JP2007092557A - Turbocharger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ターボチャージャに関するものである。 The present invention relates to a turbocharger.
従来より、自動車のエンジン等では、排気側から排気ガスの一部を抜き出して吸気側へと戻し、その吸気側に戻された排気ガスでエンジン内での燃料の燃焼を抑制させて燃焼温度を下げることによりNOxの発生を低減するようにした、いわゆる排気ガス再循環(EGR:Exhaust Gas Recirculation)が行われている。 2. Description of the Related Art Conventionally, in an automobile engine or the like, a part of exhaust gas is extracted from the exhaust side and returned to the intake side, and combustion of fuel in the engine is suppressed by the exhaust gas returned to the intake side so that the combustion temperature is increased. So-called exhaust gas recirculation (EGR) is performed in which the generation of NOx is reduced by lowering.
一般的に、この種の排気ガス再循環を行う場合には、排気マニホールドから排気管に亘る排気通路の適宜位置と、吸気管から吸気マニホールドに亘る吸気通路の適宜位置との間をEGRパイプにより接続し、該EGRパイプを通して排気ガスを再循環するようにしている。 In general, when this type of exhaust gas recirculation is performed, an EGR pipe is used between an appropriate position of the exhaust passage extending from the exhaust manifold to the exhaust pipe and an appropriate position of the intake passage extending from the intake pipe to the intake manifold. The exhaust gas is recirculated through the EGR pipe.
尚、エンジンに再循環する排気ガスをEGRパイプの途中で冷却すると、排気ガスの温度が下がり且つその容積が小さくなることにより、エンジンの出力を余り低下させずに燃焼温度を低下して効果的に窒素酸化物の発生を低減させることができるため、エンジンに排気ガスを再循環するEGRパイプの途中に水冷式のEGRクーラを装備したものもある。 In addition, if the exhaust gas recirculated to the engine is cooled in the middle of the EGR pipe, the temperature of the exhaust gas is reduced and the volume thereof is reduced, so that the combustion temperature is effectively reduced without significantly reducing the output of the engine. Since the generation of nitrogen oxides can be reduced, a water-cooled EGR cooler is provided in the middle of an EGR pipe for recirculating exhaust gas to the engine.
図6は前述した排気ガス再循環を行うためのEGR装置の一例を示すもので、図6中における1はディーゼル機関であるエンジンを示し、該エンジン1は、ターボチャージャ2を備えており、図示しないエアクリーナから導いた吸気3を吸気管4を通し前記ターボチャージャ2のコンプレッサ2aへ送り、該コンプレッサ2aで加圧された吸気3をインタクーラ5へと送って冷却し、該インタクーラ5から更に吸気マニホールド6へと吸気3を導いてエンジン1の各気筒7(図6では直列6気筒の場合を例示している)に分配するようにしてある。
FIG. 6 shows an example of the EGR device for performing the exhaust gas recirculation described above. In FIG. 6,
また、このエンジン1の各気筒7から排出された排気ガス8を排気マニホールド9を介し前記ターボチャージャ2のタービン2bへ送り、該タービン2bを駆動した排気ガス8を排気管10を介し車外へ排出するようにしてある。
The
そして、排気マニホールド9における各気筒7の並び方向の一端部と、吸気マニホールド6に接続されている吸気管4の一端部との間がEGRパイプ11により接続されており、排気マニホールド9から排気ガス8の一部を抜き出して吸気管4に導き得るようにしてある。
