JP5824893B2 - Supercharger for internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の過給装置に関する。 The present invention relates to a supercharging device for an internal combustion engine.
ターボ過給機の吸気効率を高める技術として、特許文献1には、吸気を過給するコンプレッサの上流側に案内羽根(ガイドベーン)を設ける技術が記載されている。この案内羽根は、吸気通路の中心部に設けたギヤケース内の歯車によって、その傾き角が調整可能とされており、機関負荷や機関回転速度に応じて案内羽根の傾き角度を制御するようになっている。 As a technique for increasing the intake efficiency of a turbocharger, Patent Document 1 describes a technique in which guide vanes (guide vanes) are provided on the upstream side of a compressor that supercharges intake air. The inclination angle of this guide vane can be adjusted by a gear in a gear case provided at the center of the intake passage, and the inclination angle of the guide vane is controlled according to the engine load and the engine speed. ing.
案内羽根により遠心式のコンプレッサへ流入する吸気を整流するとともに旋回成分を付与することにより、特に吸気流量の少ない低速域において、吸気効率を高めて、機関出力・トルクの立ち上がりを早くすることができるものの、吸気流量が多い中・高速域では、案内羽根による通気抵抗が増加して、逆に機関出力・トルクを低下させることが懸念される。 By rectifying the intake air flowing into the centrifugal compressor with the guide vanes and adding the swirl component, it is possible to increase the intake efficiency and accelerate the rise of the engine output and torque, particularly in the low speed region where the intake air flow rate is small. However, there is a concern that in the middle and high speed regions where the intake flow rate is large, the ventilation resistance by the guide vanes increases, and conversely the engine output and torque are reduced.
また、上記特許文献1のように、機関回転速度等に応じて案内羽根の傾き角を調整するものでは、個々の案内羽根を可動式とした上で、その傾き角を変更・保持するための複雑なギヤ機構が必要となり、装置の大型化,コストの増加や、耐久性・信頼性の低下などが懸念される。 Further, as described in Patent Document 1, in order to adjust the inclination angle of the guide vanes according to the engine rotational speed or the like, the individual guide vanes are made movable, and the inclination angle is changed and held. A complicated gear mechanism is required, and there are concerns about an increase in the size of the device, an increase in cost, and a decrease in durability and reliability.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、簡素な構造でありながら、低速域における旋回成分の付与と、中・高速域における通気抵抗の低下と、を両立することができる新規な内燃機関の過給装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of such circumstances, and can provide both a turning component in a low speed range and a reduction in ventilation resistance in a medium / high speed range while having a simple structure. An object of the present invention is to provide a new supercharging device for an internal combustion engine.
すなわち、本発明に係る内燃機関の過給装置は、吸気を過給するコンプレッサと、このコンプレッサの上流側に設けられ、その内周面が下流側へ向かうに従って徐々に縮径するテーパ状をなす吸気管部と、吸気に旋回成分を付与するガイドベーンを備え、上記吸気管部の内部に設けられる吸気ガイドユニットと、上記吸気ガイドユニットと吸気管部との隙間が増減するように、上記吸気ガイドユニットを通路長手方向に沿って駆動するアクチュエータと、を有することを特徴としている。 That is, a supercharging device for an internal combustion engine according to the present invention is provided with a compressor that supercharges intake air and a taper shape that is provided on the upstream side of the compressor and whose inner peripheral surface gradually decreases in diameter toward the downstream side. An intake pipe section and a guide vane that imparts a swirl component to the intake air, and the intake guide unit provided inside the intake pipe section, and the intake air intake section so that a gap between the intake guide unit and the intake pipe section is increased or decreased. And an actuator for driving the guide unit along the longitudinal direction of the passage.
