(57)【要約】【課題】吸入空気量の不足による気筒内の燃焼不良を招くことなく高いＥＧＲ率を実現して良好なＮＯx低減効果を得られるようにする。【解決手段】排気マニホールドから排気ガスの一部を抜き出して吸気側（吸気管）へ再循環するＥＧＲパイプを装備したエンジンに搭載するためのターボチャージャ２に関し、タービン２ｂ側のノズル部１５に角度調整可能な多数のノズルベーン１６を環状に備え、該各ノズルベーン１６の配置位置におけるノズル部１５全周の開口面積をタービン出口面積（タービン出口２４の開口面積）で除算した特性値が０．５０〜０．７５の範囲になるように形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気マニホールドから排気ガスの一部を抜き出して吸気側へ再循環するＥＧＲパイプを装備したエンジンに搭載するためのターボチャージャであって、タービン側のノズル部に角度調整可能な多数のノズルベーンを環状に備え、該各ノズルベーンの配置位置におけるノズル部全周の開口面積をタービン出口面積で除算した特性値が０．５０〜０．７５の範囲になるように形成したことを特徴とするターボチャージャ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボチャージャに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車のエンジン等では、排気側から排気ガスの一部を抜き出して吸気側へと戻し、その吸気側に戻された排気ガスでエンジン内での燃料の燃焼を抑制させて燃焼温度を下げることによりＮＯxの発生を低減するようにした、いわゆる排気ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）が行われている。
【０００３】
一般的に、この種の排気ガス再循環を行う場合には、排気マニホールドから排気管に亘る排気通路の適宜位置と、吸気管から吸気マニホールドに亘る吸気通路の適宜位置との間をＥＧＲパイプにより接続し、該ＥＧＲパイプを通して排気ガスを再循環するようにしている。
【０００４】
尚、エンジンに再循環する排気ガスをＥＧＲパイプの途中で冷却すると、排気ガスの温度が下がり且つその容積が小さくなることにより、エンジンの出力を余り低下させずに燃焼温度を低下して効果的に窒素酸化物の発生を低減させることができるため、エンジンに排気ガスを再循環するＥＧＲパイプの途中に水冷式のＥＧＲクーラを装備したものもある。
【０００５】
図６は前述した排気ガス再循環を行うためのＥＧＲ装置の一例を示すもので、図６中における１はディーゼル機関であるエンジンを示し、該エンジン１は、ターボチャージャ２を備えており、図示しないエアクリーナから導いた吸気３を吸気管４を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへ送り、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気３をインタクーラ５へと送って冷却し、該インタクーラ５から更に吸気マニホールド６へと吸気３を導いてエンジン１の各気筒７（図６では直列６気筒の場合を例示している）に分配するようにしてある。
【０００６】
また、このエンジン１の各気筒７から排出された排気ガス８を排気マニホールド９を介し前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへ送り、該タービン２ｂを駆動した排気ガス８を排気管１０を介し車外へ排出するようにしてある。
【０００７】
そして、排気マニホールド９における各気筒７の並び方向の一端部と、吸気マニホールド６に接続されている吸気管４の一端部との間がＥＧＲパイプ１１により接続されており、排気マニホールド９から排気ガス８の一部を抜き出して吸気管４に導き得るようにしてある。
【０００８】
ここで、前記ＥＧＲパイプ１１には、該ＥＧＲパイプ１１を適宜に開閉するＥＧＲバルブ１２と、再循環される排気ガス８を冷却するためのＥＧＲクーラ１３とが装備されており、該ＥＧＲクーラ１３では、図示しない冷却水と排気ガス８とを熱交換させることにより排気ガス８の温度を低下し得るようになっている。
