JP2001342839A - ターボ過給システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】排気ガスの余剰エネルギーで冷却ファンを駆動
することにより、低圧段のコンプレッサから出る給気を
冷却して、高圧段のコンプレッサの昇温による故障を回
避することができる直列２段過給のターボ過給システム
を提供する。 【解決手段】内燃機関１０の排気通路２２に、第１の過
給機３０の第１タービン３１と第２の過給機４０の第２
タービン４１を設け、吸気通路１２の上流側から順に、
第２の過給機４０の第２コンプレッサ４２と中間給気冷
却器５０と第１の過給機３０の第１コンプレッサ３２を
設けた直列２段過給のターボ過給システム１において、
前記第１タービン３１及び前記第２タービン４１よりも
下流側に、前記中間給気冷却器５０用の冷却ファン５３
を駆動するファン駆動用タービン５１を設けて構成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼルエンジ
ンやガソリンエンジン等の内燃機関において、コンプレ
ッサーが２段直列に配置された直列２段式のターボ過給
システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】過給機付きエンジンにおいては、吸入空
気を十分にシリンダに供給し充填するために、コンプレ
ッサで昇温された給気の冷却用に吸気通路のコンプレッ
サ下流側にインタークーラやチャージャクーラと呼ばれ
る過給冷却器を設けて、圧縮昇温した給気を冷却してい
る。

【０００３】また、給気と熱交換するこの過給冷却器を
冷却するために、走行風を当てたり、エンジンにより直
接駆動されるファンや電動ファンで送風したりしてい
る。この走行風による冷却以外の前記手段では駆動損失
が生じ、燃費が悪化する。

【０００４】また、大型のエンジンにおいては、負荷や
回転数の大きい時に大容量のタービンを駆動し、負荷や
回転数の小さい時に小容量のタービンに切り替えて、こ
れを駆動して過給する、切替え方式の２段過給システム
がある。

【０００５】一方、一段の排気ガスタービンから排出さ
れる排気ガスには、なお利用可能な排気エネルギーが十
分にあるので、第２段の排気ガスタービンを設けて第２
段のコンプレッサを駆動して、更に、給気を圧縮して高
過給でエンジンに供給して、充填効率を向上させた直列
二段過給システムが提案されている。

【０００６】この過給機を直列に２段に配置する構成
は、従来においても知られており、例えば、実開昭６１
−１１８９３３号公報の車両用二段過給エンジンがあ
る。

【０００７】この例のように、コンプレッサを直列２段
に配置した場合は、上流側の低圧段のコンプレッサで給
気が圧縮されて昇温し、更に、下流側の高圧段のコンプ
レッサで昇温するので、特に、冷却装置を設けない場合
には、高圧段のコンプレッサーの出口において最大２０
０度以上にもなり、高圧段のコンプレッサーの耐熱及び
耐久性が問題となり、また、給気温度が高くなると、シ
リンダへの空気の充填効率も悪くなるので、給気の冷却
が必要になる。

【０００８】そのため、この実開昭６１−１１８９３３
号公報の車両用二段過給エンジンでは、吸気通路の上流
側から順に、低圧段の過給機と高圧段の過給機を設け、
低圧段の過給機から出る吸気を冷却するための第１の給
気冷却装置（中間吸気冷却装置）と高圧段の過給機から
出る吸気を冷却するための第２の給気冷却装置（インタ
ークーラ）を設けて、この２つ給気冷却装置を冷却風の
流路を横切って第２の給気冷却装置を上流側にして、２
段重ねに配置する構成を提案している。

【０００９】しかしながら、この構成においては、最下
流の第２の給気冷却装置（インタークーラ）は配置可能
であっても、２つのコンプレッサの間に設けられる第１
の給気冷却装置も第２の給気冷却装置と同様な形式で構
成されているため、エンジンのレイアウト上から、スペ
ース的に、また、冷却性能を確保するためにも、２段重
ねの配置は実際上は困難であるという問題がある。

【００１０】そのため、給気冷却装置の構造を簡素化し
小型化した上で、第１と第２の給気冷却装置を別の部位
に搭載し、冷却性能を確保するために別途冷却ファン等
を配置して強制的に発生させた風に冷却することが現実
的な解決策となる。

【００１１】特に、直列２段過給の場合には、低圧段の
コンプレッサの出口で考えると常に冷却を必要とする領
域がある訳ではないので、低圧段のコンプレッサと高圧
段のコンプレッサの間に配置される中間給気冷却装置
は、常にフル稼働する必要は無い。

