WO2010052911A1 - ターボチャージャ - Google Patents

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WO2010052911A1
WO2010052911A1 PCT/JP2009/005888 JP2009005888W WO2010052911A1 WO 2010052911 A1 WO2010052911 A1 WO 2010052911A1 JP 2009005888 W JP2009005888 W JP 2009005888W WO 2010052911 A1 WO2010052911 A1 WO 2010052911A1
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nozzle vane
turbine impeller
turbine
exhaust
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長尾健一
森田功
海野聖子
小野博基
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IHI Corp
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IHI Corp
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a turbocharger.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2008-284140 for which it applied to Japan on November 5, 2008, and uses the content here.
  • a bearing housing that rotatably supports a turbine impeller, a turbine housing in which a scroll passage that supplies exhaust gas to the turbine impeller is formed, and a flow rate of exhaust gas that is supplied from the scroll passage to the turbine impeller side.
  • a variable capacity turbocharger that includes an exhaust nozzle that can change the flow angle (see, for example, Patent Document 1).
  • the exhaust nozzle of the variable capacity turbocharger of Patent Document 1 has movable nozzle blades (nozzle vanes) on a pair of parallel walls (exhaust introduction walls) between a spiral chamber (scroll channel) and an impeller (turbine impeller). ). Then, both end portions of the nozzle vane facing the exhaust introduction wall are formed thicker than the central portion, and the end surfaces of both end portions are formed in parallel to the exhaust introduction wall. Thereby, the dimension of the thickness direction of the both end surfaces of the nozzle vane facing the exhaust introduction wall can be increased, a sufficient seal length can be obtained, and the gap flow can also be suppressed. By preventing the gap flow, a decrease in turbine efficiency can be suppressed.
  • the turbocharger disclosed in Patent Document 1 has a problem that the position of the nozzle vane in the axial direction of the turbine impeller relative to the pair of exhaust introduction walls cannot be controlled by the pressure received by the nozzle vane from the exhaust gas.
  • Patent Document 1 when the nozzle vane does not move to one of the exhaust introduction walls, the sealing performance between the nozzle vane and both exhaust introduction walls can be improved. Thereby, the outstanding effect that the fall of turbine efficiency can be prevented can be exhibited.
  • the nozzle vane may move so as to approach the exhaust introduction wall on the bearing housing side, and the gap between the exhaust vane on the turbine housing side may increase.
  • the loss that occurs when the exhaust gas that has passed through the gap on the turbine housing flows into the turbine impeller side is relatively larger than the loss that occurs when the exhaust gas that has passed through the gap on the bearing housing side flows into the turbine impeller. In that case, the turbine efficiency is lower than the former.
  • the nozzle vane is curved in a round shape, and both ends are formed thick. And by making the nozzle vane convex to the low pressure side, the pressure difference between the low pressure side pressure and the high pressure side pressure can be reduced, and the flow of the gap between the nozzle vane and the exhaust introduction wall based on the pressure difference can be reduced.
  • the nozzle vane has a convex shape
  • the nozzle vane is disposed at a position relatively close to the exhaust introduction wall provided on the bearing housing side, and the exhaust introduction provided on the turbine housing side is performed.
  • the gap between the walls may be large.
  • the loss caused by the exhaust gas that has passed through the gap on the turbine housing flows into the turbine impeller rather than the loss that the exhaust gas that has passed through the gap on the bearing housing side flows into the turbine impeller.
  • the turbine efficiency is lower in the latter case than in the former case. Therefore, turbine efficiency will fall.
  • the present invention provides a turbocharger capable of controlling the direction in which the nozzle vanes move and improving the turbine efficiency.
  • a turbocharger includes a bearing housing that rotatably supports a turbine impeller, a turbine housing in which a scroll passage that supplies exhaust gas to the turbine impeller is formed, and the scroll An exhaust nozzle having a variable flow rate and flow angle of the exhaust gas supplied from the flow path to the turbine impeller side, wherein the exhaust nozzle is a flow path for the exhaust gas. And a plurality of nozzle vanes disposed between the pair of exhaust introduction walls and rotatably supported around the turbine impeller, wherein the nozzle vane includes the scroll flow path. A high pressure side wall surface opposite to the turbine housing side of the high pressure side wall surface.
  • the thrust that the nozzle vane tends to move toward the turbine housing / (the projected area on the pressure surface side of the nozzle vane) is 0.02 [N / mm 2 ] or more and 0 .05 [N / mm 2 ] or less is desirable.
  • the average value of the hub shroud of the nozzle channel length ratio L / Wth (L is the length of the nozzle channel, Wth is the outlet width of the nozzle channel) is greater than 1.5. Is desirable.
  • the average value of the hub and shroud of the nozzle restriction ratio Win / Wth (Win is the inlet width of the nozzle flow path, Wth is the outlet width of the nozzle flow path) is less than 1.95.
  • a trailing edge stacking line of the nozzle vane is parallel to an axis of the turbine impeller.
  • the inclination angle of the downstream end portion of the exhaust gas of the nozzle vane with respect to the axis and the inclination angle of the leading edge of the blade of the turbine impeller with respect to the axis are different.
  • the exhaust nozzle includes a support shaft that supports the nozzle vane, and a support hole that supports the support shaft is provided in at least one of the pair of exhaust introduction walls. It is desirable that the shaft is fixed to the nozzle vane via a flange portion protruding outward in the radial direction of the support shaft.
  • the high-pressure side wall surface of the nozzle vane is preferably a curved surface.
  • the nozzle vane is provided such that the bearing housing side is closer to the turbine impeller than the turbine housing side of the high-pressure side wall surface of the nozzle vane.
  • exhaust gas is supplied to the scroll passage, and the exhaust gas passes between the pair of exhaust introduction walls of the exhaust nozzle by the rotation of the turbine impeller.
  • the pressure of the exhaust gas acts on the high-pressure side wall surface of the nozzle vane perpendicularly to the high-pressure side wall surface.
  • a component force in a direction of moving the nozzle vane toward the turbine housing or pressing the nozzle vane against the exhaust introduction wall on the turbine housing acts on the nozzle vane.
  • the clearance gap between a nozzle vane and the exhaust introduction wall provided in the turbine housing side becomes small, and turbine efficiency improves. Therefore, according to the turbocharger of the present invention, the direction in which the nozzle vanes move can be controlled, and the turbine efficiency can be improved.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the exhaust nozzle taken along line AA in FIG.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG. 2A.
  • It is a perspective view of a turbine impeller. It is a perspective view of a turbine impeller and a nozzle vane.
  • It is arrow sectional drawing equivalent to FIG. 2B of the modification in embodiment of this invention. It is arrow sectional drawing equivalent to FIG. 2B of the modification in embodiment of this invention. It is arrow sectional drawing equivalent to FIG. 2B of the modification in embodiment of this invention. It is arrow sectional drawing equivalent to FIG. 2B of the modification in embodiment of this invention. It is arrow sectional drawing equivalent to FIG.
  • FIG. 2B of the modification in embodiment of this invention It is a perspective view of the turbine impeller and nozzle vane of the modification of this invention. It is a figure which shows the one part cross section which cut
  • the turbocharger according to the present embodiment is a variable capacity turbocharger that can adjust the flow velocity and flow angle of exhaust gas supplied to a turbine impeller based on, for example, increase / decrease in gas flow accompanying increase / decrease in the number of rotations of an automobile engine. .
  • the scale is appropriately changed for each member so that each member has a size that can be recognized on the drawing.
  • FIG. 1 is a partially enlarged view of a cross-sectional view of the turbocharger of the present embodiment.
  • the turbocharger 1 of the present embodiment includes a bearing housing (bearing housing) 3 that rotatably supports a turbine impeller 2.
  • a turbine housing 5 is integrally attached to one side (the upper side in the drawing) of the bearing housing 3 by a plurality of bolts 4.
  • a compressor housing (not shown) is integrally attached to the bearing housing 3 on the opposite side (lower side in the drawing) of the turbine housing 5 with a plurality of bolts.
  • the turbine housing 5 includes a scroll flow path 5a that supplies exhaust gas to the turbine impeller 2, and an exhaust nozzle 8 that adjusts the flow velocity and flow angle of the exhaust gas supplied from the scroll flow path 5a to the turbine impeller 2 side. I have.
  • the scroll flow path 5a is provided with an exhaust gas intake (not shown) connected to, for example, an engine cylinder.
  • the exhaust nozzle 8 includes a first exhaust introduction wall 12a and a second exhaust introduction wall 12b that form an exhaust gas flow path.
  • the first exhaust introduction wall 12 a is formed in a ring shape around the turbine impeller 2 and is disposed on the turbine housing 5 side.
  • the second exhaust introduction wall 12b is formed in a ring shape around the turbine impeller 2, and is disposed on the bearing housing 3 side so as to face the first exhaust introduction wall 12a.
  • the first exhaust introduction wall 12a and the second exhaust introduction wall 12b are integrally connected by a connection pin 8a.
  • the exhaust nozzle 8 includes a plurality of nozzle vanes 10 arranged between the first exhaust introduction wall 12a and the second exhaust introduction wall 12b.
  • the nozzle vanes 10 are evenly arranged around the turbine impeller 2 and are rotatably supported by support shafts 9a and 9b provided substantially parallel to the shaft 2a of the turbine impeller 2.
