JP6780778B2

JP6780778B2 - 多段過給機

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Publication number: JP6780778B2
Application number: JP2019525120A
Authority: JP
Inventors: 市川　清道; 清道市川; 松山　良満; 良満松山; 吉田　宗弘; 宗弘吉田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2017-06-13
Filing date: 2018-04-03
Publication date: 2020-11-04
Anticipated expiration: 2038-04-03
Also published as: DE112018002996T5; CN110603376A; JPWO2018230108A1; US20200063645A1; WO2018230108A1; CN110603376B; US11078830B2

Description

本開示は、直列に配列した複数の過給機を備える多段過給機に関する。

多段過給機は複数の過給機を備えた過給装置であり、過給機を１台だけを備えた過給装置と比べ、より広い作動範囲を確保できることが知られている。種々の多段過給機のうち、排気ガスの流れ方向に２台の過給機が直列に配列したものは、直列型多段過給機やシリーズシーケンシャルツインターボなどと呼ばれている。直列型多段過給機では、エンジンの低速回転域において高圧側の（初段の）過給機が作動し、エンジンの高速回転域において低圧側の（次段の）過給機が作動する。このような作動によって作動範囲が拡大される。

特許文献１は上述の直列型多段過給機を開示している。特許文献１の多段過給機は、各過給機のコンプレッサケーシング（コンプレッサハウジング）に形成されたバイパス流路を有している。多段過給機に吸引された空気はバイパス流路を流れ、コンプレッサインペラをバイパスする。このような構造の導入によって、コンプレッサケーシングとは別にバイパス流路を用意する必要がなくなり、且つ、エンジン周りの配管が複雑化することが抑制される。

特開２０１１−８５０４３号公報

特許文献１がエンジン周りの配管の複雑化を憂慮しているように、エンジンルーム内の部品点数の増加は、車両の軽量化や燃費の向上を阻み、組立時や修理時の作業性を低下させる恒久的な課題である。これは多段過給機に対しても同様である。

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであり、作動範囲の拡大を確保しつつ、小型化が可能な直列型多段過給機の提供を目的とする。

本開示の一態様は多段過給機であって、第１タービンインペラ収容室を有する第１サブハウジング、及び、前記第１タービンインペラ収容室と直列に配列する第２タービンインペラ収容室を有する第２サブハウジングを含むタービンハウジングと、前記タービンハウジングに第１ベアリングハウジングを介して連結する第１コンプレッサハウジングと、前記タービンハウジングに第２ベアリングハウジングを介して連結する第２コンプレッサハウジングとを備え、前記第１サブハウジングと前記第２サブハウジングは一体形成されており、前記タービンハウジングは、第１タービンインペラ収容室に連通する第１吸気路及び第１排気路と、第２タービンインペラ収容室に連通する第２吸気路及び第２排気路とを有し、前記第１吸気路、前記第２吸気路及び前記第２排気路は略同一方向に向けて開口し、前記第１サブハウジング及び記第２サブハウジングは、前記第２吸気路を介して互いに接続していると共に、互いに離隔し、前記第１排気路は、第１サブハウジングの内部で前記第２吸気路に連通していることを要旨とする。

前記第２吸気路の断面積は、前記第２吸気路の開口を有するフランジから前記第２吸気路が接続する前記第２サブハウジングのスクロール流路に向かうに連れて漸次減少していてもよい。

前記第２吸気路は、前記第２タービンインペラ収容室のスクロール流路が延伸する面に対して傾斜していてもよい。

前記第１コンプレッサハウジング及び前記第２コンプレッサハウジングは個別に形成されていてもよい。

本開示によれば、作動範囲の拡大を確保しつつ、小型化が可能な直列型多段過給機を提供できる。

図１は、本開示の一実施形態に係る多段過給機を備える過給システムの概略構成図である。図２は、本実施形態に係る多段過給機のハウジングを示す平面図（上面図）である。図３は、本実施形態に係るタービンハウジングを示す正面図である。

