JP4556369B2

JP4556369B2 - 可変容量ターボチャージャ

Info

Publication number: JP4556369B2
Application number: JP2001280485A
Authority: JP
Inventors: 一成安達; 啓光石原
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2001-09-14
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2021-09-14
Also published as: JP2003083076A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変容量ターボチャージャに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボチャージャの一形式として、特開平１０−８９７７号公報（以下、従来技術という）にて提案されているような、可変容量タ一ボチャージャがある。当該可変容量ターボチャージャは、エンジンの低速域では、少ない排気でタービンロータを回転させて所望の過給圧を得るとともに、エンジンの中速域および高速域では、タービンロータの回転をエンジンの回転速度に応じて規制して過給圧を設定された圧力に制御することにより、タ一ボチャージャの機能を向上させるべく意図しているものである。
【０００３】
当該可変容量ターボチャージャは、タービンハウジングとコンプレッサハウジング間にて回転可能に支持されて一端がタービンハウジングに臨みかつ他端がコンプレッサハウジングに臨むシャフトと、同シャフトの一端側に一体回転可能に設けられて前記タービンハウジングの排気通路に位置するタービンロータと、前記シャフトの他端側に一体回転可能に設けられて前記コンプレッサハウジングの吸気通路に位置するコンプレッサロータを備えていることを基本構成として、さらには下記のごとく構成されている。
【０００４】
すなわち、当該可変容量タ一ボチャージャにおいては、前記タービンハウジングは、前記排気通路における前記タービンロータの上流側を内周スクロール部と外周スクロール部に区画するとともに同外周スクロール部を流通する排気を前記内周スクロール部へ流入させる複数の連通孔を有する区画壁と、前記両スクロール部の流入口側に配設されて前記内周スクロール部と前記外周スクロール部の少なくとも一方への排気の流量を制御する制御弁を備え、前記記各スクロール部のスクロール断面積が上流側から下流側に沿って漸次縮小する先細り形状に形成されている。
【０００５】
かかる構成の可変容量タ一ボチャージャにおいては、排気ガス流量の少ない低速域においては、排気ガスが効率的にタービンロータを回転させるために制御弁により外周スクロール部への流入口を閉鎖し、容積の小さな内周スクロール部にのみ排気ガスを導く。また、排気ガスの流量が多い高速域においては、排気ガスが必要以上にタービンロータを回転させないために外周スクロール部への流入口を開き、容積の大きな外周スクロール部にも排気ガスを導く。つまり、エンジンの回転速度に応じて内周スクロール部と外周スクロール部への排気の流入量を制御することにより、エンジンの回転速度に応じた適正量の排気をタービンロータに供給して、コンプレッサロータにおいてエンジンの回転速度に応じて設定された適正な過給圧を得るものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術の可変容量ターボチャージャに限らず、一般的なターボチャージャにおいては内周スクロール部の断面積を上流側から下流側に向けて漸次縮小させることで内周スクロール部の軸方向長さが、内周スクロール部からタービンロータへの流出口よりも小さくなる領域がスクロールに生じる。特に従来技術の可変容量ターボチャージャにおいては、内周スクロール部の容積が一般的なターボチャージャと比較して小さく設定されているので、内周スクロール部の流入口付近、すなわちスクロール始点位置におけるスクロール断面積も小さく設定されている。このため、内周スクロール部の断面積を漸次縮小させると、内周スクロール部の軸方向長さに対して内周スクロール部からタービンロータへの流出口の軸方向長さが小さくなる領域が、一般的なターボチャージャよりも拡大する可能性がある。