(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスを導入する排気導入口と、該排気ガスを排気する排気排出口と、該排気導入口と該排気排出口とを連通する渦巻き状のスクロール部を有するタービンハウジングと、
前記スクロール部に回転自在に収容されるタービンホイールと、
前記タービンホイールの外周に沿って設けられる複数のベーンの開度を調整することで、該タービンホイールに流入する排気ガスの流速を可変とする可変ノズルと、
前記スクロール部を径方向に内側スクロールと外側スクロールとに分割する分割壁と、
前記内側スクロール又は前記外側スクロールへの排気ガスの流入量を制御する流入量制御手段と、
前記分割壁の排気ガスの流動方向における下流側端部から前記ベーンの近傍で、かつ、該ベーンの作動範囲外まで延設される内側ガイド壁を有するガイド部とを備え、
前記タービンハウジングは、筒形状に形成され内側に前記排気導入口を形成する導入ノズルを有し、
前記ガイド部は、前記導入ノズルの排気ガスの流動方向における下流側端部から前記ベーンの近傍で、かつ、該ベーンの作動範囲外まで延設される外側ガイド壁を有し、
前記内側ガイド壁及び前記外側ガイド壁の前記ベーン側の端部は、該ベーンの最小開度におけるリーディングエッジと対向するベーン側対向部を有することを特徴とする、
ターボチャージャ。
【請求項２】
前記内側ガイド壁及び前記外側ガイド壁は、前記ベーンの回動軸線と平行に立設されることを特徴とする、
請求項１に記載のターボチャージャ。
【請求項３】
前記内側ガイド壁及び前記外側ガイド壁の前記ベーン側の端部は、該端部に前記対向するベーンの回動軸線を中心とする円弧状に形成される前記ベーン側対向部を有することを特徴とする、
請求項１又は請求項２に記載のターボチャージャ。
【請求項４】
前記ベーン側対向部は、前記対向するベーンの最小開度から開放側に所定の範囲で形成されることを特徴とする、
請求項３に記載のターボチャージャ。
【請求項５】
前記タービンホイールが挿入される円形孔が形成され、該孔に沿って前記可変ノズルが設けられるノズルプレートを備え、
前記ガイド部は、前記ノズルプレートに設けられることを特徴とする、
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のターボチャージャ。
【請求項６】
前記ガイド部は、前記ノズルプレートと対向する前記タービンハウジングの内面と当接して、該タービンハウジングと前記ベーンとの間にクリアランスを形成することを特徴とする、
請求項５に記載のターボチャージャ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の過給システムとして用いられるターボチャージャに関し、特に、タービンホイールに流入する排気ガスの流速を可変とする可変ノズルを備えるターボチャージャに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、自動車用の内燃機関において、その出力向上のためには燃焼室へ充填される空気の量を増やすことが好ましい。そこで従来は、ピストンの移動に伴って燃焼室内に発生する負圧により空気を燃焼室に吸入するだけでなく、その空気を強制的に燃焼室へ送り込んで、同燃焼室への空気の充填効率を高めるターボチャージャが提案され、実用化されている。
【０００３】
従来のターボチャージャは、軸受部を介して互いに連結されたタービン部とコンプレッサ部にて構成される。軸受部は、センタハウジングと、センタハウジング内にて軸受を介して回転可能に支持された回転軸を備える。この回転軸は、左右の各端部がセンタハウジングから突出している。また、この回転軸は、一端部にタービン部を構成するタービンホイールが一体回転可能に接合され、このタービンホイールはタービンハウジングに収容される。一方、回転軸は、他端部にコンプレッサ部を構成するコンプレッサホイールが一体回転可能に接合され、このコンプレッサホイールはコンプレッサハウジングに収容される。
【０００４】
タービンホイールは、内燃機関の排気通路を流れる排気ガスが流入することによって回転し、その回転力は回転軸を介してコンプレッサホイールに伝達される。そして、コンプレッサホイールは、このタービンホイールの回転と共に一体となって回転し、内燃機関の吸気通路内の空気の圧力（過給圧）を高め、その結果、圧縮された空気が燃焼室に送り込まれるようになる。
【０００５】
ところで、このようなターボチャージャでは、複数のノズルベーンの開閉によりタービンホイールへのガス流速を制御できるようにした可変ノズルベーン付きターボチャージャが知られている。この複数のノズルベーンは、タービンホイールの軸線を中心としてこのタービンホイールの外側に周方向に沿って等間隔に設けられ、互いに同期した状態で開閉動作する。タービンホイールに導入される排気ガスの流速は、上記ノズルベーンの開度を変更して、隣り合うノズルベーン間の流路面積を変化させることによって調整される。こうしてノズルベーンを開閉させて上記排気ガスの流速調整を行うことにより、タービンホイール及びコンプレッサホイールの回転速度が調整され、ひいては燃焼室に導入される空気の圧力が調整される。こうした燃焼室への吸入空気量の調整を行うことにより、内燃機関の出力向上と燃焼室内の異常燃焼防止との両立が可能となる。
【０００６】
