JP2003278556A

JP2003278556A - 可変ターボ過給機

Info

Publication number: JP2003278556A
Application number: JP2002077657A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Nishiyama; 利彦西山; Hiroshi Sugito; 博杉戸; Ninkiyu Iino; 任久飯野
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2003-10-02

Abstract

(57)【要約】【課題】効率が良く、構造簡単でコストの安い可変タ
ーボ過給機を提供する。【解決手段】排気タービンハウジング(2)の外周部に
設けた排気ガスの環状通路(3)と、排気ガス流出部(4)と
の間に設けたノズル部(5)に、排気タービンロータ(6)の
外周に沿って、複数個の、軸(11)の端部に固設したノズ
ルベーン(10)を回動自在に軸支する。ノズルベーン(10)
の軸側の基端面(10a)は、軸側のノズル部(5)の一側壁面
(5a)に摺動自在に当接し、ノズルベーン(10)の先端面(1
0b)は、ノズル部(5)の他側壁面(5b)よりＢだけ突出して
おり、Ｂの値は０ｍｍ以上である。ノズル部(5)の他側
壁面(5b)の、ノズルベーン(10)の先端面(10b)に対向す
る位置に凹部(12)を設け、凹部(12)と先端面(10b)との
間に所定の隙間Ｃを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ターボ過給機に係
り、特には、排気タービンの排気流速を調整するノズル
ベーンを備えた可変ターボ過給機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、空気を圧縮してエンジンに吸
入させる方法として、エンジンの排気エネルギを利用し
て排気タービンを作動させ、遠心圧縮機を駆動するター
ボ過給機が知られている。このようなターボ過給機で
は、エンジンの排気を利用するため、エンジンの低速回
転域では排気流量が低下し、排気タービンも低回転とな
り、事実上給気圧縮機をほとんど作動させることができ
ない。そこで、このような欠点を改善するため、ターボ
過給機のノズル面積を可変にする方法がとられている。
これらは可変ターボ過給機と称される。

【０００３】可変ターボ過給機では、排気タービンのノ
ズル部に回動可能なノズルベーンが設置されており、こ
のノズルベーンを回動させることにより、ノズル部の開
口面積を変えて給気圧縮機の過給能力を調整している。
すなわち、エンジンの低速回転域では排気量が少ないの
で、ノズルベーンを回動させてノズル部の開口面積を小
さくし、排気タービンに流入する排気ガス流速を上昇さ
せる。その結果、排気タービンホイールの回転エネルギ
が増加し、給気圧縮機の過給能力を上げることができ
る。

【０００４】このような可変ターボ過給機において、各
ノズルベーン間の隙間以外の部分からのガス漏れは可変
ターボ過給機の性能を悪化させる。そのため、各ノズル
ベーンの高さ方向におけるノズル部の壁面に対する隙間
は非常に小さくされ、排気ガス漏れを最小限にしてい
る。

【０００５】しかしながら、ノズルベーンは非常に高温
度の排気ガスに晒されるため、熱歪みが発生する。ま
た、排気タービンのハウジングのノズル部にも熱歪みが
発生する。その結果、ノズルベーンとノズル部の壁面と
が接触し、固着する可能性がある。そのための対策方法
の一例が、特開２０００−１５４７２８号公報、及び、
特開２００１−２０７８５８号公報に開示されている。

【０００６】図７は、従来の第１例の、特開２０００−
１５４７２８号公報に開示された可変容量型ターボチャ
ージャの側面断面図であり、図８は図７のＸ−Ｘ矢視図
である。図７において、排気タービンハウジング５０の
外周部に設けられた排気ガスの環状通路５１と排気ガス
流出部５２との間には、対向する平行壁面よりなるノズ
ル部５３が設けられている。ノズル部５３には、排気ガ
ス流出部５２に設けられた排気タービンロータ５４の外
周に沿って、軸５６の端部に固設された複数個のノズル
ベーン５５が回動自在に軸支されている。ノズルベーン
５５の軸５６側の基端面５５ａは、軸５６側のノズル部
５３の一側壁面５３ａに摺動自在に当接し、ノズルベー
ン５５の先端面５５ｂとノズル部５３の他側壁面５３ｂ
との間には隙間Ｓが設けられている。Ｓの値はノズル部
５３およびノズルベーン５５が熱歪みを発生しても接触
して固着しないように定められている。

