JP2008019748A - ターボ過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】幅広い領域で高効率化が可能であるとともにガソリンエンジンにも適用可能なターボ過給機を提供する。
【解決手段】タービンスクロール内のガスを前記タービンホイールに導く１次ノズル５３及び２次ノズル５４と、２次ノズル５４の流路面積を調整可能な流路面積調整機構を構成する回転翼８０とを備え、２次ノズル５４は複数のノズルベーン５２で構成されている。ノズルベーン５２を固定式とすることで、耐熱性、耐振性を向上させることができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等に適用されるターボ過給機に関する。

高効率化のため、可変ベーン（可変ノズル）をタービンホイール周囲に設ける構成のいわゆるＶＧ（バリアブル・ジオメトリー）ターボ過給機が知られている（例えば、特許文献１ないし３等参照）。
また、特許文献４は、広い運転領域に渡り高効率化を図るべく、タービンハウジング内部の排気ガスを第１及び第２のノズルを用いてタービンホイールへ導くと共に第２のノズルを通るガス流量を調整する技術を開示している。
実開昭６３−６１５４６号公報 特開平６−１８５３７１号公報 特開平１１−２３６８１８号公報 特開２００６−３７８１８号公報

ところで、特許文献１〜４等に開示された技術は、ノズルを構成するノズルベーンの一枚一枚を可動式とする構造を採用し、ノズルベーンを駆動してノズルを通過するガス流量を調整する構造であるので、構造が複雑となると共に耐熱性、耐振動性が比較的低い。このため、ディーゼルエンジンへの適用が主であり、ガソリンエンジンに適用するのは容易ではない。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、幅広い領域で高効率化が可能であるとともにガソリンエンジンにも適用可能なターボ過給機を提供することにある。

本発明に係るターボ過給機は、タービンスクロール内のガスをタービンホイールに導く１次ノズル及び２次ノズルと、２次ノズルの流路面積を調整可能な流路面積調整機構とを備えることを特徴としている。
この構成によれば、新たに設けた流路面積調整機構により２次ノズルの流路面積を調整することにより、高効率化が可能となる。

上記構成において、１次ノズル及び２次ノズルは、タービンホイールの軸線方向に沿って並列して配置され、かつ、所定位置に固定された複数のノズルベーンから構成されている、構成を採用できる。
この構成によれば、１次ノズル及び２次ノズルは所定位置に固定された複数のノズルベーンから構成されているので、信頼性が高い構造となり、耐熱性、耐振性が向上する。

上記構成において、タービンスクロールに導入される排気ガスの流速が低い状態では、流路面積調整機構により２次ノズルの流路を閉じた状態にし、前記排気ガスの流速が第１の流速と第２の流速との間においては、当該流速に応じて前記２次ノズルの流路面積を調整し、排気ガスの流速が第２の流速を超える領域では、２次ノズルの流路を全開する、構成を採用できる。
この構成によれば、排気ガスの流速が第１の流速と第２の流速との間において、流速に応じて２次ノズルの流路面積を調整することにより、この領域における効率を向上させることができる。

本発明によれば、幅広い領域で高効率化が可能であるとともにガソリンエンジンにも適用可能なターボ過給機が提供される。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１ないし７は、本発明のターボ過給機の一実施形態を示す図であって、図１はターボ過給機の一部に破断断面を含む外観斜視図、図２はタービンホイールの軸線方向に沿ったターボ過給機の断面図、図３はタービンホイールの軸線に直交する方向におけるターボ過給機の断面図、図４は固定ノズルの外観斜視図、図５は流路面積調整機構の概略構成を示す斜視図、図６は流路面積調整機構を駆動する駆動機構を示す図、及び、図７は流路面積調整機構を含む固定ノズル周辺の断面図である。

このターボ過給機は、例えば、ガソリンエンジンの過給に適用されるものであって、図１に示すように、タービンハウジング１０、タービンブレードが形成されたタービンホイール２００、一端がタービンホイール２００と連結されて他端に図示しないコンプレッサが連結される回転軸２１０、タービンハウジング１０内に配置される固定ノズル５０、図示しないボルトによりタービンハウジング１０に固定された遮熱機能を有するシュラウドプレート７０等から構成されている。