  • the support shafts 9a and 9b are respectively fixed to an end portion of the nozzle vane 10 that faces the first exhaust introduction wall 12a and an end portion that faces the second exhaust introduction wall 12b, and are provided integrally with the nozzle vane 10. Yes.
  • Support holes 11a and 11b for rotatably supporting the support shafts 9a and 9b are formed in the first exhaust introduction wall 12a and the second exhaust introduction wall 12b.
  • the support shaft 9b is connected to a link mechanism 20 that transmits the power of an actuator (not shown) to the support shaft 9b and rotates the support shaft 9b.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view of the exhaust nozzle 8 taken along the line AA in FIG. 2B is a cross-sectional view of the vicinity of the nozzle vane 10 taken along the line BB ′ of FIG. 2A. 2A and 2B, the illustration of the connecting pin 8a is omitted.
  • the nozzle vane 10 is formed in a streamlined wing-like shape in which the trailing edge 10a is thin and the leading edge 10b is thick in plan view.
  • the rear edge 10a of the nozzle vane 10 is provided on the downstream side of the exhaust gas with respect to the support shafts 9a and 9b, and the front edge 10b is provided on the upstream side of the exhaust gas with respect to the support shafts 9a and 9b.
  • the rear edge 10a is provided closer to the turbine impeller 2 than the front edge 10b. Further, the rear edge 10a is provided so as to be located on the front side in the rotational direction R of the turbine impeller 2 with respect to the front edge 10b.
  • the side of the scroll flow path 5a outside the exhaust nozzle 8 is the high-pressure side PS of the exhaust gas
  • the turbine impeller 2 side inside the exhaust nozzle 8 is the low-pressure side SS of the exhaust gas. Therefore, as shown in FIG. 2A, the side opposite to the turbine impeller 2 of the nozzle vane 10 is the high pressure side PS of the exhaust gas, and the turbine impeller 2 side of the nozzle vane 10 is the low pressure side SS of the exhaust gas.
  • the nozzle vane 10 has a high-pressure side wall surface 10p on the high-pressure side PS facing the scroll flow path 5a, and a low-pressure side wall surface 10s on the low-pressure side SS facing the turbine impeller 2.
  • the nozzle vane 10 is provided to be inclined at an inclination angle ⁇ with respect to the support shafts 9a and 9b and the shaft 2a of the turbine impeller 2.
  • the high-pressure side wall surface 10p of the nozzle vane 10 is provided to be inclined with respect to the support shafts 9a and 9b and the shaft 2a of the turbine impeller 2.
  • the first exhaust introduction wall 12a side of the high-pressure side wall surface 10p protrudes to the high-pressure side PS from the second exhaust introduction wall 12b side of the high-pressure side wall surface 10p.
  • the high-pressure side wall surface 10p of the nozzle vane 10 is relative to the support shafts 9a and 9b and the shaft 2a of the turbine impeller 2 so that the bearing housing 3 side is closer to the turbine impeller 2 than the turbine housing 5 side, as shown in FIG. Are inclined.
  • the support shafts 9a and 9b are provided with flange portions 14a and 14b projecting outward in the radial direction of the support shafts 9a and 9b at the end on the nozzle vane 10 side.
  • the support shafts 9a and 9b are fixed to the respective end portions 10c and 10d of the nozzle vane 10 facing the first exhaust introduction wall 12a and the second exhaust introduction wall 12b via the flange portions 14a and 14b, respectively. .
  • FIG. 3A is a perspective view of the turbine impeller 2 of the turbocharger 1 of the present embodiment
  • FIG. 3B is a perspective view showing the turbine impeller 2 and the nozzle vane 10.
  • FIG. 3B other parts are omitted in order to show the relationship between the turbine impeller 2 and the nozzle vane 10.
  • the turbine impeller 2 is provided with a plurality of blades 2 b that receive the pressure of the exhaust gas and rotate the turbine impeller 2.
  • the front edge 2c of the blade 2b is provided to be inclined with an inclination angle ⁇ with respect to the shaft 2a of the turbine impeller 2.
  • the rear edge 10a of the nozzle vane 10 is provided so as to be inclined with respect to the shaft 2a of the turbine impeller 2 at an inclination angle ⁇ .
  • the inclination angle ⁇ with respect to the shaft 2a of the trailing edge 10a downstream of the exhaust gas of the nozzle vane 10 and the inclination angle ⁇ with respect to the shaft 2a of the front edge 2c of the blade 2b of the turbine impeller 2 are different.
  • the turbocharger 1 of the present embodiment shown in FIG. 1 takes, for example, exhaust gas discharged from an engine cylinder into the scroll flow path 5a of the turbine housing 5, and the turbine impeller 2 through the exhaust nozzle 8. To supply. Thereby, the blades 2b of the turbine impeller 2 receive the exhaust gas, the turbine impeller 2 rotates, the shaft 2a rotates, and the compressor impeller rotates.
  • the air taken in from the air intake and compressed by the rotation of the compressor impeller converts dynamic pressure energy into static pressure in the process of passing through the diffuser flow path, and is supplied to the compressor scroll flow path.
  • the pressurized air in the compressor scroll passage is supplied from an air discharge port to, for example, an engine cylinder.
  • the turbocharger 1 of the present embodiment includes an exhaust nozzle 8 that adjusts the flow velocity and flow angle of the exhaust gas supplied to the turbine impeller 2 based on, for example, increase or decrease of the gas flow rate accompanying the engine speed or the like. Yes.
  • the link mechanism 20 is driven by a power source such as an actuator to rotate the support shaft 9b of the nozzle vane. Then, the plurality of nozzle vanes 10 rotate in synchronization with each support shaft 9b as a center.
  • the angle at which the nozzle vane 10 is rotated can be adjusted, the opening degree of the exhaust nozzle 8 can be adjusted, and the flow velocity and flow angle of the exhaust gas supplied to the turbine impeller 2 can be adjusted.
  • the exhaust gas that has passed between the first exhaust introduction wall 12a and the second exhaust introduction wall 12b of the exhaust nozzle 8 flows along the blades 2b of the turbine impeller 2 with the flow velocity and the flow angle adjusted,
  • the turbine impeller 2 is rotated in the rotation direction R shown in FIG. 2A.
  • the turbocharger 1 of the present embodiment is such that the high-pressure side wall surface 10p of the nozzle vane 10 provided on the high-pressure side PS of the exhaust gas is relative to the shaft 2a of the turbine impeller 2. Inclined at an inclination angle ⁇ .
  • the high pressure side wall face 10p is inclined so that the second exhaust introduction wall 12b side (bearing housing 3 side) is closer to the turbine impeller 2 than the first exhaust introduction wall 12a side (turbine housing 5 side) of the high pressure side wall face 10p. is doing.
  • the pressure P of the exhaust gas flowing from the scroll flow path 5a into the flow path between the first exhaust introduction wall 12a and the second exhaust introduction wall 12b of the exhaust nozzle 8 is applied to the inclined high pressure side wall face 10p. Acts vertically.
  • the pressure P ′ of the exhaust gas also acts on the low pressure side wall surface 10s of the nozzle vane 10 perpendicularly.
  • P> P ′ the first vane 10 is introduced into the nozzle vane 10 in parallel with the support shafts 9a and 9b and the component force (PP ′) cos ⁇ in the direction from the high-pressure side PS to the low-pressure side SS perpendicular to the support shafts 9a and 9b.
  • a component force (PP ′) sin ⁇ in the direction toward the wall 12a acts.
  • a gap S1 is provided between the nozzle vane 10 and the first exhaust introduction wall 12a, and a gap S2 is provided between the nozzle vane 10 and the second exhaust introduction wall 12b. ing. Therefore, the nozzle vane 10 is provided so as to be freely movable in the range of the gap S1 and the gap S2 in the direction parallel to the support shafts 9a and 9b.
  • the nozzle vane 10 acts on the support shafts 9a, 9b. It hardly moves in the vertical direction.
  • the pressure P of the exhaust gas acts perpendicularly to the high-pressure side wall surface 10p and the component force Psin ⁇ parallel to the support shafts 9a and 9b acts on the nozzle vane 10
  • the nozzle vane 10 is parallel to the support shafts 9a and 9b. It moves to the first exhaust introduction wall 12a side.
  • the above-described gap S1 may be zero and only the gap S2 may exist.
  • the nozzle vane 10 presses the exhaust introduction wall 12a in the direction parallel to the support shafts 9a and 9b by the component force (PP ′) sin ⁇ parallel to the support shafts 9a and 9b acting on the nozzle vanes.
  • the gap S1 between the end surface of the nozzle vane on the first exhaust introduction wall 12a side and the first exhaust introduction wall 12a becomes small.
  • the resistance to the exhaust gas passing through the gap S1 increases.
  • the flow rate of the exhaust gas passing through the gap S1 decreases.
  • the flow rate of the exhaust gas that passes through the gap S1 decreases, the flow rate of the exhaust gas that passes between the high-pressure side wall surface 10p and the low-pressure side wall surface 10s of the adjacent nozzle vane 10 and the flow rate of the exhaust gas that passes through the gap S2 The sum is relatively increased.
