JP2022112371A - 可変容量タービンおよび過給機 - Google Patents
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Abstract
Description
タービンロータと、
前記タービンロータの外周側にスクロール流路を形成するスクロール流路形成部と、
前記スクロール流路から前記タービンロータへ排ガスを導くための排ガス流路を形成する排ガス流路形成部と、
前記排ガス流路における前記排ガスの流れを調整するための可変ノズルユニットであって、前記排ガス流路に配置されて各々の回転中心回りに回動可能に構成された複数のノズルベーンを含む可変ノズルユニットと、を備え、
前記排ガス流路形成部は、
環状の第1板部を有する第1板状部材と、
前記第1板部との間に前記排ガス流路を画定する環状の第2板部であって、前記タービンロータの軸方向において前記第1板部よりもタービン出口側に配置された第2板部を有する第2板状部材と、を含み、
前記第1板状部材は、前記第1板部の前記排ガス流路に面するハブ側流路面に前記第1板部の内周縁から外周側に延びる少なくとも1つの溝部が形成された。
前記可変容量タービンと、
前記可変容量タービンにより駆動されるように構成された遠心圧縮機と、を備える。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
なお、同様の構成については同じ符号を付し説明を省略することがある。
図1は、本開示の一実施形態にかかる過給機を備える内燃機関システムの構成を概略的に示す概略構成図である。以下の各実施形態においては、排気ターボ過給機1Aを例に挙げて説明するが、本開示は、排気ターボ過給機1A以外の過給機1に適用可能である。
幾つかの実施形態にかかる過給機1は、図1に示されるように、内燃機関10(エンジン)から排出された排ガスのエネルギにより駆動し、流体(例えば、空気)を圧縮するように構成された排気ターボ過給機1Aを含む。過給機1(排気ターボ過給機1A)は、図1に示されるように、可変容量タービン2と、可変容量タービン2により駆動されるように構成された遠心圧縮機3と、を備える。
図2は、本開示の一実施形態にかかる可変容量タービンを備える過給機のタービン側を概略的に示す概略断面図である。図2において過給機1は、回転シャフト11の軸線LAに沿った断面が概略的に示されている。
可変容量タービン2は、図2に示されるように、上述したタービンロータ21と、タービンロータ21の外周側にスクロール流路25を形成する上述したスクロール流路形成部26と、スクロール流路25からタービンロータ21へ排ガスを導くための排ガス流路(ノズル流路)40を形成する排ガス流路形成部4と、排ガス流路40における排ガスの流れを調整するための可変ノズルユニット5と、を備える。排ガス流路40は、タービンロータ21の周囲(径方向Yにおける外側)を囲むように、スクロール流路25とタービンロータ21との間に形成されている。
排ガス流路形成部4は、図2に示されるように、ハウジング13に固定される第1板状部材(ノズルマウント)41と、第1板状部材41よりも軸方向Xにおけるタービン出口側(タービン側XT)に配置され、且つ第1板状部材41との間に排ガス流路40を画定する第2板状部材(ノズルプレート)42と、を含む。以下、排ガス流路40におけるコンプレッサ側XCをハブ側と云い、排ガス流路40におけるタービン側XTをシュラウド側と云うことがある。
可変ノズルユニット5は、図2に示されるように、上述した排ガス流路40にタービンロータ21の周方向に間隔をあけて配置される複数のノズルベーン6と、複数のノズルベーン6を各々の回転中心RC回りに回動させるように構成された回動機構部51と、を含む。可変ノズルユニット5は、回動機構部51により、排ガス流路40に配置された複数のノズルベーンの翼角を変化させることで、排ガス流路40の流路断面積を調整できる。可変容量タービン2は、可変ノズルユニット5により排ガス流路40の流路断面積を増減させることで、タービンロータ21に導かれる排ガスの流速や圧力を変化させることができ、これにより可変容量タービン2の過給圧を制御できる。
