JP2008298005A

JP2008298005A - タービンの可変容量機構

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Publication number: JP2008298005A
Application number: JP2007146660A
Authority: JP
Inventors: Takeo Taneda; 剛夫種田
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2007-06-01
Filing date: 2007-06-01
Publication date: 2008-12-11

Abstract

【課題】容易な構造で排気ガスの流速および流れの方向を変えることができるタービンの可変容量機構を提供することである。
【解決手段】スライドバルブ１００においては、可変容量タービンの仮想回転軸Ｃを中心とした円筒形状からなる第１環状部材２１０、第２環状部材２２０、第３環状部材２３０からなる。第１環状部材２１０、第２環状部材２２０および第３環状部材２３０に形成された多数の孔２１０ａ，２２０ａ，２３０ａに対して、流入した気体の流れの方向および流速を調整することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、タービンの高効率化を図ることができるタービンの可変容量機構に関する。

近年、排ガス流量を内燃機関の運転状態に応じて調整する可変容量タービンについて種々の開発が行われている。

例えば、特許文献１には、可変容量タービンの可変ノズル機構について開示されている。特許文献１記載の可変ノズル機構においては、アクチュエータ側のノズル駆動部材と複数のノズルベーンとを夫々連結する複数の連結部材を備え、該連結部材に形成された穴側係止面を有する結合穴に、ノズルベーンの回転軸に形成され軸側係止面を有する結合軸部を、該結合穴及び結合軸部に塑性変形を伴うことなくかつ穴側係止面と軸側係止面とを当接させることにより、前記連結部材と前記ノズルベーンとを相対回転不能に嵌合せしめ、先端部に抜け止め処理を施したことを特徴としている。

また特許文献１記載の可変ノズル機構においては、エンジンの低回転時には、ノズルベーン２を閉じ方向に動かし、スクロール１１からタービンロータ１２へと通じる通路の断面積を絞ることで、タービンロータ１２に流れ込む排気ガスの流速を上げるとともに、タービンロータ１２の外周の沿う方向に排気ガスが流れるようにし、エンジンの低回転時の少ない排気ガスでも効率よくタービンロータ１２を回転させることができ、また、エンジンの高回転時には、ノズルベーン２を開くことで排気ガスに対する抵抗を少なくすることができる。

また、特許文献２には、内燃機関における排気ターボ過給機の圧縮機の吸気口から流入するガス流の方向変換装置について開示されている。

特許文献２記載のガス流の方向変換装置においては、ガス流が仕切り弁によって吸気管を通るかまたはこれに並列する、リング状空間を持ったガイド装置に繋がるバイパス管を通って圧縮機に導かれ、この圧縮機の吸気側の吸気管は、吸気領域でリング状空間で囲まれ、吸気管とこのリング状空間の共通の側面には、ノズル状の排出口が設定され、この排出口の下流領域は、流入方向に沿って圧縮機回転翼の回転方向に傾斜している、内燃機関における排気ターボ過給機の圧縮機の吸気口を通って流入するガス流の方向変換装置であって、リング状空間内に段差がなく、回転可能に設置されたノズル状の裂け目をもつスリーブによって、排気口の流通可能な断面積が変えられることを特徴とするものである。

また、特許文献３には、ターボチャージャのタービンスクロールのノズル部の出口部をスライドバルブにより絞って排ガスの膨張仕事を効率よく実施させるタービンのノズル開閉装置について開示されている。

特許文献３記載のタービンのノズル部開閉装置においては、タービンスクロールのノズル部とタービンとの間に開口部を有し、タービンの外周と狭いクリアランスを備えたスライドバルブを挿入して、エンジンからの排気流量に応じアクチュエータの操作によって摺動させ、ノズル部からの流路をスライドバルブの開口部によって開閉させるものである。
特開２００１−３２９８５１号公報特開昭６２−８５１２４号公報特開平４−３６２２２３号公報

しかしながら、特許文献１記載の可変ベーンにおいては、部品点数が多く、製造上のコストが多く費やされるという問題がある。

また、特許文献２記載のガス流の方向変換装置においては、圧縮機の吸気側の吸気管に設けられた装置であるので、タービンロータに流入する排気ガスの流速や流れる方向を変更できるものではない。

