JP2008095613A - 過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン羽根車へ内燃機関の排ガスを導入するための排ガス通路における排ガスの通過効率を向上させ、タービン羽根車へ効率よく排ガスを供給すること。
【解決手段】この過給機１は、内燃機関が排出した排ガスで駆動されて圧縮用羽根車３Ｉを駆動するタービン羽根車２Ｉと、前記内燃機関から排出される排ガスをタービン羽根車２Ｉに導く固定ノズル１０とを備える。固定ノズル１０には、内燃機関から排出された排ガスが通過する排ガス通路１１が複数形成される。この排ガス通路１１は、スロート部の通路断面が円形状で、排ガス通路入口部及び排ガス通路出口部の通路断面は四角形に形成される。
【選択図】 図１

Description

この発明は、内燃機関から排出される排ガスでタービン羽根車を回転させ、これによって圧縮機を駆動して前記内燃機関に対して過給する過給機に関する。

内燃機関が排出する排ガスの運動エネルギを利用してタービン羽根車を駆動し、これによって圧縮機を駆動して空気を強制的に内燃機関の燃焼室へ送り込み、当該燃焼室への空気の充填効率を高める過給機が種々提案され、実用化されている。このような過給機では、いわゆるラジアルタービンが用いられる。近年においては、タービン側のノズルベーンを可変構造として過給圧力を制御する、いわゆるＶＧ（Variable Geometry：可変容量）式のターボチャージャーが実用化され、用いられるようになってきている。例えば、特許文献１には、タービン動翼へのガス流入路を形成する複数の固定ノズルと、前記固定ノズルの間のガス流入路を遮蔽し、かつ流入路の遮蔽量を可変とする遮蔽部材とを備えるラジアル式タービンが開示されている。

特開平１０−２９９４０３号公報 第２ページ、図１、図２、図３

しかし、特許文献１に開示された上記ガス流入路では、流路断面が矩形であるため流入路内の流れが不均一となり、流入路を通過するガスを効率よくタービン動翼へ導けないおそれがある。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、タービン羽根車へ内燃機関の排ガスを導入するための排ガス通路における排ガスの通過効率を向上させ、タービン羽根車へ効率よく排ガスを供給できる過給機を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る過給機は、内燃機関が排出した排ガスで駆動されて圧縮用羽根車を駆動するタービン羽根車と、前記排ガスの入口から前記排ガスの出口に向かって通路断面積が変化する排ガス通路が内部に複数形成されて、前記内燃機関から排出される前記排ガスを前記タービン羽根車に導く固定ノズルと、を含み、前記排ガス通路の通路断面積が最も小さくなる部分の通路断面は、前記排ガス通路の通路断面積が前記排ガス通路全体にわたって一定であると仮定した場合に、通路断面内の周長が前記排ガス通路の中で最も短くなるような形状であることを特徴とする。

この過給機は、内燃機関が排出した排ガスをタービン羽根車へ導くための排ガス通路の通路断面積が、前記排ガス通路全体にわたって一定であると仮定した場合には、前記排ガス通路の通路断面積が最も小さくなる部分（最小通路断面積部分という）の通路断面を、通路断面内の周長が前記排ガス通路の中で最も短くなるような形状とする。これによって、最小通路断面積部分においては、壁面抵抗を排ガス通路の中で最も小さくすることができるので、最小通路断面積部分における排ガスの流れをより均一にできる。その結果、タービン羽根車へ供給される排ガスのエネルギ損失を抑制して、効率的にタービン羽根車へ排ガスを供給して、タービン羽根車の駆動効率を向上させることができる。

次の本発明に係る過給機は、前記過給機において、複数の前記排ガス通路のうち少なくとも一つの内部に配置され、当該排ガス通路内を進退することにより、当該排ガス通路内を通過する前記排ガスの流量を調整する排ガス流量調整手段を備えることを特徴とする。

次の本発明に係る過給機は、前記過給機において、前記排ガス通路の通路断面積が最も小さくなる部分の通路断面は円形状であることを特徴とする。

次の本発明に係る過給機は、前記過給機において、前記排ガス通路の通路入口部における流路断面、及び前記排ガス通路の通路出口部における流路断面は、四角形状であることを特徴とする。

次の本発明に係る過給機は、前記過給機において、前記排ガス通路の通路入口部における流路断面、及び前記排ガス通路の通路出口部における流路断面は、四角形状の角部が円弧状であることを特徴とする。

次の本発明に係る過給機は、前記過給機において、前記固定ノズルは中抜きの円盤形状であり、盤面に対して垂直方向における前記固定ノズルの寸法は、前記排ガスの入口側から前記排ガスの出口側に向かって小さくなることを特徴とする。

