(57)【要約】【課題】簡単な構造で、エンジンの排気脈動に対して高いタービン効率を発揮するタービンを提供すること。【解決手段】  軸線周りに回転するタービンホイールと、タービンホイールを収容するとともに、タービンホイールの外周側に環状のノズル流路を画定するタービンハウジングと、ノズル流路に周方向に間隔をあけて設けられた複数のノズルベーンと、を備える。そして、ノズルベーンの前縁と後縁とを結ぶ直線の長さをＬｖ、複数のノズルベーンの各々の後縁を通過する後縁内接円の周長をＬｃ、複数のノズルベーンの枚数をＮｖ、と定義した場合に、Ｌｖ＜Ｌｃ／Ｎｖを満たすように構成される。【選択図】図３
2018123802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線周りに回転するタービンホイールと、
前記タービンホイールを収容するとともに、前記タービンホイールの外周側に環状のノズル流路を画定するタービンハウジングと、
前記ノズル流路に周方向に間隔をあけて設けられた複数のノズルベーンと、を備え、
前記ノズルベーンの前縁と後縁とを結ぶ直線の長さをＬｖ、
前記複数のノズルベーンの各々の後縁を通過する後縁内接円の周長をＬｃ、
前記複数のノズルベーンの枚数をＮｖ、と定義した場合に、
Ｌｖ＜Ｌｃ／Ｎｖを満たすように構成されるタービン。
【請求項２】
前記複数のノズルベーンの一つである第１ノズルベーンの前縁と後縁とを結ぶ翼弦線と、前記複数のノズルベーンの各々の後縁を通過する後縁内接円における前記第１ノズルベーンの前記後縁を通過する第１接線とのなす角度であるベーン角度をαｖ、
前記第１ノズルベーンの前記前縁と、前記第１ノズルベーンと隣接する第２ノズルベーンの後縁とを結ぶスロートの中心を通過し、且つ、前記スロートに対して直交する方向に延在するスロート流れ方向線と、前記後縁内接円における接線であって、前記スロート流れ方向線と前記後縁内接円との交点を通過する第２接線とのなす角度であるスロート流れ角度をαｔｈと定義した場合に、
αｔｈ＞αｖを満たすように構成される請求項１に記載のタービン。
【請求項３】
上記ノズルベーンは、タービンハウジングに対して回動不能に取り付けられている固定式ノズルベーンからなる請求項１又は２に記載のタービン。
【請求項４】
請求項１から３の何れか１項に記載のタービンを備えたターボ装置。
【請求項５】
自動車用エンジンに搭載される請求項４に記載のターボ装置。
【請求項６】
前記自動車用エンジンは、３つ以下の気筒を含む少気筒エンジンからなる請求項５に記載のターボ装置。
【請求項７】
前記タービンハウジングは、第１スクロール流路および第２スクロール流路の２つのスクロール流路を内部に有し、
前記自動車用エンジンは、前記第１スクロール流路に対して排ガスを排出するように構成された少なくとも複数の気筒を含む第１気筒群と、前記第２スクロール流路に対して排ガスを排出するように構成された少なくとも複数の気筒を含む第２気筒群とを含む多気筒エンジンからなる請求項５に記載のターボ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、タービンおよびこれを備えるターボ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンから排出される排ガスのエネルギを利用してエンジンの出力を向上させるターボ装置として、例えば、ターボチャージャが知られている。ターボチャージャは、エンジンから排出される排ガスによってタービンを回転駆動させ、これによりタービンと同軸で連結されているコンプレッサを回転駆動させて吸気を圧縮し、この圧縮した吸気をエンジンに供給するものである。
【０００３】
このようなターボチャージャは、エンジンの排気脈動下で運転される。
図１１及び図１２は、エンジンの排気脈動について説明するための図である。図１１において、縦軸はタービン入口における排気圧力、横軸は時間（０．０〜０．１秒）を示している。図１２において、左縦軸はタービン入口における排気圧力、右縦軸はタービンの速度比（Ｕ／Ｃ０）、横軸は時間（０ミリ秒〜２５ミリ秒）を示している。図１２は、図１１に示した一山分の排気脈動を拡大して示したグラフである。ここで、Ｕはタービン動翼の周速度、Ｃ０は排ガスの理論速度である。なお、図１１及び図１２は、本発明の背景技術を説明するために本発明者が新規に作成した図であって、従来技術を示すものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５８７００８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１１に示したように、ターボチャージャは、エンジンの排気脈動下で運転され、タービンの入口における排ガスの圧力は大幅に変動する。このため、タービンは、図１２に示したように、排気圧力および速度比ともに設計点から大幅に乖離した作動点で運転されることになり、タービン効率が低下するとの課題がある。
【０００６】
