JPH0444088B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はエンジンの運転状態に応じてタービ
ン容量を可変制御するようにしたターボ過給機に
関する。

エンジンの排気エネルギで作動するターボ過給
機では、排気流量とタービン容量との関係で過給
圧ないしタービン効率が定まり、従つて所期の性
能を発揮するエンジン運転域は非常に狭い。

このような性質上、自動車用エンジンのように
使用回転域が広くて運転状態が著しく変動するエ
ンジンに対して、その全運転域で適正な過給を施
すのは非常に難しく、例えば低速出力特性を重視
してタービン容量を小さく設定すると、高速域で
は排気流量に対して容量過小となり、タービン入
口でのチヨークなどを起こして排圧が著増するこ
とから、タービン効率及び出力の低下を来たすと
いう問題を生じる。また、容量がそれほど小さく
ない場合でも、排気流量の増加に伴つてタービン
が過回転し、過給圧が無用に上昇するという不具
合を起こす。

この問題に対して、タービン容量を運転状態に
応じて変化させるようにした可変容量タービンと
いうものが考えられている。

これを説明すると、第１図に示したようにター
ビンハウジング１のスクロール状通路２に、その
入口部からスクロール途中までの領域にかけて半
径方向に変位する可動壁３と、制御回路（図示せ
ず）からの信号に基づいて可動壁３を変位させる
アクチユエータ４などが設けられている。

制御回路はエンジンの運転状態をアクセル開度
や回転速度について検出し、そのときの運転状態
に適したタービン容量になるようにアクチユエー
タないし可動壁３を駆動して通路喉部２Ａの面積
を加減する。

これは、一般にタービン容量は、上記喉部２Ａ
の通路断面積をＡ、この断面の重心からタービン
回転中心までの距離をＲとするときに両者の比
Ａ／Ｒで定まり、この値が大きいほど大容量また
は大流量型になるので、この装置では喉部２Ａの
面積Ａが高速・高負荷時ほど増加し、低速・低負
荷時ほど減少するように可動壁３の位置を制御
し、これによりエンジンの運転状態に応じた適正
な過給を行なえるように図つているのである（実
開昭53−50310号参照）。

しかしながら、エンジンのほぼ全運転域で適正
な過給状態を確保しようとする場合には最小Ａ／
Ｒ値を基準として300％以上の流量範囲を制御す
る必要があり、これを上記装置のようにタービン
容量の機械的な可変手段のみで実現するのは、高
温高圧雰囲気中で使用可能なためには、構造的に
極めて困難なものとなる。

また、上記装置ではタービン容量を電子制御す
る関係上、制御系の構成が複雑かつ高価になると
いう欠点がある。

本発明はこのような問題点に着目してなされた
もので、タービンへの排気流量を制御して可変容
量装置を介しての流量制御範囲を縮小し、可変容
量装置で適正な過給状態が得られる運転域でのみ
これを作動させることにより全体としてタービン
効率を高め、あるいは過給圧の制御範囲を拡大す
ることを目的とする。

この目的を達成するために本発明では、ターボ
過給機において、タービンハウジングのスクロー
ル状通路末尾部の流路断面積を増減するロツドを
備え、このロツドの操作量に応じてタービン容量
を増減する可変容量装置と、タービンを迂回する
排気バイパス通路とこの排気バイパス通路を開閉
する弁装置とを備えた排気バイパス装置とを設け
るとともに、前記可変容量装置並びに排気バイパ
ス装置の駆動手段として、エンジン運転状態を代
表する圧力に応動するダイアフラム装置を設け、
かつ前記排気バイパス装置は所定の高負荷運転域
にて作動するように設定し、該高負荷域では可変
容量装置を介してタービン容量を増大させつつ排
気バイパスを行うようにした。

この排気流量の制御に基づき、可変容量装置が
効率的に作動する排気流量をタービンに付与で
き、言い換えるなら可変容量装置を介しての容量
制御のみでは効率の低下が生じる所定の高負荷運
転域では排気バイパスにより効率の低下が回避さ
れるので全体としての効率のよい過給状態が得ら
れる。一方、可変容量装置はタービングハウジン
グのスクロール状通路末尾部においてロツドを操
作して該末尾部の流路断面積を増減することによ
りタービン容量を変化させる構成としたことか
ら、スクロール状通路末尾部という小断面積の部
分をロツドにより制御すればよく、これによりロ
ツド等の可動部を小型にできるため容量可変装置
のコンパクト化を図ることができると共に、装置
の可動部がタービンよりも上流の高温排気の影響
を直接的に受けにくく、したがつて優れた耐久性
及び信頼性の下に前記高効率の過給制御を安定し
て行うことができる。

また本発明では、上記可変容量装置と排気バイ
パス装置の駆動手段として、それぞれダイアフラ
ム装置を設ける。ダイアフラム装置はそれ自体構
造が簡単であり、また上記可変容量制御または排
気流量制御にあたつてエンジンの負荷ないし回転
速度を反映する各種の圧力（例えばエンジン吸入
負圧、コンプレツサ出口圧、排気圧など）を圧力
源として利用できるので、制御系の構成面からも
簡略化に貢献する。

