JPH064033Y2

JPH064033Y2 - 可変容量タ−ボ過給装置

Info

Publication number: JPH064033Y2
Application number: JP1987065379U
Authority: JP
Inventors: 則雄中沢; 悦正松良; 聖川谷
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1987-04-30
Filing date: 1987-04-30
Publication date: 1994-02-02
Anticipated expiration: 2002-04-30
Also published as: JPS63171628U

Description

【考案の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本考案は、自動車用エンジンの吸排気系にそなえられる
ターボ過給機に関する。

〔従来の技術〕

従来の自動車用エンジンは、その使用回転数が、アイド
ル回転数から最高回転数までの極めて広い回転数に亘っ
ていて、しかも大きく変動するので、自動車用エンジン
に付設されるターボ過給機のタービンへ供給される排気
量も大幅に変動する。

したがって、特定回転数でのみ大きな流量特性を有し
て、他の回転数では、大きな流量特性をそなえないよう
なターボ過給機では、エンジンから排出される排気エネ
ルギの回収を十分に行なうことができない。

そこで、タービンハウジング内に隔壁を設けて同ハウジ
ング内の排気ガス流入路を２つ以上の流量特性を異にす
る排気ガス流入路に区分するとともに、上記分割された
排気ガス流入路の１つ以上に開閉切換弁を設け、エンジ
ンの回転数や負荷等の稼働条件に応じて開閉切換弁を開
閉し、排気ガスタービンの運転効率を向上させるように
した可変容量ターボ過給機がすでに提案されている。

そして、この種の可変容量ターボ過給装置における排気
ガスタービンでは、２以上の分割排気ガス導入路を開閉
する開閉切換弁が装備されており、一方、エンジンの排
気側にエキゾーストブレーキ弁を設けて、その閉鎖時に
おける排気圧により車両のブレーキ効果を得ることが従
来から行なわれている。

例えば、特開昭61−207829号公報に記載された可変容量
ターボ過給装置は、第７〜１３図に示すように、エンジ
ンの吸排気系における排気通路１に介挿されたタービン
２と同タービン２により駆動されるべく回転軸３を介し
て上記吸排気系の吸気通路４に介装されたコンプレッサ
５とをそなえている。

そして、排気通路１の排気マニホルド1a,1aの合流接続
部分には、タービンハウジング６の入口部６ａが接続さ
れていて、この入口部６ａには、タービンハウジング６
内に形成された小スクロール７および大スクロール８に
連通する開口7a,8aが形成されている。

このスクロール7,8は、それぞれ半径方向の隔壁９によ
って回転軸３の方向に区分されたそれぞれ流量特性を異
にした排気通路として形成されている。

そして、排気はタービンハウジング６の出口部6bである
スクロール7,8の開口7b,8bからロータ（タービンブレー
ド）１０へ供給されるようになっている。

また、スクロール7,8の開口7a,8aを覆う開閉切換弁11,1
2が設けられていて、各開閉切換弁11,12の軸部11a,12a
は、軸受部13,14に軸支されていて、俯仰可能に構成さ
れており、軸部11a,12aの小径部は、筒状の弁体レバー1
1c,12cの孔部を通じて軸受部13,14からタービンハウジ
ング６の外方へ突出して、レバー部材15,16にナット２
３により螺合している。

そして、レバー部材１５は、リンク部材１７に軸支部15
aを介して軸支されており、リンク部材１７は、アクチ
ュエータ１９による直線運動の突出引込力を受けるよう
に構成されている。

したがって、軸部11aは、アクチュエータ１９からの直
線運動による突出引込力を回転運動に変換して受けるよ
うに構成されている。

また、レバー部材16は、リンク部材18に軸支部16aを介
して軸支されており、リンク部材１８は、アクチュエー
タ２０による直線運動の突出引込力を回転運動に変換し
て受けるように構成されている。

したがって、軸部12aは、アクチュエータ２０による直
線運動による突出引込力を回転運動に変換して受けるよ
うに構成されている。

さらに、レバー部材１６は、軸部12aの閉鎖位置におい
て軸部11aの開放位置におけるリンク部材１７の長穴２
１の押圧端部21aに当接しうるピン16bを端部に立設して
いる。