特許文献１には、タービンハウジングのスクロール流路の形状を工夫することで、排気脈動に起因するタービン効率の低下を防ぐ技術が開示されている。しかしながら、特許文献１に記載されている発明では、スクロール流路の面積Ａと、スクロール流路の中心からタービン軸線までの距離Ｒを複雑に変化させるものであり、タービンハウジングの形状が複雑になるとの問題があった。また、近年におけるエンジンの少気筒化の流れの中で、排気脈動に対して更に高いタービン効率を発揮する新たなタービンの開発が望まれている。
【０００７】
本発明は、上述したような背景技術の下において発明されたものであって、その目的とするところは、簡単な構造で、エンジンの排気脈動に対して高いタービン効率を発揮するタービン、及びこれを備えるターボ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明の少なくとも一実施形態にかかるタービンは、
軸線周りに回転するタービンホイールと、
前記タービンホイールを収容するとともに、前記タービンホイールの外周側に環状のノズル流路を画定するタービンハウジングと、
前記ノズル流路に周方向に間隔をあけて設けられた複数のノズルベーンと、を備え、
前記ノズルベーンの前縁と後縁とを結ぶ直線の長さをＬｖ、
前記複数のノズルベーンの各々の後縁を通過する後縁内接円の周長をＬｃ、
前記複数のノズルベーンの枚数をＮｖ、と定義した場合に、
Ｌｖ＜Ｌｃ／Ｎｖを満たすように構成される。
【０００９】
上記（１）に記載の実施形態にかかるタービンは、ノズル流路に周方向に間隔をあけて設けられた複数のノズルベーンを備えている。そして、これら複数のノズルベーンは、Ｌｖ＜Ｌｃ／Ｎｖを満たすように構成されている。つまり、これら複数のノズルベーンは、隣り合うノズルベーンが周方向において重なっておらず、隣接する一対のノズルベーンの一方側のノズルベーンの前縁と、他方側のノズルベーンの後縁との間にスロートが形成される。（このような新規なノズルベーンを、以下の説明において「小弦節比ノズルベーン」と呼ぶ場合がある）。ここでスロートとは、隣り合うノズルベーン間において最小幅を形成する部分を指す。
【００１０】
従来のノズルベーンは、隣り合うノズルベーンが周方向において重なっているか、又は隣り合うノズルベーンの前縁と後縁とが周方向において近接している。このため、従来のノズルベーンの場合は、隣接する一対のノズルベーンの一方側のノズルベーンの前縁と、他方側のノズルベーンの後縁との間にはスロートは形成されておらず、例えば、一方側のノズルベーンの腹面と、他方側のノズルベーンの後縁との間にスロートが形成される。このような従来のノズルベーンの場合は、隣り合うノズルベーン間から流出する排ガスの流れ方向は、スロートによって規定され、エンジンの排気脈動によって排ガスの圧力（流量）が変動しても、絶対速度ベクトルの向きは変化せずに、その大きさだけが変化する。これにより、タービン動翼への相対速度ベクトルの向きが変化し、その向きが理想流れ方向からずれることで、インシデンス損失が発生していた。
【００１１】
これに対して、上述した小弦節比ノズルベーンでは、エンジンの排気脈動によって排ガスの圧力（流量）が変動しても、タービン動翼への相対速度ベクトルの向きが、理想流れ方向から大きくずれないことを本発明者は見出した。つまり、小弦節比ノズルベーンの場合は、隣接する一対のノズルベーンの一方側のノズルベーンの前縁と、他方側のノズルベーンの後縁との間にスロートが形成されるため、隣接する一対のノズルベーンの間を流れる排ガスの流れ方向は、スロートによっては規定されずに、小流量時（排気脈動のボトム圧力近傍における流量時）には、ノズルベーンの翼角度に沿うような流れ角を有して流れ、大流量時（排気脈動のピーク圧力近傍における流量時）には、ボリュート（スクロール流路）の形状に沿うような流れ角を有して流れる。この結果、エンジンの排気脈動によって排ガスの流量が変動すると、絶対速度ベクトルの向きが変化する。これにより、エンジンの排気脈動によって排ガスの圧力（流量）が変動しても、結果として、タービン動翼への相対速度ベクトルの向きが、理想流れ方向におおむね沿うようになることとなる。
【００１２】
したがって、このような本発明の一実施形態によれば、ノズル流路に小弦節比ノズルベーンを設けるだけの簡単な構造で、エンジンの排気脈動によるインシデンス損失の発生を抑制でき、高いタービン効率を発揮させることが出来る。
【００１３】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載のタービンにおいて、
上記複数のノズルベーンの一つである第１ノズルベーンの前縁と後縁とを結ぶ翼弦線と、複数のノズルベーンの各々の後縁を通過する後縁内接円における第１ノズルベーンの後縁を通過する第１接線とのなす角度（鋭角側の角度）である後縁側ベーン角度をαｖと定義する。また、上記第１ノズルベーンの前縁と、第１ノズルベーンと隣接する第２ノズルベーンの後縁とを結ぶスロートの中心を通過し、且つ、スロートに対して直交する方向に延在するスロート流れ方向線と、後縁内接円における接線であって、スロート流れ方向線と後縁内接円との交点を通過する第２接線とのなす角度であるスロート流れ角度（鋭角側の角度）をαｔｈと定義する。この場合に、上記実施形態にかかるタービンは、αｔｈ＞αｖを満たすように構成される。
