JP2015148166A - supercharging system - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a supercharging system capable of disabling an air machine without using a clutch.SOLUTION: The supercharging system includes an assist turbine 26 mechanically connected to a turbocompressor 22 as a body of rotation and adapted to be rotated integrally with the turbocompressor 22, and a mechanism for communicating an inlet out of the inlet and an outlet of the assist turbine 26, where a pressure rises with the rotation of the assist turbine 26, with an intake passage 14 as a low pressure part, and closing the outlet where a pressure lowers with the rotation of the assist turbine 26, to disable the assist turbine 26 while keeping the assist turbine 26 connected to the turbocompressor 22.

Description

本発明は、エンジン等の内燃機関に供給する気体の圧力を高める過給システムに関する。   The present invention relates to a supercharging system that increases the pressure of a gas supplied to an internal combustion engine such as an engine.

従来から、内燃機関に空気を圧縮して送る過給システムが広く知られている。かかる過給システムでは、通常、空気を圧縮するためのコンプレッサや、当該コンプレッサを回転させるためのタービン等の空気機械が設けられている。これら空気機械は、回転することで、過給システムに対する仕事を行う。   Conventionally, a supercharging system that compresses and sends air to an internal combustion engine is widely known. Such a supercharging system is usually provided with an air machine such as a compressor for compressing air and a turbine for rotating the compressor. These pneumatic machines rotate to perform work on the supercharging system.

過給システムの中には、その駆動状況に応じて、空気機械の有効・無効を切り替えなければならないものがある。例えば、過給システムの中には、内燃機関のクランク軸とコンプレッサとを機械的に連結し、コンプレッサをクランク軸と一体的に回転させることで空気を圧縮して内燃機関に供給するスーパーチャージャがある。かかるスーパーチャージャでは、内燃機関の高回転時には、コンプレッサの風損が大きくなり、内燃機関の燃費を悪化させる恐れがあるため、高回転時には、当該コンプレッサを無効化する必要があった。   In some supercharging systems, it is necessary to switch between valid and invalid of the pneumatic machine according to the driving situation. For example, in a supercharging system, there is a supercharger that mechanically connects a crankshaft of an internal combustion engine and a compressor, compresses air by rotating the compressor integrally with the crankshaft, and supplies the compressed air to the internal combustion engine. is there. In such a supercharger, when the internal combustion engine is rotated at a high speed, the windage loss of the compressor increases, and there is a risk that the fuel consumption of the internal combustion engine is deteriorated.

特開２０１２−２０７６３４号公報JP 2012-207634 A

空気機械を適宜、無効化する機構としては、電磁クラッチが知られている。空気機械と回転体（スーパーチャージャにおける内燃機関のクランク軸）との間に、電磁クラッチを設け、必要に応じて、空気機械と回転部材との機械的連結を解除することで空気機械を無効化している。特許文献１には、過給システムで電磁クラッチを用いた技術が開示されている。しかしながら、空気機械を高速回転させるシステムでは、かかる電磁クラッチは、慣性抵抗となって空気機械の応答性が悪くなるという問題があった。   An electromagnetic clutch is known as a mechanism for appropriately disabling the pneumatic machine. An electromagnetic clutch is provided between the air machine and the rotating body (the crankshaft of the internal combustion engine in the supercharger), and if necessary, the air machine is disabled by releasing the mechanical connection between the air machine and the rotating member. ing. Patent Document 1 discloses a technique using an electromagnetic clutch in a supercharging system. However, in a system that rotates an air machine at high speed, such an electromagnetic clutch has an inertial resistance and has a problem that the responsiveness of the air machine is deteriorated.

そこで、本発明では、クラッチを用いることなく、空気機械を無効化できる過給システムを提供することを目的とする。なお、ここで、空気機械の無効化とは、過給システムに作用する空気機械の仕事を実質的に無くすことである。   Therefore, an object of the present invention is to provide a supercharging system that can invalidate an air machine without using a clutch. Here, the invalidation of the air machine is to substantially eliminate the work of the air machine acting on the supercharging system.

本発明の過給システムは、回転体に機械的に連結されて当該回転体と一体となって回転する空気機械と、前記空気機械の入口および出口のうち、前記空気機械の回転に伴い圧力上昇する口を低圧部に連通し、前記空気機械の回転に伴い圧力低下する口を閉鎖することで、前記空気機械と前記回転体との連結を維持したまま前記空気機械を無効化する経路切替機構と、を備えることを特徴とする。   The supercharging system of the present invention includes an air machine that is mechanically connected to a rotating body and rotates integrally with the rotating body, and an increase in pressure with the rotation of the air machine among an inlet and an outlet of the air machine. A path switching mechanism that disables the air machine while maintaining the connection between the air machine and the rotating body by closing the port that reduces the pressure with the rotation of the air machine, and communicating the port to the low pressure portion And.

