JP2021161870A - 可変容量型過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】過度に上昇した排気圧を適切に逃がすことで、過給機の故障を防止するとともに、過渡応答性を向上させ、かつ、コストの上昇や、過給機のパッケージ性の悪化を生じることのない可変容量型過給機を提供する。【解決手段】可変容量型過給機は、排ガスを導入するタービンスクロール通路４と、タービンホイール２を収容するタービン室５と、排ガスを外部に排出する排出口６と、を有するタービンハウジング３と、タービンホイール２の回転数を調整可能な可変ノズルユニット８と、タービンスクロール通路４の内壁に対向し、可変ノズルユニット８を支持する環状支持部材（シュラウドリング１１）と、環状支持部材とタービンスクロール通路４の間の隙間Ｇに設けられ、排ガスの圧力が所定値を超えたときに開弁してタービンスクロール通路４と排出口６を繋ぐバイパス通路１３を形成するリリーフ弁機構１２と、を備えることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、タービンホイールに供給される排ガスの流路面積を変更することでタービンホイールの回転数を調整可能な可変ノズルを備える可変容量型過給機に関する。

自動車等の内燃機関に用いられる過給機として、可変容量型の過給機が知られている。一般的な可変容量型の過給機では、タービンハウジング内のタービンスクロール通路とガス排出口の間に、可変ノズルがタービンホイールを囲むように設けられている。そして、この可変ノズルの複数のノズルベーンの角度を変えることにより、排気流路面積を変化させ、それによりタービンホイールに向かう排ガスの流速を変化させることで、過給圧を調整する。

可変ノズルの複数のノズルベーンは、タービンハウジング内に設けられたノズルリングと、ノズルリングに対向する位置に設けられたシュラウドリングの間で、回動可能に支持されている。シュラウドリングには、タービンハウジングの内壁と対向する面に環状の溝が設けられており、この環状の溝には、タービンスクロール通路からガス排出口への排ガスの漏れを防止するためのシールリングが設けられる。

特許文献１に記載の可変ノズルユニットでは、上述したシールリングに代わる構成として、シュラウドリングのタービンハウジングの内壁との対向面に密着するシール基部と、このシール基部の内周縁に、ガス排出口側に突出するように一体形成され、シュラウドリングの一部を覆う筒状のシール中間部と、このシール中間部の先端縁に径方向外側に向かってカール状に一体形成され、タービンハウジングの内壁に圧接する環状のシール先端部と、を有するシール部材を備えており、この構成により、上述した排ガスの漏れをより確実に防止するようにしている。

特開２０１３−１９４５４６号公報

上述のように、可変ノズルを用いた可変容量型の過給機においては、複数のノズルベーンの角度を変えることで過給圧を調整する。具体的には、ノズルベーンの角度を、各ノズルベーン間の間隔を小さくする方向（閉じ側）に動かした場合、タービンホイールに向かう排ガスの流路面積が小さくなることで排ガスの流速が上昇し、タービンホイールの回転数が上昇することで、タービンと一体に連結されたコンプレッサの回転数が上昇し、それにより過給圧が上昇する。これとは逆に、ノズルベーンの角度を、各ノズルベーン間の間隔を大きくする方向（開き側）に動かした場合、排ガスの流路面積が大きくなることで流速が低下し、タービン及びコンプレッサの回転数が低下することで過給圧が低下する。

このような可変容量型の過給機においては、ノズルベーンを最大限、開き側に設定した場合であっても、常に排ガスがタービンホイールに当たり続けるので、常にタービンが仕事をし続けることとなり、それにより、常に一定以上の過給圧が生じることになる。こうした理由から、内燃機関の運転中に過給圧が過度に上昇した場合、可変ノズルを開き側に動かすことによって低下させることが可能な過給圧の幅に限界があるので、過給圧の上昇と、それに伴う排気圧の上昇による過給機の故障を防止するためには、あらかじめタービンホイール径や過給機自体を大きくして、高い過給圧に耐えられるように設計する必要がある。このようなタービンホイールの大径化や過給機の大型化の必要性は、内燃機関の出力が大きくなるほど顕著になる。しかしながら、タービンホイールの大径化や過給機の大型化は、内燃機関の低回転時のトルク、いわゆるローエンドトルクを低下させるので、過給機の過渡応答性を悪化させ、ターボラグと言われる問題等の原因となる。

