JP2007192123A - Turbocharger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の過給に用いられるターボチャージャに関するものである。 The present invention relates to a turbocharger used for supercharging an internal combustion engine.
従来より、自動車用等の内燃機関においては、出力向上等を図るために過給機としてターボチャージャを設けたものが知られている。こうしたターボチャージャは、内燃機関の排気が送り込まれるタービンスクロールと、そのタービンスクロール内の排気をタービンホイールの翼間流路に流すノズルと、タービンホイールと一体回転するコンプレッサホイールとを備えている。そして、ノズルからタービンホイールの翼間流路への排気の流入により同ホイールが回転すると、それに伴いコンプレッサホイールが回転して内燃機関の燃焼室に向けて強制的に空気が送り込まれるようになる。 2. Description of the Related Art Conventionally, internal combustion engines for automobiles and the like are known in which a turbocharger is provided as a supercharger in order to improve output. Such a turbocharger includes a turbine scroll into which exhaust gas from an internal combustion engine is sent, a nozzle for flowing the exhaust gas in the turbine scroll through a passage between blades of the turbine wheel, and a compressor wheel that rotates integrally with the turbine wheel. Then, when the wheel rotates due to the inflow of exhaust gas from the nozzle into the inter-blade flow path of the turbine wheel, the compressor wheel rotates accordingly and air is forcibly sent toward the combustion chamber of the internal combustion engine.
ところで、内燃機関の低回転時には同機関の排気流量が少なくなるため、ノズルからタービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速が低下する。このようにタービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速が低下すると、タービンホイールを効果的に回転させることができなくなり、それに伴いコンプレッサホイールの回転による内燃機関の過給も効果的に行えなくなる。こうした問題に対処するため、排気流量の少なくなる内燃機関の低回転時、タービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速が同ホイールを効果的に回転させるうえで十分に高速になるよう、ノズルのガス流通面積を小さく設定することも考えられる。ただし、このようにノズルのガス流通面積を小さく設定すると、排気流量の多くなる内燃機関の中高回転時に上記ノズル付近の圧力が高くなり過ぎる。 By the way, when the internal combustion engine is running at a low speed, the exhaust flow rate of the engine is reduced, so that the flow rate of the exhaust gas flowing from the nozzle into the flow path between the blades of the turbine wheel decreases. Thus, when the flow velocity of the exhaust gas flowing into the inter-blade flow path of the turbine wheel decreases, the turbine wheel cannot be effectively rotated, and accordingly, the internal combustion engine can be effectively supercharged by the rotation of the compressor wheel. Disappear. In order to deal with these problems, when the internal combustion engine is running at a low speed where the exhaust flow rate is low, the flow rate of the exhaust gas flowing into the inter-blade passage of the turbine wheel is sufficiently high to effectively rotate the wheel. It is also conceivable to set the gas flow area of the nozzle small. However, when the gas flow area of the nozzle is set to be small as described above, the pressure in the vicinity of the nozzle becomes excessively high at the time of medium-high rotation of the internal combustion engine where the exhaust flow rate increases.
そこで、特許文献1に示されるように、上記ノズルとして羽根つきノズル及び羽根なしノズルとを設け、羽根つきノズルのガス流通面積を内燃機関の低回転時に適した値に設定するとともに、羽根なしノズルを通ってのタービンホイールの翼間流路への排気の流入を禁止・許可すべく開閉動作する制御バルブを設けることが提案されている。この場合、内燃機関の低回転時には、制御バルブが閉じられて羽根なしノズルを通ってのタービンホイールの翼間流路への排気の流入が禁止されるため、その翼間流路への排気の流入は羽根つきノズルのみから行われることとなる。従って、排気流量の少なくなる内燃機関の低回転時、タービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速を同ホイールを効果的に回転させるうえで十分に高速にすることができる。一方、内燃機関の高回転時には、制御バルブが開かれて羽根なしノズルを通っての上記翼間流路への排気の流入が許可される。このため、排気流量が多くなる内燃機関の高回転時、羽根つきノズル付近の圧力が高くなり過ぎるのを抑制することができる。 Therefore, as shown in Patent Document 1, a nozzle with blades and a nozzle without blades are provided as the nozzle, and the gas flow area of the nozzle with blades is set to a value suitable for low rotation of the internal combustion engine. It has been proposed to provide a control valve that opens and closes in order to inhibit and permit the inflow of exhaust gas to the inter-blade flow path of the turbine wheel through it. In this case, when the internal combustion engine is running at a low speed, the control valve is closed and the inflow of exhaust gas to the inter-blade passage of the turbine wheel through the vaneless nozzle is prohibited. The inflow is performed only from the bladed nozzle. Therefore, when the internal combustion engine has a low rotational speed at which the exhaust gas flow rate is low, the flow velocity of the exhaust gas flowing into the inter-blade flow path of the turbine wheel can be sufficiently increased to effectively rotate the wheel. On the other hand, at the time of high rotation of the internal combustion engine, the control valve is opened to allow the inflow of exhaust gas to the inter-blade channel through the bladeless nozzle. For this reason, it is possible to suppress the pressure in the vicinity of the bladed nozzle from becoming excessively high during the high rotation of the internal combustion engine in which the exhaust gas flow rate increases.
