特許 6812856 過給機システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6812856

(24)【登録日】2020年12月21日

(45)【発行日】2021年1月13日

(54)【発明の名称】過給機システム

(51)【国際特許分類】

   F02B 39/00 20060101AFI20201228BHJP

   F02B 37/02 20060101ALI20201228BHJP

   F01D 25/24 20060101ALI20201228BHJP

【ＦＩ】

   F02B39/00 E

   F02B37/02 H

   F01D25/24 E

【請求項の数】1

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2017-46264(P2017-46264)

(22)【出願日】2017年3月10日

(65)【公開番号】特開2018-150842(P2018-150842A)

(43)【公開日】2018年9月27日

【審査請求日】2019年11月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100176245

【弁理士】

【氏名又は名称】安田 亮輔

(74)【代理人】

【識別番号】100133307

【弁理士】

【氏名又は名称】西本 博之

(72)【発明者】

【氏名】塩屋 貴之

(72)【発明者】

【氏名】森田 功

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 渉

【審査官】 篠原 将之

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６３−３０９７２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２８１１９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−０２９７２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表昭６０−５０１０１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０３−１２３９０６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／０２３０５８５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 独国特許出願公開第１０２００７０５７３１０（ＤＥ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｂ ３９／００

Ｆ０２Ｂ ３７／０２

Ｆ０１Ｄ ２５／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃機関と過給機とに接続された二系統の排気マニホールドを備えた過給機システムであって、
インペラの周囲に配置されると共に、流路断面の面積が異なる二つのスクロールを備え、
前記二つのスクロールのうち、流路断面の面積が大きい前記スクロールは、大スクロールであり、流路断面の面積が小さい前記スクロールは、小スクロールであり、
前記二系統の排気マニホールドのうち、流路長の長い経路は、前記大スクロールに接続されており、流路長の短い経路は、前記小スクロールに接続されており、
前記大スクロールは、シュラウド側スクロールであり、前記小スクロールは、ハブ側スクロールであり、
前記ハブ側スクロールの流路断面の図心から回転軸線までの距離は、前記シュラウド側スクロールの流路断面の図心から前記回転軸線までの距離よりも短く、前記ハブ側スクロールの流路長は、前記シュラウド側スクロールの流路長よりも短い、過給機システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、過給機を備えた過給機システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

インペラの周囲に二重のスクロールを配置したツインスクロールタービンを備えた過給機システムが知られている（各特許文献）。例えば、特許文献１に記載の過給機システムでは、４気筒エンジンに接続された二系統のエキゾーストマニホールドが各スクロールに接続されている。エキゾーストマニホールドを通過した排ガスは、インペラに回転力を付与しながらインペラを通過し、排出流路から排出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第５９２２４０２号公報

【特許文献2】特開２００４−６８６３１号公報

【特許文献3】特開２００９−１５０３９３号公報

【特許文献4】特表２０１１−５１３６５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

二系統のエキゾーストマニホールドがツインスクロールタービンの各スクロールに接続された態様の場合、各系統での排気抵抗差が大きいとエンジン排圧のばらつきが大きくなり、過給性能を低下させる可能性がある。しかしながら、従来において、エンジン排圧のばらつきを低減するという観点で、エキゾーストマニホールドとスクロールとの接続関係に着目した技術は無かった。

【0005】

本発明は、エンジン排圧のばらつきを低減して過給性能の低下を低減する過給機システム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】

本発明の一態様は、内燃機関と過給機とに接続された二系統の排気マニホールドを備えた過給機システムであって、インペラの周囲に配置されると共に、流路断面の面積が異なる二つのスクロールを備え、二つのスクロールのうち、流路断面の面積が大きいスクロールは、大スクロールであり、流路断面の面積が小さいスクロールは、小スクロールであり、二系統の排気マニホールドのうち、流路長の長い経路は、大スクロールに接続されており、流路長の短い経路は、小スクロールに接続されている。

