JP4858176B2

JP4858176B2 - 可変ノズルターボチャージャ及びこれを備えたエンジン

Info

Publication number: JP4858176B2
Application number: JP2007005458A
Authority: JP
Inventors: 祥二佐々木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-01-15
Filing date: 2007-01-15
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2027-01-15
Also published as: JP2008169788A

Description

本発明は、タービンハウジング内に形成されたリンク室内に可変ノズルの駆動機構を収納した可変ノズルターボチャージャ、及びこれを備えたエンジンに関する。

従来、タービンの外周等に多数の可変ノズルを配し、この可変ノズルの傾きを調整することでタービンへ供給されるガス流の速度を変えてタービンの回転数を変化させることのできる、いわゆる可変ノズルターボチャージャが提案されている。このような可変ノズルターボチャージャにおける可変ノズルはタービンハウジング内に形成されたリンク室内にその駆動機構を備えている。図５は、従来の可変ノズルターボチャージャ１００の構成を示す説明図であり、図６は、図５において矢示１５０で示した方向から見た可変ノズルターボチャージャ１００の内部構造を示す説明図である。可変ノズルターボチャージャ１００は、タービンハウジング１０１内にタービン１０２を備えている。タービン１０２の周囲にはタービン室１０３が形成されており、このタービン室１０３に導入された排気ガスによってタービン１０２を回転させるようになっている。また、タービンハウジング１０１内にはタービン室１０３と隣接するリンク室１０４が形成されている。このリンク室１０４とタービン室１０３とは図５中、ハッチングを施して示したノズルプレート１０５によって仕切られている。

このようなリンク室１０４内には、タービン室１０３内に配置された可変ノズル１０６を駆動するための各種リンクで構成された駆動機構１０７が収納されている。このような駆動機構１０７は、図６に示すようにユニゾンリング１０８、ガイドローラ１０９、可変ノズルシャフト１１０、アーム１１１等によって構成されている。可変ノズル１０６は、アーム１１１が噛み合ったユニゾンリング１０８が回転することによってその角度を変化させる。

このような構成の可変ノズルターボチャージャ１００では、可変ノズルシャフト１１０の軸受部１１３にタービン室１０３内を流通する高温ガスに含まれたカーボンが詰まって軸受部が固着してしまうおそれがある。このような軸受部１１３におけるカーボンの詰まりの問題に対しては、例えば、特許文献１の提案がある。特許文献１には、タービンハウジングの外側壁に冷却空気圧源と連なる圧力室を形成し、該圧力室の空気をノズルを支持する軸の軸受部へ供給する構成が開示されている。

実開昭５９−１９２６３０号公報

しかしながら、タービン室１０３内を流通する高温ガスに含まれたカーボンが付着して炭化する、いわゆるコーキングは、可変ノズルシャフト１１０の軸受部１１３のみならず、ノズル室１０４内に収納され、可変ノズル１０６を駆動する駆動機構１０７においても生じ得る。これは、タービン室１０３とリンク室１０４とを隔てるノズルプレート１０５をタービンハウジング１０１に装着する際の合せ面１１２からもタービン室１０３内を流通する高温ガスがリンク室１０４内に浸入し、浸入した高温ガスが外部のアクチュエータと接続されるシャフト１１４の取り付け部から外部へ漏れ出ることがあるためである。このようにタービン室１０３内を流通する高温ガスがリンク室１０４内に浸入すると、この高温ガスよりも低温である駆動機構１０７に触れて炭化する。リンク室１０４の内部でコーキングが生じると可変ノズル１０６の動きを阻害し、その制御を損なうこととなる。昨今のエンジンでは、触媒再生のための燃料添加やポスト噴射等の措置が行われることがある。これらの措置による未燃の燃料がタービン室１０３へ流入し、さらにはリンク室１０４へ浸入すると駆動機構１０７におけるコーキングの問題は発生しやすくなる。ところが、特許文献１における提案は、これらの問題を解決するものとはなっていない。

