JPH07279679A - 可変容量型ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 エンジン高回転側の出力特性を極力犠牲にす
ることなく、ターボチャージャの有効領域をエンジン低
回転側にワイドレンジ化できる可変容量型ターボチャー
ジャを提供すること。 【構成】 排気ガスを導入する排気通路１７１が形成さ
れ、導入される排気ガスによって回転するタービン翼１
７０を収容したハウジング１７２、排気ガス下流側に位
置する下流側端部１７３ａ、１７４ａを回動中心として
タービン翼１７０に沿って配置された回動可能な可動ベ
ーン１７３、１７４と同可動ベーンを回動させてタービ
ン容量を変化させる可動手段１７５とからなる容量可変
手段１９、可動ベーン１７４よりも排気ガス下流側に位
置しタービン翼１７０に沿って設けられた固定ベーン１
７６、可動手段１７５を作動させて可動ベーン１７３、
１７４の位置を制御する制御手段２１を備えた可変容量
型ターボチャージャ１３。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、タービン翼の周部に設
けられた可変翼を動作させてタービン容量を変化させる
可変容量型ターボチャージャに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の出力アップを図る手段とし
て、排気ガスをタービン翼に当て、同翼と同軸上に設け
られたコンプレッサーを回転させて吸気効率の向上を図
るターボチャージャは有効であり、既に種々の内燃機関
に装着されている。ターボーチャージャの特性として
は、排気ガスをタービン翼に当てて、吸気側に位置する
コンプレッサ翼を高速で回転させて吸入空気を圧縮して
シリンダー内に導入するので、エンジンの回転上昇に伴
い高出力となる傾向にある。この様な特性から高回転時
における燃焼室温度が過度に上昇し易く、通常は圧縮比
を予め低く設定しているので、低回転時における出力の
低下を招きやすい。そこで、タービン翼とタービンハウ
ジンジとの間に構成される排気通路上に可動式のベーン
を配置し、タービンに当てる排気ガスの流量を可変とす
るターボチャージャが提案されている。例えば、実願平
１−１６３１４号公報に記載の可変容量式のターボチャ
ージャでは、エンジンからの排気ガス流量が少ないとき
には、可変ベーンとハウジングとの間隔（ノズル開口
部）を狭くして、排気ガスの流速を高めて少ない流量の
排気ガスで効率的にタービン翼を回転させて低回転時の
ピックアップを良くしている。反対に、排気ガス流量が
多いときには、ハウジングと可動ベーンとの間隔を広
く、かつ、タービン翼に直接排気ガスを当てるようにし
て、排気抵抗を低減させてタービン翼を回転させてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような可変容量式
のターボチャージャにおいて、さらに、低回転側からよ
り効率良くタービン翼を回転させるためには、可動ベー
ンを排気ガスの下流側に向かって延長してハウジングと
の隙間を狭くするか、あるいは、ハウジングの壁厚を厚
くして可動ベーンとの間隔を狭くすることが考えられ
る。しかしながら、可動ベーンを延長する場合、排気ガ
スの抵抗や温度等により強度的に厳しく、破損のおそれ
がある。また、ハウジングの壁厚を厚くする場合、可動
ベーンを延長することなくハウジングとの間のノズル開
口部を絞り込めるので、可動ベーンの強度を保ちつつ低
流量時の排気ガス流速をあげられるが、反面、ノズル開
口部が絞り込まれることで大流量時の排気抵抗となって
しまう。つまり、ターボの特性を定める一要素であるち
Ａ／Ｒが小さくなるので、エンジンの高回転時における
出力やトルクの低下を招き、ターボチャージャの有効領
域が低回転側に移動（シフト）する結果となり、有効領
域の拡大（ワイドレンジ化）とはならない。本発明の目
的は、エンジン高回転側の出力特性を極力犠牲にするこ
となく、ターボチャージャの有効領域をエンジン低回転
側にワイドレンジ化できる可変容量型ターボチャージャ
を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】そこで、請求項１記載の
発明では、排気ガスを導入する排気通路が形成されると
共に、同排気路内に導入される排気ガスによって回転さ
れるタービン翼を収容したハウジングと、上記排気ガス
の下流側に位置する下流側端部を回動中心として上記タ
ービン翼に沿って配置された回動可能な可動ベーンと同
可動ベーンを動作してタービン容量を変化させる可動手
段とからなる容量可変手段と、上記可動ベーンよりも排
気ガスの下流側に位置し、かつ、上記タービン翼に沿っ
て設けられた固定ベーンと、上記可動手段を動作させて
上記可動ベーンの位置を制御する制御手段とを備えたこ
とを特徴とする。請求項２記載の発明では、上記固定ベ
ーンを、上記可動ベーンが閉状態において形成するスク
ロール曲線上に設け、請求項３の発明では、上記固定ベ
ーンは、上記排気ガスの上流側に位置する端部と上記ハ
ウジングとの間に形成されるノズル開口面積を、上記排
気ガスの下流側に位置する端部と上記ハウジングとの間
に形成されるノズル開口面積よりも大きくなるように設
定した。請求項４記載の発明では、上記固定ベーンは、
上記排気ガスの下流に位置する端部とタービン翼との間
に形成される間隔を、上記排気ガスの下流側に位置する
端部と上記タービンとの間に形成される間隔よりも大き
くなるように設け、請求項５記載の発明では、上記可動
ベーンを、上記タービン翼に沿い下流側端部を回動中心
して回動可能な複数のベーンから構成したことを特徴と
している。

