ターボチャージャ用試験装置
【課題】 試験条件を高精度に制御可能なターボチャージャ用試験装置を提案することを目的とする。
【解決手段】 ターボチャージャ２のタービン室２５に下流端が接続され、タービン室２５に加熱圧縮空気を供給する給気経路３と、前記タービン室２５に上流端が接続され、タービン室からの排気を機外に排出する排気経路４と、前記給気経路３の中途部と前記排気経路４の中途部とに両端がそれぞれ接続されて、前記タービン室２５を経由することなく前記給気経路３内の空気を排気経路４へと供給するバイパス経路５とを備えてなるターボチャージャ用試験装置１であって、前記バイパス経路５には、経路内の空気を吸引して下流端へと圧送するエジェクタ５０が設けられており、前記給気経路３からバイパス経路５に供給される空気の流量を増大させる際に、該エジェクタ５０が作動される。
【解決手段】 ターボチャージャ２のタービン室２５に下流端が接続され、タービン室２５に加熱圧縮空気を供給する給気経路３と、前記タービン室２５に上流端が接続され、タービン室からの排気を機外に排出する排気経路４と、前記給気経路３の中途部と前記排気経路４の中途部とに両端がそれぞれ接続されて、前記タービン室２５を経由することなく前記給気経路３内の空気を排気経路４へと供給するバイパス経路５とを備えてなるターボチャージャ用試験装置１であって、前記バイパス経路５には、経路内の空気を吸引して下流端へと圧送するエジェクタ５０が設けられており、前記給気経路３からバイパス経路５に供給される空気の流量を増大させる際に、該エジェクタ５０が作動される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボチャージャ用試験装置に関し、より詳細には、ターボチャージャの動作特性や耐久性等を測定するための試験装置の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、加熱圧縮空気や燃焼ガス等をタービン（タービンホイール）に供給し、ターボチャージャを試験的に高速で回転（１０万〜２０万ｒｐｍ）させて、ターボチャージャを実際の自動車に組み付けた場合に則した状態で運転させることで、タービンロータの動作特性や耐久性等を試験するターボチャージャ用試験装置が公知である。
【０００３】
このような従来のターボチャージャ用試験装置としては、例えば、特許文献１に開示された構成が公知である（特許文献１参照）。
通常、ターボチャージャは、両端にタービンとコンプレッサとが固定されたタービン軸が、軸方向中間部分が軸受によりハウジングに支承されて、タービンがタービン室に、コンプレッサがコンプレッサ室にそれぞれ配置されている。
従来のターボチャージャ用試験装置は、上述したような構成のターボチャージャのタービン室に下流端が接続され、タービン室に圧縮空気を供給する給気経路と、タービン室に上流端が接続され、タービン室からの排気を機外に排出する排気経路とが設けられている。そして、給気経路には、圧縮空気を加熱する加熱供給装置が設けられており、この加熱供給装置によって加熱された圧縮空気がタービン室へと供給されることで、タービンが回転駆動される。このようにして、ターボチャージャ用試験装置では、ターボチャージャを実際の運転条件に則してタービンを駆動させるように構成されている。
【０００４】
特に、特許文献１に開示されるターボチャージャ用試験装置は、給気経路の中途部と排気経路の中途部とに両端がそれぞれ接続されて、給気経路内の圧縮空気を排気経路へと供給するバイパス経路が設けられており、このバイパス経路の途中に設けられた第一の調整弁と、給気経路の中間部であってバイパス経路の接続部とタービン室との間に設けられた第二の調整弁とが開閉制御されることによって、給気経路内を流通する空気の流量、すなわちタービン室に供給される空気の流量が制御される。
【特許文献１】特開２００１−２５４６２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年、この種の試験装置においては、高精度の試験を行うことができる装置の開発が進められており、そのため各種検出器の精度向上にあわせて、試験条件もより高精度に制御される必要がある。
しかしながら、上述した特許文献１に開示されるターボチャージャ用試験装置のように、給気経路の中間部でバイパス経路の接続部とタービン室との間、すなわち、タービン室の直前に第二の調整弁が設けられると、給気経路内の空気の圧力、流速、及び温度が不均一となって、タービン室へ供給される空気に乱れが生じ、各種試験の結果の誤差やばらつきを生じさせる原因となっていた。
また、給気経路内の空気の圧力、流速、及び温度を均一にするために、上述した第二の調整弁を単に取り外すだけでは、タービン室に供給される空気の流量を制御する際の応答性が悪く、特に、タービン室に供給される給気の流量を低減させて、バイパス経路に供給される空気の流量を増加させる際の制御精度に劣っていた。
【０００６】
そこで、本発明においては、ターボチャージャ用試験装置に関し、前記従来の課題を解決するもので、試験条件を高精度に制御可能なターボチャージャ用試験装置を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００８】
すなわち、請求項１においては、ターボチャージャのタービン室に下流端が接続され、該タービン室に加熱圧縮空気を供給する給気経路と、前記タービン室に上流端が接続され、該タービン室からの排気を機外に排出する排気経路と、前記給気経路の中途部と前記排気経路の中途部とに両端がそれぞれ接続されて、前記タービン室を経由することなく前記給気経路内の空気を排気経路へと供給するバイパス経路とを備えてなるターボチャージャ用試験装置であって、前記バイパス経路には、経路内の空気を吸引して下流端へと圧送するエジェクタが設けられており、前記給気経路からバイパス経路に供給される空気の流量を増大させる際に、前記エジェクタが作動されるものである。
【０００９】
請求項２においては、前記バイパス経路には、前記給気経路の接続部と前記エジェクタとの間部分に冷却装置が設けられるものである。
【００１０】
