JP6780714B2

JP6780714B2 - 過給機

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Publication number: JP6780714B2
Application number: JP2018568636A
Authority: JP
Inventors: 森田　功; 功森田; 渉佐藤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2017-02-16
Filing date: 2018-02-16
Publication date: 2020-11-04
Anticipated expiration: 2038-02-16
Also published as: US10920659B2; CN109996943B; DE112018000881T5; CN109996943A; JPWO2018151267A1; WO2018151267A1; US20200040812A1

Description

本開示は、過給機に関する。本出願は、２０１７年２月１６日に提出された日本特許出願第２０１７−０２６８７６号に基づいている。本出願は、当該出願に対して優先権の利益を主張する。日本特許出願に記載された内容は、参照されることによって本出願に適用される。

この分野の技術として、バイパス流路を備えたターボチャージャが知られている（特許文献１〜５）。特許文献１は、ウェイストゲートバルブと排ガスパイプ通路とを備えたターボチャージャを開示する。このターボチャージャは、バルブ弁体の振動発生を抑制すると共にバルブ弁体とタービンハウジングとの間のガス漏れ発生を抑制する。その結果、特許文献１のターボチャージャは、耐久性及び信頼性の向上を図る。特許文献２は、ツインノズル式のタービン装置を開示する。このタービン装置は、排気ガスをタービンホイールに導くノズルにおける流量に注目する。その結果、特許文献２のタービン装置は、広帯域でタービンの高効率化を図る。特許文献３は、ツインスクロール型の過給機に適用される排気装置を開示する。この排気装置はバイパス流路を備える。排気装置は、バイパス流路の出口形状に注目する。その結果、排気装置は、バイパス流路から排気ガスをスムーズに排出することを図る。特許文献４は、ツインスクロールタービンハウジングを有するターボチャージャを開示する。このターボチャージャは、ゲートバルブに作用する排気圧脈動を均一化する。その結果、ターボチャージャは、性能及び耐久性の向上を図る。特許文献５は、ターボチャージャがディーゼルエンジンに用いられる場合におけるウェイストゲートの組立部品の材料構成に関する技術を開示する。このターボチャージャは、組立部品の強度と安定性を高める。

特開２００８−１０１５８９号公報特開２００８−２３１９９３号公報特開２０１３−２３０２号公報特開２００６−３４８８９４号公報米国特許出願公開第２０１１／０１７５０２５号明細書

ウェイストゲートバルブ機構を有するツインスクロール型の過給機に関する分野では、さらなる過給機の効率向上が望まれている。しかし、タービン内において発生し得る種々の損失により効率が低下する。そこで、本開示は、効率低下を抑制するウェイストゲート機構を有する過給機を説明する。

本開示の一形態は、過給機である。過給機は、所定の軸線を回転軸線として回転するタービン翼車と、タービン翼車を囲むように形成されてタービン翼車に作動流体を供給するスクロール部及びタービン翼車を通過した作動流体を排出する排出部を有するハウジングと、一端がスクロール部に接続されると共に他端が排出部に接続されて、スクロール部から排出部に作動流体を導くバイパス流路部と、バイパス流路部に設けられて、スクロール部から排出部への作動流体の流入を制御するバルブ部と、を備える。スクロール部は、第１スクロール及び第２スクロールを有する。第１スクロールは、第２スクロールよりも流路の断面積が大きい。バルブ部は、第１バルブ及び第２バルブを有する。第１バルブは、第１スクロールからバイパス流路部への作動流体の流入を制御する。第２バルブは、第２スクロールからバイパス流路部への作動流体の流入を制御する。第１バルブの動作は、第２バルブの動作に対して独立する。

本開示の過給機は、効率低下を抑制し得る。

図１は、本開示に係る過給機を備えたシステムの概略図である。図２は、図１に開示された過給機が備えるタービンを拡大して示す断面図である。図３の（ａ）部はウェイストゲート機構の第１状態を示す断面図である。図３の（ｂ）部はウェイストゲート機構の第２状態を示す断面図である。図３の（ｃ）部はウェイストゲート機構の第３状態を示す断面図である。図４は制御部の動作を示すフロー図である。図５は、比較例に係る過給機の特性を示すコンター図である。図６は、比較例に係る過給機の特性を示す別のコンター図である。

本開示の一形態は、過給機である。過給機は、所定の軸線を回転軸線として回転するタービン翼車と、タービン翼車を囲むように形成されてタービン翼車に作動流体を供給するスクロール部及びタービン翼車を通過した作動流体を排出する排出部を有するハウジングと、一端がスクロール部に接続されると共に他端が排出部に接続されて、スクロール部から排出部に作動流体を導くバイパス流路部と、バイパス流路部に設けられて、スクロール部から排出部への作動流体の流入を制御するバルブ部と、を備える。スクロール部は、第１スクロール及び第２スクロールを有する。第１スクロールは、第２スクロールよりも流路の断面積が大きい。バルブ部は、第１バルブ及び第２バルブを有する。第１バルブは、第１スクロールからバイパス流路部への作動流体の流入を制御する。第２バルブは、第２スクロールからバイパス流路部への作動流体の流入を制御する。第１バルブの動作は、第２バルブの動作に対して独立している。

