JP2009074542A

JP2009074542A - 可変容量ターボチャージャ

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Publication number: JP2009074542A
Application number: JP2008220346A
Authority: JP
Inventors: Minoru Ishino; 実石野; Masayoshi Otsuka; 正義大塚
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2008-08-28
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2028-08-28
Also published as: JP4811438B2

Abstract

【課題】サイドクリアランスからの漏れを抑制することにより、タービン効率を向上する。
【解決手段】各可変ノズルベーン２４は、スクロール通路１８の流れ方向における上流側に隣り合う可変ノズルベーン２４Ａとの間に連通流路２６Ａの断面積が最小となるスロート部２８を構成するスロート部構成部３０を有すると共に、スクロール通路１８の流れ方向における下流側に隣り合う可変ノズルベーン２４Ｂ側に位置される上面３６と、上流側に隣り合う可変ノズルベーン２４Ａ側に位置される下面３７との静圧差が、スロート部構成部３０よりもスロート部構成部３０に対するスクロール通路１８側及びタービン室１６側で小さくなるように、上面３６及び下面３７の形状が設定されている、また、上面３６と下面３７との静圧差が大きくなるスロート部構成部３０の両側の側壁部４２には、回動軸部４４がそれぞれ設けられている。
【選択図】図４

Description

本発明は、可変容量ターボチャージャに係り、特に、可変ノズルベーンを備えた可変容量ターボチャージャに関する。

従来、この種の可変容量ターボチャージャとしては、次のものが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。例えば、特許文献１に記載の例では、直線状の可変ノズルベーンが用いられており、特許文献２に記載の例では、円弧状の可変ノズルベーンが用いられている。

また、この種の可変容量ターボチャージャでは、一般的に、ノズル通路の側壁部と可変ノズルベーンとの間にサイドクリアランスが設けられており、タービンハウジングの熱変形等によりノズル通路の側壁部と可変ノズルベーンとが干渉して可変ノズルベーンが動作できなくなることを防止するようになっている。
特開平１０−２７４０４８号公報特開２００３−２５４０７４号公報三菱重工技報ＶＯＬ．４３，ＮＯ．３，２００６（ｐ３１〜ｐ３５）

しかしながら、特許文献１に記載のように、直線状の可変ノズルベーンが用いられた場合には、スロート部から流れ出た排気ガスが可変ノズルベーンの下面から離れる。このため、可変ノズルベーンのタービン室側で下面の静圧が低下し、可変ノズルベーンの上面と下面との静圧差がタービン室側で大きくなる。従って、可変ノズルベーンのタービン室側でノズル通路の側壁部と可変ノズルベーンとの間のサイドクリアランスを通過する漏れ量が大きくなり、これが損失となってタービン効率が低下する。

また、特許文献２に記載のように、円弧状の可変ノズルベーンが用いられた場合には、可変ノズルベーンのスロート部に対するスクロール通路側の下面の表面長さが、可変ノズルベーンの上面の表面長さに比べて短すぎる。このため、可変ノズルベーンの上面と下面との静圧差がスクロール通路側で大きくなる。従って、可変ノズルベーンのスクロール通路側でノズル通路の側壁部と可変ノズルベーンとの間のサイドクリアランスを通過する漏れ量が大きくなり、これが損失となってタービン効率が低下する。

特に、特許文献１、特許文献２に記載の例では、スロート部の面積を絞るように可変ノズルベーンを全閉姿勢とした場合には、サイドクリアランスの影響が相対的に大きくなるので、サイドクリアランスを通過する漏れ量が大きくなり、タービン効率が低下する。

本発明は、上記事実に鑑みてなされたものであって、タービン効率を向上することができる可変容量ターボチャージャを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の可変容量ターボチャージャは、タービンホイールと、前記タービンホイールを回動可能に収容するタービン室、前記タービン室の径方向外側に形成された渦巻状のスクロール通路、及び、前記タービン室及び前記スクロール通路を連通するノズル通路、を有するタービンハウジングと、前記ノズル通路に前記タービンホイールの周りに間隔を空けて前記ノズル通路を複数に区画するように配置されると共に、前記タービンハウジングに取付姿勢を変更可能に取り付けられ、且つ、前記スクロール通路の流れ方向に隣り合う一対の組み合わせ間に前記スクロール通路から前記タービン室への連通流路を構成する複数の可変ノズルベーンと、を備え、前記各可変ノズルベーンが、前記スクロール通路の流れ方向における上流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間に前記連通流路の断面積が最小となるスロート部を構成するスロート部構成部を有すると共に、前記スクロール通路の流れ方向における下流側に隣り合う可変ノズルベーン側に位置される上面と、前記上流側に隣り合う可変ノズルベーン側に位置される下面との静圧差が、前記スロート部構成部よりも前記スロート部構成部に対する前記スクロール通路側及び前記タービン室側で小さくなるように、前記上面及び前記下面の形状が設定されている、構成である。

