JP7151866B2

JP7151866B2 - タービン

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Publication number: JP7151866B2
Application number: JP2021503390A
Authority: JP
Inventors: 功森田; 渉佐藤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2019-03-06
Filing date: 2019-09-02
Publication date: 2022-10-12
Anticipated expiration: 2039-09-02
Also published as: CN113544369B; CN113544369A; WO2020179107A1; US11492916B2; DE112019006976T5; JPWO2020179107A1; US20210372318A1

Description

本開示は、タービンに関する。本出願は２０１９年３月６日に提出された日本特許出願第２０１９－０４０３８４号に基づく優先権の利益を主張するものであり、その内容は本出願に援用される。

過給機は、タービンを備える。特許文献１のタービンには、２つの排気流路が形成される。２つの排気流路は、タービンインペラの径方向に並んで配される。２つの排気流路は、タービンインペラの周方向の異なる位置で、タービンインペラを収容する収容部と連通する。

特開２０１７－１８０２８６号公報

２つの排気流路には、通常、２つのバイパス流路が設けられる。２つのバイパス流路は、流路断面積が実質的に同じである。２つの排気流路は、レイアウト上の制約により、流路断面積が互いに異なる場合がある。２つの排気流路の流路断面積が互いに異なる場合、２つのバイパス流路を開いた状態で排気を行うと、エンジン背圧にばらつきが生じる。

本開示の目的は、エンジン背圧のばらつきを低減することが可能なタービンを提供することである。

上記課題を解決するために、本開示のタービンは、タービンインペラを収容する収容部が形成されたハウジングと、ハウジングに形成され、収容部と連通する第１排気流路と、ハウジングに形成され、収容部と第１排気流路が連通する位置に対し、タービンインペラの周方向の異なる位置で収容部と連通し、第１排気流路の流路断面積よりも小さい流路断面積を有する第２排気流路と、ハウジングに形成され、タービンインペラの軸方向において収容部と連通する排出流路と、第１排気流路と排出流路とを接続する第１バイパス流路と、第２排気流路と排出流路とを接続し、第１バイパス流路の流路断面積よりも大きい流路断面積を有する第２バイパス流路と、ハウジングのうち、第１排気流路の下流端に面する位置に設けられ、第１排気流路と第２排気流路とを区画する第１舌部と、ハウジングのうち、第２排気流路の下流端に面する位置に設けられ、第２排気流路と第１排気流路とを区画する第２舌部と、を備え、第１排気流路の流路断面積は、第１排気流路のうち第２舌部に面する部位の中で流路断面積が最小となる第１排気最小面積であり、第２排気流路の流路断面積は、第２排気流路のうち第１舌部に面する部位の中で流路断面積が最小となる第２排気最小面積であり、第１バイパス流路の流路断面積は、第１バイパス流路のうち流路断面積が最小となる第１バイパス最小面積であり、第２バイパス流路の流路断面積は、第２バイパス流路のうち流路断面積が最小となる第２バイパス最小面積であり、第１排気最小面積とタービンインペラのスロート面積により導出される第１有効面積と、第２排気最小面積とタービンインペラのスロート面積により導出される第２有効面積との差に比べ、第１有効面積および第１バイパス最小面積の合計と、第２有効面積および第２バイパス最小面積の合計との差の方が小さい。

第２排気流路は、第１排気流路よりも流路長が長くてもよい。

第１排気流路は、第２排気流路よりも流路長が長くてもよい。

第１排気最小面積をＡａ、第２排気最小面積をＡｂ、タービンインペラの総スロート面積をＡｉ、タービンインペラのうち第１排気流路と対向する対向部位のスロート面積をＡｉａ、タービンインペラのうち第２排気流路と対向する対向部位のスロート面積をＡｉｂ、タービンインペラのうち第１排気流路と対向する対向部位の中心角をθａ、タービンインペラのうち第２排気流路と対向する対向部位の中心角をθｂ、第１有効面積をＡａｆ、および、第２有効面積をＡｂｆとした場合に、第１有効面積Ａａｆは式（１）および式（１ａ）にて導出され、第２有効面積Ａｂｆは式（２）および式（２ａ）にて導出されてもよい。

…（１）

…（１ａ）

…（２）

…（２ａ）

本開示によれば、エンジン背圧のばらつきを低減することが可能となる。

図１は、過給機の概略断面図である。図２は、図１に示すタービンハウジングのＡ－Ａ線断面図である。図３は、タービンハウジングをウェイストゲートポート側から見た概略斜視図である。図４は、比較例におけるタービンハウジングのＡ－Ａ線断面図である。図５は、タービンインペラの総スロート面積を説明するための図である。図６は、タービンインペラの内径側スロート面積、および、外径側スロート面積を説明するための図である。図７は、変形例におけるタービンハウジングのＡ－Ａ線断面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の一実施形態について説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、過給機ＴＣの概略断面図である。図１に示す矢印Ｌ方向を過給機ＴＣの左側として説明する。図１に示す矢印Ｒ方向を過給機ＴＣの右側として説明する。図１に示すように、過給機ＴＣは、過給機本体１を備える。過給機本体１は、ベアリングハウジング３と、タービンハウジング（ハウジング）５と、コンプレッサハウジング７とを備える。タービンハウジング５は、ベアリングハウジング３の左側に締結機構９によって連結される。コンプレッサハウジング７は、ベアリングハウジング３の右側に締結ボルト１１によって連結される。タービンＴは、ベアリングハウジング３およびタービンハウジング５を含んで構成される。遠心圧縮機Ｃは、ベアリングハウジング３およびコンプレッサハウジング７を含んで構成される。

ベアリングハウジング３の外周面には、突起３ａが設けられている。突起３ａは、タービンハウジング５側に設けられる。突起３ａは、ベアリングハウジング３の径方向に突出する。タービンハウジング５の外周面には、突起５ａが設けられている。突起５ａは、ベアリングハウジング３側に設けられる。突起５ａは、タービンハウジング５の径方向に突出する。ベアリングハウジング３とタービンハウジング５は、締結機構９によってバンド締結される。締結機構９は、例えば、Ｇカップリングで構成される。締結機構９は、突起３ａ、５ａを挟持する。

