JP2023000817A - ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】タービンホイールへの排気ガスの流入効率を向上できるターボチャージャを提供すること。【解決手段】ターボチャージャのノズルベーン３０は、前端３０ａを含む入口前縁部３１及び後端３０ｂを含む出口後縁部３２を有する。入口前縁部３１は、前端３０ａから全長Ｍの１０～４０％の長さの領域に設けられる円弧状である。入口前縁部３１の円弧は、全長Ｍの１０％以上の長さを曲率半径とする。【選択図】図４

Description

本発明は、ターボチャージャに関する。

ターボチャージャは、内燃機関の排気ガスのエネルギーを用いて内燃機関に過給する。ターボチャージャは、タービンホイールと、タービンホイールの外周に配置されたタービンスクロール部を有する。また、ターボチャージャは、タービンスクロール部内に複数のノズルベーンを有する。複数のノズルベーンは、タービンホイールの外周部に、タービンホイールの周方向へ等間隔おきに配置されている。周方向に隣り合うノズルベーン同士の間は、排気ガスの流れるガス流路である。ノズルベーンは、タービンスクロール部からタービンホイールに向かう排気ガスの流れを整えるとともに、流速を調節する。

特許文献１に開示されるノズルベーンは、所謂可変ノズルベーンである。可変ノズルベーンを備えるターボチャージャでは、排気ガスの流量の少ないときは、可変ノズルベーンによってガス流路を閉じる。すると、タービンホイールへ向かう排気ガスの流れが速められる。このようにして可変ノズルベーンを備えるターボチャージャではタービンホイールへの排気ガスの流入効率を高めている。

固定ノズルベーンを備えるターボチャージャでは、ノズルベーンは、設計段階で設定された所定の傾き角度に固定されている。所定の傾き角度とは、狙いの排気ガスの流量域で、所望する排気ガスの流入効率が得られる角度である。このようにして固定ノズルベーンを備えるターボチャージャではタービンホイールへの排気ガスの流入効率を高めている。

特開２０１３－１３７０１７号公報

ところが、ターボチャージャでは、タービンホイールへの排気ガスの流入効率の向上が常に求められている。

上記問題点を解決するためのターボチャージャは、タービンホイールと、前記タービンホイールの外周に配置されたタービンスクロール部と、内燃機関の排気ガスを前記タービンスクロール部へ導くガス導入路と、前記タービンスクロール部の内側に配置され、当該タービンスクロール部の周方向に間隔を空けて配置された複数のノズルベーンと、前記タービンスクロール部での前記排気ガスの流れ方向に隣り合う前記ノズルベーン同士の間に画成されるガス流路と、を有し、前記排気ガスのエネルギーを用いて過給するターボチャージャであって、前記ノズルベーンは、前記ガス流路への前記排気ガスの入口側に位置する前端を含む入口前縁部と、前記ガス流路での前記排気ガスの出口側に位置する後端を含む出口後縁部と、を有し、前記前端と前記後端を結ぶ翼中心線に沿う前記ノズルベーンの長さを全長とすると、前記入口前縁部は、前記前端から前記全長の１０～４０％の長さの領域に設けられた円弧状であり、前記入口前縁部の円弧の曲率半径は前記全長の１０％以上の長さである、又は前記入口前縁部は、前記前端から前記全長の１０～４０％の長さの領域に設けられた複数の円弧を含む形状であり、前記複数の円弧のうち最小の円弧の曲率半径は、前記全長の１０％以上の長さであることを要旨とする。

全長の１０％未満の長さを曲率半径とする円弧を単独、又は複数の円弧のうちの一つとして有する入口前縁部を比較例とする。この比較例と比べると、入口前縁部の円弧の長さを長くできるため、入口前縁部に沿ってガス流路に至るまでの円弧の長さを長くできる。その結果、排気ガスの流れ方向に隣り合うノズルベーン同士の入口前縁部と出口後縁部との間で、ノズルとして機能する部位を比較例より長くできる。その結果、隣り合うノズルベーン同士の間でのノズル機能により、排気ガスの流速を比較例より速めることができるため、入口前縁部からガス流路に向けて排気ガスが流れ易くなる。したがって、ターボチャージャでは、タービンホイールへの排気ガスの流入効率を向上できる。

