JP2016053353A - ターボチャージャの排気タービン - Google Patents
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Abstract
【課題】タービン効率の低下を抑制できるターボチャージャの排気タービンを提供する。
【解決手段】排気タービンは、第1スクロール流路の出口に配置される第1ノズル23と、第2スクロール流路の出口に配置される第2ノズル24とを有する。第1ノズル23と第2ノズル24は、第1ノズル23に配置される第1ベーン23aの方が第2ノズル24に配置される第2ベーン24aより枚数が多く設けられて、第1ノズル23のスロート面積の方が第2ノズル24のスロート面積より小さく形成される。また、第1ノズル23よりタービン翼に吹き付けられる排気ガスの流入角より、第2ノズル24よりタービン翼に吹き付けられる排気ガスの流入角の方が小さくなるように第1ベーン23aおよび第2ベーン24aの取付け角が設定される。これにより、乱流もしくはチョークの発生を抑制でき、タービン効率を高めることができる。
【選択図】図3
【解決手段】排気タービンは、第1スクロール流路の出口に配置される第1ノズル23と、第2スクロール流路の出口に配置される第2ノズル24とを有する。第1ノズル23と第2ノズル24は、第1ノズル23に配置される第1ベーン23aの方が第2ノズル24に配置される第2ベーン24aより枚数が多く設けられて、第1ノズル23のスロート面積の方が第2ノズル24のスロート面積より小さく形成される。また、第1ノズル23よりタービン翼に吹き付けられる排気ガスの流入角より、第2ノズル24よりタービン翼に吹き付けられる排気ガスの流入角の方が小さくなるように第1ベーン23aおよび第2ベーン24aの取付け角が設定される。これにより、乱流もしくはチョークの発生を抑制でき、タービン効率を高めることができる。
【選択図】図3
Description
本発明は、内燃機関のターボチャージャにおいて、内燃機関より排出される排気ガスの運動エネルギを回転力に変換する排気タービンに関する。
ターボチャージャの排気タービンに関する従来技術として特許文献1が公知である。
同文献1に開示された排気タービンは、タービンハウジングの内部を隔壁により軸方向に分割して流路面積が小さい第1スクロール流路と流路面積が大きい第2スクロール流路とを形成し、且つ、第2スクロール流路の入口を開閉できる可変容量バルブを備えている。
この排気タービンは、例えばエンジンの低速回転域(排気ガス流量が少ない場合)に可変容量バルブを閉弁して第1スクロール流路にのみ排気ガスを集中的に導入し、排気ガス流量が多い高速回転域では可変容量バルブを開弁して第2スクロール流路にも排気ガスを導入することで排気ガス流量に応じたタービン出力を得ることができる。
同文献1に開示された排気タービンは、タービンハウジングの内部を隔壁により軸方向に分割して流路面積が小さい第1スクロール流路と流路面積が大きい第2スクロール流路とを形成し、且つ、第2スクロール流路の入口を開閉できる可変容量バルブを備えている。
この排気タービンは、例えばエンジンの低速回転域(排気ガス流量が少ない場合)に可変容量バルブを閉弁して第1スクロール流路にのみ排気ガスを集中的に導入し、排気ガス流量が多い高速回転域では可変容量バルブを開弁して第2スクロール流路にも排気ガスを導入することで排気ガス流量に応じたタービン出力を得ることができる。
ところが、特許文献1の排気タービンは、第1スクロール流路と第2スクロール流路の流路面積が異なる、具体的には第1スクロール流路の流路面積が全体の面積の1/3以下である。この構成では、タービン翼の入口で軸方向に二つの異なる流量及び速度ベクトルが発生し、且つ、タービン翼に流入する排気ガス流れの角度も異なる。このため、例えば、第1スクロール流路と第2スクロール流路の両方に排気ガスが導入される場合に合わせてタービン翼を設計すると、第1スクロール流路にのみ排気ガスが導入される場合に乱流もしくはチョークが発生して圧力損失が大きくなるためタービン効率が低下する問題を生じる。また、流路面積の小さい第1スクロール流路では、流路面積の大きい第2スクロール流路と比較して流路表面の摩擦損失が増大するため、タービン効率が低下する要因となる。
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、タービン効率の低下を抑制できるターボチャージャの排気タービンを提供することにある。
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、タービン効率の低下を抑制できるターボチャージャの排気タービンを提供することにある。