請求項１に記載の可変容量ターボチャージャでは、タービンハウジングの排気ガス入口からスクロール通路に排気ガスが流入されると、この排気ガスがノズル通路を介してタービン室に流入され、タービンホイールが回動される。そして、タービンホイールが回動されることにより、このタービンホイールの回動駆動力を利用してコンプレッサ部が作動される。

また、ノズル通路には、スクロール通路の流れ方向に隣り合う一対の組み合わせ間にスクロール通路からタービン室への連通流路を構成する複数の可変ノズルベーンが配置されており、各可変ノズルベーンは、タービンハウジングに取付姿勢を変更可能に取付られている。そして、各可変ノズルベーンのタービンハウジングに対する取付姿勢が変更されることで、ノズル通路を通過する排気ガスの流量が調整されて、タービンホイールの回動数が制御される。

ここで、各可変ノズルベーンは、スクロール通路の流れ方向における上流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間に連通流路の断面積が最小となるスロート部を構成するスロート部構成部を有している。また、各可変ノズルベーンは、スクロール通路の流れ方向における下流側に隣り合う可変ノズルベーン側に位置される上面と、上流側に隣り合う可変ノズルベーン側に位置される下面との静圧差が、スロート部構成部よりもスロート部構成部に対するスクロール通路側及びタービン室側で小さくなるように、上面及び下面の形状が設定されている。

従って、可変ノズルベーンのスクロール通路側及びタービン室側でノズル通路の側壁部と可変ノズルベーンとの間のサイドクリアランスを通過する漏れ量が小さくなり、これにより、漏れに伴う損失が抑制されてタービン効率が向上する。

このように、請求項１に記載の可変容量ターボチャージャによれば、ノズル通路に配置された各可変ノズルベーンの上面及び下面の形状を最適に設定することにより、ノズル通路の側壁部と可変ノズルベーンとの間のサイドクリアランスを通過する漏れ量を小さくでき、これにより、タービン効率を向上することができる。

請求項２に記載の可変容量ターボチャージャは、請求項１に記載の可変容量ターボチャージャにおいて、前記下面が、前記スロート部構成部に対する前記スクロール通路側に位置され、前記上流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間の連通流路側に凸をなす凸曲面とされたスクロール通路側下面と、前記スロート部構成部に対する前記タービン室側に位置され、前記上流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間の連通流路側に凹をなす凹曲面とされたタービン室側下面と、により構成され、前記上面が、前記スロート部構成部に対する前記スクロール通路側に位置され、前記下流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間の連通流路側に凹をなす凹曲面とされたスクロール通路側上面と、前記スロート部構成部に対する前記タービン室側に位置され、前記下流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間の連通流路側に凸をなす凸曲面とされたタービン室側上面と、により構成されている、構成である。

請求項２に記載の可変容量ターボチャージャにおいて、各可変ノズルベーンは、スロート部構成部に対するスクロール通路側で上流側に隣り合う可変ノズルベーン側に位置されるスクロール通路側下面が上流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間の連通流路側に凸をなす凸曲面とされた構成とされている。

そして、各可変ノズルベーンでは、例えば、連通流路の流れ方向に沿ったスクロール通路側下面の表面長さが連通流路の流れ方向に沿った上面の表面長さの３８％〜８０％の寸法に設定されることにより、上面が次の如くスクロール通路側上面とタービン室側上面とに分けて構成されている。

つまり、各可変ノズルベーンにおいて、スロート部構成部に対するスクロール通路側でスクロール通路の流れ方向における下流側に隣り合う可変ノズルベーン側に位置される面は、スクロール通路側上面とされており、このスクロール通路側上面は、下流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間の連通流路側に凹をなす凹曲面とされている。また、各可変ノズルベーンにおいて、スロート部構成部に対するタービン室側で下流側に隣り合う可変ノズルベーン側に位置される面は、タービン室側上面とされており、このタービン室側上面は、下流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間の連通流路側に凸をなす凸曲面とされている。

この構成によれば、一対の可変ノズルベーン間に構成される連通流路は、スクロール通路側からスロート部に向かうに従って断面積が除変して縮小される。

また、各可変ノズルベーンにおいては、スクロール通路側下面の表面長さが上面（スクロール通路側上面及びタービン室側上面）の表面長さに比べて十分に確保される。このため、可変ノズルベーンのスクロール通路側下面とスクロール通路側上面との静圧差が小さくなる。従って、可変ノズルベーンのスクロール通路側でノズル通路の側壁部と可変ノズルベーンとの間のサイドクリアランスを通過する漏れ量が小さくなり、これにより、漏れに伴う損失が抑制されてタービン効率が向上する。

さらに、スロート部を通過した理想的な排気ガスの流れは、仮に可変ノズルベーンが無い場合、半径位置に依らず半径方向に対し所定の角度を有する対数らせん形状となるが、各可変ノズルベーンは、スロート部構成部に対するタービン室側で上流側に隣り合う可変ノズルベーン側に位置されるタービン室側下面が上流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間の連通流路側に凹をなす凹曲面とされた構成とされている。従って、上述の対数らせん形状となる排気ガスの流れを可変ノズルベーンが妨げることを防止できる。

