JP2009243277A - タービンハウジング冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】車両用エンジンのターボチャージャに適したタービンハウジング冷却システムを提供する。
【解決手段】冷却通路３６が設けられたタービンハウジング３４を備える車両用エンジン１０のターボチャージャ１８において、冷却通路３６を循環する冷却媒体の流量を変更する流量変更手段４２と、冷却媒体の温度及びエンジンの運転状態に基づいて、チップクリアランス３５が所定範囲内になるように、流量変更手段４２による冷却媒体の流量を制御する冷却媒体流量制御手段６０とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、タービンハウジング冷却システム、特に、車両用エンジンに備えられたターボチャージャのタービンハウジング冷却システムに関する。

一般にガスタービンでは、タービンを構成する動翼の先端すなわちチップとタービンハウジングの内壁面との間の隙間（これは、一般にチップクリアランスと呼ばれている）は、タービンの効率を左右する重要な要因であることが知られている。このチップクリアランスは、タービンの効率を高めるためには極力小さい方が望ましいとされている。

そこで、特許文献１には、ガスタービンの動翼先端に対向する翼環内に冷却通路を設け、この冷却通路に、補助ボイラと蒸気タービンのボトミング系からの蒸気供給源とを接続して蒸気を流すことで翼環を冷却し、冷却後の蒸気を回収することによって、動翼先端と対向する翼環とのチップクリアランスを低減させるようにした技術が提案されている。

また、特許文献２には、タービン動翼及びケーシングを冷却空気で冷却し、メタル温度に応じて冷却空気量を制御することにより、タービンチップクリアランスを所定の範囲に制御するようにした技術が提案されている。

さらに、特許文献３には、車両用エンジンにおけるターボチャージャからの高熱により、電動発電機のような周辺機器の磁石が消滋されるのを防止するために、排気タービンのハウジングを二重壁として、エンジン停止時にその空間に冷却媒体を流すようにした技術が提案されている。

特開２００１−２４８４０６号公報 特開２００４−１９５４９号公報 特開２００４−８４４８０号公報

しかしながら、特許文献１又は２に提案されているチップクリアランスの制御技術は定置式の発電用ガスタービンのためのものであって、タービン効率のみを追求して常にチップクリアランスが最小となるように制御しており、これを車両用エンジンのターボチャージャにそのまま適用することは困難である。何故ならば、車両用エンジンにおいては、エンジンに求められる出力要求が車両の加減速を含む走行状態の変化に応じて大幅に変化するので、この出力要求に対応してチップクリアランスを制御するのが好ましいからである。

また、タービン効率を追求してチップクリアランスが極力小さくなるようにタービンハウジングを冷却制御すると、タービンハウジングの過冷却に起因して、タービン動翼の先端とタービンハウジング内壁とが接触するおそれがある。このような接触が一旦生じると、高速で回転しているタービンは直ちに破損に至ることになるので、かかる事態は確実に回避されねばならない。

そこで、本発明の目的は、かかる従来の問題を解消し、車両用エンジンのターボチャージャに適したタービンハウジング冷却システムを提供することにある。

上記目的を達成する本発明の一形態になるタービンハウジング冷却システムは、冷却通路が設けられたタービンハウジングを備える車両用エンジンのターボチャージャにおいて、該冷却通路を循環する冷却媒体の流量を変更する流量変更手段と、前記冷却媒体の温度及び前記エンジンの運転状態に基づいて、チップクリアランスが所定範囲内になるように、前記流量変更手段による冷却媒体の流量を制御する冷却媒体流量制御手段と、を備えることを特徴とする。

上記本発明の一形態に係るタービンハウジング冷却システムよれば、冷却媒体の温度及びエンジンの運転状態に基づいて、流量変更手段によるタービンハウジングの冷却通路を循環する冷却媒体の流量が、チップクリアランスが所定範囲内になるように、冷却媒体流量制御手段によって制御される。かくて、エンジンの運転状態に応じて変化するタービンハウジングの温度に対応して、所定の温度の冷却媒体の流量が、チップクリアランスが所定範囲内になるように制御されるので、タービン効率が高く維持される。したがって、車両用エンジンのターボチャージャに適したタービンハウジング冷却システムを得ることができる。

ここで、前記エンジンへの加減速要求を検出する加減速要求検出手段と、該加減速要求検出手段により検出された加速要求又は減速要求に応じて、前記冷却媒体流量制御手段による目標冷却媒体流量値を補正する補正手段と、をさらに備えることが好ましい。

