JP5879685B2

JP5879685B2 - 多段過給装置

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Publication number: JP5879685B2
Application number: JP2010293713A
Authority: JP
Inventors: 伊織倉田; 宇野　忍; 忍宇野; 和貴大石
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2016-03-08
Anticipated expiration: 2030-12-28
Also published as: CN103282619A; US20130269341A1; CN103282619B; US9217394B2; EP2660439A4; EP2660439B1; AU2011351192A1; WO2012090662A1; AU2011351192B2; JP2012140890A; EP2660439A1

Description

本発明は、多段過給装置に関し、特にエンジンの排気により駆動される第１過給機と第２過給機とを有する多段過給装置に関する。

エンジンの排気エネルギーを効率的に回収するシステムとして、二段過給システム（多段過給装置）が知られている。通常、この二段過給システムは、排気通路に排気流れの上流側から順に、高圧段ターボチャージャ（第１過給機）の高圧段タービンと低圧段ターボチャージャ（第２過給機）の低圧段タービンとを直列に配置している。また、吸気通路側には、吸気流れの上流側から順に、低圧段ターボチャージャの低圧段コンプレッサと高圧段ターボチャージャの高圧段コンプレッサとを直列に配置している。そして、エンジンの排気で高圧段タービンと低圧段タービンとを回転駆動させ、低圧段コンプレッサで圧縮された吸気を高圧段コンプレッサで更に圧縮することで、高過給が可能に構成されている。

例えば、特許文献１には、高圧段過給機と低圧段過給機とを備える多段過給装置において、装置全体を小型化すべく吸気通路とインタークーラとを一体に形成した多段過給装置が開示されている。

特開２０１０−２４８９８２号公報

ところで、二段過給システムでは、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャとの二つのターボチャージャを搭載し、これら二つのターボチャージャをエンジン等に固定する必要がある。

そのため、二つのターボチャージャを支持するためのブラケットを、これら二つのターボチャージャにそれぞれ設ける必要がある。また、装置全体として複雑な排気管形状になり、排気流路の流路抵抗が大きくなるので、排気流れの圧力損失が増加する可能性がある。さらに、ターボチャージャの重量により、二つのターボチャージャの接続部位（配管締結部）におけるシール性が低下する可能性もある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、多段過給装置において、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャとの接続部位におけるシール性を向上するとともに、過給効率を効果的に向上することにある。

上記目的を達成するため、本発明の多段過給装置は、エンジンの排気により駆動される第１過給機と第２過給機とを有する多段過給装置であって、
前記第１過給機は、第１タービンと、前記第１タービンを収容する第１タービン収容部と、前記エンジンの排気マニホールドに直接連結されて該排気マニホールドと前記第１タービン収容部とを連通する第１排気入口部と、前記第１タービン収容部から前記第１タービンの軸方向に延びるとともに、上向きに開口するように上方に向けて屈曲した第１排気出口部と、前記第１タービン収容部を迂回して前記第１排気入口部と前記第２過給機の第２排気入口部とを連通すると共に下流端に位置するバイパス出口が前記第１排気出口部と一体に形成されるバイパス流路とを備え、
前記第２過給機は、第２タービンと、前記第２タービンを収容する第２タービン収容部と、前記第１排気出口部に直接連結されて前記第１排気出口部と前記第２タービン収容部とを連通する前記第２排気入口部とを備え、
前記第２排気入口部の開口部を前記第１排気出口部の開口部に載置して、前記第２過給機が前記第１過給機の前記バイパス出口と前記第１排気出口部とにより支持され、
前記第１排気出口部の開口部において、前記バイパス出口と前記第１排気出口部とが部分的に一体に形成されていることを特徴とする。

また、前記第１排気出口部と前記バイパス出口で形成される開口部に第１フランジが設けられるとともに、前記第２排気入口部の開口部に第２フランジが設けられ、前記第１フランジと前記第２フランジとが、互いにフランジ面を水平にした状態で直接連結されてもよい。