  • the exhaust gas supplied from the scroll flow path 5a which is the high pressure side PS of the exhaust gas to the turbine impeller 2 which is the low pressure side SS of the exhaust gas is
  • the flow velocity and the flow angle according to the opening degree of the exhaust nozzle 8 are set.
  • the turbine impeller 2 is adjusted to rotate in the rotation direction R.
  • the exhaust gas passing through the gaps S1 and S2 between the nozzle vane 10 and the first exhaust introduction wall 12a and the second exhaust introduction wall 12b is between the high pressure side wall surface 10p and the low pressure side wall surface 10s of the nozzle vane 10 (described later).
  • the contribution to the rotation of the turbine impeller 2 is small compared to the exhaust gas passing through the nozzle flow path 32).
  • the gap S1 is reduced while the gap S2 is increased.
  • the efficiency of rotating the turbine impeller 2 is significantly reduced.
  • the nozzle vane 10 has more than the reduction in the efficiency of rotating the turbine impeller 2 due to the flow passing through the gap S2 increased by the movement of the nozzle vane 10 to the first exhaust introduction wall.
  • the improvement in the efficiency of rotating the turbine impeller 2 due to the decrease in the flow passing through the gap S1 that has been reduced by moving to the greater is greater. Therefore, as a result, the nozzle vane 10 moves to the first exhaust introduction wall, whereby the turbine efficiency of the turbocharger 1 can be improved.
  • the turbocharger 1 of the present embodiment has an inclination angle ⁇ of the trailing edge 10 a on the downstream side of the exhaust gas of the nozzle vane 10 and the front of the blade 2 b of the turbine impeller 2.
  • the inclination angle ⁇ of the edge 2c with respect to the axis 2a is different.
  • the inclination angle ⁇ of the trailing edge 10a of the nozzle vane 10 is equal to the inclination angle ⁇ of the front edge 2c of the blade 2b of the turbine impeller 2 with respect to the shaft 2a, the wake generated downstream of the nozzle vane 10 Simultaneously flow into the leading edge 2c of the blade 2b of the turbine impeller 2. Then, the excitation force to the turbine impeller 2 becomes large, and the turbine impeller 2, the turbine housing 5 and the like may be damaged by resonance. Therefore, conventionally, it has been necessary to incline the front edge 2c of the blade 2b of the turbine impeller 2 with respect to the shaft 2a of the turbine impeller 2.
  • the nozzle vane 10 is inclined with respect to the axis of the turbine impeller 2. Therefore, even if the front edge 2c of the blade 2b of the turbine impeller 2 is not inclined, the inclination angle ⁇ of the front edge 2c and the inclination angle ⁇ of the end edge of the rear edge 10a of the nozzle vane 10 can be made different. As described above, when the inclination angle ⁇ and the inclination angle ⁇ are different, the inclination angle ⁇ and the inclination angle ⁇ can be set to arbitrary angles, respectively.
  • the excitation angle to the turbine impeller 2 is reduced by making the inclination angle ⁇ with respect to the shaft 2a of the front edge 2c of the turbine impeller 2 different from the inclination angle ⁇ of the nozzle vane 10. Damage can be avoided by resonance. Further, since the inclination angle ⁇ of the nozzle vane 10 can be changed, the degree of freedom in designing the inclination angle ⁇ with respect to the shaft 2a of the front edge 2c of the turbine impeller 2 is increased.
  • the turbocharger 1 of the present embodiment includes support shafts 9a and 9b on which the exhaust nozzle 8 supports the nozzle vanes 10.
  • Support holes 11a and 11b for supporting the support shafts 9a and 9b are provided in the pair of first exhaust introduction walls 12a and the second exhaust introduction walls 12b, respectively.
  • the support shafts 9b and 9b are fixed to the nozzle vane 10 via flanges 14a and 14b protruding outward in the radial direction of the support shafts 9a and 9b.
  • the support shafts 9a and 9b can be fixed to the end portions 10c and 10d of the nozzle vane 10, respectively. Further, by supporting the support shafts 9a and 9b by the support holes 11a and 11b and supporting both ends 10c and 10d of the nozzle vane 10, it is possible to prevent the nozzle vane 10 from swinging. Thereby, it can prevent that the nozzle vane 10 bites into the 1st exhaust introduction wall 12a or the 2nd exhaust introduction wall 12b, or adheres.
  • the direction in which the nozzle vane 10 moves can be controlled to the direction of the first exhaust introduction wall 12a, and the nozzle vane 10 and the first exhaust introduction wall 12a can be controlled.
  • the gap S1 can be made relatively smaller than the gap S2 with the second exhaust introduction wall 12b, and the turbine efficiency can be improved.
  • turbocharger 1 of the present embodiment differs from the shape of the nozzle vane 10 and the connection method between the support shafts 9a and 9b. Since the other points are the same as those of the above-described embodiment, the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2B showing a first modification of the turbocharger 1 described in the above embodiment.
  • the high-pressure side wall surface 101p and the low-pressure side wall surface 101s of the nozzle vane 101 are curved surfaces.
  • the support shaft 9a As the high-pressure side wall surface 101p approaches the first exhaust introduction wall 12a, the support shaft 9a.
  • the inclination angle with respect to 9b becomes large, and the high-pressure side wall surface 101p is inclined so as to be away from the turbine impeller 2.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2B showing a second modification of the turbocharger 1 described in the above embodiment.
  • the high-pressure side wall surface 102p and the low-pressure side wall surface 102s of the nozzle vane 102 are curved surfaces.
  • the support shaft 9a As the high-pressure side wall surface 102p approaches the second exhaust introduction wall 12b, the support shaft 9a. The inclination angle with respect to 9b is increased, and the high pressure side wall surface 102p is inclined so as to approach the turbine impeller 2.
  • FIG. 4C is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2B showing a third modification of the turbocharger 1 described in the above embodiment.
  • the flanges 14a and 14b are not provided, and are directly fixed to the high-pressure side wall surface 103p and the low-pressure side wall surface 103s of the nozzle vane 103.
  • the nozzle vane 103 can be moved to the first exhaust introduction wall 12a side as in the above-described embodiment even when the flange portions 14a and 14b are not provided. And the exhaust gas which passes the clearance gap S1 can be decreased and turbine efficiency can be improved.
  • FIG. 4D is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2B showing a fourth modification of the turbocharger 1 described in the above embodiment.
  • the flange portions 14a and 14b are not provided, and only the high-pressure side wall surface 104p of the nozzle vane 104 is provided to be inclined.
  • the low pressure side wall surface 104s of the nozzle vane 104 is provided substantially parallel to the support shafts 9a and 9b. According to such a configuration, the nozzle vane 104 can be moved to the first exhaust introduction wall 12a side as in the above-described embodiment. And the exhaust gas which passes the clearance gap S1 can be decreased and turbine efficiency can be improved.
  • the support shaft may be provided only at the end facing the second exhaust introduction wall of the nozzle vane, and the nozzle vane may be supported in a cantilever manner.
  • the link mechanism is provided on the turbine housing side of the exhaust nozzle, the support shaft may be provided only at the end portion of the nozzle vane facing the first exhaust introduction wall, and the nozzle vane may be supported in a cantilever manner.
  • a line formed by the trailing edge 10a of the nozzle vane 10 shown in FIGS. 2A and 3B is referred to as a trailing edge stacking line S.
  • the trailing edge stacking line S of the nozzle vane 105 may be parallel to the shaft 2a of the turbine impeller (the downstream side of the exhaust gas downstream of the nozzle vane in FIG. 3B).
  • the inclination angle ⁇ of the edge with respect to the axis may be zero). This is defined as condition 1.
  • FIG. 6 is a view showing a partial cross section of the nozzle vane shown in FIG. 2A cut along a plane perpendicular to the axis 2a of the turbine impeller.
  • the nozzle channel length ratio L / Wth which is a dimensionless amount obtained by dividing L (the length of the nozzle channel 32) in FIG. 6 by Wth (the outlet width of the nozzle channel 32).
  • L the length of the nozzle channel 32
  • Wth the outlet width of the nozzle channel 32
  • the average value of the shroud was taken on the horizontal axis.
  • the dimensionless efficiency of the turbocharger including the nozzle vane according to the embodiment of the present invention is plotted on the vertical axis.
  • the dimensionless efficiency with respect to the average value of the hub shroud of the nozzle flow path length ratio L / Wth was obtained, and a curve as shown in FIG. 7 was obtained. From this curve, it can be seen that when the average value of the hub shroud of the nozzle flow path length ratio L / Wth is larger than 1.5, the dimensionless efficiency exceeds 1, and thus a favorable result is obtained. From the above, the hub / shroud average value of the nozzle channel length ratio L / Wth may be larger than 1.5. This is Condition 2.
  • FIG. 8 shows the nozzle aperture ratio Win / Wth obtained by dividing the nozzle channel inlet width Win in the nozzle channel 32 of FIG. 6 by the nozzle channel outlet width Wth on the nozzle vane hub side (the second exhaust introduction wall 12b). Side) and the shroud side (the first exhaust introduction wall 12a side) end face respectively, and the average value of the hub and shroud of the nozzle squeeze ratio Win / Wth obtained and averaged on the horizontal axis is the same as in FIG. It is the graph which took dimensional efficiency. Using the graph having the horizontal axis and the vertical axis, the dimensionless efficiency with respect to the hub / shroud average value of the nozzle aperture ratio Win / Wth was obtained, and a curve as shown in FIG.
