(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【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
【図１】
0004136262.tif 000002
【図２】
0004136262.tif 000003