JPS6229723A - タ−ボ過給機 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明はタービンとコンプレッサを同一軸上に配置した
ターボ過給機に係り、特に乗用車用エンジンの好適な可
変容量形式のタービンを備えたターボ過給機に関するも
のである。

〔発明の背景〕

従来の排気タービン過給機を第１図について説明すると
、エンジン１のシリンダ２とタービン５との間には排気
管３が接続され、エンジン１からの排気によってタービ
ン５を駆動する。タービン５が固着された軸７の他端に
はコンプレッサ６が固着され、タービン５と同一の回転
数で駆動される。コンプレッサ６で圧縮された空気は吸
気管４に送り込まれるが、この時の過給圧力は第３図の
ｐ　ｃ　／のようになり、エンジンの低、中速回転域で
は十分な過給圧力が得られない難点があった。

そこで、この難点を少しでも改善するためにエンジンの
低速回転数域に適合する比較的小さな流路面積を有する
タービンスクロールを用いるのが一般的である。しかし
、この場合にはエンジンの高速回転時に過給圧力が高く
なりすぎるので、第２図に例示のように、タービン入口
の排気管３に排気バイパス弁１０を設け、このバイパス
弁１０を吸込管４に取付けた過給圧力検出孔８からの圧
力で制御して、吸気管４の過給圧力を第３図のＰＣ〃の
如ぐ改善する。しかし、このような排気ノ（イノくス制
御を行うと、バイパス排気による喪失エネルギーのため
に過給圧力Ｐｃ“に対しタービンの入口圧力がエンジン
高速時にｐｔ“のように高くなジエンジンの燃費が低下
する不具合があった。そこでこの不具合を改善するため
に可変容量形式のタービンを備えたターボ過給機として
、タービンスクロール内部を隔壁で分割して構成したも
の、この分割したスクロールのノズル部にそれぞれ案内
羽根を配置したもの、分割したスクロールの面積を不等
分にして構成したもの、またスクロールを２分割以上に
して構成したものが知られている。

例えば、米国特許第１２７０，４９５号、同第３，５５
７，５４９号、実開昭５５−８８８４８号、同５３−１
１５２０５号がある。

しかし、従来形成のスクロールではエンジンの運転状態
によ）一方のスクロールのみにエンジンの排気を導びい
た場合、隔壁によって分割されたスクロール室のノズル
部のみからタービンの羽根車入口に排気ガスが流入する
ため、羽根車の入口全幅を利用することができず、排気
ガスの流れは羽根車入口で部分流入になり損失の増大を
きたしタービン効率が低下していた。このタービン効率
の低下はエンジン低速時の過給圧力低下をもたらし、タ
ービンの実質的な容量可変範囲を狭めるものである。

〔発明の目的〕

本発明は上記のような可変容量タービンを改良してエン
ジン低速回転域から高速回転域までの広い運転範囲全域
にわたって良好な過給圧力特性が得られるターボ過給機
を提供することを目的とするものである。

〔うも明の概要〕

本発明はタービンのスクロール内部を隔壁によシ二つの
スクロール室に分割し、エンジンの低速回転域の排気ガ
ス流量が少ない場合には排気ガスを一方のスクロール室
にのみ集中的に導びき、エンジンの高速回転域では両方
のスクロール室へ排気ガスを導びくようにした可変容量
形式のタービンであって、排気ガスをタービンの羽根車
へ導びく際、排気ガスの流れが羽根車の入口部で部分流
入とならずに羽根車入口の全幅にわたって均一に流入す
るようにしてタービン効率を同上させ、エンジン低速回
転域において高い給気圧力とそれに伴なう高トルクを得
る。さらにエンジン低速回転域で高い過給圧力を得るに
は上記の如くエンジンの運転状態で便い分けた二つのス
クロール室の容量比を大幅に変えることが必要であシ、
これはタービンのスクロール内部を隔壁によシネ等分割
することにより実現され、エンジン低速回転域で使用す
る一方のスクロールを出来るだけ小さくする必要がある
。しかし、スクロールを小さくしてタービンの容量を小
さくしようとするとスクロール室の流路面積が小さくな
シスクロール室内での流速が高くなるため、スクロール
室内の摩擦損失が増加し第４図に破線で示したη′の如
くタービン効率が低下する。これに対し、スクロール室
の大きさを適当な大きさに固定しておき、スクロール室
出口からタービン羽根車入口部へ至るノズル部分を羽根
付ノズルで構成し、この羽根付ノズルを変化させてター
ビンの容量を変化させた場合は第４図に実線で示したη
の如くタービン容量をかなり小さくしてもタービン効率
の低下が少ない。