また、これとは別に、タービンホイールをバイパスするウェイストゲート通路と、ウェイストゲート通路に流す排ガスの量を調整するウェイストゲートバルブを設け、それにより過給圧及び排気圧の過度な上昇を防止するという選択肢もあるが、この場合、別個の大型部品の追加によるコストの上昇や、過給機のパッケージ性の悪化といった別の問題を生じる。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、過給圧の上昇により所定値を超えて上昇した排気圧を適切に逃がすことで、過給機の故障を適切に防止するとともに、タービンホイールの小型化を可能とすることによって、過渡応答性を向上させ、かつ、コストの大幅な上昇や過給機のパッケージ性の悪化を生じることのない可変容量型過給機を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明の請求項１に係る可変容量型過給機１は、内燃機関からの排ガスを導入するタービンスクロール通路４と、導入された排ガスの圧力を受けて回転するタービンホイール２を収容するタービン室５と、排ガスを外部に排出する排出口６と、を有するタービンハウジング３と、タービンスクロール通路４とタービン室５との間に、タービンホイール２を囲むように設けられ、タービンホイール２に供給される排ガスの流路面積を変更することによってタービンホイール２の回転数を調整可能な可変ノズルユニット８と、タービンハウジング３内に固定され、タービンスクロール通路４の内壁に対向し、可変ノズルユニット８を支持する環状支持部材（シュラウドリング１１）と、環状支持部材とタービンスクロール通路４の間の隙間Ｇに設けられ、タービンホイール２の上流側の排ガスの圧力が所定値を超えたときに開弁することによって、タービンスクロール通路４と排出口６を繋ぐバイパス通路１３を形成するリリーフ弁機構１２と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、過給圧が上昇し、タービンホイールの上流側の排ガスの圧力が所定値を超えたときに、リリーフ弁機構が開弁する。これにより、タービンスクロール通路と排出口をつなぐバイパス経路が形成され、そこに排ガスが流れ込むことによって、タービンの上流側の排ガスの圧力が低下するので、排気圧の過度な上昇による過給機の故障を適切に防止することができる。

また、このように、バイパス通路を介して排気圧を減少させることができるので、大きな排気圧に耐えられるようにするためのタービンホイールの大径化や過給機自体の大型化の必要がなくなることにより、タービンホイールや過給機の小型化が可能になり、これにより過渡応答性を向上させることができる。したがって、内燃機関が高出力化した場合に、可変容量型の過給機を適用できる範囲が拡大される。

また、リリーフ弁機構及びバイパス通路は、ウェイストゲートバルブとウェイストゲート通路のような大型の構成部材の追加を必要とせず、環状支持部材とタービンスクロール通路の間の隙間を利用し配置されるので、コストの大幅な上昇や過給機のパッケージ性の悪化を生じさせることもない。

本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載の可変容量型過給機１において、リリーフ弁機構１２は、環状支持部材及びタービンスクロール通路４の内壁の互いに対向する対向面の一方に設けられた環状溝１２ａの内部に収容され、環状支持部材とタービンスクロール通路４の間の隙間Ｇを閉塞し、隙間Ｇを介した排ガスの漏れを防止するように構成された環状シール部材（シールリング１２ｂ）と、環状溝１２ａ内で環状シール部材よりも下流側に収容され、環状シール部材を上流側に押圧することによって隙間Ｇを閉塞するとともに、タービンホイール２の上流側の排ガスの圧力が所定値を超えたときに、下流側に退避し、隙間Ｇを開放することによって、バイパス通路１３を形成する付勢部材１２ｃと、を有することを特徴とする。

この構成によれば、リリーフ弁機構が環状シール部材と付勢部材を有し、付勢部材は、環状シール部材を上流側に押圧することによって、環状支持部材とタービンスクロール通路の間の隙間を閉塞するとともに、タービンホイールの上流側の排ガスの圧力が所定値を超えたときに下流側に退避し、隙間を開放することによってバイパス通路を形成する。これにより、大きな構成部材の追加を必要とせず、より簡易な構成で、タービンスクロール通路と排出口をつなぐバイパス経路を形成することができる。

可変容量型過給機のタービン側の構成を模式的に示す図である。 リリーフ弁機構のシールリングと付勢部材を示す図であり、（Ａ）は排気圧が所定値以下の状態、（Ｂ）は排気圧が所定値を超えた状態を示す。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。本実施形態の可変容量型過給機は、車両に搭載された内燃機関（以下、「エンジン」という。図示省略）からの排ガスのエネルギーを利用して吸気を加圧し、過給する。