好適な態様では、前記回転体は、ターボチャージャのコンプレッサまたはタービンであり、前記空気機械は、前記ターボチャージャのコンプレッサまたはタービンに機械的に連結されたアシストタービンであって、前記コンプレッサの始動時に有効化されて前記コンプレッサの駆動を補助し、前記コンプレッサの始動完了後に無効化されて前記コンプレッサまたはタービンの回転に従動するアシストタービンであり、前記経路切替機構は、前記コンプレッサの始動完了後、前記アシストタービンの入口を低圧部に連通し、出口を閉鎖する。この場合、さらに、前記アシストタービンを駆動させる圧縮空気の供給源を有し、前記経路切替機構は、前記アシストタービンの始動時に、前記アシストタービンの入口を前記供給源に、出口を吸気通路に、それぞれ連通する、ことが望ましい。また、この場合、前記アシストタービンは、ラジアルタービンである、ことも望ましい。他の好適な態様では、前記低圧部は、吸気通路である。   In a preferred aspect, the rotating body is a turbocharger compressor or turbine, and the pneumatic machine is an assist turbine mechanically coupled to the turbocharger compressor or turbine, and is effective when the compressor is started. An assist turbine that assists in driving the compressor and is disabled after completion of the start of the compressor and is driven by rotation of the compressor or the turbine. The turbine inlet communicates with the low pressure section and the outlet is closed. In this case, it further includes a supply source of compressed air for driving the assist turbine, and the path switching mechanism is configured such that when the assist turbine starts, the inlet of the assist turbine is the supply source, and the outlet is the intake passage. It is desirable to communicate with each other. In this case, it is also desirable that the assist turbine is a radial turbine. In another preferred aspect, the low pressure portion is an intake passage.

本発明によれば、圧力上昇する口が低圧部に連通されるため、空気機械内部の圧力を低下させることができ、ひいては、空気機械の回転に伴う風損を大幅に低下できる。そして、風損を低下できるため、クラッチを用いて空気機械と回転体との連結を解除しなくても、空気機械を実質的に無効化できる。   According to the present invention, since the pressure increasing port communicates with the low pressure portion, the pressure inside the air machine can be reduced, and consequently the windage loss associated with the rotation of the air machine can be greatly reduced. And since a windage loss can be reduced, even if it does not cancel | release the connection of an air machine and a rotary body using a clutch, an air machine can be substantially invalidated.

本発明の実施形態である過給システムが組み込まれた内燃機関システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the internal combustion engine system in which the supercharging system which is embodiment of this invention was integrated. 過給システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a supercharging system. タービンロータにおける空気の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of the air in a turbine rotor. （ａ）は、他の技術におけるロータ入口圧力および出口圧力を示すグラフであり、（ｂ）は、本実施形態におけるロータ入口圧力および出口圧力を示すグラフである。(A) is a graph which shows the rotor inlet pressure and outlet pressure in another technique, (b) is a graph which shows the rotor inlet pressure and outlet pressure in this embodiment. スーパーチャージャ式の過給システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a supercharger type supercharging system.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である内燃機関システム１０の構成図である。また、図２は、この内燃機関システム１０に組み込まれた過給システムの構成図である。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of an internal combustion engine system 10 according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a configuration diagram of a supercharging system incorporated in the internal combustion engine system 10.

内燃機関システム１０は、乗用車等の車両に搭載される。内燃機関１２には、吸気通路１４および排気通路１６が接続されており、吸気通路１４上には、インタークーラ１８やスロットル２０が設けられている。吸気通路１４の上流側から送られた空気は、インタークーラ１８で冷却された後、スロットル開度Ｔａに応じた流量だけ、内燃機関１２に供給される。内燃機関１２で生じた排気は、排気通路１６を通じて外部に放出される。また、排気の一部は、排気循環のために、循環通路１７を介して吸気通路１４に戻される。   The internal combustion engine system 10 is mounted on a vehicle such as a passenger car. An intake passage 14 and an exhaust passage 16 are connected to the internal combustion engine 12, and an intercooler 18 and a throttle 20 are provided on the intake passage 14. The air sent from the upstream side of the intake passage 14 is cooled by the intercooler 18 and then supplied to the internal combustion engine 12 at a flow rate corresponding to the throttle opening Ta. Exhaust gas generated in the internal combustion engine 12 is discharged to the outside through the exhaust passage 16. A part of the exhaust is returned to the intake passage 14 via the circulation passage 17 for exhaust gas circulation.

過給システムは、ターボコンプレッサ２２やターボタービン２４、アシストタービン２６、圧縮タンク２８等を備えている。ターボコンプレッサ２２は、吸気通路１４に、ターボタービン２４は排気通路１６に設置されており、排気圧力を受けて吸気を圧縮するターボチャージャを構成する。ターボコンプレッサ２２およびターボタービン２４は、回転軸３０を介して機械的に連結されており、一体となって回転する。   The supercharging system includes a turbo compressor 22, a turbo turbine 24, an assist turbine 26, a compression tank 28, and the like. The turbo compressor 22 is installed in the intake passage 14, and the turbo turbine 24 is installed in the exhaust passage 16. The turbo compressor 22 constitutes a turbocharger that receives the exhaust pressure and compresses the intake air. The turbo compressor 22 and the turbo turbine 24 are mechanically connected via a rotating shaft 30 and rotate integrally.