【0007】

従来、二つのスクロールの流路断面の面積差に配慮して二系統の排気マニホールドの各経路を接続し、その結果、過給性能の低下を抑制するという着想は無かった。ここで、本発明の一態様における大スクロールは、小スクロールに比べて排気抵抗は小さく、また、流路長の長い排気マニホールドは、流路長の短い排気マニホールドに比べて排気抵抗は大きい。そして、排気抵抗の大きい側の排気マニホールドは、排気抵抗の小さい側の大スクロールに接続され、排気抵抗の小さい側の排気マニホールドは、排気抵抗の大きい側の小スクロールに接続されているので、両方の系統でのエンジン排圧のばらつきは減り、過給性能の低下を低減できる。

【0008】

いくつかの態様において、大スクロールは、シュラウド側スクロールであり、小スクロールは、ハブ側スクロールとすることができる。インペラの回転軸を支持する軸受ハウジング等との関係を考慮すると、ハブ側スクロールよりもシュラウド側スクロールの方が流路面積を拡大させ易く、比較的設計の自由度が増す。

【0009】

上記の態様において、ハブ側スクロールは、シュラウド側スクロールよりもインペラの回転軸線回りの流路長が短い態様とすることができる。ハブ側スクロールは小スクロールであり、設計上、ハブ側スクロールの排気抵抗は、シュラウド側スクロールの排気抵抗よりも大きくなる。ここで、ハブ側スクロールの流路長がシュラウド側スクロールの流路長よりも短ければ、程度にもよるが、ハブ側スクロールとシュラウド側スクロールとの間で生じる排気抵抗差は小さくなる。つまり、排気マニホールドの流路長の異なる二系統の経路間で生じる排気抵抗差が小さい場合に、この排気抵抗差を吸収して過給性能の低下を低減する上で最適化を図り易くなる。

【0010】

上記の態様において、シュラウド側スクロールは、ハブ側スクロールよりもインペラの回転軸線回りの流路長が短い態様とすることができる。シュラウド側スクロールは大スクロールであり、設計上は、シュラウド側スクロールの排気抵抗は、ハブ側スクロールの排気抵抗よりも小さくなる。ここで、シュラウド側スクロールの流路長がハブ側スクロールの流路長よりも短ければ、程度にもよるが、ハブ側スクロールとシュラウド側スクロールとの間で生じる排気抵抗差は大きくなる。つまり、排気マニホールドの流路長の異なる二系統の経路間で生じる排気抵抗差が大きい場合に、この排気抵抗差を吸収して過給性能の低下を低減する上で最適化を図り易くなる。

【発明の効果】

【0011】

本発明のいくつかの態様によれば、エンジン排圧のばらつきを低減して過給性能の低下を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施形態に係る過給機システムを模式的に示す図である。

【図2】第１実施形態に係るツインスクロールタービンであり、回転軸線に沿った平面でツインスクロールタービンを切断した場合の模式的な断面図である。

【図3】シュラウド側スクロール及びハブ側スクロールの各流路断面の図心から回転軸線までの距離を模式的に示す図である。

【図4】ハブ側スクロール、及びシュラウド側スクロールを回転軸線に略直交する面で切断した断面図であり、（ａ）図はハブ側の断面図であり、（ｂ）図はシュラウド側の断面図である。

【図5】第２実施形態に係るツインスクロールタービンであり、シュラウド側スクロール及びハブ側スクロールの各流路断面の図心から回転軸線までの距離を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

