JP2006233940A - 可変容量型ターボチャージャー - Google Patents

Abstract

【課題】 リンク室への燃料の移動を抑制することが可能な可変容量型ターボチャージャーを提供する。
【解決手段】 可変容量型のターボチャージャー１５は、タービンハウジング１５ｂおよびセンターハウジング１５ｃと、排気の流れを調整するためのベーンノズル７４を駆動する、ハウジングに設けられるリンク機構７１とを備える。ハウジングには、タービンハウジング渦室６６とリンク室７８とが設けられ、さらにタービンハウジング渦室６６とリンク室７８とを接続する連結路１０１が設けられる。
【選択図】 図５

Description

この発明は、可変容量型ターボチャージャーに関し、より特定的には、タービンに付着する燃料を蒸発させることが可能な可変容量型ターボチャージャーに関するものである。

現在、主としてディーゼルエンジン向けに、供給する空気量をより的確に制御できる機構を持った可変容量型ターボチャージャー（ＶＧターボ）が製造されている。

この可変容量型ターボチャージャーの一種としてベーンの向きをさまざまに変化させることでタービンの回転を調整できる、ＶＮターボ（バリアブルノズルターボ）が知られている。タービンに関しては、たとえば特開平１１−２２９８８６号公報（特許文献１）、特開２００３−４９６７５号公報（特許文献２）に開示されている。
特開平１１−２２９８８６号公報 特開２００３−４９６７５号公報

特許文献１ではタービンハウジング内の排気ガス通路がリング状のプレートによって外部に対してシールされ、タービンハウジングとプレートとの間に環状のシール空間が形成され、シール空間内に断面がほぼＵ字状のシールリングが配置される構造が開示されている。

特許文献２ではＶＮターボのノズルベーンの固着時期を推定し、固着の発生前に強制開閉することで固着の発生を防止することに関する技術が開示されている。

しかしながら、従来の技術では渦室とリンク室の圧力差により、ノズルを作動させるためのピンなどの隙間からリンク室へ燃料またはガスが侵入する。そして堆積した燃料またはガスがリンク機構の摺動を妨げ、制御性を悪化させるという問題があった。

そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものでありリンク室への燃料の侵入を低減することが可能な可変容量型ターボチャージャーを提供することを目的とする。

この発明に従った可変容量型ターボチャージャーは、ハウジングと、排気の流れを調整するためのベーンを駆動する、ハウジングに設けられたリンク機構とを備える。ハウジングには、排気をタービンに供給するためのタービンハウジング渦室と、リンク機構を収納するリンク室とが設けられる。ハウジングには、タービンハウジング渦室とリンク室とを接続する連結路がタービンハウジング渦室側に突出するように配設されている。

このように構成された可変容量型ターボチャージャーでは、タービンハウジング渦室とリンク室とを接続する連結路が設けられているため、タービンハウジング渦室とリンク室との圧力差が小さくなり、タービンハウジング渦室からリンク室側への燃料の移動を抑制することができる。さらに、連結路はタービンハウジング渦室側に突出するように配設されているためタービンハウジング渦室内に付着した燃料がこの突出した連結路に入ることを防止することができる。その結果より燃料の移動を防止することができる。好ましくは連結路のタービンハウジング渦室側の先端はタービン中心軸方向に向かって延びている。この場合ガスの流れの下流側に向かって連結路先端が開口しているため、気流に乗った添加燃料の侵入をさらに抑制することができる。

この発明に従えば、タービンハウジング渦室からリンク室側への燃料の移動を抑制することができる可変容量型ターボチャージャーを提供することができる。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照番号を付し、その説明については繰返さない。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に従ったディーゼルエンジンシステムを示す概略構成図である。図１のディーゼルエンジンシステムは、ディーゼルエンジンのクリーン排気を実現するために、高圧コモンレール式燃料噴射装置、大容量電子制御ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）クーラ、ＤＰＮＲ（Diesel Particulate NOx Reduction）触媒を組合せ、ＰＭ(Particulate Matter)およびＮＯｘを連続かつ同時に低減するシステムである。図１において、内燃機関（以下エンジンという）１０００は、燃料供給系１００、燃焼室２００、吸気系３００および排気系４００とを主要部として構成される直列４気筒のディーゼルエンジンシステムである。なお、シリンダ数は特に限定されるものではなく、またエンジンの形状も、直列型、Ｖ型、Ｗ型、水平対向型のさまざまな形状を採用することができる。

