JP7761157B2

JP7761157B2 - タービン

Info

Publication number: JP7761157B2
Application number: JP2024545435A
Authority: JP
Inventors: 英人川名
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2022-09-07
Filing date: 2023-04-14
Publication date: 2025-10-28
Anticipated expiration: 2043-04-14
Also published as: DE112023002623T5; JPWO2024053148A1; CN119546843A; US20250137388A1; WO2024053148A1

Description

本開示は、タービンに関する。本出願は２０２２年９月７日に提出された日本特許出願第２０２２－１４２０５５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。

エンジンの排気流路には、タービンが配置される場合がある。タービンのインペラは、エンジンからの排気ガスによって回転する。例えば、インペラの回転力は、エンジンの吸気を加圧するためのコンプレッサ等の他の装置で利用される。

また、排気流路には、排気ガスを浄化するために触媒が設けられる場合がある。エンジンの始動時には、触媒は常温である。触媒は、ある温度よりも高く加熱されなければ良好に機能しない。したがって、タービンは、排気ガスの一部がインペラを迂回するように、バイパス流路を含む場合がある。エンジンの始動時に、排気ガスの一部がインペラを通過することなく触媒に流入するように、バイパス流路のバルブが開かれる。このような構成によれば、インペラを迂回する排気ガスの温度は低下しないので、触媒が素早く加熱される。

特許文献１は、このようなバイパス流路を含むタービンを開示する。このタービンは、２つのスクロール流路を含む。２つのスクロール流路の各々は、タービンホイールと流体連通する。２つのスクロール流路のうちの１つは、バイパス通路に接続される。バイパス通路は、対応するスクロール流路を、タービンホイールの下流の空間に接続する。このような構成によれば、排気ガスの一部は、タービンホイールを通過することなく、タービンホイールの下流の空間に流入する。この空間には、バイパス通路を開閉するためのスライド式のバルブが設けられる。

特開２０１７－１４１７０４号公報

特許文献１のタービンでは、バイパス流路のバルブが、インペラを通過する主流およびバイパス流の流れを妨げるおそれがある。したがって、排気ガスが効率的に触媒に導かれない可能性がある。

本開示の目的は、排気ガスを円滑に導くことができる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、本開示の一態様に係るタービンは、インペラと、インペラを収容するハウジングであって、エンジンの排気口と流体連通する入口と、インペラを収容する第１空間と、エンジンからの排気ガスの流れにおいて、第１空間の下流に位置する第２空間と、入口と第１空間とを接続する第１流路と、入口と第１空間とを接続せずに、入口と第２空間とを直接的に接続する、第２流路と、を含む、ハウジングと、を備え、第２流路の出口は、インペラの軸方向に平行に延在しかつインペラの周方向に連続する内周面、および、軸方向に平行に延在しかつ周方向に連続する外周面によって画定される。

タービンは、第１空間の上流の位置に、第２流路を開閉するバルブを備えてもよい。

第２流路の容積は、第１流路の容積よりも小さくてもよい。

第２流路は、渦巻き形状を有してもよい。

タービンは、排気ガスの流れにおいて、第２空間の下流に位置する排気口を備えてもよく、第２流路は、軸方向において、排気口と対向するように構成されてもよい。

本開示によれば、排気ガスを円滑に導くことができる。

図１は、実施形態に係るタービンを備える過給機の概略断面図である。図２は、図１中の矢印IIで示される方向に見た過給機の概略正面図である。図３は、図２中の破線で囲まれる部分を示す部分斜視図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す具体的な寸法、材料および数値等は、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、実施形態に係るタービンＴを備える過給機ＴＣの概略断面図である。本実施形態では、タービンＴは、過給機ＴＣに組み込まれる。他の実施形態では、タービンＴは、過給機ＴＣ以外の装置に組み込まれてもよく、または、単体であってもよい。