ターボタービン２４は、内燃機関１２から排出される排気が吹き付けられることで回転する。また、ターボタービン２４の回転に伴って、当該ターボタービン２４と機械的に連結されたターボコンプレッサ２２も同様に回転する。このとき、外部から取り入れられた空気は、ターボコンプレッサ２２の回転によって圧縮され、内燃機関１２に供給される。このように、ターボコンプレッサ２２により空気が圧縮され、内燃機関１２に多量の空気が供給されることで、内燃機関１２の出力が向上される。   The turbo turbine 24 is rotated by blowing exhaust gas discharged from the internal combustion engine 12. Further, as the turbo turbine 24 rotates, the turbo compressor 22 mechanically connected to the turbo turbine 24 also rotates in the same manner. At this time, the air taken in from the outside is compressed by the rotation of the turbo compressor 22 and supplied to the internal combustion engine 12. In this way, the air is compressed by the turbo compressor 22 and a large amount of air is supplied to the internal combustion engine 12, whereby the output of the internal combustion engine 12 is improved.

ただし、こうしたターボチャージャは、排気圧力が小さい軽負荷領域では、十分な過給能力を発揮できず、過給タイミングの遅れ、いわゆるターボラグが生じる。かかるターボラグを防止するために、本実施形態では、軽負荷領域におけるターボコンプレッサ２２の駆動を補助するアシストタービン２６および圧縮タンク２８を設けている。   However, such a turbocharger cannot exhibit a sufficient supercharging capability in a light load region where the exhaust pressure is small, and a delay in supercharging timing, so-called turbo lag occurs. In order to prevent such a turbo lag, in the present embodiment, an assist turbine 26 and a compression tank 28 that assist in driving the turbo compressor 22 in a light load region are provided.

アシストタービン２６は、回転軸３２を介して回転体であるターボコンプレッサ２２に機械的に連結され、ターボコンプレッサ２２、ターボタービン２４と一体となって回転するタービンである。アシストタービン２６の構成は、特に限定されないが、本実施形態では、アシストタービン２６としてラジアルタービンを用いている。圧縮タンク２８は、アシストタービン２６の動力源となる圧縮空気を貯留しているタンクである。この圧縮タンク２８に貯留された圧縮空気は、入口通路３４を介してアシストタービン２６に吹きつけられるようになっている。このとき、入口通路３４上に設けられた入口弁４０は、エンジンコントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という）５０の制御の下に、アシストタービン２６に吹きつけられる圧縮空気の流量を調整する流量調整弁である。   The assist turbine 26 is a turbine that is mechanically connected to a turbo compressor 22 that is a rotating body via a rotating shaft 32 and rotates integrally with the turbo compressor 22 and the turbo turbine 24. The configuration of the assist turbine 26 is not particularly limited, but in the present embodiment, a radial turbine is used as the assist turbine 26. The compression tank 28 is a tank that stores compressed air serving as a power source for the assist turbine 26. The compressed air stored in the compression tank 28 is blown to the assist turbine 26 through the inlet passage 34. At this time, the inlet valve 40 provided on the inlet passage 34 is a flow rate adjusting valve that adjusts the flow rate of the compressed air blown to the assist turbine 26 under the control of an engine control unit (hereinafter referred to as “ECU”) 50. It is.

圧縮空気を受けてアシストタービン２６が回転すると、当該アシストタービン２６と機械的に連結されたターボコンプレッサ２２も回転する。排気圧力が低い段階では、このアシストタービン２６の回転により、ターボコンプレッサ２２の回転を迅速に上げ、過給の応答性を高めている。   When the assist turbine 26 rotates in response to the compressed air, the turbo compressor 22 mechanically connected to the assist turbine 26 also rotates. When the exhaust pressure is low, the rotation of the turbo compressor 22 is rapidly increased by the rotation of the assist turbine 26, thereby improving the supercharging response.

アシストタービン２６で仕事をした空気は、断熱膨張により低温になる。この断熱膨張後の空気、すなわち、ターボタービン２４の出口から出る空気は、出口通路３６を介して、ターボコンプレッサ２２の上流側に送られ、ターボコンプレッサ２２に導入される。低温の空気がターボコンプレッサ２２に導入されることで、ターボコンプレッサ２２で圧縮された後の吸入空気の温度を低下させることができる。   The air that has worked in the assist turbine 26 becomes low temperature due to adiabatic expansion. The air after adiabatic expansion, that is, the air exiting from the outlet of the turbo turbine 24 is sent to the upstream side of the turbo compressor 22 via the outlet passage 36 and introduced into the turbo compressor 22. By introducing the low-temperature air into the turbo compressor 22, the temperature of the intake air after being compressed by the turbo compressor 22 can be lowered.

本実施形態では、さらに、アシストタービン２６の入口と、吸気通路１４のうちターボコンプレッサ２２の上流位置とを連通する導通路３８を設けている。また、この導通路３８や出口通路３６には、ＥＣＵ５０により開閉制御される導通弁４４、出口弁４２が設けられている。こうした導通路３８や、導通弁４４、出口弁４２は、アシストタービン２６の入口圧力を低下させ、ひいては、風損を低減するために設けられているが、これについては後に詳説する。   In the present embodiment, a conduction path 38 that further communicates the inlet of the assist turbine 26 and the upstream position of the turbo compressor 22 in the intake passage 14 is provided. The conduction path 38 and the outlet path 36 are provided with a conduction valve 44 and an outlet valve 42 that are controlled to open and close by the ECU 50. The conduction path 38, the conduction valve 44, and the outlet valve 42 are provided in order to lower the inlet pressure of the assist turbine 26 and, in turn, to reduce windage loss, which will be described in detail later.