上記問題点を解決するためのターボチャージャは、タービンホイールと、前記タービンホイールの外周に配置されたタービンスクロール部と、内燃機関の排気ガスを前記タービンスクロール部へ導くガス導入路と、前記タービンスクロール部の内側に配置され、当該タービンスクロール部の周方向に間隔を空けて配置された複数の可動式のノズルベーンと、前記タービンスクロール部での前記排気ガスの流れ方向に隣り合う前記ノズルベーン同士の間に画成されるガス流路と、を有し、前記タービンスクロール部は、前記ガス導入路の出口にて二股に分岐した二つの流路を含み、二股に分岐した一方の流路に流入した前記排気ガスの流れる向きと、他方の流路に流入した前記排気ガスの流れる向きは、前記タービンスクロール部の周方向に相反しており、前記排気ガスのエネルギーを用いて過給するとともに前記ノズルベーンによって前記ガス流路を流れる前記排気ガスの流れを調整するターボチャージャであって、前記ノズルベーンは、前記ガス流路への前記排気ガスの入口側に位置する前端を含む入口前縁部と、前記ガス流路での前記排気ガスの出口側に位置する後端を含む出口後縁部と、前記前端と前記後端を繋ぐ外表面及び内表面と、を有し、前記前端から前記後端に向けた前記ノズルベーンの板厚の変化の割合を変化率とすると、前記入口前縁部は、前記変化率を前記出口後縁部を含む部位での前記変化率より大きくした変化率大部であり、前記出口後縁部は、前記変化率大部よりも前記変化率の小さい変化率小部を含み、前記変化率大部は前記前端を含む円弧状であることを要旨とする。

これによれば、二股に分岐した二つの流路に沿って排気ガスが流れるに従い、排気ガスの流れが遅くなる。加えて、ノズルベーンの入口前縁部が変化率小部で形成されている場合では、排気ガスは、入口前縁部から剥離しやすい。しかし、入口前縁部を変化率大部とし、変化率小部よりも円弧を長くすることにより、排気ガスが、入口前縁部の円弧に沿って流れて入口前縁部から剥離し難くなる。その結果、ノズルベーンの内表面付近に排気ガスを効率良く流れ込ませることができる。このため、ノズルベーンの内表面付近が排気ガスより負圧になることが抑制される。その結果、ノズルベーンの入口前縁部側が排気ガスの圧力を受けて、ガス流路を閉じる方向にノズルベーンが回動することを抑制できる。したがって、ターボチャージャでは、タービンホイールへの排気ガスの流入効率を向上できる。

ターボチャージャについて、前記ノズルベーンは、前記前端と前記後端とを結ぶ翼中心線を有し、前記翼中心線に沿う前記ノズルベーンの長さを全長とすると、前記変化率大部は、前記前端から前記全長の１０～４０％の長さの領域に設けられた円弧状であり、前記変化率大部の円弧の曲率半径は前記全長の１０％以上の長さである、又は前記変化率大部は、前記前端から前記全長の１０～４０％の長さの領域に設けられた複数の円弧を含む形状であり、前記複数の円弧のうち最小の円弧の曲率半径は、前記全長の１０％以上の長さであることが好ましい。

これによれば、変化率大部での円弧を長く確保でき、ノズルベーンによってガス流路を開いたとき、排気ガスが入口前縁部からより一層剥離し難くなる。
ターボチャージャについて、前記ノズルベーンは、前記翼中心線が直線状である、又は前記翼中心線が、前記後端から前記前端に向けて直線状に延びた後、前記前端に向かうに従い前記タービンスクロール部に近づくように前記外表面が湾曲していてもよい。

参考例のノズルベーンを以下のようにする。参考例のノズルベーンは、翼中心線が、後端から前端に向けて直線状に延びた後、入口前縁部付近において内表面が膨らむように湾曲している。この参考例と比べると、排気ガスが入口前縁部の円弧に沿って流れて入口前縁部から剥離し難くなる。

ターボチャージャについて、前記翼中心線は、前記後端から前記前端に向けて直線状に延びた後、前記前端に向かうに従い前記タービンスクロール部に近づくように前記外表面が湾曲していてもよい。

これによれば、参考例と比べると、排気ガスが入口前縁部の円弧に沿って流れて入口前縁部から剥離し難くなる。

本発明によれば、タービンホイールへの排気ガスの流入効率を向上できる。

実施形態のターボチャージャを示す模式図。 実施形態のターボチャージャを示す断面図。 ユニソンリング、連結アーム、及びノズルベーンを示す図。 実施形態のノズルベーンを示す平面図。 比較例のノズルベーンを示す平面図。 ガス流路の流路断面積が最小の状態を示す拡大図。 タービン入口ガス流量とターボ総合効率との関係を示すグラフ。 別例のノズルベーンを示す平面図。 別例のノズルベーンを示す平面図。

以下、ターボチャージャを具体化した一実施形態を図１～図７にしたがって説明する。
＜全体構成＞
図１及び図２に示すように、ターボチャージャ１０は、コンプレッサ１１とタービン１２とを有する。ターボチャージャ１０は、図示しない内燃機関の排気ガスのエネルギーを用いて過給する。

＜コンプレッサ１１＞
コンプレッサ１１は、タービン１２のタービンホイール１３とともに回転する図示しないコンプレッサホイールと、吸気流入口１８と、図示しない吸気吐出口を有している。

＜タービン１２＞
タービン１２は、タービンホイール１３と、タービンスクロール部１４と、第１ガス導入路１５ａ及び第２ガス導入路１５ｂと、第１ガス流入口１６ａ及び第２ガス流入口１６ｂと、ガス吐出口１７と、可動式の複数のノズルベーン３０と、を有する。

