JP2007192119A - 過給機のタービン - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気をタービンロータに供給するために２つの流路を切り換えまたはそれぞれの流路を流れる排気の流量が調節可能な過給機のタービンにおいて、内燃機関の運転状態に拘らず適切な機関出力を得ることができる技術を提供する。
【解決手段】２つのタービンスクロール（２ａ、２ｂ）を有する第１流路と、単一のタービンスクロールを有する第２流路（２ｇ）とを備える。内燃機関の機関回転数が低い場合には、第１流路に排気を通過させて排気干渉を抑制し、内燃機関の機関回転数が高い場合には、第２流路に排気を通過させて流路抵抗を低減する。
【選択図】図４

Description

本発明は内燃機関の過給機のタービンに関し、特にタービンロータに排気を導く流路を切り換えまたは各流路を流れる排気の流量を調節する技術に関する。

ターボ過給機においては、タービンスクロールを分割して複数の流路を有するようにしたものが知られている。例えば、タービンスクロールを羽付きノズルを有する第１流路と羽根付きノズルを有さない第２流路とに分割し、バルブによって排気の流路を選択可能としたものを挙げることができる。この例においては、内燃機関の低速運転時にはバルブの開閉によって第１流路のみから、排気を羽根付きノズルを介してタービンロータに供給することで過給圧力を高める。一方、内燃機関の高速運転時には、第１流路及び第２流路の両方から、羽根付きノズル及び羽根なしノズルの両方を介してタービンロータに排気を供給し、過給圧力を抑制するとともに背圧を低減する（例えば、特許文献１参照。）。

また、２つのタービンスクロールを有するようにし、各々のタービンスクロールには排気干渉を互いに起さないシリンダからの排気同士を集合させ、各々のタービンスクロールにおける排気の干渉を低減し、内燃機関の出力を向上させる技術が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

さらには、上記の技術を組み合わせて、２つの流路を切り換えることが可能な過給機のタービンにおいて、２つの流路の各々が２つのタービンスクロールを有するようにすることも考えられる。

しかし、この場合、内燃機関の低速運転時には、前述のように２つのタービンスクロールを有するようにし、各々のタービンスクロールには排気干渉を互いに起さないシリンダからの排気同士を集合させることで、各々のタービンスクロールにおける排気の干渉を低減することができるが、内燃機関の高速運転時においては、この効果は減少し、逆にタービンスクロールを分割して２つにしたことによる流路抵抗の増大によって機関トルクが低下してしまう場合があった。
特開昭６０−１６６７１８号公報 特開昭６３−１１７１２４号公報 実開平１−１３００３６号公報 特開平１１−３１１１２４号公報

本発明の目的とするところは、内燃機関の排気をタービンロータに供給するために２つの流路を切り換えまたはそれぞれの流路を流れる排気の流量が調節可能な過給機のタービンにおいて、内燃機関の運転状態に拘らず適切な機関出力を得ることができる技術を提供することである。

上記目的を達成するための本発明における過給機のタービンは、２つのタービンスクロールを有する流路と、１つのタービンスクロールを有する流路とを、内燃機関の運転状態に応じて使い分けることを最大の特徴とする。

より詳しくは、内燃機関の排気をタービンロータに導く２つの並列したタービンスクロ
ールを有する第１流路と、
前記内燃機関の排気をタービンロータに導く単一のタービンスクロールを有する第２流路と、
前記内燃機関の運転状態に応じて、前記第１流路及び前記第２流路を流通する排気の量を制御する流量制御手段と、
を備えることを特徴とする。

すなわち、本発明のターボ過給機においては、タービンスクロールを分割して第１流路と第２流路の２つの流路を有するようにしている。さらに、第１流路には２つのタービンスクロールが形成され、第２流路には１つのタービンスクロールが形成されている。このような構成の流路において、内燃機関の運転状態に応じて、第１流路からタービンロータに供給する排気の量と、第２流路からタービンロータに供給する排気の量とを制御する。

ここで、第１流路には２つのタービンスクロールが形成されているので、内燃機関の特定の気筒からの排気同士をそれぞれ同じタービンスクロールに集中させ、または特定の気筒からの排気同士は異なるタービンスクロールを通過させるなど、排気の流路形成の自由度が高まる一方、２つのタービンスクロールの間の壁面による流路抵抗が大きいという特性がある。第２流路には、排気の流路形成の自由度がない代わり流路抵抗は小さいという特性がある。本発明においては、内燃機関の運転状態に応じて第１流路と第２流路を使い分けることとした。

