JP2010261362A - エンジンの過給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低圧段ターボ過給機１０と高圧段ターボ過給機２０とを備える２ステージターボシステムにおいて、システムのコンパクト化を図り、エンジンへの組付け性の改善、及び、熱容量低減を図る。
【解決手段】高圧段ターボ過給機２０（高圧段タービン２２）を縦置き、低圧段ターボ過給機１０（低圧段タービン１２）を横置きにし、高圧段タービン２２と低圧段タービン１２のタービンハウジングを一体化する。また、高圧段タービン２２と低圧段タービン１２のタービン入口側フランジＩＦを同一面上に一体化する。
【選択図】図２

Description

本発明は、いわゆる２ステージターボシステムを構成する２つのターボ過給機（低圧段ターボ過給機及び高圧段ターボ過給機）を備えるエンジン（内燃機関）の過給装置に関する。

２ステージターボシステムは、吸気通路に、上流側から順に、低圧段コンプレッサと高圧段コンプレッサとを配置し、排気通路に、上流側から順に、高圧段タービンと低圧段タービンとを配置する。そして、低圧段タービンと低圧段コンプレッサとを同軸に連結して、低圧段ターボ過給機を構成し、高圧段タービンと高圧段コンプレッサとを同軸に連結して、高圧段ターボ過給機を構成する。このようにして、吸気を低圧段コンプレッサと高圧段コンプレッサとで２段階に過給することにより、低回転域から効率良く過給圧力を高めることができ、エンジンの出力向上及び燃費低減を図ることができる。

このような２ステージターボシステムにおいては、エンジンの排気側に高圧段タービンと低圧段タービンとを各タービンの回転軸を水平（クランク軸と平行）にして上下に配置するのが一般的であるが、特許文献１には、高圧段タービンと低圧段タービンとを、これらの回転軸を直交させて配置したものが開示されている。具体的には、高圧段タービンをその回転軸を鉛直方向にして配置し、低圧段タービンをその回転軸を水平方向にして配置し、高圧段タービンの排気出口と低圧段タービンの排気入口とを水平方向の連通部により接続している。

特開２００８−３０３８４９号公報

２ステージターボシステムは、ターボ過給機を２つ備え、部品点数が多いため、エンジンへの組付け性が悪い。すなわち、組付けに工数がかかるだけでなく、アッシー状態で大型化するため、作業スペース、例えばシリンダヘッドに排気マニホールドを締結する場合の工具隙など、を確保しづらい。

また、ターボ過給機を２つ備え、排気ガスが通過する構成部品が増えるため、熱容量が大きい。それゆえ、始動時の暖機性が悪い。

本発明は、このような実状に鑑み、２ステージターボシステムのコンパクト化を図り、エンジンへの組付け性の改善、及び、熱容量低減を図ることを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、高圧段タービンと低圧段タービンとについて、これらの回転軸を略直交させて配置して、これらのタービンハウジングを一体化すると共に、これらのタービン入口側フランジを同一面上に一体化する構成とする。

本発明によれば、高圧段タービンと低圧段タービンとを近接させることができるので、システム全体をコンパクト化できると共に、排気ガスの通路を短縮化できるので、低熱容量化することができる。

また、２つのタービンの入口側フランジを同一面上に一体化することで、小型化できることから、排気マニホールドへの取付部位と、排気マニホールドのシリンダヘッドへの締結部位とをずらして設計することも容易であり、作業スペースを確保しやくなる。

本発明の一実施形態の概略説明図 本発明の一実施形態を示す排気マニホールドに取付けられる２ステージターボシステムの正面図 同上の２ステージターボシステムの平面図 同上の２ステージターボシステムの左側面図 同上の２ステージターボシステムの右側面図 図２のＡ−Ａ断面図 タービンハウジングの正面図（図４と同じ方向から見ている） 同上のタービンハウジングの平面図 同上のタービンハウジングの底面図 同上のタービンハウジングの右側面図 同上のタービンハウジングの左側面図 他の実施形態を示すタービン入口側フランジの図

