JP2005330973A

JP2005330973A - 可変容量ターボチャージャ

Info

Publication number: JP2005330973A
Application number: JP2005244243A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Kawakami; 俊郎川上; Jun Kawaguchi; 潤川口
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1996-04-25
Filing date: 2005-08-25
Publication date: 2005-12-02
Anticipated expiration: 2017-03-31
Also published as: JP4281723B2

Abstract

【課題】
低回転域においては少ない排気ガスでタービンロータを効率的に回転させると共に高回転域においてはタービンロータの回転を必要以上行わないきょうにする。
【解決手段】
タービンロータ８０の外周にスクロール部を形成するタービンハウジング６０と、タービンハウジングに取り付けられ、スクロール部を周方向にその断面積がそれぞれ漸次減少する内側スクロール６６と外側スクロール６８とに径方向に分割すると共に、周方向に連続的にタービンロータを包囲するように延びる単一の区画壁６７と、区画壁に形成され、内側スクロールと外側スクロールとに常に連通する複数の連通部６７ａ、６７ｂと、内側スクロールのみに排気ガスを流す状態と、内側スクロール及び前記外側スクロールの両方に排気ガスを流す状態とを切り換える切換手段９０とを備える。連通部は、タービンロータの回転方向に切れ込んだ傾斜面６７ａを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、可変容量ターボチャージャに関するものである。

可変容量ターボージャに関する従来技術として、例えば特許文献１に開示されたものがある。

この従来技術の可変容量ターボージャは、タービンロータとインボリュート内壁面を備えたタービンハウジングとの間のスクロール部に多数の可動式のノズルベーンが配置されたリングノズルが配置されている。そして、各々のノズルベーンの角度を変更することにより、スクロール部を流れる排気ガスの角度を調節してタービンロータのタービン翼が受ける力を次のように調節するものである。排気ガス流量の少ない低速域においては、タービンロータの接線方向に排気ガスが流れるようにしてタービン翼の受けるトルクを大きくしてタービンロータを効率的に回転させ、排気ガス流量の多い高速域においては、タービンロータの回転軸に向かって排気ガスが流れるようにしてタービン翼の受けるトルクを小さくし、必要以上にタービンロータを回転させないようにしている。
実公平８−７０６１号公報

しかしながら、上記に可変容量ターボージャにおいては、多数のノズルベーンの角度を同時に変更させるリンク機構が必要となる。また、スクロール部は雰囲気温度が１０００度近い高温となり、耐熱性のある材料で多数のノズルベーンやリンク機構を成形することはコスト的に問題がある。また、排気ガスの中には多くの炭化物や炭化スケールが含まれており、これらによってリンク機構の可動に影響が発生するなど信頼性の面における問題の発生が懸念される。

本発明は、上記の従来技術の問題点を解決した可変容量ターボチャージャを提供するものである。

請求項１の発明において講じた手段は、可変容量ターボチャージャをシャフトと、該シャフトの一端に取り付けられたタービン翼を備えたタービンロータと、該タービンロータを収容し、前記タービンロータの外周にスクロール部を形成するタービンハウジングと、前記シャフトの他端に取り付けたコンプレッサロータと、前記コンプレッサロータを収容するコンプレッサハウジングと、前記タービンハウジングに取り付けられ、前記スクロール部を周方向にその断面積がそれぞれ漸次減少する内側スクロールと外側スクロールとに径方向に分割すると共に、周方向に連続的にタービンロータを包囲するように延びる単一の区画壁と、前記区画壁に形成され、前記内側スクロールと前記外側スクロールとに常に連通する複数の連通部と、前記内側スクロールのみに排気ガスを流す状態と、前記内側スクロール及び前記外側スクロールの両方に排気ガスを流す状態とを切り換える切換手段とから構成し、前記連通部は、前記タービンロータの回転方向に切れ込んだ傾斜面を有することである。従って、スクロール部に導入された排気ガスは、内側スクロールと外側スクロールとの両方へ流れ込むが、過給が必要な場合には切換手段によって排気ガスをタービンロータの近くに位置する内側スクロールへ流し排気ガスによってタービンロータに回転トルクを与え、過給が不要な場合には切換手段によって排気ガスを外側スクロールへ流し排気ガスが連通部を介して内側スクロールに流れ込ませてタービンロータに与えるトルクを少なくすることを成し得る。