また、前記バイパス流路のバイパス流路の出口には流量調整バルブが設けられてもよい。

本発明の多段過給装置によれば、高圧段ターボチャージャと低圧段ターボチャージャとの接続部位におけるシール性を向上することができるとともに、過給効率を効果的に向上することができる。

本発明の一実施形態に係る多段過給装置を示す模式的な全体構成図である。本発明の一実施形態に係る多段過給装置の正面構造を示す模式的な正面図である。本発明の一実施形態に係る多段過給装置の側面構造を示す模式的な側面図である。図３のＢ−Ｂ線断面図である。図２のＡ−Ａ線断面図である。

以下、図１〜５に基づいて、本発明の一実施形態に係る多段過給装置について説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

本発明の一実施形態に係る多段過給装置１は、図１に示すように、車両に搭載されるディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０に併設されるもので、高圧段ターボチャージャ２０と、この高圧段ターボチャージャ２０よりも大容量の低圧段ターボチャージャ３０とを有する。なお、本実施形態の高圧段ターボチャージャ２０は、本発明の第１過給機に相当する。また、本実施形態の低圧段ターボチャージャ３０は、本発明の第２過給機に相当する。

エンジン１０のシリンダヘッド１１には、吸気マニホールド１３と排気マニホールド１４とが設けられている。排気マニホールド１４には、高圧段ターボチャージャ２０の高圧段排気入口部２５ａが直接連結されている。また、吸気マニホールド１３には、高圧段ターボチャージャ２０から送出される高圧吸気を導入する高圧吸気通路１５の下流端が接続されている。さらに、高圧吸気通路１５には、吸気を冷却するインタークーラ１６と、吸気量を調整するスロットルバルブ１７が設けられている。

高圧段ターボチャージャ２０の高圧段吸気出口部２６ｃには、高圧吸気通路１５の上流端が接続され、高圧段吸気入口部２６ａには、低圧吸気通路１８の下流端が接続されている。また、高圧段ターボチャージャ２０の高圧段排気出口部２５ｃには、低圧段ターボチャージャ３０の低圧段排気入口部３５ａが直接連結されている。すなわち、高圧段ターボチャージャ２０は、エンジン１０の排気エネルギーを利用して高圧段タービン２１を回転駆動させるとともに、同軸に設けられた高圧段コンプレッサ２２の回転により、低圧段コンプレッサ３２から圧縮供給される低圧吸気を更に圧縮してエンジン１０へと供給するように構成されている。

低圧段ターボチャージャ３０の低圧段吸気出口部３６ｃには、低圧吸気通路１８の上流端が接続されている。また、低圧段ターボチャージャ３０の低圧段吸気入口部３６ａには、吸気通路４１を介してエアクリーナ４２が接続されている。さらに、低圧段ターボチャージャ３０の低圧段排気出口部３５ｃには、排気通路４３を介して排気浄化装置４４が接続されている。すなわち、低圧段ターボチャージャ３０は、エンジン１０の排気エネルギーで低圧段タービン３１を回転駆動させるとともに、同軸に設けられた低圧段コンプレッサ３２の回転によりエアクリーナ４２を介して導入される吸気を圧縮して高圧段コンプレッサ２２に供給するように構成されている。

高圧段ターボチャージャ２０の高圧段排気入口部２５ａと低圧段ターボチャージャ３０の低圧段排気入口部３５ａとは、高圧段タービン収容部２５ｂを迂回するバイパス流路２５ｄによって連通されている。また、バイパス流路２５ｄのバイパス出口（下流端）には、バイパス流路２５ｄを流れる排気の流量を調整する流量調整バルブ４５が設けられている。この流量調整バルブ４５のバルブ開度は、図示しないＥＣＵ（電子制御ユニット）により、エンジン１０の運転状態に応じて制御される。すなわち、エンジン１０の低回転領域では、この流量調整バルブ４５のバルブ開度はゼロ（閉弁状態）に制御される。そして、エンジン１０の回転が上がるにつれて、流量調整バルブ４５のバルブ開度は大きくするように制御される。

