JPH11311124A - 可変容量ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 可変容量ターボチャージャにおいて、低速域
での背圧上昇を抑制すると共に、低速域でのタービン特
性の設定を容易に行うことができるようにすること。 【解決手段】 スクロール部内にスクロール部を径方向
に内側スクロール部３１と外側スクロール部３２とに分
割すると共に両スクロール部間の連通をそれらの回動に
より開閉可能である複数の可動ノズルベーン３０、１３
０を設け、該可動ノズルベーンの回動を内燃機関の運転
状態に応じて制御手段（開閉弁４５、アクチュエータ４
２；レバー５０、リング５１、アクチュエータ６０）に
より制御した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可変容量ターボチ
ャージャに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の可変容量ターボチャージャとして
は、例えば、実公平８−７０６１号公報に開示されるも
のがある。この可変容量ターボチャージャにおいては、
タービンロータを介して排気入口と排気出口とを連通
し、その断面積が漸次減少するスクロール部に多数の可
動ノズルベーンを有するノズルリングが配置されてい
る。このノズルリングは、その回転により各々のノズル
ベーンの角度を変更して、スクロール部よりタービンロ
ータへ流れ込む排気ガスの角度を調節し、タービンロー
タが受ける力を調節するものである。即ち、排気ガス流
量の少ない低速域においては、排気ガスの流速を高める
と共にタービンロータの接線方向に排気ガスが流れるよ
うにしてタービンロータが回転方向に受ける力を大きく
し、タービンロータを効率的に回転させ、排気ガス流量
の多い高速域においては、タービンロータの回転軸側に
向かって排気ガスが流れるようにしてタービンロータが
回転方向に受ける力を小さくし、必要以上にタービンロ
ータが回転しないようにすると共に、内燃機関の背圧上
昇を抑制している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の可変容量ターボチャージャにおいては、互いに
隣り合うノズルベーンの間を排気ガスが流動する構成で
あるため、低速域では排気ガスの流速を高めるために隣
り合うノズルベーンの間隔を絞る必要があり、その結果
内燃機関の背圧が上昇し、燃費が悪化するという問題が
ある。また、更に低速域において隣り合うノズルベーン
の間隔が閉塞（全閉状態）することによる内燃機関の停
止等を回避するために、最小ノズルベーン角度の設定が
必要となり、ノズルリングの駆動機構のガタ等により該
最小ノズルベーン角度の設定及びチューニングが困難と
なり、低速域でのタービン特性の設定が困難となるとい
う問題があった。

【０００４】ゆえに、本発明は、当該可変容量ターボチ
ャージャにおいて、低速域での背圧上昇を抑制すると共
に、低速域でのタービン特性の設定を容易に行うことが
できるようにすることを、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
に講じた技術的手段は、当該可変容量ターボチャージャ
を、シャフトと、該シャフトの一端に固定されるタービ
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、排気出口及び前記排気入口と前記排気出口とを前記
タービンロータを介して連通し、その断面積が漸次減少
するスクロール部を有するタービンハウジングと、前記
シャフトの他端に固定され、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、前記スクロール部
内に夫々回動可能に設けられ、前記スクロール部を径方
向に内側スクロール部と外側スクロール部とに分割する
と共に両スクロール部間の連通をそれらの回動により開
閉可能である複数の可動ノズルベーンと、該可動ノズル
ベーンの回動を内燃機関の運転状態に応じて制御する制
御手段とを備えてなる構成としたことである。

【０００６】上記した手段によれば、低速域では、制御
手段により内側及び外側スクロール部間の連通を閉じる
ように可動ノズルベーンが回動されて、排気入口から内
側スクロール部のみを通してタービンロータへ排気ガス
が供給されるので、ノズルベーンで排気ガスが絞られる
場合に比べて摩擦損失が少ない分、背圧上昇が少なく、
タービンロータの接線方向に排気ガスが流れてタービン
ロータが回転方向に受ける力が大きくされ、タービンロ
ータが効率的に回転させられる。また、高速域では、制
御手段により内側及び外側スクロール部間の連通を開く
ように可動ノズルベーンが回動されて、排気入口から外
側スクロール部を通してタービンロータへ排気ガスが供
給されるので、タービンロータの回転軸に向かって排気
ガスが流れてタービンロータが回転方向に受ける力が小
さくされ、必要以上にタービンロータが回転しないよう
にされると共に、内燃機関の背圧上昇が抑制される。