タービンホイール１３は、回転軸線Ｌを中心に回転する。タービンスクロール部１４は、タービンホイール１３の外周に配置されている。タービンスクロール部１４は、タービンホイール１３の外周の周方向に連続する１周分のみが形成されている。タービンスクロール部１４は、第１ガス導入路１５ａの出口と第２ガス導入路１５ｂの出口から二股に分岐してタービンホイール１３を取り囲む。

タービンスクロール部１４は、第１ガス導入路１５ａの出口と第２ガス導入路１５ｂの出口にて二股に分岐した第１流路１４ａと第２流路１４ｂを含む。第１流路１４ａには、第１ガス導入路１５ａから排気ガスが流入する。第２流路１４ｂには、第２ガス導入路１５ｂから排気ガスが流入する。回転軸線Ｌに沿ってタービンスクロール部１４を見た平面視では、第１流路１４ａに流入した排気ガスは、一方方向としての時計回り方向に流れるとともに、第２流路１４ｂに流入した排気ガスは、他方方向としての反時計回り方向に流れる。したがって、一方の流路である第１流路１４ａに流入した排気ガスの流れる向きと、他方の流路である第２流路１４ｂに流入した排気ガスの流れる向きは、タービンスクロール部１４の周方向に相反している。

したがって、本実施形態のターボチャージャ１０は、タービン１２に流入した排気ガスを、二つの流路に分岐させてタービンスクロール部１４に流す方式を採用している。この方式のターボチャージャ１０では、第１流路１４ａの流路断面積と、第２流路１４ｂの流路断面積は、タービンスクロール部１４の周方向のいずれの位置でも同じ又は略同じである。このため、タービンスクロール部１４の周方向に沿った、第１流路１４ａの流路断面積の変化量はゼロ又は僅かである。同じく、タービンスクロール部１４の周方向に沿った、第２流路１４ｂの流路断面積の変化量はゼロ又は僅かである。なお、第１流路１４ａの流路断面積と、第２流路１４ｂの流路断面積とは同じ又は略同じである。

第１ガス導入路１５ａと第２ガス導入路１５ｂは、図示しない排気管に接続されている。第１ガス導入路１５ａ及び第２ガス導入路１５ｂは、図示しない内燃機関の排気ガスをタービンスクロール部１４へ導く。

第１ガス流入口１６ａは、第１ガス導入路１５ａの流入側に配置されている。第２ガス流入口１６ｂは、第２ガス導入路１５ｂの流入側に配置されている。第１ガス流入口１６ａ及び第２ガス流入口１６ｂは、開口面積がほぼ同じとなるように隔壁２７ａによって分割されている。隔壁２７ａは、第１ガス導入路１５ａ内における第１ガス流入口１６ａからノズルベーン３０に達するまでの位置に設けられるとともに、第２ガス導入路１５ｂ内における第２ガス流入口１６ｂからノズルベーン３０に達するまでの位置に設けられている。

タービンスクロール部１４内における第１ガス導入路１５ａ及び第２ガス導入路１５ｂとは反対側となる位置の周辺には、流路末端隔壁２７ｂが配置されている。流路末端隔壁２７ｂは、タービンスクロール部１４の内周面からノズルベーン３０に至るように設けられている。流路末端隔壁２７ｂは、タービンスクロール部１４を、時計回り方向に排気ガスを旋回させる第１流路１４ａと、反時計回り方向に排気ガスを旋回させる第２流路１４ｂと、に分割している。そして、流路末端隔壁２７ｂは、第１流路１４ａに沿って時計回り方向に旋回してきた排気ガスと、第２流路１４ｂに沿って反時計回り方向に旋回してきた排気ガスとが衝突して干渉することを防止している。

複数のノズルベーン３０は、タービンスクロール部１４の内側に配置されている。複数のノズルベーン３０は、タービンスクロール部１４内におけるタービンホイール１３の外周部に配置されている。各ノズルベーン３０は、ノズルプレート２４に支持されている。各ノズルベーン３０は、タービンホイール１３に吹き付けられる排気ガスの流れを整える。複数のノズルベーン３０は、タービンホイール１３の周方向に沿って等間隔おきに配置されている。タービンスクロール部１４での排気ガスの流れ方向に隣り合うノズルベーン３０同士の間には、ガス流路３９が画成される。ガス流路３９の流路断面積は、ノズルベーン３０の開度を調節することにより変更される。したがって、各ノズルベーン３０は、ガス流路３９を流れる排気ガスの流れを調整する。

各ノズルベーン３０には、当該ノズルベーン３０から突出するピン２９が一体化されている。各ノズルベーン３０はピン２９の中心軸線を回動中心として回動する。ピン２９は、ノズルプレート２４を貫通している。

図３に示すように、ノズルプレート２４を貫通したピン２９は、連結アーム５０の第１端部５０ａに取り付けられている。連結アーム５０の第２端部５０ｂは、ユニソンリング２５に連結されている。ユニソンリング２５は、ノズルベーン３０と同じ数の連結溝２６を有する。ユニソンリング２５は、当該ユニソンリング２５の中心軸線とタービンホイール１３の回転軸線Ｌと一致するようにノズルプレート２４に重ねて配置されている。

