(57)【要約】      （修正有）【課題】本発明は、タービン効率の低下を抑制することができるタービン、及びこれを備えるターボチャージャを提供することを目的とする。【解決手段】タービン１０及びターボチャージャは、ロータ軸１６とタービンホイール１８とを備えるタービンロータと、内燃機関の排気が送り込まれるタービンハウジング１４と、タービンハウジング１４内の排気を翼間流路２２へ流出させる一次ノズル３０と、内燃機関の回転数に応じて選択的にタービンハウジング１４内の排気を翼間流路２２へ流出させる二次ノズル３２と、一次ノズル３０と二次ノズル３２とを隔てる隔壁４２と、を備え、隔壁４２の内側端部４２Ａは、一次ノズル３０の出口端部よりロータ軸１６の半径方向内側に位置し、かつ、一次ノズル３０の出口端部におけるシュラウド側の端部とタービンホイール１８の外周部１８Ａにおけるハブ側の端部とを結んだ線よりロータ軸１６の半径方向外側に位置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ軸と、翼間流路を形成する複数の動翼を有し前記ロータ軸の軸方向一方側に設けられたタービンホイールと、を備えるタービンロータと、
前記タービンホイールを囲んで設けられ、内燃機関の排気が送り込まれるタービンハウジングと、
前記タービンハウジングに設けられ、前記タービンハウジング内の排気を前記翼間流路へ流出させる一次ノズルと、
前記タービンハウジングに設けられ、前記内燃機関の回転数に応じて選択的に前記タービンハウジング内の排気を前記翼間流路へ流出させる二次ノズルと、
前記タービンハウジングに設けられ、前記一次ノズルと前記二次ノズルとを隔てる隔壁と、
を備え、
前記ロータ軸の半径方向における前記隔壁の内側端部は、前記一次ノズルの出口端部より前記半径方向内側に位置し、かつ、前記一次ノズルの前記出口端部における前記ロータ軸の軸方向一方側であるシュラウド側の端部と前記タービンホイールの外周部における前記ロータ軸の軸方向他方側であるハブ側の端部とを結んだ線、又は前記一次ノズルの前記出口端部における前記ハブ側の端部と前記タービンホイールの前記外周部における前記シュラウド側の端部とを結んだ線より前記半径方向外側に位置する、タービン。
【請求項２】
前記一次ノズルと前記二次ノズルは前記ロータ軸の軸方向に沿って並列に配置されており、前記一次ノズルが前記シュラウド側、前記二次ノズルが前記ハブ側とされている、請求項１に記載のタービン。
【請求項３】
前記一次ノズル及び前記二次ノズルは複数のノズルベーンを備えており、前記ノズルベーンの前記一次ノズル及び前記二次ノズルにおける出口側の外周形状が対数螺旋に沿った曲線形状とされている、
請求項１又は２に記載のタービン。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載のタービンを備えるターボチャージャ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の過給に用いられるタービン、及びこれを備えるターボチャージャに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気をタービンホイールの翼間流路に流すことによりタービンロータを回転させるターボチャージャが知られている。このターボチャージャにおいて、例えば特許文献１には、仕切壁によって隔てられた固定ノズル及び可変ノズルを備え、内燃機関の低回転時には固定ノズルのみから翼間流路に排気を流し、内燃機関の中高回転時には可変ノズルからも翼間流路に排気を流すターボチャージャが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１９２１２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のターボチャージャでは、ロータシャフトの半径方向において仕切壁の内周端部と固定ノズルの出口端部は略同じ位置とされているため、固定ノズルを通過した排気が可動ノズル側へ逆流し易い。また、仕切壁の内周端部と固定ノズルの出口端部はタービンホイールの羽根に近接した位置とされているため、固定ノズルを通過した排気はタービンホイールの羽根の一部にしか当たらない。
【０００５】
本発明は、上記の事実を考慮し、タービン効率の低下を抑制することができるタービン、及びこれを備え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】
【０００６】
