JP7357848B2 - ターボチャージャ - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の過給に用いられるターボチャージャ、特にバイパス通路とウェストゲートバルブとを備えたターボチャージャの改良に関する。

内燃機関の過給に用いられるターボチャージャは、一般に、過給圧制御のために排気流の一部をタービンホイールを経由せずにバイパスさせるようにしたバイパス通路およびこれに対応するウェストゲートバルブを備えている。ウェストゲートバルブは、ターボチャージャのハウジングの外側に配置したアクチュエータによって弁体を駆動し、バイパス通路の出口開口部を開閉する構成が一般的である。

特許文献１は、タービンハウジングの入口管からスクロール部へ向かう旋回形状の外周側にバイパス通路を備えた構成を開示している。そして、ウェストゲートバルブの弁体によって開閉されるバイパス通路の出口開口部は、タービンハウジングをターボチャージャの軸方向に見たときに、排気入口となる入口管の先端部から離れた位置にある。詳しくは、入口管端部の取付フランジの面と平行でかつターボチャージャの回転中心を通る平面を仮想したときに、この仮想平面を挟んで取付フランジと出口開口部とが互いに反対側に位置している。

このような配置は、入口管端部の取付フランジを内燃機関に取り付けたときにウェストゲートバルブのアクチュエータがターボチャージャの外側に位置するようにしようとする制約に主に起因している。

しかしながら、このような従来の構成にあっては、結果的にバイパス通路が最短のものとなりえず、バイパス通路内壁面での熱交換によるバイパス通路を流れる排気流の温度低下が大きい。そのため、例えば冷間始動直後の触媒暖機性能の点でなお改善の余地がある。

特開２０１４－５８８９４号公報

この発明に係るターボチャージャにおいては、
バイパス通路は、入口管からスクロール部へ向かう旋回形状の内周側において上記入口管の内部の入口通路と出口管の内部の出口通路とを連通するように形成されており、ウェストゲートバルブは、上記出口管内に上記バイパス通路の出口開口部を開閉するように配置されており、
上記出口開口部の開口中心は、タービンハウジングを当該ターボチャージャの軸方向に見て、当該ターボチャージャの回転中心を通り取付フランジの面と平行な第１の仮想平面と、上記回転中心を通り上記第１の仮想平面と直交する第２の仮想平面と、で区画される４つの象限の中で、上記取付フランジが位置する象限の中に位置する。

このような構成によれば、入口管内部の入口通路と出口管内部の出口通路とを連通するバイパス通路の通路長が短くなり、バイパス通路を流れる排気流の温度低下が抑制される。

この発明に係るターボチャージャを内燃機関側から見た側面図。 内燃機関に取り付けられたターボチャージャをタービン側の端部から見た正面図。 図１のＡ－Ａ線に沿った断面図。 図１のＢ－Ｂ線に沿った断面図。 図３のＣ－Ｃ線に沿った断面図。 バイパス通路の出口開口部の位置を説明するための説明図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１および図２は、この発明に係るターボチャージャ１の全体的な構成を示した側面図および正面図である。このターボチャージャ１は、図２に概略的に示すように、内燃機関の側面、詳しくはシリンダヘッド２の側面に直接に取り付けられる。図２は、このようにシリンダヘッド２に取り付けられた姿勢でターボチャージャ１を示している。また図１は、ターボチャージャ１全体をシリンダヘッド２側から見た図である。

ターボチャージャ１は、周知のようにタービンホイールとコンプレッサホイールとを同軸状に連結した図示しないロータの回転によって、排気エネルギを利用した過給を行うものであって、ロータの軸方向に沿って、一端のタービンハウジング５と、他端のコンプレッサハウジング６と、両者間に位置するセンタハウジング７と、の三者に大別され、これらが一体に組み立てられている。コンプレッサハウジング６およびセンタハウジング７は本発明の要部ではないので、詳細な説明は省略する。

タービンハウジング５は、耐熱性を有するステンレス鋼等の金属材料の鋳造品からなる。図３～図５は、タービンハウジング５の断面図である。これらの断面図を併せて参照すると、タービンハウジング５は、タービンホイールを囲むスクロール１１（図５参照）を形成する円環状のスクロール部１２と、このスクロール部１２の中心からターボチャージャ１の回転軸線に沿って延びた出口管１３と、スクロール部１２から上記回転軸線の軸方向に遷移しつつ当該スクロール部１２の接線方向に延びた入口管１４と、この入口管１４の端部の取付フランジ１５と、が一体に鋳造されている。取付フランジ１５は、図１に示すように略長方形をなす排気入口１６の周囲を囲むように形成されており、シリンダヘッド２への取付のためのボルトが貫通する貫通孔１７を４カ所に備えている。この取付フランジ１５は、図２に示すようにシリンダヘッド２の側面に取り付けられ、この取付状態において、シリンダヘッド２側の排気出口開口部（図示せず）が排気入口１６に合致する。なお、取付状態において、取付フランジ１５は、タービンホイールの回転軸線よりも下方となる。取付フランジ１５は、一つの平面に沿った取付面１５ａを有している。