請求項３においては、前記排気経路には、ターボチャージャのコンプレッサ室に上流端が接続され、前記排気経路に下流端が接続されて、該コンプレッサ室からの圧縮空気を前記タービン室からの排気に合流させて機外に排出する第二排気経路が設けられるものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１２】
請求項１に示す構成としたので、バイパス経路にエジェクタが設けられることによって、従来タービン室の上流側に設けられていた調整弁等が不要となるとともに、給気経路内の空気を強制的にバイパス経路に誘引させて、タービン室に供給される空気の流量を短時間で急激に低減でき、空気の流量制御の応答性を向上させて、試験条件を高精度に制御できる。
【００１３】
請求項２に示す構成としたので、タービン室から送り込まれた高温の排気を、冷却装置によって冷却された空気によって冷却してから機外に排気することができ、従来のように排気経路に冷却装置等を設ける必要がなく、装置を小型化できる。
【００１４】
請求項３に示す構成としたので、コンプレッサ室からの排気を利用して排気経路内の排気を冷却させるため、大容量のターボチャージャを被検体とした場合であっても、排気経路内の排気を十分に冷却して機外に排気することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１は本発明の一実施例に係るターボチャージャ用試験装置の全体的な構成を示した配管図、図２はエジェクタを模式的に表した断面図、図３はターボチャージャ用試験装置の作動制御パターンとタービン室に供給される空気の流量との関係を表した図である。
【００１６】
図１に示すように、本実施例のターボチャージャ用試験装置１は、自動車エンジンに搭載されるターボチャージャ２の各種性能試験を行うための装置であって、ターボチャージャ２のタービン室２５に下流端が接続され、このタービン室２５に圧縮空気を供給する給気経路３と、タービン室２５に上流端が接続され、タービン室２５からの排気を機外に排出する排気経路４と、給気経路３の中途部に上流端が分枝接続されるとともに、排気経路４に下流端が接続されて、給気経路３内の空気を誘引して排気経路４へと供給するバイパス経路５とが設けられている。このような構成において、給気経路３の加熱圧縮空気がタービン室２５へと供給されることで、ターボチャージャ２が駆動され、タービン室２５からの排気が排気経路４から機外に排出される。
【００１７】
ターボチャージャ２は、公知の構成のものが用いられ、具体的には、両端にタービン２０とコンプレッサ２１とがタービン軸２２に固定されたタービンロータがハウジング２４に内設され、タービン軸２２の軸方向中間部分が軸受２３を介して支承されている。ハウジング２４内部では、タービン２０がタービン室２５に、コンプレッサ２１がコンプレッサ室２６にそれぞれ配置されている。
【００１８】
なお、ターボチャージャ２は、自動車に載置された状態では、タービン室２５に加熱圧縮空気が供給されると、タービン２０が高速回転されるとともに、タービン軸２２を介してコンプレッサ２１が同期回転される。そして、このコンプレッサ２１の回転に伴ってコンプレッサ室２６に燃焼用空気が吸入されることで、エンジンの吸気系に燃焼用空気が強制供給される。
【００１９】
給気経路３は、下流端がタービン室２５に接続されており、経路内の空気がタービン室２５内へと供給される。給気経路３の上流端は、圧縮空気供給装置としてのエアコンプレッサ３０と接続されており、エアコンプレッサ３０によって給気経路３に圧縮空気が送り込まれる。また、給気経路３の途中には加熱供給装置としての電熱ヒータ３１が配置されており、電熱ヒータ３１によって給気経路３内の圧縮空気が最高で８００〜８５０℃まで加熱されて、タービン室２５へと送り込まれる。このエアコンプレッサと電熱ヒータ３１とで加熱圧縮空気供給装置が構成されている。
【００２０】
給気経路３には、上述したエアコンプレッサ３０及び電熱ヒータ３１の他に、エアコンプレッサ３０から電熱ヒータ３１までの間部分に、図示せぬフィルタ、オイルミストセパレータ、減圧弁、及び流量計等が設けられる他、調整弁３２が設けられており、それぞれ上流端側から順に直列に配置されている。調整弁３２は、タービン室２５に送り込まれる空気の流量を図示せぬ流量計にて計測しながら調整するように構成されている。なお、給気経路３に配置される各装置は、上述したものに特に限定されない。
【００２１】
排気経路４は、上流端がタービン室２５に接続されており、タービン室２５内からの排気が機外へと排出される。排気経路４の中途部には、混合器４０が設けられており、後述するように、混合器４０によって、バイパス経路５の下流端より送り込まれた空気と、コンプレッサ室２６に接続された第二排気経路６より送り込まれた空気とが混合される。
混合器４０の下流位置には、送風機４１が設けられており、送風機４１によってタービン室２５からの排気が冷却されながら機外に排出される。このように、排気経路４に送風機４１を設けることによって、送風機４１を適切な速度で運転させてタービン室２５からの排気を吸引しながら排出することができ、タービン室２５の背圧を低くして、ターボチャージャ２の運転を実際の自動車に組み付けた場合に則した状態で行うことができる。
【００２２】
バイパス経路５は、上流端が給気経路３の中途部であって電熱ヒータ３１とタービン室２５との間部分に分岐接続され、下流端が排気経路４の中途部であってタービン室２５と送風機４１との間部分に分岐接続されており、給気経路３内の空気がタービン室２５を経由することなく排気経路４へ供給される。
本実施例では、バイパス経路５の上流端は、給気経路３と接続部５ａで接続されており、給気経路３において接続部５ａとタービン室２５との間部分には、調整弁等の他の装置は設けられていない。また、バイパス経路５の下流端は、排気経路４に設けられた前記混合器４０に接続されており、バイパス経路５内の空気が混合器４０に供給されて、タービン室２５から送り込まれた排気と混合される。
【００２３】