【０００５】

【作用】請求項１記載の発明によると、制御手段により
可動手段が動作されると、タービン翼に沿って配置され
た回動可能な可動ベーンが、排気ガスの下流側に位置す
る下流側端部を回動中心として回動されてその位置を制
御され、この可動ベーンの動作によりタービン容量が変
化する。排気通路内に導入される排気ガスは、可動ベー
ンよりも排気ガスの下流側に位置し、かつ、上記タービ
ン翼に沿って設けられた固定ベーンと、排気通路が形成
されタービン翼を収容するハウジングとの間を通って、
タービン翼に向かって流動する。請求項２記載の発明に
よると、固定ベーンを可動ベーンが閉状態において形成
するスクロール曲線上に設けたので、可動ベーンと連続
したスクロール面が構成される。請求項３記載の発明に
よると、固定ベーンにおける排気ガスの上流側に位置す
る端部とハウジングとの間に形成されるノズル開口面積
を、排気ガスの下流側に位置する端部とハウジングとの
間に形成されるノズル開口面積よりも大きくなるように
設けたので、排気通路が排気ガスの下流側に行くほどに
絞り込まれ、同通路内を流れる排気ガスの流速が下流側
に行くほど早くなる。請求項４記載の発明によると、固
定ベーンの排気ガスの上流側に位置する端部とタービン
翼との間に形成される間隔を、排気ガスの下流側に位置
する端部とタービン翼との間に形成される間隔よりも大
きくなるように設けたので、タービン翼に当たった排気
ガスの逃げが形成され、同タービン翼に対する回転抵抗
が低下する。請求項５記載の発明によると、可動ベーン
を、タービン翼に沿いその下流側端部を回動中心して回
動可能な複数のベーンとしたので、可動ベーンが回動す
ると、各ベーンの間から排気ガスがタービン翼に向かっ
て流れ込み、タービンを回転させる。

【０００６】

【実施例】図１、図２において、符号１は直列６気筒４
サイクルエンジン（以下、「エンジン」と記す）を示
し、このエンジン１には、可変容量型のターボチャージ
ャ１３が装着されている。エンジン１は、その本体内に
複数のシリンダ２を収容する。各シリンダ２の燃焼室７
には吸排気バルブ３、４を介して吸気ポート５と排気ポ
ート６がそれぞれ連通可能に形成されている。各シリン
ダの吸気ポート５は、吸気マニホールド８を介して吸気
路９に連通し、各シリンダの排気ポート６は、排気マニ
ホールド１０を介して排気路１１に連通している。吸気
路９は、ターボチャージャ１３のコンプレッサ１４部か
らインタクーラ２０を介して吸気マニホールド８まで延
びる吸気管１２と、同吸気管１２の先端に配置されるエ
アクリーナ１５とで構成される。排気路１１は、排気マ
ニホールド１０に直結されるターボチャージャ１３のタ
ービン部１７と、このタービン部１７より延出する排気
管１６と、同排気管１６後端に設けられたマフラー１８
とで構成される。インタクーラ２０は、ターボチャージ
ャ１３のコンプレッサ１４部からの加圧エアを空気冷却
して吸気ポート側に送る周知の構成を採る。

