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JP4136262B2 - Turbocharger system - Google Patents

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JP4136262B2
JP4136262B2 JP2000098168A JP2000098168A JP4136262B2 JP 4136262 B2 JP4136262 B2 JP 4136262B2 JP 2000098168 A JP2000098168 A JP 2000098168A JP 2000098168 A JP2000098168 A JP 2000098168A JP 4136262 B2 JP4136262 B2 JP 4136262B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
compressor
turbine
load
cooling
cooler
Prior art date
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Application number
JP2000098168A
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Japanese (ja)
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JP2001280146A (en
Inventor
武志 徳丸
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Isuzu Motors Ltd
Original Assignee
Isuzu Motors Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Publication of JP2001280146A publication Critical patent/JP2001280146A/en
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Supercharger (AREA)

Description

【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給気冷却器を設けて、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給気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、この間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200℃以上にもなり、高圧段のコンプレッサの耐熱及び耐久性が問題となる。また、給気温度が高くなると、高圧段のコンプレッサの圧縮能力も低下するので、この高圧段のコンプレッサに入る前に中間給気冷却装置で給気を冷却する必要が生じる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、2つのコンプレッサの間に設けられる中間給気冷却装置を、高圧段のコンプレッサと給気マニホールドの間に設けられている通常の給気冷却装置(インタークーラ)と同じ構造にして、エンジン前方又は後方の同じ位置に配置しようとすると、エンジンの前後方向のスペースの関係や配管の複雑化や配管の流通抵抗の増加の問題が生じ、エンジンのレイアウト上からみて、実際上配置が困難であるという問題がある。
【0008】
一方、直列2段過給システムの場合には、エンジンの運転領域によっては、低圧段のコンプレッサの出口の給気温度が高くならないので、この中間給気冷却装置は、常に高い冷却性能を有している必要は無く、高負荷高回転等の場合のみに、高圧段のコンプレッサが耐熱温度以下になるように、給気を冷却できればよい。
【0009】
また、この直列2段過給システムの場合には、1段の過給システムに比べて、給気を冷却するために使用される動力が大きくなり、そのため、駆動損失が大きくなって燃費が悪化する傾向があるので、この駆動損失を減少し、給気の冷却に使用する動力を必要最小限にする必要がある。
【0010】
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、低圧段のコンプレッサから出る給気を効率良く冷却して、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、しかも、無駄な冷却を行って余分な動力を使用することなく、燃費を向上できる直列2段のターボ過給システムを提供することにある。
【0011】
【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、該中間給気冷却器の冷却能力を変更可能に構成すると共に、該内燃機関の負荷状態を検出する負荷センサと回転速度を検出する回転速度センサの検出値から、高負荷高回転状態であると判断した時に、前記中間給気冷却器の冷却能力を増加する制御を行う制御装置を設けて構成される。
【0012】
そして、上記のターボ過給システムにおいて、前記中間給気冷却器の冷却能力の変更を、前記中間給気冷却器を冷却する電動ファンにより行う。
【0013】
更に、上記のターボ過給システムにおいて、前記制御装置は、高負荷高回転状態からそれ以外の状態に移行したと判断した時に、所定のタイムラグを経過してから、前記中間給気冷却器の冷却能力を減少する制御を行うように構成する。
【0014】
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電動ファンで冷却される給気冷却器を設けて、この電動ファンの駆動を内燃機関の負荷センサ(アクセルセンサ)と回転速度センサの検出値に応じて制御し、中間給気冷却器の冷却能力を変更する。この「変更」には、連続的な変化のみならず、ON/OFFの2段切替えや複数段及び多段の切替えも含むものとする。
【0015】
なお、この負荷センサと回転速度センサの検出値と高負荷高回転状態との関係は、制御装置(コントロールユニット)で予め作成したマップデータと照合することにより判断する。
