JP3379112B2 - 内燃機関の過給装置 - Google Patents

内燃機関の過給装置

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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は、複数のターボチャージ
ャを使用した内燃機関の過給装置に関するものである。 【0002】 【従来の技術】近来にあっては、過給エンジンの加速性
能等を向上させるものとして複数のターボチャージャを
備えたシーケンシャルターボシステムが提案されてい
る。 【0003】図7に示すように、従来この種の過給装置
は、二台のターボチャージャ1,2を並列に設けて、排
気流量の少ない低速運転域では、排気切換弁3,4の操
作により排気を小容量の第一ターボチャージャ1のター
ビン5に供給して駆動させることにより所望の過給圧を
得るようになっている。そして、回転数が上がって排気
流量が増して第一ターボチャージャ1のコンプレッサ6
による吐出圧が高くなると、排気切換弁3,4を操作し
て第二ターボチャージャ2のタービン7にも排気を供給
してこれを回転駆動させると共に、給気切換弁8,9の
操作によりそのコンプレッサ10による圧気をエンジン
に供給するようになっている。 【0004】またこのほかターボチャージャを直列に設
けるシステムも知られており、同様な排気切換弁及び給
気切換弁の操作により、低回転域では小容量のターボチ
ャージャにより、また高回転域では大容量のターボチャ
ージャにより過給を行うようになっている。 【0005】 【発明が解決しようとする課題】ところで上記従来のシ
ーケンシャルターボシステムにおいては、切換弁3,4
8,9のON-OFF動作に伴って生ずる過給圧(ブースト
圧)の段差が、走行フィーリングを悪化させることが課
題となっていた。 【0006】また排気切換弁3,4は高温中で使用する
ため、耐久性(ガスシール性、摩耗、キレツ)が悪いと
いう問題があった。 【0007】そこで本発明は、上記事情に鑑み、ターボ
チャージャの切替えの際に過給圧の段差がなく、しかも
耐久性が良好となる内燃機関の過給装置を提供すべく創
案されたものである。 【0008】なお本発明に対比すべき技術として、直列
のタービン側に流量制御弁を備えたバイパス通路を設け
ると共に、その下流側のタービンに容量可変機構を設け
て、これらを機関の運転条件に応じて制御させる提案
(「排気ターボ過給装置」,特開昭61−210223
号公報)もなされているが、流量制御弁が排気側に設け
られていることで、上記耐久性の課題が残されていると
考えられる。 【0009】本発明は、内燃機関の過給装置であって、
常時駆動される比較的小容量の第一のターボチャージャ
と、この第一のターボチャージャと並列に設けられター
ビン容量可変機構を有した比較的大容量の第二のターボ
チャージャと、この第二のターボチャージャのコンプレ
ッサとエンジンの給気口とを結ぶ給気路に設けられた給
気開閉弁と、この開閉弁の給気上流側及び下流側に設け
られた圧力センサーと、内燃機関の回転速度等が所定値
以上になったときにタービン容量可変機構の動作により
第二のターボチャージャを適宜駆動させると共に圧力セ
ンサーによる検出値に基づいて給気開閉弁を制御するコ
ントローラとを備えたものである。 【0010】 【0011】 【作用】上記構成によって、機関の全回転域に亘って適
正な過給が為されると共に、ブースト圧の段差がなくな
って走行フィーリングが向上する。 【0012】また上記構成によって、機関の低速運転時
においては第一のターボチャージャが駆動されて適宜な
過給を行う。高速運転時においては、コントローラがタ
ービン容量可変機構を制御して第二のターボチャージャ
を回転数等に応じて駆動させると共に、この切替えの際
に、圧力センサーの検出値が等しくなるようにタービン
容量可変機構を制御して過給圧を高めてから給気開閉弁
を開いて、第二のターボチャージャによる圧気を給気口
へ合流させる。 【0013】 【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に従って説
明する。 【0014】まず図1によって、本発明に係わる内燃機
関の過給装置の一実施例を説明する。この過給装置は、
比較的小容量の第一のターボチャージャ11と、第一の
ターボチャージャ11と並列に設けられた比較的大容量
の第二のターボチャージャ12と、第二のターボチャー
ジャ12の給気路13に設けられた給気開閉弁14と、
給気開閉弁14の給気上流側及び下流側に設けられた圧
力センサー15,16と、第二のターボチャージャ12
及び給気開閉弁14を適宜駆動させるためのコントロー
ラ(CPU)17とにより主として構成されている。 【0015】第一のターボチャージャ11は、コンプレ
ッサ18及びタービン19を同軸に備えた公知のもの
で、エンジン20の排気マニホールド21に接続された
排気管22にタービン19のガス入口23が取り付けら
