JPS61182421A - 複数のタ−ボ過給機を備えた機関 - 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、内燃機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ターボ過給機
関に関する。

（従来の技術） 機関出力や燃費の向上を目脂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。

このような観点から、例えば実開昭５９−１１４４２３
号に見られるように、主に機関の加速性能を改善するこ
とを狙いとして複数のターボ過給機を設けたものが提案
されている。この装置では、第１ターボ過給磯の過給圧
の立ち上がりが重要であり、このため第１ターボ過給機
を小型化し、低速回転域では第１ターボ過給磯にてまず
過給圧を設定過給圧にまで応答良く上昇させ、当該過給
圧に達した後は比較的容量の大きい第２ターボ過給磯も
作動させて中高速回転域での過給効果を確保するように
している。

これを第３図に示すと、図中、第１ターボ過給磯５は機
関本体１の燃焼室２に連通する排気通路３に介装される
第１タービン５Ａと、第１吸気通路４Ａに介装される第
１コンプレッサ５Ｂと、これらを直結する回転軸５Ｃと
から構成される。第１タービン５Ａ、、Ｊ：、流の排気
通路３からはこのタービン５Ａを迂回して排気を流す第
１排気バイパス通路３Ａが分岐され、その途中に第１排
気バイパス弁７が介装される。

第２ターボ過給！９１６は第１排気バイパス通路３Ａに
介装されるｆ５２タービン６Ａと、第２吸気通路４Ｂに
介装される第２フンプレツサ６Ｂと、これらを直結する
回転軸６Ｃとから構成される。第２ターボ過給磯６につ
いても第２タービン６Ａ上流の＠１排気バイパス通路３
Ａから、このタービン６Ａを迂回して排気を流す第２排
気バイパス通路３Ｂが分岐され、その途中に第２排気バ
イパス弁１０が介装される。

排気バイパス弁７，１０は共にダイヤ７ラムアクチユエ
ータ８，１１にて駆動される。即ち、ダイヤフラム８Ａ
、ＩＩＡにて区画される圧力室８Ｃ，ＩＩＣに圧力通路
９．１２を介して１１．＠２コンプレッサ５　Ｂ、６　
Ｂによって発生される過給圧Ｐ　１　、Ｐ　２を導くと
ともに、常時はスプリング８　Ｂ、１１　Ｂによってダ
イヤフラム８Ａ、ＩＩＡに連結されたロッド８Ｄ、ＩＩ
Ｄを図で左方に付勢して排気バイパス弁７，１０を閉弁
させている。

過給圧Ｐ　１　、Ｐ　２が所定値を越えると、ダイヤフ
ラム８Ａ、ＩＩＡがスプリング８Ｂ、ＩＩＢの負荷に抗
してロッド８Ｄ、１４Ｄを右方に移動し、排気バイパス
弁７，１０を開弁するとともに、その弁開度を増大する
ようになっている。

第１１第２の吸気通路４　Ａ、４　Ｂは途中で合流して
機関吸気マニアオールド１６に接続しており、コンブレ
フサ６Ｂ側である第２の吸気通路４Ｂは前１把合流部の
付近に位置して介装された合流弁１３を介して開閉され
るようになっている。

この合流弁１３は、排気バイパス弁７，１０と同様ダイ
ヤ７ラムアクチユエータ１４にて駆動され、即ち、ダイ
ヤフラム１４Ａにて区画される圧力室１４Ｃに圧力通路
１５を介して前記Ｐ２を導くとともに、常時はスプリン
グ１４Ｂの図中左方への付勢力によりダイヤフラム１４
Ａに連結されたリンク（ロッド１４Ｄ、１４Ｅにて構成
される）を介して合流弁１３Ａを閉弁させており°、過
給圧Ｐ２が所定値を越えると、ダイヤフラム１４Ａがス
プリング１４Ｂに抗してロッド１４Ｄを右方に移動し、
合流弁１３Ａを開弁するとともにその弁開度を増大する
ようになっている。なお、１７は吸気絞り弁、１８は吸
気弁、１９は排気弁、２０はピストン−２１１土占Ｉｋ
鈴−Ｆふふ一 機関の排気流量が比較的少ない低速運転域では、燃焼室
２からの排気は排気通路３を介してＮｆＪ１タービン５
Ａに供給され、この排気エネルギにより第１タービン５
Ａが回軟駆動される。このタービン５Ａの回転力により
これと直結した第１コンプレッサ５Ｂが駆動され、これ
により吸気通路４Ａの空気が加圧され吸気マニアオール
ド１６を介して燃焼室２に圧送される。