以下に本発明の実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。

先ず、図１によって、本発明の一実施形態を概略的に説明する。

２ステージターボシステムは、２つのターボ過給機、すなわち、低圧段ターボ過給機１０と、高圧段ターボ過給機２０とを備える。

低圧段ターボ過給機１０は、吸気通路の比較的上流側に配置されて吸気を過給する低圧段コンプレッサ１１と、排気通路の比較的下流側に配置されて排気の圧力エネルギーにより回転する低圧段タービン１２と、低圧段タービン１２により低圧段コンプレッサ１１を駆動するように両者を同軸に連結する回転軸１３と、を含んで構成される。

高圧段ターボ過給機２０は、吸気通路の比較的下流側（前記低圧段コンプレッサ１１より下流側）に配置されて吸気を過給する高圧段コンプレッサ２１と、排気通路の比較的上流側（前記低圧段タービン１２より上流側）に配置されて排気の圧力エネルギーにより回転する高圧段タービン２２と、高圧段タービン２２により高圧段コンプレッサ２１を駆動するように両者を同軸に連結する回転軸２３と、を含んで構成される。

言い換えれば、吸気通路に、上流側から順に、低圧段コンプレッサ１１と高圧段コンプレッサ２１とを配置し、排気通路に、上流側から順に、高圧段タービン２２と低圧段タービン１２とを配置している。そして、低圧段タービン１２と低圧段コンプレッサ１１とを同軸に連結して、低圧段ターボ過給機１０を構成し、高圧段タービン２２と高圧段コンプレッサ２１とを同軸に連結して、高圧段ターボ過給機２０を構成している。

尚、低圧段コンプレッサ１１及び高圧段コンプレッサ２１は共に遠心式コンプレッサであり、低圧段タービン１２及び高圧段タービン２２は共にラジアルタービンである。

従って、吸気通路では、吸気入口（エアクリーナ側）から取入れた吸入空気が、低圧段コンプレッサ１１により過給され、更に高圧段コンプレッサ２１により過給され、吸気マニホールドを介して、エンジン各気筒の燃焼室に流入する。

このようにして、吸気を低圧段コンプレッサ１１と高圧段コンプレッサ１２とで２段階に過給することにより、低回転域から効率良く過給圧力を高めることができ、エンジンの出力向上及び燃費低減を図ることができる。

エンジンでは、例えばディーゼルエンジンの場合、圧縮行程にて燃料噴射弁より燃焼室内に燃料が噴射され、燃焼室内で吸入空気と燃料とが圧縮着火により燃焼する。そして、燃焼後の排気は、排気通路へ排出される。

排気通路では、各気筒の排気が排気マニホールドにて合流した後、高圧段タービン２２を通過し、この際に、排気の圧力エネルギーで、高圧段タービン２２を駆動する。次いで、排気は低圧段タービン１２を通過し、排気の圧力エネルギーで、低圧段タービン１２を駆動する。その後、排気は、排気出口側へ排出される。

また、排気通路には、高圧段タービン２２をバイパスするバイパス通路３１と、このバイパス通路３１を開閉する排気切替制御弁３２とが設けられる。

また、吸気通路には、高圧段コンプレッサ２１をバイパスするバイパス通路３３と、このバイパス通路３３を開閉する吸気切替制御弁３４とが設けられる。

更に、排気通路には、低圧段タービン１２をバイパスするバイパス通路と、このバイパス通路を開閉する排気バイパス弁が設けられるが、図示は省略した。

ここにおいて、本実施形態では、高圧段ターボ過給機２０を縦置きに配置し、その上方に、低圧段ターボ過給機１０を横置きに配置する。

すなわち、高圧段ターボ過給機２０は、縦置きにして、回転軸２３を鉛直方向に配置し、回転軸２３の上端側に高圧段タービン２２を水平に配置し、回転軸２３の下端側に高圧段コンプレッサ２１を水平に配置する。

また、低圧段ターボ過給機１０は、横置きにして、回転軸１３を水平方向に配置し、回転軸１３の一端側（高圧段タービン２２の上方）に低圧段タービン１２を配置し、回転軸１３の他端側に低圧段コンプレッサ１１を配置する。

このようにして、高圧段タービン２２と低圧段タービン１２とについて、これらの回転軸２３、１３を直交させて配置して、これらのタービンハウジングＴＨを一体化する。図１では、一体化したタービンハウジングＴＨを点線で囲んで示している。

