JP2011021575A - 可変ノズル及び可変容量型ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスの流量が多く可変ノズルの開度が大きい場合において、速やかに排気ガスを流動させることでターボチャージャの効率を向上させる可変ノズル及び可変容量型ターボチャージャを提供する。
【解決手段】本発明の可変ノズル５は、流体の流量を調整する可変ノズルであって、略円環状に形成された一対の円板部材５１、５２と、一対の円板部材５１、５２を互いに対向させ所定の間隔で連結する複数の連結部材５３と、一対の円板部材５１、５２の間にその対向する方向で延びる所定の軸周りに回動自在に設けられる複数の翼部材５４とを有し、連結部材５３は、翼部材５４の開度が最大であるときの、翼部材５４の延長方向、且つ流体の流動方向の上流側に設けられるという構成を採用する。
【選択図】図２

Description

本発明は、可変ノズル及び可変容量型ターボチャージャに関するものである。

従来から、内燃機関から導かれる排気ガス（流体）の流動によりタービンインペラ（回転翼）を回転させ、タービンインペラの回転により圧縮機を作動させて外部から導入される空気を圧縮し、圧縮された空気を内燃機関に過給することで、内燃機関の性能を向上させるターボチャージャが用いられている。
また、タービンインペラに導入される排気ガスの流量や流速を調整する可変ノズルを備え、低回転域から高回転域までの広い範囲に亘って、内燃機関の性能を向上させる可変容量型のターボチャージャも使用されている（例えば、特許文献１参照）。

可変ノズルは、略円環状に形成された一対の円板部材と、該一対の円板部材を互いに対向させ所定の間隔で連結する複数のクリアランスピン（連結部材）と、一対の円板部材の間に回動自在に設けられる複数のノズルベーン（翼部材）とを有している。複数のノズルベーンを同期して回動させることで、可変ノズルにおけるノズル開度が変化し、可変ノズルからタービンインペラに導入される排気ガスの流速が調整される。
例えば、内燃機関の回転数が低く、導かれる排気ガスの流量が少ない場合には、可変ノズルに導入される排気ガスの流速は低くなっている。そこで、可変ノズルの開度を小さくしてタービンインペラに導入される排気ガスの流速を向上させることで、少ない流量でもタービンインペラを回転させることができる。

特開２００６−１７７３１８号公報

しかしながら、上述したような従来技術には、以下のような課題が存在する。
可変ノズルのクリアランスピンは、排気ガスの流動方向と交差する方向で延在しており、クリアランスピンの下流側には排気ガスの圧力及び流速が局所的に低下した部分、いわゆるウェークが生じている。また、内燃機関から導かれる排気ガスの流量が多い場合には、排気ガスの滞留を生じさせないために、可変ノズルの開度は大きく設定されている。
しかし、上述したウェークが生じている部分には排気ガスは流動できないため、可変ノズルの開度を大きくしても、ウェークの分だけ流路が狭くなる。結果として、排気ガスの流量が多い場合において、速やかな排気ガスの流動が阻害され、ターボチャージャの効率が抑制されてしまうという課題があった。

本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、排気ガスの流量が多く可変ノズルの開度が大きい場合において、速やかに排気ガスを流動させることでターボチャージャの効率を向上させる可変ノズル及び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。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の可変ノズルは、流体の流量を調整する可変ノズルであって、略円環状に形成された一対の円板部材と、一対の円板部材を互いに対向させ所定の間隔で連結する複数の連結部材と、一対の円板部材の間にその対向する方向で延びる所定の軸周りに回動自在に設けられる複数の翼部材とを有し、連結部材は、翼部材の開度が最大であるときの、翼部材の延長方向、且つ流体の流動方向の上流側に設けられるという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、翼部材の開度が最大であるときに、連結部材の下流側におけるウェークの発生箇所に翼部材が配置されることから、上記ウェークは生じない。そのため、ウェークの発生により可変ノズルの流路が狭められることがなく、可変ノズル内の流体が流動できる領域が拡大する。