また、このような可変ノズルベーン付きターボチャージャでは、排気ガス流路を２つに分け、この２つの流路のいずれか一方、あるいは、両方を用いて排気ガスをタービンホイールに導入するものがある。さらに、このような２つの流路を有するターボチャージャとして、ノズルベーンを通過しタービンホイールに流入する排気ガスの動圧をより有効に利用するために、内燃機関の気筒に応じてタービンスクロール内を隔壁により２室に分割したツインエントリ型のタービンスクロールを有し、可変ノズルベーンの回動軸まわりに円板状の壁を設けることで、一方の流路から他方の流路への排気ガスの干渉を防止する構造を有するターボチャージャがある（例えば、特許文献１）。
【０００７】
【特許文献１】実開昭６２−１４１６３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した特許文献１に記載されているバリアブルノズル付ターボチャージャでは、回動軸まわりに設けられる壁により２流路を各々流れる排気ガスの干渉を防止して動圧をより有効に利用し、可変ノズルベーンにより排気ガスの流れを適切に制御しているものの、制御することのできる排気ガス量の最小流量に限度があり、ノズルベーンの開度を小さくしすぎると、ノズルベーンとハウジングとの間に設けられるクリアランスからの排気ガスの漏れ量が増大したり、また、排気ガスの流動方向に対してベーン角度が寝すぎていることによって流力性能が悪化したりすることで、適正なタービン性能を確保することができないことがあった。すなわち、導入される排気ガスの流量が少ないときにタービンホイールの回転を適正に制御することができないことがあった。
【０００９】
そこで本発明は、導入される排気ガスの流量が少ないときでもタービンホイールの回転を適正に制御し、タービン効率を向上させることのできるターボチャージャを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明によるターボチャージャは、排気ガスを導入する排気導入口と、該排気ガスを排気する排気排出口と、該排気導入口と該排気排出口とを連通する渦巻き状のスクロール部を有するタービンハウジングと、前記スクロール部に回転自在に収容されるタービンホイールと、前記タービンホイールの外周に沿って設けられる複数のベーンの開度を調整することで、該タービンホイールに流入する排気ガスの流速を可変とする可変ノズルと、前記スクロール部を径方向に内側スクロールと外側スクロールとに分割する分割壁と、前記内側スクロール又は前記外側スクロールへの排気ガスの流入量を制御する流入量制御手段と、前記分割壁の下流側端部から前記ベーンの近傍で、かつ、該ベーンの作動範囲外まで延設される内側ガイド壁を有するガイド部とを備え、前記タービンハウジングは、筒形状に形成され内側に前記排気導入口を形成する導入ノズルを有し、前記ガイド部は、前記導入ノズルの排気ガスの流動方向における下流側端部から前記ベーンの近傍で、かつ、該ベーンの作動範囲外まで延設される外側ガイド壁を有し、前記内側ガイド壁及び前記外側ガイド壁の前記ベーン側の端部は、該ベーンの最小開度におけるリーディングエッジと対向するベーン側対向部を有することを特徴とする。
【００１２】
請求項２に係る発明によるターボチャージャでは、前記内側ガイド壁及び前記外側ガイド壁は、前記ベーンの回動軸線と平行に立設されることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に係る発明によるターボチャージャでは、前記内側ガイド壁及び前記外側ガイド壁の前記ベーン側の端部は、該端部に前記対向するベーンの回動軸線を中心とする円弧状に形成される前記ベーン側対向部を有することを特徴とする。
【００１４】
請求項４に係る発明によるターボチャージャでは、前記ベーン側対向部は、前記対向するベーンの最小開度から開放側に所定の範囲で形成されることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に係る発明によるターボチャージャでは、前記タービンホイールが挿入される円形孔が形成され、該孔に沿って前記可変ノズルが設けられるノズルプレートを備え、前記ガイド部は、前記ノズルプレートに設けられることを特徴とする。
【００１６】
請求項６に係る発明によるターボチャージャでは、前記ガイド部は、前記ノズルプレートと対向する前記タービンハウジングの内面と当接して、該タービンハウジングと前記ベーンとの間にクリアランスを形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るターボチャージャによれば、タービンホイールに流入する排気ガスの流速を可変とする可変ノズルと、スクロール部を径方向に内側スクロールと外側スクロールとに分割する分割壁と、内側スクロール又は外側スクロールへの排気ガスの流入量を制御する流入量制御手段と、分割壁の下流側端面からベーンの近傍で、かつ、該ベーンの作動範囲外まで延設される内側ガイド壁を有するガイド部とを備えるので、導入される排気ガスの流量が少ないときでも、流入量制御手段により排気ガスの流入量を制御し、ガイド部により一方のスクロールから他方のスクロールへの排気ガスの流れ込みを防止することで、タービンホイールの回転を適正に制御し、タービン効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明に係るターボチャージャの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例】
【００１９】
