JP2007192125A - ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】二つの導入通路からの排気流が合流することによる乱流の発生を抑制することのできるターボチャージャを提供する。
【解決手段】このターボチャージャは、タービンホイール３２の回転軸に沿って延設されて同タービンホイール３２が収容されるタービン室３１と、タービン室３１の周壁において開口されて内燃機関の排気をタービンホイール３２に導く導入通路３４，３５とを備える。導入通路３４，３５としては、タービン室３１における排気流れ方向上流側で開口される第１の導入通路３４と同排気流れ方向下流側で開口される第２の導入通路３５とが形成される。第２の導入通路３５の開口部３９の延設方向が、タービン室３１における排気流れ方向下流側に向かう方向成分を含む。
【選択図】図５

Description

本発明は、タービン室における排気流れ方向上流側において開口される第１の導入通路と同排気流れ方向下流側において開口される第２の導入通路とを通じて内燃機関の排気をタービンホイールに導くターボチャージャに関するものである。

通常、ターボチャージャにはそのタービンホイールが収容されるタービン室と同タービン室の周壁において開口される導入通路とが形成されており、この導入通路には内燃機関の排気が送り込まれている。そして、上記導入通路を介してタービンホイールに内燃機関の排気が吹き付けられて、同タービンホイールが回転するようになっている。

従来、特許文献１のように、上記導入通路として、タービン室における排気流れ方向上流側において開口される第１の導入通路と同排気流れ方向下流側において開口される第２の導入通路とを形成するようにしたものが提案されている。

こうしたターボチャージャにあっては、排気量が少ない機関運転状態であるときに、一方の導入通路からのみタービンホイールに排気が吹き付けられる。これにより、導入通路が一つのみ形成されるターボチャージャと比較して、導入通路の通路面積を小さくすることができ、高圧・高速の排気をタービンホイールに吹き付けることが可能になる。
特開昭６０−１６６７１８号公報

ところで、上述したターボチャージャにあって、第１の導入通路からタービンホイールに吹き付けられた排気の流れは、タービン室における排気流れ方向下流側に偏向されて、第２の導入通路の開口付近に至る。そのため、そのように偏向された排気流と第２の導入通路からタービンホイールに吹き付けられる排気の流れとが合流する部分において乱流が発生して、これがターボチャージャの運転効率の向上を妨げる一因となる。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、二つの導入通路からの排気流が合流することによる乱流の発生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。

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説明する。
請求項１に記載の発明は、タービンホイールの回転軸に沿って延設されて同タービンホイールが収容されるタービン室と該タービン室の周壁において開口されて内燃機関の排気を前記タービンホイールに導く導入通路とを有し、該導入通路として、前記タービン室における排気流れ方向上流側で開口される第１の導入通路と同排気流れ方向下流側で開口される第２の導入通路とが形成されてなるターボチャージャにおいて、前記第２の導入通路は、その前記タービン室における開口に至る部分の延設方向が同タービン室における排気流れ方向下流側に向かう方向成分を含んでなることをその要旨とする。

上記構成によれば、例えば第２の導入通路の前記タービン室における開口に至る部分の延設方向とタービンホイールの回転軸とが直角をなす構成など、同部分の延設方向が上記タービン室における排気流れ方向下流側に向かう方向成分を含まない構成と比較して、各導入通路からの排気流が合流する部分において各排気流の流れ方向のなす角度を小さくすることができる。したがって、第１の導入通路からの排気流と第２の導入通路からの排気流との合流による乱流の発生を抑制することができる。

なお請求項１に記載の構成は、請求項２によるように、第２の導入通路を、その開口に至る部分が同開口に近い部分ほど前記排気流れ方向下流側の位置になるように形成する、といった構成により実現することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のターボチャージャにおいて、前記第１の導入通路および前記第２の導入通路は共に前記周壁の全周にわたる円環形状で開口されてなり、前記第２の導入通路は、その前記開口に至る部分が同開口に近づくほど前記第１の導入通路から離間する方向に延設されてなることをその要旨とする。

上記構成によれば、第１の導入通路および第２の導入通路が共にタービン室周壁の全周にわたる円環形状で開口されたターボチャージャにあって、第２の導入通路からタービンホイールに吹き付けられる排気の流れ方向を、第１の導入通路からタービンホイールに吹き付けられる排気の流れ方向から離間する方向に設定することができる。したがって、第１の導入通路からの排気流が上記タービン室における排気流れ方向下流側に、換言すれば第２の導入通路からの排気流に近づく方向に偏向されるとはいえ、それら排気流の流れ方向のなす角度が小さくなるように、第２の導入通路からタービンホイールに吹き付けられる排気の流れ方向を設定することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のターボチャージャにおいて、前記第１の導入通路が前記タービンホイールにおける翼間通路の入口において開口されてなり、前記第２の導入通路が前記翼間通路の途中で開口されてなることをその要旨とする。

