JP5664595B2

JP5664595B2 - ターボチャージャ

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Publication number: JP5664595B2
Application number: JP2012115943A
Authority: JP
Inventors: 悦豪柳田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-05-21
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2032-05-21
Also published as: JP2013241898A; US20130309106A1; CN103422980A; DE102013209267A1

Description

本発明は、第１、第２排気スクロール（排気ガスを旋回させてタービン羽根車に吹き付ける２つの旋回路）を有する容量可変型のターボチャージャに関するものであり、特に排気ガスの迂回技術に関する。

（従来技術）
第１、第２排気スクロールを用いたターボチャージャの要部を、図６を参照して説明する。なお、従来技術で示す符号は、後述する［発明を実施するための形態］および［実施例］の同一機能物に同一符号を付したものである。

第１、第２排気スクロール７、８を用いたターボチャージャは、第１排気スクロール７から第２排気スクロール８に排気ガスを導く流路切替孔９を流路切替バルブ１０によって開閉するものであり、
（ｉ）流路切替バルブ１０が流路切替孔９を閉じることで小容量（第１排気スクロール７からタービン羽根車に排気ガスを吹き付ける小流量）を達成し、
（ｉｉ）流路切替バルブ１０が流路切替孔９を開くことで大容量（第１、第２排気スクロール７、８の両方からタービン羽根車に排気ガスを吹き付ける大流量）を達成する。

また、ターボチャージャには、ウェイストゲートバルブ１１が搭載される。
従来技術のウェイストゲートバルブ１１は、「第２排気スクロール８」から「タービン羽根車の排気下流側（以下、タービン下流域αと称す）」へ排気ガスを迂回させるバイパス孔１３（通路あるいは開口穴）を開閉するものであり、
（ｉｉｉ）流路切替バルブ１０が流路切替孔９を開いた状態｛上記（ｉｉ）参照｝で、さらに排気ガス流量が増加した場合に、ウェイストゲートバルブ１１を開くことで、タービン羽根車に供給される排気圧力を調整する。

（従来技術の問題点）
従来技術のウェイストゲートバルブ１１は、上述したように、第２排気スクロール８に導かれた排気ガスを、タービン下流域αへ迂回させるものである。
このため、流路切替バルブ１０の全閉時には、第２排気スクロール８に排気ガスが導かれていないため、ウェイストゲートバルブ１１を機能させることができない。

また、ウェイストゲートバルブ１１を機能させる際、タービン羽根車を迂回する排気ガスは、流路切替バルブ１０を必ず通過するため、排気ガスの圧力損失が大きくなる。その結果、ウェイストゲートバルブ１１を開いた状態であっても、タービン羽根車の排気上流側の排気圧力が上昇する不具合が生じてしまう。

特開昭６２−２５１４２２号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、
（ｉ）流路切替バルブが全閉状態であってもウェイストゲートバルブを機能させることが可能であり、
（ｉｉ）且つ、ウェイストゲートバルブによってタービン羽根車を迂回させる際の排気ガスの圧力損失（ウェイストゲートバルブの圧力損失）を下げることのできるターボチャージャの提供にある。

本発明のターボチャージャは、流路切替バルブ（１０）が全閉状態であってもウェイストゲートバルブ（１１）を開くことで、第１バイパス孔（１２）を通して排気ガスをタービン下流域（α）へ導くことができる。即ち、流路切替バルブ（１０）が例え全閉状態であってもウェイストゲートバルブ（１１）を機能させることができる。
また、ウェイストゲートバルブ（１１）を開くことで、第１、第２バイパス孔（１２、１３）の両方を通して排気ガスが流れるため、ウェイストゲートバルブ（１１）の圧力損失を下げることができ、タービン羽根車（１）の排気上流側の排気圧力を下降させることが可能になる。
本発明のターボチャージャは、第１バイパス孔（１２）が第１排気スクロール（７）における絞り部（β）の排気上流側の「流路断面積が大きい範囲」において開口する。これにより、第１バイパス孔（１２）の圧力損失を少なくでき、第１バイパス孔（１２）を介して大量の排気ガスをタービン下流域（α）に迂回させることができる。この結果、タービン羽根車（１）の排気上流側の排気圧力を下降させることができる。
本発明のターボチャージャは、第２バイパス孔（１３）が流路切替バルブ（１０）の可動域の空間（γ）において開口する。即ち、第１排気スクロール（７）における「流路断面積が大きい範囲」において開口する。これにより、第２バイパス孔（１３）の圧力損失を少なくでき、第２バイパス孔（１３）を介して大量の排気ガスをタービン下流域（α）に迂回させることができる。この結果、タービン羽根車（１）の排気上流側の排気圧力を下降させることができる。
このように、本発明のターボチャージャは、第１、第２バイパス孔（１２、１３）の両方の圧力損失を少なくできる。このため、ウェイストゲートバルブ（１１）を開くことで、第１、第２バイパス孔（１２、１３）を介して大量の排気ガスをタービン下流域（α）に迂回させることができる。その結果、エンジンの排出する単位時間当たりの排気ガス量が過剰な場合であっても、タービン羽根車（１）の排気上流側の排気圧力を下降させて、タービン効率の低下を防ぐことができる。