例えば、内燃機関の高負荷の運転状態においては、流路抵抗を可及的に減少させるために第２流路を用い、それ以外の運転状態においては、排気の流路形成の自由度を優先させて第１流路を用いるようにしてもよい。また、内燃機関の背圧が過剰に高くなる運転状態において、より流路抵抗の少ない第２流路を用いるようにしてもよい。このように、本発明によれば、内燃機関の運転状態に応じて、過給機のタービンロータに供給される排気に対する流路抵抗を変更することができ、適切な機関出力を得ることができる。

また、本発明においては、前記第２流路は前記第１流路から分岐し、
前記第１流路における２つのタービンスクロールは前記第２流路における単一のタービンスクロールに接続され、
前記流量制御手段は、前記内燃機関の運転状態に応じて、前記第１流路を流通する排気の前記第２流路への流入量を制御するようにしてもよい。

そうすれば、第１流路から第２流路が分岐する分岐点において、第１流路から第２流路に流入する排気の量を制御するだけで、容易に第１流路と第２流路とを通過する排気の量を制御することができる。

また、本発明においては、前記第１流路における２つのタービンスクロールの各々には、前記内燃機関の運転状態が所定の低回転数領域に属する場合において、排気干渉を互いに起さない気筒からの排気同士が集合され、
前記内燃機関の運転状態が前記低回転数領域に属する場合においては、前記流量制御手段によって前記内燃機関からの排気に前記第１流路のみを通過させ、前記内燃機関の運転状態が前記低回転数領域から外れた場合には、前記流量制御手段によって前記内燃機関からの排気に少なくとも前記第２流路を通過させるようにしてもよい。

ここで、内燃機関の回転数が比較的低い運転状態においては、例えば連続して排気行程を迎える気筒同士に同一のタービンスクロールを通過させると、当該２つの気筒からの排気の間で排気干渉が生じて排気を効率よくタービンロータに供給することが困難になる場合がある。この場合は、過給圧を効率よく上昇させることができず、機関出力を充分に増
加させることができなくなるおそれがある。

そこで、本発明においては、前記第１流路における２つのタービンスクロールの各々には、前記内燃機関の運転状態が所定の低回転数領域に属する場合において、排気干渉を互いに起さない気筒からの排気同士が集合されるようにし、内燃機関の運転状態が前記低回転数領域に属する場合には前記第１流路からタービンロータに排気を供給することにした。そうすれば、所定の低回転数領域においても、過給機のタービンロータに供給される排気が排気干渉を起こすことを抑制できる。

しかし、内燃機関の運転状態が前記の低回転数領域から外れて高回転数となった場合には、そもそも同一のタービンスクロール内に全ての気筒からの排気が集中したとしても排気干渉が生じづらくなるので、排気干渉抑制の必要性自体が減少する。また、逆に、高回転数の運転状態においても前記第１流路を用いるようにした場合、１つの流路を２つのタービンスクロールに分割したことによる流路抵抗の増加の機関出力に対する影響が大きくなり、機関出力の向上が困難となるおそれがある。

そこで、本発明においては、前記内燃機関の運転状態が前記低回転数領域から外れた場合には、前記流量制御手段によって前記内燃機関からの排気に少なくとも前記第２流路を通過させるようにした。

以上のようにすれば、内燃機関の回転数が低く、タービンスクロールにおいて排気の干渉が生じ易い状態においては、内燃機関からの排気に第１流路を通過させ、排気の干渉を抑制することができる。また、内燃機関の回転数が高く、タービンスクロールにおける排気の干渉が生じづらい状態においては、前記排気に第２流路を通過させ、流路抵抗の増加を抑制することができる。

なお、ここで排気干渉を互いに起さない気筒とは、例えば直列４気筒機関において排気行程を迎える順番が＃１気筒、＃３気筒、＃４気筒、＃２気筒の順番である場合に、＃１気筒と＃４気筒または＃２気筒と＃３気筒など、連続して排気行程を迎えない気筒の組合せをいう。また、排気干渉を互いに起さないとは、必ずしも全く排気干渉を起さないことを意味せず、機関出力に影響を及ぼすような著しい排気干渉を起さないことを意味する。

