JPWO2014109210A1 - 過給機 - Google Patents
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Abstract
過給機(C)は、タービンハウジング(4)の外から流体をタービンインペラ(8)に導く流入路(18)と、タービンインペラを回転させた流体を、タービンハウジング(4)の外に排出する排出流路(14)と、流入路(18)に流入した流体の一部を排出流路(14)にバイパスさせるバイパス流路(19)と、排出流路(14)に面して設けられ、バイパス流路(19)の出口端(19a)が開口するシート面(14a)と、バイパス流路(19)の出口端(19a)を開閉する開閉機構(20)と、を備える。開閉機構(20)は、タービンハウジング(4)に回転自在に支持されたステム(22)と、ステム(22)の回転に応じバイパス流路(19)の出口端(19a)を開閉する弁体(24)と、を有し、シート面(14a)は、タービン軸(7)に垂直な面に対し、ステム(22)が配された側が、ステム(22)が配された側とバイパス流路(19)の出口端(19a)を挟んだ反対側よりも、排出流路(14)の吐出口(13)から離隔して位置するように傾斜している。
Description
本発明は、タービンインペラの上流と下流をバイパスさせるバイパス流路を備える過給機に関する。
過給機は、排気ガスのエネルギーによってタービンインペラを回転させ、タービンインペラの回転によってタービン軸を介してコンプレッサインペラを回転させて、エンジンへの過給圧を高める。タービンインペラを回転させた後の排気ガスは、タービンハウジング内に設けられた排出流路から外部に排出される。しかし、排気ガスのエネルギーが大き過ぎると、過給圧が上昇し過ぎる場合がある。特許文献1は、過給圧の上昇を抑制する過給機を開示している。この過給機では、タービンインペラを介さずにタービンインペラの上流と下流を連通させるバイパス流路を備える。バイパス流路は、タービンインペラに流入する排気ガスをバイパスさせる。過給機はさらに、バイパス流路の出口端が形成される排出流路内に設けられるウェイストゲートバルブを備える。ウェイストゲートバルブが開くと、排気ガスの一部がバイパス流路を介してタービンインペラの下流に流れ、過給圧の上昇が抑制される。
ところで、近年では、排気ガス中の大気汚染物質の濃度を抑制する必要性から、過給機の排出流路の下流側に、大気汚染物質を浄化する浄化装置が接続されている。しかしながら、エンジンの始動時には、浄化装置の触媒の温度が暖まっておらず、十分な浄化機能を発揮し難い。そこで、エンジンの始動時、ウェイストゲートバルブを開いておき、排気ガスをバイパス流路経由で触媒に導く構成が採用されている。こうすることで、タービンインペラを回転させるためにエネルギーを消費することなく、高温の排気ガスが直接的に触媒に導かれ、触媒の温度上昇を早めることができる。
上記のウェイストゲートバルブを開いた場合、バイパス流路から排出流路への排気ガスの流れ方向は、ウェイストゲートバルブを構成する弁体とシート面によって定まる。特許文献1に記載の過給機では、排出流路内の排気ガスの流れ方向に対し、バイパス流路内の排気ガスの流れ方向がほとんど垂直となっているため、排気ガスのエネルギー損失が大きい。その結果、バイパス流路からバイパスさせた排気ガスの温度も低下してしまい、その分、触媒の昇温が遅れてしまう。
本発明の目的は、排出流路から排出される排気ガスによって、触媒を迅速に昇温することが可能な過給機を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明の過給機は、一端側にタービンハウジングが固定され、他端側にコンプレッサハウジングが固定されたベアリングハウジングと、前記タービンハウジング内に収容されるタービンインペラが一端に設けられ、前記コンプレッサハウジング内に収容されるコンプレッサインペラが他端に設けられたタービン軸と、前記タービンハウジングに設けられ、該タービンハウジング外から流体が流入し、該流体を前記タービンインペラに導く流入路と、前記流入路から前記タービンインペラに