ここで、タービン室内にあってその周壁とタービンホイールとの間には、同タービンホイールの表面に突設された複数のタービン翼によって仕切られた複数の通路（翼間通路）が形成されている。この翼間通路は、その排気流れ方向上流側の端部が入口とされ、排気流れ方向下流側の端部が出口とされる。そして、そうした翼間通路を内燃機関の排気流が通過するに際してタービン翼によって排気流のエネルギを受けて、タービンホイールは回転する。

上記構成では、排気量が少ないときにおいて第１の導入通路のみを通じて排気をタービンホイールに吹き付けるようにするとともに、そうした状況に適した形状に翼間通路の入口形状を予め設定しておくことにより、ターボチャージャの運転効率を高くすることができる。ただし、第１の導入通路からタービンホイールに吹き付けられた排気流は翼間通路の通過に際してタービン室における排気流れ方向下流側に向けて大きく偏向される。そのため上記構成では、排気量が多いときにおいて第１および第２の導入通路の両方から排気をタービンホイールに吹き付けるに際して、上述した乱流の発生度合い、ひいてはその発生による影響が大きくなり易い。

上記構成によれば、そうした構造のターボチャージャにあって、第１の導入通路からの排気流と第２の導入通路からの排気流との合流による乱流の発生を好適に抑制することができる。

以下、本発明にかかるターボチャージャを具体化した一実施の形態について説明する。
図１に、本実施の形態にかかるターボチャージャが適用される内燃機関の概略構成を示す。

同図１に示すように、本実施の形態にかかるターボチャージャ１０は、内燃機関１の吸気通路２に配設されるコンプレッサ２０と、同内燃機関１の排気通路３に配設されるタービン３０と、これらコンプレッサ２０およびタービン３０を連結するセンタハウジング４０とを備えている。

図２に、ターボチャージャ１０の具体構成を示す。
同図２に示すように、コンプレッサ２０の内部にはコンプレッサ室２１が形成されており、同コンプレッサ室２１には、コンプレッサインペラ２２が収容されている。一方、タービン３０の内部にはタービン室３１が形成されており、同タービン室３１にはタービンホイール３２が収容されている。他方、センタハウジング４０には、シャフト４１が回転可能に支持されており、同シャフト４１の一端にはコンプレッサインペラ２２が固定され、他端にはタービンホイール３２が固定されている。このターボチャージャ１０は、コンプレッサインペラ２２とタービンホイール３２とが一体回転する構造になっている。

コンプレッサ２０のコンプレッサ室２１はコンプレッサインペラ２２の回転軸Ｌ１に沿って延設されている。また、コンプレッサ２０は上記コンプレッサインペラ２２の外周を渦巻状に延びるスクロール通路２３を備えており、このスクロール通路２３は上記コンプレッサ室２１の周壁の全周にわたって開口されている。

一方、タービン３０のタービン室３１はタービンホイール３２の回転軸Ｌ１に沿って延設されている。またタービン３０は上記タービンホイール３２の外周を渦巻状に延びるスクロール通路３３を備えている。このスクロール通路３３とタービン室３１とは、二つの導入通路３４，３５を通じて連通されている。これら導入通路３４，３５はそれぞれ、上記タービン室３１の周壁においてその全周にわたる円環形状で開口されている。なお本実施の形態では、上記二つの導入通路３４，３５のうち、上記タービン室３１における排気流れ方向上流側において開口される通路を第１の導入通路３４とし、同排気流れ方向下流側において開口される通路を第２の導入通路３５とする。

第１の導入通路３４および第２の導入通路３５にはそれぞれ複数のノズルベーン３６，３７が設けられている。
図３に、第１の導入通路３４に設けられるノズルベーン３６の配設態様を示す。

同図３に示すように、各ノズルベーン３６はタービンホイール３２の回転軸Ｌ１周りに所定間隔をおいて配設されている。そして、それらノズルベーン３６により、第１の導入通路３４（図２）を通過する排気流の流れ方向が整えられるとともに同排気流の流速が高められる。

また、第２の導入通路３５に設けられるノズルベーン３７についても上記ノズルベーン３６と同様に、タービンホイール３２の回転軸Ｌ１周りに所定間隔をおいて配設されている。そして、それらノズルベーン３７により、第２の導入通路３５を通過する排気流の流れ方向が整えられるとともに同排気流の流速が高められる。

