JP2008008227A - 可変容量タービン - Google Patents

Abstract

【課題】ガス漏れを抑制することができ、高効率の可変容量タービンを提供すること。
【解決手段】渦巻き状の流路を構成するスクロールを有したケーシングと、ケーシング内に設けられ、スクロールを経た排気ガス１８の流量を絞る複数のノズル穴１１を有した固定ノズル１０と、各ノズル穴１１に対して進退し、スロート部１７に形成されるスロート面積を調節することにより排気ガス１８の流量を調節する複数のバルブ１２と、このバルブ１２を、リング部材１３、回動部１５、連結部２２、連結部材２１を介して進退させるアクチュエータ２０と、ノズル穴１１を通過した排気ガス１８によって回転可能に配設されたタービンホイールとを備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、自動車用内燃機関のターボ過給機に適用される可変容量タービンに関し、更に詳しくは、ガス漏れを抑制することができ、高効率の可変容量タービンに関する。

自動車用内燃機関の出力向上のために、排気ガスの流量を変化させ、その運動エネルギーを利用して空気を強制的に燃焼室へ送り込み、当該燃焼室への空気の充填効率を高める可変容量タービン過給機が種々提案され、実用化されている。

すなわち、図示例を省略するが、従来の可変容量タービンでは、エンジンのシリンダから排出された排気ガスは、ガス入口ケーシングのスクロールを通ってその円周方向に旋回することにより半径方向の流速を与えられ、可変ノズルの入口前縁を経て当該ノズル内に流入する。

そして、排気ガスは、この可変ノズル内において、ガスの最小通路であるノズルスロート部で流路を絞られて流速を増し、ノズル出口後縁から流出する。

当該ノズルを経た排気ガスは、動翼たるタービンホイールに流入し、当該タービンホイール内を通過する際に膨張仕事をなしてこれを回転させることにより動力を発生させる。タービンホイールを経た排気ガスは、図示しない排気ディフューザに流出する。

このような従来の可変容量タービンの可変ノズル機構の一例として、ベーン回転型による絞り機構を図１０〜図１３に基づいて説明する。

ここで、図１０は、従来の可変容量タービンの大流量時におけるノズルベーンを示す部分正面図、図１１は、大流量時におけるスロート部を示す側面図であり、図１０に対応している。

また、図１２は、従来の可変容量タービンの少流量時におけるノズルベーンを示す部分正面図、図１３は、少流量時におけるスロート部を示す側面図であり、図１２に対応している。

図１０〜図１３に示すように、ガス流量を変化させる際には、ベースプレート３１に軸支部３２によって回動自在に軸支された複数のノズルベーン３０を適宜回動させることにより、スロート部３３の面積（スロート面積）を変化させる。

すなわち、大流量時には図１０および図１１に示すように、スロート部３３の面積を大きく設定し、少流量時には図１２および図１３に示すように、スロート部３３の面積を小さく設定する。

このように、ノズルベーン３０を開閉させて排気ガスの流速調整を行うことにより、タービンホイールの回転速度が調整され、ひいては燃焼室に強制的に送り込まれる空気の量が調整される。

これらのノズルベーン３０は、図示しないタービンホイールの軸線を中心として等角度毎に配置され、互いに同期した状態で開閉動作するようになっている。また、熱歪みや煤詰まりによるスティックを抑制すべく、ベースプレート３１とノズルベーン３０との間には、所定の隙間であるサイドクリアランスｓが設けられている。

また、図示例を省略するが、関連技術として、たとえば、つぎのものが公知である。すなわち、スロットに組み込まれた羽根のタブをユニゾンリングの回転によって移動し、当該羽根の開閉位置を可変にした技術が提案されている（特許文献１参照）。

また、固定ノズルリングの固定ノズル間に、可変ノズルを固着した回転ノズルリングを配置し、ノズルスロート部の面積を変化させるようにした技術が提案されている（特許文献２参照）。

