JP7381368B2

JP7381368B2 - ツインスクロールターボ

Info

Publication number: JP7381368B2
Application number: JP2020034750A
Authority: JP
Inventors: 陽目黒
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2020-03-02
Publication date: 2023-11-15
Anticipated expiration: 2040-03-02
Also published as: JP2021139292A

Description

本発明は、ツインスクロールターボに関する。

自動車用のターボチャージャにおいて、排気脈動のエネルギーを有効利用し、低速域の過給圧を高める手段として、エキゾーストマニホールドからタービンハウジングに収容されたタービンに排気を導入する流路が２つのスクロールに分割されたツインスクロールターボが知られている。例えば、特許文献１には、一方のスクロールの流路断面積が他方のスクロールの流路断面積よりも大きいツインスクロールターボが開示されている。

特開２０１８-１７２９８９号公報

ところで、上記特許文献１のようなツインスクロールターボでは、低速域の過給圧を高めることが可能であるが、単一のスクロールを備えたターボチャージャに比べて同一の空気量におけるポンピングロスが大きい問題がある。

そこで本発明は、同一の空気量におけるポンピングロスを低減できるツインスクロールターボを提供することを目的とする。

本発明は、エキゾーストマニホールドからタービンハウジングに収容されたタービンに排気を導入する流路が第１スクロールと第２スクロールとに分割されたツインスクロールターボであって、タービンは、複数のタービン翼を有し、タービンの複数存在する互いに隣接するタービン翼の間における排気の下流端部の流路断面積の総和であるインペラ出口スロート面積に対して、第１スクロールにおける排気の下流端部の流路断面積と第２スクロールにおける排気の下流端部の流路断面積との合計の比が、０．９以上であって１．１以下であり、タービンにおける排気の上流端部の直径に対するタービンにおける排気の下流端部の直径の比の２乗が、９０％以上であって９５％以下であるツインスクロールターボである。

この構成によれば、エキゾーストマニホールドからタービンハウジングに収容されたタービンに排気を導入する流路が第１スクロールと第２スクロールとに分割されたツインスクロールターボにおいて、タービンの複数存在する互いに隣接するタービン翼の間における排気の下流端部の流路断面積の総和であるインペラ出口スロート面積に対して、第１スクロールにおける排気の下流端部の流路断面積と第２スクロールにおける排気の下流端部の流路断面積との合計の比が、０．９以上であって１．１以下であり、タービンにおける排気の上流端部の直径に対するタービンにおける排気の下流端部の直径の比の２乗が、９０％以上であって９５％以下であるため、容量が過少となることを低減しつつ、効率を高め、チョークを低減できる。したがって、同一の空気量においてポンピングロスを低減できる。

本発明のツインスクロールターボによれば、同一の空気量におけるポンピングロスを低減できる。

実施形態に係るツインスクロールターボを示す図である。タービンハウジングに収容されたタービンを示す斜視図である。（Ａ）はタービンの回転軸に直交する断面による第１スクロールの断面図であり、（Ｂ）はタービンの回転軸に直交する断面による第２スクロールの断面図である。タービンの側面図である。（Ａ）は異なる面積比のそれぞれにおけるπ_ｔに対するタービン効率を示すグラフであり、（Ｂ）は異なる面積比のそれぞれにおけるπ_ｔに対する流量を示すグラフである。実施形態のツインスクロールターボと従来のツインスクロールターボのそれぞれにおけるスクロール舌部面積に対する面積比を示すグラフである。クランク角に対するエキゾーストマニホールドの圧力を示すグラフである。実施形態のツインスクロールターボと従来のツインスクロールターボのそれぞれにおけるポンピングロスを示すグラフである。

以下、本発明の実施形態に係るツインスクロールターボについて、図面を用いて詳細に説明する。まず、本実施形態のツインスクロールターボの構成について説明する。本実施形態のツインスクロールターボ２は、例えば、車両のツインスクロールターボシステム１に組み込まれて適用される。図１に示されるように、例えば、４気筒のエンジンＥのツインスクロールターボシステム１は、エンジンＥの第１気筒Ｅａ，第２気筒Ｅｂ，第３気筒Ｅｃ及び第４気筒Ｅｄに吸入空気を分配するためのインテークマニホールド３と、第１気筒Ｅａ，第２気筒Ｅｂ，第３気筒Ｅｃ及び第４気筒Ｅｄの排気ポートに接続され、各排気ポートから排出された排気Ｇを２系統に集約して排出するエキゾーストマニホールド４とを備えている。

