JP2015165096A - 排気ターボ過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】過給圧を全体に亙って的確に制御できる排気ターボ過給機を提供する。
【解決手段】タービンハウンジグ４に、排気ガスが通るスクロール室７と、排気ガスを逃がすバイパス通路１３とが形成されている。バイパス通路１３はウエストゲートバルブ１４で開閉される。ウエストゲートバルブ１４はスクロール室７の内部に入り込むボス部２３を備えており、閉弁状態ではボス部２３の先端面２３ａはスクロール室７の内面を構成している。ボス部２３の下流直下は弁室１６の側に凹んだ段落ち部７ｄになっており、全開状態ではスクロール室７の始端部７ａは流路面積が増大する。このため、全開時にタービン翼に作用する排気ガスの運動エネルギを低減して、過給圧が残ることを防止又は著しく抑制できる。開弁初期におけるウエストゲートバルブ１４の開度に対する排気ガスの運動エネルギの変化は緩慢であるため、過給圧の微調整も的確に行える。
【選択図】図３

Description

本願発明は、内燃機関に使用される排気ターボ過給機に関するものである。

内燃機関に使用されるターボ過給機は、排気ガスで回転するタービン翼と吸気系の清浄空気を加圧するコンプレッサ翼とを備えており、タービン翼とコンプレッサ翼とを回転軸に固定している。タービン翼はタービンハウジングに回転自在に配置されており、タービンハウジングには、タービン翼に排気ガスを当てるスクロール室を、始端から終端に向けて断面積が小さくなる状態で形成していると共に、前記スクロール室の始端に連続した排気ガス流入通路を設けている。

更に、タービンハウジングには、排気ガスを排気出口に逃がすバイパス通路を設けており、バイパス通路に流れる排気ガスの量をウエストゲートバルブで制御することで、過給圧を制御するようになっている（例えば特許文献。）。

特開平１０−８２３２４号公報

さて、ウエストゲートバルブを開くと排気ガスはバイパス通路に流れるが、ウエストゲートバルブを全開しても排気ガスの全量がバイパス通路に流れるわけではなく、排気ガスの相当量はスクロール室に流れている。このため、ウエストゲートバルブを全開してもタービン翼は回転していて多少の過給が行われている。従って、過給を行いたくないのに過給が僅かながら行われるという問題があった。

この問題に対して、バイパス通路の開口面積を大きくしてウエストゲートバルブも大型化することで、全開状態でのタービン翼に作用する排気ガスの運動エネルギを低減すること考えられるが、ウエストゲートバルブを大型化すると、開弁初期に、ウエストゲートバルブ１４の僅かの開度の違いでバイパス通路に逃げる排気ガスの量が大きく変化することから、ウエストゲートバルブの開度が小さい領域での過給圧の微調整が厄介になるという別の問題が発生する。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、過給圧を全体にわたって的確に制御できる排気ターボ過給機を提供せんとするものである。

本願発明のターボ過給機は、タービン翼を回転自在に配置したタービンハウジングに、前記タービン翼に排気ガスを当てるスクロール室を、始端から終端に向けて断面積が小さくなるようにして形成していると共に、前記スクロール室の始端に連続した排気ガス流入通路を設けており、かつ、前記タービンハウジングのうち前記スクロール室の始端部に、排気ガスを排出通路に逃がすパイパス通路を開口させて、前記バイパス通路にはこれを開閉するウエストゲートバルブを設けている、という基本構成になっている。

そして、前記ウエストゲートバルブは、前記バイパス通路を閉じた状態でスクロール室の始端部の内面を構成するように配置されており、かつ、前記スクロール室のうち前記ウエストゲートバルブの下流直下部の内側面を、閉じ状態におけるウエストゲートバルブの内面からウエストゲートバルブの後退方向に段落ちした形態と成すことにより、前記ウエストゲートバルブを開くと前記スクロール室の始端部の通路面積が大きくなるように設定している。

さて、排気ターボ過給機のタービン翼は排気ガスで駆動されるが、タービン翼の回転トルクは、スクロール室の始端部の流路面積と、タービン翼の回転軸心からスクロール室の始端までの距離（半径）とに依存している。

すなわち、スクロール室の始端部の流路面積が小さいと、排気ガスの流速は速くなって排気ガスの運動エネルギは大きくなる。従って、タービン翼で発生するトルク（或いは回転速度）は、スクロール室の流路面積に反比例している。他方、タービン翼の回転軸心からスクロール室の始端までの距離（半径）が大きくなると、タービン翼に作用するモーメントは大きくなるため、タービン翼のトルクは，タービン翼の回転軸心からスクロール室の始端までの距離に正比例している。

そして、本願発明では、ウエストゲートバルブにより、スクロール室の始端部の流路面積が可変式になっており、ウエストゲートバルブを全開すると、スクロール室の始端部の流路面積が大きくなることで、タービン翼に作用する排気ガスの動圧を著しく低減でき。このため、過給圧をごく低い状態に抑制して、機関の制御を確実化できる。