上記特許文献1のターボチャージャを用いれば、内燃機関の低回転時にタービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速確保と、内燃機関の高回転時におけるノズル付近の圧力過上昇の抑制との両立を図り、ターボチャージャによる過給の効率を高めることは可能になる。しかし、内燃機関の中回転時には、同機関の排気流量が低回転時と高回転時との中間程度の値になることから、制御バルブを開弁状態と閉弁状態とのいずれに制御したとしても、タービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速を同ホイールを効果的に回転させる値としつつ、ノズル付近の圧力が高くなり過ぎるのを抑制するのは困難である。すなわち、内燃機関の中回転時に制御バルブを開弁状態とした場合には、ノズル付近の圧力が過上昇するのは抑制できるものの、タービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速が同ホイールを効果的に回転させる値よりも小となる。また、内燃機関の中回転時に制御バルブを閉弁状態とした場合には、タービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速を好適な値へと高めることはできるものの、ノズル付近の圧力が過上昇して過給効率が低下することは避けられない。 If the turbocharger of the above-mentioned patent document 1 is used, the flow rate of the exhaust gas flowing into the inter-blade passage of the turbine wheel when the internal combustion engine is rotating at a low speed and the suppression of the excessive pressure rise near the nozzle when the internal combustion engine is rotating at a high speed It becomes possible to improve the efficiency of supercharging by the turbocharger by achieving both. However, when the internal combustion engine is running at medium speed, the exhaust flow rate of the engine is about halfway between the low speed and the high speed, so the control valve is controlled to be either in the open state or the closed state. However, it is difficult to suppress the pressure in the vicinity of the nozzle from becoming too high while setting the flow velocity of the exhaust gas flowing into the inter-blade flow path of the turbine wheel to a value that effectively rotates the wheel. That is, when the control valve is opened during the middle rotation of the internal combustion engine, it is possible to suppress an excessive increase in pressure near the nozzle, but the flow velocity of the exhaust gas flowing into the inter-blade passage of the turbine wheel is the same as that of the wheel. Is less than the value that effectively rotates. Further, when the control valve is closed during the internal rotation of the internal combustion engine, the flow velocity of the exhaust gas flowing into the inter-blade passage of the turbine wheel can be increased to a suitable value, but the pressure near the nozzle is increased. It is inevitable that the supercharging efficiency will decrease due to excessive increase.
こうした問題に対処するため、上述した羽根つきノズル、羽根なしノズル、及び制御バルブといった構成を採用する代わりに、ノズルに同ノズルのガス流通面積を可変とすべく開閉動作する可変翼を設けることも考えられる。この可変翼は、上記ノズルにおける対向するノズル壁面間に所定間隔をおいて複数設けられ、それらノズル壁面と直交する軸を中心とする回動方向に各々同期して開閉動作する。そして、隣り合う可変翼の開閉動作に基づき、各可動翼間の隙間の大きさ、言い換えればノズルのガス流通面積が変化するようになる。 In order to deal with these problems, instead of adopting the above-described configurations such as the nozzle with blades, the nozzle without blades, and the control valve, the nozzle may be provided with variable blades that open and close to make the gas flow area of the nozzle variable. Conceivable. A plurality of the variable blades are provided at predetermined intervals between the nozzle wall surfaces facing each other in the nozzle, and are opened and closed in synchronization with each other in a rotation direction around an axis orthogonal to the nozzle wall surfaces. Based on the opening / closing operation of the adjacent variable blades, the size of the gap between the movable blades, in other words, the gas flow area of the nozzle changes.
以上のように、ノズルに可変翼を設けたターボチャージャにおいては、その可変翼を開閉させてノズルのガス流通面積を変更することで、ノズルを通って上記翼間流路に流れる排気の流速を可変とすることができる。従って、内燃機関の低回転時には可動翼を閉じ側に変位させ、内燃機関の回転速度が高くなるにつれて上記可変翼を開き側に変位させてノズルのガス流通面積を大きくしてゆくことで、以下のような効果を得ることができると考えられる。すなわち、機関低回転時には上記翼間流路に流入する排気の流速を最適な値に調整しつつ、機関中回転から高回転にかけては上記排気の流速を最適な値としたうえでノズル付近の圧力過上昇に伴う過給効率低下を抑制することが可能と考えられる。
ところが、ノズルに可変翼を設けたターボチャージャにおいては、ノズル壁面と可変翼とのクリアランスから排気が漏れることは避けられず、その排気漏れの分だけノズルからタービンホイールの翼間流路に流れる排気の流速が低下する。従って、ノズルからタービンホイールの翼間流路に流れる排気の流速を、タービンホイールを効率よく回転させることの可能な値に調整することが困難になり、ターボチャージャの過給効率が低下する。 However, in a turbocharger in which variable vanes are provided on the nozzle, it is unavoidable that the exhaust leaks from the clearance between the nozzle wall surface and the variable vanes, and the exhaust flowing from the nozzle to the flow path between the blades of the turbine wheel by the amount of the exhaust leak. The flow rate of Therefore, it becomes difficult to adjust the flow velocity of the exhaust gas flowing from the nozzle to the flow path between the blades of the turbine wheel to a value that can efficiently rotate the turbine wheel, and the turbocharger's supercharging efficiency is lowered.
また、内燃機関の排気温が例えば950℃以上といった高温になると、ノズルの対向するノズル壁面間で開閉動作するノズルがノズル壁面に固着してしまい、ノズルのガス流通面積を変更することができなくなる。その結果、ノズルからタービンホイールの翼間流路に流れる排気の流速を、タービンホイールを効率よく回転させることの可能な値に調整することができなくなったり、ノズル付近の圧力が過上昇したりして、ターボチャージャの過給効率が低下する。 Further, when the exhaust temperature of the internal combustion engine becomes high, for example, 950 ° C. or higher, the nozzle that opens and closes between the nozzle wall surfaces facing the nozzles is fixed to the nozzle wall surface, and the gas flow area of the nozzle cannot be changed. . As a result, it becomes impossible to adjust the flow rate of the exhaust gas flowing from the nozzle to the flow path between the blades of the turbine wheel to a value that can efficiently rotate the turbine wheel, or the pressure near the nozzle may increase excessively. As a result, the turbocharging efficiency of the turbocharger decreases.
