JP6670924B2 - 過給機および内燃機関 - Google Patents
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Description
本願は、2016年2月29日に米国に出願された米国特許仮出願第62/300926号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
実施形態の過給機は、例えば、内燃機関としてレシプロエンジン(以下、単にエンジンと称する)を駆動源として有した自動車等の車両に搭載されている。この過給機は、エンジンの排気ガスを利用して吸気を圧縮する、いわゆるターボチャージャーである。前記エンジンは、1または複数(例えば4つ)のシリンダーを有する。
図1に示すように、過給機1は、コンプレッサー部2と、タービン部3と、軸受部4と、ウェストゲート機構5(ロータリー弁装置)と、備えている。
コンプレッサー部2は、エアクリーナー(図示せず)から導入された吸気を圧縮して、エンジン6のシリンダー7に送り込む。コンプレッサー部2は、コンプレッサーホイール8と、コンプレッサーハウジング9とを備えている。
コンプレッサーホイール8は、その軸線O1を中心に回転する。コンプレッサーホイール8は、その遠心力により、軸線O1方向から流入する吸気Aを、軸線を中心とした径方向の内側から外側に向かって圧縮しながら流す。コンプレッサーホイール8により圧縮された圧縮空気Bは、軸線O1を中心とする径方向において、コンプレッサーホイール8の外側に向かって排出される。
タービンホイール16は、エンジン6から排出される排気ガスCの熱エネルギーの一部を回収して、その軸線O2回りに回転する。
タービンハウジング17は、タービンホイール収容部19と、排気導入部20と、排気排出部21と、を備えている。
排気導入部20は、エンジン6の排気ガスをタービンホイール収容部19へ導入する排気導入通路(高圧側の通路)20aを形成する。
タービンホイール収容部19は、タービンホイール16の径方向外側で排気導入部20と連通している。
排気排出部21は、コンプレッサーホイール8の回転中心の近くでタービンホイール収容部19に連通する排気排出通路(低圧側の通路)21aを形成する。
回転軸18は、タービンホイール16の回転を、コンプレッサーホイール8に伝達する。回転軸18は、その第一端部18aにタービンホイール16が固定され、その第二端部18bにコンプレッサーホイール8が固定されている。
軸受ハウジングは、回転軸18を外側から覆う。この軸受ハウジングは、回転軸18を回転自在に支持する軸受(図示せず)を有している。この軸受としては、例えば、すべり軸受や、転がり軸受などが例示できる。軸受ハウジングには、上述したコンプレッサーハウジング9およびタービンハウジング17がそれぞれ固定される。
図2〜図4に示すように、排気導入部20は、渦巻き状に形成された第1排気導入部20Aと、渦巻き状に形成された第2排気導入部20Bとを有する。
第1排気導入部20Aは、第1排気導入通路20a1を形成する。第1排気導入部20Aは、例えば、エンジンの4つのシリンダーのうち第1シリンダーおよび第4シリンダー(図示略)からの排気ガスが導入される。
第2排気導入部20Bは、第2排気導入通路20a2を形成する。第2排気導入部20Bは、例えば、エンジンの4つのシリンダーのうち第2シリンダーおよび第3シリンダー(図示略)からの排気ガスが導入される。図2および図3に示すように、第2排気導入部20Bは、第1排気導入部20Aの径方向(タービンホイール16の径方向)の内方側に、第1排気導入部20Aに並んで設けられている。
過給機1は、2つの渦巻き状の排気導入部20A,20Bが径方向に並んで設けられた構造、いわゆる「ダブルスクロール」型の構造を有する過給機である。
第2導入部32は、第2流路32aを形成する。第2導入部32は、第2排気導入部20Bとチャンバー23とに接続されている。第2導入部32は、第2排気導入通路20a2からの排気ガスを、第2流路32aを通してチャンバー23に導くことができる。
ウェストゲート導出部33は、導出流路33aを形成する。ウェストゲート導出部33は、チャンバー23と排気排出部21(図1参照)とに接続されている。ウェストゲート導出部33は、チャンバー23からの排気ガスを、導出流路33aを通して排気排出部21に導くことができる。
第1導入部31、第2導入部32、チャンバー23およびウェストゲート導出部33は、図1に示す排気導入部20と排気排出部21とを、タービンホイール収容部19を経由することなく連通させるバイパス路を形成する。
