JPH0350088B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は可変容量式のラジアルタービンに関
し、特にターボチヤージヤに於ける排気タービン
として好適な可変容量タービンに関する。

＜従来の技術＞ ターボチヤージヤの排気タービンとして用いら
れるラジアルタービンに於ては、エンジンの回転
速度が低い領域に於ても過給効果を確保すること
が望まれる場合があり、そのためには、タービン
ホイールの上流側の通路を狭窄することにより、
流体の流入速度を増大させると良い。しかしなが
ら、このように通路を狭窄した場合には、タービ
ンの入口圧、即ちエンジンの排気ガスに対する背
圧が高まり、エンジンの効率を低下させる不都合
が発生する。

そこで特公昭38−7653号公報に記載されている
ように、複数の可動ベーンをタービンホイール外
周部を臨むノズル部に環状に配設し、これら可動
ベーンを傾動させることにより、これらベーン間
に郭成されるノズルの開口面積を変化させるもの
とすれば、エンジンの低速減に於ても過給効果を
確保し、エンジンの中高速域にあつてはエンジン
の排気ガスに対する背圧を小さく保つことができ
る。しかしながら、上記した構成によると、これ
らベーンが、流体速度の比較的高い領域に配設さ
れることから、流体の抵抗損失が比較的大きくな
りがちであり、そのためタービンの効率が低下す
るという問題がある。また、互いに隣接する可動
ベーン間にノズルが郭成されるものであることか
ら、特にノズルの開口面積が小さい領域にあつて
は、ベーンの傾動角度の僅かな狂いによりノズル
の開口面積が大きく変化しがちであり、その制御
精度に難点がある。特に、このようなタービンを
ターボチヤージヤに於ける排気タービンとして利
用する場合には、これらのベーンが高温の排気ガ
ス流に曝露されるため、これら可動ベーンを信頼
性高く調節することが困難である。

特開昭53−136113号公報等に開示されているよ
うに、タービンケーシングのスクロール通路の壁
体の一部をなすフラツプを傾動し得るようにし
て、スクロール通路の断面積を可変にする構造も
公知となつている。この形式の可変ノズル構造に
よれば、構造が簡単であつて比較的抵抗損失を発
生することなく流体のタービンホイールへの流入
速度を調節することができるが、必ずしも可変領
域が十分に広いとは言えず、また、特にフラツプ
開度が大きい場合にタービンホイールに向かう流
体の流れが乱され、その流速分布が不均一とな
り、そのためにタービンの効率が低下するという
問題がある。

＜発明が解決しようとする問題点＞ このような問題点を解消すべく、本発明者は、
タービンホイールの外側の或る円周上に、スクロ
ール通路内を流入路と外周路とに分割するように
してそれぞれが部分円弧状をなす固定ベーンと可
動ベーンとを環状に配設すると共に、その一端を
支点として前記円周よりも内向きに傾動し得るよ
うに可動ベーンを構成することにより、この可動
ベーンの他端側の端縁部と、これに対向する固定
ベーンの端縁部との間に、その開口面積が可変と
なるノズルを郭成するように構成された可変容量
型タービンを案出した。

一方、タービンホイールを駆動するガス流を施
回流にすると共に、十分にガス流速を増大させる
べく、ガス流をタービンホイールへと導くスクロ
ール通路の断面積は下流に行くに従つて漸減する
ようにされているが、この減少率は略一定とさ
れ、比例的に減少させることが一般的である。

ところで、前記したような可動ベーンと固定ベ
ーンとの組合せによるベーンノズルをスクロール
の内部に設けた場合、外周路に於ける固定ベーン
に沿うの領域ではタービンホイールに対するガス
の流入がないことから、同部分を通過する際には
ガスの流速が増大し、可動ベーンに沿う領域に於
ては、タービンホイールに対して流入路を介して
ガスが流入するのでガスの流速が減少し、従つて
スクロール通路を周回する間にベーンの枚数に応
じて圧縮−膨脹をガス流が繰返すこととなり、エ
ネルギ損失を生ずることが考えられる。