請求項1に係る本発明は、シャフトに固定されるハブの周囲に複数のタービン翼を有するタービンホイールと、このタービンホイールの径方向外周に配置される固定ノズルと、この固定ノズルの周囲にスクロール流路を形成するタービンハウジングとを備え、内燃機関より排出された排気ガスがスクロール流路を通って固定ノズルよりタービン翼に吹き付けられることでタービンホイールが回転するターボチャージャの排気タービンであって、タービンハウジングは、スクロール流路を軸方向の一方側と他方側とに分割して一方側に第1スクロール流路、他方側に第2スクロール流路を形成し、固定ノズルは、第1スクロール流路に導入される排気ガスをタービン翼に吹き付ける第1ノズルと、第2スクロール流路に導入される排気ガスをタービン翼に吹き付ける第2ノズルとを有し、第1ノズルと第2ノズルは、それぞれ周方向に複数枚のノズルベーンを配置して構成され、第1ノズルに配置されるノズルベーンを第1ベーンと呼び、第2ノズルに配置されるノズルベーンを第2ベーンと呼ぶ時に、周方向に隣り合う第1ベーン同士の間に形成されるスロート面積より、周方向に隣り合う第2ベーン同士の間に形成されるスロート面積の方が大きく形成され、第1ノズルよりタービン翼に吹き付けられる排気ガスのタービンホイールに対する流入角を第1流入角と呼び、第2ノズルよりタービン翼に吹き付けられる排気ガスのタービンホイールに対する流入角を第2流入角と呼ぶ時に、第1流入角より第2流入角の方が小さくなることを特徴とする。
本発明の排気タービンは、スクロール流路に導入された排気ガスが固定ノズルを通ってタービン翼に吹き付けられるので、スクロール流路に導入された排気ガスが固定ノズルを通過する際に流量が絞られる。また、第1ノズルのスロート面積より第2ノズルのスロート面積の方が大きく形成されるので、第1ノズルを通ってタービン翼に吹き付けられる排気ガス流量より、第2ノズルを通ってタービン翼に吹き付けられる排気ガス流量の方が多くなる。さらに、第1ノズルよりタービン翼に吹き付けられる排気ガスのタービンホイールに対する流入角(第1流入角)より、第2ノズルよりタービン翼に吹き付けられる排気ガスのタービンホイールに対する流入角(第2流入角)の方が小さく設定される。すなわち、排気ガス流量の小さい第1ノズルは、排気ガス流量の大きい第2ノズルに比べて、タービンホイールに対する排気ガスの流入角が大きくなるように構成される。これにより、第1ノズルよりタービン翼に吹き付けられる排気ガスの速度ベクトルと、第2ノズルよりタービン翼に吹き付けられる排気ガスの速度ベクトルとを互いに調整することが可能となるので、乱流もしくはチョークの発生による圧力損失を低減できる。
本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。
〔実施例1〕
実施例1のターボチャージャ1は、図2に示すように、エンジン2の排気経路において排気マニホールド3の下流側に配設される排気タービン4と、エンジン2の吸気経路において吸気マニホールド5の上流側に配設される吸気コンプレッサ6とを備える。
排気タービン4は、排気マニホールド3を通じて排気ガスを導入するタービンハウジング7と、このタービンハウジング7の内部に収容されて排気ガスの運動エネルギを回転力に変換するタービンホイール8とを有する。なお、タービンホイール8は、半径方向の外周より流入する排気ガスを軸方向へ吐出するラジアルタービンである。
排気タービン4より下流側の排気経路には、排気ガスに含まれる有害物質を除去する排気浄化装置9および消音装置10であるマフラーなどが配置される。
実施例1のターボチャージャ1は、図2に示すように、エンジン2の排気経路において排気マニホールド3の下流側に配設される排気タービン4と、エンジン2の吸気経路において吸気マニホールド5の上流側に配設される吸気コンプレッサ6とを備える。
排気タービン4は、排気マニホールド3を通じて排気ガスを導入するタービンハウジング7と、このタービンハウジング7の内部に収容されて排気ガスの運動エネルギを回転力に変換するタービンホイール8とを有する。なお、タービンホイール8は、半径方向の外周より流入する排気ガスを軸方向へ吐出するラジアルタービンである。
排気タービン4より下流側の排気経路には、排気ガスに含まれる有害物質を除去する排気浄化装置9および消音装置10であるマフラーなどが配置される。
この排気タービン4には、タービンホイール8に流入する排気ガス流量を調整できるウェイストゲート機構が設けられる。ウェイストゲート機構は、例えば、タービンハウジング7の排気上流側と排気下流側とを連通してタービンホイール8をバイパスする排気バイパス通路11と、この排気バイパス通路11を開閉できるウェイストゲートバルブ12とを有する。ウェイストゲートバルブ12は、エンジン2に送り込まれる空気の圧力(過給圧)が一定値以上になると開弁する。ウェイストゲートバルブ12が開弁することにより、排気ガスの一部が排気バイパス通路11を通ってタービンホイール8の下流側へ流れるため、タービンホイール8に当たる排気ガス流量が減少することで過給圧をコントロールできる。なお、ウェイストゲート機構は、タービンハウジング7に排気バイパス通路11を形成してウェイストゲートバルブ12を組み込んだ内蔵型、あるいは排気タービン4とは独立して構成する外付け型でも良い。
吸気コンプレッサ6は、タービンシャフト13を介してタービンホイール8に連結されるコンプレッサホイール14と、このコンプレッサホイール14を内部に収容するコンプレッサハウジング15とを有する。この吸気コンプレッサ6は、タービンホイール8の回転によってコンプレッサホイール14が回転することにより、コンプレッサハウジング15に導入される空気を圧縮して強制的にエンジン2に送り込む。
