JP2001263083A - 可変容量ターボ過給機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】少ないガス流量に応じて流路面積を絞ったガイ
ドベーン３開度においては、流路スペーサ４とガイドベ
ーン３間の流れがガイドベーン３に沿わず、ガイドベー
ン３の内径側に低流速領域或いは剥離領域が形成され
る。この低流速領域或いは剥離領域の発生による流体的
なエネルギーの損失を抑制することにより、タービン効
率の向上を図る。 【解決手段】ガイドベーン３の前縁Ｌ付近の反り線の曲
率中心Ｏ”をガイドベーン３の回転軸中心Ｏ’よりも外
径側にすること、或いは流路面積が最小となるガイドベ
ーン３開度において、タービン翼車の回転中心を中心と
して、ガイドベーン３の前縁Ｌで形成される円が流路ス
ペーサの重心Ｇ位置で形成される円よりも外側に位置す
る構成とすることにより解決できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、タービンのケーシ
ング内に回動可能なガイドベーンと、ガイドベーンの側
端部とケーシング内壁の間に最小の隙間を保つ流路スペ
ーサとを有する可変容量ターボ過給機に関する。

【０００２】

【従来の技術】ケーシング内のタービン翼車外周部に回
転可能なガイドベーンを複数有する可変容量タービン
は、ガス流量に応じてガイドベーンの開度を調節し適切
な流路面積を実現することにより、広い流量範囲に渡っ
て高過給を達成できる。

【０００３】従来の可変容量タービンにおいては、ケー
シングやガイドベーンの熱変形によりガイドベーンの側
端部がケーシング壁と接触し回動不能となることを避け
るため、また、ガイドベーン側端部とケーシング壁間の
漏れ流れ流量を低減しタービン効率の低下を抑制するた
め、流路スペーサを用いてケーシング壁とガイドベーン
側端部との間に必要最小の隙間が確保されている。

【０００４】例えば特公平７−１３４６８号公報では、
ロッド状の流路スペーサを具備した可変タービンノズル
の実施例が示されており、流路スペーサが羽根全体の半
径方向外側縁部に配設され、軸長が羽根の軸長より僅か
に長手にされている。また、一方の流路スペーサは、ノ
ズルリングに設けられた穴部内にプレス嵌めされ固定さ
れるのが好ましい。且つ、別の流路スペーサが少なくと
も３個、等間隔離間させ、且ノズルリングと内径側壁と
の間に所定の空間を与えるように配設されている。

【０００５】さらに特開平８−１７７５０９号公報で
は、ガイドベーンの自由端側端部との間に微小な隙間を
形成してタービンケーシング内面に設けられた嵌設穴に
緩く嵌め込まれたプレートと、ガイドベーンより上流の
排気ガス通路に配設され、ベーン支持体と前記プレート
とを連結するプレート支持ボルトを有する可変容量ター
ビンが開示されている。

【０００６】また、特開平１１−１９０２１９号公報で
は、支持軸を中心に回動が可能である鈍頭厚肉のノズル
と、前記支持軸およびノズル翼部の内部に穿設された中
空部を貫通して設けられ、ノズル形成壁間の距離を規制
することにより、ノズルとノズル形成壁間のノズル隙間
を制限するノズル隙間制限ピンを有する可変容量タービ
ンが開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】特公平７−１３４６８
号公報に記載されたロッド状の流路スペーサを用いた場
合、或いは特開平８−１７７５０９号公報に記載された
プレート支持ボルトを用いた場合、少ないガス流量に応
じて流路面積を絞ったガイドベーン開度において、流路
スペーサ或いはプレート支持ボルトとガイドベーン間の
流れがガイドベーンに沿わず、ガイドベーンの内径側に
低流速領域或いは剥離領域が形成される状態となる。こ
の低流速領域、或いは、剥離領域の発生は、流体的なエ
ネルギーの損失を伴い、タービン効率が低下するという
問題がある。

