JP5655364B2 - ターボ式過給機 - Google Patents

Description

本発明は、複数の過給機を直列接続し、高圧段タービンと並列に設けられた排気迂回通路と、この排気迂回通路に設けられた排気流路切換弁とを備えた多段過給機ターボシステムで使用されるターボ式過給機に関する。

内燃機関の過給システムには、容量が大きく異なる複数のターボ式過給機を直列に配置して、内燃機関の運転状態に応じて適切な過給機を選択して使用するシーケンシャルタイプの多段過給機ターボシステムがある。

このシーケンシャルタイプの多段過給機ターボシステムは、排気ガスを多段階で複数のタービンを順に通し、有効に排気エネルギーの回収を行うシステムであり、切換式二段過給機ターボシステムの場合には、排気ガスを一段目の高圧段タービンを通さずに二段目の低圧段タービンに送るために、排気ガスを高圧段タービンを迂回させるための排気迂回通路と、この排気迂回通路に設けた排気流路切換弁を設けて構成している（例えば、特許文献１参照。）。

この多段過給機ターボシステムでは、排気マニホールドから高圧段タービンに至る排気通路の他に高圧段タービンを迂回する高圧段排気迂回通路と高圧段排気切換弁を設けているが、内燃機関を配置するスペースを少なくするために、排気マニホールドに二つの独立した排気主通路と排気迂回通路を設け、一方の排気主通路に一段目の高圧段タービンを設け、他方の排気迂回通路を一段目の高圧段タービンと二段目の低圧段タービンの間の排気主通路に接続すると共に、低圧段タービンの手前に、排気流路切換弁の組立部品を設置することが行われている。

しかしながら、このような多段過給機ターボシステムでは、新たに排気迂回通路と排気流路切換弁を設置する必要があるため、この設置のためのスペースの確保が困難である上に、部分点数が増加して耐久信頼性が低下するとの懸念がある。特に、排気マニホールドに二つの出口を設けて、この二つの出口に排気主通路と排気迂回通路をそれぞれ接続する場合には配置スペースの確保が困難となる上に、排気マニホールドの形状が複雑化するので加工工数と組立工数の増加を招いて生産性が低下するという問題がある。

これに関連して、過給装置付きエンジンの小型化、スペースの狭小化、効率化と、装置の構成・構造の簡易化を図るために、排気マニホールドの集合部に高圧ターボの入口を接続し、この高圧ターボの出口に接続したエルボ管に低圧ターボを接続すると共に、高圧ターボを迂回すると共に排気流路切換弁を備えた排気迂回通路を排気マニホールドとエルボ管の間に設け、更に、排気マニホールドと一体的に形成された低圧ターボ載置部に低圧ターボを載置した過給装置付きエンジンが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

しかしながら、この過給機付きエンジンの排気マニホールドの構造は、高圧ターボの入口と排気迂回通路が接続されると共に、低圧ターボを載置する低圧ターボ載置部も設けられる複雑な形状となっており、配管も入り組んだ複雑なものとなっている。

特開２００７−１３８７９８号公報 特開２００５−１３３６５１号公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、シーケンシャルタイプの多段過給システムを持つ内燃機関において、タービンを配設した排気主通路とタービンを迂回する排気迂回通路の配置に関して、部品点数の減少と、排気通路等との接続用フランジ数の減少により信頼性を確保することができるターボ式過給機を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明のターボ式過給機は、内燃機関の排気マニホールドから排気通路への排気出口に接続されるターボ式過給機において、タービンが配設された排気主通路と、前記排気出口から排出される排気ガスの全量が通過できるように設けられた排気迂回通路とを備え、前記排気主通路と前記排気迂回通路を一体に設けて構成されると共に、この一体に設けられた前記２つの通路の入口側接続口を、前記排気マニホールドに形成された前記排気出口の一つに接続するように形成され、この一体に設けられた前記２つの通路の出口側接続口が、前記排気主通路の出口と前記排気迂回通路の出口を並べて二口形状に形成され、後段の排気通路に接続するように形成されると共に、排気ガスの流れを前記排気主通路と前記排気迂回通路との間で切り換える排気流路切換弁を、前記排気迂回通路の出口を下流側から覆うように、前記出口側接続口の下流の外側から前記出口側接続口の下流側に取り付けて備えて構成される。

