JPWO2005010330A1 - ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

排気マニホールド（９）から排気ガス（８）の一部を抜き出して吸気管（４）へ再循環するＥＧＲパイプ（１１）を装備し且つ排気マニホールド（９）内を各気筒（７）の排気干渉が生じないように隔壁（１４）で分割したエンジン（１）に搭載するためのターボチャージャ（２）に関し、タービンスクロール（１５）内を排気マニホールド（９）の出口流路と連続するように隔壁（１６）で分割し、該隔壁（１６）により分割された流路（Ａ）（Ｂ）のうちの再循環用排気ガス（８）の抜き出しを行う側が、再循環用排気ガス（８）の抜き出しを行わない側よりも流路断面積が小さくなるように形成する。

Description

本発明は、ターボチャージャに関するものである。

従来より、自動車のエンジン等では、排気側から排気ガスの一部を抜き出して吸気側へと戻し、その吸気側に戻された排気ガスでエンジン内での燃料の燃焼を抑制させて燃焼温度を下げることによりＮＯｘの発生を低減するようにした、いわゆる排気ガス再循環（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）が行われている。
一般的に、この種の排気ガス再循環を行う場合には、排気マニホールドから排気管に亘る排気通路の適宜位置と、吸気管から吸気マニホールドに亘る吸気通路の適宜位置との間をＥＧＲパイプにより接続し、該ＥＧＲパイプを通して排気ガスを再循環するようにしている。
尚、エンジンに再循環する排気ガスをＥＧＲパイプの途中で冷却すると、排気ガスの温度が下がり且つその容積が小さくなることにより、エンジンの出力を余り低下させずに燃焼温度を低下して効果的に窒素酸化物の発生を低減させることができる為、エンジンに排気ガスを再循環するＥＧＲパイプの途中に水冷式のＥＧＲクーラを装備したものもある。
第１図は前述した排気ガス再循環を行い得るようにしたエンジンの一例を示すもので、ここに図示しているエンジン１には、ターボチャージャ２が備えられており、図示しないエアクリーナから導いた吸気３を吸気管４を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへ送り、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気３をインタクーラ５へと送って冷却し、該インタクーラ５から更に吸気マニホールド６へと吸気３を導いてエンジン１の各気筒７（第１図では直列６気筒の場合を例示している）に分配するようにしてある。
また、このエンジン１の各気筒７から排出された排気ガス８を排気マニホールド９を介し前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへ送り、該タービン２ｂを駆動した排気ガス８を排気管１０を介し車外へ排出するようにしてある。
そして、排気マニホールド９における各気筒７の並び方向の一端部と、吸気マニホールド６に接続されている吸気管４の一端部との間がＥＧＲパイプ１１により接続されており、排気マニホールド９から排気ガス８の一部を抜き出して吸気管４に導き得るようにしてある。
ここで、前記ＥＧＲパイプ１１には、該ＥＧＲパイプ１１を適宜に開閉するＥＧＲバルブ１２と、再循環される排気ガス８を冷却する為のＥＧＲクーラ１３とが装備されており、該ＥＧＲクーラ１３では、図示しない冷却水と排気ガス８とを熱交換させることにより排気ガス８の温度を低下し得るようになっている。
尚、図中の１４は排気マニホールド９内における前側三気筒分の排気流路と後側三気筒分の排気流路とを分割する隔壁を示し、該隔壁１４により排気行程の一部が重複した気筒７同士の排気干渉を抑制してタービン２ｂに対し排気脈動を効率良く送り込めるようにしてある。
しかしながら、前述した如きターボチャージャ２付きのエンジン１においては、吸気側が過給されている為に排気側との圧力差が少なくなってしまい、高いＥＧＲ率を実現することが難しいという問題があり、特に高負荷領域では、ターボチャージャ２による過給圧が排気圧力より高くなってしまう領域が生じるので、排気マニホールド９から吸気管４へ向けて排気ガス８を再循環することができなくなる虞れがあった。
このように過給圧が排気圧力より高くなってしまった場合の対策としては、吸気絞りを実行して過給圧を下げることが考えられるが、高負荷領域等で過度な吸気絞りを行うと、新気量が大幅に不足して気筒内の燃焼不良や燃費の悪化を招き、しかも、ターボチャージャ２によるエンジン性能の向上も損なわれてしまう結果となる。
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、ターボチャージャを備えたエンジンにおいても高いＥＧＲ率を実現し、排気ガスの再循環によるＮＯｘ低減と、過給によるエンジン性能の向上とを両立し得るようにすることを目的としている。

