JPS63306232A - 純流体式可変容量タ−ボチャ−ジャ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明は一切の可動部分を用いることなしに、ターボチ
ャージャ駆動のための作動流体であるエンジン排気ガス
のガス流体としての性質のみを利用して可変容量化を図
った純流体式可変容量ターボチャージャに関する。

（ロ）従来の技術 一般に、自動車用過給エンジンに採用させるターボチャ
ージャは広い作動範囲が要求されるとともに、急加速時
の加給圧の応答性の良さも要求される。

従来、これらの要求に応ずるものとして、タービンのノ
ズル部に可変静翼を設けた可変容量ターボチャージャは
よく知られている。しかし、これは高価でしかも難削材
である耐熱合金製部品の点数が大幅に増加すること、加
工精度、組立制度が要求されること、複数の静翼を同調
作動させるための複雑なリンク機構を必要とすることな
どにより大幅なコスト上昇となり、一般乗用車用として
採用されるまでに至っていない。

可変容量ターボチャージャとしては上記可変静翼式が理
想的なのであるが、多少の効率低下には妥協してコスト
面での打開策として、現在次の二つの簡略型可変容量タ
ーボチャージャが実現されている。

一つは、タービンのスクロール舌部を可動フラップに置
き換えた物で、フラップ先端によりスロートを形成し、
フラップをその先端とは反対側を支点として回動させス
ロート面積を変化させることにより可変容量化を図った
ものである。

他の一つは、タービンのスクロールチャンバを軸方向に
二分割し、一方のスクロールチャンバに通ずる排気ガス
導入通路に開閉弁を設け、この開閉によってスロート面
積を二段階に切り換えることにより可変容量化を図った
ものである。

（ハ）発明が解決しようとする問題点 可変静翼式に比べれば、可動フラップ式のものは一枚の
フラップであり、軸方向二分割スクロール式のものは簡
単な開閉弁なのでコスト上昇は少なくてすむが、可動部
分を駆動するアクチュエータとそれに動作指令するコン
トロールユニットが必要であることに変わりなく、従来
の固定容量式のものに比べれば大幅なコスト上昇は避け
られない。それゆえ、セラミックターボチャージャやツ
インターボの可変容量化は簡略型といえどもコスト上昇
が重量してしまうため現在のところ実現されていない。

自動車用ターボチャージャに現在最も要求される性能と
して急加速時の過給圧の応答性があげられる。そのため
には、上記したようなタービンのスロート面積を変化さ
せる型式の可変容量ターボチャージャにおいては、たと
えばタービンロータが極低速回転しているアイドリング
のようなエンジン運転状態から一気に急加速するような
場合、一時的にスロート面積を極端に絞り、そこから連
続的にスロート面積を大きくしていくようにすれば過給
圧の応答性をより向上させることができる。

しかし、それには可動部分駆動装置に高い応答性と変位
精度が要求され、制御が複雑化し、信頼性の低下をきた
すとともに大幅なコスト上昇につながるため、現在のと
ころ上記したような急激な非定常時に対応して連続制御
されるまでに至っていない。このことから、最も理想的
である可変静翼式のものが加速性が重視される乗用車用
として採用されないのは、せっかく高価な可変静翼式を
採用したとしても上記したような連続制御で対応できな
いのではコスト対性能上引き合わないからと思われる。

もっとも、軸方向二分割スクロール式のものでは、開閉
弁の開度を上記のように連続制御したとしても、全エン
ジン運転域を考慮すれば開閉弁を有しない側のスクロー
ルチャンバのスロート面積を極端に小さく設定するわけ
にはいかないことと、開閉弁を有する側のスクロールチ
ャンバはもう一方のスクロールチャンバ内のガス速度を
調整するためのバイパス通路としてしか作用せず、ここ
を通ったガスは有効に作用しないばかりかもう一方のス
クロールチャンバからのガスとの速度差によってタービ
ンロータ翼間に余計な渦を発生させることなどから利点
がない。従って、この型式のものは開閉弁を全開または
全閉のどちらかの状態に切換制御するのが一般的である
。

本発明は以上のような点にかんがみてなされたものであ
りその目的とするところは、一切の可動部分を用いるこ
とないに、エンジン運転状態に応じて自らタービン容量
が変化し、しかも急加速時にも応答性よく連続的に対応
できる可変容量ターボチャージャを得ることにある。

（二）問題点を解決するための手段 上記の目的を達成するための本発明の構成を、本発明を
ラジアルタービンを有するターボチャージャに適用した
実施例を示す第１図から第３図にもとづいて説明すると
、タービン１のノズル部２がベーンレスノズルであるタ
ーボチャージャにおいて、流路断面形状が円形またはそ
れに近い形状のスクロールチャンバ３をノズル部２に対
して側方に偏在させ、スクロールチャンバ３にエンジン
の排気ガスを導入する排気ガス導入通路４に、スクロー
クチャンバ３内を通る排気ガスにスクロールチャンバ３
のノズル部２への出口付近においてタービンロータ５か
ら遠ざかるような回転方向つまり第１図の矢印Ｂで示す
回転方向の旋回を与える固定式旋回発生手段（実施例で
はヘリカル状通路６）を設ける。