【０００８】このガイドベーン内径側の低流速領域、或
いは、剥離領域の発生は、流路スペーサ、或いは、プレ
ート支持ボルトとガイドベーン前縁の位置関係、および
ガイドベーン前縁付近の形状に大きく依存する。従来の
可変容量タービンでは、ガイドベーンの前縁付近の反り
線が直線であるか、或いは反り線の曲率中心がガイドベ
ーンの回転軸中心よりも内径側にある。また、流路面積
が最小となるガイドベーン開度において、ガイドベーン
の前縁が流路スペーサの重心よりも内径側にある。この
ため、流路面積が最小となるガイドベーン開度から、ガ
イドベーンを少し開いた状態では、流路スペーサ或いは
プレート支持ボルトとガイドベーン間の流れは、径方向
に近い向きを有する流れとなっており、一方ガイドベー
ン前縁付近は、周方向に近い向きとなっている。従っ
て、流路スペーサ、或いは、プレート支持ボルトとガイ
ドベーン間の流れの向きと、ガイドベーン前縁付近の向
きに著しい差が発生する。そのため、流れがガイドベー
ンに沿わなくなり、ガイドベーンの内径側に低流速領域
或いは剥離領域が形成されるに至っている。

【０００９】また、特開平１１−１９０２１９号公報に
記載された、支持軸を中心に回動が可能である鈍頭厚肉
のノズルと、前記支持軸およびノズル翼部の内部に穿設
された中空部を貫通して設けられたノズル隙間制限ピン
を用いた場合、上記のような流路スペーサ或いはプレー
ト支持ボルトとガイドベーン間の流れの向きとガイドベ
ーン前縁付近の向きの不一致による低流速領域或いは剥
離領域の形成は避けられるが、ノズルを厚肉にすること
により、ノズル開度を最大にした時の最大流路面積が小
さくなり、作動流量範囲が狭まるという問題がある。

【００１０】本発明の目的は、ガイドベーンを厚肉にす
ることなく、ガイドベーン内径側に生じる低流速領域或
いは剥離領域を抑制し、広い作動流量範囲において高効
率の可変容量ターボ過給機を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題は、ガイドベー
ンの前縁付近の反り線の曲率中心を、ガイドベーンの回
転軸中心よりも外径側にすること、或いは流路面積が最
小となるガイドベーン開度において、ガイドベーンの前
縁を流路スペーサの重心よりも外径側にすることにより
解決できる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を、図を
用いて説明する。

【００１３】図１は、本発明を適用した可変容量ターボ
過給機のタービン部の一実施例を示したものである。

【００１４】このタービン部は、タービン翼車１および
ケーシング２と、ケーシング２内のタービン翼車１外周
部に配設された回動可能なガイドベーン３と、ガイドベ
ーン３のピッチ間に配設された外形が円柱状の流路スペ
ーサ４とから構成される。各ガイドベーン３は、ケーシ
ング２外に延出した回転軸５によって支持されており、
外部の駆動機構（図示せず）によって回転軸５を回動す
ることで回動する。本実施例では、タービン翼車１の外
径はφ４０mm程度で、ガイドベーン３の翼弦長は２０mm
程度で、最大厚さは３mm程度である。ガイドベーン３の
回転軸５の軸中心Ｏ’とタービン翼車１の軸中心Ｏの距
離は、３０mm程度で、流路スペーサ４の外径はφ９mm程
度である。

【００１５】また、ガイドベーン３の枚数は９枚で、流
路スペーサ４の個数は３個であり、周方向に３等分割し
た位置に各々が周期対称的に配置されている。ガイドベ
ーン３の形状は全て同一である。ガイドベーン３の回動
に伴い、流路スペーサ４とガイドベーン３、或いは、ガ
イドベーン３間の各最短距離ｔｉ（ｉ＝１、２、３、
４）が変化することにより、流路面積が増減する。図１
におけるガイドベーン３の開度は、流路面積が最大流路
面積の約５割程度となる開度である。

【００１６】図２には図１におけるＡ−Ａ’断面を示
す。ボルト６はケーシング２壁および流路スペーサ４を
貫通し、流路スペーサ４を挟んで対向するガイドベーン
支持体７に締結される。流路スペーサ４とボルト６の材
料には、ガイドベーン３と同一の熱膨張係数である材料
を用いている。流路スペーサ４の幅ｈｓはガイドベーン
３の幅ｈｎよりも僅かに大きく設計されており、ガイド
ベーン３の側端部とケーシング２内壁およびガイドベー
ン支持体７の間に最小の隙間が保たれる。