また、高圧段タービン２２及び低圧段タービン１２のタービン入口側フランジＩＦは、同一面上に一体化する。

このタービン入口側フランジＩＦは、高圧段タービン２２の入口側通路２２ａと、低圧段タービン１２の入口側通路１２ａに接続される前記バイパス通路３１の排気切替制御弁３２上流側とを並べて開口して、排気マニホールド側のフランジに接続されるものであり、高圧段タービン２２の出口側通路２２ｂは、タービンハウジングＴＨ内で、前記バイパス通路３１の排気切替制御弁３２下流側と合流して、低圧段タービン１２の入口側通路１２ａに接続される。

前記一体化した入口側フランジＩＦは横長であり、高圧段タービン２２の入口側通路２２ａ、及び、低圧段タービン１２の入口側通路１２ａ（詳しくは前記バイパス通路３１の排気切替制御弁３２上流側）が横方向に並んで開口する。

図１には本発明の一実施形態を概略的に示したが、図２〜図６には同一実施形態を実際的に示している。

図２は排気マニホールドに取付けられる２ステージターボシステムの正面図である。そして、図３は同上の２ステージターボシステムの平面図、図４は同上の２ステージターボシステムの左側面図、図５は同上の２ステージターボシステムの右側面図、図６は図２のＡ−Ａ断面図である。

また、図７〜図１１には、高圧段タービン２２及び低圧段タービン１２の一体化したタービンハウジングＴＨを拡大して示している。

図７はタービンハウジングの正面図であり、これは図４と同じ方向から見ている。そして、図８は同上のタービンハウジングの平面図、図９は同上のタービンハウジングの底面図、図１０は同上のタービンハウジングの右側面図、図１１は同上のタービンハウジングの左側面図である。

特に図２（及び図３、図４）を参照すると、排気マニホールドＥＭは、８本のボルト（図２の○）でシリンダヘッド（図示せず）に締結されており、この排気マニホールＥＭに、３本のボルト（図２の●）で、タービン入口側フランジＩＦが取付けられているのがわかる。

また、高圧段タービン２２は、タービン入口側フランジＩＦの高さ位置に水平に配置され、そのスクロール部外周の入口側通路２２ａがタービン入口側フランジＩＦに開口し（図２、図３、図４）、スクロール中心側方の出口側通路２２ｂが上方に向かって設けられているのがわかる（図２、図４、図６）。

また、低圧段タービン１２は、高圧段タービン２２の上方の垂直面内に配置され、そのスクロール部外周の入口側通路１２ａがバイパス通路３１に連通してタービン入口側フランジＩＦに開口している（図６）。バイパス通路３１には排気切替制御弁３２が介装されている（図６）。そして、低圧段タービン１２のスクロール部外周の入口側通路１２ａの中間部に、すなわちバイパス通路３１の排気切替制御弁３２下流側に、高圧段タービン２２のスクロール中心側方の出口側通路２２ｂが接線方向に開口している（図６）。

従って、低圧段タービン１２は、排気切替制御弁３２の閉時には、高圧段タービン２２を通過した出口側通路２２ｂからの排気で駆動されるが、排気切替制御弁３２の開時には、排気マニホールドＩＭからバイパス通路３１により導かれる排気で駆動され、このとき高圧段タービン２２は実質的に非作動となる。

低圧段タービン１２のスクロール中心側方の出口側通路１２ｂは、水平方向に開口しており、図示しない排気通路により、排気出口へと向かう（図２、図３、図４）。

低圧段タービン１２の側方には、これにより回転軸を介して駆動される低圧段コンプレッサ１１が配置される（図２、図３）。低圧段コンプレッサ１１のハウジングはタービンハウジングＴＨとは別に構成されて、結合される。

高圧段タービン２２の下側には、これにより回転軸２３を介して駆動される高圧段コンプレッサ２１が配置される（図２、図６）。高圧段コンプレッサ２１のハウジングもタービンハウジングＴＨとは別に構成されて、結合される。

低圧段コンプレッサ１１は、そのスクロール中心側方の入口側通路１１ａが吸気入口（エアクリーナ側）と接続される。そして、スクロール部外周の出口側通路１１ｂが２つに分流し、一方が高圧段コンプレッサ２１のスクロール中心側方（下方）の入口側通路２１ａと接続され、他方が高圧段コンプレッサ２１をバイパスするバイパス通路３３となる（図２、図５）。

