JP5353938B2 - ターボチャージャ - Google Patents

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Description

本発明は、2つの排気スクロール(第1、第2排気スクロール)を備えたターボチャージャに関する。
2つの排気スクロールを備えるターボチャージャの具体例を、図9を参照して説明する(例えば、特許文献1、2参照)。なお、後述する[発明を実施するための形態]および[実施例]と同一機能物に同一符号を付すものである。
特許文献1、2に開示されるターボチャージャは、
・タービン羽根車4の排気上流側へ排気ガスを吹き付ける第1排気出口1aを有する第1排気スクロール1と、
・第1排気出口1aより排気下流側のタービン羽根車4へ排気ガスを吹き付ける第2排気出口2aを有する第2排気スクロール2とを備える。
第1排気出口1aからタービン羽根車4に吹き付けられた排気ガスは、タービン羽根車4内において排気ガスの流れ方向が、径方向(内向き流)から軸方向(軸流)へ変化したのちに、タービン羽根車4から排出される(図9の破線矢印α参照)。
一方、第2排気出口2aは、図9に示すように、タービン羽根車4の排気下流側に開口している。
具体的に、第2排気出口2aは、タービンハウジング3のシュラウド壁(タービン羽根車4のシュラウドエッジを覆って排気ガスを下流側へ導く壁面)の下流側における円筒シュラウド壁(軸方向に略平行な円筒面)に設けられている{図1(b)の符号SW2参照}。
このため、第2排気出口2aからタービン羽根車4に吹き付けられた排気ガスは、図9の実線βに示すように、第1排気出口1aからの排気ガスの流れ(略軸方向の流れ)に対して直角に合流する。
その結果、第1排気出口1aからタービン羽根車4に吹き付けられた排気ガス(図中破線α)と、第2排気出口2aからタービン羽根車4に吹き付けられた排気ガス(図中実線β)とが、タービン羽根車4内の下流側で強く衝突し、図9の実線γに示すように、タービン羽根車4内の排気下流側において排気ガスの流れに大きな乱れが生じてしまう。この乱流は、タービン羽根車4の回転の妨げとして作用するため、タービン効率の低下の要因になる。
上記の問題点に着目したターボチャージャとして、特許文献3に開示される技術が知られている。
この特許文献3は、第2排気出口2aの下流端部に、排気吹出方向を軸方向に変換する出口カーブ(偏向手段)を設けることで、合流部における排気ガスの衝突を抑えるものである。
この特許文献3の技術は、排気ガスの合流角度を小さくできる。しかし、出口カーブを設けたことにより、排気ガスの合流箇所がタービン羽根車4の排気出口に近い部分になる。このため、第2排気出口2aから吹き出した排気ガスは、タービン羽根車4内で第1排気出口1aから吹き出された排気ガスと十分混合しないままの状態で、タービン羽根車4から排出されてしまう。
すると、タービン羽根車4の出口部分で、第1排気出口1aから吹き出された排気ガスと、第2排気出口2aから吹き出された排気ガスとが衝突する。その結果、タービン羽根車4の出口部分において、排気ガスの流れに大きな乱れが生じてしまう。
このタービン羽根車4の出口部分に生じた乱流は、タービン羽根車4の回転の妨げとして作用するため、タービン効率の低下の要因になる。
特開2007−23893号公報 特開2007−23894号公報 特開2007−192125号公報
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、タービン羽根車の内部および出口部分における排気ガスの乱れを防ぎ、タービン効率を向上できるターボチャージャの提供にある。
〔請求項1の手段〕
請求項1のターボチャージャは、径方向から排気ガスを吹き付ける排気上流側の第1排気出口に対し、排気下流側の第2排気出口を、第1排気出口との配置関係が平行よりも第1排気出口側に向かうように傾斜し、かつ、タービン羽根車の円弧エッジ(排気ガスの流れ方向が径方向から軸方向へ変化する部位)に排気ガスを吹き付けるように、円弧シュラウド壁(シュラウド壁のうち、断面が円弧形状を呈する部分)に設けることで、第1、第2排気出口の排気ガスの合流角度を小さくでき、排気ガスの衝突による乱れを防ぐことができる。即ち、タービン羽根車の内部における排気ガスの乱れを防ぐことができる。