【００１７】図３は、図１における１つの流路スペーサ
４と、その右隣のガイドベーン３の周辺を示したもので
ある。

【００１８】図３において、ガイドベーン３の開度は、
流路面積が最大流路面積の約１割程度となる開度であ
る。本実施例におけるガイドベーン３は前縁Lから約
０．４ｃ（ｃはガイドベーンの翼弦長）離れた位置に回
転軸中心Ｏ’を有している。また、前縁Ｌからの距離が
約０．０５ｃから約０．３ｃの範囲における反り線８の
曲率中心Ｏ”が、ガイドベーン３の回転軸中心Ｏ’より
も外径側に位置している。従って、前縁Ｌ付近が流路ス
ペーサ４から遠ざかるように反った形状となっている。
また、前縁Ｌからの距離が約０．３ｃである点Ｂから後
縁Ｔまでの反り線８は直線となっている。反り線８は、
ガイドベーン３の内径側の面９と外径側の面１０とに内
接する円群１１の中心を結ぶ曲線或いは直線である。

【００１９】流路スペーサ４とその右隣のガイドベーン
３の最近接点をＰ、Ｑとし、線分ＰＱの中点を通り線分
ＰＱに垂直な直線を直線ｎとする。直線ｎは、流路スペ
ーサ４とその右隣のガイドベーン３との間の、ガスの流
れ方向を代表している。従って、流路スペーサ４右隣の
ガイドベーン３の前縁Lにおける反り線の接線mと直線n
とで形成される入射角θは、流路スペーサ４とガイドベ
ーン３間の流れがガイドベーン３の内径側の面９に沿う
度合いを示す指標となる。即ち、入射角θが小さい程、
ガイドベーン３の内径側の面９に沿った流れが形成さ
れ、入射角θが大きい場合には、流れは面９から遠ざか
る。また、入射角θはガイドベーン３の開度によって変
化し、ガイドベーン３の開度が小さい程、入射角θは大
きくなる。

【００２０】図４（ａ）に本実施例のガスの流れを、図
４（ｂ）に従来例のガスの流れを示す。本図では、点線
で示すように開度が０（閉じている状態）に対して、実
線で示すように、ガスの質量流量は比較的少ない状態
の、流路面積を絞ったガイドベーン３開度（流路面積が
最大流路面積の約１割程度となる開度）の場合の流れを
示している。なお、この従来例は、前縁Ｌ付近の反り線
が直線であるガイドベーン３を示している。前記線分Ｐ
Ｑの長さが等しい条件で比較した場合、直線ｎの方向は
本実施例と従来例でほぼ同一となる。一方、ガイドベー
ン３の前縁Lにおける反り線の接線mについては、従来例
の接線ｍ’に比べ、本実施例の接線ｍの方がより径方向
に近い。これは、本実施例のガイドベーンの前縁付近が
流路スペーサ４から遠ざかるように反っているためであ
る。このため、本実施例における入射角θは従来例の入
射角θ’に比べて小さくなる。その結果、本実施例では
従来例に比べ、流路スペーサ４とガイドベーン３間の流
れがガイドベーン３の内径側の面９に沿い易くなってお
り、ガイドベーンの内径側の低流速領域が縮小されてい
る。

【００２１】図４中には、流路面積が最小となる開度で
のガイドベーン３の位置を点線で示している。流路面積
が最小となるガイドベーン開度の際、本実施例では、タ
ービン翼車の回転中心中心として、ガイドベーン３の前
縁Ｌで形成される円が、流路スペーサの重心Ｇ位置で形
成される円よりも外径側に位置している。これに対し、
従来例では、前縁Ｌ側の円は流路スペーサの重心Ｇで形
成される円よりも内径側に位置している。この前縁Ｌ位
置の違いによる効果については、本発明に係わる可変容
量ターボ過給機タービン部の第二の実施例で後述する。

【００２２】図５に流路面積Ｓに対する、入射角θおよ
びタービン効率ηの関係を示す。ここでＳ=３ｈｓΣｔ
ｉ（ｉ＝１、２、３、４）であり、ｔｉは、流路スペー
サ４とガイドベーン３、或いはガイドベーン３間の各最
短距離である（図１、２）。流路面積Ｓは、ガイドベー
ン３および流路スペーサ４の配置の周期対称性により、
Σｔｉにｈｓを掛けたものを３倍した値となっている。
図５では効率ηが最大になる時の流路面積Ｓ0よりも小
さい面積範囲を示しており、ガスの質量流量が比較的小
さく、流路面積を絞ったガイドベーン３開度の状態を含
んでいる。流れの数値シミュレーション結果によれば、
入射角θが約４５°以上になると、流路スペーサ４の右
隣に位置するガイドベーン３の内径側に低流速領域が生
じる。また、入射角θの増加と共に低流速領域は拡大
し、ついには逆流が生じて剥離する。この低流速領域或
いは剥離領域の発生は流体的なエネルギーの損失を伴う
ため、タービン効率低下の原因となっている。

