JPS58150028A - 可変流タ−ビン - 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】 本発明の分野 本発明は可変流タービンに係り、特に、内燃機関に取り
付けられるターボチャージャのための改良された可変流
タービンに関する。

本発明の背景 最近、ターボチャージャに用いられているラジアルフロ
ータ−ビンには２つの形式がある。第１の形式は、ガス
入口からタービンロータまでの流路の形状及び面積を変
えることができないよう。

その構造が固定しであるものである。そのようなものと
しては米国特許第３，６６４，７６１号に開示されたも
のがある。第２の形式は可変流タービンとして知られて
いるもので、その１つの構造としては半径方向内側及び
外側に位置する通路を備え。

一方の通路にそこを流れる流れを調整するパルプが設け
られている。このパルプを動かすことにより通路の開口
のサイズを調整し、流れの横断面積を変え、それにより
、エンジンを異る速度及び負荷で運転することによって
生じる排気ガス流速及び圧力の変化を補償する。この可
変流タービンの例としては米国特許第４，１７７．００
６号に示されたものがある。この特許発明においては、
タービンは渦形部分内に至る真直なガス人口部分を有し
ている。各流路は更に、渦形部分内においてのみ。

ハウジングに一体形成された壁によって一次及び二次流
路に分けられる。更に、１つのパルプが二次流路を横切
ってガス入口部分に設けられ、カス流を壁から離れるよ
うに指向させるために回転され、ガス流を調整するよう
になっている。

２つの形式のタービンのうち、固定構造のタービンを使
用するエンジンは効率が低い。それは固定構造タービン
を備えるターボチャージャエンジンにおいては、エンジ
ンがそのピークトルクのときに最大効率となるよう通常
は設計されているコンプレッサにタービンが合せられて
いるからである。従って、定格速度及び負荷では、コン
プレッサの効率的作動並範囲が、エンジンによって要求
されるものより低いので、最適の効率でエンジンを運転
することはできない。他方、可変流タービンは定格速度
及び負荷において高い効率金有し。

また、エンジンがピークトルクにあるときに効率を有す
るコンプレッサを用いることによりエンジンの定格点で
の効率を増大することができる。また、可変流タービン
を備えるエンジンは、最大チャージ空気圧が必要とされ
ない最大速度及び負荷よりも低い速度、負荷において、
より効率的である。

近年、エンジンの運転範囲を通して効率の高い可変流タ
ーボチャージャの開発が必要とされてきている。

本発明の目的、構成、効果 本発明は斯様な点に鑑み、ターボチャージャがより効率
的に作動できるようにするだめの可変流タービン？提洪
することを目的とするものである。

すなわち１本発明に係る可変流タービンは、彎曲部分と
うす巻部分とからなり、彎曲部分はその一端に入口を有
し、他端でうず巻部分に接続されており、うず巻部分は
１つの軸線のまわりに形成され、該軸線と共軸状に整合
された出口を有しているハウジングと；うず巻部分に収
納され、上記軸線のまわりで回転可能とされ、且つ、複
数の周方向で間隔のあけられたブレードを有しているロ
ータと：上記入口のところに設けられ、該入口を通るガ
ス流を制御するだめのパルプ手段と；バルブ手段から彎
曲部分を通り内方に伸び、うず巻部分向に伸びて１両部
分を半径方向内側及び外側流路に分ける分割壁と；を有
し、各流路がうず巻部分向で上記ロータに近づくに従い
、その横断面積が次第に減少するようにされていること
を特徴としている。

本発明に係る以上のような構成のタービンにおいては、
バルブ手段を操作することにより、当該タービン内を流
れるガス流を内側及び外側流路の両流路内を流す状態か
ら外側流路内だけを流す状態まで、ガス流を制御できる
。内側ｊ流路内の流れが減り、外側流路内の流れが多く
なるに従い、その流れ全体の速度及び曲率半径は増大す
る。従って、このパルプの操作によりガス流の運動量を
調節することができる。本発明ではこの運動量の調節に
よりタービンロータを最良の状態で回転し。

エンジンへのチャージ空気を適切なものとすることがで
きるのである。従って１本発明に係るタービンを備えた
チャージャを用いれば、エンジンの全運転条件において
効率のよい出力を得ることができる。また、エンジンの
過渡応答をも改善できる。

実施例の説明 以下１本発明？添付図面に示した実施例に基づき詳細に
説明する。

添付図面、特に第６図には６本発明に係る可変流タービ
ン１１を有するターボチャージャ１０が示されている。

コンプレッサ１２に連結されるタービン１１は、第１図
及び第２図に示すように。

彎曲部分１４とうず巻部分１６とから構成されている・
・ウジング１６を有している。彎曲部分１４は第１のフ
ランジ付端部１８において７ポルト孔２０（第４図）に
通された〔図示しない〕ボルトによりエンジンの排気マ
ニホルドに接続される。

