JP5967062B2

JP5967062B2 - 過給機

Info

Publication number: JP5967062B2
Application number: JP2013254326A
Authority: JP
Inventors: 幸一米澤; 久間　啓司; 啓司久間; 弘晃池上; 加藤　俊弘; 俊弘加藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2033-12-09
Also published as: EP2881561A1; EP2881561B1; JP2015113720A

Description

本発明は、過給機に関する。

図６は、特許文献１に開示された過給機９００を示している。過給機９００は、スクロール室９１０、リンク室９２０、および、連通路９３０を有している。連通路９３０は、スクロール室９１０とリンク室９２０とを互いに連通している。特許文献１によれば、連通路９３０の存在により、スクロール室９１０およびリンク室９２０の圧力差が小さくなり、燃料がスクロール室９１０からリンク室９２０に流れ込みにくくなることが開示されている。

特開２００６−２３３９４０号公報

過給機９００によれば、内燃機関の運転状態に応じて、スクロール室９１０およびリンク室９２０の圧力差が大きくなることも考えられる。スクロール室９１０およびリンク室９２０の圧力差が大きい場合、排気がスクロール室９１０からリンク室９２０に流れ込む。このため、リンク室９２０におけるデポジットの量が増加し、リンク室９２０に多量のデポジットが堆積するおそれがある。しかし、特許文献１は、リンク室９２０におけるデポジットの堆積量が増加することを想定していない。

過給機９００におけるデポジットの排出性は、例えば、連通路９３０の通路面積を大きくすることにより高められる。しかし、この構成によれば、スクロール室９１０からリンク室９２０に流れ込む排気の量が多くなるため、過給に関する効率が低下するおそれがある。過給に関する効率の低下は、例えば、連通路９３０の通路面積を小さくすることにより抑制される。しかし、連通路９３０の通路面積を小さくする構成は、上述したデポジットの排出性を高める構成と背反する。

本発明は、リンク室にデポジットが堆積しにくく、かつ、過給に関する効率が低下しにくい過給機を提供することを目的としている。

〔１〕本過給機の独立した一形態は、次の事項を有している。前記過給機は、ノズルベーンと、前記ノズルベーンと連結されたリンク機構と、前記ノズルベーンが配置され、スクロール方向における排気の流れの上流側部分から下流側部分に向かうにつれて通路面積が小さくなるスクロール室、および、前記リンク機構が配置されたリンク室を有するハウジングとを有し、前記過給機は、連通路を有し、前記連通路は、前記スクロール室と前記リンク室とを互いに連通し、前記連通路における前記スクロール室側の開口部である第１開口部は、前記連通路における前記リンク室側の開口部である第２開口部よりも通路面積が大きい。

リンク室に堆積したデポジットは、例えば、リンク機構の動作に基づく力、リンク室を流れる排気の圧力、または、過給機の振動に基づく力を受ける。デポジットが力を受けた場合、デポジットが付着部分から剥離することがある。付着部分から剥離したデポジットの一部または全部は、連通路に入り込む。

本過給機によれば、連通路の第１開口部の通路面積が連通路の第２開口部の通路面積よりも大きいため、第１開口部の通路面積が第２開口部の通路面積以下の場合と比較して、リンク室のデポジットが連通路を介してスクロール室に排出されやすい。このため、リンク室にデポジットが堆積しにくくなる。また、本過給機によれば、第２開口部の通路面積が第１開口部の通路面積よりも小さいため、例えば、連通路全体の通路面積が第１開口部の通路面積と同じ場合と比較して、スクロール室の排気がリンク室に流れ込みにくい。このため、過給に関する効率が低下しにくくなる。このように、本過給機によれば、リンク室にデポジットが堆積しにくく、かつ、過給に関する効率が低下しにくい。

〔２〕前記過給機の一形態は、次の事項を有している。前記過給機は、前記連通路を形成する壁面が傾斜していることにより、前記第１開口部の通路面積が前記第２開口部の通路面積よりも大きい。

本過給機によれば、連通路に段が存在している場合と比較して、連通路にデポジットが滞留しにくい。このため、連通路にデポジットが堆積しにくい。このため、リンク室からスクロール室にデポジットが排出されやすくなる。

