(57)【要約】【課題】簡略な構成でタービンハウスの冷却を行なう冷却システムを提供する。【解決手段】内燃機関１３の排気を第１排気通路１４を介して高圧段ターボ過給機１２のタービン１２Ｔへと供給する。タービン１２Ｔの出口を低圧段ターボ過給機１１のタービン１１Ｔの入口に第２排気通路１５を介して連結する。タービン１２Ｔの出口に第３排気通路１６を接続する。第２排気通路１５と第３排気通路１６とを連通する冷却通路２４を設ける。冷却通路２４の経路をタービン１２Ｔのタービンハウジングを経由させ、第２排気通路１５から第３排気通路１６へと流通される排気によりタービンハウジングの熱を吸収する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関からの排気により駆動される第１タービンと、
前記第１タービンを収容するタービンハウジングと、
前記第１タービンの下流側に接続される排気通路と、
前記排気通路上に設けられ、所定の圧力損失を発生する圧力損失発生要素と、
前記排気通路の前記圧力損失発生要素の上流側と下流側とを連通し、前記排気通路の排気を前記上流側から前記下流側へと流通させる冷却通路とを備え、
前記冷却通路が前記タービンハウジングを経由し、前記排気が前記タービンハウジングの熱を吸収する
ことを特徴とするターボ過給機の冷却システム。
【請求項２】
前記圧力損失発生要素の下流側における前記冷却通路の前記排気通路との接続部が、排気触媒の上流側に配置されたことを特徴とする請求項１に記載のターボ過給機の冷却システム。
【請求項３】
複数のタービン過給機を備える過給システムにおいて使用され、前記第１タービンの下流側に第２タービンが接続され、前記第２タービンが前記圧力損失発生要素として機能することを特徴とする請求項１または２の何れか一項に記載のターボ過給機の冷却システム。
【請求項４】
複数のタービン過給機を備える過給システムにおいて使用され、前記第１タービンの下流側に第２タービンが接続され、前記第２タービンの下流側に前記圧力損失発生要素が設けられるとともに、前記冷却通路の前記圧力損失発生要素上流側の接続部が前記第２タービンの下流側に配置されることを特徴とする請求項１または２の何れか一項に記載のターボ過給機の冷却システム。
【請求項５】
前記圧力損失発生要素が排気絞り弁であることを特徴とする請求項４に記載のターボ過給機の冷却システム。
【請求項６】
前記排気絞り弁の上流側と下流側とを連通する排気絞り弁バイパス通路を備え、前記排気絞り弁バイパス通路に前記上流側の圧力が前記下流側の圧力よりも所定の圧力以上であるときのみ開弁する逆支弁を備えることを特徴とする請求項５に記載のターボ過給機の冷却システム。
【請求項７】
前記排気通路に直列に接続された複数の排気触媒を備え、前記圧力損失発生要素が前記複数の排気触媒のうちの上流側の排気触媒であることを特徴とする請求項４に記載のターボ過給機の冷却システム。
【請求項８】
前記冷却通路に冷却通路バルブが設けられ、前記冷却通路バルブが、前記圧力損失発生要素の上流側の圧力と前記圧力損失発生要素の下流側圧力との差が、前記冷却通路の入口、出口間の圧力損失分よりも大きいときに開弁されることを特徴とする請求項１に記載のターボ過給機の冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ過給機におけるタービンハウジングの冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の過給に排気エネルギーを利用したターボ過給機では、排気マニホルドから高温の燃焼ガスがタービンに供給されるため、タービンは極めて高温になる。また、複数のターボ過給機を多段とした過給システムでは、特に排気マニホルドから直接排気の供給を受ける高圧段タービンにおいて温度上昇が顕著となる（特許文献１参照）。このため、タービンハウジングには、一般に耐熱鋼が用いられ耐熱性が確保されている。
【０００３】
一方、電動機付ターボ過給機では、高温状態でタービンが停止したときに電動機の永久磁石が消磁されることがある。このため、電動付ターボ過給機における永久磁石の消磁を防止するために、タービンハウジングに冷却媒体を流すための冷却通路を設け、これに冷却媒体を供給する構成が提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００７−１３８７９８号公報
