JP5036724B2 - 二段階ターボチャージシステムを備える内燃エンジン - Google Patents

Description

本発明は、エンジン燃焼室から排気ガスを導出するための排気ガスパイプと、燃焼室に空気を供給するための吸気パイプと、エンジンの排気ガス流からエネルギーを回収してエンジンの吸気を圧縮するために、高圧コンプレッサと相互作用する高圧タービンと低圧コンプレッサと相互作用する低圧タービンとを有して高圧タービンがダクトを介して低圧タービンに接続されるターボチャージシステムと、を備える内燃エンジンに関連する。

大型車両用のディーゼルエンジンは通常、過給、冷却、排気ガス後処理のための様々なシステムを有するので、かなりの量の空間を必要とする。例えば、通常は一段階チャージ用に設計された基本ユニットに基づく二段階過給を行うターボチャージシステムが見られる。

例えば、四行程内燃エンジンの制動力を向上させるため、排気ガスシステムに背圧を発生させるのに多くのタイプのエンジンでは排気ガス圧力調整器が使用される。加えて、排気ガス圧力調整器からの背圧は、吸気側への再循環ガス、いわゆるＥＧＲガスの量を増加させるのに利用される。加えて、始動時にエンジンをより急速に加熱するのに背圧を利用することができる。排気ガス圧力調整器は通常、効率に悪影響を与えないようにターボチャージシステムの下流に設けられる。

そのため、本発明の目的は、二段階ターボチャージシステムと、空間と重量に関して大きな要求を課すことのない排気ガス圧力調整器とを備える内燃エンジンを実現することである。

この目的のため、本発明による設計の内燃エンジンは、エンジンの内燃室から排気ガスを導出するための排気ガスパイプと、内燃室へ空気を供給するための吸気パイプと、エンジンの排気ガス流からエネルギーを回収してエンジンの吸気を圧縮するために、高圧コンプレッサと相互作用する高圧タービンと低圧コンプレッサと相互作用する低圧タービンとを有して高圧タービンがダクトを介して低圧タービンに接続されるターボチャージシステムと、を備え、本発明によれば、高圧タービンと低圧タービンとの間のダクトに排気ガス圧力調整器が配置されることを特徴とする。本発明による排気ガス圧力調整器の位置により、結果的にターボチャージシステムの既存部品を排気ガス圧力調整に利用することができ、その結果、空間と重量の節約となる。

本発明の好都合な実施例は、前述の従属特許請求の範囲から明らかである。

以下では、添付図面に示された実施例を参照して、本発明をより詳細に説明する。

本発明は主として、好ましくはトラック、バス、建設機械などの大型車両で使用するための、約６から約２０リットルの間のピストン行程量を持つディーゼルエンジンに関連する。ラジアルタイプ（径方向型）の２台の直列接続コンプレッサにより、中間冷却を伴って二段階で過給が実行される。低圧コンプレッサと呼ばれる第１コンプレッサ段階は、アキシャルタイプ（軸方向型）の低圧タービンにより駆動される。第２コンプレッサ段階の高圧コンプレッサは、ラジアルタイプの高圧タービンにより駆動される。

図１は、吸気ブランチパイプ１２および２本の独立した排気ガスブランチパイプ１３，１４と従来方法で連通する６本のシリンダ１１を備えるエンジンブロック１０を示す。これら２本の排気ガスブランチパイプの各々は、３本のシリンダから排気ガスを受け取る。排気ガスは、タービン１７とともに共通シャフトに取り付けられたコンプレッサ１９を有する高圧ターボユニット１８のタービン１７へ、独立したパイプ１５，１６を介して導入される。

排気ガスは、タービン２１とともに共通シャフトに取り付けられたコンプレッサ２３を有する低圧ターボユニット２２のタービン２１へ、排気ガス圧力調整器２０ａを備えるダクト２０を介して導入される。排気ガスは最終的に、排気ガスの後処理のためのユニットを有するエンジンの排気ガスシステムへパイプ２４を介して導入される。

フィルタリングされた吸気は、パイプ２５を介してエンジンへ導入され、低圧ターボユニット２２のコンプレッサ２３へ送られる。パイプ２６は、第１中間冷却器２７を介して高圧ターボユニット１８のコンプレッサ１９へ吸気を送る。中間冷却によるこの二段階でのチャージの後、吸気はパイプ２８を介して第２中間冷却器２９へ送られ、その後、吸気はパイプ３０を介して吸気ブランチパイプ１２に達する。

高圧タービン１７への二重螺旋吸気管１５，１６を分かりやすく示す図２にはターボチャージシステムが一層詳細に示されており、吸気管の各々は、吸気ガイド１７ａを介してタービンの半分にガス流を供給する。高圧タービン１７はラジアルタイプであり、低圧タービンがアキシャルタイプであることにより使用が可能である短い中間ダクト２０を介して低圧タービン２１に接続されている。この短い流路はタービン段階の間の圧力損失を最小にする。

