JP2005207334A

JP2005207334A - ターボチャージャ

Info

Publication number: JP2005207334A
Application number: JP2004015386A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Adachi; 一成安達
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2004-01-23
Filing date: 2004-01-23
Publication date: 2005-08-04

Abstract

【課題】
ウエストゲート機構を有する可変容量ターボチャージャと同様な性能を維持しつつ、エンジンへの搭載性を向上させることができるターボチャージャを提供すること。
【解決手段】
シャフト５０と、シャフトの一端に取り付けられたコンプレッサロータ７０と、コンプレッサロータを収容するとともに、吸気ガスの入口部１２及び出口部を有するコンプレッサハウジング１０と、シャフトの一端に取り付けられたタービンロータ８０と、タービンロータを収容するとともに、排気ガスの入口部及び出口部６４を有するタービンハウジング６０と、タービンハウジングの出口部の配管経路に配設されるとともに、タービンロータ側から流れてきた排気ガスの流路を絞る絞り部９０と、を備えることを特徴とする。
【選択図】
図１

Description

本発明は、ターボチャージャに関し、特に、ウエイストゲート機構を有する可変容量ターボチャージャと同様な性能を維持しつつ、エンジンへの搭載性を向上させることができるターボチャージャに関する。

主に自動車用で使用されているターボチャージャでは、エンジンの過給圧を制御するために排気ガスの一部をバイパスさせるウエイストゲート機構を有するものがある。また、エンジンの出力アップのための可変容量ターボチャージャでは、タービン容量を変化させウエイストゲート機構が必要ないようにしている。そして、最近ではエンジンの高出力化や排気温度の上昇により、可変容量を越えるエネルギーがターボチャージャに与えられることがあるので、ウエイストゲート機構を有する可変容量ターボチャージャも用いられるようになっている。このようなウエイストゲート機構を有する可変容量ターボチャージャとして、例えば、所定エンジン回転数領域で可変ノズルのみを開き、それより高速回転領域でウエイストゲートバルブ（排出弁）を開けるように第１のロッドと第２のロッド、リンクを連結したものがある（特許文献１参照）。ウエイストゲート機構を有する可変容量ターボチャージャでは、所定エンジン回転数領域で可変ノズルのみを開き、それより高速回転領域で過給圧コントロールに不必要になったエネルギー（排気ガス）を、バイパス通路に設定されたウエイストゲートバルブを介してタービンの出口側に導いている（図５参照）。

特開平１０−８９０８１号公報

しかしながら、従来のウエイストゲート機構を有する可変容量ターボチャージャでは、可変容量用の制御アクチュエータと、ウエイストゲート用の制御アクチュエータと、が搭載されることになるため、ターボチャージャが大型化してエンジン・車両への搭載が困難になるおそれがあり、また、制御が難しいという問題がある。

また、複数の制御アクチュエータを搭載することになると、構造が複雑になり、コストがかかってしまうといった問題もある。

本発明の第１の目的は、ウエイストゲート機構を有する可変容量ターボチャージャと同様な性能を維持しつつ、エンジンへの搭載性を向上させることができるターボチャージャを提供することである。

本発明の第２の目的は、ウエイストゲート機構を有する可変容量ターボチャージャと同様な性能を維持しつつ、構造が簡素で低コストなターボチャージャを提供することである。

本発明においては、ターボチャージャであって、シャフトと、前記シャフトの一端に取り付けられたコンプレッサロータと、前記コンプレッサロータを収容するとともに、吸入空気の入口部及び出口部を有するコンプレッサハウジングと、前記シャフトの一端に取り付けられたタービンロータと、前記タービンロータを収容するとともに、排気ガスの入口部及び出口部を有するタービンハウジングと、前記タービンロータを通過した排気ガスの流路を絞る絞り部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の前記ターボチャージャにおいて、前記絞り部は、前記タービンハウジングの出口部側の配管経路に配設されることが好ましい。

また、本発明の前記ターボチャージャにおいて、前記絞り部は、前記タービンハウジングの出口部に取付けられるとともに、排気ガスが流通する穴を有する板状部材であることが好ましい。

