(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タービンを上流側から直列に設けると共に、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であって、前記第１タービンに流入する排気ガスをバイパスさせるウェストゲートバルブを設け、該ウェストゲートバルブは、前記第１コンプレッサの下流側の第１吸気圧力と前記第１コンプレッサの上流側の第２吸気圧力との比に応じて開閉するように形成した直列２段ターボ過給システムにおいて、
前記ウェストゲートバルブのバルブアクチュエータは、第１空気室と第２空気室の間に配置された内部ピストンと、該内部ピストンに連結し、該ウェストゲートバルブを開閉駆動する駆動軸とを有し、
前記第１空気室を前記第１コンプレッサの上流側に、前記第２空気室を前記第１コンプレッサの下流側に、それぞれ連通して形成されると共に、
前記内部ピストンの前記第１空気室側の第１受圧面と、前記第２空気室側の第２受圧面との面積比を、該ウェストゲートバルブを開弁する時の前記第１吸気圧力と前記第２吸気圧力との圧力比になるようにして形成したことを特徴とする直列２段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段ターボ過給システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ターボ過給機付きエンジンにおいては、コンプレッサによる過給を１段だけ行う１段ターボ過給システムの他に、吸入空気を十分にシリンダに供給し充填するために、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段ターボ過給システムがある。
【０００３】
また、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１段のコンプレッサで圧縮昇圧した給気を、第２段のコンプレッサで、更に圧縮昇圧して高過給でエンジンに供給することにより、シリンダに対する吸気の充填効率を向上させ、エンジン出力を高める直列二段ターボ過給システムが提案されている。
【０００４】
この直列二段ターボ過給システムは、タービン径の異なる大小の過給機を組み合わせて、エンジンの低回転域では主として小さい方の過給機で過給し、レスポンスとターボラグを改善すると共に、大きい方の過給機は予備回転させる。そして、高回転域では、大きい方の過給機を作動させ、十分な過給圧で過給するものである。
【０００５】
このように、コンプレッサを直列２段に配置した場合は、図１に示すように、排気上流側の高圧段のタービン３１の給気圧力比がタービン３１の許容回転速度に達する時の給気圧力比になった場合に、このタービン３１の過回転を防止して、過給機を保護する必要があるので、ウェストゲートバルブ３４を備えたウェストゲート３３を設けて、タービン３１が許容回転速度に達する前にウェストゲートバルブ３４を開弁して、排気ガスＧをバイパスさせる構成が必要になる。
【０００６】
ウェストゲートバルブ自体は、従来技術の１段ターボ過給システムでも設けられており、図５に示すように、ダイヤフラムタイプのバルブアクチュエータ７０を使用し、コンプレッサの下流の吸気を導入し、このコンプレッサの出口側の吸気圧力であるブースト圧力Ｐｉの値が一定値を超えるとダイヤフラム７１がバネ７２の付勢力に打ち勝って駆動軸７３を矢印Ｘ方向に駆動して、この駆動軸７３の先にある図示しないウェストゲートバルブを開弁する構成となっている。
【０００７】
そして、このウェストゲートバルブの開弁により、排気ガスをバイパスさせて、タービンの回転を抑制し、エンジンに供給される吸気の圧力が上昇し過ぎるのを防止し、それと同時に、エンジンに過給される吸気圧力（ブースト圧）が高くなりすぎて、ノッキングやシリンダの破損が発生するのを防止している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来技術のウェストゲートバルブを使用した場合には、ブースト圧の値によって開閉弁する構成であるので、図１に示すような直列２段ターボ過給システムでは使用できないという問題がある。
【０００９】