ターボチャージャの断面図である（実施例）。流路切替バルブおよびウェイストゲートバルブを示す要部断面図である（実施例）。流路切替バルブおよびウェイストゲートバルブを示す要部断面図である（実施例）。ターボチャージャの外観図である（実施例）。（ａ）、（ｂ）流路切替バルブとウェイストゲートバルブの概略構成図である（実施例）。流路切替バルブおよびウェイストゲートバルブを示す要部断面図である（従来例）。

図面を参照して［発明を実施するための形態］を説明する。
ターボチャージャは、エンジン（内燃機関）に供給される吸気の過給を行うものであり、タービン羽根車１、タービンハウジング２、コンプレッサ羽根車３、コンプレッサハウジング４、シャフト５およびセンターハウジング６を備える。
そして、タービンハウジング２には、エンジンの排気ガスを旋回させてタービン羽根車１に向けて排出する第１、第２排気スクロール７、８が設けられる。

このターボチャージャには、
・第１排気スクロール７から第２排気スクロール８に排気ガスを導く流路切替孔９（通路または開口穴）の開閉あるいは開度調整を行う流路切替バルブ１０と、
・タービン羽根車１の排気上流側の排気ガスを、タービン羽根車１を迂回させて、タービン下流域αへ導くウェイストゲートバルブ１１と、
が設けられる。

ウェイストゲートバルブ１１は、
（ａ）第１排気スクロール７からタービン下流域αへ排気ガスを迂回させる第１バイパス孔１２（通路あるいは開口穴）と、
（ｂ）第２排気スクロール８からタービン下流域αへ排気ガスを迂回させる第２バイパス孔１３（通路あるいは開口穴）と、
の両方を同時に開閉する。
第１排気スクロール７の排気上流側には、流路断面積を絞る絞り部βが設けられる。
第１バイパス孔１２は、絞り部βより排気上流側に開口する。
第２バイパス孔１３は、第２排気スクロール８内における流路切替バルブ１０の可動域の空間γに開口する。

以下において本発明が適用された具体的な一例（実施例）を、図面を参照して説明する。実施例は具体的な一例を開示するものであって、本発明が実施例に限定されないことは言うまでもない。
なお、以下の実施例において上記［発明を実施するための形態］と同一符号は、同一機能物を示すものである。

ターボチャージャは、車両走行用のエンジン（燃料の燃焼により回転動力を発生する内燃機関：ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等を問わない）に搭載される。

ターボチャージャは、エンジンから排出される排気ガスのエネルギーによって、エンジンに吸い込まれる吸気を加圧する過給器であり、
・エンジンから排出された排気ガスによって回転駆動されるタービン羽根車１と、
・このタービン羽根車１を収容する渦巻形状のタービンハウジング２と、
・タービン羽根車１の回転力により駆動されて吸気を加圧するコンプレッサ羽根車３と、
・このコンプレッサ羽根車３を収容する渦巻形状のコンプレッサハウジング４と、
・タービン羽根車１の回転をコンプレッサ羽根車３に伝達するシャフト５と、
・このシャフト５を高速回転自在に支持するセンターハウジング６と、
を備える。
そして、ターボチャージャは、タービンハウジング２、コンプレッサハウジング４、センターハウジング６を、Ｖバンド（止め輪）、スナップリング、ボルト等の結合手段を用いて軸方向に結合して構成される。

