(57)【要約】【課題】可変容量タービンにおいて、ノズルベーン表面からの流体の剥離を抑制する。【解決手段】ノズルベーン２４ａに接続されて該ノズルベーン２４ａの回動に伴って移動すると共に、少なくとも複数のノズルベーン２４ａ間の開度が最大である場合に当該ノズルベーン２４ａ間に配置される副ノズルベーン２４ｂを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回動角度が調整可能なノズルベーンをタービンインペラ周りに複数備える可変容量タービンであって、
前記ノズルベーンに接続されて該ノズルベーンの回動に伴って移動すると共に、少なくとも複数の前記ノズルベーン間の開度が最大である場合に当該ノズルベーン間に配置される副ノズルベーンを備えることを特徴とする可変容量タービン。
【請求項２】
前記副ノズルベーンは、前記ノズルベーンの負圧面側に接続されていることを特徴とする請求項１記載の可変容量タービン。
【請求項３】
前記ノズルベーンと前記副ノズルベーンとを結合する結合部材を備え、
前記結合部材は、前記ノズルベーン間に形成される流路の幅方向における端部に配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の可変容量タービン。
【請求項４】
前記ノズルベーンと前記副ノズルベーンとを結合する結合部材を備え、
前記結合部材は、流体と接触する面が翼面形状とされていることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の可変容量タービン。
【請求項５】
前記ノズルベーンと前記副ノズルベーンとを接続するリンク機構を備えることを特徴とする請求項１または２記載の可変容量タービン。
【請求項６】
前記副ノズルベーンは、少なくとも複数の前記ノズルベーン間の開度が最小である場合に、前記ノズルベーン間に形成される流路の上流側に配置されることを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の可変容量タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回動角度が調整可能なノズルベーンをタービンインペラ周りに複数備える可変容量タービンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば過給機では、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等の車載用のエンジンに用いる場合には、低燃費化等の性能向上を実現するために、低速域から高速域までの広い範囲でエンジンの出力向上や効率向上を実現させる必要がある。
【０００３】
そこで従来から、過給機では、回動角度が調整可能なノズルベーンをタービンインペラ周りに複数備える可変容量タービンが用いられている。
このような可変容量タービンは、ノズルベーンを回動させてノズルの開度を調節することによって、流体の流量が少ない場合であっても効率的にタービンインペラを回転駆動させ、流体の流量が多い場合であっても抵抗の増大を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１４１０７４号公報
【特許文献２】特開平１１−２７０３４３号公報
【特許文献３】特開平１０−２７４０４８号公報
【特許文献４】特開２００８−２６７２０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述のような可変容量タービンでは、タービンインペラに供給される流体を、ノズルベーン間を通過させることによって整流し、これによってタービンインペラの効率的な回転を実現している。
しかしながら、ノズルベーンの回動角度が大きくなった場合（すなわちノズルベース間の開度が大きくなった場合）には、ノズルベーン間の距離が大きくなり、流体がノズルベーンの表面から剥離しやすくなる。
【０００６】
ノズルベーンの表面から流体が剥離した場合には、ノズルベーン間における流体の整流作用が弱くなる。この結果、タービンインペラの回転が効率的でなくなると共に、流体の抵抗も増大してしまう。
【０００７】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、可変容量タービンにおいて、ノズルベーン表面からの流体の剥離を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