ベアリングハウジング３には、軸受孔３ｂが形成される。軸受孔３ｂは、過給機ＴＣの左右方向に貫通する。軸受孔３ｂは、すべり軸受を介してシャフト１３を回転自在に軸支する。シャフト１３の左端部には、タービンインペラ１５が設けられる。タービンインペラ１５は、タービンハウジング５内に配される。タービンインペラ１５は、タービンハウジング５に回転自在に収容されている。シャフト１３の右端部にはコンプレッサインペラ１７が設けられる。コンプレッサインペラ１７は、コンプレッサハウジング７内に配される。コンプレッサインペラ１７は、コンプレッサハウジング７に回転自在に収容されている。

コンプレッサハウジング７には、吸気口１９が形成される。吸気口１９は、過給機ＴＣの右側に開口する。吸気口１９は、不図示のエアクリーナに接続される。ベアリングハウジング３とコンプレッサハウジング７の対向面によって、ディフューザ流路２１が形成される。ディフューザ流路２１は、空気を昇圧する。ディフューザ流路２１は、環状に形成される。ディフューザ流路２１は、シャフト１３の径方向内側において、コンプレッサインペラ１７を介して吸気口１９に連通している。

コンプレッサハウジング７には、コンプレッサスクロール流路２３が形成される。コンプレッサスクロール流路２３は、環状に形成される。コンプレッサスクロール流路２３は、例えば、ディフューザ流路２１よりもシャフト１３の径方向外側に位置する。コンプレッサスクロール流路２３は、不図示のエンジンの吸気口と、ディフューザ流路２１とに連通している。コンプレッサインペラ１７が回転すると、吸気口１９からコンプレッサハウジング７内に空気が吸気される。吸気された空気は、コンプレッサインペラ１７の翼間を流通する過程において加圧加速される。加圧加速された空気は、ディフューザ流路２１およびコンプレッサスクロール流路２３で昇圧される。昇圧された空気は、エンジンの吸気口に導かれる。

タービンハウジング５には、排出流路２５と、収容部２７と、排気流路２９とが形成される。排出流路２５は、過給機ＴＣの左側に開口する。排出流路２５は、不図示の排気ガス浄化装置に接続される。排出流路２５は、収容部２７と連通する。排出流路２５は、収容部２７に対して、タービンインペラ１５の回転軸方向に連続する。収容部２７は、タービンインペラ１５を収容する。排気流路２９は、収容部２７（タービンインペラ１５）の径方向外側に配される。排気流路２９は、収容部２７と連通する。排気流路２９は、収容部２７に対して、タービンインペラ１５の径方向に連続する。

図２は、図１に示すタービンハウジング５のＡ－Ａ線断面図である。図２では、タービンインペラ１５について、外周のみを円で示す。図２に示すように、収容部２７（タービンインペラ１５）の径方向外側には、排気流路２９が形成される。排気流路２９は、連通部３１と、タービンスクロール流路３３と、排気導入口３５と、排気導入路３７とを備える。

連通部３１は、収容部２７の全周に亘って環状に形成される。タービンスクロール流路３３は、例えば、連通部３１よりもタービンインペラ１５の径方向外側に位置する。タービンスクロール流路３３は、連通部３１（収容部２７）の全周に亘って環状に形成される。連通部３１は、収容部２７とタービンスクロール流路３３とを連通させる。

排気導入口３５は、タービンハウジング５の外部に開口する。排気導入口３５には、不図示のエンジンの排気マニホールドから排出される排気ガスが導入される。排気導入口３５とタービンスクロール流路３３との間には、排気導入路３７が形成される。排気導入路３７は、排気導入口３５とタービンスクロール流路３３とを接続する。排気導入路３７は、例えば、直線状に形成される。排気導入路３７は、排気導入口３５から導入された排気ガスをタービンスクロール流路３３に導く。タービンスクロール流路３３は、排気導入路３７から導入された排気ガスを、連通部３１を介して収容部２７に導く。このように、排気流路２９は、排気導入口３５、排気導入路３７、タービンスクロール流路３３および連通部３１を含む。排気流路２９は、排気導入口３５から連通部３１まで延在している。

タービンハウジング５には、バイパス流路３９が形成される。バイパス流路３９は、排気流路２９に入口端ＯＰが開口し、排出流路２５（図１参照）に出口端（後述するウェイストゲートポートＷＰ）が開口する。より具体的に、バイパス流路３９は、排気導入路３７に入口端ＯＰが開口し、排出流路２５に出口端が開口する。バイパス流路３９は、排気導入路３７と排出流路２５とを連通（接続）させる。

バイパス流路３９の出口端には、ウェイストゲートポートＷＰ（図１参照）が形成される。バイパス流路３９の出口端には、ウェイストゲートポートＷＰを開閉可能なウェイストゲートバルブＷＶ（図１参照）が配される。ウェイストゲートバルブＷＶは、排出流路２５内に配される。ウェイストゲートバルブＷＶがウェイストゲートポートＷＰを開いたとき、バイパス流路３９は、排気導入路３７を流通する排気ガスの一部を、収容部２７（タービンインペラ１５）を迂回して排出流路２５に流出させる。

タービンハウジング５には、仕切板４１が形成される。仕切板４１は、排気流路２９内に配される。より具体的に、仕切板４１は、排気導入口３５、排気導入路３７、および、タービンスクロール流路３３内に配される。仕切板４１は、排気導入口３５、排気導入路３７、および、タービンスクロール流路３３の内面に対して、タービンインペラ１５の回転軸方向（以下、仕切板４１の短手方向ともいう）に接続される。仕切板４１は、排気導入口３５から離隔する方向に向かって延在する。仕切板４１は、排気流路２９に沿って延在する。つまり、仕切板４１は、排気ガスが流れる排気流動方向（以下、仕切板４１の長手方向ともいう）に沿って延在する。以下、排気流動方向の上流側を単に上流側といい、排気流動方向の下流側を単に下流側という。仕切板４１は、上流側の端部が排気導入口３５に配され、下流側の端部がタービンスクロール流路３３と連通部３１との間の位置（境界）に配される。