燃料供給系１００は、サプライポンプ１１０、コモンレール１２０、燃料噴射弁１３０、遮蔽弁１４０、調量弁１６０、燃料添加ノズル１７０、機関燃料通路８００および添加燃料通路８１０とを備えて構成される。

サプライポンプ１１０は、燃料タンクから燃料を汲み上げ、この汲み上げた燃料を高圧にした上で、機関燃料通路８００を介してコモンレール１２０に供給する。コモンレール１２０は、サプライポンプ１１０から供給された高圧燃料を所定圧力に保持（蓄圧）する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各燃料噴射弁１３０に分配する。燃料噴射弁１３０は、その内部に電磁ソレノイドを備え、適宜開弁して燃焼室２００内に燃料を噴射供給する。

サプライポンプ１１０は、燃料タンクから汲み上げた燃料の一部を、添加燃料通路８１０を介して燃料添加ノズル（還元剤噴射ノズル）１７０に供給する。添加燃料通路８１０には、サプライポンプ１１０から燃料添加ノズル１７０に向かって遮蔽弁１４０および調量弁１６０が順次配設されている。遮蔽弁１４０は、緊急時において添加燃料通路８１０を遮断し、燃料供給を停止する。調量弁１６０は、燃料添加ノズル１７０に供給する燃料の圧力（燃圧）を制御する。燃料添加ノズル１７０は所定圧以上の燃圧（たとえば０．２ＭＰａ）が付与されると開弁し、排気系４００（排気ポート４１０）内に燃料を噴射供給する機械式の開閉弁である。すなわち、調量弁１６０により燃料添加ノズル１７０上流の燃圧が制御されることにより、所望の燃料が適宜のタイミングで燃料添加ノズル１７０より噴射供給（添加）される。

吸気系３００は、各燃焼室２００内に供給される吸入空気の通路（吸気通路）を形成する。排気系４００は、上流から下流にかけ、排気ポート４１０、排気マニホールド４２０、触媒上流側通路４３０、触媒下流側通路４４０という各種通路部材が順次接続されて構成され、各燃焼室２００から排出される排気ガスの通路（排気通路）を形成する。

さらに、このエンジン１０００には、過給機（可変容量型ターボチャージャー）１５が設けられる。可変容量型ターボチャージャー１５は、タービンシャフト４８を介してタービンホイール４７およびコンプレッサホイール４６が接続された構造を有する。吸気側のコンプレッサホイール４６は、吸気系３００内の吸気にさらされ、タービンホイール４７は、排気系４００内の排気にさらされる。このような構成を有する可変容量型ターボチャージャー１５は、タービンホイール４７が受ける排気流（排気圧）を利用して、コンプレッサホイール４６を回転させ、吸気圧を高めるという、いわゆる過給を行なう。

吸気系３００において、可変容量型ターボチャージャー１５に設けられたインタークーラ３１０は、過給によって昇温した吸入空気を強制冷却する。インタークーラ３１０よりもさらに下流に設けられスロットル弁３２０は、その開度を無段階に調整することができる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を絞り、吸入空気の供給量を調整（低減）する機能を有する。

また、エンジン１０００には、燃焼室２００の上流（吸気系３００）および下流（排気系４００）をバイパスする排気還流通路（ＥＧＲ経路）６００が形成されている。このＥＧＲ通路６００は、排気の一部を適宜吸気系３００に戻す機能を有する。ＥＧＲ通路６００には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れる排気流量を自在に調整することができるＥＧＲ弁６１０と、ＥＧＲ通路６００を通過（還流）する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ６２０とが設けられている。

排気系４００において、排気がタービンホイール５２０の下流（触媒上流側通路４３０と触媒下流側通路４４０）との間には、ＤＰＮＲにより構成される触媒４５０が配置される。この触媒４５０は排気中のＮＯｘおよびＰＭを減少させる働きがある。エンジン１０００の各部位には、各種センサが取付けられており、それぞれの部位の環境条件やエンジン１０００の運転状態に関する信号を出力する。