図１は、本発明の実施例に係るターボチャージャのタービン部側の部分断面図、図２は、本発明の実施例に係るターボチャージャのタービン部の径方向断面図、図３は、本発明の実施例に係るターボチャージャにおけるノズルプレートの可変ノズル全閉時の正面図、図４は、本発明の実施例に係るターボチャージャにおけるノズルプレートの可変ノズル全開時の正面図である。ターボチャージャ１は、自動車用の内燃機関において、その出力や燃費の向上のために燃焼室へ充填される空気を圧縮してから燃焼室に送り込んで、同燃焼室への空気の充填効率を高めるものである。
【００２０】
図１及び図２に示すように、ターボチャージャ１は、軸受部５０を介して互いに連結されたタービン部２とコンプレッサ部（不図示）にて構成される。軸受部５０は、センタハウジング５１と、センタハウジング５１内にて回転軸７を回転可能に支持する軸受を備える。この回転軸は、左右の各端部がセンタハウジング５１から突出している。そして、回転軸７は、一端部にタービン部２を構成するタービンホイール８が一体回転可能に接合され、このタービンホイール８はタービンハウジング６に収容される。一方、回転軸７は、他端部にコンプレッサ部を構成するコンプレッサホイールが一体回転可能に接合され、このコンプレッサホイールはコンプレッサハウジング（不図示）に収容される。
【００２１】
ターボチャージャ１のタービン部２は、排気導入口３、排気排出口４及び該排気導入口３と該排気排出口４とを連通するスクロール部５を有するタービンハウジング６と、スクロール部５に回転自在に収容されるタービンホイール８と、開度を調整することでタービンホイール８に流入する排気ガスの流速を可変とする可変ノズル９を備える。さらに、ターボチャージャ１のタービン部２は、スクロール部５を分割する分割壁３０と、ターボチャージャ１への排気ガスの流入量を制御する流入量制御手段としての開閉バルブ３１と、内側ガイド壁３２を有するガイド部３４を備える。本図に示すこのターボチャージャ１は、内燃機関の負荷や回転数に応じて可変ノズル９の開度を調整することで、排気ガスの流速を調節して最適な過給を図る可変容量型のターボチャージャである。
【００２２】
タービンハウジング６は、スクロール壁６１と、導入ノズル６２と、排出ノズル６３が一体となって形成される。スクロール壁６１は、内部に流路面積が漸次減少する渦巻き状の排気流路としてのスクロール部５を形成する。導入ノズル６２は、略円筒形状に形成され、内側に排気導入口３を形成する。排出ノズル６３は、略円筒形状に形成され、内側に排気排出口４を形成する。導入ノズル６２は、渦巻き状のスクロール部５の接線方向に排気ガスを導入するように形成され、一方、排出ノズル６３は、円筒形の軸線がスクロール部５の渦巻きのほぼ中央に位置するように形成される。排出ノズル６３の軸線は、円筒形の導入ノズル６２の軸線に対してほぼ垂直となる。また、導入ノズル６２と排出ノズル６３は、各々がスクロール壁６１から外側に突出するように形成される。導入ノズル６２の中空部分としての排気導入口３と、排出ノズル６３の中空部分としての排気排出口４とは、上述したように、スクロール部５を介して連通される。導入ノズル６２には内燃機関から排気管が接続され、内燃機関の排気ガスは、この排気導入口３から導入され、スクロール部５を介して排気排出口４の方向（図１中矢印で示す方向）に流動し排出される。
【００２３】
タービンホイール８は、図２に示すように、タービンハウジング６内に形成されるスクロール部５の渦巻きのほぼ中央に位置するように回転軸７の一端に固定される。タービンホイール８は、複数の羽根状のブレード１４を有している。複数のブレード１４は、タービンホイール８の外周面に、それぞれ周方向に均等に間隔をあけて設けられ、排気ガスが流入する流路を複数の空間に仕切る。タービンホイール８が固定されている回転軸７は、回転軸線７ａを回転中心として回転可能にセンタハウジング５１に支持され、該回転軸線７ａは、タービンホイール８の軸線、排出ノズル６３の円筒形状の軸線とほぼ一致する。タービンホイール８は、この回転軸線７ａを回転中心として回転する。
【００２４】
分割壁３０は、スクロール部５を径方向に内側スクロール５ａと外側スクロール５ｂとに分割する。この分割壁３０は、スクロール部５において排気導入口３側からほぼ半周分に形成される。ここで、スクロール部５の径方向とは、スクロール部５に収容されているタービンホイール８の回転中心としての回転軸線７ａに直交する方向である。すなわち、分割壁３０は、スクロール壁６１の内面に上述の回転軸線７ａとほぼ平行となるように設けられ、スクロール部５を内側スクロール５ａと外側スクロール５ｂとに分割する。また、分割壁３０は、長手方向に対する両側部においてスクロール壁６１の内面と一体に形成される。このように、スクロール壁６１と分割壁３０とを一体に形成することで、内側スクロール５ａの空間と外側スクロール５ｂの空間とをより確実に分割することが可能となる。
【００２５】
可変ノズル９は、複数のベーン１５を有し、該ベーン１５を回動して開度を調整することでタービンホイール８に流入する排気ガスの流速を可変とする。ベーン１５は、タービンハウジング６とセンタハウジング５１との間に設けられるノズルプレート１６にピン１５ａを介して回動可能に支持される。ノズルプレート１６は、円盤状に形成され、さらに、タービンホイール８が挿入される円形孔１６ａが形成される。各ベーン１５は、ノズルプレート１６のタービンハウジング６側の端面、すなわち、排気流路としてのスクロール部５中に設けられ、ノズルプレート１６の円形孔１６ａに沿って、すなわち、タービンホイール８の外周面に沿ってそれぞれ周方向に均等に間隔をあけて環状に設けられる。
