JP2009144664A - ターボ過給機及び過給エンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】過給圧の低下を抑制するとともにタービン入口圧力の増大を抑制する。
【解決手段】連通調整用可動ベーン２８−１，２８−２は、可動ベーン２７−１，２７−２より上流側で外側スクロール流路２１と内側スクロール流路２２とを連通させる連通状態と、可動ベーン２７−１，２７−２より上流側での外側スクロール流路２１と内側スクロール流路２２との連通を遮断する遮断状態と、に選択的に切り替わることが可能である。連通調整用可動ベーン２８−１，２８−２が遮断状態にある場合は、スクロール流路２１，２２に流入した排出ガスは、互いに干渉することなく可動ベーン２７−１間流路及び可動ベーン２７−２間流路に供給される。一方、連通調整用可動ベーン２８−１，２８−２が連通状態にある場合は、スクロール流路２１，２２に流入した排出ガスは、互いに干渉して可動ベーン２７−１間流路及び可動ベーン２７−２間流路に供給される。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数の気筒を有するエンジンの排気エネルギーを利用してエンジンへの吸気を加圧するターボ過給機、及び過給エンジンシステムに関する。

エンジンへの吸気を加圧する過給装置として、ターボチャージャー（ターボ過給機）が用いられている。ターボチャージャーは、エンジンの排気エネルギーを利用してタービンホイールに回転動力を発生させ、タービンホイールの回転動力を利用してコンプレッサホイールを回転駆動することで、エンジンへの吸気を加圧する。

ターボチャージャーは、エンジン回転数が低いときには、タービンへ供給される排出ガス流量が少なくなるため、過給圧が上昇しにくくなる。そこで、エンジン回転数が低いときに過給圧を速やかに高めるために、タービンのスクロール流路とタービンホイールとの間のノズルに可動ベーンが設けられた可変ノズル式ターボチャージャーが提案されている（例えば非特許文献１）。この可変ノズル式ターボチャージャーにおいて、エンジン回転数が低く、タービンへ供給される排出ガス流量が少ないときには、可動ベーン間の流路面積を小さくすることで、ノズルからタービンホイールの翼間流路に流入する排出ガスの流速を増大させて過給圧を高める。一方、エンジン回転数が高く、タービンへ供給される排出ガス流量が多いときには、可動ベーン間の流路面積を大きくすることで、大流量の排出ガスがノズルからタービンホイールの翼間流路へ流れるように制御している。

また、燃焼後の排出ガスは排気弁が開いているときにエンジンの気筒内から排気通路へ排出されるため、排気通路へ排出された排出ガスには、排気弁の開閉に伴って脈動（パルス流）が生じる。そして、エンジンが複数の気筒を有する多気筒エンジンである場合は、吸気行程−圧縮行程−膨張行程−排気行程のサイクルが各気筒毎にずれているため、各気筒からの排出ガスに生じる脈動の位相は互いに異なる。そのため、各気筒からの排出ガスを共通の排気通路で合流させてからタービンへ供給する場合は、各気筒からの排出ガスが互いに干渉してその脈動が減衰することで、タービンへ供給される排気エネルギーが減少する。その結果、特にエンジン回転数が低い（タービンへ供給される排出ガス流量が少ない）ときに、過給圧が上昇しにくくなる。そこで、各気筒間の排気干渉による排気エネルギーの減少を抑えるために、タービンのスクロール流路が２分割されたツインスクロール式ターボチャージャーも提案されている（例えば特許文献１や非特許文献１）。このツインスクロール式ターボチャージャーにおいては、一部の気筒からの排出ガスを２分割されたスクロール流路の一方へ供給し、残りの気筒からの排出ガスを２分割されたスクロール流路の他方へ供給することで、各気筒間の排気干渉による影響を少なくしている。

特開昭６３−１１７１２４号公報 「日本ガスタービン学会誌」、社団法人日本ガスタービン学会、２０００年５月、Vol.28、No.3、p.27,74

可変ノズル式ターボチャージャーにおいては、各気筒からの排出ガスを共通の排気通路で合流させてからタービンへ供給するため、各気筒からの排出ガスが互いに干渉してその脈動が減衰することで、タービンへ供給される排気エネルギーが減少する。そのため、各気筒からの排出ガスの脈動が減衰した分、過給圧が低下する。

また、ツインスクロール式ターボチャージャーにおいて、各気筒間の排気干渉による影響を少なくすることは、エンジン回転数が低いときの過給圧を高める点では有効であるが、エンジン回転数が高く、タービンへ供給される排出ガス流量が多いときには、エンジン背圧（タービン入口圧力）が増大しやすくなる。タービン入口圧力が高くなると、エンジンの気筒内から燃焼後の排出ガスが排出されにくくなり、エンジンのポンピングロスが増大する。