仕切板４１は、排気流路２９をタービンインペラ１５の径方向（以下、単に径方向という）に仕切る（分割する）。排気流路２９は、仕切板４１により内径側排気流路（第１排気流路）２９ａと外径側排気流路（第２排気流路）２９ｂとに分割される。内径側排気流路２９ａは、外径側排気流路２９ｂよりもタービンインペラ１５の径方向内側に位置する。内径側排気流路２９ａは、外径側排気流路２９ｂと径方向に並んで形成される。外径側排気流路２９ｂは、内径側排気流路２９ａに比べて流路長が長い。

仕切板４１は、排気導入口３５を径方向に分割する。排気導入口３５は、仕切板４１により内径側排気導入口３５ａと外径側排気導入口３５ｂとに分割される。内径側排気導入口３５ａは、外径側排気導入口３５ｂよりもタービンインペラ１５の径方向内側に位置する。内径側排気導入口３５ａは、外径側排気導入口３５ｂと径方向に並んで形成される。

ここで、不図示の排気マニホールドは、２つ（複数）の分割路を備える。２つの分割路は、内径側排気導入口３５ａおよび外径側排気導入口３５ｂにそれぞれ接続される。不図示のエンジンから排出される排気ガスは、排気マニホールドの２つの分割路を流通し、内径側排気導入口３５ａおよび外径側排気導入口３５ｂに導入される。２つの分割路を流通する排気ガスのうち、一方は内径側排気導入口３５ａに導入され、他方は外径側排気導入口３５ｂに導入される。

仕切板４１は、排気導入路３７を径方向に分割する。排気導入路３７は、仕切板４１により内径側排気導入路３７ａと、外径側排気導入路３７ｂとに分割される。内径側排気導入路３７ａは、外径側排気導入路３７ｂよりもタービンインペラ１５の径方向内側に位置する。内径側排気導入路３７ａは、外径側排気導入路３７ｂとタービンインペラ１５の径方向に並んで形成される。内径側排気導入路３７ａは、内径側排気導入口３５ａと連通する。外径側排気導入路３７ｂは、外径側排気導入口３５ｂと連通する。

図３は、タービンハウジング５をウェイストゲートポートＷＰ側から見た概略斜視図である。図３では、ウェイストゲートバルブＷＶの図示を省略している。図３に示すように、バイパス流路３９内には、隔壁４３が形成される。隔壁４３は、一端がバイパス流路３９の入口端ＯＰ（図２参照）に位置し、他端がバイパス流路３９の出口端（ウェイストゲートポートＷＰ）に位置する。

隔壁４３は、排気ガスがバイパス流路３９を流れる排気流動方向（以下、隔壁４３の長手方向ともいう）に沿って延在する。隔壁４３は、隔壁４３の長手方向と直交する短手方向Ｄにおいて、バイパス流路３９の内面に接続される。隔壁４３は、バイパス流路３９を分割する。バイパス流路３９は、隔壁４３により内径側バイパス流路（第１バイパス流路）３９ａと、外径側バイパス流路（第２バイパス流路）３９ｂとに分割される。

図２に戻り、内径側バイパス流路３９ａは、内径側排気導入路３７ａと連通している。内径側バイパス流路３９ａは、内径側排気導入路３７ａと排出流路２５（図１および図３参照）とを接続させる。内径側バイパス流路３９ａは、内径側排気導入路３７ａを流通する排気ガスの一部をウェイストゲートポートＷＰ（図１および図３参照）に導く。外径側バイパス流路３９ｂは、外径側排気導入路３７ｂと連通している。外径側バイパス流路３９ｂは、外径側排気導入路３７ｂと排出流路２５とを接続させる。外径側バイパス流路３９ｂは、外径側バイパス流路３９ｂを流通する排気ガスの一部をウェイストゲートポートＷＰに導く。

仕切板４１は、タービンスクロール流路３３を径方向に分割する。タービンスクロール流路３３は、仕切板４１により内径側タービンスクロール流路３３ａと、外径側タービンスクロール流路３３ｂとに分割される。内径側タービンスクロール流路３３ａは、外径側タービンスクロール流路３３ｂよりも径方向内側に位置する。内径側タービンスクロール流路３３ａは、外径側タービンスクロール流路３３ｂと径方向に並んで形成される。内径側タービンスクロール流路３３ａは、内径側排気導入路３７ａと連通する。外径側タービンスクロール流路３３ｂは、外径側排気導入路３７ｂと連通する。

内径側タービンスクロール流路３３ａは、内径側排気導入路３７ａから遠ざかるにつれて径方向の幅が小さくなる。つまり、内径側タービンスクロール流路３３ａは、上流側から下流側に向かって径方向の幅が小さくなる。

外径側タービンスクロール流路３３ｂは、外径側排気導入路３７ｂから遠ざかるにつれて径方向の幅が小さくなる。つまり、外径側タービンスクロール流路３３ｂは、上流側から下流側に向かって径方向の幅が小さくなる。

連通部３１は、図２中、左側の半周において、内径側タービンスクロール流路３３ａと連通する。以下、連通部３１のうち内径側タービンスクロール流路３３ａと連通する部分を、第１連通部３１ａという。連通部３１は、図２中、右側の半周において、外径側タービンスクロール流路３３ｂと連通する。以下、連通部３１のうち外径側タービンスクロール流路３３ｂと連通する部分を、第２連通部３１ｂという。

収容部２７は、図２中、左側の半周において、第１連通部３１ａと連通する。第１連通部３１ａは、内径側タービンスクロール流路３３ａと収容部２７との間に位置する。収容部２７は、図２中、右側の半周において、第２連通部３１ｂと連通する。第２連通部３１ｂは、外径側タービンスクロール流路３３ｂと収容部２７との間に位置する。

このように、収容部２７は、図２中、左側の半周において、内径側排気流路２９ａと連通する。収容部２７は、図２中、右側の半周において、外径側排気流路２９ｂと連通する。収容部２７は、内径側排気流路２９ａと連通する位置が、外径側排気流路２９ｂと連通する位置とタービンインペラ１５の周方向において異なる。換言すれば、収容部２７は、第１連通部３１ａを介して内径側タービンスクロール流路３３ａと連通する位置が、第２連通部３１ｂを介して外径側タービンスクロール流路３３ｂと連通する位置とタービンインペラ１５の周方向において異なる。

