JP5989129B2 - 排気ガスターボチャージャーのタービン - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段に記載した種類の排気ガスターボチャージャーのタービンに関する。

一般に生産されている公知のエンジンとしては、排気ガスターボチャージャーを用いて過給を行うようにしたエンジンがある。排気ガスターボチャージャーはタービンとコンプレッサとで構成されている。タービンはエンジンの排気ガスにより駆動される。そのタービンでコンプレッサを駆動することによって、エンジンに供給する給気を圧縮することができる。これによりエンジンの排気ガスの持つエネルギを有効利用できるため、燃料消費量並びにＣＯ_２排出量を低く抑えることができる。

燃料消費量並びにＣＯ_２排出量を特に低く抑えるために、ダウンサイジングコンセプトと呼ばれる設計コンセプトに従ってエンジンを設計することが行われている。このようなエンジンは、排気ガス量がかなり小さいにもかかわらず、給気圧縮を行っているため、発生する排気ガス量あたりのトルク及び出力が大きい。ただし排気ガス量あたりの出力が大きいことから、排気ガスターボチャージャー、特にそのタービンに課される要求条件が、非常に厳しいものとなる。そのため、タービンの過渡特性を良好なものとすること、ひいては、エンジンの運転特性を良好なものとすることが重要な課題である。

オットーエンジン用の過給器でも、またディーゼルエンジン用の過給器でも、タービンに可変タービンジオメトリ方式を採用して、エンジンの動作点の変化にタービンが適合できるようにすることが行われている。ただしオットーエンジンの場合には、ディーゼルエンジンの場合と比べて、原理的に、可変タービンジオメトリを採用したタービンの排気ガス流量の変化幅が、はるかに広くならざるを得ない。例えば自動車の加速時などに良好な過渡応答が得られるようにするためには、排気ガス流量が小さく、従ってタービンの流路断面積を小さくするようなタービン動作領域において、できるだけ高いタービン効率が得られるようにすることが求められる。

特許文献１に開示されている排気ガスターボチャージャーのタービンは、タービンハウジングを備えている。該タービンハウジングは、タービン羽根車を収容する収容空間と、排気ガスがそこを通過して流入する流入流路とを備えている。このタービンは更に、軸方向に移動可能なガイドバッフルを備えており、該ガイドバッフルによって、前記流入流路から前記タービン羽根車へ流入する排気ガスが適切に導流されるようにしている。しかしながらこのタービンは、動作効率が高くない。

欧州特許第１３０１ ６８９ Ｂ１号明細書

従って本発明の目的は、特に動作効率の高い排気ガスターボチャージャーのタービンを提供することにある。

上記目的は、請求項１に記載した特徴を備えた排気ガスターボチャージャーのタービンにより達成される。その他の請求項は、本発明の特に好適且つ重要な実施形態に係る特に有利な構成例の特徴を記載したものである。

この種の排気ガスターボチャージャーのタービンは、タービン羽根車を収容する収容空間と、排気ガスがそこを通過して流入する少なくとも１つの流入流路とを有するタービンハウジングを備えている。また、排気ガスが前記流入流路から、前記流入流路に連通した吹込流路を通って前記収容空間の中へ導流されるようにしてある。

本発明によれば、前記タービンハウジングに対して相対的に固定されて、少なくともそのガイド部分が前記吹込流路の中へ突出した、排気ガスの流れをガイドするための少なくとも１つのガイド部材を備えており、該ガイド部材は、前記ガイド部分に、前記タービンの軸方向における部分領域である第１長手方向部分を備えており、該ガイド部材は、前記第１長手方向部分における該ガイド部材の空気力学的特性が、前記第１長手方向部分に連なる該ガイド部材の前記ガイド部分の第２長手方向部分における該ガイド部材の空気力学的特性とは異なるものとされている。

前記タービンハウジングに対して相対的に軸方向に移動可能であり、且つ、前記吹込流路の流路断面を最大限に拡開すると共に該流路断面を前記第１長手方向部分と前記第２長手方向部分との両方において開放する開ポジションと、該流路断面を最大限に縮閉すると共に該流路断面を前記第１長手方向部分においてのみ開放する閉ポジションとの間で移動可能であるスライド部材を備えたものとすることが好ましい。またその場合に、前記第１長手方向部分及び前記第２長手方向部分の空気力学的特性は、該スライド部材が、前記第１長手方向部分によって回転流生成が行われる前記閉ポジションから、前記開ポジションへと移動する際に、前記第１長手方向部分及び前記第２長手方向部分によって前記回転流生成が少なくとも実質的に維持されるような空気力学的特性とする。

かかる構成としたため、特に、タービンの排気ガス流量を最小にする前記閉ポジションから前記開ポジションへ向かって前記スライド部材が移動を開始するときに、回転流生成機能の低下、即ち、排気ガスの流れにおける流入回転流の強度の低下が発生せず、もしくは非常に小さく抑えられ、そのため、前記タービンのタービン出力が低下せず、もしくは顕著に低下することがない。従って本発明に係るタービンは、効率的に、即ち高いタービン効率をもって動作し得るものとなる。また、本発明に係るタービンは、優れた過渡特性を備えたものとなる。