【０００７】上記した手段において、前記制御手段を、
排気入口と前記内側スクロール部とを連通する第１位置
と前記排気入口と前記外側スクロール部とを連通する第
２位置に内燃機関の運転状態に応じて少なくとも選択的
に切換可能な切換弁で構成し、前記可動ノズルベーンを
前記内側及び外側スクロール部内の流体圧に応じて回動
するようにしても良いし、或いは制御手段を、内燃機関
の運転状態に応じて前記可変ノズルベーンを機械的に回
動可能な駆動機構で構成しても良い。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明に従った可変容量タ
ーボチャージャの実施形態を図面に基づき、説明する。

【０００９】図１乃至図３は、本発明の第１実施形態を
示す。図１において、円筒状のベアリングハウジング１
０には、軸孔１０ａが形成されており、該軸孔１０ａ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、２
２は、軸孔１０ａ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２２は、図示右側
への移動をベアリングハウジング１０の図示右端に固定
されるプレートで規制されている。ラジアルベアリング
２１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ベアリングハウ
ジング１０の軸孔１０ａ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
の端部に螺合されるボルト２７により固定されている。
これにより、ブッシュ２３、２９はコンプレッサロータ
１９の図示右端面とシャフト２０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２
０と一体的に回転する。ブッシュ２３、２９のフランジ
部間には、ベアリングハウジング１０の大径孔の図示右
側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にはベアリングハウジン
グ１０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２
３、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２
５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、ベアリン
グハウジング１０には吸気入口１８ａ及び吸気出口１８
ｂ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。

【００１０】シャフト２０の図示右端には、ベアリング
ハウジング１０の図示右端にガスケット１２及び、ベア
リングハウジング１０の一部を構成しているカバーハウ
ジング１２ａ、１２ｂを介して固定されるタービンハウ
ジング１１内に位置するタービンロータ１３が固着され
ている。タービンハウジング１１には、排気入口１１ａ
と排気出口１１ｂとが形成されている。この排気入口１
１ａには、図示しない内燃機関の排気マニホルドが接続
され、排気出口１１ｂには図示しない排気管が気密的に
接続されている。

【００１１】タービンハウジング１１には、図２及び図
３に示すように、排気入口１１ａに導入された排気ガス
をタービンロータ１３の外周に導くスクロール部が形成
されている。このスクロール部には、タービンハウジン
グ１１に設けられた複数の可動ノズルベーン３０により
内側スクロール部３１と該内側スクロール部３１より大
きな容積を有する外側スクロール部３２が区画形成され
ている。各ノズルベーン３０は、タービンハウジング１
１に立設されたピン３０ａに回転可能に支持されてお
り、内側及び外側スクロール部３１、３２内のガス圧力
及びフローフォースによりピン３０ａ回りに回転可能と
なっている。尚、各ノズルベーン３０の時計方向の回転
は各ノズルベーン３０の先端が隣合うノズルベーン３０
の基部又はタービンハウジング１１の仕切部に当接する
ことにより規制され、図２及び図３の反時計方向の回転
は図１に示すようにタービンハウジング１１のストッパ
部１１ｃに各ノズルベーン３０の先端が当接することに
より規制される。内側及び外側スクロール部３１、３２
はその断面積がタービンロータ１３の回転方向（図２に
おいて反時計方向）に漸次減少するように設けられてい
て、内側スクロール部３１及び外側スクロール部３２の
上流側端部は排気入口１１ａで互いに連通されており、
内側スクロール部３１の下流側端部はタービンロータ１
３のブレードの外周部に開口している。

