JP5929016B2 - スクロールハウジング及び過給機 - Google Patents

Description

本発明は、スクロールハウジング及び過給機に関するものである。

例えば、特許文献１に示すように、エンジンと、当該エンジンに接続される２つ過給機とを備えるエンジンシステムが提案されている。
このようなエンジンシステムでは、エンジンが多くの空気を必要とするモードでは２つの過給機を稼働させ、エンジンが多くの空気を必要としないモードでは１つの過給機のみを稼働させている。

特許第２７４３６０９号公報

しかしながら、このように２つの過給機を備えるエンジンシステムでは、過給機の稼働状態を変化させるため上述のモードの切替をスムーズに行うことが困難であった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、２つの過給機を備えるエンジンシステムにおいて、エンジンへの空気供給モードの切替をスムーズに行うことが可能なスクロールハウジング提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、過給機に設置されると共に上記過給機が備えるインペラを収容するスクロールハウジングであって、上記インペラを収容する収容空間に接続する第１流路と、上記第１流路に併設されると共に上記収容空間に接続される第２流路とを備え、上記第１流路の流路端開口と上記第２流路の流路端開口とが同一方向に向けて隣接配置されているという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記第１流路の流路断面積が上記第２流路の流路断面積よりも広いことを特徴とする。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記第１流路の流路端開口と上記第２流路の流路端開口とが同一のフランジに形成されているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記第１流路と上記第２流路との合流領域にて、上記第１流路の内壁面と上記第２流路の内壁面とがＲ面を介して接続されているという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明において、上記第１流路と上記第２流路とが鋭角に接続されて合流しているという構成を採用する。

第６の発明は、上記第１〜第５いずれかの発明において、舌部を有するスクロール流路を備え、上記第１流路と上記第２流路との合流領域が上記舌部よりも、上記第１流路の流路端開口及び上記第２流路の流路端開口寄りに設けられているという構成を採用する。

第７の発明は、上記第１〜第６いずれかの発明において、上記インペラとしてタービンインペラを収容するタービン用スクロールハウジングであるという構成を採用する。

第８の発明は、上記第１〜第６いずれかの発明において、上記インペラとしてコンプレッサインペラを収容するコンプレッサ用スクロールハウジングであるという構成を採用する。

第９の発明は、インペラを囲うスクロールハウジングを備える過給機であって、上記スクロールハウジングとして上記第１〜第８いずれかの発明であるスクロールハウジングを備えるという構成を採用する。

本発明においては、インペラを収容する収容空間に対して、第１流路と、当該第１流路と併設される第２流路とが接続されている。
このため、本発明のスクロールハウジングをタービン用スクロールハウジングとして用いる場合には、２経路からタービンに対してスムーズに流体を供給することができる。
例えば、本発明のタービン用スクロールハウジングを有する過給機よりも上流側に配置されたタービンを通過する流路と、当該タービンをバイパスするバイパス流路とが存在する場合には、バイパス流路に第１流路を接続し、タービンを通過する流路に第２流路を接続することで、タービンを通過する流路とバイパス流路との２経路から排出される流体を同時に受け取ることができる。このため、上流側のタービンに僅かに流体を供給しながらバイパス流路に流体を流すことが可能となる。
したがって、本発明によれば、１つの過給機を主として稼働している場合であっても、もう一方の過給機を僅かに稼働させておくことができ、エンジンへの空気供給モードの切替をスムーズに行うことが可能となる。

また、本発明のスクロールハウジングをコンプレッサ用スクロールハウジングとして用いる場合には、併設される２経路から圧縮流体を排出することができるため、コンプレッサからスムーズに流体を排出することができる。

また、本発明によれば、第１流路の流路端開口と第２流路の流路端開口とが同一方向に向けて隣接配置されている。このため、第１流路に接続する外部流路と、第２流路に接続する外部流路とを複雑に引き回すことなく、２経路から排出される流体を同時に受け取ることができる。
したがって、流体の流れがスムーズとなり、圧力損失が少なくなるため、これによってもエンジンへの空気供給モードの切替をスムーズに行うことが可能となる。