また、排気ガスの合流箇所は、タービン羽根車の上流側(タービン羽根車において排気ガスの流れ方向が径方向から軸方向へ変化する排気上流側)であるため、合流した排気ガスは、タービン羽根車内で整流されたのちにタービン羽根車から排出される。このため、タービン羽根車の出口部分における排気ガスの乱れを防ぐことができる。
このように、請求項1のターボチャージャは、タービン羽根車の内部と出口部分の両方において排気ガスの乱れを防ぐことができる。このため、タービン効率を向上することができる。その結果、過給圧の上昇を図ってトルクを向上でき、燃費の向上やドライバビリティの向上を図ることができる。
〔請求項2の手段〕
請求項2のターボチャージャは、第2排気出口におけるタービン羽根車の排気下流側に、軸方向に対して垂直な下流側垂直壁を備える。
この下流側垂直壁によって第1、第2排気出口の排気ガスの合流角度をより小さくすることができ、排気ガスの衝突による乱れをより小さくすることができる。その結果、タービン効率をより向上することができる。
また、第1排気出口から吹き出された排気ガスの流れによって、第2排気出口から吹き出す排気ガスの流れが曲げられても(排気圧で押されても)、下流側垂直壁によって第2排気出口から吹き出す排気ガスの流量低下を抑えることができる。
その結果、第2排気出口から吹き出す排気ガスの流量を増やすことができ、タービン出力を向上することができる。
〔請求項3の手段〕
請求項3のターボチャージャは、第2排気出口におけるタービン羽根車の排気上流側に、軸方向に対して垂直な上流側垂直壁を備える。
この上流側垂直壁によって第1、第2排気出口の排気ガスの合流角度をより小さくすることができ、排気ガスの衝突による乱れをより小さくすることができる。その結果、タービン効率をより向上することができる。
また、第1排気出口から吹き出された排気ガスの剥離によって第2排気出口の内部に渦流が発生するのを上流側垂直壁によって抑制することができる。
その結果、第2排気出口から吹き出す排気ガスの流れが、渦流によって阻害される不具合を回避することができ、タービン効率をより向上することができる。
〔請求項4の手段〕
請求項4のターボチャージャは、第2排気出口におけるタービン羽根車の排気下流側の端部に、シュラウド壁と円滑に繋がるR部を備える。
このR部によって第2排気出口から吹き出す排気ガスをシュラウド壁に沿って円滑に流すことができる。即ち、第2排気出口から吹き出す排気ガスがシュラウド壁に対して剥離する不具合を回避することができる。
その結果、第1、第2排気出口の排気ガスの合流部の流れが、剥離する排気ガスの流れによって乱れるのを防ぐことができ、タービン効率をより向上することができる。
ターボチャージャの軸方向に沿う断面図、および排気タービンの要部概略図である(実施例1)。 図1のA−A線に沿う断面図、およびB−B線に沿う断面図である。 容量可変バルブとウエストゲートバルブの説明図である。 排気タービンの要部断面図である(実施例2)。 排気タービンの要部断面図である(実施例3)。 排気タービンの要部断面図である(実施例4)。 排気タービンの要部断面図である(実施例5)。 排気タービンの要部断面図である(実施例6)。 排気タービンの要部断面図である(従来例)。
図面を参照して[発明を実施するための形態]を説明する。
ターボチャージャは、
・エンジンから排出された排気ガスを旋回させるとともに、旋回する排気ガスを内側へ向けて排出する排気スクロール1、2を備えるタービンハウジング3と、
・排気スクロール1、2から供給される排気ガスにより回転駆動され、外径側から供給された排気ガスを軸方向へ向けて排出するタービン羽根車4とを具備する。
排気スクロール1、2は、
・タービン羽根車4の排気上流側へ径方向から排気ガスを吹き付ける第1排気出口1aを有する第1排気スクロール1と、
・第1排気出口1aより排気下流側のタービン羽根車4へ排気ガスを吹き付ける第2排気出口2aを有する第2排気スクロール2とからなる。
