JP2006037818A - ターボ過給機及びタービン - Google Patents

Abstract

【課題】広い運転領域に渡ってタービンの高効率化を実現する。
【解決手段】非分割式のタービンスクロール１２内の排気ガスをタービンホイール１４の翼間流路へ導くノズルとして、排気ガスをタービンホイール１４の翼間流路の入口１３へ導く第１ノズル２２と、排気ガスをタービンホイール１４の翼間流路の途中部１５へ導く第２ノズル２４と、が設けられている。第１ノズル２２のタービンホイール１４軸方向における流路幅は、翼間流路の入口１３のタービンホイール１４軸方向における流路幅と略等しく設定されている。そして、第２ノズル２４を通る排気ガスの流量を調整可能な制御バルブ２６がタービンスクロール１２内と第２ノズル２４との間に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービンスクロール内のガスがノズルを通ってタービンホイールの翼間流路に流入することで、タービンホイールが回転駆動するターボ過給機及びタービンに関する。

従来におけるターボ過給機の一例が下記特許文献１に開示されている。特許文献１におけるターボ過給機のタービンはツインスクロール型のタービンであり、図１２に示すように、エンジンの排気ガスが供給されるタービンスクロール１０９内部は、隔壁１１１によりタービンホイール１１４軸方向に第１通路１１０ａ及び第２通路１１０ｂに分割されている。第１通路１１０ａの出口には、羽根付きノズル１１２ａが設けられており、第１通路１１０ａに供給された排気ガスは、羽根付きノズル１１２ａを通ってタービンホイール１１４の翼間流路の入口１１３に流入する。一方、第２通路１１０ｂの出口には、羽根なしノズル１１２ｂが設けられており、第２通路１１０ｂに供給された排気ガスは、羽根なしノズル１１２ｂを通ってタービンホイール１１４の翼間流路の入口１１３に流入する。さらに、第２通路１１０ｂの入口には、第２通路１１０ｂを開閉することができる制御バルブ１１７が設けられている。

エンジンの低速運転時には、第２通路１１０ｂが制御バルブ１１７により閉じられることで、エンジンの排気ガスは、第１通路１１０ａのみに供給され、羽根付きノズル１１２ａのみを通ってタービンホイール１１４の翼間流路の入口１１３に流入する。ここで、少ない排気流量でも十分高速な流れを与えるように羽根付きノズル１１２ａの形状を設定することで、エンジンの低速運転時における過給圧力を高めている。一方、エンジンの高速運転時には、第２通路１１０ｂが制御バルブ１１７により開けられることで、エンジンの排気ガスは、第１通路１１０ａ及び第２通路１１０ｂの両方に供給され、羽根付きノズル１１２ａ及び羽根なしノズル１１２ｂの両方を通ってタービンホイール１１４の翼間流路の入口１１３に流入する。これによって、エンジンの高速運転時における過給圧力を抑制するとともに、エンジン背圧（タービン入口圧力）を低減している。

その他にも、下記特許文献２〜５のターボ過給機が開示されている。

特開昭６０−１６６７１８号公報 特公平７−１３４６７号公報 特開２００４−６８６３１号公報 特開平５−１４９１４４号公報 特開平６−１８５３７１号公報

特許文献１では、図１２に示すように、タービンホイール１１４の翼間流路の入口１１３においてノズルが羽根付きノズル１１２ａ及び羽根なしノズル１１２ｂに分割されている。第２通路１１０ｂが制御バルブ１１７により閉じられている場合は、図１２の矢印に示すように、エンジンの排気ガスは羽根なしノズル１１２ｂを通ることなく羽根付きノズル１１２ａのみを通ってタービンホイール１１４の翼間流路の入口１１３に流入する。その場合は、図１２に示すように、タービンホイール１１４の翼間流路において排気ガスの流れが偏り、排気ガスが流れない領域１１５が存在することになる。そのため、翼間流路の排気ガスが流れない領域１１５で渦が発生し、タービンの損失が大きくなる。したがって、特許文献１においては、タービンの高効率化を広い運転領域に渡って実現することが困難であるという問題点がある。

