JP2015063929A - ターボ過給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可変2段圧縮可能でありながら、小型軽量化、および接続配管の簡素化を図る。
【解決手段】1つの排気タービン20で駆動される大小のコンプレッサ30,40を備え、小さいコンプレッサは排気タービン軸に直結されて一緒に回転する高圧段コンプレッサを構成し、大きいコンプレッサは排気タービン軸と同一直線上に配置される低圧段コンプレッサを構成し、低圧段コンプレッサ30からエンジンへ空気を供給する低圧段用通路33には分岐路を設けて高圧段コンプレッサ40へ空気を供給する高圧段用通路34とし、低圧段用通路33と高圧段用通路34との間には、低圧段用通路33を閉じて低圧段コンプレッサ30からの空気を高圧段用通路34に導くか、低圧段用通路33を開けて低圧段コンプレッサ30からの空気をエンジンへ向けて導く切替弁50を設け、高圧段コンプレッサとエンジンとの間には2段圧縮用通路43を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のターボ過給装置に関する。特に、可変２段圧縮可能なターボ過給装置に関するものである。

一般に、内燃機関のターボ過給装置においては、排気ガスタービンで駆動される遠心式圧縮機が１台であり、その１台の圧縮機の特性は、エンジンの使用領域により決まる。
従って、エンジン使用領域に合わせて最適な効率が得られるように圧縮機の特性を設定するのが一般的である。
ところが、エンジン回転数が低い場合には、排気ガス量が充分でないため、排気ガスタービンの軸回転数が低くくなり、排気ガスタービンに直結した圧縮機の回転数も低くなるので圧縮圧力が低くなる。
そのため、エンジン低回転時には空気量不足となり、燃焼が悪化し、燃費も悪化する。

そこで、近年、特許文献１に見られるように、２台のターボ過給機を用いた２ステージターボシステムが提案されている。

特開２０１０−１９６６８１号公報

上記の２ステージターボシステムでは、２台のターボ過給機を設けるためのスペースが必要であり、大型化、大重量化を招く、各過給機間の接続配管が複雑化する、等の難点がある。
本発明が解決しようとする課題は、可変２段圧縮可能でありながら、小型軽量化、および接続配管の簡素化を図ることができるターボ過給装置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ターボ過給装置は、
１つの排気タービンと、この排気タービンで駆動される大小２つのコンプレッサとを備え、
小さいコンプレッサは、排気タービン軸に直結されて排気タービンと一緒に回転する高圧段コンプレッサを構成し、
大きいコンプレッサは、排気タービン軸と同一直線上に配置され排気タービンで駆動される低圧段コンプレッサを構成し、
低圧段コンプレッサからエンジンへ空気を供給する低圧段用通路には分岐路を設けてこの分岐路を前記高圧段コンプレッサへ空気を供給する高圧段用通路とし、
低圧段用通路と高圧段用通路との間には、低圧段用通路を閉じて低圧段コンプレッサからの空気を高圧段用通路に導くか、低圧段用通路を開けて低圧段コンプレッサからの空気をエンジンへ向けて導く切替弁を設け、
高圧段コンプレッサとエンジンとの間には、高圧段コンプレッサからの空気をエンジンへ向けて供給する２段圧縮用通路を設けたことを特徴とする。

このターボ過給装置によれば、次のような作用効果を得ることができる。
エンジン回転数が、中・低回転数であるときには、切替弁を、低圧段用通路を閉じて低圧段コンプレッサからの空気を高圧段用通路に導く側に切り替える。
すると、低圧段コンプレッサからの空気が高圧段用通路を通じて高圧段コンプレッサへ導かれ、高圧段コンプレッサでさらに過給されて２段圧縮用通路を通じてエンジンへ供給される２段圧縮状態となる。
一方、エンジン回転数が、高回転数であるときには、切替弁を、低圧段用通路を開けて低圧段コンプレッサからの空気をエンジンへ向けて導く側に切り替える。
すると、低圧段コンプレッサからの空気が高圧段コンプレッサへ導かれることなく低圧段用通路を経てエンジンへ供給される１段圧縮状態となる。
すなわち、このターボ過給装置によれば、エンジン回転数に応じて切替弁を切り替えるだけで、可変２段圧縮が可能となる。
そして、大小２つのコンプレッサは同一直線状に配置された１つの排気タービンで駆動されるから、小型軽量化、および上述した各通路を形成する接続配管の簡素化を図ることが可能となる。

