JPH09236020A - ターボチャージャ - Google Patents

ターボチャージャ

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JPH09236020A
JPH09236020A JP8042853A JP4285396A JPH09236020A JP H09236020 A JPH09236020 A JP H09236020A JP 8042853 A JP8042853 A JP 8042853A JP 4285396 A JP4285396 A JP 4285396A JP H09236020 A JPH09236020 A JP H09236020A
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exhaust
housing
turbocharger
turbine
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▲崎▼ 幸 夫 川
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    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/18—Control of the pumps by bypassing exhaust from the inlet to the outlet of turbine or to the atmosphere
    • F02B37/183—Arrangements of bypass valves or actuators therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/04—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output
    • F02C6/10—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output supplying working fluid to a user, e.g. a chemical process, which returns working fluid to a turbine of the plant
    • F02C6/12—Turbochargers, i.e. plants for augmenting mechanical power output of internal-combustion piston engines by increase of charge pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 排気ガスの漏れ及びタービンロータ出口側圧
力の上昇を抑制し、過給性能を向上させることができる
構成簡素なターボチャージャを提供する。 【解決手段】タービンハウジングとベアリングハウジン
グとを一体的に有するハウジング１０を設け、その一端
側にてタービンロータ１４と所定の間隙を有して隣接
し、その他端側にてバイパス通路１６の排気出口側開口
を形成する円筒状のノズル部材１５をハウジングに固定
した。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ターボチャージャ
に関し、更に詳細には過給圧を制御するためのウェイス
トゲート構造を有するターボチャージャに関する。
【０００２】
【従来の技術】この種の従来のターボチャージャとして
は、例えば、特開平４ー１０３８１７号公報に開示され
るものがある。このターボチャージャは、タービンロー
タと、該タービンロータを収容すると共に排気入口及び
排気出口を有するタービンハウジングと、該タービンハ
ウジングに固定されるベアリングハウジングにラジアル
ベアリングを介して回転可能に支承され、その一端に前
記タービンロータが固定されるシャフトと、該シャフト
の他端に固定され、前記ベアリングハウジングに固定さ
れるコンプレッサハウジング内に収容されたコンプレッ
サロータと、前記タービンロータをバイパスして前記排
気入口と前記排気出口間を連通するように前記タービン
ロータに形成されたバイパス通路と、該バイパス通路を
過給圧に応じて開閉するウェイストゲートバルブとを有
する。このターボチャージャにおいては、過給圧（吸気
圧力）が所定値を超えると、駆動機構によりウェイスト
ゲートバルブを開状態として、バイパス通路を介して排
気入口と排気出口が連通し、これにより排気ガスの一部
がタービンロータをバイパスして排気出口へ排出され
て、過給圧は一定値に保たれる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】タービンロータは、排
気により効率よく回転させられるように、その排気入口