次の本発明に係る過給機は、前記過給機において、前記固定ノズルは、複数のリブを２枚の側板部で挟持して、隣接する前記リブの間に前記排ガス通路を形成するものであり、すべての前記リブと２枚の側板部とは、一体に形成されることを特徴とする。

この発明に係る過給機は、タービン羽根車へ内燃機関の排ガスを導入するための排ガス通路における排ガスの通過効率を向上させ、タービン羽根車へ効率よく排ガスを供給できる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。

本実施形態は、内燃機関が排出した排ガスをタービン羽根車へ導くための排ガス通路の通路断面積が、前記排ガス通路全体にわたって一定であると仮定した場合には、前記排ガス通路の通路断面積が最も小さくなる部分の通路断面を、通路断面内の周長が前記排ガス通路の中で最も短くなるような形状（例えば円形）とする点に特徴がある。

図１は、本実施形態に係る過給機の構成を示す一部断面図である。図１を用いて、本実施形態に係る過給機の構成を説明する。本実施形態に係る過給機１は、いわゆるターボチャージャーであり、内燃機関が排出した排ガスでタービン羽根車２Ｉを駆動し、このタービン羽根車２Ｉと同軸上に備えられる圧縮機３の圧縮用羽根車３Ｉを駆動することによって、前記内燃機関の燃焼室へ高圧の空気を過給する装置である。本実施形態に係る過給機１は、乗用車やバス、トラック等の車両に搭載され、動力発生源となる内燃機関（ガソリン機関やディーゼル機関）に対して好適に適用できる。

本実施形態に係る過給機１は、いわゆる可変容量式のターボチャージャーである。可変容量式のターボチャージャーは、例えば、タービン入口に可変ノズル機構を設け、内燃機関の運転条件に応じて可変ノズルの開度を調整することによって、内燃機関に対する過給圧力を調整するものである。例えば、内燃機関が低回転で運転されており、排ガスの流量が小さい場合には、可変ノズルの開度を絞ることにより過給圧力を上昇させて内燃機関のトルクを向上させる。また、内燃機関が低回転で運転されている場合には、可変ノズルの開度を大きくすることによって内燃機関の背圧を低下させて、内燃機関の燃料消費を改善する。このように、可変容量式のターボチャージャーでは、内燃機関の運転条件に応じた適切な過給圧力で過給することができる。

図１に示すように、過給機１は、タービン２と圧縮機３とで構成されており、過給機筐体１Ｋによって両者が一体に構成される。過給機筐体１Ｋ内には、渦巻き状の筐体内排ガス通路２Ｃ及び渦巻き状の筐体内空気通路３Ｃが形成される。タービン２は、内燃機関から排出される排ガスによって駆動されるタービン羽根車２Ｉを備えている。タービン羽根車２Ｉと筐体内排ガス通路２Ｃとの間には、排ガス通路からタービン羽根車２Ｉへ供給される排ガスが通過する複数の排ガス通路１１を有する固定ノズル１０が設けられる。

排ガス通路１１内には、タービン羽根車２Ｉへ供給される排ガスの流量を調整するための排ガス流量調整手段としてバルブ６が配置される。この過給機１では、バルブ６が排ガス通路１１内を進退することで、筐体内排ガス通路２Ｃからタービン羽根車２Ｉへ供給される排ガスの流量が調整される。これによって、タービン羽根車２Ｉの回転数が変更されるので、過給機１の過給圧力が変更される。バルブ６は、環状部材８に取り付けられる。また、環状部材８は、第１連結部材２１及び第２連結部材２２を介して、固定ノズル１０の排ガス通路１１内でバルブ６を進退させる。環状部材８は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）３０によって制御される、過給圧力制御手段であるアクチュエータ２０によって動作する。この構成については後述する。

ここで、上記バルブ６、固定ノズル１０、環状部材１３等は、耐熱性や耐食性等の要求に応じて、ステンレス、チタンとアルミニウムとの合金、ニッケル基合金等、種々の金属を用いて形成することができる。また、使用条件によっては、耐熱樹脂等のような金属以外の材質を用いてもよい。

タービン羽根車２Ｉと圧縮用羽根車３Ｉとは連結軸４で連結されている。連結軸４は、過給機筐体１Ｋに取り付けられる軸受５によって支持される。これによって、タービン羽根車２Ｉと圧縮用羽根車３Ｉとは、連結軸４及び軸受５を介して過給機筐体１Ｋに回転可能に支持される。本実施形態において、軸受５はいわゆる滑り軸受であり、過給機１の運転中においては、連結軸４と軸受５との間に潤滑油を介在させ、この潤滑油による流体潤滑で、タービン羽根車２Ｉと圧縮用羽根車３Ｉとを回転可能に支持する。なお、軸受５の種類はこれに限定されるものではなく、例えば、転がり軸受を用いてもよい。