【００１４】
このように構成されるノズルベーンは、後縁側ベーン角度とスロートによって規定される流れ角度とが大きく異なり、必然的に小弦節比ノズルベーンベーンとして構成されることとなる。そして、一対のノズルベーン間から流出する排ガスの流れ方向は、小流量時には上述したベーン角度に沿った方向に流れ、大流量時には上述したスロート流れ方向線に沿って流れる。
したがって、このような本発明の一実施形態によれば、ノズル流路に小弦節比ノズルベーンを設けるだけの簡単な構造で、エンジンの排気脈動によるインシデンス損失の発生を抑制でき、高いタービン効率を発揮させることが出来る。
【００１５】
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）に記載のタービンにおいて、
上記ノズルベーンは、タービンハウジングに対して回動不能に取り付けられている固定式ノズルベーンからなる。
【００１６】
上記（３）に記載の実施形態によれば、上述した小弦節比ノズルベーンが、タービンハウジングに対して回動不能に取り付けられた固定式ノズルベーンによって構成される。したがって、ノズルベーンが回動可能に構成された可変式ノズルベーンを備えるタービンと比べて、簡単な構造で、エンジンの排気脈動によるインシデンス損失の発生を抑制でき、高いタービン効率を発揮させることができる。
【００１７】
（４）本発明の少なくとも一実施形態にかかるターボ装置は、上記（１）から（３）の何れか１つに記載のタービンを備えている。
【００１８】
上記（４）に記載の実施形態によれば、エンジンの排気脈動によるインシデンス損失の発生が抑制された、タービン効率に優れたターボ装置（ターボチャージャ、ターボコンパウンド）を提供することができる。
【００１９】
（５）幾つかの実施形態では、上記（４）に記載のターボ装置において、上記ターボ装置は自動車用エンジンに搭載される。
【００２０】
自動車用エンジンでは、舶用エンジン、発電用エンジン、及び産業用エンジンなどと比べて一般に気筒数が少ない傾向にあり、上述したエンジンの排気脈動によるインシデンス損失の発生に起因したタービン効率の低下が問題となりやすい。
したがって、上記（５）に記載の実施形態によれば、特に自動車用エンジンにおいて、エンジンの排気脈動によるインシデンス損失の発生が抑制された、タービン効率に優れたターボ装置を提供することができる。
【００２１】
（６）幾つかの実施形態では、上記（５）に記載のターボ装置において、上記自動車用エンジンは、３つ以下の気筒を含む少気筒エンジンからなる。
【００２２】
３つ以下の気筒を含む少気筒エンジンにおいては、４つ以上の気筒を含むエンジンと比べて、上述したエンジンの排気脈動によるインシデンス損失の発生に起因したタービン効率の低下が問題となりやすい。
したがって、上記（６）に記載の実施形態によれば、特に自動車用の少気筒エンジンにおいて、エンジンの排気脈動によるインシデンス損失の発生が抑制された、タービン効率に優れたターボ装置を提供することができる。
【００２３】
（７）幾つかの実施形態では、上記（５）に記載のターボ装置において、上記タービンハウジングは、第１スクロール流路および第２スクロール流路の２つのスクロール流路を内部に有する。そして、上記自動車用エンジンは、第１スクロール流路に対して排ガスを排出するように構成された少なくとも複数の気筒を含む第１気筒群と、第２スクロール流路に対して排ガスを排出するように構成された少なくとも複数の気筒を含む第２気筒群とを含む多気筒エンジンからなる。
【００２４】
４つ以上の気筒を含む多気筒エンジンであっても、タービンハウジングが２つのスクロール流路を有するターボ装置は、上述したエンジンの排気脈動によるインシデンス損失の発生に起因したタービン効率の低下が問題となりやすい。
したがって、上記（７）に記載の実施形態によれば、タービンハウジングが２つのスクロール流路を有する自動車用の多気筒エンジンにおいて、エンジンの排気脈動によるインシデンス損失の発生が抑制された、タービン効率に優れたターボ装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、簡単な構造で、エンジンの排気脈動に対して高いタービン効率を発揮するタービン、及びこれを備えるターボ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態にかかるタービンを備えるターボチャージャを示した断面図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかるタービンを軸線方向に沿って視認した正面図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかるタービンのノズルベーンを説明するための説明図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかるタービンのノズルベーンを説明するための説明図である。
