JP2010138710A - 二段過給システム - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの運転域の全領域で良好な性能を得ると共にＥＧＲを適用し得る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によって高圧段タービン１７を作動させ且つ高圧段コンプレッサ１８で吸気を圧縮する第１のターボチャージャ１９と、前記高圧段タービン１７から送出される排気Ｇによって低圧段タービン２０を作動させ且つ低圧段コンプレッサ２１で圧縮した吸気を高圧段コンプレッサ１８へ送給する第２のターボチャージャ２２と、エンジン排気経路の高圧段タービン１７よりも上流側からエンジン吸気経路の高圧段コンプレッサ１８よりも下流側へ至るＥＧＲ配管２３とを備え、第１のターボチャージャ１９を可変容量ターボチャージャとし、高速域で第１のターボチャージャ１９の容量を大きくすると共に、低速域で第１のターボチャージャ１９の容量を小さくするように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、二段過給システムに関するものである。

近年、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が一般的に行なわれている。

排気容量を変えずにエンジンの出力を高めるためには、１サイクルあたりの燃料噴射量を多くすると共に、ターボチャージャにより過給圧を上げてシリンダへの吸気の送給量を増やす必要がある。

また、吸気の送給量を減らさずに高ＥＧＲ率を達成するためにも、ターボチャージャを用いて過給圧を上げる必要がある。

そこで、高圧力比が得られる二段過給システムをエンジンに採用することが提案されている（例えば、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によって高圧段タービン３を作動させ且つ高圧段コンプレッサ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、高圧段タービン３から送出される排気Ｇ、あるいは当該高圧段タービン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ウエストゲート配管７を経た排気Ｇによって低圧段タービン８を作動させ且つ低圧段コンプレッサ９で圧縮した吸気Ａを前記高圧段コンプレッサ４へ送給するターボチャージャ１０とを備え、前記ウエストゲート配管７には、高圧段タービン３に対応するウエストゲートバルブ１１が組み込んである。

更に、低圧段コンプレッサ９の空気吐出口と高圧段コンプレッサ４の空気吸入口の間には、インタクーラ１２が介装してあり、高圧段コンプレッサ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、アフタクーラ１３が介装してある。

この他に、エンジン排気経路の高圧段タービン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アフタクーラ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配管１４を設け、当該ＥＧＲ配管１４に、エンジン排気経路から分流した排気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の大部分は高圧段タービン３へ流入して高圧段コンプレッサ４を駆動した後、低圧段タービン８へ流入して低圧段コンプレッサ９を駆動する。

低圧段コンプレッサ９に流入し且つ圧縮された吸気Ａは、インタクーラ１２を経て高圧段コンプレッサ４に送給され、当該高圧段コンプレッサ４で再び圧縮されたうえ、アフタクーラ１３を経て吸気マニホールド５へ送給される。

よって、シリンダへの吸気Ａの送給量が増加し、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。

排気Ｇの一部は、排気マニホールド２からＥＧＲ配管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と共に吸気マニホールド５へ送給される。

よって、シリンダ内の燃焼温度の低下が図られ、ＮＯｘの発生が低減する。

更に、エンジン１の運転域が高速域（高回転数域）に達した際には、高圧段タービン３の能力を上回るような大流量で高圧力の排気Ｇが当該高圧段タービン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）ウエストゲートバルブ１１を開き、排気Ｇの一部をウエストゲート配管７から低圧段タービン８に導くようにしている。

また二段過給システムの他の例には、低圧段側のターボチャージャ１０に、タービンスクロール流路のスロート部に角度調整可能な多数のノズルベーンを配設した、いわゆる可変容量（ＶＧ：Variable Geometry）ターボチャージャを用いたものが考えられており、大流量で高圧力の排気Ｇがウエストゲート配管を介して低圧段タービン８に流れ込んだ際には、ノズルベーンの角度を変更して容量を増やして低圧段タービン８の過回転を防止するようにしている。
特願２００５−２６２１５８号公報

しかしながら、このような二段過給システムでは、エンジン１の運転域によって高圧段側のターボチャージャ６の設定条件が変化するため、エンジン１の運転域の全領域で良好な性能を得ることが困難であるという問題があった。

そこで更に具体的に説明すると、エンジン１の運転域を低速域を基準として高圧段側のターボチャージャ６を設定した場合には、エンジン１の運転域が高速域である際に、高エネルギ（大流量で高圧力）の排気Ｇの一部をウエストゲート配管７から低圧段タービン８に導くため、高圧段タービン３のタービン効率が急速に低下し、燃費の改善を図ることができないという問題があった。またエンジン１の運転域を高速域を基準として高圧段側のターボチャージャ６を設定した場合には、エンジン１の運転域が低速域である際に、低流量の排気Ｇにより高圧段タービン３を適切に作動させることができないため、高圧段コンプレッサ４から送給される空気量が減り、エンジン側に燃焼不良を招かない適切なＥＧＲ率（筒内に流入する排気ガス量を筒内に流入する空気量＋排気ガス量で割った値）を確保することができないという問題があった。