及び出口を除く周囲を隣接する他部材と所定の小さな間
隙を保って配置しなければならず、そのためタービンロ
ータの形状から、上記した従来のターボチャージャで
は、組付性を確保するためにタービンハウジングとベア
リングハウジングとを別部材で構成している。そのた
め、２つのハウジングを気密的に締結するためにカップ
リング又はプレート等を用いなければならず、部品点数
の増加による製造コストが増大すると共に、２つのハウ
ジングの締結部からの排気ガスの漏れの恐れがあるとい
う問題があった。また、上記した従来のターボチャージ
ャにおいては、バイパス通路を介して排気出口へ流れる
排気バイパス流がタービンロータからの主排気流と干渉
し合い、そのため、タービンロータ出口側の排気圧力
（背圧）が上昇し、それに伴い、タービンロータ入口側
の排気圧も上昇し、過給性能が低下するという問題があ
った。
【０００４】本発明は、上記した実情に鑑みなされたも
ので、排気ガスの漏れ及びタービンロータ出口側圧力の
上昇を抑制し、過給性能を向上させることができる構成
簡素なターボチャージャを提供することを、その課題と
する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に講じた請求項１の発明の技術的手段は、タービンロー
タと、該タービンロータを収容すると共に排気入口及び
排気出口を有するタービンハウジングと、該タービンハ
ウジングに固定されるベアリングハウジングにラジアル
ベアリングを介して回転可能に支承され、その一端に前
記タービンロータが固定されるシャフトと、該シャフト
の他端に固定され、前記ベアリングハウジングに固定さ
れるコンプレッサハウジング内に収容されたコンプレッ
サロータと、前記タービンロータをバイパスして前記排
気入口と前記排気出口間を連通するように前記タービン
ロータに形成されたバイパス通路と、該バイパス通路を
過給圧に応じて開閉するウェイストゲートバルブとを有
するターボチャージャーにおいて、前記タービンハウジ
ングと前記ベアリングハウジングとを一体形成すると共
に、その一端側にて前記タービンロータと所定の間隙を
有して隣接し、その他端側にて前記バイパス通路の前記
排気出口側開口を形成する円筒状のノズル部材を前記タ
ービンロータに固定したことである。
【０００６】上記した手段によれば、タービンロータの
組付性を損なうことなく、タービンハウジングとベアリ
ングハウジング間の締結が不要とすることができる。ま
た、バイパス通路からの排気バイパス流は、円筒状のノ
ズル部材により形成される開口からシャフトの軸方向に
排気出口へ吐出されるので、主排気流との干渉を抑制す
ることができる。
【０００７】また、請求項２の発明の技術的手段は、前
記バイパス通路を前記タービンロータの回転方向に順次
その断面積が減少するスクロール状に形成し、その排気
出口側開口を前記ノズル部材の外周面上に環状に形成し
たことである。
【０００８】これによれば、スクロール状のバイパス通
路を流れる排気バイパス流は徐々に加速されてノズル部
材により形成される環状の開口から排気出口内にタービ
ンロータの回転方向と同方向の渦巻き状に排出される。
排気バイパス流は、高圧高速で排出されて、タービンロ
ータ側からの排気ガスとの間で流速差が生じ、エゼクタ
効果によってタービンロータ側からの排気ガスを吸出
す。
【０００９】また、請求項３の発明の技術的手段は、前
記バイパス通路の一部を、前記ノズル部材の外周に前記
タービンロータの回転方向と同方向に設けられたらせん
溝で形成し、該らせん溝の一端を前記排気出口に開口し
たことである。
【００１０】これによれば、バイパス通路を流れる排気
は、らせん溝によりタービンロータの回転方向と同方向
の渦巻き状に排出される。排気バイパス流は、高圧高速
で排出されて、タービンロータ側からの排気ガスとの間
で流速差が生じ、エゼクタ効果によってタービンロータ
側からの排気ガスを吸出す。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明に従ったターボチャ
ージャの実施形態を図面に基づき、説明する。
【００１２】図１及び図２は、本発明の第１実施形態を
示す。図１において、鋳鉄等から成るハウジング１０
は、円筒状のベアリング収容部１０ａと、タービンロー
タ収容部１０ｂとを一体的に有している。ベアリング収
容部１０ａには、一対の軸孔１０ａ１が形成されてお
り、該軸孔１０ａ１内にはラジアル軸受２１、２２を介
してシャフト２０が回転可能に支承されている。ラジア
ルベアリング２１、２２は、軸孔１０ａ１内に回転可能
に嵌合されており、互いに向き合う側への軸方向の移動
をスナップリングにより規制されている。ラジアルベア
リング２１は、図示右側への移動をシャフト２０の外周
に形成された大径部で規制されている。ラジアルベアリ
ング２２に嵌合されるシャフト２０の図示左側には小径
部が形成されており、該小径部にはその図示右側の端部