この構成によれば、タービンが配設された排気主通路とこのタービンを迂回する排気迂回通路を、タービン側のケース内部に収容して一体構造としたので、排気迂回通路を新たにタービンの外に設ける必要がなくなる。また、一体に設けられた排気主通路と排気迂回通路の２つの通路の入口側接続口を、排気マニホールドに形成された排気出口の一つに接続するので、排気マニホールドにおける排気主通路と排気迂回通路の接続部分を従来技術の二か所から一か所にすることができる。

その結果、排気ガス通路に複数のターボ式過給機を設けた内燃機関で使用される第一段目用の高圧段ターボ式過給機とその排気迂回通路において、部品点数の減少、内燃機関の排気マニホールドとの接続用フランジの減少、及び、設置スペースの減少を図ることができる。また、部品点数と接続用フランジの減少により、加工工数と組立工数を減少できる。

更に、内燃機関側の排気マニホールドの排気ガスの出口を入口側接続口に接続する一つの排気出口にすることができるので、排気マニホールドの形状を単純化できる。そのため、加工工数が減少するので、この面からも、生産性の向上を図ることができ、装置全体の耐久信頼性を向上させることができる。
また、出口側接続口に関しては、排気主通路の出口と排気迂回通路の出口を並べて配置して二口形状にとすると、このターボ式過給機の大きさを小さくすることができ、配置スペースが少なくなる。
なお、参考までに、また、排気主通路の出口側と排気迂回通路の出口側を合流させて一つの排気排出通路にしてから、この排気排出通路に出口側接続口を設けることもできるが、後者の構成とすると、このターボ式過給機の下流側に接続する低圧段用のターボ式過給機の入口を拡径する必要がなくなる。
更に、排気ガスの流れを前記排気主通路と前記排気迂回通路との間で切り換える排気流路切換弁を備えて構成すると、新たに外部に排気流路切換弁を備える必要がなくなるので、更に、部品点数が減少し、組立工数が減少する。
この排気流路切換弁を、ターボ式過給機の出口側接続口の下流側から排気迂回通路の出口に取り付けて構成すると、排気流路切換弁がターボ式過給機内部に設けた場合に比べて、保守点検を容易に行うことができるようになると共に、ターボ式過給機の構造を単純化できる。

上記のターボ式過給機において、前記入口側接続口が、前記排気主通路の入口と前記排気迂回通路の入口を並べて配置して二口形状に形成され、前記入口側接続口のフランジで前記排気マニホールドの前記排気出口の一つのフランジに接続するように形成されると、排気主通路と排気迂回通路が並んだ配置となり、排気迂回通路を収納したケースの構造を単純化できる。

上記のターボ式過給機において、前記排気流路切換弁にフラップ式バルブを用いると、このフラップ式バルブはターボ式過給機のウェストゲートバルブとして使用されており、このウェストゲートバルブの既存技術の構成をそのまま排気流路切換弁に用いることができるので、本発明のターボ式過給機を既存技術で容易に製造できるようになる。なお、この同じ構成とは同じ大きさを意味しておらず、ウェストゲートバルブを流れる排気ガス流量は排気ガスの一部であるのに対して、排気流路切換弁を流れる排気ガス流量は排気ガスの全量となる。