過給機は、内燃機関から提供された作動流体をハウジングのスクロール部を介してタービン翼車に導く。そして、作動流体は、ハウジングの排出部から外部へ排出される。ここで、第１スクロールは、第２スクロールよりも流路の断面積が大きい。その結果、第１スクロールを流れる作動流体の状態と、第２スクロールを流れる作動流体の状態と、を意図的に異ならせることができる。そして、それぞれのスクロールを流れる作動流体の状態に応じて、作動流体の一部をタービン翼車を介することなくスクロール部から排出部へバイパス流路部を介して導く。ここで、バイパス流路部への作動流体の流入は、第１バルブと第２バルブとによって制御される。この第１バルブと第２バルブは、一方の動作が他方の動作に対して独立している。すなわち、第１バルブを閉じた状態として第２バルブを開くことが可能である。これにより、所望の作動流体の状態が得られるように、それぞれのスクロールごとに独立したバルブ制御を行ことが可能になる。従って、過給機の効率低下を抑制することができる。

いくつかの態様において、バルブ部は、第１バルブ及び第２バルブを閉鎖することにより、第１スクロール及び第２スクロールからバイパス流路部への作動流体の流入を停止させる第１状態と、第１バルブを閉鎖し第２バルブを開放することにより、第１スクロールからバイパス流路部への作動流体の流入を停止させ、且つ、第２スクロールからバイパス流路部へ作動流体を流入させる第２状態と、を有する。バルブ部は、制御変数が第１閾値以下であるときに第１状態とし、制御変数が第１閾値より大きいときに第２状態としてよい。この構成によれば、過給機及び過給機が適用される内燃機関の状態を示す圧力及び流量といった制御変数を利用してバルブ部の制御を行う。従って、それぞれのスクロールに応じたバルブ制御を行うことが可能になる。その結果、過給機は、効率低下を適切に抑制することができる。

いくつかの態様において、バルブ部は、第１バルブ及び第２バルブを開放することにより、第１スクロール及び第２スクロールからバイパス流路部へ作動流体を流入させる第３状態をさらに有する。バルブ部は、制御変数が第１閾値よりも大きい第２閾値より大きいときに第３状態としてよい。この構成によれば、それぞれのスクロールに応じたバルブ制御を行うことが可能になる。従って、過給機の効率低下をさらに適切に抑制することができる。

いくつかの態様において、第２スクロールは、軸線の方向において第１スクロールよりも排出部の側に配置されてもよい。この構成によれば、小型の過給機においてそれぞれのスクロールに応じたバルブ制御を行うことができる。

また、本開示の一形態である過給機は、ハブ側スクロールと、ハブ側スクロールと隔離壁部によって隔てられ、ハブ側スクロールと断面積の異なるシュラウド側スクロールと、ハブ側スクロールに連通したハブ側バイパス孔及びハブ側バイパス孔に配置されたハブ側バルブ、シュラウド側スクロールに連通したシュラウド側バイパス孔及びシュラウド側バイパス孔に配置されたシュラウド側バルブ、を含むウェイストゲート機構と、有する。ハブ側バルブ及びシュラウド側バルブは独立に制御される。

いくつかの形態において、ハブ側スクロールとシュラウド側スクロールの一方を流れる作動流体の制御変数が第１閾値より大きい場合、ハブ側バルブ及びシュラウド側バルブの対応する一方が開放され、他方は閉鎖されてもよい。また、いくつかの態様において、ハブ側スクロールとシュラウド側スクロールの他方を流れる作動流体の制御変数が第１閾値より大きい第２閾値より大きい場合、ハブ側バルブ及びシュラウド側バルブの他方が開放されてもよい。

以下、添付図面を参照しながら本開示に係る過給機を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示すように、過給機１は、例えば車両の内燃機関１００に用いられる。例えば、過給機１は、小型の内燃機関１００に用いられる。過給機１は、タービン２とコンプレッサ３と連結部４とを有する。