請求項２の発明において講じた手段は、前記区画壁を、タービンロータの全周にわたって前記内側スクロールと前記外側スクロールとに径方向に分割したことである。

請求項３の発明において講じた手段は、前記連通部を、タービンロータの全周にわたって前記区画壁に周方向に分離して形成したことである。

上記した請求項１の発明によれば、周方向に連続的にタービンロータを包囲するように延びかつ内側スクロール部と外側スクロール部に分割する単一の区画壁に複数の連通部を形成し、連通部がタービンロータの回転方向に切れ込んだ傾斜面を有し、更に切換手段によって内側スクロールのみに排気ガスを流す状態と、内側スクロール及び外側スクロールの両方に排気ガスを流す状態とを切り換えるように構成したので、排気ガスの少ない低速域においてはタービンロータの近くに位置する内側スクロールを流れる排気ガスによってタービンロータに回転トルクを与え、排気ガスの多い高速域においては外側スクロールを流れる排気ガスが連通部を介して内側スクロールに流れ込んでタービンロータに与えるトルクを少なくすることができる。そして、スクロール部に多数のノズルベーンとこれらの角度を調節するリンク機構を必要としないので、コスト的にも有利であり、信頼性の面においても問題が発生しない可変容量ターボチャジャとすることができる。

本発明に係る可変容量ターボチャージャの実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本発明を用いた第１の実施の形態の可変容量ターボチャージャの断面を示している。

コンプレッサーハウジング１０には、コンプレッサー導入口１２、コンプレッサー排出口１４、リング状のスクロール１６、１８が設けられている。スクロール１６、１８はコンプレッサー排出口１４に隣接する位置からコンプレッサーハウジング１０の外周によって延びて、コンプレッサー排出口１４に連通する。そして、コンプレッサー排出口１４に近づくにつれて断面積を徐々に拡大するように構成されている。２０はスクロール１６、１８を区画するディフューザーであり、ボルト２２によってコンプレッサーハウジング１０に取り付けられている。

コンプレッサーハウジング１０に隣接するベアリングハウジング３０の外周には、潤滑油導入口３２が形成されている。潤滑油導入口３２は、軸方向に形成された油路３４を介して枝油路３６、３８、４０に通じており、図示しないオイルポンプから供給される潤滑油をシャフト５０とシャフト５０を支持する軸受４２、４３、４４、４５、４６の摺動面に供給している。この摺動面に供給された潤滑油は、ベアリングハウジング３０の内部に形成された空間５２を介して潤滑油排出口５４から排出される。５６は可変容量ターボチャージャを冷却するための冷却水通路であり、５８はプレートシールである。なお、５９は、ベアリングハウジング３０に設けられる各部位を成形するために分割したベアリングハウジング３０の一片である。

ベアリングハウジング３０に隣接するタービンハウジング６０には、排気ガス導入口６２と排気ガス排出口６４が形成されている。また、図２に示すようにタービンハウジング６０の内周側にはインボリュート内壁面がありスクロール部を形成している。このスクロール部には、タービンハウジング６０に取り付けられたインボリュート区画壁６７により内側スクロール６６と該内側スクロール６６より大きな容積を有する外側スクロール６８が形成されている。インボリュート区画壁６７には異なった傾斜面（第１の面）６７ａ、（第２の面）６７ｂの連通孔（連通部）が形成されており、内側スクロール６６と外側スクロール６８を連通している。傾斜面６７ａの内側スクロール６６側への延長方向は時計の回転とは逆の方向に回転するタービンロータ８０の接線に近似した緩やかな傾斜面であり、一方、傾斜面６７ｂの内側スクロール６６側への延長方向はタービンロータ８０の回転中心の近くへ向かっており垂直に近い傾斜面である。また、インボリュート区画壁６７の排気ガス導入口６２側には、切換弁（切換手段）９０が設けられている。この切換弁９０は、先端がタービンハウジング６０の内周側及び外周側まで延びており、図示しない回転手段によって切換弁９０をインボリュート区画壁６７の排気ガス導入口６２の先端に位置した回転軸９４を中心に回転して、図２の実線で示した外側スクロール６８の導入口の閉鎖位置９２と図２の破線で示した内側スクロール６６の導入口の閉鎖位置９６とを切り換えるものである。