タービンハウジング２の内部には、排気ガスをタービン羽根車１へ向けて吹き付ける第１、第２排気スクロール７、８が設けられている。
第１排気スクロール７は、エンジンから排出された排気ガスを旋回させ、旋回させた排気ガスをタービン羽根車１の排気上流部（センターハウジング６に近い側）へ向けて吹き付けるものであり、下流端部には環状の第１排気出口７ａが設けられる。
第２排気スクロール８は、エンジンから排出された排気ガス（具体的には、第１排気スクロール７に導かれた排気ガスの一部）を第１排気スクロール７と同一方向へ旋回させ、旋回させた排気ガスをタービン羽根車１の途中部位（第１排気出口７ａの隣部）へ向けて吹き付けるものであり、下流端部には環状の第２排気出口８ａが設けられる。

ここで、第１排気スクロール７の排気上流部は、タービンハウジング２の排気入口（エキゾーストマニホールドとの接続口）と常に連通し、排気ガスが常時第１排気スクロール７内に供給される。
一方、第２排気スクロール８の排気上流部は、タービンハウジング２に形成された流路切替孔９を介して第１排気スクロール７内に連通するものであり、この流路切替孔９は流路切替バルブ１０によって開閉される。

具体的に、タービンハウジング２には、図２に示すように、第１排気スクロール７と第２排気スクロール８を区画する仕切壁１４が設けられており、この仕切壁１４によって第１排気スクロール７の途中（上流側の途中）を絞る絞り部βが設けられている。
そして、流路切替孔９は、絞り部βより排気上流側において開口する。即ち、流路切替孔９は、第１排気スクロール７内における流路断面積が大きい範囲において開口する。

流路切替バルブ１０は、流路切替孔９の開閉あるいは開度調整を行うことで、第２排気スクロール８に供給される排気ガスをコントロールする。
即ち、
（ｉ）流路切替バルブ１０が流路切替孔９を閉じることで小容量（第１排気スクロール７からタービン羽根車１に排気ガスを吹き付ける小流量）が達成され、
（ｉｉ）流路切替バルブ１０が流路切替孔９を開くことで大容量（第１、第２排気スクロール７、８の両方からタービン羽根車１に排気ガスを吹き付ける大流量）が達成される。

一方、タービンハウジング２には、タービン羽根車１の排気上流側の排気ガスを、タービン羽根車１を迂回させて、タービン下流域αへ導くウェイストゲートバルブ１１が設けられている。
このウェイストゲートバルブ１１は、
（ａ）第１排気スクロール７からタービン下流域αへ排気ガスを迂回させる第１バイパス孔１２と、
（ｂ）第２排気スクロール８からタービン下流域αへ排気ガスを迂回させる第２バイパス孔１３と、
の両方を同時に開閉するものである。

第１バイパス孔１２および第２バイパス孔１３は、図２、図３に示すように、それぞれタービンハウジング２に設けられる。
ここで、第１バイパス孔１２の排気上流端（第１排気スクロール７の接続口）は、上述した絞り部βより排気上流側において開口する。即ち、第１バイパス孔１２の排気上流端は、流路切替孔９とともに、第１排気スクロール７内における流路断面積が大きい範囲において開口する。

また、第２排気スクロール８内の上流部には、流路切替バルブ１０の可動を可能にする空間γ（流路切替バルブ１０を所定範囲内で回動させる空間）が設けられている。
そして、第２バイパス孔１３の排気上流端（第２排気スクロール８の接続口）は、流路切替バルブ１０の可動域の空間γにおいて開口する。即ち、第２バイパス孔１３の排気上流端は、第２排気スクロール８内における流路断面積が大きい範囲において開口する。

第１バイパス孔１２の排気下流端および第２バイパス孔１３の排気下流端は、図３に示すように隣接して開口するものであり、１つのウェイストゲートバルブ１１によって同時に開閉される。
このウェイストゲートバルブ１１は、第１、第２バイパス孔１２、１３の開閉あるいは開度調整を行うことで、第１、第２排気スクロール７、８に供給される排気ガスをコントロールする。

具体的に、ウェイストゲートバルブ１１は、
（ｉｉｉ）エンジン高回転時など、エンジンの排出する単位時間当たりの排気ガス量が過剰な場合に開弁し、第１、第２排気スクロール７、８の排気上流側の排気ガスをタービン下流域αへ迂回させる。
これにより、タービン羽根車１に供給される排気圧力が過剰に昇圧するのを防いで、タービン効率を向上させるものである。