図４に、タービンホイール３２の側面構造を示す。
同図４に示すように、タービンホイール３２には複数のタービン翼３２ａが設けられている。そして、タービン室３１（図２）内にあってその周壁とタービンホイール３２との間には上記タービン翼３２ａによって仕切られた複数の通路（翼間通路）が形成されている。通常、この翼間通路には内燃機関１の排気流が、タービン室３１における排気流れ方向上流側の端部（翼間通路の入口Ｅｉ）から同排気流れ方向下流側の端部（翼間通路の出口Ｅｏ）に向けて通過する。なお上記翼間通路の入口Ｅｉは、導入通路が一つのみ設けられる標準的なターボチャージャにおけるタービンホイールの、いわゆるリーディングエッジの間に相当する部分である。また上記翼間通路の出口Ｅｏは標準的なターボチャージャのタービンホイールの、いわゆるトレーディングエッジの間に相当する部分である。

本実施の形態にかかるターボチャージャ１０にあっては、第１の導入通路３４が上記翼間通路の入口Ｅｉにおいて開口され、第２の導入通路３５が上記翼間通路の途中（翼間通路の入口Ｅｉと出口Ｅｏとの間の位置）で開口されている。

上記ターボチャージャ１０では、基本的に、以下のようにして内燃機関１への過給が行われる。
ターボチャージャ１０では、内燃機関１の排気流が翼間通路を通過するに際してタービン翼３２ａが排気流のエネルギを受けることによって、タービンホイール３２が回転する。そして、このタービンホイール３２の回転がシャフト４１を通じてコンプレッサ２０のコンプレッサインペラ２２に伝達されて、同コンプレッサインペラ２２が回転する。これによりコンプレッサ２０内では、コンプレッサインペラ２２の回転による遠心力の作用により、同コンプレッサ２０の入口部２０ａからコンプレッサ室２１に流入する吸気がスクロール通路２３、ひいては内燃機関１の燃焼室４（図１参照）へと送られる。内燃機関１では、こうした排気の持つエネルギを利用した過給を行うことで、その出力向上を図っている。

さらに、上記ターボチャージャ１０の第２の導入通路３５には流路制御弁３８が設けられており、同ターボチャージャ１０は、上記流路制御弁３８の作動制御を通じて第２の導入通路３５の通路断面積を調節可能な構造になっている。

この流路制御弁３８の作動制御は以下のように実行される。
すなわち先ず、例えば内燃機関１の低回転低負荷運転時など、同内燃機関１の排気量が少ないときには流路制御弁３８が閉弁される。このとき第１の導入通路３４のみを通じて、内燃機関１の排気がタービンホイール３２に吹き付けられる。なおターボチャージャ１０にあっては、前記翼間通路の入口形状や、第１の導入通路３４の通路形状、同通路３４に設けられるノズルベーン３６の形状および配設態様として、排気量の少ない機関運転状態に適した形状および配設態様が設定されている。このように設定することにより、内燃機関１の排気量が少ない状況、すなわち第１の導入通路３４のみから排気流がタービンホイール３２に吹き付けられる状況において、ターボチャージャ１０の運転効率を高くすることができる。

一方、例えば内燃機関１の高回転運転時や高負荷運転時など、同内燃機関１の排気量が比較的多いときには、流路制御弁３８が開弁されるとともに、排気量の多い機関運転状態であるほど大きい開度になるように同流路制御弁３８の開度が調節される。

この場合には、第１の導入通路３４の排気流量についての過度の増加や過度の減少を招くことのないように第２の導入通路３５の排気流量が調節されつつ、第１の導入通路３４および第２の導入通路３５の両方から排気がタービンホイール３２に吹き付けられる。これにより、第１の導入通路３４からの排気流を適量に保ちつつ、第１の導入通路３４からの排気流のエネルギに加えて、第２の導入通路３５からの排気流のエネルギを受けてタービンホイール３２が回転駆動される。

なおターボチャージャ１０にあっては、第２の導入通路３５の通路形状や同通路３５に設けられるノズルベーン３７の形状および配設態様として、内燃機関１の高回転高負荷運転時において第２の導入通路３５を通過する排気流量に適した形状が設定されている。そのため、第１の導入通路３４および第２の導入通路３５の両方から排気がタービンホイールに吹き付けられる状況にあっても、ターボチャージャ１０の運転効率を高くすることができる。