タービン２は、タービンハウジング６とタービン翼車７とを有する。タービンハウジング６は、内側の周縁部において周方向に延びるスクロール部８を有する。また、タービン２は、スクロール部８によって作動流体Ｇ１をタービン翼車７に導く。タービン翼車７は、タービンハウジング６に対して回転可能に設けられる。また、タービン翼車７は、作動流体Ｇ１が有するエネルギを回転エネルギに変換する。タービン翼車７は、シャフト９の一端に設けられる。シャフト９の他端にはコンプレッサ翼車１１が設けられる。シャフト９は、ベアリング１２によって回転可能に支持される。ベアリング１２は、ベアリングハウジング１４に配置される。ベアリングハウジング１４は、タービン翼車７とコンプレッサ翼車１１との間に設けられる。ベアリングハウジング１４は、連結部４を構成する。連結部４は、タービンハウジング６とコンプレッサハウジング１３との間に設けられる。

過給機１は、内燃機関１００から排気された作動流体Ｇ１を受け入れる。そして、過給機１は、タービンハウジング６を介して作動流体Ｇ１をタービン翼車７に供給する。タービン翼車７は、作動流体Ｇ１の有するエネルギをシャフト９の回転エネルギに変換する。シャフト９が回転するとコンプレッサ翼車１１が回転する。コンプレッサ翼車１１は、当該回転エネルギを利用して流体Ｇ２（例えば空気）を圧縮する。その結果、コンプレッサ翼車１１は、圧縮流体Ｇ３を生成する。圧縮流体Ｇ３は内燃機関１００へ提供される。

以下、タービン２の構成についてさらに詳細に説明する。

タービン２は、ベアリングハウジング１４を挟んでコンプレッサ３に対面する。図２に示すように、タービン２は、タービンハウジング６とタービン翼車７とを有する。タービンハウジング６は、タービン２の基体をなす。タービンハウジング６は、タービン翼車７を収容する。

タービンハウジング６は、ハウジング端面１６と、排出口１８（排出部）と、作動流体Ｇ１をタービン翼車７に導くスクロール部８と、タービン翼車７に対面するシュラウド１７と、ウェイストゲート機構４１と、を有する。

ハウジング端面１６は、コンプレッサ３に対面する。また、ハウジング端面１６は、回転軸線ＡＸにおいて作動流体Ｇ１を排出する排出口１８とは逆側の面である。ハウジング端面１６は、基準面Ｋ１に近接する。

スクロール部８は、回転軸線ＡＸを囲むように形成された流路である。スクロール部８は、ハウジング端面１６と、ハウジング側面２１と、シュラウド１７と、に囲まれる。従って、スクロール部８は、ハウジング端面１６の位置を越えて、コンプレッサ３側に形成されない。すなわち、スクロール部８は、基準面Ｋ１に対して大幅にコンプレッサ３の側へ突出しない。このような構成によれば、タービンハウジング６とベアリングハウジング１４との締結にＧカップリング（不図示）を用いることが可能になる。

スクロール部８は、ハブ側スクロール２２（第１スクロール）と、シュラウド側スクロール２３（第２スクロール）と、を有する。ハブ側スクロール２２は、基準面Ｋ１に近い側に設けられる。シュラウド側スクロール２３は、ハブ側スクロール２２よりも基準面Ｋ１から遠い側に設けられる。ハブ側スクロール２２とシュラウド側スクロール２３とは、隔離壁部２４によって互いに隔てられる。この隔離壁部２４は、基準面Ｋ１に対して斜め方向に延びる。具体的には、隔離壁部２４が延びる方向と基準面Ｋ１とのなす角Ｃ１は、３０度以上５０度以下である。

上述したように、スクロール部８は、基準面Ｋ１よりもコンプレッサ３の側に形成されない。スクロール部８に２個の流路を形成するとき、それぞれの流路の構成を同一にすることは困難である。例えば、ハブ側スクロール２２の図心Ｓ１から回転軸線ＡＸまでの距離を、距離Ｒ１とする。さらに、シュラウド側スクロール２３の図心Ｓ２から回転軸線ＡＸまでの距離を距離Ｒ２とする。そうすると、距離Ｒ１は距離Ｒ２とは異なる。また、ハブ側スクロール２２の断面積は、シュラウド側スクロール２３の断面積と同一ではない。ハブ側スクロール２２の断面積は、シュラウド側スクロール２３の断面積と意図的に異ならせている。そして、ハブ側スクロール２２の断面積とシュラウド側スクロール２３の断面積とを互いに異ならせるにあたって、Ａ／Ｒ値によれば、ハブ側スクロール２２の断面積をシュラウド側スクロール２３の断面積より大きくする方が望ましい。Ａ／Ｒ値は、過給機１の特性を示す変数である。断面積Ａは、スクロールにおける巻始め位置における断面積である。距離Ｒは、回転軸線ＡＸから巻始め位置における断面の図心Ｓまでの距離である。

シュラウド１７は、タービン翼車７に対面する。従って、シュラウド１７、互いに隣り合う一対の羽根２９、及び、ハブ２５は、一つの流路を形成する。シュラウド１７とタービン翼車７との間には、僅かな隙間が設けられる。その結果、タービン翼車７は、シュラウド１７に対して回転軸線ＡＸのまわりに回転する。