  • a total of four samples A, B, C, and D are created, consisting of three samples that do not satisfy any one of the above conditions 1 to 3 and one sample that satisfies all the conditions. did.
  • the sample A is a sample that does not satisfy the condition 1 but satisfies the conditions 2 and 3.
  • “ ⁇ ” indicates that the condition is met
  • “x” indicates that the condition is not met.
  • FIG. 9 is a graph in which the efficiency ratio ⁇ / ⁇ c obtained by dividing the turbine efficiency ( ⁇ c) of a turbocharger using a conventional nozzle by the turbine efficiency ( ⁇ ) of a turbocharger equipped with a nozzle vane according to the present invention is plotted on the vertical axis.
  • the efficiency ratio with respect to the projected area on the thrust / pressure surface side was determined, and the results shown in FIG. 9 were obtained. From this, using the sample D that satisfies all the above conditions, when the projected area on the thrust / pressure surface side is 0.02 [N / mm 2 ] or more and 0.05 [N / mm 2 ] or less, It has been found that the most favorable results are obtained. Accordingly, the projected area on the thrust / pressure surface side may be 0.02 [N / mm 2 ] or more and 0.05 [N / mm 2 ] or less.
  • the graph shows that the condition C is the second best, the condition B is the third best, and the condition A is the worst.
  • the thrust for moving the nozzle vane toward the first exhaust introduction wall 12a is the nozzle vane.
  • the nozzle vane cannot be moved against the frictional force acting on the lens, which is not desirable.
  • the projected area on the thrust / pressure surface side is larger than 0.05 [N / mm 2 ], that is, when the inclination of the nozzle vane with respect to the turbine impeller shaft is too large, the inclination of the nozzle vane is too large.
  • the energy loss of the working fluid (air) increases, and as a result, the turbine efficiency of the turbocharger decreases, which is undesirable.
  • the nozzle vane in the initial state, is arranged at the center of the flow path (the exhaust nozzle 8), the gap S1 between the nozzle vane and the first exhaust introduction wall 12a, the nozzle vane, and the second exhaust introduction. This was performed based on the conditions when the gap S2 with the wall 12b was equivalent. Furthermore, the present invention can be implemented in the following modifications. As shown in FIG. 10, the stacking line S at the front or rear edge of the nozzle vane 10 may not be perpendicular to the code direction of the nozzle vane. FIG.
  • the trailing edge stacking line S of the nozzle vane 10 is not perpendicular to the nozzle vane cord direction (dashed line d in FIG. 10). That is, in the present modification, the stacking line S at the front edge or the rear edge of the nozzle vane 10 is not perpendicular to the cord direction of the nozzle vane, but the blade on the bearing housing side of the nozzle vane 10 is shifted upstream. Therefore, according to this modification, even when the bearing housing side of the nozzle vane 10 is provided so as to approach the turbine impeller side, like the nozzle vane 10 of the present invention shown in FIG. 2B, the nozzle vane 10 rotates and fully opens. The throat area for ensuring the capacity
  • the direction in which the nozzle vanes move can be controlled, and the turbine efficiency can be improved.

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Abstract

　タービンインペラを回転可能に支持する軸受けハウジングと、前記タービンインペラに排気ガスを供給するスクロール流路が形成されたタービンハウジングと、前記スクロール流路内から前記タービンインペラ側に供給される前記排気ガスの流速および流れ角度を可変とする排気ノズルと、を備えた可変容量型のターボチャージャにおいて、 　前記排気ノズルは、前記排気ガスの流路を形成する一対の排気導入壁と、前記一対の排気導入壁の間に配置され前記タービンインペラの周囲に回動可能に支持された複数のノズルベーンと、を備え、 　前記ノズルベーンは、前記スクロール流路に対向する高圧側壁面を有し、前記高圧側壁面の前記タービンハウジング側よりも前記軸受けハウジング側が前記タービンインペラに近づくように設けられており、前記タービンインペラの回転時に、前記一対の排気導入壁のうち、前記タービンハウジング側に設けられた排気導入壁と、前記ノズルベーンとの間の隙間を狭めるように、前記ノズルベーンが前記タービンハウジング側に移動する、または、前記ノズルベーンが前記タービンハウジング側の排気導入壁を押し付けるターボチャージャ。

Description

ターボチャージャ
　本発明は、ターボチャージャに関する。
　本願は、２００８年１１月５日に日本国に出願された特願２００８－２８４１４０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　従来から、タービンインペラを回転可能に支持する軸受ハウジングと、タービンインペラに排気ガスを供給するスクロール流路が形成されたタービンハウジングと、スクロール流路内からタービンインペラ側に供給される排気ガスの流速および流れ角度を可変とする排気ノズルと、を備えた可変容量型のターボチャージャが知られている（例えば、特許文献１参照）。