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、ノズルからタービンホイールの翼間流路に流れる排気の流速を的確に最適な値へと調整しつつ、ノズル付近での圧力の過上昇を抑制し、ターボチャージャの過給効率低下を抑制することのできるターボチャージャを提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and its purpose is to accurately adjust the flow velocity of the exhaust gas flowing from the nozzle to the inter-blade flow path of the turbine wheel to an optimum value, in the vicinity of the nozzle. An object of the present invention is to provide a turbocharger that can suppress an excessive increase in the pressure of the engine and suppress a decrease in turbocharging efficiency of the turbocharger.
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
上記目的を達成するため、請求項1記載の発明では、内燃機関の排気が送り込まれるタービンスクロールと、そのタービンスクロール内の排気をタービンホイールの翼間流路に流すノズルとを備え、そのノズルから前記タービンホイールの翼間流路への排気の流入により同ホイールが回転するターボチャージャにおいて、前記ノズルにおける対向するノズル壁面のうち一方のノズル壁面側から他方のノズル壁面に接触するまで突出する突出位置と、前記他方のノズル壁面から最も離れた状態である没入位置との間で変位するスライダと、前記スライダが前記突出位置にあるときに前記スライダにおける前記ノズル内に位置する部分に形成されて同ノズルのガス流通面積を定める固定翼とを備えた。
In the following, means for achieving the above object and its effects are described.
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 includes a turbine scroll into which exhaust gas from the internal combustion engine is fed, and a nozzle that causes the exhaust gas in the turbine scroll to flow into the inter-blade passage of the turbine wheel. In the turbocharger in which the wheel rotates by inflow of exhaust gas into the inter-blade passage of the turbine wheel, a protruding position that protrudes from one nozzle wall surface side to the other nozzle wall surface among the opposed nozzle wall surfaces in the nozzle And a slider that is displaced between an immersion position that is farthest from the other nozzle wall surface, and a portion that is located in the nozzle in the slider when the slider is in the protruding position. And a fixed wing for defining a gas flow area of the nozzle.
上記構成によれば、スライダを突出位置に変位させたとき、ノズルのガス流通面積がスライダに形成された固定翼によって定められた値になる。そして、スライダを突出位置から没入位置に向けて変位させるほど、スライダに形成された固定翼が上記他のノズル壁面から離れてゆき、ノズルのガス流通面積が大きくなってゆく。従って、スライダを突出位置と没入位置との間で変位させてノズルのガス流通面積を変更することで、ノズルからタービンホイールの翼間流路に流れる排気の流速が調整される。このように固定翼を上記他のノズル壁面に対し接近・離間させることで、ノズルのガス流通面積を変更して上記翼間流路に流入する排気の流速を調整する場合、以下のような効果が得られるようになる。すなわち、ノズルに設けられた可変翼を開閉動作させて上記翼間流路に流入する排気の流速を調整する場合のように、ノズル壁面と可変翼とのクリアランスからの排気漏れに起因して、上記排気の流速を適切な値に調整するのが困難になるということはなく、その調整を的確に行うことができる。また、上記可変翼を採用した場合のように、内燃機関の排気温が高くなったときノズル壁面に可変翼が固着することもなく、それによって上記排気の流速を適切な値に調整できなくなったり、ノズル付近の圧力が過上昇したりするのを回避することができる。従って、ノズルからタービンホイールの翼間流路に流れる排気の流速を、タービンホイールを効果的に回転させるうえで最適な値へと的確に調整しつつ、ノズル付近の圧力の過上昇を抑制することができ、それらを行えないことに伴うターボチャージャの過給効率低下を抑制することができる。 According to the above configuration, when the slider is displaced to the protruding position, the gas flow area of the nozzle becomes a value determined by the fixed blade formed on the slider. As the slider is displaced from the protruding position toward the immersive position, the stationary blade formed on the slider moves away from the other nozzle wall surface, and the gas flow area of the nozzle increases. Therefore, the flow rate of the exhaust gas flowing from the nozzle to the inter-blade passage of the turbine wheel is adjusted by changing the gas flow area of the nozzle by displacing the slider between the protruding position and the immersion position. When adjusting the flow velocity of the exhaust gas flowing into the inter-blade flow path by changing the gas flow area of the nozzle by moving the fixed blade closer to or away from the other nozzle wall surface as described above, the following effects are obtained. Can be obtained. That is, due to exhaust leakage from the clearance between the nozzle wall surface and the variable blade, as in the case of adjusting the flow velocity of the exhaust flowing into the inter-blade flow path by opening and closing the variable blade provided in the nozzle, It is not difficult to adjust the flow rate of the exhaust gas to an appropriate value, and the adjustment can be performed accurately. In addition, when the exhaust temperature of the internal combustion engine becomes high, the variable blade does not adhere to the nozzle wall surface as in the case where the variable blade is adopted, and the exhaust flow velocity cannot be adjusted to an appropriate value. It is possible to avoid an excessive increase in pressure near the nozzle. Therefore, the flow rate of the exhaust gas flowing from the nozzle to the flow path between the blades of the turbine wheel is accurately adjusted to an optimum value for effectively rotating the turbine wheel, and an excessive increase in pressure near the nozzle is suppressed. Therefore, it is possible to suppress a decrease in turbocharger efficiency due to the inability to perform them.
