(57)【要約】【課題】圧縮ガスのエネルギの低下を抑制でき、その圧縮ガスのエネルギをタービンホイールの回転に有効に利用することが可能な内燃機関の過給装置を提供する。【解決手段】過給装置は、タービンホイール１６と、タービンホイール１６を収容するホイール収容室１９が設けられたタービンハウジング１７とを有し、ホイール収容室１９は、タービンホイール１６と内壁面１９ａとの間にスクロール部２１が設けられるように形成されているターボ過給機７と、加圧したガスを溜めることが可能な蓄圧タンク３１と、蓄圧タンク３１とターボ過給機７とを接続するガス通路３２とを備え、ホイール収容室１９には、タービンホイール１６に向かって開口し、かつスクロール部２１の少なくとも一部に沿って周方向に延びる開口部２６ａを有する圧縮ガス通路２６をスクロール部２１に形成する隔壁２４が設けられ、蓄圧タンク３１はその圧縮ガス通路２６と接続されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の翼が周方向に設けられたタービンホイールと、前記タービンホイールを収容し、内燃機関から排出された排気が導かれるホイール収容室が内部に設けられたタービンハウジングと、を有し、前記ホイール収容室は、前記タービンホイールの径方向外側において前記タービンホイールと前記ホイール収容室の内壁面との間に渦巻き状のスクロール部が設けられるように形成されているターボ過給機と、加圧したガスを溜めることが可能な蓄圧容器と、前記蓄圧容器と前記ターボ過給機とを接続する接続通路と、を備え、
前記ホイール収容室には、前記タービンホイールに向かって開口し、かつ前記スクロール部の少なくとも一部に沿って周方向に延びる開口部を有する圧縮ガス通路が前記スクロール部に沿って周方向に形成されるように前記スクロール部を区分する隔壁が設けられ、
前記蓄圧容器は、前記接続通路を介して前記圧縮ガス通路と接続されていることを特徴とする内燃機関の過給装置。
【請求項２】
前記ターボ過給機には、前記タービンホイールと前記スクロール部との間に周方向に所定間隔で並べられ、かつ所定の可動範囲内で翼角を変更可能な状態で前記ホイール収容室に設けられた複数の可変ノズル翼が設けられ、
前記隔壁は、前記圧縮ガス通路の前記開口部が前記複数の可変ノズル翼の径方向外側に配置されるように設けられている請求項１に記載の内燃機関の過給装置。
【請求項３】
前記開口部として第１開口部と第２開口部とが、前記圧縮ガス通路に設けられ、
前記第１開口部と前記第２開口部とは、前記タービンホイールの回転軸線を挟んで対向するように設けられている請求項１又は２に記載の内燃機関の過給装置。
【請求項４】
前記隔壁は、前記圧縮ガス通路として第１開口部を有する第１圧縮ガス通路と第２開口部を有する第２圧縮ガス通路とが前記スクロール部に形成されるように設けられ、
前記第１圧縮ガス通路と前記第２圧縮ガス通路とは、前記第１開口部と前記第２開口部とが前記タービンホイールの回転軸線を挟んで対向するように配置され、
前記接続通路は、前記蓄圧容器のガスが前記第１圧縮ガス通路と前記第２圧縮ガス通路とに並行に供給されるように前記蓄圧容器と前記第１圧縮ガス通路及び前記第２圧縮ガス通路とを接続している請求項１又は２に記載の内燃機関の過給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加圧したガスを溜めることが可能な蓄圧容器を備え、その蓄圧容器のガスをターボ過給機のタービンに供給可能な内燃機関の過給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の加速時などにターボ過給機のタービンに圧縮したガスを供給してターボ過給機の動作をアシストする装置が知られている。例えば、エアコンプレッサと、エアコンプレッサで発生された正圧を蓄積するエアタンクと、エアタンクに接続され、噴出口がターボ過給機のタービンロータに向けられているノズルとを備え、エアタンクに蓄積されているエアをノズルからタービンロータに向けて噴出させ、これによりタービンロータの回転駆動する補助する装置が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２、３が存在する。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１０５０２６号公報