このターボ過給装置においては、
前記高圧段コンプレッサと低圧段コンプレッサとが、減速機を介して連結されている構成とすることができる。

このように構成すると、排気タービンおよび高圧段コンプレッサの回転数に対する低圧段コンプレッサの回転数を適切に設定することが可能となり、高効率に最適なマッチング領域を確保しやすくなる。

このターボ過給装置においては、
前記減速機は、
高圧段コンプレッサに接続される入力軸と、
低圧段コンプレッサに接続される出力軸と、
入力軸の先端部に設けられたドライブコーンと、
入力軸の先端部に対向する、出力軸の先端部に設けられ、前記ドライブコーンの外周面に動力伝達ボールを介して対向する内周面を有するドリブンコーンと、
を備え、
入力軸の先端部とドライブコーンとは、入力軸のトルクが大きくなるほど、ドライブコーンの出力軸側へのスラスト力を大きくするヘリカルスプラインを介して連結されている構成とすることができる。

このように構成すると、入力軸の先端部とドライブコーンとが、入力軸のトルクが大きくなるほど、ドライブコーンの出力軸側へのスラスト力、すなわち動力伝達ボールに対する圧接力を大きくするヘリカルスプラインを介して連結されているので、入力軸の回転トルク変動に応じて、動力伝達ボールに対する圧接力を自動調節することが可能となり、各回転トルクでの伝達効率を向上させることができる。

本発明に係るターボ過給装置の一実施の形態の構造図。 他の実施の形態の構造図。 減速機の構造図。

以下、本発明に係るターボ過給装置の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、各図において、同一部分ないし相当する部分には、同一の符号を付してある。

図１に示すように、この実施の形態のターボ過給装置１０は、１つの排気タービン２０と、この排気タービン２０で駆動される大小２つのコンプレッサ３０，４０とを備えている。なお、本願においてコンプレッサの大小とは、１回転あたりの過給量の大小をいうものとする。

小さいコンプレッサ４０は、排気タービン軸２１に直結されて排気タービン２０と一緒に回転する高圧段コンプレッサ（４０）を構成する。この実施の形態では、更なる小型化を図るために、排気タービンインペラ２２と、高圧段コンプレッサインペラ４２とを背中合わせにして一体的に構成し、排気タービン軸２１上に設けたが、排気タービンインペラ２２と高圧段コンプレッサインペラ４２は離間させて同一軸２１上に設けることもできる。

大きいコンプレッサ３０は、排気タービン軸２１と同一直線上に配置され、排気タービン２０で駆動される低圧段コンプレッサ（３０）を構成する。図１に示すものでは、低圧段コンプレッサインペラ３２は、排気タービン軸２１上に設けられているが、低圧段コンプレッサインペラ３２は、後述するように、例えば減速機を介して排気タービン軸２１と同一直線上に配置することができる。

低圧段コンプレッサ３０からエンジン（図示せず）へ空気を供給する低圧段用通路３３には分岐路（３４）が設けられており、この分岐路（３４）が高圧段コンプレッサ４０へ空気（低圧段コンプレッサ３０で１段圧縮された空気）を供給する高圧段用通路３４を構成している。

