(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン翼車と、前記タービン翼車の周囲に設けられ前記タービン翼車に送り込まれる流体の流路をなすスクロール部と、を有し、前記スクロール部から前記タービン翼車への前記流体の流入部には前記流体を案内するノズルベーンが設けられていないタービンと、
前記タービン翼車に回転軸を介して接続されたコンプレッサ翼車を有するコンプレッサと、を備え、
前記スクロール部は、前記タービン翼車の周囲に設けられ互いに径方向に並ぶように配置された複数のスクロールを有し、
各々の前記スクロールについて、
前記スクロールの巻始め位置における前記スクロールの流路断面の断面積をＡとし、
前記流路断面の図心の、前記タービン翼車の回転軸線からの距離をＲとし、
前記スクロールから前記タービン翼車への前記流入部における流路の高さをｂとしたときに、
Ａ／（Ｒ・ｂ）の値がすべての前記スクロールにおいて略等しく、
前記Ａの値がすべての前記スクロールにおいて略等しい、過給機。
【請求項２】
前記スクロールの巻始め位置の、前記タービン翼車の周方向における位置が、すべての前記スクロールにおいて同じである、請求項１に記載の過給機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過給機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この分野の技術として、下記特許文献１に記載のタービンが知られている。このタービンのスクロール部は、タービン翼車の径方向に配列される大スクロール、中スクロール、及び小スクロールを備えている。このように径方向に並設された複数のスクロールを設けることで容量を可変とするタービンが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許３８７６１８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、スクロール部が複数のスクロールで構成される場合、流体が経由したスクロール毎にタービン翼車に向かう流体の流動状態が異なるため、タービン翼車に流体が流入するときの流れ角が回転周方向において不均一になり易い。その結果、タービン翼車に流体が流入する際に損失が発生し、タービンの効率向上を阻害する場合がある。これに対し、本発明は、タービンが複数のスクロールを有する場合の過給機の効率向上を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の過給機は、タービン翼車と、タービン翼車の周囲に設けられタービン翼車に送り込まれる流体の流路をなすスクロール部と、を有するタービンと、タービン翼車に回転軸を介して接続されたコンプレッサ翼車を有するコンプレッサと、を備え、スクロール部は、タービン翼車の径方向に並設される複数のスクロールを有し、各々のスクロールについて、スクロールの巻始め位置におけるスクロールの流路断面の断面積をＡとし、流路断面の図心の、タービン翼車の回転軸線からの距離をＲとし、スクロールからタービン翼車への流入部における流路の高さをｂとしたときに、Ａ／（Ｒ・ｂ）の値がすべてのスクロールにおいて略等しい。
【０００６】
流体がスクロールを経由してタービン翼車に流入するときの流れ角は、Ａ／（Ｒ・ｂ）に依存する。ここで、上述の過給機によれば、Ａ／（Ｒ・ｂ）がすべてのスクロールにおいて略等しくなるので、スクロール部の各スクロールを経由した流体の流れ角がすべて略等しくなる。このような流れ角の均一化により、タービン翼車に流体が流入する際に発生する損失が低減され、タービン及び過給機の効率向上が図られる。
【０００７】
また、上記のＡの値がすべてのスクロールにおいて略等しいこととしてもよい。この場合、各スクロールにそれぞれ導入すべき流体の量を等しくすることができ、例えば、過給機を内燃機関に適用し易い。
