JP5903264B2

JP5903264B2 - 多段過給装置

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Publication number: JP5903264B2
Application number: JP2011280798A
Authority: JP
Inventors: 陽目黒
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2031-12-22
Also published as: JP2013130137A

Description

本発明は、内燃機関に備えられ、複数の過給機を有する多段過給装置に関する。

内燃機関の過給装置の一つとして、過給効果を高めるために複数の過給機からなる多段過給装置が知られている。この多段過給装置では、例えば機関回転数が小さい場合には容量の小さい高圧段側の過給機を駆動し、機関回転数が大きい場合には、容量の大きい低圧段側の過給機を駆動する等して、広範囲の回転域に対応している。

図３に、２つの過給機からなる二段過給装置の一例を示す。内燃機関１００に備えられた二段過給装置１０１は、低圧段過給機１０３と高圧段過給機１０４とを備えている。内燃機関本体１０２のエキゾーストマニホールド１０５には、排気浄化装置（図示略）へ連通する排気側過給通路１０７が接続され、その排気側過給通路１０７のうち上流側には、高圧段過給機１０４の高圧段タービン室１０８が接続されている。また、高圧段タービン室１０８には、連通路１０９を介して、低圧段過給機１０３の低圧段タービン室１１０が接続されている。

図４に示すように、第１の連通路１０９は、内側に高圧段タービン室１０８を有するハウジング１１１の排出口と、内側に低圧段タービン室１１０を有するハウジング１１２の導入口とを連結している。また、低圧段側のハウジング１１２の排出口には、排気浄化装置に連通する出口側排気通路１１３が連結されている。高圧段側のハウジング１１１から送り出された排気は、第１の連通路１０９を介して、低圧段側のハウジング１１２に供給される。低圧段側のハウジング１１２から送り出された排気は、出口側排気通路１１３に供給される。

また、図３に示すように、排気側過給通路１０７のうち高圧段タービン室１０８よりも上流からは、高圧段タービン室１０８を迂回する迂回通路１１４が分岐している。この迂回通路１１４の途中には切替バルブ１１５が備えられ、該バルブ１１５を開閉することによって、排気を迂回通路１１４を介して低圧段タービン室１１０へ供給する状態と、高圧段タービン室１０８から低圧段タービン室１１０に供給する状態とを切り替える。

また、出口側排気通路１１３に接続された排気浄化装置は、酸化触媒、排気中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集するＤＰＦ等を備えている。また最近では、排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を選択的に浄化する尿素選択還元型触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）装置が備えられた排気浄化装置もある。

この尿素ＳＣＲ装置の一例としては、排気通路に選択還元型触媒と、尿素水溶液を排気通路に添加する添加バルブとを備えるものがある。この添加バルブにより、排気通路内に尿素水溶液が添加されることで、触媒上で排気中のＮＯｘが選択的に還元除去される。

一方、二段過給装置１０１は、排気側過給通路１０７の経路が長くなるために、経路内を移動するに従い排気の温度が低下していく問題を有していた。このため、図４に示すように、低圧段タービン室１１０の排出口における排気温度ＴＬ１は、高圧段タービン室１０８の排出口における排気温度ＴＨよりも低くなる。また、低圧段タービン室１１０から排出された排気は出口側排気通路１１３を通過する間に放熱するため、出口側排気通路１１３の出口における排気温度ＴＬ２は、低圧段タービン室１１０の排出口における排気温度ＴＬ１よりもさらに低くなる。

排気浄化装置に供給される排気の温度が低下すると、排気の浄化率低下の要因となるおそれがある。例えば、尿素ＳＣＲ装置は、熱応答性が高く、排気温度の低下は、アンモニアによる還元反応が促進されない要因、又は尿素水溶液の加水分解効率が低下する要因となることがある。また、ＤＰＦでは、触媒再生時の温度低下により、ＰＭ堆積量が増え、フィルタの詰まりが発生しやすくなる可能性がある。

この問題を解決するために、特許文献１では、高圧段タービン室と低圧段タービン室との間に小容量触媒を配置する装置が提案されている。この装置では、小容量触媒に高圧段タービン室から排出された高温の排気を接触させることで、浄化率の向上を図っている。

特開２０１０−１２１５２１号公報

しかし、二段過給装置１０１は、連通路１０９や迂回通路１１４等、多数の管路が設けられるために大型化する問題があり、高圧段タービン室１０８及び低圧段タービン室１１０の間に小容量触媒を配設する構成では、多段過給装置の搭載スペースがさらに拡大されてしまう。