吸気コンプレッサ6より上流側の吸気経路には、エンジン2が吸入する空気をろ過するエアクリーナ16が設けられる。一方、吸気コンプレッサ6より下流側の吸気経路には、吸気コンプレッサ6で圧縮された空気を冷却するインタークーラ17が配設され、インタークーラ17より下流側に吸気量を調節する電子スロットル装置18などが配設される。
吸気コンプレッサ6より上流側の吸気経路には、エンジン2が吸入する空気をろ過するエアクリーナ16が設けられる。一方、吸気コンプレッサ6より下流側の吸気経路には、吸気コンプレッサ6で圧縮された空気を冷却するインタークーラ17が配設され、インタークーラ17より下流側に吸気量を調節する電子スロットル装置18などが配設される。
続いて、本発明に係る排気タービン4の特徴を説明する。
タービンハウジング7は、内部に渦巻き状のスクロール流路19を形成し、図1に示すように、スクロール流路19が隔壁7aによって軸方向(図示左右方向)の一方側と他方側とに分割されている。以下、隔壁7aによって分割されたスクロール流路19の一方側を第1スクロール流路19a、他方側を第2スクロール流路19bと呼ぶ。なお、軸方向の一方側とは、タービンホイール8より排気ガスが流出する方向と反対側(図示左側)であり、軸方向の他方側とは、排気ガスが流出する方向と同じ側(図示右側)を言う。
タービンハウジング7は、内部に渦巻き状のスクロール流路19を形成し、図1に示すように、スクロール流路19が隔壁7aによって軸方向(図示左右方向)の一方側と他方側とに分割されている。以下、隔壁7aによって分割されたスクロール流路19の一方側を第1スクロール流路19a、他方側を第2スクロール流路19bと呼ぶ。なお、軸方向の一方側とは、タービンホイール8より排気ガスが流出する方向と反対側(図示左側)であり、軸方向の他方側とは、排気ガスが流出する方向と同じ側(図示右側)を言う。
第2スクロール流路19bの入口には、第2スクロール流路19bに導入される排気ガス流量を調整することで排気タービン4の容量を可変する可変容量バルブ20(図2参照)が配設される。この可変容量バルブ20は、エンジン2の運転状態に応じてバルブ開度が制御される。例えば、低速低負荷運転時にバルブ開度が小さく、高速高負荷運転時にバルブ開度が大きく制御される。可変容量バルブ20が閉弁して第2スクロール流路19bの入口を閉じると、エンジン2より排出される排気ガスが第1スクロール流路19aにのみ導入され、可変容量バルブ20が開弁して第2スクロール流路19bの入口を開くと、第1スクロール流路19aと第2スクロール流路19bの両方に排気ガスが導入される。
タービンホイール8は、図1に示すように、タービンシャフト13(図2参照)に固定されるハブ21と、このハブ21の周囲に設けられる複数枚のタービン翼22とで構成される。なお、図1に示すタービン翼22は、タービンホイール8の軸中心に沿って切った断面にタービン翼22の形状を回転投影した子午面形状を表示している。
タービンホイール8の外周には、スクロール流路19に導入された排気ガスをタービン翼22に吹き付ける固定ノズルが配置される。固定ノズルは、第1スクロール流路19aの出口に配置される第1ノズル23と、第2スクロール流路19bの出口に配置される第2ノズル24とを有し、第1ノズル23と第2ノズル24との間に仕切り板25を配置している。つまり、仕切り板25を挟んで軸方向の一方側に第1ノズル23が配置され、軸方向の他方側に第2ノズル24が配置される。仕切り板25は、第1ノズル23を通過する排気ガスと、第2ノズル24を通過する排気ガスとが互いに独立した流れとなるように、第1ノズル23と第2ノズル24との間を軸方向に区画している。
タービンホイール8の外周には、スクロール流路19に導入された排気ガスをタービン翼22に吹き付ける固定ノズルが配置される。固定ノズルは、第1スクロール流路19aの出口に配置される第1ノズル23と、第2スクロール流路19bの出口に配置される第2ノズル24とを有し、第1ノズル23と第2ノズル24との間に仕切り板25を配置している。つまり、仕切り板25を挟んで軸方向の一方側に第1ノズル23が配置され、軸方向の他方側に第2ノズル24が配置される。仕切り板25は、第1ノズル23を通過する排気ガスと、第2ノズル24を通過する排気ガスとが互いに独立した流れとなるように、第1ノズル23と第2ノズル24との間を軸方向に区画している。
第1ノズル23および第2ノズル24には、図3に示すように、それぞれ周方向に複数のノズルベーンが所定の間隔を有して配置される。以下、第1ノズル23に配置されるノズルベーンを第1ベーン23aと呼び、第2ノズル24に配置されるノズルベーンを第2ベーン24aと呼ぶ。