ユニソンリング２５の連結溝２６の各々には、連結アーム５０の第２端部５０ｂが連結されている。なお、連結溝２６の内面と、連結アーム５０の第２端部５０ｂとの間には、ユニソンリング２５の周方向に若干の隙間が存在する。

図１及び図２に示すように、ターボチャージャ１０は、ノズルベーン駆動部２１と、エンコーダ等のノズルベーン開度検出部２２と、ノズルベーン駆動部２１からの動力をユニソンリング２５に伝達するアーム２３及びリンク部材２８と、を有する。アーム２３の先端部にはリンク部材２８の第１端部が揺動可能に連結されている。リンク部材２８の第２端部には図示しない軸が回動可能に支持されている。図示しない軸には駆動アーム４９の第１端部が揺動可能に連結されている。駆動アーム４９の第２端部は、ユニソンリング２５に連結されている。

ターボチャージャ１０において、図示しない制御装置は、図示しない内燃機関の運転状態に基づいて、ノズルベーン３０の目標開度を算出する。制御装置は、ノズルベーン開度検出部２２を用いて検出したノズルベーン３０の開度が目標開度に近づくようにノズルベーン駆動部２１を制御する。ノズルベーン駆動部２１によってアーム２３が駆動される結果、リンク部材２８が揺動するとともに、図示しない軸が回動する。すると、駆動アーム４９が揺動してユニソンリング２５が回動する。ユニソンリング２５の回動に伴ってノズルベーン３０は、ユニソンリング２５の回動する方向に移動する。

ノズルベーン３０の移動によりノズルベーン３０の開度が調節されると、隣り合うノズルベーン３０の同士の間隔が調節される。これにより、ガス流路３９の流路断面積が調節されるとともに、タービンスクロール部１４からタービンホイール１３へ流れる排気ガスの流れ方向と流速が調整される。

＜ノズルベーン３０の詳細＞
次に、ノズルベーン３０について詳細に説明する。
ノズルベーン３０をピン２９の軸線方向に沿って見ることを平面視とする。

図２及び図４に示すように、ノズルベーン３０は、入口前縁部３１と、出口後縁部３２と、接続部３３と、を有する。入口前縁部３１は、タービンスクロール部１４からタービンホイール１３に向けて排気ガスが流入する方向の入口側に位置する。出口後縁部３２は、タービンスクロール部１４からタービンホイール１３に向けて排気ガスが流入する方向の出口側に位置する。接続部３３は、入口前縁部３１と出口後縁部３２を繋ぐ。

ノズルベーン３０の入口前縁部３１と出口後縁部３２を結ぶ複合曲線を翼中心線３５とする。ノズルベーン３０は、入口前縁部３１と翼中心線３５とが交わる位置に前端３０ａを有するとともに、出口後縁部３２と翼中心線３５とが交わる位置付近に後端３０ｂを有する。したがって、ノズルベーン３０は、ガス流路３９への排気ガスの入口側に位置する前端３０ａを含む入口前縁部３１と、ガス流路３９での排気ガスの出口側に位置する後端３０ｂを含む出口後縁部３２と、を有する。

ノズルベーン３０は、平面視で前端３０ａと後端３０ｂを繋ぐ内表面４１及び外表面４２を有する。外表面４２は、内表面４１よりもタービンスクロール部１４寄りの面である。平面視で、内表面４１と外表面４２の間の寸法をノズルベーン３０の板厚とすると、外表面４２は、内表面４１とは板厚方向に反対の面である。翼中心線３５は、平面視でノズルベーン３０の板厚方向の中心を通る。

入口前縁部３１は、第１曲率半径Ｒ１の円弧によって画定されている。つまり、入口前縁部３１は、単独の円弧によって画定されている。平面視で、入口前縁部３１は滑らかに湾曲する円弧状である。出口後縁部３２は、第１曲率半径Ｒ１より遙かに小さい第２曲率半径Ｒ２の円弧によって画定されている。

ノズルベーン３０は、平面視で入口前縁部３１と接続部３３との境界となる位置に前側変曲点Ｐｆを有する。また、ノズルベーン３０は、平面視で出口後縁部３２と接続部３３との境界となる位置に後側変曲点Ｐｂを有する。

接続部３３での内表面４１は、平面視で複合曲線状である。接続部３３での内表面４１は、前側変曲点Ｐｆと後側変曲点Ｐｂとの間を延びる。入口前縁部３１での内表面４１は、前側変曲点Ｐｆから前端３０ａに至るまで円弧状に延びる。

接続部３３での外表面４２は、平面視で複合曲線状に延びる。接続部３３での外表面４２は、後側変曲点Ｐｂからピン２９付近までは緩やかに膨らむように湾曲しつつ、ピン２９付近で内表面４１に向けて緩やかに凹むように湾曲して前側変曲点Ｐｆに至る。入口前縁部３１での外表面４２は、前側変曲点Ｐｆから前端３０ａに至るまで円弧状に延びる。入口前縁部３１全体は、一定の曲率半径を有する円弧状である。