〔３〕前記過給機の一形態は、次の事項を有している。前記過給機は、前記ハウジングに固定され、前記スクロール室と前記リンク室とを互いに隔てる区画板を有し、前記連通路は、前記区画板の周囲面と、前記周囲面に対向する前記ハウジングの対向面との間に形成されている。

本過給機によれば、個別に形成されたハウジングおよび区画板の間の空間が連通路を構成している。このため、例えば、区画板を加工して区画板に連通路を形成する場合と比較して、連通路の形成にかかる手間が小さくなる。

〔４〕前記過給機の一形態は、次の事項を有している。前記区画板は、円盤形状を有し、前記連通路は、円環形状を有している。
スクロール室の通路面積は、スクロール方向における排気の流れの上流側部分から下流側部分に向かうにつれて小さくなる。スクロール室を流れる排気の流速は、スクロール室の通路面積が小さくなるにつれて速くなる。このため、スクロール室の圧力は、スクロール方向における排気の流れの下流側部分に向かうにつれて高くなる。

本過給機の連通路は、円環形状の第１開口部においてスクロール室と連通している。このため、連通路は、スクロール室において相対的に圧力が高い部分および圧力が低い部分のそれぞれと、リンク室とを互いに連通している。このため、リンク室の排気は、スクロール室において相対的に圧力が高い部分に対応するリンク室の部分から、スクロール室において相対的に圧力が低い部分に対応するリンク室の部分に向けて流れる。このため、リンク室のデポジットが排気の流れにより付着部分から剥離しやすくなる。このため、リンク室からスクロール室にデポジットが排出されやすくなる。

〔５〕前記過給機は、前記連通路として高圧側連通路および低圧側連通路を有し、前記高圧側連通路は、前記スクロール室において通路面積が小さい部分である高流速部分と前記リンク室とを互いに連通し、前記低圧側連通路は、前記スクロール室において前記高流速部分よりも通路面積が大きい部分である低流速部分と前記リンク室とを互いに連通している。

スクロール室の高流速部分の圧力は、低流速部分の圧力よりも高い。本過給機は、スクロール室において相対的に圧力が高い部分である高流速部分とリンク室とを高圧側連通路により互いに連通し、スクロール室において相対的に圧力が低い部分である低流速部分とリンク室とを低圧側連通路により互いに連通している。このため、リンク室の排気は、スクロール室における高流速部分に対応するリンク室の部分から、スクロール室における低流速部分に対応するリンク室の部分に向けて流れる。このため、リンク室のデポジットが排気の流れにより付着部分から剥離しやすくなる。このため、リンク室からスクロール室にデポジットが排出されやすくなる。

（ａ）実施形態の過給機の断面図。（ｂ）図１（ａ）のＡ部の拡大図。図１（ａ）のＺ２−Ｚ２線の断面図。実施形態のリンク室の平面図。（ａ）ターボ総合効率および吸気流量の関係を示すグラフ。（ｂ）コンプレッサ効率および吸気流量の関係を示すグラフ。変形例の過給機における図１（ａ）のＺ２−Ｚ２線の断面図。従来の過給機の断面図。

（実施形態）
図１（ａ）を参照して、過給機１の構造について説明する。
過給機１は、内燃機関の吸気管（図示略）および排気管（図示略）と結合している。過給機１は、ハウジング１０、タービン２０、流量制御機構３０、アクチュエータ１１０、タービン室１２０、スクロール室１３０、リンク室１４０、および、連通路２００を有している。

ハウジング１０は、排気入口１１（図２参照）、および、排気出口１２を有している。排気入口１１は、排気系の上流側の排気管（図示略）に接続されている。排気出口１２は、排気系の下流側の排気管（図示略）に接続されている。

タービン室１２０およびスクロール室１３０は、ハウジング１０の内部に形成されている。タービン室１２０およびスクロール室１３０は、互いに連通している。スクロール室１３０は、タービン室１２０の周囲に存在している。タービン２０は、タービン室１２０に配置されている。

流量制御機構３０は、ハウジング１０の内部に配置されている。流量制御機構３０は、支持板４０、区画板５０、複数のノズルベーン６０、および、リンク機構７０を有している。