本発明に係るターボ過給機によれば、排気ガス通路に複数のターボ式過給機を設けた内燃機関において使用される第一段目用のターボ式過給機において、タービンが配設された排気主通路とタービンを迂回する排気迂回通路をタービン内部に一体化して設けたので、タービンを迂回する排気迂回通路をタービンの外部に設ける必要がなくなる。その結果、部品点数の減少、内燃機関や排気ガス通路の配管との接続点の減少、及び、設置スペースの減少を図ることができる。また、装置全体の耐久性に対する信頼性を向上させることができる。

本発明に係る実施の形態のターボ式過給機の構成を示す図である。 排気流路切換弁を低圧段タービン側の配管に設けた構成を示す図である。 フラップ式バルブの構成を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態のターボ式過給機について、図面を参照しながら説明する。図１及び図２に示すように、このターボ式過給機１０，１０Ａは、エンジン（内燃機関）本体２の排気マニホールド２ａから排気通路への排気出口２ｂに接続されるターボ式過給機であり、このターボ式過給機１０，１０Ａにおいて、タービン１２が配設された排気主通路１３と、排気出口２ｂから排出される排気ガスＧの全量が通過できるように設けられた排気迂回通路１４とを備え、排気主通路１３と排気迂回通路１４を一体に設けて構成される。また、更に、この一体の排気主通路１３と排気迂回通路１４の２つの通路の入口側接続口１１を、排気マニホールド２ａに形成された排気出口２ｂの一つに接続するように形成される。

この排気ガスＧの全量を、タービン１２を迂回させて通過させることができる排気迂回通路１４を設けることにより、エンジンの運転状態によってこのタービン１２を使用しない場合には排気ガスＧを完全に迂回させてタービン１２を完全に停止させることができ、排気ガスＧのエネルギーを下流側の低圧段タービン２０で効率良く回収できるようになる。この点が、排気ガスの一部のみを通過させるウェストゲートとウェストゲートバルブとは異なる。なお、タービン１２は回転軸１７を介してコンプレッサ（図示していない）と結合している。

また、排気主通路１３と排気迂回通路１４は入口側接続口１１と連通して形成され、この入口側接続口１１は、排気主通路１３の入口１３ａと排気迂回通路１４の入口１４ａを並べて配置して二口形状に形成され、入口側接続口１１のフランジで排気マニホールド２ａの排気出口２ｂの一つのフランジに接続するように形成される。これにより、この入口側接続口１１に接続する排気マニホールド２ａ側の排気ガスＧの排気出口２ｂは、通常の単段ターボシステムのターボ式過加機と同様に一つで形成することができる。その結果、ターボ式過給機１０を取り付ける内燃機関２側の排気マニホールド２ａの形状を単純化して、加工工数を減少でき、生産性の向上を図ることができる。

また、出口側接続口１６に関しては、図１及び図２に示すように、排気主通路１３の出口１３ｂと排気迂回通路１４の出口１４ｂを並べて配置して二口形状に形成して、このターボ式過給機１０の大きさを小さくして、配置スペースが少なくすることもできる。これにより、この出口側接続口１６に接続する二段目の低圧段用のターボ式過給機２０の低圧段タービン２２の排気ガスＧの入口２１を、通常のターボ式過給機の場合と同様な一口形状にすることができる。

また、図示しないが、排気主通路１３の出口側と排気迂回通路１４の出口側を合流させて一つの排気排出通路にしてから、この排気排出通路に出口側接続口１６を設けると、このターボ式過給機１０の下流側に接続する二段目の低圧段用のターボ式過給機２０の低圧段タービン２２の入口２１は通常の場合と同じでよく、この入口２１を大きく形成する必要がなくなる。

