JP2009270468A - Cooling system of turbosupercharger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ターボ過給機におけるタービンハウジングの冷却システムに関する。 The present invention relates to a cooling system for a turbine housing in a turbocharger.
内燃機関の過給に排気エネルギーを利用したターボ過給機では、排気マニホルドから高温の燃焼ガスがタービンに供給されるため、タービンは極めて高温になる。また、複数のターボ過給機を多段とした過給システムでは、特に排気マニホルドから直接排気の供給を受ける高圧段タービンにおいて温度上昇が顕著となる(特許文献1参照)。このため、タービンハウジングには、一般に耐熱鋼が用いられ耐熱性が確保されている。 In a turbocharger that uses exhaust energy to supercharge an internal combustion engine, high-temperature combustion gas is supplied from the exhaust manifold to the turbine, so the turbine becomes extremely hot. Further, in a supercharging system in which a plurality of turbochargers are provided in multiple stages, the temperature rise becomes significant particularly in a high-pressure turbine that receives supply of exhaust gas directly from an exhaust manifold (see Patent Document 1). For this reason, heat resistant steel is generally used for the turbine housing to ensure heat resistance.
一方、電動機付ターボ過給機では、高温状態でタービンが停止したときに電動機の永久磁石が消磁されることがある。このため、電動付ターボ過給機における永久磁石の消磁を防止するために、タービンハウジングに冷却媒体を流すための冷却通路を設け、これに冷却媒体を供給する構成が提案されている(特許文献2参照)。
上述のように、電動機付ターボ過給機では、電動機における永久磁石の消磁防止を目的としてターボハウジングに冷却機構を設ける構成が提案されているが、一般のターボ過給機においては、特段の冷却機構を設けることなく、耐熱鋼を用いることにより耐熱性が確保されている。一方、耐熱鋼はコストが高いため高温強度の低い材料を利用することができれば、ターボ過給機のコストを大幅に低減することができる。しかし、特許文献2のような構成では、別途、冷却媒体を供給するための動力装置や、動力装置と冷却通路とを連絡する機構等が必要になり装置の大型化や重量の増大が発生するとともに、コストの増大を招き、材料変更によるコスト低減の利益を得られない可能性がある。 As described above, in the turbocharger with an electric motor, a configuration in which a cooling mechanism is provided in the turbo housing for the purpose of preventing demagnetization of the permanent magnet in the electric motor has been proposed. However, in a general turbocharger, a special cooling is provided. Heat resistance is ensured by using heat-resistant steel without providing a mechanism. On the other hand, since heat-resistant steel is expensive, if a material with low high-temperature strength can be used, the cost of the turbocharger can be significantly reduced. However, in the configuration as disclosed in Patent Document 2, a separate power unit for supplying a cooling medium, a mechanism for connecting the power unit and the cooling passage, and the like are required, which increases the size and weight of the unit. At the same time, the cost may increase, and there is a possibility that the benefit of cost reduction by changing the material cannot be obtained.
本発明は、簡略な構成でタービンハウジングの冷却を行なう冷却システムを提供することを目的としている。 An object of this invention is to provide the cooling system which cools a turbine housing by simple structure.
本発明のターボ過給機の冷却システムは、内燃機関からの排気により駆動される第1タービンと、第1タービンを収容するタービンハウジングと、第1タービンの下流側に接続される排気通路と、排気通路上に設けられ、所定の圧力損失を発生する圧力損失発生要素と、排気通路の圧力損失発生要素の上流側と下流側とを連通し、排気通路の排気を上流側から下流側へと流通させる冷却通路とを備え、冷却通路がタービンハウジングを経由し、排気がタービンハウジングの熱を吸収することを特徴としている。 A turbocharger cooling system according to the present invention includes a first turbine driven by exhaust from an internal combustion engine, a turbine housing that houses the first turbine, an exhaust passage connected to a downstream side of the first turbine, A pressure loss generating element that is provided on the exhaust passage and generates a predetermined pressure loss communicates with an upstream side and a downstream side of the pressure loss generating element of the exhaust passage, and exhaust gas in the exhaust passage is from upstream to downstream. And a cooling passage that circulates, the cooling passage passes through the turbine housing, and the exhaust absorbs heat of the turbine housing.
