JPH11257083A - 遠心式過給機のタービンの渦巻室 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流路間における作動流体の干渉を抑制し、羽
根車に全周方向から均一に作動流体を供給してタービン
効率を高めると共に、流路間の仕切板の加熱を抑制し、
耐久性を高める。 【解決手段】 本発明に係る遠心式過給機のタービンの
渦巻室１は、羽根車２２にその半径方向外方から作動流
体を導く流路２，３を二つ設け、これら流路２，３を周
方向に所定角度ずらせて配置したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車エンジン等
に適用される遠心式過給機のタービンの渦巻室に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、遠心式過給機のタービンの渦巻室
としては、自動車エンジンに適用する場合シングルフロ
ー形と称するものが一般的である。これは図５(a) に示
すように、一つの流路ａで羽根車ｃに作動流体としての
排ガス（黒矢印）を半径方向外方から導き、羽根車ｃを
回転駆動させるものである。

【０００３】一方、渦巻室にはツインフロー形と呼ばれ
るものがある。この渦巻室は図５(a) ,(b) に示すよう
な構造である。即ち、ちょうどシングルフロー形の流路
を二つ並列に並べたような格好となっており、(a) 図に
示される流路ａの奥側（紙面裏側）にもう一つ同様の流
路ｂを設ければツインフロー形となる。これら流路ａ，
ｂは仕切板ｄで仕切られ、それぞれ羽根車ｃに排ガスを
全周方向から導くと共に、羽根車ｃの直近で僅かに連通
されている。

【０００４】図６はダブルフロー形と呼ばれるもので、
これは二つの流路ａ，ｂを有しているが、それぞれの流
路ａ，ｂが羽根車ｃに周方向１８０°ずつから直列的に
排ガスを導くようになっている。即ち、図示例では手前
側の流路ａが排ガス流れ方向（反時計回り）の０°から
１８０°までの領域で排ガスを導き、奥側の流路ｂが１
８０°から３６０°（０°）までの領域で排ガスを導く
ようになっている。

【０００５】ツインフロー形、ダブルフロー形いずれの
場合も入口ｅ，ｅが周方向の同位置に存在する。よって
ダブルフロー形では、奥側の流路ｂが手前側の流路ａよ
り１８０°分長くなっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のシン
グルフロー形を自動車のエンジンに用いると以下の問題
が生じる。即ち、自動車エンジンは排気脈動を伴うピス
トン機関が殆どで、シングルフロー形の場合各気筒から
排出される排ガスは図５（ａ）のｅの部分で合流するた
め、一つの気筒から圧力の高いガスが排出されていると
この部分で他の気筒から排出されるガスの流れを阻害
し、いわゆる排気干渉の現象を強く生じてしまう。ツイ
ンフロー形、また、ダブルフロー形はこれを解決するた
めに多気筒を数群に分け、排気ガスはタービン羽根車の
入口直前まで分割された流路を流れ、排気干渉現象を起
こさないようにされたものであるが、しかしながら従来
の形状の場合は以下の問題が生じる。

【０００７】即ち、図５に示すように、一方の流路ａと
他方の流路ｂとに入ってくる排ガス圧力が異なる場合、
０°付近の位置で仕切板ｄを跨いで流路間を移動するよ
うな排ガスの流れｆが生じ、これが低圧側のガスの流れ
を入口側でいきなり阻害してしまい、効率を悪化させる
という問題があった。

【０００８】また、流路の入口側では仕切板ｄの径方向
長さが比較的長く、径方向内側の部分が外部と離れ空冷
され難いことや、入口側の部分に特に高温の排ガスが当
たることから、熱変形が大きく、熱応力が大きくなる傾
向があった。

【０００９】さらに、羽根車には全周方向から均一にガ
スを供給することが望ましいが、入口ｅ，ｅが一か所に
まとまっている場合、羽根車へのガス供給も入口に近い
周方向の一か所のみ強くなり、好ましくなかった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る遠心式過給
機のタービンの渦巻室は、羽根車にその半径方向外方か
ら作動流体を導く流路を二つ設け、これら流路を周方向
に所定角度ずらせて配置したものである。

【００１１】なお、上記角度が１８０°であるのが好ま
しい。それぞれの上記流路の入口が対向方向に臨まされ
るのが好ましい。それぞれの上記流路が上記羽根車に全
周方向から作動流体を導いてもよい。それぞれの上記流
路が上記羽根車に周方向１８０°ずつから作動流体を導
いてもよい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下本発明の好適な実施の形態を
添付図面に基づいて詳述する。

【００１３】図１は本発明に係る渦巻室を示す。図示す
るようにこの渦巻室１は、略述すれば、ツインフロー形
の二つの流路を周方向に１８０°ずらせて配置したよう
な格好となっている。