支持板４０および区画板５０は、ハウジング１０に固定されている。支持板４０および区画板５０は、円環形状を有している。支持板４０および区画板５０は、スクロール室１３０の一部を介して互いに対向している。

リンク室１４０は、区画板５０におけるスクロール室１３０側と反対側の部分、および、ハウジング１０の間に形成されている。リンク室１４０は、ハウジング１０に存在する凹部により形成されている。リンク室１４０は、円環形状を有している。

リンク機構７０は、複数のベーンアーム８０、複数の連結軸９０、および、ユニゾンリング１００を有している。ユニゾンリング１００は、円環形状を有している。ユニゾンリング１００は、リンク室１４０に配置されている。ユニゾンリング１００は、ハウジング１０に対する回転が可能な配置形態を有している。

連結軸９０は、支持板４０の穴および区画板５０の穴に嵌め込まれている。連結軸９０は、支持板４０および区画板５０に対する回転が可能な嵌合形態を有している。連結軸９０は、スクロール室１３０に存在するノズル側部分９１、および、リンク室１４０に存在するアーム側部分９２を有している。

ベーンアーム８０は、リンク室１４０に配置されている。ベーンアーム８０は、連結軸９０のアーム側部分９２に固定されている。図３に示されるとおり、ベーンアーム８０は、リンク室１４０のうちのユニゾンリング１００の内側に配置されている。ベーンアーム８０の先端部分は、ユニゾンリング１００の凹部に嵌め込まれている。

図１（ａ）に示されるとおり、ノズルベーン６０は、スクロール室１３０において支持板４０と区画板５０との間に配置されている。ノズルベーン６０は、ノズル側部分９１に固定されている。図２に示されるとおり、複数のノズルベーン６０は、タービン２０の周囲を取り囲む配置形態を有している。

図１（ａ）に示されるとおり、アクチュエータ１１０は、ハウジング１０の外部に配置されている。アクチュエータ１１０は、ハウジング１０に固定されている。アクチュエータ１１０は、ユニゾンリング１００と接続されている。アクチュエータ１１０は、内燃機関の制御装置（図示略）の指令信号に基づいて、ユニゾンリング１００を回転させるための駆動力を出力する。

図１（ｂ）を参照して、連通路２００の構成について説明する。
連通路２００は、区画板５０の周囲面５１と、この周囲面５１に対向するハウジング１０の壁面（以下、「対向面１３」）との間に存在する空間である。連通路２００は、スクロール室１３０側の開口部（以下、「第１開口部２０１」）、および、リンク室１４０側の開口部（以下、「第２開口部２０２」）を有している。連通路２００は、スクロール室１３０とリンク室１４０とを互いに連通している。

連通路２００は、連通路２００を形成する壁面がタービン２０の中心軸に対して傾斜した傾斜構造を有している。対向面１３がタービン２０の中心軸に対してタービンの２０の径方向に傾斜していることにより、連通路２００の傾斜構造が形成されている。

連通路２００の通路面積は、リンク室１４０側からスクロール室１３０側に向かうにつれて大きくなる。第１開口部２０１の通路面積は、第２開口部２０２の通路面積よりも大きい。第１開口部２０１の通路面積は、連通路２００において最も大きい。第２開口部２０２の通路面積は、リンク室１４０に形成されるデポジットが連通路２００に入り込むことが可能な大きさを有している。第２開口部２０２の通路面積は、連通路２００において最も小さい。第１開口部２０１の通路面積、および、第２開口部２０２の通路面積の関係は、連通路２００の傾斜構造により規定されている。なお、連通路２００の通路面積は、一例として、タービン２０の中心軸に直交する仮想面上における連通路２００の面積として規定することができる。

図２を参照して、スクロール室１３０および連通路２００の関係について説明する。
スクロール室１３０の通路面積は、スクロール方向における排気の流れの上流側部分から下流側部分に向かうにつれて小さくなる。スクロール室１３０を流れる排気の流速は、スクロール室１３０の通路面積が小さくなるにつれて速くなる。このため、スクロール室１３０の圧力は、スクロール方向における排気の流れの下流側に向かうにつれて高くなる。なお、スクロール室１３０の通路面積は、一例として、タービン２０の中心軸と平行し、かつ、タービン２０の中心軸を含む仮想面上におけるスクロール室１３０の面積として規定することができる。