上記の結果からさらに好適には前記のエンジン低速回転
域で使用するスクロール室から羽根車へのノズル部を案
内羽根を配列した羽根付ノズルとし、もう一方は羽根な
しノズルとして構成する。

このように構成することによりエンジンの低速回転域に
おいて排気ガス流量が少ない場合には排気ガスを羽根付
ノズルを有するスクロール室に集中的に導く、ここで羽
根付ノズルをエンジンの低速回転域に適合するように配
列することによシ少ない排気ガス流量でも大きなタービ
ン出力を効率良く得ることが出来る。また、エンジンの
高速回転域においては、排気ガスが多い場合にはエンジ
ンの排気ガスをもう一方の羽根なしノズルを有するスク
ロール室へも導き、タービンの容量を大きくしてタービ
ンの効率を落さずにタービン出力が過大とならないよう
、すなわち過給圧力が過大とならないよう過給圧力を制
御する。上記のように広い流量範囲で効率が良好な羽根
なしノズルと、一定流量範囲内で効率が良好な羽根付ノ
ズルの利点を有効に利用してターピ／の容量変化を行う
ことによってエンジンの低速から高速域まで広い運転範
囲にわたって良好な過給性能が得られる技術手段を講じ
たものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を第５図〜第１４図について説明
する。なお、図において、ターボ過給機のコンプレッサ
の部分については本発明の対象部分でないので詳しい説
明は省略する。第５図において、タービン羽根車１１と
図示していないコンプレッサの羽根車は軸１２によって
固定配置される。この軸１２の外周には軸受ケーシング
１３が配置され、タービンスクロール１４に取付けられ
ている。

タービンスクロール１４の内周面は隔壁１５によって二
つのスクロール室１４ａ、１４ｂに分割される。これに
よって、スクロール室出口のノズル部１６ａ、１６ｂも
二つに分割される。スクロール室１４ｂはタービン羽根
車１１０入口のほぼ対向する真上に位置し、このノズル
部１６ａはタービン羽根車１１の入口の全幅にわたって
対向配置される。また、スクロール室１４ａはタービン
羽根車１１の入口のほぼ側面に位置し、そして、このノ
ズル部１６ａもタービン羽根車１１のほぼ側面に対向配
置される。

隔壁１５はタービン人口１７の仕切板１８に連なり、仕
切板１８によってタービン人口１７の流路は開放スクロ
ール１９と閉鎖スクロール２０に形成される。開放スク
ロール１９はタービン入口１７に直接連通している。ま
た、閉鎖スクロール２０は仕切板１８に穿設された穴２
１によって開放スクロール１９に連通している。この穴
２１には制御弁２２が配置され開放スクロール１９と閉
鎖スクロール２０の連通、遮断を行う。

制御弁２２の弁体２２ａは軸２３まわりに回転できるよ
うに構成され、軸２３はアーム２４を介しアクチュエー
タ２５の軸２５ａに接続されている。アクチュエータ２
５は軸２５ａｆニ一方に抑圧するばね部材２６とこのば
ね部材２６に抗するように配置されたベローズ２７から
なシ、ベローズ２７には過給圧力等を導入する孔２５ｂ
が設けられている。制御弁２２下流のタービンスクロー
ル１４には穴２８が穿設されタービン出口に通じるバイ
パス流路２９に連通される。穴２Ｂには排気バイパス弁
３０の弁体３０ａがばね部材３１により押付けられ通常
は閉鎖している。

制御弁２２にはノブ３２が設けられておシ、この制御弁
２２が十分に開口されると、ノブ３２は排気バイパス弁
３０の弁体３０ａを押圧して開口させ、閉鎖スクロール
２０とバイパス流路２９を連通させる。

制御弁２２が穴２１を閉鎖している状態ではタービン人
口１７の排気ガスは開放スクロール１９を経てノズル部
１６ｂへ集中し、エンジン低速回転域の少ない排気ガス
流量でも、全排気ガスを片側のスクロール室１４ｂへ集
中させるためタービンの容量は小さくなシノズル部１６
ｂの流速を増加させることができるためタービン出力を
大きく出来、エンジン低速回転域の過給圧力を第３図の
Ｐｃ’からｐ　ｃ　／／と大幅に上昇させることができ
る。