そこで、本発明は、リンク室内における炭化、いわゆるコーキングを抑制することができる可変ノズルターボチャージャを提供することを課題とする。

かかる課題を達成するための、本発明の可変ノズルターボチャージャは、タービンハウジング内に形成されたリンク室内に可変ノズルの駆動機構を収納した可変ノズルターボチャージャであって、前記リンク室に燃焼ガスを導入して当該リンク室内の圧力を上昇させる燃焼ガス導入手段を備える。リンク室内でのコーキングの発生は、未燃の燃料を含んだガスが浸入することに起因する。そこで、このようにリンク室に燃焼ガス、すなわち排気ガスを導入し、リンク室内の圧力を高めておけば、リンク室内への未燃の燃料を含んだガスの浸入を抑制することができる。これにより、リンク室内でのコーキングを抑制することができる。

このような可変ノズルターボチャージャにおける前記燃焼ガス導入手段は、一端側が前記リンク室に接続されていると共に、他端側が排気弁からタービンハウジングへと繋がる排気ガス通路上に接続された連通パイプである構成とすることができる。このような構成とすることにより、燃焼ガスをリンク室へ導入し、リンク室内の圧力を高めてリンク室内への未燃の燃料を含んだガスの浸入を抑制することができる。

また、このような可変ノズルターボチャージャにおける前記燃焼ガス導入手段は、一端側が前記リンク室に接続されていると共に、他端側が排気弁からタービンハウジングへと繋がる排気ガス通路上に設置された燃料添加ノズルの設置位置よりも上流側に接続された連通パイプである構成とすることができる。例えば、触媒再生のための燃料添加を行う燃料添加ノズルが排気ガス通路上に設置されている場合、連通パイプの接続位置を燃料添加ノズルの設置位置よりも上流側とすることによって燃料添加ノズルから添加された未燃の燃料がリンク室へ導入されることを回避することができる。このような構成は、リンク室内を満たす燃焼ガスにできるだけ未燃の燃料が混入しないようにする構成である。このような構成とすることにより、リンク室におけるコーキングを抑制することができる。

さらに、このような可変ノズルターボチャージャにおける前記燃焼ガス導入手段は、一端側が前記リンク室に接続されていると共に、他端側がエキゾーストマニホールドと接続された連通パイプであり、当該他端側の接続位置は、エキゾーストマニホールドに設置された燃料添加ノズルから離間させた位置である構成であることが望ましい。例えば、触媒再生のための燃料添加を行う燃料添加ノズルがエキゾーストマニホールドに設置されている場合、燃料添加ノズルから添加された未燃の燃料が連通パイプ内に流れ込むことを回避すべく、連通パイプの他端側の接続位置は燃料添加ノズルからできるだけ離間させておくことが望ましい。すなわち、このような可変ノズルターボチャージャにおける前記燃焼ガス導入手段は、一端側が前記リンク室に接続されていると共に、他端側がエキゾーストマニホールドと接続された連通パイプであり、当該他端側の接続位置は、エキゾーストマニホールドに設置された燃料添加ノズルから最も離間した位置である構成とすることが望ましい。

また、このような可変ノズルターボチャージャにおける前記燃焼ガス導入手段は、一端側が前記リンク室に接続されていると共に、他端側がエキゾーストマニホールドと接続された連通パイプであり、当該他端側の接続位置は、エキゾーストマニホールドに設置された燃料添加ノズルの設置位置から前記エキゾーストマニホールドの出口を隔てた位置である構成とすることができる。このような構成とすることにより、燃料添加ノズルから添加された燃料は連通パイプの接続位置に到達する前にエキゾーストマニホールドの出口から排出されることからリンク室へ未燃の燃料が浸入することを抑制することができる。

さらに、このような可変ノズルターボチャージャにおける前記燃焼ガス導入手段は、一端側が前記リンク室に接続されていると共に、他端側がＥＧＲパイプに接続された連通パイプとすることができる。エンジンがＥＧＲ（Exhaust Ｇas Recirculation）パイプを備えている場合には、このＥＧＲパイプと連通パイプを接続することによりコンパクトな構成とすることができる。

さらに、このような可変ノズルターボチャージャにおける前記燃焼ガス導入手段は、前記リンク室に連通する燃焼ガスの流路中に開閉弁を備えた構成とすることができる。このような開閉弁を例えばＥＣＵ（Electronic Control Unit）によって開閉制御することにより、燃料添加ノズルから添加された未燃の燃料やポスト噴射によって噴射された未燃の燃料がリンク室に浸入することを抑制することができる。