連通路２００は、円環形状の第１開口部２０１においてスクロール室１３０と連通している。このため、連通路２００は、スクロール室１３０において相対的に圧力が高い部分および圧力が低い部分のそれぞれと、リンク室１４０とを互いに連通している。

図１（ａ）および図１（ｂ）を参照して、過給機１の第１の作用について説明する。
制御装置は、内燃機関のセンサの出力に基づいて、アクチュエータ１１０に指令信号を出力する。アクチュエータ１１０は、制御装置の指令信号に基づいて、ユニゾンリング１００を駆動するための駆動力を出力する。ユニゾンリング１００は、アクチュエータ１１０の駆動力に基づいて、ベーンアーム８０および連結軸９０を回転させる。

ベーンアーム８０は、ユニゾンリング１００の動作に基づいて回転したとき、リンク室１４０に堆積しているデポジットを付着部分から掻き落とす。リンク室１４０に堆積しているデポジットは、リンク室１４０を形成するハウジング１０の壁面（付着部分）に付着しているデポジット、および、区画板５０の表面（付着部分）に付着しているデポジットの少なくとも一方を示す。

付着部分から剥離したデポジットは、排気の圧力および重力の一方または両方に基づいて移動し、第２開口部２０２を介して連通路２００に流れ込む。連通路２００の第１開口部２０１の通路面積が第２開口部２０２の通路面積よりも大きいため、連通路２００に存在するデポジットは、第２開口部２０２からスクロール室１３０に排出されやすい。連通路２００に存在するデポジットは、連通路２００からスクロール室１３０に排出された後、スクロール室１３０を流れる排気により燃焼される、または、排気とともに過給機１から排気管に流れる。

図１（ａ）を参照して、過給機１の第２の作用について説明する。
リンク室１４０に堆積しているデポジットは、過給機１の振動に基づいて、付着部分であるハウジング１０の壁面、または、区画板５０の壁面から剥離することがある。付着部分から剥離したデポジットは、重力によりリンク室１４０を移動し、連通路２００に流れ込む。連通路２００に流れ込んだデポジットは、第１の作用におけるデポジットと同様に、スクロール室１３０において燃焼される、または、排気管に排出される。

図２を参照して、過給機１の第３の作用について説明する。
内燃機関から流れ出た排気は、排気入口１１を介してスクロール室１３０に流れ込む。スクロール室１３０の排気は、タービン２０の周方向において隣り合うノズルベーン６０の間を通過してタービン室１２０に流れ込む。タービン室１２０の排気は、タービン２０を通過して排気出口１２に流れ込む。

連通路２００は、スクロール室１３０において相対的に圧力が高い部分および圧力が低い部分のそれぞれと、リンク室１４０とを互いに連通している。このため、スクロール室１３０の排気の一部は、スクロール室１３０において相対的に圧力が高い部分から連通路２００を介してリンク室１４０に流れ込む。

リンク室１４０の排気は、スクロール室１３０において相対的に圧力が高い部分に対応するリンク室１４０の部分から、スクロール室１３０において相対的に圧力が低い部分に対応するリンク室１４０の一部に向けて流れる。リンク室１４０を流れる排気は、連通路２００を通過してスクロール室１３０に流れ込む。

排気は、主として、スクロール室１３０における下流側部分、連通路２００、リンク室１４０、連通路２００、および、タービン２０の径方向においてタービン２０に対して下流側部分と反対側に存在するスクロール室１３０の上流側部分の順に流れる。

図２の破線領域ＸＡは、下流側部分の一例を示している。下流側部分は、スクロール室１３０において相対的に圧力が高い部分の一例に該当する。図２の破線領域ＸＢは、下流側部分と反対側に存在する上流側部分の一例を示している。上流側部分は、スクロール室１３０において相対的に圧力が低い部分の一例に該当する。

リンク室１４０のデポジットは、リンク室１４０における排気の流れにより付着部分から剥離しやすくなる。付着部分から剥離したデポジットは、排気の流れにより連通路２００を介してスクロール室１３０に排出される。スクロール室１３０に排出されたデポジットは、第１の作用におけるデポジットと同様に、スクロール室１３０において燃焼される、または、排気管に排出される。

