JP2001263080A - 可変容量ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】可変容量ターボチャージャにおける可変容量の
拡大を図る場合、ターボチャージャの性能の効率を良好
に維持する。 【解決手段】外周スクロール部２５Ａの基準位置スクロ
ール面積Ｓを、全連通孔２３ａの開口面積の和Ｓ1（基
準位置スクロール面積Ｓ／全連通孔の開口面積の和Ｓ
1）の１．２倍以下に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可変容量ターボチ
ャージャに関する。

【０００２】

【従来の技術】ターボチャージャの一形式として、特開
平１０−８９７７号公報にて提案されているように、可
変容量ターボチャージャがある。当該可変容量ターボチ
ャージャは、エンジンの低速域では、少ない排気でター
ビンロータを効率的に回転させて所望の過給圧を得ると
ともに、エンジンの中速域および高速域では、タービン
ロータの回転をエンジンの回転速度に応じて規制して、
過給圧を設定された圧力に制御することにより、ターボ
チャージャの機能を向上させるべく意図しているもので
ある。

【０００３】当該可変容量ターボチャージャは、タービ
ンハウジングとコンプレッサハウジング間にて回転可能
に支持されて一端がタービンハウジングに臨みかつ他端
がコンプレッサハウジングに臨むシャフトと、同シャフ
トの一端側に一体回転可能に設けられて前記タービンハ
ウジングの排気通路に位置するタービンロータと、前記
シャフトの他端側に一体回転可能に設けられて前記コン
プレッサハウジングの吸気通路に位置するコンプレッサ
ロータを備えていることを基本構成とし、さらには下記
のごとく構成されている。

【０００４】すなわち、当該可変容量ターボチャージャ
においては、前記タービンハウジングは、前記排気通路
における前記タービンロータの上流側を内周スクロール
部と外周スクロール部に区画するとともに同外周スクロ
ール部を流通する排気の一部を前記内周スクロール部へ
流入して同内周スクロールの排気の流速を規制する複数
の連通孔を有する区画壁と、前記外周スクロール部の流
入口側に配設されて同流入口に設けた弁開口部を開閉し
て前記両スクロール部への排気の流量を制御する制御弁
を備える構成となっている。

【０００５】かかる構成の可変容量ターボチャージャに
おいては、エンジンの回転速度に応じて内周スクロール
部と外周スクロール部への排気の流入量を制御すること
により、エンジンの回転速度に応じた適正速度の排気を
タービンロータに供給して、コンプレッサロータにおい
てエンジンの回転速度に応じて設定された適正な過給圧
を得るものである。

【０００６】従って、当該可変容量ターボチャージャに
おいては、外周スクロール部を流れる排気の一部を区画
壁の各連通孔を通して内周スクロール部へ適正量だけ確
実に流入させて、内周スクロール部の排気を設定された
流速に制御することが肝要である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、当該形式の
可変容量ターボチャージャにおいては、可変容量（容量
レンジ）の拡大を図るためには、外周スクロール部のス
クロール面積を内周スクロール部のスクロール面積に比
較して、排気の流れ方向の全ての部位にて大きく形成す
ることが考えられる。しかしながら、外周スクロール部
のスクロール面積を、単に、内周スクロール部のスクロ
ール面積より大きくするだけでは、外周スクロール部で
の排気のロスが大きくて、ターボチャージャの性能を効
率よく発揮し得ないことが判明した。

【０００８】本発明者等は、可変容量ターボチャージャ
における可変容量の拡大を図るべく、外周スクロール部
のスクロール面積を内周スクロール部のスクロール面積
に比較して排気の流れ方向の全ての部位にて大きく形成
する場合、外周スクロール部のスクロール面積と、外周
スクロール部の排気を内周スクロール部に流入させるべ
く機能する連通孔の面積との関係を適正に設定すること
により、外周スクロール部での排気のロスを抑制し得
て、設定されたターボチャージャの性能を効率よく発揮
させ得ることを知得した。