また、本発明の前記ターボチャージャにおいて、前記絞り部は、絞り量が一定であることが好ましい。

また、本発明の前記ターボチャージャにおいて、排気ガスの一部を前記タービンハウジングの入口部側から出口部側にバイパスさせるウエイストゲート機構を有さないことが好ましい。

本発明（請求項１−５）によれば、ウエイストゲート機構を有する可変容量ターボチャージャと同様な性能を維持しつつ、小型化され、エンジンへの搭載性を向上させることができる。

また、本発明（請求項１−５）によれば、ウエイストゲート機構がなくても、ウエイストゲート機構を有する可変容量ターボチャージャと同様な効果が得られ、簡素な構造で低コスト化を実現することができる。

本発明の実施形態１に係るターボチャージャについて図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態１に係るターボチャージャの構成を模式的に示した断面図である。

ターボチャージャ１は、コンプレッサハウジング１０と、ベアリングハウジング３０と、タービンハウジング６０と、コンプレッサロータ７０と、タービンロータ８０と、絞り部９０と、を有する。

コンプレッサハウジング１０は、コンプレッサ入口部１２、コンプレッサ出口部（図示せず）、スクロール部１６を有する。スクロール部１６は、コンプレッサロータ７０の外周に渦巻状に配され、コンプレッサ出口部に近づくにつれて断面積を徐々に拡大するように構成され、コンプレッサ出口部に通ずる。

ベアリングハウジング３０は、コンプレッサハウジング１０に隣接する。ベアリングハウジング３０の外周部には、潤滑油入口部３２を有する。潤滑油入口部３２は、枝油路３６、３８に通じており、オイルポンプ（図示せず）から供給される潤滑油をシャフト５０と、軸受４２の摺動面に供給している。軸受４２は、シャフト５０を支持する。この摺動面に供給された潤滑油は、ベアリングハウジング３０の内部に形成された空間５２を介して潤滑油出口部５４から排出される。

タービンハウジング６０は、ベアリングハウジング３０に隣接し、排気ガス入口部（図示せず）、排気ガス出口部６４を有する。また、タービンハウジング６０の内周側には、スクロール部６６を形成している。タービンハウジング６０には、排気ガスがバイパスされるウエイストゲート機構はなく、排気ガス出口部６４の配管経路に絞り部９０が配設されている。絞り部９０は、タービンロータ８０を通過した排気ガスの流路を絞る部分であり、排気ガス出口部６４の配管経路の所定の位置に配され、配管経路の表面が（流線形に）***した形状である。絞り部９０は、タービンハウジング６０と一体に構成されている。絞り部９０が活用されるのは排気ガスをバイパスする必要がある高速回転領域（高流量領域）である。絞り部９０は、できるだけ低速回転領域に絞りの影響が少なくなるような構造が望ましい。これにより、高速回転領域においてタービンロータ８０で得られるエネルギーを減少させることで過給圧を制御することができる。

シャフト５０は、ベアリングハウジング３０の軸受４２に支持され、コンプレッサハウジング１０側の端部においてコンプレッサロータ７０が相対回転不能に取付けられており、タービンハウジング６０側の端部においてタービンロータ８０が相対回転不能に取付けられている。コンプレッサロータ７０は、シャフトに形成したねじ部に螺合するナット７６によってシャフト５０に固定される。コンプレッサロータ７０には、径方向に延在するコンプレッサ翼７２が取り付けられている。タービンロータ８０には、径方向に延在するタービン翼８２が取り付けられている。コンプレッサロータ７０は、タービンロータ８０が回転することによってタービンロータ８０と一体に回転するようになっている。

以上のような構成によれば、ウエイストゲート機構が不要となり、ウエイストゲート機構を有する可変容量ターボチャージャと同様な性能を維持しつつ、小型化され、簡素な構造で低コスト化を併せ持つターボチャージャとなり、エンジンへの搭載性を向上するものである。また、自動車用全てのターボチャージャで応用することが可能である。

