JP5338379B2 - 可変容量タービン及び過給機 - Google Patents

Description

本発明は、枠体に挟まれて配置される可動ベーンをインペラ周りに複数備える可変容量タービン及び該可変容量タービンを備える過給機に関するものである。

従来より、車両搭載用の過給機等においては、インペラ周りにノズルユニットを備える可変容量タービンが用いられている。
このような可変容量タービンでは、ノズルユニットがインペラ周りに配列される複数の可動ベーンを備えており、これらの可動ベーンを回動させて可動ベーン間隔を調節することによって、効率的なインペラへの排気ガス供給を実現している。

ところで、可動ベーンは、両側に配置される枠体によって挟まれて配置されている。そして、可動ベーンと枠体との隙間距離が広すぎる場合には、排気ガスが当該隙間から漏れるために効率的にインペラに排気ガスを供給することが困難となってタービンの性能が低下する。一方、可動ベーンと枠体との隙間距離が狭すぎる場合には、熱膨張等の変形により可動ベーンと枠体が接触し、可動ベーンの回動が阻害される可能性がある。
このため、従来の可変容量タービンにおいては、上記隙間距離の上限値と下限値とを予め設定し、個々の可動ベーンに対して隙間距離が上記上限値と下限値との間に収まるように組立てを行っている。

実開昭６３−５７３２８号公報

ところで、近年は、タービンのさらなる効率向上が望まれている。タービンの効率は、上述のように可動ベーンと枠体との隙間距離を狭くすることによって向上が図れる。このため、効率を向上させるための単純な方法としては、上述の上限値をより下限値に近づける方法が考えられる。
しかしながら、上限値をより下限値に近づけた場合には、隙間距離の許容範囲が狭くなり、当然ながら当該許容範囲を超える可能性が高くなる。このため、歩留まりの悪化を招くこととなる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、可変容量タービンを組み立てる際の歩留まりの悪化を抑制しながら可変容量タービンの効率の向上を可能とすることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、枠体に挟まれて配置される可動ベーンをインペラ周りに複数備える可変容量タービンであって、各上記可動ベーンにおいて上記可動ベーンと上記枠体との隙間距離が機械的制約によって定められる下限値以上に設定され、全ての各上記可動ベーンにおける上記隙間距離の平均値が性能的制約によって定められる上限値以下に設定され、少なくともいずれかの上記可動ベーンにおける上記隙間距離が上記平均値よりも小さいという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記平均値よりも上記隙間距離が小さい上記可動ベーンの数が、全可動ベーン数の半数より多いという構成を採用する。

第３の発明は、タービンとコンプレッサとを備える過給機であって、上記第１または第２の発明である可変容量タービンを上記タービンとして備えるという構成を採用する。

全ての可動ベーンにおける枠体との隙間距離の平均値が一定であるとすれば、全ての可動ベーンの隙間距離が平均値である場合と比較して、いずれかの可動ベーンにおける隙間距離が平均値よりも小さい場合の方がタービンの効率は向上する。そして、本発明においては、少なくともいずれかの可動ベーンにおける隙間距離が平均値よりも小さいという構成を採用する。このため、少なくとも本発明の隙間距離の平均値が従来の隙間距離の平均値と同じあるいはそれ以下である場合（すなわち本発明における「性能的制約によって定められる上限値」を従来の隙間距離の平均値に設定した場合）には、タービンの効率向上を図ることができる。
また、本発明によれば、可動ベーンの回動の阻害を抑制するために、各可動ベーンにおいて隙間距離が機械的制約によって定められる下限値以上に設定される。このため、可動ベーンの回動を確実に確保することができる。

そして、本発明の可変容量タービンを組み立てる際には、可動ベーンにおける隙間距離の平均値が上限値以下となるのであれば、各可動ベーンにおいては隙間距離の下限値のみを管理すれば良い。したがって、複数の可動ベーンのうち、いくつかの可動ベーンにおける隙間距離が、従来の許容範囲を超えて大きい場合であっても、可動ベーンにおける隙間距離の平均値が許容範囲内であれば、当該可変容量タービンを用いることができる。
したがって、本発明によれば、歩留まりの悪化を抑制するどころか歩留まりを向上させることが可能となる。