【0016】
この冷却能力は、電動ファンを駆動する場合と、駆動しない場合のON/OFFに切替えとしてもよく、電動ファンの回転数の制御で変更してもよい。
【0017】
なお、高圧段のコンプレッサと吸気マニホールドとの間の給気冷却器(インタークーラ)の冷却は周知の技術と同様に、エンジンの前方又は後方に配置してエンジン直動の冷却ファンや走行風等によって冷却するように構成する。
【0018】
以上の構成のターボ過給システムにおいては、内燃機関の負荷と回転数から高負荷高回転領域に有るか否かを判断し、高負荷高回転領域に運転状態がある時には、中間給気冷却器の冷却能力を変更又は切り替えて大きくし、高圧段の第1コンプレッサの入口側の給気温度を下げて、このコンプレッサが高温になるのを回避して保護し、合わせて、給気に対する圧縮性能も良好に保たれる。また、高負荷高回転領域に運転状態が無い時には、中間給気冷却器の冷却能力を変更又は切り替えて小さくし、無駄な冷却を行うこと無く、効率良く給気の冷却が行なわれる。
【0019】
また、負荷センサや回転数センサは、内燃機関の制御のために既に設置されているので、新たなセンサやこのセンサのための配線等を設ける必要が無く、また、応答性もよく、その上、制御装置もエンジンコントロールユニットを使用できるので、システム自体がシンプルとなり、コストアップも少ない。
【0020】
そして、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、中間給気冷却器だけが配置される極めてシンプルな構成になり、しかも電動ファンを用いると配置上の自由度も増す。
【0021】
また、無駄な冷却のために電動ファンを駆動することが無くなるので、冷却用の駆動エネルギーの損失が減少し、燃費が向上する。
【0022】
その上、高負荷高回転運転領域の高冷却能力から、それ以外の領域の低冷却能力への移行時に、すぐに移行せずにタイムラグを持って移行するようにしているので、低圧段の第2コンプレッサによる圧縮で昇温した給気が全部、高冷却性能を維持している中間給気冷却器で冷却されて高圧段の第1コンプレッサを通過した後に、中間給気冷却器の冷却性能を低下するので、高圧段の第1コンプレッサが高温になることが無い。
【0023】
つまり、高冷却能力から低冷却能力への切替えを、高負荷高回転領域の運転が終了した時に、タイムラグを設けずに直ぐ切り替えると、排気ガスのエネルギーがまだ高く、低圧段の第2コンプレッサを通過した給気はまだ圧力も温度も高いままであるので、高圧段の第1コンプレッサの温度が許容温度以上になってしまうおそれが有るが、これを回避できる。
【0024】
なお、この中間給気冷却器の冷却能力の変更及び制御は、完全に電動ファンによる駆動と制御がシステムが簡便化し、最適であるが、その他にも次のような構成が考えられる。
【0025】
例えば、第2タービンの下流側に排気タービンを設け、この排気タービンで中間給気冷却器を冷却する冷却ファンを回転駆動し、この回転を制御装置によってクラッチをON/OFFすることにより制御するように構成してもよい。
【0026】
また、エンジンのクランク軸からベルト駆動等により機械的に駆動される冷却ファンの回転を、上記と同じく、制御装置によってクラッチをON/OFFすることにより制御するように構成してもよい。
【0027】
あるいは、中間給気冷却器の一部にバイパス通路を設け、このバイパス通路の入口のバルブを開閉制御して、冷却能力を変更することも考えられる。但し、この場合には給気をバイパスさせて冷却性能を低下させても冷却用のエネルギーの節約にはならない。
【0028】
【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。
【0029】
このターボ過給システム1は、エンジン10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及びマフラー(サイレンサー)23を設ける。
【0030】
また、吸気マニホールド11に接続された吸気通路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、中間給気冷却器50、高圧段の第1の過給機30の第1コンプレッサ32、給気冷却器(インタークーラ:チャージクーラ)15を設ける。
【0031】
そして、中間給気冷却器50の直近に電動ファン51を設け、低圧段の第2の過給機40の第2コンプレッサ42で圧縮されて昇温した給気Aを冷却する構成とし、この電動ファン51を制御する制御装置60を設ける。この制御装置60は通常はエンジンコントロールユニットで兼ねる。
【0032】
この制御装置60は、エンジン10の負荷状態を検出する負荷センサ61と回転速度を検出する回転速度センサ62の検出値を入力とし、この検出値である負荷と回転速度を予め作成しておいた図2に例示するようなマップデータと照合し、高負荷高回転領域、即ちONの領域にあると判断した場合には、電動ファン51をONする制御を行い、中間給気冷却器50の冷却能力を高める。
【0033】
また、高負荷高回転以外の領域、即ちOFFの領域にあると判断した場合には、所定のタイムラグ、例えば、30sec〜3min程度を経過させた後に、電動ファン51をOFFする制御を行い、中間給気冷却器50の冷却能力を低くする。
【0034】
この電動ファン51のON/OFF制御により、高負荷高回転運転で、給気の温度が上昇する状態の時には、高い冷却性能状態にある中間給気冷却器50で給気を冷却して、高圧段の第1コンプレッサ32に入る給気Aの温度を下げて、第1コンプレッサ32を保護し、高負荷高回転運転と異なる運転領域で、給気の温度の上昇が少ない状態の時には、冷却性能を下げても、第1コンプレッサ32を保護できるので、電動ファン51をOFFしてエネルギーの浪費を避けることができる。
【0035】
また、第1の過給機30の第1コンプレッサ32の下流側の給気冷却器15の冷却は周知の技術と同様に、エンジン10の前方又は後方に配置してエンジン直動の冷却ファン(図示しない)や走行風等によって冷却するように構成する。
【0036】
