JPH0610418B2

JPH0610418B2 - 排気タ−ビン過給機

Info

Publication number: JPH0610418B2
Application number: JP59279706A
Authority: JP
Inventors: 敏鈴木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-12-29
Filing date: 1984-12-29
Publication date: 1994-02-09
Anticipated expiration: 2009-02-09
Also published as: JPS61160524A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、排気タービンとコンプレッサとを同一軸上に
配置した自動車エンジンに好適な排気タービン過給機に
係り、特に、可変容量式タービンを備えた過給機に関す
る。

〔従来の技術〕

排気タービン過給機は、エンジンの排気シリンダからの
排気ガスを排気タービンに供給してタービンを回転さ
せ、同一軸上のコンプレッサを駆動し、このコンプレッ
サで圧縮された空気をエンジンの吸気管に送り込むよう
になっている。

ところで、エンジンの低、中速回転域では排気ガス量が
少なく、充分なタービン出力が得られず、過給圧力が不
足するという問題があった。

この問題を解決するために、エンジンの低速域に適合す
る比較的小容量の排気タービンを用いて対処していた。
この場合には、エンジンの高速高負荷運転時に過給圧力
が高くなり過ぎるので、タービン入口にバイパス弁を設
け、このバイパス弁をアクチュエータによつて制御し、
余剰排気ガスを排出して過給圧力が過大とならないよう
にしていた。しかし、このように排気バイパス制御を行
うと、バイパスされる排気バスによって喪失するエネル
ギーのために、過給圧力に対してタービン入口圧力が上
昇するという弊害を生じる。

この影響を避けるため、タービンの容量をエンジンの運
転状態に対応させて変化させる可変容量タービンが、例
えば、米国特許第３５５７５４９号などによって提案さ
れているが、特にガソリンエンジンでは広い運転全域に
わたってエンジンと過給機とをマッチングさせるのが困
難であり、排気バイパス方式の併用が必要となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

すなわち、この可変容量式タービンは、タービンケース
内部が隔壁により軸方向に２分されて並設されたスクロ
ール室を有し、その一方のスクロール室を常に開放し、
他方のスクロール室を、運転状況に応じて制御弁により
開閉制御（エンジンの低中速回転域では閉、高速回転領
域では開）する方式が採用されている。また、タービン
過給圧力が所定以上になると、排気バイパス弁が開くよ
うにしている。

ところで、従来のこの種の可変容量式の排気タービン過
給機は、排気バイパス弁とタービン出口側とを最短距離
で連通するといったレイアウト上の都合より、排気バイ
パス弁をタービンケースの出口側の側壁に設け、これに
合わせて、常開スクロール室をタービン出口側に、一
方、運転状況に応じて制御弁により開閉制御されるスク
ロール室（以下、これを制御弁付きスクロール室と称す
る）をセンターハウジング側（コンプレッサ側）に配置
するのが、一般的な傾向であった。

しかし、このようなスクロール室レイアウトによれば、
特に常開スクロール室のみを使用している運転域でのタ
ービンケースの温度分布が著しく不均一となり、タービ
ンケースの変形、クラックを発生させる原因となってい
た。

以下、第３図〜第６図を用いて、従来の代表的な可変容
量式排気タービン過給機及び上記の問題点を詳細に説明
する。

第３図は、この種排気タービン過給機の概観図である。
排気タービン３の羽根車３Ａとコンプレッサ１８の羽根
車とが、センターハウジング１６を挿通させた回転軸１
７の両端に取付けている。

エンジン１から排出された排気ガスは、エギゾーストマ
ニホールド２を介してタービン３のタービンケース４内
に導かれる。ケース４内は、隔壁５によって常開スクロ
ール室６′と制御弁１０付きスクロール室７′とに分割
されており、常開スクロール室６′はタービン出口側８
に、制御弁１０付きスクロール室７′はセンターハウジ
ング１６側に配置されている。

また、排気バイパス弁９は、タービンケース４のタービ
ン出口側８の側壁設けてある。

エンジンの低速，低負荷運転時には、排気ガスを常開ス
クロール室６′に導き、排気ガス量が増加すると過給圧
が上昇するため、過給圧が導入口１１からアクチュエー
タ１２に導かれ、ある一定の圧力以上になるとロッド１
３が動き、そのロッド１３の先端と連動して作動する排
気バイパス弁９が開き、常開スクロール室６′に備えて
あるバイパス孔１４より排気ガスがタービン出口側８に
排出される。さらに排気ガス量が増加する高速，高負荷
運転時には、制御弁１０がエンジンの排気圧力や回転数
等の信号によりロッド１５が作動し、それと一体となっ
て開放される。

