JP6267063B2 - 可変ノズルターボチャージャー - Google Patents

Description

本発明は、可変ノズルターボチャージャーに関する。

従来、特許文献１に見られるように、タービンホイールに吹き付けられる排気が流れる排気通路に、同排気通路の流路面積を可変とするノズルベーンが、同排気通路の壁面をそれぞれ構成する２枚のプレートに挟まれて設置された可変ノズルターボチャージャーが知られている。

特開２０１１−４３１１９号公報

こうした可変ノズルターボチャージャーでは、熱膨張によるノズルベーンの高さ（回動軸方向の長さ）や両プレートの間隔の変化に生じても、ノズルベーンを円滑に駆動できるように、両プレートの間隔は、ノズルベーンの高さよりも若干大きくされている。そのため、ノズルベーンと両プレートの間にはクリアランスが存在しており、タービンホイールに吹き付けられる排気の一部がそのクリアランスを通ってリークしてしまう。そして、そのリークした排気の流れ（リーク流）が、ノズルベーンの間を通る排気の流れ（主流）に干渉して、その流れを乱したり、抵抗を生じさせたりすることがあり、その結果、過給効率の低下を招いている。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、ノズルベーンのクリアランスからの排気のリークによる過給効率の低下を好適に抑えることのできる可変ノズルターボチャージャーを提供することにある。

上記課題を解決する可変ノズルターボチャージャーには、タービンホイールに吹き付けられる排気が流れる排気通路に、同排気通路の流路面積を可変とするためのノズルベーンが、上記排気通路の壁面をそれぞれ構成する部材に挟まれて設置されている。そして、タービンホイールの回転軸に直交する方向から見たときに、同タービンホイールに吹き付けられる排気の流線が描く弧の外周側におけるノズルベーンの端部に、排気通路を通る排気の流れにより、上記弧の内周側に向う揚力を発生する翼型の断面を有する板状の鍔部を設けるようにしている。

上記弧の内周側における排気通路の壁面とノズルベーンとのクリアランスを通ってリークした排気の流れ（リーク流）は、タービンホイール周りの壁面から剥離して主流に干渉し易いのに対して、上記弧の外周側における排気通路の壁面とノズルベーンとのクリアランスからのリーク流は、主流にあまり干渉しない。そのため、問題となるのは、上記弧の内周側における排気通路の壁面とノズルベーンとのクリアランスからのリーク流となる。

その点、上記構成では、鍔部により発生される揚力によって上記弧の内周側の排気通路の壁面にノズルベーンが押し付けられる。そのため、リーク流が問題となる、上記弧の内周側の排気通路の壁面とノズルベーンの間のクリアランスが縮小されて、そのクリアランスからのリーク流が低減されるようになる。したがって、上記のように構成された可変ノズルターボチャージャーでは、ノズルベーンと排気通路の壁面とのクリアランスからの排気のリークによる過給効率の低下が好適に抑えられる。

可変ノズルターボチャージャーの一実施形態についてそのタービンホイール周辺の部分断面構造を示す断面図。 （ａ）は、図１の可変ノズルターボチャージャーに設置されるノズルベーンの軸部の側面図であり、（ｂ）は、同ノズルベーンの外周側鍔部の平面図である。 図１の可変ノズルターボチャージャーにおけるタービンホイールに吹き付けられる排気の流れを示す断面図。 図１の可変ノズルターボチャージャーにおけるノズルベーンの、排気の流れに応じた揚力の発生状態を示す断面図。

以下、可変ノズルターボチャージャーの一実施形態を、図１〜図４を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、可変ノズルターボチャージャーのタービン部分の外殻を構成するタービンハウジング１０の内部には、タービンホイール１１を収容するタービン室１２が設けられている。また、タービンハウジング１０における、タービンホイール１１の径方向外側の部分には、タービンホイール１１の周りを周回するようにスクロール通路１３が設けられている。