タービンハウジング3は、タービン羽根車4のシュラウドエッジSEを覆うシュラウド壁SWを備えるものであり、
このシュラウド壁SWは、タービン羽根車4において排気ガスの流れ方向が径方向から軸方向へ変化する部位をなす円弧エッジに倣って、断面が円弧形状(カーブ形状)を呈する円弧シュラウド壁SW1を備える。
そして、第2排気出口2aは、第1排気出口1aとの配置関係が平行よりも第1排気出口1a側に向かうように傾斜し、かつ、タービン羽根車4の円弧エッジに排気ガスを吹き付けるように、円弧シュラウド壁SW1に設けられる。
以下において本発明が適用された具体的な一例(実施例)を、図面を参照して説明する。実施例は具体的な一例を開示するものであって、本発明が実施例に限定されないことは言うまでもない。
なお、以下の実施例において上記[発明を実施するための形態]と同一符号は、同一機能物を示すものである。
[実施例1]
実施例1を図1〜図3を参照して説明する。
ターボチャージャは、エンジン(燃料の燃焼により回転動力を発生する内燃機関:ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等を問わない、レシプロエンジン、ロータリーエンジン等を問わない)に搭載されるものであり、この実施例のターボチャージャは、車両走行用エンジンに搭載されるものである。
ターボチャージャは、エンジンから排出される排気ガスのエネルギーによって、エンジンに吸い込まれる吸気を加圧する過給器であり、図1(a)に示すように、
・エンジンから排出された排気ガスを旋回させるとともに、旋回する排気ガスを内側へ向けて排出する排気スクロール(第1、第2排気スクロール1、2)を備えるタービンハウジング3と、
・排気スクロール(第1、第2排気スクロール1、2)から供給される排気ガスにより回転駆動され、外径側から供給された排気ガスを軸方向へ向けて排出するタービン羽根車4と、
・このタービン羽根車4の回転力により駆動されて吸気を加圧するコンプレッサ羽根車5と、
・このコンプレッサ羽根車5を収容する渦巻形状のコンプレッサハウジング6と、
・タービン羽根車4の回転をコンプレッサ羽根車5に伝達するシャフト7と、
・このシャフト7を高速回転自在に支持するベアリングハウジング8と、
を備える。
そして、ターボチャージャは、タービンハウジング3とコンプレッサハウジング6の間にベアリングハウジング8を配置した状態で、Vバンドやスナップリング、スタットボルト等の締結手段により結合した構成を採用する。
(タービンハウジング3の説明)
タービンハウジング3内の排気スクロールは、
・タービン羽根車4の排気上流側へ向けて排気ガスを吹き付ける第1排気出口1aを有する第1排気スクロール1と、
・第1排気出口1aより排気下流側のタービン羽根車4へ向けて排気ガスを吹き付ける第2排気出口2aを有する第2排気スクロール2とから構成される。
(タービン羽根車4の説明)
タービン羽根車4は、シャフト7に結合されるハブ4aと、このハブ4aの周囲に配置される複数の羽根4bとで構成される。
なお、羽根4bにおける最外周の端縁はリーディングエッジREと称され、羽根4bにおける排気下流側の端縁はトレーリングエッジTEと称され、リーディングエッジREとトレーリングエッジTEの間の羽根4bの外周側端縁はシュラウドエッジSEと称される。
(タービンハウジング3におけるシュラウド壁SWの説明)
一方、タービンハウジング3の内壁において、シュラウドエッジSEを覆う部位はシュラウド壁SWと称される。
このシュラウド壁SWは、羽根4bと羽根4bの間に流入した排気ガスを、羽根4bと羽根4bの間に封じ込めたままの状態でトレーリングエッジTEへ導く略ベルマウス形状を呈した筒壁面であり、円弧シュラウド壁SW1と円筒シュラウド壁SW2を接合した形状を呈する。
円弧シュラウド壁SW1は、タービン羽根車4において排気ガスの流れ方向が径方向から軸方向へ変化する部位(シュラウドエッジSEが円弧を描く部分:以下、円弧エッジと称す)を覆う壁面であり、円弧エッジの形状に倣って断面が円弧形状を呈する。