この結果、各可変ノズルベーンにおいては、タービン室側下面とタービン室側上面との静圧差が小さくなる。従って、可変ノズルベーンのタービン室側でノズル通路の側壁部と可変ノズルベーンとの間のサイドクリアランスを通過する漏れ量が小さくなり、これにより、漏れに伴う損失が抑制されてタービン効率が向上する。

このように、請求項２に記載の可変容量ターボチャージャによれば、ノズル通路に配置された各可変ノズルベーンの形状を最適に設定することにより、ノズル通路の側壁部と可変ノズルベーンとの間のサイドクリアランスを通過する漏れ量を小さくでき、これにより、タービン効率を向上することができる。

請求項３に記載の可変容量ターボチャージャは、請求項１に記載の可変容量ターボチャージャにおいて、前記下面が、前記スロート部構成部に対する前記スクロール通路側に位置され、前記上流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間の連通流路側に凸をなす凸曲面とされたスクロール通路側下面と、前記スロート部構成部に対する前記タービン室側に位置され、前記上流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間の連通流路側に凹をなす凹曲面とされたタービン室側下面と、により構成され、前記上面が、前記下流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間の連通流路側に凸をなす凸曲面、平面、及び、前記下流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間の連通流路側に凹をなす凹曲面のいずれかとされている、構成である。

請求項３に記載の可変容量ターボチャージャにおいて、各可変ノズルベーンは、スロート部構成部に対するスクロール通路側で上流側に隣り合う可変ノズルベーン側に位置されるスクロール通路側下面が上流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間の連通流路側に凸をなす凸曲面とされた構成とされている。

そして、各可変ノズルベーンでは、例えば、連通流路の流れ方向に沿ったスクロール通路側下面の表面長さが連通流路の流れ方向に沿った上面の表面長さの３８％〜８０％の寸法に設定されることにより、上面が下流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間の連通流路側に凸をなす凸曲面、平面、及び、下流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間の連通流路側に凹をなす凹曲面のいずれかとされている。

このように、請求項３に記載の可変容量ターボチャージャによれば、ノズル通路に配置された各可変ノズルベーンの形状を最適に設定することにより、ノズル通路の側壁部と可変ノズルベーンとの間のサイドクリアランスを通過する漏れ量を小さくでき、これにより、タービン効率を向上することができる。

請求項４に記載の可変容量ターボチャージャは、請求項２又は請求項３に記載の可変容量ターボチャージャにおいて、前記各可変ノズルベーンが、前記連通流路の流れ方向に沿った前記スクロール通路側下面の表面長さが前記連通流路の流れ方向に沿った前記上面の表面長さの３８％〜８０％に設定されている、構成である。

請求項４に記載の可変容量ターボチャージャによれば、各可変ノズルベーンは、連通流路の流れ方向に沿ったスクロール通路側下面の表面長さが連通流路の流れ方向に沿った上面の表面長さの３８％〜８０％に設定されている。これにより、可変ノズルベーンの上面と下面との静圧差が、スロート部構成部よりもスロート部構成部に対するスクロール通路側で小さくなるようにすることができる。

なお、連通流路の流れ方向に沿ったスクロール通路側下面の表面長さが連通流路の流れ方向に沿った上面の表面長さの３８％より小さく設定されていると、スクロール通路側下面での静圧が急激に低下し、可変ノズルベーンにおけるスクロール通路側での上面と下面との静圧差が大きくなる。この場合には、可変ノズルベーンのスクロール通路側でノズル通路の側壁部と可変ノズルベーンとの間のサイドクリアランスを通過する漏れ量が大きくなり、これが損失となってタービン効率が低下するので、好ましくない。

また、連通流路の流れ方向に沿ったスクロール通路側下面の表面長さが連通流路の流れ方向に沿った上面の表面長さの８０％より大きく設定されていると、可変ノズルベーンにおける回動軸部に対するスクロール通路側の長さが長くなる。この結果、可変ノズルベーンの駆動トルクが大きくなる、タービン室とスクロール通路間が大きくなり可変容量ターボチャージャ全体が大きくなる、連通流路が流れ方向に長くなって連通流路を流れる排気ガスと可変ノズルベーンの壁面との摩擦による圧力損失が増加する、などの悪影響があるので、好ましくない。

請求項５に記載の可変容量ターボチャージャは、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の可変容量ターボチャージャにおいて、前記スロート部構成部の側壁部と前記ノズル通路の側壁部との間には、前記各可変ノズルベーンを前記ノズル通路の側壁部に対し回動可能に支持するための回動軸部が設けられている、ことを特徴とする。

請求項５に記載の可変容量ターボチャージャによれば、上面と下面との静圧差が大きく、サイドクリアランスを通過する漏れ量が大きいスロート部構成部の側壁部とノズル通路の側壁部との間には、各可変ノズルベーンをノズル通路の側壁部に対し回動可能に支持するための回動軸部が設けられている。従って、この回動軸部がサイドクリアランスからの漏れを抑制する機能を果たすので、これにより、タービン効率をより一層向上することができる。