他方、ウエストゲートバルブを僅かに開くと、スクロール室の入口の通路面積が増大しつつ、排気ガスがバイパス通路に逃げるが、バイパス通路の入口は排気ガス流入通路から段落ちした状態になるため、ウエストゲートバルブの開度に対する排気ガスの逃げ量の変化が緩慢になると共に、ウエストゲートバルブの開度に対するスクロール室の始端部の面積の変化も緩慢であるため、ウエストゲートバルブの開度の変化に対して、タービン翼に作用する排気ガスの動圧（運動エネルギ）の変化も緩慢になる。

従って、過給圧の微調整を的確に行える。つまり、ウエストゲートバルブの開度の僅かの変化によって排気ガスの逃げ量や流路面積が大きく変化すると、ウエストゲートバルブの僅かの開度の違いでタービン翼に付与される排気ガスの運動エネルギが大きく変化するため、過給圧の微調整が難しくなるが、 本願発明では、ウエストゲートバルブの開度に対して排気ガスの逃げ量と流路面積の増大とが緩慢に追従するため、過給圧の微調整が容易なのである。

排気ターボ過給機の全体の縦断正面図である。 （Ａ）は図１のII-II 視断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図である。 図２のIII-III 視断面図であり、（Ａ）はウエストゲートバルブ全閉状態での図、（Ｂ）はウエストゲートバルブ全閉状態での図である。 ウエストゲートバルブ全開状態の開弁初期の断面図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、排気ターボ過給機は、排気ガスで駆動されるタービン翼１と、エアクリーナから送られた清浄空気を加圧するコンプレッサ翼２とを有しており、両者は回転軸３の一端寄り部と他端寄り部とに固定されている。

ターボ過給機は、更に、タービン翼１を囲うタービンハウンジグ４と、コンプレッサ翼２を囲うコンプレッサハウジング５と、これらタービンハウンジグ４とコンプレッサハウジング５との間に介在したセンターハウジング６とを有している。タービンハウンジグ４には環状のスクロール室（駆動室）７とこれに連通した排気ガス排出通路８とを形成し、コンプレッサハウジング５には、清浄空気が入る入口通路９と、これに連通した環状の圧縮通路１０とを形成している（正確には、圧縮通路１０は、コンプレッサハウジング５とセンターハウジング６とで構成されている。）。

次に、本願発明の対象である駆動部を説明する。図２（Ａ）に明示するように、スクロール室７は、タービン翼１の外周が当たり始める始端部７ａから終端７ｂに向かって通路面積（断面積）が徐々に減少しており、このため、排気ガスの動圧がタービン翼１に作用する。タービン翼１を回転させる仕事をした排気ガスは、回転軸３と同心の排出通路８から排出される。

タービンハウンジグ４には、スクロール室７に連続した排気ガス流入通路１１が形成されている。排気ガス流入通路１１は、始端から終端に向けて通路面積が縮小しており、排気ガス流入通路１１の終端とスクロール室７の始端部７ａとが滑らかに連続している。従って、排気ガスは、圧力を高めつつ流速を速めながらスクロール室７に流入する。なお、タービン翼１が回転自在に保持されている中心穴は符号１２で示している。また、図３ではスクロール室７の始端部７ａを点線の平行斜線で示している。

タービンハウンジグ４には、排気ガスを排出通路８に逃がすバイパス通路１３が形成されており、バイパス通路１３の入口部１３ａは、スクロール室７の始端部７ａに回転軸心Ｏと同じ方向を向くようにして開口している。実施形態では、バイパス通路１３の入口部１３ａは略楕円状の形態を成しているが、四角形などとすることも可能である。

タービンハウンジグ４には、バイパス通路１３を開閉するウエストゲートバルブ１４を設けている。本実施形態のウエストゲートバルブ１４は板状でかつ回動式であり、タービン翼１の回転軸心Ｏと直交した方向に長手の支軸１５を中心にして回動する。また、タービンハウンジグ４には、ウエストゲートバルブ１４の動きを許容するため弁室１６を設けており、支軸１５は、弁室１６のうち排気ガスの流れ方向から見て上流側に配置している。

ウエストゲートバルブ１４のうちスクロール室７と反対側の背面にブラケット１７を設け、ブラケット１７と操作ロッド１８とをピン１９で連結している。操作ロッド１８はタービンハウンジグ４に固定された蓋２０にスライド自在に保持されており、従って、蓋２０も弁室１６を構成している。ブラケット１７のピン穴２１を長穴とすることで、操作ロッド１８の摺動とウエストゲートバルブ１４の回動とを許容している。なお、操作ロッド１８は、例えば、コンプレッサ部に設けたダイヤフラム式の吸気式アクチェータで駆動される。なお、支軸１５をウエストゲートバルブ１４に固定して、支軸１５をアクチェータで回転させてもよい。