ＥＣＵ５０は、内燃機関１２の運転を総合的に制御するマイクロコントローラである。このＥＣＵ５０は、車両に搭載された各種センサでの検出結果に基づいて、内燃機関１２の駆動を制御する。また、本実施形態のＥＣＵ５０は、タービン２４，２６、コンプレッサ２２の駆動状況に応じて、入口弁４０や出口弁４２、導通弁４４の開閉制御も行う。   The ECU 50 is a microcontroller that comprehensively controls the operation of the internal combustion engine 12. The ECU 50 controls driving of the internal combustion engine 12 based on detection results from various sensors mounted on the vehicle. Further, the ECU 50 according to the present embodiment also performs opening / closing control of the inlet valve 40, the outlet valve 42, and the conduction valve 44 according to the driving conditions of the turbines 24 and 26 and the compressor 22.

以上のような内燃機関システム１０では、加速の要求が検知されれば、まずは、アシストタービン２６でターボコンプレッサ２２を回転させ、過給を開始する。すなわち、過給の要求が検知されれば、入口弁４０を全開して、圧縮タンク２８の圧縮空気を、アシストタービン２６に吹き付け、アシストタービン２６を回転させる。アシストタービン２６の回転に伴い、当該アシストタービン２６に機械的に連結されたターボコンプレッサ２２も従動して回転し、吸気の圧送を開始する。本明細書では、このようにアシストタービン２６の回転に伴い、ターボコンプレッサ２２が回転させられる状態を、アシストタービン２６の「有効化」と呼ぶ。アシストタービン２６は、ターボチャージャの始動時に有効化される。   In the internal combustion engine system 10 as described above, when a request for acceleration is detected, first, the turbo compressor 22 is rotated by the assist turbine 26 and supercharging is started. That is, when a request for supercharging is detected, the inlet valve 40 is fully opened, the compressed air in the compression tank 28 is blown to the assist turbine 26, and the assist turbine 26 is rotated. As the assist turbine 26 rotates, the turbo compressor 22 mechanically connected to the assist turbine 26 also rotates following the rotation, and starts pumping intake air. In this specification, the state in which the turbo compressor 22 is rotated in accordance with the rotation of the assist turbine 26 is referred to as “activation” of the assist turbine 26. The assist turbine 26 is activated when the turbocharger is started.

ターボコンプレッサ２２の回転開始に伴い、内燃機関１２への吸気量が増加し、内燃機関１２の出力トルクが迅速に増加する。また、内燃機関１２からの排気量も急激に増加するため、ターボタービン２４に作用する排気圧力も増加する。そして、最終的に、排気圧力が十分に高まり、アシストタービン２６による動力アシストが無くても、ターボタービン２４、ターボコンプレッサ２２が、適切に回転する状態になれば、ターボチャージャの始動完了とみなす。この状態になれば、ＥＣＵ５０は、入口弁４０を全閉してアシストタービン２６への圧縮空気の供給を停止し、アシストタービン２６の駆動を停止する。ただし、アシストタービン２６は、ターボコンプレッサ２２と機械的に連結されているため、単にアシストタービン２６への圧縮空気供給を停止しただけの場合、アシストタービン２６は、ターボコンプレッサ２２に従動して回転、すなわち、空回りを続けることになる。   As the turbo compressor 22 starts to rotate, the amount of intake air to the internal combustion engine 12 increases, and the output torque of the internal combustion engine 12 increases rapidly. Further, since the amount of exhaust from the internal combustion engine 12 also increases rapidly, the exhaust pressure acting on the turbo turbine 24 also increases. Finally, even if the exhaust pressure is sufficiently increased and there is no power assist by the assist turbine 26, if the turbo turbine 24 and the turbo compressor 22 are properly rotated, it is considered that the start of the turbocharger is completed. If it will be in this state, ECU50 will fully close the inlet valve 40, will stop supply of the compressed air to the assist turbine 26, and will stop the drive of the assist turbine 26. FIG. However, since the assist turbine 26 is mechanically coupled to the turbo compressor 22, when the supply of compressed air to the assist turbine 26 is simply stopped, the assist turbine 26 rotates following the turbo compressor 22. That is, the idling continues.

アシストタービン２６をただ空回りさせ続けると、風損が発生し、内燃機関システム１０全体としての燃費が悪化する。この風損発生の理由について、図３を参照して説明する。図３は、アシストタービン２６周辺での空気の流れを示す図である。   If the assist turbine 26 is just kept idle, a windage loss occurs and the fuel efficiency of the internal combustion engine system 10 as a whole deteriorates. The reason for the occurrence of the windage loss will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram illustrating an air flow around the assist turbine 26.