【００２３】本実施例と従来例とを同一の流路面積Ｓ１
で比較すると、本実施例は従来例よりも入射角θの値が
小さく、図４に示したように低流速領域も小さい。従っ
て、前記の流体的なエネルギー損失の低減により、ター
ビン効率ηが向上する。本実施例と従来例はいずれも流
路面積Ｓの増加と共に入射角θが減少するが、それぞれ
流路面積がＳ２およびＳ３より大きくなると入射角θが
約４５°以下となる。Ｓ２＜Ｓ３であることから、本実
施例は従来例に比べ、より広いガス流量範囲で高い効率
が維持できる。

【００２４】なお、本実施例では前縁Ｌからの距離が約
０．３ｃ（ｃはガイドベーンの翼弦長）である。点Ｂか
ら後縁Ｔまでの反り線８は略直線となっているが、この
部分の反り線は、直線に限定するものではない。また、
本実施例では前縁Ｌからの距離が約０．０５ｃから約
０．３ｃの範囲における反り線８が１つの円弧で表され
ている。この部分の反り線が複数の円弧で形成され、各
円弧の曲率中心の少なくとも１つが回転軸中心Ｏ’より
外径側に位置していても良い。

【００２５】図６は本発明に係わる可変容量ターボ過給
機タービン部の第二の実施例であり、流路スペーサ４お
よびガイドベーン３周辺を図示している。本実施例にお
けるガイドベーン３の形状は、前縁Ｌ付近の反り線の曲
率中心がガイドベーンの回転軸中心Ｏ’よりも内径側に
ある従来形状である。図６では、ガイドベーン３と流路
スペーサ４および隣のガイドベーン３同士が接触してお
り、これ以上流路面積を小さくできないガイドベーン３
開度となっている。本実施例は、このように流路面積が
最小（流路を閉じた状態）となるガイドベーン３開度の
状態で、ガイドベーン３の前縁Ｌとタービン翼車１の軸
中心Ｏの距離Ｒ_Nが、流路スペーサ４の重心Ｇとタービ
ン翼車１の軸中心Ｏの距離Ｒ_Sよりも大きくなっている
（Ｒ_N＞Ｒ_S）。

【００２６】図７では本実施例（ａ）と従来例（ｂ）に
おけるガスの流れの比較を示す。ガスの質量流量は比較
的少ない状態であり、流路面積を絞ったガイドベーン３
開度（流路面積が最大流路面積の約１割程度となる開
度）となっている。本実施例と従来例のガイドベーン３
は同一形状であり、回転軸中心Ｏ’はいずれも前縁Ｌか
ら約０．４ｃ（ｃは翼弦長）離れた位置にある。しか
し、流路スペーサ４の重心Ｇに対する回転軸中心Ｏ’の
位置が異なっており、本実施例の方が流路スペーサ４の
重心Ｇに近く、また内径側に位置している。このため、
最小流路面積となるガイドベーン３の開度（点線）にお
いて、本実施例ではＲ_N＞Ｒ_Sであるのに対し、従来例で
はＲ_N＜Ｒ_Sとなっている。

【００２７】前記線分ＰＱの長さが等しい条件で比較し
た場合、直線ｎの方向は本実施例および従来例でほぼ同
一となる。一方、ガイドベーン３の前縁Ｌにおける反り
線の接線mについては、従来例の接線ｍ’に比べ、本実
施例の接線ｍの方がより径方向に近い。これは、回転軸
中心Ｏ’の位置の違いにより、本実施例のガイドベーン
３の方がより径方向に傾いているためである。このた
め、本実施例における前記の入射角θは従来例の入射角
θ’に比べて小さい。従って本実施例では従来例に比
べ、流路スペーサ４とガイドベーン３間の流れがガイド
ベーン３の内径側の面９に沿い易くなっており、ガイド
ベーンの内径側の低流速領域も小さい。以上より、第一
の実施例で図６を用いて説明したのと同様に、前記の流
体的なエネルギー損失の低減により、タービン効率ηが
向上する。