An end portion of the
ここで、前記EGRパイプ11には、該EGRパイプ11を適宜に開閉するEGRバルブ12と、再循環される排気ガス8を冷却するためのEGRクーラ13とが装備されており、該EGRクーラ13では、図示しない冷却水と排気ガス8とを熱交換させることにより排気ガス8の温度を低下し得るようになっている。
Here, the EGR
ただし、前述した如きターボチャージャ2付きのエンジン1においては、吸気側が過給されているために排気側との圧力差が少なくなってしまい、高いEGR率を実現することが難しいという問題があるが、ターボチャージャ2として、タービン2b側のノズル部に角度調整可能な多数のノズルベーンを環状に備えてノズル開度を任意に変更し得るようにしたマルチベーンタイプのバリアブルジオメトリーターボチャージャを採用し、特にガス流量の少ない低速域でタービン2b側のノズル開度を中間開度(全閉と全開の中間に当る50%開度)より小さく絞り込んでタービン2b側のノズル部における排気ガス8の通過抵抗を増やし、これにより排気マニホールド9の圧力を高めて吸気側と排気側との圧力差を確保することが提案されている。
However, in the
他方、この種のバリアブルジオメトリーターボチャージャをターボチャージャ2として採用した場合、ガス流量の多い高速域にあっては、タービン2b側のノズル開度を中間開度より大きく開け、タービン2b側のノズル部における排気ガス8の通過抵抗を極力減らして使用することになる。
On the other hand, when this type of variable geometry turbocharger is used as the
即ち、バリアブルジオメトリーターボチャージャにおいて、タービン2b側のガス流量の律速部位は、タービン2b側のノズル開度が小さいうちはノズル部側であるのに対し、タービン2b側のノズル開度が大きくなるとタービン出口側に移行することになるため、ガス流量の多い高速域でタービン出口に到る途中のノズル部で余分な通過抵抗を与えてしまうと、タービン出口側で決まるガス流量を更に絞り込んでしまう結果となるからである。
That is, in the variable geometry turbocharger, the gas flow rate limiting portion on the
尚、排気マニホールド9から抜き出した排気ガス8の一部を吸気管4へ再循環するようにした例を開示する先行技術文献情報としては下記の特許文献1等がある。
しかしながら、図7にグラフで示す通り、タービン2b側のノズル開度に対する吸入空気(新気)の体積効率は、低速域(曲線A)及び高速域(曲線B)の何れの場合も、そのノズル開度を中間開度(全閉と全開の中間に当る50%開度)付近にして使用した場合に最大となることが知見として得られているのに対し、曲線Aで示す低速域においては、排気ガス再循環のために排気マニホールド9の圧力を高めるべく、タービン2b側のノズル開度を中間開度より大きく絞り込んだノズル開度αで使用しており、曲線Bで示す高速域においては、タービン2bの圧力損失を抑制するべく、タービン2b側のノズル開度を中間開度より大きく開けたノズル開度βで使用しているのが実情であり、低速域での排気マニホールド9の圧力をより高めようとしたり、高速域でタービン2bの圧力損失をより抑制しようとした場合に、ターボチャージャ2の効率が落ちることで吸入空気量(新気量)が大幅に不足して気筒内の燃焼不良を招く虞れがあった。
However, as shown in the graph of FIG. 7, the volumetric efficiency of the intake air (fresh air) with respect to the nozzle opening on the
ここで、タービン2b側のノズル開度に対する吸入空気(新気)の体積効率が、そのノズル開度を中間開度付近にして使用した場合に最大となるのは、この際に排気ガス8の流速とタービンホイールへの流入角度の複合効果が最大となるからであると考えられており、より具体的には、低速域でノズル開度を絞り込み過ぎると、排気ガス8の流速は速くなるものの、排気ガス8のタービンホイールへの流入角度が悪くなってタービンホイールの回転数の維持が難しくなり、また、高速域でノズル開度を開き過ぎると、排気ガス8の流速が落ち過ぎてタービンホイールの回転数の維持が難しくなるためであると考えられている。
Here, the volumetric efficiency of the intake air (fresh air) with respect to the nozzle opening on the
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、吸入空気量の不足による気筒内の燃焼不良を招くことなく高いEGR率を実現して良好なNOx低減効果を得られるようにすることを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to achieve a high EGR rate and obtain a good NOx reduction effect without causing a combustion failure in a cylinder due to a shortage of intake air amount. It is said.
