JP2012122346A - スクロール部構造及び過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンピングロスを低減することができ、タービン出力を向上させることができ、動翼への負荷集中を抑制することができる、スクロール部構造及び過給機を提供する。
【解決手段】スクロール流路３２は、気筒２１〜２４と一対一に対応するように、かつ、回転軸周りに並列に配置されるように、複数に分割されており、スクロール流路３２は、少なくとも、動翼３１の先端側に流体を送気する先端側スクロール流路３２ａと、動翼３１の根元側に流体を送気する根元側スクロール流路３２ｂと、を有し、気筒２１〜２４の排気順序に対応して、先端側スクロール流路３２ａに流体を送気した後に根元側スクロール流路３２ｂに流体を送気し、根元側スクロール流路３２ｂに流体を送気した後に先端側スクロール流路３２ａに流体を送気することとなる部分を含むように、スクロール流路３２が気筒２１〜２４に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体機械のスクロール部構造及び過給機に関し、特に、複数の気筒を有するエンジンに接続される流体機械のスクロール部構造及び過給機に関する。

流体と動翼との間でエネルギー交換する流体機械の一つにタービンがある。タービンは、流体を動翼に供給して、流体の運動エネルギーを回転運動に変換して動力を得る流体機械である。かかるタービンを利用した装置の一つに過給機がある。例えば、車両用の過給機（ターボチャージャー）は、排気ガスの供給により動翼を回転させるガスタービンと、前記動翼と同軸に連結された羽根車により空気を吸入するコンプレッサと、を備えている。前記コンプレッサにより吸入された空気は、圧縮されてエンジンに供給され、燃料と混合されて燃焼される。燃焼後の排気ガスは、前記タービンに送られて仕事をした後、最終的に大気中に放出される。前記排気ガスを前記動翼に供給する流路は、排気ガスを加速させるために、前記動翼の回転軸周りに渦巻き形状に形成されたスクロール部を有し、前記動翼の周方向端面から前記排気ガスを供給するように構成されている。

ところで、複数の気筒を有するエンジンでは、各気筒からの排気ガスをエキゾーストマニホールドという集合配管に集約してから、タービンのスクロール部に排気ガスを送気するように構成されていることが多い（例えば、特許文献１参照）。

また、エンジンに備えられた複数の気筒の数に分割された複数のスクロール流路を有するスクロール部と、複数の気筒のそれぞれから延びる排気流路と各スクロール流路の上流側とを接続する複数の接続流路と、を有するタービンも既に提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００９−１９７７６０号公報 特開２００９−１５０２２６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された構成では、各気筒から所定のタイミングで間欠的に排出される排気ガスが、気筒直後のエキゾーストマニホールド部で合流するため、排気干渉によりポンピングロスが大きくなってしまうという問題があった。また、エキゾーストマニホールド部における排気ガスの混合により、排気ガスの運動エネルギーが失われ、排気脈動のエネルギーを効率よくタービンの軸力に変換することができないという問題もあった。

また、特許文献２に記載された構成では、各気筒と各スクロール流路とを接続する接続流路にバイパス流路が形成され、バイパス流路にはバルブ機構が配置されており、バルブ機構によりバイパス流路を開閉することによって、エンジンの回転速度に応じて、気筒ごとの排気ガスを個別にスクロール流路に送気したり、従来と同様のエキゾーストマニホールド部を構成して排気ガスをスクロール流路に送気したりすることができるように構成されている。

したがって、バイパス流路を開放した場合にはエキゾーストマニホールド部が形成されるため、特許文献１に記載された構成と同様の問題を生じる。また、タービンのエンジンとの接続部の構造が複雑となってしまい、コストアップの要因となってしまうという問題があった。また、スクロール流路を変更したことにより、動翼への負荷が変動することから、動翼への負荷を分散させて、より性能を向上させたいという要求もあった。

本発明は、上述した問題点に鑑み創案されたものであり、ポンピングロスを低減することができ、タービン出力を向上させることができ、動翼への負荷集中を抑制することができる、スクロール部構造及び過給機を提供することを目的とする。

本発明によれば、複数の気筒を有するエンジンから排気される流体と動翼との間でエネルギーを交換する流体機械の前記動翼の回転軸周りに渦巻き形状に形成されたスクロール流路を構成するスクロール部構造であって、前記スクロール流路は、前記気筒と一対一に対応するように、かつ、前記回転軸周りに並列に配置されるように、複数に分割されており、前記スクロール流路は、少なくとも、前記動翼の先端側に前記流体を送気する先端側スクロール流路と、前記動翼の根元側に前記流体を送気する根元側スクロール流路と、を有し、前記気筒の排気順序に対応して、前記先端側スクロール流路に前記流体を送気した後に前記根元側スクロール流路に前記流体を送気し、前記根元側スクロール流路に前記流体を送気した後に前記先端側スクロール流路に前記流体を送気することとなる部分を含むように、前記スクロール流路が前記気筒に接続されている、ことを特徴とするスクロール部構造が提供される。

