(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車の排気ガスターボチャージャーに用いられる流体エネルギ機械であって、ハウジングを備えており、該ハウジングは、軸方向に延在する第１回転軸（２０）を中心として該ハウジングに対して相対回転可能な羽根車（１８）が収容される収容空間（１６）と、気体が通過して流れる少なくとも１つの流通口とを備えており、気体が前記流通口から前記収容空間（１６）へ流れる際に、前記流通口に連通した流体流路（１４）を流れることにより、軸方向に対して斜めに且つ径方向に対して斜めに延在する流動方向に導流されるようにしてあるか、または、気体が前記収容空間（１６）から前記流通口へ流れる際に、前記流通口に連通した前記流体流路（１４）を流れることにより、軸方向に対して斜めに且つ径方向に対して斜めに延在する更なる流動方向に導流されるようにしてあり、該流体エネルギ機械は更に、少なくとも部分的に前記流体流路（１４）の中に配設された少なくとも１つのガイド部材（１２）を備えており、該ガイド部材（１２）によって、前記流体流路（１４）を流れる気体の流動方向が偏向されるようにしてあり、前記ガイド部材（１２）は軸方向に対して斜めに且つ径方向に対して斜めに延在する第２回転軸（３８）を中心として前記ハウジングに対して相対回動可能であり、
前記流体流路（１４）の第１内壁面（２８）を画成する前記流体エネルギ機械の第１内壁面画成部分（２６）と、前記第１内壁面（２８）に対向する前記流体流路（１４）の第２内壁面（３２）を画成する前記流体エネルギ機械の第２内壁面画成部分（３０）と、前記第１内壁面画成部分（２６）に対向する前記ガイド部材（１２）の第１ガイド部材部分（３４）と、前記第２内壁面画成部分（３０）に対向する前記ガイド部材（１２）の第２ガイド部材部分（３６）とは、前記第１回転軸（２０）が前記第２回転軸（３８）と交わる交点（４０）を中心点とする少なくとも実質的に球状セグメントとして形成されている
ことを特徴とする流体エネルギ機械。
【請求項２】
前記流体流路（１４）は、少なくともその一部分が、前記ハウジングとは別体に製作されて前記ハウジングに組付けられた組付部材（２２、２４）により画成されていることを特徴とする請求項１記載の流体エネルギ機械。
【請求項３】
前記ガイド部材（１２）は、前記第２回転軸（３８）を中心として回動可能に前記組付部材（２２、２４）に支持されていることを特徴とする請求項２記載の流体エネルギ機械。
【請求項４】
前記ガイド部材（１２）は、前記第２回転軸（３８）を中心として回動可能に支持されており、その支持のための支持部は、第１ガイド部材側部、及び／または、該第１ガイド部材側部とは反対側の第２ガイド部材側部に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項記載の流体エネルギ機械。
【請求項５】
請求項１〜請求項４の何れか１項記載の流体エネルギ機械を少なくとも１つ備えたことを特徴とする、内燃機関に用いられる排気ガスターボチャージャー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１に記載した種類の排気ガスターボチャージャーなどに用いられる流体エネルギ機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、排気ガスターボチャージャーのタービンが開示されており、このタービンはいわゆる斜流タービンとして構成されている。このタービンはタービンハウジングを備えており、該タービンハウジングは収容空間を画成している。この収容空間の中にタービン羽根車及び回転軸が収容されており、それらタービン羽根車及び回転軸は該タービンハウジングに対して相対回転可能である。更に、該タービンハウジングは、排気ガスがそこを通過して流れる少なくとも１つの流通口を備えている。排気ガスがこの流通口から前記収容空間の中の前記タービン羽根車へ流れる際には、この流通口に連通した流体流路を流れる。
【０００３】
前記タービンが斜流タービンと呼ばれる所以は、前記流通口から前記流体流路を流れて前記収容空間の中へ、またひいては前記タービン羽根車の中へ流れる排気ガスの流動方向が、該タービンの軸方向に対して斜めの方向で、また該タービンの径方向に対しても斜めの方向だからである。従って、排気ガスが前記タービン羽根車の中へ流入するときの流動方向がそのような流動方向となっている。