少なくとも前記閉ポジションにおいて、前記ガイド部材の少なくとも一部分を覆う前記スライド部材は、前記ガイド部材の、前記タービンの径方向における一方の側だけを覆うものとすることが好ましい。換言するならば、前記閉ポジションにおいて、前記第２長手方向部分を覆う前記スライド部材は、前記ガイド部材の、前記タービンの径方向における一方の側だけに存在しているものとするのがよい。そうすることで、前記スライド部材が前記ガイド部材の径方向両側を覆うようにした場合に必要となる遊びのための間隙が不要となり、そのような間隙から排気ガスが漏れるおそれがなくなる。このことは、本発明に係るタービンの効率的動作に資するものである。

本発明の更なる利点、特徴、及び細部構成については、以下に示す好適な実施形態についての説明を参照し、また添付図面を参照することにより明らかとなる。以上の説明中で言及した様々な特徴及びそれら特徴の組合せ、並びに、添付図面に関連した以下の説明中で言及し、及び／または、図面中に示す様々な特徴及びそれら特徴の組合せは、それら説明ないし図面に示した通りの組合せで利用し得るばかりでなく、それとは異なる組合せで利用することもでき、また、個々の特徴を単独で利用することも可能なものであって、そのように特徴を利用した場合でも本発明の範囲から逸脱するものではない。

尚、図１ａ〜図６ｂは、本発明の背景技術を説明するための、従来構成を示した図である。

例えば自動車用エンジンなどのエンジンに用いられる排気ガスターボチャージャーのタービンの模式的縦断面図である。 図１ａのタービンの一部分を示した模式的横断面図である。 図１ａ及び図１ｂのタービンに変更を加えた別の構成例に係るタービンの一部分を示した模式的縦断面図である。 図２のタービンに変更を加えた別の構成例に係るタービンの模式的横断面図である。 図２のタービンにおける回転流の生成強度と軸方向に移動可能なスライド部材の移動量との関係を示したグラフである。 ａ及びｂは、図２のタービンの一部分を示した模式的縦断面図である。 ａ及びｂは、図５ａ−ｂのタービンに変更を加えた別の構成例に係るタービンの一部分を示した模式的縦断面図である。 図１ａのタービンの別の実施形態に係るタービンの模式的縦断面図である。 図７ａのタービンの一部分を示した別の模式的縦断面図である。 図７ａ及び図７ｂのタービンのガイドバッフルの模式的斜視図である。 図７ｃの実施形態に係るガイドバッフルの模式的縦断面図である。 図７ｃの実施形態に係るガイドバッフルの模式的縦断面図である。 図８ａ及び図８ｂのガイドバッフルの一部分を示した模式的平面図である。 図８ａ〜図８ｃのガイドバッフルのガイドベーン間距離と、タービンの吹込流路からタービン羽根車を収容する収容空間へ排気ガスが流入する際に通過する図７ａ〜図７ｃのタービンのノズルの幅寸法との関係を示したグラフである。 図７ａ〜図７ｃのタービンの別の実施形態に係るタービンの一部分を示した模式的縦断面図である。 図７ｃのガイドバッフルの一部分を示した模式的平面図である。 図７ａのタービンの別の実施形態に係るタービンの一部分を示した模式的縦断面図である。 図１２のタービンの別の実施形態に係るタービンの一部分を示した模式的縦断面図である。 図１２のタービンの一部分を示した模式的縦断面図である。 図１４のタービンの一部分を示した図１４の切断線Ｘ−Ｘに沿った模式的横断面図である。 図１４のタービンの一部分を示した別の模式的縦断面図である。 図１６のタービンの一部分を示した図１６の切断線Ｘ２−Ｘ２に沿った模式的横断面図である。 図７ａのタービンの別の実施形態に係るタービンの一部分を示した模式的縦断面図である。 図１８のタービンのガイドバッフルの模式的斜視図である。 図１９のガイドバッフルの別の実施形態に係るガイドバッフルの一部を示した模式的縦断面図である。 図２０のガイドバッフルの模式的斜視図である。 図２０及び図２１のガイドバッフルに用いられる区画部材の模式的斜視図である。 図２２の区画部材の模式的平面図である。 図２１のガイドバッフルの別の実施形態に係る模式的斜視図である。 図２４ａのガイドバッフルの別の模式的斜視図である。 図２４ａ及び図２４ｂのガイドバッフルの模式的縦断面図である。 図７ａのタービンの別の実施形態に係る模式的縦断面図である。 図２５ａのタービンの一部分を示した模式的縦断面図である。 図２４ａのガイドバッフルの別の実施形態に係る模式的斜視図である。 図２６ａのガイドバッフルの模式的斜視図である。 図２６ａ及び図２６ｂのガイドバッフルを備えた、図７ａのタービンの別の実施形態に係るタービンの一部分を示した模式的縦断面図である。 図２６ａのガイドバッフルの別の実施形態に係る模式的斜視図である。 図２８ａのガイドバッフルの芯合せのためのセンタリング部材の模式的斜視図である。 図２８ｂのセンタリング部材と図２８ａのガイドバッフルとを備えた、図７ａのタービンの別の実施形態に係るタービンの一部分を示した模式的縦断面図である。 図２８ａのガイドバッフルの別の実施形態に係る模式的斜視図である。 図２８ｂのセンタリング部材に変更を加えた別の実施形態に係る模式的斜視図である。 図３０のガイドバッフルと図３１のセンタリング部材とを備えた、図７ａのタービンの別の実施形態に係るタービンの一部分を示した模式的縦断面図である。 図３２のタービンの別の実施形態に係るタービンの一部分を示した模式的縦断面図であり、センタリング部材を断熱部材として形成したものである。

