JP2010013972A - 可変容量型ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】高温下での稼動部分を減らすことが可能な可変容量型のターボチャージャを提供する。
【解決手段】可変容量型のターボチャージャ１００は、タービンホイール５５を取囲むタービンハウジング１と、タービンハウジング１に設けられ、タービンホイール５５の外周側に配置される第一ノズル１０，第二ノズル２０とを備える。タービンハウジング１には排気流入路としての入口４と、入口４に連なり、第一ノズル１０に排気を導く第一流路１１と、入口４に連なり第二ノズル２０に排気を導入する第二流路２１と、入口４から供給された排気を、タービンホイール５５を経由せずにタービンホイール５５の下流側へ導くウエストゲート流路３０とが設けられている。第一流路１１、第二流路２１およびウエストゲート流路３０の入口にはある方向に直線運動可能な制御バルブ４０が設けられている。制御バルブ４０の位置に応じて排気は第一流路１１、第二流路２１およびウエストゲート流路３０の少なくともいずれかに導入される。
【選択図】図４

Description

この発明は、可変容量型ターボチャージャに関し、より特定的には、タービンホイールの外周に複数種類のノズルが配置される可変容量型ターボチャージャに関するものである。

従来、ターボチャージャは、たとえば特開平５−１３３２３８号公報（特許文献１）、特開平１０−８９０８１号公報（特許文献２）および特開平９−２８０１１９号公報（特許文献３）に開示されている。
特開平５−１３３２３８号公報 特開平１０−８９０８１号公報 特開平９−２８０１１９号公報

特許文献１では、ノズル翼間のツールをノズル翼の高さ方向に複数段に分割するリング状の薄い仕切板をノズルリングに設けたターボチャージャが開示されている。

特許文献２では、単一のアクチュエータのロッドにウエストゲートバルブ開閉駆動用のリンクと可変ノズル開閉駆動用ロッドとを連結した装置が開示されている。

特許文献３では、可変ノズルを所定開度に機械的に固定する可変ノズル固定手段を具備した可変容量型のターボチャージャが開示されている。

上記のように、ターボチャージャの作動領域の拡大を目的として、種々の可変容量型のターボチャージャが開示されている。高温環境下で多くの稼動部を有するため、信頼性およびコスト面での課題を持つ。そこで、本発明では、高温下での稼動部を大幅に低減し、信頼性に優れた可変容量型ターボチャージャを提供することを目的とする。

この発明に従った可変容量型ターボチャージャは、タービンホイールを取囲むタービンハウジングと、タービンハウジングに設けられ、タービンホイールの外周側に軸方向に並んで配置される第一および第二ノズルとを備える。タービンハウジングには、排気流入路と、排気流入路に連なり第一ノズルに排気を導く第一流路と、排気流入路に連なり第二ノズルに排気を導く第二流路と、排気流入路の排気をタービンホイールを経由せずにタービンホイール下流側へ導くウエストゲート流路とが設けられている。第一流路と第二流路とウエストゲート流路の入口に設けられ、ある方向に直線運動可能なバルブをさらに備える。バルブの位置に応じて排気は第一流路、第二流路およびウエストゲート流路の少なくともいずれかに導入される。

このように構成された可変容量型のターボチャージャでは、直線運動可能なバルブが設けられ、このバルブの位置に応じて排気は第一流路、第二流路およびウエストゲート流路の少なくともいずれかに導入されるため、バルブの動きを簡略化することができる。その結果、高温下での稼動部位の少ない、信頼性に優れた可変容量型のターボチャージャを提供することができる。

好ましくは、バルブの位置に拘らず第一流路には排気が導入され、バルブの位置に応じて第二流路およびウエストゲート流路の少なくともいずれかに排気が導入される。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態１に従った可変容量型ターボチャージャの平面図である。図１を参照して、この発明の実施の形態１に従った可変容量型ターボチャージャ１００は、タービンハウジング１を有する。タービンハウジング１は渦巻形状であり、内燃機関から排出された排気でタービンホイールを回転させる。タービンホイールはタービンシャフトに繋がれており、タービンシャフトがさらにコンプレッサに接続されている。コンプレッサで吸気を圧縮し、圧縮された吸気が燃焼室に送り込まれる。

