(57)【要約】【課題】ウエストゲート配管を用いることなく、高圧段ターボチャージャの小径化を支障なく実現し得る二段過給システムを提供する。【解決手段】従来の二段過給システムに用いられていたウエストゲート配管及びウエストゲートバルブを廃止し、高圧段コンプレッサ４からエンジン１へ送給される吸気量（吸気Ａの流量）を絞り込む吸気絞り弁１７（吸気絞り手段）をアフタクーラ１３と吸気マニホールド５との間に備え、従来においてウエストゲート配管に排気Ｇを分流していたエンジン１の高速高負荷領域において前記吸気絞り弁１７により吸気量を絞り込ませるように構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンから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圧縮した吸気をエンジンへ送給する高圧段ターボチャージャと、該高圧段ターボチャージャの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前記高圧段コンプレッサへ送給する低圧段ターボチャージャとを備えた二段過給システムにおいて、高圧段コンプレッサからエンジンへ送給される吸気量を絞り込む吸気絞り手段を備え、エンジンの高速高負荷領域において前記吸気絞り手段により吸気量を絞り込ませるように構成したことを特徴とする二段過給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二段過給システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、低速軽負荷域での燃費向上、トルクアップや高ＥＧＲ率の実現のために、小径の高圧段ターボチャージャを採用した二段過給システムが検討されており、この種の二段過給システムにおいては、図５に示す如く、エンジン１の排気マニホールド２から送出される排気Ｇにより高圧段タービン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へ送給する高圧段ターボチャージャ６と、該高圧段ターボチャージャ６の高圧段タービン３から送出される排気Ｇにより低圧段タービン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へ送給する低圧段ターボチャージャ１０とが備えられている。
【０００３】
更に、前記低圧段ターボチャージャ１０の低圧段コンプレッサ９の吐出側と前記高圧段ターボチャージャ６の高圧段コンプレッサ４の吸入側との間のエンジン吸気流路には、インタクーラ１２が介装されており、前記高圧段コンプレッサ４の吐出側とエンジン１の吸気マニホールド５との間のエンジン吸気流路には、アフタクーラ１３が介装されている。
【０００４】
また、エンジン排気流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）からエンジン吸気流路のアフタクーラ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が設けられ、該ＥＧＲ配管１４には、エンジン排気流路から分流した排気Ｇを冷却するＥＧＲクーラ１５と、エンジン吸気流路へ還流すべき排気Ｇの流量を調整するＥＧＲバルブ１６とが設けられている。
【０００５】
而して、斯かる二段過給システムにおいては、エンジン１が稼動状態である時に、排気マニホールド２から送出される排気Ｇが、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を駆動し、該低圧段コンプレッサ９に流入して圧縮された吸気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、該高圧段コンプレッサ４で再び圧縮され、アフタクーラ１３を経て吸気マニホールド５へ送給されるので、シリンダへの吸気Ａの送給量が増加し、１サイクル当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。
【０００６】
また、前記排気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で流量調整が行われた排気Ｇが、吸気Ａと一緒に吸気マニホールド５へ送給され、これによりシリンダ内の燃焼温度の低下が図られ、ＮＯxの発生が低減される。
【０００７】
尚、前述の如き二段過給システムと関連する一般的技術水準を示すものとしては、例えば、下記の特許文献１、２等が既に存在している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１４７０３０号公報