このような従来技術の問題点及び発明者の知見
に鑑み、本発明の主な目的は、スクロール通路内
を通過するガス流のエネルギ損失を可及的に抑制
し得る可変容量タービンを提供することにある。

＜問題点を解決するための手段＞ このような目的は、本発明によれば、タービン
ホイールと、該タービンホイールの外周に下流に
行くに従いその通路断面積を漸減するようにして
郭成されたスクロール通路と、前記タービンホイ
ールの外周部の外側の或る円周上に配置され、部
分円弧状の可動ベーンと共に可変ノズルを形成す
る部分円弧状の固定ベーンとを有し、前記円周に
沿つてスクロール通路内を流入路と外周路とに分
割してなる可変容量タービンであつて、前記可変
ノズルが、その一端を支点として前記円周よりも
内向きに前記可動ベーンを傾動させることによつ
て前記可動ベーンの他端側の端縁部と前記固定ベ
ーンの対向端縁部との間の開口面積を変化させる
ものであると共に、前記外周路に於ける通路断面
積の周方向変化率が、前記可動ベーンに沿う領域
に比して前記固定ベーンに沿う領域の方がより小
さくされていることを特徴とする可変容量タービ
ンを提供することにより達成される。

＜作用＞ このように、例えば固定ベーン部分のスクロー
ル通路断面積の周方向変化率を零とすれば、同領
域に於ける流速変化が零となり、流入路へガスの
流入が起こるために外周路内圧が低下傾向となる
可動ベーンに沿う領域は、外周路断面積の減少率
をより大きくする、即ち下流へ行くに従つて通路
を絞る（通路の容積を相対的に小さくする）こと
によつて圧力の急激な低下が抑えられる。その結
果、外周路に於ける可動ベーンに沿う領域と固定
ベーンに沿う領域との間の圧力変動を緩和するこ
とが可能となる。従つて、ガス流速を円滑に加速
し得ることから、タービン効率の低下を防止する
ことができる。

＜実施例＞ 以下、本発明の好適実施例を添付の図面につい
て詳しく説明する。

第１図及び第２図は本発明に基づく可変容量タ
ービンが適用されたエンジン用ターボチヤージヤ
を示している。このターボチヤージヤは、コンプ
レツサ部分のスクロールを形成するコンプレツサ
ケーシング１と、該コンプレツサケーシングの背
面を閉塞する背板２とからなるケーシングと、タ
ーボチヤージヤの主軸を軸支すると共にその軸受
を潤滑する構造を内蔵する潤滑部ケーシング３
と、タービン部分のスクロールを形成するタービ
ンケーシング４とを有している。

コンプレツサケーシング１の内部には、スクロ
ール通路５及び軸線方向通路６が郭成されてお
り、このスクロール通路５の中心部であつてしか
も軸線方向通路６の内端側に隣接する領域にコン
プレツサホイール７が設けられている。このコン
プレツサホイール７は、潤滑部ケーシング３の中
心部に回転自在に枢支されたターボチヤージヤの
主軸８の一端部に後記する要領にて取着されてい
る。コンプレツサ側にあつては、スクロール通路
５は吸気出口通路をなし、軸線方向通路６は吸気
入口をなしている。

コンプレツサケーシング１と背板２とは、リン
グ部材９を介してボルト１０をコンプレツサケー
シング１の外周部に螺着することにより一体化さ
れており、背板２の中央部に潤滑部ケーシング３
が接続されている。

潤滑部ケーシング３の内部に形成された軸受孔
１１，１２には、ラジアル軸受メタル１３によ
り、前記したように主軸８が枢支されている。ま
た、背板２と潤滑部ケーシング３の端面との間に
は、スラスト軸受メタル１４が挾設されている
が、主軸８の段付部にカラー１５、スラスト軸受
メタル１４、ブツシング１６、コンプレツサホイ
ール７をこの順に嵌装し、主軸８のコンプレツサ
側端部に切設されたねじ部１７にナツト１８を螺
着することにより、主軸８のスラスト方向支持及
びコンプレツサホイール７の装着が行なわれる。
尚、カラー１５はスラスト軸受メタル１４の挾持
圧力を設定するためのスペーサとして機能する。

