JP2020133422A - 過給機のケーシング及びそれを備えた過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】レイアウトに制約がある小型の過給機に適用でき、簡便な構造とされたパイバス管を備える過給機のケーシング及びそれを備えた過給機を提供することを目的とする。【解決手段】内燃機関から排出された排気ガスが流通する排ガス流路１２を形成するとともに、排ガス流路１２を流通する排気ガスによって駆動されるタービン３０が収容される過給機１のケーシング１０であって、タービン３０を介さずに排気ガス入口１２Ａ側の排ガス流路１２と排気ガス出口１２Ｂ側の排ガス流路１２とを連通させるバイパス管５０を備え、バイパス管５０は、排気ガス入口１２Ａ側に接続され、直線状の流路を有するストレート管５２と、ストレート管５２及び排気ガス出口１２Ｂ側に接続され、屈曲する流路を有するエルボ管５４とから構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、過給機のケーシング及びそれを備えた過給機に関する。

舶用内燃機関や発電用内燃機関等（例えばディーゼル機関）には、低負荷で動作する際の性能を改善することが求められている。低負荷で動作する際の性能を改善するためには、内燃機関に搭載された過給機の過給圧を高めに設定するのが望ましいが、内燃機関が高負荷で動作する際には過給圧が高くなりすぎてしまう。そこで、内燃機関が高負荷で動作して排気ガスの量が多い場合には、排気ガスが過給機のタービンをバイパスするようにして過給圧の上がりすぎを抑える、いわゆる排気ガスバイパスシステムが実用化されている。

排気ガスバイパスシステムが採用されている過給機としては、例えば特許文献１に開示されている過給機がある。この過給機によれば、開閉弁が設けられたＵ字状のバイパス管によって排気ガスがタービンをバイパスするよう構成されている。

また、排気ガスバイパスシステムが採用されている過給機の他の例としては、例えば特許文献２に開示されている過給機がある。この過給機によれば、角度をもって切断されたパイプをつなぎ合わせることで全体として円弧形状とされた管（いわゆるエビ管）によって排気ガスがタービンをバイパスするよう構成されている。

特許第６１６５５６４号公報 特開２０１３−１２４６２６号公報

しかし、特許文献１に開示されている過給機のＵ字状のバイパス管においては、２箇所の曲げ部を形成するために所定のスペースを確保しなければならず、レイアウトに制約のある小型の過給機に適用することが難しい。また、仮に小型の過給機に適用したとしても、ケーシングの形状や他の部品との関係でバイパス管の出口端とケーシングとの接続部分の流路面積を確保することが困難な場合がある。

また、特許文献２に開示されている過給機のバイパス管においては、その構造上、製作に要する時間やコストが増大する可能性がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、レイアウトに制約がある小型の過給機に適用でき、簡便な構造とされたパイバス管を備える過給機のケーシング及びそれを備えた過給機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の過給機のケーシング及びそれを備えた過給機は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の一態様に係る過給機のケーシングは、内燃機関から排出された排気ガスが流通する排ガス流路を形成するとともに、該排ガス流路を流通する前記排気ガスによって駆動されるタービンが収容される過給機のケーシングであって、前記タービンを介さずに排気ガス入口側の前記排ガス流路と排気ガス出口側の前記排ガス流路とを連通させるバイパス管を備え、前記バイパス管は、前記排気ガス入口側に接続され、直線状の流路を有するストレート管と、該ストレート管及び前記排気ガス出口側に接続され、屈曲する流路を有するエルボ管とから構成されている。

本態様に係る過給機のケーシングによれば、バイパス管に設けられた曲げ部は１箇所（エルボ管の曲げ部のみ）とされるので、従来の構造よりも曲げ部を少なくすることができ、レイアウトに制約がある小型の過給機に適用できる。
また、バイパス管は２つの部材（ストレート管及びエルボ管）によって構成された簡便な構造とされているので、製作に要する時間やコストを抑制できる。

また、本発明の一態様に係る過給機のケーシングにおいて、前記エルボ管は、軸線に沿った断面が略円形状とされ、前記エルボ管との接続部と前記排ガス流路とを連通させる接続流路の形状は、前記略円形状から流路面積を略一定に保ちつつ扁平形状に変化している。