低圧段用通路３３と高圧段用通路３４との間には、低圧段用通路３３を閉じて低圧段コンプレッサ３０からの空気を矢印Ａ１，Ａ２で示すように高圧段用通路３４に導くか、または、低圧段用通路３３を開けて低圧段コンプレッサ３０からの空気を矢印Ａ１，Ａ４で示すようにエンジンへ向けて導く切替弁５０が設けられている。

高圧段コンプレッサ４０とエンジン（図示せず）との間には、高圧段コンプレッサ４０からの空気（２段圧縮された空気）を矢印Ａ３，Ａ４で示すようにエンジンへ向けて供給する２段圧縮用通路４３が設けられている。

このターボ過給装置１０によれば、次のような作用効果を得ることができる。
エンジン回転数が、中・低回転数であるときには、切替弁５０を、低圧段用通路３３を閉じて低圧段コンプレッサ３０からの空気を矢印Ａ１，Ａ２で示すように高圧段用通路３４に導く側５２に切り替える。

すると、低圧段コンプレッサ３０からの空気が矢印Ａ１，Ａ２で示すように高圧段用通路３４を通じて高圧段コンプレッサ４０へ導かれ、高圧段コンプレッサ４０でさらに過給されて２段圧縮用通路４３を通じてエンジンへ供給される２段圧縮状態となる。

一方、エンジン回転数が、高回転数であるときには、切替弁５０を、低圧段用通路３３を開けて低圧段コンプレッサ３０からの空気を矢印Ａ１，Ａ４で示すようにエンジンへ向けて導く側５１に切り替える。

すると、低圧段コンプレッサ３０からの空気が高圧段コンプレッサ４０へ導かれることなく、矢印Ａ１，Ａ４で示すように低圧段用通路３３を経てエンジンへ供給される１段圧縮状態となる。

すなわち、このターボ過給装置によれば、エンジン回転数に応じて切替弁５０を切り替えるだけで、可変２段圧縮が可能となる。
そして、大小２つのコンプレッサ３０，４０は同一直線状に配置された１つの排気タービン２０で駆動されるから、小型軽量化、および上述した各通路３３，３４，４３を形成する接続配管の簡素化を図ることが可能となる。
さらに、高圧段コンプレッサ４０による小流量側と、低圧段コンプレッサ３０による大流量側のレンジを活用することで、高効率な作動範囲を拡大することが可能となる。
切替弁５０はＯＮ／ＯＦＦ制御が可能であり、制御の簡素化を図ってコストダウンを図ることができる。
切替弁５０の切り替えタイミングは、このターボ過給装置１０が取り付けられるエンジンの特性に応じて、適宜設定することができる。

なお、切替弁５０を、低圧段用通路３３を開けて低圧段コンプレッサ３０からの空気を矢印Ａ１，Ａ４で示すようにエンジンへ向けて導く側５１に切り替える際、切替弁５０を全閉として高圧段用通路３４を完全に閉じてしまうと、高圧段用通路３４内が負圧状態となって高圧段コンプレッサ４０の回転負荷となるおそれがあるため、切替弁５０は全閉とせずに僅かな隙間ｇを開けるようにするのが望ましい。

１１はベースフレームであり、このベースフレーム１１に軸受部材１２，１２を介して排気タービン軸２１が回転可能に支持されている。ベースフレーム１１には、軸受け部１３に潤滑油を循環させるための、潤滑油供給路１４と、潤滑油排出路１５とが設けられている。１６はオイルシールである。

ベースフレーム１１の一方側には、低圧段コンプレッサケーシング３５が固定されており、このケーシング３５に、空気（大気）Ａの吸入口３６が設けられている。
ベースフレーム１１の他方側には、排気タービンケーシング２５が固定されており、このケーシング２５に、排気ガス入り口２６と、排気ガス出口２７とが設けられている。また、このケーシング２５には、排気ガス入り口２６から排気タービンインペラ２２へ供給される排気ガス量を調整するための可変ノズルベーン２８が設けられている。
ベースフレーム１１は、高圧段コンプレッサ４０のケーシングを構成している。

