(57)【要約】【課題】排気エネルギーを効率よく回収可能なターボチャージャを提供する。【解決手段】タービンホイール３０は、本体部３１および羽根部３２を有する。羽根部３２は本体部３１から径方向外側へ板状に延びる第１羽根３３および第２羽根３４からなる。第１羽根３３の第１トレーリングエッジ３３３の長さをＬ１とし、第２羽根３４の第２トレーリングエッジ３４３の長さをＬ２とすると、Ｌ１とＬ２とは長さが異なる。これにより、排気の流量増加によるチョークを抑制することができる。また、排気の流量が少ないとき、排気のエネルギーを効率よく回収することができ、排気の流量が多いとき、排気の流れの乱れを抑制することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気を圧縮するコンプレッサホイールを有するコンプレッサと、
前記コンプレッサホイールと同軸に設けられ一体に回転する本体部、ならびに、当該本体部から径方向外側へ板状に延びる第１羽根および第２羽根からなる羽根部を有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内部空間を形成する収容部、前記内部空間に開口し排気が流通する第１通路、および、前記内部空間のうち前記第１通路の開口よりも前記本体部の軸方向の前記コンプレッサとは反対側に開口し排気が流通する第２通路を有するタービンハウジングと、
前記第２通路を流れる排気の流量を調整可能な流量調整手段と、を備え、
前記第１羽根は、前記第１通路の開口に対向する第１リーディングエッジ、前記第２通路の開口に対向する第１チップ、および、当該第１チップの前記第１リーディングエッジとは反対側の端部から前記本体部の回転軸へ向かって延びる第１トレーリングエッジを有し、
前記第２羽根は、前記第１通路の開口に対向する第２リーディングエッジ、前記第２通路の開口に対向する第２チップ、および、当該第２チップの前記第２リーディングエッジとは反対側の端部から前記本体部の回転軸へ向かって延びる第２トレーリングエッジを有し、
前記第１トレーリングエッジの長さをＬ１とし、前記第２トレーリングエッジの長さをＬ２とすると、Ｌ１とＬ２とは長さが異なることを特徴とするターボチャージャ。
【請求項２】
前記第１羽根および前記第２羽根は、０．１≦Ｌ２／Ｌ１≦０．５の関係を満たすよう形成されてい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】
前記第２チップの前記第２通路の開口に対向する部分は、前記第２羽根の前記第２通路の開口の前記第１通路側端部に対向する位置から前記第２トレーリングエッジの前記本体部とは反対側の端部までを結ぶ仮想直線よりも前記本体部側に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のターボチャージャ。
【請求項４】
前記第１羽根と前記第２羽根とは、前記本体部に交互に同数配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項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、エンジンの過給システムに用いられるターボチャージャに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンの排気の流れによってタービンホイールを回転させ、このタービンホイールにシャフトを介して連結されているコンプレッサホイールを回転させることにより、吸気通路内の空気をエンジンの燃焼室に過給し、エンジン出力を向上させるターボチャージャが知られている。
特許文献１のターボチャージャでは、タービンハウジングは、第１スクロール流路、および、第２スクロール流路を有する。また、タービンホイールは、本体部、および、軸方向に延設される複数の羽根からなり、第１スクロール流路に対向している第１流入部、および、第２スクロール流路に対向している第２流入部を有する。ここで、タービンホイールの第２流入部に設けられる羽根枚数は、第１流入部に設けられる羽根枚数より少ない。すなわち、複数の羽根のうち一部の羽根を第２流入部の箇所で本体部まで切り欠くことで、スロート面積を増大させている。これにより、高負荷時の排気のチョークの抑制を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１９２１７２
