JPH0610419B2 - タ−ボチヤ−ジヤ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、自動車のエンジン等に適用されるターボチ
ャージャに関する。

〔従来の技術〕

従来、特開昭５８−１３８２２２号公報に記載された排
気タービンの過給機については、タービンスクロールを
二分割し、一方のタービンスクロール部分に開閉弁即ち
開閉シャッタを設置し、ノズル面積を可変にするような
構造のものが開示されている。これについて第３図を参
照して概説する。

第３図において、内燃機関の排気タービンの過給機にお
ける排気タービン６０が示されている。排気タービン６
０は、タービンケース６１の内部を隔壁６２によりほぼ
軸方向に並んだ流路面積の異なる大容量及び小容量用の
２つのスクロール室６３，６４に分割されている。隔壁
６２の先端は、タービン羽根６７の外周の羽根入口に近
接させてノズル部分６５，６６も軸方向に二分割してい
る。二分割されたノズル幅は、それぞれに連通している
２つのスクロール室６３，６４の容量に応じて設定され
ている。スクロール入口部にスクロール室６３，６４に
連なる２つの流路のうち流路面積の大きな方の流路入口
を開閉できるバルブ６８が設けられている。エンジン低
速時の過給圧力が低い場合には、バルブ６８を閉じて流
路面積の小さな方のスクロール室６４のみに排気ガスを
流し、また、エンジン高速時には次第にバルブ６８を開
いて流路面積の大きな方のスクロール室６３にも排気ガ
スを流すようにしたものである。

更に、第４図は、別の構造の排気タービン過給機を示す
ものであり、特にスクロール及びノズルを示すものであ
る。第４図の部品には、第３図の部品と同一のものにつ
いては同一の符号にダッシユ付した符号を付し説明を省
略する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、第３図及び第４図に示されている排気タ
ービン過給機６０については、エンジン低速から高速ま
で広範囲で効率良く十分な過給圧力を得るため、スクロ
ール室６３，６４及びノズル６５，６６を可変容量に形
成している。そして、両者の容量を大幅に変えるため、
低速時に使うスクロール流量面積をできるだけ小さくす
るものであり、スクロール室６３，６４を二分割して、
一方のタービンスクロール部分にバルブ６８即ち開閉シ
ャッタを設置し、ノズル面積を可変にしている。

しかしながら、上記のものについては、タービン通路に
関してタービンケーシンングは鋳物のみで構成されたも
のであり、エンジンから排気される排気ガスを断熱する
という目的意識を有するものではない。

また、２つのタービン通路に関しては、別体として構成
したものではなく、両者のスクロールを一体的に形成し
ており、製作上、タービン通路の形状を正確に且つ堅牢
に構成し且つ所望の形状を容易に得るという点では問題
点を有し、更に排気ガスの流速の差異によって流れ方向
を制御するという対策を講じたものではない。

ところで、本出願人はこの出願の先願である特願昭６１
−２５０２３４号として、回転電機付ターボチャージャ
を提供している。該回転電機付ターボチャージャは、エ
ンジンの排気管に回転電機を有するタービンを設け、排
気エネルギーを回生して電気負荷に供給するものであ
り、電気負荷の需要電気量に応じて前記タービンに圧送
する排気エネルギーを制御する制御手段と前記回転電機
の電気出力を調節する調節手段とを設けたものである。

上記回転電機付ターボチャージャは、タービンスクロー
ルを二分割にしているが、二分割にしたタービンスクロ
ールを製作するに当たって、製造上簡単にできず種々の
問題を有している。また、タービンとコンプレッサとが
タービン軸によって連結され、該タービン軸上に交流機
である回転電機が配置されている。回転電機は、例え
ば、強力な永久磁石から成る回転子及び三相巻線を有す
る固定子から構成されている。