本発明は、上記実情を鑑みてなされたものであり、その目的は、良好な搭載性を保持しつつ、排気浄化率を高めることができる多段過給装置を提供することにある。

本発明の態様の一つは、複数の過給機を備える内燃機関の多段過給装置において、高圧段過給機のタービンホイールが収容される高圧段タービン室と低圧段過給機のタービンホイールが収容される低圧段タービン室とを接続する連通路と、前記低圧段タービン室と、該多段過給装置よりも下流に配置された排気浄化装置とを接続する出口側排気通路とを備え、前記連通路の一部と前記出口側排気通路の一部とが隣接し、前記連通路及び前記出口側排気通路は、ハウジングに一体に備えられ、前記連通路と前記出口側排気通路とが隣接した隣接領域は、前記ハウジングの側壁部によって区画され、前記連通路は、前記高圧段タービン室の排出口から直線状に延びたあとに前記低圧段タービン室側へ屈曲する形状を有し、前記ハウジングの側壁部は、前記連通路のうちで前記低圧段タービン室側へ屈曲する部分である屈曲部を含み、前記高圧段タービン室の排出口に対向する位置に位置することである。

本発明の態様の一つでは、多段過給装置は、高圧段タービン室からの高温の排ガスが供給される連通路と、排気浄化装置に接続する出口側排気通路とを隣接させた構成を有する。このため、連通路と出口側排気通路との間の熱伝導性が高められ、連通路内の高温側の排ガスから、出口側排気通路内の低温側の排ガスに移動する熱量を大きくすることができる。従って、排気浄化率向上のための特殊な装置を別途設けることなく、連通路を流れる排ガスが有する熱量を有効利用して、排気浄化装置に供給される排ガスの温度を上昇させることができる。このため、良好な搭載性を保持しながら排気浄化装置の浄化効率を高めることができる。

本発明の態様の一つでは、連通路と出口側排気通路の隣接領域は、ハウジングの側壁部によって区画されているため、連通路と出口側排気通路の間に熱伝導率の低い空気が介在しない。このため、連通路から出口側排気通路へ熱が伝達される際に損失する熱量を軽減することができる。

本発明の態様の一つは、前記連通路と前記出口側排気通路とが隣接した隣接領域では、前記連通路内の排ガスの流れに対して前記出口側排気通路内の排ガスの流れが逆方向となることである。

本発明の態様の一つでは、多段過給装置は、隣接領域で、連通路内の排ガスの流れと出口側排気通路内の排ガスの流れとが逆になる配置を有する。このような配置にすることにより、経路の長さの変更量を小さくしつつ、連通路及び出口側排気通路とを隣接させることができる。

本発明の態様の一つでは、前記ハウジングの側壁部は、前記出口側排気通路のうち前記低圧段タービン室の排出口よりも下流側の部位を構成することである。
本発明の態様の一つでは、連通路は、出口側排気通路のうち排出口よりも下流側の流路に隣接しているので、排気浄化装置に供給される直前の排ガスに熱を移動させることができる。このため、熱伝熱後の損失量を軽減することができる。
本発明の態様の一つでは、前記ハウジングの側壁部は、前記出口側排気通路のうち前記低圧段タービン室の排出口よりも前記排気浄化装置側に偏倚した部位を構成することである。

本発明の態様の一つは、前記出口側排気通路は、尿素選択還元型触媒装置と連通していることである。
本発明の態様の一つでは、出口側排気通路は、温度応答性が高い尿素選択還元触媒装置に連通しているので、特に効果を発揮できる。

本発明に係る多段過給装置を備えた第１実施形態の内燃機関の概略図。同多段過給装置の排気系の要部断面図。従来の多段過給装置を備えた内燃機関の概略図。従来の多段過給装置の排気系の要部断面図。

以下、本発明の多段過給装置をディーゼルエンジンに搭載された装置として具体化した第１実施形態について、図１〜図２を参照して説明する。
図１に示すように、内燃機関１０は、外部から取り込まれた吸気を内燃機関本体１１へ供給する吸気通路１２と、内燃機関本体１１から送り出された排気を外部へ排出する排気通路１３とを備えている。また、内燃機関１０は、高圧段過給機１６及び低圧段過給機１７を有する二段過給装置１５を備えている。

高圧段過給機１６は、ハウジング２２内に、高圧段タービン室２３と高圧段コンプレッサ室２４とを備える。高圧段タービン室２３には、排気の供給により回転する高圧段タービンホイール２５が収容されている。高圧段コンプレッサ室２４には、吸気を圧縮する高圧段コンプレッサホイール２６が収容されている。これらのホイール２５，２６は、ローターシャフトＳ１によって互いに接続されている。