このとき、１つのタービンスクロールから２つのタービ
ンスクロールに切りかわるため、今まで排気バイパス孔
１４より排出されていた排気ガスを排出する必要がなく
なり、一旦、排気バイパス弁９が閉じる方向に制御され
る。さらに排気ガス量が増加すると、前述したと同様に
過給圧が上昇するので、アクチュエータ１２により排気
バイパス弁９が開く方向に制御される。

第４図は、上記した制御を行った場合の過給圧特性を示
す線図で、横軸にエンジン回転数、縦軸に過給圧の圧力
比をとって示してある。常開スクロール室６′のみの運
転のときには曲線２１の特性となる。これに対して、制
御弁１０が開放したときの２つのスクロール室の運転の
ときには曲線２２の特性となる。これを目標特性２３の
ように制御するには、目標特性２３の圧力比よりも高く
なる圧力比領域２４，２５を排気バイパス弁９の開放に
より制御することが必要である。以上により排気ガス量
が増加するにつれて次のような制御を行う。

（１）領域２６では、常開スクロール室６′のみの運転
を行う。

（２）領域２７では、常開スクロール室６′のみの運転
として、排気バイパス弁９を開放して余剰過給圧を制御
する。

（３）点２８で制御弁１０を開放、排気バイパス弁９を
全閉として制御弁付きスクロール室７′も開放して運転
する。

（４）領域２９では常開スクロール室６′と制御弁付き
スクロール室７′とを用いて運転し、排気バイパス弁９
を開放して余剰過給圧を制御する。

第５図は第３図の可変容量式排気タービン過給機と標準
形の排気タービン過給機との特性の比較を示す線図であ
る。曲線３１は標準形の排気タービン過給機の過給圧特
性で、曲線３２は第３図の可変容量式排気タービン過給
機の過給圧特性であり、曲線３３は標準形の排気タービ
ン過給機の排気圧力特性で、曲線３４は第３図の可変容
量式排気タービン過給機の排気圧力特性であ。これよ
り、可変容量式排気タービン過給機は、低速の過給圧特
性にすぐれ、低速のトルクが向上し、しかも高速の排気
圧力特性を大幅に低減することができるため、燃費の向
上を図ることができる。

しかし、従来のものは、第３図に示すように、常開スク
ロール室６′がタービン出口側８に配置してあるので、
エンジンの低速運転状態では、排気ガスが図示矢印Ａ′
方向のみの流れとなり、そして、高速運転の場合は、矢
印Ａ′方向とＢ′方向の流れとなる。このとき、低速運
転状態の矢印Ａ′方向の流れの場合、タービンケース４
の温度分布が不均一となる。

このときのケース４の温度分布を測定した結果を第６図
に示す。第６図からわかるように、ケース４の４ａの部
分（センターハウジング側スクロール室壁部）は、セン
ターハウジング１６とボルト締めによって結合されてい
るため、センターハウジング１６側に熱を奪われ易く、
一方、タービン出口側のスクロール室の壁部４ｂは排気
ガスの熱的影響を最も受けることで、４ａと４ｂの温度
差が、曲線４１と４２の比較からわかるように７５℃と
なってしまう。なお、曲線４３は隔壁５の温度であり、
曲線４４は排気ガス温度である。これによりケース４の
左右に熱応力が発生し、ケース４の変形、クラックの発
生等の不具合が発生する。

本発明は上記に鑑みてなされ、その目的は、高温排気ガ
スによるタービンケースの変形。クラックの発生をなく
すことができ、しかも、広い運転条件で良好な過給圧特
性が得られる可変容量式の排気タービン過給機を得供す
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の特徴を第１図の実施例の符号を引用して説明す
る。