タービンハウジング５には、第１舌部４５ａと、第２舌部４５ｂとが形成される。第１舌部４５ａは、仕切板４１の下流側の端部（すなわち、排気導入口３５から離隔する側の端部）に形成される。第１舌部４５ａは、内径側タービンスクロール流路３３ａの下流側の端部（下流端）に面する位置に設けられる。第１舌部４５ａは、内径側タービンスクロール流路３３ａと外径側タービンスクロール流路３３ｂとを区画する。

第２舌部４５ｂは、外径側タービンスクロール流路３３ｂの下流側の端部（下流端）に面する位置に設けられる。第２舌部４５ｂは、外径側タービンスクロール流路３３ｂと内径側タービンスクロール流路３３ａとを区画する。

第１舌部４５ａは、第２舌部４５ｂに対して、タービンインペラ１５の回転方向の位相が大凡１８０度ずれている。つまり、第１舌部４５ａおよび第２舌部４５ｂは、タービンインペラ１５の回転方向に等間隔で配されている。ただし、第１舌部４５ａは、第２舌部４５ｂに対して、タービンインペラ１５の回転方向の位相（位置）が異なればよい。第１舌部４５ａは、第２舌部４５ｂに対して、位相のずれが大凡１８０度でなくてもよい。すなわち、第１舌部４５ａおよび第２舌部４５ｂは、タービンインペラ１５の回転方向に不等間隔に配されてもよい。第１舌部４５ａおよび第２舌部４５ｂは、タービンインペラ１５に対して径方向に対向する。

図１に戻り、不図示のエンジンの排気マニホールドから排出された排気ガスは、排気流路２９および収容部２７を介して排出流路２５に導かれる。排出流路２５に導かれる排気ガスは、流通過程においてタービンインペラ１５を回転させる。

タービンインペラ１５の回転力は、シャフト１３を介してコンプレッサインペラ１７に伝達される。コンプレッサインペラ１７が回転すると、上記のとおりに空気が昇圧される。こうして、空気がエンジンの吸気口に導かれる。

ところで、内径側排気流路２９ａおよび外径側排気流路２９ｂは、レイアウト上の制約により、流路断面積が互いに異なる場合がある。本実施形態では、図２に示すように、内径側排気流路２９ａおよび外径側排気流路２９ｂの流路断面積は、内径側タービンスクロール流路３３ａおよび外径側タービンスクロール流路３３ｂの終端部（舌部）からの距離が等しい位置で比較した場合、互いに異なっている。内径側排気流路２９ａの流路断面積は、内径側タービンスクロール流路３３ａおよび外径側タービンスクロール流路３３ｂの終端部（舌部）からの距離が等しい位置で比較した場合、外径側排気流路２９ｂの流路断面積より大きい。例えば、内径側排気流路（第１排気流路）２９ａのうち第２舌部４５ｂに面する部位の中で最小となる流路断面積を、第１排気最小面積Ａａとする。外径側排気流路（第２排気流路）２９ｂのうち第１舌部４５ａに面する部位の中で最小となる流路断面積を、第２排気最小面積Ａｂとする。このとき、第１排気最小面積Ａａは、第２排気最小面積Ａｂより大きい。換言すれば、第２排気最小面積Ａｂは、第１排気最小面積Ａａよりも小さい。

なお、本実施形態では、第１排気最小面積Ａａが第２排気最小面積Ａｂと異なる大きさを有する例について説明するが、これに限定されない。例えば、内径側排気流路２９ａのうち第２舌部４５ｂに面する部位の中で流路断面積が最小（第１排気最小面積Ａａ）となる断面位置を、第１断面位置とする。外径側排気流路２９ｂのうち第１舌部４５ａに面する部位の中で流路断面積が最小（第２排気最小面積Ａｂ）となる断面位置を、第２断面位置とする。このとき、第１断面位置および第２断面位置を基準として、連通部３１側（あるいは排気導入口３５側）に所定距離ずれた断面位置において、内径側排気流路２９ａおよび外径側排気流路２９ｂの流路断面積は、互いに異なってもよい。

図４は、比較例におけるタービンハウジング１０５のＡ－Ａ線断面図である。図４に示すように、タービンハウジング１０５は、バイパス流路１３９を備える。比較例におけるタービンハウジング１０５は、バイパス流路１３９以外の構成が、本実施形態におけるタービンハウジング５と同じである。バイパス流路１３９は、内径側バイパス流路１３９ａと、外径側バイパス流路１３９ｂとを備える。内径側バイパス流路１３９ａおよび外径側バイパス流路１３９ｂの流路断面積は、実質的に同じである。タービンハウジング１０５は、第１排気最小面積Ａａおよび第２排気最小面積Ａｂが互いに異なる。

ここで、ウェイストゲートバルブＷＶ（図１参照）を閉状態にすると、排気ガスは、バイパス流路１３９を流通せずに、排気流路２９を流通する。このとき、排気ガスは、内径側排気流路２９ａおよび外径側排気流路２９ｂの流路断面積に応じた流量で排気流路２９を流通する。したがって、内径側排気流路２９ａを流通する排気ガスの流量（以下、単に内径側流量ともいう）と、外径側排気流路２９ｂを流通する排気ガスの流量（以下、単に外径側流量ともいう）との間には、流量差が生じる。

一方、ウェイストゲートバルブＷＶ（図１参照）を開状態にすると、排気ガスは、排気流路２９およびバイパス流路１３９を流通する。このとき、排気ガスは、内径側排気流路２９ａ、外径側排気流路２９ｂ、内径側バイパス流路１３９ａ、および、外径側バイパス流路１３９ｂの流路断面積に応じた流量で排気流路２９およびバイパス流路１３９を流通する。ここで、内径側バイパス流路１３９ａおよび外径側バイパス流路１３９ｂの流路断面積は、実質的に同じである。