つまり、１段ターボ過給システムの場合には、ブースト圧と圧力比とが略１対１対応になるため、所定のブースト圧で開弁操作することは、対応する所定の圧力比で開弁操作したことになるが、一方、図１に示すような直列２段ターボ過給システム１の場合には、高圧段の過給機３０のコンプレッサ３２の圧力比が低い場合でも、低圧段の過給機４０のコンプレッサ４２の圧力比の高低によって、吸気マニホールド１１やインタークーラ１５に入る直前の吸気圧力であるブースト圧Ｐidが高くなったり、低くなったりするので、高圧段の過給機３０のコンプレッサ３２の圧力比とブースト圧Ｐidは１対１対応とならなくなる。
【００１０】
そのため、直列２段ターボ過給システム１の場合には、ブースト圧Ｐidが高くても低くても、高圧段の過給機３０の圧力比が高い場合があり、このブースト圧Ｐidだけでは、高圧段の過給機３０が許容回転数に近い回転数であるか余裕のある回転数であるか判断できない。
【００１１】
従って、ブースト圧Ｐidに対応させて、高圧段のタービン３１の緊急開放用のウェストゲート３４を開閉弁すると、低圧段側の過給機４０の圧力比が小さい時には、高圧段側の過給機３０の圧力比が高くてタービン３１の回転速度が許容回転速度に達した場合であっても、ブースト圧Ｐidは危険範囲に入る程高くならないので、ウェストゲートバルブ３４は閉弁のまま排気ガスを供給し続けることになり、過給機３０を破損してしまう結果となる。
【００１２】
また、低圧段側の過給機４０の圧力比が大きい時には、高圧段側の過給機３０の圧力比が低くてタービン３１の回転速度が許容回転速度に達することが無く、高圧段の過給機３０に危険性が無い場合でも、ウェストゲートバルブ３４が開弁してしまうので、直列２段のターボ過給システム１の適切な制御ができなくなる場合が発生する。
【００１３】
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、ブースト圧では無く、コンプレッサの圧力比に応じて開閉弁するウェストゲートバルブを高圧段の過給機に備え、この高圧段の過給機の安全性を保ちながら運転できる直列２段ターボ過給システムを提供することにある。
【００１４】
【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直列２段ターボ過給システムは、次のように構成される。
【００１６】
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タービンを上流側から直列に設けると共に、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であっ、前記第１タービンに流入する排気ガスをバイパスさせるウェストゲートバルブを設け、該ウェストゲートバルブは、前記第１コンプレッサの下流側の第１吸気圧力と前記第１コンプレッサの上流側の第２吸気圧力との比に応じて開閉するように形成される直列２段ターボ過給システムにおいて、
前記ウェストゲートバルブのバルブアクチュエータは、第１空気室と第２空気室の間に配置された内部ピストンと、該内部ピストンに連結し、該ウェストゲートバルブを開閉駆動する駆動軸とを有し、
前記第１空気室を前記第１コンプレッサの上流側に、前記第２空気室を前記第１コンプレッサの下流側に、それぞれ連通して形成されると共に、
前記内部ピストンの前記第１空気室側の第１受圧面と、前記第２空気室側の第２受圧面との面積比を、該ウェストゲートバルブを開弁する時の前記第１吸気圧力と前記第２吸気圧力との圧力比になるようにして形成する。
【００１７】
なお、内部ピストンの摩擦やエンジンを停止した時に内部ピストンを閉弁位置に戻すためのバネ力等が関係するので、必ずしも、この面積比と圧力比は厳密に同一の値である必要はなく、これらの作動時の補正値を含んだ、略同じ値であればよい。
【００１８】
以上の構成の直列２段ターボ過給システム用においては、高圧段の第１過給機に設けられるウェストゲートバルブは、高圧段の第１コンプレッサの出口側の第１吸気圧力（ブースト圧）では無く、高圧段の第１コンプレッサの出口側の第１吸気圧力と入口側の第２吸気圧力との圧力比によって、開閉弁するので、低圧段のコンプレッサの圧力比によってブースト圧力が変化するので、直列２段ターボ過給システムの高圧段の過給機を安全に運転することができる。
【００１９】