本態様に係る過給機のケーシングによれば、接続流路は、その流路面積を略一定に保ちつつ流路の形状がエルボ管に合わせた略円形状から扁平形状に変化している。これによって、例えば排気ガス出口側のケーシング形状や他の部品との関係で所定方向における寸法に制約がある場合であっても、所定方向に薄くなる扁平形状とすることで流路面積を確保することができる。

また、本発明の一態様に係る過給機のケーシングにおいて、前記接続流路は、鋳造によって形成されている。

本態様に係る過給機のケーシングによれば、複雑な形状とされた接続流路を容易に形成できる。

また、本発明の一態様に係る過給機のケーシングにおいて、前記バイパス管は、外部からの信号によって弁の開閉が制御される開閉弁を備えている。

本態様に係る過給機のケーシングによれば、バイパス管に設けられた開閉弁は、例えば過給機が搭載されている内燃機関の制御部から送信された信号によって開閉状態が制御される。これによって、内燃機関の仕様や状態に適宜対応させてバイパス管を流れる排気ガスの流量を制御できる。

また、本発明の一態様に係る過給機のケーシングにおいて、前記ストレート管は、軸線方向と前記排気ガス入口から流入する前記排気ガスの流入方向とが略一致するように配置されている。

本態様に係る過給機のケーシングによれば、排気ガス入口から流入した排気ガスは転向されることなくバイパス管に導かれる。このため、バイパス管に導かれた排気ガスの圧力損失を抑制できる。

また、本発明の一態様に係る過給機のケーシングにおいて、前記ストレート管は、軸線方向に伸縮する伸縮部を備えている。

本態様に係る過給機のケーシングによれば、ストレート管が軸線方向に伸縮可能とされているので、排気ガスの流通によってバイパス管に生じる熱伸びや熱収縮を吸収できる。
なお、バイパス管に開閉弁が設けられている場合、伸縮部は排気ガスの流れ方向において開閉弁の下流側に設置されることが好ましい。

また、本発明の一態様に係る過給機のケーシングは、内燃機関から排出された前記排気ガスが流通する排ガス流路を形成するとともに、該排ガス流路を流通する前記排気ガスによって駆動されるタービンが収容される過給機のケーシングであって、前記タービンを介さずに排気ガス入口側の前記排ガス流路と排気ガス出口側の前記排ガス流路とを連通させるバイパス管を備え、前記バイパス管は、軸線に沿った断面積が略円形状とされ、前記バイパス管との接続部と前記排ガス流路とを連通させる接続流路は、流路形状が前記略円形状から断面積を略一定に保ちつつ扁平形状に変化している。

本態様に係る過給機のケーシングによれば、バイパス管との接続部と排気ガスが流通する排ガス流路とを連通させる接続流路は、その流路面積を略一定に保ちつつ流路の形状がバイパス管に合わせた略円形状から扁平形状に変化している。これによって、例えば排気ガス出口側のケーシング形状や他の部品との関係で所定方向における寸法に制約がある場合であっても、所定方向に薄くなる扁平形状とすることで流路面積を確保することができる。

また、本発明の一態様に係る過給機は、前述の過給機のケーシングと、内燃機関から排出された排気ガスによって駆動される前記タービンとを備えている。

本発明によれば、レイアウトに制約がある小型の過給機に適用でき、簡便な構造とされたパイバス管を備える過給機のケーシング及びそれを備えた過給機を提供できる。

本発明の一実施形態に係る過給機のケーシング及びそれを備えた過給機の縦断面図である。 図１に示すＡ部の部分拡大図であって、出口側接続流路の形状を示した斜視図である。

以下、本発明の一実施形態に係る過給機のケーシング及びそれを備える過給機について図１及び図２を用いて説明する。

まず、ケーシング１０及びケーシング１０を備えている過給機１の構成について説明する。
図１に示すように、過給機１は、例えば、船舶等に搭載される内燃機関に供給される燃焼用空気を圧縮することで、密度の高い空気を内燃機関の燃焼室内へ強制的に送り込むように構成されたものである。本実施形態に係るケーシング１０は、特に小型の過給機に採用されて好適である。