この形態によれば、加減速要求検出手段により検出されたエンジンへの加速要求又は減速要求に応じて、目標冷却媒体流量値が補正される。かくて、エンジンへの加速要求の場合には目標冷却媒体流量値が増大するように補正され、逆に、エンジンへの減速要求の場合には目標冷却媒体流量値が減少するように補正されるようにすることができる。したがって、エンジンの出力が要求される加速要求時に、目標冷却媒体流量値が増大される結果として冷却媒体の流量が増大されて、タービンハウジングの熱膨張が抑制されるので、チップクリアランスをさらに小さくしてタービン効率を高め、加速要求に応じたエンジンの出力を速やかに得ることができる。

また、前記冷却媒体は、冷却水であり畜熱タンクに貯蔵されていてもよい。

この形態によれば、エンジン冷却水と共用することも可能で、廉価に構成することができる。また、畜熱タンクに貯蔵された温水をエンジンの冷間始動時などに用いることができ、エンジンの暖機を促進することができる。

さらに、前記加減速要求検出手段は、アクセル開度を検出するものであってもよい。

この形態によれば、簡単にエンジンへの加減速要求を検出することができる。

以下添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明が適用されるターボチャージャを備えたエンジンのタービンハウジング冷却システムの概要を示すシステム図であり、１０はエンジン本体である。

エンジン１０の吸気系として、吸気ポートに吸気マニホルド１２が連通され、この吸気マニホルド１２に各気筒の吸気通路が集合するサージタンク１４を介してスロットル弁が介装されたスロットルチャンバ１６が連通されている。スロットル弁は不図示のスロットルモータによって駆動される。そして、スロットルチャンバ１６の上流の吸気通路にターボチャージャ１８のコンプレッサ２０が設けられている。さらに、吸気通路の上流端にはエアクリーナが設けられ、その下流に吸入空気流量を計測するエアフローメータ１９が設けられている。そして、各気筒の吸気ポートの直上流には、不図示の燃料噴射弁が配設され、また、シリンダヘッドの気筒毎に不図示の点火プラグが配設されている。

一方、エンジン１０の排気系としては、排気ポートに連通する排気マニホルド２２により排気が合流され、排気マニホルド２２に排気通路が接続されている。そして、排気通路にターボチャージャ１８のタービン３０が介装されている。ターボチャージャ１８は、タービン３０に流入する排気のエネルギーによりコンプレッサ２０を回転駆動して、空気を吸入、加圧して過給するものであり、過給圧制御装置として、例えば、タービン３０の入口側と出口側とを連通するバイパス通路にウエストゲート弁を有している。このウエストゲート弁は、例えば、直流モータ等の電動アクチュエータからなるウエストゲート弁作動用アクチュエータにより駆動されて、その「全閉」、「全開」およびそれらの間の中間位置をとることができる。

ここで、本実施の形態によるタービン３０を、図２を参照してさらに説明する。本実施の形態によるタービン３０においては、シャフト３１を介してコンプレッサ２０のインペラに連結されるタービンロータ３２にタービン動翼３３が形成され、タービンハウジング３４内に回転自在に収容されている。そして、このタービン動翼３３の先端とタービンハウジング３４の内壁面との間にチップクリアランス３５が形成されている。さらに、このチップクリアランス３５を形成するタービンハウジング３４の壁内に環状の冷却通路３６が形成されている。なお、図示の本実施形態においては、タービンハウジング３４の内壁面に沿う形態で２個の環状の冷却通路３６Ａ、３６Ｂが形成されているが、この環状の冷却通路３６Ａ、３６Ｂは、それぞれ独立の２つの通路であっても、螺旋状に連続された１つの通路であってもよい。この内壁面に沿う形態で複数個の冷却通路３６を設けるのは、タービン動翼３３の先端に沿って形成されるチップクリアランス３５を全体に亘り均一に制御するためであり、冷却通路３６の個数は制限されない。

ここで、再度、図１に戻って説明すると、冷却通路３６には冷却媒体循環路４０が連通されている。そして、冷却媒体循環路４０は冷却媒体を畜熱して貯蔵する畜熱タンク４１にも連通されており、さらに、冷却媒体循環路４０には畜熱タンク４１に貯蔵されている冷却媒体を吸引し、冷却通路３６に流量を制御しつつ供給するポンプ４２が設けられている。なお、４３は冷却媒体循環路４０内における冷却媒体の温度を検出する冷却媒体温度センサである。