【０００４】
前記流体流路の中の前記タービン羽根車のすぐ上流側の位置に、ガイド部材が配設されており、排気ガスは該ガイド部材によってその流動方向を偏向される。また、該ガイド部材は前記タービンハウジングに対して固定されている。
【０００５】
一方、通常生産が行われている排気ガスターボチャージャーのうちには、ラジアルタービンを備えていて、そのラジアルタービンに可変タービンジオメトリ構造が採用されているものがある。この可変タービンジオメトリ構造では、流体流路の中に配設されたガイド部材が、少なくとも実質的に軸方向に延在する回転軸を中心としてタービンハウジングに対して相対回動可能とされている。
【０００６】
しかるに、このような構成の可変タービンジオメトリ構造を斜流タービンに適用することは容易でなく、なぜならば、それを斜流タービンに適用した場合には、ガイド部材のジャミングが発生するおそれがあるからである。もし、そのジャミングが発生しないようにガイド部材の周囲の間隙の寸法を大きく設定したならば、排気ガスがその間隙を流れてガイド部材をすり抜けてしまうため、排気ガスをタービンハウジングの収容空間の中に配設されたタービン羽根車へ適切に導流することができず、タービンの動作効率が低下するという結果を招くことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１３９４ ３５９ Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って本発明の目的は、特に動作効率が高く且つ動作信頼性の高い流体エネルギ機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的は、請求項１に記載した特徴を備えた自動車の排気ガスターボチャージャーなどに用いられる流体エネルギ機械により達成される。その他の請求項は、本発明の特に好適且つ重要な詳細構造部分を備えた特に有利な構成例の特徴を記載したものである。
【００１０】
本発明に係る流体エネルギ機械は、自動車の排気ガスターボチャージャーなどに用いられ、また特に乗用車の排気ガスターボチャージャーなどに用いられる流体エネルギ機械である。この流体エネルギ機械はハウジングを備えており、該ハウジングは収容空間を備えている。該収容空間はこの流体エネルギ機械の羽根車を収容するための空間であり、該羽根車は、この流体エネルギ機械の軸方向に延在する第１回転軸を中心として前記ハウジングに対して相対回転可能である。
【００１１】
前記ハウジングは更に、気体がそこを通過して流れる少なくとも１つの流通口を備えている。そして、気体が該流通口から前記収容空間へ流れる際に、該流通口に連通した流体流路を流れることにより、軸方向に対して斜めに且つ径方向に対して斜めに延在する流動方向に導流されるようにするものである。
【００１２】
或いはまた、気体が前記収容空間から該流通口へ流れる際に、該流通口に連通した前記流体流路を流れることにより、軸方向に対して斜めに且つ径方向に対して斜めに延在する更なる流動方向に導流されるようにしてもよい。換言するならば、前記流体流路を流れる気体が、前記流通口から前記収容空間へ前記流動方向に流動するようにしてもよく、或いは、前記収容空間から前記流通口へ前記更なる流動方向に流動するようにしてもよい。
【００１３】
前記流体エネルギ機械は、少なくとも部分的に前記流体流路の中に配設された少なくとも１つのガイド部材を備えており、該ガイド部材は例えばガイド翼などである。該ガイド部材によって、前記流体流路を流れる気体の流動方向が偏向されるようにしてある。前記ガイド部材は第２の回転軸を中心として前記ハウジングに対して相対回動可能である。前記ガイド部材の前記第２回転軸は軸方向に対して斜めに且つ径方向に対して斜めに延在しており、従って、前記第１回転軸に対して斜めに延在している。
【００１４】
