WO2020129192A1 - ノズルベーン - Google Patents
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Definitions
- the present disclosure relates to a nozzle vane of a variable capacity turbocharger.
- variable capacity turbocharger that can change the flow characteristics of exhaust gas by adjusting the opening of the nozzle has been installed in automobiles.
- the configuration of such a variable capacity turbocharger is disclosed in Patent Document 1.
- the variable displacement turbocharger is provided with an actuator that rotates the nozzle vane in order to adjust the opening of the nozzle.
- the nozzle vane uses the torque given by the actuator, the torque given by the exhaust gas, and the nozzle vane. It rotates by the torque that is the sum of the frictional force that acts at the moment of starting movement.
- the torque tends to decrease as the mass flow rate of exhaust gas increases, and the mass flow rate of exhaust gas If it is sufficiently large, the torque may have a negative value and the nozzle opening may decrease. If the torque when the actuator breaks during operation of the variable displacement turbocharger is negative, the nozzle opening decreases and the flow velocity of the exhaust gas flowing from the nozzle to the turbine wheel increases. This can increase speed and result in overboost and eventually engine failure.
- the fact that the torque is negative means that the frictional force is dominant, and therefore when the torque is negative, the opening of the nozzle is not always the same even if the torque given from the actuator is the same. No longer. As a result, there is a possibility that hysteresis will occur in the mass flow rate of the exhaust gas and the air-fuel ratio and engine output will be reduced.
- Patent Document 1 in order to increase the torque, when the distance between the rotation center of the nozzle vane and the leading edge is Xp and the cord length of the nozzle vane is C, 0.25 ⁇ (Xp/C) A nozzle vane having a shape of ⁇ 0.45 is proposed. However, in order to realize such a shape, it is necessary to move the position of the center of rotation of the nozzle vane to the front edge side, which causes the restriction 1).
- At least one embodiment of the present disclosure aims to provide a nozzle vane capable of increasing the torque in the opening direction provided by exhaust gas in a variable capacity turbocharger.
- a nozzle vane according to at least one embodiment of the present invention A variable capacity turbocharger nozzle vane, When the cord length of the nozzle vane is L and the distance between the leading edge of the nozzle vane and the rotation center of the nozzle vane is Xp, 0.45 ⁇ (Xp/L) ⁇ 0.60.
- the distance from the center of rotation of the turbine wheel of the variable displacement turbocharger to the pressure surface near the leading edge of the nozzle vane is smaller than that of the nozzle vane with (Xp/L) ⁇ 0.45. become longer.
- the exhaust gas flowing through the spiral turbine scroll becomes a flow curved in an arc shape in each flow path formed between the adjacent nozzle vanes. This flow is convexly curved towards the pressure surface that defines each flow path.
- the nozzle vane according to at least one embodiment of the present invention is A variable capacity turbocharger nozzle vane,
- the nozzle vane has a blade shape including a leading edge, a trailing edge, a pressure surface, and a suction surface at least at a blade height direction central position, In the blade shape, from a first line segment connecting two points on the suction surface at a cord position of 10% to 60% from the leading edge to the trailing edge, an arbitrary portion on the suction surface between the two points can be selected. If the maximum value of the distance to the point is W1 max and the length of the first line segment is L1, then 0 ⁇ (W1 max /L1) ⁇ 0.05, and the code positions of the two points are relative to each other. 10% or more apart.
- the nozzle vane has a blade shape including a leading edge, a trailing edge, a pressure surface, and a suction surface at least at a blade height direction central position, In the blade shape, from a first line segment connecting two points on the suction surface at a code position in the range of 10% to 60% from the leading edge to the trailing edge, on the suction surface between the two points. If the maximum value of the distance to any point is W1 max and the length of the first line segment is L1, then 0 ⁇ (W1 max /L1) ⁇ 0.05, and the code positions of the two points are On the other hand, they are more than 10% apart.
- the two points are at 10% and 60% code positions from the leading edge to the trailing edge, respectively. According to the configuration of (4) above, since the substantially flat portion exists in the region where the separation easily occurs, the separation surely occurs on the negative pressure surface. Therefore, when the mass flow rate of the exhaust gas is large, the nozzle vane is large. It is possible to further increase the torque applied in the opening direction.
- the nozzle vane has a blade shape including a leading edge, a trailing edge, a pressure surface, and a suction surface at least at a blade height direction central position,
- the distance between the trailing edge and the fixed point is When the maximum value of the distance to the arbitrary point on the pressure surface is W2 max and the length of the second line segment is L2, 0 ⁇ (W2 max /L2) ⁇ 0.03.
- the pressure surface is located closer to the negative pressure surface forming the flow path together with the pressure surface than in the configuration in which this portion is curved in a concave shape. Then, the flow velocity of the exhaust gas along the pressure surface increases near the trailing edge, and as a result, the static pressure generated on the pressure surface near the trailing edge decreases. Since the static pressure generated on the pressure surface near the trailing edge becomes small, the static pressure difference between the pressure surface side and the suction surface side near the trailing edge becomes small. As a result, the torque in the opening direction given to the nozzle vanes by the exhaust gas can be increased.
- the nozzle vane in the configuration of (5) above, includes a hub side edge and a tip side edge, In at least 30 to 70% of the blade height from the hub side edge in the direction from the hub side edge to the tip side edge, the nozzle vane has the blade shape.
- the camber lines at equal distances from the pressure surface and the suction surface are linear at least in a range from the leading edge to the trailing edge at a 60% cord position to the trailing edge. In addition, it does not intersect with the code line connecting the front edge and the rear edge between the front edge and the rear edge. According to the configuration of (7), even if the pressure surface has the configuration of (5) or (6), it is possible to prevent the configuration of the suction surface from becoming complicated.
- the suction surface is configured such that the curvature of the region connected to the trailing edge is larger than the curvature of the region connected to the leading edge.
- the exhaust gas flowing through the spiral turbine scroll becomes a flow curved in an arc shape in each flow path formed between the adjacent nozzle vanes. This flow is convexly curved towards the pressure surface that defines each flow path.
- the flow velocity of the fluid increases toward the inner diameter side, but if this principle is applied to the flow of exhaust gas that curves convexly toward the pressure surface, the longer the distance, the closer to the front edge of the nozzle vane.
- FIG. 1 is a sectional view of a turbine of a variable capacity turbocharger including a nozzle vane according to a first embodiment of the present disclosure.
- FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II of FIG. 1.
- FIG. 3 is a diagram showing a blade shape at a blade height direction central position of the nozzle vane according to the first embodiment of the present disclosure.
- FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of increasing the torque in the opening direction in the nozzle vane according to the first embodiment of the present disclosure.
- FIG. 6 is an enlarged view of a blade-shaped suction surface at a blade height direction central position of a nozzle vane according to Embodiment 2 of the present disclosure.
- FIG. 1 is a sectional view of a turbine of a variable capacity turbocharger including a nozzle vane according to a first embodiment of the present disclosure.
- FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II of FIG. 1.
- FIG. 3 is a diagram
- FIG. 8 is a diagram for explaining the principle of increasing the torque in the opening direction in the nozzle vane according to the second embodiment of the present disclosure.
- FIG. 9 is an enlarged view of a modification of the blade-shaped suction surface at the blade height direction central position of the nozzle vane according to the second embodiment of the present disclosure. It is a figure which shows the blade shape in the blade height direction center position of the nozzle vane which concerns on Embodiment 3 of this indication.
- FIG. 11 is a diagram for explaining the principle of increasing torque on the pressure surface near the trailing edge of a nozzle vane according to Embodiment 3 of the present disclosure. It is a figure showing composition of a pressure side near a trailing edge of a modification of a nozzle vane concerning Embodiment 3 of this indication.
- FIG. 10 is a diagram showing blade shapes at a blade height direction central position of various modified examples of the nozzle vane according to the fourth embodiment of the present disclosure.
- a turbine 2 of a variable capacity turbocharger 1 is provided with a turbine housing 3 in which a spiral turbine scroll 5 is formed, and is rotatable inside the turbine housing 3 in a radial direction of the turbine scroll 5.
- the turbine wheel 7 is provided, and the variable nozzle mechanism 9 that controls the flow passage area of the exhaust gas flowing from the turbine scroll 5 to the turbine wheel 7 is provided.