図１に示すように、ベアリングハウジング３０の軸受４２、４３、４４、４５、４６に支持されるシャフト５０は、コンプレッサーハウジング１０側の端部においてボルト７４とナット７６によって固定されたコンプレッサロータ７０を相対回転不能に取付けており、タービンハウジング６０側の端部においてタービンロータ８０を相対回転不能に取付けている。コンプレッサロータ７０とタービンロータ８０には、それぞれ径方向に延在するコンプレッサ翼７２とタービン翼８２が取り付けられており、タービンロータ８０を回転させることによってコンプレッサロータ７０が一体に回転するようになっている。

次に、上記の第１の実施の形態の可変容量ターボチャージャの作動について説明する。

排気ガス導入口６２から導入した排気ガスは、タービンハウジング６０内部のスクロール部に導かれ、タービンロータ８０を回転させて排気ガス排出口６４から排出される。タービンロータ８０の回転はシャフト５０を介してコンプレッサロータ７０に伝達され、コンプレッサロータ７０はコンプレッサー導入口１２に導いた機関に供給する吸気ガス（大気）を圧縮してコンプレッサー排出口１４を介して機関の吸気口へ高い密度の吸気ガスを導いている。

そして、排気ガス流量の少ない低速域においては、排気ガスが効率的にタービンロータ８０を回転させるために、切換弁９０を外側スクロール６８の導入口を閉鎖する閉鎖位置９２として、排気ガス導入口６２から取り入れた排気ガスを容積の小さな内側スクロール６６のみに導いている。内側スクロール６６に導かれ流速を速められた排気ガスはタービンロータ８０の接線方向に流れる（タービンロータ８０のタービン翼８２に大きな流入角で当たる）ので、効率的にタービンロータ８０を回転させることができる。一方、排気ガス流量の多い高速域においては、排気ガスが必要以上にタービンロータ８０を回転させないために、切換弁９０を内側スクロール６６の導入口を閉鎖する閉鎖位置９６として、排気ガス導入口６２から取り入れた排気ガスを外側スクロール６８に導いている。外側スクロール６８に導かれた排気ガスが外側スクロール６８を流れている間はタービンロータ８０を回転させることはない。また、排気ガスが傾斜面６７ａ、６７ｂによって形成される連通部を通過して内側スクロール６６に流れ込むときに、排気ガスが緩やかな角度の傾斜面６７ａによって傾斜面６７ｂにぶつけられ、傾斜面６７ｂの斜面に沿ってタービンロータ８０の回転中心へ向かって排気ガスが流れるようになり（流速が遅く、流入角の小さい状態でタービンロータ８０のタービン翼８２に当たる）、タービンロータ８０を回転させる効率が著しく低下し、必要以上にタービンロータ８０を回転させることを防止できる。尚、中速域においては、切換弁の位置を適切な位置（例えば、内側スクロール、外側スクロールを共に開く位置）に制御することにより、所望の過給圧を得ることも可能である。

また、図３には図２に対応する第２の実施の形態の可変容量ターボチャージャのタービンハウジング６０内部を示している。

図３に示した切換弁１００は、ヒンジ部１０２と弁部１０４をボルト１０６で固定しており、外側スクロール６８の導入口の開放／閉鎖を切り換えるものである。また、インボリュート区画壁６７に設けた連通部は、インボリュート区画壁６７の下流側のみに配置している。

この実施の形態の切換弁１００は、排気ガス流量の少ない低速域においては外側スクロール６８の導入口を閉鎖し排気ガスを内側スクロール６６に流れ込むようにしている。一方、排気ガス流量の多い高速域においては、切換弁１００を破線１０８で示す位置に図示しない回転手段によって回転し、排気ガス導入口６２から取り入れる排気ガスを外側スクロール６８と内側スクロール６６に流す。排気ガスを外側スクロール６８と内側スクロール６６に流すことによって、外側スクロールを流れる排気ガスが連通部を介して内側スクロール６６に流れ込み、この流れの方向がタービンロータ８０の回転中心へ向かった流れであるので、内側スクロール６６を流れる排気ガスの流れに対してエアカーテンの如く作用し、内側スクロール６６を流れる排気ガスの流れの角度をタービンロータ８０側に向けることができ、必要以上にタービンロータ８０を回転させることを防止できる。