なお、チャンバーの内周面は、軸線に直交する断面の少なくとも一部が円弧状に形成されていればよい。
第1導入ポート26には第1導入部31が接続されている。これにより、チャンバー23の収容空間25は、第1導入ポート26、第1流路31aを通して、第1排気導入部20Aの第1排気導入通路20a1に連通されている。
第2導入ポート27には第2導入部32が接続されている。これにより、チャンバー23の収容空間25は、第2導入ポート27、第2流路32aを通して、第2排気導入部20Bの第2排気導入通路20a2に連通されている。
導出ポート28には、ウェストゲート導出部33が接続されている。これにより、チャンバー23の収容空間25は、導出ポート28、導出流路33aを通して、排気排出部21の排気排出通路21a(図1参照)に連通されている。
弁本体29は、概略、軸線O4を中心軸とする円柱状である。弁本体29の外径は、チャンバー23の内径より僅かに小さい。弁本体29の側部には、流通凹部35が形成されている。流通凹部35内の空間を主流通空間36という。流通凹部35の底面を主面35aという。主面35aは、軸線O4に沿う平面であり、弁本体29の径方向に対して垂直な面である。主流通空間36は、主面35a側に確保された空間である。
図4に示すように、主面35aを通り、軸線O4に直交する弁本体29の断面は、直線状の主面35aと、円弧状の外周面29aとからなる弓形である。外周面29aは、主面35aに対して反対側の面、すなわち背面である。
ウェストゲートバルブ24は、例えば、アクチュエータ(図示略)の動力により駆動突出部30を駆動させることによって、軸線O4周りに回転させることができる。
図8〜図10に示すように、ウェストゲートバルブ24は、軸線O4周りに回転自在であり、軸線O4周りの回転位置に応じて、第1導入ポート26、第2導入ポート27および導出ポート28のうち1または2以上を開閉可能である。以下、詳しく説明する。
ウェストゲートバルブ24が第1位置P1にあるときには、第1流路31aと第2流路32aとは分離されている。そのため、エンジン6の低回転時におけるタービン部3(図1参照)の出力を高めることができる。
第2位置P2では、導出ポート28は流通凹部35の開放部とは重ならないため、導出ポート28は弁本体29の外周面29aによって閉止される。そのため、主流通空間36は導出流路33aとは連通しない。よって、主流通空間36内の排気ガスは導出流路33aから排出されることはない。
図9に示すように、エンジン6の回転数が高くなり、排気ガスの流量が多くなった場合、ウェストゲートバルブ24を第2位置P2とすることにより、第1流路31aと第2流路32aとを連通させることができる。これにより、ダブルスクロール型(図2および図3参照)を採用するにもかかわらず、エンジン6(図1参照)が高回転のときにタービン部3の効率を高めることができる。
図10に示すように、過給圧力が高くなりすぎてしまった場合には、ウェストゲートバルブ24を第3位置P3とし、排気ガスの一部を導出流路33a、排気排出通路21a(図1参照)を通して系外に排出することができる。これにより、過給圧を調整すると共に、タービン部3の入口圧力を低減することが可能となる。
図11は、第2実施形態に係る過給機101の一部を模式的に示す断面図であり、詳しくは、ウェストゲートバルブ124の軸線に直交する断面を模式的に示す図である。以下、既出の実施形態との共通構成については同じ符号を付してその説明を省略する。
過給機101は、ウェストゲートバルブ124の弁本体129の外周面129aに、切欠き130が形成されている点で、図8等に示す第1実施形態の過給機1と異なる。
図11に示すように、ウェストゲートバルブ124が第1位置P4にあるときには、流通凹部35の開放部が第1導入ポート26と重なることにより、第1導入ポート26は開放される。第2導入ポート27および導出ポート28は弁本体29の外周面29aによって閉止される。そのため、エンジン6の低回転時におけるタービン部3(図1参照)の出力を高めることができる。
第2位置P5では、流通凹部35の開放部は第2導入ポート27とは重ならず、かつ切欠き130の開放部は第1導入ポート26とは重ならないため、第1導入ポート26と、第2導入ポート27とは連通していない。
これに加え、第2位置P5では、第1導入ポート26と第2導入ポート27とが連通しない状態で、第1流路31aおよび第2流路32aからの排気ガスを導出流路33aに導くことができる。これにより、導出流路33aに導かれる排気ガスの量を多くすることができるため、下流側にある触媒(図示略)を効率よく加温し、前記触媒の活性化を促すことができる。