本発明は、排気タービン３の羽根車３Ａとコンプレッサ
１８の羽根車とを、センターハウジング１６を挿通させ
た回転軸１７の両端に取付けて成る排気タービン過給機
において、前記タービン３のケース４内部が隔壁５により軸方向に
２分されて並設されたスクロール室６，７より成り、こ
れらのスクロール室のうちセンターハウジング側のスク
ロール室６を常に排気ガスが流通する常開スクロール室
とし、一方、タービン出口側のスクロール室７の入口に
該スクロール室７を低速，低負荷運転域では閉じ高速、
高負荷運転域で開く制御弁１０を設け、且つ前記センタ
ーハウジング側のタービンケース側壁１９に排気バイパ
ス弁９を設け、この排気バイパス弁９と前記タービン出
口側とを接続る排気バイパス通路９Ａを前記タービンケ
ース４に近接して該タービンケースを迂回するよう配置
して成る。

〔作用〕

上記構成によれば、制御弁１０付きスクロール室７が閉
じているときには、センターハウジング側の常開スクロ
ール室６に排気ガスが流れ、該スクロール室６が温めら
れるが、排気ガスの流出する側（タービン出口側）に制
御弁１０付スクロール室７を設けたので、タービン出口
側８からの伝熱によって制御弁付きスクロール室７も温
められる。

また、上記のように常開スクロール室６のみに排気ガス
が流れている時に排気バイパス弁９が開いている状況で
は、上記同様にしてスクロール室６，７が温められるほ
かに、排気バイパス通路９Ａに流れる排気ガスの輻射熱
によってタービンケース４全体が温められる。

したがって、低速、低負荷運転時（制御弁付きスクロー
ル室７が閉じている時）でもタービンケースの温度分布
がほゞ均一になり、スクロール室６とスクロール室７と
の通路壁間の温度差を小さくして、タービンケース４の
変形、クラック発生を防止できる。

また、本発明によれば、従来はタービン出口側のタービ
ンケース側壁に設けるものとの考えが定着されていた排
気バイパス弁９を、センターハウジング側のタービンケ
ース側壁１９に配置したので、制御弁１０と排気バイパ
ス弁９がスペースの制約を受けることなく配置できる。
なお、従来のこの種可変容量式タービンには、制御弁付
きスクロール室をタービン出口側に配置するものも見受
けられるが（特開昭８−１３８２２２号）、排気バイパ
ス弁もタービン出口側のタービンケース側に設けるべき
との考えより、排気バイパス弁と制御弁のスペース上の
干渉を避けるための配慮に苦慮し、制御弁と排気バイパ
ス弁を兼用させたりしているが、このようにすると、制
御弁と排気バイパス弁との開度制御を一つの弁で行うの
で、排気バイパス弁の開度特性を思うように設定するの
で難しく、排気バイパス弁による過給圧制御を高精度に
行うのが難しくなる。

本発明では、制御弁１０をタービン出口側のスクロール
室７側に設けたとしても、排気バイパス弁９を上記した
ようにセンターハウジング側（反タービン出口側）に設
けたので、両者の弁をスペースの制約を受けることなく
別々に配置でき、それぞれが独立した制御を行い得るの
で、排気バイパス弁による高精度の過給圧制御を保証で
きる。

〔実施例〕

本発明の実施例を第１図に示した実施例および第２図を
用いて説明する。

第１図は本実施例の可変容量式の排気タービン過給機を
示す概観図である。第１図において、１はエンジン、２
はエキゾーストマニホールド、３はタービン、４はター
ビンケースである。

排気タービン３の羽根車３Ａとコンプレッサ１８の羽根
車（図示せず）とは、センターハウジンング１６を挿通
させた回転軸１７の両端に取付けられて、タービン３と
コンプレッサ１８とが同軸上に配置される。

タービンケース４内部は、隔壁５により軸方向に２分さ
れて並設されたスクロール室６，７より成る。これらの
スクロール室のうちセンターハウジング側のスクロール
室６を常に排気ガスが流通する常開スクロール室として
ある。一方、タービン出口側のスクロール室７の入口に
該スクロール室７を低速，低負荷運転域では閉じ高速、
高負荷運転域で開く制御弁１０を設ける。

また、センターハウジンング側のタービンケース側壁１
９に排気バイパス弁９を設け、この排気バイパス弁９と
タービン出口側８とを排気バイパス通路９Ａを介して接
続する。排気バイパス通路９Ａは、タービンケース４に
近接して該タービンケースを迂回するように配置してあ
る。

１１は過給圧の導入口、１２はアクチュエータ、１３は
排気バイパス弁１０と連動するロッド、１４はタービン
ケース４に設けた排気バイパス孔であり、過給圧が所定
以上になると、これらの要素１１，１２，１３を介して
排気バイパス弁９が開き、過給圧が一定となるように制
御される。