【００１２】内側スクロール部３１及び外側スクロール
部３２の上流側端部側のタービンハウジング１１には、
可動ノズルベーン３０に連続して区画壁が設けられてお
り、該区画壁には、内側スクロール部３１の上流側端部
と排気入口１１ａの連通及び外側スクロール部３２の上
流側端部と排気入口１１ａとの連通を開閉可能な開閉弁
４５がシャフト４４を介して回転可能に支持されてい
る。本実施形態においては、該開閉弁４５は吸気出口１
８ｂ内の過給圧に応じて周知の正圧式のアクチュエータ
４２及びリンク機構４３を介して開閉されるようになっ
ていて、過給圧が所定圧未満である内燃機関の低速回転
時には、開閉弁４５により内側スクロール部３１の上流
側端部と排気入口１１ａとが連通されると共に外側スク
ロール部３２の上流側端部と排気入口１１ａとの連通が
遮断され、過給圧が所定圧以上となる内燃機関の高速回
転時には、開閉弁４０により内側スクロール部３１の上
流側端部と排気入口１１ａとが遮断されると共に外側ス
クロール部３２の上流側端部と排気入口１１ａとが連通
される。

【００１３】以上の構成からなる本実施形態の作用を説
明する。

【００１４】図示しない内燃機関が始動されると、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１１ａに流れ込んだ排気ガスはター
ビンロータ１３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、図示しない内燃機関を
過給する。

【００１５】このとき、吸気出口１８ｂの過給圧が所定
圧未満である内燃機関の低速回転時には、上記したよう
に開閉弁４５により内側スクロール部３１の上流側端部
と排気入口１１ａとが連通されると共に外側スクロール
部３２の上流側端部と排気入口１１ａとの連通が遮断さ
れる。このため、図２に示すように、排気マニホルドか
ら排気入口１１ａに流れ込んだ排気ガスが内側スクロー
ル部３１のみを介してタービンロータ１３へ供給され、
タービンロータ１３が回転駆動される。これにより、Ａ
／Ｒの小さい（スクロール容量の小さい）ターボチャー
ジャとして機能して、高い排気流速が得られると共に、
内側スクロール部３１を経て排気ガスがタービンロータ
１３の接線方向に流れ（タービンロータ１３のブレード
に大きな流入角で当たる）、効率良くタービンロータ１
３が回転されてタービンロータ１３が加速し過給圧が高
められる。尚、この時には内側スクロール部３１内の排
気ガスの圧力により、図２に示す位置に各ノズルベーン
３０は全閉状態に位置され、内側及び外側スクロール部
３１、３２間は連通されていない。

【００１６】吸気出口１８ｂの過給圧が所定圧以上とな
る内燃機関の高速回転時には、開閉弁４５により内側ス
クロール部３１の上流側端部と排気入口１１ａとが遮断
されると共に外側スクロール部３２の上流側端部と排気
入口１１ａとが連通される。このため、排気マニホルド
から排気入口１１ａに流れ込んだ排気ガスが図３に示す
ように、外側スクロール部３１へのみ流入する。外側ス
クロール部３１へ流れ込んだ排気ガスは、その圧力及び
フローフォースによりノズルベーン３０を図３に示すよ
うに時計方向に回転させて全開状態とし、隣り合うノズ
ルベーン３０の間を通して内側スクロール部３０へター
ビンロータ１３の回転中心側へ向けて流入する。この結
果、排気ガスがタービンロータ１３のブレードに流入角
度の小さい状態で当たるようになり、タービンロータ１
３を回転させる効率が低下し、タービンロータ１３の回
転上昇が抑制されて過給圧が一定に保たれると共に、背
圧の上昇が防止される。

【００１７】上記した実施形態では、開閉弁４５によ
り、内燃機関の低速回転時には排気ガスを内側スクロー
ル部３１のみに供給し、高速回転時には排気ガスを外側
スクロール部３２へのみ供給するようにしたが、中速回
転時に排気ガスを内側及び外側スクロール部３１、３２
の両方に供給するように、開閉弁４５を任意の中間位置
に制御することも可能である。これによれば、中速回転
時にノズルベーン３０は内側及び外側スクロール部３
１、３２の排気ガス流量に応じて全閉状態と全開状態と
の間の任意の中間的な釣り合い状態に位置され、過給圧
の調整を細かに行うことができる。

【００１８】図４乃至図６は、本発明の第２実施形態を
示す。この第２実施形態は、上記した第１実施形態と
は、ノズルベーン１３０を周知の正圧式のアクチュエー
タ６０、リンク機構６１、リング５１及びレバー５０等
を介して機械的に回転駆動している点のみが異なり、そ
の他の構成及び作用は第１実施形態と同じであるため、
以下にノズルベーン１３０の回転駆動の構成及び作用に
ついてのみを説明する。