前記第２回転軸の配設位置及び延在方向を以上のようにしたため、前記流体エネルギ機械は、前記少なくとも１つのガイド部材により構成される可変流動ジオメトリ構造を採用することが可能となっており、それを装備することで、前記流体エネルギ機械は、動作点が変化して気体の質量流量ないし体積流量が変化しても、そのような動作点の変化に適合させることが可能となっている。そのため本発明に係るこの流体エネルギ機械は、特に高い動作効率で動作し得るものである。また、この流体エネルギ機械は更に、その動作信頼性も特に高く、なぜならば、例えばガイド部材のジャミングなどの形態の故障を回避でき、または、そのような故障が発生するおそれを非常に小さくすることができるからである。
【００１５】
前記ガイド部材を前記第２回転軸を中心として回動させることによって、前記流体流路の実効流路断面積を、またひいてはこの流体エネルギ機械の実効流路断面積を調節することが可能であり、そうすることで、この流体エネルギ機械を気体の質量流量ないし体積流量の変化に適合させることができ、もって、気体が羽根車を高効率で且つ効果的に駆動すること、及び／または、気体を羽根車に高効率で且つ効果的に流入させることが可能となっている。
【００１６】
本発明に係る流体エネルギ機械の更なる利点として、前記ガイド部材を、前記羽根車に適合した設計とすることが容易であるということがある。前記第２回転軸は前記第１回転軸に対して相対的に傾斜した位置関係にある。即ち、前記第１回転軸と前記第２回転軸とは、ある１つの交点において交わる位置関係にある。この交点を前記第１回転軸に沿って変位させることによって、前記第１回転軸と前記第２回転軸との間の角度の大きさを変化させることができ、この角度の大きさは、前記羽根車の動翼の前縁または後縁の傾斜角に実質的に対応したものとなる。そのため、例えば前記羽根車がタービン羽根車であって、そのタービン羽根車の動翼の後縁が、前記第１回転軸に該当するそのタービン羽根車の回転軸に対してある角度をもって傾斜している場合には、前記交点を前記第１回転軸上の適宜の位置に変位することによって、ガイド翼（ガイド部材）を当該流体エネルギ機械の条件に適合した設計とすることができる。したがって、コストの増大をきたすような特別の設計手段を講じる必要はない。
【００１７】
本発明に係る流体エネルギ機械は、例えば排気ガスターボチャージャーの斜流タービンとして構成することができる。斜流タービンにおいて、前記気体としての排気ガスは前記流通口から前記流体流路を通って前記収容空間へ流れ、そして、タービン羽根車として構成され、前記収容空間の中に配設されている前記羽根車をその排気ガスが駆動する。また、排気ガスは、そのように流れる際に、前記ガイド部材によって流動方向が偏向され、それによって排気ガスは、良好な流動状態でタービン羽根車へ流入することができ、また、高効率でタービン羽根車を駆動することができるようになる。
【００１８】
かかる斜流型のタービン羽根車の中へ流入するときの排気ガスの流動方向は、軸方向に対して斜めに且つ径方向に対して斜めに延在する流動方向であり、即ち、完全な軸方向でもなく、完全な径方向でもない。タービン羽根車の中へ流入する排気ガスの流れをこのように斜流とすることは、特に、乗用車に関連した用途において有利であり、なぜならば、斜流タービンはその定常特性が特に優れており、それゆえ、それを装備した内燃機関の運転性能を非常に良好なものとすることができるからである。
【００１９】
本発明に係る流体エネルギ機械は、斜流コンプレッサとしても構成することができる。その場合には、空気が、前記収容空間から前記流体流路を通って前記流通口へ流れることになる。即ち空気が、前記収容空間から前記流体流路と前記流通口とを介して吐出され、そして、例えば自動車の吸気系などへ流入することになる。
【００２０】
その際に、コンプレッサ羽根車として構成されている前記羽根車から流出する空気は、軸方向に対して少なくとも実質的に斜めに且つ径方向に対して少なくとも実質的に斜めに延在する更なる流動方向に流動し、そして更に、好適な流動状態となるように前記ガイド部材によってその流動方向が偏向される。この場合、コンプレッサ羽根車は、空気を圧縮し、その圧縮した空気を内燃機関に供給する機能を担っている。
【００２１】