高圧段コンプレッサ２１は、スクロール中心側方（下方）の入口側通路２１ａが上述のように低圧段コンプレッサ１１の出口側通路１１ｂと接続される。そして、高圧段コンプレッサ２１はそのスクロール部外周に出口側通路２１ｂを有し（図２、図５）、この出口側通路２１ｂは、バイパス通路３３の吸気切替制御弁３４下流側と合流して、エンジンの吸気マニホールドへ向かう。図示３５が吸気マニホールド側への接続口である（図２、図３、図５）。

従って、吸気切替制御弁３４の閉時には、吸気入口からの吸気が、低圧段コンプレッサ１１の入口側通路１１ａから出口側通路１１ｂへ流れて過給された後、高圧段コンプレッサ２１の入口側通路２１ａから出口側通路２１ｂへ流れて更に過給され、エンジンの吸気マニホールドへ向かう。

吸気切替制御弁３４の開時には、吸気入口からの吸気が、低圧段コンプレッサ１１の入口側通路１１ａから出口側通路１１ｂへ流れて過給された後、バイパス通路３３を通って、すなわち高圧段コンプレッサ２１をバイパスして、エンジンの吸気マニホールドへ向かう。従って、このとき高圧段コンプレッサ２１は実質的に非作動となる。

本実施形態によれば、高圧段ターボ過給機２０（高圧段タービン２２）の縦置き化により、横置きの低圧段ターボ過給機１０（低圧段タービン１２）との間で、高圧段タービン２２と低圧段タービン１２とを直角に配置して、互いに近づけることができ、コンパクト化、特にシステム・アッシー高さ方向の短縮化を図ることができる。

また、高圧段タービン２２と低圧段タービン１２のタービンハウジングＴＨを図７〜図１１に示されているように入口側フランジＩＦも含めて一体化することで、更にコンパクト化が可能となり、少なくとも、従前の入口側フランジ１個分（排気マニホールド側も含めると２個分）の、締結用フランジの削減が可能となる。

そして、このようなコンパクト化により、排気ガスの通路を短縮化できるので、低熱容量化することができ、始動時の暖機性を向上させることができる。これは、排気通路に配置される排気浄化触媒の早期活性化につながり、始動直後の排気浄化性能を大幅に向上させることができる。

また、コンパクト化により、組付け工数の低減とあわせ、工具隙など、作業スペースの確保も容易となり、組付け性が向上する。

特に、２つのタービンの入口側フランジを同一面上に一体化することで、小型化できることから、図２からわかるように、タービンハウジングの排気マニホールドへの取付部位と、排気マニホールドのシリンダヘッドへの締結部位とをずらして設計することも容易であり、工具隙など、作業スペースを確保しやすい。

すなわち、２つのタービンの入口ポートの向きを統一できるので（排気マニホールド締結用ボルトと同方向）、入口ポートと排気マニホールド締結部位とが近い場合には、入口ポートの位置を高さ方向にずらすことで、工具隙など、作業スペースの確保が容易となる。従って、２ステージターボシステム・アッシーで、排気マニホールドとシリンダヘッドとの組付け工具隙をコンパクトのまま確保できる。

また、本実施形態によれば、排気通路に、高圧段タービン２２をバイパスするバイパス通路３１と、このバイパス通路３１を開閉する排気切替制御弁３２とを備える場合に、タービン入口側フランジＩＦを、高圧段タービン２２の入口側通路２２ａと、低圧段タービン１２の入口側通路１２ａに接続される前記バイパス通路３１の排気切替制御弁３２上流側とを並べて開口して、排気マニホールドＥＭに接続されるものとし、高圧段タービン２２の出口側通路２２ｂを、タービンハウジング内で、前記バイパス通路３１の排気切替制御弁３２下流側と合流して、低圧段タービン１２の入口側通路１２ａに接続する構成とすることにより、排気切替制御弁３２付きで、入口側フランジＩＦも含めて一体化したコンパクトなタービンハウジングＴＨを実現することができる。

尚、本実施形態では、高圧段ターボ過給機２０（高圧段タービン２２）と低圧段ターボ過給機１０（低圧段タービン１２）とのうち、高圧段ターボ過給機２０（高圧段タービン２２）の回転軸２３を鉛直方向に配置し、低圧段ターボ過給機１０（低圧段タービン１２）の回転軸１２を水平方向に配置したが、これに限るものではなく、低圧段ターボ過給機（低圧段タービン）の回転軸を鉛直方向に配置し、高圧段ターボ過給機（高圧段タービン）の回転軸を水平方向に配置してもよい。すなわち、高圧段ターボ過給機（高圧段タービン）と低圧段ターボ過給機（低圧段タービン）とのうち、いずれか一方のターボ過給機（タービン）の回転軸を鉛直方向に配置し、他方のターボ過給機（タービン）の回転軸を水平方向に配置すればよい。