以上詳述したように、本発明によれば、ノズル通路の側壁部と可変ノズルベーンとの間のサイドクリアランスからの漏れを抑制することにより、タービン効率を向上することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の可変容量ターボチャージャの一実施形態について説明する。

図１には、本発明の一実施形態に係る可変容量ターボチャージャ１０の要部構成が断面側面図にて示されている。この図に示されるように、本発明の一実施形態に係る可変容量ターボチャージャ１０は、タービン部１２を備えている。タービン部１２は、図示しないコンプレッサ部と一体に構成されて、このコンプレッサ部を作動させるためのものである。

タービン部１２には、タービンハウジング１４が備えられている。タービンハウジング１４には、タービン室１６と、タービン室１６の径方向外側に形成された渦巻状のスクロール通路１８と、タービン室１６及びスクロール通路１８を連通するノズル通路２０とが設けられている。

タービン室１６には、タービンホイール２２が回動可能に収容されており、ノズル通路２０には、複数の可変ノズルベーン２４が配置されている。

図２には、このタービンホイール２２と可変ノズルベーン２４との配置関係が正面図にて示されている。この図に示されるように、複数の可変ノズルベーン２４は、タービンホイール２２の周りに間隔を空けて配置されている。

また、この複数の可変ノズルベーン２４は、ノズル通路２０を周方向に複数に区画すると共に、スクロール通路１８の流れ方向（矢印Ｆ方向）に隣り合う一対の組み合わせ間にスクロール通路１８からタービン室１６への連通流路２６を構成している。

ここで、図３（Ａ）には、図１に示される各可変ノズルベーン２４が斜め上方から見た斜視図にて示されており、図３（Ｂ）には、図１に示される各可変ノズルベーン２４が斜め下方から見た斜視図にて示されている。また、図４には、図１に示される各可変ノズルベーン２４の側面図が示されている。

これらの図に示されるように、各可変ノズルベーン２４の長手方向中間部は、スクロール通路１８の流れ方向（矢印Ｆ方向）における上流側に隣り合う可変ノズルベーン２４Ａとの間に連通流路２６の断面積が最小となるスロート部２８を構成するスロート部構成部３０として構成されている。

そして、各可変ノズルベーン２４において、このスロート部構成部３０に対するスクロール通路１８側で上流側に隣り合う可変ノズルベーン２４Ａ側に位置される面は、スクロール通路側下面３２とされており、このスクロール通路側下面３２は、上流側に隣り合う可変ノズルベーン２４Ａとの間の連通流路２６Ａ側に凸をなす凸曲面とされている。

また、各可変ノズルベーン２４において、スロート部構成部３０に対するタービン室１６側で上流側に隣り合う可変ノズルベーン２４Ａ側に位置される面は、タービン室側下面３４とされており、このタービン室側下面３４は、上流側に隣り合う可変ノズルベーン２４Ａとの間の連通流路２６Ａ側に凹をなす凹曲面とされている。

また、各可変ノズルベーン２４では、例えば、このスクロール通路側下面３２の表面長さが上面３６の表面長さの３８％〜８０％の寸法に設定されることにより、上面３６が次の如くスクロール通路側上面３８とタービン室側上面４０とに分けて構成されている。

つまり、各可変ノズルベーン２４において、スロート部構成部３０に対するスクロール通路１８側でスクロール通路１８の流れ方向（矢印Ｆ方向）における下流側に隣り合う可変ノズルベーン２４Ｂ側に位置される面は、スクロール通路側上面３８とされており、このスクロール通路側上面３８は、下流側に隣り合う可変ノズルベーン２４Ｂとの間の連通流路２６Ｂ側に凹をなす凹曲面とされている。

また、各可変ノズルベーン２４において、スロート部構成部３０に対するタービン室１６側で下流側に隣り合う可変ノズルベーン２４Ｂ側に位置される面は、タービン室側上面４０とされており、このタービン室側上面４０は、下流側に隣り合う可変ノズルベーン２４Ｂとの間の連通流路２６Ｂ側に凸をなす凸曲面とされている。

また、各可変ノズルベーン２４において、上述のスロート部構成部３０の両側の側壁部４２には、回動軸部４４がそれぞれ設けられている。この回動軸部４４は、上述のスクロール通路側下面３２とタービン室側下面３４との変曲点Ｐ１と、スクロール通路側上面３８とタービン室側上面４０との変曲点Ｐ２とを結ぶ線上に位置されている。

そして、図１に示されるように、この回動軸部４４がノズル通路２０の側壁部４６に設けられた孔部４８に回動可能に挿入されることにより、各可変ノズルベーン２４は、ノズル通路２０の側壁部４６に回動可能に支持されている。

次に、上記構成からなる可変容量ターボチャージャ１０の作用及び効果について説明する。

図５には、本発明の一実施形態に係る可変容量ターボチャージャ１０における複数の可変ノズルベーン２４間の排気ガスの流れが示されており、図６には、本発明の一実施形態に係る可変容量ターボチャージャ１０における各可変ノズルベーン２４の静圧分布が示されている。