本発明の特に有利な１つの実施の形態によれば、前記流体流路の第１内壁面を画成する前記流体エネルギ機械の第１内壁面画成部分と、前記第１内壁面に対向する前記流体流路の第２内壁面を画成する前記流体エネルギ機械の第２内壁面画成部分と、前記第１内壁面画成部分に対向する前記ガイド部材の第１ガイド部材部分と、前記第２内壁面画成部分に対向する前記ガイド部材の第２ガイド部材部分とは、前記第１回転軸が前記第２回転軸と交わる交点を中心点とする少なくとも実質的に球状セグメントとして形成されている。
【００２２】
内壁面画成領域とガイド部材領域とを球状セグメントとして形成することによって得られる利点は、前記ガイド部材と前記流体流路の壁面領域との間の間隙寸法を非常に小さく設定した場合であっても、前記第２回転軸付近の温度が高温になったときに前記ガイド部材のジャミングが発生するおそれがなく、高い動作信頼性が確保されることにある。そのため本発明に係る流体エネルギ機械は、非常に動作信頼性が高く、またそれと同時に、様々に変化する動作点に、必要に応じて効率的に適合させ得るものとなっている。
【００２３】
本発明の特に有利な別の１つの実施の形態によれば、前記流体流路は、少なくともその一部分が、前記ハウジングとは別体に製作されて前記ハウジングに組付けられた組付部材により画成されている。この構成とすることで、流体エネルギ機械の製造を、また特に、そのハウジングの製造を、例えば鋳造法などを用いることにより迅速に低コストで行うことができる。鋳造作業に続いて行う前記組付部材の組付作業もまた、迅速に低コストで行うことができる。また、この構成とすることで、前記流体流路を画成している前記内壁面画成領域のうちの少なくとも一方を、前記組付部材によって形成することができる。
【００２４】
本発明の特に有利な別の１つの実施の形態によれば、前記ガイド部材は、前記第２回転軸を中心として回動可能に前記組付部材に支持されており、これによって、ガイド部材の機能性が非常に優れたものとなっている。回動可能なガイド部材によって、タービン羽根車へ流入しようとする排気ガスの流入状態を、様々に変化する運転状態に適合するように調節することができ、それによって優れたタービン効率が得られる。
【００２５】
前記ガイド部材は、その両側部のうちの一方の側部だけが前記第２回転軸を中心として回動可能に支持されているようにすることもできる。本発明の特に有利な１つの実施の形態によれば、前記ガイド部材は、第１ガイド部材側部と、該第１ガイド部材側部とは反対側の第２ガイド部材側部とにおいて、前記第２回転軸を中心として回転可能に支持されている。この構成とすれば、前記ガイド部材は、その両側の側部において支持されるため、特にしっかりと支持され、それゆえ故障を生じるおそれが小さくなる。またこれによって、本発明に係る流体エネルギ機械の動作信頼性は特に高くなる。
【００２６】
本発明には更に、本発明に係る流体エネルギ機械を少なくとも１つ備えた、例えば自動車の内燃機関などに用いられる排気ガスターボチャージャーも含まれる。その場合の本発明に係る流体エネルギ機械は、当該内燃機関の排気ガスによって駆動される当該排気ガスターボチャージャーのタービンとすることができる。
【００２７】
代替的に、あるいは付加的に、本発明に係る流体エネルギ機械は、内燃機関へ空気を供給するための排気ガスターボチャージャーのコンプレッサとすることができる。これによって排気ガスターボチャージャーの作動効率を高めることができ、ひいてはエンジンの燃料消費量を抑えてＣＯ２排出量を低減することができる。
【００２８】
本発明の更なる利点、特徴、及び細部構成については、以下に示す好適な実施の形態についての説明を参照し、また添付図面を参照することにより明らかとなる。以上の説明中で言及した様々な特徴及びそれら特徴の組合せ、並びに、添付図面に関連した以下の説明中で言及し、及び／または、図面中に示す様々な特徴及びそれら特徴の組合せは、それら説明ないし図面に示した通りの組合せで利用し得るばかりでなく、それとは異なる組合せで利用することもでき、また、個々の特徴を単独で利用することも可能なものであって、そのように特徴を利用した場合でも本発明の範囲から逸脱するものではない
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】排気ガスターボチャージャーの斜流タービンに適用した可変タービンジオメトリ構造の模式的な側方斜視図である。
