(57)【要約】【課題】過給性能を異ならせることを、簡単かつコンパクトな構造で実現する。【解決手段】排気ターボ過給機９を構成するコンプレッサハウジング１２に、第１コンプレッサ翼１３と第２コンプレッサ翼１４とが内外に重ねた状態に配置されている。弁装置３３で吸気の流れ方向を第１吸気入口２２と第２吸気入口２５とに切り替えることで、過給性能を高圧と低圧とに切り替えできる。第１吸気入口２２と第２吸気入口２５とは二重筒状になっている。弁装置３３は、第１吸気入口２２を開閉する１枚の第１弁体３４と、第２吸気入口２５を開閉する２枚の第２弁体３５，３６を有しており、弁軸３７の回転により、第２第２弁体３５，３６は互いに重なったり広がったり連動して回動する。排気ターボ過給機に組み込まれた１つの弁装置３３で、過給性能を応答性よく切り替えできる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスで駆動される排気タービンと、前記排気タービンで一緒に駆動される第１コンプレッサ翼及び第２コンプレッサ翼とを有しており、１つの弁装置の切り替え操作により、吸気が第１吸気入口から第１コンプレッサ翼に流れる状態と第２吸気入口から第２コンプレッサ翼に流れる状態とに選択的に切り替えられる構成であって、
前記第１吸気入口と第２吸気入口とは、第１吸気入口が軸心側で第２吸気入口が外側に位置する二重筒の状態になっており、前記第２吸気入口の始端に、前記第１吸気入口の始端から突出した集合入口を設けており、
前記弁装置は、前記第１吸気入口の始端部を開閉する円板状の第１弁体と、前記第２吸気入口の始端部を開閉する全体としてリング状の第２弁体とを有しており、前記第１弁体はバタフライ方式であり、弁軸の回転によって第１吸気入口を開閉する一方、
前記第２弁体は半円状の２つの弁体に分離しており、これら２枚の第２弁体と前記第１弁体とは、前記第１弁体が第１吸気入口を塞いだ閉じ姿勢の状態では前記両第２弁体はいずれも集合入口の側に突出した開き姿勢になって、前記第１弁体が開き姿勢の状態では前記両第２弁体は第２吸気入口を半周ずつ塞ぐ閉じ姿勢になるように連動している、
排気ターボ過給機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、過給能力を２段階に切り替えできる排気ターボ過給機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気ターボ過給機は、１つの排気タービンと１つのコンプレッサ翼とを対にした構成になっていることが普通であり、コンプレッサ翼で圧縮（加圧）された吸気は吸気通路をシリンダヘッドに向けて流れていくだけである。
【０００３】
しかし、１つの排気タービンとコンプレッサ翼とがセットになっているだけでは、機関の幅広い過給要求に対応できない場合がある。そこで、特許文献１には、過給能力が異なる２つの排気ターボ過給機を直列に配置して、２つの排気ターボ過給機を一緒に駆動したり、片方だけの排気ターボ過給機を駆動したりすることで、過給性能を変えることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−６２８２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１では、２つの排気ターボ過給機を同時に駆動したり片方のみを駆動したりするために、排気通路と吸気通路とにそれぞれバイパス通路を設けると共に、排気ガス及び吸気がバイパス通路を通る状態と通らない状態とに切り替えするためのバルブをそれぞれに設けなければならないため、構造が著しく複雑化してコストが嵩むのみならず、内燃機関全体として大型化するという問題があった。
【０００６】
