JP5253942B2 - 可変ターボ過給機及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は可変ターボ過給機に係り、より詳しくは低速ではターボラグ現象を防止し、高速では高出力を期待することができる可変ターボ過給機及びその制御方法に関する。

一般に、内燃機関では、シリンダーが下降する時に発生するシリンダー内の負圧によって混合気または空気を吸入する。これをナチュラルアスピレーション（ｎａｔｕｒａｌ ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ）またはノーマルアスピレーション（ｎｏｒｍａｌ ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ）という。しかし、バルブが開いている短い時間内に混合気または空気を十分に吸入するのは困難であり、ポンプによって積極的に押込むことによってシリンダーの容積効果が上昇し、これと共に実効圧縮比、爆発圧力も上昇して、出力が向上する。これがスーパーチャージング（ｓｕｐｅｒｃｈａｒｇｉｎｇ：過給）であり、このようなスーパーチャージングのために車両に装着される装置をターボ過給機（ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ）という。

このようなターボ過給機１０５は、図１に示したように、タービン１０１及びコンプレッサー１０３からなって、エンジン１０７の排気マニホールド１０９から排気ガスが供給されるように連結される。コンプレッサー１０３は、吸入管路１１９を通じてエアクリーナ１１１から新たな空気を吸入し、インタークーラー１１３で冷却された新たな空気を吸気マニホールド１１５を通じてエンジン１０７に供給する。そして、タービン１０１は、排気ガスを排出するための排出管路１１７と連結される。

したがって、エンジン１０７の排気ガス排出圧によってタービン１０１が回転すると、タービン１０１と回転軸１２１を通じて連結されたコンプレッサー１０３が回転し、エアクリーナ１１１から新たな空気が供給されて、吸気マニホールド１１５に圧縮冷却空気が過給される。

図２はこのようなターボ過給機の内部断面の構成を示した図面であって、排気ガスが流入する流入口１２２が形成されたタービンハウジング１２３が示されている。コンプレッサー１０３と回転軸１２１を通じて連結されたタービン１０１がタービンハウジング１２３内に形成される。

このようなタービン１０１の特性を決定する要素としてＡ／Ｒ比が利用されるが、このＡ／Ｒ比は、流入口の断面積を「Ａ」とし、前記タービン１０１の軸中心から流入口の断面積中心までの距離を「Ｒ」として、「Ａ」を「Ｒ」で割った値であり、「Ａ」が小さいとタービン１０１が加速に敏感になり、また高速では排気抵抗が増加する傾向を示す。このようなＡ／Ｒ比は、通常０．５〜１．０の間にあり、Ａ／Ｒ比が小さいほど低いＲＰＭ（つまり、低負荷領域）で速いターボチャ−ジング効果を得ることができるが、結果的に、高速での性能が低下するという短所がある。つまり、Ａ／Ｒ比が大きいと低速で加速時間の遅延（ｔｕｒｂｏ ｌａｇ、ターボラグ）現象が発生する傾向があるが、高速では出力の向上が可能になる。

特許文献１は、排気ガスタービンと可変スワール装置及び／又はスロットル装置を備えた圧縮機とを具備する、内燃機関のための可変ターボ過給機に関し、流れに適合した案内装置を用いることにより流れの案内を改善し、ターボ過給機の効率を向上させることを目的としたものである。しかしながら、流れの案内装置は機構が複雑である。