また、本発明によれば、複数の気筒を有するエンジンから排気ガスが供給されて動翼を回転させるガスタービンと、前記動翼と同軸に連結された羽根車により空気を吸入するコンプレッサと、を備えた過給機であって、前記ガスタービンは、前記動翼の回転軸周りに渦巻き形状に形成されたスクロール流路を構成するスクロール部構造を有し、該スクロール部構造は、前記スクロール流路が、前記気筒と一対一に対応するように、かつ、前記回転軸周りに並列に配置されるように、複数に分割されており、前記スクロール流路が、少なくとも、前記動翼の先端側に前記流体を送気する先端側スクロール流路と、前記動翼の根元側に前記流体を送気する根元側スクロール流路と、を有し、前記気筒の排気順序に対応して、前記先端側スクロール流路に前記流体を送気した後に前記根元側スクロール流路に前記流体を送気し、前記根元側スクロール流路に前記流体を送気した後に前記先端側スクロール流路に前記流体を送気することとなる部分を含むように、前記スクロール流路が前記気筒に接続されている、ことを特徴とする過給機が提供される。

上述したスクロール部構造及び過給機において、並列に配置された前記先端側スクロール流路と前記根元側スクロール流路とは、前記気筒の排気順序が連続しないように接続されていてもよい。

前記スクロール流路は、前記動翼の周面に対して均等に配置された複数の入口部を有していてもよい。また、前記スクロール流路は、前記動翼の径方向に多段に形成されていてもよい。

前記先端側スクロール流路に前記流体を送気した後に前記先端側スクロール流路に前記流体を送気する部分、又は、前記根元側スクロール流路に前記流体を送気した後に前記根元側スクロール流路に前記流体を送気することとなる部分を含むように、前記スクロール流路が前記気筒に接続されていてもよい。

上述した本発明に係るスクロール部構造及び過給機によれば、気筒とスクロール流路とを個別に所定の配置で直結し、エキゾーストマニホールド部を不要としたことにより、排気干渉を抑制することができ、ポンピングロスを低減することができる。また、排気脈動のエネルギーを効率よくタービンの軸力に変換することができ、タービン出力を向上させることができる。加えて、過給圧を増加させることができ、エンジンの出力を向上させることもできる。

さらに、先端側スクロール流路から根元側スクロール流路又は根元側スクロール流路から先端側スクロール流路の順序で送気する部分を含むように、スクロール流路と気筒とを接続したことにより、動翼への負荷集中を抑制することができ、疲労に対する強度を向上させることができ、短命化を抑制することができる。

本発明の第一実施形態に係るスクロール部構造を示す概略図であり、（ａ）は全体構成図、（ｂ）は図１（ａ）におけるＢ−Ｂ矢視図、（ｃ）は図１（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図、を示している。 第一実施形態の作用を示す説明図であり、（ａ）は排気脈動を示す図、（ｂ）は図１（ｃ）に相当する断面図、である。 本発明の第二実施形態に係るスクロール部構造を示す概略図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は図３（ａ）におけるＢ矢視図、（ｃ）は図３（ａ）におけるＣ矢視図、（ｄ）は図３（ａ）におけるＤ−Ｄ断面図、を示している。 本発明の第三実施形態に係るスクロール部構造を示す概略図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は図４（ａ）におけるＢ矢視図、（ｃ）は図４（ａ）におけるＣ矢視図、（ｄ）は図４（ａ）におけるＤ矢視図、（ｅ）は図４（ａ）におけるＥ−Ｅ断面図、（ｆ）は図４（ａ）におけるＦ−Ｆ断面図、を示している。 本発明の第四実施形態に係るスクロール部構造を示す概略図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は図５（ａ）におけるＢ矢視図、（ｃ）は図５（ａ）におけるＣ矢視図、（ｄ）は図５（ａ）におけるＤ−Ｄ断面図、を示している。 本発明に係るスクロール部構造の効果を確認するための試験装置構成図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は図６（ａ）における本実施形態のＢ矢視図、（ｃ）は図６（ａ）における従来技術のＢ矢視図、（ｄ）は排気ガスの入口流量を示す図、（ｅ）は排気ガスの温度を示す図、である。 図６に示した試験装置のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）はタービン出力、（ｂ）は膨張比の時間平均値、（ｃ）はタービン出力の時間平均値、を示している。 本発明の実施形態に係る過給機の断面図である。

