JPH06307251A - ターボチャージャの過給圧制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ターボチャージャの過給圧制御装置におい
て、過給圧の制御精度を高め、ターボラグを減少させ、
製造コストの増大を少なくする。 【構成】 ターボチャージャのタービン２０により回転
駆動されるコンプレッサ３０のインペラ３５は、ディス
ク部３５ａに一側縁が片持ち支持されたブレード３５ｂ
を有している。ブレード３５ｂの他端縁３５ｃと対応す
る形状の内面３４ｂを有するハウジング可動部３４は、
インペラ３５と同軸的に軸方向移動可能にコンプレッサ
ハウジング３１に支持されている。ハウジング可動部３
４の軸方向位置は、内面３４ｂと他端縁３５ｃの間のチ
ップクリアランスｅがエンジンの作動状態に応じた所定
値となるように電子制御装置４０によりフィードバック
制御される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、排気通路に設けたター
ビンにより吸気通路に設けたコンプレッサを駆動してエ
ンジンを過給するようにしたターボチャージャ、特にそ
の過給圧制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のターボチャージャを設けたエン
ジンでは、過給圧の過度の上昇によるノッキング等の問
題を防止するために過給圧の制御を行う必要があり、例
えば実開平３−１８６６４号公報に開示された技術で
は、コンプレッサ出口側の過給圧が設定圧に達すれば、
タービン前後の排気通路をバイパスする制御弁をダイア
フラムアクチュエータにより開き、タービン出力を低下
させて過給圧が過大になることを防止している。あるい
はコンプレッサ下流側の吸気通路にリリーフ弁を設け、
過給圧が設定圧に達すれば外部に吸気をリリーフして、
過給圧が過大になることを防止するようにしたものもあ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこれらの
技術では、バイパス制御弁やリリーフ弁の作動点は、ダ
イアフラムやスプリング等の部品の累積された誤差の影
響を受け、またフィードバック制御も行っていないの
で、過給圧の制御精度が悪いという問題がある。また前
者の技術では、バイパス制御弁は高温の排気ガスを制御
するので耐熱材料を使用する必要があり、このため製造
コストが増大するという問題もある。

【０００４】またこの種のターボチャージャ付エンジン
では、低負荷低回転状態から急激に加速した際にターボ
ラグ（加速開始から過給機が実質的に作動を開始するま
での時間遅れ）が生じ、このためエンジン出力の立ち上
がりが遅れるという問題がある。これは排気エネルギが
増大しても、翼車系の慣性質量などによりコンプレッサ
の回転上昇が遅れるためであり、従来はタービンロータ
のセラミック化などによる翼車系の軽量化、ツインター
ボ化などによりこの問題を解決しているが、このような
解決手段は高価になるという問題がある。

【０００５】本発明はこのような各問題を解決して、過
給圧の制御精度が高く、ターボラグを減少させることが
でき、しかも製造コストの増大が少ないターボチャージ
ャの過給圧制御装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このために、本発明によ
るターボチャージャの過給圧制御装置は、図１〜図３に
例示するように、エンジンの排気エネルギにより駆動さ
れるタービン２０と、このタービンにより回転駆動され
るインペラ３５及びコンプレッサハウジング３１よりな
り空気を圧縮して前記エンジンに供給するコンプレッサ
３０を備え、前記インペラ３５はディスク部３５ａに多
数のブレード３５ｂの一側縁を片持ち支持してなるター
ボチャージャの過給圧制御装置において、前記ブレード
３５ｂの他端縁３５ｃと対応する形状の内面３４ｂを有
し前記インペラ３５と同軸的に軸方向移動可能に前記コ
ンプレッサハウジング３１に支持されたハウジング可動
部３４と、駆動装置を介して前記ハウジング可動部３４
を軸方向に移動させて前記他端縁３５ｃと内面３４ｂの
間のチップクリアランスｅが前記エンジンの作動状態に
応じた所定値となるように同ハウジング可動部の軸方向
位置をフィードバック制御する電子制御装置４０を備え
たことを特徴とするものである。

【０００７】

【作用】エンジンが低負荷低回転の状態では、電子制御
装置４０はチップクリアランスｅが大となるようにハウ
ジング可動部３４の軸方向位置を制御し、これによりコ
ンプレッサ３０の効率の低下により過給圧が減少するの
でコンプレッサ３０の負荷は減少し、インペラ３５の回
転速度は高くなっている。この状態から急激に加速を行
えば、電子制御装置４０はチップクリアランスｅが減少
するようにハウジング可動部３４の位置をフィードバッ
ク制御し、これによりすでに高い回転速度となっている
コンプレッサ３０は殆ど時間遅れなしに効率が上昇する
ので、直ちに相当な過給が開始され、ターボラグは生じ
ない。