バイパス経路５の途中には、給気経路３内の空気をバイパス経路５内に誘引して、バイパス経路５の下流端側へと圧送するエジェクタ５０が設けられている。エジェクタ５０は、エアコンプレッサ５３より送り込まれた圧縮空気が駆動流として供給されることで、バイパス経路５内の空気が吸引流としてバイパス経路５下流側へと圧送される。
図２に示すように、本実施例のエジェクタ５０は、吸入口５０ａと、ノズル部５０ｂと、ディフューザ５０ｃと、及び吐出口５０ｄ等とで構成されている。吸入口５０ａ及び吐出口５０ｄは、バイパス経路５にそれぞれ接続され、ノズル部５０ｂにはエアコンプレッサ５３より圧縮空気が供給される。そして、ノズル部５０ｂに供給された圧縮空気がディフューザ５０ｃに向けて導入されることで、いわゆるエジェクタ効果によって吸入口５０ａが負圧となり、バイパス経路５内の空気が吸入口５０ａからエジェクタ５０内部に吸引されて、吐出口５０ｄからバイパス経路５の下流側へと圧送される。
このように、バイパス経路５にエジェクタ５０が設けられることで、給気経路３内の空気を、接続部５ａを介してバイパス経路５内へと強制的に誘引させることができる。
【００２４】
なお、エジェクタ５０の作動は、エジェクタ５０に駆動流としての圧力空気を供給するエアコンプレッサ５３の供給弁（図略）が開閉されることで切り換えられる。すなわち、エジェクタ５０にエアコンプレッサ５３からの圧縮空気が供給されている状態（以下、かかる状態をエジェクタ５０が「ＯＮ」の状態とする）では、給気経路３内の空気をエジェクタ効果によって接続部５ａからバイパス経路５へと誘引して、バイパス経路５の下流側へと圧送することができる。一方で、エジェクタ５０にエアコンプレッサ５３からの圧縮空気が供給されない状態（以下、かかる状態をエジェクタ５０が「ＯＦＦ」の状態とする）では、エジェクタ効果が発揮されない。
【００２５】
また、バイパス経路５には、給気経路３との接続部５ａとエジェクタ５０との間部分に、冷却装置５１及び調整弁５２が下流端側に向けて順に直列に配置されている。
冷却装置５１は、電熱ヒータ３１によって加熱された加熱圧縮空気をバイパス経路５内で冷却させる（温度低下させる）ものである。冷却装置５１が設けられることで、バイパス経路５の下流端に接続された混合器４０に冷却された空気が送り込まれて、タービン室２５から送り込まれた高温の排気が、かかる空気によって冷却されてから機外に排気される。また、調整弁５２によって、エジェクタ５０に送り込まれる空気の流量が調整される。
【００２６】
図１に戻って、本実施例のターボチャージャ用試験装置１は、ターボチャージャ２のコンプレッサ室２６に上流端が接続されるとともに、排気経路４に下流端が接続されて、コンプレッサ室２６からの圧縮空気をタービン室２５からの排気と合流させて機外に排出する第二排気経路６が設けられている。第二排気経路６の下流端は、上述した混合器４０に接続されている。このように第二排気経路６が設けられることで、ターボチャージャ２の性能試験を実施する際に、高速回転されるタービン２０に同期して回転されるコンプレッサ２１によってコンプレッサ室２６から排出される圧縮空気が混合器４０に送り込まれて、タービン室２５から送り込まれた高温の排気が、かかる空気によって冷却されてから機外に排気される。
【００２７】
次に、ターボチャージャ用試験装置１の作動制御について、以下に詳述する。
本実施例のターボチャージャ用試験装置１では、給気経路３内の空気がバイパス経路５に誘引されてタービン室２５に供給されない（若しくは供給されても僅かである）状態と、給気経路３内の空気がタービン室２５にほとんど全て供給される状態とに切り換えられて、タービン室２５への空気の流量が制御され、ターボチャージャ２の動作特性試験や耐久性試験などの各種の性能試験が実施される。
【００２８】
以下、ターボチャージャ用試験装置１において、給気経路３内の空気がタービン室２５に供給されない（若しくは供給されても僅かである）状態を待機状態Ｓ１といい、給気経路３内の空気がタービン室２５に殆んど全て供給される状態を駆動状態Ｓ２という。すなわち、ターボチャージャ２においては、待機状態Ｓ１ではタービン２０が静止された状態であり、駆動状態Ｓ２ではタービン２０が高速回転されている状態である。
【００２９】
ターボチャージャ用試験装置１において各種の性能試験が実施される際には、ターボチャージャ２が所定位置に配置され、次いで、給気経路３、排気経路４、及びバイパス経路５に配置された各装置が起動される。具体的には、給気経路３に設けられたエアコンプレッサ３０及び電熱ヒータ３１が起動されて、給気経路３内に加熱圧縮空気が供給され、排気経路４に設けられた送風機４１が起動されて、排気経路４内の空気が機外に排気される。なお、エアコンプレッサ３０や電熱ヒータ３１等は、試験実施中は常時駆動されている。また、調整弁３５が開閉操作されることによって、タービン室２５に供給される空気流量が調整されるが、この調整弁３５は試験実施中に操作されない。
【００３０】
待機状態Ｓ１のターボチャージャ用試験装置１では、バイパス経路５に設けられた調整弁５２が全開に切り換えられるとともに、エジェクタ５０がＯＮに切り換えられている。このように作動されることによって、給気経路３内の空気を、エジェクタ５０によるエジェクタ効果によって接続部５ａを介してバイパス経路５へと強制的に誘引させることができる。つまり、エジェクタ５０は、給気経路３からバイパス経路５に供給される空気の流量を増大させる際に作動される。バイパス経路５に誘引された空気は、冷却装置５１にて冷却された後に、エジェクタ５０を介して下流側へと圧送され、混合器４０にて排気経路４に合流されて機外に排気される。
【００３１】
なお、本実施例では、待機状態Ｓ１にあるときには、給気経路３内の空気が全てバイパス経路５へと誘引されずに、タービン室２５に最小流量Ｆ１の空気が供給されている（図３参照）。そして、タービン室２５に供給された空気は、排気経路４へと送られて、混合器４０にてバイパス経路５より供給された空気と混合されることによって冷却されてから機外に排気される。
【００３２】