れていると共に、外気を取り入れる吸気パイプ24がコ
ンプレッサ18の空気入口25に接続され、吐出口26
に取り付けられた給気管26がエンジン20の給気マニ
ホールド27に連結されている。 【0016】第二のターボチャージャ12は、タービン
28のガス入口29が排気管26の下流側に取り付けら
れていると共に、コンプレッサ30は第一のターボチャ
ージャ11とは別個の吸気パイプ31に接続されてお
り、その給気路13を区画する第二の給気管32は第一
の給気管26と並行に伸びて給気マニホールド27に連
結されている。そしてタービン28には、ガス流量を調
節するためのタービン容量可変機構33が備えられてい
る。 【0017】図2及び図3に示すように、このタービン
容量可変機構33は、タービン28たるタービンホイー
ル34のノズルスロート部35に設けられた多数のノズ
ルベーン36と、これらノズルベーン36にノズルリン
クプレート37及びスライドジョイント38を介して連
結された回転リング39と、回転リング39に駆動リン
クプレート40を介して連結された駆動レバー41とで
構成されている。そして駆動レバー41がアクチュエー
タたるステップモータ42により無段階に駆動されるこ
とにより、回転リング39がタービンシャフト43を中
心にして回転し、この回転によりノズルベーン36が一
斉にそれぞれの軸回りに回転して傾き角度を変えること
により、ノズル開度が変更されるようになっている。特
に本実施例にあっては、図中二点鎖線(36a)にて示
すように、ノズルベーン36同士が適宜重なるように回
転位置されてノズル全閉となる状態が形成されるように
なっている。 【0018】給気開閉弁14は、第二のターボチャージ
ャ12のコンプレッサ30の吐出口44とエンジン20
の給気口となる給気マニホールド27との間に位置され
ており、ステップモータ45の駆動により給気路13を
遮断する全閉から給気路13を開放する全開の状態まで
動作するようになっている。 【0019】圧力センサー15,16は、第二の給気管
内32の過給圧を検出するものであり、その検出信号を
コントローラ17に入力するようになっている。 【0020】コントローラ17は、圧力センサー15,
16による過給圧検出値のほか、エンジン回転速度及び
負荷が入力されるようになっており、これらの情報に基
づいてステップモータ42,45への作動信号を出力す
るようになっている。すなわちこのコントローラ17に
は、エンジン回転数と負荷とで決まる最適な過給圧が予
め制御マップ(図6参照)の形で組み込まれており、エ
ンジン回転数Rが設定した所定値RA 以上に、言い換え
ると第一のターボチャージャ11による過給圧よりも高
い過給圧を必要とするような状態になったときに、この
制御マップから最適過給圧Pを抽出すると共に、この最
適過給圧Pにすべくノズルベーン36の開度を変化させ
るようになっている。そしてノズルベーン36の動作に
より第二のターボチャージャ12による過給を開始する
際に、閉じられていた給気開閉弁14の両側の圧力
1 ,P2 が等しくなってから、給気開閉弁14を開か
せるようになっている。 【0021】次に本発明に係わる内燃機関の過給方法の
一実施例を、上記構成の作用として説明する(図4参
照)。 【0022】上記過給装置により過給制御するに際し
て、エンジン20を始動させる時点では第二のターボチ
ャージャ12のタービン容量可変機構33のノズルベー
ン36は全閉の状態に、またその第二の給気管32の給
気開閉弁14も全閉の状態にしておく(ST 1)。すなわ
ち第一のターボチャージャ11のみが、排気に応じたタ
ービン駆動によりエンジン20に過給を行う。そしてエ
ンジン稼動中は、コントローラ17が回転数及び負荷を
常時入力させ(ST 2)、エンジン回転数R1 と所定値R
A とを比較する(ST 3)。エンジン回転数R1 が所定値
A を越えない状態(R1 ≦RA )であれば、そのまま
第一のターボチャージャ11のみの駆動を継続する。 【0023】エンジン回転数R1 が所定値RA 以上にな
ると(R1 >RA )、コントローラ17はステップモー
タ42に作動信号を出力し、ノズルベーン36を開く
(ST 4)。このノズル開度に応じて第二のターボチャー
ジャ12のタービン28が排気エネルギーにより回転駆
動され、第二の給気管32に圧気を流入させる。コント
ローラ17は、圧力センサー15,16による検出値の
入力により、閉じられている給気開閉弁14の下流側、
すなわち第一のターボチャージャ11による圧気が供給
されている給気マニホールド27側の圧力P1 と、第二
のターボチャージャ12による給気上流側の圧力P2
を比較し(ST 5)、これらが等しくなった時点で、給気
開閉弁14を開く(ST 6)。これで第二のターボチャー
ジャ12による圧気が給気マニホールド27に流入す
る。 【0024】そしてコントローラ17は、図6に示した
制御マップに従って所望する過給圧Pとなるようにベー
ン開度を制御する(ST 7)。すなわち図5に示すよう