【００１２】要は高圧段のコンプレッサを耐熱温度以下
に冷却できれば良いので、可能な限り吸気通路に配設さ
れる中間給気冷却器を簡略化すると共に、この中間給気
冷却器を必要時に冷却できるように構成すれば良いの
で、中間給気冷却器を冷却ファンで冷却する構成にする
のが好ましく、これによれば、吸気配管の構成自体を著
しく簡素化できる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、１段の
過給システムにおいては、次に説明するような冷却ファ
ンで給気冷却器を冷却するシステムが提案されている
が、それぞれ問題があり、２段過給システムにそのまま
採用できる構成が無い。

【００１４】例えば、特開昭５１−５３１１５号公報で
は、１段の過給システムにおいて、ターボ過給機の排気
通路の上流側に設けたファン駆動用タービンで駆動され
る冷却ファンで、給気通路に設けられた給気冷却器を冷
却する給気冷却装置が提案されている。

【００１５】しかしながら、この構成では、コンプレッ
サを駆動する排気タービンの上流側から分岐した排気バ
イパス通路に冷却ファン用のファン駆動用タービンを設
けているため、排気ガスエネルギーが過給機の排気ター
ビンに投入される前に、このファン駆動用タービンの排
気通路に、排気ガスおよび排気ガスエネルギーを分岐し
てしまうため、エンジンの熱効率が落ちてしまうという
問題がある。

【００１６】また、これを防止するために、低負荷で排
気ガスエネルギーが小さい時には排気ガスエネルギーが
この排気バイパス通路側で無駄に排出されないように、
分岐入口に排気バイパス弁を設けて、給気圧力、排気圧
力、エンジン回転数等の少なくとも１つの検出値を使用
して開閉制御する必要があるので、排気系のシステムが
複雑化するという問題がある。

【００１７】特に、このような、過給機の上流側に排気
バイパス通路を設ける構成を２段直列の過給システムに
使用した場合には、この低圧段の過給と高圧段の過給の
割合を、排気ガスタービンを迂回する排気バイパス通路
に設けた調整バルブの弁開度により制御を行っているの
で、上流側で排気ガスを分流してしまうと、その分岐量
の影響を受けて、過給用の制御値が変化する。そのた
め、この変化を予測した制御が必要になるが、この制御
は複雑になってしまうので、実際の実施が困難になると
いう問題がある。

【００１８】また、実開昭６０−１１４２３３号公報で
は、過給機のコンプレッサ下流側の通気通路にバイパス
通路を設け、このバイパス通路にインタークーラ用の冷
却ファンを駆動するためのタービンを設けた構成が、ま
た、実開閉５−３０４２８号公報には、過給機のコンプ
レッサ下流側の通気通路に、インタークーラ用の冷却フ
ァンを駆動するためのタービンを設けた構成が記載され
ている。

【００１９】これらの給気タービンのいずれの場合も、
排気タービンで駆動したコンプレッサによって圧縮した
給気のエネルギーを使用してしまうので、エンジンの熱
効率が落ちてしまうという問題がある。また、給気量に
応じて、ファン駆動用タービンが駆動してしまうので、
分岐通路の場合には、冷却ファンの回転制御のために分
岐弁の制御が必要となる。

【００２０】また、高出力、低燃費のエンジンのために
は、過給冷却器を大型化する傾向にあり、走行風が当た
る場所以外にも過給冷却器を設ける必要が生じてきてお
り、据え付け場所を選ばず、しかも燃費を犠牲にしない
過給冷却器の冷却方法が望まれている。

【００２１】本発明は、上述の問題を解決するためにな
されたものであり、その目的は、排気エネルギーを効率
よく過給機のエネルギーに変換して高過給を可能とする
直列２段過給のターボ過給システムにおいて、排気ガス
の余剰エネルギーで冷却ファンを駆動することにより、
低圧段のコンプレッサから出る給気を冷却して、高圧段
のコンプレッサの昇温による故障を回避することができ
るターボ過給システムを提供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】以上のような目的を達成
するためのターボ過給システムは、内燃機関の排気通路
に、排気ガスにより駆動される第１の過給機の第１ター
ビンと第２の過給機の第２タービンを設けると共に、前
記第２タービンにより駆動される第２コンプレッサと前
記第１タービンにより駆動される第１コンプレッサを吸
気通路の上流側から直列に２段配置したターボ過給シス
テムにおいて、前記第１コンプレッサと前記第２コンプ
レッサの間に、前記第２コンプレッサで圧縮され昇温し
た給気を冷却する中間給気冷却器を設けると共に、前記
第１タービン及び前記第２タービンよりも下流側にファ
ン駆動用タービンを設け、該ファン駆動用タービンによ
って駆動される冷却ファンで、前記中間給気冷却器を冷
却するように構成される。