【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、上記ターボチャージャは、一部の羽根が第２流入部の箇所で本体部まで切り欠かれているため、排気流量が少ないとき、排気エネルギーの回収効率が低減するおそれがある。また、排気流量が多いとき、第１スクロール流路から流入した排気と第２スクロール流路から流入した排気とが羽根の切り欠き箇所で合流することによって、排気の流れが乱れ、排気エネルギーの回収効率が低減するおそれがある。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気エネルギーの回収効率の高いターボチャージャを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に係る発明は、コンプレッサとタービンホイールとタービンハウジングと流量調整手段とを備える。コンプレッサは、吸気を圧縮するコンプレッサホイールを有する。タービンホイールは、本体部および羽根部を有する。本体部は、コンプレッサホイールと同軸に設けられ、コンプレッサホイールと一体に回転する。羽根部は本体部から径方向外側へ板状に延びる第１羽根および第２羽根からなる。タービンハウジングは、収容部、第１通路、および、第２通路を有する。収容部は、タービンホイールを収容する内部空間を形成する。第１通路は、内部空間に開口し排気が流通する。第２通路は、内部空間のうち第１通路の開口よりも本体部の軸方向のコンプレッサとは反対側に開口し排気が流通する。流量調整手段は、第２通路を流れる排気の流量を調整可能である。
【０００６】
第１羽根は、第１通路の開口に対向する第１リーディングエッジ、第２通路の開口に対向する第１チップ、および、第１チップの第１リーディングエッジとは反対側の端部から本体部の回転軸へ向かって延びる第１トレーリングエッジを有する。
第２羽根は、第１通路の開口に対向する第２リーディングエッジ、第２通路の開口に対向する第２チップ、および、第２チップの第２リーディングエッジとは反対側の端部から本体部の回転軸へ向かって延びる第２トレーリングエッジを有する。
ここで、第１トレーリングエッジの長さをＬ１とし、第２トレーリングエッジの長さをＬ２とすると、Ｌ１とＬ２とは長さが異なる。
【０００７】
これにより、第２羽根の第２チップの第２通路の開口に対向する部分の本体部からの距離と、第１羽根の第１チップの第２通路の開口に対向する部分の本体部からの距離とが異なる。つまり、第１羽根の第１チップまたは第２羽根の第２チップは、第２通路の開口に対向する箇所で一部が切り欠かれている。このため、第２通路の開口に対向する位置のスロート面積が増大する。よって、第２通路から内部空間に排気が流入する時、排気の流量増加によるチョークを抑制することができる。
【０００８】
また、第１チップまたは第２チップは、第２通路の開口に対向する部分が本体部から径外方向へ所定長さ延びるよう形成されている。このため、第１羽根と第２羽根との間の排気の流路は、本体部の側面の軸方向の一端から他端まで形成される。そのため、排気は、第１羽根と第２羽根との間の排気の流路を流れるとき、本体部の側面の軸方向の一端から他端まで、第１羽根および第２羽根に継続的な押し付け圧力を与えることができる。よって、排気の流量が少ないときであっても、第１通路から入った排気のエネルギーを効率よく回収することができる。
そして、排気の流量が多い時、第２通路から排気が流入しても、第２通路の開口に対向する第１羽根と第２羽根との間の排気の流路を流れる排気の流れによって、第２通路から流入した排気が整流され、排気の流れの乱れが抑制される。よって、第１通路および第２通路から流入した排気のエネルギーを効率よく回収することができる。
【０００９】
請求項２に係る発明によると、第１羽根および第２羽根は、０．１≦Ｌ２／Ｌ１≦０．５の関係を満たすよう形成されている。
これにより、排気流量の増加によるチョークを抑制する効果、排気の流量が少ないとき排気のエネルギーを効率よく回収できる効果、および、排気の流量が多いとき排気の流れの乱れを抑制する効果を高めることができる。
【００１０】
請求項３に係る発明によると、第２チップの第２通路の開口に対向する部分は、第２羽根の第２通路の開口の第１通路側端部に対向する位置から前記第２トレーリングエッジの本体部とは反対側の端部までを結ぶ仮想直線よりも本体部側に形成されている。
これにより、第２通路から排気が流入する時、排気流量の増加によるチョークを抑制する効果をさらに高めることができる。
【００１１】
請求項４に係る発明によると、第１羽根と第２羽根とは、本体部の周方向に交互に同数配置されている。
よって、排気のエネルギーを効率よく回収する効果をより高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態のターボチャージャを適用したガソリンエンジンシステムの概略を示す模式図。