アシストタービン２６への圧縮空気供給を停止しただけの状態、すなわち、入口弁４０を全閉し、出口弁４２を全開、導通弁４４を全閉した状態を考える。一般にアシストタービン２６に用いられるラジアルタービンは、ロータ２６ａの入口径Ｄｉｎが出口径Ｄｏｕｔより大きい。そのため、単に、ロータ２６ａへの圧縮空気の供給を停止した場合、ロータ２６ａ内の空気は、図３において実線矢印で示すように、遠心力の作用でロータ出口から入口に向かって逆流する。その結果、ロータ２６ａの入口圧力Ｐｉｎが出口圧力Ｐｏｕｔより高くなる。入口圧力Ｐｉｎが、出口圧力Ｐｏｕｔよりも十分に高くなると、今度は、逆流していない部分を通って、破線矢印で示すようなロータ入口から出口に流れる二次流れが発生する。この二次流れによるロータ内の循環流れを維持する力のため、アシストタービン２６を空回りさせると損失、すなわち風損が発生する。この風損は、タービンロータ内の密度（圧力）が高いほど、大きくなる。   Consider a state in which the supply of compressed air to the assist turbine 26 is stopped, that is, a state in which the inlet valve 40 is fully closed, the outlet valve 42 is fully opened, and the conduction valve 44 is fully closed. Generally, in the radial turbine used for the assist turbine 26, the inlet diameter Din of the rotor 26a is larger than the outlet diameter Dout. Therefore, when the supply of compressed air to the rotor 26a is simply stopped, the air in the rotor 26a flows backward from the rotor outlet toward the inlet by the action of centrifugal force, as indicated by solid arrows in FIG. As a result, the inlet pressure Pin of the rotor 26a becomes higher than the outlet pressure Pout. When the inlet pressure Pin becomes sufficiently higher than the outlet pressure Pout, a secondary flow that flows from the rotor inlet to the outlet as shown by the broken line arrow is generated through the portion not backflowed. Due to the force that maintains the circulating flow in the rotor due to the secondary flow, loss, that is, windage loss, occurs when the assist turbine 26 is idled. This windage loss increases as the density (pressure) in the turbine rotor increases.

ここで、入口弁４０を全閉し、出口弁４２を全開、導通弁４４を全閉した状態では、アシストタービン２６の出口は、吸気通路１４に連通しているため、ロータの出口圧力Ｐｏｕｔは、吸気通路圧力Ｐａと等しくなる。一方、圧縮空気を供給しない状態では、ロータの入口圧力Ｐｉｎは、上述した通り、遠心力の作用により出口圧力Ｐｏｕｔよりも高くなる。結果として、タービンロータ内の圧力は、吸気通路圧力Ｐａ以上となり、風損が発生する。かかる風損は、過給システム全体の効率を低下させ、燃費の悪化等を招く。図４（ａ）は、この場合における入口圧力Ｐｉｎおよび出口圧力Ｐｏｕｔを示している。   Here, in the state where the inlet valve 40 is fully closed, the outlet valve 42 is fully opened, and the conduction valve 44 is fully closed, the outlet of the assist turbine 26 communicates with the intake passage 14, so the outlet pressure Pout of the rotor is , Equal to the intake passage pressure Pa. On the other hand, in the state where compressed air is not supplied, the inlet pressure Pin of the rotor becomes higher than the outlet pressure Pout due to the centrifugal force as described above. As a result, the pressure in the turbine rotor becomes equal to or higher than the intake passage pressure Pa, and windage loss occurs. Such windage loss lowers the efficiency of the entire supercharging system, resulting in deterioration of fuel consumption. FIG. 4A shows the inlet pressure Pin and the outlet pressure Pout in this case.

こうしたアシストタービン２６から生じる風損を低減する方法として、ターボコンプレッサ２２が始動完了してアシストタービン２６による動力アシストが不要になれば、アシストタービン２６とターボコンプレッサ２２との機械的連結を解除することが考えられる。かかる構成によれば、アシストタービン２６が、ターボコンプレッサ２２に従動して空回りし続けることがないため、上述した風損を確実に防止できる。しかし、アシストタービン２６とターボコンプレッサ２２の機械的連結を解除するためには、クラッチ機構が必須となるが、こうしたクラッチ機構は、回転軸３０を高速回転させる場合には、慣性抵抗となり、過給の応答性を悪化させるという問題があった。また、クラッチは、比較的高価な部品であり、かかるクラッチを設けることは、過給システム全体のコスト増加を招いた。   As a method for reducing the windage loss generated from the assist turbine 26, when the turbo compressor 22 is completely started and power assist by the assist turbine 26 is no longer necessary, the mechanical connection between the assist turbine 26 and the turbo compressor 22 is released. Can be considered. According to such a configuration, the assist turbine 26 does not continue to idle following the turbo compressor 22, so that the above-described windage loss can be reliably prevented. However, in order to release the mechanical connection between the assist turbine 26 and the turbo compressor 22, a clutch mechanism is indispensable. However, when the rotary shaft 30 is rotated at a high speed, such a clutch mechanism becomes an inertial resistance and is supercharged. There was a problem of worsening the responsiveness. Further, the clutch is a relatively expensive part, and providing such a clutch has caused an increase in the cost of the entire supercharging system.

そこで、本実施形態では、アシストタービン２６と、これに機械的に連結された回転体（本実施形態ではターボコンプレッサ２２）との機械的連結を解除することなく、アシストタービン２６を無効化するために、導通路３８や、出口弁４２、導通弁４４を設けている。   Therefore, in the present embodiment, the assist turbine 26 is invalidated without releasing the mechanical connection between the assist turbine 26 and the rotating body (the turbo compressor 22 in the present embodiment) mechanically connected thereto. In addition, a conduction path 38, an outlet valve 42, and a conduction valve 44 are provided.

