JP4875586B2

JP4875586B2 - ２段過給式排気ターボ過給機

Info

Publication number: JP4875586B2
Application number: JP2007266027A
Authority: JP
Inventors: 秉一安
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-10-12
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2027-10-12
Also published as: EP2199566A4; CN101600869B; EP2199566B1; CN101600869A; US20100095672A1; US8844285B2; JP2009092045A; EP2199566A1; WO2009048116A1

Description

本発明は、エンジンの排気マニホールドから排出される排気ガスにより駆動される高圧段過給機と該高圧段過給機を駆動後の排気ガスにより駆動される低圧段過給機とを排気ガスの流路に直列に配置し、排気ガス制御バルブにより前記高圧段過給機の排気ガス流路と低圧段過給機の排気ガス流路との流量を切換え制御するようにした２段過給式排気ターボ過給機に関する。

車両用ディーゼルエンジンにおいては、近年、エンジンから排出される排気ガスにより駆動される高圧タービンを有する高圧段過給機と該高圧段過給機を駆動後の排気ガスにより駆動される低圧タービンを有する低圧段過給機とを排気ガスの流路に直列に配置し、前記低圧段過給機の低圧コンプレッサで第１段加圧がなされた給気を、前記高圧段過給機の高圧コンプレッサで第２段加圧を行い、エンジンに供給するように構成した２段過給式排気ターボ過給機が採用されるようになってきた。
かかる多段過給式排気ターボ過給機をそなえたエンジンにおいては、エンジンの中、低速運転域では高圧段過給機及び低圧段過給機の双方を作動させる２段過給を行なうことによりエンジンの低速トルクのアップと過渡特性上に有利になる。また、エンジンの高速運転域では排気ガスを高圧段過給機からバイパスさせて低圧段過給機による１段過給を行なうことでより高いコンプレッサ効率を使用できることでマッチングの自由度が高い安定運転を実現させている。

図６は、かかる２段過給式排気ターボ過給機の作動説明図である。
図６において、１は高圧タービン１ａと該高圧タービン１ａに同軸駆動される高圧コンプレッサ１ｂとをそなえた高圧段過給機、２は低圧タービン２ａと該低圧タービン２ａに同軸駆動される低圧コンプレッサ２ｂとをそなえた低圧段過給機である。
エンジンのシリンダ１００からの排気ガスは、排気マニホールド１０３に集合して、排気管４を通して高圧段過給機１の高圧タービン１ａと、一部は排気ガス制御バルブ５を通し、排気管６及び排気管１０を通して低圧段過給機２の低圧タービン２ａに送り込まれる。

ここで、前記図６のＹ部にしめされる排気ガス制御バルブ５は、前記高圧段過給機１と低圧段過給機２との間に設けられて、その開度を制御することにより、高圧段過給機１の排気ガス量と、該高圧段過給機１をバイパスして低圧段過給機２の低圧タービン２ａへ送られる排気ガス量との関係を調整するものである。即ち、低圧段過給機２の低圧タービン２ａへは、前記高圧段過給機１の高圧タービン１ａからの排気が排気管８を通り、前記排気ガス制御バルブ５で流量調整された排気が排気管９で混合して、排気管１０を通って送り込まれる。

低圧段過給機２においては、低圧タービン２ａにより低圧コンプレッサ２ｂが同軸駆動されて、エアクーラ２ｃからの空気を加圧して、給気管２１、給気吸い込み管１８と通して、前記高圧段過給機１の高圧コンプレッサ１ｂに供給される。
前記高圧段過給機１においては、高圧タービン１ａにより高圧コンプレッサ１ｂが同軸駆動されて、給気管２０、インタークーラ２１、給気管２２を経て給気マニホールド１０１からエンジンのシリンダ１００に供給される。

ここで、コンプレッサバイパス弁装置０５は、前記高圧コンプレッサ１ｂのバイパス管１７に設けられて、前記高圧コンプレッサ１ｂをバイパスする空気の量を制御する。
また、ウェストゲートバルブ１２は、低圧タービン２ａのバイパス管１１に設けられて、前記低圧タービン２ａをバイパスする排気ガス量をコントロールする。