また、特許文献３記載のタービンのノズル部開閉装置においては、膨張効果を高めるためスライドバルブに開口部を設けたものであり、排気ガスの流速および流れの方向を変えることができるものではない。

本発明の目的は、容易な構造で排気ガスの流速および流れの方向を変えることができるタービンの可変容量機構を提供することである。

（１）
本発明に係るタービンの可変容量機構は、気体が流れる気体通路が形成されたタービンハウジングと、気体通路内に回転可能に配置され、径方向外側から流れ込む気体により回転駆動されるタービンロータと、外周面から内周面に向けて貫通する多数の孔が形成されるとともに、タービンロータの外周を外包するように配置された円筒形状からなる第１環状部材と、第１環状部材に形成された孔に対応する位置に外周面から内周面に向けて貫通する多数の孔が形成されるとともに、第１環状部材の外円周を外包するように配置された円筒形状からなる第２環状部材と、第２環状部材に形成された孔に対応する位置に外周面から内周面に向けて貫通する多数の孔が形成されるとともに、第２環状部材の外円周を外包するように配置される円筒形状からなる第３環状部材と、第１環状部材、第２環状部材および第３環状部材のそれぞれが他の２つの環状部材に対して相対的に回転するように、第１環状部材、第２環状部材および第３環状部材のうちの少なくとも２つを回転駆動させる駆動部とを含み、タービンハウジングの気体通路に流入した気体は、第３環状部材の孔、第２環状部材の孔、第１環状部材の孔を順に流れてタービンロータに供給されるとともに、駆動部により第１環状部材、第２環状部材および第３環状部材のそれぞれが他の２つの環状部材に対して相対的に回転させることで、タービンロータに供給される気体の流れの方向および流速を調整するものである。

本発明に係るタービンの可変容量機構においては、タービンの回転軸を中心とした円筒形状からなる第１環状部材、第２環状部材、第３環状部材からなる。第１環状部材、第２環状部材および第３環状部材に形成された多数の孔に対して、流入した気体の流れの方向および流速を調整することができる。

この場合、従来のノズルベーンおよびレバープレートからなる可変ベーンに対して、部品点数を大幅に削減することができるとともに、簡易な構造で気体の流れの方向および流速を調整することができる。

（２）
第１環状部材に形成された多数の孔、第２環状部材に形成された多数の孔、および第３環状部材に形成された多数の孔は、第１環状部材乃至第３環状部材の中心軸の伸びる方向に対する垂直断面上において、中心軸に向かうにつれて狭くなるテーパ面を有していてもよい。

この場合、第１環状部材、第２環状部材および第３環状部材に形成された孔がそれぞれ中心軸に向かうにつれて狭くなるテーパ面を有しているので、気体の流れの方向および流速を調整することができ、さらに部品点数を低減させることができる上に、製造コストも低減させることができる。

（３）
第１環状部材、第２環状部材および第３環状部材のうち、第２環状部材を固定させて設け、第１環状部材および第３環状部材を駆動部により回転駆動させることが好ましい。

この場合、少なくとも一つを固定させることにより、３個の部材を個々に回転させる場合と比較して、全体の回転量を低減させることができる。

（４）
中心軸を軸として第１環状部材および第３環状部材を同期させて回転させるリンク機構をさらに備え、リンク機構は、中心軸を軸として第１環状部材を一方向に回転させ、回転軸を軸として第３環状部材を他方向に回転させてもよい。

この場合、第２環状部材を固定し、第１環状部材を一方向に回転させ、第３環状部材を一方向と逆の他方向に回転させることができるので、相対的に最小回転量で一様の流れの気体の向きを変化させることができる。

（５）
第１環状部材の多数の孔、第２環状部材の多数の孔および第３環状部材の多数の孔の中心を結んだ直線が、中心軸に対する垂直断面上において、中心軸を通る第１の状態と、第１環状部材の多数の孔、第２環状部材の多数の孔および第３環状部材の多数の孔の中心を結んだ直線が、中心軸に対する垂直断面上において、中心軸から距離がある第２の状態と、の間を変化させるように第１環状部材、第２環状部材および第３環状部材のそれぞれが他の２つの環状部材に対して相対的に回転するように、第１環状部材、第２環状部材および第３環状部材のうち少なくとも２つを回転駆動させることが好ましい。