たとえば、レール圧センサ７００は、コモンレール１２０内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。燃圧センサ７１０は、添加燃料通路８１０内を流通する燃料のうち、調量弁１６０へ導入される燃料の圧力（燃圧）Ｐｇに応じた検出信号を出力する。エアフローメータ７２０は、吸気系３００内のスロットル弁３２０下流において吸入空気の流量（吸気量）Ｇａに応じた検出信号を出力する。空燃比（Ａ／Ｆ）センサ７３０は、吸気系３００の触媒ケーシングの下流において排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。排気温センサ７４０は、同じく排気系４００の触媒ケーシング下流において排気の温度（排気温度）Ｔｅｘに応じた検出信号を出力する。

また、アクセル開度センサ７５０はエンジン１０００のアクセルペダルに取付けられ、同ペダルの踏込み量Ａｃｃに応じた検出信号を出力する。クランク角センサ７６０は、エンジン１０００の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力する。これら各センサ７００〜７６０は、電子制御装置（ＥＣＵ）１１００と電気的に接続される。ＥＣＵ１１００は、ＣＰＵ（中央演算ユニット）、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびバックアップＲＡＭ、タイマやカウンタなどを備え、これらと、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器を含む外部入力回路および外部出力回路とが双方向性バスにより接続されて構成される。

次に、ＥＣＵ１１００の実行する燃料添加の基本原理について、その概略を説明する。

一般に、ディーゼルエンジンでは、燃焼室内で燃焼に供される燃料および空気の混合気の酸素濃度は、殆どの運転領域で高濃度状態である。

燃焼に供される気体中の酸素濃度は、燃焼に供されて酸素を差し引いてそのまま排気中の酸素濃度に反映されるのが通常であり、混合気中の酸素濃度（空燃比）が高ければ、排気中の酸素濃度（空燃比）も基本的には同様に高くなる。一方、上述したように吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は排気中の酸素濃度が高ければＮＯｘを吸収し、低ければＮＯｘをＮＯ₂もしくはＮＯに還元して放出する特性を有するため、排気中の酸素が高濃度状態にある限りＮＯｘを吸収することになる。但し、当該触媒のＮＯｘ吸収量に限界量が存在し、同触媒が限界量のＮＯｘを吸収した状態では、排気中のＮＯｘが触媒に吸収されず触媒ケーシングを素通りすることとなる。

そこで、エンジン１０００のように燃料添加ノズル１７０を備えた内燃機関では、適当な時期に燃料添加ノズル１７０を通じ排気系４００の触媒４５０上流に燃料を添加（以下、排気添加という）することで、一時的に排気中の酸素濃度を低減し、かつ還元成分量（Ｈｃなど）を増大させる。すると、触媒４５０は、これまでに吸収したＮＯｘをＮＯ₂もしくはＮＯに還元して放出し、自身のＮＯｘ吸収能力を回復（再生）するようになる。放出されたＮＯ₂やＮＯが、ＨＣやＣＯと反応して速やかにＮ₂に還元される。

次に、タービンの構造について説明する。図２は、図１で示す可変容量型ターボチャージャーの断面図である。図３および図４は、リンク機構を説明するための図である。図５は、可変容量型ターボチャージャーを詳細に示す断面図である。

主として図２および図５を参照して、可変容量型ターボチャージャー１５は、コンプレッサハウジング１５ａと、タービンハウジング１５ｂとをセンターハウジング１５ｃを介して連結して構成される。

センターハウジング１５ｃにおいて、タービンシャフト４８の一端はコンプレッサハウジング１５ａ内に突出し、その突出した部分には複数のコンプレッサインペラ４６ａを備えたコンプレッサホイール４６が取付けられる。

