JP2010127106A - Exhaust-driven supercharger of internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の排気駆動式過給機に関する。 The present invention relates to an exhaust drive supercharger for an internal combustion engine.
従来、この種の排気駆動式過給機としては、例えば特許文献1に記載のものがある。この特許文献1に記載の過給機は、吸気通路に設けられる第1コンプレッサホイール、排気通路に設けられる第1タービンホイール、並びにこれら第1コンプレッサホイール及び第1タービンホイールを連結する中空状の第1軸からなる第1過給機を備えている。また、第1軸に挿通されて同第1軸と同軸状に設けられる第2軸と、吸気通路において第1コンプレッサホイールの吸気上流側に設けられるとともに第2軸に連結される第2コンプレッサホイール、及び排気通路において第1タービンホイールの排気下流側に設けられるとともに第2軸に連結される第2タービンホイールからなる第2過給機を備えている。こうした構成により、過給機全体としての体格を小さなものとすることができる。また、第1タービンホイールは半径流式のタービンホイールとして構成される一方、第2タービンホイールは軸流式のタービンホイールとして構成されており、第2タービンホイールは第1タービンホイールよりも膨張比が小さく設定されている。こうした構成により、燃焼室から排出される排気の流量が小さいときには排気上流側の第1タービンホイールの回転速度はそれほど上昇しない一方、排気下流側の第2タービンホイールの回転速度は速やかに上昇するようになる。また、燃焼室から排出される排気の流量が大きいときには排気上流側の第1タービンホイールの回転速度が速やかに上昇するようになる。このようにして燃焼室から排出される排気の流量に応じて、すなわち内燃機関の運転状態に応じて過給態様を可変とすることができる。
ところで、こうした従来の過給機にあっては、燃焼室から排出される排気が、まずは2つのタービンホイールのうち膨張比の大きい方のタービンホイールに流入する構造となっている。そのため、膨張比の大きい方のタービンホイールにおいて排気の圧力エネルギの一部が消費されることとなり、特に燃焼室から排出される排気の流量が小さいときには、排気下流側に設けられる膨張比の小さい方のタービンホイールにおける排気の圧力エネルギが小さなものとなり、同タービンホイールにおいて回収される回転エネルギも小さなものとなる。従って、過給機全体としての過給特性を向上させる上では、尚、課題を残すものとなっている。 By the way, in such a conventional turbocharger, the exhaust gas discharged from the combustion chamber first flows into the turbine wheel having the larger expansion ratio of the two turbine wheels. Therefore, a part of the pressure energy of the exhaust is consumed in the turbine wheel having the larger expansion ratio, and particularly when the flow rate of the exhaust discharged from the combustion chamber is small, the one having the smaller expansion ratio provided on the exhaust downstream side. The exhaust pressure energy in the turbine wheel becomes small, and the rotational energy recovered in the turbine wheel becomes small. Therefore, there is still a problem in improving the supercharging characteristics of the entire supercharger.
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、過給機全体としての体格を小さなものとしつつ、過給機全体としての過給特性を向上させることのできる内燃機関の排気駆動式過給機を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an internal combustion engine that can improve the supercharging characteristics of the entire turbocharger while reducing the size of the entire turbocharger. The object is to provide an exhaust-driven supercharger.
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
(1)請求項1に記載の発明は、吸気通路に設けられる第1コンプレッサホイール、排気通路に設けられる第1タービンホイール、並びにこれら第1コンプレッサホイール及び第1タービンホイールを連結する中空状の第1軸からなる第1過給機と、前記第1軸に挿通されて同第1軸と同軸状に設けられる第2軸、前記吸気通路において前記第1コンプレッサホイールに対して直列に設けられるとともに前記第2軸に連結される第2コンプレッサホイール、及び前記排気通路において前記第1タービンホイールと直列に設けられるとともに前記第2軸に連結される第2タービンホイールからなる第2過給機とを備える内燃機関の排気駆動式過給機であって、前記排気通路において前記第1タービンホイール及び前記第2タービンホイールのうち排気上流側に設けられる方のタービンホイールを迂回する迂回通路と、前記排気通路に設けられて前記第1タービンホイール及び第2タービンホイールへ流入する排気の流量をそれぞれ可変とする可変流量弁とを備えることをその要旨としている。
Hereinafter, means for solving the above-described problems and the effects thereof will be described.
(1) The invention described in
同構成によれば、第1過給機と第2過給機とが同軸状に配設されていることから、これら過給機が同軸状に配設されない構成に比べて、過給機全体としての体格を小さなものとすることができる。また例えば、排気通路において第1タービンホイールが第2タービンホイールよりも排気上流側に設けられる場合に、可変流量弁を通じて、第2タービンホイールへの排気の流入を許容するようにすれば、排気は第1タービンホイールを迂回して迂回通路を流れるようになり、第1タービンホイールにおいて排気の圧力エネルギが消費されなくなる分だけ、第2タービンホイールにおいて回収することのできる排気の圧力エネルギを大きなものとすることができる。一方、こうした状態から、可変流量弁を通じて、第2タービンホイールへの排気の流入を禁止するとともに第1タービンホイールへの排気の流入を許容するようにすれば、第2タービンホイールに加えて又は第2タービンホイールに代えて、第1タービンホイールが駆動されるようになる。このようにして、第1タービンホイール及び第2タービンホイールへ流入する排気の流量を適宜変更することにより、第1タービンホイール及び第2タービンホイールの駆動態様、ひいては第1過給機及び第2過給機の過給態様をそれぞれ好適に制御することができるようになる。従って、過給機全体としての体格を小さなものとしつつ、過給機全体としての過給特性を向上させることができるようになる。 According to this configuration, since the first supercharger and the second supercharger are coaxially arranged, the entire supercharger is compared with a configuration in which these superchargers are not coaxially arranged. The physique can be made small. Further, for example, when the first turbine wheel is provided upstream of the second turbine wheel in the exhaust passage, if the inflow of the exhaust gas to the second turbine wheel is allowed through the variable flow valve, the exhaust gas is The exhaust gas pressure energy that can be recovered in the second turbine wheel is increased by the amount that the exhaust gas pressure energy is depleted in the first turbine wheel by detouring the first turbine wheel. can do. On the other hand, if the inflow of exhaust gas to the second turbine wheel is prohibited and the inflow of exhaust gas to the first turbine wheel is allowed through the variable flow valve from such a state, in addition to the second turbine wheel or the second turbine wheel. Instead of the two turbine wheels, the first turbine wheel is driven. In this way, by appropriately changing the flow rate of the exhaust gas flowing into the first turbine wheel and the second turbine wheel, the driving mode of the first turbine wheel and the second turbine wheel, and thus the first supercharger and the second supercharger. Each of the supercharging modes of the feeder can be suitably controlled. Accordingly, it is possible to improve the supercharging characteristics of the entire turbocharger while reducing the size of the entire turbocharger.