- the variable nozzle mechanism 9 includes a nozzle 15, a nozzle mount 17 fixed to the bearing housing 13, and a nozzle plate 18.
- the nozzle 15 has a plurality of nozzle vanes 15a provided so as to surround the periphery of the turbine wheel, and a nozzle shaft 15b fixed to each nozzle vane 15a.
- Each nozzle shaft 15b is rotatably supported by the nozzle mount 17.
- Each nozzle shaft 15b is connected to an actuator (not shown) via a link mechanism 21, and each nozzle shaft 15b is rotated by the torque given from the actuator, and the nozzle vane 15a is rotated by the rotation of each nozzle shaft 15b. It is configured to rotate.
- a flow path 23 through which the exhaust gas G flowing through the turbine scroll 5 flows is formed between the adjacent nozzle vanes 15a and 15a.
- the turbine scroll 5 side on the outer peripheral side is a high pressure side H due to the exhaust gas G
- the turbine wheel 7 side on the inner peripheral side is a low pressure side U across the flow path 23.
- the exhaust gas that has passed through the turbine scroll 5 flows into the flow path 23 with a constant flow angle. At that time, the pressure rises on the pressure surface 25 facing the flow, and on the contrary, the pressure is low on the suction surface 27 side.
- a moment M(+) in the opening direction of the flow path 23 is generated on the front edge 29 side of the nozzle vane 15a with the nozzle shaft 15b as the rotation center, and on the rear edge 31 side, the flow path is generated.
- a closing moment M( ⁇ ) of 23 is generated.
- a balance of these moments M(-) and M(+) becomes the torque given to the nozzle vane 15a by the exhaust gas G.
- FIG. 3 shows a blade shape 40 at the center position in the blade height direction of the nozzle vane 15a.
- L be the distance between the leading edge 29 and the trailing edge 31, that is, the cord length of the nozzle vane 15a, and between the leading edge 29 and the nozzle shaft 15b, that is, between the rotation center of the leading edge 29 and the nozzle vane 15a.
- the distance is Xp, 0.45 ⁇ (Xp/L) ⁇ 0.60.
- the nozzle axis 15b becomes It is located on the virtual line VL between P7.
- FIG. 3 illustrates a nozzle vane 100 that satisfies (Xp/L) ⁇ 0.45 so as to be in parallel with the nozzle vane 15a that satisfies such a condition.
- variable capacity turbocharger 1 As shown in FIG. 2, an actuator (not shown) rotates each nozzle shaft 15b via the link mechanism 21 (see FIG. 1) according to the flow rate of the exhaust gas G from the turbine scroll 5, and each nozzle shaft 15b is rotated.
- the nozzle vane 15a is rotated by the rotation of.
- each nozzle vane 15a rotates by a torque that is the sum of the torque given from the actuator, the torque given by the exhaust gas G, and the frictional force that acts at the moment when each nozzle vane 15a starts to turn.
- the flow passage area of each flow passage 23 changes, that is, the opening degree of the nozzle 15 changes, and the opening degree control of the nozzle 15 is performed based on the flow rate of the exhaust gas G.
- the exhaust gas G flowing through the spiral turbine scroll 5 becomes a flow curved in an arc shape in each flow path 23.
- This flow is convexly curved towards the pressure surface 25 defining each flow path 23.
- the flow velocity of the fluid increases toward the inner diameter side, but if this principle is applied to the flow of the exhaust gas G that curves in a convex shape toward the pressure surface 25, as shown in FIG.
- the longer the distance R1 from the rotation center O T of the turbine wheel to the pressure surface 25 near the front edge 29 of the nozzle vane 15a the smaller the flow velocity of the exhaust gas along the pressure surface 25 near the front edge 29 of the nozzle vane 15a. ..
- the former is located farther from the rotation center than the latter. Therefore, as shown in each of FIGS. 4 (a) and (b), the distance R1 is greater than the distance R2 from the rotation center O T of the turbine wheel to a pressure surface 102 of the front edge 100a near the nozzle vanes 100 (R1>R2).
- the nozzle vane 15a has a smaller flow velocity of the exhaust gas along the pressure surface 25 near the front edge 29 than the nozzle vane 100, so that the static pressure generated on the pressure surface 25 near the front edge 29 increases.
- the nozzle vane according to the second embodiment will be described.
- the structure of the suction surface 27 is not particularly referred to, the nozzle vane according to the second embodiment has the structure of the suction surface 27 limited to that of the first embodiment.
- the same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
- the suction surface 27 when the cord position is defined in the direction from the leading edge 29 to the trailing edge 31, the suction surface 27 has the straight portion 43 in the range of 10% to 60% of the cord position. Contains. That is, the suction surface 27 includes the flat portion 46 in the range of the code position of 10% to 60% at the blade height direction central position of the nozzle vane 15a. Other configurations are the same as those of the first embodiment.
- the rotation angle of the nozzle vane 15a in the opening direction becomes large. Therefore, as shown in FIG. 6, the exhaust gas enters the nozzle vane 15a at an angle such that separation FS occurs on the negative pressure surface 27.
- the flat portion 46 is formed on the suction surface 27 in the range of the code position of 10% to 60%, the peeling FS is greater than when the suction surface 27 does not have such a flat portion. It is easy to happen.
- the peeling FS occurs on the negative pressure surface 27, the static pressure on the negative pressure surface 27 decreases, so that the torque in the opening direction applied to the nozzle vane 15a increases. As a result, when the mass flow rate of the exhaust gas is high, the torque in the opening direction applied to the nozzle vane 15a can be increased.
- the suction surface 27 includes the flat portion 46 in the range of the code position of 10% to 60%, but the flat portion 46 does not necessarily have to be completely flat.
- the suction surface 27 includes the flat portion 46 in the range of the code position of 10% to 60%, but the flat portion 46 does not necessarily have to be completely flat.
- the negative pressure surface 27 is curved in a convex shape toward the side opposite to the pressure surface 25 with respect to the first line segment LS1 in the range of the code position of 10% to 60%. It may be curved concavely on the pressure surface 25 side with respect to the first line segment LS1, or may have at least one convexly curved portion and at least one concavely curved portion. This form means that the flat portion 46 does not have to be completely flat, but may be a substantially flat portion including some unevenness or curvature.
- the suction surface 27 includes the flat portion 46 or the substantially flat portion in the range of the cord position of 10% to 60%, but the embodiment is not limited to this.
- the suction surface 27 includes the flat portion 46
- the cord positions at both ends of the flat portion 46 may be separated from each other by 10% or more within the range of 10% to 60% of the cord position, and the negative position may be negative.
- the pressure surface 27 includes a substantially flat portion, the cord positions of the two points P11 and P12 may be separated from each other by 10% or more.
- the configuration of the suction surface 27 is limited so that the suction surface 27 is provided with the flat portion 46 or the substantially flat portion as compared with the first embodiment, but the configuration is not limited to this.
- the flat portion 46 or the substantially flat portion may be provided on the suction surface 27 without the configuration of the first embodiment.
- the nozzle vane according to the third embodiment will be described.
- the structure of the pressure surface 25 near the trailing edge 31 is not particularly mentioned, but the nozzle vane according to the third embodiment is different from the first or second embodiment in the pressure surface near the trailing edge 31.
- the configuration of 25 is limited.
- the third embodiment will be described by limiting the configuration of the pressure surface 25 near the trailing edge 31 with respect to the first embodiment, but the configuration of the pressure surface 25 near the trailing edge 31 with respect to the second embodiment.
- the third embodiment may be configured by limiting
- the same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
- FIG. 8 shows a blade shape 40 at the center position of the nozzle vane 15a in the blade height direction.
- pressure surface 25 includes a straight portion 33 in the range of 60% to 100% cord position. That is, the pressure surface 25 includes the flat portion 26 in the range of the cord position of 60% to 100% at the center position of the nozzle vane 15a in the blade height direction.
- Other configurations are the same as those of the first embodiment.
- the operation of controlling the opening degree of the nozzle 15 based on the flow rate of the exhaust gas G is the same as that of the first embodiment.
- the torque applied to each nozzle vane 15a by the actuator to control the nozzle 15 to a predetermined opening is small, as in the case where the flow rate of the exhaust gas G is small, the torque supplied by the exhaust gas G is also small.