したがって、平面視で、ノズルベーン３０は、翼中心線３５が、後端３０ｂから前端３０ａに向けて複合曲線状に延びた後、ピン２９付近、つまり入口前縁部３１付近において前端３０ａに向かうに従いタービンスクロール部１４に近づくように湾曲している。このため、平面視で、入口前縁部３１は、タービンスクロール部１４に向けて外表面４２が膨らむ形状となっている。言い換えると、入口前縁部３１は、内表面４１側においてはタービンホイール１３に向けて膨らんでいないといえる。

ここで、ノズルベーン３０の前端３０ａから後端３０ｂに向けた板厚の変化の割合を変化率とする。平面視で、入口前縁部３１は第１曲率半径Ｒ１の円弧を有する。このため、ノズルベーン３０の板厚は、入口前縁部３１では、前端３０ａから前側変曲点Ｐｆに向けて一定の変化率で大きくなる。さらに、ノズルベーン３０の板厚は、前側変曲点Ｐｆから後端３０ｂに向けて、ピン２９付近で、入口前縁部３１より小さい変化率で小さくなる。そして、ノズルベーン３０の板厚は、ピン２９付近から後端３０ｂに向けて入口前縁部３１より小さい変化率で徐々に小さくなる。

言い換えると、ノズルベーン３０の板厚の変化率は、前端３０ａから前側変曲点Ｐｆに向けて急激に大きくなった後、前側変曲点Ｐｆを越えると急激に小さくなる。入口前縁部３１は、前側変曲点Ｐｆよりも後端３０ｂ側でタービンスクロール部１４に向けて外表面４２が急激に膨らんでいる。

ノズルベーン３０について、入口前縁部３１を変化率大部５１とする。これに対し、ノズルベーン３０の後端３０ｂからピン２９に至るまでの部位は、変化率が入口前縁部３１よりも小さい。このため、ノズルベーン３０の後端３０ｂからピン２９に至るまでの部位を変化率小部５２とする。したがって、ノズルベーン３０は、前端３０ａを含む部位に変化率大部５１を有するとともに、後端３０ｂを含む部位に、変化率大部５１よりも変化率の小さい変化率小部５２を有する。よって、入口前縁部３１は、変化率を出口後縁部３２を含む部位での変化率より大きくした変化率大部５１であるといえる。

翼中心線３５は、ノズルベーン３０の板厚の中心を通る。このため、本実施形態では、翼中心線３５の形状は、板厚の変化率を示しているといえる。翼中心線３５は、ピン２９よりも前端３０ａ側で傾きを大きくして傾斜している。このため、ノズルベーン３０は、ピン２９よりも前端３０ａ側に位置する入口前縁部３１に変化率大部５１を有するといえる。

前端３０ａと後端３０ｂを結ぶ翼中心線３５に沿うノズルベーン３０の長さを全長Ｍとする。変化率大部５１、つまり入口前縁部３１は、前端３０ａから翼中心線３５に沿って全長Ｍの１０～４０％の長さの領域に設けられている。また、変化率大部５１、つまり入口前縁部３１の第１曲率半径Ｒ１は、全長Ｍの１０％以上の長さである。本実施形態では、第１曲率半径Ｒ１は、翼中心線３５の全長Ｍの１５％に設定されている。このように第１曲率半径Ｒ１を設定することにより、出口後縁部３２を含む変化率小部５２を有するノズルベーン３０であっても、入口前縁部３１の外表面４２側をタービンスクロール部１４側に急激に膨らませた形状にしている。

ノズルベーン３０において、内表面４１側の前側変曲点Ｐｆ付近は、排気ガスの流れ方向において上流側に隣り合うノズルベーン３０との間にガス流路３９の流路断面積が最小となるスロート部を構成するスロート部構成部４４として構成されている。

各ノズルベーン３０において、このスロート部構成部４４よりも前端３０ａ側に位置する面は平面視円弧状のノズル形成面３４である。ノズル形成面３４は、上流側に隣り合うノズルベーン３０の外表面４２との間で、ガス流路３９を絞るノズルとして機能する。

＜作用＞
次に、ターボチャージャ１０の作用を説明する。
まず、比較例のノズルベーン７０について説明する。

図５に示すように、比較例のノズルベーン７０をピン８０の軸線方向に沿って見ることを平面視とする。ノズルベーン７０は、タービンスクロール部１４からタービンホイール１３に向けて排気ガスが流入する側に入口前縁部７１を有する。ノズルベーン７０は、タービンホイール１３に近い縁部に出口後縁部７２を有する。また、ノズルベーン７０は、入口前縁部７１と出口後縁部７２を繋ぐ接続部７３を有する。

ノズルベーン７０の入口前縁部７１と出口後縁部７２を結ぶ直線を翼中心線７５とする。翼中心線７５は、ノズルベーン７０の板厚方向の中心を通る。ノズルベーン７０は、当該ノズルベーン７０の平面視で、入口前縁部７１と翼中心線７５と交わる位置に前端７０ａを有する。ノズルベーン７０は、当該ノズルベーン７０の平面視で、出口後縁部７２と翼中心線７５と交わる位置付近に後端７０ｂを有する。