以下、本開示の実施形態に係る多段過給機について添付図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図１は、本実施形態に係る多段過給機を備える過給システムの概略構成図である。

本実施形態の過給システム１０は、例えば、図１に示すエンジンシステム１００に適用される。従って、まず、エンジンシステム１００について説明する。エンジンシステム１００は、過給システム１０と、エンジン１０１と、インタークーラ１０２と、浄化装置１０３と、ＥＣＵ（Engine Control Unit）１０４とを備えている。エンジンシステム１００は例えば車両に搭載される。

エンジン１０１は、エンジンシステム１００を搭載した車両の動力源である。エンジン１０１は内燃機関であり、過給システム１０によって圧縮された空気と、燃料との混合気を燃焼して動力を生成する。また、エンジン１０１は混合気を燃焼し、燃焼によって発生した排気ガスを過給システム１０に供給する。

インタークーラ１０２は、過給システム１０からエンジン１０１に供給される圧縮空気を冷却する。インタークーラ１０２の入口側は後述する過給システム１０の第１コンプレッサ（後述）２１及び第２コンプレッサ（後述）４１に接続し、インタークーラ１０２の出口側は、エンジン１０１の吸気マニホールド１０５を介して過給システム１０とに接続している。

浄化装置１０３は、過給システム１０から排出された排気ガスを浄化する。浄化装置１０３は、例えば、粒子状物質を捕集するフィルタや、有害成分の酸化反応あるいは還元反応を促進する触媒などで構成される。

ＥＣＵ１０４は、エンジンシステム１００の全体を制御する。例えば、ＥＣＵ１０５は、エンジン１０１の出力（例えば、回転数や、回転数から見込まれる排気ガスの流量）に応じて、過給システム１０内の吸気切換え弁（後述）６０、排気切換え弁（後述）６１及びウェイストゲートバルブ（後述）６２の開閉や、その開度を制御する。

次に過給システム１０について説明する。
過給システム１０は、エンジン１０１の排気ガスを利用して空気を圧縮し、その圧縮空気をエンジン１０１に供給する。図１に示すように、過給システム１０は、第１過給機（プライマリ過給機、高圧段過給機）２０と、第２過給機（セカンダリ過給機、低圧段過給機）４０と、吸気切換え弁６０と、排気切換え弁６１と、ウェイストゲートバルブ６２とを備えている。第１過給機２０と第２過給機４０は、排気ガスの流れ方向に直列に配列している。即ち、本実施形態の過給システム１０は直列型多段過給機を採用している。

第１過給機２０は、排気ガスの流れ方向において第２過給機４０よりも上流側に配置されている。第１過給機２０は、第１コンプレッサ（高圧段コンプレッサ）２１と、第１タービン（高圧段タービン）２２とを備えている。なお、第１過給機２０は、第１タービン２２に向かう排気ガスの噴出速度を調整する可変ノズルユニット（図示せず）を備えてもよい。

第１コンプレッサ２１は、第１コンプレッサインペラ２３と、第１コンプレッサインペラ２３を回転可能に収容する第１コンプレッサハウジング２４とを備えている。第１タービン２２は、第１タービンインペラ２５と、第１タービンインペラ２５を回転可能に収容する第１タービンハウジング（第１サブハウジング）２６とを備えている。第１シャフト２７は、第１コンプレッサインペラ２３と第１タービンインペラ２５とを連結し、このベアリング（図示せず）によって回転可能に支持される。ベアリング（図示せず）は、第１ベアリングハウジング２８に取り付けられている。第１タービンインペラ２５が排気ガスの流通によって回転すると第１コンプレッサインペラ２３も回転する。この第１コンプレッサインペラ２３の回転によって、圧縮空気が生成される。

第２過給機４０は、排気ガスの流れ方向において第１過給機２０よりも下流側に配置されており、第１過給機２０よりも大きい容量を有する。第２過給機４０は、第２コンプレッサ（低圧段コンプレッサ）４１と、第２タービン（低圧段タービン）４２とを備えている。なお、第２過給機４０は、第２タービン４２に向かう排気ガスの噴出速度を調整する可変ノズルユニット（図示せず）を備えてもよい。