【0014】

過給機２は、例えば、船舶や車両等の過給機システム１に組み込まれて適用される。図１に示されるように、例えば、４気筒（多気筒）のエンジン（内燃機関）Ｅの過給機システム１は、エンジンＥの各気筒Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃ，Ｅｄに吸入空気を分配するためのインテークマニホールド３と、各気筒Ｅａ〜Ｅｄの排気ポートに接続され、各排気ポートから排出された排ガスＧを二系統に集約して排出するエキゾーストマニホールド（排気マニホールド）４と、を備えている。また、過給機２は、吸入経路１ａを介してインテークマニホールド３に接続されたコンプレッサ５と、エキゾーストマニホールド４に接続されたツインスクロールタービン６とを備えている。コンプレッサ５とインテークマニホールド３とを接続する吸入経路１ａには、インタークーラーやスロットルバルブ等が配置されている。

【0015】

コンプレッサ５は、コンプレッサハウジング５ａと、コンプレッサハウジング５ａに収納されたコンプレッサ翼車５ｂと、を備え、ツインスクロールタービン６は、タービンハウジング７と、タービンハウジング７に収納されたタービン翼車（インペラ）８とを備えている。タービン翼車８は回転軸２１の一方の端部に設けられており、コンプレッサ翼車５ｂは回転軸２１の他方の端部に設けられている。タービンハウジング７とコンプレッサハウジング５ａとの間には、軸受ハウジング９が設けられている。回転軸２１は、軸受を介して軸受ハウジング９に回転可能に支持されており、回転軸２１、コンプレッサ翼車５ｂ及びタービン翼車８が一体の回転体として回転軸線Ｘを中心に回転する。

【0016】

コンプレッサハウジング５ａには、吸入部５ｃ及び排出部５ｄが設けられている。タービン翼車８が回転すると、回転軸２１を介してコンプレッサ翼車５ｂが回転する。回転するコンプレッサ翼車５ｂは、吸入部５ｃを通じて空気等の外部の流体（流体）を吸入し、圧縮して排出部５ｄから排出する。排出部５ｄから排出された圧縮流体は、吸入経路１ａ及びインテークマニホールド３を介してエンジンＥに供給される。

【0017】

タービンハウジング７は、エキゾーストマニホールド４の二つの経路４１，４２のそれぞれに接続された二つの排ガス導入流路７ａ，７ｂと、タービン翼車８を通過した排ガスＧ（流体）が流出する排ガス排出流路７ｃと、を備えている。エンジンＥから排出された排ガスＧは、エキゾーストマニホールド４を通過してタービンハウジング７内に流入し、タービン翼車８を回転させ、その後、排ガス排出流路７ｃを通過してタービンハウジング７外に流出する。なお、タービンハウジング７には、各排ガス導入流路７ａ，７ｂと排ガス排出流路７ｃとをバイパスする二つのバイパス流路、及びバイパス流路の出口を開閉して流量を調整するウエストゲートバルブが設けられている。

【0018】

図１、図２、及び図４に示されるように、タービンハウジング７には、タービン翼車８の周囲に配置され、各排ガス導入流路７ａ，７ｂに接続された二つのスクロール１１，１２が設けられている。二つのスクロール１１，１２は、それぞれノズル１３を介してタービン翼車８の収容室内に連通し、タービン翼車８の収容室は排ガス排出流路７ｃに連通している。二つのスクロール１１，１２は、回転軸線Ｘ方向において、互いに重なるように設けられており、回転軸２１の軸受ハウジング９側（コンプレッサ５側）のスクロールは、ハブ側スクロール１１であり、反対側のスクロールはシュラウド側スクロール１２である。なお、ハブ側スクロールはリア側スクロール、シュラウド側スクロールはフロント側スクロールと呼ばれることもある。

【0019】

ハブ側スクロール１１とシュラウド側スクロール１２とは、基本的な形態は共通するので、ハブ側スクロール１１を代表して説明する。ハブ側スクロール１１は、タービン翼車８の回転方向に沿うように略螺旋状の曲線を描き、排ガスＧの流れ方向を基準にした場合の上流側から下流側にかけて漸次縮径した流路を形成している。ハブ側スクロール１１の下流端は、再び上流側に接続され、排ガスＧの再循環流を形成する合流部になっている。本実施形態において、合流部を形成する開口のうち、最も上流側となる一部分は舌部１１ａである。舌部１１ａが設けられた部位は、ハブ側スクロール１１の入口部分である。