高圧タービン１７は、高圧コンプレッサ１９とともにシャフト３１に取り付けられている。対応する方法で、低圧タービン２１は低圧コンプレッサ２３とともにシャフト３２に取り付けられている。二つのターボユニット１８，２２は基本的に同じ縦軸に沿った配向を持つ。中間ダクト２０は、熱力を吸収するある程度の軸方向および径方向の動きと或る程度のアセンブリ公差とを許容することによって内部応力および漏出を妨げるシールを備える。排気ガス圧力調整器２０ａはダクト２０の内側に設けられ、以下でより詳細に説明する。

アキシャルタイプの低圧タービンは、吸気ガイドを持つステータリング３４を備える。高圧コンプレッサ１９はラジアルタイプのものである。タービンから動圧を回収するため、低圧タービン２１の後には出口ディフューザ３７が設けられている。ディフューザは、排気ガスパイプ２４へ排気ガスを案内する排気ガスコレクタ３８に開口している。

図３及び図４には排気ガス圧力調整器２０ａの設計がより詳細に示され、回転軸を中心に対称であるとともに低圧タービン２１へ向かう方向に増大する断面を有する外壁３９と、同じように低圧タービンへ向かう方向に増大する断面を持ち壁３９の内側に同心に配置された中央部４０とで構成される円形断面をダクト２０が有することが分かる。

中央部４０は、ステータリングに装着されたシャフト４１の端部においてステータリング３４から距離を置いて取り付けられるとともに、移動可能となるようにシャフト４１に取り付けられた制御ピストン４２を有する。制御ピストン４２は、外側バルブスリーブ４４を備える内側ピストン室４３を有する。これは、外壁面と内壁面とを備えるオープンシリンダとして設計される。

制御ピストン４２は、中央部と外壁３９との間（二つの移動端部位置の間）で軸方向に移動して、圧縮コイルばね４５の作用に反してダクト２０の流路面積を調整することができる。制御ピストン４２とシャフト４１とは、大径を有するシャフト４１部分の一部とステータリング３４の一部とを通る圧縮媒体用のダクト４７を介して、排気ガス圧力調整器の外側で圧縮媒体（図示略）の接続部に接続される円形室４３を一緒に形成する。

室４３の排出量の変化のため、圧縮ばねの力の方向と反対の方向に作用する圧縮媒体、例えば圧縮空気の作用により、制御ピストン４２は、非作用開位置と作用閉位置との間（二つの移動端部位置の間）でバルブスリーブ４４とともに移動することができる。非作用制御位置（図３参照）では、バルブスリーブ４４は、中央部とステータリング３４との間で中央部４０の軸方向延長部を形成する。作用制御位置（図４参照）では、バルブスリーブ４４の内壁面は、外壁と中央部４０との間で外壁３９の軸方向延長部を形成する。

制御ピストン４２の円形端面４８は、制御ピストンの移動中に中央部４０の円筒部４９の内側を密着状態で摺動するピストン面を形成する。こうして、中央部の内側は、ダクト５１を介して高圧タービン１７のすぐ下流の圧力と連通する室５０を形成する。加えて、低圧タービン２１の上流側の圧力を中央部４０の円筒部４９の外側の空間の圧力と均衡させる開口部５２が設けられる。中央部４０に室５０を配置することにより、ピストン面積を適当なものにすることが可能であるため、排気ガス圧力調整器の圧力均衡が達成され、排気ガス流に従って自動調整によりこれを自動的に調節する。

排気ガス圧力調整器が図４のように起動すると、高圧タービン１７の下流で（ガスが圧縮性なので或る遅延を伴って）圧力が上昇する。圧力はダクト５１を介して室５０へ伝達される。圧力均衡の後では、面積が比較的似ている（室５０の面積が若干広い）ことによりこの圧力は室４３の制御圧力とほぼ同じである。例えば、バルブの上流で圧力が上昇して室４３の制御圧力を超える場合、この圧力がダクト５１を介して室５０へ伝達され、端面４８に作用する。制御ピストン４２が左側へ若干移動すると、均衡が生じて制御ピストンは平衡位置を取る。

こうして、前述した排気ガス圧力調整器は自動調整を行い、上流側に或る圧力が存在すると自動的に開く。加えて、シールが気密性であるため、排気ガス圧力調整器の上流では急激に圧力が上昇する。

内燃エンジンの過給のための二段階ターボチャージシステムを備える用途について本発明を上で説明した。あるいは、様々な目的に運動エネルギーを利用するため、ターボコンパウンドユニットと内燃エンジンのクランクシャフトとの間で力が伝達されるターボチャージユニットとターボコンパウンドユニットとを備える用途で本発明を使用することができる。