【０００９】
第１の発明は、回動角度が調整可能なノズルベーンをタービンインペラ周りに複数備える可変容量タービンであって、上記ノズルベーンに接続されて該ノズルベーンの回動に伴って移動すると共に、少なくとも複数の上記ノズルベーン間の開度が最大である場合に当該ノズルベーン間に配置される副ノズルベーンを備えるという構成を採用する。
【００１０】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記副ノズルベーンが、上記ノズルベーンの負圧面側に接続されているという構成を採用する。
【００１１】
第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記ノズルベーンと上記副ノズルベーンとを結合する結合部材を備え、上記結合部材が、上記ノズルベーン間に形成される流路の幅方向における端部に配置されているという構成を採用する。
【００１２】
第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記ノズルベーンと上記副ノズルベーンとを結合する結合部材を備え、上記結合部材が、流体と接触する面が翼面形状とされているという構成を採用する。
【００１３】
第５の発明は、上記第１または第２の発明において、上記ノズルベーンと上記副ノズルベーンとを接続するリンク機構を備えるという構成を採用する。
【００１４】
第６の発明は、上記第１〜第５いずれかの発明において、上記副ノズルベーンが、少なくとも複数の上記ノズルベーン間の開度が最小である場合に、上記ノズルベーン間に形成される流路の上流側に配置されるという構成を採用する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、副ノズルベーンが、少なくとも複数のノズルベーン間の開度が最大である場合に当該ノズルベーン間に配置される。
このため、少なくともノズルベーン間の開度が最大である場合には、ノズルベーン間において、従来のノズルベーン間による流体への整流作用に加えて、副ノズルベーンによる流体への整流作用が働く。この結果、ノズルベーン間において、従来よりも強く流体に対する整流作用が働く。
したがって、本発明によれば、ノズルベーン表面からの流体の剥離を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態における可変容量タービンを備える過給機の概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態における可変容量タービンが備える副ノズルベーン及び結合部材を軸部側から見た正面図であり、主ノズルベーンの回動角度が最大である場合を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態における可変容量タービンが備える副ノズルベーン及び結合部材を軸部側から見た正面図であり、主ノズルベーンの回動角度が最小である場合を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態における可変容量タービンが備える１組の主ノズルベーン、副ノズルベーン及び結合部材を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態における可変容量タービンが備える１組の主ノズルベーン、副ノズルベーン及びリンク機構を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明に係る可変容量タービンの一実施形態について説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態の可変容量タービンを備える過給機１の概略構成を示した断面図である。この図に示すように、過給機１は、本実施形態の可変容量タービン２と、当該可変容量タービン２によって駆動されるコンプレッサ３と、可変容量タービン２とコンプレッサ３とを接続する軸部４とを備えている。
【００１９】
本実施形態の可変容量タービン２は、タービンインペラ２１と、タービンシュラウド２２と、タービンケーシング２３と、可変容量装置２４とを備えている。
タービンインペラ２１は、エンジン等の燃焼機関から供給される排気ガス等の流体によって回転駆動されるものであり、いわゆるラジアルインペラである。
タービンシュラウド２２は、上記タービンインペラ２１を、当該タービンインペラ２１が備える翼のチップ側から覆うケースである。