ところで、第１の導入通路３４からタービンホイール３２に吹き付けられた排気流は、翼間通路の通過に際して、タービン室３１における排気流れ方向下流側に向けて偏向される。そして、そのように偏向された排気流が、第１の導入通路３４よりも排気流れ方向下流側において開口される第２の導入通路３５からタービンホイール３２に吹き付けられる排気の流れと合流するようになる。したがって、それら排気流の合流部分において乱流が発生し、これがターボチャージャの運転効率の向上を妨げる一因となる。

しかも、本実施の形態にかかるターボチャージャ１０は第２の導入通路３５が翼間通路の途中において開口される構造であるために、第１および第２の導入通路が共に翼間通路の入口において開口されるターボチャージャと比較して、第１の導入通路３４からの排気流が大きく偏向された位置において第２の導入通路３５から排気流が導入される。したがって、それら排気流の合流部分における乱流の発生度合い、ひいてはその発生による影響が大きくなり易い。

この点をふまえ、本実施の形態にかかるターボチャージャ１０にあっては、第２の導入通路３５を、その上記タービン室３１における開口に至る部分（開口部３９）が同開口に近い部分ほど同タービン室３１における排気流れ方向下流側の位置になるように形成している。

図５に、ターボチャージャ１０の上記開口部３９周辺を拡大して示す。
同図５に示すように、開口部３９は、上記タービン室３１における排気流れ方向下流側に向けて湾曲した形状であって、同タービン室３１の周壁における前記翼間通路の入口Ｅｉ付近の部分と同程度に湾曲した形状で形成されている。また開口部３９は、その開口端に近づくほど第１の導入通路３４から離間する方向に延びるように形成されている。言い換えれば、開口部３９は、その開口端に近づくほど第１の導入通路３４の延設方向と第２の導入通路３５の延設方向とのなす角度が大きくなるように延設されている。

ここで図５にあって、矢印Ａは第１の導入通路３４からの排気流の流れ方向を示し、矢印Ｂは第２の導入通路３５からの排気流の流れ方向を示し、矢印Ｃは第２の導入通路の延設方向とタービンホイールの回転軸とが直角をなす比較例のターボチャージャについてその第２の導入通路からの排気流の流れ方向を示している。

同図５から明らかなように、本実施の形態のターボチャージャ１０にあっては、第１の導入通路３４からタービンホイール３２に吹き付けられた後に偏向されて第２の導入通路３５の開口付近に至った排気流の流れ方向（矢印Ａ）と第２の導入通路３５からの排気流の流れ方向（矢印Ｂ）とのなす角度が、比較例のターボチャージャについての同角度（矢印Ａと矢印Ｃとのなす角度）よりも小さくなる。

そのため、ターボチャージャ１０では、第１の導入通路３４からの排気流と第２の導入通路３５からの排気流との干渉が避けられないとはいえ、それら排気流の合流による乱流の発生を比較例のターボチャージャと比べて抑制することができる。したがって、前記翼間通路に排気流を円滑に通過させることができ、ターボチャージャ１０の運転効率を向上させることができる。

なお本実施の形態では、第２の導入通路３５を、その開口部３９がその開口端に近づくほど第１の導入通路３４から離間する方向に延びるように形成した。
そのため、第２の導入通路３５からタービンホイール３２に吹き付けられる排気の流れ方向を、第１の導入通路３４からタービンホイール３２に吹き付けられる排気の流れ方向から離間する方向に設定することができる。したがって、第１の導入通路３４からの排気流が上記タービン室３１における排気流れ方向下流側に、換言すれば第２の導入通路３５からの排気流に近づく方向に偏向されるとはいえ、それら排気流の流れ方向のなす角度が小さくなるように、第２の導入通路３５からタービンホイール３２に吹き付けられる排気の流れ方向を設定することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、以下に記載する効果が得られるようになる。
（１）第２の導入通路３５を、その開口部３９が開口端に近い部分ほどタービン室３１における排気流れ方向下流側の位置になるように形成した。そのため、第１の導入通路３４からの排気流と第２の導入通路３５からの排気流との合流による乱流の発生を抑制することができる。

（２）第２の導入通路３５を、その開口部３９がその開口端に近づくほど第１の導入通路３４から離間する方向に延びるように形成した。そのため、第１の導入通路３４からの排気流が第２の導入通路３５からの排気流に近づく方向に偏向されるとはいえ、それら排気流の流れ方向のなす角度が小さくなるように、第２の導入通路３５からタービンホイール３２に吹き付けられる排気の流れ方向を設定することができる。