第3位置P6では、導出ポート28は弁本体29の外周面29aによって閉止される。そのため、主流通空間36は導出流路33aとは連通しない。よって、主流通空間36内の排気ガスは導出流路33aから排出されることはない。
第3位置P6では、第1流路31aと第2流路32aとが連通されているため、エンジン6の高回転時におけるタービン部3の出力を高めることができる。
図15は、第3実施形態に係る過給機201の一部を模式的に示す断面図であり、詳しくは、ウェストゲートバルブ124の軸線に直交する断面を模式的に示す図である。以下、既出の実施形態との共通構成については同じ符号を付してその説明を省略する。
過給機201は、ウェストゲート導出部33に代えて、2つのウェストゲート導出部133A,133B、すなわち第1ウェストゲート導出部133Aおよび第2ウェストゲート導出部133Bを有する点で、図11等に示す第2実施形態の過給機101と異なる。第1ウェストゲート導出部133Aは、導出ポート28の一部(第1導出ポート28A)に接続される。第2ウェストゲート導出部133Bは、導出ポート28の他部(第2導出ポート28B)に接続される。第1ウェストゲート導出部133Aは、第1導出流路133Aaを形成する。第2ウェストゲート導出部133Bは、第2導出流路133Baを形成する。第1導出流路133Aaと第2導出流路133Baとは互いに独立している。
図15に示すように、ウェストゲートバルブ124が第1位置P8にあるときには、第1導入ポート26は流通凹部35により開放される。第2導入ポート27および導出ポート28は弁本体29の外周面29aによって閉止される。
第2位置P9においては、第1導入ポート26と第2導入ポート27とが連通しない状態で、第1流路31aおよび第2流路32aからの排気ガスを、それぞれ導出流路133Aa,133Baに導くことができる。導出流路133Aa,133Baは互いに独立しているため、2つの導出流路133Aa,133Ba間の漏れ流れを防ぎ、排気ガスの排出量を増やすことができる。よって、排気ガスによって下流側の触媒(図示略)をさらに効率よく加温し、前記触媒の活性化を促すことができる。
第3位置P10では、導出ポート28は弁本体29の外周面29aによって閉止される。
第3位置P10では、第1流路31aと第2流路32aとは連通されているため、エンジン6の高回転時におけるタービン部3の出力を高めることができる。
図19に示すように、過給機201は、第1ウェストゲート導出部133Aおよび第2ウェストゲート導出部133Bを有する。第1ウェストゲート導出部133Aは、導出ポート28の一部(第1導出ポート28A)に接続される。第2ウェストゲート導出部133Bは、導出ポート28の他部(第2導出ポート28B)に接続される。
この図では、ウェストゲートバルブ124は第1位置P8にある(図15参照)。第1導入ポート26は流通凹部35により開放される。第2導入ポート27および導出ポート28は弁本体29の外周面29aによって閉止される。
図21および図22に示すように、ウェストゲートバルブ24Aは、弁本体29Aの主面35aに、ガイド凸部37が形成されている点で、図7および図8に示すウェストゲートバルブ24と異なる。
図22に示すように、ガイド凸部37は、主面35aから突出して形成されている。ガイド凸部37は、軸線O4方向にわたって一定の突出高さとされている。
図21に示すように、ガイド凸部37の、軸線O4に直交する断面は、頂点37aから、主面35aの両側縁35a1,35a2に向かって徐々に高さを減じる形状である。ガイド凸部37の頂点37aを含む稜線37bから、主面35aの一方の側縁35a1に至る面をガイド面38という。ガイド面38は、軸線O4に直交する断面が湾曲凹状となる面である。ガイド面38の断面形状は、例えば円弧状、楕円弧状などである。
図23に示すように、ウェストゲートバルブ24Bは、弁本体29Bにガイド凸部37Bが形成されている。ウェストゲートバルブ24Bは、ガイド凸部37Bが、軸線O4に沿う一方向に徐々に突出高さを減じる点で、図22に示すウェストゲートバルブ24Aと異なる。
ウェストゲートバルブ24Bは、ガイド凸部37Bの形状に応じて、排気ガスの流れを整える効果を調整することができる。
図27に示すように、軸線O4に直交する調整凸部40の断面は、円弧状の外周面40aと、湾曲凹状の内面40bとを有する形状である。外周面40aは、軸線O4を中心軸とする円柱面であって、弁本体29Cの外周面29Caから連続して形成されている。内面40bは、主面35aの一方の側縁35a1から他方の側縁に向かって徐々に高さを増す形状である。内面40bは、軸線O4に直交する断面が湾曲凹状となる面である。内面40bの断面形状は、例えば円弧状、楕円弧状などである。