本発明は、過給圧の低下を抑制することができるとともにタービン入口圧力の増大を抑制することができるターボ過給機及び過給エンジンシステムを提供することを目的とする。

本発明に係るターボ過給機及び過給エンジンシステムは、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係るターボ過給機は、複数の気筒からの排出ガスに生じる脈動の位相が互いに異なるエンジンの排気エネルギーを利用してエンジンへの吸気を加圧するターボ過給機であって、複数の気筒のうち一部の気筒からの排出ガスが流入する第１スクロール流路と、複数の気筒のうち残りの気筒からの排出ガスが流入する第２スクロール流路と、第１スクロール流路及び第２スクロール流路からの排出ガスが流入するノズルと、ノズルを通って供給される排出ガスのエネルギーを利用して回転駆動するタービンホイールと、タービンホイールの回転動力を利用してエンジンへの吸気を加圧するコンプレッサと、タービンホイール周方向に互いに間隔をおいてノズルに配置された複数の可動翼であって、その駆動によって可動翼間流路面積を変化させることが可能な複数の可動翼と、可動翼とタービンホイール周方向に間隔をおいてノズルに配置された翼状の連通調整部材であって、可動翼とともに駆動されることで、可動翼より上流側で第１スクロール流路と第２スクロール流路とを連通させる連通状態と、可動翼より上流側での第１スクロール流路と第２スクロール流路との連通を遮断する遮断状態と、に選択的に切り替わることが可能な連通調整部材と、を有し、連通調整部材が連通状態にある場合には、第１スクロール流路及び第２スクロール流路に流入した排出ガスは、互いに干渉して可動翼間流路に供給され、連通調整部材が遮断状態にある場合には、第１スクロール流路及び第２スクロール流路に流入した排出ガスは、互いに干渉することなく可動翼間流路に供給されることを要旨とする。

本発明の一態様では、連通調整部材が連通状態にある場合の可動翼間流路面積は、連通調整部材が遮断状態にある場合の可動翼間流路面積よりも大きいことが好適である。

本発明の一態様では、第１スクロール流路と第２スクロール流路との間に隔壁が排出ガス流れ方向に沿って形成されており、連通調整部材は、排出ガス流れ方向下流側に関する隔壁の端部の付近に配置され、連通状態においては、隔壁の端部から離れることで、可動翼より上流側で第１スクロール流路と第２スクロール流路とを連通させ、遮断状態においては、隔壁の端部に接触することで、可動翼より上流側での第１スクロール流路と第２スクロール流路との連通を遮断することが好適である。

本発明の一態様では、第１スクロール流路が第２スクロール流路よりもタービンホイール半径方向外側に配置されており、第１スクロール流路と第２スクロール流路との間に隔壁が排出ガス流れ方向に沿って形成されており、第１スクロール流路が、排出ガス流れ方向に沿って形成されたハウジング外周壁と隔壁との間に形成され、第２スクロール流路が、排出ガス流れ方向に沿って形成されたハウジング内周壁と隔壁との間に形成されており、排出ガス流れ方向下流側に関するハウジング外周壁の端部がハウジング内周壁と連結されており、連通調整部材は、排出ガス流れ方向下流側に関するハウジング内周壁の端部の付近に配置され、連通状態においては、ハウジング内周壁の端部から離れることで、可動翼より上流側で第１スクロール流路と第２スクロール流路とを連通させ、遮断状態においては、ハウジング内周壁の端部に接触することで、可動翼より上流側での第１スクロール流路と第２スクロール流路との連通を遮断することが好適である。

本発明の一態様では、連通調整部材は、エンジン回転数に応じて連通状態と遮断状態のいずれかに選択的に切り替わるものであり、連通調整部材が連通状態にある場合のエンジン回転数が、連通調整部材が遮断状態にある場合のエンジン回転数よりも高いことが好適である。

本発明の一態様では、燃焼順序が連続する気筒からの排出ガスが互いに異なるスクロール流路に流入するように、複数の気筒から第１スクロール流路及び第２スクロール流路に排出ガスが流入することが好適である。

また、本発明に係る過給エンジンシステムは、複数の気筒からの排出ガスに生じる脈動の位相が互いに異なるエンジンと、エンジンの排気エネルギーを利用してエンジンへの吸気を加圧するターボ過給機と、を備える過給エンジンシステムであって、前記ターボ過給機が、本発明に係るターボ過給機であることを要旨とする。