したがって、内径側排気流路２９ａおよび内径側バイパス流路１３９ａを流通する排気ガスの流量（以下、単に内径側流量ともいう）と、外径側排気流路２９ｂおよび外径側バイパス流路１３９ｂを流通する排気ガスの流量（以下、単に外径側流量ともいう）との間には、流量差が生じる。ウェイストゲートバルブＷＶ（図１参照）を開状態としたときの内径側流量と外径側流量との流量差は、ウェイストゲートバルブＷＶを閉状態としたときの内径側流量と外径側流量との流量差と大凡等しい。つまり、比較例のタービンハウジング１０５では、ウェイストゲートバルブＷＶを開いたとき、内径側流量と外径側流量との流量差が低減され難い。よって、比較例のタービンハウジング１０５は、ウェイストゲートバルブＷＶの開状態でエンジン背圧にばらつきが生じ、過給機ＴＣの過給性能を低下させるおそれがある。

そこで、図２に示すように、本実施形態のタービンハウジング５は、内径側バイパス流路３９ａおよび外径側バイパス流路３９ｂの流路断面積を互いに異ならせている。具体的に、内径側バイパス流路３９ａおよび外径側バイパス流路３９ｂの流路断面積は、内径側バイパス流路３９ａおよび外径側バイパス流路３９ｂのウェイストゲートポートＷＰからの距離が等しい位置で比較した場合、互いに異なっている。本実施形態では、内径側バイパス流路３９ａおよび外径側バイパス流路３９ｂのウェイストゲートポートＷＰからの距離が等しい位置で比較した場合、内径側バイパス流路３９ａの流路断面積は、外径側バイパス流路３９ｂの流路断面積より小さい。換言すれば、外径側バイパス流路３９ｂの流路断面積は、内径側バイパス流路３９ａの流路断面積より大きい。より具体的に、内径側バイパス流路３９ａの入口端ＯＰの開口面積は、外径側バイパス流路３９ｂの入口端ＯＰの開口面積より小さい。

図３に示すように、内径側バイパス流路３９ａのうち流路断面積が最小となる内径側バイパス最小面積（第１バイパス最小面積）Ｂａは、外径側バイパス流路３９ｂのうち流路断面積が最小となる外径側バイパス最小面積（第２バイパス最小面積）Ｂｂより小さい。内径側バイパス最小面積Ｂａは、例えば、内径側バイパス流路３９ａのウェイストゲートポートＷＰの開口面積である。外径側バイパス最小面積Ｂｂは、例えば、外径側バイパス流路３９ｂのウェイストゲートポートＷＰの開口面積である。つまり、内径側バイパス流路３９ａのウェイストゲートポートＷＰの開口面積は、外径側バイパス流路３９ｂのウェイストゲートポートＷＰの開口面積より小さい。

図２に示すように、内径側排気流路２９ａおよび外径側排気流路２９ｂの流路断面積は、互いに異なる。本実施形態では、内径側排気流路２９ａの流路断面積（第１排気最小面積Ａａ）は、外径側排気流路２９ｂの流路断面積（第２排気最小面積Ａｂ）より大きい。換言すれば、外径側排気流路２９ｂの流路断面積（第２排気最小面積Ａｂ）は、内径側排気流路２９ａの流路断面積（第１排気最小面積Ａａ）よりも小さい。これにより、外径側排気流路２９ｂの流路断面積（第２排気最小面積Ａｂ）が内径側排気流路２９ａの流路断面積（第１排気最小面積Ａａ）と等しい場合に比べて、タービンスクロール流路３３、ひいては、タービンハウジング５を小型化することができる。その結果、タービンハウジング５（過給機ＴＣ）のコストを低減することができる。

このように、本実施形態におけるタービンハウジング５は、内径側バイパス流路３９ａの流路断面積（内径側バイパス最小面積Ｂａ）が、外径側バイパス流路３９ｂの流路断面積（外径側バイパス最小面積Ｂｂ）より小さい。タービンハウジング５は、内径側排気流路２９ａ（第１排気最小面積Ａａ）が、外径側排気流路２９ｂ（第２排気最小面積Ａｂ）より大きい。つまり、流路断面積が外径側排気流路２９ｂより大きい内径側排気流路２９ａには、流路断面積が外径側バイパス流路３９ｂより小さい内径側バイパス流路３９ａが接続されている。

ここで、ウェイストゲートバルブＷＶ（図１参照）を閉状態にすると、排気ガスは、バイパス流路３９を流通せずに、排気流路２９を流通する。このとき、排気ガスは、内径側排気流路２９ａおよび外径側排気流路２９ｂの流路断面積に応じた流量で排気流路２９を流通する。したがって、ウェイストゲートバルブＷＶが閉じた状態では、内径側流量と外径側流量との間に流量差が生じる。

一方、ウェイストゲートバルブＷＶ（図１参照）を開状態にすると、排気ガスは、排気流路２９およびバイパス流路３９を流通する。このとき、排気ガスは、内径側排気流路２９ａ、外径側排気流路２９ｂ、内径側バイパス流路３９ａ、および、外径側バイパス流路３９ｂの流路断面積に応じた流量で排気流路２９およびバイパス流路３９を流通する。ここで、流路断面積が外径側排気流路２９ｂより大きい内径側排気流路２９ａには、流路断面積が外径側バイパス流路３９ｂより小さい内径側バイパス流路３９ａが接続されている。

したがって、ウェイストゲートバルブＷＶが開いた状態における内径側流量と外径側流量との間の流量差は、ウェイストゲートバルブＷＶが閉じた状態における内径側流量と外径側流量との間の流量差より小さくなる。よって、本実施形態のタービンハウジング５は、ウェイストゲートバルブＷＶを開いた状態でのエンジン背圧のばらつきを低減させ、過給機ＴＣの過給性能の低下を抑制することができる。

ここで、ウェイストゲートバルブＷＶ（図１参照）が閉状態であるときの、内径側排気流路２９ａを流通する排気ガスの流量を、バルブ閉時内径側流量という。ウェイストゲートバルブＷＶが開状態であるときの、内径側排気流路２９ａおよび内径側バイパス流路３９ａを流通する排気ガスの流量を、バルブ開時内径側流量という。

同様に、ウェイストゲートバルブＷＶ（図１参照）が閉状態であるときの、外径側排気流路２９ｂを流通する排気ガスの流量を、バルブ閉時外径側流量という。ウェイストゲートバルブＷＶが閉状態であるときの、外径側排気流路２９ｂおよび外径側バイパス流路３９ｂを流通する排気ガスの流量を、バルブ開時外径側流量という。