本発明は、排気マニホールドから排気ガスの一部を抜き出して吸気管へ再循環するＥＧＲパイプを装備し且つ排気マニホールド内を各気筒の排気干渉が生じないように隔壁で分割したエンジンに搭載するためのターボチャージャであって、
タービンスクロール内を排気マニホールドの出口流路と連続するように隔壁で分割し、該隔壁により分割された流路のうちの再循環用排気ガスの抜き出しを行う側が、再循環用排気ガスの抜き出しを行わない側よりも流路断面積が小さくなるように形成したことを特徴とするものである。
而して、このようにすれば、ターボチャージャのタービンスクロール内における再循環用排気ガスの抜き出しを行う側の流路における背圧が、再循環用排気ガスの抜き出しを行わない側の流路の背圧より高められる結果、吸気側が過給されていても排気側との十分な圧力差が確保されることになり、従来より高いＥＧＲ率が実現されることになる。
そして、ＥＧＲがより効率的に行えるようになることに伴いチューニングの幅が広がるので、今までＥＧＲのために絞らざるを得なかった吸気量を増やすことも可能となり、気筒内の燃焼不良や燃費の悪化が回避されると共に、ターボチャージャによるエンジン性能の向上が図られることになる。
また、本発明においては、タービンスクロールの円周方向の二箇所にタング部を夫々形成し、排気流入口に近いタング部から遠いタング部に到るまでの排気流入範囲を一方の流路のみに対応したスロート部とし、排気流入口から遠いタング部から近いタング部に戻るまでの残りの排気流入範囲を他方の流路のみに対応したスロート部として形成することが好ましい。
このようにすれば、タービンスクロールのスロート部を円周方向に区分けして、その区分けしたスロート部の夫々に対し各流路を個別に開放させるようにしているので、スロート部のような幅の狭い狭隘空間を無理に隔壁で分割しなくても済み、しかも、各流路を流れる排気ガス同士を最後まで分けた状態のままタービンホイールに導入することができて排気干渉の低減効果を高く維持することが可能となる。
尚、タービンスクロールのスロート部に角度調整可能な多数のノズルベーンを装備した構成を採用すれば、各ノズルベーンの角度調整によりターボチャージャの実質的な効率を下げて過給圧を下げる手法を適宜に併用することが可能となり、ターボチャージャを備えたエンジンに関して、より一層高いＥＧＲ率の実現を図ることが可能となる。

第１図は排気ガスを再循環するエンジンの一例を示す概略図、第２図は本発明を実施する形態の一例を示す断面図、第３図は第２図のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視の断面図、第４図は第２図のＩＶ−ＩＶ矢視の断面図、第５図は第２図のＶ−Ｖ矢視の断面図、第６図は第２図のノズルベーンの角度調整機構の一例を示す概略図である。