ナツト１８を締結する際に、ねじ部１７の遊端
部に設けられた六角断面部１９を別の工具により
把持することにより、主軸８の共回りを防止し得
ると共に、主軸８の中間部に過大な捩り力を加え
る不都合が回避される。

タービンケーシング４は、その内部に、スクロ
ール通路２１と、接線方向に向けて開口するその
入口開口２１ａと、軸線方向に延在する出口通路
２２と、その開口２２ａとを郭成している。

タービンケーシング４と潤滑部ケーシング３と
の間には、その外周部に外向突設されたフランジ
２３ａをもつて背板２３が挾設されている。ター
ビンケーシング４と潤滑部ケーシング３との間の
結合は、タービンケーシング４の側に螺合された
スタツドボルト２４に、リング部材２５を介して
ナツト２６を締結することにより、タービンケー
シング４の外周部とリング部材２５との間に、潤
滑部ケーシング３の外周部と背板２３の外向フラ
ンジ２３ａとを挾持することにより行なわれる。

スクロール通路２１の中心部には、スクロール
通路内を外周路２１ｂと流入路２１ｃとに区画す
る固定ベーン部材２７が配設されている。この固
定ベーン部材２７は、中心部に形成された円筒部
２８ａと、該円筒部２８ａの軸線方向中間部から
半径方向外向に形成された円板部２８ｂと、該円
板部の外周部から潤滑部ケーシング３に向けて軸
線方向に沿つて突設された固定ベーン２９とから
なつており、円筒部２８ａの内側に主軸８の他端
側に形成されたタービンホイール３０を受容して
いる。そして円筒部２８ａが、金属製のシールリ
ング３１を介して出口通路２２の内端部に嵌入し
ており、更に固定ベーン２９の軸線方向端部が、
ボルト３２により背板２３に結合されている。

第２図に併せて示されるように、固定ベーン部
材２７の外周部には、タービンホイール３０を同
心的に外囲するように、４つの固定ベーン２９が
形成されている。これらの固定ベーン２９は、そ
れぞれが部分弧状をなすと共に、円周方向に沿つ
て等幅かつ等間隔に設けられている。これら固定
ベーン２９同士間の空隙は、背板２３に回動自在
に枢着されたピン３３の遊端に固着された可動ベ
ーン３４により開閉される。これら可動ベーン３
４は、固定ベーン２９と同等の曲率の弧状をな
し、かつ概ね同一の円周上に位置している。ま
た、これら可動ベーン３４は、対応する固定ベー
ン２９の円周方向端縁部に近接する位置にて枢支
されると共に、前記円周の内側に向けてのみ傾動
し得るようにされており、全閉状態にあつては、
両ベーン２９，３４が連続した翼形をなすように
形成されている。従つて、これら固定ベーン２９
及び、対応する可動ベーン３４は、スクロール通
路２１の外周路２１ｂを流れる流体に対する４つ
のベーンの前縁部分及び後縁部分をそれぞれ形成
している。尚、これら可動ベーン３４を支持する
ピン３３は、それぞれ適度なリンク機構３５を介
して、図示されない適宜な構造を有するアクチユ
エータに連結されており、別途制御信号により、
これら可動ベーン３４の傾斜角度が調節される。

また、タービン側の背板２３と潤滑部ケーシン
グ３との間には、タービンホイール３０の背部に
延在するシールド板３６が挾設されており、排気
タービン部を流れる排気ガスの熱が、潤滑部ケー
シング３の内部に伝達されることを防止してい
る。また、タービン側の排気ガスが潤滑部ケーシ
ング３の内部に向けて漏洩することを回避するた
めに、主軸８の潤滑部ケーシング３の中心孔３７
を貫通する部分に、ラビリンス溝として機能する
環状溝３８が凹設されている。