- the pressure surface 25 has the flat portion 26 in the range of the cord position of 60% to 100% at the blade height direction central position of the nozzle vane 15a. By including it, it has an effect of reducing the closing moment M( ⁇ ) on the trailing edge 31 side of the nozzle vane 15a. The principle of obtaining this effect will be described below with reference to FIG.
- the exhaust gas G flowing through the spiral turbine scroll 5 becomes a flow curved in an arc shape in each flow path 23.
- This flow is convexly curved towards the pressure surface 25 defining each flow path 23.
- the fluid velocity increases toward the inner diameter side, but if this principle is applied to the flow of the exhaust gas G that curves convexly toward the pressure surface 25, the flow path 23 is defined together with the pressure surface 25.
- the flow velocity of the exhaust gas G increases as the flow on the negative pressure surface 27 side increases.
- the pressure surface 25 and the pressure surface 25 flow together with the flow path rather than the configuration 200 in which the flat portion 26 is curved concavely. It is located on the negative pressure surface 27 side that defines 23. Then, the flow velocity of the exhaust gas along the pressure surface 25 near the trailing edge 31 increases, and as a result, the static pressure generated on the pressure surface 25 near the trailing edge 31 decreases. Since the static pressure generated on the pressure surface 25 near the trailing edge 31 decreases, the static pressure difference between the pressure surface 25 side and the suction surface 27 side near the trailing edge 31 decreases, so that the trailing edge 31 side of the nozzle vane 15a. The closing moment M(-) at is small.
- the vane torque with respect to the frictional force can be made larger in the opening direction of the nozzle 15, so that the variation in the rotation of each nozzle vane 15a is suppressed and the variation in the opening degree of the nozzle 15 in the circumferential direction is suppressed. Can be suppressed.
- the nozzle 15 can be surely controlled to the predetermined opening, and the exhaust gas G having a flow rate according to the opening of the nozzle 15 flows to the turbine wheel 7. Therefore, the variable capacity turbocharger 1 (see FIG. (Refer) It is possible to suppress the adverse effect of the performance of the engine equipped with.
- the presence of the flat portion 26 near the trailing edge 31 of the pressure surface 25 causes the pressure surface 25 to cooperate with the suction surface 27 forming the flow path 23 with the pressure surface 25 rather than the concavely curved configuration 200. Will be located on the side.
- the flow velocity of the exhaust gas G along the pressure surface 25 increases near the trailing edge 31, and as a result, the static pressure generated on the pressure surface 25 near the trailing edge 31 decreases. Since the static pressure generated on the pressure surface 25 near the trailing edge 31 decreases, the static pressure difference between the pressure surface 25 side and the suction surface 27 side near the trailing edge 31 decreases. As a result, the torque in the opening direction applied to the nozzle vane 15a by the exhaust gas G can be increased.
- the flat portion 26 is formed in the range of the code position of 60% to 100%, but the present invention is not limited to this form.
- the flat portion 26 may be formed in the range of at least 60% to 100% of the cord position, and the flat portion 26 may be formed in the range closer to the leading edge 29 side than the cord position of 60%.
- the flat portion 26 is formed at the center position in the blade height direction of the nozzle vane 15a, but the present invention is not limited to this form. It suffices that the flat portion 26 is formed at least at the center position in the blade height direction of the nozzle vane 15a, and as shown in FIG. 10, the blade height from the hub side edge 32 is increased in the direction from the hub side edge 32 to the tip side edge 34.
- the flat portion 26 may be formed in the area A of at least 30 to 70% of the height. As the flat portion 26 becomes wider in the blade height direction, the range in which the static pressure becomes smaller becomes wider, so that the closing moment M( ⁇ ) (see FIG. 9) on the trailing edge 31 side of the nozzle vane 15a can be made smaller. ..
- the flat portion 26 may be formed in a wider area than the area A, and the flat portion 26 is formed on the entire blade from the hub side edge 32 to the tip side edge 34. It may be formed over the height.
- the flat portion 26 has a completely flat configuration, but the configuration is not limited to this.
- the blade shape 40 from the second line segment LS2 connecting the fixed point P1 on the pressure surface 25 and the trailing edge 31 at the code position of 60% to the trailing edge 31 and the fixed point P1.
- W2 max the maximum value of the distance to the arbitrary point P2 on the pressure surface 25
- L2 the length of the second line segment LS2
- 0 ⁇ (W2 max /L2) ⁇ 0.03 may be satisfied. ..
- the pressure surface 25 in the range of the code position of 60% to 100%, is curved in a convex shape toward the side opposite to the suction surface 27 with respect to the second line segment LS2.
- the line segment LS2 may be curved concavely on the suction surface 27 side, or may have at least one convex curved portion and at least one concave curved portion. This form means that the flat portion 26 does not have to be completely flat, but may be a substantially flat portion including some unevenness or curvature.
- the nozzle vane according to the fourth embodiment will be described.
- the structure of the suction surface 27 is not particularly referred to, but the nozzle vane according to the fourth embodiment has the structure of the suction surface 27 limited to that of the third embodiment.
- the same components as those of the third embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
- the nozzle vane 15a according to the fourth embodiment of the present disclosure has the pressure surface 25 having the same shape as that of the third embodiment in the blade shape 40.
- the negative pressure surface 27 has a shape in which the camber line CaL at the same distance from each of the pressure surface 25 and the negative pressure surface 27 is configured as described below with respect to the pressure surface 25 having the same shape as that of the third embodiment.
- Have Other configurations are the same as those in the third embodiment.
- the graph of FIG. 12 shows the shape of the camber line CaL in the blade shape 40 of the nozzle vane 15a according to the fourth embodiment of the present disclosure.
- the horizontal axis represents the code position of the nozzle vane 15a
- the vertical axis represents the distance from the code line ChL connecting the leading edge 29 and the trailing edge 31. This distance has a positive value in the direction from the code line ChL toward the suction surface 27 side.
- the camber line CaL is linear in the code position range from 60% to 100%.
- the camber line CaL is curved on the pressure surface 25 side with respect to the code line ChL in the code position range of 0% to 60%. Therefore, the camber line CaL does not intersect the code line ChL between the leading edge 29 and the trailing edge 31. That is, the distance from the code line ChL to the camber line CaL does not change from a negative value to a positive value between the leading edge 29 and the trailing edge 31 (an inflection point at which the sign of this distance changes). Calling a point, there is no inflection point between the leading edge 29 and the trailing edge 31).
- the nozzle vane 15a according to the fourth embodiment of the present disclosure has the pressure surface 25 having the same shape as that of the third embodiment of the present disclosure, and the camber line CaL has such a shape in the blade shape 40. It is possible to prevent the configuration of 27 from becoming complicated.
- the suction surface 27 has a larger curvature in the region C connected to the front edge 29 than in the region B connected to the trailing edge 31. It may be configured as follows.
- the exhaust gas enters the nozzle vane 15a from the turbine scroll 5 (see FIG. 1) at an angle such that separation occurs near the front edge 29 of the negative pressure surface 27.
- the static pressure decreases near the front edge 29 of the negative pressure surface 27, and the moment M(+) in the opening direction (see FIG. 2) generated on the front edge 29 side of the nozzle vane 15a increases.
- the torque in the opening direction given to the nozzle vane 15a by the exhaust gas becomes very large, which may damage the actuator.
- the curvature and the thickness of the suction surface 27 on the front edge 29 side are large, the occurrence of peeling is suppressed, and the static pressure generated on the suction surface 27 near the front edge 29 is reduced. Since it is suppressed, the increase of the opening moment M(+) generated on the front edge 29 side of the nozzle vane 15a is suppressed. As a result, it is possible to suppress an increase in the torque in the opening direction given to the nozzle vane 15a by the exhaust gas.
- FIG. 13 shows various modified examples thereof in addition to the nozzle vane 15a specifically described in the third and fourth embodiments.
- the nozzle vane 15a1 which is one modified example is one in which the pressure surface 25 in the blade shape 40 is made substantially flat from the trailing edge 31 to the leading edge 29 with respect to the nozzle vane 15a.
- the nozzle vane 15a2, which is another modification, is one in which the suction surface 27 of the blade shape 40 is substantially flat from the trailing edge 31 to the leading edge 29 with respect to the nozzle vane 15a.