また、ここで所定の低回転数領域とは、内燃機関の排気通路及び過給機のタービンスクロールの構造で定められる機関回転数の範囲であり、内燃機関の運転状態がこの領域に属する場合には、内燃機関の全気筒からの排気に同一のタービンスクロールを通過させると排気干渉が生じ、機関出力に影響が及ぶと判断される低回転数側の運転状態の領域である。

また、本発明においては、前記第１流路及び前記第２流路は、通過する排気をタービンロータに供給する際に排気が噴出する部分の流路面積および／または排気の噴出方向を決定するノズルを有するようにしてもよい。そうすれば、内燃機関から過給機のタービンロータに供給される排気の流速及び方向を、該タービンロータおける翼間流路に最適なものにすることができ、より効率的に前記内燃機関の出力を向上させることができる。

なお、本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせて使用することができる。

本発明にあっては、内燃機関の排気をタービンロータに供給するために２つの流路を切り換えまたはそれぞれの流路を流れる排気の流量が調節可能な過給機のタービンにおいて
、内燃機関の運転状態に拘らず適切な機関出力を得ることができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。

図１は、本発明が適用されない場合の過給機１におけるタービンの構造を説明するための図である。図１の過給機１においては、タービンハウジング２に、それぞれ２つのタービンスクロール２ａ、２ｂを有する第１流路と、２つのタービンスクロール２ａ´、２ｂ´を有する第２流路とが備えられている。ここで、タービンスクロール２ａと２ｂは、タービンハウジング２における周方向に並列して形成されている。

ここで、タービンスクロール２ａには、図示しない内燃機関の第１気筒、第４気筒からの排気が流入するようになっており、タービンスクロール２ｂには、内燃機関の第２気筒、第３気筒からの排気は流入されるようになっている。これにより、連続して排気行程を迎える気筒からの排気が同じタービンスクロールを通過することが防止され、各タービンスクロール内で排気干渉が生じることが抑制されている。

そして、第１流路のタービンスクロール２ａ、２ｂは分岐部２ｃにおいて、第２流路のタービンスクロール２ａ´、２ｂ´に分岐している。そして内燃機関の運転状態が低回転数の場合には、第１流路のタービンスクロール２ａ、２ｂのみを用いて排気をタービンロータに供給する。一方、内燃機関の運転状態が高回転数の場合には、第１流路のタービンスクロール２ａ、２ｂの他に第２流路のタービンスクロール２ａ´、２ｂ´からもタービンロータに排気を供給する。ここで、タービンスクロール２ａと２ａ´、２ｂと２ｂ´は、タービンハウジング２における軸方向に並列して形成されている。

図１（ｂ）には、図１（ａ）における中空の矢印方向から見た分岐部２ｃの断面図を示す。図１（ｂ）に示すとおり、第２流路におけるタービンスクロール２ａ´は、第１流路におけるタービンスクロール２ａに対して開口部２ｄにおいて接続されている。同様に、第２流路におけるタービンスクロール２ｂ´は、第１流路におけるタービンスクロール２ｂに対して開口部２ｅにおいて接続されている。そして、内燃機関の運転状態が低回転数の場合はバルブ３ａ、３ｂが閉弁され、開口部２ｄ、２ｅを閉鎖することにより、第１流路のタービンスクロール２ａ、２ｂから第２流路のタービンスクロール２ａ´、２ｂ´への排気の流入は禁止される。一方内燃機関の運転状態が高回転数の場合においては、バルブ３ａ、３ｂが開弁され、第１流路のタービンスクロール２ａ、２ｂから第２流路のタービンスクロール２ａ´、２ｂ´への排気の流入が許容される。

図２には、第１流路のタービンスクロール２ａ、２ｂから第２流路のタービンスクロール２ａ´、２ｂ´への排気の流入が許容された場合の排気の流れを示す。図２においてはバルブ３ａ、３ｂは省略している。図２の実線の矢印に示すように、第１流路のタービンスクロール２ａ、２ｂを通過する排気は、開口部２ｄ、２ｅから第２流路のタービンスクロール２ａ´、２ｂ´に流入する。その後、タービンスクロール２ａ´、２ｂ´内を破線の矢印のように通過してタービンロータに供給される。