低圧段過給機１７は、高圧段過給機１６に比べて大きい容積を有している。低圧段過給機１７は、ハウジング２８内に、低圧段タービン室２９と低圧段コンプレッサ室３０とを備える。低圧段タービン室２９には、排気により回転する低圧段タービンホイール３１が収容されている。また低圧段コンプレッサ室３０には、吸気を圧縮する低圧段コンプレッサホイール３２が収容されている。これらのホイール３１，３２は、ローターシャフトＳ２によって互いに接続されている。

また、二段過給装置１５は、吸気通路１２の一部を構成する吸気側過給通路１８を備えている。吸気側過給通路１８は、吸気通路１２の途中に設けられたエアクリーナ１９とインタークーラ２０との間に設けられている。

この吸気側過給通路１８は、エアクリーナ１９と低圧段コンプレッサ室３０との間に設けられた入口側吸気通路３３を備えている。また、吸気側過給通路１８は、低圧段コンプレッサ室３０と高圧段コンプレッサ室２４とを連通する吸気側連通路３４を備えている。さらに、吸気側過給通路１８は、高圧段コンプレッサ室２４とインタークーラ２０とを接続する出口側吸気通路３５を備えている。吸気側連通路３４の途中と出口側吸気通路３５とには吸気側迂回通路３６が接続されている。この吸気側迂回通路３６の途中には、吸気側切替バルブ３７が設けられ、該バルブ３７を開閉することによって吸気側迂回通路３６が開路及び閉路される。

また二段過給装置１５は、排気通路１３の一部を構成する排気側過給通路２１を備えている。排気側過給通路２１は、内燃機関本体１１のエキゾーストマニホールド５１と排気浄化装置５５との間に設けられている。

この排気側過給通路２１は、エキゾーストマニホールド５１と高圧段タービン室２３との間に設けられた入口側排気通路３８を備えている。また、排気側過給通路２１は、高圧段タービン室２３と低圧段タービン室２９とを連通する排気側連通路４０を備えている。さらに、排気側過給通路２１は、低圧段タービン室２９と排気浄化装置５５とを連通する出口側排気通路４１を備えている。

入口側排気通路３８の途中と排気側連通路４０との間には排気側迂回通路４２が接続されている。排気側迂回通路４２の途中には、排気側切替バルブ４３が設けられ、該バルブ４３を開閉することによって排気側迂回通路４２が開路及び閉路される。

また、出口側排気通路４１には、排気通路１３の上流側から順に、酸化触媒５６、ＤＰＦ５７、及び尿素ＳＣＲ装置５８が接続されている。
機関回転数が低い低回転域では、吸気側切替バルブ３７及び排気側切替バルブ４３は閉状態とされる。これにより、エキゾーストマニホールド５１から送り出された排気は、入口側排気通路３８を介して、高圧段タービン室２３に供給される。高圧段タービン室２３から送り出された排気は、排気側連通路４０を介して低圧段タービン室２９に供給され、低圧段タービン室２９から排気浄化装置５５側に送り出される。

低回転域では排気量が少ないために、排気は、上流側に配置されるとともに低圧段タービンホイール３１よりも小さい高圧段タービンホイール２５のみを回転させる。このため、低圧段タービンホイール３１はほぼ停止した状態となる。

また、エアクリーナ１９から入口側吸気通路３３を介して取り込まれた吸気は、低圧段コンプレッサ室３０に供給される。低圧段コンプレッサ室３０から送り出された吸気は、吸気側連通路３４を介して高圧段コンプレッサ室２４に供給される。上述したように、低回転域では、高圧段タービンホイール２５のみが回転するため、該ホイール２５に接続された高圧段コンプレッサホイール２６が回転し、高圧段コンプレッサ室２４に供給された吸気が圧縮されて、その下流側であるインタークーラ２０側に圧送される。インタークーラ２０によって冷却された吸気は、内燃機関本体１１のインテークマニホールド５０に供給される。

内燃機関本体１１の高回転域では、吸気側切替バルブ３７及び排気側切替バルブ４３は開状態にされる。これにより、エキゾーストマニホールド５１から送り出された排気は、入口側排気通路３８及び排気側迂回通路４２を介して低圧段タービン室２９に供給される。これにより、低圧段タービンホイール３１が回転し、該ホイール３１に従動して、低圧段コンプレッサホイール３２が回転する。

また、エアクリーナ１９から入口側吸気通路３３を介して取り込まれた吸気は、低圧段コンプレッサ室３０に供給され、回転する低圧段コンプレッサホイール３２によって圧縮される。圧縮された吸気は、吸気側連通路３４及び吸気側迂回通路３６を介してインタークーラ２０側に送り出される。