図１ａに示したのは、自動車用エンジンに用いられる排気ガスターボチャージャーのタービン１０である。タービン１０はタービンハウジング１２を備えており、タービンハウジング１２は収容空間１４を有する。収容空間１４にはタービン１０のタービン羽根車９が収容されており、このタービン羽根車９は回転軸１６を中心としてタービンハウジング１２に対して相対回転可能である。タービン１０は、複数のガイドベーン１８を有するガイドバッフル１を備えており、このガイドバッフル１はタービン１０の軸受ハウジング側に配設されている。

タービンハウジング１２は更に、エンジンの排気ガスがそこを通過して流入する流入流路４を有する。この流入流路４は渦巻形流路とも呼ばれ、タービン羽根車９の外周に沿って、少なくとも実質的に渦巻形を成して、タービン羽根車９の周方向に延在している。この流入流路４に、吹込流路５と呼ばれる流路が連通している。流入流路４を通過して流入してきた排気ガスは、吹込流路５を通って収容空間１４の中へ導流され、即ちタービン羽根車９の中へ導流されるようにしてある。吹込流路５はノズルとも呼ばれる。タービン１０の流入圧特性は、吹込流路５の実効流路断面積に応じて決まり、即ち、吹込流路５のノズル幅ｂの大きさに応じて決まる。

そのため、このタービン１０は、吹込流路５の実効流路断面積を変化させる調節を行えるように構成されている。その調節のために、タービン１０は軸方向スライド部材２を備えており、この軸方向スライド部材２に嵌合部材３が取付けられている。ガイドベーン１８はこの嵌合部材３の中に嵌合可能である。

軸方向スライド部材２は、タービンハウジング１２に対して相対的に、タービン１０の軸方向に移動可能であり、且つ、吹込流路５の実効流路断面を最大限に縮閉する閉ポジション（第１終端ポジション）と、吹込流路５の実効流路断面を最大限に拡開する開ポジション（第２終端ポジション）との間で移動可能である。軸方向スライド部材２を移動させてタービン１０の流入圧特性を変化させるために、移動調節機構６が備えられており、この移動調節機構６は、収容空間７の中に収容されている。

タービン１０の動作中に、軸方向スライド部材２の移動調節を確実に行えるようにするために、ガイドバッフル１と嵌合部材３との間に（即ち、ガイドベーン１８と嵌合部材３との間に）、遊びのための環状の間隙８が確保されている。しかるに、この遊びのための環状の間隙８が存在することから、ガイドバッフル１において二時流れ損失が発生している。即ち、排気ガスの流れはガイドバッフル１によって（即ち、ガイドベーン１８によって）タービン羽根車９へ向かうように正しく方向付けられるのが望ましい状態であるにもかかわらず、排気ガスのうちの一部分が、この遊びのための環状の間隙８を通って流れるために、タービン羽根車９へ向かうように正しく方向付けられないのである。これによって、タービン羽根車９への流入状態が不適切となることから、必然的にタービン効率の低下という不都合な結果を招き、特に軸方向スライド部材２が閉ポジションにあるときのように、タービンを流れる排気ガス流量が小さい動作領域において、そのようなタービン効率の低下が発生しがちである。

複数のガイドベーン１８が形成されているガイドバッフル１は、いわば回転流生成器であり、主としてそのガイドベーン１８によって、タービン羽根車９への流入領域に流入回転流を生成するものである。こうすることで、排気ガスをタービン羽根車９へ特に効率的に流入させることができる。もし、排気ガスがガイドバッフル１を通過する際に、流入回転流を生成できなかったならば、それによって、タービン１０の効率的動作に悪影響がもたらされる。

基本的に、以上に説明したような、ガイドバッフル１と嵌合部材３とを備えた排気ガスガイド機構では、オットーエンジンの場合には特に高温となる動作温度にも確実に対処できるようにすると同時に、二時流れ損失という形の損失を小さな限界値以下に抑え得るようにするためには、製作技術上の厳しい要求条件にさらされることになる。