一方、駆動状態Ｓ２のターボチャージャ用試験装置１では、調整弁５２が閉塞されるとともに、エジェクタ５０がＯＦＦに切り換えられている。このように作動されることによって、給気経路３内の空気は、バイパス経路５内に供給されることなく、ほとんど全てがタービン室２５へと供給される。駆動状態Ｓ２では、タービン室２５に最大流量Ｆ２の空気が供給されて、タービン２０が高速回転されている（図３参照）。そして、タービン室２５から排気経路４に排出された空気は、主にコンプレッサ室２６から第二排気経路６に供給された空気と混合器４０にて混合されることによって冷却されてから機外に排気される。
【００３３】
実際に性能試験が実施される際には、ターボチャージャ用試験装置１は、上述した待機状態Ｓ１と駆動状態Ｓ２とが繰り返し切り換えられるように作動制御される。
図３に示したターボチャージャ用試験装置１の試験運転パターンとタービン室２５に供給される空気の流量との関係を参照すると、まず、待機状態Ｓ１では、タービン室２５には最小流量Ｆ１の空気が供給されている。やがて、ターボチャージャ用試験装置１が作動され、調整弁５２が閉塞されるとともに、エジェクタ５０がＯＦＦに切り換えられて、タービン室２５に供給される空気の流量が短時間に一気に増大され、所定時間ｔ１の後に最大流量Ｆ２まで増大されて待機状態Ｓ１から駆動状態Ｓ２に切り換えられる。
【００３４】
駆動状態Ｓ２では、所定時間ｔ２の間タービン２０が高速回転される。その後、再度ターボチャージャ用試験装置１が作動され、調整弁５２が全開に切り換えられるとともに、エジェクタ５０がＯＮに切り換えられて、タービン室２５に供給される空気の流量が短時間に一気に減少され、所定時間ｔ３の後に最小流量Ｆ２まで減少されて駆動状態Ｓ２から待機状態Ｓ１に切り換えられる。
このようにして、待機状態Ｓ１と駆動状態Ｓ２とが繰り返し切り換えられる。
【００３５】
以上のように、本実施例のターボチャージャ用試験装置１は、ターボチャージャ２のタービン室２５に下流端が接続され、タービン室２５に加熱圧縮空気を供給する給気経路３と、タービン室２５に上流端が接続され、タービン室２５からの排気を機外に排出する排気経路４と、給気経路３の中途部と排気経路４の中途部とに両端がそれぞれ接続されて、タービン室２５を経由することなく給気経路３内の空気を排気経路４へと供給するバイパス経路５とを備えてなり、バイパス経路５には、経路内の空気を吸引して下流端へと圧送するエジェクタ５０が設けられており、給気経路３からバイパス経路５に供給される空気の流量を増大させる際に、エジェクタ５０が作動されるように構成されている。
【００３６】
このような構成とすることで、ターボチャージャ用試験装置１は、給気経路３からバイパス経路５に供給される空気の流量を増大させる際に、エジェクタ５０をＯＮに切り換えてエジェクタ５０を作動させて、給気経路３内の空気を強制的にバイパス経路５に誘引させることで、タービン室２５に供給される空気の流量を短時間で急激に低減できるとともに、従来タービン室２５の手前側に設けられていた調整弁等が不要となって、給気経路３内の空気の圧力、流速、及び温度を均一することができ、タービン室２５に供給される空気の流量制御の応答性を向上させて、試験条件を高精度に制御できる。また、待機状態Ｓ１において、エジェクタ５０によって給気経路３内の空気がバイパス経路５に誘引されるため、タービン室２５に供給される空気の流量（最小流量Ｆ１）を低減して、小流量時の制御安定性を向上できる。
【００３７】
また、ターボチャージャ用試験装置１は、バイパス経路５に給気経路３の接続部５ａとエジェクタ５０との間部分に冷却装置５１を設けることで、バイパス経路５に供給された空気が冷却されて下流側に圧送され、排気経路５に合流されるため、タービン室２５から送り込まれた高温の排気を、冷却装置５１によって冷却された空気によって冷却してから機外に排気することができ、従来のように排気経路４に冷却装置等を設ける必要がなく、装置を小型化できる。
【００３８】
さらに、ターボチャージャ用試験装置１は、排気経路５に上述した第二排気経路６を設けることで、コンプレッサ室２６からの排気を利用して排気経路５内の排気を冷却させるため、大容量のターボチャージャ２を被検体とした場合であっても、排気経路５内の排気を十分に冷却して機外に排気することができる。また、上述した冷却装置５１も小型化できるため、ひいては装置全体の小型化を図ることができる。
なお、本実施例では、第二排気経路６は、バイパス経路５と同様に混合器４０にて排気経路４に接続される構成としたが、別途混合器等を設けて他の部分にて排気経路４と接続されるように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施例に係るターボチャージャ用試験装置の全体的な構成を示した配管図。
【図２】エジェクタを模式的に表した断面図。
【図３】ターボチャージャ用試験装置の作動制御パターンとタービン室に供給される空気の流量との関係を表した図。
【符号の説明】
【００４０】
１ ターボチャージャ用試験装置
２ ターボチャージャ
３ 給気経路
４ 排気経路
５ バイパス経路
６ 第二排気経路
２５ タービン室
３０ エアコンプレッサ
３１ 電熱ヒータ
４０ 混合器
５０ エジェクタ
５１ 冷却装置
５２ 調整弁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボチャージャ用試験装置に関し、より詳細には、ターボチャージャの動作特性や耐久性等を測定するための試験装置の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、加熱圧縮空気や燃焼ガス等をタービン（タービンホイール）に供給し、ターボチャージャを試験的に高速で回転（１０万〜２０万ｒｐｍ）させて、ターボチャージャを実際の自動車に組み付けた場合に則した状態で運転させることで、タービンロータの動作特性や耐久性等を試験するターボチャージャ用試験装置が公知である。
【０００３】
このような従来のターボチャージャ用試験装置としては、例えば、特許文献１に開示された構成が公知である（特許文献１参照）。
通常、ターボチャージャは、両端にタービンとコンプレッサとが固定されたタービン軸が、軸方向中間部分が軸受によりハウジングに支承されて、タービンがタービン室に、コンプレッサがコンプレッサ室にそれぞれ配置されている。