【特許文献２】特開平５−２４００５７号公報
【特許文献３】特開２００７−３１５１９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の装置では、圧縮空気を１個のノズルからタービンロータ（タービンホイール）に向けて噴出させている。また、この特許文献１の装置では、ノズルの噴出口の径を小さくして噴射される圧縮空気の流速を早めている。このようにノズルの本数が少ない場合や噴出口の径を小さくした場合、流路抵抗が大きくなり、圧力損失が大きくなる。そのため、噴出させるまでに圧縮ガスのエネルギが無駄に消費されているおそれがある。また、一度に大量の圧縮ガスを供給できないので、タービンホイールを加速させるまでに時間がかかるおそれがある。
【０００５】
そこで、本発明は、圧縮ガスのエネルギの低下を抑制でき、その圧縮ガスのエネルギをタービンホイールの回転に有効に利用することが可能な内燃機関の過給装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の内燃機関の過給装置は、複数の翼が周方向に設けられたタービンホイールと、前記タービンホイールを収容し、内燃機関から排出された排気が導かれるホイール収容室が内部に設けられたタービンハウジングと、を有し、前記ホイール収容室は、前記タービンホイールの径方向外側において前記タービンホイールと前記ホイール収容室の内壁面との間に渦巻き状のスクロール部が設けられるように形成されているターボ過給機と、加圧したガスを溜めることが可能な蓄圧容器と、前記蓄圧容器と前記ターボ過給機とを接続する接続通路と、を備え、前記ホイール収容室には、前記タービンホイールに向かって開口し、かつ前記スクロール部の少なくとも一部に沿って周方向に延びる開口部を有する圧縮ガス通路が前記スクロール部に沿って周方向に形成されるように前記スクロール部を区分する隔壁が設けられ、前記蓄圧容器は、前記接続通路を介して前記圧縮ガス通路と接続されている（請求項１）。
【０００７】
本発明の内燃機関の過給装置では、蓄圧容器に溜められている加圧されたガス（以下、圧縮ガスと称することがある。）は接続通路を介して圧縮ガス通路に送られ、その圧縮ガス通路の開口部からタービンホイールに噴射される。この場合、圧縮ガスをホイール収容室内に直接送り込めるので、圧力を殆ど低下させることなく圧縮ガスをタービンホイールに噴射することができる。また、圧縮ガス通路の開口部は、スクロール部の少なくとも一部に沿って開口しているので、開口部の流路抵抗を小さくできる。そのため、開口部において圧縮ガスのエネルギが無駄に消費されることを抑制できる。さらに、この圧縮ガス通路は、隔壁によってスクロール部の他の部分と区分されているので、圧縮ガスのエネルギが排気の流れによって低減されることを抑制できる。これらにより、圧縮ガスの供給時に圧縮ガスが有するエネルギが低下することを十分に抑制できるので、その圧縮ガスのエネルギをタービンホイールの回転に有効に利用することができる。
【０００８】
本発明の内燃機関の過給装置の一形態において、前記ターボ過給機には、前記タービンホイールと前記スクロール部との間に周方向に所定間隔で並べられ、かつ所定の可動範囲内で翼角を変更可能な状態で前記ホイール収容室に設けられた複数の可変ノズル翼が設けられ、前記隔壁は、前記圧縮ガス通路の前記開口部が前記複数の可変ノズル翼の径方向外側に配置されるように設けられていてもよい（請求項２）。この場合、圧縮ガス通路の開口部から噴射された圧縮ガスを複数の可変ノズル翼で整流することができるので、より有効に圧縮ガスのエネルギをタービンホイールの回転に利用することができる。
【０００９】