【０００７】ターボチャージャ１３は、図２に示すよう
に、排気ガスを導入するタービン部１７と吸入空気を圧
縮するコンプレッサ部１４とから構成されている。ター
ビン部１７は、図１、図３に示すように、タービン翼１
７０を回転自在に支持収容すると共に、排気マニホール
ド１０からの排気ガスを導入する排気通路１７１を形成
するハウジング１７２、同ハウジングに回動自在に支持
され、タービン翼１７０に沿って配置された２つの可動
ベーン１７３、１７４と、可動ベーン１７３、１７４を
作動させてタービン容量を変化させる駆動手段１７５と
からなる容量可変手段１９、可動ベーン１７４よりも排
気ガスの下流側に位置し、かつ、タービン翼１７０の外
周に沿って設けられた固定ベーン１７６、及び駆動手段
１７５を作動させて可動ベーン１７３、１７４の位置を
制御する制御手段としてのコントロールユニット２１を
備えている。

【０００８】ハウジング１７２は、排気マニホールド１
０との接合部１７２ｂ近傍に位置する排気導入口１７１
ａにおける流路開口面積Ａが最大となるスクロール状を
成している。可動ベーン１７３、１７４は、排気導入口
１７１ａ近傍からタービン翼１７０の略１／３程度まで
達する連続的なスクロール曲線を形成すべく配置されて
いて、排気ガスの下流側に位置する下流側端部１７３
ａ、１７４ａがそれぞれ回転軸２２，２３に固定されて
回動自在とされている。すなわち、可動ベーン１７３、
１７４は、ハウジング１７２の内壁１７２ａとの間に形
成される流路空間の断面積が徐々に減少するような曲率
に形成されている。

【０００９】回転軸２２、２３は、ハウジング１７２の
外部に延出しており、駆動手段１７５を構成する外側レ
バー１７５ａ、１７５ｂに一体結合されている。各外側
レバー１７５ａ、１７５ｂの自由端は、駆動手段１７５
を構成する電磁アクチュエータ１７５ｃの可動ロッド１
７５ｄにリンク結合している。ここでの電磁アクチュエ
ータ１７５ｃとしては電磁ソレノイドが用いられる。

【００１０】固定ベーン１７６は、耐熱性の金属で略等
厚に形成されていて、可動ベーン１７４の下流端１７４
ａよりも下流側であって、可動ベーン１７３，１７４が
図３に実線で示す閉状態において形成するスクロール曲
線上に配設されている。固定ベーン１７６は、排気ガス
の上流側に位置する上端部１７６ａとハウジングの内壁
１７２ａとの間に形成される排気通路１７１のノズル開
口面積Ｂが、排気ガスの下流側に位置する下端部１７６
ｂと内壁１７２ａとの間に形成されるノズル開口面積Ｃ
よりも大きく、かつ、上端部１７６ａとタービン翼１７
０との間に形成される間隔Ｌが、下端部１７６ｂとター
ビン翼１７０との間に形成される間隔Ｌ’よりも大きく
なるように設けられている。つまり、固定ベーン１７６
は、可変ベーン１７４の延長ベーンと考えられ、各開口
面積の関係を可動ベーン１７３，１７４の閉じ状態にお
いて、Ａ＞Ｂ＞Ｃの関係を達成するように配置構成され
ている。