【０００８】エンジンの出力が増大すれば、電子制御装
置４０は、チップクリアランスｅがエンジンの作動状態
に応じた所定値となるように、ハウジング可動部３４の
軸方向位置をフィードバック制御する。エンジンの出力
が更に増大して、過給圧等のエンジンの作動状態を示す
信号が設定値に達すれば電子制御装置４０はチップクリ
アランスｅが増大するようにハウジング可動部３４の位
置をフィードバック制御し、これにより給気圧が過大に
なることは防止される。

【０００９】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、ハウジ
ング可動部の位置をフィードバック制御することにより
過給圧を制御しているので過給圧の制御精度は高く、ま
た低負荷低回転状態から急激に加速を行っても直ちに相
当な過給が開始されてターボラグを生じることはない。
しかも主要な制御部材であるハウジング可動部はコンプ
レッサ側に設けられて、高価な耐熱材料の使用や熱歪に
対する考慮が不要であるので、製造コストの増大は僅か
で足りる。

【００１０】

【実施例】以下に図１〜図３により、本発明の実施例の
説明をする。本発明に使用するターボチャージャは、図
１に示すように、センターハウジング１０両側にタービ
ン２０とコンプレッサ３０が設けられ、ベアリング１２
を介してセンターハウジング１０に軸承されたシャフト
１１の両端には、タービン２０のタービンホイール２５
とコンプレッサ３０のインペラ３５が同軸的に固定され
ている。インペラ３５のセンターハウジング１０側には
メカニカルシール１３が、タービンホイール２５のセン
ターハウジング１０側にはラビリンスシール（図示省
略）が設けられている。

【００１１】タービン２０のハウジング２１はセンター
ハウジング１０の一端側に固定されている。タービンハ
ウジング２１の外周部に形成したスクロール２２は排気
ガス入口を介してエンジン（何れも図示省略）からの排
気ガスを導入し、タービンホイール２５に送り込んでこ
れを回転駆動する。タービンホイール２５を通った排気
ガスは排気ガス出口２３から外部に排出される。

【００１２】コンプレッサ３０のハウジング３１はセン
ターハウジング１０の他端側に固定されている。シャフ
ト１１を介してタービンホイール２５により回転駆動さ
れるインペラ３５は、コンプレッサハウジング３１の吸
入空気入口３２から吸入した空気を圧縮してディフュー
ザ３３に送り込む。ディフューザ３３内の圧縮された空
気は吸入空気出口からエンジン（何れも図示省略）の吸
気管に供給される。

【００１３】インペラ３５はシャフト１１に同軸的にね
じ止め固定されたディスク部３５ａと、このディスク部
３５ａに一側縁が一体的に片持ち支持された多数のブレ
ード３５ｂにより構成されている。吸入空気入口３２に
続くコンプレッサハウジング３１の内面にシャフト１１
と同軸的に形成された円筒状の支持面３１ａには、ハウ
ジング可動部３４の外周の被支持面３４ａが軸方向摺動
可能に嵌合されている。このハウジング可動部３４はブ
レード３５ｂの他端縁（自由端縁）３５ｃと対応する形
状の湾曲した内面３４ｂを有し、この内面３４ｂと他端
縁３５ｃの間のチップクリアランスｅは、コンプレッサ
ハウジング３１に対しハウジング可動部３４を軸方向に
移動することにより増減する。

【００１４】このチップクリアランスｅが増大すれば、
コンプレッサ３０内部における空気の漏れが増大してコ
ンプレッサ効率が低下し、従ってチップクリアランスｅ
を変化させることによりコンプレッサ３０の特性は変化
する。これによりコンプレッサ３０の吸入空気出口に生
じる過給圧は、インペラ３５の回転速度を一定とした場
合、図２(a) に示すように、チップクリアランスｅの増
大に応じて減少する特性となる。これはコンプレッサ３
０による負荷の減少を意味する。従ってタービン２０の
回転速度は、与えられる排気ガス量を一定とした場合、
図２(b) に示すように、チップクリアランスｅの増大に
応じて増大する特性となる。

【００１５】図１に示すように、ハウジング可動部３４
の軸方向位置は、ステップモータ４１を介して電子制御
装置４０により制御される。電子制御装置４０は、過給
圧、スロットル開度、エンジン回転速度、吸気温度、冷
却水温度、燃料噴射量などのエンジンの作動状態を示す
信号の少なくとも１つに基づいてハウジング可動部３４
の軸方向位置を設定し、ステップモータ４１を介してフ
ィードバック制御によりハウジング可動部３４を設定位
置に位置決めし、チップクリアランスｅもこれに応じた
値に設定される。ハウジング可動部３４の設定位置は、
一例をあげれば、エンジンが低スロットル開度低回転速
度状態ではチップクリアランスｅが最大となる位置（図
１においてもっとも左側に移動した位置）とし、スロッ
トル開度、その増加速度、エンジン回転速度の増大に応
じてチップクリアランスｅが減少する位置とし、出力の
増大により過給圧が増大して設定値に達すれば、それ以
上過給圧が増大しないようにチップクリアランスｅが増
大する位置とする。