本願発明はかかる現状に鑑みなされたものであり、コンパクトかつ簡単な構造で過給能力を切り替えできるようにすることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願発明の排気ターボ過給機は、排気ガスで駆動される排気タービンと、前記排気タービンで一緒に駆動される第１コンプレッサ翼及び第２コンプレッサ翼とを有しており、１つの弁装置の切り替え操作により、吸気が第１吸気入口から第１コンプレッサ翼に流れる状態と第２吸気入口から第２コンプレッサ翼に流れる状態とに選択的に切り替えられる構成であって、前記第１吸気入口と第２吸気入口とは、第１吸気入口が軸心側で第２吸気入口が外側に位置する二重筒の状態になっており、前記第２吸気入口の始端に、前記第１吸気入口の始端から突出した集合入口を設けている。
【０００８】
そして、前記弁装置は、前記第１吸気入口の始端部を開閉する円板状の第１弁体と、前記第２吸気入口の始端部を開閉する全体としてリング状の第２弁体とを有しており、前記第１弁体はバタフライ方式であり、弁軸の回転によって第１吸気入口を開閉する一方、前記第２弁体は半円状の２つの弁体に分離しており、これら２枚の第２弁体と前記第１弁体とは、前記第１弁体が第１吸気入口を塞いだ閉じ姿勢の状態では前記両第２弁体はいずれも集合入口の側に突出した開き姿勢になって、前記第１弁体が開き姿勢の状態では前記両第２弁体は第２吸気入口を半周ずつ塞ぐ閉じ姿勢になるように連動している。
【発明の効果】
【０００９】
本願発明では、第１コンプレッサ翼と第２コンプレッサ翼との特性を変えることで吸気能力を２段階に切り替えることができるが、２つのコンプレッサ翼は１つの排気ターボ過給機に組み込まれていているため、この点でまず構造が簡単になると共にコストも抑制できる。
【００１０】
更に、本願発明では第１弁体と第２弁体とが連動しているため、１つのアクチェータで駆動される１つの弁装置により、第１コンプレッサ翼と第２コンプレッサ翼との駆動を選択的に切り替えることができる。しかも、２つの吸気入口は排気ターボ過給機に組み込まれているため、バイパス通路を設ける必要はない。
【００１１】
このように、本願発明は、過給性能を切り替えできるものでありながら、２つのコンプレッサ翼が１つの排気ターボ過給機に組み込まれていることと、弁装置１が１つであること、及び吸気用のバイパス通路は不要であることにより、構造を簡単にしてコストアップを抑制できるともに、内燃機関の大型化も回避することができる。
【００１２】
また、集合入口から第１吸気入口及び第２吸気入口への吸気の流れを連動式の第１弁体と第２弁体とによって切り替えるものであり、第１吸気入口への流れと第２吸気入口への流れとを瞬間的に切り替えできるため、過給性能の切り替えの応答性に優れている。すなわち、弁装置はコンプレッサにごく近い位置に設けられるため、流路の切り替えを作動遅れ無しで応答性良く行えるのであり、これにより、吸気を機関の状況に応じて輸送遅れが生じることなく燃焼室に迅速に供給できるのであり、その結果、内燃機関の制御性能も向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態の模式図である。
【図２】（Ａ）は排気ターボ過給機の具体的な断面図、（Ｂ）（Ｃ）は弁装置の動きを示す模式図である。
【図３】第１実施形態に係る弁装置を示す図で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ視断面図、（Ｄ）は（Ａ）のＤ−Ｄ視断面図、（Ｅ）は分離正面図である。
【図４】駆動構造を示す斜視図である。
【図５】第２実施形態に係る弁装置を示す図で、（Ａ）は要部正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図である。
【図６】コンプレッサ翼の配置態様の別例である第３実施形態を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
(1).第１実施形態の概要