制御弁１０は、エンジンの排気圧力や回転数等の信号に
よって作動するロッド１５を介して開閉制御される。

これにより、エンジン低速運転域では、排気ガスは図示
矢印Ａ方向のみに流れるが、エンジン高高運転領域で
は、制御弁１０が開となるので、排気ガスは図示矢印
Ａ，Ｂ両方向に流れる。なお、排気バイパス弁９が開と
なつたときは、排気の一部が排気バイパス孔１４より排
気バイパス弁９，排気バイパス通路９Ａを通つて、ター
ビン出口側８へ流れる。

第２図は第１図の場合のタービンケース４の温度分布を
低速運転時に測定した結果を示す線図で、ケース４の４
ｃの部分（センターハウジング側スクロール室の側壁）
は曲線ａのようにな、ケース４の４ｄの部分（排気ター
ビン側スクロール室の側壁）は曲線ｂのようになり、両
部分の温度差は２５℃となり、また、隔壁５の部分は曲
線ｃのようになり、曲線ａとの温度差は３０℃となり、
ともに目標の５０℃以下となる。

これは、制御弁１０付きスクロール室７が閉じていると
きには、センターハウジンング側の常開スクロール室６
に排気ガスが流れ、該スクロール室６が温められるが、
タービン出口側８からの伝熱によって制御弁付きスクロ
ール室７も温められ、また、上記のように常開スクロール室６のみに排気ガス
が流れている時に排気バイパス弁９が開いている状況で
は、上記同様にしてスクロール室６，７が温められるほ
かに、排気バイパス通路９Ａに流れる排気ガスの輻射熱
によってタービンケース４全体が温められるからであ
る。

しかも、本実施例によれば、従来はタービン出口側のタ
ービンケース側壁に設けるものと考えが定着されていた
排気バイパス弁９を、センターハウジング側のタービン
ケース側壁１９に配置したので、制御弁１０と排気バイ
パス弁９がスペースの制御を受けることなく配置でき
る。したがって、発明の作用の項でも述べたように、ス
ペース的制約から制御弁と排気バイパス弁を兼用させる
といったことを不要とし、両者の弁９，１０をスペース
の制約を受けることなく別々に配置でき、それぞれの弁
が独立した制御を行い得るので、排気バイパス弁による
高精度の過給圧制御を保証でき、第４図，第５図に示し
た特性を確保することができ、広い運転条件での良好な
過給圧厘特性が得られる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、高温排気ガスによるタ
ービンケースの変形、クラックの発生をなくすことがで
き、しかも、広い運転条件で良好な過給圧特性が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る要部断面図、第２図は
第１図におけるタービンケースの温度分布を示す線図、
第３図は従来の排気タービン過給機の一実施例を示す要
部断面図、第４図は第３図における過給圧特性を示す線
図、第５図は第３図と標準形の排気タービン過給機との
特性の比較を示す線図、第６図は第３図におけるタービ
ンケースの温度分布を示す線図である。１……エンジン、３……タービン、４……タービンケー
ス、５……隔壁、６……常開スクロール室、７……制御
弁付きスクロール室、９……排気バイパス弁、１０……
制御弁、１２…………アクチユエータ、１３……ロッ
ド、１４……排気バイパス孔、１５……ロッド。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】排気タービン（３）の羽根車（３Ａ）とコ
ンプレッサ（１８）の羽根車とを、センターハウジング
（１６）を挿通させた回転軸（１７）の両端に取付けて
成る排気タービン過給機において、前記タービン（３）のケース（４）内部が隔壁（５）に
より軸方向に２分されて並設されたスクロール室（６，
７）より成り、これらのスクロール室のうちセンターハ
ウジング側のスクロール室（６）を常に排気ガスが流通
する常開スクロール室とし、一方、タービン出口側のス
クロール室（７）の入口に該スクロール室（７）を低
速、低負荷運転域では閉じ高速、高負荷運転域で開く制
御弁（１０）を設け、且つ前記センターハウジング側の
タービンケース側壁（１９）に排気バイパス弁（９）を
設け、この排気バイパス弁（９）と前記タービン出口側
とを接続する排気バイパス通路（９Ａ）を前記タービン
ケース（４）に近接して該タービンケースを迂回するよ
う配置して成ることを特徴とする排気タービン過給機。