（ホ）作用 上記のように構成されたターボチャージャは、その作動
状態を示す第４図から第６図を用いて作用を説明すると
、第４図、第５図は排気ガスのスクロールチャンバ３内
での旋回軌跡Ｄとノズル部２内での旋回軌跡Ｅとの関係
を示すものであり、エンジン低速回転定常運転状態のと
きは比較的ガス発生量が少ないので、スクロールチャン
バ３入口であるスロート部７前後の膨張比が小さく、第
４図に示すように固定式旋回発生手段（ヘリカル状通路
６）で発生した旋回のスクロールチャンバ３内における
旋回軌跡Ｄ１の旋回ピッチは比較的小さいことから、ス
クロールチャンバ３のノズル部２への出口付近のガスの
絶対速度に対するそれのタービンロータ５から遠ざかる
方向の速度成分の比率が大きく、スクロールチャンバ３
の流路断面積の変化によりノズル部２へ押し出されたガ
スはノズル部２内で半径方向外方に押しつぶされた旋回
軌跡Ｅ１のような流れとなり、周方向のガス速度を増大
し、あたかも可変静翼式のものの可変静翼を絞ったとき
のようなガスの流れの様相を呈する。従って、ガス発生
量の少ないエンジン低速回転時にタービンロータ５をよ
り高速回転させ高い過給圧を得ることができる。

これに対し、エンジン高速回転定常運転状態のときは比
較的ガす発生量が多いので、スロート部７前後の膨張比
は大きくなり、第５図に示すようにスクロールチャンバ
３内のおけるガスの旋回軌跡Ｄ２は旋回ピッチが大きく
なり、スクロールチャンバ３のノズル部２への出口付近
のガスの絶対速度に対するそれのタービンロータ５から
遠ざかる方向の速度成分の比率が小さくなり、ノズル部
２内でガスの流れを半径方向外方に押しつぶす効果は小
さくなりＥ２のような旋回軌跡を示し、あたかも可変静
翼式のものにおいて可変静翼を開いているときのような
ガスの流れの様相を呈する。

従って、ガス発生量の多いエンジン高速回転時に多量の
ガスをタービンロータ５に有効に作用させ効果的な過給
を行う。

以上のようにして有効な過給圧を発生する作動範囲が広
がり可変容量化が達成される。

次に、第６図はガスの流れを表す速度三角形であり、ガ
スの絶対速度がＣ１のとき、タービンロータ５の低速回
転のときの周速をＵ１ａ、高速回転のときの周速をＵ１
ｂとすれば、タービンロ―タ５に相対的なガス速度はそ
れぞれＷ１ａ、Ｗ１ｂのような方向になり、Ｗ１ａ、Ｗ
１ｂに対するタービンロータ５翼間の幾何学的入口面積
はそれぞれ、ａ、ｂとなり、ａはｂに比較して小さいの
でタービンロータ５低速回転時にはガスがタービンロー
タ５により絞られた状態になる。従って、たとえばエン
ジンアイドリング状態のタービンロ　　　　　　ータ５
回転速度最低のときから一気に急加速のようなときには
、一時的にタービンロータ５によって最も絞られた状態
になり、スクロールチャンバ３内でのガスの旋回ピッチ
は定常状態のときよりのさらに小さくなり、スクロール
チャンバ３のノズル部２への出口付近のガスの絶対速度
の対するそれのタービンロータ５から遠ざかる方向の速
度成分の比率はより大きくなり、それがタービンロータ
５の回転速度の上昇にともなって次第に小さくなってく
る。従って、急加速時にはタービン容量がエンジンのガ
ス発生量ばかりでなくタービンロータ５回転速度にも関
連して要求される方向に応答性良く連続的に変化するの
で、タービンロータ５回転の立ち上がり特性を改善し過
給圧の応答性をより一層向上させる。

以上、ラジアルタービンを有するものに関して説明した
が、斜流タービン、軸流タービンを有するものに本発明
を適用した場合においても同様の作用をすることは、ノ
ズル部２をスクロールチャンバ３ごとその方向に傾けて
考えれば容易に理解できよう。