また、可変ノズルベーンの支持部を案内孔に挿入し、ベーンを翼弦方向にスライド移動させることにより流路を可変にした技術が提案されている（特許文献３参照）。

特表２００３−５２７５２２号公報 特開平１１−１４１３４３号公報 特開２０００−８８６９号公報

しかしながら、従来の可変容量タービンは、図１１および図１３中に破線で示したように、ノズルベーン３０が開き側となる大流量時には、スロート３３の面積が大きいためにサイドクリアランスｓからのガス漏れの影響は小さく問題とならないが、ノズルベーン３０が閉じ側となる少流量時には、スロート３３の面積が小さいためにサイドクリアランスｓからのガス漏れの影響が大きくなり、効率低下の一因となっていた。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ガス漏れを抑制することができ、高効率の可変容量タービンを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明の請求項１に係る可変容量タービンは、渦巻き状の流路を構成するスクロールを有したケーシングと、前記ケーシング内に設けられ前記スクロールを経た流体の流量を絞る複数のノズル穴を有した固定ノズルと、前記各ノズル穴に対して進退しスロート面積を調節することにより前記流体の流量を調節する複数のバルブと、前記バルブを進退させるアクチュエータと、前記ノズル穴を通過した前記流体によって回転可能に配設されたタービンホイールと、を備えたことを特徴とするものである。

また、この発明の請求項２に係る可変容量タービンは、請求項１に記載の発明において、前記固定ノズルは円環状に形成され、前記ノズル穴は当該固定ノズルの内周面と外周面とを貫通し当該内周面から当該外周面に向けて拡開するように設けられていることを特徴とするものである。

また、この発明の請求項３に係る可変容量タービンは、請求項２に記載の発明において、前記固定ノズルの外周に沿って同軸に設けられ、かつ、前記アクチュエータによって回動可能となるように設けられたリング部材を備え、前記バルブは、前記リング部材に回動自在に軸支されていることを特徴とするものである。

また、この発明の請求項４に係る可変容量タービンは、請求項１〜３のいずれか一つに記載の発明において、低流速用の前記スクロールと高流速用の前記スクロールとを併設して備え、前記低流速用のスクロールには、前記バルブを有しない前記固定ノズルを対応させて備える一方、前記高流速用のスクロールには、前記バルブを有した前記固定ノズルを対応させて備え、低流量時には前記固定ノズルの前記ノズル穴を前記バルブによって全閉にし、高流量時には前記固定ノズルの前記ノズル穴を前記バルブによって全開にすることを特徴とするものである。

この発明に係る可変容量タービン（請求項１）によれば、バルブによってノズル穴を開閉するため、従来のようなノズルベーンが不要となり、所定の隙間（サイドクリアランス）も不要となるので、流体の漏れを抑制することができ、高効率の可変容量タービンを提供することができる。

また、この発明に係る可変容量タービン（請求項２）によれば、固定ノズルを簡易に構成することができる。

また、この発明に係る可変容量タービン（請求項３）によれば、アクチュエータによってリング部材を所定量回動させるだけでバルブを進退させ、スロート面積を調節することができるので、流体の流量を容易に調節することができる。

また、この発明に係る可変容量タービン（請求項４）によれば、バルブを開閉制御することにより、広範囲の流量を調節することができる。

以下に、この発明に係る可変容量タービンの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、この発明の実施例１に係る可変容量タービンの要部を示す正面断面図であり、スロート面積を小さく設定した場合を示したものである。図２は、スロート面積を大きく設定した場合の可変容量タービンの要部を示す正面断面図である。