【図５】本発明の比較例にかかる（従来の）タービンのノズルベーンを説明するための説明図である。
【図６】本発明の実施例および比較例にかかるタービンのタービン動翼の入口における相対流速を説明するための説明図である。
【図７】本発明の一実施形態にかかるタービンのタービン動翼の入口における排ガスの流れを説明するための図である。
【図８】本発明の実施例および比較例にかかるタービンのタービン動翼の入口における排ガスの流れ角と流量との関係を示したグラフである。
【図９】本発明の一実施形態にかかるタービン装置が搭載される自動車用エンジンを示した全体構成図である。
【図１０】本発明の一実施形態にかかるタービン装置が搭載される自動車用エンジンを示した全体構成図である。
【図１１】エンジンの排気脈動について説明するための図である。
【図１２】エンジンの排気脈動について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
また、以下の説明において、同じ構成には同じ符号を付してその詳細な説明を省略する場合がある。
また、比較例の構成には、実施例と同じ符号を付してその詳細な説明を省略する場合がある。
【００２８】
図１は、本発明の一実施形態にかかるタービンを備えるターボチャージャを示した断面図である。図２は、本発明の一実施形態にかかるタービンを軸線方向に沿って視認した正面図である。
【００２９】
図１に示すように、本発明の一実施形態にかかるターボチャージャ１（ターボ装置）は、図１及び図２に示すラジアルタービン１Ａ（タービン）を備えている。図１及び図２に示したように、本発明の一実施形態にかかるラジアルタービン１Ａは、軸線ＲＡ周りに回転するタービンホイール５と、タービンホイール５を収容するとともに、タービンホイール５の外周側に環状のノズル流路１４を画定するタービンハウジング１０と、ノズル流路１４に設けられたノズルベーン４２と、を備えている。ノズルベーン４２は、図２に示したように、タービンホイール５の周方向において間隔をあけて複数設けられている。
【００３０】
図１に示した実施形態では、タービンホイール５は、回転軸２の一端側に設けられた截頭錐体状のタービンハブ３と、タービンハブ３の周面に周方向に間隔をあけて設けられた複数のタービン動翼４と、を備えている。回転軸２は、ベアリングハウジング３０に収容されているジャーナル軸受９Ａ、９Ｂによって回転可能に支持されている。また、回転軸２の他端側には、截頭錐体状のコンプレッサハブ６が設けられている。コンプレッサハブ６の周面には、周方向に間隔をあけて複数のコンプレッサ動翼７が設けられている。コンプレッサホイール８は、これらコンプレッサハブ６とコンプレッサ動翼７とから構成されている。そして、コンプレッサホイール８は、軸線ＲＡ周りに回転可能な状態で、コンプレッサハウジング２０に収容されている。
【００３１】
また、図１に示した実施形態では、タービンハウジング１０の内部には、上述したノズル流路１４に加えて、タービンハウジング１０の外部から導入された排ガスが流れるスクロール流路１２と、タービンホイール５を駆動させた排ガスをタービンハウジング１０の外部に導出するための出口流路１６とが形成されている。スクロール流路１２は、ノズル流路１４の外周側に形成された渦巻き状の流路である。出口流路１６は、回転軸線ＲＡに沿って延在する管状の流路である。スクロール流路１２を流れた排ガスは、ノズル流路１４を半径方向の内側に向かって流れ、タービンホイール５に流入し、タービンホイール５に流入する。そして、タービンホイール５を回転駆動させた排ガスは、出口流路１６を回転軸線ＲＡに沿って流れ、タービンハウジング１０の外部に排出される。
【００３２】
また、図１に示した実施形態では、ノズルベーン４２は、タービンハウジング１０に対して回動可能に取り付けられた可変式ノズルベーン４２ｍとして構成されている。この可変式ノズルベーン４２ｍは、ノズル流路１４を挟んで互いに対面して配置されるノズルマウント４８とノズルプレート４６との間に、回動可能に支持されている。この可変式ノズルベーン４２ｍは、アクチュエータ６０の駆動力が可変機構６２を介して伝達されることによって回動するように構成されている。また、これらノズルマウント４８およびノズルプレート４６は、ともに中央部に開口を有する環状のプレート状部材であり、両部材はノズルサポート４４によって連結されている。
【００３３】
また、上述したノズルベーン４２は、例えば図２に示したように、タービンハウジング１０に対して回動不能に取り付けられた固定式ノズルベーン４２ｆとして構成されてもよい。この場合、固定式ノズルベーン４２ｆは、ノズル流路１４を画定する壁面に対して回動不能に固定される。なお、ノズルベーン４２を固定式ノズルベーン４２ｆとして構成する場合は、図１において示したアクチュエータ６０や可変機構６２等のノズルベーン４２を回動するための構成は不要である。