すなわち、本実施形態では、アシストタービン２６による動力アシストが不要になれば、入口弁４０を全閉して、圧縮空気の供給を停止するとともに、導通弁４４を全開してアシストタービン２６の入口を吸気通路１４に連通し、かつ、出口弁４２を全閉してアシストタービン２６の出口を閉鎖する。この場合、アシストタービン２６の入口圧力Ｐｉｎは、吸気通路圧力Ｐａと同じになる。一方、アシストタービン２６の出口圧力Ｐｏｕｔは、必ず、入口圧力Ｐｉｎ（＝Ｐａ）よりも低くなるため、タービンロータ内の圧力は、吸気通路圧力Ｐａ以下となり、風損を大幅が大幅に低下する。すなわち、本実施形態における入口圧力Ｐｉｎおよび出口圧力Ｐｏｕｔは、図４（ｂ）に示す通りとなる。そして、結果として、アシストタービン２６とターボコンプレッサ２２の機械的連結を解除せず、アシストタービン２６を回転させ続けたとしても、アシストタービン２６の風損を大幅に低減でき、燃費の悪化を防止できる。換言すれば、本実施形態によれば、アシストタービン２６と回転体（ターボコンプレッサ２２）との連結を維持したまま、過給システムに対するアシストタービン２６の仕事を実質的に無くして、アシストタービン２６を無効化できる。なお、ＥＣＵ５０や、当該ＥＣＵにより開閉制御される弁４０，４２，４４は、アシストタービンを無効化するために、経路を切り替える経路切替機構として機能する。   That is, in the present embodiment, when power assist by the assist turbine 26 is no longer necessary, the inlet valve 40 is fully closed to stop the supply of compressed air, and the conduction valve 44 is fully opened to open the inlet of the assist turbine 26. The outlet valve 42 communicates with the intake passage 14 and the outlet valve 42 is fully closed to close the outlet of the assist turbine 26. In this case, the inlet pressure Pin of the assist turbine 26 is the same as the intake passage pressure Pa. On the other hand, since the outlet pressure Pout of the assist turbine 26 is always lower than the inlet pressure Pin (= Pa), the pressure in the turbine rotor becomes equal to or lower than the intake passage pressure Pa, and the windage loss is greatly reduced. That is, the inlet pressure Pin and the outlet pressure Pout in the present embodiment are as shown in FIG. As a result, even if the mechanical connection between the assist turbine 26 and the turbo compressor 22 is not released and the assist turbine 26 continues to rotate, the windage loss of the assist turbine 26 can be greatly reduced, and deterioration of fuel consumption can be prevented. . In other words, according to the present embodiment, the work of the assist turbine 26 for the supercharging system is substantially eliminated while maintaining the connection between the assist turbine 26 and the rotating body (turbo compressor 22). Can be disabled. Note that the ECU 50 and the valves 40, 42, and 44 that are controlled to open and close by the ECU function as a path switching mechanism that switches paths in order to invalidate the assist turbine.

以上、説明したとおり、本実施形態によれば、アシストタービン２６とターボコンプレッサ２２の機械的連結を解除することなく、アシストタービン２６を無効化できるため、クラッチ等の慣性抵抗となる部材を無くすことができる。   As described above, according to the present embodiment, the assist turbine 26 can be invalidated without releasing the mechanical connection between the assist turbine 26 and the turbo compressor 22, so that members such as clutches that become inertial resistance are eliminated. Can do.

なお、本実施形態では、アシストタービン２６をターボコンプレッサ２２に連結しているが、アシストタービン２６は、当該アシストタービン２６に回転力を与える回転体であれば他の部材、例えば、ターボタービン２４等に連結されてもよい。また、本実施形態では、アシストタービン２６を無効化する際のロータ入口の連通先を、吸気通路１４としているが、過給システムのうち比較的圧力の低い低圧部であれば、他の部位に連通させてもよい。なお、低圧部の圧力は、特に限定されないが、大気圧以下であることが望ましい。   In the present embodiment, the assist turbine 26 is connected to the turbo compressor 22. However, the assist turbine 26 may be another member such as a turbo turbine 24 as long as the assist turbine 26 is a rotating body that applies a rotational force to the assist turbine 26. It may be connected to. In this embodiment, the communication destination of the rotor inlet when the assist turbine 26 is invalidated is the intake passage 14. You may make it communicate. The pressure in the low-pressure part is not particularly limited, but is preferably equal to or lower than atmospheric pressure.

また、本実施形態では、ターボチャージャの駆動を補助するアシストタービン２６を無効化しているが、無効化・有効化の切り替えが必要となる空気機械であれば、本実施形態の技術は、他の空気機械に適用してもよい。例えば、過給システムの中には、内燃機関の出力軸からギア等の伝達機構を介して取り出した動力によってコンプレッサを駆動し、空気を圧縮してエンジンに供給するスーパーチャージャ式の過給システムも知られている。かかる過給システムでは、過給の状況に応じて、コンプレッサを無効化する必要があった。従来、このコンプレッサを無効化するために、コンプレッサと内燃機関の出力軸との間にクラッチを設け、必要に応じて、両者の機械的連結を解除していた。しかし、繰り返し説明している通り、こうしたクラッチは、回転する際の慣性抵抗となるため、結果として、過給の応答性を悪化させていた。   Further, in the present embodiment, the assist turbine 26 that assists the drive of the turbocharger is invalidated. However, as long as it is an air machine that requires switching between invalidation and validation, the technique of the present embodiment It may be applied to an air machine. For example, among supercharging systems, there is also a supercharger type supercharging system that drives a compressor with power extracted from the output shaft of an internal combustion engine through a transmission mechanism such as a gear, and compresses air to supply the engine. Are known. In such a supercharging system, it is necessary to disable the compressor in accordance with the supercharging situation. Conventionally, in order to invalidate the compressor, a clutch is provided between the compressor and the output shaft of the internal combustion engine, and the mechanical connection between the two is released as necessary. However, as explained repeatedly, such a clutch becomes an inertial resistance when rotating, and as a result, the responsiveness of supercharging is deteriorated.