流路切替バルブ１０とウェイストゲートバルブ１１は、
・「独立したアクチュエータ１５」によって駆動されるものであっても良いし、
・「１つのアクチュエータ１５」と「回動特性の変換を行って流路切替バルブ１０とウェイストゲートバルブ１１の開度を別々に変位させるリンク装置」を用いて駆動されるものであっても良い。

なお、アクチュエータ１５（例えば、電動モータと減速機を組み合わせた電動アクチュエータ等）は、図４に示すように、タービンハウジング２から熱的に離れた部材（コンプレッサハウジング４等）に搭載することが望ましいものである。

以下において流路切替バルブ１０およびウェイストゲートバルブ１１の具体的な一例を説明する。
この実施例の流路切替バルブ１０は、流路切替孔９を開閉する手段としてポペットバルブ（傘弁）を用いるものであり、タービンハウジング２に対して回動自在に支持される流路切替シャフト１６を介してタービンハウジング２の外部から回動操作される。
具体的に、タービンハウジング２の外部における流路切替シャフト１６の端部には、流路切替アーム１７が結合される。そして、流路切替アーム１７の端部がアクチュエータ１５によって駆動される流路切替ロッド１８に連結されて、アクチュエータ１５により流路切替バルブ１０が回動操作される。

ウェイストゲートバルブ１１も、流路切替バルブ１０と同様の構成を採用する。
即ち、ウェイストゲートバルブ１１は、第１、第２バイパス孔１２、１３を開閉する手段としてポペットバルブを用いるものであり、タービンハウジング２に対して回動自在に支持されるウェイストゲートシャフト１９を介してタービンハウジング２の外部から回動操作される。
具体的に、タービンハウジング２の外部におけるウェイストゲートシャフト１９の端部には、ウェイストゲートアーム２０が結合される。そして、ウェイストゲートアーム２０の端部がアクチュエータ１５によって駆動されるウェイストゲートロッド２１に連結されて、アクチュエータ１５によりウェイストゲートバルブ１１が回動操作される。

流路切替バルブ１０およびウェイストゲートバルブ１１を駆動するアクチュエータ１５は、ＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニットの略：図示しない）により作動が制御される。
ＥＣＵは、エンジンの運転状態（エンジン回転数とアクセル開度等）から目標吸気量を算出し、算出した目標吸気量から目標過給圧を算出する。そして、算出した目標過給圧とエンジン回転数等の関係から流路切替バルブ１０の開度を算出し、目標開度が得られるように流路切替バルブ１０を制御する。

また、ＥＣＵは、コンプレッサ羽根車３により加圧された吸気圧力（過給圧センサによって検出される圧力）が所定圧を超えないようにウェイストゲートバルブ１１を制御する。あるいは、ＥＣＵは、タービン羽根車１の排気上流側の排気圧力（タービン排気圧センサによって検出される圧力あるいは演算より求められる圧力）が所定圧を超えないようにウェイストゲートバルブ１１を制御する。なお、ＥＣＵは、流路切替バルブ１０よりウェイストゲートバルブ１１の開度制御を優先するものである。

（実施例の効果１）
この実施例のターボチャージャは、流路切替バルブ１０が全閉状態であってもウェイストゲートバルブ１１を開くことで、第１バイパス孔１２を通して排気ガスをタービン下流域αへ導くことができる。
これにより、流路切替バルブ１０が例え全閉状態であってもウェイストゲートバルブ１１を機能させることができる。

（実施例の効果２）
この実施例のターボチャージャは、ウェイストゲートバルブ１１を開くことで、第１、第２バイパス孔１２、１３の両方を通して排気ガスをタービン下流域αへ迂回させることができる。これにより、ウェイストゲートバルブ１１の圧力損失を下げることができる。
このため、エンジンの排出する単位時間当たりの排気ガス量が過剰な場合であっても、タービン羽根車１の排気上流側の排気圧力を下降させることが可能になり、タービン効率の低下を防ぐことができる。