特表２００５−５２１８２７号公報

したがって、本発明は上述のような問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、低速ではターボラグ現象を防止し、高速では排気ガスの流入断面積を十分に確保して、出力の向上を期待することができる、効率的な可変ターボ過給機及び可変ターボ過給機の制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明による可変ターボ過給機は、回転軸の一端側に設けられたコンプレッサーと、前記回転軸の他端側に設けられたタービンと、このタービンを収容するタービンハウジングと、排気ガスがタービンを通過して流出するように前記タービンハウジング内に形成された第１スクロールと、この第１スクロールの周囲に前記第１スクロールに沿って形成された第２スクロールと、前記第１スクロール及び前記第２スクロールを選択的に分離するように形成された遮断部と、前記第２スクロールに流入する前記排気ガスを選択的に遮断するように排気ガス流入部に形成された流量調節バルブとを備え、前記遮断部は、前記第１スクロール及び前記第２スクロールの間に選択的に挿入されるスクロール分離隔壁と、このスクロール分離隔壁を駆動する駆動部とを含み、前記スクロール分離隔壁は、長さ方向に湾曲する帯状部分と、この帯状部分の厚さを成す一端面に帯状部分の長さ方向に相互に離隔して複数本設けられ前記帯状部分の厚さより小径の円柱状突起部分とからなり、前記駆動部は、円環板状の外形を有し前記タービンを臨む位置に配設され前記スクロール分離隔壁を案内する案内部と、この案内部に対し前記回転軸の軸方向コンプレッサー側に対向するように配設されスクロール分離隔壁を支持する円環状の支持板と、前記スクロール分離隔壁が前記案内部に沿って前記回転軸の軸方向と平行な方向に移動するように前記支持板を移動させる駆動リンクとを含み、前記案内部には、前記回転軸の軸方向と平行に案内部の厚さ方向を貫通する貫通孔が形成され、且つ前記支持板と対向する面から前記回転軸の軸方向と平行に凹む溝が形成されており、前記貫通孔は、前記回転軸の軸方向タービン側の面から前記スクロール分離隔壁の帯状部分の先端側が突出又は収容されるタービン側貫通孔部分と、前記回転軸の軸方向前記支持板側の面から前記スクロール分離隔壁の円柱状突起部分の先端側が突出した状態で移動可能とし前記タービン側貫通孔部分より小の孔幅に形成された前記支持板側貫通孔部分と、によって段部を有しており、前記案内部の溝底面に一端が当接し他端が前記支持板における前記案内部の溝底面に対向する面に当接した状態で前記スクロール分離隔壁に支持板を介して復元力を付与するコイルばねが設けられており、前記駆動リンクは、前記支持板における前記案内部と対向する面と反対側の面に先端が当接する位置に移動されたときに前記支持板を介して前記スクロール分離隔壁の帯状部分の先端が前記案内部のタービン側貫通孔部分から突出して前記タービンハウジング内面に当接すると共に前記コイルばねを圧縮状態とする第１レバーと、この第１レバーと連結され前記回転軸の径方向に延びるように配設された棒状の第２レバーと、この第２レバーの長さ方向一端部に第２レバーの長さ方向と直交するように連結された第３レバーとを含み、この第３レバーの作動によって前記第１レバーの先端が前記支持板から離れたときに前記コイルばねが延びて前記支持板が前記回転軸の軸方向コンプレッサー側に移動し、前記スクロール分離隔壁の帯状部分が前記タービン側貫通孔部分に収容されることを特徴とする。

また、本発明による可変ターボ過給機の制御方法は、上述の可変ターボ過給機が実行する可変ターボ過給機の制御方法であって、車両情報を検出する段階と、前記車両情報を利用して排気ガス流入モードを決定する段階と、流量調節バルブを開閉する段階と、スクロール分離隔壁を開閉する段階と、を含むことを特徴とする。このような可変ターボ過給機の制御方法において、前記車両情報を検出する段階は、車速、スロットル開度角、加速度、及び加速ペダル角のうちのいずれか１つ以上の車両情報を検出することが好ましく、また、前記排気ガス流入モードは、第１スクロールを通じて排気ガスを流入させる第１モードと、前記第１スクロール及び前記第１スクロールの周囲に形成された第２スクロールを通じて排気ガスを流入させる第２モードとを含むことが好適であり、さらには、前記スクロール分離隔壁を開閉する段階は、前記流量調節バルブを開閉する段階と同時に行うことが好ましい。