回動機構部51は、図3に示されるように、ベーンシャフト53およびレバープレート54の夫々を、可変ノズルユニット5が含むノズルベーン6の数と同じ数だけ含んでいる。ベーンシャフト53は、その一方側がノズルベーン6に固定され、その他方側がレバープレート54の一方側に機械的に連結されている。レバープレート54の他方側はドライブリング52に機械的に連結されている。アクチュエータ55は、電動モータやエアシリンダなどを含む。アクチュエータ55の駆動シャフト56は、ドライブリング52に機械的に連結されている。
比較例にかかる可変容量タービン2におけるハブ側流路面44は、後述する溝部7が形成されておらず、全面に亘り平坦になっている。この場合には、低流量時には排ガスのタービンロータ21への流入角度が上記周方向に沿った角度になるため、図5に示されるように、タービンロータ21の前縁213側におけるハブ211の外面近傍に大きな渦流Vが生じる虞がある。この大きな渦流Vは、図6に示されるように、ハブ211の外面に沿ってタービンロータ21の後縁214側に向かって流れるため、タービンロータ21の前縁213から後縁214までの全域に亘り渦流Vによる流れ損失が生じ、可変容量タービン2の効率が低下する虞がある。
上述した溝部7により低流量時における上記流入角度を所定角度(固定値α)に維持することで、図9に示されるように、低流量時にタービンロータ21のハブ211の前縁213側近傍に生じる渦流Vを削減できる。上記渦流Vを削減することで、図10に示されるように、タービンロータ21のハブ211近傍の排ガス流れの乱れを抑制できるため、渦流Vによるタービンロータ21の損失を低減できる。これにより、低流量時におけるタービン2の効率を向上させることができる。
図11に示されるように、複数のノズルベーン6は、複数の溝部7のうちの1つの溝部7に対してタービンロータ21の回転方向RDにおける上流側に隣接している上流側ノズルベーン6Aと、上記1つの溝部7に対してタービンロータ21の回転方向RDにおける下流側に隣接している下流側ノズルベーン6Bと、を含む。複数の溝部7の夫々は、第1板部43のハブ側流路面44から反対側の背面412に向かって延びる第1壁面71および第2壁面72と、第1壁面71と第2壁面72とを繋ぐ第3の壁面(底面)73と、を含む。
タービンロータ(21)と、
前記タービンロータ(21)の外周側にスクロール流路(25)を形成するスクロール流路形成部(26)と、
前記スクロール流路(25)から前記タービンロータ(21)へ排ガスを導くための排ガス流路(40)を形成する排ガス流路形成部(4)と、
前記排ガス流路(40)における前記排ガスの流れを調整するための可変ノズルユニット(5)であって、前記排ガス流路(40)に配置されて各々の回転中心回りに回動可能に構成された複数のノズルベーン(6)を含む可変ノズルユニット(5)と、を備え、
前記排ガス流路形成部(4)は、
環状の第1板部(43)を有する第1板状部材(41)と、
前記第1板部(43)との間に前記排ガス流路(40)を画定する環状の第2板部(45)であって、前記タービンロータ(21)の軸方向において前記第1板部(43)よりもタービン出口側に配置された第2板部(45)を有する第2板状部材(42)と、を含み、
前記第1板状部材(41)は、前記第1板部(43)の前記排ガス流路(40)に面するハブ側流路面(44)に前記第1板部(43)の内周縁(431)から外周側に延びる少なくとも1つの溝部(7)が形成された。
前記少なくとも1つの溝部(7)は、
前記溝部(7)の外周端(74)と、前記外周端(74)よりも前記タービンロータ(21)の回転方向における下流側に位置する前記溝部(7)の前記内周縁(431)上の下流端(711)と、を繋ぐ第1壁面(71)を含む。
前記第1壁面(71)は、
前記タービンロータ(21)の軸線に直交する平面視において、前記溝部(7)の前記外周端(74)と前記内周縁(431)上の前記下流端(711)とを直線状に結んだ仮想線(IL)に対して、前記回転方向における下流側に突出した凸曲面(71A)を含む。
前記凸曲面(71A)は、前記タービンロータ(21)の軸線に直交する平面視における前記凸曲面(71A)の接線(TL)の前記タービンロータ(21)の径方向に対する傾斜角度が、前記下流端(711)側に向かうにつれて小さくなるように傾斜している。