また、本発明の可変ノズルは、翼部材が、連結部材の近傍に設けられる第１翼部材と、それ以外の位置に設けられる第２翼部材とを有し、第１翼部材は、第２翼部材に比べ上流側が短くなっているという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、可変ノズルの外径が小さい等の理由から、翼部材の開度が最大であるときの、翼部材の延長方向の上流側に連結部材を設けることができない場合でも、第１翼部材の上流側を短くすることで、連結部材を設けることが可能となる。

また、本発明の可変ノズルは、第１翼部材の上流側が、連結部材に応じた形状となっているという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、翼部材の開度が最大であるときの、連結部材及び上記第１翼部材の周囲を流動する流体に対する流動抵抗が低減される。

また、本発明の可変ノズルは、連結部材が、翼部材の開度が最大であるときの、翼部材の上流側に応じた形状となっているという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、翼部材の開度が最大であるときの、連結部材及び該連結部材の近傍に設けられる翼部材の周囲を流動する流体に対する流動抵抗が低減される。

また、本発明の可変ノズルは、請求項１から４のいずれか一項に記載の可変ノズルを備えるという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、翼部材の開度が最大であるときに、連結部材の下流側におけるウェークの発生箇所に翼部材が配置されることから、上記ウェークは生じない。そのため、ウェークの発生により可変ノズルの流路が狭められることがなく、可変ノズル内の流体が流動できる領域が拡大する。

本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
本発明によれば、流体の流量が多く翼部材の開度が大きい場合に、可変ノズル内の流体が流動できる領域が拡大するため、より速やかに流体を流動させることができ、結果としてターボチャージャの効率を向上させることができるという効果がある。

ターボチャージャ１００の全体構成図である。 可変ノズル５の概略図である。 第１ノズルベーン５４の概略図である。 第１ノズルベーン５４の変形例を示す概略図である。 可変ノズル５の変形例を示す概略図である。 クリアランスピン５３の変形例を示す概略図である。

以下、本発明の可変ノズル及び可変容量型ターボチャージャに係る実施の形態を、図１から図６を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能は大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。また、各図面における矢印Ｆは前方向を示している。

図１は、本実施形態に係るターボチャージャ１００の全体構成図である。
ターボチャージャ１００は、不図示の内燃機関から導かれる排気ガス（流体）の運動エネルギー等を利用して、外部から導入される空気を圧縮し、圧縮された空気を内燃機関に過給して、内燃機関の性能を向上させる可変容量型のターボチャージャである。ターボチャージャ１００は、ロータ１と、タービンハウジング２と、軸受ハウジング３と、コンプレッサハウジング４とを有している。タービンハウジング２、軸受ハウジング３及びコンプレッサハウジング４は、前方より順次配置され一体的に設けられている。

ロータ１は、排気ガスの流動によって回転するものであって、ロータ軸１１と、タービンインペラ１２と、コンプレッサインペラ１３とを有している。
ロータ軸１１は、前後方向で延在する回転軸であって、軸受ハウジング３に回転自在に設けられている。タービンインペラ１２は、排気ガスの流動によって回転する回転翼であって、タービンハウジング２の内部に設置され、ロータ軸１１の前端部に一体的に接続されている。コンプレッサインペラ１３は、回転することで空気を吸引すると共に、吸引した空気を径方向外側に送り出す回転翼であって、コンプレッサハウジング４の内部に設置され、ロータ軸１１の後端部に一体的に接続されている。

タービンハウジング２は、ターボチャージャ１００の外殻を構成する部材であり、かつ排気ガスの運動エネルギー等がタービンインペラ１２の回転運動に変換される箇所であって、タービンスクロール流路２１と、可変ノズル５と、タービン出口２２とを有している。なお、タービンハウジング２は、複数のボルト２ａを用いて軸受ハウジング３と一体的に接続されている。
タービンスクロール流路２１は、内燃機関から排出された排気ガスが不図示のガス導入口を介して導入される流路であって、タービンインペラ１２を囲んで略環状に形成されている。

可変ノズル５は、タービンスクロール流路２１からタービンインペラ１２に導入される排気ガスの流量や流速を調整するノズルであって、タービンスクロール流路２１の内側に設けられ、タービンインペラ１２を囲んで略環状に形成されている。可変ノズル５の後側には、後述する第１ノズルベーン５４及び第２ノズルベーン５５を同期して回動させるためのノズル駆動部５Ａが設けられており、可変ノズル５は、ノズル駆動部５Ａを介してタービンハウジング２及び軸受ハウジング３に支持されている。なお、可変ノズル５の詳細は後述する。