この従来の可変容量ターボ過給装置は上述のごとく構成
されているので、第１１〜１３図に示すように、エンジ
ン回転数およびトルク（または負荷）に応じて、アクチ
ュエータ19,20を適宜作動させ、開閉切換弁11,12を順次
切換えて、タービン膨張比に応じた修正流量を得ること
ができ、エンジンの低速高負荷運転時においては、第1
1,12図中の符号Ｂ₁で示すように、開閉切換弁１１が開
かれ、開閉切換弁１２が閉じられ、小スクロール７から
の流れのみがタービン２のロータ１０へ送られる。

さらに、エンジンの中速高負荷運転時においては、第1
1,12図中の符号Ｂ₂で示すように、開閉切換弁１１が閉
じられ、開閉切換弁１２が開かれて、大スクロール８か
らの流れのみがタービン２のロータ１０へ送られる。

また、エンジンの高速高負荷運転時においては、第11,1
2図中の符号Ｂ₃で示すように、開閉切換弁11,12がとも
に開かれて、大小スクロール7,8からの流れがともにタ
ービン２のロータ１０へ送られる。

なお、エキゾーストブレーキとして作動されるときに
は、開閉切換弁11,12をともに閉じ、これにより、第１
３図に示したような特性を得ることができる。

〔考案が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このような従来の可変容量ターボ過給装
置では、開閉切換弁により切換えられた状態においてタ
ービンのロータへの排気流入時のスクロール排出角度が
同一ではないので、流れがみだされ、タービン効率が悪
いという問題点がある。

本考案は、このような問題点を解決しようとするもの
で、開閉切換弁により切換えられた場合でも、タービン
のロータへの排気流入時のスクロール排出角度をほぼ同
一にできるようにした、可変容量ターボ過給装置を提供
することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

このため、本考案の可変容量ターボ過給装置は、エンジ
ンの吸排気系の排気通路に介装されたタービンと同ター
ビンにより駆動されるべく回転軸を介して上記吸排気系
の吸気通路に介装されたコンプレッサとからなるターボ
過給装置において、上記タービンに断面積の異なる第１
および第２のスクロールへの排気の流入を阻止しうる開
閉切換弁をそなえ、同開閉切換弁により切換えられた状
態において排気流入時の上記の第１および第２のスクロ
ールからのスクロール排出角度をほぼ同一にするよう
に、上記の第１のスクロールの入口におけるスロート面
積Ath1，第２のスクロールの入口におけるスロート面積
Ath2,上記の第１のスロート面積中心の上記回転軸の回
転中心からの半部Ra1，第２のスロート面積中心の上記
回転軸の回転中心からの半径Ra2,上記の第１のスクロー
ルの出口の軸方向の長さL1,第２のスクロールの出口の
軸方向の長さL2が以下の式 (Ath1)/(Ra1・L1)＝(Ath2)/(Ra2・L2) を満足するように設定されていることを特徴としてい
る。

〔作用〕

上述の本考案の可変容量ターボ過給装置では、第１およ
び第２のスクロールからタービンのロータへ向かう排気
流入角度が、開閉切換弁によりそれぞれ切換えられた状
態においてほぼ同一となる。

〔実施例〕

以下、図面により本考案の実施例について説明すると、
第１〜６図は本考案の一実施例としての可変容量ターボ
過給装置を示すもので、第１〜６図中、第７〜１３図と
同じ符号はほぼ同様のものを示す。

本実施例では、従来のものと次の点で異なる。

すなわち、第１〜６図に示すように、上記開閉切換弁１
１，12により切換えられた状態において排気流入時のス
クロール排出角度をほぼ同一にするように、第１および
第２のスクロール7,8の入口における第１および第２の
スロート面積をそれぞれAth₁,Ath₂とし、上記の第１お
よび第のスロート面積中心の上記回転軸の回転中心から
の半径をそれぞれRa₁,Ra₂とし、上記の第１および第２
のスクロール7,8の出口の軸方向長さをそれぞれL₁,L₂と
すると、タービンが次式をほぼ満たすように形成されて
いる。

(Ath₁)/(Ra₁・L₁)=(Ath₂)/(Ra₂・L₂)…(1) タービンスクロール流出角は、タービンロータ入口速度
三角形を決定するものであり、タービン効率と密接に関
係するため重要なパラメータである。