次に、二段過給装置１５の排気側過給通路２１の構成について説明する。図２に示すように、高圧段タービン室２３と低圧段タービン室２９とを連結する排気側連通路４０と、低圧段タービン室２９から送り出された排気を排気浄化装置５５に供給する出口側排気通路４１とは、鋳造等により成形された排気系ハウジング４７に一体に形成されている。

排気側連通路４０は、高圧段タービン室２３を内側に有する高圧段タービンハウジング４５の排出口と、低圧段タービン室２９を内側に有する低圧段タービンハウジング４６の導入口とを連結している。排気側連通路４０は、高圧段タービンハウジング４５から直線状に延びた後、低圧段タービンハウジング４６側へ屈曲する。さらに排気側連通路４０は、その屈曲部４０ａから、低圧段タービンハウジング４６の導入口に向かって延びる延出部４０ｂを備える。この屈曲部４０ａと、延出部４０ｂの一部とは、排気系ハウジング４７の側壁部４８を介して出口側排気通路４１と隣接している。

また、出口側排気通路４１は、低圧段タービンハウジング４６の排出口と、排気浄化装置５５の図示しない入口とを連結している。出口側排気通路４１は、低圧段タービンハウジング４６から排気浄化装置５５に向かって、排気側連通路４０側に偏倚するように屈曲し、排気側連通路４０の屈曲部４０ａ及び延出部４０ｂと、一枚の側壁部４８を介して接している。また、出口側排気通路４１のうち、排気側連通路４０に接する隣接領域４９は、出口側排気通路４１の入口よりも下流側、即ち排気浄化装置５５側に偏倚している。

このように排ガスが異なる方向に流れる排気側連通路４０及び出口側排気通路４１を連通させるため、隣接領域４９では、排気側連通路４０内の排ガスの流れに対して、出口側排気通路４１内の排ガスの流れがほぼ逆方向となる。このようなレイアウトにすることにより、例えば、排気側連通路４０及び出口側排気通路４１を隣接させるために、上流側の排気側連通路４０を下流側の出口側排気通路４１の隣まで引き延ばすことがない。

一方、高圧段タービン室２３の排出口近傍における排気温度ＴＨは、低圧段タービン室２９の排出口近傍における排気温度ＴＬ１よりも高いが、上述したように排気側連通路４０と出口側排気通路４１とを隣接させることで、排気側連通路４０から出口側排気通路４１に側壁部４８を介して熱が伝達されやすくなる。その結果、高温側の排気側連通路４０から、低温側の出口側排気通路４１へ移動する熱量が増加し、出口側排気通路４１内の排ガス温度が上昇する。

その結果、出口側排気通路４１のうち、排気側連通路４０との隣接領域４９よりも下流であって排気浄化装置５５の入口付近の排気温度ＴＬ２は、低圧段タービン室２９の排出口近傍における排気温度ＴＬ１よりも高温となる（ＴＬ１＜ＴＬ２＜ＴＨ）。このため、排気浄化装置５５に供給される排気の温度が上昇し、ＤＰＦ５７や、尿素ＳＣＲ装置５８の浄化効率を高めることができる。また、出口側排気通路４１と排気側連通路４０との隣接領域４９は、出口側排気通路４１の排出口よりも排気浄化装置５５側に偏倚しているので、排気浄化装置５５に流入する直前の排ガスに熱が伝達される。

この際、排気側連通路４０及び出口側排気通路４１の間には、排ガスよりも低温である空気（外気）が介在しないため、熱伝達の際の損失量が少なくなる。
以上説明したように、上記実施形態によれば、以下に列挙する効果が得られるようになる。

（１）上記実施形態によれば、二段過給装置１５は、高圧段タービン室２３からの高温の排ガスが供給される排気側連通路４０と、排気浄化装置５５に接続する出口側排気通路４１とを隣接させた構成を有する。このため、排気側連通路４０を流れる高温の排ガスから出口側排気通路４１を流れる低温の排ガスへ移動する熱量を大きくすることができる。従って、排気浄化率向上のための特殊な装置を別途設けることなく、排気側連通路４０を流れる排ガスの熱量を有効利用して、排気浄化装置５５に供給される排ガスの温度を上昇させることができるため、良好な搭載性を保持しながら排気浄化装置５５の浄化効率を高めることができる。

（２）上記実施形態によれば、排気側連通路４０及び出口側排気通路４１は、排気系ハウジング４７に一体に形成されている。即ち、排気側連通路４０と出口側排気通路４１の隣接領域４９は、排気系ハウジング４７の側壁部４８によって区画されているため、排気側連通路４０と出口側排気通路４１との間に排ガスよりも低温である空気（外気）が介在しない。このため、排気側連通路４０から出口側排気通路４１への熱が伝達される際の損失量を軽減することができる。