上記の構成により、所定の低速域では、アクチュエータにより吸気ガイドユニットを下流側に駆動・配置することで、下流側へ向けて徐々に縮径するテーパ状の吸気管部と、その内側に配置される吸気ガイドユニットと、の隙間が小さくなる。従って、吸気の多くが、ガイドベーンを備えた吸気ガイドユニット内を通過することとなり、ガイドベーンによる吸気の整流及び旋回成分の付与が促進される。この結果、コンプレッサの回転上昇が速まり、ブーストの発達が促進されるために、低速トルクの立ち上げるを早めて、ターボラグを抑制・解消することができる。 With the above configuration, in a predetermined low speed range, the intake guide unit is driven and arranged on the downstream side by the actuator, and the tapered intake pipe portion that gradually decreases in diameter toward the downstream side is arranged on the inner side. The gap with the intake guide unit is reduced. Therefore, most of the intake air passes through the intake guide unit including the guide vane, and the rectification of the intake air and the application of the swirling component by the guide vane are promoted. As a result, the increase in the rotation of the compressor is accelerated and the development of the boost is promoted, so that the start of the low-speed torque can be accelerated and the turbo lag can be suppressed / eliminated.
一方、この低速域よりも機関回転速度が高い所定の中・高速域では、アクチュエータにより吸気ガイドユニットを上流側に駆動・配置する。これにより、上流側へ向けて広がる吸気管部の内周面と、その内側に配置される吸気ガイドユニットと、の隙間が大きくなって、通気抵抗が低下し、機関出力・トルクの低下を抑制することができる。 On the other hand, the intake guide unit is driven and arranged on the upstream side by an actuator in a predetermined middle / high speed range where the engine rotation speed is higher than the low speed range. As a result, the clearance between the inner peripheral surface of the intake pipe section that extends toward the upstream side and the intake guide unit that is placed inside the intake pipe section increases, reducing ventilation resistance and suppressing engine output and torque reduction. can do.
また、吸気管部を下流側へ向けて徐々に縮径するテーパ形状とすることで、吸気の流れを乱すことなく流速を高めることができる。つまり、このようなテーパ形状の吸気管部を利用して、吸気ガイドユニットを通路長手方向に駆動することで、吸気管部を通過する吸気の全量のうち、吸気ガイドユニット内を通過する流量と、吸気ガイドユニットの外側の隙間を流れる流量と、の比率を調整可能としている。 In addition, by adopting a tapered shape in which the diameter of the intake pipe portion gradually decreases toward the downstream side, the flow velocity can be increased without disturbing the flow of intake air. That is, by using such a tapered intake pipe portion and driving the intake guide unit in the longitudinal direction of the passage, out of the total amount of intake air passing through the intake pipe portion, the flow rate passing through the intake guide unit The ratio of the flow rate through the gap outside the intake guide unit can be adjusted.
更に、吸気ガイドユニット全体をアクチュエータにより通路長手方向に沿って直線的に駆動するものであるために、アクチュエータや吸気ガイドユニットの構造が簡素なものとなる。特に、ガイドベーンを含む吸気ガイドユニットが、可動部分を必要としないことから、例えば複数のガイドベーンとノーズコーンとを合成樹脂材料により一体的に成形することが可能となり、上記特許文献1のように個々のガイドベーンを可動式の構造とする場合に比して、大幅な部品点数の削減,簡素化,軽量化を図ることができるとともに、耐久性や信頼性も向上する。 Furthermore, since the entire intake guide unit is linearly driven by the actuator along the longitudinal direction of the passage, the structure of the actuator and the intake guide unit is simplified. In particular, since the intake guide unit including the guide vanes does not require a movable part, for example, a plurality of guide vanes and a nose cone can be integrally formed of a synthetic resin material. In addition, as compared with the case where each guide vane has a movable structure, the number of parts can be greatly reduced, simplified, and reduced in weight, and durability and reliability are also improved.
このように本発明によれば、簡素な構造でありながら、低速域でのガイドベーンによる整流・旋回成分の付与と、中・高速域での通気抵抗の低減と、の両立を図ることができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to achieve both the provision of the rectification / swirl component by the guide vanes in the low speed range and the reduction of the airflow resistance in the middle / high speed range, though the structure is simple. .