この状態では過給圧Ｐ１は低くバイパス弁７は全閉位置
にあり、このため第２タービン６Ａには排気が供給され
ず、第２ターボ過給磯６は作動を休止している。また第
２ターボ過給成６の作動体止により、過給圧Ｐ２はほぼ
大気圧であり、第２の排気バイパス弁１０及び吸気合流
弁１３は全閉位置に保たれる。

この状態から機関回転数の上昇により排気流量及び圧力
が増すと第１コンプレッサ５Ｂの回転数の増大により過
給圧Ｐ１が高くなり、これが所定値を越えると、この圧
力に応動するアクチュエータ８により排気バイパス弁７
が開弁じて、排気の一部を第１排気バイパス通路３Ａに
逃がし始める。

このバイパス排気は第２タービン６Ａに供給され、第２
タービン６Ａ、第２コンプレッサ６Ｂを回ｉ駆動させる
。このため第２コンプレッサ６ＢはＡ給圧Ｐ２を高める
。これにより過給圧Ｐ２がほぼＰｌと同程度に達すると
吸気合流弁１３が開弁じ、第２コンプレッサ６Ｂにて加
圧された空気が第１コンプレッサ５Ｂにて加圧された空
気に合流して燃焼室２に供給される。なお、過給圧Ｐ２
が所定値を越えると、この圧力により！＠２排気バイパ
スｑｌＯが開弁じて第２タービン６Ａに向かう排気の一
部を第２排気バイパス通路３Ｂに逃がすため、過給圧Ｐ
２の最大値は排気バイパス弁１０の開弁圧により規制さ
れる。

このようにして、低速回伝域では比較的少ない排気流量
で高い効率を示す第１ターボ過給磯５を作動させ、中高
速回転域では比較的大容量の第２のターボ過給機６をも
作動させることにより、十分な過給効果を確保しつつ低
速からの機関の加速性能を改善している。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、このような多段ターボ過給装置では、第２タ
ービン６Ａの回転上昇に伴ってコンプレッサ６Ｂの吐出
圧が高まるが、合流弁１３が開かれるまでは第２吸気通
路４Ｂが高圧に保持されるのみで吐出空気の流量はゼロ
であるため、ＰｌｆＪ２コンプレッサ６Ｂはサージ状態
にある。従って、第４図に示したように第２コンプレッ
サ６Ｂは合流弁１３が開かれた当初はサージ領域から実
質的な過給作動に入ることになる。

このため、第１コンプレッサ５Ｂのみを介しての過給状
態から第２コンプレッサ６Ｂによる過給が開始される過
渡期において、過給圧が不安定になって機関がトルク変
動を起こし、あるいはトルクの立ち上がり方が不連続的
になるため円滑な加速性が得られないという問題を生じ
る。

この発明は、このような従来の問題を解決することを目
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、機関排気通路
に介装される第１タービンと、このｆＪＳ１タービンと
同軸に連結され吸気を過給する第１コンプレッサとから
なるＭｔＪ１ターボ過給槻と、前記第１タービンの排気
バイパス通路に介装される第２タービンと、この第２タ
ービンと同軸に連結され吸気を過給する第２コンプレッ
サとからなる第２ターボ過給磯とを備え、第１コンプレ
ッサを介装した第１吸気通路と第２コンプレッサを介装
した第２吸気通路とを各コンプレッサの下流にて合流さ
せるとともに、前記合流部と第２コンプレッサとの間に
位置して第２吸気通路の途中に第２コンプレッサの吐出
圧が第１コンプレッサの吐出圧と同程度に達したときに
開（合流弁を介装したターボ過給装置を前提として、前
記第２吸気通路の合流弁よりも上流側から第２コンプレ
ッサの入口側へと第２フンプレツサの吐出空気の一部を
還流する吸気還流通路を形成するとともに、この吸気還
流通路の途中に第２コンプレッサの吐出圧が第１コンプ
レッサの吐出圧と同程度に達したときに吸気還流通路を
閉じる吸気還流弁を介装した。