過給機ＴＣは、シャフト１と、タービンインペラ（インペラ）２と、コンプレッサインペラ３と、を備える。後述するように、シャフト１、タービンインペラ２およびコンプレッサインペラ３は、一体的に回転する。したがって、本開示において、シャフト１、タービンインペラ２およびコンプレッサインペラ３の「軸方向」、「径方向」および「周方向」は、それぞれ単に「軸方向」、「径方向」および「周方向」と称され得る。

過給機ＴＣは、ベアリングハウジング４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６と、を含む。タービンハウジング５は、軸方向におけるベアリングハウジング４の第１の端面、図１では左側の端面に連結される。コンプレッサハウジング６は、軸方向におけるベアリングハウジング４の第２の端面、図１では右側の端面に連結される。

ベアリングハウジング４は、軸受孔４ａを含む。軸受孔４ａは、ベアリングハウジング４内を軸方向に延在する。軸受孔４ａは、軸受７を収容する。本実施形態では、軸受７の一例として、セミフローティング軸受が示される。他の実施形態では、軸受７は、フルフローティング軸受または転がり軸受等の他のラジアル軸受であってもよい。軸受７は、シャフト１を回転可能に支持する。

タービンインペラ２は、軸方向におけるシャフト１の第１の端部、図１では左側の端部に設けられる。タービンインペラ２は、シャフト１と一体的に回転する。タービンインペラ２は、タービンハウジング５内に回転可能に収容される。

コンプレッサインペラ３は、軸方向において第１の端部と反対側のシャフト１の第２の端部、図１では右側の端部に設けられる。コンプレッサインペラ３は、シャフト１と一体的に回転する。コンプレッサインペラ３は、コンプレッサハウジング６内に回転可能に収容される。

コンプレッサハウジング６は、軸方向においてベアリングハウジング４と反対側の端面に、吸気口６ａを含む。吸気口６ａ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４およびコンプレッサハウジング６は、それらの間にディフューザ流路６０を規定する。ディフューザ流路６０は、コンプレッサインペラ３周りの環状形状を有する。ディフューザ流路６０は、コンプレッサインペラ３を介して吸気口６ａと流体連通する。

コンプレッサハウジング６は、スクロール流路６１を含む。スクロール流路６１は、ディフューザ流路６０に対して径方向外側に位置する。スクロール流路６１は、ディフューザ流路６０と流体連通する。また、スクロール流路６１は、不図示のエンジンの吸気口と流体連通する。スクロール流路６１は、概ね渦巻き形状を有する。

上記のようなコンプレッサハウジング６では、コンプレッサインペラ３が回転すると、吸気口６ａからコンプレッサハウジング６内に空気が吸気される。空気は、コンプレッサインペラ３を通過する間に、遠心力によって増速および加圧される。空気は、ディフューザ流路６０およびスクロール流路６１においてさらに加圧される。加圧された空気は、不図示の出口から流出し、エンジンの吸気口に導かれる。過給機ＴＣにおいて、コンプレッサインペラ３およびコンプレッサハウジング６を含む部分は、遠心圧縮機Ｃとして機能する。

タービンハウジング５は、軸方向においてベアリングハウジング４と反対側の端面に、排気口５ａを含む。排気口５ａは、不図示の排気ガス浄化装置に接続される。例えば、排気ガス浄化装置は、触媒を含む。通常、触媒は、エンジンの始動時には常温である。触媒は、ある温度よりも高く加熱されると、良好に排気ガスを浄化する。

タービンハウジング５は、連結流路５０を含む。連結流路５０は、タービンインペラ２周りの環状形状を有する。連結流路５０は、タービンインペラ２を介して排気口５ａと流体連通する。

タービンハウジング５は、第１スクロール流路（第１流路）５１を含む。第１スクロール流路５１は、連結流路５０に対して径方向外側に位置する。第１スクロール流路５１は、概ね渦巻き形状を有する。第１スクロール流路５１は、連結流路５０と連通する。