しかしながら、永久磁石は、熱に対して極めて弱く、温
度約２００℃以上になると、その減磁率は大幅に劣化す
る。永久磁石は、例えば、約２００℃での減磁率は約５
％であるが、約３００℃での減磁率は約３０％にも達す
る性質を有している。それ故に、回転電機がタービンか
らの熱の影響を受けないように、タービンから伝わる熱
を遮熱するということが大きな問題となる。

この発明の目的は、上記の問題点を解決することであ
り、タービン通路に関してタービンケース（タービンケ
ーシング、ハウジング等）は鋳物で構成すると共に、タ
ービンスクロールを二分割にするのに簡単な構造で且つ
製作が容易な構造を提供し、しかもタービン通路即ちメ
インポートとサブポートの形状を所望のサイズに容易
に、正確に且つ堅牢に構成して所望の形状を得ることが
でき、更に、タービンスクロールにおいて排気ガスの流
入状態を良好に調節できるように構成し、タービンから
センタハウジングへ伝わる熱を遮熱するターボチャージ
ャを提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、上記の目的を達成するために、次のように
構成されている。即ち、この発明は、メインポートを形
成し且つタービンブレードを収容するタービンケース、
該タービンケース側に断熱ガスケットのプレートを介在
して前記タービンケースとセンタハウジングとの間に配
置されたハウジング、該ハウジングの取付面に形成した
凹部と前記タービンケースの取付面に形成した凹部とを
整合させて構成したサブポート、及び該サブポートに前
記タービンブレードの周方向に配置され且つ前記プレー
トに取り付けられた複数のノズルブレードを有するター
ボチャージャに関する。

また、このターボチャージャにおいて、前記プレートは
前記タービンケースの前記取付面と前記凹部とに全面接
触して配置されている また、このターボチャージャにおいて、上流側に位置す
る前記ノズルブレードの長さを下流側に位置する前記ノ
ズルブレードの長さよりも長く形成したものである。

〔作用〕

この発明は、上記のように構成されているので、次のよ
うに作用する。即ち、この発明によるターボチャージャ
は、センタハウジングとタービンケースとの間にハウジ
ングを配置し、前記ハウジングの取付面に凹部を形成
し、メインポートを形成する前記タービンケースの取付
面と前記凹部とによってサブポートを形成し、更に前記
タービンケースと前記ハウジングとの間に介在した断熱
ガスケットのプレートに取り付けた複数のノズルブレー
ドを前記サブポート内でタービンブレードの周方向に対
して設置したので、前記サブポートを極めて簡単に構成
でき、堅固な構造に構成できる。

更に、前記ノズルブレードを前記プレートに設けること
によって、ターボチャージャの組立工程において、前記
ハウジングの取付面と前記タービンケースの取付面との
間に前記プレートを単に介在させて前記タービンケース
と前記ハウジングを結合するだけで、前記ノズルブレー
ドを前記タービンブレードの周方向の所定の位置に簡単
に設置することができる。

前記ノズルブレードの形状について上流側に位置する前
記ノズルブレードの長さを下流側に位置する前記ノズル
ブレードの長さよりも長く形成することによって、上流
側の流速が遅い排気ガスにも十分な回転ベクトルを与え
ることができ、また、流速の増した下流速の回転ベクト
ルの損失を低減することができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明によるターボチャージ
ャの実施例を詳述する。

第１図はこの発明によるターボチャージャの一実施例を
示す概略断面図である。第１図において、この発明によ
るターボチャージャの一実施例が符号１０によって全体
的に示されている。このターボチャージャ１０は、エン
ジンの排気ガス即ち排気ガスエネルギーによって駆動さ
れるタービン１、タービン１の駆動によって過給するコ
ンプレッサ２、及びタービン１によって駆動され且つ電
動機又は発電機として機能する永久磁石２６及び固定子
１７から成る回転電機３を有する。なお、タービン１、
コンプレッサ２及び回転電機３の関係については、例え
ば、本出願人に係わる前掲特願昭６１−２５０２３４号
に開示されている回転電機付ターボチャージャと同様な
構成である。