ツインスクロールターボ２は、吸入経路１ａを介してインテークマニホールド３に接続されたコンプレッサ５と、エキゾーストマニホールド４に接続されたツインスクロールタービン６とを備えている。コンプレッサ５とインテークマニホールド３とを接続する吸入経路１ａには、インタークーラーやスロットルバルブ等が配置されている。

コンプレッサ５は、コンプレッサハウジング５ａと、コンプレッサハウジング５ａに収納されたコンプレッサインペラ５ｂとを備え、ツインスクロールタービン６は、タービンハウジング７と、タービンハウジング７の収容室７ｄに収納されたタービン８とを備えている。タービン８は回転軸２１の一方の端部に設けられており、コンプレッサインペラ５ｂは回転軸２１の他方の端部に設けられている。タービンハウジング７とコンプレッサハウジング５ａとの間には、不図示の軸受ハウジングが設けられている。回転軸２１は、軸受を介して軸受ハウジングに回転可能に支持されており、回転軸２１、コンプレッサインペラ５ｂ及びタービン８は一体の回転体として回転軸線Ｘを中心に回転する。

コンプレッサハウジング５ａには、吸入部５ｃ及び排出部５ｄが設けられている。タービン８が回転すると、回転軸２１を介してコンプレッサインペラ５ｂが回転する。回転するコンプレッサインペラ５ｂは、吸入部５ｃを通じて外部の空気を吸入し、圧縮して排出部５ｄから排出する。排出部５ｄから排出された空気は、吸入経路１ａ及びインテークマニホールド３を介してエンジンＥの第１気筒Ｅａ，第２気筒Ｅｂ，第３気筒Ｅｃ及び第４気筒Ｅｄに供給される。

エキゾーストマニホールド４は、第２気筒Ｅｂ及び第３気筒Ｅｃの排気を集約する第１集約路４ａと、第１気筒Ｅａ及び第４気筒Ｅｄの排気を集約する第２集約路４ｂとを備えている。タービンハウジング７は、第１集約路４ａに接続された第１排気経路７ａと、第２集約路４ｂに接続された第２排気経路７ｂと、タービン８を通過した排気Ｇが流出する排出路７ｃとを備えている。エンジンＥから排出された排気Ｇは、エキゾーストマニホールド４を通過してタービンハウジング７内に流入し、タービン８を回転させ、その後、排出路７ｃを通過してタービンハウジング７の外に流出する。

図２、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示されるように、タービンハウジング７には、第１排気経路７ａに接続された第１スクロール１１と、第２排気経路７ｂに接続された第２スクロール１２とが設けられている。第１スクロール１１と第２スクロール１２とは、それぞれタービン８の収容室７ｄに連通し、タービン８の収容室７ｄは排出路７ｃに連通している。以上の構成により、ツインスクロールターボ２では、エキゾーストマニホールド４からタービンハウジング７に収容されたタービン８に排気Ｇを導入する流路が第１スクロール１１と第２スクロール１２とに分割されている。

図２に示されるように、タービン８は複数のタービン翼８ａを有する。タービン翼８ａのそれぞれは、タービン８の外周側に位置する第１スクロール１１及び第２スクロール１２から排気Ｇを供給され、排出路７ｃとは反対側の上流端部８ｂを含む。また、タービン翼８ａのそれぞれは、排気Ｇが排出路７ｃを介して排出される側の下流端部８ｃを含む。以下、タービン８の複数存在する互いに隣接するタービン翼８ａの間における排気Ｇの下流端部８ｃの流路断面積Ｓａの総和をインペラ出口スロート面積と呼ぶ。

図３（Ａ）に示されるように、第１スクロール１１は、タービン８の回転方向に沿うように略螺旋状の曲線を描く流路を形成し、第１スクロール１１の排気Ｇの下流端部１１ａにおいてタービン８の収容室７ｄに連通している。下流端部１１ａは、タービンハウジング７で第１スクロール１１を区画しつつ、第１スクロール１１においてタービン８に最も近接している舌部と呼ばれる壁部の先端である。以下、第１スクロール１１における排気Ｇの下流端部１１ａの流路断面積Ｓｂを第１スクロール舌部面積と呼ぶ。