- the nozzle vane 15a3, which is another modified example, has a larger curvature rate in the vicinity of the front edge 29 of the suction surface 27 in the blade shape 40 than the nozzle vane 15a.
- a nozzle vane 15a4, which is another modification, is a portion of the blade shape 40 where the suction surface 27 has a large curvature rate D, which is moved to the trailing edge 31 side of the nozzle vane 15a1.
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Abstract
可変容量ターボチャージャのノズルベーンは、ノズルベーンのコード長をLとし、ノズルベーンの前縁とノズルベーンの回動中心との間の距離をXpとすると、0.45<(Xp/L)≦0.60である。
Description
本開示は、可変容量ターボチャージャのノズルベーンに関する。
近年、燃費改善を目的として、ノズルの開度を調整することにより排気ガスの流れ特性を変化させることのできる可変容量ターボチャージャが自動車に搭載されるようになっている。このような可変容量ターボチャージャの構成が特許文献1に開示されている。可変容量ターボチャージャには、ノズルの開度を調整するためにノズルベーンを回動させるアクチュエータが設けられているが、ノズルベーンは、アクチュエータから与えられるトルクと、排気ガスによって与えられるトルクと、ノズルベーンが回動し始める瞬間に働く摩擦力とを合算したトルクによって回動する。
ノズルの開度が増加する方向にノズルベーンを回動させるトルクの値を正とすると、従来のノズルベーンでは、排気ガスの質量流量が増加するに従いトルクが低下する傾向があり、排気ガスの質量流量が十分に大きいと、トルクが負の値になってノズル開度が低下する場合がある。可変容量ターボチャージャの稼働中にアクチュエータが壊れた際のトルクが負の場合、ノズルの開度が低下することによって、ノズルからタービンホイールに流入する排気ガスの流速が上昇するので、タービンホイールの回転速度を増加させ、オーバーブースト、ひいてはエンジンの故障を招くおそれがある。
また、トルクが負であることは摩擦力が支配的であることを意味していることから、トルクが負の場合には、アクチュエータから与えられるトルクが同じでも、ノズルの開度が必ずしも同じにならなくなる。その結果、排気ガスの質量流量にヒステリシスが生じ、空燃比及びエンジン出力の低下を引き起こしてしまうおそれがある。
このようなエンジンの故障のおそれと、空燃比及びエンジンの出力の低下とを抑制するためには、排気ガスの質量流量の全領域において、トルクを上昇させる必要がある。しかしながら、既存の可変容量ターボチャージャにおいてトルクを上昇させる上で、1)ノズルベーンの回動中心の位置と、2)ノズルベーンの数と、3)ノズルが全開時のノズルベーンの後縁の位置とを変えられないという制約がある。これらの制約は、上記1)及び2)を変更してしまうと、ノズルウェークによるタービンホイールの共振モードに影響を与え、上記3)を変更してしまうと、排気ガスの質量流量の最大許容量が変化してしまうことに基づくものである。
特許文献1では、トルクを上昇させるために、ノズルベーンの回動中心と前縁との間の距離をXpとするとともにノズルベーンのコード長をCとしたときに、0.25<(Xp/C)<0.45となる形状のノズルベーンを提案している。しかしながら、このような形状を実現するためには、ノズルベーンの回動中心の位置を前縁側に移動させる必要があり、上記制約1)に引っ掛かってしまう。
上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも1つの実施形態は、可変容量ターボチャージャにおいて排気ガスによって与えられる開方向のトルクを大きくすることのできるノズルベーンを提供することを目的とする。
(1)本発明の少なくとも1つの実施形態に係るノズルベーンは、
可変容量ターボチャージャのノズルベーンであって、
前記ノズルベーンのコード長をLとし、前記ノズルベーンの前縁と前記ノズルベーンの回動中心との間の距離をXpとすると、0.45<(Xp/L)≦0.60である。
可変容量ターボチャージャのノズルベーンであって、
前記ノズルベーンのコード長をLとし、前記ノズルベーンの前縁と前記ノズルベーンの回動中心との間の距離をXpとすると、0.45<(Xp/L)≦0.60である。
上記(1)の構成によれば、(Xp/L)<0.45のようなノズルベーンと比べて、可変容量ターボチャージャのタービンホイールの回転中心からノズルベーンの前縁近傍の圧力面までの距離が長くなる。可変容量ターボチャージャにおいて、渦巻き状のタービンスクロールを流通した排気ガスは、隣り合うノズルベーン間に形成される各流路内において円弧状に湾曲した流れとなる。この流れは、各流路を画定する圧力面に向かって凸状に湾曲する。一般に自由渦では、内径側ほど流体の流速は大きくなるが、圧力面に向かって凸状に湾曲する排気ガスの流れにこの原理を適用すれば、タービンホイールの回転中心からノズルベーンの前縁近傍の圧力面までの距離が長くなるほど、ノズルベーンの前縁近傍の圧力面に沿った排気ガスの流速が小さくなり、その結果、前縁付近の圧力面に生じる静圧が大きくなる。前縁付近の圧力面に生じる静圧が大きくなることにより、前縁付近における圧力面側と負圧面側との間の静圧差が大きくなる。これにより、排気ガスによってノズルベーンに与えられる開方向のトルクを大きくすることができる。
(2)本発明の少なくとも1つの実施形態に係るノズルベーンは、
可変容量ターボチャージャのノズルベーンであって、
前記ノズルベーンは、少なくとも翼高さ方向中央位置において、前縁と、後縁と、圧力面と、負圧面とを含む翼形状を有し、
前記翼形状において、前記前縁から前記後縁に向かって10%~60%のコード位置における前記負圧面上の2点を結ぶ第1線分から、前記2点間の前記負圧面上の任意の点までの距離の最大値をW1maxとし、前記第1線分の長さをL1とすると、0≦(W1max/L1)<0.05であり、前記2点のコード位置は互いに対して10%以上離れている。
可変容量ターボチャージャのノズルベーンであって、
前記ノズルベーンは、少なくとも翼高さ方向中央位置において、前縁と、後縁と、圧力面と、負圧面とを含む翼形状を有し、
前記翼形状において、前記前縁から前記後縁に向かって10%~60%のコード位置における前記負圧面上の2点を結ぶ第1線分から、前記2点間の前記負圧面上の任意の点までの距離の最大値をW1maxとし、前記第1線分の長さをL1とすると、0≦(W1max/L1)<0.05であり、前記2点のコード位置は互いに対して10%以上離れている。
排気ガスの質量流量が大きい場合、開方向のノズルベーンの回動角度が大きくなる。このため、排気ガスは、負圧面で剥離が起こるような角度でタービンスクロールからノズルベーンに入射する。これにより、負圧面で静圧が小さくなるので、ノズルベーンに与えられる開方向のトルクが大きくなる。上記(2)の構成によれば、負圧面に略平坦な部分が存在するため、負圧面全体が凸状に湾曲している構成と比べて負圧面における剥離が大きくなる。これにより、排気ガスの質量流量が大きい場合に、ノズルベーンに与えられる開方向のトルクを大きくすることができる。
(3)いくつかの実施形態では、上記(1)の構成において、
前記ノズルベーンは、少なくとも翼高さ方向中央位置において、前縁と、後縁と、圧力面と、負圧面とを含む翼形状を有し、
前記翼形状において、前記前縁から前記後縁に向かって10%~60%の範囲のコード位置における前記負圧面上の2点を結ぶ第1線分から、前記2点間の前記負圧面上の任意の点までの距離の最大値をW1maxとし、前記第1線分の長さをL1とすると、0≦(W1max/L1)<0.05であり、前記2点のコード位置は互いに対して10%以上離れている。
前記ノズルベーンは、少なくとも翼高さ方向中央位置において、前縁と、後縁と、圧力面と、負圧面とを含む翼形状を有し、