この場合、リンク機構により第１の状態と第２の状態との間を変化させることができる。その結果、気体の流れの方向および流速を調整することができる。

以下、本発明に係る実施の形態について説明する。
（一実施の形態）

図１は、本発明に係る一実施の形態に係る可変容量タービンの一例を説明するための模式的断面図であり、図２は可変容量タービンのスライドバルブの構造を示す模式的斜視図である。

図１および図２に示すように、可変容量タービン５００は、スライドバルブ１００、リンク機構３００、アクチュエータ４５０、タービンハウジング６００、タービンロータ（インペラ）７００およびノズルリング８００を含む。

可変容量タービン５００には、タービンハウジング６００内にタービンロータ（インペラ）７００が設けられており、タービンハウジング６００内の渦室６２０からスライドバルブ１００を介してタービンロータ７００に気体の流れが供給される。

スライドバルブ１００は、タービンハウジング６００内のノズルリング８００により保持され、ノズルリング８００は、ボルト孔４４０にボルト４１０を挿入し、ボルト挿直部（筒状リブ）４６０を介してタービンハウジング６００に固定することによりスライドバルブ１００を保持可能な構造となっている。すなわち、図１に示すように、ノズルリング８００には、凸形状部８２０が形成されており、後述するスライドバルブ１００の第２環状部材２２０を保持することができる。

また、後述するスライドバルブ１００の第１環状部材２１０および第３環状部材２３０には、孔４２０，４３０を介して軸３１０，３３０によりリンク機構３００が設けられている。このリンク機構３００は、アクチュエータ４５０により駆動可能に設けられている。

また、図２に示すように、スライドバルブ１００は、第１環状部材２１０、第２環状部材２２０、第３環状部材２３０を有する。第１環状部材２１０の外側に所定の間隙を設けて、第２環状部材２２０が配設され、第２環状部材２２０の外側に所定の間隙を設けて第３環状部材２３０が配設される。

第１環状部材２１０、第２環状部材２２０、第３環状部材２３０は全て、その内径と外径との差（すなわち、径方向における厚み）が同じになるように形成されている。

また、第１環状部材２１０には、均等に配設された８箇所の孔２１０ａが第１環状部材２１０の外周面から内周面にかけて貫通するように形成されており、第２環状部材２２０には、均等に配設された８箇所の孔２２０ａが第２環状部材２２０の外周面から内周面にかけて貫通するように形成されており、第３環状部材２３０には、均等に配設された８箇所の孔２３０ａが第３環状部材２３０の外周面から内周面にかけて貫通するように形成されている。これらの第１環状部材２１０、第２環状部材２２０、第３環状部材２３０の詳細については、後述する。

次いで、図３は、ノズルリング８００の一例を示す模式的平面図である。

図３に示すように、ノズルリング８００は、ボルト孔４４０、軸３３０が通る孔４２０、軸３１０が通る孔４３０、第１環状部材２１０を保持する凹部２１０ｚ、第２環状部材２２０を保持する凸形状部８２０、第３環状部材２３０を保持する凹部２３０ｚを含む。

図１に示すように、凸形状部８２０は、凹部２１０ｚおよび凹部２３０ｚと比較して突出して形成されている。なお、本実施の形態においては、凸形状部８２０が円周状に平滑に形成される場合について説明したが、これに限定されず、第２環状部材２２０を保持可能な形状であれば、他の任意の形状、例えば、凸部を複数形成させることとしてもよい。また、孔４２０，４３０は、軸３１０，軸３３０が斜方向に移動するため、楕円状に形成されている。

次に、図４および図５は、本発明に係る可変容量タービン５００のスライドバルブ１００の動作を説明するための簡略図であり、説明の都合上、第１環状部材２１０、第２環状部材２２０、第３環状部材２３０、及びリンク機構３００のみを記載するとともに、第１乃至第３環状部材に形成された孔（詳しくは後述する）を実線で記載している。

