JPS595772B2 - 排気バイパス式タ−ボチヤ−ジヤ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、内燃機関の排気ガスにエリ回転されるタービ
ンに伴って駆動されるコンプレッサによって前記内燃機
関への供給空気を加圧するターボチャージャに係り、特
にタービンに流入する排気ガスの一部を排気バイパス弁
を開いて放出し、タービンの回転状態’Ｈｔ制御する排
気バイパス式ターボチャージャに関する。

近年、内燃機関（エンジン）の小型変効率化の要求から
、内燃機関への供給空気を該エンジンの排気ガスを利用
して加圧するターボチャージャが多用されている。

このターボチャージャのコンプレッサ吐出圧力は、エン
ジンの運転状態に拘らず、常に所定の圧力に保たれてい
ることが要求される。

このため、従来のターボチャージャでは、コンプレッサ
の吐出圧力の一部を大気に放出し、放出部より下流の圧
力をほぼ一定に保つ方式が知られている。

しかし、このように既にコンプレッサに仕事をさせて生
じさせた圧力を放出することは、ロスが大きいことが判
っている。

このため、排気ガスかターボチャージャのタービンを駆
動する前、すなわち仕事をする前に排気ガスの一部を外
部に放出してロスを少なくシようとするターボチャージ
ャ、いわゆる排気バイパス式ターボチャージャが開発さ
れている。

ところで、従来のこの種の排気バイパス式ターボチＶ−
ジャにおいては、排気バイパス弁を開閉する駆動機構を
直接、コンプレッサの吐出圧力によって制御していた。

この際、排気バイパス式ターボチャージャに要求される
コンプレッサの吐出圧力特性は、バイパス弁が開き始め
てから全開するまでのコンプレッサ吐出圧力がなるべく
一定値にあることが望まれている。

しかし、従来のコンプレッサ吐出圧力による駆動機構の
直接制御では、駆動機構がコンプレッサ吐出圧力の変化
量に比例して作動するため、原理的に、要求のコンプレ
ッサ吐出圧カ一定の制御は不可能であり、エンジンの運
転状態に比例した制御しかできない。

このため、エンジンの機械的強度上、許容できるコンプ
レッサ吐出圧力の最大値を定め（一般にはゲージ圧で約
６５０ｒｙ＋Ｈｇ）、この時にバイパス弁が全開となる
ようにしている。

また、バイパス弁が全開のとき、ベローズなどからなる
駆動機構のベローズ内外の圧力差か、駆動機構の十分な
動作を行なえる圧力差（一般に２００ ｒｒｒｍ ）ｆ
ｇ ） となるようにするため、バイパス弁の開き始
めのコンプレッサ吐出圧力を、全開時の圧力に比べ大分
低くせざるを得す、この結果バイパス弁の開き始めのコ
ンプレッサ吐出圧力は、要求圧力より低くなり、エンジ
ンの運転性が悪化するという不都合がある。

さらに、前述のように、駆動機構の作動圧力を２００ｔ
ｒａｎ Ｈｇと低く設定せざるを得ない結果、駆動機構
のばね定数を極限まで小さくするため、駆動機構が不安
定となりやすく、車の振動で加振されて動作不安定を生
じ、かつ、ばね定数か小さいことから固有振動数が小さ
くなって車の振動に共振して発振しやすくなり、いずれ
にしても動作特性上非常に不利であるという不都合もあ
る。

本発明の目的は、排気バイパス弁の開き始めから全開ま
でのコンプレッサ吐出圧力の変化量を極力小さくできる
排気バイパス式ターボチャージャを提供するにある。

本発明は、排気バイパス弁の駆動機構にコンプレッサの
吐出圧力を導入する通路の途中に、コンプレッサの吐出
圧力を所定の増巾率で増巾するトランスジューサを設け
、このトランスジューサにエリコンプレッサ吐出圧力を
任意の比例増巾率に制御できることを利用して小さなコ
ンプレッサ吐出圧力の変化によって駆動機構を全動作さ
せるようにしたものである。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図において、ターボチャージャ本体１にはタービン
２およびコンプレッサ３が設けられ、これらのタービン
２お工ひコンプレッサ３のインペラはシャフト４で一体
に連結されている。