円筒シュラウド壁SW2は、円弧シュラウド壁SW1の排気下流側においてタービン羽根車4を覆う壁面であり、軸方向に略平行な円筒形状を呈する。
(第1、第2排気出口1a、2aの説明)
第1排気スクロール1の第1排気出口1aは、タービン羽根車4の外周側からリーディングエッジREに向けて排気ガスを吹き付ける環状出口であり、第1排気出口1aにおいて排気ガスをリーディングエッジREに導く流路(ノズル部)は、図1(b)に示すように軸方向に対して略垂直に設けられている。
第2排気スクロール2の第2排気出口2aは、図1に示すように、円弧シュラウド壁SW1(シュラウド壁SWにおいて断面が円弧を描くカーブ部分)に開設される。
具体的に、第2排気出口2aは、タービン羽根車4の外周側から円弧エッジ(タービン羽根車4において排気ガスの流れ方向を径方向から軸方向へ変化させる部位)に向けて排気ガスを吹き付ける環状出口であり、第2排気出口2aにおいて排気ガスを円弧エッジへ導く流路(ノズル部)は、図1(b)に示すように軸方向に対して傾斜して設けられている。したがって、第2排気出口2aは、径方向から排気ガスを吹き付ける第1排気出口1aとの配置関係が平行ではなく第1排気出口1a側に向かうように傾斜していることになる。
(容量可変バルブ9の説明)
タービンハウジング3の内部には、第1排気スクロール1と第2排気スクロール2を区画する仕切壁10が設けられている。
この仕切壁10は、図3に示すように、タービンハウジング3における排気入口3a(エキマニとの接続付近)まで形成されており、第1排気スクロール1の排気上流は排気入口3aと常時連通するように設けられている。
ここで、第1排気スクロール1の排気上流部位における排気通路は、図3に示すように、仕切壁10によって排気下流方向に向かって絞られている。
この絞り部を形成する仕切壁10には、第1排気スクロール1と第2排気スクロール2とを連通する容量可変用連通穴11が形成されている。この容量可変用連通穴11は、容量可変バルブ9によって開閉される。
この容量可変バルブ9は、図示しない電動アクチュエータを介してECU(エンジン・コントロール・ユニットの略)により開閉制御および開度制御されるものであり、容量可変バルブ9が容量可変用連通穴11の開度調整を行なうことで、第2排気スクロール2からタービン羽根車4に向かう排気ガス量のコントロールがなされる。
(ウエストゲートバルブ12の説明)
一方、第2排気スクロール2の外壁には、図3に示すように、排気ガスの一部を、タービン羽根車4を迂回(バイパス)させて排気下流側(マフラー側)に導くウエストゲート用連通穴13が形成されている。このウエストゲート用連通穴13は、ウエストゲートバルブ12によって開閉される。
このウエストゲートバルブ12は、図示しない電動アクチュエータを介してECUにより開閉制御および開度制御されるものであり、ウエストゲートバルブ12がウエストゲート用連通穴13の開度調整を行なうことで、タービン羽根車4を迂回する排気ガス量のコントロールがなされる。
(容量可変バルブ9およびウエストゲートバルブ12の制御方法の説明)
例えば、エンジンが低回転の場合、ECUは容量可変バルブ9とウエストゲートバルブ12を、ともに閉弁して、第1排気スクロール1のみに排気ガスを全量通過させて使用する。次に、エンジン回転数が上昇して排気ガス流量が増加した場合、ECUは容量可変バルブ9の開度を制御し、第1排気スクロール1と合わせて第2排気スクロール2に排気ガスを全量通過させて使用する。さらにエンジン回転数が上昇して排気ガス流量が増加した場合、ECUはウエストゲートバルブ12を開弁して排気ガスのバイパス量を制御する。
このように、エンジンの運転条件に応じて容量可変バルブ9およびウエストゲートバルブ12の開度を制御することにより、排気の圧力や過給圧を最適に制御することができ、エンジンの燃費を向上させることができる。
(実施例の効果)
第1排気出口1aがリーディングエッジREの周囲に設けられるため、第1排気出口1aから吹き出された排気ガスがリーディングエッジREに向けて吹き付けられる。
一方、第2排気出口2aが円弧シュラウド壁SW1に設けられるため、容量可変バルブ9が開かれると、第2排気出口2aから吹き出された排気ガスが円弧エッジに向けて吹き付けられる。