そして、更に、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25を設けて構成し、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の駆動量を調整する。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。
【0037】
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を駆動し、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、電動ファン51で冷却される中間給気冷却器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、給気冷却器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、制御装置60によって、エンジン10の負荷や回転数で判断されるエンジン運転状態に応じて制御される電動ファン51により、高負荷高回転領域にある時は、中間給気冷却器50を強く冷却するので、確実に第1コンプレッサ31に入る給気Aの温度を下げて第1コンプレッサ31を保護することができる。
【0040】
また、高負荷高回転領域に無い時には第1コンプレッサ31の出口の給気Aの温度が低く、高温による第1コンプレッサ31の損傷に心配が無いため、電動ファン51をOFFして、エネルギー損失を避けることができるので、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。
【0041】
また、冷却ファン53をエンジン10のクラ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。
【0042】
なお、この中間給気冷却器50冷却能力は、電動ファン51を駆動する場合と、駆動しない場合のON/OFFの切替えとしたが、負荷と回転速度を変数とするマップデータの関数をON/OFFでなく、電動ファン51の回転数とし、負荷と回転速度に応じた電動ファン51の回転数で制御すると、よりエネルギー損失を減少できる。
【0043】
ちなみに、一例を上げれば、中速回転で過給機が最も働く場合には、低圧段の第2コンプレッサ42の出口では、給気温度は約100℃で、給気圧力は約170kPa程度であり、電動ファン51を駆動しない場合には、第1コンプレッサ32の出口では、給気温度は約200℃で、給気圧力は約290kPa程度であるが、電動ファン51を駆動する場合には、第1コンプレッサ32の出口では、給気温度は約170℃で、給気圧力は約300kPa程度になる。
【0044】
【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、内燃機関の負荷と回転数からエンジンの運転状態が高負荷高回転領域に有るか否かを判断し、高負荷高回転領域に運転状態がある時には、低圧段の第2コンプレッサで圧縮され昇温した給気を中間給気冷却器の冷却能力を変更又は切り替えて大きくし、高圧段の第1コンプレッサの入口側の給気温度を下げて、このコンプレッサが高温になるのを回避して保護することができる。また、同時に、高圧段の第1コンプレッサの給気に対する圧縮も良好に行うことができる。
【0045】
また、エンジンの運転状態が高負荷高回転領域に無い時には、中間給気冷却器の冷却能力を変更又は切り替えて小さくし、無駄な冷却を行うこと無く、効率良く給気の冷却を行なうことができる。
【0046】
また、負荷センサや回転数センサは、内燃機関の制御のために既に設置されているので、新たなセンサやこのセンサのための配線等を設ける必要が無く、また、応答性も良く、制御装置もエンジンコントロールユニットを使用できるので、システム自体がシンプルとなり、コストアップも少ない。
【0047】
そして、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、中間吸気冷却器だけが配置される極めてシンプルな構成になり、しかも電動ファンを用いると配置上の自由度も増し、また無駄な冷却のために電動ファンを駆動することも無くなるので、冷却用の駆動エネルギーの損失が減少し、燃費効率が向上する。
また、内燃機関の負荷と回転速度を変数とするマップデータの関数をON/OFFでなく、電動ファンの回転数とし、負荷と回転速度に応じた電動ファンの回転数で制御すると、より一層エネルギー損失を減少できる。
更に、中間吸気冷却器を冷却する電動ファンに代えて冷却ファンを設け、この冷却ファンを回転駆動する排気タービンをクラッチでON/OFF可能に排気通路の前記第2タービンの下流に設けると、排気ガスを一層有効活用できる。
【0048】
その上、高負荷高回転運転領域の高冷却能力から、それ以外の領域の低冷却能力への移行時に、すぐに移行せずにタイムラグを持って移行するようにしているので、低圧段の第2コンプレッサによる圧縮で昇温した給気が全部、高冷却性能を維持している中間給気冷却器で冷却されて高圧段の第1コンプレッサを通過した後に、中間給気冷却器の冷却性能を低下するので、高圧段の第1コンプレッサが高温になるのを回避できる。
【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。
【図2】負荷と回転速度と電動ファンのON/OFFとの関係を示すマップである。
【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1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 中間吸気冷却器
51 電動ファン
60 制御装置
61 負荷センサ
62 回転速度センサ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an in-line two-stage turbocharging system in which compressors are arranged in two-stage series in an internal combustion engine such as a diesel engine or a gasoline engine.
[0002]
[Prior art]