タービンケーシング２３は、本実施形態の可変容量タービン２の外形を形作るものであり、タービンシュラウド２２ごとタービンインペラ２１を囲っている。
タービンケーシング２３の内部には、一端に排気ガスの入口を備えたスクロール通路２５が形成されている。
また、タービンケーシング２３の内部には、タービンインペラ２１よりも大きな径を有するリング部材２６がタービンシュラウド２２と対向して配置されている。そして、リング部材２６とタービンシュラウド２２との挟まれた領域が、上記スクロール通路２５とタービンインペラ２１とを連通する環状の排気ガス流路２７とされている。
【００２０】
可変容量装置２４は、複数の主ノズルベーン２４ａ（ノズルベーン）と、複数の副ノズルベーン２４ｂ（副ノズルベーン）と、結合部材２４ｃと、駆動機構２４ｄとを備えている。
ここでは、図１〜図４を参照して、可変容量装置２４の説明を行う。
図２は、主ノズルベーン２４ａ、副ノズルベーン２４ｂ及び結合部材２４ｃを軸部４側から見た正面図である。なお、図２においては、視認性を良くするために、主ノズルベーン２４ａ、副ノズルベーン２４ｂ及び結合部材２４ｃと、後述する回動軸２４ｈ及び連結部材２４ｋのみを図示しており、主ノズルベーン２４ａの回動角度θが最大である場合を示している。なお、図３は、主ノズルベーン２４ａの回動角度θが最小である場合を示している。
図４は、１組の主ノズルベーン２４ａ、副ノズルベーン２４ｂ及び結合部材２４ｃを示す図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が側面図である。
【００２１】
主ノズルベーン２４ａは、回動角度が調節可能に構成されており、図２に示すように、環状に形成された排気ガス流路２７に沿って円周状に等間隔で配列されている。すなわち、本実施形態の可変容量タービン２は、回動角度が調節可能な主ノズルベーン２４ａを、タービンインペラ２１周りに複数備えている。
【００２２】
副ノズルベーン２４ｂは、排気ガスの流れ方向において主ノズルベーン２４ａと同一幅とされ、長さが主ノズルベーン２４ａよりも短いノズルベーンであり、主ノズルベーン２４ａの負圧面Ｓ側に結合部材２４ｃを介して接続されている。この副ノズルベーン２４ｂは、上記負圧面Ｓから離間して配置されており、主ノズルベーン２４ａと同様に主ノズルベーン２４ａ間を流れる排気ガスに対する抵抗を低減させるために翼形状とされている。
【００２３】
そして、本実施形態の可変容量タービン２において副ノズルベーン２４ｂは、結合部材２４ｃによって主ノズルベーン２４ａと接続されることによって、主ノズルベーン２４ａの回動に伴って回動（移動）するように構成されている。
より詳細には、副ノズルベーン２４ｂは、図２に示すように、主ノズルベーン２４ａの回動角度θが最大である場合（主ノズルベーン２４ａ間の開度が最大である場合）に、主ノズルベーン２４ａ間に配置されるように構成されている。また、副ノズルベーン２４ｂは、図３に示すように、主ノズルベーン２４ａの回動角度θが最小である場合（主ノズルベーン２４ａ間の開度が最小である場合）に、主ノズルベーン２４ａ間に形成される流路の上流側に配置されるように構成されている。
【００２４】
結合部材２４ｃは、主ノズルベーン２４ａと副ノズルベーン２４ｂとを結合することによって接続するものである。この場合、副ノズルベーン２４ｂ、結合部材２４ｃは、主ノズルベーン２４ａと一体的に、回動軸２４ｈを中心として回転するよう構成されている。そして、本実施形態の可変容量タービン２において結合部材２４ｃは、主ノズルベーン２４ａ間に形成される流路の幅方向における端部（図１に示すリング部材２６側の端部）に配置されている。また、結合部材２４ｃのタービンシュラウド２２側の面２４ｃ１（すなわち排気ガスと接触する面）は、排気ガスに対する抵抗が低減されるように翼面形状とされている。
【００２５】
なお、当然のことながら、副ノズルベーン２４ｂ及び結合部材２４ｃは、自らが接続される主ノズルベーン２４ａと異なる主ノズルベーン２４ａと干渉しないような形状及び配置とされている。
また、主ノズルベーン２４ａ、副ノズルベーン２４ｂ及び結合部材２４ｃは、例えば、鋳物として一体形成することができる。また、主ノズルベーン２４ａ、副ノズルベーン２４ｂ及び結合部材２４ｃは、溶接により接合しても良い。
【００２６】
駆動機構２４ｄは、主ノズルベーン２４ａを回動させるものであり、ピストン２４ｅと、駆動軸２４ｆと、駆動リング２４ｇと、回動軸２４ｈと、連結部材２４ｉ〜２４ｋとを備えている。