バイパス通路１３の入口部１３ａは、スクロール室７と弁室１６とを隔てる側壁２２に開口しており、ウエストゲートバルブ１４には隔壁２２の外面に重なるようになっているが、ウエストゲートバルブ１４に、入口部１３ａに入り込むボス部２３を設けており、閉弁状態で、ボス部２３の先端面２３ａがスクロール室７の内側面７ｃの一部を構成するように設定している。

更に、スクロール室７の内側面７ｃのうちバイパス通路１３の入口部１３ａの下流直下の部分を弁室１６の側にずらした段落ち部７ｄと成している。従って、ウエストゲートバルブ１４を全閉した状態で、ボス部２３のうち排気ガスの流れの下流側に向いた前面は段落ち部７ｄに向いて露出している。

さて、タービン翼１の回転トルクは、スクロール室の始端部の流路面積Ａと、タービン翼の回転軸心Ｏからスクロール室７の始端部７ａまでの距離Ｒとに依存している。すなわち、スクロール室７の始端部７ａの流路面積Ａが小さいと、排気ガスの流速及び圧力はら高くなって排気ガスの運動エネルギは大きくなるため、タービン翼１が受けるエネルギは大きくなり、スクロール室７の始端部７ａの流路面積Ａが大きくなると、排気ガスの流速及び圧力は低下するため、タービン翼１が排気ガスから受けるエネルギは小さくなる。

また、スクロール室７の始端部７ａまでの距離Ｒが大きくなると、タービン翼１に作用するモーメントは大きくなるため、タービン翼１の回転トルクは大きくなり、スクロール室７の始端部７ａまでの距離Ｒが小さくなると、タービン翼１に作用するモーメントは小さくなるため、タービン翼１の回転トルクは小さくなる。

そして、本実施形態では、図３（Ａ）のようにウエストゲートバルブ１４の全閉状態では、スクロール室７の始端部７ａは流路を絞られた状態になっているため、タービン翼１に対して排気ガスの大きな運動エネルギが付与される。このため、高い過給圧を確保することができる。

他方、図３（Ｂ）のようにウエストゲートバルブ１４を全開すると、スクロール室７の始端部７ａの流路面積が大きくなるため、排気ガスがスクロール室７に流入してもタービン翼１に対する運動エネルギは著しく弱まっており、このため、実質的に過給圧が発生しないような状態にすることができる。

更に、図４のようにウエストゲートバルブ１４の開弁初期の状態では、排気ガスがバイパス通路１３に少し逃げることでタービン翼１に付与される運動エネルギが低下するのみならず、スクロール室７の始端部７ａの流路面積Ａが大きくなることによってもタービン翼１に付与される運動エネルギは低下するが、ウエストゲートバルブ１４の開度の変化に対して、排気ガスの逃げ量も始端部７ａの流路面積Ａの変化も緩慢にしか追従しないため、タービン翼１が受ける運動エネルギもウエストゲートバルブ１４の開度に追従して緩慢に変化するため、その結果、過給圧の微調整を的確に行うことができる。

従って、本実施形態では、過給圧の制御を、高い状態から低い状態まで全体に亙って的確に行うことができる。

上記の実施形態は、ウエストゲートバルブを回動式にした場合であったが、ウエストゲートバルブはスライド式であってもよい。なお、実施形態のように回動式のウエストゲートバルブを採用すると、開弁初期において、大きく回動させても通路面積の変化は少ないため、過給圧の微調整をより一層的確に行うことができる利点がある。

本願発明は、実際に排気ターボ過給機に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ タービン翼
３ 回転軸
４ タービンハウンジグ
７ スクロール室
７ａ 始端部
７ｂ 終端
７ｃ 内側面
７ｄ 段落ち部
８ 排気ガス排出通路
１１ 排気ガス流入通路
１３ バイパス通路
１３ａ バイパス通路の入口部
１４ ウエストゲートバルブ
１６ 弁室
１８ 操作ロッド
２２ 側壁
２３ ボス部
Ｏ 回転軸心

Claims (1)

1. タービン翼を回転自在に配置したタービンハウジングに、前記タービン翼に排気ガスを当てるスクロール室を、始端から終端に向けて断面積が小さくなるようにして形成していると共に、前記スクロール室の始端に連続した排気ガス流入通路を設けており、かつ、前記タービンハウジングのうち前記スクロール室の始端部に、排気ガスを排出通路に逃がすパイパス通路を開口させて、前記バイパス通路にはこれを開閉するウエストゲートバルブを設けている構成であって、
   前記ウエストゲートバルブは、前記バイパス通路を閉じた状態でスクロール室の始端部の内面を構成するように配置されており、かつ、前記スクロール室のうち前記ウエストゲートバルブの下流直下部の内側面を、閉じ状態におけるウエストゲートバルブの内面からウエストゲートバルブの後退方向に段落ちした形態と成すことにより、前記ウエストゲートバルブを開くと前記スクロール室の始端部の通路面積が大きくなるように設定している、
   排気ターボ過給機。

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