JP2007051578A - 二段過給システム - Google Patents

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真一郎 植松
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F02M26/08—EGR systems specially adapted for supercharged engines for engines having two or more intake charge compressors or exhaust gas turbines, e.g. a turbocharger combined with an additional compressor
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Abstract

【課題】高回転数域を維持した状態での運転が多いエンジンに適した二段過給システムを提供する。
【解決手段】エンジン１から直に送出される排気Ｇによって大径タービン８を作動させ且つ大径コンプレッサ９で吸気Ａを圧縮する第１のターボチャージャ１７と、大径タービン８から送出される排気Ｇによって小径タービン３を作動させ且つ大径コンプレッサ９から送出される吸気Ａを小径コンプレッサ４で圧縮してエンジン１へ送給する第２のターボチャージャ１８と、小径タービン３の排気流入口の上流側から排気送出口の下流側へ至るバイパス通路１９とを備え、バイパス通路１９にバイパスバルブ２０を組み込んだ構成を採り、エンジン１から直に送出される排気Ｇを大径タービン８に導き、高回転数域における排気Ｇのエネルギを有効に利用する。
【選択図】図１

Description

本発明はエンジンの出力増大に用いる二段過給システムに関するものである。
排気量を変えずにエンジンの出力を高めるためには、シリンダに送給すべき吸気流量を増やし、１サイクルあたりの燃料噴射量を多くする必要がある。
また、エンジン排気経路から分流した排気を水冷式の管形熱交換器であるＥＧＲクーラ（ＥＧＲ:Exhaust Gas Recirculation）より冷却したうえエンジン吸気経路へ戻し、燃焼温度を下げてＮＯｘの発生を低減させる排気再循環も一般的に行なわれている。
そこで近年、シリンダに送給すべき吸気流量を増やす手段として、エンジンに二段過給システムを採用することが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
図２は従来の二段過給システムの一例であり、車載のエンジン１の排気マニホールド２から直に送出される排気Ｇによって小径タービン３を作動させ且つ小径コンプレッサ４で圧縮した吸気Ａをエンジン１の吸気マニホールド５へ送給するターボチャージャ６と、小径タービン３から送出される排気Ｇ、あるいは当該小径タービン３の排気流入口の上流側から排気送出口の下流側へ至る小径タービン３用のバイパス通路７を経た排気Ｇによって大径タービン８を作動させ且つ大径コンプレッサ９で圧縮した吸気Ａを前記小径コンプレッサ４へ送給するターボチャージャ１０とを備え、前記バイパス通路７には、小径タービン３に対応するバイパスバルブ１１が組み込んである。
更に、大径コンプレッサ９の空気吐出口と小径コンプレッサ４の空気吸入口の間には、低圧段インタクーラ１２が介装してあり、小径コンプレッサ４の空気吐出口とエンジン１の吸気マニホールド５の間には、高圧段インタクーラ１３が介装してある。
この他に、エンジン排気経路の小径タービン３よりも上流側（具体的には排気マニホールド２）からエンジン吸気経路の高圧段インタクーラ１３よりも下流側（具体的には吸気マニホールド５）へ至るＥＧＲ管路１４を設け、当該ＥＧＲ管路１４に、分流した排気Ｇを冷却するＥＧＲクーラ１５と、エンジン吸気経路へ還流すべき排気Ｇの流量を調整するＥＧＲバルブ１６を組み込んでいる。
エンジン１が稼働状態であるとき、排気マニホールド２から送出される排気Ｇの大部分は小径タービン３へ流入して小径コンプレッサ４を駆動した後、大径タービン８へ流入して大径コンプレッサ９を駆動する。
大径コンプレッサ９に流入し且つ圧縮された吸気Ａは、低圧段インタクーラ１２を経て小径コンプレッサ４に送給され、当該小径コンプレッサ４で再び圧縮されたうえ、高圧段インタクーラ１３を経て吸気マニホールド５へ送給される。
よって、シリンダに送給すべき吸気流量が増え、１サイクルあたりの燃料噴射量を多くすれば、エンジン１の出力を高めることができる。