以下、本発明に係るスクロール部構造の第一実施形態について、図１〜図２を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の第一実施形態に係るスクロール部構造を示す概略図であり、（ａ）は全体構成図、（ｂ）は図１（ａ）におけるＢ−Ｂ矢視図、（ｃ）は図１（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図、を示している。また、図２は、第一実施形態の作用を示す説明図であり、（ａ）は排気脈動を示す図、（ｂ）は図１（ｃ）に相当する断面図、である。なお、図２（ａ）において、横軸はクランク角ＣＡ（°）、縦軸は排気ガス流量（ｋｇ／ＣＡ）、を示している。

本発明の第一実施形態に係るスクロール部構造１は、図１（ａ）〜（ｃ）に示したように、複数の気筒２１〜２４を有するエンジン２から排気される流体と動翼３１との間でエネルギーを交換する流体機械３の動翼３１の回転軸周りに渦巻き形状に形成されたスクロール流路３２を構成するスクロール部構造１であって、スクロール流路３２は、気筒２１〜２４と一対一に対応するように、かつ、回転軸周りに並列に配置されるように、複数に分割されており、スクロール流路３２は、少なくとも、動翼３１の先端側に流体を送気する先端側スクロール流路３２ａと、動翼３１の根元側に流体を送気する根元側スクロール流路３２ｂと、を有し、気筒２１〜２４の排気順序に対応して、先端側スクロール流路３２ａに流体を送気した後に根元側スクロール流路３２ｂに流体を送気し、根元側スクロール流路３２ｂに流体を送気した後に先端側スクロール流路３２ａに流体を送気することとなる部分を含むように、スクロール流路３２が気筒２１〜２４に接続されている。

前記エンジン２は、例えば、四気筒のレシプロエンジンであり、四つの気筒（第一気筒２１，第二気筒２２，第三気筒２３，第四気筒２４）を有し、それぞれ排気口２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａを有している。したがって、各気筒２１〜２４内で燃料を燃焼させた後に生じる排気ガス（流体）は、各排気口２１ａ〜２４ａに送気される。エンジン２は、図２（ａ）に示したように、第一気筒２１（実線）、第二気筒２２（破線）、第三気筒２３（一点鎖線）、第四気筒２４（二点鎖線）の順序で作動され、間欠的に排気ガスを排出する。

また、各排気口２１ａ〜２４ａには、排気ガスをスクロール流路３２に個別に送気するための接続配管２５が接続されている。接続配管２５は、排気口２１ａ〜２４ａごとに個別に形成されていてもよいし、一体の構造物として形成されていてもよいし、流体機械３の一部として一体に形成されていてもよい。

前記流体機械３は、例えば、車両用の過給機（ターボチャージャー）であり、詳しくは、排気ガスの供給により動翼３１を回転させるガスタービンである。

前記スクロール流路３２は、供給された排気ガスを動翼３１に送気する流路である。スクロール流路３２は、例えば、図１（ｂ）に示したように、二行二列の四つの流路に分割されており、第一スクロール流路３２１、第二スクロール流路３２２、第三スクロール流路３２３及び第四スクロール流路３２４を有する。そして、第一スクロール流路３２１は第一気筒２１に接続され、第二スクロール流路３２２は第二気筒２２に接続され、第三スクロール流路３２３は第三気筒２３に接続され、第四スクロール流路３２４は第四気筒２４に接続されている。

図１（ａ）に示したように、スクロール流路３２は、動翼３１の径方向に二段に形成されている。図１（ｂ）に示したように、内側のスクロール流路３２は、並列に配置された第四スクロール流路３２４と第二スクロール流路３２２とにより構成され、外側のスクロール流路３２は、並列に配置された第一スクロール流路３２１と第三スクロール流路３２３とにより構成されている。また、内側のスクロール流路３２は、図１（ａ）において薄灰色部で示した動翼３１に排気ガスを供給し、外側のスクロール流路３２は、図１（ａ）において濃灰色部で示した動翼３１に排気ガスを供給する。

ここで、エンジン２の排気順序は、第一スクロール流路３２１、第二スクロール流路３２２、第三スクロール流路３２３、第四スクロール流路３２４の順序に対応していることから、外側のスクロール流路３２、内側のスクロール流路３２、外側のスクロール流路３２、内側のスクロール流路３２、の順序で排気ガスが動翼３１に供給される。かかる順序で動翼３１に排気ガスを供給することにより、図１（ａ）において、動翼３１を色分けした部分（薄灰色部と濃灰色部）に交互に排気ガスを供給することができ、動翼３１に対してバランスよく負荷をかけることができる。