タービン羽根車２Ｉと圧縮用羽根車３Ｉとは連結軸４で連結されているため、タービン羽根車２Ｉが排ガスによって回転すると、これにともなって圧縮用羽根車３Ｉも回転する。これによって、圧縮機入口３ＩＮから空気Ａｉｒが吸い込まれる。この空気Ａｉｒは、圧縮用羽根車３Ｉによって運動エネルギが与えられた後、圧縮用羽根車３Ｉの外周側に配置される筐体内空気通路３Ｃへ吐出される。これによって、圧縮機入口３ＩＮから吸い込まれた空気Ａｉｒは、大気圧よりも高圧に圧縮されて内燃機関の燃焼室へ供給される。次に、本実施形態に係る過給機１が備える固定ノズル１０について詳細に説明する。なお、次の説明では、適宜図１を参照されたい。

図２は、本実施形態に係る過給機が備える固定ノズルの全体を示す斜視図である。図３は、本実施形態に係る過給機が備える固定ノズルの側面図である。図４は、図３のＢ−Ｂ断面図であり、本実施形態に係る過給機が備える固定ノズルの内部構造を示す平面図である。図２〜図４に示すように、本実施形態に係る過給機が備える固定ノズル１０は、中抜きの円盤状（いわゆるドーナツ状）である。図２〜図４に示すように、固定ノズル１０の内部は、複数の仕切部材であるリブ１２によって仕切られており、隣接するリブ１２の間に排ガス通路１１が形成される。これによって、排ガス通路１１は、固定ノズル１０の外周部１０ｏと内周部１０ｉとを連通する。排ガス通路１１は、隣接するリブ１２と、２枚のドーナツ状の側板部１０ｐとで囲まれる空間であり、管状の通路である。これによって、排ガスが、排ガス通路１１を通過している間に、排ガス通路１１の外部へ漏れることを効果的に抑制できる。

図２、図３に示すように固定ノズル１０は、２枚のドーナツ状の側板部１０ｐで、複数のリブ１２を挟持するような構成である。本実施形態において、固定ノズル１０は、２枚のドーナツ状の側板部１０ｐ、及び複数のリブ１２はすべて一体で構成される。これによって、固定ノズル１０の強度を向上させることができる。固定ノズル１０は、例えば、鋳造や焼結によって一体成型することによって、２枚のドーナツ状の側板部１０ｐ、及び複数のリブ１２をすべて一体で構成することができる。また、ドーナツ状の円盤に、切削等によって排ガス通路１１を形成してもよい。

図１に示すように、固定ノズル１０の外周部１０ｏの外側には、過給機１の筐体内排ガス通路２Ｃが配置され、また、固定ノズル１０の内周部１０ｉの内側には、タービン羽根車２Ｉが配置される。図２、図４に示すように、排ガス通路１１は、固定ノズル１０の外周部１０ｏから内周部１０ｉに向かって貫通しているので、筐体内排ガス通路２Ｃ内に導入された内燃機関の排ガスは、排ガス通路１１を通ってタービン羽根車２Ｉへ供給される。次に、固定ノズル１０の子午断面形状を説明する。

図５は、本実施形態に係る過給機が備える固定ノズルの子午断面形状を示す断面図である。ここで、固定ノズル１０の子午断面とは、固定ノズル１０の中心軸Ｚ（本実施形態においては、タービン羽根車２Ｉの回転軸と同じ）と平行、かつ前記中心軸Ｚを通る平面で、固定ノズル１０を切った場合の断面である。図４においては、一点鎖線Ｄ−Ｄと平行、かつ一点鎖線Ｄ−Ｄを含む平面で、固定ノズル１０を切った場合の断面である。

図５に示すように、固定ノズル１０の外周部１０ｏにおける幅Ｈｏは、固定ノズル１０の内周部１０ｉおける幅Ｈｉよりも大きい。すなわち、固定ノズル１０の厚さＨ、すなわち、ドーナツ状の固定ノズル１０の盤面に対して直交する方向における固定ノズル１０の寸法は、固定ノズル１０の外周部１０ｏから内周部１０ｉへ向かって小さくなる。これによって、固定ノズル１０をコンパクトにすることができるので、過給機１の過給機筐体１Ｋ（図１参照）内に固定ノズル１０を組み込む際の自由度が向上する。また、固定ノズル１０をコンパクトにできるので、過給機１の過給機筐体１Ｋをコンパクトにすることもできる。