入口管１４は略矩形の断面形状を有する内部の入口通路１８を形成しており、図３に示すように、緩く湾曲しながら取付フランジ１５からスクロール部１２へと延び、全体として旋回形状をなしている。なお、入口通路１８の通路断面積は徐々に減少していき、スクロール部１２におけるスクロール１１に合流する。

出口管１３は、軸方向外側へ向かって径が拡大していくベルマウス状の略円筒形をなし、内部の出口通路１９を形成している。出口通路１９は、仕事をした後の排気ガスがタービンホイールの中心部から軸方向に沿って流れ出るように構成されており、軸方向の端部が円形の排気出口２０として開口している。

図３～図５の断面図に示すように、入口通路１８と出口通路１９との間には、両者をタービンハウジング５内部で互いに連通するバイパス通路２１が形成されている。このバイパス通路２１は、図３に示すように、タービンハウジング５を軸方向に見たときに、入口管１４からスクロール部１２へと向かう流路の旋回形状の内周側に設けられている。詳しくは、バイパス通路２１の入口通路１８側の入口開口部２１ａは、ターボチャージャ１を図２，図３等の取付姿勢としたときに入口通路１８の天井面となる壁面に開口している。また、入口開口部２１ａは、入口通路１８の中でできるだけ上流側となるように取付フランジ１５直後の位置に設けられている。

一方、バイパス通路２１の出口通路１９側の出口開口部２１ｂは、ターボチャージャ１を図２，図３等の取付姿勢としたときに出口通路１９の下面側となる壁面に開口している。つまり、バイパス通路２１の入口開口部２１ａと出口開口部２１ｂは、ターボチャージャ１を立体的に見たときに互いに隣接することとなる位置にそれぞれ設けられている。従って、バイパス通路２１の通路長は短い。基本的に、立体的に見て最短となるようにバイパス通路２１が配置されている。なお、バイパス通路２１は、入口通路１８等と同様にタービンハウジング５の鋳造時に中子によって形成される。

このようにバイパス通路２１の通路長が短いことで、バイパス通路２１内壁面の熱交換面積が小さくなり、バイパス通路２１を流れる排気流の温度低下が抑制される。そのため、例えば冷間始動直後の触媒暖機性能が向上する。

出口開口部２１ｂは、後述するウェストゲートバルブ３１の円盤状の弁体３２によって開閉されるものであり、弁体３２に対応して円形に開口している。特に、鋳造後に円環状の着座面を出口管１３の排気出口２０を通して機械加工する必要があるため、排気出口２０へ向かって斜めに開口している。なお、出口開口部２１ｂ周囲の余裕を確保するために、円形をなす排気出口２０の中心は、タービンホイールの回転軸線に対して、出口開口部２１ｂ側へ僅かにオフセットしている（図２参照）。

ここで、図６の説明図を参照すると、この図６は、タービンハウジング５をターボチャージャ１の軸方向に見て概略的に示したもので、ターボチャージャ１の回転中心Ｏを通り取付フランジ１５の面Ｐ３（取付面１５ａ）と平行な第１の仮想平面Ｐ１と、回転中心Ｏを通り第１の仮想平面Ｐ１と直交する第２の仮想平面Ｐ２と、を描いてある。出口開口部２１ｂの開口中心は、これら２つの仮想平面Ｐ１，Ｐ２で区画される４つの象限Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４の中で取付フランジ１５が位置する図右下の象限Ｑ４（第４象限）の中に位置している。

前述したように、従来の構成では、弁体で開閉される出口開口部の開口中心が図左下の第３象限Ｑ３や図左上の第２象限Ｑ２の中に位置している。そのため、バイパス通路の通路長が長くなる。

バイパス通路２１を開閉するウェストゲートバルブ３１は、図４に示すように、先端に揺動レバー３３ａを備えた略Ｌ字形のシャフト３３と、上記揺動レバー３３ａの先端に取り付けられた円盤状の弁体３２と、を備えている。上記シャフト３３は、出口管１３に一体に鋳造形成された円筒状のボス部３４を貫通して出口管１３の外部へと延びており、軸受部材としての円筒状金属製ブッシュ３５を介してボス部３４に回転自在に支持されている。シャフト３３の外側の端部にはアーム３６が固定されている。

上記ボス部３４は、取付フランジ１５からスクロール部１２へと向かう入口管１４と出口管１３との接続部に設けられている。つまり、両者間の谷間状となる位置にボス部３４が位置する。このような箇所にボス部３４を形成することにより、入口管１４と出口管１３とがボス部３４周囲の厚肉部によって相互に連結された形となり、取付フランジ１５を内燃機関に取り付けた状態でのターボチャージャ１全体の支持剛性が高くなる。従って、内燃機関の振動や走行振動等によるターボチャージャ１の振動が抑制される。

