JPS6056125A - タ−ボチヤ−ジヤのタ−ビンスクロ−ル - 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】 本発明はターボチャージャのタービンスクロールに関し
、特にその排気タービンに供給する排気容量をエンジン
の運転状態−に応じてスクロール入口部で可変とするよ
うにしたタービンスクロールに関する。

第１図は従来のこの種可変容量としたタービンスクロー
ルの一例を示し、本例は実開昭５７−１１２３３号に開
示されているものである。ここで、ｌは図示しない圧縮
器インペラとロータ軸２によって直結されているタービ
ンロータであり、タービンロータ１の外周部には渦巻状
の通路タービンスクロール３が設けられていて、このス
クロール３にエンジン排気通路４からの排気ガスが導か
れる。

更に、本例のタービンスクロール３ではそのハウジング
５を軸２に対する斜め方向から突出壁５Ａによって分割
するようになし、以て、大排気通路部３Ａと小排気通路
部３Ｂとで渦巻室を形成して、これら通路部３Ａおよび
３Ｂをロータｌの入口部６はスクロール３の入口部３Ｃ
に接続する排気通路４の部位でその大排気通路３Ａ側に
設けられた開閉弁であり、この開閉弁６により大排気通
路３Ａに流入する排気ガスの容量を変化させることがで
きる。７は排気ガス出口である。

このように構成されたタービンスクロール３においては
、エンジンが低速回転領域にある場合、ターボチャージ
ャとエンジンとの間の適合性を保持して良好な低速時過
給特性を得るにはガス通路面積を絞ってやる必要のある
ことから、例えば過給圧等を利用した制−機構（図示せ
ず）により開閉弁６を動作させ、大排気通路３Ａを通過
するガス容量を調整することができる。更にまた、エン
ジンが高速回転領域にある場合は、大排気通路３Ａと小
排気通路３Ｂとの双方からロータｌにガスを供給する。

しかしながら、このようにロータ１に供給するガス容量
を可変にしたタービンスクロール３においては、大排気
通路３＾と小排気通路３Ｂとが共にロータ入口部１Ａに
向けて開口する形状をなし、更に、開閉弁６により大排
気通路３Ａのガス流量が絞られるように構成されている
ので、エンジンの低速回転領域で大排気通路３Ａへのガ
ス供給が開閉弁６によってしゃ断されると、この大排気
通路３Ａに死水領域が生じる。

しかして、このような状態では、ガスが小排気通路３Ｂ
を介してロータ入口部ＩＡからロータ１へと供給されて
おり、その際入口部ＩＡ近傍には第２図（Ａ）に示すよ
うな旋回流１０が生じていることによって旋回流ｌＯを
なすガス流体は遠心力を持つことになる。そこでガス流
体の一部が大排気通路３Ａの死水領域となっているガス
体の中に放散されてゆき、ここに第２図（Ｂ）に示すよ
うな循環流１１を発生する。この循環Ｆｅ１ｌは大排気
通路３Ａの壁面に沿って流れるので摩擦損失によってエ
ネルギを失い、再び旋回流ｌＯと合流する状態となるの
で、タービンスクロール３内でのエネルギ損失が大きく
、タービン効率を低下させる結果を招く。

更に、第３図は一般によく使用されているダブルエント
リハウジング初のスクロール３を示し、この種のもので
はそのハウジング５が外周部から突出させた壁５Ａによ
り軸方向に分割されている。

しかして、このようなダブルエントリハウジング型のス
クロール３において、いずれか一方の排気通路３Ｄを開
閉するような開閉弁（図示せず）を設けた場合にあって
も、同様な現象が発生して、シングルエントリのタービ
ンスクロールの場合よりその効率が低下し、低速時にお
けるターボ過給圧の立上がりを悪くする。

本発明の目的は、上述した問題点に着目し、エンジンの
低速から高速回転領域にいたるまで、排気エネルギが有
効に活用されて損失が少なく、良好なタービン効率が維
持できて、更にエンジンの背圧を下げる効果により十分
な高速出力の保持に貢献するターボチャージャのタービ
ンスクロールを提供することにある。

かかる目的を達成するために、本発明では、タービンロ
ータ入口に向けて開口している渦巻型主排気通路とこれ
に併設し直接にはロータ入口に開口しない渦巻型補助排
気通路とを有するようになし、これら双方の排気通路間
の仕切壁にロータ軸心を中心とする２つの同心円で限界
される一定幅の連通孔をほぼロータの全周にわたって設
けて、この連通孔を主排気通路側から補助排気通路側に
向けて軸心へ近づく方向に傾斜させるようになして壁面
に重なりを持たせ更に補助排気通路の側に排気量を５（
変とする弁を設けて、エンジンの低速領域ではこの弁を
閉成し、排気が主排気通路のみからロータ入口に直接供
給されるようにする。