請求項2記載の発明では、請求項1記載の発明では、前記スライダについては前記固定翼が前記タービンホイールの翼間流路の直前に位置するように設けられていることを要旨とした。 According to a second aspect of the present invention, the gist of the first aspect of the present invention is that the slider is provided so that the fixed blade is positioned immediately before the inter-blade passage of the turbine wheel.
固定翼がタービンホイールの翼間流路に対し上流側に離れて位置するほど、その固定翼によってノズルから上記翼間流路に流れる排気の流速を定めることは困難になる。上記構成によれば、固定翼が翼間流路の直前に位置するため、ノズルから翼間流路に流入する排気の流速を固定翼によって的確に定めることができる。 The farther the fixed blade is located upstream of the inter-blade flow path of the turbine wheel, the more difficult it is to determine the flow velocity of the exhaust gas flowing from the nozzle to the inter-blade flow path by the fixed blade. According to the above configuration, since the fixed blade is positioned immediately before the inter-blade channel, the flow velocity of the exhaust gas flowing from the nozzle into the inter-blade channel can be accurately determined by the fixed blade.
請求項3記載の発明では、請求項1又は2記載の発明では、前記ノズルとして第1ノズルと第2ノズルとが設けられ、前記第1ノズルにはノズル壁面に固定されるとともに同ノズルのガス流通面積を内燃機関の低回転時に適した値に設定する低速用固定翼が設けられ、内燃機関の低回転時には前記第2ノズルへの排気の流入を禁止すべく全閉状態とされて内燃機関の中高回転時には前記第2ノズルへの排気の流入を許可すべく全開状態とされる制御バルブが設けられ、前記スライダは前記第2ノズルにおいて突出位置と没入位置との間で変位するものであり、前記スライダに形成された固定翼は同スライダを突出位置に変位させたときに前記第2ノズルのガス流通面積を内燃機関の中回転時に適した値に設定する中高速用固定翼であることを要旨とした。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, a first nozzle and a second nozzle are provided as the nozzles, and the first nozzle is fixed to a nozzle wall surface and gas from the same nozzle. A low speed fixed blade is provided for setting the flow area to a value suitable for low rotation of the internal combustion engine, and the internal combustion engine is fully closed to prohibit the inflow of exhaust gas to the second nozzle during low rotation of the internal combustion engine. A control valve is provided that is fully opened to allow inflow of exhaust gas to the second nozzle during middle and high rotations, and the slider is displaced between a projecting position and an immersion position in the second nozzle. The fixed blade formed on the slider is a medium-high speed fixed blade that sets the gas flow area of the second nozzle to a value suitable for the middle rotation of the internal combustion engine when the slider is displaced to the protruding position. The It was a fact.
上記構成によれば、内燃機関の低回転時には制御バルブが閉弁状態とされ、第2ノズルへの排気の流入が禁止され、タービンホイールの翼間流路への排気の流入は第1ノズルのみから行われる。この第1ノズルについては、ノズル壁面に低速用固定翼が固定されるとともに、同ノズルのガス流通面積が上記低速用固定翼によって内燃機関の低回転時に適した値に固定されている。上記低速用固定翼と第1ノズルのノズル壁面との間にクリアランスはなく、そのクリアランスからの排気漏れの影響を受けて、第1ノズルからタービンホイールの翼間流路に流れる排気の流速を適切な値に調整するのが困難になるということもない。従って、内燃機関の低回転時に第1ノズルからタービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速を、タービンホイールを効果的に回転させるのに適した値へと的確に調整することができる。 According to the above configuration, the control valve is closed during low rotation of the internal combustion engine, the inflow of exhaust gas to the second nozzle is prohibited, and the inflow of exhaust gas to the inter-blade passage of the turbine wheel is limited to the first nozzle. Is done from. With respect to the first nozzle, the low speed fixed blade is fixed to the nozzle wall surface, and the gas flow area of the nozzle is fixed to a value suitable for the low speed rotation of the internal combustion engine by the low speed fixed blade. There is no clearance between the fixed blade for low speed and the nozzle wall surface of the first nozzle, and the flow velocity of the exhaust gas flowing from the first nozzle to the inter-blade passage of the turbine wheel is appropriately affected by the exhaust leakage from the clearance. It does not become difficult to adjust to a correct value. Therefore, it is possible to accurately adjust the flow rate of the exhaust gas flowing from the first nozzle into the inter-blade passage of the turbine wheel when the internal combustion engine rotates at a low speed to a value suitable for effectively rotating the turbine wheel.
また、内燃機関の中高回転時には制御バルブが開弁状態とされ、第1ノズルと第2ノズルとの両方からタービンホイールの翼間流路への排気の流入が行われる。
内燃機関の中回転時にはスライダを突出位置に保持することで、そのスライダに形成された中高速用固定翼が第2ノズルにおける上記他のノズル壁面に接触した状態となり、その中高速用固定翼によって第2ノズルのガス流通面積を内燃機関の中回転時に適した値に定めることができる。言い換えれば、第2ノズルからタービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速を内燃機関の中回転時にタービンホイールを効果的に回転させつつ、第2ノズル付近の圧力を過上昇させることのない値に定めることができる。そして、このときには、中高速用固定翼と上記他のノズル壁面との間にクリアランスが生じることはないため、そのクリアランスからの排気漏れに起因して第2ノズルから上記翼間流路に流入する排気の流速を適切な値に調整するのが困難になるということもない。
Further, the control valve is opened during middle and high speed rotation of the internal combustion engine, and exhaust flows into the inter-blade passage of the turbine wheel from both the first nozzle and the second nozzle.