In an engine with a supercharger, in order to sufficiently supply and fill the intake air to the cylinder, an intake air called an intercooler or a charger cooler is provided downstream of the compressor in the intake passage for cooling the intake air heated by the compressor. A cooler is provided to cool the supply air whose temperature has been increased by compression.
[0003]
Further, in order to cool the air supply cooler that exchanges heat with the air supply, traveling air is applied or air is blown by a fan or an electric fan directly driven by the engine. In the means other than the cooling by the traveling wind, a driving loss occurs and the fuel consumption deteriorates.
[0004]
In a large engine, a large-capacity turbine is driven when the load and the rotational speed are large, and a small-capacity turbine is switched when the load and the rotational speed are small. There is a two-stage supercharging system.
[0005]
On the other hand, since the exhaust gas discharged from the first stage exhaust gas turbine still has sufficient exhaust energy available, a second stage exhaust gas turbine is provided to drive the second stage compressor, A series two-stage supercharging system has been proposed in which charge air is compressed and supplied to an engine with high supercharging to improve charging efficiency.
[0006]
In this way, when the compressors are arranged in two stages in series, the supply air is compressed by the upstream low-pressure stage compressor to increase the temperature, and further, the temperature is increased by the downstream high-pressure stage compressor. If a cooling device is not provided during this period, the maximum temperature is 200 ° C. or more at the outlet of the high-pressure stage compressor, and the heat resistance and durability of the high-pressure stage compressor becomes a problem. Further, when the supply air temperature becomes high, the compression capacity of the high-pressure stage compressor also decreases, so that it becomes necessary to cool the supply air with an intermediate supply air cooling device before entering the high-pressure stage compressor.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the intermediate charge air cooling device provided between the two compressors has the same structure as a normal charge air cooling device (intercooler) provided between the high pressure stage compressor and the air supply manifold, and the front of the engine. Or, if you try to place it in the same position on the back, there will be problems with the space in the front-rear direction of the engine, complicated piping and increased distribution resistance of the piping, and it is actually difficult to arrange from the viewpoint of engine layout There is a problem.