このような可変ノズルターボチャージャにおける前記リンク室は密閉構造としておく。

このような可変ノズルターボチャージャを備えたエンジンにおける前記燃焼ガス導入手段は、一端側が前記リンク室に接続されていると共に、他端側がエキゾーストマニホールドと接続された連通パイプであり、当該他端側の接続位置は、複数あるエキゾーストポートの最端に位置するエキゾーストポートの近傍であり、当該最端のエキゾーストポートに対応するシリンダではポスト噴射を行わない構成とすることができる。ここで、複数あるエキゾーストポートの最端に位置するエキゾーストポートとは、エンジンの先端側または後端側に位置するシリンダに対応するエキゾーストポートを意味する。このような位置に連通パイプを接続することにより、未燃の燃料が連通パイプ内に流れ込むことを抑制することができる。また、当該最端のエキゾーストポートに対応するシリンダではポスト噴射を行わないことにより連通パイプへの未燃の燃料の流入をさらに効果的に抑制することができる。

本発明によれば、リンク室内を未燃の燃料を含まない燃焼ガスによって満たし、リンク室内の圧力を向上させてタービン室内からのガスの流入を抑制し、また、リンク室内に導入される燃焼ガスにできるだけ未燃の燃料が混入しないようにしたのでリンク室におけるコーキングを抑制することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は、本実施例の可変ノズルターボチャージャ１のリンク室４の周囲の構成を示した説明図である。また、図２は、可変ノズルターボチャージャ１を搭載したエンジン２０の概略構成を示した説明図である。可変ノズルターボチャージャ１は、タービンハウジング２内にタービン室３が形成されており、このタービン室３に導入された排気ガスによってタービンを回転させるようになっている。また、タービンハウジング２内にはタービン室３と隣接するリンク室４が形成されている。このリンク室４とタービン室３とはノズルプレート５によって仕切られている。このノズルプレート５は、対向して配置されるシュラウドプレート１２とボルト１３によって一体化されタービンハウジング２に固定されている。ノズルプレート５は、斜面５ａが形成されており、さらに、シール９を備えた状態でタービンハウジング２に固定されて、タービン室３とのシールが図られている。さらに、連通パイプ１０の一端側が接続された板体がフランジボルト８によってタービンハウジング２に固定されてリンク室４が形成されている。このような構成とすることによりリンク室４は、後述する駆動機構７を作動させる図示しない外部のアクチュエータに繋がるシャフトの軸受部以外は密閉された状態とされている。

このようなリンク室４内には、タービン室３内に配置された可変ノズル６を駆動するための各種リンクで構成された駆動機構７が収納されている。このような駆動機構７には、ユニゾンリング、ガイドローラ、可変ノズルシャフト、アーム１１等が含まれる。可変ノズル１０６は、アームが噛み合ったユニゾンリングが回転することによってその角度を変化させる。

このような構成の可変ノズルターボチャージャ１のリンク室４には前記のように連通パイプ１０の一端側が接続されている。この連通パイプ１０は、リンク室４内に燃焼ガスを導入するためのもので、その他端側は、図２に示すようにエキゾーストマニホールド２２に接続されている。すなわち、連通パイプ１０の他端側は排気弁からタービンハウジング２へと繋がる排気ガス通路上に設置されている。

ここで、可変ノズルターボチャージャ１を搭載したエンジン２０の概略構成を、図２を参照しつつ説明する。エンジン２０は、エンジン本体２１にエキゾーストマニホールド２２、インテークマニホールド２３が取り付けられている。エキゾーストマニホールド２３には排気ガスの排出パイプ２４の一端側が接続されている。この排出パイプ２４の他端側は、タービン室３に接続されている。排出パイプ２４を流通する排気ガスは可変ノズルターボチャージャ１のタービンを駆動し、その後、触媒２９へ送られて浄化された後、外部へ排出される。一方、インテークマニホールド２３には吸気パイプ２５が接続されており、可変ノズルターボチャージャ１のコンプレッサによって加圧された空気が供給される。