【0020】

ハブ側スクロール１１の流路断面のうち、舌部１１ａを通る仮想の平面で切断した場合の流路断面はハブ側スクロール１１の入口部分の流路断面である。より詳細に説明すると、微視的には舌部１１ａは曲面を有する部位であり、舌部１１ａに接する接平面を仮定し、その接平面上に投影されるハブ側スクロール１１の流路断面を想定した場合に、面積が最も小さくなる流路断面はハブ側スクロール１１の入口部分の流路断面である。ハブ側スクロール１１の入口部分の流路断面は、ハブ側スクロール１１の流路断面を代表する流路断面（ハブ側代表断面）Ｓａである（図３参照）。

【0021】

シュラウド側スクロール１２についても、ハブ側スクロール１１と同様に考えることができ、舌部１２ａに接する接平面を仮定し、その接平面上に投影されるシュラウド側スクロール１２の流路断面を想定した場合に、面積が最も小さくなる流路断面はシュラウド側スクロール１２の入口部分の流路断面である。シュラウド側スクロール１２の入口部分の流路断面は、シュラウド側スクロール１２の流路断面を代表する流路断面（シュラウド側代表断面）Ｓｂである（図３参照）である。

【0022】

ハブ側代表断面Ｓａとシュラウド側代表断面Ｓｂとを比較した場合に、本実施形態では、ハブ側代表断面Ｓａの面積の方が、シュラウド側代表断面Ｓｂの面積よりも小さい。なお、ハブ側代表断面Ｓａとシュラウド側代表断面Ｓｂとを比較して得られる双方の相関性は、他の部分の流路断面同士、例えば、舌部１１ａ，１２ａを基準にして同じ回転角だけずらした位置での流路断面同士を比較した場合にも同様の結論が導かれる。つまり、本実施形態において、ハブ側スクロール１１の流路断面の面積は、シュラウド側スクロール１２の流路断面の面積よりも小さい。

【0023】

次に、図３及び図４を参照し、ハブ側スクロール１１及びシュラウド側スクロール１２の回転軸線Ｘ回りの流路長について説明する。この流路長とは、回転軸線Ｘを含む平面でハブ側スクロール１１及びシュラウド側スクロール１２を切断した場合の流路断面の図心Ｃａ、Ｃｂを、入口部分から回転軸線Ｘ回り方向に沿って下流端まで連続的に結んだ曲線の長さを意味する。

【0024】

ここで、本実施形態におけるハブ側スクロール１１及びシュラウド側スクロール１２の流路長を比較する。ハブ側スクロール１１の流路断面の図心Ｃａから回転軸線Ｘまでの距離Ｌａは、シュラウド側スクロール１２の流路断面の図心Ｃｂから回転軸線Ｘまでの距離Ｌｂよりも短い（図３参照）。その結果、ハブ側スクロール１１の流路長は、シュラウド側スクロール１２の流路長よりも短くなっている。

【0025】

ここで、本実施形態に係るハブ側スクロール１１とシュラウド側スクロール１２との関係について整理する。ハブ側スクロール１１は、流路断面の面積が小さい側の小スクロールであり、シュラウド側スクロール１２は、流路断面の面積が大きい側の大スクロールである。また、ハブ側スクロール１１の流路長は、シュラウド側スクロール１２の流路長よりも短くなっている。

【0026】

流路断面の面積差を基準に考えた場合、流路断面の面積が小さい側のハブ側スクロール１１（小スクロール）の方が、流路断面の面積が大きい側のシュラウド側スクロール１２（大スクロール）に比べて排気抵抗は大きくなる。また、流路長を基準に考えた場合、流路長が短い側のハブ側スクロール１１の方が、シュラウド側スクロール１２に比べて排気抵抗は小さくなる。しかしながら、排気抵抗への影響、つまり優先的に寄与する機能は、流路長差よりも流路断面の面積差の方が大きいと考えられる。従って、程度の差はあるものの、本実施形態ではハブ側スクロール１１（小スクロール）の方が、シュラウド側スクロール１２（大スクロール）に比べて排気抵抗は大きくなる。

