の途中で低圧段側排気弁が開いて比較
的排気通路抵抗の少ない低圧段タービンへと燃ｆｆｉ、
ｆスが逃されることになるので、筒内燃焼ガスの残留量
が減少するとともに後続する吸気行程の開始時までには
筒内圧力が充分に低下する。

従って、高圧段と低圧段のコンプレッサを介して得られ
る高い過給圧が生かされ、充分な充填効率が確保される
。また、残留ガスが減少することから燃焼室温度の過上
昇が抑えられる。

なお、言うまでもないが、上記「排気行程」とは博学上
便宜的に定義されるピストンの上下死点を基準としたも
のではなく、機関が実際に排気作動を行う期間を意味し
ている。また、高圧段と低圧段の各タービンに至る複数
の排気通路は互いに恒常的に独立していることを要求す
るものではなく、例えば第７図について説明したように
排気流量が極めて多いときなど運松条件によりでは高圧
段タービンに向かう排気を低圧段タービンの入口側に逃
がすために排気バイパス通路を介して各段の排気通路を
相互に連通すること等は妨げない。

以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。な
お、第７図と対応する部分には同一の符号を付して示す
ことにする。

（実施例） 第１図または第２図において、機関１は気筒あたり各々
２個の吸気弁２０．２１と排気弁２２．２３を設けた４
バルブ形式で、この場合排気弁２２が高圧段側、同２３
が低圧段側に割り当てられている。

２４は高圧段側排気弁２２が開いたときに燃焼室２から
の排気を高圧段ターボ過給Ｉｆｉ５のタービン５Ａに導
入する第１排気通路、２５は低圧段側排気弁２３が開い
たときに排気を低圧段ターボ過給Ｒ６のタービン６Ａに
導入する第２排気通路で、これら第１、第２排気通路２
４．２５は各々のタービン５Ａ、６Ａに至るまでは互い
に独立している。ただし、この場合高圧段タービン５Ａ
よりも上流側でｍｉｇＰ気通路２４から分岐した排気バ
イパス通路７が低圧段タービン６Ａの上流側にて第２排
気通路２５に接続し、また高圧段タービン５Ａの出口部
も前記排気バイパス通路７とほぼ同一の位置にて第２排
気通路２５に接続している。なお、９は排気バイパス通
路７をＲ閑する排気バイパス弁で、この排気バイパス弁
７は図示しないダイヤ７ラムアクチエエータ等を介して
駆動され、常時は排気バイパス通路７を閉ざして第１、
第２排気通路２４．２５を互いに独立させているが、コ
ンプレッサ５Ｂを介しての過給圧がある所定値を越える
と開弁じてバイパス通路７を開き第１排気通路２４の排
気の一部を低圧段タービン５Ａの方向へ逃がすようにな
っている。これは、高圧段ターボ過給１ｆｉ５の過回転
を防止して最大過給圧を抑えるためであり、従ってこの
高圧段ターボ過給機５の容量ないし機関１とのマツチン
グによっては排気バイパス通路７及Ｖ俳気バイパス弁９
を要しない構成とすることもできる。また、第１排気通
路２４は、後述するように排気行程前期における高圧段
側排気弁２２の開弁によって比較的高圧の燃焼ガスが導
入されるが、この開弁当初に高圧で排出される燃焼〃ス
（ブローダウンガス）のエネルギをできるだけ損なわず
に高圧段コンプレッサ５Ｂまで導くために、第１排気通
路２４の容積は可及的に小さくするのが望ましい。

一方、吸気系の構成は第７図と同様であり、単一の吸気
通路４の途中に、低圧段ターボ過給機６のコンプレフサ
６Ｂと、その下流側に位置する高圧段側ターボ過給機５
のコンプレッサ５Ｂとがそれぞれ介装されている。