By holding the slider in the protruding position during the middle rotation of the internal combustion engine, the fixed blade for medium and high speed formed on the slider comes into contact with the other nozzle wall surface of the second nozzle, and the fixed blade for medium and high speed The gas flow area of the second nozzle can be set to a value suitable for medium rotation of the internal combustion engine. In other words, the flow velocity of the exhaust gas flowing from the second nozzle into the flow path between the blades of the turbine wheel is effectively rotated during the middle rotation of the internal combustion engine, and the pressure near the second nozzle is not excessively increased. The value can be determined. At this time, there is no clearance between the medium- and high-speed fixed blades and the other nozzle wall surfaces, and therefore the second nozzle flows into the inter-blade channel due to exhaust leakage from the clearance. It is not difficult to adjust the exhaust flow rate to an appropriate value.
内燃機関の中回転から回転にかけては、同機関の回転速度が高くなるほどスライダを突出位置から没入位置へと変化させることで、スライダに形成された中高速用固定翼が上記他のノズル壁面から離れてゆき、ノズルのガス流通面積が大きくなってゆく。このように第2ノズルのガス流通面積を変更することで、第2ノズルからタービンホイールの翼間流路に流れる排気の流速を適切な値に調整することができるとともに、第2ノズル付近での圧力の過上昇を抑制することができる。また、上述したように中高速用固定翼を上記他のノズル壁面に対し接近・離間させることで第2ノズルのガス流通面積を変更する場合、内燃機関の排気温が高くなったとしても上記他のノズル壁面に中高速用固定翼が固着することはなく、それによって上記排気の流速を適切な値に調整できなくなったり、第2ノズル付近での圧力の過上昇が生じたりするのを回避することができる。 From the middle rotation to the rotation of the internal combustion engine, the medium-to-high speed fixed blade formed on the slider moves away from the other nozzle wall surfaces by changing the slider from the protruding position to the immersed position as the rotational speed of the engine increases. The gas distribution area of the nozzle will increase. By changing the gas flow area of the second nozzle in this way, the flow velocity of the exhaust gas flowing from the second nozzle to the inter-blade passage of the turbine wheel can be adjusted to an appropriate value, and the vicinity of the second nozzle can be adjusted. An excessive increase in pressure can be suppressed. Further, as described above, when the gas flow area of the second nozzle is changed by moving the stationary blade for medium and high speed closer to or away from the other nozzle wall surface, even if the exhaust temperature of the internal combustion engine becomes higher, the other This prevents the middle and high speed fixed blades from adhering to the nozzle wall, thereby preventing the exhaust flow velocity from being adjusted to an appropriate value or causing an excessive increase in pressure near the second nozzle. be able to.
以上により、内燃機関の低回転から高回転に亘って、タービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速を、タービンホイールを効果的に回転させるうえで最適な値に的確に調整しつつ、ノズル付近の圧力が過上昇するのを抑制することができ、それらを行えないことによるターボチャージャの過給効率低下を抑制することができる。 As described above, while accurately adjusting the flow rate of the exhaust gas flowing into the inter-blade flow path of the turbine wheel from low to high rotation of the internal combustion engine to an optimum value for effectively rotating the turbine wheel, It is possible to suppress an excessive increase in pressure in the vicinity of the nozzle, and it is possible to suppress a decrease in turbocharging efficiency of the turbocharger due to the inability to perform them.
以下、本発明を具体化した一実施形態を図1〜図4に従って説明する。
図1は、自動車に搭載される内燃機関の過給を行うターボチャージャ11における同機関の排気系側の部分を示す断面図である。