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１，２を参照して第１実施形態の概要を説明する。本実施形態は車両用の３気筒内燃機関に適用しており、内燃機関は、シリンダブロック１とシリンダヘッド２とを主要要素とする機関本体３を備えている。シリンダヘッド３の長手一側面には吸気マニホールド４を固着し、シリンダヘッド２の長手他側面には排気マニホールド５を固着している。
【００１５】
吸気マニホールド４には吸気通路６が接続されており、吸気通路６のうち吸気マニホールド４に近い部位にはサージタンク７を設けて、それより少し上流側にはスロットルバルブ８を設けている。
【００１６】
内燃機関は排気ターボ過給機９を備えており、排気ターボ過給機９は、タービンハウジング１０に内蔵した排気タービン１１と、コンプレッサハウジング１２に内蔵した第１コンプレッサ翼１３及び第２コンプレッサ翼１４とを備えている。排気タービン１１と両コンプレッサ翼１３，１４とは回転軸心を共通にしており、排気タービン１１と第１コンプレッサ翼１３とは回転軸１５によって一体的に連結されている。なお、回転軸１５は１本で構成されている必要はなく、軸方向に並んだ複数本を連結した構成であってもよい。
【００１７】
タービンハウジング１０の内部はタービン室になっていてこれに排気ガス導入口１６を設けており、排気ガス導入口１６が排気マニホールド５の集合部５ａに直接に又は排気管を介して接続されている。タービンハウジング１０における排気ガス導入口１６と排気ガス出口１７とはバイパス通路１８で接続されており、バイパス通路１８に、排気タービン１１に向けて流れる排気ガスの流量を調節するウエストゲートバルブ１９を設けている。排気ガス導入口１６は排気タービン１１の仮想円周の接線方向に開口しており、排気ガス出口１７は排気タービン１１の回転軸心の軸方向に開口している。
【００１８】
コンプレッサハウジング１２は第１コンプレッサ翼１３が収納された第１コンプレッサ室２１を有しており、第１コンプレッサ室２１に、コンプレッサ翼１３の回転軸心と同心の第１吸気入口２２と、第１コンプレッサ翼１３の仮想円周の接線方向に開口した第１出口２３とを設けている。
【００１９】
第２コンプレッサ翼１４は第１コンプレッサ翼１３の外周に一体に設けられている。従って、コンプレッサハウジング１２には、第２コンプレッサ翼１４が収容された第２コンプレッサ室２４を一体に形成しており、第２コンプレッサ室２４に、第２吸気入口２５と第２出口２６とを設けている。
【００２０】
第２コンプレッサ室２４の第２入口２５は、第１吸気入口２２の外側に位置していて軸線方向に開口しており、従って、第１吸気入口２２と第２吸気入口２５とで二重筒の形態を成している。第２コンプレッサ室２４の第２出口２６は、第２コンプレッサ翼１４の仮想円周の接線方向に開口している。
【００２１】
排気ターボ過給機９のコンプレッサハウジング１１は吸気通路６の途中に介挿されており、吸気通路６の始端にはエアクリーナ２７が接続されている。また、第１コンプレッサ室２１の第１出口２３と第２コンプレッサ室２４の第２入口２６とには、それぞれ吸気通路６の枝部６ａが接続されており、枝部６ａは１本に合流して吸気はスロットルバルブ８に向けて流れる。なお、吸気通路６の枝部６ａに、一方の枝部６ａからの逆流を阻止する逆止弁を設けてもよい。また、吸気通路６のうち枝部６ａより下流側の部位にインタークーラを設けることも可能である。更に、吸気通路６のうち枝部６ａより下流側の部位にＥＧＲ通路を接続してもよい。
【００２２】
図２では、排気ターボ過給機９の具体的な断面形状を示している。図２ではタービンハウジング１０とコンプレッサハウジング１２とはそれぞれ単一構造に表示しているが、実際には複数の部材から成っている。また、各室１０，２１，２４には、周方向に断面積を変化させた環状流路１０ａ，２１ａ，２４ａが連通しており、これら環状流路１０ａ，２１ａ，２４ａに入口１６又は出口２３，２６が連通している。なお、図２では、入口１６，又は２３，出口２６は現れていない。
【００２３】