本発明において、連通調整部材が遮断状態にある場合には、第１スクロール流路及び第２スクロール流路に流入した排出ガスは、互いに干渉せずその脈動がほとんど減衰することなく可動翼間流路に供給されることで、排気干渉による排気エネルギーの減少を抑えることができるので、過給圧の低下を抑制することができる。また、連通調整部材が連通状態にある場合には、第１スクロール流路及び第２スクロール流路に流入した排出ガスは、互いに干渉して可動翼間流路に供給されることで、排出ガスの脈動が減衰するとともに、ノズルを流れる排出ガスの流路面積が増大して流路抵抗が減少するため、タービン入口圧力の増大を抑制することができる。したがって、本発明によれば、過給圧の低下を抑制することができるとともに、タービン入口圧力の増大を抑制することができる。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１〜３は、本発明の実施形態に係るターボ過給機１２を備える過給エンジンシステムの概略構成を示す図であり、図１は過給エンジンシステムの全体構成の概略を示し、図２はタービンホイール２４の軸線方向と垂直方向から見たターボ過給機１２のタービン２０の内部構成を示し、図３はタービンホイール２４の軸線方向と平行方向から見たターボ過給機１２のタービン２０の内部構成を示す。本実施形態に係るターボ過給機（ターボチャージャー）１２は、内燃機関１０の排気エネルギーを利用して内燃機関１０への吸気を加圧するものであり、内燃機関１０の排気エネルギーを利用してタービンホイール２４に回転動力を発生させるタービン２０と、タービンホイール２４の回転動力を利用して内燃機関１０への吸気を加圧するコンプレッサ１８と、を備える。

内燃機関１０は、複数の気筒を有する多気筒エンジンである。図１は、内燃機関１０が４つの気筒１〜４を有する直列４気筒エンジンである例を示している。各気筒１〜４においては、排気弁が開いているときに、燃焼後の排出ガスが各気筒１〜４に対応して設けられた排気通路３１〜３４へそれぞれ排出される。各排気通路３１〜３４に排出された排出ガスには、排気弁の開閉に伴って脈動（パルス流）が生じる。そして、内燃機関１０においては、吸気行程−圧縮行程−膨張行程−排気行程のサイクルが各気筒毎にずれている。そのため、内燃機関１０の各気筒からの排出ガスに生じる脈動の位相は互いに異なる。例えば直列４気筒の４行程サイクル機関の場合は、各気筒１〜４において、吸気行程−圧縮行程−膨張行程−排気行程のサイクルがクランク角度で１８０°ずつずれており、気筒１→気筒３→気筒４→気筒２の順序で燃焼が行われる。その結果、各気筒１〜４から各排気通路３１〜３４へそれぞれ排出される排出ガスの圧力波に生じる脈動（パルス流）の位相は、クランク角度でほぼ１８０°ずつずれており、気筒１→気筒３→気筒４→気筒２の順序で排出ガスに脈動が生じる。

ターボ過給機１２のタービン２０は、渦巻形状のハウジング内に形成され、内燃機関１０の各気筒からの排出ガスが流入する渦巻形状のスクロール流路２１，２２と、スクロール流路２１，２２からの排出ガスがそれぞれ流入するノズル２６−１，２６−２と、ノズル２６−１，２６−２のいずれかを通って供給される排出ガスのエネルギーを利用して回転駆動することで回転動力を発生するタービンホイール２４と、を有する。ノズル２６−１，２６−２は、タービンホイール２４よりもその半径方向外側に位置し、スクロール流路２１，２２は、ノズル２６−１，２６−２よりもタービンホイール半径方向外側に位置する。コンプレッサ１８のコンプレッサホイール１９は、シャフト（回転軸）１７を介してタービンホイール２４に連結されており、タービンホイール２４とともにコンプレッサホイール１９が回転駆動することで、内燃機関１０への吸気が圧縮される。コンプレッサ１８で加圧された吸気は、インタークーラー１３で冷却されてから、吸気弁が開いているときに各気筒１〜４内へ供給される。

タービン２０のハウジングにおいては、ハウジング内周壁４２と、ハウジング内周壁４２よりもタービンホイール半径方向外側に配置されたハウジング外周壁４１とが、排出ガス流れ方向に沿って形成されており、スクロール流路２１，２２は、タービンホイール半径方向においてハウジング外周壁４１とハウジング内周壁４２との間に形成されている。そして、スクロール流路２１，２２はタービンホイール半径方向に分割されており、スクロール流路２１がスクロール流路２２よりもタービンホイール半径方向外側に配置されている。スクロール流路２１とスクロール流路２２との間には隔壁４３が排出ガス流れ方向に沿って形成されており、この隔壁４３によりスクロール流路２１とスクロール流路２２とがタービンホイール半径方向に隔てられる。スクロール流路２１は、タービンホイール半径方向においてハウジング外周壁４１と隔壁４３との間に形成されており、スクロール流路２２は、タービンホイール半径方向において隔壁４３とハウジング内周壁４２との間に形成されている。排出ガス流れ方向下流側に関するハウジング外周壁４１の端部４１ａは、ハウジング内周壁４２と機械的に連結されている。図３に示す例では、ハウジング外周壁４１の端部４１ａが、排出ガス流れ方向下流側に関するハウジング内周壁４２の端部４２ａと機械的に連結されている。以下の説明では、スクロール流路２１を「外側スクロール流路」とし、スクロール流路２２を「内側スクロール流路」とする。