入口前縁部７１は、第３曲率半径Ｒ３、第４曲率半径Ｒ４及び第５曲率半径Ｒ５を有する曲線を含む多円弧状に画定されている。第４曲率半径Ｒ４は第３曲率半径Ｒ３より小さく、第５曲率半径Ｒ５は、第３曲率半径Ｒ３より大きい。ノズルベーン３０の平面視で、入口前縁部７１は多円弧状の部位である。第３～第５曲率半径Ｒ３～Ｒ５は、翼中心線７５の全長の１０％に満たない長さである。したがって、入口前縁部７１は、翼中心線７５の全長の１０％未満を曲率半径とする円弧状である。出口後縁部７２は、第３～第５曲率半径Ｒ３～Ｒ５より小さい第６曲率半径Ｒ６を有する曲線を含む円弧状に画定されている。

比較例の第３～第５曲率半径Ｒ３～Ｒ５は、第１曲率半径Ｒ１より小さく、比較例の第６曲率半径Ｒ６は第２曲率半径Ｒ２とほぼ同じである。
ノズルベーン７０は、前端７０ａと後端７０ｂを繋ぐ内表面７４と外表面７６とを有する。内表面７４及び外表面７６は、入口前縁部７１と出口後縁部７２の間を複合曲線状に延びる。

ノズルベーン７０の平面視で、内表面７４と外表面７６との間の寸法を板厚とする。ノズルベーン７０の板厚は、翼中心線７５に沿って前端７０ａから後端７０ｂに向けて板厚が徐々に大きくなった後、徐々に小さくなる。

ノズルベーン７０の板厚の変化率は、入口前縁部７１では、前端７０ａから一定の変化率で大きくなる。その後、板厚の変化率は、出口後縁部７２に向けてほぼ一定の変化率で小さくなる。したがって、ノズルベーン７０は、前端７０ａと後端７０ｂとの間の全体で変化率小部といえる。

次に、ターボチャージャ１０の作用効果を説明する。なお、内燃機関から排出された排気ガスの流量が少なく、ノズルベーン３０の開度が閉じ側に調節されてガス流路３９の流路断面積が小さくなるように調節されているとする。

さて、図２に示すように、タービンホイール１３は反時計回り方向に回転する。第１ガス流入口１６ａから第１ガス導入路１５ａに流入した排気ガスは、第１流路１４ａを時計回り方向に旋回する。この時計回り方向に旋回する排気ガスは、ノズルベーン３０によって反時計回り方向に旋回してガス流路３９に向かうように流れ方向が整えられる。

第２ガス流入口１６ｂから第２ガス導入路１５ｂに流入した排気ガスは、第２流路１４ｂを反時計回り方向に旋回する。反時計回り方向に旋回する排気ガスは、ノズルベーン３０によって、流れ方向はそのまま反時計回り方向にガス流路３９に向かうように流れが整えられる。

このようなターボチャージャ１０では、排気ガスは、第１流路１４ａに流入する排気ガスと、第２流路１４ｂに流入する排気ガスの二つに分かれてタービンスクロール部１４を流れる。第１流路１４ａ及び第２流路１４ｂの流路断面積の各々は、タービンスクロール部１４の周方向に変化量がゼロ又は僅かである。このため、第１流路１４ａに流入した排気ガスの流れが徐々に遅くなるとともに、第２流路１４ｂに流入した排気ガスの流れが徐々に遅くなっていく。また、第１流路１４ａに流入した排気ガスは、ノズルベーン３０付近で反時計回り方向に沿って流れ難く、ノズルベーン３０に対し、放射方向に流れ込んでくる。同じく、第２流路１４ｂに流入した排気ガスは、ノズルベーン３０付近で反時計回り方向に沿って流れ難く、ノズルベーン３０に対し、放射方向に流れ込んでくる。

比較例のノズルベーン７０と比べると、入口前縁部３１の円弧の長さを長くできるため、前端３０ａからガス流路３９に至るまでの円弧の長さを長くできる。その結果、図６に示すように、ノズルベーン３０の開度が閉じ側に調節されていても、排気ガスの流れ方向に隣り合うノズルベーン３０同士の入口前縁部３１と出口後縁部３２との間で、ノズルとして機能する部位を比較例より長く確保できる。

このため、隣り合うノズルベーン３０同士の間でのノズルとしての機能により、排気ガスの流速を速めることができるため、入口前縁部３１からガス流路３９に向けて排気ガスが流れ易くなる。

一方、内燃機関から排出された排気ガスの流量が多くなり、ノズルベーン３０の開度が開き側に調節されてガス流路３９の流路断面積が大きくなるように調節された場合であっても、排気ガスは、第１曲率半径Ｒ１の円弧に沿って流れやすい。このため、ノズルベーン３０の入口前縁部３１側の内表面４１付近が排気ガスより負圧になることが抑制される。このため、ノズルベーン３０が排気ガスの圧力を受けて、ノズルベーン３０がガス流路３９を閉じる方向に回動することを抑制できる。このため、ノズルベーン３０の入口前縁部３１付近には回転トルクが適切に発生することになる。