第1ベーン23aと第2ベーン24aは、互いに同一断面形状を有し、且つ、軸方向の高さが同一寸法に設定される。また、第1ベーン23aの方が第2ベーン24aより枚数が多く設けられている(図3に示す一例は、第1ベーン23aが11枚、第2ベーン24aが8枚)。これにより、第1ノズル23のスロート面積の方が第2ノズル24のスロート面積より小さく形成される。スロート面積とは、周方向に隣り合うノズルベーンとノズルベーンとの間に形成される最小流路断面積を言う。すなわち、周方向に隣り合う第1ベーン23a同士の間のスロート面積の方が、周方向に隣り合う第2ベーン24a同士のスロート面積より小さく形成される。よって、第1ノズル23を通過する排気ガス流量の方が第2ノズル24を通過する排気ガス流量より少なくなる。
第1ベーン23aと第2ベーン24aは、互いに同一断面形状を有し、且つ、軸方向の高さが同一寸法に設定される。また、第1ベーン23aの方が第2ベーン24aより枚数が多く設けられている(図3に示す一例は、第1ベーン23aが11枚、第2ベーン24aが8枚)。これにより、第1ノズル23のスロート面積の方が第2ノズル24のスロート面積より小さく形成される。スロート面積とは、周方向に隣り合うノズルベーンとノズルベーンとの間に形成される最小流路断面積を言う。すなわち、周方向に隣り合う第1ベーン23a同士の間のスロート面積の方が、周方向に隣り合う第2ベーン24a同士のスロート面積より小さく形成される。よって、第1ノズル23を通過する排気ガス流量の方が第2ノズル24を通過する排気ガス流量より少なくなる。
また、第1ノズル23よりタービン翼22に吹き付けられる排気ガスの流入角を第1流入角と呼び、第2ノズル24よりタービン翼22に吹き付けられる排気ガスの流入角を第2流入角と呼ぶ時に、第1流入角より第2流入角の方が小さくなるように第1ベーン23aおよび第2ベーン24aの取付け角が設定される。本発明では、図4および図5に示すように、第1ノズル23および第2ノズル24を通過する排気ガスの流れ方向を矢印Gで示す時に、その矢印Gが図示二点鎖線で示されるタービンホイール8の外周円(外径)と交差する点Xを通る法線と矢印Gとが交わって作る角度αを流入角と定義する。
また、第1ベーン23aおよび第2ベーン24aの取付け角は、タービンホイール8の半径方向に対する第1ベーン23aおよび第2ベーン24aの傾きによって定義する。つまり、タービンホイール8の半径方向に対するノズルベーンの傾きが大きい(ベーン開度が小さいとも言える)場合を取付け角が大きいと定義し、ノズルベーンの傾きが小さい(ベーン開度が大きいとも言える)場合を取付け角が小さいと定義する。よって、第1ベーン23aと第2ベーン24aとを比較すると、図4に示す第1ベーン23の方が、図5に示す第2ベーン24aよりタービンホイール8の半径方向に対する傾きが大きい、すなわち取付け角が大きく設定されている。
〔実施例1の作用及び効果〕
1)実施例1の排気タービン4は、第1ノズル23のスロート面積の方が第2ノズル24のスロート面積より小さく形成されるため、第1ノズル23を通過する排気ガス流量の方が第2ノズル24を通過する排気ガス流量より小さく(少なく)なる。この第1ノズル23と第2ノズル24との排気ガス流量が異なることに対応して、第1ベーン23aの取付け角を大きく、第2ベーン24aの取付け角を小さくしている。よって、第1ノズル23よりタービン翼22に吹き付けられる排気ガスのタービンホイール8に対する第1流入角が大きく、第2ノズル24よりタービン翼22に吹き付けられる排気ガスのタービンホイール8に対する第2流入角が小さくなる。
1)実施例1の排気タービン4は、第1ノズル23のスロート面積の方が第2ノズル24のスロート面積より小さく形成されるため、第1ノズル23を通過する排気ガス流量の方が第2ノズル24を通過する排気ガス流量より小さく(少なく)なる。この第1ノズル23と第2ノズル24との排気ガス流量が異なることに対応して、第1ベーン23aの取付け角を大きく、第2ベーン24aの取付け角を小さくしている。よって、第1ノズル23よりタービン翼22に吹き付けられる排気ガスのタービンホイール8に対する第1流入角が大きく、第2ノズル24よりタービン翼22に吹き付けられる排気ガスのタービンホイール8に対する第2流入角が小さくなる。
上記のように、第1ノズル23と第2ノズル24とで排気ガス流量が異なる場合に、第1ベーン23aおよび第2ベーン24aの取付け角を適宜に設定することでタービンホイール8に対する排気ガスの流入角を変えることができる。その結果、第1ノズル23よりタービン翼22に吹き付けられる排気ガスの速度ベクトルと、第2ノズル24よりタービン翼22に吹き付けられる排気ガスの速度ベクトルとを調整することが可能となる。これにより、タービン翼22の設計自由度が向上するため、第1ノズル23と第2ノズル24とで排気ガス流量が異なる場合でも、乱流もしくはチョークの発生を抑制でき、圧力損失の低減によりタービン効率を高めることができる。
2)第1ノズル23と第2ノズル24との間に仕切り板25を配置しているので、第1ノズル23を通過する排気ガスと第2ノズル24を通過する排気ガスとが干渉することなく、第1ノズル23と第2ノズル24とで互いに独立した流れを形成できるので、タービン効率の向上に寄与する。