【００１１】電磁アクチュエータ１７５ｃは、コントロ
ールユニット２１の制御下に置かれていて、エンジン１
からの排気ガス流量が少ない運転領域の時には、可変ベ
ーン１７３、１７４を、図３に実線で示す排気導入口１
７１ａに流入した排気ガスをノズル部Ｃに案内する閉状
態に位置させ、エンジン１からの排気ガス流量が多い運
転領域の時には、可変ベーン１７３、１７４を図３に二
転鎖線で示す、導入された排気ガスを直接タービン翼に
案内する開状態に位置するように、可動ロッド１７５ｄ
を図１に示す矢印ａ方向に摺動させる。

【００１２】排気導入口１７１ａ近傍のハウジング１７
２には、大気開口されるウエストゲート１７７が形成さ
れている。このゲート１７７は、常閉付勢されるウエス
トゲートバルブ１７８で閉じられていて、タービン部１
７の圧力が過剰に上昇すると開口されるようになってい
る。ここでは、排気圧力が上昇するとウエストゲートバ
ルブ１７８とリンク結合するロッド１７９を、破線矢印
方向に移動させる図示しないダイヤフラム型のアクチュ
エータによってバルブの開閉が行なわれる。但し、ウエ
ストゲートバルブ１７８の開時期は、可動ベーン１７
３，１７４を開動作させる電磁アクチュエータ１７５ｃ
の作動よりも遅く設定する。

【００１３】コンプレッサ部１４は、タービン翼１７０
と同軸的に設けられ、吸入空気を圧縮して吸気マニホー
ルド８に供給する図示しないコンプレッサ翼がそのケー
シング内に設けられている。

【００１４】コントロールユニット２１は、マイクロコ
ンピュータで要部がなり、図示しない双方向性バスによ
り相互に接続されたＲＯＭ（リードオンメモリ）、ＲＡ
Ｍ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（マイクロプロ
セッサ）、入力ポート及び出力ポートを備えるという周
知のハード構成を採る。入力ポートには、運転状態検出
手段としてのエンジン１の回転数Ｎｅ信号を出力する回
転数センサ２２、エンジン１の負荷Ｌ信号を出力する負
荷センサ２３、エンジン１の冷却水温度ｗｔ信号を出力
する温度センサ２４等が図示しないＡＤ変換器を介して
それぞれ接続されている。他方、出力ポートには、対応
する図示しない駆動回路を介して電磁アクチュエータ１
７５ｃが接続されている（図２参照）。ＲＯＭ（リード
オンメモリ）には、図５に示す制御プログラムや、図６
に示すターボ運転状態設定マップ等が記憶処理される。
図６に示すターボ運転状態設定マップにおいて、で示
す領域は、可変ベーン１７３、１７４を閉状態とする低
流量域を、で示す領域は、可変ベーン１７３、１７４
を開状態とする大流量域をそれぞれ示している。

【００１５】このような構成の可変容量型ターボチャー
ジャの動作を図５に示す過給圧制御ルーチンに沿って説
明する。コントロールユニット２１は、図示しないメイ
ンスイッチのオン処理によって燃料噴射制御等を含む図
示しない周知のメインルーチンを実行し、その途中で図
５の過給圧制御ルーチンに達する。コントロールユニッ
ト２１は各センサよりエンジンの回転数Ｎｅ、負荷Ｌ等
の検出信号を取り込み、得られたデータを所定のエリア
にストア（ステップｓ１）してステップｓ２に進む。ス
テップｓ２では図６のターボチャージャ１３の運転状態
設定マップに沿って現在の回転数Ｎｅ及び負荷Ｌに応じ
た２の領域、の何れか一方に設定し、ステップｓ３
でその設定結果に応じて電磁アクチュエータ１７５ｃを
駆動してリターンする。

【００１６】ステップｓ２での設定モードがの低流量
域であると、アクチュエータ１７５ｃは駆動されず、可
動ベーン１７３、１７４は閉状態を示す実線位置のまま
であるので、エンジン１から排出される流量の比較的少
ない排気ガスは、排気流入口１７１ａから可動ベーン１
７３、１７４及び固定ベーン１７６とハウジングの内壁
１７２ａとの間の排気通路１７１を通り、反時計周りで
タービン翼１７０まで導かれる。この時、流入する排気
ガスは、排気通路１７１の流路断面は徐々に狭められ排
気通路１７１中最も開口断面の小さいノズル部Ｃへ案内
されるので、圧縮されて流速が高められてタービン翼１
７０に当たる。従って、低流量の運転領域であっても流
速を高めことでタービン翼１７０を効率的に回転させる
ことができる。また、タービン翼１７０と固定ベーン１
７６の上流端１７６ａとの間隔Ｌが、下流端１７６ｂと
タービン翼１７０との間隔Ｌ’よりも大きく設定されて
いるので、排気ガスがタービン翼１７０の裏側まで十分
に当たると共に、タービン翼１７０に当たった排気ガス
の回転方向への抜けがよくなる。