本発明の一実施形態におけるタービン用スクロールハウジングを備えるエンジンシステムの概略構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態におけるタービン用スクロールハウジングを含む斜視図である。 本発明の一実施形態におけるタービン用スクロールハウジングの斜視図である。 本発明の一実施形態におけるタービン用スクロールハウジングの内部構造を示す図である。 本発明の一実施形態におけるタービン用スクロールハウジングの内部構造を示す拡大図である。 本発明の一実施形態におけるタービン用スクロールハウジングにおける排気ガスの流れを説明する説明図である。 本発明の一実施形態におけるタービン用スクロールハウジングの設計方法を説明するフローチャートである。 本発明の一実施形態におけるタービン用スクロールハウジングの変形例を示す内部構造図である。 本発明の一実施形態におけるコンプレッサ用スクロールハウジングの内部構造を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るスクロールハウジングの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。また、以下の説明において、本発明のスクロールハウジングをタービン用スクロールハウジングに適用した例について説明する。

まず、図１を参照して、本実施形態のタービン用スクロールハウジングを用いる過給機を備えるエンジンシステムについて説明する。
図１は、エンジンシステムＳ１の概略構成を示す模式図である。この図に示すように、エンジンシステムＳ１は、エンジン１と、低圧段過給機２と、高圧段過給機３と、逆止弁４と、インタークーラ５と、制御弁６と、ＥＣＵ７とを備えている。

エンジン１は、車両や船舶に搭載される内燃機関であり、例えば、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等である。

低圧段過給機２は、エンジン１から排出された排気ガスＹ２（流体）に含まれるエネルギを回転動力として回収するタービン２ａと、タービン２ａで回収した回転動力によって空気Ｙ１を圧縮するコンプレッサ２ｂと、タービン２ａからコンプレッサ２ｂに回転動力を伝達するシャフト２ｃとを備えている。
この低圧段過給機２は、エンジン１が多くの空気Ｙ１を必要とする場合であっても、エンジン１が多くの空気Ｙ１を必要としない場合であっても稼働される。

高圧段過給機３は、低圧段過給機２と同様に、エンジン１から排出された排気ガスＹ２に含まれるエネルギを回転動力として回収するタービン３ａと、タービン３ａで回収した回転動力によって空気Ｙ１を圧縮するコンプレッサ３ｂと、タービン３ａからコンプレッサ３ｂに回転動力を伝達するシャフト３ｃとを備えている。
なお、高圧段過給機３のタービン３ａは、低圧段過給機２のタービン２ａとエンジン１との間に配置されている。また、高圧段過給機３のコンプレッサ３ｂは、低圧段過給機２のコンプレッサ２ｂとエンジン１との間に配置されている。
この高圧段過給機３は、低圧段過給機２よりも容量の大きなものであり、原則的にエンジン１が多くの空気Ｙ１を必要とする場合に稼働される。

逆止弁４は、高圧段過給機３のコンプレッサ３ｂをバイパスするバイパス流路の途中に設けられており、低圧段過給機２のコンプレッサ２ｂ側から供給された空気Ｙ１のみを通過させ、高圧段過給機３のコンプレッサ３ｂ側から供給された空気Ｙ１を堰き止める。

インタークーラ５は、低圧段過給機２のコンプレッサ２ｂあるいは当該低圧段過給機２のコンプレッサ２ｂ及び高圧段過給機３のコンプレッサ３ｂによって圧縮された空気Ｙ１をエンジン１に供給する前に冷却するものである。

制御弁６は、高圧段過給機３のタービン３ａをバイパスするバイパス流路の途中に設けられており、当該バイパス流路の開閉を制御するものである。

ＥＣＵ（Engine Control Unit）７は、エンジンシステムＳ１の全体を制御するものであり、エンジン１の回転数等に応じて、エンジン１が空気Ｙ１を多く必要としているか否かを判断して制御弁６を制御する。