以下、本発明を第２図に示した実施例に基づい
て説明する。

この実施例は、本出願人が先に提案した可変容
量装置（特願昭56−91526号など）に本発明を適
用したものである。

上記可変容量装置は、図示したようにスクロー
ル状通路２の末尾部２Ｂを軸方向に横切るように
摺動可能なロツド５を設け、末尾部２Ｂに対する
ロツド５の侵入量（操作量）に応じて当該部分の
開口面積が変化する構成である。この装置による
と、ロツド５が侵入して末尾部２Ｂの開口面積が
減少するほどタービンホイール６の周囲での排気
の再循環量が減少し、その分タービンホイール５
への流量が増加するので、流量特性としては大に
なり、実質的にＡ／Ｒを拡大したのと同様の効果
を生じる。

また、前記可変容量装置はスクロール状通路末
尾部２Ｂという小断面積の部分にてロツド５の先
端部を進退操作させることにより容量を変化させ
る構成であるから、ロツド５の操作量が少なくて
済み、可動部を小型に構成できるため、可変容量
装置のコンパクト化を図ることができると共に、
ロツド５はタービン６よりも上流の比較的高温の
排気にさらされることがなく、すなわち装置の可
動部が高温排気の影響を直接的に受けないため耐
久性及び信頼性が高い。

上記ロツド５の位置制御を行なうためのアクチ
ユエータは、タービンハウジング１と接続する出
口配管７にブラケツト８を介して取り付けられた
ダイアフラム装置９である。このダイアフラム装
置９は、ブラケツト８に固着された筒状の本体９
Ａと、本体９Ａを２つの圧力室１０，１１に仕切
るように設けられたダイアフラム９Ｂと、ダイア
フラム９Ｂと共に進退しうるようにブラケツト８
に摺動自由に支持されたシヤフト９Ｃ及びこのシ
ヤフト９Ｃに対して背面側の圧力室１１に介装さ
れたコイルバネ９Ｄなどからなる。

可変容量装置のロツド５は、出口配管７の内側
（排気通路１２）にてプレート１３を介して上記
ダイアフラム装置９のシヤフト９Ｃに連接され、
またコイルバネ９Ｄの弾力に基づきスクロール状
通路末尾部２Ｂの開口面積を絞る方向（侵入方
向）に付勢されている。

ロツド５の位置はダイアフラム装置９の第１の
圧力室１０に導入される圧力と、これに対抗する
コイルバネ９Ｄの弾発力並びに第２の圧力室１１
に導入される圧力との釣合いで決まるが、例えば
第１の圧力室１０に排気圧（タービン入口圧）
を、第２の圧力室１１に吸気絞り弁（図示せず）
の下流側におけるマニフオルド圧を導入した場合
のタービン容量制御は次のようになる。

すなわち、絞り弁開度の小さい低負荷状態にあ
つては、マニフオルド圧が強い負圧になるためダ
イアフラム９Ｂ及びロツド５はコイルバネ９Ｄに
抗して退避し、スクロール末尾部２Ｂを大きく開
いている（Ａ／Ｒとしては小）が、負荷が増大す
るほど前記マニフオルド負圧が減少するためロツ
ド５は末尾部２Ｂに侵入してその開口面積を減じ
る（Ａ／Ｒは増大）。絞り弁開度の小さい領域で
は、その開度の増加に対してマニフオルド負圧が
急激に減少する性質があるが、同時に第１の圧力
室１０に作用する排気圧が発達するので、前記ロ
ツド５の侵入方向への作動は徐々になされ、ある
程度の負荷状態に至つたところで末尾部２Ｂの開
口面積が最小もしくはゼロになる。このように、
基本的には負荷つまり排気流量の増大に伴つてタ
ービン容量も増大するという好ましい特性にな
る。

また、エンジン負荷及び回転速度が上昇して排
気流量が増大するにつれ、Ａ／Ｒを大にする必要
がある。この場合には、タービン回転が充分に高
まつて過給作用を生じるようになるので、第２の
圧力室１１に作用するマニフオルド圧は次第に正
圧となる。

従つてロツド５の位置は、この正圧による作用
力とコイルバネ９Ｄの弾発力との合力により基本
的には、正圧の増大に伴い、ロツド５の侵入量が
増し、Ａ／Ｒが実質的に大きくなるがこれに対抗
して排気圧を作用させロツド５の位置調整をより
精確なものにするように図つている。

本発明はこのような可変容量装置を備えたター
ボ過給機に排気バイパス装置を設けるのであり、
この実施例では、図示したようにタービンハウジ
ング１の入口部２Ｃと出口配管７の排気通路１２
とをタービンホイール６を迂回して連通する排気
バイパス通路１５と、この通路１５を開閉するス
イングバルブ型の弁装置１６とで前記バイパス装
置を形成する。