前記翼形状において、前記前縁から前記後縁に向かって10%~60%の範囲のコード位置における前記負圧面上の2点を結ぶ第1線分から、前記2点間の前記負圧面上の任意の点までの距離の最大値をW1maxとし、前記第1線分の長さをL1とすると、0≦(W1max/L1)<0.05であり、前記2点のコード位置は互いに対して10%以上離れている。
上記(3)の構成によれば、上記(1)及び(2)の両方の作用効果を得ることができるので、排気ガスの質量流量の広範囲にわたって、ノズルベーンに与えられる開方向のトルクを大きくすることができる。
(4)いくつかの実施形態では、上記(2)又は(3)の構成において、
前記2点はそれぞれ、前記前縁から前記後縁に向かって10%及び60%のコード位置にある。
上記(4)の構成によれば、剥離が生じやすい領域に略平坦な部分が存在することにより、負圧面に確実に剥離が起こるようになるので、排気ガスの質量流量が大きい場合に、ノズルベーンに与えられる開方向のトルクをより大きくすることができる。
前記2点はそれぞれ、前記前縁から前記後縁に向かって10%及び60%のコード位置にある。
上記(4)の構成によれば、剥離が生じやすい領域に略平坦な部分が存在することにより、負圧面に確実に剥離が起こるようになるので、排気ガスの質量流量が大きい場合に、ノズルベーンに与えられる開方向のトルクをより大きくすることができる。
(5)いくつかの実施形態では、上記(1)~(4)のいずれかの構成において、
前記ノズルベーンは、少なくとも翼高さ方向中央位置において、前縁と、後縁と、圧力面と、負圧面とを含む翼形状を有し、
前記翼形状において、前記前縁から前記後縁に向かって60%のコード位置における前記圧力面上の定点と前記後縁とを結ぶ第2線分から、前記後縁と前記定点との間における前記圧力面上の任意の点までの距離の最大値をW2maxとし、前記第2線分の長さをL2とすると、0≦(W2max/L2)<0.03である。
前記ノズルベーンは、少なくとも翼高さ方向中央位置において、前縁と、後縁と、圧力面と、負圧面とを含む翼形状を有し、
前記翼形状において、前記前縁から前記後縁に向かって60%のコード位置における前記圧力面上の定点と前記後縁とを結ぶ第2線分から、前記後縁と前記定点との間における前記圧力面上の任意の点までの距離の最大値をW2maxとし、前記第2線分の長さをL2とすると、0≦(W2max/L2)<0.03である。
上記(5)の構成によると、圧力面の後縁付近に略平坦な部分が存在する。この構成では、この部分が凹状に湾曲した構成よりも、圧力面は、当該圧力面と共に流路を形成する負圧面側に位置することになる。そうすると、後縁付近で圧力面に沿った排気ガスの流速が大きくなり、その結果、後縁付近の圧力面に生じる静圧が小さくなる。後縁付近の圧力面に生じる静圧が小さくなることにより、後縁付近における圧力面側と負圧面側との間の静圧差が小さくなる。これにより、排気ガスによってノズルベーンに与えられる開方向のトルクを大きくすることができる。
(6)いくつかの実施形態では、上記(5)の構成において、
前記ノズルベーンは、ハブ側縁及びチップ側縁を備え、
前記ハブ側縁から前記チップ側縁に向かう方向に前記ハブ側縁から翼高さの少なくとも30~70%の領域において、前記ノズルベーンは前記翼形状を有する。
前記ノズルベーンは、ハブ側縁及びチップ側縁を備え、
前記ハブ側縁から前記チップ側縁に向かう方向に前記ハブ側縁から翼高さの少なくとも30~70%の領域において、前記ノズルベーンは前記翼形状を有する。
上記(6)の構成によると、圧力面の後縁付近において翼高さ方向中央位置を含む比較的広い範囲に略平坦な部分が存在する。この略平坦な部分が翼高さ方向に広いほど、静圧が小さくなる範囲が広くなるので、排気ガスによってノズルベーンに与えられる開方向のトルクをさらに大きくすることができる。
(7)いくつかの実施形態では、上記(5)または(6)の構成において、
前記翼形状において、前記圧力面及び前記負圧面のそれぞれから等しい距離にあるキャンバーラインは、少なくとも前記前縁から前記後縁に向かって60%のコード位置から前記後縁までの範囲で直線状であるとともに、前記前縁と前記後縁との間で前記前縁と前記後縁とを結ぶコードラインと交差しない。
上記(7)の構成によると、圧力面を上記(5)または(6)の構成にしても、負圧面の構成が複雑化することを抑制できる。
前記翼形状において、前記圧力面及び前記負圧面のそれぞれから等しい距離にあるキャンバーラインは、少なくとも前記前縁から前記後縁に向かって60%のコード位置から前記後縁までの範囲で直線状であるとともに、前記前縁と前記後縁との間で前記前縁と前記後縁とを結ぶコードラインと交差しない。
上記(7)の構成によると、圧力面を上記(5)または(6)の構成にしても、負圧面の構成が複雑化することを抑制できる。
(8)いくつかの実施形態では、上記(7)の構成において、
前記翼形状において、前記負圧面は、前記後縁に接続する領域の曲率よりも前記前縁に接続する領域の曲率の方が大きくなるように構成されている。
前記翼形状において、前記負圧面は、前記後縁に接続する領域の曲率よりも前記前縁に接続する領域の曲率の方が大きくなるように構成されている。
排気ガスの質量流量が大きい場合、開方向のノズルベーンの回動角度が大きくなる。このため、排気ガスは、負圧面の前縁付近で剥離が起こるような角度でタービンスクロールからノズルベーンに入射する。これにより、負圧面の前縁付近で静圧が小さくなり、前縁付近における圧力面側と負圧面側との圧力差が大きくなるので、ノズルベーンの前縁側に生じる開方向の力(モーメント)が大きくなる。ノズルベーンの前縁側に生じる開方向のモーメントが大きくなると、排気ガスによってノズルベーンに与えられる開方向のトルクが非常に大きくなるので、アクチュエータを損傷するおそれがある。上記(8)の構成によれば、負圧面の前縁側の曲率及び厚さが大きくなることから、剥離の発生が抑えられて前縁付近の負圧面に生じる静圧の低下が抑制されるので、ノズルベーンの前縁側に生じる開方向のモーメントの増大が抑制される。その結果、排気ガスによってノズルベーンに与えられる開方向のトルクの増大を抑えることができる。
本開示の少なくとも1つの実施形態によれば、(Xp/L)<0.45のようなノズルベーンと比べて、可変容量ターボチャージャのタービンホイールの回転中心からノズルベーンの前縁近傍の圧力面までの距離が長くなる。可変容量ターボチャージャにおいて、渦巻き状のタービンスクロールを流通した排気ガスは、隣り合うノズルベーン間に形成される各流路内において円弧状に湾曲した流れとなる。この流れは、各流路を画定する圧力面に向かって凸状に湾曲する。一般に自由渦では、内径側ほど流体の流速は大きくなるが、圧力面に向かって凸状に湾曲する排気ガスの流れにこの原理を適用すれば、当該距離が長くなるほど、ノズルベーンの前縁近傍の圧力面に沿った排気ガスの流速が小さくなり、その結果、前縁付近の圧力面に生じる静圧が大きくなる。前縁付近の圧力面に生じる静圧が大きくなることにより、前縁付近における圧力面側と負圧面側との間の静圧差が大きくなる。これにより、排気ガスによってノズルベーンに与えられる開方向のトルクを大きくすることができる。
以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
(実施形態1)
図1に示されるように、可変容量ターボチャージャ1のタービン2は、渦巻き状のタービンスクロール5が形成されたタービンハウジング3と、タービンハウジング3内においてタービンスクロール5の径方向内側に回動可能に設けられたタービンホイール7と、タービンスクロール5からタービンホイール7へ流通する排気ガスの流路面積を制御する可変ノズル機構9とを備えている。
図1に示されるように、可変容量ターボチャージャ1のタービン2は、渦巻き状のタービンスクロール5が形成されたタービンハウジング3と、タービンハウジング3内においてタービンスクロール5の径方向内側に回動可能に設けられたタービンホイール7と、タービンスクロール5からタービンホイール7へ流通する排気ガスの流路面積を制御する可変ノズル機構9とを備えている。
可変ノズル機構9は、ノズル15と、軸受ハウジング13に固定されたノズルマウント17と、ノズルプレート18とを備えている。ノズル15は、タービンホイールの周囲を取り囲むように設けられた複数のノズルベーン15aと、各ノズルベーン15aに固定されたノズル軸15bとを有している。各ノズル軸15bは、ノズルマウント17に回動可能に支持されている。各ノズル軸15bは、リンク機構21を介してアクチュエータ(図示せず)に連結されており、アクチュエータから与えられるトルクによって各ノズル軸15bが回動し、各ノズル軸15bの回動によってノズルベーン15aが回動するように構成されている。