【０００９】
ただし、前述した如きターボチャージャ２付きのエンジン１においては、吸気側が過給されているために排気側との圧力差が少なくなってしまい、高いＥＧＲ率を実現することが難しいという問題があるが、ターボチャージャ２として、タービン２ｂ側のノズル部に角度調整可能な多数のノズルベーンを環状に備えてノズル開度を任意に変更し得るようにしたマルチベーンタイプのバリアブルジオメトリーターボチャージャを採用し、特にガス流量の少ない低速域でタービン２ｂ側のノズル開度を中間開度（全閉と全開の中間に当る５０％開度）より小さく絞り込んでタービン２ｂ側のノズル部における排気ガス８の通過抵抗を増やし、これにより排気マニホールド９の圧力を高めて吸気側と排気側との圧力差を確保することが提案されている。
【００１０】
他方、この種のバリアブルジオメトリーターボチャージャをターボチャージャ２として採用した場合、ガス流量の多い高速域にあっては、タービン２ｂ側のノズル開度を中間開度より大きく開け、タービン２ｂ側のノズル部における排気ガス８の通過抵抗を極力減らして使用することになる。
【００１１】
即ち、バリアブルジオメトリーターボチャージャにおいて、タービン２ｂ側のガス流量の律速部位は、タービン２ｂ側のノズル開度が小さいうちはノズル部側であるのに対し、タービン２ｂ側のノズル開度が大きくなるとタービン出口側に移行することになるため、ガス流量の多い高速域でタービン出口に到る途中のノズル部で余分な通過抵抗を与えてしまうと、タービン出口側で決まるガス流量を更に絞り込んでしまう結果となるからである。
【００１２】
尚、排気マニホールド９から抜き出した排気ガス８の一部を吸気管４へ再循環するようにした例を開示する先行技術文献情報としては下記の特許文献１等がある。
【特許文献１】特開２００１−１２３８８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、図７にグラフで示す通り、タービン２ｂ側のノズル開度に対する吸入空気（新気）の体積効率は、低速域（曲線Ａ）及び高速域（曲線Ｂ）の何れの場合も、そのノズル開度を中間開度（全閉と全開の中間に当る５０％開度）付近にして使用した場合に最大となることが知見として得られているのに対し、曲線Ａで示す低速域においては、排気ガス再循環のために排気マニホールド９の圧力を高めるべく、タービン２ｂ側のノズル開度を中間開度より大きく絞り込んだノズル開度αで使用しており、曲線Ｂで示す高速域においては、タービン２ｂの圧力損失を抑制するべく、タービン２ｂ側のノズル開度を中間開度より大きく開けたノズル開度βで使用しているのが実情であり、低速域での排気マニホールド９の圧力をより高めようとしたり、高速域でタービン２ｂの圧力損失をより抑制しようとした場合に、ターボチャージャ２の効率が落ちることで吸入空気量（新気量）が大幅に不足して気筒内の燃焼不良を招く虞れがあった。
【００１４】
ここで、タービン２ｂ側のノズル開度に対する吸入空気（新気）の体積効率が、そのノズル開度を中間開度付近にして使用した場合に最大となるのは、この際に排気ガス８の流速とタービンホイールへの流入角度の複合効果が最大となるからであると考えられており、より具体的には、低速域でノズル開度を絞り込み過ぎると、排気ガス８の流速は速くなるものの、排気ガス８のタービンホイールへの流入角度が悪くなってタービンホイールの回転数の維持が難しくなり、また、高速域でノズル開度を開き過ぎると、排気ガス８の流速が落ち過ぎてタービンホイールの回転数の維持が難しくなるためであると考えられている。
【００１５】
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、吸入空気量の不足による気筒内の燃焼不良を招くことなく高いＥＧＲ率を実現して良好なＮＯx低減効果を得られるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、排気マニホールドから排気ガスの一部を抜き出して吸気側へ再循環するＥＧＲパイプを装備したエンジンに搭載するためのターボチャージャであって、タービン側のノズル部に角度調整可能な多数のノズルベーンを環状に備え、該各ノズルベーンの配置位置におけるノズル部全周の開口面積をタービン出口面積で除算した特性値が０．５０〜０．７５の範囲になるように形成したことを特徴とするものである。