【００１４】即ち、二つの流路２，３は、図１(b) の下
方に一部示すタービンケーシング４の内面によって区画
形成され、軸方向に並列されると共に、互いが仕切板５
で仕切られている。仕切板５はタービンケーシング４に
一体に形成され、羽根車２２の僅かに径方向外方の位置
で全周切り欠かれ、流路２，３同士を連通させるように
なっている。流路２，３は、その入口６，７が１８０°
異なる位置で対向方向に臨まされ、入口６，７から所定
長さの直線部９，１０を経た後、それぞれの巻き開始点
（０°，１８０°の位置）で巻きを開始し、流路面積を
順次縮小しながら１周して羽根車２２を巻き付ける格好
となっている。

【００１５】図１(a) において、手前側の流路２は、そ
の入口６が右斜め上方の位置で右側に臨まされ、作動流
体である排ガスを反時計回りに送るようになっている。
逆に奥側の流路３は、その入口７が左斜め下方の位置で
左側に臨まされ、やはり排ガスを反時計回りに送るよう
になっている。流路２，３は羽根車２２にその半径方向
外方且つ全周方向から排ガスを導き、羽根車２２を反時
計回りに回転駆動させるようになっている。駆動に供さ
れた後の排ガスは、羽根車２２の軸方向に沿う出口流路
８から排出される。

【００１６】ここで、各流路２，３の巻き開始点（０
°，１８０°の位置）の手前に、流路２，３の巻き終わ
り部分と直線部９，１０とを仕切る薄肉部１１，１２
が、タービンケーシング４によって形成されている。逆
にいえば、これら薄肉部１１，１２を過ぎた位置付近
が、互いの流路２，３の最初の合流部をなす舌部２０，
２１となっている。

【００１７】さて、このような渦巻室１を有するタービ
ンを遠心式過給機に適用し、さらにこの遠心式過給機を
自動車エンジンに適用した場合以下のような作用効果を
もたらす。

【００１８】図２はかかる遠心式過給機の適用例を示
す。遠心式過給機１３は自動車エンジン、特に６気筒デ
ィーゼルエンジンに適用されている。タービン１４の渦
巻室１の入口６，７には、それぞれ＃１〜３，＃４〜６
気筒の排ガス（黒矢印）を受け持つ排気マニホールド１
５，１６が接続されている。排ガスでタービン１４が駆
動されると、同軸のコンプレッサ１７が駆動されて吸気
（白矢印）が過給される。この過給気はインタークーラ
１８を経て図示しない吸気通路から各シリンダに送られ
る。一方タービン１４通過後の排ガスは排気通路１９を
通じて排出される。

【００１９】これによれば、渦巻室１の入口６，７が対
向方向に臨まされるので、対向方向から排気マニホール
ド１５，１６を接続し、排ガスを導入することができ
る。これによって従来のツインフロー形、ダブルフロー
形に比べ、排気マニホールド１５，１６の直管部（集合
部）を複雑に曲げ加工したり、その曲げ部分の収容スペ
ースを確保すべくタービン１４をエンジンの遠方に配置
しなくて済む。即ち、単にタービン１４をエンジン近傍
且つ排気マニホールド１５，１６間に配置し、排気マニ
ホールド１５，１６の直管部を直角に１回曲げればよい
ので、製作が容易となり、レイアウト自由度が向上する
と共に、エンジン占有スペースも減少することが可能と
なる。

【００２０】ところで、このエンジンの場合、各気筒の
燃焼順序に起因した図３の如き排気脈動が生じる。ここ
で実線が一方の流路２のもの（＃１〜３気筒の合計
分）、破線が他方の流路３のもの（＃４〜６気筒の合計
分）である。図示するように、クランク角７２０°の間
に、気筒数に準じた６回の圧力上昇が等間隔で発生す
る。しかし、これら圧力上昇ないし圧力の山は各流路
２，３で交互に発生し、一方が高いとき（ａ点）他方は
低い（ｂ点）。

【００２１】このとき、従来のツインフロー形だと、最
初の合流位置となる舌部において一方の流路から他方の
流路に排ガスが強く流れ込んでしまい、低圧側のガスの
流れが阻害されてしまう。よってこのような強い排気干
渉が生じるとタービン効率が低下する。

【００２２】しかし、本案では、特に舌部２０，２１に
おける排気干渉を弱めることができる。即ち、例えば一
方の流路２に高圧ガスが、他方の流路３に低圧ガスが入
ってきたとすると、高圧ガスが低圧ガスに最初に合流す
るのは０°付近の舌部２０となる。しかし、この位置で
は、低圧ガスが流路３を半周して羽根車２２にある程度
供給された後なので、合流による影響はそれほどない。
また逆に、低圧ガスが高圧ガスに最初に合流するのは１
８０°付近の舌部２１となるが、この位置では高圧ガス
が流路２を半周して羽根車２２にある程度供給された後
であり、流路面積の低下により増速して圧力が低下した
後であるので、合流が生じても低圧ガスの流れをいきな
り大きく止めるようなことはない。