この内周スクロール部の軸方向長さに対して内周スクロール部からタービンロータへの流出口の長さよりも小さくなる領域は、排気の流れる通路の断面積が小さくなる領域となるので所謂絞りを生じさせる。このため、内周スクロール部を流れる排気が絞りにより生じた抵抗（圧力損失）によりタービンロータへ適正量流入できなくなる可能性がある。これにより、ターボチャージャの効率は低下し、コンプレッサロータにおいてエンジンの回転速度に応じて設定された過給圧を得ることができなったり、背圧が上昇したりする恐れがある。従って、本発明の目的は、内周スクロール部からタービンロータの入口への流れを円滑にし、当該可変ターボチャージャにおいてその効率を向上させること、をその課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するために請求項１の発明にて講じた技術的手段は、エンジンの排気通路に挿入されたタービンと、エンジンの吸気通路に挿入されたコンプレッサと、前記タービン内に配設されたタービンロータと、前記コンプレッサ内に配設されたコンプレッサロータと、前記タービンロータと前記コンプレッサロータとをその両端に取り付け、一体的に回転するシャフトと、前記タービンロータよりも上流側の前記タービン内の通路を内周スクロール部と外周スクロール部に区画するとともに同外周スクロール部を流通する排気を前記内周スクロール部へ流入させる複数の連通孔を有する区画壁と、前記両スクロール部の流入口側に配設されて、前記外周スクロール部及び前記内周スクロール部への排気の流量を制御する制御弁を備える可変容量ターボチャージャにおいて、前記内周スクロール部は、スクロール始点位置からスクロール所定位置までの間において相似的に漸次縮小し、前記所定位置から終端位置までの間において、前記内周スクロール部の前記タービンロータへの流出口の軸方向長さと前記内周スクロール部の軸方向の長さとを略同じとし、かつ、径方向に縮小することである。
【０００８】
上記した手段によれば、前記内周スクロール部のスクロール所定位置からスクロール終端位置までの間において、内周スクロール部の軸方向長さを内周スクロール部からタービンロータへの流出口の軸方向長さと同じ長さにすることができる。これにより、内周スクロール部からタービンロータへの流出口の軸方向長さよりも内周スクロール部の軸方向長さが小さくなることがない。これによって、内周スクロール部からタービンロータの流出口への排気の流れを円滑にし得る。
【０００９】
より好ましくは、前記内周スクロール部の断面積の変化率は一定とすると、よい。
【００１０】
また、さらに、前記連通孔の軸方向の長さは、前記所定位置から前記終端位置までの間において前記内周スクロール部から前記タービンロータへの流出口の軸方向長さ略同じとすると、よい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を図面に基づいて説明する。図１および図２は本発明の一例に係る可変容量ターボチャージャを示すもので、当該可変容量ターボチャージャは、連結部１０を介して互いに連結されたタービン２０とコンプレッサ３０にて構成されている。
【００１２】
連結部１０は、ベアリングハウジング１１と、ベアリングハウジング１１内にて軸受１２を介して回転可能に支持されたシャフト１３を備えていて、シャフト１３は左右の各端部をベアリングハウジング１１から突出させている。シャフト１３の一端側はタービン２０を構成するタービンハウジング２１内に臨み、かつ、シャフト１３の他端側はコンプレッサ３０を構成するコンプレッサバウジシグ３１内に臨んでいる。シャフト１３の一端側には、タービン２０を構成するタービンロータ２２が一体回転可能に固着され、かつ、シャフト１３の他端側には、コンプレッサ３０を構成するコンプレッサロータ３２が一体回転可能に組付けられている。
【００１３】
タービン２０は、タービンハウジング２１と、タービンハウジング２１内に位置するタービンロータ２２を備えているもので、タービンハウジング２１は連結部１０を構成するベアリングハウジング１１の一側に取付けられている。タービンロータ２２は、ベアリングハウジング１１の一側を貫通して臨むシャフト１３の一端側に一体回転可能に固着されていて、タービンハウジング２１内に形成されている排気通路（通路）に位置している。
【００１４】