今、第１次近似として、タービンスクロール入口，出口
のガスの密度変化がないものと考えると、簡単な幾何学
的寸法のみの関係となり便利である。

第１図(a)〜(c)よりタービンスクロール入口ノズル面積
部と環状出口部の連続の式から（ここでは片側のスクロ
ールのみに着目している。） ρoCoAth＝ρ₁C₁πD₁Lsinα ‥(2) （ρ₀…タービンスクロール入口ノズル面積部での流体
密度。

ρ₁…タービンスクロール環状出口部での流体密度。

Ｃ₀…タービンスクロール入口ノズル面積部での流体
の流速。

Ｃ₁…タービンスクロール環状出口部での流体の流
速。

Ｄ₁…タービンスクロール出口部直径。）自由渦の条件からＣ₀R₀cosα_０＝C₁・(D₁/2)cosα ‥(3) (2)，(3)式よりｔａｎα＝（１／２π）・（ρ_０／ρ_１）・｛Ａｔｈ／（Ｌ・Ｒ_０ｃｏｓα_０）｝
‥(4) ここで第１近似としてρ₀／ρ₁１とし、またα₀０
であるから、ｔａｎα＝（１／２π）｛Ａｔｈ／（Ｌ・Ｒ_０）｝
‥(5) ∴α＝ｔａｎ^１［（１／２π）・｛Ａｔｈ／（Ｌ・
Ｒ_０）｝］‥(6) したがって、各スクロール7,8からの流出角αは、Ath/
(LR₀)によって決まる。ここでは、第１式に示すように
同一にされる。また、Ｌ寸法は鋳物製作上から決まる寸
法であり、通常のベーンレスラジアルタービンハウジン
グの場合ほぼ一定である。つまり、流出角αはAth/R₀で
決まる。

このように、流体の非圧縮性を仮定し、連続の式と角運
動量の保存の式とから、上述の各式が求められるのであ
る。

第２図は、入口ノズルのスクロール面積に対するタービ
ン効率の変化を示すもので、図中の曲線ａがスクロール
出口幅が小な場合の、また曲線ｂがスクロール出口幅が
大な場合の、各タービン効率曲線であり、このグラフか
らタービンが最大効率を示すスクロール面積がスクロー
ル出口幅によって異なることがわかる。

第３図は、スクロール排出角度とタービン効率の関係を
示すもので、このグラフからタービン効率が最大となる
スクロール排出角度αoptが存在することがわかる。

また、第４図(a)，(b)に示す開閉切換弁においては、ケ
ーシングとしの排気マニホルド1aに、内部空間としての
排気通路１を隔てて一軸上に形成された一対の軸受部1
3,(14,14)と、同一対の軸受部13,13(14,14)に摺動自在
に軸支される軸部11a,12aと、これらの軸部11a,12aに取
り付けられる弁体11b,12bとをそなえ、これらの軸部11
a,12aが、外側端部に形成されて一対の軸受部13,14の一
方における摺動面13a,14aに摺接する摺動面11d,12dと内
側端部に形成された第１嵌合部（凹所）11e,12eとを有
し、且つ、弁体11b,12bを弁体レバー11c,12cを介して取
り付けられた第１軸部11a-1,12a-1と、この第１軸部11a
-1,12a-1の第１嵌合部11e,12eに嵌合する第２嵌合部
（凸部）11f,12fと上記一対の軸受部13,14の他方におけ
る摺動面13a,14aに摺接する摺動面11d,12dとを有する第
２軸部11a-2,12a-2とから構成されている。

そして、第１嵌合部11e,12eに第２嵌合部11f,12fとがそ
れぞれ嵌入した状態で、第１軸部11a-1,12a-1と第２軸
部11a-2,12a-2とがＴＩＧ溶接されている。

さらに、取付部11c-2,12c-2においては、弁体レバー11
c,12cと弁体11b,12bとがＴＩＧ溶接されている。

ここでは、弁体11b,12bが弁体レバー11c,12cを介してレ
バー部材15,16と所定の位置関係になるように固定され
ているので、位置決めを正確に行なえる。

この開閉式切換弁により、その組立てに際しては、ま
ず、弁体レバー11c,12cに予め弁体11b,12bを取り付けた
状態で、第１軸部11a-1,12a-1を軸受部13,14に挿入し、
ついで、第１嵌合部11e,12eに第２軸部11a-2,12a-2の第
２嵌合部11f,12fをそれぞれ嵌入（圧入または滑入）し
た状態で、第１軸部11a-1,12a-1と第２軸部11a-2,12a-2
との合わせ面部がＴＩＧ溶接されて一体化され、さら
に、レバー部材（駆動レバー）15,16が第１軸部11a-1,1
2a-1に、組立工数を削減しながら取り付けられるのであ
る。