以下、図示実施例により本発明を説明する。図5を参照して、この内燃機関にはターボ過給機1が設けられている。このターボ過給機1は、周知のように、排気エネルギーにより駆動される排気タービン2と、排気タービン2と同軸上に固定されて、この排気タービン2と一体的に回転し、吸気を圧縮・過給する遠心スクロール式のコンプレッサ3と、を有している。排気タービン2の上流側には、内燃機関の排気側の側壁に取り付けられる排気マニホールド4が設けられている。コンプレッサ3の上流側の取付フランジ5には、後述する吸気管部10が取り付けられる(図1,図2参照)。吸気は、図示せぬエアクリーナ等から吸気管部10を通過した後、コンプレッサ3に供給され、このコンプレッサ3の出口管部6に取り付けられる吸気出口管あるいは吸気マニホールド(図示省略)を経て、内燃機関の各気筒の燃焼室へと供給される。
Hereinafter, the present invention will be described with reference to illustrated embodiments. Referring to FIG. 5, this internal combustion engine is provided with a turbocharger 1. As is well known, the turbocharger 1 is fixed on the same axis as the
図1及び図2に示すように、吸気管部10は、両端が開放する筒状をなし、かつ、吸気の流れ方向Fの上流側から下流側へ向かうに従って、内周面が徐々に縮径する傾斜面・テーパ面となっており、これによって、吸気の流れを乱すことなく、吸気の流速を早める形状となっている。この吸気管部10の上流側端部には、吸気ダクト(図示省略)が取り付けられる上流側の取付フランジ11が設けられるとともに、下流側端部には、上記コンプレッサ3の上流側の取付フランジ5(図5)に取り付けられる下流側の取付フランジ12が設けられている。これらの取付フランジ11,12には、それぞれ固定用のボルトが挿通するボルト孔11A,12Aが形成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
そして、このテーパ状をなす吸気管部10の内部に、本実施例の要部をなす吸気ガイドユニット20が配設されている。図3は、吸気ガイドユニット20を単体で示す斜視図であり、図4は、吸気ガイドユニット20の外筒部21を省略し、その内側に設けられるノーズコーン22及びガイドベーン23を示す斜視図である。この吸気ガイドユニット20は、筒状をなす外筒部21と、この外筒部21の中心軸線(L0)に沿って同心状に配置されるノーズコーン22と、このノーズコーン22と外筒部21とに掛け渡される複数のガイドベーン23と、により大略構成されており、外筒部21の中心軸線が通路長手方向(通路中心線)L0に沿う姿勢で、吸気管部10の内部に配置されている。
An
ノーズコーン22とガイドベーン23とは合成樹脂材料により一体的に形成され、ガイドベーン23の外周縁が、合成樹脂材料(あるいはアルミ合金等の金属材料)により形成される外筒部21の内周面と一体的に接合されている。このように、吸気ガイドユニット20が2部品により構成されており、大幅な部品点数の削減化・軽量化・低コスト化が図られている。
The
ノーズコーン22は、吸気流れ方向Fの下流側(図2の右側)へ向かうに従って徐々に拡径する中実円錐形状をなしており、これによって、吸気の流れを整流しつつ、下流側へ向かうに従って吸気通路断面積を徐々に縮小させて、吸気流速を上昇させる機能を有している。なお、ノーズコーン22の後端部22Aは、流れを乱すことのないように、下流側へ向かって凸に湾曲する滑らかな湾曲面に形成されている。
The
ガイドベーン23は、吸気に旋回成分を付与し、旋回流速度を強化するように、外筒部21の上流端から下流端にわたって、螺旋状に湾曲しつつ延在する帯状をなしている。このガイドベーン23により付与される吸気の旋回方向は、下流側に配置される遠心スクロール式のコンプレッサ3のインペラー形状等に応じて適宜に設定されている。
The
このような吸気ガイドユニット20は、支持機構によって、通路長手方向L0に沿って移動可能に吸気管部10に支持されており、かつ、電動式あるいは油圧駆動式のアクチュエータ25によって、通路長手方向L0に沿って駆動・保持される。このアクチュエータ25の動作は、各種制御処理を記憶及び実行する機能を有する制御部24(図1参照)により制御される。
Such an
上記の支持機構は、外筒部21の前端外周から直径方向に沿って径方向外方へ突出する一対のアーム部26と、各アーム部26に固定され、通路長手方向L0に沿って延在する一対のガイドプレート27と、を有しており、一方のアーム部26の先端が、アクチュエータ25の出力軸25Aの先端と連結されている。吸気管部10の外周には、通路長手方向L0と平行なガイド面29を有するガイド部28が膨出形成されており、このガイド面29上を、上記のガイドプレート27が通路長手方向Fに沿ってスライド可能に配置されている。このガイド部28には、アーム部26が貫通するスリット30が形成されている。
The support mechanism includes a pair of
図2(A)は、吸気ガイドユニット20を最も上流側(図の左側)に配置した状態を示しており、図2(B)は、吸気ガイドユニット20を最も下流側(図の右側)に配置した状態を示している。
2A shows a state in which the