　特許文献１の可変容量型のターボチャージャの排気ノズルは、渦巻室（スクロール流路）と羽根車（タービンインペラ）との間の一対の平行壁（排気導入壁）に、可動のノズル羽根（ノズルベーン）を備えている。そして、排気導入壁に対面するノズルベーンの両端部を中央部より厚肉に形成し、その両端部の端面を排気導入壁に平行に形成している。
　これにより、排気導入壁に対面するノズルベーンの両端面の厚さ方向の寸法を大きくでき、十分なシール長が得られると共に、隙間流れも抑制できる。隙間流れを防止することで、タービン効率の低下を抑制することができる。
特開平１１－２２９８１５号公報 米国特許出願公開公報ＵＳ２００５／０２２０６１６Ａ１ 特開２０００－１８００４号公報 特開２００２－１４７２４６号公報 特開２００３－３０１７２６号公報 特開平１１－２５７０１１号公報
Ｒａｊｏｏ，Ｓ．ａｎｄ　Ｍａｒｔｉｎｅｚ－Ｂｏｔａｓ，Ｒ．Ｆ．，２００８．"ＬＥＡＮ　ＡＮＤ　ＳＴＲＡＩＧＨＴ　ＮＯＺＺＬＥ　ＶＡＮＥＳ　ＩＮ　Ａ　ＶＡＲＩＡＢＬＥ　ＧＥＯＭＥＴＲＹ ＴＵＲＢＩＮＥ：Ａ　ＳＴＥＡＤＹ　ＡＮＤ　ＰＵＬＳＡＴＩＮＧ　ＦＬＯＷ　ＩＮＶＥＳＴＩＧＡＴＩＯＮ"Ｐｒｏｃ．ｏｆ　ＡＳＭＥ　Ｔｕｒｂｏ　Ｅｘｐｏ，２００８，ｐａｐｅｒ　ＧＴ２００８－５０８２８
　しかしながら、特許文献１のターボチャージャでは、ノズルベーンが排気ガスから受ける圧力により一対の排気導入壁に対するノズルベーンのタービンインペラ軸方向位置を制御することができないという課題がある。
　特許文献１では、ノズルベーンがいずれか一方の排気導入壁側に移動しない場合には、ノズルベーンと双方の排気導入壁との間のシール性を向上させることができる。これにより、タービン効率の低下を防止できるという優れた効果を発揮することができる。
　しかし、ノズルベーンが軸受けハウジング側の排気導入壁に近づくように移動して、タービンハウジング側の排気導入壁との間の隙間が大きくなる場合がある。軸受ハウジング側の隙間で通過した排気ガスがタービンインペラに流れ込んで生じる損失よりも、タービンハウジング側の隙間を通過した排気ガスがタービンインペラ側に流れ込んで生じる損失の方が相対的に大きく、後者の場合の方が前者よりもタービン効率が低下してしまう。
　また、特許文献１では、ノズルベーンをアール状に湾曲させ、両端部を厚肉に形成している。そして、ノズルベーンを低圧側に凸形状とすることで、低圧側圧力と高圧側圧力との圧力差を減少させ、圧力差に基づくノズルベーンと排気導入壁との隙間の流れを減少させることができる。
　しかし、このようにノズルベーンを凸形状にした場合であっても、ノズルベーンが軸受ハウジング側に設けられた排気導入壁に相対的に近い位置に配置されてしまい、タービンハウジング側に設けられた排気導入壁との間の隙間が大きくなる場合がある。この場合、上述のように、軸受ハウジング側の隙間で通過した排気ガスがタービンインペラに流れ込んで生じる損失よりも、タービンハウジング側の隙間を通過した排気ガスがタービンインペラ側に流れ込んで生じる損失の方が相対的に大きく、後者の場合の方が前者よりもタービン効率が低下してしまう。よって、タービン効率が低下してしまう。
　そこで、この発明は、ノズルベーンが移動する方向を制御することができ、タービン効率を向上させることができるターボチャージャを提供するものである。
　上記の課題を解決するために、本発明のターボチャージャは、タービンインペラを回転可能に支持する軸受けハウジングと、前記タービンインペラに排気ガスを供給するスクロール流路が形成されたタービンハウジングと、前記スクロール流路内から前記タービンインペラ側に供給される前記排気ガスの流速および流れ角度を可変とする排気ノズルと、を備えた可変容量型のターボチャージャにおいて、前記排気ノズルは、前記排気ガスの流路を形成する一対の排気導入壁と、前記一対の排気導入壁の間に配置され前記タービンインペラの周囲に回動可能に支持された複数のノズルベーンと、を備え、前記ノズルベーンは、前記スクロール流路に対向する高圧側壁面を有し、前記高圧側壁面の前記タービンハウジング側よりも前記軸受けハウジング側が前記タービンインペラに近づくように設けられており、前記タービンインペラの回転時に、前記一対の排気導入壁のうち、前記タービンハウジング側に設けられた排気導入壁と、前記ノズルベーンとの間の隙間を狭めるように、前記ノズルベーンが前記タービンハウジング側に移動する、または、前記ノズルベーンが前記タービンハウジング側の排気導入壁を押し付ける。
　また、本発明のターボチャージャでは、（前記ノズルベーンが前記タービンハウジング側に移動しようとする推力）／（前記ノズルベーンの圧力面側の投影面積）が、０．０２[N／ｍｍ２]以上かつ０．０５[N／ｍｍ２]以下であることが望ましい。
　また、本発明のターボチャージャでは、ノズル流路長さ比L／Wth（Lはノズル流路の長さ、Wthはノズル流路の出口幅）のハブ・シュラウド平均値が１．５より大きいことが望ましい。
　また、本発明のターボチャージャでは、ノズル絞り比Win／Wth（Winはノズル流路の入口幅、Wthはノズル流路の出口幅）のハブ・シュラウド平均値が１．９５より小さいことが望ましい。
　また、本発明のターボチャージャでは、前記ノズルベーンの後縁スタッキングラインが、前記タービンインペラの軸と平行であることが望ましい。
　また、本発明のターボチャージャでは、前記ノズルベーンの前記排気ガスの下流側の端部の前記軸に対する傾斜角と前記タービンインペラの羽根の前縁の前記軸に対する傾斜角とが異なることが望ましい。
　また、本発明のターボチャージャでは、前記排気ノズルは、前記ノズルベーンを支持する支持軸を備え、前記一対の排気導入壁の少なくとも一方に、前記支持軸を軸支する支持穴が設けられ、前記支持軸は、前記支持軸の径方向外側に張り出した鍔部を介して前記ノズルベーンに固定されていることが望ましい。
　また、本発明のターボチャージャは、前記ノズルベーンの前記高圧側壁面は、曲面であることが望ましい。
　本発明のターボチャージャにおいて、ノズルベーンは、ノズルベーンの高圧側壁面のタービンハウジング側よりもベアリングハウジング側がタービンインペラに近づくように設けられている。
　ターボチャージャの作動時には、スクロール流路に排気ガスが供給され、タービンインペラの回転によって排気ガスが排気ノズルの一対の排気導入壁の間を通過する。このとき、ノズルベーンの高圧側壁面には、排気ガスの圧力が高圧側壁面と垂直に作用する。
　そのため、ノズルベーンには、ノズルベーンをタービンハウジング側に移動させる、または、ノズルベーンをタービンハウジング側の排気導入壁に押し付ける方向の分力が作用する。これにより、ノズルベーンとタービンハウジング側に設けられた排気導入壁との間の隙間が小さくなり、タービン効率が向上する。
　したがって、本発明のターボチャージャによれば、ノズルベーンが移動する方向を制御することができ、タービン効率を向上させることができる。
本発明の実施形態におけるターボチャージャの部分拡大断面図である。 図１のＡ－Ａ線に沿う排気ノズルの矢視断面図である。 図２AのＢ－Ｂ´線に沿う矢視断面図である。 タービンインペラの斜視図である。 タービンインペラおよびノズルベーンの斜視図である。 本発明の実施形態における変形例の図２Bに相当する矢視断面図である。 本発明の実施形態における変形例の図２Bに相当する矢視断面図である。 本発明の実施形態における変形例の図２Bに相当する矢視断面図である。 本発明の実施形態における変形例の図２Bに相当する矢視断面図である。 本発明の変形例のタービンインペラおよびノズルベーンの斜視図である。 図２Aに示すノズルベーンをタービンインペラの軸2aに垂直な平面で切断した一部の断面を示す図である。 本発明の変形例の使用条件について考察した結果を示すグラフである。 本発明の変形例の使用条件について考察した結果を示すグラフである。 本発明の変形例の使用条件について考察した結果を示すグラフである。 本発明の変形例のタービンインペラおよびノズルベーンの斜視図である。
　以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
　本実施形態のターボチャージャは、例えば自動車のエンジンの回転数の増減に伴うガス流量の増減に基づいてタービンインペラに供給する排気ガスの流速および流れ角度を調整可能な可変容量型のターボチャージャである。なお、以下の各図面では、各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、部材毎に縮尺を適宜変更している。
　図１は、本実施形態のターボチャージャの断面図の部分拡大図である。
　図１に示すように、本実施形態のターボチャージャ１は、タービンインペラ２を回転可能に支持するベアリングハウジング（軸受けハウジング）３を備えている。ベアリングハウジング３の片側（図示上側）には、複数のボルト４によりタービンハウジング５が一体的に取り付けられている。また、ベアリングハウジング３のタービンハウジング５と反対側（図示下側）には、複数のボルトによりコンプレッサハウジング（図示略）が一体的に取り付けられている。
　タービンハウジング５は、タービンインペラ２に排気ガスを供給するスクロール流路５ａと、スクロール流路５ａ内からタービンインペラ２側に供給される排気ガスの流速および流れ角度を調整する排気ノズル８と、を備えている。