【０００９】従って、本発明の目的は、可変容量の拡大
を図るべく外周スクロール部のスクロール面積を内周ス
クロール部のスクロール面積に比較して排気の流れ方向
の全ての部位にて大きく形成した可変容量ターボチャー
ジャにおいて、外周スクロール部のスクロール面積と連
通孔の面積との関係を適正に設定することにより、外周
スクロール部での排気のロスを抑制して、設定されたタ
ーボチャージャの性能を効率よく発揮させことにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は可変容量ターボ
チャージャに関するもので、下記に示す形式のターボチ
ャージャを適用対象とするものである。すなわち、本発
明は、タービンハウジングとコンプレッサハウジング間
にて回転可能に支持されて一端が前記タービンハウジン
グに臨みかつ他端が前記コンプレッサハウジングに臨む
シャフトと、同シャフトの一端側に一体回転可能に設け
られて前記タービンハウジングの排気通路に位置するタ
ービンロータと、前記シャフトの他端側に一体回転可能
に設けられて前記コンプレッサハウジングの吸気通路に
位置するコンプレッサロータを備え、かつ、前記タービ
ンハウジングは、前記排気通路における前記タービンロ
ータの上流側を内周スクロール部と外周スクロール部に
区画するとともに同外周スクロール部を流通する排気の
一部を前記内周スクロール部へ流入して同内周スクロー
ル部の排気の流速を規制する複数の連通孔を有する区画
壁と、前記外周スクロール部の流入口側に配設されて同
流入口に設けた弁開口部を開閉して前記両スクロール部
への排気の流量を制御する制御弁を備えている形式の可
変容量ターボチャージャを適用対象とする。

【００１１】しかして、本発明に係る可変容量ターボチ
ャージャは、上記した形式の可変容量ターボチャージャ
において、前記外周スクロール部のスクロール面積を前
記内周スクロール部のスクロール面積に比較して排気の
流れ方向の全ての部位にて大きく形成し、かつ、前記外
周スクロール部におけるスクロール始点位置におけるス
クロール面積を前記連通孔の全ての開口面積の和の１．
２倍以下に設定したことを特徴とするものである。本発
明に係る可変容量ターボチャージャにおいては、前記各
スクロール部を、スクロール面積が上流側から下流側へ
漸次縮小する先細り形状に形成することができる。

【００１２】

【発明の作用・効果】本発明に係る可変容量ターボチャ
ージャにおいては、外周スクロール部の全ての部位での
スクロール面積を内周スクロール部の同スクロール面積
より大きくして可変容量の拡大を図っているが、特に、
外周スクロール部のスクロール始点位置でのスクロール
面積（基準位置スクロール面積という）を、外周スクロ
ール部を流動する排気を内周スクロール部に流入すべく
機能する全ての連通孔の開口面積の和の１．２倍以下に
設定している。

【００１３】当該形式の可変容量ターボチャージャは、
全ての連通孔の開口面積が略々同等に設定されている
が、本発明者等はこのような可変容量ターボチャージャ
におけるターボチャージャの性能を効率よく発揮する点
について検討したところ、ターボチャージャの性能の効
率は、基準スクロール面積と全ての連通孔の開口面積の
和とに密接に関係していることを知得した。図５は、そ
の結果を示すグラフであり、外周スクロールサイズを横
軸としターボチャージャの効率を縦軸としているもので
ある。但し、外周スクロールサイズとは、基準位置スク
ロール面積の全連通孔の開口面積の和に対する比（基準
位置スクロール面積／全連通孔の開口面積の和）を意味
し、また、ターボチャージャの効率とはタービンロータ
に与えられたエネルギーに対してコンプレッサロータが
出力する過給エネルギーの割合を意味する。