第６図、第７図はスクロール部の拡大図を示すものであ
る。ノズル部１６ｂはタービン羽根車１１の入口の幅全
体に対向するように構成されておシ、このノズル部１６
ｂに集中した排気の流動の様相は第５図中矢印Ｘのよう
になシ、タービン羽根車１１に向かってスムーズに流入
する。

過給圧力をベローズ２７の圧力導入孔２５ｂに導入して
おけば、過給圧力が増加して所定値よりも高くなると、
ベローズ２７内の圧力に基づく力はばね部材２６の力よ
り大きくなり、アクチエータ２５の軸２５ａを押圧し、
制御弁２２は穴２１を開口し、排気ガスはノズル部１６
ａ、１６ｂの両方からタービン羽根車１１に流入し、タ
ービンスクロールの容量が大きくなり過給圧力が過大に
なるのを防止することができる。この状態におけるター
ビン羽根車１１の入口部での排気ガスの流動は第７図の
矢印Ｙになる。流動は若干片寄シ流れとなるが全幅流入
であり、損失は少なく、また、この状態における過給圧
力はすでに十分高くなっているので、多少の効率の低下
は問題とならない。

この時のタービン入口圧力は第３図のＰｔ／″のよう（
（なシ過給圧力ｐｃ“と同程度であり、従来の排気バイ
パス弁だけで過給圧力をＰｃ“のように制御した場合の
タービン入口圧力ｐｔ“に比較して大幅に低い値となり
、エンジン性能を向上させることができる。また、この
実施例のように隔壁１５を傾けてエンジン低速回転域で
使用するスクロール室１４ｂの流路面積の重心Ｒ，ｂを
もう一方のスクロール室１４ａの流路面積の重心Ｒａよ
シできるだけ大きくなるように配置すれば、タービン容
量の指標である面積半径比Ａ／Ｒをスクロール室１４ｂ
について小さくすることが出来、可変容量タービンの可
変範囲を拡大できる利点もある。

なお、面積半径比Ａ／Ｒはスクロールの代表流路面積Ａ
と、回転軸中心からこのスクロール代表流路面積の重心
位置までの距離几との比であり、タービンの容量はこの
Ａ／Ｒの値で表示することができる。

さらに、制御弁２２が開口した状態からエンジンがさら
に高速、高負荷になった場合には制御弁２２に取付けた
ノブ３２は排気バイパス弁３０の弁体３０ａに当接して
開口させ、排気ガスの一部をバイパス流路２９に放出す
る。この排気ガスのバイパス流路２９への放出によって
過給圧力の上昇を抑えることができる。

第８図、　第（１図において、タービンスクロール１４
は隔壁１５によシ二つのスクロール室１４ａ。

１４ｂに分割し、タービン羽根車１１の入口にほぼ対向
するスクロール１４ｂのノズル部には羽根付ノズルを配
置し、もう一方のスクロール室１４ａのノズル部は羽根
なしノズル１６ａとしたことを特徴としている。またバ
イパス弁３０の弁体３０ａは軸３３まわシに回転できる
ように構成され、軸３３はアーム３４を介しアクチュエ
ータ３５の軸３５ａに接続されている。アクチュエータ
３５は軸３５ａ’ｉ一方に押圧するばね部材３６とこの
ばね部材３６に抗するように配置されたベローズ３７か
らなり、ベローズ３７には過給圧力等を導入する孔３５
ｂが設けられている。第９図は第８図のＡ−Ａ断面図で
あシ羽根付ノズル１６Ｃは少ない流量でもタービン羽根
車１１の入口部に適合し、十分高速な流れを与えるよう
羽根付ノズルの形状を定める。このためには羽根付ノズ
ルの出口羽根角朋を円周方向に対して１５度以下とする
のが望ましい。上述のような構成によシ本実施例ではさ
らにエンジン低速回転域から高い過給圧力を得ることが
出来て、自動車の走向性を一層改善することが出来る。

