JP2013136993A - ツインスクロールターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】スクロール出口から噴出した排ガスが、動翼入口付近で急膨張しないようにして、動翼内での流動抵抗を抑えることにより過給効率向上と低コストの、ターボチャージャを提供することを目的とする。
【解決手段】ツインスクロールターボチャージャ１であって、リヤスクロール２２と、フロントスクロール２１と、両スクロールを隔壁するスクロールスロート部２４と、排ガスによって回転させる動翼３と、該動翼３の外周部とフロントスクロール２１、リヤスクロール２２を形成するタービンハウジング２とを備え、フロントスクロール２１のスクロールスロート部２４と対向した面の傾斜の延長線が動翼入口３ａの中間位置に交差する傾斜面２８を有し、動翼３の外周部と一定幅の隙間を有したタービンハウジング２の内周面２６と傾斜面２８とが交差する交差部Ｐの接続Ｒの形状は、一定幅αの隙間が動翼入口３ａの位置まで連続する形状としたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの排ガスによって駆動されるターボチャージャのタービンハウジングに２個の排ガス導入路が形成されたツインスクロールターボチャージャに関する。

エンジンの排ガスエネルギーにより、エンジンへの給気を加圧して出力を向上させるため排気ターボチャージャが広く使用されている。
通常のターボチャージャ（排ガス導入流路が１個）の場合、エンジンの低速回転数域においては、給気の加圧が十分に行われない傾向があり、その対応として、ツインスクロールターボチャージャが採用されている。
ツインスクロールターボチャージャは、タービンハウジングの２個の排ガス導入流路から動翼前縁までの流路がフロント側と、リヤ側に分割されている。
ツインスクロールターボチャージャは、エンジンの排気脈動の動圧を有効に活用できるため、エンジンの低回転数域においても、通常のターボチャージャよりも優れた特性を有している。

エンジンの排気脈動の動圧を有効に活用するため四気筒エンジンの場合、燃焼気筒の順序を考慮して、第１気筒と第４気筒の排気管を連結してリヤスクロールに排ガスを導入し、第２気筒と第３気筒の排気管を連結してフロントスクロールに導入して、エンジンが２回転する間にフロントスクロールとリヤスクロールに交互で且つ間欠的に排ガスが導入されるようになっている。
しかし、フロントスクロール側からの流れとリヤスクロール側からの流れとが切換わる際に両スクロールから動翼に入る時期があり、その状態に合わせた動翼入口形状になっている。即ち、両スクロールから動翼に排ガスが導入されるため、動翼入口の幅（流路面積）を大きくしてある。
そのため、リヤスクロールの出口から噴出した排ガスは、動翼入口付近で急膨張し、排ガスの流れが乱れ、その状態で動翼のフィン間を流れる際に渦流が発生し、流動抵抗が増大し動翼の回転力低下になり、ターボチャージャの効率低下をまねく不具合を有する。

このような先行技術として、弊社出願の実開平２−８３３０４号公報（特許文献１）が開示されている。
特許文献1によると、フロントスクロールとリヤスクロールとを仕切っている中仕切り（スクロールスロート）の表面に中仕切り近傍を流れる排ガスの方向を調整する案内板が設けた技術が開示されている。
この案内板により、排ガスの流れ角度を強制的に変えて動翼の回転力を向上させ、ターボチャージャの過給効率を向上させるものである。

実開平２−８３３０４号公報

特許文献1によると、フロントスクロールとリヤスクロールとを仕切っている中仕切りの表面に中仕切り近傍を流れる排ガスの方向を調整する案内板を設けているが、案内板を設けることにより、ターボチャージャの製作工数及び、製作金型の複雑形状等によるコスト上昇が生じる。

