JPH0421052B2 - - 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
に郭成される実質的な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＞ 上記したような可変容量タービンにあつては、
高速域の過給容量を確保した上で低速域の過給効
率を向上させるためには、ベーンを閉じた時のタ
ービン効率をいかにして高めるかが重要なポイン
トとなる。

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、流体の流入量が小
さい場合でも流体に対する抵抗損失を増大させず
に作動可能であつて、しかも高精度な制御御を行
ない得るような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、下流へ行くに従つ
てその通路断面積を漸減するようにして前記流入
ノズルの外周側に郭成されたスクロール通路と、
前記流入ノズルの外側の或る円周に沿つて前記ス
クロール通路内を流入路と外周路とに径方向に分
割するように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てなる可変ノ
ズルとを有するラジアルインフロー式の可変容量
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り、前記可
変ノズルが最狭状態にあるときに、ベーン幅寸法
に対する流線方向のオーバーラツプ寸法の比が20
〜30％の割合となるようにして前記固定ベーンと
前記可動ベーンとが重なり合うことを特徴とする
可変容量タービンを提供することによつて達成さ
れる。

＜作用＞ このように、可変ノズルを形成するベーンの一
方を固定とし、他方を可動させることにより、容
易にノズルの剛性を高めることができ、低速域に
於ける制御の安定性を向上し得る。

また、固定ベーンと可動ベーンとの重なり合う
部分の流線方向長さが短すぎると整流効果を失
い、この反対に長すぎると、整流効果は増すが可
動ベーンにコアンダ効果が作用して開度安定性を
損なう。つまり固定ベーンと可動ベーンとの間に
形成されたノズル部分の寸法を適正化することに
より、一層の効率改善を企図し得る。

＜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。円筒部２８ａは、タービンホイール３０の
外周を微小な間〓に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、これが最も外向きに傾
動した状態にあつては、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図及び第３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
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。

上記したように、固定ベーン２９の前縁部と可
動ベーン３４の後縁部との互いに重なり合う部分
にてノズルを形成した場合、ラツプ部分の寸法が
問題となる。即ちラツプ部分寸法が流体の流線方
向について過大である場合には、流路抵抗が増大
して流入効率が低下すると同時に、可動ベーンに
作用する揚力が増大して制御精度が悪化する。

この反対に、短寸である場合には、整流効果が
失われ、これによつても流入損失が増大する。

このような視点から鋭意実験を行なつた結果、
ノズル部分の幅方向寸法に対するラツプ寸法（第
３図のｌ寸法）の割合が、20％〜60％の範囲に於
て比較的高い効率が得られることが見出された。
特に20％〜30％の範囲にてノズル寸法を設定する
ことが、効率と揚力影響との両面から見て最も好
ましい結果が得られることが判明した。

＜発明の効果＞ このように本発明によれば、特に小流量時に於
けるタービンに流入する流体の抵抗損失を小さく
抑えることでき、しかも乱流などにより可動ベー
ンに有害な応力が作用することを回避することが
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。

【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図はベーン部分の拡
大図である。 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、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
   外周を臨む位置に郭成された流入ノズルと、下流
   へ行くに従つてその通路断面積を漸減するように
   して前記流入ノズルの外周側に郭成されたスクロ
   ール通路と、前記流入ノズルの外側の或る円周に
   沿つて前記スクロール通路内を流入路と外周路と
   に径方向に分割するように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
   てなる可変ノズルとを有するラジアルインフロー
   式の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り、 前記可変ノズルが最狭状態にあるときに、ベー
   ン幅寸法に対する流線方向のオーバーラツプ寸法
   の比が20〜30％の割合となるようにして前記固定
   ベーンと前記可動ベーンとが重なり合うことを特
   徴とする可変容量タービン。