また、図１（ｃ）に示したように、先端側スクロール流路３２ａは、第一スクロール流路３２１と第四スクロール流路３２４とにより構成され、根元側スクロール流路３２ｂは、第二スクロール流路３２２と第三スクロール流路３２３とにより構成されている。かかる構成によれば、並列に配置された先端側スクロール流路３２ａと根元側スクロール流路３２ｂとは、気筒２１〜２４の排気順序が連続しないように接続される。具体的には、先端側スクロール流路３２ａである第四スクロール流路３２４と根元側スクロール流路３２ｂである第二スクロール流路３２２とが並列に配置されており、その排気順序は四番目と二番目である。また、先端側スクロール流路３２ａである第一スクロール流路３２１と根元側スクロール流路３２ｂである第三スクロール流路３２３とが並列に配置されており、その排気順序は一番目と三番目である。

ここで、スクロール流路３２への排気ガスの供給順序は、図２（ａ）に示したエンジン２の排気順序に対応していることから、第一スクロール流路３２１、第二スクロール流路３２２、第三スクロール流路３２３、第四スクロール流路３２４の順序で排気ガスが気筒２１〜２４から供給される。したがって、図２（ｂ）に示したように、動翼３１に対して、先端側スクロール流路３２ａである第一スクロール流路３２１から先端側（図の薄灰色部）に排気ガスが送気され、根元側スクロール流路３２ｂである第二スクロール流路３２２から根元側（図の濃灰色部）に排気ガスが送気され、根元側スクロール流路３２ｂである第三スクロール流路３２３から根元側（図の濃灰色部）に排気ガスが送気され、先端側スクロール流路３２ａである第四スクロール流路３２４から先端側（図の薄灰色部）に排気ガスが送気される。

すなわち、第一気筒２１及び第二気筒２２による一番目及び二番目の排気順序では、先端側スクロール流路３２ａ（第一スクロール流路３２１）に排気ガスを送気した後に根元側スクロール流路３２ｂ（第二スクロール流路３２２）に排気ガスを送気し、第三気筒２３及び第四気筒２４の三番目及び四番目の排気順序では、根元側スクロール流路３２ｂ（第三スクロール流路３２３）に排気ガスを送気した後に先端側スクロール流路３２ａ（第四スクロール流路３２４）に排気ガスを送気することとなる部分を含んでいる。かかる構成により、動翼３１への負荷集中を抑制することができ、疲労に対する強度を向上させることができ、短命化を抑制することができる。

また、第二気筒２２及び第三気筒２３による二番目及び三番目の排気順序では、根元側スクロール流路３２ｂに排気ガスを送気した後に根元側スクロール流路３２ｂに排気ガスを送気し、第四気筒２４及び第一気筒２１による四番目及び一番目の排気順序では、先端側スクロール流路３２ａに排気ガスを送気した後に先端側スクロール流路３２ａに排気ガスを送気することとなる部分を含んでいる。これは、二行二列に分割されたスクロール流路３２において、動翼３１の周方向にバランスよく排気ガスを供給するように内側のスクロール流路３２と外側のスクロール流路３２とに交互に排気ガスを供給することと、動翼３１の径方向にバランスよく排気ガスを供給するように先端側スクロール流路３２ａと根元側スクロール流路３２ｂとに交互に排気ガスを供給すること、を考慮した場合に、前者を優先した結果である。後者を優先した場合には、例えば、第三スクロール流路３２３と第四スクロール流路３２４との配置を入れ替えるようにしてもよい。

上述したスクロール部構造１によれば、気筒２１〜２４とスクロール流路３２とを個別に直結し、エキゾーストマニホールド部を不要としたことにより、排気干渉を抑制することができ、ポンピングロスを低減することができる。また、先端側スクロール流路３２ａから根元側スクロール流路３２ｂ又は根元側スクロール流路３２ｂから先端側スクロール流路３２ａの順序で送気する部分を含むように、スクロール流路３２と気筒２１〜２４とを接続したことにより、動翼３１への負荷集中を抑制することができ、疲労に対する強度を向上させることができ、短命化を抑制することができる。

なお、上述した第一スクロール流路３２１〜第四スクロール流路３２４の配置は、単なる一例であり、内側のスクロール流路３２と外側のスクロール流路３２とに交互に排気ガスを供給すること及び先端側スクロール流路３２ａと根元側スクロール流路３２ｂとに交互に排気ガスを供給することを考慮して、任意の組み合わせに配置することができる。

次に、本発明に係るスクロール部構造１の第二実施形態について、図３を用いて説明する。ここで、図３は、本発明の第二実施形態に係るスクロール部構造を示す概略図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は図３（ａ）におけるＢ矢視図、（ｃ）は図３（ａ）におけるＣ矢視図、（ｄ）は図３（ａ）におけるＤ−Ｄ断面図、を示している。なお、図３（ａ）において、エンジン２及び接続配管２５の図は省略してある。