にラジアルベアリング２２の一端面に当接するフランジ
部が形成される筒状のブッシュ２３が嵌合されている。
該ブッシュ２３の図示左側には、その図示右側の端部に
フランジ部が形成されるブッシュ２９が嵌合されてい
る。ブッシュ２９の外周に形成される環状溝にはオイル
シールが嵌着されており、該オイルシールにはハウジン
グ１０のベアリング収容部１０ａの軸孔１０ａ１の図示
左側に形成される大径孔内に嵌合されるプレートシール
２５の内周筒部が液密的に摺接する。ブッシュ２９の図
示左側のシャフト２０の小径部にはコンプレッサロータ
１９が嵌合され、小径部の端部にら合されるボルト２７
により固定されている。これにより、ブッシュ２３、２
９はコンプレッサロータ１９の図示右端面とシャフト２
０の小径部の段部との間で挟持され、コンプレッサロー
タ１９と共にシャフト２０と一体的に回転する。ブッシ
ュ２３、２９のフランジ部間には、ベアリング収容部１
０ａの大径部の図示左側に形成される段部に固定される
スラストベアリング２４が介装されており、該スラスト
ベアリング２４にはベアリング収容部１０ａに形成さ
れ、ラジアルベアリング２１、２２へオイルを供給する
オイル通路に連通されて、ブッシュ２３、２９のフラン
ジ部との摺動部間へオイルを供給するオイル供給孔が形
成されている。尚、プレートシール２５は、ベアリング
収容部１０ａの大径部の開口に嵌着されたスナップリン
グとスラストベアリング２４との間でその軸方向の動き
を規制されており、またプレートシール２５には、ブッ
シュ２９の筒部が貫通する孔を有するオイル遮蔽プレー
ト２６が固定されている。また、ハウジング１０のベア
リング収容部１０ａには吸気入口及び吸気出口を備えた
コンプレッサハウジング１８が気密的に固定されてお
り、該コンプレッサハウジング１８内にコンプレッサロ
ータ１９が収容される。
【００１３】シャフト２０の図示右端には、タービンロ
ータ収容部１０ｂ内に位置するタービンロータ１４が固
着されている。タービンロータ収容部１０ｂには、排気
入口１１と排気出口１２とが形成されている。この排気
入口１１には、図示しないエンジンの排気マニホルドが
接続され、排気出口１２には排気出口管３０が気密的に
接続されている。排気入口１１は、外周通路１３を介し
てタービンロータ１４の外周に連通されており、図１及
び図２示すように、外周通路１３には、排気をタービン
ロータ１４をバイパスして流すバイパス通路１６の一端
１６ｂが開口しており、バイパス通路１６内には、この
一端開口部１６ｂと外周通路１３の連通を開閉するウェ
イストゲートバルブ１７が設けられている。ウェイスト
ゲートバルブ１７は、図示しない駆動機構によりバイパ
ス通路１６の一端を開閉制御するもので、タービンロー
タ１４に供給される排気の一部をバイパスして排気出口
管３０へ流し、ターボチャージャの過給圧を制御する。
排気出口１２には、その図示左端の一端部がタービンロ
ータ１４と所定の小さな隙間を介して対向するように、
タービンロータ１４の外形に沿った形状を有する円筒状
のノズル部材１５が圧入固定されている。
【００１４】図２に示されるように、タービンロータ収
容部１０ｂの図示右端面には、その一端が開口部１６ｂ
に連通し、その他端側へ向かうにつれてタービンロータ
１２の回転方向にその断面積が漸次縮小するスクロール
状の溝１６ａがノズル部材１５の外周面との間に形成さ
れている。該溝１６ａは、タービンロータ収容部１０ｂ
の図示右端面が排気出口管３０と気密的に接合されるこ
とにより、バイパス通路１６の一部を構成している。バ
イパス通路１６の他端側開口部１６ｃは、排気出口管３
０の内孔の一端開口テーパ内周面３１とノズル部材１５
の図示右端の他端部との間で絞られた環状口として形成
されている。これにより、ウェイストゲートバルブ１７
を介してバイパス通路１６に流れ込んだ排気ガスの一部
は、徐々に絞られたバイパス通路１６により効率良く増
速され、その他端開口１６ｃの全周から均一に且つター
ビンロータ１４の回転方向に渦巻き状に排気出口管３０
の内周面に沿って排出される。
【００１５】以上の構成からなる本第１実施形態の作用
を説明する。
【００１６】図示しないエンジンが始動されると、ター
ボチャージャによる過給が開始される。即ち、排気マニ
ホルドから排気入口１１に流れ込んだ排気ガスはタービ
ンロータ１４を回転駆動し、シャフト２０と共にコンプ
レッサロータ１９が回転され、図示しないエンジンを過
給する。タービンロータ１４を駆動した排気ガスは、図
１にＧ１で示すような螺旋流（タービンロータ１２の回
転方向と同一）の状態で、ノズル部材１５の内孔から排
気出口管３０へと排出される。タービンロータ１４の高
速回転域での吸気圧力（過給圧）を調整するために設け
られたウェイストゲートバルブ１７は、コンプレッサロ
ータ１９側に設けられた図示しない駆動機構により開閉
駆動される。このとき、過給圧が所定値を超えると、駆
動機構はウェイストゲートバルブ１７を開状態として、