外側スクロール流路２１には、複数の気筒１〜４のうち一部の気筒からの排出ガスが流入し、内側スクロール流路２２には、複数の気筒１〜４のうち残りの気筒からの排出ガスが流入する。前述のように、各気筒１〜４からの排出ガスに生じる脈動（パルス流）の位相は互いに異なるため、外側スクロール流路２１及び内側スクロール流路２２に流入する排出ガスに生じる脈動の位相も互いに異なる。ここでは、各気筒間の排気干渉による影響を少なくするために、燃焼順序が連続しない気筒からの排出ガスが同一のスクロール流路に流入する（燃焼順序が連続する気筒からの排出ガスが互いに異なるスクロール流路に流入する）ように、複数（偶数個）の気筒１〜４から外側スクロール流路２１及び内側スクロール流路２２に排出ガスが流入する。例えば直列４気筒の４行程サイクル機関の場合は、燃焼順序が連続しない（隣り合わない）気筒１，４からの排出ガスが同一の外側スクロール流路２１に流入するように、外側スクロール流路２１を排気通路３１，３４に連通させ、燃焼順序が連続しない気筒２，３からの排出ガスが同一の内側スクロール流路２２に流入するように、内側スクロール流路２２を排気通路３２，３３に連通させる。つまり、燃焼順序が連続する（隣り合う）気筒１及び気筒３からの排出ガスは互いに異なる外側スクロール流路２１及び内側スクロール流路２２にそれぞれ流入し、燃焼順序が連続する気筒４及び気筒２からの排出ガスも互いに異なる外側スクロール流路２１及び内側スクロール流路２２にそれぞれ流入する。

外側スクロール流路２１の出口（ノズル２６−１の入口）は、排出ガス流れ方向下流側に関する隔壁４３の端部４３ａとハウジング外周壁４１の端部４１ａとの間にタービンホイール周方向に沿って形成されている。一方、内側スクロール流路２２の出口（ノズル２６−２の入口）は、隔壁４３の端部４３ａとハウジング内周壁４２の端部４２ａとの間にタービンホイール周方向に沿って形成されている。そのため、タービン２０のノズル２６−１，２６−２はタービンホイール周方向に沿って並んで形成されており、外側スクロール流路２１内の排出ガスは主にノズル２６−１を通ってタービンホイール２４の翼間流路に供給され、内側スクロール流路２２内の排出ガスは主にノズル２６−２を通ってタービンホイール２４の翼間流路に供給される。その際には、ノズル２６−１，２６−２で排出ガスの圧力が速度に変換されることにより、タービンホイール２４の翼間流路に供給される排出ガスの流速が増大する。

ノズル２６−１内には、複数の可動ベーン（可動翼）２７−１がタービンホイール周方向に互いに間隔をおいて配置されており、ノズル２６−２内には、複数の可動ベーン（可動翼）２７−２がタービンホイール周方向に互いに間隔をおいて配置されている。ここでの各可動ベーン２７−１，２７−２については、タービンホイール半径方向に対する角度を変化させるように駆動可能であり、例えば図示しないアクチュエータにより互いに連動させて駆動することができる。各可動ベーン２７−１，２７−２を駆動して、タービンホイール半径方向に対する各可動ベーン２７−１，２７−２の傾斜角度を変化させることで、可動ベーン２７−１間の流路面積及び可動ベーン２７−２間の流路面積を変化させることができる。例えば、タービンホイール半径方向に対する各可動ベーン２７−１の傾斜角度を大きくすることで、図４に示すように、可動ベーン２７−１間の流路面積及び可動ベーン２７−２間の流路面積が小さくなる。一方、タービンホイール半径方向に対する各可動ベーン２７−１の傾斜角度を小さくすることで、図３に示すように、可動ベーン２７−１間の流路面積及び可動ベーン２７−２間の流路面積が大きくなる。このように、可動ベーン２７−１，２７−２の駆動制御により、ノズル２６−１，２６−２の流路面積を制御することができる。