次に、図２〜４を用いて、高圧段ターボチャージャ２０と低圧段ターボチャージャ３０との構造について説明する。

高圧段ターボチャージャ２０は、図４に示すように、排気で回転駆動する高圧段タービン２１と、吸気を圧縮する高圧段コンプレッサ２２と、この高圧段タービン２１と高圧段コンプレッサ２２とを連結する高圧段ロータシャフト２３と、高圧段ハウジング２４とを有する。また、高圧段ハウジング２４は、図２，４に示すように、高圧段タービンハウジング部２５と、高圧段コンプレッサハウジング部２６と、高圧段軸受ハウジング部２７とを有する。

高圧段軸受ハウジング部２７は、高圧段ハウジング２４の中央部分に位置し、一端側（図２，４中右側）に高圧段タービンハウジング部２５がボルト締結により取り付けられて、他端側（図２，４中左側）に高圧段コンプレッサハウジング部２６がボルト締結により取り付けられている。また、図４に示すように、高圧段軸受ハウジング部２７内には、一対の軸受５２が設けられ、この軸受５２により高圧段ロータシャフト２３が回転自在に支持されている。

高圧段タービンハウジング部２５は、図４，５に示すように、エンジン１０からの排気を取り入れる高圧段排気入口部２５ａ（図５参照）と、高圧段タービン２１を収容する高圧段タービン収容部（第１タービン収容部）２５ｂと、排気を吐き出す高圧段排気出口部（第１排気出口部）２５ｃと、バイパス流路２５ｄとを有する。また、高圧段タービン収容部２５ｂには、高圧段タービン２１の径方向外側に環状の高圧段タービンスクロール流路２５ｅが形成されている。

図３，５に示すように、高圧段排気入口部（第１排気入口部）２５ａの上流端には、排気マニホールド１４の排気出口部１４ａにボルト締結により固定されるフランジ２８ａが設けられている。また、高圧段排気入口部２５ａの下流端は、高圧段タービンスクロール流路２５ｅを介して高圧段タービン収容部２５ｂ内と連通する。

高圧段排気出口部２５ｃは、図２，４に示すように、高圧段タービン収容部２５ｂから高圧段ロータシャフト２３の軸方向に延びるとともに、上向きに開口するように上方に向けて屈曲して形成されている。また、高圧段排気出口部２５ｃの開口部（下流端）には、後述する低圧段排気入口部３５ａのフランジ（第２フランジ）３８ａとボルト締結されるフランジ（第１フランジ）２８ｂが設けられている。すなわち、高圧段排気出口部２５ｃのフランジ２８ｂと低圧段排気入口部３５ａのフランジ３８ａとは、互いのフランジ面を水平にした状態で固定される。このように、互いのフランジ面が水平状態に固定されることで、低圧段ターボチャージャ３０は高圧段ターボチャージャ２０に支持されるように構成されている。

バイパス流路２５ｄは、図４，５に示すように、高圧段タービン収容部２５ｂを迂回して高圧段排気入口部２５ａと低圧段排気入口部３５ａとを連通する。このバイパス流路２５ｄは、バイパス入口の上流端が高圧段タービン収容部２５ｂ内に設けられるとともに、バイパス出口の下流端がフランジ２８ｂと同一のフランジ面に設けられることで、これら高圧段排気入口部２５ａと高圧段排気出口部２５ｃとに一体形成されている。

高圧段コンプレッサハウジング部２６は、図４，５に示すように、低圧段ターボチャージャ３０からの吸気を取り入れる高圧段吸気入口部２６ａと、高圧段コンプレッサ２２を収容する高圧段コンプレッサ収容部２６ｂと、吸気を吐き出す高圧段吸気出口部２６ｃとを有する。また、高圧段コンプレッサ収容部２６ｂには、高圧段コンプレッサ２２の径方向外側に環状の高圧段コンプレッサスクロール流路２６ｅが形成されている。

図２，４に示すように、高圧段吸気入口部２６ａの上流端には、低圧吸気通路１８の下流端が固定されている。また、高圧段吸気出口部２６ｃの下流端には、高圧吸気通路１５の上流端が固定されている。