よって、本発明によれば、可変容量タービンを組み立てる際の歩留まりの悪化を抑制しながら可変容量タービンの効率を向上させることが可能となる。

本発明の一実施形態である過給機の概略構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態である過給機においてタービンが備えるタービンインペラとノズルベーンとの位置関係を示す模式図である。 本発明の一実施形態である過給機においてタービンが備えるノズルベーンと枠体との拡大図である。 本発明の一実施形態である過給機が備えるタービンの解析条件を示すグラフである。 本発明の一実施形態である過給機が備えるタービンの解析結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明に係る可変容量タービン及び過給機の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
また、以下の説明においては、本発明の可変容量タービンを備える過給機について説明する。

図１は、本実施形態の過給機１０の概略構成を示す断面図である。この図に示すように、過給機１０は、タービン２０と、コンプレッサ３０と、軸部４０とを備えている。

タービン２０は、内燃機関から供給される排気ガスのエネルギを回転動力に変換するものであり、タービンインペラ２１、タービンハウジング２２及びノズルユニット２３を備えている。

タービンインペラ２１は、ディスクの一面に複数の翼が立設されたラジアルインペラであり、その外周部から流入して隣り合う翼間を流れて軸線方向へ抜ける排気ガスＧによってトルクを受けて回転する。

タービンハウジング２２は、タービンインペラ２１を覆うものであって、外側に突出した排気ガス導入路を有している。この排気ガス導入路は、内燃機関の排気口に接続されて、内燃機関が排出する排気ガスＧをタービンハウジング２２内に導き入れる。また、タービンハウジング２２には、軸部４０が備えるシャフト４１の同軸上に位置させて排気ガス排出口２２ａが形成されている。この排気ガス排出口２２ａは、排気筒（図示せず）等に接続される。

ノズルユニット２３は、タービンインペラ２１（インペラ）に排気ガスＧを効率的に供給するためのものであり、複数のノズルベーン５０（５０ａ〜５０ｋ）、枠体５１，５２及びベーン駆動機構５３を有している。
図２は、図１で示したノズルベーン５０（可動ベーン）とタービンインペラ２１との位置関係を示すための模式図である。そして、この図に示すように、ノズルベーン５０ａ〜５０ｋは、タービンインペラ２１周りに等間隔で配列されている。図３は、ノズルベーン５０と枠体５１，５２とを拡大した拡大図である。この図に示すように、各ノズルベーン５０は、枠体５１，５２に挟まれて配置されている。
枠体５１，５２は、ノズルベーン５０の配列方向に沿った環状形状を有しており、タービンハウジング２２に固定されている。

ベーン駆動機構５３は、ノズルベーン駆動リング５３ａ、ノズルベーン駆動軸５３ｂ、ノズルリンク板５３ｃ、駆動軸５３ｄ、ピストンロッド５３ｅ及び連結部５３ｆ，５３ｇを備えている。
ノズルベーン駆動リング５３ａは、枠体５２に対して回動自在に設置されている。ノズルベーン駆動軸５３ｂは、ノズルベーン５０と同数設けられ、ノズルベーン駆動リング５３ａに貫装されている。ノズルリンク板５３ｃは、各ノズルベーン５０の駆動軸と各ノズルベーン駆動軸５３ｂとを、クランク状に連結する。駆動軸５３ｄは、一端部を連結部５３ｆによってピストンロッド５３ｅと連結されており、ピストンロッド５３ｅの往復運動によって回動される。また、駆動軸５３ｄは、他端部を連結部５３ｇによってノズルベーン駆動リング５３ａに連結されており、ノズルベーン駆動リング５３ａは、駆動軸５３ｄの回転運動によって回動される。
このように構成されたベーン駆動機構５３が駆動されることによって、各ノズルベーン５０が等しく回動される。

コンプレッサ３０は、外気を圧縮して内燃機関に供給するものであり、コンプレッサインペラ３１、及びコンプレッサハウジング３２を備えている。

コンプレッサインペラ３１は、ディスクの一面に複数の翼が立設されたラジアルインペラであり、回転駆動されることによりディスクの翼が立設された側に軸線方向から流入する外気を圧縮する。