(2)請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の内燃機関の排気駆動式過給機において、前記第1タービンホイール及び前記第2タービンホイールのうち一方のタービンホイールは他方のタービンホイールに比べて膨張比が小さく設定され、内燃機関の燃焼室から排出される排気の流量が大きいときには小さいときに比べて、前記可変流量弁を通じて、前記膨張比の大きい方のタービンホイールへ流入する排気の流量を大きくすることをその要旨としている。
(2) The invention according to claim 2 is the exhaust-drive supercharger of the internal combustion engine according to
同構成によれば、燃焼室から排出される排気の流量が大きいときには、膨張比の大きい方のタービンホイールが駆動されるようになることで、過給機全体を的確に駆動することができるようになる。ちなみにこの場合、第1コンプレッサホイール及び第2コンプレッサホイールのうち、膨張比が大きい方のタービンホイールに対応するコンプレッサホイールの圧縮比を、他方のコンプレッサホイールの圧縮比よりも大きく設定することが望ましい。 According to this configuration, when the flow rate of the exhaust gas discharged from the combustion chamber is large, the turbine wheel with the larger expansion ratio is driven, so that the entire turbocharger can be driven accurately. become. Incidentally, in this case, it is desirable to set the compression ratio of the compressor wheel corresponding to the turbine wheel having the larger expansion ratio among the first compressor wheel and the second compressor wheel to be larger than the compression ratio of the other compressor wheel.
(3)請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の内燃機関の排気駆動式過給機において、前記第1タービンホイール及び第2タービンホイールのうち膨張比の小さい方のタービンホイールは膨張比の大きい方のタービンホイールよりも排気上流側に設けられてなることをその要旨としている。 (3) The invention according to claim 3 is the exhaust-drive supercharger for the internal combustion engine according to claim 2, wherein the turbine wheel having the smaller expansion ratio of the first turbine wheel and the second turbine wheel is The gist of the invention is that it is provided on the exhaust upstream side of the turbine wheel having the larger expansion ratio.
第1タービンホイール及び第2タービンホイールのうち一方のタービンホイールの膨張比が他方のタービンホイールの膨張比に比べて小さく設定されるものにあって、燃焼室から膨張比の小さい方のタービンホイールまでの排気の流路長が過度に大きい場合には、このことに起因して、膨張比の小さい方のタービンホイールに排気が流入するまでの間に同排気の圧力が過度に低下することがある。そしてこの場合には、膨張比の小さい方のタービンホイールを安定して駆動することができないおそれがある。 Of the first turbine wheel and the second turbine wheel, the expansion ratio of one turbine wheel is set smaller than the expansion ratio of the other turbine wheel, and from the combustion chamber to the turbine wheel having the smaller expansion ratio. When the exhaust passage length of the exhaust gas is excessively large, the pressure of the exhaust gas may decrease excessively until the exhaust gas flows into the turbine wheel having the smaller expansion ratio. . In this case, the turbine wheel having the smaller expansion ratio may not be driven stably.
この点、上記構成によれば、膨張比の小さい方のタービンホイールが、膨張比の大きい方のタービンホイールよりも排気上流側に設けられることから、膨張比の大きい方のタービンホイールよりも排気下流側に設けられる場合に比べて、燃焼室から膨張比の小さい方のタービンホイールまでの排気の流路長を短くすることができ、膨張比の小さい方のタービンホイールに排気が流入するまでの間に排気の圧力が過度に低下することを抑制することができるようになる。これにより、膨張比の小さい方のタービンホイールを安定して駆動することができるようになる。 In this regard, according to the above configuration, the turbine wheel having the smaller expansion ratio is provided on the exhaust upstream side than the turbine wheel having the larger expansion ratio. Compared with the case where it is provided on the side, the flow path length of the exhaust gas from the combustion chamber to the turbine wheel with the smaller expansion ratio can be shortened, and the exhaust gas flows into the turbine wheel with the smaller expansion ratio. In addition, the exhaust pressure can be prevented from excessively decreasing. As a result, the turbine wheel with the smaller expansion ratio can be driven stably.