【図２】本発明の一実施形態のターボチャージャのタービンホイール側の部分断面図。
【図３】本発明の一実施形態のターボチャージャのタービンホイール側の要部断面図。
【図４】本発明の一実施形態のターボチャージャのタービンホイールを示す平面図。
【図５】本発明の一実施形態のターボチャージャのタービンホイールを示す側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態によるターボチャージャを図１〜図５に基づいて説明する。
（一実施形態）
本発明の一実施形態によるターボチャージャを適用したガソリンエンジンシステムを図１に示す。ガソリンエンジンシステム１は、吸気管１１、ターボチャージャ１０、内燃機関（以下、「エンジン」という）１２、排気管１３、電子制御装置１４、スロットル１５、および、インタークーラ１６などを備え、車両に搭載されている。
【００１４】
本実施形態の場合、ターボチャージャ１０は、コンプレッサ２０、タービンホイール３０、タービンハウジング４０、および、流量調整手段５０などを備える。
コンプレッサ２０は、吸気管１１の途中に設けられている。コンプレッサ２０は、コンプレッサハウジング２１、および、コンプレッサハウジング２１に収容されるコンプレッサホイール２２を有する。コンプレッサ２０は、コンプレッサホイール２２の回転によって、吸気管１１から取り込まれた吸気を圧縮し、エンジン１２に供給する。
【００１５】
タービンハウジング４０は、図２に示すように、収容部４５、環状通路部４４、および、入口部４３を有している。
【００１６】
収容部４５は、略筒状であり、軸孔４７、収容凹部４８、および排気出口４９を有する。収容部４５は、内側に略円筒状の内部空間４５０が形成されている。軸孔４７は、収容部４５の軸方向の一端の中央に形成されている。軸孔４７には、シャフト１００が挿入されている。収容凹部４８は、タービンハウジング４０の内壁の軸孔４７側に形成されている。排気出口４９は、タービンハウジング４０の軸孔４７とは反対側の外壁の中央に形成されている。本実施形態では、軸孔４７と収容凹部４８と排気出口４９とは同軸に形成されている。
環状通路部４４は、収容部４５の径外側に形成されている。
入口部４３は、環状通路部４４の外壁から突出するよう形成され、排気入口４３１を有する。
【００１７】
入口部４３および環状通路部４４の内側の空間は、仕切り部４６によって分断されることによって、第１通路４１および第２通路４２を形成している。第１通路４１は、直線状の入口通路４１１と環状の第１環状通路４１２を有する。また、第２通路４２は、直線状の入口通路４２１と環状の第２環状通路４２２を有する。第１環状通路４１２は径方向内側に第１環状開口４１３を有し、第２環状通路４２２は径方向内側に第２環状開口４２３を有する。第２環状通路開口４２３は、シャフト１００の軸方向において第１環状開口４１３よりも排出口４８側に形成されている。ここで、特許請求の範囲における「第１通路の開口」は第１環状開口４１３に相当し、「第２通路の開口」は第２環状開口４２３に相当する。
【００１８】
流量調整手段５０は、入口部４３の第２入口通路４２１に設けられ、第２通路４２を流れる排気の流量を調整する。
【００１９】
タービンホイール３０は、タービンハウジング４０の収容部４５の内部空間４５０に収容され、本体部３１および羽根部３２を有する。
本体部３１は、略円錐状であり、側面３１１および底面３１２を有する。側面３１１は本体部３１の内側に湾曲して凹むよう形成される。底面３１２には中央にシャフト１００が接続されている。本体部３１は、シャフト１００を介してコンプレッサホイール２２と同軸に設けられ、コンプレッサホイール２２と一体に回転可能である（図１参照）。
【００２０】
羽根部３２は、本体部３１の側面３１１から径方向外側へ延びる第１羽根３３および第２羽根３４からなる。第１羽根３３および第２羽根３４は、側面３１１の軸方向の一端から他端まで形成され、本体部３１の周方向に沿って交互に同数配置されている（図４および図５参照）。
【００２１】
図２に示すように、第１羽根３３は、第１リーディングエッジ３３１、第１チップ３３２、第１トレーリングエッジ３３３、および、第１ハブ３３４を有する板状である。第１リーディングエッジ３３１は第１環状開口４１３に対向している。第１チップ３３２は、第２環状開口４２３、および、仕切り部４６の径方向内側の端部４６１に対向している。第１トレーリングエッジ３３３は、第１チップ３３２の第１リーディングエッジ３３１とは反対側の端部から本体部３１の回転軸へ向かって延びるよう形成されている。第１ハブ３３４は、第１リーディングエッジ３３１の第１チップ３３２とは反対側の端部から第１トレーリングエッジ３３３の第１チップ３３２とは反対側の端部まで、側面３１１に沿って形成されている。