【図２】図１の可変タービンジオメトリ構造の模式的な縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図１及び図２に示したのは、排気ガスターボチャージャーのタービンに適用した可変タービンジオメトリ構造であり、参照番号１０はこの可変タービンジオメトリ構造の全体を指している。尚、図１及び図２には、タービンの全体は示されておらず、その一部分のみが示されている。この可変タービンジオメトリ構造は、排気ガスターボチャージャーのタービン以外のその他の流体エネルギ機械にも容易に適用し得るものであり、例えば、排気ガスターボチャージャーのコンプレッサに適用することも可能であり、それによってそのコンプレッサを、可変流動ジオメトリ構造を備えたものとすることができる。
【００３１】
可変タービンジオメトリ構造１０は複数のガイド翼１２を備えており、図２にはそれらのうちの１つのガイド翼だけを代表として図示した。複数のガイド翼１２はタービンの流体流路１４の中に配設されており、この流体流路１４はノズルとも呼ばれている。
【００３２】
タービンは、図１及び図２では不図示としたタービンハウジングを備えており、そのタービンハウジングは少なくとも１つの流通口を有する。タービンが装備されたエンジンの排気ガスがその流通口を通って流れ、その流通口から流体流路１４の中へ流入するようにしてある。流体流路１４の一端はこの流通口に連通しており、流体流路１４の他端はタービンの収容空間１６に連通している。収容空間１６の中に、図には模式的に示したタービン羽根車１８が収容されており、このタービン羽根車１８は、回転軸２０を中心としてタービンハウジングに対して相対回転可能とされている。タービン羽根車１８は、流通口から流体流路１４を介して収容空間１６の中へ流入する排気ガスによって駆動されることで、回転軸２０を中心として回転する。更に、排気ガスがタービン羽根車１８に流入する際に、その排気ガスの流動方向をガイド翼１２が偏向するようにしてあり、それによって、排気ガスがタービン羽根車１８の中に流入するときの流動状態を、即ち、タービン羽根車１８のタービン翼へ流入するときの流動状態を、良好な流動状態とすることができるようにしている。この流動方向の偏向は、複数のガイド翼１２によって排気ガスの流れを回転させて流入させるものであり、それによってタービン羽根車１８の駆動効率を高めるものである。
【００３３】
流体流路１４は、その一方の内壁面がタービンの第１組付部材２２により画成され、他方の内壁面がタービンの第２組付部材２４により画成されている。それら２つの組付部材２２、２４は、少なくとも部分的にタービンハウジングの中に収容されるようにして組付けられている。
【００３４】
第１組付部材２２によって、流体流路１４の第１内壁面２８を画成する第１内壁面画成部分２６が形成されている。第２組付部材２４によって、第１内壁面２８に対向する流体流路１４の第２内壁面３２を画成する第２内内壁面画成部分３０が形成されている。
【００３５】
各々のガイド翼１２は、第１内壁面画成部分２６に対向する第１ガイド翼部分３４を備えている。各々のガイド翼１２は更に、第２内壁面画成部分３０に対向する第２ガイド翼部分３６を備えている。
【００３６】
様々に変化するエンジンの動作点、即ち、様々に変化する排気ガスの質量流量にタービンを適合させることを可能にするために、各々のガイド翼１２は夫々の第２回転軸３８を中心として回動可能に組付部材２２、２４に支持されている。これによって、各々のガイド翼１２は、タービンハウジングに対して、即ち、組付部材２２、２４に対して相対回動可能となっている。各々のガイド翼１２を夫々の第２回転軸３８を中心として回動させることによって、流体流路１４の実効流路断面積を変化させる調節を行うことができ、即ち、流れの断面積を拡大及び縮小することができる。またそれによって、その時々の排気ガスの質量流量に応じてタービン羽根車１８を効率的に駆動することが可能となっている。尚、ガイド翼１２の長さ寸法及び高さ寸法は、流体流路１４の実効流路断面積の大きさがある特定の動作状態に適合した大きさとなるように設計される。ガイド翼１２の長さ寸法を適宜に設計することによって、複数のガイド翼１２を閉じた状態にしたときの隣り合うガイド翼１２どうしの重なり長さを大きなものとすることや、ガイド翼１２の枚数を低減することなどが可能である。従って、ガイド翼１２の長さ寸法及び高さ寸法の設計値を変えることで、タービン出力をある特定の目標運転状態に適合させることができる。