また本実施例では制御弁２２のアクチュエータ２５と排
気バイパス弁３０のアクチュエータ３５を別々に設えて
いるので二つの弁の複丸な制御が可能であシ、例えば排
気バイパス弁３０のアクチュエータ３５の圧力導入孔３
５ｂには過給圧力を導いておき、エンジンの運転状況に
応じて制御弁２２のアクチュエータ２５の圧力導入孔２
５ｂに大気圧又は高圧を切換えて与えて制御弁２２の開
閉をオン・オフ動作させても排気バイパス弁による制御
で過給圧力は第３図のＰＣＩのようにすることができる
。また両方の圧力導入孔２５ｂ、３５ｂに過給圧力を導
入し各々のばね部材２６．３６を調整することで制御弁
２２が完全に開いてから排気バイパス弁３０を開くこと
もできる。なお、これらのアクチュエータを電磁的なア
クチュエータにおきかえることも当然可能である。

第１０図、第１１図は本発明の他の実施例を示すもので
、スクロール部の要部拡大断面図である。

第１０図はスクロール部を第５図〜第７図の実施例の場
合と反対に傾けてさらに羽根付ノズル１６ｃを付けて構
成したものであシ、このように構成しても前述の実施例
と同等の作用、効果を奏するものである。

第１１図はスクロール部を傾けない構成、すなわち隔壁
１５を軸１２に対し垂直に構成した場合であシ、この場
合にも前述の実施例と同等の作用。

効果を奏する。

なお、羽根付ノズル１６Ｃは第８図の如くスクロール１
４とは別体にして組み立てて構成しても良いが、精密鋳
造法などでスクロール１４と一体構造で構成しても良い
。

第８図〜第１１図で示した羽根付ノズル１６Ｃに代えて
第１２図、第１３図に示すようにノズル部１６の両側の
壁面に案内羽根１６Ｃ’、１６Ｃ“を設けても同等の効
果を奏することができる。また、第１４図に示すように
案内羽根１６Ｃを壁面の一方側から延すようにしてもよ
い。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によればタービンスクロー
ルの内部を隔壁によって二つのスクロール室に分割し、
エンジンの運転状態に応じてスクロール室を流れる排気
ガスを制御し、特に、エンジン低速回転域で一方のスク
ロール室のみを使用し、スクロールのノズル部からター
ビン羽根車の入口に向かう排気ガスが部分流入となら力
いように構成したので、エンジン低速から高い過給圧力
、すなわち高トルクが得られ、エンジンの低速トルク特
性、急加速時の応答性を改善し、またエンジン低速域で
使用するノズル部を羽根付ノズルとすることによりさら
にタービン効率の低下が少なく容ｔをさらに小さくでき
るので、エンジンの広い運転範囲で良好な走向性能と燃
費の改善がはかれる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は従来のターボ過給機の系統図、第３図
はエンジン回転数とタービン入口圧力、過給圧力を示す
線図、第４図はタービンの容量とタービン効率を示す線
図、第５図は本発明の一実施例を示す要部断面図、第６
図、第７図は第５図のタービンスクロールの拡大断面図
、第８図は本発明の他の実施例を示すターボ過給機の要
部断面図、第９図は第８図のＡ−Ａ断面図、第１θ図、
第１１図、第１２図、第１４図はこの発明のさらに他の
実施例を示すターボ過給機の断面図、第１３図は第１２
図のＢ−Ｂ断面図である。 １１・・・タービン羽根車、１４・・・タービンスフロ
ー　　　　臂ル、１４ａ、１４ｂ・・・スクロール室、
１５・・・隔壁、１５ａ、１６ｂ・・・ノズル部、１６
Ｃ・・・羽根付ノズル、２２・・・制御弁、３０・・・
排気バイパス弁、２５゜３５・・・アクチュエータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、タービンとコンプレッサを同一軸上に固定配置した
   ターボ過給機において、前記タービンのスクロール内部
   を隔壁によって二つのスクロール室に分割し、前記隔壁
   で分割されるスクロール室の一方は前記タービンの羽根
   車入口幅にほぼ対向して羽根付ノズル部を形成し、前記
   スクロール室のもう一方は前記タービンの羽根車入口部
   のほぼ側面に開口するノズル部を形成し、エンジンの運
   転状態に応じて前記側面のノズル部に通じるスクロール
   室の流量を制御する手段を具えてなることを特徴とする
   ターボ過給機。