以下に、図面に基づいて本発明の詳細な説明する。

第４図は本発明の一実施例を示し、ここで１３はタービ
ンスクロールであり、　１３Ａはスクロール１３の渦巻
型とした主排気通路である。主排気通路１３Ａはロータ
１の入口部ｌ＾に向っての開口部１４を有すると共に、
この主排気通路１３Ａと仕切壁５Ｂを介して並列に設け
た補助排気通路１３Ｂの間には連通部１５を有する。

しかして、この連通部１５は先にも述べたように同心円
的に形成されるものであるが、更にそのスリットの形成
にあたっては、本図に示すように主排気通路１３Ａの側
から補助排気通路１３Ｂに向けてロータ１の軸心０に近
づける方向に傾斜させ、一定幅Ｂを保たせるようにする
。

更にまた、連通部１５は傾斜を持たせて形成するが、同
時にその主排気通路１３Ａと補助排気通路１３Ｂ側とで
は第５図に示すように仕切壁５Ｂの重なり分（オーバラ
ップ量）Ｌが得られるようにすることが望ましい、ただ
し、この連通部１５によって仕切壁５Ｂの主排気通路１
３Ａ側および補助排気通路１３Ｂ側の面に形成される鋭
角のエツジ部１５Ａおよび１５Ｂはオーバラップ量りが
得られる範囲で滑らに仕上げられてもよい。

また、連通部１５は第６図に示すように、ロータ軸心Ｏ
の周りに同心円的形状に設けられるものであるが、その
周方向の範囲は広ければ広いほど望ましく、連通部１５
の設けられない範囲を極力短くすることにより、タービ
ンロータ１の入口部ＩＡにおける流れの不均一性によっ
て流体エネルギー損失の増大するのを抑制する。

なお、本例では、スクロール１３の舌部１８におけるロ
ータ１側の最小通路部から舌部１８とハウジング５とに
よって形成される絞り部すなわちスロート部１７に極力
近づけた位置にかけて形成しである。

更に第６図において、２５は補助排気通路１３８のスロ
ート部１７の上流側に設けた開閉弁（本例ではロータリ
バルブ）であり、この開閉弁２５によって補助排気通路
１３Ｂ側の流量をｔＡｔ！Ｂする。開閉弁２５は第７図
に示すようにスクロール５にボルト等の手段によって取
付けられたカバー２Ｂと、このカバー２Ｂに圧入された
ブツシュ２７と、ブツシュ２７に回動自在に軸支される
シャフト２８を有する弁本体２５Ａとシャフト２８を回
動させるレバー２８とを有し、図示しない制御手段によ
って開閉制御される。なお、第６図では開閉弁２５の閉
成状態が示されている。

また、本例では開閉弁２５をスロート部１７より上流の
ハウジング５に設しテたが、これに代えて開閉弁２５を
スクロール１３の入口部１３Ｃより上流側の補助排気通
路（図示せず）に設けるようにしてもよい。しかして、
開閉弁２５をエンジンの低速回転領域では制御手段によ
って閉成するようにする。

次に、このように構成するタービンスクロールでの連通
部１５の幅Ｂの設定について述べる。幅Ｂの設定にあた
っては、過給特性に及ぼす影響を考慮する必要があり、
本発明者が確認した最も良好な過給特性が得られる条件
式を次に示す。

ただし、（１）式において、 ＡＡＴ：主排気通路１３＾のスロート部！７Ａにおける
面積 ＡＢＴ：補助排気通路１３Ｂのスロート部１７Ｂにおけ
る面積 Ｒ＾　：ロータ軸心０からスロート部１７Ａの重心まで
の距離 Ｒ８二ロータ軸心０かもスロート部１７Ｂの重心までの
距離 Ｈ：タービンロータ１の入口部ＩＡにおける羽根幅 すなわち（１）式によって連通部１５の幅Ｂを設定する
ことが望ましいが、設計上の都合で幅Ｂをこれより狭く
する場合には、上記の条件を念頭におき、損失を極力少
なくするように配慮されなければならない。

続いて、このように構成したタービンスクロール１３ツ
エンジン運転中における流体の動作を述べ、あわせてそ
の連通部１５を設けたことによる効果について説明する
。

エンジンの低速回転領域で開閉弁２５を閉成すると、そ
の補助排気通路１３Ｂに死水領域が生じるが、補助排気
通路１３Ｂは仕切壁５Ｂによって主排気通路１３Ａと分
離されており、ロータ１の入口部ＩＡに向けて開口され
ていないので、第２図（Ａ）および（Ｂ）で説明したよ
うな流れの発生することがない。