図２は他の実施の形態のターボ過給装置１０を示している。
このターボ過給装置１０は、高圧段コンプレッサ４０と低圧段コンプレッサ３０とが、減速機６０を介して連結されている。
このように構成すると、排気タービン２０および高圧段コンプレッサ４０の回転数に対する低圧段コンプレッサ３０の回転数を減速機６０で適切に設定することが可能となり、高効率に最適なマッチング領域を確保しやすくなる。

図２，図３に示すように、減速機６０は、高圧段コンプレッサ４０に接続される入力軸７０と、低圧段コンプレッサ３０に接続される出力軸８０と、入力軸７０の先端部７１に設けられたドライブコーン７２と、入力軸７０の先端部７１に対向する、出力軸８０の先端部８１に設けられ、ドライブコーン７２の外周面７２ｓに動力伝達ボール９０を介して対向する内周面８２ｓを有するドリブンコーン８２とを備えている。この減速機６０はトラクションドライブ式の減速機である。

入力軸７０の先端部７１とドライブコーン７２とは、入力軸７０のトルクが大きくなるほど、ドライブコーン７２の、出力軸８０側へのスラスト力Ｓを大きくするヘリカルスプライン７３を介して連結されている。

このように構成すると、入力軸７０の先端部７１とドライブコーン７２とが、入力軸７０のトルクが大きくなるほど、ドライブコーン７２の出力軸８０側へのスラスト力Ｓ、すなわち動力伝達ボール９０に対する圧接力を大きくするヘリカルスプライン７３を介して連結されているので、入力軸７０の回転トルク変動に応じて、動力伝達ボール９０に対する圧接力を自動調節することが可能となり、各回転トルクでの伝達効率を向上させることができる。

動力は、入力軸７０，ドライブコーン７２，動力伝達ボール９０，ドリブンコーン８２，出力軸８０の順で伝達される。
入力軸７０の回転方向と出力軸８０の回転方向は逆になり、排気タービンインペラ２２および高圧段コンプレッサインペラ４２の回転慣性力と、低圧段コンプレッサインペラ３２の回転慣性力とを相殺するように作用する。

７４は入力側ケースであり、この入力側ケース７４に軸受け部材７５を介して入力軸７０が回転可能に支持されている。７５は軸受ロックナット、７６はドライブコーン７２の止めナットである。ドライブコーン７２の先端部と止めナット７６との間には隙間Ｃが設けられている。ドライブコーン７２の出力軸８０側への移動範囲は止めナット７６によって規制される。

８４は出力側ケースであり、この出力側ケース８４に軸受け部材８５を介して出力軸８０が回転可能に支持されている。８６は軸受およびドリブンコーン８２の止めナットである。ドリブンコーン８２は、出力軸８０の先端部８１にスプライン８３で結合されている。
入力側ケース７４は出力側ケース８４に対してボルト７７で締結固定される。

減速機６０をターボ過給装置１０に組み込む場合、出力側ケース８４は、図２に示すように、ベースフレーム１１で構成することができる。また、出力軸８０で低圧段コンプレッサインペラ３２の軸を構成することができる。

図２に示すように、出力側ケース８４ないしベースフレーム１１には、減速機６０内にトラクション油を循環させるための、トラクション油供給路１７と、トラクション油排出路１８とが設けられている。トラクション油供給路１７、トラクション油排出路１８は、減速機６０内にトラクション油を充填した後、図３に示すようにそれぞれプラグ１７ｐ、１８ｐで塞ぐこともできる。１９はオイルシールである。

動力伝達ボール９０は、スリップを起こしにくいようにドライブコーン７２とドリブンコーン８２とに強く押し付けられる。ボール面にトラクション油があると、油の粘性で最大摩擦力まで力を伝達する。