本実施形態では、ノズル２６−１内には、ノズル２６−１の流路面積を制御するとともに、可動ベーン２７−１，２７−２より上流側での外側スクロール流路２１と内側スクロール流路２２との連通状態を制御するための翼状の連通調整用可動ベーン（連通調整部材）２８−１が設けられている。ここでの「上流側」は、排出ガス流れ方向に関しての上流側を表す。連通調整用可動ベーン２８−１は、可動ベーン２７−１とタービンホイール周方向に間隔をおいて配置されており、排出ガス流れ方向下流側に関する隔壁４３の端部４３ａの付近に配置されている。ここでの連通調整用可動ベーン２８−１については、タービンホイール半径方向に対する角度を変化させるように駆動可能である。そして、連通調整用可動ベーン２８−１は、そのベーン長が各可動ベーン２７−１のベーン長よりも長く、そのベーンが各可動ベーン２７−１よりもタービンホイール半径方向外側へ延長されて形成されている。連通調整用可動ベーン２８−１を駆動して、タービンホイール半径方向に対する連通調整用可動ベーン２８−１の傾斜角度を小さくすることで、図３に示すように、連通調整用可動ベーン２８−１が隔壁４３の端部４３ａから離れて、連通調整用可動ベーン２８−１と隔壁４３の端部４３ａとの間の流路が開く。これによって、可動ベーン２７−１，２７−２より上流側で外側スクロール流路２１と内側スクロール流路２２とが連通する連通状態（図３に示す開状態）に切り替わる。一方、連通調整用可動ベーン２８−１を駆動して、タービンホイール半径方向に対する連通調整用可動ベーン２８−１の傾斜角度を大きくすることで、図４に示すように、連通調整用可動ベーン２８−１が隔壁４３の端部４３ａに接触（当接）して、連通調整用可動ベーン２８−１と隔壁４３の端部４３ａとの間の流路が閉じる。これによって、可動ベーン２７−１，２７−２より上流側での外側スクロール流路２１と内側スクロール流路２２との連通が遮断される遮断状態（図４に示す閉状態）に切り替わる。このように、連通調整用可動ベーン２８−１は、タービンホイール半径方向に対する傾斜角度を変化させることで、連通状態と遮断状態とに選択的に切り替わることが可能である。

さらに、ノズル２６−２内にも、ノズル２６−２の流路面積を制御するとともに、可動ベーン２７−１，２７−２より上流側での外側スクロール流路２１と内側スクロール流路２２との連通状態を制御するための翼状の連通調整用可動ベーン（連通調整部材）２８−２が設けられている。連通調整用可動ベーン２８−２は、可動ベーン２７−２とタービンホイール周方向に間隔をおいて配置されており、排出ガス流れ方向下流側に関するハウジング内周壁４２の端部４２ａ（端部４１ａ，４２ａ同士の連結部分）の付近に配置されている。ここでの連通調整用可動ベーン２８−２についても、タービンホイール半径方向に対する角度を変化させるように駆動可能である。そして、連通調整用可動ベーン２８−２も、そのベーン長が各可動ベーン２７−２のベーン長よりも長く、そのベーンが各可動ベーン２７−２よりもタービンホイール半径方向外側へ延長されて形成されている。連通調整用可動ベーン２８−２を駆動して、タービンホイール半径方向に対する連通調整用可動ベーン２８−２の傾斜角度を小さくすることで、図３に示すように、連通調整用可動ベーン２８−２がハウジング内周壁４２の端部４２ａから離れて、連通調整用可動ベーン２８−２とハウジング内周壁４２の端部４２ａとの間の流路が開く。これによって、可動ベーン２７−１，２７−２より上流側で外側スクロール流路２１と内側スクロール流路２２とが連通する連通状態（図３に示す開状態）に切り替わる。一方、連通調整用可動ベーン２８−２を駆動して、タービンホイール半径方向に対する連通調整用可動ベーン２８−２の傾斜角度を大きくすることで、図４に示すように、連通調整用可動ベーン２８−２がハウジング内周壁４２の端部４２ａに接触（当接）して、連通調整用可動ベーン２８−２とハウジング内周壁４２の端部４２ａとの間の流路が閉じる。これによって、可動ベーン２７−１，２７−２より上流側での外側スクロール流路２１と内側スクロール流路２２との連通が遮断される遮断状態（図４に示す閉状態）に切り替わる。このように、連通調整用可動ベーン２８−２も、タービンホイール半径方向に対する傾斜角度を変化させることで、連通状態と遮断状態とに選択的に切り替わることが可能である。

なお、連通調整用可動ベーン２８−１，２８−２については、例えば図示しないアクチュエータにより可動ベーン２７−１，２７−２と連動させて駆動することができる。そのため、図３，４に示すように、連通調整用可動ベーン２８−１，２８−２が連通状態にある場合の可動ベーン２７−１間及び可動ベーン２７−２間の流路面積は、連通調整用可動ベーン２８−１，２８−２が遮断状態にある場合の可動ベーン２７−１間及び可動ベーン２７−２間の流路面積よりも大きくなる。そして、各可動ベーン２７−１，２７−２及び連通調整用可動ベーン２８−１，２８−２の駆動制御については、例えば電子制御ユニットから出力される制御指令により行うことができる。