【００１９】図４において、タービンハウジング１１に
形成されるスクロール部には、タービンハウジング１１
に設けられた複数の可動ノズルベーン１３０により内側
スクロール部３１と該内側スクロール部３１より大きな
容積を有する外側スクロール部３２が区画形成されてい
る。各ノズルベーン１３０は、タービンハウジング１１
に回転可能に支持される各ピン１３０ａの一端に夫々固
定されており、これらピン１３０ａの他端はタービンハ
ウジング１１を貫通して軸方向に外部に延在している。
各ピン１３０ａの他端には、放射状に配設されるレバー
５０の内端が固定されており、各レバー５０の外端はタ
ービンハウジング１１に回転可能に支持されたリング５
１の内周に形成される切欠き５１ａに周方向に連動可能
に係合している。

【００２０】リング５１は、吸気出口内の過給圧に応じ
て周知の正圧式のアクチュエータ６０及びリンク機構６
１を介して所定角度だけ回動可能とされている。内燃機
関の低速回転時におけるアクチュエータ６０の非作動時
には、リング５１は図４に示す位置にあり、各ノズルベ
ーン１３０はその先端が隣り合うノズルベーン１３０の
基部及びタービンハウジング１１の仕切部に当接して、
隣り合うノズルベーン１３０間及び最下流側に位置され
るノズルベーン１３０と仕切部との間を介した内側及び
外側スクロール部３１、３２間の連通を遮断する全閉状
態に位置される。また、内燃機関の高速回転時における
アクチュエータ６０の作動時には、リンク機構６１を介
してリング５１が図４の反時計方向に所定角度回動さ
れ、各ノズルベーン１３０は各ピン１３０ａと共に反時
計方向に回転する。これにより、ノズルベーン１３０
は、隣り合うノズルベーン１３０間及び最下流側に位置
されるノズルベーン１３０と仕切部との間を介して内側
及び外側スクロール部３１、３２間を連通する全開状態
に位置される。尚、図４に示されるように、各ノズルベ
ーン１３０及び各ピン１３０ａに固定されるレバー５０
の長さは、タービンロータ１３に近づく下流側にいくに
つれ長くされており、これにより各ノズルベーン１３０
の回転角度は下流側にいくほど、小さくなるようにされ
ている。

【００２１】以上の構成からなる本第２実施形態におい
て、図示しない内燃機関が始動されてターボチャージャ
による過給が開始されると、吸気出口の過給圧が所定圧
未満である内燃機関の低速回転時には、上記したように
アクチュエータ６０が非作動であるため、各ノズルベー
ン１３０は図５に示す全閉状態に位置される。このた
め、図５に示すように、排気マニホルドから排気入口１
１ａに流れ込んだ排気ガスが内側スクロール部３１のみ
を介してタービンロータ１３へ供給され、タービンロー
タ１３が回転駆動される。これにより、Ａ／Ｒの小さい
（スクロール容量の小さい）ターボチャージャとして機
能して、高い排気流速が得られると共に、内側スクロー
ル部３１を経て排気ガスがタービンロータ１３の接線方
向に流れ（タービンロータ１３のブレードに大きな流入
角で当たる）、効率良くタービンロータ１３が回転され
てタービンロータ１３が加速し過給圧が高められる。

【００２２】吸気出口の過給圧が所定圧以上となる内燃
機関の高速回転時には、上記したようにアクチュエータ
６０が作動し、リンク機構６１、リング５１、レバー５
０及びピン１３０ａを介して各ノズルベーン１３０が全
開状態に位置される。このため、排気マニホルドから排
気入口１１ａに流れ込んだ排気ガスが内側スクロール部
３０へ流入すると共に、図６に示すように、内側及び外
側スクロール部３１、３２へ流入する。外側スクロール
部３２へ流れ込んだ排気ガスは、隣り合うノズルベーン
１３０間及び最下流側に位置されるノズルベーン１３０
と仕切部との間を介して内側スクロール部３１へタービ
ンロータ１３の回転中心側へ向けて流入して内側スクロ
ール部３１へ流入する排気ガスと再合流し、内側スクロ
ール部３１内の排気ガスのタービンロータ１３の接線方
向の流れをタービンロータ１３の回転中心側への流れに
変えると共にタービンロータ１３に当たる排気ガスの流
速が低下する。この結果、排気ガスがタービンロータ１
３のブレードに流入角度の小さい状態で当たるようにな
り、タービンロータ１３を回転させる効率が低下し、タ
ービンロータ１３の回転上昇が抑制されて過給圧が一定
に保たれると共に、背圧の上昇が防止される。