図３に示した第二実施形態に係るスクロール部構造１は、スクロール流路３２を多段に形成せずに、スクロール流路３２を動翼３１の周面に対して均等に配置された複数の入口部（第一入口部３３ａ及び第二入口部３３ｂ）を有するように形成したものである。具体的には、第一実施形態において、外側のスクロール流路３２（第一スクロール流路３２１及び第三スクロール流路３２３）を第一入口部３３ａの位置から位相を１８０°だけずらして第二入口部３３ｂの位置に配置している。

かかる構成により、第一実施形態において外側のスクロール流路３２が内側のスクロール流路３２に沿って排気ガスを送気する無駄な流路を省略することができ、第一入口部３３ａ及び第二入口部３３ｂから、動翼３１の色分けした部分に直に交互に排気ガスを供給することができる。また、スクロール流路３２を多段に形成する必要がなく、流体機械３の小型化を図ることができる。

次に、本発明に係るスクロール部構造１の第三実施形態について、図４を用いて説明する。ここで、図４は、本発明の第三実施形態に係るスクロール部構造を示す概略図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は図４（ａ）におけるＢ矢視図、（ｃ）は図４（ａ）におけるＣ矢視図、（ｄ）は図４（ａ）におけるＤ矢視図、（ｅ）は図４（ａ）におけるＥ−Ｅ断面図、（ｆ）は図４（ａ）におけるＦ−Ｆ断面図、を示している。なお、図４（ａ）において、エンジン２及び接続配管２５の図は省略してある。

図４に示した第三実施形態に係るスクロール部構造１は、六気筒のエンジン（図示せず）に本発明を適用した場合を想定したものである。かかる場合、図１に示した第一実施形態を応用して、二行三列又は三行二列にスクロール流路３２を分割するようにしてもよいが、気筒数の増加に応じて多段にスクロール流路３２を形成した場合には、スクロール部構造１が大型化し易い。そこで、第三実施形態では、一行二列のスクロール流路３２を三つ形成し、スクロール流路３２を動翼３１の周面に対して均等に配置された複数の入口部（第一入口部３３ａ、第二入口部３３ｂ及び第三入口部３３ｃ）を有するように形成している。

具体的には、第一入口部３３ａ、第二入口部３３ｂ及び第三入口部３３ｃの位相を１２０°だけずらして配置し、図４（ｂ）に示したように、第一入口部３３ａに第四スクロール流路３２４及び第一スクロール流路３２１を配置し、図４（ｃ）に示したように、第二入口部３３ｂに第六スクロール流路３２６及び第三スクロール流路３２３を配置し、図４（ｄ）に示したように、第三入口部３３ｃに第二スクロール流路３２２及び第五スクロール流路３２５を配置している。

したがって、かかる第三実施形態によれば、第一スクロール流路３２１から第六スクロール流路３２６の順序で排気ガスが送気されることから、第一入口部３３ａ（第一スクロール流路３２１）、第三入口部３３ｃ（第二スクロール流路３２２）、第二入口部３３ｂ（第三スクロール流路３２３）、第一入口部３３ａ（第四スクロール流路３２４）、第三入口部３３ｃ（第五スクロール流路３２５）、第二入口部３３ｂ（第六スクロール流路３２６）の順序で動翼３１に対して排気ガスが供給され、図４（ａ）において色分けして図示したように、動翼３１の周方向にバランスよく排気ガスを供給することができる。

また、図４（ｅ）及び（ｆ）に示したように、第四スクロール流路３２４、第六スクロール流路３２６及び第二スクロール流路３２２が先端側スクロール流路３２ａを構成し、第一スクロール流路３２１、第三スクロール流路３２３及び第五スクロール流路３２５が根元側スクロール流路３２ｂを構成している。

したがって、第一スクロール流路３２１から第六スクロール流路３２６の順序で排気ガスが送気されることから、根元側スクロール流路３２ｂ（第一スクロール流路３２１）、先端側スクロール流路３２ａ（第二スクロール流路３２２）、根元側スクロール流路３２ｂ（第三スクロール流路３２３）、先端側スクロール流路３２ａ（第四スクロール流路３２４）、根元側スクロール流路３２ｂ（第五スクロール流路３２５）、先端側スクロール流路３２ａ（第六スクロール流路３２６）の順序で動翼３１に対して排気ガスが供給され、動翼３１の径方向に交互にバランスよく排気ガスを供給することができる。