可変容量型ターボチャージャ１００が設けられる内燃機関は、レシプロ型の内燃機関であってもよく、またロータリー型の内燃機関であってもよい。

さらに、内燃機関の燃料は、ガソリン、灯油または軽油などのさまざまなものが採用される。

タービンハウジング１にはウエストゲート流路３０が設けられる。ウエストゲート流路３０は、タービンハウジング１に導入された排気を、タービンホイールを経由せずにタービンホイール下流へ流すためのバイパス路である。タービンハウジング１の入口付近には、排気の行先を決定するための制御バルブ４０が設けられている。

図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であり、タービンハウジング全体を示す断面図である。図２を参照して、タービンハウジング１内にタービンホイール５５が収納されている。タービンホイール５５はタービンシャフト５０に取付けられており、タービンシャフト５０と共に回転することが可能である。

タービンホイール５５は高温に晒されるため、金属またはセラミックスなどの材料で構成される。タービンシャフト５０の一方端にタービンホイール５５が取付けられ、他方端にコンプレッサ用のホイールが取付けられる。タービンホイール５５が回転すると、コンプレッサ側のホイールも回転し、このホイールが吸気を圧縮する。

タービンシャフト５０はタービン側圧力とコンプレッサ側圧力が相違しても軸方向に動かないようにスラストベアリングで軸方向に位置決めされている。

さらに、タービンシャフト５０は高速回転をするため、流体ベアリング（オイルベアリング）またはボールベアリングなどでラジアル方向の荷重が保持されている。

タービンホイール５５外周には一次ノズルとしての第一ノズル１０および二次ノズルとしての第二ノズル２０が互いに軸方向に距離を隔てて設けられている。第一ノズル１０および第二ノズル２０はそれぞれ固定されており稼動しない。第一ノズル１０外周には第一流路１１が設けられ、第二ノズル２０外周には第二流路２１が設けられる。第一流路１１および第二流路２１は共にタービンホイール５５へ排気を導き、その排気の力でタービンホイール５５を回転させるための排気流路である。

第一流路１１および第二流路２１は仕切られており、それぞれが渦巻状に形成されている。

タービンハウジング１の出口３側にはウエストゲート流路３０（ウエストゲートポート）が設けられている。ウエストゲート流路３０を経由して排気ガスが出口３側へ排出される。ウエストゲート流路３０は、タービンホイール５５上流の排気をタービンホイール５５の下流へ、タービンホイール５５を経由せずに導くための流路である。排気流量が大きくなった場合に、すべての排気をタービンホイール５５を経由して排出していると排気抵抗となる場合がある。その場合にはウエストゲート流路３０を介して排気を放出する。

図３は、可変容量型ターボチャージャの軸方向に沿った一部断面を含む斜視図である。図３を参照して、タービンシャフト５０の外周側にタービンホイール５５が取付けられている。タービンホイール５５は第一ノズル１０および第二ノズル２０から供給される排気を受けて回転できるように羽が設けられている。第一ノズル１０と第二ノズル２０とは仕切部２により仕切られており、第一ノズル１０には第一流路１１から排気が供給され、第二ノズル２０には第二流路２１から排気が供給される。第一ノズル１０および第二ノズル２０は共に半径方向に対して傾斜するように位置決めされている。

図４は、図１中のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図であり、タービンハウジングの一部分を拡大して示す断面図である。図４を参照して、タービンハウジング１の入口４から矢印５で示す方向に排気が流入可能であり、流入した排気は矢印１５，２５，３５で示すように分岐してそれぞれ第一流路１１、第二流路２１およびウエストゲート流路３０に分岐する。ウエストゲート流路３０の入口３３と、第二流路２１の入口２３とは共に制御バルブ４０で閉じられることが可能な形状とされている。制御バルブ４０はステム４１と接続されており、ステム４１が延びる軸方向に沿って制御バルブ４０が移動する。

図４では制御バルブ４０が全開の状態を示しており、この状態では、第二流路２１に排気が供給されるとともに、ウエストゲート流路３０にも排気が供給される。第一流路１１にも排気が供給される。