（３）上記実施形態によれば、二段過給装置１５は、排気側連通路４０及び出口側排気通路４１の隣接領域４９で、それらの流路内の排ガスの流れが逆になる配置を有する。このため、排気側連通路４０及び出口側排気通路４１を隣接させやすい配置となる。このような配置にすることにより、経路の長さをほぼ変更することなく、排気側連通路４０及び出口側排気通路４１とを隣接させることができる。

（４）上記実施形態では、排気側連通路４０は、出口側排気通路４１のうち排出口よりも下流側の流路に隣接しているので、排気浄化装置５５に供給される直前の排ガスを昇温することができる。このため、出口側排気通路４１に熱が伝達された後に失われる熱量を軽減することができる。

（５）上記実施形態では、出口側排気通路４１は、温度応答性が高い尿素ＳＣＲ装置５８に連通しているので、出口側排気通路４１の排気温度を数度上げるだけでも浄化効率が飛躍的に高まり、特に効果を発揮できる。

なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・上記実施形態では、排気側連通路４０と出口側排気通路４１とを排気系ハウジング４７に一体に形成するようにしたが、別のハウジングにそれぞれ形成された排気側連通路４０及び出口側排気通路４１を接した状態で配置するようにしてもよい。この際、隣接領域を薄肉化してもよい。

・上記実施形態では、排気側連通路４０の排気の流れと出口側排気通路４１の排気の流れを逆方向となるように配置したが、これ以外の配置でもよい。
・上記実施形態では、排気側連通路４０を、出口側排気通路４１のうち下流側の位置から隣接させるようにしたが、出口側排気通路４１の排出口から隣接させるようにしてもよい。

・上記実施形態では、低速回転時に高圧段過給機１６を駆動し、高速回転時に低圧段過給機１７を駆動するようにしたが、駆動方式はこれ以外の方式でもよい。例えば吸気側切替バルブ３７及び排気側切替バルブ４３を流量調整弁として機能させることにより、高速回転時に高圧段過給機１６及び低圧段過給機１７の両方を駆動させるようにしてもよい。

・上記実施形態では、多段過給装置を、高圧段過給機１６及び低圧段過給機１７からなる二段過給装置１５に具体化したが、複数の過給機を備えたものであればよい。

１０…内燃機関、１５…二段過給装置、１６…高圧段過給機、１７…低圧段過給機、２２，２８…ハウジング、２３…高圧段タービン室、２５，３１…タービンホイール、２９…低圧段タービン室、４０…排気側連通路、４１…出口側排気通路、４７…排気系ハウジング、４８…側壁部、４９…隣接領域、５５…排気浄化装置、５８…尿素選択還元型触媒装置。

Claims

複数の過給機を備える内燃機関の多段過給装置において、
高圧段過給機のタービンホイールが収容される高圧段タービン室と低圧段過給機のタービンホイールが収容される低圧段タービン室とを接続する連通路と、
前記低圧段タービン室と、該多段過給装置よりも下流に配置された排気浄化装置とを接続する出口側排気通路とを備え、
前記連通路の一部と前記出口側排気通路の一部とが隣接し、
前記連通路及び前記出口側排気通路は、ハウジングに一体に備えられ、
前記連通路と前記出口側排気通路とが隣接した隣接領域は、前記ハウジングの側壁部によって区画され、
前記連通路は、前記高圧段タービン室の排出口から直線状に延びたあとに前記低圧段タービン室側へ屈曲する形状を有し、
前記ハウジングの側壁部は、前記連通路のうちで前記低圧段タービン室側へ屈曲する部分である屈曲部を含み、前記高圧段タービン室の排出口に対向する位置に位置することを特徴とする多段過給装置。
前記連通路と前記出口側排気通路とが隣接した隣接領域では、前記連通路内の排ガスの流れに対して前記出口側排気通路内の排ガスの流れが逆方向となる請求項１に記載の多段過給装置。
前記ハウジングの側壁部は、前記出口側排気通路のうち前記低圧段タービン室の排出口
よりも下流側の部位を構成する請求項１又は２に記載の多段過給装置。
前記ハウジングの側壁部は、前記出口側排気通路のうち前記低圧段タービン室の排出口よりも前記排気浄化装置側に偏倚した部位を構成する請求項３に記載の多段過給装置。
前記出口側排気通路は、尿素選択還元型触媒装置と連通している請求項１〜４のいずれか１項に記載の多段過給装置。