図２は、図１中の矢印IIで示される方向に見た過給機ＴＣの概略正面図である。タービンハウジング５は、排気ガスの入口５ｂを有する。入口５ｂは、不図示のエンジンの排気口と流体連通する。入口５ｂは、エンジンから排出される排気ガスを受け入れる。入口５ｂは、第１入口５１ｂと、第２入口５２ｂと、を含む。例えば、１本の排気管が、第１入口５１ｂおよび第２入口５２ｂの双方に接続されてもよい。また、他の実施形態では、複数の排気マニホールドの一部が、第１入口５１ｂに接続されてもよく、残りの排気マニホールドが、第２入口５２ｂに接続されてもよい。第１スクロール流路５１は、第１入口５１ｂに接続される。

タービンハウジング５は、第２スクロール流路（第２流路）５２を含む。第２スクロール流路５２については、詳しくは後述する。

エンジンの通常運転時には、排気ガスは、エンジンの排気口から、第１入口５１ｂを介して第１スクロール流路５１に導かれる。さらに、図１を参照して、排気ガスは、第１スクロール流路５１から、連結流路５０およびタービンインペラ２を介して排気口５ａに導かれる。排気ガスは、タービンインペラ２を通過する間に、タービンインペラ２を回転させる。タービンインペラ２の回転力は、シャフト１を介してコンプレッサインペラ３に伝達される。コンプレッサインペラ３が回転すると、上記のように、空気が吸気口６ａから取り込まれて、コンプレッサインペラ３によって増速および加圧される。過給機ＴＣにおいて、タービンインペラ２およびタービンハウジング５を含む部分は、タービンＴとして機能する。

続いて、タービンハウジング５の第２スクロール流路５２について説明する。

タービンハウジング５は、タービンインペラ２を収容する第１空間Ｓ１を含む。また、タービンハウジング５は、排気ガスの流れにおいて、第１空間Ｓ１の下流に位置する第２空間Ｓ２を含む。具体的には、第２空間Ｓ２は、第１空間Ｓ１と排気口５ａとの間に位置する。

図３は、図２中の破線で囲まれる部分を示す部分斜視図である。図２および図３を参照して、本実施形態では、第２スクロール流路５２は、概ね渦巻き形状を有している。他の実施形態では、第２流路は、後述するように、第２入口５２ｂと第１空間Ｓ１とを接続せずに第２入口５２ｂと第２空間Ｓ２とを直接的に接続する限りにおいて、例えば、円環形状または直線形状等の他の形状を有してもよい。図２を参照して、第２スクロール流路５２の一方の端部は、第２入口５２ｂに接続される。

第２入口５２ｂには、バルブＶが設けられる。バルブＶは、不図示の制御装置からの指令に基づいて、第２スクロール流路５２を開閉する。位置Ｐ１は、バルブＶが第２スクロール流路５２を閉じる閉位置を示す。位置Ｐ２は、バルブＶが第２スクロール流路５２を開く開位置を示す。バルブＶは、図２に示されるものに限定されず、他の構成であってもよい。また、第１スクロール流路５１を開閉するために、同様なバルブが、第１入口５１ｂにも設けられてもよい。

図３を参照して、第２スクロール流路５２の他方の端部は、第２空間Ｓ２に接続される。第２スクロール流路５２は、第２空間Ｓ２に開口する出口５２ｃを含む。図２を参照して、本実施形態では、出口５２ｃ（図２において、クロスハッチングが付された領域）は、軸方向に見た場合に円環形状を有しており、周方向に連続する。他の実施形態では、出口５２ｃは、周方向に連続していなくてもよく、周方向の一部に設けられてもよい。また、例えば、第２スクロール流路５２は、周方向に沿って配置される複数の出口を含んでもよい。

図１を参照して、第２スクロール流路５２は、第１空間Ｓ１には接続されない。つまり、第２スクロール流路５２は、第２入口５２ｂと第１空間Ｓ１とを接続せずに、第２入口５２ｂと第２空間Ｓ２とを直接的に接続する。第２スクロール流路５２は、壁を隔てて第１空間Ｓ１の径方向外側に形成され、円環形状または円筒形状に延在する部分を含む。