ピストン２４ｅは、主ノズルベーン２４ａを回動させるための動力を発生するものであり、タービンケーシング２３の外部に配置されている。
駆動軸２４ｆは、連結部材２４ｉを介してピストン２４ｅと接続されており、ピストン２４ｅから動力を伝達されることによって回転する。この駆動軸２４ｆは、タービンケーシング２３を貫通してタービンケーシング２３の内部に挿通されている。
駆動リング２４ｇは、連結部材２４ｊを介して駆動軸２４ｆと接続されるリング部材であり、駆動リング２４ｇから動力を伝達されることによって、タービンインペラ２１の回転軸を中心として回動する。
回動軸２４ｈは、各主ノズルベーン２４ａに接続されており、連結部材２４ｋを介して駆動リング２４ｇと接続されている。そして、回動軸２４ｈは、駆動リング２４ｇから動力を伝達されることによって、主ノズルベーン２４ａを回動させる。なお、回動軸２４ｈは、タービンシュラウド２２を貫通して配置されている。
【００２７】
このように構成された本実施形態の可変容量タービン２においては、図２に示すように、主ノズルベーン２４ａの回動角度θが最大である場合（主ノズルベーン２４ａ間の開度が最大である場合）に、副ノズルベーン２４ｂが、主ノズルベーン２４ａ間に配置される。つまり、従来は一つの流路であった主ノズルベーン２４ａ間の流路が、副ノズルベーン２４ｂによってタービンインペラ２１の半径方向に分割される。
このため、主ノズルベーン２４ａ間を流れる排気ガスには、主ノズルベーン２４ａ間による整流作用に加えて、副ノズルベーン２４ｂによる整流作用が働く。このため、本実施形態の可変容量タービン２によれば、タービンインペラ２１に供給される排気ガスに対して、従来よりも強く整流作用が働く。この結果、主ノズルベーン２４ａの表面からの排気ガスの剥離を抑制することが可能となる。
【００２８】
なお、副ノズルベーン２４ｂを備えずに主ノズルベーン２４ａのみの可変容量タービン（すなわち従来の可変容量タービン）と、本実施形態の可変容量タービン２とに対する流体解析を行った結果、従来の可変容量タービンにおいては排気ガスの流れが主ノズルベーンから剥離したが、同一条件において本実施形態の可変容量タービン２では排気ガスの流れが剥離することはなかった。
【００２９】
また、本実施形態の可変容量タービン２においては、副ノズルベーン２４ｂは、主ノズルベーン２４ａの負圧面Ｓ側に接続されている。
一般的に流体の剥離は、翼の負圧面において発生する。事実、上記流体解析の結果では、従来の可変容量タービンでは、主ノズルベーン２４ａの負圧面側で流体の剥離が生じていた。
このため、上述のように、副ノズルベーン２４ｂを主ノズルベーン２４ａの負圧面Ｓ側に配置することによって、副ノズルベーン２４ｂによる整流作用を流体が剥離しやすい領域に特に強く働かせることができるため、より確実に排気ガスの剥離を抑制することができる。
【００３０】
また、本実施形態の可変容量タービン２では、主ノズルベーン２４ａと副ノズルベーン２４ｂとが結合部材２４ｃによって結合されることによって接続されている。
このため、主ノズルベーン２４ａが駆動機構２４ｄによって回動されると、副ノズルベーン２４ａも主ノズルベーン２４ａの回動に伴って回動される。
つまり、主ノズルベーン２４ａと副ノズルベーン２４ｂとが結合部材２４ｃで結合されることによって、副ノズルベーン２４ｂを容易に回動させることが可能となる。
【００３１】
また、本実施形態の可変容量タービン２では、結合部材２４ｃが主ノズルベーン２４ａ間に形成される流路の幅方向における端部に配置されている。
このため、結合部材２４ｃの片側面のみが排気ガスと接触することなり、結合部材の両側面に排気ガスが接触する場合と比較して、抵抗を低減させることが可能となる。
【００３２】
また、本実施形態の可変容量タービン２では、結合部材２４ｃのタービンシュラウド２２側の面２４ｃ１（すなわち排気ガスと接触する面）が翼面形状とされている。このため、排気ガスに対する抵抗をより低減することができる。
【００３３】
また、本実施形態の可変容量タービン２では、図３に示すように、副ノズルベーン２４ｂが、主ノズルベーン２４ａの回動角度θが最小である場合（主ノズルベーン２４ａ間の開度が最小である場合）に、主ノズルベーン２４ａ間に形成される流路の上流側に配置される。つまり、主ノズルベーン２４ａ間に流れ込む排気ガスがその上流側で一旦整流されることなる。
このため、排気ガスの整流作用をより高めることが可能となり、より効率的にタービンインペラ２１を回転駆動させることが可能となる。