流量可変バルブ機構であるウェイストゲート機構４１は、タービン翼車７を迂回するように作動流体Ｇ１の一部を排出口１８へ導く。すなわち、ウェイストゲート機構４１は、タービン翼車７へ流入する作動流体Ｇ１の流量を調整する。ウェイストゲート機構４１は、バイパス流路部４２とバルブ部４３とを有する。

バイパス流路部４２は、作動流体Ｇ１を直接に排出口１８へ導く流路である。作動流体Ｇ１は、ハブ側スクロール２２及びシュラウド側スクロール２３を流れる。バイパス流路部４２の一端は、ハブ側スクロール２２及びシュラウド側スクロール２３に挿通する。バイパス流路部４２の他端は、排出口１８に挿通する。バイパス流路部４２は、ハブ側バイパス孔４２ａと、シュラウド側バイパス孔４２ｂと、主バイパス流路４２ｃと、を有する。ハブ側バイパス孔４２ａの一端は、ハブ側スクロール２２に接続される。ハブ側バイパス孔４２ａの他端は、主バイパス流路４２ｃに接続される。シュラウド側バイパス孔４２ｂの一端は、シュラウド側スクロール２３に接続される。シュラウド側バイパス孔４２ｂの他端は、主バイパス流路４２ｃに接続される。主バイパス流路４２ｃは、排出口１８に接続される。

バルブ部４３は、ハブ側バルブ４３ａ（第１バルブ）とシュラウド側バルブ４３ｂ（第２バルブ）とを有する。これらのバルブは、ステムの一端に取り付けられている。ステムは、タービンハウジング６の外壁に対して回転可能に支持される。ステムの基端には、例えばリンク部材及び作動ロッドを備えた動力伝達機構が接続される。この動力伝達機構は、駆動源であるアクチュエータによる駆動力をステムに伝達する。駆動力を受けたステムは、バルブの開閉動作を行う。ハブ側バルブ４３ａは、ハブ側スクロール２２と連通するハブ側バイパス孔４２ａの開口上に配置される。ハブ側バルブ４３ａは、ハブ側バイパス孔４２ａを閉鎖する形態と、ハブ側バイパス孔４２ａを開放する形態と、をとり得る。シュラウド側バルブ４３ｂは、シュラウド側スクロール２３と連通するシュラウド側バイパス孔４２ｂの開口上に配置される。シュラウド側バルブ４３ｂは、シュラウド側バイパス孔４２ｂを閉鎖する形態と、シュラウド側バイパス孔４２ｂを開放する形態と、をとり得る。

ハブ側バルブ４３ａ及びシュラウド側バルブ４３ｂは、互いに独立した構成を有する。ここでいう独立した構成とは、孔の開閉動作が個別に行えることをいう。従って、ハブ側バルブ４３ａ及びシュラウド側バルブ４３ｂは、独立に制御される。従って、バルブ部４３は、図３の（ａ）部、図３の（ｂ）部及び図３の（ｃ）部に示される少なくとも３個の形態をとり得る。まず、第１形態では、ハブ側バルブ４３ａがハブ側バイパス孔４２ａを閉鎖すると共にシュラウド側バルブ４３ｂがシュラウド側バイパス孔４２ｂを閉鎖する（図３の（ａ）部参照）。第２形態では、ハブ側バルブ４３ａがハブ側バイパス孔４２ａを閉鎖すると共にシュラウド側バルブ４３ｂがシュラウド側バイパス孔４２ｂを開放する（図３の（ｂ）部参照）。そして、第３形態では、ハブ側バルブ４３ａがハブ側バイパス孔４２ａを開放すると共にシュラウド側バルブ４３ｂがシュラウド側バイパス孔４２ｂを開放する（図３の（ｃ）部参照）。

バルブ部４３の動作は、制御部５０（図１参照）から提供される制御信号に基づく。制御部５０は、内燃機関１００に設置された各種センサ又は過給機１に設置された各種センサから圧力及び流量といった制御用データ（制御変数）を得る。そして、制御部５０は、当該制御用データと予め設定された閾値とを用いてバルブ部４３の動作を決定する。例えば、制御部５０は、コンプレッサ３の出口圧力を制御用データとして用いてもよい。なお、制御用データはコンプレッサ３の出口圧力に限定されず、別のデータを用いてもよい。そして、制御部５０は、当該出口圧力に関連する第１閾値と第２閾値とを有する。第２閾値は第１閾値よりも大きい。

なお、制御部５０は、内燃機関１００の構成要素であってもよい。また、制御部５０は、過給機１の構成要素であってもよい。例えば、制御部５０が過給機１の構成要素である場合、過給機１は、内燃機関１００から制御用データを受け取った後にバルブ部４３の形態を選択する。そして、過給機１は、制御信号を出力する。例えば、制御部５０が内燃機関１００の構成要素である場合、過給機１は、バルブ部４３の形態を示す制御信号を受け取った後に、当該制御信号に応じてバルブ部４３の形態を変更する。

