JP2014167258A

JP2014167258A - 排気ターボ過給機

Info

Publication number: JP2014167258A
Application number: JP2013038493A
Authority: JP
Inventors: Masato Sawashita; 真人澤下
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2014-09-11

Abstract

【課題】吸気のエネルギの回収することを、機関の大型化や大幅なコスト増を招来することなく実現する。
【解決手段】排気ターボ過給機９を構成するコンプレッサハウジング１２に膨張室２４を設けて、コンプレッサ翼１３の外周に吸気タービン２３を一体に設ける。コンプレッサ室２０の一次出口２２を出た吸気（新気）は、インタークーラ２９を経由して膨張室２４の二次入口２５に入り、吸気タービン２３を駆動する。吸気エネルギを回収する吸気タービン２３は排気ターボ過給機９に組み込まれているため、コストアップを抑制できると共に、内燃機関全体としての大型化を回避できる。
【選択図】図２

Description

本願発明は、吸気エネルギ回収機能を備えた排気ターボ過給機に関するものである。

内燃機関の排気ターボ過給機は、１つの排気タービンと１つのコンプレッサ翼とを対にした構成になっていることが普通であり、コンプレッサ翼で圧縮（加圧）された吸気は吸気通路をシリンダヘッドに向けて流れていくだけである。

他方、吸気流のエネルギを有効利用することが提案されており、その例として特許文献１には、排気ターボ過給機を備えた内燃機関において、吸気通路のうち排気ターボ過給機より下流側の部位に吸気流で駆動される吸気タービンを介挿し、このタービンのトルクでクランク軸の回転をアシストしたり発電機を駆動したりすることが記載されている。

特開平８−１１４１２７号公報

特許文献１は、吸気流のエネルギを有効利用して機関の効率アップや燃費向上に貢献できると云えるが、吸気通路の途中に吸気タービンを配置せねばならないため、コストが嵩むのみならず機関が大型化するという問題がある。また、吸気タービンはクランク軸のアシストや発電に使用しているため、過給が不完全になるおそれもある。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明は内燃機関の排気ターボ過給機を提案するものであり、請求項１の発明の排気ターボ過給機は、排気ガスで駆動される排気タービンと、この排気タービンで駆動されるコンプレッサ翼とを有しており、前記コンプレッサ翼に、当該コンプレッサ翼で圧縮された吸気を膨張させる吸気タービンを一体に設けている、という構成になっている。

請求項２の発明は、請求項１において、前記コンプレッサ翼と吸気タービンとは、前記コンプレッサ翼が回転軸心側に位置して前記吸気タービンが外側に位置するように配置されている。

本願発明では、排気ターボ過給機のコンプレッサ翼から排出された吸気が吸気タービンで膨張することで、吸気タービンの回転エネルギがコンプレッサ翼の回転に加算されるため、吸気の余剰エネルギを排気ターボ過給機の回転軸のトルクとして取り出すことができる。

そして、吸気タービンは排気ターボ過給機に一体的に組み込まれているため、特許文献１のように排気ターボ過給機とは別にタービンを設けるのに比べて機関全体としてコンパクト化できると共にコストも抑制できる。また、吸気は膨張することで温度も低下するため、充填効率を向上して燃費の向上にも貢献できる。また、吸気タービンは過給機の性能アップのために使用することも可能であり、このため、排気ターボ過給機の小型化も可能なる。

請求項２の構成を採用すると、吸気タービンに対して吸気流によって大きな回転モーメントを掛けることができるため、吸気タービンをコンプレッサ翼の内側に配置した場合に比べてエネルギ回収効率を向上でき、燃費の改善にも貢献できる。

実施形態の模式図である。排気ターボ過給機の具体的な断面図である。

(1).構造の説明
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、構造を説明する。本実施形態は車両用の３気筒内燃機関に適用しており、内燃機関は、シリンダブロック１とシリンダヘッド２とを主要要素とする機関本体３を備えている。シリンダヘッド３の長手一側面には吸気マニホールド４を固着し、シリンダヘッド２の長手他側面には排気マニホールド５を固着している。