図５に示されるように、本発明の一実施形態に係る可変容量ターボチャージャ１０では、タービンハウジング１４の図示しない排気ガス入口からスクロール通路１８に排気ガスが流入されると、この排気ガスが矢印Ｇで示される如くノズル通路２０を介してタービン室１６に流入され、タービンホイール２２が回動される。そして、タービンホイール２２が回動されることにより、このタービンホイール２２の回動駆動力を利用して図示しないコンプレッサ部が作動される。

また、ノズル通路２０には、スクロール通路１８の流れ方向（矢印Ｆ方向）に隣り合う一対の組み合わせ間にスクロール通路１８からタービン室１６への連通流路２６を構成する複数の可変ノズルベーン２４が配置されており、各可変ノズルベーン２４は、タービンハウジング１４に回動軸部４４を介して回動可能に取付られている。そして、各可変ノズルベーン２４の回動角度が変更されることで、ノズル通路２０を通過する排気ガスの流量が調整されて、タービンホイール２２の回動数が制御される。

ここで、各可変ノズルベーン２４は、スクロール通路１８の流れ方向（矢印Ｆ方向）における上流側に隣り合う可変ノズルベーン２４Ａとの間に連通流路２６Ａの断面積が最小となるスロート部２８を構成するスロート部構成部３０を有している。また、各可変ノズルベーン２４は、このスロート部構成部３０に対するスクロール通路１８側で上流側に隣り合う可変ノズルベーン２４Ａ側に位置されるスクロール通路側下面３２が上流側に隣り合う可変ノズルベーン２４Ａとの間の連通流路２６Ａ側に凸をなす凸曲面とされた構成とされている。

そして、各可変ノズルベーン２４では、例えば、連通流路２６Ａの流れ方向に沿ったスクロール通路側下面３２の表面長さが連通流路２６Ｂの流れ方向に沿った上面３６の表面長さの３８％〜８０％の寸法に設定されることにより、上面３６が次の如くスクロール通路側上面３８とタービン室側上面４０とに分けて構成されている。

この構成によれば、図５の斜線部分で示されるように、一対の可変ノズルベーン２４間に構成される連通流路２６は、スクロール通路１８側からスロート部２８に向かうに従って断面積が除変して縮小される。

また、各可変ノズルベーン２４においては、スクロール通路側下面３２の表面長さが上面３６（スクロール通路側上面３８及びタービン室側上面４０）の表面長さに比べて十分に確保される。このため、図６に示されるように、可変ノズルベーン２４のスクロール通路側下面３２とスクロール通路側上面３８との静圧差が小さくなる。従って、可変ノズルベーン２４のスクロール通路１８側でノズル通路２０の側壁部４６と可変ノズルベーン２４との間のサイドクリアランス５０（図１参照）を通過する漏れ量が小さくなり、これにより、漏れに伴う損失が抑制されてタービン効率が向上する。

さらに、図５に示されるように、スロート部２８を通過した理想的な排気ガスの流れは、仮に可変ノズルベーン２４が無い場合、半径位置に依らず半径方向に対し所定の角度αを有する対数らせん形状となるが、各可変ノズルベーン２４は、スロート部構成部３０に対するタービン室１６側で上流側に隣り合う可変ノズルベーン２４Ａ側に位置されるタービン室側下面３４が上流側に隣り合う可変ノズルベーン２４Ａとの間の連通流路２６Ａ側に凹をなす凹曲面とされた構成とされている。従って、上述の対数らせん形状となる排気ガスの流れを可変ノズルベーン２４が妨げることを防止できる。

この結果、各可変ノズルベーン２４においては、図６に示されるように、タービン室側下面３４とタービン室側上面４０との静圧差が小さくなる。従って、可変ノズルベーン２４のタービン室１６側でノズル通路２０の側壁部４６と可変ノズルベーン２４との間のサイドクリアランス５０（図１参照）を通過する漏れ量が小さくなり、これにより、漏れに伴う損失が抑制されてタービン効率が向上する。

つまり、本実施形態において、各可変ノズルベーン２４は、スクロール通路１８の流れ方向における下流側に隣り合う可変ノズルベーン２６Ｂ側に位置される上面３６と、上流側に隣り合う可変ノズルベーン２６Ａ側に位置される下面３７との静圧差が、スロート部構成部３０よりもスロート部構成部３０に対するスクロール通路１８側及びタービン室１６側で小さくなるように、上面３６及び下面３７の形状が設定されている（図６参照）。従って、可変ノズルベーン２４のスクロール通路１８側及びタービン室１６側でノズル通路２０の側壁部４６と可変ノズルベーン２４との間のサイドクリアランス５０を通過する漏れ量が小さくなり、これにより、漏れに伴う損失が抑制されてタービン効率が向上する。

このように、本発明の一実施形態に係る可変容量ターボチャージャ１０によれば、ノズル通路２０に配置された各可変ノズルベーン２４の形状を最適に設定することにより、ノズル通路２０の側壁部４６と可変ノズルベーン２４との間のサイドクリアランス５０を通過する漏れ量を小さくでき、これにより、タービン効率を向上することができる。