図１に示すように、ターボチャージャ１はウェストゲートバルブ３１用のアクチュエータとして直動型の電動アクチュエータ４１を備えている。この電動アクチュエータ４１は、円筒状のケーシング内に電動モータおよびボールねじ機構を備えたものであって、軸方向に進退するロッド４２を備えている。このロッド４２の先端が中継ロッド４３を介して上記のアーム３６の端部に連係している。ロッド４２が突出方向に移動すると弁体３２が開き、ロッド４２が後退すると弁体３２が閉じる関係となっており、中間開度での制御も可能である。

ここで、電動アクチュエータ４１は、コンプレッサハウジング６と一体に形成された矩形の壁状をなすアクチュエータ取付フランジ４５に支持されており、センタハウジング７およびタービンハウジング５の外側面近くを通ってロッド４２および中継ロッド４３が延びている。そして、図２に示すように内燃機関にターボチャージャ１を取り付けた状態では、ターボチャージャ１のコンプレッサハウジング６等とシリンダヘッド２側面との間に生じる狭小な空間内に電動アクチュエータ４１が位置する構成となっている。換言すれば、電動アクチュエータ４１は、図６に示した第１の仮想平面Ｐ１よりも取付フランジ１５側（図６の第１象限Ｑ１ないし第４象限Ｑ４）に配置されている。

同様に、ウェストゲートバルブ３１のボス部３４も図２に示すように内燃機関に向かう側に配置されている。詳しくは、図６において右下の第４象限Ｑ４にボス部３４が位置している。

このような電動アクチュエータ４１の配置によれば、上述したバイパス通路２１の構成に適したものとなるほか、内燃機関に取り付けた状態での電動アクチュエータ４１を含むターボチャージャ１全体の実質的な占有空間が小さくなる。つまり、電動アクチュエータ４１が第１の仮想平面Ｐ１を挟んで内燃機関とは反対側に位置する構成に比較して、ターボチャージャ１の実質的な小型化が図れる。

Claims (6)

1. タービンハウジングとコンプレッサハウジングとを備え、上記タービンハウジングにバイパス通路およびウェストゲートバルブが設けられているとともに、上記ウェストゲートバルブを開閉駆動するアクチュエータを備えたターボチャージャにおいて、
   上記タービンハウジングは、タービンホイールを囲むスクロールを形成する環状のスクロール部と、このスクロール部の中心から当該ターボチャージャの回転軸線に沿って延びた出口管と、上記スクロール部から上記回転軸線の軸方向に遷移しつつ当該スクロール部の接線方向に延び、かつ端部に取付フランジを有する入口管と、が一体に鋳造されており、
   上記バイパス通路は、上記入口管から上記スクロール部へ向かう旋回形状の内周側において上記入口管の内部の入口通路と上記出口管の内部の出口通路とを連通するように形成されており、上記ウェストゲートバルブは、上記出口管内に上記バイパス通路の出口開口部を開閉するように配置されており、
   上記出口開口部の開口中心は、上記タービンハウジングを当該ターボチャージャの軸方向に見て、当該ターボチャージャの回転中心を通り上記取付フランジの面と平行な第１の仮想平面と、上記回転中心を通り上記第１の仮想平面と直交する第２の仮想平面と、で区画される第１～第４の４つの象限の中で、上記取付フランジが位置する第４の象限の中に位置し、
   上記ウェストゲートバルブは、上記出口管に一体に形成された円筒状のボス部と、このボス部の内周側に軸受部材を介して回転自在に支持され、かつ先端に揺動レバーを備えた略Ｌ字形のシャフトと、上記揺動レバーの先端に取り付けられた円盤状の弁体と、を備え、
   上記ボス部は、上記の４つの象限の中で、上記取付フランジが位置する上記の象限の中に位置し、
   内燃機関の排気ポートが開口するシリンダヘッド側面に上記取付フランジを取り付けた状態において、上記アクチュエータが当該ターボチャージャと上記シリンダヘッドとの間に位置するとともに、このアクチュエータの本体部分は、上記第２の仮想平面を挟んで上記第４の象限に隣接する第１の象限に位置し、上記シャフトに連係する中継ロッドが上記タービンハウジングと上記シリンダヘッドとの間を横切っている、
   ターボチャージャ。
2. （削除）
3. （削除）
4. 上記ボス部は、上記取付フランジから上記スクロール部へ向かう入口管と上記出口管との接続部に設けられている、請求項１に記載のターボチャージャ。
5. （削除）
6. 上記バイパス通路は、上記入口通路の上記取付フランジ直後の位置から上記出口通路へ向かって形成されている、請求項１または４に記載のターボチャージャ。

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