吸気マニホールド４には吸気通路６が接続されており、吸気通路６のうち吸気マニホールド４に近い部位にはサージタンク７を設けて、それより少し上流側にはスロットルバルブ８を設けている。

内燃機関は排気ターボ過給機９を備えており、排気ターボ過給機９は、タービンハウジング１０に設けた排気タービン１１と、コンプレッサハウジング１２に内蔵したコンプレッサ翼１３とを備えている。排気タービン１１とコンプレッサ翼１３とは回転軸心を共通にしおり、回転軸１４によって一体的に連結されている。なお、回転軸１４は１本で構成されている必要はなく、軸方向に並んだ複数本を連結した構成であってもよい。

タービンハウジング１０には排気ガス導入口１５を設けており、排気ガス導入口１５が排気マニホールド５の集合部５ａに直接に又は排気管を介して接続されている。タービンハウジング１０における排気ガス導入口１５と排気ガス出口１６とはバイパス通路１７で接続されており、バイパス通路１７に、排気タービン１１に向けて流れる排気ガスの流量を調節するウエストゲートバルブ１８を設けている。排気ガス導入口１５は排気タービン１１の仮想円周の接線方向に開口しており、排気ガス出口１６は排気タービン１１の回転軸心の軸方向に開口している。

コンプレッサハウジング１２はコンプレッサ翼１３が収納されたコンプレッサ室２０を有しており、コンプレッサ室２０に、コンプレッサ翼１３の回転軸心の方向に開口した一次入口２１と、コンプレッサ翼１３の仮想円周の接線方向に開口した一次出口２２とを設けている。

更に、コンプレッサ翼１３の外周には吸気タービン２３が一体に設けられている。従って、コンプレッサハウジング１２には、吸気タービン２３が収容された膨張室（吸気タービン室）２４を一体に形成しており、膨張室２４に二次入口２５と二次出口２６とを設けている。

膨張室２４の二次入口２５は、吸気タービン２３の仮想円周の接線方向に開口しており、膨張室２４の二次出口２６は一次入口２１の外側に位置して、吸気タービン２３の回転軸心の方向に開口している。従って、膨張室２４の二次出口２６は筒状の形態を成しており、コンプレッサハウジング１２には、膨張室２４の二次出口２６から吸気を取り出す出口ポート２７を設けている。

排気ターボ過給機９のコンプレッサハウジング１２は吸気通路６の途中に介挿されており、吸気通路６の始端にはエアクリーナ２８が接続されている。また、コンプレッサ室２０の一次出口２２と膨張室２４の二次入口２５とは吸気通路６の中間部６ａで接続されており、吸気通路６の中途部６ａに空冷式又は水冷式のインタークーラ２９を設けている。膨張室２４の二次出口２６から排出された吸気は、吸気通路６を介してスロットルバルブ８に向けて流れる。

図２では、排気ターボ過給機９の具体的な断面形状を示している。図２ではタービンハウジング１０とコンプレッサハウジング１２とはそれぞれ単一構造に表示しているが、実際には複数の部材から成っている。また、各室１０，１２，２０には、周方向に断面積を変化させた環状流路１０ａ，１２ａ，２０ａが連通しており、これら環状流路１０ａ，１２ａ，２０ａに入口１５，２５又は出口２６が連通している。なお、図２では、入口１５，２５又は出口２６は現れていない。

回転軸１４は、コンプレッサハウジング１２にインナーシール３０及びアウターシール３１を介して回転自在に保持されている。なお、排気タービン１１とコンプレッサ翼１３との間には、回転軸１３を支持する軸受け部を設けている。

吸気タービン２３は軸方向に沿って内径が変化した底板２３ａを備えており、底板２３ａがコンプレッサ翼１３の外周に一体に固定されている。従って、コンプレッサ室１３と膨張室２４とは吸気の流通がないように絶縁されている。コンプレッサ室１３の一次入口２１と膨張室２４の二次出口２６とは円筒形の隔壁３２で仕切られており、隔壁３２の内周面と吸気タービン２３の内周面、及び、隔壁３２の内周面と吸気タービン２３の内周面とは、僅かの隙間を介して分離しつつもつ滑らかに連なっている。従って、吸気はスムースに流れる。