ここで、内燃機関の運転状態が低回転数であるときには、前述のように例えば第１気筒と第３気筒または第２気筒と第４気筒からの排気が同じタービンスクロールに導入されていた場合、排気干渉が生じて過給圧を効率良く高めることが困難になる。しかし、内燃機関の運転状態が高回転数である場合には、例え連続して排気行程を迎える気筒からの排気が一つのタービンスクロール内に集中していたとしても、排気の圧力波の伝達速度と排気
弁の開弁タイミングとの関係で、排気干渉が生じにくくなる。そうすると、一つの流路を２つのタービンクスロールに分割し、連続して排気行程を迎える気筒からの排気が同一のタービンスクロールを通過しないようにすることの効果自体が目減りする。

逆に、一つの流路を２つのタービンスクロールに分割すると、排気が通過する際の壁面抵抗による流路抵抗が増加し、結果として過給圧を効率良く高めることが困難になる場合がある。このように、一つの流路が常に２つのタービンスクロールに分割された状態で排気を通過させた場合には、内燃機関の運転状態が低回転数から高回転数に変化するにつれて、機関出力を増大させる効果が減少し、ある回転数（以下「切り換え回転数」という。）より高回転数である場合には、逆に機関出力を低減させるおそれがある。

この場合の機関回転数と機関出力（トルク）との関係を図３（ａ）に、機関回転数と２タービンスクロール構造の効果との関係を図３（ｂ）に示す。図３（ａ）からも分かるように、切り換え回転数以下の回転数範囲では、２タービンスクロール構造とした方が、１タービンスクロール構造とした場合と比較して大きな機関出力を得ることができるが、切り換え回転数より大きい回転数範囲においては、２タービンスクロール構造とした場合より、１スクロール構造とした場合の方が大きな機関出力を得ることができる。なおここで、上記の切り換え回転数以下の回転数範囲は、本実施例における所定の低回転数領域に相当する。

そこで、本実施例においては、内燃機関の機関回転数が切り換え回転数以下の場合には、内燃機関からの排気を、２つのタービンスクロールを有して排気干渉を抑制した第１流路を通過させてタービンロータに供給し、内燃機関の機関回転数が切り換え回転数より大きい場合には、内燃機関からの排気の流路を切り換え、少なくとも一部の排気には単一のタービンスクロールを有する第２流路を通過させてタービンロータに供給することとした。

本実施例における過給機のタービンについて図４に示す。図４に示すように、本実施例において第２流路は２つのタービンスクロールに分割されておらず、単一のタービンスクロール２ｇのみを有する。

そして、内燃機関の機関回転数が切り換え回転数より大きくなった場合には図示しないバルブを開弁することによって、第１流路のタービンスクロール２ａ、２ｂを通過する排気に、開口部２ｆを介して第２流路のタービンスクロール２ｇを通過することを許容する。そうすると、第１流路のタービンスクロール２ａ、２ｂを通過する排気の一部に第２流路のタービンスクロール２ｇを通過させることができる。

そうすれば、内燃機関の機関回転数が切り換え回転数より高い場合には、流路抵抗の低い単一のタービンスクロール２ｇを通過して排気をタービンロータに供給することができ、２つのタービンスクロール２ａ、２ｂを有する第１流路のみを通過させた場合と比較して機関トルクを上昇させることができる。なお、上記において開口部２ｆ付近の断面図は、図１（ｂ）に示した図と同様にすることが望ましい。すなわち第１流路を通過する排気が開口部２ｆにおいて方向を大きく変えずに第２流路に流入することが可能とすることで、より効率よく機関トルクを上昇させることができる。

この場合の機関回転数と機関出力（トルク）との関係を図５に示す。図５に示すように、本実施例によれば、切り換え回転数より大きい回転数範囲において機関出力（トルク）を増加させることができる。なお、本実施例においては上述の図示しないバルブは流路制御手段を構成する。

なお、上記の実施例においては、切り換え回転数において図示しないバルブを全開させる必要はなく、例えば機関回転数が切り替え回転数より高くなった後、内燃機関の機関回転数が高くなるに従ってバルブの開度を大きくするようにしてもよい。そのことによって機関出力(トルク)を機関回転数の増加とともにより滑らかに増加させることができる。

また、上記においては、内燃機関の機関回転数が切り換え回転数より高くなった場合に第１流路のタービンスクロール２ａ、２ｂを通過する排気の一部に第２流路のタービンスクロール２ｇを通過させるようにした。それに対して、内燃機関の機関回転数が切り換え回転数より高くなった場合には図示しない３方弁を作動させることにより、第１流路のタービンスクロール２ａ、２ｂを通過する排気の全てが、分岐部２ｃより下流側では第２流路のタービンスクロール２ｇを通過するようにしてもよい。そうすることにより内燃機関の機関回転数が切り換え回転数より高い場合には、流路全体としての流路抵抗をより確実に低下させ、機関トルクをより効率よく上昇させることができる。