そこで、本発明はこのような不具合に鑑み成されたもので、スクロール出口から噴出した排ガスが、動翼入口付近で急膨張しないようにして、動翼内での流動抵抗を抑えることにより過給効率向上と低コストの、ターボチャージャを提供することを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、エンジンの排ガスによって駆動されるターボチャージャのタービンハウジングに該ターボチャージャの回転軸の軸線に沿ってフロントスクロールおよび、リヤスクロールの２個の排ガス導入流路が形成されたツインスクロールターボチャージャであって、
前記フロントスクロールおよび前記リヤスクロールを形成するタービンハウジングと、
半径方向断面中心線が前記軸線に対して略直角に配設される前記リヤスクロールと、
半径方向断面中心線が前記軸線に対して前記動翼出口側に傾斜して配設される前記フロントスクロールと、
前記リヤスクロールと前記フロントスクロールとを仕切る隔壁と、
前記回転軸に装着され、排ガスによって該回転軸を回転させる動翼と、を備え、
前記フロントスクロールのハウジング側の傾斜面の延長線が前記動翼入口の中央部位置で交差すると共に、前記動翼の外周部と一定幅の隙間を有した前記タービンハウジングの内周面と前記傾斜面の延長線とが交差する交差部が、前記動翼入口幅の内側で且つ、前記動翼入口より大径側に位置するように前記フロントスクロールの出口部分が形成されたことを特徴とするツインスクロールターボチャージャ。

かかる発明によれば、スクロール出口から動翼入口までの間が動翼入口幅より小さく形成されることにより、リヤスクロールからの排ガスがスクロール出口から動翼入口までの間で急膨張するのを抑制して、排ガスの動翼通過中における流れの乱れを抑制でき、ツインスクロールターボチャージャの過給効率を向上させることができる。

また、本願発明において好ましくは、前記リヤスクロール又は前記フロントスクロールの一方のスクロールの出口面積と、動翼入口部流路面積と、前記動翼出口の面積とを順次拡大させ、面積拡大率が略直線状に増大するとよい。

このような構成にすることにより、リヤスクロール又はフロントスクロールの一方のスクロール出口面積から動翼出口面積までを略直線状に増大するようにしたので、流通中の排ガスの急膨張が生起されないので、排ガスの乱流を抑制し、流通抵抗を抑えてターボチャージャの性能向上を図ることができる。

また、本願発明において好ましくは、前記リヤスクロール又は、前記フロントスクロールの一方のスクロール出口幅に対し、前記動翼入口部流路の軸方向幅との比率を、１，２倍以上１，４倍以下にするとよい。

このような構成にすることにより、スクロール出口幅に対し、動翼入口部流路の幅との比率λを１，２倍以上１，４倍以下としたので、スクロール出口から動翼入口までの排ガスの増速を抑制し、動翼内部での急膨張を防止して、動翼内での排ガスの乱流を防ぎ、ターボチャージャの効率向上を図ることができる。

また、本願発明において好ましくは、前記交差部は円弧状に形成され、該円弧状の円弧中心は、前記回転軸線からの半径方向位置が前記動翼入口と同じか、又は大きくするとよい。

このような構成にすることにより、接続Ｒの中心位置を動翼外周端縁と同じか、又は大きくしたので、動翼とハウジングとの隙間が動翼の外周端縁まで一定にすることができ、動翼入口での排ガス拡大が防止でき、ターボチャージャの効率が向上できる。

本発明によれば、動翼入口幅を小さくすることにより、リヤスクロールからの排ガスがスクロール出口から動翼入口までの間で急膨張するのを抑制して、排ガスの動翼通過中における流れの乱れが抑制でき、ツインスクロールターボチャージャの過給効率を向上させることができる。

本発明の実施形態にかかるツインスクロールターボチャージャの作動概略図を示す。 （Ａ）は排ガスが動翼に作用する圧力変化状態図、（Ｂ）は（Ａ）の圧力変化に対する、スクロールからの排ガス吐出状況模式図を示す。 （Ａ）本発明の第１実施形態にかかる動翼入口部流路の形状図、（Ｂ）は動翼入口部流路の拡大図を示す。 図３における各流路断面積の変化状況図を示す。 本発明の第２実施形態にかかる動翼入口部流路の形状図を示す。 本発明と従来との排ガス流通状況比較説明図を示す。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

（第１実施形態）
図１に、本発明の実施形態にかかるツインスクロールターボチャージャの作動概略図を示し、１はツインスクロールターボチャージャを示し、図１においては、排気タービン４側の断面図を示している。５は４気筒（気筒の図示省略）のエンジンを示し、仮に、図上左から第１気筒５ａ、第２気筒５ｂ、第３気筒５ｃ、第４気筒５ｄとし、エンジン５から排出される排ガスは、第１気筒５ａと第４気筒５ｄの排ガスを同一排気マニホールドにまとめたＡ排気マニホールド５１と、第２気筒５ｂと第３気筒５ｃの排ガスを同一排気マニホールドにまとめたＢ排気マニホールド５２とに分割して、夫々の排気マニホールドに導入される。