【特許文献２】特開２００４−０８４４８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のように、電動機付ターボ過給機では、電動機における永久磁石の消磁防止を目的としてターボハウジングに冷却機構を設ける構成が提案されているが、一般のターボ過給機においては、特段の冷却機構を設けることなく、耐熱鋼を用いることにより耐熱性が確保されている。一方、耐熱鋼はコストが高いため高温強度の低い材料を利用することができれば、ターボ過給機のコストを大幅に低減することができる。しかし、特許文献２のような構成では、別途、冷却媒体を供給するための動力装置や、動力装置と冷却通路とを連絡する機構等が必要になり装置の大型化や重量の増大が発生するとともに、コストの増大を招き、材料変更によるコスト低減の利益を得られない可能性がある。
【０００５】
本発明は、簡略な構成でタービンハウジングの冷却を行なう冷却システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のターボ過給機の冷却システムは、内燃機関からの排気により駆動される第１タービンと、第１タービンを収容するタービンハウジングと、第１タービンの下流側に接続される排気通路と、排気通路上に設けられ、所定の圧力損失を発生する圧力損失発生要素と、排気通路の圧力損失発生要素の上流側と下流側とを連通し、排気通路の排気を上流側から下流側へと流通させる冷却通路とを備え、冷却通路がタービンハウジングを経由し、排気がタービンハウジングの熱を吸収することを特徴としている。
【０００７】
圧力損失発生要素の下流側における冷却通路の排気通路との接続部は、排気触媒の上流側に配置されることが好ましい。これにより、タービンハウジングにおける吸熱により温度が再上昇した排気が排気触媒に供給され触媒における浄化効率が向上し、エミッションの改善が図られる。
【０００８】
また例えば、冷却システムは複数のタービン過給機を備える過給システムにおいて使用され、第１タービンの下流側に第２タービンが接続され、第２タービンを上記圧力損失発生要素として利用することも可能である。あるいは、第１タービンの下流側に第２タービンを接続して第２タービンの下流側に上記圧力損失発生要素を設けるとともに、冷却通路の圧力損失発生要素上流側の接続部が第２タービンの下流側に配置される。これにより、より温度が低下した排気を第１タービンの冷却に用いることができ、冷却効率を向上することができる。
【０００９】
上記圧力損失発生要素を第２タービン下流側に設けるとき、圧力損失発生要素は例えば排気絞り弁や、排気通路に直列に接続された複数の排気触媒のなかの上流側の排気触媒である。
【００１０】
排気絞り弁を上記圧力損失発生要素とする場合、排気絞り弁の上流側と下流側とを連通する排気絞り弁バイパス通路を設け、排気絞り弁バイパス通路に上流側の圧力が下流側の圧力よりも所定の圧力以上となるときのみ開弁する逆支弁を設けることが好ましい。これにより、排気絞り弁の上流側圧力が過度に上昇することを防止できる。
【００１１】
また、冷却通路に冷却通路バルブを設け、圧力損失発生要素の上流側の圧力と圧力損失発生要素の下流側圧力との差が、冷却通路の入口、出口間の圧力損失分よりも大きいときに冷却通路バルブを開弁されることが好ましい。これにより、冷却通路の逆流を防止し、冷却通路において安定した排気の流れを作ることができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明によれば、簡略な構成でタービンハウジングの冷却を行なう冷却システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態であるターボ過給機の冷却システムの構成を示すブロック図である。
【００１４】
本実施形態において、ターボ過給システム１０は、例えば多段式の過給システムであり、図１には低圧段ターボ過給機１１および高圧段ターボ過給機１２が直列に連結されたターボ過給システムが示される。
【００１５】