本発明は、広い運転領域に渡って高効率化を実現することができるターボ過給機及びタービンを提供することを目的とする。

本発明に係るターボ過給機は、タービンスクロール内のガスがノズルを通ってタービンホイールの翼間流路に流入することで、タービンホイールが回転駆動して過給が行われるターボ過給機であって、前記ノズルとして、タービンスクロール内のガスを前記翼間流路の入口へ導く第１ノズルと、タービンスクロール内のガスを前記翼間流路の途中部へ導く第２ノズルと、が設けられており、前記第２ノズルを通るガスの流量の調整が可能であることを要旨とする。

本発明に係るターボ過給機において、前記第１ノズルのタービンホイール軸方向における流路幅が、前記翼間流路の入口のタービンホイール軸方向における流路幅と略等しく設定されているものとすることもできる。

本発明に係るターボ過給機において、タービンスクロールは、内部に流路を分割する仕切壁が設けられていない非分割式のスクロールであるものとすることもできる。

本発明に係るターボ過給機において、前記第２ノズルの流路面積が前記第１ノズルの流路面積より大きく設定されているものとすることもできる。

本発明に係るターボ過給機において、前記第１ノズルと前記第２ノズルの少なくとも一方に固定翼が設けられているものとすることもできる。

本発明に係るターボ過給機において、タービンスクロール内と前記第２ノズルとの間に制御バルブが設けられており、該制御バルブによりタービンスクロール内と前記第２ノズルとの間の開度を調整することで、前記第２ノズルを通るガスの流量の調整が可能であるものとすることもできる。

本発明に係るターボ過給機において、前記第２ノズルに可動翼が設けられており、該可動翼により前記第２ノズルの開度を調整することで、前記第２ノズルを通るガスの流量の調整が可能であるものとすることもできる。

また、本発明に係るタービンは、タービンスクロール内のガスがノズルを通ってタービンホイールの翼間流路に流入することで、タービンホイールが回転駆動するタービンであって、前記ノズルとして、タービンスクロール内のガスを前記翼間流路の入口へ導く第１ノズルと、タービンスクロール内のガスを前記翼間流路の途中部へ導く第２ノズルと、が設けられており、前記第２ノズルを通るガスの流量の調整が可能であることを要旨とする。

本発明によれば、タービンスクロール内のガスをタービンホイールの翼間流路の入口へ導く第１ノズルと、タービンスクロール内のガスをタービンホイールの翼間流路の途中部へ導く第２ノズルと、を設け、第２ノズルを通るガスの流量を調整することにより、広い運転領域に渡ってタービンの高効率化を実現することができる。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１〜４は、本発明の実施形態に係るタービンを含むターボ過給機の構成の概略を示す図であり、図１はタービンホイール１４軸方向と垂直方向から見たタービン１０の内部構成を示し、図２はタービンホイール１４軸方向と平行方向から見たタービン１０の内部構成を示す。そして、図３はタービン１０の内部構成の斜視図を示し、図４は図１におけるノズル及びタービンホイール１４の拡大図を示す。ただし、図２においては、タービンホイール１４の図示を省略している。本実施形態に係るターボ過給機は、例えばエンジンの過給を行うために用いられるものである。

エンジン（図示せず）の排気ガスは、排気管（図示せず）を通ってタービンスクロール１２内へ供給される。タービンスクロール１２内の排気ガスは、後述する構成のノズルを通ってタービンホイール１４の翼間流路に流入することで、タービンホイール１４が回転駆動する。タービンホイール１４は回転軸１６を介してコンプレッサホイール（図示せず）と連結されており、タービンホイール１４の回転駆動とともにコンプレッサホイールが回転駆動する。コンプレッサホイールの回転駆動により、吸気ガスを加圧してエンジンの吸気ポート（図示せず）へ供給することができる。これによって、エンジンの過給を行うことができる。