次に、本発明の実施形態１に係る可変容量ターボチャージャの原理を、従来のウエイストゲート機構を有する可変容量ターボチャージャと対比しながら、図面を用いて説明する。図２は、本発明の実施形態１に係るターボチャージャを備えるターボ過給圧制御システムの構成を示した概略図である。なお、従来のウエイストゲート機構を有する可変容量ターボチャージャを備えるターボ過給圧制御システムの構成については、図５を参照されたい。

従来のウエイストゲート機構を有する可変容量ターボチャージャを備えるターボ過給圧制御システムでは、図５を参照すると、エンジンから排気された排気ガスは、高速回転領域の際、タービン入口部でタービン側とウエイストゲートバルブ側にそれぞれ分岐して流れ、タービンとウエイストゲートバルブを通過した排気ガスは、タービン出口部で合流してマフラー側に排出される。つまり、高速回転領域において、コンプレッサ出口圧Ｐ２（過給圧）のコントロールに不必要になったエネルギー（排気ガス）を、バイパス通路に設定されたウエイストゲートバルブを介してタービンの出口側に導いている。一方、低速回転領域の際は、エンジンから排気された排気ガスは、タービン入口部でタービン側のみに流れ、タービンを通過した排気ガスはマフラー側に排出される。高速回転領域及び低速回転領域の際、タービンロータ８０の回転により、コンプレッサ入口部１２から吸入された吸入空気をコンプレッサロータ７０で圧縮して、高い密度になった吸入空気をエンジンに供給する。

実施形態１に係るターボチャージャを備えるターボ過給圧制御システムでは、図２を参照すると、エンジンから排気された排気ガスは、高速回転領域の際、タービンに流れ、タービンを通過した排気ガスは、タービン出口部で絞り部にてその上流側で排気ガスの圧力が高められ、マフラー側に排出される。つまり、高速回転領域において、絞り部によりタービンで得られるエネルギー（排気ガス）を減少させることでコンプレッサ出口圧Ｐ２（過給圧）が制御される。一方、低速回転領域の際は、エンジンから排気された排気ガスは、タービンに流れ、タービンを通過した排気ガスは絞り部を通過してマフラー側に排出される。低速回転領域では、排気ガスの流量が少ないので絞り部９０の上流側で排気ガスの圧力が大きく高められずにすみ、ウエイストゲート機構を有する可変容量ターボチャージャを備えるターボ過給圧制御システムと大差がない。高速回転領域及び低速回転領域の際、タービンロータ８０の回転により、コンプレッサ入口部１２から吸入された吸入空気をコンプレッサロータ７０で圧縮して、高い密度になった吸入空気をエンジンに供給する。

ここで、タービンで得られるエネルギーは、簡易的に下記の式で計算される。

［数１］
Ｗ_ｔ＝Ｔ・Ｐ・Ｑ
Ｗ_ｔ：タービンで得られるエネルギー
Ｔ：温度
Ｐ：圧力
Ｑ：排ガス流量

この式によれば、タービンで得られるエネルギーは温度・圧力・流量によって変化する。したがって、ウエイストゲート機構を有する可変容量ターボチャージャを備えるターボ過給圧制御システムでは、排気ガスをバイパスした場合、流量が減少するので、同一の仕事をするためには圧力を高めることになる。なお、ウエイストゲートした場合（高速回転領域）のエンジンの作動状態を考えると、温度は不変とみなすことができる。

一方、実施形態１に係るターボチャージャを備えるターボ過給圧制御システムでは、絞り部によりターボチャージャの効率低下が懸念されるが、排気ガスの流量が減少しないため、排気ガスをバイパスするときのような大幅な圧力上昇は発生せず、絞り部による圧力上昇のみになる。したがって、「絞り部による圧力上昇」が「ウエイストゲートによる圧力上昇」よりも小さい状況では、ターボチャージャの効率を損なうことなく絞り部９０の設定が可能になる。

次に、本発明の実施形態１に係るターボチャージャのコンプレッサ出口圧Ｐ２（過給圧）特性について図面を用いて説明する。図３は、本発明の実施形態１に係るターボチャージャの過給圧特性を示したグラフである。