次に、本発明に係るスクロール部構造１の第四実施形態について、図５を用いて説明する。ここで、図５は、本発明の第四実施形態に係るスクロール部構造を示す概略図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は図５（ａ）におけるＢ矢視図、（ｃ）は図５（ａ）におけるＣ矢視図、（ｄ）は図５（ａ）におけるＤ−Ｄ断面図、を示している。なお、図５（ａ）において、エンジン２及び接続配管２５の図は省略してある。

図５に示した第四実施形態に係るスクロール部構造１は、第三実施形態と同様に、六気筒のエンジン（図示せず）に本発明を適用した場合を想定したものである。第四実施形態では、一行三列のスクロール流路３２を二つ形成し、スクロール流路３２を動翼３１の周面に対して均等に配置された複数の入口部（第一入口部３３ａ及び第二入口部３３ｂ）を有するように形成している。

具体的には、第一入口部３３ａ及び第二入口部３３ｂの位相を１８０°だけずらして配置し、図５（ｂ）に示したように、第一入口部３３ａに、第三スクロール流路３２３、第一スクロール流路３２１及び第五スクロール流路３２５を配置し、図５（ｃ）に示したように、第二入口部３３ｂに、第六スクロール流路３２６、第二スクロール流路３２２及び第四スクロール流路３２４を配置している。

したがって、かかる第四実施形態によれば、第一スクロール流路３２１から第六スクロール流路３２６の順序で排気ガスが送気されることから、第一入口部３３ａ（第一スクロール流路３２１）、第二入口部３３ｂ（第二スクロール流路３２２）、第一入口部３３ａ（第三スクロール流路３２３）、第二入口部３３ｂ（第四スクロール流路３２４）、第一入口部３３ａ（第五スクロール流路３２５）、第二入口部３３ｂ（第六スクロール流路３２６）の順序で動翼３１に対して排気ガスが供給され、図５（ａ）において色分けして図示したように、動翼３１の周方向に交互にバランスよく排気ガスを供給することができる。

また、図５（ｄ）に示したように、第三スクロール流路３２３及び第六スクロール流路３２６が先端側スクロール流路３２ａを構成し、第四スクロール流路３２４及び第五スクロール流路３２５が根元側スクロール流路３２ｂを構成している。なお、第一スクロール流路３２１及び第二スクロール流路３２２は、動翼３１の径方向の中間部に排気ガスを送気する中間部スクロール流路３２ｃを構成されている。

したがって、第一スクロール流路３２１から第六スクロール流路３２６の順序で排気ガスが送気されることから、中間部スクロール流路３２ｃ（第一スクロール流路３２１）、中間部スクロール流路３２ｃ（第二スクロール流路３２２）、先端側スクロール流路３２ａ（第三スクロール流路３２３）、根元側スクロール流路３２ｂ（第四スクロール流路３２４）、根元側スクロール流路３２ｂ（第五スクロール流路３２５）、先端側スクロール流路３２ａ（第六スクロール流路３２６）の順序で動翼３１に対して排気ガスが供給され、動翼３１の径方向にバランスよく排気ガスを供給することができる。

ここでは、中間部スクロール流路３２ｃに先に排気ガスを送気してから、先端側スクロール流路３２ａ及び根元側スクロール流路３２ｂに排気ガスを送気するように、第一スクロール流路３２１〜第六スクロール流路３２６を配置しているが、例えば、第一入口部３３ａを、左から順に、第五スクロール流路３２５、第一スクロール流路３２１、第三スクロール流路３２３と配置し、第二入口部３３ｂを、左から順に、第二スクロール流路３２２、第四スクロール流路３２４、第六スクロール流路３２６と配置して、先端側スクロール流路３２ａ、中間部スクロール流路３２ｃ及び根元側スクロール流路３２ｂの間で連続して同じ流路に排気ガスを送気しないように構成してもよい。

次に、本発明に係るスクロール部構造１の効果について説明する。ここで、図６は、本発明に係るスクロール部構造の効果を確認するための試験装置構成図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は図６（ａ）における本実施形態のＢ矢視図、（ｃ）は図６（ａ）における従来技術のＢ矢視図、（ｄ）は排気ガスの入口流量を示す図、（ｅ）は排気ガスの温度を示す図、である。また、図７は、図６に示した試験装置のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）はタービン出力、（ｂ）は膨張比の時間平均値、（ｃ）はタービン出力の時間平均値、を示している。

図６（ａ）に示した試験装置は、第一気筒及び第二気筒を有する二気筒のエンジン（図示せず）に本発明を適用した場合と従来技術を適用した場合とを比較するためのものである。図６（ｂ）に示したように、本発明を適用した場合には、一行二列のスクロール流路３２（第一スクロール流路３２１及び第二スクロール流路３２２）を形成し、入口部３３に接続配管（図示せず）を個別に直結している。また、図６（ｃ）に示したように、従来技術を適用した場合には、スクロール流路３２は複数の流路に分割されておらず、入口部３３に各気筒からの排気ガスを集約して入口部３３に供給するエキゾーストマニホールド部３４を接続している。