次に、本実施形態に係るターボ過給機１２の動作について説明する。

内燃機関１０の低速運転時には、電子制御ユニットは、タービンホイール半径方向に対する可動ベーン２７−１，２７−２及び連通調整用可動ベーン２８−１，２８−２の傾斜角度を大きくすることで、可動ベーン２７−１間及び可動ベーン２７−２間の流路面積を小さくするとともに、連通調整用可動ベーン２８−１，２８−２を遮断状態に制御する。つまり、図４に示すように、連通調整用可動ベーン２８−１，２８−２を隔壁４３の端部４３ａ及びハウジング内周壁４２の端部４２ａにそれぞれ接触させて、可動ベーン２７−１間流路及び可動ベーン２７−２間流路より上流側での外側スクロール流路２１と内側スクロール流路２２との連通を遮断する。これによって、外側スクロール流路２１及び内側スクロール流路２２に流入した排出ガスは、その圧力波が互いに干渉することなく可動ベーン２７−１間流路及び可動ベーン２７−２間流路に供給される。そのため、外側スクロール流路２１及び内側スクロール流路２２に流入した排出ガスは、その脈動（パルス流）のレベルがほとんど減衰することなくタービンホイール２４の翼間流路へ供給される。これによって、排気干渉により排出ガスの圧力波の脈動が減衰することで生じる排気エネルギー損失を少なくすることができ、タービンホイール２４の翼間流路へ供給される排気エネルギーの減少を抑えることができる。さらに、可動ベーン２７−１間流路面積及び可動ベーン２７−２間流路面積を減少させることで、ノズル２６−１，２６−２からタービンホイール２４の翼間流路に流入する排出ガスの流速をより増大させることができる。したがって、内燃機関１０の低速運転時にタービン２０へ供給される排出ガス流量が少なくても、高い排気エネルギーでタービンホイール２４を効率よく回転駆動することができる。その結果、内燃機関１０の低速運転時に、過給圧を高めることができ、内燃機関１０のトルクを増大させることができる。

さらに、外側スクロール流路２１及び内側スクロール流路２２に流入した排出ガスが互いに干渉せずその脈動がほとんど減衰しないことで、図５に示すように、排気弁が開いた直後においては、エンジン背圧（排気圧力、タービン入口圧力）が高いものの、排気弁と吸気弁の双方が開いているバルブオーバーラップ期間においては、エンジン背圧が低下して吸気圧力がエンジン背圧よりも高くなる。そのため、掃気作用を強めることができ、吸気流量を増大させることができる。これによっても、内燃機関１０のトルクを増大させることができる。また、排気行程の後半では、エンジン背圧が低下して大気圧近くになるため、内燃機関１０のポンピングロスが低減する。

ただし、外側スクロール流路２１及び内側スクロール流路２２に流入した排出ガスを互いに干渉させない場合は、内燃機関１０の回転数が高くなるにつれて、排出ガスの脈動の周期が短くなることで、バルブオーバーラップ期間においてエンジン背圧が低下しにくくなり、掃気作用が弱まる。そこで、内燃機関１０の高速運転時には、電子制御ユニットは、タービンホイール半径方向に対する可動ベーン２７−１，２７−２及び連通調整用可動ベーン２８−１，２８−２の傾斜角度を小さくすることで、可動ベーン２７−１間及び可動ベーン２７−２間の流路面積を大きくするとともに、連通調整用可動ベーン２８−１，２８−２を連通状態に制御する。つまり、図３に示すように、連通調整用可動ベーン２８−１，２８−２を隔壁４３の端部４３ａ及びハウジング内周壁４２の端部４２ａからそれぞれ離間させて、可動ベーン２７−１間流路及び可動ベーン２７−２間流路より上流側で外側スクロール流路２１と内側スクロール流路２２とを連通させる。これによって、外側スクロール流路２１及び内側スクロール流路２２に流入した排出ガスは、その圧力波が互いに干渉してから可動ベーン２７−１間流路及び可動ベーン２７−２間流路に供給される。そのため、外側スクロール流路２１及び内側スクロール流路２２に流入した排出ガスは、図５に示すように、その脈動（パルス流）のレベルが減衰してその圧力が平均化されてからタービンホイール２４の翼間流路へ供給される。さらに、外側スクロール流路２１と内側スクロール流路２２とが連通することで、ノズルを流れる排出ガスの流路面積が増大するため、排出ガスの流路抵抗が減少する。さらに、可動ベーン２７−１間流路面積及び可動ベーン２７−２間流路面積が増大することによっても、排出ガスの流路抵抗が減少する。したがって、内燃機関１０の高速運転時にタービン２０へ供給される排出ガス流量が増大しても、エンジン背圧（タービン入口圧力）を低減することができるので、内燃機関１０のポンピングロスを低減することができる。また、連通調整用可動ベーン２８−１，２８−２を連通状態に制御して排出ガスの脈動を減衰させることで、タービン２０へ供給される排出ガス流量が増大しても、ウェイストゲートバルブで排出ガスをタービン出口側へバイパスさせることなく、過給圧が過大になるのを抑止することができる。

なお、以上の動作説明においては、電子制御ユニットは、内燃機関１０の回転数が閾値以下のときに内燃機関１０の低速運転時と判定し、内燃機関１０の回転数が閾値より大きいときに内燃機関１０の高速運転時と判定することができる。このように、内燃機関１０の回転数に応じて連通調整用可動ベーン２８−１，２８−２を連通状態と遮断状態のいずれかに選択的に切り替えることができ、連通調整用可動ベーン２８−１，２８−２が連通状態にある場合における内燃機関１０の回転数が、連通調整用可動ベーン２８−１，２８−２が遮断状態にある場合における内燃機関１０の回転数よりも高くなるように、連通調整用可動ベーン２８−１，２８−２の駆動制御を行うことができる。