また、図３は、固定ノズルを示す斜視図、図４は、可変容量タービンの要部を示す側面断面図、図５は、リング部材を示す正面図である。

また、図６は、低流量時のノズル穴を示す断面図、図７は、中流量時のノズル穴を示す断面図、図８は、高流量時のノズル穴を示す断面図である。

図１〜図５に示すように、本実施例１に係る可変容量タービンは、渦巻き状の流路を構成するスクロール６を有したケーシング５と、ケーシング５内に設けられ、スクロール６を経た排気ガス（流体）１８の流量を絞る複数のノズル穴１１を有した固定ノズル１０と、各ノズル穴１１に対して進退し、スロート部１７に形成されるスロート面積を調節することによりガスの流量を調節する複数のバルブ１２と、このバルブ１２を進退させるアクチュエータ２０と、ノズル穴１１を通過したガスによって回転可能に配設されたタービンホイール７とを備えている。

固定ノズル１０は、図３に示すように、円環状に形成され、ノズル穴１１は当該固定ノズル１０の内周面と外周面とを貫通し、当該内周面から当該外周面に向けて拡開するように設けられている。このような形状とすることで、固定ノズル１０を簡易に構成することができる。

リング部材１３は、固定ノズル１０の外周に沿って同軸に設けられ、かつ、アクチュエータ２０、連結部材２１および連結部２２によって回動可能となるように設けられている。

バルブ１２は、このリング部材１３により回動自在に回動部１５で軸支されている。また、バルブ１２は、図１および図２に示すように、その先端がテーパ形状に形成されている。

このように、アクチュエータ２０によってリング部材１３を所定量回動させることにより、図６〜図８に示すように、バルブ１２をノズル穴１１に対して進退させ、スロート面積を容易に調節することができる。

なお、上記バルブ１２、固定ノズル１０、リング部材１３等は、耐熱性や耐食性等の条件に応じて、ステンレス、チタンとアルミニウムの合金等、種々の金属にて形成することができる。また、耐熱樹脂等、金属以外の材質にて形成してもよい。

つぎに動作について説明する。図１、図２および図９に示すように、この可変容量タービンでは、図示しないエンジンのシリンダから排出された排気ガス１８は、ケーシング５のスクロール６を通ってその円周方向に旋回することにより半径方向の流速を与えられ、固定ノズル１０のノズル穴１１に流入する。

そして、排気ガス１８は、バルブ１２の進退量によって形成されたスロート部１７で流路を絞られて流速を増し、固定ノズル１０内周面側のノズル穴１１から流出する。

このバルブ１２の進退量は、たとえば、アクチュエータ２０によるリング部材１３の回動制御によって、つぎのように調節することができる。すなわち、低流量時には、図１および図６に示すように、バルブ１２の進量を最大限増やしてスロート面積を小さく設定する。

一方、高流量時には、図２および図８に示すように、バルブ１２の退量を最大限に増やしてスロート面積を大きく（全開）設定する。なお、中流量時には、これら低流量時と高流量時の中間的な制御を行えばよい。

このように流量制御され、固定ノズル１０を経た排気ガス１８は、タービンホイール７に流入し、当該タービンホイール７内を通過する際に膨張仕事をなしてこれを回転させることにより動力を発生させる。タービンホイール７を経た排気ガス１８は、図示しない排気ディフューザに流出する。

以上のように、この実施例１に係る可変容量タービンによれば、バルブ１２によってノズル穴１１を開閉するため、従来のようなノズルベーン３０（図１０〜図１３参照）が不要となり、所定の隙間（サイドクリアランスｓ）も不要となるので、当該隙間からの排気ガス１８の漏れを抑制することができ、簡易な構成にて高効率の可変容量タービンを提供することができる。

図９は、この発明の実施例２に係る可変容量タービンの要部を示す側面断面図である。なお、以下の説明において、すでに説明した部材と同一もしくは相当する部材には、同一の符号を付して重複説明を省略または簡略化する。

本実施例２に係る可変容量タービンは、いわゆるツインノズルターボに本発明を適用したものであり、図９に示すように、低流速用のスクロール６ａと高流速用のスクロール６とを併設して備えている。