本発明は、排気マニホールドから排気ガスの一部を抜き出して吸気側へ再循環するEGRパイプを装備したエンジンに搭載するためのターボチャージャであって、タービン側のノズル部に角度調整可能な多数のノズルベーンを環状に備え、該各ノズルベーンの配置位置におけるノズル部全周の開口面積をタービン出口面積で除算した特性値が0.50〜0.75の範囲になるように形成したことを特徴とするものである。 The present invention is a turbocharger to be mounted on an engine equipped with an EGR pipe that extracts a part of exhaust gas from an exhaust manifold and recirculates it to the intake side, and is capable of adjusting the angle of a nozzle portion on the turbine side. The nozzle vane is provided in a ring shape, and the characteristic value obtained by dividing the opening area of the entire circumference of the nozzle portion at the position where each nozzle vane is arranged by the turbine outlet area is in the range of 0.50 to 0.75. Is.
このようにすれば、タービンスクロールのノズル部における各ノズルベーンを角度調整可能としてノズル開度を任意に変更し得るようにしたターボチャージャに関し、同様の特性値が0.75を上回るものしか存在していなかった既存のものと比較して、タービン側の各ノズルベーンの配置位置におけるノズル部全周の開口面積が相対的に小さく且つタービン出口面積が相対的に大きなターボチャージャが得られることになる。 In this way, with regard to the turbocharger in which each nozzle vane in the nozzle portion of the turbine scroll can be angle-adjusted and the nozzle opening can be arbitrarily changed, there are only those having a similar characteristic value exceeding 0.75. Compared with the existing one that is not present, a turbocharger is obtained in which the opening area of the entire circumference of the nozzle portion at the arrangement position of each nozzle vane on the turbine side is relatively small and the turbine outlet area is relatively large.
そして、斯かる特性値を採用したターボチャージャによれば、ガス流量の少ない低速域でタービン側のノズル開度を中間開度より小さく絞り込んでタービン側のノズル部における排気ガスの通過抵抗を増やし、これにより排気マニホールドの圧力を高めて排気ガス再循環量を増やすにあたり、従来ほど各ノズルベーンを閉じ方向に傾けなくてもノズル開度(流路断面積)を同程度に絞り込むことが可能となるので、タービン側のノズル開度を排気ガスの流速とタービンホイールへの流入角度の複合効果が最大に得られる中間開度に近づけて排気マニホールドの圧力を高めることが可能となり、ターボチャージャの効率を極力落とさずに吸気側と排気側との十分な圧力差を確保して従来より高いEGR率を実現し且つその際の吸入空気量を従来より多く確保することが可能となる。 And, according to the turbocharger adopting such a characteristic value, the nozzle opening on the turbine side is narrowed to be smaller than the intermediate opening in the low speed region where the gas flow rate is small, and the passage resistance of the exhaust gas in the nozzle part on the turbine side is increased. As a result, when increasing the pressure of the exhaust manifold and increasing the exhaust gas recirculation amount, it is possible to narrow down the nozzle opening (channel cross-sectional area) to the same extent without tilting the nozzle vanes in the closing direction as in the past. It is possible to increase the pressure of the exhaust manifold by bringing the nozzle opening on the turbine side close to the intermediate opening that maximizes the combined effect of the exhaust gas flow velocity and the inflow angle to the turbine wheel, and the efficiency of the turbocharger is maximized. A sufficient pressure difference between the intake side and the exhaust side is ensured without dropping, achieving a higher EGR rate than before, and the intake air amount at that time is conventional Ri becomes possible to more secure.