第３図は吸排気弁の開閉時期を表したもので、Ｅｌ、Ｅ
２、■はそれぞれ高圧段側排気弁２２、低圧段側排気弁
２３、吸気弁２０，２１のリフトカーブを示している。

図示したように排気行程はまず高圧段側排気弁２２の開
弁により開始され、所定期間だけ排気行程が経過したと
ころで低圧段側排気弁２３が開き始める。低圧段側排気
弁２３の閉時期は上死点（ＴＤＣ）を所定期間経過した
後であり、吸気弁２０．２１の開弁開始時期よりも遅い
ためオーバラップ期間がある。これに対して高圧段側排
気弁２２の閉時期は、この場合吸気弁２０．２１の開弁
開始時期よりも早いため吸気行程とのオーバラップはな
く、低圧段側排気弁２３の開弁期間と幾らかオーバラッ
プする程度の設定である。

上記バルブタイミングによれば、まず排気行程の概ね前
半の期間で高圧段側排気弁２２が開くため、比較的高圧
の燃焼〃スが燃焼室２から第１排気通路２４を介して高
圧段タービン５Ａへと導入される。そのまま吸気行程を
迎えたとすると第１排気通路２４の高圧が燃焼室２ない
し気筒内に作用する結果、筒内に多量の燃焼ガスが残留
して吸気充填率の低下を引き起こすことになるが、この
場合排気行程の途中で低圧段側排気弁２３が開いて燃焼
室２から第２排気通路２５を介して比較的抵抗の少ない
低圧段コンプレッサ６Ｂへと燃焼がスを導入するため、
排気行程の後半において筒内の圧力は速やかに低下する
。従って、吸気行程の開始時には２段のコンプレッサ５
Ｂ、６Ｂにより充分に加圧された吸気が吸気通路４を介
して円滑に筒内へと供給される。このとき、筒内に残留
ガスがあっても、この残留ガスは低圧段側排気弁２３が
開いているオーバ２ツブ期間の間に前記加圧吸気により
第２４１！−電通路２５へと押し出されるので、確実に
掃気される。

なお、上記バルブタイミングにおいて高圧段側排気弁２
２の閉時期を吸気弁２０．２１の開弁開始時期よりも早
（したのは、上述の掃気作用時に第１排気通路２４の圧
力が悪影響を及ぼすのを回避するためであり、従って吸
排気オーバラップ期間に至るまでに前記第１排気通路２
４の圧力を充分に下げうる限りにおいて高圧段側排気弁
２２の閉時期をさらに遅らせてもよい。

第４図にこの発明の第２の実施例を示す。これは第１図
の構成に加えて、第１吸気弁２０を高圧段側に割り当て
でその開弁期間（工１）を吸気行程の後半にとり、第２
吸気弁２１を低圧段側に割り当ててその開弁Ｊ９１Ｊｆ
ｌｆＪ（Ｉ２＞を吸気行程の前半に設定するとともに（
第５図参照）、高圧段・低圧段の各コンプレフサ５Ｂ、
６Ｂの出口部からそれぞれに対応する第１、第２吸気弁
２０．２１に至る２個の吸気通路２８．２９を形成し、
機関に対して吸気行程の前半では低圧段コンプレフサ６
Ｂからの比較的低圧の加圧空気を、同じく後半では高圧
段コンプレフサ５Ｂからの比較的高圧の加圧空気を供給
するようにしたものである。この実施例によれば、前述
したように吸気行程の当初に比較的低圧の加圧吸気が供
給されるので、排圧がそれほど発達しない条件下でのオ
ーバラップ期間における加圧吸気の吹き抜は現象を回避
することができる。

第６図はこの発明の第３の実施例である。これは直列６
気筒機関ＩＡを＃１、＃２、＃３気筒からなる第１気筒
群４１と、＃４、＃５、＃６気筒からなる第２気＃Ｉ＃
４２とに分け、各気前群４１．４２毎に高圧段ターボ過
給機５１．５２を設けたものである。排気行程前期での
高圧段側排気弁２２の開弁に伴い、第１気筒群４１の排
気は排気通路４３を介して第１の高圧段ターボ過給機５
・１の排気タービン５１Ａに、また第２気筒群４２の排
気は排気通路４４を介して第２の高圧段ターボ過給機５
２の排気タービン５２Ａに導入され、それぞれのコンプ
レッサ５１Ｂ、５２Ｂを駆動する。