タービンハウジング１０の内部における、スクロール通路１３とタービン室１２の間の部分には、それぞれ円環形状に形成された、外周プレート１４と内周プレート１５との２枚のプレートが間隔を置いて設置されている。そして、外周プレート１４および内周プレート１５の間の部分に、スクロール通路１３とタービン室１２とを連通する排気通路である連結通路１６が形成されている。本実施形態の可変ノズルターボチャージャーでは、互いに向き合った外周プレート１４および内周プレート１５のそれぞれの面により、そうした排気通路（連結通路１６）の壁面が構成されている。

また、外周プレート１４および内周プレート１５の間の部分には、複数のノズルベーン１７（同図にはそのうちの一つのみが表示されている）が、タービンホイール１１の周方向に一定間隔を置いて設置されている。ノズルベーン１７は、外周プレート１４および内周プレート１５に回動可能に軸支されている。

こうした可変ノズルターボチャージャーでは、内燃機関の排気は、まずスクロール通路１３に導入される。そして、その排気は、スクロール通路１３から連結通路１６に流入しその連結通路１６に設置された各ノズルベーン１７の間の部分を通ってタービン室１２内のタービンホイール１１に吹き付けられる。

ここで、同図に矢印で示すように、タービンホイール１１の回転軸Ａに直交する方向から見たときに、連結通路１６からタービンホイール１１に吹き付けられる排気の流線Ｓは、タービン室１２に入った後、タービンホイール１１の回転中心側に向うにつれて同タービンホイール１１の先端側（図中右側）に湾曲する弧を描く。以下では、この流線Ｓの弧の径方向内側を流線内周側と、その径方向外側を流線外周側とそれぞれ記載する。ちなみに、上記外周プレート１４および内周プレート１５は、連結通路１６における流線外周側、流線内周側の壁面をそれぞれ構成する。

さらに、こうした可変ノズルターボチャージャーでは、連結通路１６に設置された各ノズルベーン１７を回動することで、連結通路１６における排気吹出口部分の流路面積を変化させられる。この可変ノズルターボチャージャーでは、内燃機関の運転状況に応じて各ノズルベーン１７を駆動して上記流路面積を変化させることで、過給効果を高めるように、タービンホイール１１に吹き付けられる排気の流速を制御している。

図２（ａ）に、こうしたノズルベーン１７の軸部分の側面構造を示す。同図に示すように、ノズルベーン１７には、同ノズルベーン１７をその回動軸方向に貫通する軸部１８が一体に固定されている。軸部１８の両端はそれぞれ、外周プレート１４および内周プレート１５に回動可能に軸支される。軸部１８における、ノズルベーン１７の外周プレート１４側の端部にあたる位置には、外周側鍔部１９が一体回動可能に設けられている。また、軸部１８における、ノズルベーン１７の内周プレート１５側の端部にあたる位置には、内周側鍔部２０が一体回動可能に設けられている。これらの鍔部（１８，１９）は、外周プレート１４および内周プレート１５における軸部１８を軸支するための穴からの排気のリークを低減する役割を担っている。

内周側鍔部２０が円板形状であるのに対し、外周側鍔部１９は、翼型の断面を有する板状に形成されている。具体的には、外周側鍔部１９における外周プレート１４側の面は、平面に形成され、その反対側の面は流線型に形成されている。こうした外周側鍔部１９の形状は、連結通路１６を通る排気の流れに応じて、内周プレート１５側、すなわち流線内周側に向う揚力を発生する形状となっている。なお、図２（ｂ）は、こうした外周側鍔部１９の平面構造を示している。

続いて、以上のように構成された本実施形態の可変ノズルターボチャージャーの作用を説明する。
排気の熱による熱膨張により、ノズルベーン１７の高さ（回動軸方向の長さ）Ｈや、外周プレート１４と内周プレート１５との間隔Ｗに変化が生じても、ノズルベーン１７を円滑に駆動できるように、外周プレート１４と内周プレート１５との間隔Ｗは、ノズルベーン１７の高さＨよりも若干大きくされている。そのため、ノズルベーン１７と外周プレート１４および内周プレート１５の間にはクリアランスが存在し、タービンホイール１１に吹き付けられる排気の一部がそのクリアランスを通ってリークしてしまう。