（へ）実施例 本発明を車載用として一般的なラジアルタービンを有す
るターボチャージャに実施した実施例を第１図から第３
図にもとずいて説明すれば次に通りである。図はターボ
チャージャのタービン１側を示すもので、８はタービン
ハウジングであり内部にはタービンロータ５が収容され
ている。タービンハウジング８は遮熱板９を介して軸受
ハウジング１０に固定されている。そして、遮熱板９と
タービンハウジング８内■とがノズル部側壁１１となり
ノズル部２を静翼を有しないベーンレスノズルに形成し
ている。このノズル部２に対して流路断面形状が円形の
スクロールチャンバ３が側方に偏在して設けられている
。タービンロータ５に一体の軸１２にはタービンロータ
５とは反対側に同軸に吸気を圧縮するためのコンプレッ
サ（図示せず）のコンプレッサロータ（図示せず）が固
定され、軸１２は軸受１３を介して軸受ハウジング１０
に回動自在に支承されている。６は排気ガス導入通路４
に形成されたヘリカル状通路であり、これはレシプロエ
ンジンの吸気行程中のシリンダ内混合気の旋回を与える
ためのヘリカル吸気ボートと同様のものである。そして
このヘリカル状通路６は、スクロールチャンバ３内ガス
に第１図において矢印Ｂで示す回転方向の旋回を与える
ような巻き方向にする。このように固定式旋回発生手段
としてヘリカル状通路６を採用すると、固定式旋回発生
手段による圧力損失を少なくすることができるとともに
、タービンハウジング８と一体鋳造により成形でき、部
品点数も従来の固定容量ターボチャージャと同じになる
ので製造コストを固定容量ターボチャ―ジャとほぼ同等
にすることができる。なお、固定式旋回発生手段として
は他に固定案内翼なども考えられる。

図の実施例ではノズル部２の半径方向寸法が従来の固定
容量ターボチャージャに比較して大きく、この部分での
摩擦抵抗が大きくなってしまうことが考えられるが、実
際に製造する場合には、ヘリカル状通路６の旋回発生能
力（いかにちいさいピッチの旋回を発生することができ
るかということ）、可変容量範囲などを考慮してスクロ
ールチャンバ３を軸方向にノズル部２に寄せれば、ノズ
ル部２の半径方向寸法を小さくすることができる。また
、どこまでがラジアルタービンで、どこからが斜流ター
ビンであるかということは判然としないが、ノズル部２
をスクロールチャンバ３ごと傾けて斜流タービンに近づ
けても同じ目的を達成することができる。スクロールチ
ャンバ３の流路断面形状を直径の大きい側において、ガ
スの旋回を阻害しない程度に楕円形などにしてもよい。

すべてのエンジン運転状態においてタービンロータ５に
全周にわたってガスを均等に流入させることは困難とも
思われるが、その場合には前記可動フラップ式可変容量
ターボチャージャと設計思想を同じくして、エンジン低
速回転時に均等に流入するようにスクロールチャンバ３
の流路方向に対する流路断面積の変化のし方を設定し、
エンジン高速回転時の不均一流入には妥協するような設
計にすればよい。

過給圧を制御するための排気バイパス弁を設ける場合に
は、排気ガス導入通路４のヘリカル状通路６より上流か
ら排気バイパス通路を設ければよい。

前記したように軸方向二分割スクロール式可変容量ター
ボチャージャは開閉弁を有しない側のスクロールチャン
バを極端に小さくできないので、その対策として開閉弁
を有しない側のスクロールチャンバ側に本発明を適用す
れば効果的である。

（ト）発明の効果 この発明は以上に説明したように一切の可動部分を用い
ることなしにターボチャージャの可変容量化を図ること
ができるので、従来の可変容量ターボチャージャに比較
して大幅に低コストで高信頼性の可変容量ターボチャー
ジャを現実でき、しかも、このターボチャージャは急加
速時であってもタービン容量がエンジンのガス発生量ば
かりでなくタービンロータ回転速度にも関連して要求さ
れる方向に応答性良く連続的に変化するので、過給圧の
応答性をより一層高めることができる効果がある。もし
これと同じことを可動部分を有する可変容量ターボチャ
ージャで実行しようとすれば、タービンロータ回転速度
を検出して制御バラメータに入れなければならない。

そして、固定式旋回発生手段をヘリカル状通路とすれば
、従来の固定容量ターボチャージャとほぼ同等のコスト
で高性能の可変容量ターボチャージャを製造できる利点
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図は本発明実施例ターボチャージャのタ
ービン側を示すものであり、第１図は第２図のＡ―Ａ断
面図、第２図は横断面図、第３図は側面図、第４図、第
５図はそれぞれエンジン低・高速回転時のガスの旋回軌
跡を表わす図、第６図はガスの流れを表わす速度三角形
を示す図である。 １……タービン、２……ノズル部、３……スクロールチ
ャンバ、４……排気ガス導入通路、５……タービンロー
タ、６……ヘリカル状通路（固定式旋回発生手段）、７
……スロート部、１１……ノズル部側壁、Ｂ……ガス旋
回方向矢印、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　タービンのノズル部がベーンレスノズルであるター
   ボチャージャにおいて、流路断面形状が円形またはそれ
   に近い形状のスクロールチャンバをノズル部に対して側
   方に偏在させ、スクロールチャンバにエンジンの排気ガ
   スを導入する排気ガス導入通路に、スクロールチャンバ
   を内を通る排気ガスにスクロールチャンバのノズル部へ
   の出口付近においてタービンロータから遠ざかるような
   回転方向の旋回を与える固定式旋回発生手段を設けたこ
   とを特徴とするターボチャージャ。 ２　固定式旋回発生手段がヘリカル状通路である特許請
   求の範囲第１項記載のターボチャージャ。