【００１６】次に上記実施例の作動の説明をすれば、エ
ンジンが低スロットル開度低回転速度の状態では、チッ
プクリアランスｅは最大となっており、これによりコン
プレッサ３０の効率が低下して過給圧が減少するのでコ
ンプレッサ３０の負荷は減少し、インペラ３５の回転速
度はかなり高くなっている。この状態において図３の時
点T0から急激に加速を行えば、電子制御装置４０はハウ
ジング可動部３４の位置をチップクリアランスｅが減少
する位置に設定してフィードバック制御によりその位置
に位置決めする。この位置決めは殆ど時間遅れなしに行
われ、すでにかなり高い回転速度となっているコンプレ
ッサ３０はこのチップクリアランスｅの減少により効率
が上昇するので、過給圧は図３の破線A1に示すように殆
ど時間遅れなしに上昇を開始してエンジン出力が増大
し、僅かのターボラグしか生じない。そしてフィードバ
ック制御によるハウジング可動部３４の位置決めが終了
した時点で、過給圧の上昇は一時的に遅くなる。

【００１７】しかしスロットル開度の増大及びコンプレ
ッサ３０の効率上昇により排気ガス量が増大して、多少
の時間遅れの後にタービン２０の回転速度が増大するの
で、過給圧は図３の破線A2に示すように再び上昇してエ
ンジン出力は増大する。そして通常の作動状態では、電
子制御装置４０は、チップクリアランスｅがエンジンの
作動状態に応じた所定値となるように、ハウジング可動
部３４の軸方向位置をフィードバック制御し、過給され
たエンジン出力が得られる。スロットル開度を大きく開
けば過給圧は更に増大するが、過給圧が設定値P1に達す
れば電子制御装置４０はチップクリアランスｅが増大す
るようにハウジング可動部３４の位置をフィードバック
制御し、これにより過給圧は設定値P1に維持され、過大
になることは防止される。

【００１８】これに対しバイパス制御弁などによる前述
の従来技術では、スロットル開度の増大のみによる排気
ガスの増大によりタービン２０の回転速度が増大するの
で、その立ち上がり時点は本発明に比して大幅に遅れ、
図３の実線Ｂで示すような特性になる。

【００１９】上述のように本実施例によれば、低スロッ
トル開度低回転速度状態から急激に加速を行っても僅か
の時間遅れで過給が開始されるのでターボラグは僅かで
あり、従来技術に比してターボラグは大幅に減少され
る。また、ハウジング可動部３４の位置をフィードバッ
ク制御することにより過給圧を制御しているので過給圧
の制御精度は高くなる。しかもハウジング可動部３４は
コンプレッサ３０側に設けられて、高価な耐熱材料の使
用や熱歪に対する考慮が不要であるので、製造コストの
増大は僅かである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明によるターボチャージャの過給圧制御
装置の一実施例を示す全体構成図である。

【図２】 チップクリアランスに対するターボチャージ
ャの各特性を示す図である。

【図３】 本発明と従来技術の各過給圧制御装置の特性
を比較した図である。

【符号の説明】

２０…タービン、３０…コンプレッサ、３１…コンプレ
ッサハウジング、３４…ハウジング可動部、３４ｂ…内
面、３５…インペラ、３５ａ…ディスク部、３５ｂ…ブ
レード、３５ｃ…他端縁、４０…電子制御装置、４１…
駆動装置（ステップモータ）、ｅ…チップクリアラン
ス。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジンの排気エネルギにより駆動され
   るタービンと、このタービンにより回転駆動されるイン
   ペラ及びコンプレッサハウジングよりなり空気を圧縮し
   て前記エンジンに供給するコンプレッサを備え、前記イ
   ンペラはディスク部に多数のブレードの一側縁を片持ち
   支持してなるターボチャージャの過給圧制御装置におい
   て、前記ブレードの他端縁と対応する形状の内面を有し
   前記インペラと同軸的に軸方向移動可能に前記コンプレ
   ッサハウジングに支持されたハウジング可動部と、駆動
   装置を介して前記ハウジング可動部を軸方向に移動させ
   て前記他端縁と内面の間のチップクリアランスが前記エ
   ンジンの作動状態に応じた所定値となるように同ハウジ
   ング可動部の軸方向位置をフィードバック制御する電子
   制御装置を備えたことを特徴とするターボチャージャ。