請求項１に記載のタービンは、ロータ軸と、翼間流路を形成する複数の動翼を有し前記ロータ軸の軸方向一方側に設けられたタービンホイールと、を備えるタービンロータと、前記タービンホイールを囲んで設けられ、内燃機関の排気が送り込まれるタービンハウジングと、前記タービンハウジングに設けられ、前記タービンハウジング内の排気を前記翼間流路へ流出させる一次ノズルと、前記タービンハウジングに設けられ、前記内燃機関の回転数に応じて選択的に前記タービンハウジング内の排気を前記翼間流路へ流出させる二次ノズルと、前記タービンハウジングに設けられ、前記一次ノズルと前記二次ノズルとを隔てる隔壁と、を備え、前記ロータ軸の半径方向における前記隔壁の内側端部は、前記一次ノズルの出口端部より前記半径方向内側に位置し、かつ、前記一次ノズルの前記出口端部における前記ロータ軸の軸方向一方側である前記シュラウド側の端部と前記タービンホイールの外周部における前記ロータ軸の軸方向他方側であるハブ側の端部とを結んだ線、又は前記一次ノズルの前記出口端部における前記ハブ側の端部と前記タービンホイールの前記外周部における前記シュラウド側の端部とを結んだ線より前記半径方向外側に位置する。
【０００７】
上記構成によれば、一次ノズルと二次ノズルとを隔てる隔壁の内側端部は、一次ノズルの出口端部よりロータ軸の半径方向内側に位置する。また、隔壁の内側端部は、一次ノズルの出口端部におけるシュラウド側の端部とタービンホイールの外周部におけるハブ側の端部とを結んだ線又は一次ノズルの出口端部におけるハブ側の端部とタービンホイールの外周部におけるシュラウド側の端部とを結んだ線より半径方向外側に位置する。
【０００８】
このため、二次ノズル側への排気の逆流が抑制されるとともにタービンホイールの動翼において排気を受ける幅が広がる。したがって、一次ノズルから翼間流路への排気の流れがスムーズになり、タービン効率の低下を抑制することができる。
【０００９】
請求項２に記載のタービンは、請求項１に記載のタービンにおいて、前記一次ノズルと前記二次ノズルは前記ロータ軸の軸方向に沿って並列に配置されており、前記一次ノズルが前記シュラウド側、前記二次ノズルが前記ハブ側とされている。
【００１０】
上記構成によれば、一次ノズルがシュラウド側に配置され二次ノズルがハブ側に配置されているため、一次ノズルがハブ側に配置され二次ノズルがシュラウド側に配置される構成と比較して、二次ノズル側への排気の逆流量が減少する。このため、タービン効率の低下を抑制することができる。
【００１１】
請求項３に記載のタービンは、請求項１又は２に記載のタービンにおいて、前記一次ノズル及び前記二次ノズルは複数のノズルベーンを備えており、前記ノズルベーンの前記一次ノズル及び前記二次ノズルにおける出口側の外周形状が対数螺旋に沿った曲線形状とされている。
【００１２】
上記構成によれば、ノズルベーンの一次ノズル及び二次ノズルにおける出口側の外周形状が対数螺旋に沿った曲線形状とされているため、一次ノズル及び二次ノズルから翼間流路への排気の流れがスムーズになり、外周形状が直線形状のノズルベーンと比較してタービン効率の低下を抑制することができる。
【００１３】
請求項４に記載のターボチャージャは、請求項１〜３の何れか１項に記載のタービンを備えている。
【００１４】
上記構成によれば、ターボチャージャが上記特徴を有するタービンを備えているため、タービン効率の低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、タービン効率の低下を抑制することができるタービン、及びこれを備えるターボチャージャを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係るタービン及びターボチャージャを軸方向に沿って切断した断面図である。
【図２】（Ａ）は図１におけるＡ−Ａ線断面図であり、（Ｂ）は図１におけるＢ−Ｂ線断面図であり、（Ｃ）はノズルベーンの拡大図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るタービン及びターボチャージャの一次ノズル、二次ノズル、隔壁、及びタービンロータを模式的に示す説明図である。
【図４】（Ａ）は比較例における排気の流れを示す図３に相当する説明図であり、（Ｂ）は本発明の第１実施形態における排気の流れを示す図３に相当する説明図である。
【図５】（Ａ）は比較例における排気の流れを示す図３に相当する説明図であり、（Ｂ）は本発明の第２実施形態における排気の流れを示す図３に相当する説明図である。
【図６】（Ａ）は比較例における排気の流れを示す図２（Ａ）に相当する説明図であり、（Ｂ）は本発明の第１実施形態における排気の流れを示す図２（Ａ）に相当する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係るタービン１０及びターボチャージャ１１について、図１〜図４、及び図６を参照して説明する。
【００１８】