さらに、内周部１０ｉには排ガス通路１１が開口するが、排ガス通路１１の開口が存在しない領域では、前記開口から排ガスが流出する際に、開口が存在しない領域で排ガスの剥離が発生し、タービン羽根車２Ｉに対して効率よく排ガスが流入しなくなる。本実施形態では、上記構成とすることにより、内周部１０ｉにおいては排ガス通路１１の開口が存在しない領域を少なくすることができる。その結果、内周部１０ｉにおける排ガスの剥離を抑制できるので、排ガスを、効率よくタービン羽根車２Ｉへ導くことができる。次に、固定ノズル１０の排ガス通路１１について説明する。

図６は、本実施形態に係る過給機が備える固定ノズルに設けられる排ガス通路の説明図である。図６は、図４の一部を拡大して示してある。図７−１〜図７−４は、固定ノズルに形成される排ガス通路のスロート部の形状を説明する平面図である。図８−１〜図８−３は、固定ノズルに形成される排ガス通路の通路入口部及び通路出口部の形状を説明する平面図である。図６に示すように、本実施形態に係る固定ノズル１０が備える排ガス通路１１は、通路入口部（排ガスの入口）１１ｉから通路出口部（排ガスの出口）１１ｅに向かって、通路断面積が変化する。

ここで、通路断面積、及びスロート部について説明する。通路断面積は、固定ノズル１０の側板部１０ｐに対して直交する平面で排ガス通路１１を切ったときにおける排ガス通路１１の通路断面における、断面内の面積をいう。また、排ガス通路１１のスロート部１１ｔｈとは、排ガス通路１１において、最も通路断面積が小さくなる部分をいう。本実施形態において、スロート部１１ｔｈは、図６に示すように、通路出口部１１ｅにおけるリブ（１２ａ）の端部を通り、かつ当該リブ（１２ａ）に隣接して当該リブ（１２ａ）とともに排ガス通路１１を形成するリブ（１２ｂ）と直交する平面で、排ガス通路１１が切られる部分である。

本実施形態に係る固定ノズル１０は、排ガス通路１１の通路断面積が最も小さくなる部分、すなわちスロート部１１ｔｈの通路断面は、次のように構成される。すなわち、スロート部１１ｔｈにおける通路断面は、排ガス通路１１の通路断面積が、排ガス通路１１全体にわたって一定であると仮定した場合に、排ガス通路１１の断面内における周長（通路断面内周長）が排ガス通路１１の中で最も短くなるような形状に構成される。

このような通路断面の形状としては、例えば、図７−１に示すような円形がある。例えば、通路断面の形状が円形の場合と正方形の場合とを比較する。通路断面の形状を直径ｄの円形とした場合と、一辺がａの正方形とした場合とにおいて、通路断面積は等しいと仮定する。この場合、通路断面積Ａは式（１）、式（２）のようになる。また、通路断面内周長Ｃは、式（３）、式（４）のようになる。ここで、式（１）、（３）が円形の場合を示し、式（２）、（４）が正方形の場合を示す。なお、添字ｃは円形を意味し、添字ｓは正方形を意味する。
Ａ＝π×ｄ²／４・・（１）
Ａ＝ａ²・・・・・・（２）
Ｃ_c＝π×ｄ・・・・（３）
Ｃ_s＝４×ａ・・・・（４）

円形の場合と正方形の場合とで、通路断面積はＡで等しいので、式（１）＝式（２）となり、ｄ＝２×ａ／√πとなる。これより、円形の場合における通路断面周長Ｃ_c＝２×ａ×√πとなる。正方形の場合における通路断面周長Ｃ_sは４×ａなので、Ｃ_c＜Ｃ_sとなる。通路断面の形状を直径ｄの円形とした場合と、一辺がｂの正六角形とした場合とを同様に比較すると、正六角形の面積Ａ＝３×ｂ²×√３／２、正六角形の通路断面周長Ｃ_h＝６×ｂ、円形の場合における通路断面周長Ｃ_c＝ｂ×√（６×π×√３）なので、Ｃ_c＜Ｃ_hとなる。ここで、添字ｈは正六角形を意味する。

したがって、スロート部１１ｔｈにおける通路断面を円形とし、スロート部１１ｔｈ以外の通路断面を正方形や正六角形とすれば、排ガス通路１１の通路断面積が排ガス通路１１全体にわたって一定であると仮定した場合に、スロート部１１ｔｈは、通路断面内周長が排ガス通路１１の中で最も短くなるような形状に形成される。

スロート部１１ｔｈにおける通路断面は、例えば、図７−２に示すような、辺Ｌの両端を半径ｒの円弧でつなぎ、四角形の角部を半径ｒの円弧（曲面）で構成した四角形状としてもよい。また、図７−３に示すような、２本の直線Ｌと半径ｒの２個の半円とで形成された長円形状としてもよい。さらに、図７−４に示すような長径がｒａ、短径はｒｂの楕円形状としてもよい。