【０００８】
スクロールの巻始め位置の、タービン翼車の周方向における位置が、すべてのスクロールにおいて同じであることとしてもよい。この場合、各スクロールの流体の導入口を近い位置にまとめて配置することができ、過給機をコンパクトにすることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、タービンが複数のスクロールを有する場合の過給機の効率向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係る過給機を示す断面図である。
【図２】図１の過給機のスクロール部近傍を示す断面図である。
【図３】図２におけるIII-III断面図である。
【図４】図２におけるIV-IV断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明の過給機の実施形態について説明する。
【００１２】
図１に示される過給機１は、例えば、船舶や車両の内燃機関に適用されるものである。図１に示されるように、過給機１は、タービン２とコンプレッサ３とを備えている。タービン２は、タービンハウジング４と、タービンハウジング４に収納されたタービン翼車６と、を備えている。タービンハウジング４は、内側の周縁部で周方向に延びるスクロール部１６を有している。コンプレッサ３は、コンプレッサハウジング５と、コンプレッサハウジング５に収納されたコンプレッサ翼車７と、を備えている。コンプレッサハウジング５は、内側の周縁部で周方向に延びるスクロール部１７を有している。
【００１３】
タービン翼車６は回転軸１４の一端に設けられており、コンプレッサ翼車７は回転軸１４の他端に設けられている。タービンハウジング４とコンプレッサハウジング５との間には、軸受ハウジング１３が設けられている。回転軸１４は、軸受１５を介して軸受ハウジング１３に回転可能に支持されており、回転軸１４、タービン翼車６及びコンプレッサ翼車７が一体の回転体１２として回転軸線Ｈ周りに回転する。
【００１４】
タービンハウジング４には、排気ガス流入口８及び排気ガス流出口１０が設けられている。内燃機関（図示せず）から排出された排気ガス（流体）が、排気ガス流入口８を通じてタービンハウジング４内に流入し、スクロール部１６を通じてタービン翼車６に流入し、タービン翼車６を回転させる。その後、排気ガスは、排気ガス流出口１０を通じてタービンハウジング４外に流出する。
【００１５】
コンプレッサハウジング５には、吸入口９及び吐出口１１が設けられている。上記のようにタービン翼車６が回転すると、回転軸１４を介してコンプレッサ翼車７が回転する。回転するコンプレッサ翼車７は、吸入口９を通じて外部の空気を吸入し、圧縮して、スクロール部１７を通じて吐出口１１から吐出する。吐出口１１から吐出された圧縮空気は、前述の内燃機関に供給される。
【００１６】
続いて、図１〜図４を参照しながら、タービン２のスクロール部１６について更に詳細に説明する。図２は、回転軸線Ｈに直交する断面を取ったスクロール部１６の断面図であり、図３は、回転軸線Ｈを含むIII-III断面図であり、図４は回転軸線Ｈを含むIV-IV断面図である。以下の説明において、単に「軸線方向」、「径方向」、「周方向」と言うときには、それぞれ、タービン翼車６の回転軸線方向、径方向、周方向を意味するものとする。また、「上流」、「下流」などと言うときには、スクロール部１６における排気ガスの上流、下流を意味するものとする。また、回転軸線Ｈを中心として各部位の周方向における位置（θ位置座標）を示す場合、図２において、回転軸線Ｈの右を０度位置、上を９０度位置、左を１８０度位置、下を２７０度位置などと呼ぶ。
【００１７】