従来のターボチャージャ用試験装置は、上述したような構成のターボチャージャのタービン室に下流端が接続され、タービン室に圧縮空気を供給する給気経路と、タービン室に上流端が接続され、タービン室からの排気を機外に排出する排気経路とが設けられている。そして、給気経路には、圧縮空気を加熱する加熱供給装置が設けられており、この加熱供給装置によって加熱された圧縮空気がタービン室へと供給されることで、タービンが回転駆動される。このようにして、ターボチャージャ用試験装置では、ターボチャージャを実際の運転条件に則してタービンを駆動させるように構成されている。
【０００４】
特に、特許文献１に開示されるターボチャージャ用試験装置は、給気経路の中途部と排気経路の中途部とに両端がそれぞれ接続されて、給気経路内の圧縮空気を排気経路へと供給するバイパス経路が設けられており、このバイパス経路の途中に設けられた第一の調整弁と、給気経路の中間部であってバイパス経路の接続部とタービン室との間に設けられた第二の調整弁とが開閉制御されることによって、給気経路内を流通する空気の流量、すなわちタービン室に供給される空気の流量が制御される。
【特許文献１】特開２００１−２５４６２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年、この種の試験装置においては、高精度の試験を行うことができる装置の開発が進められており、そのため各種検出器の精度向上にあわせて、試験条件もより高精度に制御される必要がある。
しかしながら、上述した特許文献１に開示されるターボチャージャ用試験装置のように、給気経路の中間部でバイパス経路の接続部とタービン室との間、すなわち、タービン室の直前に第二の調整弁が設けられると、給気経路内の空気の圧力、流速、及び温度が不均一となって、タービン室へ供給される空気に乱れが生じ、各種試験の結果の誤差やばらつきを生じさせる原因となっていた。
また、給気経路内の空気の圧力、流速、及び温度を均一にするために、上述した第二の調整弁を単に取り外すだけでは、タービン室に供給される空気の流量を制御する際の応答性が悪く、特に、タービン室に供給される給気の流量を低減させて、バイパス経路に供給される空気の流量を増加させる際の制御精度に劣っていた。
【０００６】
そこで、本発明においては、ターボチャージャ用試験装置に関し、前記従来の課題を解決するもので、試験条件を高精度に制御可能なターボチャージャ用試験装置を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００８】
すなわち、請求項１においては、ターボチャージャのタービン室に下流端が接続され、該タービン室に加熱圧縮空気を供給する給気経路と、前記タービン室に上流端が接続され、該タービン室からの排気を機外に排出する排気経路と、前記給気経路の中途部と前記排気経路の中途部とに両端がそれぞれ接続されて、前記タービン室を経由することなく前記給気経路内の空気を排気経路へと供給するバイパス経路とを備えてなるターボチャージャ用試験装置であって、前記バイパス経路には、経路内の空気を吸引して下流端へと圧送するエジェクタが設けられており、前記給気経路からバイパス経路に供給される空気の流量を増大させる際に、前記エジェクタが作動されるものである。
【０００９】
請求項２においては、前記バイパス経路には、前記給気経路の接続部と前記エジェクタとの間部分に冷却装置が設けられるものである。
【００１０】
請求項３においては、前記排気経路には、ターボチャージャのコンプレッサ室に上流端が接続され、前記排気経路に下流端が接続されて、該コンプレッサ室からの圧縮空気を前記タービン室からの排気に合流させて機外に排出する第二排気経路が設けられるものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１２】
請求項１に示す構成としたので、バイパス経路にエジェクタが設けられることによって、従来タービン室の上流側に設けられていた調整弁等が不要となるとともに、給気経路内の空気を強制的にバイパス経路に誘引させて、タービン室に供給される空気の流量を短時間で急激に低減でき、空気の流量制御の応答性を向上させて、試験条件を高精度に制御できる。
【００１３】
請求項２に示す構成としたので、タービン室から送り込まれた高温の排気を、冷却装置によって冷却された空気によって冷却してから機外に排気することができ、従来のように排気経路に冷却装置等を設ける必要がなく、装置を小型化できる。
【００１４】
請求項３に示す構成としたので、コンプレッサ室からの排気を利用して排気経路内の排気を冷却させるため、大容量のターボチャージャを被検体とした場合であっても、排気経路内の排気を十分に冷却して機外に排気することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１は本発明の一実施例に係るターボチャージャ用試験装置の全体的な構成を示した配管図、図２はエジェクタを模式的に表した断面図、図３はターボチャージャ用試験装置の作動制御パターンとタービン室に供給される空気の流量との関係を表した図である。
【００１６】
図１に示すように、本実施例のターボチャージャ用試験装置１は、自動車エンジンに搭載されるターボチャージャ２の各種性能試験を行うための装置であって、ターボチャージャ２のタービン室２５に下流端が接続され、このタービン室２５に圧縮空気を供給する給気経路３と、タービン室２５に上流端が接続され、タービン室２５からの排気を機外に排出する排気経路４と、給気経路３の中途部に上流端が分枝接続されるとともに、排気経路４に下流端が接続されて、給気経路３内の空気を誘引して排気経路４へと供給するバイパス経路５とが設けられている。このような構成において、給気経路３の加熱圧縮空気がタービン室２５へと供給されることで、ターボチャージャ２が駆動され、タービン室２５からの排気が排気経路４から機外に排出される。
【００１７】