圧力損失発生要素の下流側における冷却通路の排気通路との接続部は、排気触媒の上流側に配置されることが好ましい。これにより、タービンハウジングにおける吸熱により温度が再上昇した排気が排気触媒に供給され触媒における浄化効率が向上し、エミッションの改善が図られる。 The connection portion of the cooling passage on the downstream side of the pressure loss generating element with the exhaust passage is preferably arranged on the upstream side of the exhaust catalyst. As a result, the exhaust gas whose temperature has risen again due to heat absorption in the turbine housing is supplied to the exhaust catalyst, the purification efficiency of the catalyst is improved, and emission is improved.
また例えば、冷却システムは複数のタービン過給機を備える過給システムにおいて使用され、第1タービンの下流側に第2タービンが接続され、第2タービンを上記圧力損失発生要素として利用することも可能である。あるいは、第1タービンの下流側に第2タービンを接続して第2タービンの下流側に上記圧力損失発生要素を設けるとともに、冷却通路の圧力損失発生要素上流側の接続部が第2タービンの下流側に配置される。これにより、より温度が低下した排気を第1タービンの冷却に用いることができ、冷却効率を向上することができる。 Further, for example, the cooling system is used in a supercharging system including a plurality of turbine superchargers, a second turbine is connected to the downstream side of the first turbine, and the second turbine can be used as the pressure loss generating element. It is. Alternatively, the second turbine is connected to the downstream side of the first turbine, the pressure loss generating element is provided on the downstream side of the second turbine, and the connection portion on the upstream side of the pressure loss generating element in the cooling passage is downstream of the second turbine. Placed on the side. Thereby, the exhaust gas whose temperature is further lowered can be used for cooling the first turbine, and the cooling efficiency can be improved.
上記圧力損失発生要素を第2タービン下流側に設けるとき、圧力損失発生要素は例えば排気絞り弁や、排気通路に直列に接続された複数の排気触媒のなかの上流側の排気触媒である。 When the pressure loss generating element is provided on the downstream side of the second turbine, the pressure loss generating element is, for example, an exhaust throttle valve or an upstream exhaust catalyst among a plurality of exhaust catalysts connected in series to the exhaust passage.
排気絞り弁を上記圧力損失発生要素とする場合、排気絞り弁の上流側と下流側とを連通する排気絞り弁バイパス通路を設け、排気絞り弁バイパス通路に上流側の圧力が下流側の圧力よりも所定の圧力以上となるときのみ開弁する逆支弁を設けることが好ましい。これにより、排気絞り弁の上流側圧力が過度に上昇することを防止できる。 When the exhaust throttle valve is used as the above pressure loss generating element, an exhaust throttle valve bypass passage that communicates the upstream side and the downstream side of the exhaust throttle valve is provided, and the upstream pressure in the exhaust throttle valve bypass passage is lower than the downstream pressure. It is preferable to provide a reverse valve that opens only when the pressure exceeds a predetermined pressure. This can prevent the upstream pressure of the exhaust throttle valve from rising excessively.
また、冷却通路に冷却通路バルブを設け、圧力損失発生要素の上流側の圧力と圧力損失発生要素の下流側圧力との差が、冷却通路の入口、出口間の圧力損失分よりも大きいときに冷却通路バルブを開弁されることが好ましい。これにより、冷却通路の逆流を防止し、冷却通路において安定した排気の流れを作ることができる。 A cooling passage valve is provided in the cooling passage, and the difference between the pressure upstream of the pressure loss generating element and the pressure downstream of the pressure loss generating element is larger than the pressure loss between the inlet and outlet of the cooling passage. The cooling passage valve is preferably opened. Thereby, the reverse flow of the cooling passage can be prevented, and a stable exhaust flow can be created in the cooling passage.
以上のように、本発明によれば、簡略な構成でタービンハウジングの冷却を行なう冷却システムを提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a cooling system that cools the turbine housing with a simple configuration.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の第1実施形態であるターボ過給機の冷却システムの構成を示すブロック図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the turbocharger cooling system according to the first embodiment of the present invention.