なお、上記実施の形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・開口部３９の形状は、同開口部３９の延設方向がタービン室３１における排気流れ方向下流側に向かう方向成分を含む形状であれば、適宜変更可能である。同構成によっても、開口部の延設方向が上記タービン室３１における排気流れ方向下流側に向かう方向成分を含まないターボチャージャと比較して、各導入通路３４，３５からの排気流が合流する部分においてそれら排気流の流れ方向のなす角度を小さくすることができる。上記構成を含むターボチャージャとしては、例えば図６に示すターボチャージャ５０を挙げることができる。同図６に示すように、ターボチャージャ５０は、第２の導入通路５５の途中がタービン室３１における排気流れ方向下流側に向けて湾曲して延びるように形成されるとともに、同第２の導入通路５５の開口部５９が直線状に延びるように形成される。またターボチャージャ５０では、第２の導入通路５５に設けられるノズルベーン５７が上記開口部５９の延設形状に対応した形状に形成される。

・本発明は、第１の導入通路や第２の導入通路がタービン室の周壁の全周にわたって円環形状に開口されたターボチャージャに限らず、第１の導入通路や第２の導入通路がタービン室の周壁の一箇所、あるいは複数箇所において部分的に開口されたターボチャージャにも適用することができる。

・本発明は、第１の導入通路および前記第２の導入通路が共にタービンホイールにおける翼間通路の入口において開口されたターボチャージャにも適用することができる。同構成にあっても、第２の導入通路の開口部をタービン室における排気流れ方向下流側に向かう方向成分を含む方向に延設することにより、該開口部の延設方向が上記タービン室における排気流れ方向下流側に向かう方向成分を含まない構成と比較して、各導入通路からの排気流が合流する部分において各排気流の流れ方向のなす角度を小さくすることができる。また、第２の導入通路の開口部をその開口端に向かうほど第１の導入通路から離間する方向に延設することにより、上記（２）に記載の効果に準じた効果を得ることができる。

・本発明は、隣り合うノズルベーンの間隔を可変設定可能な可変ノズル式のターボチャージャにも適用することができる。また第１の導入通路や第２の導入通路にノズルベーンが設けられないターボチャージャにも、本発明は適用可能である。

本発明にかかるターボチャージャの一実施の形態が適用される内燃機関の概略構成を示す略図。 同実施の形態にかかるターボチャージャの断面構造を示す断面図。 第１の導入通路に設けられるノズルベーンの配設態様を示す略図。 タービンホイールの側面構造を示す側面図。 第２の導入通路の開口部周辺を拡大して示す拡大断面図。 本発明の他の実施の形態にかかるターボチャージャの一部を拡大して示す拡大断面図。

符号の説明

１…内燃機関、２…吸気通路、３…排気通路、４…燃焼室、１０，５０…ターボチャージャ、２０…コンプレッサ、２０ａ…入口部、２１…コンプレッサ室、２２…コンプレッサインペラ、２３…スクロール通路、３０…タービン、３１…タービン室、３２…タービンホイール、３２ａ…タービン翼、３３…スクロール通路、３４…第１の導入通路、３５，５５…第２の導入通路、３６，３７，５７…ノズルベーン、３８…流路制御弁、３９，５９…開口部、４０…センタハウジング、４１…シャフト。

Claims (4)

1. タービンホイールの回転軸に沿って延設されて同タービンホイールが収容されるタービン室と該タービン室の周壁において開口されて内燃機関の排気を前記タービンホイールに導く導入通路とを有し、該導入通路として、前記タービン室における排気流れ方向上流側で開口される第１の導入通路と同排気流れ方向下流側で開口される第２の導入通路とが形成されてなるターボチャージャにおいて、
   前記第２の導入通路は、その前記タービン室における開口に至る部分の延設方向が同タービン室における排気流れ方向下流側に向かう方向成分を含んでなる
   ことを特徴とするターボチャージャ。
2. 請求項１に記載のターボチャージャにおいて、
   前記第２の導入通路は、その開口に至る部分が同開口に近い部分ほど前記排気流れ方向下流側の位置に形成されてなる
   ことを特徴とするターボチャージャ。
3. 請求項１または２に記載のターボチャージャにおいて、
   前記第１の導入通路および前記第２の導入通路は共に前記周壁の全周にわたる円環形状で開口されてなり、前記第２の導入通路は、その前記開口に至る部分が同開口に近づくほど前記第１の導入通路から離間する方向に延設されてなる
   ことを特徴とするターボチャージャ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のターボチャージャにおいて、
   前記第１の導入通路が前記タービンホイールにおける翼間通路の入口において開口されてなり、前記第２の導入通路が前記翼間通路の途中で開口されてなる
   ことを特徴とするターボチャージャ。

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