本発明は、前述した実施例に限定されるものと考えられてはならず、前述の特許請求の範囲の枠組に含まれるいくつかの付加的な変形と修正が可能である。例えば、６シリンダディーゼルエンジンに関連して本発明を説明したが、１本のシリンダからそれ以上の様々なピストンすべてと、２行程または４行程エンジンにシステムを利用することができる。船舶エンジンおよび前述したものと異なるピストン行程量を持つエンジンに、本発明を使用してもよい。アキシャルタイプの低圧タービンを備える実施例について前述したが、ラジアルタイプの低圧タービンとともに本発明を使用してもよい。バルブスリーブを作動させるための空気以外の他の手段、例えば機械的手段を使用することができる。

本発明による二段階ターボチャージシステムと排気ガス圧力調整器とを備える内燃エンジンを概略的に示す。 ターボチャージシステムに設けられる二つのターボチャージャ段階の縦断図である。 ターボチャージシステムに設けられる二つのターボチャージャ段階を接続し、開動作位置で示された排気ガス圧力調整器を有するダクトの縦断図である。 閉動作位置の排気ガス圧力調整器を示す図３に対応する縦断図である。

Claims (10)

1. エンジンの内燃室（１１）から排気ガスを導出するための排気ガスパイプ（１５，１６）と、該燃焼室に空気を供給するための吸気パイプ（１２）と、該エンジンの排気ガス流からエネルギーを回収するためと該エンジンの吸気を圧縮するために、高圧コンプレッサ（１９）と相互作用する高圧タービン（１７）と低圧コンプレッサ（２３）と相互作用する低圧タービン（２１）とを有して該高圧タービン（１７）がダクト（２０）を介して該低圧タービン（２１）に接続されるターボチャージシステムと、を備える内燃エンジン（１０）において、該高圧タービン（１７）と該低圧タービン（２１）との間の該ダクト（２０）に排気ガス圧力調整器（２０ａ）が設けられ、前記ダクト（２０）は、外壁（３９）と該外壁（３９）の内側に同心に配置された中央部（４０）とを有し、前記中央部（４０）には、前記ダクトの流路面積を調整するために、該中央部（４０）と前記外壁（３９）との間で軸方向に移動できる制御ピストン（４２）が設けられ、該制御ピストン（４２）を備える前記ガス圧力調整器（２０ａ）が該エンジンの排気ガス圧により自動調整されることを特徴とする内燃エンジン。
2. 前記低圧タービン（２１）がアキシャルタイプであり、前記ダクト（２０）は、回転軸を中心として対称であるとともに該低圧タービン（２１）に向かう方向に増大する断面を有する外壁（３９）と、該低圧タービンに向かう方向に増大する断面を有して前記外壁の内側に同心に配置された中央部（４０）と、で形成される円形断面を有することとを特徴とする請求項１に記載の内燃エンジン。
3. 前記中央部（４０）には、前記ダクトの流路面積を調整するために、該中央部と前記外壁（３９）との間で軸方向に移動できるように該中央部に取り付けられた制御ピストン（４２）が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の内燃エンジン。
4. 前記制御ピストン（４２）は、前記低圧タービン（２１）の吸気部に取り付けられたステータリング（３４）に装着されたシャフト（４１）に、移動可能に取り付けられることを特徴とする請求項３に記載の内燃エンジン。
5. 前記制御ピストン（４２）は、ばね装置（４５）の作用に反して二つの移動端部位置の間で移動可能になっていることを特徴とする請求項４に記載の内燃エンジン。
6. 前記制御ピストン（４２）は、前記ばね装置（４５）の力の方向と反対の方向に作用する圧縮媒体の作用により、非作用開位置と作用閉位置との間で移動可能になっていることを特徴とする請求項５に記載の内燃エンジン。
7. 前記制御ピストン（４２）と前記シャフト（４１）とが、圧縮媒体の排出量が可変である円形室（４３）を一緒に形成することを特徴とする請求項６に記載の内燃エンジン。
8. 前記シャフト（４１）と前記ステータリング（３４）とに延在する圧縮媒体（４７）用のダクトを介して、前記円形室（４３）が該ダクト（２０）の外側の圧縮媒体の接続部に接続されることを特徴とする請求項７に記載の内燃エンジン。
9. 前記制御ピストン（４２）は、前記中央部（４０）の内室（５０）で移動することができ、前記排気ガス圧力調整器（２０ａ）の制御圧力の圧力均衡のためダクト（５１）を介して該排気ガス圧力調整器の上流の圧力による作用を受けるピストン面（４８）を有することを特徴とする請求項３ないし８のいずれかに記載の内燃エンジン。
10. 前記制御ピストン（４２）は、非作用制御位置において、前記中央部と前記ステータリング（３４）との間に該中央部（４０）の軸方向延長部を形成する外壁面を有するとともに、作用制御位置において、該外壁と該中央部（４０）との間に該外壁（３９）の軸方向延長部を形成する内壁面を有するオープンシリンダとして形成されることを特徴とする請求項３ないし９に記載の内燃エンジン。

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