内燃機関１３の排気マニホルドに接続された第１排気通路１４は、高圧段ターボ過給機１２のタービン１２Ｔ（第１タービン）の入口へと接続され、タービン１２Ｔの出口は、第２排気通路１５を介して低圧段ターボ過給機１１のタービン１１Ｔ（圧力損失発生要素）の入口へと接続される。また、タービン１１Ｔの出口に第３排気通路１６が接続され、図示しない排気触媒を介して外部へと連通される。また、第１排気通路１４と第２排気通路１５は、排気バイパス通路１７により連通され、排気バイパス通路１７には排気切換バルブ１８が設けられる。
【００１６】
また、低圧段タービン１１のコンプレッサ１１Ｃの入口には、第１吸気通路１９が接続され、コンプレッサ１１Ｃの入口は、図示しないエアクリーナを介して外部へと連通される。コンプレッサ１１Ｃの出口とコンプレッサ１２Ｃの入口との間は、第２吸気通路２０により連絡され、コンプレッサ１２Ｃの出口と内燃機関１３の吸気マニホルドとの間は第３吸気通路２１により連絡される。また、第２吸気通路２０と第３吸気通路２１は、吸気バイパス通路２２により連通され、吸気バイパス通路２２には吸気切換バルブ２３が設けられる。
【００１７】
本実施形態のターボ過給システム１０では、内燃機関１３が低速回転域にあるとき、排気切換バルブ１８および吸気切換バルブ２３は閉じられる。すなわち、排気は第１排気通路１４、タービン１２Ｔ、第２排気通路１５、タービン１１Ｔ、排気通路１６を介して外部へと排気され、両タービン１１Ｔ、１２Ｔが排気により駆動される。これにより、両コンプレッサ１１Ｔ、１２Ｔが作動され、第１吸気通路１９から吸気されたエアは、コンプレッサ１１Ｃで加圧された後、コンプレッサ１２Ｃで更に加圧されて内燃機関１３へと過給される。すなわち、低速回転域では、低圧段ターボ過給機１１および高圧段ターボ過給機１２の両方を用いて過給が行われる。
【００１８】
一方、高回転域では、排気切換バルブ１８および吸気切換バルブ２３は全開され、流れは略全て排気バイパス通路１７および吸気バイパス通路２２を通して流通する。すなわち、排気は第１排気通路１４、排気バイパス通路１７、タービン１１Ｔ、第３排気通路１６を介して外部へと排出され、低圧段ターボ過給機１１のタービン１１Ｔのみが排気により駆動される。これにより、高速回転域ではタービン容量の大きい低圧段ターボ過給機１１のコンプレッサ１１Ｃのみが作動され、第１吸気通路１９から吸気されたエアは、コンプレッサ１１Ｃでのみで加圧されて内燃機関１３へと過給される。すなわち高速回転域では、低圧段ターボ過給機１１のみを用いて過給が行われる。なお、例えば低速〜中速回転域においては、運転状態に合わせて排気切換バルブ１８の開度調整を行ってもよい。
【００１９】
また、第１実施形態では、更に第２排気通路１５と第３排気通路１６との間を連通する冷却通路２４が設けられる。冷却用通路２４は、高圧段ターボ過給機１２のタービン１２Ｔのタービンハウジングを介して第３排気通路１６へと連通される。また、タービン１２Ｔのタービンハウジングと第３排気通路１６との間には冷却通路バルブ２５が設けられる。
【００２０】
図２および図３に、タービンハウジング１２Ｈに設けられ、冷却通路２４の一部を構成するハウジング通路の一例を示す。なお、図２、３は高圧段ターボ過給機１２の断面図である。図２、３に示されるように、タービンホイール１２０の周囲にはタービンハウジング１２Ｈにより画成されるスクロール１２１が設けられる。タービン１２Ｔにおいて、ハウジング通路は、例えばスクロール１２１の周囲に沿って設けられ、図２の例ではスクロール１２１の周囲が二重構造とされて、これによりスクロール１２１の周囲に画成される空間がハウジング内通路１２２として利用される。一方、図３の例では、タービンハウジング１２Ｈに、スクロール１２１の周囲に沿って複数の細い通路が形成され、これがハウジング内通路１２３として利用される。
【００２１】
次に図１を参照して、第１実施形態におけるターボ過給機の冷却システムの作動原理について説明する。
【００２２】
図１に示されるように、第１実施形態では冷却通路２４は、タービン１２Ｔとタービン１１Ｔとを連結する第２排気通路１５と、タービン１１Ｔの下流側に接続された第３排気通路１６との間を連結している。第２排気通路１５の圧力Ｐｅ１は、タービン１１Ｔの下流側に接続された第３排気通路１６の圧力Ｐｅ２よりも高いので、圧力Ｐｅ１と圧力Ｐｅ２の差（タービン１１Ｔによる圧力損失）が、冷却通路２４の入口（第２排気通路１５との連結部）から出口（第３排気通路１６との連結部）までの圧力損失分よりも大きければ、第２排気通路１５の排気が冷却通路２４を通って第３排気通路１６へと流出する。すなわち、冷却通路２４での圧力損失（ハウジング通路を除く）をｄＰｅ、ハウジング通路１２２での圧力損失をｄＰｈ、冷却通路バルブ２５での圧力損失をｄＰｖとするとき、Ｐｅ１−Ｐｅ２＞ｄＰｅ＋ｄＰｈ＋ｄＰｖの条件の下で、第２排気通路１５から第３排気通路１６へと排気が冷却通路２４を通して流れる。