前記タービン２の人口側には、タービン２に流入する排
気ガスの一部を該タービン２を通過させずにバイパス通
路５に放出するための排気バイパス弁６が設けられてい
る。

このバイパス弁６０ロツド１はタービン２のケーシング
内を貫通して外方にまで突出され、バイパス弁駆動機構
８内に設けられたベローズ９０頂面に固定されている。

このベローズ９の開口端縁は駆動機構８の内面に固定さ
れるとともに、その内方は連通孔１０を介してタービン
２内に連通されている。

一方ベローズ９の外囲に形成される作動圧力室１１はオ
リフィス１２を介して大気と連通されるとともに、通路
としてのパイプ１３を介してトランスジューサ１４の出
口バイブ１５，１６に連通されている。

トランスジューサ１４は、大きな有効受圧面積を有する
第１のダイヤフラム１７と、小さな受圧面積を有する第
２のダイヤフラム１８とをその内部に備え、これらのダ
イヤフラム１７．１８はロッド１９により連結され、一
体となって移動するようになっている。

また、第１、第２のダイヤフラム１７，１８によりトラ
ンスジューサ１４内は３個の室２０，２１，２２に仕切
られ、第１のダイヤフラム１７とトランスジューサ１４
のケーシングとの間に形成される第１の室２０には前記
出口バイブ１５お工び人口バイブ２３が開口され、第１
、第２のダイヤフラム１７，１８間に形成される第２の
室２１には前記出口バイブ１６が開口され、さらに第２
のダイヤフラム１８とケーシングとの間に形成される第
３の室２２は連通孔２４を介して大気に連通されている
。

前記第１のダイヤフラム１Ｔの出口バイブ１５に対向し
た位置にはシート２５が固着され、このシート２５は、
第３の室２２内において、第２のダイヤフラム１８とケ
ーシングとの間に設けられたセットスプリング２６にエ
リ第１、第２のダイヤフラム１７，１８お工びロッド１
９を介して常時出口バイブ１５を閉塞する工うに付勢さ
れている。

前記トランスジューサ１４の人口バイブ２３は、通路と
してのパイプ２１を介してコンプレッサ３の吐出側に連
通され、コンプレッサ３の吐出圧力がパイプ２１、出口
バイブ２３を介してトランスジューサ１４の第１の室２
０内に導入できるようになっている。

次に、本実施例の動作を第２図ないし第４図をも参照し
て説明する。

第１図において、エンジンの排気ガスかタービン２に供
給されてタービン２が駆動されると、シャフト４を介し
てコンプレッサ３が駆動される。

このコンプレッサ３の駆動により発生される吐出圧力は
、パイプ２１お工び人口バイブ２３を介してトランスジ
ューサ１４の第１の室２０に伝達される。

こｑ吐出圧力が小さい間は、出口バイブ１５はシート２
５により閉塞されており、排気バイパス弁６の駆動機構
８の作動圧力室１１内にはコンプレッサ３の吐出圧力は
伝達されない。

ついで、エンジンが高速運転され、タービン２の回転数
が上昇してコンプレッサ３の吐出圧力が上昇すると、第
４、第２のダイヤフラム１７，１８がセットスプリング
２４０弾性力に抗して図中上方に移動し、出口バイブ１
５が開放されて高圧の吐出圧力がパイプ１３を介して作
動圧力室１１内に伝達される。

これにより、作動圧力室１１内とベローズ９内すなわち
連通孔１０を介して連通されているタービン２内の排気
ガスとの圧力差により排気バイパス弁６が開放される。

このため、排気ガスの一部がバイパス通路５に放出され
、タービン２を駆動する力が弱まってコンプレッサ３の
吐出圧力か減少し、トランスジューサ１４の第１の室２
０の圧力も減少してセットスプリング２４の弾性力でシ
ート２５が出口バイブ１５に密着される。