前記複数のノズルベーン(6)は、前記少なくとも1つの溝部(7)に対して前記タービンロータ(21)の回転方向における下流側に隣接している下流側ノズルベーン(6B)を含み、
前記第1板状部材(41)の前記ハブ側流路面(44)は、
前記タービンロータ(21)の軸線に直交する平面視において、前記タービンロータ(21)の前記回転方向における前記溝部(7)の前記第1壁面(71)と、前記下流側ノズルベーン(6B)の回動領域(RA1)と、の間に前記溝部(7)が形成されていない領域(A1)を有する。
前記少なくとも1つの溝部(7)は、
前記溝部(7)の外周端(74)と、前記外周端(74)よりも前記タービンロータ(21)の回転方向における上流側に位置する前記溝部(7)の前記内周縁(431)上の上流端(721)と、を繋ぐ第2壁面(72)をさらに含む。
前記複数のノズルベーン(6)は、前記少なくとも1つの溝部(7)に対して前記タービンロータ(21)の回転方向における上流側に隣接している上流側ノズルベーン(6A)を含み、
前記第1板状部材(41)の前記ハブ側流路面(44)は、
前記タービンロータ(21)の軸線に直交する平面視において、前記タービンロータ(21)の前記回転方向における前記溝部(7)の前記第2壁面(72)と、前記上流側ノズルベーン(6A)の回動領域(RA2)と、の間に前記溝部(7)が形成されていない領域(A2)を有する。
前記ハブ側流路面(44)は、前記タービンロータ(21)の径方向に沿って延在する平坦面(44A)を含み、
前記少なくとも1つの溝部(7)は、前記第1板部(43)の内周側に向かうにつれて前記平坦面(44A)からの深さが大きくなるように構成された。
前記少なくとも1つの溝部(7)は、
前記タービンロータ(21)の軸線に沿った平面視において、前記平坦面(44A)に対して交差する方向に沿って延在する傾斜面(73A)であって、前記平坦面(44A)を延長した仮想延長面(44B)に対する傾斜角度θが、0°<θ<15°の条件を満たす傾斜面(73A)を含む。
前記ハブ側流路面(44)は、前記タービンロータ(21)の径方向に沿って延在する平坦面(44A)を含み、
前記少なくとも1つの溝部(7)は、前記第1板部(43)の肉厚をT、前記少なくとも1つの溝部(7)の前記平坦面(44A)からの最大深さをT1としたときに、0<T1≦0.2Tの条件を満たすように構成された。
上記1)~10)の何れかに記載の可変容量タービン(2)と、
前記可変容量タービン(2)により駆動されるように構成された遠心圧縮機(3)と、を備える。
1A 排気ターボ過給機
2 可変容量タービン
3 遠心圧縮機
4 排ガス流路形成部
5 可変ノズルユニット
6 ノズルベーン
6A 上流側ノズルベーン
6B 下流側ノズルベーン
7 溝部
10 内燃機関
11 回転シャフト
12 ベアリング
13 ハウジング
14 ベアリングハウジング
15 気体ライン
16 排ガスライン
17 内部空間
21 タービンロータ
22 タービンハウジング
23 排ガス導入口
24 排ガス排出口
25 スクロール流路
26 スクロール流路形成部
27 排ガス排出路
28 排ガス排出路形成部
29 舌部
31 インペラ
32 コンプレッサハウジング
33 気体導入口
34 気体排出口
35 気体導入路
36 気体導入路形成部
37 スクロール流路
38 スクロール流路形成部
40 排ガス流路
41 第1板状部材
42 第2板状部材
43 第1板部
44 ハブ側流路面
44A 平坦面
44B 仮想延長面
45 第2板部
46 突出部
47 シュラウド側流路面
48 シュラウド面
49 ノズルサポート
51 回動機構部
52 ドライブリング
53 ベーンシャフト
54 レバープレート
55 アクチュエータ
56 駆動シャフト
57 コントローラ
61 ハブ側端
62 シュラウド側端
71 第1壁面
71A 凸曲面
72 第2壁面
73 第3壁面
73A 傾斜面
74 外周端
211 ハブ
212 ブレード
213 前縁
214 後縁
431 内周縁
711 下流端
721 上流端
A1,A2 領域
IL 仮想線
LA,LC 軸線
RA1,RA2 回動領域
RC 回転中心
RD 回転方向
TL 接線
V 渦流
X (回転シャフトの)軸方向
XC コンプレッサ側
XT タービン側