【０００７】図７、図８に示すように、ノズルベーン５
５の先端面５５ｂに対向するノズル部５３の他側壁面５
３ｂには、部分的に凹部５７が設けられている。図８に
示すように、環状通路５１は排気ガスの流入部５１ａか
ら終端部５１ｂに向けて徐々に通路断面が減少するよう
に構成されており、終端部５１ｂ近傍の排気ガスが非常
に高温度になる場合がある。この場合、終端部５１ｂ近
傍のノズルベーン５５及びノズル部５３の熱歪みは特に
大きくなる。そのため、排気ガスが高温度になる終端部
５１ｂ近傍の、３個のノズルベーン５５の回動範囲に対
向して他側壁面５３ｂにザグリによる凹部５７を設け、
この部分のノズルベーン５５の先端面５５ｂとの隙間を
他の部分の隙間より大きくしている。

【０００８】図９は、従来の第２例の、特開２００１−
２０７８５８号公報に開示された可変ターボ過給機の側
面断面図である。図９に示すように、排気タービンハウ
ジング６０に設けられたノズル部６１には、排気タービ
ンロータ６２の外周に沿って複数個のノズルベーン６３
が回動自在に配置されている。ノズルベーン６３の基端
部６３ａはノズル部６１の一側壁面６１ａに摺動自在に
当接し、ノズルベーン６３の先端部６３ｂとノズル部６
１の他側壁面６１ｂとの間に隙間Ｓを設けている。ま
た、ノズル部６１には、熱歪みによる一側壁面６１ａと
他側壁面６１ｂとの間隔の変化を規制するスペーサ６４
が設けられ、ノズル部６１の熱歪みの発生を防止してい
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成においては以下のような問題点が有る。特開２０００
−１５４７２８号公報に開示されたものにおいては、ノ
ズルベーンの先端面とノズル部の他側壁面との間に隙間
Ｓを設けている。そのため、排気ガスは隙間Ｓを直線的
に、何の抵抗も無く流れる。従って、排気ガスの漏れ量
が大きくなり、効率が低下する。特開２００１−２０７
８５８号公報に開示されたものにおいては、特開２００
０−１５４７２８号公報に開示されたものと同様に、ノ
ズルベーンの先端面とノズル部の他側壁面との間に隙間
Ｓが設けられている。そのため、排気ガスの漏れ量が多
く効率が低下する。また、スペーサを設けたため排気ガ
スの流れの邪魔になり、効率の低下を招くと共に、構造
複雑でコストも高くなる。

【００１０】本発明は、上記の問題点に着目してなされ
たものであり、構造簡単で、効率低下の少ない可変ター
ボ過給機を提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段、作用及び効果】上記の目
的を達成するために、第１発明は、可変ターボ過給機に
おいて、排気タービンロータの外周に設けられた環状の
ノズル部に、前記排気タービンロータの周方向に沿っ
て、所定の間隔を空けて回動可能に軸支され、回動する
ことによって通過ガスの流量を制御可能とする複数個の
ノズルベーンを備え、前記ノズルベーンの軸方向の基端
面を、前記ノズル部の一側壁面に摺動自在に当接させ、
前記ノズルベーンの軸方向の先端面を、前記ノズル部の
他側壁面の位置と同一もしくは突出させ、前記他側壁面
の、前記ノズルベーンの先端面に対向する位置に段付状
の凹部を設け、前記凹部と前記ノズルベーンの先端面と
の間に所定の軸方向隙間を設けた構成としている。

【００１２】第１発明によると、ノズルベーンの軸方向
の先端面を、ノズル部の他側壁面の位置と同一もしくは
突出させ、他側壁面のノズルベーンに対向する位置に段
付状の凹部を設け、凹部とノズルベーンの先端面との間
に所定の隙間を設けた。そのため、ノズルベーンやノズ
ル部が熱歪みを発生しても互いに接触し、固着する恐れ
はない。また、ノズル部の壁面とノズルベーンの端部と
の間に直線状に貫通する隙間が存在せず、隙間は屈折し
ている。したがって、隣接するノズルベーン間の隙間以
外から漏れる排気ガスは、抵抗が大きく、その量は少な
くなり、効率低下の少ない可変ターボ過給機が得られ
る。

【００１３】第２発明は、第１発明において、前記凹部
は、前記複数個のノズルベーンの回動範囲を包含する環
状溝である構成としている。

【００１４】第２発明によると、凹部を環状溝としたた
め、加工容易であり、コストを安くできる。

【００１５】第３発明は、第１発明において、前記凹部
は、前記ノズルベーン毎に、前記ノズルベーンの回動範
囲を包含する円形状である構成としている。

【００１６】第３発明によると、凹部はノズルベーン毎
の、ノズルベーンの回動範囲を包含する円形状としてい
る。そのため、必要部分のみが段付きとなり、隣接する
ノズルベーン間の隙間以外から漏れる排気ガスの量はさ
らに少なくなり、可変ターボ過給機の効率が向上する。