タービン出口２２は、タービンハウジング２における排気ガスの吐出口であって、不図示の排ガス浄化装置に接続されている。なお、タービン出口２２は、タービンインペラ１２の設置箇所を介して可変ノズル５と連通している。

軸受ハウジング３は、ターボチャージャ１００の外殻を構成する部材であり、かつ複数のベアリング３１を介してロータ軸１１を回転自在に軸支するものである。

コンプレッサハウジング４は、ターボチャージャ１００の外殻を構成する部材であり、かつ外部から導入された空気が圧縮される箇所であって、コンプレッサ入口４１と、ディフューザ流路４２と、コンプレッサスクロール流路４３とを有している。なお、コンプレッサハウジング４は、複数のボルト４ａを用いて軸受ハウジング３と一体的に接続されている。
コンプレッサ入口４１は、不図示のエアクリーナを介して外部から空気を導入するための導入口であって、コンプレッサハウジング４の後側に向かって開口している。

ディフューザ流路４２は、コンプレッサインペラ１３によって送り出された空気が導入される流路であって、コンプレッサインペラ１３を囲んで略環状に形成されている。また、ディフューザ流路４２は、コンプレッサインペラ１３の設置箇所を介してコンプレッサ入口４１と連通している。
コンプレッサスクロール流路４３は、ディフューザ流路４２と連通し、コンプレッサインペラ１３を囲んで略環状に形成されている。コンプレッサスクロール流路４３には、不図示の空気吐出口が接続され、該空気吐出口は、内燃機関の吸気口に接続されている。

次に、可変ノズル５の構成を、図２を参照して説明する。
図２は、可変ノズル５の概略図であって、（ａ）は図１における可変ノズル５の拡大図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線視断面図である。

可変ノズル５は、シュラウドリング（円板部材）５１と、ハブリング（円板部材）５２と、クリアランスピン（連結部材）５３（以下、「ピン５３」と記載する）と、第１ノズルベーン（翼部材、第１翼部材）５４と、第２ノズルベーン（翼部材、第２翼部材）５５とを有している。
シュラウドリング５１及びハブリング５２は、共に略円環状に形成された円板部材であって、所定の間隔を空けて前後方向で対向して設けられ、それらの間の隙間は排気ガスが流動する流路となっている。なお、シュラウドリング５１は前側に設けられ、ハブリング５２は後側に設けられている。

ピン５３は、シュラウドリング５１とハブリング５２とを、互いに対向させて所定の間隔で一体的に連結する略円柱状の部材である。ピン５３は、シュラウドリング５１及びハブリング５２のそれぞれに形成された孔部に圧入して接続されており、周方向で間隔を空けて複数（本実施形態では３本）設けられている。

第１ノズルベーン５４及び第２ノズルベーン５５は、その回動により可変ノズル５の開度を変化させ、可変ノズル５からタービンインペラ１２に導入される排気ガスの流量及び流速を調整する翼であって、シュラウドリング５１とハブリング５２との間に前後方向で延びる所定の軸周りで回動自在にそれぞれ複数設けられている。また、第１ノズルベーン５４及び第２ノズルベーン５５は、ノズル駆動部５Ａ（図１参照）にそれぞれ連結されており、全てのノズルベーンが同期して回動できる構成となっている。
図２（ｂ）に示すように、第１ノズルベーン５４はピン５３の近傍に設けられ、第２ノズルベーン５５はそれ以外の位置に設けられている。

可変ノズル５内を流動する排気ガスは、可変ノズル５の径方向外側から内側に向かって流動する。すなわち、排気ガスは、図２（ｂ）における矢印Ｇの向きで流動する。
第１ノズルベーン５４は、第２ノズルベーン５５に比べ、径方向外側すなわち排気ガスの流動方向での上流側が短く形成されている。なお、第２ノズルベーン５５は、一般的なノズルベーン形状で成形されている。

次に、第１ノズルベーン５４の詳細を、図３を参照して説明する。
図３は、第１ノズルベーン５４の概略図であって、図２（ｂ）における第１ノズルベーン５４の拡大図である。