過給機１は、内燃機関（図示せず）から排出された排気ガスによって駆動されるタービン３０と、タービン３０によって軸線Ｘ周りに回転駆動されるロータ軸３３と、これらを収容するとともに排気ガスの流路（排ガス流路１２）を形成するケーシング１０と、を備えている。

タービン３０は、動翼３２が取り付けられたタービンディスク３１と、ガイドベーン３４ａが取り付けられたノズルリング３４とを備えている軸流タービンとされる。

動翼３２は、排ガス流路１２において、軸線Ｘ方向に沿ったガイドベーン３４ａ（後述）の下流端に近接するように配置され、ロータ軸３３の一端に設けられた円盤形状のタービンディスク３１の周縁部に複数枚取り付けられている。
なお、排気ガスの流れ方向において動翼３２よりも上流側の排ガス流路１２は符号１２ａで示され、動翼３２よりも下流側の排ガス流路１２は符号１２ｂで示されている。

ノズルリング３４は、軸線Ｘ方向に延びる円筒状の外周側リング３４ｃと、外周側リング３４ｃよりも小径とされた内周側リング３４ｂと、外周側リング３４ｃと内周側リング３４ｂとの間に取り付けられたガイドベーン３４ａとを備えている。

ノズルリング３４は、外周側リング３４ｃ及び内周側リング３４ｂが、軸線Ｘ方向に沿った排ガス流路１２ａを形成する壁部の一部となるようにケーシング１０に取り付けられている。このとき、ケーシング１０は、軸線Ｘ方向に沿って、ノズルリング３４の前後で分割されている。

ガイドベーン３４ａは、外周側リング３４ｃの内周壁と内周側リング３４ｂの外周壁との間において、軸線Ｘの周方向に複数枚取り付けられている。
ガイドベーン３４ａは、排ガス流路１２ａにおいて、動翼３２側に向かって流通する排気ガスの流速や方向を調節することで、動翼３２に向けて適切に排気ガスを導くための翼状部材とされる。

タービン３０は、ガイドベーン３４ａを通過した高温の排気ガスが動翼３２を通過して膨張することにより、タービンディスク３１及びロータ軸３３が回転するようになっている。また、ロータ軸３３の他端には圧縮機（図示せず）の翼車（図示せず）が設けられており、ロータ軸３３が回転駆動されることによって翼車が回転駆動されて空気が圧縮される。

ケーシング１０は、下部に形成され下方に向かって開口されたガス入口１２Ａ（排気ガス入口）と、上部に形成され上方に向かって開口されたガス出口１２Ｂ（排気ガス出口）とを有し、タービン３０を介してガス入口１２Ａとガス出口１２Ｂとを連通させる排ガス流路１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）を形成している、また、ケーシング１０は、タービン３０及びロータ軸３３の一部を取り囲むように収容している。

更に、ケーシング１０は、タービン３０を介さないで、ガス入口１２Ａ側の排ガス流路１２ａとガス出口１２Ｂ側の排ガス流路１２ｃとを連通させる流路（バイパス流路５１）を形成するバイパス管５０を備えている。

バイパス管５０は、図１のように側面視したとき、ガス入口１２Ａ側からガス出口１２Ｂ側に向かったＬ字形状とされ、軸線が直線状の流路（直線流路５３）を有するストレート管５２と、軸線が略直角に屈曲した流路（屈曲流路５５）を有する１本のエルボ管５４とを備えている。これによって、バイパス管５０に設けられた曲げ部を１箇所とすることができるので、レイアウトに制約がある小型の過給機１に適用できる。また、バイパス管５０は２つの部材（ストレート管５２及びエルボ管５４）によって構成された簡便な構造とすることができる。
ストレート管５２及びエルボ管５４は、軸線に沿った流路形状が略円形状とされていることが好ましい。