第２コンプレッサ４１は、第２コンプレッサインペラ４３と、第２コンプレッサインペラ４３を回転可能に収容する第２コンプレッサハウジング４４とを備えている。第２タービン４２は、第２タービンインペラ４５と、第２タービンインペラ４５を回転可能に収容する第２タービンハウジング（第２サブハウジング）４６とを備えている。第２シャフト４７は、第２コンプレッサインペラ４３と第２タービンインペラ４５とを連結し、このベアリング（図示せず）によって回転可能に支持される。ベアリング（図示せず）は、第２ベアリングハウジング４８に取り付けられている。第２タービンインペラ４５が排気ガスの流通によって回転すると第２コンプレッサインペラ４３も回転する。この第２コンプレッサインペラ４３の回転によって、圧縮空気が生成される。

なお、第１タービン２２の第１タービンハウジング２６と、第２タービン４２の第２タービンハウジング４６は、単一のタービンハウジングＴＨとして一体形成されている（図２参照）。即ち、第１タービンハウジング２６と第２タービンハウジング４６は、フランジなどの接続部材を介さずに互いに接続している。

吸気切換え弁６０は、第１コンプレッサ２１を迂回しながら、第１コンプレッサ２１の吸気側と排出側を連通するバイパス流路６３に設けられ、バイパス流路６３を開閉する。吸気切換え弁６０は、第１コンプレッサ２１が駆動されている場合に閉じる。この場合、第２コンプレッサ４１から排出された圧縮空気は、第１コンプレッサ２１に流入して圧縮され、吸気マニホールド１０５を介してエンジン１０１の吸気側に供給される。

一方、吸気切換え弁６０は、第１コンプレッサ２１が駆動されていない場合に開く。この場合、第２コンプレッサ４１から排出された圧縮空気は、第１コンプレッサ２１をバイパスしながら、吸気マニホールド１０５を介してエンジン１０１の吸気側に供給される。即ち、吸気切換え弁６０は、バイパス流路６３を経由した第２コンプレッサ４１からエンジン１０１への圧縮空気の流れを許容する。なお、吸気切換え弁６０は、エンジン１０１から第２コンプレッサ４１への圧縮空気の逆流を防止するように構成されている。つまり、吸気切換え弁６０は所謂逆止弁としても機能する。

排気切換え弁６１は、第１タービン２２を迂回しながら、第１タービン２２の吸気側と排出側を連通するバイパス流路６４に設けられ、バイパス流路６４を開閉する。排気切換え弁６１が閉じている間、エンジン１０１から排出される排気ガスは、第１過給機２０の第１タービンインペラ２５を通過し、その後、第１過給機２０から排出される。その結果、第１タービンインペラ２５は回転し、この回転によって第１コンプレッサ２１は空気の圧縮を実行する。

一方、排気切換え弁６１が開いている間、エンジン１０１から排出される排気ガスは、バイパス流路６４を通過し、第１過給機２０から排出され、その後、第２過給機４０に供給される。換言すれば、排気ガスは、第１タービンインペラ２５をバイパスして第１過給機２０から排出され、第２過給機４０に供給される。つまり、排気切換え弁６１は、バイパス流路６４を開くことによって、第１コンプレッサ２１が実行する空気の圧縮を停止する。

ウェイストゲートバルブ６２は、第２タービン４２を迂回しながら、第２タービン４２の吸気側と排出側を連通するバイパス流路６５に設けられ、バイパス流路６５を開閉する。ウェイストゲートバルブ６２が開いている間、上記排気ガスの一部は、バイパス流路６５を通過し、第２過給機４０から排出され、その後、浄化装置１０３に流入する。換言すれば、上記排気ガスの一部は、第２タービンインペラ４５をバイパスして第２過給機４０から排出され、その後、浄化装置１０３に流入する。なお、ウェイストゲートバルブ６２の開度は、ＥＣＵ１０５または第２コンプレッサ４１の過給圧によって調節される。