このようなエンジンシステムＳ１では、ＥＣＵ７は、エンジン１が空気Ｙ１を多く必要としているモードであると判断した場合には、図１（ａ）に示すように、制御弁６にバイパス流路を閉鎖させる。
制御弁６によってバイパス流路が閉鎖されると、エンジン１から排出された排気ガスＹ２が、高圧段過給機３のタービン３ａに供給され、その後低圧段過給機２のタービン２ａに供給される。これによって高圧段過給機３のコンプレッサ３ｂ及び低圧段過給機２のコンプレッサ２ｂが両方とも回転駆動されて両方にて空気Ｙ１が圧縮される。この結果、より多くの空気Ｙ１がエンジン１に供給される。

一方、ＥＣＵ７は、エンジン１が空気Ｙ１を多く必要としていないモードであると判断した場合には、図１（ｂ）に示すように、制御弁６にバイパス流路を開放させる。
制御弁６がバイパス流路を開放すると、エンジン１から排出された排気ガスＹ２の殆どがバイパス流路によって高圧段過給機３のタービン３ａをバイパスする。これによって、低圧段過給機２のコンプレッサ２ｂのみが回転駆動されてコンプレッサ２ｂのみで空気Ｙ１が圧縮される。そして、低圧段過給機２のコンプレッサ２ｂで圧縮された空気Ｙ１は、逆止弁４を通過してエンジン１に供給される。

そして、エンジンシステムＳ１は、本実施形態のタービン用スクロールハウジング１０を低圧段過給機２のタービン２ａに備えている。
以下、図２〜図６を参照して本実施形態のタービン用スクロールハウジング１０について説明する。

図２は、本実施形態のタービン用スクロールハウジング１０と、高圧段過給機３のタービン３ａが備えるタービン用スクロールハウジング２０と、バイパス流路３０と、接続流路４０とを示した斜視図である。また、図３は、本実施形態のタービン用スクロールハウジング１０のみを示す斜視図である。また、図４は、本実施形態のタービン用スクロールハウジング１０の内部構造を示す図である。

本実施形態のタービン用スクロールハウジング１０は、制御弁６が設けられたバイパス流路３０と、高圧段過給機３のタービン３ａから排出された排気ガスＹ２を低圧段過給機２のタービン２ａに供給するための接続流路４０とを間に挟んで高圧段過給機３のタービン３ａが備えるタービン用スクロールハウジング２０と接続されている。なお、図２においては、制御弁６を簡略化して図示している。

図３及び図４に示すように、本実施形態のタービン用スクロールハウジング１０は、タービンインペラを収容する収容空間Ｒと、吐出開口１１ａを有すると共にタービンインペラの軸方向から見て収容空間Ｒの周りに配設されるスクロール流路１１と、スクロール流路１１を介して収容空間Ｒに排気ガスＹ２を供給する第１流路１２と、第１流路１２に併設されると共にスクロール流路１１を介して収容空間に接続される第２流路１３とを備えている。
なお、より詳細には、スクロール流路１１と収容空間Ｒとの間には、排気ガスＹ２の流速を速めるためのノズル流路が設けられている。

第１流路１２は、制御弁６が設置されたバイパス流路３０と接続されており、制御弁６がバイパス流路３０を開放した際には排気ガスＹ２が供給される。

第２流路１３は、接続流路４０と接続されており、高圧段過給機３のタービン３ａから排出された排気ガスＹ２が供給される。
なお、図４（ｂ）に示すように、スクロール流路１１は、排気ガスＹの流れを案内する舌部１１ｂを備えている。そして、第１流路１２と第２流路１３との合流領域が舌部１１ｂよりも、第１流路１２の流路端開口１２ａ及び第２流路１３の流路端開口１３ａ寄りに設けられている。つまり、第１流路１２と第２流路１３とは、排気ガスＹの流れ方向において舌部１１ｂよりも上流側で接続されている。
このような第２流路１３に排気ガスＹ２が供給されると、排気ガスＹ２は、第２流路１３、スクロール流路１１、ノズル流路、収容空間Ｒの順に流れる。