弁装置１６は、タービンハウジング１の排気通
路１２側に面したバイパス通路開口部１５Ａ接離
する板状の弁体１６Ａと、この弁体１６Ａをハウ
ジング１に対し揺動自由に支持する弁軸１６Ｂ
と、この弁軸１６Ｂの一端部に固着されるクラン
クアーム１６Ｃなどからなり、前記クランクアー
ム１６Ｃの揺動端部はロツド１７を介して第２の
ダイアフラム装置（図示せず）に連接する。前記
第２のダイアフラム装置はスイングバルブコント
ローラとして周知のものと同様であり、すなわち
通常は弁体１６Ａを弾性的に閉弁保持している
が、例えばコンプレツサ出口圧（絞り弁上流側圧
力）がある所定値を超える高負荷運転領域になる
と弁体１６Ａを開方向に駆動してタービンホイー
ル６へと流入しようとする排気の一部をその下流
側へとバイパスするように図る。

これにより、次に述べるように広いエンジン運
転域にわたつて効率よく過給制御を行なうことが
可能になる。

第３図は、排気タービンの種々のＡ／Ｒ値に対
する過給機の特性を示したもので、仮にＡ／Ｒが
排気流量とこれに対応したスクロール形状との最
適な組合せにより理想的に無段階変化しえたとす
れば図の包絡線で示されるような特性が得られる
ことを表わしているが、従来からの可変容量装置
によるＡ／Ｒの制御では、タービンハウジング１
ないしスクロール状通路２（第１図または第２図
参照）の基本的な形状及び寸法は固定的であるの
で、前記固定的基本形状等で決められる特定の流
量点（設計流量）から大きく外れる流量域まで
Ａ／Ｒの制御を行なおうとすると、第４図に示し
たようにタービン効率が著しく低下し、エンジン
効率ないし燃費に悪影響を及ぼす。

これに対して、排気流量がある程度に達して以
降排気の一部をバイパスすることにより、タービ
ンへの流量については設計流量に近づき、タービ
ン排圧も所定限度以上に上昇することはないの
で、可変容量装置のみで過給圧を制御する場合に
較べてタービン効率の低下を抑えることができ
る。

つまり、Ａ／Ｒの可変制御がタービン効率の低
下をもたらす比較的高い流量域、つまり本実施例
ではコンプレツサ出口圧が所定値を超える所定の
高負荷運転領域では排気バイパスにより効率低下
を抑えられ、その以外の流量域すなわち設計流量
の近傍ではＡ／Ｒの制御により無理なく過給制御
を行ない得ることから、綜合すればターボ過給機
を広いエンジン運転域にわたつて効率よく作動さ
せることができるのである。因みに、このように
して過給制御を行なつた場合のエンジン全開性能
曲線を第５図として示す。

以上のようにして、本発明によれば広いエンジ
ン運転域において効率の良い過給制御が可能であ
るが、また本発明ではこのための可変容量装置並
びに排気バイパス装置の駆動手段としてエンジン
運転状態を代表する圧力に応動するダイアフラム
装置を設けるようにしたことから、前記効率の良
い過給制御を単純かつ安価に実現することができ
る。

さらに、本発明では可変容量装置をタービンハ
ウジングのスクロール状通路末尾部にてロツドを
操作する構成としたので装置のコンパクト化を図
りつつ耐熱性及び信頼性を向上でき、これにより
上記高効率の過給制御を安定して行うことができ
るという効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例の断面図である。第２図は本発
明の一実施例の断面図である。第３図はＡ／Ｒ
（タービン容量）の異なる各種のターボ過給機に
ついての全開性能曲線図である。第４図は本発明
による排気流量とタービン効率の関係を従来との
比較において示した特性線図である。第５図は本
発明による全開性能曲線図である。 １……ターボ過給機のタービンハウジング、２
……スクロール状通路、５……可変容量装置のロ
ツド、６……タービンホイール、９……可変容量
装置のダイアフラム装置（駆動手段）、１２……
排気通路、１５……排気バイパス通路、１６……
弁装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ターボ過給機において、タービンハウジング
   のスクロール状通路末尾部の流路断面積を増減す
   るロツドを備え、このロツドの操作量に応じてタ
   ービン容量を増減する可変容量装置と、タービン
   を迂回する排気バイパス通路とこの排気バイパス
   通路を開閉する弁装置とを備えた排気バイパス装
   置とを設けるとともに、前記可変容量装置並びに
   排気バイパス装置の駆動手段として、エンジン運
   転状態を代表する圧力に応動するダイアフラム装
   置を設け、かつ前記排気バイパス装置は所定の高
   負荷運転域にて作動するように設定し、該高負荷
   域では可変容量装置を介してタービン容量を増大
   させつつ排気バイパスを行うようにしたことを特
   徴とする可変容量型ターボ過給機。