【００２３】つまり、高圧段（第１）と低圧段（第２）
の２つのコンプレッサの間に冷却ファンで冷却される給
気冷却器を設けて、この冷却ファンの駆動を、両方の過
給機が使用し終わった後の排気エネルギーを利用して行
うように、冷却ファンのファン駆動用タービンを、高圧
段の第１の過給機の第１タービンと低圧段の第２の過給
機の第２タービンの両方よりも下流側に設ける。

【００２４】上記のように構成したので、高圧段と低圧
段の２つのコンプレッサ間の吸気通路には、中間過給冷
却器だけが配置される極めてシンプルな構成にすること
が可能になる。また、通常はそのままエネルギーを回収
しないで捨てていた低圧段の第２の過給機の第２タービ
ンを出た後の排気ガスエネルギーを利用して冷却ファン
を回転駆動するので、燃費や効率の悪化を招く事がな
い。

【００２５】特に、高圧段の第１コンプレッサが温度の
危険にさらされる状態は、低圧段の第２コンプレッサが
高い圧縮比を発生している時であるが、この時は低圧段
の打２タービンを駆動する排気ガスエネルギーが多い時
でもあるので、下流側の第２の過給機通過後の排気ガス
のエネルギーも多く、このエネルギーを利用する排気タ
ービン駆動の冷却ファンは、より冷却作用が働くように
作動する。

【００２６】また、逆に圧縮比が低く、給気の冷却が不
要な時は、低圧段の第２タービンへの排気ガスのエネル
ギーがあまり投入されない時でもあるので、この時は、
排気タービン駆動の冷却ファンの回転は少なくなり、冷
却作用が余り働かなくなる。

【００２７】つまり、ファン駆動用タービンの性能を最
初に上手く調整して設定しておけば、特別な制御せず
に、給気の冷却が必要な時はこのタービンが早く回転
し、給気の冷却が不要な時はこのタービンが遅く回転
し、自動的に調整されるので、特別な制御系を必要とし
ない。

【００２８】なお、以上に構成とは異なるような、ター
ボ過給機のタービンの上流側で冷却ファン用のタービン
を駆動する構成では、その排気ガスのエネルギーを冷却
ファン用のタービンで取り出してしまうので、下流側の
２段の過給機の作動に影響がでるため、過給圧制御が複
雑なものとなる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るターボ過給シ
ステムについて、図面を参照しながら説明する。

【００３０】このターボ過給システム１は、エンジン１
０の排気マニホールド２１に接続された排気通路２２
に、上流側から順に、高圧段の第１の過給機３０の第１
タービン３１、低圧段の第２の過給機４０の第２タービ
ン４１、中間過給冷却器５０用の冷却ファン５３を減速
機５２を介して駆動するファン駆動用タービン５１及び
マフラー（サイレンサー）２３を設ける。

【００３１】また、給気マニホールド１１に接続された
給気通路１２に、上流側から順に、エアクリーナ１３、
低圧段の第２の過給機（ターボチャージャ）４０の第１
コンプレッサ４２、中間過給冷却器５０、高圧段の第１
の過給機３０の第１コンプレッサ３２、過給冷却器（イ
ンタークーラ：チャージクーラ）１５を設ける。

【００３２】つまり、低圧段の第２の過給機４０の第２
タービン４１の下流側に、排気ガスＧの排気エネルギー
を回収するファン駆動用タービン５１を設け、軸上に減
速装置５２をつけ冷却ファン５３を接続し、その直近に
中間過給冷却器５０を設けて、低圧段の第２の過給機４
０の第２コンプレッサ４２で圧縮されて昇温した給気Ａ
を冷却する構成とする。

【００３３】そして、第１の過給機３０の第１コンプレ
ッサ３２の下流側の過給冷却器１５の冷却は周知の技術
と同様に、エンジン直動の冷却ファンや走行風等によっ
て冷却されるように構成する。

【００３４】また、高圧段の第１の過給機３０の第１タ
ービン３１を迂回する排気バイパス通路２４を設けると
共に、この排気バイパス通路２４の入口に調整バルブ２
５を設けて構成する。

【００３５】そして、この調整バルブ２５をエンジンの
回転数等に基づいて開閉制御することにより、第１の過
給機３０の第１タービン３１と第２の過給機４０の第２
タービン４１の駆動量を調整し、この調整により、高圧
段の第１コンプレッサ３２と低圧段の第２コンプレッサ
４２による給気の圧縮比の割合等を調整する。

【００３６】この構成によれば、エンジン１０の排気マ
ニホールド２１より排出される排気ガスＧは、高圧段の
第１の過給機３０に送られ第１タービン３１を駆動し、
同軸上の第１コンプレッサ３２を回転させ、吸入空気の
過給を行い、この第１タービン３１を通過したガスは、
更に、低圧段の第２の過給機４０に送られ第２タービン
４１を駆動する。