ツインスクロールターボチャージャ１は、排ガスの圧力を受ける動翼３が周囲に配設された排気タービン４と、該排気タービン４と一体的に形成された軸部６１が軸受６２を介して軸支されている軸受ハウジング６と、軸部６１の排気タービン４と反対側に装着されているコンプレッサ（図示省略）と、排ガス導入口２３と、該排ガス導入口２３に導入された排ガスを、排気タービン４に噴出するスクロール部とを備えている。

スクロール部はタービンハウジング２に形成され、軸部６１の軸線方向に独立した２個の排ガス流路を有し、排気タービン４の動翼３の外周部に流路断面積を変化させながら渦巻状に形成されている。渦巻状の内周部から動翼３に向け排ガスが噴出される。
スクロール部の２個の排ガス流路は、軸部６１の軸線ＣＬに沿って排気タービン４側からフロントスクロール２１、リヤスクロール２２の順に形成されている。
そして、フロントスクロール２１とリヤスクロール２２は隔壁２５によって仕切られている。
また、フロントスクロール２１は、該フロントスクロール２１のラジアル方向断面図の中心線ＣＬｆ（図３参照）が排気タービン４側に傾斜しており、リヤスクロール２２は、該リヤスクロール２２のラジアル方向断面図の中心線ＣＬｒ（図３参照）が軸線ＣＬに対して略直角に配設されている。

排ガス導入口２３には、２個の排ガス導入口が設けられており、一方の排ガス導入口は、フロントスクロール２１に連通し、他方の排ガス導入口はリヤスクロール２２に連通している。
エンジン５から排出された排ガスは、Ａ排気マニホールド５１及び、Ｂ排気マニホールド５２を介して夫々フロントスクロール２１及び、リヤスクロール２２に導入され、動翼３に噴射され排気タービン４を回転させる。
排気タービン４の回転により、該排気タービン４と一体的に形成された軸部６１に装着されているコンプレッサ（図示省略）によって吸気が加圧され、エンジン５に供給される。

図２は４気筒（４サイクル）エンジン５から排出される排ガスが各スクロールから動翼３に入る圧力状況を図にしたもので、(Ａ)は各スクロールから動翼３に導かれる排ガスの圧力変化を示したもので、実線がフロントスクロール２１、破線がリヤスクロール２２を示す。
従って、４気筒（４サイクル）エンジン５から排出される排ガスは、エンジン５が２回転する間に、フロントスクロール２１及び、リヤスクロール２２夫々に圧力の高い山形が２回づつ（排ガス脈動）現れる。

図２（Ｂ）は、フロントスクロール２１及び、リヤスクロール２２夫々から動翼３に入る圧力の高さを模式的に表わしたもので、矢印の大きさが大きいと圧力が高いことを示したものである。
（ａ）のタイミングの時は、フロントスクロール２１から山形波形の頂部に相当する圧力が動翼３に噴射される。
（ｃ）のタイミングの時は、リヤスクロール２２から山形波形の頂部に相当する圧力が動翼３に噴射される。
そして、（ａ）から（ｃ）に移る時は（ｂ）の状態になり、排気マニホールド５１および、Ｂ排気マニホールド５２内に残存している排ガス圧力が、両方の排気マニホールド５１，５２から動翼３に低い圧力の排ガスが噴射される。
ツインスクロールターボチャージャ（シングルスクロールも同じ）の過給圧を向上させるには、動翼３に噴射する排ガス圧力が高い方が、過給圧向上には効率がよい。