そこで、図５に示すように、スーパーチャージャ式の過給システムに、本実施形態の技術を適用してもよい。図５は、本実施形態の技術を適用したスーパーチャージャ式の過給システムの構成を示す図である。この過給システムでは、コンプレッサ５２は、吸気通路１４に設置されており、このコンプレッサ５２には、回転軸６１が連結されている。回転軸６１は、当該回転軸６１に連結された受動プーリ５８、内燃機関１２のクランク軸５４に止着された駆動プーリ５６、および、受動プーリ５８および駆動プーリ５６に巻き掛けられベルト６０からなる伝達機構により、内燃機関１２の回転が伝達される。そして、これにより、コンプレッサ５２が駆動され、過給が行われる。このとき、コンプレッサ５２で過圧された空気がバイパス通路６２を通って逆流しないようにバルブ４５は全閉にする。   Therefore, as shown in FIG. 5, the technique of this embodiment may be applied to a supercharger supercharging system. FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a supercharger supercharging system to which the technology of the present embodiment is applied. In this supercharging system, the compressor 52 is installed in the intake passage 14, and a rotary shaft 61 is connected to the compressor 52. The rotary shaft 61 includes a passive pulley 58 connected to the rotary shaft 61, a drive pulley 56 fixed to the crankshaft 54 of the internal combustion engine 12, and a belt 60 wound around the passive pulley 58 and the drive pulley 56. The rotation of the internal combustion engine 12 is transmitted by the transmission mechanism. Thereby, the compressor 52 is driven and supercharging is performed. At this time, the valve 45 is fully closed so that the air overpressured by the compressor 52 does not flow backward through the bypass passage 62.

この過給システムでは、さらに、吸気通路１４のうち、コンプレッサ５２の上流側および下流側に配置された入口弁４０および出口弁４２が設けられている。コンプレッサ５２を無効化する際には、この入口弁４０および出口弁４２を全閉し、外部空気がコンプレッサ５２に流れ込まず、また、コンプレッサ５２から出力される圧縮空気が内燃機関１２に送られないようにする。また、過給システムには、入口弁４０の上流側と、出口弁４２の下流側を連通する通路、換言すれば、外部空気を、コンプレッサ５２を通過させず、内燃機関１２に送るバイパス通路６２も設けられている。入口弁４０および出口弁４２を閉鎖した際には、バルブ４５を全開にして、当該バイパス通路６２を介して外部空気が内燃機関１２に送られる。   In this supercharging system, an inlet valve 40 and an outlet valve 42 disposed on the upstream side and the downstream side of the compressor 52 in the intake passage 14 are further provided. When disabling the compressor 52, the inlet valve 40 and the outlet valve 42 are fully closed, the external air does not flow into the compressor 52, and the compressed air output from the compressor 52 is not sent to the internal combustion engine 12. Like that. Further, in the supercharging system, a passage communicating the upstream side of the inlet valve 40 and the downstream side of the outlet valve 42, in other words, a bypass passage 62 that sends external air to the internal combustion engine 12 without passing through the compressor 52. Is also provided. When the inlet valve 40 and the outlet valve 42 are closed, the valve 45 is fully opened and external air is sent to the internal combustion engine 12 through the bypass passage 62.

ところで、入口弁４０および出口弁４２を全閉にして、コンプレッサ５２が空気を圧送しない空転状態では、タービンとは逆に、入口圧力Ｐｉｎよりも出口圧力Ｐｏｕｔが高くなる。そこで、コンプレッサ５２を回転させつつも風損を低減し、無効化するためには、コンプレッサ５２の出口圧力Ｐｏｕｔを低下させる必要がある。そこで、本実施形態では、コンプレッサ５２の出口と吸気通路１４とを連通する導通路３８を設け、当該導通路３８に導通弁４４を設けている。コンプレッサ５２を無効化する際には、入口弁４０および出口弁４２を全閉しつつ、導通弁４４を全開する。これにより、コンプレッサ５２の出口圧力Ｐｏｕｔは、吸気通路圧力Ｐａと同じになり、コンプレッサ５２の入口圧力Ｐｉｎは、吸気通路圧力Ｐａよりも低くなる。結果として、コンプレッサ５２のロータ内部の圧力が低下し、コンプレッサ５２の回転時に生じる風損が大幅に低下する。そして、風損を大幅に低減することにより、クラッチを設けなくても、コンプレッサ５２と内燃機関１２との連結を維持したままでも、コンプレッサ５２を実質的に無効化できる。   By the way, in the idling state where the inlet valve 40 and the outlet valve 42 are fully closed and the compressor 52 does not pump air, the outlet pressure Pout is higher than the inlet pressure Pin, contrary to the turbine. Therefore, in order to reduce and invalidate the windage loss while rotating the compressor 52, it is necessary to reduce the outlet pressure Pout of the compressor 52. Therefore, in this embodiment, a conduction path 38 that connects the outlet of the compressor 52 and the intake passage 14 is provided, and a conduction valve 44 is provided in the conduction path 38. When the compressor 52 is invalidated, the conduction valve 44 is fully opened while the inlet valve 40 and the outlet valve 42 are fully closed. As a result, the outlet pressure Pout of the compressor 52 becomes the same as the intake passage pressure Pa, and the inlet pressure Pin of the compressor 52 becomes lower than the intake passage pressure Pa. As a result, the pressure inside the rotor of the compressor 52 decreases, and the windage loss that occurs when the compressor 52 rotates is greatly reduced. By greatly reducing the windage loss, the compressor 52 can be substantially invalidated without providing a clutch and maintaining the connection between the compressor 52 and the internal combustion engine 12.