ターボチャージャ２は、公知の構成のものが用いられ、具体的には、両端にタービン２０とコンプレッサ２１とがタービン軸２２に固定されたタービンロータがハウジング２４に内設され、タービン軸２２の軸方向中間部分が軸受２３を介して支承されている。ハウジング２４内部では、タービン２０がタービン室２５に、コンプレッサ２１がコンプレッサ室２６にそれぞれ配置されている。
【００１８】
なお、ターボチャージャ２は、自動車に載置された状態では、タービン室２５に加熱圧縮空気が供給されると、タービン２０が高速回転されるとともに、タービン軸２２を介してコンプレッサ２１が同期回転される。そして、このコンプレッサ２１の回転に伴ってコンプレッサ室２６に燃焼用空気が吸入されることで、エンジンの吸気系に燃焼用空気が強制供給される。
【００１９】
給気経路３は、下流端がタービン室２５に接続されており、経路内の空気がタービン室２５内へと供給される。給気経路３の上流端は、圧縮空気供給装置としてのエアコンプレッサ３０と接続されており、エアコンプレッサ３０によって給気経路３に圧縮空気が送り込まれる。また、給気経路３の途中には加熱供給装置としての電熱ヒータ３１が配置されており、電熱ヒータ３１によって給気経路３内の圧縮空気が最高で８００〜８５０℃まで加熱されて、タービン室２５へと送り込まれる。このエアコンプレッサと電熱ヒータ３１とで加熱圧縮空気供給装置が構成されている。
【００２０】
給気経路３には、上述したエアコンプレッサ３０及び電熱ヒータ３１の他に、エアコンプレッサ３０から電熱ヒータ３１までの間部分に、図示せぬフィルタ、オイルミストセパレータ、減圧弁、及び流量計等が設けられる他、調整弁３２が設けられており、それぞれ上流端側から順に直列に配置されている。調整弁３２は、タービン室２５に送り込まれる空気の流量を図示せぬ流量計にて計測しながら調整するように構成されている。なお、給気経路３に配置される各装置は、上述したものに特に限定されない。
【００２１】
排気経路４は、上流端がタービン室２５に接続されており、タービン室２５内からの排気が機外へと排出される。排気経路４の中途部には、混合器４０が設けられており、後述するように、混合器４０によって、バイパス経路５の下流端より送り込まれた空気と、コンプレッサ室２６に接続された第二排気経路６より送り込まれた空気とが混合される。
混合器４０の下流位置には、送風機４１が設けられており、送風機４１によってタービン室２５からの排気が冷却されながら機外に排出される。このように、排気経路４に送風機４１を設けることによって、送風機４１を適切な速度で運転させてタービン室２５からの排気を吸引しながら排出することができ、タービン室２５の背圧を低くして、ターボチャージャ２の運転を実際の自動車に組み付けた場合に則した状態で行うことができる。
【００２２】
バイパス経路５は、上流端が給気経路３の中途部であって電熱ヒータ３１とタービン室２５との間部分に分岐接続され、下流端が排気経路４の中途部であってタービン室２５と送風機４１との間部分に分岐接続されており、給気経路３内の空気がタービン室２５を経由することなく排気経路４へ供給される。
本実施例では、バイパス経路５の上流端は、給気経路３と接続部５ａで接続されており、給気経路３において接続部５ａとタービン室２５との間部分には、調整弁等の他の装置は設けられていない。また、バイパス経路５の下流端は、排気経路４に設けられた前記混合器４０に接続されており、バイパス経路５内の空気が混合器４０に供給されて、タービン室２５から送り込まれた排気と混合される。
【００２３】
バイパス経路５の途中には、給気経路３内の空気をバイパス経路５内に誘引して、バイパス経路５の下流端側へと圧送するエジェクタ５０が設けられている。エジェクタ５０は、エアコンプレッサ５３より送り込まれた圧縮空気が駆動流として供給されることで、バイパス経路５内の空気が吸引流としてバイパス経路５下流側へと圧送される。
図２に示すように、本実施例のエジェクタ５０は、吸入口５０ａと、ノズル部５０ｂと、ディフューザ５０ｃと、及び吐出口５０ｄ等とで構成されている。吸入口５０ａ及び吐出口５０ｄは、バイパス経路５にそれぞれ接続され、ノズル部５０ｂにはエアコンプレッサ５３より圧縮空気が供給される。そして、ノズル部５０ｂに供給された圧縮空気がディフューザ５０ｃに向けて導入されることで、いわゆるエジェクタ効果によって吸入口５０ａが負圧となり、バイパス経路５内の空気が吸入口５０ａからエジェクタ５０内部に吸引されて、吐出口５０ｄからバイパス経路５の下流側へと圧送される。
このように、バイパス経路５にエジェクタ５０が設けられることで、給気経路３内の空気を、接続部５ａを介してバイパス経路５内へと強制的に誘引させることができる。
【００２４】
なお、エジェクタ５０の作動は、エジェクタ５０に駆動流としての圧力空気を供給するエアコンプレッサ５３の供給弁（図略）が開閉されることで切り換えられる。すなわち、エジェクタ５０にエアコンプレッサ５３からの圧縮空気が供給されている状態（以下、かかる状態をエジェクタ５０が「ＯＮ」の状態とする）では、給気経路３内の空気をエジェクタ効果によって接続部５ａからバイパス経路５へと誘引して、バイパス経路５の下流側へと圧送することができる。一方で、エジェクタ５０にエアコンプレッサ５３からの圧縮空気が供給されない状態（以下、かかる状態をエジェクタ５０が「ＯＦＦ」の状態とする）では、エジェクタ効果が発揮されない。
【００２５】
また、バイパス経路５には、給気経路３との接続部５ａとエジェクタ５０との間部分に、冷却装置５１及び調整弁５２が下流端側に向けて順に直列に配置されている。
冷却装置５１は、電熱ヒータ３１によって加熱された加熱圧縮空気をバイパス経路５内で冷却させる（温度低下させる）ものである。冷却装置５１が設けられることで、バイパス経路５の下流端に接続された混合器４０に冷却された空気が送り込まれて、タービン室２５から送り込まれた高温の排気が、かかる空気によって冷却されてから機外に排気される。また、調整弁５２によって、エジェクタ５０に送り込まれる空気の流量が調整される。
【００２６】