ストレート管５２は、一端がガス入口１２Ａ側の排ガス流路１２ａを形成しているケーシング１０に接続されている。
ストレート管５２が接続されている部分のケーシング１０には、排ガス流路１２ａとケーシング１０の外部とを連通する入口側接続流路１６が形成されている。入口側接続流路１６は、ガス入口１２Ａから流入する排気ガス（図中の矢印Ｇｉ）の流入方向に軸線を有する。
ストレート管５２は、入口側接続流路１６の軸線の延長線上に直線流路５３の軸線が位置するようにケーシング１０に対して配置される。すなわち、直線流路５３の軸線方向は、ガス入口１２Ａから流入する排気ガスの流入方向に一致している。これによって、ガス入口１２Ａから流入した排気ガスは転向されることなくバイパス流路５１に導かれる。

エルボ管５４は、一端がストレート管５２の他端（ケーシング１０に接続されている端部とは異なる端部）に接続されている。また、エルボ管５４は、他端がガス出口１２Ｂ側の排ガス流路１２ｃを形成しているケーシング１０に接続されている。
エルボ管５４が接続される部分のケーシング１０には、ケーシング１０の外部と排ガス流路１２ｃとを連通する出口側接続流路１８（接続流路）が形成されている。
エルボ管５４は、前述の通り、軸線が滑らかに略直角に屈曲しているので、出口側接続流路１８の軸線方向と直線流路５３の軸線方向とは略直交することになる。

図１及び図２に示すように、出口側接続流路１８の形状は、エルボ管５４との接続部１４において、エルボ管５４の流路形状に合わせた略円形状とされている。また、出口側接続流路１８の形状は、接続部１４側から排ガス流路１２ｃ側に向かうに伴って、幅方向が拡大されるとともに高さ方向が縮小された扁平形状に変化している。
このとき、接続部１４側から排ガス流路１２ｃ側に向かって、出口側接続流路１８の流路面積が略一定に保たれるように形状を変化させる。これによって、例えばガス出口１２Ｂ側のケーシング１０の形状や他の部品との関係で高さ方向における寸法に制約がある場合であっても、高さ方向に薄くなる扁平形状とすることで流路面積を確保することができる。
なお、出口側接続流路１８を形成する部分のケーシング１０は、鋳造によって製作されてもよい。これによって、複雑な形状とされた出口側接続流路１８を容易に形成できる。

図１に示すように、前述のストレート管５２には、開度の制御が可能な開閉弁６０が取り付けられている。
開閉弁６０は、例えば過給機１が搭載されている内燃機関を制御する制御部（図示せず）からの信号によって開度が制御される。これによって、バイパス流路５１を流通する排気ガスの流量を調節できる。
なお、開閉弁６０の取付位置は適宜変更できるものとされ、例えばエルボ管５４に取り付けてもよい。

また、前述のストレート管５２は、軸線方向に伸縮するエキスパンション６２（伸縮部）を設けてもよい。エキスパンション６２は、ストレート管５２の軸線方向の伸縮を吸収できる。これによって、バイパス管５０に生じる熱伸びや熱収縮を吸収できる。
ストレート管５２に開閉弁６０が取り付けられている場合、エキスパンション６２は、開閉弁６０の下流側（出口側接続流路１８側）のストレート管５２に取り付けることが好ましい。これによって、開閉弁６０をケーシング１０に容易に取り付けることができる。なお、エキスパンション６２の取付位置は適宜変更できるものとされ、開閉弁６０の上流側のストレート管５２に取り付けてもよい。

次に、排気ガスの流れについて説明する。
〔開閉弁が閉状態の場合〕
過給機１が搭載される内燃機関が低負荷で動作するときであっても過給機の性能を向上させるために、例えば、低負荷時においても高い過給圧が得られるようなノズル（通常の設計よりも小さいノズル）を選定することがある。このような低負荷時において、バイパス管５０によって排気ガスの一部をバイパスさせてしまうと、バイパスされた排気ガスの分だけタービン３０の出力が落ちてしまい所望の過給圧を得られない。このため、低負荷時においては、バイパス流路５１に排気ガスが流通しないように、開閉弁６０を閉状態とする。