しかも、本発明の一実施形態に係る可変容量ターボチャージャ１０によれば、上面３６と下面３７との静圧差が大きく、サイドクリアランス５０を通過する漏れ量が大きいスロート部構成部３０の側壁部４２とノズル通路２０の側壁部４６との間には、各可変ノズルベーン２４をノズル通路２０の側壁部４６に対し回動可能に支持するための回動軸部４４が設けられている。従って、この回動軸部４４がサイドクリアランス５０からの漏れを抑制する機能を果たすので、これにより、タービン効率をより一層向上することができる。

ここで、本発明の一実施形態に係る可変容量ターボチャージャ１０と比較例に係る可変容量ターボチャージャとを比較し、本発明の一実施形態に係る可変容量ターボチャージャ１０の作用及び効果をより明確にする。

図１１には、第一比較例に係る可変容量ターボチャージャ１１０における複数の可変ノズルベーン１２４間の排気ガスの流れが示されており、図１２には、第一比較例に係る可変容量ターボチャージャ１１０における各可変ノズルベーン１２４の静圧分布が示されている。

また、図１３には、第二比較例に係る可変容量ターボチャージャ２１０における複数の可変ノズルベーン２２４間の排気ガスの流れが示されており、図１４には、第二比較例に係る可変容量ターボチャージャ２１０における各可変ノズルベーン２２４の静圧分布が示されている。

なお、第一比較例に係る可変容量ターボチャージャ１１０では、直線状の可変ノズルベーン１２４が用いられており、第二比較例に係る可変容量ターボチャージャ２１０では、円弧状の可変ノズルベーン２２４が用いられている。

例えば、第一比較例に係る可変容量ターボチャージャ１１０のように、直線状の可変ノズルベーン１２４が用いられた場合には、図１１の矢印Ｇで示されるように、スロート部１２８から流れ出た排気ガス（対数らせん流れ）が可変ノズルベーン１２４の下面から離れる。このため、図１２に示されるように、可変ノズルベーン１２４のタービン室１６側で下面の静圧が低下し、可変ノズルベーン１２４の上面と下面との静圧差がタービン室１６側で大きくなる（なお、図１１のドット部分は静圧低下領域を示す）。従って、可変ノズルベーン１２４のタービン室１６側でノズル通路２０の側壁部４６と可変ノズルベーン２４との間のサイドクリアランス５０（図１参照）を通過する漏れ量が大きくなり、これが損失となってタービン効率が低下する。

また、例えば、第二比較例に係る可変容量ターボチャージャ２１０のように、円弧状の可変ノズルベーン２２４が用いられた場合には、図１３に示されるように、可変ノズルベーン２２４のスロート部２２８に対するスクロール通路１８側の下面の表面長さが、可変ノズルベーン２２４の上面の表面長さに比べて短すぎる。このため、図１４に示されるように、可変ノズルベーン２２４の上面と下面との静圧差がスクロール通路１８側で大きくなる。従って、可変ノズルベーン２２４のスクロール通路１８側でノズル通路２０の側壁部４６と可変ノズルベーン２４との間のサイドクリアランス５０（図１参照）を通過する漏れ量が大きくなり、これが損失となってタービン効率が低下する。

特に、第一比較例に係る可変容量ターボチャージャ１１０、第二比較例に係る可変容量ターボチャージャ２１０では、スロート部１２８，２２８の面積を絞るように可変ノズルベーン１２４，２２４を全閉姿勢とした場合には、サイドクリアランス５０（図１参照）の影響が相対的に大きくなるので、サイドクリアランス５０を通過する漏れ量が大きくなり、タービン効率が低下する。

これに対し、本発明の一実施形態に係る可変容量ターボチャージャ１０によれば、図６に示されるように、可変ノズルベーン２４のスクロール通路側下面３２とスクロール通路側上面３８との静圧差、及び、タービン室側下面３４とタービン室側上面４０との静圧差をそれぞれ小さくできる。これにより、サイドクリアランス５０を通過する漏れ量を小さくでき、タービン効率を向上できる。

特に、スロート部２８の面積を絞るように可変ノズルベーン２４を全閉姿勢とした場合でも、サイドクリアランス５０の影響を相対的に小さくできるので、サイドクリアランス５０を通過する漏れ量を小さくでき、タービン効率を向上できる。

しかも、本発明の一実施形態に係る可変容量ターボチャージャ１０によれば、上面３６と下面３７との静圧差が大きく、サイドクリアランス５０を通過する漏れ量が大きいスロート部構成部３０の側壁部４２とノズル通路２０の側壁部４６との間には、回動軸部４４が設けられているので、この回動軸部４４によってサイドクリアランス５０からの漏れを抑制でき、これにより、タービン効率をより一層向上することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能であることは勿論である。

例えば、上記実施形態において、回動軸部４４は、スロート部構成部３０の両側の側壁部４２にそれぞれ設けられていたが、図７に示されるように、スロート部構成部３０の片側の側壁部４２にのみ設けられていても良い。