次に、このターボチヤージヤの潤滑系統につい
て説明する。

潤滑部ケーシング３の第１図に於ける上端部に
は、潤滑油導入孔４０が穿設されており、図示さ
れていない潤滑油ポンプから供給された潤滑油
を、潤滑部ケーシング３の内部に穿設された潤滑
油通路４１を経てラジアル軸受メタル１３、及び
スラスト軸受メタル１４に供給している。各潤滑
部から排出された潤括油は、潤滑部ケーシング３
内に郭定された潤滑油排出口４２から排出され、
図示されていないオイルサンプに回収される。

特にスラスト軸受メタル１４に供給された潤滑
油が、ブツシング１６の外周面に付着してコンプ
レツサ側に流れ込むことを回避するために、ブツ
シング１６の外周面がシールリング４３を介して
背板２の中心孔４４を貫通しており、また、背板
２とスラスト軸受メタル１４との間には、その中
心部に設けられた孔にブツシング１６を挿通した
上でガイド板４５が挾設されている。また、この
ガイド板４５の下端部は、湾曲した形状に形成さ
れている。

従つて、スラスト軸受メタル１４から流れ出し
た潤滑油は、ブツシング１６の外周面から遠心力
により投げ飛ばされ、ガイド板４５により受止め
られ、オイルサンプに戻されることとなる。

次に本実施例の作動の要領について説明する。

エンジンの回転速度が低く比較的排気ガスの流
量か小さい場合には、第２図に於て実線により示
されているように、可動ベーン３４を閉じること
により、固定ベーン２９の前縁部と、可動ベーン
３４の後縁部とのラツプ部分に郭成されるノズル
の間隙を最も小さいgminとなるようにする。そ
のため排気ガスは、このノズルにより最大限に絞
られ加速され、固定ベーン部材２７とタービンホ
イール３１との間の流入路２１ｃ内にて施回流と
なつた後にタービンホイール３０に至るため、排
気流が加速されてタービンホイール３１を駆動す
ることとなり、エンジンの低速域に於ても過給効
果を確保することができる。

エンジンの回転速度が増大し、過給効果が十分
となつた場合には、想像線により示されるように
可動ベーン３４を内向きに傾動させ、固定ベーン
２９と可動ベーン３４との間に郭定されるノズル
の大きさを増大させる。その結果、排気流が増速
されることなく、また比較的流路抵抗無くタービ
ンホイール３０に至り、エンジンに対する排気背
圧を小さくすることができる。

上記実施例に示したような固定ベーン２９と可
動ベーン３４とからなる可変ノズルをスクロール
通路２１内に設けたタービンの場合、第４図に示
す固定ベーン２９に沿う領域A1〜A4に於ては、
ガスがタービンホイール３０に向けて流入せず、
可動ベーン３４に沿う領域B1〜B4に於ては、ガ
スが流入路２１ｃを経てタービンホイール３０に
向けて流入することから外周路２１ｂ内に於て流
速が断続的に変動することが考えられる。そこで
本発明に於ては、第４図に実線で示すように、特
に外周路２１ｂの断面積の変化率を変えることに
より、固定ベーン２９に沿う領域A1〜A4と可動
ベーン３４に沿う領域B1〜B4とでスクロール通
路断面積が互いに異なる変化率をもつて減少する
ようにされている。