図４及び図５には図２に対応する第３の実施の形態の可変容量ターボチャージャのタービンハウジング６０内部を示している。

図４及び図５に示した構成は、内側スクロール６６、インボリュート区画壁６７、外側スクロール６８、タービンロータ８０、タービン翼８２および切換弁１００は、図３に示した第２の実施形態と同じである。

この第３の実施の形態においては、外側スクロール６８の最奥部にベーン１１０を配置している。このベーン１１０は、タービン翼８２の外周に沿った略三日月形状をしており、先太端部１１０ａと先細端部１１０ｂとを備えている。また、ベーン１１０はタービンロータ８０を支持するシャフト５０（図１参照）と平行に配置されたベーンシャフト１１２によって所定範囲で自由回転できるように保持されている。つまり、排気ガス流量が少ない低速域においては、図４に示すように切換弁１００を閉鎖することによって排気ガスを内側スクロール６６のみに流れるようにすることで、排気ガスがベーンシャフト１１２とベーン１１０の先太端部１１０ａとの間の領域に付勢し、図４に示すように先太端部１１０ａが内側スクロール６０の鍔部６１に当接する。一方、排気ガス流量が多い高速域においては、図５に示すように切換弁１００を開放することによって排気ガスを外側スクロール６８に流れるようにすることで、排気ガスがベーンシャフト１１２とベーン１１０の先細端部１１０ｂとの間の領域に付勢し、図５に示すように先細端部１１０ｂが内側スクロール６０の鍔部６１に当接する。

このように、外側スクロール６８の最奥部に所定範囲を自由に回転できるベーン１１０を配置することによって、外側スクロール６８を流れる排気ガス出口のうち最も多量の排気ガスがタービン翼８２に向って流れる部位である最奥部の角度を排気ガスの流れに応じて変更することができる。なお、ベーン１１０をモータ等のアクチェエータによって駆動することも可能であるが、本実施の形態においては、アクチュエータを用いることなく排気ガスの流れによって角度を調節するので、安価で、アクチュエータの故障等のないの信頼性の高い構成とすることができる。

また、過給圧を必要としない場合には、切換弁９０及び切換弁１００により排気ガスを外側スクロールに流してタービンロータ８０を必要以上に回転させないことができることにより、従来過給圧を必要としない場合に排気ガスが流れるバイパス通路を設ける必要もない。

なお、第１及び第２の実施の形態においては、切換弁９０及び切換弁１００の切換を速度の検知によって切り換えているが、排気ガスの量や機関の負荷の状態を検知して切り換えることも可能である。

以上示したように、上記の実施形態においては、周方向に連続的にタービンロータを包囲するように延びかつ内側スクロール部と外側スクロール部に分割する単一の区画壁に複数の連通部を形成し、連通部がタービンロータの回転方向に切れ込んだ傾斜面を有し、更に切換手段によって内側スクロールのみに排気ガスを流す状態と、内側スクロール及び外側スクロールの両方に排気ガスを流す状態とを切り換えるように構成されているので、排気ガスの少ない低速域においてはタービンロータの近くに位置する内側スクロールを流れる排気ガスによってタービンロータに回転トルクを与え、排気ガスの多い高速域においては外側スクロールを流れる排気ガスが連通部を介して内側スクロールに流れ込んでタービンロータに与えるトルクを少なくすることができる。

また、内周スクロールと外周スクロールの最奥部にベーンを形成したので、内周スクロールと外周スクロールとの合流部における排気ガスの流れ方向をベーンによって変換し、所望の角度とすることができる。

また、ベーンはシャフトと平行なベーンシャフトによって支持され、所定範囲で自由回転させたので、ベーンを所定範囲で回転させるためのモータ等のアクチェエータを必要とせず、内周スクロール又は外周スクロールを流れる排気ガスの流量に応じたベーンの角度とすることができる。