また、排気Ｇの一部が排気マニホールド２からＥＧＲ管路１４へ流入し、ＥＧＲクーラ１５で冷却され且つＥＧＲバルブ１６で流量調整が行なわれた排気Ｇが、吸気Ａとともに吸気マニホールド５へ送給される。
これにより、気筒内の燃焼温度の低下が図られ、ＮＯｘの発生が低減することになる。
また、エンジン１が高回転数域に達した際には、小径タービン３の能力を上回るような高エネルギ（大流量で高圧力）の排気Ｇが当該小径タービン３に流れ込むことがないように（タービン内の圧力過上昇抑制と過回転防止のため）バイパスバルブ１１を開き、排気Ｇの一部をバイパス通路７から大径タービン８に導くようにしている。
エフ・ミロ（F. Millo）、エフ・マラモ（F. Mallamo）、ジー・ジャニオ・メゴ（G. Ganio Mego） ザ・ポテンシャル・オブ・デュアル・ステージ・ターボチャージング・アンド・ミラー・サイクル・フォー・エッチディー・ディーゼル・エンジン（The Potential of Dual Stage Turbocharging and Miller Cycle for HD Diesel Engines） エスエーイー・ペーパー（SAE Paper）2005-01-0221
しかしながら、図２に示す二段過給システムでは、エンジンが高回転数域に達した際にバイパスバルブ１１を開くと、小径タービン３の排気送出口の背圧が上昇してターボチャージャ６の効率低下を招く。
このため、排気再循環が良好に行なわれなくなるとともにポンプ損失も増え、エンジン性能が損なわれる。
本発明は上述した実情に鑑みてなしたもので、高回転数域を維持した状態での運転が多いエンジンに適した二段過給システムを提供することを目的としている。
上記目的を達成するため本発明は、エンジンから直に送出される排気によって大径タービンを作動させ且つ大径コンプレッサで吸気を圧縮する第１のターボチャージャと、前記大径タービンから送出される排気によって小径タービンを作動させ且つ大径コンプレッサから送出される吸気を小径コンプレッサで圧縮してエンジンへ送給する第２のターボチャージャと、小径タービンの排気流入口の上流側から排気送出口の下流側へ至る小径タービン用バイパス通路とを備え、当該バイパス通路に、小径タービン用バイパスバルブを組み込んだ構成を採る。
また、エンジン排気経路の大径タービンよりも上流側からエンジン吸気経路の小径コンプレッサよりも下流側へ至るＥＧＲ管路を設け、当該ＥＧＲ管路にＥＧＲクーラとＥＧＲバルブを組み込んだ構成を採るようにする。
すなわち、エンジン高回転数域における高エネルギの排気を大径タービンに導き、大径コンプレッサの駆動力に変換して吸気を圧縮する。
エンジンが高回転数上限域を維持し続け、大径コンプレッサから送出される吸気流量が小径コンプレッサの能力を上回りそうな場合にはバイパスバルブを開き、大径タービンが送出する排気の一部をバイパス通路によって小径タービンの下流側へ導く。
また、エンジン低回転数域ではバイパスバルブを閉じ、大径タービンが送出する排気の全てを小径タービンに導く。
本発明の二段過給システムによれば、下記のような優れた効果を奏し得る。
（１）エンジンから直に送出される排気を大径タービンに導くので、エンジン高回転数域における排気エネルギを有効に利用することができる。
（２）また、エンジンが低回転数域を維持し続けている場合にはバイパスバルブを閉じ、大径タービンが送出する排気の全てを小径タービンに導くようにすれば、当該小径タービンの能力を最大限活かすことができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は本発明の二段過給システムの一例であり、図中、図２と同一の符号を付した部分は同一物を表している。
この二段過給システムは、車載のエンジン１の排気マニホールド２から直に送出される排気Ｇによって大径タービン８を作動させ且つ大径コンプレッサ９で吸気Ａを圧縮するターボチャージャ１７と、大径タービン８から送出される排気Ｇによって小径タービン３を作動させ且つ大径コンプレッサ９から送出される吸気Ａを小径コンプレッサ４で圧縮してエンジン１の吸気マニホールド５へ送給するターボチャージャ１８と、小径タービン３の排気流入口の上流側から排気送出口の下流側へ至る小径タービン３用のバイパス通路１９とを備え、当該バイパス通路１９には、小径タービン３に対応するバイパスバルブ２０が組み込んである。