[0008]
On the other hand, in the case of a series two-stage supercharging system, depending on the operating region of the engine, the supply air temperature at the outlet of the low-pressure stage compressor does not increase, so this intermediate supply air cooling device always has a high cooling performance. It is not necessary to be able to cool the supply air so that the high-pressure stage compressor is below the heat-resistant temperature only in the case of high load and high rotation.
[0009]
In addition, in the case of this series two-stage supercharging system, the power used for cooling the supply air becomes larger than that of the one-stage supercharging system, and therefore the driving loss increases and the fuel consumption deteriorates. Therefore, it is necessary to reduce this driving loss and minimize the power used for cooling the supply air.
[0010]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a series two-stage turbocharger that can efficiently convert exhaust energy into supercharger energy to enable high supercharging. In the supercharging system, it is possible to efficiently cool the supply air from the low-pressure stage compressor to avoid a failure due to the temperature rise of the high-pressure stage compressor, and use unnecessary power by performing unnecessary cooling. An object of the present invention is to provide a two-stage turbocharging system in series that can improve fuel efficiency.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a turbocharging system includes a first turbine of a first supercharger and a second turbine of a second supercharger that are driven by exhaust gas in an exhaust passage of an internal combustion engine. In the turbocharger system in which the second compressor driven by the second turbine and the first compressor driven by the first turbine are arranged in two stages in series from the upstream side of the intake passage, the first compressor An intermediate air supply cooler that cools the supply air that has been compressed by the second compressor and heated, and is configured to change the cooling capacity of the intermediate air supply cooler. When it is determined that the engine is in a high-load high-rotation state from the detection values of the load sensor that detects the load state of the internal combustion engine and the rotation speed sensor that detects the rotation speed, the cooling capacity of the intermediate charge air cooler is determined. Configured to provide a control device that performs control to increase.
[0012]
In the turbocharging system, the cooling capacity of the intermediate charge air cooler is changed by an electric fan that cools the intermediate charge air cooler.
[0013]
Further, in the turbocharger system described above, when the control device determines that the state has shifted from the high load high rotation state to the other state, the cooling of the intermediate charge air cooler is performed after a predetermined time lag has elapsed. It is configured to perform control to reduce the capacity.
[0014]
That is, an air supply cooler cooled by an electric fan is provided between the two compressors of the high pressure stage (first) and the low pressure stage (second), and this electric fan is driven by a load sensor (accelerator sensor) of the internal combustion engine. ) And the detection value of the rotation speed sensor to change the cooling capacity of the intermediate charge air cooler. This “change” includes not only continuous change but also ON / OFF two-stage switching and multi-stage and multi-stage switching.
[0015]
The relationship between the detected values of the load sensor and the rotation speed sensor and the high load and high rotation state is determined by collating with map data created in advance by the control device (control unit).
[0016]
This cooling capacity may be switched between ON / OFF when the electric fan is driven and not driven, or may be changed by controlling the rotation speed of the electric fan.
[0017]
Note that the cooling of the air supply cooler (intercooler) between the high-pressure stage compressor and the intake manifold is arranged in front of or behind the engine in the same manner as in the well-known technology, and the engine direct acting cooling fan, running wind, etc. Configure to cool by.
[0018]
In the turbocharging system configured as described above, it is determined whether or not the engine is in a high load and high speed region from the load and the rotational speed of the internal combustion engine. By changing or switching the cooling capacity of the compressor, the supply air temperature at the inlet side of the first compressor of the high pressure stage is lowered to protect the compressor from becoming hot, and at the same time, the compression performance against the supply air Well maintained. Further, when there is no operation state in the high load high rotation region, the cooling capacity of the intermediate air supply cooler is changed or changed to be small, and the air supply is efficiently cooled without performing unnecessary cooling.
[0019]
In addition, since the load sensor and the rotational speed sensor are already installed for controlling the internal combustion engine, it is not necessary to provide a new sensor or wiring for the sensor, and the responsiveness is good. Since the control unit can also use the engine control unit, the system itself is simple and the cost is low.
[0020]
The intake passage between the two compressors of the high-pressure stage and the low-pressure stage has a very simple configuration in which only the intermediate charge air cooler is arranged, and the use of an electric fan increases the degree of freedom in arrangement.