低圧段ターボチャージャ３０は、図４，５に示すように、排気で回転駆動する低圧段タービン（第２タービン）３１と、吸気を圧縮する低圧段コンプレッサ３２と、この低圧段タービン３１と低圧段コンプレッサ３２とを連結する低圧段ロータシャフト３３と、低圧段ハウジング３４とを有する。また、低圧段ハウジング３４は、図２，４に示すように、低圧段タービンハウジング部３５と、低圧段コンプレッサハウジング部３６と、低圧段軸受ハウジング部３７とを有する。

低圧段軸受ハウジング部３７は、低圧段ハウジング３４の中央部分に位置し、一端側（図２，４中右側）に低圧段タービンハウジング部３５がボルト締結により取り付けられるとともに、他端側（図２，４中左側）に低圧段コンプレッサハウジング部３６がボルト締結により取り付けられている。また、図４に示すように、低圧段軸受ハウジング部３７内には、一対の軸受５３が設けられ、この軸受５３により低圧段ロータシャフト３３が回転自在に支持されている。

低圧段タービンハウジング部３５は、図４，５に示すように、高圧段ターボチャージャ２０を通過した排気、もしくは、バイパス流路２５ｄを通過した排気を取り入れる低圧段排気入口部（第２排気入口部）３５ａと、低圧段タービン３１を収容する低圧段タービン収容部（第２タービン収容部）３５ｂと、排気を吐き出す低圧段排気出口部３５ｃとを有する。また、低圧段タービン収容部３５ｂには、低圧段タービン３１の径方向外側に環状の低圧段タービンスクロール流路３５ｅが形成されている。

図４に示すように、低圧段排気入口部３５ａの開口部（上流端）には、高圧段排気出口部２５ｃのフランジ２８ｂとボルト締結により固定されるフランジ３８ａが設けられている。また、低圧段排気入口部３５ａの下流端は、低圧段タービンスクロール流路３５ｅを介して低圧段タービン収容部３５ｂ内と連通する。さらに、低圧段排気出口部３５ｃの下流端には、排気通路４３の上流端がフランジを介してボルト締結により固定されている。

低圧段コンプレッサハウジング部３６は、図４に示すように、エアクリーナを介して吸気を取り入れる低圧段吸気入口部３６ａと、低圧段コンプレッサ３２を収容する低圧段コンプレッサ収容部３６ｂと、吸気を吐き出す低圧段吸気出口部３６ｃとを有する。また、低圧段コンプレッサ収容部３６ｂには、低圧段コンプレッサ３２の径方向外側に環状の低圧段コンプレッサスクロール流路３６ｅが形成されている。

図２，４に示すように、低圧段吸気入口部３６ａの上流端には、吸気通路４１の下流端が固定されている。また、低圧段吸気出口部３６ｃの下流端には、低圧吸気通路１８の上流端が固定されている。

以上のような構成により、本発明の一実施形態に係る多段過給装置１によれば以下のような作用効果を奏する。

高圧段ターボチャージャ２０の高圧段排気出口部２５ｃは、高圧段タービン収容部２５ｂから高圧段ロータシャフト２３の軸方向に延びるとともに、上向きに開口するように上方に向けて屈曲して形成されている。そして、高圧段排気出口部２５ｃの開口部（下流端）に設けられたフランジ２８ｂと低圧段排気入口部３５ａの開口部（上流端）に設けられたフランジ３８ａとは、互いにフランジ面を水平にした状態でボルト締結により固定される。すなわち、低圧段排気入口部３５ａのフランジ３８ａが高圧段排気出口部２５ｃのフランジ２８ｂの上部に載置されて固定されることで、低圧段ターボチャージャ３０は高圧段ターボチャージャ２０により支持される。

したがって、低圧段ターボチャージャ３０が高圧段ターボチャージャ２０により確実に支持されるので、低圧段ターボチャージャ３０をエンジン１０等に固定するための支持ブラケットを省略もしくは簡素化することができる。

また、高圧段ターボチャージャ２０と低圧段ターボチャージャ３０とは、互いの接続部位であるフランジ面を水平にした状態で固定されるので、この接続部位には、上方から下方に向けて低圧段ターボチャージャ３０の重量が掛けられることになる。