【００１７】第４発明は、第１発明において、前記凹部
が、前記ノズルベーン毎に、前記ノズルベーンの回動範
囲にほぼ対応して形成された構成としている。

【００１８】第４発明によると、凹部はノズルベーン毎
に、ノズルベーンの回動範囲にほぼ対応して形成されて
いる。そのため、必要最小限の部分のみが段付きとな
り、隣接するノズルベーン間の隙間以外から漏れる排気
ガスの量は最少となり、可変ターボ過給機の効率が更に
向上する。

【００１９】第５発明は、第４発明において、前記凹部
の段付部が、前記ノズルベーン毎に、前記ノズルベーン
が最大回動時にストッパとなるように形成された構成と
している。

【００２０】第５発明によると、凹部の縁部は、ノズル
ベーンが最大回動時にストッパとなるように形成されて
いる。そのため、段差とノズルベーンとでノズルベーン
の可動限界を決めることができ、作動制御を容易にする
ことができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下に本発明に係る可変ターボ過
給機の実施形態について図面を参照して詳述する。

【００２２】図１は可変ターボ過給機の排気タービン１
の側面断面図である。排気タービン１のハウジング２の
外周部に設けられた排気ガスの環状通路３と、排気ガス
流出部４との間にはノズル部５が設けられている。ノズ
ル部５には、排気ガス流出部４に設けられた排気タービ
ンロータ６の外周に沿って、複数個の、軸１１の端部に
固設されたノズルベーン１０が回動自在に軸支されてい
る。ノズルベーン１０の軸１１側の基端面１０ａは、軸
１１側のノズル部５の一側壁面５ａに摺動自在に当接し
ている。ノズルベーン１０の先端面１０ｂは、ノズル部
５の他側壁面５ｂよりＢだけ突出しており、Ｂの値は０
ｍｍ以上である。ノズル部５の他側壁面５ｂの、ノズル
ベーン１０の先端面１０ｂに対向する位置に凹部１２を
設け、凹部１２と先端面１０ｂとの間に軸方向隙間Ｃを
設けている。軸方向隙間Ｃはノズルベーン１０とノズル
部５とが熱歪みを発生しても接触しないような寸法にな
っている。

【００２３】図２は図１のＡ−Ａ矢視図であり、第１実
施形態の凹部１２を示している。図２において、凹部１
２は複数個のノズルベーン１０の回動範囲（実線及び２
点鎖線で示す）を包含する環状溝１３を形成している。

【００２４】本発明の可変ターボ過給機は、上記のよう
にノズルベーン１０の先端面１０ｂを、対向するノズル
部５の他側壁面５ｂと同一又は突出させると共に、ノズ
ルベーン１０に対応する他側壁面５ｂに凹部１２を設け
た。そのため、ノズル部５の一側壁面５ｂとノズルベー
ン１０の先端面１０ｂとの間に直線的に貫通する隙間が
存在せず、その隙間が屈折しているため排気ガスが通過
する際に抵抗となる。したがって、隣接するノズルベー
ン１０間の隙間以外から漏れる排気ガスの量は少なくな
る。また、ノズルベーン１０の先端面１０ｂと凹部１２
との間に所定の軸方向隙間を設けたため、ノズルベーン
１０とノズル部５とが熱歪みを発生しても固着する恐れ
はない。さらに凹部１２を環状溝１３としたため加工容
易となり、効率が良く、構造簡単でコストの安い可変タ
ーボ過給機が得られる。

【００２５】図３は第２実施形態の、排気タービン１ａ
のノズル部５の側面断面図であり、第１実施形態のもの
と同一部材には同一符号を付して説明は省略し、異なる
部分についてのみ説明する。図３において、ノズル部５
の他側壁面５ｂの、ノズルベーン１０の先端面１０ｂに
対向する位置に凹部１２ａを設ける。凹部１２ａは環状
であり、外側には段付部１４が設けられているが、内側
には段付部はない。作用効果は第１実施形態のものと同
一なので詳細説明は省略する。

【００２６】図４は第３実施形態の凹部１２ｂを示す平
面図である。図４に示すように、凹部１２ｂをノズルベ
ーン１０毎の、破線及び２点鎖線で示すノズルベーン１
０の回動範囲を包含する円形状にする。そのため、必要
部分のみが段付きとなり、隣接するノズルベーン間の隙
間以外から漏れる排気ガスの量は第１実施形態のものよ
りさらに少なくなり、可変ターボ過給機の効率が向上す
る。なお、隣接するノズルベーン１０の間隔が小さい場
合には、隣接する凹部１２ｂ，１２ｂの一部が重なり合
ってもよい。