第２スクロール流路５２の出口５２ｃは、軸方向において、排気口５ａを向く。このような構成によれば、第２スクロール流路５２から第２空間Ｓ２に流入する排気ガスの流れの方向は、排気口５ａに向けられる。具体的には、本実施形態では、第２スクロール流路５２の内周面５２ｄは、出口５２ｃを含む範囲において、軸方向に平行に延在する。また、本実施形態では、第２スクロール流路５２の外周面５２ｅは、出口５２ｃを含む範囲において、軸方向に平行に延在する。これらの構成によれば、第２スクロール流路５２から第２空間Ｓ２に流入する排気ガスの流れの方向は、軸方向に概ね平行となる。他の実施形態では、内周面５２ｄおよび外周面５２ｅの少なくとも一方が、出口５２ｃを含む範囲において、軸方向に対して傾斜してもよい。

図３を参照して、第２スクロール流路５２の容積は、第１スクロール流路５１の容積よりも小さい。

続いて、第２スクロール流路５２の機能について説明する。

図２を参照して、例えば、エンジンの始動時に、バルブＶが開けられる。これによって、第２スクロール流路５２が開けられる。排気ガスの一部は、第２入口５２ｂを介して第２スクロール流路５２に流入する。図１を参照して、排気ガスは、第２スクロール流路５２から、タービンインペラ２を通過することなく、第２空間Ｓ２に直接的に流出する。タービンインペラ２を迂回する排気ガスの温度は低下しないので、第２スクロール流路５２が使用されない場合に比べて、より高温の排気ガスが排気ガス浄化装置に供給される。したがって、エンジンの始動時に、触媒を素早く加熱することができる。

また、本実施形態では、第２スクロール流路５２は、第１空間Ｓ１に接続されず、第２空間Ｓ２のみに接続される。したがって、排気ガスの一部を、効率的に第２空間Ｓ２に導くことができる。また、第２空間Ｓ２には、第２スクロール流路５２を開閉するためのバルブが設けられない。したがって、第２スクロール流路５２から流出するバイパス流、および、タービンインペラ２を通過する主流は、バルブによって妨げられない。したがって、排気ガスを円滑に導くことができる。

また、本実施形態では、第２スクロール流路５２の出口５２ｃは、軸方向において、排気口５ａを向く。このような構成によれば、第２スクロール流路５２から第２空間Ｓ２に流入する排気ガスの流れの方向は、排気口５ａに向けられる。したがって、バイパス流は、円滑に主流に合流する。よって、排気ガスをより円滑に導くことができる。

以上のように、本実施形態に係るタービンＴは、タービンインペラ２と、タービンインペラ２を収容するタービンハウジング５と、を備える。タービンハウジング５は、エンジンの排気口と流体連通する入口５ｂと、タービンインペラ２を収容する第１空間Ｓ１と、エンジンからの排気ガスの流れにおいて、第１空間Ｓ１の下流に位置する第２空間Ｓ２と、入口５ｂと第１空間Ｓ１とを接続する第１スクロール流路５１と、入口５ｂと第１空間Ｓ１とを接続せずに、入口５ｂと第２空間Ｓ２とを直接的に接続する、第２スクロール流路５２と、を含む。このような構成によれば、第２スクロール流路５２は、第１空間Ｓ１に接続されず、第２空間Ｓ２のみに接続される。したがって、排気ガスの一部を、効率的に第２空間Ｓ２に導くことができる。また、第２空間Ｓ２には、第２スクロール流路５２を開閉するためのバルブが設けられない。したがって、バイパス流、および、タービンインペラ２を通過する主流は、バルブによって妨げられない。したがって、排気ガスを円滑に導くことができる。

また、上記の実施形態では、タービンＴは、第１空間Ｓ１の上流の位置に、第２スクロール流路５２を開閉するバルブＶを備える。このような構成によれば、バルブＶは、少なくとも入口５ｂ、または、入口５ｂよりも上流の位置に設けられる必要がある。したがって、エンジンの通常運転時にバルブＶが閉じられる場合に、第２スクロール流路５２に排気ガスが溜まらない。したがって、通常運転の際に、排気ガスを円滑に導くことができる。