　スクロール流路５ａには、例えばエンジンのシリンダ等に接続された排気ガス取入口（図示略）が設けられている。
　排気ノズル８は、排気ガスの流路を形成する第１の排気導入壁１２ａと第２の排気導入壁１２ｂとを備えている。
　第１の排気導入壁１２ａは、タービンインペラ２の周囲にリング状に形成され、タービンハウジング５側に配置されている。
　第２の排気導入壁１２ｂは、同様にタービンインペラ２の周囲にリング状に形成され、第１の排気導入壁１２ａに対向してベアリングハウジング３側に配置されている。
　第１の排気導入壁１２ａと第２の排気導入壁１２ｂは、連結ピン８ａにより一体的に連結されている。
　また、排気ノズル８は、第１の排気導入壁１２ａと第２の排気導入壁１２ｂとの間に配置された複数のノズルベーン１０を備えている。
　ノズルベーン１０は、タービンインペラ２の周囲に均等に配置され、タービンインペラ２の軸２ａと略平行に設けられた支持軸９ａ，９ｂによって回動可能に支持されている。
　支持軸９ａ，９ｂは、ノズルベーン１０の第１の排気導入壁１２ａに対向する端部と第２の排気導入壁１２ｂに対向する端部とにそれぞれ固定され、ノズルベーン１０と一体的に設けられている。
　第１の排気導入壁１２ａ及び第２の排気導入壁１２ｂには、支持軸９ａ，９ｂを回動可能に支持する支持穴１１ａ，１１ｂが形成されている。
　支持軸９ｂは、アクチュエータ（不図示）の動力を支持軸９ｂに伝達して回動させるリンク機構２０に連結されている。
　図２Aは、図１のＡ－Ａ線に沿う排気ノズル８の矢視断面図である。図２Bは、図２AのＢ－Ｂ´線に沿うノズルベーン１０近傍の断面図である。なお、図２A，図２Ｂでは連結ピン８ａの図示を省略している。
　図２Aに示すように、ノズルベーン１０は、平面視で後縁１０ａの厚みが薄く前縁１０ｂの厚みが厚い流線型の翼状の形状に形成されている。ノズルベーン１０の後縁１０ａは、支持軸９ａ，９ｂよりも排気ガスの下流側に設けられ、前縁１０ｂは、支持軸９ａ，９ｂよりも排気ガスの上流側に設けられている。そして、後縁１０ａは、前縁１０ｂよりも、タービンインペラ２に近接するように設けられている。また、後縁１０ａが、前縁１０ｂよりもタービンインペラ２の回転方向Ｒの前方側に位置するように設けられている。
　図１に示すように、排気ノズル８の外側のスクロール流路５ａ側が排気ガスの高圧側ＰＳとなり、排気ノズル８の内側のタービンインペラ２側が排気ガスの低圧側ＳＳとなる。
　そのため、図２Aに示すように、ノズルベーン１０のタービンインペラ２と反対側が排気ガスの高圧側ＰＳとなり、ノズルベーン１０のタービンインペラ２側が排気ガスの低圧側ＳＳとなっている。
　ノズルベーン１０は、スクロール流路５ａに対向する高圧側ＰＳに高圧側壁面１０ｐを有し、タービンインペラ２に対向する低圧側ＳＳに低圧側壁面１０ｓを有している。
　図２Bに示すように、ノズルベーン１０は、支持軸９ａ，９ｂ及びタービンインペラ２の軸２ａに対して傾斜角θの傾きで傾斜して設けられている。これにより、ノズルベーン１０の高圧側壁面１０ｐが、支持軸９ａ，９ｂ及びタービンインペラ２の軸２ａに対して傾斜して設けられている。そして、高圧側壁面１０ｐの第１の排気導入壁１２ａ側が、高圧側壁面１０ｐの第２の排気導入壁１２ｂ側よりも高圧側ＰＳにせり出すようになっている。
　すなわち、ノズルベーン１０の高圧側壁面１０ｐは、図１に示すように、タービンハウジング５側よりもベアリングハウジング３側がタービンインペラ２に近づくように、支持軸９ａ，９ｂ及びタービンインペラ２の軸２ａに対して傾斜して設けられている。
　図２Bに示すように、支持軸９ａ，９ｂは、ノズルベーン１０側の端部に、支持軸９ａ，９ｂの径方向外側に張り出した鍔部１４ａ，１４ｂを備えている。支持軸９ａ，９ｂは、それぞれ鍔部１４ａ，１４ｂを介して、第１の排気導入壁１２ａ及び第２の排気導入壁１２ｂに対向するノズルベーン１０の各々の端部１０ｃ，１０ｄに固定されている。
　図３Aは本実施形態のターボチャージャ１のタービンインペラ２の斜視図であり、図３Bは、タービンインペラ２とノズルベーン１０とを示す斜視図である。なお、図３Bでは、タービンインペラ２とノズルベーン１０との関係を示すために、その他の部分は省略して表している。
　図３Aに示すように、タービンインペラ２には、排気ガスの圧力を受けてタービンインペラ２を回転させる複数の羽根２ｂが設けられている。羽根２ｂの前縁２ｃは、タービンインペラ２の軸２ａに対して傾斜角γの傾きで傾斜して設けられている。
　図３Bに示すように、ノズルベーン１０の後縁１０ａは、タービンインペラ２の軸２ａに対して傾斜角θの傾きで傾斜して設けられている。すなわち、ノズルベーン１０の排気ガスの下流側の後縁１０ａの軸２ａに対する傾斜角θとタービンインペラ２の羽根２ｂの前縁２ｃの軸２ａに対する傾斜角γとが異なっている。
　以上の構成により、図１に示す本実施形態のターボチャージャ１は、例えばエンジンのシリンダから排出された排気ガスをタービンハウジング５のスクロール流路５ａに取り込んで、排気ノズル８を介してタービンインペラ２に供給する。これにより、タービンインペラ２の羽根２ｂが排気ガスを受けてタービンインペラ２が回転し、軸２ａが回転してコンプレッサインペラが回転する。
　空気取入口から取り入れられ、コンプレッサインペラの回転により圧縮された空気は、ディフューザ流路を通過する過程で動圧エネルギを静圧に変換し、コンプレッサスクロール流路に供給される。そして、コンプレッサスクロール流路内の昇圧された空気は、空気排出口から、例えばエンジンのシリンダに供給される。
　ここで、本実施形態のターボチャージャ１は、例えばエンジンの回転数等に伴うガス流量の増減に基づいて、タービンインペラ２に供給する排気ガスの流速および流れ角度を調整する排気ノズル８を備えている。排気ノズル８により排気ガスの圧力を調整する際には、まず、アクチュエータ等の動力源によりリンク機構２０を駆動させて、ノズルベーンの支持軸９ｂを回転させる。すると、複数のノズルベーン１０が、各々の支持軸９ｂを中心として同期して回動する。
　このとき、ノズルベーン１０を回転させる角度を調整して、排気ノズル８の開度を調整し、タービンインペラ２に供給する排気ガスの流速および流れ角度を調整することができる。
　排気ノズル８の第１の排気導入壁１２ａと第２の排気導入壁１２ｂとの間を通過した排気ガスは、流速および流れ角度が調整された状態でタービンインペラ２の羽根２ｂに沿って流れ、タービンインペラ２を図２Aに示す回転方向Ｒに回転させる。
　次に、この実施の形態の作用について説明する。
　本実施形態のターボチャージャ１は、図１、図２A及び図２Bに示すように、排気ガスの高圧側ＰＳに設けられたノズルベーン１０の高圧側壁面１０ｐが、タービンインペラ２の軸２ａに対して傾斜角θの傾きで傾斜して設けられている。高圧側壁面１０ｐは、高圧側壁面１０ｐの第１の排気導入壁１２ａ側（タービンハウジング５側）よりも第２の排気導入壁１２ｂ側（ベアリングハウジング３側）がタービンインペラ２に近づくように傾斜している。
　スクロール流路５ａ内から排気ノズル８の第１の排気導入壁１２ａ及び第２の排気導入壁１２ｂの間の流路に流入した排気ガスの圧力Ｐは、この傾斜した高圧側壁面１０ｐに対して垂直に作用する。一方、ノズルベーン１０の低圧側壁面１０ｓに対しても垂直に排気ガスの圧力P’が作用する。この時、P＞P’である。
　そのため、ノズルベーン１０には、支持軸９ａ，９ｂと垂直に高圧側ＰＳから低圧側ＳＳへ向かう方向の分力（Ｐ－P’）ｃｏｓθと、支持軸９ａ，９ｂと平行に第１の排気導入壁１２ａへ向かう方向の分力（Ｐ－P’）ｓｉｎθが作用する。
　ノズルベーン１０は、支持軸９ａ，９ｂを軸支する支持穴１１ａ，１１ｂにより、支持軸９ａ，９ｂと垂直な方向への移動は規制されている。しかし、図２Bに示すように、ノズルベーン１０と第１の排気導入壁１２ａとの間には隙間Ｓ１が設けられ、ノズルベーン１０と第２の排気導入壁１２ｂとの間には隙間Ｓ２が設けられている。そのため、ノズルベーン１０は、支持軸９ａ，９ｂと平行な方向へは、隙間Ｓ１及び隙間Ｓ２の範囲で自由に移動できるように設けられている。
　したがって、排気ガスの圧力Ｐが高圧側壁面１０ｐに垂直に作用して、ノズルベーン１０に支持軸９ａ，９ｂと垂直な方向に分力Ｐｃｏｓθが作用しても、ノズルベーン１０は支持軸９ａ，９ｂに垂直な方向へはほとんど移動しない。
　しかし、排気ガスの圧力Ｐが高圧側壁面１０ｐに垂直に作用して、ノズルベーン１０に支持軸９ａ，９ｂと平行な分力Ｐｓｉｎθが作用すると、ノズルベーン１０は、支持軸９ａ，９ｂと平行に、第１の排気導入壁１２ａ側に移動する。
　なお、タービンインペラが回転する前のノズルベーンの位置によっては、上述の隙間S1がゼロで、隙間S2のみが存在する場合もある。この場合、上述のノズルベーンに作用する支持軸９ａ，９ｂと平行な分力（Ｐ－Ｐ’）ｓｉｎθによって、ノズルベーン１０は、排気導入壁１２ａを支持軸９ａ，９ｂと平行な方向に押し付けられる。
　ノズルベーン１０が第１の排気導入壁１２ａ側に移動すると、ノズルベーンの第１の排気導入壁１２ａ側の端面と第１の排気導入壁１２ａとの隙間Ｓ１が小さくなる。隙間Ｓ１が小さくなると、隙間Ｓ１を通過する排気ガスに対する抵抗が増加する。隙間Ｓ１を通過する排気ガスに対する抵抗が増加すると、隙間Ｓ１を通過する排気ガスの流量が減少する。隙間Ｓ１を通過する排気ガスの流量が減少すると、隣接するノズルベーン１０の高圧側壁面１０ｐと低圧側壁面１０ｓとの間を通過する排気ガスの流量と、隙間Ｓ２を通過する排気ガスの流量との総和が相対的に増加する。