彎曲部分１４は少くとも６０の角度範囲、好ましくは３
０乃至１８０．より好ましくは約４５乃至９０の角度範
囲を有している。彎曲部分１４はフランジ付端部１８に
形成された人口２２を有しており１反対側の端部２４で
うず巻部分１６に接続されている。うず巻部分１６は少
くとも２７００−好ましくは約６６０の角度範囲を有し
ている。うず巻部分１６の円弧は第１図に示すように紙
面に直角に伸びる軸線のまわりに形成される。連結軸２
６はタービンハウジング１６をコンプレッサ１２に回転
自在に接続し、うず巻部分の軸線のまわりで回転する。

連結軸２６はその両端にタービンロータ２８及びコンプ
レッサ輪３０を支持している。タービンハウジング１３
内に設定されるタービンロータ２８は複数の周方向で間
隔をあけられたブレード３４を有しており、該ブレード
は中心軸線から半径方向外方に伸びている。ブレード６
４の形状及び輪郭は当業者によく知られているように必
要に応じて変られる。タービンハウジング１６はまた。

第６図に示す如き出口６２を有している。排気ガスがタ
ービン１１内に向けられると、そのガスはタービンロー
タ２８を回転する。

タービンロータ２８が回転すると、それはコンプレッサ
輪３０ｉ回転する。コンプレッサ輪６０はそれにより比
較的高圧のチャージ空気をエンジンに送る。

ガス入口２２０近くには制御パルプ６６が設けられ、タ
ービンハウジング１６内に入るガス流を制御する。好ま
しくはロータリパルプとされるこノｉｌＪ御パルプ６６
は、彎曲部分１４の内面にフィツトする。制御バルブ６
６はパルプ本体４０を有しており、該本体は開位置及び
閉位置の間を動かされてタービン１１を通るガス流分調
整する。開位置（第２図〕においては、パルプ本体４０
は彎曲部分１４の内面と一致し、ガスが全彎曲部分１４
を西り流れるのを可能とする。第２図に破線で示す閉位
置においては、パルプ本体４０は彎曲部分１４を通るガ
ス流路を拘束する。制御バルブ３６はビン４６及びリン
ク４４を介して制御機構４゛２によシ操作される。制御
機構４２はその一端が固定支持体４８に枢着され、リン
ク４４の直線運動により制御バルブの回転運動を行うよ
うになっている。制御機構４２は手動式でも自動式でも
操作できる。制御機構４２はまた。エンジン運転速度、
エンジン負荷、マニホルド圧力、エンジンを出る排気ガ
スの煙濃度、エンジンに入る大気の濃度、排気ガスの温
度、それらの組合せ等のパラメータの変化に実質的に線
形又は非線形に応答するようにできる。更に、制御機構
４２はタービンロータ２８の速度及びスロットル位置等
のパラメータにも適応するようにできる。

制御バルブ６６からタービンハウジング１６の彎曲及び
うず巻部分肉に向けて分割壁５０が設けられている。膣
壁５０は先細りとされて、その先端５２はタービンロー
タ２８の外周縁にほぼ接線状にされている。この分割壁
５０はタービンハウジング１６と一体の円弧状部分であ
り、タービンハウジングを一次（すなわち外”ｌｉ１！
Ｉ　）流路５６と二次（内側）流路５４とに分ける。好
ましくは、外側流路５６の面積は内側流路５４０面積よ
り大きく、より好ましくは、外側流路５６０面積は内側
流路５４の約６倍とされる。内側及び外υ１り流路５４
．５６の面積が約１：６の関係にされる場合。

外側流路は内側流路よシ約６倍だけタービンロータ２８
の周縁と交わる。更に、流路５４，５６の寸法の差に加
え１分割壁５０はうず巻部分１６の内面と協働して外側
流路５６の横断面積が減少するようにしている（第２図
）。好ましくは、流路５４．５６の横断面積は彎曲及び
うず巻部分１４゜１６を通してそれぞれコンスタントに
減少するようにされる。このようにすると、タービンブ
レード３４に入る排気ガスが比較的に均一な速度となる
。制御バルブ６６を開位置から閉位置に向けて部分的に
回転すると、排気ガスは分割壁５０に向けて外方に向け
られ、それにより内側及び外側流路５４．５６内を流れ
る排気ガスの速度をそれぞれ増大する。この増速は排気
ガスの増大された平均曲率半径と相俟ってタービン１１
の出力動力を増大する。