本実施形態において、ターボ過給システム10は、例えば多段式の過給システムであり、図1には低圧段ターボ過給機11および高圧段ターボ過給機12が直列に連結されたターボ過給システムが示される。
In the present embodiment, the
内燃機関13の排気マニホルドに接続された第1排気通路14は、高圧段ターボ過給機12のタービン12T(第1タービン)の入口へと接続され、タービン12Tの出口は、第2排気通路15を介して低圧段ターボ過給機11のタービン11T(圧力損失発生要素)の入口へと接続される。また、タービン11Tの出口に第3排気通路16が接続され、図示しない排気触媒を介して外部へと連通される。また、第1排気通路14と第2排気通路15は、排気バイパス通路17により連通され、排気バイパス通路17には排気切換バルブ18が設けられる。
The
また、低圧段タービン11のコンプレッサ11Cの入口には、第1吸気通路19が接続され、コンプレッサ11Cの入口は、図示しないエアクリーナを介して外部へと連通される。コンプレッサ11Cの出口とコンプレッサ12Cの入口との間は、第2吸気通路20により連絡され、コンプレッサ12Cの出口と内燃機関13の吸気マニホルドとの間は第3吸気通路21により連絡される。また、第2吸気通路20と第3吸気通路21は、吸気バイパス通路22により連通され、吸気バイパス通路22には吸気切換バルブ23が設けられる。
A
本実施形態のターボ過給システム10では、内燃機関13が低速回転域にあるとき、排気切換バルブ18および吸気切換バルブ23は閉じられる。すなわち、排気は第1排気通路14、タービン12T、第2排気通路15、タービン11T、排気通路16を介して外部へと排気され、両タービン11T、12Tが排気により駆動される。これにより、両コンプレッサ11T、12Tが作動され、第1吸気通路19から吸気されたエアは、コンプレッサ11Cで加圧された後、コンプレッサ12Cで更に加圧されて内燃機関13へと過給される。すなわち、低速回転域では、低圧段ターボ過給機11および高圧段ターボ過給機12の両方を用いて過給が行われる。
In the
一方、高回転域では、排気切換バルブ18および吸気切換バルブ23は全開され、流れは略全て排気バイパス通路17および吸気バイパス通路22を通して流通する。すなわち、排気は第1排気通路14、排気バイパス通路17、タービン11T、第3排気通路16を介して外部へと排出され、低圧段ターボ過給機11のタービン11Tのみが排気により駆動される。これにより、高速回転域ではタービン容量の大きい低圧段ターボ過給機11のコンプレッサ11Cのみが作動され、第1吸気通路19から吸気されたエアは、コンプレッサ11Cでのみで加圧されて内燃機関13へと過給される。すなわち高速回転域では、低圧段ターボ過給機11のみを用いて過給が行われる。なお、例えば低速〜中速回転域においては、運転状態に合わせて排気切換バルブ18の開度調整を行ってもよい。
On the other hand, in the high speed range, the
また、第1実施形態では、更に第2排気通路15と第3排気通路16との間を連通する冷却通路24が設けられる。冷却用通路24は、高圧段ターボ過給機12のタービン12Tのタービンハウジングを介して第3排気通路16へと連通される。また、タービン12Tのタービンハウジングと第3排気通路16との間には冷却通路バルブ25が設けられる。
In the first embodiment, a
図2および図3に、タービンハウジング12Hに設けられ、冷却通路24の一部を構成するハウジング通路の一例を示す。なお、図2、3は高圧段ターボ過給機12の断面図である。図2、3に示されるように、タービンホイール120の周囲にはタービンハウジング12Hにより画成されるスクロール121が設けられる。タービン12Tにおいて、ハウジング通路は、例えばスクロール121の周囲に沿って設けられ、図2の例ではスクロール121の周囲が二重構造とされて、これによりスクロール121の周囲に画成される空間がハウジング内通路122として利用される。一方、図3の例では、タービンハウジング12Hに、スクロール121の周囲に沿って複数の細い通路が形成され、これがハウジング内通路123として利用される。
2 and 3 show an example of a housing passage provided in the
次に図1を参照して、第1実施形態におけるターボ過給機の冷却システムの作動原理について説明する。 Next, the operation principle of the cooling system for the turbocharger in the first embodiment will be described with reference to FIG.