本発明の内燃機関の過給装置の一形態においては、前記開口部として第１開口部と第２開口部とが、前記圧縮ガス通路に設けられ、前記第１開口部と前記第２開口部とは、前記タービンホイールの回転軸線を挟んで対向するように設けられていてもよい（請求項３）。また、前記隔壁は、前記圧縮ガス通路として第１開口部を有する第１圧縮ガス通路と第２開口部を有する第２圧縮ガス通路とが前記スクロール部に形成されるように設けられ、前記第１圧縮ガス通路と前記第２圧縮ガス通路とは、前記第１開口部と前記第２開口部とが前記タービンホイールの回転軸線を挟んで対向するように配置され、前記接続通路は、前記蓄圧容器のガスが前記第１圧縮ガス通路と前記第２圧縮ガス通路とに並行に供給されるように前記蓄圧容器と前記第１圧縮ガス通路及び前記第２圧縮ガス通路とを接続していてもよい（請求項４）。これらのようにタービンホイールの回転軸線を挟んで対向する第１開口部及び第２開口部から圧縮ガスを噴射させることにより、タービンホイールに対して大きさがほぼ同じで向きが反対の一対の力、すなわち偶力を与えることができる。そのため、圧縮ガスのエネルギをタービンホイールの回転にさらに有効に利用することができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上に説明したように、本発明の内燃機関の過給装置によれば、圧縮ガスの供給時における圧縮ガスのエネルギの低下を十分に抑制できるので、その圧縮ガスのエネルギをタービンホイールの回転に有効に利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明の一形態に係る過給装置が組み込まれた内燃機関を示している。図１の内燃機関（以下、エンジンと称することがある。）１は、車両に走行用動力源として搭載されるディーゼルエンジンであり、複数（図１では４つ）のシリンダ２を有する機関本体３と、各シリンダ２にそれぞれ接続される吸気通路４及び排気通路５とを備えている。吸気通路４には、吸気を濾過するためのエアクリーナ６と、ターボ過給機７のコンプレッサ７ａと、吸気を冷却するためのインタークーラ８とが設けられている。排気通路５には、ターボ過給機７のタービン７ｂと、排気を浄化するための触媒コンバータ９と、排気通路５を閉じる全閉位置と排気通路５を開ける全開位置とに切り替え可能な排気遮断弁１０とが設けられている。
【００１２】
排気通路５と吸気通路４とは、ＥＧＲ通路１１にて接続されている。図１に示したようにＥＧＲ通路１１は、排気通路５の一部を形成する排気マニホールド５ａと吸気通路４の一部を形成する吸気マニホールド４ａとを接続している。ＥＧＲ通路１１には、排気通路５から吸気通路４に導かれる排気（以下、ＥＧＲガスと称することがある。）を冷却するためのＥＧＲクーラ１２及びＥＧＲガスの流量を調整するためのＥＧＲ弁１３が設けられている。各シリンダ２には、シリンダ２内に燃料を噴射するためのインジェクタ１４がそれぞれ設けられている。各インジェクタ１４は、インジェクタ１４に供給される高圧の燃料が蓄えられるコモンレール１５に接続されている。
【００１３】
図２〜図４を参照してターボ過給機７について説明する。なお、図２は、図３のII−II線におけるタービン７ｂの断面を示し、図３は図２のIII−III線におけるタービン７ｂの断面を示している。また、図４は、図３の領域Ａの部分を拡大して示している。図２及び図３に示したようにタービン７ｂは、タービンホイール１６と、タービンホイール１６を内部に収容するタービンハウジング１７とを備えている。タービンホイール１６には、複数の翼１６ａが周方向に設けられている。タービンハウジング１７は、入口部１８と、入口部１８と通じるホイール収容室１９と、ホイール収容室１９と通じる出口部２０とを備えている。入口部１８は排気マニホールド５ａと接続され、出口部２０は触媒コンバータ９と接続される。そのため、エンジン１の各シリンダ２から排出された排気は、入口部１８を介してホイール収容室１９に導かれ、その後出口部２０から排出される。
【００１４】