また、実施例1では、第1ベーン23aの方が第2ベーン24aより枚数が多く設けられるため、第1ベーン23aと第2ベーン24aとの周方向位置がずれてくるが、第1ベーン23aと第2ベーン24aとの間に仕切り板25を挟み込むことで、その仕切り板25とタービンハウジング7との間に第1ベーン23aおよび第2ベーン24aを確実に保持することができる。
また、実施例1では、第1ベーン23aの方が第2ベーン24aより枚数が多く設けられるため、第1ベーン23aと第2ベーン24aとの周方向位置がずれてくるが、第1ベーン23aと第2ベーン24aとの間に仕切り板25を挟み込むことで、その仕切り板25とタービンハウジング7との間に第1ベーン23aおよび第2ベーン24aを確実に保持することができる。
3)実施例1の排気タービン4は、可変容量バルブ20の開度に応じてタービン容量を可変する可変容量タービンとして構成されるが、第1ノズル23および第2ノズル24で排気ガス流量を絞っているので、敢えて第1スクロール流路19aの容量を第2スクロール流路19bの容量より小さく形成する必要はない。言い換えると、図1に示すように、第1スクロール流路19aの容量を第2スクロール流路19bの容量と同等の大きさに形成することもできる。これにより、第1スクロール流路19aの容量を小さく形成する場合と比較して、タービンハウジング7の表面粗さに起因した摩擦損失を減らすことができるので、タービン効率が向上する。
以下、本発明に係る他の実施例について説明する。
なお、実施例1と共通する部品および構成を示すものは、実施例1と同一の符号を付与し、詳細な説明は省略する。
〔実施例2〕
この実施例2は、図6に示すように、第1ベーン23aの枚数と第2ベーン24aの枚数とを同数に設定した事例である。第1ベーン23aの枚数と第2ベーン24aの枚数とが同数であっても、第1ノズル23のスロート面積を第2ノズル24のスロート面積より小さく形成することで、第1ノズル23の排気ガス流量を第2ノズル24の排気ガス流量より小さくできる。なお、スロート面積は、実施例1で説明したように、第1ベーン23aの取付け角を第2ベーン24aの取付け角より大きく設定することで、第1ノズル23のスロート面積を第2ノズル24のスロート面積より小さくできる。
また、第1ベーン23aの取付け角が大きく、第2ベーン24aの取付け角が小さく設定されることで、第1流入角より第2流入角の方が小さくなる。
なお、実施例1と共通する部品および構成を示すものは、実施例1と同一の符号を付与し、詳細な説明は省略する。
〔実施例2〕
この実施例2は、図6に示すように、第1ベーン23aの枚数と第2ベーン24aの枚数とを同数に設定した事例である。第1ベーン23aの枚数と第2ベーン24aの枚数とが同数であっても、第1ノズル23のスロート面積を第2ノズル24のスロート面積より小さく形成することで、第1ノズル23の排気ガス流量を第2ノズル24の排気ガス流量より小さくできる。なお、スロート面積は、実施例1で説明したように、第1ベーン23aの取付け角を第2ベーン24aの取付け角より大きく設定することで、第1ノズル23のスロート面積を第2ノズル24のスロート面積より小さくできる。
また、第1ベーン23aの取付け角が大きく、第2ベーン24aの取付け角が小さく設定されることで、第1流入角より第2流入角の方が小さくなる。
〔実施例3〕
この実施例3は、図7に示すように、第1ベーン23aの軸方向高さを第2ベーン24aの軸方向高さより小さくした事例である。例えば、第1ベーン23aの枚数と第2ベーン24aの枚数とが同数であっても、第1ベーン23aの軸方向高さを第2ベーン24aの軸方向高さより小さく設定することで、第1ノズル23の排気ガス流量を第2ノズル24の排気ガス流量より小さくできる。あるいは、実施例1と同様に、第1ベーン23aの枚数を第2ベーン24aの枚数より多く設けて、且つ、第1ベーン23aの軸方向高さを第2ベーン24aの軸方向高さより小さくすることもできる。
この実施例3は、図7に示すように、第1ベーン23aの軸方向高さを第2ベーン24aの軸方向高さより小さくした事例である。例えば、第1ベーン23aの枚数と第2ベーン24aの枚数とが同数であっても、第1ベーン23aの軸方向高さを第2ベーン24aの軸方向高さより小さく設定することで、第1ノズル23の排気ガス流量を第2ノズル24の排気ガス流量より小さくできる。あるいは、実施例1と同様に、第1ベーン23aの枚数を第2ベーン24aの枚数より多く設けて、且つ、第1ベーン23aの軸方向高さを第2ベーン24aの軸方向高さより小さくすることもできる。
〔実施例4〕
この実施例4は、図8に示すように、スクロール舌部26と第1ベーン23aおよび第2ベーン24aとスクロール舌部26との位置関係に関する事例である。なお、スクロール流路19の排気ガス導入側と巻き終わり側との境界部をスクロール舌部26と定義する。
第1ノズル23に設けられる複数の第1ベーン23aのうち、スクロール舌部26に最も近接して配置される第1ベーン23aを第1近接ベーン23bと呼ぶ時に、その第1近接ベーン23bの外周端が排気ガスの流れ方向においてスクロール舌部26の先端部と対向する位置に配置される。