タービンハウジング１０は、鋳鉄等の金属材料により鋳造され、図１ないし図３に示すように、タービンホイール２００の軸線方向において互いに環状の隔壁部３１で隔てられた第１及び第２のスクロール室３０Ａ，３０Ｂを備え、ガス通路２０Ａ，２０Ｂから導入された排気ガスが第１及び第２のスクロール室３０Ａ，３０Ｂへ導かれるようになっている。

固定ノズル５０は、図１ないし図３に示すように、タービンハウジング１０内に配置されており、図４に示すように、環状のベース５６と環状の中間プレート５５の間の所定位置に固定された複数のノズルベーン５１から構成されて第１のスクロール室３０Ａの排気ガスをタービンホイール２００へ導く１次ノズル５３を備えていると共に、環状の中間プレート５５の所定位置に固定された複数のノズルベーン５２から構成されて第２のスクロール室３０Ｂの排気ガスをタービンホイール２００へ導く２次ノズル５４を備えている。尚、１次ノズル５３及び２次ノズル５４は、タービンホイール２００の軸線方向に沿って並列して配置される。

シュラウドプレート７０は、図２等に示すように、タービンハウジング１０と協働して固定ノズル５０を挟持するようにタービンハウジング１０に固定され、第１及び第２のスクロール室３０Ａ，３０Ｂ内の排気ガスが図示しないコンプレッサ側へ放出されるのを防いで、コンプレッサ側への熱の放出を遮断する遮熱機能を有する。

次に、図５ないし図７を参照して、２次ノズル５４の流路面積を調整可能な流路面積調整機構について説明する。
この流路面積調整機構は、図５に示すように、２次ノズル５４のスロート部分（ノズルベーン５２の先端側で構成される部分）に回転可能に設けられた翼状に形成された回転翼８０を備えている。この回転翼８０は、各２次ノズル５４のスロート部分にそれぞれ設けられ、この回転翼８０を適宜回転させることにより、２次ノズル５４のスロート部分（流路）を開閉することができ、その回転量を調整することにより、２次ノズル５４の流路面積を任意に調整できる。すなわち、回転翼８０をノズルベーン５２に交差する向きに回転していくと流路面積は小さくなっていき、回転翼８０がこれを挟む２つのノズルベーン５２に当接すると、２次ノズル５４の流路は完全に閉じられる。一方、回転翼８０をノズルベーン５２に平行となる向きに回転させていくと流路面積は小さくなっていき、回転翼８０がノズルベーン５２に略平行となる位置に達すると２次ノズル５４の流路は全開となる。

回転翼８０は、図６及び図７に示すような駆動機構により回転駆動される。
この駆動機構は、図６及び図７に示すように、各回転式バルブ８０の回転軸８０ａと連結される複数のリンク１１５と、リンク１１５を回転自在に支持する環状の固定プレート１１１、リンク１１５の連結部１１５ａと係合すると共に固定プレート１１１に同心状にかつ回動可能に設けられたユニゾンリング１１３、ユニゾンリング１１３と接続ピン１１７を介して連結されたロッド１１９と、ロッド１１９を直動させる電動リニアアクチュエータ１２１等から構成されている。
電動リニアアクチュエータ１２１がロッド１１９を一方向に駆動させると、ユニゾンリング１１３が一方向に回転し、この回転に応じてリンク１１５が回転し、この結果、各回転翼８０が回転する。したがって、電動リニアアクチュエータ１２１の駆動方向及び駆動量を制御することにより、回転翼８０のノズルベーン５２に対する回転位置（姿勢）を調整でき、これにより、２次ノズル５４の流路面積を調整できる。

次に、図８を参照して２次ノズルの流路面積の調整方法の一例について説明する。
図８に示すように、エンジン負荷が相対的に小さい（排気ガスの流速が相対的に小さい）領域Ｒ１では、１次ノズル５３及び２次ノズル５４のうち、１次ノズル５３のみを使用して２次ノズル５４の流路面積（スロート開度）を全閉にする。