【００２３】上記した各実施形態においては、開閉弁及
びリングを正圧式アクチュエータで駆動するように構成
した可変容量ターボチャージャに本発明を実施したが、
本発明は開閉弁及びリングを負圧式アクチュエータで駆
動するように構成した可変容量ターボチャージャに同様
に実施することができる。

【００２４】

【発明の効果】以上の如く、本発明によれば、スクロー
ル部を可動ノズルベーンにより径方向に内側及び外側ス
クロール部とに分割し、内燃機関の運転状態に応じてノ
ズルベーンを回転させて内側スクロール部及び外側スク
ロール部とを使い分けることにより、タービン特性を可
変とすることができ、低速域では制御手段により内側及
び外側スクロール部間の連通を閉じるようにノズルベー
ンを全閉状態とするだけで良いため、低速域でのタービ
ン特性の設定を容易に行うことができる。

【００２５】また、低速域ではノズルベーンが全閉状態
とされて、排気入口から内側スクロール部のみを通して
タービンロータへ排気ガスが供給されるので、ノズルベ
ーンで排気ガスが絞られることにより背圧が上昇するこ
となく、タービンロータの接線方向に排気ガスが流れて
タービンロータを効率的に回転させて過給圧を高めるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従った可変容量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】内燃機関の低速回転時を示す図１のＡ−Ａ断面
図である。

【図３】内燃機関の高速回転時を示す図１のＡ−Ａ断面
図である。

【図４】本発明に従った可変容量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】内燃機関の低速回転時における第２実施形態の
断面図である。

【図６】内燃機関の高速回転時における第２実施形態の
断面図である。

【符号の説明】

１０ ベアリングハウジング １１ タービンハウジング １１ａ 排気入口 １１ｂ 排気出口 １３ タービンロータ １８ コンプレッサハウジング １９ コンプレッサロータ ２０ シャフト ３０、１３０ 可動ノズルベーン ３１ 内側スクロール部 ３２ 外側スクロール部 ４２、６０ アクチュエータ（制御手段） ４３、６１ リンク機構（制御手段） ４５ 開閉弁（制御手段） ５０ レバー（制御手段） ５１ リング（制御手段） １３０ａ ピン（制御手段）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シャフトと、該シャフトの一端に固定さ
   れるタービンロータと、該タービンロータを収容すると
   共に排気入口、排気出口及び前記排気入口と前記排気出
   口とを前記タービンロータを介して連通し、その断面積
   が漸次減少するスクロール部を有するタービンハウジン
   グと、前記シャフトの他端に固定され、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、前記ス
   クロール部内に夫々回動可能に設けられ、前記スクロー
   ル部を径方向に内側スクロール部と外側スクロール部と
   に分割すると共に両スクロール部間の連通をそれらの回
   動により開閉可能である複数の可動ノズルベーンと、該
   可動ノズルベーンの回動を内燃機関の運転状態に応じて
   制御する制御手段とを備えてなる可変容量ターボチャー
   ジャ。
2. 【請求項２】 前記制御手段は、前記排気入口と前記内
   側スクロール部とを連通する第１位置と前記排気入口と
   前記外側スクロール部とを連通する第２位置に内燃機関
   の運転状態に応じて少なくとも選択的に切換可能な切換
   弁で構成され、前記可動ノズルベーンは前記内側及び外
   側スクロール部内の流体圧に応じて回動されることを特
   徴とする請求項１に記載の可変容量ターボチャージャ。
3. 【請求項３】 前記制御手段は、内燃機関の運転状態に
   応じて前記可変ノズルベーンを機械的に回動可能な駆動
   機構で構成したことを特徴とする請求項１に記載の可変
   容量ターボチャージャ。