図1に示されるように、第1実施形態では冷却通路24は、タービン12Tとタービン11Tとを連結する第2排気通路15と、タービン11Tの下流側に接続された第3排気通路16との間を連結している。第2排気通路15の圧力Pe1は、タービン11Tの下流側に接続された第3排気通路16の圧力Pe2よりも高いので、圧力Pe1と圧力Pe2の差(タービン11Tによる圧力損失)が、冷却通路24の入口(第2排気通路15との連結部)から出口(第3排気通路16との連結部)までの圧力損失分よりも大きければ、第2排気通路15の排気が冷却通路24を通って第3排気通路16へと流出する。すなわち、冷却通路24での圧力損失(ハウジング通路を除く)をdPe、ハウジング通路122での圧力損失をdPh、冷却通路バルブ25での圧力損失をdPvとするとき、Pe1−Pe2>dPe+dPh+dPvの条件の下で、第2排気通路15から第3排気通路16へと排気が冷却通路24を通して流れる。
As shown in FIG. 1, in the first embodiment, the
したがって、本実施形態では、例えば排気切換バルブ18が閉じられた状態において、(Pe1−Pe2)が(dPe+dPh+dPv)よりも大きくなる条件の下で、冷却通路バルブ25が開弁される。なお、冷却通路バルブ25の開閉制御は、例えば予めdPe、dPh、dPvの値を求めておき、排気切換バルブ18の閉弁状態をモニタするとともに、Pe1、Pe2の値を圧力センサなどでモニタし、ECU(図示せず)において上記判定を行なうことにより行なわれる。
Therefore, in the present embodiment, for example, when the exhaust
第2排気通路15の排気は、タービン12Tを介した排気なので、その温度はタービン12Tの入口での温度よりも低下している。したがって、第2排気通路15の排気をタービンハウジング12Hのハウジング通路122に流すことにより、タービン12Tの温度を低下させることができる。
Since the exhaust of the
以上のように、第1実施形態によれば、第2排気通路15の排気を冷媒として高圧段ターボ過給機12のタービンハウジング12Hに供給し、ハウジングの熱を第2排気通路15からの排気で吸収することにより、タービンハウジング12Hの冷却を、別途動力源を付加することなく簡略な構成で行なうことができる。また、冷却通路24(ハウジング通路)を介した排気温度は上昇するので、冷却通路出口を、第3排気通路16の排気触媒よりも上流側に接続することにより、触媒における浄化効率を向上することができ、エミッションが改善される。
As described above, according to the first embodiment, the exhaust from the
次に、図4を参照して、本発明の第2実施形態について説明する。なお、第2実施形態の構成は冷却通路の接続位置に関わる構成のみが第1実施形態と異なるため、その他の構成についての説明を省略するとともに、同一の構成については同一参照符号を用いる。また、以下に説明する他の実施形態についても同様である。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The configuration of the second embodiment is different from the first embodiment only in the configuration related to the connection position of the cooling passage. Therefore, the description of the other configurations is omitted and the same reference numerals are used for the same configurations. The same applies to other embodiments described below.
第2実施形態のターボ過給システム30では、図4に示されるように、第3排気通路16上に排気絞り弁26(圧力損失発生要素)が設けられている。第2実施形態において冷却通路27の一端は、低圧段ターボ過給機11のタービン11Tの下流側であって、排気絞り弁26の上流側の第3排気通路16に接続され、他端は排気絞り弁26の下流側に接続される。また、図4の例では、冷却通路バルブ25が、冷却通路27の排気絞り弁26の上流側における第3排気通路16との接続部と、タービン12Tとの間に設けられる。
In the turbocharger system 30 of the second embodiment, as shown in FIG. 4, an exhaust throttle valve 26 (pressure loss generating element) is provided on the
排気絞り弁26の前後では絞り弁における圧力損失により下流側において圧力が低下するので、第1実施形態と同様に、排気バイパスバルブ18が閉じた状態において、排気絞り弁26の上流側との接続部における圧力Pe1と、排気絞り弁26の下流側との接続部における圧力Pe2との差(排気絞り弁26による圧力損失)が、冷却通路24に係わる圧力損失(dPe+dPh+dPv)よりも大きくなる条件の下で、冷却通路バルブ25が開弁される。これにより、冷却通路の逆流を防止し、冷却通路において安定した排気の流れを作ることができる。
Before and after the
以上の構成により、第2実施形態においても、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第2実施形態では、低圧段ターボ過給機11のタービン11Tを介した排気を冷媒として用いているため、排気の温度は第1実施形態のものよりも低く、冷却効率を更に高めることができる。
With the above configuration, the same effects as in the first embodiment can be obtained in the second embodiment. Further, in the second embodiment, since the exhaust through the
次に図5を参照して、本発明の第3実施形態について説明する。第3実施形態のターボ過給システム40の構成は、第2実施形態の構成に、排気絞り弁26(圧力損失発生要素)をバイパスする排気絞り弁バイパス通路28を設けたもので、排気絞り弁バイパス通路28上には、調圧機能を持つ逆支弁29が設けられる。逆支弁29は、排気絞り弁26の上流側の圧力が下流側の圧力よりも所定値以上高いときにのみ開弁する弁であり、排気絞り弁26の上流側圧力が過度に上昇することを防止する。なお、この所定値は冷却通路24に係わる圧力損失(dPe+dPh+dPv)の圧力差よりも大きい。
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The configuration of the
以上のように第3実施形態においても、第2実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、排気絞り弁26上流側の過度の圧力上昇を防止できる。
As described above, also in the third embodiment, the same effect as in the second embodiment can be obtained, and an excessive pressure increase on the upstream side of the
図6は、本発明の第4実施形態のターボ過給システム、および冷却システムの構成を示すブロック図である。 FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration of a turbocharging system and a cooling system according to a fourth embodiment of the present invention.