一方、作動圧力室１１内に残留した圧力は、オリフィス
１２から徐々に外部に放出され、この放出にエリベロー
ズ９内外の圧力Ｍかなくなり、ベローズ９が伸長して排
気バイパス弁６が閉塞される。

なお、前記オリフィス１２はその径が充分小さく、パイ
プ１３の内径及びパイプ１５の内径とそれを連通してい
るホース内径、更にトランスジューサのシート部２５の
開弁時の通路面積とパイプ２３．２７とこれを連通して
いるホース内径にくらべ充分に小さいものとなっている
。

排気バイパス弁６が閉塞され、かつエンジンの回転数か
高いと、再びコンプレッサ３の吐出圧力が上昇して前述
の動作を繰返し、吐出圧力が一定に保たれることとなる
。

この際、吐出圧力の変化はトランスジューサ１４により
所定の増巾率で増巾されるから、僅かな変化によっても
駆動機構８が作動されることとなる。

第２図は、エンジン回転数と駆動機構圧力ｐｓ（ｗＨｇ
）との関係およびエンジン回転数とコンプレッサ吐出圧
力ＰＣとの関係を示すもので、特性Ａは排気バイパス弁
６を強制的に全閉状態を保持させた場合のコンプレッサ
吐出圧力ＰＣを、特性Ｂは排気バイパス弁６を作動させ
たときに要求されるコンプレッサ吐出圧力ＰＣを示し、
図示した一例では、ｐｃが、６００ＷｒＩｒＬＨｇの時
にバイパス弁６が開き始め、ＰＣが６５０ ｒｒｖｎＨ
ｇでバイパス弁６が全開となるような特性である。

一方特性Ｃは、コンブレツカ仕出圧力ＰＣｆＩ：前記し
たごとく６００馴Ｈｇから、６５０ｍｍＨｇに制御する
に必要な、駆動機構８のパイプ１３へ供給する圧力ｐｓ
を示し、この例では、Ｐ８か１１００ＮＨの時に排気バ
イパス弁６が開き始め、 Ｐ８が６００ ｍＨｇで全開
となるようになっている。

仁の際、オリフィス１２０通路径はパイプ１３の内径及
びパイプ１５の内径とそれを連通していルホース内径、
更にトランスジューサのシートＩ２５の開弁時の通路面
積とパイプ２３．２７とこれを連通しているホース内径
にくらべ充分に小でいため、オリフィス１２から大気へ
圧力Ｐ８が逮げる量より前記通路を介して導入される空
気量の方が充分多く、略Ｐｓはトランスジューサの出口
１５直后の圧力と同値となっている。

なお、鎖線で示す直線Ｓは、駆動機構８の動作讃始点を
示している。

ところで、トランスジューサ１４の第１、第２のダイヤ
フラム１７，１８の有効受圧面積をそれぞれＡＬ、ＡＳ
とし、セットスプリング２６の荷重をＷとしだ時トラン
スジューサ１４の釣合いを求めてみると、（１）式のよ
うになる。

ここで、シート２５に加わる力はシート面積を充分に小
さくすることにより省略できるものとする。

（１）式を変形して整理すると（２）式のようになる。

（２）式において、□Ｗの項は定数であり、ＡＬ−Ａｓ ＡＬ 一方、ＡＬ−Ａ８ＰＣの項は、ＰＣの変化量に対しＡし てＡＬ−Ａ８なる値の割合でＰ８が変化することがわか
る。

すなわち、ダイヤフラム受圧面積を適宜に選ぶことによ
ってＰＣの変化量に対しＰ８を任意に設定できることが
わかる。

一部すにしたがって第１、第２のダイヤフラム１７．１
８の仕様を試作すると、駆動機構８の動作条件から、Ｐ
Ｃ＝ ６００ ｍＨｇ０時ｐ Ｓ ＝ １００Ｗａｎ
Ｈｇ ＠２）式に代入すると、（３）式が得られる。