かかる試験装置において、図６（ｄ）に示したように、エンジンは、第一気筒（実線）、第二気筒（破線）の順序で作動され、間欠的に排気ガスを排出する。なお、図６（ｄ）において、横軸はクランク角ＣＡ（°）、縦軸は排気ガス流量（ｋｇ／ＣＡ）、を示している。また、排気ガスの温度は、図６（ｅ）に示したように、変化するように設定されている。なお、図６（ｅ）において、横軸はクランク角ＣＡ（°）、縦軸は排気ガス温度（Ｋ）、を示し、実線は第一気筒の温度、破線は第二気筒の温度、を示している。

図６に示した試験装置において、エンジン作動点を１２００ｒｐｍに設定し、シミュレーションした結果を図７（ａ）〜（ｃ）に示している。図７（ａ）において、横軸はクランク角ＣＡ（°）、縦軸はタービン出力（ｋＷ）、を示している。また、図７（ｂ）において縦軸は膨張比の時間平均値を示し、図７（ｃ）において縦軸はタービン出力の時間平均値（ｋＷ）を示している。

図７（ａ）に示したように、本発明を適用した場合（実線）のタービン出力は、従来技術を適用した場合（破線）のタービン出力よりも、全体的に向上していることが読み取れ、特に、タービン出力のピーク値において顕著な差を読み取ることができる。また、タービンの性能向上を理解し易くするために、膨張比及びタービン出力の時間平均値を算出した。図７（ｂ）に示したように、本発明における膨張比の時間平均値は、従来技術における膨張比の時間平均値に対して、９．４％程度向上していることがわかった。また、図７（ｃ）に示したように、本発明におけるタービン出力の時間平均値は、従来技術におけるタービン出力の時間平均値に対して、２７．５％程度向上していることがわかった。

このように、本発明に係るスクロール構造を適用することにより、排気干渉を抑制することができ、ポンピングロスを低減することができ、排気脈動のエネルギーを効率よくタービンの軸力に変換することができ、タービン出力を向上させることができる。その結果、過給圧を増加させることができ、エンジンの出力を向上させることもできる。

最後に、本発明に係る過給機の実施形態について説明する。ここで、図８は、本発明の実施形態に係る過給機の断面図である。なお、図１に示したスクロール部構造１と同じ構成部品については、同じ符号を付して重複した説明を省略する。

本発明の実施形態に係る過給機４は、図８に示したように、複数の気筒を有するエンジン（図示せず）から排気ガスが供給されて動翼３１を回転させるガスタービン５と、動翼３１と同軸に連結された羽根車６１により空気を吸入するコンプレッサ６と、を備えた過給機４であって、ガスタービン５は、動翼３１の回転軸周りに渦巻き形状に形成されたスクロール流路３２を構成するスクロール部構造１を有し、スクロール部構造１は、スクロール流路３２が、気筒と一対一に対応するように、かつ、回転軸周りに並列に配置されるように、複数に分割されており、スクロール流路３２が、少なくとも、動翼３１の先端側に排気ガスを送気する先端側スクロール流路３２ａと、動翼３１の根元側に排気ガスを送気する根元側スクロール流路３２ｂと、を有し、気筒の排気順序に対応して、先端側スクロール流路３２ａに排気ガスを送気した後に根元側スクロール流路３２ｂに排気ガスを送気し、根元側スクロール流路３２ｂに排気ガスを送気した後に先端側スクロール流路３２ａに排気ガスを送気することとなる部分を含むように、スクロール流路３２が気筒に接続されている。

かかる過給機４の外形は、ガスタービン５の筐体を構成するタービンハウジング５１と、コンプレッサ６の筐体を構成するコンプレッサハウジング６２と、タービンディスク５２と羽根車６１を連結する回転軸７を支持するセンターハウジング７１と、により構成されている。そして、スクロール部構造１は、タービンハウジング５１の一部を構成している。また、図示した過給機４は、いわゆる車両用過給機であり、車両のエンジンの回転数に合わせて適切なガスタービン５の出力を得るために、スクロール部構造１と動翼３１との間の導入路８１に複数の回動可能なベーン８２を配置した可変ノズル機構８を備えた可変容量過給機である。

ここで、可変ノズル機構８は、タービンハウジング５１に固定された環状のシュラウド５３と、タービンハウジング５１及びセンターハウジング７１の間に支持された環状の支持リング５４と、シュラウド５３及び支持リング５４の間で回動可能に支持された複数のベーン８２と、ベーン８２を回動させる駆動機構８３と、シュラウド５３と支持リング５４との間隔を保持するピン８４と、から構成されている。また、駆動機構８３は、例えば、リンク機構により構成されており、過給機４の外部に配置されたアクチュエータ（図示せず）により動力が与えられ、複数のベーン８２を同期させながら角度を変更できるように構成されている。