導かれて該タービンインペラを回転させた流体を、該タービンハウジングに形成された出口端から外部に排出する排出流路と、前記タービンハウジングに設けられ、前記流入路と前記排出流路とを連通し、該流入路に流入した流体の一部を、該排出流路にバイパスさせるバイパス流路と、前記排出流路に面して設けられ、前記バイパス流路の出口端が開口するシート面と、前記バイパス流路の出口端を開閉する開閉機構と、を備え、前記開閉機構は、前記タービンハウジングに回転自在に支持されたステムと、前記ステムの回転に応じ、前記シート面に接触して前記バイパス流路の出口端を閉じる閉位置、もしくは、前記シート面から離間して前記バイパス流路の出口端を開放する開位置に変位する弁体と、を有し、前記シート面は、前記タービン軸に垂直な面に対し、前記ステムが配された側が、該ステムが配された側と前記バイパス流路の出口端を挟んだ反対側よりも、前記排出流路の出口端から離隔して位置するように傾斜していることを特徴とする。
前記流入路の下流側に形成され、前記タービンインペラの径方向外方を周回しつつ、するスクロール流路と、前記スクロール流路から前記タービンインペラの径方向内方に延伸するように形成され、前記流体の前記タービン軸の周方向の流れを該タービン軸の軸方向に変えながら、該流体を前記排出流路に導く変換流路と、をさらに備え、前記バイパス流路は、前記流入路における下流側に連通し、前記バイパス流路を流れる前記流体の中心の流れ方向を示す曲線のうち、前記流入路と連通する該バイパス流路の入口端における第1の接線と、該流入路を流れる該流体の中心の流れ方向を示す曲線のうち、該流入路の入口端における第2の接線とが成す角度のうち、該第1の接線を境にして該流入路の入口端側であって、かつ、該第2の接線を境にして該バイパス流路側の角が鈍角であってもよい。
前記バイパス流路および前記スクロール流路を含む断面において、該バイパス流路と該スクロール流路の間を仕切る壁のうち、該バイパス流路に面する壁面と、該バイパス流路の入口端とが成す角のうち、該バイパス流路と該タービンスクロール流路の間を仕切る壁側の角が鋭角となる関係性を有していてもよい。
本発明によれば、排出流路から排出される排気ガスによって、触媒を迅速に昇温することが可能な過給機を提供できる。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
図1は、過給機Cの概略断面図である。以下では、図1に示す矢印F方向を過給機Cの前側とし、矢印R方向を過給機Cの後側として説明する。図1に示すように、過給機Cは、過給機本体1を備える。この過給機本体1は、ベアリングハウジング2と、ベアリングハウジング2の前側に締結機構3によって連結されるタービンハウジング4と、ベアリングハウジング2の後側に締結ボルト5によって連結されるコンプレッサハウジング6とを備える。図1に示すように、これらは一体化されている。
ベアリングハウジング2におけるタービンハウジング4近傍の外周面には、突起(フランジ)2aが設けられている。突起2aは、ベアリングハウジング2の径方向に突出している。また、タービンハウジング4におけるベアリングハウジング2近傍の外周面には、突起(フランジ)4aが設けられている。突起4aは、タービンハウジング4の径方向に突出している。ベアリングハウジング2とタービンハウジング4は、突起2a、4aを締結機構3によってバンド締結して固定される。締結機構3は、突起2a、4aを挟持する構造をもつカップリングで構成される。なお、ベアリングハウジング2とタービンハウジング4を互いに固定する手段は締結機構3に限られず、他の周知の手段を用いてもよい。
ベアリングハウジング2には、過給機Cの前後方向(タービン軸7の軸方向)に貫通する軸受孔2bが形成されている。この軸受孔2bに収容された軸受によって、タービン軸7が回転自在に支持されている。タービン軸7の前端部(一端)にはタービンインペラ8が一体的に固定されている。このタービンインペラ8がタービンハウジング4内に回転自在に収容されている。また、タービン軸7の後端部(他端)にはコンプレッサインペラ9が一体的に固定されている。このコンプレッサインペラ9がコンプレッサハウジング6内に回転自在に収容されている。