(4)請求項2又は請求項3に記載の発明は、請求項4に記載の発明によるように、前記第1タービンホイール及び前記第2タービンホイールのうち、膨張比の小さい方のタービンホイールは軸流式のタービンホイールであり、膨張比の大きい方のタービンホイールは半径流式のタービンホイールであるといった態様をもって具体化することができる。一般に、軸流式のタービンホイールは、半径流式のタービンホイールに比べて、径方向における体格が同程度であれば、単段当たりの膨張比が小さく、軸方向における体格が小さいものとなる。従って、第1タービンホイール及び第2タービンホイールのうち一方のタービンホイールは他方のタービンホイールに比べて膨張比が小さく設定されるといった請求項2に記載の発明の構成を実現する上で、過給機全体としての軸方向における体格を小さなものとすることができる。 (4) According to the invention described in claim 2 or claim 3, as in the invention described in claim 4, of the first turbine wheel and the second turbine wheel, the turbine wheel having the smaller expansion ratio is The embodiment can be embodied in such a manner that the turbine wheel is an axial flow type turbine wheel and the turbine wheel having the larger expansion ratio is a radial flow type turbine wheel. In general, an axial-flow turbine wheel has a smaller expansion ratio per single stage and a smaller physique in the axial direction if the physique in the radial direction is similar to that of a radial-flow turbine wheel. Therefore, in order to realize the configuration of the invention according to claim 2, one of the first turbine wheel and the second turbine wheel is set to have a smaller expansion ratio than the other turbine wheel. The physique in the axial direction as a whole machine can be made small.
(5)請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の内燃機関の排気駆動式過給機において、前記第1タービンホイール及び前記第2タービンホイールのうち膨張比の小さい方のタービンホイールの出口部と膨張比の大きい方のタービンホイールの入口部とは前記第1軸及び前記第2軸の軸方向において隣接して設けられてなることをその要旨としている。 (5) The invention according to claim 5 is the exhaust-drive supercharger for the internal combustion engine according to claim 4, wherein the turbine wheel having the smaller expansion ratio of the first turbine wheel and the second turbine wheel. The main point is that the outlet portion of the turbine wheel and the inlet portion of the turbine wheel having the larger expansion ratio are provided adjacent to each other in the axial direction of the first shaft and the second shaft.
同構成によれば、軸流式のタービンホイールの出口部と、その排気下流側に設けられる遠心式のタービンホイールの入口部とは、第1軸及び第2軸の軸方向において隣接して設けられることから、これら入口部と出口部との間の流路を短くすることができる。従って、過給機全体としての体格をより一層小さなものとすることができる。 According to this configuration, the outlet portion of the axial-flow turbine wheel and the inlet portion of the centrifugal turbine wheel provided on the exhaust downstream side thereof are provided adjacent to each other in the axial direction of the first shaft and the second shaft. Therefore, the flow path between the inlet portion and the outlet portion can be shortened. Therefore, the physique as a whole supercharger can be made still smaller.
(6)請求項6に記載の発明は、請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の内燃機関の排気駆動式過給機において、前記吸気通路において前記第1コンプレッサホイール及び前記第2コンプレッサホイールのうち吸気下流側に設けられる方のコンプレッサホイールを迂回する吸気側迂回通路と、前記吸気側迂回通路へ流入する吸気の流量を可変とする吸気側可変流量弁とを備え、前記可変流量弁の開度制御に応じて前記吸気側可変流量弁を開度制御することをその要旨としている。
(6) The invention according to claim 6 is the exhaust-drive supercharger for the internal combustion engine according to any one of
同構成によれば、例えば、排気通路において第1タービンホイールが第2タービンホイールよりも排気上流側に設けられるとともに、第1コンプレッサホイールが第2コンプレッサホイールよりも吸気下流側に設けられる場合に、可変流量弁を通じて、第2タービンホイールへの排気の流入を許容するようにすれば、排気は第1タービンホイールを迂回して迂回通路を流れるようになり、第1タービンホイールにおいて排気の圧力エネルギが消費されなくなる分だけ、第2タービンホイールにおいて回収することのできる排気の圧力エネルギを大きなものとすることができる。そしてこのとき、吸気側可変流量弁を通じて、第2コンプレッサホイールへの吸気の流入を許容するようにすれば、第2コンプレッサホイールにて圧縮された吸気は第1コンプレッサホイールを迂回して吸気側迂回通路を流れるようになり、第1コンプレッサホイールにおける圧力低下が生じなくなる分だけ、大きく圧縮された状態で燃焼室に供給されるようになる。一方、こうした状態から、可変流量弁を通じて、第2タービンホイールへの排気の流入を禁止するとともに第1タービンホイールへの排気の流入を許容するようにすれば、第2タービンホイールに加えて又は第2タービンホイールに代えて、第1タービンホイールが駆動されるようになる。そしてこのとき、吸気側可変流量弁を通じて、第2コンプレッサホイールへの吸気の流入を禁止するようにすれば、第1コンプレッサホイールにて圧縮された吸気が燃焼室に供給されるようになる。このようにして、可変流量弁を通じて、第1タービンホイール及び第2タービンホイールへ流入する排気の流量を適宜変更するとともに、吸気側可変流量弁を通じて、第1コンプレッサホイール及び第2コンプレッサホイールへ流入する吸気の流量を適宜変更することにより、第1過給機及び第2過給機の過給態様をそれぞれ好適に制御することができるようになる。従って、過給機全体としての過給特性を的確に向上させることができるようになる。 According to this configuration, for example, when the first turbine wheel is provided on the exhaust upstream side of the second turbine wheel in the exhaust passage, and the first compressor wheel is provided on the intake downstream side of the second compressor wheel, By allowing the exhaust gas to flow into the second turbine wheel through the variable flow valve, the exhaust gas bypasses the first turbine wheel and flows through the bypass passage, and the pressure energy of the exhaust gas in the first turbine wheel is reduced. The exhaust pressure energy that can be recovered in the second turbine wheel can be increased by the amount that is not consumed. At this time, if the inflow of intake air to the second compressor wheel is allowed through the intake side variable flow valve, the intake air compressed by the second compressor wheel bypasses the first compressor wheel and bypasses the intake side. Thus, the gas flows through the passage and is supplied to the combustion chamber in a state of being largely compressed as much as the pressure drop in the first compressor wheel does not occur. On the other hand, if the inflow of exhaust gas to the second turbine wheel is prohibited and the inflow of exhaust gas to the first turbine wheel is allowed through the variable flow valve from such a state, in addition to the second turbine wheel or the second turbine wheel. Instead of the two turbine wheels, the first turbine wheel is driven. At this time, if the inflow of the intake air to the second compressor wheel is prohibited through the intake-side variable flow valve, the intake air compressed by the first compressor wheel is supplied to the combustion chamber. In this manner, the flow rate of the exhaust gas flowing into the first turbine wheel and the second turbine wheel is appropriately changed through the variable flow valve, and flows into the first compressor wheel and the second compressor wheel through the intake side variable flow valve. By appropriately changing the flow rate of the intake air, the supercharging modes of the first supercharger and the second supercharger can be suitably controlled. Therefore, the supercharging characteristic as the whole supercharger can be improved accurately.