エンジン負荷が増加する中速領域Ｒ２（排気ガスの流速が第１の流速と第２の流速との間の領域）では、エンジン負荷（排気ガスの流速）に応じて２次ノズル５４のスロート開度を調整する。このとき、タービンの入口圧力が設定した圧力よりも大きくなるように２次ノズル５４のスロート開度を調整してもよい。中速領域においてタービンホイールの直近に設けられた２次ノズル５４のスロート開度を調整することにより、排気ガスを確実に絞ることができる。

そして、エンジン負荷が増大して所定領域Ｒ２を超える範囲Ｒ３では、２次ノズル５４を全開にし、１次ノズル５３及び２次ノズル５４の両方を使用する。

ここで、２次ノズル５４のスロート開度を調整することによるタービン効率の改善の一例を図９に示す。
図９のグラフ（１）は、エンジン負荷（排気ガスの流速）に応じて２次ノズル５４のスロート開度を調整した場合のタービン効率を示している。また、グラフ（２）は、比較例として、２次ノズル５４のスロート開度を調整するのではなく、ガス通路２０Ｂに設けられたバタフライバルブを制御した場合のタービン効率を示している。
図９からわかるように、２次ノズル５４のスロート開度を調整することにより、エンジン回転数が２８００（ｒｐｍ）程度を超える中速領域においても比較的高いタービン効率が得られることがわかる。

以上のように本実施形態によれば、２次ノズル５４を構成する複数のノズルベーン５２を固定構造にし、回転翼８０により２次ノズル５４を通過するガス流量を調整する構造としたので、ノズルベーンが可動式のものと比較して耐熱性、耐振動性を向上させることができ、この結果、本発明をガソリンエンジンに適用することが可能となる。
また、本実施形態によれば、排気ガスの流速に応じて２次ノズル５４のスロート開度を調整することにより、特に、中速領域におけるタービン効率を向上させることができる。

図１０及び図１１は、流路面積調整機構の他の構造を示す図であって、図１０は２次ノズル５４のスロート部分に設けられたスライド式バルブを示す斜視図であり、図１１はスライド式バルブを駆動する駆動機構の構成を示す図である。
図１０に示すスライド式バルブ１８０は、円柱状に形成されていると共にこのスライド式バルブ１８０を挟む２つのノズルベーン５２間の距離と略一致する直径に形成されている。
スライド式バルブ１８０は、図１１に示すように、連結ロッド２１９を介してリニアアクチュエータ２２１と連結されている。リニアアクチュエータ２２１の駆動量を制御することにより、２次ノズル５４のスロート部分の開度を調整することができる。

ここで、スライド式バルブ１８０を円柱状に形成したのでは、ノズルベーン５２とスライド式バルブ１８０との間に若干の隙間ができて、２次ノズル５４のスロート部分を完全には閉鎖することができない可能性がある。
このため、例えば、図１２（Ａ）に示すように、テーパ状の嵌合面１８１をもつスライド式バルブ１８１とすると共に、ノズルベーン５２の表面に耐熱性の溶射材３００を塗布する。
そして、図１２（Ｂ）に示すように、テーパ状の嵌合面１８１をもつスライド式バルブ１８１をノズルベーン５２の間に挿入すると、溶射材３００は嵌合面１８１のテーパ形状に沿った形に削り落とされ、嵌合面１８１と溶射材３００との間の隙間がなくなる。これにより、２次ノズル５４を確実に全閉することができ、隙間の形成によりタービン効率が低下するのを防止できる。

図１３及び図１４は本発明のさらに他の実施形態に係るターボ過給機の断面図であって、図１３は２次ノズルを全閉した状態を示し、図１４は２次ノズルを全開した状態を示している。
このターボ過給機は、図１３及び図１４に示すように、タービンハウジング４１０、タービンホイール４２０、タービンハウジング４１０に固定された排気ダクト４３０、タービンハウジング４１０のタービンスクロール内に配置されて１次ノズルを構成する複数のノズルベーン４５０、複数のノズルベーン４５０が固定された環状の仕切板４６０、仕切板４６０に当接可能に設けられると共に筒状に形成されて二次ノズルを形成する当接部４７１を備える抜き差し部材４７０、抜き差し部材４７０を駆動するリニアアクチュエータ５００等から構成される。尚、本実施形態では、タービンスクロールは、隔壁で分割されていない。