図１に示すように、本実施形態に係る可変容量型過給機１は、タービンホイール２と、タービンホイール２を収容するタービンハウジング３を有する。タービンハウジング３は、エンジンの排気通路（不図示）に設けられており、エンジンからの排ガスを導入するタービンスクロール通路４と、導入された排ガスの圧力を受けて回転するタービンホイール２を収容するタービン室５と、排ガスを可変容量型過給機１の外部に排出する排出口６を有している。タービンホイール２は、タービンスクロール通路４を通ってタービン室５内に流入する排ガスの圧力を受けて回転する。タービンホイール２の回転は、シャフト７を介して、エンジンの吸気通路に設けられたコンプレッサ（不図示）へと伝えられ、コンプレッサにより吸気が圧縮されることで過給を行う。

タービンスクロール通路４とタービン室５の間には、円環状の可変ノズルユニット８が、タービンホイール２を囲むように設けられている。可変ノズルユニット８は、タービンホイール２に向かう排ガスの流路面積を変更することで、排ガスの流速を可変とし、それによりタービンホイール２の回転数を調整することで、過給圧を調整する。

可変ノズルユニット８は、全体として軸線Ｌを中心とする同軸上に設けられており、タービンハウジング３内に固定された円環状のノズルプレート９と、このノズルプレート９上に、円形状に等間隔に配置された回動自在の複数のノズルベーン１０とを有する。また、ノズルベーン１０を挟んでノズルプレート９と軸線方向に対向する位置には、円環状のシュラウドリング１１が設けられており、シュラウドリング１１は、連結ピン（不図示）によってノズルプレート９と一体的に連結され、固定されており、軸線方向に延びるピン（不図示）を介して複数のノズルベーン１０を回動自在に支持している。

複数のノズルベーン１０は、ロッドを介してベーンアクチュエータと接続されており（いずれも不図示）、ベーンアクチュエータによってロッドが駆動されると、それに連動して各ノズルベーン１０が回動し、その角度が変更されることで、各ノズルベーン１０間の間隔が変化する。タービンスクロール通路４に導入された排ガスは、ノズルベーン間の隙間を通ってタービンホイール２に吹き込むので、複数のノズルベーン１０が、各ノズルベーン１０間の間隔を小さくするように動かされると、タービンホイール２に向かう排ガスの流路面積が小さくなることで、そこを通過する排ガスの流速が上昇する。これにより、タービンホイール２の回転数が上昇し、それに伴いコンプレッサの回転数が上昇することで、過給圧が上昇する。一方、複数のノズルベーン１０が、各ノズルベーン１０間の間隔を大きくするように動かされると、排ガスの流路面積が大きくなることで排ガスの流速が低下し、それにより、タービンホイール２及びコンプレッサの回転数が低下することで、過給圧が低下する。

なお、本明細書においては、各ノズルベーン１０間の間隔を小さくするように動かすことを、可変ノズル開度を小さくする、又は閉じ側に制御すると言い、各ノズルベーン１０間の間隔を拡げるように動かすことを、可変ノズル開度を大きくする、又は開き側に制御すると言う。

シュラウドリング１１は、タービンスクロール通路４の内壁との間に隙間Ｇを有して対向する対向面１１ａを有する。隙間Ｇの上流側はタービンスクロール通路４と連通しており、隙間Ｇの下流側は排出口６と連通している。隙間Ｇには、リリーフ弁機構１２が設けられている。リリーフ弁機構１２は、常時は隙間Ｇを閉塞するとともに、タービンホイール２の上流側の排気圧が所定値を超えたときに開弁することによって、タービンスクロール通路４と排出口６を繋ぐバイパス通路１３を形成する。

本実施形態におけるリリーフ弁機構１２について、図２を参照して説明する。図２に示すように、シュラウドリング１１の対向面１１ａには、環状溝１２ａが形成されている。環状溝１２ａ内には、円環状のシール部材であるシールリング１２ｂと、シールリング１２ｂを付勢する付勢部材１２ｃが収容されている。本実施形態において、付勢部材１２ｃは、環状溝１２ａ内に周方向に等間隔に配置された複数のコイルばねで構成されている。なお、付勢部材１２ｃとしては、コイルばねに代えて、板ばねや皿ばね等のばね要素を用いることが可能である。

付勢部材１２ｃは、環状溝１２ａ内でシールリング１２ｂよりも下流側に配置され、シールリング１２ｂを上流側に向かって押圧している。図２（Ａ）に示すように、シールリング１２ｂは、外周部（半径方向外側の端部）がタービンスクロール通路４の内壁に当接するとともに、付勢部材１２ｃによって、環状溝１２ａの上流側の周側面に押し付けられることにより、隙間Ｇを閉塞している。