すると、各ノズルベーン３０に連結された連結アーム５０において、第２端部５０ｂは、ユニソンリング２５の連結溝２６の内面に押し当てられる。このため、連結溝２６の内面と、連結アーム５０の第２端部５０ｂとの間の隙間は吸収される。よって、ノズルベーン３０の角度が一定に決まる。つまり、ノズルベーン３０は、タービンスクロール部１４側からの排気ガスの流れを受けて本来回動すべき方向に回動する。

図７のグラフの横軸にタービン入口ガス流量を示し、縦軸にターボ総合効率を示す。タービン入口ガス流量は、タービンスクロール部１４に流入した排気ガスの総量である。ターボ総合効率は、排気ガスのエネルギーをタービンホイール１３の回転エネルギーとしてどれだけ回収できたかを示す。実線のグラフに、ノズルベーン３０を用いたターボチャージャ１０での結果を示し、破線のグラフに比較例のノズルベーン７０を用いたターボチャージャでの結果を示す。

比較例のターボチャージャに対し、実施形態のターボチャージャ１０では、タービン入口ガス流量の少ない領域において、ターボ総合効率が高められていることが示された。これは、排気ガスの流れ方向に隣り合うノズルベーン３０同士の入口前縁部３１と出口後縁部３２との間で、ノズルとして機能する部位を比較例より長くしたためである。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）入口前縁部３１は、前端３０ａから全長Ｍの１０～４０％の長さの領域に設けられている。また、入口前縁部３１の円弧は、全長Ｍの１０％以上の長さを曲率半径とする。比較例のノズルベーン７０と比べると、入口前縁部３１の円弧の長さを長くできるため、隣り合うノズルベーン３０同士の間でノズルとして機能する部位を比較例より長くできる。このため、ノズルベーン３０がガス流路３９の閉じ側に調節されたときであっても、ガス流路３９での排気ガスの流速を速めることができるため、入口前縁部３１からガス流路３９に向けて排気ガスが流れ易くなる。したがって、ターボチャージャ１０では、タービンホイール１３への排気ガスの流入効率を向上できる。

（２）ノズルベーン３０がガス流路３９の開き側に調節されたときであっても、排気ガスが入口前縁部３１に沿って流れて入口前縁部３１から剥離し難くなる。その結果、ノズルベーン３０の内表面４１付近に排気ガスが流れ込み、内表面４１付近に負圧が発生することが抑制される。このため、ノズルベーン３０が排気ガスの圧力を受けてガス流路３９を閉じる方向に回動することを抑制できる。

（３）ノズルベーン３０の内表面４１付近に排気ガスが流れ込み、負圧が発生することが抑制されるため、ノズルベーン３０には、排気ガスの圧力を受けて回転トルクが適切に発生することになり、ノズルベーン３０の角度が一定に決まりやすい。つまり、ノズルベーン３０は、タービンスクロール部１４側からの排気ガスの流れを受けて本来回動すべき方向に回動する。このため、タービンホイール１３に向かう排気ガスの流量を適切に調節できる。

（４）入口前縁部３１の円弧は、翼中心線３５の全長Ｍの１０％以上の長さを曲率半径とする。このため、入口前縁部３１での円弧を長く確保でき、ノズルベーン３０によってガス流路３９を開いたとき、排気ガスが入口前縁部３１からより一層剥離し難くなる。

（５）翼中心線３５は、後端３０ｂから前端３０ａに向けて複合曲線状に延びた後、ピン２９付近において前端３０ａに向かうに従いタービンスクロール部１４に近づくように外表面４２が膨らむ形状である。入口前縁部３１の内表面４１側がタービンホイール１３に近づくように膨らむ形状に比べると、ガス流路３９の流路断面積を大きくできる。また、入口前縁部３１に沿う排気ガスの剥離を抑制しやすい。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
○ 図８に示すように、ノズルベーン３０の翼中心線３５は、前端３０ａと後端３０ｂの間で直線状に延びていてもよい。ノズルベーン３０の入口前縁部３１は、内表面４１側において、タービンホイール１３に向けて膨らむとともに、外表面４２側において、タービンスクロール部１４に向けて膨らんでいる。内表面４１は、後端３０ｂからピン２９付近までは緩やかに膨らむように湾曲しつつ、ピン２９付近で緩やかに凹むように湾曲して前側変曲点Ｐｆに至る。

○ 図９に示すように、ノズルベーン３０は、翼中心線３５が、後端３０ｂから前端３０ａに向けて複合曲線状に延びた後、入口前縁部３１付近において内表面４１が膨らむように湾曲していてもよい。

○ 入口前縁部３１は複数の円弧を組み合わせた複合曲線であってもよい。この場合、入口前縁部３１を構成する複数の円弧のうち、最小の円弧の曲率半径は全長Ｍの１０％以上の長さである。そして、最小の曲率半径の円弧は、前端３０ａから全長Ｍの１０～４０％の長さの領域に設けられている。