エキゾーストマニホールド２２には燃料添加ノズル２６が装着されている。この燃料添加ノズル２６は触媒再生のために適宜燃料を噴射する。また、エキゾーストマニホールド２２には連通パイプの他端側が接続されている。この接続位置は、複数あるエキゾーストポートの最端に位置するエキゾーストポートの近傍としている。さらに、このような接続位置は燃料添加ノズル２６との距離ｓが最も離れた位置とされている。さらに、連通パイプ１０の他端側の接続位置は、燃料添加ノズル２６の設置位置からエキゾーストマニホールド２２の出口２２ａを隔てた位置とされている。これらの措置を採ることにより、燃料添加ノズル２６から添加された未燃の燃料の連通パイプ１０への流入が抑制される。また、接続位置の近傍のエキゾーストポートに対応するシリンダではポスト噴射は行われない。これにより、ポスト噴射により噴射された未燃の燃料の連通パイプ１０への流入が抑制されている。

以上のようにリンク室４とエキゾーストマニホールド２２との間に接続される連通パイプにはＥＣＵ２８によって制御される開閉弁２７が装着されている。ＥＣＵ２８は燃料添加ノズル２６による燃料の噴射やポスト噴射のタイミングに合わせて開閉弁２７を閉弁状態とする。

以上説明したように構成されるエンジン２０における可変ノズルターボチャージャ１のリンク室４には極力未燃の燃料の混入が排除された燃焼ガスが導入される。また、リンク室４と隣接するタービン室３内には、流速の高い排気ガスが流通するのでタービン室３内の圧力はリンク室４内の圧力と同等以下に低下する。このため、タービン室３側からリンク室４側へ高温ガスが流入することも抑制されている。以上により、リンク室４内において燃料が炭化するコーキングが抑制され、駆動機構７の動作、各部の摺動が損なわれることを回避することができる。

なお、本実施例の可変ノズルターボチャージャ１では、ノズルプレート５は、斜面５ａが形成されており、さらに、シール９を備えた状態でタービンハウジング２に固定されて、タービン室３とのシールが図られているので、リンク室４からタービン室３へ漏れ出るガス量も低減されている。これにより、タービンの効率低下の抑制ともなっている。また、連通パイプ１０内を流通する燃焼ガスの流量も少なくできるのでそのパイプ径を小さくすることができている。これによりコスト低減と搭載性の向上が図られている。さらに、連通パイプ１０内を流通する燃焼ガスの流量の低下はリンク室４内の温度上昇抑制ともなり、温度上昇が抑制されることにより駆動機構７の熱変形が緩和され機能信頼性が向上している。

次に、本発明の実施例２について図３を参照しつつ説明する。実施例２のエンジン２０が実施例エンジン２０と異なる点は、燃料添加ノズル３０の取り付け位置と、連通パイプ１０に代えて連通パイプ３１を備えた点である。すなわち、燃料添加ノズル３０は排出パイプ２５に取り付けられている。また、一端側がリンク室４に接続された連通パイプ３１の他端側は添加ノズル３０の取り付け位置よりも上流側となっている。これにより、燃料添加ノズル３０から添加された燃料が連通パイプ３１に流入することを抑制し、ひいてはリンク室４内でのコーキングを抑制している。

なお、他の構成については実施例１の場合と同様であるので、同一の構成要素素については図面中、同一の参照番号を付してその詳細な説明は省略する。

次に、本発明の実施例３について図４を参照しつつ説明する。実施例３のエンジン４０が実施例１のエンジン２０と異なる点は、実施例１のエンジン２０の連通パイプ１０がエキゾーストマニホールド２２とリンク室４とを接続していたの対し、実施例３のエンジン４０の連通パイプ４２はエンジン４０が備えるＥＧＲパイプ４１とリンク室４とを接続している点である。

ＥＧＲパイプ４１には排気ガスが流通しているので、連通パイプ４２をＥＧＲパイプ４１と接続することによって排気ガス（燃焼ガス）をリンク室４内へ導入することができる。このような構成は、実施例１のエンジンと比較して、連通パイプのエキゾーストマニホールド２２への取り付けボスを省略することができ、コンパクトで低コストの構成とすることができる。また、燃料添加ノズルから離れたシリンダのエキゾーストポート付近を共有できる点でも好都合である。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