一方、図２（Ｂ）に示すように、タービンスクロール通路４内の排気圧が所定値を超えたときには、付勢部材１２ｃが排気圧で圧縮され下流側に退避することで、シールリング１２ｂによって閉塞されていた隙間Ｇが開放され、その結果、タービンスクロール通路４と排出口６を繋ぐバイパス通路１３が形成される。

このように、タービンスクロール通路４内の排気圧が所定値を超えたときに、バイパス通路１３が形成され、そこに排ガスが流入することによって排気圧が低下するので、排気圧の過度な上昇による可変容量型過給機１の故障を適切に防止することができる。

また、本実施形態によれば、タービンホイール２の上流側の排気圧が低下するので、リリーフ弁機構１２を備えていない可変容量型過給機の場合と比較して、可変ノズル１０のより閉じ側の開度を使用することにより、同じ運転条件下での可変ノズル１０の開度の全開側への余裕度が増加することになる。すなわち、同じ運転条件下で、可変ノズル１０の開度を開き側に制御して過給圧を低下させる必要が生じた場合に、本実施形態のリリーフ弁機構１２を備える可変容量型過給機では、可変ノズル１０の開度をより大きく開き側に変化させることができるので、それにより低下させることができる過給圧の幅も、リリーフ弁機構１２を備えていない場合と比較して大きくなる。

これにより、大きな排気圧に耐えられるようにするためのタービンホイールの大径化や過給機自体の大型化の必要がなくなるので、タービンホイール２や可変容量型過給機１の小型化が可能になり、可変容量型過給機１の過渡応答性を向上させることができる。したがって、高出力のエンジンを用いる場合に、可変容量型過給機１を適用できる範囲が拡大される。

また、本実施形態のリリーフ弁機構１２、すなわち環状溝１２ａ、シールリング１２ｂ、及び付勢部材１２ｃは、通常のウェイストゲートバルブとウェイストゲート通路を設ける場合のような大きな構成部品の追加やレイアウトの変更を必要とせず、既存の部材であるシュラウドリング１１とタービンスクロール通路４の間の隙間Ｇを利用してバイパス通路１３を形成するので、コストの上昇や、過給機のパッケージ性の悪化を生じさせることもない。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、シュラウドリング１１のタービンスクロール通路４の内壁と対向する面に環状溝１２ａを形成し、その中にシールリング１２ｂと付勢部材１２ｃを収容する構成としたが、タービンスクロール通路４の側に環状溝１２ａを形成し、その中にシールリング１２ｂと付勢部材１２ｃを収容する構成としてもよい。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

１ 可変容量型過給機
２ タービンホイール
３ タービンハウジング
４ タービンスクロール通路
５ タービン室
６ 排出口
８ 可変ノズルユニット
１１ シュラウドリング（環状支持部材）
１２ リリーフ弁機構
１２ａ 環状溝
１２ｂ シールリング（環状シール部材）
１２ｃ 付勢部材
１３ バイパス通路
Ｇ 隙間

Claims (2)

1. 内燃機関からの排ガスを導入するタービンスクロール通路と、前記導入された排ガスの圧力を受けて回転するタービンホイールを収容するタービン室と、排ガスを外部に排出する排出口と、を有するタービンハウジングと、
   前記タービンスクロール通路と前記タービン室との間に、前記タービンホイールを囲むように設けられ、前記タービンホイールに供給される排ガスの流路面積を変更することによって前記タービンホイールの回転数を調整可能な可変ノズルユニットと、
   前記タービンハウジング内に固定され、前記タービンスクロール通路の内壁に対向し、前記可変ノズルユニットを支持する環状支持部材と、
   前記環状支持部材と前記タービンスクロール通路の間の隙間に設けられ、前記タービンホイールの上流側の排ガスの圧力が所定値を超えたときに開弁することによって、前記タービンスクロール通路と前記排出口を繋ぐバイパス通路を形成するリリーフ弁機構と、を備えることを特徴とする、可変容量型過給機。
2. 前記リリーフ弁機構は、
   前記環状支持部材及び前記タービンスクロール通路の内壁の互いに対向する対向面の一方に設けられた環状溝の内部に収容され、前記環状支持部材と前記タービンスクロール通路の間の前記隙間を閉塞し、前記隙間を介した排ガスの漏れを防止するように構成された環状シール部材と、
   前記環状溝内で前記環状シール部材よりも下流側に収容され、前記環状シール部材を上流側に押圧することによって前記隙間を閉塞するとともに、前記タービンホイールの上流側の排ガスの圧力が前記所定値を超えたときに、下流側に退避し、前記隙間を開放することによって、前記バイパス通路を形成する付勢部材と、を有することを特徴とする、請求項１に記載の可変容量型過給機。

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