また、ＰＣ＝６５０ｍ＋ｎＨｇの時Ｐ８＝６００ｒＩｒ
ＩｒＬ■ｇを代入すると、（４）式が得られる。

（３） 、 （４）式を代入整理すると、（５）式が得
られる。

例えば、Ａ ８＝ ９ ｃｒＡに選ぶ時、（５）式お工
び（３）式から、ＡＬ ＝ １０ｃｒｒｆ Ｗキ７．
７Ｋｇ、！：なる。

第３図は本発明による一実施詰を実際に用いた時のＰＣ
に対するＰ の関係を示すもので、この図によれば、コ
ンプレッサ吐出圧力ＰＣが５５０ｍｍＨｇ以下ではほと
んど駆動機構圧力Ｐ８は上昇せず、かつ、コンプレッサ
吐出圧力ＰＣのわずかなすなわち５０ ｍｍＨｇ程度の
変化で駆動機構８を全開駆動させることができることが
わかる。

また、第４図はこの時の過給特性を示すもので、エンジ
ン回転数が所定値以上になってコンプレッサ吐出圧力Ｐ
Ｃが６００ ｍｍＨｇを越えてそれ以後エンジンか全速
になっても吐出圧力ＰＣの上昇度合はわずかであり、最
大６５０ｍｍＨｇであることがわかる。

以上のように本実施例によれば、排気バイパス弁６を作
動させる圧力を例えば５０（ｌｒｏｎＨｇ以上に大きく
取れるため、駆動機構８のばね定数も大きく設定でき、
したがって耐熱性の最も良い金属ベローズ等の使用も可
能となり、共振も防止できる。

また、制御されたコンブレラ町仕出圧力ＰＣＯ変動も５
０ｍｍＨｇ以下と小さく押さえることが可能なため、所
定の速度以上ではエンジンの回転数に関係なくほぼ一様
に大きな過給圧力をエンジンに供給することができてエ
ンジンの運転性を大巾に向上でき、しかもエンジンが中
、低速のときの燃費も向上できる。

なお、前記実施例においては、トランスジューサとして
二枚のダイヤフラムを用いたものにつき説明したが、こ
のような形式に限らず一体のピストンに受圧面積の異な
る面を有する差動ピストン形のものなど他の形式でもよ
く、要するにコンプレッサ吐出圧力を増巾制御できるも
のであればよい。

上述のように、本発明によれば、排気バイパス弁の全開
動作に対するコンプレッサ吐出圧力の変化量を極めて小
さくできるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る排気バイパス式ターボチャージャ
の一実施例を示す断面図、第２図はエンジン回転数に対
する要求されるコンプレッサ吐出圧力特性および駆動機
構圧力特性線図、第３図は本発明の実施例によるコンプ
レッサ吐出圧力に対する駆動機構圧力特性線図、第４図
はその時のエンジンの過給特性を示す。 １・・・・・・ターボチャージャ本体、２・・・・・・
タービン、３・・・・・・コンプレッサ、６・・・・・
・排気バイパス弁、８・・・・・・駆動機構、９・・・
・・・ベローズ、１４・・・・・・トランスジューサ、
１７．１８・・出・第１、第２のダイヤフラム。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ タービンを駆動させる排気ガスの流入通路に、該排
   気ガスの一部をタービンを通過させずに放出可能にする
   排気バイパス弁を設け、この排気バイパス弁の駆動機構
   に、前記タービンの駆動に伴なって駆動されるコンプレ
   ッサの吐出圧力を通路を介して導入して排気バイパス弁
   の開閉度を制御する排気バイパス式ターボチャージャに
   おいて、前記排気バイパス弁の駆動機構にコンプレッサ
   の吐出圧力を導入する通路の途中に、コンプレッサの吐
   出圧力を所定の増巾率で増巾するトランスジューサを設
   け、このトランスジューサに裏って所定の増巾率で制御
   されたコンプレッサ吐出圧力に工す前記排気バイパス弁
   を開閉駆動させる駆動機構を動作させるようにしたこと
   を特徴とする排気バイパス式ターボチャージャ。