に、エンジン回転数Rが所定値RA に達した以降は、第
一のターボチャージャ11の過給圧に加えて、タービン
容量可変機構33により制御される第二のターボチャー
ジャ12の過給圧が加算されたものとなる。 【0025】またコントローラ17は第二のターボチャ
ージャ12が駆動開始した以降も回転数R2 を入力させ
て(ST 8)所定値RA と比較し、所定値RA 以上が維持
されていればそのままの制御を行い(ST 9)、所定値R
A 以下に落ちたらベーン開度を絞る(ST10)。そしてベ
ーン開度が図5に示した所定値Bになったなら(ST1
1)、給気開閉弁14を全閉にすると共に、ノズルベー
ン36を全閉にする。すなわちエンジンスタート時の状
態に戻し(RETURN,ST 1 )、第一のターボチャージャ1
1のみにより過給を行う。 【0026】このように、常時駆動される第一のターボ
チャージャ11と、タービン容量可変機構33を有した
第二のターボチャージャ12とを並列に設け、第二の吸
気管32内に設けられた給気開閉弁14の上下流側に圧
力センサー15,16を設けて、内燃機関の回転速度及
び負荷に応じてノズルベーン33を駆動させると共に切
替え時に給気開閉弁14を開閉させるコントローラ17
を備えて、低速低負荷運転の際には第一のターボチャー
ジャ11のみを駆動させ、高速高負荷運転の際にはさら
に第二のターボチャージャ12を制御駆動させる共に、
その過給圧を充分高めてから給気マニホールド27に合
流させるようにしたので、回転全域に亘って最適な過給
が達成されると共に、第二のターボチャージャ12の駆
動開始或いは駆動停止の切替えの際に、過給圧の段差に
よる走行フィーリングの悪化が生じることがない。すな
わち所定の回転数RA に達して第二のターボチャージャ
12を駆動させる際に、給気マニホールド27には既に
第一のターボチャージャ11による圧気が供給されてお
り、閉じられている給気開閉弁14の給気下流側の方が
高圧の状態にある。このためノズルベーン33を開いて
第二のターボチャージャ12を駆動させると同時に給気
開閉弁14を開くと、給気路13において給気の逆流が
生じることになり、本発明はこれを未然に防いでいるも
のである。 【0027】そしてこのような構成にしたことで、従来
排気側に必要であった流量制御弁を廃止でき、耐久性の
向上が達成される。 【0028】なおタービン容量可変機構としては、図2
及び図3に示した構成に限るものではなく、ノズル開度
を適宜増減させ得るものであれば、どの様な構成のもの
でも構わない。また内燃機関としてはディーゼルエンジ
ンでもガソリンエンジンでも適用できる。 【0029】 【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。 【0030】(1) 切替え時に過給圧の段差が生じること
を防止でき、走行フィーリングの向上が達成される。 【0031】(2) 排気側に流量制御弁を必要とせず、耐
久性の向上が達成される。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明に係わる内燃機関の過給装置の一実施例
を示した正面図である。 【図2】図1中の第二のターボチャージャを示した側断
面図である。 【図3】図2の要部正面図である。 【図4】本発明に係わる内燃機関の過給方法の一実施例
を示したフローチャートである。 【図5】本発明の作用を説明するためのエンジン回転数
と過給圧、ベーン開度及び給気開閉弁との関係図であ
る。 【図6】図1中のコントローラに備えられる制御マップ
である。 【図7】従来の内燃機関の過給装置を示した構成図であ
る。 【符号の説明】 11 第一のターボチャージャ(他方のターボチャージ
ャ) 12 第二のターボチャージャ(一方のターボチャージ
ャ) 13 給気路 14 給気開閉弁 15,16 圧力センサー 17 コントローラ 20 エンジン 27 給気マニホールド(内燃機関の給気口) 33 タービン容量可変機構

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 常時駆動される比較的小容量の第一のタ
    ーボチャージャと、該第一のターボチャージャと並列に
    設けられタービン容量可変機構を有した比較的大容量の
    第二のターボチャージャと、該第二のターボチャージャ
    のコンプレッサとエンジンの給気口とを結ぶ給気路に設
    けられた給気開閉弁と、該開閉弁の給気上流側及び下流
    側に設けられた圧力センサーと、内燃機関の回転速度等
    が所定値以上になったときに上記タービン容量可変機構
    の動作により上記第二のターボチャージャを適宜駆動さ
    せると共に上記圧力センサーによる検出値に基づいて上
    記給気開閉弁を制御するコントローラとを備えたことを
    特徴とする内燃機関の過給装置。
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