JPH0416607B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、ラジアルインフロー型の可変容量式
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
れるラジアルインフロー型タービンに於ては、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スクロール
からタービンホイールへと排気ガスが流入するノ
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、これらベーン同士間に郭成さ
れる実質的なノズルの開口面積が変化するように
タービンを構成すれば、エンジンと低速域に於て
も過給効果を確保し、かつ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
く保ち得るようにすることができる。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、
そのために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つてもノズルと開口面
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＞ このような従来技術の問題点に鑑み、本発明の
主な目的は、流体の流動抵抗が比較的小さくて済
むと共に高い制御精度が得られ、かつタービンホ
イールへ向かう流体の流速分布を均一化してター
ビン効率を向上し、かつワイドレンジ化を達成す
ることができるように改良されたラジアルインフ
ロー型の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を臨む位
置に郭成された流入ノズルと、そのさらに外周に
郭成されたタービンスクロールとを有するラジア
ルインフロー型の可変容量タービンに於て、前記
流入ノズルの外側のある円周上に、前記タービン
スクロール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連設し、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互いに対向する前記固定ベ
ーンと前記可動ベーンとの端縁同士間に可変ノズ
ルが郭成されるようにしたことを特徴とするラジ
アルインフロー型の可変容量タービンを提供する
ことによつて達成される。特に、これら固定ベー
ン及び可動ベーンを複数組からなるものとし、ま
たタービンホイールの軸線方向に沿う可変ノズル
の寸法を、流入ノズルの寸法よりも大きくすると
良い。

＜作用＞ このようにすれば、比較的流路断面積の広い部
分に可変ノズルが設けられるため、流体の抵抗損
失を低く抑えることができる。また、可変ノズル
がタービンホイールの外周部に環状に設けられて
いることから、ノズル開度が大きい場合でもター
ビンホイールに流入する流体の流速分布を均一化
することができる。しかもノズル構成部材の一方
が固定されているためにノズル剛性を高めること
ができる上、タービンホイールの軸線方向に沿う
可変ノズルの寸法を比較的大きくすることによつ
て可変ノズル部のサイドリーク量を相対的に低減
し得ることから、可変ノズルの開度制御の安定性
向上を達成することができる。

＜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、本発明に基づくラジアル
インフロー型の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つて一体化
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、その外周部に外向穿設されたフランジ
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
通路内を外周部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。円筒部２８ａは、タービンホイール３０の
外周を微小な間〓をおいて囲繞するように出口開
口２２ａから遠ざかる向きに突出しており、その
軸線方向端部と背板２３の内周部側面との間に、
タービンホイール３０の外周部を臨む流入ノズル
としての固定ノズルＮを隔定している。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〓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、これが最も外向きに傾
動した状態であつては、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
宜なリンク機構３５を介して、図示されていない
駆動用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を潤滑部ケーシング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滑油は、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
量が小さい場合には、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を外向きに傾
動することにより、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〓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
て旋回流となつた後に固定ノズルＮを経てタービ
ンホイール３０に至るため、排気流が段階的に加
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
（第２図）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。

一方、可変ノズルが構成される流入路２１ｃの
軸線方向寸法は、固定ノズルＮの軸線方向寸法よ
りも大きくなつている。これによれば、可変ノズ
ル部の流路断面積が相対的に大きくなるために可
動ベーン３４のサイドクリアランスからのリーク
量の全体流量に対する割合が相対的に低減される
こととなる。従つて、低流量域に於けるリークガ
スの影響を小さくして制御精度の向上を企図する
ことができる。

第３〜５図は、それぞれ本発明の変形実施例を
示しており、上記実施例に対応する部分には同一
の符号を付してその詳細な説明を省略する。

これらは、第３図に示すものが６組、第４図に
示すものが３組、そして第５図に示すものが２組
の固定ベーン２９及び可動ベーン３４を備えてお
り、それぞれ前記した４組の固定ベーン２９及び
可動ベーン３４を備える第１の実施例と同様にし
て制御される。

このようにして、可変ノズルの数量を適宜に設
定することにより、タービン容量の変化特性を所
望に応じて設定することが可能である。

特に、第４図に示す３組構成、或いは第５図に
示す２組構成など、ノズル数量が少い場合には、
スクロール通路２１の入口開口２１ａの付近に可
動ベーンを配設するようにすれば、ノズル全開時
の流入抵抗をより少くする上に好ましい。

＜発明の効果＞ このように本発明によれば、比較的流路断面積
が大きい流入路に構成された可変ノズルと、ター
ビンホイールの直外周に設けられた固定ノズルと
によつて段階的に流体が加速されるので、タービ
ンに流入する流体の抵抗損失を小さく抑えること
ができ、しかも可変ノズルの可変領域を極めて大
きくとることができることから、ターボチヤージ
ヤなどの制御性の向上、或いはウエストゲート弁
の廃止などが可能となり、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いて、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。また、比較的大きな熱応力が作用する流体の
上流側に位置するノズルベーンの部分には固定ベ
ーンが設けられるので、制御精度に及ぼす熱変形
の影響が小さくて済む。

【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３〜５図はそれぞれ本
発明の変形実施例を示す第２図と同様な可変ノズ
ルの配置図である。 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、１５……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、２
１ｃ……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、２８
ａ……円筒部、２８ｂ……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、３
４……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
   外周を臨む位置に郭成された流入ノズルと、その
   さらに外周に郭成されたタービンスクロールとを
   有するラジアルインフロー型の可変容量タービン
   に於て、 前記流入ノズルの外側のある円周上に、前記タ
   ービンスクロール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連設し、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互いに対向する前記
   固定ベーンと前記可動ベーンとの端縁同士間に可
   変ノズルが郭成されるようにしたことを特徴とす
   るラジアルインフロー型の可変容量タービン。 ２ 前記固定ベーン及び可動ベーンを少なくとも
   ２組備えることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載のラジアルインフロー型の可変容量ター
   ビン。 ３ 前記タービンホイールの軸線方向に沿う前記
   可変ノズルの寸法が、前記タービンホイールの軸
   線方向に沿う前記流入ノズルの寸法よりも大きく
   されていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項若しくは第２項に記載のラジアルインフロー型
   の可変容量タービン。