[0021]
In addition, since the electric fan is not driven for useless cooling, loss of driving energy for cooling is reduced and fuel efficiency is improved.
[0022]
In addition, when shifting from the high cooling capacity in the high load high rotation operation area to the low cooling capacity in the other areas, the transition is made not to immediately shift but with a time lag. (2) After all the supply air heated by the compression by the compressor is cooled by the intermediate charge cooler maintaining high cooling performance and passed through the first compressor of the high pressure stage, the cooling performance of the intermediate charge cooler is improved. Therefore, the first compressor of the high pressure stage does not become high temperature.
[0023]
In other words, when switching from high cooling capacity to low cooling capacity is completed without the time lag when the operation in the high load and high rotation range is completed, the energy of the exhaust gas is still high, and the second compressor in the low pressure stage is turned on. Since the pressure and temperature of the supplied air are still high, there is a possibility that the temperature of the first compressor in the high-pressure stage becomes higher than the allowable temperature, but this can be avoided.
[0024]
It should be noted that the change and control of the cooling capacity of the intermediate charge air cooler is optimally driven and controlled by an electric fan because the system is simple and optimal, but the following configurations are also conceivable.
[0025]
For example, an exhaust turbine is provided on the downstream side of the second turbine, and a cooling fan that cools the intermediate air supply cooler is driven to rotate by the exhaust turbine, and this rotation is controlled by turning on and off the clutch by the control device. You may comprise.
[0026]
Moreover, you may comprise so that rotation of the cooling fan mechanically driven by a belt drive etc. from an engine crankshaft may be controlled by turning ON / OFF a clutch by a control device similarly to the above.
[0027]
Alternatively, it is also conceivable that a bypass passage is provided in a part of the intermediate charge air cooler, and the valve at the inlet of the bypass passage is controlled to open and close to change the cooling capacity. However, in this case, even if the supply air is bypassed to reduce the cooling performance, the energy for cooling is not saved.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a turbocharging system according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0029]
The turbocharger system 1 includes, in order from an upstream side, an exhaust passage 22 connected to an exhaust manifold 21 of an engine 10, a first turbine 31 of a first supercharger 30 in a high pressure stage, and a second turbine in a low pressure stage. A second turbine 41 and a muffler (silencer) 23 of the supercharger 40 are provided.
[0030]
In addition, in order from the upstream side to the intake passage 12 connected to the intake manifold 11, the air cleaner 13, the first compressor 42 of the second supercharger (turbocharger) 40 in the low pressure stage, the intermediate charge air cooler 50, the high pressure A first compressor 32 and a charge air cooler (intercooler: charge cooler) 15 of the first supercharger 30 in the stage are provided.
[0031]
Then, an electric fan 51 is provided in the immediate vicinity of the intermediate air supply cooler 50 to cool the air supply A that has been compressed by the second compressor 42 of the second supercharger 40 in the low-pressure stage and raised in temperature. A control device 60 for controlling the fan 51 is provided. The control device 60 usually serves as an engine control unit.
[0032]
The control device 60 has input values detected by a load sensor 61 that detects the load state of the engine 10 and a rotation speed sensor 62 that detects the rotation speed, and the load and rotation speed that are the detection values are created in advance. When the map data illustrated in FIG. 2 is collated and it is determined that the load is in the high load / high rotation region, that is, the ON region, the electric fan 51 is controlled to be turned on to cool the intermediate air supply cooler 50. Increase ability.
[0033]
Further, when it is determined that it is in an area other than high load and high rotation, that is, in an OFF area, a control is performed to turn off the electric fan 51 after a predetermined time lag, for example, about 30 sec to 3 min has elapsed. The cooling capacity of the supply air cooler 50 is lowered.
[0034]
By the ON / OFF control of the electric fan 51, the supply air is cooled by the intermediate supply cooler 50 in the high cooling performance state when the temperature of the supply air rises during high load high rotation operation, and the high pressure The temperature of the supply air A entering the first compressor 32 of the stage is lowered to protect the first compressor 32, and the cooling performance is low when the temperature of the supply air is little increased in an operation region different from the high load high rotation operation. Since the first compressor 32 can be protected even if it is lowered, the electric fan 51 can be turned off to avoid wasting energy.