コンプレッサハウジング３２は、コンプレッサインペラ３１を覆うものである。コンプレッサハウジング３２には、シャフト４１と同軸上に位置させて吸気口３２ａが形成されている。この吸気口３２ａから外気が吸引される。
また、コンプレッサハウジング３２は、外周側から突出した吐出流路を有している。この吐出流路は、内燃機関の給気口に接続されて、加圧空気を内燃機関へと導く。

軸部４０は、タービン２０とコンプレッサ３０とを接続すると共にタービンインペラ２１の回転動力をコンプレッサインペラ３１に伝達するものであり、シャフト４１と、ベアリング４２と、ベアリングハウジング４３とを備えている。

シャフト４１は、タービンインペラ２１とコンプレッサインペラ３１とを連結する。シャフト４１の軸心と、タービンインペラ２１及びコンプレッサインペラ３１の回転軸とは、同心である。
タービンインペラ２１とシャフト４１とは溶接等により一体化され、コンプレッサインペラ３１とシャフト４１とはボルト等を介して結合されている。

ベアリング４２は、ベアリングハウジング４３内でシャフト４１を回転自在に支持するものである。

ベアリングハウジング４３は、ベアリング４２及びシャフト４１を囲い、ベアリング４２の位置固定するものである。このベアリングハウジング４３は、タービンハウジング２２とコンプレッサハウジング３２との間に設けられ、タービンハウジング２２とコンプレッサハウジング３２とを接続する。

このような構成を有する本実施形態の過給機１０においては、内燃機関が排出する高温及び高圧の排気ガスＧが、排気ガス導入路よりタービンハウジング２２内に導入されて、タービンインペラ２１を回転させた後に、排気ガス排出口２２ａより外部へ排気される。そして、タービンインペラ２１の回転は、シャフト４１を介してコンプレッサインペラ３１に伝達され、コンプレッサインペラ３１を回転させる。これにより、吸気口３２ａから外気が、コンプレッサハウジング３２内に吸入され、圧縮された後に、吐出流路を通過して、内燃機関に供給される。

そして、本実施形態の過給機１０においては、各ノズルベーン５０と枠体５１，５２との隙間距離が機械的制約によって定められる下限値以上に設定され、全てのノズルベーン５０における上記隙間距離の平均値が性能的制約によって定められる上限値以下に設定され、少なくともいずれかのノズルベーン５０における上記隙間距離が上記平均値よりも小さく設定されている。
なお、ノズルベーン５０と枠体５１，５２との隙間距離とは、図３に示すように、ノズルベーン５０と枠体５１との隙間距離ｄ１と、ノズルベーン５０と枠体５２との隙間距離ｄ２とを合わせた距離である。

図４及び図５は、本実施形態の過給機１０が備えるタービン２０の効率を解析する際の条件と、解析結果を示す図である。
図４に示すように、本解析では、全ての条件において平均値が一定となる設定の下、ノズルベーン５０ａ〜５０ｅ，５０ｇ〜５０ｋにおける隙間距離が平均値より小さてノズルベーン５０ｆにおける隙間距離が平均値より極めて大きい条件Ａと、ノズルベーン５０ａ，５０ｃ，５０ｅ，５０ｇ〜５０ｋにおける隙間距離が小さくてノズルベーン５０ｂ，５０ｄ，５０ｆにおける隙間距離が平均値より大きい条件Ｂと、ノズルベーン５０ａ〜５０ｆにおける隙間距離が平均値より小さくてノズルベーン５０ｇ〜５０ｋにおける隙間距離が平均値より大きい条件Ｃと、全てのノズルベーン５０ａ〜５０ｋにおける隙間距離が平均値である条件Ｘにおいて解析を行った。
この結果、図５に示すように、供給される流量に関わらず条件Ｘよりも条件Ａ〜Ｃの効率が向上した。

つまり、全てのノズルベーン５０における隙間距離の平均値が一定であるとすれば、全てのノズルベーンの隙間距離が平均値である場合と比較して、いずれかのノズルベーン５０における隙間距離が平均値よりも小さい場合の方がタービンの効率は向上する。そして、本実施形態の過給機１０が備えるタービン２０においては、少なくともいずれかのノズルベーン５０における隙間距離が平均値よりも小さいという構成を採用する。このため、少なくとも本実施形態におけるノズルベーン５０における隙間距離の平均値が従来のノズルベーンにおける隙間距離の平均値と同じあるいはそれ以下である場合には、タービンの効率向上を図ることができる。
したがって、本実施形態の過給機１０において「性能的制約によって定められる上限値」を従来の隙間距離の平均値に設定することによって、従来の過給機のタービンの効率を上回ることができる。なお、図４及び図５から分かるように、平均値よりも隙間距離が小さいノズルベーン５０の数が、全ノズルベーン数の半数より多い場合には、確実にタービンの効率を向上させることができる。