また、バルブ開時内径側流量とバルブ開時外径側流量との流量差を、バルブ開時流量差という。バルブ閉時内径側流量とバルブ閉時外径側流量との流量差を、バルブ閉時流量差という。

本実施形態によれば、タービンハウジング５は、内径側排気流路２９ａの流路断面積が外径側排気流路２９ｂの流路断面積と比べて相対的に大きい。タービンハウジング５は、内径側バイパス流路３９ａの流路断面積が外径側バイパス流路３９ｂの流路断面積と比べて相対的に小さい。そのため、バルブ開時流量差を、バルブ閉時流量差より小さくすることができる。したがって、本実施形態のタービンハウジング５は、ウェイストゲートバルブＷＶを開いた状態でのエンジン背圧のばらつきを低減させ、過給機ＴＣの過給性能の低下を抑制することができる。

上記では、第１排気最小面積Ａａおよび第２排気最小面積Ａｂと、内径側バイパス最小面積Ｂａおよび外径側バイパス最小面積Ｂｂとの関係について説明した。以下では、排気ガスが内径側排気流路２９ａおよび外径側排気流路２９ｂを介してタービンインペラ１５を通過する際の有効面積と、内径側バイパス最小面積Ｂａおよび外径側バイパス最小面積Ｂｂとの関係について、詳細に説明する。

ここで、排気ガスが内径側排気流路２９ａを介してタービンインペラ１５を通過する際の有効面積を、内径側有効面積Ａａｆとする。排気ガスが外径側排気流路２９ｂを介してタービンインペラ１５を通過する際の有効面積を、外径側有効面積Ａｂｆとする。内径側有効面積Ａａｆおよび外径側有効面積Ａｂｆの詳細については、後述する。

内径側排気流路２９ａの流路断面積をＡａ（本実施形態では、第１排気最小面積Ａａ）とする。外径側排気流路２９ｂの流路断面積をＡｂ（本実施形態では、第２排気最小面積Ａｂ）とする。内径側バイパス流路３９ａの流路断面積をＢａ（本実施形態では、内径側バイパス最小面積Ｂａ）とする。外径側バイパス流路３９ｂの流路断面積をＢｂ（本実施形態では、外径側バイパス最小面積Ｂｂ）とする。

タービンインペラ１５の総スロート面積をＡｉとする。タービンインペラ１５のうち内径側排気流路２９ａと対向する対向部位のスロート面積（以下、内径側スロート面積という）をＡｉａとする。タービンインペラ１５のうち外径側排気流路２９ｂと対向する対向部位のスロート面積（以下、外径側スロート面積という）をＡｉｂとする。総スロート面積Ａｉ、内径側スロート面積Ａｉａ、および、外径側スロート面積Ａｉｂの詳細については、後述する。

タービンインペラ１５のうち内径側排気流路２９ａと対向する対向部位（内径側スロート面積Ａｉａ）の中心角をθａとする。タービンインペラ１５のうち外径側排気流路２９ｂと対向する対向部位（外径側スロート面積Ａｉｂ）の中心角をθｂとする。中心角θａ、θｂの詳細については、後述する。

このとき、内径側有効面積Ａａｆは、以下の式（１）により導出される。

…（１）

式（１）において、内径側スロート面積Ａｉａは、以下の式（１ａ）により導出される。

…（１ａ）

式（１ａ）において、タービンインペラ１５の総スロート面積Ａｉは、以下の式（１ｂ）により近似的に導出される。

…（１ｂ）

図５は、タービンインペラ１５の総スロート面積Ａｉを説明するための図である。図５に示すように、タービンインペラ１５は、ハブ１５ａおよび羽根１５ｂを有する。ハブ１５ａは、シャフト１３（図１参照）に設けられる。ハブ１５ａは、図５中左側ほど径が小さく、図５中右側ほど径が大きくなる形状である。羽根１５ｂは、ハブ１５ａの外周面に設けられる。羽根１５ｂは、ハブ１５ａの周方向に離隔して複数設けられる。タービンインペラ１５の出口シュラウド径を「Ｄ４ｓ」とし、タービンインペラ１５の出口ハブ径を「Ｄ４ｈ」とする。また、タービンインペラ１５の出口シュラウド側の羽根角を「β４ｓ」とする。このとき、タービンインペラ１５の総スロート面積Ａｉは、上記式（１ｂ）により導出される。

図６は、タービンインペラ１５の内径側スロート面積Ａｉａ、および、外径側スロート面積Ａｉｂを説明するための図である。図６に示すように、タービンインペラ１５は、内径側排気流路２９ａと対向する対向部位ＦＳ１を備える。内径側スロート面積Ａｉａは、タービンインペラ１５のうち対向部位ＦＳ１のスロート面積である。中心角θａは、タービンインペラ１５のうち対向部位ＦＳ１（内径側スロート面積Ａｉａ）の中心角である。なお、中心角θａは、第１舌部４５ａと第２舌部４５ｂとの内径側排気流路２９ａ側における位相のずれと大凡等しい。

タービンインペラ１５は、外径側排気流路２９ｂと対向する対向部位ＦＳ２を備える。外径側スロート面積Ａｉｂは、タービンインペラ１５のうち対向部位ＦＳ２のスロート面積である。中心角θｂは、タービンインペラ１５のうち対向部位ＦＳ２（外径側スロート面積Ａｉｂ）の中心角である。なお、中心角θｂは、第１舌部４５ａと第２舌部４５ｂとの外径側排気流路２９ｂ側における位相のずれと大凡等しい。本実施形態では、中心角θａは、中心角θｂと大凡等しい。

外径側有効面積Ａｂｆは、以下の式（２）により導出される。

…（２）

式（２）において、外径側スロート面積Ａｉｂは、以下の式（２ａ）により導出される。

…（２ａ）

上記式（１）に示すように、内径側有効面積（第１有効面積）Ａａｆは、内径側排気流路２９ａの流路断面積（第１排気最小面積Ａａ）とタービンインペラ１５のスロート面積（内径側スロート面積Ａｉａ）とにより導出される面積である。上記式（２）に示すように、外径側有効面積（第２有効面積）Ａｂｆは、外径側排気流路２９ｂの流路断面積（第２排気最小面積Ａｂ）とタービンインペラ１５のスロート面積（外径側スロート面積Ａｉｂ）とにより導出される面積である。