動力伝達ボール９０は、ボールリテーナ９１で保持されている。その保持構造は、ボールベアリングにおけるボールの保持構造と同様の構造を採用し得る。
ボールリテーナ９１には、ロッド９２が設けられており、このロッド９２が入力側ケース７４にスライド可能に保持されていることで、ボールリテーナ９１および動力伝達ボール９０は、入力軸７０のスラスト方向（Ｓ）に移動可能に入力側ケース７４に取り付けられている。

ロッド９２にはばね受部９３が設けられており、このばね受部９３と入力側ケース７４との間にスプリング（圧縮ばね）９５が設けられ、その付勢力によって、動力伝達ボール９０とドライブコーン７２との間に予圧が付与される。
動力伝達ボール９０の個数は３個以上であれば任意であるが、伝達効率を高めるためには３個とするのが望ましい。

図２に示すように、排気タービンケーシング２５には、排気ガス入り口２６から排気タービンインペラ２２へ供給される排気ガス量を調整するためのウエストゲートバルブ１９が設けられている。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において適宜変形実施可能である。

１０： ターボ過給装置
２０： 排気タービン
３０： 低圧段コンプレッサ
４０： 高圧段コンプレッサ
３３： 低圧段用通路
３４： 分岐路（高圧段用通路）
４３： ２段圧縮用通路
５０： 切替弁
６０： 減速機
７０： 入力軸
７１ 先端部
７２： ドライブコーン
７２ｓ： 外周面
７３： ヘリカルスプライン
８０： 出力軸
８１： 先端部
８２： ドリブンコーン
８２ｓ： 内周面
９０： 動力伝達ボール

上記課題を解決するために本発明のターボ過給装置は、
１つの排気タービンと、この排気タービンで駆動される、外径が異なる大小２つのコンプレッサとを備え、
外径の小さいコンプレッサは、その高圧段コンプレッサインペラを排気タービンインペラと背中合わせにして一体的に構成して排気タービンと一緒に回転する高圧段コンプレッサを構成し、
外径の大きいコンプレッサは、前記排気タービンに対し、前記高圧段コンプレッサを排気タービンとの間に介在させた状態で排気タービン軸と同一直線上に配置され排気タービンで駆動される低圧段コンプレッサを構成し、
低圧段コンプレッサからエンジンへ空気を供給する低圧段用通路には分岐路を設けてこの分岐路を前記高圧段コンプレッサへ空気を供給する高圧段用通路とし、
低圧段用通路と高圧段用通路との間には、低圧段用通路を閉じて低圧段コンプレッサからの空気を高圧段用通路に導くか、低圧段用通路を開けて低圧段コンプレッサからの空気をエンジンへ向けて導く切替弁を設け、
高圧段コンプレッサとエンジンとの間には、高圧段コンプレッサからの空気をエンジンへ向けて供給する２段圧縮用通路を設けて、該２段圧縮用通路の一部を前記排気タービンの背部である前記高圧段コンプレッサ側における高圧段コンプレッサインペラの周りに配置し、
前記高圧段コンプレッサと低圧段コンプレッサとを、減速機を介して連結し、
該減速機は、
高圧段コンプレッサに接続される入力軸と、
低圧段コンプレッサに接続される出力軸と、
入力軸の先端部に設けられたドライブコーンと、
入力軸の先端部に対向する、出力軸の先端部に設けられ、前記ドライブコーンの外周面に動力伝達ボールを介して対向する内周面を有するドリブンコーンと、
を備え、
入力軸の先端部とドライブコーンとは、入力軸のトルクが大きくなるほど、ドライブコーンの出力軸側へのスラスト力を大きくするヘリカルスプラインを介して連結されているとともに、
前記ドライブコーンとドリブンコーンとの間において前記動力伝達ボールを保持するボールリテーナが設けられていることを特徴とする。