（作用） 上記構成によれば、第２コンプレッサの吐出圧が第１コ
ンプレッサの吐出圧とほぼ等しくなるまでは合流弁が閉
じ、かつ吸気還流弁は吸気還流通路を開いて第２コンプ
レッサの上下流間を連通している。このため、第２コン
プレッサの作動開始当初から、その吐出空気の一部は吸
気還流通路を介してコンプレッサ入口側に戻される。こ
れにより、第２コンプレッサは所定の空気流量が確保さ
れることから、常にサージ領域外で作動し得る。

吸気還流通路を介して入口側に還流されるのは第２コン
プレッサの吐出空気のうちの一部であるから、第２ター
ビンの回転がある程度上昇するとこれに伴って第２フン
プレツサの吐出圧も上昇する。このようにして第２コン
プレッサの吐出圧が第１コンプレッサの吐出圧と同程度
にまで達すると、合流弁が開いて第２吸気通路をＰＡ１
吸気通路に開放するとともに吸気還流弁は吸気還流通路
を閉ざす。これにより第２コンプレッサの吐出空気の全
量が第１コンプレッサからの吐出空気と合流して機関に
供給されることになるが、このとき上述したように第２
コンプレッサはサージ領域外から実質的な過給を開始す
ることになるので合流弁の開ｆｔ−当初から効率の良い
過給作用が行なわれ、従って加速過渡期にあっても良好
なトルク特性が得られる。

次に、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。な
お、第３図と実質的に同一の部分には同一の符号を付し
て示すことにする。

（実施例） ＠１図において、３０はエア７０−メータ３１が介狡さ
ｒＬだ入口側吸気通路で、この入口側吸気通路３０はエ
ア７０−メータ３１の下流側でそれぞれ途中に第１．第
２コンプレッサ５　Ｂ、６　Ｂが介在する第１．第２吸
気通路４　Ａ、４　Ｂに分岐している。３２は第１コン
プレッサ５Ｂの上流側で第１吸気通路４Ａから分岐した
吸気還流通路で、この吸気還流通路３２は第２コンプレ
ッサ６Ｂの下流側で第２吸気通路４Ｂに接続している。

吸気！！流通路３２の第２吸気通路４Ｂに面した開口部
には吸気還流弁３３が離接する弁シート３４が設けられ
ており、前記吸気還流弁３３を一介して開閉されるその
導入口３５は第２コンプレッサ６Ｂからの吐出空気のう
ち所定量のみが吸気′Ｉｌ流通路３２へと流入するよう
にやや絞られている。

吸気還流弁３３は吸気還流通路３２側から弁シート３４
に着座またはリフトするようにダイアプラム７クチユエ
ータ３７を介して駆動される。

ダイアフラムアクチュエータ３７は吸気還流弁３３にロ
ッド３７Ａを介して連接する第１．＠２のダイアプラム
３７Ｂ、３７Ｃを有する。ｆ：ｔＳ１グイア７ラム３７
Ｂは比較的受圧面積が小さく、ワンド３フＡ上で吸気還
流弁３３側に位置して吸気還流通路３２の圧力を前方（
吸気還流弁３３側）から受けるとともに、シート３４と
の間に介装されたコイルスプリング３７Ｄの張力に基づ
いて吸気還流弁３３を開弁方向に付勢しでいる。これに
対して第２ダイアフラム３７Ｃは比較的受圧面積が大き
く、その背後に画成された圧力室３７Ｅに圧力通路３８
を介して導入された＠２吸気通路４Ｂ（コ／プレンサ６
Ｂ下流側）の圧力Ｐ２に基づいて前記開弁付勢力に対抗
する構成となっている。なお、ダイアフラム３７Ｃと３
７Ｂとの開の部屋３７Ｆは通孔３９を介して大気に連通
している。また、第１．第２グイアフラム３７１３．３
７Ｃの受圧面積及びコイルスプリング３７Ｄの張力は、
詳しい作用については後述するが、圧力室３７Ｅに作用
する第２吸気通路４Ｂの圧力、すなわちＰｌｆＪ２コン
プレッサ６Ｂの吐出圧Ｐ２が第１コンプレッサ５Ｂの吐
出圧Ｐ１とほぼ同一になったところで吸気還流弁３３が
シート３４に着座して吸気還流通路３２を閉ざすように
設定されている。