【００１７】
このようにすれば、タービンスクロールのノズル部における各ノズルベーンを角度調整可能としてノズル開度を任意に変更し得るようにしたターボチャージャに関し、同様の特性値が０．７５を上回るものしか存在していなかった既存のものと比較して、タービン側の各ノズルベーンの配置位置におけるノズル部全周の開口面積が相対的に小さく且つタービン出口面積が相対的に大きなターボチャージャが得られることになる。
【００１８】
そして、斯かる特性値を採用したターボチャージャによれば、ガス流量の少ない低速域でタービン側のノズル開度を中間開度より小さく絞り込んでタービン側のノズル部における排気ガスの通過抵抗を増やし、これにより排気マニホールドの圧力を高めて排気ガス再循環量を増やすにあたり、従来ほど各ノズルベーンを閉じ方向に傾けなくてもノズル開度（流路断面積）を同程度に絞り込むことが可能となるので、タービン側のノズル開度を排気ガスの流速とタービンホイールへの流入角度の複合効果が最大に得られる中間開度に近づけて排気マニホールドの圧力を高めることが可能となり、ターボチャージャの効率を極力落とさずに吸気側と排気側との十分な圧力差を確保して従来より高いＥＧＲ率を実現し且つその際の吸入空気量を従来より多く確保することが可能となる。
【００１９】
他方、ガス流量の多い高速域でタービン側のノズル開度を中間開度より大きく開けてタービン側のノズル部における排気ガスの通過抵抗を極力減らし、これにより排気ガスがタービンを通過する際における圧力損失を抑制するにあたっては、ノズル開度が大きい場合のガス流量の律速部位を成すタービン出口の面積が相対的に大きくなることで、従来ほど各ノズルベーンを開け方向に傾けなくてもタービン側での圧力損失を同程度に抑制することが可能となるので、タービン側のノズル開度を排気ガスの流速とタービンホイールへの流入角度の複合効果が最大に得られる中間開度に近づけてタービン側での圧力損失を抑制することが可能となり、ターボチャージャの効率を極力落とさずにタービン側での圧力損失を抑制し且つその際の吸入空気量を従来より多く確保することが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
上記した本発明のターボチャージャによれば、低速域及び高速域の何れにあっても、タービン側のノズル開度を排気ガスの流速とタービンホイールへの流入角度の複合効果が最大に得られる中間開度に近づけて使用することができるので、ターボチャージャの効率を極力落とさずに高いＥＧＲ率を実現し且つその際の吸入空気量の低下を従来より多く確保することができ、気筒内の燃焼不良を回避しながら良好なＮＯx低減効果を得ることができるという優れた効果を奏し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。
【００２２】
図１〜図５は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図６と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。
【００２３】
本形態例の特徴とするところは、先に図６で説明したエンジン１、即ち、排気マニホールド９から排気ガス８の一部を抜き出して吸気管４へ再循環するＥＧＲパイプ１１を装備したエンジン１（エンジン１側の構造については図６を参照）に搭載するためのターボチャージャ２を以下の如きマルチベーンタイプのバリアブルジオメトリーターボチャージャとした点にある。
【００２４】