図４は、かかる２段過給式排気ターボ過給機の主要部構造説明図である。
図４において、高圧段過給機１は高圧タービン１ａと該高圧タービン１ａに同軸駆動される高圧コンプレッサ１ｂとをそなえている。低圧段過給機２は低圧タービン２ａと該低圧タービン２ａに同軸駆動される低圧コンプレッサ２ｂとをそなえている。
前記高圧タービン１ａの出口は、低圧接続ケーシング１２に、接合面１１ａでボルト接合され、該低圧接続ケーシング１２を通して前記低圧段過給機２の低圧ガス入口通路２ｓに連結されている。
そして、前記低圧段過給機２の低圧コンプレッサ２ｂからの圧縮空気は、給気接続配管２１、及び高圧コンプレッサカバー９を経て、高圧段過給機１の高圧コンプレッサ１ｂに吸入される。ここで前記のように、コンプレッサバイパス弁装置０５は、前記高圧コンプレッサ１ｂのバイパス管１７に設けられて、前記高圧コンプレッサ１ｂを、バイパスして空気排出管８から排出される空気の量を制御する。

図５の（Ａ）は、図４に示す２段過給式排気ターボ過給機の排気マニホールド部及び低圧接続部の構造図、図４の（Ｂ）は（Ａ）のＺ―Ｚ断面図である。
図５において、２００は排気マニホールド部で、これの排気マニホールド１０３は、該排気マニホールド１０３と前記高圧過給機１の高圧タービン１ａのハウジング１０とを一体鋳造品で構成している。
１０３ａはエンジンの各シリンダ（図示省略）への排ガス入口フランジで、図５のように、各排ガス入口フランジ１０３ａのフランジ面は、前記高圧ハウジング１０のフランジ面１ｚに対して直角な面に形成され、前記各シリンダの排気出口フランジ（図示省略）に複数のボルトで締着される。

２０１は低圧接続部で、図５（Ｂ）に示すように、その低圧接続ケーシング１２内には、前記排気ガス制御バルブ５が設けられているとともに、ＥＧＲ管１５が一体に形成されている。
排気ガス制御バルブ５は、前記高圧段過給機１と低圧段過給機２との間に設けられて、その開度を制御することにより、高圧段過給機１の排気ガス量と、該高圧段過給機１をバイパスして低圧段過給機２の低圧タービン２ａへ送られる排気ガス量との関係を調整するものである。
即ち、図５（Ｂ）において、該排気ガス制御バルブ５は、一端を回転軸５２に支持され該回転軸５２の軸心５２ａ周りに、支持アーム５６を介してＷ矢印方向に回動自在に支持された弁体５４と、該弁体５４が着座する弁座５５とを備えている。
前記弁体５４の下面５４ａは平行で、前記弁体５４は前記回転軸５２の軸心５２ａ周りの揺動により該弁体５４の下面５４ａと弁座５５の座面５５ａとが当接することにより閉止している。
前記弁体５４を開く際には、図示しない排気ガス制御バルブ駆動装置によって、回転軸５２を図５のＷ矢印のように回動させ、支持アーム５６を介して弁体５４を開く。

そして、前記のように構成された排気マニホールド部２００と、前記排気ガス制御バルブ５が組み込まれた低圧接続部２０１は、接続面１１ａにおいて、複数のボルトで接続されている。

尚、特許文献１（実公平６−４８１１９号公報）には、前記高圧段過給機と低圧段過給機との間を、低圧連結管で連結した２段排気ターボ過給機で、低圧段過給機の入口部に排気ガス制御バルブを設置し、低圧段過給機の入口部の排気ガスの一部を排気マニホールドに戻すように構成されている。

実公平６−４８１１９号公報

車両用エンジンにおいて、狭隘なエンジンルームに２段過給式排気ターボ過給機を装備したエンジンを設置するには、２段過給式排気ターボ過給機が単段過給式排気ターボ過給機に比べて大型となるため、エンジンルームにおける設置スペースが必然的に大きくなる。
このため、２段過給式排気ターボ過給機の構造をコンパクト化し、これの設置スペースを極力小さくして、２段過給式排気ターボ過給機を装備したエンジンを狭隘なエンジンルーム内に効果的に設置することが要求される。

図５に示される、従来の排気マニホールド部２００は排気マニホールド１０３と前記高圧過給機１の高圧タービン１ａのハウジング１０とを一体鋳造品で構成し、また低圧接続部２０１は低圧接続ケーシング１２内に前記排気ガス制御バルブ５が設けられているとともにＥＧＲ管１５が一体に形成されており、この両者を接続面１１ａにおいて、複数のボルトで接続して構成されている。