[0035]
Further, the cooling of the intake air cooler 15 on the downstream side of the first compressor 32 of the first supercharger 30 is arranged in front of or behind the engine 10 to directly cool the cooling fan ( It is configured to be cooled by running wind or the like (not shown).
[0036]
Further, an exhaust bypass passage 24 that bypasses the first turbine 31 of the first supercharger 30 in the high-pressure stage is provided, and an adjustment valve 25 is provided at the inlet of the exhaust bypass passage 24. The driving amount of the first turbine 31 of the first supercharger 30 and the second turbine 41 of the second supercharger 40 is adjusted by controlling the opening and closing of 25 based on the engine speed and the like. By this adjustment, the ratio of the compression ratio of the supply air by the first compressor 32 in the high pressure stage and the second compressor 42 in the low pressure stage is adjusted.
[0037]
According to this configuration, the exhaust gas G discharged from the exhaust manifold 21 of the engine 10 is sent to the first supercharger 30 in the high pressure stage to drive the first turbine 31, and the first compressor 32 on the same axis is driven. The gas that has been rotated and supercharged of the intake air and has passed through the first turbine 31 is further sent to the second supercharger 40 in the low pressure stage to drive the second turbine 41 and to the atmosphere through the muffler 23. To be released.
[0038]
On the other hand, the supply air A is compressed by the second compressor 42 of the second supercharger 40 in the low pressure stage after passing through the air cleaner 13, and then the intermediate supply air cooler 50 is cooled by the electric fan 51. Then, the air is further compressed and heated by the first compressor 32 of the first supercharger 30 in the high pressure stage, and is cooled by the air supply cooler 15 and then supplied to the intake manifold 11. The
[0039]
According to the turbocharging system having the above configuration, when the control device 60 is in the high load and high rotation range by the electric fan 51 controlled according to the engine operating state determined by the load and the rotation speed of the engine 10. Since the intermediate charge air cooler 50 is strongly cooled, the temperature of the supply air A entering the first compressor 31 can be reliably lowered to protect the first compressor 31.
[0040]
In addition, since the temperature of the supply air A at the outlet of the first compressor 31 is low when there is no high load and high rotation region, and there is no concern about damage to the first compressor 31 due to high temperature, the electric fan 51 is turned off to reduce energy loss. Since this can be avoided, it is possible to improve fuel efficiency and increase engine output.
[0041]
Further, since the cooling fan 53 is not directly driven from the crankshaft of the engine 10, the range of selection of the installation location is widened, and the degree of freedom in layout is increased.
[0042]
The cooling capacity of the intermediate air supply cooler 50 is switched between ON / OFF when the electric fan 51 is driven and when it is not driven. However, the map data function using the load and rotation speed as variables is turned ON / OFF. Energy loss can be further reduced by controlling the rotational speed of the electric fan 51 according to the load and the rotational speed instead of turning OFF.
[0043]
For example, if the turbocharger works most at medium speed, the supply air temperature is about 100 ° C. and the supply air pressure is about 170 kPa at the outlet of the second compressor 42 in the low pressure stage. When the electric fan 51 is not driven, the supply air temperature is about 200 ° C. and the supply air pressure is about 290 kPa at the outlet of the first compressor 32. However, when the electric fan 51 is driven, At the outlet of one compressor 32, the supply air temperature is about 170 ° C., and the supply air pressure is about 300 kPa.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, according to the turbocharging system of the present invention, it is determined whether or not the operating state of the engine is in the high-load high-rotation region from the load and the rotational speed of the internal combustion engine, and the high-load high-rotation system When there is an operating condition in the region, the supply air compressed and heated by the second compressor in the low pressure stage is increased by changing or switching the cooling capacity of the intermediate supply air cooler, and the supply air at the inlet side of the first compressor in the high pressure stage is increased. The air temperature can be lowered to protect the compressor from becoming hot. At the same time, the high pressure stage first compressor can be compressed well with respect to the supply air.