測定条件は、可変容量ターボチャージャを用い、可変容量最大状態で排気ガス流量及び温度が一定で、絞り部の絞り量のみを変化させたものである。図３を参照すると、絞り部による絞り量をゼロ、小、中、大にしたものが示されている。絞り部の絞り量を調整することによって、仕事量をコントロールすることができ、排気ガスをバイパスすることなく、過給圧が変化していることが分かる。つまり、絞り量を大きくすれば、過給圧の上昇を抑えることができる。例えば、過給圧を５以下に抑えたいのであれば、絞り量が中又は大のターボチャージャを選択すればよく、過給圧を４以下に抑えたいのであれば、絞り量が大のターボチャージャを選択すればよいことになる。

次に、本発明の実施形態２に係るターボチャージャについて図面を用いて説明する。図４は、本発明の実施形態２に係るターボチャージャの構成を模式的に示した断面図である。

本発明の実施形態２に係るターボチャージャは、実施形態１に係るターボチャージャと絞り部の構成が異なるのみで、その他の構成については同様である。図４を参照すると、絞り部１００は、タービンハウジング６０の排気ガス出口部６４に取付けられるとともに、排気ガスが流通する穴１００ａを有する板状部材である。図４では、穴１００ａは、１つのみの構成であるが、複数であってもよい。このような構成でも、実施形態１に係るターボチャージャと同様、ウエイストゲート機構が不要となり、ウエイストゲート機構を有する可変容量ターボチャージャと同様な性能を維持しつつ、小型化され、簡素な構造で低コスト化を併せ持つターボチャージャとなり、エンジンへの搭載性を向上するものである。また、自動車用全てのターボチャージャで応用することが可能である。

本発明の他の実施形態について、ターボチャージャの絞り部において、絞り量の制御可能な絞り機構を有するものであってもよい。この場合、低速回転域では絞り量を小さくし、高速回転域では絞り量を大きくするように制御する。このような構成及び制御によれば、低速回転域での過給圧を高くしつつ、高速回転域での過給圧を低く抑えることができる。

本発明の実施形態１に係るターボチャージャの構成を模式的に示した断面図である。本発明の実施形態１に係るターボチャージャを備えるターボ過給圧制御システムの構成を示した概略図である。本発明の実施形態１に係るターボチャージャの過給圧特性を示したグラフである。本発明の実施形態１に係るターボチャージャの構成を模式的に示した断面図である。従来のウエイストゲート機構を有する可変容量ターボチャージャを備えるターボ過給圧制御システムの構成を示した概略図である。

符号の説明

１ターボチャージャ
１０コンプレッサハウジング
１２コンプレッサ入口部
１６スクロール部
３０ベアリングハウジング
３２潤滑油入口部
３６、３８枝油路
４２軸受
５０シャフト
５２空間
５４潤滑油出口部
６０タービンハウジング
６４排気ガス出口部
６６スクロール部
７０コンプレッサロータ
７２コンプレッサ翼
７６ナット
８０タービンロータ
８２タービン翼
９０、１００絞り部
１００ａ穴
Ｐ１コンブレッサ入口圧（エンジン吸気圧）
Ｐ２コンブレッサ出口圧（過給圧）
Ｐ３タービン入口圧
Ｐ４タービン出口圧(背圧)

Claims

シャフトと、
前記シャフトの一端に取り付けられたコンプレッサロータと、
前記コンプレッサロータを収容するとともに、吸入空気の入口部及び出口部を有するコンプレッサハウジングと、
前記シャフトの一端に取り付けられたタービンロータと、
前記タービンロータを収容するとともに、排気ガスの入口部及び出口部を有するタービンハウジングと、
前記タービンロータを通過した排気ガスの流路を絞る絞り部と、
を備えることを特徴とするターボチャージャ。
前記絞り部は、前記タービンハウジングの出口部側の配管経路に配設されることを特徴とする請求項１記載のターボチャージャ。
前記絞り部は、前記タービンハウジングの出口部に取付けられるとともに、排気ガスが流通する穴を有する板状部材であることを特徴とする請求項１記載のターボチャージャ。
前記絞り部は、絞り量が一定であることを特徴とする請求項１記載のターボチャージャ。
排気ガスの一部を前記タービンハウジングの入口部側から出口部側にバイパスさせるウエイストゲート機構を有さないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載のターボチャージャ。