また二段過給システムでは、ＥＧＲ配管のＥＧＲバルブのみならず、他の手法も用いてＥＧＲ制御を一層適切に行うことが求められていた。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、エンジンの運転域の全領域で良好な性能を得ると共にＥＧＲを適切に制御し得る二段過給システムを提供することを目的としている。

本発明は、エンジンから直に送出される排気によって高圧段タービンを作動させ且つ高圧段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、前記高圧段タービンから送出される排気によって低圧段タービンを作動させ且つ低圧段コンプレッサで圧縮した吸気を高圧段コンプレッサへ送給する第２のターボチャージャと、エンジン排気経路の高圧段タービンよりも上流側からエンジン吸気経路の高圧段コンプレッサよりも下流側へ至るＥＧＲ配管とを備え、第１のターボチャージャを可変容量ターボチャージャとし、高速域で第１のターボチャージャの容量を大きくして排気エネルギの回収効率を高めると共に、低速域で第１のターボチャージャの容量を小さくして空気量及びＥＧＲ率を確保するように構成したことを特徴とするものである。

本発明において、第１のターボチャージャの容量を可変してＥＧＲ制御を行うように構成することが好ましい。

而して、エンジンの運転域が低速域である場合には、第１のターボチャージャによる高圧段タービンの容量を小さくし、小流量及び低圧力の排気に対応するように第１のターボチャージャを作動させ、第１のターボチャージャの高圧段コンプレッサから送給される空気量を確保すると同時にＥＧＲ率を確保することができる。またエンジンの運転域が高速域である場合には、第１のターボチャージャによる高圧段タービンの容量を大きくし、ウエストゲートを用いることなく、高エネルギ（大流量で高圧力）の排気を全て高圧段タービンに通過させ、ウエストゲートでの通過により得ることができなかった排気エネルギの回収し、排気エネルギの回収効率を上げてポンピングロスを低減し、燃費を改善することができる。

上記した本発明の二段過給システムによれば、第１のターボチャージャによる高圧段タービンの容量を可変するので、低速域から高速域まで全てのエンジンの運転域の全領域で良好な性能を得ることができると共にＥＧＲ制御を行うことができるという種々の優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明を実施する形態例を示すものであり、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。

実施の形態例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によって高圧段タービン１７を作動させ且つ高圧段コンプレッサ１８で吸気Ａを圧縮する第１のターボチャージャ１９と、高圧段タービン１７から送出される排気Ｇによって低圧段タービン２０を作動させ且つ低圧段コンプレッサ２１で圧縮した吸気を高圧段コンプレッサ１８へ送給する第２のターボチャージャ２２とを備えている。

また高圧段コンプレッサ１８の空気吐出口と低圧段コンプレッサ２１の空気吸入口の間には、インタクーラ１２が介装してあり、低圧段コンプレッサ２１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、アフタクーラ１３が介装してある。

更に、エンジン排気経路の高圧段タービン１７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アフタクーラ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配管２３を設け、当該ＥＧＲ配管２３に、分流した排気Ｇを冷却するＥＧＲクーラ２４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２５を組み込んでいる。

また第１のターボチャージャ１９は、高圧段タービン１７に、タービンスクロール流路のスロート部に角度調整可能な多数のノズルベーンを配設した、いわゆる可変容量（ＶＧ：Variable Geometry）ターボチャージャで構成されている。

ここで、図示しない運転席のアクセルには、アクセル開度をエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ（負荷センサ）２６が備えられていると共に、エンジン１の適宜位置には、その回転数を検出する回転センサ２７が装備されており、これらアクセルセンサ２６及び回転センサ２７からのアクセル開度信号２６ａ及び回転数信号２７ａが、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置２８に対し入力されるようになっている。

一方、制御装置２８においては、ＥＧＲバルブ２５のアクチュエータ（図示せず）と、第１のターボチャージャ１９による高圧段タービン１７のアクチュエータ（図示せず）とに対し夫々の開度を指令する開度指令信号２５ａ，１７ａが出力されるようになっている。また各気筒に燃料を噴射する燃料噴射装置（図示せず）に向け燃料の噴射タイミング及び噴射量を指令する燃料噴射信号が出力されるようになっている。

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は高圧段タービン１７へ流入して高圧段コンプレッサ１８を駆動した後、低圧段タービン２０へ流入して低圧段コンプレッサ２１を駆動する。また同時に低圧段コンプレッサ２１に流入し且つ圧縮された吸気Ａは、インタクーラ１２を経て高圧段コンプレッサ１８に送給され、当該高圧段コンプレッサ１８で再び圧縮されたうえ、アフタクーラ１３を経て吸気マニホールド５へ送給される。

ここでエンジン１の運転域が低速域（低速回転域）である場合には、アクセル開度信号２６ａ及び回転数信号２７ａ等に基づいて制御装置２８が高圧段タービン１７のアクチュエータに開度指令信号１７ａを出し、ノズルベーンの角度を変更して第１のターボチャージャ１９による高圧段タービン１７の容量を小さくし、低速域による小流量及び低圧力の排気Ｇに対応するように第１のターボチャージャ１９を作動させる。