タービン１については、タービンケース４、ハウジング
７及びセンタハウジング８によって形成されるスペース
内に排気ブレード即ちタービンブレード９が配置された
ものである。このタービン１のタービンブレード９はタ
ービン軸であるシャフト１１の一端部に取り付けられ、
またコンプレッサ２のコンプレッサインペラ１２はシャ
フト１１の他端部に取り付けられている。

また、電動機又は発電機として機能する永久磁石２６及
び固定子１７から成る回転電機３は、タービン１とコン
プレッサ２との中間のシャフト１１上に配設されてい
る。シャフト１１は、センタハウジング８に固定された
ベアリング１４を介して回転自在に支持されている。

タービンブレード９とシヤフト１１との取付構造につい
ては、例えば、シャフト１１の端部の継手部に形成され
た嵌合穴に、タービンブレード９のタービン軸が嵌合す
ることによって、タービンブレード９とシャフト１１と
が固定される。またシャフト１１の継手部はシールリン
グを介してセンタハウジング８に支持されている。

また、コンプレッサ２については、コンプレッサハウジ
ング１３内にコンプレツサインペラ１２が配置されたも
のである。更に、シャフト１１の一端にはコンプレッサ
インペラ１２がコンプレッサ軸を介して固定されてい
る。

また、回転電機３については、上述のように、前掲特願
昭６１−２５０２３４号に開示されている回転電機付タ
ーボチャージャと同様な構成であり、電動機又は発電機
として作用できるものとして設けてある。

この回転電機３は、センタハウジング８内を貫通するタ
ーボチャージャシャフト即ちシャフト１１の中央部に取
り付けられた軸方向に伸長する永久磁石２６の磁石ロー
タ、及び固定子１７のステータコア、ステータコイル等
から成る。

タービン１のタービンブレード９は、タービンスクロー
ルのメインポート５及びサブポート６にエンジンの排気
マニホルド（図示省略）を通じて送り込まれる排気ガス
の流れ即ち排気ガスエネルギーを受けて回転し、排気ガ
スを矢印Ａの方向に排気する。コンプレッサインペラ１
２は、吸気口からコンプレッサスクロール５に導入され
た空気をデイフューザによって圧力変換してエンジンの
吸気マニホルドに送り込む作用を果たす。

回転電機３は、タービン１によって駆動され、ステータ
コイルに電圧を誘起し、この電圧を電源側に戻す機能を
果たすもので、即ち回生電圧をバッテリに充電したり又
は負荷として利用できるように機能するものである。

以上の構成において、この発明によるターボチャージャ
１０は、次の構成の点に特徴を有している。第１図、第
１図（Ａ）及び第２図を参照して説明する。第１図
（Ａ）は第１図のサブポートの横断面を示す拡大断面図
であり、第２図は第１図のサブポートの縦断面を示す断
面図である。

このターボチャージャ１０は、センタハウジング８とタ
ービンケース４との間にハウジング７が配置されている
が、タービン１に形成したタービンスクロールをメイン
ポート５及びサブポート６の２つのスクロールから構成
し、サブポート６をタービンケース４とハウジング７の
壁面を利用して構成し、更にサブポート６にノズルブレ
ード２７，２８を設置したものである。サブポート６を
形成するため、ハウジング７の取付面２１の内方部位に
は凹部１９を形成し、また、タービンケース４にはメイ
ンポート５を形成すると共に取付面２２の内方部位に凹
部２５を形成する。

これらの凹部１９，２５は、タービンケース４及びハウ
ジング７の側面を削り込んで行くことによって形成する
ことができる。サブポート６は、メインポート５を形成
するタービンケース４の取付面２２の内方部位の凹部２
５と取付面２１の内方部位の凹部１９とによって形成さ
れている。

更に、タービンケース４とハウジング７とは、ボルト等
の固着手段１６によって取付面２１と取付面２２の各々
の外方部位とは、複数個のノズルブレード２７，２８を
設けたプレート２９を介在させて固着する。しかも、こ
れらのノズルブレード２７，２８は、サブポート６のノ
ズル部にタービンブレード９の周方向に対して設置され
るように配置する。