スクロール部１６は、タービン翼車の周囲に設けられ、タービン翼車６に送り込まれる排気ガスの流路を構成する。スクロール部１６は、いわゆる「ダブルスクロール」と呼ばれる構造をなし、径方向に並設された２つのスクロールを備えている。これら２つのスクロールのうち、径方向外側に位置するものを第１スクロール２１と呼び、径方向内側に位置するものを第２スクロール２２と呼ぶ。第１スクロール２１は導入口２１ａを有し、第２スクロール２２は導入口２２ａを有している。例えば、導入口２１ａ，２２ａには、それぞれ、内燃機関の異なる気筒からの排気ガスが導入される。
【００１８】
第１スクロール２１の巻始め位置２１ｃ及び第２スクロール２２の巻始め位置２２ｃは、ともに０度位置にある。巻始め位置２１ｃ，２２ｃとは、軸線方向に見て（図２の方向から見て）、第１スクロール２１及び第２スクロール２２の形状の湾曲が始まる位置を言う。
【００１９】
第１スクロール２１のうち導入口２１ａから巻始め位置２１ｃまでの領域は直線状に延在している。巻始め位置２１ｃよりも下流側においては、第１スクロール２１は、タービン翼車６の周囲を巻くように曲率半径と流路幅を縮小しながら０度位置まで３６０度湾曲し延在している。第１スクロール２１は、１８０度位置から０度位置までの領域で、流入部２１ｂに接続されている。流入部２１ｂは、タービン翼車６の直ぐ上流において流路高さ（軸線方向の流路高さ）が絞られた部分であり、タービン翼車６の外周縁に沿って１８０度位置から０度位置まで帯状に延びている。流入部２１ｂの流路高さは、１８０度位置から０度位置まで周方向において一定である。なお、流入部２１ｂには、排気ガスを案内するノズルベーンは設けられていない。導入口２１ａから導入された排気ガスは、巻始め位置２１ｃを通過後、第１スクロール２１を１８０度旋回し、更に１８０度旋回しながら流入部２１ｂを通じて所定の流れ角でタービン翼車６に流入する。なお、「流れ角」とは、軸線方向に見て（図２の方向から見て）、排気ガスがタービン翼車６に流入するときの流れの方向と、流入位置におけるタービン翼車６の回転方向（タービン翼車６の外周縁の接線方向）とがなす角度を言う。
【００２０】
第２スクロール２２のうち導入口２２ａから巻始め位置２２ｃまでの領域は第１スクロール２１と平行に直線状に延在している。巻始め位置２２ｃよりも下流側においては、第２スクロール２２は、第１スクロール２１の内側の位置で、タービン翼車６の周囲を巻くように曲率半径と流路幅を縮小しながら１８０度位置まで湾曲し延在している。第２スクロール２２は、０度位置から１８０度位置までの領域で、流入部２２ｂに接続されている。流入部２２ｂは、タービン翼車６の直ぐ上流において流路高さ（軸線方向の流路高さ）が絞られた部分であり、タービン翼車６の外周縁に沿って０度位置から１８０度位置まで帯状に延びている。流入部２２ｂの流路高さは、０度位置から１８０度位置まで周方向において一定である。なお、流入部２２ｂには、排気ガスを案内するノズルベーンは設けられていない。導入口２２ａから導入された排気ガスは、巻始め位置２２ｃを通過後、第２スクロール２２を１８０度旋回しながら流入部２２ｂを通じてタービン翼車６に所定の流れ角で流入する。
【００２１】
ここで、各スクロールについてのパラメータとして、巻始め位置における当該スクロールの流路断面の断面積をＡで表し、巻始め位置におけるスクロールの流路断面の図心の、回転軸線Ｈからの距離をＲで表し、スクロールからタービン翼車６への排気ガスの流入部における流路の高さをｂで表わす。このとき、Ａ／（Ｒ・ｂ）の値が第１スクロール２１及び第２スクロール２２において略等しくなるようにスクロール部１６が設計されている。
【００２２】
すなわち、第１スクロール２１に関する上記パラメータに「１」の添字を付し、第２スクロール２２に関する上記パラメータに「２」の添字を付して、
Ａ１：巻始め位置２１ｃにおける第１スクロール２１の流路断面の断面積
Ｒ１：上記流路断面の図心２１ｄの、回転軸線Ｈからの距離
ｂ１：第１スクロール２１からタービン翼車６への流入部２１ｂにおける流路高さ
Ａ２：巻始め位置２２ｃにおける第２スクロール２２の流路断面の断面積
Ｒ２：上記流路断面の図心２２ｄの、回転軸線Ｈからの距離