第2ノズル24においても、第1ノズル23と同様に、スクロール舌部26に最も近接して配置される第2近接ベーン24bの外周端が排気ガスの流れ方向でスクロール舌部26の先端部と対向する位置に配置される。つまり、スクロール舌部26の先端部と対向する第2近接ベーン24bの外周端は、第1近接ベーン23bの外周端と周方向の位置が同一である。
この実施例4は、図8に示すように、スクロール舌部26と第1ベーン23aおよび第2ベーン24aとスクロール舌部26との位置関係に関する事例である。なお、スクロール流路19の排気ガス導入側と巻き終わり側との境界部をスクロール舌部26と定義する。
第1ノズル23に設けられる複数の第1ベーン23aのうち、スクロール舌部26に最も近接して配置される第1ベーン23aを第1近接ベーン23bと呼ぶ時に、その第1近接ベーン23bの外周端が排気ガスの流れ方向においてスクロール舌部26の先端部と対向する位置に配置される。
第2ノズル24においても、第1ノズル23と同様に、スクロール舌部26に最も近接して配置される第2近接ベーン24bの外周端が排気ガスの流れ方向でスクロール舌部26の先端部と対向する位置に配置される。つまり、スクロール舌部26の先端部と対向する第2近接ベーン24bの外周端は、第1近接ベーン23bの外周端と周方向の位置が同一である。
上記の構成によれば、第1スクロール流路19aをスクロール舌部26まで流れてきた排気ガスは、第1近接ベーン23bに衝突することなく、図示矢印で示すように、第1近接ベーン23bの腹面に沿って流れることができる。同様に、第2スクロール流路19bをスクロール舌部26まで流れてきた排気ガスは、第2近接ベーン24bに衝突することなく、第2近接ベーン24bの腹面に沿って流れることができる。なお、第1近接ベーン23bの腹面および第2近接ベーン24bの腹面とは、タービンホイール8の反回転方向側であるベーン内側の面を言う。
これにより、排気ガスの流れが乱れることなく第1ノズル23および第2ノズル24を通過してタービン翼22に吹き付けられるので、タービン効率が向上する。
なお、図8に示す事例は、第1ベーン23aの枚数と第2ベーン24aの枚数とが異なる場合の一例を示しているが、第1ベーン23aの枚数と第2ベーン24aの枚数とが同数の場合にも本実施例の構成を適用できる。
なお、図8に示す事例は、第1ベーン23aの枚数と第2ベーン24aの枚数とが異なる場合の一例を示しているが、第1ベーン23aの枚数と第2ベーン24aの枚数とが同数の場合にも本実施例の構成を適用できる。
〔実施例5〕
この実施例5は、タービン翼22の第1スクロール流路19aに対応する部位と第2スクロール流路19bに対応する部位とでタービン半径が異なる事例である。タービン半径とは、タービンホイール8の軸中心(図9に一点鎖線で示す位置)から排気ガスの流れに対向するタービン翼22の入口端(リーディングエッジとも言う)までの距離である。
以下、実施例5の具体的な構成を図9に示す。
タービン翼22は、第1スクロール流路19aに対応する軸方向の一方側でタービン半径が大きく形成され、第2スクロール流路19bに対応する軸方向の他方側でタービン半径が小さく形成される。つまり、第1スクロール流路19aに対応する部位のタービン半径をr1、第2スクロール流路19bに対応する部位のタービン半径をr2とすると、図9に示すように、r1>r2の関係が成立している。
この実施例5は、タービン翼22の第1スクロール流路19aに対応する部位と第2スクロール流路19bに対応する部位とでタービン半径が異なる事例である。タービン半径とは、タービンホイール8の軸中心(図9に一点鎖線で示す位置)から排気ガスの流れに対向するタービン翼22の入口端(リーディングエッジとも言う)までの距離である。
以下、実施例5の具体的な構成を図9に示す。
タービン翼22は、第1スクロール流路19aに対応する軸方向の一方側でタービン半径が大きく形成され、第2スクロール流路19bに対応する軸方向の他方側でタービン半径が小さく形成される。つまり、第1スクロール流路19aに対応する部位のタービン半径をr1、第2スクロール流路19bに対応する部位のタービン半径をr2とすると、図9に示すように、r1>r2の関係が成立している。
なお、第1スクロール流路19aの出口に配置される第1ノズル23は、タービン半径r1が大きく形成されるタービン翼22の軸方向一方側との干渉を回避するために、第1ベーン23aの幅(図中の上下方向の寸法)が第2ベーン24aの幅より小さく形成される。
上記のような構成とすることで、第1スクロール流路19aに対応する軸方向の一方側と第2スクロール流路19bに対応する軸方向の他方側とで、タービン翼22の入口における排気ガスの相対流入角度を近づけることができる。その結果、乱流もしくはチョークの発生を前述の各実施例よりも更に抑制でき、タービンホイール8内での剥離損失が抑えられるので、タービン効率を高めることができる。
上記のような構成とすることで、第1スクロール流路19aに対応する軸方向の一方側と第2スクロール流路19bに対応する軸方向の他方側とで、タービン翼22の入口における排気ガスの相対流入角度を近づけることができる。その結果、乱流もしくはチョークの発生を前述の各実施例よりも更に抑制でき、タービンホイール8内での剥離損失が抑えられるので、タービン効率を高めることができる。