一方、ウェイストゲートバルブ６２が閉じている間、第１過給機２０から排出された或いはバイパス流路６４を介して排出された排気ガスは、第２過給機４０の第２タービンインペラ４５を通過し、その後、第２過給機４０から排出される。その結果、第２タービンインペラ４５は回転し、この回転によって第２コンプレッサ４１は空気の圧縮を実行する。

なお、ウェイストゲートバルブ６２の開度は、エンジン１０１が要求する過給圧等に応じて変化する。即ち、ウェイストゲートバルブ６２の開度は、全開から全閉まで変化する。これにより、第２タービンインペラ４５に流入する排気ガスの量（即ち、第２タービンインペラ４５及び第２コンプレッサインペラ４３の回転数）を調整できる。

次に、本実施形態に係る多段過給機のハウジングについて説明する。図２は、本実施形態に係る多段過給機のハウジングを示す平面図（上面図）である。図３は、本実施形態に係るタービンハウジングを示す正面図である。

図２に示すように、第１過給機２０のハウジングは、第１タービンハウジング２６と、第１コンプレッサハウジング２４と、第１ベアリングハウジング２８とによって構成される。第１ベアリングハウジング２８の一端には第１タービンハウジング２６が接続し、第１ベアリングハウジング２８の他端には第１コンプレッサハウジングが接続する。換言すれば、第１コンプレッサハウジング２４は、第１ベアリングハウジング２８を介して第１タービンハウジング２６に連結している。

同様に、第２過給機４０のハウジングは、第２タービンハウジング４６と、第２コンプレッサハウジング４４と、第２ベアリングハウジング４８とによって構成される。第２ベアリングハウジング４８の一端には第２タービンハウジング４６が接続し、第２ベアリングハウジング４８の他端には第１コンプレッサハウジングが接続する。換言すれば、第２コンプレッサハウジング４４は、第２ベアリングハウジング４８を介して第２タービンハウジング４６に連結している。

なお、第１過給機２０及び第２過給機４０の各ハウジングは、例えば鋳造によって形成される。

上述の通り、第１タービンハウジング２６及び第２タービンハウジング４６は、単一のタービンハウジングＴＨとして一体形成されている。即ち、第１タービンハウジング２６と第２タービンハウジング４６は、フランジなどの接続部材を介さずに互いに接続し、単一構造体としてのタービンハウジングＴＨを構成する。

図３に示すように、第１タービンハウジング２６は、第１タービンインペラ収容室２９を有する。第１タービンインペラ収容室２９は第１タービンインペラ２５の形状に合わせた軸対称な形状を含み、第１タービンインペラ２５を収容する。第１タービンインペラ収容室２９は、第１タービンインペラ２５の挿入口３０を有する。挿入口３０は、第１ベアリングハウジング２８に面したフランジ（リブ）３１に開口している。

第１タービンハウジング２６は、第１スクロール流路３２と、第１吸気路３３と、第１排気路３４とを有する。第１スクロール流路３２は、第１タービンインペラ収容室２９の外周に設けられ、第１スクロール流路３２に連通している。第１スクロール流路３２は、第１タービンインペラ収容室２９の対称軸（換言すれば、第１タービンインペラの回転中心軸）を基準として、第１タービンインペラ２５の周方向に渦巻き状に延伸する。また、第１スクロール流路３２の断面積は、その巻き始め側から排気ガスの流れ方向に沿って漸次減少する。

第１吸気路３３は、第１スクロール流路３２の巻き始め側の端部（即ち、断面積が最大となる部分）に接続している。また、第１吸気路３３は、第１タービンハウジング２６のフランジ（リブ）３５に開口し、エンジン１０１の排気マニホールド１０６と接続する。なお、フランジ３５は、第１タービンインペラ収容室２９を挟んで、フランジ３１と反対側に位置する。