Hereinafter, an embodiment embodying the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a portion of an exhaust system side of a turbocharger 11 for supercharging an internal combustion engine mounted on an automobile.
同図に示されるように、ターボチャージャ11は、センタハウジング12に回転可能に支持されたロータシャフト13を備えている。そして、ロータシャフト13の一端部(図中右端部)にはタービンホイール14が取り付けられている。このタービンホイール14にはロータシャフト13の軸線を中心とする周方向に沿って複数の羽根15が設けられ、各羽根15の間は翼間流路16とされている。
As shown in the figure, the turbocharger 11 includes a rotor shaft 13 that is rotatably supported by a
センタハウジング12の一端側には、タービンホイール14の外周を囲うように、しかも渦巻き状に延びるかたちでタービンスクロール17が取り付けられている。このタービンスクロール17の内部は、内燃機関の排気通路21と連通しており、同排気通路21から内燃機関の排気が送り込まれるようになっている。そして、タービンスクロール17内に送り込まれた排気をタービンホイール14の翼間流路16に流すことで、タービンホイール14及びロータシャフト13が回転するようになる。そして、ロータシャフト13が回転すると、同シャフト13の他端部に取り付けられたコンプレッサホイールも回転し、それに伴い内燃機関の吸気通路内の空気が強制的に燃焼室に向けて送り出される。
A
次に、タービンスクロール17の内部構造について詳しく説明する。
タービンスクロール17においては、内燃機関の排気通路21と繋がるスクロール通路19が形成されるとともに、そのスクロール通路19内の排気をタービンホイール14の翼間流路16に流す第1ノズル22及び第2ノズル23が設けられている。また、第2ノズル23とスクロール通路19との接続部分には、アクチュエータ26aによって駆動される制御バルブ26が設けられている。この制御バルブ26は、アクチュエータ26aによる駆動を通じて、スクロール通路19から第2ノズル23への排気の流入を禁止・許可すべく全閉状態と全開状態との間で開閉動作する。
Next, the internal structure of the
In the
第1ノズル22の対向するノズル壁面において、タービンホイール14の翼間流路16寄りの部分には、第1ノズル22のガス流通面積を設定するための低速用固定翼24が固定されている。この低速用固定翼24は、タービンホイール14周りにおいて、図2に示されるように周方向に沿って等間隔をおいて複数設けられている。そして、第1ノズル22のガス流通面積については、上記各低速用固定翼24によって、内燃機関の低回転時にスクロール通路19から第1ノズル22を通ってタービンホイール14の翼間流路16に流入する排気の流速が、同ホイール14を効果的に回転させることの可能な値となるよう設定されている。
A low-speed
図1に示されるタービンスクロール17において、第2ノズル23に対応する部分には、ロータシャフト13の軸線方向(図中左右方向)に延びる円筒状のスライダ27が当該軸線方向に変位可能に設けられている。こうしたスライダ27の変位はアクチュエータ27aの駆動を通じて行われ、スライダ27の外周面にはアクチュエータ27aによる上記軸線方向への駆動力を受ける溝32が形成されている。そして、スライダ27は、アクチュエータ27aの駆動を通じて、第2ノズル23の対向するノズル壁面23a,23bのうち一方のノズル壁面23bから他方のノズル壁面23aに接触する突出位置と、他方のノズル壁面23aから最も離れた状態であって一方のノズル壁面23bに対し没入した状態である没入位置との間で変位する。
In the
スライダ27が突出位置にあるとき、すなわち図1に示される位置にあるときに同スライダ27における第2ノズル23内に位置する部分には、第2ノズル23のガス流通面積を定めるための中高速用固定翼25が形成されている。スライダ27に形成された中高速用固定翼25は、タービンホイール14周りにおいて、図3に示されるように周方向に沿って等間隔をおいて複数設けられている。そして、第2ノズル23のガス流通面積は、上記各中高速用固定翼25によって以下のように設定されている。すなわち、内燃機関の中回転時にスクロール通路19から第2ノズル23を通ってタービンホイール14の翼間流路16に流入する排気の流速が同ホイール14を効果的に回転させることの可能な値となり、かつ第2ノズル23付近の圧力が過上昇することのない値となるよう設定されている。
When the
なお、上記スライダ27については、中高速用固定翼25がタービンホイール14の翼間流路16に対し可能な限り近い位置となり、その翼間流路16の直前に位置するように設けられている。これは、中高速用固定翼25がタービンホイール14の翼間流路16に対し上流側に離れて位置するほど、その中高速用固定翼25によって第2ノズル23から上記翼間流路16に流れる排気の流速を定めることが困難になるためである。
The
ところで、ターボチャージャ11の過給効率については、タービンホイール14の翼間流路16に排気が流入する際の流速など、翼間流路16への排気の流入態様が大きく影響を及ぼす。また、タービンホイール14の翼間流路16への排気の流入態様は、制御バルブ26の開閉動作、及び、スライダ27のロータシャフト13の軸線方向への変位、すなわち突出位置(図1)と没入位置(図4)との間での変位を通じて可変とされる。従って、ターボチャージャ11による過給を効果的に行うには、上記翼間流路16への排気の流入態様が内燃機関の運転状態に適したものとなるよう、制御バルブ26及びスライダ27を制御することが必要になる。
By the way, the supercharging efficiency of the turbocharger 11 is greatly influenced by the inflow mode of the exhaust gas into the
この実施形態では、こうした制御バルブ26及びスライダ27の制御を、自動車に搭載された内燃機関の各種制御を行う電子制御装置29を通じて行うようにしている。この電子制御装置29は、内燃機関の回転速度を検出する回転速度センサ28など各種センサの検出信号を入力し、これら検出信号から把握される機関運転状態に基づき制御バルブ26の開閉動作及びスライダ27の軸線方向への変位を行うためのアクチュエータ26a,27aの駆動制御を行う。こうした制御バルブ26及びスライダ27の制御を通じて、タービンホイール14の翼間流路16への排気の流入態様がターボチャージャ11による効果的な過給を実現するのに適した態様とされる。
In this embodiment, such control of the
次に、上述した制御バルブ26及びスライダ27の制御について詳しく説明する。
内燃機関の低回転時には制御バルブ26が全閉状態とされ、第2ノズル23からタービンホイール14の翼間流路16への排気の流入が禁止される。このとき、翼間流路16への排気の流入は第1ノズル22のみから行われる。この第1ノズル22については、低速用固定翼24が同ノズル22の対向するノズル壁面に固定されるとともに、同ノズル22のガス流通面積が上記低速用固定翼24によって内燃機関の低回転時に適した値となるよう設定されている。上記低速用固定翼24と第1ノズル22のノズル壁面との間にクリアランスはなく、そのクリアランスからの排気漏れの影響を受けて、第1ノズル22からタービンホイール14の翼間流路16に流れる排気の流速を適切な値に調整するのが困難になるということもない。従って、内燃機関の低回転時に第1ノズル22からタービンホイール14の翼間流路16に流れる排気の流速を、タービンホイール14を効果的に回転させるのに適した値に調整することができる。