以下、本発明の実施例を図示に基づいて説明する。
第２図〜第５図は本発明の一実施例を示すもので、先に第１図で説明したエンジン１に搭載するためのターボチャージャ２に関するものである。より具体的には、排気マニホールド９から排気ガス８の一部を抜き出して吸気管４へ再循環するＥＧＲパイプ１１を装備し且つ排気マニホールド９内を各気筒７の排気干渉が生じないように隔壁１６で分割したエンジン１に搭載するためのものである（エンジン１側の構造については第１図を参照）。
そして、ここに図示してあるターボチャージャ２においては、タービンスクロール１５内が排気マニホールド９の出口流路と連続するように隔壁１６で分割されており、第３図に示す如く、この隔壁１６により分割された流路のうちの再循環用排気ガス８の抜き出しを行わない側（ＥＧＲパイプ１１に連通しない側）の流路Ａが従来と同様の流路断面積で形成されている一方、再循環用の排気ガス８の抜き出しを行う側（ＥＧＲパイプ１１に連通する側）の流路Ｂが従来より流路断面積を小さく絞り込んで形成されている。
ここで、流路Ｂの流路断面積を従来より絞り込んで形成するに際しては、排気マニホールド９の各出口流路との無理のない連続性が図られるように、該排気マニホールド９の各出口流路側についても同様の流路断面積の差をつけておくと良い。
また、第２図及び第４図、第５図に示す通り、このターボチャージャ２では、排気流入口１７に近い従来と同じ位置にタング部１８が形成されているだけでなく、このタング部１８と直径方向に対峙するような位置にもタング部１９が形成されており、排気流入口１７に近いタング部１８から遠いタング部１９に到るまでの排気流入範囲が、第４図に示す如き流路断面積が大きい方の流路Ａのみに対応したスロート部２０ａとなっており、排気流入口１７から遠いタング部１９から近いタング部１８に戻るまでの残りの排気流入範囲が、第５図に示す如き流路断面積が小さい方の流路Ｂのみに対応したスロート部２０ｂとなっている。
つまり、排気ガス８の旋回方向における前半のスロート部２０ａでは、流路断面積が大きい方の流路Ａだけが開放され、流路断面積が小さい方の流路Ｂは、単に並走しているだけの状態となっており、前記流路断面積が大きい方の流路Ａは、排気流入口１７から遠いタング部１９にて収束するようになっている。
そして、排気ガス８の旋回方向における後半のスロート部２０ｂでは、流路断面積が小さい方の流路Ｂが前記流路Ａに替わって開放されることになり、排気流入口１７に近いタング部１８にて収束するようになっている。
更に、タービンスクロール１５のスロート部２０ａ，２０ｂには、角度調整可能な多数のノズルベーン２１が装備されており、第６図に角度調整機構の一例を概略的に示している通り、タービンホイール２２を取り囲むように配置された各ノズルベーン２１は、ノズルリングプレート２３にピン２４を介し傾動自在に取り付けられており、これら各ノズルベーン２１の角度が前記ノズルリングプレート２３に対するリンクプレート２５の円周方向への相対変位により連動して変更されるようになっていて、このリンクプレート２５がアクチュエータ２６によるレバー２７の傾動操作でリンク２８を介し回動操作されるようになっている。
而して、このように構成したターボチャージャ２を第１図の如きエンジン１に採用すれば、ターボチャージャ２のタービンスクロール１５内における再循環用排気ガス８の抜き出しを行う側の流路における背圧が、再循環用排気ガス８の抜き出しを行わない側の流路の背圧より高められる結果、吸気側が過給されていても排気側との十分な圧力差が確保されることになり、従来より高いＥＧＲ率が実現されることになる。
そして、ＥＧＲがより効率的に行えるようになることに伴いチューニングの幅が広がるので、今までＥＧＲのために絞らざるを得なかった吸気量を増やすことも可能となり、気筒内の燃焼不良や燃費の悪化が回避されると共に、ターボチャージャ２によるエンジン１性能の向上が図られることになる。
また、図示例においては、タービンスクロール１５のスロート部を円周方向に区分けして、その区分けしたスロート部の夫々に対し各流路を個別に開放させるようにしているので、スロート部のような幅の狭い狭隘空間を無理に隔壁１６で分割しなくても済み、しかも、各流路を流れる排気ガス８同士を最後まで分けた状態のままタービンホイールに導入することができて排気干渉の低減効果を高く維持することが可能となる。
即ち、タービンスクロール１５のスロート部を隔壁１６により幅方向に分割する形式では、ここに例示している如きタービンスクロール１５のスロート部に角度調整可能な多数のノズルベーン２１が装備されている場合に、いくら各ノズルベーン２１の際まで隔壁１６を近接させても、各ノズルベーン２１が傾動することによりクリアランスが形成されてしまうことが避けられず、このクリアランスにより各流路間で排気ガス８が行き来して排気干渉の低減効果が損なわれる虞れがあるが、このような不具合を回避することが可能となる。
尚、タービンスクロール１５のスロート部に角度調整可能な多数のノズルベーン２１が装備されている場合に、各ノズルベーン２１の開度を通常より大きく開くと、タービンにおける排気ガス８の旋速が下がってタービンの回転数が低下し、これによりコンプレッサ側における吸気量が減少するので、ターボチャージャ２としての効率が低下してコンプレッサ側での過給圧が低下し、しかも、回転数の低下したタービンに対する排気ガス８の通気抵抗が増してタービンより上流側の排気圧力が高められることになる。
つまり、このような角度調整可能な多数のノズルベーン２１を装備した構成を併用すれば、ターボチャージャ２を備えたエンジン１に関して、より一層高いＥＧＲ率の実現を図ることが可能となる。