タービンホイール１６は、ホイール収容室１９に回転軸線ＣＬ回りに回転自在に収容されている。図２に示したようにホイール収容室１９は、タービンホイール１６の径方向外側においてタービンホイール１６と内壁面１９ａとの間に渦巻き状のスクロール部２１が設けられるように形成されている。また、ホイール収容室１９には、タービンホイール１６の周囲に周方向に所定間隔で並べられた複数の可変ノズル翼２２が設けられている。これら複数の可変ノズル翼２２は、タービンホイール１６とスクロール部２１との間に配置されている。図２に示したように各可変ノズル翼２２は、それぞれ所定の可動範囲α内で翼角を変更可能なように設けられている。複数の可変ノズル翼２２は、共通のユニゾンリング２３と連結されており、これらの可変ノズル翼２２の翼角はユニゾンリング２３にて制御される。なお、これらの部分はエンジン１に取り付けられる周知のターボ過給機のタービンと同じでよいため、詳細な説明は省略する。
【００１５】
図２〜図４に示したようにホイール収容室１９内には、隔壁２４が設けられている。図３に示したように隔壁２４は、スクロール部２１の一部が排気ガス通路２５と圧縮ガス通路２６の２つの通路に区分されるようにスクロール部２１に沿って周方向に延びている。図４に拡大して示したように隔壁２４は、一方の端部２４ａがタービンハウジング１７に鋳ぐるまれることによりタービンハウジング１７に取り付けられる。また、隔壁２４は、その他方の端部２４ｂが複数の可変ノズル翼２２の外側に位置し、かつホイール収容室１９の内面と接触しないように設けられている。そのため、排気ガス通路２５及び圧縮ガス通路２６の両方が複数の可変ノズル翼２２の径方向外側においてタービンホイール１６に向かって開口している。タービンホイール１６に向かって開口する圧縮ガス通路２６の開口部２６ａは、スクロール部２１に沿って周方向に延びるように設けられている。圧縮ガス通路２６の両端部２６ｂ、２６ｃは、それぞれ排気ガス通路２５に対して閉じられている。すなわち、圧縮ガス通路２６と排気ガス通路２５とは、開口部２６ａを介してのみ接続されている。
【００１６】
この図に示したようにエンジン１は、ターボ過給機７の動作をアシストするためのアシストシステム３０を備えている。アシストシステム３０は、蓄圧容器としての蓄圧タンク３１を備えている。蓄圧タンク３１は、加圧されたガスを溜めることが可能な圧力容器として構成されている。図３に示したように蓄圧タンク３１は、接続通路としてのガス通路３２によって圧縮ガス通路２６と接続されている。ガス通路３２には、流量制御弁３３が設けられている。流量制御弁３３は、蓄圧タンク３１と圧縮ガス通路２６とが接続されるようにガス通路３２を全開する接続位置（以下、全開位置と称することもある。）と蓄圧タンク３１と圧縮ガス通路２６との接続が遮断されるようにガス通路３２を全閉する遮断位置（以下、全閉位置と称することもある。）との間で開度を調整可能である。
【００１７】
流量制御弁３３の動作は、制御手段としてのエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）４０にて制御される。ＥＣＵ４０は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺機器を有し、エンジン１に設けられた各種センサからの出力信号に基づいて排気遮断弁１０、ＥＧＲ弁１３、インジェクタ１４、及びユニゾンリング２３などの動作をそれぞれ制御することによりエンジン１の運転状態を制御する周知のコンピュータユニットである。ＥＣＵ４０は、例えばエンジン１の回転数が予め設定した所定の燃料カット回転数以上であり、かつアクセル開度が０％すなわちアクセルペダルが踏まれていない場合、各シリンダ２への燃料供給が停止されるように各インジェクタ１５の動作を制御する。以下、この制御を燃料カット制御と称することがある。
【００１８】