図４を参照して、過給機１の効率について説明する。
本願発明者は、過給機１のターボ総合効率ηｔおよびコンプレッサ効率ηｃ、ならびに、比較例の過給機のターボ総合効率ηｔおよびコンプレッサ効率ηｃを確認するための試験を実施した。この試験は、連通路２００がターボ総合効率ηｔおよびコンプレッサ効率ηｃに及ぼす影響を確認することを意図している。

比較例の過給機は、次の点を除いて過給機１と実質的に同一の構造を有している。比較例の過給機は、連通路を形成する壁面の全部がタービンの中心軸に対して平行している。比較例の過給機の連通路は、リンク室側の開口部からスクロール室側の開口部までにわたり一定の大きさの通路面積を有している。この通路面積の大きさは、過給機１における第２開口部２０２の大きさと実質的に等しい。

ターボ総合効率ηｔは、タービン効率、コンプレッサ効率ηｃ、および、機械効率を掛け合わせた過給機全体としての効率を示している。タービン効率は、排気の流れに基づくタービンおよびコンプレッサの回転の効率を示している。コンプレッサ効率は、コンプレッサの回転に基づく吸気の圧縮の効率を示している。機械効率は、過給機の機械要素に基づく機械損失を反映した入力および出力の比を示している。

図４（ａ）のグラフの横軸は、吸気流量Ｇを示している。図４（ａ）のグラフの縦軸は、ターボ総合効率ηｔを示している。過給機１における吸気流量Ｇおよびターボ総合効率ηｔの関係は、実線により示される。比較例の過給機における吸気流量Ｇおよびターボ総合効率ηｔの関係は、破線により示される。

グラフに示されるとおり、過給機１のターボ総合効率ηｔ、および、比較例の過給機のターボ総合効率ηｔは、有意な差を有していない。このことは、連通路２００がターボ総合効率ηｔに対して実質的な影響を及ぼすおそれが小さいことを示唆している。

図４（ｂ）のグラフの横軸は、吸気流量Ｇを示している。図４（ｂ）のグラフの縦軸は、コンプレッサ効率ηｃを示している。過給機１における吸気流量Ｇおよびコンプレッサ効率ηｃの関係は、実線により示される。比較例の過給機における吸気流量Ｇおよびコンプレッサ効率ηｃの関係は、破線により示される。

グラフに示されるとおり、過給機１のコンプレッサ効率ηｃ、および、比較例の過給機のコンプレッサ効率ηｃは、有意な差を有していない。このことは、連通路２００がコンプレッサ効率ηｃに対して実質的な影響を及ぼすおそれが小さいことを示唆している。

過給機１は、以下の効果を奏する。
（１）連通路２００の第１開口部２０１の通路面積が連通路２００の第２開口部２０２の通路面積よりも大きい。このため、第１開口部２０１の通路面積が第２開口部２０２の通路面積以下の場合と比較して、リンク室１４０のデポジットが連通路２００を介してスクロール室１３０に排出されやすい。このため、リンク室１４０にデポジットが堆積しにくくなる。また、第２開口部２０２の通路面積が第１開口部２０１の通路面積よりも小さいため、例えば、連通路２００の全体の通路面積が第１開口部２０１の通路面積と同じ場合と比較して、スクロール室１３０の排気がリンク室１４０に流れ込みにくい。このため、過給に関する効率が低下しにくくなる。このように、過給機１によれば、リンク室１４０にデポジットが堆積しにくく、かつ、過給に関する効率が低下しにくい。

（２）連通路２００が傾斜構造を有している。このため、連通路２００に段が存在している場合と比較して、連通路２００にデポジットが滞留しにくい。このため、連通路２００にデポジットが堆積しにくい。このため、リンク室１４０からスクロール室１３０にデポジットが排出されやすくなる。

（３）連通路２００が円環形状を有している。このため、リンク室１４０において高流速部分に対応する部分から低流速部分に対応する部分に向かう排気の流れが形成される。このため、リンク室１４０に堆積しているデポジットが排気の流れにより付着部分から剥離しやすくなる。このため、リンク室１４０のデポジットが連通路２００を介してスクロール室１３０に排出されやすくなる。