このターボ過給装置においては、
前記高圧段コンプレッサと低圧段コンプレッサとが、減速機を介して連結されている構成となっている。

このターボ過給装置においては、
前記減速機は、
高圧段コンプレッサに接続される入力軸と、
低圧段コンプレッサに接続される出力軸と、
入力軸の先端部に設けられたドライブコーンと、
入力軸の先端部に対向する、出力軸の先端部に設けられ、前記ドライブコーンの外周面に動力伝達ボールを介して対向する内周面を有するドリブンコーンと、
を備え、
入力軸の先端部とドライブコーンとは、入力軸のトルクが大きくなるほど、ドライブコーンの出力軸側へのスラスト力を大きくするヘリカルスプラインを介して連結されているとともに、
前記ドライブコーンとドリブンコーンとの間において前記動力伝達ボールを保持するボールリテーナが設けられている。

本発明に係るターボ過給装置の一実施の形態の基本構造図。 本発明に係るターボ過給装置の一実施の形態の構造図。 減速機の構造図。

図１は本発明に係るターボ過給装置の基本構造図である。同図に示すように、このターボ過給装置１０は、１つの排気タービン２０と、この排気タービン２０で駆動される大小２つのコンプレッサ３０，４０とを備えている。なお、本願においてコンプレッサの大小とは、１回転あたりの過給量の大小をいうものとする。

小さいコンプレッサ４０は、排気タービン軸２１に直結されて排気タービン２０と一緒に回転する高圧段コンプレッサ（４０）を構成する。この実施の形態では、更なる小型化を図るために、排気タービンインペラ２２と、高圧段コンプレッサインペラ４２とを背中合わせにして一体的に構成した。

図２は本発明に係るターボ過給装置の一実施の形態のターボ過給装置１０を示している。
このターボ過給装置１０は、高圧段コンプレッサ４０と低圧段コンプレッサ３０とが、減速機６０を介して連結されている。
このように構成すると、排気タービン２０および高圧段コンプレッサ４０の回転数に対する低圧段コンプレッサ３０の回転数を減速機６０で適切に設定することが可能となり、高効率に最適なマッチング領域を確保しやすくなる。

Claims (3)

1. １つの排気タービンと、この排気タービンで駆動される大小２つのコンプレッサとを備え、
   小さいコンプレッサは、排気タービン軸に直結されて排気タービンと一緒に回転する高圧段コンプレッサを構成し、
   大きいコンプレッサは、排気タービン軸と同一直線上に配置され排気タービンで駆動される低圧段コンプレッサを構成し、
   低圧段コンプレッサからエンジンへ空気を供給する低圧段用通路には分岐路を設けてこの分岐路を前記高圧段コンプレッサへ空気を供給する高圧段用通路とし、
   低圧段用通路と高圧段用通路との間には、低圧段用通路を閉じて低圧段コンプレッサからの空気を高圧段用通路に導くか、低圧段用通路を開けて低圧段コンプレッサからの空気をエンジンへ向けて導く切替弁を設け、
   高圧段コンプレッサとエンジンとの間には、高圧段コンプレッサからの空気をエンジンへ向けて供給する２段圧縮用通路を設けたことを特徴とするターボ過給装置。
2. 請求項１において、
   前記高圧段コンプレッサと低圧段コンプレッサとが、減速機を介して連結されていることを特徴とするターボ過給装置。
3. 請求項２において、
   前記減速機は、
   高圧段コンプレッサに接続される入力軸と、
   低圧段コンプレッサに接続される出力軸と、
   入力軸の先端部に設けられたドライブコーンと、
   入力軸の先端部に対向する、出力軸の先端部に設けられ、前記ドライブコーンの外周面に動力伝達ボールを介して対向する内周面を有するドリブンコーンと、
   を備え、
   入力軸の先端部とドライブコーンとは、入力軸のトルクが大きくなるほど、ドライブコーンの出力軸側へのスラスト力を大きくするヘリカルスプラインを介して連結されていることを特徴とするターボ過給装置。

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