本実施形態においては、タービンスクロール１２は、内部に流路を分割する仕切壁が設けられていない非分割式のスクロールである。そして、タービンスクロール１２内の排気ガスをタービンホイール１４の翼間流路へ導くノズルとして、排気ガスをタービンホイール１４の翼間流路の入口１３へ導く第１ノズル２２と、第１ノズル２２とタービンホイール１４軸方向に所定距離はなされて配置され排気ガスをタービンホイール１４の翼間流路の途中部１５へ導く第２ノズル２４と、が設けられている。ここで、図４に示すように、翼間流路の途中部１５とタービンホイール１４の回転軸中心との距離は、翼間流路の入口１３とタービンホイール１４の回転軸中心との距離より小さく設定されており、第２ノズル２４とタービンホイール１４の回転軸中心との距離ｒ２は、第１ノズル２２とタービンホイール１４の回転軸中心との距離ｒ１より小さく設定されている。そして、第１ノズル２２のタービンホイール１４軸方向における流路幅ｂ１が、翼間流路の入口１３のタービンホイール１４軸方向における流路幅ｂ３と略等しく設定されている。

第１ノズル２２には複数の固定ベーン２８が設けられており、第２ノズル２４には複数の固定ベーン３０が設けられている。ここで、図４に示すように、第２ノズル２４のタービンホイール１４軸方向における流路幅ｂ２が第１ノズル２２のタービンホイール１４軸方向における流路幅ｂ１より大きく設定されており、第２ノズル２４の流路面積が第１ノズル２２の流路面積より大きく設定されている。典型的な例を挙げると、第２ノズル２４の流路面積が第１ノズル２２の流路面積の３〜４倍程度であることが好ましい。

さらに、タービンスクロール１２内と第２ノズル２４との間に制御バルブ２６が設けられている。制御バルブ２６によりタービンスクロール１２内と第２ノズル２４との間の開度（流路面積）を調整することで、第２ノズル２４を通る排気ガスの流量を調整することができる。

次に、本実施形態に係るターボ過給機の動作について説明する。

エンジンの低速運転時には、制御バルブ２６を閉じることにより、タービンスクロール１２内と第２ノズル２４との連通を遮断する。これによって、第２ノズル２４から翼間流路の途中部１５への排気ガスの流れが遮断される。このとき、タービンスクロール１２内の排気ガスは、第１ノズル２２のみを通って翼間流路の入口１３のみからタービンホイール１４の翼間流路に流入する。ここで、少ない排気ガス流量でも十分高速な流れが得られるように、第１ノズル２２の流路面積及び固定ベーン２８の形状をエンジンの低速領域に合わせて設定することで、エンジンの低速運転時における過給圧力を高めることができる。

そして、本実施形態においては、エンジンの低速運転時に、第１ノズル２２を通って翼間流路の入口１３から流入した排気ガスは、タービンホイール１４の翼間流路におけるほぼ全領域を流れるため、排気ガスが流れない領域の存在に起因する渦の発生が防止される。したがって、エンジンの低速運転時には、渦の発生によるタービン１０の損失を抑えることで、タービン１０の効率を向上させることができ、タービン１０入口圧力（エンジン背圧）を低減することができる。

一方、エンジンの高速運転時には、制御バルブ２６を開けることにより、タービンスクロール１２内と第２ノズル２４を連通させる。これによって、第２ノズル２４から翼間流路の途中部１５への排気ガスの流れが許容される。このとき、タービンスクロール１２内の排気ガスは、第１ノズル２２を通って翼間流路の入口１３からタービンホイール１４の翼間流路に流入するとともに、第２ノズル２４を通って翼間流路の途中部１５からタービンホイール１４の翼間流路に流入する。これによって、排気ガス流量が増大してもタービンホイール１４の回転速度を抑制することができ、エンジンの高速運転時における過給圧を抑制することができる。そして、第２ノズル２４の流路面積を第１ノズル２２の流路面積より大きく設定することで、エンジンの高速運転時に適合したノズルの流路面積を実現することができる。さらに、制御バルブ２６の開度を制御することで、第２ノズル２４を通る排気ガスの流量を制御することができ、エンジンの過給圧を制御することができる。