さらに、上記の実施例においては、第２流路が分岐部２ｃにおいて第１流路から分岐する例について説明したが、本発明における流路の構成はこれに限られない。内燃機関の各気筒からの排気枝管がそれぞれ２分岐され、それぞれの排気枝管が分岐した一方については、排気干渉が生じない気筒からの排気枝管同士が合流して第１流路を形成するようにし、それぞれの排気枝管が分岐した他方については、全ての気筒からの排気枝管が合流して第２流路を形成するようにしてもよい。

また、上記の実施例においては、機関回転数に応じて第１流路と第２流路とを使い分ける例について説明したが、これに加えて、第１流路を用いて排気をタービンロータに供給している際に、排気の背圧が過剰に高くなった場合に、バルブを開弁することにより一部の排気を第２流路に流入させる制御を行ってもよい。そうすれば排気の背圧を適正に維持することができる。

また、上記の実施例に係る過給機のタービンにおいては、例えば第１流路を通過する排気がタービンロータに供給される際に、排気が噴出される部分には、タービンロータの翼間流路の入口に排気を導く第１ノズルが設けられており、第２流路から排気が噴出される部分には、タービンロータの翼間流路の途中部に排気を導く第２ノズルが設けられるようにしてもよい。この構成において、内燃機関の運転状態に応じて双方の流路を通過する排気の量が前記バルブの開度によって制御されるようにすれば、内燃機関の運転状態に拘らず、タービンロータの全域に排気を供給することができ、タービンの効率を向上させることができる。

本発明が適用されない場合における過給機のタービンの構造を説明するための図である。 本発明が適用されない場合における過給機の第２流路を流れる排気の流れを説明するための図である。 図３（ａ）は全域２スクロールとした場合と全域１スクロールとした場合とにおける、機関回転数とトルクとの関係を示すグラフである。図３（ｂ）は、機関回転数と、２スクロール構造の効果との関係を示すグラフである。 本発明の実施例における過給機のタービンの構造及び、第２流路を流れる排気の流れを説明するための図である。 本発明が適用された場合における機関回転数とトルクとの関係を説明するグラフである。

符号の説明

１・・・過給機
２・・・タービンハウジング
２ａ、２ｂ、２ａ´、２ｂ´・・・・タービンスクロール
２ｃ・・・分岐部
２ｄ，２ｅ、２ｆ・・・開口部
２ｇ・・・タービンスクロール
３ａ、３ｂ・・・バルブ

Claims (4)

1. 内燃機関の排気をタービンロータに導く２つの並列したタービンスクロールを有する第１流路と、
   前記内燃機関の排気をタービンロータに導く単一のタービンスクロールを有する第２流路と、
   前記内燃機関の運転状態に応じて、前記第１流路及び前記第２流路を流通する排気の量を制御する流量制御手段と、
   を備えることを特徴とする過給機のタービン。
2. 前記第２流路は前記第１流路から分岐し、
   前記第１流路における２つのタービンスクロールは前記第２流路における単一のタービンスクロールに接続され、
   前記流量制御手段は、前記内燃機関の運転状態に応じて、前記第１流路を流通する排気の前記第２流路への流入量を制御することを特徴とする請求項１に記載の過給機のタービン。
3. 前記第１流路における２つのタービンスクロールの各々には、前記内燃機関の運転状態が所定の低回転数領域に属する場合において、排気干渉を互いに起さない気筒からの排気同士が集合され、
   前記内燃機関の運転状態が前記低回転数領域に属する場合においては、前記流量制御手段によって前記内燃機関からの排気に前記第１流路のみを通過させ、前記内燃機関の運転状態が前記低回転数領域から外れた場合には、前記流量制御手段によって前記内燃機関からの排気に少なくとも前記第２流路を通過させることを特徴とする請求項１または２に記載の過給機のタービン。
4. 前記第１流路及び前記第２流路は、通過する排気をタービンロータに供給する際に排気が噴出する部分の流路面積および／または排気の噴出方向を決定するノズルを有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の過給機のタービン。
   

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