図４に示すように、孔２１０ａ，２２０ａ，２３０ａは、すべて仮想回転軸Ｃに向かうにつれて狭くなるテーパ面を有しており、またそのテーパ面は、第１環状部材２１０の仮想回転軸Ｃの伸びる方向に対する垂直断面上において同一直線状に並ぶような形状に形成されている。そのため、孔２１０ａよりも孔２２０ａの方が大きく、孔２２０ａよりも孔２３０ａの方が大きくなっている。

また、図２および図４に示すように、本実施の形態においては、加工上の問題から円形の孔からなることとするが、これに限定されず、他の任意の孔形状、例えば四角形状、六角形状等であってもよい。なお、本実施の形態においては、均等に８箇所の孔を設けることとしたが、これに限定されず、１０個、２０個、等他の任意の個数の孔を設けることとしてもよく、均等ではなく、偏心して設けてもよい。

次に、図５は、図４の可変容量タービン５００のスライドバルブ１００の構造においてリンク機構３００が矢印Ｘの方向に移動した場合を説明するための模式図である。

図５に示すように、リンク機構３００が矢印Ｘの方向に移動した場合（図１のアクチュエータ４５０により駆動された場合）、リンク機構３００の端部に設けられた円筒３６０，３６１が矢印Ｘの方向に沿って移動する。この場合、第１環状部材２１０が矢印Ｒの方向に移動し、第３環状部材２３０が矢印Ｒの方向と逆方向（矢印−Ｒの方向）に移動する。すなわち、軸３１０が円筒３６０内で摺動回転し、軸３３０が円筒３６１内で摺動回転する。それにより、第１環状部材２１０および第３環状部材２３０が仮想中心軸Ｃを中心に摺動回転する。なお、第２環状部材２２０は回動せず、固定状態となって設けられている。

その結果、第２環状部材２２０を固定させることにより、第１環状部材２１０を固定して，第２環状部材２２０と第３環状部材２３０とを回転させる場合と比較して、全体の回転量を低減させることができる。

第１環状部材２１０が矢印Ｒの方向に回転移動し、第３環状部材２３０が矢印−Ｒの方向に回転移動する。それにより、図４に示したように孔２１０ａ，２２０ａ，２３０ａが、第１環状部材２１０，第２環状部材２２０および第３環状部材２３０の仮想中心軸Ｃから放射直線状に配置された第１の状態（すなわち、孔２１０ａ，２２０ａ，２３０ａのぞれぞれの中心を結んだ直線が、仮想回転軸Ｃを通る状態）から、孔２１０ａ，２２０ａ，２３０ａが、第１環状部材２１０の内周円の接線方向に近づくように並んで配置された第２の状態（すなわち、孔２１０ａ，２２０ａ、２３０ａのそれぞれの中心を結んだ直線と仮想回転軸Ｃとの間に距離がある状態）へと移行される。

その結果、図６における気体の流れＦＬＯＷ１が図７における気体の流れＦＬＯＷ２に変化する。続いて、この気体の流れＦＬＯＷ１，ＦＬＯＷ２について詳細に説明する。

図６は、図４に示す一の孔２１０ａ，一の孔２２０ａ，一の孔２３０ａの一部を拡大した状態を示す模式図であり、図７は、図５に示す一の孔２１０ａ，一の孔２２０ａ，一の孔２３０ａの一部を拡大した状態を示す模式図である。

図６に示すように、孔２１０ａ，孔２２０ａ，孔２３０ａが第１環状部材２１０の仮想中心軸Ｃから放射状に延在する直線に沿って配置されている場合、一様の気体の流れＦＬＯＷ１も第１環状部材２１０の仮想中心軸Ｃに向けて流れる。