ターボチャージャ１１を構成するタービン１０は、図１に示すように、タービンロータ１２と、タービンロータ１２の外周を囲むように設けられたタービンハウジング１４とを備えている。また、タービンロータ１２は、ロータ軸１６と、ロータ軸１６の軸方向一方側（以下、タービン側又はシュラウド側という）に取り付けられたタービンホイール１８とを有している。
【００１９】
ロータ軸１６は、ハウジング１９に回転可能に支持されており、軸方向他方側（以下、コンプレッサ側又はハブ側という）に図示しないコンプレッサホイールが取り付けられている。また、タービンホイール１８は放射状に延出された複数の動翼２０を有しており、複数の動翼２０によって翼間流路２２が形成されている。
【００２０】
タービンハウジング１４は、タービン室２４、一次スクロール２６、二次スクロール２８、一次ノズル３０、及び二次ノズル３２を備えている。タービン室２４にはタービンロータ１２が収容され、タービン室２４の上流側（図１における上側及び下側）にはタービン室入口２４Ａが開口しており、下流側であるタービン側（図１における左側）にはタービン室出口２４Ｂが開口している。
【００２１】
一次スクロール２６及び二次スクロール２８は、タービン室２４の半径方向外側に形成されており、互いにロータ軸１６の軸方向に並列して配置されている。なお、一次スクロール２６がシュラウド側（タービン側）、二次スクロール２８がハブ側（コンプレッサ側）とされ、二次スクロール２８の流路容積が一次スクロール２６の流路容積より大きくされている。
【００２２】
また、一次スクロール２６及び二次スクロール２８は渦巻状に延び、一端側（入口側）が内燃機関の排気通路３４と連通している。二次スクロール２８と排気通路３４との接続部分には、制御装置Ｓによって全開状態と全閉状態との間で開閉制御される流量調整弁３６が設けられている。
【００２３】
一次スクロール２６及び二次スクロール２８の他端側（出口側）には、一次スクロール２６及び二次スクロール２８とタービン室入口２４Ａとをそれぞれ連通する一次ノズル３０及び二次ノズル３２が設けられている。
【００２４】
図２（Ａ）に示すように、一次ノズル３０は複数（本実施形態では１２枚）の一次ノズルベーン３８を備えている。一次ノズルベーン３８は一次スクロール２６からタービン室２４へと流出する排気の流量を調整するものであり、一次ノズル３０の周方向に沿って等間隔に配置され、一次ノズル３０の壁面に固定されている。
【００２５】
二次ノズル３２は一次ノズル３０と同様の構成とされており、図２（Ｂ）に示すように、複数（本実施形態では１２枚）の二次ノズルベーン４０を備えている。二次ノズルベーン４０は二次ノズル３２の周方向に沿って等間隔に配置され、二次ノズル３２の壁面に固定されている。
【００２６】
なお、一次ノズルベーン３８及び二次ノズルベーン４０は、一次ノズル３０の出口端部３０Ｂ側及び二次ノズル３２の出口端部３２Ｂ側における外周形状（中心線）が、対数螺旋に沿った曲線形状とされている。なお、対数螺旋とは、自然界でよく見られる螺旋の一種であり、流体が渦状に流動する際に描く螺旋である。
【００２７】
具体的には、図２（Ｃ）に示すように、一次ノズルベーン３８及び二次ノズルベーン４０の外周のうち、一次ノズル３０の入口端部３０Ａ側及び二次ノズル３２の入口端部３２Ａ側の約６５％の範囲は、中心線Ｐが略直線状に延びる部分となっている。そして残りの約３５％である一次ノズル３０の出口端部３０Ｂ及び二次ノズル３２の出口端部３２Ｂまでの範囲は、中心線Ｐが対数螺旋の曲率に沿って曲線状とされた部分となっている。
【００２８】
図１、図３に示すように、ロータ軸１６の半径方向（図３における上下方向）において、一次ノズル３０の出口端部３０Ｂと二次ノズル３２の出口端部３２Ｂとは略同じ位置とされている。また、ロータ軸１６の軸方向（図３における左右方向）における一次ノズル３０（一次ノズルベーン３８）の幅Ｌ１と二次ノズル３２（二次ノズルベーン４０）の幅Ｌ２は、比が２：３となるよう構成されている。
【００２９】
また、一次スクロール２６と二次スクロール２８、及び一次ノズル３０と二次ノズル３２とは、それぞれ隔壁４２によって隔てられて区画されている。ロータ軸１６の軸方向（図３における左右方向）における隔壁４２の幅Ｌ３は、タービン室入口２４Ａの幅Ｌ４に対して１２％〜２０％の範囲となるよう構成されている。
【００３０】
さらに、ロータ軸１６の半径方向（図３における上下方向）において、隔壁４２の内側端部４２Ａは、一次ノズル３０の出口端部３０Ｂ及び二次ノズル３２の出口端部３２Ｂより、半径方向内側（図３における下側）に位置している。
【００３１】
ここで、隔壁４２の内側端部４２Ａは、一次ノズル３０の出口端部３０Ｂにおけるシュラウド側端部Ｘと、タービンホイール１８の外周部１８Ａ（図３における上端部）におけるハブ側端部Ｙとを結んだ仮想線Ｋより、半径方向外側（図３における上側）に位置している。