Next, the control of the
When the internal combustion engine rotates at a low speed, the
また、内燃機関の中高回転時には制御バルブ26が全開状態とされ、第1ノズル22と第2ノズル23との両方からタービンホイール14の翼間流路16への排気の流入が行われる。
Further, the
内燃機関の中回転時にはスライダ27を突出位置、すなわち図1の位置に保持することによって、そのスライダ27に形成された中高速用固定翼25が第2ノズル23のノズル壁面23aに接触した状態となり、その中高速用固定翼25によって第2ノズル23のガス流通面積が内燃機関の中回転時に適した値に定められる。言い換えれば、第2ノズル23からタービンホイール14の翼間流路16に流入する排気の流速を内燃機関の中回転時にタービンホイール14を効果的に回転させつつ、第2ノズル23付近の圧力を過上昇させることのない値となるよう定められる。そして、このときには、中高速用固定翼25とノズル壁面23aとの間にクリアランスが生じることはないため、そのクリアランスからの排気漏れに起因して第2ノズル23から上記翼間流路16に流入する排気の流速を適切な値に調整するのが困難になるということもない。
By holding the
内燃機関の中回転から高回転にかけては、内燃機関の回転速度が高くなるほどスライダ27を図1の位置である突出位置から図4の位置である没入位置へと開き側に変化させることで、スライダ27に形成された中高速用固定翼25が上記ノズル壁面23aから離れてゆき、第2ノズル23のガス流通面積が大きくなってゆく。このように第2ノズル23のガス流通面積を変更することで、第2ノズル23からタービンホイール14の翼間流路16に流れる排気の流速を適切な値に調整することができるとともに、第2ノズル23付近での圧力の過上昇を抑制することができる。また、上記中高速用固定翼25をノズル壁面23aに対し接近・離間させることで、第2ノズル23のガス流通面積を変更する場合、排気温が高くなったとしてもノズル壁面23aに上記固定翼25が固着することはなく、それによって上記排気の流速を適切な値に調整できなくなったり、ノズル付近の圧力が過上昇したりするのを回避することができる。
By changing the
以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
(1)内燃機関の低回転時には、第1ノズル22のみからタービンホイール14の翼間流路16への排気の流入が行われる。この第1ノズル22のノズル壁面と低速用固定翼24との間にはクリアランスが生じることはなく、そのクリアランスからの排気漏れの影響を受けて、第1ノズル22からタービンホイール14の翼間流路16に流れる排気の流速を適切な値に調整するのが困難になるということもない。従って、内燃機関の低回転時において、第1ノズル22から上記翼間流路16に流入する排気の流速を、タービンホイール14を効果的に回転させるのに適した値に調整することができる。
According to the embodiment described in detail above, the following effects can be obtained.
(1) During low rotation of the internal combustion engine, exhaust flows into the
(2)内燃機関の中回転時には、第2ノズル23からタービンホイール14の翼間流路16への排気の流入が行われるとともに、スライダ27が突出位置に保持される。これにより、内燃機関の中回転時において、上記翼間流路16に流入する排気の流速を最適な値としつつ、第2ノズル23付近の圧力の過上昇を抑制することができる。また、このときには、中高速用固定翼25とノズル壁面23aとの間にクリアランスが生じることはないため、そのクリアランスからの排気漏れに起因して第2ノズル23から上記翼間流路16に流入する排気の流速を適切な値に調整するのが困難になるということもない。
(2) During the middle rotation of the internal combustion engine, exhaust flows from the
(3)内燃機関の中回転から高回転にかけては、第2ノズル23から上記翼間流路16への排気の流入が行われるとともに、機関回転速度が高くなるほどスライダ27が突出位置から没入位置へと変位させられる。これにより、内燃機関の中回転から高い回転にかけて、第2ノズル23からタービンホイール14の翼間流路16に流れる排気の流速を最適な値としつつ、第2ノズル23付近での圧力の過上昇を抑制することができる。また、上述したように第2ノズル23のガス流通面積を変更する場合、排気温が高くなったとしてもノズル壁面23aに中高速用固定翼25が固着することはなく、それによって上記排気の流速を適切な値に調整できなくなったり、ノズル付近の圧力が過上昇したりするのを回避することができる。
(3) From the middle rotation to the high rotation of the internal combustion engine, exhaust flows into the
(4)上記(1)〜(3)により、内燃機関の低回転から高回転に亘って、タービンホイール14の翼間流路16に流入する排気の流速を、タービンホイール14を効果的に回転させるうえで最適な値に的確に調整しつつ、ノズル付近の圧力が過上昇するのを抑制することができる。そして、それらを行えないことによるターボチャージャ11の過給効率低下を抑制することができる。
(4) By the above (1) to (3), the
(5)第2ノズル23の中高速用固定翼25がタービンホイール14の翼間流路16に対し上流側に離れて位置するほど、その中高速用固定翼25によって第2ノズル23から上記翼間流路16に流れる排気の流速を定めることは困難になる。しかし、中高速用固定翼25の形成されたスライダ27については、その中高速用固定翼25が翼間流路16の直前に位置するように設けられている。このため、第2ノズル23から翼間流路16に流入する排気の流速を中高速用固定翼25によって的確に定めることができる。
(5) The medium-to-high speed fixed
(6)仮に、第2ノズル23のガス流通面積を可変翼の開閉動作によって可変とするようにした場合、可変翼をタービンホイール14の周方向に沿って所定間隔をおいて複数設け、それら可変翼をリンク機構等を用いて同期した状態で開閉動作させる必要がある。このため、上記リンク機構等を設けなければならない分だけ、ターボチャージャ11の構造が複雑になることは避けられない。しかし、第2ノズル23のガス流通面積の可変を中高速用固定翼25の形成されたスライダ27の変位によって行うようにした場合、上記リンク機構等を設ける必要はないため、ターボチャージャ11の構成を複雑にすることなく、第2ノズル23のガス流通面積の可変を実現することができる。
(6) If the gas flow area of the
なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・中高速用固定翼25を翼間流路16の直前よりも上流側に位置するようスライダ27を設けてもよい。
In addition, the said embodiment can also be changed as follows, for example.