また、タービンスクロール１３の主排気通路＋３Ａ側に
おける流速分布は、流***置までの軸心０からの距離を
ｒ、その位置での流速をＶとすると、ＶＸｒ＝一定で表
わされるフリーポルテ・ンクス流れであることから半径
ｒに逆比例して流速Ｖが変化する。すなわち、スクロー
ル１３の外周部に近いところほど流速が遅くなり、ロー
タ１に近づくほど流速が遠くなる。したがって、ロータ
１の入口ＩＡ側では静圧が低く、外周側では静圧が高い
。

そこで、軸心０から等距離の位置に同心円状に設けた連
通部１５にあっては、この部１５における静圧が全周に
わたり一定に保たれることが分る。すなわち、このこと
によって、半径位置の違いから生じる圧力差のために主
排気通路１３Ａ側から補助排気通路１３Ｂ側へと流体が
分流するよう貨くことなく、良好な流れの状態を保つこ
とができる。次に連通部１５に形成したオーバラップの
効果を第８図によって説明する。なお、本例では主排気
通路１３Ａ側の・エツジ部１５Ａを仕切壁５Ｂのこの側
の主壁面５Ｄの線より凸出させて形成したが、その理由
と効果については後述する。

いま、連通部１５にオーバラップが形成されない場合の
例として外側の連通部壁３０Ａが破線の位置にあるとす
る。この場合の補助排気通路１３Ｂ側のエツジ部を　１
５Ｂ′　として、主排気通路１３Ａ側でのこのエツジ部
１５Ｂ’　に対応する半径位置をＡｔ、また、エツジ部
１５Ａに対応する半径位置をＡ２．更にまた、補助排気
通路１３Ｂ側の位置＾ｌとＡ２との中間にあたる半径位
置を８１とする。

しかして、この場合の位置＾１．Ａ２およびＢ１におけ
る静圧をそれぞれＰＡｌ、ＰＡ！Ｌおよびｐｅｉとする
と、これらの静圧間ではＰＡｉ＞　ｐｅｉ＞Ｐａユの関
係が成立つ。

そこで、いまこのようにオーバラップを形成しないとす
ると、一点鎖線で示すようにＡ１から８１へ、更にＢ１
からＡ２に向けての２次的流れ４０が発生する。すなわ
ち、主排気通路１３Ａ側からいったん補助排気通路１３
Ｂ側に旋回流が飛び出してゆき、補助排気通路１３Ｂ側
からは代りに低エネルギの死水領域中の流体が主排気通
路１３＾側に戻されて、これらの混合により流体エネル
ギの損失をもたらす。

これに対して、外側の連通部壁３０Ｂを第８図で実線に
よって示したような位置となし、連通＠８１５にオーバ
ラップを形成するかまたはエツジ部１５Ａと１５８とが
同一半径位置にあるようにすると（オーバラップ量がゼ
・口）、上述したような２次的な流れの傾向が抑制さえ
、仮に主排気通路１３Ａ側から補助排気通路１３Ｂ側に
旋回流の一部が流れ込んだとしても、仕切ｆｉ５Ｂの壁
面５Ｅによって補助排気通路１３Ｂ側から主排気通路１
３Ａ側への流体の流れが阻止され、エネルギ損失を最小
限に抑制することができる。

本発明者は上述したようなオーバラップの形成による効
果を確認するために実験を行い、第９図に示すような効
率低下の傾向を把握した。ここで、横軸はオーバラップ
量りと連通部スリット幅Ｂとの比、縦軸はＬ／Ｂに対し
て低速領域でのタービン効率を示す。本図からも明らか
なようにオーバラップＬがゼロ、すなわちＬ／Ｂ＝Ｏよ
り左方の付の設定領域（幅Ｂおよび仕切壁５Ｂの厚さを
一定とした場合には連通部１５のスリットの傾斜が横軸
の左方にゆくほど少なくなる）では効率η７が急激に低
下する。

この実験の結果からも明らかなように、オーバラップ量
りを少なくともゼロ以上とするのが好適であるが、設計
上等の都合でそのような設定が困難な場合でも、負のオ
ーバラップ量を幅Ｂの２５％程度、すなわちＬ／Ｂ　＝
−０，２５程度までにとどめることが望ましい。