【特許文献２】特開平５−１８００８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、このように小径の高圧段ターボチャージャ６で高出力を実現した二段過給システムにおいては、排気Ｇの流量が大きい高速高負荷域（図６のグラフ中にクロスハッチングを付して示す運転領域）で小径の高圧段ターボチャージャ６が過剰に回転して過給圧が必要以上に高まり、エンジン１の各気筒の最大筒内圧が制限値を超えて運転不可となってしまうため、高圧段タービン３を迂回するウエストゲート配管７を設けると共に、該ウエストゲート配管７の途中に流路を開閉するウエストゲートバルブ１１を設け、該ウエストゲートバルブ１１を高速高負荷域で開けて適正な流量の排気Ｇのみ高圧段タービン３に流し、残りは高圧段タービン３を迂回させて低圧段タービン８へ導くようにしているが、このような高温の排気Ｇが通るウエストゲート配管７を増設することは、単に配管構成の複雑化を招くだけでなく、電子基盤等の熱に弱い周辺機器を近くに配置できなくなるためにレイアウト面で大きな制約がかかり、しかも、ウエストゲートバルブ１１に十分な耐熱性を持たせなければならないことで設備コストが高騰するという問題もあった。
【００１０】
一方、高速高負荷域でも過剰回転せずに全排気ガス量に対応できるよう高圧段ターボチャージャ６を大径化して容量を上げることも考えられるが、そのようにしたのでは、低速軽負荷域において燃費が悪化したり、ＮＯx低減に必要なＥＧＲ量を得ることができなくなるといった問題を招いてしまうことになり、小径の高圧段ターボチャージャ６で高出力を実現しようとする意義が損なわれてしまう。
【００１１】
本発明は、斯かる実情に鑑みてなしたもので、ウエストゲート配管を用いることなく、高圧段ターボチャージャの小径化を支障なく実現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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、エンジンから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圧縮した吸気をエンジンへ送給する高圧段ターボチャージャと、該高圧段ターボチャージャの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前記高圧段コンプレッサへ送給する低圧段ターボチャージャとを備えた二段過給システムにおいて、高圧段コンプレッサからエンジンへ送給される吸気量を絞り込む吸気絞り手段を備え、エンジンの高速高負荷領域において前記吸気絞り手段により吸気量を絞り込ませるように構成したことを特徴とするものである。
【００１３】
而して、このようにした場合に、エンジンの高速高負荷領域で吸気絞り手段により吸気量を絞り込むと、吸気絞り手段を絞り込むほどに該吸気絞り手段の前後で差圧が大きく生じて過給圧が下がり、これに伴いエンジンに供給される吸気量（新気量）が減らされて該エンジンから排出される排気も減ることになり、小径の高圧段ターボチャージャでも過剰回転せずに全排気ガス量に対応することが可能となる。
【００１４】
一般的に、単段過給の場合には、エンジンの高速高負荷領域における過給圧が高く且つタービン回転数も高いため、高速高負荷領域で吸気を絞り込んでしまうと、過給圧アップによりコンプレッサ周速制限にかかってしまい、高速高負荷領域における吸気絞りを実施することができない。
【００１５】
しかしながら、二段過給の場合には、単段過給の場合よりも高速高負荷領域における高圧段ターボチャージャでの過給圧が低く且つタービン回転数も低いため、高速高負荷領域で吸気を絞り込んでもコンプレッサ周速制限までの十分なマージンが確保できる領域で運転でき、コンプレッサ周速制限にかかってしまう心配がない。
また、吸気絞り手段で吸気量を絞り込むにつれ、運転領域が高圧段コンプレッサの高効率領域側へ移動することになるため、コンプレッサ効率が向上（単段過給では効率が低下）して燃費悪化が極めて軽微に抑えられることになる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の二段過給システムによれば、ウエストゲート配管を用いることなく、吸気絞り手段で吸気量の絞り込みを行うことで高圧段ターボチャージャの小径化を支障なく実現することができるので、配管構成の簡素化を図ることができると共に、電子基盤等の熱に弱い周辺機器の配置に関するレイアウト面での制約を大幅に緩和することができ、しかも、耐熱性を有する高価なウエストゲートバルブも不要となることで大幅な設備コストの削減を図ることができるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。
【図２】吸気絞りの効果を示すグラフである。
【図３】最大筒内圧の制限値内での運転が可能となることを示すグラフである。
【図４】吸気絞り適用時の高圧段ターボチャージャの作動線図である。
【図５】従来の二段過給システムの一例を示す概略図である。
【図６】従来のウエストゲート配管を利用していた運転領域を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【００１９】
図１〜図４は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図５と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。