また、エンジン１０には、エンジン１０の回転数を求めるためのクランク角センサ５０や負荷（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ５１が設けられている。さらに、エンジン１０の冷却水温を検出する不図示の水温センサや過給圧を制御するのに用いられる不図示の圧力センサおよび排気ガス中の酸素濃度に基づき燃焼室内の混合気の空燃比を検出する不図示の空燃比センサ等が設けられ、上述のセンサと共に、これらの各種センサの出力がマイクロコンピュータ等で構成される電子制御ユニット（ＥＣＵ）６０に送られるようになっている。

ＥＣＵ６０は、各センサから送られてきた出力値に応じて、燃料噴射量、点火時期、過給圧等を制御する。なお、燃料噴射量、点火時期、過給圧等の制御のために使用される制御値は、例えば縦軸にエンジンの負荷をとり、横軸にエンジン回転数をとったエンジン１０の運転状態を表すマップに、エンジン１０の要求特性等に合わせて実験的に求めた最適値が制御値として設定されており、これらのマップはＥＣＵ６０のテーブルに保存されている。

ここで、上述の構成になる、冷却通路３６が設けられたタービンハウジング３４を有するターボチャージャ１８付の車両用エンジン１０において実行されるチップクリアランス制御の一例を、図３のフローチャート並びに図４及び図５のグラフを用いて説明する。なお、このチップクリアランス制御はエンジン１０の作動中において、所定の周期で実行される。

まず、実際のチップクリアランス制御を説明する前に、エンジン１０の運転状態に応じて変化する排気ガス温度に大きな影響を与えるエンジン１０の出力ＰＳとターボチャージャ１８のタービンハウジング３４の温度Ｔｈｔとの関係、及び、エンジン１０の出力ＰＳとこのタービンハウジング温度Ｔｈｔを得るための、温度Ｔｗの冷却媒体の流量Ｇｃとの関係について、図４及び図５のグラフを用いて説明する。

ここで、図４のグラフは、エンジン出力ＰＳとタービンハウジング３４の温度Ｔｈｔとの関係を説明すべく、エンジン出力ＰＳ（排気ガス温度）を横軸に、タービンハウジングの温度Ｔｈｔを縦軸に取ったものであり、エンジン出力ＰＳの増大につれてタービンハウジングの温度Ｔｈｔが上昇する様子が示されている。ここで、上側の曲線aは、所定のタービン効率を得るべくチップクリアランス３５を所定値ｄにするための目標タービンハウジング温度Ｔｈｔtgtを表している。一方、下側の曲線bは、チップクリアランス３５がゼロであり、これを超えてタービンハウジングの温度Ｔｈｔが低下されるとチップが接触してしまう、すなわち、タービンハウジング温度Ｔｈｔの最小値Ｔｈｔminを表している。このグラフから、エンジン出力ＰＳ（排気ガス温度）が変化するのに伴いタービンハウジング温度Ｔｈｔも変化すること、及び、タービンハウジング温度Ｔｈｔをその最小値Ｔｈｔmin以下に低下させると、チップの接触が生じ得ることが理解される。

次に、図５のグラフは、エンジン出力ＰＳ（排気ガス温度）を横軸に、冷却媒体の流量Ｇｃを縦軸に取ったものであり、図４に示すタービンハウジング温度Ｔｈｔを得るために、冷却媒体循環路４０延いてはタービンハウジング３４の冷却通路３６に流されるべき冷却媒体の流量Ｇｃとエンジン出力ＰＳとの関係を示している。ここで、下側の曲線aaは、上述のチップクリアランス３５を所定値ｄにする目標タービンハウジング温度Ｔｈｔtgtを得るための目標冷却媒体流量Ｇｃtgtを表している。一方、上側の曲線bbは、これを超えて冷却媒体の流量Ｇｃが増大されるとタービンハウジング３４が過冷却されてチップクリアランス３５がゼロとなりチップが接触してしまう、すなわち、冷却媒体流量Ｇｃの最大値Ｇｃmaxを表している。

なお、上述のエンジン出力ＰＳに対する目標タービンハウジング温度Ｔｈｔtgtを得るための目標冷却媒体流量Ｇｃtgtの具体的な制御値は、後述する冷却媒体の温度Ｔｗにそれぞれ対応させて予め実験などにより求められ、ＥＣＵ６０にマップとして保管されている。