次にエンジンの中速回転領域における制御とその流体動
作を説明する。この状態では開閉弁２５をほぼ半開状態
に制御する。よって、排気ガスは主排気通路１３Ａの外
にこの半開状態とした補助排気通路１３Ｂを通って流れ
るが、通路１３Ｂを流れるガスは開閉弁２５の開度に応
じて連通部１５の最下流位置すなわち最小通路部位置の
連通部１５から流入し始め、そのあと次第に上流側に流
入範囲が拡大されてガスを主排気通路１３Ａ側に導く。

かくして、エンジンの高速回転領域では開閉弁２５が全
開されることに薫って、補助排気通路１３Ｂ側から連通
部１５の全周を経てガスが主排気通路層１３Ａ側に効率
よく流入し、タービンロータｌに導かれるので、従来に
比しタービンの入口圧すなわちエンジンの背圧を低減さ
せてエンジンの出方向上に貢献することができる。

なお、第８図では仕切壁５Ｂの連通部１５で限界される
ロータ１側の壁面５Ｃを主壁面５Ｄより寸法Ｃだけ突出
させると共にこの部の仕切壁５Ｂにエツジ部！５Ａを形
成したが、その効果について補足説明する。上述したよ
うに補助排気通路１３Ｂ側にもガスが供給される場合は
、この補助排気通路１３Ｂの壁面との摩擦によってエネ
ルギを失った流体が通路＋３１３の内周面側に集まって
、この２次流れが直接にロータ入口ｌ＾に導かれようと
する。エツジ部１５Ａを形成したロータ１側の仕切壁５
Ｂは、このような２次流れがロータ入口ＩＡに導かれる
のを阻止する障害（バウンダリーレアーフェンス）とし
て作用するのみならず、連通部１５から主排気通路＋３
Ａ側に導かれるガス流と主排気通路１３Ａを流れる主流
との浬合を助ける役目をなし、タービン入口ＩＡの周り
の流れの改善を図ってタービン効率を向上させ、全運転
領域にわたり良好なタービン性能を維持させることがで
きる。

更にまた、ロータｌ側の仕切壁５Ｂを寸法Ｃだけ突出さ
せたことは、主排気通路１３Ａ側の仕切壁面５Ｄに生じ
る境界層（バウンダリーレアー）を逆に補助排気通路１
３Ｂ側へ誘導することによって、上述した２次流れがロ
ータ入口ＩＡに直接導かれるのを更に一層阻止する効果
が得られる。

なお、連通部１５を設ける半径位置は設計上杵される限
り大きい半径位置とすることが補助排気通路１３Ｂ側に
排気が導かれる中高速領域での効率向上のために好適で
ある。

第１θ図は本発明の他の実施例を示す。本例は弁をフラ
ップ弁３５としたもので、３８はその開閉軸である。こ
の場合補助排気通路１３Ｂを形成しているハウジング５
の壁面には弁座部３７を設けて弁ａ５の閉成時には、弁
３５本体が段付きとしたこの弁座部３７に当接すること
により洩れを防止し、低速時の性能改善を図る。

第１１図は本発明の更に他の実施例を示し、本例は補助
排気通路を多段に設けたものである。ここで、１３Ｂお
よび１３０は補助排気通路であり、　５Ｇは補助排気通
路１３Ｂと１３０との間の仕切壁である。

しかして、仕切Ｊｇ１５Ｂおよび５Ｇのほぼ相対位置に
第４図または第８図で示したような連通部１５を設け、
更に図には示さないが補助排気通路１３Ｂおよび１３０
のそれぞれに開閉弁を設けるようにする。

その他の構成は第４図と同様であり、その説明を省略す
る。このように構成したタービンスクロール１３にあっ
ては、補助通路１３Ｂおよび１３０の各々に設けた開閉
弁を適宜に制御することによって流量範囲を大きく変化
させることができ、制御もしやすい。

更に本例において、図示はしないが、補助排気通路１３
Ｂあるいは１３０に一般に知られている排気バイパス弁
を設け、この排気バイパス弁によってエンジンの過給圧
を制御するようにすることもできるのはいうまでもない
。

以上説明してきたように、本発明によれば、ターピノロ
ータの入口に向けて直接に開口している渦巻型の主排気
通路と、これと並列に配置し、直接にはロータ入口に開
口しない渦巻型補助排気通路とを設け、これら双方の排
気通路間の仕切壁に、ロータの軸心を中心とする２つの
同心円で限界される一定幅の連通部をほぼロータの全周
にわたって設けると共に、この連通部のスリット形状を
主排気通路側から補助排気通路側に向けて軸心に近づく
方向に傾斜させて、この傾斜により双方の通路間に壁面
の重なりが得られるようになし、更に補助排気通路には
ロータに供給する排気量を調整する弁を設けたので、エ
ンジンの低速時にあっても補助排気通路に生じる死水領
域の排気がエネルギを損失した状態でロータに持込まれ
るのを防止することができ、適応した過給圧が供給でき
て良好なタービン効率が得られる。