以下、図1〜図3を参照して、本発明に係る内燃機関の排気駆動式過給機を、車載内燃機関(以下、内燃機関)に適用されて、2つの排気駆動式過給機(以下、「第1過給機10」、「第2過給機20」)からなるものとして具体化した一実施形態について説明する。 In the following, referring to FIG. 1 to FIG. 3, an exhaust drive supercharger for an internal combustion engine according to the present invention is applied to an in-vehicle internal combustion engine (hereinafter referred to as an internal combustion engine), and two exhaust drive superchargers ( In the following, an embodiment which is embodied as comprising “first supercharger 10” and “second supercharger 20”) will be described.
図1に、第1過給機10及び第2過給機20を中心とした内燃機関の概略構成を示す。
内燃機関の吸気通路30には、吸気上流側から順に、第1吸気管31、第2吸気管32、及び第3吸気管33が設けられている。ここで、第1吸気管31と第2吸気管32との間には、第2コンプレッサホイール22を囲繞するコンプレッサハウジング21が設けられている。また、第2吸気管32と第3吸気管33との間には、第1コンプレッサホイール12を囲繞するコンプレッサハウジング11が設けられている。即ち、吸気通路30において第2コンプレッサホイール22は第1コンプレッサホイール12の吸気上流側に設けられている。また、吸気通路30には、第2吸気管32の途中と第3吸気管33の途中とを接続して第1コンプレッサホイール12を迂回する吸気側迂回通路34が設けられている。また、吸気側迂回通路34には、吸気側迂回通路34へ流入する吸気の流量を可変とする、換言すれば第1コンプレッサホイール12へ流入する吸気の流量を可変とする吸気側可変流量弁52が設けられている。吸気側可変流量弁52は、電子制御装置70により開閉駆動される電磁弁である。そして、同弁52の開閉状態により、第2コンプレッサホイール22を通過した吸気の吸気側迂回通路34への流入を禁止する状態、及び第2コンプレッサホイール22を通過した吸気の吸気側迂回通路34及び第1コンプレッサホイール12の双方への流入を許容する状態の2つの状態のいずれか一方の状態を実現する。
FIG. 1 shows a schematic configuration of an internal combustion engine centered on a first supercharger 10 and a second supercharger 20.
In the
一方、内燃機関の排気通路40には、排気上流側から順に、第1排気管41及び第2排気管42が設けられている。ここで、第1排気管41と第2排気管42との間には、排気上流側から順に、第1タービンホイール14を囲繞するタービンハウジング13、及び第2タービンホイール24を囲繞するタービンハウジング23がそれぞれ設けられている。即ち、排気通路40において第2タービンホイール24は第1タービンホイール14の排気下流側に設けられている。また、排気通路40には、第1排気管41の途中とタービンハウジング23において第2タービンホイール24の第1入口部23Aとを接続して第1タービンホイール14を迂回する第1迂回通路44が設けられている。また、第1迂回通路44には、第1タービンホイール14へ流入する排気の流量を可変とする、換言すれば第1迂回通路44へ流入する排気の流量を可変とする第1可変流量弁51が設けられている。第1可変流量弁51は、電子制御装置70により開閉駆動される電磁弁である。そして、同弁51が開弁されると、燃焼室から排出された排気の第2タービンホイール24への流入が許容され、同弁51が閉弁されると、燃焼室から排出された排気の第2タービンホイール24への流入が禁止される。
On the other hand, the
更に、排気通路40には、第1迂回通路44の途中と第2排気管42の途中とを接続して第2タービンホイール24を迂回する第2迂回通路45が設けられている。また、第2迂回通路には、第2迂回通路45へ流入する排気の流量を可変とする第2可変流量弁53が設けられている。第2可変流量弁53は、電子制御装置70により開閉駆動される電磁弁である。
Further, the
次に、第1過給機10及び第2過給機20の具体的な構成について詳細に説明する。
第1過給機10は、中空状の第1軸15、同第1軸15の一端に連結される第1コンプレッサホイール12、及び同第1軸15の他端に連結される第1タービンホイール14を備えている。第1軸15は、軸方向において第1コンプレッサホイール12側の部位が第1タービンホイール14側の部位に比べて縮径されている。
Next, specific configurations of the first supercharger 10 and the second supercharger 20 will be described in detail.