【0027】

各排ガス導入流路７ａ，７ｂは、上述の通り、それぞれハブ側スクロール１１またはシュラウド側スクロール１２に接続されている。より詳細に説明すると、各排ガス導入流路７ａ，７ｂは、実質的に同一の流路断面積からなる入口を備え、この入口が、それぞれエキゾーストマニホールド４の各経路４１、４２に接続されている。また、各排ガス導入流路７ａ，７ｂの出口は、それぞれハブ側スクロール１１またはシュラウド側スクロール１２に接続されている。なお、各排ガス導入流路７ａ，７ｂにおける排気抵抗差は、各経路４１、４２の流路長差に比べ、無視できる程度に小さいと考えられる。

【0028】

図１及び図２に示されるように、エキゾーストマニホールド４は、第１系統である経路４１と、第２系統である経路４２との二つの系統を備えている。経路４１は、規則的（略一列）に並ぶ四つ（複数）の気筒Ｅａ〜Ｅｄのうち、内側の複数の気筒Ｅｂ、Ｅｃの排気ポートに接続され、経路４２は、外側の複数の気筒Ｅａ、Ｅｄの排気ポートに接続されている。

【0029】

経路４１は、気筒Ｅｂ、Ｅｃの各排気ポートに接続されたヘッダーパイプ４１ａと、ヘッダーパイプ４１ａが合流して一つの管路となるコレクター４１ｂとを備える。コレクター４１ｂは、排ガス導入流路７ａを介してハブ側スクロール１１に接続されている。経路４２は、気筒Ｅａ、Ｅｄの各排気ポートに接続されたヘッダーパイプ４２ａと、ヘッダーパイプ４２ａが合流して一つの管路となるコレクター４２ｂとを備える。コレクター４２ｂは、排ガス導入流路７ｂを介してシュラウド側スクロール１２に接続されている。経路４１の流路長は、経路４２の流路長よりも短くなっている。なお、経路４１の流路長は、ヘッダーパイプ４１ａやコレクター４１ｂ等の長さの合計長さであり、経路４２の流路長は、ヘッダーパイプ４２ａやコレクター４２ｂ等の長さの合計長さである。

【0030】

本実施形態において、経路４１の流路断面の面積と経路４２の流路断面の面積との差は、流路長差に比べて小さく、少なくとも流路断面の面積差に起因して生じる排気抵抗差を吸収できる程度の差は無く、両方の流路断面の面積は実質的に同一である。つまり、経路４１と経路４２との間で生じる排気抵抗差は、主体的に流路長差に起因して生じるため、本実施形態では、経路４１で生じる排気抵抗は、経路４２で生じる排気抵抗よりも小さくなっている。なお、経路４１の流路長が経路４２の流路長よりも短くなる形態であれば、エンジンＥの各排気ポートとの接続形態として様々な変形形態を含んで構成することができる。

【0031】

本実施形態において、上記の関係を満たすことによって享受できる作用、効果について説明する。まず、エンジンＥからの排ガスＧは、エキゾーストマニホールド４の各経路４１，４２を交互に通過し、ツインスクロールタービン６の排ガス導入流路７ａまたは排ガス導入流路７ｂに導入される。排ガス導入流路７ａ及び排ガス導入流路７ｂに導入された排ガスＧは、それぞれハブ側スクロール１１またはシュラウド側スクロール１２を交互に流れ、タービン翼車８を回転させた後、排ガス排出流路７ｃから排出される。