The
・スクロール通路19から一つのノズルを介して翼間流路16に排気を流入するターボチャージャに本発明を適用してもよい。この場合、スライダ27をロータシャフトの軸線方向に変位させることで、上記ノズルのガス流通面積が変更されるようになるが、スライダ27に形成される固定翼としては内燃機関の低回転時に適したもの、例えば低速用固定翼24と同形状のものに変更することが好ましい。
The present invention may be applied to a turbocharger that flows exhaust gas from the
・タービンスクロール内を仕切壁によって二つのスクロール通路に区画し、一方のスクロール通路を第1ノズル22に繋ぐとともに、他方のスクロール通路を第2ノズル23に繋ぐようにしてもよい。この場合、制御バルブ26は、第2ノズル23に繋がるスクロール通路と排気通路21との接続部分に設けられる。
The inside of the turbine scroll may be divided into two scroll passages by a partition wall, and one scroll passage may be connected to the
11…ターボチャージャ、12…センタハウジング、13…ロータシャフト、14…タービンホイール、15…羽根、16…翼間流路、17…タービンスクロール、19…スクロール通路、21…排気通路、22…第1ノズル、23…第2ノズル、23a,23b…ノズル壁面、24…低速用固定翼、25…中高速用固定翼、26…制御バルブ、26a…アクチュエータ、27…スライダ、27a…アクチュエータ、28…回転速度センサ、29…電子制御装置、32…溝。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Turbocharger, 12 ... Center housing, 13 ... Rotor shaft, 14 ... Turbine wheel, 15 ... Blade, 16 ... Flow path between blades, 17 ... Turbine scroll, 19 ... Scroll passage, 21 ... Exhaust passage, 22 ... First Nozzle, 23 ... second nozzle, 23a, 23b ... nozzle wall surface, 24 ... low speed fixed blade, 25 ... medium and high speed fixed blade, 26 ... control valve, 26a ... actuator, 27 ... slider, 27a ... actuator, 28 ... rotation Speed sensor, 29 ... electronic control device, 32 ... groove.
Claims (3)
前記ノズルにおける対向するノズル壁面のうち一方のノズル壁面側から他方のノズル壁面に接触するまで突出する突出位置と、前記他方のノズル壁面から最も離れた状態である没入位置との間で変位するスライダと、
前記スライダが前記突出位置にあるときに前記スライダにおける前記ノズル内に位置する部分に形成されて同ノズルのガス流通面積を定める固定翼と、
を備えることを特徴とするターボチャージャ。 A turbine scroll into which the exhaust gas of the internal combustion engine is sent, and a nozzle that causes the exhaust gas in the turbine scroll to flow into the inter-blade passage of the turbine wheel. In the turbocharger where the wheel rotates,
A slider that displaces between a protruding position that protrudes from one nozzle wall surface side to the other nozzle wall surface, and an immersion position that is farthest from the other nozzle wall surface, of the nozzle wall surfaces facing each other in the nozzle. When,
A fixed vane that is formed in a portion of the slider located in the nozzle when the slider is in the protruding position and defines a gas flow area of the nozzle;
A turbocharger comprising:
請求項1記載のターボチャージャ。 The turbocharger according to claim 1, wherein the slider is provided so that the fixed blade is positioned immediately before a flow path between blades of the turbine wheel.
前記第1ノズルにはノズル壁面に固定されるとともに同ノズルのガス流通面積を内燃機関の低回転時に適した値に設定する低速用固定翼が設けられ、
内燃機関の低回転時には前記第2ノズルへの排気の流入を禁止すべく全閉状態とされて内燃機関の中高回転時には前記第2ノズルへの排気の流入を許可すべく全開状態とされる制御バルブが設けられ、
前記スライダは前記第2ノズルにおいて突出位置と没入位置との間で変位するものであり、
前記スライダに形成された固定翼は同スライダを突出位置に変位させたときに前記第2ノズルのガス流通面積を内燃機関の中回転時に適した値に設定する中高速用固定翼である
請求項1又は2記載のターボチャージャ。 A first nozzle and a second nozzle are provided as the nozzles,
The first nozzle is provided with a low-speed stationary blade that is fixed to the nozzle wall surface and sets the gas flow area of the nozzle to a value suitable for low-speed operation of the internal combustion engine,
Control that is fully closed to prohibit the inflow of exhaust gas to the second nozzle when the internal combustion engine is running at a low speed, and is fully opened to permit the inflow of exhaust gas to the second nozzle when the internal combustion engine is running at a medium or high speed. A valve is provided,
The slider is displaced between a protruding position and an immersion position in the second nozzle,
The fixed blade formed on the slider is a medium-high speed fixed blade that sets a gas flow area of the second nozzle to a value suitable for a middle rotation of the internal combustion engine when the slider is displaced to a protruding position. The turbocharger according to 1 or 2.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2006011164A JP2007192123A (en) | 2006-01-19 | 2006-01-19 | Turbocharger |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2006011164A JP2007192123A (en) | 2006-01-19 | 2006-01-19 | Turbocharger |
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JP2007192123A true JP2007192123A (en) | 2007-08-02 |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2007192123A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012034258A1 (en) * | 2010-09-14 | 2012-03-22 | Zhu Zhifu | Variable-section composite turbine apparatus |
JP2015503055A (en) * | 2011-12-08 | 2015-01-29 | アイ・エイチ・アイ チャージング システムズ インターナショナル ゲーエムベーハー | Exhaust gas turbocharger turbine |
-
2006
- 2006-01-19 JP JP2006011164A patent/JP2007192123A/en active Pending
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WO2012034258A1 (en) * | 2010-09-14 | 2012-03-22 | Zhu Zhifu | Variable-section composite turbine apparatus |
JP2015503055A (en) * | 2011-12-08 | 2015-01-29 | アイ・エイチ・アイ チャージング システムズ インターナショナル ゲーエムベーハー | Exhaust gas turbocharger turbine |
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