【００２６】
各ベーン１５は、ノズルプレート１６とセンタハウジング５１と間に設けられるベーン駆動機構１７により前記ピン１５ａの軸線を回動軸線１５ｂとして回動する。この回動軸線１５ｂは、上述したタービンホイール８の回転軸線７ａと平行である。ベーン駆動機構１７は、ピン１５ａの他端部（ベーン１５とは反対側の端部）に取り付けられる開閉レバー１７ａと、ノズルプレート１６に対して相対的に回動するリングプレート１７ｂを有する。リングプレート１７ｂは、ノズルプレート１６のセンタハウジング５１側の面に設けられ、内周部に開閉レバー１７ａが連結される。開閉レバー１７ａは、このリングプレート１７ｂの回動に基づいてピン１５ａを回動させ、そのピン１５ａの回動によってベーン１５が開閉動作するようになる。また、ベーン駆動機構１７は、ノズルプレート１６のセンタハウジング５１側の面に設けられるストッパローラ１７ｃを有する。リングプレート１７ｂの回動に基づいて回動される開閉レバー１７ａは、このストッパローラ１７ｃと当接することによって、その回動範囲が規制される。つまり、隣り合うベーン１５間の流路面積の大きさが制御される。また、各ベーン１５は、開度がほぼ全閉側である際に、隣接するベーン１５と部分的に重なるように配置される。各ベーン１５は、排気ガスの流動方向に対して下流に行くにしたがって先細となるように形成され、上流側端部、つまり、厚い側の端部がリーディングエッジ１５ｄ（図３、図４参照）をなす。
【００２７】
可変ノズル９が取り付けられたノズルプレート１６は、その外周面１６ｂがタービンハウジング６に形成される円形孔６５の内側に挿入される。そして、このノズルプレート１６は、複数のスペーサボルト２０及びナット２１等を介して、タービンハウジング６に固定されると共に、背面側（センタハウジング５１側）がセンタハウジング５１と当接し、このセンタハウジング５１を取付プレート２２、ボルト２３等を介してタービンハウジング６に連結することで、タービンハウジング６に組み付けられる。
【００２８】
ノズルプレート１６と該ノズルプレート１６と対向するタービンハウジング６の内面は、上述の複数のスペーサボルト２０により所定の間隔が保持される。このノズルプレート１６とタービンハウジング６の内面との間の空間は、タービンホイール８に排気ガスを導く排気流路としてのスクロール部５の一部を構成する。上述した可変ノズル９のベーン１５は、このノズルプレート１６とタービンハウジング６の内面との間の空間に位置する。また、スペーサボルト２０は、このタービンハウジング６の内面と当接して、このタービンハウジング６の内面とベーン１５との間に隙間をあけ、ノズルサイドクリアランスを形成する。このように、タービンハウジング６の内面とベーン１５との間にノズルサイドクリアランスを形成することで、各ベーン１５の作動がスムーズになる。ノズルサイドクリアランスは、この隙間からの排気ガスの漏洩を最小限に抑えるため、タービンハウジング６の内面とベーン１５が当接しない範囲で最小に形成する。
【００２９】
排気導入口３に導入される排気ガスは、スクロール部５を通過する間に加速され、可変ノズル９を通過して複数のブレード１４にあたり、タービンホイール８を回転駆動させる。そして、タービンホイール８が回転することで、このタービンホイール８に固定される回転軸７も一体となって回転し、回転軸７の他端に固定されているコンプレッサホイールも一体となって回転する。これにより、内燃機関の吸気通路内の空気の圧力（過給圧）が高められ、その結果、圧縮された空気が燃焼室に送り込まれるようになる。
【００３０】
また、可変ノズル９の各ベーン１５は、ベーン駆動機構１７により回動軸線１５ｂを中心として回動することで、回転軸線７ａと直交する方向に開閉し、隣接するベーン１５同士の隙間としての流路面積が可変となり、タービンホイール８に流入する排気ガスの流速を変化させることができる。可変ノズル９のベーン１５の開度を調整することで、タービンホイール８へ流入する排気ガスの流量を増減して流速を調節することになり、タービンホイール８、回転軸７及びコンプレッサホイールの回転速度が適宜に調節され、結果的に、吸気通路における空気の圧力が調節されることで充填効率が調整される。こうした燃焼室への吸入空気量の調整を行うことにより、内燃機関の出力向上と共に燃焼室内の異常燃焼防止も可能となる。
【００３１】
すなわち、内燃機関の回転数が低い低速域では、排気量は比較的少ない。このとき、ターボチャージャ１において、可変ノズル９のベーン１５の開度を閉側に調整する。これにより、スクロール部５を流れる排気ガスは可変ノズル９を通過する際に流速が速められ、タービンホイール８を高速回転させる。その後、排気ガスは、排気排出口４を経て外部へ排出される。この間、上述のようにタービンホイール８の回転により回転軸７が回転して、コンプレッサホイールを回転させる。この結果、内燃機関の吸気通路内の空気が圧縮されて、ターボチャージャ１の回転数に応じた過給圧となって、高い密度の吸気として内燃機関の吸気ポートへ導入される。
【００３２】
一方、内燃機関の回転数が高い高速域では、排気量は多い。このとき、ターボチャージャ１において、可変ノズル９のベーン１５の開度を開側に調整する。これにより、排気ガスは可変ノズル９を通過する際に流速がほとんど上昇せずに（ベーン１５が閉状態のときよりも遅い）、タービンホイール８を回転させる。これにより、コンプレッサホイールの必要以上の回転を防止するように、タービンホイール８の回転は制御されて、内燃機関の運転領域において排気量が多い領域でも設定された過給圧に制御することができる。