コンプレッサハウジング6には、過給機Cの後側にその端部が開口した吸気口10が形成されている。吸気口10には、エアクリーナ(図示せず)が接続される。また、締結ボルト5によってベアリングハウジング2とコンプレッサハウジング6とが連結された状態では、これら両ハウジング2、6の対向面によって、流体(空気)を昇圧するディフューザ流路11が形成される。このディフューザ流路11は、タービン軸7(コンプレッサインペラ9)の径方向内側から外側に向けて環状に形成されており、上記の径方向内側において、コンプレッサインペラ9を介して吸気口10に連通している。
また、コンプレッサハウジング6には、環状のコンプレッサスクロール流路12が設けられている。コンプレッサスクロール流路12は、ディフューザ流路11よりもタービン軸7(コンプレッサインペラ9)の径方向外側に位置する。コンプレッサスクロール流路12は、エンジン(図示せず)の吸気口に連通し、且つ、ディフューザ流路11にも連通している。したがって、コンプレッサインペラ9が回転すると、コンプレッサハウジング6の外から吸気口10に流体が吸引される。そして、当該吸引された流体は、ディフューザ流路11およびコンプレッサスクロール流路12で昇圧(圧縮)されてエンジンの吸気口に導かれる。
タービンハウジング4には、過給機Cの前側に開口した排出流路14が設けられている。排出流路14は、その出口端として、排気ガス浄化装置(図示せず)に接続される吐出口13を有する。また、排出流路14の入口側には、タービンインペラ8が位置する。排出流路14は、タービンインペラ8に導かれてタービンインペラ8を回転させた流体を、吐出口13から外部に排出する。また、排出流路14の入口側には変換流路15とタービンスクロール流路(スクロール流路)16が形成されている。タービンスクロール流路16は、変換流路15のタービン軸7(タービンインペラ8)の径方向外側を周回するように環状に形成され、径方向の流路幅は下流側ほど縮小している。タービンスクロール流路16は、エンジン(図示せず)の排気マニホールドから排出される排気ガスが導かれるガス流入口17と、流入路18(後述)を介して連通する。変換流路15は、タービンスクロール流路16からタービンインペラ8の径方向内方に延伸するように形成されている。変換流路15は、タービンスクロール流路16内の流体の流れを、タービン軸7の周方向からタービン軸7の軸方向に変えながら、当該流体を排出流路14に導く。なお、タービンスクロール流路の径方向の流路幅は、エンジン性能や搭載条件等によって定めされる。本実施形態では、径方向の流路幅は下流側ほど縮小している。しかしながら、径方向の流路幅は、エンジン性能や搭載条件などによって、下流側ほど縮小されていなくてもよい。
したがって、排気ガスは、ガス流入口17からタービンスクロール流路16に導かれ、さらにタービンインペラ8を介して排出流路14に導かれる。その流通過程において、排気ガスはタービンインペラ8を回転させる。そして、上記のタービンインペラ8の回転力は、タービン軸7を介してコンプレッサインペラ9に伝達され、コンプレッサインペラ9の回転力によって、流体が昇圧されてエンジンの吸気口に導かれる。
図2は、タービンハウジング4の外観図であり、図2(b)は、タービンハウジング4の正面図を示し、図2(a)は、図2(b)のII(a)線矢視図(左側面図)である。
図3は、タービンハウジング4における排気ガスの流路を説明するための説明図であり、ガス流入口17からタービンスクロール流路16までの間の流路である流入路18を含むタービンハウジング4の断面図を示す。なお、図3は、タービン軸7の軸方向に平行な断面であって、図2(a)のIII−III線断面を示している。
タービンハウジング4の外周面には、上記のガス流入口17が形成されている。具体的には、ガス流入口17は、外周面においてタービンインペラ8の径方向外方に位置する部分に形成されている。そして、流入路18は、このガス流入口17を入口端とし、上記のタービンスクロール流路16を出口端とするように形成されている。つまり、タービンスクロール流路16は、流入路18の下流側に形成されている。排気ガスは、タービンハウジング4の外からガス流入口17に流入し、流入路18を通ってタービンスクロール流路16に流れ、タービンインペラ8に導かれる。