そして、本実施形態においては、エンジンの高速運転時に、第２ノズル２４を通る排気ガスが翼間流路の途中部１５からタービンホイール１４の翼間流路に流入することで、第２ノズル２４を通る排気ガスをタービンホイール１４の回転駆動に用いることができるので、排気エネルギーの回収効率が高くなる。したがって、エンジンの高速運転時に、タービン１０の効率を向上させることができ、タービン１０入口圧力（エンジン背圧）を低減することができる。

なお、以上の動作説明においては、エンジンの回転速度が閾値以下のときにエンジンの低速運転時と判定し、エンジンの回転速度が閾値より大きいときにエンジンの高速運転時と判定することができる。そして、制御バルブ２６については、例えば図示しないアクチュエータにより駆動することができる。あるいは、例えば特許文献１のように制御バルブ２６の駆動にコンプレッサ出口圧力（過給圧力）を利用することもでき、コンプレッサ出口圧力が所定値以下のときに制御バルブ２６が閉じ、コンプレッサ出口圧力（過給圧力）が所定値より大きいときに制御バルブ２６が開くように構成することもできる。

以上説明したように、本実施形態においては、広い運転領域に渡ってタービン１０の高効率化を実現することができ、広い運転領域に渡ってタービン１０入口圧力（エンジン背圧）を低減することができる。これによって、エンジンの燃費向上を実現することができる。

以下、本実施形態の他の例について図５〜１０を用いて説明する。ただし、図６，８，１０においては、タービンホイール１４の図示を省略している。

以上の説明においては、第１ノズル２２及び第２ノズル２４の両方に固定ベーン２８，３０が設けられている場合について説明した。ただし、本実施形態においては、図５，６のタービン１０の内部構成図に示すように、第１ノズル２２の方のみに固定ベーン２８を設け、第２ノズル２４の固定ベーン３０を省略することもできる。さらに、図示は省略するが、第１ノズル２２及び第２ノズル２４の両方について固定ベーン２８，３０を省略することもできる。

また、本実施形態においては、図７，８のタービン１０の内部構成図に示すように、第２ノズル２４を通る排気ガスの流量を調整可能な制御バルブ２６を複数設けることもできる。図７，８に示す構成においては、複数の制御バルブ２６は、リンク機構３４を介して互いに連結されており、例えば図示しないアクチュエータにより同時に駆動可能である。

また、本実施形態においては、図９，１０のタービン１０の内部構成図に示すように、複数の固定ベーン３０の代わりに複数の可動ベーン３２を第２ノズル２４に設けるとともに、制御バルブ２６を省略することもできる。複数の可動ベーン３２は、リンク機構３４を介して互いに連結されており、例えば図示しないアクチュエータにより同時に駆動可能である。可動ベーン３２の角度の調整により第２ノズル２４の開度（流路面積）を調整することで、第２ノズル２４を通る排気ガスの流量を調整することができる。

図９，１０に示す構成においては、エンジンの低速運転時に、可動ベーン３２により第２ノズル２４を閉じる（あるいは第２ノズル２４の開度を絞る）。一方、エンジンの高速運転時に、可動ベーン３２により第２ノズル２４を開ける（あるいは第２ノズル２４の開度を広げる）。また、エンジンの回転速度が大きいほど第２ノズル２４の開度（流路面積）が大きくなるように可動ベーン３２の角度を制御してもよい。

ここで、本実施形態の各構成例におけるタービン１０入口圧力（エンジン背圧）の低減効果を図１１に示す。図１１において、実施例１は制御バルブ２６及び固定ベーン２８，３０を設けた図１〜４の構成であり、実施例２は制御バルブ２６及び固定ベーン２８を設け固定ベーン３０を省略した図５，６の構成であり、実施例３は制御バルブ２６を設け固定ベーン２８，３０を省略した構成であり、実施例４は固定ベーン２８及び可動ベーン３２を設け制御バルブ２６を省略した図９，１０の構成である。そして、従来例は、エンジンの回転速度が閾値より大きいときにウェストゲートバルブを開けてタービン入口の排気ガスをタービン出口へ逃がす構成である。また、図１１の各例においては、エンジンの回転速度が閾値より大きいときは、エンジンの過給圧力が所定値になるように、制御バルブ２６（実施例１〜３の場合、実施例４は可動ベーン３２、従来例はウェストゲートバルブ）の開度を制御している。