本実施形態では、内径側有効面積Ａａｆと外径側有効面積Ａｂｆとの差は、内径側有効面積Ａａｆおよび内径側バイパス最小面積Ｂａの合計と、外径側有効面積Ａｂｆおよび外径側バイパス最小面積Ｂｂの合計との差より大きい。つまり、内径側有効面積Ａａｆと外径側有効面積Ａｂｆとの差に比べ、内径側有効面積Ａａｆおよび内径側バイパス最小面積Ｂａの合計と、外径側有効面積Ａｂｆおよび外径側バイパス最小面積Ｂｂの合計との差の方が小さい。内径側有効面積Ａａｆと外径側有効面積Ａｂｆとの差は、以下の式（３）の条件を満たす。

…（３）

ここで、ウェイストゲートバルブＷＶ（図１参照）が閉状態であるとき、内径側排気流路２９ａを流通する排気ガスの流量（バルブ閉時内径側流量）は、内径側有効面積Ａａｆによって導出される。ウェイストゲートバルブＷＶが開状態であるとき、内径側排気流路２９ａおよび内径側バイパス流路３９ａを流通する排気ガスの流量（バルブ開時内径側流量）は、内径側有効面積Ａａｆおよび内径側バイパス最小面積Ｂａによって導出される。

同様に、ウェイストゲートバルブＷＶ（図１参照）が閉状態であるとき、外径側排気流路２９ｂを流通する排気ガスの流量（バルブ閉時外径側流量）は、外径側有効面積Ａｂｆによって導出される。ウェイストゲートバルブＷＶが開状態であるとき、外径側排気流路２９ｂおよび外径側バイパス流路３９ｂを流通する排気ガスの流量（バルブ開時外径側流量）は、外径側有効面積Ａｂｆおよび外径側バイパス最小面積Ｂｂによって導出される。

したがって、上記式（３）の左辺は、バルブ開時内径側流量とバルブ開時外径側流量との流量差（バルブ開時流量差）に応じた値を表しているといえる。上記式（３）の右辺は、バルブ閉時内径側流量とバルブ閉時外径側流量との流量差（バルブ閉時流量差）に応じた値を表しているといえる。よって、上記式（３）は、バルブ開時流量差が、バルブ閉時流量差よりも小さくなる条件を示している。

例えば、比較例の内径側バイパス流路１３９ａ（図４参照）および外径側バイパス流路１３９ｂ（図４参照）の流路断面積は、実質的に同じである。つまり、内径側バイパス最小面積Ｂａは、外径側バイパス最小面積Ｂｂと実質的に同じである。このとき、上記式（３）の左辺は、右辺と等しくなる。したがって、バルブ開時流量差は、バルブ閉時流量差と実質的に変わらない。このように、比較例のタービンハウジング１０５は、上記式（３）の条件を満たしていないため、ウェイストゲートバルブＷＶを開いた状態でのエンジン背圧のばらつきを低減させることが困難である。

一方、本実施形態の内径側バイパス最小面積Ｂａは、外径側バイパス最小面積Ｂｂより小さい。ここで、第１排気最小面積Ａａは、第２排気最小面積Ａｂより大きい。内径側スロート面積Ａｉａおよび外径側スロート面積Ａｉｂは、大凡等しい。そのため、内径側有効面積Ａａｆは、外径側有効面積Ａｂｆより大きくなる。このとき、上記式（３）の左辺は、右辺より小さくなる。したがって、バルブ開時流量差は、バルブ閉時流量差より小さくなる。このように、本実施形態のタービンハウジング５は、上記式（３）の条件を満たしているため、ウェイストゲートバルブＷＶを開いた状態でのエンジン背圧のばらつきを低減させることができる。

なお、内径側バイパス最小面積Ｂａを外径側バイパス最小面積Ｂｂより小さくすると、上記式（３）の左辺が右辺より大きくなる場合がある。その場合、バルブ開時流量差は、バルブ閉時流量差より大きくなる。そうすると、ウェイストゲートバルブＷＶを閉状態から開状態にした際に、エンジン背圧のばらつきが増加するおそれがある。したがって、本実施形態のタービンハウジング５は、上記式（３）の条件を満たすように、各流路断面積を設定することが好ましい。

このように、本実施形態のタービンハウジング５は、上記式（３）の条件を満たすことで、ウェイストゲートバルブＷＶを開いた状態でのエンジン背圧のばらつきをより確実に低減させることができる。

以上、添付図面を参照しながら本開示の一実施形態について説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、タービンＴが過給機ＴＣに組み込まれる例について説明した。しかし、これに限定されず、タービンＴは、過給機ＴＣ以外の装置に組み込まれてもよいし、単体であってもよい。

上記実施形態では、第１排気最小面積Ａａが、第２排気最小面積Ａｂよりも大きい例について説明した。しかし、これに限定されず、第１排気最小面積Ａａは、第２排気最小面積Ａｂよりも小さくてもよい。

図７は、変形例におけるタービンハウジング２０５のＡ－Ａ線断面図である。図７に示すように、タービンハウジング２０５は、排気流路１２９およびバイパス流路２３９を備える。排気流路１２９は、内径側排気流路１２９ａおよび外径側排気流路１２９ｂを備える。内径側排気流路１２９ａは、内径側タービンスクロール流路１３３ａを有する。外径側排気流路１２９ｂは、外径側タービンスクロール流路１３３ｂを有する。変形例におけるタービンハウジング２０５は、内径側タービンスクロール流路１３３ａ、外径側タービンスクロール流路１３３ｂ、バイパス流路２３９以外の構成が、上記実施形態におけるタービンハウジング５と同じである。

ここで、外径側タービンスクロール流路１３３ｂは、内径側タービンスクロール流路１３３ａに比べて流路長が長い。つまり、外径側排気流路１２９ｂは、内径側排気流路１２９ａに比べて流路長が長い。この場合、外径側排気流路１２９ｂは、内径側排気流路１２９ａに比べて圧力損失が大きくなる。したがって、外径側排気流路１２９ｂは、内径側排気流路１２９ａに比べて大きい流路断面積を備えることが好ましい。