本実施形態において、排ガス通路１１のスロート部１１ｔｈにおける通路断面は円形状とすることが好ましい。ここで、円形状には、円形の他、四角形の角部を円弧（曲面）で構成した四角形状（図７−２参照）、多角形（正多角形が好ましい）の角部を円弧（曲面）で構成した多角形状、長円形状（図７−３）、楕円形状（図７−４）、状等も含まれる。ただし、いずれの形状においても、排ガス通路１１の通路断面積が排ガス通路１１全体にわたって一定であると仮定した場合に、スロート部１１ｔｈにおける通路断面内の周長が排ガス通路１１の中で最も短くなる関係を満たす必要がある。

排ガス通路１１のスロート部１１ｔｈにおける通路断面を上述したような形状に設定すると、スロート部１１ｔｈにおける排ガスの接触面積を他の部分よりも小さくすることができる。これによって、スロート部１１ｔｈにおいては、壁面抵抗を排ガス通路１１の中で最も小さくすることができるので、スロート部１１ｔｈにおける排ガスの流れをより均一にできる。その結果、タービン羽根車２Ｉへ供給される排ガスのエネルギ損失を抑制して、効率的にタービン羽根車２Ｉへ排ガスを供給し、タービン羽根車２Ｉの駆動効率を向上させることができる。なお、スロート部１１ｔｈにおける壁面抵抗の低減、流れの均一化を図る観点からは、スロート部１１ｔｈにおける通路断面は、より円に近い形状が好ましく、最も好ましいのは円である。

次に、排ガス通路の通路入口部及び通路出口部の形状を説明する。図８−１に示すように、固定ノズルＮの通路入口部Ｉの形状を円形とすると、排ガスが流入しない領域（図８−１のＴｒで示す領域）が発生する。また、固定ノズルＮの通路出口部Ｅの形状を円形とすると、排ガスが流出しない領域（図８−１のＴｒで示す領域）が発生する。この領域Ｔｒの部分では、排ガスの流れがないため、排ガスが剥離しやすくなり、排ガスが排ガス通路へ流入する際、あるいは排ガスが排ガス通路から流出する際の効率が低下する。その結果、タービン羽根車２Ｉへ排ガスを供給する際の効率が低下する。

本実施形態に係る固定ノズル１０では、図８−２、図８−３に示すように、排ガス通路１１の通路入口部１１ｉ及び通路出口部１１ｅの形状（平面形状）は、四角形状とする。これによって、排ガスが流入、あるいは流出しない領域（図８−１のＴｒで示す領域）を小さく抑えることができるので、固定ノズルの通路出口部を円形とした場合と比較して、排ガス通路１１の通路入口部１１ｉへ効率的に排ガスを導入させることができる。また、上記構成によって、排ガス通路１１の通路出口部１１ｅから効率的に排ガスをタービン羽根車２Ｉへ供給することができる。これらの作用によって、本実施形態に係る固定ノズル１０では、タービン羽根車２Ｉを効率的に駆動することができるので、過給機１の性能が向上する。

図８−２に示すように、排ガス通路１１の通路入口部１１ｉ及び通路出口部１１ｅは、辺Ｌａ、Ｌｂの両端を半径ｒの円弧（半径ｒの曲面）でつなぐことにより、四角形の角部Ｃを円弧で構成することが好ましい。これによって、排ガス通路１１の壁面抵抗を低下させ、より効率的に排ガスを流すことができる。また、四角形の角部Ｃを円弧で構成することにより、排ガス通路１１を比較的容易に形成することができるので、固定ノズル１０の製造も容易になる。なお、図８−３に示すように、排ガス通路１１の通路入口部１１ｉ及び通路出口部１１ｅは、角部Ｃに円弧を設けない形状としてもよい。

このように、本実施形態において、排ガス通路１１の通路入口部１１ｉ及び通路出口部１１ｅの形状（平面形状）を四角形状にするという場合には、角部が円弧状の形状も含まれる。また、四角形というときには、正方形、長方形いずれも含まれる。ここで、いずれの形状においても、排ガス通路１１の通路断面積が排ガス通路１１全体にわたって一定であると仮定した場合に、スロート部１１ｔｈにおける通路断面内の周長が排ガス通路１１の中で最も短くなる関係を満たす必要がある。

本実施形態において、通路入口部１１ｉ、スロート部１１ｔｈ、通路出口部１１ｅは、形状、寸法が異なる。このため、本実施形態では、通路入口部１１ｉ、スロート部１１ｔｈ及び通路出口部１１ｅを滑らかにつないで排ガス通路１１を形成する。これによって、排ガス通路１１の通路抵抗増加が抑制されて、排ガスの流れが滑らかになるので、排ガスを効率よく流してタービン羽根車２Ｉへ供給することができる。