回転軸１５は、コンプレッサハウジング１２にインナーシール２８及びアウターシール２９を介して回転自在に保持されている。なお、排気タービン１１と第１コンプレッサ翼１３との間には、回転軸１３を支持する軸受け部を設けている。
【００２４】
第２コンプレッサ翼１４は内径が変化した底板１４ａを備えており、底板１４ａが第１コンプレッサ翼１３の外周に一体に固定されている。従って、コンプレッサ室１３と第２コンプレッサ室２４とは吸気の流通がないように絶縁されている。第１コンプレッサ室１３の第１吸気入口２２と第２コンプレッサ室２４の第１吸気入口２５とは円筒形の隔壁３０で仕切られており、隔壁３０の内周面と第２コンプレッサ翼１４の内周面、及び、隔壁３０の内周面と第２コンプレッサ翼１４との内周面とは、僅かの隙間を介して分離しつつもつ滑らかに連なっている。従って、吸気はスムースに流れる。
【００２５】
コンプレッサハウジング１２には、第２吸気入口２５の外周部を延長した集合入口３１を設けており、集合入口３１に入った吸気は、弁装置３３により、第１吸気入口２２と第２吸気入口２５とに選択的に流される。この点を、図２〜４に基づいて説明する。
【００２６】
(2).弁装置
弁装置３３は、第１吸気入口２２の始端部を開閉する円板状の第１弁体３４と、第２吸気入口２５を開閉する２枚の第２弁体３５，３６とを備えている。第１弁体３４はバタフライ方式であり、中心には弁軸３７が貫通固定されている。弁軸３７は、その両端部がコンプレッサハウジング１２に回転自在に保持されている。弁軸３７は、第１吸気入口２２及び第２吸気入口２５の始端部の僅かに外側に位置している。
【００２７】
第２弁体３５，３６はリング板を２つに切断した形態を成しており、２枚の第２弁体３５，３６は、１８０度開いた姿勢になると全体としてリング板の形態になる。そして、一方の第２弁体３５は弁軸３７に固定されている。この場合、一方の第２弁体３５と第１弁体３４とは、弁軸３６の軸線方向から見て直交した姿勢になっている。従って、第１弁体３４が第１吸気入口２２を塞いでいる状態では、一方の第２弁体３５は集合入口３１の方に突出して、第２吸気入口２５の半周は開いた状態になっている。
【００２８】
そして、図２（Ｂ）（Ｃ）に示すように、他方の第２弁体３６は一方の第２弁体３５と同じように開閉するようになっている。すなわち、弁軸３７は伝動モータ等のアクチェータ３８で駆動されるが、弁軸３７の回転に伴って一方の第２弁体３５が集合入口３１の方に向いて突出する姿勢になると、他方の第２弁体３６も集合入口３１の方に向いて突出し、逆に、一方の第２弁体３５が第２吸気入口２５の半周を塞ぐように回動すると、他方の第２弁体３６も第２吸気入口２５の他の半周を塞ぐように回動する。この連動機構は次のとおりである。
【００２９】
一方の第２弁体３５と他方の第２弁体３６とには、弁軸３６の軸方向にずれた大径部３９，４０が形成されており、両大径部３９，４０に弁軸３７が貫通していることにより、両第２弁体３５，３６は弁軸３７の軸心周りに回動できる。
【００３０】
そして、他方の第２弁体３６における上側（アクチェータ３９に近い側）の大径部４０に、弁軸３７が回転自在に嵌まる中間筒４１を嵌め込み固定し、中間筒４１の上端には第２ギア４２を固定している。従って、第２ギア４２が回転すると他方の第２弁体３６は一緒に回動する。弁軸３７は中間筒４１よりも上に突出していて、この突出部に第１ギア４３を固定している。
【００３１】
そして、図４に示すように、第１ギア４３の回転を、その外側に位置した第３ギア４４，第４ギア４５，第５ギア４６によって、第２ギア４２に伝達している。第３ギア４４と第４ギア４５とは共通した回転軸４７に固定されており、一体に回転する。また、第４ギア４５は第２ギア４２と干渉しないように高さを変えており、第５ギア４６は、第４ギア４５と第２ギア４１との両方に噛合する厚さになっている。各ギア４１〜４６は同径・同歯数である。
【００３２】