【００３７】そして、排気ガスＧは、通常はマフラー２
３を経て大気に放出されるが、この本発明に係る過給シ
ステムでは、排気ガスＧから排気エネルギーを取り出す
ファン駆動用タービン５１を駆動してからマフラー２３
を経て大気に放出される。

【００３８】一方、給気Ａは、エアクリーナ１３を通過
後、低圧段の第２の過給機４０の第２コンプレッサ４２
によって圧縮され昇温し、その後、冷却ファン５３で冷
却される中間過給冷却器５０を通過して冷却され、次
に、高圧段の第１の過給機３０の第１コンプレッサ３２
によって、更に圧縮及び昇温し、過給冷却器１５で冷却
された後に吸気マニホールド１１に供給される。

【００３９】以上の構成のターボ過給システムによれ
ば、通常捨てていた、第２の過給機４０のタービン４１
を駆動した後の排気エネルギーを回収して冷却ファン５
３を駆動することにより、中間過給冷却器５０を冷却し
て第１コンプレッサ３１を保護するので、電動やエンジ
ン直動のファンに比べてエネルギー損失が少なくなり、
燃費の向上とエンジンの出力アップを図ることができ
る。

【００４０】また、冷却ファン５３をエンジン１０のク
ランンク軸から直接駆動しないので設置場所の選択の範
囲が広がり、レイアウト上の自由度が大きくなる。

【００４１】ちなみに、一例ではあるが、低圧段の第２
コンプレッサ４２の給気Ａの出口温度が約１００℃であ
る場合に給気の温度と圧力は、冷却ファン５３を駆動し
ない場合では、第１コンプレッサ３２の入口で約９０
℃、約１７０ｋＰａ、出口で約２００℃、約２９０ｋＰ
ａとなっていたのが、中間過給冷却器５０を冷却ファン
５３を駆動して冷却した場合は、第１コンプレッサ３２
の入口で約６０℃、約１７０ｋＰａ、出口で約１７０
℃、約３００ｋＰａとなっており、冷却効果が著しいこ
とが分かる。

【００４２】

【発明の効果】以上の説明したように、本発明に係るタ
ーボ過給システムによれば、次のような効果を奏するこ
とができる。

【００４３】低圧段と高圧段の２つのコンプレッサ間の
吸気通路には中間過給冷却器だけを配置するため、ター
ボ過給システムを極めてシンプルな構成にすることがで
きる。

【００４４】そして、通常はそのままエネルギーを回収
しないで捨てていた低圧段の過給機のタービンを出た後
の排気ガスエネルギーを利用して中間過給冷却器を冷却
する冷却ファンを回転駆動するので、燃費や効率の悪化
を招く事がなく、エネルギーを効率良く使用できる。そ
のため、燃費が向上し、エンジン出力もアップする。

【００４５】しかも、駆動タービンの性能を予め調整し
ておけば、自動的に適切な冷却量に調整されるので、特
別な制御系を必要としない。

【００４６】つまり、給気の冷却が必要な低圧段のコン
プレッサが高い圧縮比を発生している時は排気エネルギ
ーも大きいのでファン駆動用タービンが早く回転し、給
気の冷却が不要な圧縮比が低い時は排気エネルギーも小
さいのでファン駆動用タービンの回転が遅くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施の形態のターボ過給システム
を示す構成図である。

【符号の説明】

１ ターボ過給システム １２ 吸気通路 ２２ 排気通路 ３０ 第１の過給機 ３１ 第１タービン ３２ 第２コンプレッサ ４０ 第２の過給機 ４１ 第２タービン ４２ 第２コンプレッサ ５０ 中間過給冷却器 ５１ ファン駆動用タービン ５３ 冷却ファン

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の排気通路に、排気ガスにより
   駆動される第１の過給機の第１タービンと第２の過給機
   の第２タービンを設けると共に、前記第２タービンによ
   り駆動される第２コンプレッサと前記第１タービンによ
   り駆動される第１コンプレッサを吸気通路の上流側から
   直列に２段配置したターボ過給システムにおいて、 前記第１コンプレッサと前記第２コンプレッサの間に、
   前記第２コンプレッサで圧縮され昇温した給気を冷却す
   る中間給気冷却器を設けると共に、前記第１タービン及
   び前記第２タービンよりも下流側にファン駆動用タービ
   ンを設け、該ファン駆動用タービンによって駆動される
   冷却ファンで、前記中間給気冷却器を冷却することを特
   徴とするターボ過給システム。