そこで、変形例のタービンハウジング２０５は、外径側排気流路（第１排気流路）１２９ｂの流路断面積を、内径側排気流路（第２排気流路）１２９ａの流路断面積より大きくしている。つまり、第２排気最小面積Ａｂは、第１排気最小面積Ａａよりも大きい。このように、内径側排気流路１２９ａおよび外径側排気流路１２９ｂのうち流路長が長い方の流路断面積は、内径側排気流路１２９ａおよび外径側排気流路１２９ｂのうち流路長が短い方の流路断面積より大きくてもよい。これにより、内径側排気流路１２９ａおよび外径側排気流路１２９ｂのうち流路長が長い方の圧力損失を低減させることができる。

変形例のバイパス流路２３９は、内径側バイパス流路２３９ａおよび外径側バイパス流路２３９ｂを有する。内径側バイパス流路（第２バイパス流路）２３９ａの流路断面積は、外径側バイパス流路（第１バイパス流路）２３９ｂの流路断面積よりも大きい。具体的に、内径側バイパス流路２３９ａのうち流路断面積が最小となる内径側バイパス最小面積Ｂａは、外径側バイパス流路２３９ｂのうち流路断面積が最小となる外径側バイパス最小面積Ｂｂよりも大きい。つまり、タービンハウジング２０５は、外径側排気流路１２９ｂの流路断面積が内径側排気流路１２９ａの流路断面積と比べて相対的に大きい。タービンハウジング２０５は、外径側バイパス流路２３９ｂの流路断面積が内径側バイパス流路２３９ａの流路断面積と比べて相対的に小さい。なお、排気流路１２９およびバイパス流路２３９の各流路断面積は、上記式（３）の条件を満たすように設定されてもよい。これにより、変形例のタービンハウジング２０５は、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

本開示は、タービンに利用することができる。

５：タービンハウジング（ハウジング）１５：タービンインペラ２５：排出流路２７：収容部２９ａ：内径側排気流路（第１排気流路）２９ｂ：外径側排気流路（第２排気流路）３９ａ：内径側バイパス流路（第１バイパス流路）３９ｂ：外径側バイパス流路（第２バイパス流路）４５ａ：第１舌部４５ｂ：第２舌部１２９ａ：内径側排気流路（第２排気流路）１２９ｂ：外径側排気流路（第１排気流路）２３９ａ：内径側バイパス流路（第２バイパス流路）２３９ｂ：外径側バイパス流路（第１バイパス流路）Ａａ：第１排気最小面積Ａｂ：第２排気最小面積Ａａｆ：内径側有効面積（第１有効面積）Ａｂｆ：外径側有効面積（第２有効面積）Ａｉ：総スロート面積Ａｉａ：内径側スロート面積Ａｉｂ：外径側スロート面積Ｂａ：内径側バイパス最小面積（第１バイパス最小面積）Ｂｂ：外径側バイパス最小面積（第２バイパス最小面積）Ｔ：タービン

Claims

タービンインペラを収容する収容部が形成されたハウジングと、
前記ハウジングに形成され、前記収容部と連通する第１排気流路と、
前記ハウジングに形成され、前記収容部と前記第１排気流路が連通する位置に対し、前記タービンインペラの周方向の異なる位置で前記収容部と連通し、前記第１排気流路の流路断面積よりも小さい流路断面積を有する第２排気流路と、
前記ハウジングに形成され、前記タービンインペラの軸方向において前記収容部と連通する排出流路と、
前記第１排気流路と前記排出流路とを接続する第１バイパス流路と、
前記第２排気流路と前記排出流路とを接続し、前記第１バイパス流路の流路断面積よりも大きい流路断面積を有する第２バイパス流路と、
前記ハウジングのうち、前記第１排気流路の下流端に面する位置に設けられ、前記第１排気流路と前記第２排気流路とを区画する第１舌部と、
前記ハウジングのうち、前記第２排気流路の下流端に面する位置に設けられ、前記第２排気流路と前記第１排気流路とを区画する第２舌部と、
を備え、
前記第１排気流路の前記流路断面積は、前記第１排気流路のうち前記第２舌部に面する部位の中で流路断面積が最小となる第１排気最小面積であり、
前記第２排気流路の前記流路断面積は、前記第２排気流路のうち前記第１舌部に面する部位の中で流路断面積が最小となる第２排気最小面積であり、
前記第１バイパス流路の前記流路断面積は、前記第１バイパス流路のうち流路断面積が最小となる第１バイパス最小面積であり、
前記第２バイパス流路の前記流路断面積は、前記第２バイパス流路のうち流路断面積が最小となる第２バイパス最小面積であり、
前記第１排気最小面積と前記タービンインペラのスロート面積により導出される第１有効面積と、前記第２排気最小面積と前記タービンインペラのスロート面積により導出される第２有効面積との差に比べ、前記第１有効面積および前記第１バイパス最小面積の合計と、前記第２有効面積および前記第２バイパス最小面積の合計との差の方が小さい、タービン。
前記第２排気流路は、前記第１排気流路よりも流路長が長い請求項１に記載のタービン。
前記第１排気流路は、前記第２排気流路よりも流路長が長い請求項１に記載のタービン。
前記第１排気最小面積をＡａ、前記第２排気最小面積をＡｂ、前記タービンインペラの総スロート面積をＡｉ、前記タービンインペラのうち前記第１排気流路と対向する対向部位のスロート面積をＡｉａ、前記タービンインペラのうち前記第２排気流路と対向する対向部位のスロート面積をＡｉｂ、前記タービンインペラのうち前記第１排気流路と対向する対向部位の中心角をθａ、前記タービンインペラのうち前記第２排気流路と対向する対向部位の中心角をθｂ、前記第１有効面積をＡａｆ、および、前記第２有効面積をＡｂｆとした場合に、前記第１有効面積Ａａｆは式（１）および式（１ａ）にて導出され、前記第２有効面積Ａｂｆは式（２）および式（２ａ）にて導出される請求項１から３のいずれか一項に記載のタービン。

…（１）

…（１ａ）

…（２）

…（２ａ）