図１に戻って、本実施例のターボチャージャ用試験装置１は、ターボチャージャ２のコンプレッサ室２６に上流端が接続されるとともに、排気経路４に下流端が接続されて、コンプレッサ室２６からの圧縮空気をタービン室２５からの排気と合流させて機外に排出する第二排気経路６が設けられている。第二排気経路６の下流端は、上述した混合器４０に接続されている。このように第二排気経路６が設けられることで、ターボチャージャ２の性能試験を実施する際に、高速回転されるタービン２０に同期して回転されるコンプレッサ２１によってコンプレッサ室２６から排出される圧縮空気が混合器４０に送り込まれて、タービン室２５から送り込まれた高温の排気が、かかる空気によって冷却されてから機外に排気される。
【００２７】
次に、ターボチャージャ用試験装置１の作動制御について、以下に詳述する。
本実施例のターボチャージャ用試験装置１では、給気経路３内の空気がバイパス経路５に誘引されてタービン室２５に供給されない（若しくは供給されても僅かである）状態と、給気経路３内の空気がタービン室２５にほとんど全て供給される状態とに切り換えられて、タービン室２５への空気の流量が制御され、ターボチャージャ２の動作特性試験や耐久性試験などの各種の性能試験が実施される。
【００２８】
以下、ターボチャージャ用試験装置１において、給気経路３内の空気がタービン室２５に供給されない（若しくは供給されても僅かである）状態を待機状態Ｓ１といい、給気経路３内の空気がタービン室２５に殆んど全て供給される状態を駆動状態Ｓ２という。すなわち、ターボチャージャ２においては、待機状態Ｓ１ではタービン２０が静止された状態であり、駆動状態Ｓ２ではタービン２０が高速回転されている状態である。
【００２９】
ターボチャージャ用試験装置１において各種の性能試験が実施される際には、ターボチャージャ２が所定位置に配置され、次いで、給気経路３、排気経路４、及びバイパス経路５に配置された各装置が起動される。具体的には、給気経路３に設けられたエアコンプレッサ３０及び電熱ヒータ３１が起動されて、給気経路３内に加熱圧縮空気が供給され、排気経路４に設けられた送風機４１が起動されて、排気経路４内の空気が機外に排気される。なお、エアコンプレッサ３０や電熱ヒータ３１等は、試験実施中は常時駆動されている。また、調整弁３５が開閉操作されることによって、タービン室２５に供給される空気流量が調整されるが、この調整弁３５は試験実施中に操作されない。
【００３０】
待機状態Ｓ１のターボチャージャ用試験装置１では、バイパス経路５に設けられた調整弁５２が全開に切り換えられるとともに、エジェクタ５０がＯＮに切り換えられている。このように作動されることによって、給気経路３内の空気を、エジェクタ５０によるエジェクタ効果によって接続部５ａを介してバイパス経路５へと強制的に誘引させることができる。つまり、エジェクタ５０は、給気経路３からバイパス経路５に供給される空気の流量を増大させる際に作動される。バイパス経路５に誘引された空気は、冷却装置５１にて冷却された後に、エジェクタ５０を介して下流側へと圧送され、混合器４０にて排気経路４に合流されて機外に排気される。
【００３１】
なお、本実施例では、待機状態Ｓ１にあるときには、給気経路３内の空気が全てバイパス経路５へと誘引されずに、タービン室２５に最小流量Ｆ１の空気が供給されている（図３参照）。そして、タービン室２５に供給された空気は、排気経路４へと送られて、混合器４０にてバイパス経路５より供給された空気と混合されることによって冷却されてから機外に排気される。
【００３２】
一方、駆動状態Ｓ２のターボチャージャ用試験装置１では、調整弁５２が閉塞されるとともに、エジェクタ５０がＯＦＦに切り換えられている。このように作動されることによって、給気経路３内の空気は、バイパス経路５内に供給されることなく、ほとんど全てがタービン室２５へと供給される。駆動状態Ｓ２では、タービン室２５に最大流量Ｆ２の空気が供給されて、タービン２０が高速回転されている（図３参照）。そして、タービン室２５から排気経路４に排出された空気は、主にコンプレッサ室２６から第二排気経路６に供給された空気と混合器４０にて混合されることによって冷却されてから機外に排気される。
【００３３】
実際に性能試験が実施される際には、ターボチャージャ用試験装置１は、上述した待機状態Ｓ１と駆動状態Ｓ２とが繰り返し切り換えられるように作動制御される。
図３に示したターボチャージャ用試験装置１の試験運転パターンとタービン室２５に供給される空気の流量との関係を参照すると、まず、待機状態Ｓ１では、タービン室２５には最小流量Ｆ１の空気が供給されている。やがて、ターボチャージャ用試験装置１が作動され、調整弁５２が閉塞されるとともに、エジェクタ５０がＯＦＦに切り換えられて、タービン室２５に供給される空気の流量が短時間に一気に増大され、所定時間ｔ１の後に最大流量Ｆ２まで増大されて待機状態Ｓ１から駆動状態Ｓ２に切り換えられる。
【００３４】
駆動状態Ｓ２では、所定時間ｔ２の間タービン２０が高速回転される。その後、再度ターボチャージャ用試験装置１が作動され、調整弁５２が全開に切り換えられるとともに、エジェクタ５０がＯＮに切り換えられて、タービン室２５に供給される空気の流量が短時間に一気に減少され、所定時間ｔ３の後に最小流量Ｆ２まで減少されて駆動状態Ｓ２から待機状態Ｓ１に切り換えられる。
このようにして、待機状態Ｓ１と駆動状態Ｓ２とが繰り返し切り換えられる。
【００３５】
以上のように、本実施例のターボチャージャ用試験装置１は、ターボチャージャ２のタービン室２５に下流端が接続され、タービン室２５に加熱圧縮空気を供給する給気経路３と、タービン室２５に上流端が接続され、タービン室２５からの排気を機外に排出する排気経路４と、給気経路３の中途部と排気経路４の中途部とに両端がそれぞれ接続されて、タービン室２５を経由することなく給気経路３内の空気を排気経路４へと供給するバイパス経路５とを備えてなり、バイパス経路５には、経路内の空気を吸引して下流端へと圧送するエジェクタ５０が設けられており、給気経路３からバイパス経路５に供給される空気の流量を増大させる際に、エジェクタ５０が作動されるように構成されている。
【００３６】