また、エンジン１の運転域が高速域（高速回転域）である場合には、アクセル開度信号２６ａ及び回転数信号２７ａ等に基づいて制御装置２８が高圧段タービン１７のアクチュエータに開度指令信号１７ａを出し、ノズルベーンの角度を変更して高圧段タービン１７の容量を大きくし、高エネルギ（大流量で高圧力）の排気Ｇを全て高圧段タービン１７に通過させる。

更にＮＯｘの発生を低減する際には、エンジン１の運転域におけるアクセル開度信号２６ａ及び回転数信号２７ａ等に基づいて制御装置２８がＥＧＲバルブ２５のアクチュエータに開度指令信号２５ａを出し、ＥＧＲ配管２３の開度を調整して排気Ｇの一部を排気マニホールド２からＥＧＲ配管２３を介して吸気マニホールド５へ流入させ、気筒内の燃焼温度の低下を図ってＮＯｘの発生を低減する。また同時に、アクセル開度信号２６ａ及び回転数信号２７ａ等に基づき、制御装置２８が高圧段タービン１７のアクチュエータに開度指令信号１７ａを出してノズルベーンの角度を変更し、高圧段コンプレッサ１８によるエンジン１の吸気マニホールド５への空気量、及び高圧段タービン１７による排気マニホールド２からの排気量を調整し、ＥＧＲ配管２３からの排気量を制御してＮＯｘの発生を一層低減する。ここで第１のターボチャージャ１９によるＥＧＲ配管２３の排気量の制御は、ＥＧＲバルブ２５による制御と別々に適用しても良いし、ＥＧＲバルブ２５による制御と組み合わせて適用しても良いし、ＥＧＲバルブ２５による制御を補助しても良く、特に制限されるものではない。

而して、エンジン１の運転域が低速域である場合には、第１のターボチャージャ１９による高圧段タービン１７の容量を小さくし得るので、第１のターボチャージャ１９の高圧段コンプレッサ１８から送給される空気量を確保すると同時に、エンジン１の吸気マニホールド５からの空気量及び排気マニホールド２の排気量を最適化してＥＧＲ率を確保することができる。

またエンジン１の運転域が高速域である場合には、第１のターボチャージャ１９による高圧段タービン１７の容量を大きくし得るので、ウエストゲートを用いることなく、高エネルギ（大流量で高圧力）の排気Ｇを全て高圧段タービン１７に通過させ、ウエストゲートでの通過により得ることができなかった排気エネルギの回収し、排気エネルギの回収効率を上げてポンピングロスを低減し、燃費を改善することができる。

更に第１のターボチャージャ１９による高圧段タービン１７の容量を可変し得るので、エンジン１の吸気マニホールド５からの空気量及び排気マニホールド２の排気量を調整し、ＥＧＲ制御を行うことができる。ここで、第１のターボチャージャ１９を可変容量ターボチャージャにすることなく、低圧段側の第２のターボチャージャ２２のみを可変容量ターボチャージャにした場合には、ＥＧＲ配管２３から排気Ｇを導く際に高圧段側の第１のターボチャージャ１９の影響を受け、ＥＧＲ制御を適切に行うことができないと共に、燃費の改善が不十分になるという問題がある。

これにより本発明の実施の形態例では、第１のターボチャージャ１９による高圧段タービン１７の容量を可変するので、低速域から高速域まで全てのエンジン１の運転域の全領域で良好な性能を得ることができると共に、第１のターボチャージャ１９による高圧段タービン１７の容量を可変してＥＧＲ制御を行うことができる。

尚、本発明の二段過給システムは、上述の形態例にのみ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内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態例を示す全体概略図である。 従来の二段過給システムを示す全体概略図である。

符号の説明

１ エンジン
１７ 高圧段タービン
１８ 高圧段コンプレッサ
１９ 第１のターボチャージャ
２０ 低圧段タービン
２１ 低圧段コンプレッサ
２２ 第２のターボチャージャ
２３ ＥＧＲ配管
Ａ 吸気
Ｇ 排気

Claims (2)

1. エンジンから直に送出される排気によって高圧段タービンを作動させ且つ高圧段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、前記高圧段タービンから送出される排気によって低圧段タービンを作動させ且つ低圧段コンプレッサで圧縮した吸気を高圧段コンプレッサへ送給する第２のターボチャージャと、エンジン排気経路の高圧段タービンよりも上流側からエンジン吸気経路の高圧段コンプレッサよりも下流側へ至るＥＧＲ配管とを備え、第１のターボチャージャを可変容量ターボチャージャとし、高速域で第１のターボチャージャの容量を大きくして排気エネルギの回収効率を高めると共に、低速域で第１のターボチャージャの容量を小さくして空気量及びＥＧＲ率を確保するように構成したことを特徴とする二段過給システム。
2. 第１のターボチャージャの容量を可変してＥＧＲ制御を行うように構成したことを特徴とする請求項１に記載の二段過給システム。

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