開閉弁６０が閉状態の場合、ガス入口１２Ａから流入したすべての排気ガスは、排ガス流路１２ａ、排ガス流路１２ｂを流通しつつタービン３０を駆動させて、排ガス流路１２ｃを流通してガス出口１２Ｂから流出する（図中の矢印Ｇｏ）。

〔開閉弁が開状態の場合〕
過給機１が搭載される内燃機関が低負荷で動作するときであっても過給機の性能を向上させるために、例えば、低負荷時においても高い過給圧が得られるようなノズル（通常の設計よりも小さいノズル）を選定することがある。しかし、このような内燃機関が高負荷で動作する場合、過給機１の過給圧が高くなりすぎてしまう。このため、高負荷時においては、敢えてタービン３０の出力を落とすために、バイパス流路５１に排気ガスが流通するように、開閉弁６０を開状態とする。ここで言う「開状態」とは、開度が１００％の状態（全開状態）のみならず、開度が０％よりも大きく１００よりも小さい状態を含む。

開閉弁６０が開状態の場合、ガス入口１２Ａから流入した排気ガスの一部は、排ガス流路１２ａ、排ガス流路１２ｂを流通しつつタービン３０を駆動させて、排ガス流路１２ｃを流通してガス出口１２Ｂから流出する。

一方、他の排気ガスは、排ガス流路１２ａから入口側接続流路１６を介して直線流路５３（バイパス流路５１に）に導かれる（図中の矢印Ｂｉ）。

直線流路５３に導かれた排気ガスは、屈曲流路５５に到達して偏向された後に、出口側接続流路１８に導かれる。

出口側接続流路１８に導かれた排気ガスは、外周側リング３４ｃの外周壁とケーシング１０とによって形成されている空間Ｓ１を通過して、ガス出口１２Ｂ側の排ガス流路１２ｃに導かれる（図中の矢印Ｂｏ）。

その後、タービン３０を駆動させた排気ガスと合流して、ガス出口１２Ｂから流出する（図中の矢印Ｇｏ）。

なお、開閉弁６０を開状態から閉状態に動作させるとき、急激に開閉弁６０を動作させてしまうと、タービン３０に流れ込む排気ガスの流量が急激に増加して、それに伴ってタービン３０の出力が急激に増加してしまう。同時に、圧縮機の翼車（図示せず）の回転数が急激に増加することになる。そうすると、圧縮機にてサージングが発生する可能性がある。
このため、圧縮機でのサージングを回避するために、開閉弁６０は徐々に閉じることが好ましい。例えば、開閉弁６０を全開状態から全閉状態に動作させるとき、５秒以上かけて動作させることが好ましい。
なお、開閉弁６０の動作時間は各機器の仕様に応じて適宜変更できることは言うまでもない。ただし、開閉弁６０を開状態から閉状態に動作させる時間は、開閉弁６０を閉状態から開状態に動作させる時間よりも長いことが好ましい。

また、仮に過給機１の可動部（タービン３０、ロータ軸３３、圧縮機（図示せず）等）が故障した場合であっても、内燃機関は運転させておく必要があるので排ガス流路１２に供給される排気ガスを遮断することはできない。このため、可動部の更なる損傷を回避するために、可動部をロックする機構を設けてもよい。本実施形態の場合、バイパス管５０がタービン３０側に設置されているので、作業員によるアクセスの容易性に考慮して、圧縮機側にロック機構を設けることが好ましい。

本実施形態においては、以下の効果を奏する。
ケーシング１０が備えているバイパス管５０に設けられた曲げ部は、エルボ管５４の１箇所のみとされるので、レイアウトに制約がある小型の過給機１に適用できる。また、例えば２箇所の曲げ部ある場合と比べて、曲げ部によって生じる圧力損失を抑制できる。更に、バイパス管５０は２つの部材（ストレート管５２及びエルボ管５４）によって構成された簡便な構造とされているので、製作に要する時間やコストを抑制できる。

また、出口側接続流路１８は、その流路面積を略一定に保ちつつ流路の形状がエルボ管５４に合わせた略円形状から扁平形状に変化している。これによって、例えばガス出口１２Ｂ側のケーシング１０の形状や他の部品との関係で所定方向における寸法に制約がある場合であっても、所定方向に薄くなる扁平形状とすることで流路面積を確保することができる。