このターボ式過給機１０，１０Ａに、排気ガスＧの流れを排気主通路１３と排気迂回通路１４との間で切り換える排気流路切換弁１５を備えて構成する。この排気流路切換弁１５を、図１に示すように、ターボ式過給機１０の出口側接続口１６の下流側から排気迂回通路１４の出口１４ｂに取り付けて構成すると、排気流路切換弁１５をターボ式過給機１０の内部に設けた場合に比べて、保守点検を容易に行うことができるようになると共に、ターボ式過給機１０の構造を単純化できる。また、接続用フランジの数を減少できる。また、図２に示すように、この排気流路切換弁１５を、下流側の低圧段タービン２２の入口２１側の排気ガス通路２３に取り付けて構成すると、排気流路切換弁１５がターボ式過給機１０とは別体で配置されるので、ターボ式過給機１０Ａの構造を小型化できる。

この排気流路切換弁１５は、図３に示すような、ターボ式過給機で良く用いられるウェストゲートバルブと同じフラップ式バルブ３５を用いることが好ましい。このフラップ式バルブ３５は、閉弁時においては、フラップ（弁体）３５ａで排気ガスＧｂの流路を下流側から塞ぎ、開弁時にはこのフラップ３５ａが下流側に開いて、排気ガスＧｂを通過させる。

図１〜図３に示すように、このフラップ式バルブ３５で構成される排気流路切換弁１５は、閉弁時には、排気ガスＧｂの流路である排気迂回通路１４の出口１４ｂを下流側からフラップ（弁体）１５ａで覆い、開弁時には、フラップ１５ａを下流側に移動させて、排気迂回通路１４の出口１４ｂを開けて、排気迂回通路１４の排気ガスＧｂを通過させるように構成される。

なお、この図３に示すようなフラップ式バルブ３５をウェストゲートバルブとして使用する時にはタービン部の排気入口と出口とを仕切る壁に穴（ウェストゲート）をあけて、この穴を出口側からフラップ３５ａで塞ぐ構造であり、閉弁時にはフラップ３５ａが穴を出口側から覆って塞ぎ、開弁時にはフラップ３５ａがタービン出口側に開いて排気ガスの一部を流通させる構造となっている。

このウェストゲートバルブは、タービンに流入する排気ガスの一部を分流させることによりタービンに流入する排気ガス量を調整するバルブである。このウェストゲートバルブは、ターボ式過給機において、タービンに流入する排気ガスの一部を分流させることにより、タービンに流入する排気ガス量を調整する役割を持っており、この排気ガスの流量調整により、タービン及びコンプレッサの回転数を制御し、安定した過給圧（ブースト圧）を得ると共に、エンジンやターボ過給機自体の損傷を回避する。言い換えれば、所定の過給圧以上の過給圧にならないように、排気ガスの一部をタービンを経由させずに排気側へ迂回させるためのバルブである。

このウェストゲートバルブの構成を排気流路切換弁１５の構成に採用すると、ウェストゲートバルブに関する既存技術をそのまま用いることができるので、ターボ式過給機１０を既存技術で容易に製造できるようになる。

上記の構成によれば、一段目の高圧段のターボ式過給機１０，１０Ａにおいて、高圧段タービン１２の入口側接続口１１を二口形状に形成し、一方の通路を高圧段タービン１２を配設した排気主通路１３とし、他方の通路を排気迂回通路１４として、この排気迂回通路１４もターボ式過給機１０，１０Ａのケース内部に収納し、一体化構造とする。また、既存のウェストゲートバルブの構成と同じフラップ式バルブ３５で形成した排気流路切換弁１５を出口側接続口１６又は下流側の低圧段タービン２２の入口２１に設ける。

次に、上記の構造のターボ式過給機１０，１０Ａにおける排気ガスＧａ，Ｇｂの流れについて図１及び図２を参照しながら説明する。このターボ式過給機１０，１０Ａでは、排気ガスＧが排気マニホールド２ａの排気出口２ｂから排出されると、排気流路切換弁１５が閉じている場合には、排気ガスＧは入口側接続口１１の二口の内の一方の排気主通路１３の入口１３ａから排気ガスＧａとして流入して、排気主通路１３を通り、タービン１２を駆動して、出口側接続口１６から流出する。