The first supercharger 10 includes a hollow
第2過給機20は、第1軸15に挿通されて同第1軸15と同軸状に設けられる第2軸25、第2軸25の一端に連結される第2コンプレッサホイール22、及び第2軸25の他端に連結される第2タービンホイール24を備えている。
The second supercharger 20 is inserted into the
ここで、第1タービンホイール14は、軸流式のタービンホイールとして構成され、第2タービンホイール24は、半径流式のタービンホイールとして構成されている。また、第1タービンホイール14及び第2タービンホイール24は径方向における体格が同程度とされており、第1タービンホイール14を囲繞するタービンハウジング13の出口部13Aと第2タービンホイール24を囲繞するタービンハウジング23の第2入口部23Bとは第1軸15及び第2軸25の軸方向において隣接して設けられている。また一般に、軸流式のタービンホイールは、半径流式のタービンホイールに比べて、径方向における体格が同程度であれば、単段当たりの膨張比が小さく、軸方向における体格が小さいものとなることから、第1タービンホイール14は第2タービンホイールに比べて膨張比が小さいものとなっている。
Here, the
一方、第1コンプレッサホイール12及び第2コンプレッサホイール22は共に、遠心式のコンプレッサホイールとしてそれぞれ構成されている。また、第1コンプレッサホイール12及び第2コンプレッサホイール22は、第1軸15及び第2軸25の軸方向においてこれらの大径部12A,22Aが隣接するようにそれぞれ設けられている。また、第1コンプレッサホイール12は、第2コンプレッサホイール22に比べて、径方向及び軸方向における体格がそれぞれ小さく、圧縮比が小さいものとなっている。尚、第1コンプレッサホイール12の大径部12Aと第2コンプレッサホイール22の大径部22Aとの間には、第1カラー61が設けられている。
On the other hand, the
第1コンプレッサホイール12の内周面であって第1軸15の端部よりも外側(図中左側)の部位と第2軸25の外周面との間には、第1コンプレッサホイール12に対してその軸方向及び径方向にそれぞれ作用する力を受けとめるための第2ベアリング64が設けられている。また、第1タービンホイール14の内周面であって第1軸15の端部よりも外側(図中右側)の部位と第2軸25の外周面との間には、第1タービンホイール14に対してその軸方向及び径方向にそれぞれ作用する力を受けとめるための第3ベアリング65が設けられている。
Between the inner peripheral surface of the
第1軸15の縮径された部位には、第1コンプレッサホイール12から近い順に、第2カラー62及び第1ベアリング63がそれぞれ設けられている。第1ベアリング63は、第2カラー62及び第1軸15に対してそれらの軸方向にそれぞれ作用する力を受けとめるものである。
A second collar 62 and a
第1軸15の縮径されていない部位の外周には、第4ベアリング66及び第5ベアリング67が軸方向において所定の距離を隔てて設けられている。これら第4ベアリング66及び第5ベアリング67は、第1軸15に対してその径方向に作用する力を受けとめるものである。
A
車両には、内燃機関及び車両駆動系をはじめとする各種装置を統括的に制御する電子制御装置70が設けられている。電子制御装置70には、機関回転速度を検出する機関回転速度センサの出力信号、アクセルペダル開度を検出するアクセル開度センサの出力信号、吸入空気量を検出する吸入空気量センサの出力信号をはじめとして、各種センサの出力信号が入力される。電子制御装置70は、各種センサの出力信号に基づいて機関運転状態及び車両走行状態を把握し、これらに応じて内燃機関及び車両駆動系等の制御を行う。ここでは例えば、吸入空気量センサの出力信号に基づいて燃焼室から排出される排気の流量を把握するようにしている。そして、電子制御装置70を通じて第1可変流量弁51、吸気側可変流量弁52、及び第2可変流量弁53の開度制御が行われることにより、第1過給機10及び第2過給機20による過給態様が変更される。具体的には、燃焼室から排出される排気の流量が所定量未満であるときには、第1可変流量弁51が閉弁されるとともに吸気側可変流量弁52が閉弁される。また、燃焼室から排出される排気の流量が所定量以上であるときには、第1可変流量弁51が開弁されるとともに吸気側可変流量弁52が開弁される。更に、これら可変流量弁51,52の開度制御に併せて、過給機全体としての過給圧を安定したものとするために第2可変流量弁53の開閉制御が行われる。尚、本実施形態では、上記所定量を実験等に基づき予め設定されている固定値としているが、これを機関運転状態に応じて可変設定するようにしてもよい。
The vehicle is provided with an
次に、本実施形態の排気駆動式過給機の作用について図2及び図3を参照して説明する。
燃焼室から排出される排気の流量が所定量未満であるときには、図2に示すように、排気通路40側では、第1可変流量弁51が閉弁されて、第2タービンホイール24への排気の流入が禁止されることにより、排気は第1タービンホイール14へ流入することとなる(図中に示す破線矢印)。そしてこのとき、吸気通路30側では、吸気側可変流量弁52が閉弁されて、吸気側迂回通路34への吸気の流入が禁止されることにより、吸気は第1コンプレッサホイール12へ流入して(図中に示す実線矢印)、第1コンプレッサホイール12にて圧縮された吸気が燃焼室に供給されるようになる。
Next, the operation of the exhaust driving supercharger of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
When the flow rate of the exhaust gas discharged from the combustion chamber is less than a predetermined amount, as shown in FIG. 2, the first
一方、燃焼室から排出される排気の流量が所定量以上であるときには、図3に示すように、排気通路40側では、第1可変流量弁51が開弁されて、第2タービンホイール24への排気の流入が許容される。これにより、排気は第1タービンホイール14を迂回して第1迂回通路44を流れるようになり(図中に示す破線矢印)、第1タービンホイール14において排気の圧力エネルギが消費されなくなる分だけ、第2タービンホイール24において回収することのできる排気の圧力エネルギが大きなものとなる。そしてこのとき、吸気通路30側では、吸気側可変流量弁52が開弁されて、吸気側迂回通路34への吸気の流入が許容される(図中に示す実線矢印)。これにより、第2コンプレッサホイール22にて圧縮された吸気は、第1コンプレッサホイール12を迂回して吸気側迂回通路34を流れるようになり、第1コンプレッサホイール12における圧力低下が生じなくなる分だけ、大きく圧縮された状態で燃焼室に供給されるようになる。
On the other hand, when the flow rate of the exhaust gas discharged from the combustion chamber is equal to or greater than a predetermined amount, the first
以上説明した本実施形態にかかる内燃機関の排気駆動式過給機によれば、以下に示す作用効果が得られるようになる。
(1)排気駆動式過給機は、吸気通路30に設けられる第1コンプレッサホイール12、排気通路40に設けられる第1タービンホイール14、並びにこれら第1コンプレッサホイール12及び第1タービンホイール14を連結する中空状の第1軸15からなる第1過給機10を備えることとした。また、第1軸15に挿通されて同第1軸15と同軸状に設けられる第2軸25、吸気通路30において第1コンプレッサホイール12の吸気上流側に設けられるとともに第2軸25に連結される第2コンプレッサホイール22、及び排気通路40において第1タービンホイール14の排気下流側に設けられるとともに第2軸25に連結される第2タービンホイール24からなる第2過給機20を備えることとした。そして、排気通路40において第1タービンホイール14を迂回する第1迂回通路44と、排気通路40に設けられて第1タービンホイール14及び第2タービンホイール24へ流入する排気の流量をそれぞれ可変とする第1可変流量弁51とを備えることとした。これにより、2つの過給機10,20が同軸状に配設されない構成に比べて、過給機全体としての体格を小さなものとすることができる。また、第1タービンホイール14及び第2タービンホイール24へ流入する排気の流量を適宜変更することにより、第1タービンホイール14及び第2タービンホイール24の駆動態様、ひいては第1過給機10及び第2過給機20の過給態様をそれぞれ好適に制御することができるようになる。従って、過給機全体としての体格を小さなものとしつつ、過給機全体としての過給特性を向上させることができるようになる。
According to the exhaust-drive supercharger of the internal combustion engine according to the present embodiment described above, the following operational effects can be obtained.