一方、図７に示すように、リンク機構３００が矢印Ｘの方向に移動した場合、
孔２２０ａは孔２１０ａに対して幅Ｗ２１０移動し、孔２３０ａは孔２２０ａに対して、孔２２０ａが孔２１０ａに対して移動した方向と同じ方向に、幅Ｗ２２０移動して配置される。すなわち、図７に示すように、第３環状部材２３０の孔２３０ａの壁面（長さＬ２３０）に沿って流入した一様の流れが、幅Ｗ２２０の部分に衝突し、第２環状部材２２０の孔２２０ａ側に気体の流れが発生する。また、第２環状部材２２０の孔２２０ａの壁面（長さＬ２２０）に沿って流入した一様の流れが、幅Ｗ２１０の部分に衝突し、第１環状部材２１０の孔２１０ａの壁面（長さＬ２１０）に沿って流入した気体の流れが発生する。すなわち、テーパ形状の角度に沿って、一様流れが最適に調整される。

このように、リンク機構３００が矢印Ｘの方向に移動した直後においては、階段状の流れが発生する。しかし、所定の時間経過後においては、図７に示すように、気体の流れＦＬＯＷ２は、孔２３０ａ，２２０ａ，２１０ａの壁面に沿う流れが主流とならず、孔２３０ａ，２２０ａ，２１０ａを直線で結んだ方向が最も抵抗が少なくなるため、当該直線の方向に一様の流れが発生する。

以上のように、本実施の形態に係るスライドバルブ１００においては、簡易な構造で気体の流れを形成し、部品点数を大幅に削減でき、かつ製造コストも低減させることができる。

また、第１環状部材２１０、第２環状部材２２０および第３環状部材２３０の合計の厚み（長さＬ２１０，Ｌ２２０，Ｌ２３０）が、少なくとも一様の流れの気体ＦＬＯＷ１，ＦＬＯＷ２を形成させることが可能な厚み以上で形成されるので、安定した気体の流れの気体ＦＬＯＷ１，ＦＬＯＷ２を形成することができ、かつ、リンク機構３００を設けることにより、相対的に最小回転量で一様の流れの気体の向きを変化させることができる。

また、第１環状部材２１０および第２環状部材２２０と、第２環状部材２２０および第３環状部材２３０とが、摺動回転可能に設けられているので、マッピングされた情報に基づいてリンク機構３００を移動させることで、一様の流れＦＬＯＷ１を一様の流れＦＬＯＷ２の方向に変化させることができ、具体的には、仮想中心軸Ｃ方向への気体の流れＦＬＯＷ１を形成することができ、また第１環状部材２１０の内周円の接線方向への気体の流れＦＬＯＷ２を形成することができる。その結果、可変容量タービンの高作動域化および高効率化を図ることができる。

なお、本実施の形態においては、孔２１０ａ，２２０ａ，２３０ａは、円形の断面孔形状を有することとしたが、これに限定されず、加工上可能であれば、他の断面形状、例えば、矩形状等の孔形状を用いることとしてもよい。なお、孔形状に限定されず、他のスリット形状等を用いてもよい。

本実施の形態においては、スライドバルブ１００がタービンの可変容量機構に相当し、仮想中心軸Ｃが中心軸に相当し、第１環状部材２１０が第１環状部材に相当し、第２環状部材２２０が第２環状部材に相当し、第３環状部材２３０が第３環状部材に相当し、孔２１０ａ，２２０ａ，２３０ａが多数の孔に相当し、孔２３０ａが第３環状部材の孔に相当し、孔２２０ａが第２環状部材の孔に相当し、孔２１０ａが第１環状部材の孔に相当し、リンク機構３００および円柱状の軸３１０，３３０がリンク機構に相当し、矢印Ｒの方向が一方向に相当し、矢印−Ｒの方向が他方向に相当し、図４および図６に示すスライドバルブ１００が第１の状態に相当し、図５および図７に示すスライドバルブ１００が第２の状態に相当する。

なお、リンク機構に関して円筒３６０の内周面の径を軸３１０の外径よりも適当な範囲で大きくする（すなわち、軸３１０が円筒３６０の内周部に対して回転するのみではなく、縦あるいは横方向にも移動できるようにする）ことで、リンク部を省略してもよい。

本発明は、上記の好ましい一実施の形態に記載されているが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態が他になされることは理解されよう。さらに、本実施形態において、本発明の構成による作用および効果を述べているが、これら作用および効果は、一例であり、本発明を限定するものではない。