このため、部品点数が排気マニホールド部２００及び低圧接続部２０１の２個必要となり、部品点数が多くなって該部品点数の増加とともに、ボルト結合等によって組立て工数が増加する。それとともに、狭隘なエンジンルーム内において前記排気マニホールド部２００と低圧接続部２０１とを分解しなければならないようなケースになった際には、分解に多くの工数を必要とする。
また、前記のように、排気マニホールド部２００と低圧接続部２０１の２分割することにより、組立て品の重量が増加する。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、排気マニホールドと高圧過給機の高圧タービンハウジングとを一体鋳造品とした排気マニホールド部と、排気ガス制御バルブを組み込んだ低圧接続部との一体化を可能とすることにより、部品点数を低減するとともに重量を軽減し、ボルト結合等による組立て工数を低減し、さらには狭隘なエンジンルーム内における分解工数を低減し、軽量、コンパクト化された２段過給式排気ターボ過給機を提供することを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、エンジンの排気マニホールドから排出される排気ガスにより駆動される高圧タービンを有する高圧段過給機と該高圧段過給機を駆動後の排気ガスにより駆動される低圧タービンを有する低圧段過給機とを排気ガスの流路に直列に配置し、排気ガス制御バルブにより前記高圧段過給機の排気ガス流路と低圧段過給機の排気ガス流路との流量を切換え制御するようにした２段過給式排気ターボ過給機において、
前記排気マニホールドと、回転中心が前記排気マニホールドの中心に対して平行に配置された前記高圧段過給機の高圧タービンハウジングと、前記排気ガス制御バルブが収納されるとともに排気マニホールド及び高圧タービンハウジングに直交するように配置されたバルブケーシングとを、一体化して排気マニホールド一体型ケーシングに構成し、
さらに、前記排気マニホールド一体型ケーシングは、一体の鋳造品からなるとともに、エンジンの各シリンダからの排ガスが導入される排ガス入口フランジが形成され、該排ガス入口フランジのフランジ面は、前記高圧タービンハウジングの高圧コンプレッサ側のフランジ面（１Ｚ）に対して直角な面に形成されていることを特徴とする（請求項１）。

かかる発明において、好ましくは次のように構成する。
（１）前記バルブケーシングは、前記排気ガス制御バルブにより開閉される前記排気マニホールド側の排気ガス流路と前記低圧段過給機の低圧タービン入口側の排気ガス流路とを含む（請求項２）。
（２）前記排気マニホールド一体型ケーシングの下部に、前記低圧段過給機の低圧入口ケーシングを直結する（請求項３）。

本発明によれば、２段過給式排気ターボ過給機において、排気マニホールドと排気マニホールドの中心に対して平行に配置された高圧段過給機の高圧タービンハウジングと、排気ガス制御バルブが収納されるとともに排気マニホールド及び高圧タービンハウジングに直交するように配置されたバルブケーシングとを、一体化して排気マニホールド一体型ケーシングに構成し、さらに、前記排気マニホールド一体型ケーシングは、一体の鋳造品からなるとともに、エンジンの各シリンダからの排ガスが導入される排ガス入口フランジが形成され、該排ガス入口フランジのフランジ面は、前記高圧タービンハウジングの高圧コンプレッサ側のフランジ面（１Ｚ）に対して直角な面に形成したので（請求項１）、従来のように排気マニホールド部と低圧接続部とを別個に製作してこの両者を接続面において接続して構成されたものに比べて、軽量、コンパクト化できる。

従って、かかる機能部品を排気マニホールド一体型ケーシングとして、鋳造品等による一体化を可能としたことによって、部品点数を２個から１個に低減できるとともに、重量も軽減され、２個の部品をボルト結合する組立て工数が無くなり、さらには狭隘なエンジンルーム内において前記排気マニホールド部と低圧接続部とを分解することによる多くの工数が不要となり、部品点数が低減され、軽量、コンパクト化された２段過給式排気ターボ過給機を得ることできる。
また、前記排気マニホールド一体型ケーシングの下部に、汎用の低圧段過給機の低圧入口ケーシン容易に直結することができる（請求項３）。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、本発明の実施例に係る２段過給式排気ターボ過給機の側面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は前記実施例に係る排気マニホールド一体型ケーシングの側面である。
図１において、１は高圧段過給機で、該高圧段過給機１は高圧タービン１ａと該高圧タービン１ａに同軸駆動される高圧コンプレッサ１ｂとをそなえている。２は低圧段過給機で、該低圧段過給機２は低圧タービン２ａと該低圧タービン２ａに同軸駆動される低圧コンプレッサ２ｂとをそなえている。