【００１４】図５のグラフを参照すれば明らかなよう
に、ターボチャージャの効率は、外周スクロールサイズ
が大きくなるのに伴い漸次低下するが、外周スクロール
サイズが１．２を越えると急激に低下し、外周スクロー
ルサイズは１．２において臨界点を有することが判明し
た。従って、当該可変容量ターボチャージャにおけるタ
ーボチャージャの性能の効率を良好に維持するために
は、外周スクロールサイズは１．２以下、すなわち、外
周スクロール部の基準位置スクロール面積を連通孔の全
ての開口面積の和の１．２倍以下に設定することが好ま
しい。また、本発明に係る可変容量ターボチャージャに
おいては、両スクロール部を、スクロール面積が上流側
から下流側へ漸次縮小する先細り形状に形成することに
より、ターボチャージャの可変容量を大幅に向上させる
ことができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明を図面に基づいて
説明する。図１および図２は本発明に係る可変容量ター
ボチャージャの第１実施形態を示すもので、当該可変容
量ターボチャージャは、連結部１０を介して互いに連結
されたタービン部２０Ａとコンプレッサ部３０にて構成
されている。

【００１６】連結部１０は、ベアリングハウジング１１
と、ベアリングハウジング１１内にて軸受１２を介して
回転可能に支持されたシャフト１３を備えていて、シャ
フト１３は左右の各端部をベアリングハウジング１１か
ら突出させている。シャフト１３の一端側はタービン部
２０Ａを構成するタービンハウジング２１内に臨み、か
つ、シャフト１３の他端側はコンプレッサ部３０を構成
するコンプレッサハウジング３１内に臨んでいる。シャ
フト１３の一端側には、タービン部２０Ａを構成するタ
ービンロータ２２が一体回転可能に固着され、かつ、シ
ャフト１３の他端側には、コンプレッサ部３０を構成す
るコンプレッサロータ３２が一体回転可能に組付けられ
ている。

【００１７】タービン部２０Ａは、タービンハウジング
２１と、タービンハウジング２１内に位置するタービン
ロータ２２を備えているもので、タービンハウジング２
１は連結部１０を構成するベアリングハウジング１１の
一側に取付けられている。タービンロータ２２は、ベア
リングハウジング１１の一側を貫通してタービンハウジ
ング２１内に臨むシャフト１３の一端側に一体回転可能
に固着されていて、タービンハウジング２１内に形成さ
れている排気通路に位置している。

【００１８】タービンハウジング２１は、排気導入口２
１ａと排気排出口２１ｂを備え、排気導入口２１ａと排
気排出口２１ｂ間が排気通路に形成されていて、同排気
通路におけるタービンロータ２２の配設位置より上流側
に区画壁２３が設けられている。タービンハウジング２
１におけるタービンロータ２２の配設位置より上流側の
内周面は、区画壁面に形成されていて、区画壁２３は、
排気通路におけるタービンロータ２２の配設位置より上
流側の部位を、内周スクロール部２４Ａと外周スクロー
ル部２５Ａに区画している。区画壁２３には、連通孔２
３ａが下流側に沿って多数形成されている。連通孔２３
ａは、その上流側壁が緩やかな傾斜状に、かつ、その下
流側壁がきつい傾斜状に形成されていて、タービンロー
タ２２の軸心に向かって所定の傾斜角度で指向してい
る。

【００１９】当該タービン部２０Ａにおいては、タービ
ンハウジング２１の排気導入口２１ａ側に制御弁２６Ａ
が配設されている。制御弁２６Ａは、外周スクロール部
２５Ａへの流入開口を構成する弁開口部２６ａの開度を
制御する片開き式のもので、その基端部をタービンハウ
ジング２１における弁開口部２６ａの上流側に傾動可能
に取付けられて傾動端部が下流側に延びていて、傾動端
部が弁開口部２６ａの弁座部に着座している。制御弁２
６Ａは、この状態で外周スクロール部２５Ａの弁開口部
２６ａを閉鎖していて、図示しない操作手段にて、エン
ジンの回転速度に応じて弁開口部２６ａを開閉動作す
る。