本発明に係る一実施の形態に係る可変容量タービンの一例を説明するための模式的断面図可変容量タービンのスライドバルブの構造を示す模式的斜視図ノズルリングの一例を示す模式的平面図本発明に係る一実施の形態に係る可変容量タービンのスライドバルブの構造の一例を示す模式図図４の可変容量タービンのスライドバルブの構造においてリンク機構が矢印Ｘの方向に移動した場合を説明するための模式図図４に示す一の孔の一部を拡大した状態を示す模式図図５に示す一の孔の一部を拡大した状態を示す模式図

符号の説明

１００スライドバルブ
２１０第１環状部材
２２０第２環状部材
２３０第３環状部材
２１０ａ，２２０ａ，２３０ａ孔
３００リンク機構
３１０，３３０円柱状の軸
Ｃ仮想中心軸
ＦＬＯＷ１，ＦＬＯＷ２一様流れの気体
Ｌ２１０，Ｌ２２０，Ｌ２３０長さ

Claims

気体が流れる気体通路が形成されたタービンハウジングと、
前記気体通路内に回転可能に配置され、径方向外側から流れ込む気体により回転駆動されるタービンロータと、
外周面から内周面に向けて貫通する多数の孔が形成されるとともに、前記タービンロータの外周を外包するように配置された円筒形状からなる第１環状部材と、
前記第１環状部材に形成された孔に対応する位置に外周面から内周面に向けて貫通する多数の孔が形成されるとともに、前記第１環状部材の外円周を外包するように配置された円筒形状からなる第２環状部材と、
前記第２環状部材に形成された孔に対応する位置に外周面から内周面に向けて貫通する多数の孔が形成されるとともに、前記第２環状部材の外円周を外包するように配置される円筒形状からなる第３環状部材と、
前記第１環状部材、前記第２環状部材および前記第３環状部材のそれぞれが他の２つの環状部材に対して相対的に回転するように、前記第１環状部材、前記第２環状部材および前記第３環状部材のうちの少なくとも２つを回転駆動させる駆動部とを含み、
タービンハウジングの気体通路に流入した気体は、前記第３環状部材の孔、前記第２環状部材の孔、前記第１環状部材の孔を順に流れて前記タービンロータに供給されるとともに、前記駆動部により前記第１環状部材、前記第２環状部材および前記第３環状部材のそれぞれが他の２つの環状部材に対して相対的に回転させることで、前記タービンロータに供給される気体の流れの方向および流速を調整することを特徴とするタービンの可変容量機構。
前記第１環状部材に形成された多数の孔、前記第２環状部材に形成された多数の孔、および前記第３環状部材に形成された多数の孔は、前記第１環状部材乃至前記第３環状部材の中心軸の伸びる方向に対する垂直断面上において、前記中心軸に向かうにつれて狭くなるテーパ面を有していることを特徴とする請求項１記載のタービンの可変容量機構。
前記第１環状部材、前記第２環状部材および前記第３環状部材のうち、前記第２環状部材を固定させて設け、前記第１環状部材および前記第３環状部材を前記駆動部により回転駆動させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のタービンの可変容量機構。
前記中心軸を軸として前記第１環状部材および前記第３環状部材を同期させて回転させるリンク機構をさらに備え、
前記リンク機構は、前記中心軸を軸として前記第１環状部材を一方向に回転させ、前記回転軸を軸として前記第３環状部材を他方向に回転させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のタービンの可変容量機構。
前記第１環状部材の多数の孔、前記第２環状部材の多数の孔および前記第３環状部材の多数の孔の中心を結んだ直線が、前記中心軸に対する垂直断面上において、前記中心軸を通る第１の状態と、
前記第１環状部材の多数の孔、前記第２環状部材の多数の孔および前記第３環状部材の多数の孔の中心を結んだ直線が、前記中心軸に対する垂直断面上において、前記中心軸から距離がある第２の状態と、の間を変化させるように前記第１環状部材、前記第２環状部材および前記第３環状部材のそれぞれが他の２つの環状部材に対して相対的に回転するように、前記第１環状部材、前記第２環状部材および前記第３環状部材のうち少なくとも２つを回転駆動させることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のタービンの可変容量機構。