第4実施形態のターボ過給システム50では、第3排気通路16上に第1排気触媒31(圧力損失発生要素)、および第2排気触媒32が直列に配置され、第1排気触媒31は、第2排気触媒32の上流側に配置される。冷却通路33の一端は、低圧段ターボ過給機11のタービン11Tの下流側であって、第1排気触媒31の上流側の第3排気通路16に接続され、他端は第1排気触媒31の下流側であって、第2排気触媒32の上流側の第3排気通路16に接続される。また、第2、第3実施形態と同様に、冷却通路バルブ25は、冷却通路33の第1排気触媒31の上流側における接続部と、タービン12Tとの間に設けられる。
In the
第1排気触媒31の前後では、第1排気触媒31における圧力損失により、上流側圧力Pe1が下流側圧力Pe2よりも高いので、排気切換バルブ18が閉じた状態において、圧力Pe1と、圧力Pe2との差(第1排気触媒31における圧力損失)が、圧力損失(dPe+dPh+dPv)よりも大きくなる条件の下で、冷却通路バルブ25が開弁される。これにより、タービン11Tと第1排気触媒31との間の排気が冷媒として、高圧段ターボ過給機12のタービン12Tへと供給され、タービンハウジング12Hの冷却が行なわれる。
Before and after the
以上のように、第4実施形態においても、第2実施形態と同様の効果を得ることができる。 As described above, also in the fourth embodiment, the same effect as in the second embodiment can be obtained.
なお、本実施形態では、多段式のターボ過給システムを例として説明を行なったが、パラレルツインターボや、単独のターボ過給機においても、タービン下流の排気通路における圧力差を利用して、本発明の冷却システムを適用することができる。また、多段式ターボ過給システムには、例えばシリーズツインターボ過給システムやシーケンシャルツインターボ過給システムなどが含まれる。 In the present embodiment, a multistage turbocharger system has been described as an example, but a parallel twin turbo or a single turbocharger also uses a pressure difference in an exhaust passage downstream of the turbine, The cooling system of the present invention can be applied. The multi-stage turbocharger system includes, for example, a series twin turbocharger system and a sequential twin turbocharger system.
10、30、40、50 ターボ過給システム
11 低圧段ターボ過給機
12 高圧段ターボ過給機
11C、12C コンプレッサ
11T、12T タービン
13 内燃機関
14 第1排気通路
15 第2排気通路
16 第3排気通路
17 排気バイパス通路
18 排気切換バルブ
24、27、33 冷却通路
25 冷却通路バルブ
26 排気絞り弁
28 排気絞り弁バイパス通路
29 逆支弁
31、32 排気触媒
122、123 ハウジング通路
10, 30, 40, 50
Claims (8)
前記第1タービンを収容するタービンハウジングと、
前記第1タービンの下流側に接続される排気通路と、
前記排気通路上に設けられ、所定の圧力損失を発生する圧力損失発生要素と、
前記排気通路の前記圧力損失発生要素の上流側と下流側とを連通し、前記排気通路の排気を前記上流側から前記下流側へと流通させる冷却通路とを備え、
前記冷却通路が前記タービンハウジングを経由し、前記排気が前記タービンハウジングの熱を吸収する
ことを特徴とするターボ過給機の冷却システム。 A first turbine driven by exhaust from an internal combustion engine;
A turbine housing that houses the first turbine;
An exhaust passage connected downstream of the first turbine;
A pressure loss generating element provided on the exhaust passage and generating a predetermined pressure loss;
A cooling passage that communicates the upstream side and the downstream side of the pressure loss generating element of the exhaust passage, and circulates the exhaust passage of the exhaust passage from the upstream side to the downstream side,
The cooling system for a turbocharger, wherein the cooling passage passes through the turbine housing, and the exhaust absorbs heat of the turbine housing.
A cooling passage valve is provided in the cooling passage, and the cooling passage valve has a difference between an upstream pressure of the pressure loss generating element and a downstream pressure of the pressure loss generating element between an inlet and an outlet of the cooling passage. 2. The turbocharger cooling system according to claim 1, wherein the valve is opened when the pressure loss is greater than the pressure loss of the turbocharger.
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