制御バルブ６６を完全な閉位置まで回転すると（第２図
の破線で示す）、全ての排気ガスは外側流路５６に向け
られる。これにより、排気ガスの速度及び平均曲率半径
は更に増大されてタービンの出力動力？最大にする。

彎曲部分１４はうず巻部分１６の内面５８とともに、尖
端６２＝ｉ有する舌状部分６０ｆｚ形成する。

尖端部分６２は彎曲部分１４の端部２４に位置し。

タービンロータ２８の周縁近くで、好ましくはタービン
ロータ２８の周縁に接線状にされる。尖端部分６２は分
割壁５０の尖端部分５２から約９０’の角度をあけて位
置決めされ、それによりタービンロータ２８の周面積の
約７５％が外側流路５６に面している。尖端部分６２及
び内面５８は、タービンロータ２８の外周縁と舌状部分
６ｏとの間を流れる排気ガスを抑制する。尖端部分６２
はまたタービンロータ２８に与えられる脈動効果を起す
排気ガスの時計方向の流れを抑制する。

第５図乃至第７図には、制御バルブ６４が内側流路５４
を横切るように設けられた可変流タービンの他の実施例
が示されている。パルプ本体６７を有する制御バルブ６
４は、第７図に示すように。

制御リンク６６によって７−ル６５上で回転される。制
御パルプ６４が回転されると、パルプ本体６７は開位置
と閉位置との間で動かされる。開位置においては、第５
図に示すように、パルプ本体６７が彎曲部分１４の内側
面と一致し、排気ガスが外側及び内側流路５４．５６を
流れるようにする。パルプ本体６７を分割壁５１に向け
て動かして部分的な閉位置とすると、内側流路５４の一
部が閉塞される。完全に閉じた位置においては（第５図
に破線で示す）、パルプ本体６７は内側流路５４を閉塞
する。これにより排気ガスの速度及び平均曲率半径が増
大され、タービンの出力動力が増大される。第６図及び
第７図に示すように、この実施例においては分割壁６８
を有している。この分割壁は分割壁５１に対してほぼ直
角にされガス人口２２からタービン／・ウジング１６の
彎曲及びうず巻部分の中へ伸びている。この分割壁６８
はタービン・・ウジング１６を一対の軸線方向で分離さ
れた流路７０，７２に分割しており、各流路７０．７２
はそれぞれ内側及び外側流路５４　、５６を含んでいる
。各流路７０．７２は分離排気ガスマニホルドパイプに
整合されており、排気ガスがタービンブレード６４に入
る前に混合されるの？防ぐ。

操作 可変流タービン１１においては、エンジンのマニホルド
からの排気ガスは流路５４．５６を通り。

タービンロータ２８のブレード６４に当る。タービンロ
ータ２８は、排気ガスの速度及び臓に関係した速度で駆
動される。従って、タービンロータ２８の回転速度はエ
ンジンの速度や負荷のようなエンジンの運転条件に関係
する。更に、流路５４゜５６の横断面積及び形状並びに
分割壁５０の形状は排気ガス速度に影響し、従ってまた
。タービンロータ２８の回転速度に影響する。外側流路
５６の断面積を内側流路５４の約６倍にすることにより
、また、うず巻部分１６の前に彎曲部分１４を設けるこ
とにより、排気ガスの速度をより良く制御できる。

制御バルブ３６を閉じることにより外側流路を通る高速
ガス流が比較的低速エンジンにおいて得られる。内側流
路５４ｉ閉塞すると、ガス全体が外側流路５６を通り流
れる。これにより、タービンロータ２８を十分な速度で
駆動してコンプレッサ輪６０によるエンジンへのチャー
ジ空気を増大するのに十分なガス速度を保証する。

エンジンの速度又は負荷が増大すると、・排気ガスの速
度及び量は増大する。エンジンのトルク曲線上のある上
方の点において、排気ガスの速度と量（ｍａｓｓ　ｆｌ
ｏｗ）は、ターボチャージャ１０の部品が臨界運転限度
を越えるか又はターボチャージャがエンジン運転限度を
越える増大圧力全作るかするような速度でタービンロー
タを回転する。それらのいずれかが起る＠に、制御パル
プ６６が開位置に向けて回転され、流入するガスが内側
及び外側の流路５４．５６の両方を通るようにする。