図３（Ａ）は、本実施形態における動翼入口部流路２７におけるタービンハウジング２側の形状を変えたもので、（Ｂ）は動翼入口部流路２７の拡大図を示す。
フロントスクロール２１のスクロールスロート部２４を形成する隔壁２５と対向した面（タービンハウジング２）の傾斜の延長線Ｍが動翼入口３ａ（動翼の外周端縁）の中央部位置Ｌ８／２（動翼入口３ａの軸線ＣＬ方向中間部）で交差する傾斜面２８と、動翼３の外周部と一定幅の隙間αを有したタービンハウジング２の内周面２６との交差部Ｐにおける円弧状の接続Ｒは、一定幅の隙間αが動翼入口３ａの位置まで連続するようにした形状になっている。
従って、交差部Ｐは動翼３とタービンハウジング２との隙間αの動翼３側端縁から、該動翼３の中央部位置Ｌ８／２側（内側）に寄った位置Ｌ７になる。
交差部Ｐは、動翼入口３ａより軸部６１の軸線ＣＬから半径方向においてＬ５の長さ分大径位置に位置することになる。即ち、交差部Ｐにおける接続Ｒの中心位置ＣＰは、軸部６１の軸線ＣＬから半径方向において、動翼入口３ａと略同じ、又はそれより大径（Ｌ６の長さ）にすることによって一定幅の隙間αが動翼入口３ａまで形成される。
このような構造にすることにより、動翼入口部流路２７の幅Ｌ１（タービンハウジング側）が従来の動翼入口部流路の幅Ｌ２（斑点部分を取り除いた部分）に対し狭くなり、当該部の排ガス流通断面積が小さくなる。

動翼入口部流路２７の幅Ｌ１部分の斑点部分Ｑは本発明において従来形状に対し改良した部分である。
その結果を図４に、発明形状と、従来形状との各流路の断面積比較を示したもので、従来は動翼入口部流路２７の断面積が動翼出口３ｂの断面積と近い面積を有している。
一方、発明形状においては、スクロール出口、動翼入口部流路及び、動翼出口まで略一直線上に増大する形状になしている。
図６は本実施形態と従来形状（図３の斑点部分Ｑを除いた形状）における排ガスの流れを解析したものである。
尚、スクロール出口２２ａから動翼入口部流路２７までの距離が長い（排ガスの膨張範囲が大きい）リヤスクロール側で実施した。
また、図６（Ａ）は、リヤスクロール出口２２ａの幅Ｌ３に対して動翼入口部流路２７の幅Ｌ１が１．２から１．４倍の範囲で、図６（Ｂ）はリヤスクロール出口２２ａの幅Ｌ３に対して従来の動翼入口部流路の幅Ｌ２が１．８の条件で実施した。［幅Ｌ２（従来）＞Ｌ１（発明実施）］
尚、フロントスクロール出口２１ａの幅Ｌ４に対しても動翼入口部流路２７の幅Ｌ１が１．２から１．４倍の範囲となっている。
図６（Ａ）は本発明の場合を示し、動翼３内（動翼と動翼の間）において排ガスの渦巻Ｗ１が小さくなっており、排ガスの流通抵抗が小さいことを示している。
一方、図６（Ｂ）は、動翼３内において排ガスの渦巻Ｗ２が図６（Ａ）より大きくなっており、排ガスの流通抵抗が大きいことを示している。
その結果、各スクロール出口から動翼入口の間の空間が小さくなるので、排ガスの膨張が抑制され、動翼３内で渦巻状の流れの発生が抑制され、動翼３内における排ガスの流通抵抗が小さくなり、排気タービン４の回転力が向上し、ターボチャージャとしての過給効率が向上する。

（第２実施形態）
本実施形態では、スクロール出口部と動翼入口部流路２７の形状に関するものであり、当該部以外は第１実施形態と同じなので、同じ部品は同じ符号を付して、説明は省略する。
第２実施形態は、リヤスクロール出口２２ａの幅Ｌ３（又はフロントスクロール出口２１ａの幅Ｌ４）に対し、動翼入口部流路２７の幅Ｌ１（軸方向幅）の比率γを１．２倍から１．４倍の範囲に規定したものである。
尚、比率γが１．２の場合は、軸部６１の軸線ＣＬに対し、動翼入口部流路２７（ＣＬ方向幅Ｌ１）の半径Ｒｉｎに対し、リヤスクロール出口２２ａ（ＣＬ方向幅Ｌ３）の半径Ｒｏｕｔとの差に伴う周方向の開口長さの差により、動翼入口部流路２７の面積とリヤスクロール出口部２２ａの面積との面積比率が略１になる。