更に、これらのノズルブレード２７，２８について、上
流側に位置するノズルブレード２７の長さを下流側に位
置するノズルブレード２８の長さよりも長い形状に構成
している。また、ノズルブレード２７，２８の角度、例
えば、上流側に位置するノズルブレード２７の角度αを
大きく即ち低くした状態の角度に設定し、下流側に位置
するノズルブレード２８の角度α′を小さく即ち立ち上
がった状態の角度に設定する。即ち、空気流がハウジン
グ７にガイドされてノズル流入ベクトルが円周方向に沿
うように変化するので、その変化に合わせて流入のノズ
ルブレード２７，２８の角度を設定する。

上記のように、ノズルブレード２７，２８の形状を構成
することによって、サブポート６を流れる排気ガスの流
れ方向を制御することができ、タービン１の回転数の上
昇を図ることができると共に、排気ガスの流速が遅いス
クロールの上流側ではノズルブレード２７の十分な長さ
によって排気ガスの流れ方向即ち回転ベクトルを上げる
ように制御し、また排気ガスの流速が速いスクロールの
下流側ではノズルブレード２８の長さを短くすることに
よって排気ガス流れの回転ベクトルの損失を低減するこ
とができる。なお、ここでは、ノズルブレードをサブポ
ート６にのみ設けた実施例が示されているが、メインポ
ート５にも上記のようなノズルブレードを設けても同様
な効果を得ることができる。

このターボチャージャ１０については、タービンスクロ
ールであるメインポート５及びサブポート６からの熱
は、全体の伝熱量の７０％以上あり、この部分からの熱
伝導を防止することによりベアリング、永久磁石等への
熱伝導量は大幅に減少することになる。

従って、シャフト１１の中間部に配設された永久磁石２
６の回転電機３をタービン１から伝わる熱から保護する
ために、次のように構成されている。即ち、ハウジング
７とセンタハウジング８との間にセラミック材等から成
る断熱ガスケット２３を配置し、この両側に断熱空気層
２４，３１を構成し、更にプレート２９を断熱ガスケッ
トによって構成することによって、高温の排気ガスが通
るタービン１発生する高熱を、ハウジング７及びセンタ
ハウジング８へ伝わるのを遮熱することができる。

また、図では、断熱ガスケットであるプレート２９をメ
インポート５とサブポート６との間に設置しているが、
プレートをハウジング７の取付面２１及び凹部１９を覆
うようにハウジング７に接触させて設置することもでき
る。また、ハウジング７とセンタハウジング８とは、断
熱ガスケット２３を介在させてボルト等の固着手段１８
によって固着されている。

ところで、断熱ガスケット２３はタービン軸であるシャ
フト１１の外周面付近まで伸長しており、断熱ガスケッ
ト２３の両側に、場合によっては一側に断熱空気層２
４，３１が形成されている。このように、プレート２９
を断熱ガスケットで構成し、また断熱ガスケット２３を
設置することによって、永久磁石２６から成る回転電機
３、ベアリング１４等に対して高性能の断熱機能を果た
すことができ、従ってタービン１からの高温の熱を遮熱
し、ベアリング１４、永久磁石２６から成る回転電機３
等を保護することができる。

この発明によるターボチャージャ１０は、以上のように
構成されており、次のように作動する点について特徴を
有している。

エンジンのアイドリング時等には、空気流量即ちガス流
量が少なく、発電機である回転電機３の出力が不足する
状態になる。このような場合には、サブポート６にのみ
排気ガスを導くように制御し、サブポート６にのみ排気
ガスを流すことによって、タービン１の回転数を上昇さ
せることができ、それによって回転電機３の発電出力を
増加させ、発電性能の向上を図ることができる。しか
も、排気ガスの流速が遅いサブポート６の上流側では、
ノズルブレード２７の長さが十分に取ってあり且つその
角度は低く設定してあるので、排気ガスは長いガイドに
案内されて回転ベクトルを上昇させることができる。