更に、吹込流路５の流路断面積を調節する上では、ガイドバッフル１の、タービン１０の径方向における両側（外周側及び内周側）を嵌合部材３によって覆うのではなく、ガイドベーン１８の片側だけを、好ましくは、排気ガスの流れ方向においてタービン羽根車９のすぐ上流側に相当するガイドベーン１８の一側だけを覆うような覆い部材を用いることが望ましい。そうすることで、遊びのための間隙８は不要となり、二時流れ損失の発生を回避すること、ないしは少なくとも小さく抑えることが可能になる。

図２に示したのは、そのように変更を加えた別の構成例に係るタービン１０であり、このタービン１０は軸方向スライド部材２を備えている。ただしこのタービン１０は、複数のガイドベーン１８を有するガイドバッフル１を備えてはいない。また、軸方向スライド部材２にもガイドベーンは形成されていない。また、図２には吹込流路５のノズル幅ｂを図示してある。更に、図２には渦巻形流路４の喉部流路断面積Ａ_Ｓを図示してある。

ここで、図３に示した速度三角形を併せて参照すれば明らかなように、図２のタービン１０では、タービン羽根車９へ流入する排気ガスの流入回転流の強度がノズル幅ｂの大きさに対する強い依存性を有しており、またオイラーのターボ機械方程式によって示される関係が存在するため、その依存性によって、ノズル幅ｂが小さいときにはタービン出力ないしタービン効率が極端に低下するという問題が生じる。

比仕事量に関して、オイラーのターボ機械方程式によれば、下記の２つの式が与えられる。

これらの式から分かるように、渦巻形流路４が生成する回転流の強度は、即ち、渦巻形流路４が排気ガスの流れに付与する周方向運動成分ｃ_１ｕの大きさは、渦巻形流路４の寸法形状パラメータである喉部の流路断面積Ａ_Ｓの値とその図心半径Ｒ_Ｓの値とに応じたものとなり、また更に、ノズル幅ｂの大きさに応じたものとなる。

このことは特に図４から明らかである。図４に示した第１グラフ２０において、第１横座標軸２２はノズル幅ｂを表しており、その値は第１矢印２４に示した方向に大きくなる。この第１グラフ２０の第１縦座標軸２６は角度α_１を表しており、その値は第２矢印２８に示した方向に大きくなる。軸方向スライド部材２が図２に示したように閉ポジションにあるときには、ノズル幅ｂは小さくなっている。角度α_１は大きくなっており、そのため周方向運動成分ｃ_１ｕは小さくなっている。従って、もしガイドバッフル１を備えていなければ、このとき、タービン出力ないしタービン効率は低下している。

これとは逆に、軸方向スライド部材２が開ポジションにあるときには、ノズル幅ｂは大きくなっている。角度α_１は小さくなっており、そのため周方向運動成分ｃ_１ｕは大きくなっている。このことは、渦巻形流路４によって排気ガスの流れの偏向が適切になされていることを意味しており、それゆえ、ガイドバッフル１によって排気ガスの流れを更に偏向する必要はない。

以上を換言するならば、軸方向スライド部材２の開度が小さいときには、ガイドバッフル１によって排気ガスの流れを偏向するのが適当である。これとは逆に、軸方向スライド部材２の開度が大きいときには、ガイドバッフル１の上流側に位置する渦巻形流路４だけで回転流を生成することができる。

ノズル幅ｂの大きさと回転流の生成との間に存在する以上に説明した関係を、より明らかにするために、図５ａ及び図５ｂに、一般的な構成のタービンにおける制御用スライド部材の移動範囲と終端ポジションとを図示した。

以上に説明した関係が存在することから、次のような構成とすることが考えられ、それは、制御用スライド部材が一方の終端ポジションである閉ポジションにあるときにのみ、回転流の生成の全てがガイドバッフルによって行われ、ガイドバッフルに当接していた制御用スライド部材の端面が、そこから離れて移動しはじめたならば、回転流の生成が渦巻形流路によって行われるような構成例である。

しかるに、かかる構成例とした場合には、軸方向スライド部材２が閉ポジションから離れるときのタービン１０の挙動が、即ち、軸方向スライド部材２が閉ポジションから開ポジションへ向かって移動を開始したときの少なくとも実質的にその直後のタービン１０の挙動が、問題となる。即ち、そのとき、流入回転流の強度が低下し、またひいてはタービン出力が低下する。なぜならば、その時点では軸方向スライド部材２の開度はまだ小さいため、ノズル幅ｂもまだ小さく、適切且つ十分な大きさの周方向運動成分ｃ_１ｕを付与できるほどのノズル幅ｂにはまだ達していないからである。