一般タービンのスクロール通路断面積は第４図
に破線で示すように、本実施例のスクロール通路
の角度領域に対応させた場合、略一定の減少率を
もつて直線的に減少させれば良い。本実施例に於
ては、固定ベーンの領域A1〜A4の断面積の周方
向変化率を略零か、或いは極めて小さな値に定
め、可動ベーンの領域B1〜B4に於ては、適切な
目標値へ向けて直線的に減少させるようにしてい
る。この通路断面積が変化する様子は、第１図に
破線並びに２点鎖線にて概念的に示されている。
このようにすることにより、タービンホイール３
０へのガス流入が起こらない固定ベーン２９に沿
う領域A1〜A4については、外周路２１ｂの断面
積を一定とすることにより、同領域におけるガス
の流速変化が小さく抑えられ、流入路２１ｃへの
流入開口が実質的な通路断面積として加算される
ために外周路２１ｂ内圧が低下傾向となる可動ベ
ーン３４に沿う領域B1〜B4については、外周路
２１ｂが徐々に絞られているので同領域に於ける
圧力の急激な低下が抑えられる。その結果、外周
路２１ｂに於ける固定ベーン２９に沿う領域と可
動ベーン３４に沿う領域との間に急激なステツプ
的圧力変動が生ずることを緩和することができ
る。従つて、外周路２１ｂ部分を流れるガス流の
加速が極めて円滑に行なわれる。

＜発明の効果＞ このように本発明によれば、可変タービンノズ
ルを固定ベーンと可動ベーンとにより構成したに
も拘らず、スクロール通路内のガス流に有害な断
続的変化が生じることを抑制し得ることから、タ
ービン効率の改善、特にターボチヤージヤへの応
用に於て、エンジンの性能向上に多大の効果を奏
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づく可変容量タービンが適
用されたターボチヤージヤの縦断面図である。第
２図は第１図の−線からタービンケーシング
側を見た矢視図である。第３図はスクロール通路
内の領域区分を示す説明図である。第４図はスク
ロール通路の断面積変化を示すグラフである。 １…コンプレツサケーシング、２…背板、３…
潤滑部ケーシング、４…タービンケーシング、５
…スクロール通路、６…軸線方向通路、７…コン
プレツサホイール、８…主軸、９…リング部材、
１０…ボルト、１１，１２…軸受孔、１３…ラジ
アル軸受メタル、１４…スラスト軸受メタル、１
５…カラー、１６…ブツシング、１７…ねじ部、
１８…ナツト、１９…六角断面部、２１…スクロ
ール通路、２１ａ…入口開口、２１ｂ…外周路、
２１ｃ…流入路、２２…出口通路、２２ａ…出口
開口、２３…背板、２３ａ…フランジ、２４…ス
タツドボルト、２５…リング部材、２６…ナツ
ト、２７…固定ベーン部材、２８ａ…円筒部、２
８ｂ…円板部、２９…固定ベーン、３０…タービ
ンホイール、３１…シールリング、３２…ボル
ト、３３…ピン、３４…可動ベーン、３５…リン
ク機構、３６…シールド板、３７…中心孔、３８
…環状溝、４０…潤滑油導入孔、４１…潤滑油通
路、４２…潤滑油排出孔、４３…シールリング、
４４…中心孔、４５…ガイド板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ タービンホイールと、該タービンホイールの
   外周に下流に行くに従いその通路断面積を漸減す
   るようにして郭成されたスクロール通路と、前記
   タービンホイールの外周部の外側の或る円周上に
   配置され、部分円弧状の可動ベーンと共に可変ノ
   ズルを形成する部分円弧状の固定ベーンとを有
   し、前記円周に沿つてスクロール通路内を流入路
   と外周路とに分割してなる可変容量タービンであ
   つて、 前記可変ノズルが、その一端を支点として前記
   円周よりも内向きに前記可動ベーンを傾動させる
   ことによつて前記可動ベーンの他端側の端縁部と
   前記固定ベーンの対向端縁部との間の開口面積を
   変化させるものであると共に、 前記外周路に於ける通路断面積の周方向変化率
   が、前記可動ベーンに沿う領域に比して前記固定
   ベーンに沿う領域の方がより小さくされているこ
   とを特徴とする可変容量タービン。 ２ 前記固定ベーンに沿う領域の前記外周路断面
   積の周方向変化率が略零であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の可変容量タービ
   ン。