【００２７】図５は第４実施形態の凹部１２ｃを示す平
面図である。図５に示すように、凹部１２ｃをノズルベ
ーン１０毎の、破線及び２点鎖線で示すノズルベーン１
０の回動範囲にほぼ対応する形状とする。凹部１２ｃの
段付部１４ａは、ノズルベーン１０が最大回動したとき
に端部が当接し、ストッパとなるようになっている。そ
のため、排気ガスの漏れ量は第２実施形態のものよりさ
らに少なくなると共に、段付部１４ａとノズルベーン１
０とでノズルベーン１０の可動限界を決めることがで
き、作動制御を容易にすることができる。

【００２８】図６は第５実施形態の凹部１２ｄを示す平
面図である。図６に示すように、凹部１２ｄをノズルベ
ーン１０毎の、破線及び２点鎖線で示すノズルベーン１
０の回動範囲に対応する最少形状とする。凹部１２ｄの
段付部１４ｂは、ノズルベーン１０が最大回動したとき
に当接し、ストッパとなるようになっている。そのた
め、排気ガスの漏れ量は最少となるとともに、段付部１
４ｂとノズルベーン１０とでノズルベーン１０の可動限
界を決めることができ、作動制御を容易にすることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の可変ターボ過給機の側面断面図であ
る。

【図２】本発明の、第１実施形態の凹部の平面図であ
る。

【図３】本発明の、第２実施形態の凹部の側面断面図で
ある。

【図４】本発明の、第３実施形態の凹部の平面図であ
る。

【図５】本発明の、第４実施形態の凹部の平面図であ
る。

【図６】本発明の、第５実施形態の凹部の平面図であ
る。

【図７】従来の、第１例の可変ターボ過給機の側面断面
図である。

【図８】図７のＸ−Ｘ矢視図である。

【図９】従来の、第２例の可変ターボ過給機の側面断面
図である。

【符号の説明】

１，１ａ…排気タービン、５…ノズル部、５ａ…一側壁
面、５ｂ…他側壁面、１０…ノズルベーン、１０ａ…基
端面、１０ｂ…先端面、１１…軸、１２，１２ａ，１２
ｂ，１２ｃ，１２ｄ…凹部、１３…環状溝、１４，１４
ａ，１４ｂ…段付部。

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可変ターボ過給機において、排気タービ
ンロータ(6)の外周に設けられた環状のノズル部(5)に、
前記排気タービンロータ(6)の周方向に沿って、所定の
間隔を空けて回動可能に軸支され、回動することによっ
て通過ガスの流量を制御可能とする複数個のノズルベー
ン(10)を備え、前記ノズルベーン(10)の軸方向の基端面
(10a)を、前記ノズル部(5)の一側壁面(5a)に摺動自在に
当接させ、前記ノズルベーン(10)の軸方向の先端面(10
b)を、前記ノズル部(5)の他側壁面(5b)の位置と同一も
しくは突出させ、前記他側壁面(5b)の、前記ノズルベー
ン(10)の先端面(10b)に対向する位置に段付状の凹部(1
2,12a,12b,12c,12d)を設け、前記凹部(12,12a,12b,12c,
12d)と前記ノズルベーン(10)の先端面(10b)との間に所
定の軸方向隙間を設けたことを特徴とする可変ターボ過
給機。
【請求項２】請求項１記載の可変ターボ過給機におい
て、前記凹部(12,12a)は、前記複数個のノズルベーン(1
0)の回動範囲を包含する環状溝(13)であることを特徴と
する可変ターボ過給機。
【請求項３】請求項１記載の可変ターボ過給機におい
て、前記凹部(12b)は、前記ノズルベーン(10)毎に、前
記ノズルベーン(10)の回動範囲を包含する円形状である
ことを特徴とする可変ターボ過給機。
【請求項４】請求項１記載の可変ターボ過給機におい
て、前記凹部(12c,12d)が、前記ノズルベーン(10)毎
に、前記ノズルベーン(10)の回動範囲にほぼ対応して形
成されたことを特徴とする可変ターボ過給機。
【請求項５】請求項４記載の可変ターボ過給機におい
て、前記凹部(12c,12d)の段付部(14a,14b)が、前記ノズ
ルベーン(10)毎に、前記ノズルベーン(10)が最大回動時
にストッパとなるように形成されたことを特徴とする可
変ターボ過給機。