また、バイパス管５０に設けられた開閉弁６０は、例えば過給機１が搭載されている内燃機関の制御部から送信された信号によって開閉状態が制御される。これによって、内燃機関の仕様や状態に適宜対応させてバイパス流路５１を流通する排気ガスの流量を制御できる。

また、直線流路５３の軸線方向は、ガス入口１２Ａから流入する排気ガスの流入方向に一致している。これによって、ガス入口１２Ａから流入した排気ガスは転向されることなくバイパス流路５１に導かれる。このため、バイパス配管に導かれた排気ガスの圧力損失を抑制できる。

また、ストレート管５２には、軸線方向に伸縮するエキスパンション６２が備えられている。これによって、排気ガスの流通によってバイパス管５０に生じる熱伸びや熱収縮を吸収できる。

なお、バイパス管５０の形状は、前述の実施形態のものに限らず、内燃機関や過給機の仕様、図示しない各機器のレイアウトによって任意に変更してもよい。

また、前述の実施形態においては軸流タービンを用いて説明したが、パワータービン等の回転機械にも適用可能である。

１ 過給機
１０ ケーシング
１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ） 排ガス流路
１２Ａ ガス入口
１２Ｂ ガス出口
１４ 接続部
１６ 入口側接続流路
１８ 出口側接続流路
３０ タービン
３１ タービンディスク
３２ 動翼
３３ ロータ軸
３４ ノズルリング
３４ａ ガイドベーン
３４ｂ 内周側リング
３４ｃ 外周側リング
５０ バイパス管
５１ バイパス流路
５２ ストレート管
５３ 直線流路
５４ エルボ管
５５ 屈曲流路
６０ 開閉弁
６２ エキスパンション

Claims (8)

1. 内燃機関から排出された排気ガスが流通する排ガス流路を形成するとともに、該排ガス流路を流通する前記排気ガスによって駆動されるタービンが収容される過給機のケーシングであって、
   前記タービンを介さずに排気ガス入口側の前記排ガス流路と排気ガス出口側の前記排ガス流路とを連通させるバイパス管を備え、
   前記バイパス管は、前記排気ガス入口側に接続され、直線状の流路を有するストレート管と、該ストレート管及び前記排気ガス出口側に接続され、屈曲する流路を有するエルボ管と、から構成されている過給機のケーシング。
2. 前記エルボ管は、軸線に沿った断面が略円形状とされ、
   前記エルボ管との接続部と前記排ガス流路とを連通させる接続流路の形状は、前記略円形状から流路面積を略一定に保ちつつ扁平形状に変化している請求項１に記載の過給機のケーシング。
3. 前記接続流路は、鋳造によって形成されている請求項２に記載の過給機のケーシング。
4. 前記バイパス管は、外部からの信号によって弁の開閉が制御される開閉弁を備えている請求項１に記載の過給機のケーシング。
5. 前記ストレート管は、軸線方向と前記排気ガス入口から流入する前記排気ガスの流入方向とが略一致するように配置されている請求項１に記載の過給機のケーシング。
6. 前記ストレート管は、軸線方向に伸縮する伸縮部を備えている請求項１から５のいずれかに記載の過給機のケーシング。
7. 内燃機関から排出された排気ガスが流通する排ガス流路を形成するとともに、該排ガス流路を流通する前記排気ガスによって駆動されるタービンが収容される過給機のケーシングであって、
   前記タービンを介さずに排気ガス入口側の前記排ガス流路と排気ガス出口側の前記排ガス流路とを連通させるバイパス管を備え、
   前記バイパス管は、軸線に沿った断面積が略円形状とされ、
   前記バイパス管との接続部と前記排ガス流路とを連通させる接続流路は、流路形状が前記略円形状から断面積を略一定に保ちつつ扁平形状に変化している過給機のケーシング。
8. 請求項１又は７に記載の過給機のケーシングと、
   前記排気ガスによって駆動される前記タービンと、
   を備えている過給機。

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