制却バルブ６６を部分的に閉じることにより、ガス流は
タービンロータ２８の中心軸線から遠ざかり、その平均
曲率半径を増大する。速度はまた。

彎曲部分１４の横断面積の減少により増大される。

制御バルブ６６の各位置に対して、制御パルプ６６のす
ぐ下流の曲率半径に直角に流れるガスの速度は一定の角
運動量を生じる。バルブ５６を閉じることにより、排気
ガスの平均速度及び平均曲率半径は増大し、それにより
角運動量が増大する。

平均速度の増大はタービンロータの周縁においてほぼ次
の式でヂロることかできる。

Ｃ＝− ここで、Ｃは、排気ガスの平均速度； ＫＵ、　タービンロータの周縁におケルＣの所望の値を
作る制御パルプ のすぐ下流に訃けるＣ及びＲに よって決められる定数： Ｒは、ガス流の平均曲率半径；である。

上記式は、摩擦及び圧縮性を省略した場合のうず巻部分
を有する全てのタービンに適合する。

制御パルプ６６を部分的に又は完全に閉じることにより
、タービンロータ２８のブレード６４上に当る排気ガス
の速度は増大され；それによりタービンロータ２８に伝
達されるエネルギーは次のオイラーのタービン式に従っ
て増大される。

ｇｃ ここで、Ｈは、単位量の排気ガス当りタービンロータに
伝えられるエネルギー； Ｕ、は、タービンロータ２８の周′縁におけるタービン
ブレード６４の速 度； Ｃｕｔは、タービンロータ２８の周縁に対して接線方向
の排気ガスの速度； Ｃｕ、　ｌ’ｊ：、タービンロータ２８を離れル排気ガ
スの平均接線方向速度： Ｕ、Ｈ，タービンロータ２８を離れる排気ガスの平均曲
率半径における タービンブレード６４の速度； 及び。

ｇｃは、動定誠；である。

制御パルプ６６を部分的に又は完全に閉じることにより
エンジンへのチャージ空気を増大する。

これにより、排気ガス煙濃度限度を越えることなしに、
高いエンジントルクに対してより多くの燃料をエンジン
に送シ、また瞬間応答を改良することができる。最大ト
ルク曲線以上のエンジン負荷に対しては、制御パルプ６
６を調整して最大エンジン効率のためにエンジン前後の
差圧と空気−燃料比との最適な組合せを行うようにする
ことができる。同様に、高いエンジン速度及び負荷にお
いて制御パルプ６６を部分的にか完全に開くことにより
、ガス流の横断面積を増大し、ガス流の平均曲率半径を
減少してエンジンへの空気増大圧力及びターボチャージ
ャ速度を制御する。