(1) The exhaust-drive supercharger connects the
(2)第1タービンホイール14は第2タービンホイール24に比べて膨張比が小さく設定され、内燃機関の燃焼室から排出される排気の流量が大きいときには小さいときに比べて、第1可変流量弁51を通じて、第2タービンホイール24へ流入する排気の流量を大きくすることとした。これにより、燃焼室から排出される排気の流量が大きいときには、膨張比の大きい方のタービンホイールである第2タービンホイール24が駆動されるようになることで、過給機全体を的確に駆動することができるようになる。
(2) The
(3)燃焼室から膨張比の小さい方のタービンホイールである第1タービンホイール14までの排気の流路長が過度に大きい場合には、このことに起因して、第1タービンホイール14に排気が流入するまでの間に同排気の圧力が過度に低下することがある。そしてこの場合には、第1タービンホイール14を安定して駆動することができないおそれがある。
(3) When the flow path length of the exhaust gas from the combustion chamber to the
この点、上記実施形態では、第1タービンホイール及び第2タービンホイールのうち膨張比の小さい方のタービンホイールである第1タービンホイール14は膨張比の大きい方のタービンホイールである第2タービンホイール24よりも排気上流側に設けられることとした。これにより、膨張比の小さい方のタービンホイールである第1タービンホイール14が第2タービンホイール24よりも排気下流側に設けられる場合に比べて、燃焼室から第1タービンホイール14までの排気の流路長を短くすることができ、第1タービンホイール14に排気が流入するまでの間に排気の圧力が過度に低下することを抑制することができるようになる。従って、第1タービンホイール14を安定して駆動することができるようになる。尚、膨張比の大きい方のタービンである第2タービンホイール24は排気の流量が比較的大きいときに駆動されるものであり、上記排気の圧力の低下が第2タービンホイール24の安定した駆動に対して与える影響が軽微であることから、上述した問題については無視することができる。
In this regard, in the above embodiment, the
(4)第1タービンホイール及び第2タービンホイールのうち、膨張比の小さい方のタービンホイールである第1タービンホイール14は軸流式のタービンホイールであり、膨張比の大きい方のタービンホイールである第2タービンホイール24は半径流式のタービンホイールであることとした。これにより、第1タービンホイール14は第2タービンホイール24に比べて膨張比が小さく設定されるといった上記(2)の構成を実現する上で、過給機全体としての軸方向における体格を小さなものとすることができる。
(4) Of the first turbine wheel and the second turbine wheel, the
(5)第1タービンホイール14及び第2タービンホイール24のうち膨張比の小さい方のタービンホイールである第1タービンホイール14を囲繞するタービンハウジング13の出口部13Aと、膨張比の大きい方のタービンホイールである第2タービンホイール24を囲繞するタービンハウジング23の入口部23Bとは第1軸15及び第2軸25の軸方向において隣接して設けられることとした。これにより、これら出口部13Aと入口部23Bとの間の流路を短くすることができる。従って、過給機全体としての体格を小さなものとすることができる。
(5)
(6)吸気通路30において第2コンプレッサホイール22の吸気下流側に設けられる第1コンプレッサホイール12を迂回する吸気側迂回通路34と、同通路34へ流入する吸気の流量を可変とする吸気側可変流量弁52とを備え、第1可変流量弁51の開度制御に応じて吸気側可変流量弁52を開度制御することとした。こうした構成により、第1可変流量弁51を通じて、第1タービンホイール14及び第2タービンホイール24へ流入する排気の流量を適宜変更するとともに、吸気側可変流量弁52を通じて、第1コンプレッサホイール12及び第2コンプレッサホイール22へ流入する吸気の流量を適宜変更することにより、第1過給機10及び第2過給機20の過給態様をそれぞれ好適に制御することができるようになる。従って、過給機全体としての過給特性を的確に向上させることができるようになる。
(6) The intake
尚、本発明に係る内燃機関の排気駆動式過給機は、上記実施形態にて例示した構成に限定されるものではなく、これを適宜変更した例えば次のような形態として実施することもできる。 The exhaust-drive supercharger for an internal combustion engine according to the present invention is not limited to the configuration exemplified in the above-described embodiment, and can be implemented as, for example, the following form appropriately modified. .