この点について図６ａ及び図６ｂを参照して説明する。これらの図に示した構成では、ガイドバッフル１のガイドベーン１８は、吹込流路５の中へ部分的にのみ突出している。軸方向スライド部材２が閉ポジションにあるとき、排気ガスはガイドベーン１８の周囲だけを流れている。軸方向スライド部材２が、この閉ポジションからいずれかの開ポジションへ移動したならば、そこではノズル幅ｂが閉ポジションのときより広いため、吹込流路５のうちのガイドベーンが突出していない領域までもが開放される。そのため排気ガスの中には、ガイドベーン１８によって方向付けられる排気ガスばかりでなく、ガイドベーン１８によって方向付けられることなく、渦巻形流路４によって回転流とされただけでタービン羽根車９へ流入する排気ガスも含まれるようになる。

図７ａ〜図７ｃに示したのは、以上に説明した流入回転流の強度の低下並びにそれに伴うタービン出力の低下を回避することができ、もしくはそれらの低下を少なくとも非常に小さく抑えることができる実施形態である。

特に図７ｂから明らかなように、タービン１０はタービンハウジング１２に対して相対的に固定されたガイドバッフル１を備えており、このガイドバッフル１は複数のガイドベーン１８を有する。各々のガイドベーン１８は、そのガイド部分３０（排気ガスの流れをガイドする部分）が吹込流路５の中へ突出しており、それによって排気ガスの流れを偏向する機能を、即ち回転流を生成する機能を提供するものとなっている。

ガイドベーン１８は、タービン１０の軸方向における部分領域であるところの、このタービン１０の軸受ハウジング側から延出している第１長手方向部分ａと、この第１長手方向部分ａに連なる第２長手方向部分ｄとを備えている。それら長手方向部分ａ、ｄは、各々が軸方向に延在しており、且つ、互いに軸方向に連なっている。更に、ガイドベーン１８は、第１長手方向部分ａにおけるこのガイドベーン１８の空気力学的特性が、第２長手方向部分ｄにおけるこのガイドベーン１８の空気力学的特性とは異なるものとされている。即ち、ガイドベーン１８は、その空気力学的特性が、第１長手方向部分ａと第２長手方向部分ｄとで異なるものとされている。

第１長手方向部分ａ及び第２長手方向部分ｄの夫々の軸方向延在範囲は、軸方向スライド部材２が図７ｂに示した閉ポジションにあるときに、即ち、軸方向スライド部材２がガイドベーン１８の軸方向移動ストッパ部ｃに当接しているときに、タービン１０が装備されるエンジンが必要とするタービン１０の最小排気ガス流量が確保されるように定められている。軸方向スライド部材２が閉ポジションにあるときには、渦巻形流路４からタービン羽根車９へ流入する排気ガスは、第１長手方向部分ａの周囲だけを通過して流れている。即ち、軸方向スライド部材２が閉ポジションにあるときには、タービン羽根車９へ流入する流入回転流は第１長手方向部分ａだけによって生成されており、このときの流れ特性は、二時流れ損失を伴わない少なくとも実質的に理想的な特性となっている。

一方、第２長手方向部分ｄが提供する機能は、軸方向スライド部材２がストッパ部ｃから離れるときに、即ち、軸方向スライド部材２が閉ポジションから、第１長手方向部分ａに加えて第２長手方向部分ｄも少なくとも部分的に開放される開ポジションへ移動するときに、流入回転流を適切な状態に維持し続けることによって、上で説明した効率及び出力の低下を小さく抑え、もしくは完全に回避することにある。

図７ｃから明らかなように、ガイドベーン１８は、その周方向延在寸法（幅寸法）が、第１長手方向部分ａと第２長手方向部分ｄとでは異なっている。より詳しくは、ガイドベーン１８の周方向延在寸法は、第２長手方向部分ｄにおける寸法の方が、第１長手方向部分ａにおける寸法より小さくされている。

図８ａ〜図８ｃ及び図９から明らかなように、ガイドベーン１８は、第１長手方向部分ａと第２長手方向部分ｄとでは、そのガイドベーン間最小間隙寸法ｓ_ｍｉｎが異なっている。第１長手方向部分ａにおける第１ガイドベーン間最小間隙寸法ｓ_{ｍｉｎ＿ａ}の方が、第２長手方向部分ｄにおける第２ガイドベーン間最小間隙寸法ｓ_{ｍｉｎ＿ｄ}より小さい。これによって、ガイドバッフル１の実効流路断面積が、軸方向スライド部材２の移動量に応じて決まるノズル幅ｂと、ガイドベーン間最小間隙寸法ｓ_ｍｉｎとの、２つの寸法形状パラメータにより決定されるようになっている。軸方向スライド部材２の移動範囲の全域において良好なタービン特性が得られるようにする（即ち、顕著な効率低下が生じないようにする）ためには、第１長手方向部分ａと第２長手方向部分ｄとの間の移行部分の形状をできるだけ滑らかな形状として、例えば第１長手方向部分ａから第２長手方向部分ｄへの移行に際して、ガイドベーン間最小間隙寸法ｓ_ｍｉｎが急激に変化すること、またはステップ状に変化することなどがないようにしておくことが好ましい。