図４に示すように、まず、制御部５０は、制御用データを取得する（工程Ｓ１）。次に、制御部５０は、制御用データが第１閾値より小さいか否かを判断する（工程Ｓ２）。制御用データが第１閾値より小さい場合（工程Ｓ２：ＹＥＳ）、制御部５０は、バルブ部４３を第１形態（図３の（ａ）部参照）にする制御信号をバルブ部４３に出力する（工程Ｓ３）。つまり、バルブ部４３は、ハブ側バイパス孔４２ａ及びシュラウド側バイパス孔４２ｂの両方を塞ぐ。そして、制御部５０は、再び制御用データを取得する（工程Ｓ１）。一方、制御用データが第１閾値より大きい場合（工程Ｓ２：ＮＯ）、制御部５０は、ハブ側バルブ４３ａ及びシュラウド側バルブ４３ｂの対応する一方を開放する制御信号をバルブ部４３に出力する。ここで、「対応」とは制御変数とバルブとの関係を意味する。具体的には、２個のバルブのうち、断面積が小さい方のスクロールに設けられたバルブをいう。従って、「対応する一方」とは、断面積の小さいシュラウド側スクロール２３に設けられたシュラウド側バルブ４３ｂを意味する。要するに、制御用データが第１閾値より大きい場合（工程Ｓ２：ＮＯ）、制御部５０は、バルブ部４３を第２形態（図３の（ｂ）部参照）にする制御信号をバルブ部４３に出力する（工程Ｓ４）。つまり、バルブ部４３は、ハブ側バイパス孔４２ａを閉鎖するが、シュラウド側バイパス孔４２ｂを開放する。

次に、制御部５０は、制御用データが第２閾値より小さいか否かを判断する（工程Ｓ５）。制御用データが第２閾値より小さい場合（工程Ｓ５：ＹＥＳ）、制御部５０は、再び制御用データを取得する（工程Ｓ１）。一方、制御用データが第２閾値より大きい場合（工程Ｓ５：ＮＯ）、制御部５０は、ハブ側バルブ４３ａ及びシュラウド側バルブ４３ｂの他方も開放する制御信号をバルブ部４３に出力する。具体的には、２個のバルブのうち、一方のバルブはシュラウド側バルブ４３ｂである。従って、他方のバルブは、ハブ側バルブ４３ａである。要するに、制御用データが第２閾値より大きい場合（工程Ｓ５：ＮＯ）、制御部５０は、バルブ部４３を第３形態（図３の（ｃ）部参照）にする制御信号をバルブ部４３に出力する（工程Ｓ６）。つまり、バルブ部４３は、ハブ側バイパス孔４２ａ及びシュラウド側バイパス孔４２ｂの両方を開放する。そして、制御部５０は、制御用データを取得する（工程Ｓ１）。

再び図２に示されるように、タービン翼車７は、その本体をなすハブ２５と、ハブ２５上に設けられた羽根２９とを有する。ハブ２５は、所定の曲線（ハブライン）を回転軸線ＡＸのまわりに回転させて得られる回転体である。ハブ２５のタービン端面１９には、シャフト９が設けられる。ハブ２５の斜面３１には、複数の羽根２９が立設される。ハブ２５と羽根２９とは一体に成形される。また、ハブ２５は羽根２９と一体となって回転する。すなわち、羽根２９の基端はハブ２５側である。羽根２９の逆側の先端はシュラウド側に配置される。従って、羽根２９は、ハブ２５とシュラウド１７との間に配置される。

羽根２９は、前縁２６と後縁２７と端縁２８とを有する。前縁２６は、ハブ側スクロール２２及びシュラウド側スクロール２３から作動流体Ｇ１を受ける縁である。後縁２７は、作動流体Ｇ１を排出する側の縁である。端縁２８は、前縁２６と後縁２７とを連結する縁である。従って、前縁２６は、スクロール部８の出口に対面する。また、端縁２８は、シュラウド１７に対面する。スクロール部８の出口は、ハブ側出口とシュラウド側スクロール２３のシュラウド側出口とを有する。すなわち、過給機１の羽根２９は、ハブ側スクロール２２から流出する作動流体Ｇ１と、シュラウド側スクロール２３から流出する作動流体Ｇ１と、を受ける。このような構成を有する過給機１は、いわゆるツインスクロール型と呼ばれる。