　ここで、図１，図２A，及び，図２Ｂに示すように、排気ガスの高圧側ＰＳであるスクロール流路５ａ内から排気ガスの低圧側ＳＳであるタービンインペラ２へ供給される排気ガスは、排気ノズル８の隣接するノズルベーン１０の高圧側壁面１０ｐと低圧側壁面１０ｓとの間（後述するノズル流路３２）を通過する際に、排気ノズル８の開度に応じた流速および流れ角度に調整され、タービンインペラ２を回転方向Ｒに回転させる。
　しかし、ノズルベーン１０と第１の排気導入壁１２ａ及び第２の排気導入壁１２ｂとの隙間Ｓ１及びＳ２を通過する排気ガスは、ノズルベーン１０の高圧側壁面１０ｐと低圧側壁面１０ｓとの間（後述するノズル流路３２）を通過する排気ガスと比較して、タービンインペラ２の回転への寄与は小さい。ここで、ノズルベーン１０が前記支持軸９ａ，９ｂと平行な分力（Ｐ－Ｐ’）ｓｉｎθで前記第１の排気導入壁に移動すると、前記隙間Ｓ１は小さくなる一方、前記隙間Ｓ２は大きくなり、前記タービンインペラ２を回転させる効率は著しく低下する。
　しかしながら、ノズルベーン１０が前記第１の排気導入壁に移動することにより増大した前記隙間Ｓ２を通過する流れによる前記タービンインペラ２を回転させる効率の低下以上に、ノズルベーン１０が前記第１の排気導入壁に移動することにより減少した前記隙間Ｓ１を通過する流れが減少することによる前記タービンインペラ２を回転させる効率の向上の方が大きい。したがって、結果として、ノズルベーン１０が前記第１の排気導入壁に移動することにより、ターボチャージャ１のタービン効率を向上させることができる。
　また、本実施形態のターボチャージャ１は、図３A及び図３Bに示すように、ノズルベーン１０の排気ガスの下流側の後縁１０ａの端縁の傾斜角θと、タービンインペラ２の羽根２ｂの前縁２ｃの軸２ａに対する傾斜角γとが異なっている。
　設計仕様によっては、ノズルベーン１０の後縁１０ａの端縁の傾斜角θと、タービンインペラ２の羽根２ｂの前縁２ｃの軸２ａに対する傾斜角γとが等しいと、ノズルベーン１０の下流に生じる後流がタービンインペラ２の羽根２ｂの前縁２ｃに同時に流入する。すると、タービンインペラ２への励振力が大きくなり、共振によりタービンインペラ２やタービンハウジング５等が損傷する可能性がある場合がある。そのため、従来はタービンインペラ２の羽根２ｂの前縁２ｃをタービンインペラ２の軸２ａに対して傾斜させる必要があった。
　しかし、本実施形態のターボチャージャ１では、ノズルベーン１０をタービンインペラ２の軸に対して傾斜させている。そのため、タービンインペラ２の羽根２ｂの前縁２ｃを傾斜させなくても、前縁２ｃの傾斜角γとノズルベーン１０の後縁１０ａの端縁の傾斜角θとを異ならせることができる。このように傾斜角γと傾斜角θとを異ならせる場合には、傾斜角θ及び傾斜角γをそれぞれ任意の角度に設定することが可能である。
　したがって、本実施形態のターボチャージャ１によれば、タービンインペラ２の前縁２ｃの軸２ａに対する傾斜角γをノズルベーン１０の傾斜角θと異ならせることで、タービンインペラ２への励振力を低減し、共振により損傷を回避することができる。また、ノズルベーン１０の傾斜角θを変化させることができるので、タービンインペラ２の前縁２ｃの軸２ａに対する傾斜角γの設計の自由度が増す。
　また、本実施形態のターボチャージャ１は、図２Bに示すように、排気ノズル８がノズルベーン１０を支持する支持軸９ａ,９ｂを備えている。そして、対抗する一対の第１の排気導入壁１２ａ及び第２の排気導入壁１２ｂに、それぞれ支持軸９ａ,９ｂを軸支する支持穴１１ａ，１１ｂが設けられている。また、支持軸９ｂ,９ｂは、支持軸９ａ,９ｂの径方向外側に張り出した鍔部１４ａ，１４ｂを介してノズルベーン１０に固定されている。
　そのため、ノズルベーン１０を支持軸９ａ，９ｂに対して傾斜させて設けた場合であっても、ノズルベーン１０の端部１０ｃ，１０ｄに、それぞれ支持軸９ａ，９ｂを固定することができる。そして、支持穴１１ａ，１１ｂによって支持軸９ａ，９ｂを軸支してノズルベーン１０の双方の端部１０ｃ，１０ｄを支持することで、ノズルベーン１０が揺動することを防止できる。これにより、ノズルベーン１０が第１の排気導入壁１２ａまたは第２の排気導入壁１２ｂに食い込んだり、固着したりすることを防止できる。
　以上説明したように、本実施形態のターボチャージャ１によれば、ノズルベーン１０が移動する方向を第１の排気導入壁１２ａの方向に制御することができ、ノズルベーン１０と第１の排気導入壁１２ａとの隙間Ｓ１を、第２の排気導入壁１２ｂとの隙間Ｓ２よりも相対的に小さくすることができ、タービン効率を向上させることができる。
　次に、本実施形態のターボチャージャ１の変形例について、図１～図３Bを援用し、図４A～図４Dを用いて説明する。以下の変形例では、上述の実施の形態で説明したターボチャージャ１と、ノズルベーン１０の形状や支持軸９ａ，９ｂとの接続方法等が異なっている。その他の点は上述の実施の形態と同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
（第１の変形例）
　図４Aは、上述の実施の形態で説明したターボチャージャ１の第１の変形例を示す図２Bに対応する断面図である。
　図４Aに示すように、本変形例では、ノズルベーン１０１の高圧側壁面１０１ｐ及び低圧側壁面１０１ｓが曲面になっている。高圧側壁面１０１ｐは、第１の排気導入壁１２ａに近づくほど、支持軸９ａ．９ｂに対する傾斜角が大きくなり、かつ高圧側壁面１０１ｐがタービンインペラ２から遠ざかるように傾斜して設けられている。
　このような構成によれば、上述の実施形態と同様の効果が得られるだけでなく、高圧側壁面１０１ｐの曲面の形状によってノズルベーン１０１に作用する圧力Ｐの支持軸９ａ，９ｂに平行な方向の分力の大きさを調整することができる。
（第２の変形例）
　図４Bは、上述の実施の形態で説明したターボチャージャ１の第２の変形例を示す図２Bに対応する断面図である。
　図４Bに示すように、本変形例では、第１の変形例と同様に、ノズルベーン１０２の高圧側壁面１０２ｐ及び低圧側壁面１０２ｓが曲面になっている。高圧側壁面１０２ｐは、第２の排気導入壁１２ｂに近づくほど、支持軸９ａ．９ｂに対する傾斜角が大きくなり、かつ高圧側壁面１０２ｐがタービンインペラ２に近づくように傾斜して設けられている。
　このような構成によれば、上述の実施形態と同様の効果が得られるだけでなく、高圧側壁面１０２ｐの曲面の形状によってノズルベーン１０２に作用する圧力Ｐの支持軸９ａ，９ｂに平行な方向の分力の大きさを調整することができる。
（第３の変形例）
　図４Cは、上述の実施の形態で説明したターボチャージャ１の第３の変形例を示す図２Bに対応する断面図である。
　図４Cに示すように、本変形例では、鍔部１４ａ，１４ｂが設けられておらず、ノズルベーン１０３の高圧側壁面１０３ｐ及び低圧側壁面１０３ｓに直接固定されている。
　このような構成によれば、鍔部１４ａ，１４ｂが設けられていない場合であっても上述の実施形態と同様にノズルベーン１０３を第１の排気導入壁１２ａ側に移動させることができる。そして、隙間Ｓ１を通過する排気ガスを減少させ、タービン効率を向上させることができる。
（第４の変形例）
　図４Dは、上述の実施の形態で説明したターボチャージャ１の第４の変形例を示す図２Bに対応する断面図である。
　図４Dに示すように、本変形例では、鍔部１４ａ，１４ｂが設けられておらず、ノズルベーン１０４の高圧側壁面１０４ｐのみが傾斜して設けられている。ノズルベーン１０４の低圧側壁面１０４ｓは、支持軸９ａ，９ｂと略平行に設けられている。
　このような構成によれば、上述の実施形態と同様にノズルベーン１０４を第１の排気導入壁１２ａ側に移動させることができる。そして、隙間Ｓ１を通過する排気ガスを減少させ、タービン効率を向上させることができる。
　なお、この発明は上述した実施の形態及びその変形例に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、支持軸は、ノズルベーンの第２の排気導入壁に対向する端部にのみ設け、ノズルベーンを片持ち状に支持してもよい。また、リンク機構を排気ノズルのタービンハウジング側に設ける場合には、支持軸をノズルベーンの第１の排気導入壁に対向する端部にのみ設け、ノズルベーンを片持ち状に支持してもよい。
　さらに、本発明は以下のような変形例でも実施することができる。
　図２Aや図３Bに示されているノズルベーン１０の後縁１０ａにより形成されている線を後縁スタッキングラインSと呼ぶ。この時、図５に示すように、ノズルベーン１０５の前記後縁スタッキングラインSが、前記タービンインペラの前記軸２ａと平行であっても良い（図３Bにおける前記ノズルベーンの前記排気ガスの下流側の後縁の前記軸に対する傾斜角θがゼロであっても良い）。これを条件１とする。
　また、本発明の上述のような実施の形態や変形例の使用条件についてCFD解析によりシミュレーションを行い、考察した結果、以下のような結果が得られた。
　図６は、図２Aに示すノズルベーンをタービンインペラの軸2aに垂直な平面で切断した一部の断面を示す図である。図６のL（ノズル流路３２の長さ）をWth（ノズル流路３２の出口幅）で割った無次元量であるノズル流路長さ比L／Wth
をノズルベーンのハブ側（前記第２の排気導入壁１２ｂ側）端面とシュラウド側（前記第１の排気導入壁１２ａ側）端面とでそれぞれ求め平均したノズル流路長さ比L／Wthのハブ・シュラウド平均値を横軸にとった。本発明による実施形態のノズルベーンを備えるターボチャージャの無次元効率を縦軸にとった。これら横軸と縦軸とを有するグラフを用いて、ノズル流路長さ比L／Wthのハブ・シュラウド平均値に対する無次元効率を求めたところ、図７に示すような曲線が得られた。この曲線より、ノズル流路長さ比L／Wthのハブ・シュラウド平均値が１．５より大きい場合、無次元効率が１を超えているため、好適な結果が得られたことが分かる。以上より、ノズル流路長さ比L／Wthのハブ・シュラウド平均値は１．５より大きくても良い。これを条件２とする。