そこで、まず、エンジン１０の始動などに伴って制御がスタートされるステップＳ３０１においては、チップクリアランス制御は停止（ＯＦＦ）され、冷却媒体の流量Ｇｃが最小流量Ｇｃminに維持される。すなわち、ＥＣＵ６０からの指令により、ポンプ４２からの吐出量が最小流量Ｇｃminとなるようにポンプ４２が制御されるのである。そして、次のステップＳ３０２に進み、チップクリアランス制御が可能か否か判定される。具体的には、冷却媒体温度センサ４３の検出により、冷却媒体循環路４０内における冷却媒体の温度Ｔｗが、チップクリアランス制御が可能な最低冷却媒体温度Ｔｗｓを超えているか否かが判定される。冷却媒体温度Ｔｗが最低冷却媒体温度Ｔｗｓを超えていないとき、すなわち「Ｎｏ」のときは、再度、ステップＳ３０１に戻る。冷却媒体温度Ｔｗが最低冷却媒体温度Ｔｗｓを超えていない場合には、上述のようにタービンハウジング３４が過冷却されてチップが接触してしまうおそれがあるからである。

一方、ステップＳ３０２において、冷却媒体温度Ｔｗが最低冷却媒体温度Ｔｗｓを超えていると判定されたとき、すなわち「Ｙｅｓ」のときはステップＳ３０３に進み、チップクリアランス制御が開始（ＯＮ）される。

このチップクリアランス制御では、冷却媒体の流量Ｇｃが現在のエンジン出力ＰＳに応じ、Ｇｃ＝ｆ（ＰＳ）として目標冷却媒体流量Ｇｃtgtとなるように制御される。すなわち、上述のようにエンジン出力ＰＳに対し冷却媒体の温度Ｔｗにそれぞれ対応させてマップとして保管されている目標冷却媒体流量Ｇｃtgtの制御値が設定され、これに合わせてポンプ４２が制御されるのである。なお、この現在のエンジン出力ＰＳは、エアフローメータ１９の検出信号により求められる吸入空気量Ｇａ及びクランク角センサ５０の検出信号により求められるエンジン回転数Ｎｅに基づいて、ＥＣＵ６０にて演算により求められる。ここで、本実施の形態においては、冷却媒体の流量Ｇｃが大気温度Ｔｏを増減要素とし、Ｇｃ＝ｆ（ＰＳ、Ｔｏ）として補正されている。すなわち、大気温度Ｔｏが基準温度より高いときはタービンハウジング３４からの熱放射も少なくなると考えられるので、この場合には冷却媒体流量Ｇｃを、目標冷却媒体流量Ｇｃtgtを基本として増量補正し、大気温度Ｔｏが基準温度より低いときは減量補正するのである。

次に、ステップＳ３０４においては、エンジン１０への所定値を超える加速要求があったか否かが判定される。具体的には、アクセル開度センサ５１からの信号に基づき、アクセルペダルの踏込み量が所定量を超えたか否かが判定される。この加速要求が所定値を超えないときはステップＳ３０３に戻り、上述の現在のエンジン出力ＰＳに応じたチップクリアランス制御が継続される。一方、加速要求が所定値を超えるときはステップＳ３０５に進み、加速要求補正が行なわれる。具体的には、目標冷却媒体流量値が増大するように補正される。換言すると、冷却媒体の流量Ｇｃが、その目標値を（目標冷却媒体流量Ｇｃtgt＋α）に増大補正されて、Ｇｃ＝ｆ（ＰＳ）＋αとして目標冷却媒体流量Ｇｃtgt＋αとなるように制御されるのである。この様子を図５を参照して説明すると、チップクリアランス３５を所定値ｄにするべく下側の曲線aaで表される目標冷却媒体流量Ｇｃtgtに沿って制御されていた状態から、冷却媒体流量Ｇｃがα分増大される（図５に、↑＋αとして示されている）。

このようにすると、エンジン１０の出力増大が要求される加速要求時に、目標冷却媒体流量値が増大される結果として冷却媒体の流量Ｇｃが増大されて、タービンハウジング３４の熱膨張が抑制されるので、チップクリアランス３５をさらに小さくしてタービン効率を高め、加速要求に応じたエンジン１０の出力を速やかに得ることができる。