バイパス通路１６と外周通路１３とを連通させる。これ
によって、排気ガスの一部がタービンロータ１４をバイ
パスして排気出口管３０へ排出されて、過給圧は一定値
に保たれる。
【００１７】バイパス通路１６に流れ込んだ排気ガス
は、バイパス通路１６を介して排気出口管３０へ排出さ
れる。このとき、バイパス通路１６内の高圧の排気バイ
パス流は、タービンロータ１２の回転方向にその断面積
が漸次縮小するスクロール状の溝１６ａ及び絞られた環
状口１６ｃの作用により流速を増し、且つ、渦巻き状に
なって排気出口管３０の内面に沿って排出される。これ
により、この排気バイパス流よりも流速の遅いタービン
ロータ１４から排出される排気ガスとの間で、流速差が
生じ、この流速差によりタービンロータ１４から排出さ
れる排気ガスが積極的に吸出される（エゼクタ効果）。
また、排気出口管３０では、渦巻き状の排気バイパス流
はタービンロータ１４から排出される排気螺旋流Ｇ１と
同じ方向の螺旋流Ｇ２となるため、排気出口管３０の中
央を流れる排気ガスの流れ（螺旋流Ｇ１）を妨げず、上
記した排気ガスの吸出し効果が助長される。
【００１８】このように、排気出口管３０の排気の流れ
が円滑化されることによって、排気出口での排気圧力が
低減され、それにより排気入口１１での排気圧力も低減
し、過給性能を向上させることができる。また、ハウジ
ング１０はベアリング収容部１０ａと、タービンロータ
収容部１０ｂとを一体的に有しているため、従来のよう
な接合及び接合のための部材を必要とせず、部品点数を
削減できると共に接合部の気密不良の恐れをなくすこと
ができる。また、ノズル部材１５を別部品で構成してい
るため、タービンロータ１４の組み付け性が阻害される
ことはなく、その材料の選択自由度が大きくできるた
め、インコネルやセラミック等からなるタービンロータ
１４と同等な熱膨張係数を有する材料を選択できて、タ
ービンロータ１４との間の所望の小さな間隙を適性に保
つことが可能となり、過給性能を向上できる。
【００１９】図３は、上記した第１実施形態の変形実施
形態を示す。この変形実施形態では、ノズル部材５０が
ハウジング１０に圧入固定されるピン４０により固定さ
れる。その他の構成及び作用は、上記した第１実施形態
と同じであるため、同じ構成に同じ番号符号を付して説
明は省略する。
【００２０】図４乃至図６に本発明の第２実施形態を示
す。この第２実施形態では、ハウジング１１０のタービ
ンロータ収容部の図示右側端面に上記した第１実施形態
のような螺旋状の溝は形成されていない。ウェイストゲ
ートバルブ１１７が収容される凹部１１６ｃが、ハウジ
ング１１０のタービンロータ収容部の図示右側端面に形
成されており、該凹部１１６ｃは外周通路に連通される
バイパス通路の一端開口部１１６ｂに連通されている。
凹部１１６ｃの一部は、タービンロータ収容部の排気出
口に圧入される円筒状のノズル部材１１５により区画さ
れている（境界づけられている）。図６に示すように、
ノズル部材１１５の外周面にはタービンロータ１１４の
回転方向に排気出口管１３０に向けて延びる螺旋溝１１
５ａが形成されており、その一端は凹部１１６ｃに開口
し、その他端は、排気出口管１３０の内周面との間で開
口している。したがって、バイパス通路が開口部１１６
ｂ、凹部１１６ｃ、螺旋溝１１５ａにより形成され、開
口部１１６ｂより凹部１１６ｃへ入った排気ガスは螺旋
溝１１５ａによりその流路を絞られる。
【００２１】これによれば、上記した第１実施形態と同
様に、バイパス通路に流れ込んだ排気ガスは、バイパス
通路を介して排気出口管１３０へ排出される。このと
き、バイパス通路内の高圧の排気バイパス流は、タービ
ンロータ１１４の回転方向と同じ方向に形成された螺旋
溝１１５ａの作用により流速を増し、且つ、渦巻き状に
なって排気出口管１３０の内面に沿って排出される。こ
れにより、この排気バイパス流よりも流速の遅いタービ
ンロータ１１４から排出される排気ガスとの間で、流速
差が生じ、この流速差によりタービンロータ１１４から
排出される排気ガスが積極的に吸出される（エゼクタ効
果）。また、排気出口管１３０では、渦巻き状の排気バ
イパス流はタービンロータ１１４から排出される排気螺
旋流と同じ方向の螺旋流となるため、排気出口管１３０
の中央を流れる排気ガスの流れを妨げず、上記した排気
ガスの吸出し効果が助長される。
【００２２】
【発明の効果】以上の如く、請求項１の発明によれば、
タービンロータの組付性を損なうことなく、タービンハ
ウジングとベアリングハウジング間の締結が不要とする
ことができる。また、バイパス通路からの排気バイパス
流は、円筒状のノズル部材により形成される開口からシ
ャフトの軸方向に排気出口へ吐出されるので、主排気流
との干渉を抑制することができ、排気圧の上昇を防止で
きる。本発明によれば、ウェイストゲートバルブを介し
てスクロール室を流れる排気バイパス流は徐々に加速さ
れてノズルより渦巻き状に排気出口管に排出され、その