・上記実施形態では、第1可変流量弁51、吸気側可変流量弁52、及び第2可変流量弁53をいずれも電磁弁としているが、これらの一部、あるいは全てを負圧式の弁としてもよいし、油圧式の弁としてもよい。
In the above embodiment, the first
・上記実施形態では、第1可変流量弁51により、燃焼室から排出された排気の第2タービンホイール24への流入を許容する状態と、燃焼室から排出された排気の第2タービンホイール24への流入を禁止する状態との2つの状態のみを実現するようにしているが、第1可変流量弁51の開度を連続的或いは段階的に変更するようにしてもよい。この場合、燃焼室から排出された排気の第1タービンホイール14及び第2タービンホイール24への流入量を連続的或いは段階的に調節することができ、第1タービンホイール14及び第2タービンホイール24の駆動態様を連続的或いは段階的に変更することができるようになる。
In the above embodiment, the first
・上記実施形態では、吸気側可変流量弁52により、第2コンプレッサホイール22を通過した吸気の吸気側迂回通路34への流入を禁止する状態、及び第2コンプレッサホイール22を通過した吸気の吸気側迂回通路34及び第1コンプレッサホイール12の双方への吸気の流入を許容する状態の2つの状態のいずれか一方の状態を実現するようにしている。しかしながら、本発明に係る吸気側可変流量弁52はこれに限られるものではなく、第2コンプレッサホイール22を通過した吸気の吸気側迂回通路34への流入量を連続的或いは段階的に調節するものとしてもよい。この場合、第1過給機10及び第2過給機20の過給態様を連続的或いは段階的に変更することができるようになる。また、第2コンプレッサホイール22にて圧縮された吸気が第1コンプレッサホイール12を通過する際に、その圧力の低下が問題にならないのであれば、こうした吸気側迂回通路34及び吸気側可変流量弁52を割愛することもできる。
In the above embodiment, the intake-side
・上記実施形態では、第1タービンホイール14を軸流式のタービンホイールとしているが、これを半径流式のタービンホイールとしてもよい。
・上記実施形態では、第2タービンホイール24を半径流式のタービンホイールとしているが、これを軸流式のタービンホイールとしてもよい。尚この場合、第1タービンホイールに比べて膨張比を大きくするために、軸流式のタービンホイールを多段化するようにしてもよい。
In the above embodiment, the
In the above embodiment, the
・上記実施形態によるように、膨張比の小さい方のタービンホイールである第1タービンホイール14を、膨張比の大きい方のタービンホイールである第2タービンホイール24よりも排気上流側に設けることが、第1タービンホイール14に排気が流入するまでの間に排気の圧力が過度に低下することを抑制して、第1タービンホイール14を安定して駆動させる上では望ましい。しかしながら、こうした問題が無視できる場合であれば、第1タービンホイール及び第2タービンホイールのうち膨張比の小さい方のタービンホイールを、膨張比の大きい方のタービンホイールよりも排気下流側に設けることもできる。
As described in the above embodiment, the
・上記実施形態では、第1タービンホイール14の膨張比を第2タービンホイール24の膨張比に比べて小さく設定しているが、本発明にかかる第1タービンホイールの第2タービンホイールの膨張比の関係はこれに限られるものではなく、第1タービンホイールの膨張比を第2タービンホイールの膨張比に比べて大きく設定してもよい。また、これら第1タービンホイールの膨張比と第2タービンホイールの膨張比を同一としてもよい。
-In the said embodiment, although the expansion ratio of the
・上記実施形態では、排気通路において排気上流側から順に、第1タービンホイール14及び第2タービンホイール24を設けるようにしているが、これに変えて、排気通路において排気上流側から順に、第2タービンホイール及び第2タービンホイールを設けるようにしてもよい。またこれに併せて、吸気通路において吸気上流側から順に、第1コンプレッサホイール及び第2コンプレッサホイールを設けるようにしてもよい。
In the above embodiment, the
・上記実施形態では、2つの過給機10,20を備えるものについて例示しているが、本発明にかかる内燃機関の排気駆動式過給機を構成する過給機の個数はこれに限られるものではない。他に例えば、第1過給機、第2過給機に加えて、第3過給機を備えるものとすることもできる。この場合には、第2軸についても第1軸と同様に中空状として、第2軸の内部に第3軸を挿通することで、第1軸、第2軸、第3軸を同軸状とし、同第3軸により第3タービンホイール及び第3コンプレッサホイールをそれぞれ連結するようにすればよい。更にこの場合には、第1タービン及び第2タービンを迂回するための迂回通路を設け、同迂回通路へ流入する排気の流量を可変とする可変流量弁を設けるようにすればよい。 In the above-described embodiment, the two turbochargers 10 and 20 are exemplified, but the number of superchargers constituting the exhaust-drive supercharger of the internal combustion engine according to the present invention is limited to this. It is not a thing. In addition, for example, a third supercharger can be provided in addition to the first supercharger and the second supercharger. In this case, the second shaft is also hollow like the first shaft, and the third shaft is inserted into the second shaft so that the first shaft, the second shaft, and the third shaft are coaxial. The third turbine wheel and the third compressor wheel may be connected by the third shaft. Further, in this case, a bypass passage for bypassing the first turbine and the second turbine may be provided, and a variable flow valve for changing the flow rate of the exhaust gas flowing into the bypass passage may be provided.