１０ 内燃機関システム、１２ 内燃機関、１４ 吸気通路、１６ 排気通路、１７ 循環通路、１８ インタークーラ、２０ スロットル、２２ ターボコンプレッサ、２４ ターボタービン、２６ アシストタービン、２８ 圧縮タンク、３０，３２，６１ 回転軸、３４ 入口通路、３６ 出口通路、３８ 導通路、４０ 入口弁、４２ 出口弁、４４ 導通弁、５２ コンプレッサ、５４ クランク軸、５６ 駆動プーリ、５８ 受動プーリ、６０ ベルト。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Internal combustion engine system, 12 Internal combustion engine, 14 Intake passage, 16 Exhaust passage, 17 Circulation passage, 18 Intercooler, 20 Throttle, 22 Turbo compressor, 24 Turbo turbine, 26 Assist turbine, 28 Compression tank, 30, 32, 61 rotation Shaft, 34 inlet passage, 36 outlet passage, 38 conducting passage, 40 inlet valve, 42 outlet valve, 44 conducting valve, 52 compressor, 54 crankshaft, 56 drive pulley, 58 passive pulley, 60 belt.

Claims (5)

回転体に機械的に連結されて当該回転体と一体となって回転する空気機械と、
前記空気機械の入口および出口のうち、前記空気機械の回転に伴い圧力上昇する口を低圧部に連通し、前記空気機械の回転に伴い圧力低下する口を閉鎖することで、前記空気機械と前記回転体との連結を維持したまま前記空気機械を無効化する経路切替機構と、
を備えることを特徴とする過給システム。 An air machine that is mechanically coupled to the rotating body and rotates integrally with the rotating body;
Of the inlet and the outlet of the air machine, a port that increases in pressure as the air machine rotates is communicated with a low-pressure portion, and a port that decreases in pressure as the air machine rotates is closed, so that the air machine and the outlet A path switching mechanism that disables the pneumatic machine while maintaining the connection with the rotating body;
A supercharging system comprising: 請求項１に記載の過給システムであって、
前記回転体は、ターボチャージャのコンプレッサまたはタービンであり、
前記空気機械は、前記ターボチャージャのコンプレッサまたはタービンに機械的に連結されたアシストタービンであって、前記コンプレッサの始動時に有効化されて前記コンプレッサの駆動を補助し、前記コンプレッサの始動完了後に無効化されて前記コンプレッサまたはタービンの回転に従動するアシストタービンであり、
前記経路切替機構は、前記コンプレッサの始動完了後、前記アシストタービンの入口を低圧部に連通し、出口を閉鎖する、
ことを特徴とする過給システム。 The supercharging system according to claim 1,
The rotating body is a turbocharger compressor or turbine,
The pneumatic machine is an assist turbine mechanically coupled to a compressor or turbine of the turbocharger, and is activated when the compressor is started to assist the drive of the compressor and disabled after the compressor has been started An assist turbine that is driven by the rotation of the compressor or turbine,
The path switching mechanism communicates the inlet of the assist turbine with the low pressure part after the start of the compressor, and closes the outlet.
A supercharging system characterized by that. 請求項２に記載の過給システムであって、さらに、
前記アシストタービンを駆動させる圧縮空気の供給源を有し、
前記経路切替機構は、前記アシストタービンの始動時に、前記アシストタービンの入口を前記供給源に、出口を吸気通路に、それぞれ連通する、
ことを特徴とする過給システム。 The supercharging system according to claim 2, further comprising:
A supply source of compressed air for driving the assist turbine;
The path switching mechanism communicates an inlet of the assist turbine to the supply source and an outlet to an intake passage when the assist turbine is started.
A supercharging system characterized by that. 請求項２または３に記載の過給システムであって、
前記アシストタービンは、ラジアルタービンである、ことを特徴とする過給システム。 The supercharging system according to claim 2 or 3,
The supercharging system, wherein the assist turbine is a radial turbine. 請求項１から４のいずれか１項に記載の過給システムであって、
前記低圧部は、吸気通路である、ことを特徴とする過給システム。
The supercharging system according to any one of claims 1 to 4,
The supercharging system, wherein the low pressure portion is an intake passage.