各タービン５１Ａ、５２Ａを通過した排気は排気通路４
５及び集合管状の１＃気通路４６を介して合流し、低圧
段ターボ過給ｆｉ６の排気タービン６Ａに導入される。

一方、排気行程後期で低圧段側排気弁２３が開（と、排
気は排気通路４６を介して直、接的に低圧段タービン６
Ａに導入される。また、＠気はまず低圧段ターボ過給機
６のコンプレフサ６Ｂを介して加圧されたのち吸気通路
４７を介して分流され、高圧段側の各コンプレッサ５１
．　Ｂ、５２８ｍ’さらに加圧されたのち各気筒群４１
．４２に共通の分岐管状吸気通路４８を介して＃１〜＃
６気前へと供給される。

多気筒機関では排気脈動波が干渉し合わないようにして
排気タービンに導入するとタービン効率を可及的に高め
ることができるが、点火順序が例えば＃　１−＃　５−
＃　３−＄　６−＃　２−＄　４の直列６気筒機関では
、上述したように＃１、＃２、＃３気筒からなる第１気
筒群４１と＃４、＃５、＃６気筒からなる第２気筒群４
２がそれぞれ排気干渉を起こさないグループを構成する
。このことから、この実施例によれば多段ターボ過給８
！関としての効率を着しく高めることができる。

（発明の効果） 以上を要するに、この発明によれば多段ターボ過給機関
に顕著な排圧の上昇を抑えて筒内残留ガスを低減するこ
とができるので、高圧段ターボ過給磯による優れた過渡
特性を確保しつつ、低圧段ターボ過給機の作動に伴う段
階的な吸気加圧による高率過給を生かして機関の比出力
を確実に向上できる。

また、残留〃スの減少により燃焼室温度が低下するので
、火花点火機関の／ツキング限界を高められるという効
果も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例の概略構成図、＄２図、
第３図は各々その要部断面図、吸排気弁の開閉タイミン
グ図である。第４図は同じく第２実施例の概略構成図、
第５図はその吸排気弁の開閉タイミング図である。第６
図は同じく第３実施例の概略構成図である。第７図は従
来例の概略構成図である。 １・・・内燃機関、２・・・燃焼室、４・・・吸気通路
、５・・・高圧段ターボ過給機、５Ａ・・・高圧段ター
ビン、５Ｂ・・・高圧段コンプレッサ、６・・・低圧段
ターボ過給機、６Ａ・・・低圧段タービン、６Ｂ・・・
低圧段コンプレッサ、７・・・排気バイパス通路、９・
・・排気バイパス弁、１０．１１・・・インタクーラ、
２０．２１・・・吸気弁、２２・・・高圧段側排気弁、
２３・・・低圧段側排気弁、２４・・・第１排気通路（
高圧段側）、２５・・・第２排気通路（低圧段ｇＩＩＩ
）。 特許出願人　日産自動車株式会社 第３図 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 比較的高圧の排気に適合する高圧段ターボ過給機と比較
   的低圧の排気に適合する低圧段ターボ過給機とを備えた
   内燃機関において、前記複数のターボ過給機に対応する
   複数の排気弁と、各排気弁からその対応するターボ過給
   機の排気タービンに至る互いに独立した複数の排気通路
   とを設ける一方、高圧段ターボ過給機に対応する高圧段
   側排気弁は排気行程の当初より開弁するとともに低圧段
   ターボ過給機に対応する低圧段側排気弁は前記高圧段側
   排気弁よりも遅れて開弁するように各排気弁の作動時期
   を設定したことを特徴とする多段ターボ過給機関。