本実施形態に係る固定ノズル１０は、上述したように、バルブ６と組み合わせて用いられるが、必ずしもバルブ６と組み合わせる必要はない。すなわち、本実施形態に係る固定ノズル１０を単独で用いて、タービン羽根車２Ｉへ排ガスを導いてもよい。この場合、固定上述した固定ノズル１０の構成とすることにより、上述したような、排ガスを効率よくタービン羽根車２Ｉに供給できる、過給機１の過給機筐体をコンパクトにできる等の効果が得られる。次に、本実施形態に係る過給機１において、過給圧力を調整する手法を説明する。次の説明においては、適宜図１を参照されたい。

図９は、本実施形態に係る過給機において排ガスの流量を調整する構造を示す説明図である。図１０、図１１は、本実施形態に係る過給機の過給圧力を調整する手法を示す説明図である。上述したように、本実施形態に係る過給機１で過給圧力を調整する際には、排ガス通路１１内に配置されたバルブ６が排ガス通路１１内を進退することで、筐体内排ガス通路２Ｃからタービン羽根車２Ｉへ供給される排ガスの流量を調整し、過給機１の過給圧力を変更する。

図９に示すように、バルブ６は、一端部が回動部７で環状部材８に取り付けられる。これによって、バルブ６は、環状部材８に対して回動可能に取り付けられる。環状部材８には、その周方向に向かって複数のバルブ６が取り付けられる。図１０、図１１に示すように、バルブ６は、固定ノズル１０の排ガス通路１１の出口に向かって細くなっている。すなわち、バルブ６は、環状部材８へ取り付けられる端部とは反対側の端部に向かって、テーパー状に形成される。

環状部材８は、固定ノズル１０の外周に沿って固定ノズルの中心軸Ｚと同軸に配置される。また、環状部材８は、第１連結部材２１及び第２連結部材２２を介して、過給圧力制御手段であるアクチュエータ２０に連結される。アクチュエータ２０は、ＥＣＵ３０によって制御される。このような構成により、環状部材８は、固定ノズル１０の周方向に対して回動可能に構成される。図１０、図１１に示すように、環状部材をその周方向に回動させることにより、排ガス通路１１内でバルブ６を進退させることができる。

上述したように、固定ノズル１０の排ガス通路１１は、通路入口部からスロート部に向かって通路断面積が小さくなるように形成される。そして、排ガスは、排ガス通路１１とバルブ６との間を流れてタービン羽根車２Ｉへ供給される。このような構成により、図１０、図１１に示すように、環状部材８を回動させ、バルブ６を排ガス通路１１内で進退させると、排ガス通路１１とバルブ６との間に形成される隙間Ｓの大きさが変化する。これによって、排ガス通路１１を通ってスロート部１１ｔｈ（図６参照）を通過する排ガスの流量を変化させることができる。次に、スロート部１１ｔｈを通過する排ガスの流量を変化させて過給圧力を調整する際の動作を説明する。

図１２−１〜図１２−３は、本実施形態に係る過給機で過給圧力を調整する際における排ガス通路の状態を示す説明図である。図１２−１は、排ガスの流量が相対的に低い場合の排ガス通路断面を示しており、図１２−２は、排ガスの流量が相対的に中程度の場合の排ガス通路断面を示しており、図１２−３は、排ガスの流量が相対的に高い場合の排ガス通路断面を示している。

内燃機関の燃焼室から排出された排ガスＥｘは、過給機筐体１Ｋの筐体内排ガス通路２Ｃ（図１参照）を通って、固定ノズル１０の排ガス通路１１内へ流入する（図１０、図１１）。そして、排ガスＥｘは、バルブ６と排ガス通路１１との間の隙間Ｓで流路を絞られて流速を増し、固定ノズル１０内周面側における排ガス通路１１の開口部（通路出口）から流出して、タービン羽根車２Ｉ（図１参照）へ供給される。

内燃機関から排出される排ガスの流量が相対的に低い場合、アクチュエータ２０による環状部材８の回動制御によって、バルブ６の進量（すなわち、固定ノズル１０の内周部側への動作量）を最大限の値として、排ガスＥｘの通過する通路断面積を小さく設定する（図１０、図１２−１参照）。一方、内燃機関から排出される排ガスの流量が相対的に高い場合には、図１１、図１２−２に示すように、バルブ６の退量（すなわち、固定ノズル１０の外周部側への動作量）を最大限の値として、排ガスＥｘの通過する通路断面積を大きく（全開）設定する。内燃機関から排出される排ガスの流量が相対的に中程度である場合には、これら低流量時と高流量時との中間的な位置にバルブ６を配置すればよい（図１２−２参照）。