第１排気路３４（第１排気路３４の一端側）は、第１タービンインペラ２５の後縁（トレーリングエッジ）に向けて開口するように、第１タービンインペラ収容室２９に連通している。また、第１排気路３４（第１排気路３４の他端側）は、第１タービンハウジング２６の内部で、第２過給機４０の第２吸気路５３に連通している。

第２タービンハウジング４６は、第２タービンインペラ収容室４９を有する。第２タービンインペラ収容室４９は第２タービンインペラ４５の形状に合わせた軸対称な形状を含み、第２タービンインペラ４５を収容する。第２タービンインペラ収容室４９は、第２タービンインペラ４５の挿入口５０を有する。挿入口５０は、第２ベアリングハウジング４８に面したフランジ（リブ）５１に開口している。

上述の通り、本実施形態の過給システム１０は直列型多段過給機を採用している。従って、第１タービンハウジング２６の第１タービンインペラ収容室２９と、第２タービンハウジング４６の第２タービンインペラ収容室４９は、タービンハウジングＴＨにおいて排気ガスの流れ方向に直列に配列している。

第２タービンハウジング４６は、第２スクロール流路５２と、第２吸気路５３と、第２排気路５４とを有する。第２スクロール流路５２は、第２タービンインペラ収容室４９の外周に設けられ、第２スクロール流路５２に連通している。第２スクロール流路５２は、第２タービンインペラ収容室４９の対称軸（換言すれば、第２タービンインペラの回転中心軸）を基準として、第２タービンインペラ４５の周方向に渦巻き状に延伸する。また、第２スクロール流路５２の断面積は、その巻き始め側から排気ガスの流れ方向に沿って漸次減少する。

第２吸気路５３は、第２スクロール流路５２の巻き始め側の端部（即ち、断面積が最大となる部分）に接続している。第２吸気路５３は、第２スクロール流路５２から第１タービンハウジング２６のフランジ３５まで延伸し、フランジ３５にて開口している。つまり、第１吸気路３３と第２吸気路５３は、同一のフランジ３５に開口している。第２吸気路５３は、排気切換え弁６１を介してエンジン１０１の排気マニホールド１０６と接続する。

第２吸気路５３は筒状に形成され、その断面積（開口面積）は、第２スクロール流路５２からフランジ３５に向かうに連れて漸次増加する。第２吸気路５３は、第２スクロール流路５２からフランジ３５までの間で構造的に分断されていない。つまり、第２吸気路５３は、第１タービンハウジング２６と第２タービンハウジング４６を接続するための継手構造（例えばフランジ）を持たない。

第２排気路５４（第２排気路５４の一端側）は、第２タービンインペラ４５の後縁（トレーリングエッジ）に向けて開口するように、第２タービンインペラ収容室４９に連通している。また、第２排気路５４（第２排気路５４の他端側）は、第２タービンハウジング４６のフランジ（リブ）５５に開口している。フランジ５５は、第２タービンインペラ収容室４９を挟んで、フランジ５１と反対側に位置する。

ウェイストゲートバルブ６２は、第２タービンハウジング４６に設置される。バイパス流路６５は、第２吸気路５３の内壁５３ａに形成され、第２排気路５４に連通する。ウェイストゲートバルブ６２は、第２排気路５４の第２吸気路５３側を開閉する。

本実施形態では、第１タービンハウジング（第１サブハウジング）２６と第２タービンハウジング（第２サブハウジング）４６が、単一のタービンハウジングＴＨとして一体形成されている。つまり、各ハウジングを接続するための継手構造（例えばフランジ）が不要になる。従って、作動範囲の拡大を確保しつつ、多段過給機を小型化することができる。