【００３４】
次に、本発明の一実施形態にかかるラジアルタービン１Ａのノズルベーン４２について、図３〜図８に基づいて説明する。
図３および図４は、本発明の一実施形態にかかるタービンのノズルベーンを説明するための説明図である。図５は、本発明の比較例にかかる（従来の）タービンのノズルベーンを説明するための説明図である。図６は、本発明の実施例および比較例にかかるタービンのタービン動翼の入口における相対流速を説明するための説明図である。図６において、Ｃ０はタービン動翼４の入口における排ガスの絶対速度ベクトル、Ｕはタービン動翼４の周速度ベクトル、Ｗはタービン動翼４の入口における排ガスの相対速度ベクトルである。図７は、本発明の一実施形態にかかるタービンのタービン動翼の入口における排ガスの流れを説明するための図である。図７において、ｆＳは小流量時におけるタービン動翼４の入口における排ガスの流れ方向を示し、ｆＬは大流量時におけるタービン動翼４の入口における排ガスの流れ方向を示す。図８は、本発明の実施例および比較例にかかるタービンのタービン動翼の入口における排ガスの流れ角と流量との関係を示したグラフである。
【００３５】
本発明の一実施形態にかかるラジアルタービン１Ａの複数のノズルベーン４２の各々は、図３に示したように、ノズルベーン４２の前縁４２ａと後縁４２ｂとを結ぶ直線の長さ（ベーン長）をＬｖ、複数のノズルベーン４２の各々の後縁４２ｂを通過する後縁内接円Ｃ１の周長をＬｃ、複数のノズルベーン４２の枚数をＮｖ、と定義した場合に、Ｌｖ＜Ｌｃ／Ｎｖを満たすように構成されている。
つまり、これら複数のノズルベーン４２の各々は、隣り合うノズルベーン４２が周方向において重なっておらず、隣接する一対のノズルベーン４２Ａ、４２Ｂの一方側のノズルベーン４２の前縁４２ａと、他方側のノズルベーン４２Ｂの後縁４２ｂとの間にスロートｔｈが形成される。（このような新規なノズルベーンを、以下の説明において「小弦節比ノズルベーン」と呼ぶ場合がある）。ここでスロートｔｈとは、隣り合うノズルベーン間において最小幅を形成する部分を指す。
【００３６】
比較例にかかる（従来の）ノズルベーン４２´は、図５に示したように、隣り合うノズルベーン４２Ａ´、４２Ｂ´が周方向において重なっているか、又は隣り合うノズルベーン４２Ａ´、４２Ｂ´の前縁４２ａ´と後縁４２ｂ´とが周方向において近接している。このため、従来のノズルベーン４２´の場合は、隣接する一対のノズルベーン４２Ａ´、４２Ｂ´の一方側のノズルベーン４２Ａ´の前縁４２ａ´と、他方側のノズルベーン４２Ｂ´の後縁４２ｂ´との間にはスロートｔｈ´は形成されておらず、一方側のノズルベーン４２Ａ´の腹面４２Ｓｂ´と、他方側のノズルベーン４２Ｂ´の後縁４２ｂ´との間にスロートｔｈ´が形成される。このような従来のノズルベーン４２´の場合は、隣り合うノズルベーン４２´、４２´間から流出する排ガスの流れ方向はスロートｔｈ´によって規定される。このため、図８に示したように、比較例における流れ角θは、排ガスの流量が変動しても大きく変化しない。したがって、図６に示したように、エンジンの排気脈動によって排ガスの圧力（流量）が変動しても、絶対速度ベクトルＣ´の向きは変化せずに、その大きさだけが変化する。これにより、タービン動翼４´への相対速度ベクトルＷ´の向きが変化し、その向きが理想流れ方向Ｗｉからずれることで、インシデンス損失が発生していた。
【００３７】
これに対して、上述した小弦節比ノズルベーンでは、エンジンの排気脈動によって排ガスの圧力（流量）が変動しても、タービン動翼４への相対速度ベクトルＷの向きが、図６に示す理想流れ方向Ｗｉから大きくずれないことを本発明者は見出した。その理由は以下のとおりである。
小弦節比ノズルベーンの場合は、隣接する一対のノズルベーン４２Ａ、４２Ｂの一方側のノズルベーン４２Ａの前縁４２ａと、他方側のノズルベーン４２Ｂの後縁４２ｂとの間にスロートｔｈが形成されるため、隣接する一対のノズルベーン４２Ａ、４２Ｂの間を流れる排ガスの流れ方向は、スロートｔｈによっては規定されずに、図７および図８に示したように、小流量時（排気脈動のボトム圧力近傍における流量時）には、ノズルベーン４２の翼角度に沿うような流れ角θＳを有して流れ（図７の矢印ｆＳを参照）、大流量時（排気脈動のピーク圧力近傍における流量時）には、ボリュート（スクロール流路）の形状に沿うような流れ角θＬを有して流れる（図７の矢印ｆＬを参照）。この結果、図６に示したように、エンジンの排気脈動によって排ガスの流量が変動すると、絶対速度ベクトルＣの向きが変化する。具体的には、排ガスの流量が増大すると、絶対速度ベクトルＣの向きは周速度ベクトルＵに対してその交差角が大きくなるように変化する。一方、排ガスの流量が減少すると、絶対速度ベクトルＣの向きは周速度ベクトルＵに対してその交差角が小さくなるように変化する。これにより、図６に示したように、エンジンの排気脈動によって排ガスの圧力（流量）が変動しても、結果として、タービン動翼４への相対速度ベクトルＷの向きが、理想流れ方向Ｗｉにおおむね沿うようになり、インシデンス損失の発生が抑制される。