第１ギア４３が正転すると、第３ギア３４，３４の逆転→第５ギア４６の正転→第２ギア４２の逆転、という伝達構造になる。このため、弁軸３７が回転すると、２つの第２弁体３５，３６は同期して同じ量だけ弁軸３７の軸心周りに逆方向に回動する。これにより、第２弁体３５，３６は、図２（Ｂ）のように一直線状に開いて第２吸気入口２５を閉じた姿勢と、互いに重なるような姿勢で集合入口３１の方向に突出して第２吸気入口２５を開いた状態とに、選択的に切り替えられる。
【００３３】
両第２弁体３５，３６は、回動軸心を共通にしているので、密着又は密接した状態を実現できるようにするため、図３（Ｂ）（Ｃ）に示すように、１８０度開いた状態で、板の部分を弁軸３７の軸心よりも第２吸気入口２５の側にずらしている。
【００３４】
以上の構成において、上記のとおり吸気は第１吸気入口２２と第２吸気入口２５とに選択的に切り替えられる。そして、第１コンプレッサ翼１３と第２コンプレッサ翼１４とは内径及び外径が相違するため、大径が大きい第２コンプレッサ翼１４の方が大きな過給圧を得ることができる。すなわち、１つの排気タービン１１の駆動により、過給圧を高圧と低圧とに切り替えることができる。このため、幅広い過給状態に対応できて、機関の制御の幅を広げることができる。
【００３５】
そして、２つのコンプレッサ翼１３，２４と弁装置３３とは１つの排気ターボ過給機９に組み込まれているため、高い機能を有しつつコンパクト化できると共に、コストアップも抑制できる。更に、１つの弁装置３３によって第１コンプレッサ翼１３の駆動と第２コンプレッサ翼１４の駆動とを即座に変更できるため、切り替えの応答性が格段に優れている。本実施形態のように２つのコンプレッサ翼１３，１４を半径方向に配置すると、コンパクト化に一層貢献できる。
【００３６】
(2).他の実施形態
図５に示す第２実施形態では、他方の第２弁体３６は、一方の第２弁体３５に対して回動軸心をずらした状態でピン４８で取り付けられている。そして、弁軸３７とピン４８とに、互いに噛合するギア４９を固定している。この実施形態でも、２枚の第２第２弁体３５，３６は同期して同じ量だけ逆方向に回動する。この実施形態では、両第２弁体３５，３６の回動軸心はずれているが、構造は簡単になる。
【００３７】
図６に示す第３実施形態では、２つのコンプレッサ翼１３，１４を軸方向にずらして配置している。この場合も、第１吸気入口２２と第２吸気入口２５とは二重筒の形態を成している。なお、図６に一点鎖線で示すように、１つの排気ターボ過給機９に２つの排気タービン１１を設けて、片方だけ駆動したり両方を駆動したり切り替えることも可能である。
【００３８】
本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、第１弁体と一方の第２弁体と他方の第２弁体とをそれぞれ異なる軸心周りに回動するように配置して、１つのアクチェータで同期して回動するように構成することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本願発明は、実際に内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。
【符号の説明】
【００４０】
２  シリンダヘッド
３  機関本体
４  吸気マニホールド
５  排気マニホールド
６  吸気通路
９  排気ターボ過給機
１０  タービンハウジング
１１  排気タービン
１２  コンプレッサハウジング
１３  第１コンプレッサ翼
１４  第２コンプレッサ翼
１５  回転軸
２２  第１吸気入口
２５  第２吸気入口
２３  第１出口
２６  第２出口
３１  集合入口
３３  弁装置
３４  第１弁体
３５  一方の第２弁体３５
３６  他方の第２弁体３６
３７  弁軸
３８  アクチェータ（伝動モータ）
４２〜４６  連動機構を構成するギア
【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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