なお、図２及び図３に示すように、第２吸気路５３を構成する配管は、第１タービンハウジング２６と第２タービンハウジング４６とを連結している。換言すれば、第２過給機４０の第２吸気路５３の入口側が、第１過給機２０の第１タービンハウジング２６と一体化されている。このように、第１タービンハウジング２６と第２タービンハウジング４６は、第２吸気路５３を介して互いに接続され、互いに離隔していてもよい。換言すれば、第１タービンハウジング２６と第２タービンハウジング４６は、第２吸気路５３を除き、空隙を介して設けられていてもよい。この場合、第２吸気路５３は弾性体として機能し、排気ガスの流通に伴う、第１タービンハウジング２６の熱変形と、第２タービンハウジング４６の熱変形の互いの影響（例えば応力の混合）を極力抑制（絶縁）する。また、第１タービンハウジング２６と第２タービンハウジング４６の間の互いの熱流動が抑制されるので、このような熱流動による熱損失も抑制できる。

また、第２吸気路５３を構成する配管の厚みは、第１タービンハウジング２６と第２タービンハウジング４６の連結や排気ガスの漏洩防止を維持できる限り、極力小さな値に設定されてもよい。配管の厚みが小さいほど配管の熱容量が減少するため、少なくとも第２吸気路５３を流れる排気ガスの熱損失を抑制できる。

図２及び図３に示すように、フランジ３５とフランジ５５は互いに平行に位置していてもよい。即ち、第１吸気路３３、第２吸気路５３及び第２排気路５４は同一方向に向けて開口していてもよい。ただし、ここで言う「同一」とは「略同一」、換言すれば「実質的に同一」という意味であり、これらが厳密に同一方向に開口することを要求しない。この場合、各流路が開口する方向にこれらの関連部材が位置する割合が増えるため、作業性が向上する。

図２に示すように、第２吸気路５３は、第２スクロール流路５２が延伸する面Ｒに対して傾斜していてもよい。ここで、面Ｒは、例えば、第２タービンインペラ収容室４９の対称軸に直交する平面である。第２吸気路５３を経由して第２スクロール流路５２に流れる排気ガスの流れ方向が急激に偏向されることを回避できるため、タービン効率の低減を抑制できる。

図２に示すように、第１コンプレッサハウジング２４及び第２コンプレッサハウジング４４は個別に形成されていてもよい。この場合、第１コンプレッサハウジング２４と第２コンプレッサハウジング４４を接続する配管は、可撓性を与える構造を有するものが望ましい。上述の通り、排気ガスの流通に伴って、第１タービンハウジング２６及び第２タービンハウジング４６は熱変形する。第１コンプレッサハウジング２４及び第２コンプレッサハウジング４４を個別に形成することで、程度の異なる各タービンハウジングの変形に起因した新たな応力の発生を抑制できる。

なお、本開示は上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。

Claims

第１タービンインペラ収容室を有する第１サブハウジング、及び、前記第１タービンインペラ収容室と直列に配列する第２タービンインペラ収容室を有する第２サブハウジングを含むタービンハウジングと、
前記タービンハウジングに第１ベアリングハウジングを介して連結する第１コンプレッサハウジングと、
前記タービンハウジングに第２ベアリングハウジングを介して連結する第２コンプレッサハウジングと
を備え、
前記第１サブハウジングと前記第２サブハウジングは一体形成されており、
前記タービンハウジングは、
前記第１タービンインペラ収容室に連通する第１吸気路及び第１排気路と、
前記第２タービンインペラ収容室に連通する第２吸気路及び第２排気路と
を有し、
前記第１吸気路、前記第２吸気路及び前記第２排気路は略同一方向に向けて開口し、
前記第１サブハウジング及び前記第２サブハウジングは、前記第２吸気路を介して互いに接続していると共に、互いに離隔し、
前記第１排気路は、第１サブハウジングの内部で前記第２吸気路に連通している
多段過給機。
前記第２吸気路の断面積は、前記第２吸気路の開口を有するフランジから前記第２吸気路が接続する前記第２サブハウジングのスクロール流路に向かうに連れて漸次減少する請求項１に記載の多段過給機。
前記第２吸気路は、前記第２タービンインペラ収容室のスクロール流路が延伸する面に対して傾斜している
請求項２に記載の多段過給機。
前記第１コンプレッサハウジング及び前記第２コンプレッサハウジングは個別に形成されている、
請求項１〜３の何れか一項に記載の多段過給機。