本発明のベーンレスノズルタービンはチョーキング問題
を起すことなしに約マツ・・１以上の速度の排気ガス流
を扱うことができる。超音速を越える速度を扱うことが
できるこの能力はベーンを備えたタービンでは存在しな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明に係る可変流タービンの側面図； 第２図は、＠１図のタービンのＩ析面図；第６図は、第
１図の６−６線断面図； 第４図は、第２図の４−４線断面図； 第５図は、タービン入口の変形例を示す図；第６図は、
第５図の６−６線図； 第７図は、第５図の７−７線断面図；である。 １６・・・ハウジング；１４．・、彎曲部分；１６・・
・うず巻部分；２８・・・ロータ；６６・・・パルプ；
　　　５０・・・分割壁。 特許出願人　　ディーア・アンド・カンパニーＦＩＧ、
／ ５ ＦＩＧ、　６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１ターボチャージャがより効率的に作動できるよう
   にするための可変流タービンにおいて。 彎曲部分とうす巻部分とからなり、彎曲部分はその一端
   に人口を有し、他端でうず巻部分に接続されており、う
   ず巻部分は１つの軸線のまわりに形成され、該軸線と共
   軸状に整合された出口を有しているハウジングと； うず巻部分に収納され、上記軸線のまわりで回転可能と
   され、且つ、複数の周方向で間隔のあけられたブレード
   を有しているロータと；上記入口のところに設けられ、
   該入口を通るガス流を制御するだめのバルブ手段と； パルプ手段から彎曲部分を通り内方に伸び、うず巻部分
   肉に伸びて８両部分を半径方向内側及び外側流路に分け
   る分割壁と；を有し、各流路がうず巻部分肉で上記ロー
   タに近づくに従い、その横断面積が次第に減少するよう
   にされている可変流タービン。 （２）上記彎曲部分が６０　乃至１８０の角度範囲で設
   けられている特許請求の範囲第１項に記載のタービン。 （３）上記彎曲部分が４５乃至９０の角度範囲で設けら
   れている特許請求の範囲第１項に記載のタービン。 （４）ターボチャージャを、エンジンの作動範囲にわた
   り、より効率的に作動するようにするための可変流ター
   ビンにおいて。 彎曲部分とうす巻部分とからなり、彎曲部分は少くとも
   ６０の角度範囲にわたり設けられ、その一端に入口を有
   し、他端でうず巻部分に接続されており、うず巻部分は
   １つの軸線のまわりで少くとも２７０の角度範囲にわた
   り設けられ、上記軸線に共軸状に整合された出口を肩し
   、彎曲部分の内側面がうず巻部分の内側面に収束してう
   ず巻部分の入口の部分で終る舌状部分を形成してなるノ
   ・ウジ／グと； 上記うず各部分の軸線のまわりで回転するようにして上
   記ハウジング内に収納され１周方向で間隔をあけられた
   複数のブレードを有し１周縁が上記舌状部分にほぼ接線
   をなすようにされているロータと； 上記人口のところに設けられて、該入口を通るガス流を
   制御するパルプと； ハウジング内で上記バルブから、ロータの周辺にほぼ接
   線をなす、上記舌状部分の終端部から約９００の角度離
   された位置まで伸び、上記ハウジングを半径方向内側及
   び外側の流路に分割する分割壁と；を有し、各流路の横
   断面積が上記ロータに近づくに従ってコンスタントに減
   少するようになすしている可変流タービン。 （５）上記外側流路が内側流路よシ大きな横断面積を有
   している特許請求の範囲第４項に記載のタービン。 （６）上記外側流路が内側流路の約６倍の横断面積を有
   している特許請求の範囲第５項に記載のタービン。 （７）　　上記外側流路が内側流路より約６倍の範囲に
   わたシロータの周傍に面している特許請求の範囲第６項
   に記載のタービン。 （８）上記バルブが内側流路を児全に開いた第１の位置
   と内側流路を閉じた第２０立置との間の所要の位置をと
   り得るようにした特許請求の範囲第４項に記載のタービ
   ン。 （９）上記バルブが内側流路を流れるガスを上記分割壁
   に向けて指向させることができるよう回動可能とした特
   許請求の範囲第８項に記載のタービン。 ００）ハウジングを軸方向で離された一対の流路に分割
   するために上記入口からハウジング内に、上記分割壁に
   対してほぼ直角な関係で伸びている分割壁を有し、上記
   一対の流路のそれぞれが上記外側及び内側流路を含むよ
   うな構造とされた特許請求の範囲第４項に記載のタービ
   ン。 ａυ　彎曲部分とうす各部分とがらなり、彎曲部分は少
   くとも６０の角度範囲にわたり設けられ、その一端に入
   口を有し、他端でうず各部分に接続されており、うず各
   部分は１つの軸線のまわりで少くとも２７０も角度範囲
   にわたり設けられ、上記軸線に共軸状に整合された出口
   を有し、彎曲部分の内側面がうず各部分の内側面に収束
   してうず各部分の入口の部分で終る舌状部分を形成して
   なるハウジングと； 上記うず各部分の軸線のまわシで回転するようにして上
   記ハウジング内に収納され１周方向で間隔をあけられた
   複数のブレードを有し２周縁が上記舌状部分にほぼ接線
   をなすようにされているロータと； 上記入口からハウジング内に伸び、該ハウジングを軸方
   向で離された一対の流路に分割する第１の分割壁と； ハウジング内で上記入口から、ロータの周辺にほぼ接線
   をなす、上記舌状部分の終端部から約９０の角度離され
   た位置まで伸び、上記各流路を半径方向内側及び外側の
   流路に分割する第２の分割壁で、この内側及び外側の各
   流路の横断面積が上記ロータに近づくに従ってコンスタ
   ントに減少するようになされている第２の分割壁と；上
   記舌状部分の終端部の上流で上記入口のところに設けら
   れ、上記内側流路を開く第１の位置と内側流路を閉じる
   第２の位置との間を可動で、入口を通るガス流を制御す
   るための回転バルブと；該パルプを第１及び第２の位置
   の間で動かす手段と； 全備える可変流タービン。 ０り　上記パルプが内側流路を流れるガスを上記第２の
   分割壁に向けて指向させるよう回転可能な特許請求の範
   囲第１１項に記載のタービン。 ０３）上記彎曲部分内の流路が、上記入口からうず各部
   分に向けてコンスタントに横断面積が減少するようにな
   されている特許請求の範囲第１１項に記載のタービン。 ０４）彎曲部分内の上記内側及び外側流路が、上記入口
   からうず各部分に近づくに従い曲率半径が減少するよう
   にした特許請求の範囲第１１項に記載のタービン。