更にまた、中高速にあっても排気をそのまま直接ロータ
に導いて過給することができるので、排気エネルギの損
失が少なく、エンジンの背圧を下げることができて中高
速出力に貢献することができることはいうまでもない。

なお、以上の説明では、仕切壁が回転軸と直交する面と
なるように構成したが、設定するスクロールの渦巻形態
によっては回転軸に必らずしも直交する面でなくてもよ
く、若干これより傾けた面としてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の可変容量としたタービンスゲロールの構
成の一例を示す断面図、 第２図（Ａ）および（Ｂ）はその開閉弁の開閉状態にお
いて、タービンロータの周りに発生する旋回流および、
大排気通路部に発生する循環流の傾向を示すそれぞれ説
明図、 第３図はダブルエントリハウジング型の従来のタービン
スクロールの一例を示す断面図、第４図は本発明ターボ
チャージャのタービンスクロールの構成の一例を示す断
面図、 第５図はその連通部の詳細を示す断面図、第６図は本発
明にかかるタービンスクロールの補助排気通路にロータ
リ弁を設けた状態を示す断面図、 第７図は第６図のロータリ弁のＹ−Ｙ線断面図、 第８図は本発明にかかるタービンスクロールの連通部に
よって有害な二次法れが阻止される状態を説明するため
の断面図、 第９図はその連通部におけるスリットの幅とオーバラッ
プ量との比を変化させたときのタービン効率の低下状態
を示す特性曲線図、第１０図（Ａ）および（Ｂ）は本発
明の他の実施例として補助排気通路にフラップ弁を設け
た状態を示す断面図およびそのｘ−Ｘ線断面図、 第１１図は本発明の更に他の実施例によるタービンスク
ロールの断面図である。 ｌ・・・タービンロータ、 ＩＡ・・・入口部、 ２・・・軸、 ３．１３・・・タービンスクロール、 ３＾、３Ｂ、４・・・排気道′路、 ３０．１３Ｇ・・・入口部、 ５・・・ハウジング、 ５Ａ・・・壁、 ５Ｂ；５Ｇ・・・仕切壁、 ５Ｇ、５Ｄ、５Ｅ・・・壁面、 ［１，２５，３５・・・弁、 ７・・・ガス出口、 ｌＯ・・・旋回流、 １１・・・循環流、 １３Ａ、１３Ｂ、１３Ｄ・・・排気通路、１４・・・開
口部、 １５・・・連通部、 １５Ａ、１５Ｂ、１５Ｂ　’・・・エツジ部。 ］６・・・舌部、 １７・・・スロート部、 ２８・・・カバー、 ２７・・・ブツシュ、 ２８・・・シャフト、 ２８・・・レバー、 ３０Ａ、３０Ｂ　・・・壁、 Ａｌ、Ａ２．Ｂｌ・・・位置、 ３６・・・開閉軸、 ３７・・・弁座部、 ４０・・・流れ。 特許出願人　日産自動車株式会社 第１図 第２図 （Ｂ） 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 タービンロータ入口部に向けた開口部を有する渦巻型の
   主排気通路と、該主排気通路に併設され前記タービンロ
   ータ入口部から仕切壁によって隔離された補助排気通路
   と、°該補助通路に供給される排気の量をエンジンの運
   転状態に応じて可変とする弁とを有し、前記仕切壁には
   前記タービンロータの軸心を中心とする２つの同心円で
   限界された一定幅の連通部をほぼ前記タービンロータの
   全周にわたり設け、該連通部の前記軸心を含む断面形状
   を、前記主排気通路側から前記補助排気通路側に前記タ
   ービンロータの軸心に近づける方向の傾斜を持たせるよ
   うになして、前記主排気通路と前記補助排気通路との間
   で排気が前記連通部を介して前記軸心の方向に直接移動
   するのを抑制し、前記排気を前記連通部の前記傾斜に沿
   わせてのみ連通自在なようになして、前記エンジンの低
   速回転領域では、前記弁により前記補助排気通路を閉成
   して前記主排気通路のみにより前記タービンロータに前
   記排気を供給するようにしたことを特徴とするターボチ
   ャージャのタービンスクロール。 （以下、余白）