更に、排気ガスの流速が速いサブポート６の下流側で
は、ノズルブレード２８の長さが短く且つその角度は高
く設定してあるので、排気ガスの回転ベクトルの損失を
低減することができる。また、エンジンの高速、高負荷
時には、空気流量即ちガス流量が多いので、メインポー
ト５を開放するように制御し、メインポート５に排気ガ
スを流すことによって、十分な発電出力を得ると共に、
ブーストの発生を図るようにする。しかも、断熱ガスケ
ットから成るプレート２９、断熱ガスケット２３及び断
熱空気層２４，３１の機能によって、タービン１からハ
ウジング７、センタハウジング８等への熱伝導は極力抑
えられる。

また、エンジンの高負荷時には、メインポート５のみを
用いて発電性能とブーストの発生を図つた場合には、サ
ブポート６は排気ガスは流れないので、サブポート６そ
のものが断熱空気層となり、断熱の機能を果たすことが
でき、一層の断熱効果を期待できる。

ところで、断熱ガスケットのプレート２９及び断熱ガス
ケット２３の一例としては、例えば、チタン酸カリウム
ウィスカーを主成分とする断熱シートの外面をスチー
ル、ステンレススチール等の金属製シートで被覆したも
のであり、断熱シート自体及び断熱シートと金属製シー
トとの間には空気層が形成されている。

断熱ガスケットは、断熱シートが複数枚重ねられた積層
体であり、その外周部は一方の金属製シートが覆うよう
に曲げられて形成され、他方の金属製シートと密着した
状態に固定され、またその内周部は両側の金属製シート
が複数個のパイプリベットによって互いに固着されてい
る。

断熱シートは、例えば、ウィスカー状チタン酸カリウム
（Ｋ_２Ｔｉ_６Ｏ_１３、融点１３７０℃、比重３．２、熱
伝導率０．０００１２cal/cmsec℃）をステンレススチ
ール製シートの間に配置するように構成することができ
るが、更に、断熱シートには、場合によっては、カーボ
ンをシール部のみに少量混合し、シール機能を向上させ
ることもできる。

また、断熱ガスケットを構成する断熱シートの材料、構
成等については、種々のものがあり、例えば、次のよう
な断熱シートがある。まず、断熱シートの構造について
は、少なくともチタン酸カリウム製シートとステンレス
スチール製シートとが交互に配置され、しかもこれらの
シートの重合体の外面はステンレススチール等の金属製
ケースによって被覆した構造に構成されている。

また、別の断熱ガスケットは、チタン酸カリウム製シー
トの断熱シートとステンレススチール等の金属製シート
とを交互に重ねて積層し、外面を金属製シート即ち金属
製ディスクによって被覆して構成したものである。

更に、別の断熱ガスケットは、チタン酸カリウムウィス
カーの両面をアルミナファイバ製シートでサンドイッチ
状に補強して断熱シートを形成し、該断熱シートを積層
体に形成して金属製シートで被覆して構成したものであ
る。

また、他の断熱ガスケットは、チタン酸カリウムウィス
カーとアルミナファイバ即ちアルミナ短繊維とを混合し
て断熱シートを構成し、該断熱シートを積層体に構成し
て金属製シートで被覆して構成したものである。

〔発明の効果〕

この発明によるターボチャージャは、以上のように構成
されているので、次のような効果を有する。即ち、この
ターボチャージャは、センタハウジングとタービンケー
スとの間にハウジングを配置し、前記ハウジングを前記
タービンケースとの取付面に凹部をそれぞれ形成し、メ
インポートを形成する前記タービンケースの取付面の前
記凹部と前記ハウジングの前記凹部とを整合させること
によってサブポートを形成し、更に前記サブポートにタ
ービンブレードの周方向に対して複数のノズルブレード
を設置したので、前記サブポートを極めて簡単に且つ正
確に製作でき、しかも簡潔な堅固な構造に構成できる。