図５は、図４中の制御バルブおよびウエストゲート流路周辺を拡大して示す断面図である。図５で示すように、制御バルブ４０の奥側にウエストゲート流路３０の入口３３が位置している。図５で示す全開状態では、第二流路２１の入口２３も開かれており、第二流路２１へも多くの排気が導入される。

図６は、図５中のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図であり、制御バルブの軸方向から見た第二流路の断面図である。図６を参照して、制御バルブ４０は円柱形状であり、このバルブが上下することにより、第二流路２１へ導入される排気の量が調整される。すなわち、側面壁によって開口面積に加えることで流量を調整することができる。

図７は、制御バルブが僅かに開いた状態を説明するために示す可変容量型ターボチャージャの断面図である。図７を参照して、制御バルブ４０が僅かに開いた状態では、入口４から流入した排気が僅かに第二流路２１へ送られる。大部分の排気は第一流路１１へ送られる。

エンジンが高回転時には図４で示すように制御バルブ４０を全開とすることで第一ノズル１０および第二ノズル２０に排気を導くと共にウエストゲート流路３０から排気を排出して排気抵抗を減少させることができる。中速および低速域では、図７で示すようにウエストゲート流路３０への排気の流れを抑えて、タービンホイール５５の回転を確保することができる。

すなわち、固定ツインノズルターボは、第一次および第二次の２つの固定ノズルとしての第一ノズル１０と第二ノズル２０とを有する。これに流入する排気ガスをノズル上流の制御バルブ４０で制御する。これにより加給圧を制御する構造が可能となる。稼動部分が制御バルブ４０の１箇所のみであり、構造が比較的簡単なため、信頼性を確保し、低コスト化が可能となる。ツインノズルにウエストゲートバルブとしての制御バルブ４０を組合せた構造としている。さらに、制御バルブ４０とウエストゲートの機能を一体化させている。

これにより、第一ノズル１０および第二ノズル２０の固定ノズルをそれぞれ低速用、中速用に最適な諸元としても、高速側での流路面積不足による高速性能の低下を抑制することが可能である。

また二次スクロール面積およびノズル高さを中速に最適にできるため、面積を縮小することが可能である。制御バルブ４０通過直後の流路拡大によるエネルギ損失を低減することが可能で、中速域の効率の向上を図ることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態１に従った可変容量型ターボチャージャの平面図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であり、タービンハウジング全体を示す断面図である。 可変容量型ターボチャージャの軸方向に沿った一部断面を含む斜視図である。 図１中のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図であり、タービンハウジングの一部分を拡大して示す断面図である。 図４中の制御バルブおよびウエストゲート流路周辺を拡大して示す断面図である。 図５中のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図であり、制御バルブの軸方向から見た第二流路の断面図である。 制御バルブが僅かに開いた状態を説明するために示す可変容量型ターボチャージャの断面図である。

符号の説明

１ タービンハウジング、２ 仕切部、３ 出口、４，１３，２３，３３ 入口、１０ 第一ノズル、１１ 第一流路、２０ 第二ノズル、２１ 第二流路、３０ ウエストゲート流路、３３ 入口、４０ 制御バルブ、４１ ステム、５０ タービンシャフト、５５ タービンホイール、１００ 可変容量型ターボチャージャ。

Claims (2)

1. タービンホイールを取囲むタービンハウジングと、
   前記タービンハウジングに設けられ、前記タービンホイールの外周側に軸方向に並んで配置される第一および第二ノズルとを備え、
   前記タービンハウジングには、排気流入路と、前記排気流入路に連なり、前記第一ノズルに排気を導く第一流路と、前記排気流入路に連なり、前記第二ノズルに排気を導入する第二流路と、前記排気流入路の排気をタービンホイールを経由せずタービンホイール下流側へ導くウエストゲート流路とが設けられており、
   前記第一流路、前記第二流路および前記ウエストゲート流路の入口に設けられ、ある方向に直線運動可能なバルブとを備え、
   前記バルブの位置に応じて排気は第一流路、第二流路およびウエストゲート流路の少なくともいずれかに導入される、可変容量型ターボチャージャ。
2. 前記バルブの位置に拘らず前記第一流路には排気が供給され、前記バルブの位置に応じて前記第二流路およびウエストゲート流路の少なくともいずれかに排気が導入される、請求項１に記載の可変容量型ターボチャージャ。

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