また、上記実施形態では、回動軸部４４がスロート部構成部３０の側壁部４２に一体に設けられ、回動軸部４４が挿入される孔部４８がノズル通路２０の側壁部４６に設けられていたが、回動軸部４４がノズル通路２０の側壁部４６に一体に設けられ、回動軸部４４が挿入される孔部４８がスロート部構成部３０の側壁部４２に設けられていても良い。

また、上記実施形態において、可変ノズルベーン２４の上面３６は、例えば、図８に示されるように、下流側に隣り合う可変ノズルベーン２４Ｂとの間の連通流路２６Ｂ側に凸をなす凸曲面とされても良い。また、この可変ノズルベーン２４の上面３６は、例えば、図９に示されるように、平面とされても良い。さらに、この可変ノズルベーン２４の上面３６は、例えば、図１０に示されるように、下流側に隣り合う可変ノズルベーン２４Ｂとの間の連通流路２６Ｂ側に凹をなす凹曲面とされても良い。

これら凸曲面、平面、凹曲面とされた可変ノズルベーン２４の上面３６は、例えば、連通流路２６Ａの流れ方向に沿ったスクロール通路側下面３２の表面長さが連通流路２６Ｂの流れ方向に沿った上面３６の表面長さの３８％〜８０％の寸法に設定されることにより構成される。

このように構成されていても、上記実施形態と同様の作用及び効果を奏することができる。

なお、図１５〜図１９には、連通流路２６Ａの流れ方向に沿ったスクロール通路側下面３２の表面長さＬｄを、連通流路２６Ｂの流れ方向に沿った上面３６の表面長さＬｕの３２％、３６％、４０％、４７％、５０％とした場合の可変ノズルベーン２４の静圧分布がそれぞれ示されている。

また、図２０には、図１５〜図１９の検討結果をまとめた図が示されている。この図２０の縦軸は、可変ノズルベーン２６におけるスロート部構成部３０（回動軸部４４が設けられた部分）での上面３６と下面３７との静圧差に対する、可変ノズルベーン２６におけるスクロール通路１８側での上面３６と下面３７との静圧差の比率（％）を示している。また、図２０の横軸は、連通流路２６Ｂの流れ方向に沿った上面３６の表面長さＬｕに対する、連通流路２６Ａの流れ方向に沿ったスクロール通路側下面３２の表面長さＬｄの比率（％）を示している

これらの図に示されるように、連通流路２６Ａの流れ方向に沿ったスクロール通路側下面３２の表面長さＬｄが連通流路２６Ｂの流れ方向に沿った上面３６の表面長さＬｕの３８％より小さく設定されていると、スクロール通路側下面３２での静圧が急激に低下し、可変ノズルベーン２６におけるスクロール通路１８側での上面３６と下面３７との静圧差が大きくなる。この場合には、可変ノズルベーンのスクロール通路１８側でノズル通路２０の側壁部４６と可変ノズルベーン２６との間のサイドクリアランス５０を通過する漏れ量が大きくなり、これが損失となってタービン効率が低下するので、好ましくない。

また、連通流路２６Ａの流れ方向に沿ったスクロール通路側下面３２の表面長さＬｄが連通流路２６Ｂの流れ方向に沿った上面３６の表面長さＬｕの８０％より大きく設定されていると、図２１に示されるように、可変ノズルベーン２４における回動軸部４４に対するスクロール通路１８側の長さが長くなる。この結果、可変ノズルベーン２４の駆動トルクが大きくなる、タービン室１６とスクロール通路１８間が大きくなり可変容量ターボチャージャ１０全体が大きくなる、連通流路２６が流れ方向に長くなって連通流路２６を流れる排気ガスと可変ノズルベーン２４の壁面との摩擦による圧力損失が増加する、などの悪影響があるので、好ましくない。