同図に示すように、吸気管部10の内周面が下流側へ向かうに従って徐々に縮径するテーパ面をなしているために、アクチュエータ25により吸気ガイドユニット20を通路長手方向L0に沿って駆動することに伴って、この吸気管部10と吸気ガイドユニット20との最小の隙間ΔD1,ΔD2、より詳しくは、吸気管部10の内周面と、これに対向する吸気ガイドユニット20の外筒部21の下流側端部の外周面と、の隙間ΔD1,ΔD2が増減する。具体的には、図2(A)に示すように、吸気ガイドユニット20が上流側に移動するほど隙間ΔD1が大きくなり、吸気ガイドユニット20が下流側に移動するほど隙間ΔD2が小さくなる。
As shown in the figure, since the inner peripheral surface of the
そして本実施例においては、機関回転速度が所定値よりも低い所定の低速域、より具体的には、全負荷時に過給圧のコントロールを開始するエンジン回転速度であるインターセプトポイントよりも低速側のインターセプト前の領域では、図2(B)に示すように、アクチュエータ25により吸気ガイドユニット20を(最)下流側に駆動・配置して、上記の隙間ΔD2を小さくする。これによって、吸気管部10を流れる吸気の全量のうち、外側の隙間ΔD2を流れる吸気の割合・流量を抑制し、その多くを吸気ガイドユニット20の外筒部21内に流れるようにすることで、コンプレッサ3に流入する吸気の旋回成分を強化して、旋回流速度を高めることができる。これによって、コンプレッサ3の回転上昇を促進し、ブースト圧の上昇・立ち上がりを早めて、低速トルクの立ち上がりを向上し、ターボラグを抑制・解消することができる。
In this embodiment, the engine rotational speed is a predetermined low speed range lower than a predetermined value, more specifically, a lower speed side than an intercept point that is an engine rotational speed at which supercharging pressure control starts at full load. In the region before interception, as shown in FIG. 2B, the
一方、機関回転速度が所定値以上の中・高速域、より具体的には、インターセプトポイントよりも高速側のインターセプト後の領域では、過給圧が既に上昇しているために、旋回成分の強化はあまり要求されず、むしろ、外筒部21内の複数のガイドベーン23を通過する際の通気抵抗の増加により、機関出力(最高出力)・トルクの低下が懸念される。そこで本実施例では、このようなインターセプト後の中・高速域では、図2(A)に示すように、アクチュエータ25により吸気ガイドユニット20を(最)上流側に駆動・配置して、上記の隙間ΔD1を小さくする。これによって、吸気管部10を流れる吸気の全量のうち、外周側の隙間ΔD1を流れる吸気の割合・流量が多くなる一方、吸気ガイドユニット20の外筒部21内を流れる吸気の流量が抑制される。このように、外周側の隙間D1を大きくして、通路面積を十分に確保するとともに、外筒部21内を流れる流量を抑制することで、通気抵抗を抑制し、最高出力・トルクの向上を図ることができる。
On the other hand, in the middle and high speed range where the engine speed is higher than the predetermined value, more specifically, in the post-intercept region on the higher speed side than the intercept point, the boost pressure has already increased, so the turning component is strengthened. However, the increase in ventilation resistance when passing through the plurality of
また、吸気ガイドユニット20全体をアクチュエータ25により通路長手方向に沿って直線的に駆動する構造であるために、アクチュエータ25や吸気ガイドユニット20の構造が簡素なものとなり、応答性にも優れている。特に、ガイドベーンを含む吸気ガイドユニットが、可動部分を必要としないことから、上記実施例のように、複数のガイドベーン23とノーズコーン22とを合成樹脂材料により一体的に成形することが可能となり、個々のガイドベーンを可動式の構造とする場合に比して、大幅な部品点数の削減,簡素化,軽量化を図ることができるとともに、耐久性や信頼性も大幅に向上する。
Further, since the entire
以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。 As described above, the present invention has been described based on the specific embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications and changes without departing from the spirit of the present invention. .