図25に示すように、ウェストゲートバルブ24Cの弁本体29Cのうち、調整凸部40が形成された部分を第1部分29C1といい、調整凸部40が形成されていない部分を第2部分29C2という。
ウェストゲートバルブ24Cは、調整凸部40の外周面40aが第2導入ポート27の一部を覆う位置に配置すれば、第2導入ポート27からチャンバー23(主流通空間36)へのガスの流入量を調整することができる。
なお、調整凸部は、第1導入ポートと第2導入ポートの両方について一部を覆うことができるように形成することもできる。この構成によれば、第1導入ポートおよび第2導入ポートからチャンバーへのガスの流入量を調整することができる。
図28は、第4実施形態に係る過給機301の一部の概略構成を示す斜視図である。
過給機301の排気導入部320は、渦巻き状に形成された第1排気導入部320Aと、渦巻き状に形成された第2排気導入部320Bとを有する。第1排気導入部320Aと第2排気導入部320Bとは、軸方向(タービンホイール16の軸方向)に並んで設けられている。
過給機301は、2つの渦巻き状の排気導入部320A,320Bが軸方向に並んで設けられた構造、いわゆる「ツインスクロール」型の構造を有する過給機である。
過給機301は、過給機1(図2参照)と同様に、ウェストゲート機構5(図1参照)を設けることができる。ウェストゲート機構5は、例えば、第1導入部31(図4参照)が第1排気導入部320Aに接続され、第2導入部32(図4参照)が第2排気導入部320Bに接続される。
図29に示すように、内燃機関400は、エンジン406と、第1導入部431と、第2導入部432と、チャンバー23と、バルブ24(弁部材)と、ウェストゲート導出部433と、過給機401とを備えている。
第1導入部431は第1流路431aを形成する。第1導入部431には、第1導入管路441および第4導入管路444が接続されている。第1導入管路441には、エンジン406の4つのシリンダーのうち第1シリンダー(図示略)が接続されており、第4導入管路444には第4シリンダー(図示略)が接続されている。
第2導入部432は第2流路432aを形成する。第2導入部432には、第2導入管路442および第3導入管路443が接続されている。第2導入管路442には、エンジン406の4つのシリンダーのうち第2シリンダー(図示略)が接続されており、第3導入管路443には第3シリンダー(図示略)が接続されている。
ウェストゲート導出部433は、導出流路433aを形成する。
内燃機関400は、エンジン406から第1流路431aおよび第2流路432aを通して導かれた排気ガスを、チャンバー23、導出流路433aを通して系外に排出することができる。
例えば、図4等に示す過給機1は、2つの導入部(第1導入部31および第2導入部32)を有するが、実施形態の過給機では、導入部の数は2以上の任意の数であればよい。
図12に示す過給機101では、第1導入ポート26が主流通空間36を介して導出ポート28と連通可能であり、第2導入ポート27が副流通空間131を介して導出ポート28と連通可能である。実施形態の過給機は、逆に、第1導入ポートが副流通空間131を介して導出ポートと連通可能であり、第2導入ポートが主流通空間を介して導出ポートと連通可能であってもよい。
前記弁部材は、第1導入ポートを開閉可能に構成することができる。
前記弁部材は、第1導入ポート、第2導入ポートおよび導出ポートのうち任意の2以上のポートを主流通空間を通して連通可能とすることができる。例えば、3つのポート(第1導入ポート、第2導入ポートおよび導出ポート)のうち第1導入ポートと導出ポートとを連通可能としてもよいし、第2導入ポートと導出ポートとを連通可能としてもよい。
16 タービンホイール(タービン)
20a1 第1排気導入通路
20a2 第2排気導入通路
23 チャンバー
23a 内周面
24,24A〜24C ウェストゲートバルブ(弁部材)
26 第1導入ポート
27 第2導入ポート
28 導出ポート
28A 第1導出ポート
28B 第2導出ポート
29a,129a 外周面
31 第1導入部
31a 第1流路
32 第2導入部
32a 第2流路
33 ウェストゲート導出部(導出部)
33a 導出流路
35a 主面
36 主流通空間
130 切欠き
131 副流通空間
133A 第1ウェストゲート導出部(導出部)
133Aa 第1導出流路
133B 第2ウェストゲート導出部(導出部)
133Ba 第2導出流路
400 内燃機関
Claims (6)