つまり、図１〜図４のターボチャージャ２では、タービンスクロール１４内におけるノズル部１５に角度調整可能な多数のノズルベーン１６が環状に備えられており、図３に角度調整機構の一例を概略的に示している通り、タービンホイール１７を取り囲むように配置された各ノズルベーン１６は、ノズルリングプレート１８にピン１９を介し傾動自在に取り付けられ、これら各ノズルベーン１６の角度が前記ノズルリングプレート１８に対するリンクプレート２０の円周方向への相対変位により連動して変更されるようになっていて、このリンクプレート２０がアクチュエータ２１によるレバー２２の傾動操作でリンク２３を介し回動操作されるようになっている。
【００２５】
しかも、ここに図示しているターボチャージャ２においては、各ノズルベーン１６の配置位置におけるノズル部１５全周の開口面積Ｓｎをタービン出口面積Ｓｔで除算した特性値（Ｓｎ／Ｓｔ値）が０．５０〜０．７５の範囲になるように形成してある。
【００２６】
ここで、各ノズルベーン１６の配置位置におけるノズル部１５全周の開口面積Ｓｎとは、各ノズルベーン１６の傾動中心軸を成すピン１９が配置されるピッチサークルＣの円周にノズル部１５の幅ｗ（図１参照）を乗算することで算出される円筒状領域の面積のことを指しており、また、タービン出口面積Ｓｔとは、タービンスクロール１４の中心で側方に開口したタービン出口２４の開口面積のことを指している。
【００２７】
尚、図１中における２５はコンプレッサホイール、２６はコンプレッサスクロール、２７はコンプレッサ入口、２８はタービンホイール１７とコンプレッサホイール２５とを一体的に連結しているシャフトを示す。
【００２８】
而して、このように構成したターボチャージャ２をＥＧＲパイプ１１付きのエンジン１（図６参照）に採用すれば、同様の特性値が０．７５を上回るものしか存在していなかった既存のものと比較して、タービン２ｂ側の各ノズルベーン１６の配置位置におけるノズル部１５全周の開口面積が相対的に小さく且つタービン出口面積が相対的に大きなターボチャージャ２が得られることになる。
【００２９】
そして、斯かる特性値を採用したターボチャージャ２によれば、ガス流量の少ない低速域でタービン２ｂ側のノズル開度を中間開度より小さく絞り込んでタービン２ｂ側のノズル部１５における排気ガス８の通過抵抗を増やし、これにより排気マニホールド９の圧力を高めて排気ガス再循環量を増やすにあたり、従来ほど各ノズルベーン１６を閉じ方向に傾けなくてもノズル開度（流路断面積）を同程度に絞り込むことが可能となるので、タービン２ｂ側のノズル開度を排気ガス８の流速とタービンホイール１７への流入角度の複合効果が最大に得られる中間開度に近づけて排気マニホールド９の圧力を高めることが可能となり、ターボチャージャ２の効率を極力落とさずに吸気側と排気側との十分な圧力差を確保して従来より高いＥＧＲ率を実現し且つその際の吸入空気量を従来より多く確保することが可能となる。
【００３０】
他方、ガス流量の多い高速域でタービン２ｂ側のノズル開度を中間開度より大きく開けてタービン２ｂ側のノズル部１５における排気ガス８の通過抵抗を極力減らし、これにより排気ガス８がタービン２ｂを通過する際における圧力損失を抑制するにあたっては、ノズル開度が大きい場合のガス流量の律速部位を成すタービン出口２４の面積が相対的に大きくなることで、従来ほど各ノズルベーン１６を開け方向に傾けなくてもタービン２ｂ側での圧力損失を同程度に抑制することが可能となるので、タービン２ｂ側のノズル開度を排気ガス８の流速とタービンホイール１７への流入角度の複合効果が最大に得られる中間開度に近づけてタービン２ｂ側での圧力損失を抑制することが可能となり、ターボチャージャ２の効率を極力落とさずにタービン２ｂ側での圧力損失を抑制し且つその際の吸入空気量を従来より多く確保することが可能となる。
【００３１】
尚、本発明者による検証実験によれば、図５にグラフで示す通り、前述した特性値（Ｓｎ／Ｓｔ値）に対する排気ガスの光不透過率（燃焼不良により生じた煙による排気ガスの汚染度を光の不透過率で評価した排気煙濃度の代用値）を、異なるＥＧＲ率（１０％を曲線Ｘ、２０％を曲線Ｙ、３０％を曲線Ｚで示す）で実行した排気ガス再循環について調査したところ、各ＥＧＲ率別の最適点（各曲線Ｘ，Ｙ，Ｚを成す各調査点のうちで最も光不透過率が低くなる調査点：図５中で大きくプロット表示した調査点）は、ＥＧＲ率が高くなるにつれて図５中の右側から左側へシフトしていくことが確認され、また、ＥＧＲ率が高くなるほど各曲線Ｘ，Ｙ，ＺのＵ字形状化する傾向が強まることが確認された。