一方、排気流路切換弁１５が開いている場合には、排気ガスＧは、タービン１２の流通抵抗があるため、入口側接続口１１の二口の内のもう一方の排気迂回通路１４の入口１４ａから排気ガスＧｂとして流入して、排気迂回通路１４を通り、タービン１２を通過せずに迂回して出口側接続口１６から流出する。

この一段目の高圧段のターボ式過給機１０，１０Ａを通過した排気ガスＧは、二段目の低圧段のターボ式過給機２０の入口２１から排気ガス通路２３を通ってタービン２２を駆動して排気ガス通路２４を通って、ターボ式過給機２０を出て、排気ガス浄化装置（図示しない）や消音器（図示しない）を通過して、大気中に放出される。

上記のターボ過給機１０，１０Ａによれば、排気通路に複数のターボ式過給機を設けた内燃機関において使用される第一段目用のターボ式過給機１０，１０Ａにおいて、タービン１２が配設された排気主通路１３とこのタービン１２を迂回する排気迂回通路１４をタービン１２側のケース内部に一体化して設けたので、タービン１２を迂回する排気迂回通路１４をタービン１２の外部に設ける必要がなくなる。その結果、部品点数の減少、内燃機関や排気通路の配管との接続フランジ数の減少、及び、設置スペースの減少を図ることができる。また、装置全体の耐久性に対する信頼性を向上させることができる。更に、既存技術で容易に対応することができるようになる。

本発明のターボ式過給機によれば、排気ガス通路に複数のターボ式過給機を設けた内燃機関において使用される第一段目用のターボ式過給機において、タービンが配設された排気主通路とタービンを迂回する排気迂回通路をターボ式過給機の外部に設ける必要がなくなり、その結果、部品点数の減少、接続用フランジ数の減少、及び、設置スペースの減少を図ることができ、また、装置全体の耐久性に対する信頼性を向上させることができるので、自動車搭載の内燃機関などに利用することができる。

２ エンジン本体
２ａ 排気マニホールド
２ｂ 排気出口
１０，１０Ａ ターボ式過給機
１１ 入口側接続口
１２ タービン
１３ 排気主通路
１３ａ 排気主通路の入口
１３ｂ 排気主通路の出口
１４ 排気迂回通路
１４ａ 排気迂回通路の入口
１４ｂ 排気迂回通路の出口
１５ 排気流路切換弁
１６ 出口側接続口
Ｇ 排気ガス
Ｇａ 排気主通路を通過する排気ガス
Ｇｂ 排気迂回通路を通過する排気ガス

Claims (3)

1. 内燃機関の排気マニホールドから排気通路への排気出口に接続されるターボ式過給機において、タービンが配設された排気主通路と、前記排気出口から排出される排気ガスの全量が通過できるように設けられた排気迂回通路とを備え、前記排気主通路と前記排気迂回通路を一体に設けて構成されると共に、この一体に設けられた前記２つの通路の入口側接続口を、前記排気マニホールドに形成された前記排気出口の一つに接続するように形成され、
   この一体に設けられた前記２つの通路の出口側接続口が、前記排気主通路の出口と前記排気迂回通路の出口を並べて二口形状に形成され、後段の排気通路に接続するように形成されると共に、排気ガスの流れを前記排気主通路と前記排気迂回通路との間で切り換える排気流路切換弁を、前記排気迂回通路の出口を下流側から覆うように、前記出口側接続口の下流の外側から前記出口側接続口の下流側に取り付けて備えたことを特徴とするターボ式過給機。
2. 前記入口側接続口が、前記排気主通路の入口と前記排気迂回通路の入口を並べて配置して二口形状に形成され、前記入口側接続口のフランジで前記排気マニホールドの前記排気出口の一つのフランジに接続するように形成されたことを特徴とする請求項１に記載のターボ式過給機。
3. 前記排気流路切換弁にフラップ式バルブを用いることを特徴とする請求項１又は２に記載のターボ式過給機。

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