タービンハウジング２１は、排気導入口２１ａと排気排出口２１ｂを備え、排気導入口２１ａと排気排出口２１ｂ間が排気通路に形成されており、同排気通路におけるタービンロータ２２の配設位置より上流側に、区画壁２３が設けられている。タ一ビンハウジング２１におけるタービンロータ２２の配設位置より上流側の内周面は、区画壁面に形成されていて、区画壁２３は、排気通路におけるタービンロータ２２の配設位置より上流側の部位を、内周スクロール部２４と外周スクロール部２５に区画している。区画壁２３には、連通孔２３ａが下流側に沿って多数形成されている。連通孔２３ａは、その上流側壁が緩やかな傾斜状に、かつ、その下流側壁がきつい傾斜状に形成されていて、タービンロータ２２の軸心に向かって所定の傾斜角度で指向している。
【００１５】
当該タービン２０においては、タービンハウジング２１の排気導入口２１ａ側に制御弁２６が配設されている。制御弁２６は、外周スクロール部２５の流入開口部２５ａ（弁開口）の開口度合いを制御するもので、その先端部が区画壁２３の先端部に延びて同先端部の弁座部に着座している。制御弁２６は、この状態で外周スクロール部２５の流入開口部２５ａを閉鎖していて、図示しない操作手段にて、エンジンの回転速度に応じて開閉動作を制御される。
【００１６】
コンプレッサ３０は、コンプレッサハウジング３１と、コンプレッサハウジング３１内に位置するコンプレッサロータ３２を備えているもので、コンプレッサハウジング３１は連結部１０を構成するベアリングハウジング１１の他側に取付けられている。コンプレッサロータ３２は、ベアリングハウジング１１の他側を貫通して臨むシャフト１３の他端側に一体回転可能に組付けられていて、コンプレッサハウジング３１内に形成されている吸気通路に位置している。
【００１７】
コンプレッサハウジング３１は、コンプレッサ導入口３１ａとコンプレッサ排出口３１ｂを備える。コンプレッサ導入口３１ａとコンプレッサ排出口３１ｂ間にはコンプレッサハウジング３１の外周に沿って円環状のスクロール部３３、３４が形成され、このスクロール部３３、３４がコンプレッサ通路を形成する。スクロール部３３、３４はコンプレッサ排出口３１ｂに隣接する位置からコンプレッサ導入口３１ａ側に向けて漸次先細り形状に形成されている。
【００１８】
しかして、当該可変容量ターボチャージャにおいては、図１〜図３に示すように、内周スクロール部２４および外周スクロール部２５は、上流側から下流側に沿って漸次縮小する先細り形状に形成されている。また、外周スクロール部２５は内周スクロール部２４に比較して、上流側から下流側の全ての部位においてスクロール断面積が大きく設定されている。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、両スクロール部２４、２５の各部位におけるスクロール断面形状を示すもので、図３（ａ）〜（ｄ）は図2に示すスクロール始点位置（Ａ）、スクロール中間位置（Ｂ）、スクロール所定位置（Ｃ）、およびスクロール終端位置（Ｄ）におけるスクロール断面形状を示している。
【００１９】
当該可変容量ターボチャージャにおいて、外周スクロール部２５は、スクロール始点位置（Ａ）からスクロール所定位置（Ｃ）までの間は、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、スクロール断面形状が相似的に漸次縮小するように形成されており、かつ、スクロール所定位置（Ｃ）からスクロール終端位置（Ｄ）までの間は区画壁２３の連通孔２３ａの軸方向の長さを保持した状態で径方向に漸次縮小するように形成されている。なお、軸方向とはタービンロータ２２の軸心を通る軸線Ｌに平行な方向をいう。スクロール所定位置（Ｃ）は、連通孔２３ａの軸方向の長さと内周スクロール部２４のタービンロータ２２側への流出口２４ａの軸方向の長さとが略一致する位置に設定されている。
【００２０】