他方、ガス流量の多い高速域でタービン側のノズル開度を中間開度より大きく開けてタービン側のノズル部における排気ガスの通過抵抗を極力減らし、これにより排気ガスがタービンを通過する際における圧力損失を抑制するにあたっては、ノズル開度が大きい場合のガス流量の律速部位を成すタービン出口の面積が相対的に大きくなることで、従来ほど各ノズルベーンを開け方向に傾けなくてもタービン側での圧力損失を同程度に抑制することが可能となるので、タービン側のノズル開度を排気ガスの流速とタービンホイールへの流入角度の複合効果が最大に得られる中間開度に近づけてタービン側での圧力損失を抑制することが可能となり、ターボチャージャの効率を極力落とさずにタービン側での圧力損失を抑制し且つその際の吸入空気量を従来より多く確保することが可能となる。 On the other hand, in the high-speed region where the gas flow rate is high, the nozzle opening on the turbine side is opened larger than the intermediate opening to reduce the exhaust gas passage resistance at the nozzle part on the turbine side as much as possible, and thus the pressure when the exhaust gas passes through the turbine. In order to suppress the loss, the area of the turbine outlet that forms the rate-limiting part of the gas flow rate when the nozzle opening is large becomes relatively large, so that it is not necessary to tilt each nozzle vane in the opening direction as in the conventional case. Since pressure loss can be suppressed to the same extent, the nozzle opening on the turbine side is brought close to the intermediate opening that maximizes the combined effect of the exhaust gas flow velocity and the inflow angle to the turbine wheel. The pressure loss on the turbine side can be suppressed without reducing the efficiency of the turbocharger as much as possible, and the suction air at that time can be reduced. The amount of it is possible to ensure more than before.
上記した本発明のターボチャージャによれば、低速域及び高速域の何れにあっても、タービン側のノズル開度を排気ガスの流速とタービンホイールへの流入角度の複合効果が最大に得られる中間開度に近づけて使用することができるので、ターボチャージャの効率を極力落とさずに高いEGR率を実現し且つその際の吸入空気量の低下を従来より多く確保することができ、気筒内の燃焼不良を回避しながら良好なNOx低減効果を得ることができるという優れた効果を奏し得る。 According to the above-described turbocharger of the present invention, the middle nozzle opening on the turbine side can be maximized in the combined effect of the exhaust gas flow velocity and the inflow angle to the turbine wheel in either the low speed range or the high speed range. Since it can be used close to the opening, it achieves a high EGR rate without reducing the efficiency of the turbocharger as much as possible, and can ensure more reduction of the intake air amount at that time than in the past, combustion in the cylinder An excellent effect that a good NOx reduction effect can be obtained while avoiding defects can be obtained.
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1〜図5は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図6と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。 1 to 5 show an example of an embodiment for carrying out the present invention, and portions denoted by the same reference numerals as those in FIG. 6 represent the same items.
本形態例の特徴とするところは、先に図6で説明したエンジン1、即ち、排気マニホールド9から排気ガス8の一部を抜き出して吸気管4へ再循環するEGRパイプ11を装備したエンジン1(エンジン1側の構造については図6を参照)に搭載するためのターボチャージャ2を以下の如きマルチベーンタイプのバリアブルジオメトリーターボチャージャとした点にある。
The feature of this embodiment is that the