ままスパイラル溝に沿って排気出口管の内壁上を流れ
る。このとき、排気バイパス流は高圧高速で排出される
ため、タービンロータ側からの排気ガスと流速差が生
じ、エゼクタ効果によりタービンロータ側の排気ガスを
吸出す。また、排気出口管では、スクロール室によって
渦巻き状に排出される排気バイパス流がスパイラル溝に
沿って流れる上、この渦巻き及びスパイラル溝によって
与えられる排気バイパス流の螺旋流れ方向が、タービン
ロータからの排気ガスの螺旋流れ方向と同一であるた
め、この排気ガスの吸い出しをきわめて効率良くさせる
と共に下流側に向けて持続させることができる。よっ
て、タービンロータ下流側の排気圧が低減され、それに
よりタービンロータの上流側の排気圧を低減することが
できて、ターボチャージャの過給性能を向上させること
ができる。
【００２３】従来のターボチャージャでは、エンジンの
低速域でのターボチャージャの性能向上のためにタービ
ンロータの径を小さくしていたが、これによるとエンジ
ンの高速域においてエンジンの排気ガス圧力（背圧）が
上昇し、ターボチャージャの性能低下を引き起こす。そ
のため、タービンロータの径の縮小にも限界があり、そ
れゆえターボチャージャの更なる性能向上は見込めなか
った。これが、請求項２及び３の発明によれば、排気バ
イパス流は高圧高速で排出されて、タービンロータ側か
らの排気ガスと流速差が生じ、エゼクタ効果によりター
ビンロータ側の排気ガスを吸出すと共に排気バイパス流
の螺旋流れ方向が、タービンロータからの排気ガスの螺
旋流れ方向と同一であるため、この排気ガスの吸い出し
を助長させることにより、タービンロータの下流側の排
気圧を低減できることから、タービンロータ上流側の排
気圧を低減できるので、高速域でのターボチャージャの
性能低下を招くことなく、低速域での性能向上のため
に、タービンロータの径を縮小することが可能となり、
よって、エンジン回転数全域でのターボチャージャの性
能を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるターボチャージャの第１実施形態
を示す断面図である。
【図２】図１のハウジングの側面図である。
【図３】図１に示す第１実施形態の変形実施形態を示す
一部断面図である。
【図４】本発明によるターボチャージャの第２実施形態
を示す断面図である。
【図５】図４のハウジングの側面図である。
【図６】図４及び図５に示すノズル部材の斜視図であ
る。
【符号の説明】
１０、１１０ ハウジング １０ａ ベアリング収容部 １０ｂ タービンロータ収容部 １１ 排気入口 １２ 排気出口 １４、１１４ タービンロータ １５、１１５ ノズル部材 １１５ａ 螺旋溝 １６ バイパス通路 １６ａ 螺旋溝 １７、１１７ ウェイストゲートバルブ １９ コンプレッサロータ ２０ シャフト ２１、２２ ラジアルベアリング

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 タービンロータと、該タービンロータを
    収容すると共に排気入口及び排気出口を有するタービン
    ハウジングと、該タービンハウジングに固定されるベア
    リングハウジングにラジアルベアリングを介して回転可
    能に支承され、その一端に前記タービンロータが固定さ
    れるシャフトと、該シャフトの他端に固定され、前記ベ
    アリングハウジングに固定されるコンプレッサハウジン
    グ内に収容されたコンプレッサロータと、前記タービン
    ロータをバイパスして前記排気入口と前記排気出口間を
    連通するように前記タービンロータに形成されたバイパ
    ス通路と、該バイパス通路を過給圧に応じて開閉するウ
    ェイストゲートバルブとを有するターボチャージャーに
    おいて、前記タービンハウジングと前記ベアリングハウ
    ジングとを一体的に有するハウジングを設け、その一端
    側にて前記タービンロータと所定の間隙を有して隣接
    し、その他端側にて前記バイパス通路の前記排気出口側
    開口を形成する円筒状のノズル部材を前記ハウジングに
    固定したことを特徴とするターボチャージャ。
  2. 【請求項２】 前記バイパス通路は前記タービンロータ
    の回転方向に順次その断面積が減少するスクロール状に
    形成され、その排気出口側開口が前記ノズル部材の外周
    面上に環状に形成されていることを特徴とする請求項１
    に記載のターボチャージャ。
  3. 【請求項３】 前記バイパス通路の一部は、前記ノズル
    部材の外周に前記タービンロータの回転方向と同方向に
    設けられたらせん溝で形成され、該らせん溝の一端が前
    記排気出口に開口していることを特徴とする請求項１に
    記載のターボチャージャ。
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