なお、タービンの性能と上記平均値との関係は既存の解析方法によって容易に求めることができ、タービンの性能は、上記平均値に依存して変化する。このため「性能的制約によって定められる上限値」として単純に上述のように従来の隙間距離の平均値を用いても良いが、本実施形態の過給機１０の使用条件等により別に所望の性能が要求されている場合には、「性能的制約によって定められる上限値」を当該性能を達成可能な値に変更して設定することが好ましい。つまり、本実施形態の過給機１０に求められる性能が、従来の過給機よりも高い場合には、「性能的制約によって定められる上限値」は従来の隙間距離以下に設定する。一方、本実施形態の過給機１０に求められる性能が、従来の過給機と同等以下である場合には、「性能的制約によって定められる上限値」は従来の平均値よりも僅かに大きく設定される。

また、本実施形態の過給機１０のタービン２０によれば、ノズルベーン５０の回動の阻害を抑制するために、各ノズルベーン５０において隙間距離が機械的制約によって定められる下限値以上に設定される。このため、ノズルベーン５０の回動を確実に確保することができる。

そして、このような本実施形態の過給機１０を組み立てる際には、ノズルベーン５０における隙間距離の平均値が「性能的制約によって定められる上限値」以下となるのであれば、各ノズルベーン５０においては隙間距離の下限値のみを管理すれば良い。したがって、複数のノズルベーン５０のうち、いくつかのノズルベーン５０における隙間距離が、従来の許容範囲を超えて大きい場合であっても、ノズルベーン５０における隙間距離の平均値が許容範囲内であれば、本実施形態の過給機１０のタービン２０として用いることができる。
したがって、本実施形態の過給機１０によれば、歩留まりの悪化を抑制するどころか歩留まりを向上させることが可能となる。

以上のように、本実施形態の過給機１０によれば、タービン２０を組み立てる際の歩留まりの悪化を抑制しながらタービンの効率を向上させることが可能となる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、ノズルベーン５０の枚数が１１枚である構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、ノズルベーン５０の枚数がより多いまたはより少ない構成を採用することもできる。

また、上記実施形態においては、本発明の可変容量タービンを備える過給機について説明した。
しかしながら、本発明の可変容量タービンは、過給機のみに適用されるものではなく、例えば、発電用タービン等に用いることも可能である。

１０……過給機、２０……タービン（可変容量タービン）、３０……コンプレッサ、５０……ノズルベーン（可動ベーン）、５１，５２……枠体

Claims (3)

1. 枠体に挟まれて配置される可動ベーンをインペラ周りに複数備える可変容量タービンであって、
   前記可動ベーンと前記枠体との間の隙間の距離を隙間距離とし、
   熱膨張によって前記可動ベーンが変形した場合であっても前記可動ベーンと前記枠体との接触を防止できる前記隙間距離のうち最少の値を機械的制約によって定められる下限値とし、
   要求されるタービン性能を発揮できる前記隙間距離のうち最大の値を性能的制約によって定められる上限値とし、
   各前記可動ベーンにおいて前記可動ベーンと前記枠体との隙間距離が機械的制約によって定められる下限値以上に設定され、全ての各前記可動ベーンにおける前記隙間距離の平均値が性能的制約によって定められる上限値以下に設定され、少なくともいずれかの前記可動ベーンにおける前記隙間距離が前記上限値よりも大きいことを特徴とする可変容量タービン。
2. 前記平均値よりも前記隙間距離が小さい前記可動ベーンの数が、全可動ベーン数の半数より多いことを特徴とする請求項１記載の可変容量タービン。
3. タービンとコンプレッサとを備える過給機であって、
   請求項１または２記載の可変容量タービンを前記タービンとして備えることを特徴とする過給機。

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