（実施例の効果３）
この実施例とは異なり、絞り部βの排気下流側の「流路断面積が小さい範囲（通路が狭い部位）」において第１バイパス孔１２を開口させる場合は、第１バイパス孔１２の圧力損失が大きくなってしまう。このため、第１バイパス孔１２を開いても、第１バイパス孔１２を通過する排気流量が減って、第１バイパス孔１２による排気圧力下降効果が小さくなってしまう。

これに対し、この実施例の第１バイパス孔１２は、上述したように、第１排気スクロール７における絞り部βの排気上流側の「流路断面積が大きい範囲」において開口する。これにより、第１バイパス孔１２の圧力損失を少なくでき、第１バイパス孔１２を介して大量の排気ガスをタービン下流域αに迂回させることができる。この結果、タービン羽根車１の排気上流側の排気圧力を下降させることができる。

（実施例の効果４）
この実施例とは異なり、第２排気スクロール８内における流路切替バルブ１０の可動域とは異なる部位において第２バイパス孔１３を開口させる場合は、第２バイパス孔１３の圧力損失が大きくなってしまう。このため、第２バイパス孔１３を開いても、第２バイパス孔１３を通過する排気流量が減って、第２バイパス孔１３による排気圧力下降効果が小さくなってしまう。

これに対し、この実施例の第２バイパス孔１３は、上述したように、流路切替バルブ１０の可動域の空間γにおいて開口する。即ち、第１排気スクロール７における「流路断面積が大きい範囲」において開口する。これにより、第２バイパス孔１３の圧力損失を少なくでき、第２バイパス孔１３を介して大量の排気ガスをタービン下流域αに迂回させることができる。この結果、タービン羽根車１の排気上流側の排気圧力を下降させることができる。

この実施例は、上記「実施例の効果３、４」で示したように、第１、第２バイパス孔１２、１３の両方の圧力損失を少なくできる。
このため、ウェイストゲートバルブ１１を開くことで、第１、第２バイパス孔１２、１３を介して大量の排気ガスをタービン下流域αに迂回させることができる。その結果、エンジンの排出する単位時間当たりの排気ガス量が過剰な場合であっても、タービン羽根車１の排気上流側の排気圧力を下降させて、タービン効率の低下を防ぐことができる。

上記の実施例では、アクチュエータ１５の一例として電動アクチュエータを用いたが、ＥＣＵにより制御可能な油圧アクチュエータや負圧アクチュエータなど、他のアクチュエータを用いても良い。

１タービン羽根車
３コンプレッサ羽根車
７第１排気スクロール
８第２排気スクロール
９流路切替孔
１０流路切替バルブ
１１ウェイストゲートバルブ
１２第１バイパス孔
１３第２バイパス孔
α タービン下流域（タービン羽根車の排気下流側）

Claims

吸気圧縮用のコンプレッサ羽根車（３）を駆動するタービン羽根車（１）と、
エンジンから排出された排気ガスを旋回させて前記タービン羽根車（１）へ吹き付ける第１排気スクロール（７）と、
この第１排気スクロール（７）とは独立して設けられ、前記エンジンから排出された排気ガスを旋回させて前記タービン羽根車（１）へ吹き付ける第２排気スクロール（８）と、
前記第１排気スクロール（７）から前記第２排気スクロール（８）に排気ガスを導く流路切替孔（９）の開閉あるいは開度調整を行う流路切替バルブ（１０）と、
前記タービン羽根車（１）の排気上流側の排気ガスを、前記タービン羽根車（１）を迂回させて、前記タービン羽根車（１）の排気下流側（α）へ導くウェイストゲートバルブ（１１）と、
を具備するターボチャージャにおいて、
前記ウェイストゲートバルブ（１１）は、
前記第１排気スクロール（７）から前記タービン羽根車（１）の排気下流側（α）へ排気ガスを迂回させる第１バイパス孔（１２）と、
前記第２排気スクロール（８）から前記タービン羽根車（１）の排気下流側（α）へ排気ガスを迂回させる第２バイパス孔（１３）と、
の両方を同時に開閉するものであり、
前記第１排気スクロール（７）の排気上流側には、流路断面積を絞る絞り部（β）が設けられ、
前記第１バイパス孔（１２）は、前記絞り部（β）より排気上流側に開口し、
前記第２バイパス孔（１３）は、前記第２排気スクロール（８）内における前記流路切替バルブ（１０）の可動域の空間（γ）に開口することを特徴とするターボチャージャ。