上記の第１スクロール１１と同様に、図３（Ｂ）に示されるように、第２スクロール１２は、タービン８の回転方向に沿うように略螺旋状の曲線を描く流路を形成し、第２スクロール１２の排気Ｇの下流端部１２ａにおいてタービン８の収容室７ｄに連通している。下流端部１２ａは、タービンハウジング７で第２スクロール１２を区画しつつ、第２スクロール１２においてタービン８に最も近接している舌部と呼ばれる壁部の先端である。以下、第２スクロール１２における排気Ｇの下流端部１２ａの流路断面積Ｓｃを第２スクロール舌部面積と呼ぶ。さらに、以下、第１スクロール舌部面積と第２スクロール舌部面積とを合計した面積をスクロール舌部面積と呼ぶ。

本実施形態のツインスクロールターボ２では、タービン８の複数存在する互いに隣接するタービン翼８ａの間における排気Ｇの下流端部８ｃの流路断面積Ｓａの総和、すなわちインペラ出口スロート面積に対して、第１スクロール１１における排気Ｇの下流端部１１ａの流路断面積Ｓｂと第２スクロール１２における排気Ｇの下流端部１２ａの流路断面積Ｓｃとの合計、すなわちスクロール舌部面積の比が、０．９以上であって１．１以下である。以下、上記の比を面積比と呼ぶ。つまり、面積比＝スクロール舌部面積／インペラ出口スロート面積である。面積比は、０．９５以上であって１．０５以下がより好ましく、１．０が最も好ましい。

図４に示されるように、タービン８における排気Ｇの上流端部８ｂの直径Ｄａは、タービン８における排気Ｇの下流端部８ｃの直径Ｄｂに比べて僅かに大きい。本実施形態では、タービン８における排気Ｇの上流端部８ｂの直径Ｄａに対するタービン８における排気Ｇの下流端部８ｃの直径Ｄｂの比の２乗が９０％以上であって９５％以下である。以下、上記の直径Ｄａに対する直径Ｄｂの比の２乗をトリムと呼ぶ。つまり、トリム＝（直径Ｄｂ／直径Ｄａ）^２である。

以下、本実施形態のツインスクロールターボ２の作用及び効果について説明する。ツインスクロールターボ２では、低速域の過給圧を高めることが可能であるが、スクロールが２つになるため、単一のスクロールを備えたシングルスクロールのターボチャージャのスクロール舌部面積に対して、第１スクロール舌部面積及び第２スクロール舌部面積のそれぞれが概ね１／２になり、ポンピングロスが増大する問題がある。

ターボチャージャの製造業者の経験的な知見によると、上記の面積比は、シングルスクロールのターボチャージャで０．９程度が最適であり、ツインスクロールターボで１．２程度が最適と考えられている。しかしながら、これは単体評価における定常状態での知見であり、自動車エンジンのターボチャージャとして搭載されたときの排気脈動下での使用が十分に考慮されていない。

図５（Ａ）に異なる面積比のそれぞれにおけるπ_ｔに対するタービン効率であるη_ｔｍを示し、図５（Ｂ）に異なる面積比のそれぞれにおけるπ_ｔに対する流量であるＧ（Ｔ／Ｐ）^１／２を示す。π_ｔは、排出路７ｃにおける排気の圧力（Ｐ_ｏ）に対する第１排気経路７ａ及び第２排気経路７ｂにおける排気Ｇの圧力（Ｐ_ｉ）であり、π_ｔ＝Ｐ_ｉ／Ｐ_ｏである。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）によると、高π_ｔの領域においては、面積比が小さい方がチョークは生じ難いことが判る。図６に示されるように、従来は高π_ｔの領域はウェイストゲートにより、チョーク特性は問題にならないと考えられ、低速時の効率が重視され、面積比が１．２～１．３程度の高めの値となる仕様が採用されている。