バイパス流路19は、タービンハウジング4に設けられ、流入路18における下流側と、排出流路14とを連通する。また、バイパス流路19の出口端19aは、図1において破線で示すように、タービンインペラ8より下流側に位置する排出流路14内に形成されている。
そして、バイパス流路19は、流入路18に流入した流体の一部を、タービンインペラ8を介さず排出流路14にバイパスさせることで、排気ガスのエネルギーが大きすぎて過給圧が上昇し過ぎてしまう事態を回避する。
また、バイパス流路19にバイパスされた排気ガスは、タービンスクロール流路16を経由した排気ガスよりもエネルギー損失が小さい。したがって、エンジンの始動時において、バイパス流路19によってバイパスさせた排気ガスを排出流路14に導くことで、排気ガスを浄化させる触媒の昇温速度を早めることができる。本実施形態では、バイパスさせた排気ガスのエネルギー損失を一層抑制して吐出口13まで導くため、バイパス流路19の形状を次のように規定している。
図3に示すように、バイパス流路19の入口端19bは、流入路18に繋がっている。曲線Qは、バイパス流路19を流れる流体の中心の流れ方向を示す。また、曲線Tは、流入路18を流れる流体の中心の流れ方向を示す。ここで、入口端19bにおける曲線Qの接線L(第1の接線)と、流入路18の入口端であるガス流入口17における曲線Tの接線S(第2の接線)をそれぞれ仮定する。すなわち、接線Lは、図3中、黒塗りの丸で示す位置における曲線Qの接線であり、接線Sは、図3中、白抜きの丸で示す位置における曲線Tの接線である。
接線Lと接線Sとが成す角のうち、接線Lを境にしてガス流入口17側であって、かつ、接線Sを境にしてバイパス流路19側の角(図3中、左下側の角)をαで示す。バイパス流路19は、この角αが鈍角となるように形成される。
角αが鈍角となるようにバイパス流路19側を形成した場合、流入路18を流れる排気ガスの一部は、滑らかにバイパス流路19に流れ込む。例えば、角αが直角や鋭角である場合に比べ、流路損失や排気ガスのエネルギー損失が少ない。従って、触媒の昇温を早めることが可能となる。
本実施形態では、タービンハウジング4のIII−III線断面、すなわち、タービン軸7の軸方向に平行な平面による断面に、バイパス流路19の出口端19aと吐出口13が含まれていた。しかしながら、バイパス流路19の出口端19aと吐出口13は、タービン軸7の軸方向に平行な平面による断面に含まれなくてもよい。すなわち、タービン軸7に平行でない平面による断面において、バイパス流路19の出口端19aと吐出口13が含まれ、かつ、角αが鈍角であってもよい。また、曲面による断面において、バイパス流路19の出口端19aと吐出口13が含まれ、かつ、角αが鈍角であってもよい。
図3に示す断面、すなわち、バイパス流路19およびタービンスクロール流路16を含む断面において、壁19cは、バイパス流路19とタービンスクロール流路16の間を仕切っている。換言すると、壁19cは、壁19cは、バイパス流路19に面する壁面19dと、タービンスクロール流路16に面する壁面19eとを含んでいる。
壁面19dと、バイパス流路19の入口端19b(換言すると入口端19bを含む仮想的な平面)とが成す角のうち、壁19c側の角をβと称する。本実施形態では、この角βが鋭角に設定されている。バイパス流路19とタービンスクロール流路16の間を仕切る壁19cのうち、壁面19dおよび壁面19eの境界(換言すれば、壁面19dおよび壁面19eによって形成される角部)が曲面で形成されている場合は、図3に示す断面においてその曲面を示す曲線Mのバイパス流路19側の端部Maにおける接線Nと、バイパス流路19の入口端19bの成す角のうち、壁面19d側の角が上記の角βである。
角βが鋭角となるように壁19cが形成されると、バイパス流路19は、流入路18からタービンスクロール流路16に向かう流体の流れに沿った形で形成されることになる。そのため、バイパス流路19においてさらなる流路損失の低減を図り、触媒の昇温を早めることが可能となる。