【００２０】コンプレッサ部３０は、コンプレッサハウ
ジング３１と、コンプレッサハウジング３１内に位置す
るコンプレッサロータ３２を備えているもので、コンプ
レッサハウジング３１は連結部１０を構成するベアリン
グハウジング１１の他側に取付けられている。コンプレ
ッサロータ３２は、ベアリングハウジング１１の他側を
貫通してコンプレッサハウジング３１内に臨むシャフト
１３の他端側に一体回転可能に組付けられていて、コン
プレッサハウジング３１内に形成されている吸気通路に
位置している。

【００２１】コンプレッサハウジング３１は、コンプレ
ッサ導入口３１ａとコンプレッサ排出口３１ｂを備え、
コンプレッサ導入口３１ａとコンプレッサ排出口３１ｂ
間がコンプレッサ通路に形成されていて、同コンプレッ
サ通路におけるコンプレッサロータ３２の配設位置より
下流側がリング状のスクロール部３３，３４に形成され
ている。各スクロール部３３，３４は、コンプレッサ排
出口３１ｂに隣接する位置からコンプレッサハウジング
３１の外周に沿ってコンプレッサ排出口３１ｂまで延び
ていて、コンプレッサ排出口３１ｂ側に向かって漸次先
太り形状になっている。

【００２２】しかして、当該可変容量ターボチャージャ
においては、タービン部２０Ａを構成する内周スクロー
ル部２４Ａおよび外周スクロール部２５Ａは、上流側か
ら下流側に沿って漸次縮小する先細り形状に形成されて
いるとともに、外周スクロール部２５Ａは内周スクロー
ル部２４Ａに比較して、上流側から下流側の全ての部位
においてスクロール面積が大きく設定されている。

【００２３】区画壁２３に設けられている各連通孔２３
ａは、外周スクロール部２５Ａを流動する排気を内周ス
クロール部２４Ａに流入すべく機能するもので、各連通
孔２３ａの周方向の幅（図２に示す幅W：W1，W2，W3〜W
n）、および軸方向の幅（図１に示す幅T：T1，T2，T3〜
Tn）は共に略々同一寸法に形成されていて、略々同一の
面積（W1T1，W2T2，W3T3〜WnTn）に形成されている。当
該可変容量ターボチャージャにおいては、外周スクロー
ル部２５Ａのスクロール始点位置（Ａ）でのスクロール
面積（基準位置スクロール面積Ｓ）と、全ての連通孔２
３ａの開口面積の和Ｓ1（W1T1＋W2T2＋W3T3〜＋WnTn）
との関係を、Ｓ≦１．２×Ｓ1に設定している。

【００２４】当該可変容量ターボチャージャにおいて、
排気量が少ないエンジンの低速域では、外周スクロール
部２５Ａへの流入開口部を構成する弁開口部２６ａが制
御弁２６Ａにより閉鎖されていて、タービンハウジング
２１の排気導入口２１ａを通して導入された排気は内周
スクロール部２４Ａに流入して所定の流速にてタービン
ロータ２２を回転させ、排気排出口２１ｂを経て外部へ
排出される。この間、タービンロータ２２の回転により
シャフト１３が回転して、コンプレッサロータ３２を回
転させる。この結果、大気がコンプレッサハウジング３
１のコンプレッサ導入口３１ａから吸気通路に導入さ
れ、コンプレッサロータ３２により圧縮されて設定され
た過給圧となり、コンプレッサ排出口３１ｂを経て高い
密度の吸気としてエンジンの吸気口へ導入される。