また、水平と鉛直に限るものでもなく、高圧段ターボ過給機（高圧段タービン）と低圧段ターボ過給機（低圧段タービン）とについて、これらの回転軸を略直交させて配置して、これらのタービンハウジングを一体化すればよい。

また、本実施形態では、図１１などに示されるように、一体化したタービン入口側フランジＩＦを横長として、高圧段タービンの入口側通路２２ａと、低圧段タービンの入口側通路１２ａ（バイパス通路３１）とが横方向に並んで開口するようにしてあり、これにより、排気マニホールドの気筒列の延在方向にあわせたフランジ形状とすることができる利点がある。

しかし、本発明の他の実施形態（図１１の別バージョン）として、図１２に示すように、一体化したタービン入口側フランジＩＦを縦長として、高圧段タービンの入口側通路２２ａと低圧段タービンの入口側通路１２ａ（バイパス通路３１）とが縦方向に並んで開口するようにしてもよい。

１０ 低圧段ターボ過給機
１１ 低圧段コンプレッサ
１１ａ 低圧段コンプレッサの入口側通路
１１ｂ 低圧段コンプレッサの出口側通路
１２ 低圧段タービン
１２ａ 低圧段タービンの入口側通路
１２ｂ 低圧段タービンの出口側通路
１３ 回転軸
２０ 高圧段ターボ過給機
２１ 高圧段コンプレッサ
２１ａ 高圧段コンプレッサの入口側通路
２１ｂ 高圧段コンプレッサの出口側通路
２２ 高圧段タービン
２２ａ 高圧段タービンの入口側通路
２２ｂ 高圧段タービンの出口側通路
２３ 回転軸
３１ バイパス通路
３２ 排気切替制御弁
３３ バイパス通路
３４ 吸気切替制御弁
ＥＭ 排気マニホールド
ＩＦ タービン入口側フランジ

Claims (5)

1. 吸気通路に配置されて吸気を過給する低圧段コンプレッサと、排気通路に配置されて排気の圧力エネルギーにより回転し前記低圧段コンプレッサを駆動する低圧段タービンと、を含んで構成される低圧段ターボ過給機と、
   吸気通路における前記低圧段コンプレッサの下流側に配置されて吸気を過給する高圧段コンプレッサと、排気通路における前記低圧段タービンの上流側に配置されて排気の圧力エネルギーにより回転し前記高圧段コンプレッサを駆動する高圧段タービンと、を含んで構成される高圧段ターボ過給機と、
   を備える、エンジンの過給装置において、
   前記高圧段タービンと前記低圧段タービンとについて、これらの回転軸を略直交させて配置して、これらのタービンハウジングを一体化すると共に、これらのタービン入口側フランジを同一面上に一体化したことを特徴とするエンジンの過給装置。
2. 前記高圧段タービンと前記低圧段タービンとのうち、いずれか一方のタービンの回転軸を鉛直方向に配置し、他方のタービンの回転軸を水平方向に配置することを特徴とする請求項１記載のエンジンの過給装置。
3. 排気通路に前記高圧段タービンをバイパスするバイパス通路と、このバイパス通路を開閉する排気切替制御弁とを備え、
   前記タービン入口側フランジは、前記高圧段タービンの入口側通路と、前記低圧段タービンの入口側通路に接続される前記バイパス通路の排気切替制御弁上流側とを並べて開口して、排気マニホールドに接続されるものであり、
   前記高圧段タービンの出口側通路は、タービンハウジング内で、前記バイパス通路の排気切替制御弁下流側と合流して、前記低圧段タービンの入口側通路に接続されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のエンジンの過給装置。
4. 前記一体化したタービン入口側フランジは横長であり、前記各タービンの入口側通路が横方向に並んで開口することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のエンジンの過給装置。
5. 前記一体化したタービン入口側フランジは縦長であり、前記各タービンの入口側通路が縦方向に並んで開口することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のエンジンの過給装置。

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