なお、舌部１１ｂの位置における流れを安定させるため、スクロール流路１１と第２流路１３との合流位置は、出来る限り舌部１１ｂよりも上流となるように配置することが望ましい。

また、第２流路１３は、図５に示すように、タービン用スクロールハウジング１０の大型化を防ぎ、かつ、排気ガスＹ２の流れをスムーズなものとするために、第１流路１２に対して斜め方向から接続されている。つまり、第１流路１２と第２流路１３とが鋭角に接続されて合流している。
このように第１流路１２と第２流路１３とが鋭角に接続されて合流されることによって、第２流路１３の突出を抑えると共に圧力損失の最小限に抑えることが可能となる。

なお、図５に示すように、スクロール流路１１と第２流路１３との合流角度α及びスクロール流路１１と第１流路１２との合流角度βは、合流による圧力損失低減のため、６０°以下であることが望ましい。さらに合流角度αと合流角度βとは等しいことがより好ましい。つまり、第１流路１２から合流領域への流入角度と第２流路１３から合流領域への流入角度の差は出来るだけ小さいことが望ましい。

また、第１流路１２と第２流路１３との合流領域にて、第１流路１２の内壁面と第２流路１３の内壁面とがＲ面１５を介して接続されている。
このＲ面の曲率半径は、５ｍｍ以上に設定されていることが好ましい。この理由は、流体力学的には、合流領域における圧力損失を低下させ、構造力学的には応力集中係数が小さくなるため、熱応力を低下させる効果があるためである。

さらに、図５に示すように、タービン用スクロールハウジング１０は、第１流路１２の壁部とスクロール流路１１の壁部及び第２流路１３の壁部とスクロール流路１１の壁部とが、滑らかにつながるような形状であることが望ましい。これにより、合流領域での圧力損失を減らし、タービン効率を向上させる効果がある。

また、第１流路１２の断面積は、第２流路１３の断面積よりも広く設定されている。つまり、高圧段過給機３のタービン３ａを介さずに勢いよく供給される排気ガスＹ２を容易にタービンインペラに供給できるように構成されている。

また、第１流路１２と第２流路１３とは、スクロール流路１１と接続する前に一部が重なり合う。ここで、図４（ｂ）におけるＤ−Ｄ線断面である図４（ｃ）と、図４（ｂ）のＦ−Ｆ線断面である図４（ｄ）に示すように、第１流路１２と第２流路１３とは、流路断面形状において、互いに重なり合う領域以外はその形状を維持している。
このように第１流路１２と第２流路１３とが互いに重なり合う領域以外で断面形状を維持することによって、図４（ｃ）及び図４（ｄ）にて仮想線で示すような楕円形状の流路とするよりも、排気ガスＹ２の流れがスムーズとなり、流体性能上の効率を向上させることができる。

そして、本実施形態のタービン用スクロールハウジング１０においては、図３（ｂ）に示すように、第１流路１２の流路端開口１２ａと第２流路１３の流路端開口１３ａとが同一のフランジ１４に形成されており、同一方向に向けて隣接配置されている。

このような構成を採用する本実施形態のタービン用スクロールハウジング１０においては、図１に示す制御弁６が閉鎖している場合には図６（ａ）に示すように第２流路１３に排気ガスＹ２が流れ、図１に示す制御弁６が開放している場合には図６（ｂ）に示すように第１流路１２に排気ガスＹ２が流れる。

そして、本実施形態のタービン用スクロールハウジング１０によれば、タービンインペラを収容する収容空間に対して、排気ガスＹ２の供給を行う第１流路１２と、当該第１流路１２と併設されると共にタービンインペラの収容空間に接続される第２流路１３とを備えている。
このため、本実施形態のタービン用スクロールハウジング１０によれば、バイパス流路３０と接続流路４０との両方から同時に排気ガスＹ２を供給することができる。