【００２０】
図１に全体図を示す如く、本形態例の二段過給システムにおいては、先に図５で説明した従来の二段過給システムと基本的な構成は同様であるが、従来の二段過給システムに用いられていたウエストゲート配管７（図５参照）及びウエストゲートバルブ１１（図５参照）を廃止する一方、高圧段コンプレッサ４からエンジン１へ送給される吸気Ａ量を絞り込む吸気絞り弁１７（吸気絞り手段）をアフタクーラ１３と吸気マニホールド５との間に備えており、従来においてウエストゲート配管７（図５参照）に排気Ｇを分流していたエンジン１の高速高負荷領域（図６のグラフ中にクロスハッチングを付して示す運転領域）で前記吸気絞り弁１７により吸気Ａ量を絞り込ませるように構成している。
【００２１】
ここに図示している例では、前記吸気絞り弁１７がエンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１８からの制御信号１８ａにより制御されるようになっており、例えば、この制御装置１８に燃料噴射量とエンジン１の回転数との二次元制御マップを組み込んでおき、吸気絞り弁１７を開けたままでは、高圧段タービン３が過剰に回転して各気筒の最大筒内圧が制限値を超えてしまうことが想定される高速高負荷領域において、前記二次元制御マップから読み出される開度に従い吸気絞り弁１７を絞り込む制御信号１８ａが制御装置１８から出力されるようにしておけば良い。
【００２２】
而して、このようにした場合に、エンジン１の高速高負荷領域で吸気絞り弁１７により吸気Ａ量を絞り込むと、吸気絞り弁１７を絞り込むほどに該吸気絞り弁１７の前後で差圧が大きく生じ、吸気マニホールド５の圧力（過給圧）が下がることになり（図２のグラフ参照）、これに伴いエンジン１に供給される吸気Ａ量（新気量）が減らされ（図３のグラフ参照）、該エンジン１から排出される排気Ｇも減ることになり、小径の高圧段ターボチャージャ６でも過剰回転せずに全排気ガス量に対応することが可能となる。
【００２３】
この際、吸気絞り弁１７により吸気Ａ量を適切に絞り込めば、エンジン１の各気筒における最大筒内圧Ｐｍａｘを制限値（許容Ｐｍａｘ）以下に抑えることが可能であり、従来のウエストゲート配管７（図５参照）を用いた場合と同様に、エンジン１の各気筒の最大筒内圧Ｐｍａｘが制限値（許容Ｐｍａｘ）を超えて運転不可となってしまう事態を回避することが可能である。
【００２４】
一般的に、単段過給の場合には、エンジン１の高速高負荷領域における過給圧が高く且つタービン回転数も高いため、高速高負荷領域で吸気Ａを絞り込んでしまうと、過給圧アップによりコンプレッサ周速制限にかかってしまい、高速高負荷領域における吸気Ａ絞りを実施することができない。
【００２５】
しかしながら、二段過給の場合には、単段過給の場合よりも高速高負荷領域における高圧段ターボチャージャ６での過給圧が低く且つタービン回転数も低いため、図４にグラフで示す如く、高速高負荷領域で吸気Ａを絞り込んでも高圧段コンプレッサ４の周速制限までの十分なマージンが確保できる領域（図４中に三角形で示しているポイント）で運転でき、コンプレッサ周速制限にかかってしまう心配がない。
【００２６】
また、吸気絞り弁１７で吸気Ａ量を絞り込むにつれ、図４のグラフ中に矢印Ｘで示す方向に運転領域が移動するが、これは高圧段コンプレッサ４の高効率領域側へ移動することになるため、コンプレッサ効率が向上（単段過給では効率が低下）して燃費悪化が極めて軽微に抑えられることになる。
【００２７】
従って、上記形態例によれば、ウエストゲート配管７（図５参照）を用いることなく、吸気絞り弁１７で吸気Ａ量の絞り込みを行うことで高圧段ターボチャージャ６の小径化を支障なく実現することができるので、配管構成の簡素化を図ることができると共に、電子基盤等の熱に弱い周辺機器の配置に関するレイアウト面での制約を大幅に緩和することができ、しかも、耐熱性を有する高価なウエストゲートバルブ１１（図５参照）も不要となることで大幅な設備コストの削減を図ることができる。
【００２８】
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、吸気絞り手段の制御については、必ずしも燃料噴射量とエンジンの回転数との二次元制御マップに基づいて行うことに限定されないこと、その他、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。
【符号の説明】
【００２９】
１  エンジン
３  高圧段タービン
４  高圧段コンプレッサ
６  高圧段ターボチャージャ
８  低圧段タービン
９  低圧段コンプレッサ
１０  低圧段ターボチャージャ
１７  吸気絞り弁（吸気絞り手段）
１８  制御装置
１８ａ  制御信号
Ａ  吸気
Ｇ  排気
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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