【００２５】一方、当該可変容量ターボチャージャにお
いて、排気量が多いエンジンの中速域または高速域で
は、制御弁２６Ａの作動により弁開口部２６ａがエンジ
ンの回転速度に応じて開放されて、タービンハウジング
２１の排気導入口２１ａを通して導入された排気は内周
スクロール部２４Ａと外周スクロール部２５Ａの両者に
流入し、内周スクロール部２４Ａに流入した排気は、上
記したと同様に、タービンロータ２２を回転させて排気
排出口２１ｂを経て外部へ排出される。

【００２６】この間、外周スクロール部２５Ａに流入し
た排気の一部は、区画壁２３の各連通孔２３ａを通して
内周スクロール部２４Ａに流入する。この場合、排気の
内周スクロール部２４Ａへの流入方向は、各連通孔２３
ａの指向方向に沿ってタービンロータ２２の軸心へ向か
う方向となって、内周スクロール部２４Ａ内を流れる排
気のタービンロータ２２の接線方向の流れをタービンロ
ータ２２の回転中心側への流れに変えると共に、タービ
ンロータ２２に当たる排気の流速を下げる。これによ
り、タービンロータ２２は必要以上の回転を規制され
て、コンプレッサロータ３２の必要以上の回転が防止さ
れ、過給圧は排気量が多いエンジンの中速域または高速
域においても設定された圧力に制御される。

【００２７】ところで、当該可変容量ターボチャージャ
においては、可変容量（容量レンジ）の拡大を図るため
に、外周スクロール部２５Ａのスクロール面積を排気の
流動方向の全ての部位で内周スクロール部２４Ａのスク
ロール面積より大きくし、かつ、両スクロール部２４
Ａ，２５Ａのスクロール面積を排気の上流側から下流側
に漸次縮小する先細り形状としているが、当該可変容量
ターボチャージャにおいては、特に、外周スクロール部
２５Ａの基準スクロール面積Ｓと、全ての連通孔２３ａ
の開口面積の和Ｓ1（W1T1＋W2T2＋W3T3〜＋WnTn）との
関係を、Ｓ≦１．２×Ｓ1に設定している。これによ
り、ターボチャージャの性能の効率を一層良好に維持で
きる。

【００２８】当該可変容量ターボチャージャにおけるタ
ーボチャージャの性能の効率と、外周スクロールサイズ
（基準位置スクロール面積Ｓ／全連通孔２３ａの開口面
積の和Ｓ1）との関係を検討したところ、図５に示すグ
ラフの通りの結果を得ている。このグラフを参照すれば
明らかなように、ターボチャージャの性能の効率は、外
周スクロールサイズが大きくなるのに伴い漸次低下し、
外周スクロールサイズが１．２を越えると急激に低下す
る傾向にあり、外周スクロールサイズは１．２において
明確な臨界点を有する。従って、当該可変容量ターボチ
ャージャにおけるターボチャージャの性能の効率を良好
に維持するためには、外周スクロールサイズは１．２以
下であること、すなわち、基準位置スクロール面積Ｓを
全ての連通孔２３ａの開口面積の和Ｓ1（W1T1＋W2T2＋W
3T3〜＋WnTn）の１．２倍以下に設定することが好まし
い。

【００２９】図３および図４は、本発明に係る可変容量
ターボチャージャの第２実施形態を示しており、当該可
変容量ターボチャージャにおいては、タービン部を構成
する内周スクロール部および外周スクロール部の断面形
状、および採用している制御弁の形式が、第１の可変容
量ターボチャージャにおける各スクロール部２４Ａ，２
５Ａの断面形状および制御弁２６Ａと相違している点を
除き、第１実施形態の可変容量ターボチャージャと実質
的の同一の構成となっている。制御弁２６Ｂは、バタフ
ライ式のものであって、その中間基部が排気流入口側に
てその上流側と下流側の中間部に取付けられて、排気の
上流側および下流側の両側が傾動端部となっている。こ
れにより、制御弁２６Ｂは、作動時には、弁開口部２６
ｂの上流側および下流側を同時に開閉動作する。