【００２２】
第２羽根３４は、第２リーディングエッジ３４１、第２チップ３４２、第２トレーリングエッジ３４３、および、第２基部としての第２ハブ３４４を有する。第２リーディングエッジ３４１は第１環状開口４１３に対向している。第２チップ３４２は、第２環状開口４２３、および、仕切り部４６の径方向内側の端部４６１に対向し、段差部３４５を有する。段差部３４５は、第２環状開口４２３に対向している。また、段差部３４５は、第２環状通路４２２の第２環状開口４２３に対向する第１チップ３３２よりも本体部３１側に位置するよう形成されている。第２トレーリングエッジ３４３は、第２チップ３４２の第２リーディングエッジ３４１とは反対側の端部から本体部３１の回転軸へ向かって延びるよう形成されている。第２ハブ３４４は、第２リーディングエッジ３４１の第２チップ３４２とは反対側の端部から第２トレーリングエッジ３４３の第２チップ３４２とは反対側の端部まで、側面３１１に沿って形成されている。ここで、段差部３４５は、特許請求の範囲における「第２チップの前記第２通路の開口に対向する部分」に相当する。
【００２３】
図３に示すように、第１トレーリングエッジ３３３および第２トレーリングエッジ３４３は、第２環状開口４２３の排気出口４９側の端部よりも排気出口４９側に位置するよう形成されている。また、第２チップ３４２に段差部３４５が形成されているため、第２トレーリングエッジ３４３の長さは第１トレーリングエッジ３３３の長さより短く形成されている。本実施形態の場合、第１トレーリングエッジ３３３の長さをＬ１とし、第２トレーリングエッジ３４３の長さをＬ２とすると、第１トレーリングエッジ３３３および第２トレーリングエッジ３４３は、０．１≦Ｌ２／Ｌ１≦０．５の関係を満たすよう形成されている。
【００２４】
また、本実施形態では、第２チップ３４２の段差部３４５は、第２環状開口４２３の第１環状通路４１２側の端部Ｐに対向する第２羽根３４の位置から第２トレーリングエッジ３４３の本体部３１とは反対側の端部までを結ぶ仮想直線Ｑよりも本体部３１側に形成されている。
【００２５】
続いて、本実施形態によるターボチャージャ１０の作動について説明する。
排気流量が少ない低速低負荷運転時等には、第２入口通路４２１は流量調整手段５０によって閉塞される。よって、排気は第１通路４１のみに導かれる。排気は第１通路４１から収容部４５の内部空間４５０に流入する。内部空間４５０に流入した排気は矢印Ｈ１に沿って流れ、側面３１１の軸方向の一端から他端まで形成されている第１羽根３３および第２羽根３４に排気の押し付け圧力を加える。そのため、第１羽根３３および第２羽根３４によって、排気エネルギーを効率よく回収することができる。
【００２６】
また、排気流量が多い高速高負荷運転時等には、流量調整手段５０の開度が大きく設定される。このとき、排気は第１通路４１と第２通路４２とに分かれて導かれる。
図３に示すように、矢印Ｈ１に沿って流れる排気は、側面３１１の軸方向の一端から他端まで、第１羽根３３および第２羽根３４に比較的大きい押し付け圧力を加える。
【００２７】
一方、第２通路４２から入った排気は、矢印Ｈ３に沿って内部空間４５０に流れ込んだ後、第１通路４１から入って矢印Ｈ２に沿って流れる排気と合流する。合流した排気は、矢印Ｈ１に沿って流れる排気の流れに整流され、矢印Ｈ４に沿って流れる。よって、合流した排気は、流れが乱れず、第１羽根３３に押し付け圧力を加えりつつ、排気出口４９から排出される。
【００２８】
排気は第１羽根３３および第２羽根３４に押し付け圧力を加えることで、タービンホイール３０に回転力を与える。第１羽根３３および第２羽根３４に加えられた押し付け圧力によって回転するタービンホイール３０は、同軸上に形成されたコンプレッサホイール２２に回転力を伝達する。そして、コンプレッサホイール２２の回転によって吸入空気が加圧されエンジン１２に供給される（図１を参照）。
【００２９】
ここで、例えば、第１トレーリングエッジ３３３および第２トレーリングエッジ３４３が、Ｌ２／Ｌ１＜０．１の関係を満たすよう形成される場合、第２チップ３４２は、第２環状開口４２３に対向する部分が本体部３１から径外方向へ極端に短く形成されることとなる。このため、排気が矢印Ｈ１に沿って第１羽根３３と第２羽根３４との間の流路を流れるとき、第２羽根３４の排気の押し付け圧力を受ける部分の面積が小さくなる。よって、排気の流量が少ないとき、排気のエネルギーの回収効率が低減するおそれがある。