（４）過給機１は、周囲面５１と対向面１３との間に連通路２００が形成される構造を有している。このため、例えば、区画板５０を加工して区画板５０に連通路を形成する場合と比較して、連通路の形成にかかる手間が小さくなる。

（その他の実施形態）
本過給機は、上記実施形態とは異なるその他の実施形態を含む。その他の実施形態は、一例として、以下に示される上記実施形態の変形例を含む。なお、以下の各変形例は、技術的に矛盾しない範囲において互いに組み合わせることができる。

・連通路２００の傾斜構造が、対向面１３の傾斜に代えて、または、対向面１３の傾斜に加えて、周囲面５１がタービン２０の中心軸に対してタービン２０の径方向に傾斜していることにより形成される。

・過給機１が、傾斜構造を有する連通路２００に代えて、段付構造を有する連通路を有している。この連通路は、スクロール室１３０側に通路面積が大きい部分を有し、リンク室１４０側に通路面積が小さい部分を有している。連通路の段付構造は、対向面１３および周囲面５１の少なくとも一方が段差を有していることにより形成される。

・過給機１が、連通路２００に代えて、または、連通路２００に加えて、区画板５０に形成された連通路を有している。区画板５０の連通路は、区画板５０を貫通する穴の形態を有している。連通路は、スクロール室１３０とリンク室１４０とを互いに連通する。

・過給機１が、円環形状の連通路２００に代えて、円環形状以外の形状の連通路を有している。過給機１は、一例として、円環形状以外の形状の１つの連通路、または、複数の連通路を有している。図５は、複数の連通路を有する変形例の過給機１の断面構造を示している。この過給機１は、複数の連通路として、高圧側連通路３１０および低圧側連通路３２０を有している。高圧側連通路３１０は、スクロール室１３０において通路面積が小さい部分である高流速部分とリンク室１４０とを互いに連通している。低圧側連通路３２０は、スクロール室１３０において高流速部分よりも通路面積が大きい部分である低流速部分とリンク室１４０とを互いに連通している。この過給機１によれば、実施形態における第３の作用に準じた作用が得られる。

・過給機１が、区画板５０に代えて、ハウジング１０と一体化した区画部を有している。区画部は、スクロール室１３０とリンク室１４０とを互いに隔てる。連通路は、ハウジング１０と区画部の周囲との間、および、区画部の少なくとも一方に形成される。

１…過給機、１０…ハウジング、１３…対向面、５０…区画板、５１…周囲面、６０…ノズルベーン、７０…リンク機構、１３０…スクロール室、１４０…リンク室、２００…連通路、２０１…第１開口部、２０２…第２開口部、３１０…高圧側連通路、３２０…低圧側連通路。

Claims

ノズルベーンと、
前記ノズルベーンと連結されたリンク機構と、
前記ノズルベーンが配置され、スクロール方向における排気の流れの上流側部分から下流側部分に向かうにつれて通路面積が小さくなるスクロール室、および、前記リンク機構が配置されたリンク室を有するハウジングと
を有する過給機であって、
前記過給機は、前記ハウジングに固定され、前記スクロール室と前記リンク室とを互いに隔てる区画板と、前記区画板の周囲面と前記周囲面に対向する前記ハウジングの対向面との間に形成されている連通路を有し、
前記連通路は、前記スクロール室と前記リンク室とを互いに連通し、
前記区画板の周囲面及び前記ハウジングの対向面の少なくとも一方が傾斜していることにより、前記連通路における前記スクロール室側の開口部である第１開口部は、前記連通路における前記リンク室側の開口部である第２開口部よりも通路面積が大きい
過給機。
前記区画板は、円盤形状を有し、
前記連通路は、円環形状を有している
請求項１に記載の過給機。
前記過給機は、前記連通路として高圧側連通路および低圧側連通路を有し、
前記高圧側連通路は、前記スクロール室において通路面積が小さい部分である高流速部分と前記リンク室とを互いに連通し、
前記低圧側連通路は、前記スクロール室において前記高流速部分よりも通路面積が大きい部分である低流速部分と前記リンク室とを互いに連通している
請求項１に記載の過給機。