そして、低流速用のスクロール６ａには、バルブ１２を有しない固定ノズル１０ａを対応させて備える一方、高流速用のスクロール６には、バルブ１２を有した固定ノズル１０を対応させて備えたものである。

なお、その他の構成および基本動作は、上記実施例１の場合と同様であるので、重複説明を省略する。

このように構成した可変容量タービンでは、低流量時には、固定ノズル１０のノズル穴１１をバルブ１２によって全閉にし、固定ノズル１０ａのみを排気ガス１８が通過するように設定する。

一方、高流量時には、固定ノズル１０のノズル穴１１をバルブ１２によって全開にし、固定ノズル１０および固定ノズル１０ａを排気ガス１８が通過するように設定する。

また、中流量時には、固定ノズル１０のノズル穴１１をバルブ１２によって半開にし、この半開の固定ノズル１０と固定ノズル１０ａとを排気ガス１８が通過するように設定する。

以上のように、この実施例２に係る可変容量タービンによれば、バルブ１２を開閉制御することにより、広範囲の流量を調節することができる。

以上のように、この発明に係る可変容量タービンは、自動車用内燃機関のターボ過給機に有用であり、特に、ガス漏れを抑制することができ、高効率の可変容量タービンに適している。

この発明の実施例１に係る可変容量タービンの要部を示す正面断面図である。 スロート面積を大きく設定した場合の可変容量タービンの要部を示す正面断面図である。 固定ノズルを示す斜視図である。 可変容量タービンの要部を示す側面断面図である。 リング部材を示す正面図である。 低流量時のノズル穴を示す断面図である。 中流量時のノズル穴を示す断面図である。 高流量時のノズル穴を示す断面図である。 この発明の実施例２に係る可変容量タービンの要部を示す側面断面図である。 従来の可変容量タービンの大流量時におけるノズルベーンを示す部分正面図である。 大流量時におけるスロート部を示す側面図である。 従来の可変容量タービンの少流量時におけるノズルベーンを示す部分正面図である。 少流量時におけるスロート部を示す側面図である。

符号の説明

５ ケーシング
６ スクロール
６ａ 低流速用のスクロール
７ タービンホイール
１０ 固定ノズル
１０ａ 固定ノズル
１１ ノズル穴
１２ バルブ
１３ リング部材
１５ 回動部
１７ スロート部
１８ 排気ガス
２０ アクチュエータ
２１ 連結部材
２２ 連結部

Claims (4)

1. 渦巻き状の流路を構成するスクロールを有したケーシングと、
   前記ケーシング内に設けられ前記スクロールを経た流体の流量を絞る複数のノズル穴を有した固定ノズルと、
   前記各ノズル穴に対して進退しスロート面積を調節することにより前記流体の流量を調節する複数のバルブと、
   前記バルブを進退させるアクチュエータと、
   前記ノズル穴を通過した前記流体によって回転可能に配設されたタービンホイールと、
   を備えた可変容量タービン。
2. 前記固定ノズルは円環状に形成され、前記ノズル穴は当該固定ノズルの内周面と外周面とを貫通し当該内周面から当該外周面に向けて拡開するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の可変容量タービン。
3. 前記固定ノズルの外周に沿って同軸に設けられ、かつ、前記アクチュエータによって回動可能となるように設けられたリング部材を備え、
   前記バルブは、前記リング部材に回動自在に軸支されていることを特徴とする請求項２に記載の可変容量タービン。
4. 低流速用の前記スクロールと高流速用の前記スクロールとを併設して備え、
   前記低流速用のスクロールには、前記バルブを有しない前記固定ノズルを対応させて備える一方、
   前記高流速用のスクロールには、前記バルブを有した前記固定ノズルを対応させて備え、
   低流量時には前記固定ノズルの前記ノズル穴を前記バルブによって全閉にし、
   高流量時には前記固定ノズルの前記ノズル穴を前記バルブによって全開にすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の可変容量タービン。

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