- 排気ガスにより駆動されるタービンに通じる第1排気導入通路から前記排気ガスを導く第1流路を有する第1導入部と、
前記タービンに通じる第2排気導入通路から前記排気ガスを導く第2流路を有する第2導入部と、
前記第1流路および前記第2流路を通して前記排気ガスが導入されるチャンバーと、
前記チャンバー内の排気ガスを系外に導く1または複数の導出流路を有する導出部と、
前記チャンバーに収容された弁部材と、を備え、
前記チャンバーは、前記第1流路に通じる第1導入ポートと、前記第2流路に通じる第2導入ポートと、前記導出流路に通じる1または複数の導出ポートと、を有し、
前記チャンバー内の、前記弁部材の主面側にガスが流通可能な主流通空間が確保され、 前記弁部材は、軸線を中心に回転自在であって、前記軸線周りの回転位置に応じて前記第1導入ポート、前記第2導入ポートおよび前記導出ポートを開閉可能であり、前記第1導入ポート、前記第2導入ポートおよび前記導出ポートのうち開放した2以上のポートを、前記主流通空間を通じて連通可能であり、
前記チャンバーは、前記軸線を中心軸とする円筒面である内周面を有し、
前記弁部材は、前記主面とは反対側の背面として、前記軸線を中心軸とする円柱面である外周面を有し、
前記弁部材の外周面には、ガスが流通可能な副流通空間を形成する切欠きが形成され、
前記弁部材は、前記第1導入ポートと前記第2導入ポートのうちいずれか一方と前記導出ポートとを前記主流通空間を通じて連通させるとともに、前記第1導入ポートと前記第2導入ポートのうち他方と前記導出ポートとを前記副流通空間を通じて連通させることができ、
前記弁部材の主面に、前記第1導入ポートと前記第2導入ポートのうち少なくともいずれか一方の、前記軸線方向の一部を覆うことによって、そのポートからのガスの流量を調整する調整凸部が形成されている、過給機。 - 前記弁部材は、前記第1導入ポートと前記第2導入ポートとを、前記主流通空間を通じて連通可能である、請求項1に記載の過給機。
- 前記弁部材は、前記第1導入ポートおよび前記第2導入ポートと、前記導出ポートとを前記主流通空間を通じて連通可能である、請求項1または2に記載の過給機。
- 前記複数の導出ポートは、第1導出ポートおよび第2導出ポートを含み、
前記弁部材は、前記第1導入ポートと前記第2導入ポートのうちいずれか一方と前記第1導出ポートとを前記主流通空間を通じて連通させるとともに、前記第1導入ポートと前記第2導入ポートのうち他方と前記第2導出ポートとを前記副流通空間を通じて連通可能である、請求項1〜3のうちいずれか1項に記載の過給機。 - 前記弁部材の主面に、前記第1導入ポートと前記第2導入ポートのうち少なくともいずれか一方から前記導出ポートに流れるガスの流れ抵抗を調整するガイド凸部が形成されている、請求項1〜4のうちいずれか1項に記載の過給機。
- 排気ガスを導く第1流路を有する第1導入部と、
排気ガスを導く第2流路を有する第2導入部と、
前記第1流路および前記第2流路を通して前記排気ガスが導入されるチャンバーと、
前記チャンバー内の排気ガスを系外に導く1または複数の導出流路を有する導出部と、
前記チャンバーに収容された弁部材と、を備え、
前記チャンバーは、前記第1流路に通じる第1導入ポートと、前記第2流路に通じる第2導入ポートと、前記導出流路に通じる1または複数の導出ポートと、を有し、
前記チャンバー内の、前記弁部材の主面側にガスが流通可能な主流通空間が確保され、 前記弁部材は、軸線を中心に回転自在であって、前記軸線周りの回転位置に応じて前記第1導入ポート、前記第2導入ポートおよび前記導出ポートを開閉可能であり、前記第1導入ポート、前記第2導入ポートおよび前記導出ポートのうち開放した2以上のポートを、前記主流通空間を通じて連通可能であり、
前記チャンバーは、前記軸線を中心軸とする円筒面である内周面を有し、
前記弁部材は、前記主面とは反対側の背面として、前記軸線を中心軸とする円柱面である外周面を有し、
前記弁部材の外周面には、ガスが流通可能な副流通空間を形成する切欠きが形成され、
前記弁部材は、前記第1導入ポートと前記第2導入ポートのうちいずれか一方と前記導出ポートとを前記主流通空間を通じて連通させるとともに、前記第1導入ポートと前記第2導入ポートのうち他方と前記導出ポートとを前記副流通空間を通じて連通させることができ、
前記弁部材の主面に、前記第1導入ポートと前記第2導入ポートのうち少なくともいずれか一方の、前記軸線方向の一部を覆うことによって、そのポートからのガスの流量を調整する調整凸部が形成されている、内燃機関。
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