図2に示されるように、隣り合うノズルベーン15a,15a間に、タービンスクロール5を流通した排気ガスGが流通する流路23が形成されている。流路23を挟んで、外周側のタービンスクロール5側は排気ガスGにより高圧側Hとなり、内周側のタービンホイール7側は低圧側Uとなっている。タービンスクロール5を通過した排気ガスは、一定の流れ角を伴って流路23に流れ込む。その際、流れに面する圧力面25は圧力が上昇し、反対に負圧面27側は圧力が低い。この圧力差によって、ノズルベーン15aにはノズル軸15bを回動中心としてノズルベーン15aの前縁29側においては、流路23の開方向のモーメントM(+)が生じ、後縁31側においては流路23の閉方向のモーメントM(-)が生じる。これらのモーメントM(-)及びM(+)のバランスしたものが、排気ガスGによってノズルベーン15aに与えられるトルクとなる。
図3は、ノズルベーン15aの翼高さ方向中央位置における翼形状40を示している。前縁29と後縁31との間の距離、すなわちノズルベーン15aのコード長をLとし、前縁29とノズル軸15bとの間、すなわち、前縁29とノズルベーン15aの回動中心との間の距離をXpとすると、0.45<(Xp/L)≦0.60となっている。翼形状40において、ノズル軸15bを通りコードラインChLに垂直な仮想線VLと、ノズルベーン15aの圧力面25及び負圧面27のそれぞれとの交点P5及びP7とすると、ノズル軸15bは、交点P5及びP7間の仮想線VL上に位置している。
図3には、このような条件を満たすノズルベーン15aと並列するように、(Xp/L)<0.45となるノズルベーン100を図示している。ノズルベーン15a及びノズルベーン100それぞれの長さ方向における回動中心(ノズル軸101)の位置が同じになるように両者を並列させた場合、それぞれの長さ方向における後縁31及び100bの位置が同じになっている。これにより、ノズルベーン15aはノズルベーン100に対して、可変容量ターボチャージャにおける回動中心の位置及び全開時の後縁31の位置を不変にすることができる。一方で、ノズルベーン15a及びノズルベーン100それぞれの長さ方向における前縁29及び100aの位置については、前者の方が後者に比べて回動中心から離れた位置になっている。
次に、可変容量ターボチャージャ1の動作について説明する。図2に示されるように、タービンスクロール5からの排気ガスGの流量に応じて、図示しないアクチュエータがリンク機構21(図1参照)を介して各ノズル軸15bを回動させ、各ノズル軸15bの回動によってノズルベーン15aが回動する。この際、各ノズルベーン15aは、アクチュエータから与えられるトルクと、排気ガスGによって与えられるトルクと、各ノズルベーン15aが回動し始める瞬間に働く摩擦力とを合算したトルクによって回動する。各ノズルベーン15aが回動することにより、各流路23の流路面積が変化する、すなわちノズル15の開度が変化し、排気ガスGの流量に基づくノズル15の開度制御が行われる。
渦巻き状のタービンスクロール5(図1参照)を流通した排気ガスGは、各流路23内において円弧状に湾曲した流れとなる。この流れは、各流路23を画定する圧力面25に向かって凸状に湾曲する。一般に自由渦では、内径側ほど流体の流速は大きくなるが、この原理を、圧力面25に向かって凸状に湾曲する排気ガスGの流れに適用すれば、図4(a)に示されるように、タービンホイールの回転中心OTからノズルベーン15aの前縁29近傍の圧力面25までの距離R1が長くなるほど、ノズルベーン15aの前縁29近傍の圧力面25に沿った排気ガスの流速が小さくなる。
図3において説明したように、ノズルベーン15a及びノズルベーン100それぞれの長さ方向における前縁29及び100aの位置については、前者の方が後者に比べて回動中心から離れた位置になっている。このため、図4(a)及び(b)のそれぞれに示されるように、距離R1は、タービンホイールの回転中心OTからノズルベーン100の前縁100a近傍の圧力面102までの距離R2よりも大きくなる(R1>R2)。その結果、ノズルベーン15aはノズルベーン100に比べて、前縁29近傍の圧力面25に沿った排気ガスの流速が小さくなるので、前縁29近傍の圧力面25に生じる静圧が大きくなる。前縁29付近の圧力面25に生じる静圧が大きくなることにより、前縁29付近における圧力面25側と負圧面27側との間の静圧差が大きくなる。これにより、前縁29側における開方向のモーメントM(+)が大きくなるので、排気ガスによってノズルベーン15aに与えられる開方向のトルクを大きくすることができる。
(実施形態2)
次に、実施形態2に係るノズルベーンについて説明する。実施形態1では、負圧面27の構成については特に言及しなかったが、実施形態2に係るノズルベーンは、実施形態1に対して、負圧面27の構成を限定したものである。尚、実施形態2において、実施形態1の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
次に、実施形態2に係るノズルベーンについて説明する。実施形態1では、負圧面27の構成については特に言及しなかったが、実施形態2に係るノズルベーンは、実施形態1に対して、負圧面27の構成を限定したものである。尚、実施形態2において、実施形態1の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図5に示されるように、翼形状40において、前縁29から後縁31に向かう方向にコード位置を定義すると、負圧面27は、10%から60%のコード位置の範囲に直線部分43を含んでいる。すなわち、負圧面27は、ノズルベーン15aの翼高さ方向中央位置において、10%から60%のコード位置の範囲に平坦部分46を含んでいる。その他の構成は実施形態1と同じである。
実施形態1で説明したように、排気ガスの質量流量が大きい場合、開方向のノズルベーン15aの回動角度が大きくなる。このため、排気ガスは、図6に示されるように、負圧面27で剥離FSが起こるような角度でノズルベーン15aに入射する。この実施形態2では、10%から60%のコード位置の範囲における負圧面27に平坦部分46が形成されているので、負圧面27にこのような平坦部分がない場合に比べて、剥離FSが起こりやすくなる。負圧面27で剥離FSが起こると、負圧面27で静圧が小さくなるので、ノズルベーン15aに与えられる開方向のトルクが大きくなる。その結果、排気ガスの質量流量が大きい場合に、ノズルベーン15aに与えられる開方向のトルクを大きくすることができる。
実施形態2では、負圧面27は、10%から60%のコード位置の範囲に平坦部分46を含んでいたが、平坦部分46は必ずしも完全に平坦である必要はない。図7に示されるように、10%及び60%のコード位置における負圧面27上の2点P11及びP12を結ぶ第1線分LS1から、2点P11,P12間の負圧面27上の任意の点P13までの距離の最大値をW1maxとし、第1線分LS1の長さをL1とすると、0≦(W1max/L1)<0.05であってもよい。尚、図7では、10%から60%のコード位置の範囲において、負圧面27は、第1線分LS1に対して圧力面25とは反対側に向かって凸状に湾曲しているが、第1線分LS1に対して圧力面25側に凹状に湾曲してもよいし、凸状に湾曲した部分及び凹状に湾曲した部分を少なくとも1つずつ有してもよい。この形態は、平坦部分46は完全に平坦でなくても、多少の凸凹や湾曲等を含む略平坦な部分であってもよいことを意味する。
実施形態2では、負圧面27は、10%から60%のコード位置の範囲において平坦部分46又は略平坦な部分を含んでいるが、この形態に限定するものではない。負圧面27が平坦部分46を含む場合、10%から60%のコード位置の範囲内において平坦部分46の両端のコード位置が互いに対して10%以上離れるようになっていてもよく、また、負圧面27が略平坦な部分を含む場合、2点P11,P12のコード位置が互いに対して10%以上離れるようになっていてもよい。
実施形態2では、実施形態1に対して、負圧面27に平坦部分46又は略平坦な部分が設けられるように負圧面27の構成を限定しているが、この形態に限定するものではない。実施形態1の構成を有さずに、負圧面27に上記平坦部分46又は略平坦な部分を設けてもよい。この構成では、ノズルベーン15aのトルクが低下する傾向のある高排気ガス質量流量の条件で、ノズルベーン15aに与えられる開方向のトルクを大きくすることができるので、排気ガスの質量流量の広範囲にわたってトルクを上昇させることができる。