このように、流量が制御され、固定ノズル１０の排ガス通路１１を通過した排ガスＥｘは、タービン羽根車２Ｉに流入し、タービン羽根車２Ｉを通過する際に膨張仕事をして、タービン羽根車２Ｉを回転させる。これによってタービン羽根車２Ｉが動力を発生し、タービン羽根車２Ｉと同軸に取り付けられた圧縮用羽根車３Ｉを回転させ、内燃機関へ供給する空気を加圧する。バルブ６の進退量が変化することによって固定ノズル１０の排ガス通路１１を通過する排ガスＥｘの流量が変化すれば、タービン羽根車２Ｉが発生する動力も変化するので、圧縮機３で発生可能な圧力も変化する。このように、本実施形態に係る過給機１では、バルブ６の進退量を変更することにより、過給圧力を制御することができる。

図１３は、本実施形態の変形例に係る過給機の構成を示す一部断面図である。本変形例に係る過給機１ａは、いわゆるツインノズル式のターボチャージャーであり、内燃機関の排ガスは、高流量用排ガス通路２Ｃｈと低流量用第排ガス通路２Ｃｌとに分かれて流入してからタービン羽根車２Ｉへ供給される。他の構成は、上記実施形態に係る過給機１と同様の構成である。

過給機１ａの過給機筐体１Ｋ内には、高流量用排ガス通路２Ｃｈと低流量用第排ガス通路２Ｃｌとが形成される。そして、高流量用排ガス通路２Ｃｈとタービン羽根車２Ｉとの間には、上述した固定ノズル１０（図２等参照）が配置される。固定ノズル１０の排ガス通路１１内には、バルブ６が配置される。固定ノズル１０やバルブ６の構成、動作については上述した通りなので、説明を省略する。

低流量用第排ガス通路２Ｃｌとタービン羽根車２Ｉとの間には、低流量用固定ノズル１０ａが配置される。低流量用固定ノズル１０ａは、上述した固定ノズル１０（図２等参照）と異なる構造のものを用いてもよいが、タービン羽根車２Ｉへ効率よく排ガスを供給するという観点から、上述した固定ノズル１０（図２等参照）と同一の構造のものを用いることが好ましい。この変形例に係る過給機１ａでは、低流量用固定ノズル１０ａに、上述した固定ノズル１０（図２等参照）と同一の構造のものを用いている。なお、低流量用固定ノズル１０ａの排ガス通路１１ａには、バルブは設けられない。

このように構成した過給機１ａは、排ガスの流量が相対的に低い場合、バルブ６を固定ノズル１０の内周側へ最大限移動させることにより、固定ノズル１０の排ガス通路１１を全閉にして、内燃機関から排出された排ガスが、低流量用固定ノズル１０ａの排ガス通路１１ａのみを通過するようにする。一方、排ガスの流量が相対的に高い場合には、バルブ６を固定ノズル１０の外周側へ最大限移動させることにより、固定ノズル１０の排ガス通路１１を全開にして、固定ノズル１０の排ガス通路１１及び低流量用固定ノズル１０ａの排ガス通路１１ａの両方を排ガスが通過するように設定する。また、排ガスの流量が相対的に中程度である場合には、バルブ６を固定ノズル１０の外周側と内周側との中間位置へ移動させることによって、固定ノズル１０の排ガス通路１１を半開にし、この半開の固定ノズル１０の排ガス通路１１と低流量用固定ノズル１０ａの排ガス通路１１ａとを排ガスが通過するように設定する。

以上、本実施形態では、過給機において、内燃機関が排出した排ガスをタービン羽根車へ導くための排ガス通路の通路断面積が、前記排ガス通路全体にわたって一定であると仮定した場合には、前記排ガス通路のスロート部の通路断面を、通路断面内の周長が前記排ガス通路の中で最も短くなるような形状とする。これによって、スロート部においては、壁面抵抗を排ガス通路の中で最も小さくすることができるので、スロート部における排ガスの流れをより均一にできる。その結果、タービン羽根車へ供給される排ガスのエネルギ損失を抑制して、効率的にタービン羽根車へ排ガスを供給して、タービン羽根車の駆動効率を向上させることができる。

また、管状の排ガス通路を通って排ガスがタービン羽根車へ供給されるため、排ガス通路の外部へ漏れる排ガスはほとんどない。これによって、内燃機関が排出した排ガスを、無駄なくタービン羽根車へ導入できるので、排ガスを効率的に利用して、タービンの効率を向上させることができる。さらに、管状の排ガス通路の内部で排ガス流量調整手段であるバルブを進退させるので、排ガスの流量を調整する構造全体においても、排ガスの漏れは極めて少ない。これによって、内燃機関が排出した排ガスの流量に適した通路断面積としつつ、前記排ガスを無駄なくタービン羽根車へ導入できるので、排ガスを効率的に利用して、タービンの効率を向上させることができる。