本発明の可変ターボ過給機及びその制御方法によれば、低速でターボラグ現象を防止することができ、高速で排気ガスの流入断面積を十分に確保して、出力の向上を期待することができる。また、低速では排気ガスの流出や抵抗によるエネルギーの消費を防止することができ、高速ではスクロール内の障害物がないのでエネルギーの浪費を防止することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付した図面に基づいて詳細に説明する。

本発明の第１実施形態によるターボ過給機の低速及び高速での作動状態についてタービンを中心に比較した説明図を図３に、また、ターボ過給機の低速及び高速での作動を説明する一部断面図を図４及び図５に示した。図６はターボ過給機の一部構成を示す展開図であり、図７はターボ過給機の駆動部を説明する図面である。

本第１実施形態による可変ターボ過給機の構成を図３乃至図７を参照して説明すると、タービンハウジング３１０、排気ガスがタービン３１２を通過して流出するようにタービンハウジング３１０内に形成された第１スクロール３１４、及び第１スクロール３１４の周囲に第１スクロール３１４に沿って形成された第２スクロール３１６を含む。また、第１スクロール３１４及び第２スクロール３１６を選択的に分離するように形成された遮断部３３０、及び第２スクロール３１６に流入する排気ガスを選択的に遮断するように排気ガス流入部３１１に形成された流量調節バルブ３２０を含む。

遮断部３３０は、第１スクロール３１４及び第２スクロール３１６を選択的に分離するスクロール分離隔壁３３２、及びスクロール分離隔壁３３２を駆動する駆動部３４０を含む。駆動部３４０は、スクロール分離隔壁３３２を案内する案内部３４２、及びスクロール分離隔壁３３２が案内部３４２に沿って移動するようにスクロール分離隔壁３３２と連結された駆動リンク３４４を含む。駆動リンク３４４は、スクロール分離隔壁３３２とピボット連結された第１レバー３４５、第１レバー３４５と連結された第２レバー３４６、及び第２レバー３４６と連結された第３レバー３４７を含み、第３レバー３４７の作動によってスクロール分離隔壁３３２が移動することができる。

そして、スクロール分離隔壁３３２に復元力を提供するように弾性部３５０が形成される。スクロール分離隔壁３３２は、排気ガスの流入方向に沿って第１スクロール３１４及び第２スクロール３１６の断面積が小さくなるように形成される。タービン３１２が回転すると、タービン３１２と連結されたコンプレッサー３６０が回転して、外部の空気を吸入するようになる。

以下、第１実施形態による可変ターボ過給機の作動を図３乃至図７を参照して説明する。

図３の（ａ）及び図４は第１実施形態による可変ターボ過給機の低速状態での作動を示した図面である。低速状態では、流量調節バルブ３２０が閉じられた状態を維持して、スクロール分離隔壁３３２は、第１スクロール３１４及び第２スクロール３１６が分離されるように突出した状態を維持する。したがって、低速で流入する排気ガスの流量は小さくなって、Ａ／Ｒ比が小さくなり、つまり排気ガスの流入断面積が小さくなって、排気ガスの流速が早く、タービン３１２の反応速度が速いので、ターボラグ（ｔｕｒｂｏ ｌａｇ）現象を最少化することができる。また、流入する排気ガスが漏出するのを防止することができ、エネルギーの損失も防止することができる。

図３の（ｂ）及び図５は第１実施形態による可変ターボ過給機の高速状態での作動を示した図面である。高速状態では、流量調節バルブ３２０が開かれた状態を維持して、第１スクロール３１４及び第２スクロール３１６を分離していたスクロール分離隔壁３３２は、案内部３４２内に挿入される。したがって、流入する排気ガスの流量は大きくなって、Ａ／Ｒ比が大きくなり、つまり排気ガスの流入断面積が大きくなって、タービン３１２によって高速での出力を向上させることができる。また、高速でスクロール内に障害物がなく、排気ガスが最小限の抵抗でタービン３１２を回転させることができる。