(実施形態3)
次に、実施形態3に係るノズルベーンについて説明する。実施形態1及び2では、後縁31近傍の圧力面25の構成については特に言及しなかったが、実施形態3に係るノズルベーンは、実施形態1又は2に対して、後縁31近傍の圧力面25の構成を限定したものである。以下の説明では、実施形態1に対して後縁31近傍の圧力面25の構成を限定することにより実施形態3を説明するが、実施形態2に対して後縁31近傍の圧力面25の構成を限定することにより実施形態3を構成してもよい。尚、実施形態3において、実施形態1の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
次に、実施形態3に係るノズルベーンについて説明する。実施形態1及び2では、後縁31近傍の圧力面25の構成については特に言及しなかったが、実施形態3に係るノズルベーンは、実施形態1又は2に対して、後縁31近傍の圧力面25の構成を限定したものである。以下の説明では、実施形態1に対して後縁31近傍の圧力面25の構成を限定することにより実施形態3を説明するが、実施形態2に対して後縁31近傍の圧力面25の構成を限定することにより実施形態3を構成してもよい。尚、実施形態3において、実施形態1の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図8は、ノズルベーン15aの翼高さ方向中央位置における翼形状40を示している。翼形状40において、圧力面25は、60%から100%のコード位置の範囲に直線部分33を含んでいる。すなわち、圧力面25は、ノズルベーン15aの翼高さ方向中央位置において、60%から100%のコード位置の範囲に平坦部分26を含んでいる。その他の構成は実施形態1と同じである。
図2に示されるように、排気ガスGの流量に基づくノズル15の開度制御の動作は実施形態1と同じである。排気ガスGの流量が小さい場合のように、ノズル15を所定開度に制御するためにアクチュエータから各ノズルベーン15aに与えられるトルクが小さい場合、排気ガスGによって与えられるトルクも小さいので、合算したトルクがノズル15の開方向に小さい値、又は、ノズル15の閉方向の値になってしまい、各ノズルベーン15aの回動にばらつきが生じて、ノズル15の開度が周方向にばらつく現象が生じてしまう。このような現象が生じると、ノズル15を所定開度に制御したつもりでも、タービンホイール7に流れる排気ガスGの流量が異なるようになり、可変容量ターボチャージャ1(図1参照)を搭載したエンジンの性能に悪影響をもたらす可能性がある。
しかしながら、図8に示されるように、実施形態3に係るノズルベーン15aでは、圧力面25が、ノズルベーン15aの翼高さ方向中央位置において、60%から100%のコード位置の範囲に平坦部分26を含むことにより、ノズルベーン15aの後縁31側における閉方向のモーメントM(-)を小さくする効果を有する。この効果が得られる原理を、図9に基づいて以下に説明する。
上述したように、渦巻き状のタービンスクロール5(図1参照)を流通した排気ガスGは、各流路23内において円弧状に湾曲した流れとなる。この流れは、各流路23を画定する圧力面25に向かって凸状に湾曲する。一般に自由渦では、内径側ほど流体の流速は大きくなるが、この原理を、圧力面25に向かって凸状に湾曲する排気ガスGの流れに適用すれば、圧力面25と共に流路23を画定する負圧面27側の流れほど排気ガスGの流速は大きくなる。
実施形態3に係るノズルベーン15aのように、圧力面25の後縁31付近に平坦部分26が存在すると、この部分が凹状に湾曲した構成200よりも、圧力面25は、圧力面25と共に流路23を画定する負圧面27側に位置することになる。そうすると、後縁31付近で圧力面25に沿った排気ガスの流速が大きくなり、その結果、後縁31付近の圧力面25に生じる静圧が小さくなる。後縁31付近の圧力面25に生じる静圧が小さくなることにより、後縁31付近における圧力面25側と負圧面27側との間の静圧差が小さくなるので、ノズルベーン15aの後縁31側における閉方向のモーメントM(-)が小さくなる。
閉方向のモーメントM(-)が小さくなれば、摩擦力に対するベーントルクをノズル15の開方向に大きくできるので、各ノズルベーン15aの回動のばらつきを抑えて、ノズル15の開度の周方向のばらつきを抑えることができる。これにより、ノズル15を確実に所定開度に制御できるようになり、ノズル15の開度に応じた流量の排気ガスGがタービンホイール7に流れるようになるので、可変容量ターボチャージャ1(図1参照)を搭載したエンジンの性能の悪影響を抑えることができる。
このように、圧力面25の後縁31付近に平坦部分26が存在すると、この部分が凹状に湾曲した構成200よりも、圧力面25は、圧力面25と共に流路23を形成する負圧面27側に位置することになる。そうすると、後縁31付近で圧力面25に沿った排気ガスGの流速が大きくなり、その結果、後縁31付近の圧力面25に生じる静圧が小さくなる。後縁31付近の圧力面25に生じる静圧が小さくなることにより、後縁31付近における圧力面25側と負圧面27側との間の静圧差が小さくなる。これにより、排気ガスGによってノズルベーン15aに与えられる開方向のトルクを大きくすることができる。
実施形態3では、図8に示されるように、平坦部分26は、60%から100%のコード位置の範囲に形成されていたが、この形態に限定するものではない。平坦部分26は、少なくとも60%から100%のコード位置の範囲に形成されていればよく、60%のコード位置よりも前縁29側の範囲にまで平坦部分26が形成されていてもよい。
実施形態3では、平坦部分26は、ノズルベーン15aの翼高さ方向中央位置に形成されていたが、この形態に限定するものではない。ノズルベーン15aの少なくとも翼高さ方向中央位置に平坦部分26が形成されていればよく、図10に示されるように、ハブ側縁32からチップ側縁34に向かう方向にハブ側縁32から翼高さの少なくとも30~70%の領域Aに平坦部分26が形成されてもよい。平坦部分26が翼高さ方向に広いほど、静圧が小さくなる範囲が広くなるので、ノズルベーン15aの後縁31側における閉方向のモーメントM(-)(図9参照)を小さくすることができる。したがって、閉方向のモーメントM(-)を小さくするために、平坦部分26は領域Aよりもさらに広い範囲に形成してもよく、平坦部分26をハブ側縁32からチップ側縁34まで全翼高さに渡って形成してもよい。
実施形態3では、平坦部分26は完全に平坦な構成であったが、この形態に限定するものではない。図11に示されるように、翼形状40において、60%のコード位置における圧力面25上の定点P1と後縁31とを結ぶ第2線分LS2から、後縁31と定点P1との間における圧力面25上の任意の点P2までの距離の最大値をW2maxとし、第2線分LS2の長さをL2とすると、0≦(W2max/L2)<0.03であってもよい。図11では、60%から100%のコード位置の範囲において、圧力面25は、第2線分LS2に対して負圧面27とは反対側に向かって凸状に湾曲しているが、第2線分LS2に対して負圧面27側に凹状に湾曲してもよいし、凸状に湾曲した部分及び凹状に湾曲した部分を少なくとも1つずつ有してもよい。この形態は、平坦部分26は完全に平坦でなくても、多少の凸凹や湾曲等を含む略平坦な部分であってもよいことを意味する。
(実施形態4)
次に、実施形態4に係るノズルベーンについて説明する。実施形態3では、負圧面27の構成については特に言及しなかったが、実施形態4に係るノズルベーンは、実施形態3に対して、負圧面27の構成を限定したものである。尚、実施形態4において、実施形態3の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
次に、実施形態4に係るノズルベーンについて説明する。実施形態3では、負圧面27の構成については特に言及しなかったが、実施形態4に係るノズルベーンは、実施形態3に対して、負圧面27の構成を限定したものである。尚、実施形態4において、実施形態3の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図12に示されるように、本開示の実施形態4に係るノズルベーン15aは、翼形状40において実施形態3と同じ形状の圧力面25を有している。一方、負圧面27は、実施形態3と同じ形状の圧力面25に対して、圧力面25及び負圧面27のそれぞれから等しい距離にあるキャンバーラインCaLが以下に説明するような構成となる形状を有している。その他の構成は実施形態3と同じである。