以上のように、この発明に係る可変容量タービンは、内燃機関が排出する排ガスによって前記内燃機関を過給する過給機に有用であり、特に、タービン羽根車へ効率よく排ガスを供給することに適している。

本実施形態に係る過給機の構成を示す一部断面図である。 本実施形態に係る過給機が備える固定ノズルの全体を示す斜視図である。 本実施形態に係る過給機が備える固定ノズルの側面図である。 図３のＢ−Ｂ断面図であり、本実施形態に係る過給機が備える固定ノズルの内部構造を示す平面図である。 本実施形態に係る過給機が備える固定ノズルの子午断面形状を示す断面図である。 本実施形態に係る過給機が備える固定ノズルに設けられる排ガス通路の説明図である。 固定ノズルに形成される排ガス通路のスロート部の形状を説明する平面図である。 固定ノズルに形成される排ガス通路のスロート部の形状を説明する平面図である。 固定ノズルに形成される排ガス通路のスロート部の形状を説明する平面図である。 固定ノズルに形成される排ガス通路のスロート部の形状を説明する平面図である。 固定ノズルに形成される排ガス通路の通路入口部及び通路出口部の形状を説明する平面図である。 固定ノズルに形成される排ガス通路の通路入口部及び通路出口部の形状を説明する平面図である。 固定ノズルに形成される排ガス通路の通路入口部及び通路出口部の形状を説明する平面図である。 本実施形態に係る過給機において排ガスの流量を調整する構造を示す説明図である。 本実施形態に係る過給機の過給圧力を調整する手法を示す説明図である。 本実施形態に係る過給機の過給圧力を調整する手法を示す説明図である。 本実施形態に係る過給機で過給圧力を調整する際における排ガス通路の状態を示す説明図である。 本実施形態に係る過給機で過給圧力を調整する際における排ガス通路の状態を示す説明図である。 本実施形態に係る過給機で過給圧力を調整する際における排ガス通路の状態を示す説明図である。 本実施形態の変形例に係る過給機の構成を示す一部断面図である。

符号の説明

１、１ａ 過給機
１Ｋ 過給機筐体
２ タービン
２Ｉ タービン羽根車
２Ｃｈ 高流量用排ガス通路
２Ｃｌ 低流量用第排ガス通路
２Ｃ 筐体内排ガス通路
３ 圧縮機
３Ｉ 圧縮用羽根車
３ＩＮ 圧縮機入口
３Ｃ 筐体内空気通路
６ バルブ
７ 回動部
８ 環状部材
１０ 固定ノズル
１０ａ 低流量用固定ノズル
１０ｏ 外周部
１０ｐ 側板部
１０ｉ 内周部
１１、１１ａ 排ガス通路
１１ｅ 通路出口部
１１ｉ 通路入口部
１１ｔｈ スロート部
１２ リブ
１３ 環状部材
２０ アクチュエータ
２１ 第１連結部材
２２ 第２連結部材

Claims (7)

1. 内燃機関が排出した排ガスで駆動されて圧縮用羽根車を駆動するタービン羽根車と、
   前記排ガスの入口から前記排ガスの出口に向かって通路断面積が変化する排ガス通路が内部に複数形成されて、前記内燃機関から排出される前記排ガスを前記タービン羽根車に導く固定ノズルと、を含み、
   前記排ガス通路の通路断面積が最も小さくなる部分の通路断面は、前記排ガス通路の通路断面積が前記排ガス通路全体にわたって一定であると仮定した場合に、通路断面内の周長が前記排ガス通路の中で最も短くなるような形状であることを特徴とする過給機。
2. 複数の前記排ガス通路のうち少なくとも一つの内部に配置され、当該排ガス通路内を進退することにより、当該排ガス通路内を通過する前記排ガスの流量を調整する排ガス流量調整手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の過給機。
3. 前記排ガス通路の通路断面積が最も小さくなる部分の通路断面は円形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の過給機。
4. 前記排ガス通路の通路入口部における流路断面、及び前記排ガス通路の通路出口部における流路断面は、四角形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の過給機。
5. 前記排ガス通路の通路入口部における流路断面、及び前記排ガス通路の通路出口部における流路断面は、四角形状の角部が円弧状であることを特徴とする請求項４に記載の過給機。
6. 前記固定ノズルは中抜きの円盤形状であり、盤面に対して垂直方向における前記固定ノズルの寸法は、前記排ガスの入口側から前記排ガスの出口側に向かって小さくなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の過給機。
7. 前記固定ノズルは、複数のリブを２枚の側板部で挟持して、隣接する前記リブの間に前記排ガス通路を形成するものであり、
   すべての前記リブと２枚の側板部とは、一体に形成されることを特徴とする請求項６に記載の過給機。

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