ｂ２：第２スクロール２２からタービン翼車６への流入部２２ｂにおける流路高さ
とすれば、
Ａ１／（Ｒ１・ｂ１）≒Ａ２／（Ｒ２・ｂ２）  …（１）
が成立する。
【００２３】
なお、スクロールの巻始め位置の流路断面が、流入部の断面と連結されて閉じた形状ではなくなる場合もある。この場合、例えば、断面内で流路高さが不連続に変化する部分を流入部の断面との境界と規定して、スクロールの流路断面を規定してもよい。また、例えば、巻始め位置よりも上流側の閉じた流路断面に対応する形状（例えば相似形状）を、巻始め位置における流路断面上に想定して、断面積Ａを規定してもよい。なお、過給機１においては、第１スクロール２１の巻始め位置２１ｃでの流路断面は、閉じた形状をなしている。また、第２スクロール２２では、巻始め位置２２ｃよりも下流側の部分の流路断面は閉じた形状ではないが、巻始め位置２２ｃを境界として上流側の流路断面は閉じた形状をなしている。従って、この境界上に現れる閉じた形状の流路断面を、巻始め位置２２ｃにおける流路断面として規定することができる。なお、図３では、第２スクロール２２の巻始め位置２２ｃにおける流路断面と流入部２２ｂの断面との境界が破線で示されている。
【００２４】
また、Ａ１とＡ２とが略等しくなるようにしてもよい。すなわち、Ａ１≒Ａ２が更に成立するようにしてもよい。巻始め位置２１ｃと巻始め位置２２ｃとの周方向における位置が同じであれば、Ｒ１＞Ｒ２となるので、Ａ１≒Ａ２が成立する場合には、式（１）から、ｂ１＜ｂ２となる。すなわち、図３及び図４にも例示されているように、流入部２１ｂの流路高さｂ１が流入部２２ｂの流路高さｂ２よりも小さくなる。この場合、０度位置と１８０度位置とにおいて、流入部２１ｂと流入部２２ｂとの境界に段差が現れることになる。
【００２５】
続いて、上述した過給機１の作用効果について説明する。この種の過給機のタービンにおいて、スクロールの巻始め位置における排気ガスの流速をｖ０、タービン翼車６の半径をｒ、タービン翼車６に流入する排気ガスの流速ｖ１の周方向成分をｖｕ１、径方向成分をｖｍ１とし、排気ガスの圧縮性を無視すれば、
質量保存則より、ｖ０・Ａ＝ｖｍ１・２π・ｒ・ｂとなり、
角運動量保存則より、ｖ０・Ｒ＝ｖｕ１・ｒとなる。
これらの関係から、タービン翼車への排気ガスの流れ角αは、
ｔａｎα＝ｖｍ１／ｖｕ１＝Ａ／（２π・ｂ・Ｒ）
となるので、流れ角αはＡ／（Ｒ・ｂ）により決定される。
【００２６】
ここで、上述の過給機１によれば、
Ａ１／（Ｒ１・ｂ１）≒Ａ２／（Ｒ２・ｂ２）  …（１）
が成立するので、第１スクロールを経由した排気ガスの流れ角α１と、第２スクロールを経由した排気ガスの流れ角α２と、が略等しくなる。仮に流れ角α１と流れ角α２とが相違する場合、タービン翼車６への流入直前で衝突し混合する排気ガスが存在するので損失が発生する。よって、流れ角を周方向において均一化することにより、タービン翼車６に排気ガスが流入する際に発生する損失が低減し、タービン２及び過給機１の効率向上が図られる。
【００２７】
なお、数式（１）において、左辺＝右辺ではなく左辺≒右辺としたのは、上記流れ角α１とα２とが完全に同一でなくても、タービン２の効率向上が十分に図られる場合があると考えられるので、このような範囲内における流れ角α１とα２との差異を許容する意味である。流れ角α１とα２との差異を許容する範囲として、例えば、数式（１）の左辺が右辺の０．８５〜１．１５倍である範囲といったような設定をしてもよい。数式（１）の左辺が右辺の０．８５未満又は右辺の１．１５より大の場合には、流れ角α１とα２との差異が大きくなり、タービン２の効率向上が十分に図られない。また、上記範囲の中でも、数式（１）の左辺が右辺の０．９５〜１．０５倍の範囲とすれば更に好ましい。また、当然ながら、上記の作用効果を更に確実に奏するために、
Ａ１／（Ｒ１・ｂ１）＝Ａ２／（Ｒ２・ｂ２）  …（２）
としてもよい。
【００２８】