【００３４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。
【００３５】
図５は、本実施形態の可変容量タービンが備える主ノズルベーン２４ａと副ノズルベーン２４ｂの拡大図である。
この図に示すように、本実施形態の可変容量タービンにおいては、主ノズルベーン２４ａと副ノズルベーン２４ｂとが２つのリンク機構５によって接続されている。
【００３６】
リンク機構５は、主ノズルベーン２４ｂの回動に伴って副ノズルベーン２４ｂが直動するように主ノズルベーン２４ａと副ノズルベーン２４ｂとを接続している。
より詳細には、リンク機構５が備えるリンク棒からリング部材２６方向に突出するピン５ａが、リング部材２６に設けられた直線状のガイド溝５ｂに摺動可能に嵌合されており、主ノズルベーン２４ａの回動によってピン５ａがガイド溝５ｂに沿って移動することによって、副ノズルベーン２４ｂが直線状に移動する。
【００３７】
このような構成を有する本実施形態の可変容量タービンによれば、主ノズルベーン２４ａ間の開度に応じて、主ノズルベーン２４ａと副ノズルベーン２４ｂとの相対的な位置関係を変化させることができる。
このため、主ノズルベーン２４ａ間の開度に応じて、副ノズルベーン２４ｂを最適な位置に配置することが可能となる。
【００３８】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００３９】
例えば、上記実施形態においては、副ノズルベーン２４ｂが１つの主ノズルベーン２４ａに対して１つ設けられた構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、１つの主ノズルベーン２４ａに対して、複数の副ノズルベーン２４ｂが設けられても良い。
この際、複数の副ノズルベーン２４ｂは、主ノズルベーン２４ａの翼面に対する法線方向に配列されても良いし、排気ガスの流れ方向に配列されても良い。
【００４０】
また、上記実施形態においては、副ノズルベーン２４ｂが、主ノズルベーン２４ａの負圧面Ｓ側に接続される構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、主ノズルベーン２４ａの正圧面側に副ノズルベーン２４ｂを接続しても良い。
【００４１】
また、上記実施形態においては、１つの結合部材２４ｃによって１つの主ノズルベーン２４ａと１つの副ノズルベーン２４ｂとが接続される構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、複数の結合部材によって１つの結合部材２４ｃによって１つの主ノズルベーン２４ａと１つの副ノズルベーン２４ｂとを接続しても良い。
また、結合部材２４ｃの形状は任意であり、例えばピン形状であっても良い。さらに結合部材２４ｃは、主ノズルベーン２４ａ間に形成される流路の端部ではなく、中央部に配置しても良い。
【００４２】
また、上記実施形態においては、全ての主ノズルベーン２４ａに対して副ノズルベーン２４ｂが設けられた構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、いずれかの主ノズルベーン２４ａが副ノズルベーン２４ｂを設けない構成を採用することもできる。
【００４３】
また、上記実施形態においては、可変容量タービンが過給機に搭載された例について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の可変容量タービンは、他のタービン（発電用のタービン等）に用いることも可能である。
【００４４】
また、結合部材２４ｃの表面２４ｃ１の形状は任意であり、例えば、平板状やピン状であっても良い。ただし、排気ガスに対する抵抗をより低減することを考慮すると、平面視（図４（ａ）における視認方向）において円弧など（円滑な曲面状）であるとより好ましく、さらには上記実施形態のように翼面形状であることが好ましい。
【符号の説明】
【００４５】
２……可変容量タービン、２１……タービンインペラ、２４ａ……主ノズルベーン（ノズルベーン）、２４ｂ……副ノズルベーン、２４ｃ……結合部材、５……リンク機構、Ｓ……負圧面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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