また、バイパス流路19の出口端19aは、排出流路14に面するタービンハウジング4の壁面に開口している。この出口端19aの周囲にはシート面14aが設けられている。すなわち、シート面14aは、排出流路14に面して設けられ、バイパス流路19の出口端19aが開口する。
そして、図1に破線で示す開閉機構20は、排出流路14に面するシート面14aに形成されたバイパス流路19の出口端19aを開閉することで、バイパス流路19を通る排気ガスの流量を調整する。
図4は、開閉機構20を説明するための説明図である。図4(a)は開閉機構20が閉じている状態を、図4(b)は開閉機構20が開いている状態をそれぞれ示す。
開閉機構20は、タービンハウジング4の壁を貫通した状態で、軸受(図示せず)を介してタービンハウジング4に回転自在に支持されるステム22を備えている。このステム22には、取付板23を介して弁体24が連結されている。ステム22が回転すると、当該ステム22を中心として取付板23が揺動する。この取付板23の揺動によって弁体24が傾倒する。弁体24は、バイパス流路19の出口端19aの径よりも外径が大きく形成されている。ステム22の回転に伴って、シート面14aに接触したり、あるいは、シート面14aから離間したりする。
より詳細には、ステム22は、アクチュエータ21のロッド21aに回転自在に連結されたリンク板25に固定されている。そのため、アクチュエータ21のロッド21aが、図4(a)中、矢印aの向きに作動すると、リンク板25を介してステム22が矢印bの向きに回転し、このステム22の回転に伴って、弁体24がステム22の軸心を中心に傾倒する。
また、アクチュエータ21のロッド21aが矢印aの逆方向に作動すると、ステム22、および、弁体24も、ステム22の軸心を中心に矢印bの逆方向に回転する。
こうして、弁体24は、アクチュエータ21の作動に連動し、シート面14aに接触してバイパス流路19の出口端19aを閉じる閉位置、もしくは、シート面14aから離間してバイパス流路19の出口端19aを開放する開位置に変位する。アクチュエータ21は所謂ダイヤフラム式のように、空気の圧力によって作動する。しかしながら、アクチュエータ21は電動によって作動してもよい。
そして、シート面14aは、タービン軸7に垂直な面(図4中、タービン軸7に垂直な面方向は上下方向となる)に対し、ステム22が配された側が、ステム22が配された側とバイパス流路19の出口端19aを挟んだ反対側よりも、排出流路14の出口端である吐出口13から離隔して位置するように傾斜している。
図5は、比較例において図4に対応する位置の矢視図であり、図5(a)は弁体Bが閉じている状態を、図5(b)は弁体Bが開いている状態をそれぞれ示す。この比較例では、弁体Bと接するシート面Hが、タービン軸7に垂直な面に対して傾斜していない。即ち、シート面Hはタービン軸7に対して直交している。なお、図5(a)および図5(b)において、タービン軸7に直交な面は図の上下方向に延伸している。この比較例において、バイパス流路Pに流入した排気ガスは、図5(b)に矢印cで示すように、シート面Hと弁体Bの間を通って、大凡、タービン軸7に垂直な面方向に吹き出す。この場合、排気ガスは、バイパス流路Pの出口端Paから吐出口Oに向かう間に、タービンハウジングの壁などに衝突してエネルギー損失が大きくなる。
一方、本実施形態では、図4(b)に示すように、シート面14aが傾斜しており、かつ、弁体24が図示のように開放される。そのため、矢印dで示すように、排気ガスが吐出口13に向かって滑らかに流れやすい。したがって、排気ガスは、タービンハウジング4の壁部および弁体24への衝突が小さくエネルギー損失が抑制される。こうして、排出流路14から排出される排気ガスの温度低下が抑制され、エンジンの始動時、開閉機構20を開いておくことで触媒を迅速に昇温することが可能となる。