なお、ウェストゲートバルブを高圧段の第１コンプレッサの出口側の第１吸気圧力と入口側の第２吸気圧力との圧力差で作動する場合についても考えると、２段直列ターボ過給システムにおいては、例えば、同じ１００ｋＰａの圧力差であっても、入口圧力（第２吸気圧力）が低圧段のコンプレッサの圧力比によって異なるので、入口圧力が１００ｋＰａで、出口圧力（第１吸気圧力）が２００ｋＰａで圧力比２の時もあれば、入口圧力が２００ｋＰａで、出口圧力が３００ｋＰａで圧力比１．５の時もあるので、高圧段の過給機の圧力比と直接関係しないことが分かる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る直列２段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。
【００２１】
最初に、直列２段ターボ過給システムの全体構成について説明する。
【００２２】
図１に示すように、この直列２段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が設けられている。
【００２３】
また、吸気マニホールド１１に接続された吸気通路１２には、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が設けられている。
【００２４】
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。
【００２５】
この制御装置６０は、負荷センサ６１や回転速度センサ６２等からエンジンの運転状態を判断し、エンジン１０の高負荷高回転の運転領域等の、低圧段の第２コンプレッサ４２によって圧縮され昇温した吸気の冷却を強める必要のある時に、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ように構成される。
【００２６】
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される。
【００２７】
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。
【００２８】
この直列２段ターボ過給システム１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。
【００２９】
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。
【００３０】
〔ウェストゲートバルブ〕
次に、本発明の特徴となる直列２段ターボ過給システムの第１過給機３０に設けられるウェストゲートバルブ３４について説明する。
【００３１】
このウェストゲートバルブ３４は、第１タービン３１に対して、緊急開放用に流入する排気ガスをバイパスさせるためのものであり、図１に示すように、第１タービン３１に設けられる。
【００３２】
そして、万一、排気バイパス通路２４の調整バルブ２５が故障した場合であっても、排気マニホールド２１から出た排気ガスが直接流入する高圧段の第１タービン３１を保護することができるようにする。
【００３３】
このウェストゲートバルブ３４は、図２〜図３に示すようなバルブアクチュエータ３５により、開閉操作されるが、このバルブアクチュエータ３５は、第１空気室３８ａと第２空気室３８ｂとこの間を仕切る内部ピストン３７を有し形成され、この内部ピストン３７は、ウェストゲートバルブ３４を開閉駆動する駆動軸３６に連結されている。
【００３４】
この第１空気室３８ａは、第１コンプレッサ３２の上流側の第２吸気圧力Ｐiuとなるように、第１コンプレッサ３２の上流側の吸気通路１２と連通し、また、第２空気室３８ｂは、第１コンプレッサ３２の下流側の第１吸気圧力Ｐidとなるように、第１コンプレッサ３２の下流側の吸気通路１２と連通して構成される。
【００３５】
そして、図４に示すように、内部ピストン３７の第１空気室３８ａ側の第１受圧面３７ａの面積Ｓａと、第２空気室３８ｂ側の第２受圧面３７ｂの面積Ｓｂとの比（Ｓａ／Ｓｂ）が、所定の値Ｃｐとなるように、内部ピストン３７の径Ｄと、第２受圧面３７ｂに接続する駆動軸３６の面積調整部３６ｂの径ｄを決めて形成する。この場合に、面積比（Ｓａ／Ｓｂ）は（Ｄ×Ｄ）／（Ｄ×Ｄ−ｄ×ｄ）＝Ｃｐとなる。
【００３６】