タービンシャフト４８の他端は、タービンハウジング１５ｂ内に突出し、その突出した部分には複数のタービンインペラ４７ａを備えたタービンホイール４７が取付けられる。

コンプレッサハウジング１５ａには吸気を取り入れるための吸気取入れ口６２ａが形成される。コンプレッサハウジングには、コンプレッサホイール４６の外周に渦巻形状のコンプレッサ通路６４が形成され、コンプレッサホイール４６の周辺領域とコンプレッサ通路６４とを連通する環状の送出通路６５が形成される。

タービンハウジング１５ｂ内には、タービンホイール４７を取囲む渦巻状のスクロール通路であるタービンハウジング渦室６６が形成され、タービンホイール４７の周辺領域とタービンハウジング渦室６６とを連通する環状のノズル通路６７が形成される。タービンハウジング１５ｂにおいてセンターハウジング１５ｃと反対側には排気排出口６３ａが設けられる。

主として図３および図４を参照して、タービンハウジング１５ｂのセンターハウジング１５ｃ側には可変ノズル機構であるリンク機構７１が設けられる。リンク機構７１はリング状に形成されたノズルバックプレート７２を備え、ノズルバックプレート７２はボルトによってタービンハウジング１５ｂに固定されている。ノズルバックプレート７２には、複数の軸７３がノズルバックプレート７２に複数本設けられている。

各軸７３はノズルバックプレート７２をその厚み方向に貫通して回転可能に支持されている。軸７３の端部にはノズルベーン７４が固定されている。軸７３の別の端部には、軸７３と直交してノズルバックプレート７２の外周へ延びる方向に開閉レバー７５が固定され、軸７３と開閉レバー７５とノズルベーン７４とが一体的に回転する。開閉レバー７５の先端には、二股に分岐した１対の挟持部７５ａが設けられる。

開閉レバー７５とノズルバックプレート７２の間には環状のリングプレート７６が設けられる。このリングプレート７６はノズルバックプレート７２に対し円周方向へ回転可能である。リングプレート７６には、等間隔にピン７７が設けられており、ピン７７が挟持部７５ａに嵌合している。

このように構成されたリンク機構７１では、上述したリングプレート７６が回転すると各ピン７７が開閉レバー７５の挟持部７５ａをリングプレート７６の回転方向と同じ方向に押すため、開閉レバー７５が軸７３を回動させ、軸７３の回動とともにノズルベーン７４が軸７３を中心に回動する。これにより、ノズルベーン７４の角度が変化し、ノズルベーン７４間を通過する排気流量を適宜調整することができる。

リングプレート７６の外周には、軸線Ｌと同じ方向に延びるピン８６が取付けられ、そのピン８６に駆動機構８２が連結される。駆動機構８２はセンターハウジング１５ｃにピン８６と平行にコンプレッサハウジング１５ａ側に延びた状態で支軸８３を備える。この支軸８３のタービンハウジング１５ｂ側の端部には、ピン８６に対し回動可能に連結された駆動レバー８４が固定されている。支軸８３のコンプレッサハウジング１５ａ側の端部には、支軸８３を中心に回動可能な操作片が取付けられる。操作片８５はアクチュエータ８７に接続されている。アクチュエータ８７が操作片８５を回動させることにより、この回動が支軸８３を通じて駆動レバー８４へ伝えられ、駆動レバー８４がピン８６を介してリングプレート７６を主方向に押し、軸線Ｌを中心にリングプレート７６を回動させる。

リンク機構７１はリンク室７８に収納され、リンク室７８とタービンハウジング渦室６６（スクロール通路）との間には連結路１０１が設置されている。連結路１０１の入口である先端１０１ａはスクロール形状のタービンハウジング渦室６６側に突出して配置されている。連結路１０１を構成する材料としては、たとえば金属パイプが挙げられ、タービンハウジング渦室６６に沿うように複数本の連結路１０１が設けられる。なお、連結路１０１の数は複数本に限られず、１つの連結路１０１が設けられていてもよい。

すなわち、この発明に従った可変容量型ターボチャージャー１５は、コンプレッサハウジング１５ａ、タービンハウジング１５ｂおよびセンターハウジング１５ｃにより構成されるハウジングと、排気の流れを調整するためのノズルベーン７４を駆動するようにハウジングに設けられるリンク機構７１とを備える。ハウジングには、排気をタービンに供給するためのタービンハウジング渦室６６と、リンク機構７１を収納するリンク室７８とが設けられる。ハウジングには、タービンハウジング渦室６６とリンク室７８とを接続する連結路１０１がタービンハウジング渦室６６側に突出するように配設されている。