従って、比率γを１．２倍以下とすると動翼入口部通路２７の面積がスクロール出口２２ａの面積より小さくなるため，排ガス流が動翼入口３ａまで増速し，その後、動翼内部で出口まで面積が急拡大するため乱れが発生してしまう。排ガス流れの乱れは損失を増加させるため，過給機効率が低下する。従って前記比率は１．２倍以上１．４倍以下が望ましい。
これは、図４に示すように、スクロール出口の流路面積に、動翼入口部流路２７の流路面積を近づけることにより、流路断面積の急拡大を防止して、動翼３内での排ガス流の乱れを抑制するものである。
従って、その結果、各スクロール出口２１ａ，２２ａから動翼入口３ａの間の空間が小さくなるので、排ガスの膨張が抑制され、動翼３内で渦巻状の流れの発生が抑制され、動翼３内における排ガスの流通抵抗が小さくなり、排気タービン４の回転力が向上し、ターボチャージャとしての過給効率が向上する。

本実施形態によると、リヤスクロール出口２２ａ（又はフロントスクロール出口２１ａ）の幅と、動翼入口部流路２７との拡大比率を小さくすることにより、排ガス流の急膨張を抑制して、動翼３内（動翼と動翼の間）を流れる排ガスの流動抵抗を抑え、ターボチャージャの過給効率を向上させることができる。

エンジンの排ガスによって駆動されるターボチャージャの過給効率を向上させるものに適用できる。

１ ツインスクロールターボチャージャ
２ タービンハウジング
３ 動翼
３ａ 動翼入口
４ 排気タービン
５ エンジン
６ 軸受ハウジング
２１ フロントスクロール
２１ａ フロントスクロール出口
２２ リヤスクロール
２２ａ リヤスクロール出口
２３ 排ガス導入部
２４ スクロールスロート部
２６ 内周面
２７ 動翼入口部流路
２８ 傾斜面
５１ Ａ排気マニホールド
５２ Ｂ排気マニホールド
α 隙間
ＣＬ 回転軸の軸線
ＣＰ Ｒ中心
Ｐ 交差部
Ｑ 斑点部
Ｌ１ 動翼入口部流路の幅（発明実施）
Ｌ２ 動翼入口部流路の幅（従来）
Ｌ３ リヤスクロール出口の幅
Ｌ４ フロントスクロール出口の幅

Claims (4)

1. エンジンの排ガスによって駆動されるターボチャージャのタービンハウジングに該ターボチャージャの回転軸の軸線に沿ってフロントスクロールおよび、リヤスクロールの２個の排ガス導入流路が形成されたツインスクロールターボチャージャであって、
   前記フロントスクロールおよび前記リヤスクロールを形成するタービンハウジングと、
   半径方向断面中心線が前記軸線に対して略直角に配設される前記リヤスクロールと、
   半径方向断面中心線が前記軸線に対して前記動翼出口側に傾斜して配設される前記フロントスクロールと、
   前記リヤスクロールと前記フロントスクロールとを仕切る隔壁と、
   前記回転軸に装着され、排ガスによって該回転軸を回転させる動翼と、を備え、
   前記フロントスクロールのハウジング側の傾斜面の延長線が前記動翼入口の中央部位置で交差すると共に、前記動翼の外周部と一定幅の隙間を有した前記タービンハウジングの内周面と前記傾斜面の延長線とが交差する交差部が、前記動翼入口幅の内側で且つ、前記動翼入口より大径側に位置するように前記フロントスクロールの出口部分が形成されたことを特徴とするツインスクロールターボチャージャ。
2. 前記リヤスクロール又は前記フロントスクロールの一方のスクロールの出口面積と、前記動翼入口部流路の面積と、前記動翼出口の面積とを順次拡大させ、面積拡大率が略直線状に増大するようにしたことを特徴とする請求項１記載のツインスクロールターボチャージャ。
3. 前記リヤスクロール又は、前記フロントスクロールの一方のスクロールの出口幅に対し、前記動翼入口部流路の軸方向幅との比率を、１．２倍以上１．４倍以下とすることを特徴とする請求項１又は２に記載のツインスクロールターボチャージャ。
4. 前記交差部は円弧状に形成され、該円弧状の中心は、前記回転軸線からの半径方向位置が前記動翼入口と同じか、又は大きくしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載のツインスクロールターボチャージャ。
   
   

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