【0032】

ここで、本実施形態では、排気抵抗が大きい側のハブ側スクロール１１に、排気抵抗が小さい側のエキゾーストマニホールド４の経路４１が接続され、排気抵抗が小さい側のシュラウド側スクロール１２に、排気抵抗が大きい側の経路４２が接続されている。その結果、両方の排気系統での排気抵抗差は小さくなり、エンジン排圧（「エンジン背圧」ともいう）のばらつきは減り、過給性能の低下を低減できる。

【0033】

また、本実施形態では、ハブ側スクロール１１は小スクロールであり、シュラウド側スクロールは大スクロールである。タービン翼車８の回転軸２１を支持する軸受ハウジング９等との関係を考慮すると、ハブ側スクロール１１よりもシュラウド側スクロール１２の方が流路面積を拡大させ易く、比較的設計の自由度が増す。

【0034】

また、小スクロールであるハブ側スクロール１１の方が、設計上は、シュラウド側スクロール１２の排気抵抗よりも大きくなるが、一方で、ハブ側スクロール１１の流路長はシュラウド側スクロール１２の流路長よりも短いため、ハブ側スクロール１１とシュラウド側スクロール１２との間で生じる排気抵抗差は小さくなる。つまり、流路長の異なる二系統の経路４１，４２で生じる排気抵抗差が小さい場合に、この排気抵抗差を吸収して過給性能の低下を低減する上で最適化を図り易くなる。

【0035】

次に、第２本実施形態に係る過給機システムについて図５を参照して説明する。なお、第２本実施形態に係る過給機システムは、第１本実施形態と同様の要素や構造を備えているため、同様の要素や構造については同一の符号を付して詳細な説明を省略し、実質的な相違点を中心に説明する。

【0036】

本実施形態において、ハブ側スクロール１１Ａの流路断面Ｓｃの面積は、シュラウド側スクロール１２Ａの流路断面Ｓｄの面積よりも小さい。また、ハブ側スクロール１１Ａの流路長は、シュラウド側スクロール１２Ａの流路長よりも長い。具体的には、ハブ側スクロール１１Ａの流路断面の図心Ｃｃから回転軸線Ｘまでの距離Ｌｃは、シュラウド側スクロール１２Ａの流路断面の図心Ｃｄから回転軸線Ｘまでの距離Ｌｄよりも長い。その結果、ハブ側スクロール１１Ａの流路長は、シュラウド側スクロール１２Ａの流路長よりも長くなっている。

【0037】

ここで、本実施形態では、排気抵抗が大きい側のハブ側スクロール１１Ａに、排気抵抗が小さい側のエキゾーストマニホールド４の経路４１が接続され、排気抵抗が小さい側のシュラウド側スクロール１２Ａに、排気抵抗が大きい側の経路４２が接続されている。その結果、両方の排気系統での排気抵抗差は小さくなり、エンジン排圧のばらつきは減り、過給性能の低下を低減できる。

【0038】

また、本実施形態では、小スクロールであるハブ側スクロール１１Ａの流路長の方が、大スクロールであるシュラウド側スクロール１２Ａの流路長よりも長いため、ハブ側スクロール１１Ａとシュラウド側スクロール１２Ａとの間で生じる排気抵抗差は大きくなる。つまり、流路長の異なる二系統の経路４１，４２で生じる排気抵抗差が大きい場合に、この排気抵抗差を吸収して過給性能の低下を低減する上で最適化を図り易くなる。

【0039】

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、各実施例の変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

【0040】

また、本発明は、自動車用過給機に適用されるものに限定されず、船舶その他に適用されてもよい。

【符号の説明】

【0041】

１ 過給機システム
２ 過給機
４ エキゾーストマニホールド（排気マニホールド）
４１、４２ 経路
８ タービン翼車（インペラ）
１１、１１Ａ ハブ側スクロール
１２、１２Ａ シュラウド側スクロール
Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄ 流路断面
Ｅ エンジン（内燃機関）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】