図６にはスクロール分離隔壁３３２、案内部３４２、スクロール分離隔壁３３２を支持する支持板３４８、及びカバー３４９を示した。

図７は駆動部がターボ過給機に形成された構成を概略的に示しており、第１レバー３４５は、スクロール分離隔壁３３２とピボット連結され、第２レバー３４６と連結され、第２レバー３４６は、第３レバー３４７と連結されて、第３レバー３４７の移動によりスクロール分離隔壁３３２が作動する。

次に、本発明とは別の第１参考形態によるターボ過給機の駆動部を図８に示した。この参考形態では、スクロール分離隔壁４４１と連結された第１レバー４４５、第１レバー４４５と連結された第２レバー４４６、第２レバー４４６と連結された第３レバー４４７を有しており、第３レバー４４７の回転によってスクロール分離隔壁４４１が作動する。

また、本発明とは別の第２参考形態によるターボ過給機の駆動部を図９に示した。この参考形態によるターボ過給機の駆動部は、スクロール分離隔壁４３２の下部に形成されたラック（ｒａｃｋ）４５６、及びラック４５６と噛合った駆動ギヤ４５７を含む。第２参考形態のターボ過給機は、駆動ギヤ４５７の回転によってスクロール分離隔壁４３２が作動する。駆動ギヤ４５７は、アクチュエータ４４０によって作動し、アクチュエータ４４０は、モータなどに代替することもできる。

また、本発明とは別の第３参考形態によるターボ過給機の駆動部を図１０に示した。この参考形態によるターボ過給機の駆動部は、スクロール分離隔壁５３２の下部に形成された傾斜部５４０、及び傾斜部５４０に沿って移動してスクロール分離隔壁５３２を移動させる駆動レバー５６０を含む。スクロール分離隔壁５３２に復元力を提供するように弾性部５５０が形成される。この参考形態による可変ターボ過給機の作動は、エンジンの低速または高速運転状態によって作動し、このような低速または高速の基準は、エンジンに要求される性能などによって変化する。

本発明の第１実施形態による可変ターボ過給機の制御方法を説明するためのブロック図を図１１に、フローチャートを図１２に示した。

以下、図１１及び図１２を参照して、本第１実施形態による可変ターボ過給機の制御方法を説明する。但し、第１実施形態において可変ターボ過給機について説明した部分と重複する部分の説明は省略する。

本第１実施形態による可変ターボ過給機の制御方法は、図１２に示したとおり、エンジンの始動の有無を判断して、車両情報を検出する段階（Ｓ１０）、車両情報を利用して排気ガス流入モードを決定する段階（Ｓ２０）、流量調節バルブを開閉する段階（Ｓ３０）、及びスクロール分離隔壁を開閉する段階（Ｓ４０）を含む。

車両情報を検出する段階（Ｓ２０）は、図１１に示したとおり、車速センサー６１０、スロットル開度角センサー６２０、加速度検出センサー６３０、及び加速ペダルセンサー６４０のうちのいずれか１つ以上のセンサーを利用して、車速、スロットル開度角、加速度、及び加速ペダル角のうちのいずれか１つ以上の車両情報を検出することができる。

つまり、ＥＣＵ（ｅｎｇｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ）６５０は、ＥＣＵと連結された各センサーから車両情報を得て、車両の現在の状態に適した排気ガス流入モードを決定し、決定されたモードによって駆動部６６０を通じて可変ターボ過給機を制御するようになる。このようなモードの定義及び決定の基準は、エンジンの仕様及び要求される性能に応じて設定することができ、具体的な説明は省略する。

排気ガス流入モードは、第１スクロールを通じて排気ガスを流入させる第１モード、及び第１スクロール及び第１スクロールの周囲に形成された第２スクロールを通じて排気ガスを流入させる第２モードを含む。