また、第５図(a)〜(c)に示す開閉切換弁においては、ケ
ーシングとしての排気マニホルド1aに、内部空間として
の排気通路１を隔てて一軸上に形成された一対の軸受部
13,13(14,14)と、一対の軸受部13,14に摺動自在に軸支
される軸部11a,12aと、これらの軸部11a,12aに取り付け
られる弁体11b,12bとをそなえ、基端部側に軸部11a,12a
を嵌入させて取り付けうる取付部11c-1,12c-1を形成さ
れて先端部側に弁体11b,12bに取り付けられる取付部11c
-2,12c-2をそなえた弁体レバー11c,12cが設けられてい
る。

そして、取付部11c-1,12c-1においては、弁体レバー11
c,12cと軸部11a,12aとがＴＩＧ溶接されており、取付部
11c-2,12c-2においては弁体レバー11c,12cと弁体11b,12
bとがＴＩＧ溶接されている。

さらに、軸部11a,12aを挿入しうる弁体レバー11c,12cの
孔部に挿入した状態で、軸部11a,12aと弁体レバー11c,1
2cとを所定の角度関係で固定支持するための軸方向位置
決めおよび仮止めを兼ねる位置決めピン11c-3,12c-3が
設けられている。

この開閉式切換弁により、その組立てに際しては、ま
ず、予め弁体11b,12bを取り付けられた弁体レバー11c,1
2cの孔部を軸受部13,14の孔部に整合させて、ついで、
軸部11a,12aを軸受部13,14に嵌入させ、その後、レバー
部材15,16の凹所に軸部11a,12aの端部に形成された凸部
を嵌入させて、ＴＩＧ溶接を行なう。

このようにして、レバー部材15,16と弁体11b,12bとの関
係が所定の位置関係になった状態で固定支持されるので
ある。

ここで、弁体レバー11c,12cは、同形に形成されてい
て、同じ部品形状で２つの弁体11b,12bの弁体レバーと
して用いることができる。

また、第６図(a)，(b)に示すように、各軸受部13(14)の
内周面である摺動面13a(14a)は、所定幅の円筒状摺動
面となるように形成されており、この円筒状摺動面13a,
14aに摺動する直径Ｄの軸部11a(12a)の外周面に、太鼓
状摺動面11d(12d)が形成されている。

そして、この太鼓状摺動面11d(12d)は、その断面外形の
曲面が、半径Ｒ_Dとなるように形成されており、上述の
各設定値，Ｄ，Ｒ_Ｄは次式を満たすように定められて
いる。

０．１≦｛（Ｄ・）／Ｒ_Ｄ｝≦２．０ ‥(7) 例えば、軸部11a(12a)の中心に荷重Ｆを受けた場合のた
わみ角θおよびモーメントＭは次式を満たす。

sinθ＝／（２Ｒ_D） ‥(8) Ｍ＝Ｆ・（₁／２） ‥(9) θ∝{(F・₁／２｝／Ｄ₄ ‥(10) また、Ｄは、次式を満たすように定められる。

｛（Ｆ・_１／２）｝／Ｄ³≦Ｃ ‥(11) ここで、Ｃは一定値であり、第11式の等号が成立すると
次式が満たされる。

∴θ∝（１／Ｄ） ‥(12) sin（１／Ｄ）∝｛_２／（２Ｒ_Ｄ）｝ここで、(1/D)は０に近い値であるので、 Sin(1/D)＝(1/D)とおける。

∴（Ｄ・_２）／Ｒ_D＝一定 ‥(13) このようにして得られた第13式に基づき、軸受部13(14)
内のたわみを、_２＝より求めて、摺動面13a(14a)，
ブッシュや軸部11a(12a)の芯ズレ等を考慮して太鼓状摺
動面11d(12d)の半径Ｒ_Dを求めたのが第７式である。

このように太鼓状摺動面11d(12d)により、軸部11a(12a)
がたわんだ場合にも、高温高荷重でしかも無潤滑でエッ
ジ当たりし、且つ振動を受けている状態でも、軸部11a,
12aのこじれが生じることがなく、軸受部13(14)におけ
る摩耗や凝着摩耗による摺動不良が発生せず、片当たり
が防止され、焼付も防止することができるのである。