また、前記ノズルブレードを前記タービンケースと前記
ハウジングとの間に配置したプレートに設けることによ
って、ターボチャージャの組立工程において、前記ハウ
ジングと前記タービンケースとの前記各取付面の間に前
記プレートを単に介在させて前記タービンケースと前記
ハウジングを結合するだけで、前記ノズルブレードを所
定の位置に正確に且つ簡単に設置することができ、前記
ノズルブレードの形状について上流側に位置する前記ノ
ズルブレードの長さを下流側に位置する前記ノズルブレ
ードの長さよりも長く形成することによって上流側の流
速が遅い排気ガスにも十分な回転ベクトルを与えること
ができ、また、流速の増した下流速の回転ベクトルの損
失を低減することができる。

更に、前記プレートを断熱ガスケットで構成することに
よって、前記タービンからの高熱を遮熱する構造に構成
することができ、更に前記断熱ガスケットを前記凹部ま
で延長させるだけで、一層完全に高熱を遮熱することが
できる。それ故に、ターボチャージャのベアリング、コ
ンプレッサインペラ等への熱影響を防止することができ
る。

また、このターボチャージャにおける上記遮熱構造を、
タービンブレードとコンプレッサインペラとを連結した
タービン軸上に回転電機を配置したターボチャージャに
適用した場合に、永久磁石から成る回転電機に対して前
記タービンからの高熱が完全に遮熱され、前記永久磁石
から成る前記回転電機は熱影響を受けることがなく、本
来の永久磁石の機能を果たし、耐久性に富んだものとな
り、前記回転電機は電動−発電機として本来の機能を果
たし且つ確実に作動でき、従ってエンジンの排気ガスエ
ネルギーを回収するエネルギー回収装置として良好に機
能することができる。

更に、前記断熱ガスケット及び前記プレートの材料とし
てチタン酸カリウム等のセラミック材の積層体を使用し
た場合には、断熱性、耐熱性、耐腐食性、耐変形性等に
極めて富んだものであり、前記断熱ガスケットは前記タ
ービンケースと前記ハウジングの間に極めて強固に固定
でき、温度変化があったとしても前記断熱ガスケット及
び前記プレートが固定不良になるようなことがない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるターボチャージャの一実施例を
示す断面図、第１図（Ａ）は第１図のタービンのサブポ
ートの横断面を示す拡大断面図、第２図は第１図のター
ビンのサブポートの縦断面を示す断面図、第３図は従来
の排気タービン過給機の一例を示す断面図、及び第４図
は従来の排気タービン過給機の別の例を示す断面図であ
る。 １……タービン、２……コンプレッサ、３……回転電
機、４……タービンケース、５……メインポート、６…
…サブポート、７……ハウジング、８……センタハウジ
ング、９……タービンブレード、１０……ターボチャー
ジャ、１１……シャフト、１９，２５……凹部、２１，
２２……取付面、２３……断熱ガスケット、２６……永
久磁石、２７，２８……ノズルブレード、２９……プレ
ート（断熱ガスケット）。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】メインポートを形成し且つタービンブレー
   ドを収容するタービンケース、該タービンケース側に断
   熱ガスケットのプレートを介在して前記タービンケース
   とセンタハウジングとの間に配置されたハウジング、該
   ハウジングの取付面に形成した凹部と前記タービンケー
   スの取付面に形成した凹部とを整合させて構成したサブ
   ポート、及び該サブポートに前記タービンブレードの周
   方向に配置され且つ前記プレートに取り付けられた複数
   のノズルブレードを有するターボチャージャ。
2. 【請求項２】前記プレートは前記タービンケースの前記
   取付面と前記凹部とに全面接触して配置されている特許
   請求の範囲第１項に記載のターボチャージャ。
3. 【請求項３】上流側に位置する前記ノズルブレードの長
   さを下流側に位置する前記ノズルブレードの長さよりも
   長く形成した特許請求の範囲第１項に記載のターボチャ
   ージャ。