図３は、そうしたリークが発生したときの、タービンホイール１１に吹き付けられる排気の流れを示している。同図に示すように、ノズルベーン１７の流線外周側、流線内周側の双方にクリアランスが存在する場合、隣り合ったノズルベーン１７の間の部分を通る主流Ｆｍに加え、外周プレート１４とノズルベーン１７の間のクリアランスからのリーク流Ｆｏと、内周プレート１５とノズルベーン１７の間のクリアランスからのリーク流Ｆｉとが発生する。

流線外周側のクリアランスからのリーク流Ｆｏは、主流Ｆｍに干渉することはあまりない。これに対して、流線内周側のクリアランスからのリーク流Ｆｉは、タービン室１２の壁面から剥離して主流Ｆｍに干渉してしまい易い。よって、より問題となるのは、流線内周側のクリアランスからのリーク流Ｆｉとなる。

図４に示すように、本実施形態の可変ノズルターボチャージャーでは、ノズルベーン１７の軸部１８に設けられた外周側鍔部１９が翼型の断面に形成されており、同図に点線で示される、その周りの排気の流れにより流線内周側に向う揚力Ｌを発生する。ノズルベーン１７は、この揚力Ｌにより、内周プレート１５側に推され、その結果、ノズルベーン１７と内周プレート１５との間のクリアランスが縮小される。そして、その縮小したクリアランスからのリーク流Ｆｉが低減される。

以上説明した本実施形態の可変ノズルターボチャージャーによれば、以下の効果を奏することができる。
（１）本実施形態の可変ノズルターボチャージャーには、流線外周側のノズルベーン１７の端部に、連結通路１６を通る排気の流れに応じて、流線内周側に向う揚力Ｌを発生する翼型の断面を有する板状の外周側鍔部１９が設けられている。こうした本実施形態では、外周側鍔部１９により発生される揚力Ｌにより、ノズルベーン１７の流線内周側のクリアランスが縮小され、主流Ｆｍへの干渉が問題となる、同クリアランスからのリーク流Ｆｉが低減される。そのため、ノズルベーン１７のクリアランスからの排気のリークによる過給効率の低下を好適に抑えることができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・排気の流れに応じて、流線内周側に向う揚力Ｌを発生可能な翼型の断面を有していれば、外周側鍔部１９の形状は、適宜に変更してもよい。

・内周側鍔部２０は、割愛してもよい。
・上記実施形態では、タービンホイール１１に吹き付けられる排気が流れる排気通路（連結通路１６）の、上記流線内周側および流線外周側の各壁面が、外周プレート１４および内周プレート１５の２枚のプレートによりそれぞれ構成されていた。それらの壁面の一方または双方をタービンハウジング１０や、タービンホイール１１の軸部を軸支する軸受ハウジングなどに一体に形成するようにしてもよい。

・上記実施形態では、ノズルベーン１７は、その軸部１８の両端がそれぞれ軸支されたかたちで設置されていたが、いずれか一方の端部のみが片持ち支持された態様でノズルベーン１７を設置するようにしてもよい。

１０…タービンハウジング、１１…タービンホイール、１２…タービン室、１３…スクロール通路、１４…外周プレート、１５…内周プレート、１６…連結通路、１７…ノズルベーン、１８…軸部、１９…外周側鍔部、２０…内周側鍔部。

Claims (1)

1. タービンホイールに吹き付けられる排気が流れる排気通路に、同排気通路の流路面積を可変とするためのノズルベーンが、前記排気通路の壁面をそれぞれ構成する部材に挟まれて設置された可変ノズルターボチャージャーにおいて、
   前記タービンホイールの回転軸に直交する方向から見たときに、同タービンホイールに吹き付けられる排気の流線が描く弧の外周側における前記ノズルベーンの端部に、前記排気通路を通る排気の流れに応じて、前記弧の内周側に向う揚力を発生する翼型の断面を有する板状の鍔部が設けられた、
   ことを特徴とする可変ノズルターボチャージャー。