【００２３】
したがって、本実施形態では、例えば排気切換バルブ１８が閉じられた状態において、（Ｐｅ１−Ｐｅ２）が（ｄＰｅ＋ｄＰｈ＋ｄＰｖ）よりも大きくなる条件の下で、冷却通路バルブ２５が開弁される。なお、冷却通路バルブ２５の開閉制御は、例えば予めｄＰｅ、ｄＰｈ、ｄＰｖの値を求めておき、排気切換バルブ１８の閉弁状態をモニタするとともに、Ｐｅ１、Ｐｅ２の値を圧力センサなどでモニタし、ＥＣＵ（図示せず）において上記判定を行なうことにより行なわれる。
【００２４】
第２排気通路１５の排気は、タービン１２Ｔを介した排気なので、その温度はタービン１２Ｔの入口での温度よりも低下している。したがって、第２排気通路１５の排気をタービンハウジング１２Ｈのハウジング通路１２２に流すことにより、タービン１２Ｔの温度を低下させることができる。
【００２５】
以上のように、第１実施形態によれば、第２排気通路１５の排気を冷媒として高圧段ターボ過給機１２のタービンハウジング１２Ｈに供給し、ハウジングの熱を第２排気通路１５からの排気で吸収することにより、タービンハウジング１２Ｈの冷却を、別途動力源を付加することなく簡略な構成で行なうことができる。また、冷却通路２４（ハウジング通路）を介した排気温度は上昇するので、冷却通路出口を、第３排気通路１６の排気触媒よりも上流側に接続することにより、触媒における浄化効率を向上することができ、エミッションが改善される。
【００２６】
次に、図４を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。なお、第２実施形態の構成は冷却通路の接続位置に関わる構成のみが第１実施形態と異なるため、その他の構成についての説明を省略するとともに、同一の構成については同一参照符号を用いる。また、以下に説明する他の実施形態についても同様である。
【００２７】
第２実施形態のターボ過給システム３０では、図４に示されるように、第３排気通路１６上に排気絞り弁２６（圧力損失発生要素）が設けられている。第２実施形態において冷却通路２７の一端は、低圧段ターボ過給機１１のタービン１１Ｔの下流側であって、排気絞り弁２６の上流側の第３排気通路１６に接続され、他端は排気絞り弁２６の下流側に接続される。また、図４の例では、冷却通路バルブ２５が、冷却通路２７の排気絞り弁２６の上流側における第３排気通路１６との接続部と、タービン１２Ｔとの間に設けられる。
【００２８】
排気絞り弁２６の前後では絞り弁における圧力損失により下流側において圧力が低下するので、第１実施形態と同様に、排気バイパスバルブ１８が閉じた状態において、排気絞り弁２６の上流側との接続部における圧力Ｐｅ１と、排気絞り弁２６の下流側との接続部における圧力Ｐｅ２との差（排気絞り弁２６による圧力損失）が、冷却通路２４に係わる圧力損失（ｄＰｅ＋ｄＰｈ＋ｄＰｖ）よりも大きくなる条件の下で、冷却通路バルブ２５が開弁される。これにより、冷却通路の逆流を防止し、冷却通路において安定した排気の流れを作ることができる。
【００２９】
以上の構成により、第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第２実施形態では、低圧段ターボ過給機１１のタービン１１Ｔを介した排気を冷媒として用いているため、排気の温度は第１実施形態のものよりも低く、冷却効率を更に高めることができる。
【００３０】
次に図５を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態のターボ過給システム４０の構成は、第２実施形態の構成に、排気絞り弁２６（圧力損失発生要素）をバイパスする排気絞り弁バイパス通路２８を設けたもので、排気絞り弁バイパス通路２８上には、調圧機能を持つ逆支弁２９が設けられる。逆支弁２９は、排気絞り弁２６の上流側の圧力が下流側の圧力よりも所定値以上高いときにのみ開弁する弁であり、排気絞り弁２６の上流側圧力が過度に上昇することを防止する。なお、この所定値は冷却通路２４に係わる圧力損失（ｄＰｅ＋ｄＰｈ＋ｄＰｖ）の圧力差よりも大きい。