【００３８】
したがって、このような本発明の一実施形態によれば、ノズル流路１４に小弦節比ノズルベーンからなるノズルベーン４２を設けるだけの簡単な構造で、排気脈動によるインシデンス損失の発生を抑制でき、高いタービン効率を発揮させることが出来る。
【００３９】
なお、上述した実施形態は、ノズルベーン４２が、上述した可変式ノズルベーン４２ｍ、又は固定式ノズルベーン４２ｆのいずれの場合も含んでいるが、ノズルベーン４２が可変式ノズルベーン４２ｍの場合は、上述した条件式Ｌｖ＜Ｌｃ／Ｎｖは、可変式ノズルベーン４２ｍが全閉されている状態において満たすものとする。
【００４０】
幾つかの実施形態では、図４に示したように、複数のノズルベーン４２の一つである第１ノズルベーン４２Ａの前縁４２ａと後縁４２ｂとを結ぶ翼弦線ＣＬの延在方向と、複数のノズルベーン４２の各々の後縁４２ｂを通過する後縁内接円Ｃ１における第１ノズルベーン４２Ａの後縁４２ｂを通過する第１接線ＴＬ１とのなす角度（鋭角側の角度）である後縁側ベーン角度をαｖと定義する。また、第１ノズルベーン４２Ａの前縁４２ａと、第１ノズルベーン４２Ａと隣接する第２ノズルベーン４２Ｂの後縁４２ｂとを結ぶスロートｔｈの中心ｃを通過し、且つ、スロートｔｈに対して直交する方向に延在するスロート流れ方向線ＴＨＬと、後縁内接円Ｃ１における接線であって、スロート流れ方向線ＴＨＬと後縁内接円Ｃ１との交点Ｃ１ａを通過する第２接線ＴＬ２とのなす角度であるスロート流れ角度（鋭角側の角度）をαｔｈと定義する。この場合に、上述した実施形態にかかるラジアルタービン１Ａは、αｔｈ＞αｖを満たすように構成される。
【００４１】
なお、図４に示した実施形態において、第２ノズルベーン４２Ｂは、第１ノズルベーン４２Ａの腹面４２Ｓｂに、第２ノズルベーン４２Ｂの背面４２Ｓａが対向するように配置されている。
【００４２】
このように構成される第１ノズルベーン４２Ａは、後縁側ベーン角度αｖとスロートｔｈによって規定される排ガスの流れ角度とが大きく異なり、必然的に小弦節比ノズルベーンとして構成されることとなる。そして、一対の第１ノズルベーン４２Ａと第２ノズルベーン４２Ｂとの間から流出する排ガスの流れ方向は、小流量時には上述したベーン角度（αｖ）に沿った方向に流れ、大流量時には上述したスロート流れ方向線ＴＨＬに沿って流れる。
したがって、このような本発明の一実施形態によれば、ノズル流路１４に小弦節比ノズルベーンとして構成されるノズルベーン４２を設けるだけの簡単な構造で、エンジンの排気脈動によるインシデンス損失の発生を抑制でき、高いタービン効率を発揮させることが出来る。
【００４３】
なお、上述した実施形態は、ノズルベーン４２が、上述した可変式ノズルベーン４２ｍ、又は固定式ノズルベーン４２ｆのいずれの場合も含んでいるが、ノズルベーン４２が可変式ノズルベーン４２ｍの場合は、上述した条件式αｔｈ＞αｖは、可変式ノズルベーン４２ｍが全閉されている状態において満たすものとする。
【００４４】
幾つかの実施形態では、Ｌｖ／（Ｌｃ／Ｎｖ）は、好ましくは０．４〜０．８、より好ましくは０．５５〜０．７の範囲にある。
このような実施形態によれば、エンジンの排気脈動によるインシデンス損失の発生をより一層抑制でき、高いタービン効率を発揮させることが出来る。
【００４５】
幾つかの実施形態では、上述した図２に示したように、ノズルベーン４２は、タービンハウジング１０に対して回動不能に取り付けられている固定式ノズルベーン４２ｆからなる。
【００４６】
このような実施形態によれば、上述した小弦節比ノズルベーンとして構成されるノズルベーン４２が、タービンハウジング１０に対して回動不能に取り付けられた固定式ノズルベーン４２ｆからなる。したがって、ノズルベーン４２が回動可能に構成された可変式ノズルベーン４２ｍを備えるラジアルタービン１Ａと比べて、簡単な構造で、エンジンの排気脈動によるインシデンス損失の発生を抑制でき、高いタービン効率を発揮させることができる。
【００４７】
図９及び図１０は、本発明の一実施形態にかかるタービン装置が搭載される自動車用エンジンを示した全体構成図である。
なお、以下の実施形態ではガソリンエンジンの場合を例に説明するが、本発明の自動車用エンジンはガソリンエンジンに限定されるものではなく、例えば、ディーゼルエンジンであってもよい。
幾つかの実施形態では、図９及び図１０に示したように、上述したターボチャージャ１は、自動車用エンジン５０に搭載される。
【００４８】
図示した実施形態において、自動車用エンジン５０は、複数の気筒５０ａ〜５０ｄを備えている。そして、複数の気筒５０ａ〜５０ｄの各々から排出された排ガスは、排気マニホールド５１を介してタービンハウジング１０のスクロール流路１２に流れる。スクロール流路１２を流れた排ガスは、ノズル流路１４からタービンホイール５に流入し、タービンホイール５を回転駆動させる。そして、出口流路１６からタービンハウジング１０の外部に排出される、排気管５２を介して自動車用エンジン５０の外部に排出される。
