JPH0416608B2 - - 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
として好適なタービンの可変ノズル構造に関す
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
周部を臨む喉部に環状に配設し、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、エンジンの低速域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、これらが
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＞ このような従来技術の問題点を解決するために
は、タービンホイールの外周部を臨む位置に設け
られた開口面積が固定された流入ノズル部の外側
に可変ノズルを環状に配設すると良いが、可変ノ
ズルを郭成する可動ベーンの、特に可変ノズル最
小開度時の間隙がタービンの効率に大きな影響を
及ぼし、その制御が問題となり得る。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、可変ノズル最小開度時に可動ベ
ーンの特に側方の間隙を極小化し、タービンの効
率を高め得るような可変容量タービンのための可
変ノズル構造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郭成され
たタービンスクロールと、前記タービンホイール
の外周側のタービンホイールと同心的な円周上に
環状に配設された複数の固定ベーン及び可動ベー
ンからなる可変ノズルとを有するタービンの可変
ノズル構造であつて、前記タービンスクロールの
大部分を形成するタービンケーシング部材とは別
体にてタービンホイールへのガス流入路を郭成す
るべく、略真円形状をなすバツクプレートとトツ
ププレートとをその外周付近で締結手段をもつて
互いに一体的に締結したうえで前記タービンケー
シング内に軸線方向に実質的に平行に設け、かつ
これらバツクプレートとトツププレートとの間に
前記可動ベーンを傾動自在に軸支すると共に、前
記可動ベーンの各側端縁部と補完的形状を有する
肩部を前記バツクプレート及びトツププレートに
形成し、前記各肩部に当接することによつて前記
可変ノズルの最小開度位置が定められるようにし
各側端縁部が前記てなることを特徴とするタービ
ンの可変ノズル構造を提供することによつて達成
される。

＜作用＞ このように、可動ベーンの側端部が、補完的形
状を有する肩部と当接することにより可変ノズル
の最小開度が規定され、可動ベーンの特に側方の
間隙を極小化し得るため、可変ノズルの最小開度
時の流体のリークを防止し、タービンの効率を高
めることができる。また、複数の可動ベーンの側
端縁が当接する肩部がそれぞれに形成されている
バツクプレートとトツププレートとが略真円形状
をなしているため、各プレートにおける径方向の
熱変形量が均一化される。しかも両プレートが可
動ベーンの支持部の近傍で互いに一体的に締結さ
れるため、両肩部間の変位差が最小限に抑えられ
る。これにより、複数の可変ノズル間の連動精度
および最小開度の安定性が共に高められる。

＜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をもつてバツクプレートをなす背板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トツププレートをなす
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２
９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
れぞれが同一曲率の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
に回転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３４は、固定ベーン２９と同等の曲率の
弧状をなし、かつ概ね主軸８を中心とする同一の
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略真円形状をなす背板２３
と円板部２８ｂとの間に枢支されると共に、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２１
ｂ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３
４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。

特に、可動ベーン３４の開度が最も小さいと
き、即ち可動ベーン３４と固定ベーン２９との間
の空隙がｇminとなつたときに可動ベーン３４の
軸線方向端面からの排気ガスのリークが問題とな
る。本実施例の場合、最小開度時の可動ベーンを
受容する部分の軸線方向寸法は、固定ベーン部材
２７を背板２３に対して固定ベーン２９部分によ
り剛固に結合させていることから極めて高精度と
することができ、可動ベーン３４の軸線方向端面
からの排気ガスのリーク比較的小さく保つことが
できる。しかも、第３図及び第４図に良く示され
ているように、可動ベーン３４の最小開度位置を
規定するために、その両軸線方向端部が背板２３
及び固定ベーン部材２７の円板部２８ｂの対向面
に、それぞれ可動ベーン３４の両軸線方向端部に
対して補完的な形状をなす肩部５０，５１が設け
られており、可動ベーン３４の両軸線方向端部か
らの排気ガスのリークが最小化され、タービンの
効率を好適に高めることができる。

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内にて旋回流と
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
（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。

＜発明の効果＞ このように本発明によれば、タービンに流入す
る流体の抵抗損失を小さく抑えると共に可変ノズ
ルの可変領域を極めて大きくとることができ、し
かも特に可変ノズル最小開度時の可動ベーンの側
方の間隙を極小化し、タービンの効率を高めるこ
とができるため、その効果は大きい。しかも上記
構成によれば、背板並びに円板部が略真円形状を
なしており、複数の可動ベーンに対応する各肩部
は主軸を中心とする同一円周上に設けられている
ので、複数の可動ベーン部における径方向の熱変
形量が均等になり、各可動ベーン間の連動誤差を
極めて小さく抑えることができる。また、背板と
円板部との間が可動ベーンの枢支部に比較的近い
位置で互いに一体的に締結されることから、熱膨
脹による両肩部の変位差を極めて小さく抑えるこ
とができる。従つて、可変ノズルの最挾状態での
余計な〓間が熱変形によつて生ずることがなく、
熱応力による特性の劣化を好適に抑制することが
可能となる。

【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図は第２図の一部を
詳細に示す拡大図である。第４図は第３図の−
線について見た断面図である。 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、５０，
５１……肩部。

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
   外周に郭成されたタービンスクロールと、前記タ
   ービンホイールの外周側のタービンホイールと同
   心的な円周上に環状に配設された複数の固定ベー
   ン及び可動ベーンからなる可変ノズルとを有する
   タービンの可変ノズル構造であつて、 前記タービンスクロールの大部分を形成するタ
   ービンケーシング部材とは別体にてタービンホイ
   ールへのガス流入路を郭成するべく、略真円形状
   をなすバツクプレートとトツププレートとをその
   外周付近で締結手段をもつて互いに一体的に締結
   したうえで前記タービンケーシング内に軸線方向
   に実質的に平行に設け、 かつこれらバツクプレートとトツププレートと
   の間に前記可動ベーンを傾動自在に軸支すると共
   に前記可動ベーンの各側端縁部と補完的形状を有
   する肩部を前記バツクプレート及びトツププレー
   トに形成し、 前記各側端縁部が前記各肩部に当接することに
   よつて前記可変ノズルの最小開度位置が定められ
   るようにしてなることを特徴とするタービンの可
   変ノズル構造。