第2排気出口2aを円弧シュラウド壁SW1に設けることで、図1(b)に示すように、第1、第2排気出口1a、2aの排気ガスの合流角度を小さくでき、排気ガスの衝突による乱れを防ぐことができる。これにより、タービン羽根車4の内部における排気ガスの乱れを防ぐことができる。
また、排気ガスの合流箇所は、タービン羽根車4の上流側(排気ガスの流れ方向が径方向から軸方向へ変化する排気上流側)であるため、合流した排気ガスは、タービン羽根車4内で整流されたのちにタービン羽根車4から排出される。このため、タービン羽根車4の出口部分において排気ガスが乱れる不具合がない。
このように、実施例1のターボチャージャは、タービン羽根車4の内部と出口部分の両方において排気ガスの乱れを防ぐことができるため、従来技術に比較してタービン効率(具体的には、容量可変バルブ9が開かれた状態におけるタービン効率)を向上することができる。
そして、タービン効率が向上するため、過給圧の上昇を図ってトルクを向上でき、燃費の向上やターボラグの改善によりドライバビリティの向上を図ることができる。
[実施例2]
実施例2を図4を参照して説明する。なお、以下の実施例において上記実施例1と同一符号は、同一機能物を示すものである。
この実施例2は、第2排気出口2aにおけるタービン羽根車4の排気下流側(第2排気出口2aの図示右側)に、軸方向に対して略垂直な下流側垂直壁21を設けたものである。なお、この下流側垂直壁21は、全周に亘って環状に設けられることが望ましいが、限定されるものではない。
この下流側垂直壁21を設けたことにより、タービン羽根車4内における第1、第2排気出口1a、2aの排気ガスの合流角度をより小さくすることができる。これにより、タービン羽根車4内の排気ガスの衝突による乱れをより小さく抑えることができ、タービン効率をより向上することができる。
また、第1排気出口1aから吹き出された排気ガスの流れによって、第2排気出口2aから吹き出す排気ガスの流れが曲げられても、下流側垂直壁21によって第2排気出口2aから吹き出す排気ガスの流量低下を抑えることができる。
その結果、第2排気出口2aから吹き出す排気ガスの流量を増やすことができ、タービン出力を向上することができる。また、排気ガスの乱れも防止することができるため、タービン効率を向上させることもできる。
[実施例3]
実施例3を図5を参照して説明する。
この実施例3は、第2排気出口2aにおけるタービン羽根車4の排気上流側(第2排気出口2aの図示左側)に、軸方向に対して略垂直な上流側垂直壁22を設けたものである。なお、この上流側垂直壁22は、全周に亘って環状に設けられることが望ましいが、限定されるものではない。
具体的にこの実施例3は、第2排気出口2aに、下流側垂直壁21を設けるとともに、上流側垂直壁22を設けたものである。
この上流側垂直壁22を設けたことにより、タービン羽根車4内における第1、第2排気出口1a、2aの排気ガスの合流角度をさらに小さくすることができる。これにより、排気ガスの衝突による乱れをさらに小さくすることができ、タービン効率をさらに向上することができる。
また、第1排気出口1aから吹き出された排気ガスの剥離によって第2排気出口2aの内部に渦流が発生するのを上流側垂直壁22によって抑制することができる。
その結果、第2排気出口2aから吹き出す排気ガスの流れが、渦流によって阻害される不具合を回避することができ、タービン効率をより向上することができる。
[実施例4]
実施例4を図6を参照して説明する。
この実施例4は、第2排気出口2aにおけるタービン羽根車4の排気下流側の端部に、シュラウド壁SWと円滑に繋がるR部23(シュラウド壁SWに対して接線で繋がる断面形状が円弧を成す部分)を設けたものである。なお、このR部23は、全周に亘って環状に設けられることが望ましいが、限定されるものではない。
このR部23を設けたことにより、第2排気出口2aから吹き出す排気ガスをシュラウド壁SWに沿って円滑に流すことができる。即ち、第2排気出口2aから吹き出す排気ガスがシュラウド壁SWに対して剥離して流れる不具合を回避することができる。