また、この内部ピストン３７の移動を規制するために、ストッパ３７ｂを第２空気室３８ｂに設け、また、このストッパ３７ｂに内部ピストン３７を押圧するコイルバネ３７ａを第１空気室３８ａに配設する。このコイルバネ３７ａのバネ力はエンジンを停止した時に、ウェストゲートバルブ３４が、閉弁位置に戻ることができる最低限の付勢力を発揮できる強さとする。
【００３７】
このバルブアクチュエータ３５の構成によれば、第１コンプレッサ３２の上流側（入口側）の第２吸気圧力Ｐiuと下流側（出口側）の第１吸気圧力Ｐidの関係が、Ｐiu×Ｓａ＜Ｐid×Ｓｂとなった場合に、内部ピストン３７及び駆動軸３６が矢印Ｘ方向に動き、ウェストゲートバルブ３４を開弁する。また、Ｐiu×Ｓａ＞Ｐid×Ｓｂとなった場合には、内部ピストン３７及び駆動軸３６が矢印Ｙ方向に動き、ウェストゲートバルブ３４を閉弁する。
【００３８】
このウェストゲートバルブ３４が開弁する状態は、Ｐiu×Ｓａ＜Ｐid×Ｓｂであるが、これは、（Ｓａ／Ｓｂ）＜（Ｐid／Ｐiu）の場合であり、第１コンプレッサ３２の圧力比（Ｐid／Ｐiu）が所定の値Ｃｐ以上になる場合である。
【００３９】
なお、実用上では、内部ピストン３７の摩擦やエンジンを停止した時に内部ピストン３７を閉弁位置に戻すためのコイルバネ３７ａのバネ力等が関係するので、必ずしも、この面積比（Ｓａ／Ｓｂ）と圧力比（Ｐid／Ｐiu）は厳密に同一の値である必要はなく、これらの作動時の補正値を含んだ略同じ値となる。
【００４０】
この寸法の一例を上げると、高圧段の第１コンプレッサ３２の上流側圧力Ｐiuが絶対圧表示で約１５０ｋＰａ（約１．５気圧），下流側圧力Ｐidが約３００ｋＰａ（３．０気圧）程度であるので、上流側圧力Ｐiuが１００ｋＰａ〜２００ｋＰａで、下流側圧力Ｐidが２００ｋＰａ〜４００ｋＰａで開弁させる場合が多く、例えば、圧力比Ｃｐが２以上で開弁させる場合には、面積比（Ｓａ／Ｓｂ）を２とすることになり、仮にＤ＝３ｃｍとした場合には、Ｓａ＝７ｃｍ2 、Ｓｂ＝３．５ｃｍ2 となり、ｄ＝２．１ｃｍとなる。
【００４１】
この構成のウェストゲートバルブ３４によれば、Ｃｐをウェストゲートバルブ３４を開弁させる圧力比に設定することにより、所定の圧力比Ｃｐでウェストゲートバルブ３４を開弁させることができる。
【００４２】
従って、以上の構成の直列２段ターボ過給システムによれば、高圧段の第１過給機３０の第１タービン３１に設けたウェストゲートバルブ３４が、第１タービン３１で駆動される第１コンプレッサ３２の圧力比（Ｐid／Ｐiu）が所定の値Ｃｐ以上になった時に開弁するので、何らかの原因で、排気バイパス通路２４の調整バルブ２５が故障した場合であっても、高圧段の第１過給機３０を保護でき、安全に運転できる。
【００４３】
【発明の効果】
以上の説明したように、本発明に係る直列２段ターボ過給システムによれば、高圧段の第１過給機に設けたウェストゲートバルブが、高圧段の第１コンプレッサの出口側の吸気圧力と入口側の吸気圧力との圧力比によって開閉弁するので、確実に高圧段の第１過給機を保護でき、安全に運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る直列２段ターボ過給システムを示す構成図である。
【図２】本発明に係る直列２段ターボ過給システムに使用するウェストゲートバルブのバルブアクチュエータの構成を示す斜視図である。
【図３】図２のバルブアクチュエータの側断面図である。
【図４】図２のバルブアクチュエータの受圧面を示す図で、（ａ）は第１受圧面を示し、（ｂ）は第２受圧面を示す。側断面図である。
【図５】従来技術のウェストゲートバルブのバルブアクチュエータの構成を示す側断面図である。
【符号の説明】
１  ターボ過給システム
１０  内燃機関
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２コンプレッサ
３３  ウェストゲート
３４  ウェストゲートバルブ
３５  バルブアクチュエータ
３６  駆動軸
３７  内部ピストン
３７ａ  第１受圧面
３７ｂ  第２受圧面
３８ａ  第１空気室
３８ｂ  第２空気室
４０  第２の過給機
４１  第２タービン
４２  第２コンプレッサ
Ｐid  第１吸気圧力
Ｐiu  第２吸気圧力
【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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