図１１に示すように、実施例１〜４によれば、従来例よりタービン１０入口圧力（エンジン背圧）を低減できていることがわかる。すなわち、実施例１〜４によれば、タービン１０の効率を向上できていることがわかる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等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において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態に係るターボ過給機の内部構成の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係るターボ過給機の内部構成の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係るターボ過給機の内部構成の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係るターボ過給機の内部構成の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係るターボ過給機の他の内部構成の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係るターボ過給機の他の内部構成の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係るターボ過給機の他の内部構成の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係るターボ過給機の他の内部構成の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係るターボ過給機の他の内部構成の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係るターボ過給機の他の内部構成の概略を示す図である。 本発明の実施形態に係るターボ過給機によるタービン入口圧力の低減効果を説明する図である。 従来におけるターボ過給機の内部構成の概略及びその問題点を説明する図である。

符号の説明

１０ タービン、１２ タービンスクロール、１３ 翼間流路の入口、１４ タービンホイール、１５ 翼間流路の途中部、１６ 回転軸、２２ 第１ノズル、２４ 第２ノズル、２６ 制御バルブ、２８，３０ 固定ベーン、３２ 可動ベーン。

Claims (8)

1. タービンスクロール内のガスがノズルを通ってタービンホイールの翼間流路に流入することで、タービンホイールが回転駆動して過給が行われるターボ過給機であって、
   前記ノズルとして、タービンスクロール内のガスを前記翼間流路の入口へ導く第１ノズルと、タービンスクロール内のガスを前記翼間流路の途中部へ導く第２ノズルと、が設けられており、
   前記第２ノズルを通るガスの流量の調整が可能であることを特徴とするターボ過給機。
2. 請求項１に記載のターボ過給機であって、
   前記第１ノズルのタービンホイール軸方向における流路幅が、前記翼間流路の入口のタービンホイール軸方向における流路幅と略等しく設定されていることを特徴とするターボ過給機。
3. 請求項１または２に記載のターボ過給機であって、
   タービンスクロールは、内部に流路を分割する仕切壁が設けられていない非分割式のスクロールであることを特徴とするターボ過給機。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載のターボ過給機であって、
   前記第２ノズルの流路面積が前記第１ノズルの流路面積より大きく設定されていることを特徴とするターボ過給機。
5. 請求項１〜４のいずれか１に記載のターボ過給機であって、
   前記第１ノズルと前記第２ノズルの少なくとも一方に固定翼が設けられていることを特徴とするターボ過給機。
6. 請求項１〜５のいずれか１に記載のターボ過給機であって、
   タービンスクロール内と前記第２ノズルとの間に制御バルブが設けられており、
   該制御バルブによりタービンスクロール内と前記第２ノズルとの間の開度を調整することで、前記第２ノズルを通るガスの流量の調整が可能であることを特徴とするターボ過給機。
7. 請求項１〜３のいずれか１に記載のターボ過給機であって、
   前記第２ノズルに可動翼が設けられており、
   該可動翼により前記第２ノズルの開度を調整することで、前記第２ノズルを通るガスの流量の調整が可能であることを特徴とするターボ過給機。
8. タービンスクロール内のガスがノズルを通ってタービンホイールの翼間流路に流入することで、タービンホイールが回転駆動するタービンであって、
   前記ノズルとして、タービンスクロール内のガスを前記翼間流路の入口へ導く第１ノズルと、タービンスクロール内のガスを前記翼間流路の途中部へ導く第２ノズルと、が設けられており、
   前記第２ノズルを通るガスの流量の調整が可能であることを特徴とするタービン。
   

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