　図８は、図６のノズル流路３２におけるノズル流路の入口幅Winをノズル流路の出口幅Wthで割ったノズル絞り比Win／Wthをノズルベーンのハブ側（前記第２の排気導入壁１２ｂ側）端面とシュラウド側（前記第１の排気導入壁１２ａ側）端面とでそれぞれ求め平均したノズル絞り比Win／Wthのハブ・シュラウド平均値を横軸に、縦軸に図７と同様に無次元効率をとったグラフである。これら横軸と縦軸とを有するグラフを用いて、ノズル絞り比Win／Wthのハブ・シュラウド平均値に対する無次元効率を求めたところ、図８に示すような曲線が得られた。この曲線より、ノズル絞り比Win／Wthのハブ・シュラウド平均値が１．９５より小さい場合、無次元効率が１を超えているため、好適な結果が得られたことが分かる。以上より、ノズル絞り比Win／Wthのハブ・シュラウド平均値は１．９５より小さくても良い。これを条件３とする。
　表１に示すように、上述の条件１～３のいずれか１つを満足しない３つのサンプルと、全ての条件を満足する１つのサンプルからなる合計４つのサンプルＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄを作成した。例えば、サンプルAは条件１を満たさないが、条件２と条件３とを満たすサンプルである。なお、表１の条件１～３の表示欄において、○は条件に適合していることを示し、×は条件に不適合であることを示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　このようなサンプルを用いてタービン効率をCFD解析により求め、以下のようなグラフ上にプロットした。即ち、本発明に係るノズルベーンを前記第１の排気導入壁１２ａ側に移動させようとする推力を、ノズルベーンの圧力面側の投影面積で割った推力／圧力面側の投影面積[N／ｍｍ２]を横軸にとった。また、従来ノズルを用いたターボチャージャのタービン効率（ηc）を、本発明によるノズルベーンを備えるターボチャージャのタービン効率（η）で割った効率比η／ηcを縦軸にとってグラフ図９を作成した。これら横軸と縦軸とを有するグラフを用いて、推力／圧力面側の投影面積に対する効率比を求めたところ、図９に示すような結果が得られた。これより、上述の全ての条件を満たすサンプルDを用いて、推力／圧力面側の投影面積が０．０２[N／ｍｍ２]以上かつ０．０５[N／ｍｍ２]以下の場合に、最も好適な結果が得られることが分かった。以上より、推力／圧力面側の投影面積は０．０２[N／ｍｍ２]以上かつ０．０５[N／ｍｍ２]以下でも良い。なお、本グラフにより、条件Cの場合が２番目に良く、条件Bの場合が３番目に良く、条件Aの場合が最も劣っていることが分かった。なお、前記推力／圧力面側の投影面積が、０．０２[N／ｍｍ２]よりも小さい場合は、ノズルベーンを前記第１の排気導入壁１２ａ側に移動させようとする前記推力が、ノズルベーンに作用する摩擦力に抗してノズルベーンを移動することができなくなってしまい望ましくない。また、前記推力／圧力面側の投影面積が、０．０５[N／ｍｍ２]よりも大きい場合、即ち、ノズルベーンのタービンインペラの軸に対する傾斜が大き過ぎる場合は、この大きすぎるノズルベーンの傾斜による作動流体（空気）のエネルギ損失が増大し、結果としてターボチャージャのタービン効率が落ちてしまい望ましくない。ここで、図９中の点線は、その点線の上側の領域が、良好な性能を発揮することを意味する。なお、このCFD解析は、初期状態で、ノズルベーンが流路（前記排気ノズル８）中央に配置され、ノズルベーンと前記第１の排気導入壁１２ａとの隙間Ｓ１と、ノズルベーンと前記第２の排気導入壁１２ｂとの隙間Ｓ２とが同等の場合の条件の基に行った。
　さらに、本発明は以下のような変形例でも実施することができる。
　図１０に示されているように、ノズルベーン１０の前縁もしくは後縁のスタッキングラインＳが、ノズルベーンのコード方向に直角でなくてもよい。なお、図１０は、ノズルベーン１０の後縁スタッキングラインＳがノズルベーンのコード方向（図１０の一点鎖線c）に直角でない場合を示している。
　つまり、本変形例では、ノズルベーン１０の前縁もしくは後縁のスタッキングラインＳが、ノズルベーンのコード方向に直角ではなく、ノズルベーン１０のベアリングハウジング側の翼を上流側にずらしている。よって、本変形例によれば、図２Ｂに示す本発明のノズルベーン１０のように、ノズルベーン１０のベアリングハウジング側をタービンインペラ側に近づくように設けた場合であっても、ノズルベーン１０が回転し全開の状態で得られるタービンインペラへ供給される排気ガスの容量（全開容量）を確保するためのスロート面積をより良好に確保することができる。従って、本発明のターボチャージャにおいて、好適に使用可能である。
　本発明のターボチャージャによれば、ノズルベーンが移動する方向を制御することができ、タービン効率を向上させることができる。
１　ターボチャージャ
２　タービンインペラ
２ａ　軸
２ｂ　羽根
２ｃ　前縁
３　ベアリングハウジング（軸受けハウジング）
５　タービンハウジング
５ａ　スクロール流路
８　排気ノズル
９ａ，９ｂ　支持軸
１０　ノズルベーン
１０ａ　後縁
１０ｐ　高圧側壁面
１１ａ，１１ｂ　支持穴
１２ａ，１２ｂ　排気導入壁
１４ａ，１４ｂ　鍔部
３２   ノズル流路
１０１　ノズルベーン
１０１ｐ　高圧側壁面
１０２　ノズルベーン
１０２ｐ　高圧側壁面
１０３　ノズルベーン
１０３ｐ　高圧側壁面
１０４　ノズルベーン
１０４ｐ　高圧側壁面
１０５　ノズルベーン
θ　傾斜角
γ　傾斜角
S　後縁スタッキングライン

Claims (13)

  1. 　タービンインペラを回転可能に支持する軸受けハウジングと、前記タービンインペラに排気ガスを供給するスクロール流路が形成されたタービンハウジングと、前記スクロール流路内から前記タービンインペラ側に供給される前記排気ガスの流速および流れ角度を可変とする排気ノズルと、を備えた可変容量型のターボチャージャにおいて、
    　前記排気ノズルは、前記排気ガスの流路を形成する一対の排気導入壁と、前記一対の排気導入壁の間に配置され前記タービンインペラの周囲に回動可能に支持された複数のノズルベーンと、を備え、
    　前記ノズルベーンは、前記スクロール流路に対向する高圧側壁面を有し、前記高圧側壁面の前記タービンハウジング側よりも前記軸受けハウジング側が前記タービンインペラに近づくように設けられており、前記タービンインペラの回転時に、前記一対の排気導入壁のうち、前記タービンハウジング側に設けられた排気導入壁と、前記ノズルベーンとの間の隙間を狭めるように、前記ノズルベーンが前記タービンハウジング側に移動する、または、前記ノズルベーンが前記タービンハウジング側の排気導入壁を押し付けるターボチャージャ。
  2. 　（前記ノズルベーンが前記タービンハウジング側に移動しようとする推力）／（前記ノズルベーンの圧力面側の投影面積）が、０．０２[N／ｍｍ２]以上かつ０．０５[N／ｍｍ２]以下である請求項１に記載のターボチャージャ。
  3. 　ノズル流路長さ比L／Wth（Lはノズル流路の長さ、Wthはノズル流路の出口幅）のハブ・シュラウド平均値が１．５より大きい請求項１または請求項２に記載のターボチャージャ。
  4. 　ノズル絞り比Win／Wth（Winはノズル流路の入口幅、Wthはノズル流路の出口幅）のハブ・シュラウド平均値が１．９５より小さい請求項１または２に記載のターボチャージャ。
  5. 　ノズル絞り比Win／Wth（Winはノズル流路の入口幅、Wthはノズル流路の出口幅）のハブ・シュラウド平均値が１．９５より小さい請求項３に記載のターボチャージャ。
  6. 　前記ノズルベーンの後縁スタッキングラインが、前記タービンインペラの軸と平行である請求項１または請求項２に記載のターボチャージャ。
  7. 　前記ノズルベーンの後縁スタッキングラインが、前記タービンインペラの軸と平行である請求項３に記載のターボチャージャ。
  8. 　前記ノズルベーンの後縁スタッキングラインが、前記タービンインペラの軸と平行である請求項４に記載のターボチャージャ。
  9. 　前記ノズルベーンの後縁スタッキングラインが、前記タービンインペラの軸と平行である請求項５に記載のターボチャージャ。
  10. 　前記ノズルベーンの前記排気ガスの下流側の後縁の前記タービンインペラの軸に対する傾斜角と前記タービンインペラの羽根の前縁の前記タービンインペラの軸に対する傾斜角とが異なる請求項１記載のターボチャージャ。
  11. 　前記排気ノズルは、前記ノズルベーンを支持する支持軸を備え、
    　前記一対の排気導入壁の少なくとも一方に、前記支持軸を軸支する支持穴が設けられ、
    　前記支持軸は、前記支持軸の径方向外側に張り出した鍔部を介して前記ノズルベーンに固定されている請求項１または請求項１０に記載のターボチャージャ。
  12. 　前記ノズルベーンの前記高圧側壁面は、曲面である請求項１または請求項１０に記載のターボチャージャ。
  13. 　前記ノズルベーンの前記高圧側壁面は、曲面である請求項１１に記載のターボチャージャ。
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