図２において、排気マニホールド一体型ケーシングは符号２０５で示され、排気マニホールド一体型ケーシング２０５には、低圧入口ケーシング１０が連結され、該低圧入口ケーシング１０に低圧段過給機２の低圧タービン２ａが接続されている。
そして、前記低圧段過給機２の低圧コンプレッサ２ｂからの圧縮空気は、給気接続配管２１、及び高圧コンプレッサカバー９を経て、高圧段過給機１の高圧コンプレッサ１ｂに吸入される。
ここで前記のように、コンプレッサバイパス弁装置０５は、前記高圧コンプレッサ１ｂのバイパス管１７に設けられて、前記高圧コンプレッサ１ｂをバイパスして空気排出管８から排出される空気の量を制御する。

次に、図２に前記排気マニホールド一体型ケーシング２０５及び排気ガス制御バルブの取付部の詳細を示す。図２において、排気マニホールド一体型ケーシング２０５は、バルブケーシング５４ａを備えている。
エンジンのシリンダからの排気ガスは、排気マニホールド１０３（図３参照）に集合し高圧段過給機１に供給される一方、他方の排気ガスは前記排気ガス制御バルブ５を通して、低圧入口ケーシング１０を通って低圧段過給機２に供給される。
該低圧入口ケーシング１０は前記バルブケーシング５４ａの取付面４２にボルトで固定されている。また、４０は前記バルブケーシング５４ａ内に形成された弁室４３のカバーで、複数のボルト４１で固定されている。

前記排気ガス制御バルブ５は、前記従来技術と全く同様で、バルブケーシング５４ａに弁座５５が固定されている。該排気ガス制御バルブ５は、一端を回転軸５２に支持され該回転軸５２の軸心５２ａ周りに、支持アーム５６を介してＷ矢印方向に回動自在に支持された弁体５４と、該弁体５４が着座する前記弁座５５とを備えている。
前記弁体５４の外周下面５４ａは平行で、前記弁体５４は前記回転軸５２の軸心５２ａ周りの揺動により該弁体５４の外周下面５４ａと弁座５５の座面５５ａとが当接することにより閉止している。
前記弁体５４を開く際には、図示しない排気ガス制御バルブ駆動装置によって、回転軸５２を図５のＷ矢印のように回動させ、支持アーム５６を介して弁体５４を開く。
前記排気ガス制御バルブ５は、このように構成されて、その開度を制御することにより、高圧段過給機１の排気ガス量と、該高圧段過給機１をバイパスして低圧段過給機２の低圧タービン２ａへ送られる排気ガス量との関係を調整するものである。

図３は本発明の実施例に係る排気マニホールド一体型ケーシング２０５の側面である。
図３において、２０５は排気マニホールド一体型ケーシングで、複数の排ガス入口フランジ１０３ａが形成されるとともに中心１０３ｚがエンジンに軸方向に向いた排気マニホールド１０３と、高圧段過給機１のうちの高圧タービンハウジング１ａｓの回転中心１ｙを前記中心１０３ｚに対して平行に配置し、排気ガス制御バルブ５が収納され下部に低圧入口ケーシング１０が直結されるバルブケーシング５４ａが、該排気ガス制御バルブ５の中心２０５ｚが排気マニホールド及び高圧タービンハウジングに直交するように配置されている。
そして、この排気マニホールド一体型ケーシング２０５を、一体の鋳造品にて構成する。

１０３ａはエンジンの各シリンダへの排ガス入口フランジで、図３のように、各排ガス入口フランジ１０３ａのフランジ面は、前記高圧ハウジング１ａｓのフランジ面１ｚに対して直角な面に形成され、前記各シリンダの排気出口フランジ（図示省略）に複数のボルトで締着される。前記バルブケーシング５４ａには、ＥＧＲ管１５が一体に形成されている。

また、前記バルブケーシング５４ａは、図２にように、前記排気ガス制御バルブ５により開閉される前記排気マニホールド１０３側の排気ガス流路１０３ｓと前記低圧段過給機２の低圧入口ケーシング１０内に形成された排気ガス流路１０ｓとを含み、前記排気マニホールド一体型ケーシング２０５の下部、つまりバルブケーシング５４ａに設けられた取付面４２に前記低圧段過給機２の低圧入口ケーシング１０を直結されている。