ＥＣＵ４０は、車両の走行状態及びエンジン１の運転状態に応じてアシストシステム３０を制御する。例えば、ＥＣＵ４０はエンジン１に対して燃料カット制御が実行されているときに蓄圧タンク３１に加圧されたガスが溜められるようにアシストシステム３０を制御する。具体的には、エンジン１に対して燃料カット制御が実行されている場合、まず排気遮断弁１０及びＥＧＲ弁１３をそれぞれ全閉にする。その後、流量制御弁３３を全開位置に切り替える。これによりシリンダ２から排出されたガスを加圧して蓄圧タンク３１に溜めることができる。なお、上述したようにこれらの制御は、燃料カット制御の実行中に行われるので、蓄圧タンク３１には殆ど空気で構成されたガスを溜めることができる。そして、蓄圧タンク３１の圧力が所定の圧力に達した後は、流量制御弁３３を全閉位置に切り替えて蓄圧タンク３１への蓄圧を終了する。
【００１９】
また、ＥＣＵ４０は、車両の加速時や発進時などターボ過給機７の動作をアシストする必要がある場合、蓄圧タンク３１に溜められているガスがタービン７ｂに供給されるように流量制御弁３３を所定開度位置に制御する。この際、ＥＣＵ４０は各可変ノズル翼２２間に若干の隙間が生じるようにユニゾンリング２３を制御する。この場合、蓄圧タンク３１内に溜められていた圧縮ガスは、ガス通路３２を介して圧縮ガス通路２６に送られる。その後、この圧縮ガスは、図３に矢印Ｆで示したように開口部２６ａからタービンホイール１６に向かって噴射される。そのため、この圧縮ガスによってタービンホイール１６を回転駆動することができる。すなわち、ターボ過給機７の動作をアシストすることができる。上述したように開口部２６ａはスクロール部２１に沿って周方向に延びているので、図２に示したように圧縮ガスはタービンホイール１６の外周のうち約３／４周から噴射される。
【００２０】
図５は、アシストシステム３０にてターボ過給機７の動作をアシストした場合の蓄圧タンク３１の圧力（以下、蓄圧タンク圧と称することがある。）及び過給圧の時間変化の一例を示している。また、図５には比較例として圧縮ガスを排気マニホールド５ａに導入してターボ過給機７の動作をアシストさせた場合の蓄圧タンク圧及び過給圧の時間変化の一例を示した。なお、図５の実線Ｌ１、Ｌ２が本発明のアシストシステム３０で動作をアシストした場合の蓄圧タンク圧、過給圧の時間変化を示し、破線Ｌ３、Ｌ４が比較例の蓄圧タンク圧、過給圧の時間変化を示している。図５では、時刻Ｔ０において車両の加速が開始されている。そのため、この時点において流量制御弁３３が所定開度位置に制御されてアシストシステム３０によるターボ過給機７の動作のアシストが開始される。本発明のアシストシステム３０では、その後時刻Ｔ１において過給圧が目標過給圧に到達しているので、この時刻Ｔ１で流量制御弁３３が全閉位置に切り替えられている。一方、比較例では排気マニホールド５ａに圧縮ガスを供給するため、本発明と比較して過給圧が上昇し難い。そのため、過給圧が目標過給圧に到達するまでに図５に示したように時刻Ｔ１〜時刻Ｔ２の間の時間Ｔの分本発明より長い時間が必要となる。従って、アシスト終了時における蓄圧タンク圧が本発明よりも低くなる。
【００２１】
以上に説明したように、本発明の過給装置によれば、圧縮ガスをホイール収容室１９に直接送り込むことができるので、圧力を殆ど低下させることなく圧縮ガスをタービンホイール１６に噴射することができる。圧縮ガス通路２６の開口部２６ａは、スクロール部２１に沿って周方向に延びているので、この開口部２６ａの流路抵抗を小さくできる。さらに、圧縮ガス通路２６の両端部２６ｂ、２６ｃはそれぞれ排気ガス通路２５に対して閉じられているので、圧縮ガス通路２６に送られた圧縮ガスのエネルギが排気の流れによって低減されることを抑制できる。そして、圧縮ガス通路２６から噴射された圧縮ガスは、複数の可変ノズル翼２２で整流されてタービンホイール１６に供給される。これらにより、ターボ過給機７のアシスト時に圧縮ガスが有するエネルギが低下することを十分に抑制できるので、圧縮ガスのエネルギをタービンホイールの回転に有効に利用することができる。そのため、図５に示したように短時間で過給圧を目標過給圧まで上昇させることができる。また、ターボ過給機７のアシストに必要なガス量を低減できるので、蓄圧タンク３１の容量を小さくすることができる。そのため、装置を小型化することができる。