また、連通部を、インボリュート区画壁の上流側に設けたタービンロータの回転方向に緩やかに切れ込んだ第１の面とインボリュート区画壁の下流側に設けたタービンロータの回転方向に鋭く切れ込んだ第２の面とから構成したので、外側スクロールを流れる排気ガスが連通部を介して内側スクロールに流れ込む場合には、タービンロータの回転軸に向かう流れとなり、タービンロータに与える回転トルクの小さな流れとなると共に内側スクロールの流れの勢いを遮ることができる。

また、切換手段として外側スクロールを閉鎖する切換バルブを設けたので、外側スクロールへ排気ガスを流すか否かを選択することができ、特に排気ガスの少ない低速域においてはタービンロータの近くに位置する内側スクロールへ排気ガスを流れるように制御することで、タービンロータに効率的にトルクを与えることが可能となる。また、切換バルブを用いることにより、高温度となるスクロール部に動きを必要とする部材が切換バルブのみとなり、高い信頼性の可変容量ターボチャジャとすることができる。

また、切換バルブがインボリュート区画壁のスクロール導入口側端部に取り付けられ、内側スクロール又は外側スクロールの少なくとも一方を閉鎖するようにしたので、この切換バルブによってスクロール部を流れる排気ガスを内側スクロールと外周スクロールとの間で選択することができ、特に排気ガスの少ない低速域においてはタービンロータの近くに位置する内側スクロールへ排気ガスを流れるように制御することで、タービンロータに効率的にトルクを与えることができる。

また、インボリュート区画壁のスクロール部の下流側に連通部を設けたので、タービンロータの外周にインボリュート区画壁に連通部を設けないタービンロータ駆動部位と、インボリュート区画壁に連通部を設けたタービンロータ非駆動部位とを明確にすることができ、設計段階にタービンロータ駆動部位とタービンロータ非駆動部位の比率を決定することにより、可変容量タービンの特性を容易に決定することができる。

本発明の第１の実施の形態の可変容量ターボチャージャの断面図である。図１のＡ−Ａ断面図を示したものである。本発明の第２の実施の形態の可変容量ターボチャージャの図２に対応する図面である。本発明の第３の実施の形態の可変容量ターボチャージャの図２に対応する図面である（切換弁を閉鎖した状態）。本発明の第３の実施の形態の可変容量ターボチャージャの図２に対応する図面である（切換弁を開放した状態）。

符号の説明

１０・・・コンプレッサハウジング
５０・・・シャフト
６０・・・タービンハウジング
６６・・・内側スクロール
６７・・・インボリュート区画壁
６７ａ・・・第１の面
６７ｂ・・・第２の面
６８・・・外側スクロール
７０・・・コンプレッサロータ
８０・・・タービンロータ
８２・・・タービン翼
９０、１００・・・切換弁（切換手段）
１１０・・・ベーン
１１２・・・ベーンシャフト

Claims

シャフトと、
該シャフトの一端に取り付けられたタービン翼を備えたタービンロータと、
該タービンロータを収容し、前記タービンロータの外周にスクロール部を形成するタービンハウジングと、
前記シャフトの他端に取り付けたコンプレッサロータと、
前記コンプレッサロータを収容するコンプレッサハウジングと、
前記タービンハウジングに取り付けられ、前記スクロール部を周方向にその断面積がそれぞれ漸次減少する内側スクロールと外側スクロールとに径方向に分割すると共に、周方向に連続的にタービンロータを包囲するように延びる単一の区画壁と、
前記区画壁に形成され、前記内側スクロールと前記外側スクロールとに常に連通する複数の連通部と、
前記内側スクロールのみに排気ガスを流す状態と、前記内側スクロール及び前記外側スクロールの両方に排気ガスを流す状態とを切り換える切換手段とを備え、
前記連通部は、前記タービンロータの回転方向に切れ込んだ傾斜面を有する可変容量ターボチャージャ。
前記区画壁は、タービンロータの全周にわたって前記内側スクロールと前記外側スクロールとに径方向に分割することを特徴とする請求項１記載の可変容量ターボチャージャ。
前記連通部は、タービンロータの全周にわたって前記区画壁に周方向に分離して形成されていることを特徴とする請求項２記載の可変容量ターボチャージャ。