【００３２】
具体的には、隔壁４２の内側端部４２Ａにおけるシュラウド側端部Ｚと、タービンホイール１８の外周部１８Ａにおけるハブ側端部Ｙとを結んだ線を仮想線Ｒとした場合、仮想線Ｋとタービンホイール１８の外周部１８Ａのなす角は約４０度、仮想線Ｒとタービンホイール１８の外周部１８Ａのなす角は約４５度とされる。
【００３３】
次に、第１実施形態におけるタービン１０及びターボチャージャ１１の作用を説明する。
【００３４】
内燃機関の低回転時には排気通路３４に流れる排気の流量が少ないため、制御装置Ｓによって流量調整弁３６が全閉状態とされる。このとき、排気通路３４を流れる排気は、一次スクロール２６にのみ流入し、一次ノズル３０を通過してタービン室２４へと流入する。
【００３５】
一方、内燃機関の高回転時には排気通路３４に流れる排気の流量が多いため、制御装置Ｓによって流量調整弁３６が全開状態とされる。このとき、排気通路３４を流れる排気は、一次スクロール２６及び二次スクロール２８に流入し、一次ノズル３０及び二次ノズル３２を通過してタービン室２４へと流入する。
【００３６】
タービン室２４に流入した排気は、タービン室２４内に収容されているタービンロータ１２のタービンホイール１８の翼間流路２２へと流入する。翼間流路２２に排気が流れるとタービンホイール１８が回転し、タービンホイール１８が取り付けられているロータ軸１６、及びロータ軸１６に取り付けられている図示しないコンプレッサホイールが同時に回転する。コンプレッサホイールが回転することで、内燃機関の吸気通路内の空気が圧縮されて強制的に燃焼室に向けて送り出される。
【００３７】
ここで、内燃機関の低回転時における本実施形態のタービン１０（ターボチャージャ１１）の排気の流れを図４（Ｂ）に示す。また、図４（Ａ）に比較例として、隔壁８０の内側端部８０Ａが仮想線Ｋよりロータ軸１６の半径方向内側（図４（Ａ）における下側）に位置しているタービン７０を示す。
【００３８】
内燃機関の低回転時において、比較例では、一次ノズル７６を通過した排気はタービンホイール１８の一部にしか当たっておらず、また、タービンホイール１８の遠心力によって二次ノズル７８側へ逆流している。このため、タービンホイール１８への排気の流量が減少し、発生トルクが小さくなるためタービン効率が低下する。
【００３９】
一方、本実施形態では、一次ノズル３０を通過した排気はタービンホイール１８全体に広がっている。すなわち、タービンホイール１８において排気を受ける幅が広くなり、タービン効率の低下が抑制される。
【００４０】
上述したように、本実施形態によると、一次ノズル３０と二次ノズル３２とを隔てる隔壁４２の内側端部４２Ａは、一次ノズル３０の出口端部３０Ｂよりロータ軸１６の半径方向内側に位置している。このため、内燃機関の低回転時において、隔壁４２の内側端部４２Ａが一次ノズル３０の出口端部３０Ｂと同じ位置とされている構成と比較して、二次ノズル３２側への排気の逆流が抑制される。
【００４１】
さらに、隔壁４２の内側端部４２Ａは、一次ノズル３０の出口端部３０Ｂにおけるシュラウド側端部Ｘと、タービンホイール１８の外周部１８Ａにおけるハブ側端部Ｙとを結んだ仮想線Ｋよりロータ軸１６の半径方向外側に位置する。
【００４２】
このため、内燃機関の低回転時において、隔壁４２の内側端部４２Ａがタービンホイール１８の外周部１８Ａに近接している構成と比較して、タービンホイール１８の動翼２０において排気を受ける幅が広がる。したがって、一次ノズル３０から翼間流路２２への排気の流れがスムーズになり、タービン効率の低下を抑制することができる。
【００４３】
また、本実施形態によると、一次ノズル３０がシュラウド側に配置され、二次ノズル３２がハブ側に配置されている。このため、内燃機関の低回転時において、一次ノズル３０がハブ側に配置され二次ノズル３２がシュラウド側に配置される構成と比較して、二次ノズル３２側への排気の逆流量が減少する。したがって、タービン効率の低下を抑制することができる。
【００４４】
また、本実施形態によると、一次ノズルベーン３８及び二次ノズルベーン４０の一次ノズル３０及び二次ノズル３２における出口側の外周形状が、対数螺旋に沿った曲線形状とされている。このため、一次ノズル３０及び二次ノズル３２から翼間流路２２への排気の流れがスムーズになる。
【００４５】
具体的には、図６（Ａ）に比較例として示すように、ノズルベーン４４の外周形状がノズル４６の入口端部４６Ａから出口端部４６Ｂへと略直線状に伸びる形状とされている場合、ノズルベーン４４の先端（ノズル４６の出口端部４６Ｂ）において合流する排気がぶつかり合うため、排気の流速が遅くなる。
【００４６】