以下、本開示に係る過給機１の作用効果について説明する。当該説明の前に、比較例に係るウェイストゲート構造２０１を有する過給機２００を例示する（図５及び図６参照）。そして、過給機２００の特性を検討した結果について述べる。比較例に係る過給機２００のウェイストゲート構造２０１は、ハブ側バイパス孔とシュラウド側バイパス孔との開閉動作が同期している。換言すると、過給機２００のウェイストゲート構造２０１は、２個の形態しか有し得ない。つまり、ウェイストゲート構造２０１は、ハブ側バイパス孔及びシュラウド側バイパス孔が共に閉鎖された形態と、ハブ側バイパス孔及びシュラウド側バイパス孔が共に開放された形態と、を有する。

比較例に係る過給機２００につき、ハブ側スクロール２０２及びシュラウド側スクロール２０３の出口周辺における作動流体Ｇ１の状態を数値計算により確認した。

図５の（ａ）部及び図５の（ｂ）部に示されたコンター図は、ハブ側スクロール２０２から作動流体Ｇ１が流入しているときにおける作動流体Ｇ１のマッハ数の分布を示す。コンター図において、相対的に濃いハッチングほどマッハ数が大きいことを示す。一方、相対的に薄いハッチングほどマッハ数が小さいことを示す。そして、図５の（ａ）部は、ハブ側バイパス孔及びシュラウド側バイパス孔が共に閉鎖された形態におけるマッハ数の分布を示す。図５の（ｂ）部は、ハブ側バイパス孔及びシュラウド側バイパス孔が共に開放された形態におけるマッハ数の分布を示す。

図５の（ａ）部に示すように、ハブ側バイパス孔及びシュラウド側バイパス孔が共に閉鎖された形態では、ハブ側スクロール２０２からタービン翼車（不図示）に向かう流れが生じた。一方、図５の（ｂ）部に示すように、ハブ側バイパス孔及びシュラウド側バイパス孔が共に開放された形態では、ハブ側スクロール２０２からタービン翼車に向かう流れに加えて、シュラウド側スクロール２０３へ向かう流れ（矢印Ｎ１）が生じた。具体的には、主流部が回転軸線ＡＸの方向に拡がり、半径方向の速度成分が低下した。この状態においては、流れ角が大きくなる。その結果、インシデンスロスは、増加する傾向にある。

図６の（ａ）部及び図６の（ｂ）部に示すコンター図は、シュラウド側スクロール２０３から作動流体Ｇ１が流入しているときにおける作動流体Ｇ１のマッハ数の分布を示す。そして、図６の（ａ）部は、ハブ側バイパス孔及びシュラウド側バイパス孔が共に閉鎖された形態におけるマッハ数の分布を示す。図６の（ｂ）部は、ハブ側バイパス孔及びシュラウド側バイパス孔が共に開放された形態におけるマッハ数の分布を示す。

図６の（ａ）部に示すように、ハブ側バイパス孔及びシュラウド側バイパス孔が共に閉鎖された形態では、シュラウド側スクロール２０３からタービン翼車７に向かう流れが生じた。一方、図６の（ｂ）部に示すように、ハブ側バイパス孔及びシュラウド側バイパス孔が共に開放された形態では、シュラウド側スクロール２０３からタービン翼車に向かう流れに加えて、ハブ側スクロール２０２へ向かう逆流（矢印Ｎ２）が生じた。そしてこの逆流により、回転軸線ＡＸの方向における偏流が大きくなった。その結果、シュラウド側スクロール２３の出口近傍において流れの剥離は大きくなった（図６の（ａ）部の領域Ｄ１及び図６の（ｂ）部の領域Ｄ２参照）。

比較例に係る過給機２００の特性を検討した結果、ハブ側バイパス孔及びシュラウド側バイパス孔を共に閉鎖する形態と、ハブ側バイパス孔及びシュラウド側バイパス孔を共に開放する形態と、を用いた制御では、上述したような損失が生じた。比較例に係る過給機２００の特性に鑑み、本開示の過給機１は、上述した損失の発生を抑制する。その結果、過給機１は、効率低下を抑制する。

具体的には、過給機１は、内燃機関１００から提供された作動流体Ｇ１をタービンハウジング６のスクロール部８を介してタービン翼車７に導く。そして、作動流体Ｇ１は、タービンハウジング６の排出口１８から外部へ排出される。ここで、ハブ側スクロール２２の流路の断面積は、シュラウド側スクロール２３の流路の断面積よりも大きい。従って、ハブ側スクロール２２を流れる作動流体Ｇ１の状態と、シュラウド側スクロール２３を流れる作動流体Ｇ１の状態と、を意図的に異ならせることができる。そして、それぞれのスクロール２２、２３を流れる作動流体Ｇ１の状態に応じて、作動流体Ｇ１の一部はタービン翼車７を介することなく、それぞれのスクロール２２、２３から排出口１８へバイパス流路部４２を介して導かれる。ここで、バイパス流路部４２への作動流体Ｇ１の流入は、ハブ側バルブ４３ａとシュラウド側バルブ４３ｂとによって制御される。このハブ側バルブ４３ａ及びシュラウド側バルブ４３ｂは、一方の開閉動作が他方の開閉動作に対して独立している。すなわち、ハブ側バルブ４３ａを閉じた状態としてシュラウド側バルブ４３ｂを開くことが可能である。これにより、所望の作動流体Ｇ１の状態が得られるように、それぞれのスクロール２２、２３ごとに独立したバルブ制御を行ことが可能になる。その結果、例えば、作動流体Ｇ１を供給している流路から供給していない流路への逆流（図５の（ｂ）部の矢印Ｎ１及び図６の（ｂ）部の矢印Ｎ２参照）を抑制することができる。また、例えば、作動流体Ｇ１の剥離（図６の（ｂ）部の領域Ｄ２）の発生を抑制することができる。従って、過給機１は、効率低下を抑制することができる。