そして、ステップＳ３０６においては、エンジン１０への所定値を超える減速要求があったか否かが判定される。具体的には、アクセル開度センサ５１からの信号に基づき、アクセルペダルの踏込みが解放されたか否かが判定される。この減速要求が所定値を超えないときはステップＳ３０３に戻り、上述の現在のエンジン出力ＰＳに応じたチップクリアランス制御が継続される。一方、減速要求が所定値を超えるときはステップＳ３０７に進み、減速要求補正が行なわれる。具体的には、目標冷却媒体流量値が減少するように補正される。換言すると、冷却媒体の流量Ｇｃが、その目標値を（目標冷却媒体流量Ｇｃtgt−β）に減少補正されて、Ｇｃ＝ｆ（ＰＳ）−βとして目標冷却媒体流量Ｇｃtgt−βとなるように制御されるのである。この様子を、図５を参照して説明すると、チップクリアランス３５を所定値ｄにするべく下側の曲線aaで表される目標冷却媒体流量Ｇｃtgtに沿って制御されていた状態から、冷却媒体流量Ｇｃがβ分減少される（図５に、↓−βとして示されている）。

このようにすると、エンジン１０の出力が要求されない減速要求時には、目標冷却媒体流量値が減少される結果として冷却媒体の流量Ｇｃが減少されて、タービンハウジング３４の熱膨張は抑制されないので、チップクリアランス３５は通常より大きくなる。したがって、タービン効率が低下することから、エンジンブレーキを有効に作動させることができる。

なお、タービン３０のチップクリアランス３５は、個々の部品の製造精度に起因するばらつきを有している場合がある。この結果、上述のチップクリアランス３５を所定値ｄにする目標タービンハウジング温度Ｔｈｔtgtは個々に異なることがある。そこで、この製造時のチップクリアランスを初期チップクリアランスｄｆとして、ギャップセンサや隙間ゲージなどの測定手段又は推定手段により求め、この求めた初期チップクリアランスｄｆと所定値ｄとの差分を考慮することにより、上述の目標冷却媒体流量Ｇｃtgtを補正するようにしてもよい。例えば、差分が大きいときには冷却媒体の流量Ｇｃが増大されるように、目標冷却媒体流量Ｇｃtgtを増大補正することにより、個々の部品の製造ばらつきによらない、精度の良い制御を実施することができる。

本発明が適用されるターボチャージャを備えたエンジンのタービンハウジング冷却システムの概要を示すシステム図である。 本発明の実施形態に係るタービンハウジングの一部断面図である。 本発明の実施形態のチップクリアランス制御の一例を示すフローチャートである。 エンジン出力ＰＳとタービンハウジングを構成しているメタルの温度Ｔｈｔとの関係を説明するためのグラフである。 図４に示すタービンハウジング温度Ｔｈｔを得るために流されるべき冷却媒体流量Ｇｃとエンジン出力ＰＳとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ エンジン
１８ ターボチャージャ
２０ コンプレッサ
３０ タービン
３２ タービンロータ
３３ タービン動翼
３４ タービンハウジング
３５ チップクリアランス
３６ 冷却通路
４０ 冷却媒体循環路
４１ 畜熱タンク
４２ ポンプ
４３ 冷却媒体温度センサ
５０ クランク角センサ
５１ アクセル開度センサ
６０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
ＰＳ エンジン出力
Ｔｈｔ タービンハウジング温度
Ｔｈｔmin タービンハウジング温度の最小値
Ｔｈｔtgt 目標タービンハウジング温度
Ｇｃ 冷却媒体の流量
Ｇｃmax 冷却媒体流量の最大値
Ｇｃtgt 目標冷却媒体流量
Ｔｗ 冷却媒体の温度
Ｔｗｓ 最低冷却媒体温度
Ｔｏ 大気温度

Claims (4)

1. 冷却通路が設けられたタービンハウジングを備える車両用エンジンのターボチャージャにおいて、
   該冷却通路を循環する冷却媒体の流量を変更する流量変更手段と、
   前記冷却媒体の温度及び前記エンジンの運転状態に基づいて、チップクリアランスが所定範囲内になるように、前記流量変更手段による冷却媒体の流量を制御する冷却媒体流量制御手段と、
   を備えることを特徴とするタービンハウジング冷却システム。
2. 前記エンジンへの加減速要求を検出する加減速要求検出手段と、
   該加減速要求検出手段により検出された加速要求又は減速要求に応じて、前記冷却媒体流量制御手段による目標冷却媒体流量値を補正する補正手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のタービンハウジング冷却システム。
3. 前記冷却媒体は、冷却水であり畜熱タンクに貯蔵されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のタービンハウジング冷却システム。
4. 前記加減速要求検出手段は、アクセル開度を検出するものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のタービンハウジング冷却システム。

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