その他の点については第３図と同様であるので、同一の
部分に同一の符号を付してそ°の説明を省略する。

次に、上記構成下での作用について説明する。

機関低速回忙状態からスロットル（絞り弁１７）をほぼ
全開にすると、排気通路３を介して導入される多量の排
気流により比較的小容量の第１ターボ過給磯５が応答よ
く加速するため、その吐出圧Ｐ１が速やかに立ち上がる
。このＰｌが所定の最大過給圧Ｐｉｓに達するとダイア
７ラムアクチユエータ８が作動して第１排気バイパス弁
７を開弁し始め、これにより第１排気バイパス通路３Ａ
を介して比較的大容量の第２ターボ過給８１６にも排気
が供給され、そのタービン６Ａが作動を開始するととも
に第２コンプレッサ６Ｂの吐出圧Ｐ２が上昇してゆく。

なお、このとき、第３図にて説明したようにＰ２がＰｉ
ｓと同程度になると合流弁１３が開かれて第２コンプレ
ッサ６Ｂを介しての吐出空気が機関に追加供給されるこ
とになるが、第１コンプレッサ５Ｂの最大吐出量は比較
的少なく、またＰ２がＰｉｓに達するまでにはある程度
時間がかかるので、途中で機関力要求吸気流量が第１コ
ンプレッサ５Ｂの吐出空気流量を上回り機関トルクが不
足気味になる可能性がある。従って、このようなことの
ないように、第１コンプレッサ５Ａの流量特性及びＰｉ
ｓは実験により適切に選定する必要がある。

−４、第２コンプレッサ６Ｂの吐出圧Ｐ２がＰ１ｓに達
するまでは、吸気還流弁３３の７クチユエータ３７はス
プリング３７Ｄの張力により還流弁３３をり７トさせて
いるので、吸気還流通路３２への導入口３５が開いた状
態にある。このため、第２コンプレッサ６Ｂを介して加
圧された空気は、導入口３５での絞りに応じて一部が第
２吸気通路４Ｂから吸気還流通路３２へと逃がされ、第
２コンプレッサ６Ｂの入口側（入口側吸気通路３０方向
）へと還流される。

ただし、上述したように吸気還流通路３２への吐出空気
の導入量は導入口３５を介して絞られることから、第２
コンプレッサ６Ｂの回転がある程度上昇するとその吐出
圧Ｐ２はやかてＰｉｓ程度に達する。Ｐ２がＰｉｓに達
すると、この圧力は圧力通路３８を介してアクチュエー
タ３７の圧力室３７Ｕ２に導入されているので、比較的
受圧面積の大きい第２ダイアプラム３７Ｃが第１ダイア
プラム３７Ｂに作用するコンプレッサ入口側圧力とスプ
リング３７Ｄとに抗して吸気還流弁３３を弁シート３４
に着座させ、導入口３５及び吸気還流通路３２を閉ざす
。また同時に、アクチュエータ１４が圧力通路１５から
のＰ２の作用に基づいて合流弁１３を開弁駆動する。こ
の間、第１コンプレッサ５Ｂの吐出圧Ｐ１は第１排気バ
イパス弁７の作動によりＰｉｓ程度に保たれる　（第２
コンプレッサ６Ｂの吐出圧Ｐ２も第２排気バイパス弁１
０の作動により最終的にはＰｉｓ程度に維持される）。

このようにして、第２コンプレッサ６Ｂの吐出圧が第１
コンプレンサ５Ｂと等しくなったところで双方の吐出空
気が機関１に供給されることになるわけであるが、この
とき上述したように第１コンプレッサ５Ｂは吸気還流通
路３２への吸気還流によりある程度の流量が確保された
状態から実質的な過給を開始するのでサージ領域からの
過給が回避され、従って合流弁１３が開いた当初から効
率の良い過給効果が得られる。

ところで、上記実施例は吸気還流弁３３の駆動部として
ダイアプラム７クチユエータ３７を設けたものであるが
、これに限らず例えば１２図に示したように吸気還流弁
３３の駆動部として電磁アクチュエータ４０を適用し、
第２吸気通路４Ｂの圧Ｐ２を検出する圧力センサ４１と
、この検出結果に基づいて電磁アクチュエータ４０を駆
動する制御回路４２とを設けて、圧力センサ４１の検出
値がＰｉｓ相当に達したところで吸気還流弁３３を閉弁
駆動するようにしてもよく、これにより過給圧の制御精
度をさらに高めることができる。