しかしながら、本発明者が鋭意検討した結果、図７に示されるように、実際のツインスクロールターボにおいては、エンジンの脈動により、常時、π_ｔ＝１．５～４．０程度の変動が生じることが判明した。つまり、実際にはエンジンの脈動により、常時、高π_ｔの領域においても運転されていることが明らかとなった。したがって、排気脈動の影響を考慮した結果、実際には常に高π_ｔの領域においても運転されているツインスクロールターボにおいては、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示されるように、従来、最適と考えられていた１．２の面積比は過大であり、自動車用のエンジンに適したツインスクロールターボの面積比は、０．９以上であって１．１以下が好ましく、０．９５以上であって１．０５以下がより好ましく、１．０がさらに好ましいことが判った。そこで、本実施形態では、図６に示されるように、面積比は０．９以上であって１．１以下に設定される。

ここで、図６に示されるように、従来、自動車用のツインスクロールターボでは、トリムは８０％程度である。しかし、スクロール舌部面積を小さくすることのみによって面積比を小さくすると、容量が過少となる。そこで、出口スロート面積、すなわちタービン８における排気Ｇの下流端部８ｃの直径Ｄｂを増やす必要がある。このため、本実施形態では、図６に示されるように、トリムは９０％以上であって９５％以下に設定され、従来よりも高トリムに設定される。以上のような仕様のツインスクロールターボ２では、図８に示されるように、同一空気量においてポンピングロスが低減され、燃費が向上する。

以上より、本実施形態によれば、エキゾーストマニホールド４からタービンハウジング７に収容されたタービン８に排気を導入する流路が第１スクロール１１と第２スクロール１２とに分割されたツインスクロールターボ２において、タービン８の複数存在する互いに隣接するタービン翼８ａの間における排気Ｇの下流端部８ｃの流路断面積Ｓａの総和であるインペラ出口スロート面積に対して、第１スクロール１１における排気Ｇの下流端部１１ａの流路断面積Ｓｂと第２スクロール１２における排気Ｇの下流端部１２ａの流路断面積Ｓｃとの合計の比が、０．９以上であって１．１以下であり、タービン８における排気Ｇの上流端部８ｂの直径Ｄａに対するタービン８における排気Ｇの下流端部８ｃの直径Ｄｂの比の２乗が９０％以上であって９５％以下であるため、容量が過少となることを低減しつつ、効率を高め、チョークを低減できる。したがって、同一の空気量におけるポンピングロスを低減できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく様々な形態で実施される。例えば、面積比が０．９以上であって１．１以下であり、トリムが９０％以上であって９５％以下である限りにおいて、ツインスクロールターボ２の各部における構成は適宜変更し得る。

１…ツインスクロールターボシステム、１ａ…吸入経路、２…ツインスクロールターボ、３…インテークマニホールド、４…エキゾーストマニホールド、４ａ…第１集約路、４ｂ…第２集約路、５…コンプレッサ、５ａ…コンプレッサハウジング、５ｂ…コンプレッサインペラ、５ｃ…吸入部、５ｄ…排出部、６…ツインスクロールタービン、７…タービンハウジング、７ａ…第１排気経路、７ｂ…第２排気経路、７ｃ…排出路、７ｄ…収容室、８…タービン、８ａ…タービン翼、８ｂ…上流端部、８ｃ…下流端部、１１…第１スクロール、１１ａ…下流端部、１２…第２スクロール、１２ａ…下流端部、２１…回転軸、Ｅ…エンジン、Ｅａ…第１気筒、Ｅｂ…第２気筒、Ｅｃ…第３気筒、Ｅｄ…第４気筒、Ｇ…排気、Ｘ…回転軸線、Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ…流路断面積、Ｄａ，Ｄｂ…直径。

Claims

エキゾーストマニホールドからタービンハウジングに収容されたタービンに排気を導入する流路が第１スクロールと第２スクロールとに分割されたツインスクロールターボであって、
前記タービンは、複数のタービン翼を有し、
前記タービンの複数存在する互いに隣接する前記タービン翼の間における前記排気の下流端部の流路断面積の総和であるインペラ出口スロート面積に対して、前記第１スクロールにおける前記排気の下流端部の流路断面積と第２スクロールにおける前記排気の下流端部の流路断面積との合計の比が、０．９以上であって１．１以下であり、
前記タービンにおける前記排気の上流端部の直径に対する前記タービンにおける前記排気の下流端部の直径の比の２乗が、９０％以上であって９５％以下である、ツインスクロールターボ。