[0045]
In addition, when the engine operating state is not in the high-load high-rotation region, the cooling capacity of the intermediate charge air cooler can be changed or switched to reduce the air supply efficiency, and the supply air can be efficiently cooled without performing unnecessary cooling. it can.
[0046]
In addition, since the load sensor and the rotation speed sensor are already installed for controlling the internal combustion engine, it is not necessary to provide a new sensor, wiring for the sensor, etc. Since the engine control unit can be used, the system itself is simple and there is little cost increase.
[0047]
In addition, the intake passage between the two compressors of the high-pressure stage and the low-pressure stage has a very simple configuration in which only the intermediate intake air cooler is arranged. Moreover, the use of an electric fan increases the degree of freedom in arrangement and is wasteful. Since the electric fan is not driven for efficient cooling, loss of driving energy for cooling is reduced and fuel efficiency is improved.
Further, if the map data function with the load and rotation speed of the internal combustion engine as variables is set to the rotation speed of the electric fan instead of ON / OFF, and the control is performed with the rotation speed of the electric fan according to the load and the rotation speed, further energy is obtained. Loss can be reduced.
Further, if a cooling fan is provided in place of the electric fan that cools the intermediate intake air cooler, and an exhaust turbine that rotationally drives the cooling fan is provided downstream of the second turbine in the exhaust passage so that it can be turned ON / OFF by a clutch, More effective use of gas.
[0048]
In addition, when shifting from the high cooling capacity in the high load high rotation operation area to the low cooling capacity in the other areas, the transition is made not to immediately shift but with a time lag. (2) After all the supply air heated by the compression by the compressor is cooled by the intermediate charge cooler maintaining high cooling performance and passed through the first compressor of the high pressure stage, the cooling performance of the intermediate charge cooler is improved. Therefore, it is possible to avoid the first compressor in the high pressure stage from becoming high temperature.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a turbocharger system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a map showing a relationship among a load, a rotation speed, and ON / OFF of an electric fan.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Turbocharger system 12 Intake passage 22 Exhaust passage 30 1st supercharger 31 1st turbine 32 1st compressor 40 2nd supercharger 41 2nd turbine 42 2nd compressor 50 Intermediate | middle intake air cooler 51 Electric fan 60 Control device 61 Load sensor 62 Rotational speed sensor

Claims (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、第2コンプレッサで圧縮され昇温した吸気を冷却する中間給気冷却器を設け、該中間吸気冷却器を冷却する冷却ファンを設け、
該冷却ファンを回転駆動する排気タービンを該冷却ファンに対しクラッチでON/OFF可能に排気通路の前記第2タービンの下流に設けて、前記中間給気冷却器の冷却能力を変更可能に構成すると共に、
該内燃機関の負荷状態を検出する負荷センサと回転速度を検出する回転速度センサの検出値から、高負荷高回転状態であると判断した時に、前記中間給気冷却器の冷却能力を前記クラッチをONに切り替えて大きくする制御を行う制御装置を設けたことを特徴とするターボ過給システム。
A first compressor of a first supercharger driven by exhaust gas and a second turbine of a second supercharger are provided in an exhaust passage of the internal combustion engine, and a second compressor driven by the second turbine; In the turbocharging system in which the first compressor driven by the first turbine is arranged in two stages in series from the upstream side of the intake passage,
Provided between the first compressor and the second compressor is an intermediate supply air cooler that cools the intake air that has been compressed and heated by the second compressor, and a cooling fan that cools the intermediate intake air cooler,
An exhaust turbine that rotationally drives the cooling fan is provided downstream of the second turbine in the exhaust passage so that the exhaust fan can be turned on and off with a clutch, and the cooling capacity of the intermediate charge cooler can be changed. With
When it is determined that the engine is in a high-load high-rotation state based on detection values of a load sensor that detects the load state of the internal combustion engine and a rotation speed sensor that detects the rotation speed , the cooling capacity of the intermediate charge air cooler A turbocharger system characterized in that a control device is provided for performing control to increase by switching to ON .
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