したがって、高圧段ターボチャージャ２０と低圧段ターボチャージャ３０との接続部位におけるシール性を効果的に向上することができる。

また、高圧段ターボチャージャ２０の高圧段排気入口部２５ａは、排気マニホールド１４に直接連結されるとともに、高圧段ターボチャージャ２０の高圧段排気出口部２５ｃは、低圧段ターボチャージャ３０の低圧段排気入口部３５ａに直接連結されている。さらに、バイパス流路２５ｄは、高圧段排気入口部２５ａ及び高圧段排気出口部２５ｃに一体形成されている。

したがって、高圧段ターボチャージャ２０と低圧段ターボチャージャ３０との接続をコンパクトにして、排気の流路抵抗を低減することができるとともに、多段過給装置１の過給効率を効果的に向上することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、低圧段ターボチャージャ３０は、フランジ３８ａがフランジ２８ｂの上部に載置され固定されることで、高圧段ターボチャージャ２０により支持されるものとして説明したが、これらフランジ２８ｂ，３８ａを省略して、高圧段排気出口部２５ｃの開口部と低圧段排気入口部３５ａの開口部とを直接連結してもよい。この場合も上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

また、バイパス流路２５ｄのバイパス出口（下流端）は、フランジ２８ｂと同一のフランジ面に設けられるものとして説明したが、高圧段排気出口部２５ｃ内に設けられるものであってもよい。

また、流量調整バルブ４５は、バイパス流路２５ｄのバイパス入口（上流端）や、バイパス流路２５ｄ内に設けられるものであってもよい。

１多段過給装置
１０エンジン
１４排気マニホールド
２０高圧段ターボチャージャ（第１過給機）
２１高圧段タービン（第１タービン）
２５ａ高圧段排気入口部（第１排気入口部）
２５ｂ高圧段タービン収容部（第１タービン収容部）
２５ｃ高圧段排気出口部（第１排気出口部）
２５ｄバイパス流路
２８ｂフランジ（第１フランジ）
３０低圧段ターボチャージャ（第２過給機）
３１低圧段タービン（第２タービン）
３５ａ低圧段排気入口部（第２排気入口部）
３５ｂ低圧段タービン収容部（第２タービン収容部）
３８ａフランジ（第２フランジ）

Claims

エンジンの排気により駆動される第１過給機と第２過給機とを有する多段過給装置であって、
前記第１過給機は、第１タービンと、前記第１タービンを収容する第１タービン収容部と、前記エンジンの排気マニホールドに直接連結されて該排気マニホールドと前記第１タービン収容部とを連通する第１排気入口部と、前記第１タービン収容部から前記第１タービンの軸方向に延びるとともに、上向きに開口するように上方に向けて屈曲した第１排気出口部と、前記第１タービン収容部を迂回して前記第１排気入口部と前記第２過給機の第２排気入口部とを連通すると共に下流端に位置するバイパス出口が前記第１排気出口部と一体に形成されるバイパス流路とを備え、
前記第２過給機は、第２タービンと、前記第２タービンを収容する第２タービン収容部と、前記第１排気出口部に直接連結されて前記第１排気出口部と前記第２タービン収容部とを連通する前記第２排気入口部とを備え、
前記第２排気入口部の開口部を前記第１排気出口部の開口部に載置して、前記第２過給機が前記第１過給機の前記バイパス出口と前記第１排気出口部とにより支持され、
前記第１排気出口部の開口部において、前記バイパス出口と前記第１排気出口部とが部分的に一体に形成されている
ことを特徴とする多段過給装置。
前記第１排気出口部と前記バイパス出口で形成される開口部に第１フランジが設けられるとともに、前記第２排気入口部の開口部に第２フランジが設けられ、
前記第１フランジと前記第２フランジとが、互いにフランジ面を水平にした状態で直接連結される
ことを特徴とする請求項１記載の多段過給装置。
前記バイパス流路の前記バイパス出口には流量調整バルブが設けられる
ことを特徴とする請求項１又は２記載の多段過給装置。