そうするためには、図８ｂに示したように、第１長手方向部分ａと第２長手方向部分ｄとの間の移行部分３２にアールＲを付けて、この移行部分３２が、少なくとも実質的に円弧形に形成された部分を有するようにするとよい。また、別の好適な実施形態として、この移行部分３２が、楕円形の円弧形の形状に形成された部分を有するようにするのもよい。

図９に示した第２グラフ３４は、ノズル幅ｂの変化に対する、ガイドベーン間最小間隙寸法ｓ_ｍｉｎの変化を定性的に示したグラフである。第１変化曲線３６によってその変化特性が示された、第１長手方向部分ａと第２長手方向部分ｄとの間での移行に伴うステップ状の変化は、ガイドベーン間最小間隙寸法ｓ_ｍｉｎの急変によるものである。ガイドベーン１８にアールＲを付けることによって、それら２つの長手方向部分ａ、ｄの間でのガイドベーン間最小間隙寸法ｓ_ｍｉｎの変化を滑らかにすることができる。第３矢印３８は、アールＲを次第に大きくすることによって、第１変化曲線３６からその他の変化曲線４０へと変化特性が移行して行くことを示している。第４矢印４２は、これとは逆に、アールＲを次第に小さくすることによって、その他の変化曲線４０から第１変化曲線３６へと特性変化が移行して行くことを示している。

図１０に示したように、軸方向スライド部材２の端面４４にも、アールＲ２を付けてある。これによって軸方向スライド部材２の端面４４は、少なくとも実質的に円弧形の形状に形成されており、この円弧形は正円形の円弧形としてもよく、楕円形の円弧形としてもよい。上で言及したガイドベーン１８のアールＲと、この軸方向スライド部材２のアールＲ２とは、寸法形状を同一とすることが好ましい。そして、軸方向スライド部材２が閉ポジションにあってストッパ部ｃに当接しているときには、即ち、タービン１０が縮閉されているときには、それら２つのアールＲ、Ｒ２が、少なくとも実質的に互いに重なり合って位置しているようにするとよい。

次に図１１〜図１３を参照して、第２長手方向部分ｄの軸方向延在寸法、即ち長さの好適な定め方について説明する。排気ガスが渦巻形流路４からガイドバッフル１へ流出する移行領域におけるノズル幅である渦巻形流路ノズル幅ｂ_{Ｖｏｌｕｔｅ}の大きさは、渦巻形流路４に関する比の値Ａ_Ｓ／Ｒ_Ｓの設計値と、タービンを装備しようとするエンジンに応じて与えられる閉ポジションに関連した第１長手方向部分ａの軸方向延在寸法（長さ）の値とから得られる。そこで、第２長手方向部分ｄの長さを定める際には、この渦巻形流路ノズル幅ｂ_{Ｖｏｌｕｔｅ}の大きさを、渦巻形流路４から流出する排気ガスの流出角である角度α_１を予め設定可能な最大値とすることができるような大きさに定めることが好ましい。換言するならば、渦巻形流路ノズル幅ｂ_{Ｖｏｌｕｔｅ}の大きさを、２５°以下の範囲内である角度α_１を、その最大角度である２５°とすることができるような大きさに定めるということである。特に、図１２に示したように、渦巻形流路４を移動調節機構収容室から流路的に区画している区画壁４６の内端縁直径Ｄ_Ｔが、ガイドバッフル１の流入直径Ｄ_Ｌ以上の大きさである場合に、このようにするとよい。こうすることで特に、第２長手方向部分ｄの軸方向延在寸法を最小寸法ｄ_ｍｉｎにすることができる。

第２長手方向部分ｄの長さのまた別の定め方として、図１３に示した構成例のように、ノズル幅ｂの全体に亘って、即ち渦巻形流路ノズル幅ｂ_{Ｖｏｌｕｔｅ}の端から端まで、ガイドベーン１８の前縁により被われるようにその長さを定めるのもよい。このようにすることで、区画壁４６の径方向の内端縁の直径Ｄ_Ｔを比較的小さくすることができ、ガイドバッフルの流入直径Ｄ_Ｌより小さくすることも可能となる。また、このようにすることで、第２長手方向部分ｄにおけるガイドベーン１８の端面を、区画壁４６の表面と同一面上に位置するようにすること、即ち、少なくとも実質的に隣接させることが可能となり、それによって、遊びのための間隙ｅを、第２長手方向部分ｄにおける二時流れ損失を回避、もしくは非常に小さく抑えることができるほどに小さくすることが可能となる。

これによって特に、第２長手方向部分ｄの軸方向延在寸法を最大寸法ｄ_ｍａｘにすることができる。第１長手方向部分ａと第２長手方向部分ｄとで寸法形状が異なるこのガイドバッフル１の更なる寸法形状パラメータとして、ガイドベーン１８の第２長手方向部分ｄの延在領域における基本翼形に関する、回転流を維持できるようにするための、ある比率を示す値がある。