また、上記の実施形態では、第２スクロール流路５２の容積は、第１スクロール流路５１の容積よりも小さい。エンジンの始動時には、エンジンの回転数は低い。したがって、エンジンの始動時に第２スクロール流路５２に導かれる排気ガスの量は、少なくてよい。よって、上記の構成によれば、第１スクロール流路５１の容積を最大化することができる。

また、上記の実施形態では、第２スクロール流路５２は、渦巻き形状を有する。現行のタービンは、各々がタービンインペラと流体連通する２つのスクロール流路を備える場合がある（いわゆる、ツインスクロールタービン）。この場合、一方のスクロール流路のデザインを修正するだけで、現行のタービンのデザインを本開示のものに容易に変更することができる。

また、上記の実施形態では、タービンＴは、排気ガスの流れにおいて、第２空間Ｓ２の下流に位置する排気口５ａを備え、第２スクロール流路５２は、軸方向において、排気口５ａと対向するように構成される。このような構成によれば、第２スクロール流路５２から第２空間Ｓ２に流入する排気ガスの流れの方向は、排気口５ａに向けられる。したがって、バイパス流は、円滑に主流に合流する。よって、排気ガスをより円滑に導くことができる。

以上、添付図面を参照しながら本開示の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、上記の実施形態では、第２入口５２ｂにバルブＶが設けられる。すなわち、バルブＶは、タービンＴに設けられる。しかしながら、他の実施形態では、バルブＶは、エンジンと第２入口５２ｂとを接続する排気マニホールド等、タービンＴの外部の位置に設けられてもよい。

２タービンインペラ（インペラ）
５タービンハウジング（ハウジング）
５ａ排気口
５ｂ入口
５１第１スクロール流路（第１流路）
５２第２スクロール流路（第２流路）
Ｓ１第１空間
Ｓ２第２空間
Ｔタービン
Ｖバルブ

Claims

インペラと、
前記インペラを収容するハウジングであって、
エンジンの排気口と流体連通する入口と、
前記インペラを収容する第１空間と、
前記エンジンからの排気ガスの流れにおいて、前記第１空間の下流に位置する第２空間と、
前記入口と前記第１空間とを接続する第１流路と、
前記入口と前記第１空間とを接続せずに、前記入口と前記第２空間とを直接的に接続する、第２流路と、
を含む、ハウジングと、
を備え、
前記第２流路の出口は、前記インペラの軸方向に平行に延在しかつ前記インペラの周方向に連続する内周面、および、前記軸方向に平行に延在しかつ前記周方向に連続する外周面によって画定される、
タービン。
前記第１空間の上流の位置に、前記第２流路を開閉するバルブを備える、請求項１に記載のタービン。
前記第２流路の容積は、前記第１流路の容積よりも小さい、請求項１または２に記載のタービン。
前記第２流路は、渦巻き形状を有する、請求項１または２に記載のタービン。
前記第２流路は、渦巻き形状を有する、請求項３に記載のタービン。
前記タービンは、前記排気ガスの流れにおいて、前記第２空間の下流に位置する排気口を備え、
前記第２流路は、前記軸方向において、前記排気口と対向するように構成される、請求項１または２に記載のタービン。
前記タービンは、前記排気ガスの流れにおいて、前記第２空間の下流に位置する排気口を備え、
前記第２流路は、前記軸方向において、前記排気口と対向するように構成される、請求項３に記載のタービン。
前記タービンは、前記排気ガスの流れにおいて、前記第２空間の下流に位置する排気口を備え、
前記第２流路は、前記軸方向において、前記排気口と対向するように構成される、請求項４に記載のタービン。
前記タービンは、前記排気ガスの流れにおいて、前記第２空間の下流に位置する排気口を備え、
前記第２流路は、前記軸方向において、前記排気口と対向するように構成される、請求項５に記載のタービン。