流量調節バルブを開閉する段階（Ｓ３０）は、第２スクロールに流入する排気ガスを選択的に遮断したり連通する。スクロール分離隔壁を開閉する段階（Ｓ４０）は、第１スクロール及び第２スクロールを選択的に遮断したり連通する。スクロール分離隔壁を開閉する段階（Ｓ４０）は、流量調節バルブを開閉する段階（Ｓ３０）と同時に行うことができる。スクロール分離隔壁を開閉する段階（Ｓ４０）は、スクロール分離隔壁を開閉する駆動部によって行われ、駆動部は、スクロール分離隔壁と連結された第１レバー、第１レバーと連結された第２レバー、及び第２レバーと連結された第３レバーを含み、第３レバーが回転してスクロール分離隔壁を開閉する。

本発明とは別の第１参考形態による可変ターボ過給機の制御方法を用いたスクロール分離隔壁を開閉する段階は、スクロール分離隔壁を開閉する駆動部によって行われ、駆動部は、スクロール分離隔壁の下部に形成された傾斜部、及び傾斜部に沿って移動する駆動レバーを含み、駆動レバーが傾斜部に沿って移動してスクロール分離隔壁を開閉する。

また、本発明とは別の第２参考形態による可変ターボ過給機の制御方法を用いたスクロール分離隔壁を開閉する段階は、スクロール分離隔壁を開閉する駆動部によって行われ、駆動部は、スクロール分離隔壁の下部に形成されたラック（ｒａｃｋ）、及びラックと噛合った駆動ギヤを含み、駆動ギヤの回転によってスクロール分離隔壁を開閉する。

本発明は、可変ターボ過給機及び可変ターボ過給機の制御分野に適用できる。

一般的なターボ過給機の構成図である。 一般的なターボ過給機の内部断面を示した図面である。 本発明の第１実施形態による可変ターボ過給機の（ａ）は低速状態、（ｂ）は高速状態での作動をタービンを中心に比較して説明した図面である。 本発明の第１実施形態による可変ターボ過給機の低速での作動を説明する一部断面図である。 本発明の第１実施形態による可変ターボ過給機の高速での作動を説明する一部断面図である。 本発明の第１実施形態による可変ターボ過給機の一部構成を示した一部展開図である。 本発明の第１実施形態による可変ターボ過給機の駆動部を説明する図面である。 本発明とは別の第１参考形態による可変ターボ過給機の駆動部を説明する図面である。 本発明とは別の第２参考形態による可変ターボ過給機の駆動部を説明する図面である。 本発明とは別の第３参考形態による可変ターボ過給機の駆動部を説明する図面である。 本発明の第１実施形態による可変ターボ過給機の制御方法を説明するためのブロック図である。 本発明の第１実施形態による可変ターボ過給機の制御方法を説明するためのフローチャートである。

１２３、３１０ タービンハウジング
３１１ 排気ガス流入部
１０１、３１２ タービン
３１４ 第１スクロール
３１６ 第２スクロール
３２０ 流量調節バルブ
３３０ 遮断部
３３２、４３２、４４１、５３２ スクロール分離隔壁
３４０ 駆動部
３４２ 案内部
３４４ 駆動リンク
３４５、４４５ 第１レバー
３４６、４４６ 第２レバー
３４７、４４７ 第３レバー
３５０、５５０ 弾性部
１０３、３６０ コンプレッサー
４５６ ラック（ｒａｃｋ）
４５７ 駆動ギヤ
４４０ アクチュエータ
５４０ 傾斜部
５６０ 駆動レバー

Claims (5)