このように構成された可変容量型ターボチャージャー１５では、添加燃料が４番排気ポートに設置された燃料添加ノズル１７０から噴射され、排ガスに乗ってタービンハウジング渦室６６に燃料が流れ込む。燃料の一部は排気ガスに乗ってそのまま通過するものの、大部分はタービンハウジング渦室６６に一旦付着し、その後蒸発してタービンハウジング渦室６６を通過する。特に、排気の温度が低い状態で大量の燃料が添加された場合には、タービンハウジング渦室６６内に付着した燃料が液溜まりとなって壁伝いに流れ、ノズルプレート外周部７２ａとタービンハウジング１５ｂのクリアランス７２ｃからリンク室７８へ流入する。

本発明に従えば、連結路１０１が設けられているため、タービンハウジング渦室６６とリンク室７８との圧力がほぼ等しくなるため、リンク室７８への燃料の流入を大幅に抑制することができる。また、タービンハウジング渦室６６へ連結路１０１の先端１０１ａが突出する形状となる。その結果、タービンハウジング渦室６６の壁面を伝う燃料が先端１０１ａへ入り込むことを防止し、連結路１０１を経由したリンク室７８への燃料の流入をも抑制することができる。

（実施の形態２）
図６は、この発明の実施の形態２に従った可変容量型ターボチャージャーの断面図である。タービンの断面図である。図６を参照して、この発明の実施の形態２に従ったタービンでは、連結路１０１の先端１０１ｂがタービンハウジング渦室６６の中でガスの流れの下流側に向かって延びている点で実施の形態１に従った可変容量型ターボチャージャー１５と異なる。すなわち、タービン中心軸Ｌに向かって先端１０１ｂが延びており、これはタービンハウジング渦室６６を通過する燃料の流れに沿った方向である。

このように構成された、実施の形態２に従ったタービンでは、連結路１０１の先端１０１ｂ（入口）がガスの流れの下流に向かっているため、気流に乗った添加燃料の液滴の侵入を防止し、よりリンク室７８への燃料の流入の低減を図ることができる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、ここで示した実施の形態は様々に変形することが可能である。まず、上記の実施の形態では、ディーゼルエンジンの例について説明したが、ガソリンエンジンについても本発明を適用することが可能である。混合気を圧縮する可変容量型のターボチャージャーに本発明に従った構造を採用することができる。また、直列型のみならず、Ｖ型、Ｗ型、水平対向型などのエンジンに本発明を適用することが可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、たとえば、ディーゼルエンジンに搭載されるターボチャージャーの分野で用いることができる。

この発明の実施の形態１に従ったディーゼルエンジンシステムを示す概略構成図である。 図１で示す可変容量型ターボチャージャーの断面図である。 リンク機構を説明するための図である。 リンク機構を説明するための図である。 可変容量型ターボチャージャーを詳細に示す断面図である。 この発明の実施の形態２に従った可変容量型ターボチャージャーの断面図である。

符号の説明

１５ ターボチャージャー、１５ａ コンプレッサハウジング、１５ｂ タービンハウジング、１５ｃ センターハウジング、６６ タービンハウジング渦室、７１ リンク機構、７８ リンク室、１０１ 連結路。

Claims (2)

1. ハウジングと、
   排気の流れを調整するためのベーンを駆動する、前記ハウジングに設けられるリンク機構とを備え、
   前記ハウジングには、排気をタービンに供給するためのタービンハウジング渦室と、前記リンク機構を収納するリンク室とが設けられ、
   前記ハウジングには、前記タービンハウジング渦室と前記リンク室とを接続する連結路がタービンハウジング渦室側に突出するように配設されている、可変容量型ターボチャージャー。
2. 前記連結路の前記タービンハウジング渦室側の先端は、タービン中心軸方向に向かって延びている、請求項１に記載の可変容量型ターボチャージャー。

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