なお、図中の符号２２はエクスパンションプラグを示
す。

本考案の実施例としての可変容量ターボ過給装置は上述
のごとく構成されているので、第１１〜１３図に示すよ
うに、エンジン回転数およびトルク（または負荷）に応
じて、アクチュエータ１９，２０を適宜作動させ、開閉
切換弁11,12と順次切換えて、タービン膨張比に応じた
修正流量を得ることができ、エンジンの低速高負荷運転
時においては、第11,12図中の符号Ｂ₁で示すように、開
閉切換弁１１が開かれ、開閉切換弁１２が閉じられ、小
スクロール７からの流れのみがタービン２のロータ１０
へ送られる。

また、エンジンの高速高負荷運転時においては、第11,1
2図中の符号Ｂ₃で示すように、開閉切換弁11,12がとも
に開かれて、大小スクロール７，８からの流れがともに
タービン２のロータ１０へ送られる。

〔考案の効果〕

以上詳述したように、本考案の可変容量ターボ過給装置
によれば、次のような効果ないし利点を得ることができ
る。

(1)開閉切換弁の切換時においても、また、２つのスク
ロールからタービンのロータへの排気流入時のみだれを
なくすことができる。

(2)上記第１項により、タービン効率を向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１〜６図は本考案の一実施例としての可変容量ターボ
過給装置を示すもので、第１図(a)はそのタービンの模
式的側面図、第１図(b)は第１図(a)のIb-Ib矢視断面
図、第１図(c)は第１図(a)のIc-Ic矢視断面図、第2,3図
はいずれもその作用を説明するためのグラフ、第４図
(a),(b)はそれぞれその開閉切換弁を示す正面図および
側面図、第５図(a)〜(c)はそれぞれその他の開閉切換弁
を示す正面図，側面図および側面図、第６図(a),(b)は
それぞれその開閉切換弁の軸部を示す要部拡大図および
正面図であり、第７〜１３図は従来の可変容量ターボ過
給装置を示すもので、第７図はその吸排気系を示す側面
図、第８図はその排気系を示す要部破断面図、第９図は
その開閉切換弁を示す正面図、第１０図はそれぞれその
開閉切換弁の側面断面図、第１１〜１３図はいずれもそ
の作用を説明するためのグラフである。１……排気通路、1a……排気マニホルド、２……タービ
ン、３……回転軸、４……吸気通路、５……コンプレッ
サ、６……タービンハウジング、6a……入口部、6b……
出口部、7,8……スクロール、7a,7b,8a,8b……開口、９
……隔壁、10……ロータ（タービンブレード）、11,12
……開閉切換弁、11a,12a……軸部、11a-1,12a-1……第
１軸部、11a-2,12a-2……第２軸部、11b,12b……弁体、
11c,12c……弁体レバー、11c-1,11c-2,12c-1,12c-2……
取付部、11c-3,12c-3……位置決めピン、11d,12d……太
鼓状摺動面、11e,12e……第１嵌合部、11f,12f……第２
嵌合部、13,14……軸受部、15,16……レバー部材、15a,
16a……軸支部、16b……ピン、17,18……リンク部材、1
9,20……アクチュエータ、２１……長穴、２１ａ……押
圧端部、２２……エクスパンションプラグ。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】エンジンの吸排気系の排気通路に介装され
たタービンと同タービンにより駆動されるべく回転軸を
介して上記吸排気系の吸気通路に介装されたコンプレッ
サとからなるターボ過給装置において、上記タービンに
断面積の異なる第１および第２のスクロールへの排気の
流入を阻止しうる開閉切換弁をそなえ、同開閉切換弁に
より切換えられた状態において排気流入時の上記の第１
および第２のスクロールからのスクロール排出角度をほ
ぼ同一にするように、上記の第１のスクロールの入口に
おけるスロート面積Ath1，第２のスクロールの入口にお
けるスロート面積Ath2，上記の第１のスロート面積中心
の上記回転軸の回転中心からの半径Ra1，第２のスロー
ト面積中心の上記回転軸の回転中心からの半径Ra2，上
記の第１のスクロールの出口の軸方向の長さL1，第２の
スクロールの出口の軸方向の長さL2が以下の式を満足す
るように設定されていることを特徴とする、可変容量タ
ーボ過給装置。 (Ath1)/(Ra1・L1)＝(Ath2)/(Ra2・L2)