【００４９】
また、図示した実施形態において、タービンホイール５と同軸に設けられているコンプレッサホイール８によって圧縮された吸気は、吸気通路５３及び吸気マニホールド５４を介して、各気筒５０ａ〜５０ｄに供給されるようになっている。各気筒５０ａ〜５０ｄに供給される吸気の流量は、吸気通路５３に設けられているスロットルバルブ５５の開度によって制御される。
【００５０】
自動車用エンジン５０では、舶用エンジン、発電用エンジン、及び産業用エンジンなどと比べて一般に気筒数が少ない傾向にあり、上述したエンジンの排気脈動によるインシデンス損失の発生に起因したタービン効率の低下が問題となりやすい。
したがって、このような実施形態によれば、特に自動車用エンジン５０において、エンジンの排気脈動によるインシデンス損失の発生が抑制された、タービン効率に優れたターボチャージャ１を提供することができる。
【００５１】
幾つかの実施形態では、図９に示したように、自動車用エンジン５０は、３つ以下の気筒５０ａ、５０ｂ、５０ｃを含む少気筒エンジン５０Ａからなる。
図示した実施形態では、少気筒エンジン５０Ａは、互いにクランク角が２４０°だけ異なるように駆動される３つの気筒５０ａ、５０ｂ、５０ｃを含んでいる。また、幾つかの実施形態では、少気筒エンジン５０Ａが含んでいる気筒数は２つ以下であってもよい。
【００５２】
３つ以下の気筒５０ａ、５０ｂ、５０ｃを含む少気筒エンジン５０Ａにおいては、４つ以上の気筒を含むエンジンと比べて、上述したエンジンの排気脈動によるインシデンス損失の発生に起因したタービン効率の低下が問題となりやすい。
したがって、このような実施形態によれば、特に自動車用の少気筒エンジン５０Ａにおいて、エンジンの排気脈動によるインシデンス損失の発生が抑制された、タービン効率に優れたターボチャージャ１を提供することができる。
【００５３】
幾つかの実施形態では、図１０に示したように、上述したタービンハウジング１０は、第１スクロール流路１２Ａおよび第２スクロール流路１２Ｂの２つのスクロール流路１２を内部に有する。そして、上述した自動車用エンジン５０は、第１スクロール流路１２Ａに対して排ガスを排出するように構成された少なくとも複数の気筒５０ａ、５０ｄを含む第１気筒群と、第２スクロール流路１２Ｂに対して排ガスを排出するように構成された少なくとも複数の気筒５０ｂ、５０ｃを含む第２気筒群とを含む多気筒エンジン５０Ｂからなる。
【００５４】
図示した実施形態では、タービンハウジング１４は、その内部に、第１スクロール流路１２Ａおよび第２スクロール流路１２Ｂが軸方向に分割して形成されている、所謂ツインスクロール型タービンハウジングとなっている。
【００５５】
また、一実施形態では、図示しないが、タービンハウジング１４は、その内部に、第１スクロール流路１２Ａおよび第２スクロール流路１２Ｂが周方向に分割して形成されている、所謂ダブルスクロール型タービンハウジングであってもよい。
【００５６】
また、図示した実施形態では、上述したノズル流路１４は、第１スクロール流路１２Ａに接続する第１ノズル流路１４Ａと、第２スクロール流路１２Ｂに接続する第２ノズル流路１４Ｂとを含んでいる。上述した複数のノズルベーン４２は、第１ノズル流路１４Ａに周方向に間隔をあけて設けられた複数の第１ノズルベーン群４２ＡＧと、第２ノズル流路１４Ｂに周方向に間隔をあけて設けられた複数の第２ノズルベーン群４２ＢＧとを含んでいる。
【００５７】
また、一実施形態では、図示しないが、第１スクロール流路１２Ａおよび第２スクロール流路１４は、上述した複数のノズルベーン４２が周方向に間隔をあけて設けられている共通するノズル流路１４に接続されていてもよい。
【００５８】
第１気筒群を構成する気筒５０ａ、５０ｄは、互いの間で排気脈動の干渉が生じにくいように、互いにクランク角が３６０°だけ異なるように駆動される。同様に、第２気筒群を構成する気筒５０ｂ、５０ｃは、互いの間で排気脈動の干渉が生じにくいように、互いにクランク角が３６０°だけ異なるように駆動される。したがって、例えば、気筒５０ａのクランク角が０°のときに、気筒５０ｂのクランク角は５４０°、気筒５０ｃのクランク角は１８０°、気筒５０ｄのクランク角は３６０°である。
【００５９】
なお、図示した実施形態では、多気筒エンジン５０Ｂは、４つの気筒５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄを含んでいるが、多気筒エンジン５０Ｂが含んでいる気筒数は５つ以上であってもよいし、奇数であってもよい。
【００６０】
自動車用エンジン５０において、低回転域におけるレスポンス性を向上させるとともに、中・高回転域における排気干渉を低減するために技術として、タービンハウジング１０に２つのスクロール流路１２を形成したツインスクロール型タービンハウジング１０Ａを含むターボチャージャ１が知られている。このようなターボチャージャ１は、４つ以上の気筒を含む多気筒エンジン５０Ｂであっても、実質的にその半分の気筒数からなるエンジンと同等の排気脈動がラジアルタービン１Ａに対して伝達されることとなるため、上述したエンジンの排気脈動によるインシデンス損失の発生に起因したタービン効率の低下が問題となりやすい。