リニアアクチュエータ５００を駆動して、図１３に示すように、当接部４７１を仕切板４６０に接触させると、当接部４７１を仕切板４６０との間は遮断され、タービンスクロールの排気ガスは複数のノズルベーン４５０で形成される１次ノズルのみを通過する。
そして、当接部４７１と仕切板４６０との間に形成される隙間を調整することにより、二次ノズルの流路面積を調整することができ、当接部４７１を図１４に示す位置に移動することにより、２次ノズルを全開にすることができる。

本実施形態によれば、２次ノズルを可動式のノズルベーンで構成しないで、仕切板４６０とスライド可能な抜き差し部材４７０との間に形成される隙間とすることにより、その流路面積を可変できると共に耐熱性、耐振性を向上させることができ、ディーゼルエンジンに比べて高温となるガソリンエンジンに適用可能となる。

上記実施形態では、１次ノズルと２次ノズルとを固定ノズルに一体的に形成した場合について説明したが、これに限定されるわけではなく、１次ノズルと２次ノズルとを別部材で構成することも可能である。

ターボ過給機の一部に破断断面を含む外観斜視図である。 タービンホイールの軸線方向に沿ったターボ過給機の断面図である。 タービンホイールの軸線に直交する方向におけるターボ過給機の断面図である。 固定ノズルの外観斜視図である。 ２次ノズルの流路面積調整機構を構成する回転翼を示す斜視図である。 回転翼を駆動する駆動機構の構造を示す正面図である。 回転翼を駆動する駆動機構の構造を示す断面図である。 ２次ノズルの流路面積（スロート面積）の調整方法を示す図である。 流路面積の調整によるタービン効率の改善効果を示すグラフである。 流路面積調整機構の他の構造を示す図であって、２次ノズルのスロート部分に設けられたスライド式バルブを示す斜視図である。 流路面積調整機構の他の構造を示す図であって、スライド式バルブを駆動する駆動機構の構成を示す図である。 スライド式バルブの他の構造例を示す図である。 本発明のさらに他の実施形態に係るターボ過給機の断面図であって、２次ノズルを全閉した状態を示す図である。 本発明のさらに他の実施形態に係るターボ過給機の断面図であって、２次ノズルを全開した状態を示す図である。

符号の説明

１０…タービンハウジング
３０Ａ…第１のスクロール室
３０Ｂ…第２のスクロール室
３１…隔壁部
５０…固定ノズル
５１，５２…ノズルベーン
５３…１次ノズル
５４…２次ノズル
５５…中間プレート
７０…シュラウドプレート
８０…回転翼（流路面積調整機構）
８０ａ…回転軸
１１１…固定プレート
１１３…ユニゾンリング
１１５…リンク
１１７…接続ピン
１１９…ロッド
１２１…電動リニアアクチュエータ
１８０…スライド式バルブ
１８１…嵌合面
３００…溶射材
２００…タービンホイール
２１０…回転軸
２１９…連結ロッド
２２１…リニアアクチュエータ
４１０…タービンハウジング
４２０…タービンホイール
４３０…排気ダクト
４５０…ノズルベーン（１次ノズル）
４６０…仕切板（２次ノズル）
４７０…抜き差し部材
４７１…当接部（２次ノズル）
５００…リニアアクチュエータ

Claims (3)

1. タービンスクロール内のガスをタービンホイールに導く１次ノズル及び２次ノズルと、
   前記２次ノズルの流路面積を調整可能な流路面積調整機構と、
   を備えることを特徴とするターボ過給機。
2. 前記１次ノズル及び２次ノズルは、前記タービンホイールの軸線方向に沿って並列して配置され、かつ、所定位置に固定された複数のノズルベーンから構成されていることを特徴とする請求項１に記載のターボ過給機。
3. 前記タービンスクロールに導入される排気ガスの流速が低い状態では、前記流路面積調整機構により前記２次ノズルの流路を閉じた状態にし、前記排気ガスの流速が第１の流速と第２の流速との間においては、当該流速に応じて前記２次ノズルの流路面積を調整し、前記排気ガスの流速が第２の流速を超える領域では、前記２次ノズルの流路を全開することを特徴とする請求項１又は２に記載のターボ過給機。
   

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