〔変形例〕
実施例1では、第1ベーン23aと第2ベーン24aの断面形状を同一として説明したが、互いの断面形状が異なる構成でも良い。つまり、第1ノズル23のスロート面積が第2ノズル24のスロート面積より小さく、且つ、第1流入角より第2流入角の方が小さくなるように、第1ベーン23aの断面形状と第2ベーン24aの断面形状とを適宜に変更してもよい。
実施例1では、第1ベーン23aと第2ベーン24aの断面形状を同一として説明したが、互いの断面形状が異なる構成でも良い。つまり、第1ノズル23のスロート面積が第2ノズル24のスロート面積より小さく、且つ、第1流入角より第2流入角の方が小さくなるように、第1ベーン23aの断面形状と第2ベーン24aの断面形状とを適宜に変更してもよい。
1 ターボチャージャ
2 エンジン(内燃機関)
4 排気タービン
7 タービンハウジング
8 タービンホイール
13 タービンシャフト
19 スクロール流路
19a 第1スクロール流路
19b 第2スクロール流路
20 可変容量バルブ(流量調整手段)
21 ハブ
22 タービン翼
23 第1ノズル(固定ノズル)
23a 第1ベーン(ノズルベーン)
24 第2ノズル(固定ノズル)
24a 第2ベーン(ノズルベーン)
25 仕切り板
26 スクロール舌部
2 エンジン(内燃機関)
4 排気タービン
7 タービンハウジング
8 タービンホイール
13 タービンシャフト
19 スクロール流路
19a 第1スクロール流路
19b 第2スクロール流路
20 可変容量バルブ(流量調整手段)
21 ハブ
22 タービン翼
23 第1ノズル(固定ノズル)
23a 第1ベーン(ノズルベーン)
24 第2ノズル(固定ノズル)
24a 第2ベーン(ノズルベーン)
25 仕切り板
26 スクロール舌部
Claims (9)
- シャフト(13)に固定されるハブ(21)の周囲に複数のタービン翼(22)を有するタービンホイール(8)と、
このタービンホイール(8)の径方向外周に配置される固定ノズル(23、24)と
この固定ノズル(23、24)の周囲にスクロール流路(19)を形成するタービンハウジング(7)とを備え、
内燃機関(2)より排出された排気ガスが前記スクロール流路(19)を通って前記固定ノズル(23、24)より前記タービン翼(22)に吹き付けられることで前記タービンホイール(8)が回転するターボチャージャ(1)の排気タービン(4)であって、
前記タービンハウジング(7)は、前記スクロール流路(19)を軸方向の一方側と他方側とに分割して前記一方側に第1スクロール流路(19a)、前記他方側に第2スクロール流路(19b)を形成し、
前記固定ノズル(23、24)は、前記第1スクロール流路(19a)に導入される排気ガスを前記タービン翼(22)に吹き付ける第1ノズル(23)と、前記第2スクロール流路(19b)に導入される排気ガスを前記タービン翼(22)に吹き付ける第2ノズル(24)とを有し、
前記第1ノズル(23)と前記第2ノズル(24)は、それぞれ周方向に複数枚のノズルベーン(23a、24a)を配置して構成され、前記第1ノズル(23)に配置される前記ノズルベーンを第1ベーン(23a)と呼び、前記第2ノズル(24)に配置される前記ノズルベーンを第2ベーン(24a)と呼ぶ時に、周方向に隣り合う前記第1ベーン(23a)同士の間に形成されるスロート面積より、周方向に隣り合う前記第2ベーン(24a)同士の間に形成されるスロート面積の方が大きく形成され、
前記第1ノズル(23)より前記タービン翼(22)に吹き付けられる排気ガスの前記タービンホイール(8)に対する流入角を第1流入角と呼び、前記第2ノズル(24)より前記タービン翼(22)に吹き付けられる排気ガスの前記タービンホイール(8)に対する流入角を第2流入角と呼ぶ時に、前記第1流入角より前記第2流入角の方が小さくなることを特徴とするターボチャージャの排気タービン。 - 請求項1に記載したターボチャージャ(1)の排気タービン(4)において、
前記第1ノズル(23)と前記第2ノズル(24)は、前記第1流入角より前記第2流入角の方が小さくなるように、前記タービンホイール(8)の半径方向に対する前記第1ベーン(23a)の取付け角と前記第2ベーン(24a)の取付け角とが異なることを特徴とするターボチャージャの排気タービン。 - 請求項1または2に記載したターボチャージャ(1)の排気タービン(4)において、
前記第1ノズル(23)と前記第2ノズル(24)は、前記第1ベーン(23a)の枚数が前記第2ベーン(24a)の枚数より多く設定されることを特徴とするターボチャージャの排気タービン。 - 請求項1または2に記載したターボチャージャ(1)の排気タービン(4)において、
前記第1ノズル(23)と前記第2ノズル(24)は、前記第1ベーン(23a)の枚数と前記第2ベーン(24a)の枚数とが同数であることを特徴とするターボチャージャの排気タービン。 - 請求項3または4に記載したターボチャージャ(1)の排気タービン(4)において、