その比率の値とは、図１５に示した第１面積ＦＡの、図１７に示した第２面積ＦＢに対する比の逆数である。ここで、第１面積ＦＡとは、第１長手方向部分ａの全領域において用いられている翼型の、少なくとも実質的に軸方向に対して垂直な断面における輪郭線に囲まれた面積であり、排気ガスはこの翼型断面の輪郭線に沿って流れる。また、第２面積ＦＢとは、第２長手方向部分ｄにおける翼形の輪郭線に囲まれた面積であり、この第２長手方向部分ｄの翼型は軸方向スライド部材２によって覆われているか、または作動時に軸方向スライド部材２によって覆われるものである。また、ＦＢに対するＦＡの比の逆数は、ＦＢ／ＦＡであり、このＦＢ／ＦＡの値を１０％以上で７５％以下の値域に含まれる値とすることが好ましい。

図１８に示したタービン１０は、第１長手方向部分ａと第２長手方向部分ｄとを流路的に区画する区画部材ｆを備えている。また、この区画部材ｆの、軸方向スライド部材２に対向している方の側面は、軸方向スライド部材２が閉ポジションにおいて当接するストッパ部ｃの機能を提供している。

動作点ないし動作領域が変化したときには、特に気体力学的な力のために、この区画部材ｆにタービンの流出口へ向かう軸方向の力が作用する、特に、軸方向スライド部材２がストッパ部ｃから離れて閉ポジションから開ポジションへの移動を開始した直後に、そのような力が作用する。それゆえこの区画部材ｆは、その軸方向位置が、第１長手方向部分ａと第２長手方向部分ｄとの間の移行部の位置に固定されることが好ましい。

また、そうするためには、例えば溶接法などの接合法を用いて、この区画部材ｆをガイドバッフル１に、及び／または、個々のガイドベーン１８に固定するとよい。

また、別法として、ガイドバッフル１に、また特にガイドベーン１８に、回転加工法を用いて溝４８を形成し、この区画部材ｆをその溝４８に係合させることによって、この区画部材ｆの軸方向位置を固定するのもよい。

図２０〜図２３には、その種の溝４８として、複数のガイドベーン１８の夫々に溝を形成して、それらの全体として周溝４８を構成するようにしたものを示した。この周溝４８は、２つの長手方向部分ａ、ｄの間の移行部分の真上に位置している。区画部材ｆには、ガイドベーン１８が嵌合するガイドベーン嵌合部が形成されると共に、係合環状部Ｄ_Ｅが形成されており、組立時には、区画部材ｆのこの係合環状部Ｄ_Ｅを周溝４８に係合させるようにする。

図２６ａ、図２６ｂ、及び図２７は、ガイドバッフル１を吹込流路５に対して芯合せ（センタリング）するための１つの構成例を示す。その芯合せのためにセンタリング部材５０が備えられており、このセンタリング部材５０には、第１長手方向部分ａとの芯合せするための第１芯合せ環状部Ｄ_Ｚａが形成されている。

タービンハウジング１２上の、芯合せ部材５０と対向する位置に、同様の第２芯合せ環状部Ｄ_Ｚｄが形成されており、この第２芯合せ環状部に対して第２長手方向部分ｄが芯合せされる。ガイドバッフル１のガイドベーン１８には、それら第１及び第２芯合せ環状部に対応した形状の段部、凹部、等々を形成し、それらによって、第１及び第２長手方向部分ａ、ｄに対する芯合せがなされるようにすればよい。

図２８ａ、図２８ｂ、及び図２９に示した構成例では、幾つかのガイドベーン１８の先端面にセンタリング突起５２を形成してあり、それらセンタリング突起５２が、軸受ハウジング側に装着されたセンタリング部材５０のセンタリング孔５４と協働することで、芯合せがなされるようにしたものである。

図３０〜図３２に示した構成例も、同様に、センタリング部材５０を用いてガイドバッフル１の芯合せを行うものであるが、ただし、互いに向かい合ったガイドバッフル１のガイドベーン１８の先端面と、センタリング部材５０とが協働することで、芯合せがなされるようにしたものである。各々のガイドベーン１８の先端面は、径方向に対して傾斜して延展している。図中にセンタリング角度βで示したように、各々のガイドベーン１８の先端面は、軸方向に対して７５°以上の角度を成すようにするとよい。また、図中の力の矢印Ｆは、ガイドバッフル１を吹込流路５の内壁へ押付けてその位置に固定保持する力の、その大きさと方向とを示したものである。

図３３に示した構成例は、センタリング部材５０を、タービンハウジング１２から軸受ハウジングの中へ不都合なほど高い熱が伝達するのを防止する断熱部材として形成したものである。このように機能統合を行うことで、タービン１０の部品点数を削減し、重量を軽減し、コストを低減することが可能となる。

Claims (9)