したがって、このような実施形態によれば、特にツインスクロール型タービンハウジング１０Ａを含む自動車用の多気筒エンジン５０Ｂにおいて、エンジンの排気脈動によるインシデンス損失の発生が抑制された、タービン効率に優れたターボチャージャ１を提供することができる。
【００６１】
以上、本発明の好ましい形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。
【００６２】
例えば、上述した実施形態では、本発明の一実施形態にかかるラジアルタービン１Ａを備えるターボ装置として、ターボチャージャ１を例にして説明した。しかしながら、本発明の他の実施形態では、本発明の一実施形態にかかるラジアルタービン１Ａを備えるターボ装置として、ラジアルタービン１Ａの出力を、継手などを介してクランクシャフトに伝達することでエンジンの出力を向上させるように構成されたターボコンパウンドとして構成されていてもよいものである。
【００６３】
また、上述した実施形態では、本発明の一実施形態にかかるタービンとして、回転軸線ＲＡに沿った断面視においてノズル流路１４が半径方向に沿って延在しているラジアルタービン１Ａを例にして説明した。しかしながら、本発明の他の実施形態では、本発明の一実施形態にかかるタービンとして、回転軸線ＲＡに沿った断面視においてノズル流路１４が回転軸線ＲＡに対して斜めに向かって延在している斜流タービンとして構成されていてもよいものである。
【符号の説明】
【００６４】
１                ターボチャージャ（タービン装置）
１Ａ                ラジアルタービン（タービン）
２                    回転軸
３                    タービンハブ
４                    タービン動翼
５                    タービンホイール
６                    コンプレッサハブ
７                    コンプレッサ動翼
８                    コンプレッサホイール
９Ａ、９Ｂ            ジャーナル軸受
１０                  タービンハウジング
１０Ａ                ツインスクロール型タービンハウジング
１２                    スクロール流路
１２Ａ                  第１スクロール流路
１２Ｂ                  第２スクロール流路
１４                    ノズル流路
１４Ａ                  第１ノズル流路
１４Ｂ                  第１ノズル流路
１６                    出口流路
２０                  コンプレッサハウジング
３０                  ベアリングハウジング
４２、４２Ａ、４２Ｂ    ノズルベーン
４２ｍ                  可変式ノズルベーン
４２ｆ                  固定式ノズルベーン
４２ＡＧ                第１ノズルベーン群
４２ＢＧ                第２ノズルベーン群
４２ａ                    前縁
４２ｂ                    後縁
４４                    ノズルサポート
４６                    ノズルプレート
４８                    ノズルマウント
５０            自動車用エンジン
５０Ａ          少気筒エンジン
５０Ｂ          多気筒エンジン
５０ａ〜５０ｄ    気筒
５１              排気マニホールド
５２              排気管
５３              吸気通路
５４              吸気マニホールド
５５              スロットルバルブ
６０                アクチュエータ
６２                可変機構
【図１】
2018123802.tif 000003
【図２】
2018123802.tif 000004
【図３】
2018123802.tif 000005
【図４】
2018123802.tif 000006
【図５】
2018123802.tif 000007
【図６】
2018123802.tif 000008
【図７】
2018123802.tif 000009
【図８】
2018123802.tif 000010
【図９】
2018123802.tif 000011
【図１０】
2018123802.tif 000012
【図１１】
2018123802.tif 000013
【図１２】
2018123802.tif 000014