Y (回転シャフトの)径方向
Claims (11)
- タービンロータと、
前記タービンロータの外周側にスクロール流路を形成するスクロール流路形成部と、
前記スクロール流路から前記タービンロータへ排ガスを導くための排ガス流路を形成する排ガス流路形成部と、
前記排ガス流路における前記排ガスの流れを調整するための可変ノズルユニットであって、前記排ガス流路に配置されて各々の回転中心回りに回動可能に構成された複数のノズルベーンを含む可変ノズルユニットと、を備え、
前記排ガス流路形成部は、
環状の第1板部を有する第1板状部材と、
前記第1板部との間に前記排ガス流路を画定する環状の第2板部であって、前記タービンロータの軸方向において前記第1板部よりもタービン出口側に配置された第2板部を有する第2板状部材と、を含み、
前記第1板状部材は、前記第1板部の前記排ガス流路に面するハブ側流路面に前記第1板部の内周縁から外周側に延びる少なくとも1つの溝部が形成された、
可変容量タービン。 - 前記少なくとも1つの溝部は、
前記溝部の外周端と、前記外周端よりも前記タービンロータの回転方向における下流側に位置する前記溝部の前記内周縁上の下流端と、を繋ぐ第1壁面を含む、
請求項1に記載の可変容量タービン。 - 前記第1壁面は、
前記タービンロータの軸線に直交する平面視において、前記溝部の前記外周端と前記内周縁上の前記下流端とを直線状に結んだ仮想線に対して、前記回転方向における下流側に突出した凸曲面を含む、
請求項2に記載の可変容量タービン。 - 前記凸曲面は、前記タービンロータの軸線に直交する平面視における前記凸曲面の接線の前記タービンロータの径方向に対する傾斜角度が、前記下流端側に向かうにつれて小さくなるように傾斜している、
請求項3に記載の可変容量タービン。 - 前記複数のノズルベーンは、前記少なくとも1つの溝部に対して前記タービンロータの回転方向における下流側に隣接している下流側ノズルベーンを含み、
前記第1板状部材の前記ハブ側流路面は、
前記タービンロータの軸線に直交する平面視において、前記タービンロータの前記回転方向における前記溝部の前記第1壁面と、前記下流側ノズルベーンの回動領域と、の間に前記溝部が形成されていない領域を有する、
請求項2乃至4の何れか1項に記載の可変容量タービン。 - 前記少なくとも1つの溝部は、
前記溝部の外周端と、前記外周端よりも前記タービンロータの回転方向における上流側に位置する前記溝部の前記内周縁上の上流端と、を繋ぐ第2壁面をさらに含む、
請求項2乃至5の何れか1項に記載の可変容量タービン。 - 前記複数のノズルベーンは、前記少なくとも1つの溝部に対して前記タービンロータの回転方向における上流側に隣接している上流側ノズルベーンを含み、
前記第1板状部材の前記ハブ側流路面は、
前記タービンロータの軸線に直交する平面視において、前記タービンロータの前記回転方向における前記溝部の前記第2壁面と、前記上流側ノズルベーンの回動領域と、の間に前記溝部が形成されていない領域を有する、
請求項6に記載の可変容量タービン。 - 前記ハブ側流路面は、前記タービンロータの径方向に沿って延在する平坦面を含み、
前記少なくとも1つの溝部は、前記第1板部の内周側に向かうにつれて前記平坦面からの深さが大きくなるように構成された、
請求項1乃至7の何れか1項に記載の可変容量タービン。 - 前記少なくとも1つの溝部は、
前記タービンロータの軸線に沿った平面視において、前記平坦面に対して交差する方向に沿って延在する傾斜面であって、前記平坦面を延長した仮想延長面に対する傾斜角度θが、0°<θ<15°の条件を満たす傾斜面を含む、
請求項8に記載の可変容量タービン。 - 前記ハブ側流路面は、前記タービンロータの径方向に沿って延在する平坦面を含み、
前記少なくとも1つの溝部は、前記第1板部の肉厚をT、前記少なくとも1つの溝部の前記平坦面からの最大深さをT1としたときに、0<T1≦0.2Tの条件を満たすように構成された、
請求項1乃至9の何れか1項に記載の可変容量タービン。 - 請求項1乃至10の何れか1項に記載の可変容量タービンと、
前記可変容量タービンにより駆動されるように構成された遠心圧縮機と、を備える、
過給機。
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