以上に述べた如く、本発明のターボチャージャによれば、次の如き優れた効果を発揮する。
（Ｉ）本発明の請求の範囲第１項に記載の発明によれば、吸気側が過給されていても過度な吸気絞りを行わずに排気側との十分な圧力差を確保することができるので、ターボチャージャを備えたエンジンにおいても高いＥＧＲ率を実現して良好なＮＯｘ低減効果を得ることができ、しかも、気筒内の燃焼不良や燃費の悪化を回避しながらターボチャージャによるエンジン性能の向上を図ることができる。
（ＩＩ）本発明の請求の範囲第２項に記載の発明によれば、スロート部のような幅の狭い狭隘空間を無理に隔壁で分割しなくても済み、しかも、各流路を流れる排気ガス同士を最後まで分けた状態のままタービンホイールに導入することができて排気干渉の低減効果を高く維持することができる。
（ＩＩＩ）本発明の請求の範囲第３項に記載の発明によれば、各ノズルベーンの角度調整によりターボチャージャの実質的な効率を下げて過給圧を下げる手法を適宜に併用できるので、ターボチャージャを備えたエンジンに関して、より一層高いＥＧＲ率の実現を図ることができる。

Claims (4)

1. 排気マニホールドから排気ガスの一部を抜き出して吸気管へ再循環するＥＧＲパイプを装備し且つ排気マニホールド内を各気筒の排気干渉が生じないように隔壁で分割したエンジンに搭載するためのターボチャージャであって、
   タービンスクロール内を排気マニホールドの出口流路と連続するように隔壁で分割し、該隔壁により分割された流路のうちの再循環用排気ガスの抜き出しを行う側が、再循環用排気ガスの抜き出しを行わない側よりも流路断面積が小さくなるように形成したことを特徴とするターボチャージャ。
2. タービンスクロールの円周方向の二箇所にタング部を夫々形成し、排気流入口に近いタング部から遠いタング部に到るまでの排気流入範囲を一方の流路のみに対応したスロート部とし、排気流入口から遠いタング部から近いタング部に戻るまでの残りの排気流入範囲を他方の流路のみに対応したスロート部として形成したことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のターボチャージャ。
3. タービンスクロールのスロート部に角度調整可能な多数のノズルベーンを装備したことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のターボチャージャ。
4. タービンスクロールのスロート部に角度調整可能な多数のノズルベーンを装備したことを特徴とする請求の範囲第２項に記載のターボチャージャ。

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