上述した本発明の実施形態に係る過給機４では、図１に示したスクロール部構造１を過給機４のガスタービン５に適用したものである。したがって、気筒とスクロール流路３２とを個別に直結し、エキゾーストマニホールド部を不要としたことにより、排気干渉を抑制することができ、ポンピングロスを低減することができる。また、排気脈動のエネルギーを効率よくガスタービン５の軸力に変換することができ、タービン出力を向上させることができる。加えて、過給圧を増加させることができ、エンジンの出力を向上させることもできる。さらに、先端側スクロール流路３２ａから根元側スクロール流路３２ｂ又は根元側スクロール流路３２ｂから先端側スクロール流路３２ａの順序で送気する部分を含むように、スクロール流路３２と気筒とを接続したことにより、動翼３１への負荷集中を抑制することができ、疲労に対する強度を向上させることができ、短命化を抑制することができる。

なお、本発明に係る過給機４は、図示した構造のものに限定されるものではなく、可変ノズル機構８の構成が異なる過給機や可変ノズル機構８を有しない過給機であってもよいし、車両用以外の過給機（例えば、舶用過給機）であってもよいし、排気ガス以外の気体や水等の液体により駆動されるタービンを有するものであってもよい。

本発明は上述した実施形態に限定されず、例えば、過給機４に本発明の第二実施形態〜第四実施形態に係るスクロール部構造１を適宜適用することができる、エンジンの気筒数は四気筒又は六気筒に限定されるものではない等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

１ スクロール部構造
２ エンジン
３ 流体機械
４ 過給機
５ ガスタービン
６ コンプレッサ
２１ 第一気筒
２２ 第二気筒
２３ 第三気筒
２４ 第四気筒
３１ 動翼
３２ スクロール流路
３２ａ 先端側スクロール流路
３２ｂ 根元側スクロール流路
３３ａ 第一入口部
３３ｂ 第二入口部
３３ｃ 第三入口部
６１ 羽根車
３２１ 第一スクロール流路
３２２ 第二スクロール流路
３２３ 第三スクロール流路
３２４ 第四スクロール流路
３２５ 第五スクロール流路
３２６ 第六スクロール流路

Claims (6)

1. 複数の気筒を有するエンジンから排気される流体と動翼との間でエネルギーを交換する流体機械の前記動翼の回転軸周りに渦巻き形状に形成されたスクロール流路を構成するスクロール部構造であって、
   前記スクロール流路は、前記気筒と一対一に対応するように、かつ、前記回転軸周りに並列に配置されるように、複数に分割されており、
   前記スクロール流路は、少なくとも、前記動翼の先端側に前記流体を送気する先端側スクロール流路と、前記動翼の根元側に前記流体を送気する根元側スクロール流路と、を有し、
   前記気筒の排気順序に対応して、前記先端側スクロール流路に前記流体を送気した後に前記根元側スクロール流路に前記流体を送気し、前記根元側スクロール流路に前記流体を送気した後に前記先端側スクロール流路に前記流体を送気することとなる部分を含むように、前記スクロール流路が前記気筒に接続されている、ことを特徴とするスクロール部構造。
2. 並列に配置された前記先端側スクロール流路と前記根元側スクロール流路とは、前記気筒の排気順序が連続しないように接続されている、ことを特徴とする請求項１に記載のスクロール部構造。
3. 前記スクロール流路は、前記動翼の周面に対して均等に配置された複数の入口部を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のスクロール部構造。
4. 前記スクロール流路は、前記動翼の径方向に多段に形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のスクロール部構造。
5. 前記先端側スクロール流路に前記流体を送気した後に前記先端側スクロール流路に前記流体を送気する部分、又は、前記根元側スクロール流路に前記流体を送気した後に前記根元側スクロール流路に前記流体を送気することとなる部分を含むように、前記スクロール流路が前記気筒に接続されている、ことを特徴とする請求項１に記載のスクロール部構造。
6. 複数の気筒を有するエンジンから排気ガスが供給されて動翼を回転させるガスタービンと、前記動翼と同軸に連結された羽根車により空気を吸入するコンプレッサと、を備えた過給機であって、
   前記ガスタービンは、前記動翼の回転軸周りに渦巻き形状に形成されたスクロール流路を構成するスクロール部構造を有し、該スクロール部構造は、請求項１〜請求項５のいずれかに記載のスクロール部構造を備えている、ことを特徴とする過給機。