かかる実施例によれば、排気マニホールド１０３と排気マニホールド１０３の中心１０３ｚに対して平行に配置された高圧段過給機１の高圧タービンハウジング１ａｓと、排気ガス制御バルブ５が収納されるとともに排気マニホールド１０３及び高圧タービンハウジング１ａｓに直交するように配置されたバルブケーシング５４ａとを、一体化して排気マニホールド一体型ケーシング２０５に構成したので、従来のように排気マニホールド部と低圧接続部とを別個に製作してこの両者を接続面において接続して構成されたものに比べて、排気マニホールド一体型ケーシング２０５を、単体構造で一体の鋳造品から構成できる。

従って、かかる実施例によれば部品点数を２個から、排気マニホールド一体型ケーシング２０５に一体化した１個に低減するとともに、該一体化により重量も軽減される。
また２個の部品をボルト結合による組立て工数が無くなり、さらには狭隘なエンジンルーム内において前記排気マニホールド部と低圧接続部とを分解することによる多くの工数が不要となり、部品点数が低減され、軽量、コンパクト化された２段過給式排気ターボ過給機を得ることできる。
また、前記排気マニホールド一体型ケーシング２０５の下部に、汎用の低圧段過給機２の低圧入口ケーシング１０を容易に直結することができる。

本発明によれば、排気マニホールドと高圧過給機の高圧タービンハウジングとを一体鋳造品とした排気マニホールド部と、排気ガス制御バルブを組み込んだ低圧接続部との一体化を可能とすることにより、部品点数を低減するとともに重量を軽減し、ボルト結合等による組立て工数を低減し、さらには狭隘なエンジンルーム内における分解工数を低減し、軽量、コンパクト化された２段過給式排気ターボ過給機を提供することを提供できる。

本発明の実施例に係る２段過給式排気ターボ過給機の側面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。前記実施例に係る排気マニホールド一体型ケーシングの側面図である。かかる２段過給式排気ターボ過給機の主要部構造説明図である。（Ａ）は図４に示す２段過給式排気ターボ過給機の排気マニホールド部及び低圧接続部の構造図、（Ｂ）は（Ａ）のＺ―Ｚ断面図である。かかる２段過給式排気ターボ過給機の作動説明図である。

符号の説明

１高圧段過給機
１ａ高圧タービン
１ｂ高圧コンプレッサ
２低圧段過給機
２ａ低圧タービン
２ｂ低圧コンプレッサ
５排気ガス制御バルブ
１０低圧入口ケーシング
１０ｓ排気ガス流路
５１回転軸
５４弁体
５４ａバルブケーシング
５５弁座
１０３排気マニホールド
１０３ａ排ガス入口フランジ
１０３ｓ排気ガス流路
２０５排気マニホールド一体型ケーシング

Claims

エンジンの排気マニホールドから排出される排気ガスにより駆動される高圧タービンを有する高圧段過給機と該高圧段過給機を駆動後の排気ガスにより駆動される低圧タービンを有する低圧段過給機とを排気ガスの流路に直列に配置し、排気ガス制御バルブにより前記高圧段過給機の排気ガス流路と低圧段過給機の排気ガス流路との流量を切換え制御するようにした２段過給式排気ターボ過給機において、
前記排気マニホールドと、回転中心が前記排気マニホールドの中心に対して平行に配置された前記高圧段過給機の高圧タービンハウジングと、前記排気ガス制御バルブが収納されるとともに排気マニホールド及び高圧タービンハウジングに直交するように配置されたバルブケーシングとを、一体化して排気マニホールド一体型ケーシングに構成し、
さらに、前記排気マニホールド一体型ケーシングは、一体の鋳造品からなるとともに、エンジンの各シリンダからの排ガスが導入される排ガス入口フランジが形成され、該排ガス入口フランジのフランジ面は、前記高圧タービンハウジングの高圧コンプレッサ側のフランジ面（１Ｚ）に対して直角な面に形成されていることを特徴とする２段過給式排気ターボ過給機。
前記バルブケーシングには、前記排気ガス制御バルブにより開閉される前記排気マニホールド側の排気ガス流路と前記低圧段過給機の低圧タービン入口側の排気ガス流路とを含むことを特徴とする請求項１記載の２段過給式排気ターボ過給機。
前記排気マニホールド一体型ケーシングの下部に、前記低圧段過給機の低圧入口ケーシングを直結したことを特徴とする請求項１記載の２段過給式排気ターボ過給機。