1. 回転軸の一端側に設けられたコンプレッサーと、
   前記回転軸の他端側に設けられたタービンと、
   このタービンを収容するタービンハウジングと、
   排気ガスがタービンを通過して流出するように前記タービンハウジング内に形成された第１スクロールと、
   この第１スクロールの周囲に前記第１スクロールに沿って形成された第２スクロールと、
   前記第１スクロール及び前記第２スクロールを選択的に分離するように形成された遮断部と、
   前記第２スクロールに流入する前記排気ガスを選択的に遮断するように排気ガス流入部に形成された流量調節バルブとを備え、
   前記遮断部は、前記第１スクロール及び前記第２スクロールの間に選択的に挿入されるスクロール分離隔壁と、このスクロール分離隔壁を駆動する駆動部とを含み、
   前記スクロール分離隔壁は、長さ方向に湾曲する帯状部分と、この帯状部分の厚さを成す一端面に帯状部分の長さ方向に相互に離隔して複数本設けられ前記帯状部分の厚さより小径の円柱状突起部分とからなり、
   前記駆動部は、円環板状の外形を有し前記タービンを臨む位置に配設され前記スクロール分離隔壁を案内する案内部と、この案内部に対し前記回転軸の軸方向コンプレッサー側に対向するように配設されスクロール分離隔壁を支持する円環状の支持板と、前記スクロール分離隔壁が前記案内部に沿って前記回転軸の軸方向と平行な方向に移動するように前記支持板を移動させる駆動リンクとを含み、
   前記案内部には、前記回転軸の軸方向と平行に案内部の厚さ方向を貫通する貫通孔が形成され、且つ前記支持板と対向する面から前記回転軸の軸方向と平行に凹む溝が形成されており、
   前記貫通孔は、前記回転軸の軸方向タービン側の面から前記スクロール分離隔壁の帯状部分の先端側が突出又は収容されるタービン側貫通孔部分と、前記回転軸の軸方向前記支持板側の面から前記スクロール分離隔壁の円柱状突起部分の先端側が突出した状態で移動可能とし前記タービン側貫通孔部分より小の孔幅に形成された前記支持板側貫通孔部分と、によって段部を有しており、
   前記案内部の溝底面に一端が当接し他端が前記支持板における前記案内部の溝底面に対向する面に当接した状態で前記スクロール分離隔壁に支持板を介して復元力を付与するコイルばねが設けられており、
   前記駆動リンクは、
   前記支持板における前記案内部と対向する面と反対側の面に先端が当接する位置に移動されたときに前記支持板を介して前記スクロール分離隔壁の帯状部分の先端が前記案内部のタービン側貫通孔部分から突出して前記タービンハウジング内面に当接すると共に前記コイルばねを圧縮状態とする第１レバーと、
   この第１レバーと連結され前記回転軸の径方向に延びるように配設された棒状の第２レバーと、
   この第２レバーの長さ方向一端部に第２レバーの長さ方向と直交するように連結された第３レバーとを含み、
   この第３レバーの作動によって前記第１レバーの先端が前記支持板から離れたときに前記コイルばねが延びて前記支持板が前記回転軸の軸方向コンプレッサー側に移動し、前記スクロール分離隔壁の帯状部分が前記タービン側貫通孔部分に収容されることを特徴とする可変ターボ過給機。
2. 請求項１に記載の可変ターボ過給機が実行する可変ターボ過給機の制御方法であって、
   車両情報を検出する段階と、
   前記車両情報を利用して排気ガス流入モードを決定する段階と、
   流量調節バルブを開閉する段階と、
   スクロール分離隔壁を開閉する段階と、を含むことを特徴とする可変ターボ過給機の制御方法。
3. 前記車両情報を検出する段階は、
   車速、スロットル開度角、加速度、及び加速ペダル角のうちのいずれか１つ以上の車両情報を検出することを特徴とする請求項２に記載の可変ターボ過給機の制御方法
4. 前記排気ガス流入モードは、
   第１スクロールを通じて排気ガスを流入させる第１モードと、
   前記第１スクロール及び前記第１スクロールの周囲に形成された第２スクロールを通じて排気ガスを流入させる第２モードとを含むことを特徴とする請求項２又は３に記載の可変ターボ過給機の制御方法。
5. 前記スクロール分離隔壁を開閉する段階は、前記流量調節バルブを開閉する段階と同時に行うことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の可変ターボ過給機の制御方法。

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