【００３７】
図２から明らかなように、ガイド翼１２は、第１組付部材２２に対向する側の側部と、第２組付部材２４に対向する側の側部との両方において支持されており、即ち、ガイド翼１２はその両側部において支持されている。不図示の実施の形態として、ガイド翼１２が第１組付部材２２に対向する側の側部でのみ支持されているようにしてもよい。そのような実施の形態では、第２組付部材２４を不図示のタービンハウジングと一体化することができ、即ち、第２組付部材２４をタービンハウジングの一部分とすることができる。また別の不図示の実施の形態として、ガイド翼１２が第２組付部材２４に対向する側の側部でのみ支持されているようにしてもよい。そのような実施の形態では、第１組付部材２２を不図示のタービンハウジングと一体化することができ、即ち、第１組付部材２２をタービンハウジングの一部分とすることができる。
【００３８】
同じく図２から明らかなように、第２回転軸３８は、タービンの軸方向に対して斜めに且つタービンの径方向に対して斜めに延在しており、少なくとも実質的に軸方向に延在している第１回転軸２０と交点４０において交わっている。更に、この交点４０は、破線で示した第１円弧４２の中心点でもあり、同じく破線で示した第２円弧４４の中心点でもある。従って、２つの円弧４２、４４は互いに同心的な円弧である。
【００３９】
内壁面画成部分２６、３０とガイド翼部分３４、３６とは、交点４０を中心点とする少なくとも実質的に球状セグメントとして形成されている。換言するならば、内壁面画成部分２６、３０とガイド翼部分３４、３６とは、それらの表面が、交点４０を中心点とする、即ち、円弧４２、４４の中心点を中心点とする、球面を成すような形状に形成されている。それら球状セグメントの夫々の半径は、即ち、内壁面画成部分２６、３０、ガイド翼部分３４、３６の夫々の半径は、タービン羽根車１８の寸法形状に応じて予め定められる。
【００４０】
このように球状セグメントの形状を採用した構成であることから、ガイド翼１２と組付部材２２、２４との間の間隙寸法を、非常に小さな寸法に設定することができ、そのようにした場合でも、ガイド翼１２を何の支障もなく、ジャミングが発生するおそれなしに回転させることができる。そして、その間隙寸法が小さいことによって、二次流れ損失が小さく抑えられるため、排気ガスはガイド翼１２によって適切に方向付けされてタービン羽根車１８の中へ流入することができ、ガイド翼１２によって適切に方向付けされないままタービン羽根車１８の中へ流入する排気ガスの量はごく僅かなものとなる。
【００４１】
尚、各々のガイド翼１２を夫々の第２回転軸３８を中心として回動させるための作動機構は、タービン側に配設してもよく、コンプレッサ側に配設してもよい。
【００４２】
図示しない１つの実施の形態として、第１組付部材２２と第２組付部材２４とを複数のスペーサ部材を介して互いに連結した構成とするのもよい。この構成とすることで得られる利点は、複数のガイド翼１２を備えた可変タービンジオメトリ構造１０を１つのアセンブリの形に組み上げた上で、そのアセンブリをタービンハウジングに組付けることができるということにある。複数のスペーサ部材は、第１組付部材２２と第２組付部材２４との間に所定の間隔を確保するものであり、それによって、複数のガイド翼１２を夫々の動作状態に応じて回動させることができるようになる。即ち、第１内壁面２８と第２内壁面３２との間に配設される複数のスペーサ部材によって、可変タービンジオメトリ構造１０の全周に亘って第１組付部材２２と第２組付部材２４との間に、少なくとも第１ガイド翼部分３４と第２ガイド翼部分３６との間の部分に相当する距離が確保されるのである。
【００４３】
また、第１組付部材２２が、タービンハウジングに遊嵌された状態でタービンハウジングに支持されているようにするのもよい。これは、第１組付部材２２が可動状態でタービンハウジングに取付けられているようにするということである。
【図１】
0005947393.tif 000002
【図２】
0005947393.tif 000003