上述した実施形態では、バイパス流路19の出口端19aに対し、ステム22が、図4中、下側に設けられ、出口端19aが形成されるシート面14aは、図4中、ステム22が設けられた下側が上側よりも、吐出口13から離隔する側(図4中、右側)に位置するように、傾斜する場合について説明した。しかし、出口端19aに対するステム22の配置およびシート面14aの傾斜方向は、出口端19aの全周囲のいずれの方向でもよい。いずれにしても、シート面14aは、タービン軸7に垂直な面に対し、ステム22が配された側が、ステム22が配された側とバイパス流路19の出口端19aを挟んだ反対側よりも、排出流路14の出口端19aから離隔して位置するように傾斜していれば、上記と同様の作用効果を実現可能である。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明は、タービンインペラの上流と下流をバイパスさせるバイパス流路を備える過給機に利用することができる。
Claims (3)
- 一端側にタービンハウジングが固定され、他端側にコンプレッサハウジングが固定されたベアリングハウジングと、
前記タービンハウジング内に収容されるタービンインペラが一端に設けられ、前記コンプレッサハウジング内に収容されるコンプレッサインペラが他端に設けられたタービン軸と、
前記タービンハウジングに設けられ、該タービンハウジング外から流体が流入し、該流体を前記タービンインペラに導く流入路と、
前記流入路から前記タービンインペラに導かれて該タービンインペラを回転させた流体を、該タービンハウジングに形成された出口端から外部に排出する排出流路と、
前記タービンハウジングに設けられ、前記流入路と前記排出流路とを連通し、該流入路に流入した流体の一部を、該排出流路にバイパスさせるバイパス流路と、
前記排出流路に面して設けられ、前記バイパス流路の出口端が開口するシート面と、
前記バイパス流路の出口端を開閉する開閉機構と、
を備え、
前記開閉機構は、
前記タービンハウジングに回転自在に支持されたステムと、
前記ステムの回転に応じ、前記シート面に接触して前記バイパス流路の出口端を閉じる閉位置、もしくは、前記シート面から離間して前記バイパス流路の出口端を開放する開位置に変位する弁体と、
を有し、
前記シート面は、前記タービン軸に垂直な面に対し、前記ステムが配された側が、該ステムが配された側と前記バイパス流路の出口端を挟んだ反対側よりも、前記排出流路の出口端から離隔して位置するように傾斜していることを特徴とする過給機。 - 前記流入路の下流側に形成され、前記タービンインペラの径方向外方を周回するスクロール流路と、
前記スクロール流路から前記タービンインペラの径方向内方に延伸するように形成され、前記流体の前記タービン軸の周方向の流れを該タービン軸の軸方向に変えながら、該流体を前記排出流路に導く変換流路と、
をさらに備え、
前記バイパス流路は、前記流入路における下流側に連通し、
前記バイパス流路を流れる前記流体の中心の流れ方向を示す曲線のうち、前記流入路と連通する該バイパス流路の入口端における第1の接線と、該流入路を流れる該流体の中心の流れ方向を示す曲線のうち、該流入路の入口端における第2の接線とが成す角度のうち、該第1の接線を境にして該流入路の入口端側であって、かつ、該第2の接線を境にして該バイパス流路側の角が鈍角であることを特徴とする請求項1に記載の過給機。 - 前記バイパス流路および前記スクロール流路を含む断面において、該バイパス流路と該スクロール流路の間を仕切る壁のうち、該バイパス流路に面する壁面と、該バイパス流路の入口端とが成す角のうち、該バイパス流路と該スクロール流路の間を仕切る壁側の角が鋭角に設定されていることを特徴とする請求項2に記載の過給機。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013002838 | 2013-01-10 | ||
JP2013002838 | 2013-01-10 | ||
PCT/JP2013/084218 WO2014109210A1 (ja) | 2013-01-10 | 2013-12-20 | 過給機 |
Publications (1)
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