更に、大径コンプレッサ９の空気吐出口と小径コンプレッサ４の空気吸入口の間には、低圧段インタクーラ１２が介装してあり、小径コンプレッサ４の空気吐出口とエンジン１の吸気マニホールド５の間には、高圧段インタクーラ１３が介装してある。
この他に、エンジン排気経路の大径タービン８よりも上流側（具体的には排気マニホールド２）からエンジン吸気経路の高圧段インタクーラ１３よりも下流側（具体的には吸気マニホールド５）へ至るＥＧＲ管路１４を設け、当該ＥＧＲ管路１４に、分流した排気Ｇを冷却するＥＧＲクーラ１５と、エンジン吸気経路へ還流すべき排気Ｇの流量を調整するＥＧＲバルブ１６を組み込んでいる。
エンジン１が稼働状態であるとき、排気マニホールド２から送出される排気Ｇの大部分は大径タービン８へ流入して大径コンプレッサ９を駆動した後、小径タービン３へ流入して小径コンプレッサ４を駆動する。
大径コンプレッサ９に流入し且つ圧縮された吸気Ａは、低圧段インタクーラ１２を経て小径コンプレッサ４に送給され、当該小径コンプレッサ４で再び圧縮されたうえ、高圧段インタクーラ１３を経て吸気マニホールド５へ送給される。
よって、シリンダに送給すべき吸気流量が増え、１サイクルあたりの燃料噴射量を多くすれば、エンジンの出力を高めることができる。
また、排気Ｇの一部が排気マニホールド２からＥＧＲ管路１４へ流入し、ＥＧＲクーラ１５で冷却され且つＥＧＲバルブ１６で流量調整が行なわれた排気Ｇが、吸気Ａとともに吸気マニホールド５へ送給される。
これにより、気筒内の燃焼温度の低下が図られ、ＮＯｘの発生が低減することになる。
エンジン１が高回転数上限域を維持し続け、大径コンプレッサ９から送出される吸気Ａの流量が小径コンプレッサ４の能力を上回りそうな際にはバイパスバルブ２０を開き、大径タービン８が送出する排気Ｇの一部をバイパス通路１９によって小径タービン３の下流側へ導くようにし（小径コンプレッサ４の回転が大径コンプレッサ９で圧縮された吸気Ａの流れを阻害しない程度に）、小径タービン３内の圧力過上昇抑制と過回転防止を図る。
また、エンジン１が低回転数域を維持し続けている場合にはバイパスバルブ２０を閉じ、大径タービン８が送出する排気Ｇの全てを小径タービン３に導くようにして、当該小径タービン３の能力を最大限活かし、大径コンプレッサ９と小径コンプレッサ４により吸気Ａを逐次圧縮する。
なお、本発明の二段過給システムは、上述の実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変更を加え得ることは勿論である。
本発明の二段過給システムは、様々な内燃機関に適用できる。
本発明の二段過給システムの一例を示す概念図である。 従来の二段過給システムの一例を示す概念図である。
符号の説明
１ エンジン
２ 排気マニホールド（排気経路）
３ 小径タービン
４ 小径コンプレッサ
５ 吸気マニホールド（吸気経路）
８ 大径タービン
９ 大径コンプレッサ
１７ ターボチャージャ（第１のターボチャージャ）
１８ ターボチャージャ（第２のターボチャージャ）
１９ バイパス通路
２０ バイパスバルブ

Claims (2)

  1. エンジンから直に送出される排気によって大径タービンを作動させ且つ大径コンプレッサで吸気を圧縮する第１のターボチャージャと、前記大径タービンから送出される排気によって小径タービンを作動させ且つ大径コンプレッサから送出される吸気を小径コンプレッサで圧縮してエンジンへ送給する第２のターボチャージャと、小径タービンの排気流入口の上流側から排気送出口の下流側へ至る小径タービン用バイパス通路とを備え、当該バイパス通路に、小径タービン用バイパスバルブを組み込んだことを特徴とする二段過給システム。
  2. エンジン排気経路の大径タービンよりも上流側からエンジン吸気経路の小径コンプレッサよりも下流側へ至るＥＧＲ管路を設け、当該ＥＧＲ管路にＥＧＲクーラとＥＧＲバルブを組み込んだ請求項１に記載の二段過給システム。
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DE102007017843A1 (de) * 2007-04-16 2008-11-06 Siemens Ag Turboladeranordnung
JP2012132370A (ja) * 2010-12-22 2012-07-12 Mazda Motor Corp ターボ過給機付きディーゼルエンジン

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