また、電子制御ユニットは、連通調整用可動ベーン２８−１，２８−２の角度を連続的に制御して、連通調整用可動ベーン２８−１と隔壁４３の端部４３ａとの間の流路面積、及び連通調整用可動ベーン２８−２とハウジング内周壁４２の端部４２ａとの間の流路面積を連続的に制御することもできる。連通調整用可動ベーン２８−１と隔壁４３の端部４３ａとの間の流路面積、及び連通調整用可動ベーン２８−２とハウジング内周壁４２の端部４２ａとの間の流路面積を制御することで、外側スクロール流路２１及び内側スクロール流路２２に流入した排出ガスの脈動の減衰レベルを制御することができ、過給圧を制御することができる。例えば、内燃機関１０の回転数の増大に対して、連通調整用可動ベーン２８−１と隔壁４３の端部４３ａとの間の流路面積、及び連通調整用可動ベーン２８−２とハウジング内周壁４２の端部４２ａとの間の流路面積を徐々に増大させるように制御することもできる。また、過給圧（吸気通路の圧力）を図示しない圧力センサにより検出し、この検出した過給圧（吸気通路の圧力）が目標値に一致するように、連通調整用可動ベーン２８−１と隔壁４３の端部４３ａとの間の流路面積、及び連通調整用可動ベーン２８−２とハウジング内周壁４２の端部４２ａとの間の流路面積を制御することもできる。また、吸気流量を図示しない流量センサにより検出し、この検出した吸気流量が目標値に一致するように、連通調整用可動ベーン２８−１と隔壁４３の端部４３ａとの間の流路面積、及び連通調整用可動ベーン２８−２とハウジング内周壁４２の端部４２ａとの間の流路面積を制御することもできる。

以上説明したように、本実施形態においては、内燃機関１０の低速運転時に連通調整用可動ベーン２８−１，２８−２を遮断状態に制御することで、外側スクロール流路２１及び内側スクロール流路２２に流入した排出ガスは、互いに干渉せずその脈動がほとんど減衰することなく可動ベーン２７−１間流路及び可動ベーン２７−２間流路に供給される。これによって、排気干渉による排気エネルギーの減少を抑えることができるので、過給圧を高めることができる。また、内燃機関１０の高速運転時に連通調整用可動ベーン２８−１，２８−２を連通状態に制御することで、外側スクロール流路２１及び内側スクロール流路２２に流入した排出ガスは、互いに干渉して可動ベーン２７−１間流路及び可動ベーン２７−２間流路に供給される。これによって、排出ガスの脈動が減衰するとともに、ノズルを流れる排出ガスの流路面積が増大して流路抵抗が減少するため、エンジン背圧（タービン入口圧力）を低減することができる。したがって、本実施形態によれば、内燃機関１０の低速運転から高速運転の広い運転範囲にわたって、高い過給圧及び低いエンジン背圧（タービン入口圧力）を実現することができる。

以上の実施形態では、内燃機関１０が４気筒エンジンである場合について説明した。ただし、本実施形態では、内燃機関１０の気筒数については２以上の範囲で任意に設定することが可能である。例えば、内燃機関１０が１番気筒〜６番気筒の６つの気筒を有し、１番気筒→５番気筒→３番気筒→６番気筒→２番気筒→４番気筒の順序で燃焼が行われる直列６気筒エンジンである場合は、燃焼順序が連続しない（隣り合わない）１番気筒、３番気筒、及び２番気筒からの排出ガスを同一のスクロール流路（例えば外側スクロール流路２１）に流入させ、燃焼順序が連続しない５番気筒、６番気筒、及び４番気筒からの排出ガスが同一のスクロール流路（例えば内側スクロール流路２２）に流入させる。つまり、燃焼順序が連続する（隣り合う）１番気筒及び５番気筒からの排出ガスを互いに異なる外側スクロール流路２１及び内側スクロール流路２２にそれぞれ流入させ、燃焼順序が連続する３番気筒及び６番気筒からの排出ガスと、２番気筒及び４番気筒からの排出ガスのそれぞれについても、互いに異なるスクロール流路に流入させる。これによって、各気筒間の排気干渉による影響を少なくすることができる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態に係るターボ過給機を備える過給エンジンシステムの概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るターボ過給機の内部構成の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係るターボ過給機の内部構成の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係るターボ過給機の内部構成の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係る過給エンジンシステムの動作を説明する図である。