実施例の可変ノズルターボチャージャのリンク室の周囲の構成を示した説明図である可変ノズルターボチャージャを搭載したエンジンの概略構成を示した説明図である。可変ノズルターボチャージャを搭載した他の実施例のエンジンの概略構成を示した説明図である。可変ノズルターボチャージャを搭載した他の実施例のエンジンの概略構成を示した説明図である。従来の可変ノズルターボチャージャの構成を示す説明図である。図５に示した可変ノズルターボチャージャの内部構造を示す説明図である。

符号の説明

１可変ノズルターボチャージャ
２タービンハウジング
３タービン室
４リンク室
５ノズルプレート
６可変ノズル
７駆動機構
９シール
１０、３１、４２連通パイプ
２０、４０エンジン
２１エンジン本体
２２エキゾーストマニホールド
２３インテークマニホールド
２４排出パイプ
２５吸気パイプ
２６、３０燃料添加ノズル
２７開閉弁
２８ＥＣＵ

Claims

タービンハウジング内に形成されたリンク室内に可変ノズルの駆動機構を収納した可変ノズルターボチャージャであって、
前記リンク室に燃焼ガスを導入して当該リンク室内の圧力を上昇させる燃焼ガス導入手段を備え、
前記燃焼ガス導入手段は、一端側が前記リンク室に接続されていると共に、他端側が排気弁からタービンハウジングへと繋がる排気ガス通路上に設置された燃料添加ノズルの設置位置よりも上流側に接続された連通パイプであることを特徴とする可変ノズルターボチャージャ。
タービンハウジング内に形成されたリンク室内に可変ノズルの駆動機構を収納した可変ノズルターボチャージャであって、
前記リンク室に燃焼ガスを導入して当該リンク室内の圧力を上昇させる燃焼ガス導入手段を備え、
前記燃焼ガス導入手段は、一端側が前記リンク室に接続されていると共に、他端側がエキゾーストマニホールドと接続された連通パイプであり、当該他端側の接続位置は、エキゾーストマニホールドに設置された燃料添加ノズルから離間させた位置であることを特徴とする可変ノズルターボチャージャ。
タービンハウジング内に形成されたリンク室内に可変ノズルの駆動機構を収納した可変ノズルターボチャージャであって、
前記リンク室に燃焼ガスを導入して当該リンク室内の圧力を上昇させる燃焼ガス導入手段を備え、
前記燃焼ガス導入手段は、一端側が前記リンク室に接続されていると共に、他端側がエキゾーストマニホールドと接続された連通パイプであり、当該他端側の接続位置は、エキゾーストマニホールドに設置された燃料添加ノズルから最も離間した位置であることを特徴とする可変ノズルターボチャージャ。
タービンハウジング内に形成されたリンク室内に可変ノズルの駆動機構を収納した可変ノズルターボチャージャであって、
前記リンク室に燃焼ガスを導入して当該リンク室内の圧力を上昇させる燃焼ガス導入手段を備え、
前記燃焼ガス導入手段は、一端側が前記リンク室に接続されていると共に、他端側がエキゾーストマニホールドと接続された連通パイプであり、当該他端側の接続位置は、エキゾーストマニホールドに設置された燃料添加ノズルの設置位置から前記エキゾーストマニホールドの出口を隔てた位置であることを特徴とする可変ノズルターボチャージャ。
タービンハウジング内に形成されたリンク室内に可変ノズルの駆動機構を収納した可変ノズルターボチャージャであって、
前記リンク室に燃焼ガスを導入して当該リンク室内の圧力を上昇させる燃焼ガス導入手段を備え、
前記燃焼ガス導入手段は、前記リンク室に連通する燃焼ガスの流路中に備えられ、燃料の噴射及び／又はポスト噴射のタイミングに合せて閉弁状態とされる開閉弁であることを特徴とする可変ノズルターボチャージャ。
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の可変ノズルターボチャージャにおいて、
前記リンク室は密閉構造であることを特徴とした可変ノズルターボチャージャ。
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の可変ノズルターボチャージャを備えたエンジンであって、
前記燃焼ガス導入手段は、一端側が前記リンク室に接続されていると共に、他端側がエキゾーストマニホールドと接続された連通パイプであり、当該他端側の接続位置は、複数あるエキゾーストポートの最端に位置するエキゾーストポートの近傍であり、当該最端のエキゾーストポートに対応するシリンダではポスト噴射を行わないことを特徴とするエンジン。