【００３３】
ところで、このターボチャージャ１では、上述したように、ターボチャージャ１への排気ガスの流入量を制御する開閉バルブ３１と、内側ガイド壁３２を有するガイド部３４を備えることで、導入される排気ガスの流量が少ないときでもタービンホイールの回転を適正に制御することにより、タービン効率の向上を図っている。
【００３４】
開閉バルブ３１は、外側スクロール５ｂ内の排気導入口３側に配設され、外側スクロール５ｂへの排気ガスの流入量を制御する。開閉バルブ３１は、該開閉バルブ３１が位置する部分における外側スクロール５ｂの流路断面とほぼ同様な形状をなし、不図示の駆動手段により回転軸３１ａを中心にして回転することで全閉位置又は全開位置に移行する。開閉バルブ３１の全開位置は、図２に実線で示すように、排気ガスの流動方向に対して平行となる位置であり、このとき、開閉バルブ３１を通過する排気ガスの圧力損失はほとんどない。開閉バルブ３１の全閉位置は、図２に破線で示すように、排気ガスの流動方向に対して直交する位置であり、このとき、外側スクロール５ｂを閉止、すなわち、外側スクロール５ｂにおける排気ガスの流路面積をほぼゼロとし、外側スクロール５ｂへの排気ガスの流入を規制する。開閉バルブ３１は、内燃機関から排出される排気量に応じて全閉位置又は全開位置に移行し、外側スクロール５ｂへの排気ガスの流入量を制御する。開閉バルブ３１は、不図示の制御部に接続されており、この制御部により開閉バルブ３１の開閉が制御されている。
【００３５】
ガイド部３４をなす内側ガイド壁３２は、分割壁３０の端部、さらに具体的には排気ガスの流動方向に対する下流側端部からベーン１５の近傍で、かつ、該ベーン１５の作動範囲外まで延設される。また、ガイド部３４は、外側ガイド壁３３を有し、この外側ガイド壁３３は、導入ノズル６２の下流側端部からベーン１５の近傍、かつ、該ベーン１５の作動範囲外まで延設される。内側ガイド壁３２は、ベーン１５の回動軸線１５ｂと平行となるように立設される。すなわち、内側ガイド壁３２は、上述した分割壁３０が立設される方向とほぼ平行なるように形成され、この分割壁３０の端面との隙間を最小限にして連続的に設けられる。外側ガイド壁３３も同様に、分割壁３０が立設される方向とほぼ平行なるように形成され、導入ノズル６２の端面との隙間を最小限にして連続的に設けられる。また、この内側ガイド壁３２及び外側ガイド壁３３は共に、図３、図４に示すように、上述したノズルプレート１６の縁部に、このノズルプレート１６と一体に形成される。また、内側ガイド壁３２と外側ガイド壁３３とは、ノズルプレート１６の中心に向かって対向する位置に形成される。すなわち、内側ガイド壁３２は、ノズルプレート１６上の外側ガイド壁３３とほぼ１８０°反対側に位置する。
【００３６】
内側ガイド壁３２及び外側ガイド壁３３のベーン１５側の端部は、図３に示すように、各々複数のベーン１５のうちの１つのベーン１５と対向するベーン側対向部３５が形成される。各ベーン側対向部３５は、ベーン１５が最小開度に位置する際に、向かい合うベーン１５のリーディングエッジ１５ｄと対向する。各ベーン側対向部３５は、この対向するベーン１５の回動軸線１５ｂを中心とする円弧状に形成される。つまり、各ベーン側対向部３５の円弧とリーディングエッジ１５ｄの軌道は、回動軸線１５ｂ上の中心１５ｃを共有する同心円となる。これにより、内側ガイド壁３２及び外側ガイド壁３３をベーン１５の作動範囲外で、かつ、できる限り近い位置まで延設することができ、内側ガイド壁３２及び外側ガイド壁３３と各ベーン１５との間隔をリーディングエッジ１５ｄと接触しない範囲で最小限とすることができる。
【００３７】
また、各ベーン側対向部３５は、図４に示すように、対向するベーン１５の最小開度から開放側に所定の範囲、具体的にはベーン１５の作動範囲の半分程度の範囲で形成される。言い換えれば、各ベーン側対向部３５は、ベーン１５の回動範囲の中心角θ１が各ベーン側対向部３５の円弧の中心角θ２とベーン１５の閉位置側で重なり、開位置側では重ならないように形成される。これにより、ベーン１５が上記の開度以上に開側に回動すると、ベーン側対向部３５とリーディングエッジ１５ｄとが対向する部分がなくなり、内側ガイド壁３２及び外側ガイド壁３３がベーン１５間の流路を塞がずに、排気ガスが通過可能な流路として開放することができる。
【００３８】
次に、図１及び図２を参照してターボチャージャ１の作用を説明する。上記のように構成されるターボチャージャ１では、内燃機関の回転数が低い低速域や急加速時において導入される排気ガス量は比較的少ない。このとき、ターボチャージャ１において、可変ノズル９のベーン１５の開度を閉側に調整する。これにより、スクロール部５を流れる排気ガスは可変ノズル９を通過する際に流速が速められ、タービンホイール８を高速回転させる。しかしながら、ここで、ベーン１５の開度を小さくしすぎると、ベーン１５とタービンハウジング６の内面との間に形成されるノズルサイドクリアランスからの排気ガスの漏れ量が増大したり、また、排気ガスの流動方向に対してベーン１５の角度が寝すぎていることによって排気ガスの流れを僅かに乱し、流力性能が悪化したりするおそれがある。
【００３９】