【００３１】
以上のように第３実施形態においても、第２実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、排気絞り弁２６上流側の過度の圧力上昇を防止できる。
【００３２】
図６は、本発明の第４実施形態のターボ過給システム、および冷却システムの構成を示すブロック図である。
【００３３】
第４実施形態のターボ過給システム５０では、第３排気通路１６上に第１排気触媒３１（圧力損失発生要素）、および第２排気触媒３２が直列に配置され、第１排気触媒３１は、第２排気触媒３２の上流側に配置される。冷却通路３３の一端は、低圧段ターボ過給機１１のタービン１１Ｔの下流側であって、第１排気触媒３１の上流側の第３排気通路１６に接続され、他端は第１排気触媒３１の下流側であって、第２排気触媒３２の上流側の第３排気通路１６に接続される。また、第２、第３実施形態と同様に、冷却通路バルブ２５は、冷却通路３３の第１排気触媒３１の上流側における接続部と、タービン１２Ｔとの間に設けられる。
【００３４】
第１排気触媒３１の前後では、第１排気触媒３１における圧力損失により、上流側圧力Ｐｅ１が下流側圧力Ｐｅ２よりも高いので、排気切換バルブ１８が閉じた状態において、圧力Ｐｅ１と、圧力Ｐｅ２との差（第１排気触媒３１における圧力損失）が、圧力損失（ｄＰｅ＋ｄＰｈ＋ｄＰｖ）よりも大きくなる条件の下で、冷却通路バルブ２５が開弁される。これにより、タービン１１Ｔと第１排気触媒３１との間の排気が冷媒として、高圧段ターボ過給機１２のタービン１２Ｔへと供給され、タービンハウジング１２Ｈの冷却が行なわれる。
【００３５】
以上のように、第４実施形態においても、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３６】
なお、本実施形態では、多段式のターボ過給システムを例として説明を行なったが、パラレルツインターボや、単独のターボ過給機においても、タービン下流の排気通路における圧力差を利用して、本発明の冷却システムを適用することができる。また、多段式ターボ過給システムには、例えばシリーズツインターボ過給システムやシーケンシャルツインターボ過給システムなどが含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１実施形態であるターボ過給システム、およびその冷却システムの構成を示すブロック図である。
【図２】タービンハウジングに設けられる冷却用通路の構成の一例を示すターボ過給機の断面図である。
【図３】タービンハウジングに設けられる冷却用通路の構成の別の一例を示すターボ過給機の断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態であるターボ過給システム、およびその冷却システムの構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第３実施形態であるターボ過給システム、およびその冷却システムの構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第４実施形態であるターボ過給システム、およびその冷却システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０、３０、４０、５０  ターボ過給システム
１１  低圧段ターボ過給機
１２  高圧段ターボ過給機
１１Ｃ、１２Ｃ  コンプレッサ
１１Ｔ、１２Ｔ  タービン
１３  内燃機関
１４  第１排気通路
１５  第２排気通路
１６  第３排気通路
１７  排気バイパス通路
１８  排気切換バルブ
２４、２７、３３  冷却通路
２５  冷却通路バルブ
２６  排気絞り弁
２８  排気絞り弁バイパス通路
２９  逆支弁
３１、３２  排気触媒
１２２、１２３  ハウジング通路
【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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