【００１７】一方、ステップｓ２での設定モードがの
大流量域であると、アクチュエータ１７５ｃが通電され
て駆動され、図１に示すロッド１７５ｄが矢印ａ方向に
摺動して、図３において閉状態（実線位置）にあった可
動ベーン１７３、１７４が回動して開状態を示す２点鎖
線位置となる。すると、可動ベーン１７３、１７４とハ
ウジングの内壁１７２ａに沿って流れ、固定ベーン１７
６で絞られて流速を高められてタービン翼１７０に当て
られていた排気ガスが、可動ベーン１７３，１７４の間
を通って直接タービン翼１７０に一気に当てられる。す
なわち、固定ベーン１７６と内壁１７２ａにより形成さ
れるノズル部Ｃによる排気ガスの絞りが解除されるので
流動抵抗が減少し、効率よく多量の排気ガスを導入して
タービン翼１７０を回転させることになる。

【００１８】不用意なアクセルの開動作等により排気ガ
ス流量が増えて、ハウジング１７２内の圧力が過剰に高
くなる過過給状態となると、図示しないダイヤフラム型
のアクチュエータが作動してウエストゲートバルブ１７
８が開かれ、ハウジング１７２内の圧力が減少して過過
給によるタービン翼１７０のオーバーランが防止され
る。

【００１９】ここでは、ウエストゲートバルブ１７８を
ダイヤフラム型のアクチュエータにより開閉している
が、電磁ソレノイドで開閉する構成とすることも可能で
ある。その場合、上述した図５に示す過給圧制御ルーチ
ンに２点鎖線で囲ったステップｓ４、ｓ５を追加し、マ
ップにの領域よりも大きいの領域を設定しておき、
その領域を回転数Ｎｅ及び負荷Ｌに応じて選択設定した
場合、過過給状態と判断して電磁ソレノイドの駆動して
ウエストゲートバルブ１７８を開状態とするようにして
も良い。なお、可変ベーン１７３、１７４の開閉動作に
より、過過給を回避できる場合、特にウエストゲート及
びバルブ１７８を設置する必要はない。また、本実施例
では、固定ベーン１７６を同一の厚さに構成してＢ＞Ｃ
の条件を満たすように、タービン翼１７０の近傍で、か
つ、可動ベーン１７４の下流側に配置したが、図４に示
すように、下流端１７６ｂの厚さを上端部１７６ａより
も厚く形成した固定ベーンを配置することでも構わな
い。

【００２０】ここで固定ベーン１７６を配置した可変容
量型のターボチャージャと、固定ベーンを配置しない可
変容量型ターボチャージャの特性を図７に示す。図７に
おいて、縦軸はエンジントルクを示し、横軸はエンジン
回転数を示す。また、実線は固定ベーンを持たないター
ボチャージャの特性を示し、２点鎖線は固定ベーンを有
する本発明のターボチャージャの特性を示す。図から、
固定ベーンを設置することで、可変ベーンの開状態にお
けるトルク特性は、固定ベーンを持たないターボチャー
ジャにおける可変ベーンの開状態時よりも若干低回転側
にシフトするのの、可変ベーンの閉状態においては、ト
ルクの立上りが低回転側に大きく移動（シフト）する。