バルブ部４３は、ハブ側バルブ４３ａ及びシュラウド側バルブ４３ｂを閉鎖した第１状態と、ハブ側バルブ４３ａを閉鎖すると共にシュラウド側バルブ４３ｂを開放した第２状態と、を有する。バルブ部４３は、制御変数が第１閾値以下であるときに第１状態とし、制御変数が第１閾値より大きいときに第２状態とする。シュラウド側スクロール２３は、ハブ側スクロール２２よりも流路の断面積が小さい。その結果、シュラウド側スクロール２３を流れる作動流体Ｇ１の状態は、ハブ側スクロール２２を流れる作動流体Ｇ１の状態よりも先に限界状態に達する。しかし、ハブ側スクロール２２を流れる作動流体Ｇ１の状態は、限界状態まで余裕がある。すなわち、制御変数が第１閾値より大きい状態であるとき、ハブ側スクロール２２を流れる作動流体Ｇ１は限界状態ではない。一方、制御変数が第１閾値より大きい状態であるとき、シュラウド側スクロール２３を流れる作動流体Ｇ１の状態は、限界状態に達した状態である。そこで、シュラウド側バルブ４３ｂを開放し且つハブ側バルブ４３ａを閉鎖する第２形態とする。その結果、過給機１は、それぞれのスクロール２２、２３に応じた制御を行うことが可能になる。従って、過給機１は、効率低下を適切に抑制することができる。

バルブ部４３は、ハブ側バルブ４３ａ及びシュラウド側バルブ４３ｂを開放した第３状態をさらに有する。バルブ部４３は、制御変数が第１閾値よりも大きい第２閾値より大きいときに第３状態とする。制御変数が第２閾値を越えた状態は、ハブ側スクロール２２を流れる作動流体Ｇ１及びシュラウド側スクロール２３を流れる作動流体Ｇ１の状態が両方とも限界状態に達した状態である。そこで、ハブ側バルブ４３ａ及びシュラウド側バルブ４３ｂの両方を開放する。その結果、過給機１は、それぞれのスクロール２２、２３に応じた制御を行うことが可能になる。従って、過給機１は、効率低下をさらに適切に抑制することができる。

シュラウド側スクロール２３は、回転軸線ＡＸの方向においてハブ側スクロール２２よりも排出口１８の側に配置されてもよい。この構成によれば、小型の過給機１においてそれぞれのスクロール２２、２３に応じた制御を行うことが可能になる。従って、過給機１は、効率低下を好適に抑制することができる。

以上、本開示に係る過給機１を詳細に説明した。しかし、本開示に係る過給機１は上記の内容に限定されるものではない。本開示に係る過給機１は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

ハブ側スクロール２２の断面積とシュラウド側スクロール２３の断面積とを異ならせるために、ハブ側スクロール２２の断面積をシュラウド側スクロール２３の断面積より大きくした。しかし、この構成に限定されることはない。シュラウド側スクロール２３の断面積をハブ側スクロール２２の断面積より大きくしてもよい。

なお、上記で述べたハブ側スクロール２２の断面積とシュラウド側スクロール２３の断面積の定義は、以下のとおりである。つまり、スクロールの断面積とは、任意の周方向位置において、中央の仕切り板（隔離壁部２４）とそれに対向するベアリングハウジング側、およびタービン出口側それぞれの壁面との距離が最小となる直線（図中の破線Ｌ１、Ｌ２）とスクロール部内壁で囲まれた部分の面積である。換言すると、スクロールの断面積とは、各周方向位置に置いて、仕切り板と対向するベアリングハウジング側・タービン出口側それぞれの壁面と仕切り板までの距離が最小となる直線（図中の破線Ｌ１、Ｌ２）と、タービンハウジング内壁で囲まれた部分の面積であるとしてもよい。