そこで、ターボチャージャ１に導入される排気ガス量は比較的少ない際には、開閉バルブ３１を全閉位置に移行させ、外側スクロール５ｂを閉止し、外側スクロール５ｂへの排気ガスの流入を規制する。すなわち、スクロール部５のうち内側スクロール５ａのみに排気ガスを導入する。そして、内側ガイド壁３２により内側スクロール５ａ内を流れる排気ガスが外側スクロール５ｂ側へ流れ込むことを確実に防止し、該内側スクロール５ａ内を流れる排気ガスをこの内側ガイド壁３２に沿ってベーン１５側へ案内する。この結果、排気ガスが流れる空間を内側スクロール５ａ内に限定することで、スクロール部５における排気ガス流路の容積がほぼ半減される。導入された排気ガスは、この内側スクロール５ａ内のみを通過することから、可変ノズル９に至る前にある程度加速されるので、この可変ノズル９において排気ガスを大きく加速させる必要がない。したがって、排気ガスの流速は、ベーン１５の開度を排気ガスの流動方向に対して極端に寝かせなくとも、タービンホイール８の回転を適正に制御するのに十分な流速となる。
【００４０】
一方、このターボチャージャ１では、内燃機関の回転数が高い高速域において導入される排気ガス量は比較的多い。このとき、ターボチャージャ１において、可変ノズル９のベーン１５の開度を開側に調整する。これにより、排気ガスは可変ノズル９を通過する際に流速がほとんど上昇せずに（ベーン１５が閉状態のときよりも遅い）、タービンホイール８を回転させる。しかしながら、ここで、導入される排気ガスが多量になると、ベーンの開度調整だけでは流速を調節しきれないためタービン効率が低下するおそれがある。
【００４１】
そこで、ターボチャージャ１に導入される排気ガス量が一定量に達した際には、開閉バルブ３１を全開位置に移行させ、外側スクロール５ｂを開放し、外側スクロール５ｂへの排気ガスの導入を開始する。すなわち、スクロール部５の内側スクロール５ａ、外側スクロール５ｂの両方に排気ガスを導入する。この結果、排気ガスが流れる空間を内側スクロール５ａ及び外側スクロール５ｂに増加させることで、スクロール部５における排気ガス流路の容積が増加される。導入された排気ガスは、この内側スクロール５ａ及び外側スクロール５ｂ内を通過することから、可変ノズル９に至る前でも加速され過ぎず、この可変ノズル９において速度の調整が可能となるため、タービンホイール８の回転を適正に制御するのに適した流速となる。また、この間、内側スクロール５ａ内を流れる排気ガスは、内側ガイド壁３２によりこの内側ガイド壁３２に沿ってベーン１５側へ案内され、外側スクロール５ｂ内を流れる排気ガスは、外側ガイド壁３３によりこの外側ガイド壁３３に沿ってベーン１５側へ案内される。この結果、内側スクロール５ａ内を流れる排気ガスと外側スクロール５ｂ内を流れる排気ガスとが互いに干渉することが抑制される。
【００４２】
図５は、本発明の実施例に係るターボチャージャにおける排気ガス量とタービン効率との関係を示す線図である。本図では、横軸をターボチャージャ１に導入される排気ガス量、縦軸をタービン効率とする。また、本図中、開閉バルブ３１が全閉位置にある際、すなわち、タービン容量が小さい状態における排気ガス量とタービン効率との関係を二点鎖線Ａで示し、一方、開閉バルブ３１が全開位置にある際、すなわち、タービン容量が大きい状態における排気ガス量とタービン効率との関係を一点鎖線Ｂで示す。ターボチャージャ１では、タービン容量が小さい状態である二点鎖線Ａ、タービン容量が大きい状態である一点鎖線Ｂ共に、グラフの右に行くにしたがって、すなわち、ターボチャージャ１に導入される排気ガス量が多くなるにしたがって可変ノズル９のベーン１５の開度を大きくする。
【００４３】
ターボチャージャ１では、上述したようなノズルサイドクリアランスからの排気ガスの漏れや流力性能の悪化などの影響により、タービン容量が小さい状態である二点鎖線Ａ、タービン容量が大きい状態である一点鎖線Ｂ共に、全閉側と全開側との中間部分でもっともタービン効率がよくなる。そして、導入される排気ガスの量が少ないときには、開閉バルブ３１を全閉としてタービン容量を小さくしておき、排気ガスの量が増加し、二点鎖線Ａと一点鎖線Ｂとが交差するＣ点において、開閉バルブ３１を全開位置に移行させる。これにより、本図中太線で示すように、ターボチャージャ１のタービン効率が向上する。
【００４４】
以上で説明した本発明の実施例に係るターボチャージャ１によれば、排気ガスを導入する排気導入口３と、該排気ガスを排気する排気排出口４と、該排気導入口３と該排気排出口４とを連通する渦巻き状のスクロール部５を有するタービンハウジング６と、スクロール部５に回転自在に収容されるタービンホイール８と、タービンホイール８の外周に沿って設けられる複数のベーン１５の開度を調整することで、該タービンホイール８に流入する排気ガスの流速を可変とする可変ノズル９と、スクロール部５を径方向に内側スクロール５ａと外側スクロール５ｂとに分割する分割壁３０と、外側スクロール５ｂへの排気ガスの流入量を制御する開閉バルブ３１と、分割壁３０の排気ガスの流動方向における下流側端部からベーン１５の近傍で、かつ、該ベーン１５の作動範囲外まで延設される内側ガイド壁３２を有するガイド部３４とを備える。
【００４５】