本発明の一実施形態に係る可変容量ターボチャージャの要部構成を示す断面側面図である。図１に示されるタービンホイールと可変ノズルベーンとの配置関係を表す正面図である。（Ａ）は、図１に示される各可変ノズルベーンを斜め上方から見た斜視図、（Ｂ）は、図１に示される各可変ノズルベーンを斜め下方から見た斜視図である。図１に示される各可変ノズルベーンの側面図である。本発明の一実施形態に係る可変容量ターボチャージャにおける複数の可変ノズルベーン間の排気ガスの流れを示す図である。本発明の一実施形態に係る可変容量ターボチャージャにおける各可変ノズルベーンの静圧分布図である。本発明の一実施形態に係る可変容量ターボチャージャに備えられた可変ノズルベーンの変形例を示す図である。本発明の一実施形態に係る可変容量ターボチャージャに備えられた可変ノズルベーンの変形例を示す図である。本発明の一実施形態に係る可変容量ターボチャージャに備えられた可変ノズルベーンの変形例を示す図である。本発明の一実施形態に係る可変容量ターボチャージャに備えられた可変ノズルベーンの変形例を示す図である。第一比較例に係る可変容量ターボチャージャにおける複数の可変ノズルベーン間の排気ガスの流れを示す図である。第一比較例に係る可変容量ターボチャージャにおける各可変ノズルベーンの静圧分布図である。第二比較例に係る可変容量ターボチャージャにおける複数の可変ノズルベーン間の排気ガスの流れを示す図である。第二比較例に係る可変容量ターボチャージャにおける各可変ノズルベーンの静圧分布図である。可変容量ターボチャージャにおける各可変ノズルベーンの静圧分布の検討結果を示す図（Ｌｄ／Ｌｕ＝３２％）である。可変容量ターボチャージャにおける各可変ノズルベーンの静圧分布の検討結果を示す図（Ｌｄ／Ｌｕ＝３６％）である。可変容量ターボチャージャにおける各可変ノズルベーンの静圧分布の検討結果を示す図（Ｌｄ／Ｌｕ＝４０％）である。可変容量ターボチャージャにおける各可変ノズルベーンの静圧分布の検討結果を示す図（Ｌｄ／Ｌｕ＝４７％）である。可変容量ターボチャージャにおける各可変ノズルベーンの静圧分布の検討結果を示す図（Ｌｄ／Ｌｕ＝５０％）である。図１５〜図１９の検討結果をまとめた図である。連通流路の流れ方向に沿ったスクロール通路側下面の表面長さが連通流路の流れ方向に沿った上面の表面長さの８０％より大きく設定された場合を示す図である。

符号の説明

１０可変容量ターボチャージャ
１４タービンハウジング
１６タービン室
１８スクロール通路
２０ノズル通路
２２タービンホイール
２４可変ノズルベーン
２６連通流路
２８スロート部
３０スロート部構成部
３２スクロール通路側下面
３４タービン室側下面
３６上面
３７下面
３８スクロール通路側上面
４０タービン室側上面
４２側壁部
４４回動軸部
５０サイドクリアランス

Claims

タービンホイールと、
前記タービンホイールを回動可能に収容するタービン室、前記タービン室の径方向外側に形成された渦巻状のスクロール通路、及び、前記タービン室及び前記スクロール通路を連通するノズル通路、を有するタービンハウジングと、
前記ノズル通路に前記タービンホイールの周りに間隔を空けて前記ノズル通路を複数に区画するように配置されると共に、前記タービンハウジングに取付姿勢を変更可能に取り付けられ、且つ、前記スクロール通路の流れ方向に隣り合う一対の組み合わせ間に前記スクロール通路から前記タービン室への連通流路を構成する複数の可変ノズルベーンと、
を備え、
前記各可変ノズルベーンは、
前記スクロール通路の流れ方向における上流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間に前記連通流路の断面積が最小となるスロート部を構成するスロート部構成部を有すると共に、
前記スクロール通路の流れ方向における下流側に隣り合う可変ノズルベーン側に位置される上面と、前記上流側に隣り合う可変ノズルベーン側に位置される下面との静圧差が、前記スロート部構成部よりも前記スロート部構成部に対する前記スクロール通路側及び前記タービン室側で小さくなるように、前記上面及び前記下面の形状が設定されている、
可変容量ターボチャージャ。
前記下面は、
前記スロート部構成部に対する前記スクロール通路側に位置され、前記上流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間の連通流路側に凸をなす凸曲面とされたスクロール通路側下面と、
前記スロート部構成部に対する前記タービン室側に位置され、前記上流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間の連通流路側に凹をなす凹曲面とされたタービン室側下面と、
により構成され、
前記上面は、
前記スロート部構成部に対する前記スクロール通路側に位置され、前記下流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間の連通流路側に凹をなす凹曲面とされたスクロール通路側上面と、
前記スロート部構成部に対する前記タービン室側に位置され、前記下流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間の連通流路側に凸をなす凸曲面とされたタービン室側上面と、
により構成されている、
請求項１に記載の可変容量ターボチャージャ。
前記下面は、
前記スロート部構成部に対する前記スクロール通路側に位置され、前記上流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間の連通流路側に凸をなす凸曲面とされたスクロール通路側下面と、
前記スロート部構成部に対する前記タービン室側に位置され、前記上流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間の連通流路側に凹をなす凹曲面とされたタービン室側下面と、
により構成され、
前記上面は、前記下流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間の連通流路側に凸をなす凸曲面、平面、及び、前記下流側に隣り合う可変ノズルベーンとの間の連通流路側に凹をなす凹曲面のいずれかとされている、
請求項１に記載の可変容量ターボチャージャ。
前記各可変ノズルベーンは、前記連通流路の流れ方向に沿った前記スクロール通路側下面の表面長さが前記連通流路の流れ方向に沿った前記上面の表面長さの３８％〜８０％に設定されている、
請求項２又は請求項３に記載の可変容量ターボチャージャ。
前記スロート部構成部の側壁部と前記ノズル通路の側壁部との間には、前記各可変ノズルベーンを前記ノズル通路の側壁部に対し回動可能に支持する回動軸部が設けられている、
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の可変容量ターボチャージャ。