1. タービン羽根車（９）を収容する収容空間（１４）と、排気ガスがそこを通過して流入する少なくとも１つの流入流路（４）とを有するタービンハウジング（１２）を備えており、排気ガスが前記流入流路（４）から、前記流入流路（４）に連通した吹込流路（５）を通って前記収容空間（１４）の中へ導流されるようにした、排気ガスターボチャージャーのタービン（１０）であって、
   前記タービンハウジング（１２）に対して相対的に固定されて、少なくともそのガイド部分（３０）が前記吹込流路（５）の中へ突出した、排気ガスの流れをガイドするための少なくとも１つのガイド部材（１８）を備えており、該ガイド部材（１８）は、前記ガイド部分（３０）に、前記タービン（１０）の軸方向における部分領域である第１長手方向部分（ａ）を備えており、前記第１長手方向部分（ａ）における第１ガイドベーン間最小間隙寸法ｓ _{ｍｉｎ＿ａ} の方が、前記第１長手方向部分（ａ）に連なる該ガイド部材（１８）の前記ガイド部分（３０）の第２長手方向部分（ｄ）における第２ガイドベーン間最小間隙寸法ｓ _{ｍｉｎ＿ｄ} より小さいことにより、前記ガイド部材（１８）は、前記第１長手方向部分（ａ）における該ガイド部材（１８）の空気力学的特性が、前記第２長手方向部分（ｄ）における該ガイド部材（１８）の空気力学的特性とは異なるものとされ、
   前記第１長手方向部分（ａ）と前記第２長手方向部分（ｄ）とは移行部分（３２）を介して互いに軸方向に連なっており、前記移行部分（３２）は、少なくとも部分的に且つ実質的に円弧形に形成された第１輪郭形状部分を有し、
   前記移行部分（３２）は、前記タービン羽根車（９）に対向して位置している
   ことを特徴とするタービン（１０）。
2. 前記タービンハウジング（１２）に対して相対的に軸方向に移動可能であり、且つ、前記吹込流路（５）の流路断面を最大限に拡開すると共に該流路断面を前記第１長手方向部分（ａ）と前記第２長手方向部分（ｄ）との両方において開放する開ポジションと、該流路断面を最大限に縮閉すると共に該流路断面を前記第１長手方向部分（ａ）においてのみ開放する閉ポジションとの間で移動可能であるスライド部材（２）を備えており、該スライド部材（２）が、前記第１長手方向部分（ａ）によって回転流生成が行われる前記閉ポジションから、前記開ポジションへと移動する際に、前記第１長手方向部分（ａ）及び前記第２長手方向部分（ｄ）によって前記回転流生成が少なくとも実質的に維持されるようにしたことを特徴とする請求項１記載のタービン（１０）。
3. 前記スライド部材（２）は、円弧形の前記移行部分（３２）の形状に少なくとも実質的に対応した形状の第２輪郭形状部分を有する端面（４４）を備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のタービン（１０）。
4. 前記第１輪郭形状部分と前記第２輪郭形状部分とは、前記スライド部材（２）が前記閉ポジションにあるときに、少なくとも実質的に互いに重なり合って位置していることを特徴とする請求項３記載のタービン（１０）。
5. 前記ガイド部材（１８）の前記ガイド部分（３０）は、前記吹込流路（５）の全軸方向領域に亘って延在しており、前記スライド部材（２）の移動調節機構を収容するための収容空間（７）から前記流入流路（４）を流路的に区画している前記タービン（１０）の中間壁部（４６）における内端縁の直径（Ｄ_Ｔ）が、排気ガスが前記ガイド部材（１８）へ流入する該ガイド部材（１８）の流入直径（Ｄ_Ｌ）より小さいことを特徴とする請求項２〜請求項４の何れか１項記載のタービン（１０）。
6. 前記ガイド部材（１８）の第２翼形断面の断面積（ＦＢ）に対する前記ガイド部材（１８）の第１翼形断面の断面積（ＦＡ）の比（ＦＡ／ＦＢ）の逆数（ＦＢ／ＦＡ）が１０％以上で７５％以下の値域にあり、前記第２翼形断面は、軸方向に対して少なくとも実質的に垂直に延展する断面であって、前記スライド部材（２）が前記閉ポジションにあるときに該スライド部材（２）によって覆われている前記第２長手方向部分（ｄ）における断面であり、前記第１翼形断面は、軸方向に対して少なくとも実質的に垂直に延展する断面であって、前記スライド部材が前記閉ポジションにあるときに開放されている部分の断面であることを特徴とする請求項２〜請求項５の何れか１項記載のタービン（１０）。
7. 少なくとも１つの区画部材（ｆ）を備えており、該区画部材によって前記第１長手方向部分（ａ）と前記第２長手方向部分（ｄ）とが流体的に互いから区画されていることを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか１項記載のタービン（１０）。
8. 渦巻流路（４）から流出する排気ガスの流出角である角度α_１が２５°以下になるように渦巻形流路ノズル幅（ｂ_{Ｖｏｌｕｔｅ}）が定められていることを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか１項記載のタービン（１０）。
9. 前記区画部材（ｆ）は前記ガイド部材（１８）の対応する溝（４８）に係合していることを特徴とする請求項７記載のタービン（１０）。

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