つまり、図1〜図4のターボチャージャ2では、タービンスクロール14内におけるノズル部15に角度調整可能な多数のノズルベーン16が環状に備えられており、図3に角度調整機構の一例を概略的に示している通り、タービンホイール17を取り囲むように配置された各ノズルベーン16は、ノズルリングプレート18にピン19を介し傾動自在に取り付けられ、これら各ノズルベーン16の角度が前記ノズルリングプレート18に対するリンクプレート20の円周方向への相対変位により連動して変更されるようになっていて、このリンクプレート20がアクチュエータ21によるレバー22の傾動操作でリンク23を介し回動操作されるようになっている。
That is, in the
しかも、ここに図示しているターボチャージャ2においては、各ノズルベーン16の配置位置におけるノズル部15全周の開口面積Snをタービン出口面積Stで除算した特性値(Sn/St値)が0.50〜0.75の範囲になるように形成してある。
Moreover, in the
ここで、各ノズルベーン16の配置位置におけるノズル部15全周の開口面積Snとは、各ノズルベーン16の傾動中心軸を成すピン19が配置されるピッチサークルCの円周にノズル部15の幅w(図1参照)を乗算することで算出される円筒状領域の面積のことを指しており、また、タービン出口面積Stとは、タービンスクロール14の中心で側方に開口したタービン出口24の開口面積のことを指している。
Here, the opening area Sn of the entire circumference of the
尚、図1中における25はコンプレッサホイール、26はコンプレッサスクロール、27はコンプレッサ入口、28はタービンホイール17とコンプレッサホイール25とを一体的に連結しているシャフトを示す。
In FIG. 1,
而して、このように構成したターボチャージャ2をEGRパイプ11付きのエンジン1(図6参照)に採用すれば、同様の特性値が0.75を上回るものしか存在していなかった既存のものと比較して、タービン2b側の各ノズルベーン16の配置位置におけるノズル部15全周の開口面積が相対的に小さく且つタービン出口面積が相対的に大きなターボチャージャ2が得られることになる。
Thus, when the
そして、斯かる特性値を採用したターボチャージャ2によれば、ガス流量の少ない低速域でタービン2b側のノズル開度を中間開度より小さく絞り込んでタービン2b側のノズル部15における排気ガス8の通過抵抗を増やし、これにより排気マニホールド9の圧力を高めて排気ガス再循環量を増やすにあたり、従来ほど各ノズルベーン16を閉じ方向に傾けなくてもノズル開度(流路断面積)を同程度に絞り込むことが可能となるので、タービン2b側のノズル開度を排気ガス8の流速とタービンホイール17への流入角度の複合効果が最大に得られる中間開度に近づけて排気マニホールド9の圧力を高めることが可能となり、ターボチャージャ2の効率を極力落とさずに吸気側と排気側との十分な圧力差を確保して従来より高いEGR率を実現し且つその際の吸入空気量を従来より多く確保することが可能となる。
According to the
他方、ガス流量の多い高速域でタービン2b側のノズル開度を中間開度より大きく開けてタービン2b側のノズル部15における排気ガス8の通過抵抗を極力減らし、これにより排気ガス8がタービン2bを通過する際における圧力損失を抑制するにあたっては、ノズル開度が大きい場合のガス流量の律速部位を成すタービン出口24の面積が相対的に大きくなることで、従来ほど各ノズルベーン16を開け方向に傾けなくてもタービン2b側での圧力損失を同程度に抑制することが可能となるので、タービン2b側のノズル開度を排気ガス8の流速とタービンホイール17への流入角度の複合効果が最大に得られる中間開度に近づけてタービン2b側での圧力損失を抑制することが可能となり、ターボチャージャ2の効率を極力落とさずにタービン2b側での圧力損失を抑制し且つその際の吸入空気量を従来より多く確保することが可能となる。
On the other hand, the nozzle opening on the
尚、本発明者による検証実験によれば、図5にグラフで示す通り、前述した特性値(Sn/St値)に対する排気ガスの光不透過率(燃焼不良により生じた煙による排気ガスの汚染度を光の不透過率で評価した排気煙濃度の代用値)を、異なるEGR率(10%を曲線X、20%を曲線Y、30%を曲線Zで示す)で実行した排気ガス再循環について調査したところ、各EGR率別の最適点(各曲線X,Y,Zを成す各調査点のうちで最も光不透過率が低くなる調査点:図5中で大きくプロット表示した調査点)は、EGR率が高くなるにつれて図5中の右側から左側へシフトしていくことが確認され、また、EGR率が高くなるほど各曲線X,Y,ZのU字形状化する傾向が強まることが確認された。 According to the verification experiment by the present inventor, as shown in the graph of FIG. 5, the light impermeability of the exhaust gas with respect to the characteristic value (Sn / St value) described above (contamination of the exhaust gas due to smoke caused by poor combustion) Exhaust gas recirculation performed at different EGR rates (10% is represented by curve X, 20% is represented by curve Y, and 30% is represented by curve Z). As a result of the survey, the optimum point for each EGR rate (the survey point where the light opacity is the lowest among the survey points forming each curve X, Y, Z: the survey point that is plotted large in FIG. 5) 5 is confirmed to shift from the right side to the left side in FIG. 5 as the EGR rate increases, and the tendency that each curve X, Y, Z becomes U-shaped increases as the EGR rate increases. confirmed.