【００３２】
そして、今後の厳しい排気ガス規制に対応するためには、ＥＧＲ率を２０％〜４０％程度に上げて排気ガス８の再循環を行う必要があると考えられているが、ＥＧＲ率２０％の曲線Ｙで最適点が特性値０．７５より僅かに小さい特性値に決まり、これよりＥＧＲ率が高まるにつれ最適点が特性値の低い側へシフトしていくことを考慮すれば、将来的な高いＥＧＲ率の実現を図るのに際し、特性値が０．７５を上回るものしか存在していない既存のバリアブルジオメトリーターボチャージャでは煙の発生を良好に押え込めないものと考えられ、少なくとも特性値を今までに提案されることのなかった０．７５以下に下げたバリアブルジオメトリーターボチャージャの採用が必要と考えられる。
【００３３】
他方、特にＥＧＲ率３０％の曲線Ｚに顕著に現れているように、特性値が０．５０を下回るあたりから急激に光不透過率は悪化する傾向を示し、この傾向はＥＧＲ率が更に高まることでより顕著に現れるものと考えられる。
【００３４】
なぜなら、ＥＧＲ率を３０％より上げて燃焼を成立させたデータは未だ得られていないのが実情であるが、ＥＧＲ率が３０％を超えて高まれば、曲線Ｚにて特性値０．６０付近に決まっていた最適点が更に特性値の低い側にシフトし、しかも、Ｕ字形状化する傾向は曲線Ｚより更に強まるものと考えられるからである。
【００３５】
依って、特性値を今までに提案されることのなかった０．７５以下に下げるといっても、その下限は自ずから０．５０以上に決まるものと考えられ、事実、各曲線Ｙ，Ｚにおいても、その特性値０．５０〜０．７５の範囲で光不透過率の低位領域がほぼ網羅されていることが確認できる。
【００３６】
従って、上記形態例によれば、低速域及び高速域の何れにあっても、タービン２ｂ側のノズル開度を排気ガス８の流速とタービンホイール１７への流入角度の複合効果が最大に得られる中間開度に近づけて使用することができるので、ターボチャージャ２の効率を極力落とさずに高いＥＧＲ率を実現し且つその際の吸入空気量の低下を従来より多く確保することができ、気筒内の燃焼不良を回避しながら良好なＮＯx低減効果を得ることができる。
【００３７】
尚、本発明のターボチャージャは、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、排気マニホールドから抜き出した排気ガスの一部を吸気マニホールドに再循環するようにしても良いこと、また、ノズルベーンの角度調整機構の構成は図示例に限定されないこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明を実施する形態の一例を示す断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ矢視の断面図である。
【図３】各ノズルベーンの角度調整機構の一例を概略的に示す説明図である。
【図４】図１のＩＶ−ＩＶ方向の矢視図である。
【図５】特性値に対する排気ガスの光不透過率をＥＧＲ率別に示すグラフである。
【図６】従来技術を説明するためのエンジンの概略図である。
【図７】ノズル開度に対する吸入空気（新気）の体積効率を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１  エンジン
２  ターボチャージャ
２ａ  コンプレッサ
２ｂ  タービン
３  吸気
４  吸気管
８  排気ガス
９  排気マニホールド
１０  排気管
１１  ＥＧＲパイプ
１４  タービンスクロール
１５  ノズル部
１６  ノズルベーン
１７  タービンホイール
２４  タービン出口
【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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【図７】
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