10…第1過給機、11…コンプレッサハウジング、12…コンプレッサホイール、13…タービンハウジング、13A…出口部、14…タービンホイール、15…第1軸、20…第2過給機、21…コンプレッサハウジング、22…コンプレッサホイール、23…タービンハウジング、23A…第1入口部、23B…第2入口部、24…タービンホイール、25…第2軸、31…第1吸気管、32…第2吸気管、33…第3吸気管、34…吸気側迂回通路、41…第1排気管、42…第2排気管、44…第1迂回通路、45…第2迂回通路、51…第1可変流量弁、52…吸気側可変流量弁、53…第2可変流量弁、61…第1カラー、62…第2カラー、63…第1ベアリング、64…第2ベアリング、65…第3ベアリング、66…第4ベアリング、67…第5ベアリング、70…電子制御装置。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... 1st supercharger, 11 ... Compressor housing, 12 ... Compressor wheel, 13 ... Turbine housing, 13A ... Outlet part, 14 ... Turbine wheel, 15 ... 1st axis | shaft, 20 ... 2nd supercharger, 21 ... Compressor Housing, 22 ... Compressor wheel, 23 ... Turbine housing, 23A ... First inlet, 23B ... Second inlet, 24 ... Turbine wheel, 25 ... Second shaft, 31 ... First intake pipe, 32 ... Second intake pipe , 33 ... third intake pipe, 34 ... intake side bypass passage, 41 ... first exhaust pipe, 42 ... second exhaust pipe, 44 ... first bypass passage, 45 ... second bypass passage, 51 ... first
Claims (6)
前記排気通路において前記第1タービンホイール及び前記第2タービンホイールのうち排気上流側に設けられる方のタービンホイールを迂回する迂回通路と、
前記排気通路に設けられて前記第1タービンホイール及び第2タービンホイールへ流入する排気の流量をそれぞれ可変とする可変流量弁とを備える
ことを特徴とする内燃機関の排気駆動式過給機。 A first compressor wheel provided in an intake passage, a first turbine wheel provided in an exhaust passage, and a first supercharger comprising a hollow first shaft connecting the first compressor wheel and the first turbine wheel; A second shaft inserted through the first shaft and provided coaxially with the first shaft, a second compressor wheel provided in series with the first compressor wheel in the intake passage and connected to the second shaft And a second supercharger comprising a second turbine wheel provided in series with the first turbine wheel in the exhaust passage and connected to the second shaft. And
A bypass passage that bypasses the turbine wheel that is provided upstream of the first turbine wheel and the second turbine wheel in the exhaust passage;
An exhaust-driven supercharger for an internal combustion engine, comprising: a variable flow valve provided in the exhaust passage and configured to vary a flow rate of exhaust flowing into the first turbine wheel and the second turbine wheel.
前記第1タービンホイール及び前記第2タービンホイールのうち一方のタービンホイールは他方のタービンホイールに比べて膨張比が小さく設定され、
内燃機関の燃焼室から排出される排気の流量が大きいときには小さいときに比べて、前記可変流量弁を通じて、前記膨張比の大きい方のタービンホイールへ流入する排気の流量を大きくする
ことを特徴とする内燃機関の排気駆動式過給機。 The exhaust-drive supercharger for an internal combustion engine according to claim 1,
One turbine wheel of the first turbine wheel and the second turbine wheel is set to have a smaller expansion ratio than the other turbine wheel,
The flow rate of the exhaust gas flowing into the turbine wheel having the larger expansion ratio is increased through the variable flow rate valve when the flow rate of the exhaust gas discharged from the combustion chamber of the internal combustion engine is large compared to when the flow rate is small. An exhaust-driven supercharger for internal combustion engines.
前記第1タービンホイール及び第2タービンホイールのうち膨張比の小さい方のタービンホイールは膨張比の大きい方のタービンホイールよりも排気上流側に設けられてなる
ことを特徴とする内燃機関の排気駆動式過給機。 The exhaust-drive supercharger for an internal combustion engine according to claim 2,
An exhaust drive type for an internal combustion engine, wherein the turbine wheel having the smaller expansion ratio of the first turbine wheel and the second turbine wheel is provided upstream of the turbine wheel having the larger expansion ratio. Turbocharger.
前記第1タービンホイール及び前記第2タービンホイールのうち、膨張比の小さい方のタービンホイールは軸流式のタービンホイールであり、膨張比の大きい方のタービンホイールは半径流式のタービンホイールである
ことを特徴とする内燃機関の排気駆動式過給機。 The exhaust-drive supercharger for an internal combustion engine according to claim 2 or claim 3,
Of the first turbine wheel and the second turbine wheel, the turbine wheel with the smaller expansion ratio is an axial flow turbine wheel, and the turbine wheel with the larger expansion ratio is a radial flow turbine wheel. An exhaust driving supercharger for an internal combustion engine.
前記第1タービンホイール及び前記第2タービンホイールのうち膨張比の小さい方のタービンホイールの出口部と膨張比の大きい方のタービンホイールの入口部とは前記第1軸及び前記第2軸の軸方向において隣接して設けられてなる
ことを特徴とする内燃機関の排気駆動式過給機。 The exhaust-drive supercharger for an internal combustion engine according to claim 4,
Of the first turbine wheel and the second turbine wheel, the outlet portion of the turbine wheel having the smaller expansion ratio and the inlet portion of the turbine wheel having the larger expansion ratio are axial directions of the first shaft and the second shaft. An exhaust-drive supercharger for an internal combustion engine characterized by being provided adjacent to each other.
前記吸気通路において前記第1コンプレッサホイール及び前記第2コンプレッサホイールのうち吸気下流側に設けられる方のコンプレッサホイールを迂回する吸気側迂回通路と、
前記吸気側迂回通路へ流入する吸気の流量を可変とする吸気側可変流量弁とを備え、
前記可変流量弁の開度制御に応じて前記吸気側可変流量弁を開度制御する
ことを特徴とする内燃機関の排気駆動式過給機。 In the exhaust-drive supercharger for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5,
An intake-side bypass passage that bypasses one of the first compressor wheel and the second compressor wheel provided on the intake downstream side in the intake passage;
An intake-side variable flow valve that varies the flow rate of intake air flowing into the intake-side bypass passage;
An exhaust-drive supercharger for an internal combustion engine, wherein the opening of the intake-side variable flow valve is controlled according to the opening control of the variable flow valve.
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2008
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