流れ角を周方向において均一化するためには、流入部２１ｂ，２２ｂにノズルベーンを設けることも考えられるが、上述の過給機１によれば、ノズルベーンを設ける必要がなく、部品点数が削減できるのでコスト低減が可能になる。
【００２９】
また、更に、Ａ１≒Ａ２が成立する場合、第１スクロール２１と第２スクロール２２とにそれぞれ導入すべき排気ガス量を略等しくすることができる。そうすると、例えば、第１スクロール２１、第２スクロール２２にそれぞれ同じ数の気筒を接続するといったように、過給機１を内燃機関に適用し易くなる。なお、Ａ１＝Ａ２ではなくＡ１≒Ａ２としたのは、断面積Ａ１と断面積Ａ２とが完全に同一でなくても、上記作用効果が奏される場合があると考えられるので、このような範囲内における断面積Ａ１と断面積Ａ２との差異を許容する意味である。当然ながら、上記の作用効果を更に確実に奏するために、Ａ１＝Ａ２としてもよい。
【００３０】
また、図２に例示されるように、第１スクロール２１の巻始め位置２１ｃと、第２スクロール２２の巻始め位置２２ｃと、の周方向における位置が同じである場合、導入口２１ａと導入口２２ａとを近い位置にまとめて配置することができ、過給機１をコンパクトにすることができる。
【００３１】
以上、タービンが２つのスクロールを有する過給機１を例として説明したが、上に説明した過給機１のすべての構成は、複数の任意の数のスクロールを有するタービン及び過給機に一般化して適用できることは明らかである。
【００３２】
すなわち、スクロール部が、タービン翼車の径方向に並設されるｎ個の第１〜第ｎスクロール（ｎ＝２，３，…）を有する場合、過給機１の構成に倣って、Ａ／（Ｒ・ｂ）の値がすべてのスクロール（第１〜第ｎスクロール）において略等しくなるようにすればよい。換言すれば、
Ａ１／（Ｒ１・ｂ１）≒Ａ２／（Ｒ２・ｂ２）≒  …  ≒Ａｎ／（Ｒｎ・ｂｎ）
が成立するようにすればよい。この構成により、第１〜第ｎスクロールを経由した排気ガスの流れ角が略均一化され、前述した過給機１と同等の作用効果が奏される。また、
Ａ１／（Ｒ１・ｂ１）＝Ａ２／（Ｒ２・ｂ２）＝  …  ＝Ａｎ／（Ｒｎ・ｂｎ）
としてもよい。
【００３３】
また、上記Ａの値がすべてのスクロール（第１〜第ｎスクロール）において略等しいようにしてもよい。すなわち、Ａ１≒Ａ２≒  …  ≒Ａｎとしてもよい。または、Ａ１＝Ａ２＝  …  ＝Ａｎとしてもよい。また、スクロールの巻始め位置の、周方向における位置が、すべてのスクロール（第１〜第ｎスクロール）において同じであるようにしてもよい。換言すれば、すべてのスクロール（第１〜第ｎスクロール）の巻始め位置が、回転軸線Ｈを含む同一の平面内に存在するようにしてもよい。これらの構成も、過給機１の場合と同様の作用効果を奏する。なお、前述した過給機１の構成は、ｎ＝２の場合に該当する。
【００３４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形したものであってもよい。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１  過給機
２  タービン
３  コンプレッサ
４  タービンハウジング
５  コンプレッサハウジング
６  タービン翼車
７  コンプレッサ翼車
８  排気ガス流入口
９  吸入口
１０  排気ガス流出口
１１  吐出口
１２  回転体
１３  軸受ハウジング
１４  回転軸
１５  軸受
１６  スクロール部
１７  スクロール部
２１  第１スクロール
２１ａ  導入口
２１ｂ  流入部
２１ｃ  巻始め位置
２１ｄ  図心
２２  第２スクロール
２２ａ  導入口
２２ｂ  流入部
２２ｃ  巻始め位置
２２ｄ  図心
Ｈ  回転軸線
【図１】
0006500448.tif 000002
【図２】
0006500448.tif 000003
【図３】
0006500448.tif 000004
【図４】
0006500448.tif 000005