第１ノズルベーン５４は所定の範囲で回動するため、その回動範囲を位置５４Ｗ及び５４Ｎで表す。位置５４Ｗは、第１ノズルベーン５４の開度が最大であるときの位置を表し、位置５４Ｎは、第１ノズルベーン５４の開度が最小であるときの位置を表している。
上述したように第１ノズルベーン５４は、第２ノズルベーン５５に比べ、上流側が短く形成されている。また、上流側端部５４ａの端面は、第１ノズルベーン５４が位置５４Ｗにある場合に、可変ノズル５の径方向外側に向かうに従い漸次紙面右側に向かって傾斜する略平面状に形成されている。

ピン５３は、第１ノズルベーン５４が位置５４Ｗにあるときの、一点鎖線Ｅで示される第１ノズルベーン５４の延長方向、且つ排気ガスの流動方向の上流側に設けられている。換言すれば、第１ノズルベーン５４が位置５４Ｗにあるときに、ピン５３の下流側には第１ノズルベーン５４が配置されている。

さらに、ピン５３は、位置５４Ｗにある第１ノズルベーン５４の上流側端部５４ａと隣り合って配置されている。すなわち、可変ノズル５の外径が小さい等の理由から、一般的なノズルベーン形状である第２ノズルベーン５５の上流側にピン５３を配置できない場合でも、第１ノズルベーン５４の上流側が短く形成されていることから、ピン５３と第１ノズルベーン５４とが互いに干渉することなく、ピン５３を第１ノズルベーン５４の上流側に設けることが可能となる。

続いて、本実施形態におけるターボチャージャ１００の動作を説明する。
まず、内燃機関の作動に伴い、内燃機関から排出された排気ガスが不図示のガス導入口を介して、タービンハウジング２のタービンスクロール流路２１に導入される。タービンスクロール流路２１に導入された排気ガスは、タービンスクロール流路２１内でタービンインペラ１２の周りを流動し、可変ノズル５を通ってタービンインペラ１２へ旋回しつつ導入される。排気ガスの導入によってタービンインペラ１２は回転する。

このとき、可変ノズル５は、内燃機関から導かれる排気ガスの流量に応じて、その開度を変化させる。ノズル駆動部５Ａの作動により第１ノズルベーン５４及び第２ノズルベーン５５が同期して回動することで、可変ノズル５の開度が変化する。よって、内燃機関の低回転域から高回転域までの広い範囲に亘りタービンインペラ１２を効率よく回転させることができる。

ここで、内燃機関から導かれる排気ガスの流量が多いときには、可変ノズル５の開度を大きくして多量の排気ガスを速やかに流動させる必要があることから、第１ノズルベーン５４は最大開度の位置である位置５４Ｗへ回動する。
上述の通り、第１ノズルベーン５４が位置５４Ｗにあるときは、ピン５３の下流側に第１ノズルベーン５４が配置されている。よって、ピン５３の下流側におけるウェークの発生箇所に第１ノズルベーン５４が配置されることから、上記ウェークは生じない。そのため、ウェークの発生により可変ノズル５の流路が狭められることがなく、可変ノズル５内の排気ガスが流動できる領域が拡大する。結果として、排気ガスを滞留させることなく速やかに流動させることができる。

タービンインペラ１２を回転させた後の排気ガスは、タービンインペラ１２の前方へ流動し、タービン出口２２からタービンハウジング２の外部へ排出される。その後、排気ガスは排ガス浄化装置によって浄化され、大気に放出される。

タービンインペラ１２が回転することで、ロータ軸１１によって接続されたコンプレッサインペラ１３が回転する。コンプレッサインペラ１３が回転することで、コンプレッサ入口４１を介して外部から導入された空気が吸引され、コンプレッサインペラ１３の径方向外側に設けられたディフューザ流路４２へ送り出される。空気はディフューザ流路４２内で圧縮され、コンプレッサスクロール流路４３を介して内燃機関の吸気口へ供給される。内燃機関に圧縮された空気が供給されることで、内燃機関の性能を向上させることができる。
以上で、ターボチャージャ１００の動作が終了する。