同様に、内周スクロール部２４は、スクロール始点位置（Ａ）からスクロール所定位置（Ｃ）までの間は、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、スクロール断面形状が相似的に漸次縮小するように形成されており、かつ、スクロール所定位置（Ｃ）からスクロール終端位置（Ｄ）までの間は内周スクロール部２４のタービンロータ２２側への流出口２４ａの軸方向の長さを保持した状態で、径方向に漸次縮小するように形成されている。そして、スクロール所定位置（Ｃ）からスクロール終端位置（Ｄ）までの断面積の変化率がスクロール始点位置（Ａ）からスクロール所定位置（Ｃ）までの断面積の変化率となるように、内周スクロール部２４を径方向へ縮小させている。すなわち、スクロール始点位置（Ａ）においては、図３（ａ）に示すように、内周スクロール部２４は略正方形形状を呈し、スクロール所定位置（Ｃ）においては、図３（ｃ）に示すように略相似形状に縮小された略正方形形状を呈するように漸次縮小される。そして、スクロール所定位置（Ｃ）からスクロール終点位置（Ｄ）までの間は、図３（ｄ）に示すように、内周スクロール部２４のタービンロータ２２への流出口２４ａの軸方向長さを保ちつつ、断面積の変化率を一定（スクロール所定位置（Ａ）からスクロール所定位置（Ｃ）までの断面積の変化率と同じ断面積の変化率）となるよう断面形状を変化させているので、横長の長方形形状を呈する。この径方向の断面形状の変化は、区画壁２３をタービンロータ２２側に向かって径方向に縮径させることによって行われる。
【００２１】
上記した可変容量ターボチャージャの作動について説明する。
【００２２】
当該可変容量ターボチャージャにおいては、エンジンからの排気を、タービン２０を構成するタービンハウジング２１の排気導入口２１ａを通して排気通路に導入することにより作動し、コンプレッサ３０においては設定された過給圧を発生させ、この過給圧を図示しないエンジンの吸気口に供給する。
【００２３】
当該可変容量ターボチャージャにおいて、排気量が少ないエンジンの低速域では、外周スクロール部２５の流入開口部２５ａが制御弁２６により閉鎖されていて、タービンハウジング２１の排気導入口２１ａを通して導入された排気は内周スクロール部２４に流入する。内周スクロール部２４を流れる排気はタービンロータ２２の接線方向からタービンロータ２２に当たり、タービンロータ２２を効率よく回転させる。その後、排気は、排気排出口２１ｂを経て外部へ排出される。この間、タービンロータ２２の回転によりシャフト１３が回転して、コンプレッサロータ３２を回転させる。この結果、大気がコンプレッサハウジング３１のコンプレッサ導入口３１ａから図示しないエンジンの吸気通路に導入され、コンプレッサロータ３２により圧縮されて設定された過給圧となって、コンプレッサ排出口３１ｂを経て高い密度の吸気としてエンジンの吸気口へ導入される。
【００２４】
これにより、当該ターボチャージャは内周スクロール２４の容積のタービンを有する容量の小さなターボチャージャとして機能し、少ない排気にでも効率よくタービンロータ２２を回転させることができる。
【００２５】
一方、排気量が多いエンジンの中速域または高速域では、制御弁２６の作動により外周スクロール部２５の流入開口部２３ａがエンジンの回転速度に応じて開放されて、タービンハウジング２１の排気導入口２1ａを通して導入された排気は内周スクロール部２４と外周スクロール部２５の両者に流入し、内周スクロール部２４に流入した排気は上記したと同様にタービンロータ２２を回転させて排気排出口２１ｂを経て外部へ排出される。
【００２６】
この間、外周スクロール部２５に流入した排気は、区画壁２３の各連通口２３ａを通して内周スクロール部２４に流入する。この場合、排気の内周スクロール部２４への流入方向は、各連通口２３ａの指向方向に沿った方向、すなわちタービンロータ２２の軸心へ向かう方向となる。内周スクロール部２４内を流れる排気の流れは、上記したようにタービンロータ２２の接線方向からタービンロータ２２に当たっているが、外周スクロール部２５からの内周スクロール部２４に流入する排気の流れにより、タービンロータ２２の回転中心方向に向かう流れに変える。さらに、タービンロータ２２に当たる排気の流れの流速も低下する。これにより、タービンロータ２２の回転は抑制されて、コンプレッサロータ３２の必要以上の回転が防止され、エンジンの中速域または高速域の排気量が多い領域においても設定された過給圧に制御される。
【００２７】