１過給機
２タービン
３コンプレッサ
４連結部
６タービンハウジング
７タービン翼車
８スクロール部
９シャフト
１１コンプレッサ翼車
１２ベアリング
１３コンプレッサハウジング
１４ベアリングハウジング
１６ハウジング端面
１７シュラウド
１８排出口
１９タービン端面
２１ハウジング側面
２２ハブ側スクロール
２３シュラウド側スクロール
２４隔離壁部
２５ハブ
２６前縁
２７後縁
２８端縁
２９羽根
３１斜面
４１ウェイストゲート機構
４２バイパス流路部
４２ａハブ側バイパス孔
４２ｂシュラウド側バイパス孔
４２ｃ主バイパス流路
４３バルブ部
４３ａハブ側バルブ
４３ｂシュラウド側バルブ
５０制御部
１００内燃機関
２００過給機
２０１ウェイストゲート構造
２０２ハブ側スクロール
２０３シュラウド側スクロール
Ｇ１作動流体

Claims

所定の軸線を回転軸線として回転するタービン翼車と、
前記タービン翼車を囲むように形成されて前記タービン翼車に作動流体を供給するスクロール部及び前記タービン翼車を通過した前記作動流体を排出する排出部を有するハウジングと、
一端が前記スクロール部に接続されると共に他端が前記排出部に接続されて、前記スクロール部から前記排出部に前記作動流体を導くバイパス流路部と、
前記バイパス流路部に設けられて、前記スクロール部から前記排出部への前記作動流体の流入を制御するバルブ部と、を備え、
前記スクロール部は、第１スクロール及び第２スクロールを有し、
前記第１スクロールは、前記第２スクロールよりも流路の断面積が大きく、
前記バルブ部は、第１バルブ及び第２バルブを有し、
前記第１バルブは、前記第１スクロールから前記バイパス流路部への前記作動流体の流入を制御し、
前記第２バルブは、前記第２スクロールから前記バイパス流路部への前記作動流体の流入を制御し、
前記第１バルブの動作は、前記第２バルブの動作に対して独立し、
前記バルブ部は、
前記第１バルブ及び前記第２バルブを閉鎖することにより、前記第１スクロール及び前記第２スクロールから前記バイパス流路部への前記作動流体の流入を停止させる第１状態と、
前記第１バルブを閉鎖し前記第２バルブを開放することにより、前記第１スクロールから前記バイパス流路部への前記作動流体の流入を停止させ、且つ、前記第２スクロールから前記バイパス流路部へ前記作動流体を流入させる第２状態と、を有し、
前記バルブ部は、圧力又は流量である制御変数が第１閾値以下であるときに前記第１状態とし、前記制御変数が第１閾値より大きいときに前記第２状態とする、過給機。
前記バルブ部は、前記第１バルブ及び前記第２バルブを開放することにより、前記第１スクロール及び前記第２スクロールから前記バイパス流路部へ前記作動流体を流入させる第３状態をさらに有し、
前記バルブ部は、前記制御変数が前記第１閾値よりも大きい第２閾値より大きいときに前記第３状態とする、請求項１に記載の過給機。
前記第２スクロールは、前記軸線の方向において前記第１スクロールよりも前記排出部の側に配置される、請求項１に記載の過給機。
ハブ側スクロールと、
前記ハブ側スクロールと隔離壁部によって隔てられ、前記ハブ側スクロールと断面積の異なるシュラウド側スクロールと、前記ハブ側スクロールに連通したハブ側バイパス孔及び前記ハブ側バイパス孔に配置されたハブ側バルブ、前記シュラウド側スクロールに連通したシュラウド側バイパス孔及び前記シュラウド側バイパス孔に配置されたシュラウド側バルブ、を含むウェイストゲート機構と、
を有し、
前記ハブ側バルブ及び前記シュラウド側バルブは独立に制御され、
前記ハブ側スクロールと前記シュラウド側スクロールの一方を流れる作動流体の圧力又は流量である制御変数が第１閾値より小さい場合、前記ハブ側バルブ及び前記シュラウド側バルブの両方が閉鎖され、
前記制御変数が前記第１閾値より大きい場合、前記ハブ側スクロール及び前記シュラウド側スクロールのうち流路の断面積が小さい方に設けられた前記ハブ側バルブ及び前記シュラウド側バルブの一方が開放され、他方が閉鎖されている、過給機。
前記ハブ側スクロールと前記シュラウド側スクロールの他方を流れる作動流体の圧力又は流量である制御変数が前記第１閾値より大きい第２閾値より大きい場合、前記ハブ側バルブ及び前記シュラウド側バルブの前記他方が開放される、請求項４に記載の過給機。
前記第２スクロールは、前記軸線の方向において前記第１スクロールよりも前記排出部の側に配置される、請求項１に記載の過給機。
前記第２スクロールは、前記軸線の方向において前記第１スクロールよりも前記排出部の側に配置される、請求項２に記載の過給機。