このような構成とすることで、ターボチャージャ用試験装置１は、給気経路３からバイパス経路５に供給される空気の流量を増大させる際に、エジェクタ５０をＯＮに切り換えてエジェクタ５０を作動させて、給気経路３内の空気を強制的にバイパス経路５に誘引させることで、タービン室２５に供給される空気の流量を短時間で急激に低減できるとともに、従来タービン室２５の手前側に設けられていた調整弁等が不要となって、給気経路３内の空気の圧力、流速、及び温度を均一することができ、タービン室２５に供給される空気の流量制御の応答性を向上させて、試験条件を高精度に制御できる。また、待機状態Ｓ１において、エジェクタ５０によって給気経路３内の空気がバイパス経路５に誘引されるため、タービン室２５に供給される空気の流量（最小流量Ｆ１）を低減して、小流量時の制御安定性を向上できる。
【００３７】
また、ターボチャージャ用試験装置１は、バイパス経路５に給気経路３の接続部５ａとエジェクタ５０との間部分に冷却装置５１を設けることで、バイパス経路５に供給された空気が冷却されて下流側に圧送され、排気経路５に合流されるため、タービン室２５から送り込まれた高温の排気を、冷却装置５１によって冷却された空気によって冷却してから機外に排気することができ、従来のように排気経路４に冷却装置等を設ける必要がなく、装置を小型化できる。
【００３８】
さらに、ターボチャージャ用試験装置１は、排気経路５に上述した第二排気経路６を設けることで、コンプレッサ室２６からの排気を利用して排気経路５内の排気を冷却させるため、大容量のターボチャージャ２を被検体とした場合であっても、排気経路５内の排気を十分に冷却して機外に排気することができる。また、上述した冷却装置５１も小型化できるため、ひいては装置全体の小型化を図ることができる。
なお、本実施例では、第二排気経路６は、バイパス経路５と同様に混合器４０にて排気経路４に接続される構成としたが、別途混合器等を設けて他の部分にて排気経路４と接続されるように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施例に係るターボチャージャ用試験装置の全体的な構成を示した配管図。
【図２】エジェクタを模式的に表した断面図。
【図３】ターボチャージャ用試験装置の作動制御パターンとタービン室に供給される空気の流量との関係を表した図。
【符号の説明】
【００４０】
１ ターボチャージャ用試験装置
２ ターボチャージャ
３ 給気経路
４ 排気経路
５ バイパス経路
６ 第二排気経路
２５ タービン室
３０ エアコンプレッサ
３１ 電熱ヒータ
４０ 混合器
５０ エジェクタ
５１ 冷却装置
５２ 調整弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボチャージャのタービン室に下流端が接続され、該タービン室に加熱圧縮空気を供給する給気経路と、
前記タービン室に上流端が接続され、該タービン室からの排気を機外に排出する排気経路と、
前記給気経路の中途部と前記排気経路の中途部とに両端がそれぞれ接続されて、前記タービン室を経由することなく前記給気経路内の空気を排気経路へと供給するバイパス経路とを備えてなるターボチャージャ用試験装置であって、
前記バイパス経路には、経路内の空気を吸引して下流端へと圧送するエジェクタが設けられており、
前記給気経路からバイパス経路に供給される空気の流量を増大させる際に、前記エジェクタが作動されることを特徴とするターボチャージャ用試験装置。
【請求項２】
前記バイパス経路には、前記給気経路との接続部と前記エジェクタとの間部分に冷却装置が設けられることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ用試験装置。
【請求項３】
前記排気経路には、ターボチャージャのコンプレッサ室に上流端が接続され、前記排気経路に下流端が接続されて、該コンプレッサ室からの圧縮空気を前記タービン室からの排気に合流させて機外に排出する第二排気経路が設けられることを特徴とする請求項１及び請求項２に記載のターボチャージャ用試験装置。
【請求項１】
ターボチャージャのタービン室に下流端が接続され、該タービン室に加熱圧縮空気を供給する給気経路と、
前記タービン室に上流端が接続され、該タービン室からの排気を機外に排出する排気経路と、
前記給気経路の中途部と前記排気経路の中途部とに両端がそれぞれ接続されて、前記タービン室を経由することなく前記給気経路内の空気を排気経路へと供給するバイパス経路とを備えてなるターボチャージャ用試験装置であって、
前記バイパス経路には、経路内の空気を吸引して下流端へと圧送するエジェクタが設けられており、
前記給気経路からバイパス経路に供給される空気の流量を増大させる際に、前記エジェクタが作動されることを特徴とするターボチャージャ用試験装置。
【請求項２】
前記バイパス経路には、前記給気経路との接続部と前記エジェクタとの間部分に冷却装置が設けられることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ用試験装置。
【請求項３】
前記排気経路には、ターボチャージャのコンプレッサ室に上流端が接続され、前記排気経路に下流端が接続されて、該コンプレッサ室からの圧縮空気を前記タービン室からの排気に合流させて機外に排出する第二排気経路が設けられることを特徴とする請求項１及び請求項２に記載のターボチャージャ用試験装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−２４７４０８（Ｐ２００７−２４７４０８Ａ）
【公開日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−６７６５３（Ｐ２００６−６７６５３）
【出願日】平成１８年３月１３日（２００６．３．１３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月１３日（２００６．３．１３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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