よって、図１（ｂ）に示すように、エンジンシステムＳ１において、制御弁６がバイパス流路を開放した際に、僅かに排気ガスＹ２を高圧段過給機３のタービン３ａに供給することができる。
したがって、本実施形態のタービン用スクロールハウジング１０によれば、低圧段過給機２を主として稼働している場合であっても、もう高圧段過給機３の稼働を維持しておくことができモードの切替をスムーズに行うことが可能となる。

また、本実施形態のタービン用スクロールハウジング１０によれば、第１流路１２の流路端開口１２ａと第２流路１３の流路端開口１３ａとが同一方向に向けて隣接配置されている。このため、第１流路１２に接続するバイパス流路３０と、第２流路１３に接続する接続流路４０とを複雑に引き回すことなく、バイパス流路３０及び接続流路４０から排出される排気ガスＹ２を同時に受け取ることができる。
したがって、排気ガスＹ２の流れがスムーズとなり、圧力損失が少なくなるため、これによってもモードの切替をスムーズに行うことが可能となる。

また、本実施形態のタービン用スクロールハウジング１０においては、第１流路１２の流路断面積が第２流路１３の流路断面積よりも広い。このため、高圧段過給機３のタービン３ａを介さずに勢いよく供給される排気ガスＹ２を容易にタービンインペラに供給でき、第１流路１２において圧力損失が高くなることを抑止することができる。

また、本実施形態のタービン用スクロールハウジング１０においては、第１流路１２の流路端開口１２ａと第２流路１３の流路端開口１３ａとが同一のフランジ１４に形成されている。このため、バイパス流路３０及び接続流路４０を接続する作業の際に、第１流路１２の流路端開口１２ａと第２流路１３の流路端開口１３ａとの位置関係がずれることを防止し、接続作業の作業性を向上させることができる。

なお、以上のような構成を有するタービン用スクロールハウジング１０の設計は、例えば、図７に示すように、まずスクロール流路１１の形状（スクロール領域から舌部１１ｂまでの形状）を設定する（ステップＳ１）。
続いて、第１流路１２の流路端開口１２ａと第２流路１３の流路端開口１３ａとの形状及び位置を設定する（ステップＳ２）。
続いて、第１流路１２と第２流路１３との合流領域の位置を舌部１１ｂよりも上流側において設定する（ステップＳ３）。
続いて、スクロール流路１１と第１流路１２と第２流路１３とが滑らかに接続されるように、スクロール流路１１と第１流路１２と第２流路１３との接続部位形状設定を行う（ステップＳ４）。
そして、スクロール流路１１と第２流路１３との合流角度α及びスクロール流路１１と第１流路１２との合流角度βとが６０°以下であるかを判定し（ステップＳ５）、合流角度α及び合流角度βが６０°以下となるまでステップＳ３〜ステップＳ５を繰り返す。
最後に、第１流路１２の内壁面と第２流路１３の内壁面とを接続するＲ面１５の形状設定を行う（ステップＳ６）。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、図８に示すように、上記実施形態のタービン用スクロールハウジング１０は、第２流路１３を、第１流路１２を介して供給される過剰な排気ガスＹ２をタービンインペラに供給することなくバイパスさせるウエストゲート機構のバイパス流路として用いることもできる。
この場合には、第２流路１３を流れる排気ガスＹ２の方向が、図８に示すように、上記実施形態と反対方向に変化し、第２流路１３の流路端開口１３ａの外側に配置されるウエストゲートバルブＷによって排気ガスＹ２をバイパスするか否かが決定される。