したがって、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、排気ガスの流量が多く第１ノズルベーン５４の開度が大きい場合に、可変ノズル５内の排気ガスが流動できる領域が拡大するため、より速やかに流体を流動させることができ、結果としてターボチャージャ１００の効率を向上させることができるという効果がある。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、第１ノズルベーン５４の上流側端部５４ａにおける端面は、略平面状に形成されていたが、これに限定されるものではなく、図４に示すような形状としてもよい。
図４は、第１ノズルベーン５４の変形例を示す概略図である。
図４に示すように、第１ノズルベーン５４の上流側端部５４ｂは、ピン５３に応じた形状となっている。より詳しくは、上流側端部５４ｂの端面は、ピン５３の外周面に略沿った曲面に形成されている。このような形状とした場合、第１ノズルベーン５４が位置５４Ｗにあるときの、ピン５３及び第１ノズルベーン５４の周囲を流動する排気ガスに対する流動抵抗を低減させることができる。

また、上記実施形態では、可変ノズル５に、一般的なノズルベーン形状である第２ノズルベーン５５に比べ短く形成された第１ノズルベーン５４が用いられているが、図５に示すような構成としてもよい。
図５は、可変ノズル５の変形例を示す概略図である。
可変ノズル５の外径に余裕がある場合には、第２ノズルベーン５５が最大開度位置５５Ｗにあるときの、一点鎖線Ｅ２で示される第２ノズルベーン５５の延長方向、且つ排気ガスの流動方向での上流側に、ピン５３を設けることが可能となる。このような構成でも、第２ノズルベーン５５の配置によって、ピン５３の下流側におけるウェークの発生を抑えることができるため、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、この変形例では、第１ノズルベーン５４は使用されない。

また、上記実施形態では、ピン５３は略円柱状に形成されているが、これに限定されるものではなく、ピン５３の形状を図６に示すような形状としてもよい。
図６は、ピン５３の変形例であるピン５３Ａの概略図である。
ピン５３Ａは、第２ノズルベーン５５が最大開度位置５５Ｗにあるときの、上流側の端部に応じた形状となっている。よって、可変ノズル５の外径が小さい場合でも、一般的なノズルベーン形状である第２ノズルベーン５５と干渉することなく、ピン５３Ａを設けることが可能となる。さらに、第２ノズルベーン５５が最大開度位置５５Ｗにあるときの、ピン５３及び第２ノズルベーン５５の周囲を流動する排気ガスに対する流動抵抗を低減することができる。

５…可変ノズル、５１…シュラウドリング（円板部材）、５２…ハブリング（円板部材）、５３…クリアランスピン（連結部材）、５４…第１ノズルベーン（翼部材、第１翼部材）、５５…第２ノズルベーン（翼部材、第２翼部材）、１００…ターボチャージャ（可変容量型ターボチャージャ）

Claims (5)

1. 流体の流量を調整する可変ノズルであって、
   略円環状に形成された一対の円板部材と、
   前記一対の円板部材を互いに対向させ所定の間隔で連結する複数の連結部材と、
   前記一対の円板部材の間に、前記対向する方向で延びる所定の軸周りに回動自在に設けられる複数の翼部材とを有し、
   前記連結部材は、前記翼部材の開度が最大であるときの、前記翼部材の延長方向、且つ前記流体の流動方向の上流側に設けられることを特徴とする可変ノズル。
2. 請求項１に記載の可変ノズルにおいて、
   前記翼部材は、前記連結部材の近傍に設けられる第１翼部材と、それ以外の位置に設けられる第２翼部材とを有し、
   前記第１翼部材は、前記第２翼部材に比べ前記上流側が短くなっていることを特徴とする可変ノズル。
3. 請求項２に記載の可変ノズルにおいて、
   前記第１翼部材の前記上流側は、前記連結部材に応じた形状となっていることを特徴とする可変ノズル。
4. 請求項１又は２に記載の可変ノズルにおいて、
   前記連結部材は、前記翼部材の開度が最大であるときの、前記翼部材の前記上流側に応じた形状となっていることを特徴とする可変ノズル。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の可変ノズルを備えることを特徴とする可変容量型ターボチャージャ。
   

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