その結果、第1、第2排気出口1a、2aの排気ガスの合流部の流れが、剥離する排気ガスの流れによって乱れるのを防ぐことができ、タービン効率をより向上することができる。
[実施例5]
実施例5を図7を参照して説明する。
この実施例5は、上記実施例2と実施例4を組み合わせたものである。
即ち、この実施例5は、第2排気出口2aに下流側垂直壁21を設けるとともに、この下流側垂直壁21からシュラウド壁SWに繋がる部分にR部23を設けたものである。
これにより、実施例2の効果と、実施例4の効果を同時に得ることができる。即ち、第1、第2排気出口1a、2aの排気ガスの合流部の乱れをより小さく抑えることができ、タービン効率をより高めることが可能になる。
[実施例6]
実施例6を図8を参照して説明する。
この実施例6は、リーディングエッジREが軸方向に対して傾斜した傾斜タービンに本発明を適用するものである。
なお、図8では、傾斜タービンに実施例4を組み合わせる例(第2排気出口2aにおけるタービン羽根車4の排気下流側の端部にR部23を設ける例)を示すが、限定されるものではなく、傾斜タービンに他の実施例を組み合わせるものであっても良い。
このように、傾斜タービンに本発明を組み合わせた場合は、第1、第2排気出口1a、2aの合流角度をさらに小さくできるため、傾斜タービンのタービン効率を高めることができる。
1 第1排気スクロール
1a 第1排気出口
2 第2排気スクロール
2a 第2排気出口
3 タービンハウジング
4 タービン羽根車
21 下流側垂直壁
22 上流側垂直壁
23 R部
SE シュラウドエッジ
SW シュラウド壁
SW1 円弧シュラウド壁

Claims (4)

  1. エンジンから排出された排気ガスを旋回させるとともに、旋回する排気ガスを内側へ向けて排出する排気スクロール(1、2)を備えるタービンハウジング(3)と、
    前記排気スクロール(1、2)から供給される排気ガスにより回転駆動され、外径側から供給された排気ガスを軸方向へ向けて排出するタービン羽根車(4)と、
    を具備するターボチャージャにおいて、
    前記排気スクロール(1、2)は、前記タービン羽根車(4)の排気上流側へ径方向から排気ガスを吹き付ける第1排気出口(1a)を有する第1排気スクロール(1)と、前記第1排気出口(1a)より排気下流側の前記タービン羽根車(4)へ排気ガスを吹き付ける第2排気出口(2a)を有する第2排気スクロール(2)とからなり、
    前記タービンハウジング(3)は、前記タービン羽根車(4)のシュラウドエッジ(SE)を覆うシュラウド壁(SW)を備え、
    このシュラウド壁(SW)は、前記タービン羽根車(4)において排気ガスの流れ方向が径方向から軸方向へ変化する部位をなす円弧エッジに倣って、断面が円弧形状を呈する円弧シュラウド壁(SW1)を備え、
    前記第2排気出口(2a)は、前記第1排気出口(1a)との配置関係が平行よりも前記第1排気出口(1a)側に向かうように傾斜し、かつ、前記円弧エッジに排気ガスを吹き付けるように、前記円弧シュラウド壁(SW1)に開設されていることを特徴とするターボチャージャ。
  2. 請求項1に記載のターボチャージャにおいて、
    前記第2排気出口(2a)における前記タービン羽根車(4)の排気下流側には、軸方向に対して垂直な下流側垂直壁(21)が設けられていることを特徴とするターボチャージャ。
  3. 請求項1または請求項2に記載のターボチャージャにおいて、
    前記第2排気出口(2a)における前記タービン羽根車(4)の排気上流側には、軸方向に対して垂直な上流側垂直壁(22)が設けられていることを特徴とするターボチャージャ。
  4. 請求項1〜請求項3のいずれかに記載のターボチャージャにおいて、
    前記第2排気出口(2a)における前記タービン羽根車(4)の排気下流側の端部には、前記シュラウド壁(SW)と円滑に繋がるR部(23)が設けられていることを特徴とするターボチャージャ。
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