一般的には、ウエストゲート機構のバイパス流路の出口開口は、タービン用スクロールハウジングの出口開口の近傍に配置されることが多いが、タービン用スクロールハウジングの出口開口の近傍に配管を引き回すスペースがない場合には、ウエストゲート機構を配置することが困難となる。
これに対して、上記実施形態のタービン用スクロールハウジング１０によれば、バイパス流路の出口開口となる第２流路１３の流路端開口１３ａが、タービン用スクロールハウジングの入口開口となる第１流路１２の流路端開口１２ａの近傍に配置されることになる。
このため、タービン用スクロールハウジングの出口開口の近傍に配管を引き回すスペースがない場合であってもウエストゲート機構を採用することが可能となる。

また、例えば、図９のように、本発明のスクロールハウジングを、インペラとしてコンプレッサインペラを収容するコンプレッサ用スクロールハウジング５０として用いることも可能である。この場合は、図９に示すように、上記タービン用スクロールハウジング１０で説明した排気ガスＹ２の流れとは逆に空気Ｙ１が流れることとなる。
このようにスクロールハウジングをコンプレッサ用スクロールハウジング５０として用いる場合には、併設される２経路から圧縮された空気Ｙ１（流体）を排出することができるため、コンプレッサからスムーズに空気Ｙ１を排出することができる。

１……エンジンシステム、２……低圧段過給機（過給機）、１０……タービン用スクロールハウジング（スクロールハウジング）、１１ａ……舌部、１２……第１流路、１２ａ……流路端開口、１３……第２流路、１３ａ……流路端開口、１５……Ｒ面、５０……コンプレッサ用スクロールハウジング（スクロールハウジング）、Ｙ１……空気（流体）、Ｙ２……排気ガス（流体）

Claims (8)

1. 過給機に設置されると共に前記過給機が備えるインペラを収容するスクロールハウジングであって、
   前記インペラを収容する収容空間に接続する第１流路と、前記第１流路に併設されると共に前記収容空間に接続される第２流路とを備え、前記第１流路の流路端開口と前記第２流路の流路端開口とが同一方向に向けて隣接配置され、
   前記第１流路の流路断面形状と前記第２流路の流路断面形状は、前記第１流路と前記第２流路とが互いに重なり合う領域以外で流路断面形状が維持され、
   前記第１流路の流路断面積が前記第２流路の流路断面積よりも広い、
   スクロールハウジング。
2. 過給機に設置されると共に前記過給機が備えるインペラを収容するスクロールハウジングであって、
   前記インペラを収容する収容空間に接続する第１流路と、前記第１流路に併設されると共に前記収容空間に接続される第２流路とを備え、前記第１流路の流路端開口と前記第２流路の流路端開口とが同一方向に向けて隣接配置され、
   前記第１流路の流路断面形状と前記第２流路の流路断面形状は、前記第１流路と前記第２流路とが互いに重なり合う領域以外で流路断面形状が維持され、
   前記第１流路と前記第２流路とが鋭角に接続されて合流している、
   スクロールハウジング。
3. 前記第１流路の流路端開口と前記第２流路の流路端開口とが同一のフランジに形成されている、請求項１または２記載のスクロールハウジング。
4. 前記第１流路と前記第２流路との合流領域にて、前記第１流路の内壁面と前記第２流路の内壁面とがＲ面を介して接続されている、請求項１〜３いずれかに記載のスクロールハウジング。
5. 舌部を有するスクロール流路を備え、
   前記第１流路と前記第２流路との合流領域が前記舌部よりも、前記第１流路の流路端開口及び前記第２流路の流路端開口寄りに設けられている、
   請求項１〜４いずれかに記載のスクロールハウジング。
6. 前記インペラとしてタービンインペラを収容するタービン用スクロールハウジングである、請求項１〜５いずれかに記載のスクロールハウジング。
7. 前記インペラとしてコンプレッサインペラを収容するコンプレッサ用スクロールハウジングである、請求項１〜５いずれかに記載のスクロールハウジング。
8. 前記インペラを囲うスクロールハウジングを備える過給機であって、
   前記スクロールハウジングとして請求項１〜７いずれかに記載のスクロールハウジングを備える、過給機。

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