(2).まとめ
以上の構成において、排気タービン１１の駆動によってコンプレッサ翼１３が駆動されて吸気が加圧され、加圧された吸気は膨張室２４に戻って吸気タービン２３を駆動する。吸気タービン２３のトルクが回転軸１４に加算されるため、回転軸１４の駆動トルクを一層高めて過給効率を向上させたり、排気タービン１１の負担を軽減して排気性を向上させたりすることができる。いずれにしても、吸気の余剰エネルギを回収して燃費の向上に貢献できる。

吸気は膨張室２４で膨張することで温度が低下するため、充填効率を向上させて燃費の改善にも貢献できる。特に、実施形態のようにコンプレッサ室１２の一次出口２２と膨張室２４の二次入口２５との間にインタークーラ２９を配置すると、吸気の温度低下を促進させて特に好適である。

また、吸気タービン２３を設けたことでコンプレッサ翼１３の回転数を増大させて吸入空気量を増大でき、空気量が多いとそれだけ吸気の温度は高くなるが、実施形態のように加圧された吸気がインタークーラ２９を通って膨張室２４に入る構成を採用すると、インタークーラ２９には従来よりも高い温度で吸気が流入するため、吸気を外気温に低下させたり冷却水の温度に低下させたりするにおいて、放熱効率が良くなる。従って、インタークーラ２９の効率を向上させて、充填効率のアップに貢献できるのである。

また、タービンの回転モーメントは軸心からの距離（半径又は直径）が大きくなるほど高くなるため、実施形態のように吸気タービン２３をコンプレッサ翼１３の外側に配置すると、インタークーラで冷却されて圧力が低下した弱い吸気流であっても、吸気タービン２３を的確に駆動できる利点がある。

実施形態では、排気ターボ過給機９は吸気の過給のみの用途に供しているが、回転軸１３の駆動トルクに余裕が生じるので、排気ターボ過給機９を過給以外の用途に供することも可能である。例えば、回転軸１３で発電機を駆動してエネルギを直接に回収できる。また、車両用内燃機関の場合は、吸気の一部を蓄圧器に溜めてブレーキブースターの駆動源とすることも可能である。

なお、ＥＧＲ通路で排気ガスを吸気系に還流させる場合、ＥＧＲ通路をインタークーラ２９の上流側に接続することも可能である。この場合は、ＥＧＲガスの冷却を効率良く行えると共に、ＥＧＲガスの圧力を利用して吸気タービンの駆動をアシストすることができる。

コンプレッサ室から排出された吸気を膨張室にリターンさせずに排気ターボ過給機の下流側に流すパイパス通路を設けて、切り替え弁により、吸気が膨張室にリターンする状態とリターンしない状態とに切り替えることも可能である。

本願発明は、実際に内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

２シリンダヘッド
３機関本体
４吸気マニホールド
５排気マニホールド
６吸気通路
８スロットルバルブ
９排気ターボ過給機
１０タービンハウジング
１１排気タービン
１２コンプレッサハウジング
１３コンプレッサ翼
１４回転軸１４
１５排気ガス導入口
１６排気ガス出口
２０コンプレッサ室
２１一次入口
２２一次出口
２３吸気タービン
２４膨張室
２５二次入口
２６二次出口
２９インタークーラ

Claims

排気ガスで駆動される排気タービンと、この排気タービンで駆動されるコンプレッサ翼とを有しており、前記コンプレッサ翼に、当該コンプレッサ翼で圧縮された吸気を膨張させる吸気タービンを一体に設けている、
排気ターボ過給機。
前記コンプレッサ翼と吸気タービンとは、前記コンプレッサ翼が回転軸心側に位置して前記吸気タービンが外側に位置するように配置されている、
請求項１に記載した排気ターボ過給機。