符号の説明

１〜４ 気筒、１０ 内燃機関、１２ ターボ過給機、１３ インタークーラー、１７ シャフト、１８ コンプレッサ、１９ コンプレッサホイール、２０ タービン、２１ 外側スクロール流路、２２ 内側スクロール流路、２４ タービンホイール、２６−１，２６−２ ノズル、２７−１，２７−２ 可動ベーン、２８−１，２８−２ 連通調整用可動ベーン、３１〜３４ 排気通路。

Claims (7)

1. 複数の気筒からの排出ガスに生じる脈動の位相が互いに異なるエンジンの排気エネルギーを利用してエンジンへの吸気を加圧するターボ過給機であって、
   複数の気筒のうち一部の気筒からの排出ガスが流入する第１スクロール流路と、
   複数の気筒のうち残りの気筒からの排出ガスが流入する第２スクロール流路と、
   第１スクロール流路及び第２スクロール流路からの排出ガスが流入するノズルと、
   ノズルを通って供給される排出ガスのエネルギーを利用して回転駆動するタービンホイールと、
   タービンホイールの回転動力を利用してエンジンへの吸気を加圧するコンプレッサと、
   タービンホイール周方向に互いに間隔をおいてノズルに配置された複数の可動翼であって、その駆動によって可動翼間流路面積を変化させることが可能な複数の可動翼と、
   可動翼とタービンホイール周方向に間隔をおいてノズルに配置された翼状の連通調整部材であって、可動翼とともに駆動されることで、可動翼より上流側で第１スクロール流路と第２スクロール流路とを連通させる連通状態と、可動翼より上流側での第１スクロール流路と第２スクロール流路との連通を遮断する遮断状態と、に選択的に切り替わることが可能な連通調整部材と、
   を有し、
   連通調整部材が連通状態にある場合には、第１スクロール流路及び第２スクロール流路に流入した排出ガスは、互いに干渉して可動翼間流路に供給され、
   連通調整部材が遮断状態にある場合には、第１スクロール流路及び第２スクロール流路に流入した排出ガスは、互いに干渉することなく可動翼間流路に供給される、ターボ過給機。
2. 請求項１に記載のターボ過給機であって、
   連通調整部材が連通状態にある場合の可動翼間流路面積は、連通調整部材が遮断状態にある場合の可動翼間流路面積よりも大きい、ターボ過給機。
3. 請求項１または２に記載のターボ過給機であって、
   第１スクロール流路と第２スクロール流路との間に隔壁が排出ガス流れ方向に沿って形成されており、
   連通調整部材は、
   排出ガス流れ方向下流側に関する隔壁の端部の付近に配置され、
   連通状態においては、隔壁の端部から離れることで、可動翼より上流側で第１スクロール流路と第２スクロール流路とを連通させ、
   遮断状態においては、隔壁の端部に接触することで、可動翼より上流側での第１スクロール流路と第２スクロール流路との連通を遮断する、ターボ過給機。
4. 請求項１または２に記載のターボ過給機であって、
   第１スクロール流路が第２スクロール流路よりもタービンホイール半径方向外側に配置されており、
   第１スクロール流路と第２スクロール流路との間に隔壁が排出ガス流れ方向に沿って形成されており、
   第１スクロール流路が、排出ガス流れ方向に沿って形成されたハウジング外周壁と隔壁との間に形成され、第２スクロール流路が、排出ガス流れ方向に沿って形成されたハウジング内周壁と隔壁との間に形成されており、
   排出ガス流れ方向下流側に関するハウジング外周壁の端部がハウジング内周壁と連結されており、
   連通調整部材は、
   排出ガス流れ方向下流側に関するハウジング内周壁の端部の付近に配置され、
   連通状態においては、ハウジング内周壁の端部から離れることで、可動翼より上流側で第１スクロール流路と第２スクロール流路とを連通させ、
   遮断状態においては、ハウジング内周壁の端部に接触することで、可動翼より上流側での第１スクロール流路と第２スクロール流路との連通を遮断する、ターボ過給機。
5. 請求項１〜４のいずれか１に記載のターボ過給機であって、
   連通調整部材は、エンジン回転数に応じて連通状態と遮断状態のいずれかに選択的に切り替わるものであり、
   連通調整部材が連通状態にある場合のエンジン回転数が、連通調整部材が遮断状態にある場合のエンジン回転数よりも高い、ターボ過給機。
6. 請求項１〜５のいずれか１に記載のターボ過給機であって、
   燃焼順序が連続する気筒からの排出ガスが互いに異なるスクロール流路に流入するように、複数の気筒から第１スクロール流路及び第２スクロール流路に排出ガスが流入する、ターボ過給機。
7. 複数の気筒からの排出ガスに生じる脈動の位相が互いに異なるエンジンと、
   エンジンの排気エネルギーを利用してエンジンへの吸気を加圧するターボ過給機と、
   を備える過給エンジンシステムであって、
   前記ターボ過給機が、請求項１〜６のいずれか１に記載のターボ過給機である、過給エンジンシステム。

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