そして、今後の厳しい排気ガス規制に対応するためには、EGR率を20%〜40%程度に上げて排気ガス8の再循環を行う必要があると考えられているが、EGR率20%の曲線Yで最適点が特性値0.75より僅かに小さい特性値に決まり、これよりEGR率が高まるにつれ最適点が特性値の低い側へシフトしていくことを考慮すれば、将来的な高いEGR率の実現を図るのに際し、特性値が0.75を上回るものしか存在していない既存のバリアブルジオメトリーターボチャージャでは煙の発生を良好に押え込めないものと考えられ、少なくとも特性値を今までに提案されることのなかった0.75以下に下げたバリアブルジオメトリーターボチャージャの採用が必要と考えられる。
In order to comply with stricter exhaust gas regulations in the future, it is considered necessary to increase the EGR rate to about 20% to 40% and recirculate the
他方、特にEGR率30%の曲線Zに顕著に現れているように、特性値が0.50を下回るあたりから急激に光不透過率は悪化する傾向を示し、この傾向はEGR率が更に高まることでより顕著に現れるものと考えられる。 On the other hand, as shown particularly prominently in the curve Z with an EGR rate of 30%, the light opacity tends to deteriorate abruptly when the characteristic value falls below 0.50, and this tendency further increases the EGR rate. It is thought that it appears more prominently.
なぜなら、EGR率を30%より上げて燃焼を成立させたデータは未だ得られていないのが実情であるが、EGR率が30%を超えて高まれば、曲線Zにて特性値0.60付近に決まっていた最適点が更に特性値の低い側にシフトし、しかも、U字形状化する傾向は曲線Zより更に強まるものと考えられるからである。 This is because there is no data yet to establish combustion by raising the EGR rate from 30%, but if the EGR rate exceeds 30%, the characteristic value is around 0.60 on the curve Z This is because it is considered that the optimum point determined in (1) shifts to a lower characteristic value side, and the tendency to form a U-shape is stronger than the curve Z.
依って、特性値を今までに提案されることのなかった0.75以下に下げるといっても、その下限は自ずから0.50以上に決まるものと考えられ、事実、各曲線Y,Zにおいても、その特性値0.50〜0.75の範囲で光不透過率の低位領域がほぼ網羅されていることが確認できる。 Therefore, even if the characteristic value is lowered to 0.75 or less, which has never been proposed before, the lower limit is considered to be automatically determined to be 0.50 or more. In fact, in each of the curves Y and Z, In addition, it can be confirmed that the lower region of the light opacity is almost covered in the range of the characteristic value of 0.50 to 0.75.
従って、上記形態例によれば、低速域及び高速域の何れにあっても、タービン2b側のノズル開度を排気ガス8の流速とタービンホイール17への流入角度の複合効果が最大に得られる中間開度に近づけて使用することができるので、ターボチャージャ2の効率を極力落とさずに高いEGR率を実現し且つその際の吸入空気量の低下を従来より多く確保することができ、気筒内の燃焼不良を回避しながら良好なNOx低減効果を得ることができる。
Therefore, according to the above-described embodiment, the combined effect of the flow rate of the
尚、本発明のターボチャージャは、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、排気マニホールドから抜き出した排気ガスの一部を吸気マニホールドに再循環するようにしても良いこと、また、ノズルベーンの角度調整機構の構成は図示例に限定されないこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 The turbocharger according to the present invention is not limited to the above-described embodiment. A part of the exhaust gas extracted from the exhaust manifold may be recirculated to the intake manifold, and the nozzle vane Of course, the configuration of the angle adjusting mechanism is not limited to the illustrated example, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1 エンジン
2 ターボチャージャ
2a コンプレッサ
2b タービン
3 吸気
4 吸気管
8 排気ガス
9 排気マニホールド
10 排気管
11 EGRパイプ
14 タービンスクロール
15 ノズル部
16 ノズルベーン
17 タービンホイール
24 タービン出口
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