【００３０】しかして、当該可変容量ターボチャージャ
においても、内周スクロール部２４Ｂおよび外周スクロ
ール部２５Ｂは、上流側から下流側に沿って漸次縮小す
る先細り形状に形成されているとともに、外周スクロー
ル部２５Ｂは内周スクロール部２４Ｂに比較して、上流
側から下流側の全ての部位においてスクロール面積が大
きく設定されている。また、当該可変容量ターボチャー
ジャにおいても、基準位置スクロール面積Ｓは、全ての
連通孔２３ａの開口面積の和Ｓ1（W1T1＋W2T2＋W3T3〜
＋WnTn）の１．２倍以下に設定されていて、そのターボ
チャージャの性能の効率を良好に維持するように構成さ
れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る可変容量ターボチャージャの第１
実施形態を示す断面図である。

【図２】同可変容量ターボチャージャの図１における２
−２線での断面図である。

【図３】本発明に係る可変容量ターボチャージャの第２
実施形態を示す図１に対応する断面図である。

【図４】同可変容量ターボチャージャの図２に対応する
断面図である。

【図５】可変容量ターボチャージャにおけるターボチャ
ージャの性能の効率とスクロールサイズ（基準位置スク
ロール面積Ｓ／全連通孔の開口面積の和Ｓ1）の関係を
示すグラフである。

【符号の説明】

１０…連結部、１１…ベアリングハウジング、１２…軸
受、１３…シャフト、２０Ａ，２０Ｂ…タービン部、２
１…タービンハウジング、２１ａ…排気導入口、２１ｂ
…排気排出口、２２…タービンロータ、２３…区画壁、
２３ａ…連通孔、２４Ａ，２４Ｂ…内周スクロール部、
２５Ａ，２５Ｂ…外周スクロール部、２６Ａ，２６Ｂ…
制御弁、２６ａ，２６ｂ…弁開口部、３０…コンプレッ
サ部、３１…コンプレッサハウジング、３１ａ…コンプ
レッサ導入口、３１ｂ…コンプレッサ排出口、３２…コ
ンプレッサロータ、３３，３４…スクロール部、Ｔ…連
通孔の軸方向の幅、Ｗ…連通孔の周方向の幅。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】タービンハウジングとコンプレッサハウジ
   ング間にて回転可能に支持されて一端が前記タービンハ
   ウジングに臨みかつ他端が前記コンプレッサハウジング
   に臨むシャフトと、同シャフトの一端側に一体回転可能
   に設けられて前記タービンハウジングの排気通路に位置
   するタービンロータと、前記シャフトの他端側に一体回
   転可能に設けられて前記コンプレッサハウジングの吸気
   通路に位置するコンプレッサロータを備え、かつ、前記
   タービンハウジングは、前記排気通路における前記ター
   ビンロータの上流側を内周スクロール部と外周スクロー
   ル部に区画するとともに同外周スクロール部を流通する
   排気の一部を前記内周スクロール部へ流入して同内周ス
   クロール部の排気の流速を規制する複数の連通孔を有す
   る区画壁と、前記外周スクロール部の流入口側に配設さ
   れて同流入口に設けた弁開口部を開閉して前記両スクロ
   ール部への排気の流量を制御する制御弁を備えてなる可
   変容量ターボチャージャにおいて、前記外周スクロール
   部のスクロール面積を前記内周スクロール部のスクロー
   ル面積に比較して排気の流れ方向の全ての部位にて大き
   く形成し、かつ、前記外周スクロール部におけるスクロ
   ール始点位置におけるスクロール面積を前記連通孔の全
   ての開口面積の和の１．２倍以下に設定したことを特徴
   とする可変容量ターボチャージャ。
2. 【請求項２】請求項１に記載の可変容量ターボチャージ
   ャにおいて、前記各スクロール部はスクロール面積が上
   流側から下流側へ漸次縮小する先細り形状を呈している
   ことを特徴とする可変容量ターボチャージャ。