【００２８】上記の第一および第二の実施例では全ての
ガイドベーン３を同一形状としているが、本発明を流路
スペーサ４の右隣のガイドベーン３に限って適用しても
良い。なお、本発明は、上述した実施例のみに限定され
るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種
々の変更が可能である。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、少ないガス流量に応じ
て流路面積を絞ったガイドベーン開度において、流路ス
ペーサとガイドベーン間の流れをガイドベーンの内径側
の面に近づけることにより、ガイドベーン内径側に生じ
る低流速領域或いは剥離領域を抑制できる。このため、
流体的なエネルギー損失の低減を実現することにより、
タービン効率を改善できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の第一実施例による可変容量ターボ過給
機タービン部の断面図である。

【図２】図１のタービン部のＡ−Ａ’断面図である。

【図３】図１のタービン部におけるガイドベーンおよび
流路スペーサの周辺を示した図である。

【図４】ガイドベーンおよび流路スペーサ４周辺のガス
流れを示した図である。

【図５】本発明の実施例と従来例のタービン効率の違い
を示した図である。

【図６】本発明の第二実施例における、ガイドベーンお
よび流路スペーサ周辺のガス流れを示した図である。

【図７】ガイドベーンおよび流路スペーサ周辺のガス流
れを示した図である。

【符号の説明】

１…タービン翼車、２…ケーシング、３…ガイドベー
ン、４…流路スペーサ、５…ガイドベーンの回転軸、６
…ボルト、７…ガイドベーン支持体、８…ガイドベーン
の反り線、９…ガイドベーンの内径側の面、１０…ガイ
ドベーンの外径側の面、１１…ガイドベーンの内径側の
面と外径側の面とに内接する円群、Ｏ…タービン翼車の
軸中心、Ｏ’…ガイドベーンの回転軸中心、Ｏ”…ガイ
ドベーン前縁付近の反り線の曲率中心、Ｌ…ガイドベー
ンの前縁、Ｔ…ガイドベーンの後縁、Ｇ…流路スペーサ
の重心、Ｐ，Ｑ…流路スペーサとガイドベーンの最近接
点、Ｒ_N…ガイドベーンの前縁とタービン翼車の軸中心
の距離、Ｒ_S…流路スペーサの重心とタービン翼車の軸
中心の距離、ｈｓ…流路スペーサの幅、ｈｎ…ガイドベ
ーンの幅、ｔｉ（ｉ＝１，２，３，４）…流路スペーサ
とガイドベーン或いはガイドベーン間の各最短距離。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宇田川 哲男 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 (72)発明者 村上 保則 茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式会 社日立カーエンジニアリング内 (72)発明者 岡崎 勉 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 Ｆターム(参考） 3G005 EA15 FA05 GA04 GB24 GB86

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】タービン翼車とケーシングと、前記ケーシ
   ング内のタービン翼車外周部に配設された回動可能なガ
   イドベーンと、前記ガイドベーンの側端部と前記ケーシ
   ング内壁の間に最小の隙間を保つ流路スペーサからなる
   可変容量タービンにおいて、 前記ガイドベーンの前縁付近の反り線の曲率中心が前記
   ガイドベーンの回転軸中心よりも外径側にあることを特
   徴とする可変容量ターボ過給機。
2. 【請求項２】請求項１に記載の前記可変容量タービンに
   おいて、 流路面積が最小となるガイドベーン開度の状態で、前記
   タービン翼車中心と前記ガイドベーンの前縁とで形成さ
   れる円が、前記タービン翼車と前記流路スペーサの重心
   とで形成される円よりも外側にあることを特徴とする可
   変容量ターボ過給機。
3. 【請求項３】タービン翼車と、ケーシングと、前記ケー
   シング内の前記タービン翼車の外周部に配設された回動
   可能なガイドベーンと、前記ガイドベーンの側端部と前
   記ケーシング内壁の間に最小の隙間を保つ流路スペーサ
   からなる可変容量タービンにおいて、 流路を閉じたガイドベーン開度の状態で、前記ガイドベ
   ーンの前縁と前記タービン翼車の回転中心を中心とする
   円が、流路スペーサの重心と前記タービン翼車の回転中
   心を中心とする円よりも外側に位置するように構成した
   ことを特徴とする可変容量ターボ過給機。