一方、図６（Ｂ）に示すように、一次ノズル３０の出口端部３０Ｂ側において、一次ノズルベーン３８の外周形状が対数螺旋の曲率に沿った曲線状とされている。このため、一次ノズルベーン３８の先端（一次ノズル３０の出口端部３０Ｂ）において合流する排気がぶつかり合わず、排気の流速低下が抑制されるとともに圧力損失が小さくなる。
【００４７】
また、一次ノズルベーン３８の先端において排気がスムーズに合流するため、二次ノズル３２側への排気の逆流量が減少し、タービン効率の低下を抑制することができる。なお、二次ノズルベーン４０においても、一次ノズルベーン３８と同等の作用を有する。
【００４８】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係るタービン５０及びターボチャージャ５１について、図５を参照して説明する。なお、全体の構成は第１実施形態のタービン１０及びターボチャージャ１１と同様の構成であるため、同符号を付するとともに適宜省略して説明する。
【００４９】
第２実施形態におけるターボチャージャ５１を構成するタービン５０では、図５（Ｂ）に示すように、一次ノズル５２がハブ側に配置され、二次ノズル５４がシュラウド側に配置されている。
【００５０】
また、隔壁５６の内側端部５６Ａは、一次ノズル５２の出口端部５２Ａにおけるハブ側端部Ｄと、タービンホイール１８の外周部１８Ａ（図５（Ｂ）における上端部）におけるシュラウド側端部Ｅとを結んだ仮想線Ｍより、半径方向外側（図５（Ｂ）における上側）に位置している。
【００５１】
ここで、図５（Ａ）に比較例として、隔壁６２の内側端部６２Ａが仮想線Ｍよりロータ軸１６の半径方向内側（図５（Ａ）における下側）に位置しているタービン７２を示す。
【００５２】
内燃機関の低回転時において、比較例では、一次ノズル５８を通過した排気はタービンホイール１８の一部にしか当たっておらず、また、タービンホイール１８の遠心力により二次ノズル６０側へ逆流している。このため、タービンホイール１８への排気の流量が減少し、発生トルクが小さくなるためタービン効率が低下する。
【００５３】
一方、第２実施形態では、一次ノズル５２を通過した排気はタービンホイール１８全体に広がっている。すなわち、タービンホイール１８において排気を受ける幅が広くなり、タービン効率の低下が抑制される。
【００５４】
（その他の実施形態）
以上、本発明の第１、第２実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものでなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態が可能である。また、第１、第２実施形態は適宜組み合わせて用いることができる。
【００５５】
例えば、上記実施形態では、一次ノズル３０、５２、二次ノズル３２、５４にそれぞれ一次ノズルベーン３８、二次ノズルベーン４０が設けられていたが、二次ノズル３２、５４には二次ノズルベーン４０が設けられていなくてもよい。また、隔壁４２、５６の内側端部４２Ａ、５６Ａには、テーパが設けられていてもよい。さらに、一次ノズル３０、５２と二次ノズル３２、５４の半径方向の位置は略同じ位置とされていたが、二次ノズル３２、５４が一次ノズル３０、５２より半径方向外側とされていてもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１０、５０                  タービン
１１、５１                  ターボチャージャ
１２                        タービンロータ
１４                        タービンハウジング
１６                        ロータ軸
１８                        タービンホイール
１８Ａ                      外周部
２０                        動翼
２２                        翼間流路
３０、５２                  一次ノズル
３０Ｂ、５２Ａ              出口端部
３２、５４                  二次ノズル
３８                        一次ノズルベーン（ノズルベーン）
４０                        二次ノズルベーン（ノズルベーン）
４２、５６                  隔壁
４２Ａ、５６Ａ              内側端部
【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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【図６】
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