そして、第２通路４２から流入した排気と第１通路４１から流入した排気とは、第２環状開口４２３に対向する箇所で合流し、排気の流れが乱れ、排気エネルギーの回収効率が低減するおそれがある。
【００３０】
また、例えば、第１トレーリングエッジ３３３および第２トレーリングエッジ３４３が、Ｌ２／Ｌ１＞０．５の関係を満たすよう形成される場合、第２環状開口４２３に対向する箇所のスロート面積が半減するおそれがある。よって、第２通路４２から排気が流入する場合、排気の流量増加によるチョークが発生するおそれがある。
【００３１】
本実施形態では、第２羽根３４は、第２環状開口４２３に対向する位置に、第１チップ３３２よりも径方向内側に位置する段差部３４５を有する。そして、第１トレーリングエッジ３３３および第２トレーリングエッジ３４３は、０．１≦Ｌ２／Ｌ１≦０．５の関係を満たすよう形成されている。これにより、第２羽根３４の第２チップ３４２は、第２環状開口４２３に対向する箇所で一部が切り欠かれている。このため、第２環状開口４２３に対向する位置のスロート面積が増大する。よって、段差部３４５の第２ハブ３４４とは反対側に、緩衝空間が形成され、第２通路４２から排気が流入するとき、排気の流量増加によるチョークを抑制することができる。
【００３２】
また、第２チップ３４２は、第２環状開口４２３に対向する部分が本体部３１から径外方向へ所定長さ延びるよう形成されている。これにより、第１羽根３３と第２羽根３４との間の流路は矢印Ｈ１に沿って、側面３１１の軸方向の一端から他端まで形成される。このため、排気は、矢印Ｈ１に沿って、第１羽根３３と第２羽根３４との間の流路を流れるとき、側面３１１の軸方向の一端から他端まで、第１羽根３３および第２羽根３４に継続的な押し付け圧力を与えることができる。よって、排気の流量が少ないとき、第１羽根３３および第２羽根３４によって、第１通路４１から流入した排気のエネルギーを効率よく回収することができ、排気エネルギーの回収効率を高めることができる。
【００３３】
さらに、排気の流量が多い時、第２通路４２から流入した排気は、矢印Ｈ１に沿って流れる排気の流れによって整流される。整流された排気は、矢印Ｈ４に沿って流れつつ、第１羽根３３に押し付け圧力を加える。よって、排気の流れが乱れることを抑制することができ、第２通路４２から流入した排気のエネルギーを効率よく回収することができる。
【００３４】
本実施形態では、第２チップ３４２の段差部３４５は、第２羽根３４の第２環状開口４２３の第１環状通路４１２側の端部Ｐに対向する位置から第２トレーリングエッジ３４３の本体部３１とは反対側の端部までを結ぶ仮想直線Ｑよりも本体部３１側に形成されている。これにより、段差部３４５の第２ハブ３４４とは反対側に形成されている緩衝空間の容積を高めることができる。よって、第２通路４２から排気が流入する時、排気流量の増加によるチョークを抑制する効果を高めることができる。
【００３５】
（他の実施形態）
上述の実施形態では、段差部は、略Ｌ字状に切りかかれている。これに対し、他の実施形態では、第２羽根の第２環状開口の第１環状通路側の端部に対向する位置から第２トレーリングエッジの本体部とは反対側の端部までを結ぶ仮想直線よりも本体部側に形成されれば、どのような形状で切り欠かれることとしてもよい。
上述の実施形態では、第１羽根と第２羽根とは交互に同数配置されている。これに対し、他の実施形態では、第１羽根と第２羽根とを交互に異数配置することとしてもよい。
上述の実施形態では、ターボチャージャはガソリンエンジンシステムに適用されている。これに対し、他の実施形態ではターボチャージャをディーゼルエンジンシステムに適用することとしてもよい。
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  ・・・ターボチャージャ
２０  ・・・コンプレッサ
２１  ・・・コンプレッサハウジング
２２  ・・・コンプレッサホイール
３０  ・・・タービンホイール
３１  ・・・本体部
３２  ・・・羽根部
３３  ・・・第１羽根
３４  ・・・第２羽根
４０  ・・・タービンハウジング
４１  ・・・第１通路
４２  ・・・第２通路
５０  ・・・流量調整手段
３３１・・・第１リーディングエッジ
３３２・・・第１チップ
３３３・・・第１トレーリングエッジ
３４１・・・第２リーディングエッジ
３４２・・・第２チップ
３４３・・・第２トレーリングエッジ
４５０・・・内部空間
【図１】
2012087685.tif 000003
【図２】
2012087685.tif 000004
【図３】
2012087685.tif 000005
【図４】
2012087685.tif 000006
【図５】
2012087685.tif 000007