したがって、排気導入口３によりタービンハウジング６内に排気ガスが導入され、この排気ガスはスクロール部５で加速されながら可変ノズル９に至り、この可変ノズル９で流速が調整されてタービンホイール８に流入し、このタービンホイール８を回転させ、排気排出口４から排気される。タービンホイール８は、回転軸７と共にコンプレッサホイールを回転させ、内燃機関の吸気通路内の空気を圧縮する。ここで、排気ガスが通過するスクロール部５は、分割壁３０により内側スクロール５ａと外側スクロール５ｂとに分割され、ターボチャージャ１に導入される排気ガス量は比較的少ない際には、開閉バルブ３１により外側スクロール５ｂを閉止し、内側スクロール５ａのみに排気ガスを導入する。そして、内側スクロール５ａ内を流れる排気ガスは、分割壁３０からベーン１５に接触しない範囲でこのベーン１５近傍まで延設される内側ガイド壁３２により、外側スクロール５ｂ側へ流れ込むことが確実に抑制される。この結果、スクロール部５における排気ガス流路の容積がほぼ半減され、排気ガスはこの内側スクロール５ａ内のみを通過することから、可変ノズル９に至る前にある程度加速されるので、導入される排気ガスの流量が少ないときでも、ノズルベーンの開度を小さくしすぎてノズルサイドクリアランスからの排気ガスの漏れ量が増大したり、また、排気ガスの流動方向に対してベーン角度が寝すぎていることによって流力性能が悪化したりすることなく、タービンホイールの回転を適正に制御することができ、特に内燃機関の低回転域でのタービン効率を高めることができる。
【００４６】
さらに、導入される排気ガスの量が増加し一定量に達した段階で、開閉バルブ３１を全開位置に移行させ、外側スクロール５ｂを開放し、内側スクロール５ａ、外側スクロール５ｂの両方に排気ガスを導入する。この結果、スクロール部５における排気ガス流路の容積が増加し、導入された排気ガスはこの内側スクロール５ａ及び外側スクロール５ｂ内を通過することから、可変ノズル９に至る前でも加速され過ぎず、この可変ノズル９において速度の調整が可能となるので、タービンホイール８の回転を適正に制御し、タービン効率を向上させることができる。また、このターボチャージャ１で対応することのできる排気ガスの流量範囲も広くすることができる。
【００４７】
また、開閉バルブ３１を全閉位置又は全開位置として、排気ガスの流路容量を調節した上で、可変ノズル９によりタービンホイール８に流入する排気ガスの流速を微調整することで、開閉バルブ３１を半開状態に維持することなく、タービンホイール８の回転を制御するので、この開閉バルブ３１における排気ガスの圧力損失によるタービン効率の低下を抑制することができる。
【００４８】
さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るターボチャージャ１によれば、タービンハウジング６は、筒形状に形成され内側に排気導入口３を形成する導入ノズル６２を有し、ガイド部３４は、導入ノズル６２の排気ガスの流動方向における下流側端部からベーン１５の近傍で、かつ、該ベーン１５の作動範囲外まで延設される外側ガイド壁３３を有する。したがって、開閉バルブ３１を全開位置に移行させた際に、内側スクロール５ａ内を流れる排気ガスは、内側ガイド壁３２によりこの内側ガイド壁３２に沿ってベーン１５側へ案内され、外側スクロール５ｂ内を流れる排気ガスは、外側ガイド壁３３によりこの外側ガイド壁３３に沿ってベーン１５側へ案内され、内側スクロール５ａ内を流れる排気ガスと外側スクロール５ｂ内を流れる排気ガスとが互いに干渉することが抑制されるので、各スクロールを流れる排気ガスを好適な方向からタービンホイール８に流入させることができ、結果的に排気ガスの動圧を有効に利用することができる。
【００４９】
さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るターボチャージャ１によれば、ガイド部３４をなす内側ガイド壁３２及び外側ガイド壁３３は、ベーン１５の回動軸線１５ｂと平行に立設される。したがって、内側ガイド壁３２及び外側ガイド壁３３をそれぞれ１つ設ければ、複数のベーン１５各々にガイド壁を設ける必要がないので、簡易な構成で内側スクロール５ａ側から外側スクロール５ｂ側へ排気ガスの流れ込みを抑制することができる。
【００５０】
さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るターボチャージャ１によれば、ガイド部３４をなす内側ガイド壁３２及び外側ガイド壁３３のベーン１５側の端部は、該ベーン１５の最小開度におけるリーディングエッジ１５ｄと対向し、該端部に前記対向するベーン１５の回動軸線１５ｂを中心とする円弧状に形成されるベーン側対向部３５を有する。したがって、内側ガイド壁３２及び外側ガイド壁３３をベーン１５の作動範囲外で、かつ、できる限り近い位置まで延設することができ、内側ガイド壁３２及び外側ガイド壁３３と各ベーン１５との間隔をリーディングエッジ１５ｄと接触しない範囲で最小限とすることができので、内側スクロール５ａ側から外側スクロール５ｂ側へ排気ガスの流れ込みを最小限にすることができる。
【００５１】
さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るターボチャージャ１によれば、ベーン側対向部３５は、対向するベーン１５の最小開度から開放側に所定の範囲で形成される。したがって、ベーン１５が上記の開度以上に開側に回動すると、ベーン側対向部３５とベーン１５のリーディングエッジ１５ｄとが対向する部分がなくなり、内側ガイド壁３２及び外側ガイド壁３３がベーン１５間の流路を塞がずに、排気ガスが通過可能な流路として開放することができるので、内側ガイド壁３２及び外側ガイド壁３３における排気ガスの圧力損失によるタービン効率の低下を抑制することができる。
【００５２】
さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るターボチャージャ１によれば、タービンホイール８が挿入される円形孔１６ａが形成され、該孔１６ａに沿って可変ノズル９が設けられるノズルプレート１６を備え、ガイド部３４をなす内側ガイド壁３２及び外側ガイド壁３３は、ノズルプレート１６に設けられる。したがって、内側ガイド壁３２及び外側ガイド壁３３をノズルプレート１６を一体に形成し、可変ノズル９をノズルプレート１６に設置してからこのノズルプレート１６をタービンハウジング６に組み付けることで、ガイド部３４及び可変ノズル９をタービンハウジング６内に設けることができるので製作が容易となる。
【００５３】
なお、上述した本発明の実施例に係るターボチャージャ１は、上述した実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。以上の説明では、ガイド部３４として外側ガイド壁３３を備えるものとして説明したがこれを備えなくても、本発明の構成によれば、導入される排気ガスの流量が少ないときでもタービンホイール８の回転を適正に制御し、タービン効率を向上させることができる。
【００５４】
また、以上の説明では、分割壁３０とスクロール壁６１とを継ぎ目なく一体に形成するものとして説明したが、それぞれ別体に形成し、分割壁３０をスクロール壁６１に固定するようにしてもよい。さらに、内側ガイド壁３２及び外側ガイド壁３３は、ノズルプレート１６と一体に形成されるものとして説明したが、各々別体に形成してもよい。また、ノズルプレート１６を備えない構成としてもよく、この場合、内側ガイド壁３２及び外側ガイド壁３３や可変ノズル９は、例えば、タービンハウジング６の内面に直接組み付ければよい。
【００５５】
さらに、以上の説明では、開閉バルブ３１は、外側スクロール５ｂ内の排気導入口３側に配設され、外側スクロール５ｂへの排気ガスの流入量を制御するものとして説明したが、内側スクロール５ａ内に設け、内側スクロール５ａへの排気ガスの流入量を制御するように構成してもよい。また、開閉バルブ３１は、全開位置又は全閉位置に移行することで排気ガスの流量を調整するものとして説明したが、この開閉バルブ３１を半開状態に維持して排気ガスの流量を調整するようにしてもよい。この場合、排気ガスの流量をよりフレキシブルに調整することができる。また、以上の説明では、スクロール部５を内側スクロール５ａと外側スクロール５ｂの２流路に分割するものとして説明したが、内側スクロール５ａと外側スクロール５ｂとの間に中央スクロールを設けて３流路としてもよいし、さらに複数の流路に分割してもよい。
【００５６】
さらに、以上の説明では、スペーサボルト２０によりタービンハウジング６の内面とベーン１５との間にクリアランスを形成するものとして説明したが、ガイド部３４をなす内側ガイド壁３２及び外側ガイド壁３３によりこのクリアランスを形成するようにしてもよい。すなわち、内側ガイド壁３２及び外側ガイド壁３３をベーン１５よりも若干高く形成することで、内側ガイド壁３２及び外側ガイド壁３３をスペーサとして兼用し、スペーサボルト２０を省略する。これにより、このスペーサボルト２０による排気ガス圧力損失がなくなり、また、ターボチャージャ１を構成する部品点数を削減することができるので、より安価なターボチャージャとすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
以上のように、本発明に係るターボチャージャは、排気ガスを可変ノズルに導くスクロール部を分割壁により径方向に分割し、この分割壁から可変ノズルのベーン近傍までガイド部を形成することで、導入される排気ガスの流量が少ないときでもタービンホイールの回転を適正に制御し、タービン効率を向上させたものであり、可変ノズルを備えるターボチャージャに用いて好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施例に係るターボチャージャのタービン部側の部分断面図である。
【図２】本発明の実施例に係るターボチャージャのタービン部の径方向断面図である。
【図３】本発明の実施例に係るターボチャージャにおけるノズルプレートの可変ノズル全閉時の正面図である。
【図４】本発明の実施例に係るターボチャージャにおけるノズルプレートの可変ノズル全開時の正面図である。
【図５】本発明の実施例に係るターボチャージャにおける排気ガス量とタービン効率との関係を示す線図である。
【符号の説明】
【００５９】
１    ターボチャージャ
２    タービン部
３    排気導入口
４    排気排出口
５    スクロール部
５ａ    内側スクロール
５ｂ    外側スクロール
６    タービンハウジング
７    回転軸
８    タービンホイール
９    可変ノズル
１５    ベーン
１５ｄ    リーディングエッジ
１６    ノズルプレート
１７    ベーン駆動機構
２０    スペーサボルト
３０    分割壁
３１    開閉バルブ（流入量制御手段）
３２    内側ガイド壁（ガイド部）
３３    外側ガイド壁（ガイド部）
３４    ガイド部
３５    ベーン側対向部
６１    スクロール壁
６２    導入ノズル
６３    排出ノズル
【図１】
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【図２】
0004797788.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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