○ ターボチャージャ１０は、隔壁２７ａ及び流路末端隔壁２７ｂを備えていなくてもよい。また、ターボチャージャ１０は、隔壁２７ａ及び流路末端隔壁２７ｂのいずれか一方を備えていてもよい。

○ ターボチャージャは、ノズルベーン３０の開度が調節できない固定式であってもよい。

Ｌ…回転軸線、Ｍ…全長、１０…ターボチャージャ、１３…タービンホイール、１４…タービンスクロール部、１４ａ…第１流路、１４ｂ…第２流路、１５ａ…第１ガス導入路、１５ｂ…第２ガス導入路、３０…ノズルベーン、３０ａ…前端、３０ｂ…後端、３１…入口前縁部、３２…出口後縁部、３５…翼中心線、３９…ガス流路、４１…内表面、４２…外表面、５１…変化率大部、５２…変化率小部。

Claims (5)

1. タービンホイールと、
   前記タービンホイールの外周に配置されたタービンスクロール部と、
   内燃機関の排気ガスを前記タービンスクロール部へ導くガス導入路と、
   前記タービンスクロール部の内側に配置され、当該タービンスクロール部の周方向に間隔を空けて配置された複数のノズルベーンと、
   前記タービンスクロール部での前記排気ガスの流れ方向に隣り合う前記ノズルベーン同士の間に画成されるガス流路と、
   を有し、前記排気ガスのエネルギーを用いて過給するターボチャージャであって、
   前記ノズルベーンは、前記ガス流路への前記排気ガスの入口側に位置する前端を含む入口前縁部と、前記ガス流路での前記排気ガスの出口側に位置する後端を含む出口後縁部と、を有し、
   前記前端と前記後端を結ぶ翼中心線に沿う前記ノズルベーンの長さを全長とすると、
   前記入口前縁部は、前記前端から前記全長の１０～４０％の長さの領域に設けられた円弧状であり、前記入口前縁部の円弧の曲率半径は前記全長の１０％以上の長さである、
   又は前記入口前縁部は、前記前端から前記全長の１０～４０％の長さの領域に設けられた複数の円弧を含む形状であり、前記複数の円弧のうち最小の円弧の曲率半径は、前記全長の１０％以上の長さであることを特徴とするターボチャージャ。
2. タービンホイールと、
   前記タービンホイールの外周に配置されたタービンスクロール部と、
   内燃機関の排気ガスを前記タービンスクロール部へ導くガス導入路と、
   前記タービンスクロール部の内側に配置され、当該タービンスクロール部の周方向に間隔を空けて配置された複数の可動式のノズルベーンと、
   前記タービンスクロール部での前記排気ガスの流れ方向に隣り合う前記ノズルベーン同士の間に画成されるガス流路と、
   を有し、前記タービンスクロール部は、前記ガス導入路の出口にて二股に分岐した二つの流路を含み、
   二股に分岐した一方の流路に流入した前記排気ガスの流れる向きと、他方の流路に流入した前記排気ガスの流れる向きは、前記タービンスクロール部の周方向に相反しており、
   前記排気ガスのエネルギーを用いて過給するとともに前記ノズルベーンによって前記ガス流路を流れる前記排気ガスの流れを調整するターボチャージャであって、
   前記ノズルベーンは、前記ガス流路への前記排気ガスの入口側に位置する前端を含む入口前縁部と、前記ガス流路での前記排気ガスの出口側に位置する後端を含む出口後縁部と、前記前端と前記後端を繋ぐ外表面及び内表面と、を有し、
   前記前端から前記後端に向けた前記ノズルベーンの板厚の変化の割合を変化率とすると、
   前記入口前縁部は、前記変化率を前記出口後縁部を含む部位での前記変化率より大きくした変化率大部であり、
   前記出口後縁部は、前記変化率大部よりも前記変化率の小さい変化率小部を含み、
   前記変化率大部は前記前端を含む円弧状であることを特徴とするターボチャージャ。
3. 前記ノズルベーンは、前記前端と前記後端とを結ぶ翼中心線を有し、前記翼中心線に沿う前記ノズルベーンの長さを全長とすると、前記変化率大部は、前記前端から前記全長の１０～４０％の長さの領域に設けられた円弧状であり、前記変化率大部の円弧の曲率半径は前記全長の１０％以上の長さである、又は前記変化率大部は、前記前端から前記全長の１０～４０％の長さの領域に設けられた複数の円弧を含む形状であり、前記複数の円弧のうち最小の円弧の曲率半径は、前記全長の１０％以上の長さである請求項２に記載のターボチャージャ。
4. 前記ノズルベーンは、前記翼中心線が直線状である、又は前記翼中心線が、前記後端から前記前端に向けて直線状に延びた後、前記前端に向かうに従い前記タービンスクロール部に近づくように前記外表面が湾曲している請求項３に記載のターボチャージャ。
5. 前記翼中心線は、前記後端から前記前端に向けて直線状に延びた後、前記前端に向かうに従い前記タービンスクロール部に近づくように前記外表面が湾曲している請求項４に記載のターボチャージャ。

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