【００２１】このように、固定ベーン１７６を設けるこ
とで、排気流入口１７１ａの流路断面Ａを換えることな
く、排気流路１７１の先端側の開口面積Ｃを絞ることが
できるので、低流量時時のトルクアップや過給圧の立ち
上がりが早くなる。また、固定ベーン１７６は、可変ベ
ーン１７４と同一曲線上に配置されつつも別体とされて
いるので、従来の可変ベーンを延長して流路を絞るタイ
プのものよりも、剛性確保と共に流路の絞りの自由度が
大きくなる。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、可動ベーンの下流側に
排気流路を絞る固定ベーンを配置したので、可動ベーン
を延長したり、或いは、タービンハウジングの壁圧を厚
くすることなく、排気流路を絞ることができるので、剛
性がよく低流量の排気ガスでも十分に流速を高められて
低流量域からでも応答性の良いターボチャージャとする
ことができる。また、固定ベーンによりノズル開口部を
絞り込むことができるため、ハウジングの厚さを厚くす
る必要がなくなり、排気ガスの流入口を断面を十分に確
保することができ、排気ガスの多い大流量域でも十分に
排気ガスを導入でき、出力の低減を防止できる。従っ
て、エンジン高回転側の出力特性を極力犠牲にすること
なく、ターボチャージャの有効領域をエンジン低回転側
にワイドレンジ化できる可変容量型ターボチャージャを
提供するという本発明の目的を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の可変容量型ターボチャージャの一実施
例を示す概略構成図である。

【図２】本発明の可変容量型ターボチャージャが装着さ
れたエンジンシステムを示す概略構成図である。

【図３】図１に示した可変容量型ターボチャージャの部
分拡大図である。

【図４】本発明の要部である固定ベーンの変形例を示す
拡大図である。

【図５】制御手段が行なう過給圧制御ルーチンのフロー
チチャートである。

【図６】制御手段に記憶されたターボチャージャの運転
領域設定マップの特性線図である。

【図７】本発明の可変容量型ターボチャージャの特性を
示す線図である。

【符号の説明】

１３ 可変容量型ターボチャージ
ャ １９ 容量可変手段 ２１ 制御手段 １７０ タービン翼 １７１ 排気通路 １７２ ハウジング １７３、１７４ 可動ベーン １７３ａ、１７４ａ 下流側端部 １７５ 可動手段 １７６ 固定ベーン Ｂ，Ｃ ノズル開口面積 Ｌ，Ｌ’ 端部とタービン翼との間隔

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】排気ガスを導入する排気通路が形成される
   と共に、同排気路内に導入される排気ガスによって回転
   されるタービン翼を収容したハウジングと、 上記排気ガスの下流側に位置する下流側端部を回動中心
   として上記タービン翼に沿って配置された回動可能な可
   動ベーンと同可動ベーンを動作してタービン容量を変化
   させる可動手段とからなる容量可変手段と、 上記可動ベーンよりも排気ガスの下流側に位置し、か
   つ、上記タービン翼に沿って設けられた固定ベーンと、 上記可動手段を動作させて上記可動ベーンの位置を制御
   する制御手段とを備えたことを特徴とする可変容量型タ
   ーボチャージャ。
2. 【請求項２】上記固定ベーンを、上記可動ベーンがその
   閉状態において形成するスクロール曲線上に設けたこと
   を特徴とする請求項１記載の可変容量型ターボチャージ
   ャ。
3. 【請求項３】上記固定ベーンは、上記排気ガスの上流側
   に位置する端部と上記ハウジングとの間に形成されるノ
   ズル開口面積を、上記排気ガスの下流側に位置する端部
   と上記ハウジングとの間に形成されるノズル開口面積よ
   りも大きくなるように設けられたことを特徴とする請求
   項１または２記載の可変容量型ターボチャージャ。
4. 【請求項４】上記固定ベーンは、上記排気ガスの下流に
   位置する端部とタービン翼との間に形成される間隔を、
   上記排気ガスの下流側に位置する端部と上記タービンと
   の間に形成される間隔よりも大きくなるように設けられ
   たことを特徴とする請求項１、２または３記載の可変容
   量型ターボチャージャ。
5. 【請求項５】上記可動ベーンが、上記タービン翼に沿
   い、下流側端部を回動中心して回動可能な複数のベーン
   から構成されたことを特徴とする請求項１、２、３また
   は４記載の可変容量型ターボチャージャ。