例えば、上記実施例では、外筒部21を同一外径のストレート形状としているが、吸気管部10と同様に、下流側へ向かうに従って徐々に縮径するテーパ形状としても良い。このようなテーパ形状とした場合、上記実施例のようなストレート形状とした場合に比して、より多くの吸気が外筒部21内に案内・供給されることとなるために、図2(B)に示すように吸気ガイドベーン23を下流側に駆動・配置する低速域では、通気抵抗が抑制されるとともに、旋回成分も更に強化されるものの、図2(A)に示す吸気ガイドベーン23を上流側に駆動・配置する中・高速域では、入口側からみた吸気ガイドベーン23の外筒部21の投影断面積が拡大して、通気抵抗が悪化し、最大出力・トルクが低下する。従って、主に低速域での旋回成分の付与による低速トルクの向上を狙う場合には、外筒部をテーパ形状とすることが好ましく、主に中・高速域での通気抵抗の低下を狙う場合には、上記実施例のように外筒部をストレート形状とすることが好ましい。
For example, in the above embodiment, the
1…ターボ過給機
3…コンプレッサ
10…吸気管部
20…吸気ガイドユニット
21…外筒部
22…ノーズコーン
23…ガイドベーン
25…アクチュエータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (3)
このコンプレッサの上流側に設けられ、その内周面が下流側へ向かうに従って徐々に縮径するテーパ状をなす吸気管部と、
上記吸気管部の内部に設けられる吸気ガイドユニットと、を有し、
このガイドユニットは、上記吸気管部と同心状に配置された外筒部と、この外筒部の内部を流れる吸気に旋回成分を付与するガイドベーンと、を備え、
更に、上記吸気ガイドユニットの外筒部の外周面と吸気管部の内周面との隙間が増減するように、上記吸気ガイドユニットを通路長手方向に沿って駆動するアクチュエータを有することを特徴とする内燃機関の過給装置。 A compressor that supercharges intake air;
An intake pipe portion which is provided on the upstream side of the compressor and has a tapered shape whose diameter gradually decreases as the inner peripheral surface thereof moves toward the downstream side;
Has an intake guide unit provided within the upper Symbol intake pipe portion,
The guide unit includes an outer cylinder portion concentrically arranged with the intake pipe portion, and a guide vane that imparts a swirl component to the intake air flowing through the outer cylinder portion,
Further, as the gap between the inner circumferential surface of the outer peripheral surface and the intake pipe section of the outer tubular portion of the intake guide unit increases or decreases, and characterized by having an actuator for driving along the intake guide unit in the passage longitudinally A supercharging device for an internal combustion engine.
この低速域よりも機関回転速度が高い所定の中・高速域では、上記隙間が大きくなるように、上記アクチュエータにより吸気ガイドユニットを上流側に配置させることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の過給装置。 In a predetermined low speed range, the intake guide unit is arranged downstream by the actuator so that the gap between the tapered inner peripheral surface of the intake pipe portion and the intake guide unit arranged inside the intake pipe portion becomes small. While letting
2. The internal combustion engine according to claim 1, wherein the intake guide unit is arranged upstream by the actuator so that the gap becomes larger in a predetermined middle / high speed range where the engine rotation speed is higher than the low speed range. Engine supercharger.
上記ガイドベーンは、上記ノズルコーンと外筒部とに掛け渡されるとともに、上流側から下流側へ向けて螺旋状に湾曲しつつ延在する帯状をなしていることを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関の過給装置。 The intake guide unit has a nozzle cone arranged along the central axis of the outer cylinder portion, and the nozzle cone has a tapered shape in which the outer peripheral surface gradually increases in diameter toward the downstream side. And
The guide vanes, as well as bridged and the nozzle cone and the outer tubular portion, claim 1 or toward the upstream side to the downstream side, characterized in that it forms a strip which extends while curving spirally 2. A supercharging device for an internal combustion engine according to 2 .
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