【００２３】よって、合流による排気干渉の問題は解決
され、タービン効率の低下は抑制される。

【００２４】また、本案では流路２，３をずらせたため
に入口６，７を周方向の異なる位置に分配させられ、こ
れによって羽根車２２へのガス供給を全周方向から均一
（平均的）に行えるようになり、タービン効率をさらに
向上できる。

【００２５】しかも、本案の構造だと仕切板５の径方向
長さが短くなるので、仕切板５の径方向内側の部分と外
部との距離を短縮し、空冷効果を高められ、仕切板５の
温度上昇、熱変形を抑制し、耐久性を高められる。特に
舌部２０，２１では、従来は入口から入ってきた高温ガ
スが最初に合流し熱的に厳しかったが、本案は一方の流
路２，３のガスが半周仕事をして温度低下した後に合流
するので、これによっても仕切板５の加熱を抑制でき
る。

【００２６】ここで、図４は従来のダブルフロー形に対
応した本案の渦巻室１ａを示す。前述の形態と異なり、
ここではそれぞれの流路２ａ，３ａが羽根車２２に周方
向１８０°ずつから排ガスを導くようになっている。よ
って前述の形態のような流路２，３のオーバーラップ部
分はない。この構成によっても前記同様の作用効果が達
成される。他の構成は前述の形態と同様であり、ここで
は同一部分に同一符号を付して説明を省略する。

【００２７】特に、図６に示すように、従来のダブルフ
ロー形だと流路ａ，ｂ間の隔壁ｇがケーシング内部に完
全に入り込んで作り難かったが、本案の構造だとそのよ
うな隔壁が存在せず製造が容易となる。また、ダブルフ
ロー形では長い方の流路ｂが０°から１８０°の部分で
何等仕事をせずある意味で無駄であったが、本案ではこ
の部分を省略でき、コンパクト化、低コスト化等を図れ
る。

【００２８】本発明の実施の形態は他にも種々考えられ
る。例えば上記では流路を１８０°ずらせたが、９０°
等の１８０°以外の角度も考えられる。このときには従
来以上の効果は期待できるものの、１８０°の場合程の
効果は期待できないと考えられる。また本発明にいう遠
心式過給機のタービンには上述のようなラジアルタービ
ンの他、斜流タービンも含まれる。作動流体も自動車エ
ンジンの排ガス以外のものが考えられる。

【００２９】一方、遠心式過給機を装着するエンジンの
機構、形式も問わない。即ち、直列型のほかＶ型等であ
ってもよい。気筒数も２気筒以上で、排気マニホールド
が幾つかの気筒群毎に分割できるものであればよい。

【００３０】

【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。

【００３１】（１） 流路間での作動流体の干渉を抑制
し、タービン効率の減少を抑制できる。

【００３２】（２） 羽根車に全周方向から均一に作動
流体を供給でき、タービン効率を高められる。

【００３３】（３） 流路間の仕切板の加熱を抑制し、
耐久性を高められる。

【００３４】（４） 自動車エンジンに好適となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示し、(a) は概略縦断面
図、(b) は(a) のＸ−Ｘ断面図である。

【図２】エンジンへの適用例を示す構成図である。

【図３】排気脈動の様子を示すグラフである。

【図４】本発明の他の実施の形態を示す概略縦断面図で
ある。

【図５】従来のツインフロー形の渦巻室を示し、(a) は
概略縦断面図、(b) は(a) のＹ−Ｙ断面図である。

【図６】従来のダブルフロー形の渦巻室を示し、（ａ）
は概略縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＺ−Ｚ断面図であ
る。

【符号の説明】

１，１ａ 渦巻室 ２，２ａ，３，３ａ 流路 ６，７ 入口 ２２ 羽根車

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 羽根車にその半径方向外方から作動流体
   を導く流路を二つ設け、これら流路を周方向に所定角度
   ずらせて配置したことを特徴とする遠心式過給機のター
   ビンの渦巻室。
2. 【請求項２】 上記角度が１８０°である請求項１記載
   の遠心式過給機のタービンの渦巻室。
3. 【請求項３】 それぞれの上記流路の入口が対向方向に
   臨まされた請求項１又は２記載の遠心式過給機のタービ
   ンの渦巻室。
4. 【請求項４】 それぞれの上記流路が上記羽根車に全周
   方向から作動流体を導く請求項１乃至３いずれかに記載
   の遠心式過給機のタービンの渦巻室。
5. 【請求項５】 それぞれの上記流路が上記羽根車に周方
   向１８０°ずつから作動流体を導く請求項１乃至３いず
   れかに記載の遠心式過給機のタービンの渦巻室。