ところで、当該可変容量ターボチャージャにおいては、内周スクロール部２４の容量およびスクロール断面積を小さく設定し、外周スクロール部２５の容量およびスクロール断面積を大きく設定し、エンジンの運転状態に応じて、内周スクロール部と外周スクロール部への排気の流入量を制御することにより可変レンジを有し、効率のよい可変容量ターボチャージャを構成しているが、特に、内周スクロール部２４をスクロール始点位置（Ａ）からスクロール部所定位置（Ｃ）までの間は内周スクロール部２４のスクロール断面を相似的に漸次縮小させ、かつ、スクロール所定位置（Ｃ）からスクロール終端位置（Ｄ）までの間は内周スクロール部２４のタービンロータ２２への流出口２４ａの軸方向長さを保持しつつ径方向に漸次縮小させる構成としている。
【００２８】
このような内周スクロール部２４のスクロール断面の形状により、内周スクロール部２４のタービンロータ２２への流出口２４ａの軸方向長さよりも内周スクロールの断面の軸方向長さが小さくなることがスクロール所定位置（Ｃ）からスクロール終端位置（Ｄ）までの間においても防止できるので、内周スクロール部２４を流れる排気がタービンロータ２２への流出することを妨げることなく、円滑に流出させることができる。これにより、内周スクロール部２４における抵抗を低減させて当該ターボチャージャの効率を向上させることができる。また、当該ターボチャージャにおいては、スクロール所定位置（Ｃ）からスクロール終端位置（Ｄ）までの間において、連通口２３ａの軸方向長さを内周スクロール部２４のタービンロータ２２への流出口２４ａの軸方向長さと一致させているため、外周スクロール部２５から内周スクロール部２４への排気の流入を妨げることなく円滑に流入させることができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、内周スクロール部のスクロール所定位置からスクロール終端位置までの間は、内周スクロール部のタービンロータへの流出口の軸方向の長さと内周スクロール部の軸方向の長さとを同じにできる。これにより、内周スクロール部のタービンロータへの流出口の軸方向長さよりも内周スクロール部の軸方向長さが小さくなることがない。これによって、内周スクロール部からタービンロータの流出口への流れを円滑にし、可変容量ターボチャージャの効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例に係る可変容量ターボチャージャの断面図である。
【図２】同可変容量ターボチャージャの図１における２２線での断面図である。
【図３】同可変容量ターボチャージャの図2に示すスクロール始点位置（Ａ）における断面図（ａ）、同中間位置（Ｂ）における断面図（ｂ）、同所定位置（Ｃ）における断面図（ｃ）、および終端位置（Ｄ）における断面図（ｄ）である。
【符号の説明】
１０連結部
１１ベアリングハウジング
１２軸受
１３シャフト
２０タービン
２１タービンハウジング
２１ａ排気導入口
２１ｂ排気排出口
２２タービンロータ
２３区画壁
２３ａ連通孔
２４内周スクロール部
２４ａ流出口
２５外周スクロール部
２５ａ流入開口部
３０ハウジング

Claims

エンジンの排気通路に挿入されたタービンと、
エンジンの吸気通路に挿入されたコンプレッサと、
前記タービン内に配設されたタービンロータと、
前記コンプレッサ内に配設されたコンプレッサロータと、
前記タービンロータと前記コンプレッサロータとをその両端に取り付け、一体的に回転するシャフトと、
前記タービンロータよりも上流側の前記タービン内の通路を内周スクロール部と外周スクロール部に区画するとともに同外周スクロール部を流通する排気を前記内周スクロール部へ流入させる複数の連通孔を有する区画壁と、
前記両スクロール部の流入口側に配設されて、前記外周スクロール部及び前記内周スクロール部への排気の流量を制御する制御弁を備える可変容量ターボチャージャにおいて、
前記内周スクロール部は、スクロール始点位置からスクロール所定位置までの間において相似的に漸次縮小し、前記所定位置から終端位置までの間において前記内周スクロール部の前記タービンロータへの流出口の軸方向長さと前記内周スクロール部の軸方向の長さとを略同じとし、かつ、径方向に縮小することを特徴とする可変容量ターボチャージャ。
請求項１に記載の可変容量ターボチャージャにおいて、前記内周スクロール部の断面積の変化率は一定であることを特徴とする可変容量ターボチャージャ。
請求項１または２に記載の可変容量ターボチャージャにおいて、前記連通孔の軸方向の長さは、前記所定位置から前記終端位置までの間において前記内周スクロール部から前記タービンロータへの流出口の軸方向長さ略同じとすることを特徴とする可変容量ターボチャージャ。