また、この場合図示したようにグイ７７ラムアクチユエ
ータ１４への圧力通路１５の途中に電磁弁４３を介装し
、前記電磁アクチュエータ４０の閉弁作動と同時に電磁
弁４３を開いてアクチェエータ１４を作動させる（即ち
、合流弁１３を開く）ようにしてもよい。さらに、合流
弁１３と吸気還流弁３３とを互いに相反的に開閉する兼
用の弁装置、即ち＄２吸気通路４Ｂを開くと吸気還流通
路３２は閉じ、第２吸気通路４Ｂを閉じると吸気還流通
路３２を開くという作動をする単一の弁装置を構成する
ことも可能であり、この場合そのアクチュエータも一個
で間に合うため構造が簡潔になるという利点を生じる。

（発明の効果） 以上説明した通り、この発明によれば合流弁が閉じてい
る状態で・の第２ターボ過給機の作動時にそのコンプレ
ッサにある程度の空気流量を確保することによりサージ
を回避するようにしたので、合流弁が開いた当初から第
２ターボ過給機による効率の良い過給効果が得られ、従
って加速過程でのトルク低下を解消して円滑な運転性を
保証できる。

また、同様の理由から第２ターボ過給機、特にそのコン
プレッサと機関とのマツチングの自由度が高くなるので
、機関に対する要求特性に応じて種々のコンプレッサを
適用でき、あるいはコンプレッサの設計が容易になると
いう利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の概略構成図、第２図はそ
の吸気還流弁に関する他の実施例の概略構成図である。 第３図は従来例の概略構成図、第４図はその第２コンプ
レッサの作動特性を説明するだめの特性線図である。 １・・・内燃機関、２・・・燃焼室、３・・・排気通路
、３Ａ、３１３・・・第１．ｆｊＳ２排気バイパス通路
、４・・・吸気通路、４Ａ、４Ｂ・・・第１．第２吸気
通路、５・・・第１ターボ過給磯、６・・・第２ターボ
過給磯、５Ａ、６Ａ・・・第１．ｆｉ２タービン、５　
Ｂ、６　Ｂ・・・第１．＠２コンプレンサ、７．１０・
・・１１．ｆｊＳ２排気バイパス弁、８，１１・・・排
気バイパス制御用のダイア７ラムアクチユエータ、９，
１２・・・同じく圧力通路、１３・・・合流弁、１４・
・・合流弁制御用のダイアフラムアクチュエータ、１５
・・・同じく圧力通路、１７・・・吸気絞り弁、３０・
・・入口側吸気通路、３１・・・エア７０−メータ、３
２・・・吸気還流通路、３３・・・吸気還流弁、３４・
・・弁シート、３５・・・導入口、３７・・・吸気還流
制御用のダイアフラムアクチュエータ、３８・・・同じ
く圧力通路。 特許出願人　　日産自動車株式会社 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 機関排気通路に介装される第１タービンと、この第１タ
   ービンと同軸に連結され吸気を過給する第１コンプレッ
   サとからなる第１ターボ過給機と、前記第１タービンの
   排気バイパス通路に介装される第２タービンと、この第
   ２タービンと同軸に連結され吸気を過給する第２コンプ
   レッサとからなる第２ターボ過給機とを備え、第１コン
   プレッサを介装した第１吸気通路と第２コンプレッサを
   介装した第２吸気通路とを各コンプレッサの下流にて合
   流させるとともに、前記合流部と第２コンプレッサとの
   間に位置して第２吸気通路の途中に第２コンプレッサの
   吐出圧が第１コンプレッサの吐出圧と同程度に達したと
   きに開く合流弁を介装したターボ過給装置において、前
   記第２吸気通路の合流弁よりも上流側から第２コンプレ
   ッサの入口側へと第２コンプレッサの吐出空気の一部を
   還流する吸気還流通路を形成するとともに、この吸気還
   流通路の途中に第２コンプレッサの吐出圧が第１コンプ
   レッサの吐出圧と同程度に達したときに閉じる吸気還流
   弁を介装したことを特徴とする複数のターボ過給機を備
   えた機関。