前記第1ノズル(23)と前記第2ノズル(24)は、前記第1ベーン(23a)の軸方向高さが前記第2ベーン(24a)の軸方向高さより小さく形成されていることを特徴とするターボチャージャの排気タービン。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載したターボチャージャ(1)の排気タービン(4)において、
前記固定ノズル(23、24)は、前記第1ノズル(23)より前記タービン翼(22)に吹き付けられる排気ガスの流れと前記第2ノズル(24)より前記タービン翼(22)に吹き付けられる排気ガスの流れとが独立するように、前記第1ノズル(23)と前記第2ノズル(24)との間に仕切り板(25)を配置していることを特徴とするターボチャージャの排気タービン。 - 請求項1〜6のいずれか一項に記載したターボチャージャ(1)の排気タービン(4)において、
前記スクロール流路(19)の排気ガス導入側と巻き終わり側との境界部をスクロール舌部(26)と呼ぶ時に、
前記第1ノズル(23)の周方向で前記スクロール舌部(26)に最も近接して配置される前記第1ベーン(23a)の外周端が排気ガスの流れ方向に前記スクロール舌部(26)の先端部と対向して配置され、
前記第2ノズル(24)の周方向で前記スクロール舌部(26)に最も近接して配置される前記第2ベーン(24a)の外周端が排気ガスの流れ方向に前記スクロール舌部(26)の先端部と対向して配置されることを特徴とするターボチャージャの排気タービン。 - 請求項1〜7のいずれか一項に記載したターボチャージャ(1)の排気タービン(4)において、
前記タービンホイール(8)の軸中心から排気ガスの流れに対向する前記タービン翼(22)の入口端までの距離をタービン半径(r1、r2)と呼ぶ時に、
前記タービン翼(22)は、前記第1スクロール流路(19a)に対応する軸方向の一方側で前記タービン半径(r1)が大きく形成され、前記第2スクロール流路(19b)に対応する軸方向の他方側で前記タービン半径(r2)が小さく形成されることを特徴とするターボチャージャの排気タービン。 - 請求項1〜8のいずれか一項に記載したターボチャージャ(1)の排気タービン(4)において、
前記第2スクロール流路(19a)に導入される排気ガス流量を調整できる流量調整手段(20)を有することを特徴とするターボチャージャの排気タービン。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014180555A JP2016053353A (ja) | 2014-09-04 | 2014-09-04 | ターボチャージャの排気タービン |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2014180555A JP2016053353A (ja) | 2014-09-04 | 2014-09-04 | ターボチャージャの排気タービン |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2016053353A true JP2016053353A (ja) | 2016-04-14 |
Family
ID=55744831
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2014180555A Pending JP2016053353A (ja) | 2014-09-04 | 2014-09-04 | ターボチャージャの排気タービン |
Country Status (1)
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JP (1) | JP2016053353A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20170292381A1 (en) * | 2014-09-04 | 2017-10-12 | Denso Corporation | Exhaust turbine for turbocharger |
CN110966056A (zh) * | 2019-12-30 | 2020-04-07 | 中国科学院工程热物理研究所 | 降低压缩空气储能涡轮集气室壁面摩擦损失的方法及结构 |
-
2014
- 2014-09-04 JP JP2014180555A patent/JP2016053353A/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN110966056A (zh) * | 2019-12-30 | 2020-04-07 | 中国科学院工程热物理研究所 | 降低压缩空气储能涡轮集气室壁面摩擦损失的方法及结构 |
CN110966056B (zh) * | 2019-12-30 | 2022-02-15 | 中国科学院工程热物理研究所 | 降低压缩空气储能涡轮集气室壁面摩擦损失的方法及结构 |
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