図12のグラフは、本開示の実施形態4に係るノズルベーン15aの翼形状40におけるキャンバーラインCaLの形状を示している。このグラフにおいて、横軸は、ノズルベーン15aのコード位置をとるとともに、縦軸は、前縁29と後縁31とを結ぶコードラインChLからの距離をとっている。この距離は、コードラインChLから負圧面27側に向かう方向の距離を正の値としている。
キャンバーラインCaLは、コード位置が60%から100%までの範囲で直線状になっている。キャンバーラインCaLは、コード位置が0%から60%までの範囲では、コードラインChLに対して圧力面25側で湾曲している。したがって、キャンバーラインCaLは、前縁29と後縁31との間でコードラインChLと交差しない。すなわち、コードラインChLからキャンバーラインCaLまでの距離は、前縁29と後縁31との間で、負の値から正の値に変化することはない(この距離の符号が変わる点を変曲点と呼ぶと、前縁29と後縁31との間で変曲点は存在しない)。本開示の実施形態4に係るノズルベーン15aは、本開示の実施形態3と同じ形状の圧力面25を有した上で、翼形状40においてキャンバーラインCaLがこのような形状となることにより、負圧面27の構成が複雑化することを抑制できる。
また、本開示の実施形態4に係るノズルベーン15aの翼形状40において、負圧面27は、後縁31に接続する領域Bの曲率よりも前縁29に接続する領域Cの曲率の方が大きくなるように構成されていてもよい。
実施形態2で説明したように、排気ガスの質量流量が大きい場合、ノズル15の開度が大きくなるので、開方向のノズルベーンの回動角度が大きくなる。このため、排気ガスは、負圧面27の前縁29付近で剥離が起こるような角度でタービンスクロール5(図1参照)からノズルベーン15aに入射する。これにより、負圧面27の前縁29付近で静圧が小さくなるので、ノズルベーン15aの前縁29側に生じる開方向のモーメントM(+)(図2参照)が大きくなる。ノズルベーン15aの前縁29側に生じる開方向のモーメントM(+)が大きくなると、排気ガスによってノズルベーン15aに与えられる開方向のトルクが非常に大きくなるので、アクチュエータを損傷するおそれがある。実施形態4の構成によれば、負圧面27の前縁29側の曲率及び厚さが大きくなることから、剥離の発生が抑えられて前縁29付近の負圧面27に生じる静圧の低下が抑制されるので、ノズルベーン15aの前縁29側に生じる開方向のモーメントM(+)の増大が抑制される。その結果、排気ガスによってノズルベーン15aに与えられる開方向のトルクの増大を抑えることができる。
図13には、実施形態3及び4で具体的に説明したノズルベーン15aの他に、その各種変形例を示している。1つの変形例であるノズルベーン15a1は、ノズルベーン15aに対して、翼形状40において圧力面25を後縁31から前縁29まで略平坦にしたものである。別の変形例であるノズルベーン15a2は、ノズルベーン15aに対して、翼形状40において負圧面27を後縁31から前縁29まで略平坦にしたものである。別の変形例であるノズルベーン15a3は、ノズルベーン15aに対して、翼形状40において負圧面27の前縁29付近の湾曲率を大きくしたものである。別の変形例であるノズルベーン15a4は、翼形状40において負圧面27の湾曲率が大きい部分Dを、ノズルベーン15a1よりも後縁31側に移動したものである。
1 可変容量ターボチャージャ
2 タービン
3 タービンハウジング
5 タービンスクロール
7 タービンホイール
9 可変ノズル機構
13 軸受ハウジング
15 ノズル
15a ノズル弁
15b ノズル軸
17 ノズルマウント
18 ノズルプレート
21 リンク機構
23 流路
25 圧力面
26 平坦部分
27 負圧面
29 前縁
31 後縁
32 ハブ側縁
33 直線部分
34 チップ側縁
40 翼形状
46 平坦部分
B 後縁に接続する領域
C 前縁に接続する領域
CaL キャンバーライン
ChL コードライン
D 湾曲率が大きい部分
FS 剥離
G 排気ガス
LS1 第1線分
LS2 第2線分
OT タービンホイールの回転中心
P1 定点
P2 後縁と定点との間における圧力面上の任意の点
P5 交点
P7 交点
P11 負圧面上の点
P12 負圧面上の点
P13 負圧面上の点
VL 仮想線
Xp 前縁とノズルベーンの回動中心との間の距離
2 タービン
3 タービンハウジング
5 タービンスクロール
7 タービンホイール
9 可変ノズル機構
13 軸受ハウジング
15 ノズル
15a ノズル弁
15b ノズル軸
17 ノズルマウント
18 ノズルプレート
21 リンク機構
23 流路
25 圧力面
26 平坦部分
27 負圧面
29 前縁
31 後縁
32 ハブ側縁
33 直線部分
34 チップ側縁
40 翼形状
46 平坦部分
B 後縁に接続する領域
C 前縁に接続する領域
CaL キャンバーライン
ChL コードライン
D 湾曲率が大きい部分
FS 剥離
G 排気ガス
LS1 第1線分
LS2 第2線分
OT タービンホイールの回転中心
P1 定点
P2 後縁と定点との間における圧力面上の任意の点
P5 交点
P7 交点
P11 負圧面上の点
P12 負圧面上の点
P13 負圧面上の点
VL 仮想線
Xp 前縁とノズルベーンの回動中心との間の距離
Claims (8)
- 可変容量ターボチャージャのノズルベーンであって、
前記ノズルベーンのコード長をLとし、前記ノズルベーンの前縁と前記ノズルベーンの回動中心との間の距離をXpとすると、0.45<(Xp/L)≦0.60であるノズルベーン。 - 可変容量ターボチャージャのノズルベーンであって、
前記ノズルベーンは、少なくとも翼高さ方向中央位置において、前縁と、後縁と、圧力面と、負圧面とを含む翼形状を有し、
前記翼形状において、前記前縁から前記後縁に向かって10%~60%のコード位置における前記負圧面上の2点を結ぶ第1線分から、前記2点間の前記負圧面上の任意の点までの距離の最大値をW1maxとし、前記第1線分の長さをL1とすると、0≦(W1max/L1)<0.05であり、前記2点のコード位置は互いに対して10%以上離れているノズルベーン。 - 前記ノズルベーンは、少なくとも翼高さ方向中央位置において、前縁と、後縁と、圧力面と、負圧面とを含む翼形状を有し、
前記翼形状において、前記前縁から前記後縁に向かって10%~60%の範囲のコード位置における前記負圧面上の2点を結ぶ第1線分から、前記2点間の前記負圧面上の任意の点までの距離の最大値をW1maxとし、前記第1線分の長さをL1とすると、0≦(W1max/L1)<0.05であり、前記2点のコード位置は互いに対して10%以上離れている、請求項1に記載のノズルベーン。 - 前記2点はそれぞれ、前記前縁から前記後縁に向かって10%及び60%のコード位置にある、請求項2または3に記載のノズルベーン。
- 前記ノズルベーンは、少なくとも翼高さ方向中央位置において、前縁と、後縁と、圧力面と、負圧面とを含む翼形状を有し、
前記翼形状において、前記前縁から前記後縁に向かって60%のコード位置における前記圧力面上の定点と前記後縁とを結ぶ第2線分から、前記後縁と前記定点との間における前記圧力面上の任意の点までの距離の最大値をW2maxとし、前記第2線分の長さをL2とすると、0≦(W2max/L2)<0.03である、請求項1~4のいずれか一項に記載のノズルベーン。 - 前記ノズルベーンは、ハブ側縁及びチップ側縁を備え、
前記ハブ側縁から前記チップ側縁に向かう方向に前記ハブ側縁から翼高さの少なくとも30~70%の領域において、前記ノズルベーンは前記翼形状を有する、請求項5に記載のノズルベーン。 - 前記翼形状において、前記圧力面及び前記負圧面のそれぞれから等しい距離にあるキャンバーラインは、少なくとも前記前縁から前記後縁に向かって60%のコード位置から前記後縁までの範囲で直線状であるとともに、前記前縁と前記後縁との間で前記前縁と前記後縁とを結ぶコードラインと交差しない、請求項5または6に記載のノズルベーン。
- 前記翼形状において、前記負圧面は、前記後縁に接続する領域の曲率よりも前記前縁に接続する領域の曲率の方が大きくなるように構成されている、請求項7に記載のノズルベーン。
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