【００２２】
なお、圧縮ガス通路２６の形状は、上述した形状に限定されない。例えば、開口部２６ａは圧縮ガス通路２６の全長に亘って開口していなくてもよい。圧縮ガス通路２６には所定の間隔で複数の開口部２６ａが開口していてもよい。また、共通の圧縮ガス通路２６に、第１開口部と、その第１開口部と回転軸線ＣＬを挟んで対向するように設けられた第２開口部とが設けられていてもよい。この場合、タービンホイール１６に対して大きさがほぼ同じで向きが反対の一対の力（偶力）を与えることができる。そのため、圧縮ガスのエネルギをタービンホイール１６の回転にさらに有効に利用することができる。
【００２３】
また、ホイール収容室１９に設けられる圧縮ガス通路の個数は１つに限定されない。例えば、図６に示したようにホイール収容室１９に２つの隔壁５０、５１を設け、これらの隔壁５０、５１で第１圧縮ガス通路５２、第２圧縮ガス通路５３を設けてもよい。なお、図６において図２と共通の部分には同一の符号を付して説明を省略する。図６に示したように第１圧縮ガス通路５２と第２圧縮ガス通路５３とは、第１圧縮ガス通路５２の開口部５２ａと第２圧縮ガス通路５３の開口部５３ａとが回転軸線ＣＬを挟んで互いに対向する位置に配置される。なお、各圧縮ガス通路５２、５３の両端部は、それぞれ排気ガス通路２５に対して閉じられている。各圧縮ガス通路５２、５３が設けられる範囲θとしては、例えば９０°以内の角度が設定される。そして、この図に示したようにガス通路３２は、途中から第１分岐通路３２ａ、第２分岐通路３２ｂに分かれる。第１分岐通路３２ａは、第１圧縮ガス通路５２に接続され、第２分岐通路３２ｂは第２圧縮ガス通路５３に接続される。このように蓄圧タンク３１と各圧縮ガス通路５２、５３と接続することにより、蓄圧タンク３１のガスを第１圧縮ガス通路５２と第２圧縮ガス通路５３とに並行に供給することができる。
【００２４】
図６に示した変形例では、ターボ過給機７のアシスト時に、第１圧縮ガス通路５２の開口部５２ａ及び第２圧縮ガス通路５３の開口部５３ａからそれぞれ圧縮ガスをタービンホイール１６に噴射することができる。この場合も、図６に矢印Ｆで示したようにタービンホイール１６に偶力が与えられるので、圧縮ガスのエネルギをタービンホイール１６の回転に有効に利用することができる。
【００２５】
本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、本発明の過給装置はディーゼルエンジンに限らず、ガソリンその他の燃料を利用する各種の内燃機関に適用してよい。蓄圧タンクに主に溜められるガスは空気に限定されず、排気を溜めてもよい。本発明の過給装置が備えるターボ過給機は、可変ノズル翼が無いターボ過給機でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一形態に係る過給装置が組み込まれた内燃機関を示す図。
【図２】図１のタービンの内部を示す図。
【図３】図２のIII−III線におけるタービンの断面を示す図。
【図４】図３の領域Ａの部分を拡大して示す図。
【図５】ターボ過給機のアシスト時における蓄圧タンク圧及び過給圧の時間変化の一例を示す図。
【図６】本発明の過給装置の変形例を示す図。
【符号の説明】
【００２７】
１  内燃機関
７  ターボ過給機
１６  タービンホイール
１６ａ  翼
１７  タービンハウジング
１９  ホイール収容室
１９ａ  内壁面
２１  スクロール部
２２  可変ノズル翼
２４  隔壁
２６  圧縮ガス通路
２６ａ  開口部
３１  蓄圧タンク（蓄圧容器）
３２  ガス通路（接続通路）
５０  隔壁
５１  隔壁
５２  第１圧縮ガス通路
５２ａ  第１開口部
５３  第２圧縮ガス通路
５３ａ  第２開口部
ＣＬ  回転軸線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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